CN111367004A - 一种偏振体全息光栅的喷墨打印制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种偏振体全息光栅的喷墨打印制备方法，该方法包括，提供衬底基板；确定预定的光栅特性；使用至少一个沉积喷墨打印头将液晶材料层沉积到衬底基板上，其中，衬底基板预先制备好光取向材料层，并根据预定光栅特性完成取向，液晶材料沉积在取向材料层上方；制定光栅区域以实现预定的光栅特性。本发明将结合喷墨打印技术，选择合适的液晶材料，优化配置成适合喷墨打印技术的溶液，通过灵活精确的喷墨打印技术制备偏振体全息光栅，可以灵活精确的控制光栅形貌和光栅局部细节，使得该类光栅的制备更具低成本，更具功能多样性和复杂性的特征。

Description

一种偏振体全息光栅的喷墨打印制备方法
技术领域
本发明涉及一种偏振光栅包括体全息光栅的喷墨打印制备方法，总体上涉及用于制造光栅及光栅波导单元的方法和设备，更具体地，涉及利用喷墨打印技术和纳米自组装方法制造光栅及光栅波导单元。
背景技术
光波导是具有约束和引导光波能力的结构，通过设计波导结构可以精确控制光波的传播路径。例如，可以设计平面波导，以利用衍射光栅将入射光衍射并耦合到波导结构内，使得耦合后的光可以通过全内反射继续在平面结构内传播。
光栅波导的制造可包括对允许在波导上记录全息光学元件等方法系统的使用。一类这样的全息元件包括表面浮雕光栅、体全息光栅、Pancharatnam-Berry(PB)相位光栅、偏振光栅、偏振体全息光栅等。偏振体全息光栅由PB相位取向层和偏振液晶自组装层构成，周期性的PB相位调制和一定厚度的液晶指向矢周期性旋转指向形成了偏振体光栅结构。
传统的偏振体全息光栅制备多采用旋涂的方法，利用旋涂机等设备在做过取向处理的衬底基板上涂布上液晶薄膜层，由于该工艺的局限性，所制备的光栅面积、形状都受到一定的限制，设计自由度不高，且对原材料浪费极大，大规模生产成本很高。
在这里，我们提出了一种新颖的液晶分子(LC)指向矢的摆线图案以PB相位取向层为衬底，通过喷墨打印的方式实现自组装液晶(LC)薄膜层来制备偏振体全息光栅的方法，该方法可以针对可见波长实现高效大面积的LC薄膜偏振光栅(PG)或偏振体全息光栅(PVG)，同时可实现光栅形状及局部细节的精密调整。
可以将诸如上述的波导光学器件用于一系列显示器和传感器应用。在许多应用中，可以使用各种波导架构和材料系统来实现包含一个或多个编码多种光学功能的光栅层的波导，从而在用于航空和公路运输的增强现实(AR)紧凑型平视显示器以及近眼显示器中实现创新应用。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提出一种新的偏振体全息光栅液晶层的喷墨打印制备方法，该方法利用喷墨打印设备在预处理好取向的衬底基板上精密喷涂液晶分子材料，通过液晶分子层的进一步自组装工艺形成PB光栅或偏振体全息光栅。传统的偏振体光栅制备多采用旋涂的方法，利用旋涂机等设备在做过取向处理的衬底上涂布上液晶材料，形成性能均一的光栅。而在AR衍射波导显示应用中，需要对所用光栅的局部特性，如折射率调制度，衍射效率分布等进行精密的管理来克服系统出瞳的不均匀性等缺陷。本发明针对这类需求，利用喷墨打印技术实施了一种偏振体全息光栅的制备，可以灵活实现对所制备光栅局部特征的精确控制。
本发明采用的技术方案：一种偏振体全息光栅的喷墨打印制备方法，包括以下步骤：
1)提供衬底基板，确定预定的光栅特性；
2)衬底基板预先制备好光取向材料层，并根据预定光栅特性完成取向；
将光取向材料层通过喷墨打印技术沉积在衬底基板上，通过固化形成薄膜层，将带有光取向材料层的衬底基板在PB相位调制光场中曝光取向，得到预设的光栅周期；
3)使用至少一个沉积喷墨打印头将液晶材料层沉积到衬底基板上，液晶材料沉积在光取向材料层上方；
液晶材料包括一种或多种会产生不同光栅特性的混合物，液晶材料体现为一种胆甾液晶相材料混合物；可以是热致液晶即在一定温度下表现为液晶相；也可以为溶质型液晶即在溶剂中一定浓度下表现液晶相。胆甾液晶相材料混合物存在一种或多种反应型液晶单体。反应型单体可在一定温度或光照条件下发生聚合反应。所述胆甾液晶相材料混合物包含一种或多种液晶或液晶化合物。其中，一些液晶化合物单独存在时可不表现出液晶相，可以在其他化合物或溶剂帮助下才呈现液晶相。
4)制定光栅区域以实现预定的光栅特性；
通过喷墨打印沉积的液晶材料跟随光取向层周期通过自组装形成偏振体全息光栅。随后经过光照，加热等工序固化后形成稳定的光栅薄膜。通过喷墨打印的控制，可以产生的不同光栅特性，包括不同效率，不同角度带宽，不同波长带宽，不同布拉格条件，不同偏振，不同折射率调制度，不同折射率，不同双折射，不同液晶指向矢方向，不同光栅层厚度等。
作为优选，所述胆甾液晶相材料混合物中包含一种或多种反应型液晶单体(reactive mesogen)。所述单体可以是手性或非手性的，所述单体包括丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、肉桂酸酯、苯乙烯类中的一种或多种，具体选自但不限于LC242，RM257，C6M，RM23，RM82，M04031中的一种或多种混合物。可以是单反应性或双反应性或多反应性。
作为优选，所述胆甾液晶相材料混合物可以通过添加一定浓度手性材料，使得该混合物在一定浓度或温度下呈现胆甾相液晶相态。
沉积所述的胆甾液晶相材料混合物可以溶解在合适的溶剂中，然后通过所述喷墨技术将该溶液涂覆于基材上，并在聚合之前或过程中将溶剂蒸发，一般情况下，可在喷墨涂布后，加热混合物以促进溶剂的蒸发。溶剂可以使用标准有机溶剂如酮类，如丙酮，甲基乙基酮，甲基丙基酮或环己酮等；乙酸盐，例如乙酸甲酯，乙酸乙酯或丁酯或乙酰乙酸甲酯等；醇类，例如甲醇，乙醇或异丙醇等；芳族溶剂，例如甲苯或二甲苯；卤代烃，例如二氯甲烷或三氯甲烷；其他脂类如PGMEA(丙二醇单甲醚乙酸酯)，丁内酯等。也可以使用其他高级商用有售溶剂。浓度范围可以使1％～80％，作为优选浓度范围可以是10％～50％。
所述的胆甾液晶相材料混合物可以添加一种或多种助剂以助于喷墨涂覆成膜质量同时促进液晶分子排列。所述的助剂包括表面活性剂，如含氟表面活性剂等非离子表面活性剂。也可以包含一种或多种稳定剂或抑制剂，以控制反应单体的聚合速率。所述的助剂还可以包含一种或多种的消泡剂、流平剂等其他成膜助剂。
作为优选，所述的光栅特性可以通过取向层制备条件、溶液配比，加热、光照等后处理工艺进行调制。具体的，可以通过取向层光取向条件如干涉曝光角度、波长等控制光栅周期；也可以通过溶液中手性材料的浓度、种类调整布拉格中心波长。
作为优选，所述衬底基板上限定光栅区域和非光栅区域，其中光栅区域喷墨打印的溶液包括液晶材料，非光栅区域喷墨打印的溶液包括单体或其他透明聚合物填充材料。可以使用至少一个沉积喷墨打印头打印一种液晶溶液的第一点，以及使用至少另外一个沉积喷墨打印头打印另一种液晶溶液的与第一点相邻的第二点。所述至少一个沉积喷墨打印头连接至包含至少一种液晶材料溶液的至少一个溶液存储盒。所述沉积喷墨打印头连接经由精密程序控制的电机在平面上可打印各种所需图形。
作为优选，所述喷墨打印喷头为热释或者压电喷头等，安装在可在二维平面两轴位移的机械臂上，进一步安装在高精度印刷平台如气浮轴承平台上，可以实现高精度位移的印刷工作。所述印刷平台包括温度控制模块，可以在10摄氏度到200摄氏度之间精确控制并保持平台包括所载基板温度。
作为优选，所述喷墨打印形成的薄膜厚度可通过喷墨量、喷墨沉积速率、溶液浓度、加热温度等控制。厚度可以为100nm～50um，作为优选厚度可以为1um～15um。
作为优选，所述喷墨打印制备方法配合固化工艺可以多层打印，制备多层光栅的层叠。
本发明将结合喷墨打印技术，选择合适的液晶材料，优化配置成适合喷墨打印技术的溶液，通过灵活精确的喷墨打印技术制备偏振体全息光栅。
有益效果：
本发明提出的一种偏振体全息光栅的喷墨打印制备方法，基于喷墨打印技术，通过数控程序精密控制喷头在二维平面的运动与喷涂，直接打印获得预定功能的光栅。同时，通过多喷头，多溶液的选择，可以精确控制光栅的局部特性，获得更加复杂的特定功能。该方法节约了原材料，简化了相关工艺，同时获得了极大的制备自由度，为制造偏振光学DOE元件提供了一种新颖的方法，可以大大促进该类光栅的制造和实际使用。
在衍射波导显示应用中，高亮度和出色的色彩保真度是AR显示器中的重要因素。在这一情况下，整个系统出瞳视场角内的高度均匀性至关重要。根据本发明的各种实施例，可以针对对光栅局部特性，特别是折射率调制度的精密管理来克服系统显示的不均匀性。
附图说明
图1为光取向材料层的PB相位调制示意图；
图2为本发明所述偏振体全息光栅示意图；
图3为本发明所示波导各层光栅示意；
图4为偏振体全息光栅传统制备流程示意；
图5为传统制备方法中旋涂工艺示意；
图6为喷墨打印工艺示意；
图7为多喷头喷墨打工艺示意；
图8为喷墨打印制备偏振体全息光栅方法示意；
图9为多喷头喷墨打印制备偏振体全息光栅方法示意；
图10为喷墨打印方法制备的多层偏振体全息光栅示意。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案作进一步说明：
偏振体全息光栅所涉及的Pancharatnam-Berry(PB)相位调制是与光的偏振相关的几何相位调制。如图1所示，为光取向材料层的PB相位调制示意图，其中11为相位调制的一个周期，12为偏振取向的旋转指向角度，13为产生偏振取向的极性分子示意。在玻璃等基本上制备光取向材料层并曝光取向后，继续沉积一定厚度的胆甾相液晶及相关材料，通过液晶的自组装，可以获得如图2所示的偏振体全息光栅。其中21为光取向材料层，22为液晶材料所形成的体全息光栅，23为光栅周期示意。其侧面示意图如图3所示，31为玻璃或者其他波导材料的衬底基板，32为光取向材料层，33为液晶光栅层。
传统的偏振体全息光栅制备流程如图4所示，41为将取向材料旋涂至衬底基板上，42为通过升温烘烤形成取向材料的薄膜，43为通过偏振全息的干涉曝光使取向材料层偏振取向，随后旋涂液晶材料如44，最后通过紫外固化等流程形成偏振体全息光栅。其中旋涂步骤如图5所示，衬底基板通过51真空吸附在旋涂机的托盘上，材料溶液经52滴涂在衬底基板中心，通过旋涂机的高速旋转将目标材料均匀的旋涂在基板上，形成薄膜。
本发明实施的喷墨打印工艺如图6所示，取向材料或液晶材料配置成打印溶液61从喷墨打印喷头62中受压电喷头挤压或经由热释形成液滴63直接打印沉积在衬底基板64上，喷头或者衬底基板在打印过程中可以沿x，y两轴方向上精确运动，按一定图案打印目标材料，形成预定图案。可以实施多喷墨打印喷头以将多种类型的材料沉积到单个衬底基板上。在光栅波导的近眼显示设备中，喷墨打印喷头可用于为波导的光栅和非光栅区域沉积不同的材料，可以在一台打印设备上安装一个或多个喷头如图7所示，71，72，73为不同的打印材料溶液，74，75，76为打印溶液经喷头喷出形成的液滴。77为衬底基板，78为预制偏振取向的取向材料层，79为喷墨打印形成的体全息光栅薄膜层。
图8为喷墨打印制备偏振体全息光栅方法示意，81为玻璃或其他波导材料的衬底基板，82为经偏振取向调制光场曝光获得的光取向材料层薄膜，83为按一定图案喷墨打印所形成的液晶材料薄膜区域，84，85为喷墨打印喷头的打印过程示意，喷墨打印喷头或者基板平台可在x，y两轴方向精密运动以按一定图案打印液晶或者其他材料。图9为多喷头喷墨打印过程示意，91，92所示不同喷头可打印不同浓度，不同混合物，或者不同取向材料，不同透明聚合物填充材料。这种配置允许沉积具有限定的光栅和非光栅区域的打印材料层。该材料可以根据具体应用，适当地选择不同混合物材料。该设备还包括定位结构，切换结构等，该结构用于在打印预定区域时激活某一喷墨打印模块并停用其他喷墨打印模块。
图10为喷墨打印方法制备的多层偏振体全息光栅示意，101为衬底基板层，102为光取向材料层，103，104为不同偏振体全息光栅层。
以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种偏振体全息光栅的喷墨打印制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)提供衬底基板，确定预定的光栅特性；
2)衬底基板预先制备好光取向材料层，并根据预定的光栅特性完成取向；
将光取向材料层通过喷墨打印技术沉积在衬底基板上，通过固化形成薄膜层，将带有光取向材料层的衬底基板在PB相位调制光场中曝光取向，得到预设的光栅周期；
3)使用至少一个沉积喷墨打印头将液晶材料层沉积到衬底基板上，液晶材料沉积在光取向材料层上方；
液晶材料体现为一种胆甾液晶相材料混合物；胆甾液晶相材料混合物存在一种或多种反应型液晶单体；
4)制定光栅区域以实现预定的光栅特性；
通过喷墨打印沉积的液晶材料跟随光取向材料层周期通过自组装形成偏振体全息光栅；随后经过光照，加热工序固化后形成稳定的光栅薄膜；通过喷墨打印的控制，产生的不同光栅特性，包括不同效率、不同角度带宽、不同波长带宽、不同布拉格条件、不同偏振、不同折射率调制度、不同折射率、不同双折射、不同液晶指向矢方向、不同光栅层厚度。
2.根据权利要求1所述的一种偏振体全息光栅的喷墨打印制备方法，其特征在于：所述反应型液晶单体是手性或非手性的，所述反应型液晶单体包括丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、肉桂酸酯、苯乙烯类中的一种或多种，反应型液晶单体是单反应性或双反应性或多反应性。
3.根据权利要求1所述的一种偏振体全息光栅的喷墨打印制备方法，其特征在于：所述胆甾液晶相材料混合物通过添加手性材料，使得该混合物在呈现胆甾相液晶相态；
所述胆甾液晶相材料混合物溶解在溶剂中，然后通过喷墨技术将该溶液涂覆于基材上，并在聚合之前或过程中将溶剂蒸发，在喷墨涂布后，加热混合物以促进溶剂的蒸发；溶剂使用有机溶剂：酮类、乙酸盐、醇类、芳族溶剂、卤代烃或其他脂类；浓度范围1％～80％；
所述胆甾液晶相材料混合物添加一种或多种助剂以助于喷墨涂覆成膜质量同时促进液晶分子排列，所述的助剂包含表面活性剂；或者包含一种或多种稳定剂或抑制剂，以控制反应单体的聚合速率；所述的助剂还包含一种或多种的消泡剂、流平剂。
4.根据权利要求3所述的一种偏振体全息光栅的喷墨打印制备方法，其特征在于：所述溶剂使用丙酮、甲基乙基酮、甲基丙基酮或环己酮、乙酸甲酯，乙酸乙酯或丁酯或乙酰乙酸甲酯、甲醇，乙醇或异丙醇、甲苯或二甲苯、二氯甲烷或三氯甲烷、丙二醇单甲醚乙酸酯、丁内酯；浓度范围是10％～50％；所述表面活性剂为含氟表面活性剂。
5.根据权利要求1所述的一种偏振体全息光栅的喷墨打印制备方法，其特征在于：所述的光栅特性通过取向层制备条件、溶液配比、加热、光照进行调制。
6.根据权利要求5所述的一种偏振体全息光栅的喷墨打印制备方法，其特征在于：通过取向层光取向条件包括干涉曝光角度、波长，来控制光栅周期；或者通过手性材料的浓度、种类调整布拉格中心波长。
7.根据权利要求1所述的一种偏振体全息光栅的喷墨打印制备方法，其特征在于：所述衬底基板上限定光栅区域和非光栅区域，其中光栅区域喷墨打印的溶液包括液晶材料，非光栅区域喷墨打印的溶液包括单体或其他透明聚合物填充材料；使用至少一个沉积喷墨打印头打印一种液晶溶液的第一点，以及使用至少另外一个沉积喷墨打印头打印另一种液晶溶液的与第一点相邻的第二点；所述至少一个沉积喷墨打印头连接至包含至少一种液晶材料溶液的至少一个溶液存储盒；所述沉积喷墨打印头连接经由精密程序控制的电机在平面上打印各种所需图形。
8.根据权利要求1所述的一种偏振体全息光栅的喷墨打印制备方法，其特征在于：所述喷墨打印的喷头为热释或者压电喷头，安装在可在二维平面两轴位移的机械臂上，并安装在高精度印刷平台上，所述印刷平台包括温度控制模块，在10摄氏度到200摄氏度之间精确控制并保持印刷平台包括所载基板温度。
9.根据权利要求1所述的一种偏振体全息光栅的喷墨打印制备方法，其特征在于：所述喷墨打印形成的薄膜厚度通过喷墨量、喷墨沉积速率、溶液浓度、加热温度控制，厚度为100nm～50um。
10.根据权利要求1所述的一种偏振体全息光栅的喷墨打印制备方法，其特征在于：所述喷墨打印制备方法配合固化工艺进行多层打印，制备多层光栅的层叠。
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