科學研究|向列相液晶在紫外輻照聚酰亞胺薄膜上的取向行為

引言：

日本愛媛大學研究生院理工學研究科 Yuji Tsukamoto 團隊（合作單位：大阪大學研究生院工學研究科）在《Japanese Journal of Applied Physics》（2024 年第 63 卷 11SP14 期）發表研究，聚焦紫外輻照對聚酰亞胺薄膜表面狀態及液晶取向行為的影響，為液晶顯示、光學快門等器件的光配向技術提供實驗支撐。

摘要（Abstract）

盡管已有多種預傾角控制方法，但液晶在表面的取向機制仍不明確。本研究探究了紫外劑量可控預傾角的聚酰亞胺薄膜表面狀態與液晶取向行為的關系。結果顯示，薄膜在 200 nm 和 260 nm 波長處的吸光度顯著下降，厚度減少約 4 nm；摩擦處理后厚度再減少約 2 nm。原子力顯微鏡證實紫外輻照與摩擦處理會改變分子構象。對紫外輻照聚酰亞胺薄膜的表面自由能色散分量與極性分量分析發現，僅極性分量隨紫外劑量變化。此外，隨著紫外輻照增強，液晶取向從垂面取向轉變為平面取向，且預傾角分布可實現空間調控。該結果為建立預傾角控制的光配向方法提供支撐。

紫外輻照實驗

聚酰亞胺薄膜采用高壓汞氙燈（濱松光子學，LC8 L9566-01A）進行紫外輻照。為評估表面自由能與預傾角對紫外劑量的依賴性，設置兩組實驗條件：（1）紫外輻照強度固定為 515 mW/cm2（365 nm 波長處），輻照時間 0~300 s；（2）輻照時間固定為 200 s，輻照強度 0~773 mW/cm2。紫外輻照強度通過硅光電二極管功率計（Ophir Laser Measurement，VEGA 7Z01560）測量，輻照后沖洗薄膜以去除光降解表面分子。

摩擦處理實驗

采用EHC RM-50配向摩擦試驗機對聚酰亞胺薄膜進行單軸均勻摩擦。將兩片經摩擦處理的基板用含直徑 15 μm 球形二氧化硅間隔物的光學膠粘劑（Norland，NOA68T）組裝成夾層式液晶盒，注入向列相液晶 5CB（Merck，K-15）；注入溫度設為 40.0 °C，隨后以 1.0 °C/min 的速率冷卻至 25.0 °C，用于后續液晶取向行為觀察。

（EHC RM-50配向摩擦試驗機）

結論：

本研究探究了紫外輻照前后聚酰亞胺薄膜的表面狀態與液晶取向行為之間的關系。對紫外輻照后聚酰亞胺薄膜的吸收光譜及厚度測量結果證實，薄膜經紫外照射后會發生數納米級的光降解。此外，摩擦處理會導致薄膜厚度進一步減小，這表明機械應力改變了薄膜的表面結構。原子力顯微鏡（AFM）觀察發現，薄膜表面形貌發生顯著變化：光降解作用使表面形成深溝槽與圓柱形凸起，而摩擦處理則可使薄膜表面趨于平整。

進一步地，本研究通過測量紫外輻照后聚酰亞胺薄膜的接觸角來評估其表面自由能。以往研究多僅評估總表面自由能，而本研究則對表面自由能的色散分量與極性分量進行了單獨分析，并探究了二者對預傾角的影響。研究明確得到了表面自由能隨紫外輻照劑量的變化規律：結果顯示，隨紫外輻照劑量改變，色散分量保持恒定，僅極性分量發生變化。

接下來，本研究觀察了紫外輻照聚酰亞胺薄膜表面液晶的取向行為。隨著紫外輻照劑量的增加，液晶預傾角逐漸減小。研究證實，預傾角可在約 90°至 0° 的全范圍內實現調控。此外，通過對紫外輻照時間進行空間調控，可實現預傾角的分布控制。因此，本研究將為建立預傾角可控的光配向方法提供支撐，對液晶器件的設計具有重要意義。