УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ АНИЗОТРОПНОЙ ПЛЕНКИ Российский патент 2003 года по МПК B29D7/01 

Изобретение относится к технологии производства тонких пленок или покрытий, обладающих анизотропией физических свойств, а также к устройствам для получения таких пленок из коллоидных систем, в частности из лиотропных жидких кристаллов (ЛЖК).

В настоящее время широкое применение особенно при производстве устройств отображения информации нашли оптически анизотропные пленки, получаемые из ЖК растворов органических красителей [1]. Такие пленки представляют собой тонкие слои молекулярно упорядоченных органических веществ. Плоские молекулы указанных веществ сгруппированы в ориентационно-упорядоченные ансамбли - надмолекулярные (супрамолекулярные) комплексы. Плоскости молекул и лежащие в них дипольные моменты оптического перехода ориентированы перпендикулярно оси макроскопической ориентации получаемой пленки. Для создания такой структуры используется жидкокристаллическое состояние раствора органического вещества, в частности красителя, в котором молекулы уже обладают локальной упорядоченностью, находясь в одно- или двумерных квазикристаллических агрегатах, ориентированных относительно друг друга. При нанесении такой системы на поверхность основы при наложении внешнего ориентирующего воздействия она приобретает макроскопическую ориентацию, которая в процессе высыхания раствора не только сохраняется, но может и повышаться за счет явления кристаллизации. Ось поляризации при этом направлена вдоль ориентирующего воздействия, совпадающего с направлением нанесения поляризатора. Особенности структуры рассматриваемых пленок определяют необходимость разработки специальных средств для их получения.

Известны различные методы формирования указанных пленок и, соответственно, различные устройства для их осуществления [2]. Например, нанесение ЖК раствора осуществляют с помощью фильеры или ракеля, последний может быть ножевого или цилиндрического типа. Нанесение ЖК раствора на поверхность подложки может проходить с одновременным ориентированием надмолекулярных комплексов в определенном направлении, процесс сушки завершает формирование описываемых пленок. Однако известные устройства не позволяют получить воспроизводимые параметры пленки с высокой степенью анизотропии по всей поверхности пленки, что связано с нарушениями (дефектами) молекулярной структуры пленки и макроскопическими неоднородностями (технологическими дефектами) при ее формировании. Это обусловлено прежде всего реологическими свойствами используемого ЖК раствора, а также формой и конструкцией наносящего и/или ориентирующего устройства.

Предлагаемое устройство для формирования анизотропных пленок из коллоидных систем (в другой терминологии коллоидных растворов), в частности оптически анизотропных пленок из ЛЖК органических красителей, позволяет получать материалы с высокой степенью анизотропии и высокой степенью совершенства структуры (кристалличностью) по всей поверхности пленки при значительной воспроизводимости результатов. В устройстве используют специальную форму конструктивных элементов для нанесения и ориентирующего воздействия и создания реологических условий формирования пленки, повышающих степень совершенства ее структуры и однородность.

Область применения заявляемого устройства не ограничивается только формированием оптически анизотропных пленок из ЖК раствора органического красителя. Оно может быть использовано и для других объектов - коллоидных систем, образованных анизометрическими частицами. Например, некоторые пленки, сформированные из неорганических лиотропных жидких кристаллов, оксогидроксида железа или оксида ванадия обладают анизотропией электрических и магнитных свойств.

Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка конструкции устройства формирования анизотропных пленок из коллоидных систем органических или неорганических веществ с анизодиметрическими частицами, которое повысит совершенство структуры получаемых пленок, улучшит воспроизводимость параметров как по поверхности пленки, так и по толщине, а также повысит анизотропию ее свойств.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для формирования пленок из коллоидной системы имеется, по крайней мере, один канал для подачи коллоидной системы на подложку или изделие и плоская грань для воздействия на коллоидную систему на подложке или изделии, при этом одна из стенок канала на выходе коллоидной системы на подложку образует с плоской гранью тупой двугранный угол, а двугранный угол, имеющий вершиной противоположное выходу канала ребро плоской грани, является острым.

Использование одного или нескольких каналов для подачи коллоидной системы будет определять лишь возможность получения необходимого набора анизотропных пленок, либо одной пленки требуемой конфигурации за один цикл воздействия. При этом в каждом из выполнений будет достигаться указанный технический результат.

Устройство может также содержать канал или каналы, по крайней мере часть которого имеет прямолинейный участок, образованный плоскопараллельными стенками.

Предпочтительно, чтобы в устройстве наименьший поперечный размер сечения канала в см Н < 0,05•(l/L), где l - длина плоскопараллельного участка канала в см, L - по крайней мере для одной части устройства наименьшее расстояние вдоль плоской грани от вершины тупого двухгранного угла до противоположного ребра плоской грани в см.

Предпочтительно, чтобы расстояние между плоской гранью для воздействия на коллоидную систему и подложкой не превышало 20 мкм.

Предпочтительно, чтобы тупой двугранный угол имел величину от 135^o до 150^o, а двугранный угол, имеющий вершиной противоположное выходу канала ребро плоской грани, имел величину от 10^o до 30^o.

По крайней мере, часть поверхности канала и/или плоской грани может быть выполнена гидрофильной или гидрофобной. Также часть поверхности канала и/или плоской грани может быть выполнена гидрофильной, а часть гидрофобной. И по крайней мере на части поверхности канала и/или плоской грани может быть сформирован рельеф или текстура. В отдельных случаях рельеф может быть сформирован на поверхности изделия, выполненного из материала, обладающего текстурой.

Устройство может также содержать средство нагрева и/или охлаждения. Использование дополнительных приспособлений для обеспечения требуемых температурных условий значительно расширит технологические возможности заявляемого устройства.

Устройство может также содержать средство изменения ширины канала и средство подачи раствора.

Устройство может быть выполнено из металла, пластика, стекла или другого материала, а также из их комбинации. Материал выбирается из условия производственной необходимости и удобства применения.

Заявляемое устройство для формирования анизотропной пленки содержит средство подачи раствора на подложку и ориентирующее средство, которые конструктивно объединены в одно целое. Основным принципом работы устройства является нанесение на подложку коллоидной системы (которая затем образует анизотропную пленку) и приложение ориентирующего воздействия путем создания сдвиговых напряжений в слое. Анизотропная пленка формируется на подложке - и готовым изделием может являться пленка вместе с подложкой или отдельная пленка. В последнем случае пленку снимают с подложки или переносят на другое изделие каким-либо из известных способов. Это возможно, например, когда адгезия анизотропной пленки к поверхности изделия больше, чем адгезия к подложке.

Кроме того, анизотропную пленку могут формировать и непосредственно на изделие (произвольной формы). В этом случае роль подложки будет играть одна из поверхностей изделия. Коллоидную систему подают непосредственно на поверхность изделия.

Для получения протяженных пленок устройство имеет возможность относительного с подложкой перемещения. Это может быть перемещение самого устройства относительно подложки, или подложкодержателя с подложкой относительно устройства, или их совместное перемещение.

При получении анизотропной пленки предпочтительно, чтобы размеры устройства в направлении, перпендикулярном относительному движению, перекрывали всю ширину формируемой пленки. Зазор между ориентирующей частью устройства и подложкой будет определять толщину формируемой пленки. Обычно при высыхании слоя коллоидной системы толщина пленки уменьшается (например, для ЛЖК, образованного органическими красителями толщина слоя при высыхании уменьшается в десятки раз). Технологическими параметрами, определяющими конечную толщину анизотропной пленки, будет концентрация дисперсной фазы в коллоидной системе и толщина влажного слоя, которая определяется величиной зазора между ориентирующей частью устройства и подложкой.

Размеры канала (или каналов) подачи раствора, величина зазора, а также скорость перемещения устройства и скорость подачи раствора выбираются из условия обеспечения ламинарною течения раствора на подложку и равномерного воздействия на слой раствора на подложке. Отсутствие турбулентности при подаче раствора на подложку и приложении ориентирующего воздействия уменьшает число дефектов структуры, вызванных разориентацией. На это же направлен выбор материалов, из которых изготавливается устройство, и методы обработки поверхности канала и плоской грани. Части поверхности могут придаваться гидрофобные свойства (например, "хвостовой части" плоской грани во избежание налипания коллоидной системы), а части - гидрофильные (например, поверхности каналов на выходе коллоидной системы на подложку и передней части плоской грани для обеспечения ламинарного течения и равномерности воздействия на коллоидную систему). Конкретный выбор способов обработки зависит от дисперсной среды используемой коллоидной системы и материалов, используемых в устройстве. Например, обработка фобной поверхности плазмой (коронным разрядом), химически активными веществами (щелочами или кислотами), покрытием полимерами с лиофильными группами приводит к появлению фильных участков. Обработка отдельных участков лиофильной поверхности гидрофобизаторами, например модификаторами на основе органосиланов, рядом стеариновых кислот и т.д., приводит к проявлению этими участками гидрофобных свойств. Можно также изначально использовать материал, обладающий подходящими поверхностными свойствами.

Частичная ориентация кинетических единиц (элементов дисперсной фазы) происходит уже при течении раствора через канал, что способствует повышению совершенства структуры получаемой анизотропной пленки. С этой же целью - улучшение ориентации частиц дисперсной фазы при течении коллоидной системы на поверхности канала и плоской грани (или, по крайней мере, на части указанных поверхностей) может быть сформирован рельеф или текстура. Рельеф может быть также сформирован по текстуре, например, путем травления.

Геометрические размеры и форма устройства (как это описано в примере реализации и формуле изобретения) также направлены на создание оптимальных условий для достижения указанного технического результата. Форма "хвостовой части" устройства будет определяться отсутствием сгустков, избытка вещества, капель и т.д. в формируемом слое и на его поверхности при относительном перемещении устройства и подложки.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами: на фиг.1 представлена общая схема заявляемого устройства, на фиг.2 представлены основные геометрические размеры и параметры формы, влияющие на работу устройства и параметры формируемой пленки.

Устройство, представленное на фиг.1, содержит канал (или ряд каналов) 1 для подачи дисперсной системы (жидкокристаллического раствора органического или неорганического вещества) из резервуара 2, средство 3 ориентирующего воздействия на дисперсную систему на подложке 4. Средство ориентирующего воздействия представляет собой плоскость, образующую с подложкой зазор. Предпочтительно, чтобы на этой плоскости был сформирован рельеф или текстура, имеющие ориентацию вдоль направления 5 относительного перемещения. В процессе работы устройства подложку устанавливают на подложкодержателе 6. Средство перемещения (на фиг. не показано) обеспечивает относительное движение подложкодержателя с подложкой и устройства. При работе передняя часть устройства 7 скользит по подложке, "укладывая раствор" и тем самым обеспечивая дополнительную ориентацию и равномерность воздействия на формируемый слой. "Хвостовая часть" 8 устройства должна образовывать острый угол с подложкой во избежание натеков и неравномерного отрыва раствора от ориентирующей части.

На фиг.2 представлены основные геометрические размеры и параметры формы, влияющие на работу устройства и параметры формируемой пленки: Н - наименьший поперечный размер сечения канала; l - длина плоскопараллельного участка канала; L - расстояние вдоль плоской грани от вершины тупого двухгранного угла до противоположного ребра плоской грани; h - зазор между плоской гранью и подложкой; α - тупой двугранный угол (стенка канала передней части 7 устройства составляет с подложкой угол 180^o-α); β - острый двугранный угол в "хвостовой части" 8 устройства.

Пример реализации
При формировании оптически анизотропной пленки (дихроичного поляризатора) из ЖК водного раствора сульфированного индантрона использовали устройство со следующими параметрами: Н=0,1 см, l=5 см, h=10 мкм, L=1,5 см, α= 145^o, β=20^o. Концентрация красителя в используемом ЛЖК составляла 7,0 вес.%. Скорость перемещения устройства выбирали в пределах от 60 до 100 см/мин. После сушки (удаления растворителя) получали пленку толщиной 0,3-0,4 мкм. Полученный таким образом поляризатор имел оптические характеристики на 14-25% лучше, чем аналогичный - полученный с использованием традиционных методов нанесения (ракелем Маейра).

В зависимости от вязкости раствора и необходимой толщины получаемой анизотропной пленки в каждом конкретном случае определяют технологические параметры работы устройства. Эти параметры определяют экспериментально или рассчитывают по известным алгоритмам.

Источники информации
1. RU 2155978, 10.09.2000, G 02 В 5/30.

2. US 5739296, 14.04.1998.

Устройство относится к химической промышленности и может использоваться для производства из коллоидных систем пленок или покрытий, обладающих анизотропией физических свойств. Имеет, по меньшей мере, один канал для подачи коллоидной системы на подложку или изделие и плоскую грань для воздействия на коллоидную систему на подложке или изделии. Одна из стенок канала на выходе коллоидной системы на подложку образует с плоской гранью тупой двугранный угол, а двугранный угол, имеющий вершиной противоположное выходу канала ребро плоской грани, является острым. Конструкция данного устройства позволяет получать пленки с улучшенной воспроизводимостью параметров как по поверхности пленки, так и по ее толщине, а также пленки с повышенной анизотропией. 12 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для формирования пленок из коллоидной системы, имеющее, по меньшей мере, один канал для подачи коллоидной системы на подложку или изделие и плоскую грань для воздействия на коллоидную систему на подложке или изделии, одна из стенок канала на выходе коллоидной системы на подложку образует с плоской гранью тупой двугранный угол, а двугранный угол, имеющий вершиной противоположное выходу канала ребро плоской грани, является острым. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, часть канала имеет прямолинейный участок, образованный плоскопараллельными стенками. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что наименьший поперечный размер сечения канала, см
Н<0,05•(l/L),
где l - длина плоско параллельного участка канала, см;
L - по крайней мере для одной части устройства наименьшее расстояние вдоль плоской грани от вершины тупого двугранного угла до противоположного ребра плоской грани, см. 4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что расстояние между плоской гранью для воздействия на коллоидную систему и подложкой не превышает 20 мкм. 5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что тупой двугранный угол имеет величину от 135 до 150^o. 6. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что двугранный угол, имеющий вершиной противоположное выходу канала ребро плоской грани, имеет величину от 10 до 30^o. 7. Устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что, по меньшей мере, часть поверхности канала и/или плоской грани является гидрофильной или гидрофобной. 8. Устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что часть поверхности канала и/или плоской грани является гидрофильной, а часть - гидрофобной. 9. Устройство по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что, по меньшей мере, на части поверхности канала и/или плоской грани сформирован рельеф и/или текстура. 10. Устройство по любому из пп.1-9, отличающееся тем, что имеет средство нагрева и/или охлаждения. 11. Устройство по любому из пп.1-10, отличающееся тем, что устройство содержит средство изменения ширины канала. 12. Устройство по любому из пп.1-11, отличающееся тем, что устройство содержит средство подачи раствора. 13. Устройство по любому из пп.1-12, отличающееся тем, что выполнено из металла, или пластика, или стекла, или из любой комбинации указанных материалов.