聚合物分散液晶简介

发布时间：2022-03-25

聚合物分散液晶，又称为PDLC (polymer dispersed liquid crystal) ，是一种新兴的电光薄膜材料，最早在二十世纪由J. Fergason发现。PDLC是通过特殊手段将液晶以微米或纳米量级的小微滴分散在聚合物基体内，它有着良好的光电特性，在近些年得以快速发展，被广泛应用于如光开关、光调制器、光栅、智能调光玻璃等诸多领域。

PDLC制备方法

PDLC薄膜的制备方法主要有相分离法、空穴法和胶囊法，其中相分离法分为聚合物诱导相分离(Polymerization induced phase separation, PIPS)、热诱导相分离(Temperature induced phase separation, TIPS)、和溶剂诱导相分离(Solvent induced phase separation, SIPS)。表1总结了各种PDLC薄膜的制备方法的特点。

表1 各种PDLC薄膜的制备方法的特点

其中聚合物诱导相分离(PIPS)方法操作简单，制备速度快，形成的PDLC薄膜性能好，是最常用的制备方法。PIPS技术是将带有引发剂的聚合物单体以及液晶材料充分混合，经过光聚合及引发，聚合物发生缩聚反应使混合物发生相分离，形成液晶微滴，随着液滴的生长凝结最终达到微米或纳米尺寸，并均匀分散在聚合物中。图1.1表明PIPS法制备PDLC的演化流程。

图1.1 PIPS制备PDLC的演化流程。

在PIPS技术中，微滴的尺寸形貌等特征与制备条件关系密切。影响液晶微滴形貌特征的因素主要包含三个方面：一是原材料，使用不同类型的聚合物和液晶材料制备PDLC，会产生不同形貌特征的PDLC薄膜；二是原材料比例，通过改变聚合物和液晶的使用比例也可控制PDLC薄膜液滴的形貌；三是聚合速度，无论是温度还是光照强度，聚合速度的改变会对液晶微滴产生重要影响。PIPS技术可以通过控制原材料配方以及聚合速度等制备条件精准控制液晶微滴的形貌，如大小和分布等，获得性能良好的PDLC薄膜^[1]。

采用PIPS方法制备PDLC薄膜，最常用的聚合物是紫外光固化胶NOA65，最常用的液晶材料是E7，二者的相关典型数据如表2和表3所示。

表2 NOA65紫外光固化胶的典型数据

表3 E7液晶的典型数据

PDLC薄膜的形貌表征是研究它的光电特性的重要内容。扫描电子显微镜（Scanning electron microscopy, SEM）是表征PDLC薄膜微观形貌最常用的设备。图1.2分别展示了在不同质量分数的原材料和不同曝光功率下的PDLC薄膜的SEM图，比较图1.2(a)与1.2(b)，可以看出在同个曝光功率下，聚合物含量越高，液晶微滴的尺寸越小；比较图1.2(b)与1.2(c)，在相同质量配比的情况下，曝光功率越大，液晶微滴的尺寸也越小。

图1.2 不同质量分数原材料及曝光功率下PDLC薄膜的形貌。

PDLC的工作机制

PDLC的光学特性是依靠电场来控制的。如图2.1所示，PDLC器件的结构类似三明治，PDLC薄膜被上下两块透明电极之间的电场驱动。当电极之间无外加电场时，如图2.1(a)，液晶指向矢在微滴边界的锚定作用下随机定向。此时E7液晶微滴的等效折射率 n_Leff ≈ (2n_o+n_e)/3 = 1.596，而固化后的聚合物NOA65的折射率n_p= 1.524，二者的折射率存在较大差异，由于折射作用，入射光被严重散射，这对应PDLC薄膜的关态，关态情况下PDLC薄膜呈现乳白色。当外加电场作用到PDLC薄膜时，液晶分子趋于另外一种平衡状态，即液晶在电场作用以及界面锚定力等的共同作用下趋于稳定。当外界电压足够高时，如图2.1(b)所示，液晶指向矢的方向平行于电场，此时液晶微滴的等效折射率n_Leff≈ n_o= 1.521，聚合物的折射率n_p = 1.524，二者折射率大致相同，光不发生散射，几乎完全透射，薄膜变透明^[2]。

图2.1 PDLC关、开状态示意图。

图2.2为一种基于PDLC生产的智能调光玻璃的应用场景。

图2.2 基于PDLC的智能调光玻璃。

PDLC的电光性能

评价PDLC薄膜性能好坏的参数是它的电光性能，电光性能包含电压-透过率特性及响应时间特性等，与PDLC薄膜的微观形貌（如液滴的尺寸等参数）息息相关。

电压-透过率特性是PDLC薄膜最基本的特性，显示了PDLC薄膜透过率的变化范围和工作电压之间的关系。PDLC薄膜典型的电压-透过率曲线如图3.1所示^[3]。

图3.1 典型的PDLC透过率-电压曲线。

通过PDLC的透过率-电压曲线可以获得以下电光性能参数：

阈值电压V_th：PDLC薄膜的透射率达到最大透射率T_on的10%所对应的电压；

饱和电压V_sat：PDLC薄膜的透射率达到最大透射率T_on的90%所对应的电压；

对比度CR：最大透射率T_on和关态透射率T_off的比值。

响应时间特性是评价PDLC薄膜能否实现动态快速调制的关键因素。PDLC的响应时间分为开态响应时间t_on和关态响应时间t_off，分别定义为从最大透射率T_on到关态透射率T_off的变化范围（ΔT = T_on – T_off）的10%增大到90%以及90%降低至10%所对应的时间。PDLC薄膜的开态响应时间和关态响应时间可以表示为：

这里ν和Δε分别是液晶的旋转粘度和介电各向异性，V是驱动电压，d是薄膜厚度，K是液晶弹性常数，a和l分别是椭球液滴的长轴和长径比。根据上式可知，开态响应时间是驱动电压和液晶粘弹性参数的共同作用，而关态响应时间主要依靠PDLC内部的粘弹性参数。一般液滴大小达到微米量级的PDLC薄膜响应时间可达毫秒量级，液滴大小达到纳米量级的PDLC薄膜响应时间可达亚毫秒甚至微秒量级。

上述材料总结了常见的PDLC薄膜的制备方法、工作原理及特性。总之， PDLC薄膜是一种固态薄膜，它制备简单，拥有优异的电光性能，薄膜特殊的微滴结构使得PDLC相关器件的响应速度远快于纯液晶器件。在PDLC薄膜的关态和开态两种状态下，PDLC薄膜都呈现光学各向同性，即对入射光的偏振态无选择性，因此，基于PDLC的光电子器件近年来一直是国内外研究工作者的研究热点，将来也一定会应用在我们生活的方方面面。

参考文献：

[1] R. Blacker, K. Lewis, I. Mason, I. Sage, C. Webb. Nano-Phase Polymer Dispersed Liquid Crystals. Molecular Crystals & Liquid Crystals Science & Technology, 1999, 329(1), 187-198.

[2]王新久. 液晶光学和液晶显示. 科学出版社, 2006.

[3]D. K. Yang, S. T. Wu. Fundamentals of liquid crystal devices. 2014, 10.1002/9781118751992, 127-148.