专利名称：使用粒子束配向制备各向异性多层体的方法
技术领域：
本发明涉及通过使用粒子束蚀刻技术制备多层体的方法，所述多层体包含具有不同光轴或配向方向的两个或更多个各向异性层，例如液晶(LC)层或反应性介晶(RM)层；还涉及通过所述方法获得的多层体；这种多层体在光学和电光学器件中作为光学补偿器或延迟器的用途；以及包含这种多层体的器件。背景及现有技术光学延迟器(还指的是光学延迟膜)用作光学配置(optical schemes)的分隔元件或用作液晶显示器(LCD)的集成部件。在后一种情况中，它们通常还指的是补偿器或补偿膜。为了良好的性能，光学延迟器通常具有由两个或更多个重叠的单延迟层构成的多层结构。这种光学延迟器典型地由双折射材料构成，例如具有通过拉伸、剪切、整体光配向或表面配向诱导的光学各向异性的晶片或聚合物膜。后一过程涉及液晶分子膜，例如液晶聚合物或RM。已知有不同类型的光学延迟器。例如“A膜”(或A-板)是利用单轴双折射材料层的光学延迟器，其非寻常轴平行于层的平面取向，“C膜”(或C-板)是利用单轴双折射材料层的光学延迟器，其非寻常轴垂直于层的平面取向，而“0膜”(或0-板)为利用单轴双折射材料层的光学延迟器，其非寻常轴与层的平面倾斜成一个角度。但是，常规的光学延迟器通常显示出不期望的色度，这为双折射元件的普遍性质。 当偏振的多色光束穿过双折射介质时，组成的光谱成分获得不同的相延迟并且因此获得不同的偏振状态。当光束进一步穿过分析器时，其光谱成分的强度有不同的变化，其改变了传送的光的色域。对延迟器的波长敏感度或色度有贡献的因素为(1)色散，即光学双折射的波长依赖性，以及O)由于波长依赖的光程长度导致清晰的延迟的反向波长依赖性。色度对双折射光学元件的光谱造作范围造成了限制。波长依赖性可以通过用这些双折射膜/或板的堆叠体代替单个双折射膜/板而降低。消色差化合物延迟器背后的原理在于具有调整的延迟性和取向的双折射膜/板的堆叠体(stack)可以作为单一的膜/ 板延迟器运转，但是其具有波长不敏感的延迟性。例如，典型的消色差四分之一波长延迟膜 (AQffF)可以通过将膜层合至大约四分之一波长延迟器(QWF)和将膜层合至半波长延迟器 (HWF)以至于它们的慢轴在膜平面内大约以相对于各自成60°的角度取向而得到。对于这两种延迟器的延迟的实际值取决于层合的角度。但是，这种AQWF膜的制造成本较高，因为两种延迟器并不能以成本有效的方式以期望的角度层合在一起。US 7，169，447描述了一种由QWF和HWF组成的AQWF，其中的每一个都由聚合的反应性介晶的层组成，其中两个膜的慢轴在膜平面中相对于各自成60°的角度取向。为了获得这种特殊的几何结构，每一个膜都单独地在基材上制备，该基材已沿特定方向经单轴摩擦以便诱导期望的取向。对于QWF的基材摩擦的方向和对于HWF的基材摩擦方向对应于各个膜的慢轴取向方向。然后这两个膜随后层合在一起以形成AQWF。例如还有可能使用两个交叉的正性A膜或两个交叉的0膜的堆叠体，其中两种膜的慢轴(或者，在O板的情况中，慢轴到膜平面中的投影)在膜平面中相对各自成90°的角度取向，作为用于LCD补偿的负性C膜(参见khadt等的SID' 99和M. khadt等， Journal of the SID 11/3,2003 519)。具有这种膜的LCD的色度偏移比广泛用于LCD工业的常规的碟状液晶的膜的色度偏移明显要小。在khadt等人的Jpn. J. Appl. Phys.，34， L764-767(1995)中，其描述了由通过光配向技术配向的反应性介晶制备这种膜，且其中在一个基材上涂覆两个单独的RM膜。但是这两个单独的RM层通过需要来诱导RM配向的光配向聚合物层分隔开。因此，迄今为止用于制备堆叠的延迟器的技术需要层合方法和/或使用额外的配向层。但是，这些额外的方法和元件增加了产品的最初成本。此外，RM膜之间插入中间层会例如通过增加散射和反射损失而使延迟器的性能变差。克服上述缺点的可能的解决办法可以是在由RM制备的第一延迟膜的顶上直接沉积由RM制备的第二涂覆延迟膜。但是，RM膜通常强烈的取向耦合(coupled)。其结果是第一 RM膜将会作为用于第二 RM膜的配向层。例如，在两个RM-A板膜相互覆盖其上的情况中，如果第一个膜的表面没有进行配向处理，则第二个RM膜中的分子通常通过第一个RM层表面上的RM分子有效地取向，并且因此两个膜的慢轴将会主要是平行的。此外，如以下所示，甚至常规的摩擦过程通常不会在这些膜中去耦(decouple)，以至于第一 RM膜的配向力克服了摩擦效应。除此之外，摩擦或其他机械处理的方法具有许多缺点，例如表面损坏，带电和粉化，图案的复杂性以及在微观水平上不充分的配向均一性。因此，需要在第一 RM膜的顶上提供在第二 RM膜中控制配向的有效方法。因此本发明的目的在于提供一种改进的用于制备液晶或RM膜的堆叠体或多层体的方法，所述液晶或RM膜由两种或更多种在各自的顶部直接涂覆的经配向的液晶或RM的亚层组成，其中不同的亚层具有不同的配向方向。该方法应在每一个亚层中提供均一的和稳定的配向，而不需要摩擦技术或者液晶或RM亚层之间额外的配向层。此外，该方法应是简单的且成本有效的，其特别适用于批量生产，且不应具有上述现有技术方法的缺点。由以下详细的描述可知本发明的其他目的对于本领域的技术人员来说是直接显而易见的。发明人已经发现这些目的可以通过提供如本发明权利要求所述的方法来实现。特别的，这一方法通过使将被涂覆第二层的第一层表面进行粒子束蚀刻过程，给提供在具有第一配向方向的第一液晶或RM层的顶部上的第二液晶或RM层中提供第二配向方向。进行该蚀刻过程，使得赋予第一层的表面以在不同于所述第一层中液晶或RM的配向方向的方向上的配向力。令人惊奇地发现通过粒子束(其导致第一层的各向异性蚀刻处理)作用于第二层的液晶或RM的配向力非常强以至于它克服了第一层的液晶或RM的固有配向力。这可以通过在第一和第二层中使用相同或不同的液晶或RM材料实现。粒子束蚀刻作为用于液晶或RM配向的有效技术已经在例如W02008/(^8553A1 ； 0. Yaroshchuk，R. Kravchuk，0. Parri 等人的 Journal of the SID 16/9,905-909(2008)以及 0. Yaroshchuk, R. Kravchuk, 0. Parri 等人的 SID Digest 2007，694-697 的现有技术中有所描述。但是迄今为止还不知道或没有建议这项技术还可以用于在各自的顶部制备多个液晶或RM层，其中单个层相互取向性去耦并且可以在不同的方向上配向。特别是还不知道或没有建议由第一层的等离子处理导致的配向力会克服其本身的配向力，以至于涂覆在第一层上的第二层可以具有与第一层不同的配向方向。
此外，本发明中描述的粒子束方法还可以在其他各向异性基材上产生液晶配向， 所述基材例如液晶片、经拉伸或光配向的聚合物膜、配向的液晶聚合物，以克服它们本身的配向力。这允许通过液晶膜与其他各向异性材料的膜组合制备多重各向异性膜。发明概述本发明涉及一种制备由至少一种具有光轴的第一各向异性层和至少一种任选为液晶聚合物或聚合的液晶材料的液晶(LC)材料的第二各向异性层构成的多层体的方法， 所述方法包括以下步骤A)提供具有光轴的第一各向异性层，B)使所述第一层的表面曝露于适当加速的粒子束，优选其具有lOO-lOOOOeV的主导(predominated)粒子能量，例如是粒子或等离子体，由此提供表面蚀刻并且在所述第一层的所述表面上诱导产生锚定方向(anchoring direction),C)在所述第一层的所述曝露表面上提供液晶材料层，D)任选聚合所述液晶材料的第二层，其中所述第一层的光轴，或所述第一层的光轴在所述第一层的平面中的投影，与通过粒子束曝露诱导产生的所述第一层的所述表面上的面内锚定方向，或所述第一层的所述表面上锚定方向的投影形成不为0°的角度。第一各向异性层优选为液晶板，经配向的膜和固态化的液晶材料，例如干燥的、玻璃化的(vitrified)或聚合的液晶化合物或混合物，经拉伸、剪切或光配向的聚合物层，或液晶(LC)聚合物的层。本发明还进一步涉及通过上下文描述的方法获得的多层体。本发明还进一步涉及具有多于两层的多层体，其优选通过上下文描述的方法获得，其中额外的层优选通过额外的步骤B)、C)和任选的D)沉积。本发明还进一步涉及上下文描述的多层体作为光学或电光学器件中的光学延迟器或补偿器的用途。本发明还进一步涉及包含上下文描述的多层体的光学或电光学器件。所述光学和电光学器件包括但不限于电光学显示器、液晶显示器(IXD)、偏振器、 补偿器、分束器、反射膜、配向膜、滤色器、全息照相元件、热印箔、彩色图像、装饰性或安全标记、液晶颜料、粘合剂层、非线性光学(NLO)器件和光学信息储存器件。术语和定义术语“粒子束”表示离子、中性粒子、自由基、电子或它们的混合物，例如等离子体的束。以下，术语粒子束将主要用于表示经加速的离子或等离子体的束。 术语“等离子束”或“加速的等离子体束，，表示在辉光放电下和通过电场，通常通过高的阳极电势从放电区域中推出而直接形成的粒子束。术语“离子束”用于表示通常是通过栅格体系由辉光放电提取的离子通量(flux)。 在这种情况中，辉光放电区域和形成的粒子束在空间上是分隔开的。术语“粒子能量”表示各个粒子的动态能量。取决于粒子源，粒子具有窄的或宽的能量分布。对应于能量分布最大值的粒子的能量将称为“主导粒子能量”。在非常窄的能量分布的情况中，每个粒子都具有等于主导能量的能量。术语“经适当加速的粒子/离子/等离子体的束”表示以上限定的具有100-10000eV、优选100_5000eV、非常优选400_1000eV主导能量的加速粒子的束。术语“阳极层源”表示来自Hall源家族的粒子束源，其产生具有宽粒子能量分布的适当加速的等离子体通量，最大粒子能量显著低于IOOOOeV且能量分布的最大值， 即主导粒子能量在最大能量的2/3处。这种源通常用于粒子束蚀刻和溅射沉积。可以在 V. Zhurin, H. Kaufman, R. Robinson, Plasma Sources Sci. Technol.,8, p.1,1999、WO 2004/104862A1和WO 2008/028553A1中找到这种源的构造细节、工作原理和操作参数。术语“非反应性粒子”表示并不与其他粒子反应(或者仅有较弱的反应)的粒子。 具有足够的加速时，这些粒子导致基材的物理蚀刻而不是膜沉积。提供非反应性粒子的气体称作“非反应性”气体。这些气体的实例为稀有气体，例如Ar、Xe、Kr等。术语“液晶”涉及在一些温度范围内(热致液晶)或在溶液中的一些浓度范围内 (溶致液晶)具有液晶介晶相的材料。它们必须包含介晶化合物。术语“介晶化合物”和“液晶化合物”表示包含一种或多种棒状(杆状或板状/条形)或碟状(盘形)介晶基团的化合物。术语“介晶基团”表示具有能够诱导液晶相(或介晶相)行为的能力的基团。包含介晶基团的化合物自身不必必须表现出液晶介晶相。还有可能它们仅在与其他化合物的混合物中或者当介晶化合物或材料、或它们的混合物聚合时才显示液晶介晶相。这包括低分子量非反应性液晶化合物、反应性或可聚合液晶化合物，以及液晶聚合物。棒状介晶基团通常包含由一种或多种相互之间直接或通过连接基团连接的芳香族或非芳香族环状基团组成的介晶核，任选包含附接在介晶核末端的封端基团，并且任选包含一种或多种附接在介晶核长侧上的侧基，其中这些封端基团和侧基通常选自例如碳基 (carbyl)或烃基基团，极性基团如卤素、硝基、羟基等，或者可聚合基团。术语“反应性介晶”表示可聚合介晶或液晶化合物，优选单体化合物。这些化合物可以作为纯化合物使用或作为反应性介晶与其他充当光引发剂、抑制剂、表面活性剂、稳定剂、链转移剂、非可聚合化合物等的化合物的混合物使用。具有一个可聚合基团的可聚合化合物也称作是“单反应性”化合物，具有两个可聚合基团的化合物称作是“双反应性”化合物，和具有多于两个可聚合基团的化合物称作是 “多反应性”化合物。不具有可聚合基团的化合物也称作是“非反应性”化合物。术语“薄膜”表示具有在若干nm到若干μ m范围内的厚度的膜，在液晶或RM的情况中其通常在0. 5到100 μ m的范围内，优选为0. 5到10 μ m。术语“膜”和“层”包括刚性或柔性的、自支撑或无支撑的具有机械稳定性并且在载体基板上或两个基板之间有涂层或层的膜。术语“指向矢”是现有技术已知的且表示液晶或RM分子的长分子轴(在棒状化合物的情况中)或短分子轴(在碟状化合物的情况中)的优先取向方向。在这种各向异性分子的单轴排列的情况中，指向矢为各向异性轴。术语“配向”或“取向”涉及材料，例如小分子或大分子链段在称为“配向方向”的共同方向上的各向异性单元的配向(取向排列)。在液晶或RM材料的配向层的情况中，液晶指向矢与配向方向一致以至于配向方向对应于材料的各向异性轴的方向。术语液晶或RM材料例如在材料的层中的“均一取向”或“均一配向”表示液晶或 RM分子的长分子轴(在棒状化合物的情况中)或短分子轴(在碟状化合物的情况中)基本上在相同的方向上取向。换句话说，液晶指向矢的线是平行的。遍及本申请，除非另有说明，否则液晶或RM层的配向是均一配向。术语“垂面的取向/配向”，例如在液晶或RM材料的层中，其表示液晶或RM分子的长分子轴(在棒状化合物的情况中)或短分子轴(在碟状化合物的情况中)基本上垂直于层的平面取向。术语“平面的取向/配向”，例如在液晶或RM材料的层中，其表示液晶或RM分子的长分子轴(在棒状化合物的情况中)或短分子轴(在碟状化合物的情况中)基本上平行于层的平面取向。术语“倾斜的取向/配向”，例如在液晶或RM材料的层中，其表示液晶或RM分子的长分子轴(在棒状化合物的情况中)或短分子轴(在碟状化合物的情况中)相对于层的平面成0和90°之间的角度θ ( “倾斜角”)取向。术语“斜展的取向/配向”表示一种以上定义的倾斜取向，其中倾斜角在垂直于膜平面的方向上变化，优选从最小值到最大值。平均倾斜角θ ave按照如下定义
权利要求
1.制备由至少一个具有光轴的第一各向异性层和至少一个液晶(LC)材料的第二各向异性层构成的多层体的方法，所述液晶材料任选为液晶聚合物或聚合的液晶材料，所述方法包括以下步骤A)提供具有光轴的第一各向异性层，B)使所述第一层的表面曝露于经适当加速的粒子束，由此在所述第一层的所述表面上提供表面蚀刻并且诱导锚定方向，C)在所述第一层的所述曝露表面上提供液晶材料层，D)任选聚合所述液晶材料的第二层，其中所述第一层的所述光轴在所述第一层的平面内的投影与通过粒子束曝露诱导的所述第一层的所述表面上的面内锚定方向形成角度，其中所述角度不为0°。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于所述第一各向异性层为液晶片，经配向且固态化的液晶材料膜，经拉伸、剪切或光配向的聚合物层，或液晶聚合物层。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于多层体由至少一个聚合的液晶(LC)材料的第一层和至少一个任选为聚合的液晶材料的第二层构成，且该方法包括以下步骤A)提供具有光轴的聚合的液晶材料的第一层，B)使所述第一层的表面曝露于经适当加速的粒子束，由此在所述第一层的所述表面上提供表面蚀刻和诱导锚定方向，C)在所述第一层的所述曝露表面上提供液晶材料的第二层，D)任选聚合所述液晶材料的第二层，其中所述第一层的光轴在第一层的平面内的投影与通过粒子束曝露诱导的所述第一层的所述表面上的锚定方向，或者所述第一层的所述表面上的锚定方向的投影形成不为 0°的角度。
4.根据权利要求1到3中的一项或多项的方法，其特征在于粒子束为等离子或离子的束ο
5.根据权利要求1到4中的一项或多项的方法，其特征在于第一和第二层由棒状液晶或RM组成。
6.根据权利要求1到4中的一项或多项的方法，其特征在于第一和第二层由碟状液晶或RM组成。
7.根据权利要求5或6的方法，其特征在于第一层中的液晶或RM具有平的、倾斜的或斜展的配向。
8.根据权利要求1到7中的一项或多项的方法，其特征在于第二层中的液晶或RM具有平的、倾斜的或斜展的配向。
9.根据权利要求1到8中的一项或多项的方法，其特征在于第一层的光轴或其在层的平面中的投影与第二层的光轴或其在该层的平面中的投影相互之间形成60°到90°的角度。
10.根据权利要求1到9中的一项或多项的方法，其特征在于多层体包含多于两个的层且额外的层通过额外的步骤B)、C)和任选的D)沉积。
11.通过根据权利要求1到10中的一项或多项的方法获得的多层体。
12.根据权利要求11的多层体在光学或电光学器件中作为光学延迟器或补偿器的用途。
13.包含根据权利要求11的多层体的光学或电光学器件。
14.根据权利要求13的器件，其选自由电光学显示器、液晶显示器(LCD)、光学膜、偏振器、补偿器、分束器、反射膜、配向膜、滤色器、全息照相元件、热印箔、彩色图像、装饰性或安全标记、液晶颜料、粘合剂层、非线性光学(NLO)器件和光学信息储存器件组成的组。
全文摘要
本发明涉及一种通过使用粒子束蚀刻技术制备包含两个或更多个具有不同光轴的各向异性层的多层体的方法，通过所述方法获得的多层体，这种多层体作为光学补偿器或延迟器在光学和电光学器件中的用途，以及包含这种多层体的器件。
文档编号G02F1/13363GK102326120SQ201080008958
公开日2012年1月18日 申请日期2010年3月11日 优先权日2009年3月26日
发明者O·L·帕里, O·亚罗修克, R·克拉维库克 申请人:默克专利股份有限公司