应变液晶调光显示有机玻璃制品的制备及其应用

【摘要】为将应变液晶调光显示应用于小尺寸显示领域，特选用比重较小、机械强度较高的有机玻璃材料来制作样品。制作基于应变液晶原理。在样品制备时，采用卡通图案遮挡部分区域，进行初次强光较短时间曝光，得到有卡通图案的制品，遮光处形成透明状态，无遮光部位处于散射状态;撤掉掩膜再进行第二次弱光较长时间曝光，原透明处变弱散射半透明，原散射处充分固化变强散射部位。样品未受外力时，无遮光部分透过率低，遮光部分透过率高，形成显示;对制品施加剪切应力，整个制品变成半透明状态，遮光部分和无遮光部分透过率均较高，显示图案消隐。有机玻璃样品比玻璃样品更适合制造玩具和旅游纪念章、会展吉祥物等小商品，具有广泛的应用前景。

【关键词】聚合物分散液晶;应变液晶;调光显示;有机玻璃;应用

The Preparation Process of Stressed Liquid Crystal Light Tunable Display Organic Glass Products and its Application

School of Electronic Engineering，Wuxi Professional College of Science and Technology  DING Lan  WEI Wei

College of Science，Hebei University of Technolog  FAN Zhi-xin

Abstract：In order to use the stressed liquid crystal tunable displayer in the small size display，we prepared the sample with organic glass with a lower density and a stronger mechanical strength.The process is based on the principle of stressed liquid crystal.The sample is prepared by being exposed with cartoon pattern for shorter time in intense light.The covered area becomes transparent while the other part is in a scattering state.Next，the mask is removed and the second exposure with weak light is conducted for longer time.Then the transparent area becomes translucent because of weak scattering.And the scattering area shows strongly scattering because of completely solidified.Without applied force the uncovered area has a low transmittance while the covered area has a high transmittance，which forms displaying.When a shear stress is applied on the sample，the whole sample becomes translucent and the pattern disappears.The organic glass sample has a promising application than the normal glass one in making small commodities such as toys，tourism souvenir badges，expo mascots and so on.

Key words：Polymer disperse liquid crystal （PDLC）;stressed liquid crystal;tunable display;organic glass;application

1.引言

聚合物分散液晶因其特殊的电光效应而被广泛关注和研究，目前已有多种具体应用。对聚合物分散液晶施加按压、剪切和拉伸等应力能够获得力光效应，对此方面的研究即为应变液晶研究。此领域的研究已经出现了应变液晶调光玻璃的新技术[1-8]。文献[6]报道了用玻璃制作的应变液晶调光玻璃显示的实验研究，这种特殊的调光显示可以应用在活动隔断、推拉门窗、折叠玻璃、艺术屏风等产品上，显示内容多种多样，因此具有很大的市场前景。但由于安全性和携带重量方面的因素，此类产品很难应用于玩具、纪念品等小型产品，因此采用机械强度较高、比重较小的有机玻璃来替代普通玻璃。本文实验研究试制这种应变液晶调光显示有机玻璃制品，并讨论其应用前景。

2.实验

2.1 调光玻璃样品的试制

制备材料：

①透明导电玻璃（江阴劲兴特种玻璃厂提供），厚度：3mm，方块电阻：10Ω/□，尺寸：80mm×60mm。②液晶材料PDLC005（石家庄鹿泉新型电子材料厂提供），折射率：no=1.517，ne=1.723。③预聚物，成分：30%的环氧树脂DCL3000，60%聚脂丙烯酸酯MR100，4%链转移剂和4%的光引发剂1173，2%硫嗡盐。④衬垫粉微球（深圳纳微科技公司提供），粒径：20µm。⑤紫外灯，功率：40W。

制备过程：

将液晶与预聚合物以2：3的质量比例混合成液晶胶。将透明导电玻璃清洗干净，用小毛刷蘸取少量衬垫粉微球均匀撒布到一片玻璃上。用注射器在玻璃片中间滴注适量的液晶胶，形成无气泡的液滴圆斑。贴合另一片透明导电玻璃，两片玻璃左右两侧留出约4mm台阶边（方便后续用金属夹子连接导线和施加应力实验）。用手指轻压上片玻璃并小幅移动，使液晶胶均匀充满在两片玻璃间隙中，再用洁净纸巾擦掉从玻璃侧面溢出的多余液晶胶。把夹着液晶胶的两张透明导电玻璃片放置于4只密排紫外灯下方，样品距离灯管大约10cm距离，进行较强紫外光曝光，20s时发生相分离样品由透明变成全散射白雾态，充分固化40s停止曝光。

样品特性：

样品在无外界条件作用时呈散射态，对该样品施加电场时从散射态变成透明态，撤掉电场恢复散射态;对该样品施加剪切应力时从散射态变成半透明态，撤掉应力恢复散射态。

2.2 有机玻璃样品的试制

制备材料：

①超白有机玻璃，厚度：2mm，尺寸：40mm×40mm。②衬垫粉微球，粒径：10µm、20µm、30µm、45µm。其他制作材料同2.1。

制备过程：

将液晶与预聚物以0：10、3：7、3.5：6.5、4：6的质量比例混合成液晶胶。分别使用不同粒径衬垫料微球进行正交实验。其他制作过程与2.1相同。

试制结果分析：

液晶加入量低于35%的样品粘结性较好，高于35%的样品粘结性不好。

2.3 应变液晶调光显示有机玻璃样品试制

制备材料：

①有机玻璃，与2.2相同。②液晶材料、预聚物、紫外灯，与2.1相同。③衬垫粉微球，粒径：30µm。④掩膜胶片，尺寸：40mm×40mm，图案：麦当劳标志、奔驰标志、青奥会吉祥物。

制备过程：

曝光之前工艺与2.1相同。曝光时把掩膜胶片覆盖在样品之上，并用透明玻璃片压住胶片，把样品放置在紫外光灯管下方进行曝光。曝光分为二次：初次曝光强度高，调节样品距离灯管约在10cm左右，4支紫外灯同时曝光，曝光时间30s时，掩膜未遮盖处由透明态变成散射雾态，遮盖处仍是透明态，曝光时间45s时结束初次曝光;二次曝光强度低，去掉胶片掩膜及盖压胶片的玻璃，调节样品距离灯管50cm，2支紫外灯曝光，曝光时间180s，使掩膜遮光部分得到充分固化，掩膜未遮光部分变成弱散射半透明态。

3.分析

3.1 调光玻璃样品分析

实验制备出聚合物分散液晶电控和应变调光玻璃，用北京奥博泰科技有限公司SGT-III型透光率测定仪和SGH-II型雾度测定仪测试样品透光率和雾度。样品实物如图1照片所示：图1（a）是散射雾态，雾度95%以上，样品后杂志图像被完全遮挡住。图1（b）是加电全透明态，透光率接近80%，样品后杂志图像清晰可见。图1（c）是对样品施加剪切应力，透光率在60%以上，样品后杂志图像比较清晰。然而在样品放置一周时间以后，随着进一步的聚合固化，施加剪切应力后样品的透过率降低到40%以下，并且偏振度提高到90%以上。因为在偏振度不高的时候，入射光在平行偏光轴和垂直偏光轴两个互相垂直的方向上的分量都有透过，因此测量得到的总的透光率在60%以上，而当器件的偏振度提高到90%以上，甚至理想情况下达到100%，则只有与液晶平行方向的分量透过，因此总的透过率会减小。

3.2 有机玻璃样品分析

对于液晶和预聚物不同的质量比例，其实验结果及分析为：

液晶与预聚物质量比例为0：10，即不添加液晶材料，样品制作过程中无论使用何种粒径的衬垫料，都能粘结牢固。样品外观清澈透明。

液晶与预聚物质量比例为3：7，样品制作过程中无论使用何种粒径的衬垫料，都能粘结牢固。需要较大应力才能使上下玻璃产生位移，但由于样品外观发白，雾度不高，遮光不严，因此施加应力后对比度较小，无法形成明显对比。

液晶与预聚物质量比例为4：6，样品制作过程中无论使用何种粒径的衬垫料，都无法粘接牢固。样品雾度较高，较小的剪切应力就可使上下玻璃产生位移。

液晶与预聚物质量比例为3.5：6.5，样品制作过程中无论使用何种粒径的衬垫料，都能粘结牢固，施加剪切应力可使上下玻璃产生位移。采用10µm衬垫料时，样品雾度接近50%，漏光现象比较严重。采用20µm衬垫料时，样品雾度接近80%，漏光不严重，施加剪切应力后透光率接近56%。采用30µm衬垫料时，样品雾度接近95%，基本不漏光，施加剪切应力后透光率接近40%。采用45µm衬垫料时，样品雾度接近98%，常态下完全不漏光，施加剪切应力后透光率低于30%，这说明雾态遮光过强，通态透光过弱，对比度有所下降。

根据上述实验结果，得到了制作应变液晶显示有机玻璃样品的合适液晶与预聚物质量的比例，以及对应的合理衬垫料大小，即：液晶与预聚物质量的合适比例为3.5：6.5，此时采用20µm的衬垫料，样品雾度接近80%，漏光不严重，施加剪切应力后透光率接近56%。

3.3 应变液晶调光显示有机玻璃样品分析

采用液晶与预聚物质量比例为3.5：6.5的配方，采用粒径为20µm的衬垫粉微球，利用二次曝光法之多应变液晶调光显示有机玻璃制品。制品实物照片如图2所示：图2（a）是麦当劳标志剪切前显示态，图2（b）是对应的麦当劳标志剪切后消隐态，背景是电脑显示的蓝底白字的“应变液晶调光显示有机玻璃制品”字样。图3（c） 是南京青奥会吉祥物砳砳剪切前显示态，图3（d）是对应的砳砳剪切后消隐态，背景是电脑显示的八仙花照片。

3.4 二次曝光分析

应变液晶调光显示有机玻璃制品实验中采用二次曝光，这是由于实验发现，如果仅做一次性曝光，则未遮盖部位处于强烈散射雾态，遮盖部位处于清澈透明态。但数小时后，没有发生相分离的液晶胶溶液会对已经相分离固化的聚合物产生溶解作用，使得图案很快回溶化解而模糊不清。

采用二次曝光，克服了回溶现象。这是因为初次曝光时曝光强度大，相分离速度快，形成的液晶微滴直径较小，同样厚度的聚合物分散液晶层中液晶微滴个数多，液晶与聚合物的界面就多，发生散射现象的强度就大。二次曝光对这个部位液晶微滴直径影响不大，只是使得聚合物固化更充分。但对于受图案遮盖而在初次曝光中没有受到曝光的部位，二次曝光紫外光强度弱，曝光时间长，使得预聚物和液晶相分离的时间充分，形成的液晶微滴直径就比较大，同样厚度的聚合物分散液晶层中液晶微滴个数就少，液晶与聚合物的界面就少，发生散射现象的强度就弱，因此这个部位就比较透光，处于半透明状态。

选取图2（a）中局部某处散射态与半透明态交界部位实物照片和偏光显微镜照片如图3所示：图3（a）是散射态与半透明态交界部位实物照片对比，左侧是散射态，右侧是半透明态。图3（b）是散射态与半透明态交界部位偏光显微镜正交偏光场照片对比（200×），左侧是小液晶微滴散射态织构，右侧是大液晶微滴半透明态织构。不经过二次曝光，被图案遮盖住的部位正交偏光场下的偏光显微镜照片将是暗场而看不到聚合物分散液晶的特有织构。

图3 散射态和半透明态交界处二次曝光效果照片

作为初步试制实验研究，本实验也有一些不足之处有待改进。第一，实验发现大面积的光源是造成所制作的图案不能精细化的原因。若采用高强度（功率达数百瓦）紫外光灯泡点光源或平行光源进行曝光，或者将大面积光源通过透镜聚焦到小范围来实现点光源效果，则可望达到制作出散射态和半透明态交界处边界分明的制作条件，从而实现图案精细化。第二，预聚物的配方有很大改进空间，样品对比度也有待优化提高。样品施加剪切应力后成为散射偏光片，受原理限制，必然是一半光透射，一半光散射，不能大幅度提高显示雾态和剪切半透明态的对比度。但通过优化，或研究出新样品未充分固化时，剪切后偏振度不高透光率较高的原理，并将此状态保持下去，还是有望再把对比度提高一些。最后，如果把无机颜料彩色图案丝印到玻璃上，还可以制作出彩色图案调光显示制品等。

4.结论

基于应变液晶调光显示玻璃原理，采用实验得出的最佳配方：液晶与预聚物质量比例为3.5：6.5，粒径为20µm的衬垫粉微球，样品雾度接近80%，漏光不严重，施加剪切应力后透光率接近56%。并利用二次曝光技术制备出有机玻璃调光显示带图案的小面积样品，制品外观为带显示图案雾态，对样品施加剪切应力，整个制品变成半透明状态，显示图案消隐。由于紫外光固化胶粘剂配方特性原因，对于玻璃粘结力强的胶对有机玻璃粘结力差，所以应变调光显示有机玻璃制品比玻璃制品制备难度大。有机玻璃样品比玻璃样品更适合制造小面积玩具和旅游纪念章、会展吉祥物等各种袖珍小商品，因此具有研究的实用价值和应用前景。

参考文献

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资助项目：无锡科技职业学院科技基金（No.RJ14025）;江苏省大学生创新项目。

作者简介：丁兰（1980—），女，江苏无锡人，硕士，讲师，从事电子和液晶显示技术教学与实验研究。