JP2016507090A - 液晶配向層および製造方法 - Google Patents
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Abstract
レーザ作用またはインクジェット印刷によって、ナノレベルおよびマイクロレベルパターンのトポグラフィを有する層を第1の表面上に作成するための方法が提供される。このトポグラフィは、第1の表面の面内の第1の方向に5nm〜500μmの周期性を持つ。これらの層は、電気光学デバイスにおいて異方性パターン付き配向層として使用することができ、かかる層は、少なくとも0.3の配向秩序を作り出す。【選択図】図1
Description
[0001] 本発明は、全体として、電気活性デバイスのための配向表面トポグラフィに関し、より詳細には、そのようなトポグラフィを形成する方法に関する。
[0002] 電気光学デバイスは1以上の液晶(LC)層を含む場合がある。これらの層は、外部から印加される電界の下で光学的、電気的および磁気的特性が変化する材料で構成される。電気光学デバイスにこれらの層が組み込まれるのは、これらのデバイスにおける視覚的変化は、異なるデバイス動作状態(例えば、完全なON状態、完全なOFF状態、およびその間の数多くの異なる状態)においてLC分子の配向が異なることによって生じるからである。電気光学デバイスの動作モードに応じて、いわゆるゼロ電界のLC配向(OFF状態)および所定の分布範囲を、電圧印加状態のLC配向(ON状態)から区別することができる。電気光学デバイスをうまく動作させ、その性能を発揮させるためには、ゼロ電界状態においてLC材料を適切に配向させる必要がある。
[0003] 一実施形態において、第1の表面を提供する方法が記載される。第1の表面上にはインクジェット印刷により溶液を堆積させることで第1の異方性パターンが形成される。堆積によって形成された第1の異方性パターンは、第1の表面の面内の第1の方向に、5nm〜500μmの第1の周期性を有する。溶液を凝固させることで、5nm〜500μmの大きさのフィーチャを有する第1の異方性パターン付き配向層が形成される。
[0004] 一実施形態において、第1の異方性パターンは、上記表面の面内の第2の方向に第2の周期性を有する。一実施形態において、第1の方向と第2の方向とは異なる方向であり、第1の周期性と第2の周期性とは異なる周期性であり、かつ第2の周期性は5nm〜500μmである。
[0005] 一実施形態において、第1の表面上に溶液を堆積させるステップは、第1の表面上に第2の異方性パターンを形成することを含む。
[0006] 一実施形態において、溶液を堆積させるステップは、該溶液の液滴を堆積させることを含み、溶液を凝固させるステップは、第1の周期性を持つ少なくとも一部の構造を保持しながら液滴を部分的に凝集させることを含む。
[0007] 一実施形態において、溶液を堆積させるステップは、ノズルの大きさが50nm〜500μmのインクジェットを使用することを含む。
[0008] 一実施形態において、第1の表面は、基板の第1の表面である。一実施形態において、第1の表面は、電極の第1の表面である。一実施形態において、第1の表面は、電極または基板上に配置された別個の層の第1の表面である。
[0009] 一実施形態において、上記方法は、第1の基板を提供することと、該第1の基板より上に配置された第1の電極を提供することと、をさらに含む。上記第1の表面は第1の電極より上に配置される。上記方法は、第1の表面より上に配置された液晶層を提供することと、該液晶層より上に配置された第2の表面を提供することと、該第2の表面より上に配置された第2の電極を提供することと、該第2の電極より上に配置された第2の基板を提供することと、をさらに含む。
[0010] 一実施形態において、第2の表面を提供するステップは、インクジェット印刷によって第2の表面上に溶液を堆積させて第2の異方性パターンを形成することと、該溶液を凝固させて、5nm〜500μmの大きさのフィーチャを有する第2の異方性パターン付き配向層を形成することと、を含む。堆積によって形成される第2の異方性パターンは、第2の表面の面内の第3の方向に5nm〜500μmの第3の周期性を有する。
[0011] 一実施形態において、第2の異方性パターンは、第2の表面の面内の第4の方向に第4の周期性を有する。第3の方向と第4の方向とは異なる方向であり、第3の周期性と第4の周期性とは異なる周期性であり、かつ第4の周期性は5nm〜500μmである。
[0012] 一実施形態において、第1の表面に溶液を堆積させることは、第1の表面上でインクジェットを第1の方向に並進移動させることと、基板を第1の方向に並進移動させることとのいずれかを含む。
[0013] 一実施形態において、溶液を凝固させるステップは、紫外線照射により溶液を収縮させることを含む。一実施形態において、溶液を凝固させるステップは、赤外線加熱により溶液を収縮させることを含む。
[0014] 一実施形態において、溶液は、共役ポリマー、アクリレート、ウレタン、オルガノシラン、エポキシ樹脂のうちの一種またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態において、溶液は、界面活性剤または結合剤を含む。一実施形態において、溶液は、アルコール、ケトン、アルデヒド、アルカン、アルケン、または塩素化溶剤のうちの一種またはそれらの組み合わせを含む溶剤を含む。一実施形態において、溶液は、金属または金属酸化物のナノ粒子を含む。一実施形態において、溶液は、カーボンナノチューブを含む。
[0015] 一実施形態において、異方性パターン付き配向層は、ネマティック液晶層、コレステリック液晶層、スメクティック液晶層、ディスコティック液晶層、またはブルー相液晶層に顕著な配向を発生させることができる。
[0016] 一実施形態において、異方性パターン付き配向層は、配向秩序パラメータが少なくともS=0.50である配向をネマティック液晶層に発生させることができる。
[0017] 一実施形態において、異方性パターン付き配向層は、光操作性、光散乱作用または光回折の能力を有する。
[0018] 一実施形態において、第1の方向と第2の方向とは互いに直交する。
[0019] 一実施形態において、第1の表面は可撓性を有する。一実施形態において、第1の表面は剛性を有する。
[0020] 一実施形態において、第1の表面を提供する方法が記載される。該第1の表面にレーザエネルギーが照射されることにより、0.1nm〜500μmの大きさのフィーチャを有する第1の異方性パターンを含む第1の異方性パターン付き配向層が形成される。第1の異方性パターンは、第1の表面の面内の第1の方向に、5nm〜500μmの第1の周期性を有する。一実施形態において、第1の異方性パターン付き配向層は、5nm〜500μmの大きさのフィーチャを有する。
[0021] 一実施形態において、レーザエネルギーはパルスとして照射される。
[0022] 一実施形態において、第1の異方性パターンは、上記表面の面内の第2の方向に、5nm〜500μmの第2の周期性を有する。第1の方向と第2の方向とは異なる方向であり、第1の周期性と第2の周期性とは異なる周期性である。一実施形態において、第1の方向と第2の方向とは互いに直交する。
[0023] 一実施形態において、第1の表面は基板の第1の表面である。一実施形態において、第1の表面は電極の第1の表面である。
[0024] 一実施形態において、第1の表面は電極または基板上に配置された別個の層の第1の表面である。
[0025] 一実施形態において、上記方法は、第1の基板を提供することと、該第1の基板より上に配置された第1の電極を提供することと、をさらに含む。第1の表面は、該第1の電極より上に配置される。上記方法は、第1の表面より上に配置された液晶層を提供することと、該液晶層より上に配置された第2の表面を提供することと、該第2の表面より上に配置された第2の電極を提供することと、該第2の電極より上に配置された第2の基板を提供することと、をさらに含む。
[0026] 一実施形態において、第2の表面を配置するステップは、第2の表面にレーザエネルギーを照射することで、0.1nm〜500μmの大きさのフィーチャを有する第2の異方性パターンを含む第2の異方性パターン付き配向層を形成することを含む。第2の異方性パターンは、第2の表面の面内の第3の方向に5nm〜500μmの第3の周期性を有する。
[0027] 一実施形態において、第1の表面にレーザエネルギーを照射することは、第1の表面上でレーザを第1の方向に並進移動させること、または第1の表面を第1の方向に並進移動させることを含む。
[0028] 一実施形態において、第1の表面はポリマーを含む。一実施形態において、第1の表面は無機材料を含む。一実施形態において、第1の表面は金属または金属酸化物のナノ粒子を含む。一実施形態において、第1の表面はカーボンナノチューブを含む。
[0029] 一実施形態において、異方性パターン付き配向層は、ネマティック液晶層、コレステリック液晶層、スメクティック液晶層、ディスコティック液晶層、またはブルー相液晶層に顕著な配向を発生させることができる。一実施形態において、異方性パターン付き配向層は、配向秩序パラメータが少なくともS=0.40である配向をネマティック液晶層に発生させることができる。
[0030] 一実施形態において、異方性パターン付き配向層は、光操作性、光散乱作用または光回折の能力を有する。
[0031] 一実施形態において、第1の表面は可撓性を有する。一実施形態において、第1の表面は剛性を有する。
[0032] 一実施形態において、上記方法は、第1の異方性パターン付き配向層にレーザエネルギーを照射して第2の異方性パターンを形成することを含む。
[0046] ゼロ電界のLC配向は、LC層を封じ込める幾何学的形状の境界条件によってもたらされる。この境界条件は配向層によって決定づけられる。LC材料の分子配向は、配向膜の表面上の物理的および/または化学的異方性に基づいている。これらの表面特性から、隣接するLC分子の異方的な配置が生じる。
[0047] 従来から、配向層は、ラビング布を使ってポリマー膜を機械的に一方向にラビングすることによって作り出されている。この方法は、その簡易性、耐久性および低コスト性から広く用いられている。しかし、ラビング中に生じる粉塵の発生や表面の帯電に加え、表面に機械的な欠陥が生じることは、電気化学デバイスの性能および寿命にとって好ましくないものとなり得る。また、デブリの生成がクリーンルームの要件に合致しておらず、一方、ポリイミド配向膜の処理温度は高温であるため多くのフレキシブル基板への適用が制限される。さらに、ラビング法では、ミクロンサイズ(またはそれより小さいサイズ)の領域内に異なるLC配向を達成することは難しい。
[0048] 機械的ラビング法の限界を克服するため、表面異方性を生じさせる代替的方法を使用し得る。有望な代替手法の一つとして光配向がある。この方法は、偏光を利用して、方向性のある光反応(例えば、異性化反応、異方的架橋反応、または方向性のある光劣化反応)によって光反応性表面に化学的異方性を発生させるものである。異なる表面分子種間の異方的な分子間相互作用も、LC分子を十分に配向させることが確認されている。光配向は、フレキシブル基板での実現可能性に加えて、複数領域でのLC配向のためのフォトマスクを介したマイクロレベルのパターニングを行う可能性を提供する。しかしながら、大多数の光配向材料は長期安定性に欠ける(光、熱および/または化学的不安定性を有する)。
[0049] そのため、高い製造再現性と信頼性のある継続的制御を伴う、安定したLC配向をもたらす安価なLC配向膜が必要とされている。配向層に対する主な要件としては、長期間にわたる熱安定性および光安定性、デバイス動作中における熱安定性および光安定性、ならびに外部から印加される電界の下で数多くの動的(スイッチング)サイクルに耐える「電気的」安定性がある。
[0050] 本明細書中に開示される実施形態は、さまざまなLCベースの受動および能動デバイス、すなわち、光操作フィルム、光学補償フィルム、偏光子、可変波長板、可変フィルタ、種々の液晶ディスプレイ(LCD)モード(例えば、ねじれネマティック(TN)、超ねじれネマティック(STN)、電界制御型複屈折(ECB)、光学補償ベンド(OCB)、垂直配向(VA)、動的眼科用製品、可変ビームスプリッタ、偏光有機発光ダイオード(OLED)、バイポーラ有機電界効果トランジスタ(OFET)等における液晶分子の配向層としての潜在的用途のための、レーザ作用またはインクジェット印刷によって作成されるナノレベルおよびマイクロレベルのパターンが形成されたトポグラフィを有する層に関連する。
[0051] 本明細書に開示される実施形態は、その化学的性質、パターン形状、大きさ、周期性および定着強度の点で異なる、さまざまなナノレベル/マイクロレベルの異方性表面トポグラフィをカバーする。配向層が持つナノメートルおよびマイクロメートルサイズの表面フィーチャによって、平面配向、傾斜配向またはホメオトロピック配向等のさまざまな液晶(LC)配向をもたらすことができる。これらの配向層は、広範な範囲のナノレベル/マイクロレベルトポグラフィ設計を有し、これらの配向層によって、ネマティックLC、スメクティックLC、コレステリックLC、ディスコティックLC、およびブルー相LC等を含むがこれらに限定されない、種々のロッド状およびディスク形状のLC分子の配向をもたらすこともできる。
[0052] 配向膜の表面トポグラフィと、その上を覆うLC分子に対するナノレベルおよびマイクロレベル構造の封じ込め効果とが、LC−固体表面の界面における分子間相互作用(主に双極子相互作用、ファンデルワールス相互作用、および立体相互作用)の複雑な相互関係と相俟って、LC配向と、最終的なLCデバイスの電気光学(磁気光学)応答とを決定付ける。さらに、配向表面の物理特性だけでなく化学特性も調整することができ、このことはLC分子の表面定着に直接的な影響を及ぼす。このようにして、調整された定着エネルギーをもつ配向層、すなわち、単安定、双安定、または多安定の定着状態をもたらすことができる層が可能となる。
[0053] ゼロ電界のデバイス動作状態においてLC配向をもたらす、本明細書に開示される配向層は、ナノメートルおよびマイクロメートルサイズのトポグラフィのフィーチャを含む層である。電気光学デバイスにおいて、これらの配向層は、通常、両基板の内側であって、LC層に隣接する位置に設けられる。本明細書で使用される「配向層」との用語は、基板より上に配置された別個の層、電極より上に配置された別個の層、および「配向層」として機能する基板または電極を含む。また、配向層は、該配向層とLC層との間に別の層が介在するように位置づけることもできる。傾斜ゼロの面内(平面)LC配向から、さまざまな所定のチルト角のLC配向、さらには完全に垂直な(ホメオトロピック)LC配向にわたる、特定のLC配向をもたらすように、広範な範囲の表面トポグラフィを達成することができる。
[0054] 図1Aは、第1の表面100からなる例示的な配向層を示す。この第1の表面は、ナノレベルまたはマイクロレベル構造のトポグラフィを含む異方性パターン300を持つ。ナノレベルまたはマイクロレベル構造のトポグラフィは表面フィーチャと呼ぶこともできる。
[0055] 異方性パターン300は第1の周期性301を有する。第1の周期性の好ましい範囲としては、0.1nm〜500μm、0.1nm〜1nm、0.5nm〜1nm、0.5nm〜500μm、50nm〜500μmが含まれ、より好ましくは5nm〜500μmである。本明細書を通して論じられる周期性および寸法に関しては、概して、値が小さいほど強い配向効果を有し、値が大きいほど容易に製造し得る。
[0056] 第1の周期性は、表面100の第1の方向101に沿った周期性である。本明細書で使用される「周期性」との用語は、2つの隣接する表面フィーチャの中心間距離として定義される。これはピッチと呼ぶこともできる。図1Bは、異方性パターン300の別の実施形態を示す。図1Aおよび1Bの異方性パターン300は、表面の第2の方向102に沿った第2の周期性は持たない。
[0057] 図2は、第1の表面100上の配向層の別の実施形態を示す。この配向層は、その異方性パターン300が第1の表面100の第2の方向102に沿って第2の周期性302を有することを除いては、図1Aおよび1Bの配向層と同様である。第2の周期性の好ましい範囲としては、0.1nm〜500μm、0.1nm〜1nm、0.5nm〜1nm、0.5nm〜500μm、50nm〜500μmが含まれ、より好ましくは5nm〜500μmである。第2の周期性は第1の周期性301と異なることが好ましい。また、図2に示されるように、2つの周期性の方向である2つ方向101および102は互いに異なる方向である。これら2つの方向は、図2にあるように互いに直交させることもできるし、図3にあるように互いに任意の角度にあってもよい。
[0058] 異方性パターンの表面フィーチャまたはトポグラフィは、0.1nm〜500μmの大きさを有する。本明細書で使用される「大きさ」との用語は、フィーチャの高さ、幅および長さを含むことができる。表面フィーチャは、3次元全て(高さ、幅、長さ)が上記範囲にあることが好ましい。あるいは、表面フィーチャは、1次元または2次元のみ上記大きさの範囲にあってもよい。例えば、溝のトポグラフィは、溝の幅および高さは上記範囲内であるが、長さは上記範囲を超える基板寸法に相当する寸法であってもよい。本明細書に記載される表面フィーチャは、第1の表面より高くすることも低くすることもできる。本明細書で使用される「高さ」との用語は、第1の表面から表面フィーチャの頂部までの距離、または第1の表面から表面フィーチャの谷部までの距離を意味する。図4は、例示的な配向膜の断面図であって、例示的なパターンのトポグラフィにおける高さおよび幅(寸法d1およびd3)を示している。また、図4は、1つのフィーチャの終点から別のフィーチャの始点までの間隔d2も示している。d2は0〜500μmとすることができる。d2の値がゼロである場合、表面フィーチャが互いに接触しているか、または重なり合っている可能性があることを意味するが、図3a〜cに示されるように、表面フィーチャ同士が接触する方向においてもいくらかの周期上の変化があり得る。図4は、第1の表面100の一方向における周期性301も示している。図4では特定の形状のトポグラフィが示されているが、本明細書に開示される実施形態はこれらの形状に限定されることはなく、本分野で公知の他の形状を含むことができる。1つのパターン300は、複数の形状のトポグラフィを持つことができる。さらに、図1〜4には1つのパターン300のみを有する第1の表面が示されているが、第1の表面は、第1の表面の異なる領域に2以上のパターンを含むことができる。
[0059] 図1〜4の配向層は、電気光学デバイスに組み込むことが可能である。配向層は、ゼロ電界状態の間、LC材料の配向に影響を及ぼす。図5Aに示されるように、本明細書に開示される配向層は、電気光学デバイスの基板400の表面であってよい。また、他の実施形態では、配向層は、図5Bに示されるような電極500の表面であってよい。さらに別の実施形態では、配向層は、図5Cに示されるようなデバイスの電極層または基板層より上に配置された別個の配向層600であってもよい。電気光学デバイスは1以上の配向層を有してよい。好ましくは、2つの配向層が存在し、それらが液晶層に隣接して配置される。このことが配向層500および800を含む図5Cに示されている。ただし、配向層は、LC層と配向層との間に別の層が介在するように配置することもできる。
[0060] 本明細書に開示される配向層は、LC層内に顕著な配向を発生させることができる。これらのLC層は、ネマティック層、コレステリック層、スメクティック層、ディスコティック層、およびブルー相の層を含むがこれらに限定されない。本明細書で使用される「顕著な配向」との表現は、LC分子内の配向秩序パラメータSが絶対値0.3より大きいことを意味し、該パラメータは絶対値0.4より大きいことが好ましい。これらの配向層は、配向秩序パラメータが少なくとも0.50である配向をネマティック液晶層に発生させることができるものであることが好ましい。
[0061] 本明細書に開示される配向層は、第1の表面の特性に応じて、剛性とすることも可撓性とすることもできる。
[0062] いくつかの実施形態では、本明細書に開示される配向層と、該配向層のナノレベルおよびマイクロレベル構造のトポグラフィとは、インクジェット印刷によって作成することができる。別の実施形態では、これらをレーザ作用によって作成することができる。これらの方法について以下で説明する。
[0063] インクジェット印刷とは、溶液分配技術であって、非接触で材料効率の高い処理が高い再現性をもって行われる点に特徴がある。
[0064] インクジェット印刷によって作成される配向層の最終的な表面フィーチャは、その処理パラメータに強く依存する。これらのパラメータとしては、インクジェットのノズル径、液滴量、溶液および基板の温度、基板(またはインクジェット)の移動速度、ならびに基板および溶液の材料特性が含まれるがこれらに限定されない。材料特性としては、使用する溶液の性質、特に、使用する溶剤とその粘度、蒸気圧および表面張力;インク濃度または溶液濃度;および基板の性質(例えば、その濡れ性)が含まれるがこれらに限定されない。全体的に見て、最終的なトポグラフィは多くの要素の複雑な相互関係の結果である。当業者が本開示を見れば、これらのパラメータを用いて開示される表面フィーチャを容易に生成することができるだろう。
[0065] 一実施形態において、配向層は、第1の表面100上に溶液200を堆積させることによって作成される。第1の表面は、基板、電極、または電極もしくは基板上に配置された別個の層の第1の表面とすることができる。いくつかの実施形態では、上記溶液はインクである。図6に示されるように、いくつかの実施形態では、インクジェット印刷ノズル3000からインクの液滴201を1滴ずつ吐出することによって堆積を行うことができる。ノズル径は液滴の大きさに影響を及ぼす。堆積がインク液滴の吐出である場合、インクジェットのノズル径は、吐出された液滴量、および基板表面上における吐出された液滴のその後の凝集とともに、形成される最終的な表面フィーチャを部分的に画定することになる。一実施形態において、ノズル径は50nm〜500μmであり、好ましくは50nm〜1μmである。ただし、当業者が本開示を見れば、任意の好適なノズル径で開示される表面フィーチャを容易に生成することができるだろう。
[0066] 溶液は、第1の表面100上に異方性パターン1600が形成されるように、第1の表面100上に堆積される。(隣り合う2つの溶液液滴の中心間距離として定義される)ドット間隔と、基板/インクジェット印刷ノズルの移動速度とは、形成される異方性パターンおよび異方性パターン内に存在する周期性に影響を及ぼすことになる。いくつかの実施形態では、第1の表面を静止状態に維持しながらノズルを移動させる。別の実施形態では、第1の表面100を移動させる。
[0067] 図7a〜7cは、結果として得られる例示的な異方性パターンを示す。図7a〜7cに示されるように、堆積された溶液によって作り出された各異方性パターン1600は、第1の表面の第1の方向101に周期性301を有し、第1の表面100の第2の方向102に第2の周期性302を有する。第1および第2の周期性の好ましい範囲としては、0.1nm〜500μm、0.1nm〜1nm、0.5nm〜1nm、0.5nm〜500μm、50nm〜500μmが含まれ、より好ましくは5nm〜500μmである。この当初の異方性パターン1600は、結果として得られる異方性パターン付き配向層に影響を及ぼす。そのため、2つの周期性を有する異方性パターン1600は、一方が他方よりも大きい異なる周期性を有してよい。こうすることで、異方性パターン1600の凝固後、方向性のあるチャネル/溝が第1の表面100内に形成され、該表面を配向層として使用することができるようになる。方向101および方向102は第1の表面のx軸およびy軸に平行とすることが
できる。あるいは、両者が互いに異なる方向である限り他の方向とすることもできる。いくつかの実施形態では、方向101および方向102は互いに直交してよい。図示されていないが、本明細書におけるいくつかの実施形態は、1つの方向101に1つの周期性301のみを有する異方性パターン1600を含む。
できる。あるいは、両者が互いに異なる方向である限り他の方向とすることもできる。いくつかの実施形態では、方向101および方向102は互いに直交してよい。図示されていないが、本明細書におけるいくつかの実施形態は、1つの方向101に1つの周期性301のみを有する異方性パターン1600を含む。
[0068] 異方性パターン1600を堆積させた後、異方性パターン300を含む異方性パターン付き配向層を形成するために溶液を凝固させる。ここで、異方性パターン300は、図1〜4に記載されるものと同様の特質を有する同様のものである。表面フィーチャは、0.1nm〜500μmの大きさであってよい。より小さい範囲であるとLC配向の点で望ましい場合があり、したがって、その大きさは、0.1nm〜1nm、0.5nm〜1nm、0.5nm〜500μm、5nm〜500μmが好ましく、50nm〜500μmがより好ましい。本明細書において使用される「凝固させる」または「凝固した」との表現は、架橋、溶剤気化、これら2つの組み合わせ、あるいは本分野で公知のその他の方法を含む、溶液を固体に変化させるあらゆる方法を含む。
[0069] 一実施形態において、凝固させるステップは、異方性パターン付き配向層上に結果として得られる異方性パターン300が当初の異方性パターン1600とは異なるものになるように、異方性パターン1600に変更を加えてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、溶液200は、凝固の際に溶液に凝集を生じさせるような粘度または表面張力特性を有してよい。さらに、第1の表面100は、溶液200の凝集に寄与する表面濡れ性を有してよい。図8a〜8cは、溶液が第1の表面上で凝固した後の例示的なトポグラフィを示す。これらのトポグラフィは、堆積された溶液の凝集を示している。図8a〜8cに示される最終的な異方性パターン300は、図7a〜7cに示される堆積パターン1600とは異なる。溶液の粘度、密度および濃度、インクおよび基板の温度、ならびに使用する溶剤の性質、特に、溶剤の蒸気圧および蒸発率によって、第1の表面上の最終的なパターンが決定されることになる。また、溶液によっては、凝固の際に紫外線照射または赤外線加熱によって追加的に焼成することが必要な場合もあり、そのような段階では、溶液の収縮が異方性パターン300の最終的な形状に主要な役割を果たすことになる。
[0070] いくつかの実施形態では、堆積された異方性パターン1600と、異方性パターン付き配向層上の最終的な異方性パターン300とが同じものになるように、異方性パターン300を凝固させる。例えば、いくつかの実施形態では、溶液および基板の特性が凝集に寄与するものでなく、液滴は凝集しない。本明細書において使用される「変化」または「異なる」との表現は、パターンフィーチャの大きさおよび形状の変化を含む。凝集量または2つのパターン1600とパターン300の間の変化量にかかわらず、結果として得られる異方性パターン300は、異方性パターン1600に含まれる周期性のうちの少なくとも一部の構造を保持している。
[0071] いくつかの実施形態では、パターンの化学的性質が、その上を覆うLC分子の配向にも影響を及ぼす場合がある。したがって、上記方法に使用される溶液の種類が、最終的なパターンに影響を及ぼすだけでなく、LC層の分子とパターンの間の化学的相互作用によりLC分子の配向にも影響を及ぼすことになる。例えば、アクリレートを含む溶液で作られたパターンが、テフロン(登録商標)を含む溶液から作られた同じパターンとは大きく異なるLC配向を発生させる場合がある。アクリレートのパターンの場合、LC配向は、平面LC配向または低チルト角の平面LC配向となる可能性がもっとも高い。一方、テフロン(登録商標)のパターンでは、ホメオトロピックなLC配向が発生することが予想される。本明細書に開示される方法に使用される溶液としては、例えば、共役ポリマー、アクリレート、ウレタン、オルガノシラン、エポキシ樹脂、アルコール、ケトン、アルデヒド、アルカン、アルケン、または塩素化溶剤等の、溶剤、界面活性剤および結合剤を含む溶液が挙げられるがこれらに限定されない。
[0072] いくつかの実施形態では、パターンを堆積させるために使用される溶液は、金属、金属酸化物のナノ粒子、および/またはカーボンナノチューブを、単独で、または組み合わせて含んでよい。そのようなナノ粒子/ナノチューブは、その上を覆うLC分子の配向をさらに促進し得るだけでなく、配向層の追加的特性、例えば、光回折、光操作(光線の焦点合わせまたは焦点はずれを含むがこれに限定されない)、または光散乱効果といった特性にも寄与し得る。ナノ粒子/ナノチューブは、インクジェット印刷条件と、その凝集挙動を調整することで、基板表面上の一定のパターン内に「秩序付け」られ得る。この秩序付けを図12Aおよび12Bに示す。このようにして、上記方法で作成された配向層は、図1〜4に記載されるような異方性パターン付き配向層となる。
[0073] いくつかの実施形態における方法では、第1の表面100を図5Cに示されるような電気光学デバイスに組み込むためのステップをさらに含んでよい。このステップは、第1の基板400を提供することと、この第1の基板より上に配置された第1の電極500を提供することと、を含む。上記方法は、第1の電極500より上に第1の表面100を配置することと、この第1の表面より上に配置された液晶層700を提供することと、この液晶層より上に配置された第2の表面1100を提供することと、この第2の表面より上に配置された第2の電極900を提供することと、第2の電極900より上に配置された第2の基板1000を提供することと、をさらに含み得る。本明細書において使用される「〜より上に配置された(disposed over)」との表現は、第1の表面と基板との間にいくつかの層が介在してもよいことを意味する。第2の表面1100は、この第2の表面上に形成された第2の異方性パターン1300を有する。第2の異方性パターン1300は、異方性パターン300と同様であり、第1の異方性パターン300と同様に形成される。
[0074] 一実施形態において、図1〜4に記載される配向層はレーザ作用によって作成されてもよい。図1〜4に記載される、結果として得られる表面フィーチャは、第1の表面の材料特性と、レーザ処理のパラメータ(例えば、レーザパルス、レーザ出力およびレーザスキャン速度を含むがこれらに限定されない)とに強く依存し得る。全体的に見て、配向層の最終的なトポグラフィは、材料特性およびレーザパラメータを含むがこれらに限定されない多くの要素の複雑な相互関係の結果である。当業者が本開示を見れば、これらのパラメータを用いて開示される表面フィーチャを容易に生成することができるだろう。
[0075] いくつかの実施形態では、図1〜4の異方性パターン付き配向層を作成するため、第1の表面100にレーザエネルギーを照射することで表面フィーチャを有する第1の異方性パターン300が形成される。このフィーチャの大きさは、0.1nm〜500μmである。より小さい範囲であるとLC配向の点で望ましい場合があり、したがって、その大きさは、0.1nm〜1nm、0.5nm〜1nm、0.5nm〜500μm、50nm〜500μmが好ましく、5nm〜500μmがより好ましい。フィーチャの長さおよび幅の少なくとも一方が、0.1nm〜50nmの範囲、好ましくは0.5nm〜50nmの範囲であってよい。
[0076] 第1の表面は、基板の表面、電極の表面、または別個の層の表面とすることができる。
[0077] レーザパルスおよびレーザビーム速度、ならびに/または配向層の並進移動が表面パターンに影響を及ぼし得る。レーザエネルギーは、2つの隣接するパルスとパルスの間の空間距離(space to space distance)(以下、「レーザパルス間隔」という)の態様で、第1の表面に照射される。レーザパルス間隔の好ましい範囲としては、0.1nm〜500μm、0.1nm〜1nm、0.5nm〜1nm、0.5nm〜500μm、50nm〜500μmが含まれ、より好ましくは、5nm〜500μmである。こうすることで、結果として得られる配向層は、表面の面内の第1の方向101に第1の周期性301を有する異方性パターン300を持つことになる。このことが図9に示されている。
[0078] レーザエネルギーは、異方性パターン300が第2の方向102に第2の周期性302をもつように照射することもできる。第2の周期性の好ましい範囲としては、0.1nm〜500μm、0.1nm〜1nm、0.5nm〜1nm、0.5nm〜500μm、50nm〜500μmが含まれ、より好ましくは5nm〜500μmである。図9は、第1の表面100内に形成された異なる異方性パターン300の模式図である。これらのパターンのうちの一部は、第1の表面100の面内の異なる2つの方向101および102に沿った2つの周期性301および302を持つ。2つの周期性は、第1の表面のx−y軸に沿うものとして示されているが、第1の表面のx−y軸に沿わない異なる方向の周期性とすることもできる。さらに、2つの方向は互いに直交しないものとすることもできる。これらの周期性と、第1の表面とレーザエネルギーの間の反応とによって、第1の表面内の最終的な異方性パターン300が画定されることになる。図1〜4に開示される配向層を作り出すため、第1の周期性301と第2の周期性302とは異なっている。これにより、方向性のあるチャネル/溝が第1の表面100内に形成される。ただし、本明細書中の実施形態は、第1の表面の一方向に沿った1つの周期性のみを有する異方性パターン300を持つ配向層も含む。図9には、両方のタイプの異方性パターン300が示されている。
[0079] 本明細書に開示される実施形態は、市販のあらゆるレーザまたはその他の好適なレーザを用いて実施することができ、第1の表面の材料に応じて、異なる性質のものとすることができ、異なる波長のガスレーザ、液体レーザ、または固体レーザとすることができる。このようなレーザとしては、ND:YAG、Arレーザ、CO2レーザが含まれるがこれらに限定されない。第1の表面の材料に対するレーザ作用は異なる性質のものとすることができ、例えば、材料の融解、材料の燃焼/気化、材料の硬化、および材料のエッチングがあるがこれらに限定されない。図8は、連続発光およびパルス発光の種々の市販レーザ(それらの動作波長を含む)の概要を表している。特有のレーザ線を持つレーザ種が波長バーの上部に示される一方、波長バーの下には、ある波長範囲で発光可能なレーザが示されている。各線およびバーの高さは、市販の最大出力/パルスエネルギーを表し、色はレーザ材料を体系的に表している。ほとんどのデータは、ウェーバーによる「Handbook of Laser Wavelengths」に基づく。
[0080] いくつかの実施形態では、異方性パターンの化学的性質が、かかるパターンが形成された表面上でその上を覆うLC分子の配向に大きな影響を及ぼし得る。パターンの化学的性質は、第1の表面の組成の影響を受ける。そのため、レーザエネルギーが照射される第1の表面100は、ITO,SiO2、ZrO2およびZnO2を含むがこれらに限定されない無機材料で構成され得る。例えば、ITO、またはSiO2、またはテフロン(登録商標)材料内に作られた同一のパターンが大きく異なるLC配向を発生させる場合がある。ITOを含む第1の表面内にパターンが作られる場合、LC配向は、平面LC配向または低プレチルト角の平面LC配向となる可能性がもっとも高い。一方、テフロン(登録商標)のような材料を含む第1の表面内に同一のパターンが作られる場合、ホメオトロピックなLC配向が予想される。例えば、一実施形態において、波長1064nmのレーザビームがITOまたはSIO2からなる第1の表面上に照射され、方向性ある材料除去、すなわち材料エッチッグにより表面パターンが生成される。
[0081] いくつかの実施形態では、第1の表面はポリマーで構成され得る。例えば、一実施形態において、(架橋により顕著な収縮を示す)アクリレートプレポリマーで構成された第1の表面上を波長365nmのレーザビームでスキャンし、異方的架橋/収縮/皺加工すなわち、方向性のある材料硬化)によって方向性のある表面フィーチャが生成される。さらに、レーザビームを直線偏光させて、「方向性のある反応性」を有する第1の表面材料内に、より広範な範囲の方向性のあるフィーチャを生成することができる。さらに別の実施形態では、強出力レーザを使用して、第1の表面の材料を燃焼/蒸発させることで異方性パターン300を作り出すこともできる。理論的には、あらゆる材料からなる表面/基板にインクジェット法を適用することができる。溶液と基板材料との相互作用によって、さまざまな表面フィーチャが可能である。レーザ法では、基板材料とレーザビームとの相互作用には一定のタイプがある。例えば、ポリアクリレート基板またはポリカーボネート基板は1064nmのレーザビームとはあまり相互作用を起こさないが、これら2つの基板はインクジェット印刷法とともに使用できる。インクジェットとレーザの両方のタイプの方法に適用可能な材料もあり、例えば、金属/導体の表面がある。しかし、同じ基板材料の上に2つの方法で作成された最終的に得られるパターンは異なるものとなる場合があり、その結果として、異なるLC配向、つまり、異なる配向秩序パラメータをもたらす場合がある。
[0082] いくつかの実施形態では、レーザは、連続レーザとすることもパルスレーザとすることもできる。連続レーザの場合、第1の表面上でのレーザビームをさまざまなスキャンスピードとすること、静止状態のレーザビームの下で第1の表面をさまざまな態様で並進移動させること、あるいは、レーザビームと第1の表面の両方をさまざまな態様で相互に並進移動させることが可能である。パルスレーザの場合、所望の異方性パターン300が生成されるように、レーザ強度(パルス強度/出力)、パルス周波数およびレーザスキャンスピードを変更することができる。また、パルスレーザの場合、レーザ、第1の表面、またはその両方を並進移動させることが可能である。
[0083] いくつかの実施形態では、第1の表面100は、金属または金属酸化物のナノ粒子およびカーボンナノチューブを、単独で、または組み合わせてさらに含んでよい。レーザとナノ粒子/ナノチューブとの間の相互作用は、レーザと周辺材料/マトリックスとの間の相互作用とは異なる場合がある。レーザ処理条件を調整することで、図12Aおよび12Bに示されるように、ナノ粒子/ナノチューブを含む第1の表面材料内において多様なパターンが可能となる。そのようなナノ粒子/ナノチューブは、その上を覆うLC分子の配向をさらに促進し得るだけでなく、配向層の追加的特性、例えば、光回折性、光操作性(光線の焦点合わせまたは焦点はずれを含むがこれに限定されない)および光散乱効果といった特性にも寄与し得る。
[0084] この方法は、第1の表面100を図5Cに示されるような電気光学デバイスに組み込むためのステップをさらに含んでよい。このステップは、第1の基板400を提供することと、この第1の基板より上に配置された第1の電極500を提供することと、を含む。上記方法は、第1の電極500より上に第1の表面100を配置することと、第1の表面より上に配置された液晶層700を提供することと、この液晶層より上に配置された第2の表面1100を提供することと、この第2の表面より上に配置された第2の電極900を提供することと、第2の電極900より上に配置された第2の基板1000を提供することと、を含むことができる。本明細書において使用される「〜より上に配置された(disposed over)」との表現は、第1の表面と基板との間にいくつかの層が介在してもよいことを意味する。第2の表面1100は、この第2の表面上に形成された第2の異方性パターン1300を有する。第2の異方性パターン1300は、異方性パターン300と同様であり、第1の異方性パターン300と同様に形成される。
モデル化
[0085] 非制限的な例示として、1064nmのレーザビームで、スキャン速度400mm/s、周波数20kHzでITO層に作成された表面パターンを図10A〜10Cに示す。図10A〜10Cに示されるように、良好なパターン再現性がある。ITO層におけるレーザエッチング作用によって約20nmの溝深さが達成された。結果として得られた配向層は第1の表面の水平方向に70μmの周期性を有する。溝がスキャン方向に沿って顕著な周期性を示さない程度に、十分接近したレーザパルスであった。
[0085] 非制限的な例示として、1064nmのレーザビームで、スキャン速度400mm/s、周波数20kHzでITO層に作成された表面パターンを図10A〜10Cに示す。図10A〜10Cに示されるように、良好なパターン再現性がある。ITO層におけるレーザエッチング作用によって約20nmの溝深さが達成された。結果として得られた配向層は第1の表面の水平方向に70μmの周期性を有する。溝がスキャン方向に沿って顕著な周期性を示さない程度に、十分接近したレーザパルスであった。
[0086] 図10A〜10Cに示される表面パターンを、LC配向性能に関してさらにテストした。このため、二色性色素(ディスパースの赤1)で低濃度にドープされた厚さ7ミクロンのネマティックLCセルを用意した。市販のネマティックLC(MDA−98−1602、Merck社)を0.3〜0.5wt%の二色性色素(ディスパースの赤1、Sigma・Aldrich社)でドープした後、このLCを、(図4に示されるもののように)レーザエッチングを行ってパターン形成したITO層を含む基板を用いて用意しておいた空のLCセルに注入した。空のLCセルに、色素でドープしたネマティックLCを、LC結晶を透明化させる温度を超える温度で充填し、その後、ゆっくりと室温まで冷却した。LC配向の品質を評価するため、二色性色素(ディスパースの赤1)が周辺のロッド状LC分子と同様に配向していると仮定して、このセルについて色素の偏光吸光度を記録した。図11は、ネマティックLCにドープされた色素の偏光吸収スペクトルである。ネマティックなホスト内における色素の配向により、色素の偏光スペクトルAparallelおよびAperpendicular(Aparallel=配向方向に平行な方向における色素の吸光度、Aperpendicular=配向方向に直交する方向における色素の吸光度)に違いが見られた。さらに、このセルの配向秩序パラメータSを以下の式に従って算出した。
(上記式において、Rは二色比であり、Aparallelは配向方向に平行な方向における色素の吸光度であり、Aperpendicularは配向方向に直交する方向における色素の吸光度である。)この配向層は、配向秩序パラメータSが0.55という高い数値をもって表される非常に良好なLC配向を達成した。
Claims (46)
- 第1の表面を提供することと、
インクジェット印刷により前記第1の表面上に溶液を堆積させて第1の異方性パターンを形成することと、
前記溶液を凝固させて、5nm〜500μmの大きさのフィーチャを有する第1の異方性パターン付き配向層を形成することと、を含む方法であって、
前記堆積によって形成された前記第1の異方性パターンは、前記第1の表面の面内の第1の方向に5nm〜500μmの第1の周期性を有する、方法。 - 前記堆積によって形成された前記第1の異方性パターンは、前記表面の面内の第2の方向に第2の周期性を有し、
前記第1の方向と前記第2の方向とは異なる方向であり、
前記第1の周期性と前記第2の周期性とは異なる周期性であり、
前記第2の周期性は5nm〜500μmである、
請求項1に記載の方法。 - 溶液を堆積させることは、前記溶液の液滴を堆積させることを含み、
前記溶液を凝固させることは、前記第1の周期性を持つ少なくとも一部の構造を保持しながら前記液滴を部分的に凝集させることを含む、
請求項1に記載の方法。 - 前記第1の表面は、基板の第1の表面である、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の表面は、電極の第1の表面である、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の表面は、電極または基板上に配置された別個の層の第1の表面である、請求項1に記載の方法。
- 第1の基板を提供することと、
前記第1の基板より上に配置された第1の電極を提供することと、
前記第1の電極より上に前記第1の表面を配置することと、
前記第1の表面より上に配置された液晶層を提供することと、
前記液晶層より上に配置された第2の表面を提供することと、
前記第2の表面より上に配置された第2の電極を提供することと、
前記第2の電極より上に配置された第2の基板を提供することと、
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 第2の表面を提供することは、
インクジェット印刷によって前記第2の表面上に溶液を堆積させて第2の異方性パターンを形成することと、
前記溶液を凝固させて、5nm〜500μmの大きさのフィーチャを有する第2の異方性パターン付き配向層を形成することと、を含み、
前記堆積によって形成される前記第2の異方性パターンは、前記第2の表面の面内の第3の方向に5nm〜500μmの第3の周期性を有する、
請求項7に記載の方法。 - 前記第2の異方性パターンは、前記第2の表面の面内の第4の方向に第4の周期性を有し、
前記第3の方向と前記第4の方向とは異なる方向であり、
前記第3の周期性と前記第4の周期性とは異なる周期性であり、
前記第4の周期性は5nm〜500μmである、
請求項8に記載の方法。 - 前記第1の表面上に溶液を堆積させることは、前記第1の表面上でインクジェットを前記第1の方向に並進移動させることと、前記基板を前記第1の方向に並進移動させることのいずれかを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記溶液を凝固させるステップは、紫外線照射により前記溶液を収縮させることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記溶液を凝固させるステップは、赤外線加熱により前記溶液を収縮させることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記溶液は、共役ポリマー、アクリレート、ウレタン、オルガノシラン、およびエポキシ樹脂のうちの一種またはそれらの組み合わせを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記溶液は、界面活性剤または結合剤を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記溶液は、アルコール、ケトン、アルデヒド、アルカン、アルケン、または塩素化溶剤のうちの一種またはそれらの組み合わせを含む溶剤を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記溶液は、金属または金属酸化物のナノ粒子を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記溶液は、カーボンナノチューブを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記異方性パターン付き配向層は、ネマティック液晶層、コレステリック液晶層、スメクティック液晶層、ディスコティック液晶層、またはブルー相液晶層に顕著な配向を発生させることができる、請求項1に記載の方法。
- 前記異方性パターン付き配向層は、配向秩序パラメータが少なくともS=0.50である配向をネマティック液晶層に発生させることができる、請求項1に記載の方法。
- 前記異方性パターン付き配向層は、光操作性、光散乱作用または光回折の能力を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の方向と前記第2の方向とは互いに直交する、請求項2に記載の方法。
- 前記第1の表面は可撓性を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の表面は剛性を有する、請求項1に記載の方法。
- 溶液を堆積させるステップは、50nm〜500μmのノズルサイズのインクジェットを使用することを含む、請求項1に記載の方法。
- 溶液を堆積させるステップは、前記第1の表面上に第2の異方性パターンを形成することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 第1の表面を提供することと、
前記第1の表面にレーザエネルギーを照射して、0.1nm〜500μmの大きさのフィーチャを有する第1の異方性パターンを含む第1の異方性パターン付き配向層を形成することと、を含む方法であって、
前記第1の異方性パターンは、前記第1の表面の面内の第1の方向に5nm〜500μmの第1の周期性を有する、方法。 - 前記レーザエネルギーはパルスとして照射される、請求項26に記載の方法。
- 前記第1の異方性パターンは、前記表面の面内の第2の方向に5nm〜500μmの第2の周期性を有し、
前記第1の方向と前記第2の方向とは異なる方向であり、
前記第1の周期性と前記第2の周期性とは異なる周期性である、
請求項26に記載の方法。 - 前記第1の表面は、基板の第1の表面である、請求項26に記載の方法。
- 前記第1の表面は、電極の第1の表面である、請求項26に記載の方法。
- 前記第1の表面は、電極または基板上に配置された別個の層の第1の表面である、請求項26に記載の方法。
- 第1の基板を提供することと、
前記第1の基板より上に配置された第1の電極を提供することと、
前記第1の電極より上に前記第1の表面を配置することと、
前記第1の表面より上に配置された液晶層を提供することと、
前記液晶層より上に配置された第2の表面を提供することと、
前記第2の表面より上に配置された第2の電極を提供することと、
前記第2の電極より上に配置された第2基板を提供することと、
をさらに含む、請求項26に記載の方法。 - 第2の表面を提供することは、
前記第2の表面にレーザエネルギーを照射して、0.1nm〜500μmの大きさのフィーチャを有する第2の異方性パターンを含む第2の異方性パターン付き配向層を形成することを含み、
前記第2の異方性パターンは、前記表面の面内の第3の方向に5nm〜500μmの第3の周期性を有する、請求項32に記載の方法。 - 前記第1の表面にレーザエネルギーを照射することは、前記第1の表面上でレーザを前記第1の方向に並進移動させること、または前記基板を前記第1の方向に並進移動させることを含む、請求項26に記載の方法。
- 前記第1の表面は、ポリマーを含む、請求項26に記載の方法。
- 前記第1の表面は、無機材料を含む、請求項26に記載の方法。
- 前記第1の表面は、金属または金属酸化物のナノ粒子を含む、請求項26に記載の方法。
- 前記第1の表面は、カーボンナノチューブを含む、請求項26に記載の方法。
- 前記異方性パターン付き配向層は、ネマティック液晶層、コレステリック液晶層、スメクティック液晶層、ディスコティック液晶層、またはブルー相液晶層に顕著な配向を発生させることができる、請求項26に記載の方法。
- 前記異方性パターン付き配向層は、配向秩序パラメータが少なくともS=0.40である配向をネマティック液晶層に発生させることができる、請求項26に記載の方法。
- 前記異方性パターン付き配向層は、光操作性、光散乱作用または光回折の能力を有する、請求項26に記載の方法。
- 前記第1の異方性パターン付き配向層は、5nm〜500μmの大きさのフィーチャを有する、請求項26に記載の方法。
- 前記第1の方向と前記第2の方向とは互いに直交する、請求項26に記載の方法。
- 前記第1の表面は可撓性を有する、請求項26に記載の方法。
- 前記第1の表面は剛性を有する、請求項26に記載の方法。
- 前記第1の異方性パターン付き配向層にレーザエネルギーを照射して第2の異方性パターンを形成することをさらに含む、請求項26に記載の方法。
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