CN113759612A - 一种基于胆甾相液晶的反射式滤光片及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学全波段反射器件领域，公开了一种基于胆甾相液晶的反射式滤光片及其制备方法和应用。该反射式滤光片包括以下结构：电源组件；两块导电基板，两块所述导电基板相对设置，两块所述导电基板的内表面均设有电极，并与电源组件的两极连接；聚合物网络稳定的胆甾相液晶，位于两块所述导电基板之间，所述胆甾相液晶与所述导电基板之间设置有取向层，所述取向层具有7°‑10°的预倾角。该反射式滤光片具有波段可调和快速响应的特点，响应时间可低至2ms，在VR技术、拍摄镜头和液晶显示等领域有着巨大的潜在应用价值。

Description

一种基于胆甾相液晶的反射式滤光片及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于光学全波段反射器件领域，尤其涉及一种基于胆甾相液晶的反射式滤光片及其制备方法和应用。
背景技术
胆甾相液晶材料因其特殊的螺旋结构而具有选择性布拉格反射的特性，这种特殊的光学性质使得胆甾相液晶能够被被广泛的应用在液晶显示器、拍摄镜头、VR技术等诸多领域。目前而言，拍摄镜头领域对于快速响应的滤光片要求极大，需要在毫秒级时间内以不同波段下拍摄两幅图片，将其相互叠加，可使得照片的细节和色彩更加饱满，因此对于时效性要求极为严苛。而现有的基于聚合物网络稳定胆甾相液晶的滤光片，多在20ms以上，响应时间过长，无法满足需要。
在一个单畴体内，胆甾相液晶分子与螺旋轴垂直排列，在垂直于螺旋轴的平面内，可以认为是向列相液晶；在沿着螺旋轴的方向上，胆甾相液晶分子的指向发生变化，其旋转360°时所经过的螺旋轴的长度被称为螺距(P)。单一螺距的胆甾相液晶反射波长λ＝P×n(n为液晶的平均光折射率)；反射光谱带宽Δλ＝(ne-no)P＝Δn×P(Δn＝ne-no为双折射率)；胆甾相液晶正是由于螺旋结构，对于特定波段进行反射，同时由以上公式中可见，可以通过调节P值，获得任意的反射波段。
目前大部分研究的关于快速响应波段可调的反射式滤光片是采用聚合物网络稳定胆甾相液晶(PSCLC)的方法来使得光波段被反射，但是这一过程需要长时间紫外光照射的固化，往往会形成大小不一的畴态，造成光散射问题严重，但如果减少紫外固化的时间，将会使得畴态太小，恢复时间被大大增长，从而影响响应时间。
因此，本发明希望提出一种波段可调且响应时间更短的滤光片，以满足实际需求。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于胆甾相液晶的反射式滤光片及其制备方法和应用，该反射式滤光片具有波段可调和快速响应的特点，响应时间可低至2ms，在VR技术、拍摄镜头和液晶显示等领域有着巨大的潜在应用价值。
本发明提供一种反射式滤光片，包括以下结构：
电源组件；
两块导电基板，两块所述导电基板相对设置，两块所述导电基板的内表面均设有电极，并与电源组件的两极连接；
聚合物网络稳定的胆甾相液晶，位于两块所述导电基板之间，所述胆甾相液晶与所述导电基板之间设置有取向层，所述取向层具有7°-10°的预倾角。
本发明通过设置具有7°-10°大预倾角的取向层，若角度过小，取向层则倾向于平行取向，液晶的偏转方式不会由小角度转向大角度，而是直接由平行胆甾相反转至躺倒型胆甾相液晶；若角度过大，液晶的初始排列方式就是躺倒型液晶，在其他条件不变的情况下，电场条件下液晶不会偏转。使用该取向层使得具有聚合物网络稳定结构的胆甾相液晶(在高倍偏光显微镜下可以看到相对均匀的畴态)在初始状态就是偏转状态，从而保证胆甾相液晶在外加电场发生偏转时能偏向更大角度，从而实现反射波段蓝移。再撤除电压后，聚合物网络又带动胆甾相液晶分子回复原样，恢复到原有的反射波段，因而可通过控制电场强度来调节胆甾相液晶分子的偏转以达到对不同波段的选择性反射(可实现全波段可调的滤波，反射波段可从红外区间到紫外区间)，以实现快速滤光的需求。同时，在这一过程中并没有涉及到胆甾相液晶的解螺旋过程，因此并不会带来严重的光散射，也没有解螺旋与螺旋的重新扭曲，进而恢复速度也大大加快，响应时间可达2ms。
所述导电基板可选用玻璃基板、PET膜或其他具有良好透光性的导电材质。
优选的，所述电源组件中还设置有开关和电压调节装置。
优选的，制备所述胆甾相液晶的组分包括：向列相液晶、手性掺杂剂、液晶单体和光引发剂。
更优选的，制备所述胆甾相液晶的组分包括：向列相液晶70-95wt％、手性掺杂剂5-40wt％、液晶单体5-20wt％和光引发剂0.5-1.5wt％。
通过调节手性掺杂剂的浓度可控制胆甾相液晶的螺距大小，从而实现反射波段的调控。
所述手性掺杂剂可选用S5011、R5011或其他小分子手性掺杂剂中的至少一种；所述光引发剂可选用Irg819、Irg651或其他光引发剂中的至少一种；所述液晶单体可选用HCM008、HCM009或其他液晶单体中的至少一种。
优选的，所述取向层由液晶取向剂制得。
更优选的，所述液晶取向剂为聚酰亚胺。所述液晶取向剂可选自AL-7566B或ZKPI-4000。
优选的，所述调节区还设置有间隔子，用于支撑两块所述导电基板保持相对间隔。
所述间隔子可选用硅球、高分子间隔物微球或者其他球状不导电硬质间隔物质。通过控制间隔子的直径，即可控制两块所述导电基板的间隔距离。
本发明还提供了上述反射式滤光片的制备方法，包括以下步骤：
(1)在导电基板表面涂覆液晶取向剂，热处理，得到具有取向层的导电基板；
(2)在两块所述导电基板之间加入间隔子，并用胶水进行固定，形成液晶盒；
(3)将向列相液晶、手性掺杂剂、液晶单体和光引发剂混合，得到液晶混合物；利用毛细吸力将液晶混合物吸入液晶盒内，紫外照射，制得调节区；将两块所述导电基板与电源组件连接，即为所述反射式滤光片。
优选的，步骤(1)中采用旋涂进行涂覆，所述旋涂的转速为450-600r/min。
优选的，步骤(1)所述热处理的操作为：以75-85℃预处理2-3min后，再放置于220-280℃的保护气氛中烘干80-100min。
优选的，步骤(2)中所述胶水为UV固化胶，采用紫外照射进行所述固定。
优选的，在黄光条件下配置所述液晶混合物。
优选的，在步骤(3)将液晶混合物吸入液晶盒内的步骤中，控制温度为约60℃。
本发明还提供了上述反射式滤光片在虚拟现实技术领域、拍摄镜头领域和液晶显示领域中的应用。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
本发明所述反射式滤光片通过在导电基板表面设置大预倾角(7°-10°)的取向层，使聚合物网络稳定的胆甾相液晶可以在初始状态下就拥有预倾角，再通过接入电压形成电场，使胆甾相液晶分子发生偏转，从而发生反射波段的蓝移；撤除电压后，胆甾相液晶分子回复原样，恢复到原有的反射波段，因而可通过控制电场强度来调节胆甾相液晶分子的偏转以达到对不同波段的选择性反射，以实现快速滤光的需求，同时其恢复速度也大大加快，响应时间可达2ms。除此之外，本发明所述反射式滤光片无需额外添加偏振片，结构更为简单。本发明所制得反射式滤光片可应用于虚拟现实技术、拍摄镜头和液晶显示等领域，例如将其做成镜头用于拍照摄影，可大大增强照片细节，实现更好的拍摄效果。
附图说明
图1为反射式滤光片在未加电之前的整体结构示意图；
图2为反射式滤光片在加电后的整体结构示意图；
图3为反射式滤光片在加电前、后随波长变化所造成的透光率变化情况；
图4为反射式滤光片响应时间的测试结果。
具体实施方式
为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案，现列举以下实施例进行说明。需要指出的是，以下实施例仅为本发明的优选实施例，对本发明要求的保护范围不构成限制作用，任何未违背本发明的精神实质和原理下所做出的修改、替代、组合，均包含在本发明的保护范围内。
以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。
根据本发明实施例所提供的反射式滤光片，包括以下结构：
电源组件，电源组件配套设有开关和电压调节装置；
两块导电基板(ITO玻璃)，两块导电基板相对设置，其内表面设有ITO电极，并与电源组件的正负两极相连；在通电情况下，两块导电基板会形成电场，该电场的大小与ITO电极的接入电压有关；
调节区，位于两块导电基板之间，调节区中填充有胆甾相液晶，胆甾相液晶与导电基板之间还设置有取向层，取向层具有约10°的预倾角(预倾角角度设置是以平行于玻璃基板作为0°来进行度数设置的，从平行到垂直角度依次递增，直至角度最大为90°)。调节区中还设置有间隔子(硅球)，用于支撑两块导电基板保持相对间隔，可通过控制间隔子的直径来控制两块导电基板的间隔宽度。
上述反射式滤光片的制备方法，包括以下步骤：
(1)将清洗完毕之后的ITO玻璃的带电极面正面朝上，在紫外臭氧照射机中照射20min；再用旋涂机以500r/min，60s的条件在ITO玻璃表面旋涂聚酰亚胺溶液(ZKPI-4000，购自波米科技有限公司)，均匀成膜后，将ITO玻璃放在80℃热台上预热60s，再放置在有氮气保护的240℃热台上加热90min，自然冷却，得到具有取向层的导电基板；
(2)按1：99的质量比将10μm的间隔子(硅球，购自深圳市纳微科技有限公司)和UV固化胶(购自深圳市纳微科技有限公司)混合并进行搅拌，得到间隔子-胶水混合物；
取一块步骤(1)所制得的具有取向层的导电基板，在取向层表面点上间隔子-胶水混合物；再取另一块步骤(1)所制得的具有取向层的导电基板，以两块导电基板中取向层相对的方式，盖在第一块导电基板上，轻轻摩擦导电基板使硅球均匀分布，最后在紫外照射机固化60s，形成液晶盒；
(3)按照如下用量配置液晶混合物：向列相液晶E7(购自江苏合成显示科技有限公司)91wt％、手性掺杂剂S5011(购自北京八亿时空液晶科技股份有限公司)3wt％、液晶单体HCM008(江苏合成显示科技有限公司)5wt％以及光引发剂Irg651(购自天津希恩思生化科技有限公司)1wt％，在黄光条件下，将以上原料在50℃下搅拌直至充分混合，混合之后自然降至室温，得到所需的液晶混合物；
将制作好的液晶盒放置在60℃的热台上，加热至液晶盒达到60℃，升温完成之后，用移液枪取适量的液晶混合物滴至液晶盒上，利用毛细作用力将液晶混合物吸入液晶盒中，当液晶完全充满盒子时，保温一小时自然冷却。将冷却到室温的器件放置在紫外照射机固化15min，制得调节区；将两块导电基板与电源组件连接，即制得反射式滤光片。
本发明实施例所提供的反射式滤光片具有以下特点：图1所示为反射式滤光片在未加电之前的整体结构示意图，电源组件中的电压调节装置可使得使得电源的电压可控(电压供给方式可以有多种选择多样，例如可采用摩擦供电的方式来实现电场的有无)，两块导电基板(ITO玻璃)上的ITO电极与电源串联。图2所示为反射式滤光片在加电后的整体结构示意图，通过接入电压形成电场，使得胆甾相液晶分子发生偏转，从而发生反射波段的蓝移；在撤除电压后，胆甾相液晶分子回复原样，恢复到原有的反射波段，因而可通过控制电场强度来调节胆甾相液晶分子的偏转以达到对不同波段的选择性反射，以实现快速滤光的需求。图3所示为反射式滤光片在加电前、后随波长变化所造成的透光率变化情况。
响应时间的测试
利用包含光电二极管、放大器、采集卡、电脑以及上述反射式滤光片的装置测定其响应时间。此处液晶装置响应时间定义为如下：从电压无施加状态起始对所制造的显示元件施加电压，滤光片从650nm蓝移到500nm所需的时间，以及撤去电压后滤光片从500nm恢复到650nm所需时间，两者之和即为响应时间。样品输出电压由函数发生器输出，输出电压由滤波器测试，样品的响应时间由光电二极管以65ns的时间分辨率测量。光电二极管的输出信号经放大后由采集卡转换，然后由计算机用LabVIEW程序采集。
该反射式滤光片的响应时间的测试结果如图4所示，该反射式滤光片既能够根据人们的意愿来调节器件的反射波段，可以根据用户需求进行个性化定制，又能在电场作用下实现2ms左右的快速响应，满足摄像摄影者的极大需求，同时由于其体积小巧，可装载在各种移动设备上，因此未来市场潜力无限巨大。
上面结合附图对本申请实施例作了详细说明，但是本申请不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种反射式滤光片，其特征在于，包括以下结构：
电源组件；
两块导电基板，两块所述导电基板相对设置，两块所述导电基板的内表面均设有电极，并与电源组件的两极连接；
聚合物网络稳定的胆甾相液晶，位于两块所述导电基板之间，所述胆甾相液晶与所述导电基板之间设置有取向层，所述取向层具有7°-10°的预倾角。
2.根据权利要求1所述的反射式滤光片，其特征在于，制备所述胆甾相液晶的组分包括：向列相液晶、手性掺杂剂、液晶单体和光引发剂。
3.根据权利要求2所述的反射式滤光片，其特征在于，制备所述胆甾相液晶的组分包括：向列相液晶70-95wt％、手性掺杂剂5-40wt％、液晶单体5-20wt％和光引发剂0.5-1.5wt％。
4.根据权利要求1所述的反射式滤光片，其特征在于，所述取向层由液晶取向剂制得。
5.根据权利要求1所述的反射式滤光片，其特征在于，两块所述导电基板还设置有间隔子，用于支撑两块所述导电基板保持相对间隔。
6.权利要求5所述的反射式滤光片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在导电基板表面涂覆液晶取向剂，热处理，得到具有取向层的导电基板；
(2)在两块所述导电基板之间加入间隔子，并用胶水进行固定，形成液晶盒；
(3)将向列相液晶、手性掺杂剂、液晶单体和光引发剂混合，得到液晶混合物；利用毛细吸力将液晶混合物吸入液晶盒内，紫外照射，形成聚合物网络稳定的胆甾相液晶；将两块所述导电基板与电源组件连接，即为所述反射式滤光片。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中采用旋涂进行涂覆，所述旋涂的转速为450-600r/min。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述热处理的操作为：以75-85℃预处理2-3min后，再放置于220-280℃的保护气氛中烘干80-100min。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述胶水为UV固化胶，采用紫外照射进行所述固定。
10.权利要求1-5中任一项所述的反射式滤光片在虚拟现实技术领域、拍摄镜头领域和液晶显示领域中的应用。
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