納米聚合物摻雜對藍相液晶驅動電壓的影響

管昕瑜，陸建剛

(1.上海交通大學 電子信息及電子工程學院，上海 200240；

2.上海華虹計通智能系統股份有限公司，上海 201206)

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納米聚合物摻雜對藍相液晶驅動電壓的影響

管昕瑜1，2，陸建剛1

(1.上海交通大學 電子信息及電子工程學院，上海 200240；

2.上海華虹計通智能系統股份有限公司，上海 201206)

聚合物液晶在藍相穩定態具有極快的響應速度(亞毫秒級)、光學性能的各向同性、免配相工藝等優越性能，在顯示領域、光子器件領域有極大的應用前景。在一個基于聚合物液晶藍相穩定態系統中研究多重聚合物摻雜的比率對藍相液晶驅動電壓的影響。通過改善聚合物摻雜的比率，在不破壞藍相液晶的響應速度、磁滯指標等性能的前提下，該藍相穩定態液晶的驅動電壓能夠降低到62V。

藍相液晶； 驅動電壓； 聚苯胺氧化石墨烯； 納米摻雜

液晶的藍相穩定態主要存在于液晶各向同性相和手性向列相之間的一個狹小的溫寬范圍內[1-2]。在此狀態下的藍相液晶具有亞毫秒級的超快響應速度[3]，無外部電場就能呈現光學各向同性，在可見光波段內呈現周期性三維螺旋結構等優點，故藍相液晶在光學相位調制器、光子晶體、場序列顯示[4-7]等領域有極大的應用空間。雖然目前聚合物液晶的藍相穩定態過于狹窄的溫寬已經得到改善，能夠擴大到60K以上，但是類似于磁滯效應、高驅動電壓、殘留雙折射等缺陷都嚴重阻礙了藍相液晶的推廣[8]。

目前，能有效降低聚合物藍相穩定態液晶的驅動電壓的方式主要有兩種：① 通過改善液晶本體材料的性能來推高液晶本身的驅動能力[9-10]；② 提供器件結構的優化來增加電場的利用率[11-12]。為了能夠改善藍相穩定態液晶過高的驅動電壓，本文在母體液晶材料結構上，進一步改變聚合物和稀釋劑的摻雜比率，增強液晶內部的有效電場，從而達到降低聚合物藍相液晶的驅動電壓的目的。

1　實驗設計

要降低藍相液晶的驅動電壓可以從兩個方面入手：① 增強有效電場；② 降低液晶扭曲雙螺旋結構和聚合物網絡之間的界面能。要增強液晶內部的有效電場，可以添加高導電率聚合物——聚苯胺氧化石墨烯(Polyaniline Functionalized Graphene, G-PANI)[13]；要降低液晶扭曲雙螺旋結構和聚合物網絡之間的界面能，則可以通過在液晶本體材料中添加適量比率的稀釋劑——N-乙烯吡咯烷酮(N-Vinyl Pyrrolidone, NVP)[14-15]。

為了測試不同比率的摻雜物對聚合物液晶藍相穩定態光電特性的影響，不同比率的NVP和G-PANI會被摻雜在一個常見的藍相液晶母液中。該液晶母液中包含了正性向列型母體液晶BP06、手性劑R5011、膠連劑C3M、聚合單體12A及三羥甲基丙烷三丙烯酸酯TMPTA、光敏引發劑IRG184。按照表1中的質量分數配置A、B、C、D 4種液晶母液。

分別測量摻雜不同比率NVP的4種母液樣本的清亮點光電特性，從中挑選出清亮點性能最好的一組，作為優化后的母液樣本。然后，按照表2中的比率在優化后的母液樣本中繼續摻雜不同質量分數的G-PANI，以研究G-PANI的摻雜濃度對聚合物液晶藍相穩定態驅動電壓的影響。

表1　不同濃度NVP的聚合物液晶藍相穩定態的母液配比

表2　不同濃度的G-PANI和NVP的聚合物液晶藍相穩定態液晶的配比

充分混合樣品并且加熱到清亮點之后，將樣品注入到厚度為 7.5μm、電極寬度為 7.5μm、電極間距為 12.5μm 的液晶盒內。在溫控臺內，以1K/min的速率降溫，在接近相變點附近時以 0.5K/min 的速率降溫。在液晶中的樣品進入藍相穩定態后，用強度為3mW/cm2的紫外線燈管(UV)照射5min，使得液晶盒中的樣品固化。將頻率為1kHz的方波加在液晶盒兩端，通過2個正交的偏振片對樣品進行測試。

2　結果與分析

2.1溫度特性

在偏光顯微鏡下觀察A、B、C、D 4種藍相液晶母液樣本。圖1給出了樣本A和D的相態變化。由圖 1(a)可見，樣本A從各向同性相到手性向列相之間過渡的相態變化。當樣本A的溫度降低到341.2K時，出現了紅色的藍相態點狀液晶；繼續降低溫度至336.4K時，液晶由藍相態演變到手性向列相態。由于NVP材料本身的清亮點較低，故NVP含量越高，母液樣本的清亮點就越低，表1中的數據也證明了這點。隨著NVP濃度的增加，聚合物液晶的藍相穩定態的熱穩定性能也相應降低，因此，在UV燈照射固化后，當溫度降低至345K時，NVP濃度最高的樣本D已不具備藍相穩態的條件，見圖1(b)，而樣本A、B、C都能很好地穩定住藍相態。

圖1　樣本A和D的相態變化Fig.1　Phase transition of sample A and D

2.2驅動性能

對A、B、C 3種母液樣本進行驅動性能分析。圖2給出了不同濃度的NVP聚合物液晶藍相穩定態在室溫(298K)條件下的液晶驅動電壓-透過率曲線。由圖可見，樣本A、B、C在透過率達到100%時的最優驅動電壓分別是78、72、65V，從而可以判定NVP質量分數為1%的樣本C的性能最佳。因此，以下實驗以樣本C作為母液樣本，對摻雜不同濃度G-PANI后制成的藍相液晶樣品進行測試。

圖2　室溫下(298K)，NVP不同濃度的聚合物液晶藍相穩定態的電壓-透過率曲線Fig.2　V-T curve of the PS-BPLC with different concentrations of NVP at room temperature (298K)after polymer stabilization

圖3給出了在室溫(298K)條件下，摻雜了不同濃度的G-PANI的聚合物藍相液晶樣品的驅動電壓-透過率曲線。當摻雜的G-PANI濃度從0增加到0.03%再增加到0.05%時，樣品的驅動電壓從最初的66V經64V降低到62V，這主要是由于聚合物穩定態液晶網絡包裹住了摻雜的 G-PANI 納米片，增加了徑向導電率和有效電場；而繼續增大摻雜的G-PANI濃度，當G-PANI的濃度由0.05%逐漸增加至0.1%、0.5%、1%時，增加的有效電場被增加的大分子聚合物給阻擋了，因此，驅動電壓反而由 62V 增大至66、70、72V，特別當G-PANI濃度增大到2%時，驅動電壓達到了80V，已經極大偏離了原本的驅動電壓。

圖3　室溫下(298K)，摻雜不同濃度G-PANI的聚合物藍相液晶樣品的驅動電壓-透過率曲線Fig.3　V-T curve of PS-BPLC sample with different concentrations of G-PANI at room temperature(298K)

2.3響應速度

對摻雜不同濃度G-PANI的藍相液晶樣品進行響應度測試。由于上升沿響應速度和樣本的驅動電壓有關，因此為了排除可能的誤差，實驗中主要測試下降沿的響應速度。由圖4可見，摻雜了小于1%的低濃度G-PANI的藍相液晶樣品對響應速度幾乎沒有影響，這是由于小于1%的低濃度G-PANI不會影響材料的彈性系數和轉性粘度。但是，當摻雜1%以上G-PANI時，材料的響應速度就會降低到毫秒級，這是由于大體積的聚合物會影響材料的彈性系數和轉性黏度。

圖4　樣本C摻雜不同濃度G-PANI的聚合物藍相液晶樣品的響應速度曲線Fig.4　Delay time curve of PS-BPLC sample withdifferent concentration of G-PANI

3　結　語

本文研究了基于納米聚合物穩定藍相態液晶的系統中，通過不同比率的聚合物和稀釋劑的配比，來降低聚合物液晶藍相穩定態的驅動電壓。實驗結果表示，摻雜百分比濃度為1%的NVP和0.05%的G-PANI，藍相液晶的驅動電壓能降低到62V，并且不會對藍相液晶材料本身的響應時間產生不良影響。

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Effect of Driving Voltage of Blue-Phase Liquid Crystal Based on Doping Nano Polymer

GUAN Xinyu1，2，LU Jiangang1

(1.School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2.Shanghai Huahong Jitong Smart System Co., Ltd., Shanghai 201206, China)

Polymer-stabilized blue-phase liquid crystal(PS-BPLC)has good application prospects in the field of display and photonic devices because of its fast response rate at the sub-millisecond level, optical isotropic status, and being free of alignment.In a polymer-stabilized blue-phase liquid crystal system with multiple-dopant materials, the driving voltage of PS-BPLC is affected by different ratios of nano polymer dopant.By improving the ratio, the driving voltage of PS-BPLC can be reduced to 62 V without destroying the good properties such as fast response rate, etc.

blue phase liquid crystal; driving voltage; polyaniline functionalized graphene(G-PANI); nano dopant

2016-06-22

管昕瑜(1979-)，男，工程師，碩士生，主要研究方向為智能產品圖形顯示，E-mail：guanxinyu@msn.com

2095-0020(2016)04-0207-04

TB 383

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