利用光蚀刻和光诱导相分离的柔性双稳态近晶液晶器件

抽象的

对使用像素隔离模式的柔性双晶 - 一种液晶（SMA LC）装置，其中通过垂直聚合物壁和水平聚合物层以像素中分离SMA LC分子。通过使用紫外（UV）光刻和光致突出的相分离来实现上述微观结构。通过光刻法制造聚合物壁，然后通过UV诱导的相分离包封SMA LC以聚合物壁之间的像素包封，其中聚合物壁用作源于机械压力的支撑结构，并将细胞间隙与弯曲和聚合物保持着。层用作粘合剂，以密切连接两个基板。结果表明，确保了SMA LC的所有内在双稳态性质，并且表征了良好的电光特性，例如高对比度和优异的双稳态状态的优异稳定性。这种SMA双稳态柔性显示器具有高潜力，可用作电子纸，智能可切换反光窗口等。

1.介绍

双稳态液晶（LC）器件已被广泛研究并用于显示应用，因为它们独特的电光特性，主要是能够在没有功耗的情况下无限期地保持图像[1- - - - - -9］．已经开发了许多方式来在过去几年中生产双稳态LC设备[10］．其中，一种利用离子掺杂的SmA (SmA)液晶屏的双稳态显示由于其在低功耗低成本显示器件、可切换存储器件和电子纸等方面的潜在应用而引起了极大的兴趣[11］．离子掺杂的SMA LC器件保持两个可电切换零场稳定光学状态：（1）通过高频分子的介电重新定向产生的透明疗程（1 kHz）交流电流（AC）电场和（2）在低频下通过电液动力学不稳定性（EHDI）产生的散射焦点状态（1 kHz）电场。与其他双稳态显示器相比，双稳态SMA显示器提供了更简化的显示模式，长期稳定性和出色的对比度，因为与扭曲的向扭曲（TN）相比，双稳态SMA LC器件不需要极化器或背光，导致能效。或超级乘客的inematic（stn）显示[12］．

近几十年来，更多的研究工作集中在塑料基板的双稳态SmA LC显示技术，以潜在地应用于柔性显示应用[13- - - - - -16］．由于难以保持均匀的厚度、防止气泡形成和弯曲后的机械稳定性，在塑料基底上制造柔性液晶薄膜的可能性具有挑战性。为了解决这些问题，几种类型的聚合物墙和/或网络作为支撑结构已被提出和论证[17- - - - - -21］．这些结构是用各向异性相分离的方法从聚合物和SmA - LC复合体系中制备的，通过应用图形电场或空间调制的紫外(UV)强度[22- - - - - -24］．然而，这些方法需要高电场以在未曝光区域中引发各向异性相分离或保持残留的聚合物，从而减少光学性质并增加器件的工作电压。因此，这些方法不适用于具有成本效益的轧制过程，这对于制造大面积塑料LCD至关重要。因此，应为待商业化的塑料LCD开发替代制造方法。

这里，我们通过使用光刻和光致相分离来报告柔性双稳态SMA LC器件的像素隔离聚合物壁结构的制造。通过UV光刻制造聚合物壁，通过UV诱导的单体在UV照射期间通过UV诱导的单体扩散形成上层，得到SMA LC被垂直聚合物壁和水平聚合物膜包围。已经研究了该柔性双稳态SMA LC器件的电光特性作为单体浓度，频率和施加的电压的函数。另外，还讨论了二向色染料对电光特性的影响。

2.实验

２．１．材料

在该研究中，单体SB510E35，单体SR423的分子添加剂和单体SR238（Sartomer USA，LLC），光引发剂，2,2-二甲氧基-2-苯基 - 苯乙酮（Irgacure 651，TCI有限公司），4'-辛基-4-biphenylnitrile (8CB, nematic liquid crystal, Cr-21.5°C-S-33.5°C-N-40.5°C-I), 4′-decyl-4-biphenylnitrile (10CB, Cr-44.5°C-S-50.5°C-I), 4′-dodecyl-4-biphenylnitrile (12CB, Cr-48°C-S-58.5°C-I), 4′-pentamethoxyl-4-biphenylnitrile (5OCB, Cr-48°C-N-68°C-I), pentamethyl siloxane-4′-decyloxy-4-biphenylnitile (siloxane 8OCB, Cr-42.1°C-S-62.1°C/I), hexadecyl trimethyl ammonium bromide (CTAB, used as ion additive) were used, the 8CB, 10CB, 12CB, 5OCB were purchased from Shijiazhuang Sdyano fine chemical Co., Ltd, and siloxane LC was synthesized according to the method suggested by Newton et al. [25，26］．本研究所用材料的所有分子结构如图所示1．

2.2。柔性双稳态SMA LC装置的制备

将负光致抗蚀剂（50wt％Sb510E35,25wt％SR423,25wt％SR23,25wt％SR238）均匀地涂覆在柔性PET基板上并在80℃下加热2小时;然后通过UV照射通过方形阵列图案化的铬板选择性地暴露光致抗蚀剂涂层以制造聚合物壁。通过显影剂（碳酸钠溶液，0.4wt％）蚀刻光致抗蚀剂，以显示具有均匀厚度12的图案化聚合物壁 μm。

将硅氧烷8OCB (20 wt%)、8CB (55 wt%)、10CB (10 wt%)、12CB (10 wt%)、5OCB (5 wt%)和CTAB (0.1 wt%)混合，制备了离子掺杂近晶- a液晶。混合物在近晶A相为LC，澄清点约为47℃;然后是大约1~20 wt%的分子添加剂(SR423/SR238将4/1(含4 wt% Irgacure 651)加入液晶中，将SmA/分子添加剂混合物填充到聚合物壁面衬底上的空白中，温度高于SmA LC的清除点。然后将上基板覆盖在聚合物壁上以制造一个三明治状的装置，在两个基板结合之前，可以通过混合物的流动性来阻止气泡。设备在室温紫外光照射后，在辐照过程中，混合料中的单体添加剂在UV强度较低时移动到顶部区域，在UV强度较高时聚合到聚合物层。聚合物层与聚合物壁粘合在上基板上。

2.3。测量

RT-IR(实时红外辐射)光谱在Nicolet 5700光谱仪上进行，频率范围为4000 ~ 7000 cm⁻¹．光刻胶样品被夹在两片玻片中，放置在红外光谱仪室中，然后暴露在强度为2.0 mW/cm的紫外光(365 nm)下²借助光纤穿过石英玻璃。随后，监测在特定波数下双键的红外吸收降低，以确定反应速率。在给定的时间内，碳双键的转化量根据公式计算，， 在哪里是波兰人;(t)是债券的转换波数;当样品被照射时是该债券的区域时间。在这项研究中，我们计算了6160厘米的波数的转换⁻¹在玻璃细胞中。使用偏振光光学显微镜（POM）（Leica，DM2500P）观察样品;使用Linksys 2.43软件记录光学图像。通过UV / Vis分光光度计（Hitachi，U-3010）在正常入射时获得透射光谱。空白细胞的透射率标准化为100％。使用信号发生器（HT102V4，光晕光子有限公司）将电场应用于电池。通过扫描电子显微镜（SEM）（Hitachi S-4700）观察聚合物壁的表面和横截面的形态。

3.结果与讨论

3．1．聚合物墙的制作

将光致抗蚀剂涂覆在柔性PET基板的ITO层上。为了测量光致抗蚀剂层的转化，RT-IR光谱被拍摄并在图中示出2（a）．C的交联反应速率通过监测约6160cm的IR吸光度降低来确定C双键⁻¹在玻璃细胞中，其对应于C-H伸展的C-HC组。紫外线区域在紫外线照射过程中降低，以及C的转换C键可以通过峰面积减少率计算，公式如下:．

如图所示2（a），曝光时间从0 S增加到100秒，带有6160厘米的带的强度⁻¹减少，这是由于C的损失C键在光聚合过程中。c的转换C双键在前15秒急剧增加，表明负光致抗蚀剂的快速固化反应。在100次紫外线照射后，转化率达到约80％的稳定值，并且可以通过延长时间达到更高的转化率，但由于在快速固化反应期间粘度显着增加，因此不能增加100％，如图所示2（b）．

数字3（a）- - - - - -3（e）显示相同加热、辐照强度和显影条件下不同辐照时间的聚合物壁的光学显微镜图像。辐照时间短，聚合物壁强度不足;随着辐照时间的增加，聚合物壁越来越宽、越来越厚，适宜的辐照时间为10 s。聚合物壁的SEM图像(像素尺寸300μm）在图10中显示了辐射时间10 s3（f）和3 (g)，以及图中捕获的图像3（f）示出了聚合物壁基板的横截面。如图所示，聚合物壁具有良好的梯度和均匀的厚度，使得LC在封装后使LC显着且均匀的显示效果。通过从1秒的辐射时间增加至30秒，光致抗蚀剂涂层可以得到更多的能量以诱导聚合。与具有1 S照射的样品相比，具有30秒照射的样品具有溶液聚合物壁，以在每个像素中分离LC。由于自由基UV固化中的氧抑制效果，它也导致厚度缺点：在较长照射时间内的聚合物壁比照射不充分的照射。聚合物壁厚通过涂覆厚度和照射时间在一起确定。

3.2。封装SMA LC

SMA LC被封装在聚合物壁的像素中以形成聚合物壁稳定的液晶（PWSLC）装置。将光敏单体混合物与光引发剂引入细胞中以通过基材和聚合物壁包封SMA LC。光敏混合物和SMA LC以1：99（单体算1wt％）的比例为高20：80（单体算法20wt％），然后将混合物转移到聚合物壁基板上高于SMA LC的清除点的温度良好，在聚合物壁基板上覆盖顶部基板，并且SMA LC被包封在细胞的像素中。

通过将细胞暴露于UV照射的两个步骤（1）低强度为0.1mW / cm的UV光来引发相分离²;将电池暴露于UV光束的准直束约10分钟，并且用UV辐射诱导单体并通过UV照射聚合;（2）高强度为5mW / cm的UV光²大约5分钟，使单体充分聚合。相分离导致固化的聚合物薄膜在基材上更接近紫外线源。封装过程如图所示4(a).通过该方法制备聚合物层，将上基板粘附到下聚合物壁板上;数字4(b)是细胞的立体结构。为了突出聚合物层，包封过程中使用了过量的30 wt%单体;将细胞浸泡在己亚甲基中12小时以去除SmA LC分子。数字4(c)显示没有SmA LC的细胞截面。图中显示了透明和不透明状态的POM图像4(d);在透明状态下显示暗场，在不透明状态下显示SmA的纹理。

3.3。封装PWSLC的电气光学（EO）性能

在正常发病率下在UV / VIS分光光度计中检测到EO响应。通过使用632nm波长，在5°的收集角度下在正常传输几何形状中测量所有SMA LC电池的电光性能。数字5显示了相同孔间距厚度约为12的LC和PWSLC的静态响应特性μm。5 kHz平方波的AC场施用诱导焦点圆锥冠状（FC-HT）过渡;应用了50 Hz平方波的AC场相对诱导EHDI转变。

与纯SmA电池相比，PWSLC电池在两种状态下具有不同的传输特性。我们将透射差(TD)定义为透明状态的最大透射率与不透明状态的最小透射率之差，将纯SmA电池的透射差命名为CR值100%;因此，电池的CR值定义为纯SmA的电池TD与TD的比值。由于折射率与聚合物壁相似，采用SR423/SR238混合物(也用于聚合物壁的制作，质量比为4/1)作为单体添加剂。比较不同单体含量的细胞，测量CR值的差异。单体添加剂分别通过UV光照诱导和聚合到上基板表面聚合物层中。

数字5还显示出不同单体含量的PWSLC的EO曲线，其范围为0％（纯SMA，重量％）至20％。fc-ht（图5(一个)）和ehdi（图5（b））转变表明，较高的单体含量将导致过渡不足，这使得CR值降低。随着单体含量的增加，不透明状态下的细胞的变速显着高于纯SMA细胞的细胞。同时，透明状态传输略微减小。因此，我们可以推断LC混合物中更多的单体削弱了细胞不透明状态的视觉效果。所有设备的CR数据被归一化，CR结果在表中列出1．较高的单体含量导致较低的CR，以保持适当的强度;2．55 wt%为单体与混合物的最佳配比范围。

3.4。染色的PWSLC表演

为了实现着色的LC装置，奥佐二向色蓝色染料被带入PWSLC进行调查。通过对封装中的聚合进行比较分析，可以建立最合适的染料含量。在最大的染料含量下，通过引入染料，不应减少单体的转化。

染料的结构式如图所示1．彼此比较具有不同染料含量的单体添加剂/光引发剂的混合物。数字6显示C的转换C通过实时红外光谱分析在0.1 mW / cm时双键²根据封装中的紫外线强度。随着染料的含量从0％增加到1％，在长时间紫外线照射中的混合物的最终转化降低，并且交联的反应速率降低。与非粘合剂混合物相比，染色样品表现出光引发剂的光子吸收性降低，这需要更长的时间来分裂成自由基。此外，添加不可聚合的染料分子扰乱了C的组合C键与自由基，导致染色混合物中的反应速率较慢。如图所示6，样品与0.2 wt%染料显示出一个接近的最终转化为未染色的一个。

LC /单体/染料的混合物用于包封过程中：用0.2wt％染料的单体添加剂混合物用于细胞;该混合物占LC组分的2.5wt％。然后在EO性能下比较纯SMA细胞和具有/不含偶氮二色性蓝色染料的PWSLC细胞;曲线显示在图中7．门槛 （）饱和度（）在表中制表电压2对于透明和不透明状态。这对于FC-HT过渡和EHDI，在电池驱动时，在电池驱动时测定10％的变速器，而是确定在90%的传播变化。

众所周知，当施加电场时，具有细长形状的二色性偶氮染料与LC分子对准，其中吸收过渡偶极子沿染料分子的长分子轴线。在低频场施用下，染料分子随机定向在SMA相位的焦点圆锥形纹理中。在本研究中使用的二色性染料具有阳性二中间的染色染料是蓝色偶氮染料，其在近晶的相中具有非常好的溶解度。0.2wt％的染料足以为样品细胞提供良好的颜色，同时保持宿主LC材料的内在特性[27］．将低频和高频AC方形电场施加到样品电池中，以诱导散射和透明纹理。在此，我们观察到通过添加染料的PWSLC细胞的电光响应特性没有显着显着如图所示7;只要和在5 kHz和50 Hz驱动下，染料的添加量均略低于PWSLC。

图中显示了PWSLC上的PWSLC透明和不透明状态8，可以通过人眼视觉显示双稳态的对比度效应。

4.结论

综上所述，成功制备了基于聚合物壁的柔性双稳态SmA LC器件。该装置由聚合物壁和聚合物胶粘剂层结构组成，具有灵活性和双稳定性，采用光刻技术和紫外诱导相分离技术形成上述结构。结果表明，该器件具有良好的光电特性、高对比度和良好的状态稳定性。此外，还观察了二向色染料对染色SmA柔性器件电光性能的影响。该装置具有良好的柔性和EO响应;它也展示了聚合物壁在低成本和轻量的柔性LC显示应用中的潜在用途。由于其简单、灵活、成本低，这项新技术为大面积显示应用开辟了新的可能性。

致谢

本文得到国家自然科学基金（授予No.50903004）和中央大学的基本研究资金支持（ZZ14）。

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