一种液晶偏振膜及其制备方法与流程

1.本发明属于偏振参数测量技术领域，具体涉及一种液晶偏振膜及其制备方法。


背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
3.偏振片也叫偏光镜、偏振镜、偏光片，简称pl镜，有着独特的特征结构，它是指可以使自然光变成偏振光的光学元件，对入射光具有散射和透射的功能。被广泛应用于工业以及摄影器材等领域，偏振片作为众多仪器设备的元件，在各个领域中都有着至关重要的地位。
4.现有偏振片多以pva膜为原板制造，制造工艺较复杂，且成品结构性能差，而现有的薄膜金属线栅结构的偏振片制造工艺多数采用蚀刻等工艺手段在基底上直接成型，是小、微偏振片制作常见的制造工艺，该工艺制造成本高。目前，常见的偏振片只具备将自然光变成偏振光的功能，而不具备透射率控制功能。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，同时也为了增强偏振片特性，增加透射率控制功能，提高器件的整体性价比，本发明的目的是提供一种液晶偏振膜及其制备方法，采用本方法制作的偏振片，不仅能将自然光变为偏振光，还能通过控制液晶透射率改变透过光线的强度，同时，通过掺杂在液晶盒单元液晶材料中的光电转换材料转换输出光强度信号，为光学仪器提供一种可控偏振检测器件。该种液晶偏振膜为消光比高且具有偏振光检测功能的传感器敏感膜，成本相对低廉。
6.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
7.第一方面，本发明提供一种液晶偏振膜，自一侧向另一侧依次为第一增透层、第二增透层、金属光栅层、绝缘层和导电层，形成叠层结构，其中，第一增透层为透明导电材料，第二增透层为透明不导电材料；第一增透层与导电层构成中间金属光栅层的控制电极；
8.所述金属光栅层包括纳米金属线偏振光栅和填充于纳米金属线偏振光栅的光栅缝隙中的液晶填充物，纳米金属线偏振光栅由若干条纳米金属线并列组成，每条纳米金属线由不连续的小纳米金属线段线性排列而成，每个小纳米金属线段均为收集光电转换电能的微电极；
9.所述液晶填充物包括环氧树脂基体、均匀分散于环氧树脂基体中的钙钛矿和液晶的聚合物网络以及分散于聚合物网络中的小分子液晶微滴。
10.第二方面，本发明提供所述液晶偏振膜的制备方法，包括如下步骤：
11.在基板的镀膜形成导电层，该导电层作为液晶盒的控制电极之一与第一增透层构成电极对；
12.在导电层上涂敷1-10μm厚的绝缘膜，绝缘膜经高温固化，形成具有一定强度的绝缘膜；
13.在绝缘膜上涂敷金属薄膜，金属薄膜覆盖于绝缘膜上；
14.使用纳米压印工艺对金属薄膜进行构图，使金属薄膜形成线栅结构，高温固化定型；
15.调配液晶填充物，填充到所述金属薄膜形成的线栅结构缝隙中；
16.紫外线固化液晶填充物，并进行平整处理，得到偏振片金属层；
17.取上所述的金属层，在金属层的上侧沉积两层增透膜。
18.上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：
19.1)该液晶偏振膜中，第一增透层和第二增透层均为透明材料，且第一增透层导电。一方面可以增大透光率，减少光反射；另一方面，第一增透层可以与导电层共同作为液晶盒单元的公共电极；每一段小纳米金属线均作为微电极，“第一增透层-导电层”电极对外部施加电压来改变金属层的光折射程度，同一液晶盒内微电极构成电极对用以收集聚合物中钙钛矿光电效应产生的电能。所以，该液晶偏振膜可以通过控制电压，自由调节膜透光率；
20.2)该液晶偏振膜中加入了钙钛矿，钙钛矿在被光线照射的情况下，内部的电子吸收能量后逸出而形成电流，接着被上述作为微电极的金属线段收集，可以通过光电效应监测液晶盒单元的光强，并由微电极收集，具有偏振光监测功能；
21.3)金属线栅中的液晶混合物在固化之后形成聚合物网络结构，液晶小分子以微滴的形式分散在其中的空腔之中，“第一增透层-导电层”电极对电压为零的情况下，聚合物网络空腔中的液晶分子无规则的排序，且光轴取向不规则，偏振膜整体对入射光产生强烈的散射，处于不透明状态；“第一增透层-导电层”电极对电压不为零时，在电场作用下，聚合物网络空腔中的液晶分子沿着电场方向重新定向排列，且因为与钙钛矿聚合，液晶分子的短轴与电场方向平行，此时液晶分子的折射率与聚合物网络的折射率相匹配，允许入射光顺利通过。
22.4)该液晶偏振膜制作方法步骤简单，成本低廉，容易实现；相比市面上大多数偏振片，该液晶偏振膜同时具备光起偏、液晶透光率可控、液晶盒单元光强检测等功能。
附图说明
23.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
24.图1为所述液晶偏振膜剖面正视图；
25.图2为所述液晶偏振膜金属光栅层的俯视图；
26.图3为金属光栅层中一个液晶单元盒；
27.图4为所述液晶偏振膜两对电极未通电时液晶的排列(剖面正视图)；
28.图5为所述第一增透层与导电层电极最大电压，纳米金属线电极对两端电压为零时液晶的排列(剖面正视图)。
29.图6为所述金属光栅层中，一个液晶单元盒中的纳米金属线电极(该电极在本发明中不作为液晶控制电极，但如在微电极对上施加电压，也可以控制液晶方向)最大电压，第一增透层与导电层电极不通电时液晶的排列(俯视图)。
30.其中，1、第一增透层；2、第二增透层；3、金属光栅层；4、绝缘层；5、导电层；6、纳米金属线段。
具体实施方式
31.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
32.第一方面，本发明提供一种液晶偏振膜，自一侧向另一侧依次为第一增透层、第二增透层、金属光栅层、绝缘层和导电层，形成叠层结构，其中，第一增透层为透明导电材料，第二增透层为透明不导电材料；第一增透层与导电层构成中间金属光栅层的控制电极；
33.所述金属光栅层包括纳米金属线偏振光栅和填充于纳米金属线偏振光栅的光栅缝隙中的液晶填充物，纳米金属线偏振光栅由若干条纳米金属线并列组成，每条纳米金属线由不连续的小纳米金属线段线性排列而成，每个小纳米金属线段均为收集光电转换电能的微电极；
34.所述液晶填充物包括环氧树脂基体、均匀分散于环氧树脂基体中的钙钛矿和液晶的聚合物网络以及分散于聚合物网络中的小分子液晶微滴。
35.液晶填充物在聚合之后形成聚合物网络，小分子液晶不溶于聚合物网络，以液晶微滴的形式分散其中,在未通电时，液晶分子无序杂乱的分布于空腔之中，且光轴指向方向不同，通电之后，在电场的作用下，液晶分子会重新定向排列，使得折射率与聚合物网络的折射率相匹配，允许入射光顺利通过。也就是填充物可以在通过调节对其输出的电压大小，通过电场作用，调节透明度与光导方向。
36.上下两对平行且不共线的相邻小纳米金属线段与其中的液晶填充物共同组成一个液晶单元盒。
37.在一些实施例中，所述第一增透层为二氧化钛减反射膜。与其他材料相比，二氧化钛减反射膜折射率优秀，有着良好的导电性能，且具有一定的防水防潮作用。
38.在一些实施例中，所述第二增透层为二氧化硅减反射膜。二氧化硅减反射膜可以提高基体的抗裂能力，增加偏振膜的耐用性。
39.优选的，第一增透层的厚度为0.1μm-0.3μm，第二增透层的厚度为0.1μm-0.3μm。
40.在一些实施例中，纳米金属线偏振光栅的光栅缝隙的宽度为30nm-500nm。
41.在一些实施例中，纳米金属线偏振光栅的光栅呈周期性排布，周期为金属线宽与光栅缝隙之和。
42.在一些实施例中，小纳米金属线段的长度为2μm-3μm。
43.在一些实施例中，同列的小纳米金属线段间距为0.5μm。
44.在一些实施例中，绝缘层为聚乙烯薄膜。
45.在一些实施例中，导电层为金属铝薄膜。
46.第二方面，本发明提供所述液晶偏振膜的制备方法，包括如下步骤：
47.在基板的镀膜形成导电层，该导电层作为液晶盒的控制电极之一与第一增透层构成电极对；
48.在导电层上涂敷1-10μm厚的绝缘膜，绝缘膜经高温固化，形成具有一定强度的绝缘膜；
49.在绝缘膜上涂敷金属薄膜，金属薄膜覆盖于绝缘膜上；
50.使用纳米压印工艺对金属薄膜进行构图，使金属薄膜形成线栅结构，高温固化定
型；
51.调配液晶填充物，填充到所述金属薄膜形成的线栅结构缝隙之中；
52.使用紫外线固化液晶填充物，并进行平整处理，得到偏振片金属层；
53.取下所述的金属层，在金属层的上侧沉积增透膜。
54.在一些实施例中，所述液晶填充物的制备方法为光固化聚合相分离法：将环氧树脂、钙钛矿、正性液晶混合；
55.使用紫外线照射上一步所得的混合物，在照射过程中，随着环氧树脂分子量的增长，液晶的溶解度不断减小，最终实现相分离形成液晶微粒。
56.优选的，所述液晶填充物包括以下质量分数的组分：环氧树脂40-50wt％，液晶35-45wt％，钙钛矿10wt％，硬脂酸(表面活性剂)0.5wt％，对叔丁基邻苯二酚(阻聚剂)0.5wt％。
57.下面结合实施例对本发明作进一步说明。
58.实施例1
59.请参阅图1，图1为本发明第一实施例的偏振片剖面结构示意图,如图所示，偏振膜自一侧向另一侧依次为第一增透层、第二增透层、金属光栅层、绝缘层和导电层，形成叠层结构。
60.所述第一增透层为二氧化钛减反射膜，与其他材料相比，二氧化钛减反射膜折射率优秀，有着良好的导电性能，且具有一定的防水防潮作用。
61.所述第二增透层为二氧化硅减反射膜。二氧化硅减反射膜、具有较高的电阻率。性能稳定，与基体结合良好，可以提高基体的抗裂能力，增加偏振膜的耐用性。
62.所述金属层由纳米金属线偏振光栅和光栅缝隙中的液晶填充物组成，所述绝缘层为聚乙烯薄膜，所述导电层为金属铝薄膜。
63.本实施例中，所述纳米金属线栅由导电性能良好的金属材料制成，如图2，每一根金属线由如同虚线排列的小金属线段组成，多根金属线组成金属光栅。
64.所述液晶填充物由环氧树脂，钙钛矿和液晶混合而成，并添加了表面活性剂和阻聚剂。包括以下质量分数的组分：环氧树脂45wt％，液晶44wt％，钙钛矿10wt％，硬脂酸(表面活性剂)0.5wt％，对叔丁基邻苯二酚(阻聚剂)0.5wt％。使用光固化法进行固化，具有透明度高，耐腐蚀，高介电性能的特点。
65.钙钛矿在被光线照射的情况下，内部的电子吸收能量后逸出而形成电流，被上述小金属线段收集。液晶混合物在固化之后形成聚合物网络结构，液晶小分子以微滴的形式分散在其中的空腔之中，液晶分子初始光轴取向不规则，对入射光强烈散射，处于不透明状态。在电场作用下，混合物中的液晶分子根据电场方向重新排列。也就是可以通过对其施加电场，改变其透明度与光导方向。
66.进一步说明，阻聚剂使单体的聚合反应速率降低，使得液晶小分子更容易析出，形成较大的液晶微滴，更大的微滴与聚合物的接触面积更小，使得液晶在偏转时需要的力更小，降低了更改其透明度的电压阈值。
67.进一步说明，表面活性剂可以使液晶微滴和聚合物之间的锚定力降低，使得液晶分子在电场作用下偏转更容易，进一步降低了电压阈值，减少能源消耗。
68.如图2所示，每一小段纳米金属线均作为一个微电极，同一液晶盒内的两微电极构
成一个微电极对用以收集聚合物中钙钛矿光电效应产生的电能。
69.如图3，金属光栅层中每上下两对平行且不共线的相邻线段组成一个液晶盒单元，上方一对金属线段分别为左右两相邻液晶盒的微电极，下方一对金属线段为本液晶盒微电极对，收集本液晶盒钙钛矿光电效应产生的电能。
70.所述金属层形成偏振光栅结构后，垂直于光栅方向的光线振动分量完全被吸收，不能通过，只有平行于光栅方向的光线可以通过，从而使通过的光线变为线偏振光。
71.金属线栅中的液晶混合物在固化之后形成聚合物网络结构，液晶分子以微滴的形式分散在其中的空腔之中，如图4，未通电的情况下，聚合物网络空腔中的液晶分子无规则的排序，且光轴取向不规则，偏振膜整体对入射光产生强烈的散射，处于不透明状态。
72.在电场作用下，聚合物网络空腔中的液晶分子沿着电场方向重新定向排列，且因为与钙钛矿聚合，液晶分子的短轴与电场方向平行，此时液晶分子的折射率与聚合物网络的折射率相匹配，允许入射光顺利通过。通过改变“第一增透层-导电层”电极对的电压，可以调节液晶分子的光轴方向，进而调节透射率。
73.图5为第一增透层与导电层未通电，纳米金属线段通电的情况。
74.图6为一个液晶单元中，纳米金属线段为通电，第一增透层与导电层通电的情况。
75.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。