▍導(dǎo)讀

圖1：《液晶與顯示》2023年第8期封面圖

防偽技術(shù)是一種旨在辨識(shí)真?zhèn)巍⒎乐狗旅昂涂寺〉募夹g(shù)手段。現(xiàn)如今，商品仿冒已成為全球范圍內(nèi)影響多個(gè)行業(yè)的難題，并且防偽與偽造之間的矛盾日益加深，研發(fā)保密性強(qiáng)、安全性高、不可復(fù)制的防偽技術(shù)已成為社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迫切需求。在此背景下，液晶防偽技術(shù)因其性能優(yōu)異、實(shí)用性高、廣受市場(chǎng)好評(píng)，成為備受關(guān)注的領(lǐng)域。利用賓主液晶的各向異性，從而提供控制透射光偏振和強(qiáng)度的能力，在顯示應(yīng)用、光學(xué)防偽等領(lǐng)域占據(jù)一定影響力。

近日，來自華東理工大學(xué)的鄭致剛教授和其團(tuán)隊(duì)王驍乾博士及碩士研究生王芳提出一種內(nèi)嵌圖案化的賓主液晶和膽甾相液晶雙層功能化液晶防偽器件設(shè)計(jì)方案。這種設(shè)計(jì)方案賦予了器件特殊的透射/反射差異、偏振依賴的隱藏/顯露屬性以及在透射方向上的不對(duì)稱光學(xué)效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)多維防偽顯示。

研究結(jié)果表明，由賓主液晶防偽膜層和膽甾相液晶防偽膜層共同組成的防偽器件，在不同光照模式下得到了不同顯示內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了有效的多維防偽效果。在不同的觀察角度下得到了不同的顯示結(jié)果，達(dá)到了安全程度高的多維防偽能力。

該研究成果以“基于雙層液晶功能膜的多維防偽技術(shù)”為題發(fā)表于《液晶與顯示》（ESCI、Scopus，中文核心）2023年第8期，并被選為封面文章。

該文首先對(duì)賓主液晶與膽甾相液晶材料濃度進(jìn)行優(yōu)化探索，通過表征獲得了一定反射光波段的膽甾相液晶，與良好二色性吸收能力的賓主液晶，測(cè)量了不同偏振角度下，對(duì)應(yīng)不同的二色性偏振吸收能力。同時(shí)也闡述了對(duì)應(yīng)不同條件下，多維防偽器件相應(yīng)的顯示機(jī)理。

▍材料體系性能

如圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，膽甾相液晶材料的反射波段在450 ~ 500 nm范圍之間，紅色曲線代表膽甾相液晶在曝光區(qū)域的平均反射率為39.67 %，藍(lán)色曲線則是膽甾相液晶在未曝光區(qū)域的平均反射率為11.17 %。賓主液晶材料的吸收波段介于400~700nm整個(gè)可見光范圍內(nèi)，賓主液晶顯示層層厚為8 μm時(shí)，對(duì)應(yīng)賓主液晶光透過率最小和最大分別為0.49%、44.69%，賓主液晶材料表現(xiàn)出良好的二色性吸收能力。

圖2：（a）摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.9 wt%的R5011的膽甾液晶反射光譜圖示，（b）摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.8 wt%的二色性染料的賓主液晶透射光譜圖示，（c）賓主液晶體系的二色性吸收原理圖示。
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(8):1022-1030. Fig.2

▍自然光條件下多維防偽器件的透反射信息顯示

該文討論了在自然光條件下，對(duì)應(yīng)防偽器件的信息顯示，如圖3所示。當(dāng)自然光入射至膽甾相液晶層后，在反射端呈現(xiàn)出交替的藍(lán)色“箭頭”圖形。取向區(qū)域位置分子排列有序，呈現(xiàn)明顯藍(lán)色高反射，非取向區(qū)域分子取向表現(xiàn)為低反射，在賓主液晶背景層作用下呈現(xiàn)黑色。在透射端，賓主液晶層的寬波段光吸收，使防偽器件整體呈現(xiàn)均勻的灰色，且內(nèi)嵌防偽圖形被隱藏。不同的膜層順序?qū)е铝瞬煌耐阜瓷滹@示差異，這一特點(diǎn)可以用來增強(qiáng)防偽效果。

圖3：（a-b）上膜層為膽甾液晶層，下膜層為賓主液晶層時(shí)，對(duì)應(yīng)自然光下的透、反射信息顯示；（c-d）上膜層為賓主液晶層，下膜層為膽甾液晶層在時(shí)，對(duì)應(yīng)自然光下的透、反射信息顯示。
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(8):1022-1030. Fig.4

▍線偏振光條件下多維防偽器件的透反射信息顯示

該文討論了在線偏振光條件下，對(duì)應(yīng)防偽器件的信息顯示，如圖4所示。圖4（a）-3（d）結(jié)果所示，在線偏振光入射條件下，該防偽器件顯示效果與偏振光的入射方向相關(guān)。線偏振入射條件下，賓主液晶層相當(dāng)于圖形化的偏振器。不同線偏光角度對(duì)應(yīng)灰階區(qū)域內(nèi)的液晶吸收系數(shù)不同，從而呈現(xiàn)不同灰度的變化。膽甾液晶層對(duì)應(yīng)曝光區(qū)域反射約為39.67 %的450~500nm范圍內(nèi)的部分波長(zhǎng)光，對(duì)應(yīng)未曝光區(qū)域，只會(huì)反射約為11.17 %的450~500nm范圍內(nèi)的部分波長(zhǎng)光。因此，經(jīng)過膽甾液晶層的出射光光強(qiáng)會(huì)降低一些，但整體影響不大，不會(huì)引起整體經(jīng)過賓主液晶層的透過率降低50%而影響透射方向上的圖像顯示。

圖4（e）-3（h）結(jié)果所示，線偏振光先透過膽甾液晶層后透過賓主液晶層時(shí)， 膽甾液晶層作為藍(lán)光波段的圓偏振陷波濾光器。同旋性的右旋圓偏振光被反射，反旋性的左旋圓偏振光透射。經(jīng)過膽甾液晶層的左旋圓偏振光可視為兩個(gè)偏振方向不同，振幅大小一致的正交線偏振光疊加。當(dāng)不同偏振方向的線偏振光經(jīng)過賓主液晶層時(shí)，液晶分子對(duì)光的偏振方向與振幅進(jìn)行調(diào)制，出射光的偏振狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致光的相位差變化。同時(shí)，對(duì)應(yīng)“小花梨”中不同液晶分子方位角區(qū)域，二色性染料吸收軸不同，發(fā)生不同程度的吸收，會(huì)選擇性的改變光譜強(qiáng)度變化。從而呈現(xiàn)具有顏色差異圖形，因此“小花梨”呈彩色。

圖4：線偏振光以0°、45°、90°和135°的偏振角度入射,（a-d）上膜層為膽甾液晶層，下膜層為賓主液晶層時(shí)，對(duì)應(yīng)雙液晶防偽器件的透射顯示效果；（e-h）上膜層為賓主液晶層，下膜層為膽甾液晶層時(shí)，對(duì)應(yīng)雙液晶防偽器件的透射顯示效果。
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(8):1022-1030. Fig.5

由圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示，透過膽甾液晶層的出射光為橢圓偏振光。因此可將橢圓偏振光沿著賓主液晶層的平行吸收軸和垂直吸收軸進(jìn)行矢量分解，平行吸收軸的光被大量吸收，垂直吸收軸的光被少量吸收。出射光的偏振狀態(tài)與光強(qiáng)發(fā)生不同程度改變，“小花梨”同樣也顯示出彩色。

圖5：（a）測(cè)試非膽甾液晶反射波段的線偏振光經(jīng)過雙液晶防偽層中膽甾相液晶層出射光的光路裝置圖，（b）出射光測(cè)試結(jié)果。
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(8):1022-1030. Fig.6

▍不同觀察角度下多維防偽器件的透反射信息顯示

此外，多維防偽器件在觀察視角上呈現(xiàn)獨(dú)特的差異化，從而賦予其進(jìn)一步功能化。如圖6所示，自然光入射的反射端，隨著觀察視角θ的傾斜，對(duì)應(yīng)膽甾液晶藍(lán)色箭頭圖形的反射色由藍(lán)色轉(zhuǎn)變?yōu)榈仙⒅饾u變模糊。這是由于在斜向觀察器件時(shí)，由于膽甾液晶膜層的反射波段向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)至紫外區(qū)域，根據(jù)布拉格鏡面反射角原理，從而人眼無法識(shí)別。而偏振光入射的透射狀態(tài)下，該防偽器件顯示僅與賓主液晶層中二色性染料分子的面內(nèi)角向吸收有關(guān)，斜入射對(duì)光的特定吸收影響較低，最終呈現(xiàn)觀察視角的無依賴性。

圖6：（a）自然光反射模式下，不同視角0°，30°，60°下的信息顯示，（b）對(duì)應(yīng)線偏振光透射模式下，不同視角0°，30°，60°下的信息顯示。θ表示觀察視角。
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(8):1022-1030. Fig.8

本文通過借助于賓主液晶層的二色性吸收與膽甾液晶層的選擇性反射色，實(shí)現(xiàn)了多維防偽功能化，表現(xiàn)出透、反射端的差異化圖像顯示，自然光與線偏振光的圖形隱藏與顯現(xiàn)，以及視角依賴性。該設(shè)計(jì)思路相較于基于傳統(tǒng)單液晶層防偽器件，具備更高維度的顯示光學(xué)效應(yīng)，并可通過圖形設(shè)計(jì)，賦予更多的信息加密與隱藏，顯著增強(qiáng)了防偽效果。該器件具有易制備、易觀察、難偽造等特點(diǎn)，有望應(yīng)用于酒類、紀(jì)念鈔、特色圖書等市場(chǎng)產(chǎn)品，同時(shí)也為今后具有特殊防偽應(yīng)用場(chǎng)所提供了思路。

| 論文信息 |

王芳，袁叢龍，王翼飛，沈冬，王驍乾，鄭致剛. 基于雙層液晶功能膜的多維防偽技術(shù)[J]. 液晶與顯示, 2023, 38(8):1022-1030.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2023-0128

| 作者簡(jiǎn)介 |

王芳，華東理工大學(xué)碩士研究生，2023年于華東理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事賓主液晶材料的研究。
E-mail：2849813747@qq.com

王驍乾，華東理工大學(xué)講師、碩導(dǎo)，上海市“浦江人才計(jì)劃”資助獲得者，主要從事液晶微納結(jié)構(gòu)及光子器件研究。 
E-mail：xqwang＠ecust.edu.cn

鄭致剛，華東理工大學(xué)教授、博導(dǎo)，國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者、上海市青年科技啟明星、上海市晨光學(xué)者、上海市青年五四獎(jiǎng)?wù)芦@得者、《液晶與顯示》編委。從事液晶態(tài)功能材料與微納光學(xué)器件研究。2009年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所光學(xué)專業(yè)，獲理學(xué)博士學(xué)位。先后在南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)肯特先進(jìn)材料與液晶研究所從事學(xué)術(shù)研究工作。在液晶微結(jié)構(gòu)光學(xué)材料、三維液晶光子晶體軟材料、功能光學(xué)薄膜、大尺寸可調(diào)諧液晶光學(xué)器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、微加工與工程化應(yīng)用方面做出了一系列創(chuàng)新成果。在Nature、Science Advances、Advanced Materials、Materials Today、Materials Horizons等期刊發(fā)表論文60余篇；獲發(fā)明專利授權(quán)8項(xiàng)，其中美國(guó)專利5 項(xiàng)、中國(guó)臺(tái)灣專利2項(xiàng)、中國(guó)專利 1項(xiàng)。作為專家組成員參與編寫軟物質(zhì)物理叢書《液晶》分冊(cè)、中國(guó)大百科全書光學(xué)工程分冊(cè)液晶部分以及十三五規(guī)劃教材《液晶光子學(xué)》。
E-mail: zgzheng@ecust.edu.cn

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