專利名稱：聚合物分散液晶雙穩膜及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種聚合物分散液晶雙穩膜，用簡單的設計方案依靠改變電場方向實 現聚合物分散液晶的零場穩定，進而獲得更為節能的電子紙技術，或者作為調光功能 薄膜，夾在玻璃中，可以在建筑裝修與珠寶柜臺等領域得到特殊的應用。
技術背景聚合物分散液晶(Polymer Dispersed Liquid Crystal,簡稱PDLC)是把環氧樹脂聚 合物與向列相液晶及襯墊料以某個比例混合起來，夾在兩片柔性透明導電薄膜之間， 經過相分離，液晶從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 種復合膜。不加電場時，由于聚合物的折射率與液晶材料折射率不匹配，造成光散射， 復合膜對光是關態；當施加電場后，聚合物的折射率與液晶材料折射率能夠匹配起來， 造成光透射，復合膜對光是開態。PDLC膜是20世紀80年代發明的高科技產品，在調光 玻璃，大屏幕顯示，全息光柵等許多領域具有應用價值，現在也還是液晶器件研究者 關注的課題。現有的電子紙(e-paper)方案有雙色球顯示和電子墨水(e-ink)電泳顯示和膽甾 相液晶雙穩顯示等技術。現有的膽甾相液晶雙穩顯示方案是采用美國肯特大學液晶研 究所楊登科等提出的聚合物網絡穩定膽甾相液晶(Polymer Network Cholesteric Liquid Crystal,簡稱PNCLC，或者Polymer Stabilized Cholesteric Texture,簡稱PSCT)，利用 多疇織構散射和網絡穩定向列相透射的零場穩定性質，通過電壓驅動波形技術使液晶 進入多疇織構或向列相織構實現雙穩。但是存在的問題是驅動電壓比較高，對比度差 等。發明內容本發明的目的在于提供一種聚合物分散液晶雙穩膜，可以克服現有技術的不足。 采用高活性聚合物，使液晶微滴成為"慣性光滑滾珠"，用簡單的設計方案依靠改變電 場方向實現聚合物分散液晶零場雙穩，進而獲得一種e-paper-PDLC的新方案，同時得 到更為節能的調光功能薄膜，夾在玻璃中，可以在建筑裝修與珠寶柜臺等領域得到特 殊的應用，成為功能玻璃的新技術，新品種，新應用，為設計新的功能玻璃工作原理 提供參考。本發明提供的聚合物分散液晶雙穩復合膜包括兩張柔性透明導電薄膜， 一層聚 合物分散液晶層，液晶層夾在兩張柔性透明導電薄膜之間。兩張導電薄膜上刻蝕有共 面轉換梳狀電極，以便在梳狀電極上加電壓，使形成橫向電場；將梳狀電極短路，在 對面電極上加電壓形成垂面電場。所述的聚合物是加活性劑的改性的聚合物，如預聚物聚氨酯丙烯酸酯中再添加了 表面活性劑吐溫和卵磷脂，使聚合物界面對液晶分子是弱錨定作用；所述的透明膠片 薄膜上刻蝕有梳狀電極；所述的聚合物中有慣性光滑滾珠的液晶微滴；所述的聚合物 折射率選擇為wP=1.52，液晶尋常光折射率為"。=1.52，液晶非常光折射率為"6=1.74以 上；所述的聚合物分散液晶雙穩復合膜，施加共面橫向電場時處于關態-散射態，去掉 電場仍保持散射態；將共面梳狀電極短路施加對面電場時處于開態-透明態，去掉電場 仍保持透明態。聚合物分散液晶雙穩復合膜的制造方法適用PDLC制造技術，可以是紫外光固化相分 離技術，也可以是熱固化相分離技術等。本發明提供的聚合物分散液晶雙穩膜的制造方法包括的步驟1)活性預聚物與大雙折射向列相液晶材料及適量的襯墊料充分攪拌均勻混合；2 )外面兩張柔性透明導電膜內側刻蝕出梳狀共面轉換電極；3) 把混合好的高活性預聚物與大雙折射差的向列相液晶及襯墊料轉印到有共面電極 的兩張柔性透明導電膜之間；4) 用壓合機把印刷了預聚物與液晶混合物的兩張柔性透明導電膜擠壓成復合膜；5) 對復合膜進行相分離，使液晶從聚合物中充分析出，形成2-2.7微米直徑尺寸的液晶微滴。6) 對兩張柔性透明導電膜加工出電極引線，在梳狀共面轉換電極間施加橫向電場(如 10伏)，使液晶折射率1.63以上，大于聚合物折射率1.52，呈現散射態，并且零場穩定；7) 把梳狀共面轉換電極短路，在對面電極間施加縱向電場(如3伏)，使液晶 折射率等于聚合物折射率1.52，呈現透明態，并且零場穩定。所述的活性預聚物是添加了表面活性劑吐溫和卵磷脂的聚氨酯丙烯酸酯體系的預聚 物；所述的向列相液晶的大雙折射差為n廣n。-An^). 2 (是永生華清產PDLC用液晶LC-1 等。)所述的襯墊料直徑是IO微米塑料微球。 所述的預聚物與向列相液晶按質量比1: 1。本發明聚合物分散液晶層的聚合物采用活性劑改性的聚合物，液晶采用轉動慣量 大的向列相液晶，使得在聚合物中液晶微滴成為"慣性光滑滾珠"，施加橫向電場時， 液晶分子指向矢沿面排列，去掉電場后仍能保持這種沿面排列狀態；施加垂面電場時， 液晶分子指向矢垂面排列，去掉電場后仍能保持這種垂面排列狀態。設計垂面排列時 液晶折射率與聚合物折射率相匹配，呈現透明的"開態"；沿面排列時液晶折射率與聚 合物折射率不匹配，呈現散射的"關態"。"開態"與"關態"都是零場穩定狀態。聚合物是光學各向同性材料，折射率用"p表示。向列相液晶是棒狀分子，分子長軸取向保持著分子間彼此平行的排列狀態，分子的重心混亂無序，但分子的指向矢大 體一致。向^l^晶是光^向異性材料，祈射率港尋常光祈射率療。和非常光祈射率We表示。在沒有加電場時，不同液晶微滴中的液晶分子排列指向隨機分布，光學上表現為體平均折射率效果，可以寫成^=*(2"。+^0。如果選擇聚合物折射率"p與液晶平均折射率不相等，且差異還比較大些，則光線在聚合物與液晶微滴界面處因為折射 率突變而造成光散射。 一般PDLC膜厚20nm，液晶微滴直徑l-4pm，經過多次散射， 透射光減弱，散射光增強，使PDLC膜看上去如同毛玻璃一般。施加電場時，液晶微 滴中的液晶分子排列都指向電場方向，表現為折射率等于尋常光折射率w。，如果設計 選擇聚合物折射率"p與液晶尋常光折射率"。相等，光線在聚合物與液晶微滴界面處不 會造成光散射，則PDLC膜就成透明狀態。如果施加電場的方向是垂直于光束方向， 則液晶分子轉向電場方向，對光線方向而言，液晶折射率表現為面平均折射率&=|( 。+憶)。膽甾相液晶是一種具有螺旋結構的液晶，是向列相液晶的一種特殊形式。膽甾相液晶的結構是排列成層狀結構，在每個平面層內分子長軸平行排列和向列 相液晶相像，層與層之間分子長軸逐漸偏轉，形成螺旋狀，其自發扭曲軸稱為螺旋軸， 分子的長軸取向在旋轉360度后復原的層面間距稱為螺距。在液晶盒中，當膽甾相液 晶螺旋軸方向垂直表面，稱為平面織構；當膽甾相液晶螺旋軸方向在任意方向散亂分 布，稱為焦錐織構；如施加電場可以把螺旋結構解除，形成場致向列相。而液晶盒中 有垂面排列的絲鏈聚合物，能把多疇焦錐態和場致向列相狀態都零場穩定下來；而液 晶盒中有沿面排列的絲鏈聚合物，也可把平面態和多疇焦錐態都零場穩定下來。傳統PDLC膜向列相液晶微滴中的液晶分子取向不能雙穩，工作電壓數十伏，開 態功耗近十瓦每平方米；而PDLC膜膽甾相液晶微滴中的螺旋軸取向能夠雙穩，但工 作電壓要高很多，施加大電場把膽甾相液晶驅動到場致向列相，快速去掉電場將刷新 到平面織構，階梯稍慢去掉電場又將刷新到焦錐織構。平面織構是液晶螺旋軸垂直膜 表面，如果避開可見光布拉格反射波段，折射率呈現面平均折射率，有利于光透射； 焦錐織構是螺旋軸在任何方向隨機雜亂分布，折射率呈現體平均折射率，有利于光散 射。傳統的PDLC膜由于聚合物對液晶的錨定作用，使得液晶微滴中界面處液晶分子 被聚合物強束縛，不會轉向電場方向，造成PDLC膜"開態"不夠透明，"關態"又不夠 白，傳統的PDLC膜也就是能當電控調光玻璃用，用在顯示領域并不被人們看好。但 是有研究表明，丙烯酸體系的聚合物對液晶分子的錨定作用比較弱，在聚合物中再加 入表面活性劑可以大大降低聚合物對液晶的錨定作用。又一般聚合物界面會使液晶分 子沿面排列，而卵磷脂會使液晶分子垂面排列，因此采用表面活性劑和卵磷脂對聚合 物改性，使液晶微滴在聚合物包裹里成為"光滑滾珠"。已經有膜層很薄，但卻散射態 很白(與白紙可比)，透射態又很亮，工作電壓僅有幾伏的PDLC產品出現，如果再 能形成零場雙穩則就可能成為電子紙方案的候選者，因此，本發明在電子紙和調光玻 璃領域具有應用前景。本發明與已有技術相比，具有如下的優點1、已有的PDLC技術已經作為調光玻璃在高檔建筑裝修領域獲得越來越多的應用，并且在大,顯示，全息光柵，電子紙等領域有應MWm。,電極作為共面轉 換開關(IPS)在高端薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)已經被應用，由于本發明把"共面"與"對面"雙功能電極和高活性聚合物及大轉動慣量向列相液晶聯系起來，本發明開辟了"高活性聚合物"概念和大轉動慣量向列相液晶的"慣性光滑滾珠"制造聚合物分散液晶雙穩復合膜新領域，用簡單的設計方案依靠改變電場方向實現聚合物分散液晶的零場穩定，進而獲得更為節能的電子紙技術，所以本發明是e-paper-PDLC新方案，可以是PDLC調光玻璃的零場雙穩新產品，可以作為調光功能薄膜，夾在玻璃中，可以在建筑裝修與珠寶柜臺等領域得到特殊的應用。
圖l，本發明的聚合物分散液晶雙穩復合膜結構示意圖。 圖2，本發明的聚合物分散液晶雙穩復合膜共面電極結構示意圖。 圖3，本發明的聚合物分散液晶雙穩復合膜工作原理示意圖。 圖4，本發明的聚合物分散液晶雙穩復合膜制造方法示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。聚合物分散液晶雙穩復合膜在超 凈化車間里進行生產，生產設備主要包括超純去離子水清洗機，光刻膠涂布機，紫外 曝光機，顯影定影池，酸刻池，預聚物與液晶混合攪拌機，預聚物涂布機，壓合機， 平臺密封紫外固化機，切片機等。本發明使用的高活性預聚物是添加了表面活性劑吐溫和卵磷脂的聚氨酯丙烯酸 酯體系的預聚物(預聚物與表面活性劑的質量比100: 1-4，吐溫卵磷脂是l: 1)。 本發明使用的稀釋單體種類有丙烯酸異冰片酯(IBOA) ， 1,6己二醇二丙烯酸酯 (HDDA)，三羥甲基丙垸三丙烯酸酯(TMPTA)和2- (2-乙氧基乙氧基)乙基丙 烯酸酯(EOEOEA)等。本發明使用的預聚物是沙多瑪公司的產品聚氨酯丙烯酸酯 CN966J75 (預聚物與光引發劑的質量比100: 1)。本發明使用的光引發劑是TPO-l， 4， 6 (三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦(清華紫光英力集團的產品)。表面活性劑 吐溫80選用邢臺藍星助劑廠產品，卵磷脂選用北京美亞斯磷脂技術有限公司產品。大 雙折射向列相液晶材料是永生華清產PDLC用液晶LC-1。參見圖l，本發明的聚合物分散液晶雙穩復合膜結構示意圖。柔性透明膠片IOI， 105 上面有透明導電薄層電極102， 104，中間夾著聚合物分散液晶層103。參見圖2，電極102和104刻蝕成梳狀共面轉換電極(IPS)，電極寬度15nm，間隔15pm。聚合物分散液晶層103厚度10pm，液晶微滴106直徑約2.7pm，聚合物折射率選擇為w『1.52，液晶尋常光折射率 =1.52，非常光折射率&=1.74。參見圖3，將共面電極短路作為一極，施加對面電極電場時，液晶折射率取尋常光折 射率"。=1.50，開態PDLC膜為透明態301，去掉電場仍保持在透明狀態。施加共面電極電場時，液晶折射率取面平均折射率汗。=|("。+"^=1.63，關態PDLC膜為散射態302，去掉電場仍保持在散射狀態。參見圖4，本發明的聚合物分散液晶復合膜制造方法示意圖。A、 高活性預聚物(添加了表面活性劑吐溫和卵磷脂的聚氨酯丙烯酸酯體系的預聚物) 與大雙折射向列相液晶材料及適量的10微米的襯墊料充分攪拌均勻混合，預聚物與向列 相液晶按1: 1比例混合；B、 外面兩張柔性透明導電膜內側刻蝕出梳狀共面轉換電極102, 104;C、 把混合好的高活性預聚物與大雙折射向列相液晶及襯墊料轉印涂布到401有共面 電極的兩張柔性透明導電膜402， 403之間；D、 用壓合機把涂布了預聚物與液晶混合物的兩張柔性透明導電膜擠壓成復合膜404;E、 對復合膜進行相分離，使液晶從聚合物中充分析出，當形成平均直徑約2.7微米的 液晶微滴時進行固化(相分離及固化處理可以是紫外光固化技術或者采用熱固化)；F、 對兩張柔性透明導電膜加工出電極引線，在梳狀共面轉換電極間施加約IO伏橫向 電場，使液晶折射率1.63大于聚合物折射率1.52,呈現散射態，并且零場穩定；G、 把梳狀共面轉換電極短路，在對面電極間施加約3伏的縱向電場，使液晶折射 率等于聚合物折射率1.52，呈現透明態，并且零場穩定。
權利要求
1. 一種聚合物分散液晶雙穩膜，其特征在于它包括兩張柔性透明導電薄膜；聚合物分散液晶層，夾在兩張柔性透明導電薄膜之間；共面轉換梳狀電極，刻蝕在兩張導電薄膜上，以便在梳狀電極上加電壓，使形成橫向電場，將梳狀電極短路，在對面電極上加電壓形成垂面電場。
2、 根據權利要求1所述的聚合物分散液晶雙穩膜，其特征在于所述的聚合物是 加活性劑的改性聚合物；所述的改性聚合物是聚氨酯丙烯酸酯中添加了表面活性劑吐 溫和卵磷脂，使聚合物界面對液晶分子是弱錨定作用。
3、 根據權利要求1所述的聚合物分散液晶雙穩膜，其特征在于所述的聚合物中 有慣性光滑滾珠的液晶微滴。
4、 根據權利要求1所述的聚合物分散液晶雙穩膜，其特征在于所述的聚合物折 射率選擇為 p=1.52，液晶尋常光折射率為w。=1.52，液晶非常光折射率為we=1.74。
5、 權利要求1所述的聚合物分散液晶雙穩膜的制造方法，其特征在于包括的步驟1) 活性預聚物與大雙折射向列相液晶材料及適量的襯墊料充分攪拌均勻混合；2) 外面兩張柔性透明導電膜內側刻蝕出梳狀共面轉換電極；3) 把混合好的高活性預聚物與大雙折射差的向列相液晶及襯墊料轉印到有共面電極 的兩張柔性透明導電膜之間；4) 用壓合機把印刷了預聚物與液晶混合物的兩張柔性透明導電膜擠壓成復合膜；5) 對復合膜進行相分離，使液晶從聚合物中充分析出，當形成直徑尺寸2-2.7微米 的液晶微滴時進行固化；6) 對兩張柔性透明導電膜加工出電極引線，在梳狀共面轉換電極間施加IO伏橫向電 場，使液晶折射率為1.63，聚合物折射率為1.52，呈現散射態，并且零場穩定；7) 把梳狀共面轉換電極短路，在對面電極間施加3伏的縱向電場，使液晶折射 率等于聚合物折射率1.52，呈現透明態，并且零場穩定。
6、 根據權利要求5所述的聚合物分散液晶雙穩膜的制造方法，其特征在于 所述的活性預聚物是添加了表面活性劑吐溫和卵磷脂的聚氨酯丙烯酸酯體系的 預聚物。
7、 根據權利要求5所述的聚合物分散液晶雙穩膜的制造方法，其特征在于 所述的向列相液晶是大雙折射差為2 。
8、 根據權利要求5所述的聚合物分散液晶雙穩膜的制造方法，其特征在于所述的襯 墊料直徑是10微米。
9、 根據權利要求5所述的聚合物分散液晶雙穩膜的制造方法，其特征在于所述的預 聚物與向列相液晶的質量比為1: 1。
10、 權利要求l-4任一所述的聚合物分散液晶雙穩膜的應用，其特征在于它用于 制造電子紙或者作為建筑裝飾材料的調光功能薄膜。
全文摘要
本發明涉及一種聚合物分散液晶雙穩復合膜及其制造方法，由兩張柔性透明導電膜與一層聚合物分散液晶層構成復合膜，兩張柔性透明導電膜刻蝕有共面轉換電極。聚合物分散液晶層是高活性聚氨酯丙烯酸酯，液晶是大雙折射的向列相液晶分子。所述的聚合物分散液晶雙穩復合膜施加共面橫向電場時處于關態-散射態，去掉電場仍保持散射態；將共面梳狀電極短路施加對面電場時處于開態-透明態，去掉電場仍保持透明態。聚合物分散液晶雙穩復合膜的制造方法是將高活性聚合物與大雙折射向列相液晶混合后相分離形成聚合物包裹液晶微滴結構。本發明用簡單的設計方案依靠改變電場方向實現聚合物分散液晶的零場穩定，進而獲得更為節能的電子紙技術，或者作為調光功能薄膜，夾在玻璃中，可以在建筑裝修與珠寶柜臺等領域得到特殊的應用。
文檔編號G02F1/13GK101261383SQ20081005293
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月29日 優先權日2008年4月29日
發明者張志東, 范志新, 解一軍 申請人:河北工業大學