液晶取向技术.pdf

1、 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/第 29卷 第 4期 南 京 邮 电 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) Vol. 29 No. 42009年 8月 Journal of Nanjing University of Posts and Telecommunications(Natural Science) Aug. 2009液 晶 取 向 技 术李 巍 1, 2 ,高 志 强 1, 2 ,密 保 秀 1, 2 ,黄 维 1, 21. 南 京

2、 邮 电 大 学 信 息 材 料 与 纳 米 技 术 研 究 院 ,江 苏 南 京 2100032. 江 苏 省 平 板 显 示 及 固 体 照 明 工 程 中 心 ,江 苏 南 京 210046摘 要 :介 绍 了 液 晶 光 开 关 的 基 本 原 理 及 其 在 光 通 信 和 信 息 显 示 领 域 的 应 用 。 从 取 向 层 材 料 、 取 向 原 理 、 取 向 工 艺等 方 面 综 述 了 几 种 液 晶 取 向 技 术 :摩 擦 取 向 技 术 、 光 控 取 向 技 术 、 倾 斜 蒸 镀 法 以 及 LB膜 法 ,并 阐 述 其 优 缺 点 。 最 后对 未 来 的 取

3、 向 技 术 做 一 个 展 望 。关 键 词 :液 晶 取 向 ;摩 擦 法 ;倾 斜 蒸 镀 法 ; L2B膜 技 术中 图 分 类 号 : TN873 + . 93 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 167325439 (2009) 0420090207Progress in the L iquid Crystal AlignmentL IW e i1, 2 , GAO Zh i2q iang1, 2 , M I Bao2x iu1, 2 , HUANG W e i1, 21. Institute of Advanced Materials, Nanjing Univers

4、ity of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China2. Jiangsu Engineering Center for Flat Panel D isp lay and Solid State L ighting, Nanjing 210046, ChinaAbstract: Here, we introduce the basic p rincip les of the liquid crystal (LC) op tical switch and their ap2p lication in telecommunication

5、 and information disp lays. Then we address the different alignment tech2niques and LC alignment materials, such as rubbing, LPP (L iner Photo2Polymerization by polarized UVlight) , oblique evaporation and Langmuir2B lodgett (L2B) film. The advantages and disadvantages of thesetechniques are discuss

6、ed. Finally, the p rospects of the LC alignment technology are given.Key words:LC alignment; rubbing; oblique evaporation; L2B film收 稿 日 期 : 2009202218基 金 项 目 :南 京 邮 电 大 学 人 才 引 进 科 研 启 动 基 金 (NY207162)资 助 项 目通 讯 作 者 :高 志 强 电 话 : (025) 52997096 E2mail: iamzqgao njup t. edu. cn0 引 言信 息 的 传 输 和 显 示 是

7、信 息 技 术 的 两 个 重 要 部分 。在 信 息 传 输 领 域 ,随 着 以 IP为 代 表 的 数 据 业 务的 爆 炸 性 增 长 ,新 的 高 速 率 大 容 量 传 输 技 术 应 运 而生 ,以 满 足 用 户 不 断 增 长 的 带 宽 需 求 。 带 宽 和 通 信容 量 的 急 剧 增 大 ,使 网 络 最 终 向 全 光 网 (AON )方 向发 展 。 在 AON的 各 种 设 备 器 件 当 中 ,光 交 叉 连 接 设备 (OXC)和 光 分 插 复 用 设 备 (OADM )可 以 说 是 全 光联 网 的 核 心 设 备 ,而 光 开 关 以 及 光 开 关

8、 阵 列 恰 恰 是OXC和 OADM的 核 心 器 件 。 光 开 关 的 引 入 使 未 来全 光 网 络 更 具 灵 活 性 、 智 能 性 、 生 存 性 。 光 开 关 技 术已 经 成 为 未 来 光 联 网 、 光 交 换 的 关 键 技 术 。 光 开 关在 通 信 和 自 动 控 制 等 领 域 发 挥 着 越 来 越 重 要 的 作用 1 。从 1888年 材 料 液 晶 态 的 发 现 ,到 1976年 夏 普的 第 一 个 液 晶 显 示 器 件 的 诞 生 ,再 到 目 前 大 屏 幕 液晶 电 视 的 出 现 并 成 为 市 场 主 导 ,液 晶 的 研 究 从 未

9、 间断 。 对 优 良 的 液 晶 材 料 的 探 寻 及 其 包 括 光 电 效 应 在内 的 特 性 研 究 ,成 了 众 多 科 学 家 追 逐 的 目 标 。 尽 管现 在 还 有 不 少 的 理 论 有 待 完 善 ,但 是 仍 然 阻 挡 不 住液 晶 显 示 技 术 对 现 代 社 会 的 冲 击 。 近 年 来 ,从 液 晶器 件 制 作 工 艺 到 液 晶 材 料 的 研 究 ,每 年 都 有 大 量 的文 章 和 专 利 出 现 。 液 晶 显 示 产 品 遍 布 我 们 生 活 的 每个 角 落 。 简 单 的 计 算 器 、 家 用 电 器 、 测 量 仪 器 的 显

10、示屏 、 电 视 机 屏 幕 、 电 脑 显 示 器 、 液 晶 窗 帘 、 车 载 显 示 器件 、 消 费 电 子 产 品 等 都 离 不 开 液 晶 显 示 技 术 的 支 持 。 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/在 包 括 光 开 关 在 内 的 通 信 用 液 晶 器 件 和 以 薄 膜晶 体 管 液 晶 显 示 器 件 ( TFT2LCD )为 主 的 显 示 器 件中 ,最 关 键 的 参 数 之 一 是 液 晶 器 件 对 控 制 信

11、 号 的 反应 速 度 。 而 决 定 反 应 速 度 的 因 素 除 了 材 料 本 身 性 质外 ,液 晶 器 件 中 液 晶 材 料 在 电 极 面 上 的 取 向 是 一 个重 要 的 外 部 因 素 。 液 晶 取 向 技 术 是 使 电 极 界 面 处 的液 晶 分 子 整 齐 排 列 ,且 形 成 一 定 预 倾 角 的 技 术 。 通过 选 择 合 适 的 取 向 层 材 料 和 取 向 技 术 ,优 化 液 晶 表面 排 列 和 预 倾 角 ,可 以 使 液 晶 的 响 应 时 间 得 到 改 善 ,液 晶 显 示 器 件 的 视 角 得 到 扩 展 。 因 此 ,取 向 技

12、 术 在很 大 程 度 上 影 响 液 晶 器 件 的 性 能 。在 此 ,我 们 对 液 晶 取 向 技 术 的 发 展 做 一 个 概 述 ,讨 论 各 种 取 向 技 术 的 优 缺 点 ,并 对 未 来 的 取 向 技 术做 一 个 展 望 ,以 期 通 过 取 向 技 术 的 优 化 实 现 性 能 更为 优 越 的 液 晶 器 件 。1 液 晶 光 开 关 原 理 2 根 据 液 晶 材 料 在 电 场 下 定 向 转 动 的 特 性 ,可 以制 造 光 开 关 。 这 种 光 开 关 在 液 晶 显 示 器 及 通 信 设 备中 控 制 着 信 息 及 信 号 的 输 出 ,因

13、此 至 关 重 要 。 我 们以 常 用 的 扭 曲 向 列 ( TN )型 液 晶 为 例 ,说 明 其 工 作 过程 。TN型 光 开 关 的 结 构 如 图 1所 示 。 在 两 块 玻 璃板 之 间 夹 有 正 性 向 列 相 液 晶 ,液 晶 分 子 的 形 状 为 棍状 。 棍 的 长 度 在 十 几 埃 ( 1埃 = 10 - 10米 ) ,直 径 为 4 6埃 ,液 晶 层 厚 度 一 般 为 5 8微 米 ,玻 璃 板 的 内表 面 涂 有 透 明 电 极 ,电 极 的 表 面 预 先 作 了 定 向 处 理使 得 液 晶 分 子 在 透 明 电 极 表 面 以 一 定 的

14、预 倾 角 排列 。 电 极 表 面 的 液 晶 分 子 按 一 定 方 向 排 列 ,且 上 下电 极 上 的 定 向 方 向 相 互 垂 直 。 上 下 电 极 之 间 的 那 些液 晶 分 子 因 范 德 华 力 的 作 用 ,趋 向 于 平 行 排 列 。 然而 由 于 上 下 电 极 上 液 晶 的 定 向 方 向 互 相 垂 直 ,所 以从 俯 视 方 向 看 ,液 晶 分 子 的 排 列 从 上 电 极 沿 0方 向排 列 逐 步 地 、 均 匀 地 扭 曲 到 下 电 极 的 沿 - 90方 向 排列 ,整 个 扭 曲 了 90 。上 述 均 匀 扭 曲 排 列 起 来 的 结

15、 构 具 有 光 波 导 的 性质 ,即 偏 振 光 从 上 电 极 表 面 透 过 扭 曲 排 列 起 来 的 液晶 传 播 到 下 电 极 表 面 时 ,偏 振 方 向 会 旋 转 90 。 取两 张 偏 振 片 贴 在 玻 璃 的 两 面 , P1的 透 光 轴 与 上 电 极的 定 向 方 向 相 同 , P2的 透 光 轴 与 下 电 极 的 定 向 方 向相 同 ,于 是 P1和 P2的 透 光 轴 相 互 正 交 。当 未 加 驱 动 电 压 时 ,来 自 光 源 的 自 然 光 经 过 偏振 片 P1后 只 剩 下 平 行 于 透 光 轴 的 线 偏 振 光 ,该 线 偏振 光

16、 到 达 输 出 面 时 ,其 偏 振 面 旋 转 了 90 。 这 时 光的 偏 振 面 与 P2的 透 光 轴 平 行 ,因 而 有 光 通 过 。图 1 TN型 光 开 关 的 结 构当 施 加 电 压 时 ,液 晶 分 子 的 偶 极 矩 指 向 电 场 方向 ,也 即 液 晶 分 子 长 轴 平 行 于 电 场 方 向 。 这 样 ,液 晶分 子 失 去 了 光 波 导 的 作 用 ,经 过 偏 振 片 P1的 光 的 偏振 方 向 没 有 得 到 90的 扭 转 ,与 偏 振 片 P2成 90角 ,从 而 不 能 透 过 P2。光 开 关 与 光 开 关 阵 列 是 光 纤 通 信

17、 系 统 重 要 的 光器 件 ,随 着 光 纤 通 信 技 术 的 发 展 ,特 别 是 数 据 通 信 和密 集 波 分 复 用 (DWDM )系 统 的 应 用 ,复 杂 的 网 络 拓扑 对 可 靠 、 灵 活 的 网 管 产 生 了 强 烈 的 需 求 。 DWDM在 城 域 网 和 接 入 网 用 于 对 具 有 插 /分 和 交 换 功 能 的光 开 关 的 需 要 更 为 迫 切 。 在 光 开 关 的 技 术 指 标 上 ,要 求 光 开 关 器 件 具 有 更 高 的 工 作 速 度 、 更 低 的 插 入损 耗 和 更 长 的 工 作 寿 命 ;在 器 件 的 体 积 上

18、 ,由 于 全 光网 单 元 器 件 的 增 多 ,为 使 器 件 小 型 化 ,就 要 求 器 件 有更 高 的 集 成 度 ;在 成 本 方 面 ,由 于 网 络 的 扩 充 ,所 需器 件 将 会 大 大 增 加 ,由 此 也 增 加 了 光 网 络 设 备 的 成本 。 因 此 ,必 须 采 取 技 术 措 施 ,发 展 新 技 术 ,降 低 光器 件 的 成 本 ,这 样 才 能 被 用 户 所 接 受 ,用 传 统 手 段 制造 的 光 开 关 难 以 满 足 上 述 要 求 3 。液 晶 的 电 光 系 数 很 高 ,是 铌 酸 锂 的 几 百 万 倍 ,使液 晶 成 为 最 有

19、 效 的 光 电 材 料 。 电 控 液 晶 光 开 关 的 交换 速 度 可 达 亚 微 秒 级 ,未 来 将 可 以 达 到 纳 秒 级 。 相比 昂 贵 的 光 电 晶 体 ,液 晶 具 有 相 对 低 廉 的 价 格 ,这 些有 利 的 条 件 ,使 得 液 晶 光 开 关 成 为 一 个 很 有 潜 力 的19 第 4期 李 巍 等 :液 晶 取 向 技 术 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/光 通 信 器 件 。2 液 晶 取 向 技 术液

20、 晶 的 取 向 技 术 可 以 实 现 整 个 基 板 表 面 液 晶 分子 相 对 基 板 形 成 整 齐 的 排 列 并 具 有 最 佳 的 夹 角 ,并且 有 足 够 的 稳 定 性 。 只 有 这 样 ,液 晶 分 子 才 会 在 宏观 上 表 现 出 来 其 长 程 有 序 性 。 可 以 说 ,液 晶 的 取 向技 术 是 液 晶 器 件 正 常 工 作 的 必 要 条 件 。液 晶 取 向 技 术 涉 及 到 取 向 层 材 料 的 性 质 、 取 向层 表 面 的 处 理 方 法 、 界 面 处 的 相 互 作 用 ,是 一 个 综 合的 过 程 。 液 晶 取 向 层 的

21、好 坏 ,直 接 影 响 着 液 晶 分 子在 基 片 表 面 的 排 列 ,从 而 影 响 显 示 器 的 均 一 性 、 色差 、 对 比 度 、 阈 值 电 压 、 响 应 时 间 、 视 角 等 特 性 。目 前 ,工 业 上 采 用 的 取 向 技 术 有 两 大 类 ,一 类 是传 统 的 摩 擦 取 向 技 术 ( rubbing) ,另 一 类 是 近 年 来 发展 起 来 的 非 摩 擦 取 向 技 术 ( non2rubbing)。 这 两 类 技术 各 有 优 缺 点 ,也 各 有 应 用 的 范 围 。 不 同 的 LCD基板 生 产 线 ,可 以 采 用 的 技 术

22、也 不 同 。 根 据 液 晶 分 子预 倾 角 的 大 小 ,可 以 分 为 垂 直 取 向 方 式 和 平 行 倾 斜取 向 方 式 。 平 行 倾 斜 取 向 的 分 子 预 倾 角 小 于 10 ,而 垂 直 取 向 的 分 子 预 倾 角 接 近 90 。 传 统 的 平 行 取向 技 术 已 广 泛 应 用 于 液 晶 显 示 器 的 生 产 ,但 其 存 在窄 视 角 、 低 对 比 度 和 慢 响 应 时 间 等 问 题 ,因 此 希 望 通过 垂 直 取 向 方 式 来 改 善 显 示 对 比 度 以 及 响 应 速 度 。2. 1 摩 擦 取 向 技 术2. 1. 1 摩

23、擦 取 向 技 术 工 艺摩 擦 取 向 技 术 是 1911年 由 Maugin 4 发 明 的 。是 迄 今 为 止 在 液 晶 显 示 领 域 里 使 用 最 为 广 泛 的 取 向技 术 。 摩 擦 取 向 的 一 般 工 艺 包 括 :清 洗 ,涂 膜 ,预 烘 ,固 化 ,摩 擦 。 取 向 剂 涂 布 的 方 法 主 要 有 3种 : (1) 旋转 涂 膜 法 ( sp in2coating) ; (2) 浸 泡 法 ( dipp ing) ; (3)凸 版 印 刷 法 (APR p rinting)。 这 些 都 属 于 湿 法 。 基板 旋 涂 取 向 材 料 后 ,需 进

24、行 预 烘 ,除 去 取 向 材 料 中 的溶 剂 。 经 过 预 烘 后 的 取 向 材 料 膜 层 还 要 在 一 定 温 度下 经 过 一 定 时 间 的 固 化 处 理 ,以 得 到 适 合 摩 擦 的 取向 膜 。 最 后 利 用 尼 龙 、 纤 维 或 棉 绒 等 材 料 按 一 定 方向 摩 擦 液 晶 取 向 膜 ,使 薄 膜 表 面 状 况 发 生 改 变 ,对 液晶 分 子 产 生 均 一 的 锚 定 作 用 ,从 而 使 液 晶 分 子 在 两片 玻 璃 板 上 整 齐 地 排 列 ,如 图 2所 示 。不 同 工 艺 条 件 对 取 向 膜 厚 度 和 预 倾 角 大

25、小 的 影响 不 同 。 研 究 结 果 显 示 : (1) 刮 胶 滚 压 入 量 越 大 ,基台 速 度 越 快 ,取 向 膜 越 厚 ; ( 2) P I液 滴 增 大 ,取 向 膜厚 度 先 增 加 然 后 逐 渐 减 小 ; (3) 取 向 膜 老 化 的 温 度越 高 ,预 倾 角 越 低 ; (4) 取 向 膜 的 厚 度 和 摩 擦 强 度 对预 倾 角 的 影 响 存 在 一 个 最 大 值 ,并 随 着 膜 厚 增 加 ,预倾 角 会 减 小 5 。图 2 摩 擦 取 向 示 意 图2. 1. 2 摩 擦 取 向 层 材 料基 于 摩 擦 取 向 技 术 的 、 用 于 L

26、CD取 向 膜 的 高 分子 材 料 包 括 :聚 苯 乙 烯 ( PS)及 其 衍 生 物 、 聚 乙 烯 醇( PVA)、 聚 酯 ( PE)、 环 氧 树 脂 ( ER )、 聚 氨 酯 、 聚 硅 烷及 聚 酰 亚 胺 ( P I) 6 等 等 。 P I是 最 常 用 的 一 种 摩 擦取 向 层 功 能 材 料 ,这 是 因 为 P I具 有 耐 高 温 、 抗 腐 蚀 、高 硬 度 、 绝 缘 性 好 、 易 成 膜 、 制 作 成 本 低 等 优 良 特 性 ,能 很 好 地 满 足 业 界 对 取 向 层 材 料 物 理 特 性 的 要 求 。P I覆 膜 本 身 就 有 使

27、 液 晶 分 子 取 向 的 功 能 ,它 对 所 有的 液 晶 材 料 都 显 示 了 良 好 的 取 向 效 果 。 对 P I进 一步 的 改 良 ,通 过 把 长 烷 基 链 引 入 到 聚 酰 亚 胺 的 主链 7 或 侧 链 8 或 制 备 含 氟 聚 酰 亚 胺 9 等 方 法 可 大大 提 高 衬 底 材 料 对 液 晶 的 取 向 能 力 ,改 善 平 行 取 向技 术 的 不 足 。2. 1. 3 摩 擦 取 向 的 理 论 分 析 10 关 于 摩 擦 处 理 如 何 使 液 晶 分 子 发 生 取 向 ,其 机理 目 前 尚 无 定 论 。 目 前 较 为 流 行 的

28、说 法 有 两 个 ,由D. W. Berreman 11 提 出 的 沟 槽 理 论 和 Castellano提出 的 取 向 层 表 面 分 子 链 取 向 理 论 。 Geary 12 等 人 从实 验 出 发 对 摩 擦 取 向 理 论 进 行 了 进 一 步 完 善 ,并 研究 了 影 响 液 晶 分 子 的 取 向 因 素 。沟 槽 理 论 认 为 表 面 摩 擦 可 产 生 密 纹 (m icro2grooves)或 划 痕 ,这 些 密 纹 又 称 沟 槽 ,由 于 液 晶 显 示器 使 用 的 液 晶 分 子 呈 长 棒 形 ,它 只 有 沿 着 沟 槽 排 列时 体 系 的

29、 能 量 才 最 低 。 也 就 是 说 ,当 体 系 处 于 热 平衡 时 ,体 系 必 定 处 于 能 量 最 小 的 状 态 ,取 向 层 处 的 液29 南 京 邮 电 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 2009年 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/晶 分 子 将 沿 着 沟 槽 方 向 排 列 。 取 向 层 之 间 的 液 晶 分子 通 过 范 德 华 力 获 得 稳 定 的 排 列 。然 而 , Eung Sang Lee 13

30、 等 人 通 过 实 验 发 现 取 向不 是 由 沟 槽 直 接 导 致 的 ,而 是 由 其 他 因 素 产 生 的 ,还发 现 某 些 经 摩 擦 的 聚 合 物 可 显 示 出 对 液 晶 分 子 很 强的 取 向 能 力 ,然 而 在 其 表 面 却 观 察 不 到 密 纹 或 划 痕 。为 了 克 服 以 上 困 难 , Castellano等 提 出 了 “ 取 向 层 表面 分 子 链 取 向 ” 理 论 。取 向 层 表 面 分 子 链 取 向 理 论 认 为 摩 擦 取 向 层 表面 将 会 导 致 取 向 层 中 分 子 链 的 定 向 排 列 。 当 液 晶 分子 与

31、已 取 向 的 分 子 链 接 触 时 ,液 晶 分 子 以 一 种 类 似晶 体 外 延 的 方 式 从 取 向 层 表 面 外 延 出 去 ,从 而 对 液晶 分 子 取 向 。 东 南 大 学 的 研 究 人 员 对 于 液 晶 分 子 取向 的 影 响 因 素 也 进 行 了 考 察 ,认 为 摩 擦 不 仅 在 聚 合物 表 面 形 成 密 纹 结 构 而 且 在 摩 擦 方 向 上 诱 发 了 分 子链 的 宏 观 取 向 ,但 这 种 取 向 在 微 观 范 围 内 是 不 均 匀的 ,因 此 导 致 了 液 晶 分 子 的 局 部 取 向 的 不 均 匀 性 。由 此 可 以

32、得 出 摩 擦 取 向 的 实 质 是 :摩 擦 导 致 取 向 层表 面 的 各 向 异 性 ,而 液 晶 分 子 在 这 种 表 面 上 与 取 向层 分 子 相 互 作 用 ,由 于 在 各 个 方 向 上 受 力 不 同 ,为 了达 到 能 量 最 小 的 稳 定 态 ,液 晶 分 子 沿 受 力 最 大 的 方向 排 列 。2. 2 非 摩 擦 取 向 技 术摩 擦 法 虽 然 工 艺 简 单 ,易 于 工 业 化 生 产 ,但 它 也有 缺 陷 。 如 : (1) 在 摩 擦 过 程 中 ,产 生 大 量 的 粉 尘 微粒 ,对 取 向 膜 及 器 件 都 会 产 生 破 坏 作

33、用 ,并 且 还 要 用后 续 工 艺 进 行 处 理 ,增 加 了 工 艺 时 间 和 成 本 ; (2) 在摩 擦 过 程 中 还 会 产 生 静 电 ,对 于 TFT2LCD晶 体 管 会造 成 击 穿 ; (3) 在 用 小 尺 寸 的 基 板 生 产 中 ,摩 擦 法 对取 向 的 控 制 还 做 得 比 较 好 ,但 是 到 了 目 前 的 第 7代LCD生 产 线 中 ,由 于 基 板 的 面 积 很 大 ,从 而 使 得 摩擦 取 向 技 术 很 难 控 制 其 摩 擦 的 均 匀 性 ,这 对 显 示 效果 产 生 很 大 的 负 面 影 响 ; (4) 摩 擦 法 处 理

34、后 只 能 够使 液 晶 在 表 面 沿 单 一 方 向 均 匀 取 向 ,不 能 满 足 高 分辨 率 多 畴 液 晶 显 示 器 的 取 向 要 求 ; (5) 在 摩 擦 取 向工 艺 中 ,较 高 的 固 化 温 度 (300 ) 和 极 性 溶 剂 的 使用 容 易 破 坏 彩 色 显 示 中 的 滤 光 膜 ; (6) 不 能 处 理 非平 面 的 取 向 层 。 由 于 这 些 缺 点 ,需 要 我 们 对 传 统 的摩 擦 工 艺 进 行 改 进 。 另 外 ,人 们 也 在 探 索 其 它 非 摩擦 工 艺 技 术 ,以 代 替 摩 擦 法 而 又 不 失 其 简 单 方 便

35、 的特 点 。要 克 服 摩 擦 法 固 有 的 缺 点 ,近 年 来 非 摩 擦 法 获得 了 长 足 的 进 展 。 非 摩 擦 法 液 晶 取 向 技 术 中 能 应 用于 工 业 的 主 要 有 光 控 取 向 技 术 、 倾 斜 蒸 镀 法 、 LB膜技 术 。2. 2. 1 光 控 取 向 技 术(1) 基 本 原 理 。 摩 擦 法 虽 然 有 不 少 的 生 产 便 利之 处 ,但 是 不 能 应 用 于 多 畴 工 艺 。 随 着 大 视 角 的 多畴 工 艺 的 兴 起 ,人 们 开 始 寻 找 其 他 的 可 以 应 用 于 多畴 工 艺 并 且 不 失 摩 擦 法 优

36、点 的 取 向 工 艺 。 20世 纪80年 代 中 叶 。 Martin Schardt 14 等 人 开 发 了 一 种 新型 的 液 晶 取 向 技 术 ,即 线 性 偏 振 紫 外 光 聚 合 技 术LPP ( L iner Photo2polymerization by polarized UVlight) ,简 称 光 控 取 向 技 术 。 其 基 本 原 理 是 ,利 用 紫外 光 敏 聚 合 物 单 体 材 料 光 化 学 反 应 产 生 的 各 向 异性 ,使 液 晶 分 子 定 向 排 列 。 这 种 光 取 向 方 法 如 图 3所 示 ,首 先 在 一 个 衬 底 如

37、 ITO玻 璃 上 涂 敷 一 层 光 敏高 分 子 膜 ,然 后 用 紫 外 偏 振 光 照 射 ,只 有 与 偏 振 光 偏振 方 向 平 行 的 光 敏 集 团 发 生 光 化 学 反 应 ,取 向 膜 上产 生 各 向 异 性 ,从 而 诱 导 液 晶 分 子 取 向 。图 3 线 性 偏 振 紫 外 光 技 术 示 意 图(2) 处 理 方 法 和 材 料 。 光 取 向 法 根 据 处 理 过 程不 同 可 分 为 两 类 :一 类 是 复 合 体 系 ,不 需 要 表 面 预 处理 ,直 接 用 光 取 向 掺 有 感 光 高 分 子 的 液 晶 层 ;另 一 类是 非 复 合

38、体 系 ,用 偏 振 光 预 处 理 聚 合 物 衬 底 ,再 使 液晶 分 子 在 衬 底 上 定 向 排 列 ,这 是 目 前 采 用 较 多 的 方法 。 光 源 一 般 采 用 高 压 汞 灯 、 氙 灯 、 卤 素 灯 等 ,然 后通 过 滤 光 装 置 和 起 偏 器 获 得 单 色 偏 振 光 ,也 有 人 采用 偏 振 紫 外 激 光 或 非 偏 振 紫 外 光 。液 晶 光 控 取 向 材 料 依 据 取 向 机 理 可 分 为 光 降 解型 、 光 异 构 型 和 光 交 联 型 。 光 降 解 型 材 料 在 光 化 学反 应 中 生 成 的 光 降 解 产 物 成 为

39、液 晶 中 的 杂 质 ,对 液晶 器 件 的 稳 定 性 不 利 。 光 异 构 型 材 料 对 热 稳 定 性 和化 学 稳 定 性 要 求 苛 刻 ,难 于 实 用 化 。 光 交 联 型 材 料光 化 学 反 应 后 可 获 得 不 含 有 杂 质 、 稳 定 性 好 的 聚 合物 ,被 认 为 是 最 有 发 展 前 景 的 光 控 取 向 材 料 。 光 交联 型 材 料 包 括 肉 桂 酸 酯 类 、 香 豆 素 类 、 苯 乙 烯 基 吡 啶类 、 苯 乙 烯 基 苯 并 吡 咯 酮 类 、 二 苯 基 乙 炔 类 等 15 。利 用 P I的 热 稳 定 性 ,可 以 通 过

40、 把 光 敏 单 体 嫁 接到 P I上 ,达 到 具 有 热 稳 定 性 的 光 敏 取 向 材 料 。 在 这个 方 向 上 取 得 了 很 多 可 喜 的 成 果 。 中 科 院 物 理 所 于39 第 4期 李 巍 等 :液 晶 取 向 技 术 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/涛 等 发 现 ,除 聚 合 物 材 料 外 ,光 敏 单 体 材 料 在 线 性 偏振 紫 外 光 作 用 下 发 生 光 交 联 形 成 的 交 联 膜 也 能 够

41、 很好 地 诱 导 液 晶 分 子 均 匀 排 列 。 与 聚 合 物 大 分 子 光 控材 料 相 比 ,单 体 光 交 联 取 向 膜 的 制 备 过 程 更 加 简 单 ,聚 合 和 取 向 只 需 一 步 完 成 ,制 备 过 程 不 需 要 高 温 处理 16 。清 华 大 学 廖 光 勋 等 17 研 究 了 肉 桂 酸 酯 改 性 P I的 取 向 性 能 ,提 高 了 液 晶 盒 的 热 稳 定 性 但 预 倾 角 偏小 。 清 华 大 学 张 民 锡 等 18 合 成 了 光 控 平 行 取 向 的可 溶 性 偶 氮 聚 酰 亚 胺 。(3) 优 缺 点 。 光 控 取 向

42、技 术 可 以 避 免 由 于 静电 、 灰 尘 所 造 成 的 污 染 。 对 于 改 善 视 角 的 多 畴 技 术 ,摩 擦 法 无 能 为 力 ,而 光 控 取 向 可 以 通 过 调 节 光 线 的入 射 角 度 调 节 微 像 素 区 的 液 晶 倾 角 ,制 得 多 畴 器 件 ,可 以 改 善 显 示 器 件 的 视 角 问 题 。 液 晶 的 光 取 向 不 但可 以 用 于 液 晶 显 示 ,而 且 可 以 用 于 集 成 光 学 元 件 、 光储 存 等 领 域 ,因 而 得 到 了 研 究 人 员 的 广 泛 重 视 。但 是 光 控 取 向 技 术 也 存 在 有 待

43、 改 进 的 地 方 ,主要 为 液 晶 取 向 的 热 、 光 稳 定 性 。 如 果 用 线 性 偏 振 紫外 光 获 得 的 各 向 异 性 取 向 在 液 晶 显 示 器 的 热 处 理 过程 中 被 破 坏 ,将 会 影 响 显 示 效 果 。 此 外 ,有 些 光 取 向聚 合 物 层 是 光 不 稳 定 的 ,连 续 用 其 它 方 向 的 线 性 偏振 光 照 射 ,会 使 取 向 方 向 发 生 改 变 ,用 非 偏 振 光 照 射会 损 坏 取 向 效 果 。 因 此 ,光 取 向 层 的 热 、 光 稳 定 性 十分 重 要 。 目 前 用 光 取 向 法 获 得 沿 面

44、 取 向 的 研 究 报 道较 多 ,用 偏 振 光 两 次 照 射 、 烷 基 侧 链 高 分 子 控 制 预 倾角 的 光 取 向 技 术 得 到 了 很 多 研 究 人 员 的 关 注 。2. 2. 2 倾 斜 蒸 镀 法倾 斜 蒸 镀 指 的 是 将 金 属 、 氧 化 物 、 氟 化 物 等 无 机材 料 在 与 基 板 的 法 线 方 向 成 某 个 角 度 的 方 向 上 进 行蒸 镀 的 工 艺 ,目 的 是 形 成 一 种 倾 斜 排 列 的 取 向 膜 。蒸 镀 角 小 ( 5 20 )时 ,可 以 实 现 液 晶 分 子 的 垂 直排 列 ;蒸 镀 角 大 ( 20 45

45、 )时 ,可 以 实 现 平 行 排 列 ,如 图 4所 示 。图 4 倾 斜 蒸 镀 示 意 图在 早 期 的 LCD生 产 中 ,由 于 使 用 易 水 解 的 西 夫碱 液 晶 ,因 此 必 须 使 用 能 确 保 器 件 长 期 可 靠 的 低 熔点 玻 璃 密 封 剂 。 那 时 使 用 的 取 向 膜 材 料 主 要 是SiOx系 列 的 无 机 材 料 ,此 种 薄 膜 耐 光 、 热 特 性 好 ,曾一 度 作 为 高 可 靠 性 的 、 能 承 受 低 熔 点 玻 璃 密 封 加 热温 度 的 取 向 膜 而 广 为 人 知 。 用 SiOx做 取 向 层 ,因 为其 蒸 镀

46、 所 需 的 温 度 很 高 ,真 空 工 艺 的 生 产 效 率 低 下 ,对 大 尺 寸 基 板 的 设 备 昂 贵 ,所 以 在 一 般 的 LCD生 产中 已 经 被 淘 汰 。 但 近 年 来 随 着 硅 基 液 晶 微 显 示 器 件(LCoS)的 出 现 ,因 这 类 器 件 一 般 作 为 光 调 制 器 件 在投 影 系 统 中 应 用 ,对 器 件 的 光 热 稳 定 性 要 求 极 高 ,并且 要 求 液 晶 器 件 具 有 快 速 的 响 应 速 度 来 通 过 时 序 彩色 技 术 实 现 全 彩 显 示 ,使 得 对 使 用 具 有 垂 直 取 向 的无 机 蒸 镀

47、 工 艺 成 为 需 求 。 在 传 统 的 有 机 取 向 层 中 ,由 于 高 密 度 的 光 照 ,在 P I取 向 层 和 液 晶 分 子 都 产 生光 化 学 反 应 ,产 生 一 部 分 自 由 基 ,这 两 种 自 由 基 会 产生 不 可 逆 转 的 化 学 反 应 ,产 生 一 层 没 有 取 向 作 用 的物 质 ,如 果 这 种 物 质 包 含 脂 肪 族 片 段 ,将 会 使 得 液 晶分 子 偏 离 最 优 取 向 方 向 。 此 外 , P I层 也 会 因 光 照 而产 生 分 解 作 用 ,这 样 会 影 响 液 晶 分 子 取 向 效 果 。 两种 情 况 使

48、 得 取 向 层 性 能 退 化 很 快 ,从 而 影 响 液 晶 分子 的 取 向 ,进 一 步 地 影 响 显 示 效 果 。 所 以 高 功 率 的光 照 对 有 机 P I的 取 向 稳 定 性 来 说 ,是 一 个 不 小 的 挑战 。 此 外 ,由 于 P I取 向 一 般 用 于 平 行 取 向 ,这 样 在LCoS这 样 一 个 要 求 快 速 响 应 的 器 件 中 ,平 行 取 向 似乎 并 不 合 适 。 虽 然 倾 斜 蒸 镀 工 艺 条 件 苛 刻 ,产 率 低下 且 不 适 合 大 尺 寸 面 板 的 生 产 ,但 是 其 取 向 层 具 有优 异 的 光 热 稳

49、定 性 ,并 且 可 以 实 现 垂 直 取 向 来 达 到快 速 响 应 的 目 的 。 这 两 个 优 势 ,使 得 淡 出 人 们 视 野的 倾 斜 蒸 镀 技 术 再 次 引 起 人 们 的 关 注 19 。 在 日 本JVC公 司 的 D2ILA型 的 投 影 产 品 中 ,由 于 使 用 无 机材 料 取 向 层 镀 膜 技 术 ,取 向 层 可 以 取 得 很 高 的 稳 定性 ,并 且 可 以 显 示 出 高 达 5 000 1的 对 比 度 。 在 使用 有 机 取 向 层 的 其 他 LCD投 影 产 品 中 ,取 向 层 的 可靠 性 会 退 化 ,而 且 显 示 颜 色 在 使 用 2 500小 时 之 后就 会 退 化 到 不 可 接 受 的 程 度 。2. 2. 3 L B膜 技 术近 年 来 ,随 着 LCD的 大 面 积 化 与 TFT2LCD的 逐渐 普 及 ,取 向 层 表 面 的 均 匀 性 越 来 越