專利名稱：一種低電壓驅(qū)動的液晶折射率光柵的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子器件領(lǐng)域，涉及一種將光致變色高分子溶入向列相液晶中，用線性偏振光掩膜光照使液晶產(chǎn)生周期性取向排列，形成低電壓驅(qū)動的可調(diào)諧一維折射率光柵的制備方法，具體地說是一種低電壓驅(qū)動的液晶折射率光柵的制備方法。
背景技術(shù)：
光柵是重要的光學(xué)元件，在計量、無線電天文學(xué)、集成光學(xué)、光通信和信息處理等許多領(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用。盡管目前傳統(tǒng)光柵的工藝已經(jīng)很成熟，但光柵的衍射、反射效率不具有可調(diào)性，難以滿足現(xiàn)代顯示、通信、集成光學(xué)、光存儲技術(shù)的要求，嚴重地限制了光柵的使用范圍?？烧{(diào)諧的光柵在光學(xué)數(shù)據(jù)存儲、光學(xué)處理與計算、集成光學(xué)、光互聯(lián)、光開關(guān)、可調(diào)協(xié)濾波器、波分復(fù)用等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
為制備可調(diào)諧光柵，科學(xué)工作者們提出聚合物/液晶折射率周期性變化的光柵，這種光柵目前仍處于研制階段，存在的主要問題是驅(qū)動電壓過高，很難與TFT或大規(guī)模集成電路相匹配；聚合物與液晶的相分離不完全，器件衍射效率不夠高；另外液晶材料與聚合物材料的折射率差別不夠大，衍射效率可調(diào)諧范圍較小。
1991年，I.Janossy等人(Mol.Cryst.Liq.Cryst.，203卷，77頁，1991年)報道了異構(gòu)體染料分子摻雜在液晶中控制液晶的取向。這一理論為采用光致變色分子代替光敏單體材料摻雜在液晶中形成液晶折射率光柵提供了思路。
最近Artem Petrossian等人(Opticacs Communications，228卷，145頁，2003年)將偶氮染料甲基紅摻入液晶中，利用偶氮染料甲基紅在光柵光場中的光異構(gòu)特性，使垂直取向的單疇液晶變?yōu)樗?、制作出垂直周期性取向變化的折射率光柵。由于誘導(dǎo)液晶取向變化的染料分子濃度很小，驅(qū)動電壓可以很低。Artem Petrossian等人著重研究了液晶指向矢在光柵形成過程中的變化軌跡，以及基板表面錨定作用和液晶體內(nèi)染料分子作用的兩個微觀過程。由于所使用的偶氮染料甲基紅分子量低，其異構(gòu)體不能長期穩(wěn)定，所以Artem Petrossian等人制作的是可擦除光柵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低電壓驅(qū)動的液晶折射率光柵的制備方法。
為了制作永久光柵，本發(fā)明從Artem Petrossian等人的論文中得到啟示將偶氮染料甲基紅替換為含有偶氮基團的光致變色高分子摻入液晶中，在有強弱分布的圖案化光場中偶氮基團的光異構(gòu)體具有相應(yīng)的定域分布，從而誘導(dǎo)液晶定域取向，可形成液晶取向周期性變化的長期穩(wěn)定折射率光柵。
本發(fā)明將光致變色高分子溶入液晶中，在掩膜光照或其它圖案化光場中，光致變色高分子的光異構(gòu)體具有相應(yīng)的定域分布引起液晶分子的再取向，如圖1所示，旨在提供一種長期穩(wěn)定性好，驅(qū)動電壓可與集成電路相匹配的可調(diào)諧一維液晶光柵的制備方法。
本發(fā)明首先將含有偶氮基團的光致變色高分子材料與液晶混合，然后注入液晶盒中；液晶盒由內(nèi)表面帶有透明導(dǎo)電膜(ITO)的兩塊玻璃基板組成，兩基板間用隔墊物控制間隙，并用AB膠固定封嚴；采用光柵掩膜板，用線性紫外偏振光照射；光致變色高分子在亮條紋區(qū)發(fā)生光異構(gòu)反應(yīng)，從而誘導(dǎo)液晶在亮、暗條紋區(qū)取向方向不同，形成液晶折射率光柵。本發(fā)明不但簡化了光柵的制備過程，更重要的是采用分子量很大的光致變色高分子材料在降低光柵器件驅(qū)動電壓的同時提高了器件長期穩(wěn)定性，在室溫下可保存八個月。
為了更清楚地理解本發(fā)明，下面詳述本發(fā)明的過程。
1、配制光致變色高分子摻雜的液晶材料將帶有偶氮基團的光致變色高分子材料溶入液晶中，溶入液晶中的帶有偶氮基團的光致變色高分子材料重量百分含量在0.1～0.6wt％范圍。溶入后，室溫下攪拌均勻。
2、制備液晶盒取兩塊帶有透明導(dǎo)電膜ITO的玻璃基板，以帶有透明導(dǎo)電膜ITO為內(nèi)表面將兩塊玻璃基板對疊。兩玻璃基板間用隔墊物控制間隙，即盒厚。盒厚范圍為2～5μm。兩玻璃基板周圍用AB膠固定，并留有液體注入口，作成液晶盒。將摻有光致變色高分子材料的液晶在室溫注入液晶盒中。注入后，用AB膠封上注入口，形成封閉液晶盒。
3、制備光柵根據(jù)本發(fā)明所選擇的光致變色高分子材料的光敏波段，選擇紫外燈為光源，通過格蘭棱鏡和準(zhǔn)直光管出射紫外線性偏振平行光，光強在波長為297nm處為2～5mW/cm2；將光柵掩膜板覆蓋在液晶盒上曝光，如圖2所示；控制曝光時間在15～30分鐘，得到液晶折射率光柵。
用本發(fā)明制備的液晶折射率光柵，其偏光顯微鏡照片如圖3所示，從圖3可以看出光照前后偶氮高分子誘導(dǎo)液晶分子取向發(fā)生周期性改變。光柵的衍射光斑如圖4所示。
本發(fā)明的制備方法簡單易控，對外界環(huán)境要求不高；更為重要的是本發(fā)明在液晶中摻雜的含有偶氮基團的光致變色高分子材料，能夠誘導(dǎo)液晶發(fā)生取向周期變化，有效地提高了光柵器件的衍射效率；同時高分子材料含量要求極少，大幅降低了光柵的驅(qū)動電壓，飽和電壓在10V以下，可與薄膜晶體管陣列TFT和大規(guī)模集成電路相匹配；穩(wěn)定周期達八個月。


圖1為光致變色高分子誘導(dǎo)液晶取向變化的示意圖。其中 代表光致變色高分子， 代表液晶分子。
圖2為液晶盒的結(jié)構(gòu)和掩膜光照制備液晶折射率光柵的示意圖。圖中，1、紫外光；2、掩膜板；3、上玻璃基板；4、透明導(dǎo)電膜ITO，即上電極；5、摻雜光致變色高分子材料的液晶；6、透明導(dǎo)電膜ITO，即下電極；7、下玻璃基板。
圖3為光柵常數(shù)65μm的液晶折射率光柵在正交偏光顯微鏡下的透過率照片。
圖4為用本發(fā)明制備的光柵，其衍射級次隨施加電壓的增高而減少的圖片。其中(a)是驅(qū)動電壓為0V時的32級衍射，光斑數(shù)達63個，照片上只分辨出55個；(b)是驅(qū)動電壓為2V時的8級衍射，光斑數(shù)為15個；(c)是驅(qū)動電壓為5V時的6級衍射，光斑數(shù)為11個；(d)是驅(qū)動電壓為10V時衍射消失，光斑數(shù)為1個。
具體實施例方式
為了更清楚地理解本發(fā)明，以下結(jié)合具體實施方式
進一步詳述制備過程。
1、配制帶有偶氮基團的光致變色高分子摻雜的液晶材料先稱取向列相液晶TEB30A2.5克，再向其中加入0.013克帶有偶氮基團的光致變色高分子材料。所選向列相液晶TEB30A是石家莊實力克公司的產(chǎn)品。加入的帶有偶氮基團的光致變色高分子材料，具有側(cè)鏈一端帶有偶氮苯基團的高分子結(jié)構(gòu)。本發(fā)明一個具有代表性的帶有偶氮基團的光致變色高分子材料的分子式為 加入后，在室溫下攪拌至混合物均勻。
2、制備液晶盒將厚度為0.7mm的帶有透明導(dǎo)電膜ITO玻璃切割成2cm×2cm尺寸的基板兩塊，作為上玻璃基板3和下玻璃基板7。將上玻璃基板3和下玻璃基板7，以透明導(dǎo)電膜ITO為內(nèi)表面對疊。兩玻璃基板間用3μm直徑的玻璃珠均勻分散隔墊，玻璃基板周圍用AB膠固定，并留有液晶注入口，制成間隙為3μm的液晶盒，如圖2所示。
3、在室溫下將摻雜有光致變色高分子材料的液晶注入液晶盒中，用AB膠封口，形成所需實驗樣品。
4、如圖2所示，將光柵常數(shù)為65μm的掩膜板2覆蓋在樣品上，并置于偏振、準(zhǔn)直化的氙燈下。氙燈發(fā)出的紫外光1波長為297nm處的偏振平行光光強為3mW/cm2，控制曝光時間為20分鐘，制得液晶折射率光柵。
5、在正交偏光顯微鏡下觀察所制的液晶折射率光柵，如圖3所示，柵格由不同取向的液晶層交替構(gòu)成，柵格界面較平整。
6、檢測光柵衍射效果和電場調(diào)諧性。如圖4所示，圖中衍射級次可看到26級，直接觀測可看到32級；施加電場前后衍射斑點數(shù)由26變?yōu)?，說明該光柵具有很強的電場調(diào)諧性。
7、光柵的驅(qū)動特性測試。該光柵驅(qū)動閾值電壓為2V；飽和電壓、即衍射斑點數(shù)變?yōu)?時的電壓為10V。
權(quán)利要求
1.一種低電壓驅(qū)動的液晶折射率光柵的制備方法，其特征是將含有偶氮基團的光致變色高分子材料與液晶混合，含有偶氮基團的光致變色高分子材料重量百分含量為0.1～0.6wt％，然后注入液晶盒中；液晶盒由內(nèi)表面帶有透明導(dǎo)電膜ITO的兩塊玻璃基板組成，兩基板間用隔墊物控制間隙，并用AB膠固定封嚴；在液晶盒上覆蓋一光柵掩膜板，在紫外線性偏振平行光的照射下形成液晶取向周期性變化的光柵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電壓驅(qū)動的液晶折射率光柵的制備方法，其特征是摻入液晶中的含有偶氮基團的光致變色高分子材料的側(cè)鏈一端帶有偶氮苯基團，分子結(jié)構(gòu)為
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低電壓驅(qū)動的液晶折射率光柵的制備方法，其特征是液晶盒盒厚為2～5μm；選擇紫外燈為光源，通過格蘭棱鏡和準(zhǔn)直光管出射紫外線性偏振平行光，光強在波長為297nm處為2～5mW/cm2，將光柵掩膜板覆蓋在液晶盒上曝光15～30分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低電壓驅(qū)動的液晶折射率光柵的制備方法，其特征是選用石家莊實力克公司生產(chǎn)的TEB30A液晶，摻入含有偶氮基團的光致變色高分子材料重量百分含量為0.1～0.6wt％。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低電壓驅(qū)動的液晶折射率光柵的制備方法，其特征是兩玻璃基板間用玻璃珠作為隔墊，玻璃珠直徑在2～5μm之間選擇。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低電壓驅(qū)動的液晶折射率光柵的制備方法，其特征是線性偏振平行光在波長為297nm處的光功率密度為3mW/cm2，曝光時間為20分鐘。
全文摘要
本發(fā)明屬于光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及液晶折射率電場調(diào)諧光柵的制備方法。本發(fā)明首先將含有偶氮基團的光致變色高分子材料與液晶混合，然后注入液晶盒中；液晶盒由內(nèi)表面帶有透明導(dǎo)電膜(ITO)的兩塊玻璃基板組成，兩基板間用隔墊物控制間隙，并用AB膠固定封嚴；采用光柵掩膜板，用線性紫外偏振光照射；光致變色高分子在亮條紋區(qū)發(fā)生光異構(gòu)反應(yīng)，從而誘導(dǎo)液晶在亮、暗條紋區(qū)取向方向不同，形成液晶折射率光柵。本發(fā)明不但簡化了光柵的制備過程，更重要的是采用分子量很大的光致變色高分子在降低光柵器件驅(qū)動電壓的同時提高了器件長期穩(wěn)定性，在室溫下可保存八個月，對外界環(huán)境要求不高。具有電場可調(diào)諧性，驅(qū)動電壓可與集成電路匹配等優(yōu)點。
文檔編號G02F1/13GK1896779SQ20051001702
公開日2007年1月17日 申請日期2005年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月5日
發(fā)明者宣麗, 宋靜, 劉永剛, 馬驥, 彭增輝, 胡立發(fā), 魯興海 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所