劉延國， 鞠 純， 王 璐， 袁 冬*， 胡小文， 李 楠， 周國富,,4

(1. 華南師范大學(xué)華南先進(jìn)光電子研究院， 廣州 510006； 2. 華南師范大學(xué)-荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)， 響應(yīng)型材料與器件集成國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510006； 3. 深圳市國華光電科技有限公司， 深圳 518110；4. 深圳市國華光電研究院， 深圳 518110)

染料摻雜的向列相液晶智能調(diào)光器件的開關(guān)態(tài)特性

劉延國1,2， 鞠 純1,2， 王 璐1,2， 袁 冬1,2*， 胡小文1,2， 李 楠3， 周國富1,2,3,4

(1. 華南師范大學(xué)華南先進(jìn)光電子研究院， 廣州 510006； 2. 華南師范大學(xué)-荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)， 響應(yīng)型材料與器件集成國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510006； 3. 深圳市國華光電科技有限公司， 深圳 518110；4. 深圳市國華光電研究院， 深圳 518110)

提出了一種染料摻雜的向列相液晶智能玻璃器件的制作過程并研究了它的開關(guān)態(tài)特性. 先在上下兩基板(ITO)上涂覆聚酰亞胺取向?qū)樱瑢⒁壕戒佋谙禄迳?，再用帶有密封膠框的上基板沿同一摩擦取向方向與下基板壓合，制得向列相液晶器件. 未加電場(chǎng)時(shí)，液晶在取向?qū)拥淖饔孟滦纬善叫信c基板的多疇排列狀態(tài)；施加電場(chǎng)后，液晶逐漸在電場(chǎng)作用轉(zhuǎn)向，由平行于基板的多疇排列狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪庇诨宓膯萎犈帕袪顟B(tài)，可見光在液晶器件中由散射轉(zhuǎn)為透射，由關(guān)態(tài)轉(zhuǎn)為開態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)其明暗的切換. 染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)與驅(qū)動(dòng)電壓共同影響器件的透射率. 器件開關(guān)態(tài)閾值電壓隨器件厚度的增大而增大，在染料液晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、盒厚為30 μm時(shí)，器件的閾值電壓為5 V、飽和電壓為15 V，此時(shí)智能玻璃的透射率最高，明暗切換特性越好.

液晶器件； 智能玻璃； 透射率； 開關(guān)態(tài)； 染料

智能玻璃的出現(xiàn)為人造玻璃的制造技術(shù)帶來了本質(zhì)性的革新，使它達(dá)到了前所未有的新高度[1]. 與晶體相比，玻璃是一種原子及分子排列不規(guī)則的堅(jiān)硬固體，它的高透明度及制作的簡(jiǎn)潔性使其成為制作窗戶和杯子的理想材料. 玻璃的高透明度能帶來很多便利，但同樣存在不足，比如不能營造良好的觀影環(huán)境和午休環(huán)境. 而能實(shí)現(xiàn)透明度可調(diào)的智能玻璃可從根本上解決這些問題：它能根據(jù)個(gè)人的喜好來實(shí)現(xiàn)明暗的切換，從而代替窗簾的作用，節(jié)約大量的布料資源；它的低電壓響應(yīng)特性能夠極大地提高能源使用效率，減少商業(yè)建筑中的大量的電能消耗[2]；它可以用來作為屋頂、天窗、建筑玻璃等，有效地提高太陽能的利用率，例如，當(dāng)陽光強(qiáng)烈時(shí)可以變暗以阻礙或反射太陽光從而減少用于空調(diào)的能源，當(dāng)天氣陰暗時(shí)可以變透明以最大程度地接受太陽光.

智能玻璃的光學(xué)性能可以通過不同化學(xué)原料或形態(tài)學(xué)上的外部刺激來改變，其中包括使用電子或離子嵌入，或光、溫度及電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，亦或使用電致變色材料[3-7]、懸浮粒子、聚合物分散液晶(PDLC)[8-11]等. JELLE等[12-13]基于聚苯胺、普魯士藍(lán)染料、三氧化鎢的電致變色智能窗有良好的透射率及較好的電響應(yīng)特性. SUTKA等[14]將二氧化鈦納米線摻雜到聚二甲基硅氧烷中，利用電場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)二氧化鈦納米線的平行電場(chǎng)排列，從而實(shí)現(xiàn)其光學(xué)性能的變化.

本文首次將染料摻雜到向列相液晶中，再用上下基板壓合的方式填充至液晶盒，制得液晶智能玻璃器件. 將染料摻雜到向列相液晶中能使得液晶在取向?qū)拥淖饔孟滦纬善叫杏诨宓亩喈犈帕袪顟B(tài)，利用電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)液晶由多疇轉(zhuǎn)向單疇排列狀態(tài)，使智能玻璃器件由散射轉(zhuǎn)為透射，由關(guān)態(tài)轉(zhuǎn)為開態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)其明暗切換. 與聚合物分散液晶器件相比，本智能玻璃器件不需要在兩電極中間加入聚合物模塊，制作工藝更簡(jiǎn)單方便. 與傳統(tǒng)智能玻璃相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，制作簡(jiǎn)單，材料便宜，明暗切換特性較好，在玻璃幕墻、智能車窗方面有著巨大的應(yīng)用前景，也可以作為智能窗簾使用，即節(jié)能又環(huán)保.

1 研究方法

1.1 基于染料摻雜的液晶填充及器件封裝工藝

液晶填充及器件的封裝工藝見圖1. 所采用液晶為向列相液晶與染料液晶這2種主宿體混合的液晶，其中主體液晶為江西和成顯示科技股份有限公司的型號(hào)為HSG14000-000的向列相液晶，宿體液晶為染料液晶，由江西和成顯示科技股份有限公司提供，型號(hào)為HDP852000-000E303. 宿體液晶與主體液晶混合質(zhì)量比為5%、10%、15%和25%. 先在上下兩基板(ITO玻璃)上涂覆聚酰亞胺(PI)取向?qū)覽15]. 經(jīng)過摩擦取向后，在室溫下，再將液晶滴在下基板的聚酰亞胺層上，待液晶均勻鋪開后，用帶有密封膠框的上基板與下基板沿同一摩擦取向方向壓合. 液晶會(huì)在壓力的作用下沿各個(gè)方向分散，并逐漸填滿整個(gè)器件[16]. 器件的厚度由膠框的厚度控制.

圖1 液晶器件的制作流程

1.2 開關(guān)態(tài)性能測(cè)試

將染料摻雜液晶填充器件中及封裝壓合后，對(duì)器件進(jìn)行光電測(cè)試. 圖2是用于測(cè)器件透射率的示意圖. 由全光譜光源發(fā)出的光(400～1 000 nm)經(jīng)過光導(dǎo)管傳輸，入射器件后，透射光被積分球收集，經(jīng)光纖傳導(dǎo)，至光譜儀處理計(jì)算，便可在計(jì)算機(jī)上得到相應(yīng)的透射率. 改變?nèi)玖蠐诫s的濃度、外加電壓和器件厚度，探究染料摻雜液晶器件開關(guān)態(tài)時(shí)透射率的變化，并尋找最優(yōu)化的方案.

圖2 器件透射率測(cè)量的示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 液晶器件開態(tài)與關(guān)態(tài)效果分析

染料摻雜的向列相液晶器件開關(guān)態(tài)切換原理是可見光在液晶處于多疇排列狀態(tài)時(shí)會(huì)發(fā)生散射，而在液晶處于單疇排列狀態(tài)時(shí)會(huì)發(fā)生透射. 未加電場(chǎng)時(shí)，器件處于關(guān)態(tài),液晶在聚酰亞胺取向?qū)拥淖饔孟?，形成平行與基板的多疇排列狀態(tài)(圖3A)，此時(shí)可見光散射，液晶器件變得模糊，可視度降低，完全看不清器件下的文字(圖3B)；當(dāng)外加電場(chǎng)時(shí)，器件處于開態(tài)，液晶在外加電場(chǎng)的作用下，形成垂直與基板的單疇排列狀態(tài)(圖4A)，此時(shí)可見光透射，液晶器件可視度提高，可清楚觀察到器件下的文字(圖4B).

圖3 多疇?wèi)B(tài)液晶器件內(nèi)部液晶結(jié)構(gòu)及關(guān)態(tài)效果圖

Figure 3 Schematic of multidomain of the LC mixture and Schematic of LC device in off state

圖4 單疇?wèi)B(tài)液晶器件內(nèi)部液晶結(jié)構(gòu)及開態(tài)效果圖

Figure 4 Schematic of monodomain of the LC mixture and Schematic of LC device in on state

2.2 器件透射率及開關(guān)態(tài)分析

液晶器件的透射率受器件厚度、外加電壓和染料摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)共同影響. 為了研究它們與透射率之間的關(guān)系，進(jìn)行了多組對(duì)比實(shí)驗(yàn). 如染料摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、采用可見光波長為550 nm時(shí)，器件厚度h對(duì)器件透射率的影響(圖5)如下：(1) 器件的厚度對(duì)其開關(guān)態(tài)透射率之差影響較小，不會(huì)影響器件的開關(guān)態(tài)效果. 關(guān)態(tài)時(shí)器件透射率隨著器件厚度的增加而減??；施加電壓后器件轉(zhuǎn)為開態(tài)，所有器件的透射率上升，然而，隨著器件厚度的增加，器件的透射率逐漸減??；器件開關(guān)態(tài)透射率之差基本恒定不變，不隨厚度而改變，因而不會(huì)影響液晶器件的開關(guān)態(tài)效果. (2)器件開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)變的閾值電壓與關(guān)態(tài)時(shí)的飽和電壓隨器件厚度的增加而升高. 器件厚度雖然對(duì)器件開關(guān)態(tài)透射率影響較小，但卻影響器件開始狀態(tài)轉(zhuǎn)變的閾值電壓. 當(dāng)器件厚度為30 μm時(shí)，明顯看到器件的開關(guān)態(tài)轉(zhuǎn)變?cè)陔妷盒∮? V時(shí)已經(jīng)開始，而在13 V時(shí)達(dá)到飽和；器件厚度為40、55、70 μm時(shí)，狀態(tài)轉(zhuǎn)變的閾值電壓約為5 V，在15 V時(shí)達(dá)到飽和；器件厚度達(dá)到90 μm時(shí)，閾值電壓大于5 V，飽和電壓約為20 V. 由此可見，器件厚度越大，器件開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)變的閾值電壓與關(guān)態(tài)時(shí)的飽和電壓越高(圖6).

圖5 器件厚度與開關(guān)態(tài)透射率的關(guān)系

Figure 5 The relation between cell thickness and transmittance in the on state and off state

圖6 外加電壓與開關(guān)態(tài)透射率的關(guān)系

進(jìn)一步研究了不同的染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)器件光電性能的影響. 如器件厚度為90 μm、采用可見光波長為550 nm時(shí)，染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)器件的影響有以下特點(diǎn)：

(1)器件開關(guān)態(tài)轉(zhuǎn)變的閾值電壓和飽和電壓與器件的染料摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)無關(guān). 由圖7可知：當(dāng)電壓在0～5 V時(shí)，器件透射率為10%，與玻璃基板的透射差不多，此時(shí)液晶在聚酰亞胺取向?qū)拥淖饔孟?，形成平行于基板的多疇排列狀態(tài)，可見光在多疇狀態(tài)的液晶下發(fā)生散射，器件呈關(guān)態(tài). 直至5 V左右，器件透射率才發(fā)生明顯變化，此時(shí)液晶開始在外加電場(chǎng)下發(fā)生轉(zhuǎn)向，逐漸由平行于基板的多疇排列狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪迸c基板單疇排列狀態(tài)，直至15 V左右，轉(zhuǎn)變徹底完成，可見光在單疇狀態(tài)的液晶下透射，器件呈開態(tài). 在染料摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%、15%時(shí)，器件開關(guān)態(tài)轉(zhuǎn)變的閾值電壓均約為5 V，飽和電壓均約為15 V.

圖7 電壓與開關(guān)態(tài)透射率的關(guān)系

(2)器件的開關(guān)態(tài)透射率之差隨著染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小. 從圖8可以看到：在關(guān)態(tài)時(shí)，摻雜有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)染料的器件的透射率都在15%左右，表明染料對(duì)器件關(guān)態(tài)的性能影響不大；施加外加電壓后，器件轉(zhuǎn)為開態(tài)，此時(shí)所有器件的透射率上升，然而，隨著染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，器件的透射率逐漸降低，比如，染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，透射率為75%，當(dāng)染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到25%時(shí)，器件的透射率降低到45% 左右. 由此可見，器件的開關(guān)態(tài)透射率隨著染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減??；染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%時(shí)，器件的開關(guān)態(tài)透射率最大，明暗切換特性越好.

圖8 染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)與開關(guān)態(tài)透射率的關(guān)系

Figure 8 The relation between cell dye concentration and transmittance

3 結(jié)論

本文提出了一種新型液晶智能玻璃器件的制備方法，并對(duì)其光電性能進(jìn)行了研究.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，器件厚度對(duì)器件透射率影響較小，器件開關(guān)態(tài)透射率之差基本恒定不變，不隨厚度而改變，但隨著染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小，最佳摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，器件開關(guān)態(tài)透射率最大，明暗切換特性越好；器件具有低電壓響應(yīng)特性,當(dāng)閾值電壓為5 V時(shí)，器件透射率開始明顯變化，直到達(dá)到飽和電壓15 V時(shí)，關(guān)態(tài)至開態(tài)轉(zhuǎn)變徹底完成；器件厚度對(duì)閾值電壓與飽和電壓影響較為明顯，閾值電壓與飽和電壓隨器件厚度的增大而升高，因而在器件厚度為30 μm時(shí)，閾值電壓與飽和電壓最小.

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【中文責(zé)編：莊曉瓊 英文審校:肖菁】

Switching Characteristic of Smart Light-Tunable Device Based on Dye-Doped Nematic Liquid Crystal

LIU Yanguo1,2， JU Chun1,2， WANG Lu1,2， YUAN Dong1,2*， HU Xiaowen1,2, LI Nan3， ZHOU Guofu1,2,3,4

(1. Institute of Electronic Paper Displays, South China Academy of Advanced Optoelectronics, South China Normal University, Guangzhou 510006, China;2. South China Normal University-Eindhoven University of Technology, Joint Research Lab of Device Integrated Responsive Materials,Guangzhou 510006,China;3. Shenzhen Guohua Optoelectronics Tech. Co. Ltd., Shenzhen 518110, China;4. Academy of Shenzhen Guohua Optoelectronics, Shenzhen 518110, China)

A light-tunable device based on dye-doped nematic liquid crystal is fabricated, and its switching cha-racteristics are investigated. The cell is made by parallel arrangement of two glass with indium tin oxide (ITO) layer. Smart glass is made by filling the mixture of dye and nematic liquid crystal into cell. After applying an electric field, electric responsive nematic liquid crystal will align parallel to electric field. The rotation of liquid crystal molecule will give rise to the movement of the dye molecule. Meanwhile, distrubution of liquid crystal molecule will change from multidomain to monodomain, which induces smart glass state changing from scattering to transparency and achieving the function of dark-brightness switch. By varying the concentration of dye, driven voltage, the smart glass exhibits different performance. Threshold voltage of device rises while cell thickness goes up. Optimized performance will be obtained with the condition of 5% dye concentration, 30 μm cell thickness, when threshold vol-tage is 5V, saturation voltage is 15 V.

liquid crystal; smart windows; transmission; switching; dye

2016-10-26 《華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》網(wǎng)址：http://journal.scnu.edu.cn/n

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51503070,51561135014,51405166)；廣東省創(chuàng)新科研團(tuán)隊(duì) (2013C102)；教育部“長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃”項(xiàng)目(IRT13064)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015A050502005)

TN141.9

A

1000-5463(2017)01-0026-05

*通訊作者:袁冬，講師，Email:yuandong@scnu.edu.cn.