專利名稱：使用粒子束配向制備各向異性多層體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過使用粒子束蝕刻技術(shù)制備多層體的方法，所述多層體包含具有不同光軸或配向方向的兩個或更多個各向異性層，例如液晶(LC)層或反應性介晶(RM)層；還涉及通過所述方法獲得的多層體；這種多層體在光學和電光學器件中作為光學補償器或延遲器的用途；以及包含這種多層體的器件。背景及現(xiàn)有技術(shù)光學延遲器(還指的是光學延遲膜)用作光學配置(optical schemes)的分隔元件或用作液晶顯示器(LCD)的集成部件。在后一種情況中，它們通常還指的是補償器或補償膜。為了良好的性能，光學延遲器通常具有由兩個或更多個重疊的單延遲層構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。這種光學延遲器典型地由雙折射材料構(gòu)成，例如具有通過拉伸、剪切、整體光配向或表面配向誘導的光學各向異性的晶片或聚合物膜。后一過程涉及液晶分子膜，例如液晶聚合物或RM。已知有不同類型的光學延遲器。例如“A膜”(或A-板)是利用單軸雙折射材料層的光學延遲器，其非尋常軸平行于層的平面取向，“C膜”(或C-板)是利用單軸雙折射材料層的光學延遲器，其非尋常軸垂直于層的平面取向，而“0膜”(或0-板)為利用單軸雙折射材料層的光學延遲器，其非尋常軸與層的平面傾斜成一個角度。但是，常規(guī)的光學延遲器通常顯示出不期望的色度，這為雙折射元件的普遍性質(zhì)。 當偏振的多色光束穿過雙折射介質(zhì)時，組成的光譜成分獲得不同的相延遲并且因此獲得不同的偏振狀態(tài)。當光束進一步穿過分析器時，其光譜成分的強度有不同的變化，其改變了傳送的光的色域。對延遲器的波長敏感度或色度有貢獻的因素為(1)色散，即光學雙折射的波長依賴性，以及O)由于波長依賴的光程長度導致清晰的延遲的反向波長依賴性。色度對雙折射光學元件的光譜造作范圍造成了限制。波長依賴性可以通過用這些雙折射膜/或板的堆疊體代替單個雙折射膜/板而降低。消色差化合物延遲器背后的原理在于具有調(diào)整的延遲性和取向的雙折射膜/板的堆疊體(stack)可以作為單一的膜/ 板延遲器運轉(zhuǎn)，但是其具有波長不敏感的延遲性。例如，典型的消色差四分之一波長延遲膜 (AQffF)可以通過將膜層合至大約四分之一波長延遲器(QWF)和將膜層合至半波長延遲器 (HWF)以至于它們的慢軸在膜平面內(nèi)大約以相對于各自成60°的角度取向而得到。對于這兩種延遲器的延遲的實際值取決于層合的角度。但是，這種AQWF膜的制造成本較高，因為兩種延遲器并不能以成本有效的方式以期望的角度層合在一起。US 7，169，447描述了一種由QWF和HWF組成的AQWF，其中的每一個都由聚合的反應性介晶的層組成，其中兩個膜的慢軸在膜平面中相對于各自成60°的角度取向。為了獲得這種特殊的幾何結(jié)構(gòu)，每一個膜都單獨地在基材上制備，該基材已沿特定方向經(jīng)單軸摩擦以便誘導期望的取向。對于QWF的基材摩擦的方向和對于HWF的基材摩擦方向?qū)诟鱾€膜的慢軸取向方向。然后這兩個膜隨后層合在一起以形成AQWF。例如還有可能使用兩個交叉的正性A膜或兩個交叉的0膜的堆疊體，其中兩種膜的慢軸(或者，在O板的情況中，慢軸到膜平面中的投影)在膜平面中相對各自成90°的角度取向，作為用于LCD補償?shù)呢撔訡膜(參見khadt等的SID' 99和M. khadt等， Journal of the SID 11/3,2003 519)。具有這種膜的LCD的色度偏移比廣泛用于LCD工業(yè)的常規(guī)的碟狀液晶的膜的色度偏移明顯要小。在khadt等人的Jpn. J. Appl. Phys.，34， L764-767(1995)中，其描述了由通過光配向技術(shù)配向的反應性介晶制備這種膜，且其中在一個基材上涂覆兩個單獨的RM膜。但是這兩個單獨的RM層通過需要來誘導RM配向的光配向聚合物層分隔開。因此，迄今為止用于制備堆疊的延遲器的技術(shù)需要層合方法和/或使用額外的配向?qū)?。但是，這些額外的方法和元件增加了產(chǎn)品的最初成本。此外，RM膜之間插入中間層會例如通過增加散射和反射損失而使延遲器的性能變差?？朔鲜鋈秉c的可能的解決辦法可以是在由RM制備的第一延遲膜的頂上直接沉積由RM制備的第二涂覆延遲膜。但是，RM膜通常強烈的取向耦合(coupled)。其結(jié)果是第一 RM膜將會作為用于第二 RM膜的配向?qū)?。例如，在兩個RM-A板膜相互覆蓋其上的情況中，如果第一個膜的表面沒有進行配向處理，則第二個RM膜中的分子通常通過第一個RM層表面上的RM分子有效地取向，并且因此兩個膜的慢軸將會主要是平行的。此外，如以下所示，甚至常規(guī)的摩擦過程通常不會在這些膜中去耦(decouple)，以至于第一 RM膜的配向力克服了摩擦效應。除此之外，摩擦或其他機械處理的方法具有許多缺點，例如表面損壞，帶電和粉化，圖案的復雜性以及在微觀水平上不充分的配向均一性。因此，需要在第一 RM膜的頂上提供在第二 RM膜中控制配向的有效方法。因此本發(fā)明的目的在于提供一種改進的用于制備液晶或RM膜的堆疊體或多層體的方法，所述液晶或RM膜由兩種或更多種在各自的頂部直接涂覆的經(jīng)配向的液晶或RM的亞層組成，其中不同的亞層具有不同的配向方向。該方法應在每一個亞層中提供均一的和穩(wěn)定的配向，而不需要摩擦技術(shù)或者液晶或RM亞層之間額外的配向?qū)?。此外，該方法應是簡單的且成本有效的，其特別適用于批量生產(chǎn)，且不應具有上述現(xiàn)有技術(shù)方法的缺點。由以下詳細的描述可知本發(fā)明的其他目的對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是直接顯而易見的。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些目的可以通過提供如本發(fā)明權(quán)利要求所述的方法來實現(xiàn)。特別的，這一方法通過使將被涂覆第二層的第一層表面進行粒子束蝕刻過程，給提供在具有第一配向方向的第一液晶或RM層的頂部上的第二液晶或RM層中提供第二配向方向。進行該蝕刻過程，使得賦予第一層的表面以在不同于所述第一層中液晶或RM的配向方向的方向上的配向力。令人驚奇地發(fā)現(xiàn)通過粒子束(其導致第一層的各向異性蝕刻處理)作用于第二層的液晶或RM的配向力非常強以至于它克服了第一層的液晶或RM的固有配向力。這可以通過在第一和第二層中使用相同或不同的液晶或RM材料實現(xiàn)。粒子束蝕刻作為用于液晶或RM配向的有效技術(shù)已經(jīng)在例如W02008/(^8553A1 ； 0. Yaroshchuk，R. Kravchuk，0. Parri 等人的 Journal of the SID 16/9,905-909(2008)以及 0. Yaroshchuk, R. Kravchuk, 0. Parri 等人的 SID Digest 2007，694-697 的現(xiàn)有技術(shù)中有所描述。但是迄今為止還不知道或沒有建議這項技術(shù)還可以用于在各自的頂部制備多個液晶或RM層，其中單個層相互取向性去耦并且可以在不同的方向上配向。特別是還不知道或沒有建議由第一層的等離子處理導致的配向力會克服其本身的配向力，以至于涂覆在第一層上的第二層可以具有與第一層不同的配向方向。
此外，本發(fā)明中描述的粒子束方法還可以在其他各向異性基材上產(chǎn)生液晶配向， 所述基材例如液晶片、經(jīng)拉伸或光配向的聚合物膜、配向的液晶聚合物，以克服它們本身的配向力。這允許通過液晶膜與其他各向異性材料的膜組合制備多重各向異性膜。發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種制備由至少一種具有光軸的第一各向異性層和至少一種任選為液晶聚合物或聚合的液晶材料的液晶(LC)材料的第二各向異性層構(gòu)成的多層體的方法， 所述方法包括以下步驟A)提供具有光軸的第一各向異性層，B)使所述第一層的表面曝露于適當加速的粒子束，優(yōu)選其具有l(wèi)OO-lOOOOeV的主導(predominated)粒子能量，例如是粒子或等離子體，由此提供表面蝕刻并且在所述第一層的所述表面上誘導產(chǎn)生錨定方向(anchoring direction),C)在所述第一層的所述曝露表面上提供液晶材料層，D)任選聚合所述液晶材料的第二層，其中所述第一層的光軸，或所述第一層的光軸在所述第一層的平面中的投影，與通過粒子束曝露誘導產(chǎn)生的所述第一層的所述表面上的面內(nèi)錨定方向，或所述第一層的所述表面上錨定方向的投影形成不為0°的角度。第一各向異性層優(yōu)選為液晶板，經(jīng)配向的膜和固態(tài)化的液晶材料，例如干燥的、玻璃化的(vitrified)或聚合的液晶化合物或混合物，經(jīng)拉伸、剪切或光配向的聚合物層，或液晶(LC)聚合物的層。本發(fā)明還進一步涉及通過上下文描述的方法獲得的多層體。本發(fā)明還進一步涉及具有多于兩層的多層體，其優(yōu)選通過上下文描述的方法獲得，其中額外的層優(yōu)選通過額外的步驟B)、C)和任選的D)沉積。本發(fā)明還進一步涉及上下文描述的多層體作為光學或電光學器件中的光學延遲器或補償器的用途。本發(fā)明還進一步涉及包含上下文描述的多層體的光學或電光學器件。所述光學和電光學器件包括但不限于電光學顯示器、液晶顯示器(IXD)、偏振器、 補償器、分束器、反射膜、配向膜、濾色器、全息照相元件、熱印箔、彩色圖像、裝飾性或安全標記、液晶顏料、粘合劑層、非線性光學(NLO)器件和光學信息儲存器件。術(shù)語和定義術(shù)語“粒子束”表示離子、中性粒子、自由基、電子或它們的混合物，例如等離子體的束。以下，術(shù)語粒子束將主要用于表示經(jīng)加速的離子或等離子體的束。 術(shù)語“等離子束”或“加速的等離子體束，，表示在輝光放電下和通過電場，通常通過高的陽極電勢從放電區(qū)域中推出而直接形成的粒子束。術(shù)語“離子束”用于表示通常是通過柵格體系由輝光放電提取的離子通量(flux)。 在這種情況中，輝光放電區(qū)域和形成的粒子束在空間上是分隔開的。術(shù)語“粒子能量”表示各個粒子的動態(tài)能量。取決于粒子源，粒子具有窄的或?qū)挼哪芰糠植?。對應于能量分布最大值的粒子的能量將稱為“主導粒子能量”。在非常窄的能量分布的情況中，每個粒子都具有等于主導能量的能量。術(shù)語“經(jīng)適當加速的粒子/離子/等離子體的束”表示以上限定的具有100-10000eV、優(yōu)選100_5000eV、非常優(yōu)選400_1000eV主導能量的加速粒子的束。術(shù)語“陽極層源”表示來自Hall源家族的粒子束源，其產(chǎn)生具有寬粒子能量分布的適當加速的等離子體通量，最大粒子能量顯著低于IOOOOeV且能量分布的最大值， 即主導粒子能量在最大能量的2/3處。這種源通常用于粒子束蝕刻和濺射沉積。可以在 V. Zhurin, H. Kaufman, R. Robinson, Plasma Sources Sci. Technol.,8, p.1,1999、WO 2004/104862A1和WO 2008/028553A1中找到這種源的構(gòu)造細節(jié)、工作原理和操作參數(shù)。術(shù)語“非反應性粒子”表示并不與其他粒子反應(或者僅有較弱的反應)的粒子。 具有足夠的加速時，這些粒子導致基材的物理蝕刻而不是膜沉積。提供非反應性粒子的氣體稱作“非反應性”氣體。這些氣體的實例為稀有氣體，例如Ar、Xe、Kr等。術(shù)語“液晶”涉及在一些溫度范圍內(nèi)(熱致液晶)或在溶液中的一些濃度范圍內(nèi) (溶致液晶)具有液晶介晶相的材料。它們必須包含介晶化合物。術(shù)語“介晶化合物”和“液晶化合物”表示包含一種或多種棒狀(桿狀或板狀/條形)或碟狀(盤形)介晶基團的化合物。術(shù)語“介晶基團”表示具有能夠誘導液晶相(或介晶相)行為的能力的基團。包含介晶基團的化合物自身不必必須表現(xiàn)出液晶介晶相。還有可能它們僅在與其他化合物的混合物中或者當介晶化合物或材料、或它們的混合物聚合時才顯示液晶介晶相。這包括低分子量非反應性液晶化合物、反應性或可聚合液晶化合物，以及液晶聚合物。棒狀介晶基團通常包含由一種或多種相互之間直接或通過連接基團連接的芳香族或非芳香族環(huán)狀基團組成的介晶核，任選包含附接在介晶核末端的封端基團，并且任選包含一種或多種附接在介晶核長側(cè)上的側(cè)基，其中這些封端基團和側(cè)基通常選自例如碳基 (carbyl)或烴基基團，極性基團如鹵素、硝基、羥基等，或者可聚合基團。術(shù)語“反應性介晶”表示可聚合介晶或液晶化合物，優(yōu)選單體化合物。這些化合物可以作為純化合物使用或作為反應性介晶與其他充當光引發(fā)劑、抑制劑、表面活性劑、穩(wěn)定劑、鏈轉(zhuǎn)移劑、非可聚合化合物等的化合物的混合物使用。具有一個可聚合基團的可聚合化合物也稱作是“單反應性”化合物，具有兩個可聚合基團的化合物稱作是“雙反應性”化合物，和具有多于兩個可聚合基團的化合物稱作是 “多反應性”化合物。不具有可聚合基團的化合物也稱作是“非反應性”化合物。術(shù)語“薄膜”表示具有在若干nm到若干μ m范圍內(nèi)的厚度的膜，在液晶或RM的情況中其通常在0. 5到100 μ m的范圍內(nèi)，優(yōu)選為0. 5到10 μ m。術(shù)語“膜”和“層”包括剛性或柔性的、自支撐或無支撐的具有機械穩(wěn)定性并且在載體基板上或兩個基板之間有涂層或?qū)拥哪?。術(shù)語“指向矢”是現(xiàn)有技術(shù)已知的且表示液晶或RM分子的長分子軸(在棒狀化合物的情況中)或短分子軸(在碟狀化合物的情況中)的優(yōu)先取向方向。在這種各向異性分子的單軸排列的情況中，指向矢為各向異性軸。術(shù)語“配向”或“取向”涉及材料，例如小分子或大分子鏈段在稱為“配向方向”的共同方向上的各向異性單元的配向(取向排列)。在液晶或RM材料的配向?qū)拥那闆r中，液晶指向矢與配向方向一致以至于配向方向?qū)诓牧系母飨虍愋暂S的方向。術(shù)語液晶或RM材料例如在材料的層中的“均一取向”或“均一配向”表示液晶或 RM分子的長分子軸(在棒狀化合物的情況中)或短分子軸(在碟狀化合物的情況中)基本上在相同的方向上取向。換句話說，液晶指向矢的線是平行的。遍及本申請，除非另有說明，否則液晶或RM層的配向是均一配向。術(shù)語“垂面的取向/配向”，例如在液晶或RM材料的層中，其表示液晶或RM分子的長分子軸(在棒狀化合物的情況中)或短分子軸(在碟狀化合物的情況中)基本上垂直于層的平面取向。術(shù)語“平面的取向/配向”，例如在液晶或RM材料的層中，其表示液晶或RM分子的長分子軸(在棒狀化合物的情況中)或短分子軸(在碟狀化合物的情況中)基本上平行于層的平面取向。術(shù)語“傾斜的取向/配向”，例如在液晶或RM材料的層中，其表示液晶或RM分子的長分子軸(在棒狀化合物的情況中)或短分子軸(在碟狀化合物的情況中)相對于層的平面成0和90°之間的角度θ ( “傾斜角”)取向。術(shù)語“斜展的取向/配向”表示一種以上定義的傾斜取向，其中傾斜角在垂直于膜平面的方向上變化，優(yōu)選從最小值到最大值。平均傾斜角θ ave按照如下定義
權(quán)利要求
1.制備由至少一個具有光軸的第一各向異性層和至少一個液晶(LC)材料的第二各向異性層構(gòu)成的多層體的方法，所述液晶材料任選為液晶聚合物或聚合的液晶材料，所述方法包括以下步驟A)提供具有光軸的第一各向異性層，B)使所述第一層的表面曝露于經(jīng)適當加速的粒子束，由此在所述第一層的所述表面上提供表面蝕刻并且誘導錨定方向，C)在所述第一層的所述曝露表面上提供液晶材料層，D)任選聚合所述液晶材料的第二層，其中所述第一層的所述光軸在所述第一層的平面內(nèi)的投影與通過粒子束曝露誘導的所述第一層的所述表面上的面內(nèi)錨定方向形成角度，其中所述角度不為0°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述第一各向異性層為液晶片，經(jīng)配向且固態(tài)化的液晶材料膜，經(jīng)拉伸、剪切或光配向的聚合物層，或液晶聚合物層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于多層體由至少一個聚合的液晶(LC)材料的第一層和至少一個任選為聚合的液晶材料的第二層構(gòu)成，且該方法包括以下步驟A)提供具有光軸的聚合的液晶材料的第一層，B)使所述第一層的表面曝露于經(jīng)適當加速的粒子束，由此在所述第一層的所述表面上提供表面蝕刻和誘導錨定方向，C)在所述第一層的所述曝露表面上提供液晶材料的第二層，D)任選聚合所述液晶材料的第二層，其中所述第一層的光軸在第一層的平面內(nèi)的投影與通過粒子束曝露誘導的所述第一層的所述表面上的錨定方向，或者所述第一層的所述表面上的錨定方向的投影形成不為 0°的角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中的一項或多項的方法，其特征在于粒子束為等離子或離子的束ο
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中的一項或多項的方法，其特征在于第一和第二層由棒狀液晶或RM組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到4中的一項或多項的方法，其特征在于第一和第二層由碟狀液晶或RM組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的方法，其特征在于第一層中的液晶或RM具有平的、傾斜的或斜展的配向。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7中的一項或多項的方法，其特征在于第二層中的液晶或RM具有平的、傾斜的或斜展的配向。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到8中的一項或多項的方法，其特征在于第一層的光軸或其在層的平面中的投影與第二層的光軸或其在該層的平面中的投影相互之間形成60°到90°的角度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9中的一項或多項的方法，其特征在于多層體包含多于兩個的層且額外的層通過額外的步驟B)、C)和任選的D)沉積。
11.通過根據(jù)權(quán)利要求1到10中的一項或多項的方法獲得的多層體。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的多層體在光學或電光學器件中作為光學延遲器或補償器的用途。
13.包含根據(jù)權(quán)利要求11的多層體的光學或電光學器件。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的器件，其選自由電光學顯示器、液晶顯示器(LCD)、光學膜、偏振器、補償器、分束器、反射膜、配向膜、濾色器、全息照相元件、熱印箔、彩色圖像、裝飾性或安全標記、液晶顏料、粘合劑層、非線性光學(NLO)器件和光學信息儲存器件組成的組。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過使用粒子束蝕刻技術(shù)制備包含兩個或更多個具有不同光軸的各向異性層的多層體的方法，通過所述方法獲得的多層體，這種多層體作為光學補償器或延遲器在光學和電光學器件中的用途，以及包含這種多層體的器件。
文檔編號G02F1/13363GK102326120SQ201080008958
公開日2012年1月18日 申請日期2010年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月26日
發(fā)明者O·L·帕里, O·亞羅修克, R·克拉維庫克 申請人:默克專利股份有限公司