CN100545713C - 聚合物分散液晶双稳膜及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种聚合物分散液晶双稳复合膜及其制造方法，由两张柔性透明导电膜与一层聚合物分散液晶层构成复合膜，两张柔性透明导电膜刻蚀有共面转换电极。聚合物分散液晶层是高活性聚氨酯丙烯酸酯，液晶是大双折射的向列相液晶分子。所述的聚合物分散液晶双稳复合膜施加共面横向电场时处于关态-散射态，去掉电场仍保持散射态；将共面梳状电极短路施加对面电场时处于开态-透明态，去掉电场仍保持透明态。聚合物分散液晶双稳复合膜的制造方法是将高活性聚合物与大双折射向列相液晶混合后相分离形成聚合物包裹液晶微滴结构。本发明用简单的设计方案依靠改变电场方向实现聚合物分散液晶的零场稳定，进而获得更为节能的电子纸技术，或者作为调光功能薄膜，夹在玻璃中，可以在建筑装修与珠宝柜台等领域得到特殊的应用。

Description

聚合物分散液晶双稳膜及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种聚合物分散液晶双稳膜，用简单的设计方案依靠改变电场方向实现聚合物分散液晶的零场稳定，进而获得更为节能的电子纸技术，或者作为调光功能薄膜，夹在玻璃中，可以在建筑装修与珠宝柜台等领域得到特殊的应用。

背景技术

聚合物分散液晶(Polymer Dispersed Liquid Crystal，简称PDLC)是把环氧树脂聚合物与向列相液晶及衬垫料以某个比例混合起来，夹在两片柔性透明导电薄膜之间，经过相分离，液晶从聚合物中析出形成微滴，聚合物固化把液晶微滴包裹在其中的一种复合膜。不加电场时，由于聚合物的折射率与液晶材料折射率不匹配，造成光散射，复合膜对光是关态；当施加电场后，聚合物的折射率与液晶材料折射率能够匹配起来，造成光透射，复合膜对光是开态。PDLC膜是20世纪80年代发明的高科技产品，在调光玻璃，大屏幕显示，全息光栅等许多领域具有应用价值，现在也还是液晶器件研究者关注的课题。

现有的电子纸(e-paper)方案有双色球显示和电子墨水(e-ink)电泳显示和胆甾相液晶双稳显示等技术。现有的胆甾相液晶双稳显示方案是采用美国肯特大学液晶研究所杨登科等提出的聚合物网络稳定胆甾相液晶(Polymer Network Cholesteric LiquidCrystal，简称PNCLC，或者Polymer Stabilized Cholesteric Texture，简称PSCT)，利用多畴织构散射和网络稳定向列相透射的零场稳定性质，通过电压驱动波形技术使液晶进入多畴织构或向列相织构实现双稳。但是存在的问题是驱动电压比较高，对比度差等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚合物分散液晶双稳膜，可以克服现有技术的不足。采用高活性聚合物，使液晶微滴成为“惯性光滑滚珠”，用简单的设计方案依靠改变电场方向实现聚合物分散液晶零场双稳，进而获得一种e-paper-PDLC的新方案，同时得到更为节能的调光功能薄膜，夹在玻璃中，可以在建筑装修与珠宝柜台等领域得到特殊的应用，成为功能玻璃的新技术，新品种，新应用，为设计新的功能玻璃工作原理提供参考。

本发明提供的聚合物分散液晶双稳复合膜包括：两张柔性透明导电薄膜，一层聚合物分散液晶层，液晶层夹在两张柔性透明导电薄膜之间。两张导电薄膜上刻蚀有共面转换梳状电极，以便在梳状电极上加电压，使形成横向电场；将梳状电极短路，在对面电极上加电压形成垂面电场。

所述的聚合物是加活性剂的改性的聚合物，如预聚物聚氨酯丙烯酸酯中再添加了表面活性剂吐温和卵磷脂，使聚合物界面对液晶分子是弱锚定作用；所述的透明胶片薄膜上刻蚀有梳状电极；所述的聚合物中有惯性光滑滚珠的液晶微滴；所述的聚合物折射率选择为n_p＝1.52，液晶寻常光折射率为n_o＝1.52，液晶非常光折射率为n_e＝1.74以上；所述的聚合物分散液晶双稳复合膜，施加共面横向电场时处于关态-散射态，去掉电场仍保持散射态；将共面梳状电极短路施加对面电场时处于开态-透明态，去掉电场仍保持透明态。

聚合物分散液晶双稳复合膜的制造方法适用PDLC制造技术，可以是紫外光固化相分离技术，也可以是热固化相分离技术等。

本发明提供的聚合物分散液晶双稳膜的制造方法包括的步骤：

1)活性预聚物与大双折射向列相液晶材料及适量的衬垫料充分搅拌均匀混合；

2)外面两张柔性透明导电膜内侧刻蚀出梳状共面转换电极；

3)把混合好的高活性预聚物与大双折射差的向列相液晶及衬垫料转印到有共面电极的两张柔性透明导电膜之间；

4)用压合机把印刷了预聚物与液晶混合物的两张柔性透明导电膜挤压成复合膜；

5)对复合膜进行相分离，使液晶从聚合物中充分析出，形成2-2.7微米直径尺寸的液晶微滴。

6)对两张柔性透明导电膜加工出电极引线，在梳状共面转换电极间施加横向电场(如10伏)，使液晶折射率1.63以上，大于聚合物折射率1.52，呈现散射态，并且零场稳定；

7)把梳状共面转换电极短路，在对面电极间施加纵向电场(如3伏)，使液晶折射率等于聚合物折射率1.52，呈现透明态，并且零场稳定。

所述的活性预聚物是添加了表面活性剂吐温和卵磷脂的聚氨酯丙烯酸酯体系的预聚物；所述的向列相液晶的大双折射差为n_e-n_o＝Δn≥0.2(是永生华清产PDLC用液晶LC-1等。)

所述的衬垫料直径是10微米塑料微球。

所述的预聚物与向列相液晶按质量比：1∶1。

本发明聚合物分散液晶层的聚合物采用活性剂改性的聚合物，液晶采用转动惯量大的向列相液晶，使得在聚合物中液晶微滴成为“惯性光滑滚珠”，施加横向电场时，液晶分子指向矢沿面排列，去掉电场后仍能保持这种沿面排列状态；施加垂面电场时，液晶分子指向矢垂面排列，去掉电场后仍能保持这种垂面排列状态。设计垂面排列时液晶折射率与聚合物折射率相匹配，呈现透明的“开态”；沿面排列时液晶折射率与聚合物折射率不匹配，呈现散射的“关态”。“开态”与“关态”都是零场稳定状态。

聚合物是光学各向同性材料，折射率用n_p表示。向列相液晶是棒状分子，分子长轴取向保持着分子间彼此平行的排列状态，分子的重心混乱无序，但分子的指向矢大体一致。向列相液晶是光学各向异性材料，折射率用寻常光折射率n_o和非常光折射率n_e表示。在没有加电场时，不同液晶微滴中的液晶分子排列指向随机分布，光学上表现为体平均折射率效果，可以写成 ${\stackrel{\‾}{n}}_b=\frac{1}{3}(2n_o+n_e).$ 如果选择聚合物折射率n_p与液晶平均折射率不相等，且差异还比较大些，则光线在聚合物与液晶微滴界面处因为折射率突变而造成光散射。一般PDLC膜厚20μm，液晶微滴直径1-4μm，经过多次散射，透射光减弱，散射光增强，使PDLC膜看上去如同毛玻璃一般。施加电场时，液晶微滴中的液晶分子排列都指向电场方向，表现为折射率等于寻常光折射率n_o，如果设计选择聚合物折射率n_o与液晶寻常光折射率n_o相等，光线在聚合物与液晶微滴界面处不会造成光散射，则PDLC膜就成透明状态。如果施加电场的方向是垂直于光束方向，则液晶分子转向电场方向，对光线方向而言，液晶折射率表现为面平均折射率 ${\stackrel{\‾}{n}}_a=\frac{1}{2}(n_o+n_e).$ 胆甾相液晶是一种具有螺旋结构的液晶，是向列相液晶的一种特殊形式。胆甾相液晶的结构是排列成层状结构，在每个平面层内分子长轴平行排列和向列相液晶相像，层与层之间分子长轴逐渐偏转，形成螺旋状，其自发扭曲轴称为螺旋轴，分子的长轴取向在旋转360度后复原的层面间距称为螺距。在液晶盒中，当胆甾相液晶螺旋轴方向垂直表面，称为平面织构；当胆甾相液晶螺旋轴方向在任意方向散乱分布，称为焦锥织构；如施加电场可以把螺旋结构解除，形成场致向列相。而液晶盒中有垂面排列的丝链聚合物，能把多畴焦锥态和场致向列相状态都零场稳定下来；而液晶盒中有沿面排列的丝链聚合物，也可把平面态和多畴焦锥态都零场稳定下来。

传统PDLC膜向列相液晶微滴中的液晶分子取向不能双稳，工作电压数十伏，开态功耗近十瓦每平方米；而PDLC膜胆甾相液晶微滴中的螺旋轴取向能够双稳，但工作电压要高很多，施加大电场把胆甾相液晶驱动到场致向列相，快速去掉电场将刷新到平面织构，阶梯稍慢去掉电场又将刷新到焦锥织构。平面织构是液晶螺旋轴垂直膜表面，如果避开可见光布拉格反射波段，折射率呈现面平均折射率，有利于光透射；焦锥织构是螺旋轴在任何方向随机杂乱分布，折射率呈现体平均折射率，有利于光散射。传统的PDLC膜由于聚合物对液晶的锚定作用，使得液晶微滴中界面处液晶分子被聚合物强束缚，不会转向电场方向，造成PDLC膜“开态”不够透明，“关态”又不够白，传统的PDLC膜也就是能当电控调光玻璃用，用在显示领域并不被人们看好。但是有研究表明，丙烯酸体系的聚合物对液晶分子的锚定作用比较弱，在聚合物中再加入表面活性剂可以大大降低聚合物对液晶的锚定作用。又一般聚合物界面会使液晶分子沿面排列，而卵磷脂会使液晶分子垂面排列，因此采用表面活性剂和卵磷脂对聚合物改性，使液晶微滴在聚合物包裹里成为“光滑滚珠”。已经有膜层很薄，但却散射态很白(与白纸可比)，透射态又很亮，工作电压仅有几伏的PDLC产品出现，如果再能形成零场双稳则就可能成为电子纸方案的候选者，因此，本发明在电子纸和调光玻璃领域具有应用前景。

本发明与已有技术相比，具有如下的优点：

1、已有的PDLC技术已经作为调光玻璃在高档建筑装修领域获得越来越多的应用，并且在大屏幕显示，全息光栅，电子纸等领域有应用前景。共面电极作为共面转换开关(IPS)在高端薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)已经被应用，由于本发明把“共面”与“对面”双功能电极和高活性聚合物及大转动惯量向列相液晶联系起来，本发明开辟了“高活性聚合物”概念和大转动惯量向列相液晶的“惯性光滑滚珠”制造聚合物分散液晶双稳复合膜新领域，用简单的设计方案依靠改变电场方向实现聚合物分散液晶的零场稳定，进而获得更为节能的电子纸技术，所以本发明是e-paper-PDLC新方案，可以是PDLC调光玻璃的零场双稳新产品，可以作为调光功能薄膜，夹在玻璃中，可以在建筑装修与珠宝柜台等领域得到特殊的应用。

附图说明

图1，本发明的聚合物分散液晶双稳复合膜结构示意图。

图2，本发明的聚合物分散液晶双稳复合膜共面电极结构示意图。

图3，本发明的聚合物分散液晶双稳复合膜工作原理示意图。

图4，本发明的聚合物分散液晶双稳复合膜制造方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。聚合物分散液晶双稳复合膜在超净化车间里进行生产，生产设备主要包括超纯去离子水清洗机，光刻胶涂布机，紫外曝光机，显影定影池，酸刻池，预聚物与液晶混合搅拌机，预聚物涂布机，压合机，平台密封紫外固化机，切片机等。

本发明使用的高活性预聚物是添加了表面活性剂吐温和卵磷脂的聚氨酯丙烯酸酯体系的预聚物(预聚物与表面活性剂的质量比100∶1-4，吐温∶卵磷脂是1∶1)。本发明使用的稀释单体种类有丙烯酸异冰片酯(IBOA)，1，6己二醇二丙烯酸酯(HDDA)，三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)和2-(2-乙氧基乙氧基)乙基丙烯酸酯(EOEOEA)等。本发明使用的预聚物是沙多玛公司的产品聚氨酯丙烯酸酯CN966J75(预聚物与光引发剂的质量比100∶1)。本发明使用的光引发剂是TPO-1，4，6(三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦(清华紫光英力集团的产品)。表面活性剂吐温80选用邢台蓝星助剂厂产品，卵磷脂选用北京美亚斯磷脂技术有限公司产品。大双折射向列相液晶材料是永生华清产PDLC用液晶LC-1。

参见图1，本发明的聚合物分散液晶双稳复合膜结构示意图。柔性透明胶片101，105上面有透明导电薄层电极102，104，中间夹着聚合物分散液晶层103。

参见图2，电极102和104刻蚀成梳状共面转换电极(IPS)，电极宽度15μm，间隔15μm。聚合物分散液晶层103厚度10μm，液晶微滴106直径约2.7μm，聚合物折射率选择为n_p＝1.52，液晶寻常光折射率n_o＝1.52，非常光折射率n_e＝1.74。

参见图3，将共面电极短路作为一极，施加对面电极电场时，液晶折射率取寻常光折射率n_o＝1.50，开态PDLC膜为透明态301，去掉电场仍保持在透明状态。施加共面电极电场时，液晶折射率取面平均折射率 ${\stackrel{\‾}{n}}_a=\frac{1}{2}(n_o+n_e)=1.63,$ 关态PDLC膜为散射态302，去掉电场仍保持在散射状态。

参见图4，本发明的聚合物分散液晶复合膜制造方法示意图。

A、高活性预聚物(添加了表面活性剂吐温和卵磷脂的聚氨酯丙烯酸酯体系的预聚物)与大双折射向列相液晶材料及适量的10微米的衬垫料充分搅拌均匀混合，预聚物与向列相液晶按1∶1比例混合；

B、外面两张柔性透明导电膜内侧刻蚀出梳状共面转换电极102，104；

C、把混合好的高活性预聚物与大双折射向列相液晶及衬垫料转印涂布到401有共面电极的两张柔性透明导电膜402，403之间；

D、用压合机把涂布了预聚物与液晶混合物的两张柔性透明导电膜挤压成复合膜404；

E、对复合膜进行相分离，使液晶从聚合物中充分析出，当形成平均直径约2.7微米的液晶微滴时进行固化(相分离及固化处理可以是紫外光固化技术或者采用热固化)；

F、对两张柔性透明导电膜加工出电极引线，在梳状共面转换电极间施加约10伏横向电场，使液晶折射率1.63大于聚合物折射率1.52，呈现散射态，并且零场稳定；

G.把梳状共面转换电极短路，在对面电极间施加约3伏的纵向电场，使液晶折射率等于聚合物折射率1.52，呈现透明态，并且零场稳定。

Claims (7)

1、一种聚合物分散液晶双稳膜，其特征在于它包括：

两张柔性透明导电薄膜；

聚合物分散液晶层，夹在两张柔性透明导电薄膜之间；

共面转换梳状电极，刻蚀在两张导电薄膜上，以便在梳状电极上加电压，使形成横向电场，将梳状电极短路，在对面电极上加电压形成垂面电场；

所述的聚合物是加活性剂的改性聚合物；所述的改性聚合物是聚氨酯丙烯酸酯中添加了表面活性剂吐温和卵磷脂，使聚合物界面对液晶分子是弱锚定作用；

所述的聚合物中有惯性光滑滚珠的液晶微滴。

2、根据权利要求1所述的聚合物分散液晶双稳膜，其特征在于所述的聚合物折射率选择为n_p＝1.52，液晶寻常光折射率为n_o＝1.52，液晶非常光折射率为n_e＝1.74。

3、权利要求1所述的聚合物分散液晶双稳膜的制造方法，其特征在于包括的步骤：

1)活性预聚物与大双折射向列相液晶材料及适量的衬垫料充分搅拌均匀混合；

2)外面两张柔性透明导电膜内侧刻蚀出梳状共面转换电极；

3)把混合好的高活性预聚物与大双折射差的向列相液晶及衬垫料转印到有共面电极的两张柔性透明导电膜之间；

4)用压合机把印刷了预聚物与液晶混合物的两张柔性透明导电膜挤压成复合膜；

5)对复合膜进行相分离，使液晶从聚合物中充分析出，当形成直径尺寸2-2.7微米的液晶微滴时进行固化；

6)对两张柔性透明导电膜加工出电极引线，在梳状共面转换电极间施加10伏横向电场，使液晶折射率为1.63，聚合物折射率为1.52，呈现散射态，并且零场稳定；

7)把梳状共面转换电极短路，在对面电极间施加3伏的纵向电场，使液晶折射率等于聚合物折射率1.52，呈现透明态，并且零场稳定；

所述的活性预聚物是添加了表面活性剂吐温和卵磷脂的聚氨酯丙烯酸酯体系的预聚物。

4、根据权利要求3所述的聚合物分散液晶双稳膜的制造方法，其特征在于所述的向列相液晶是其大双折射差为Δn≥0.2。

5、根据权利要求3所述的聚合物分散液晶双稳膜的制造方法，其特征在于所述的衬垫料直径是10微米。

6、根据权利要求3所述的聚合物分散液晶双稳膜的制造方法，其特征在于所述的预聚物与向列相液晶的质量比为：1∶1。

7、权利要求1-2所述的任一聚合物分散液晶双稳膜的应用，其特征在于它用于制造电子纸或者作为建筑装饰材料的调光功能薄膜。

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