基于防眩目功能的液晶調(diào)光玻璃電學(xué)性能研究

汪清淼，郭健忠，劉 懂，皮春春，羅 明

（1.武漢科技大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，武漢 430081；2.武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081）

基于防眩目功能的液晶調(diào)光玻璃電學(xué)性能研究

汪清淼1，郭健忠1，劉 懂1，皮春春2，羅 明2

（1.武漢科技大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，武漢 430081；2.武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081）

0 引言

液晶調(diào)光玻璃是一種新型特種玻璃，它能夠隨外加電壓變化而改變自身透明度。它是在普通的玻璃基材中間加入一層液晶層，利用液晶分子排列的有序程度實現(xiàn)玻璃透明度的變化[1]。當(dāng)該玻璃上未加載電壓時，液晶層不受電場作用，液晶分子處于無序排列狀態(tài)，使得照射至玻璃的光線受到散射作用，無法沿原來的方向傳播，即液晶調(diào)光玻璃不透明；當(dāng)在玻璃兩端施加電壓時，液晶分子受到電場的作用處于有序排列狀態(tài)，光線能夠直接通過玻璃，即液晶調(diào)光玻璃透明[2]。

目前，雖然液晶調(diào)光玻璃已被廣泛應(yīng)用于建材行業(yè)，例如浴室門窗、展品玻璃柜等方面[3]。但是，隨著新技術(shù)對材料性能要求的提高，許多對響應(yīng)時間要求較高的領(lǐng)域都會用到快速遮光的材料，以滿足對系統(tǒng)響應(yīng)時間的嚴格要求。例如，在基于視覺暫留原理的夜間會車防眩目系統(tǒng)中就對其性能有將較高要求，這種防眩目系統(tǒng)，利用快速遮光的液晶調(diào)光玻璃遮擋對向車輛的車燈光線，由于該系統(tǒng)利用到了視覺暫留原理，需要遮光的頻率高于24Hz，因此對液晶調(diào)光玻璃的響應(yīng)時間有很高的要求，其開啟以及關(guān)斷響應(yīng)時間之和需要在40ms以內(nèi)。

但是，當(dāng)前關(guān)于這種遮光材料的相關(guān)研究不足，導(dǎo)致液晶調(diào)光玻璃響應(yīng)時間及透明度等方面并不理想，這成為液晶調(diào)光玻璃進一步發(fā)展的障礙，尤其是對精度和準確度反應(yīng)要求較高的領(lǐng)域[4]。文章針對不同電學(xué)條件下的液晶調(diào)光玻璃，研究其透明度變化，以及透明不透明相互轉(zhuǎn)換的時間，期望能夠更加準確掌握液晶調(diào)光玻璃的性能。

1 實驗方法

實驗的原理圖如圖1所示。試驗采用某廠家生產(chǎn)的300mm×300mm的液晶調(diào)光玻璃作為實驗對象，將LED燈置于液晶調(diào)光玻璃的一側(cè)，作為整個實驗的光源；光敏電阻置于玻璃的另一側(cè)，用于測量透過液晶調(diào)光玻璃的光線的強弱。將光敏電阻的端電壓用放大電路進行放大后，用示波器記錄光敏電阻的端電壓變化的波形，其電壓值表示光敏電阻的端電壓。因為光敏電阻的電壓值與其阻值正相關(guān)，而光敏電阻的阻值與入射光的強弱有關(guān)，因此示波器的波形可以間接反映玻璃透明度的變化。

圖1 液晶調(diào)光玻璃電學(xué)性能研究實驗電路圖

試驗過程中，分別在液晶調(diào)光玻璃兩端施加27V，50Hz的正弦交流電，以及不同電壓值的直流電。利用示波器測量光敏電阻端電壓值并記錄其波形，根據(jù)示波器波形形狀與幅值變化，分析在調(diào)光玻璃兩端加載不同電源時的玻璃的透明度的變化趨勢以及響應(yīng)時間。

分壓電阻R1的阻值為10kΩ，放大電路的放大倍數(shù)為A，電源電壓為VCC，示波器測得的光敏電阻的端電壓為V。

設(shè)光敏電阻R2的阻值為R，電阻光敏電阻的阻值與照度之間的關(guān)系為：

采用照度作為衡量光線強弱的指標，照度E與光敏電阻值的關(guān)系為：

綜上所述，光敏電阻阻值與照度負相關(guān)，而光敏電阻端電壓與阻值正相關(guān)，因此光敏電阻端電壓與光線照度之間負相關(guān)。示波器波形的變化間接地反映了液晶調(diào)光玻璃透明度的變化，所以可以根據(jù)示波器的波形圖分析液晶調(diào)光玻璃的電學(xué)性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 加載正弦交流電時玻璃響應(yīng)

試驗中，光源與液晶調(diào)光玻璃的距離150mm，光敏電阻與玻璃間距5mm。設(shè)由不透明到透明的過程為開啟過程，由透明到不透明的過程為關(guān)斷過程。當(dāng)在玻璃兩端加載50Hz，27V正弦交流電時，玻璃處于開啟過程中，示波器記錄的該過程的波形圖如圖2所示；斷開電源后，玻璃處于關(guān)斷過程中，示波器的波形圖如圖3所示。圖中高電平對應(yīng)的狀態(tài)為玻璃不透明，低電平對應(yīng)的狀態(tài)為玻璃透明。

實驗現(xiàn)象為，當(dāng)加載電壓后，液晶調(diào)光玻璃迅速由不透明變?yōu)橥该鳎⒈３址€(wěn)定的透明狀態(tài)。而關(guān)斷電源后，液晶調(diào)光玻璃透明度逐漸降低，并恢復(fù)至不透明狀態(tài)，關(guān)斷過程相對于開啟過程持續(xù)時間較長。

2.2 加載直流電時玻璃響應(yīng)

試驗中，光源、液晶調(diào)光玻璃、光敏電阻之間的相對位置不變。在調(diào)光玻璃兩端施加電壓為30V的直流電源，保持一段時間后切斷電源，并重復(fù)此過程。示波器記錄的波形圖如圖4所示。

實驗現(xiàn)象為，加載直流電瞬間，玻璃迅速由不透明變?yōu)橥该鳎缓笾饾u變?yōu)榘胪该鳎⒈３址€(wěn)定的半透明狀態(tài)；關(guān)斷電源后，玻璃逐漸由半透明狀態(tài)恢復(fù)為不透明狀態(tài)，并保持穩(wěn)定。

圖2 AC27V時液晶調(diào)光玻璃開啟過程波形圖（橫坐標刻度10ms,縱坐標刻度200mV）

圖3 AC27V時液晶調(diào)光玻璃關(guān)斷過程波形圖（橫坐標刻度1s,縱坐標刻度200mV）

逐漸減小并最終趨于零。將波形電壓下降過程、由最低點上升至半開啟狀態(tài)、以及由半開啟狀態(tài)上升至開啟狀態(tài)的波形圖局部放大，得到的波形圖分別如圖5、圖6、圖7所示。玻璃開啟的響應(yīng)時間約為48ms，對應(yīng)圖中H5-L5段，即液晶調(diào)光玻璃在此電壓下由透明到半透明的時間約為48ms；玻璃由不透明狀態(tài)轉(zhuǎn)換為半開啟狀態(tài)時間約為3.44s，對應(yīng)圖中H6-S6段；切斷電源后，由半開啟狀態(tài)轉(zhuǎn)換為關(guān)閉狀態(tài)時間約為1s，對應(yīng)圖中S7-H7段。

圖4 DC30V時調(diào)光玻璃整體波形圖

圖5 DC30V時調(diào)光玻璃開啟過程局部放大波形圖

圖6 DC30V時調(diào)光玻璃半開啟過程局部放大波形圖

圖7 DC30V時調(diào)光玻璃關(guān)斷過程局部放大波形圖

2.3 不同電壓值下液晶調(diào)光玻璃響應(yīng)

由以上實驗可以看出，玻璃在直流電壓下的反應(yīng)與交流電壓下有很大的區(qū)別，在玻璃兩端加載直流電源時，液晶調(diào)光玻璃在完全開啟后會出現(xiàn)半開啟狀態(tài)。為了深入了解玻璃在直流電源作用下的性能，實驗中在玻璃兩端分別施加電壓17.5V和15V的直流電源，得到的端電壓波形圖分別如圖8、圖9所示，以研究和分析液晶調(diào)光玻璃在直流電的條件下半開啟狀態(tài)與所施加電壓值的關(guān)系。

實驗現(xiàn)象為，加載17.5V和15V的直流電時的現(xiàn)象與加載30V直流電現(xiàn)象類似。在加載電源瞬間，玻璃迅速由不透明狀態(tài)變?yōu)橥该鳡顟B(tài)，隨后透明度逐漸降低，并進入半開啟狀態(tài)。但隨著加載電壓的降低，半開啟狀態(tài)的透明度有明顯的降低，加載15V直流電時已幾乎無半開啟狀態(tài)存在。電壓穩(wěn)定時調(diào)光玻璃的透明度已與關(guān)斷狀態(tài)下玻璃的透明度十分接近，關(guān)斷時玻璃的透明度也無明顯變化。

由圖8、9可知，開啟瞬間，光敏電阻端電壓迅速下降，然后電壓值逐漸升高，并趨于穩(wěn)定，半開啟狀態(tài)與關(guān)閉狀態(tài)之間電壓的差值隨著加載電壓值的升高而減小，電壓值為15V時半開啟狀態(tài)的示波器電壓值基本上等于關(guān)斷狀態(tài)的電壓值。17.5V時玻璃開啟的響應(yīng)時間約為86ms，完全轉(zhuǎn)換為半開啟狀態(tài)的時間約為4.7s。

圖8 DC17.5V時調(diào)光玻璃波形圖（橫坐標刻度為1s，縱坐標刻度為1mV）

圖9 DC15V時調(diào)光玻璃波形圖（橫坐標刻度為1s，縱坐標刻度為1mV）

2.4 實驗結(jié)論分析

由上述實驗可知，在液晶調(diào)光玻璃兩端加載交流電和直流電的現(xiàn)象有很大的差別，主要表現(xiàn)在玻璃透明度的變化過程。

當(dāng)加載交流電時，玻璃迅速變?yōu)橥该鳡顟B(tài)，并保持穩(wěn)定；關(guān)斷電源后，玻璃的透明度緩慢降低，開啟過程的響應(yīng)時間為毫秒級，而關(guān)斷過程響應(yīng)時間為秒級。即液晶調(diào)光玻璃由不透明變?yōu)橥该鞯捻憫?yīng)時間要遠小于由透明到不透明的響應(yīng)時間。這是因為液晶調(diào)光玻璃中的液晶分子由無序狀態(tài)轉(zhuǎn)換至有序狀態(tài)是由于電場的作用，屬于外力驅(qū)使的過程；而由有序狀態(tài)轉(zhuǎn)換至無序狀態(tài)的過程是由于分子熱運動的作用，屬于自發(fā)的過程[5]。

當(dāng)加載直流電時，玻璃迅速變?yōu)橥该鳡顟B(tài)，隨后透明度逐漸降低，并穩(wěn)定在半開啟狀態(tài)。半開啟狀態(tài)的玻璃的透明度小于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)斷開電源時，玻璃由半開啟狀態(tài)逐漸變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)。半開啟狀態(tài)與關(guān)斷狀態(tài)下玻璃的透明度的差值隨著所加載直流電壓的降低而減小。當(dāng)直流電壓降低至15V時，半開啟狀態(tài)的電壓值與關(guān)斷狀態(tài)的電壓值基本相等[6]。

將兩者統(tǒng)一來看，交流電相當(dāng)于直流電的疊加，即在玻璃兩端施加交流電時相當(dāng)于在單位時間內(nèi)，在玻璃兩端均勻間隔施加f（交流電的頻率）次直流電，而交流電的周期遠小于調(diào)光玻璃開啟以及關(guān)斷的響應(yīng)時間，因此液晶調(diào)光玻璃透明度還未及降低時即已再次開啟，反映在玻璃上為穩(wěn)定保持在透明狀態(tài)。由于不透明至透明的過程可以通過施加電場控制，但是分子的熱運動是不容易控制的。因此，開啟時玻璃的響應(yīng)時間遠小于關(guān)斷的響應(yīng)時間。

3 結(jié)束語

隨著液晶調(diào)光玻璃成本的降低，液晶調(diào)光玻璃在我國得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是建材用玻璃門窗等相關(guān)方面[7]。但是由于在調(diào)光玻璃領(lǐng)域缺乏相關(guān)的深入研究，造成包括響應(yīng)時間、透明度等方面還存在很大的不足，使得調(diào)光玻璃在對其響應(yīng)時間要求較高的領(lǐng)域的發(fā)展受到限制。目前我國液晶調(diào)光玻璃的響應(yīng)時間最快約為30ms，而對于前文所述基于視覺暫留原理的夜間會車防眩目系統(tǒng)，響應(yīng)時間30ms的調(diào)光玻璃已經(jīng)能起到一定的防眩效果[8]。隨著技術(shù)的進步與研究的深入，液晶調(diào)光玻璃的這些問題會得到進一步的解決。因此，關(guān)于液晶調(diào)光玻璃的研究意義深遠。

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Electrical properties of theLiquid crystal light tunable glass based on anti-dazzle function

WANG Qing-miao1, GUO Jian-zhong1, LIU Dong1, PI Chun-chun2, LUO Ming2

針對視覺暫留防眩目系統(tǒng)對于液晶調(diào)光玻璃的電學(xué)性能的要求，采用光敏電阻作為感光元件，測量透過調(diào)光玻璃的光線強弱，并利用示波器記錄光敏電阻端電壓，檢測液晶調(diào)光玻璃透明度的變化，分析與研究調(diào)光玻璃在不同電壓下的反應(yīng)以及響應(yīng)時間。結(jié)果表明，液晶調(diào)光玻璃在通電后處于透明度較高的開啟狀態(tài)，但在開啟及關(guān)斷過程中都存在一定的延遲現(xiàn)象，且開啟過程的響應(yīng)時間遠小于關(guān)斷過程，這與開啟過程中液晶分子受到的電場作用有關(guān)。

液晶調(diào)光玻璃；電學(xué)性能；響應(yīng)時間

汪清淼（1993 -），男，江蘇徐州人，本科，研究方向為車輛工程。

TN87

A

1009-0134(2015)07(下)-0084-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.07(下).26

2015-02-11

湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201410488042）