科学研究|向列相液晶在紫外辐照聚酰亚胺薄膜上的取向行为

科学研究|向列相液晶在紫外辐照聚酰亚胺薄膜上的取向行为

引言：

日本爱媛大学研究生院理工学研究科 Yuji Tsukamoto 团队（合作单位：大阪大学研究生院工学研究科）在《Japanese Journal of Applied Physics》（2024 年第 63 卷 11SP14 期）发表研究，聚焦紫外辐照对聚酰亚胺薄膜表面状态及液晶取向行为的影响，为液晶显示、光学快门等器件的光配向技术提供实验支撑。

摘要（Abstract）

尽管已有多种预倾角控制方法，但液晶在表面的取向机制仍不明确。本研究探究了紫外剂量可控预倾角的聚酰亚胺薄膜表面状态与液晶取向行为的关系。结果显示，薄膜在 200 nm 和 260 nm 波长处的吸光度显著下降，厚度减少约 4 nm；摩擦处理后厚度再减少约 2 nm。原子力显微镜证实紫外辐照与摩擦处理会改变分子构象。对紫外辐照聚酰亚胺薄膜的表面自由能色散分量与极性分量分析发现，仅极性分量随紫外剂量变化。此外，随着紫外辐照增强，液晶取向从垂面取向转变为平面取向，且预倾角分布可实现空间调控。该结果为建立预倾角控制的光配向方法提供支撑。

紫外辐照实验

聚酰亚胺薄膜采用高压汞氙灯（滨松光子学，LC8 L9566-01A）进行紫外辐照。为评估表面自由能与预倾角对紫外剂量的依赖性，设置两组实验条件：（1）紫外辐照强度固定为 515 mW/cm²（365 nm 波长处），辐照时间 0~300 s；（2）辐照时间固定为 200 s，辐照强度 0~773 mW/cm²。紫外辐照强度通过硅光电二极管功率计（Ophir Laser Measurement，VEGA 7Z01560）测量，辐照后冲洗薄膜以去除光降解表面分子。

摩擦处理实验

采用EHC RM-50配向摩擦试验机对聚酰亚胺薄膜进行单轴均匀摩擦。将两片经摩擦处理的基板用含直径 15 μm 球形二氧化硅间隔物的光学胶粘剂（Norland，NOA68T）组装成夹层式液晶盒，注入向列相液晶 5CB（Merck，K-15）；注入温度设为 40.0 °C，随后以 1.0 °C/min 的速率冷却至 25.0 °C，用于后续液晶取向行为观察。

（EHC RM-50配向摩擦试验机）

结论：

本研究探究了紫外辐照前后聚酰亚胺薄膜的表面状态与液晶取向行为之间的关系。对紫外辐照后聚酰亚胺薄膜的吸收光谱及厚度测量结果证实，薄膜经紫外照射后会发生数纳米级的光降解。此外，摩擦处理会导致薄膜厚度进一步减小，这表明机械应力改变了薄膜的表面结构。原子力显微镜（AFM）观察发现，薄膜表面形貌发生显著变化：光降解作用使表面形成深沟槽与圆柱形凸起，而摩擦处理则可使薄膜表面趋于平整。

进一步地，本研究通过测量紫外辐照后聚酰亚胺薄膜的接触角来评估其表面自由能。以往研究多仅评估总表面自由能，而本研究则对表面自由能的色散分量与极性分量进行了单独分析，并探究了二者对预倾角的影响。研究明确得到了表面自由能随紫外辐照剂量的变化规律：结果显示，随紫外辐照剂量改变，色散分量保持恒定，仅极性分量发生变化。

接下来，本研究观察了紫外辐照聚酰亚胺薄膜表面液晶的取向行为。随着紫外辐照剂量的增加，液晶预倾角逐渐减小。研究证实，预倾角可在约 90°至 0° 的全范围内实现调控。此外，通过对紫外辐照时间进行空间调控，可实现预倾角的分布控制。因此，本研究将为建立预倾角可控的光配向方法提供支撑，对液晶器件的设计具有重要意义。