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柔性液晶书写膜——初探液晶压感黑板核心面板材料

浏览次数:393         录入时间:2020/4/15

一、概述

在人类发展过程中,书写和记录是人类文明的标志,纸张已延续近2000年,直到现在仍然是生活工作中不可或缺的书写材料。随着温室效应、无纸化依赖电能等一系列问题的加剧,人类迫切需要替代性的新型环保材料,用来持续交流、书写和记录。可重复使用材料的研究一直处于全球研发创新、产品创新、市场创新的前沿,引入新技术、新工艺、新制程等成为研究投入的重点。



在此契机下,柔性液晶书写膜的研究及创新应运而生。它能解决传统笔、墨、纸等书写材料在使用过程中组合繁琐、反复采购、污染消耗等问题;它在ITO薄膜之间添加胆甾相液晶,配合物理压力实现图案、字迹的显示,可结合电路进行控制刷新,可在无背光源的情况下进行重复显示和书写,并深度模拟复制纸张的显示和书写效果,真正保留传统书写体验的同时更加绿色、更加环保。


二、技术起源及现状

柔性液晶书写膜是利用双稳态胆甾相液晶的特性,经特殊工艺制成的。双稳态胆甾相液晶与电泳技术类似,都具有双稳态显示的特性,即在画面静止时不需要用电就能实现显示,因此与电泳技术一样具备省电特性;双稳态胆甾液晶属于反射式显示,借助日常的外界照明环境就可进行显示,强光下仍然可视且无反白的问题;双稳态胆甾液晶不具有液晶性,但是当其氢氧基被卤素取代成卤素化合物,以及和碳酸(或脂肪酸)产生酯化反应之胆固醇衍生;双稳态胆甾液晶材料具有特殊螺旋结构,而引发选择性光散射、旋光性和圆偏光双色性,可以利用双稳态胆甾型液晶材料的外加电压、气体吸附和温度等因素而引发色彩的变化。因此,双稳态胆甾液晶显示能让观者看液晶显示的舒适度能够如同看纸张一样。



早在上世纪60年代,液晶显示器刚刚发明时,美欧就有众多学者及实验室从事胆甾相液晶相关的研究;80年代初,相变模式的胆甾相液晶显示器开始出现;90年代,美国研究机构开始利用胆甾相的双稳态特性进行反射式胆甾相液晶显示的研究;21世纪初,国内开始双稳态胆甾相液晶技术的研发,应用于个人消费领域的技术产品在2015年投放市场,目前国内行业规模已反超国外,整体技术水平已持平,某些应用领域还处于领先地位。

柔性液晶书写膜显示和书写不耗电、刷新短时用电、可局部修改等特点,与之配套的电路设计涉及到逆变升压及波形控制,局部擦除涉及到持续波形控制及输出等,当前研发重点包括:

  • 提升材料在高低温、强照射等极端环境下的书写显示效果及使用寿命;
  • 提升显示和书写对比度,解决局部擦除关键功能,满足更多使用场景需求;
  • 简化工艺、降低成本,大规模化生产工艺和制程的持续探索、总结和转化;
  • 开发更广更深层的应用领域及产品,面向更宽的消费群体。

三、技术原理

1.利用双稳态胆甾相液晶的特性,将液晶与聚合物调配形成液晶聚合物,再将液晶聚合物灌装到ITO薄膜中,经UV固化制成柔性液晶书写膜。

2. 材料结构:

①柔性基材:柔性基材是选用高透过率PET材料,厚度仅0.125mm,具有良好的耐弯折性能。因书写需要,对基材正面特意进行雾化防眩及硬化防刮等工艺处理,使用时反光少、耐划伤。柔性基材反射层为黑色PET基材,用于提高显示对比度,需具有优良的耐弯折性。②透明导电层:透明导电层即ITO涂层,利用磁控溅射法将金属氧化物涂布在柔性基材上,从而使柔性基材具有导电性,涂层厚度仅微米级,导电性能良好且透明,太阳光透过率达80%以上。③双稳态胆甾相液晶: 胆甾相液晶具有独特的光学性质,液晶分子平行排布在平面内,但相邻平面中分子方向稍有变化,沿平面法线方向做螺旋状变动,螺距约300NM,其具有极强的旋光性、明显的圆二向色性和对波长的选择性反射,该特性是液晶书写膜的理论基础。④固化的聚合物:聚合物是由UV胶水及液晶调配而成,在UV固化过程中,UV胶水固化形成网状结构将液晶均匀的分割成小的液滴,并上下粘结住基材,将小的液晶液滴封装在内,固化的聚合物起到包裹液晶及粘结基材的作用。


3. 书写及显示原理:

柔性液晶书写膜上书写时,柔性基材受到笔尖的压力,将压力传导给液晶聚合物使液晶排布结构发生变化,变化部分反射特定波长的光线,呈现为特定颜色的笔迹;在不施加电场的情况下,液晶结构不会反弹,显示的笔迹不会消失;在施加电场时,液晶结构在电场的作用下恢复整齐排布,呈现为笔迹消失。


4. 工艺流程:


5. 局部擦除原理:

书写改变液晶排布后,给液晶结构施加一个微弱的电场,减小书写部位液晶结构保持现状的锚定力,这时通过外部施加摩擦力,使液晶结构恢复到近似整齐排布的状态,实现局部擦除。


四、材料特点及创新

1. 书写和显示不耗电、无蓝光、无闪烁、无耗材,书写过程中无油墨和灰尘污染,杜绝各种书写场景下油墨、粉尘、辐射等对人体健康的危害。

2. 反复使用甚至能无墨打印,一片柔性液晶书写材料的反复使用次数,约为同等面积张纸的10万倍,可大幅度降低书写场景下的纸张消耗量,节能环保。

3. 材料应用领域包括:教育装备、商业显示展示、个人消费、公共服务等。

4. 现有应用产品:液晶压感黑板、智慧黑板、液晶手写板、画板、告示板、标签板等。


五、关键技术

1. 聚合物液晶配比:聚合物与液晶的相溶问题,是制成柔性液晶书写膜的核心技术,不同的相容性会影响书写膜的对比度、显示颜色等性能。液晶与聚合物的配比、聚合物单体之间的选择和配比影响到膜片的耐划伤性、书写笔迹的稳定性、清除效果,及书写膜的耐候性。

2. 局部擦除:是柔性液晶书写材料应用到教育装备领域的关键技术,可行的技术方案有加热和电路控制等。加热擦除能耗高、温度高,对膜片有不可逆的损伤,仅限于原理展示,不具备量产前景;电路控制需要液晶调配及驱动电路设计,受材料本身制约因素较多。

3. UV相分离固化:是液晶书写膜制程工艺的关键,直接影响到书写膜生产的可行性,关系到膜材的粘贴强度、耐弯折性能,以及书写膜的抗老化性,现有固化方案已较好解决膜材的粘贴强度、抗老化性,但对于极限折弯,还需完善。

4. 制备工艺一致性控制:涉及到材料相容性、制备温度控制、灌装压力一致性、液晶材料粘度控制、材料传输速度控制等,现有技术可实现量产,但制备出的产品一致性略有差异,对良率有所影响。

5. 裁切:微小间隔导电膜材裁切短路解决方案,是解决液晶书写膜生产应用的关键,书写膜虽具有任意裁切的优点,但因ITO膜片的特性及绝缘间隔在微米级,因此裁切时如何解决两层ITO膜接触造成的短路,是膜片裁切的关键。





最近几年,作为新型低功耗书写面板材料的柔性液晶书写膜,已在个人消费领域(手写板、计算器、数码配件等)得到大量应用。目前随着技术的不断更新,以大尺寸液晶压感黑板为主的相关应用产品正在进入教育领域,其一定会为教育装备带来健康、智能的变革。







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