专利名称：激光诱导聚合物液晶取向膜制备方法
技术领域：
本发明涉及一种激光诱导聚合物液晶取向膜制备方法，是一种利用光干涉原理实现的非接触式液晶取向膜制备技术，属于液晶显示技术领域。
背景技术：
液晶显示器是现代微电子产品中常见的部件，随着科学技术的不断进步，液晶显示的应用范围也越来越广。液晶显示器的核心部分是一个液晶盒，经过特殊处理、表面呈各向异性的聚合物薄膜通过分子之间的各向异性相互作用，使液晶分子按一定方式整齐排列。目前工业中采用较多的聚合物表面处理方式是打磨法，即用一块包在滚筒上的打磨布(一般是用尼龙或聚酯制成)粗糙的表面与取向膜作单向摩擦，令取向膜的表层聚合物分子链沿同一方向取向，这样膜的表面就产生了各向异性。此法工艺简单，但是也存在着一些缺点，比如打磨后的取向膜表面往往带有静电、灰尘和摩擦过程中掉下来的碎屑，打磨操作容易划伤取向膜，导致成品率不高。尽管人们建造了无尘车间，优选了打磨材料，改变了取向膜的化学结构，但是无法完全解决打磨作为一种接触式的取向方法所带来的这些缺陷。
接触式取向膜制备方法的诸多局限和缺点刺激了人们积极开发非接触式的取向膜制备方法，目前已有专利报道的有化学偶联法、粒子束轰击法、光束辐照法等。化学偶联法是用一些带有能够和基板发生化学反应的基团的化合物涂布到基板表面，令其发生偶联反应固定在基板的表面，然后将未发生反应的化合物用酮、醇、二醇一类的溶剂清洗掉，如此反复数次，在基板的表面形成密实的单分子层，这一单分子层是有序排列的，具有各向异性，可以对液晶取向。这种方法的缺点在于工艺十分复杂，失败率较高。
粒子束轰击法是用低能量的粒子束(原子或离子)成一定角度对聚合物进行表面取向的方法。之所以不用高能粒子束的原因是因为高能粒子束会使取向膜分子断键，发生分解。这种粒子束取向的方法还可以和其他方法配合使用，例如先用紫外光照射后用粒子束轰击等。US6124914即为一例。该方法需要有一套庞大的粒子束设备，设备投资巨大，限制了它在一般工装条件下的应用。而且，若要制备大面积的液晶显示器，就要求该设备的真空室也相应增大，工艺的灵活性不足。
光束辐照法是一类新型的液晶取向技术，一般是利用聚合物薄膜在光束照射下发生分解、聚合、异构化等反应实现薄膜表面的各向异性。如含有肉桂酸基团的聚合物在紫外光的作用会发生开环二聚反应，在这一过程中，分子链需要彼此靠近然后结合在一起，这样就形成了取向结构。US5389698就采用了含有诸如肉桂酸基的聚合物或其单体，但是含有肉桂酸基团的碳链聚合物一般热稳定性很差，故而取向程度不高，且原料成本较高。US5998563通过将碳链聚合物改为硅链聚合物，大大提高了取向膜的热稳定性。该方法的不足之处在于由于聚合物结构中含有硅元素，单体合成过程较为复杂，故而取向膜价格很高，经济性不好。
现有技术中的种种方法存在着诸如液晶取向程度不高、取向程度难以控制、要求特殊材料、生产成本高、无法同时实现非接触和分区取向等问题，因此在实际应用时受到较大的限制。
发明内容
本发明针对现有技术的局限性，为开发高档液晶显示器提供一种新的非接触式液晶取向膜制备技术——激光诱导聚合物液晶取向膜制备方法，尽量利用现有的设备、工艺和材料，实现分区取向控制，并避免打磨法因接触而引起的静电、灰尘和划伤。
本发明利用偏振激光对聚酰亚胺薄膜进行扫描，利用光干涉原理在聚合物表面产生微米/纳米级的沟槽，使液晶分子取向，实现非接触地制备液晶取向膜，克服打磨时由于接触而带来的种种问题。本发明对聚合物材料无特殊要求，现有技术中采用的聚合物材料如聚酰亚胺等均可使用。本发明可以利用现有打磨生产线中除打磨以外的上下游设备，只要将打磨处理一步利用激光诱导取代即可，因此不会造成太高的设备投入。
本发明先将聚合物以合适的方法在导电玻璃有导电层的一面上形成薄膜，形成薄膜的方法有很多例如旋转涂膜法、流涎法、刮膜法等。然后，将涂有聚合物的导电玻璃板固定在移动平台上，随着平台的运动，光束在薄膜表面做步进式线扫描。通过调节扫描的工艺参数，可以在聚合物的表面上形成不同周期和深度的均匀条纹状起伏。将两片同样条件处理(或不一样条件处理)的导电玻璃按照条纹相互垂直的方式面对面地叠放在一起，两块玻璃之间用垫片隔开，灌入液晶之后封好，这样就将所得的聚合物取向膜组装到了液晶盒之中。
激光工艺参数包括激光束的波长、脉冲宽度、脉冲频率、入射光束的入射角度、功率密度、以及平台移动方向和速率。激光波长可选择紫外区或可见区，根据聚合物材料的光吸收波长选择，激光脉冲宽度1～20ns，脉冲频率为5～10Hz，入射角度可以从0°变化到60°，入射光束功率密度为5～100mJ/cm2，偏振方向为面内偏振，移动速度为0.01～1mm/s。
激光诱导法可以在聚合物表面产生深度在1～150nm范围内的周期性微线条。在一定范围内，线条的深度随着入射激光能量的增大而增大。
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。
图1为本发明采用的液晶盒结构示意图。
液晶盒是构成液晶显示器的基本部件。如图1所示，两块玻璃基板1的表面镀有一层ITO导电层2，导电层2上涂有激光诱导聚合物液晶取向膜5，两块玻璃基板之间用垫片3隔开，四周用热固性树脂密封形成一个密闭的腔室4。液晶分子就填充在这个腔室4中，在取向膜5的界面作用下，液晶分子有规则地排列在腔室4内。
液晶分子可以有许多种，甚至可以是几种液晶分子的混合物。
图2为本发明包括液晶盒电光性能测试在内的工艺流程图。
如图2所示，本发明先在导电玻璃的导电层上形成聚合物薄膜，然后在计算机控制下对薄膜表面采用激光扫描，再将所得的聚合物取向膜组装到液晶盒之中，测试制作的液晶盒的电光性能。
图3为本发明采用的装置结构示意图。
如图3所示，本发明采用的激光是偏振脉冲激光，从激光器1发出的激光一般要经过变频、起偏(2，3)处理，变换到适宜的偏振态(从NdYAG激光器中输出的激光可以直接使用)，该束激光被反射镜4反射到固定在一个倾斜平台6上的聚合物薄膜5的表面，反射镜的位置和角度是可以调节的，倾斜平台6的角度也是可以变化的，以方便控制激光入射角。倾斜平台6可以在移动平台7上做水平转动。移动平台7受到计算机8程序的控制，可以在X、Y方向上平稳地移动，移动速度可以调节。空气压缩机9将压缩空气输入移动平台7，并从平台下方的小孔中排出形成气垫支持移动平台7。
图4为本发明实施例中组装出的液晶盒的电光性能曲线图。
从图4中可以看出，启动电压约为1.2V，最大透光率约为90％。
图5为本发明实施例中经激光扫描过的取向膜表面用原子力显微镜描绘出的形貌图。
从图中可以看出，采用本发明方法制备的薄膜表面与打磨形成的表面相类似，但是更为规整。
本发明工艺简单，容易实现，和现有打磨生产设备有很高的匹配度，对聚合物材料没有特殊要求，可以使用现有打磨法常用的聚合物材料，如制备聚酰亚胺的二酐和二胺。本发明采用电脑控制激光束和样品移动平台，方便地控制液晶的取向方向和取向程度，因此可以实现薄膜表面的微区取向。本发明作为一种非接触液晶取向技术，避免了打磨法引起的取向膜表面产生静电、灰尘和划痕，可以非接触地制备大面积的多畴取向膜，并适用于平面和非平面衬底，从而为制造具有高分辨率、宽视角的液晶显示器创造了条件。本发明还可以用于非平面的液晶取向技术。
具体实施方法以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
将该基板放置于附图2中所示的移动平台上，平台移动方向平行于激光偏振方向，调节激光(激光器型号为Continuum Surelite III)脉冲宽度为5ns，脉冲频率为10Hz，入射角度为0°，入射光束功率密度为20mJ/cm2，偏振方向为面内偏振，X、Y移动速度分别为0.5mm/s，0.001mm/s。
按附图1中所示，将另一片覆有导电层的玻璃基板导电面朝下叠放于经过扫描的基板之上，之间用垫片隔开一定距离，用环氧树脂将三边封住，加热以便令环氧树脂固化。将液晶从剩下一边上的狭缝中注入液晶盒中，用环氧树脂封实，加热固化，这样就将所得的聚合物取向膜组装到了液晶盒之中。
测试制作的液晶盒的电光性能，所得曲线如附图4所示。
权利要求
1.一种激光诱导聚合物液晶取向膜制备方法，其特征在于先在覆有导电层的玻璃基板上形成聚合物薄膜，然后将该基板放置于移动平台上，在计算机控制下对薄膜表面采用偏振脉冲激光扫描，调节激光脉冲宽度为1～20ns，脉冲频率为5～10Hz，入射角度为0～60°，入射光束功率密度为5～100mJ/cm2，偏振方向为面内偏振，移动速度为0.001～1mm/s。
2.一种含有激光诱导聚合物液晶取向膜的液晶盒，其特征在于两块玻璃基板(1)的表面镀有一层ITO导电层(2)，导电层(2)上涂有激光诱导聚合物液晶取向膜(5)，两块玻璃基板之间用垫片(3)隔开，四周用热固性树脂密封形成一个密闭的腔室(4)，液晶分子有规则地排列在腔室(4)内。
全文摘要
一种激光诱导聚合物液晶取向膜制备方法,先在覆有导电层的玻璃基板上形成聚合物薄膜,然后将该基板放置于移动平台上,在计算机控制下对薄膜表面采用偏振脉冲激光扫描,调节激光脉冲宽度、频率、入射角度和功率密度等,制得激光诱导聚合物液晶取向膜。本发明工艺简单,容易实现,作为一种非接触液晶取向技术,避免在取向膜表面产生静电、灰尘和划痕,可以制备大面积的多畴取向膜,对于平面和非平面衬底均适用,从而为制造具有高分辨率、宽视角的液晶显示器创造了条件。
文档编号G02B1/10GK1335518SQ0112656
公开日2002年2月13日 申请日期2001年8月28日 优先权日2001年8月28日
发明者路庆华, 陆学民, 朱承翔, 印杰, 王宗光, 朱子康 申请人:上海交通大学