一种基于晶体薄膜的改性光学材料的可能方法是通过与高分 子量化合物如
聚合物相互作用赋予这些薄膜高机械性能。
基于聚合物-染料体系的薄膜材料是公知的。这类体系被广泛 地用作极性薄膜。具体而言,含碘的半晶质无规立构聚(乙烯醇) (PVA)是公知的。这些薄膜具有高度的光学性能,并用于薄膜晶 体管/
液晶显示器以及高
精度光学装置,请参见,例如,B.Bahadur 编著的“Liquid Crystals-Application and Uses”Vol.1,World Scientific,Singapore,New York,July(1990),p.101。在这些薄膜中的 光学活性组分的选择通常受到所用聚合物-
染色体系的二向色性 的限制。然而,由于多碘(polyiodine)分子比其它染料显示出更高 的二向色性,因此PVA-染料体系可用作极性膜。不利地,PVA- 碘极性膜和体系在升高的
温度和/或高湿度下常常是不稳定的,其从 聚合物基体中释放多碘。为了解决该
缺陷,Han等的“Atactic Poly(vinyl alcohol)/Dye Polarizing Film with High Durability”(2003), International Display Manufacturing Conference,Taipei 18-21,披露了 一种具有改善的
稳定性的体系。其使用了偶氮染料(例如,直接靛 兰或直接红)而不是碘。由于不受理论的限制,值得相信的是该薄 膜的稳定性取决于该染料分子的自身性质以及其与聚合物基体的 相互作用。
最近,一种有希望的
水溶性二向色性有机染料已经作为具有平 面分子结构的光学膜材料被披露。这类化合物的杂环分子和分子聚 集体在可见
光谱范围内具有强的二向色性。用于获得这些染料材料 的晶体薄膜的方法在下文进行描述。
在第一阶段,
水溶性染料可以形成溶致液晶相。Yeh等的 “Molecular Crystalline Thin Film E-Polarizer”,Molecular Materials, 14,2000,描述了由二向色性染料的盘形分子组成的柱状聚集体。 Lydon的“Handbooks of Liquid Crystals”Chromonics,1998,pp. 981-1007,描述了在稀释溶液中能够聚集的染料分子。
在第二阶段,将剪切
力施加于溶致液晶相(以油墨或膏糊形式 存在),用以在该剪切力的方向定向(
配向)该分子柱。液晶油墨 或膏糊的高
触变性可以提供在剪切力诱导状态下高度的分子有序 化以及在除去该剪切作用后保持该分子的有序化。
在第三阶段,
溶剂(如包括但不限于水)的
蒸发导致结晶,同 时随之由经预取向的液晶相形成固态晶体薄膜(参见,例如,美国
专利第6,563,640号),将其结合于此作为参考。这类晶体薄膜 (TCFs)具有使其适合于用作偏振片的高折射(例如,双折射)光 学各向异性以及吸收指数。偏振片及其应用(例如,不限于液晶显 示器)被披露于Bobrov,Yu.A.,Opt.Tech.,66,547(1999)以及Ignatov 等人的Society for Information Display,Int.Symp.Digest of Technical Papers,Long Beach,California,May 2000,vol.XXXI,p.1102。
实际上,在聚合物-染料体系中最经常遇到的相互作用类型是 在界面的粘合相互作用。在定向聚合物基片的作用下的该机理被广 泛地用于获得各种液晶染料的定向层,接着形成液晶薄膜。在相当 大的范围内,通过这些材料的性能(如介电性)来确定聚合物膜的 粘合和定向性能,用以保持偏振(极性,充电)状态。然而,染料 层与聚合物层之间的相互作用强度是有限的并且不能超过可确定 各单独组分强度的内聚力(粘合力)的量值。
考虑到染料分子聚集体之间以及聚集体与聚合物之间结合的 强度较低,需要用于在聚合物-染料体系中提高相互作用的强度的 方法。
Tazuke等人的Polymer Letters,16(10),525(1978),以及Turner 的Macromolecules,13(4),782(1980)指出含有化学键合染料的聚合 物的光学和机械性能比机械混合物的类似性能更高。然而,共价键 的形成并非总是易于进行,而通常需要将适宜的活性基团引入聚合 物和染料,其就染料而言,有时是很难的。
获得用于液晶显示器的薄膜的方法被披露于美国专利第 5,730,900号。根据该方法,薄膜是由取向的聚合物基体和包含在其 中的液晶化合物组成的。
聚合物与染料之间的离子交换型的离子型相互作用在Tkachev 等人的Polymethacrylates Containing Immobilized Dye:Optical and Sorption Properties,Vysokomol.Soedin.,1994,vol.36(8),p.1326中 进行了研究。在该体系中,染料分子作为抗衡离子并且通过离子键 与聚合物链结合。这类聚合物-染料体系的光学性能的分析表明以 这种方式将染料固定在聚合物上的该体系比不含化学键的体系更 稳定。
具有带电荷的聚(二烯丙基甲基
氯化铵)大分子的上述种类的 水溶性有机染料分子的相互作用在Schneider,T.等人的 Self-Assembled Monolayers and Multilayered Stacks of Lyotropic Chromonic Liquid Crystalline Dyes with In-Plane Orientational Order, Langmuir 2000,16,p.5227中进行了研究。该聚合物在水中离解同 时生成带正电荷的聚离子和带负电荷的氯离子(出现在溶液中)。 取代的两性染料分子包含磺酸基,其在溶液中带负电荷。在聚合物 -染料界面处分子层的表面之间所产生的离子(静电)相互作用用 于取向-有序化的
单层的自组装以及液晶染料的多层堆叠。在这种 情况下,各聚合物层起到用于邻接结晶层的定向基片的作用。所形 成的自组装结构是强
光学各向异性的具有聚合物和染料的可替换 单层的强多层材料。然而,实际应用通常需要特定独特厚度的光学 材料功能性层。这类层不能利用已知的方法获得,其仅仅在液体介 质才是可适用的。因此,存在一种对用于制备在非液体介质中具有 聚合物和染料的薄交替层的聚合物-染料体系的方法的需求。存在 一种对用于制备用于光学器件的具有特定独特厚度的聚合物-染 料体系的方法的需求。
本发明披露了一种获得在宽
波长范围内具有选择性功能的光 学各向异性薄膜材料。该功能性光学层是基于在溶液中可形成溶致 液晶中间相的各种有机物。在一个方面,将外部取向作用施加于这 些溶致液晶,并且除去溶剂而形成包括有序化的超分子体系的各向 异性晶体薄膜。然而,这些薄膜不具有足够的机械强度。为了改善 机械强度,用粘合剂处理该光学薄膜,该粘合剂能够形成保护性薄 膜形式的聚合物相。该聚合物相在工作光谱范围内可以赋予该晶体 薄膜机械强度,而不会严重地影响晶体薄膜的光学性能。
在本发明中,术语“相”描绘了物质的状态。在特定相中,该 物质相对于化学组成和物理状态而言都是均匀的,参见,例如,P.W. Atkins,Physical Chemistry,Oxford University Press,1978,p.312。
在另一方面,本发明的超分子被定义为
单体单元的聚合物阵 列:在本文中已知的具有平面结构和取代的极性基团的有机分子或 化合物的有机化合物分子,并通过诸如但不限于π-π(或芳
烃-芳 烃)等这样的非共价键而结合在一起,参见,例如,Brandveld, “Supramolecular Polymers,Chem.Rev.,101,4071-97(2001)”。
针对它们的化学结构而言,在典型的具体实施例中,这些有机 物分子是多环化合物,其包括但不限于包含π键的共轭体系的
碳环 和/或杂环。在可供选择的具体实施例中,共轭作用能够通过氢的质 子化或去质子化作用而获得。
在又一方面,这些有机分子被极性基团所取代。一般而言,这 些极性基团是亲水的,并且水和在其它极性溶剂中控制有机分子的 溶解性。适合于本发明的一类有机化合物包括但不限于有机染料。
本发明的超分子包括通过以下非共价键合而相互连接的π共轭 体系,该非共价键合例如,但不限于:π-π、离子、范德瓦尔斯分 子间力、金属-金属、金属-π、金属-π*、金属-σ、偶极-偶极、 配位、氢、疏水-疏水或亲水-亲水相互作用(参照以上注释)。 这些超分子可以描述成具有π共轭体系的有机分子的聚合物阵列, 其中通过非共价键连接的上述分子具有以下通式:
{M}n(F)d, (1)
其中M(单体单元)是一种能够通过π-π键参与如有机分子的化 学相互作用的多环有机化合物;n是该聚合物链中的分子数目并可 达10000;F是暴露于超分子间空间的极性基团;而d是每个分子 的极性基团的数目,并在1至4之间变化。
极性基团可以是可
离子化的和/或不可离子化的。可离子化的极 性基团通常包括强
无机酸的阴离子基团,例如但不限于:磺基、硫 酸根、
硼酸根、
磷酸根和
磷酸盐基团以及羧基。此外,可离子化的 极性基团还包括阳离子片断,例如,但不限于:质子化的
氨基或亚 胺基以及一些具有pH-依赖性能的两性基团)。在溶液中,这些极 性基团总是伴随有一种或几种相同或不同的抗衡离子。多价的抗衡 离子可以同时属于一个以上的有机分子。不可离子化的极性基团包 括但不限于:氢
氧根、氯、溴、氟、烷氧基、三卤烷氧基、氰基、 硝基、
酮、
醛、酯、环氧化合物、硼酸酯、硫代酸酯、硫醇、异氰 酸酯、异硫氰酸酯、链烯烃、炔烃等等。
非极性基团的特定例子包括但不限于:甲基、乙基、甲氧基、 乙氧基等。
该本发明中所使用的有机物分子通常具有椭球形的平面构型。 这些分子是对称的或不对称的,具有或不具有排列在周围的取代 基。在典型的具体实施例中,本发明的有机分子是两亲的,并且可 以同时包含化学上类似或不同的取代基。
取代基团与溶剂的优先相互作用导致被称作溶致液晶(LLC) 或中间相的相同类型的有机环状分子的有序化结构的形成。溶致液 晶的特征在于其在广泛的浓度、温度以及pH值范围内具有稳定性 区域的
相图。
在极性溶剂中通过使用有机物形成这类溶致液晶是获得所披 露的本发明技术效果的必要条件。主要的极性溶剂是水或水与可与 水混溶的极性溶剂的混合物,其中水可以在溶剂中以任何比例存 在。在一个方面,本发明利用能够形成溶致液晶的可溶性有机物, 例如,参见公开的美国专利第2001/0029638号,题目为“Dichroic Polarizer and a Material for Its Fabrication”。适宜的有机分子包括但 不限于:多次甲基染料(例如,假异花青(假异菁,peudoisocyanine)、 频哪氰醇);三芳甲烷染料(例如,
碱性甸子、酸性浅蓝3);二氨 基呫吨染料(例如,磺基罗丹明);吖啶染料(例如,碱性黄K); 磺化吖啶染料(例如,反式-喹吖啶酮);蒽醌染料的水溶性衍
生物 (例如,活性浅蓝KX);磺化的
瓮染料产品(例如,黄烷士酮、阴 丹士林黄、瓮黄4K、瓮暗绿G、瓮紫C、阴丹酮、苝紫、瓮猩红 2G);偶氮染料(例如,苯并红紫4B、直接耐晒黄O);水溶性二 嗪染料(例如,酸性暗蓝3);磺化二噁嗪染料产品(颜料紫二噁嗪); 可溶性噻嗪染料(例如,亚甲蓝);水溶性酞菁衍生物(例如,八 羧基酞菁
铜盐);
荧光增白剂;色甘酸二钠(disodium chromoglycanate)、苝四
羧酸二酰亚胺红(PADR)、PADR苯并咪唑 (即紫色)、
萘四羧酸苯并咪唑(即黄色、酒红色)、苯并咪唑和菲 并-9′,10′:2,3-喹喔啉的磺基和氨基衍生物等等。在本发明的另一方 面,提供了一种通过利用以溶性磺酸基衍生物的可离子化有机分子 (包括单独的磺基衍生物或其混合物或单独的磺基衍生物体系)形 式来形成溶致液晶(中间相)的方法。
取决于pH,磺基衍生物可以以酸、盐或其组合物的形式存在。 在典型的具体实施例中,抗衡离子包括H+、NH4 +、K+、Li+、Na+、 Cs+、Ca++、Sr++、Mg++、Ba++、Co++、Mn++、Zn++、Cu++、Pb++、Fe++、 Ni++、Al+++、Ce+++、La+++等或其混合物。
当被溶解于水中时,这些磺基衍生物或其混合物的分子形成以 类似于一叠硬币的方式堆积的不等轴(棒状)聚集体。在这样的溶 液中的每个聚集体是具有双电层的胶束,而该溶液作为一个整体可 以被称为高度分散的(胶态)亲液体系。当溶液的浓度(胶束浓度) 增加时,不等轴聚集体经历自发有序化(也称作“自有序化”或 “自组装”)。其导致向列型亲液(nematic lyotropic)中间相的形成, 从而使体系变成液晶。在列上的染料分子的高度有序使得其中间相 可以用于获得经取向(定向)的二向色性材料。由这些材料形成的 膜具有高度的光学各向异性。液晶态的形成可以容易地通过常见的 方法,但不限于,借助于偏光
显微镜来证实。
在溶致液晶(中间相)中,磺基衍生物或磺基衍生物的混合物 或体系的浓度范围可以从大约3至50
质量%。在某些具体实施例中, 在LLC中,磺基衍生物或磺基衍生物的混合物或体系的浓度范围是 在为大约7至15质量%的范围内。在不同的实施例中,该中间相可 以另外包括达约5质量%的
表面活性剂和/或
增塑剂。通过改变磺酸 基团的数目以及盘形分子中改性基团或取代基的数目和类型,可以 控制在液晶溶液中形成的聚集体的亲水-疏水平衡,并且改变溶液粘 度。这依次地影响超分子的大小和形状,有机分子、化合物和/或超 分子的分子有序程度,溶致液晶的溶解性和稳定性。
应该强调的是上述所有的化合物都能够在溶液中形成稳定的 溶致液晶,该溶液为单一磺基衍生物或单一磺基衍生物彼此或与某 些其它有机化合物的混合物或体系,其在可见光谱范围内是无色或 弱吸收的。在除去溶剂后,这些中间相可以形成具有高度光学特性 的各向异性晶体膜。
用于浓缩LLC的适宜方法包括蒸发、蒸馏、惰性气体、加热 到较低温度、
真空蒸馏或其组合。这种处理导致膏糊状组合物(“油 墨”)的形成,其能够使溶致液晶状态保持足够长的时间。
典型地,溶致液晶层是通过将溶液或浓缩液施加(涂敷)在干 净的基片表面上而形成。这些基片通常是由玻璃、聚合物、
半导体、 金属、
合金、
硅酸盐、某些其它材料或其组合制成。基片可以是亲 水的或疏水的;它可以是平面的或具有一些其它的预定形状。所施 加的液晶层的结构可以通过使用聚合物材料的配向基片进行控制。 高分子介电涂层的配向性能是通过已知化学方法(利用聚离子形式 的极性聚合物,参见,例如,美国专利
申请第2002/0168511A1号) 或物理方法来提供的,其中,最广泛使用的是将载流子注入介电材 料中。这是通过利用可产生机械摩擦的
抛光辊处理该材料或通过暴 露于电晕放电、或通过等离子处理而实现的。载流子注入过程是通 用的并且可用于处理任何包括由所公开的方式得到的薄膜的高分 子涂层。
除了载流子注入方法之外,还有其它外部取向有机分子的已知 方法,例如,但不限于:机械的、电的、磁的、等离子的或物理取 向或配向力或作用,以及披露于美国专利第5,739,296号和第 6,174,394号中的那些方法以及其组合。取向作用的强度必须是足够 的,以便取向溶致液晶中间相中的超分子动力单元,该取向作用的 强度取决于液晶溶液的性能,例如,但不限于液晶溶液或混合物的 性质、浓度、温度、pH等等。在LLC中所形成的取向作用浸染并 控制该材料和由其衍生的物质的光学性能。
在本发明的不同方面,在有机分子的溶致液晶层上的外部取向 作用是由机械剪切所产生的。典型地,通过使用一种或多种不同类 型的配向装置可以获得由机械剪切力而产生的定向,该配向装置包 括但不限于:平行于LLC层的表面或与此表面成一
角度定向的刀 片、圆柱形刮板或平板。设置从表面至配向器具边缘的间距,以便 获得所期望厚度的膜。
在一系列的具体实施例中,随后的溶剂去除是在室温及温和条 件下进行达1小时的时间段。可供选择地,如果允许的话,为了节 省时间,溶剂可以在约20至60℃的温度范围内并在
相对湿度约40 至70%下通过加热而被除去。现在参照图1A,这种处理留下被有 机晶体膜3的定向薄层
覆盖的基片1,从而产生薄膜-基片结构20。
必须对去除溶剂的方式进行选择,以便避免损害先前所得到的 溶致液晶结构的取向,同时保证在外部取向作用期间产生的
应力的 弛豫。在大多数具体实施例中,溶剂去除步骤应该在升高的湿度条 件下进行。用于确保LLC层中的高结晶度的重要因素包括但不限于 从体系中去除溶剂过程的速率和方向特性。所得到的晶体层3呈现 为具有分子有序化和经排列结构的足够薄的连续膜,其中有机分子 被聚集成可形成超分子集合、聚集体、胶体、微粒、悬浮物或其混 合物的有序化的取向集合。这种集合和结构的形成是由溶液中分子 的特定液晶取向而产生的,在该溶液中在超分子组装之前的这些分 子通过进入一维和/或二维相互定向的准晶体聚集体,已经具有局部 有序。当将该准晶体聚集体溶液和/或混合物施加(涂敷)于基片表 面上,同时施加外部取向作用时,溶液和/或混合物中的有机分子和 /或聚集体通过自组装成为超分子复合物而进行宏观取向。这种取向 不仅在干燥期间被保留。干燥还可以由于结晶而依次增强分子的排 序。现参照图1A,示出了所得到的晶体薄膜3以及从晶体薄膜附 着在基片1上的至少一个取代基F。晶体薄膜3具有沿着光轴之一 在3.4±0.3范围内的
晶面间距。该薄膜可以是双折射的,并且呈 现二向色性、偏振以及
相移(
相位差片或延迟片)性能,该性能与 在相对于光轴的相互垂直方向的折射率差异有关。该薄膜还可以具 有光学滤光片的性能。该薄膜可以结合不同的性能,并可以同时执 行几种功能。
现参照图1B,本发明制备两相膜材料的下一步骤包括:用粘 合剂(包括分子、大分子或低聚物)处理具有超分子有序结构的固 态晶体膜3,用以形成保护性聚合物薄膜、相、或层5,如图1C所 示,并且形成均一的物理化学体系40。新近形成的含有单一粘合剂 分子B的相5彼此相互作用并且在相界面10与有机分子或化合物 的极性基团相互作用。典型地,粘合剂分子之间的分子间化学相互 作用明显高于在相界面10处的层3和层5之间的分子间化学相互 作用。现在参照图1C,如果对粘合剂分子或单体进行选择以使各 粘合剂分子具有两种不同的取代基(例如,链烯烃和极性阳离子部 分),粘合剂分子可以分子间聚合以形成交联聚合物层5;以及如果 层3具有负性基团(例如,但不限于磺酸盐),则通过离子相互作 用而分子间键合成晶体层3。在可替换的具体实施例中,可以使用 具有一个活性基团或取代基的粘合剂分子。可以将适合的电荷引入 或赋予聚合物(例如,载流子注入等),或将该聚合物掺杂带电荷 的
原子(例如,金属等)、离子(例如,金属、
电解质等)、或包括 连接子(例如,同基双功能连接子、异基双功能连接子、三功能连 接子等)的化合物,用以促进相间交联。在所选择的具体实施例中, 粘合剂的化学性质通过共价或非共价相互作用使相间的交联易于 进行。
在一系列的具体实施例中,粘合剂分子具有一种以上的活性基 团。在特定的具体实施例中,可以特定地使用具有活性(
反应性) 的不同粘合剂分子的混合物。在另外一系列的具体实施例中,粘合 剂分子是含有杂环化合物的饱和、部分不饱和或完全不饱和的脂肪 族或
芳香族化合物及其具有至少一种活性(反应性)基团(例如, 但不限于:链烯烃、炔烃、胺、肼、醇、硫醇、酮、醛、酯、羧酸、 酰基氯、异氰酸酯、乙烯酮、异硫氰酸酯、环氧化物、
丙烯酸酯(盐) 或硫代酸酯)的混合物。在可供选择的具体实施例中,预先制备的 具有附着在其上的适宜的活性基因或聚合基团的聚合物、
树脂、或 低聚物膜可以通过将利用预先制备的聚合物、树脂溶液或其低聚物 的溶液沉积,以便在没有在晶体膜上进行原位聚合的情况下获得相 似的两相光学材料。
一般而言,活性基团可以被广义地划分为亲核或亲电部分。就 各部分类型而言,它可以被进一步地限定为饱和亲核/亲电部分(例 如,胺类、肼、叠氮化物、碳阴离子、硫醇、磷、醇类、含氧阴离 子、烷基卤化物、硼酸酯、环氧化物等…)或不饱和亲核/亲电部分 (例如,链烯烃、炔烃、丙二烯、氰基、酮、醛、酯、羧酸、丙烯 酸酯(盐)、乙烯酮、异氰酸酯、酰基氯、磺酰氯、磷酰氯、膦酰 酰胺(二氧磷基酰胺)、异硫氰酸酯、硫代氰酸酯、硫酮等…)。
适合的活性基团和可聚合反应的其它实例可以在Hermanson,G. T.,Bioconjugate Techniques,Academic Press,Inc.,San Diego,Calif. (1996)中找到,将其全部内容结合于此作为参考。
在典型的实施例中,含有共价键和/或非共价键的粘合剂分子或 单体可以通过自由基反应、缩合反应、离子相互作用或这些反应的 结合而被引发和/或进行聚合。
在一个方面,对聚合反应和条件进行选择,以制得结构均匀且 对晶体薄膜3的光学性能影响或干扰最小的薄膜。
在另一个方面,化学反应(通常为通过离子类型机理的聚合反 应)可以通过对有机膜3中的极性基团而言起抗衡离子作用的质子、 氢氧化物或金属阳离子而引发,该金属阳离子包括碱土金属的、碱 金属的、有机的、无机的、过渡族的土金属或
稀土金属或其结合。
该聚合过程可以由加热、紫外光辐射或化学相互作用(例如, 与相同抗衡离子的相互化学作用)来引发。聚合化合物(即粘合剂) 可以包含与反应类型相应的催化剂(例如,用于固化树脂的催化 剂)。在具体实施例中,用于紫外光引发过程的粘合剂可以包括光 敏剂,例如,但不限于酮、二苯甲酮等,其用量达约0.5%。可选地, 在有或没有化学引发剂(例如,但不限于过氧化苯甲酰或N-氧化 物)存在的情况下,自由基聚合可以被热引发。
本发明适宜的粘合剂、分子或单体包括
环氧树脂以及甲基丙烯 酸甲酯。
在另一方面,聚合物膜可以达体系质量的约10至60%。粘合 剂可以包含各种或是分开的或在混合物中的改性添加剂(例如,用 于改善膜性能的邻苯二
甲酸二丁酯这样的增塑剂),其总含量达约 20质量%。对于芳香族单体,聚合度高于约40,而对于脂肪族单体, 聚合度高于约120,其可确保形成作为保护膜的具有高机械性能的 高分子量聚合物。大分子的长度不短于染料柱之间的堆间距(40- 100)。
在另一个方面,合成聚合物的分子量分布范围是从约4000至 20000。在某些具体实施例中,该分布落在约5000至8000的范围 内。尽管该聚合物的分子量分布可以大得多(例如,约10或更多 倍),但是这可能使高质量薄膜的形成变得复杂化。
在某些具体实施例中,根据聚合物的结构和制备条件,该薄膜 可以是晶体的或部分晶体的。在另外的具体实施例中,对于两相的 中每一相而言,该薄膜的厚度是相当的,其通常在约0.1-2.0微米的 范围内变化。
制备两相薄膜材料的最后步骤是聚合物薄膜的固化,在该过程 中,获得所需要的两相材料。在某些具体实施例中,根据具体的聚 合物该过程可以以不同的方式进行。在典型的具体实施例中,固化 可以在升高的温度(高于约100℃)下发生,同时曝光时间在约10 分钟至约10小时的范围内。在另外的具体实施例中,可以采用在 紫外光照射条件下的“
冷固化”或室温固化。
在一个方面,本发明可以用于获得多层薄膜材料。现在参照图 2,两相膜材料用作基片,用以在制备多层材料60的过程中形成第 二溶致液晶层30。根据上述方法和本发明的典型具体实施例,溶致 液晶层30形成于该基片的表面上。该溶致液晶可以与层3相同或 不同。在某些具体实施例中,该两相膜材料可以用作用于该溶致液 晶层形成的配向基片,并对晶体过程起作用。在另一具体实施例中, 基片的配向是通过施加外部取向作用(如机械配向和/或剪切)、通 过施加
电场、通过用
等离子体处理、或任何可以针对本文中所描述 的有机分子、超分子或LLC的外部力的结合。接着,在LLC层30 沉积之后,第二粘合剂或聚合物层50可以通过沉积预先制备的膜 而被加入,该预先制备的膜包括聚合物、树脂、低聚物、嵌段共聚 物、染料、添加剂、表面活性剂、金属、增塑剂或其混合物。可供 选择地,第二聚合物层50可以由本文中所述的聚合反应而生成, 该聚合反应包括但不限于:共价反应(例如,自由基聚合、缩合反 应等…)、非共价反应(例如,离子、π-π键、范德瓦尔斯分子键、 金属-金属、金属-π、金属-π*、金属-σ、偶极-偶极、配位、 氢、疏水-疏水或亲水-亲水相互作用)或其结合。不管用于引入 聚合物层50的方法,该聚合物可以与层5相同或不同。有利地, 在不同的具体实施例中,可以将所制备的材料、膜或层控制到任何 预定的和需要的厚度。
以上对本发明的具体实施例的描述是用于举例说明和描述的 目的。它们不是用于穷举或将本发明限制于所披露的确定形式,并 且很明显,根据上述教导的多种改进、具体实施方式、以及变化都 是可能的。因此本发明的保护范围包括在此公开的一般范围,并由 在此所附的
权利要求及其等同替换所限定。
实施例
以下所描述的实施例仅用于举例说明的目的,而不是以任何方 式来限制本发明的保护范围。
实施例1:两相薄膜材料的制备
在第一步骤中,制备有机分子晶体膜。将蒸馏水加入到装有 10.0克磺化亚萘甲酰基苯并咪唑的烧瓶中。将该混合物边加热边搅 拌直至完全溶解。最终溶液的质量百分比浓度为大约7%至15%, 并且,如果必要的话,可以在减压下将过量的水蒸馏掉。然后,将 该浓缩液施加(涂敷)在玻璃基片上。在出现晶体膜中间相以后, 将用作配向器具的上部玻璃板相对于涂布有LLC膜的下部玻璃基 片移动,而使该膜有序化。最后,在温度约为20℃和相对湿度为 65%的条件下将该膜进行干燥。该膜具有约0.5μm的厚度,并且呈 现出各向异性的光学性能。
按照以下方法合成高分子量环氧树脂。将装有机械搅拌器、温 度计以及回流
冷凝器的圆底烧瓶中加入24.5克的二
甲苯和16.7克 的环氧树脂(DER-300),并将该混合物边加热边搅拌至约120℃。 然后,加入10.0克的双酚A和0.04克的2-甲基咪唑(即,固化 催化剂),并通过加热该混合物而进行聚合以回流(即,142-144 ℃)直至获得高粘性溶液。最后,将该混合物用乙基溶纤剂(冷却 至约120℃)和甲乙酮(冷却至约80℃)以1∶5的比例进行稀释, 直至所得溶液中的最终树脂浓度为8-10%。聚合物具有15000的分 子量,而环氧基的残余含量为0.4%。
将基片上的有机分子晶体膜浸渍在环氧树脂溶液中2至3秒。 然后,将该基片样品小心地在竖直
位置举起。将所获得的透明膜在 室温下的空气中干燥约30分钟,然后在约150℃下干燥15分钟。 最终的两相膜材料具有1μm的厚度。用偏光显微镜对晶体膜结构以 及聚合物膜质量进行研究。用IR光谱仪来证实相间交联的形成。 该两相膜材料呈现出各向异性的光学性能。
用Ocean PC 2000和Cary 500(Varian)光谱仪对该两相膜材料 样品在400nm至700nm的范围内进行光谱测定。该膜的光谱特征 与在500、560和660nm区域内的特征吸收谱带所显示的单层光谱 特征相似。
该膜的光学性能列于下表1中。
表1 样品 透射率,% Ep CR Kd T H0 H90 利用CIE-适光照明剂C的计算 不具有顶部涂层 (膜厚度:约0.5μm) 88.02 77.69 77.27 5.2 1.0 2.3 具有顶部涂层 (膜厚度:约1.2μm) 87.97 77.50 77.28 3.7 1.0 1.8
在此,T、H0和H90分别是未经偏振及经偏振(平行和垂直) 的光的透射特性;Ep是偏振效率,CR是
对比度,而Kd是二向色比。 该膜的极限弯曲强度是40MPa。
实施例2:两相膜材料的制备
在第一步骤中,制备有机分子晶体膜。将蒸馏水加入到装有包 括阴丹酮、芘紫、和还原红14以5∶1∶2比例混合的8.0克的磺化染 料混合物中。将该混合物边加热边搅拌直至完全溶解。溶液的最终 浓度是10%。如果认为必要的话,过量的水可以在减压下蒸馏掉, 以便获得适当的浓缩液。然后,将该浓缩液施加(涂敷)在玻璃基 片上。在出现液晶中间相以后,将用作配向器具的上部玻璃板相对 于涂布有LLC层的下部玻璃基片移动,而使该薄膜有序化。最后, 在温度为约20℃和相对湿度为70%的条件下将该薄膜进行干燥。该 薄膜具有0.4约μm的厚度,并且呈现出各向异性的光学性能。
将涂布有该薄膜的基片浸渍在5至6%的聚甲基丙烯酸甲酯(摩 尔分子量为8000)的单体溶液中3至4秒,该单体中含有0.037克 (0.5%溶液)的光引发剂(例如,二苯甲酮)以及0.015克(6%溶 液)的叔丁基硫醇(例如,一种分子量调节剂)。从聚合物溶液/混 合物中将样品取出,接着将其暴露于紫外光辐射15分钟。然后, 将该样品在室温下的空气中干燥2小时。
该薄膜的光学性能列于下表2中。
表2 # 透射率,% Ep CR Kd
色度坐标 T H0 H90 单独的 两个平行的 两个交叉的 A B a B A B 初始的 0.4 μm 6 36.2 25.7 0.4 98.3 58.6 15.3 -1.80 0.66 -4.62 4.43 12.79 -25.93 后处理以后 1.0 μm 6 34.2 23.1 0.3 98.8 66.1 14.8 -2.19 1.70 -4.71 5.18 11.55 -23.24
在此,T、H0和H90分别是未经偏振及经偏振(平行和垂直) 的光的透射特性;Ep是偏振效率,CR是对比度,而Kd是二向色比。 最终薄膜的厚度约为1.0微米,并且极限弯曲强度是40MPa。
上述实验数据表明,粘合剂和包括有序化的有机分子的固态薄 膜之间的相间相互作用与其它操作一起可以提供具有可控厚度的 坚固的均匀薄膜,该薄膜至少具有与单独的初始薄膜相同的光学性 能。
相关申请
本申请要求于2003年9月23日提交的名称为“Two-Phase Film Materials and Method for Making”的美国临时专利申请第60/505,467 号的优先权,将上述申请披露的全部内容以引用方式结合于本文中 作为参考。