CN100460933C

CN100460933C - 包括聚合液晶层的机械结构及其制造方法

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Publication number: CN100460933C
Application number: CNB2005800038506A
Authority: CN
Inventors: D·J·布罗尔; C·M·R·德维特茨; G·N·莫尔; R·彭特曼
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2009-02-11
Anticipated expiration: 2025-01-27
Also published as: CN1914658A; EP1714265B1; EP1714265A1; JP2007525705A; US7847885B2; JP4557989B2; TW200535535A; WO2005076247A1; KR20070001942A; DE602005001853T2; ATE368918T1; US20080259253A1; DE602005001853D1

Abstract

一种机械结构，其包括可以非机械方式(例如热和辐照)在具有第一形状的第一状态和具有不同的第二形状的第二状态之间变化的元件。为了该目的，该元件包括取向的聚合的液晶层，其在经受这些方式时显示出各向异性膨胀。为了便于制备，将该元素置于对聚合的液晶具有高粘合性的区域和具有低粘合性的区域的基片上。为了制备这些结构，在基片(201)上形成经取向的可聚合液晶层，该基片配备有对聚合的液晶具有高粘合性的粘性区域(204)和对聚合的液晶具有低粘合性的非粘性区域(203)。在聚合后，例如，施加热冲击使得聚合的液晶层在非粘性区域剥离同时保持固定在粘性区域上。因此，该方法不要求耗时的底蚀步骤。

Description

包括聚合液晶层的机械结构及其制造方法

本发明通常涉及机械结构，具体而言涉及包括通过非机械方式在第一状态和第二状态之间动作的元件的机械结构。

本发明还涉及生产该机械结构的方法。

描述于开头段落中的机械结构在US4235522中被公开。US4235522公开了一种卷起设备。该卷起设备包括许多柔性聚酯条(strip)，其每一个具有约1-5μm厚度并涂有薄的铝层。该聚酯条经拉伸，其一端被粘合到基片上而另一端保持不受约束并且卷曲。该基材配备有透明的ITO(氧化铟锡)对电极。当在铝和ITO电极之间施加电压时，在电极之间产生电场，这使得卷曲的自由端伸直并平坦地铺在基片上。因为铝层使得条不透明，该条是通过非机械方式可动作的机械快门。

聚酯条通过将聚酯薄膜层压到基片上，然后用激光切割该条制备。由于在拉伸薄膜上的机械应力，自由端卷起，如果需要的话，使用额外的机械应力和/或加热步骤来促使其卷起。

上述设备的缺点在于切割工艺通常限制了装备的分辨率。用于切割的激光工艺受到激光束的尺寸制约，因此切割线具有数十微米或者更大的尺寸。

另一缺点在于拉伸引发某种程度的双轴取向，这导致了条双重卷曲，限制了卷起机制的准确性。

本发明的目的在于提供一种机械元件，其可在具有第一状态的第一状态和具有不同于第一形状的第二形状的第二状态之间动作，该元件可以准确地和简单地制备。

这些和其他目的可以通过含有基片和在所述基片上的形成元件的取向的经聚合液晶层的机械结构而获得，

其中所述元件被局部粘合到所述基片的粘性区域并在所述基片的非粘性区域处从所述基片剥离，其中所述粘性区域对取向的经聚合液晶具有比所述非粘性区域高的粘合性；和

其中所述层的取向的经聚合液晶具有各向异性的取向，使得该元件可以通过非机械方式在具有第一形状的第一状态和具有不同于第一形状的第二形状的第二状态之间动作。

根据本发明的机械结构的优点在于其可以不使用底蚀(under-etching)而制备。取而代之的是，基片由粘性区域和非粘性区域图案化，分别地，正发生聚合的液晶混合物持久地粘合到粘性区域而经聚合液晶混合物容易地从非粘性区域分离开。

由此，所述基片可以在元件应当被连接到基片的位置配备以对经聚合液晶有高粘合性的区域和在元件应能够相对于基片动作的位置配备以对经聚合液晶有低粘合性的区域。这样，例如，通过在基片上提供矩形的非粘性区域和与粘性区域相邻的条以及随后在两个区域上聚合液晶混合物，可以制备含有在一边铰接到基片上的独立式矩形快门元件的光快门。

取决于之后的应用，机械结构包括一个或者多个元件。例如，多个元件可以以阵列构型沿着行和列排列。在这种情况下，各元件可以或者不可以独立控制。

根据一个实施方案，所述非机械方式包括温度上的变化。

根据该实施方案，该元件在处于第一温度时基本上为伸直的而在不同的第二温度下为弯曲的。这样的温度相关性能可以通过选择经聚合液晶的合适取向来提供。该取向优选是扭曲向列或者展曲的(splayed)。这依赖于液晶例如经聚合液晶在沿着其纵轴上具有与沿着与纵轴垂直的轴不同的热膨胀系数的事实。

作为热响应的备选方案，或者与其结合，经聚合液晶可以响应电磁辐照(例如紫外辐照)而各向异性地膨胀或者收缩，这取决于液晶分子的取向。通过合适的分子取向和使用响应电磁辐照而膨胀或收缩的液晶分子，可以以与热响应效应相类似的方式来利用该效果。因此，根据另一实施方案，所述非机械方式包括暴露到不同波长的电磁辐照下。

经聚合液晶的取向可以以不同方式提供，例如通过将与暂时取向的和/或表面活性剂基片相接触，和/或通过向混合物添加某种添加剂(例如手性分子)而聚合该层。

但是，相对于基片，取向经常必须精确地限定，因为所述元件以某种程度固定到基片上并应当可以预定的方式相对于基片动作。因此，根据该实施方案，该基片包括取向层，该层的表面至少包括所述非粘性区域。

取向层可以例如是经摩擦的聚酰亚胺层。在整个元件中分子取向通常需要精确地限定，特别是在没有固定到基片的部分。因此，取向层优选扩展到粘性区域和非粘性区域。但是，取决于之后的应用，也可以设想更严格的取向层或者在不同区域具有不同摩擦方向的取向层。

具有提供粘性区域和/或非粘性区域的不同方法。

根据一个实施方案，所述非粘性区域由非极性聚酰亚胺表面形成且所述粘性区域由可通过氧化非极性聚酰亚胺表面获得的极性聚酰亚胺表面形成。

非极性聚酰亚胺可以例如是配备有烷基末端例如辛基、癸基或者十八烷基的聚酰亚胺或者用氟化单元改性的聚酰亚胺。由于它们的低极性，液晶丙烯酸酯网络的粘合性通常较低。但是，粘合性可以通过用氧等离子体局部处理经摩擦的聚酰亚胺，同时例如用接触掩模覆盖应当保持低粘性的区域而选择性地增强。由此氧化的区域良好地粘合到可聚合液晶上而粘合的区域能承受例如温度循环。未经处理的区域的粘合性则低得多，因而经聚合液晶可以例如通过受控的温度循环或者用表面活性剂水溶液处理而容易地松开。

根据另一实施方案，在粘合区域，经聚合液晶共价结合到基片上。

例如，上述具有低极性的经摩擦的非极性聚酰亚胺层(合适的材料是Nissan 7511，可由Nissan Co商购获得)用能够良好地粘合到液晶混合物网络上的聚酰亚胺选择性印刷，例如通过平版印刷方法、通过丝网印刷方法或者通过使用柔性模具或印模微接触印刷。后一种聚酰亚胺优选含有可以与聚合液晶单体(合适的材料是ZLI2650，可由Merck商购获得)形成共价键的反应性基团。备选地，非粘性聚酰亚胺可以选择性印刷在粘性聚酰亚胺上，而使期望的粘性区域保持对与可聚合液晶的反应开放。备选地，可以使用聚四氟乙烯(特氟隆)作为非粘性的取向层。可以通过在220℃或更高的高温下摩擦特氟隆棒以图案化方式以对准的形式将这种材料的单层施加到基片上，该基片预先用粘性层覆盖。此外，在基片由例如玻璃制成的情况下，可以使用偶联剂(例如3-氨基丙基三甲氧基硅烷或者甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷)涂覆。这种偶联剂导致在涂覆区域粘性增加。任选地，非粘性聚酰亚胺可以被印刷到或者摩擦到偶联剂表面上。

如上所述，所述元件可以通过加热和/或电磁辐照的方式控制.尽管这些方法在许多用途中是非常通用的，但在涉及例如计算机控制时它们受到一定程度的制约，例如通过显示设备中的驱动单元控制将该元件用作像素化(pixilated)快门元件。

为了该目标，在一个实施方案中，所述非机械方式包括配备在所述元件上的控制电极和配备在所述基片上的接地电极，使得所述元件可以通过在所述控制电极和接地电极之间设定的静电力在所述第一状态和第二状态之间动作。

因此，所述元件通过所述电极之间的静电力可控制在例如平直形状和弯曲形状之间。静电力可以通过在电极之间施加电压容易地施加。控制电极可以例如由通过溅射施加的铝制备。接地电极可以例如由与上述相同的方式由ITO制备。在将ITO电极提供到基片上的情况下，这优选在提供粘性区域和非粘性区域之前进行。无论是否配备有电极，粘性区域和非粘性区域通常可以相同的方式提供到基片上。在同一基片上排列有多个具有电极的元件的情况下，电极优选与设置在基片上的驱动电路互联并由驱动单元驱动。例如，在该元件在显示应用中用作像素元件的情况下，该元件通常以阵列构型排列，各电极例如以常规方式以行和列排列。

本发明的另一方面提供了生产上述机械结构的方法。

本发明涉及生产机械结构的方法，该机械结构包括基片和用于在所述基片上形成元件的取向的经聚合液晶层，其中所述层的取向的经聚合液晶具有各向异性的取向，使得该元件可以通过非机械方式在具有第一形状的第一状态和具有不同于第一形状的第二形状的第二状态之间动作，所述方法包括以下步骤：

- 提供具有图案化表面的基片，该图案化表面包括粘性区域和非粘性区域，其中所述粘性区域对经聚合液晶具有比所述非粘性区域更高的粘合性；

- 在所述图案化表面上施加可聚合液晶层；在所述层中对可聚合液晶进行取向；

- 聚合所述取向的可聚合液晶以提供取向的经聚合液晶层，所述层良好地粘合到粘性区域上而较弱的粘合到非粘性区域上；和

- 在所述非粘性区域将所述取向的经聚合液晶混合物层从基片上剥离。

与备选的制备方法相比，根本区别在于本方法不要求任何底蚀步骤。取而代之的是，在聚合期间通过基片的图案化的粘合性提供了在元件和基片之间的选择性粘合。由此可以进行分离经聚合液晶层的步骤，而无需使用底蚀。取而代之的是，该设备可以通过首先将其加热然后对其冷却而暴露到热冲击下。热冲击在经聚合液晶层中产生的应力足以使得各分开的元件从基片的非粘性区域断裂松开并使其卷曲。还可以通过将热冲击和浸入到乙醇中和/或用超临界CO₂处理结合而促进剥离。

根据一个实施方案，提供具有图案化表面的基片的步骤包括在粘性区域选择性提供取向层，该取向层包括能够与可聚合液晶混合物(例如包括丙烯酸酯基团的取向的聚酰亚胺层)反应的化学基团。

根据另一实施方案，提供具有图案化表面的基片的步骤包括在所述非粘性区域选择性提供取向层，该取向层包括抑制与所述非粘性区域相邻的可聚合液晶混合物发生聚合的抑制基团。

可以是传统的聚酰亚胺取向层(例如AL3046，可由JSR Co商购获得)的取向层在添加自由基聚合抑制剂的意义上改性。当丙烯酸聚合物通过例如通常用于光引发聚合的自由基机理而聚合时，因为所有自由基被抑制剂有效清除，所以不会在界面进行聚合。合适的抑制剂是对甲氧基苯酚。然而，取决于聚酰亚胺的烘焙温度，这些材料对于某些应用而言可能挥发性过高。对于这些应用，优选选用挥发性较低的抑制剂，例如蒽醌或者溴酚蓝(由Sigma可得)。由于界面抑制，所以粘合力低，聚合物薄膜易于通过在溶剂(例如2-丙醇)中浸渍而去除。粘合力的局部增加可以通过在抑制剂改性的聚酰亚胺上选择性印刷未改性的聚酰亚胺而获得。这样的顶层保护固化的单体混合物免于接触抑制剂，经聚合薄膜良好粘合。在一个优选的实施方案中，印刷的聚酰亚胺含有反应性基团(例如ZLI2650，可由Merck商购获得)。

在另一实施方案中，提供具有图案化表面的基片的步骤包括在所述粘性和非粘性区域提供非极性聚酰亚胺取向层，以及在所述粘性区域选择性氧化所述聚酰亚胺取向层，使得粘性区域具有极性。

如上所述，在元件中，所述经聚合液晶将具有取向，该取向相对基片精确限定，以提供相对基片精确限定的运动。

因此，根据一个实施方案，所述制备方法还包括在施加可聚合液晶之前提供取向层的步骤，从而使可聚合液晶取向。

所述取向层可以延伸到整个图案化表面上(包括粘性的和非粘性的区域)，或者可以被限制到其一部分上。取决于之后的应用，取向层在不同区域也可以具有不同的取向方向，由此在元件的不同部分提供不同的液晶分子取向。

根据一个实施方案，该经聚合液晶具有扭曲的向列取向。

根据本发明方法的一个实施方案，当经聚合液晶含有手性分子时，可以获得这种扭曲向列排列(order)。

在这种情况下，分子扭曲优选应精确限定，例如层的基片和空气界面之间可以为90°。这种扭曲的向列取向可以通过向可聚合液晶添加手性分子得以促进。然而，添加手性分子和随后在空气中聚合该层常常将导致分子间相对大的取向发散，一些将被扭曲超过90°而一些被扭曲小于90°。因此，有利的是，在聚合期间将具有期望的取向方向的取向层的临时基片保持在与基片平行和在基片的相对侧上。然后，该临时基片将确保在该临时基片相邻设置的可聚合液晶进行基本一致取向。

优选地，所述临时基片还在基片上与取向层相结合。

因此，根据一个实施方案，所述可聚合液晶的所述聚合步骤包括在背离基片的一侧使可聚合液晶与取向层相接触以使为在该侧上的可聚合液晶提供的取向不同于在与基片相邻的可聚合液晶中引起的取向。在扭曲向列取向的情况下，两个取向层都是平面取向层，其取向方向相差90°。

在展曲排列的情况下，一个取向层是平面取向层，由此为可聚合液晶提供平面取向，而另一个是垂直对准层。

因此，更具体而言，根据一个实施方案，为了提供展曲排列，配备在背离基片一侧的取向层具有用表面活性剂功能化的表面，以为与所述取向层相邻的可聚合液晶提供垂直取向。

备选地，所述可聚合液晶包括具有极性端和非极性端的单体，使得该单体能够在与空气接触的可聚合液晶层表面上引发垂直取向。

当然，在聚合期间，这种单体的使用可以与临时表面活性剂基片的使用相结合，由此通过两种措施的结合确保垂直取向。

现将通过参照所附的示例性附图进一步详细描述本发明.

附图中：

图1以横截面图示意性阐述了具有展曲取向的经聚合液晶层的元件；和

图2以横截面图示意性阐述了根据本发明生产机械结构的方法的几个阶段。

这样，图1阐述了具有展曲分子取向的经聚合液晶层100。层100的下表面102被粘合到基片103上，而与下表面102相对的上表面101与空气接触。在这个特定层中，在下表面102上的分子112平行于下表面取向，而在上表面101上的分子111垂直于上表面取向。中间的分子110在平行和垂直(垂直)取向之间逐渐倾斜。

实际上，经聚合液晶以及其源自的可聚合液晶形式具有90°的展曲取向。任何在该取向上聚合和在沿着分子纵向具有不同于沿着径向的热膨胀系数的可聚合液晶可以响应温度变化而弯曲。

作为备选方案，扭曲的向列取向可以被诱导并将提供类似于垂直取向的性质，只要所述液晶混合物具有各向异性的热膨胀系数。

如上所述，替代温度响应或者与其相结合，一些(经聚合)液晶将响应电磁辐照(例如紫外光)而回应以各向异性膨胀。在这种情况下，经聚合液晶层可以替代地使用这种电磁辐照进行控制。

生产根据本发明的机械结构的直接方法在图2中示出。这样，基片201配备有具有低粘性区域203与高粘性区域204相交替的图案化取向层。图案化的取向层可以例如是经摩擦的非极性聚酰亚胺202的层，其通过在空气中用远紫外光掩模式曝光而选择性氧化。由此，该表面变得局部氧化，导致在选择区域204处所得的增加的极性改善了粘合。在这种情况下，生产步骤(1.)包括提供非极性、经摩擦的聚酰亚胺层，后续的步骤(2.)包括掩模式地紫外辐照粘性区域。

备选地，粘性聚酰亚胺的薄层可以被局部印刷在基片的粘性区域204上，由此促进在这些特定位置处基片和聚合液晶混合物之间的粘合。粘性聚酰亚胺可以例如为配备有如下图示的反应性丙烯酸酯基团的聚酰亚胺：

这些反应性聚酰亚胺良好地粘合到基片上的单轴对准的聚酰亚胺取向层上。

一旦提供了取向层的粘性区域204和非粘性区域203，就在取向层203、204上提供可聚合液晶层205。合适的层厚为例如6μm。一旦被施加，该层可以用通过掩模207的紫外辐照206曝光在高温下选择性固化，留下未经曝光并因此未经固化的窄条208。可聚合液晶可以使用旋涂或者刮刀施加。当在高温下进行固化时，所得的聚合物膜(即机械结构)往往在高温下被拉伸和在温度降低时卷曲。

此后该设备被缓慢冷却到室温。过快的温度变化将在层中引发过大的应力，那么其将从基片的非粘性层203剥离。在室温下时，未经固化的可聚合液晶通过溶剂例如THF去除。在经聚合液晶中的所得槽209然后限定分离的元件。在所述元件将由电压控制的情况下，在步骤5中将铝薄层210施加到经聚合液晶层205上，由此在元件上形成电极。但是，在不需要电极的情况下，该步骤可以忽略，或者铝可以用某些其他材料替换。在不需要电极的情况下，人们仍然可以施加不透明或者有色层以限定结构的光学性质。

最后，在步骤6，该设备通过首先将其加热随后将其快速冷却来暴露到热冲击下。热冲击导致在经聚合层205中的应力足以将各元件211从基片的非粘性区域断裂松开，然后使其卷曲。还可以通过将热冲击和浸入到乙醇中和/或用超临界CO₂处理结合进行而促进剥离。

取决于手头的可聚合液晶，光交联反应可能基于自由基机理。在这种情况下，所述方法可以通过向取向层提供改性进一步改善，所述改性局部抑制了液晶丙烯酸酯混合物的光交联反应。为此向聚酰亚胺提供抑制剂基团。本领域公知的这些抑制剂清除了自由基。这些基团的实例是例如那些通常以少量添加到反应性混合物中以稳定化保存期限或者降低光降解的化合物。合适的化合物是以数个百分点的量添加到聚酰亚胺中的酚类化合物，例如1，4-苯醌或对甲氧基苯酚。但是，由于大多数聚酰亚胺要求高温烘烤，所以较低挥发性的抑制剂是优选的。甚至更好的是共价键合的抑制部分。抑制剂的其他实例是：叔丁基儿茶酚吩噻嗪、N，N’-双仲丁基对亚苯基二胺、对亚硝基苯酚、2，2，6，6-四甲基-1-氧-哌啶(TRMPO)和4-乙酰氧基-2，2，6，6-四甲基-1-氧哌啶(4-乙酰氧基-TEMPO)。

当然也可以使用其他不同于自由基机理的聚合机理。在这种情况下，应使用其他抑制剂。例如，在采用阳离子聚合机理的情况下，可以采用抑制阴离子或者其他抑制性碱性基团(例如胺)。向取向层(例如向聚酰亚胺)添加抑制剂防止了靠近界面处的交联。结果，显著降低了在基片和经聚合液晶之间的界面粘合。

换而言之，本发明提供了具有至少一个包括取向的经聚合液晶层202的元件的新型机械结构和用于制备这种机械结构的方法。在经受非机械方式(例如热或者电磁辐照)时，取向的经聚合液晶层显示出各向异性的膨胀，其结果是该元件响应这些非机械方式而弯曲和伸直。

具有这种元件的机械结构可以通过在基片201上聚合取向的可聚合液晶层而制备，该基片配备有图案化表面，该表面提供了对经聚合液晶具有高粘合性的粘性区域204和对这种液晶具有低粘合性的非粘性区域203。这样，元件211可以容易地在非粘性区域从基片分离，同时保持固定到粘性区域，无需使用耗时的底蚀步骤。

本发明的机械结构具有广泛的用途。其中该机械结构用于调制光束。

其他用途是在微流体设备、可动反射镜和一体化的微型光学设备中的快门的泵和阀门、微型机器人中的启动器，和在微型发动机和微型机械中的驱动器件，受控药物释放的容器。

Claims

1.一种机械结构，其包括基片和在所述基片上形成元件的取向的经聚合液晶层，

其中所述元件被局部粘合到所述基片的粘性区域并在所述基片的非粘性区域处从所述基片剥离，其中所述粘性区域对经聚合液晶具有比所述非粘性区域高的粘合性；和

2.权利要求1的机械结构，其中所述非机械方式包括温度变化。

3.权利要求1的机械结构，其中所述非机械方式包括暴露到不同波长的电磁辐照下。

4.权利要求2的机械结构，其中所述基片包括取向层，该取向层的表面至少包括所述非粘性区域。

5.权利要求1、2、3或4的机械结构，其中所述非粘性区域由非极性聚酰亚胺表面形成，而所述粘性区域由可通过氧化非极性聚酰亚胺表面获得的极性聚酰亚胺表面形成。

6.权利要求1、2、3或4的机械结构，其中在粘性区域所述经聚合液晶共价结合到基片上。

7.权利要求5的机械结构，其中所述非机械方式包括配备在所述元件上的控制电极和配备在所述基片上的接地电极，使得所述元件可以通过在所述控制电极和接地电极之间设定的静电力在所述第一状态和第二状态之间变化。

8.权利要求1、2、3或4的机械结构，其中所述经聚合液晶具有扭曲的向列取向。

9.权利要求1、2、3或4的机械结构，其中所述经聚合液晶具有展曲取向。

10.生产机械结构的方法，该机械结构包括基片和在所述基片上形成元件的取向的经聚合液晶层，其中所述层的取向的经聚合液晶具有各向异性的取向，使得该元件可以通过非机械方式在具有第一形状的第一状态和具有不同于第一形状的第二形状的第二状态之间变化，所述方法包括以下步骤：

-提供具有图案化表面的基片，该图案化表面包括粘性区域和非粘性区域，其中所述粘性区域对经聚合液晶具有比所述非粘性区域更高的粘合性；

-在所述图案化表面上施加可聚合液晶层；在所述层中使可聚合液晶进行取向；

-聚合所述取向的可聚合液晶以提供取向的经聚合液晶层，所述层良好地粘合到粘性区域上而较弱的粘合到非粘性区域上；和

-在所述非粘性区域将所述取向的经聚合液晶层从基片上剥离。

11.权利要求10的方法，其中提供具有图案化表面的基片的步骤包括在粘性区域选择性地提供取向层，该取向层包括能够与可聚合液晶反应的化学基团。

12.权利要求11的方法，所述取向层是包括丙烯酸酯基团的取向的聚酰亚胺层。

13.权利要求10的方法，其中提供具有图案化表面的基片的步骤包括在所述非粘性区域选择性提供取向层，该取向层包括抑制与所述非粘性区域相邻的可聚合液晶发生聚合的抑制基团。

14.权利要求10的方法，其中提供具有图案化表面的基片的步骤包括在所述粘性和非粘性区域提供非极性聚酰亚胺取向层，并在所述粘性区域选择性地氧化所述聚酰亚胺取向层使得该粘性区域变成极性的。

15.权利要求10的方法，其中所述可聚合液晶的所述聚合步骤包括在背离基片的一侧使可聚合液晶与取向层相接触以使为在该侧上的可聚合液晶提供的取向不同于与基片相邻的可聚合液晶中引发的取向。

16.权利要求15的方法，其中在背离基片侧上配备的取向层具有用表面活性剂功能化的表面，为与所述取向层相邻的可聚合液晶提供垂直取向。

17.权利要求10的方法，其中所述可聚合液晶包括具有极性端和非极性端的单体，使得该单体能够在可聚合液晶层与空气接触的表面引发垂直取向。