高电阻率Pedot-PSS溶液及其液晶透镜的制作方法

本发明涉及液晶材料领域，特别涉及高电阻率Pedot-PSS溶液及液晶透镜。

背景技术：

光学成像透镜，作为一种基本的光学元件，在日常生活、科研、军事、医疗等各个方面都扮演着重要的角色。随着科技的进步和发展，光学系统体积逐渐向小型化和集成化方向发展，而且性能稳定性要求也逐渐提高，因而普通材料的光学透镜已经不能满足精细小型光学系统的要求。

液晶透镜是一种基于液晶材料发展起来的，具有体积小、厚度薄、易于集成、成像质量好等优点；相比依赖厚度、折射率与焦距单一的传统固定透镜，液晶透镜能够在电场驱动调节下实现焦距的连续变化功能，因为是一种无机械运动部件的变焦器件，在光学成像、光束的控制与整形、微流体传感、自适应光学、生物医学、光子学等方面都有着广泛的应用。

目前较为常用的液晶透镜结构如图1所示，在基板Substrate 2上蚀刻圆孔金属电极，调整V1、V2电压产生平滑分布的电场，使液晶层形成非均匀渐变的有效折射率分布，对光线偏折，达到聚焦效果。但由于该结构圆孔金属电极与液晶层之间需间隔一层玻璃基板，并且该基板不能太薄，才能达到所需要的电场分布效果，否则就无法聚焦，或者形成聚焦透镜的成像质量特别的差，导致了液晶透镜的驱动电压很高，例如一个30μm盒厚的液晶透镜，使用Kw0048液晶最佳的光学屈光度为5左右，此时所需要的V1大约为45Vrms，V2大约为16Vrms，极大的限制了其使用范围。

为解决使用电压过高的问题，又设计了一种高阻膜液晶透镜结构，如图2所示将金属电极图案朝向液晶层一侧，然后镀一层ZnO高阻膜，接着再镀一层超薄的二氧化硅已避免导电高阻膜直接与液晶接触，最后在涂PI导向 膜，这种结构可以将液晶透镜使用电压降到10Vrm以下，但是该结构所需要制备工艺要求高、复杂、成本高，同时ZnO高阻膜日本技术较为成熟，但良率还是特别低，无法真正量产，国内暂时还没有办法制作出符合需求的高阻膜。

技术实现要素：

本发明提供一种高电阻率Pedot-PSS溶液，以及使用该高电阻率Pedot-PSS溶液的液晶透镜，解决现有技术中液晶透镜使用电压高、响应速度慢的问题，结构、工艺简单，从而便于在工业化的大量生产中应用。

本发明公开了一种高电阻率Pedot-PSS溶液，所述Pedot-PSS溶液包括：体积分数为10％～20％的Pedot-PSS水性分散液、体积分数为20％～30％的具有定向作用的高分子聚合物溶液、体积分数为40％～50％的亲水性溶剂、体积分数为10％～20％的乙二醇和体积分数为2％～5％的正硅酸乙酯。

优选地，所述具有定向作用的高分子聚合物包括：聚酰亚胺、聚乙烯肉桂酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇。

优选地，所述亲水性溶剂包括：异丙醇、丙三醇、吡咯烷酮、甘油。

优选地，所述具有定向作用的高分子聚合物溶液的质量分数为10％-20％。

优选地，所述Pedot-PSS水性分散液的固含量为1％-5％。

优选地，所述Pedot-PSS水性分散液中Pedot与PSS的重量比为大于0，且小于等于1:6。

本发明还公开了一种液晶透镜，包括第一基板，第二基板，设置于所述第一基板的第一电极、设置于所述第二基板的第二电极、设置于所述第一电极靠近所述第二电极一侧的Pedot-PSS薄膜，以及设置于所述Pedot-PSS薄膜和所述第二电极之间的液晶层；其中，所述Pedot-PSS薄膜由Pedot-PSS溶液烘干得到，所述Pedot-PSS溶液包括：体积分数为10％～20％的Pedot-PSS水性分散液、体积分数为20％～30％的具有定向作用的高分子聚合物溶液、体积分数为40％～50％的亲水性溶剂、体积分数为10％～20％的乙二醇和体积分数为2％～5％的正硅酸乙酯。

优选地，所述具有定向作用的高分子聚合物包括：聚酰亚胺、聚乙烯肉桂酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇。

优选地，所述亲水性溶剂包括：异丙醇、丙三醇、吡咯烷酮、甘油。

优选地，所述具有定向作用的高分子聚合物溶液的质量分数为10％-20％。

优选地，所述Pedot-PSS水性分散液的固含量为1％-5％。

优选地，所述Pedot-PSS水性分散液中Pedot与PSS的重量比为大于0，且小于等于1:6。

优选地，所述第一电极为孔状电极。

与现有技术相比，本发明的液晶透镜具有如下有益效果：通过控制Pedot-PSS溶液中组分的含量，可将液晶透镜的使用电压降低至5Vrms内，实现低电压驱动；使用本发明提供的Pedot-PSS溶液，烘干得到的Pedot-PSS薄膜具有取向作用，同时该Pedot-PSS薄膜电阻率高，能够将液晶层和金属电极隔绝，可取代现有技术的中间基板或PI层、ZnO高阻膜和SiO₂层，精简液晶透镜的结构，同时制作工艺简单，成本低。

附图说明

图1表示常用的液晶透镜结构图；

图2表示高阻膜液晶透镜结构图；

图3表示本实施例液晶透镜结构图；

图4表示第一实施例的干涉圆环图；

图5表示第二实施例的干涉圆环图；

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明公开了一种高电阻率Pedot-PSS溶液，所述Pedot-PSS溶液包括：体积分数为10％～20％的Pedot-PSS水性分散液、体积分数为20％～30％的具 有定向作用的高分子聚合物溶液、体积分数为40％～50％的亲水性溶剂、体积分数为10％～20％的乙二醇和体积分数为2％～5％的正硅酸乙酯。

本发明还公开了一种液晶透镜，包括第一基板，第二基板，设置于所述第一基板的第一电极、设置于所述第二基板的第二电极、设置于所述第一电极靠近所述第二电极一侧的Pedot-PSS薄膜，以及设置于所述Pedot-PSS薄膜和所述第二电极之间的液晶层；其中，所述Pedot-PSS薄膜由Pedot-PSS溶液烘干得到，所述Pedot-PSS溶液包括：体积分数为10％～20％的Pedot-PSS水性分散液、体积分数为20％～30％的具有定向作用的高分子聚合物溶液、体积分数为40％～50％的亲水性溶剂、体积分数为10％～20％的乙二醇和体积分数为2％～5％的正硅酸乙酯。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的高电阻率Pedot-PSS溶液和使用该高电阻率Pedot-PSS溶液的液晶透镜进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

1、液晶透镜及其制备

本实施例的液晶透镜100包括第一基板110，第二基板120，设置于第一基板110的第一电极111、设置于第二基板120的第二电极121、设置于第一电极111靠近第二电极121一侧的Pedot-PSS薄膜130，以及设置于Pedot-PSS薄膜130和第二电极121之间的液晶层140。具体步骤：

步骤一，提供第一基板110，在第一基板110上设置第一电极111，该第一电极111为光刻胶金属电极，对光刻胶金属电极进行显影刻蚀，得到所需的电极图案；

步骤二，在第一电极111的一侧涂上高电阻率Pedot-PSS溶液，放入洁净烤箱烘干得到Pedot-PSS薄膜130；

步骤三，提供第二基板120，将已经涂好PI的第二电极121设置于第二基板120上，该第二电极121为ITO电极；

步骤四，将步骤二中的第一电极111与步骤三中的第二电极121反平行 摩擦；

步骤五，使用已经混好所需盒厚大小spacer的框胶，将第一基板110与第二基板120形成液晶盒；

步骤六，往步骤五中制作好的液晶盒灌入液晶，然后封口。

本实施例中，该第一电极为圆孔金属电极，可以理解的，在其他实施例中，该第一电极也可以为孔状的金属电极或ITO电极。

2、高电阻率Pedot-PSS溶液及制备

高电阻率Pedot-PSS溶液是制备液晶透镜最关键的一步，以Pedot-PSS水性分散液、聚乙烯醇(PVA)、异丙醇、乙二醇、正硅酸乙酯为实例说明具体进行制备，配置步骤如下：

步骤一，制备质量分数为15％的PVA水溶液，使用碘液判断PVA是否完全溶解于水中，备用；具体的，取适量PVA水溶液样品，加入1-2滴碘液，如出现蓝色团粒状通明体则说明未完全溶解；反之，则说明完全溶解；

步骤二，将1.5ml PVA水溶液边搅拌边加入1ml Pedot-PSS水性分散液中，使用磁力搅拌器搅拌5min，制成混合液①；

本实施例中，Pedot-PSS水性分散液的固含量为1.2％，其中Pedot：PSS＝1:6。

步骤三，边搅拌变往混合液①中滴加3ml异丙醇，搅拌2min，再加入1ml乙二醇，搅拌3min，制成混合液②；

步骤四，往混合液②中滴加0.2ml正硅酸乙酯，搅拌2h，制成混合液③；搅拌过程中，尽量避免异丙醇的挥发；

步骤五，将混合液③过滤，静置15分钟，得到高电阻率Pedot-PSS溶液。

其中，PVA溶液用于使制得的高电阻率Pedot-PSS溶液成膜后具有定向作用，定向作用是指在该Pedot-PSS薄膜经过摩擦处理后，使液晶分子朝某一方向排列，具有一定的预倾角，以便于在施加驱动电压时液晶分子能朝同个方向进行偏转，同时PVA溶液有利于增大均匀电阻率。PVA溶液占Pedot-PSS溶液的体积百分比为10％-20％，PVA溶液占比在此范围内，使Pedot-PSS溶液成膜后电阻率适中，且分布均匀，同时，形成的薄膜定向能 力强，能够对液晶层进行配向。

异丙醇用于浸润制得的高电阻率Pedot-PSS溶液，占Pedot-PSS溶液的体积百分比为40％-50％，异丙醇占比在此范围内，使得Pedot-PSS溶液混合均匀，便于涂布，同时降低烘干成膜的温度和时间。。

乙二醇占Pedot-PSS溶液的体积百分比为10％-20％，用于增加Pedot-PSS溶液成膜后的电导率，使形成的膜层表面平滑度更均匀。。

正硅酸乙酯占Pedot-PSS溶液的体积百分比为2％-5％，用于增加膜的韧性及表面附着力。

本发明使用Pedot-PSS水性分散液、PVA溶液、异丙醇、乙二醇和正硅酸乙酯作为原料，通过控制各原料的含量比例，制备得到高电阻率Pedot-PSS溶液，由于各原料之间的协同作用，制备得到的Pedot-PSS溶液成膜后，膜层表面平滑，电阻率均匀，可将液晶透镜的使用电压降低至5Vrms。

本实施例制备得到的液晶透镜孔径为2mm，盒厚为30μm，对上述液晶透镜进行测试，如图4所示。图4为使用532.5nm激光，在f＝1.5khz V＝3.5Vrms时，测得的上述液晶透镜的干涉圆环图，其中，一个干涉环表示一个屈光度。在低电压3.5Vrms下，可以得到分布均匀且波像差小于0.07λ的干涉圆环，该液晶透镜具备连续变焦能力，成像效果好。此外，使用本发明提供的Pedot-PSS溶液，烘干得到的Pedot-PSS薄膜具有取向作用，同时该Pedot-PSS薄膜电阻率高，能够将液晶层和金属电极隔绝，可取代现有技术的中间基板或PI层、ZnO高阻膜和SiO₂层，精简液晶透镜的结构，减小盒厚，同时制作工艺简单，成本低。

实施例2

1、液晶透镜及其制备

本实施例的液晶透镜100包括第一基板110，第二基板120，设置于第一基板110的第一电极111、设置于第二基板120的第二电极121、设置于第一电极111靠近第二电极121一侧的Pedot-PSS薄膜130，以及设置于Pedot-PSS薄膜130和第二电极121之间的液晶层140。具体步骤：

步骤一，提供第一基板110，在第一基板110上设置第一电极111，该第一电极111为光刻胶金属电极，对光刻胶金属电极进行显影刻蚀，得到所需的电极图案；

步骤二，在第一电极111的一侧涂上高电阻率Pedot-PSS溶液，放入洁净烤箱烘干得到Pedot-PSS薄膜130；

步骤三，提供第二基板120，将已经涂好PI的第二电极121设置于第二基板120上，该第二电极121为ITO电极；

步骤四，将步骤二中的第一电极111与步骤三中的第二电极121反平行摩擦；

步骤五，使用已经混好所需盒厚大小spacer的框胶，将第一基板110与第二基板120形成液晶盒；

步骤六，往步骤五中制作好的液晶盒灌入液晶，然后封口。

本实施例中，该第一电极为圆孔金属电极，可以理解的，在其他实施例中，该第一电极也可以为孔状的金属电极或ITO电极。

2、高电阻率Pedot-PSS溶液及制备

高电阻率Pedot-PSS溶液是制备液晶透镜最关键的一步，以Pedot-PSS水性分散液、聚乙烯醇(PVA)、异丙醇、乙二醇、正硅酸乙酯为实例说明具体进行制备，配置步骤如下：

步骤一，制备质量分数为10％的PVA水溶液，使用碘液判断PVA是否完全溶解于水中，备用；具体的，取适量PVA水溶液样品，加入1-2滴碘液，如出现蓝色团粒状通明体则说明未完全溶解；反之，则说明完全溶解；

步骤二，将4ml PVA水溶液边搅拌边加入2.5ml Pedot-PSS水性分散液中，使用磁力搅拌器搅拌5min，制成混合液①；

本实施例中，Pedot-PSS水性分散液的固含量为1.2％，其中Pedot：PSS＝1:6。

步骤三，边搅拌变往混合液①中滴加10ml异丙醇，搅拌2min，再加入3ml乙二醇，搅拌3min，制成混合液②；

步骤四，往混合液②中滴加0.6ml正硅酸乙酯，搅拌2h，制成混合液③； 搅拌过程中，尽量避免异丙醇的挥发；

步骤五，将混合液③过滤，静置15分钟，得到高电阻率Pedot-PSS溶液。

其中，PVA溶液用于使制得的高电阻率Pedot-PSS溶液成膜后具有定向作用，定向作用是指在该Pedot-PSS薄膜经过摩擦处理后，使液晶分子朝某一方向排列，具有一定的预倾角，以便于在施加驱动电压时液晶分子能朝同个方向进行偏转，同时PVA溶液有利于增大均匀电阻率。PVA溶液占Pedot-PSS溶液的体积百分比为10％-20％，PVA溶液占比在此范围内，使Pedot-PSS溶液成膜后电阻率适中，且分布均匀，同时，形成的薄膜定向能力强，能够对液晶层进行配向。

异丙醇用于浸润制得的高电阻率Pedot-PSS溶液，占Pedot-PSS溶液的体积百分比为40％-50％，异丙醇占比在此范围内，使得Pedot-PSS溶液混合均匀，便于涂布，同时降低烘干成膜的温度和时间。。

乙二醇占Pedot-PSS溶液的体积百分比为10％-20％，用于增加Pedot-PSS溶液成膜后的电导率，使形成的膜层表面平滑度更均匀。

正硅酸乙酯占Pedot-PSS溶液的体积百分比为2％-5％，用于增加膜的韧性及表面附着力。

本发明使用Pedot-PSS水性分散液、PVA溶液、异丙醇、乙二醇和正硅酸乙酯作为原料，通过控制各原料的含量比例，制备得到高电阻率Pedot-PSS溶液，由于各原料之间的协同作用，制备得到的Pedot-PSS溶液成膜后，膜层表面平滑，电阻率均匀，可将液晶透镜的使用电压降低至5Vrms。

本实施例制备得到的液晶透镜孔径为2mm，盒厚为30μm，对上述液晶透镜进行测试，如图5所示。图5为使用532.5nm激光，在f＝1.7khz V＝4Vrms时，测得的上述液晶透镜的干涉圆环图，其中，一个干涉环表示一个屈光度。在低电压4Vrms下，可以得到分布均匀且波像差小于0.07λ的干涉圆环，该液晶透镜具备连续变焦能力，成像效果好。此外，使用本发明提供的Pedot-PSS溶液，烘干得到的Pedot-PSS薄膜具有取向作用，同时该Pedot-PSS薄膜电阻率高，能够将液晶层和金属电极隔绝，可取代现有技术的中间基板或PI层、ZnO高阻膜和SiO₂层，精简液晶透镜的结构，减小盒厚，同时制作工艺 简单，成本低。

实施例3

1、液晶透镜及其制备

本实施例的液晶透镜100包括第一基板110，第二基板120，设置于第一基板110的第一电极111、设置于第二基板120的第二电极121、设置于第一电极111靠近第二电极121一侧的Pedot-PSS薄膜130，以及设置于Pedot-PSS薄膜130和第二电极121之间的液晶层140。具体步骤：

步骤一，提供第一基板110，在第一基板110上设置第一电极111，该第一电极111为光刻胶金属电极，对光刻胶金属电极进行显影刻蚀，得到所需的电极图案；

步骤二，在第一电极111的一侧涂上高电阻率Pedot-PSS溶液，放入洁净烤箱烘干得到Pedot-PSS薄膜130；

步骤三，提供第二基板120，将已经涂好PI的第二电极121设置于第二基板120上，该第二电极121为ITO电极；

步骤四，将步骤二中的第一电极111与步骤三中的第二电极121反平行摩擦；

步骤五，使用已经混好所需盒厚大小spacer的框胶，将第一基板110与第二基板120形成液晶盒；

步骤六，往步骤五中制作好的液晶盒灌入液晶，然后封口。

本实施例中，该第一电极为圆孔金属电极，可以理解的，在其他实施例中，该第一电极也可以为孔状的金属电极或ITO电极。

2、高电阻率Pedot-PSS溶液及制备

高电阻率Pedot-PSS溶液是制备液晶透镜最关键的一步，以Pedot-PSS水性分散液、聚乙烯醇(PVA)、异丙醇、乙二醇、正硅酸乙酯为实例说明具体进行制备，配置步骤如下：

步骤一，制备质量分数为17％的PVA水溶液，使用碘液判断PVA是否完全溶解于水中，备用；具体的，取适量PVA水溶液样品，加入1-2滴碘液， 如出现蓝色团粒状通明体则说明未完全溶解；反之，则说明完全溶解；

步骤二，将1.5ml PVA水溶液变搅拌边加入1.5ml Pedot-PSS水性分散液中，使用磁力搅拌器搅拌5min，制成混合液①；

本实施例中，Pedot-PSS水性分散液的固含量为2.8％，其中Pedot：PSS＝1:20。

步骤三，边搅拌变往混合液①中滴加3ml异丙醇，搅拌2min，再加入1ml乙二醇，搅拌3min，制成混合液②；

步骤四，往混合液②中滴加0.2ml正硅酸乙酯，搅拌2h，制成混合液③；搅拌过程中，尽量避免异丙醇的挥发；

步骤五，将混合液③过滤，静置15分钟，得到高电阻率Pedot-PSS溶液。

其中，PVA溶液用于使制得的高电阻率Pedot-PSS溶液成膜后具有定向作用，定向作用是指在该Pedot-PSS薄膜经过摩擦处理后，使液晶分子朝某一方向排列，具有一定的预倾角，以便于在施加驱动电压时液晶分子能朝同个方向进行偏转，同时PVA溶液有利于增大均匀电阻率。PVA溶液占Pedot-PSS溶液的体积百分比为10％-20％，PVA溶液占比在此范围内，使Pedot-PSS溶液成膜后电阻率适中，且分布均匀，同时，形成的薄膜定向能力强，能够对液晶层进行配向。

异丙醇用于浸润制得的高电阻率Pedot-PSS溶液，占Pedot-PSS溶液的体积百分比为40％-50％，异丙醇占比在此范围内，使得Pedot-PSS溶液混合均匀，便于涂布，同时降低烘干成膜的温度和时间。。

乙二醇占Pedot-PSS溶液的体积百分比为10％-20％，用于增加Pedot-PSS溶液成膜后的电导率，使形成的膜层表面平滑度更均匀。。

正硅酸乙酯占Pedot-PSS溶液的体积百分比为2％-5％，用于增加膜的韧性及表面附着力。

本发明使用Pedot-PSS水性分散液、PVA溶液、异丙醇、乙二醇和正硅酸乙酯作为原料，通过控制各原料的含量比例，制备得到高电阻率Pedot-PSS溶液，由于各原料之间的协同作用，制备得到的Pedot-PSS溶液成膜后，膜层表面平滑，电阻率均匀，可将液晶透镜的使用电压降低至5Vrms。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。