汪清淼，郭健忠，刘 懂，皮春春，罗 明

（1.武汉科技大学 汽车与交通学院，武汉 430081；2.武汉科技大学 信息科学与工程学院，武汉 430081）

基于防眩目功能的液晶调光玻璃电学性能研究

汪清淼1，郭健忠1，刘 懂1，皮春春2，罗 明2

（1.武汉科技大学 汽车与交通学院，武汉 430081；2.武汉科技大学 信息科学与工程学院，武汉 430081）

0 引言

液晶调光玻璃是一种新型特种玻璃，它能够随外加电压变化而改变自身透明度。它是在普通的玻璃基材中间加入一层液晶层，利用液晶分子排列的有序程度实现玻璃透明度的变化[1]。当该玻璃上未加载电压时，液晶层不受电场作用，液晶分子处于无序排列状态，使得照射至玻璃的光线受到散射作用，无法沿原来的方向传播，即液晶调光玻璃不透明；当在玻璃两端施加电压时，液晶分子受到电场的作用处于有序排列状态，光线能够直接通过玻璃，即液晶调光玻璃透明[2]。

目前，虽然液晶调光玻璃已被广泛应用于建材行业，例如浴室门窗、展品玻璃柜等方面[3]。但是，随着新技术对材料性能要求的提高，许多对响应时间要求较高的领域都会用到快速遮光的材料，以满足对系统响应时间的严格要求。例如，在基于视觉暂留原理的夜间会车防眩目系统中就对其性能有将较高要求，这种防眩目系统，利用快速遮光的液晶调光玻璃遮挡对向车辆的车灯光线，由于该系统利用到了视觉暂留原理，需要遮光的频率高于24Hz，因此对液晶调光玻璃的响应时间有很高的要求，其开启以及关断响应时间之和需要在40ms以内。

但是，当前关于这种遮光材料的相关研究不足，导致液晶调光玻璃响应时间及透明度等方面并不理想，这成为液晶调光玻璃进一步发展的障碍，尤其是对精度和准确度反应要求较高的领域[4]。文章针对不同电学条件下的液晶调光玻璃，研究其透明度变化，以及透明不透明相互转换的时间，期望能够更加准确掌握液晶调光玻璃的性能。

1 实验方法

实验的原理图如图1所示。试验采用某厂家生产的300mm×300mm的液晶调光玻璃作为实验对象，将LED灯置于液晶调光玻璃的一侧，作为整个实验的光源；光敏电阻置于玻璃的另一侧，用于测量透过液晶调光玻璃的光线的强弱。将光敏电阻的端电压用放大电路进行放大后，用示波器记录光敏电阻的端电压变化的波形，其电压值表示光敏电阻的端电压。因为光敏电阻的电压值与其阻值正相关，而光敏电阻的阻值与入射光的强弱有关，因此示波器的波形可以间接反映玻璃透明度的变化。

图1 液晶调光玻璃电学性能研究实验电路图

试验过程中，分别在液晶调光玻璃两端施加27V，50Hz的正弦交流电，以及不同电压值的直流电。利用示波器测量光敏电阻端电压值并记录其波形，根据示波器波形形状与幅值变化，分析在调光玻璃两端加载不同电源时的玻璃的透明度的变化趋势以及响应时间。

分压电阻R1的阻值为10kΩ，放大电路的放大倍数为A，电源电压为VCC，示波器测得的光敏电阻的端电压为V。

设光敏电阻R2的阻值为R，电阻光敏电阻的阻值与照度之间的关系为：

采用照度作为衡量光线强弱的指标，照度E与光敏电阻值的关系为：

综上所述，光敏电阻阻值与照度负相关，而光敏电阻端电压与阻值正相关，因此光敏电阻端电压与光线照度之间负相关。示波器波形的变化间接地反映了液晶调光玻璃透明度的变化，所以可以根据示波器的波形图分析液晶调光玻璃的电学性能。

2 结果与分析

2.1 加载正弦交流电时玻璃响应

试验中，光源与液晶调光玻璃的距离150mm，光敏电阻与玻璃间距5mm。设由不透明到透明的过程为开启过程，由透明到不透明的过程为关断过程。当在玻璃两端加载50Hz，27V正弦交流电时，玻璃处于开启过程中，示波器记录的该过程的波形图如图2所示；断开电源后，玻璃处于关断过程中，示波器的波形图如图3所示。图中高电平对应的状态为玻璃不透明，低电平对应的状态为玻璃透明。

实验现象为，当加载电压后，液晶调光玻璃迅速由不透明变为透明，并保持稳定的透明状态。而关断电源后，液晶调光玻璃透明度逐渐降低，并恢复至不透明状态，关断过程相对于开启过程持续时间较长。

2.2 加载直流电时玻璃响应

试验中，光源、液晶调光玻璃、光敏电阻之间的相对位置不变。在调光玻璃两端施加电压为30V的直流电源，保持一段时间后切断电源，并重复此过程。示波器记录的波形图如图4所示。

实验现象为，加载直流电瞬间，玻璃迅速由不透明变为透明，然后逐渐变为半透明，并保持稳定的半透明状态；关断电源后，玻璃逐渐由半透明状态恢复为不透明状态，并保持稳定。

图2 AC27V时液晶调光玻璃开启过程波形图（横坐标刻度10ms,纵坐标刻度200mV）

图3 AC27V时液晶调光玻璃关断过程波形图（横坐标刻度1s,纵坐标刻度200mV）

逐渐减小并最终趋于零。将波形电压下降过程、由最低点上升至半开启状态、以及由半开启状态上升至开启状态的波形图局部放大，得到的波形图分别如图5、图6、图7所示。玻璃开启的响应时间约为48ms，对应图中H5-L5段，即液晶调光玻璃在此电压下由透明到半透明的时间约为48ms；玻璃由不透明状态转换为半开启状态时间约为3.44s，对应图中H6-S6段；切断电源后，由半开启状态转换为关闭状态时间约为1s，对应图中S7-H7段。

图4 DC30V时调光玻璃整体波形图

图5 DC30V时调光玻璃开启过程局部放大波形图

图6 DC30V时调光玻璃半开启过程局部放大波形图

图7 DC30V时调光玻璃关断过程局部放大波形图

2.3 不同电压值下液晶调光玻璃响应

由以上实验可以看出，玻璃在直流电压下的反应与交流电压下有很大的区别，在玻璃两端加载直流电源时，液晶调光玻璃在完全开启后会出现半开启状态。为了深入了解玻璃在直流电源作用下的性能，实验中在玻璃两端分别施加电压17.5V和15V的直流电源，得到的端电压波形图分别如图8、图9所示，以研究和分析液晶调光玻璃在直流电的条件下半开启状态与所施加电压值的关系。

实验现象为，加载17.5V和15V的直流电时的现象与加载30V直流电现象类似。在加载电源瞬间，玻璃迅速由不透明状态变为透明状态，随后透明度逐渐降低，并进入半开启状态。但随着加载电压的降低，半开启状态的透明度有明显的降低，加载15V直流电时已几乎无半开启状态存在。电压稳定时调光玻璃的透明度已与关断状态下玻璃的透明度十分接近，关断时玻璃的透明度也无明显变化。

由图8、9可知，开启瞬间，光敏电阻端电压迅速下降，然后电压值逐渐升高，并趋于稳定，半开启状态与关闭状态之间电压的差值随着加载电压值的升高而减小，电压值为15V时半开启状态的示波器电压值基本上等于关断状态的电压值。17.5V时玻璃开启的响应时间约为86ms，完全转换为半开启状态的时间约为4.7s。

图8 DC17.5V时调光玻璃波形图（横坐标刻度为1s，纵坐标刻度为1mV）

图9 DC15V时调光玻璃波形图（横坐标刻度为1s，纵坐标刻度为1mV）

2.4 实验结论分析

由上述实验可知，在液晶调光玻璃两端加载交流电和直流电的现象有很大的差别，主要表现在玻璃透明度的变化过程。

当加载交流电时，玻璃迅速变为透明状态，并保持稳定；关断电源后，玻璃的透明度缓慢降低，开启过程的响应时间为毫秒级，而关断过程响应时间为秒级。即液晶调光玻璃由不透明变为透明的响应时间要远小于由透明到不透明的响应时间。这是因为液晶调光玻璃中的液晶分子由无序状态转换至有序状态是由于电场的作用，属于外力驱使的过程；而由有序状态转换至无序状态的过程是由于分子热运动的作用，属于自发的过程[5]。

当加载直流电时，玻璃迅速变为透明状态，随后透明度逐渐降低，并稳定在半开启状态。半开启状态的玻璃的透明度小于关断状态。当断开电源时，玻璃由半开启状态逐渐变为关断状态。半开启状态与关断状态下玻璃的透明度的差值随着所加载直流电压的降低而减小。当直流电压降低至15V时，半开启状态的电压值与关断状态的电压值基本相等[6]。

将两者统一来看，交流电相当于直流电的叠加，即在玻璃两端施加交流电时相当于在单位时间内，在玻璃两端均匀间隔施加f（交流电的频率）次直流电，而交流电的周期远小于调光玻璃开启以及关断的响应时间，因此液晶调光玻璃透明度还未及降低时即已再次开启，反映在玻璃上为稳定保持在透明状态。由于不透明至透明的过程可以通过施加电场控制，但是分子的热运动是不容易控制的。因此，开启时玻璃的响应时间远小于关断的响应时间。

3 结束语

随着液晶调光玻璃成本的降低，液晶调光玻璃在我国得到了广泛的应用，尤其是建材用玻璃门窗等相关方面[7]。但是由于在调光玻璃领域缺乏相关的深入研究，造成包括响应时间、透明度等方面还存在很大的不足，使得调光玻璃在对其响应时间要求较高的领域的发展受到限制。目前我国液晶调光玻璃的响应时间最快约为30ms，而对于前文所述基于视觉暂留原理的夜间会车防眩目系统，响应时间30ms的调光玻璃已经能起到一定的防眩效果[8]。随着技术的进步与研究的深入，液晶调光玻璃的这些问题会得到进一步的解决。因此，关于液晶调光玻璃的研究意义深远。

[1]冯博学,陈冲,何毓阳.电致变色材料及器件的研究进展[J].功能材料,2004,35(2):145-150.

[2]李清华,郭卫,王自强.电致调光玻璃材料及其应用[J].河南建材,2003(1):11-12.

[3]范志新,杨宇婴,高攀.应变液晶调光玻璃显示[J].液晶与显示,2012,27(5):618-621.

[4]汪国庆,郑少瑜,汪培庆.一种用于玻璃智能调光的光致变色薄膜研究[J].信息记录材料,2012,13(6).

[5]王亚平.调光玻璃[J].科技创新导报,2008(35):249.

[6]章俞之,胡行方.新型节能材料——电致变色材料及器件[A].中国太阳能学会.2003年中国太阳能学会学术年会[C].上海,2003.21世纪太阳能新技术.上海:上海交通大学出版社.

[7]刘晓梦,张亚龙,王小燕.浅谈应变调光玻璃[J].玻璃,2013,40(9):47-50.

[8]辛崇飞.电控智能调光夹层玻璃的工艺研究与应用前景[A].中国建筑玻璃与工业玻璃协会.2008年中国玻璃行业年会暨技术研讨会,北京,2008.2008年中国玻璃行业年会暨技术研讨会论文集[C].北京:北京科学技术出版社.

Electrical properties of theLiquid crystal light tunable glass based on anti-dazzle function

WANG Qing-miao1, GUO Jian-zhong1, LIU Dong1, PI Chun-chun2, LUO Ming2

针对视觉暂留防眩目系统对于液晶调光玻璃的电学性能的要求，采用光敏电阻作为感光元件，测量透过调光玻璃的光线强弱，并利用示波器记录光敏电阻端电压，检测液晶调光玻璃透明度的变化，分析与研究调光玻璃在不同电压下的反应以及响应时间。结果表明，液晶调光玻璃在通电后处于透明度较高的开启状态，但在开启及关断过程中都存在一定的延迟现象，且开启过程的响应时间远小于关断过程，这与开启过程中液晶分子受到的电场作用有关。

液晶调光玻璃；电学性能；响应时间

汪清淼（1993 -），男，江苏徐州人，本科，研究方向为车辆工程。

TN87

A

1009-0134(2015)07(下)-0084-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.07(下).26

2015-02-11

湖北省大学生创新创业训练计划项目（201410488042）