專利名稱：光學(xué)各向異性體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)各向異性體，如補償膜、偏振片或微透鏡陣列。
在美國華盛頓特區(qū)美國化學(xué)協(xié)會的Reza Arshady編輯的“Functional Polymers-Synthesis and Applications”第3.3章中，D J Broer在“Monodomain Liquid-Crystalline Networks byIn-Situ Polymerisation”中描述了光學(xué)各向異性膜及這種膜的制造方法。通常，首先將可聚合LC材料的薄膜預(yù)取向，之后通過用UV光照射而聚合?？赏ㄟ^諸如在經(jīng)過摩擦的取向?qū)?例如經(jīng)過摩擦的聚酰亞胺層)上涂覆可聚合LC材料的單一表面誘導(dǎo)取向，或者通過結(jié)合使用經(jīng)過摩擦的取向?qū)优c施加均勻電場，實現(xiàn)預(yù)取向。
Broer所披露的光學(xué)各向異性膜及該薄膜的制造方法的缺點在于，僅能獲得有限種類的光學(xué)各向異性膜和相對簡單的光學(xué)各向異性圖案。
本發(fā)明的一個目的在于擴展光學(xué)各向異性體的范圍，特別是提供具有相對復(fù)雜的二維或三維光學(xué)各向異性圖案的光學(xué)各向異性體，并提供易于制造其的一種方法。
用可通過以下方法獲得的光學(xué)各向異性體實現(xiàn)所述目的，所述方法包括提供包括可聚合電光和/或磁光材料的本體，所述材料能對電場和/或磁場作出響應(yīng)而處于光學(xué)各向異性狀態(tài)，使可聚合電光和/磁光材料受非均勻電場和/或磁場的作用，在電光和/或磁光材料內(nèi)按照所需的圖案形成電場力和/或磁場力線，電場力和/或磁場力線具有足以將所述材料取向并使所述材料處于與非均勻電場和/或磁場相當(dāng)?shù)乃韫鈱W(xué)各向異性狀態(tài)的強度，并且將處于所述光學(xué)各向異性狀態(tài)的材料聚合，形成具有良好定義和復(fù)雜的光學(xué)各向異性圖案的光學(xué)各向異性體。
電光和/或磁光材料內(nèi)的所需(分子)圖案誘導(dǎo)諸如折射率之類的光學(xué)性質(zhì)的所需圖案。
所述本體優(yōu)選為片形、板形、膜形或涂層形式?？色@得的光學(xué)各向異性體例如有補償膜、偏振片和微透鏡陣列。
可聚合電光和/或磁光材料優(yōu)選包括至少一種可聚合液晶(LC)單體，如((6-(丙烯酰氧基)-己基)氧基)-4-((4-((6-(丙烯酰氧基)己基)氧基)-苯甲?；?氧基)苯甲酰基)氧基)苯。
可使用不同LC單體的混合物，以及一種或多種LC單體與非活性液晶的混合物。
此外，一種或多種LC單體可以與第二非LC單體混合使用或者單獨使用。
包括可聚合材料的本體優(yōu)選設(shè)置在諸如摩擦聚酰亞胺層的取向?qū)由?，產(chǎn)生表面誘導(dǎo)取向。
優(yōu)選使用多個間隔電極和/或磁極，或者至少一個結(jié)構(gòu)化電極對和/或磁極對來施加非均勻電場和/或磁場。
還可以將多個間隔電極和/或磁極結(jié)構(gòu)化。
優(yōu)選將多個間隔電極和/或磁極設(shè)置在本體的一側(cè)。
優(yōu)選用于施加所述非均勻電場和/或磁場的一個或多個電極和/或磁極是本體的一部分。
更優(yōu)選將多個間隔電極和/或磁極設(shè)置在本體的一側(cè)。
光學(xué)各向異性體可以為偏振片、補償膜、例如在LCD中用作準(zhǔn)直器的微透鏡陣列，或者用于諸如顯示裝置如LCD的光學(xué)裝置中的任何其他光學(xué)部件。
通過下面所述的實施方式本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點是顯而易見的。


圖1示意地表示根據(jù)本發(fā)明實施方案可用于獲得光學(xué)各向異性體的第一種電極結(jié)構(gòu)。
圖2示意地表示根據(jù)本發(fā)明實施方案可用于獲得光學(xué)各向異性體的第二種電極結(jié)構(gòu)。
圖3示意地表示根據(jù)本發(fā)明實施方案可用于獲得光學(xué)各向異性體的第三種電極結(jié)構(gòu)。
首先，應(yīng)當(dāng)注意在下面所述的所有實施方案中，可用磁極取代電極，或者可結(jié)合使用磁極與電極。
圖1表示根據(jù)本發(fā)明一個實施方案可用于獲得光學(xué)各向異性體的一種配置(未按比例)，以制造例如具有傾斜指向矢(如下所述)的帶有圖案的補償膜。
如圖1中所示，將可光聚合LC材料的片狀體1放置于上面設(shè)有多個間隔透明電極2(例如ITO(氧化銦錫)電極)的玻璃板3之間?？扇芜x地將薄介電涂層4放置在本體1與電極2之間。
此處所使用的術(shù)語“多個電極”分別指的是多個間隔的陽極和陰極。陽極和陰極可分別通過例如非導(dǎo)電材料間隔開。
本體1包括面對電極2的表面。陽極(-)和陰極(+)設(shè)置在本體1的兩側(cè)。設(shè)置在本體1同一側(cè)的電極2之間的距離等于或小于設(shè)置在本體1相對側(cè)的電極2之間的間隙。
這些電極2產(chǎn)生非均勻的空間調(diào)制電場，包括與平行于本體1面對電極的表面的平面不相垂直的非平行、彎曲的等電位場力線5。如果電場足夠強，則使材料體中的液晶分子垂直于這些等電位線5取向。如現(xiàn)有技術(shù)中所述，等電位場力線與表示電場方向的場力線(稱作場力線)垂直。從而，LC指向矢將沿這些(非等電位)場力線取向。
此處所使用的術(shù)語“非均勻電場和/或磁場”表示包括非平行和/或非直線(彎曲的)場力線的空間調(diào)制場。不過，非均勻場也包括某些彼此平行的場力線和/或某些直線形場力線。
當(dāng)處于液晶狀態(tài)時，LC分子的長程取向序使材料處于光學(xué)各向異性狀態(tài)。與這種取向序有關(guān)的是表示材料內(nèi)分子取向方向的指向矢量(也稱作指向矢)，這些指向矢的集合形成矢量場。當(dāng)可聚合材料受到電(和/或磁)場作用時，使材料處于具有所需指向矢場的所需介晶狀態(tài)。
處于介晶狀態(tài)的LC材料的光學(xué)性質(zhì)如其折射率，由該狀態(tài)下有序的類型和程度決定。
從而，所施加的非均勻空間調(diào)制電場產(chǎn)生與上述施加場一致的包括具有傾斜指向矢的LC分子的所需分子圖案。良好定義的分子圖案將產(chǎn)生所需光學(xué)性質(zhì)，使薄膜適用作補償膜。
此處所使用的“傾斜指向矢”指的是與平行于本體面對電極(和/或磁極)的表面的平面既不平行也不垂直(90°)的指向矢。
當(dāng)獲得所需圖案后，將材料聚合，同時保持電場并從而保持所產(chǎn)生的圖案。通過用UV光照射實現(xiàn)聚合。UV光影響LC材料中的光引發(fā)劑，而在UV光的影響下光引發(fā)劑使LC材料產(chǎn)生自由基聚合。在聚合過程中，將所產(chǎn)生的LC分子的取向固定下來。
在完全聚合后，去除電壓，獲得具有永久光學(xué)性質(zhì)的帶有圖案的補償膜。具有與所施加場一致的所需分子圖案的補償膜包括顯示出傾斜指向矢的液晶。
如現(xiàn)有技術(shù)中已知的，補償膜也稱作延遲膜或延遲片，可以設(shè)置在LC層與外偏振片之間，以便使LC顯示器的角度依賴性減小。補償膜使偏振態(tài)產(chǎn)生附加改變(僅次于LC層所產(chǎn)生的偏振態(tài)改變)，抵消LC層的效果。從而，補償膜改變傾斜穿過的光的偏振態(tài)，使其受到與垂直穿過的光相同的總雙折射。該補償膜是雙折射和各向異性與LC層相反的靜態(tài)層。通過使用補償膜，可改善傾斜視角下的對比度。
可獲得具有多種復(fù)雜和良好定義的分子圖案的光學(xué)體，特別是補償膜。對于每種具體應(yīng)用，如本領(lǐng)域中已知的，采用該圖案產(chǎn)生與所述用途有關(guān)的所需光學(xué)性質(zhì)。
優(yōu)選將補償膜構(gòu)圖，即補償膜可包括多疇。圖案由光軸方向不同的不同區(qū)域組成，其中光軸可處于層平面內(nèi)(不同方位角)或者平面外(不同傾斜角)，每個區(qū)域具有可抵消相鄰LC層雙折射的雙折射。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明實施方案可用于獲得光學(xué)各向異性體的裝置(未按照比例)，以生產(chǎn)微透鏡或微透鏡陣列。
將光聚合LC材料的片狀體6放置于多個結(jié)構(gòu)化透明電極7與8(例如ITO電極)之間，每對電極包括一個大底部電極7和一個小頂部電極8(圖2中僅表示出多個電極對中的一個)。陽極(-)設(shè)置在本體的一側(cè)，陰極(+)設(shè)置在相對一側(cè)。介電片8如玻璃設(shè)置在本體6與電極7和8之間?；蛘撸梢詫㈦姌O設(shè)置在玻璃板面對片狀體的一側(cè)。
此處所使用的術(shù)語“結(jié)構(gòu)化電極”指的是，具有不同大小的電極表面的電極對。結(jié)構(gòu)化電極的實例為(i)一個電極板上具有狹縫和/或另一電極板上具有突起的電極對，(ii)包括一個大電極和一個小電極的電極對，和(iii)包括一個具有空腔的電極和一個不具有空腔的電極的電極對。
圖2中所示的本體6包括面向電極7和8的表面。電極7和8產(chǎn)生非均勻的空間調(diào)制電場，該電場包括與本體6的所述表面不垂直的非平行、彎曲的電力線10。液晶將沿這些電力線10指向，產(chǎn)生按照電力線10的折射率分布，從而產(chǎn)生具有透鏡行為的薄膜。液晶取向的曲率隨所施加電壓而定，引導(dǎo)入射光波以便改變焦點。從而，可通過所施加的電壓調(diào)節(jié)焦距。
當(dāng)獲得所希望的圖案后，如上所述將材料聚合，同時保持電場并從而保持產(chǎn)生的圖案。
獲得薄膜形的具有永久光學(xué)性質(zhì)的微透鏡陣列。該微透鏡陣列包括顯示出傾斜指向矢的液晶。
微透鏡陣列可例如用作液晶顯示器(LCD)中用于光準(zhǔn)直的準(zhǔn)直器。不過，如現(xiàn)有技術(shù)中已知的，微透鏡陣列用在機械視覺和光子學(xué)多種應(yīng)用中。
圖3中表示出根據(jù)本發(fā)明用于制造微透鏡或微透鏡陣列的另一種電極配置(未按比例)。圖3中所示的結(jié)構(gòu)化透明電極對(例如ITO電極)包括一個具有空腔的電極11，和一個不具有空腔的電極12。為了制造微透鏡陣列，可利用如圖3中所示的數(shù)對電極。
根據(jù)本發(fā)明實施方案可用于獲得光學(xué)各向異性體的另一種電極配置包括僅設(shè)置在本體一側(cè)的多個間隔電極(陽極和陰極)。這種電極通常用于平面內(nèi)切換的LCD中。這些電極也可以是結(jié)構(gòu)化的。
在所有上述實施方案中，包括所述可聚合材料的本體優(yōu)選設(shè)置在諸如摩擦聚酰亞胺層的取向?qū)由希a(chǎn)生表面誘導(dǎo)的分子取向。
可聚合電光和/或磁光材料優(yōu)選包括至少一種可聚合液晶(LC)單體，如((6-(丙烯酰氧基)-己基)氧基)-4-((4-((6-(丙烯酰氧基)己基)-氧基)-苯甲?；?氧基)苯甲?；?氧基)苯。這種單體的優(yōu)點在于其具有正介電各向異性，這意味著其本身平行于電力/磁力線取向。在美國華盛頓特區(qū)美國化學(xué)協(xié)會的Reza Arshady編輯的“Functional Polymers-Synthesis and Applications”第3.3章中，D J Broer在“Monodomain Liquid-Crystalline Networks byIn-Situ Polymerisation”中給出了其他適當(dāng)單體的例子，這些單體在此引作參考。
活性液晶包括硬中心核，如C6H5-C6H5，C6H5-C＝C-C6H5，C6H5-COO-C6H11和C6H5-COO-C6H5-OOC-C6H5，其每一側(cè)與柔性間隔基如-(CH2)x-和-O-(CH2)x-耦合，其中x為0-12。間隔基與諸如(甲基)丙烯酸酯、乙烯醚、環(huán)氧化物和硫醇烯等可聚合端基耦合。
適當(dāng)單體的基團例如有雙[(4-ω-丙烯酰氧基)烷氧基]苯甲酸酯。不過，單體的這種基團具有輕微的負(fù)各向異性，需要添加正介電各向異性氰基聯(lián)苯。
可使用不同LC單體的混合物，以及一種或多種LC單體與非活性液晶的混合物。
此外，一種或多種LC單體可以與通過與LC單體相同的機制聚合的第二種非LC單體混合，或者單獨使用。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，電光和/或磁光材料中可加入少量的自由基清除劑或抑制劑，使單體在未聚合狀態(tài)下是穩(wěn)定的。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，電光和/或磁光材料中可加入諸如熱引發(fā)劑、光引發(fā)劑、鏈轉(zhuǎn)移劑等添加劑，以便加強聚合過程。
優(yōu)選電光和/或磁光材料包括光引發(fā)劑，如α，α-二甲氧基脫氧安息香，其在光化學(xué)輻射特別是UV光的影響下，使電光和/或磁光材料發(fā)生自由基聚合。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，可利用溶劑和表面活性劑來增強薄膜成形。
此外，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，可加入穩(wěn)定劑，以增強電光和/或磁光材料在高溫或強曝光下的穩(wěn)定性。
因此，可聚合電光和/或磁光材料優(yōu)選為可光聚合液晶(LC)單體，如混合有諸如α，α-二甲氧基脫氧安息香(可從瑞士Ciba Geigy購得，商標(biāo)名為651)等光引發(fā)劑的((6-(丙烯酰氧)-己基)氧基)-4-((4-((6-(丙烯酰氧基)己基)-氧基)苯甲?；?氧基)苯甲?；?氧基)苯。
本發(fā)明通過控制指向矢的方向、各疇的相對大小和/或各疇的光延遲(取決于厚度和雙折射)，還可以獲得具有不同光學(xué)性質(zhì)的疇的光學(xué)各向異性體。
所述光學(xué)各向異性體的光學(xué)性質(zhì)在光折射(折射率)、光衍射或?qū)馄駪B(tài)的影響上可存在差異。
除了上面所述的補償膜和微透鏡陣列以外，根據(jù)本發(fā)明還可以獲得偏振片或其他光學(xué)部件，如透鏡和棱鏡。
光學(xué)體適宜包括至少一個在光學(xué)體制造過程中使用的電極(和/或磁極)。所述至少一個電極在光學(xué)體中可實現(xiàn)其它進一步的功能，或者如果其是透明的，則僅作為非功能殘余物。
優(yōu)選光學(xué)各向異性體包括設(shè)置于本體的一側(cè)的多個間隔電極。
將通過下述非限定性實施例進一步說明本發(fā)明。
實施例通過將5克1，4-亞苯基-二[4-(6-(丙烯酰氧基)己氧基)]苯甲酸酯；1克E7(可從英國Merck有限公司購得)，即氰基聯(lián)苯(4-5-戊基-4’-氰基聯(lián)苯，4-7-庚基-4’-氰基聯(lián)苯和4-8-辛氧基-4’-氰基聯(lián)苯)與氰基三聯(lián)苯(4-5-戊基-4”-氰基-對-三聯(lián)苯)的混合物，與0.06克Irgacure 651(α，α-二甲氧基脫氧安息香(可從瑞士Ciba Geigy購得)混合，制造活性液晶混合物。
1，4-亞苯基-二[4-(6-(丙烯酰氧基)己氧基)]苯甲酸酯是LC單體。E7具有正介電各向異性，其有助于使單體沿電力線的方向取向。
Irgacure 651是光引發(fā)劑。
在100℃下將該混合物加工成薄膜，處于設(shè)有電極和摩擦聚酰亞胺的兩玻璃板之間。摩擦聚酰亞胺確定LC單體沿摩擦方向平面取向。
通過在該電極結(jié)構(gòu)上施加12V的電壓，實現(xiàn)LC單體的所需取向。
通過用UV光曝光該薄膜，將所獲得的取向永久地固定下來。UV光源為飛利浦公司制造的發(fā)射350nm波長且強度為5mW/cm2的PL 10熒光燈。
實施例1在上述試驗中使用圖1中所示的裝置。設(shè)置在薄膜相對側(cè)的電極之間的單元間隙為5μm，并且設(shè)置在薄膜同一側(cè)的電極之間的電極距離為5μm。每個電極的寬度為50μm。在介電涂層的頂部上涂覆摩擦聚酰亞胺薄層。摩擦聚酰亞胺層和介電涂層的總厚度為1μm。
獲得了上面所述的具有傾斜指向矢的帶有圖案的補償膜。
實施例2在上述試驗中使用圖3中所示的裝置。在該電極結(jié)構(gòu)中，L為100μm，d為50μm，相鄰電極空腔之間的距離為100μm。
獲得了如上所述的微透鏡陣列。
實施例3在上面所述的試驗中使用包括僅設(shè)置在薄膜一側(cè)的多個間隔電極(陽極和陰極)的電極結(jié)構(gòu)。該電極結(jié)構(gòu)的單元間隙為4μm，電極寬度為6μm，電極距離為6μm。電極設(shè)置在玻璃板之一的頂部上。
獲得了具有傾斜指向矢和內(nèi)含電極的帶有圖案的補償膜。
以上公開內(nèi)容和實施例顯示，根據(jù)本發(fā)明可獲得具有多種二維和三維圖案的光學(xué)各向異性體。
盡管已詳細(xì)和參照具體實施方案描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員在不偏離本發(fā)明精神和范圍的條件下，顯然可以進行各種改變和變型。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)各向異性體，其特征在于可通過如下方式獲得提供包含可聚合電光和/或磁光材料的本體，所述材料能對電場和/或磁場作出響應(yīng)而處于光學(xué)各向異性狀態(tài)；使可聚合電光和/或磁光材料處于非均勻電場和/或磁場中，在電光和/或磁光材料內(nèi)產(chǎn)生與所需圖案一致的電力和/或磁力線，該電力和/或磁力線具有足以使材料取向并使材料處于與非均勻電場和/或磁場相當(dāng)?shù)乃韫鈱W(xué)各向異性狀態(tài)的強度；以及將處于所述光學(xué)各向異性狀態(tài)的材料聚合，產(chǎn)生光學(xué)各向異性體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)各向異性體，其中所述電光和/或磁光材料是液晶(LC)單體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)各向異性體，其中包含所述可聚合材料的本體設(shè)置在取向?qū)由稀?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的光學(xué)各向異性體，其中使用多個間隔電極和/或磁極施加所述的非均勻電場和/或磁場。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的光學(xué)各向異性體，其中使用至少一個結(jié)構(gòu)化電極和/或磁極對施加所述的非均勻電場和/或磁場。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的光學(xué)各向異性體，其中使用設(shè)置在本體一側(cè)的多個間隔電極和/或磁極施加所述非均勻電場和/或磁場。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的光學(xué)各向異性體，其中一個或多個電極和/或磁極是所述本體的一部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學(xué)各向異性體，其包括設(shè)置在本體一側(cè)的多個間隔電極和/或磁極。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的光學(xué)各向異性體，其選自偏振片、補償膜和微透鏡陣列。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)各向異性體，如補償膜或微透鏡陣列，其具有光學(xué)性質(zhì)的所需圖案。所述光學(xué)各向異性體通過以下方法獲得，在該方法中，將非均勻電場和/或磁場施加于包括可聚合電光和/或磁光材料如LC單體的本體上，從而產(chǎn)生所需的分子圖案。通過將電光和/或磁光材料聚合，使所述圖案永久保持。
文檔編號G02B5/30GK1711489SQ200380103133
公開日2005年12月21日 申請日期2003年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月15日
發(fā)明者D·K·G·德博爾, D·J·布羅爾, G·P·卡曼, A·C·紐科克, E·皮特斯, B·M·I·范德贊德 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司