一种基于掩模曝光法的大面积液晶区域定向方法及其系统与流程

本发明属于光调制技术领域，具体涉及一种基于掩模曝光法的大面积液晶区域定向方法及掩模曝光系统，其适用于微加工技术和基于液晶的光调制方法。

背景技术：

源于从家庭电器中的液晶电视到社会环境的公共信息服务等多样化市场需求，液晶显示器(lcd)产业不断更新换代。随着互联网的发展，全球市场对液晶面板的需求日益增长，据悉自lcd取代传统阴极射线管(crt)非平板显示器装置以来，全球液晶面板市场生产规模在2009年突破1000亿美元，2018年韩国、日本、中国大陆及中国台湾四地液晶面板产能近3亿平方米。

液晶分子的排列定向技术不仅是制作液晶显示器(lcd)的关键技术，也是液晶物理研究的主要课题。制造液晶显示器的一个基本要求是利用基板表面对液晶要进行定向。在形成液晶盒之前，要把液晶分子放置于可以进行定向的基板表面上。常见生产定向表面的方法是摩擦取向技术，即在基板表面涂覆一层薄膜，如聚酰亚胺膜，然后用天鹅绒布单方向摩擦该薄膜，从而使聚酰亚胺表面在摩擦方向上形成一系列微槽。这样，当处于无序状态的液晶分子与该表面接触时，液晶分子指向矢会沿着沟槽的方向重新取向，实现液晶分子统一取向的目的。

摩擦取向技术虽然是液晶显示器工业中最成熟、最可靠、应用最广泛的取向技术，但无论是在实践上还是理论上都仍然存在一些问题，如工业尘埃、静电危害、能耗高、不经济等，从而降低了液晶显示器的成品率。尤其是，摩擦取向技术仅适用于液晶的大面积均匀取向，不适用于液晶的区域定向，即不同区域液晶的取向方向不同。针对摩擦法存在的局限性，近年来，人们对非摩擦技术展开了深入研究，如采用剥离膜的方法来控制液晶分子的取向、倾斜蒸镀使液晶配向排列等。虽然非摩擦技术的研究取得了一定的进展，但目前这些研究都还未实现工业化或正在实现工业化。此外，针对特殊应用，如用于矢量光场产生的q波片，需要制备液晶的非均匀取向分布。基于液晶显示市场深远的发展前景和特殊应用，我们需要更能迅速适应大规模工业生产的液晶定向技术。

专利us19780970496是ibm公司提出的电浆束取向技术，可形成均一、有序的取向膜。专利jp2002022855是jsr株式会社提出的一种液晶光取向剂，通过光取向法可以得到具有表面限制力和预倾斜角表现稳定的取向膜。ep99923775是罗利克公司于1999年提出将含可交联的液晶单体或预聚物和可光取向的单体或低聚物或聚合物混合，该混合物既能取向也能交联形成液晶聚合物，因此，该混合物一方面可用作各向异性层，另一方面又可被敷成薄层作为取向层，经线偏振光照射时能沿着最佳的方向取向，从而可诱导液晶重新排列。全球多个国家和地区的企业都在积极展开液晶取向技术的研究，说明该技术方向在推动液晶产业进步中占据核心地位，有巨大的发展潜力。

授予本申请的发明人张心正等人的专利cn103995394提出了一种基于激光直写的微纳区域液晶定向方法，属于非接触式、高精度、可灵活控制的对液晶进行定向的加工方式，不需要特定的光诱导取向膜和繁杂的加工过程，但该方法主要适用于平方厘米量级及以下的小面积液晶区域定向，并且需要复杂的加工系统等缺点。针对大面积液晶面外区域定向的目的，在现有的液晶工业技术及研究中，一直采用机械方法在基板表面形成定向层来诱导液晶定向。但机械定向方法中的本征缺陷和外来物污染一直是影响定向强度和均匀性的关键因素。发展高质量大面积的液晶面外区域定向方法，一直是尚待攻克的难题。

技术实现要素：

基于上述技术难题，为了实现高质量大面积液晶区域定向，本发明针对现有技术的不足，经过设计和研究，提供了一种基于掩模曝光法的大面积液晶面外区域定向方法及掩模曝光系统。

依据本发明的第一方面，提供一种基于掩模曝光法的大面积液晶面外区域定向方法，所述定向方法通过掩模板曝光法构建聚合物微结构，在聚合物微结构中不同区域内实现液晶分子自定向；所述大面积相比较微纳区域结构尺寸可达到1cm*1cm及以上，其具体包括以下步骤：

步骤1、准备具有任何几何形状图案的振幅型掩模板，所述图案与液晶分布区域一致或互补；

步骤2、准备掩模曝光法需要的样品，所述样品为基底材料及其上涂覆的光刻胶，所述光刻胶为负性光刻胶或正性光刻胶；

步骤3、利用掩模曝光法使用掩模板对样品进行曝光；

步骤4、对曝光后的样品进行后处理得到聚合物微结构，当步骤2所述光刻胶为负性胶时，通过后处理去除未曝光的光刻胶，得到和步骤1所述图案一致的聚合物微结构；当步骤2所述光刻胶为正性胶时，通过后处理去除曝光部分的光刻胶，得到和步骤1所述图案互补的聚合物微结构；所述聚合物微结构是由光刻胶构成的一维结构、二维结构或三维结构，且聚合物的高度大于2.0微米；

步骤5、向构建的聚合物微结构中注入液晶，使液晶分子形成自发定向。

其中，所述掩模曝光法基于紫外单光子曝光技术或红外飞秒激光双光子曝光技术。

优选地，所述聚合物侧壁上的精细结构为单束入射光形成。

优选地，液晶为向列型液晶、胆甾型液晶等可定向的液晶材料。

依据本发明的第二方面，提供一种用于基于掩模曝光法的大面积液晶面外区域定向的掩模曝光系统，其包括光源发生系统和光束参数调整系统；光源发生系统发出的光束经光束参数调整系统调整至微结构加工所需的光束。

优选地，光源发生系统为可激发材料光化学反应的光束产生系统。

进一步地，光束参数调整系统为保证光化学反应有效产生，而对光束直径、功率等参数进行调整的光学器件系统。

相比较于现有技术，本发明的一种基于掩模曝光法的大面积液晶区域定向方法操作简单，诱导液晶定向的精细结构由加工微纳结构的单束直写光直接作用而生成，与聚合物微结构的加工同时形成。

进一步，使用本发明的定向方法，所述聚合物微结构由不同区域组成，每个区域的特征尺寸在几十微米量级，且每个区域内的液晶取向方向均匀分布。所述聚合物微结构尺寸小到几十微米量级，大到分米量级，可满足大面积加工要求，并且可以随意调整样品的加工范围和结构设计，从而控制液晶分子取向以达到复杂甚至任意定向的目的。

相比较现有技术，使用本发明加工形成的微结构，不需要额外引入用于液晶定向的诱导膜，也不需要使用机械加工或其它诸如光诱导的方向对诱导膜进行后处理，可以让液晶分子直接接触基板以实现灵敏的光或电的调控，有利于各种微调控光子学器件的开发和广泛的推广应用。

附图说明

图1为依据本发明的一维大面积液晶区域定向示意图；

图2为依据本发明的掩模曝光系统的光路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例图中的设计方案，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体实验方法或具体参数。

本发明实现了微米量级区域内液晶分子的稳定定向，这是完成液晶分子大面积区域定向和调控的前提，也是实现基于液晶的微纳光子学器件的关键技术。使用本发明的技术，即基于掩模曝光法能够构建任意一维、二维或三维微结构，在此微结构内注入液晶所形成的光子学液晶器件将能实现大面积区域的光场调控。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种基于掩模曝光法的大面积液晶面外区域定向方法及系统，本发明通过掩模曝光系统构建聚合物微结构；聚合物微结构区域内的液晶分子可实现自定向：所述聚合物微结构尺寸最小可达到几十微米量级，最大可达到分米量级。

本发明所提供的一种基于掩模曝光法的大面积液晶区域定向方法，其通过紫外单光子或红外多光子曝光得到掩模板设计的图案结构；所形成聚合物微结构区域内的液晶分子依靠聚合物侧壁上的精细结构实现液晶的自定向。

本发明的一种基于掩模曝光法的大面积液晶区域定向方法操作简单，诱导液晶定向的精细结构由加工微纳结构的单束直写光直接作用而生成，与聚合物微结构的加工同时形成。所述聚合物微结构由不同区域组成，每个区域的特征尺寸在几十微米量级，且每个区域内的液晶取向方向均匀分布。

本发明方法的实质是利用掩模板对光刻胶材料进行曝光得到和掩模板图案设计一致或互补的微结构。因为使用掩模板，所以可以灵活地设计任意几何形状的微结构。

本发明基于光刻胶与基底的折射率存在差别，因此光刻胶与基底的界面所产生的反射光能和入射光干涉形成稳定的驻波，重塑被曝光的光刻胶区域外侧的形貌，从而产生如图1所示的精细结构。此精细结构能对注入结构中的液晶分子产生诱导定向，从而不再需要额外的定向技术；定向后分子方向垂直于波矢方向而平行于精细结构的方向。

本发明提供的基于掩模曝光法的大面积液晶面外区域定向方法具体包括以下步骤：

步骤一、准备具有一定几何形状图案的振幅型掩模板；

步骤二、准备掩模曝光法需要的样品，所述样品为基底材料及其上涂覆的光刻胶；

步骤三、利用掩模曝光法使用掩模板在光刻胶中构建掩模板设计的图案结构；

步骤四、对曝光后的样品进行后处理，得到聚合物微结构；

步骤五、向构建的聚合物微结构中注入液晶，使液晶分子形成自发定向。

同时，本发明提供一种基于掩模曝光的大面积液晶区域定向方法的掩模曝光系统，其包括光源发生系统和光束参数调整系统；光源发生系统发出的光束经光束参数调整系统调整至微结构加工所需的光束。其中，光源发生系统为可激发材料光化学反应的光束产生系统；光束参数调整系统为保证光化学反应有效产生，而对光束直径、功率等参数进行调整的光学器件系统。

尤其需要说明的是，本掩模曝光系统优选紫外激光掩模曝光系统。本发明中所使用的光源发生系统，优选为紫外激光器；本紫外激光掩模曝光系统所提供的光束参数调整系统具体包括以下光学元件部分，首先出射的激光光束通过半波片和格兰泰勒棱镜调节输出的加工功率，然后通过一组凹、凸透镜元件组合实现光束直径、光束准直的调节；经过光束参数调整系统后的加工光束最终照射在掩模板上作用于聚合物材料表面，样品放置于透镜后一倍至二倍焦距可调距离范围内，使激光光束能完全覆盖掩模板的设计图案并且透过掩模板设计图案处垂直入射至聚合物材料表面。

经过多次试验得知，加工样品依性质不同，可进行预聚合等处理后，放在加工系统中进行微结构的加工；加工后再进行固化、漂洗、封装等后续处理；灌注液晶，形成可应用器件。

下面通过具体实施例对本发明做进一步说明。

优选实施例一：

最初，准备具有一维栅型结构图案的掩模板，其图案设计面积为2cm*2cm；其次在经清洗处理后的玻璃基底上涂覆可聚合有机物su-8光刻胶，经过甩胶、预聚合处理得到表面平整、厚度为10μm左右的聚合物材料样品；接着采用波长360nm、光斑半径为1.5mm的紫外激光器为光源发生系统，由激光器出射的紫外光束接下来经过光束参数调整系统，先经过格兰泰勒棱镜和半波片，通过旋转半波片的角度调整激光加工功率，使光束功率在样品加工处测量为40μw，然后经过一组凹、凸透镜组合，通过改变、调整透镜焦距和之间的放置距离，实现激光光束的扩束和准直，最终形成直径大于100mm的均匀光束垂直照射在样品固定位置处；经过光束参数调整系统后的紫外光束照射在掩模板上，然后光束通过掩模板设计图案的可透光部分作用于聚合物材料样品表面上，具体紫外掩模曝光加工系统光路如图2所示。经过510s紫外曝光后的样品取下掩模板，对聚合物材料样品进行显影和清洗后，在聚合物材料中得到与掩模板图案设计一致的规则一维栅型结构。后续在液晶的清亮点温度以上向此一维栅型聚合物结构内注入各向同性状态的e7向列型液晶，并缓慢降温到室温；因为光刻胶与玻璃基底的折射率存在差别，入射光与反射光在光刻胶曝光处干涉产生驻波效应，使掩模曝光加工后的微结构外侧形成精细结构，此精细结构对注入微结构的液晶分子产生诱导作用，从而使液晶分子被定向，其分子指向矢垂直于波矢方向而平行于精细结构方向，最终在偏光显微镜下观察液晶定向效果极佳，其示意图如图1所示。

有益技术效果：本发明的一种基于掩模曝光法的大面积液晶区域定向方法及其系统，不需要制备诱导膜即可实现大面积范围内不同区域的液晶分子自定向；并且基于掩模曝光法的大面积液晶区域定向方法及其系统操作简单、具有通用性，适合在实验室的条件下，制作基于液晶微型器件的无诱导膜自定向。

进一步地，本发明提供的一种基于掩模曝光法的大面积液晶区域定向方法及其系统，可实现面积在平方厘米量级以上的大面积液晶的区域定向，同时实现了液晶定向畴的微纳化，有利于微纳光子学调控的实施，以及工厂实际应用的转化。

进一步地，所述聚合物微结构由不同区域组成，每个区域的特征尺寸在几十微米量级，且每个区域内的液晶取向方向均匀分布。

进一步地，所述液晶分子为向列型、胆甾型等可定向液晶材料。所述光刻胶为正性光刻胶或负性光刻胶。在本发明中，使用光源为紫外激光器，但不限于此类激光器。

在上述的一种基于掩模曝光法的大面积液晶区域定向方法及掩模曝光系统中，使用掩模曝光系统构建聚合物微结构；聚合物微结构可由不同区域构成，每个区域的特征尺寸在几十微米量级，且区域内的液晶定向均匀；聚合物微结构的总体尺寸可从几十平方微米量级到平方分米量级，从而满足大面积加工要求，并且可以随意调整加工面积和结构设计。本发明方法及系统操作简单，不需要提前使用机械或光诱导的方式在基板上形成定向诱导膜，能够在微米量级区域实现液晶的自定向，即同时液晶的定向方向由微纳精细结构决定，且可以进行面内任意方向的复杂定向，定向方向可以微区域调控，有利于液晶器件的微型化和三维的液晶结构定向，有利于基于液晶的光子学器件的微型化和广泛的推广应用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。