PDLC器件显示原理及性能分析

引言

　　近年来，高分子分散型液晶显示器(polymerdispersed liquid crystal，PDLC) 的一些特殊性能得到了很大的应用。本文基于当前对PDLC 的理论研究成果，探讨和研究了PDLC 器件的显示原理，同时制作了基于玻璃基材的PDLC，并对其性能进行了讨论。
 

　　1 理论基础研究

　　高分子分散型显示器就是用高分子预聚合物和向列相液晶按照一定的比例混合在一起，由于两者的分子结构比较相似，所以很容易混合在一起，再通过涂布或灌注到液晶盒里，然后进行聚合反应，就完成了制作。聚合方式可分为热聚合相分离、光聚合相分离、溶剂型聚合反应等，本文采用光聚合相分离的办法制作。其原理就是当高分子预聚合物发生聚合相反应后，高分子聚合物将和液晶分子发生分离，液晶分子彼此靠拢形成液晶滴，它们分散在高分子中间，其结构和工作原理如图1 所示。

　　在不加电场时，液晶分子在微滴中自由排列，所有微滴也是无序的排列。由于液晶分子是强的光学各向异性和介电各向异性材料，其有效的折射率不与基体折射率匹配，也就是说它们和高分子聚合物之间互相发生散射，这样就形成了雾态。当加上电场时，液晶分子将会呈现一致的平行排列，这样高分子的折射率与液晶的寻常光折射率一致时，高分子聚合物和液晶分子之间没有散射，液晶盒将呈现亮态。现在的应用就是基于雾态和亮态二者转换，以获取相应的显示内容。因为它不需要偏光片、定向层，所以制作工序相对普通的TN 和STN 等简单很多，但是它能有特殊的显示效果，所以在实际应用中还是有很大的发展空间的。

　　采用Rayleigh- Gans 的散射理论，对双极排列液晶的微滴，高分子分散型液晶滴显示的散射截面由式(1)表示：

　　其中，R 是球形液滴的半径，np 是高分子的折射系数。

　　液晶微滴的定量讨论表明，阈值电压与液晶分子在微滴内的排列状态有关。对于从双极排列到平行排列的转变电压由式(2)表示：

　　其中， l=a/b ，是液晶微滴长短之比，ρp 和ρLC 分别是高分子和液晶的电导率。

　　所以从以上可以看出，PDLC 的驱动电压比较高，虽然可以通过降低盒厚来解决，但降低盒厚会造成对比度下降很多，这个在后文实验中有所对比。还有就是减小高分子和液晶的电导率之比ρp/ρLC，这也是一个方法。国外现在已研发出能够使用在手表上的PDLC，其电压可以满足手表的要求，显示效果也得到了很多消费者的认可。

　　2 实验方案及其制作

　　首先是进行空盒工序的制作，从制作工序上讲，光刻的工艺和材料同TN 产品没有差别，用同样的制作工艺即可。因不需要定向层，所以直接进行丝印边框和喷洒所需粒径的衬垫料，然后进行热压制盒。通过使用玻璃的基板，可以较容易地制作图案，还有就是可以获得想要的膜厚，而且膜厚的精度可以控制在0.5μm 以内，这样实验时受外界因素影响小，实验的结果也会较为准确。

　　然后进行灌液晶的操作，因PDLC 液晶的粘度偏大，所以在制作封口时可以大一些和多一些，以利于灌液晶。
最后是进行光聚合反应，在这个过程中，光的强度和光照时间都会影响到液晶微粒的尺寸及分布，而这最终要影响到PDLC 膜的电光性能。所以本文在进行光聚合反应时，光聚合反应的实验条件是一致的。具体条件是使用高压汞灯，波长为365nm，光强为8.5mW/cm2，时间为60s。

　　本文选定了一款PDLC 液晶，液晶使用向列相类型，具体参数为△n=0.22，△ε=13.2，液晶的粘度在180cp，分别用8μm 和20μm 的工艺制作，然后进行on 和off 透过率的测试，也就是通过测试透过率的方法进行PDLC 的性能评估。

　　3 结果与讨论

　　通过以上的设计和工艺，我们制作了两个PDLC样品，并且进行了相关透过率的测试，如图2、3 所示。

　　从图中可以看出，8μm 的产品只需要12V即可驱动，而20μm 的产品需要40V 才可以驱动，并且8μm 产品的开启透过率为72% ，20μm 产品的开启透过率为34%。所以在同样的制备条件下，随着膜厚的增加，透过率降低，也就是对比度在增加。从理论上分析，因PDLC 膜中聚合物网络的网眼分布均匀，其暗态的透过率降低，对比度明显增大。当然PDLC膜的驱动电压也随着膜厚的增加而升高，公式(2)也说明了这一点。

　　4 结论

　　从以上实验数据来看，随着膜厚的增大，对比度越高，但是所需驱动电压也越高。当然，在不增加膜厚的情况下要提高PDLC 的对比度，还是要遵从将液晶与预聚物混合时，应该选择那些在预聚合物中有一定的溶解度，但是溶解度又不能太大的液晶单体，使预聚合物与液晶的比例尽量接近最大的溶解度，以保证固化前混合液晶能够很好地溶解在聚合物中，聚合反应后又能最大限度地从聚合物中析出。为了获得整体性能优异的PDLC，对预聚合物和混合液晶的组分以及成膜固化条件进行细致的研究是非常必要的。