| 题名 | 基于分子自组装的光控取向材料研究 |
| 作者 | 吕凤珍 |
| 答辩日期 | 2009-06-08 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院长春光学精密机械与物理所 |
| 授予地点 | 长春光学精密机械与物理所 |
| 导师 | 宣丽 |
| 关键词 | 光控取向 线性偏振紫外光 对比度 自组装单层膜 自组装多层膜 氢键 锚定能 |
| 其他题名 | Photoalignment materials of liquid crystals used in self-assembled films |
| 学位专业 | 光学 |
| 英文摘要 | 光控取向是一种非接触式的液晶取向方法，它克服了液晶显示器中传统摩擦取向方法产生静电、尘埃、摩擦沟痕的缺点。然而，以往的光控取向处理为光敏高分子膜在偏振紫外光下照射，发生定向光交联反应而取向，此时蜿蜒的高分子主链在光敏基团间产生很大空间位阻，导致薄膜的取向度不高、热稳定性差。近年开始采用高度有序的分子自组装膜进行光控取向，可以基本解决取向度低和稳定性差的问题，同时还可以在周期性微结构以及非平面取向膜等方面挖掘制备潜力，使其产生更重要的应用前景。但能在玻璃基板上进行分子组装的光敏材料很少，目前获得的自组装单层膜缺陷较多；多层膜虽然可以解决缺陷问题，但材料更受限制，到目前为止只报道了以阴阳离子间库仑力为多层膜组装驱动力的聚电解质膜的光控取向效果，且这种取向膜中易残留离子，将会劣化液晶器件的性能。针对这些问题，本论文改进了自组装材料的分子结构，对基板的羟基化方法进行改革，提出氢键为驱动力的自组装多层光控取向膜的方法，不但扩大了组装材料的种类，而且克服了残留离子的问题，并实现了膜层间氢键到共价键的转化，使光控取向膜的热稳定性满足了实用化要求。首先，在自组装单层膜研究中将每个单元中光敏基团数目由1个增加为2个，设计了对苯基肉桂酰胺双光敏基团材料，光控取向后光敏双键的反应率增加到50%，同等情况下高分子旋涂光控取向膜只有10%，液晶的取向均匀性转好，但是器件的对比度没有明显改善。继而分析了组装膜末端基团-CF3，-CN，-CnH2n对取向能力的影响，发现极性末端基的取向较差，对比度只有十几；而非极性烷基链末端基的取向较好，且对比度随着烷基碳链长度的增加而提高。当烷基链长度为8时，取向效果达到最佳，但对比度仍然低于100。从原子力显微镜拍摄的组装膜形貌上分析，组装膜表面有分子尺度的凸凹起伏，说明组装膜的覆盖率不够造成对比度偏低。用于光控取向的自组装单层膜通常采用氨基硅烷来制备，但氨基硅烷易水解，很可能会形成组装膜的覆盖率缺陷。本论文中提出用聚乙烯醇（PVA）形成羟基基底，进而制备光敏自组装单层膜。PVA膜表面可形成致密的活性羟基层，紫外光谱表明其上沉积的光敏分子数量是氨基化基底的2~3倍，覆盖率增加，使液晶的取向效果改善，对比度提高到100左右，已基本达到实用化要求。与单层分子膜相比，多层膜具有更好的机械强度和稳定性，且组装多个分子层过程可以弥补膜层缺陷。但基于阴阳离子间库仑力的多层自组装光控取向膜，组装完成后会使取向膜中残留离子，造成液晶器件的性能变差。为了解决此问题，本论文提出了氢键为驱动力形成自组装光控取向膜的方法。氢键在有机溶剂中比较容易形成，大大扩展了组装材料的应用范围，同时避免了取向膜中残留离子的问题。根据上述要求设计合成了一系列末端为羧酸基团的光敏分子材料来形成氢键型多层组装膜，紫外—可见光谱证实多层膜的沉积是一个均一有序的组装过程。红外光谱证实膜层间的作用力为氢键。将多层自组装膜光控取向处理后测得其二向色性值DR可以达到0.12，比非组装型光控取向膜（0.01）高一个数量级。制成液晶器件后，对比度比单层膜的又有所提高，约为110，与聚离子多层组装膜的取向效果基本相同。但器件的排列热稳定性还不够高，约为100℃，低于产品化要求的130℃，分析其原因应该是分子层间的氢键无法耐受100℃以上的高温。为了提高氢键自组装多层膜的稳定性，将分子层间形成氢键的两个基团设计为重氮基团与羧酸基团，使其间的氢键经光反应可转化为共价键。实验中制备了重氮树脂材料，它与侧链末端为羧酸基团的光敏聚合物材料形成氢键多层组装膜，经过365 nm的紫外光激活，重氮基团与羧酸基团间的氢键转化为共价键，使分子层之间形成稳定的共价键交联结构。光控取向后，组装膜的二向色性值达到0.13，制备的液晶器件无取向缺陷，对比度提高到130，热稳定性高达180℃，完全满足了取向膜的实用化要求。最后，使用该组装膜制备了TN液晶器件，获得的对比度与摩擦PI膜器件基本相同，且组装膜由于厚度只有摩擦取向膜的1/5，其器件的阈值电压明显降低。本论文对分子自组装光控取向膜材料进行了深入研究，改进了组装材料的分子结构，对基板的羟基化方法进行改革，克服了组装膜残留离子的问题，且扩展了分子组装光控取向膜的制备领域，使光控取向膜的研究迈上了一个新的台阶，为光控取向技术的应用提供了良好的理论和实验依据。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-03-21 |
| 页码 | 120 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://159.226.165.120//handle/181722/1019]  |
| 专题 | 长春光学精密机械与物理研究所_中科院长春光机所知识产出 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 吕凤珍. 基于分子自组装的光控取向材料研究[D]. 长春光学精密机械与物理所. 中国科学院长春光学精密机械与物理所. 2009. |
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