纳米聚合物掺杂对蓝相液晶驱动电压的影响

管昕瑜，陆建刚

(1.上海交通大学 电子信息及电子工程学院，上海 200240；

2.上海华虹计通智能系统股份有限公司，上海 201206)



纳米聚合物掺杂对蓝相液晶驱动电压的影响

管昕瑜1，2，陆建刚1

(1.上海交通大学 电子信息及电子工程学院，上海 200240；

2.上海华虹计通智能系统股份有限公司，上海 201206)

聚合物液晶在蓝相稳定态具有极快的响应速度(亚毫秒级)、光学性能的各向同性、免配相工艺等优越性能，在显示领域、光子器件领域有极大的应用前景。在一个基于聚合物液晶蓝相稳定态系统中研究多重聚合物掺杂的比率对蓝相液晶驱动电压的影响。通过改善聚合物掺杂的比率，在不破坏蓝相液晶的响应速度、磁滞指标等性能的前提下，该蓝相稳定态液晶的驱动电压能够降低到62V。

蓝相液晶； 驱动电压； 聚苯胺氧化石墨烯； 纳米掺杂

液晶的蓝相稳定态主要存在于液晶各向同性相和手性向列相之间的一个狭小的温宽范围内[1-2]。在此状态下的蓝相液晶具有亚毫秒级的超快响应速度[3]，无外部电场就能呈现光学各向同性，在可见光波段内呈现周期性三维螺旋结构等优点，故蓝相液晶在光学相位调制器、光子晶体、场序列显示[4-7]等领域有极大的应用空间。虽然目前聚合物液晶的蓝相稳定态过于狭窄的温宽已经得到改善，能够扩大到60K以上，但是类似于磁滞效应、高驱动电压、残留双折射等缺陷都严重阻碍了蓝相液晶的推广[8]。

目前，能有效降低聚合物蓝相稳定态液晶的驱动电压的方式主要有两种：① 通过改善液晶本体材料的性能来推高液晶本身的驱动能力[9-10]；② 提供器件结构的优化来增加电场的利用率[11-12]。为了能够改善蓝相稳定态液晶过高的驱动电压，本文在母体液晶材料结构上，进一步改变聚合物和稀释剂的掺杂比率，增强液晶内部的有效电场，从而达到降低聚合物蓝相液晶的驱动电压的目的。

1　实验设计

要降低蓝相液晶的驱动电压可以从两个方面入手：① 增强有效电场；② 降低液晶扭曲双螺旋结构和聚合物网络之间的界面能。要增强液晶内部的有效电场，可以添加高导电率聚合物——聚苯胺氧化石墨烯(Polyaniline Functionalized Graphene, G-PANI)[13]；要降低液晶扭曲双螺旋结构和聚合物网络之间的界面能，则可以通过在液晶本体材料中添加适量比率的稀释剂——N-乙烯吡咯烷酮(N-Vinyl Pyrrolidone, NVP)[14-15]。

为了测试不同比率的掺杂物对聚合物液晶蓝相稳定态光电特性的影响，不同比率的NVP和G-PANI会被掺杂在一个常见的蓝相液晶母液中。该液晶母液中包含了正性向列型母体液晶BP06、手性剂R5011、胶连剂C3M、聚合单体12A及三羟甲基丙烷三丙烯酸酯TMPTA、光敏引发剂IRG184。按照表1中的质量分数配置A、B、C、D 4种液晶母液。

分别测量掺杂不同比率NVP的4种母液样本的清亮点光电特性，从中挑选出清亮点性能最好的一组，作为优化后的母液样本。然后，按照表2中的比率在优化后的母液样本中继续掺杂不同质量分数的G-PANI，以研究G-PANI的掺杂浓度对聚合物液晶蓝相稳定态驱动电压的影响。

表1　不同浓度NVP的聚合物液晶蓝相稳定态的母液配比

表2　不同浓度的G-PANI和NVP的聚合物液晶蓝相稳定态液晶的配比

充分混合样品并且加热到清亮点之后，将样品注入到厚度为 7.5μm、电极宽度为 7.5μm、电极间距为 12.5μm 的液晶盒内。在温控台内，以1K/min的速率降温，在接近相变点附近时以 0.5K/min 的速率降温。在液晶中的样品进入蓝相稳定态后，用强度为3mW/cm2的紫外线灯管(UV)照射5min，使得液晶盒中的样品固化。将频率为1kHz的方波加在液晶盒两端，通过2个正交的偏振片对样品进行测试。

2　结果与分析

2.1温度特性

在偏光显微镜下观察A、B、C、D 4种蓝相液晶母液样本。图1给出了样本A和D的相态变化。由图 1(a)可见，样本A从各向同性相到手性向列相之间过渡的相态变化。当样本A的温度降低到341.2K时，出现了红色的蓝相态点状液晶；继续降低温度至336.4K时，液晶由蓝相态演变到手性向列相态。由于NVP材料本身的清亮点较低，故NVP含量越高，母液样本的清亮点就越低，表1中的数据也证明了这点。随着NVP浓度的增加，聚合物液晶的蓝相稳定态的热稳定性能也相应降低，因此，在UV灯照射固化后，当温度降低至345K时，NVP浓度最高的样本D已不具备蓝相稳态的条件，见图1(b)，而样本A、B、C都能很好地稳定住蓝相态。

图1　样本A和D的相态变化Fig.1　Phase transition of sample A and D

2.2驱动性能

对A、B、C 3种母液样本进行驱动性能分析。图2给出了不同浓度的NVP聚合物液晶蓝相稳定态在室温(298K)条件下的液晶驱动电压-透过率曲线。由图可见，样本A、B、C在透过率达到100%时的最优驱动电压分别是78、72、65V，从而可以判定NVP质量分数为1%的样本C的性能最佳。因此，以下实验以样本C作为母液样本，对掺杂不同浓度G-PANI后制成的蓝相液晶样品进行测试。

图2　室温下(298K)，NVP不同浓度的聚合物液晶蓝相稳定态的电压-透过率曲线Fig.2　V-T curve of the PS-BPLC with different concentrations of NVP at room temperature (298K)after polymer stabilization

图3给出了在室温(298K)条件下，掺杂了不同浓度的G-PANI的聚合物蓝相液晶样品的驱动电压-透过率曲线。当掺杂的G-PANI浓度从0增加到0.03%再增加到0.05%时，样品的驱动电压从最初的66V经64V降低到62V，这主要是由于聚合物稳定态液晶网络包裹住了掺杂的 G-PANI 纳米片，增加了径向导电率和有效电场；而继续增大掺杂的G-PANI浓度，当G-PANI的浓度由0.05%逐渐增加至0.1%、0.5%、1%时，增加的有效电场被增加的大分子聚合物给阻挡了，因此，驱动电压反而由 62V 增大至66、70、72V，特别当G-PANI浓度增大到2%时，驱动电压达到了80V，已经极大偏离了原本的驱动电压。

图3　室温下(298K)，掺杂不同浓度G-PANI的聚合物蓝相液晶样品的驱动电压-透过率曲线Fig.3　V-T curve of PS-BPLC sample with different concentrations of G-PANI at room temperature(298K)

2.3响应速度

对掺杂不同浓度G-PANI的蓝相液晶样品进行响应度测试。由于上升沿响应速度和样本的驱动电压有关，因此为了排除可能的误差，实验中主要测试下降沿的响应速度。由图4可见，掺杂了小于1%的低浓度G-PANI的蓝相液晶样品对响应速度几乎没有影响，这是由于小于1%的低浓度G-PANI不会影响材料的弹性系数和转性粘度。但是，当掺杂1%以上G-PANI时，材料的响应速度就会降低到毫秒级，这是由于大体积的聚合物会影响材料的弹性系数和转性黏度。

图4　样本C掺杂不同浓度G-PANI的聚合物蓝相液晶样品的响应速度曲线Fig.4　Delay time curve of PS-BPLC sample withdifferent concentration of G-PANI

3　结　语

本文研究了基于纳米聚合物稳定蓝相态液晶的系统中，通过不同比率的聚合物和稀释剂的配比，来降低聚合物液晶蓝相稳定态的驱动电压。实验结果表示，掺杂百分比浓度为1%的NVP和0.05%的G-PANI，蓝相液晶的驱动电压能降低到62V，并且不会对蓝相液晶材料本身的响应时间产生不良影响。

[1]MEIBOOM S，SETHNA J P，ANDERSON P W，et al.Theory of the blue phase of cholesteric liquid crystals[J].Physical Review Letters，1981，46(18)：1216-1219.

[2]倪水彬，朱吉亮，钟恩伟，等.蓝相液晶光电特性研究[J].液晶与显示，2012，27(6)：719-723.

[3]CHOI H，HIGUCHI H，KIKUCHI H.Fast electro-optic switching in liquid crystal blue phase II[J].Applied Physics Letters，2011，98(13)，131905(3).

[4]LU S Y，CHIEN L C.Electrically switched color with polymer-stabilized blue-phase liquid crystals[J].Optics Letters，2010，35(4)：562-564.

[5]COLES H J，MORRIS S M.Liquid-crystal lasers[J].Nature Photonics，2010，4(10)：676-685.

[6]ZHU Jiliang，LU Jiangang，QIANG Jing，et al.1D/2D switchable grating based on field-induced polymer stabilized blue phase liquid crystal[J].Journal of Applied Physics，2012，111(3)：033101-033105.

[7]CHEN Kuanming，GAUZA S，XIANYU Haiqin，et al.Submillisecond gray-level response time of a polymer-stabilized blue-phase liquid crystal[J].Journal of Display Technology，2010，6(2)：49-51.

[8]GERBER P R.Electro-optical effects of a small-pitch blue-phase system[J].Molecular Crystals and Liquid Crystals，1985，116(3/4)：197-206.

[9]RAO L，YAN J，WU S T，et al.A large Kerr constant polymer-stabilized blue phase liquid crystal[J].Applied Physics Letters，2011，98(8)：081109-081112.

[10]ZHU Jiliang，NI Shuibin，SONG Yue，et al.Improved Kerr constant and response time of polymer-stabilized blue phase liquid crystal with a reactive diluent[J].Applied Physics Letters，2013，102(7)：071104(4).

[11]KIM M，KIM M S，KANG B G，et al.Wall-shaped electrodes for reducing the operation voltage of polymer-stabilized blue phase liquid crystal displays[J].Journal of Physics D：Applied Physics，2009，42(23)：235502(4).

[12]JIAO Meizi，LI Yan，WU S T.Low voltage and high transmittance blue-phase liquid crystal displays with corrugated electrodes[J].Applied Physics Letters，2010，96(1)：011102-011104.

[13]ZHU J L，NI S B，ZHONG E W，et al.Polymerization effect on electro-optic properties of blue phase liquid crystals[J].SID Symposium Digest of Technical Papers.2012，43(1)：106-108.

[14]LI W H，SUN X Y，LI Y R，et al.Polymer-stabilized blue phase liquid crystal of large Kerr constant based on multiple dopants[J].Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2015，30(4)：576-580.

[15]YAN Jin，CHENG Huichuan，GAUZE S，et al.Extended Kerr effect of polymer-stabilized blue-phase crystals[J].Applied Physics Letters.2010，96(7)：071105(3).

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，工程师，硕士生，主要研究方向为智能产品图形显示，E-mail：guanxinyu@msn.com

2095-0020(2016)04-0207-04

TB 383

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