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模拟计算模型：聚合物稳定蓝相液晶器件

2021-12-17 09:08| 发布者：Davis| 查看：618| 评论：0|原作者: 中国光学

摘要：本文介绍了基于电动力学理论建立的聚合物稳定蓝相液晶器件的模拟计算模型，研究了液晶中的电场强度分布和诱导饱和双折射率，得到了拟合得到饱和电场强度，优化了驱动电压特性。同时，针对聚合物材料、手性剂材料和液晶材料的含量进行了研究。本文也提到了克尔效应等相关知识。

聚合物稳定蓝相液晶是一种三维自组装软超结构材料，具有快速响应、可见光范围的布拉格反射、光学各向同性等优异性能，在显示和光子学器件领域具有良好的发展前景。在外加电场作用下，聚合物稳定蓝相液晶表现出光学克尔效应（名词解释>），从而使蓝相液晶具有优秀的光学可调谐性。

现有各软件中使用的扩展克尔效应方程，是建立在聚合物稳定蓝相液晶在电场作用下的整体电光表现，按照经典的克尔效应给出电场诱导双折射和电场强度之间的关系，得到液晶中的诱导饱和双折射率为液晶自身双折射率的不足一半，模拟计算中也常常得不到与实验结果符合较好的电光曲线。

基于此，来自河北工业大学的孙玉宝教授团队建立了聚合物稳定蓝相液晶器件的模拟计算模型，理论分析和研究了聚合物网络稳定蓝相液晶中的电场强度分布，给出合理的诱导饱和双折射率与拟合得到饱和电场强度。

该研究成果以“聚合物稳定蓝相液晶器件的模拟计算模型”为题发表于《液晶与显示》（ESCI、Scopus收录、核心期刊）2021年第12期，并被选为封面文章。

图1：《液晶与显示》2021年第12期封面

针对聚合物稳定蓝相液晶中聚合物材料、手性剂材料和液晶材料的含量，研究人员利用电动力学理论解决了聚合物稳定蓝相液晶中的介电分压问题，获得高介电常数液晶材料中电场强度远小于低介电常数聚合物材料和手性剂材料中电场强度的结果。

但在实验驱动电压下，液晶中的电场强度依然接近于场致向列相的转变电场强度，因此蓝相液晶在外场作用下的饱和诱导双折射率约为液晶材料的双折射率，适当选择饱和电场强度的数值，就可以获得与实验测试结果相符的模拟计算结果。

图2：模拟计算得到的V-T曲线与实验数据对比图 (a)样品A，(b)样品B

对于不同聚合物单体配置的样品A和样品B，根据实验结果调整施加电场强度与饱和电场强度比值的幂指数，获得与实验测试结果相符很好的模拟计算结果，也就可以标度不同聚合物单体在聚合物稳定蓝相液晶中的作用。根据拟合结果，发现不同长度和结构的聚合物单体对液晶的束缚表现不同，表现为电场诱导的双折射率与电场的关系不是理想的克尔公式关系。

图3：非液晶材料的不同含量和介电常数情况的影响 (a)驱动电压和(b)透过率

该模拟计算模型还可以改变聚合物材料和手性剂材料的含量和介电常数，从而在这个自由度上来优化聚合物稳定蓝相液晶的驱动电压特性。随着非液晶材料介电常数的增加，驱动电压下降，对于一般蓝相液晶中非液晶材料含量约为10%的情况，驱动电压可以从97 V（εP=3）下降到55 V（εP=30）；最大透过率变化很小，可以忽略。

论文信息：

张波, 胡春鑫, 贾孟晓, 等. 聚合物稳定蓝相液晶器件的模拟计算模型[J]. 液晶与显示, 2021, 36(12):1614-1622.

‍https://dx.doi.org/10.37188/CJLCD.2021-0235‍