第 24 卷 第 4 期
2009 年 8 月
液 晶 与 显 示
Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays
Vol124 ,No14
Aug. ,2009
文章编号 :100722780 (2009) 0420487206
单体材料结构对全息聚合物
分散液晶光栅电光特性的影响
刘永刚1 , 郑致刚1 ,2 , 彭增辉1 ,胡立发1 , 曹召良1 ,李文萃1 ,2 ,宣 丽1 3
(1. 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室 ,吉林 长春 130033 ,E2mail : ygliujilin @yahoo . com. cn ;
2. 中国科学院 研究生院 ,北京 100039)
摘 要 : 使用 3 种分子结构不同的单体材料体系制备了全息聚合物分散液晶光栅 ,对所制备
光栅的形貌、衍射特性、驱动特性、单体双键转化率等进行了研究。研究结果
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
明 :体系中单
体材料结构刚性的增加有助于相分离结构的改善。由柔性单体制备的光栅样品 ,双键转化率
低 ,光栅液晶区域液晶微滴尺寸小 ,驱动电压高 ;刚性适度的样品 ,其光栅液晶区域液晶微滴
较大 ,衍射能力达到 96 % ,实际衍射效率为 82 % ,且曝光结束后单体的单体双键转化率达到
了 57 % ,驱动电压为 8. 3 V/μm ;随着单体材料结构刚性的继续增加 ,光栅液晶微滴反而变
小 ,液晶区域变窄 ,驱动电压升高。因此 ,合理增加单体的刚性程度有助于提高光栅相分离及
光栅的电光特性。
关 键 词 : 全息聚合物分散液晶 ; 相分离 ; 衍射效率 ; 双键转化率
中图分类号 : O438. 1 ; TN141. 9 文献标识码 : A
收稿日期 : 2009202224 ; 修订日期 : 2009203223
基金项目 : 国家自然科学基金 (No . 0736042 ,No . 60578035 , No . 50703039)3 通讯联系人 ,E2mail :xuanli @ciomp . ac. cn
1 引 言
全息聚合物分散液晶 ( Holograp hic Polymer
Dispersed Liquid Crystal , H PDL C)光栅是一种新
型光电子信息功能器件[126 ] ,将液晶和光敏单体以
一定的比例均匀混合 ,在两束相干激光照射下 ,利
用光致聚合而引发相分离 ( PIPS) ,形成聚合物区
与液晶区交替的周期排列结构 ,由于液晶区和聚
合物区折射率差 ,因此产生了折射率调制 ,形成光
栅结构[5214 ] 。外加电场时 ,液晶分子沿电场重新
排列 ,如果其寻常光折射率与聚合物基体折射率
相匹配 ,即 no = np ,则光栅衍射作用消失 ,入射光
可以直接透射。H PDL C 利用的是 Bragg 衍射原
理 ,只有单个衍射极大 ,衍射效率很高。光栅中液
晶微滴的尺寸很小 ,只有 20～100 nm ,所以响应
时间很短。由于液晶分子的存在 ,光栅可电场调
谐 ,因此它是一种衍射特性电场可调的体位相全
息光栅 ,在反射式平板显示[1 ] 、变焦透镜[2 ] 、滤波
器[3 ]以及光通讯[4 ] 等诸多领域有很好的应用
前景。
尽管 HPDL C 应用广泛 ,但若要实用化必须
在降低驱动电压和提高衍射效率这两方面做进一
步努力。目前的 H PDL C 器件 ,存在单体双键转
化率低、光栅的相分离不彻底、相界面不清晰等问
题 ,导致光栅衍射效率低 (～50 %) 、驱动电压高
(～10 V/μm) [9～10 ] ,制约了它的实际应用。为了
寻找合适的解决
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
,研究人员进行了大量的研
究 ,这些工作主要集中在材料的物理化学特性及
动力学过程等方面 ,如平均官能度、表面活性剂等
方面的研究[10214 ] ,来进一步改善 H PDL C 光栅的
电光特性 ;但是 ,对于材料结构对光栅相分离是否
存在影响这一课题目前还没有详尽的报道。在前
人研究的基础上[12217 ] ,本文对不同的单体材料结
构对全息聚合物分散液晶光栅的影响进行了研
究 ,使用扫描电镜 ( SEM) 观察了光栅微观相分离
结构 ,通过傅立叶变换红外光谱仪 ( F TIR Bio2
Red F TS3000)探测了曝光过程中的光反应动力
学 ,对所制备光栅的衍射特性和驱动电压进行了
分析
定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析
和讨论。
488 液 晶 与 显 示 第 24 卷
2 实 验
HPDL C 的制备材料主要由光敏单体、向列
相液晶、光引发剂和协引发剂组成。其中单体材
料主要有五官能度的二季戊四醇羟基五丙烯酸酯
(DP HPA ,Aldrich 公司提供) 和其它 3 种具有二
官能度的丙烯酸类单体 :新戊二醇二丙烯酸酯
(N P GDA ,由北京东方亚科利化工科技有限公司
提供) 、邻苯二甲酸二甘醇二丙烯酸酯 ( PDDA ,北
京东方亚科利化工科技有限公司提供) 和乙氧基
双酚 F 二丙烯酸酯 (BPFEDA ,Aldrich) 。样品纯
度均为 97 %以上。将 DPHPA 与 NPGDA、DPHPA
与 PDDA、DP H PA 与 BPFEDA 按一定比例混合
以得到 3 种平均官能度相等 (约 3. 5) 的混合体
系[14 ] ,平均官能度利用式 (1)计算 :
Fav = 6
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
没有做过详细的阐述 ,本文在此做
一下区分和定义 :
首先定义光栅的衍射能力 (ξ) :
ξ= I1
I0 + I1
×100 % (2)
其中 , I0 和 I1 分别表示液晶/ 聚合物 Bragg 光栅
的 0 级透过光强和 1 级衍射光强。
光栅衍射效率 (η) 和散射损失 (σ) 可以用如下
公式表示 :
η = I1
Iout - Iabs
×100 % (3)
σ= Iout - Iabs - I0 - I1
Iout - Iabs
×100 % (4)
其中 Iout和 Iabs 分别为探测光源的输出光强和液
晶盒本身的吸收光强。采用信号发生器输出频率
为 50 Hz 的正弦交流信号进行电光特性的测试。
为了研究相分离情况 ,实验中使用扫描电子
显微镜 (SEM , Hitachi S24800)来观察样品的表面
形貌。打开液晶盒 ,将 HPDL C 膜取出并放在乙
醇中浸泡 24 h 以上 ,将光栅内的液晶溶解去除 ,
原位置留下空洞 ,在慢速氮气流下吹干后喷金 ,进
行 SEM 测试。
为了研究双键转化率及相分离过程中的光反
应动力学 ,使用傅立叶变换红外光谱仪 ( F TIR
Bio2Red , F TS3000) 来探测光反应过程中 C C
双键的转化率。将光栅膜夹在两片 CaF2 玻璃
(长春奥普光学技术公司提供) 中 ,固定在样品架
上。调整样品架使探测光垂直入射到样品表面。
双键转化率 ( C)可以按照如下
方法
快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载
进行计算 :
C = A t - A 0
A 0
(5)
其中 A 0 为曝光之前 C C 的吸收峰强度 (1 636
cm
- 1 ) ; A t 为相分离过程中的某个时刻 C C 的
吸收峰强度。
3 结果与讨论
不同材料结构所制备成的光栅的相分离结构
如图 3 所示。
图 3 不同化学结构材料光栅的 SEM 照片. (a) N ; (b) P ;
(c) B.
Fig. 3 SEM microscopic photographs of N (a) ,(b) P ,(c)B.
490 液 晶 与 显 示 第 24 卷
由图 3 可以很清楚的看出 : 样品 P (图 3b) 的
液晶区域宽度最大 ,液晶微滴的尺寸比其它两种
光栅大 ,相分离结构最好 ;样品 B (图 3c)虽然也存
在明显的液晶区域 ,但是宽度比较窄 ;结构最不理
想的是样品 N (图 3a) ,此结构中液晶微滴尺寸小
且彼此散落 ,没有合并形成较宽的液晶区。上述
3 种光栅衍射特性的测试结果见图 4 。
由图 4 可以看出 ,对于样品 N ,衍射能力为
83 % ,实际衍射效率仅有 65 % ,散射损失高达
22 % ;样品 P 衍射能力为 95 % ,实际衍射效率提
高至 82 % ,散射损失为 14 % ;样品 B 的衍射能力
为 96 % ,实际衍射效率为 3 种样品中的最高值 ,
达 89 % ,散射损失较低 ,为 7 %。图 5 给出了 3 种
光栅的电光特性曲线 ,可以明显地发现样品 P 的
驱动特性最佳 ,驱动电压最低 ,为 8. 3 V/μm ;样
品 B 次之 ,约为 10 V/μm ;驱动特性最差的是样
品 N ,约为 12. 5 V/μm。H PDL C 器件的驱动阈
值电压 V th可用式 (5)估算 (由 Wu 等人推出[ 15 ] ) :
V th = d3 a
σlc
σP + 2
K( l2 - l)
ε0Δε
1
2 (5)
其中 a 为液晶微滴的长轴长度 ; d 为膜的厚度 ; K
为弹性常数 ;σlc和σp 分别为液晶和聚合物的电导
率 ; l = a/ b 为液晶微滴的长半轴和短半轴之比 ;
Δε为介电各向异性值。
由式 (5) 可以看出 ,在材料既定的情况下 ,驱
动电压的大小主要受分散液晶微滴尺寸的影响 ,
且与液晶微滴尺寸成反比。由光栅形貌电子扫描
电镜 (SEM)图片 (图 3) 可以看出 ,样品 P 富液晶
区域较宽 ,液晶微滴尺寸最大且较连续 ,所以它的
驱动电压较低 ;样品 B 虽然富液晶区连续 ,但是
较窄 ,液晶微滴尺寸小 ,因此它的驱动电压比样品
P 高 ;而样品 N 的液晶微滴很小且彼此散落 ,没
有连在一起 ,所以它的驱动电压在 3 种样品中
最高。
上述测试结果表明 ,全息聚合物分散液晶光
栅的相分离结构优劣与制备材料的化学结构有很
大的关联。下面对实验中所制备的 3 种样品的相
分离结构与材料化学结构之间的关系进行分析。
(1)样品 N
样品 N 的材料全部是烷基柔性链分子结构 ,
刚性较弱 ,这类柔性分子在相分离的过程中链之
间产生缠结 ,迁移不易 ,造成单体双键转化率不
高 ,仅为 45 %(图 6) ,不利于形成较好的光栅形结
构。此外 ,由于单体 N P GDA ,分子长度较短 ,因
此聚合后产生很大的交联密度 ,导致液晶微滴减
小 ,并被包裹在网络之内难以分离出 ,造成液晶区
域窄 ,且微滴散落而不连续。
图 6 相分离过程中的单体双键转化率测试
Fig. 6 Ene2conversions of HPDLCs during exposure
(2)样品 P
样品 P 的制备材料是由 DP H PA 和刚性稍
强的 PDDA 组成 , PDDA 分子中含有一个苯环
(图 1) ,分子结构上的刚性造成光聚合过程中的
链纠缠相比前者的几率要小得多 ,因此相分离的
第 4 期 刘永刚 ,等 :单体材料结构对全息聚合物分散液晶光栅电光特性的影响 491
定域性比较容易实现。测试发现双键转化率相比
柔性体系 N 提高了 12 % ,达到 57 %。从分子长
度上比较 ,发现 PDDA 分子较 N P GDA 长 ,因此
产生的交联密度比前者小 ,这样有利于液晶的分
离 ,且能够产生较大的液晶微滴 ,因此光栅结构中
的液晶区域宽 ,表现出的衍射特性和驱动特性都
优于样品 N。
(1)样品 B
样品 B 的制备材料中含有 BPFEDA ,此材料
含有两个苯环 ,虽然刚性结构很强 ,分子之间的缠
结不容易实现 ,但是黏度较大导致分子迁移不易 ,
单体双键转化率并没有进一步提高 ,反而降低了
一些 ,测试结果表明样品 B 的转化率为 53 %。
从光栅结构上看 ,样品 B 的液晶区域虽然比
较连续 ,但宽度明显减小 ,驱动电压升高 ,这与其
分子刚性过大 ,迁移不易有关。从光反应动力学
的角度考虑相分离问题 ,如图 6 所示 ,对于样品 P
和 B ,当曝光持续到 100 s 时 ,双键转化率基本达
到饱和状态 ,说明光反应已经达到饱和状态 ;而对
于样品 N ,光反应并没有达到饱和。这说明 3 种
体系的光反应效率存在着差异 ,后者的反应效率
明显低于前二者。
4 结 论
采用不同单体结构的材料体系制备了 HP2
DL C 光栅 ,对光栅形貌、衍射特性、驱动特性和单
体双键转化率等几个方面进行了测试和比较分
析 ,研究了光栅材料体系中不同的单体材料结构
对 HPDL C 光栅的影响。实验结果表明 :
(1) 刚性结构较强的单体在光聚合的过程中
不易产生聚合物链之间的交缠 ,保证了分子良好
的扩散性能 ,可以得到良好的相分离结构 ,从而提
高光栅的衍射效率 ,降低光栅的驱动电压 ;
(2)刚性结构过强会导致分子之间的相互作
用加大 ,体系粘度增大 ,阻碍分子扩散 ,使光栅液
晶区域变窄 ,虽然具有较好的衍射特性 ,但驱动电
压增高 ;
(3)单体刚性结构的添加有助于加快相分离
过程 ,避免环境干扰影响相分离结构。
可见 ,单体材料结构对 H PDL C 光栅的性能
有很大影响 ,选择合适的单体刚性程度有助于改
善光栅的相分离结构及其电光特性。
参 考 文 献 :
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L IU Yong2gang1 ,ZH EN G Zhi2gang1 ,2 , PEN G Zeng2hui1 ,
HU Li2fa1 , CAO Zhao2liang1 , L I Wen2cui1 ,2 ,Xuan Li1
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Chinese A cadem y of Sciences , Changchun 130033 , China , E2mail : y gli uj i l in @y ahoo. com. cn;
2 . Graduate School of Chinese A cadem y of Sciences , Bei j ing 100039 , China)
Abstract
Holograp hic polymer dispersed liquid crystal is a kind of novel p hotoelect ronomic information
f unctional device. In t his st udy , effect of chemical st ructure of monomers on holograp hic polymer dis2
persed liquid crystal gratings was investigated f rom the morp hology , t he diff raction efficiency , t he
elect ro2optical t unable performance and ene2conversions , respectively. The result s showed that , t he
chemical st ruct ure of monomers plays an important role in performance of H2PDL C gratings. A rigid
molecular st ructure forms a clear morp hology , high diff raction efficiency and low t hreshold voltage
gratings than a flexible molecular st ructure. In addition , t he rigidity ring increases interactions be2
tween molecules and rest rict s t he motion between t hem , t hus enhances t he p hase separation , elect ro2
optical characteristics and ene2conversions. On t he ot her hand , with the rigid st ruct ure of monomer
material increase , making t he volume of L C droplet s become smaller , L C regional narrow , so t he
drive voltage was increased , however , t here is still a drop t han flexible molecules. Therefore increa2
sing t he rigid st ruct ure of monomer reasonably can improve t he p hase separation and elect ro2optical
p roperties of HPDL C gratings.
Key words : holograp hic polymer dispersed liquid crystal ; p hase separation ; diff raction efficiency ;
double bond conversion rate
作者简介 :刘永刚 (1973 - ) ,男 ,吉林通化人 ,助理研究员 ,主要从事液晶材料合成与液晶器件物理的研究工作。
浙公网安备 33021202002483