李建林

文章编号：2095-6835（2017）10-0019-03

摘 要：随着液晶材料在显示领域的广泛应用，摩擦法作为常用的制备液晶定向层的方法，鉴于其存在的严重缺点，目前已越来越不适用，而探索新的液晶定向层成为日前的研究热点。采用直接曝光法和双光束干涉法反复研究用偶氮聚酰亚胺类液晶材料做成的光定向层的光响应特性，通过带正交偏振片装置的CCD观察样品取向随不同光的激励发生的改变。结果表明，聚酰亚胺类液晶光定向层具有良好的光控取向能力。

关键词：光定向层；聚酰亚胺；液晶；光响应

中图分类号：O753+.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.019

自1888年奥地利植物学家瑞尼泽尔（Friedrich Reinitzer）发现液晶（liquid crystal）以来，液晶材料已经走出实验室，被广泛应用于人们的日常生活中。其中，人们最熟悉的就是液晶显示材料。液晶显示作为重要的电子产品，是通过改变液晶分子的排列方向来改变所透过光线，以实现其显示功能。而液晶显示器是通过被称之为液晶定向层的聚合物薄膜来控制液晶分子的排列方向，目前，工业化应用的定向层主要是通过摩擦在聚酰亚胺薄膜表面产生微小的沟槽来诱导液晶分子取向。但是，这种定向层制备存在明显的缺点，比如摩擦会产生灰尘、静电等，而且无法曲面显示。因此，探索新的液晶定向层制备技术，建立新材料的制备方法具有重要的应用价值。

1992年，Schadt等报道了利用线性偏振光聚合技术制备液晶定向层的新方法。这种方法是一种非接触型的液晶定向层制备方法，可以克服摩擦法的缺陷，同时，能使器件的制作更加简单、高效，大大降低产品的成本，是未来最有应用前景的非摩擦液晶定向技术。液晶光定向层材料是光定向技术实施的基础，目前已见报道的液晶光定向层材料主要有以下3种：①可光降解聚合物材料（比如聚酰亚胺、聚苯乙烯等）；②含有可进行光致异构化反应基团（比如偶氮、二苯乙烯等）的聚合物材料；③含有可进行光交联反应基团（比如肉桂酸酯、香豆素等）的聚合物材料。本文的研究是基于国内某科研单位提供的偶氮聚酰亚胺液晶光定向薄膜材料进行的。在研究时，使用该材料自制液晶盒，并灌入E7液晶，然后用365 nm、457 nm光源对样品进行光控取向研究。研究发现，该材料具有明显的诱导液晶分子定向排列的功能，是很好的光定向层新材料。

1 实验设计

1.1 样品制备

本文的研究是基于国内某科研单位提供的光定向薄膜材料，该材料是一类新型的含偶氮的可溶性聚酰亚胺聚合物，由于结构中含光响应性的偶氮生色团，该聚合物表现出明显的光色效应。样品制备情况如下。

1.1.1 样品1

样品1是由某科研单位提供的偶氮聚酰亚胺光取向膜样品。在实验时，将由偶氮、聚酰亚胺等聚合物合成的光定向层材料的均匀溶液经旋转匀胶机涂到洁净的透明石英玻璃片上，经取向处理使得光定向层沿平面的某方向均匀取向，将其称为初始取向n0。

1.1.2 样品2

样品2是由2片样品1制作的空液晶盒。将2片样品1的光取向层相对而置，保持两者的n0相同，中间用35 μm的耐高温薄膜控制盒厚为35 μm，用燕尾夹固定、AB胶黏合，放入烘箱烤干，做成初始取向为n0、盒厚为35 μm的空液晶盒。

1.1.3 样品3

样品3是灌有E7液晶的液晶盒。将样品2利用毛细管作用灌入E7液晶，E7液晶会随着光取向层重新取向，形成初始取向为n0的液晶盒。

1.2 光路搭建

经光谱分析，该光定向层材料在365 nm和457 nm波长段的光吸收能力比较强。本实验将采用365 nm和457 nm两种光源，用直接曝光、线偏振光照射和左右圆偏振光干涉等方法研究其光控取向特性。左右圆偏振光相干涉光路如图1所示。

图1所示的是波长为457 nm激光的左右圆偏振光相干光路。其中，457 nm激光作为激发光源，经偏振分光棱镜后分成2束偏振方向垂直的线偏振光，并且可以通过调节前面的1/2波片使得2束线偏振光光强相同。2束线偏振光经过1/4波片后，1束变为左圆偏振光，1束变为右圆偏振光，2束圆偏振光经相同的光程相聚于样品的1点。在样品上，由于左右圆偏振干涉形成均匀的明暗相间周期为10 μm的条纹，样品经过该条纹的照射將形成稳定的、周期为10 μm的液晶光栅，并且可以通过偏光CCD全程观察样品的变化。

365 nm波长的紫外光曝光是采用LED-UV光源对着样品直接曝光，通过CCD的观察研究其取向是否发生改变。将图1光路中的一束光挡住，再将1/4波片改为格兰棱镜，就是457 nm线偏振光照射光路。通过调节格兰棱镜改变光束线偏振方向，研究光定向层取向方向与光束线偏振方向变化的关联。

2 实验与讨论

先确定样品的取向，前面起偏器和后面检偏器的偏振方向保持正交。当样品的取向与起偏器的偏振方向平行或垂直时，从带长焦镜头的CCD中看到的是最暗的图像，如图2（b）所示；当样品的取向与起偏器的偏振方向成45°夹角时，从CCD中看到的是最亮的图像，如图2（a）所示；当样品的取向垂直于盒子而不是沿面曲向时，任意转动样品，从CCD中看到的都是最暗的图像。

如图2所示，将样品1置于图2中的样品架上，通过CCD观察其明暗变化。转动样品1，当样品1的长轴与起偏器平行或垂直时，出现图2（b）的最暗图像；继续旋转，图像逐渐变亮，当样品1的长轴与起偏器偏振方向成45°夹角时，图像最亮，出现图2（a）所示图像。这些现象表明，样品1的光取向层分子沿面平行于玻璃长轴方向排列，即样品1初始取向n0平行于波片长轴方向。

利用2片样品1组成液晶盒子，即样品2，重复上述实验过程发现，样品的初始取向n0没有改变，与样品1一致。聚酰亚胺聚合物具有良好的光敏基团，能够吸收365 nm和457 nm波段的光发生光化学反应，使分子重新取向。保持样品2的初始取向n0与起偏器偏振方向成45°夹角，用UV光对样品2进行曝光，其现象如图3（a）所示。随着曝光时间的增加，图像逐渐变暗，直至看不见；关掉UV光，旋转样品，图像保持漆黑不变。这说明，定向层的取向受UV光的影响而发生了改变。由此可以推断，受UV光影响，取向层分子由平行于长轴方向的沿面排列逐渐变为垂直于波片排列，即分子由“躺着”变为“站着”，因此，CCD显示的图像逐渐变暗且旋转样品也不能使其变亮。接着用偏振方向与n0成45°夹角的线偏振457 nm激光对样品2进行曝光，并保持n0与起偏器偏振方向平行。这时，可以观察到，CCD显示的图像随着光照时间的增加由暗态逐渐变为量态，如图3（b）所示。关掉457 nm激光后，图像保持这个亮度，但将样品旋转，图像逐渐变暗，当旋转角度为45°时，达到最暗。这表明，经457 nm激光照射后，定向层分子由垂直于波片排列变为沿面排列且与457 nm激光偏振方向垂直，又重新由“站着”变为“躺着”，且“躺着”的方向变了45°。

利用毛细管作用将E7液晶灌入空液晶盒做成样品3，探索定向层取向改变对液晶取向的影响。首先确定样品3的初始取向：旋转样品，观察正交偏振片后CCD显示的图像的明暗变化，发现其初始取向与样品1、样品2一致。这说明，液晶分子进入液晶盒后，受定向层分子影响，顺着偶氮聚酰亚胺分子的排列方向重新规整排列，取向一致。样品2的初始取向n0与起偏器偏振方向成45°夹角，用UV光对样品3进行曝光，其现象如图4（a）所示。随着曝光时间的增加，图像逐渐变暗，直至看不见，关掉UV光，旋转样品，CCD显示的图像暗度不变，漆黑一片。这个现象说明，液晶分子随定向层分子“站立”起来了，垂直于液晶盒重新取向；用偏振方向与n0成45°夹角的线偏振457 nm激光束对样品3进行照射，保持n0与起偏器偏振方向平行，可以观察到：图像由暗逐渐变量，如图4（b）所示，关掉457 nm激光后，图像保持这个暗度，将样品旋转，图像逐渐变暗，45°时达到最暗。该现象说明，液晶分子由垂直于液晶盒排列变为沿面排列且与光束线偏振方向垂直。以上实验现象与样品2相似，表明定向层对液晶分子的重新取向进了有效的诱导。用图1所示左右圆偏振干涉光路照射样品3，并保持n0与起偏器偏振方向平行，CCD显示的样品图像由暗逐渐变量，并产生了表面起伏的光栅结构，接着用632 nm激光探测样品3，发现红色激光经过液晶光栅发生了衍射，产生了衍射光斑。

综上所述，本文研究的含偶氮苯基团的可溶性聚酰亚胺光定向层材料具有明显的光响应性。在365 nm的紫外光照射下，该聚合物反式构型转变为顺式构型，偶氮苯的平面共轭结构被破坏，定向层分子由沿面排列变为垂直平面排列，而液晶分子由于超分子协同作用，受到聚合物分子的诱导重新排列，取向与定向层分子一致。当聚合物受到457 nm激光照射，大部分偶氮生色团由反式构型变为顺式构型而达到光致顺反异构平衡，从而使聚合物分子向光束线偏振方向的垂直方向重新排列，进而诱导液晶分子沿面且垂直光束线偏振方向定向均匀取向。而用干涉光照射定向层，则将诱导聚合物薄膜形成表面起伏光栅结构，液晶分子在薄膜后的区域发生面外取向，薄的区域发生面内取向，液晶光栅也因此形成。

3 结束语

偶氮聚酰亚胺光定向层材料具有很好的光控取向性能，可通过调控光的波长、偏振和干涉条纹实现我们需要的液晶取向。由于该定向层材料存在的光敏基团能对特定波长的光的刺激发生响应，聚合物分子与液晶分子之间存在的超分子协同作用，365 nm光照射能诱导液晶分子垂直于面排列，线偏振457 nm光照射能诱导液晶分子沿面排列，并且可以通过调节线偏振光的偏振方向来控制液晶取向。另外，可以通过双光干涉的干涉条纹实现液晶光栅的制备，且这些光对定向层和液晶的诱导是能被记住和擦除的，因此，该光定向层材料在光子学方面被广泛应用。

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〔编辑：白洁〕