科學(xué)研究|向列相液晶在紫外輻照聚酰亞胺薄膜上的取向行為

引言：

日本愛媛大學(xué)研究生院理工學(xué)研究科 Yuji Tsukamoto 團(tuán)隊(duì)（合作單位：大阪大學(xué)研究生院工學(xué)研究科）在《Japanese Journal of Applied Physics》（2024 年第 63 卷 11SP14 期）發(fā)表研究，聚焦紫外輻照對(duì)聚酰亞胺薄膜表面狀態(tài)及液晶取向行為的影響，為液晶顯示、光學(xué)快門等器件的光配向技術(shù)提供實(shí)驗(yàn)支撐。

摘要（Abstract）

盡管已有多種預(yù)傾角控制方法，但液晶在表面的取向機(jī)制仍不明確。本研究探究了紫外劑量可控預(yù)傾角的聚酰亞胺薄膜表面狀態(tài)與液晶取向行為的關(guān)系。結(jié)果顯示，薄膜在 200 nm 和 260 nm 波長處的吸光度顯著下降，厚度減少約 4 nm；摩擦處理后厚度再減少約 2 nm。原子力顯微鏡證實(shí)紫外輻照與摩擦處理會(huì)改變分子構(gòu)象。對(duì)紫外輻照聚酰亞胺薄膜的表面自由能色散分量與極性分量分析發(fā)現(xiàn)，僅極性分量隨紫外劑量變化。此外，隨著紫外輻照增強(qiáng)，液晶取向從垂面取向轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫嫒∠?，且預(yù)傾角分布可實(shí)現(xiàn)空間調(diào)控。該結(jié)果為建立預(yù)傾角控制的光配向方法提供支撐。

紫外輻照實(shí)驗(yàn)

聚酰亞胺薄膜采用高壓汞氙燈（濱松光子學(xué)，LC8 L9566-01A）進(jìn)行紫外輻照。為評(píng)估表面自由能與預(yù)傾角對(duì)紫外劑量的依賴性，設(shè)置兩組實(shí)驗(yàn)條件：（1）紫外輻照強(qiáng)度固定為 515 mW/cm2（365 nm 波長處），輻照時(shí)間 0~300 s；（2）輻照時(shí)間固定為 200 s，輻照強(qiáng)度 0~773 mW/cm2。紫外輻照強(qiáng)度通過硅光電二極管功率計(jì)（Ophir Laser Measurement，VEGA 7Z01560）測(cè)量，輻照后沖洗薄膜以去除光降解表面分子。

摩擦處理實(shí)驗(yàn)

采用EHC RM-50配向摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)聚酰亞胺薄膜進(jìn)行單軸均勻摩擦。將兩片經(jīng)摩擦處理的基板用含直徑 15 μm 球形二氧化硅間隔物的光學(xué)膠粘劑（Norland，NOA68T）組裝成夾層式液晶盒，注入向列相液晶 5CB（Merck，K-15）；注入溫度設(shè)為 40.0 °C，隨后以 1.0 °C/min 的速率冷卻至 25.0 °C，用于后續(xù)液晶取向行為觀察。

（EHC RM-50配向摩擦試驗(yàn)機(jī)）

結(jié)論：

本研究探究了紫外輻照前后聚酰亞胺薄膜的表面狀態(tài)與液晶取向行為之間的關(guān)系。對(duì)紫外輻照后聚酰亞胺薄膜的吸收光譜及厚度測(cè)量結(jié)果證實(shí)，薄膜經(jīng)紫外照射后會(huì)發(fā)生數(shù)納米級(jí)的光降解。此外，摩擦處理會(huì)導(dǎo)致薄膜厚度進(jìn)一步減小，這表明機(jī)械應(yīng)力改變了薄膜的表面結(jié)構(gòu)。原子力顯微鏡（AFM）觀察發(fā)現(xiàn)，薄膜表面形貌發(fā)生顯著變化：光降解作用使表面形成深溝槽與圓柱形凸起，而摩擦處理則可使薄膜表面趨于平整。

進(jìn)一步地，本研究通過測(cè)量紫外輻照后聚酰亞胺薄膜的接觸角來評(píng)估其表面自由能。以往研究多僅評(píng)估總表面自由能，而本研究則對(duì)表面自由能的色散分量與極性分量進(jìn)行了單獨(dú)分析，并探究了二者對(duì)預(yù)傾角的影響。研究明確得到了表面自由能隨紫外輻照劑量的變化規(guī)律：結(jié)果顯示，隨紫外輻照劑量改變，色散分量保持恒定，僅極性分量發(fā)生變化。

接下來，本研究觀察了紫外輻照聚酰亞胺薄膜表面液晶的取向行為。隨著紫外輻照劑量的增加，液晶預(yù)傾角逐漸減小。研究證實(shí)，預(yù)傾角可在約 90°至 0° 的全范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)控。此外，通過對(duì)紫外輻照時(shí)間進(jìn)行空間調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)預(yù)傾角的分布控制。因此，本研究將為建立預(yù)傾角可控的光配向方法提供支撐，對(duì)液晶器件的設(shè)計(jì)具有重要意義。