相位分离 [应用场致相位分离和光致聚合制备的单基板液晶显示器]

　　摘要：展示一种使用一层玻璃基板和光致聚合层的平面开关液晶盒，其制造工艺系基于电解质流动的电气力学。当散射场出现时，液晶分子聚合到强电场区，而单体扩散到弱电场区。在光聚合作用后，液晶分子则受到薄聚合层和确定液晶盒间隙聚合墙的限制。这种方法能够制造单基板大面积平板显示器件。
　　关键词：电致相位分离；光致聚合层；单基板液晶显示器
　　中图分类号：TN141.9 文献标识码：A
　　
　　Single Glass Substrate Liquid Crystal Device Using Electric Field-enforced Phase Separation and Photoinduced Polymerization
　　
　　Hongwen Ren and Shin-Tson Wu1 ，Yi-Hsin Lin2
　　（1.College of Optics and Photonics, University of Central Florida, Orlando, Florida，USA；
　　2.Department of Photonics, Institute of Electro-Optical Engineering, National Chiao Tung University，Taiwan，China）
　　
　　Abstract: An in-plane switching liquid crystal（LC）cell using a glass substrate and a photoinduced polymer layer is demonstrated. The fabrication process is based on the electrodynamics of dielectric fluids. When the fringing field is present, the LC molecules tend to aggregate in the strong electric field regions while the monomers diffuse to the weak field regions. After photopolymerization, the LC molecules are confined by a thin polymer layer and polymer walls which define the cell gap. This approach enables single-substrate large panel display devices to be fabricated.
　　Keywords:field-enforced phase separation；photoinduced polymer layer；single glass sub- strate LCD
　　
　　液晶(LC）被广泛应用在显示、相位调节、自动聚焦镜头和其他一些光学器件中。由于其流体性质，液晶分子通常被限制在两层玻璃基板之间。最近，仅使用一层玻璃基板的液晶器件已经以共面开关（IPS）液晶盒的形式获得成功展示。IPS液晶盒引人注目的原因是：（1）相互交叉的电极在同一层以用液晶阵列层包覆的玻璃或塑料基板上；（2）该器件有宽广的视角。与传统的双基板液晶器件相比较，这种单基板液晶器件更加吸引人，因为它具有更轻的重量和潜在的低成本。
　　单基板IPS液晶盒使用了光致各向异性位相分离法来分离液晶和有机预聚物。在光聚合作用之后，有机预聚物形成薄层漂浮在液晶表面。但因缺少能够承受聚合层重量的强载体，器件的稳定性受到影响。为了克服这个问题，我们开发了两步光聚合法：第一步，通过光掩模选择性地使单体曝光形成聚合墙；第二步，移动光掩模，将裸露在外的单体曝光，使其产生各向异性聚合。这样制备的器件具有良好的机械稳定性，但也存在两个问题：首先，光掩模对位误差会导致成形的聚合墙占据作用区；其次，高分辨率光掩模会产生强衍射光，使聚合墙在相位分离和减小常用像素的孔径比时变宽。
　　最近，我们运用单基板和各向异性高分子膜开发了一种IPS液晶盒。这种液晶盒显示出的电光性质与传统的双基板IPS液晶盒几乎一样。但由于没有间隔物支撑高分子膜，其机械稳定性较弱。因此，在制造大尺寸液晶屏时不易控制均匀性。
　　本文中，我们展示了基于场致各向异性相位法分离液晶和液体单体的单基板IPS液晶盒。应用这种方法，液晶和单体混合物能在基板表面相位分离，光聚作用后，聚合墙和顶层聚合层同时形成。这种液晶器件既具有良好的机械稳定性，也使大尺寸平板液晶制造成为可能。此外，其制造工艺简单。
　　场致各向异性相位分离法最早应用在双基板反射显示中，其中，液晶盒中的聚合体分布在像素区起到墙的作用。而在我们的器件中，只有一部分聚合体起墙的作用，大部分作为顶部覆盖层来防止液晶耗散。
　　图1(a）-1（d）表明了我们液晶盒的制造程序。以制有相互交叉的ITO电极的玻璃作为基板，ITO玻璃上覆盖一层薄聚酰亚胺阵列，涂敷沿着ITO电极条的方向进行。
　　液晶和感光单体混合物用旋转涂覆法涂在基板表面，如图1(a）所示。当在ITO电极条上加电压时，电解质流在电场中受到力的作用。这个力可以表示成：
　　Ｆ＝Ｐ・△Ｅ（1）
　　式中Ｐ是电解质材料的极化强度，E是电场强度。Ｐ与电场强度E还有如下关系：
　　
　　 式中 是自由空间电容率， ε（＞1）表示液晶或者单体的电容率。由于液晶比单体具有更大的电容率，所以在电场中液晶受到的作用力更大。在这样的情况下，液晶分子将向高电场区漂移，而单体聚集在弱电场区，如图1(b）所示。在IPS液晶盒中，ITO电极中间电场最弱。在相位分离后，单体受到紫外光的作用开始聚合，如图1(c）所示。在聚合作用后，聚合层和聚合墙同时形成。聚合层覆盖液晶作用区，聚合墙覆盖在ITO电极的顶部，如图1(d）所示。在显示面板的实际制备中，为了改进对比度，不常用的区域以黑色矩阵覆盖。当电压撤除时，由于阵列层的粘结效应，液晶分子沿着摩擦方向重新排布，如图1(d）所示，基板的摩擦方向垂直纸面向里。
　　基于上述机理，我们制造了单基板IPS液晶盒。为了加宽视角，制造多区域结构，我们把基板表面上的ITO电极腐蚀成相互交错的V形。ITO条的锯齿形角度为150°，电极条宽度4μm，电极间隙10μm。在基板表面覆盖一层薄聚酰亚胺，涂覆沿一个方向并与电极条成15°角进行。混合物的组成是55％（质量比）的向列液晶（E7, MerckεLC ≈12）和45％（质量比）的感光单体NOA65（Norland Adhesiveεp≈5, f =1 kHz），在室温（T≈21℃）下旋转涂覆（≈4000rmp，15s）在玻璃基板上。由于E7的密度比NOA65略高，液晶体积大致与单体相等。在ITO条上外加电场5Vrms /μm下作用１min分钟，然后使混合物在强度为35 mW/cm2的紫外光（λ=365 nm）下照射15min。
　　聚合作用后，液晶盒在不加电压时是透明的。为了观察相位分离的结果，我们把样品放在白色偏振光显微镜下，偏振轴与分析光交叉，当把样品沿着方位角的方向旋转时，透射光的强度也相应地改变。当IPS液晶盒的摩擦方向取向平行于入射偏振光的光轴方向，则得到黑色情形，如图2（a）所示。图2（b）为V=20Vrms时IPS液晶盒的传输情况，可明显观察到V形结构。黑格子说明聚合墙在ITO条中间是同向性(isotropic)的。聚合墙的宽度为2μm，小于ITO条的宽度（4μm）。在平面开关中，散射场不均匀，ITO电极中间最弱。这些聚合墙起到控制液晶盒间隙和支撑顶部聚合层的间隔物的作用。由于聚合体是网状结构，IPS液晶盒有着良好的机械稳定性和统一的液晶盒间隙。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　我们通过用He-Ne激光束（λ=633 nm）测量液晶盒的传输特性来研究液晶盒的电光性质。将液晶盒放在两个交叉偏振光镜之间，传输光由距离样品20cm远的光电二极管探测，液晶盒的响应时间由数字示波器记录，随传输变化的电压由LABVIEW数据采集系统采集。图3所示为IPS液晶盒透过率随电压变化的曲线。在V=0时，我们观察到一个相当好的黑色状态，当所加电压超过5Vrms时，透过率增大，液晶控制随着电场重新排布，在V= 20Vrms时，透过率达到最大值，继续增大电压，透过率减小。这是因为液晶盒的总相位滞后超过1π。
　　
　　
　　通过以上程序，测得单基板IPS液晶盒对比度为200：1，而采用双基板的传统IPS液晶盒对比度超过500：1。总的来说，底部液晶阵列层仍然相当好地排列成块状液晶控制器。仔细地看图2（a），我们发现在液晶富集区有微弱的光漏。为了研究是什么原因引起光漏，我们把液晶盒的顶部聚合层进行放大，如图2（C）所示，发现在顶部聚合层中有很多大小在2～3μm的液晶泡。这些结果表明液晶和单体并不是完全相位分离的，所以有少量的液晶泡存在于聚合体矩阵中。这些微米级的液晶滴引起了交叉偏振光镜间的光漏和少量光散射，从而使器件的对比度减小。
　　IPS液晶盒的响应时间用f =1 kHz 、20Vrms的方波电压脉冲测定。结果如图4所示。测得上升和衰减时间分别为10ms和75ms。在均匀液晶盒中，光衰减时间（Tdecay限定在100%～10%透过率区间内）与液晶控制器衰减时间T0有如下关系：
　　
　　式（3）中， Ｔo是液晶控制器的衰减弱时间，Ｔ０＝γ1d2/k22π2，式中γ1为转动粘性，d是液晶盒间隙，k22是扭曲弹性系数，δ 是液晶盒的初相位，该值通常为1π。如果式（3）中对数条件忽略，就有Ｔ衰=。在我们的液晶盒中，γ1和k22分别为0.25Pas和8.8pN。由式（3）， d约为7.2μm。因为单体NOA65和E7有相等体积，则顶部聚合层的厚度为7μm。
　　我们制造的E7IPS液晶盒仅能用来证明一些想法，对实际应用来说，它的响应时间太慢。引起响应时间慢的原因有两个：液晶盒间隙过大和粘性高。事实上，薄膜晶体管级的液晶混合物的粘度比E7小2～3倍，且液晶盒间隙约为4μm。要使液晶盒间隙小，同时保持顶部聚合层的活跃性和聚合墙的刚性，则要减小液晶单体混合物中液晶的浓度。因为底部阵列层对块状液晶分子影响很大，浓度低的液晶盒不仅能改进响应时间，同时也能改进分子阵列，形成更好的液晶阵列，从而产生更高的对比度。
　　综上，我们展示了用电场分层法制得的单基板液晶盒，这种液晶盒在制造工艺简单、重量轻和机械稳定性良好诸方面均表现出了极大的优越性，为制造单基板大面积平板显示器提供了依据。
　　笔者对H. Xianyu 和 S. Gauza的实验帮助和有益讨论表示感谢。
　　
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　　(浙江树人大学物理系夏姣贞
　　译自Appl. Phys Lett. 90，191105，2007）
　　
　　注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
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