一种液晶介质、偏振分离膜及其制备方法与流程

本发明涉及一种液晶介质，特别涉及一种可适用于偏振分离膜的液晶介质。本发明还涉及一种包含所述液晶介质的偏振分离膜及其制备方法。

背景技术：

液晶显示器作为一种被动式发光器件，需要依靠显示屏背面的背光源来照亮屏幕。由于液晶显示器的特殊结构和要求，被有效利用的光线仅为特定偏振方向的光，所以对于传统的背光源，其最终光强的利用率只有原始光强的5％，光利用率低，能耗较高，且易造成显示器发热黑屏等不利影响。

针对这些问题，其中一种解决方法是直接使用可发出特定偏振光的背光源，来达到提高光利用率的效果。在这个方法中，需要使用到一种具有偏振分离作用的膜片，利用偏振相关的全反射、散射、以及与具有光学各向异性层的相互作用，达到出射特定偏振光的目的。而其中这个具有光学各向异性层的材料选择至关重要，一般选择同时具有寻常光和非寻常光两个不同折射率的双折射材料。在现有技术中，一般可通过拉伸聚合物的方法来使聚合物产生双折射性，从而应用在偏振分离膜上，如在“polarizedbacklightbasedonselectivetotalinternalreflectionatmicrogrooves”中提及双折射材料可为聚乙烯对苯二酸酯(pet)和聚乙烯邻苯二甲酸酯(pen)，在us5825543中也描述了拉伸聚合及其制造方法。但是这种技术中，拉伸过程的控制难度较大，且整体均匀性不好，对制造设备要求也较高，从而使得制造成本上升。同时，用pen或pet制作的双折射性材料对温度适应范围较窄，双折射性随温度变化不稳定，从而局限了由其所制造的器件的使用领域。

另一种现有技术中，使用液晶聚合物作为双折射材料，通过将液晶单体聚合形成液晶聚合物，然后将液晶聚合物取向，从而形成具有光学各向异性的双折射层。但是这个技术存在着液晶聚合物取向困难、形成的双折射膜光学性质不均一、偏振分离效果差等缺点。

因此，需要提供一种用于偏振分离膜的液晶介质，其制成的双折射材料温度适应性好，偏振分离效果好，且制作工艺简单，可适用于大规模生产的目的。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种可适用于偏振分离膜、具有大的相变温度范围、好的光学各向异性的液晶介质，所述液晶介质制成的双折射材料温度适应性好、偏振分离效果好、制作工艺简单、可适用于大规模生产。本发明的另一目的在于提供一种包含所述液晶介质的偏振分离膜及其制备方法。

本发明的技术方案：

本发明的一个方面提供一种可应用于偏振分离膜的液晶介质，所述液晶介质包含：

第一组分，所述第一组分选自由至少一种选自通式i的化合物组成的组，

p1-r1-mg-r2-p2i；以及

可选的第二组分，所述第二组分选自由至少一种聚合引发剂组成的组，

其中，

p1和p2各自独立地表示可聚合基团或-ch3，且p1和p2中至少一个为可聚合基团；

r1和r2各自独立地表示c原子数为1-18的烷基，其中所述烷基中的一个或多个h可以被f或cl取代，所述烷基中的一个或多个不相邻的-ch2-可以各自独立地被-o-、-s-、-nh-、-co-、-coo-、-oco-、-ocoo-、-sco-、-cos-、-ch＝ch-、-ch＝cf-、-cf＝cf-、-c≡c-或-ch(cn)-替代，所述替代的方式不包含两个-o-彼此相邻、或两个选自-oco-、-sco-、-ocoo-、-cos-、-coo-和-ch＝ch-组成的组的基团彼此相邻；

mg表示液晶基元。

在一些实施方案中，r1和r2各自独立地表示c原子数为1-18的烷基，其中所述烷基中的一个或多个不相邻的-ch2-可以各自独立地被-o-、-s-、-nh-、-co-、-coo-、-oco-、-ocoo-、-sco-、-cos-、-ch＝ch-、-ch＝cf-、-cf＝cf-、-c≡c-或-ch(cn)-替代，所述替代的方式不包含两个-o-彼此相邻、或两个选自-oco-、-sco-、-ocoo-、-cos-、-coo-和-ch＝ch-组成的组的基团彼此相邻。

在优选实施方案中，所述液晶介质还包括第三组分，所述第三组分选自由至少一种阻聚剂组成的组。

在优选实施方案中，所述液晶基元选自由通式ii的液晶基元和/或通式iii的液晶基元组成的组：

-h1-b1-h2-b2-h3-ii；

其中，

h1、h2、h3、h4和h6各自独立地表示环状结构，所述环状结构选自由组成的组；其中所述环状结构一个或多个h可以各自独立地被f、cl、ch3或ch2ch3取代；

h5表示不饱和环状结构，所述不饱和环状结构选自组成的组；

b1和b2各自独立地表示-coo-、-oco-、-ocoo-、-och2-、-ch2o-、-cf2o-、-(ch2)2-、-c≡c-、-ch＝ch-、-cf2cf2-或-cf＝cf-；

m为0、1或2。

在优选实施方案中，所述可聚合基团为ch2＝c(r3)-coo-，其中r3为ch3、ch2ch3或h。

在一些实施方案中，所述通式i的化合物优选自如下化合物组成的组：

在一些实施方案中，所述通式i的化合物进一步优选自式i-1、式i-2、式i-4以及式i-23组成的组。

在一些优选实施方案中，所述聚合引发剂为自由基引发剂，如光引发剂184光引发剂907tpo(2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦)等。

在一些优选实施方案中，所述第二组分的质量百分比不大于5％。

在一些优选实施方案中，所述第三组分可为等。

在一些优选实施方案中，所述第三组分的质量百分比不大于5％。优选地，所述第三组分的质量百分比不大于2％。

在一些优选实施方案中，所述液晶介质的光学各向异性δn大于0.1。优选地，所述液晶介质的光学各向异性δn大于0.15。

本发明另一方面提供了包含所述液晶介质的偏振分离膜，所述偏振分离膜包括：基层，所述基层配置有入光面和出光面，所述出光面具有平行排列的微型结构；以及双折射层，所述双折射层的表面与所述基层的所述出光面无缝紧密结合，所述双折射层由所述液晶介质聚合形成，所述双折射层的光轴方向基本上平行于所述微型结构的长轴方向，其中，从所述入光面进入所述偏振分离膜的自然光可实现偏振分离，出射具有所需偏振方向的偏振光。

在一些优选实施方案中，所述偏振分离膜的偏振对比度大于3。

本发明另一方面提供了一种制备所述偏振分离膜的方法，所述方法包括：在基板形成配向层；在所述配向层上涂覆本发明上述所提供的液晶介质，形成液晶态双折射层；将所述液晶态双折射层与所述基层贴合；对所述液晶态双折射层中的所述液晶介质进行配向；对所述液晶态双折射层进行聚合固化；以及移除所述基板和所述配向层。

有益效果：

本发明提供了一种可聚合的液晶介质，由于所述液晶介质相变温度范围大，光学各向异性好，由所述液晶介质制成的双折射材料温度适应性好，偏振分离效果好，可应用在偏振分离膜中，同时其制作工艺简单，良品率高，可适用于大规模生产。

附图说明

通过参照对本发明的实施方案的图示说明可以更好地理解本发明，其中：

图1是根据本发明实施方案所制备的偏振分离膜的机构及工作原理示意图；

图2是根据本发明实施方案的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

在以下的描述中，为了达到解释说明的目的以对本发明有一个全面的认识，阐述了大量的具体细节，然而，很明显的，对本领域技术人员而言，无需这些具体细节也可以实现本发明。所举的说明性的示例实施方案仅为了说明，并不对本发明造成限制。因此，本发明的保护范围并不受上述具体实施方案所限，仅以权利要求书的范围为准。

在实施例中，先将三种组分以不同的比例在加热的情况下混合均匀，形成液晶介质，用以偏振分离膜的制备。如图1所示，偏振分离膜包括基层10和双折射层20，在基层10与双折射层20紧密结合的表面具有平行排列的微型结构。微型结构的横截面可如图1所示为等腰三角形，也可以是不对称的三角形，此外，还可以是顶部为弧形的三角形、折线多边形、弧形或其他形状的凹凸结构。双折射层20由液晶介质聚合形成，其具有寻常光折射率no和非寻常光折射率ne，且ne大于no。双折射层20的光轴方向基本上平行于基层20表面的微型结构的长轴方向，这样双折射层20的折射率差δn(即光学各向异性)在与延伸方向正交的方向为最大，从而提高偏振分离的效率。在优选的实施方案中，双折射层20中液晶介质的非寻常光折射率ne和寻常光折射率no之差δn(即光学各向异性)大于0.1。基层10由各向同性的均匀介质组成，其折射率与双折射层20的寻常光折射率no基本上一致。由于双折射层20的存在，使得s-偏振的光和p-偏振的光在双折射层20内部具有不同的光路。例如，对于s-偏振的光线11，在微型结构与双折射层20的界面处存在全反射，经全反射后的光线角度进入出射的角度范围，从偏振分离膜表面射出。对于p-偏振的光线12，由于其在基层10与双折射层20中的折射率基本上一致，在其界面不存在全反射，可保持原来的方向继续以波导的形式传播，在双折射层20与空气的界面处发生全反射，从而不会从偏振分离膜的表面射出，从而实现偏振分离的特性，选择性地出射s-偏振的光。以波导形式传播的p-偏振的光在传播过程中经过散射或旋光等，部分转化为s-偏振的光，从而可被再次改变传播方向，从上表面出射。

如图2所示，偏振分离膜的制备方法包括以下几个步骤：先在基板40上形成配向层30，形成方式包括摩擦取向、光控取向技术、倾斜蒸镀法、lb膜技术等。基板40可包括硬质材料(如光学玻璃)，也可包括柔性基材(如pet)等。配向层30的材料可为聚酰亚胺。接着，在配向层30上涂覆液晶态的液晶介质，形成液晶态的双折射层20。然后，借助具有压合功能的器件将基层10与液晶态的双折射层20进行贴合。贴合时，可使基层10位于双折射层20的上方，在基层10上表面逐渐加压，使基层10具有微型结构的表面完成与液晶态的双折射层20无缝接触，且基层10表面的微型结构完全陷入液晶态的双折射层20中。贴合完成后，将整体结构在一定温度下放置一段时间，使液晶态的双折射层20中的液晶介质的分子按照配向层30预设方向，也就是微型结构的长轴方向排列。在配向过程中，基板40需要位于最下方，从而利用重力提高液晶配向的效率。配向之后，对液晶态的双折射层20进行聚合固化，聚合固化方式包括光聚合、热聚合及辐射聚合，使其与基层10成为一体。最后，移除基板40和配向层30，获得由基层10和双折射层20构成的偏振分离膜。

在下列实施例中，一般步骤是先按照比例混合相应的第一组分、第二组分或第三组分，形成特定液晶介质，其中部分实施例分别用常规方法(阿贝折射仪，589nm，25℃)测定液晶介质的寻常光折射率no和非寻常光折射率ne，计算其δn，同时测定其相变温度(即，清亮点)；然后按照上面的步骤制作偏振分离膜，其中基层10的厚度为50毫米，双折射层20的厚度为20毫米，基层10表面的微型结构为如图1所示的棱镜结构，棱镜间距为25毫米，棱镜高度为8毫米；制作完成后，对偏振分离膜的偏振对比度进行测试，具体操作是在偏振分离膜入光面设置一光源，在偏振分离膜出光面设置一偏光片，然后用光通量计测量通过偏光片的不同偏振光线的光强，从而计算s-偏振的光强和p-偏振的光强的比例(偏振对比度)，测定液晶介质的光学性能。

在以下的实施例中所采用的各成分，均可以通过公知的方法进行合成，或者通过商业途径获得。这些合成技术是常规的，所得到各液晶化合物经测试符合电子类化合物标准。

实施例1

其中，液晶介质的δn为0.191，其中no为1.51，与常用的导光板材料(如pmma)的np相匹配。液晶介质的清亮点温度为131℃，其作为双折射层介质的工作温度范围大于pet的玻璃化转变温度70℃和pen的玻璃化转变温度120℃。偏振分离膜的偏振对比度为6.5:1。

实施例2

其中，液晶介质的δn为0.191。偏振分离膜的偏振对比度为6:1。

实施例3

其中，液晶介质的δn为0.151，清亮点温度为130℃。偏振分离膜的偏振对比度为6.5:1。

实施例4

其中，液晶介质的δn为0.189。偏振分离膜的偏振对比度为5:1。

实施例5

其中，偏振分离膜的偏振对比度为5:1。

实施例6

其中，偏振分离膜的偏振对比度为4.5:1。

实施例7

其中，偏振分离膜的偏振对比度为6:1。

实施例8

其中，偏振分离膜的偏振对比度为7:1。

通过以上实施例，可知本发明的液晶介质相变温度范围大，光学各向异性好，所以由其制成的双折偏振分离膜温度适应性好，偏振分离效果好，同时其制作工艺简单，良品率高，可适用于大规模生产。

尽管已经在上面以细节描述了数个示例性实施方案，但是所公开的实施方案仅是示例性而非限制性的，并且本领域技术人员将容易意识到，在示例性实施方案中很多其他修改、改动和/或替换是可能的，而不实质偏离本公开的新颖性教导和优点。因此，所有这些修改、改动和/或替换意图被包括在如所附权利要求书所限定的本公开的范围内。