CN102681259B - 一种液晶材料的光配向方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液晶材料的光配向方法及装置。该液晶材料的光配向方法包括：提供一液晶材料层，该液晶材料层添加有反应单体；在电场的作用下，利用辐射光照射液晶材料层，以使反应单体发生聚合反应，进而实现液晶材料层的配向。其中，反应单体的聚合反应过程包括第一阶段以及位于第一阶段之后的第二阶段，辐射光在第一阶段具有第一照度，且在第二阶段具有第二照度，第一照度小于第二照度。本发明的液晶材料的光配向方法及装置提高了液晶材料的光配向的稳定性和均一性，并能在满足光配向反应速度的同时有效避免了能引起漏光的大分子效应。

Description

一种液晶材料的光配向方法及装置

技术领域

本发明涉及液晶显示器领域，特别涉及一种液晶材料的光配向方法及装置。

背景技术

随着显示器技术的不断发展，各种不同类型的显示器应运而生。目前的平板显示器主要包括液晶显示器(LCD)、等离子体显示器(PDP)、有机发光二极管显示器(OLED)等。其中，液晶显示器由于其重量低、体积小、能耗低的优点，已广泛应用到各个领域中。

高分子稳定垂直配向(Polymer Sustained Vertical Alignment，PSVA)模式的液晶面板已广泛应用于液晶显示器中，该PSVA模式的液晶面板的电极结构如图1a所示，其在不加电状态下沿图1a中的A-A’线的截面图如图1b所示，其在施加电状态下沿图1a中的A-A’线的截面图如图1c所示。PSVA模式的液晶面板是在负性液晶分子15中添加了反应单体16，通过施加电压并在紫外光的激化下，使反应单体16发生聚合反应，从而完成负性液晶分子15的光配向。这种显示技术的基板11和12上的透明导电层13和14上既不设置突起也不设置开口，因而节省了制作成本，并提高了液晶面板的透过率。

在PSVA显示技术或者其他需要光配向的显示技术中，在液晶盒两端施加电压并在紫外光的激化下，使反应单体发生聚合反应，从而完成液晶材料层的光配向。在整个过程中，紫外光以照度保持不变的方式不间断地照射液晶材料层。

根据高分子聚合理论，上述反应过程是一种紫外光激发的自由基聚合反应，这种聚合反应分为链引发、链增长以及链终止三个步骤。

根据化学反应动力学推导可以得出链引发的引发速率Ri为：

Ri＝φεI₀[M]        (式1-1)

其中，Ri为链引发的引发速率，Φ为光子激发效率，其表示激活一个活性自由基需要几个光子，ε为反应单体对紫外光的摩尔消光系数，I₀为入射光照度，[M]为反应单体浓度。

根据化学反应动力学推导还可以得出链增长速率Rp为：

$\mathrm{Rp}=k_p\left(\frac{\mathrm{\φ\ϵ}{I}_0}{k_t}\right){\left[M\right]}^{3/2}$        (式1-2)

其中，Rp为链增长速率，kp为链增长速率常数，kt为链终止速率常数。

链终止反应包括偶合终止和歧化终止两种。其中，偶合终止指自由基配对，即两个活泼自由基以共价键相结合，形成没有活性的饱和分子的反应。歧化终止指两个自由基发生电子或者轻原子交换，但仍然是两个分子，每个分子都失去了活性。两种终止反应虽然不同，但都是发生在自由基之间的反应。

由于自由基是一种活性很高的反应引发物，所以光引发自由基聚合反应表现为一种慢引发、快增长、速终止的特点。根据上述的式1-1和式1-2的反应速率公式，可以推导出其对应的动力学链长ν：

$v=\frac{\mathrm{Rp}}{\mathrm{Ri}}=\frac{k_p}{{\left(\mathrm{\φ\ϵ}{I}_0{k}_t\right)}^{1/2}}{\left[M\right]}^{1/2}$           (式1-3)

上述公式的推导建立在一个稳定体系上，是在没有考虑器壁(比如液晶材料两侧的基板)的影响的情况下得出的。

但是在现有技术的PSVA显示技术中，液晶材料的两侧具有基板，采用一直处于打开状态并且照度保持不变的紫外光对液晶材料进行光配向，导致液晶材料的光配向的稳定性和均一性不够高且易引起大分子效应并造成漏光。

因此，有必要提供一种液晶材料的光配向方法及装置，以提高液晶材料的光配向的稳定性和均一性。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种液晶材料的光配向方法及装置，该液晶材料的光配向方法及装置能提高液晶材料的光配向的稳定性和均一性。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种液晶材料的光配向方法，该液晶材料的光配向方法包括：提供一液晶材料层，液晶材料层添加有反应单体；在电场的作用下，利用辐射光照射液晶材料层，以使反应单体发生聚合反应，进而实现液晶材料层的配向，其中反应单体的聚合反应过程包括第一阶段以及位于第一阶段之后的第二阶段，辐射光在第一阶段具有第一照度，且在第二阶段具有第二照度，第一照度小于第二照度，另外反应单体在第一阶段开始时具有第一浓度，且第二阶段开始时具有第二浓度，其中第二浓度为第一浓度的e^-1/2倍，且第二照度为第一照度的e^1/2倍，辐射光在第一阶段相对于反应单体具有第一光子激发效率和第一摩尔消光系数，且在第二阶段相对于反应单体具有第二光子激发效率和第二摩尔消光系数，其中控制辐射光在第一阶段和第二阶段的波长，以使第一光子激发效率小于第二光子激发效率，第一摩尔消光系数小于第二摩尔消光系数。

根据本发明的一优选实施例，控制辐射光在第一阶段和第二阶段的脉冲宽度和/或脉冲频率，以使第一照度小于第二照度。

根据本发明的一优选实施例，反应单体的聚合反应过程进一步包括位于第二阶段之后的第三阶段，其中辐射光在第三阶段具有第三照度，第二照度小于第三照度。

根据本发明的一优选实施例，辐射光在第三阶段以不间断方式照射液晶材料层。

根据本发明的一优选实施例，辐射光在第一阶段相对于反应单体具有第一光子激发效率和第一摩尔消光系数，在第二阶段相对于反应单体具有第二光子激发效率和第二摩尔消光系数，且在第三阶段相对于反应单体具有第三光子激发效率和第三摩尔消光系数，其中第一光子激发效率小于第二光子激发效率，第二光子激发效率小于第三光子激发效率，第一摩尔消光系数小于第二摩尔消光系数，且第二摩尔消光系数小于第三摩尔消光系数。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种液晶材料的光配向装置，该液晶材料的光配向装置包括：电场发生器，用于产生一电场；辐射光发生器，用于产生一辐射光，以使添加于液晶材料层中的反应单体在电场和辐射光的作用下发生聚合反应，进而实现液晶材料层的配向，其中反应单体的聚合反应过程包括第一阶段以及位于第一阶段之后的第二阶段，辐射光发生器控制辐射光在第一阶段具有第一照度，且在第二阶段具有第二照度，第一照度小于第二照度，另外反应单体在第一阶段开始时具有第一浓度，且第二阶段开始时具有第二浓度，其中第二浓度为第一浓度的e^-1/2倍，且第二照度为第一照度的e^1/2倍，辐射光在第一阶段相对于反应单体具有第一光子激发效率和第一摩尔消光系数，且在第二阶段相对于反应单体具有第二光子激发效率和第二摩尔消光系数，其中控制辐射光在第一阶段和第二阶段的波长，以使第一光子激发效率小于第二光子激发效率，第一摩尔消光系数小于第二摩尔消光系数。

根据本发明的一优选实施例，反应单体的聚合反应过程进一步包括位于第二阶段之后的第三阶段，其中辐射光发生器控制辐射光在第三阶段具有第三照度，第二照度小于第三照度。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明的液晶材料的光配向方法及装置提高了液晶材料的光配向的稳定性和均一性，并能在满足光配向反应速度的同时有效地避免了能引起漏光的大分子效应，从而实现了液晶材料的光配向的快速化和高品质，使其具备更佳的量产性。

附图说明

图1a是一种采用高分子稳定垂直配向显示技术的液晶显示器的透明电极的结构示意图；

图1b是图1a所示的液晶显示器在不加电状态下沿A-A’方向的截面图；

图1c是图1a所示的液晶显示器在加电状态下沿A-A’方向的截面图；

图2是本发明实施例的液晶材料的光配向方法的流程图；

图3是本发明实施例的液晶材料的光配向方法的辐射光的时序示意图；以及

图4是本发明实施例的液晶材料的光配向装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明的液晶材料的光配向方法及装置将考虑液晶盒的实际情况，推导液晶盒内的光引发自由基聚合反应的化学反应动力学公式，并在推导出的公式的基础上，提出使用动态脉冲光实现液晶材料光配向的方案。

由于液晶盒的厚度大约只有4微米，这样的反应体系并不适合式1-1、式1-2及式1-3的光引发自由基聚合的化学动力学公式，原因是：

1)在液晶盒内发生的链终止反应不仅仅有偶合终止和歧化终止，还有自由基和上下基板发生的有效碰撞造成的自由基湮灭；

2)在液晶盒内，由于反应单体的浓度很低，当采用高波长且低照度的紫外线照射时，产生的自由基浓度也较低，偶合终止和歧化终止可以忽略，但反应速度将降低；

3)在液晶盒内，虽然反应单体的浓度很低，但如果采用较低波长且较高照度的紫外线照射时，产生的自由基浓度也较高，这时偶合终止和歧化终止不可以忽略；

4)若在液晶盒内的光配向过程中发生较多的偶合中止反应，将得到较大分子量的分子，容易造成光线发生散射、漏光以及对比度降低的问题。

基于上述的分析，可以推导出在液晶盒内的链引发的引发速率Ri为：

Ri＝φεI₀[M]        (式2-1)

其中，Ri为链引发的引发速率，Φ为光子激发效率，其表示激活一个活性自由基需要几个光子，ε为反应单体对紫外光的摩尔消光系数，I₀为入射光照度，[M]为反应单体浓度。

当采用高波长、低照度的紫外光照射时，达到稳态的自由基浓度[M1]为：

$\left[M1\right]=\frac{\mathrm{Ri}}{k_t}$               (式2-2)

而链增长速率Rp为：

$\mathrm{Rp}=k_p\left(\frac{\mathrm{\φ\ϵ}{I}_0}{k_t}\right){\left[M\right]}^2$            (式2-3)

其中，kp为链增长速率常数，Kt为链终止速率常数。

根据上述的式2-1和式2-3的反应速率公式，可以推导出其对应的的动力学链长ν为：

$v=\frac{\mathrm{Rp}}{\mathrm{Ri}}=\frac{k_p}{k_t}\left[M\right]$                (式2-4)

根据式2-4，可以看出在液晶盒内的光引发自由基聚合反应其动力学链长在较温和的条件下(高波长，低照度)，其动力学链长基本只和反应单体浓度相关。而动力学链长对于液晶分子的取向稳定性有较大影响。

此外，可以推导出偶合终止反应在总体的终止反应中所占的比重：

α∝Ri＝φεI₀[M]           (式2-5)

所以得出如下的矛盾：

1)为了提高配向的速度，必须提高链增长速率Rp，也就是需要提高照度或者提高反应单体浓度；

2)为了得到合适的动力学链长，反应单体的浓度只有一个较窄范围，不能较大程度变更；

3)为了降低偶合终止反应的比重，必须降低照度或者反应单体浓度。

本发明通过使用动态脉冲光照射液晶材料层，实现光配向对上述三个方面的要求。

图2是本发明实施例的液晶材料的光配向方法的流程图。如图2所示，本发明一优选实施例的液晶材料的光配向方法包括如下步骤：

步骤S1：提供一液晶材料层，液晶材料层添加有反应单体；

液晶材料层可采用现有技术的负性液晶材料，反应单体则可以采用现有技术的能在辐射光照射下聚合并使液晶材料配向的反应单体，此处不再赘述。

步骤S2：在电场的作用下，利用辐射光照射液晶材料层，以使反应单体发生聚合反应，进而实现液晶材料层的配向。

所述反应单体的聚合反应过程包括第一阶段以及位于第一阶段之后的第二阶段，辐射光在第一阶段具有第一照度，且在第二阶段具有第二照度，第一照度小于第二照度。

进一步，反应单体的聚合反应过程还可以包括第三阶段，第三阶段位于第二阶段之后。在本实施例中，辐射光在第三阶段具有第三照度，第三照度大于第二照度。

在反应的第一阶段(即初始阶段)，由于反应单体浓度较高，这时非常容易发生偶合终止，因此，该阶段本发明将采用低照度照射。低照度的实现方式可采用较短、较少的辐射光脉冲照射，具体可如图3中的第一阶段T1所示。

在反应的第二阶段(即中间阶段)，反应单体浓度降低，这时偶合终止的反应几率降低，但是由于反应单体浓度降低，反应速度也降低，为了保证一定的反应速度，该阶段本发明将采用较高照度照射。较高照度的实现方式可采用较长、较多的辐射光脉冲，具体可如图3中的第二阶段T2所示。

在本实施例中，反应单体在第一阶段开始时的浓度为第一浓度，在第二阶段开始时的浓度为第二浓度。优选将反应的第一阶段与第二阶段的分界线采用动力学链长变为1/e来分界，因此将第二浓度限定为第一浓度的e^-1/2倍。因此，当反应单体浓度[M]变为第一浓度的e^-1/2时，需要改变照度，进入第二阶段，并将第二阶段的第二照度设置成第一阶段的第一照度的e^1/2倍。

在反应的第三阶段(即后续阶段)，反应单体浓度进一步降低，这时偶合终止的反应几率降低到很低，为了保证反应速度，该阶段本发明将采用更高照度照射。更高照度的实现方式可采用辐射光以不间断方式进行照射，具体可如图3中的第三阶段T3所示。第三阶段和第二阶段的分界点可通过试验方式进行确定。

在图3中，通过辐射光的脉冲宽度来控制不同阶段的照度。然而，还可以通过控制辐射光的脉冲频率或同时辐射光的脉冲宽度和脉冲频率来控制不同阶段的照度。当然，本领域技术人员还可以通过其他方式控制不同阶段的照度，在此不再赘述。

由式2-5可知，偶合终止反应在总体终止反应中所占的比重与光子激发效率Φ以及摩尔消光系数ε皆相关，因此，本发明在反应开始阶段使用相对于反应单体具有较低光子激发效率Φ或摩尔消光系数ε的辐射光进行照射，随着反应阶段的延续则使用较高光子激发效率Φ和摩尔消光系数ε的光源。

具体来说，辐射光在第一阶段相对于反应单体具有第一光子激发效率和第一摩尔消光系数，在第二阶段相对于反应单体具有第二光子激发效率和第二摩尔消光系数，且在第三阶段相对于反应单体具有第三光子激发效率和第三摩尔消光系数。第一光子激发效率小于第二光子激发效率，第二光子激发效率小于第三光子激发效率，第一摩尔消光系数小于第二摩尔消光系数，且第二摩尔消光系数小于第三摩尔消光系数。具体可以通过在第一阶段、第二阶段以及第三阶段分别使用不同波长或者频谱的辐射光，以使第一光子激发效率小于第二光子激发效率，第二光子激发效率小于第三光子激发效率第一摩尔消光系数小于第二摩尔消光系数，且第二摩尔消光系数小于第三摩尔消光系数。

在本实施例中，采用紫外光照射实现液晶材料的光配向，当然还可以采用现有技术的其他辐射光进行液晶材料的光配向。

图4是本发明实施例的液晶材料的光配向装置。如图4所示，液晶材料的光配向装置100包括电场发生器10和辐射光发生器20。

其中，电场发生器10用于产生一电场。

辐射光发生器20用于产生一辐射光，以使添加于液晶材料层中的反应单体在电场和辐射光的作用下发生聚合反应，进而实现液晶材料层的配向。在本实施例中，辐射光发生器20以上文描述的方式在聚合反应过程的不同阶段产生相应的辐射光，进而实现上述目的，此处不再赘述。

综上所述，本发明通过在不同反应阶段采用不同脉冲的光来改变总体照度，同时满足反应速度，又尽力避免造成漏光的大分子效应，来实现光配向的快速化和高品质。

区别于现有技术的情况，本发明的液晶材料的光配向方法及装置提高了液晶材料的光配向的稳定性和均一性，并能在满足光配向反应速度的同时极大地避免能引起漏光的大分子效应，从而实现了液晶材料的光配向的快速化和高品质，使其具备更佳的量产性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种液晶材料的光配向方法，其特征在于，所述液晶材料的光配向方法包括：

提供一液晶材料层，所述液晶材料层添加有反应单体；

在电场的作用下，利用辐射光照射所述液晶材料层，以使所述反应单体发生聚合反应，进而实现所述液晶材料层的配向，其中所述反应单体的聚合反应过程包括第一阶段以及位于所述第一阶段之后的第二阶段，所述辐射光在所述第一阶段具有第一照度，且在所述第二阶段具有第二照度，所述第一照度小于所述第二照度，另外所述反应单体在所述第一阶段开始时具有第一浓度，且所述第二阶段开始时具有第二浓度，其中所述第二浓度为所述第一浓度的e^-1/2倍，且所述第二照度为所述第一照度的e^1/2倍，所述辐射光在所述第一阶段相对于所述反应单体具有第一光子激发效率和第一摩尔消光系数，且在所述第二阶段相对于所述反应单体具有第二光子激发效率和第二摩尔消光系数，其中控制所述辐射光在所述第一阶段和所述第二阶段的波长，以使所述第一光子激发效率小于所述第二光子激发效率，所述第一摩尔消光系数小于所述第二摩尔消光系数。

2.根据权利要求1所述的液晶材料的光配向方法，其特征在于，控制所述辐射光在所述第一阶段和所述第二阶段的脉冲宽度和/或脉冲频率，以使所述第一照度小于所述第二照度。

3.根据权利要求1所述的液晶材料的光配向方法，其特征在于，所述反应单体的聚合反应过程进一步包括位于所述第二阶段之后的第三阶段，其中所述辐射光在所述第三阶段具有第三照度，所述第二照度小于所述第三照度。

4.根据权利要求3所述的液晶材料的光配向方法，其特征在于，所述辐射光在所述第三阶段以不间断方式照射所述液晶材料层。

5.根据权利要求3或4所述的液晶材料的光配向方法，其特征在于，所述辐射光在所述第一阶段相对于所述反应单体具有第一光子激发效率和第一摩尔消光系数，在所述第二阶段相对于所述反应单体具有第二光子激发效率和第二摩尔消光系数，且在所述第三阶段相对于所述反应单体具有第三光子激发效率和第三摩尔消光系数，其中所述第一光子激发效率小于所述第二光子激发效率，所述第二光子激发效率小于所述第三光子激发效率，所述第一摩尔消光系数小于所述第二摩尔消光系数，且所述第二摩尔消光系数小于所述第三摩尔消光系数。

6.一种液晶材料的光配向装置，其特征在于，所述液晶材料的光配向装置包括：

电场发生器，用于产生一电场；

辐射光发生器，用于产生一辐射光，以使添加于液晶材料层中的反应单体在所述电场和所述辐射光的作用下发生聚合反应，进而实现所述液晶材料层的配向，其中所述反应单体的聚合反应过程包括第一阶段以及位于所述第一阶段之后的第二阶段，所述辐射光发生器控制所述辐射光在所述第一阶段具有第一照度，且在所述第二阶段具有第二照度，所述第一照度小于所述第二照度，另外所述反应单体在所述第一阶段开始时具有第一浓度，且所述第二阶段开始时具有第二浓度，其中所述第二浓度为所述第一浓度的e^-1/2倍，且所述第二照度为所述第一照度的e^1/2倍，所述辐射光在所述第一阶段相对于所述反应单体具有第一光子激发效率和第一摩尔消光系数，且在所述第二阶段相对于所述反应单体具有第二光子激发效率和第二摩尔消光系数，其中控制所述辐射光在所述第一阶段和所述第二阶段的波长，以使所述第一光子激发效率小于所述第二光子激发效率，所述第一摩尔消光系数小于所述第二摩尔消光系数。

7.根据权利要求6所述的液晶材料的光配向装置，其特征在于，所述反应单体的聚合反应过程进一步包括位于所述第二阶段之后的第三阶段，其中所述辐射光发生器控制辐射光在所述第三阶段具有第三照度，所述第二照度小于所述第三照度。