基于玻璃基材的PDLC討論

　　引言

　　近年來，高分子分散型液晶顯示器(polymerdispersed liquid crystal，PDLC) 的一些特殊性能得到了很大的應(yīng)用。本文基于當(dāng)前對PDLC 的理論研究成果，探討和研究了PDLC 器件的顯示原理，同時制作了基于玻璃基材的PDLC，并對其性能進行了討論。

　　1 理論基礎(chǔ)研究

　　高分子分散型顯示器就是用高分子預(yù)聚合物和向列相液晶按照一定的比例混合在一起，由于兩者的分子結(jié)構(gòu)比較相似，所以很容易混合在一起，再通過涂布或灌注到液晶盒里，然后進行聚合反應(yīng)，就完成了制作。聚合方式可分為熱聚合相分離、光聚合相分離、溶劑型聚合反應(yīng)等，本文采用光聚合相分離的辦法制作。其原理就是當(dāng)高分子預(yù)聚合物發(fā)生聚合相反應(yīng)后，高分子聚合物將和液晶分子發(fā)生分離，液晶分子彼此靠攏形成液晶滴，它們分散在高分子中間，其結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1 所示。

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　　在不加電場時，液晶分子在微滴中自由排列，所有微滴也是無序的排列。由于液晶分子是強的光學(xué)各向異性和介電各向異性材料，其有效的折射率不與基體折射率匹配，也就是說它們和高分子聚合物之間互相發(fā)生散射，這樣就形成了霧態(tài)。當(dāng)加上電場時，液晶分子將會呈現(xiàn)一致的平行排列，這樣高分子的折射率與液晶的尋常光折射率一致時，高分子聚合物和液晶分子之間沒有散射，液晶盒將呈現(xiàn)亮態(tài)。現(xiàn)在的應(yīng)用就是基于霧態(tài)和亮態(tài)二者轉(zhuǎn)換，以獲取相應(yīng)的顯示內(nèi)容。因為它不需要偏光片、定向?qū)?，所以制作工序相對普通的TN 和STN 等簡單很多，但是它能有特殊的顯示效果，所以在實際應(yīng)用中還是有很大的發(fā)展空間的。

　　采用Rayleigh- Gans 的散射理論，對雙極排列液晶的微滴，高分子分散型液晶滴顯示的散射截面由式(1)表示：

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　　其中，R 是球形液滴的半徑，np 是高分子的折射系數(shù)。

　　液晶微滴的定量討論表明，閾值電壓與液晶分子在微滴內(nèi)的排列狀態(tài)有關(guān)。對于從雙極排列到平行排列的轉(zhuǎn)變電壓由式(2)表示：

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　　其中， l=a/b ，是液晶微滴長短之比，ρp 和ρLC 分別是高分子和液晶的電導(dǎo)率。

　　所以從以上可以看出，PDLC 的驅(qū)動電壓比較高，雖然可以通過降低盒厚來解決，但降低盒厚會造成對比度下降很多，這個在后文實驗中有所對比。還有就是減小高分子和液晶的電導(dǎo)率之比ρp/ρLC，這也是一個方法。國外現(xiàn)在已研發(fā)出能夠使用在手表上的PDLC，其電壓可以滿足手表的要求，顯示效果也得到了很多消費者的認可。

　　2 實驗方案及其制作

　　首先是進行空盒工序的制作，從制作工序上講，光刻的工藝和材料同TN 產(chǎn)品沒有差別，用同樣的制作工藝即可。因不需要定向?qū)?，所以直接進行絲印邊框和噴灑所需粒徑的襯墊料，然后進行熱壓制盒。通過使用玻璃的基板，可以較容易地制作圖案，還有就是可以獲得想要的膜厚，而且膜厚的精度可以控制在0.5μm 以內(nèi)，這樣實驗時受外界因素影響小，實驗的結(jié)果也會較為準確。

　　然后進行灌液晶的操作，因PDLC 液晶的粘度偏大，所以在制作封口時可以大一些和多一些，以利于灌液晶。

　　最后是進行光聚合反應(yīng)，在這個過程中，光的強度和光照時間都會影響到液晶微粒的尺寸及分布，而這最終要影響到PDLC 膜的電光性能。所以本文在進行光聚合反應(yīng)時，光聚合反應(yīng)的實驗條件是一致的。具體條件是使用高壓汞燈，波長為365nm，光強為8.5mW/cm2，時間為60s。

　　本文選定了一款PDLC 液晶，液晶使用向列相類型，具體參數(shù)為△n=0.22，△ε=13.2，液晶的粘度在180cp，分別用8μm 和20μm 的工藝制作，然后進行on 和off 透過率的測試，也就是通過測試透過率的方法進行PDLC 的性能評估。

　　3 結(jié)果與討論

　　通過以上的設(shè)計和工藝，我們制作了兩個PDLC樣品，并且進行了相關(guān)透過率的測試，如圖2、3 所示。

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　　從圖中可以看出，8μm 的產(chǎn)品只需要12V即可驅(qū)動，而20μm 的產(chǎn)品需要40V 才可以驅(qū)動，并且8μm 產(chǎn)品的開啟透過率為72% ，20μm 產(chǎn)品的開啟透過率為34%。所以在同樣的制備條件下，隨著膜厚的增加，透過率降低，也就是對比度在增加。從理論上分析，因PDLC 膜中聚合物網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)眼分布均勻，其暗態(tài)的透過率降低，對比度明顯增大。當(dāng)然PDLC膜的驅(qū)動電壓也隨著膜厚的增加而升高，公式(2)也說明了這一點。

　　4 結(jié)論

　　從以上實驗數(shù)據(jù)來看，隨著膜厚的增大，對比度越高，但是所需驅(qū)動電壓也越高。當(dāng)然，在不增加膜厚的情況下要提高PDLC 的對比度，還是要遵從將液晶與預(yù)聚物混合時，應(yīng)該選擇那些在預(yù)聚合物中有一定的溶解度，但是溶解度又不能太大的液晶單體，使預(yù)聚合物與液晶的比例盡量接近最大的溶解度，以保證固化前混合液晶能夠很好地溶解在聚合物中，聚合反應(yīng)后又能最大限度地從聚合物中析出。為了獲得整體性能優(yōu)異的PDLC，對預(yù)聚合物和混合液晶的組分以及成膜固化條件進行細致的研究是非常必要的。