PDLC器件顯示原理及性能分析

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(shí)制作了基于玻璃基材的PDLC，并對其性能進(jìn)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(jìn)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。

　　在不加電場時(shí)，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(qiáng)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(shí)，液晶分子將會(huì)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(shí)，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)?，F(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?yàn)樗恍枰馄⒍ㄏ驅(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(shí)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：

　　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：

　　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(dòng)電壓比較高，雖然可以通過降低盒厚來解決，但降低盒厚會(huì)造成對比度下降很多，這個(gè)在后文實(shí)驗(yàn)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(gè)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(fèi)者的認(rèn)可。

　　2 實(shí)驗(yàn)方案及其制作

　　首先是進(jìn)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)樱灾苯舆M(jìn)行絲印邊框和噴灑所需粒徑的襯墊料，然后進(jìn)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(shí)驗(yàn)時(shí)受外界因素影響小，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也會(huì)較為準(zhǔn)確。

　　然后進(jìn)行灌液晶的操作，因PDLC 液晶的粘度偏大，所以在制作封口時(shí)可以大一些和多一些，以利于灌液晶。
最后是進(jìn)行光聚合反應(yīng)，在這個(gè)過程中，光的強(qiáng)度和光照時(shí)間都會(huì)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(jìn)行光聚合反應(yīng)時(shí)，光聚合反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件是一致的。具體條件是使用高壓汞燈，波長為365nm，光強(qiáng)為8.5mW/cm2，時(shí)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(jìn)行on 和off 透過率的測試，也就是通過測試透過率的方法進(jìn)行PDLC 的性能評估。

　　3 結(jié)果與討論

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

　　從圖中可以看出，8μm 的產(chǎn)品只需要12V即可驅(qū)動(dòng)，而20μm 的產(chǎn)品需要40V 才可以驅(qū)動(dòng)，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(dòng)電壓也隨著膜厚的增加而升高，公式(2)也說明了這一點(diǎn)。

　　4 結(jié)論

　　從以上實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(shí)，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(jìn)行細(xì)致的研究是非常必要的。