專利名稱：形成光偏振膜的方法
技術領域：
本發明涉及在柔性和剛性基底上制備有序有機分子層的方法。具體地說，本發明涉及可以用作例如內起偏器和二色起偏器的用于生產液晶顯示器(LCD)的溶致液晶的光偏振薄膜的制備方法。
背景技術：
光偏振膜或起偏器是液晶顯示器(LCD)和其它液晶(LC)設備的主要組件。普通起偏器是以30-50μm厚度的聚乙烯醇-碘(PVA)膜為基礎。這些起偏器通常放在液晶元件的玻璃外表面并需要保護膜(例如，三乙酸纖維素或乙酸丁酸纖維素)。其制造相當復雜且昂貴。外放起偏器造成其它反射和視差效應，這使得液晶顯示器的對比度、光學性能和視角降低。所以，對液晶顯示器來說非常需要薄的內起偏器。但是，在傳統PVA膜的基礎上還不能實現這種改變。
FR2186165公開了一種通過將一長的線性聚合物膜(例如PVA)涂布在玻璃基底的內表面上形成內起偏器的方法。然后將該聚合溶液經受線性機械變形(例如，使用一橡膠棒)，使得優先方向與基底平面平行。這使得該長的聚合分子沿變形方向有序。隨后，在溶劑蒸發之后可以將該有序分子狀態固定。通過按體積份浸漬碘蒸汽或碘溶液或沉積二色染料獲得最終的偏振膜。對LCD生產方法來說該方法復雜、不可靠且效率低。該方法的缺點之一是碘分子分散在該液晶塊中。因此導致電阻率降低、功率損耗增加并且該LCD的壽命縮短。
溶致液晶(LLC)還可以用于制備偏振薄膜。可以通過機械剪切流將有機溶劑中的該LLC涂布在玻璃基底上。溶劑蒸發之后，在LLC固體膜中保持了分子順序。
在US2524286和5739296(圖1)中描述了另一方法。在罐3中將感膠染料5的各向同性溶液沉積在柔性聚合物膜2的各向異性表面1上。這樣可以形成該染料溶液的薄膜4。可以將成本低的聚對苯二甲酸乙二酯(PET)膜用作該聚合物膜2。其它變體包括在石蠟、礦物油、硬脂酸鋇、樹脂和其它材料的薄層(0.1-0.5μm)上沉積。之后，通過擦或刷以形成各向異性膜4來將該染料層取向。該有機溶劑可以由溶有例如丙酮、乙醇、二噁烷等的低分子量溶劑的水組成。首先在溶劑8部分蒸發之后在膜7中形成有序向列型LLC相。當對膜7進行烘烤時，最終蒸發溶劑9，獲得具有良好消光比的高度有序的感膠染料固體膜11。LLC起偏器的典型厚度為0.3-0.5μm，它可與常規LC排列層厚度相比。可以通過模15和基底2的表面1之間的空隙14調節該厚度。
蒸發速度是一重要因素。高溫下快速蒸發使溶液“沸騰”，然而低溫慢速蒸發將導致形成無規則取向的染料多晶體，因此影響光偏振膜的光學質量。
使用一粘合層將該偏振膜從柔性聚合物載體傳遞到LCD元件的玻璃基底上。該粘合層可以是通過使用水或其它溶劑、通過熱或其它方式使其發粘的壓敏膠帶或其它永久性粘性膠帶。對粘性膠帶粘合劑來說，可以使用氯化膠乳、低分子量聚異丁烯等。
可以由該平面薄片切割形成大尺寸的光偏振膜，也可以形成中等尺寸和特定形狀的薄片。如果使用例如透鏡、燈泡等的凸面或凹面基底，還可以是立體形式。
該技術能夠制造每層的光軸具有特定取向和多色吸收性能的多層光偏振結構。該偏振膜具有高的輻射穩定性、高的溫度穩定性(高達200℃)、高的色牢度和UV-穩定性。這些性能使這些膜用于替代目前LCD生產中的碘基外起偏器更具吸引力。
但是，在生產過程中，可以出現幾個到十微米寬的水平條紋形狀的缺陷。這些缺陷分成具有不同分子取向的區域，它們在偏振光中作為垂直譜帶可以清楚看見。這些缺陷的根源是LLC流的湍流、排列層的非均勻性能和非最佳沉積條件。通過改變沉積速度和LLC粘度、使用電暈放電制備基底、降低基底的移動速度和固定沉積設備位置可以使這些缺陷最小化。
USSR專利697950提出使用LLC形成內起偏器。該步驟描述了在透明電極的表面上沉積1-30wt/wt％的感膠凝膠。然后通過例如旋涂以102-107sec-1的速度使該凝膠經受剪切流。該步驟之后烘烤掉溶劑。
提出的該技術允許使用以LLC為基礎的光偏振薄膜用于內LCD起偏器。但是不能遵循特定局部分布，例如遵循具有幾十微米或更小的特征尺寸的馬賽克圖隨意地確定該偏振方向。這種限制是由于該提出方法的空間分辨率差的緣故。
該提出發明的目的是開發一種制備用于LCD的具有所需偏振軸分布的無色或有色薄起偏器的新技術。
發明內容
本發明目的是提供一種制備具有所需的偏振軸局部分布的經光成象(象素化)的薄起偏器的新技術。
根據本發明，提供了一種在基底上形成光偏振薄膜的方法，包括下列步驟(a)在柔性聚合載體薄片上沉積固體薄膜起偏器，(b)將光固性膠涂布在所述基底上，(c)使所述固體薄膜起偏器與所述膠接觸，(d)照射并固化所述膠，和(e)移去所述載體薄片。
在一優選實施方式中，通過以一圖形照射所述膠以形成固化膠圖案并當移去所述載體薄片時所述固體薄膜起偏器僅以所述圖案附著在所述膠上進行所述膠的照射和固化步驟。未固化的膠的區域可以通過溶劑移去。
優選通過經過成象的掩模進行照射。該掩模可以是通過光刻法形成的陰影掩模或光掩模。
在本發明的一優選實施方式中，以具有至少兩個不同偏振方向的區域形成的圖案在該基底上形成光偏振膜。這可以通過以下步驟實現(a)在第一柔性載體上沉積第一固體薄膜起偏器，所述第一起偏器具有第一偏振方向，(b)將光固性膠涂布到所述基底上，(c)使所述第一固體薄膜起偏器與所述膠接觸，(d)以第一圖案照射所述膠以形成所述第一固體薄膜起偏器粘附其上的固化膠圖案，(e)將通過所述膠以所述第一圖案使所述第一固體薄膜起偏器粘附在所述基底上的所述第一柔性載體移去，(f)在第二柔性載體上沉積第二固體薄膜起偏器，所述第二起偏器具有第二偏振方向，(g)將光固性膠涂布到所述基底上，(h)使所述第二固體薄膜起偏器與所述膠接觸，(i)以第二圖案照射所述膠以形成所述第二固體薄膜起偏器粘附其上的固化膠的圖案，和(j)將通過所述膠以所述第二圖案使所述第二固體薄膜起偏器粘附在所述基底上的所述第二柔性載體移去。
在本發明優選形式中，該光偏振膜被分成具有不同光偏振方向的象素，并且這些象素可以分成子象素，每個子象素是與不同吸收色形成的。或者，所有這些象素可以具有相同的偏振方向。
所述的柔性載體薄片可以由各向同性的或非各向同性的聚合材料形成，并且可以包括一分離層。優選該分離層還用作偏振排列層。該分離層可以包括由選自石蠟、礦物油、硬脂酸鋇、樹脂、單軸排列的聚對苯二甲酸乙二酯等的材料形成的膜。可以將該分離和排列層機械地摩擦以獲得所需取向。
優選在形成液晶顯示器的內表面的基底上形成所述的光偏振薄膜。
根據本發明，還提供了一種光偏振薄膜的形成方法，包括下列步驟(a)在基底上沉積光排列性材料層，(b)用光化射線照射該光排列性層以確定所述光排列性層的偏振軸，(c)將一各向同性吸收劑溶液的薄層涂布在所述光排列性層上，(d)將所述溶液部分蒸發以形成凝膠，和(e)將所述凝膠烘烤以形成各向異性吸收劑層。
在本發明的一個實施方式中，該光化射線經線性偏振化并且所述光排列性層的主要吸收軸與所述光化射線的偏振矢量正交。在本發明的另一實施方式中，該光化射線未經偏振化并以一傾角入射到所述光排列性層上。
優選通過掩模照射該光排列性層，從而只排列所述層的選擇區域。而且更優選，依次通過幾個掩模照射該光排列性層，由此可以隨不同排列軸形成所述光排列層的不同區域。可以通過將經過線性偏振或未經過偏振的光化射線轉變成具有偏振矢量空間分布的光化射線的經光成象的掩模照射該光排列性層，并且該經光成象的掩模可以是光偏振掩模或雙折射掩模。
優選可以提供不只一個吸收劑材料并且可以根據不同顏色選擇不同吸收劑。該吸收劑可以包括溶致液晶。該光排列性材料可以優選為有機偶氮染料。
可以將該光排列性材料沉積成0.05-1.5μm厚的層，同時該吸收劑材料可以具有0.3-1.5μm的厚度。
優選在形成液晶元件的內表面的基底上形成該光偏振薄膜。
從另一方面考慮，本發明提供了一種沉積在基底上并包括大量象素的光偏振薄膜，其中所述象素是隨不同偏振軸形成的。可以在確定液晶元件的基底的內表面上形成該光偏振膜。
現在通過實施例并參照附圖描述本發明的一些實施方式，其中圖1描述了在用于制備薄膜起偏器的聚合膜上涂布的溶致液晶；圖2a-c顯示了(a)根據本發明的第一個實施方式(光硬化的粘合劑)制備經光成象(象素化)的起偏器的方法的高階層流程圖，以及(b)和(c)圖示了該方法；圖3a-c描述了形成經光成象(象素化)的單色或多色和/或二色薄膜起偏器的可能方法；圖4a-b顯示了(a)根據本發明的第二個實施方式制備經光成象(象素化)的起偏器的方法的高階層流程圖；圖5顯示了可以用于制備光排列層的光化穩定的偶氮染料的結構式；圖6圖示了用非偏振光傾斜曝光光排列層的應用；圖7圖示了使用傾斜入射的非偏振光形成經光成象(象素化)的薄膜起偏器的可能方法；圖8顯示了經偏振光曝光之前和之后偶氮染料AD-1的透射光譜(TP和TS分別代表與染料吸收軸垂直和平行的透射光譜，其中T0為紫外線照射之前的透射光譜)；圖9顯示了薄感膠起偏器的偏振透射光譜(TP和TS分別代表與偶氮染料吸收軸垂直和平行的透射光譜)，和圖10圖示了當所有局部軸以一特定方向排列時覆蓋該整個顯示區域的單個大象素。
具體實施例方式
本發明提出使用兩種用于LCD生產的技術方案以獲得具有不同偏振軸和/或不同局部顏色區域的經光成象(象素化)的光偏振薄膜。兩種溶液都基于溶致液晶(LLC)的應用。在第一方案中，使用光硬化粘合劑獲得無色和/或有色起偏器，而在第二方案中使用光排列層獲得無色和/或有色LLC起偏器。
在圖2a-c中，顯示了制備根據本發明的經成象(象素化)的起偏器的一個實施例方法的流程圖200。在第一步中，使用圖1中所示的方法制備偏振薄膜201(圖2b)。起偏器201包括薄固體基底，它在有機溶劑中呈現向列狀態。將該固體膜涂布在柔性聚合載體薄片202上。薄片202的表面可以經過各向異性LLC取向處理。特別地，該處理包括沉積石蠟、礦物油、硬脂酸鋇、樹脂或其它材料的薄層。然后將該層的表面擦掉或刷掉。因為必需將起偏器201與載體202分離，因此為了減少各向異性固體膜201在載體202上的粘性，可以包括厚1μm的分離層203。該層可以由例如石蠟或其它易熔化的物質形成。該柔性載體薄片可以由成本低且在薄膜起偏器201上粘性低的聚對苯二甲酸乙二酯(PET)膜的聚合物薄片組成，在這種情況下可以不需要附加的分離層。
為了將該薄膜起偏器201轉移到基底204上，將基底204的上表面用光聚合膠205涂布。然后，將具有薄膜起偏器201的柔性聚合載體薄片202與基底204接觸。相應于基底204將該載體薄片202的取向保持特定的偏振軸。對該堆疊構建體206加壓以獲得光聚合膠的均勻薄層207。真空加壓可以幫助減少捕集在薄層207中的氣泡。UV膠(例如Norland 65)不應溶解起偏器薄層201。
之后，通過紫外光208照射孔掩模209并通過透鏡210將該孔掩模的圖案投影到薄層207上。照射區211將變硬并且UV-膠的硬化部分在一面與薄膜起偏器201以及在另一面與基底牢固結合。UV膠的未硬化部分214可以通過有機溶劑從基底上移去。用這種方式，在將該偏振膜與基底機械分離之后可以獲得經光成象的起偏器結構。
為了獲得具有偏振軸的不同局部取向的經光成象(象素化)的起偏器，用一組取向方向不同且具有相應孔掩模的薄膜起偏器201重復操作I-VI(圖2b)。以這種方式獲得的薄膜起偏器(象素)的特征尺寸可以不到10μm。
可以使用干燥的光聚合膠(例如Du Pont de Nemours生產的)用于圖案轉移目的。干燥光聚合膠的結構示于圖2c中。該結構包括柔性且干燥的光聚合膠膜215和兩個保護層216和217。第一步，取走保護層217并在移去另一保護層216之前將該干燥膠膜215層壓在基底204的表面上。之后，如圖2b所示重復上述操作(IV-VII)。
在圖3a-c中，描述了形成具有不同局部軸取向的經光成象的單色或多色薄膜起偏器的可能變體。字母R(302)、G(303)、B(304)、GB(305)和D(306)分別表示紅色、綠色、藍色、灰色(黑色)和二色起偏器，其中箭頭301顯示了在相應象素中的光軸取向的方向。本發明的技術能夠獲得用于LCD的經光成象(象素化)的薄起偏器(厚0.3-1μm)，它們可以是無色或有色的。
在圖4a-b中顯示了制備根據本發明的經光成象(象素化)的起偏器的另一方法。通過將LLC各向同性溶液蒸發到光排列層上制備薄膜起偏器。在該步驟中，使用呈現光誘導的光學各向異性的開始為各向同性的固體膜作為排列層。作為可逆(光色)或不可逆(光化)的反應的結果，在該排列膜中形成光誘導的各向異性和吸收二向色性。當這些分子吸收偏振或非偏振光量子時，在這種光排列層的表面上和塊中形成分子有序。分子有序的程度取決于曝光能量，同時優選的分子取向的方向由偏振矢量和光入射平面確定。
由于光排列膜和溶致液晶之間的分子分散力，因此可以使整個感膠層均勻取向。已發現某些有機光化穩定的物質通過偏振或非偏振光照射顯示出誘導分子有序的程度比在活性光化分子層中發現的高得多。通過光誘導的光學各向異性評價，該分子有序在光色物質中飽和。這與因不可逆光化反應的分子有序的情況相反。在后者的情況下，足夠高的曝光能量將減少該誘導的光學各向異性，即，該分子有序關鍵依賴該曝光能量。
此外，使用傾斜入射的非偏振光，可以誘導溶致液晶的光排列。在這種情況下，光排列層中的分子有序隨曝光能量增加。溶致液晶分子的優選取向與傾斜入射平面平行并取決于溶致液晶分子和染料分子間的相互作用。因此可以取締昂貴的UV-起偏器并且可以大大簡化內偏振薄膜的整個生產方法。
使用具有以下結構式的偶氮染料AD-1 該偶氮染料為用于光排列的光化穩定的物質。圖5中給出了可以用于制備光排列層的其它光化穩定的偶氮染料的結構式。
圖4a顯示了根據本發明的該實施方式的制造方法400。在方法400(圖4b)的第一步中，在玻璃或塑料基底401上面沉積厚度為10-200nm的光排列層402。可以使用光化穩定的偶氮染料AD-1的非晶膜作為光排列膜402。通過旋涂生產該膜，但是可以使用真空熱濺射。也可以將基底401浸泡在物質AD-1的溶液中沉積膜402。形成固體膜402之后，通過光源405對其照射。起偏器406、孔掩模404和透鏡403構成了用于光圖案轉移的單個成象系統。應重復操作II以在經光成象(象素化)的起偏器上獲得局部分布的偏振軸。可以使用不同的孔掩模組和偏振矢量用于該目的。如果通過非偏振光以傾斜入射曝光光排列膜(圖6和7)，那么可以取締起偏器406。
在完成步驟II和III之后(圖4a)，在薄膜407的照射區形成局部偏振軸408(圖4b)，并且未被照射的區域409呈現自由軸取向。然后將溶致液晶411的各向同性溶液410涂布在光排列層上面。以一定濃度的溶劑恢復溶致液晶向列排序。在溶劑412部分蒸發之后實現所需濃縮，從而形成粘性膠膜413。溶致液晶分子414的局部取向受光排列層407中的局部分子順序409的影響。使用加熱器416烘烤掉溶致液晶膜413中的溶劑415。這樣使得形成消光比高的溶致液晶的高度有序的膜417。
因此，提出的該技術允許獲得一層薄膜(0.3-0.5μm)，可以將其用作LCD的無色或有色經光成象(象素化)的內起偏器。最小元件尺寸可以為幾微米級。為了制備多色起偏器，可以通過一新的光排列層涂布該溶致液晶層417，并且用溶致液晶的其它組成重復操作II-VII。如果需要的話，可以將分離層放置在不同感膠偏振膜之間(在圖4b中未顯示)。最終夾層經光成象(象素化)的起偏器的總厚度可以達到幾微米。
依賴溶致液晶的化學結構，可以將該偏振軸取向與光排列層的分子軸平行或垂直。例如，來自OPTIVA公司的溶致液晶(CrystalInkTM)的優選取向與光排列層中的AD-1染料分子的垂直。這使得使用偶氮染料AD-1和來自OPTIVA公司的溶致液晶(Crystal InkTM)獲得經光成象(象素化)的薄起偏器。該起偏器的厚度約為0.3-1.5μm。通過最大吸收波長附近的偏振光照射該AD-1層。該最初著色層沿照射的偏振方向透明并在正交方向高度吸收(圖8)。同時平均光密度DavDav＝(D‖+2D⊥)實際上保持相同。在圖9中顯示了由偶氮染料AD-1和來自OPTIVA公司的溶致液晶(Crystal InkTM)制備的在內感膠薄起偏器的玻璃基底上的偏振透射光譜。在本發明提出的兩種技術方案中，圖10中描述了使用線性偏振光使所有局部軸簡并成單一方向時的特定情況。
權利要求
1.一種在基底上形成光偏振薄膜的方法，包括下列步驟(a)在柔性聚合載體薄片上沉積固體薄膜起偏器，(b)將光固性膠涂布在所述基底上，(c)使所述固體薄膜起偏器與所述膠接觸，(d)照射并固化所述膠，和(e)移去所述載體薄片。
2.如權利要求1的方法，其中所述照射和固化所述膠的步驟是通過以一圖案照射所述膠進行的，由此形成固化膠圖案，并且當移去所述載體薄片時所述固體薄膜起偏器僅以所述圖案與所述膠接觸。
3.如權利要求2的方法，其中通過一溶劑移去未固化的膠區域。
4.如權利要求2的方法，其中所述照射是通過一經成象的掩模進行的。
5.如權利要求4的方法，其中所述掩模為一通過光刻法形成的陰影掩模或光掩模。
6.如權利要求1的方法，其中所述光偏振膜是以由至少兩個不同偏振方向的區域形成的圖案在所述基底上形成的。
7.如權利要求6的方法，該方法包括下列步驟(a)在第一柔性載體上沉積第一固體薄膜起偏器，所述第一起偏器具有第一偏振方向，(b)將光固性膠涂布到所述基底上，(c)使所述第一固體薄膜起偏器與所述膠接觸，(d)以第一圖案照射所述膠以形成所述第一固體薄膜起偏器粘附其上的固化膠的圖案，(e)將通過所述膠以所述第一圖案使所述第一固體薄膜起偏器粘附在所述基底上的所述第一柔性載體移去，(f)在第二柔性載體上沉積第二固體薄膜起偏器，所述第二起偏器具有第二偏振方向，(g)將光固性膠涂布到所述基底上，(h)使所述第二固體薄膜起偏器與所述膠接觸，(i)以第二圖案照射所述膠以形成所述第二固體薄膜起偏器粘附其上的固化膠的圖案，和(j)將通過所述膠以所述第二圖案使所述第二固體薄膜起偏器粘附在所述基底上的所述第二柔性載體移去。
8.如權利要求6的方法，其中所述光偏振膜被分成光偏振方向不同的象素。
9.如權利要求8的方法，其中所述象素被分成子象素。
10.如權利要求9的方法，其中一象素內的所述子象素隨不同吸收色形成。
11.如權利要求1的方法，其中在所述基底上以大量象素形成所述光偏振膜。
12.如權利要求11的方法，其中這些象素具有至少兩個不同偏振方向。
13.如權利要求11的方法，其中所有象素具有相同的偏振方向。
14.如權利要求1的方法，其中所述柔性載體薄片是由各向同性或非各向同性的聚合材料形成的。
15.如權利要求1的方法，其中所述載體薄片包括一分離層。
16.如權利要求15的方法，其中所述分離層還用作偏振排列層。
17.如權利要求16的方法，其中所述分離層包括由選自石蠟、礦物油、硬脂酸鋇、樹脂、單軸排列的聚對苯二甲酸乙二酯等的材料形成的膜。
18.如權利要求17的方法，其中機械地摩擦該分離和排列層以獲得所需取向。
19.如權利要求1的方法，其中所述光偏振薄膜在形成液晶元件的內表面的基底上形成。
20.一種在基底上沉積并包括大量象素的光偏振薄膜，其中所述象素以不同偏振軸形成。
21.一種包括在基底前面和后面的液晶材料的液晶元件，其中一個所述基底的內表面是用沉積其上的如權利要求20所述的光偏振薄膜形成的。
全文摘要
本發明涉及制備經光成象的單色或多色偏振膜的方法。其中起偏器可以象素化成不同小區域，一些區域具有某一取向的無色或有色主吸收軸；而另一些區域具有另一取向的無色或有色主吸收軸。所述軸取向是由光化射線的偏振矢量決定的，并且通過分別的掩模曝光可以多軸取向。可以將起偏器放置在LCD元件基底的內表面上。
文檔編號G03F7/00GK1734327SQ20051009782
公開日2006年2月15日 申請日期2000年10月27日 優先權日2000年8月22日
發明者郭海成, 葉永超, 弗拉迪米爾·奇格里諾夫, 弗拉迪米爾·科津科夫 申請人:香港科技大學