Способ формирования текстурированной ориентирующей поверхности для многодоменной ориентации жидкого кристалла

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕКСТУРИРОВАННОЙ ОРИЕНТИРУЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ДЛЯ МНОГОДОМЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Муравский Александр Анатольевич Станкевич Александр Ильич Могильный Владимир Васильевич Муравский Анатолий Александрович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) 1. Способ формирования текстурированной ориентирующей поверхности для многодоменной ориентации жидкого кристалла, при котором слой фоточувствительного материала наносят на подложку с однородно ориентирующей поверхностью, натирают в выбранном направлении, придавая ему ориентирующие свойства, облучают через фотомаску неполяризованным или поляризованным светом и проявляют в растворителе. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно последовательно наносят,натирают в соответствующем направлении, облучают через соответствующую фотомаску и проявляют последующие слои фоточувствительного материала. Изобретение относится к области технологии жидких кристаллов (ЖК) и может быть использовано в производстве ЖК устройств, для создания многодоменной (текстурированной) ориентации жидкого кристалла. 14753 1 2011.08.30 Известен способ ориентирования жидких кристаллов натиранием 1, включающий натирание тканью поверхности материала с целью придания ей способности ориентировать жидкий кристалл. При этом происходит однородная обработка всей поверхности, в результате чего формируется однородное направление ориентирования ЖК на всей обрабатываемой поверхности, характеризующееся высокой (более 10-4 Дж/м 2) азимутальной энергией сцепления ЖК и ориентирующей поверхности, обеспечивающей фотостабильную ориентацию ЖК. Недостатком данного способа является отсутствие возможности формирования текстурированной ориентации жидкого кристалла, что существенно ограничивает возможности проектирования и оптимизации ЖК устройств при использовании натирания в качестве способа ориентации ЖК. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ формирования текстурированной ориентации жидкого кристалла фотоориентацией 2,при которой при облучении поверхности фотополимера линейно поляризованным светом происходит анизотропное селективное фотосшивание полимерных цепей, ориентирующих жидкий кристалл по направлению поляризации света экспозиции. При превышении оптимальной дозы экспозиции имеет место фотосшивание остаточных полимерных цепей в направлениях ортогональных поляризации света. Это приводит к падению поверхностной анизотропии и ухудшению ориентирующих свойств поверхности. При использовании двух инверсных затеняющих фотомасок существует возможность формирования текстурированной ориентации жидкого кристалла. Так, сначала производится экспозиция через первою фотомаску с установкой поляризатора в исходное положение. Затем производится экспозиция участков фоточувствительной поверхности через вторую фотомаску с поворотом поляризатора и соответственно плоскости поляризации экспозиции на требуемый угол относительно исходного положения. Вторая фотомаска затеняет участки поверхности, которые претерпели фотоэкспозицию при первом процессе фотоориентирования с использованием первой фотомаски Таким образом, с использованием 2-х фотомасок реализуется возможность независимого экспонирования двух областей поверхности, применяя требуемые углы поляризаций и дозы экспозиций, с целью задания в этих областях различных направлений ориентации ЖК, т.е. формирования текстурированной ориентации жидкого кристалла. Использованиефотомасок позволяет сформироватьразличных направлений ориентации ЖК. К недостаткам данного способа ориентации ЖК относятся малые величины (порядка 10-5 Дж/м 2) азимутальной энергии сцепления ЖК и ориентирующей поверхности низкая фотостабильность текстурированной ориентации ЖК из-за неполной фотополимеризации при анизотропном фотосшивании необходимость экспонирования поляризованным светом, что требует дорогостоящих поляризаторов и поляризационно-независимых оптических элементов для экспонирования больших площадей поверхности в ультрафиолетовой(УФ) области спектрального диапазона. Указанные недостатки существенно ограничивают применения текстурированной ориентации при проектировании ЖК устройств. Дополнительным лимитирующим фактором является необходимость совмещения фотомасок при формировании текстурированной ориентации жидкого кристалла с использованием 2-х и более фотомасок. Задача изобретения - создание способа формирования текстурированной ориентации ЖК, позволяющего изготавливать ориентирующие поверхности, содержащие участки с различными направлениями ориентации ЖК, обладающие высокой азимутальной энергией сцепления, фотостабильностью ориентирующих свойств и не требующие при изготовлении обязательного применения поляризованного света, что расширяет возможность применения текстурированной ориентации при проектировании жидкокристаллических устройств. 14753 1 2011.08.30 Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе формирования текстурированной ориентирующей поверхности для многодоменной ориентации жидкого кристалла слой фоточувствительного материала наносят на подложку с однородно ориентирующей поверхностью, натирают в выбранном направлении, придавая ему ориентирующие свойства, облучают через фотомаску неполяризованным или поляризованным светом и проявляют в растворителе, а также отличающийся тем, что дополнительно последовательно наносят, натирают в соответствующем направлении, облучают через соответствующую фотомаску и проявляют последующие слои фоточувствительного материала. При нанесении формируется сплошной слой фоточувствительного материала, натирание поверхности которого в выбранном произвольном направлении формирует поверхностную анизотропию, которая ориентирует жидкие кристаллы с высокой азимутальной энергией сцепления типичной для натирания. Последующее облучение слоя неполяризованным светом или, при наличии производственной необходимости, поляризованным светом через фотомаску позволяет провести полное фотосшивание в незатененных областях поверхности согласно рисунку, что исключает их остаточную фоточувствительность и гарантирует фотостабильность ориентирующей анизотропии. При этом изменяется растворимость фотооблученных областей, которые становятся нерастворимыми, т.е. создается распределение растворимых и нерастворимых ориентирующих областей на поверхности слоя фотосшиваемого материала. После этого растворимую часть слоя удаляют проявлением в растворителе, открывая для взаимодействия с ЖК участки однородно ориентирующей поверхности на подложке. В результате получают ориентирующую поверхность с текстурированными направлениями ориентации ЖК, распределенными согласно рисунку фотомаски. Для формирования поверхности снаправлениями ориентации ЖК достаточно использоватьслоев. Сравнение свойств заявляемого и известных решений, используемых для формирования текстурированной ориентации жидких кристаллов, показало, что, во-первых, в заявляемом решении значение азимутальной энергии сцепления достигает величины, большей 10-4 Дж/м 2. Эта особенность, в сравнении с прототипом, приводит к более эффективному ориентирующему взаимодействию жидкого кристалла с поверхностью, которое препятствует образованию дефектов ориентации, и позволяет получить лучшее качество текстурированной ориентации ЖК при уменьшении размеров ориентирующих областей доменов. Во-вторых, в заявляемом решении, в отличие от прототипа, происходит полное фотопревращение, что позволяет получить фотостабильную текстурированную ориентирующую поверхность, нечувствительную к последующему облучению светом. В-третьих,в заявляемом решении, в отличие от прототипа, возможно фотоэкспонирование неполяризованным светом. Это упрощает процесс фотообработки поверхностей больших площадей, т.к. нет необходимости использовать дорогостоящие поляризаторы и поляризациононезависимые оптические компоненты на УФ область спектра, а также снижает требования к исходному световому потоку источника света, т.к. устраняются световые потери в поляризаторе. В-четвертых, в заявляемом решении, в отличие от прототипа, для формированияразличных направлений ориентации ЖК необходимо использовать -1 фотомаску. В частности, для формирования двух различных направлений ориентации жидкого кристалла достаточно только одной фотомаски, а дополнительная операция по совмещению фотомасок не требуется. Сущность изобретения состоит в создании на поверхности ориентирующей подложки полимерного рисунка (рисунков), элементы которого ориентируют ЖК в выбранном произвольном направлении с азимутальной энергией сцепления более 10-4 Дж/м 2. Рисунок создается экспонированием натертого фоточувствительного слоя (слоев) через фотомаску и жидкостным проявлением. 14753 1 2011.08.30 Сущность предлагаемого способа формирования текстурированной ориентации жидких кристаллов поясняется фиг. 1-7, где на фиг. 1 приведена принципиальная схема технологического маршрута для приготовления поверхности с текстурированной ориентацией ЖК, на фиг. 2 - схема ЖК ячейки, один из слоев которой обладает текстурированной ориентацией ЖК. На фиг. 3, 4 представлены фотографии ЖК ячейки с текстурированным ориентирующим слоем, натертым под 90 к сплошной ориентирующей подложке, на фиг. 5 приведена схема ЖК ячейки с углом между соседними ориентирующими направлениями, равным 45, на фиг. 6 представлена фотография такой ячейки с периодическим текстурированным рисунком, на фиг. 7 приведена фотография,демонстрирующая текстурированную ориентацию ЖК более чем с двумя различными направлениями. Ниже приведены примеры, экспериментально подтверждающие работоспособность и эффективность способа. В качестве ориентирующего материала использовали фоточувствительный полимер В 15 1. Пример 1 Для создания подложки с однородно ориентирующей поверхностью на стеклянную пластинку методом центрифугирования наносят слой фоточувствительного полимера В 15 толщиной около 50 нм с последующим отжигом в сушильном шкафу при температуре 100 С в течение 5 минут. Затем поверхность слоя подвергают стандартному натиранию тканью и производят однородное экспонирование неполяризованным УФ излучением лампы ДРШ-250-3 в течение 4-х минут при интенсивности 2 мВт/см 2, что обеспечивает полное фотопревращение в слое. Далее на однородно ориентирующую поверхность подложки центрифугированием наносят слой материала В 15 толщиной около 50 нм и отжигают в сушильном шкафу при температуре 100 С в течение 5 минут. Затем поверхность второго слоя подвергают стандартному натиранию тканью под углом в 90 к направлению ориентации ЖК подложкой и производят экспонирование через фотомаску в течение 4-х минут. После экспонирования через фотомаску слой проявляли в этилацетате в течение 40 секунд, при этом происходило растворение затененных участков и их удаление с поверхности подложки. В результате возникает рельефная поверхность с текстурированной ориентирующей способностью. Для демонстрации текстурированной ориентации собирали ЖК ячейку, которая состояла из двух подложек (фиг. 2). Подложка 1 имела описанную выше текстурированную ориентирующую поверхность. На подложке 2 находился натертый слой нейлона 6 в качестве однородно-ориентирующей поверхности (направление натирания совпадает с направлением натирания второго слоя ориентирующего материала на подложке 1). Зазор ячейки задавался 20 мкм спейсерами. Ячейку заправляли жидким кристаллом Е 7. Представлены фотографии ЖК ячейки (фиг. 3), помешенной между скрещенными и параллельными поляризаторами соответственно (направление натирания нейлона 6 на нижней подложке совпадает с ориентацией нижнего поляризатора). Когда направление ориентации ЖК на текстурированной ориентирующей поверхности параллельно направлению натирания поверхности нейлона, реализуется однородная незакрученная ориентация жидкого кристалла, что характеризуется как темная область ЖК ячейки при скрещенных поляризаторах и как светлая область при параллельных поляризаторах. Когда направление ориентации ЖК на текстурированной ориентирующей поверхности ортогонально направлению натирания поверхности нейлона, реализуется закрученная на 90 ориентация жидкого кристалла, что характеризуется как темная область при скрещенных поляризаторах и как светлая область при параллельных поляризаторах. Пример 2 Аналогичен примеру 1. Экспонирование производили линейно-поляризованным светом в течение 15 минут при интенсивности 0,5 мВт/см. 14753 1 2011.08.30 При применении предложенного способа формирования текстурированной ориентации жидкого кристалла направления ориентации соседних областей являются независимыми, а угол между азимутальными направлениями ориентации ЖК в соседних областях может быть произвольным. Пример 3 Изготовление текстурированно ориентирующей поверхности аналогично примеру 1,но перед экспонированием через фотомаску поверхность фоточувствительного слоя подвергают стандартному натиранию тканью под углом в 45 к направлению ориентации ЖК подложкой. На фиг. 5 приведена схема конфигурации жидкого кристалла в ЖК ячейке с применением текстурированной ориентации ЖК, где угол между соседними ориентирующими направлениями составляет 45. На фиг. 6 представлена фотография ЖК ячейки с зазором 20 мкм, помещенной между поляризаторами, сориентированными под 45. Направление натирания нейлона 6 на нижней подложке совпадает с ориентацией нижнего поляризатора. На верхней подложке применена поверхность с сформированной периодической текстурированной ориентацией ЖК. При этом минимальный линейный размер зоны с постоянным направлением ориентирования жидкого кристалла ограничивается зазором ячейки и составляет 20 мкм. Для демонстрации текстурированной ориентации ЖК более чем с двумя различными направлениями приведен пример 4. Пример 4 Аналогично примеру 1 изготовляли однородно ориентирующую подложку с направлением натирания (ориентации) А. На полученную поверхность, однородно ориентирующую ЖК в направлении А, был нанесен слой фоточувствительного материала В 15, натерт в направлении А 45 (под углом в плюс 45 к направлению ориентации первого слоя),экспонирован через фотомаску в форме латинской буквыи проявлен в растворителе. На полученную текстурированную ориентирующую поверхность был нанесен еще один слой фоточувствительного материала. Этот слой был натерт в направление А-45 (под углом в минус 45 к направлению ориентации первого слоя), экспонирован через фотомаску в форме латинской буквыи проявлен в растворителе. Далее на полученную текстурированную поверхность с тремя направлениями ориентации ЖК был нанесен слой полимеризуемого жидкого кристалла 491, , Германия, и была проведена полимеризация жидкого кристалла. Ориентация такого ЖК материала в объеме повторяет ориентацию на поверхности, формируя четвертьволновую двулучепреломляющую пленку. На фиг. 7 представлена фотография полученных анизотропных текстурированных пленок на стеклянных подложках. Пленки помещены на отражательный поляризатор, так что направление поляризатора совпадает с направлением ориентации первого слоя(направление А), и рассматривается через циркулярный поляризатор. В такой конфигурации оптических элементов наблюдаемые оттенки белого (левая буква ), серого (фона) и черного (правая буква ) свидетельствуют о формировании текстурированной ориентации с тремя направлениями ориентации ЖК (направления А-45, А и А 45). Из примера 4 следует, что для формирования текстурированной ориентации ЖК с количеством ориентирующих направлений более (2), достаточно последовательно нанести на текстурированную ориентирующую поверхность с 2-мя направлениями ориентации, натереть в нужном направлении, облучить через фотомаску и проявить последующиеслоев. Для проверки фотостабильности ориентации ЖК в ячейке текстурированная ориентирующая поверхность была облучена неполяризованным светом ртутной лампы спектрального диапазона 320-800 нм с интенсивностью 20 мВт/см 2 в течение 40 минут. Однако никаких изменений в энергии сцепления и в направлениях ориентации жидкого кристалла не обнаружено. Это свидетельствует о формировании текстурированной ориентации жидкого кристалла, устойчивой к световому воздействию. 5 14753 1 2011.08.30 Таким образом, предлагается способ формирования текстурированной ориентирующей поверхности для многодоменной ориентации жидкого кристалла, который в сравнении с прототипом позволяет получить более фотостабильную ориентирующую поверхность с азимутальной энергии сцепления примерно на порядок лучше. Отказ от использования поляризованного света и дорогостоящих поляризаторов позволяют применить этот способ при фотообработке поверхностей больших и площадей, что открывает возможность формирования текстурно ориентирующей поверхности на стандартном производственном оборудовании. Источники информации 1. , , , А.А. ., . .. 42, 075303 (2009). 2. . , . , . ,. , -, . . . . 31,2155(1992). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7