СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ЯЧЕЙКИ Российский патент 2013 года по МПК C09K19/40 C08G77/38 G02F1/33 

Изобретение относится к области изготовления жидкокристаллических ячеек для жидкокристаллических приборов, которые могут быть широко использованы в различных информационных системах.

Известен способ изготовления жидкокристаллической ячейки для жидкокристаллических приборов (Пат. Японии №57010118, 1982 г.). Способ заключается в том, что на пластины с токопроводящими электродами, между которыми помещают жидкий кристалл, наносят тонкий слой состава, содержащего силановый сшивающий агент с длинноцепными алкильными группами, тетраалкилтитанат (или его полимер) и арилсилоксан, после чего ячейку нагревают. При нагревании ячейки происходит отверждение состава, в результате чего помещенный между электродами жидкий кристалл приобретает способность гомеотропной (вертикальной) ориентации. В качестве примера указано, что на пластины с электродами наносят тонкий слой состава, включающего гексадецилтриэтоксисилан, тетрабутилтитанат и фенилсилоксан "лестничного" строения в органическом растворителе, и ячейку нагревают до 200°C для отверждения состава и удаления растворителя, при этом жидкий кристалл приобретает способность гомеотропной ориентации.

Недостатками способа являются высокая температура нагревания ячейки для образования ориентирующей пленки, многокомпонентность состава и сложность получения некоторых его ингредиентов, неспособность сохранения механических и ориентирующих свойств пленок при пониженной температуре, невозможность получения заданного значения угла наклона на поверхности ориентирующей пленки.

Известен способ изготовления жидкокристаллической ячейки (патент РФ 2283338). По данному патенту, выбранному за прототип, способ изготовления жидкокристаллической ячейки для жидкокристаллических приборов заключается в обработке раствором, включающим полиорганосилоксан, пластин с токопроводящими электродами, между которыми размещают жидкий кристалл, с последующим удалением растворителя и отверждением полиорганосилоксана, при этом в качестве полиорганосилоксана берут олигоалкилгидридсилоксан общей формулы

$${\left[R_2^{1}SiO\right]}_m{\left[R^{2}HSiO\right]}_n{\left[R^1{C}_8{H}_{17}SiO\right]}_p{\left[R^3{R}^4{R}^{5}Si{O}_{\mathrm{0,5}}\right]}_2,\left(I\right)$$

где R¹=CH₃, C₂H₅, R²=CH₃, C₂H₅, R³=CH₃, C₂H₅, m=5-7, n=6-8, p=0-5, с добавкой катализатора отверждения - γ-аминопропилтриэтоксисилана в количестве 3-5 мас.% от количества олигоалкигидридсилоксана, при этом в качестве растворителя берут алканы, их смеси или ароматические углеводороды.

Пространственная формула олигоалкилгидридсилок-сана представлена ниже.

Недостатком этого способа является возможность получения только гомеотропной ориентации жидкого кристалла из-за разветвленного строения молекулы олигоалкилгидридсилоксана и невозможности из-за этого создать заданный молекулярный рельеф.

Технической задачей данного изобретения является получение жидкокристаллических ячеек для жидкокристаллических приборов с ориентацией жидкого кристалла под определенным заданным углом.

Технический результат достигается за счет того, что в способе изготовления жидкокристаллической ячейки с заданным углом ориентации жидкого кристалла, заключающийся в нанесении на подложки электродных токопроводящих плат слоя вещества - ориентанта, в виде раствора, включающего полиорганосилоксан и растворитель, с последующим удалением растворителя и отверждением в присутствии катализа и отверждением в присутствиии катализатора, полиорганосилоксана, а затем сборки ячеек с размещением между электродными токопроводящими платами жидкого кристалла, при этом в качестве полиорганосилоксана используют олигодиалкилалкилгидридсилоксан общей формулы:

$$(I){\left[R_2^{\text{'}}SiO\right]}_n{\left[R^{\text{'}\text{'}}HSiO\right]}_m{\left[R_3^{\text{'}\text{'}\text{'}}Si{O}_{\mathrm{0,5}}\right]}_2,(A)$$

где R', R'', R'''=CH₃, C₂H₅, n=4-8, m=6-9,

причем R', R'' - выбирают разными между собой,

а сформированный на подложке микрорельеф имеет геометрические размеры, соответствующие геометрическим размерам молекул жидкого кристалла и обеспечивающие угол поверхностной ориентации в диапазоне от 0 до 90° в зависимости от значений «m» и «n» полиорганосилоксана формулы (А). Катализатор гамма аминопропилтриэтоксисилан берут в количестве 3 масс.% от количества олигодиалкилалкилгидридсилоксана, а в качестве подложек используют различные материалы - стекло, металл, оксид металла, токопроводящее покрытие, пластик.

Необходимым условием получения ориентации ЖК под заданным углом является наличие разных заместителей R' и R'' в молекуле олигодиалкилалкилгидридсилоксана формулы (I), что не выполняется в прототипе [1].

Варьируя значения n и m в формуле (I), изменяют геометрические параметры молекулярного микрорельефа, приводя его в соответствие с геометрическими размерами молекул ЖК.

Осуществление изобретения

В заявленном способе изготовления жидкокристаллической ячейки с заданным углом ориентации жидкого кристалла, наносят на поверхности пластин с токопроводящими электродамислой вещества - ориентанта в виде раствора. Раствор содержит олигодиалкилалкилгидридсилоксан и растворитель гептан. Затем удаляют растворитель и производят отверждение в присутствиии катализатора, гамма-аминопропилтриэтоксисилана. После этого производят сборку ячеек с размещением между электродными токопроводящими платами жидкого кристалла. Общая формула олигодиалкилалкилгидридсилоксана, используемого в данном техническом решении

$${\left[R_2^{\text{'}}SiO\right]}_n{\left[R^{\text{'}\text{'}}HSiO\right]}_m{\left[R_3^{\text{'}\text{'}\text{'}}Si{O}_{\mathrm{0,5}}\right]}_2,$$

Пространственная формула

или

где R' R'', R'''=CH₃, C₂H₅,

причем R', R'' - выбирают разными между собой,

Значение «m» и «n» выбирают из значений n=4-8, m=6-9, при этом подбирают их в зависимости от заданной в диапазоне от 0 до 90° величины угла ориентации θ путем из расчета геометрических параметров молекулярного микрорельефа вещества - ориентанта, а именно, олигодиалкилалкилгидридсилокана, приводя его в соответствие с геометрическими размерами молекул жидкого кристалла и необходимым углом ориентации, при этом величину угла ориентации θ рассчитывают в соответствии с формулой:

$$\theta =\frac{\pi }{2}+\frac{1}{2}arctg\left[\frac{(1-p)W_2\sin 2({\theta }_1-{\theta }_2)}{(p-1)W_2\cos 2({\theta }_1-{\theta }_2)-p{W}_1}\right](B)$$

где p=L₁/L₂,

L₁ - длина первого участка $${\left[R_2^{\text{'}}SiO\right]}_n$$ молекулы по химической формуле (I),

L₂ - длина второго участка $${\left[R^{\text{'}\text{'}}HSiO\right]}_m,$$

ΔH - разница высот первого и второго участка;

θ₁ - угол ориентации жидкого кристалла на участке $${\left[R_2^{\text{'}}SiO\right]}_n,$$

W₁ - энергия сцепления на участке $${\left[R_2^{\text{'}}SiO\right]}_n,$$

θ₂ - угол ориентации жидкого кристалла на участке $${\left[R^{\text{'}\text{'}}HSiO\right]}_m,$$

W₂ - энергия сцепления на участке $${\left[R^{\text{'}\text{'}}HSiO\right]}_m.$$

В качестве катализатора отверждения используют гамма-аминопропилтриэтоксисилан в количестве 3 масс.% от количества олигодиалкилалкилгидридсилоксана.

В качестве подложек может быть использованы различные материалы - стекло, металл, оксид металла, пластик, на которые нанесено токопроводящее покрытие.

Были изготовлены ЖК ячейки для ЖК дисплеев с использованием олигодиалкилалкилгидридсилоксана для ориентации ЖК различной полярности с положительной и отрицательной диэлектрической анизотропией (Δε>0 или Δε<0). Электрооптическим методом для них были измерены средние значения угла наклона ЖК внутри ЖК ячейки. По изменению пропускания ЖК ячейки, помещенной между скрещенными поляризаторами, в зависимости от приложенного напряжения были рассчитаны соответствующие зависимости разницы фазовой задержки для необыкновенного и обыкновенного лучей, нормированные на ее максимальное значение, достигаемое при отсутствии напряжения Ф=ΔФ(U)/ΔФ(U=0)=ΔФ(U)/ΔФ. (I),

где

ΔФ(U=0) - разница фазовой задержки для необыкновенного и обыкновенного лучей при отсутствии напряжения на ЖК ячейке,

ΔФ(U) - разница фазовой задержки для необыкновенного и обыкновенного лучей при напряжении на ЖК ячейке, равном U,

ΔФ_max - максимальная разница фазовой задержки для необыкновенного и обыкновенного лучей, достигаемая в ячейках с идеальной однородной ориентацией (угол наклона в ЖК ячейке при отсутствии напряжения равен 0 для ЖК с Δε>0 и 90° для ЖК с Δε<0).

Затем по формулам (II) и (III), приведенным ниже, с использованием известных значений показателей преломления n_e и n_o и двулучепреломления Δn для ЖК с Δε>0 и Δε<0, соответственно, были рассчитаны средние значения угла наклона ЖК внутри ЖК ячейки.

$${\theta }_0=\arccos {\left\{\frac{n_e^2}{n_e^2-n_o^2}\left[1-{\left(1+\frac{\Delta Ф\left(U=0\right)}{\Delta {Ф}_{\max }}\frac{\Delta n}{n_0}\right)}^{-2}\right]\right\}}^{1/2}\left(II\right)$$

$${\theta }_0=\arccos {\left\{\frac{n_o^2}{n_o^2-n_e^2}\left[1-{\left(1-\frac{\Delta Ф\left(U=0\right)}{\Delta {Ф}_{\max }}\frac{\Delta n}{n_e}\right)}^{-2}\right]\right\}}^{1/2}\left(III\right)$$

где n_e - показатель преломления для необыкновенного луча,

n_o - показатель преломления для необыкновенного луча,

Δn=n_e-n_o - двулучепреломление,

Δε - диэлектрическая анизотропия.

Таким образом, по формулам (II) и (III) были рассчитаны средние значения угла наклона жидкого кристалла, далее ЖК внутри ЖК ячеек, приведенные в Табл.1 и 2.

В таблице 1 приведены значения углов ориентации жидкокристаллического материала ЖК-440 с отрицательной диэлектрической анизотропией Δε<0 на пленках, предлагаемых данным техническим решением на базе олигодиалкилалкилгидридсилоканов с различными значениями R', R'', R''', «n» и «m».

Таблица 1 R' R'' R''' n m Угол Θ, ° CH₃ C₂H₅ CH₃ 8 9 90 CH₃ C₂H₅ C₂H₅ 8 9 85 CH₃ C₂H₅ CH₃ 6 9 77 CH₃ C₂H₅ C₂H₅ 6 9 66 C₂H₅ CH₃ CH₃ 4 9 56 C₂H₅ CH₃ C₂H₅ 7 8 48 CH₃ C₂H₅ CH₃ 7 8 40 CH₃ C₂H₅ C₂H₅ 7 8 32 CH₃ C₂H₅ CH₃ 5 7 22 CH₃ C₂H₅ C₂H₅ 5 7 14 C₂H₅ CH₃ CH₃ 4 6 7 C₂H₅ CH₃ C₂H₅ 4 6 0

В таблице 2 приведены значения углов ориентации жидкокристаллического материала ЖК-807 с положительной диэлектрической анизотропией Δε>0 на пленках, предлагаемых данным техническим решением на базе олигодиалкилалкилгидридсилоканов с различными значениями R', R'', R''', «n» и «m».

Таблица 2 R' R'' R''' n m Угол Θ, ° CH₃ C₂H₅ CH₃ 7 9 0 CH₃ C₂H₅ C₂H₅ 7 9 9 CH₃ C₂H₅ CH₃ 6 9 17 CH₃ C₂H₅ C₂H₅ 6 9 28 C₂H₅ CH₃ CH₃ 5 8 40 C₂H₅ CH₃ C₂H₅ 5 8 48 CH₃ C₂H₅ CH₃ 7 7 55 CH₃ C₂H₅ C₂H₅ 7 7 62 CH₃ C₂H₅ CH₃ 5 6 71 CH₃ C₂H₅ C₂H₅ 5 6 80 C₂H₅ CH₃ CH₃ 4 6 86 C₂H₅ CH₃ C₂H₅ 4 6 90

Для ориентации ЖК под заданным углом необходимо создать микрорельеф подложки, в которой размещается тем или иным образом жидкий кристалл (ЖК). На рисунке 1 для наглядности схематично представлен поверхностный микрорельеф подложки в нанометровом диапазоне с участками молекулы по химической формуле (A) $${\left[R_2^{\text{'}}SiO\right]}_n$$ и [R''HSiO]_m, имеющими длину L₁ и L₂, соответственно, и разницу поперечного размера ΔH. Черточками показана ориентация ЖК молекул на участках поверхностного микрорельефа с углами ориентации θ₁ и θ₂ на участках молекулы по химической формуле (A) $${\left[R_2^{\text{'}}SiO\right]}_n$$ и $${\left[R^{\text{'}\text{'}}HSiO\right]}_m,$$ соответственно. Энергия сцепления на участках молекулы по химической формуле (A) $${\left[R_2^{\text{'}}SiO\right]}_n$$ и $${\left[R^{\text{'}\text{'}}HSiO\right]}_m$$ имеет величину W₁ и W₂, соответственно.

Известно из статей [1, 2], что варьирование угла наклона в ЖК ячейке может получиться при использовании поверхностного микрорельефа в нанометровом диапазоне с участками длиной L₁ и L₂, разницей поперечного размера ΔH (высота поверхностного микрорельефа); на участке L₁ жидкий кристалл ориентируется под углом θ₁, при этом энергия сцепления равна W₁, а на участке L₂ жидкий кристалл ориентируется под углом θ₂, при этом энергия сцепления равна W₂. Для наглядности упоминаемые обозначения показаны на рис.1.

При этом средний угол наклона в объеме слоя жидкого кристалла должен составить заданную величину θ в диапазоне от 0 до 90°, определяемую выражением

$$\theta =\frac{\pi }{2}+\frac{1}{2}arctg\left[\frac{\left(1-p\right)W_2\sin 2\left({\theta }_1-{\theta }_2\right)}{\left(p-1\right)W_2\cos 2\left({\theta }_1-{\theta }_2\right)-p{W}_1}\right]\left(B\right)$$

где р=L₁/L₂,

L₁ - длина первого участка,

L₂ - длина второго участка,

ΔH - разница высот первого и второго участка;

θ₁ - угол ориентации жидкого кристалла на участке L₁,

W₁ - энергия сцепления на участке L₁,

θ₂ - угол ориентации жидкого кристалла на участке L₂,

W₂ - энергия сцепления на участке L₂.

На участке L₂ жидкий кристалл ориентируется под углом θ₂, при этом энергия сцепления на участке L₂ равна W₂, р=L₁/L₂.

1. Yeung F.S.Y., Ho Y.L.J., Yuet Wing Li, Hoi Sing Kwok, Liquid Crystal Alignment Layer With Controllable Anchoring Energies // Journal of Display Technology, Volume: 4, Issue 1, p.24-27 (2008).

2. Fion S. Yeung, Jacob Y. Ho, Y.W. Li, F.C. Xie, Ophelia K. Tsui, P. Sheng, and H.S. Kwok, Variable liquid crystal pretilt angles by nanostructured surfaces //Appl. Phys. Lett. 88, 051910 (2006).

В этих статьях указана известность того, что микрорельеф получается прецизионным травлением поверхности подложки ЖК ячейки. В предложенном же способе фрагменты молекулы олигодиалкилалкилгидридсилоксана подбирают таким образом, чтобы путем выбора длины фрагментов молекулы по химической формуле (A) $${\left[R_2^{\text{'}}SiO\right]}_n$$ и $${\left[R^{\text{'}\text{'}}HSiO\right]}_m$$ и размеров заместителей R' и R'', а также концевых групп R''' формировался молекулярный микрорельеф с глубиной, соответствующей размеру молекул ориентируемого жидкого кристалла, а средний угол наклона в объеме слоя жидкого кристалла составлял бы заданную величину θ в диапазоне от 0 до 90°.

Пример 1.

1 г олигодиалкилалкилгидридсилоксана общей формулы

$${\left[R_2^{\text{'}}SiO\right]}_n{\left[R^{\text{'}\text{'}}HSiO\right]}_m{\left[R_3^{\text{'}\text{'}\text{'}}Si{O}_{\mathrm{0,5}}\right]}_2,(A)$$

где

R'=R'''=CH₃, R''=C₂H₅, n=4, m=6,

растворяют при перемешивании при комнатной температуре в 99 г осушенного и перегнанного гептана. К полученному 1 масс.% раствору добавляют 0,03 г катализатора отверждения гамма-аминопропилтриэтоксисилана и продолжают перемешивание в течение 10 минут. Обработку обезжиренных подложек из стекла, оксида металла или пластика проводят путем нанесения рабочего раствора на вращающуюся подложку при комнатной температуре. После распределения раствора по поверхности подложки ее прогревают при температуре 120-125°C в течение 1 часа. После охлаждения подложек собирают ячейку с зазором 10 мкм, заполняют ее ЖК.

Пример 2. В условиях примера 1 готовят 1% раствор соединения формулы (А), где R'=R''=CH₃, R''=C₂H₅, n=8, m=9. Подложки обрабатывают и испытывают согласно примеру 1.

Пример 3. В условиях примера 1 готовят 1% раствор соединения формулы (А), где R'=R'''=C₂H₅, R''=CH₃, n=4, m=6. Подложки обрабатывают и испытывают согласно примеру 1.

Пример 4. В условиях примера 1 готовят 1% раствор соединения формулы (А), где R'=R'''=C₂H₅, R''=CH₃, n=8, m=9. Подложки обрабатывают и испытывают согласно примеру 1.

Пример 5. В условиях примера 1 готовят 1% раствор соединения формулы (А), где R'=R'''=СН₃, R''=C₂H₅, n=8, m=9, растворитель - толуол. Подложки обрабатывают и испытывают согласно примеру 1.

Пример 6. В условиях примера 1 готовят 1% раствор соединения формулы (А), где R'=R'''=CH₃, R''=C₂H₅, n=3, m=10. Подложки обрабатывают и испытывают согласно примеру 1.

Пример 7. В условиях примера 1 готовят 1% раствор соединения формулы (А), где R'=R'''=CH₃, R''=C₂H₅, n=4, m=6, растворитель - гексан.

Ниже представлены примеры ориентации жидкого кристалла у прототипа и заявленного решения.

На рис.2 представлена ориентация молекулы жидкого кристалла (показана в виде эллипса) на пленке полиорганосилоксана по известному решению (прототипу). Фрагменты полиорганосилоксана по известному решению $${\left[R_2^{1}SiO\right]}_m{\left[R^{2}HSiO\right]}_n$$ и $${\left[R^1{C}_8{H}_{17}SiO\right]}_p$$ из химической формулы (А) показаны в виде прямоугольных выступов разной высоты.

На рис.3, 4 представлена ориентация жидкого кристалла на пленке олигодиалкилалкилгидридсилокана по предложенному решению при использовании фрагментов молекулы по химической формуле (A) $${\left[R_2^{\text{'}}SiO\right]}_n$$ и $${\left[R^{\text{'}\text{'}}HSiO\right]}_m$$ с разным значением n и m и разными заместителями R' и R'' с разными размерами. В результате формируется молекулярный микрорельеф с глубиной, соответствующей размеру молекул ориентируемого жидкого кристалла, а средний угол наклона в объеме слоя жидкого кристалла может изменяться в диапазоне от 0 до 90° и составлять заданную величину 6.

Как видно из представленных примеров, таблиц и рисунков, предложенный способ по сравнению со способом-прототипом обладает существенными перимуществами: прост в осуществлении, можно создавать заданную ориентацию ЖК, которая достигается путем создания молекулярного рельефа, можно наносить ориентирующее покрытие на различные типы подложек, что указывает на достижение технического результата.

Технический результат достигается за счет соединений химической формулы (А) путем создания заданного молекулярного рельефа пленки, что осуществляется путем подбора заместителей разной длины. При этом для получения однородной ориентации из формулы полиорганосилоксана в прототипе исключены звенья формулы [(CH₃)(C₈H₁₇)SiO]_p, которые создают неоднородный молекулярный микрорельеф, как это представлено выше и используется формула олигодиалкилалкилгидридсилокана. Таким образом, технический результат достигнут.

Изобретение относится к области изготовления жидкокристаллических ячеек для жидкокристаллических приборов, которые могут быть широко использованы в различных информационных системах. Способ изготовления жидкокристаллической ячейки с заданным углом ориентации жидкого кристалла заключается в нанесении на подложки электродных токопроводящих плат слоя вещества - ориентанта в виде раствора, включающего полиорганосилоксан, растворитель и катализатор гамма-аминопропилтриэтоксисилан, с последующим удалением растворителя и отверждением в присутствии катализатора, полиорганосилоксана, а затем сборки ячеек с размещением между электродными токопроводящими платами жидкого кристалла. В качестве полиорганосилоксана используют олигодиалкилалкилгидридсилоксан общей формулы (А): $$(I){\left[R_2^{\text{'}}SiO\right]}_n{\left[R^{\text{'}\text{'}}HSiO\right]}_m{\left[R_3^{\text{'}\text{'}\text{'}}Si{O}_{\mathrm{0,5}}\right]}_2,(A)$$ где R', R'', R'''=CH₃, C₂H₅, n=4-8, m=6-9, R', R'' - разные между собой. Сформированный на подложке микрорельеф имеет геометрические размеры, соответствующие геометрическим размерам молекул жидкого кристалла и обеспечивающие угол поверхностной ориентации в диапазоне от 0 до 90° в зависимости от значений «m» и «n» полиорганосилоксана формулы (А). Изобретение обеспечивает получение жидкокристаллических ячеек для жидкокристаллических приборов с ориентацией жидкого кристалла под определенным заданным углом. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл., 7 пр.

1. Способ изготовления жидкокристаллической ячейки с заданным углом ориентации жидкого кристалла, заключающийся в нанесении на подложки электродных токопроводящих плат слоя вещества - ориентанта, в виде раствора, включающего полиорганосилоксан, растворитель и катализатор гамма-аминопропилтриэтоксисилан, с последующим удалением растворителя и отверждением в присутствиии катализатора, полиорганосилоксана, а затем сборки ячеек с размещением между электродными токопроводящими платами жидкого кристалла, отличающийся тем, что в качестве полиорганосилоксана используют олигодиалкилалкилгидридсилоксан общей формулы (А):
$$(I){\left[R_2^{\text{'}}SiO\right]}_n{\left[R^{\text{'}\text{'}}HSiO\right]}_m{\left[R_3^{\text{'}\text{'}\text{'}}Si{O}_{\mathrm{0,5}}\right]}_2,(A)$$
где R', R'', R'''=CH₃, C₂H₅, n=4-8, m=6-9,
причем R', R'' - выбирают разными между собой,
а сформированный на подложке микрорельеф имеет геометрические размеры, соответствующие геометрическим размерам молекул жидкого кристалла и обеспечивающие угол поверхностной ориентации в диапазоне от 0 до 90° в зависимости от значений «m» и «n» полиорганосилоксана формулы (А).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор гамма- аминопропилтриэтоксисилан берут в количестве 3 мас.% от количества олигодиалкилалкилгидридсилоксана.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве подложек используют различные материалы - стекло, металл, оксид металла, токопроводящее покрытие, пластик.