聚酰亞胺類液晶光定向層的光響應研究

李建林

文章編號：2095-6835（2017）10-0019-03

摘 要：隨著液晶材料在顯示領域的廣泛應用，摩擦法作為常用的制備液晶定向層的方法，鑒于其存在的嚴重缺點，目前已越來越不適用，而探索新的液晶定向層成為日前的研究熱點。采用直接曝光法和雙光束干涉法反復研究用偶氮聚酰亞胺類液晶材料做成的光定向層的光響應特性，通過帶正交偏振片裝置的CCD觀察樣品取向隨不同光的激勵發生的改變。結果表明，聚酰亞胺類液晶光定向層具有良好的光控取向能力。

關鍵詞：光定向層；聚酰亞胺；液晶；光響應

中圖分類號：O753+.2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.019

自1888年奧地利植物學家瑞尼澤爾（Friedrich Reinitzer）發現液晶（liquid crystal）以來，液晶材料已經走出實驗室，被廣泛應用于人們的日常生活中。其中，人們最熟悉的就是液晶顯示材料。液晶顯示作為重要的電子產品，是通過改變液晶分子的排列方向來改變所透過光線，以實現其顯示功能。而液晶顯示器是通過被稱之為液晶定向層的聚合物薄膜來控制液晶分子的排列方向，目前，工業化應用的定向層主要是通過摩擦在聚酰亞胺薄膜表面產生微小的溝槽來誘導液晶分子取向。但是，這種定向層制備存在明顯的缺點，比如摩擦會產生灰塵、靜電等，而且無法曲面顯示。因此，探索新的液晶定向層制備技術，建立新材料的制備方法具有重要的應用價值。

1992年，Schadt等報道了利用線性偏振光聚合技術制備液晶定向層的新方法。這種方法是一種非接觸型的液晶定向層制備方法，可以克服摩擦法的缺陷，同時，能使器件的制作更加簡單、高效，大大降低產品的成本，是未來最有應用前景的非摩擦液晶定向技術。液晶光定向層材料是光定向技術實施的基礎，目前已見報道的液晶光定向層材料主要有以下3種：①可光降解聚合物材料（比如聚酰亞胺、聚苯乙烯等）；②含有可進行光致異構化反應基團（比如偶氮、二苯乙烯等）的聚合物材料；③含有可進行光交聯反應基團（比如肉桂酸酯、香豆素等）的聚合物材料。本文的研究是基于國內某科研單位提供的偶氮聚酰亞胺液晶光定向薄膜材料進行的。在研究時，使用該材料自制液晶盒，并灌入E7液晶，然后用365 nm、457 nm光源對樣品進行光控取向研究。研究發現，該材料具有明顯的誘導液晶分子定向排列的功能，是很好的光定向層新材料。

1 實驗設計

1.1 樣品制備

本文的研究是基于國內某科研單位提供的光定向薄膜材料，該材料是一類新型的含偶氮的可溶性聚酰亞胺聚合物，由于結構中含光響應性的偶氮生色團，該聚合物表現出明顯的光色效應。樣品制備情況如下。

1.1.1 樣品1

樣品1是由某科研單位提供的偶氮聚酰亞胺光取向膜樣品。在實驗時，將由偶氮、聚酰亞胺等聚合物合成的光定向層材料的均勻溶液經旋轉勻膠機涂到潔凈的透明石英玻璃片上，經取向處理使得光定向層沿平面的某方向均勻取向，將其稱為初始取向n0。

1.1.2 樣品2

樣品2是由2片樣品1制作的空液晶盒。將2片樣品1的光取向層相對而置，保持兩者的n0相同，中間用35 μm的耐高溫薄膜控制盒厚為35 μm，用燕尾夾固定、AB膠黏合，放入烘箱烤干，做成初始取向為n0、盒厚為35 μm的空液晶盒。

1.1.3 樣品3

樣品3是灌有E7液晶的液晶盒。將樣品2利用毛細管作用灌入E7液晶，E7液晶會隨著光取向層重新取向，形成初始取向為n0的液晶盒。

1.2 光路搭建

經光譜分析，該光定向層材料在365 nm和457 nm波長段的光吸收能力比較強。本實驗將采用365 nm和457 nm兩種光源，用直接曝光、線偏振光照射和左右圓偏振光干涉等方法研究其光控取向特性。左右圓偏振光相干涉光路如圖1所示。

圖1所示的是波長為457 nm激光的左右圓偏振光相干光路。其中，457 nm激光作為激發光源，經偏振分光棱鏡后分成2束偏振方向垂直的線偏振光，并且可以通過調節前面的1/2波片使得2束線偏振光光強相同。2束線偏振光經過1/4波片后，1束變為左圓偏振光，1束變為右圓偏振光，2束圓偏振光經相同的光程相聚于樣品的1點。在樣品上，由于左右圓偏振干涉形成均勻的明暗相間周期為10 μm的條紋，樣品經過該條紋的照射將形成穩定的、周期為10 μm的液晶光柵，并且可以通過偏光CCD全程觀察樣品的變化。

365 nm波長的紫外光曝光是采用LED-UV光源對著樣品直接曝光，通過CCD的觀察研究其取向是否發生改變。將圖1光路中的一束光擋住，再將1/4波片改為格蘭棱鏡，就是457 nm線偏振光照射光路。通過調節格蘭棱鏡改變光束線偏振方向，研究光定向層取向方向與光束線偏振方向變化的關聯。

2 實驗與討論

先確定樣品的取向，前面起偏器和后面檢偏器的偏振方向保持正交。當樣品的取向與起偏器的偏振方向平行或垂直時，從帶長焦鏡頭的CCD中看到的是最暗的圖像，如圖2（b）所示；當樣品的取向與起偏器的偏振方向成45°夾角時，從CCD中看到的是最亮的圖像，如圖2（a）所示；當樣品的取向垂直于盒子而不是沿面曲向時，任意轉動樣品，從CCD中看到的都是最暗的圖像。

如圖2所示，將樣品1置于圖2中的樣品架上，通過CCD觀察其明暗變化。轉動樣品1，當樣品1的長軸與起偏器平行或垂直時，出現圖2（b）的最暗圖像；繼續旋轉，圖像逐漸變亮，當樣品1的長軸與起偏器偏振方向成45°夾角時，圖像最亮，出現圖2（a）所示圖像。這些現象表明，樣品1的光取向層分子沿面平行于玻璃長軸方向排列，即樣品1初始取向n0平行于波片長軸方向。

利用2片樣品1組成液晶盒子，即樣品2，重復上述實驗過程發現，樣品的初始取向n0沒有改變，與樣品1一致。聚酰亞胺聚合物具有良好的光敏基團，能夠吸收365 nm和457 nm波段的光發生光化學反應，使分子重新取向。保持樣品2的初始取向n0與起偏器偏振方向成45°夾角，用UV光對樣品2進行曝光，其現象如圖3（a）所示。隨著曝光時間的增加，圖像逐漸變暗，直至看不見；關掉UV光，旋轉樣品，圖像保持漆黑不變。這說明，定向層的取向受UV光的影響而發生了改變。由此可以推斷，受UV光影響，取向層分子由平行于長軸方向的沿面排列逐漸變為垂直于波片排列，即分子由“躺著”變為“站著”，因此，CCD顯示的圖像逐漸變暗且旋轉樣品也不能使其變亮。接著用偏振方向與n0成45°夾角的線偏振457 nm激光對樣品2進行曝光，并保持n0與起偏器偏振方向平行。這時，可以觀察到，CCD顯示的圖像隨著光照時間的增加由暗態逐漸變為量態，如圖3（b）所示。關掉457 nm激光后，圖像保持這個亮度，但將樣品旋轉，圖像逐漸變暗，當旋轉角度為45°時，達到最暗。這表明，經457 nm激光照射后，定向層分子由垂直于波片排列變為沿面排列且與457 nm激光偏振方向垂直，又重新由“站著”變為“躺著”，且“躺著”的方向變了45°。

利用毛細管作用將E7液晶灌入空液晶盒做成樣品3，探索定向層取向改變對液晶取向的影響。首先確定樣品3的初始取向：旋轉樣品，觀察正交偏振片后CCD顯示的圖像的明暗變化，發現其初始取向與樣品1、樣品2一致。這說明，液晶分子進入液晶盒后，受定向層分子影響，順著偶氮聚酰亞胺分子的排列方向重新規整排列，取向一致。樣品2的初始取向n0與起偏器偏振方向成45°夾角，用UV光對樣品3進行曝光，其現象如圖4（a）所示。隨著曝光時間的增加，圖像逐漸變暗，直至看不見，關掉UV光，旋轉樣品，CCD顯示的圖像暗度不變，漆黑一片。這個現象說明，液晶分子隨定向層分子“站立”起來了，垂直于液晶盒重新取向；用偏振方向與n0成45°夾角的線偏振457 nm激光束對樣品3進行照射，保持n0與起偏器偏振方向平行，可以觀察到：圖像由暗逐漸變量，如圖4（b）所示，關掉457 nm激光后，圖像保持這個暗度，將樣品旋轉，圖像逐漸變暗，45°時達到最暗。該現象說明，液晶分子由垂直于液晶盒排列變為沿面排列且與光束線偏振方向垂直。以上實驗現象與樣品2相似，表明定向層對液晶分子的重新取向進了有效的誘導。用圖1所示左右圓偏振干涉光路照射樣品3，并保持n0與起偏器偏振方向平行，CCD顯示的樣品圖像由暗逐漸變量，并產生了表面起伏的光柵結構，接著用632 nm激光探測樣品3，發現紅色激光經過液晶光柵發生了衍射，產生了衍射光斑。

綜上所述，本文研究的含偶氮苯基團的可溶性聚酰亞胺光定向層材料具有明顯的光響應性。在365 nm的紫外光照射下，該聚合物反式構型轉變為順式構型，偶氮苯的平面共軛結構被破壞，定向層分子由沿面排列變為垂直平面排列，而液晶分子由于超分子協同作用，受到聚合物分子的誘導重新排列，取向與定向層分子一致。當聚合物受到457 nm激光照射，大部分偶氮生色團由反式構型變為順式構型而達到光致順反異構平衡，從而使聚合物分子向光束線偏振方向的垂直方向重新排列，進而誘導液晶分子沿面且垂直光束線偏振方向定向均勻取向。而用干涉光照射定向層，則將誘導聚合物薄膜形成表面起伏光柵結構，液晶分子在薄膜后的區域發生面外取向，薄的區域發生面內取向，液晶光柵也因此形成。

3 結束語

偶氮聚酰亞胺光定向層材料具有很好的光控取向性能，可通過調控光的波長、偏振和干涉條紋實現我們需要的液晶取向。由于該定向層材料存在的光敏基團能對特定波長的光的刺激發生響應，聚合物分子與液晶分子之間存在的超分子協同作用，365 nm光照射能誘導液晶分子垂直于面排列，線偏振457 nm光照射能誘導液晶分子沿面排列，并且可以通過調節線偏振光的偏振方向來控制液晶取向。另外，可以通過雙光干涉的干涉條紋實現液晶光柵的制備，且這些光對定向層和液晶的誘導是能被記住和擦除的，因此，該光定向層材料在光子學方面被廣泛應用。

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〔編輯：白潔〕