CN1198819A - 制造宽带胆甾偏振器的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本申请描述了用于制造很好确定了带宽和边缘位置的宽带偏振器的方法和装置。为了这个目的,通过暴露于辐射将包括具有不同反应性的反应性手性单体和反应性线形单体的液晶胆甾有序层聚合。本发明的特征在于:当到达该频带的所需边缘位置时,显著地增大辐射强度,优选10或更多倍。结果,在该时间达到的该反射带的带宽和边缘位置就象是被冻结了。可以使用单色光传感器测定所述位置是否达到,该传感器所用的波长相当于该频带所需边缘位置的波长。可以将具有很好确定了带宽和边缘位置的宽带胆甾偏振器非常有利地用于显示器。

Description

制造宽带胆甾偏振器的方法和装置
本发明涉及制造宽带胆甾偏振器的方法，在该方法中通过暴露于辐射将包括不同反应性的反应性手性单体和反应性线形单体的液晶胆甾有序层聚合。本发明还涉及进行本发明方法的装置。
例如，从本申请人的EP-A 404939、EP-A 404940和WO96/02016，宽带胆甾偏振器和其制造方法是已知的。用胆甾偏振器可以以基本上没有损失的方式将未偏振的光转换成环形偏振光。这种类型的偏振器包括胆甾(即手性向列)有序材料的薄层。该材料含有具有这样结构的手性液晶分子，致使它们使自己本身或多或少地有序成螺旋型或螺线结构。通过将一些非手性液晶(即线形)材料加入到手性液晶材料中可以增加该螺线的螺距。通过手性或非手性液晶分子的量之间的比例以及它们的结构控制精确的螺距。
如果以在基片上或2个基片之间薄层的形式提供该材料，那么假定所说的螺线结构是这样取向的，它使得该螺线的轴横向伸展到该层中。这样的层能够反射其波长相当于该产物螺距的窄带光并且该材料的衍射指数和偏振方向相应于螺线结构的指向(handedness)。借助于这一性质，可以将胆甾层非常合适地用于光学偏振器中。需要指出的是：材料的“衍射指数”应该理解为：在本文中指的是该材料的常规衍射指数no和异常衍射指数ne的几何平均值(no+ne)/2。
宽带胆甾偏振器与常规的胆甾偏振器的区别在于存在较宽的反射频带。常规胆甾偏振器的带宽仅是约40-50nm。在宽带偏振器的情况下，达到100nm、150nm、200nm甚至400nm的带宽。需要指出的是：胆甾滤光器的频带位置定义为其中发生反射的波长范围的中心。带宽定义为该频带的长波边缘位置与短波边缘位置之间的波长差。边缘位置的波长定义为在强度到达最大强度的50％的位置的波长。
EP404940描述了一个制造宽带胆甾偏振器的极好方法。在所述的方法中，使用包括显示出不同反应性的反应性手性单体和反应性线形单体的混合物。该反应性单体可以使用在丙烯酸酯基上含有反应性基团的化合物、环氧化合物、乙烯基醚和硫烯(thiolene)体系，如在US5188760中所述的。含有不同反应性基团的单体通常显示出不同的反应性。如果一种单体含有1个反应性基团而另一种单体含有2个(相同的)反应性基团，那么也会出现不同的反应性。
提供(光化)辐射特别是UV辐射将该混合物的层聚合。在该方法中，以这样的方式选择条件，致使在聚合操作期间在该层中形成各种强度的辐射分布。结果，在聚合期间在胆甾层中发生扩散过程。这导致组合物螺线结构的变化，致使从垂直于该层厚度方向看的螺距在一定限度内变化。结果，这导致偏振器显示出宽的反射带。
已经发现可以改进在EP-A 404940中所述的方法。本申请人已经证实小的波动，例如辐射梯度或UV强度的小波动，可以很强地影响该反应性单体的扩散过程。这可以导致通过用已知方法制造的胆甾偏振器的带宽有较大差异。因此，特别地，就可重复地制造具有反射带2个边缘之一正确位置的偏振器而论，应该改进所述的已知方法。这适用于，例如，本申请人在未公开的欧洲专利申请号95203209.2(PHN15.556)中所述的偏振器。
本发明的目的是改进该已知的方法。本发明更具体的目的在于提供一种制造宽带胆甾偏振器的方法，该方法可以完全可重复的方式调节2个反射频带边缘之一的位置。根据本发明的方法能够大量生产这些偏振器。
通过在本文开头段落中提到的这种方法可以实现本发明的这些和其它目的，该方法的特征在于：当频带到达所需边缘位置时，显著地增加辐射强度。
本发明是基于实验得到的理解，即聚合期间所使用辐射强度在制造宽带偏振器中起重要的作用。已经证明：通过使用的辐射强度将最终得到的带宽控制到具体的程度。如果使用较高的UV辐射强度(一般0.5mW/cm2或更高)，那么发现最后得到的带宽相对较小，并且几乎与未聚合的混合物没有什么区别。如果使用较低的UV辐射强度(一般0.05mW/cm2或更低)，那么得到宽得多的反射。在这些条件下，首先，形成彩色的窄反射带，接着其变宽成无彩色的宽带反射带。强度的显著增加引起得到的带宽在该时间好象是冻结。已经证明：强度的增加应该优选是引起所述冻结状态的10或更多倍。优选地，是20或更多倍。在这些条件下，胆甾有序层变得瞬间聚合。
本发明方法的优选实施方案的特征在于：通过用单色光传感器测定频带到达的所需边缘位置，所述传感器所用的波长相当于该频带所需边缘位置的波长。这样的光传感器包括光探测器以及单色光源。使用激光作为传感器中的单色光源是非常有利的。
可以在反射中使用该传感器。所说传感器构造的方式，是使从光源发出并用于测定操作的单色光指向要被聚合的层。只要反射频带边缘位置的波长不等于该单色光的波长，该光就通过要被聚合的层(透射)。一旦带宽假设为这样的值即所述的2个波长相同，就发生该单色光的反射。该层、该光源和该检测器的适当定位导致该光在该检测器被反射。这时，聚合辐射的强度应该被提高。为了这个目的，开启具有较高辐射强度的第二聚合灯，或优选地，移去位于该聚合灯前面的滤光器。不用(机械地)可移动的滤光器，也可以有利地使用其透射率是可调节的滤光器。
本发明方法的另一个优选实施方案的特征在于：通过透射率测定装置测定频带的所需边缘位置。为了此目的，传感器构造的方式，是使该光源和该检测器位于要被聚合层的任何一个面上。在这种情况下，一旦该检测器检测到从光源发出光强度的显著下降就开启该传感器。这样的装置的优点是要被聚合层的精确校准不会影响传感器的测定结果。
本发明方法的另一个优选实施方案的特征在于：使液晶胆甾有序层通过装有很多室(compartment)的照射通道，这些室包括辐射源以及光传感器，用其可以改变入射到该层上的辐射强度。本发明方法的这一实施方案能够使宽带胆甾偏振器以连续的方法被制造。这对每单位面积的成本价格有好的作用。
本发明还涉及制造宽带胆甾偏振器的装置，其特征在于具有包括如下部分的辐射室：
a)用于对将要制造的偏振器定位的设备，
b)用于辐射要制造的偏振器的辐射的辐射源，和
c)包括光检测器以及单色光源的单色光传感器。
本发明的装置能够使宽带偏振器以分批的方法被制造。优选地，该光检测器和单色光源以能使该传感器测定透射率的方式定位于辐射室中。为了这个目的，在该装置操作期间将要制造的偏振器设置在检测器和光源之间。
用于制造宽带胆甾偏振器的本发明的另一个装置的特征在于：该装置包括很多辐射室，其装有：
a)用于使基片通过这些辐射室的设备，
b)用于辐射通过所述室的基片的辐射源，和
c)包括光检测器以及单色光源的单色光传感器。
本发明的装置能够使宽带偏振器以连续的方法被制造。优选地，该光检测器和单色光源位于辐射室中的方式，是使该传感器测定透射率。为了这个目的，在该装置操作期间将要通过该辐射室的该基片(优选拉长的)设置在检测器和光源之间。
为了提高辐射强度，可以使用，例如，具有更高强度的第2个辐射源。该辐射源应该由光传感器驱动。然而，本发明的较便宜的优选实施方案的特征在于：该室包括1个通过驱动传感器可以移动的滤光器。这样的滤光器优选通过10％或更少的由该灯产生的辐射。需要指出的是：可以使用可调节透射率的滤光器代替可移动的滤光器。
参考下文所述的实施方案，本发明的这些和其它方面将是明显和被解释清楚的。
在附图中：
图1示意性地说明了可以用本发明方法制造的宽带胆甾偏振器，
图2说明了很多化合物的结构，
图3示意性地说明了可以进行本发明方法的第1个装置，
图4示意性地说明了可以进行本发明方法的本发明的第2个装置。
需要指出的是这些图均不是按比例画的。
图1说明了可以用本发明方法制造的宽带胆甾偏振器。所述的偏振器包括2个平板，透明基片1和2，它们是由例如玻璃制造的和其位置基本上彼此平行并且彼此之间有一些距离。该基片外部表面装有例如摩擦的聚酰亚胺或溅射上SiOx的取向层3和4。在基片的边缘有垫片5。
胆甾有序的聚合材料层6位于所述的2个基片之间。胆甾有序聚合材料的分子螺线轴横向伸展到该层中。该分子螺线具有从1个层6的表面到另一个表面连续增加的可变螺距。这示意性地用2个螺旋形的结构7来表示。层6的厚度一般在3-40微米的范围，优选5-25微米。
本发明上述实施方案的胆甾偏振器制备如下。首先，制备含有反应性单体的混合物。该混合物含有35％(重量)的手性单体A和65％(重量)的线形单体B。单体A每分子含有1个反应性基团，单体B每分子含有2个反应性基团。在这种情况下，使用丙烯酸基团。单体A和B的精确结构式示于图2中。两个单体之间反应性的差异可以认为是由每分子不同数量的反应性基团引起的。接着，将2％(重量)的光引发剂Irgacure 651(CibaGeigy；结构式C)和0.001％(重量)的对甲氧基苯酚(稳定剂；结构式D)以及1％(重量)的染料(结构式E)加入到该混合物中。该染料在334nm附近显示出最大吸收并且其消光系数为31524l/mol.cm。该染料能够使所用辐射的强度梯度更容易地设定。在EP 606940中更详细地叙述了这一点。
接着，将这样制备的混合物提供在2个透明基片之间。这些基片装有摩擦的聚酰亚胺层。这些层起改进在胆甾混合物中自发形成的分子螺线取向的作用。需要指出的是：在所述的本发明的方法中，并不是绝对需要使用装有取向层的基片。在制造(非常)薄的光学活性层中，通常发生手性和线形基团的自发取向。可是，在聚合期间存在取向层确实导致改进了光学活性层的取向，致使显著地改进了偏振器的光学性质。
通过示于图3中发明装置的示意性横截面图更详细地解释该胆甾层的聚合。该装置包括辐射室11。它装有用于控制要制造的宽带胆甾偏振器位置的设备。在所示的装置中，这些设备构造成支撑体12。在该情况下，偏振器包括2个基片13和位于所述基片之间的胆甾有序层14。需要指出的是：本发明的方法和装置也可以用于制造其中仅使用1个基片的偏振器。
室11还包括UV灯形式的辐射源。以这样的方式选择该灯的功率和灯与要被照射的偏振器之间的距离，它使得在操作该装置期间胆甾层暴露于其中的平均照射强度是约0.9mW/cm2。将其位置或透射率是可调节的中等密度的滤光器16安装在UV灯和偏振器之间。当该滤光器在最大负载量操作时，以这样的方式将来自UV灯的辐射滤光，致使偏振器上的平均照射强度仅是约0.03mW/cm2。
室11还包括由激光形式的单色光源17和光检测器18组成的光传感器。这样选择该激光的波长，致使它等于要制造的宽带偏振器的边缘位置。该传感器测定透射率，致使该检测器和光源位于经受测定的偏振器的相反的侧面上。该传感器连接有滤光器16。在照射期间一旦偏振器的透射率显著降低(50％或更多)，该传感器就提供使中等密度滤光器开启的信号。根据滤光器的类型，这或者是从辐射源15和偏振器之间的其位置移去该滤光器，或者是增大该滤光器的透射率。借助于此，偏振器上的辐射强度增加30倍，这导致了该胆甾层的瞬时完全聚合。结果，确定了带宽以及1个带边缘的精确位置。
图4是用于大规模生产宽带偏振器的本发明装置的示意性横截面图。该装置包括一个控制温度的辐射通道21，其提供了很多辐射室22。所述的辐射通道装有设备23，例如可驱动辊形式的设备，能够使拉长的柔软的基片24连续地送进。该基片可以由例如薄的透明薄片组成，其带有要被聚合的反应性液晶单体混合物的胆甾有序层。
该室装有辐射源25，例如UV灯等形式的辐射源，其用于当基片被送进辐射通道时辐射该基片。很多所述的室装有光检测器26和单束激光27形式的单色光源。在该情况下，部分透射的镜子28将激光27的激光束分成很多折射的亚束，其通过基片入射到光检测器上。
本发明的方法可以以下面方式在本发明的装置中连续使用。对所用激光是透明的基片装有液晶材料的胆甾有序层。通过驱动设备将该基片通过辐射通道。在该方法中，该基片被送进很多辐射室中，在这些室中，其暴露于较低强度(0.05mW/cm2或更低)的UV灯中。
在给定的瞬间，该反射带达到这样的宽度，作为聚合过程的结果，1个边缘位置的波长等于所用激光的波长。在这一瞬间，由光检测器测定的强度显著降低。然后，给出使辐射强度增加例如10或更多倍的信号。结果，发生液晶材料的瞬时完全聚合，致使测定的位置和带宽变得好象是冻结。用本领域技术人员已知的方法可以进一步加工该具有聚合、宽带、胆甾有序层的送出(egressing)基片，以便形成宽带胆甾偏振器。为了这个目的，将该基片切成适当的尺寸，并且如果需要，如果发射光应园偏振化，则可带有四分之一λ的薄片。如果需要，通过提供具有二色偏振薄片可以提高对比度。
本发明的方法能够制造具有精确调节边缘位置的宽带胆甾偏振器。借助于此，可以降低装有上述偏振器的显示器的视角依赖性。用本发明的装置，可以用分批或连续的方法生产偏振器。

Claims (9)

1.一种制造宽带胆甾偏振器的方法，在该方法中，包括不同反应性的反应性手性单体和反应性线形单体的液晶胆甾有序层曝露在辐射下聚合，其特征在于：当该频带到达所需边缘位置时辐射的强度显著增大。
2.如权利要求1的方法，其特征在于辐射强度的增大量为10倍或更多倍。
3.如权利要求1或2的方法，其特征在于通过用单色光传感器测定频带到达的所需边缘位置，所述传感器所用的波长相当于该频带所需边缘位置的波长。
4.如权利要求3的方法，其特征在于通过透射测定确定频带的所需边缘位置。
5.如上述任一权利要求的方法，其特征在于使液晶胆甾有序层通过装有很多室的照射通道，这些室包括一辐射源以及一光传感器，用其可以改变入射到该层上的辐射的强度。
6.一种用于制造宽带胆甾偏振器的装置，其特征在于它包括一辐射室，该辐射室包括：
a)用于将要制造的偏振器定位的设备，
b)用于发射要制造的偏振器的辐射的辐射源，和
c)包括光检测器以及单色光源的单色光传感器。
7.一种用于制造宽带胆甾偏振器的装置，其特征在于该装置包括很多辐射室，其装有：
a)用于使基片通过这些辐射室的设备，
b)用于辐射通过所述室的基片的辐射源，和
c)包括光检测器以及单色光源的单色光传感器。
8.如权利要求6或7的装置，其特征在于这些室包括可由驱动该传感器移动的滤光器。
9.如权利要求6或7的装置，其特征在于该室包括可以调节其透射率的滤光器。
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