聚合物分散液晶门镜复合膜及其制造方法

摘要

本发明涉及一种聚合物分散液晶门镜复合膜及其制造方法，由三张柔性透明导电膜与两层聚合物分散液晶层构成，一层在电场作用下是液晶微滴折射率大于聚合物折射率，成为微凸透镜阵列，另一层在电场作用下是液晶微滴折射率小于聚合物折射率，成为微凹透镜阵列，相对应的每对凸凹透镜组成微型“猫眼”门镜，整个膜由液晶微滴构成微型“猫眼”门镜阵列。凸凹透镜电场可转换，即液晶微滴构成微型“猫眼”门镜阵列的“门里”“门外”可调换。制造方法是聚合物与向列相液晶混合后相分离形成聚合物包裹大尺寸弱散射液晶微滴结构。本发明把聚合物分散液晶调光玻璃与“猫眼”门镜或者放大镜结合起来，进而获得更为神奇的功能薄膜，夹在玻璃中，可以在建筑装修与珠宝柜台或者阅读放大镜等领域得到特殊的应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚合物分散液晶门镜复合膜及其制造方法，用简单的设计方案实现把聚合物分散液晶调光玻璃与“猫眼”门镜或者放大镜结合起来，进而获得更为神奇的功能薄膜，夹在玻璃中，可以在建筑装修与珠宝柜台或者阅读放大镜等领域得到特殊的应用。

背景技术

防盗门上的“猫眼”门镜可以使室内的人清楚地看见室外大范围的景物，而室外的人却看不清室内的景物，因此门镜这一光学小器具在人们现代生活里的住宅和办公室等各种建筑中获得十分普及的应用。放大镜是一种人们早已经熟悉的光学仪器，菲涅耳放大镜具有轻薄，面积大等特点，作为辅助阅读工具更是受到“老花眼”人们的喜欢。

聚合物分散液晶(Polymer Dispersed Liquid Crystal，简称PDLC)是把环氧树脂聚合物与向列相液晶及衬垫料以某个比例混合起来，夹在两片柔性透明导电薄膜之间，经过相分离，液晶从聚合物中析出形成微滴，聚合物固化把液晶微滴包裹在其中的一种复合膜。不加电场时，由于聚合物的折射率与液晶材料折射率不匹配，造成光散射，复合膜对光是关态；当施加电场后，聚合物的折射率与液晶材料折射率能够匹配起来，造成光透射，复合膜对光是开态。PDLC膜是20世纪80年代发明的高科技产品，在调光玻璃，大屏幕显示，全息光栅等许多领域具有应用价值，现在也还是液晶器件研究者关注的课题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种聚合物分散液晶门镜复合膜及其制造方法，用简单的设计方案实现把聚合物分散液晶调光玻璃与“猫眼”门镜技术结合起来，进而获得更为神奇的功能薄膜，制成夹层玻璃后，可以在建筑装修与珠宝柜台等领域得到特殊应用，成为功能玻璃的新技术，新品种，新应用，同时为设计新的功能玻璃开辟了新的领域。

本发明提出一种聚合物分散液晶门镜复合膜包括：三张透明胶片薄膜；每张胶片薄膜上有透明导电电极；三张胶片薄膜上的相邻透明导电电极之间分别有两层聚合物分散液晶层。

所述的聚合物分散液晶层有液晶微滴，聚合物折射率与液晶平均折射率满足特定的关系，聚合物折射率选择为n_p＝1.5306，液晶寻常光折射率选择为n_o＝1.50，液晶非常光折射率选择为n_e＝1.6056。所述的两层聚合物分散液晶层，一层是液晶折射率小于聚合物折射率就相当于微凹透镜阵列；另一层是液晶折射率大于聚合物折射率就相当于微凸透镜阵列。

本发明提出一种聚合物分散液晶门镜复合膜的制造方法包括的步骤：

1)预聚物(如聚氨酯丙烯酸酯)与向列相液晶及适量的衬垫料(塑料微球)充分搅拌均匀混合，预聚物与向列相液晶按质量比0.6/0.4比例混合；衬垫料的密度为每平方毫米10-20粒(成品膜中)。

2)外面两张柔性透明导电膜内侧刻蚀出有线宽和线间距(为25微米)的梳状共面转换电极，中间一张柔性透明导电膜为双面镀导电膜，不需要刻蚀；

3)把混合好的预聚物与向列相液晶及衬垫料(25微米)分别转印到有共面电极的两张柔性透明导电膜之上；

4)用压合机把印刷了预聚物与液晶混合物的三张柔性透明导电膜挤压成复合膜；

5)对复合膜进行相分离及固化处理，使液晶从聚合物中充分析出，形成直径为20微米左右大小的液晶微滴；

6)对三张柔性透明导电膜加工出电极引线，在梳状共面转换电极间施加电场，使液晶折射率大于聚合物折射率，液晶微滴成为焦距约为0.701mm的凸透镜；

7)把梳状共面转换电极短路，在对面电极间施加电场，使液晶折射率小于聚合物折射率，液晶微滴成为焦距约为0.5mm的凹透镜；

8)不加电场时聚合物折射率与向列相液晶平均折射率匹配，门镜膜成透明态。

本发明复合膜的制造方法采用聚合物分散液晶膜制造技术，可以是热固化相分离技术，也可以是紫外光固化相分离技术等。

本发明的设计要点是基于对液晶材料与聚合物环氧树脂材料光学参数的设计选择，以及复合膜结构与电极结构的设计。

三张柔性透明导电膜与两层聚合物分散液晶层构成复合膜，两层聚合物分散液晶层，其中一层在电场作用下是液晶微滴折射率大于聚合物折射率，成为微凸透镜阵列，另一层在电场作用下是液晶微滴折射率小于聚合物折射率，成为微凹透镜阵列，于是相对应的每对凸凹透镜组成微型“猫眼”门镜，整个复合膜由液晶微滴构成微型“猫眼”门镜阵列。这种复合膜中还具有液晶微滴折射率电场可调，凸凹透镜电场可转换，即液晶微滴构成微型“猫眼”门镜阵列的“门里”“门外”可调换等特点。

门镜是由两块小透镜组合而成，当人从门里向门外看时，物镜是凹透镜，目镜是凸透镜，物镜凹透镜的焦距极短(例如1cm)，它将门外人或物体成一缩得很小的正立虚像，此像正好落在目镜凸透镜的焦点之内，凸透镜焦距比凹透镜焦距大几倍(例如3.5cm)，目镜起到放大镜作用，最后得到一个较为放大的正立虚像，由于两个透镜间距不大(例如2cm)，此像正好又成在人眼的明视距离附近，对于门外的情景就看得清楚了。从门外向门里看，凹透镜变目镜，凸透镜变物镜，通过凸透镜物镜的折射光束在没有成倒立实像之前就落在凹透镜目镜上，凹透镜的焦距极短，最后得到的正立虚像距离凹透镜目镜很近，使人无法看见。

聚合物是光学各向同性材料，折射率用n_p表示；向列相液晶是光学各向异性材料，折射率用寻常光折射率n_o和非常光折射率n_e表示。在没有加电场时，不同液晶微滴中的液晶分子排列指向随机分布，光学上表现为体平均折射率效果，可以写成${\bar{n}}_b=\frac{1}{3}({2n}_o+n_e).$如果选择聚合物折射率n_p与液晶平均折射率不相等，且差异还比较大些，则光线在聚合物与液晶微滴界面处因为折射率凸变而造成光散射。一般PDLC膜厚20μm，液晶微滴直径1-4μm，经过多次散射，透射光减弱，散射光增强，使PDLC膜看上去如同毛玻璃一般。施加电场时，液晶微滴中的液晶分子排列都指向电场方向，表现为折射率等于寻常光折射率n_o，如果设计选择聚合物折射率n_p与液晶寻常光折射率n_o相等，光线在聚合物与液晶微滴界面处不会造成光散射，则PDLC膜就成透明状态。如果施加电场的方向是垂直于光束方向，则液晶分子转向电场方向，对光线方向而言，液晶折射率表现为面平均折射率${\bar{n}}_a=\frac{1}{2}(n_o+n_e).$

把PDLC做成微透镜阵列，使液晶微滴比较大，例如膜厚25μm，液晶微滴直径20μm时，当液晶折射率小于聚合物折射率时，这时液晶微滴就相当于一个微凹透镜；当液晶折射率大于聚合物折射率时，这时液晶微滴就相当于一个微凸透镜。

本发明的复合膜由两层PDLC膜组成，一层是液晶折射率小于聚合物折射率就相当于微凹透镜阵列；另一层是液晶折射率大于聚合物折射率就相当于微凸透镜阵列。两层PDLC膜之间有一层柔性透明导电胶片，前后两面再有两张柔性透明导电胶片，即整个复合膜是由三张透明导电胶片和两层PDLC夹层构成。两层PDLC夹层中微凹透镜阵列与微凸透镜阵列构成微“猫眼”门镜阵列，不加电场时，选择聚合物折射率n_p与液晶平均折射率相当，光线在聚合物与液晶微滴界面处不会造成光散射，则PDLC膜就成透明状态，没有微“猫眼”门镜阵列作用。施加电场时，聚合物折射率n_p与液晶折射率不再相等，但差异也不大，而且液晶微滴直径比较大，光线在聚合物与液晶微滴界面处光散射不严重，则PDLC膜虽然也比较透明，但主要是具有了微透镜阵列效果，一层是具有微凹透镜阵列作用，能当作微近视镜阵列；另一层是具有微凸透镜阵列作用，能当作微放大镜或者说微远视镜阵列。两层微透镜阵列组合，总的效果就是具有微“猫眼”门镜阵列作用。

本发明与已有技术相比，具有如下的优点：

1、已有的PDLC技术已经作为调光玻璃在高档建筑装修领域获得越来越多的应用，并且在大屏幕显示，全息光栅，电子纸等领域有应用前景。由于本发明把聚合物分散液晶技术与“猫眼”门镜技术联系起来，所以本发明可以是PDLC调光玻璃的新产品，具有门镜功能，优点是透明态与门镜态电场可调，甚至“门里”“门外”电场可调，可以在建筑装修与珠宝柜台等方面获得特别的应用。

2、已有的透镜成像是古老的几何光学知识，已有的聚合物分散液晶是当代高科技知识，但由于本发明的原理涉及了PDLC微透镜阵列，还缺少理论与实验的研究基础，其光学现象还难以想象，具有原始创新意义。

3、本发明的原理最简单的应用是做微放大镜阵列薄膜，具有与菲涅耳放大镜相近的功能，而且焦距电场可调。

附图说明

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

图1，本发明的聚合物分散液晶门镜复合膜结构示意图。

图2，本发明的聚合物分散液晶门镜复合膜共面电极结构示意图。

图3，本发明的聚合物分散液晶门镜复合膜微凹透镜阵列工作原理示意图。

图4，本发明的聚合物分散液晶门镜复合膜微凸透镜阵列工作原理示意图。

图5，本发明的聚合物分散液晶门镜复合膜制造方法示意图。

图6，本发明的聚合物分散液晶微透镜阵列复合膜工作原理示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明的聚合物分散液晶门镜复合膜结构示意图。柔性透明胶片101，106，111上面有透明导电薄层电极102，105，110，中间分别夹着聚合物分散液晶层103，109。每张柔性透明胶片厚度0.2mm，参见图2，电极102和110刻蚀有梳状共面转换电极(IPS)，电极宽度25μm，间隔25μm。中间层胶片106两面电极105，107是不经刻蚀的整个双面镀电极；每层聚合物分散液晶层103，109厚度25μm，液晶微滴104，108直径20μm，聚合物折射率选择为n_p＝1.5306，液晶寻常光折射率n_o＝1.50，非常光折射率n_e＝1.6056。参见图3，不加电场时，体平均折射率${\bar{n}}_b=\frac{1}{3}({2n}_o+n_e)=1.5352\approx n_p,$关态为透明态301；将共面电极短路作为一极，施加对面电极电场时，液晶折射率取寻常光折射率n_o＝1.50，开态PDLC膜为微凹透镜阵列302。参见图4，不加电场时，关态为透明态401；施加共面电极电场时，面导电薄膜电极悬空不加电，液晶折射率取面平均折射率${\bar{n}}_a=\frac{1}{2}(n_o+n_e)=1.5528,$开态PDLC膜为微凸透镜阵列402。

按照几何光学知识计算液晶微滴凹透镜和凸透镜的焦距，对于PDLC微门镜光学系统，无论是从门里看还是从门外看，第一步成像物距总当作无穷远，成像在透镜焦点处；第二步成像对于门里的人，需像距在门外明视距离附近才好看清楚，对于门外的人，需像距在远小于明视距离的位置而看不到。凹透镜焦距用f_x表示，$f_x=\frac{R}{1-\frac{n_o}{n_p}}=0.5\mathrm{mm},$凸透镜焦距用f_o表示，$f_o=\frac{R}{1-\frac{n_p}{n_a}}=0.701\mathrm{mm},$有满足门镜成像要求的机会。

参见图5，本发明的聚合物分散液晶门镜复合膜制造方法示意图。聚合物分散液晶门镜复合膜在超净化车间里进行生产，生产设备主要包括超纯去离子水清洗机，光刻胶涂布机，紫外曝光机，显影定影池，酸刻池，预聚物与液晶混合搅拌机，预聚物涂布机，压合机，平台密封紫外固化机，切片机等。

A、预聚物聚氨酯丙烯酸酯(沙多玛公司生产的聚氨酯丙烯酸酯CN966J75)与向列相液晶(永生华清液晶有限公司产，n_o＝1.50，n_e＝1.6056)及适量的塑料微球(纳微科技产，直径25微米)衬垫料避光充分搅拌均匀混合十分钟，预聚物与向列相液晶按质量0.6/0.4比例混合；

B、在光刻设备上对外面两张柔性透明导电膜内侧刻蚀出梳状共面转换电极501，505，中间一张柔性透明导电膜为双面镀导电膜503，不需要刻蚀；

C、把混合好的预聚物与向列相液晶及衬垫料分别转印到有共面电极的两张柔性透明导电膜之上502，504；

D、用压合机把印刷了预聚物与液晶混合物的三张柔性透明导电膜挤压成复合膜506；

E、对复合膜进行相分离及固化处理，使液晶从聚合物中充分析出，形成约20微米直径尺寸的液晶微滴；

F、对三张柔性透明导电膜加工出电极引线，在梳状共面转换电极间施加电场，使液晶折射率大于聚合物折射率，液晶微滴成为凸透镜；

G.把梳状共面转换电极短路，在对面电极间施加电场，使液晶折射率小于聚合物折射率，液晶微滴成为凹透镜；

H.不加电场时聚合物折射率与向列相液晶平均折射率匹配，门镜膜成透明态。

参见图6，本发明的聚合物分散液晶微透镜阵列复合膜工作原理示意图。柔性透明导电胶片601，603，中间夹着聚合物分散液晶层602。每张柔性透明导电胶片厚度0.2mm，胶片601和603为整面电极。聚合物分散液晶层602厚度25μm，液晶微滴604直径20μm，聚合物折射率选择为n_p＝1.51，液晶寻常光折射率n_o＝1.50，非常光折射率n_e＝1.70。不加电场时，体平均折射率${\bar{n}}_b=\frac{1}{3}({2n}_o+n_e)=1.567>n_p,$关态PDLC为稍短焦距微凸透镜阵列膜；施加对面电极电场时，液晶折射率取寻常光折射率n_o＝1.50，开态PDLC为稍长焦距微凸透镜阵列膜。凸透镜焦距用f_o表示，$f_o=\frac{R}{1-\frac{n_o}{n_p}}~\frac{R}{1-\frac{n_p}{n_b}}=0.27~1.51\mathrm{mm},$电场可调。

同理，选择聚合物折射率n_p大于液晶寻常光折射率n_o和非常光折射率n_e，不加电场时，体平均折射率也小于聚合物折射率，关态PDLC为稍长焦距微凹透镜阵列膜；施加对面电极电场时，液晶折射率取寻常光折射率n_o便小于聚合物折射率，开态PDLC为稍短焦距微凹透镜阵列膜。