CN101663454B - 具有改善的灵敏度和使用寿命的调制器 - Google Patents

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Abstract

一种电光调制器组件，包括由包含封装在聚合物矩阵中的液晶微滴的电光调制器材料制成的传感层。传感层材料包含界面剂，例如，消泡剂，消泡剂的量足够使传感层透光时的固有工作电压降低。消泡剂可包含约1％至10％重量比的电光调制器材料，并且，消泡剂可包含反应性组分，以与聚合物矩阵反应，例如，具有反应性端基的硅酮、反应性氟化聚合物或者非离子型嵌段共聚物中的至少一个，以与聚合物矩阵反应。该组件也可包含保护传感层的硬涂层。

Description

具有改善的灵敏度和使用寿命的调制器
发明背景
本发明涉及用于电光应用中的液晶材料。更具体地，本发明涉及液晶/聚合物复合材料、以及制造和应用这种复合材料的方法及装置。仅作为示例，本发明的材料、方法和装置以电压成像系统为例进行说明。本发明的材料、方法和装置可与其它电光应用一起使用，例如，用在平板显示中的液晶复合材料。
电压成像技术可用于检测和测量平板薄膜晶体管(TFT)阵列中的缺陷。根据该测量技术，TFT阵列的性能被模拟如同其被组装入TFT单元，然后TFT阵列的特性通过使用基于电光(EO)光调制的探测器间接测量面板上的实际电压分布来测得，或者通过所谓的电压成像来测得。
最基本的电压成像系统包括一个电光(EO)调制器、成像物镜、电荷耦合器件(CCD)相机或者其他合适的或类似的传感器、和图像处理器。EO调制器的电光传感器基于聚合物矩阵中的液晶(以下称“LC”)微滴的光散射特性，例如，聚合物矩阵(液晶/聚合物复合物，或者LC/聚合物)薄膜中的向列液晶微滴。实施时，EO调制器设置在薄膜晶体管(TFT)阵列表面上方大约5-35微米，并且在EO调制器表面上的铟锡氧化物(ITO)层的透明电极上施加偏置电压。于是，EO调制器电容耦合于TFT阵列以便和TFT阵列相关的电场被液晶/聚合物复合层感测。透过LC/聚合物层的入射光的强度，借由横穿液晶/聚合物复合材料中的液晶(LC)材料的电场力的任意变化而改变，即被调制。然后，该光被介质镜反射并被CCD相机或者类似的传感器收集。入射辐射源，例如可以是红外或者可见光，用于照射TFT阵列、LC/聚合物薄膜和介质镜的夹层。
由于组件与待测面板(PUT)极为接近，因而LC/聚合物调制器结构在常规使用中会被有害微粒损害，这严重缩短了其使用寿命。因而，调制器寿命的改善是LC/聚合物调制器研究与开发中的主要目的之一。
调制器灵敏度是LC调制器设备的另一重要特性。改善调制器灵敏度可使探测能力改善，且这是LC调制器开发，特别是LC/聚合物矩阵研究与开发中的一个重要方面。另外，某些应用，例如用于笔记本的LC电脑显示，易受功耗的影响，这样，低电压改善灵敏度可减少功耗和增加电池寿命。缺陷探测的灵敏度可定义为透过光的变化相对于TFT阵列上的缺陷像素和正常像素的电压差的比例。
本发明相关工作表明，现有LC材料及与之相关的现有制造测试方法，可能不够理想。例如，微粒污染可损害测试装置，例如，电压成像系统和/或待测面板。同样，测试装置的灵敏度可能不够理想。
虽然上述材料、装置和方法可以适合于某些应用，但是本领域仍需要改善电光LC材料，更具体地，改善电光LC材料和测试装置的灵敏度和寿命性能。
发明详述
本发明涉及用于电光应用中的液晶材料。更具体地，本发明涉及液晶/聚合物复合材料、以及制造和应用这种复合材料的方法和装置。仅作为示例，本发明的材料、方法和装置以电压成像系统为例进行说明。本发明的材料、方法和装置可用于其它电光应用，例如，用在平板显示中的液晶复合材料。
转让给光子动力学公司(Photon Dynamics Inc.)的以下四项专利描述了使用这种材料的调制器组件和LC材料涂覆方法：“调制器转移方法和组件”，Michael A.Bryan，美国专利6,151,153(2000)；“调制器制造方法和设备”，Michael A.Bryan，美国专利6,211,991 B1(2001)；“使用旋转涂覆法制造基于PDLC的电光调制器的方法”，Xianhai Chen，美国专利6,866,887 B1(2005)；以及“抗刮伤和损伤的PDLC调制器”，Xianhai Chen，美国专利7,099,067 B2(2006)；上述参考专利中的每一个的全部内容特此一并并入本文。
图1示出了根据本发明的实施方案的适合于结合可与EO调制器一起使用的界面剂的液晶/聚合物复合材料的分类、以及制造方法。如图1所示，有两大类液晶/聚合物复合材料：聚合物分散液晶，PDLC102，和向列曲线排列相液晶，NCAP 104。第一大类材料，PDLC 102，可包含使用图1所示几种方法中任一种制造的薄膜。溶剂诱导相分离，SIPS 106，可用于制造PDLC 102，并且现有专利中已有描述。在SIPS106中，液晶(LC)和聚合物在步骤106A溶解于常用溶剂中，并且溶剂被蒸发以便LC微滴形成。为进一步改善最终的PDLC薄膜的机械性能(例如，韧性)，常使用可交联的聚合物。PDLC 102合成的另一方法使用聚合致相分离，PIPS 110。PIPS方法开始于将LC和预聚物(和/或单体)混合的步骤110A，然后在步骤110B施加辐射，例如紫外光。PIPS 110方法也可包括在步骤110C将催化剂、LC和预聚物混合，随后在步骤110D加热以形成最终的PDLC薄膜。PIPS 110方法在现有专利中有所描述。PDLC 102薄膜合成的第三个方法是热致相分离，TIPS 108。在这种情况下，聚合物和LC在步骤108A被加热直至混合物同质。然后，在冷却步骤中LC与聚合物相分离。
第二大类材料，NCAP 104，可适合于制造超大面积光阀和显示器，并且现有专利中已有所描述。NCAP材料一般是水基的，并可进一步分为两个子类，如图1所示。其中一个子类包含水溶性聚合物112，例如，聚乙烯醇(PVA)。这一子类的材料因水溶性聚合物的亲水性而易潮，并且这一子类在现有专利中已有所描述。在某些情况中，该易潮性可导致电光性能随时间退化。因此，基于水溶性聚合物的NCAP具有有限的寿命和有限的商业价值。
NCAP材料的第二个子类是基于乳胶的聚合物114。乳胶包含不溶于水的聚合物。这一NCAP材料可包含与液晶一起分散在水中的乳胶微粒。这些乳胶微粒可“熔”成连续的聚合相，其一旦去除水就不可逆转。使用该基于乳胶的NCAP的某些应用具有长期的电光稳定性，从而具有高的商业价值。
图2示出了根据本发明的实施方案的电压成像系统200的主要部件。电压成像系统200包含电光调制器208、照明装置214、光束分束器216和CCD相机218。电光调制器208可包括由透明基底支撑的透明电极A 202、感测材料210和由薄塑料膜，例如薄膜，支撑的介质镜212。电极A 202可为由铟锡氧化物(ITO)制成的薄膜，可见光可透过它。液晶感测材料210处于电场中时具有电光响应，并且该感测材料可以是图1所述材料中的任一种。在很多实施方案中，使用基于乳胶的NCAP。电极B 204可包含待测面板(PUT)，例如，TFT板。施加电压于电极A并将电极B接地，可获得透过率-电压(T-V)曲线。TFT测试时，如果接近响应曲线中部的常量电压施加到调制器上，则施加到每个像素上的电压可通过CCD相机218捕获的光强度变化探测出。缺陷像素将给出不正常响应。
施加到电极A和B之间的电压可通过下述公式表示：
VBias＝Vsensor+Vpellicle+Vair
[公式1]
＝Vsensor[1+(εsensor*dpellicle)/(εpellicle*dsensor)+(εsensor*dair)/dsensor]
VBias是施加到电极A和电极B之间的电压；
Vsensor是感测材料所需的电压；
Vpellicle和Vair是横穿薄膜和空气间隙的电压；
ε是各材料相应的介电常量，以及
d是各材料相应的厚度。
当VBias固定时，电极之间的空气间隙dair是液晶感测材料的固有工作电压(Vsensor)的函数。在许多实施方案中，液晶感测材料的固有转换电压，与感测材料的光透过率相对横穿感测材料的电压的变化具有最大灵敏度时的横穿感测材料的电压相对应，下面将参照图3A和3B进行更详细的描述。在具体的实施方案中，电极之间的工作电压通过上述公式与LCD材料的固有转换电压相关。在很多实施方案中，转换速度通过提供给材料降低的固有转换电压而降低。
图3A是根据本发明的实施方案的LC/聚合物复合调制器的透过率-偏置电压曲线的例子。曲线302示出了这里所述的无界面剂时的LC/聚合物复合材料的电压响应特性。对于理想的电光调制器性能，目标是将电压响应曲线移动至更为陡峭且移动至较低电压的曲线304。在很多实施方案中，该电压响应特性允许较低工作电压时的更高灵敏度，而且也允许同样工作电压时的更大空气间隙。在一些实施方案中，该电压响应特性允许较低工作电压时的更高灵敏度和更大空气间隙。更高的灵敏度可改善缺陷探测。增大的空气间隙可提供更长的调制器寿命。
透过率曲线的斜率反映LC设备的灵敏度。LC成像设备的灵敏度，表示为透过率曲线的斜率，通常对应于施加到电极A和电极B之间的电压单位变化时透过率变化的百分比(％)，如上所述。如图3B所示，透过率曲线的中点大约确定为电压Vmid310，并且TFT板上不施加电压，该板和LC设备之间为固定间隙尺寸。然后，一个微小的电压变化+/-1/2ΔV312施加到TFT板上的像素，则可测得透过率的变化。对于透过率曲线302来说，施加到像素上的电压+/-1/2ΔV产生的透过率的变化为ΔI1314。对于更为陡峭的透过率曲线304，施加到像素上的同样的+/-1/2ΔV312产生的透过率的变化为ΔI2316，并且ΔI2大于ΔI1。因此，同样的电压变化施加到像素上，如果透过率曲线更为陡峭，则可产生更大的信号(ΔI2)。
在TFT测试系统中，CCD(图2中的218)捕获的信号与调制器的透过率曲线的斜率成正比。根据公式1，如果为避免调制器损伤和/或改善寿命而增大空气间隙(dair)，则透过率曲线变平(斜率减小)。分布在调制器上的电压随着空气间隙的增大而降低。通过降低调制器中的LC材料的固有转换电压，可改善灵敏度，因而电压成像系统设备将具有降低的固有工作电压。
在很多实施方案中，这里所述的电光LC材料的降低的固有转换电压，可用于提供增大的空气间隙而基本不损害电压成像系统的灵敏度。空气间隙至少约为15微米，例如，在大约30至70微米的范围内。
液晶感测材料，例如NCAP或者PDLC，其工作电压和灵敏度与下列因素相关：
1.液晶和聚合物矩阵的性质；
2.感测材料中液晶微滴尺寸的分布；
3.聚合物矩阵和液晶之间的界面性质。
更具体地，图3A和3B中的曲线的斜率受微滴尺寸分布以及聚合物矩阵与液晶之间的界面性质的影响。如果微滴尺寸均衡且LC微滴中的晶体可相对于聚合物矩阵容易地移动和/或转换，则可产生更为陡峭的曲线。图3A和3B中的曲线的电压变动可受到聚合物矩阵和液晶之间的界面性质的影响。如果LC可相对于聚合物矩阵容易地移动和/或转换，则曲线可移动至较低电压。为了使T-V曲线斜率更为陡峭以及将LC材料和电压成像系统的工作电压移动至较低范围，本发明的实施方案减少了聚合物矩阵和液晶之间的界面锚定(interface anchoring)和/或摩擦。LC微粒对聚合物矩阵的锚定可增加LC材料的固有工作电压。摩擦力可包含与LC微粒对聚合物矩阵的静摩擦相关的锚定力，也可包含与LC微粒和聚合物矩阵之间的相对运动相关的动摩擦。因摩擦可影响微粒相对于周围聚合物矩阵移动的速度，因此减少的摩擦可增大LC微粒的转换速度。因可能需要增大电压来克服LC微粒对聚合物矩阵的锚定，所以增加锚定可能和LC复合材料的增加的固有工作电压相关。
NCAP组分方法概述
根据本发明的实施方案，制作水溶性聚合物NCAP液晶组分和基于乳胶的NCAP液晶组分的方法如图10A-10C所示。如图10A，制作水溶性聚合物NCAP组分方法的流程1000，在步骤1002将液晶加入已溶解在水中的聚合物同质溶液，例如，溶于水中的聚乙烯醇(PVA)。该组合包含两相系统，如同油和水的组合。为改善电性能，LC材料分解为较小的微滴(尺寸为几微米级)，其均匀分散在聚合物材料中。然后，流程1000的步骤1004将LC组合物乳化，在很多实施方案中，该步骤是通过机械力例如高速刀片进行的。乳化后，混合物在步骤1006涂覆在基底上，在很多实施方案中，形成为薄涂层(厚度为数十微米级)。在步骤1008，涂层混合物中的水可被蒸发。在步骤1010，将干燥的NCAP夹置于第一基底和叠置在顶部的第二基底之间。
根据本发明的实施方案，配制基于乳胶的NCAP的流程1018如图10B所示。在步骤1020将LC加入到已经与水混合的乳胶中。在步骤1022使用高速刀片乳化LC、乳胶和水的组合物。在步骤1024将该混合物涂覆在基底上。在步骤1026使涂覆在基底上的混合物干燥。然后，在步骤1028将第二基底叠置在干燥的组分(dried formulation)上以覆盖NCAP组分。
根据本发明的实施方案，制造基于乳胶的NCAP组分的流程1029如图10C所示。在步骤1030将LC加入水中。在步骤1032将LC和水的组合物乳化。然后，在步骤1034加入乳胶并将乳胶与水和液晶混合。在步骤1036将乳胶、水和LC的混合物涂覆在基底上。在步骤1038使该组分干燥。在步骤1040将第二基底叠置在干燥的组分上以覆盖完成的NCAP组分。
根据本发明的实施方案，应注意图10A至10C所示的具体步骤用于提供制造NCAP LC组分的特定方法。根据可替换的实施方案，也可采用其他顺序的步骤。例如，本发明的可替换的实施方案中以不同的顺序执行上述步骤。而且，图10A至10C所示的个别步骤可包括多个子步骤，其以适合于该步骤的各种顺序执行。此外，还可依特定应用增加其他的步骤或者去除。本领域的常规技术之一即可作出许多变化、修改和替换。
在许多实施方案中，NCAP LC混合物的组分中可加入表面活性剂以改善组分/制造流程和/或改善产生的NCAP材料的性能。表面活性剂典型为分子，化学组成为亲流体和疏流体基团。对于水溶液来说，这些基团更具体地分别称为亲水和疏水基团。通常，表面活性剂分子具有位于其分子上的亲水基团和疏水基团两者，以便通过减少液体和/或固体的表面能量来影响表面活性。进一步，表面活性剂可起到发泡剂、消泡剂、分散剂(例如，用于增加LC在聚合物媒介中的溶解性)、表面粘结剂、确保乳液稳定性的试剂、控制微粒尺寸的试剂等的作用。
在图10A-C所示的实施方案中，一个或多个表面活性剂可在乳化LC的步骤中的任一步骤中加入，例如，步骤1004、步骤1022和/或步骤1032中的任一个。在许多实施方案中，乳化步骤期间可能产生不需要的泡沫，则可加入消泡性(或者抗发泡性)的表面活性剂。微滴尺寸在乳化期间可通过参数，例如混合速度或者混合时间，来控制。如上所述，NCAP的电性能取决于悬浮在聚合物介质中的LC微粒的分布和微粒尺寸，并且可控制分布和微粒尺寸来获得理想的性能。例如，在此通过引用而并入的美国专利4,992,201，描述了加入选择的表面活性剂来控制和稳定LC微粒的尺寸和尺寸分布。本发明的实施方案不限于使用一种表面活性剂，多种和/或几种表面活性剂可在涂覆前同时用在LC组合物中。而且，其他和不同的表面活性剂可在涂覆步骤的任一步骤前可选性地加入，例如步骤1006、步骤1024或者步骤1036，以改善NCAP对基底材料的潮湿性。本发明的实施方案通过加入具有特定特性的表面活性剂来提高NCAP材料的性能，例如，加入具有高粘性的表面活性剂可用作乳化过程中的消泡剂。
灵敏度改善
液晶材料的灵敏度可通过几种方式改善。在很多实施方案中，仔细挑选液晶材料或者聚合物材料本身。例如，一些方法试图修改聚合物矩阵。另一方法集中于使液晶尺寸均匀性最优化。再一方法集中于修改交联密度或者速度。还一方法集中于减少LC分子和聚合物之间的摩擦或者界面锚定。
用于减少界面锚定的技术例如包括：
1)将掺杂剂或者共聚用单体加入到聚合物矩阵中。在该方法中，加入的物质可随机分布于聚合物矩阵中。虽然该技术可以改变聚合物矩阵的整体性质而非聚合物/LC界面，但是这里所述的界面剂的使用可增强LC/聚合物界面附近的添加剂的形成以便减少聚合物矩阵整体性质的变化。
2)生成由LC分解衍生的未固化透明材料制成的“力松弛”层，并且还包括定向剂以排列LC。虽然该材料可溶为LC相，但是具有反应性组分(reactive components)的界面剂的使用，例如，具有反应性组分的消泡剂，可将溶为LC相最小化。
3)使用反应性硅烷。当乳液中存在湿气(或者水)时，硅烷中的烷氧基可聚合。这些将在乳液中LC微滴的外面形成一层，从而可改变界面性质，提供减少的锚定。虽然该方法会产生副产品乙醇，并且水会使得流程难以控制，但是具有带反应性端基的硅氧烷的界面剂的使用，例如，聚硅氧烷，可改善对流程的控制。
图4A至4C示出了根据本发明的实施方案的LC材料400，其包含了悬浮在聚合物矩阵中404中的液晶微滴，例如微滴402。在很多实施方案中，LC材料400包含NCAP材料，例如，基于水溶性聚合物的NCAP材料或者基于乳胶性聚合物的NCAP。在一些实施方案中，材料400可包含PDLC LC材料。每个微滴可包含几个LC分子406，并且尺寸通常约为1至5微米。在每个微滴中，LC分子406可结合以形成小的晶体408，并且在无电场存在时这些晶体在微滴内随机取向。LC分子和/或晶体可锚定于聚合物矩阵，如图4B中示意性示出的附接点410处。在很多实施方案中，锚定程度取决于LC分子和聚合物的化学性质。当电场施加于LC材料400时，LC分子和/或晶体可如图4C所示至少部分地沿电场方向排列。当这种排列发生时，LC分子和/或晶体克服与聚合物在附接点410处的锚定和/或摩擦。如上所述，为获得最佳灵敏度，目标是以最小的电压变化尽可能产生最大的透过率变化。因而，LC和聚合物之间的摩擦力和/或锚定越低，将LC分子和/或晶体从图4B所示基本无序的状态转换到图4C所示基本沿电场排列的状态所需的驱动电压越低。在很多实施方案中，固有转换电压与一半的LC分子和/或LC晶体基本沿电场排列时的电场力对应。
如上所述，存在两类NCAP。在很多实施方案中，基于乳胶的NCAP包含三相材料，其包括水、液晶和乳胶。在很多实施方案中，基于水溶性聚合物的NCAP可包含两相材料，其包括液晶和水/聚合物溶液。如图10A-10C大体示出的制造流程和上述论述说明最终的NCAP包括充分分布于聚合物中的液晶，以及乳胶或者干燥后残留的聚合物，例如PVA。为减少固有工作电压以便改善，例如，增加本发明的最终NCAP实施方案的转换速度，包括流程(乳化、脱气、涂覆、干燥)之后的界面剂材料，例如表面活性剂，来提供LC和聚合物矩阵之间界面处减少的表面张力。因乳胶的物理和化学性质不同于水溶性聚合物(例如，聚乙烯醇)，基于乳胶的NCAP的制造流程中发生的物理和化学相互作用不同于基于水溶性聚合物的NCAP的制造流程中发生的那些。因此，用于改善基于乳胶的NCAP的转换速度的理想的界面剂材料可能不同于用于改善基于水溶性聚合物的NCAP的转换速度和/或减少固有转换电压的理想的界面剂材料。基于乳胶的NCAP实施方案中，改善转换速度和/减少固有转换电压所需的界面剂材料可将LC结合于乳胶，因为水是第三相并在干燥流程中被去除。在基于水溶性聚合物的NCAP实施方案中，改善转换速度和/减少固有转换电压所需的界面剂材料可与LC和水兼容。在这些基于水溶性聚合物的NCAP实施方案中，所需的材料可能对总的转换速度和转换电压具有较小的影响，因为一些碎片可能由于该系统高得多的粘性而无法移动到LC微滴表面。
本发明实施方案包含一族特定的界面剂材料，其与液晶和聚合物材料混合以便最小化LC微滴和聚合物矩阵之间的锚定和/或摩擦力。在特定的实施方案中，所建议的材料包括非离子界面剂，例如，嵌段共聚物，和/或活性的交联表面活性剂。图5A示出了LC微滴，例如，位于具有含界面剂的界面层502的聚合物矩阵404中的微滴402。界面层502如图5B中微滴/界面剂/聚合物界面的放大图所示。这些界面剂如果由包含具有合适的化学特性的两部分的分子组成并且在LC材料形成期间具有足够的量，则可形成界面层502。如图5B示意性示出的，界面剂的第一部分508，例如界面剂分子的聚合物兼容部分，位于聚合物矩阵404附近，而且，第二部分510，例如界面剂分子的下层表面张紧部分，位于微滴402附近并接触微滴402以便减少LC晶体和微滴402间的摩擦和/或锚定。界面剂的第一部分508溶解在聚合物矩阵中以便有效地将界面剂固定在聚合物矩阵中。界面层于聚合物矩阵的固定可以是物理的(如嵌段共聚物)或者化学的(如在反应型表面活性剂的情况下通过交联)结合。界面层的固定，例如在增加的温度下，可提供给界面层增强的稳定性。界面剂包含于界面层中的第二部分510具有对LC分子和/或晶体表现出低表面张力和/或低摩擦的化学组成。LC分子408和聚合物矩阵404之间的锚定和/或摩擦被界面层502减少，因而，当施加电场时LC分子的取向和转换速度可更快地发生并且驱动电压更低。
表1.界面剂的示例
  名称  描述   制造商
  BYK-022  疏水性固体和聚乙二醇中泡沫的解体聚硅氧烷的混合物   BYK Chemie
  FluorolinkD10  A-CF2O(CF2CF2O)m(CF2O)nCF2-A，A＝CH2OH，MW＝1000   Solvay Solexis
  FluorolinkD  A-CF2O(CF2CF2O)m(CF2O)nCF2-A，A＝CH2OH，MW＝500   Solvay Solexis
  SurfynolDF-58  一种用于水性体系的基于硅酮的泡沫控制剂。该产品具有强的泡沫控制和去除气泡的性能。   Air Products
  SurfynolDF-62  一种醚改性的基于聚硅氧烷的消泡剂，用于提供良好的消泡性和随时间持续不变的抗发泡性。   Air Products
  SurfynolDF-574  一种用有机的和有机改性的硅酮组分配制的自乳化的产品，其有效地去除残留空气和制造流程期间产生的泡沫。   Air Products
  SurfynolDF-695  一种硅酮乳液消泡剂，其在基于水的组分中提供初始的和持续不变的消泡性能。100％活性液体。   Air Products
  FlexiwetNI-M100  乙氧基化的部分氟化醇   InnovativeChemicalTechnologies，Inc.
  FlexiwetNI-55  无官能度的非离子型(氟化)聚合物表面活性剂   InnovativeChemicalTechnologies，Inc.
表1是根据本发明实施方案的界面剂的部分列表。界面剂可与图1中基于NCAP 104的材料或者图1中基于PDLC 102的材料结合。如下述例子所示，通过将小百分比的非离子界面剂加入NCAP或者PDLC组分中，驱动电压可显著减小。界面剂分子的下层表面张紧部分可包含氟化混合物，例如Fluorolink D或者Flexiwet，或者包含硅氧烷共聚物或者聚合物-硅氧烷，例如Surfynol DF-62、BYK-022。特别是，活性氟化混合物可具有表1中的化学结构，并且，硅氧烷可具有反应性端基，例如-OH、-NH2或者-COOH。在很多实施方案中，这些材料在LC/聚合物相分离流程期间移到LC/聚合物界面。界面剂分子的另一部分可通过氢键结合、范德华力这些机构物理结合于聚合物，和/或聚合物矩阵中存在活性基时化学结合。轻微的加热可加速化学结合进程。
使用表1中列出的那些界面剂表面活性剂，本发明的实施方案可示出基于乳胶的NCAP和基于水溶性聚合物的NCAP在转换电压方面的改善，例如聚乙烯醇(PVA)。在很多实施方案中，固有转换电压灵敏度方面的显著改善可通过使用具有消泡性质的界面剂实现。例如，Surfynol DF系列混合物可充分地减少基于乳胶的NCAP的工作电压。
消泡剂是一类可分散在水介质中的表面活性剂。在很多实施方案中，消泡剂在水介质中具有很低的溶解性，并且具有小于10的HLB(亲水亲油平衡值)。图9A和9B示意性示出了基于乳胶的NCAP中的消泡剂。因为消泡剂在水中具有很低的溶解性，消泡剂可形成小的块，例如，块908。每一个块可包含具有第一部分908A和第二部分908B的分子。块中的分子的第一部分908A可具有亲水性，并且块中的分子的第二部分908B可具有疏水性，如上所述。在很多实施方案中，块可具有胶囊形状，其中第一部分908A对于溶液朝向外且第二部分908B对于消泡剂块中的其他分子朝向内。在乳化期间，块可通过许多气泡破裂而抑制泡沫的形成。乳化和脱气以后，块908可在LC微粒902、乳胶904和水906的混合物中自由移动。在很多实施方案中，块908可移向LC微粒902的表面。当NCAP干燥时，消泡剂可在微粒902周围形成界面剂层，其位于LC微滴902和乳胶904之间。在很多实施方案中，消泡剂分子的下层表面张紧端部分散于LC的附近，并且消泡剂分子的锚定端部结合于乳胶。
在很多基于水溶性聚合物的NCAP实施方案中，消泡剂所起作用类似于基于乳胶的NCAP流程中所起作用，并且，消泡剂可在乳化期间用于消泡，然后在随后的乳化和/或干燥期间形成减少锚定和/或摩擦的界面层。在一些基于水溶性聚合物的NCAP实施方案中，材料在干燥之前具有高粘性，其可影响具有消泡剂的界面层的形成。在一些水溶性聚合物的实施方案中，10％的PVA溶液可被使用，其具有10,000厘泊(cp)级别的粘度。相反，基于乳胶的组分在干燥之前可为1-100cp级别。因此，消泡剂到达形成在基于水溶性聚合物的NCAP中的微滴的LC表面的可能性比基于乳胶的NCAP中的小，这是因为增加的粘性可降低消泡剂向LC微滴的移动。虽然基于乳胶的NCAP的转换速度性能的改善和/或固有工作电压的降低比基于水溶性聚合物的NCAP的更为显著，至少一些消泡剂块可达到水溶性聚合物实施方案中的微滴的LC表面，以便获得一些改善。此处所述界面剂也可与许多其他液晶/聚合物复合材料系统一起使用，如图1中所示的那些，包括，例如，溶剂诱导相分离(SIPS)PDLC、UV-PDLC等等。
保护涂层改善寿命
光子动力学公司(Photon Dynamics，Inc.)开发的电光电压成像传感器，例如在先前通过引用而并入的美国专利第6,151,153号和第7,099,067号中所述，可在待测面板(PUT)近距离处操作。尽管这些传感器可以零间隙操作，但是传感器和PUT之间的实际间隙可为10至35微米，该范围的上限由传感器的灵敏度给定。该范围的下限受限于靠近PUT表面的微粒和其他污染物。当传感器相对PUT移动时，这些微粒可能被限制在传感器和PUT之间，并且引起PUT或者传感器的损害。因此，需要尽可能大的操作间隙以避免PUT和传感器的损害。
此处所述界面剂的加入可使以例如35微米至75微米的间隙距离操作时的灵敏度分别相当于无界面剂的电压成像系统以10至35微米的间隙距离操作时的灵敏度。然而，这一操作间隙可相当于流程期间残留在PUT表面的最大微粒，因而需要使用确保良好寿命的另外装置。
一种方法是直接在调制器表面上施加一硬涂层材料。不影响调制器的电光传感性质的材料的一些例子包括：
a.UV固化硬涂层组分，例如，多官能丙烯酸酯类、双官能丙烯酸酯类、硅酮丙烯酸酯、和作为增强填料的可选的纳米微粒的混合物；
b.溶胶-凝胶组分，例如，从相应的金属烷氧化物溶胶-凝胶制得的所有绝缘的和低介电常量的金属氧化物。这一类中最适合的材料是二氧化硅溶胶-凝胶。可能需要有机添加剂以促进在调制器表面上粘结至Mylar。
c.热固化(低温和室温固化)材料，例如，环氧树脂、聚氨酯组分；
d.有机的/无机的复合材料。所有上述(a、b、c)有机涂层材料可与无机填料结合以进一步改善硬度。
生成电光调制器的涂覆和装配流程已在下述现有专利中描述：美国专利6,211,991(Bryan)、6,866,887(Chen)和7,099,067(Chen)，其全部公开内容已在之前通过引用而并入本文。调制器保护的一个成功方法描述于美国专利第7,099,067号“抗刮伤和损伤的PDLC调制器”中，其全部公开内容已在之前通过引用而并入本文。基于溶剂的、紫外(UV)固化组分更适于简单的湿涂流程。作为例子，UV固化有机硬涂层可包含下列组分：i)多官能丙烯酸酯；ii)硅酮丙烯酸酯；iii)纳米尺寸的粒子(填料)；iv)光引发剂；和v)溶剂。
然后，上述任一硬涂层组分的涂覆，通过湿涂流程，例如，刮刀、绕线杆和转轮等，施加到调制器顶部Mylar。旋涂法是优选的，因为其给出良好的涂层厚度均衡性。涂层厚度控制在2～20微米。如果是UV硬涂层，溶剂蒸发以后，涂层在UV辐射下固化。
图8A和8B示意性示出了根据本发明实施方案的图1所示的电压成像系统的电光调制器组件中的各层，其以层叠方式制造。硬涂层801包含主体硬涂层811和薄滑剂层810。在很多实施方案中，硬涂层已被固化。LC/聚合物复合传感材料804可通过直接涂覆或者夹叠施加到玻璃基底上。夹叠方式制造的实施方案包含首先用包含如上所述界面剂的NCAP或者包含如上所述界面剂的PDLC 804涂覆具有透明导电层805的塑料薄片806(例如Mylar)。塑料薄片的第二层被加入(具有或者不具有导电层)。然后，该夹层结构通过光粘合剂807叠置在玻璃基底808上。LC/聚合物夹层的顶部塑料薄片接着被分离和去除。介质镜膜803(或者薄膜)形成在塑料薄片802上，并被加到组件堆上。很多实施方案使用美国专利第6,866,887号中所述的真空辅助结合方法。抗反射涂层809施加到玻璃基底808的底部表面。
在本发明的很多实施方案中，如上所述包含界面剂的基于乳胶的NCAP材料和/或给予水溶性聚合物的NCAP材料，可通过美国专利第6,211,991(Bryan)、6,866,887(Chen)和7,099,067(Chen)号中所述的涂覆和装组分法进行保护。
硬涂层组分和方法的例子的其他描述在美国专利第7,099,067号中有所描述，其全部公开内容已在之前通过引用而并入本文。
实施例1：
具有67/33wt％比率的基于乳胶的NCAP组分MLC-7022-100/Neorez R-967(分别由EM Industries和NeoResins adivision of Avecia制造)被选作基液晶材料。选择表1所示的任一界面剂，例如，包含Surfynol DF型消泡剂的界面剂。选自表1的界面剂以大约总固体容量的1-5wt-％的量加入。在一些实施方案中，选自表1的界面剂可按高达10％重量比的量加入。所有组分用高速搅拌器混合以形成NCAP乳液，并通过ITO膜涂覆在基底上。使涂覆在基底上的基于NCAP乳胶的乳液干燥并与ITO基底叠置。然后，测量透过率曲线。驱动电压对百分比透过率的曲线如图6所示。如图所示，具有界面剂的NCAP组分需要较低的电极间驱动电压，并且，固有转换电压和电极间的工作电压降低30％以上。
实施例2：
具有67/33wt-％比率的溶剂诱导相分离PDLC组分TL205/AU1033(分别由EM Industries和Rohm and Haas制造)被选作基液晶材料。甲基异丁基酮用作溶剂，并且将异氰酸脂，例如Bayer制造的DesmodurN75BA/X，作为交联剂加入到混合物中。选择表1中任一界面剂，例如Surfynol DF型消泡剂。选自表1的界面剂以变化的量0、1.0、1.9和3.0％加入。在一些实施方案中，选自表1的界面剂可按4、5和高达10％的重量比的量加入。最终的驱动电压对百分比透过率的曲线如图7所示。施加轻微加热于PDLC涂层上以加速羟基(界面剂和AU1033中)和异氰酸酯之间的交联。如图所示，具有界面剂的PDLC组分需要的驱动电压低50％以上，以便降低LC材料的固有转换电压和电极间的工作电压。0％控制材料在固有转换电压方面的改善也可通过包含5％至10％重量比的界面剂的材料得到。
与图6和图7所示类似的结果可通过具有少量(例如表1中所列那些)界面剂的其他PDLC或者NCAP基液晶组分的组合来实现。
实施例3
包含多官能丙烯酸酯类、作为润滑剂的硅酮丙烯酸酯类、作为无机填料的纳米尺寸的二氧化硅、(甲基)丙烯酸酯封端的增韧剂、和光引发剂的有机硬涂层施加到Mylar薄片上。有机硬涂层具有3H至6H铅笔硬度、对Mylar的良好粘性和光滑表面。有机硬涂层的厚度大约为5微米。有机的和有机/无机混合的硬涂层的介电常量的范围为3～5，远小于可影响调制器的空间精度和EO性能的介电常量30。涂层可比薄膜晶体管(TFT)板软，以便调制器在接触该板时不损害该板。硬涂层如上所述加入组件堆。
虽然为了理解清楚，通过实施例详细地描述了一些示例性实施方案，本领域技术人员将认识到可采用多种修改、匹配和变化。因此，本发明的精神将仅由所附权利要求来限定。

Claims (3)

1.一种电光调制器组件，包括：
传感层，其包括封装于聚合物矩阵中的液晶微滴，其中，所述传感层包括界面剂，所述界面剂的量足够使所述传感层透光时的固有工作电压降低，所述界面剂在所述液晶微滴与所述聚合物矩阵之间的所述液晶微滴上形成界面层；以及
保护液晶调制器层的硬涂层。
2.如权利要求1所述的组件，其中，所述界面剂包括非离子型嵌段共聚物、反应型表面活性剂或者消泡剂中的至少一个。
3.如权利要求1所述的组件，其中，所述硬涂层包括UV固化硬涂层、溶胶-凝胶、热固化和有机/无机复合材料中的至少一个。
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