CN102532567A - 具有光子晶体结构的高分子膜的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种具有光子晶体结构的高分子膜的制造方法包括一混合步骤，至少混合一非对掌性液晶、一光学活性添加剂、一单体及一光起始剂而制成一液晶单体混合物；至少一照光步骤，通过一光罩对所述液晶单体混合物照光；至少一扩散步骤，使所述液晶单体混合物其中一照光区的周围的单体扩散至所述照光区；以及一液晶去除步骤，去除所述非对掌性液晶而形成一高分子膜。本发明通过在照光步骤之后的扩散步骤而能提高单体的聚合率，因此提升高分子膜的聚合体的比例以及提升对掌性的转印率，使得高分子膜在不需任何流体的情况下就能展现光子晶体结构及布拉格反射特性。

Description

具有光子晶体结构的高分子膜的制造方法

技术领域

本发明是关于一种高分子膜的制造方法，特别关于一种具有光子晶体结构的高分子膜的制造方法。

背景技术

随着平面显示装置(Flat Panel Display，FPD)技术的发展，并因平面显示装置具有体型轻薄、低功率消耗及无辐射等优越特性，已经渐渐地取代传统阴极射线管(Cathode Ray Tube，CRT)显示装置，并且应用至各式电子产品。其中，胆固醇液晶(Cholesteric Liquid Crystal)也应用在显示技术，特别是应用在双稳态的显示器，如电子纸。

图1是胆固醇液晶11的分子排列的示意图，其可以是对掌性胆固醇液晶，或是添加对掌性化合物的非对掌性液晶。胆固醇液晶基本上都具有不对称碳原子(chiral center)。由这类分子所构成的液晶，其分子平行堆积层状排列，层和层间互相平行，在每一层中分子有一向列型一般彼此同向排列着，其长轴和层面平行。在相邻的两层之间，分子的长轴方向规则性地依次旋转一定角度，层层旋转下来形成一个螺旋状结构。液晶分子的长轴方向再旋转一圈360度后，又回到相同方向并形成一螺距P，这类液晶分子基于特殊的螺旋构造，可以使得入射光偏转，而散射出特殊波长的光，而螺距是决定它最强列的反射光线的波长。

图2及图3显示胆固醇液晶的分子排列示意图。如图2所示，胆固醇液晶11由两个玻璃基板12、13夹置，且底部设有一黑色吸收层14。当无外加电场时，胆固醇液晶11是平面螺旋型(planar texture)，由于其螺旋周期(螺距)约与光线波长相当，这种周期性结构可以使特定波长的光线发生布拉格(Bragg)反射。其反射光的峰值是λ＝nP(n是平均折射率)。一般，其可以被用来反射特定波长范围的光线，应用在光学组件及液晶显示设计。图3显示垂直螺旋型胆固醇液晶(focal-conic)配列。

目前，具有布拉格反射特征的光学膜设计，可以由胆固醇液晶设计，包括纯胆固醇液晶膜或掺混有胆固醇液晶的高分子膜。

其中，在高分子安定型胆固醇液晶中，是利用添加少量的单体(浓度在10％以下)，使单体形成高分子散布在胆固醇液晶中，使胆固醇液晶达到稳定平面螺旋型而呈现布拉格反射的效果。然而，由于胆固醇液晶所费不赀，因此大幅增加制造成本；也因此至今，仍难以广被实用化。

因此，如何提供一种创新的制造方法，可以不含有胆固醇液晶就能形成具有光子晶体结构的高分子膜，所产生的高分子膜甚至不需含有任何液晶或液体就可以具有布拉格反射特性，大幅降低制造成本并扩展其应用性，已经成为业界重要课题。

发明内容

有鉴于上述课题，本发明的目的是提供一种创新的高分子膜的制造方法，不需使高分子膜含有胆固醇液晶就能具有光子晶体结构的光学功效，且所产生的高分子膜甚至不需含有任何液晶或液体即具有光子晶体结构及布拉格反射特性，大幅降低制造成本并扩展其应用性。

本发明可采用以下技术方案来实现的。

依据本发明的一种具有光子晶体结构的高分子膜的制造方法包括以下步骤：一混合步骤，至少混合一非对掌性液晶、一光学活性添加剂、一单体及一光起始剂而制成一液晶单体混合物，将所述液晶单体混合物充填在一透光容器；至少一照光步骤，通过一光罩对所述液晶单体混合物照光；至少一扩散步骤，使所述液晶单体混合物其中一照光区的周围的单体扩散至所述照光区；以及一液晶去除步骤，去除所述非对掌性液晶而形成一高分子膜。

依据本发明的一种具有光子晶体结构的高分子膜的制造方法包括以下步骤：一混合步骤，至少混合一对掌性液晶、一单体及一光起始剂而制成一液晶单体混合物，将所述液晶单体混合物充填在一透光容器；至少一照光步骤，通过一光罩对所述液晶单体混合物照光；至少一扩散步骤，使所述液晶单体混合物其中一照光区的周围的单体扩散至所述照光区；以及一液晶去除步骤，去除所述对掌性液晶而形成一高分子膜。

依据本发明的一种具有光子晶体结构的高分子膜的制造方法包括以下步骤：一混合步骤，至少混合一非对掌性液晶、一光学活性添加剂、一单体及一光起始剂而制成一液晶单体混合物，将所述液晶单体混合物充填在一透光容器；至少一照光步骤，通过一雷射对所述液晶单体混合物的至少一照光区照光；至少一扩散步骤，使所述液晶单体混合物其中一照光区的周围的单体扩散至所述照光区；以及一液晶去除步骤，去除所述非对掌性液晶而形成一高分子膜。

依据本发明的一种具有光子晶体结构的高分子膜的制造方法包括以下步骤：一混合步骤，至少混合一对掌性液晶、一单体及一光起始剂而制成一液晶单体混合物，将所述液晶单体混合物充填在一透光容器；至少一照光步骤，通过一雷射对所述液晶单体混合物的至少一照光区照光；至少一扩散步骤，使所述液晶单体混合物其中一照光区的周围的单体扩散至所述照光区；以及一液晶去除步骤，去除所述对掌性液晶而形成一高分子膜。

在一实施例中，本发明的制造方法包括重复所述照光步骤及所述扩散步骤。通过多次照光及扩散步骤，可以显著提升单体的聚合率，使高分子膜展现出充足的光子晶体结构及布拉格反射特性。

在一实施例中，扩散步骤是将液晶单体混合物静置一时间，较佳者是避免液晶单体混合物受光照以提升扩散效能。

在一实施例中，液晶单体混合物的至少两个照光区通过不同的照光次数、照光强度、照光时间来进行照光。通过不同的照光次数、照光强度、照光时间或扩散时间，可使所述照光区的胆固醇液晶结构具有不同的螺距及/或折射率，而改变布拉格反射的光线波长。

在一实施例中，光子晶体结构是胆固醇液晶结构；在制造上，可以通过胆固醇液晶转印(imprint)而形成，或是通过非对掌性液晶(achiral LC)混合光学活性添加剂(chiral dopant)转印而形成。

在一实施例中，制造方法还可以包括一充填步骤，其是充填一流体在高分子膜，流体可以是气体或液体，液体可以是等方性液体或异方性液体，其中，等方性液体例如是溶剂，异方性液体例如是液晶。溶剂例如是甲醇、丙酮、四氢呋喃(Tetrahydrofuran，THF)、氯仿或甲苯。液晶例如是胆固醇液晶、向列型液晶或层列型液晶。当充填的液体是异方性液体时，可以通过电场驱动控制异方性液体而达到显示功能，且在所应用的显示模块中，高分子膜所需填充液体(例如液晶)的量可大幅减少。

在一实施例中，上述流体还可以进一步被聚合，聚合后可以不需封边、且可以提升高分子膜稳定性。

在一实施例中，制造方法还可以包括将一透明导电膜贴合在上述具有流体的高分子膜的一侧。并可以例如将透明导电膜贴合在高分子膜的上下两侧。通过透明导电膜可以控制流体(例如异方性液体)分子配列、及折射率，而能改变反射光颜色。

在一实施例中，制造方法还包括将所制成的多数高分子膜迭设而成为一多层结构的高分子膜，且所述高分子膜可以分别利用左旋液晶及右旋液晶制成。借此可以增强高分子膜的反射光亮度。

承上所述，本发明通过照光步骤对液晶单体混合物的至少一照光区照光，再通过扩散步骤使照光区周围的单体扩散至照光区，提高单体的聚合率，并因此提升高分子膜的聚合体的比例以及提升对掌性的转印率，使得高分子膜展现更充足的光子晶体结构及布拉格反射特性，因此高分子膜不需填充任何流体就可以展现布拉格反射特性。另外，通过多次的照光及扩散步骤，可以更显著地提升单体的聚合率，提供更强大的光子晶体结构及布拉格反射特性。另外，本发明通过填充不同的流体，包括气体或液体，可以呈现不同的反射光的颜色，扩展高分子膜的应用性。另外，通过不同的照光次数、照光强度、照光时间或扩散时间，可以使不同照光区的胆固醇液晶结构具有不同的螺距及/或折射率，改变布拉格反射的光线波长。另外，本发明的高分子膜的光子晶体结构不需通过包括昂贵的胆固醇液晶来呈现布拉格反射，故可以大幅降低制造成本。

附图说明

图1是胆固醇液晶的分子排列的示意图；

图2显示胆固醇液晶是平面螺旋型排列并具有布拉格反射特性的示意图；

图3显示胆固醇液晶是垂直螺旋型排列的示意图；

图4是本发明较佳实施例的一种具有光子晶体结构的高分子膜的制造方法的流程图；

图5是本发明较佳实施例通过光罩进行照光步骤的示意图；

图6A及图6B是高分子膜的横截面的扫描式电子显微镜(SEM)影像图；

图7是本发明较佳实施例的制造方法所制成的高分子膜及其充填不同液体时对不同波长的反射率的示意图；

图8是高分子膜充填向列型液晶加热至不同温度的反射率的示意图；

图9是本发明较佳实施例通过雷射进行照光步骤的示意图；

图10是本发明较佳实施例的制造方法所制成的高分子膜贴合透明导电膜的示意图；以及

图11是本发明较佳实施例的制造方法所制成的多数高分子膜相迭设的示意图。

主要元件符号说明：

11：膽固醇液晶

12、13：玻璃基板

14：黑色吸收层

2：液晶单体混合物

A1：照光区

F：高分子膜

L：雷射头

M：光罩

P：螺距

S01～S04：具有光子晶体结构的高分子膜的制造方法步骤

TC：透明导电膜

具体实施方式

以下将参照相关图式，说明依本发明较佳实施例的一种具有光子晶体结构的高分子膜的制造方法，其中相同的组件将以相同的组件符号加以说明。

请参考图4所示，其是本发明较佳实施例的一种具有光子晶体结构的高分子膜的制造方法的流程图。本实施例的制造方法包括步骤S01至步骤S04。

步骤S01：一混合步骤，至少混合一非对掌性液晶(achiral liquidcrystal)、一光学活性添加剂(chiral dopant)、一单体(monomer)及一光起始剂(photo initiator)而制成一液晶单体混合物(liquid-crystal-monomermixture)，使所述液晶单体混合物充填在一透光容器，透光容器可以例如具有透光部容许光线通过、或是具有开口以让光线通过。在此步骤中，也可以混合对掌性液晶、单体及光起始剂，这时就可以不需添加光学活性添加剂在混合物中。对掌性液晶例如所有的胆固醇液晶。

在本实施例中，非对掌性液晶是指不具对掌性(chirality)的液晶，例如向列型液晶或层列型液晶。光学活性添加剂可以诱导非对掌性液晶产生螺旋排列，并因此赋予其对掌性，光学活性添加剂例如是氯基联苯(cyanobiphenyl)衍生物。单体可以是单官能基或双官能基单体，在此是以双官能基单体为例，其可以是具有液晶相的单体，通过光聚合反应而达到稳定液晶的配向效果，单体例如是BAHB(4，4’-Bis(6-acryloyxy-hexyloxy)biphenyl)。另外，也可以单官能基单体掺混多官能基单体，并可以形成交联性高分子，避免溶在溶剂。光起始剂的作用在于使单体在照光时产生光聚合反应。

在本实施例中，非对掌性液晶的重量百分比介于10％与80％之间，单体的重量百分比介于20％与90％之间。在此，非对掌性液晶、光学活性添加剂、单体及光起始剂的混合比例为53.3％、13.3％、33.3％及0.1％。在室温下混合均匀后，液晶单体混合物呈现胆固醇液晶相。在此需注意的是，本实施例通过提高单体的聚合百分比(公知在10％以下)可以增加高分子膜的聚合体的对掌性的转印率，这有助于提升高分子膜展现充足的光子晶体结构及布拉格反射特性。

步骤S02：一照光步骤，通过一光罩对液晶单体混合物照光。在此是通过紫外光(例如254nm)进行照光，经光照后，单体产生光聚合反应而形成聚合体，并且将液晶的对掌性转印至聚合体上。由于本实施例是通过胆固醇液晶相来进行转印，故高分子膜所具有的光子晶体结构是胆固醇液晶结构。照光步骤的示意图如图5所示，紫外光经由一光罩M而对液晶单体混合物2照光，并形成至少一照光区A1。在此不限制光罩M的图案。

步骤S03：一扩散步骤，使液晶单体混合物2其中一照光区A1的周围的单体扩散至照光区A1。由于照光区在照光之后，其内的单体已成为聚合体，故照光区内的单体浓度小于照光区周围的单体的浓度，使得照光区周围的单体扩散至照光区A1内。如此，可以增加单体的聚合率。在此，在扩散步骤中，可将液晶单体混合物静置一时间，且在静置的过程中，避免液晶单体混合物受到光照。另外，本发明的制造方法可以进行多次的照光及扩散步骤，以大幅增加单体的聚合率，其中，在多次的照光步骤中，可针对相同区域或不同区域进行照光。

步骤S04：一液晶去除步骤，去除非对掌性液晶而形成一高分子膜。在此步骤中，通过一有机溶剂去除液晶，有机溶剂例如是丙酮或氯仿。将液晶由高分子膜中完全去除，并使其干燥。由于双官能基具有耐性，故单体在架桥(crosslink)后就不溶解，故可以避免有机溶剂除去聚合体。图6A及图6B是高分子膜的横截面的扫描式电子显微镜(SEM)影像图，可看到高分子的高转化率结构，其中图6B是图6A中菱形框的区域的放大图。

图7显示步骤S04之后所产生的高分子膜(Empty)对不同波长的反射率的示意图。高分子膜即使不含有液晶分子，也具有布拉格反射特性。另外，制造方法还可以包括一充填步骤，充填一流体在高分子膜，流体可以是气体或液体，液体可以是等方性液体或异方性液体，其中，等方性液体例如是溶剂，异方性液体例如是液晶。溶剂例如是甲醇、丙酮、四氢呋喃(Tetrahydrofuran，THF)、氯仿或甲苯。液晶例如是胆固醇液晶、向列型液晶或层列型液晶。图7也显示高分子膜充填甲醇(折射率＝1.3284)、丙酮(折射率＝1.3586)、THF(折射率＝1.4072)、氯仿(折射率＝1.4458)及甲苯(折射率＝1.4969)时对不同波长的反射率。随着溶剂折射率的变化，其反射光波长也不相同，此现象符合布拉格反射原理λ＝nP(n是平均折射率)。

如图8所示，将充填有向列型液晶的高分子膜，加热至超过所述液晶的等方性相温度(约90度)以上，高分子膜仍具有稳定的Bragg反射特性。这显示本发明的高分子膜具有极佳的温度稳定性。

另外，在充填流体之后，高分子膜的制造方法还可以包括使流体更进一步被聚合，聚合后可以不需封边、且可以提升高分子膜的稳定性。

在其它实施例中，高分子膜的制造方法的混合步骤可以改成至少混合一对掌性液晶、一单体及一光起始剂而制成一液晶单体混合物。在此是直接使用对掌性液晶来转印对掌性至高分子膜，而不是通过非对掌性液晶加上光学活性添加剂。

在其它实施例中，高分子膜的制造方法还可以包括一配向步骤，其是配向所述液晶单体混合物。例如是通过将透光容器的内侧表面经平行配向处理而达到配向效果。平行配向处理可以通过高分子、有机、或无机层处理。当液晶单体充填在透光容器或在透光容器中混合时，配向步骤可以使液晶单体混合物呈现平面螺旋型(planar texture)。在配向后，对液晶单体混合物进行照光聚合，然后进行后续步骤。

在其它实施例中，高分子膜的制造方法可以如图10所示，还包括将一透明导电膜TC贴合在所述高分子膜F的一侧，在此是以两个透明导电膜TC分别贴合在高分子膜F的上下两侧为例。当然，若高分子膜F仅在上侧用于显示，则位在下侧的导电膜可以是非透光。通过透明导电膜可以控制充填在高分子膜内的流体(例如异方性液体)分子配列、及折射率，而能改变反射光颜色。

在其它实施例中，高分子膜的制造方法可以如图11所示，还包括将所制成的多数高分子膜F迭设而成为一多层结构的高分子膜，且所述高分子膜F可以分别利用左旋液晶及右旋液晶制成，借此可以增强高分子膜的反射光亮度。由于使用右旋性或左旋性胆固醇液晶作转印，理论上仅能反射一半(50％)入射光，因此若将左旋及右旋胆固醇液晶所复制的高分子膜相重迭，即可制得全光反射(100％)的光学膜。

在其它实施例中，高分子膜的制造方法的照光步骤可以改成通过一雷射对液晶单体混合物的至少一照光区照光。可以参考图9所示，一雷射头L对液晶单体混合物2的多数照光区A1(如虚线范围)进行照射，使所述照光区A1的单体产生光聚合反应而成为聚合体。然后再通过扩散步骤使单体扩散至照光区A1内。当然，可以重复多次照光步骤及扩散步骤来增加单体的聚合率，且在多次照光步骤中，雷射可以打在相同区域或不同区域。另外，照光区A1的形状及多数照光区A1的排列方式在此不限制。

另外，不管是使用光罩、或雷射、或光罩结合雷射的方法进行照光步骤，液晶单体混合物的至少二个照光区可以具有不同的照光次数、照光强度、照光时间或扩散时间。借此，所述照光区可以形成不同螺距(pitch)及/或折射率以对不同波长的光线产生布拉格反射，扩展高分子膜的应用性，例如形成相邻可反射三原色的三个照光区。

综上所述，本发明通过照光步骤对液晶单体混合物的至少一照光区照光，再通过扩散步骤使照光区周围的单体扩散至照光区，提高单体的聚合率，并因此提升高分子膜的聚合体的比例以及提升对掌性的转印率，使得高分子膜展现更充足的光子晶体结构及布拉格反射特性，因此高分子膜不需填充任何流体就可以展现布拉格反射特性。另外，通过多次的照光及扩散步骤，可以更显著地提升单体的聚合率，提供更强大的光子晶体结构及布拉格反射特性。另外，本发明通过填充不同的流体，包括气体或液体，可以呈现不同的反射的色光，扩展高分子膜的应用性。另外，通过不同的照光次数、照光强度、照光时间或扩散时间，可以使不同照光区的胆固醇液晶结构具有不同的螺距及/或折射率，改变布拉格反射的光线波长。另外，本发明的高分子膜的光子晶体结构不需通过昂贵的胆固醇液晶即能直接呈现布拉格反射，故可以大幅降低制造成本。本发明的高分子膜仅反射特定波长光，其它波长光会穿透，因此也可以应用在太阳能电池表面彩色图纹设计，及液晶显示LCD背光模块的光增强膜使用。

以上所述仅是举例性，而非限制性。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包括在权利要求所限定的范围内。

Claims (19)

1.一种具有光子晶体结构的高分子膜的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

一混合步骤，至少混合一非对掌性液晶、一光学活性添加剂、一单体及一光起始剂而制成一液晶单体混合物，将所述液晶单体混合物充填在一透光容器；

至少一照光步骤，通过一光罩对所述液晶单体混合物照光；

至少一扩散步骤，使所述液晶单体混合物其中一照光区的周围的单体扩散至所述照光区；以及

一液晶去除步骤，去除所述非对掌性液晶而形成一高分子膜。

2.一种具有光子晶体结构的高分子膜的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

一混合步骤，至少混合一对掌性液晶、一单体及一光起始剂而制成一液晶单体混合物，将所述液晶单体混合物充填在一透光容器；

至少一照光步骤，通过一光罩对所述液晶单体混合物照光；

至少一扩散步骤，使所述液晶单体混合物其中一照光区的周围的单体扩散至所述照光区；以及

一液晶去除步骤，去除所述对掌性液晶而形成一高分子膜。

3.一种具有光子晶体结构的高分子膜的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

一混合步骤，至少混合一非对掌性液晶、一光学活性添加剂、一单体及一光起始剂而制成一液晶单体混合物，将所述液晶单体混合物充填在一透光容器；

至少一照光步骤，通过一雷射对所述液晶单体混合物的至少一照光区照光；

至少一扩散步骤，使所述液晶单体混合物其中一照光区的周围的单体扩散至所述照光区；以及

一液晶去除步骤，去除所述非对掌性液晶而形成一高分子膜。

4.一种具有光子晶体结构的高分子膜的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

一混合步骤，至少混合一对掌性液晶、一单体及一光起始剂而制成一液晶单体混合物，将所述液晶单体混合物充填在一透光容器；

至少一照光步骤，通过一雷射对所述液晶单体混合物的至少一照光区照光；

至少一扩散步骤，使所述液晶单体混合物其中一照光区的周围的单体扩散至所述照光区；以及

一液晶去除步骤，去除所述对掌性液晶而形成一高分子膜。

5.根据权利要求1至4任一项所述的制造方法，其特征在于，还包括：

重复所述照光步骤及所述扩散步骤。

6.根据权利要求1至4任一项所述的制造方法，其特征在于，所述扩散步骤是将所述液晶单体混合物静置一时间。

7.根据权利要求1至4任一项所述的制造方法，其特征在于，在所述扩散步骤中是避免所述液晶单体混合物受光照。

8.根据权利要求1至4任一项所述的制造方法，其特征在于，在所述液晶去除步骤中，是通过一有机溶剂去除所述液晶。

9.根据权利要求1至4任一项所述的制造方法，其特征在于，所述液晶单体混合物的至少两个照光区具有不同的照光次数、照光强度、照光时间或扩散时间。

10.根据权利要求1至4任一项所述的制造方法，其特征在于，所述光子晶体结构是胆固醇液晶结构。

11.根据权利要求1至4任一项所述的制造方法，其特征在于，还包括：

一充填步骤，充填一流体在所述高分子膜。

12.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，所述流体是气体或液体。

13.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于，所述液体是等方性液体或异方性液体。

14.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，所述流体还进一步被聚合。

15.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，还包括：

将一透明导电膜贴合在所述高分子膜的一侧。

16.根据权利要求1至4任一项所述的制造方法，其特征在于，所述透光容器的内侧表面经平行配向处理。

17.根据权利要求16所述的制造方法，其特征在于，所述平行配向处理是以高分子、有机、或无机层处理。

18.根据权利要求1至4任一项所述的制造方法，其特征在于，还包括：

当制成多数高分子膜时，将所述高分子膜迭设。

19.根据权利要求18所述的制造方法，其特征在于，所述高分子膜分别利用左旋液晶及右旋液晶制成。

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