（测试计量技术及仪器专业论文）快速响应液晶光阀制备和性能研究.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学硕士学位论文质量要求。 主 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 意：翼 勿叫吼矿黝铉 委员：枷学 份粑歹够次嘭副研缪乞 谢耿褥今眵础尔琴 剀研谚定 导师： 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金起王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字辱骑签字日期：矽年辱月易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王业太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金胆王业太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：孪建夼 签字日期：2 0 1 1 年4 月2 乡日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 跏獬：拟 签字日期：知c 年毕月省日 电话： 邮 快速响应液晶光阀制备和性能研究 摘要 聚合物稳定胆甾相液晶( p o l y m e rs t a b i l i z e dc h o l e s t e r i ct e x t u r e s ，简称p s c t ) 是一种新型的液晶显示模式，它具有响应速度快、对比度高，驱动电压低等 优点，非常适合高亮度投影显示应用。p s c t 器件中由于聚合物在液晶中以网络 结构存在，聚合物网络和液晶之间存在着大量、极为复杂的边界作用和边界条 件，正是网络和液晶的相互作用决定着p s c t 器件的光电特性。而在p s c t 器件 制备过程中，能够影响聚合物网络结构的工艺即为光聚合环境。本论文主要研 究光聚合环境对p s c t 器件的光电特性的影响，得到能够实现快速响应，高对比 度的p s c t 器件。通过研究发现，光聚合过程中的反应前放置时间、聚合时的紫 外光光强度、聚合时间均会对p s c t 器件形成的聚合物网络结构产生影响，光聚 合强度小、放置时间和聚合时间短时，形成的聚合物网络结构稀松且粗大，此 时器件的光电特性较好；光聚合强度较大，放置时间和聚合时间较长时，形成 的聚合物网络结构纤细且致密，此时器件的光电特性较好；但当光聚合强度过 大，放置时间和聚合时间过长时，由于溶解度等原因不能形成良好聚合物网络 结构，器件的光电特性同样较差。由此，想获得具有良好光电特性的p s c t 器件， 需选择合适的放置时间、光聚合强度和光聚合时间。 关键字：p s c t ；聚合物网络；光电特性；对比度；响应时间 p r e p a r a t i o na n d c h a r a c t e r i z a t i o no fr a p i d p o n s el i q u i d y s t a ll i r h tvalveres 0 n s e l qnc r y s t a ll l r n tv a l v e a b s t r a c t p s c ti san e wl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi ta r ef a s tr e s p o n s e t i m e ，h i g hc o n s t r a s t ，l o wp o w e rc o m s u m p t i o na n ds oo n i ti sv e r ys u i t a b l ef o rh i g h b r i g h t n e s sp r o j e c t i o nd i s p l a ya p p l i c a t i o n t h el a r g e ，h i g h l yc o m p l e xb o u n d a r ya n d b o u n d a r yc o n d i t i o ni nt h ep o l y m e rn e t w o r kl i q u i dc r y s t a li sd u et ol i q u i dc r y s t a l p o l y m e ri nn e t w o r ks t r u c t u r eo fp s c t t h ep h o t o p o l y m e r i z a t i o np r o c e s sc a na f f e c t t h ep r o c e s so fp o l y m e rn e t w o r ks t r u c t u r ei nt h ep s c td e v i c e p r e p a r a t i o n p r o c e s s t h e i n f l u e n c eo f p o l y m e r i z a t i o n e n v i r o n m e n to i lt h e p h o t o e l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i c so fp s c td e v i c ei sm a i n l ys t u d i e d ，t h o u g hi t ，w ec a ng e tt h ep s c t t h a th a v er a p i dr e s p o n s ea n dh i g hc o n t r a s t w ef o u n dt h a tt h ep o l y m e rn e t w o r ko f p s c tw i l lb ei n f l u e n c e db yp l a c i n gt i m e u vl i g h ti n t e n s i t yo fp o l y m e r i z a t i o na n d p o l y m e r i z a t i o nt i m e w h e nu vl i g h ti n t e n s i t yo fp o l y m e r i z a t i o ni ss t r o n g e r , p l a c i n g t i m ea n dp o l y m e r i z a t i o nt i m ei sl o n g e r t h ep o l y m e rn e t w o r ks t r u c t u r ep o o rf o r mo f t h ed e v i c ea n db u l k ya n dt h ep h o t o e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c si sp o o r e r w h e nu v l i g h t i n t e n s i t yo fp o l y m e r i z a t i o ni sw e a k e r , p l a c i n gt i m ea n dp o l y m e r i z a t i o nt i m e i s s h o r t e r , t h ep o l y m e rn e t w o r ks t r u c t u r ef o r m a t i o na n dd e n s i t ys l e n d e ra n dt h e p h o t o e l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i c si sb e t t e r b u t w h e nu v l i g h ti n t e n s i t y o f p o l y m e r i z a t i o nm o r ee x c e s s i v e ，p l a c i n gt i m ea n dp o l y m e r i z a t i o nt i m ei st o ol o n g ，i t c a n tf o r mg o o dp o l y m e rn e t w o r ks t r u c t u r ed u et ot h er e a s o n ss u c ha ss o l u b i l i t y t h u si fy o uw a n tt oo b t a i ng o o dp s c td e v i c eo fp h o t o e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c s ，y o u n e e dt oc h o o s et h er i g h tp l a c et i m e ，l i g h tp o l y m e r i z a t i o ns t r e n g t ha n dl i g h t p o l y m e r i z a t i o nt i m e k e y w o r d s ：p s c t ；p o l y m e rn e t w o r k ；e l e e t r o o p t i cp r o p e r t y ；c o n t r a s t ；r e s p o n s e t i m e 致谢 本研究及学位论文是在我的导师吕国强教授的亲切关怀和悉心的指导下完 成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感 染和激励着我。从课题的选题到最终完成，吕老师都始终给予我细心的指导和 不懈的支持。两年半来，吕老师不仅在学业上给予我以精心指导，同时还在思 想、生活上给我以无微不至的关怀，在此向吕老师致以深深地敬意和衷心的感 谢! 感谢光电技术研究院的陆红波老师及其他任职老师，在读研期间给予的关 心和支持，以及对本论文的指导和科研过程的帮助与协作；同时感谢光电院所 有同学对我学习、生活和工作上的帮助。这里还要深深感谢我的父母和家人， 感谢他们对我的理解、鼓励和支持，我才能顺利完成课题研究和论文相关工作。 另外还要特别感谢吴夏君、周仕娥、徐琼、吴娟、韩少飞、夏亮等同学在 课题过程中的帮助，与你们一起度过的时光快乐而充实! 最后，对所有参与本论文送审、评审和答辩的老师致以深深的敬意! 目录 第一章绪论。1 1 1 液晶定义1 1 1 1 液晶的发现1 1 1 2 液晶的分类1 1 2 液晶的研究和应用3 1 3 本文研究的主要内容4 第二章聚合物稳定胆甾相液晶5 2 1 液晶的物理性质：5 2 1 1 液晶的光学各异向性5 2 1 2 液晶的介电异向性6 2 1 3 外加电场对向列相液晶的影响7 2 2 胆甾相液晶的结构和光学性质7 2 3 胆甾相液晶电场下状态转换9 2 4 液晶聚合物复合材料9 2 4 1p d l c 简介9 2 4 2p s c t 的简介及工作原理1 0 2 5 聚合物网络的形成原理及过程1 3 2 5 1 聚合物网络的形成1 4 2 5 2 单体聚合过程1 5 第三章实验。1 7 3 1 实验材料1 7 3 2 主要仪器设备1 8 3 3p s c t 器件的结构1 9 3 4p s c t 器件的制备过程1 9 3 5 性能测试19 第四章结果与讨论2 2 4 4 放置时间对p s c t 器件光电特性的影响2 3 4 1 1 放置时间对p s c t 器件透过率的影响2 4 4 1 2 放置时间对p s c t 器件对比度的影响2 5 4 1 3 放置时间对p s c t 器件响应时间的影响2 5 4 2 光聚合强度对p s c t 器件光电特性的影响2 8 4 2 1 光聚合强度对p s c t 器件透过率的影响2 8 4 2 2 光聚合强度对p s c t 器件对比度的影响2 9 4 2 3 光聚合强度对p s c t 器件响应时间的影响3 0 4 3 光聚合时间对p s c t 器件光电特性的影响3 2 4 3 1 光聚合时间对p s c t 器件透过率的影响3 2 4 3 3 光聚合时间对p s c t 器件对比度的影响3 4 4 3 3 光聚合时间对p s c t 器件响应时间的影响3 4 4 4 小结3 6 第五章结论与展望3 8 参考文献3 9 攻读硕士期间发表的论文4 l 插图清单 图1 1 不同温度下化合物间的变化1 图1 2 向列相液晶的分子排列2 图1 3 两种不同的近晶相分子排列结构2 图1 4 胆甾相液晶分子的排列3 图2 1 正单光轴晶体折射率椭球体示意图5 图2 2 不同介电常数液晶分子的排列结构7 图2 3 胆甾相液晶的各种结构8 图2 4 胆甾相液晶的状态转化图9 图2 5 用p d l c 制作的电子窗帘：1 0 图2 6 多色反射式双稳态模式的结构变换驱动信号1 1 图2 7p s c t 固有模式外加电场时结构的变化1 2 图2 8p s c t 正式模式典型的v - t 曲线1 2 图2 9p s c t 反式在外加电场时结构转化1 3 图2 1 0 一种珠状高分子网络的理想形成过程1 4 图2 1 1b a b 6 单体的聚合反应过程的示意图1 6 图3 1p 0 6 1 6 a 的组份及结构图1 7 图3 2c bl5 的化学结构17 图3 3b a b 6 的化学结构1 8 图3 4 光引发剂1 8 4 的结构图1 8 图3 5p s c t 器件的结构示意图1 9 图3 6p s c t 投射式电光曲线特性测试装置框图2 0 图3 7p s c t 投射式电光曲线特性测试装置框图2 0 图3 8l c d 测试仪所测出的p s c t 器件的响应时间和输出电压图2 0 图3 9l c d 综合参数测试仪2 1 图4 1p s c t 器件的典型电压一透过率( v - t ) 特性曲线2 2 图4 2p s c t 器件响应时间特性曲线2 3 图4 3p s c t 器件响应时间下降曲线2 3 图4 4 放置时间不同的p s c t 器件v - t 特性曲线2 4 图4 5 放置时间不同的p s c t 器件的最大透过率和最小透过率曲线2 5 图4 6 放置时间不同的p s c t 器件的对比度曲线2 5 图4 7 放置时间不同的p s c t 器件响应时间特性曲线2 6 图4 8 放置时间不同的p s c t 器件响应迟滞时间t h o l d 变化曲线2 6 图4 9 放置时间不同的p s c t 器件响应时间t l 及其时间内透过率变化曲线2 7 图4 1 0 放置时间不同的p s c t 器件响应时间t 2 和t 变化曲线2 7 图4 1 l 光聚合强度不同的p s c t 器件的v - t 特性曲2 9 图4 1 2 光聚合强度不同的p s c t 器件最大透过率最小透过率曲线2 9 图4 1 3 光聚合强度不同的p s c t 器件的对比度曲线2 9 图4 1 4 光聚合强度不同的p s c t 器件的响应时间特性曲线3 0 图4 1 5 光聚合强度不同的p s c t 器件响应滞后时间t h o l d 曲线3 0 图4 1 6 光聚合时间不同的p s c t 器件t l 及t l 时间内透过率变化曲线3 1 图4 1 7 光聚合强度不同的p s c t 器件响应时间t l 和t 变化曲线3 1 图4 18 光聚合时间不同的p s c t 器件不同的v - t 特性曲线3 3 图4 1 9 光聚合时间不同的p s c t 器件的最大透过率和最小透过率变化曲线3 3 图4 2 0 光聚合时间不同的p s c t 器件的对比度曲线3 4 图4 2 1 光聚合时间不同的p s c t 器件响应时间特曲线3 5 图4 2 2 光聚合时间不同的p s c t 器件迟滞时间t h o 。d 变化曲线3 5 图4 2 3 光聚合时间不同的p s c t 器件t l 及t l 时间内透过率变化曲线3 5 图4 2 4 光聚合时间不同的p s c t 器件t 2 及t 变化曲线3 6 表格清单 表2 1p s c t 不同m o d e 的制作方式比较1 3 表3 1 所需材料含量及比重1 8 表3 2 主要仪器设备1 8 表4 1 四种放置时间不同的样品2 4 表4 2 四种光聚合强度不同的样品2 8 表4 3 五种聚合时间不同的器件3 2 1 1 液晶定义 第一章绪论 物质一般以固、液、气三种状态存在于自然界中。对固体而言，又可以把 它分为结晶态和非晶态。结晶态固体在空间排列是规则的，这种规则称为长程 有序。结晶态固体被加热至熔点，通常会直接变为分子排列不具有方向性的各 向同性的液体。但有些有机材料被加热时，并非直接从固体转变为液体，而是 经过一个或多个中间相，如图( 1 1 ) 所示。这种中间相兼具液体的流动性和晶 体的各向异性，被称之为液晶相。 、r 一加熟、r 一加热、r 了 倒吾吲吾目 固体 1 1 1 液晶的发现 雠詈 l奄黾龟易u 日 图1 1 不同温度下化合物间的变化 1 8 5 4 年，德国生物学家r c v i r c h o w 博士在肥皂水和生物体膜组织中发现 了溶致液晶( l y o t r o p i cl i q u i dc r y s t a l ) 。18 8 8 年奥地利植物学家f r i e d r i e h r e i n i t z e r 博士，发现在加热胆甾醇苯酸 旨( c h o l e s t e r yb e n z o a t e ) 晶体时，当温 度升至1 4 5 5 ，晶体融化为乳白色粘稠状的液体，继续加热到1 7 8 5 ，乳白 色粘稠的液体又变成完全透明的液体，经过多次提纯后，乳白相依然存在。德 国物理学o t t ol e h m a n 确认乳白相具有光学各向异性，并根据其兼有晶体的光 学各向异性的特性和液体的流动性，建议称之为液晶。从液晶的发现到今天液 晶显示器件得到较为广泛的应用，己经历了一百多年的历程【l 】。 1 1 2 液晶的分类 依照液晶相生成方式的不同，可以将液晶分为溶致液晶和热致液晶两大类。 溶致液晶是两种或两种以上组分形成的液晶，其中一种是在一定浓度溶液中出 现的液晶相的水或其它极性溶剂。热致液晶指单一成分的纯化合物或均匀混合 的混合物在温度变化下出现的液晶态。典型的长棒状有机化合物热致液晶分子 量一般在2 0 0 5 0 0 左右，分子的轴径比( 长宽比) 约在4 8 之间【2 1 。 在显示技术领域中使用的全部是热致液晶。对于热致液晶，从分子排列的 有序性角度，可以把液晶分为三大类：向列相，近晶相和胆甾相【3 】。 ( 1 ) 向列相液晶 向列相液晶，其分子长轴的取向存在一定的有序性，并倾向于平行某个择 优方向排列，如图1 2 所示，这个择优方向常常用单位矢量n 表示，称作指向 矢。但是液晶分子的中心没有长程有序，因而它的x 射线衍射图没有b r a g g 衍 射峰。此外，与近晶相液晶相比，向列相液晶的粘度小，富于流动性，对外界 作用敏感，因而被广泛应用，目前大部分液晶显示器所用的液晶材料均属于向 列相液晶1 4 j 。 洲0 色00 ) 1 0 0 一_ 肺o一 肺 矿oq000c q 一觚 删渺甜 导 ，o 乜乜oc f 心护仓 ，念乜q 仓 ，q 移oc | f 勺移oq q q 念q q 仓c o 勺令乜c o 图1 3 两种不同的近晶相分子排列结构 2 露_ h 彦、 而峰 a ， 彦、 磊_ - 图1 4 胆甾相液晶分子的排列 ( 3 ) 胆甾相液晶 胆甾相液晶，其指向矢在空间形成一个螺旋结构，在垂直螺旋轴的每一个 平面内分子长轴彼此平行。对于相邻两个平面，指向矢有一个相对的转动，形 成螺旋周期结构，如图1 4 所示。这种周期结构可以产生光波的b r a g g 反射。 在向列相液晶中添加少量具有旋光性的分子( 手性分子) 也同样可以获得有螺旋 状液晶相的材料，这种材料常被称为扭曲向列相( t w i s t e dn e m a t i c ，t n ) ，这也是 在液晶显示器中得到大量应用的材料【6 】。 1 2 液晶的研究和应用 液晶的发现距今已经有一百多年的历史了。早期的液晶由于未曾发现其实 际的用途，被当作珍品做些探索性的实验研究，长期地停留在少数科学家的实 验室里。自液晶的发现到本世纪六十年代，是液晶的分类、合成和物理研究的 旺盛期。在1 9 2 2 年，法国的g e o r g ef r i d e e 完成了历史上最重要的研究成果之 一的液晶分类，即今天仍然使用的相的划分方式：向列相、近晶相和胆甾相【_ 7 1 。 3 0 年代初期，f t w o s e e n 和h z o c h e r 等创立了液晶的连续体理论，此理论最终 由在1 9 5 8 年由e c f r a n k 完成的，该理论是研究液晶宏观性质的经典理论【8 】。 3 0 年代重大成果之一是v f r e e d e r i c k s z 和v z o l i n a l l 发现磁场( 或电场) 的作用引 起向列相液晶的形变和存在着阈值，这就是所谓的f r e e d e r i c k s z 转变，该效应 是今天的液晶显示器( l i q u l dc r y s t a ld i s p l a y s ，简称为l c d ) 的工作基础【8 】。现在 工业广泛使用的摩擦取向法，由m a g u i n 早在1 9 1 1 年就得以应用，用来制备单 畴的液晶和研究光学各向异性，继他之后，p c h a t e l a i n 在1 9 5 1 年也对此进行了 研究。液晶的x 射线衍射分析和各向异性的研究是由4 0 年代前苏联的 3 v n t s v e t k o v 首创【9 1 。 在六十年代初期液晶的应用研究才得到了较快的发展，最初的应用研究是 j l f e r g a s o n 的胆甾相液晶的光学选择反射解释及在热图测温方面的应用( 1 9 6 5 年) 【l o 】。1 9 6 8 年苏联的a p k a p u s t i n 和美国的r c a 公司的r w i i l i a x n s 等发现 了电场下向列相液晶的条纹织构及光散射。后来，g h e i l m e r 据此提出了动态散 射( d y n a m i cs c a t t e r i n g ，简写为d s ) 显示模式【1 1 1 。d s 模式的发现，揭开了l c d 发展的序幕。此外，h e i l m e i r 等人提出了宾主( g u e s t h o s t ，简写为g h ) 模式， x e r o x 公司的j e a d a m s 和w h a a s 等人提出了胆甾一向列相变存储( n e m a t i e c h o l e s t e r i ct r a n s i t i o n ，简称为n c ) 模式【”】。m f s e h i e k e l ，k f a b l e n c h o n 和 g a s s o u l i n 等在1 9 7 1 年提出了电控双折射效应( e c b ) 1 2 】，由w h e l f r i t h 和 m s c h a d t 提出的扭曲向列液晶显示器t n l c d 是l c d 发展史上的最为重大 的发明，至今仍是l c d 产业的主流。1 9 7 2 年无缺陷的t n l c d 显示屏的研 制成功，并迅速的工业化，从此l c d 产业发展进入了一个崭新的篇章【l3 1 。 1 3 本文研究的主要内容 液晶光阀是2 0 世纪7 0 年代发展起来的、利用液晶的光学特性制作的一种 空间光调制器，它是信息与激光技术领域的关键电子器件之一，是近年来应用最 多的空间光调制器，能广泛应用于光学信息处理、光信息贮存、大屏幕显示、 投影电视、全息照相、图像识别、光学计算机等领域【l4 1 。 本论文中的液晶光阀采用的是聚合物稳定胆甾相液晶( p o l y m e rs t a b i l i z e d c h o l e s t e r i et e x t u r e s ，简称p s c t ) 。p s c t 是一种新型的液晶显示技术，不用偏 振片，结构简单，但是由于聚合物在液晶中以网络形式存在，聚合物网络液晶 之间存在着大量、极为复杂的边界作用和边界条件，正是网络和液晶的相互作 用决定着p s c t 器件的光电特性。而在p s c t 器件中，能够影响聚合物网络结 构的工艺即为光聚合过程。本论文主要研究聚合环境对p s c t 器件的光电特性 的影响，得到快速响应，高对比度的p s c t 器件。通过研究发现，光聚合过程 中的反应前放置时间、聚合时的紫外光光强度、聚合时间均会对p s c t 器件的 对比度、响应时间等光电性能产生影响。 具体研究内容如下： 1 、通过改变聚合环境，包括聚合反应前的放置时间、光聚合时的光强、光 聚合时间，制作不同的p s c t 器件。 2 、对制作的p s c t 器件进行响应时间和透过率一电压关系特性曲线进行测 试。 3 、对相应的测试结果进行分析和比对，研究聚合环境对p s c t 光电特性的 影响。 4 第二章聚合物稳定胆甾相液晶 2 1 液晶的物理性质 2 1 1 液晶的光学各异向性 液晶具有与光学单轴性晶体同样的各向异性折射率，显示出双折射性。液 晶的双折射现象是其作为光电材料的优势之一。 对于具有光学各向异性的物质，一般来说，光轴即约为其几何对称轴。对 于向列相液晶，其指向矢的方向即为光轴的方向，数量只有一个，所以称作单 光轴液晶；对于胆甾相液晶，其螺旋轴方向即为光轴方向，也为单光轴液晶； 而近晶相液晶，其层面法线及指向矢均为光轴，所以为双光轴液晶【l5 1 。 图2 i 正单光轴晶体折射率椭球体示意图 对单光轴晶体而言，其表现出来的折射率会因为入射方向和偏振方向而有 所不同，可以用折射率椭球体加以描述。若令光轴方向为z 轴，则折射率椭球 体的方程式表示成： 上式中，n 。称作寻常光折射率，n 。称作非寻常光折射率16 1 。 若光沿z 轴入射，则不论其偏振方向是什么，均能感受到寻常光折射率n 。； ，工 = 严一杉 + 广一杉 + f 一杉 若光沿x 或y 轴进行，则偏振方向与光轴平行的偏振光感受到的是非寻常光折 射率n 。，而偏振方向与光轴垂直的偏振光感受到的寻常光折射率n 。，但是当偏 振方向与光轴有一夹角。时，所感受的折射率称作有效折射率n r 为： 刀= 丽萧霄n e n o 忝而 c 公船2 ， 定义h n = n e r l 。，代表光学各异向性或双折射性，当n 0 时，称作正单光轴：a n 0 时，为了使整体自由能最小，占e ) 2 须为最大，所以此时指 向矢转动至与电场平行的方向；反之，若占 o ；反之，当夹角大于5 4 7 。时，占 0 时，液晶分子 的感应偶极矩与分子长轴平行，若此时加一适当的电场，则液晶分子的长轴会 顺着电场的方向排列；反之，若占 0 a 0 图2 2 不同介电常数液晶分子的排列结构 2 2 胆甾相液晶的结构和光学性质 胆甾相液晶具有螺旋结构，形成胆甾相液晶的方式主要有两种： ( 1 ) 直接合成，其一般是胆固醇的羚酸酯和碳酸酯化合物。 7 ，、r _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ，、r - - _ - _ _ _ _ _ - - - - _ _ _ - _ - 1 一i i 一i i ii 、，- _ 哪_ 一 、- ，、 - 一- 一 ，、- i _- 一一 ，、u 一- - - - ，、1 一i - - _ 一_ _ 一 ，、，、 。 - 一一 z ， 一-、 ，j _ _ ， 一一，7 j 一一 l 、， - l i l ， 一- l 、 一，。 l1 l ：， -一、r - - 一_ 一- _ 一i -、 - _ 。、 o 、 - - 一i 一 _ - 一l 一一- _ _ 一、 ，。j ，l - m _ 一 、j，r， 一t,tlt,tli,tlt,tll,ilt,!磴一ij,tll,lll,lll,lll,lll,!i i i i ii i ll! 川l 。1 1 l - | i l l ii ll l l i 1 ：w1 。1 1 幽m i l i l l删凹删ll e = 堡 刀 ( 公式2 - 6 ) 则胆甾相液晶将变成场致向列相态( h o m e o t r o p i ct e x t u r e ) ，此时胆甾相液晶将 无螺旋结构，分子垂直于液晶盒基板，如图( d ) 所示。此时液晶盒呈现透明状 态。 2 3 胆甾相液晶电场下状态转换 胆甾相液晶通常以在两种不同的稳定状态存在，即p 态和f c 态【2 3 1 。当外 加一电场给胆甾相液晶器件，电压较小时，器件转变为f c 态，电压较大时， 器件转变为p 态。当器件处于h 态时；若外加电压迅速取消，则器件会转变为 p 态。如图2 - 4 ( a ) 所示；若外加电压缓慢取消，则器件转变为f c 态，如图 2 4 ( b ) 所示。值得注意的是，此二者皆为稳定状态。在本文中所做的p s c t ( p o l y m e rs t a b i l i z e dc h o l e s t e r i ct e x t u r e ) 器件，其主要的工作原理即是如此，只 是我们在器件中添加聚合物分子，使其在工作状态更为稳定【2 4 1 。 口 ( b )( a ) 图2 4 胆甾相液晶的状态转化图 2 4 液晶聚合物复合材料 2 4 1p d l c 简介 液晶聚合物复合薄膜，即薄膜中结合了液晶及聚合物两种不同的材质，在 此薄膜中，液晶以微米级的颗粒大小，分散在担任载体的聚合物中，并利用电 场控制液晶分子排列的方向，使得薄膜具有使光穿透及光散射两种不同的光学 特性【2 5 1 。 9 早在1 9 7 6 年，c h i l s u m 就将微米级的玻璃颗粒分散于向列型的液晶中， 希望籍由改变液晶的组成而达到改变薄膜不透光及光穿透的现象【26 1 。之后 h g r a i g e a d 应用同样的原理将液晶注入有孔的聚合物种，但由此两种方法的光 散射效果太差了，因此并没有进一步发展。直到1 9 8 5 年，j l f e r g a s o n 及 p s d r z a i c 等发表利用乳化法制成液晶聚合物混合薄膜。一年后，j w d o a n e 利用相分离法制成的另一种类的液晶聚合物薄膜，称为p d l c ( p o l y m e r d i s p e r s e dl i q u i dc r y s t a l ) 【2 7 1 。 图2 5 用p d l c 制作的电子窗帘 在制备液晶聚合物薄膜时，由于基板表面不需要做配向处理，使其制备的 过程较为简单；而操作时不需要使用偏光板及检光板，使其具有较广的视角及 较高的穿透度等优点，除了可应用在显示器外，另外还有光学开关，电子窗帘 等方面的应用，如图( 2 5 ) 所示。 2 4 2p s c t 的简介及工作原理 在p s c t 中，单体形成聚合物网络散布于液晶中，单体的浓度在1 0 以下， 其目的是在稳定薄膜中形成胆甾相液晶的多畴结构。由于高视角时依然拥有相 当清晰的透明态，p s c t 在显示器件的应用上，展现了极大的潜力【2 引。 由于胆甾相液晶具有螺旋结构，导致其有一个独特的光学特性。当胆甾相 液晶为p 态时，会有b r a g g 反射【2 9 1 。当其为f c 态时，对入射光会有强烈的散 射现象而成不透明状态。当胆甾相液晶为h 态时，则不对入射光产生反射或散 射现象故呈透明状态。p s c t 器件即用此三个不同的光学特性的结构间的变化来 达到目的。 为达成p s c t 显示的目的，此三种结构必须控制在稳定状态。而影响结构稳 定的因素有( 1 ) 胆甾相液晶的螺距大小。( 2 ) 液晶盒的边界条件。( 3 ) 外加电 场大小。( 4 ) 多畴结构的分布状态。 经由控制上影响结构稳定的因素，我们可制成三种不同的p s c t 器件，其说 1 0 明如。f ： ( 1 ) 多色反射式双稳态模式( c o l o rr e f l e c t i v eb i s t a b l em o d e ) 由于f c 态具有一些缺陷，在无外加电场情况下，其自由能会比p 态高出一 些。因缺陷的自由能与胆甾相液晶的螺距长短有相关性。当胆甾相液晶的螺距 较短时，缺陷的自由能较小，此时f c 态和p 态之间能量屏障足以阻挡因热扰动 所造成的结构的转变，。故在外加电场且适当的表面取向及多畴结构分布的状态 下，此两种结构均为稳态。而当螺距较长( 红外光区域) 时，其缺陷的自由能 会增加，则此时f c 态的自由能将比p 态大很多，故变成不稳定状态【3 0 】。 多色反射式双稳态模式则是将胆甾相液晶的螺距调整在可见光范围内，使 其具备f c 态及p 态的双稳态，而达到显示的目的。而其结构间转换方式及驱动 讯号如图( 2 - 6 ) 所示。 v l v h v l l t i m e 图2 6 多色反射式双稳态模式的结构变换驱动信号 由图( 2 - 6 ) 可知，若要将p 态变换成f c 态则加一较低的脉冲v 。，若要将 f c 态转变成p 态则需加一较高的电压脉冲v 。另外，因为外加足够强的电压而 处于h 态的器件在外加电压取消的过程中，若外加电压迅速取消，则器件会转 变为p 态，若外加电压缓慢取消，则器件会变为f c 态，即之前所描述的胆甾相 一向列相变化效应。 由以上的讨论可知，各种不同的处理，p s c t 可以呈现各种状态，如此可以 轻易的设计各种不同操作模式的显示器器件。图2 - 6 即为多色反射式双稳态模 式的结构变换驱动信号。 ( 2 ) p s c t 正式模式( p s c tn o r m a lm o d e ) ： p s c t 正式模式的工作原理如图( 2 - 7 ) 所示。因其胆甾相液晶的螺距较长 ( 约在红外光区域) ，所以在无外加电场时，其不具有双稳态。由于聚合物网络 大致垂直于液晶盒基板。故其胆甾相液晶分子受到聚合物网络垂直于液晶盒基 板的方向的拉伸作用，使其不利于p 态的排列而呈现f c 态的稳定态【3 。 i 上上上1 l rl上上上上0 土 一盯 上00 上00 上上 ( b ) 透瞬态 图2 7p s c t 正式模式外加电场时结构的变化 由图( 2 - 8 ) 所示，当p s c t 正式模式无外加电场时，其稳定态为f c 态， 因其多畴结构边界的折射率突然变化，故对入射光会有很强的散射现象而呈现 不透明状态。当外加电场足够大时，胆甾相液晶的螺旋结构遭到破坏，而使液 晶分子呈现h 态排列，此时液晶盒为透明态。由于液晶分子受到聚合物网络垂 直于液晶盒基板方向的拉伸力作用，故其穿透度对外加电压的特性曲线有一磁 滞现象，如图( 2 - 8 ) 为典型的p s c t 正式模式的v t 曲线。其中v 称之为磁 滞宽度。 t v 图2 8p s c t 正式模式典型的v t 曲线 ( 2 ) p s c t 反式模式( p s c tr e v e r s em o d e ) 由于其网络结构大致平行于液晶盒基板，又其基版表面经过水平取向处理， 故在外加电场时，其稳态为p 态。由图2 - 9 所示，当p s c t 反式模式无外加电 场时，其稳定能为p 态，故呈现透明态。当外加电场时，液晶将在电场作用力 和液晶分子间作用力之间寻求平衡，而呈现f c 态，故呈现不透明状态 3 2 】。但 此时的外加电场不可以太大，否则胆甾相液晶的螺旋结构会遭到破坏，而使液 晶分子呈现h 态排列，则液晶盒将呈现透明态。这样将没有办法达成显示的目 的。 1 2 上0 上1 l r 10 上上上上上上 封酣 上上上上上1 l r上上 ( 曩) 透明态( b ) 不透明杏 图2 9p s c t 反式模式在外加电场时结构转化 由于p s c t 的三种模式各有其不同的工作原理和制作方式，最后列出制作方 式间的差异，如表( 2 - 1 ) 所示。 表2 1p s c t 不同m o d e 的制作方式比较 模式聚合 表面处理 p i t c h p o l y m e r 电场长短n e t w o r k 方向 多色反射式双稳态模式无水平取向短垂直基版 ( f c 态一p 态) 可见光 正式模式 有水平取向长垂直基版 ( f c 态一h 态) 红外光 反式模式无水平取向 长 平行基板 ( p 态一f c 态) 红外光 在此必须强调的是，此三种模式的聚合物网络的排列方向是非均向性的， 其中多色反射式双稳态与正式模式均为垂直于基版方向排列，而反式模式则为 平行基版方向排列。由于单体材料的比重仅约为1 0 以下，故在单体为聚合前 材料溶液呈液晶相，此时单体分子方向受到液晶影响而与液晶同向。所以聚合 物网络欲形成某特性方向排列可经由控制单体聚合时的液晶排列方向来决定。 若欲使聚合物网络垂直于基版。则可由u v 照射聚合时外加电场或基版作垂直配 向处理。但若欲使聚合物网络平行及版，则基版需作水平取向处理( 于单体聚 合时不加电场) 。本文中，主要对第二种p s c t 器件( 正式模式) 进行实验和分 析。 2 5 聚合物网络的形成原理及过程 各种液晶显示器件的光学状态是由液晶的排列状态决定的，这种排列主要 是边界条件和外加电场来决定的，因此边界条件是一个极为重要的因素。p s c t 器件中的聚合物含量较小，在1 0 以下，与p d l c 不同，此时