鞠 纯， 孙海涛， 王 璐， 胡小文*， 李 琛， Reinder COEHOORN， 周国富，，4

(1.华南师范大学华南先进光电子研究院，广州 510006；2. 华南师范大学-荷兰埃因霍温理工大学响应型材料与器件集成国际联合实验室, 广州 510006；3. 深圳市国华光电科技有限公司，深圳 518110；4. 深圳市国华光电研究院，深圳 518110)

液晶高分子智能调光玻璃研究进展

鞠 纯1,2， 孙海涛1,2， 王 璐1,2， 胡小文1,2*， 李 琛3， Reinder COEHOORN1， 周国富1,2，3，4

(1.华南师范大学华南先进光电子研究院，广州 510006；2. 华南师范大学-荷兰埃因霍温理工大学响应型材料与器件集成国际联合实验室, 广州 510006；3. 深圳市国华光电科技有限公司，深圳 518110；4. 深圳市国华光电研究院，深圳 518110)

文章介绍了聚合物稳定液晶(PSLC)和聚合物分散液晶(PDLC)的研究现状，包括聚合电场频率、不同单体配比、聚合网络的锚定作用、单体浓度、聚合电场波形、单体BAB6和手性剂含量对聚合物稳定胆甾相液晶光电性能的影响和不同醇、表面活性剂、阻聚剂、紫外光固化时间、纳米掺杂、液晶含量和引发剂含量、聚氨酯基对聚合物分散液晶电光特性的影响.基于聚合物液晶的智能调光玻璃在车窗玻璃、家居玻璃窗等方面有着良好的应用前景.

液晶； 光电特性； 智能玻璃

近年来，由于聚合物分散液晶(Polymer-Dispersed Liquid Crystal，PDLC)[1]在光开关和投影显示等领域显示出较强的优势和巨大发展潜力，并受到了越来越多的关注. 而伴随着PDLC的发展，又出现了一个新的研究领域——聚合物网络液晶体系(Polymer Stabilized Liquid Crystal，PSLC)，学术界把包含少量(2%～5%，质量分数，下同)高度交联性的高分子液晶体系称为聚合物网络液晶.

用于聚合物/液晶电光器件研究的复合物体系主要分为聚合物分散液晶和聚合物稳定液晶. 前者聚合物质量分数一般在30%以上，液晶以微滴形式分散在连续的聚合物介质中；后者聚合物质量分数在10%以下，液晶为连续相，少量的聚合物织构分布在液晶中. 其中使用网络稳定液晶技术不仅可以显著地改善液晶显示性能[2]，而且还可以用来制作各种新型的光学器件，如聚合物/胆甾相液晶光阀[3]、聚合物网络液晶透镜[4]等.

由于反射式双稳态胆甾相液晶显示器具有便携、低耗能以及阳光下可读的性能，使其具有较大的市场应用潜力[5-6]. PDLC的优势在于它是一种不需要偏振片并以固态膜形式存在的器件，不但在光阀[7]、光调制器[8]、光栅[9]、高清晰电视投影显示(HDTV Projection Displays)和智能玻璃[10]等领域具有广泛的应用，还具有高对比度、宽视角以及响应速度快等优点，已经应用于光衰减器、光开关、智能窗、立体显示等领域[11-13]. 常规的PDLC结构是将向列相液晶通过相分离的方法从与之混合的各向同性的聚合物材料中分离出来，形成微米量级的液晶微滴. 在透射态(Field-On)，液晶微滴的指向矢沿电场方向排列，对于入射光液晶的寻常折射率n⊥和聚合物的折射率np相匹配而不发生散射；在散射态(Field-Off)，液晶微滴指向矢随机取向，液晶和聚合物的折射率不匹配而发生散射. 因此，优化PDLC膜的折射率匹配关系，改善其电光特性和显示品质，有利于拓宽PDLC膜的应用[14]. PDLC存在的问题是透射态(Field-On)，只对垂直入射的光完全透射，对倾斜入射的光由于液晶与聚合物之间折射率的不匹配造成一定的散射，因而对比度降低，图象模糊. 现阶段调光玻璃不是双稳，可双稳的聚合物分散胆甾相液晶驱动电压高等原因不能令人满意. 开发双稳态驱动电压低且廉价的调光玻璃显然具有实用意义. 而PSLC恰好弥补了PDLC的不足之处. 近年来，利用聚合物网络稳定液晶相制备的显示器件已得到广泛的应用. 其中，聚合物稳定胆甾相液晶[15]由于结合了液晶和聚合物各自的优点，已经成为研究热点[16-17]. PSLC在聚合物中的存在形式由相互分离的微滴转变为以聚合物网络为边界的液晶小畴. PSLC膜在未施加电场时(OFF State)，液晶分子因垂直取向膜的作用沿玻璃基板垂直排列，液晶分子呈现单畴排列，入射光不发生散射，PSLC膜呈透明态. 在施加电场时(ON State)，液晶分子的指向矢会随电场偏移，但聚合物网络对液晶分子的稳定作用会阻碍这种偏移，导致液晶分子在聚合物网络中指向混乱，呈现多畴状态，入射光被散射，PSLC膜呈模糊态.

1 PDLC的研究现状

彭海炎等[18]研究了不同醇对聚合物分散液晶电光特性的影响. 结果表明，引入醇分子显著加快了丙烯酸酯/液晶复合体系的光聚合反应速率，提高了单体的最终转化率，其中以正丁醇体系最为明显. 随着醇分子烷基链的增长，体系的转化率趋于降低，但依然明显高于不含醇的体系. 醇分子的加入降低了PDLCs中液晶相的转变温度(TNI)，且随着醇分子烷基链长的增长，PDLCs液晶相的TNI总体上呈降低的趋势. 醇分子的加入增加了PDLCs液晶微区中向列相液晶的含量，而含正丁醇和正十四醇的体系液晶微区中向列相液晶低于其它3个含醇体系. 醇分子的加入明显降低了PDLCs的阈值电压、饱和电压以及对比度. 结合体系的光聚合速率和单体转化率，正丁醇是改善PDLCs性能的最佳选择.

张凯等[19]研究了表面活性剂对聚合物分散液晶光电性能的影响. 研究发现，PDLC的电光性能随着硬脂酸(SA)含量的增加而改善，但当SA的含量达到一定值后，液晶微滴出现“岛聚”现象，光电曲线出现一个转折点. 实验结果表明，表面活性剂可以调控聚合物和液晶微滴的界面作用，降低锚定能，从而改善PDLC的光电性能.

高峰等[20]研究了阻聚剂对聚合物分散液晶电光性能的影响. 结果表明，阻聚剂对PDLC混合物的固化产生了延缓聚合作用，明显影响了PDLC膜中液晶微滴的大小和分布，降低了PDLC膜的关态透过率；当阻聚剂的添加量为0.5%时，PDLC膜电光性能最好，对比度达到23.

兰天等[21]研究了紫外光固化时间对可逆加成-断裂链转移(RAFT)法制备的聚合物分散液晶膜电光性能及微观形貌的影响. 系统研究了紫外光固化时间对RAFT-PS基PDLC薄膜电光性能及微观形貌的影响及影响机理. 研究表明，通过RAFT法制备的PDLC在较短时间内即完成相分离，并且随着紫外光固化时间的延长，PDLC的阈值电压(Uth) 和饱和电压(Usat)升高，关态透射率、记忆效应和最大透射率下降，薄膜的微观形貌也出现了连续明显的变化. 随着紫外固化反应时间延长，聚合物基体的相对分子质量显著增加.

王宇[22]研究纳米掺杂对PDLC光电性能的影响. 在PDLC中添加不同含量的Fe3O4纳米粒子，研究发现，Fe3O4的添加虽然会降低PDLC的透射率，但可以降低驱动电压(0.6 V)，同时PDLC的电导会大幅提高，这要是因为Fe3O4具有磁性，在对其施加电压后，会发生电磁感应，磁性粒子向近电场方向移动，改变 PDLC 中的液晶、聚合物分布. 于是又在聚合物分散液晶中添加不同含量的TiO2纳米粒子，研究发现，TiO2的添加虽然会相对降低 PDLC 的透射率，但会大幅提高 PDLC的对比度，对比度可达到155，这主要是因为添加TiO2会降低聚合物与液晶的折射率匹配度，使最大透射率、最小透射率都降低，但对最小透射率的影响会相对较大，因此对比度会提高. 开启电压和对比度均是液晶材料的重要参数，通过添加纳米材料使 PDLC性能得到了优化，这说明纳米材料与液晶的结合具有很高的现实意义.

马利鹏等[23]研究液晶含量和引发剂含量对聚氨酯丙烯酸酯基聚合物分散液晶微观形貌和电光性能的影响. 以紫外光聚合的聚氨酯丙烯酸酯(PUA)为基体，通过紫外光聚合诱导相分离法制备了不同液晶含量、不同引发剂含量的PDLC薄膜. 使用改装的紫外分光光度计和超景深显微镜研究了不同液晶含量、不同引发剂含量对PDLC薄膜的电光性能和微观形貌的影响. 研究表明，随着液晶含量的增加，PUA基的PDLC的液晶微滴尺寸变大，电光性能变好；随着引发剂含量的增加，PUA基的PDLC液晶微滴变小，最大透光率增加.

刘芳等[24]研究聚氨酯基聚合物分散液晶的制备及电光性能. 采用热聚合分相法制备了聚氨酯基PDLC薄膜，研究了不同聚合温度及不同单体浓度下制备的PDLC薄膜的电光性能，并结合扫描电镜探讨了聚合物网络形貌与电光性能之间的关系. 研究发现：当单体质量分数为30%，聚合温度为343.2 K，制备的PDLC电光性能较为理想.

2 PSLC的研究现状

牛红林等[25]研究聚合电场频率对聚合物稳定胆甾相液晶光电性能的影响. 采用紫外光聚合诱导相分离法(PIPS)制备了聚合物稳定胆甾相液晶，通过改变光聚合时的外加电场频率控制聚合物网络结构，改善PSLC光电性能. 结果表明，电场频率影响聚合单体的扩散，从而影响聚合物网络形貌. 聚合电场频率低，聚合单体扩散快，形成的聚合网络疏松，网孔较大，响应速度慢，关态透过率大，阈值和饱和电压小；聚合电场频率高，阻碍单体的扩散，形成的聚合物网络致密，网孔较小，响应速度快，关态透过率低，阈值电压和饱和电压大.

张姗娜等[26]研究了不同单体配比对聚合物网络及聚合物稳定胆甾相液晶器件光电性能的影响. 用紫外光诱导单体聚合形成的复合材料，广泛应用于电光窗、红外光调节器、可调光学衰减器等领域，近年来成为液晶器件研究的热点. 通过控制2种单体4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酸2-甲基-1，4-苯酯(RM257)与4,4′-二[ 6-(丙烯酰氧基)己氧基]联苯(BAB6)的质量比来改善器件性能. 随着RM 257质量分数的减少，聚合物网络由取向排列的纤维状结构向疏松不规整的交联状结构转变，形成的聚合物网络对液晶分子的锚定作用减弱，聚合物稳定胆甾相液晶的饱和电压降低，关闭时间增大. 当RM257与BAB6质量比为1∶4时，聚合物稳定胆甾相液晶器件具有较好的对比度. 不同单体配比的PSLC器件光电性能参数如表1所示，当聚合物单体全为RM257时，关闭时间为1.88 ms，当聚合物单体全为BAB6时，关闭时间增加到163.48 ms.

表1 不同样品的光电性能参数[26]Table 1 Photoelectric performance parameters of different samples[26]

张俊等[27]研究了聚合网络的锚定作用对聚合物稳定胆甾相液晶光电性能的影响. 通过控制聚合时间，调节聚合物网络与液晶分子之间的相互作用，从而改善的光电性能. 结果表明，延长聚合时间，提高反应程度，从而增强聚合物网络对液晶分子的锚定力，而对聚合物网络形貌的影响较小. 在正模式聚合物稳定胆甾相液晶中，聚合物网络垂直于基板排列，有利于形成强的场致向列相锚定作用，阈值和饱和电压小，关态透过率高，对比度低，响应速度慢.

宣丽等[28]研究了单体浓度对聚合物稳定铁电液晶稳定性的影响. 用原子力显微镜研究了各样品的聚合物形貌，表明在器件内部形成了沿摩擦方向延伸的聚合物网络，并且随着单体含量的增加聚合物网络更加致密. 由于聚合物网络体锚定的引入，使得铁电液晶分子在外力和温度场下的运动受到限制，聚合物体锚定的增强使聚合物稳定铁电液晶的稳定性也逐渐提高. 实验表明，单体质量分数为4%时，聚合物稳定铁电液晶的抗震性和热稳定性良好，电光曲线为无阈值“V”字型,对比度达150.

宋志刚等[29]研究了聚合电场波形对聚合物稳定胆甾相液晶光电性能的影响. 通过使用3种不同的聚合电场波形(方波、正弦波和三角波)来控制聚合物网络的形貌，改善PSLC的光电性能. 聚合电场为方波时，聚合物网络最为疏松，阈值饱和电压最小，响应时间最长，迟滞宽度最大；而聚合电场为三角波时，聚合物网络最为致密，阈值饱和电压最大，响应时间最短，迟滞宽度最小.

范华乐等[30]研究了单体BAB6和手性剂含量对聚合物网络稳定液晶电光性能的影响. 采用单体BAB6和胆甾相液晶混合光固化，制得聚合物网络稳定液晶(PSLC)薄膜. 利用紫外可见分光光度计、响应时间测试装置和扫描电子显微镜(SEM)，研究了单体BAB6和手性剂质量分数对PSLC薄膜电光性能和网络微观形貌的影响. 结果表明，随着BAB6质量分数增加，PSLC薄膜的聚合物网眼尺寸变小，透过率降低，饱和电压增加，响应时间缩短；随着手性剂质量分数增加，聚合物网眼尺寸缩小,液晶畴变小，驱动电压增加，响应时间进一步下降. 当液晶、单体、手性剂的质量比为100∶5∶10时,制得了电光性能优良，响应时间为2 ms的PSLC薄膜.

3 结论与展望

为了制备光电性能优良的液晶器件，研究者们尝试了各种不同的方法，发现了醇的种类、表面活性剂、阻聚剂、紫外光固化时间、纳米掺杂、液晶含量和引发剂含量对聚合物分散液晶的光电特性存在一定的影响. 引入醇分子能加快液晶复合体系的光聚合反应速率，提高了单体的最终转化率；增加SA的含量能改善PDLC的电光性能. 阻聚剂对PDLC混合物的固化产生了延缓聚合作用，降低了PDLC膜的关态透过率；随着紫外光固化时间的延长，PDLC的阈值电压和饱和电压升高，关态透光率、记忆效应和最大透光率下降；Fe3O4的添加虽然会降低 PDLC 的透射率，但会降低驱动电压；随着液晶含量的增加，电光性能变好，随着引发剂含量的增加，最大透光率增加；单体质量分数为30%，聚合温度为343.2 K，制备的PDLC光电性能较为理想. 聚合电场频率、不同单体配比、聚合网络的锚定作用、单体浓度、聚合电场波形、单体BAB6和手性剂含量对聚合物稳定液晶的电光性能存在一定的影响. 聚合电场频率高，阻碍单体的扩散，形成的聚合物网络致密，网孔较小，响应速度快，关态透过率低，阈值电压和饱和电压大；聚合物体锚定的增强使聚合物稳定液晶的稳定性提高；3种不同的聚合电场波形(方波、正弦波和三角波)能控制聚合物网络的形貌，改善PSLC的光电性能. 随着聚合物稳定液晶和分散液晶高分子智能调光玻璃的研究日趋加深，新的材料和器件设计也会日渐成熟.

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【中文责编：谭春林 英文审校：肖菁】

Research Progress on Smart Windows Based on Polymer Liquid Crystal

JU Chun1,2, SUN Haitao1,2, WANG Lu1,2, HU Xiaowen1,2*, LI Chen3, Reinder COEHOORN1, 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)

This review summarizes the works of polymer stabilized liquid crystal(PSLC) and polymer-dispersed liquid crystal(PDLC), including the effects of polymerization field frequency, monomer ratio, anchoring effect of polymerization network, monomer concentration, polymerization electric field, monomer BAB6 and chiral agent content on the photoelectric properties of PSLC and the effect of different alcohols, surfactants, inhibitors and UV curing time, nano-doped, liquid crystal content and initiator content, Polyurethane on electro-optic characteristics of PDLC. The intelligent dimming glass based on polymer liquid crystal has a good application prospect in buildings, automobiles and so on.

liquid crystal； electro-optic characteristics； smart windows

2016-10-26 《华南师范大学学报(自然科学版)》网址：http://journal.scnu.edu.cn/n

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TN141.9

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1000-5463(2017)01-0021-05

*通讯作者:胡小文，讲师，Email:xwhu@m.scnu.edu.cn.