基于聚合物分散液晶的圖案化柔性智能窗戶

嚴 靜，范相文，屈 科，于 映,2，李若舟,2*

(1.南京郵電大學 電子與光學工程學院、微電子學院，江蘇 南京 210023；2.南京郵電大學 射頻集成與微組裝技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，江蘇 南京 210023)

1 引 言

聚合物分散液晶(Polymer Dispersed Liquid Crystal, PDLC)是液晶以微米或納米的尺寸分散在聚合物基質中的材料[1]。在外場作用下PDLC可以對入射光進行調控，同時還具有偏振無關、制備工藝簡單、易于大型化的優(yōu)點[2-3]，因此PDLC在顯示[4-6]、智能窗戶[7-11]和光學可調元件[12-14]等諸多領域都有廣泛應用。目前，基于PDLC制作的智能窗戶已經實現大規(guī)模生產，并大量應用于投影顯示、辦公室隔斷，窗戶玻璃等場景中[15]。

隨著科技的發(fā)展，人們對下一代光子及電子產品提出新的需求，電光器件的便攜性、可穿戴性和可植入性成為人們競相追逐的目標[16-18]。隨著使用場景的增加，對能夠應用于曲面玻璃或者其他特殊形狀表面上的柔性智能窗戶的需求也被提出[19]。國內外研究人員對基于PDLC的柔性智能電光器件展開了廣泛的研究。中國科學院大學宋偉杰團隊設計了一種能夠適用于PDLC的TiO2/Ag(Cu)/TiO2的柔性電極，實現了可見光透射和近紅外可調，表現出良好的熱屏蔽性能[20]。Kim等使用卷對卷工藝生產出基于銀納米線電極的大面積基于PDLC的智能窗戶，該智能窗戶能夠通過外加電壓控制入射光的透過率，同時具有良好的柔韌性[7]。Takahiro等在聚合物網絡液晶智能窗戶中使用一種柱狀間隔結構替代傳統(tǒng)的間隔子，在樣品彎曲過程中能夠抑制基板形變，解決了液晶柔性器件厚度不均勻導致電光性能發(fā)生變化的問題[21]。北京大學楊槐教授課題組提出了一種基于聚合物分散液晶和聚合物穩(wěn)定液晶共存體系的復合薄膜，實現了采用熱場和電場在500～2 500 nm寬波段內對復合薄膜的雙重調控[22]。上海理工大學鄭繼紅教授團隊使用全息光路制作了基于PDLC的柔性曲面光柵，該光柵可以通過改變PET襯底的曲率半徑來改變其光學衍射特性[14]。

本文提出了一種采用單步紫外曝光的方式制備圖案化的PDLC柔性智能窗戶。采用PET-ITO作為柔性基板，將PDLC預聚物呈三明治狀夾在上下柔性基板之間，在PDLC紫外曝光聚合過程中在上基板表面增加一層對紫外光具有特定衰減率的圖案化掩膜板，通過優(yōu)化的材料配比和制備工藝，制備了基于PDLC的柔性圖案化智能窗戶，并對其電光特性進行了研究。

2 實 驗

實驗制備流程如圖1(a)所示，首先將向列相液晶E7(江蘇和成顯示科技有限公司)和聚合物單體NOA65(Norland Products, INC)按質量分數比60%∶40%混合，在熱臺上加熱至各向同性態(tài)并攪拌均勻。然后將混合均勻的PDLC預聚物利用毛細作用力灌入制作好的柔性液晶盒。該柔性液晶盒采用柔性PET-ITO作為上下基板，基板尺寸為50 mm×50 mm，盒厚由10 μm的間隔子控制。采用彩色標簽打印機在PET透明襯底上打印特定的圖案作為掩膜版，如圖1(b)所示。將圖案化的掩膜版置于液晶盒上表面，紫外光透過紅色區(qū)域(Ⅰ區(qū))衰減88%，透過無色透明區(qū)域(Ⅱ區(qū))衰減29%。使用紫外點光源(JZ40，蘇州京圳永達光電科技有限公司)對柔性液晶盒進行紫外固化30 min，透過紅色區(qū)域和無色透明區(qū)域的紫外光強分別為0.68 mW/cm2和3.98 mW/cm2。最后移除掩膜版，得到柔性的圖案化PDLC樣品。

圖1 (a)實驗制備流程圖；(b)掩膜版示意圖。

3 結果和分析

紫外光強對PDLC的電光特性具有顯著影響，不同的紫外固化光強制備得到的PDLC，具有不同的電光響應特性[23]。較強的紫外光強能夠加快紫外聚合速率，得到更致密的聚合物網絡結構，因而制備得到的PDLC具有更高的閾值電壓(Vth)和飽和電壓(Vsat)。因此，采用上述方法所制備的樣品，在紫外固化過程中由于掩膜版的存在，照射到柔性PDLC液晶盒上的紫外光呈對應的圖案化光強分布，對應區(qū)域的PDLC紫外聚合速率不同，具有不同的電光響應特性。

制備得到的樣品實物如圖2所示，校徽圖案尺寸大小為13 mm×13 mm。從實物結果可知，采用以上方式能夠制備圖案化的PDLC器件。采用偏光顯微鏡(Olympus BX-53)觀察樣品形貌，如圖2右下角插圖所示，圖中可以清楚地看到字母“N”，強紫外光照射區(qū)域Ⅱ區(qū)的字母“N”和周圍弱紫外光照射區(qū)域Ⅰ區(qū)有著顯著的透過率區(qū)別。測量字母“N”的線寬為120 μm，表明采用上述方式單步制備圖案化的PDLC器件具有良好的分辨率，采用彩色標簽打印機打印標簽掩膜版，對于一些相對復雜的圖案也能夠實現PDLC智能窗戶的圖案化精細定制。

圖2 樣品實物圖與樣品中字母“N”處的顯微鏡下的微觀形貌圖

我們搭建電光測試系統(tǒng)對制備得到的柔性圖案化PDLC智能窗戶的電光特性進行測試。采用He-Ne激光器(632.8 nm)作為入射光源，入射光經過光闌后照射到樣品上，經過樣品后的出射光由光電探測器(Newport 2031)接收。控制信號發(fā)生器(Tektronix AFG1022)產生頻率為1 kHz的方波信號，經由電壓放大器放大后施加到樣品上，采用示波器(Tektronix TBS1102X)所記錄不同外加電壓作用下得到的出射光信號。

圖3為測試得到的樣品兩個區(qū)域的電壓-透過率曲線的歸一化結果，數據歸一化至入射激光透過PET-ITO空盒時探測器測試到的光強值，樣品至探測器距離為15 cm。由測試結果可知，Ⅰ區(qū)的閾值電壓和飽和電壓分別為5.28 Vrms和15.13 Vrms，Ⅱ區(qū)的閾值電壓和飽和電壓分別為11.14 Vrms和20.45 Vrms。這是因為在固化過程中Ⅱ區(qū)的紫外光強比Ⅰ區(qū)大，Ⅱ區(qū)形成的聚合物網絡更加致密，PDLC微滴尺寸更小。致密的聚合物網絡結構對液晶分子具有更大的錨定能，需要更大的電場作用才能使得液晶分子沿電場方向排列。因此強紫外光固化區(qū)域Ⅱ區(qū)具有更高的閾值電壓和飽和電壓。當外加電壓大于Ⅰ區(qū)液晶的閾值電壓，Ⅰ區(qū)的液晶分子會率先傾向于沿電場方向排布，液晶等效折射率逐漸與聚合物折射率匹配，相應的，器件透過率逐漸增加。當電壓增大到8.5 Vrms，Ⅰ區(qū)透過率顯著增加并達到28%，而Ⅱ區(qū)的PDLC由于具有較高的閾值電壓，仍處于散射狀態(tài)且透過率只有1%。當電壓超過11.14 Vrms時，Ⅱ區(qū)透過率才開始明顯增加。當電壓超過16.8 Vrms時，Ⅱ區(qū)透過率開始大于Ⅰ區(qū)。當電壓增大至20 Vrms時，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)透過率分別為72%和85%，且Ⅰ區(qū)透過率達到最大。繼續(xù)增加外加電壓，Ⅱ區(qū)透過率緩慢增加直至最大為97%。這是由于Ⅰ區(qū)PDLC液晶微滴更大，對可見光的散射更強，從而導致在較強外加電壓下Ⅰ區(qū)PDLC的最大透過率比Ⅱ區(qū)低。由圖3不同區(qū)域對應的不同電壓-透過率曲線可知，通過施加不同的外加電壓，制備的圖案化柔性PDLC智能窗戶樣品可以實現全散射態(tài)、全透明態(tài)和圖案化透明展示態(tài)。

圖3 樣品Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的電壓-透過率曲線

PDLC智能窗戶對入射光的散射程度也是評價器件性能的重要指標。因此本文對PDLC柔性智能窗戶兩個區(qū)域的可見光的光譜進行了測試，結果如圖4所示。在0 Vrms時，兩個區(qū)域在可見光波段透過率均比較低，在整個可見光波段有著很好的散射能力。此時智能窗戶能夠很好地保護隱私。當電壓增加至12 Vrms時，Ⅱ區(qū)透過率要小于Ⅰ區(qū)，此時Ⅰ區(qū)處于透明狀態(tài)而Ⅱ區(qū)依舊處于強散射狀態(tài)，整個器件處于透明且同時能夠展示定制化圖案的圖案化透明展示態(tài)。當電壓增加至30 Vrms以上時，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)在可見光波段的透過率均較大，整個器件均處于近似全透明狀態(tài)。由于Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的液晶微滴尺寸不同，Ⅰ區(qū)的液晶微滴粒徑大于Ⅱ區(qū)的粒徑，由Rayleigh-Gans-Debye散射模型可知，散射特性波長與液晶微滴粒徑正相關，即Ⅰ區(qū)的散射峰值在長波長的紅外區(qū)域，而Ⅱ區(qū)的散射主要在長波長區(qū)域較弱，因此對應的透射光譜，Ⅰ區(qū)長波長區(qū)域的透過率受散射影響更大，呈現與Ⅱ區(qū)不同的規(guī)律[1,24]。

圖4 樣品(a)Ⅰ區(qū)和(b)Ⅱ區(qū)分別在0，12，30 Vrms電壓驅動時的光譜圖。

圖5展示了制備的柔性PDLC智能窗戶在不同電壓驅動下處于平面狀態(tài)(圖5(a))和彎曲狀態(tài)(圖5(b))下的實際效果。由實驗結果可知，未施加電壓時處于平面狀態(tài)和彎曲狀態(tài)的器件均處于全散射狀態(tài)，定制化的校徽圖案可見，并且整個器件背后的背景無法被觀察到，整個器件呈現全散射狀態(tài)。當給器件施加電壓15.4 Vrms時，Ⅰ區(qū)處在外加電場作用下已經處于近全透明狀態(tài)，樣品背后的黑色背景能夠被觀察到。而在此時的外加電壓作用下，Ⅱ區(qū)透過率仍舊低于Ⅰ區(qū)，因此，器件在全局透射的同時定制的校徽圖案仍舊清晰可見，呈現圖案化透明展示態(tài)。當電壓繼續(xù)增加至30 Vrms時，校徽圖案隱約可見，并會隨著電壓的持續(xù)增加而漸漸消失，器件呈全透明狀態(tài)。基于上述過程，通過給器件施加不同的驅動電壓，能夠實現3種不同的展示狀態(tài)即全散射態(tài)、全透明態(tài)和圖案化透明展示態(tài)。相應的，圖5(b)為樣品在彎曲曲率半徑為54 mm時對應不同外加電壓下的實物顯示效果。由實驗結果清晰可知，在彎曲狀態(tài)下，器件依舊具有較好的效果。通過施加不同的外加電壓，在彎曲模式下，依舊能夠實現智能窗戶3種展示態(tài)。以上實驗結果表明，通過該法制備的圖案化柔性智能窗戶不僅可以在傳統(tǒng)平面玻璃上應用，也還能應用于曲面的場景。

圖5 樣品全散射-圖案展示模式、全透射-圖案展示模式以及全透射模式的實物圖。(a)普通狀態(tài)；(b)彎曲狀態(tài)(曲率半徑54 mm)。

最后我們對PDLC樣品兩個不同區(qū)域的響應時間進行了測試，結果如圖6所示。給器件的Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)分別施加各自的飽和電壓20 Vrms和30 Vrms測試響應時間。開態(tài)響應上升時間ton和關態(tài)響應下降時間toff分別定義為透過率從10%上升到90%和透過率從90%下降至10%所對應的時間。測量得到Ⅰ區(qū)的ton和toff分別為15.4 ms和33.7 ms，Ⅱ區(qū)的ton和toff分別為4.1 ms和14.1 ms。固化過程增加紫外光強，PDLC的開態(tài)響應上升時間和關態(tài)響應下降時間減小。該器件響應時間滿足其在智能窗戶領域的應用。

圖6 樣品Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)分別在20 Vrms和30 Vrms電壓驅動下的響應時間

5 結 論

本文提出了一種采用單步紫外曝光的方式制備圖案化的PDLC柔性智能窗戶。采用彩色標簽打印機打印特定圖案的PET彩色標簽作為掩膜版，不同區(qū)域對紫外光具有不同的衰減率。PDLC預聚物夾在PET-ITO柔性基板之間，紫外光經過掩膜版后進行紫外固化，制備得到了圖案化的柔性器件。采用上述方法制備的器件具有良好的圖案分辨率，線寬為120 μm的線條能夠清晰可見。不同紫外光強固化區(qū)域對應的電光特性不同，高紫外光固化區(qū)域的PDLC閾值電壓和飽和電壓分別為11.14 Vrms和20.45 Vrms，低紫外光固化區(qū)域對應的為5.28 Vrms和15.13 Vrms。高、低紫外固化區(qū)域的上升響應時間分別為4.1 ms和15.4 ms，下降響應時間分別為14.1 ms和33.7 ms，滿足智能窗戶應用需求。通過施加不同的外加電場，該圖案化智能窗戶能夠呈現全散射態(tài)、全透明態(tài)和圖案化透明展示態(tài)3種模式，并且在器件處于平面狀態(tài)和彎曲狀態(tài)下均具有較好的展示效果。以上制備方法與Roll-to-Roll工藝相兼容，采用上述單步紫外曝光方式制備的圖案化PDLC柔性器件具有工藝簡單、成本低、精度高等優(yōu)勢，在定制化圖案的柔性智能窗戶領域具有廣泛的應用前景。