有光响应特性的多反射带层状胆甾相液晶复合薄膜及工艺

摘要

本发明一种有光响应特性的多反射带的层状胆甾相液晶复合薄膜及工艺，是一种可以光调控的光学材料。该薄膜由三层的胆甾相液晶叠加而成，可以最多反射三个波段的光，光的范围至少可以覆盖400-2000nm的波长范围。其中一层胆甾相液晶的反射波峰可以在特定波长的光的辐照下发生移动，与其他两层胆甾相液晶的反射带相互作用时，能使薄膜具有不同的光学效应。在一定的辐照时间后，可以产生对某一波段的光产生完全反射，继续的辐照可以这种完全的反射消失。并且这种不同反射状态之间的转化可以用一束特定波长的光进行精确的调控。此外，该薄膜的最初状态在光或热的作用下得以恢复。

说明书

 

技术领域

本发明属于液晶应用技术领域，提供了一种具有光响应特性的多反射带层状胆甾相液晶薄膜及工艺。

背景技术

液晶是介于晶体与液体之间的中间相，在某一温度范围内或者适宜的溶剂中，从外观看具有液体的流动性，同时又具有晶体的光学双折射性。液晶材料的发现迄今己百年有余，虽然我们对液晶理论的研究还不十分深入，但对液晶材料的应用，尤其是在平板显示领域的应用，在近半个世纪以来，却得到了突飞猛进的发展。目前，液晶器件正以其优异的品质在各个领域为人类不断地提供新的应用价值。

胆甾相液晶是分子中含有手性中心或在液晶中掺有手性分子的一类液晶，因此这类分子构成的液晶往往具有螺旋结构。而这一独特的螺旋结构赋予了胆甾相液晶选择性反射这一特殊光学性质，即在由布拉格定律决定的反射带宽内，与胆甾相液晶螺旋轴具有同一旋光方向的圆偏振光被反射，其它光透过。因此，一般的胆甾相液晶只有一个反射率为50%的反射带，带宽一般在50 - 80 nm之间。而这远远限制了其应用。

因此，层状胆甾相液晶复合薄膜设计和可以在光的辐照下改变其选择性反射波长的胆甾相液晶应运而生。前者是采用多层胆甾相液晶相互叠加的方法，制备出来的薄膜同时具备每层胆甾相液晶的反射波带。而后者则是一类比较特殊的胆甾相液晶，其特殊之处在于，这类胆甾相液晶中所采用的手性化合物可以在光的辐照下改变其螺旋扭曲力，从而调节了胆甾相液晶选择性反射波长。

在这里，我们将层状胆甾相液晶复合薄膜设计和可以在光的辐照下改变其选择性反射波长的胆甾相液晶相结合，将可以在光的辐照下改变其选择性反射波长的胆甾相液晶作为层状胆甾相液晶复合薄膜的一层，制备出具有光响应特性的多反射带层状胆甾相液晶复合薄膜。其特性在于，该薄膜不但具有多个反射波带，而且其中一个反射波带可以在光的控制下改变其波长，从而同时具有了多个反射波带和光响应特性。

发明内容

本发明的技术方案是：一种具有光响应特性的多反射带层状胆甾相液晶复合薄膜，其特征在于：该薄膜由三层胆甾相液晶叠加而成，每层内的胆甾相液晶均处于平面取向状态。

进一步，所述第一层和第三层是具有胆甾相液晶分子排列特征的固态薄膜,具有固定的选择性反射波带。

进一步，所述第二层的胆甾相液晶是一种可以在光的辐照下改变其选择性反射波长的胆甾相液晶。

本发明的另一目的是提供上述薄膜的制备工艺，具体包括以下步骤：

步骤1：1.1）制备层I和层III液晶：选取可聚合的胆甾相液晶，备用；

1.2）制备层II液晶：配置可以在光的辐照下改变其选择性反射波长的胆甾相液晶，备用；

步骤2：制备可平行取向液晶的透明基板，两片；

步骤3：层I和层III的制备：将步骤1.1配置的胆甾相液晶溶解在溶剂中，配成浓度为10 wt% - 60wt%的胆甾相液晶溶液，以500 - 4000 rps的转速旋涂在步骤2制备的两块平行取向基板上，干燥，使液晶形成规整的平行取向，随后聚合成具有胆甾相液晶分子排列特征的固态薄膜，则层I和层III制备完成；

步骤4:制备液晶盒：将层I和层III做成液晶盒，其中旋涂有胆甾相液晶层的均朝向内侧，中间间隔5 － 30微米；

步骤5:利用毛细作用将步骤1.2制备得到的层II液晶灌入步骤4得到的液晶盒的中间间隔中，得到具有光响应特性的多反射带的层状胆甾相液晶复合薄膜。

附图说明

图1是本发明具有光响应特性的多反射带的层状胆甾相液晶薄膜的结构示意图。

图2是实施例一至实施例三中层II所用胆甾相液晶的基本性质示意图。

图3是实施例一中所述薄膜样品在不同紫外辐照时间后的透过率曲线图。

图4是实施例二中所述薄膜样品在不同紫外辐照时间后的透过率曲线图。

图5是实施例三中所述薄膜样品在不同紫外辐照时间后的透过率曲线图。

图中：

1.基板，2.取向层，3. 层I液晶，4.层II液晶，5.层III液晶。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例一： 

该薄膜的分层胆甾相液晶的成分及手性分别为（均为百分含量）：

层I: SLC1717/C6M/S811/Irg651=54.0/30.0/15.0/1.0，左旋；

层II: SLC1717/CD1=94.0/6.0，右旋；

层III: SLC1717/C6M/S811/Irg651=54.0/30.0/15.0/1.0，左旋。

SLC1717为小分子N混晶（n_o = 1.519，n_e = 1.720，Δn = n_e - n_o = 0.201, T_N-I=92 ^oC），C6M、S811、Irg651和CD1的结构如表1所示。

制备层II的胆甾相液晶其选择性反射波长可以在光的辐照下变化，图2简要说明了这种性质。这里配置的胆甾相液晶的成分（质量比）为SLC1717/CD1=95.0/5.0,可以发现，该胆甾相液晶在2 mW/cm²,365 nm的紫外光的辐照下，其反射波长可以红移。而在本实施里中，之所以将手性化合物CD1的含量增大到6 wt%,是因为这样配置出来的胆甾相液晶开始时的反射波带在455 nm，可覆盖的范围更宽，在应用中可以将开始时的反射波带调到更短波长的范围。

该样品的制备过程如下：

(1) 平行取向的玻璃基板的准备：配置2.5 wt%的PVA溶液，以2500 rps的速度旋涂在玻璃基板上，时间为10 s，80 ^oC烘干固化后，用绒布摩擦平行取向,共需制备两片；

(2) 层I和层III的制备：将配置的液晶溶解在四氢呋喃中，配置成浓度为10 wt% - 60 wt%的胆甾相液晶溶液，以500 - 4000 rps的速度旋涂在上述制备的平行取向玻璃基板上，时间为30 s，干燥。随后在无氧条件下紫外聚合（365 nm, 25 mW/cm²）30分钟，则层I和层III制备完成；

(3) 制备液晶盒：将层I和层III做成液晶盒，其中两片胆甾相液晶层均朝向内侧，中间间隔5 － 30微米；

(4) 利用毛细作用灌入第二层液晶（层II），至此样品制备完成。

则制成的薄膜有如下特征（如图3所示）：

(1) 最初，该薄膜有一个明显的反射带，位于700 nm处，为层I和层III的反射波带；而层II的反射波带根据CD1的螺旋扭曲力计算可知在455 nm，该反射带被CD1的吸收所掩盖；

(2) 在3 mW/cm²的365 nm的辐照下，20 s后层II的反射波带出现在600 nm处，反射率低于50 %是由于层I和层III的反射波带部分重叠且手性相反；

(3) 60 s后，层II的反射波带与层I和层III的反射波带在700 nm处重叠，这时薄膜只有一个反射波带。由于二者手性相反，从而实现了对700 nm处的光接近100%的反射；

(4)    继续的紫外照射后，层II的反射波带的反射波带继续红移，则该薄膜再次拥有两个反射波带，反射率均接近50%。

层II的反射波带在紫外光的照射下，其中心反射波长与紫外辐射时间基本呈现线性关系。也就是说，紫外辐射可以实现对动态反射波带的精确控制。

由于CD1的螺旋扭曲力的变化是由于CD1分子的偶氮结构发生了顺反异构，那么，在458 nm的可见光的照射下可以恢复到顺反异构前的状态，也就是说，该薄膜材料的最初状态可以恢复。

 

实施例二：

该薄膜的分层胆甾相液晶的成分及手性分别为（均为百分含量）：

层I: SLC1717/C6M/S811/Irg651=54.0/30.0/15.0/1.0，左旋；

层II: SLC1717/CD1=94.0/6.0，右旋；

层III: SLC1717/C6M/R811/Irg651=59.0/30.0/10.0/1.0，右旋。

该样品的制备过程如实施例一。

则制成的薄膜有如下特征（如图4所示）：

(1) 最初，该薄膜有两个明显的反射带，700 nm和1020 nm处各一个，分别为层I和层III的反射波带；而层II的反射波带根据CD1的螺旋扭曲力计算可知在455 nm，该反射带被CD1的吸收所掩盖；

(2) 在1 mW/cm²的365 nm的辐照下，130 s后，层II的反射波带与层I的反射波带重合，此时，薄膜只有两个反射波带。由于层II与层I内的胆甾相液晶的手性相反，从而实现了对700 nm处的光接近100%的反射；

(3) 在1 mW/cm²的365 nm的辐照下，300 s后，层II的反射波带与层III的反射波带重合，此时，薄膜只有两个反射波带。由于层III和层II内的胆甾相液晶的手性相同，从而只反射1020 nm处的右旋圆偏振光，反射率接近50%；

(4) 除了130 s和300 s，层II的反射波带和层I和层III的反射波带均不重合，薄膜有三个反射波带，反射率均接近50%。

层II的反射波带在紫外光的照射下，其中心反射波长与紫外辐射时间基本呈现线性关系。也就是说，紫外辐射可以实现对动态反射波带的精确控制。

由于CD1的螺旋扭曲力的变化是由于CD1分子的偶氮结构发生了顺反异构，那么，在458 nm的可见光的照射下可以恢复到顺反异构前的状态，也就是说，该薄膜材料的最次状态可以恢复。

 

实施例三：

该薄膜的分层胆甾相液晶的成分及手性分别为（均为百分含量）：

层I: SLC1717/C6M/S811/Irg651=54.0/30.0/15.0/1.0，左旋；

层II: SLC1717/CD1=94.0/6.0，右旋；

层III: SLC1717/C6M/S811/Irg651=59.0/30.0/10.0/1.0，左旋。

该样品的制备过程如实施例一。

则制成的薄膜有如下特征（如图5所示）：

(1) 最初，该薄膜有两个明显的反射带，700 nm和1020 nm处各一个，分别为层I和层III的反射波带；而层II的反射波带根据CD1的螺旋扭曲力计算可知在455 nm，该反射带被CD1的吸收所掩盖；

(2) 用1 mW/cm²的365 nm的辐照100 s和220 s后，层II的反射波带分别与层I和层III的反射波带重合，这两个时刻薄膜均只有两个反射波带。由于层II与层I和层III内的胆甾相液晶的手性均相反，从而实现了对700 nm（100 s）或1020 nm（220 s）处的光接近100%的反射；

(3) 除了100 s和220 s，层II的反射波带和层I、层III的反射波带均不重合，薄膜有三个反射波带，反射率均接近50%；

层II的反射波带在紫外光的照射下，其中心反射波长与紫外辐射时间基本呈现线性关系。也就是说，紫外辐射可以实现对动态反射波带的精确控制。

由于CD1的螺旋扭曲力的变化是由于CD1分子的偶氮结构发生了顺反异构，那么，在458 nm的可见光的照射下可以恢复到顺反异构前的状态，也就是说，该薄膜材料的最次状态可以恢复。

 表1为以上实施例中各个化合物的结构式：

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