聚酰亞胺類液晶光定向?qū)拥墓忭憫?yīng)研究

李建林

文章編號：2095-6835（2017）10-0019-03

摘 要：隨著液晶材料在顯示領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，摩擦法作為常用的制備液晶定向?qū)拥姆椒?，鑒于其存在的嚴重缺點，目前已越來越不適用，而探索新的液晶定向?qū)映蔀槿涨暗难芯繜狳c。采用直接曝光法和雙光束干涉法反復(fù)研究用偶氮聚酰亞胺類液晶材料做成的光定向?qū)拥墓忭憫?yīng)特性，通過帶正交偏振片裝置的CCD觀察樣品取向隨不同光的激勵發(fā)生的改變。結(jié)果表明，聚酰亞胺類液晶光定向?qū)泳哂辛己玫墓饪厝∠蚰芰Α?/p>

關(guān)鍵詞：光定向?qū)?；聚酰亞胺；液晶；光響?yīng)

中圖分類號：O753+.2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.019

自1888年奧地利植物學家瑞尼澤爾（Friedrich Reinitzer）發(fā)現(xiàn)液晶（liquid crystal）以來，液晶材料已經(jīng)走出實驗室，被廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中。其中，人們最熟悉的就是液晶顯示材料。液晶顯示作為重要的電子產(chǎn)品，是通過改變液晶分子的排列方向來改變所透過光線，以實現(xiàn)其顯示功能。而液晶顯示器是通過被稱之為液晶定向?qū)拥木酆衔锉∧砜刂埔壕Х肿拥呐帕蟹较颍壳?，工業(yè)化應(yīng)用的定向?qū)又饕峭ㄟ^摩擦在聚酰亞胺薄膜表面產(chǎn)生微小的溝槽來誘導(dǎo)液晶分子取向。但是，這種定向?qū)又苽浯嬖诿黠@的缺點，比如摩擦會產(chǎn)生灰塵、靜電等，而且無法曲面顯示。因此，探索新的液晶定向?qū)又苽浼夹g(shù)，建立新材料的制備方法具有重要的應(yīng)用價值。

1992年，Schadt等報道了利用線性偏振光聚合技術(shù)制備液晶定向?qū)拥男路椒?。這種方法是一種非接觸型的液晶定向?qū)又苽浞椒?，可以克服摩擦法的缺陷，同時，能使器件的制作更加簡單、高效，大大降低產(chǎn)品的成本，是未來最有應(yīng)用前景的非摩擦液晶定向技術(shù)。液晶光定向?qū)硬牧鲜枪舛ㄏ蚣夹g(shù)實施的基礎(chǔ)，目前已見報道的液晶光定向?qū)硬牧现饕幸韵?種：①可光降解聚合物材料（比如聚酰亞胺、聚苯乙烯等）；②含有可進行光致異構(gòu)化反應(yīng)基團（比如偶氮、二苯乙烯等）的聚合物材料；③含有可進行光交聯(lián)反應(yīng)基團（比如肉桂酸酯、香豆素等）的聚合物材料。本文的研究是基于國內(nèi)某科研單位提供的偶氮聚酰亞胺液晶光定向薄膜材料進行的。在研究時，使用該材料自制液晶盒，并灌入E7液晶，然后用365 nm、457 nm光源對樣品進行光控取向研究。研究發(fā)現(xiàn)，該材料具有明顯的誘導(dǎo)液晶分子定向排列的功能，是很好的光定向?qū)有虏牧稀?/p>

1 實驗設(shè)計

1.1 樣品制備

本文的研究是基于國內(nèi)某科研單位提供的光定向薄膜材料，該材料是一類新型的含偶氮的可溶性聚酰亞胺聚合物，由于結(jié)構(gòu)中含光響應(yīng)性的偶氮生色團，該聚合物表現(xiàn)出明顯的光色效應(yīng)。樣品制備情況如下。

1.1.1 樣品1

樣品1是由某科研單位提供的偶氮聚酰亞胺光取向膜樣品。在實驗時，將由偶氮、聚酰亞胺等聚合物合成的光定向?qū)硬牧系木鶆蛉芤航?jīng)旋轉(zhuǎn)勻膠機涂到潔凈的透明石英玻璃片上，經(jīng)取向處理使得光定向?qū)友仄矫娴哪撤较蚓鶆蛉∠?，將其稱為初始取向n0。

1.1.2 樣品2

樣品2是由2片樣品1制作的空液晶盒。將2片樣品1的光取向?qū)酉鄬Χ?，保持兩者的n0相同，中間用35 μm的耐高溫薄膜控制盒厚為35 μm，用燕尾夾固定、AB膠黏合，放入烘箱烤干，做成初始取向為n0、盒厚為35 μm的空液晶盒。

1.1.3 樣品3

樣品3是灌有E7液晶的液晶盒。將樣品2利用毛細管作用灌入E7液晶，E7液晶會隨著光取向?qū)又匦氯∠?，形成初始取向為n0的液晶盒。

1.2 光路搭建

經(jīng)光譜分析，該光定向?qū)硬牧显?65 nm和457 nm波長段的光吸收能力比較強。本實驗將采用365 nm和457 nm兩種光源，用直接曝光、線偏振光照射和左右圓偏振光干涉等方法研究其光控取向特性。左右圓偏振光相干涉光路如圖1所示。

圖1所示的是波長為457 nm激光的左右圓偏振光相干光路。其中，457 nm激光作為激發(fā)光源，經(jīng)偏振分光棱鏡后分成2束偏振方向垂直的線偏振光，并且可以通過調(diào)節(jié)前面的1/2波片使得2束線偏振光光強相同。2束線偏振光經(jīng)過1/4波片后，1束變?yōu)樽髨A偏振光，1束變?yōu)橛覉A偏振光，2束圓偏振光經(jīng)相同的光程相聚于樣品的1點。在樣品上，由于左右圓偏振干涉形成均勻的明暗相間周期為10 μm的條紋，樣品經(jīng)過該條紋的照射將形成穩(wěn)定的、周期為10 μm的液晶光柵，并且可以通過偏光CCD全程觀察樣品的變化。

365 nm波長的紫外光曝光是采用LED-UV光源對著樣品直接曝光，通過CCD的觀察研究其取向是否發(fā)生改變。將圖1光路中的一束光擋住，再將1/4波片改為格蘭棱鏡，就是457 nm線偏振光照射光路。通過調(diào)節(jié)格蘭棱鏡改變光束線偏振方向，研究光定向?qū)尤∠蚍较蚺c光束線偏振方向變化的關(guān)聯(lián)。

2 實驗與討論

先確定樣品的取向，前面起偏器和后面檢偏器的偏振方向保持正交。當樣品的取向與起偏器的偏振方向平行或垂直時，從帶長焦鏡頭的CCD中看到的是最暗的圖像，如圖2（b）所示；當樣品的取向與起偏器的偏振方向成45°夾角時，從CCD中看到的是最亮的圖像，如圖2（a）所示；當樣品的取向垂直于盒子而不是沿面曲向時，任意轉(zhuǎn)動樣品，從CCD中看到的都是最暗的圖像。

如圖2所示，將樣品1置于圖2中的樣品架上，通過CCD觀察其明暗變化。轉(zhuǎn)動樣品1，當樣品1的長軸與起偏器平行或垂直時，出現(xiàn)圖2（b）的最暗圖像；繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，圖像逐漸變亮，當樣品1的長軸與起偏器偏振方向成45°夾角時，圖像最亮，出現(xiàn)圖2（a）所示圖像。這些現(xiàn)象表明，樣品1的光取向?qū)臃肿友孛嫫叫杏诓ＡчL軸方向排列，即樣品1初始取向n0平行于波片長軸方向。

利用2片樣品1組成液晶盒子，即樣品2，重復(fù)上述實驗過程發(fā)現(xiàn)，樣品的初始取向n0沒有改變，與樣品1一致。聚酰亞胺聚合物具有良好的光敏基團，能夠吸收365 nm和457 nm波段的光發(fā)生光化學反應(yīng)，使分子重新取向。保持樣品2的初始取向n0與起偏器偏振方向成45°夾角，用UV光對樣品2進行曝光，其現(xiàn)象如圖3（a）所示。隨著曝光時間的增加，圖像逐漸變暗，直至看不見；關(guān)掉UV光，旋轉(zhuǎn)樣品，圖像保持漆黑不變。這說明，定向?qū)拥娜∠蚴躑V光的影響而發(fā)生了改變。由此可以推斷，受UV光影響，取向?qū)臃肿佑善叫杏陂L軸方向的沿面排列逐漸變?yōu)榇怪庇诓ㄆ帕校捶肿佑伞疤芍弊優(yōu)椤罢局?，因此，CCD顯示的圖像逐漸變暗且旋轉(zhuǎn)樣品也不能使其變亮。接著用偏振方向與n0成45°夾角的線偏振457 nm激光對樣品2進行曝光，并保持n0與起偏器偏振方向平行。這時，可以觀察到，CCD顯示的圖像隨著光照時間的增加由暗態(tài)逐漸變?yōu)榱繎B(tài)，如圖3（b）所示。關(guān)掉457 nm激光后，圖像保持這個亮度，但將樣品旋轉(zhuǎn)，圖像逐漸變暗，當旋轉(zhuǎn)角度為45°時，達到最暗。這表明，經(jīng)457 nm激光照射后，定向?qū)臃肿佑纱怪庇诓ㄆ帕凶優(yōu)檠孛媾帕星遗c457 nm激光偏振方向垂直，又重新由“站著”變?yōu)椤疤芍?，且“躺著”的方向變?5°。

利用毛細管作用將E7液晶灌入空液晶盒做成樣品3，探索定向?qū)尤∠蚋淖儗σ壕∠虻挠绊?。首先確定樣品3的初始取向：旋轉(zhuǎn)樣品，觀察正交偏振片后CCD顯示的圖像的明暗變化，發(fā)現(xiàn)其初始取向與樣品1、樣品2一致。這說明，液晶分子進入液晶盒后，受定向?qū)臃肿佑绊懀樦嫉埘啺贩肿拥呐帕蟹较蛑匦乱?guī)整排列，取向一致。樣品2的初始取向n0與起偏器偏振方向成45°夾角，用UV光對樣品3進行曝光，其現(xiàn)象如圖4（a）所示。隨著曝光時間的增加，圖像逐漸變暗，直至看不見，關(guān)掉UV光，旋轉(zhuǎn)樣品，CCD顯示的圖像暗度不變，漆黑一片。這個現(xiàn)象說明，液晶分子隨定向?qū)臃肿印罢玖ⅰ逼饋砹?，垂直于液晶盒重新取向；用偏振方向與n0成45°夾角的線偏振457 nm激光束對樣品3進行照射，保持n0與起偏器偏振方向平行，可以觀察到：圖像由暗逐漸變量，如圖4（b）所示，關(guān)掉457 nm激光后，圖像保持這個暗度，將樣品旋轉(zhuǎn)，圖像逐漸變暗，45°時達到最暗。該現(xiàn)象說明，液晶分子由垂直于液晶盒排列變?yōu)檠孛媾帕星遗c光束線偏振方向垂直。以上實驗現(xiàn)象與樣品2相似，表明定向?qū)訉σ壕Х肿拥闹匦氯∠蜻M了有效的誘導(dǎo)。用圖1所示左右圓偏振干涉光路照射樣品3，并保持n0與起偏器偏振方向平行，CCD顯示的樣品圖像由暗逐漸變量，并產(chǎn)生了表面起伏的光柵結(jié)構(gòu)，接著用632 nm激光探測樣品3，發(fā)現(xiàn)紅色激光經(jīng)過液晶光柵發(fā)生了衍射，產(chǎn)生了衍射光斑。

綜上所述，本文研究的含偶氮苯基團的可溶性聚酰亞胺光定向?qū)硬牧暇哂忻黠@的光響應(yīng)性。在365 nm的紫外光照射下，該聚合物反式構(gòu)型轉(zhuǎn)變?yōu)轫樖綐?gòu)型，偶氮苯的平面共軛結(jié)構(gòu)被破壞，定向?qū)臃肿佑裳孛媾帕凶優(yōu)榇怪逼矫媾帕?，而液晶分子由于超分子協(xié)同作用，受到聚合物分子的誘導(dǎo)重新排列，取向與定向?qū)臃肿右恢隆．斁酆衔锸艿?57 nm激光照射，大部分偶氮生色團由反式構(gòu)型變?yōu)轫樖綐?gòu)型而達到光致順反異構(gòu)平衡，從而使聚合物分子向光束線偏振方向的垂直方向重新排列，進而誘導(dǎo)液晶分子沿面且垂直光束線偏振方向定向均勻取向。而用干涉光照射定向?qū)?，則將誘導(dǎo)聚合物薄膜形成表面起伏光柵結(jié)構(gòu)，液晶分子在薄膜后的區(qū)域發(fā)生面外取向，薄的區(qū)域發(fā)生面內(nèi)取向，液晶光柵也因此形成。

3 結(jié)束語

偶氮聚酰亞胺光定向?qū)硬牧暇哂泻芎玫墓饪厝∠蛐阅?，可通過調(diào)控光的波長、偏振和干涉條紋實現(xiàn)我們需要的液晶取向。由于該定向?qū)硬牧洗嬖诘墓饷艋鶊F能對特定波長的光的刺激發(fā)生響應(yīng)，聚合物分子與液晶分子之間存在的超分子協(xié)同作用，365 nm光照射能誘導(dǎo)液晶分子垂直于面排列，線偏振457 nm光照射能誘導(dǎo)液晶分子沿面排列，并且可以通過調(diào)節(jié)線偏振光的偏振方向來控制液晶取向。另外，可以通過雙光干涉的干涉條紋實現(xiàn)液晶光柵的制備，且這些光對定向?qū)雍鸵壕У恼T導(dǎo)是能被記住和擦除的，因此，該光定向?qū)硬牧显诠庾訉W方面被廣泛應(yīng)用。

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〔編輯：白潔〕