低扭曲手性液晶偏振光栅和相关制造方法

专利名称：低扭曲手性液晶偏振光栅和相关制造方法
技术领域：
在其它实施例中，所述第一和第二偏振光栅层中的至少一个可以是可聚合液晶层。在一些实施例中，所述偏振光栅可以进一步包括在所述衬底上的第一对准层，所述第一对准层在其中具有第一周期性对准条件。所述第一偏振光栅层可以在所述第一对准层上，并且所述第一偏振光栅层的分子可以根据所述对准层的第一周期性对准条件被对准。根据本发明的其它实施例，形成偏振光栅的方法包括形成衬底、以及在所述衬底上形成第一偏振光栅层。所述第一偏振光栅层包括分子结构，所述分子结构在所述第一偏振光栅层的对立面之间限定的第一厚度上根据第一扭曲方向被扭曲。在一些实施例中，所述第一偏振光栅层可以被形成为包括具有各自的相对取向的分子，所述各自的相对取向在所述第一厚度上被旋转第一扭曲角使得所述第一偏振光栅层的局部各向异性图案在所述第一厚度上具有连续可变的相移。而且，所述衬底可以是反射衬底。在其它实施例中，形成所述第一偏振光栅层可以包括利用具有所述第一扭曲方向的手性液晶分子掺杂第一液晶层。而且，形成所述第二偏振光栅层可以包括利用具有所述第二扭曲方向的手性液晶分子掺杂第二液晶层。在一些实施例中，所述第一和第二偏振光栅层的所述第一和/或第二厚度可以被配置成提供在所述偏振光栅的工作波长范围内的光的半波延迟。更具体地，如

图1B和1C中所示，与所述第一偏振光栅 层PG1 101的分子(右旋)相比，所述第二偏振光栅层PG2 102的 分子具有相反的旋向性(左旋)。例如，所述第一偏振光栅层PG1 101 可以利用手性分子掺杂使得其中的分子的取向可以在所述层PG1 101的厚度A上被旋转或被"扭曲，，扭曲角9twist，并且所述第二偏振 光栅层PG2 102可以利用另一种手性分子掺杂使得其中的分子的取 向在所述层PG2 102的厚度(12上被"扭曲"相反的扭曲角-9twist。在 一些实施例中，所述第二偏振光栅层PG2 102可以具有大约-70°的扭 曲角9twist，而所述第一偏振光栅层PG1 101可以具有大约70°的扭曲 角ew"。在这样的实施例中，所述第一偏振光栅层PG1 101的厚度dj可以基本上等于所述第二偏振光栅层PG2 102的厚度d2。在制造 所述第一和第二偏振光栅层PG1 101和PG2 102的过程中，向列LC 混合物可以利用手性LC分子掺杂，所述手性LC分子被配置成在其 中引起相应的扭曲角而没有大量缺陷。可以通过改变手性掺杂剂的数 量和/或偏振光栅层的厚度来改变扭曲角etwist。在每个偏振光栅的厚 度上每个偏振光栅中的分子的"扭曲"可以在局部各向异性图案中提 供连续相移。正如在图1C中进一步示出的，所述第一和第二偏振光 栅层PG1 101和PG2 102的分子在其间的界面处被对准或同相。正如在此所用的，高PG效率的光谱范围A人(以波长为单位)被限定为这样的波长的范围，在所述波长的范围内全部第 一阶衍 射5^±1大于大约99.5% 。标准化带宽AAAcenter (以％为单位)被限定 为光谱范围与其中心波长Xcenter的比率。
0071!图3示出表明对于从0。到90°的不同扭曲角范围的单层扭 曲PG的衍射特性的模拟结果。同样，所述数据对于右旋向性和左旋 向性可以是相同的。更具体地，图3示出第一阶效率的和(2^±1) 与对于不同扭曲角(etwist) 0。、 30°、 60°、 70°、和90°的标准化延迟 (And/人)的关系曲线，分别由波形301、 302、 303、 304、和305表 示。如图3中所示，最大高效带宽出现在常规PG的情况下(即由波
形301示出，其中etwist-0。)，并且导致AX/^enter-6.8Q/。。因此，由于
除了很小的扭曲角以外可以不满足绝热跟随(adiabatic-following ) 条件(也称为波导)，随着扭曲角的增加可能导致效率退化。然而， 在输出中仅存在0和±1阶并且所述第一阶偏振变得愈加椭圓(与圓 相对比)。0)的光语在图6B中4皮画出。正如由图3和4A-4B的FDTD 模拟结果预期的，衍射带宽中的显著的改善在图6A和6B中示出。 对于常规PG和根据本发明的一些实施例的消色差PG也利用红光 (633 nm)、绿光(532 nm )、和蓝光(473 nm )激光器测量在三 个波长处的效率以确认图6B中所示的估计效率。正如在此所^^用的，
衍射效率被定义为T]m-Im/lREF，其中Im是第m透射衍射阶的测量的 强度，并且其中lREF是玻璃衬底的参考透射强度。通过比较所述衍射
镨与所述洁净栽玻片在400 nm以上所述非相干散射被粗略测量为大 约2 %或以下。根据本发明的一些实施例的包括具有相反扭曲方向的至 少两个层的消色差PG由此可以在宽的光镨范围内实现相对较高的效 率，并且同样可以在显示技术中提供宽范围的潜在应用以基于它的独 特衍射行为提供更有效的光控制。更具体地，这样的薄膜消色差PG 在透射光(对于宽的光谱带宽)的方向、强度、和/或偏振状态方面 可以充分提供比常规衍射光栅多得多的功能控制，并且可以在许多遥 感应用中提供潜在好处。图7A-7D是示出制造根据本发明的另外的实施例如此制 造的LCPG和装置的方法的截面图。现在参考图7A，相对薄的对准 层715a和715b分别形成在第一和第二衬底705和710上。所述第一 和/或第二衬底705和/或710可以由透射或透明材料例如玻璃形成。 每个衬底也可以包括透明导电电极(未示出)。在图7B中，在每个 衬底上的对准层715a和715b被图案化以便在每个衬底上提供周期性 对准条件。例如，所述对准层可以是在其中包含可光聚合的聚合物的 光对准层，并且可以利用正交圆偏振激光束709a和709b被利用全息 照相术(holographically)图案化。所述第一和/或第二衬底705a和/ 或710b如图7C中所示那样被装配使得相应的对准层715a和715b 的周期性对准条件偏移了相对相角O)t。因此，如图7D中所示，具有 预定扭曲方向的液晶层725形成在所述第一和第二衬底之间的单元 间隙721中。所述液晶层可以是利用手性分子掺杂的单层向列LC以 在所述单元间隙721的厚度d上提供特定扭曲Oc。换句话说，所述 扭曲角Oc可以在所述液晶层的厚度d上在局部各向异性图案中提供 连续可变的相移。所述液晶层725的分子也可以基于光对准层中的对 准条件被对准。因此，当扭曲角O)c与衬底偏移角O)t不同时，可能在 所述液晶层中产生弹性能应变，这会导致更加非线性的转换行为。就 STN显示器而言，这可以通过计算作为施加电压的函数的中间层倾角 来被量化，如在图8A-8E的实例模拟结果中进一步示出的。
[0084图8A-8E示出根据本发明的 一些实施例的LCPG的电光 响应。如图8A-8E中所示，由于所述扭曲角Oc相对于衬底偏移角O)t 被改变，因此可以获得相对陡的电光响应。更具体地，正如在图8A 中所示的，基线曲线(Ot = 0°， Oc-0。到89°)可能不适于供无源寻 址使用，因为它可能仅能够使大约1行具有相对情况下，所述曲线更陡得多。因此，可以无源寻址100行以上。图 8C和8D类似地分别示出当(Dt = 240°和270°时Oc的变化值的电光响 应。关于以上估计的另外的细节可以在the summary of STN display addressing in Scheffer and Nehring， Annual Review of Material Science 27， 555-583 (1997)中以及在Alt and Pleshko, IEEE Trans. Elec. Dev. ED-21, 146-155 (1974)中找到，在此并入其公开作为参考。 [0085J图8E示出沿7>共组的轴的图8A、 8B、和8C的电光响应 曲线以进行比较。特别地，曲线805a示出(I)t-0。和Oc-0。的情形的 电光响应。同样地，曲线805b示出(Dt- 300。和(Dc- 240。的情形的电 光响应，而曲线805c示出Ot- 240。和①c-180。的情形。因此，图8E 说明，可以4艮据扭曲角0)c和衬底偏移角Ot的变化使响应曲线更陡得 多。特别地，所述响应曲线805b为改善的转换行为提供相对陡的斜 率，其中相对相角①t大于或等于大约300°，并且其中扭曲角Oc在大 约240°和大约300°之间。 一般地说，在一些实施例中，所述相对相 角(Dt可以是大约70°到大约360°,并且扭曲角O)c可以是大约70°到 大约360。。
[00861因此，根据本发明的一些实施例的LCPG可以利用手性 应变和扭曲结构来提供更加非线性的电光响应曲线。因此，利用无源 矩阵寻址方案，根据本发明的一些实施例的LCPG可以更容易地从 关断状态切换到导通状态，并且因此可以更加可控。
[00871前述说明了本发明并且不被解释为其限制。尽管本发明的 一些示范性实施例已经被描述，但是本领域技术人员将容易理解，在 不本质上脱离本发明的新颖教导和优点的情况下，在所述示范性实施 例中许多修改是可能的。例如，将被理解的是，可以分别利用在一个 或两个衬底组件中的不可转换和/或可转换的LC材料制造以上参考 图1A-1D和图7A-7D描述的结构。此外，在此描述的衬底可以在其 表面上包括一个或多个电极，所述一个或多个电极例如由涂在衬底上 的透明氧化铟锡(ITO)提供。因此，所有这样的修改旨在被包含在 本发明的范围内。因此，将被理解的是，前述说明了本发明并且不被 解释为局限于公开的特定实施例，并且对所述公开的实施例以及其它 实施例的修改旨在被包含在本发明的范围内。
权利要求
1.一种偏振光栅，包括衬底；以及在所述衬底上的第一偏振光栅层，所述第一偏振光栅层包括分子结构，所述分子结构在所述第一偏振光栅层的对立面之间限定的第一厚度上根据第一扭曲方向被扭曲。
2. 如权利要求1所述的偏振光栅，其中所述第一偏振光栅层的分子的各自的相对取向在所述第一厚度上被旋转第一扭曲角使得所述第一偏振光栅层的局部各向异性图案在所述第一厚度上具有连续可变的相移。
3. 如权利要求1所述的偏振光栅，进一步包括在所述第一偏振光栅层上的第二偏振光栅层，所述第二偏振光栅层包括分子结构，所述分子结构在所述第二偏振光栅层的对立面之间限定的第二厚度上根据与所述第一扭曲方向相反的第二扭曲方向被扭曲。
4. 如权利要求3所述的偏振光栅，其中所述第一偏振光栅层的分子的各自的相对取向在所述第一厚度上被旋转第一扭曲角，并且其中所述第二偏振光栅层的分子的各自的相对取向在所述第二厚度上被旋转第二扭曲角。
5. 如权利要求4所述的偏振光栅，其中所述第二扭曲角包括与所述第一扭曲角相反的角使得所述第二偏振光栅层的局部各向异性图案在所述第二厚度上具有与所述第一偏振光栅层的局部各向异性图案在所述第一厚度上的连续可变相移相反的连续可变相移。
6. 如权利要求4所述的偏振光栅，其中所述第二扭曲角是大约+ 70度，并且其中所述第一扭曲角是大约-70度。
7. 如权利要求4所述的偏振光栅，其中所述第一和第二偏振光栅层的分子的各自的取向沿其间的界面被对准。
8. 如权利要求3所述的偏振光栅，其中所述第一偏振光栅层包括在其中包含具有所述第一扭曲方向的手性液晶分子的第一手性液晶层，并且其中所述第二偏振光栅层包括在其中包含具有所述第二扭曲方向的手性液晶分子的第二手性液晶层。
9. 如权利要求3所述的偏振光栅，其中所述第一和第二偏振光栅层中的至少一个包括可聚合液晶层。
10. 如权利要求9所述的偏振光栅，其中所述第一和第二偏振光栅层中的另一个包括非反应型液晶层。
11. 如权利要求10所述的偏振光栅，其中所述非反应型液晶层包括向列液晶层。
12. 如权利要求3所述的偏振光栅，其中所述衬底包括透射衬底。
13. 如权利要求1所述的偏振光栅，其中所述衬底包括反射衬底。
14. 如权利要求1所述的偏振光栅，其中所述第一厚度被配置为在所述偏振光栅的工作波长范围内提供光的半波延迟。
15. 如权利要求1所述的偏振光栅，进一步包括在衬底上的在其中包括第一周期性对准条件的第一对准层，其中所述第一偏振光栅层在所述第一对准层上，并且其中所述第一偏振光栅层的分子根据所述第一对准层的所述第一周期性对准条件被对准。
16. 如权利要求15所述的偏振光栅，进一步包括在所述第一偏振光栅层上的、与所述第一对准层相对的、在其中包括第二周期性对准条件的第二对准层，其中所述第一偏振光栅层包括在所述第一和第二对准层之间的非反应型液晶层，所述非反应型液晶层包括具有各自的相对取向的液晶分子，所述各自的相对取向在所述厚度上被旋转与所述第一和第二对准层的所述第一和第二周期性对准条件之间的相对相角不同的扭曲角。
17. —种形成偏振光栅的方法，所述方法包括形成衬底；以及在所述衬底上形成第一偏振光栅层，所述第一偏振光栅层包括分子结构，所述分子结构在所述第一偏振光栅层的对立面之间限定的第一厚度上根据第一扭曲方向被扭曲。
18. 如权利要求17所述的方法，其中形成所述第一偏振光栅层包括形成包括具有各自的相对取向的分子的所述第一偏振光栅层，所述各自的相对取向在所述第一厚度上被旋转第一扭曲角使得所述第一偏振光栅层的局部各向异性图案在所述第一厚度上具有连续可变的相移。
19. 如权利要求17所述的方法，进一步包括在所述第一偏振光栅层上形成第二偏振光栅层，所述第二偏振光栅层包括分子结构，所述分子结构在所述第二偏振光栅层的对立面之间限定的第二厚度上根据与所述第一扭曲方向相反的第二扭曲方向被扭曲。
20. 如权利要求19所述的方法，其中形成所述第一和第二偏振光栅层包括形成所述第一偏振光栅层使得所述第一偏振光栅层的分子的各自的取向在所述第一厚度上被旋转笫一扭曲角；以及形成所述第二偏振光栅层使得所述第二偏振光栅层的分子的各自的取向在所述第二厚度上被旋转第二扭曲角。
21. 如权利要求20所述的方法，其中所述第二扭曲角包括与所述第一扭曲角相反的角使得所述第二偏振光栅层的局部各向异性图案在所述第二厚度上具有与所述第一偏振光栅层的局部各向异性图案在所述第一厚度上的连续可变相移相反的连续可变相移。
22. 如权利要求20所述的方法，其中所述第二扭曲角是大约+70度，并且其中所述第一扭曲角是大约-70度。
23. 如权利要求20所述的方法，其中形成所述第二偏振光栅层进一步包括在所述第一偏振光栅层上形成所述第二偏振光栅层使得所述第一和第二偏振光栅层的分子的各自的取向沿其间的界面被对准。
24. 如权利要求19所述的方法，其中形成所述第一偏振光栅层包括利用具有所述第一扭曲方向的手性液晶分子掺杂第一液晶层，并且其中形成所述第二偏振光栅层包括利用具有所述第二扭曲方向的手性液晶分子掺杂第二液晶层。
25. 如权利要求23所述的方法，其中形成所述第一和第二偏振光栅层进一步包括在衬底上形成第一对准层，所述第一对准层在其中具有第一周期性对准条件；直接在所述第一对准层上形成所述第一偏振光栅层使得所述第一偏振光栅层的分子根据所述第一周期性对准条件被对准；并且然后在所述第一偏振光栅层上形成所述第二偏振光栅层。
26. 如权利要求25所述的方法，其中所述第一偏振光栅层包括可聚合液晶层，并且进一步包括在其上形成所述第二偏振光栅层之前在所述第一对准层上光聚合所述可聚合液晶层。
27. 如权利要求26所述的方法，其中形成所述第二偏振光栅层包括在第二衬底上形成第二对准层，所述第二对准层在其中具有第二周期性对准条件；邻近所述第一偏振光栅层组装在其上包含所述第二对准层的所述第二衬底以在所述第二对准层和所述第一对准层之间限定间隙；以及在所述间隙中形成所述第二偏振光栅层。
28. 如权利要求27所述的方法，其中所述第二偏振光栅层包括非反应型液晶层。
29. 如权利要求26所述的方法，其中所述第二偏振光栅层包括可聚合液晶层。
30. 如权利要求19所述的方法，其中所述村底包括透射衬底。
31. 如权利要求17所述的方法，其中所述衬底包括反射衬底。
32. 如权利要求17所述的方法，其中形成所述第一偏振光栅层包括形成所述第一偏振光栅层到这样的厚度，所述厚度被配置成在所述偏振光栅的工作波长范围内提供光的半波延迟。
33. —种可转换的偏振光栅，包括包含第一周期性对准条件的第一衬底；包含第二周期性对准条件的第二衬底；以及在所述第一和第二村底之间的液晶层，所述液晶层包括具有各自的相对取向的液晶分子，所述各自的相对取向在其对立面之间限定的厚度上被旋转与所述第一和第二周期性对准条件之间的相对相角不同的扭曲角。
34. 如权利要求33所述的可转换的偏振光栅，其中所述第二周期性对准条件相对于所述第一周期性对准条件异相。
35. 如权利要求33所述的可转换的偏振光栅，其中所述液晶层包括在其中包含具有扭曲方向的手性掺杂剂的向列液晶层，所述扭曲方向被配置成在其厚度上将所述液晶层的分子结构扭曲所述扭曲角。
36. 如权利要求33所述的可转换的偏振光栅，其中所述液晶分子根据所述第一和第二对准层的所述第一和第二对准条件在其间的相应界面处被对准，并且在所述液晶层的所述厚度上被旋转所述扭曲角使得所述液晶层在其中包括弹性能应变。
37. 如权利要求33所述的可转换的偏振光栅，其中所述相角包括大约70°到大约360°。
38. 如权利要求37所述的可转换的偏振光栅，其中所述扭曲角包括大约70°到大约360°。
39. —种制造可转换的偏振光栅的方法，所述方法包括形成包含第一周期性对准条件的第一衬底；形成包含第二周期性对准条件的第二衬底；以及在所述第一和第二衬底上形成液晶层，所述液晶层包括具有各自的相对取向的液晶分子，所述各自的相对取向在其对立面之间限定的厚度上被旋转与所述第一和第二周期性对准条件之间的相对相角不同的扭曲角。
40. 如权利要求39所述的方法，其中形成所述第一和第二衬底包括在所述第一衬底上形成第一对准层；图案化所述第一对准层以在其中限定所述第一周期性对准条件；在所述第二衬底上形成第二对准层；以及图案化所述第二对准层以在其中限定相对于所述第一周期性对准条件异相的所述第二周期性对准条件。
41. 如权利要求39所述的方法，其中所述液晶层包括向列液晶层，并且其中形成所述液晶层包括利用具有扭曲方向的手性分子掺杂所述向列液晶层，所述扭曲方向被配置成在其厚度上将所述液晶层的分子结构扭曲所述扭曲角。
42. 如权利要求39所述的方法，其中形成所述液晶层包括形成所述液晶层使得其分子根据所述第一和第二对准层的所述第一和第二对准条件在其间的相应界面处被对准并且在液晶层的所述厚度上被旋转所述扭曲角使得所述液晶层在其中包括弹性能应变。
43. 如权利要求39所述的方法，其中所述相角包括大约70。到大约360°。
44. 如权利要求43所述的方法，其中所述扭曲角包括大约70。到大约360°。
全文摘要
一种偏振光栅包括衬底和在所述衬底上的第一偏振光栅层。所述第一偏振光栅层包括在所述第一偏振光栅层的对立面之间限定的第一厚度上根据第一扭曲方向被扭曲的分子结构。一些实施例可以包括在所述第一偏振光栅层上的第二偏振光栅层。所述第二偏振光栅层包括在所述第二偏振光栅层的对立面之间限定的第二厚度上根据第二扭曲方向被扭曲的分子结构。而且，可转换的偏振光栅包括在第一和第二衬底之间的液晶层。所述液晶层包括具有各自的相对取向的液晶分子，所述各自的相对取向在其对立面之间限定的厚度上被旋转与所述第一和第二衬底的相应第一和第二周期性对准条件之间的相对相角不同的扭曲角。相关装置和制造方法也被讨论。
文档编号G02B5/30GK101688937SQ200880012154
公开日2010年3月31日 申请日期2008年4月16日 优先权日2007年4月16日
发明者M·J·埃斯库蒂, R·科曼杜里, 吴哲宇 申请人:北卡罗莱纳州立大学