聚合物稳定的双稳态胆甾液晶显示单元反射特性的研究
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文章编号：1006-6268（2009）04-0034-05
摘要：本文介绍了聚合物稳定的双稳态胆甾液晶显示单元样品的制备过程，用光谱仪、偏光显微镜等仪器研究了液晶的光谱特性和聚合物网络织构，分析了预聚物配比、聚合物浓度、聚合温度等工艺制备条件对双稳态胆甾液晶显示单元反射光谱的影响以及温度对聚合物网络织构的影响。寻找最佳工艺制备条件，以获得宽光谱反射范围和高对比度的双稳态显示器。
关键词：胆甾液晶；双稳态；聚合物网络
中图分类号：TN141.9文献标识码：A
Study on Reflective property of Polymer Stabilized Bistable Cholesteric Liquid Crystal Display Cells
ZHU Xian-liang，YANG Wen-jun，HUANG Zi-iang
(The School of Opto-electronic Information，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu610054,China)
Abstract: The paper introduced the sample preparation of polymer stabilized bistable cholesteric liquid crystal display cells, studied the spectrum property and polymer network texture by spectrograph and the polarizing microscope, analyzed the influence of different craft conditions such as polymerization ratio、polymer concentration and temperature to the reflected spectrum of bistable cholesteric liquid crystal display cells, as well as the impact of temperature on polymer network texture. To find the best craft conditions to make bistable displays which have a wide range of spectral reflectance and high contrast degree.
Keywords:cholesteric liquid crystal；bistable；polymer network
引言
胆甾相液晶的零场双稳态效应[[1,2]与布拉格反射是早已公知的现象，人们试图将上述效应用于制作零场双稳态液晶显示器，用于例如电子词典、户外广告、电子地图等大量文本画面显示的场合或是慢速的动态画面的场合如广告牌、数据信息牌、车站机场的时间表等。零场双稳态液晶显示器具有很多传统液晶显示器无法比拟的优点:①采用零场双稳态显示, 无需刷新, 并且不需要背光源,真正发挥了液晶显示微功耗的优点；②采用Bragg反射色光显示, 易于实现彩色, 并且在阳光下具有可读性, 适用于户外显示；③不需要偏振片, 从而大大提高了显示亮度；④在零电场下, 显示器的每一个像素可以长期稳定在不同的反射态, 加适当的电压脉冲可以实现不同稳态间的转换和灰度显示；⑤其视角比传统LCD的视角宽[3]。
阻碍零场双稳态液晶显示器实用化的因素在于，这种显示器工作于布拉格反射模式，其反射波长仅仅围绕在反射中心波长的一个比较窄的范围。若液晶层的厚度比较薄或液晶的双折射Δn较小，在此波长范围内不同波长光的反射率有较大差异。因此，显示器的底色不可能为白色。布拉格工作模式的反射波长范围与液晶的Δn有关，Δn越大液晶能反射的波长范围越宽。若Δn足够大，且胆甾相液晶的光学螺距落在可见光波长中值上，平面织构的胆甾相液晶就可以实现整个可见光谱的反射。另外在胆甾相液晶中加入聚合物网络是目前展宽其光谱反射带宽的常用方法[4~8]。但是网络的存在使液晶内部分割成为许多畴，畴界面使入射光发生散射，使显示器的"黑"态反射率较大，对比度较低，因此需要控制畴的尺寸，抑制光散射效应[9]。
本文针对在胆甾相液晶中加入聚合物网络展宽其光谱反射带宽的方法，对不同预聚物配比、聚合物浓度、聚合温度等工艺条件下制备所得的双稳态胆甾液晶显示单元的光谱特性和聚合物网络织构进行了细致研究并寻找获得宽的光谱反射范围和高对比度的双稳态显示器的最佳工艺条件。
1实验
1.1材料的混配
选用CB15（18.5%）、YM8（77.8%）、R1011（3.7%）的混合液晶作为实验用液晶材料。选用二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMMA)与甲基丙烯酸甲酯（MMA）的混合物作为预聚物单体。
将混合液晶材料与不超过8%的预聚物单体以及适量的光引发剂混合，然后将混合材料加热到清亮点附近搅拌1h，使其充分混合均匀。
1.2 样品制备
样品盒由两片普通的ITO玻璃基板组成，首先将基板清洗干净并烘干，撒上少量11μm的间隔粒子，然后用环氧胶封结两侧。将混配好的混合材料注入到以上空样品盒中，最后将液晶的样品盒进行紫外曝光。
本实验制备的样品，除了在液晶中制备了聚合物网络以外，还在液晶盒内表面形成了聚合物膜。液晶盒内表面形成的聚合物膜，消除了液晶盒内表面对液晶的锚定或取向作用，而让聚合物网络来锚定液晶分子，使得胆甾相液晶的螺旋轴在不同的位置就只与聚合物网络有关。这样，液晶的螺旋轴锚定于指向随机的聚合物网络上，与透明基片表面的方向也是随机的。同时，聚合物网络对液晶螺距的影响，使液晶的螺距随位置而随机变化。上述因素叠加的结果就是反射光中包含了各种波长的光波，从而实现白光的反射。
1.3实验方法
配制上述混合物材料，在其他条件不变的情况下，分别改变预聚物配比，聚合物浓度，聚合温度，制作出各种不同制备条件的样品，测试其光谱特性，拍摄偏光显微照片，分析出最佳工艺制备条件。
2测试与结果分析
2.1预聚物配比
改变EGDMMA与MMA的配比，在液晶溶液中加入不同配比的聚合物单体。测试不同预聚物配比制得的样品的光谱特性如图1所示。
（a）白态
（b）黑态
图1 预聚物配比不同的样品的光谱特性曲线
由图1（a）（白态即液晶处于平面态）可见，聚合物EGDMMA:MMA=1:2，1:4，1:5的样品反射光谱较窄，反射光强较高。聚合物EGDMMA:MMA=1:1,2:1的样品反射光谱较宽，但反射光强降低。
由图1（b）（黑态即液晶处于焦锥态）可见,液晶处于焦锥态时，光谱特性对比不是十分明显。但结合肉眼观察的样品显示效果，发现光谱曲线波动较大者黑态显示效果较好。
分析:双官能团的EGDMMA在紫外光的作用下聚合成三维网络形貌，而MMA附着在其上跟着聚合形成更为致密的三维网络，液晶在三维网络中形成一个个畴区。由于MMA对液晶分子的表面锚定能比EGDMMA的要低，因此对液晶分子的作用力较小，对液晶分子的排列织构的微扰也要小。所以当MMA在混合聚合物单体中的含量增加时，聚合物对液晶分子的平均作用力就减小，造成反射带宽的减小，反射光强度增大。
综合其他因素，MMA在混合聚合物单体中的含量不要超过50%为宜。
3.2 聚合物浓度
测试样品选用EGDMMA与MMA配比为2:1的预聚物单体，在液晶溶液中加入不同浓度的聚合物单体，然后测试样品的光谱特性如图2所示。
（a）白态
（b）黑态
图2 聚合物浓度不同的样品的光谱特性曲线
由图2（a）可见，增加聚合物单体浓度，反射光谱会变宽，但浓度增加到一定程度后，其反射光强反而逐渐变弱，其反射光谱也进一步展宽。
由图2（b）可见，随着聚合物单体浓度的增加，反射光强变强。
分析认为，由于聚合物对胆甾相液晶分子产生的（微扰/锚定）作用，使得胆甾相液晶分子的螺距沿盒厚方向随机地发生变化；同时使得胆甾相液晶分子的螺旋轴与基板表面有一夹角，液晶分子的螺旋轴不再与基板垂直，因此液晶分子对垂直入射光的反射与基板也有一定的夹角，且反射的光有了一定的蓝移。从微观上看，显示单元各处螺距不同，液晶的螺旋轴方向也不同；从宏观上看，显示的颜色为多种波长光的混合，于是反射光谱得到了展宽。垂直入射的光与液晶分子的螺旋轴有一夹角，反射光与基板有一夹角，因此液晶分子对入射光的反射光有一定的发散作用，使得反射光强度有所降低。
随着聚合物浓度的增加，在聚合完成后，聚合物对胆甾相液晶分子的平均作用力有所增大，产生的微扰也增大，因此液晶分子的螺旋轴与基板表面的平均夹角有所增加，液晶分子螺距的随机变化也增大，这就使得胆甾相液晶分子的反射光谱宽度增大了。当聚合物单体浓度增大到6%以上时，液晶分子在聚合物的作用下，螺旋轴与基板表面的夹角和螺距的随机分布机制达到最大，液晶显示单元的反射光谱宽度接近最大值。尽管液晶显示单元反射光谱宽度得到了增加，但是对入射光的散射作用也随之增加，反射光的光强随聚合物浓度的增加在减小。
同样，随着聚合物浓度不断增大，所形成的聚合物网络越来越致密，因而使得液晶畴区增多且越来越小，这样液晶显示单元对光的散射也就增强了，使得入射光的透过率降低，因此液晶的对比度会降低。
综合以上因素，聚合物浓度为5%时，液晶显示单元的显示效果较佳。
2.3 聚合温度
测试样品选用EGDMMA与MMA配比为2:1的预聚物单体，聚合物浓度为5%。测试不同聚合温度下制得的样品的光谱特性如图3所示。
（a）白态
（b）黑态
图3 聚合温度不同的样品的光谱特性曲线
当温度为30℃和40℃时，液晶材料处于各向异性态；温度为50℃和60℃时，液晶材料处于各向同性态。由图3（a）可以看出随着聚合温度的增加，反射光谱逐渐增强，但聚合温度增加到清亮点以上，反射光强会降低且反射光谱峰值会展宽很多。由图3（b）可知，温度升高，反射光强度增大，黑态效果变差。
用偏光显微镜拍摄的不同聚合温度下制得的样品的聚合物网络织构如下图所示。
参考文献
[1]Yang D K,Doane JW.Cholesteric Liquid Crystal/ polymer- Gel Dipersion:Reflective Display Application [C],SID'92 Digest ,1992.759-761.
[2]Yang D K,Chien LC,Doane JW. Cholesteric Liquid crystal/Polymer Gel Dispersion Bistable at Zero Field [C],Conference Record, International Display Research Conference.1991,49-52.
[3] ~[9]略
作者简介：朱宪亮（1987-），男，江苏人，研究方向为信息显示与光电技术,E-mail:。