專利名稱：具有聚合物液晶層的機(jī)械快門的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)械快門，包括這種快門的顯示器元件和生產(chǎn)這種快門的方法。
微型機(jī)械熱結(jié)構(gòu)是例如由US4235522早就已知的。該文中描述的技術(shù)是基于根據(jù)下面工序生產(chǎn)的卷起設(shè)備。將具有厚度約為1-5μm的聚酯薄膜用薄的鋁涂層涂覆。這種經(jīng)涂覆的薄膜是可商購獲得的，用作電容器薄膜。該薄膜經(jīng)拉伸和以條狀圖案局部粘合到基片上，而該基片進(jìn)而配備了透明ITO對(duì)電極。隨后，通過激光切割，將經(jīng)圖案化的卷曲擋板切割成所需的形狀。由于薄膜中的機(jī)械應(yīng)力，薄膜的獨(dú)立部分(口蓋)從基片斷裂松開，其可能在額外的機(jī)械應(yīng)力和/或加熱步驟協(xié)助下進(jìn)行，并在切割期間卷起。每一元件作為快門運(yùn)行，通過在電極結(jié)構(gòu)(在口蓋上的鋁電極和在基片上的ITO電極)上施加電場(chǎng)是可控的。電場(chǎng)引發(fā)在各口蓋中的靜電力，因此口蓋從卷曲狀態(tài)展開到伸直狀態(tài)，由此阻擋原來透過的光。
盡管這提供了制備微型機(jī)械快門的精巧方法，但是該方法具有一些缺點(diǎn)-激光切割工序仍局限于相對(duì)大的結(jié)構(gòu)，由于受到激光切割工藝的分辨率限制，通常為具有20μm或更大的開口線的100μm或者更大的結(jié)構(gòu)。這使得難于微型化，如果說不是不可能的話。
-用金屬鏡面涂覆的超薄聚酯薄膜的層壓工藝是困難的。由于該薄膜非常小的厚度，該薄膜難于處理，特別難于將該薄膜沒有干擾地均勻鋪展到長的距離。這還限制了為了所需的特定功能而選擇最優(yōu)的薄膜厚度的自由，薄膜越薄，操作難度越大。
-在擋板打開和關(guān)閉的方向上不受控制。它們?nèi)肯蛲环较蜻\(yùn)動(dòng)而不可能存在向不同方向運(yùn)動(dòng)的選擇，沒有切割塑料膜和將它們局部安裝使它們各自的取向軸在不同方向上。
因此，需要一種改進(jìn)的機(jī)械快門以調(diào)制光束，該方法克服了上述的問題和由此提供了可以以不同設(shè)計(jì)容易地生產(chǎn)的機(jī)械快門。
為了該目的，本發(fā)明描述了對(duì)溫差和/或靜電力產(chǎn)生響應(yīng)的機(jī)械快門。
這樣，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，具有由快門元件控制光路的機(jī)械快門，其中-所述快門元件包括取向的經(jīng)聚合液晶層，該經(jīng)聚合的液晶在靠近層的至少一個(gè)主表面各向異性地取向，而在從所述至少一個(gè)主表面向與該至少一個(gè)主表面相對(duì)的主表面移動(dòng)時(shí)，顯示出取向和/或濃度的變化；-所述變化使得沿著快門元件側(cè)向延伸的熱膨脹系數(shù)是垂直于所述側(cè)向延伸的所述快門元件深度的函數(shù)；-使得，在第一溫度下，所述快門元件基本上平坦并因此關(guān)閉所述光路，而在第二溫度下，所述快門元件彎曲并因此開放所述光路。
這種光快門提供了優(yōu)異的快門性能，并易于生產(chǎn)。該快門元件可以通過聚合取向狀態(tài)的可聚合的液晶(例如液晶單體)來制備。
該機(jī)械快門可以具有任何尺寸。例如，該層可以具有約1cm2至約1m2大小的表面積，但是其可以更小，例如約10mm2至約10,000mm2或者更小，例如約10μm2至約10,000μm2，在后者的情況下，該機(jī)械快門也被稱為微型機(jī)械快門。
在層中液晶單體的平均取向可以在聚合之前通過下面的方式受控，即通過聚合期間的外部取向?qū)雍?或通過向液晶混合物添加表面活性劑以帶來取向和/或濃度上的變化。
在聚合期間，可聚合液晶的取向被固定于聚合物層。
通常而言，在快門元件中對(duì)于特定的側(cè)向而言，展示導(dǎo)致作為深度函數(shù)的熱膨脹系數(shù)的取向和/或濃度變化就足夠了。例如，快門元件可以基本上為矩形，其優(yōu)選沿著外邊緣之一懸掛于底座基片(或者類似物)上。在這種情況下，垂直于懸掛邊緣的側(cè)向，具有與深度相關(guān)的熱膨脹系數(shù)就足夠了。
經(jīng)聚合的液晶層實(shí)際上可以跨越各具有獨(dú)立取向的兩個(gè)或者更多層的層壓體。
但是，根據(jù)一個(gè)有利的實(shí)施方案，所述快門元件包括經(jīng)聚合的液晶層，其中變化是連續(xù)的，使得沿著快門元件的側(cè)向延伸的熱膨脹系數(shù)是在所述快門元件中垂直于所述側(cè)向延伸的深度的連續(xù)函數(shù)。
由于其容易生產(chǎn)，這是有利的。液晶混合物的任何附加層將要求附加的沉積步驟。
經(jīng)聚合液晶層的熱響應(yīng)的基礎(chǔ)在于液晶分子在沿著它們的長軸與沿著垂直于這些軸的方向相比具有不同的熱膨脹系數(shù)。因此，熱響應(yīng)將取決于分子的平均取向。
存在許多方法來引起取向和/或濃度的差異。在這方面參見題為“Flexible foil moveable by non-mechanical means”的與本申請(qǐng)同日提交的申請(qǐng)。
具體而言，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，經(jīng)聚合的液晶具有扭曲的向列取向。扭曲優(yōu)選為90°，由此在層的至少一個(gè)主表面上的各向異性取向垂直于在相對(duì)面上的各向異性取向，而中間的分子在兩個(gè)垂直的極端取向之間逐步改變?nèi)∠颉?br> 根據(jù)另一實(shí)施方案，所述經(jīng)聚合的液晶具有展曲取向。在這種情況下，在層的至少一個(gè)主表面上的各向異性取向平行于該層而在相對(duì)面上的各向異性取向垂直于該層(即在相對(duì)面處分子取向是垂直的)。
含有這種經(jīng)聚合的液晶取向的層可以通過在平面狀基片上聚合例如由旋涂作為薄膜施加的可聚合液晶來制備。在這種情況下，所述混合物優(yōu)選溶解于隨后被蒸發(fā)的溶劑中。
基片可以帶有經(jīng)摩擦的取向?qū)?。那么，接觸取向?qū)拥姆肿訉⑵叫杏谌∠驅(qū)拥哪Σ练较蛉∠?。取向?qū)涌捎删埘啺分苽??？梢再彽镁埘啺啡芤?，例如來自JSR的AL3046。其可以例如通過旋涂作為薄膜施加到基片上，隨后在200℃下烘烤，由此去除溶劑。隨后該層可以用聚酯織物單向摩擦。然而，在取向?qū)又锌梢允褂媚Σ恋木垡蚁┐甲鳛榫埘啺返奶娲贰Ｊ褂镁垡蚁┐嫉膬?yōu)點(diǎn)在于其在施加和固化液晶混合物后可以溶解于水中。經(jīng)聚合的層由此可以無需任何力基本上從基片上去除，同時(shí)保持分子取向。
經(jīng)聚合的液晶通常在電磁光譜的可見部分中透明和除非其由例如利用經(jīng)聚合液晶的雙折射性質(zhì)的偏置片制備，該液晶本身將不能提供快門元件的光閉合性質(zhì)。然而，更為方便的是將少量染料溶解于液晶單體混合物中，使得其吸收可見光。這樣，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，所述液晶混合物包括吸光染料。覆蓋大部分可見光譜并良好地溶解在單體混合物中的合適染料是下面的偶氮染料，該染料通常以約2wt.％的濃度施加。
用于阻擋可見光的另一優(yōu)選方法是用獨(dú)立的光阻隔層涂覆經(jīng)聚合的液晶膜。這樣，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，所述快門元件還包括與經(jīng)聚合的液晶層獨(dú)立的光阻隔層。該層可以是具有吸收(有色或者黑色)或者散射(不透明)性質(zhì)的有機(jī)層。但是在優(yōu)選實(shí)施方案中，其為例如鋁的光反射金屬層。該光阻隔層優(yōu)選以薄到不足以影響薄膜的機(jī)械性能(即彎曲性能)的厚度施加。在排列快門元件使得一側(cè)面對(duì)基片的情況下，獨(dú)立的光阻隔層優(yōu)選配備在快門元件的相對(duì)側(cè)。
所述快門元件可以通過熱變化來控制。這在下面的應(yīng)用中是有利的，例如期望對(duì)環(huán)境溫度變化作出響應(yīng)的自動(dòng)光快門的情況。但是，例如響應(yīng)電子控制單元，使用熱信號(hào)來任意控制快門元件存在一點(diǎn)困難。在具有大量應(yīng)當(dāng)分別控制并因此各自要求獨(dú)立的可控制的熱源的快門元件的光快門的情況下尤其如此。
為了該目的，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，微型機(jī)械快門還包括懸掛快門元件的底座基片，提供在橫跨所述光路的底座基片上的透明基極電極，和提供在所述快門元件上的快門電極。由此，快門元件可以通過在所述電極之間的靜電力控制。這事實(shí)上是有利的實(shí)施方案，因?yàn)槠涫沟每扉T能夠通過施加在各電極上的電壓所導(dǎo)致的電力直接控制。透明的基極電極可以例如由氧化銦錫來制備。
當(dāng)然，在快門元件是通過靜電力可控制的情況下，熱膨脹系數(shù)對(duì)于操作而言實(shí)際上重要性很低。取而代之的是快門元件的撓曲抗性(撓性)支配了對(duì)靜電力的響應(yīng)。
在快門元件配備有獨(dú)立的光阻隔層的情況下，優(yōu)選引入快門電極。這樣，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，光阻隔層和快門電極由單一的光阻隔和導(dǎo)電材料制備。由此生產(chǎn)得以簡(jiǎn)化。該材料可以例如是鋁，其在這種情況下可以被濺射到快門元件上。
如上所述，光快門可能僅包括一個(gè)快門元件。但是，許多應(yīng)用要求大于使用單個(gè)快門元件可能實(shí)現(xiàn)的面積的總孔面積。此外，經(jīng)常希望能夠動(dòng)態(tài)地控制總孔面積的不同區(qū)域，例如在每個(gè)快門元件可以用于限定和控制獨(dú)立的圖像元件(像素)的顯示器應(yīng)用。因此，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，光快門包括通過獨(dú)立的電極可各自控制的快門元件陣列。
當(dāng)然，即使快門元件沒有配備電極，也可以提供快門元件的陣列。
取向可以在整個(gè)快門元件中相同，使得在整個(gè)快門元件中熱膨脹系數(shù)以同樣的方式取決于深度。在這種情況下，快門元件通?？梢栽趶澢腢形狀狀態(tài)和伸直的基本平坦?fàn)顟B(tài)之間可控。
但是，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，經(jīng)聚合液晶層包括第一和第二個(gè)空間上分隔的部分，其中變化彼此不同。
例如，具有在其一部分隨深度增加而在另一部分隨深度降低的熱膨脹系數(shù)的快門元件通常將以S形狀方式彎曲。這樣，通過合適的選擇快門元件的不同部分的取向，可以提供響應(yīng)溫度變化而以不同方式彎曲的元件。
微型機(jī)械快門可以用于許多用途。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了包括微型機(jī)械快門的顯示器元件。顯示器元件優(yōu)選包括多個(gè)快門元件，每個(gè)限定了獨(dú)立的像素。在顯示器應(yīng)用中，特別有利的是提供安裝有如上所述的單獨(dú)電極的快門元件陣列。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，每個(gè)快門元件是不透明的，顯示器還包括配備在各光路上的濾色片元件。這種構(gòu)造可以用于反射或者透射顯示器。在顯示器是透射的情況下，濾色片優(yōu)選是對(duì)于特定顏色是透射性的而吸收剩余的顏色。當(dāng)快門元件打開時(shí)，對(duì)應(yīng)的像素將發(fā)出來自背光的有色光，當(dāng)快門元件關(guān)閉時(shí)，對(duì)應(yīng)的像素將是黑色的。在顯示器是反射性的情況下，濾光片優(yōu)選對(duì)于特定顏色具有反射性并吸收剩余的顏色。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，快門元件是對(duì)于特定顏色的光具有反射性，在光路上配備有基本上為黑色的光吸收表面。這種構(gòu)造對(duì)于反射性顯示器特別有利，其中像素在快門元件關(guān)閉(伸直)的情況下是有色的而在快門元件打開時(shí)為黑色。
除了在光快門本身的這些優(yōu)點(diǎn)，所述光快門還可以使用常規(guī)的生產(chǎn)設(shè)備和方法簡(jiǎn)單的生產(chǎn)?？删酆弦壕涌梢岳缤ㄟ^旋涂、刮刀涂覆或者狹縫模頭擠出涂覆機(jī)形成，電極層可以例如通過蒸發(fā)或者濺射涂覆而形成?；旌衔锏墓庖l(fā)聚合使得能夠通過掩模平版印刷曝光，得到掩模的負(fù)像圖案，因?yàn)楸徽丈涞牟糠謱⒕酆喜⒆兂晒腆w和不溶的，而未經(jīng)照射的部分保持未聚合和可溶于常規(guī)有機(jī)溶劑(例如甲乙酮、二甲苯或者四氫呋喃)中。然而，不同于光聚合的方法也可以用于原位聚合中。
這樣，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了生產(chǎn)微型機(jī)械快門的方法，該方法包括-在基片上施加取向?qū)樱?在所述取向?qū)由鲜┘涌删酆弦壕樱?使所述可聚合液晶取向和聚合，由此限定包括取向的經(jīng)聚合液晶層的至少一個(gè)快門元件；-去除任何多余的可聚合液晶。
所述生產(chǎn)方法包括在所述基片上和所述電極層上施加取向?qū)拥牟襟E。該取向?qū)涌梢岳缬删埘啺分苽?，該層是卷曲的，隨后用聚酯織物摩擦。隨后將可聚合液晶層施加到所述取向?qū)由?，所述可聚合液晶被取向和聚合，由此限定至少一個(gè)快門元件。聚合可以通過穿過掩模的紫外光選擇性曝光的光聚合進(jìn)行，在聚合物中產(chǎn)生掩模的負(fù)像。最后，去除任何多余的可聚合液晶(例如在掩模的不透明區(qū)域之下)。
在層在高溫下聚合的情況下，那么優(yōu)選高于該經(jīng)聚合液晶的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，經(jīng)聚合的層在高溫下將或多或少為平坦的(即伸直和不卷曲的)。但是，當(dāng)薄膜冷卻到室溫時(shí)，該薄膜往往形成應(yīng)力，因?yàn)樵谘刂鴤?cè)向測(cè)定時(shí)，薄膜的頂部具有比薄膜底部高的熱膨脹系數(shù)。只要該薄膜粘合到基片上，則其保持平坦。但是，一旦薄膜從其基片松開，該力將使薄膜變成卷曲構(gòu)型。
在機(jī)械快門包括電極的情況下，生產(chǎn)工藝還可以包括在施加液晶混合物之前在基片上提供透明電極層的步驟。電極可以例如由氧化銦錫(ITO)制成，其可以通過常規(guī)的平版印刷工序圖案化，包括施加光刻膠材料的薄膜、將其曝光到通過掩模的光化輻照下改變ITO的溶解性，顯影光刻膠和在蝕刻液中局部溶解透明電極，從而獲得電極圖案。然后生產(chǎn)方法還包括在快門元件上施加導(dǎo)電材料層的步驟，由此限定快門電極?？扉T電極可以例如由鋁制成，施加快門電極的步驟可以涉及在快門元件濺射鋁。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，聚合步驟涉及通過掩模的光聚合，優(yōu)選在通過在高于120℃的溫度下至少30分鐘退火所述液晶混合物之前進(jìn)行。
在期望展曲取向的情況下，液晶混合物可以含有表面活性劑，這往往通過將分子長軸取向?yàn)榇怪庇谌魏慰諝饨缑娴谋砻?即以垂直取向)而使自由能最小化。在基片上這樣的表面活性劑和經(jīng)摩擦的取向?qū)拥慕Y(jié)合實(shí)際上將使得分子本身取向到展曲構(gòu)型(在基片平行而在相對(duì)的空氣界面垂直)。
這樣，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，可聚合的液晶包括在與空氣接觸時(shí)促進(jìn)可聚合液晶單體的垂直取向的表面活性劑，和其中聚合步驟在將可聚合液晶層暴露于空氣的同時(shí)進(jìn)行。
備選地，垂直的分子取向可以通過靠著用表面活性劑改性的第二臨時(shí)基片聚合單體而獲得。在這種情況下，所述混合物不需要含有任何溶劑，而是可以通過填充在一側(cè)由用取向?qū)油扛驳?永久)基片而在另一側(cè)由用表面活性劑改性的臨時(shí)基片限定的槽進(jìn)行施加，該表面活性劑引發(fā)垂直的分子取向，例如十八烷基三甲氧基硅烷。填充優(yōu)選在高溫(例如80℃)下和在自然產(chǎn)生的毛細(xì)管力的作用下進(jìn)行。
這樣，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，該方法還包括提供與所述可聚合液晶接觸的第二臨時(shí)基片的步驟，該第二臨時(shí)基片在所述可聚合液晶引發(fā)所需的取向，其中聚合可聚合液晶的步驟在所述第二臨時(shí)基片與所述可聚合液晶接觸的同時(shí)進(jìn)行。
然而，即使在期望扭曲的向列取向的情況下，熔融液晶混合物可以毛細(xì)地填充到類似上述的基片之間。在這種情況下，兩個(gè)基片(永久基片和臨時(shí)基片)應(yīng)當(dāng)配備有具有彼此垂直的摩擦方向的經(jīng)摩擦取向?qū)??？拷髯越缑娴囊壕Х肿拥娜∠蝽樦髯越?jīng)摩擦取向?qū)拥姆较?。中間的平均分子取向由第一取向向垂直于第一取向的第二取向連續(xù)地改變。為了防止形成具有不同的扭曲旋轉(zhuǎn)的螺旋性的疇，可以向系統(tǒng)添加極少量(例如0.1wt.％)的手性摻雜劑，然后將控制旋轉(zhuǎn)的方向。合適的手性摻雜劑可以名稱S811(Merck，Darmstadt，德國)商購獲得，該手性摻雜劑將引發(fā)旋轉(zhuǎn)的左手螺旋性
在下文中，將參照所附的示例性附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)地描述。
在附圖中

圖1以橫截面圖示意性闡述了本發(fā)明的快門元件中的經(jīng)聚合液晶的取向。
圖2示意性闡述了本發(fā)明的另一快門元件的經(jīng)聚合液晶的取向。
圖3示意性闡述了具有扭曲向列取向的元件中的彎曲。
圖4示意性闡述了具有展曲向列取向的元件的彎曲。
圖5闡述了用于生產(chǎn)本發(fā)明的機(jī)械快門的生產(chǎn)步驟。
圖6闡述了在電場(chǎng)作用下快門的機(jī)械變形(打開和閉合)。
圖7是顯示響應(yīng)施加到包括具有快門元件的矩陣的本發(fā)明的機(jī)械快門的不同電壓的透射率的曲線。
圖8闡述了用于包括快門元件的矩陣的機(jī)械快門的驅(qū)動(dòng)方案。
圖9闡述了本發(fā)明的顯示器元件的橫截面。
所述機(jī)械響應(yīng)源自特定的分子取向。該分子可以例如具有展曲的取向，如在圖1中所示。這樣，圖1闡述了經(jīng)聚合的液晶層100，其具有頂層的主表面101和底部主表面102。對(duì)底表面呈閉合的經(jīng)聚合液晶112各向異性地取向，該取向基本上平行于底表面102。對(duì)頂表面呈閉合的液晶分子同樣各向異性地取向，但是基本上垂直于頂表面101。中間的液晶分子110具有從幾乎平行到幾乎垂直的逐漸傾斜取向，由此提供在取向上的連續(xù)變化。
在經(jīng)聚合液晶中的熱膨脹系數(shù)取決于其中所含的經(jīng)聚合液晶單元的取向。垂直于這種液晶單元軸的熱膨脹系數(shù)通常高于沿著該分子軸的熱膨脹系數(shù)。然而，對(duì)于盤狀(discotic)液晶而言，通常其相反論斷為真。但是，假定沿著軸向的熱膨脹系數(shù)較低，那么在圖1中闡述的層在加熱時(shí)將在底表面102處收縮而在頂表面101處膨脹(如箭頭所示方向)，其凈結(jié)果為在加熱時(shí)向下彎曲而冷卻時(shí)向上彎曲。
圖2闡述了一種可供替換的設(shè)計(jì)，其中在層200中一個(gè)區(qū)域的分子取向與另一區(qū)域的分子取向不同。這樣，在第一區(qū)域201，液晶分子具有平行于底部并垂直于頂部的第一取向。然而，在第二部分202分子取向顛倒過來，使得在頂端處為平行取向而底端處為垂直取向。當(dāng)加熱(或者冷卻時(shí))這樣的層時(shí)，其如箭頭所闡述的彎曲成S形。
備選地，可以使用扭曲向列分子取向。在這種情況下，分子優(yōu)選具有90°的扭曲。這種取向?qū)?dǎo)致對(duì)溫度變化的類似響應(yīng)。展曲和扭曲構(gòu)型都將提供線性熱膨脹的差值。在扭曲構(gòu)型中，在薄膜頂部和底部兩個(gè)方向上存在線性熱膨脹的差值，因?yàn)樵趦蓚?cè)都具有液晶取向的各向異性。這導(dǎo)致如圖3闡述的在頂部和底部的相反彎曲。然而，扭曲的取向?qū)е聨缀紊喜辉试S的情況，因此所形成的彎曲有些不規(guī)則。僅在高長寬比的樣品的情況下，即長度(l)大大于寬度(w)(通常在l/w大于5時(shí))，樣品將以受控的方式彎曲。
因此，對(duì)于許多應(yīng)用而言，展曲取向是優(yōu)選的。在熱膨脹上的差別然后僅以一個(gè)方向來展示其自身，而層的頂表面和底表面在相反方向上具有相等的熱膨脹。這導(dǎo)致圖4中闡述的彎曲情況。
換而言之，對(duì)于扭曲構(gòu)型 而對(duì)于展曲構(gòu)型 因此，這些方程組使得展曲構(gòu)型以多個(gè)可控的方式彎曲。
含有快門矩陣的機(jī)械快門可以使用如圖5所闡述的下列生產(chǎn)步驟而生產(chǎn)。
步驟1向玻璃基片501提供氧化銦錫(ITO)的條型圖案502。為了該目的，用光刻膠覆蓋ITO涂覆的玻璃板并通過掩模照射。然后該ITO進(jìn)行蝕刻并剝離光刻膠。在對(duì)于之后的特定用途而言不需要電極的情況下，這一步驟當(dāng)然可以省略。
步驟2ITO圖案以圖案化的方式用可去除取向?qū)?03的結(jié)構(gòu)涂覆。平版印刷合適的聚乙烯醇，隨后以平行于ITO條502的方向摩擦。
然而，聚乙烯基肉桂酸酯可以用作取向?qū)拥膫溥x物?？墒┘釉摬牧喜⒂猛ㄟ^負(fù)像掩模的偏振UV光局部交聯(lián)。以這種方式可以提供各種局部取向的圖案。未經(jīng)照射的區(qū)域可以通過溶劑沖洗掉。曝光區(qū)域可以使液晶分子以垂直于偏振光的E向量的方向取向。
步驟3
來自步驟2的復(fù)合體用可聚合液晶層504覆蓋，例如通過旋涂覆蓋。在取向?qū)拥奈恢?，可聚合的液晶平行于取向?qū)咏缑鎸?duì)準(zhǔn)，由此獲得平面取向。在單體-空氣界面處，經(jīng)聚合的液晶是以垂直于界面取向，如圖1中示意性示出，形成了垂直的取向。旋涂可以由使用二甲苯作為溶劑的40重量％的單體溶液進(jìn)行。700rpm的旋涂步驟在溶劑蒸發(fā)后產(chǎn)生了3.2μm厚的薄膜。合適的可聚合液晶包括例如下列組分 液晶單體1 液晶單體2 液晶單體3LC單體1∶LC單體2∶LC單體3的比率優(yōu)選為6∶2∶2(重量/重量/重量)。在聚合方面為了增強(qiáng)對(duì)紫外光的敏感性，以2wt％的量添加光引發(fā)劑。合適的光引發(fā)劑是由Ciba Geigy市售的Irgacure 651。該可聚合的液晶可以在基片的經(jīng)磨擦聚酰亞胺取向?qū)由先廴凇溥x地，經(jīng)聚合的液晶可以從溶液涂覆在基片上。為了該目的，可以將混合物溶于例如二甲苯中。為了旋涂該溶液，單體濃度優(yōu)選為約40wt％。在蒸發(fā)二甲苯后，薄膜的典型厚度為約4μm。可聚合的液晶在靠近取向?qū)右云矫娣绞綄?duì)準(zhǔn)，分子長軸的平均取向平行于取向?qū)拥哪Σ练较颉Ｔ谝壕拥南鄬?duì)側(cè)(通常與空氣相接的表面)處的長軸取向平均垂直于該表面。在薄膜的橫截面上分子的平均取向由平面連續(xù)改變?yōu)榇怪?即分子具有展曲取向)。
或者促進(jìn)垂直取向(即取向的分子的平均方向垂直于表面)或者促進(jìn)平面取向(即取向的分子的平均方向平行于表面)可以被添加到可聚合液晶上，從而促進(jìn)期望的分子取向。表面活性劑優(yōu)選是反應(yīng)性的，由此與液晶單體共聚。同樣有利的是表面活性劑本身是液晶，這樣它們有助于整個(gè)液晶結(jié)構(gòu)。已知用來促進(jìn)垂直取向的反應(yīng)性和液晶的表面活性劑的實(shí)例是在一端含有氰基而在另一端含有用可聚合基團(tuán)(例如丙烯酸酯)改性的亞烷基的液晶單體。這種表面活性劑的一個(gè)實(shí)例實(shí)際上是上述的“液晶單體2”。另一實(shí)例是 步驟4可聚合液晶在高溫下在扭曲或者展曲狀態(tài)退火一段時(shí)間，以去除排列的不完整性。隨后取向的可聚合液晶在高溫(例如100℃下)由通過負(fù)像掩模的UV曝光(例如365nm)從而光聚合。掩模阻隔了在電極導(dǎo)線之間的區(qū)域阻，在與之垂直的需要彼此分隔開的開關(guān)薄膜元件505處的區(qū)域阻隔紫外光。在聚合后，未經(jīng)反應(yīng)的可聚合液晶通過溶于THF(四氫呋喃)而去除。
所述取向可以通過測(cè)定可聚合層的光學(xué)阻滯并將其與處于平面方式的分子的折射率已知值相比較而進(jìn)行檢驗(yàn)。
步驟5在后續(xù)的步驟中，聚乙烯醇取向?qū)油ㄟ^溶于水中去除。該工藝通過向水中添加少量的(10體積％)的醇來輔助進(jìn)行。當(dāng)聚乙烯醇溶解時(shí)，通過取向卷曲(卷起)的獨(dú)立膜形成元件505，這有助于避免由于毛細(xì)管力在其他情況下可發(fā)生的對(duì)下面基片的粘附。因?yàn)槊?xì)管粘附經(jīng)常發(fā)生并且是難于修復(fù)的現(xiàn)象，這是一個(gè)巨大的優(yōu)點(diǎn)。
口蓋的卷曲還有助于聚乙烯醇層(其作為犧牲層)的快速去除。這是因?yàn)?，一旦發(fā)生卷曲，與原先將通過非常窄的毛細(xì)管進(jìn)行的去除相比，將存在相對(duì)大量的溶劑(水)體積與聚合物接觸。
然而，如果需要進(jìn)行進(jìn)一步加工，彎曲形狀通常是不合適的。例如，施加附加層優(yōu)選在平坦?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行。為了實(shí)現(xiàn)該目的，需要再次在高溫下加熱該元件，通常該溫度為它們初始聚合的溫度或者至少接近該溫度。
步驟6在希望有快門電極的情況下，后續(xù)步驟可能涉及在元件505上蒸鍍金屬薄膜506(例如鋁)。該樣品然后被加熱到聚合溫度(例如100℃)，由此使獨(dú)立元件505(口蓋)伸直。通過在足夠的距離從源蒸發(fā)(平行蒸發(fā)束)，不僅口蓋被金屬鏡面覆蓋，而且還覆蓋在口蓋給基片留出開口的位置處的下面的基片。這樣的優(yōu)點(diǎn)在于在元件處于閉合狀態(tài)時(shí)，在口蓋之間的非接觸開口將不會(huì)對(duì)光透射開放，而是光將被基片上的金屬條阻隔，從而提高光快門的對(duì)比。
靜電力可以用于開關(guān)各種元件。對(duì)此，在口蓋上的ITO導(dǎo)線和鋁導(dǎo)線可以分別形成行和列電極，連接到電路中。圖6闡述了僅具有一個(gè)光路601的機(jī)械快門，其被懸掛在基片上的兩個(gè)快門元件部分602、603覆蓋。快門元件部分各具有鋁電極604、605，鋁電極為電互連的，因此形成了單個(gè)電極元件，和該基片被透明電極606覆蓋。在快門元件是這樣的快門元件的情況下，即該快門元件在室溫下卷曲，光路將被打開。然而，在將電壓(例如60V)施加于電極上的情況下，快門元件將伸直并由此關(guān)閉光路。
在光從后面透射時(shí)單個(gè)元件的典型光電響應(yīng)曲線示于圖7中。材料對(duì)行和列電勢(shì)之間的電壓差的絕對(duì)值產(chǎn)生響應(yīng)。如圖7中可以看出，存在某一臨界電壓，低于該臨界電壓時(shí)該快門基本上是透明(約68％的透射率)的，從而背光的光輸出高。臨界電壓取決于薄膜材料并因此取決于經(jīng)聚合液晶的靜電性質(zhì)。例如，在此交聯(lián)劑的用量是重要的。在這一特定情況下，臨界電壓約為30V。
臨界電壓可以用于選擇行，如同在傳統(tǒng)的被動(dòng)陣列尋址中進(jìn)行的一樣。圖8闡述了一個(gè)可能的被動(dòng)尋址程序。根據(jù)該程序，在列信號(hào)為-30V至+30V(-30V為打開狀態(tài)而+30V為關(guān)閉狀態(tài))，列選擇電壓為60V。如果列未被選定，那么像素偏壓最大為30V(其低于臨界電壓)，而選定列可以在30V-90V變化。
快門元件還可以分別用于在打開狀態(tài)下使得下面的信息可見而在關(guān)閉狀態(tài)下隱藏之。實(shí)際上，由此微觀機(jī)械快門可作為顯示器元件操作。在最簡(jiǎn)單的構(gòu)型中，快門元件的表面包括在快門關(guān)閉狀態(tài)下提供高反射表面的反射層(例如鋁的薄層)，所述光路配備有在快門打開時(shí)提供有色狀態(tài)的濾色片。鋁層當(dāng)然可以既作為反射性表面又作為快門元件而操作。此外，鋁層可以為漫反射而不是鏡面反射，以在快門元件關(guān)閉時(shí)賦予該表面類似紙張的外觀。圖9闡述了顯示器元件900的可能構(gòu)型，該顯示器元件包括三種次級(jí)像素；設(shè)置在基片901上的紅色(R)、綠色(G)和藍(lán)色(B)次級(jí)像素。每種次級(jí)像素因此包括透明電極902、濾色片903、快門元件904(經(jīng)聚合液晶層)和反射電極905。當(dāng)不同顏色的濾光片(例如紅色、綠色和藍(lán)色)用于同一顯示器中的不同快門元件(次級(jí)像素)時(shí)，通過以像素化(pixilated)的方式打開和關(guān)閉開關(guān)元件(次級(jí)像素)形成。
根據(jù)另一構(gòu)型，快門元件通過反射性層覆蓋，該反射性層進(jìn)而用濾光片覆蓋。
還有一種備選的提供彩色顯示器的方式在于將濾色片施加到基片上并使得開關(guān)元件吸收光(即黑色)。當(dāng)這樣的顯示器用于透射性顯示器時(shí)，在光路中可以提供黃色、洋紅和青色濾光片，從而提供不同色彩的次級(jí)像素。然而，當(dāng)這樣的顯示器用于反射性顯示器時(shí)，可以使用紅色、綠色和藍(lán)色濾色片。濾色片可以設(shè)置在漫反射鏡面上以提供明亮的圖像和良好的視角。
換而言之，本發(fā)明涉及機(jī)械的，特別是微型機(jī)械快門601，其包括由經(jīng)聚合液晶形成的元件602、603。經(jīng)聚合的液晶各向異性地取向并橫貫層具有取向和/或濃度變化，使得該層能夠響應(yīng)非機(jī)械方式(例如加熱或者電磁輻照)而動(dòng)作。通過適合地選擇取向(例如展曲或者扭曲的向列取向)，該微型元件響應(yīng)非機(jī)械方式發(fā)生彎曲和伸直。電極604、605、606可以任選地在元件上和承載基片上形成，使得該元件通過施加在電極之間的電場(chǎng)由于所產(chǎn)生的靜電力而可控。本發(fā)明還提供了使用原位聚合來生產(chǎn)這些機(jī)械快門的方法。
權(quán)利要求
1.一種具有通過快門元件可控光路的機(jī)械快門，其中-所述快門元件包括取向的經(jīng)聚合液晶層，該經(jīng)聚合的液晶在靠近層的至少一個(gè)主表面為各向異性取向，并且在從所述至少一個(gè)主表面向與該至少一個(gè)主表面相對(duì)的主表面移動(dòng)時(shí)，顯示出取向和/或濃度的變化；-所述變化使得沿著快門元件側(cè)向延伸的熱膨脹系數(shù)是垂直于所述側(cè)向延伸的所述快門元件的深度的函數(shù)；-使得，在第一溫度下，所述快門元件基本上平坦并因此關(guān)閉所述光路，而在第二溫度下，所述快門元件彎曲并因此開放所述光路。
2.權(quán)利要求1的機(jī)械快門，其中所述快門元件包括經(jīng)聚合液晶層，其中所述變化是連續(xù)的，使得沿著快門元件的側(cè)向延伸的熱膨脹系數(shù)是垂直于所述側(cè)向延伸的所述快門元件的深度的連續(xù)函數(shù)。
3.權(quán)利要求1的機(jī)械快門，其中所述經(jīng)聚合的液晶具有展曲的取向。
4.權(quán)利要求1的機(jī)械快門，其中所述經(jīng)聚合的液晶具有扭曲的向列取向。
5.權(quán)利要求1的機(jī)械快門，其中所述經(jīng)聚合的液晶包括吸光的二色性染料。
6.權(quán)利要求1的機(jī)械快門，其中所述快門元件還包括設(shè)置在經(jīng)聚合液晶層上的光阻隔層。
7.權(quán)利要求1的機(jī)械快門，還包括懸掛所述快門元件的底座基片，橫跨所述光路配備在所述底座基片上的透明基極電極，和配備在所述快門元件上的快門電極，使得快門元件可以通過設(shè)置在所述電極之間的靜電力可控。
8.權(quán)利要求6或7的機(jī)械快門，其中所述光阻隔層和所述快門電極由單一的光阻隔和導(dǎo)電材料制成。
9.權(quán)利要求7的機(jī)械快門，其包括分別通過分開的電極可控制的快門元件的陣列。
10.權(quán)利要求1的機(jī)械快門，其中所述經(jīng)聚合液晶層包括第一和第二空間分隔的部分，其中變化是彼此不同的。
11.包括根據(jù)權(quán)利要求7的機(jī)械快門的顯示器元件。
12.權(quán)利要求11的顯示器元件，其中所述快門元件是不透明的，并且在所述光路中配備濾光片元件。
13.權(quán)利要求11的顯示器元件，其中所述快門元件對(duì)于某種顏色的光是反射性的，并且在光路中配備了基本黑色的光吸收表面。
14.生產(chǎn)機(jī)械快門的方法，包括以下步驟-在基片上施加取向?qū)樱?在所述取向?qū)由鲜┘涌删酆弦壕樱?使所述可聚合液晶取向和聚合，由此限定包括取向的經(jīng)聚合液晶層的至少一個(gè)快門元件；-去除任何多余的可聚合液晶。
15.權(quán)利要求14的生產(chǎn)機(jī)械快門的方法，還包括以下步驟-在透明底座基片上提供透明電極；和-在所述快門元件上施加導(dǎo)電材料層，由此限定快門電極。
16.權(quán)利要求15的方法，其中在所述快門元件上施加導(dǎo)電材料層的步驟包括在所述快門元件上濺射鋁。
17.權(quán)利要求14的方法，其中所述聚合步驟包括光聚合。
18.權(quán)利要求17的方法，其中光聚合步驟在通過在高于120℃的溫度下至少30分鐘退火所述液晶混合物之前進(jìn)行。
19.權(quán)利要求14的方法，其中所述可聚合液晶包括在與空氣接觸時(shí)促進(jìn)可聚合液晶單體垂直取向的表面活性劑，并且其中聚合步驟在將可聚合液晶暴露到空氣的同時(shí)進(jìn)行。
20.權(quán)利要求14的方法，還包括提供與所述可聚合液晶接觸的第二臨時(shí)基片的步驟，這誘導(dǎo)了在所述可聚合液晶中的所需取向，其中聚合所述可聚合液晶的所述步驟在所述第二臨時(shí)基片與所述可聚合液晶接觸時(shí)進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及包括具有經(jīng)聚合液晶層的快門元件的機(jī)械快門(601)。該經(jīng)聚合的液晶是各向異性取向的。在一個(gè)主表面上的取向是各向異性的。在向相對(duì)的主表面移動(dòng)的過程中取向發(fā)生變化，該變化使得在從主表面向相對(duì)表面移動(dòng)過程中熱膨脹系數(shù)發(fā)生變化。當(dāng)暴露到非機(jī)械方式(例如熱)時(shí)，該快門元件移動(dòng)。當(dāng)例如使用展曲或者扭曲的向列取向時(shí)，該元件響應(yīng)非機(jī)械方式而彎曲和伸直。在元件上和承載基片上可以任選地形成電極(604、605、606)，使得該元件通過施加在電極之間的電場(chǎng)由于所產(chǎn)生的靜電力而可控制。本發(fā)明還提供了使用原位聚合來生產(chǎn)這些機(jī)械快門的方法。
文檔編號(hào)B81B3/00GK1914659SQ200580003860
公開日2007年2月14日 申請(qǐng)日期2005年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月4日
發(fā)明者D·J·布洛爾, C·M·R·德維特茨, G·N·莫爾 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司