聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶材料及其應(yīng)用研究.pdf

1、液晶藍(lán)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(dú)特的扭曲雙螺旋結(jié)構(gòu)和它們之間的缺陷構(gòu)成。相對(duì)于傳統(tǒng)的液晶材料，藍(lán)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(diǎn)：其亞毫秒級(jí)的響應(yīng)速度可以消除彩色場(chǎng)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(shí)現(xiàn)；由于其分子自組裝結(jié)構(gòu)，器件結(jié)構(gòu)無(wú)需配向?qū)?，省掉摩擦工藝，從而?jiǎn)化液晶器件的制備工藝；無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，宏觀上，藍(lán)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(wú)需補(bǔ)償膜的情況下，不存在視野角的問(wèn)題。自然狀態(tài)下，藍(lán)相液晶穩(wěn)定存在的溫度范圍只有1～2 oC，這曾經(jīng)是藍(lán)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(lán)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(duì)藍(lán)相液晶熱穩(wěn)定性改進(jìn)最佳，并把藍(lán)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(lán)相液晶在實(shí)際應(yīng)用方面仍然面臨諸多的技術(shù)挑戰(zhàn)，諸如：驅(qū)動(dòng)

3、電壓過(guò)高、磁滯效應(yīng)、殘留雙折射等問(wèn)題。另外，基于藍(lán)相液晶優(yōu)異的光電特性，藍(lán)相液晶器件在應(yīng)用方面還有待于進(jìn)一步的探索。
　　基于聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶材料和器件方面存在的問(wèn)題，本文從材料和器件兩個(gè)方面對(duì)聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶進(jìn)行了研究。針對(duì)聚合物穩(wěn)定藍(lán)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(duì)藍(lán)相液晶特性熱穩(wěn)定性改進(jìn)的原理，通過(guò)分析聚合物小分子單體和光聚合過(guò)程對(duì)藍(lán)相液晶光電特性影響，研究了聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶高

4、驅(qū)動(dòng)電壓的來(lái)源；b)針對(duì)聚合溫度、聚合時(shí)間等聚合工藝對(duì)聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶材料光電特性的影響，詳細(xì)分析了藍(lán)相液晶的生長(zhǎng)過(guò)程和聚合物網(wǎng)絡(luò)對(duì)藍(lán)相液晶的穩(wěn)定機(jī)理，從而為改善聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶的光電特性提出理論指導(dǎo)；c)通過(guò)對(duì)比不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的聚合物小分子單體對(duì)聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶光電特性的影響，對(duì)引起高驅(qū)動(dòng)電壓的機(jī)理進(jìn)行研究，并且提出了一種可以同時(shí)改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電壓和響應(yīng)時(shí)間的新型聚合物網(wǎng)絡(luò)體系；d)針對(duì)納米摻雜和聚合物網(wǎng)絡(luò)對(duì)藍(lán)相液晶的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)研究摻雜

5、聚苯胺官能化的石墨烯納米片對(duì)藍(lán)相液晶特性的影響，給出了一種降低驅(qū)動(dòng)電壓的方法?；谒{(lán)相液晶材料優(yōu)異的光電特性，結(jié)合對(duì)器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，本文在器件方面的主要工作有：a）設(shè)計(jì)給出了兩種新型的藍(lán)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(lán)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(lán)相液晶光柵器件。另外，根據(jù)藍(lán)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(guò)實(shí)驗(yàn)

6、驗(yàn)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(diǎn)如下：
　　1、針對(duì)目前聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶存在的不足，基于聚合物網(wǎng)絡(luò)對(duì)藍(lán)相液晶光電特性的影響，通過(guò)對(duì)比聚合物小分子單體摻雜前后和光聚合前后藍(lán)相液晶光電特性，論文給出了聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶高驅(qū)動(dòng)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(lán)相液晶前驅(qū)體中手性劑含量的相對(duì)減少，使得藍(lán)相液晶的螺距相對(duì)增大，從

7、而提高了藍(lán)相液晶的驅(qū)動(dòng)能力；光聚合前后，藍(lán)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(lán)相液晶體系的彈性常數(shù)，因此，光聚合后其驅(qū)動(dòng)能力下降。
　　2、通過(guò)分析聚合時(shí)間和聚合溫度對(duì)聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶特性的影響，給出了藍(lán)相液晶形成和聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶的物理機(jī)制。論文指出藍(lán)相液晶的形成過(guò)程存在一個(gè)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(lán)相液晶的熱穩(wěn)定性和光電特性；聚合時(shí)間直接決定藍(lán)相液晶的晶格常數(shù)，即聚合時(shí)間直接影響

8、聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶材料的光學(xué)和電學(xué)特性。
　　3、通過(guò)分析不同結(jié)構(gòu)的聚合物網(wǎng)絡(luò)對(duì)聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶的光電特性的影響，如：驅(qū)動(dòng)電壓、磁滯效應(yīng)、殘留雙折射和響應(yīng)時(shí)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(lán)相液晶的驅(qū)動(dòng)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(shí)改進(jìn)聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶材料的驅(qū)動(dòng)電壓和響應(yīng)時(shí)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(duì)藍(lán)相液晶熱穩(wěn)定性和光電特性的影響，論文通過(guò)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(lán)相液晶驅(qū)動(dòng)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(lán)相液晶的驅(qū)動(dòng)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(lán)相液晶優(yōu)異的光電特性，本文設(shè)計(jì)了兩種新型的半透半反液晶顯示器件。與傳統(tǒng)的藍(lán)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(guò)使透射和反射區(qū)域公

10、用一套驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化制作工藝；同時(shí)，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(lán)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(lán)相液晶菲涅爾透鏡具有工藝簡(jiǎn)單和寬溫域的藍(lán)相液晶等優(yōu)點(diǎn)，但是其聚焦效果不理想；利用三步曝光法制備的藍(lán)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(diǎn)。
　　7、基于聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一類新型的1D