专利名称：光学各向异性体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学各向异性体，如补偿膜、偏振片或微透镜阵列。
在美国华盛顿特区美国化学协会的Reza Arshady编辑的“Functional Polymers-Synthesis and Applications”第3.3章中，D J Broer在“Monodomain Liquid-Crystalline Networks byIn-Situ Polymerisation”中描述了光学各向异性膜及这种膜的制造方法。通常，首先将可聚合LC材料的薄膜预取向，之后通过用UV光照射而聚合。可通过诸如在经过摩擦的取向层(例如经过摩擦的聚酰亚胺层)上涂覆可聚合LC材料的单一表面诱导取向，或者通过结合使用经过摩擦的取向层与施加均匀电场，实现预取向。
Broer所披露的光学各向异性膜及该薄膜的制造方法的缺点在于，仅能获得有限种类的光学各向异性膜和相对简单的光学各向异性图案。
本发明的一个目的在于扩展光学各向异性体的范围，特别是提供具有相对复杂的二维或三维光学各向异性图案的光学各向异性体，并提供易于制造其的一种方法。
用可通过以下方法获得的光学各向异性体实现所述目的，所述方法包括提供包括可聚合电光和/或磁光材料的本体，所述材料能对电场和/或磁场作出响应而处于光学各向异性状态，使可聚合电光和/磁光材料受非均匀电场和/或磁场的作用，在电光和/或磁光材料内按照所需的图案形成电场力和/或磁场力线，电场力和/或磁场力线具有足以将所述材料取向并使所述材料处于与非均匀电场和/或磁场相当的所需光学各向异性状态的强度，并且将处于所述光学各向异性状态的材料聚合，形成具有良好定义和复杂的光学各向异性图案的光学各向异性体。
电光和/或磁光材料内的所需(分子)图案诱导诸如折射率之类的光学性质的所需图案。
所述本体优选为片形、板形、膜形或涂层形式。可获得的光学各向异性体例如有补偿膜、偏振片和微透镜阵列。
可聚合电光和/或磁光材料优选包括至少一种可聚合液晶(LC)单体，如((6-(丙烯酰氧基)-己基)氧基)-4-((4-((6-(丙烯酰氧基)己基)氧基)-苯甲酰基)氧基)苯甲酰基)氧基)苯。
可使用不同LC单体的混合物，以及一种或多种LC单体与非活性液晶的混合物。
此外，一种或多种LC单体可以与第二非LC单体混合使用或者单独使用。
包括可聚合材料的本体优选设置在诸如摩擦聚酰亚胺层的取向层上，产生表面诱导取向。
优选使用多个间隔电极和/或磁极，或者至少一个结构化电极对和/或磁极对来施加非均匀电场和/或磁场。
还可以将多个间隔电极和/或磁极结构化。
优选将多个间隔电极和/或磁极设置在本体的一侧。
优选用于施加所述非均匀电场和/或磁场的一个或多个电极和/或磁极是本体的一部分。
更优选将多个间隔电极和/或磁极设置在本体的一侧。
光学各向异性体可以为偏振片、补偿膜、例如在LCD中用作准直器的微透镜阵列，或者用于诸如显示装置如LCD的光学装置中的任何其他光学部件。
通过下面所述的实施方式本发明的其他特征和优点是显而易见的。
图1示意地表示根据本发明实施方案可用于获得光学各向异性体的第一种电极结构。
图2示意地表示根据本发明实施方案可用于获得光学各向异性体的第二种电极结构。
图3示意地表示根据本发明实施方案可用于获得光学各向异性体的第三种电极结构。
首先，应当注意在下面所述的所有实施方案中，可用磁极取代电极，或者可结合使用磁极与电极。
图1表示根据本发明一个实施方案可用于获得光学各向异性体的一种配置(未按比例)，以制造例如具有倾斜指向矢(如下所述)的带有图案的补偿膜。
如图1中所示，将可光聚合LC材料的片状体1放置于上面设有多个间隔透明电极2(例如ITO(氧化铟锡)电极)的玻璃板3之间。可任选地将薄介电涂层4放置在本体1与电极2之间。
此处所使用的术语“多个电极”分别指的是多个间隔的阳极和阴极。阳极和阴极可分别通过例如非导电材料间隔开。
本体1包括面对电极2的表面。阳极(-)和阴极(+)设置在本体1的两侧。设置在本体1同一侧的电极2之间的距离等于或小于设置在本体1相对侧的电极2之间的间隙。
这些电极2产生非均匀的空间调制电场，包括与平行于本体1面对电极的表面的平面不相垂直的非平行、弯曲的等电位场力线5。如果电场足够强，则使材料体中的液晶分子垂直于这些等电位线5取向。如现有技术中所述，等电位场力线与表示电场方向的场力线(称作场力线)垂直。从而，LC指向矢将沿这些(非等电位)场力线取向。
此处所使用的术语“非均匀电场和/或磁场”表示包括非平行和/或非直线(弯曲的)场力线的空间调制场。不过，非均匀场也包括某些彼此平行的场力线和/或某些直线形场力线。
当处于液晶状态时，LC分子的长程取向序使材料处于光学各向异性状态。与这种取向序有关的是表示材料内分子取向方向的指向矢量(也称作指向矢)，这些指向矢的集合形成矢量场。当可聚合材料受到电(和/或磁)场作用时，使材料处于具有所需指向矢场的所需介晶状态。
处于介晶状态的LC材料的光学性质如其折射率，由该状态下有序的类型和程度决定。
从而，所施加的非均匀空间调制电场产生与上述施加场一致的包括具有倾斜指向矢的LC分子的所需分子图案。良好定义的分子图案将产生所需光学性质，使薄膜适用作补偿膜。
此处所使用的“倾斜指向矢”指的是与平行于本体面对电极(和/或磁极)的表面的平面既不平行也不垂直(90°)的指向矢。
当获得所需图案后，将材料聚合，同时保持电场并从而保持所产生的图案。通过用UV光照射实现聚合。UV光影响LC材料中的光引发剂，而在UV光的影响下光引发剂使LC材料产生自由基聚合。在聚合过程中，将所产生的LC分子的取向固定下来。
在完全聚合后，去除电压，获得具有永久光学性质的带有图案的补偿膜。具有与所施加场一致的所需分子图案的补偿膜包括显示出倾斜指向矢的液晶。
如现有技术中已知的，补偿膜也称作延迟膜或延迟片，可以设置在LC层与外偏振片之间，以便使LC显示器的角度依赖性减小。补偿膜使偏振态产生附加改变(仅次于LC层所产生的偏振态改变)，抵消LC层的效果。从而，补偿膜改变倾斜穿过的光的偏振态，使其受到与垂直穿过的光相同的总双折射。该补偿膜是双折射和各向异性与LC层相反的静态层。通过使用补偿膜，可改善倾斜视角下的对比度。
可获得具有多种复杂和良好定义的分子图案的光学体，特别是补偿膜。对于每种具体应用，如本领域中已知的，采用该图案产生与所述用途有关的所需光学性质。
优选将补偿膜构图，即补偿膜可包括多畴。图案由光轴方向不同的不同区域组成，其中光轴可处于层平面内(不同方位角)或者平面外(不同倾斜角)，每个区域具有可抵消相邻LC层双折射的双折射。
图2表示根据本发明实施方案可用于获得光学各向异性体的装置(未按照比例)，以生产微透镜或微透镜阵列。
将光聚合LC材料的片状体6放置于多个结构化透明电极7与8(例如ITO电极)之间，每对电极包括一个大底部电极7和一个小顶部电极8(图2中仅表示出多个电极对中的一个)。阳极(-)设置在本体的一侧，阴极(+)设置在相对一侧。介电片8如玻璃设置在本体6与电极7和8之间。或者，可以将电极设置在玻璃板面对片状体的一侧。
此处所使用的术语“结构化电极”指的是，具有不同大小的电极表面的电极对。结构化电极的实例为(i)一个电极板上具有狭缝和/或另一电极板上具有突起的电极对，(ii)包括一个大电极和一个小电极的电极对，和(iii)包括一个具有空腔的电极和一个不具有空腔的电极的电极对。
图2中所示的本体6包括面向电极7和8的表面。电极7和8产生非均匀的空间调制电场，该电场包括与本体6的所述表面不垂直的非平行、弯曲的电力线10。液晶将沿这些电力线10指向，产生按照电力线10的折射率分布，从而产生具有透镜行为的薄膜。液晶取向的曲率随所施加电压而定，引导入射光波以便改变焦点。从而，可通过所施加的电压调节焦距。
当获得所希望的图案后，如上所述将材料聚合，同时保持电场并从而保持产生的图案。
获得薄膜形的具有永久光学性质的微透镜阵列。该微透镜阵列包括显示出倾斜指向矢的液晶。
微透镜阵列可例如用作液晶显示器(LCD)中用于光准直的准直器。不过，如现有技术中已知的，微透镜阵列用在机械视觉和光子学多种应用中。
图3中表示出根据本发明用于制造微透镜或微透镜阵列的另一种电极配置(未按比例)。图3中所示的结构化透明电极对(例如ITO电极)包括一个具有空腔的电极11，和一个不具有空腔的电极12。为了制造微透镜阵列，可利用如图3中所示的数对电极。
根据本发明实施方案可用于获得光学各向异性体的另一种电极配置包括仅设置在本体一侧的多个间隔电极(阳极和阴极)。这种电极通常用于平面内切换的LCD中。这些电极也可以是结构化的。
在所有上述实施方案中，包括所述可聚合材料的本体优选设置在诸如摩擦聚酰亚胺层的取向层上，产生表面诱导的分子取向。
可聚合电光和/或磁光材料优选包括至少一种可聚合液晶(LC)单体，如((6-(丙烯酰氧基)-己基)氧基)-4-((4-((6-(丙烯酰氧基)己基)-氧基)-苯甲酰基)氧基)苯甲酰基)氧基)苯。这种单体的优点在于其具有正介电各向异性，这意味着其本身平行于电力/磁力线取向。在美国华盛顿特区美国化学协会的Reza Arshady编辑的“Functional Polymers-Synthesis and Applications”第3.3章中，D J Broer在“Monodomain Liquid-Crystalline Networks byIn-Situ Polymerisation”中给出了其他适当单体的例子，这些单体在此引作参考。
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，其每一侧与柔性间隔基如-(CH2)x-和-O-(CH2)x-耦合，其中x为0-12。间隔基与诸如(甲基)丙烯酸酯、乙烯醚、环氧化物和硫醇烯等可聚合端基耦合。
适当单体的基团例如有双[(4-ω-丙烯酰氧基)烷氧基]苯甲酸酯。不过，单体的这种基团具有轻微的负各向异性，需要添加正介电各向异性氰基联苯。
可使用不同LC单体的混合物，以及一种或多种LC单体与非活性液晶的混合物。
此外，一种或多种LC单体可以与通过与LC单体相同的机制聚合的第二种非LC单体混合，或者单独使用。
如本领域技术人员所知，电光和/或磁光材料中可加入少量的自由基清除剂或抑制剂，使单体在未聚合状态下是稳定的。
如本领域技术人员所知，电光和/或磁光材料中可加入诸如热引发剂、光引发剂、链转移剂等添加剂，以便加强聚合过程。
优选电光和/或磁光材料包括光引发剂，如α，α-二甲氧基脱氧安息香，其在光化学辐射特别是UV光的影响下，使电光和/或磁光材料发生自由基聚合。
如本领域技术人员所知，可利用溶剂和表面活性剂来增强薄膜成形。
此外，如本领域技术人员所知，可加入稳定剂，以增强电光和/或磁光材料在高温或强曝光下的稳定性。
因此，可聚合电光和/或磁光材料优选为可光聚合液晶(LC)单体，如混合有诸如α，α-二甲氧基脱氧安息香(可从瑞士Ciba Geigy购得，商标名为651)等光引发剂的((6-(丙烯酰氧)-己基)氧基)-4-((4-((6-(丙烯酰氧基)己基)-氧基)苯甲酰基)氧基)苯甲酰基)氧基)苯。
本发明通过控制指向矢的方向、各畴的相对大小和/或各畴的光延迟(取决于厚度和双折射)，还可以获得具有不同光学性质的畴的光学各向异性体。
所述光学各向异性体的光学性质在光折射(折射率)、光衍射或对光偏振态的影响上可存在差异。
除了上面所述的补偿膜和微透镜阵列以外，根据本发明还可以获得偏振片或其他光学部件，如透镜和棱镜。
光学体适宜包括至少一个在光学体制造过程中使用的电极(和/或磁极)。所述至少一个电极在光学体中可实现其它进一步的功能，或者如果其是透明的，则仅作为非功能残余物。
优选光学各向异性体包括设置于本体的一侧的多个间隔电极。
将通过下述非限定性实施例进一步说明本发明。
实施例通过将5克1，4-亚苯基-二[4-(6-(丙烯酰氧基)己氧基)]苯甲酸酯；1克E7(可从英国Merck有限公司购得)，即氰基联苯(4-5-戊基-4’-氰基联苯，4-7-庚基-4’-氰基联苯和4-8-辛氧基-4’-氰基联苯)与氰基三联苯(4-5-戊基-4”-氰基-对-三联苯)的混合物，与0.06克Irgacure 651(α，α-二甲氧基脱氧安息香(可从瑞士Ciba Geigy购得)混合，制造活性液晶混合物。
1，4-亚苯基-二[4-(6-(丙烯酰氧基)己氧基)]苯甲酸酯是LC单体。E7具有正介电各向异性，其有助于使单体沿电力线的方向取向。
Irgacure 651是光引发剂。
在100℃下将该混合物加工成薄膜，处于设有电极和摩擦聚酰亚胺的两玻璃板之间。摩擦聚酰亚胺确定LC单体沿摩擦方向平面取向。
通过在该电极结构上施加12V的电压，实现LC单体的所需取向。
通过用UV光曝光该薄膜，将所获得的取向永久地固定下来。UV光源为飞利浦公司制造的发射350nm波长且强度为5mW/cm2的PL 10荧光灯。
实施例1在上述试验中使用图1中所示的装置。设置在薄膜相对侧的电极之间的单元间隙为5μm，并且设置在薄膜同一侧的电极之间的电极距离为5μm。每个电极的宽度为50μm。在介电涂层的顶部上涂覆摩擦聚酰亚胺薄层。摩擦聚酰亚胺层和介电涂层的总厚度为1μm。
获得了上面所述的具有倾斜指向矢的带有图案的补偿膜。
实施例2在上述试验中使用图3中所示的装置。在该电极结构中，L为100μm，d为50μm，相邻电极空腔之间的距离为100μm。
获得了如上所述的微透镜阵列。
实施例3在上面所述的试验中使用包括仅设置在薄膜一侧的多个间隔电极(阳极和阴极)的电极结构。该电极结构的单元间隙为4μm，电极宽度为6μm，电极距离为6μm。电极设置在玻璃板之一的顶部上。
获得了具有倾斜指向矢和内含电极的带有图案的补偿膜。
以上公开内容和实施例显示，根据本发明可获得具有多种二维和三维图案的光学各向异性体。
尽管已详细和参照具体实施方案描述了本发明，但本领域技术人员在不偏离本发明精神和范围的条件下，显然可以进行各种改变和变型。
权利要求
1.一种光学各向异性体，其特征在于可通过如下方式获得提供包含可聚合电光和/或磁光材料的本体，所述材料能对电场和/或磁场作出响应而处于光学各向异性状态；使可聚合电光和/或磁光材料处于非均匀电场和/或磁场中，在电光和/或磁光材料内产生与所需图案一致的电力和/或磁力线，该电力和/或磁力线具有足以使材料取向并使材料处于与非均匀电场和/或磁场相当的所需光学各向异性状态的强度；以及将处于所述光学各向异性状态的材料聚合，产生光学各向异性体。
2.根据权利要求1所述的光学各向异性体，其中所述电光和/或磁光材料是液晶(LC)单体。
3.根据权利要求1或2所述的光学各向异性体，其中包含所述可聚合材料的本体设置在取向层上。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的光学各向异性体，其中使用多个间隔电极和/或磁极施加所述的非均匀电场和/或磁场。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的光学各向异性体，其中使用至少一个结构化电极和/或磁极对施加所述的非均匀电场和/或磁场。
6.根据权利要求4或5所述的光学各向异性体，其中使用设置在本体一侧的多个间隔电极和/或磁极施加所述非均匀电场和/或磁场。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的光学各向异性体，其中一个或多个电极和/或磁极是所述本体的一部分。
8.根据权利要求7所述的光学各向异性体，其包括设置在本体一侧的多个间隔电极和/或磁极。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的光学各向异性体，其选自偏振片、补偿膜和微透镜阵列。
全文摘要
本发明涉及一种光学各向异性体，如补偿膜或微透镜阵列，其具有光学性质的所需图案。所述光学各向异性体通过以下方法获得，在该方法中，将非均匀电场和/或磁场施加于包括可聚合电光和/或磁光材料如LC单体的本体上，从而产生所需的分子图案。通过将电光和/或磁光材料聚合，使所述图案永久保持。
文档编号G02B5/30GK1711489SQ200380103133
公开日2005年12月21日 申请日期2003年10月27日 优先权日2002年11月15日
发明者D·K·G·德博尔, D·J·布罗尔, G·P·卡曼, A·C·纽科克, E·皮特斯, B·M·I·范德赞德 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司