Статья: Создание многодоменной ориентации жидких кристаллов на поверхности натертых полимерных слоев

Создание многодоменной ориентации жидких кристаллов на поверхности натертых полимерных слоев

А.В. Трофимова

Продемонстрирована возможность создания многодоменной ориентации ЖК материала путем двукратной обработки бензальдегидного полимерного слоя, включающей его механическое натирание и последующее воздействие ультрафиолетового излучения.

Распространение высоко-функциональных ЖК-дисплеев (3D- и трансфлективного типов, экранов с широким углом обзора) стимулировало развитие исследований по разработке способов изготовления многодоменных ориентирующих слоев и фазовых пленок, обеспечивающих для таких экранов их ключевые функции (объемность изображения, применение различных режимов освещенности, увеличение угла обзора) [1-3]. Локально задавать необходимое направление ориентации ЖК и его топологию позволяет бесконтактный метод фотоориентации, использующий облучение полимерных слоев линейно-поляризованным активирующим излучением. Ранее нами было показано, что этот метод применим к фотосшиваемым бензальдегидсодержащим полимерам [4,5]. Однако энергия сцепления поверхности УФ облученных слоев бензальдегидных полимеров с ЖК, как и у большинства фотоориентирующих материалов, невысока (~ 10-5 Дж/м2), что снижает надежность их использования в промышленных технологиях. Бульшее значение энергии сцепления для бензальдегидных полимеров (~ 10-4 Дж/м2) достигается альтернативным методом ориентации, состоящем в механическом натирании слоя тканью и его УФ облучении. Единственное направление ориентации задается направлением натирания, а фотосшивание увеличивает энергию сцепления и делает анизотропию поверхности устойчивой к внешним воздействиям [6]. При достаточной механической устойчивости такой анизотропии можно рассчитывать на переориентацию директора в необлученных областях повторным натиранием после облучения первично натертого слоя через фотомаску. В результате возникнет многодоменная ориентация ЖК. В настоящей работе представлены результаты исследования ориентирующей способности слоев бензальдегидных полимеров, подвергаемых двукратной обработке натирание - УФ облучение. вращение угол температура полимерный

В экспериментах использовали полимерные слои толщиной ~ 0.1 мкм, приготовленные методом центрифугирования раствора материала на стеклянной подложке. Процедура обработки слоев включала первичное механическое натирание тканью в одном направлении, УФ-облучение (однородное или через фотомаску) полным потоком лампы ДРШ-250, вторичное натирание в перпендикулярном направлении и повторное однородное УФ-облучение. На облученные поверхности образцов наносили слой ЖК мономера, который затем фотополимеризовался для фиксирования наведенной ориентации. Оценку качества ориентации проводили, измеряя коэффициент пропускания T в зависимости от угла поворота образца в системе скрещенных линейных поляризаторов. По этим данным находили величину разности хода д, вносимой слоем ЖК-мономера, с помощью формулы:

, (1)

где , Tmax и Tmin - максимальное и минимальное значения коэффициента пропускания образца, периодически изменяющегося при его вращении, l - толщина слоя, л - длина волны зондирующего лазерного излучения (л = 650 нм).

Для определения направления ориентации (директора ЖК) систему измерений дополняли фазовой пластинкой с известным направлением оптической оси анизотропии.

На рис. 1 представлена зависимость ориентации директора ЖК от дозы облучения полимерного слоя после первого натирания (отсчет угла б проводится от направления первого натирания).

Как видно из рис. 1а увеличение дозы облучения ориентирующего слоя постепенно снижает воздействие повторного перпендикулярного натирания, обеспечивая с определенного значения экспозиции (H?15 Дж/см2) сохранение первоначальной ориентации (б=0). В то же время для необлученной поверхности (H=0) вторичное натирание изменяет направление директора ЖК только на ?70, т.е. полная переориентация директора ЖК (б=90) не наблюдается.

Ориентационный эффект натертого слоя бензальдегидного полимера, существенно усиливающийся в ходе его УФ облучения, был связан нами с развивающимся фотосшиванием бензальдегидных фрагментов [6]. Механическое натирание слоя в определенном направлении задает ориентационную упорядоченность сегментов полимерной цепи, создавая сравнительно небольшую анизотропию поверхности. Образование по мере фотопревращения сшивок между сегментами вызывает их анизотропное сжатие и ограничивает подвижность. При этом повышается степень упорядоченности ансамбля, т.е. величина поверхностной анизотропии, а также устойчивость последней к последующим механическим воздействиям. Поэтому эффект от перенатирания заметно падает с ростом экспозиционной дозы, но даже в отсутствие облучения наведенная первым натиранием ориентационная упорядоченность макромолекул цепи может частично сохраняться (рис. 1а). Можно ожидать снижения степени упорядоченности, обеспечив бульшую подвижность макромолекулам, например, путем повышения температуры образца. С этой целью мы провели эксперименты по приготовлению ориентирующих слоев, в которых после натирания их прогревали, затем снова натирали в перпендикулярном направлении и облучали однородно. Результаты экспериментов приведены на рис. 1б.

Полученные данные (рис. 1б) показывают, что прогрев необлученного слоя после натирания при температуре ? 80 С обеспечивает изменение направления директора в соответствии с повторным натиранием.

Обнаруженные свойства ориентанта сохранять наводимую при натирании и фиксировании УФ светом поверхностную анизотропию и изменять ориентацию ее оси при вторичном натирании в другом направлении позволяют рассчитывать, например, на создание в пределах одной поверхности многозонной фазовой структуры с различным локальным направлением оптической оси. На рис. 2 представлена общая схема экспериментальной реализации предложенного способа.

Для создания рисунка использовали фотомаску, закрывающую половину поверхности образца. После облучения натертого слоя через фотомаску с экспозицией 20 Дж/см2 (см. рис. 1а) образец прогревали при 80 С в течение 5 минут. Затем проводили вторичное натирание в направлении, перпендикулярном к исходному, облучали однородно УФ светом с той же экспозиционной дозой, наносили и полимеризовали слой ЖК мономера. Анализ записанной структуры включал определение положения оптической оси (угол б) и расчет величины разности хода д для каждой из 2 зон. Полученные результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Значения угла ориентации директора ЖК и вносимой разности хода

Описанная процедура обработки слоя бензальдегидного полимера позволяет создавать локально неоднородную ориентацию ЖК с двумя различными направлениями директора, что открывает возможность для использования способа при изготовлении многодоменных фазовых (четверть- или полуволновых) пластинок для дисплейных приложений.

Литература

1. Wu Y.-H., Jeng Y.-S., Yeh P.-C., Hu C.-J., Huang W.-M., SID Symp. Dig. Tech. Pap. 2008. Vol. 39. p.260-263.

2. Lim Y.W., Kim D.W., Lee S.D., Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2008. Vol. 489, №1. p.183-509.

3. Martinez-Corral M., Dorado A., Navarro H., Saavedra G., Javidi B., Appl. Opt. 2014. Vol. 53, № 22. p. E19-E25.

4. Трофимова А.В., Концур К.В., Могильный В.В., Сб. трудов X Международ. конф. «ПО-2012». 2012. с.106-108.

5. Mahilny U., Trofimova A., Stankevich A., Tolstik A., Murauski A., Muravsky A., NPCS 2013. Vol.16, №1. p. 79-85.

6. Могильный В.В., Станкевич А.И., Трофимова А.В., Вестник БГУ. 2014. Сер.1, №2. с.17-22.