基于自组装膜的液晶光控取向研究

【摘要】：和传统的阴极射线管(CRT)显示器相比,液晶显示器(Liquid crystal display, LCD)具有环保、节能、易于平板化和便携性等性能优势,越来越受到人们的青睐。2003 年中国大陆地区LCD 的销量已经达到207 万台,首次超过了CRT 显示器的市场销售量,预计此后以每年20%左右的速率递增。LCD 的生产属于高技术领域,它的生产工艺需要不断研发和更新,才能跟上迅猛发展的高技术产品的需求。大多数液晶显示器件都需要取向膜来控制器件内液晶初始的均匀排列。目前LCD 生产中最不尽人意的工艺就是液晶的取向工艺。工业上常用的取向方法是定向摩擦高分子膜法,它有着易于大规模生产等技术优势,但是摩擦过程中会产生静电和尘埃,它们容易造成液晶器件的损伤和瑕疵。光控取向法是一种非常具有应用前景的取向方法,它利用线性偏振紫外光(LPUV)辐照光敏聚合物薄膜,使薄膜具有表面张力的各向异性,从而实现诱导液晶分子取向。光控取向是一种非接触式的取向方法,完全避免了现有摩擦取向法存在的灰尘沾染和电荷累积等问题,还可以进行微区取向控制,制作多畴宽视角显示器。 从1992 年Schdat M.等人提出光控取向方法至今已经有十余年时间,但这种方法始终没有实用化。其原因为光控取向的稳定性差,取向效果也不如摩擦法。这主要是由于人们多采用光敏高分子作为成膜材料,光敏基团在空间位置上受到高分子主链的阻隔,定向光化学反应程度低。基于这种问题,本文提出了如下的解决方案:1)降低成膜光敏材料的分子量,即使用光敏小分子单体成膜,增加光敏基团碰撞、反应的机会,以期提高反应程度、稳定性和取向度;2)将光敏基团直接构建于有序的自组装膜体系中,在LPUV 辐照下可使薄膜中高效地、定向地发生环加成反应,使取向膜获得高取向度和高稳定性。 围绕上述思路开展了如下工作:1)合成了三种可进行光二聚反应的光敏小分子单体,LPUV 辐照制作了光控取向膜;用紫外-可见光谱法和红外光谱法分析了薄膜中的光化学反应,发现小分子的光反应程度可达到50%以上,至少比光敏高分子高出5 倍;薄膜的偏振红外光谱证实,经过LPUV 辐照后薄膜出现了明显的各向异性;将小分子光控取向膜制成液晶器件,在偏光显微镜下观察看到均匀一致的液晶取向;并且热稳定性达到100℃左右,接近实用化要求。2)制备了含肉桂酸、香豆素基团的自组装单层膜;采用接触角的方法监测自组装反应的动力学过程;紫外-可见光谱证实了自组装单层膜在石英基板表面形成;自组装单层膜经LPUV 辐照后能诱导液晶均匀取向,而且热稳定性可达130℃,热稳定性进一步提高。3)合成了含有光敏双键的双季铵盐,在水溶液状态下将它和聚乙烯基苯磺酸钠沉积生成layer-by-layer 自组装多层膜,紫外-可见光谱证实这是一个逐层均匀的沉积;在LPUV 照射下,自组装膜中的光敏双键按照偏振方向发生[2+2]环加成反应,形成取向膜,用二向色性值评价的分子取向度高于高分子及小分子光控取向膜的水平;实验证明用自组装多层膜制成的液晶器件亮暗态均匀,静态对比度约为100,达到实用化器件的水平。