CN108983457A

CN108983457A - 一种颜色可调谐的液晶彩色滤光片

Info

Publication number: CN108983457A
Application number: CN201810908496.0A
Authority: CN
Inventors: 刘言军; 肖栋; 石玥; 罗丹; 李贵新; 孙小卫
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology; Southern University of Science and Technology
Priority date: 2018-08-10
Filing date: 2018-08-10
Publication date: 2018-12-11
Anticipated expiration: 2038-08-10
Also published as: CN108983457B

Abstract

本发明提供一种颜色可调谐的液晶彩色滤光片，所述彩色滤光片包括依次设置的第一导电玻璃、第一光配向层、液晶层、第二光配向层、二维超材料层以及第二导电玻璃。所述彩色滤光片通过优化二维超材料结构单元在相垂直的两个方向的尺寸，可以使偏振光在相垂直的两个方向上产生不同波长的等离激元共振。结合扭曲向列相液晶可以对线性偏振光的偏振方向进行调控的特性，通过外加电场调控，使入射到二维超材料上的光的偏振方向发生改变，调节在两个方向不同波长的等离激元共振强度，从而实现颜色可调谐。

Description

一种颜色可调谐的液晶彩色滤光片

技术领域

本发明属于彩色滤光片领域，涉及一种颜色可调谐的液晶彩色滤光片。

背景技术

21世纪以来，超材料作为一类新型材料吸引了人们广泛的研究兴趣。超材料指的是一些具有人工设计的结构，并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。超材料是由亚波长结构单元组成，具有自然界材料所没有的新颖电磁特性的人工结构材料，其在光的偏振、相位和振幅控制方面具有许多传统光学材料和器件无法比拟的独特优势，在新型光学元件的开发方面具有巨大潜力。利用超材料对光的超常控制能力可以实现一些新的元件，如宽带圆偏振器、新型完美吸收器、具有无相差成像能力的平面透镜等。同时，通过改变超材料结构单元的尺寸，可以使其工作在不同的波段，实现超材料彩色滤光片。此外，通过外部条件(例如周围介质折射率、入射光偏振态等)的改变可以改变超材料的电磁学性质，从而制成可调谐超材料，为调制器等各种光子器件的开发提供了可能，对于超材料的应用有着重要的意义。

另一方面，液晶是一种兼具液体的流动性和晶体的各向异性、短程无序而长程有序的特殊物质。液晶材料具有各向异性的分子结构，当整体取向一致时，就可将其视为一个具有双折射率的单轴晶体，表现出介电和光学的各向异性。此外，由于液晶材料具有流动性，磁场、电场等外场可对液晶分子的排列进行调控。对于特定的入射偏振光，经过不同排列方式、不同厚度的液晶体系，其相位延迟量不同。因此，可通过一定的材料体系、取向技术、外场作用等方面来控制液晶分子的排列，进而有效调控出射光的波前，为光场调控提供了一个灵活方便的途径。例如，将向列相液晶注入在平面内(x-y平面)分别垂直取向的两个玻璃基板，可以得到扭曲向列相液晶，从一个玻璃基板到另一个玻璃基板液晶分子的长轴从0度逐渐旋转至90度，从而实现对线性偏振光偏振方向的90度旋转。而施加在两个导电玻璃基板的外加电场(z方向)可以使正性液晶分子在外加电场下倾向于平行于电场方向排列。随着外加电场的增强，可以使在x-y平面内90度旋转的液晶分子结构被破坏，使其逐渐沿着z轴排列而失去x-y平面内的各向异性。因此其出射光的偏振方向可以从90度逐渐变成0度，实现对偏振光偏振方向的调控。

在液晶的实际应用当中，液晶表面取向至关重要。在上述的扭曲向列相液晶中，两个玻璃基板表面需要在x-y平面内被均匀取向，并且取向角度相差90度。液晶的表面取向，大部分采取传统的摩擦取向技术，但是接触摩擦会产生机械损害和静电荷，不利于高分辨率液晶显示的良品率。而在近二三十年内蓬勃发展的光控取向技术，通过光敏感材料的光交联、光降解以及光致异构等不同原理,其分子的定向排列产生表面各向异性,使得临近的液晶分子发生取向排列光取向技术避免了机械接触，可以避免上述机械损害和静电荷的产生，被视为替代摩擦技术的最佳候选名单。其中，基于偶氮材料在线偏振紫外光或者蓝光的照射下，偶氮染料会发生一种可逆的分子顺式-反式变化，可以进一步避免如光降解等技术所产生的副产物，被广泛应用于各种液晶器件中。于2000年初被开发的酸性硫酸基偶氮染料SD1、亮黄等材料，在液晶定向的应用上具有着明显的优势：有很好的热稳定性和敏感度，高电压保持率和有可与摩擦取向层相媲美的强锚定能和低预倾角，其并使得微米量级甚至纳米量级的多畴取向成为现实，可用于各种复杂的基底、曲面以及柔性基底等，具有广阔的应用前景。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种颜色可调谐的液晶彩色滤光片，所述彩色滤光片通过优化二维超材料结构单元在相垂直的两个方向的尺寸，可以使偏振光在相垂直的两个方向上产生不同波长的等离激元共振。结合扭曲向列相液晶可以对线性偏振光的偏振方向进行调控的特性，通过外加电场调控，使入射到二维超材料上的光的偏振方向发生改变，调节在两个方向不同波长的等离激元共振强度，从而实现颜色可调谐。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种颜色可调谐的液晶彩色滤光片，所述彩色滤光片包括依次设置的第一导电玻璃、第一光配向层、液晶层、第二光配向层、二维超材料层以及第二导电玻璃。

其中，二维超材料层的厚度通常在几十纳米。

作为本发明优选的技术方案，所述二维超材料层为带有十字形孔结构的金属薄膜。

优选地，所述金属薄膜为金膜、银膜或铝膜。

优选地，所述十字形孔的两个相互垂直的孔的长度不同。根据所选材料以及工作的波长，十字形孔的长度范围为几十纳米至几百纳米。

本发明中，金属膜覆盖于第二导电玻璃表面，所述超材料结构单元由贵金属膜刻蚀形成，不穿透第二导电玻璃。

本发明中，采用金属膜的十字形孔结构，使等离激元激发在沿十字的两个长轴方向具有不同的波长响应。例如，沿0度入射的线偏光可以激发0度十字长轴的等离激元共振，使其出射光在波长λ1最强；而沿90度入射的线偏光可以激发90度十字长轴的等离激元共振，使其出射光在波长λ2最强。通过调整二维超材料结构单元不同方向的尺寸、周期等参数，调节出射波长λ1、λ2的值，使其尽量处在蓝光和红光波段；并实现出射光半峰宽的压缩，提高出射光颜色的纯度。通过调节入射光的偏振方向，对两个垂直方向的光分量强度进行调节，从而调整两个方向的等离激元共振强度以及两个波长的出射光光强，实现出射光波长的动态调谐。

作为本发明优选的技术方案，所述第一配向层与第二配向层包括摩擦配向膜或光配向膜。优选地，所述摩擦配向膜为聚酰亚胺膜，所述聚酰亚胺膜通过机械刷磨的方法对取向层进行配向。

优选地，所述光配向膜的原料为偶氮染料。

优选地，所述偶氮染料包括钠4,4'-双(p-羟基苯偶氮基)-2,2'-乙烯联苯磺酸盐和/或四钠5,5'-((1E,1'E)-(2,2'-二磺酸-[1,1'-联苯]-4,4'-二基)双(二氮烯-2,1-二基))二(2-羟基苯甲酸)。

作为本发明优选的技术方案，所述第一光配向层与第二光配向层的配向方向相互垂直。

作为本发明优选的技术方案，所述液晶层的材料为向列相液晶，优选为常温向列相液晶。

作为本发明优选的技术方案，所述液晶层的厚度不小于5μm，如5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、40μm或50μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，先将光配向材料溶解于溶剂中，再通过旋涂、流延、打印和浸泡等方法覆盖于第一导电玻璃层和二维超材料层，形成第一光配向层和第二光配向层，然后分别用紫外或蓝色线偏振光辐照第一光配向层和第二光配向层，使其分别均匀配向，且配向角度相差90。其中，光配向材料与溶剂的质量比为0.5～5％以内，如0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％或5％等，优选为0.5％～1％。

本发明提供的颜色可调谐的液晶彩色滤光片的原理为入射到二维超材料的光为偏振光，不同的偏振方向使两个垂直方向的等离激元共振强度不同，从而调节两个波长的出射光光强，实现出射光波长的动态调谐，制成可调谐的超材料液晶彩色滤光片。用外加电场调控的扭曲向列相液晶可以实现对偏振光偏振方向的调控。线偏振的白光从ITO玻璃面入射，入射的偏振方向平行于ITO玻璃表面的配向方向，在没有外加电场的条件下，偏振方向经过扭曲向列相液晶旋转90度，因此出射光为90度的线偏振白光。扭曲向列相液晶盒通过外加交流电对液晶分子调控，外加电场从0V逐渐增大，使液晶分子从在x-y平面内排列逐渐变成沿z轴排列，实现出射光偏振方向从90度到0度的偏转。出射光直接打在作为下层基板的超表面材料上，不同偏振方向使两个方向的等离激元共振强度不同，从而调节两个波长的出射光光强，实现出射光波长的动态调谐，制成可调谐的超材料液晶彩色滤光片。

与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提供一种颜色可调谐的液晶彩色滤光片，所述彩色滤光片通过优化二维超材料结构单元在相垂直的两个方向的尺寸，可以使偏振光在相垂直的两个方向上产生不同波长的等离激元共振。结合扭曲向列相液晶可以对线性偏振光的偏振方向进行调控的特性，通过外加电场调控，使入射到二维超材料上的光的偏振方向发生改变，调节在两个方向不同波长的等离激元共振强度，从而实现颜色可调谐。

附图说明

图1是本发明提供的一种颜色可调谐的液晶彩色滤光片的结构示意图；

图2是本发明提供的一种颜色可调谐的液晶彩色滤光片的二维超材料层的结构以及超材料元包的结构参数示意图；

图3是本发明提供的一种颜色可调谐的液晶彩色滤光片的原理示意图。

图3中：(a-c)为扭曲向列相液晶在不同交流电压下对偏振光的调制；(d-f)为对应于(a-c)不同电压下超材料出射光波长的分布；(g-h)为超材料液晶彩色滤光片在不同电压下对应于(a-c)的颜色。

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

将硫酸基偶氮染料钠4,4'-双(p-羟基苯偶氮基)-2,2'-乙烯联苯磺酸盐以0.5％的重量浓度溶解在二甲基甲酰胺溶剂中，之后分别通过浸泡和旋涂的方法覆盖在超表面材料基板和ITO石英基板上，将覆盖在基板上的偶氮染料在90℃软烤20分钟，然后将两基板分别用10mW/cm²线性偏振365nm紫外光辐照，两个基板的照光方向相互垂直，从而使两基板上的偶氮分子垂直均匀排列。

将光配向好的两个基板制成10μm的液晶盒，保证两个基板的配向方向相互垂直。将向列相液晶注入空液晶盒中，制成扭曲向列相液晶盒(图1)。

如图2所示，采用微纳加工制造技术，例如电子束蚀刻或者离子束蚀刻，制造具出十字形孔阵列的金属薄膜，该金属薄膜作为超材料层，对特定波长以及偏振光选择性透过。超材料元包的结构参数：周期为Px，Py；十字形孔长宽分别为Lx，Wx，Ly，Wy；超材料厚度为t。

如图3所示，线偏振白光从ITO石英玻璃的一侧入射到上述液晶盒中，并在液晶盒两基板加上交流电。在没有外加电场的情况下，为扭曲向列相液晶，光到达下基板超表面材料上的偏振方向为90度(图3(a))，可以激发90度方向的等离激元共振，使出射光在λ1处增强(图3(d))，整个滤光片显现蓝色(图3(g))。在外加电场最大的情况下，向列相液晶的扭曲排列被完全破坏，光到达下基板超表面材料上的偏振方向为0度(图3(c))，可以激发0度方向的离子体共振，使出射光在λ2处增强(图3(f))，整个滤光片显现红色(图3(i))。当外加电场在中间值的情况下，向列相液晶的扭曲排列没被完全破坏，光以一定角度的偏振方向到达下基板超表面材料上(图3(b))，可以同时激发0度和90度方向的离子体共振，使出射光在λ1和λ2处都有增强(图3(e))，整个滤光片显现绿色或其他颜色(图3(h))。其透射光的具体波长比例和滤波片颜色，由外加电场的大小决定。

根据以上结果，给出如下6个具体实施例：

实施例1

扭曲向列相液晶盒如上文所述，超材料采用金膜(Au)，结构参数为Px＝200nm，Py＝200nm，Lx＝50nm，Ly＝150nm，Wx＝30nm，Wy＝30nm，t＝50nm。假设入射光偏振方向为x方向，当没有外加电压时，入射光通过液晶盒子，偏振态转换为y方向，透射光的波长为λ1＝642nm，当外加电场时，向列相液晶的扭曲排列被完全破坏，入射光偏振态保持x方向不变，透射光的波长为λ2＝720nm.

实施例2

扭曲向列相液晶盒如上文所述，超材料采用金膜(Au)，结构参数为Px＝200nm，Py＝180nm，Lx＝50nm，Ly＝120nm，Wx＝30nm，Wy＝30nm，t＝50nm。假设入射光偏振方向为x方向，当没有外加电压时，入射光通过液晶盒子，偏振态转换为y方向，透射光的波长为λ1＝642nm，当外加电场时，向列相液晶的扭曲排列被完全破坏，入射光偏振态保持x方向不变，透射光的波长为λ2＝676nm.

实施例3

扭曲向列相液晶盒如上文所述，超材料采用银膜(Ag)，结构参数为Px＝105nm，Py＝225nm，Lx＝70nm，Ly＝150nm，Wx＝30nm，Wy＝30nm，t＝50nm。假设入射光偏振方向为x方向，当没有外加电压时，入射光通过液晶盒子，偏振态转换为y方向，透射光的波长为λ1＝574nm，当外加电场时，向列相液晶的扭曲排列被完全破坏，入射光偏振态保持x方向不变，透射光的波长为λ2＝610nm.

实施例4

扭曲向列相液晶盒如上文所述，超材料采用银膜(Ag)，结构参数为Px＝75nm，Py＝225nm，Lx＝50nm，Ly＝150nm，Wx＝30nm，Wy＝30nm，t＝50nm。假设入射光偏振方向为x方向，当没有外加电压时，入射光通过液晶盒子，偏振态转换为y方向，透射光的波长为λ1＝548nm，当外加电场时，向列相液晶的扭曲排列被完全破坏，入射光偏振态保持x方向不变，透射光的波长为λ2＝720nm.

实施例5

扭曲向列相液晶盒如上文所述，超材料采用铝膜(Al)，结构参数为Px＝150nm，Py＝300nm，Lx＝100nm，Ly＝200nm，Wx＝30nm，Wy＝30nm，t＝50nm。假设入射光偏振方向为x方向，当没有外加电压时，入射光通过液晶盒子，偏振态转换为y方向，透射光的波长为λ1＝515nm，当外加电场时，向列相液晶的扭曲排列被完全破坏，入射光偏振态保持x方向不变，透射光的波长为λ2＝600nm.

实施例6

扭曲向列相液晶盒如上文所述，超材料采用铝膜(Al)，结构参数为Px＝150nm，Py＝300nm，Lx＝100nm，Ly＝250nm，Wx＝30nm，Wy＝30nm，t＝50nm。假设入射光偏振方向为x方向，当没有外加电压时，入射光通过液晶盒子，偏振态转换为y方向，透射光的波长为λ1＝642nm，当外加电场时，向列相液晶的扭曲排列被完全破坏，入射光偏振态保持x方向不变，透射光的波长为λ2＝725nm.

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims

1.一种颜色可调谐的液晶彩色滤光片，其特征在于，所述彩色滤光片包括依次设置的第一导电玻璃、第一光配向层、液晶层、第二光配向层、二维超材料层以及第二导电玻璃。

2.根据权利要求1所述的彩色滤光片，其特征在于，所述二维超材料层为带有十字形孔结构的金属薄膜；

优选地，所述金属薄膜为金膜、银膜或铝膜；

优选地，所述十字形孔的两个相互垂直的孔的长度不同。

3.根据权利要求1或2诉所述的彩色滤光片，其特征在于，所述第一配向层与第二配向层包括摩擦配向膜或光配向膜；

优选地，所述摩擦配向膜为聚酰亚胺膜，所述聚酰亚胺膜通过机械刷磨的方法对取向层进行配向；

优选地，所述光配向膜的原料为偶氮染料；

4.根据权利要求1-3任一项所述的彩色滤光片，其特征在于，所述第一光配向层与第二光配向层的配向方向相互垂直。

5.根据权利要求1-4任一项所述的彩色滤光片，其特征在于，所述液晶层的材料为向列相液晶，优选为常温向列相液晶。

6.根据权利要求1-5任一项所述的彩色滤光片，其特征在于，所述液晶层的厚度不小于5μm。