聚合物穩(wěn)定藍相液晶材料及其應(yīng)用研究.pdf

1、液晶藍相態(tài)通常存在于各向同性相和手性向列相之間一段非常狹窄的溫度區(qū)域，由獨特的扭曲雙螺旋結(jié)構(gòu)和它們之間的缺陷構(gòu)成。相對于傳統(tǒng)的液晶材料，藍相液晶在顯示、相位調(diào)制器以及光子學(xué)領(lǐng)域具有一系列的優(yōu)點：其亞毫秒級的響應(yīng)速度可以消除彩色場序列顯示中的色彩斷裂現(xiàn)象，并使這種低能耗顯示技術(shù)有望實現(xiàn)；由于其分子自組裝結(jié)構(gòu)，器件結(jié)構(gòu)無需配向?qū)?，省掉摩擦工藝，從而簡化液晶器件的制備工藝；無外加電場時，宏觀上，藍相液晶呈現(xiàn)光學(xué)各向同性，從而使其顯示器件具有完

2、美的黑態(tài)，并且在無需補償膜的情況下，不存在視野角的問題。自然狀態(tài)下，藍相液晶穩(wěn)定存在的溫度范圍只有1～2 oC，這曾經(jīng)是藍相液晶應(yīng)用方面最大的技術(shù)挑戰(zhàn)。近些年，一系列改善藍相液晶熱穩(wěn)定性的方法被提出，例如：氫鍵自組裝法、雙基元液晶互混法、納米摻雜法、聚合物網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定法等等，其中聚合物網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定法對藍相液晶熱穩(wěn)定性改進最佳，并把藍相液晶穩(wěn)定存在的溫寬拓寬到60 oC以上。但是，聚合物穩(wěn)定藍相液晶在實際應(yīng)用方面仍然面臨諸多的技術(shù)挑戰(zhàn)，諸如：驅(qū)動

3、電壓過高、磁滯效應(yīng)、殘留雙折射等問題。另外，基于藍相液晶優(yōu)異的光電特性，藍相液晶器件在應(yīng)用方面還有待于進一步的探索。
　　基于聚合物穩(wěn)定藍相液晶材料和器件方面存在的問題，本文從材料和器件兩個方面對聚合物穩(wěn)定藍相液晶進行了研究。針對聚合物穩(wěn)定藍相液晶材料的組份及其制成，材料方面的主要工作有：a)深入分析了聚合物網(wǎng)絡(luò)對藍相液晶特性熱穩(wěn)定性改進的原理，通過分析聚合物小分子單體和光聚合過程對藍相液晶光電特性影響，研究了聚合物穩(wěn)定藍相液晶高

4、驅(qū)動電壓的來源；b)針對聚合溫度、聚合時間等聚合工藝對聚合物穩(wěn)定藍相液晶材料光電特性的影響，詳細分析了藍相液晶的生長過程和聚合物網(wǎng)絡(luò)對藍相液晶的穩(wěn)定機理，從而為改善聚合物穩(wěn)定藍相液晶的光電特性提出理論指導(dǎo)；c)通過對比不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的聚合物小分子單體對聚合物穩(wěn)定藍相液晶光電特性的影響，對引起高驅(qū)動電壓的機理進行研究，并且提出了一種可以同時改進驅(qū)動電壓和響應(yīng)時間的新型聚合物網(wǎng)絡(luò)體系；d)針對納米摻雜和聚合物網(wǎng)絡(luò)對藍相液晶的優(yōu)勢，通過研究摻雜

5、聚苯胺官能化的石墨烯納米片對藍相液晶特性的影響，給出了一種降低驅(qū)動電壓的方法?；谒{相液晶材料優(yōu)異的光電特性，結(jié)合對器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計，本文在器件方面的主要工作有：a）設(shè)計給出了兩種新型的藍相液晶半透半反顯示器件；b)利用全息曝光的方式，提出兩種新型的制備藍相液晶菲涅爾透鏡的方法；c)給出了一種新型的1D/2D自由切換的聚合物穩(wěn)定藍相液晶光柵器件。另外，根據(jù)藍相液晶的雙扭曲螺旋結(jié)構(gòu)，首次提出了基于多維度扭曲球的球狀相液晶結(jié)構(gòu)理論，并通過實驗

6、驗證了其存在，填充了從雙扭曲螺旋到各向同性態(tài)之間的空缺，完善了液晶構(gòu)成的理論。
　　論文的主要研究成果和創(chuàng)新點如下：
　　1、針對目前聚合物穩(wěn)定藍相液晶存在的不足，基于聚合物網(wǎng)絡(luò)對藍相液晶光電特性的影響，通過對比聚合物小分子單體摻雜前后和光聚合前后藍相液晶光電特性，論文給出了聚合物穩(wěn)定藍相液晶高驅(qū)動電壓的原因。論文指出摻雜聚合物小分子單體以后，由于聚合物穩(wěn)定藍相液晶前驅(qū)體中手性劑含量的相對減少，使得藍相液晶的螺距相對增大，從

7、而提高了藍相液晶的驅(qū)動能力；光聚合前后，藍相液晶的螺距不變，但是聚合物網(wǎng)絡(luò)增加了聚合物穩(wěn)定藍相液晶體系的彈性常數(shù)，因此，光聚合后其驅(qū)動能力下降。
　　2、通過分析聚合時間和聚合溫度對聚合物穩(wěn)定藍相液晶特性的影響，給出了藍相液晶形成和聚合物穩(wěn)定藍相液晶的物理機制。論文指出藍相液晶的形成過程存在一個由降溫速率決定的臨界溫度，該臨界溫度直接決定聚合物穩(wěn)定藍相液晶的熱穩(wěn)定性和光電特性；聚合時間直接決定藍相液晶的晶格常數(shù)，即聚合時間直接影響

8、聚合物穩(wěn)定藍相液晶材料的光學(xué)和電學(xué)特性。
　　3、通過分析不同結(jié)構(gòu)的聚合物網(wǎng)絡(luò)對聚合物穩(wěn)定藍相液晶的光電特性的影響，如：驅(qū)動電壓、磁滯效應(yīng)、殘留雙折射和響應(yīng)時間等。論文指出基于聚合物網(wǎng)絡(luò)的錨定作用，隨著聚合物網(wǎng)絡(luò)剛性程度的增大，聚合物穩(wěn)定藍相液晶的驅(qū)動電壓增大，響應(yīng)速度變快、磁滯效應(yīng)和殘留雙折射被抑制。最終，論文提出了一種可以同時改進聚合物穩(wěn)定藍相液晶材料的驅(qū)動電壓和響應(yīng)時間的新型聚合物體系。
　　4、基于納米摻雜和聚合物網(wǎng)

9、絡(luò)對藍相液晶熱穩(wěn)定性和光電特性的影響，論文通過摻雜聚苯胺官能化的石墨烯納米片改善了聚合物穩(wěn)定藍相液晶驅(qū)動電壓。論文指出摻雜0.05 wt％的聚苯胺官能化的石墨烯納米片，聚合物穩(wěn)定藍相液晶的驅(qū)動電壓可以降低55%，并且其響應(yīng)速度、磁滯效應(yīng)和殘留雙折射均保持不變。
　　5、基于藍相液晶優(yōu)異的光電特性，本文設(shè)計了兩種新型的半透半反液晶顯示器件。與傳統(tǒng)的藍相液晶透射區(qū)域和反射區(qū)域使用兩套電極結(jié)構(gòu)相比，新提出的器件結(jié)構(gòu)通過使透射和反射區(qū)域公

10、用一套驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡化制作工藝；同時，由于在電極上方設(shè)置了反射區(qū)域，從而成倍地提高了光學(xué)效率。
　　6、利用干涉曝光的方法，提出了兩種制作藍相液晶菲涅爾透鏡的方法：直接曝光法和三步曝光法。利用直接曝光的方法制備藍相液晶菲涅爾透鏡具有工藝簡單和寬溫域的藍相液晶等優(yōu)點，但是其聚焦效果不理想；利用三步曝光法制備的藍相液晶菲涅爾透鏡具有快速響應(yīng)、高衍射效率、很好的聚焦效果等優(yōu)點。
　　7、基于聚合物穩(wěn)定藍相液晶優(yōu)勢，設(shè)計了一類新型的1D