液晶与显示·封面 | 多维防伪：宾主液晶材料偏振应用

▍导读

图1：《液晶与显示》2023年第8期封面图

防伪技术是一种旨在辨识真伪、防止仿冒和克隆的技术手段。现如今，商品仿冒已成为全球范围内影响多个行业的难题，并且防伪与伪造之间的矛盾日益加深，研发保密性强、安全性高、不可复制的防伪技术已成为社会与经济发展的迫切需求。在此背景下，液晶防伪技术因其性能优异、实用性高、广受市场好评，成为备受关注的领域。利用宾主液晶的各向异性，从而提供控制透射光偏振和强度的能力，在显示应用、光学防伪等领域占据一定影响力。

近日，来自华东理工大学的郑致刚教授和其团队王骁乾博士及硕士研究生王芳提出一种内嵌图案化的宾主液晶和胆甾相液晶双层功能化液晶防伪器件设计方案。这种设计方案赋予了器件特殊的透射/反射差异、偏振依赖的隐藏/显露属性以及在透射方向上的不对称光学效应，从而实现多维防伪显示。

研究结果表明，由宾主液晶防伪膜层和胆甾相液晶防伪膜层共同组成的防伪器件，在不同光照模式下得到了不同显示内容，实现了有效的多维防伪效果。在不同的观察角度下得到了不同的显示结果，达到了安全程度高的多维防伪能力。

该研究成果以“基于双层液晶功能膜的多维防伪技术”为题发表于《液晶与显示》（ESCI、Scopus，中文核心）2023年第8期，并被选为封面文章。

该文首先对宾主液晶与胆甾相液晶材料浓度进行优化探索，通过表征获得了一定反射光波段的胆甾相液晶，与良好二色性吸收能力的宾主液晶，测量了不同偏振角度下，对应不同的二色性偏振吸收能力。同时也阐述了对应不同条件下，多维防伪器件相应的显示机理。

▍材料体系性能

如图2实验结果可知，胆甾相液晶材料的反射波段在450 ~ 500 nm范围之间，红色曲线代表胆甾相液晶在曝光区域的平均反射率为39.67 %，蓝色曲线则是胆甾相液晶在未曝光区域的平均反射率为11.17 %。宾主液晶材料的吸收波段介于400~700nm整个可见光范围内，宾主液晶显示层层厚为8 μm时，对应宾主液晶光透过率最小和最大分别为0.49%、44.69%，宾主液晶材料表现出良好的二色性吸收能力。

图2：（a）掺杂质量分数为2.9 wt%的R5011的胆甾液晶反射光谱图示，（b）掺杂质量分数为4.8 wt%的二色性染料的宾主液晶透射光谱图示，（c）宾主液晶体系的二色性吸收原理图示。
图源：液晶与显示, 2023, 38(8):1022-1030. Fig.2

▍自然光条件下多维防伪器件的透反射信息显示

该文讨论了在自然光条件下，对应防伪器件的信息显示，如图3所示。当自然光入射至胆甾相液晶层后，在反射端呈现出交替的蓝色“箭头”图形。取向区域位置分子排列有序，呈现明显蓝色高反射，非取向区域分子取向表现为低反射，在宾主液晶背景层作用下呈现黑色。在透射端，宾主液晶层的宽波段光吸收，使防伪器件整体呈现均匀的灰色，且内嵌防伪图形被隐藏。不同的膜层顺序导致了不同的透反射显示差异，这一特点可以用来增强防伪效果。

图3：（a-b）上膜层为胆甾液晶层，下膜层为宾主液晶层时，对应自然光下的透、反射信息显示；（c-d）上膜层为宾主液晶层，下膜层为胆甾液晶层在时，对应自然光下的透、反射信息显示。
图源：液晶与显示, 2023, 38(8):1022-1030. Fig.4

▍线偏振光条件下多维防伪器件的透反射信息显示

该文讨论了在线偏振光条件下，对应防伪器件的信息显示，如图4所示。图4（a）-3（d）结果所示，在线偏振光入射条件下，该防伪器件显示效果与偏振光的入射方向相关。线偏振入射条件下，宾主液晶层相当于图形化的偏振器。不同线偏光角度对应灰阶区域内的液晶吸收系数不同，从而呈现不同灰度的变化。胆甾液晶层对应曝光区域反射约为39.67 %的450~500nm范围内的部分波长光，对应未曝光区域，只会反射约为11.17 %的450~500nm范围内的部分波长光。因此，经过胆甾液晶层的出射光光强会降低一些，但整体影响不大，不会引起整体经过宾主液晶层的透过率降低50%而影响透射方向上的图像显示。

图4（e）-3（h）结果所示，线偏振光先透过胆甾液晶层后透过宾主液晶层时， 胆甾液晶层作为蓝光波段的圆偏振陷波滤光器。同旋性的右旋圆偏振光被反射，反旋性的左旋圆偏振光透射。经过胆甾液晶层的左旋圆偏振光可视为两个偏振方向不同，振幅大小一致的正交线偏振光叠加。当不同偏振方向的线偏振光经过宾主液晶层时，液晶分子对光的偏振方向与振幅进行调制，出射光的偏振状态发生变化，导致光的相位差变化。同时，对应“小花梨”中不同液晶分子方位角区域，二色性染料吸收轴不同，发生不同程度的吸收，会选择性的改变光谱强度变化。从而呈现具有颜色差异图形，因此“小花梨”呈彩色。

图4：线偏振光以0°、45°、90°和135°的偏振角度入射,（a-d）上膜层为胆甾液晶层，下膜层为宾主液晶层时，对应双液晶防伪器件的透射显示效果；（e-h）上膜层为宾主液晶层，下膜层为胆甾液晶层时，对应双液晶防伪器件的透射显示效果。
图源：液晶与显示, 2023, 38(8):1022-1030. Fig.5

由图5实验结果所示，透过胆甾液晶层的出射光为椭圆偏振光。因此可将椭圆偏振光沿着宾主液晶层的平行吸收轴和垂直吸收轴进行矢量分解，平行吸收轴的光被大量吸收，垂直吸收轴的光被少量吸收。出射光的偏振状态与光强发生不同程度改变，“小花梨”同样也显示出彩色。

图5：（a）测试非胆甾液晶反射波段的线偏振光经过双液晶防伪层中胆甾相液晶层出射光的光路装置图，（b）出射光测试结果。
图源：液晶与显示, 2023, 38(8):1022-1030. Fig.6

▍不同观察角度下多维防伪器件的透反射信息显示

此外，多维防伪器件在观察视角上呈现独特的差异化，从而赋予其进一步功能化。如图6所示，自然光入射的反射端，随着观察视角θ的倾斜，对应胆甾液晶蓝色箭头图形的反射色由蓝色转变为淡紫色，并逐渐变模糊。这是由于在斜向观察器件时，由于胆甾液晶膜层的反射波段向短波长方向移动至紫外区域，根据布拉格镜面反射角原理，从而人眼无法识别。而偏振光入射的透射状态下，该防伪器件显示仅与宾主液晶层中二色性染料分子的面内角向吸收有关，斜入射对光的特定吸收影响较低，最终呈现观察视角的无依赖性。

图6：（a）自然光反射模式下，不同视角0°，30°，60°下的信息显示，（b）对应线偏振光透射模式下，不同视角0°，30°，60°下的信息显示。θ表示观察视角。
图源：液晶与显示, 2023, 38(8):1022-1030. Fig.8

本文通过借助于宾主液晶层的二色性吸收与胆甾液晶层的选择性反射色，实现了多维防伪功能化，表现出透、反射端的差异化图像显示，自然光与线偏振光的图形隐藏与显现，以及视角依赖性。该设计思路相较于基于传统单液晶层防伪器件，具备更高维度的显示光学效应，并可通过图形设计，赋予更多的信息加密与隐藏，显著增强了防伪效果。该器件具有易制备、易观察、难伪造等特点，有望应用于酒类、纪念钞、特色图书等市场产品，同时也为今后具有特殊防伪应用场所提供了思路。

| 论文信息 |

王芳，袁丛龙，王翼飞，沈冬，王骁乾，郑致刚. 基于双层液晶功能膜的多维防伪技术[J]. 液晶与显示, 2023, 38(8):1022-1030.

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

| 作者简介 |

王芳，华东理工大学硕士研究生，2023年于华东理工大学获得硕士学位，主要从事宾主液晶材料的研究。
E-mail：2849813747@qq.com

王骁乾，华东理工大学讲师、硕导，上海市“浦江人才计划”资助获得者，主要从事液晶微纳结构及光子器件研究。 
E-mail：xqwang＠ecust.edu.cn

郑致刚，华东理工大学教授、博导，国家优秀青年科学基金获得者、上海市青年科技启明星、上海市晨光学者、上海市青年五四奖章获得者、《液晶与显示》编委。从事液晶态功能材料与微纳光学器件研究。2009年毕业于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学专业，获理学博士学位。先后在南京大学固体微结构物理国家重点实验室和美国肯特先进材料与液晶研究所从事学术研究工作。在液晶微结构光学材料、三维液晶光子晶体软材料、功能光学薄膜、大尺寸可调谐液晶光学器件的结构设计、微加工与工程化应用方面做出了一系列创新成果。在Nature、Science Advances、Advanced Materials、Materials Today、Materials Horizons等期刊发表论文60余篇；获发明专利授权8项，其中美国专利5 项、中国台湾专利2项、中国专利 1项。作为专家组成员参与编写软物质物理丛书《液晶》分册、中国大百科全书光学工程分册液晶部分以及十三五规划教材《液晶光子学》。
E-mail: zgzheng@ecust.edu.cn

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