聚合物网络液晶技术简介

聚合物网络液晶是在常规液晶材料中添加预聚物单体，再通过紫外曝光，完成对液晶进行纳米尺度的、局域性的锚定，实现等效减小液晶盒厚，降低液晶的响应时间。由于其在调相特性的优点，通过调配不同预聚物和工艺方案，优化实验参数，达到满足技术指标的器件。

当聚合物浓度少于15wt%时，聚合物在液晶中以链条样式的网络形式存在，即通常所说的聚合物网络液晶（Polymer Network Liquid Crystal，PNLC）。PNLC的制备过程选用了聚合物相分离法来制备所需要的PNLC膜。

根据前期研究结果，对常规液晶YM8进行波束单元快速切换改进，将得到的混合体系置于适当温度下搅拌至透明状态；按照制备液晶盒的方法制备TN模式盒厚为7μm的液晶盒；将得到的液晶混合物注入制备好的液晶盒中，并于紫外条件下曝光约10 min。当乙二醇二基丙烯酸酯与甲基丙烯酸酯的比例为7∶3时，得到的PNLC响应时间效果最好，上升时间和下降时间均小于1 ms，达到百微秒量级。

聚合物网络液晶工作原理如图8.20所示。未施加电场，即关态时（Off－State）由于液晶在聚合物网络中以一种多畴态形式存在，液晶分子因取向层和网络界面的作用择优取向排列，各个液晶畴的指向矢分布是随机的，入射光在畴与畴的界面处由于折射率的不连续变化而引起散射，PNLC表现为模糊态。施加电场时，液晶分子的指向矢会随电场偏移，电场使所有液晶畴中的指向矢沿电场方向排列成一个单畴态，对入射光来说是一个折射率均匀的介质，因而入射光透过率增加，此时PNLC膜呈透明状态（On－State）。

图8.20　PNLC的工作原理

（a）关态；（b）开态

随着聚合物混合单体掺杂浓度的增大，相应的PNLC盒的阈值电压也呈增大趋势。对于PNLC，聚合物在液晶中将会形成网络的形式，随着聚合物浓度的增大，聚合物网络也将会越来越密集，即聚合物网络的尺寸越来越小。聚合物浓度足够大时，所形成的聚合物网络也将足够小，甚至可以看作微滴结构，不能实现PNLC的调相特性。下一步的研究重点依然是减小材料黏滞系数和增大材料的弹性系数。

聚合物诱导相分离法是将聚合物单体和预聚物与液晶溶为一均匀体系，加上引发剂或者催化剂，通过光引发或热引发聚合反应，引发相分离。为了控制微滴的尺寸和分布，将化合体系配置于温度可以控制的热台上，采用紫外光引发聚合物反应。通过配比调整、热台温度控制和紫外曝光强度的调整，得到符合要求的PNLC膜。此方法设备简单、操作方便、无污染，可获得高质量的PNLC膜。

1.单体含量对PNLC响应时间的影响

实验选取一种多官能丙烯酸酯作为预聚物，与向列型液晶YM8混合制备PNLC，液晶盒厚9μm，温度控制在30℃，紫外光强为100 mW／cm2。

为研究不同单体含量对PNLC响应时间的影响，对液晶与预聚物的配比做如表8.5所示配置。对每一组样品分别在不同驱动电压下进行响应时间测试，施加在PNLC两端的驱动电压频率为1 kHz，占空比为0.75。为了验证PNLC对响应时间的影响，本实验还设置了对照组，该对照组为灌有普通YM8液晶的TN盒，所施加电压频率与PNLC两端电压频率相同。

表8.5　成分配比（w t%）

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续表

测试结果如图8.21所示。

图8.21　PNLC与普通YM 8响应时间波形对比

（a）普通YM8液晶响应时间波形；（b）PNLC液晶响应时间波形

普通YM8液晶的响应时间波形非常模糊，没有明显的上升沿和下降沿，即使将驱动电压调到20 V以上，还是无法有效驱动。在响应时间波形上与激励信号上升沿相对的位置处存在毛刺，这主要是由于液晶中电容效应的存在，使液晶分子在还没有完全放电的情况下又被驱动信号激励。而采用YM8制备的PNLC液晶器件即使在很小的电压下（10 V左右）也能对驱动波形作出响应，并且其上升沿和下降沿都非常清晰，响应时间波形十分规整、陡峭。这说明PNLC对激励信号的响应非常迅速，响应时间非常小，验证了PNLC薄膜显示器件可以实现波束单元快速切换。

2.表面活性剂对PNLC电光特性的影响

本实验拟通过向PNLC中添加表面活化剂研究其对PNLC光电特性及响应时间的影响。实验中预聚物选取乙二醇二甲基丙烯酸酯，活化剂选取甲基丙烯酸甲酯（MMA）。在紫外光诱导的相分离过程中，聚合物乙二醇酯聚合速度快，先聚合，形成三维聚合物网络。甲基丙烯酸甲酯聚合速度慢，故附着在乙二醇酯形成的三维聚合物网络上进行再次聚合，形成更为致密的三维网络，包裹着液晶在三维网络中形成多个畴区。由于乙二醇酯对液晶分子的界面锚定作用力比较强而甲基丙烯酸甲酯对液晶分子的界面锚定作用力弱，可以降低阈值电压和饱和驱动电压，改善液晶器件的光电特性。

3.含有甲基丙烯酸甲酯的PNLC的响应时间

本实验研究了三种不同的液晶与预聚物的配比对响应时间的影响情况，其质量比分别为5%、10%、15%。与上一节不同的是在预聚物中添加了甲基丙烯酸甲酯，其中乙二醇酯与甲基丙烯酸甲酯的质量比为9∶1。甲基丙烯酸甲酯对液晶分子的锚定作用比较弱。本实验主要研究在弱锚定情况下PNLC的响应时间以及驱动电压的变化规律。其他条件与上一节相同，液晶盒厚9μm，聚合温度控制在30℃，紫外光强为100 mW／cm2。

通过相应配比的未添加甲基丙烯酸甲酯的PNLC响应时间与驱动电压进行对比，很容易看出甲基丙烯酸甲酯（MMA）对降低阈值电压与饱和驱动电压有很大作用。这种对阈值电压以及饱和驱动电压的降低以牺牲下降时间为代价，从另一个侧面验证了关于PNLC波束单元快速切换原理的推测，即聚合物网络作为一种三维的体效应，其界面的作用力对液晶分子有很强的锚定作用，聚合物网络对PNLC液晶分子的作用将会以力矩的形式表现出来，以阻止液晶分子沿电场方向旋转。加入甲基丙烯酸甲酯后，削弱了这种界面作用力，导致聚合物场对液晶分子的锚定作用减弱，使PNLC分子的指向矢不能快速恢复到初始的排列状态，这也是加入表面活化剂后PNLC的下降时间反而上升的原因。

实验主要验证PNLC可以实现对液晶的波束单元快速切换时间，并通过前两组实验对响应时间以及驱动电压的变化趋势进行了验证。实验得到了两个结论，一是上升时间τon随驱动电压的增大逐渐减小，而下降时间τoff随着驱动电压的增大反而缓慢上升；另一个是从整体上来说PNLC的驱动电压还是随着聚合物含量的增大而呈上升趋势。在第三组实验中，通过添加表面活化剂，证实了甲基丙烯酸甲酯对于降低驱动电压的作用，同时发现了表面活化剂会引起下降时间上升的现象。