專利名稱：一種數控微鏡陣光刻實現液晶任意取向控制的方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于一種實現液晶選區取向控制的方法。具體的，利用數控微鏡陣DMD作為動態掩模對光束不同區域反射狀態的選擇控制，實現對光控取向材料的無掩模曝光，進而實現對液晶的選區取向控制。涉及微光刻系統、液晶取向控制、電光可調元器件制備等若干技術領域。
背景技術：
液晶在信息顯示、光學及光子學器件等領域具有廣泛應用。高質量的液晶取向控制是向列相液晶所有應用的一個先決條件。摩擦取向是產業界使用最廣泛的技術，但是傳統的摩擦取向方法容易產生靜電、塵埃、摩擦溝痕等缺限，而且不適用多疇取向及曲面和結構取向。而光控取向是新近發展起來的一種非接觸式的液晶取向方法，它利用光敏材料在 紫外或藍光偏光照射下發生定向光交聯、異構化或光裂解反應而取向，克服了上述不足，具有重要的應用前景。利用光控取向技術制備液晶器件可以實現相位調制、偏振調制、振幅控制等，適用于光開關、濾波器、可調光衰減器、可調焦透鏡、液晶光柵以及空間光調制器等的制備，可廣泛應用于通訊、成像、顯示、傳感和光學控制等領域。相比于機械調節或傳統電光、磁光技術，液晶器件具有低電壓、低能耗、無機械移動部件和高可靠性等優勢。現有的液晶選取光控取向技術主要有兩種一種是基于投影光刻技術的偏振光曝光。投影光刻技術是一種將掩模圖案復制圖形的微加工技術，需要特定的掩模板，圖形的轉換必須通過更換掩模版來實現，更換模版會涉及系列機械對準，因而工藝成本高，效率較低。由于光束經過基片后存在展寬現象，圖形分辨率受到限制；而且不能夠實現不同取向區域的任意偏振狀態控制。另一種是利用全息干涉的方法獲得周期性的液晶取向，其缺陷在于難以制備復雜圖案。本發明提出基于數控微鏡陣(DMD)投影式光刻系統的任意圖形和偏振狀態的液晶取向技術方法。能夠完全克服上述技術的缺陷，豐富完善圖形結構的設計及器件的調諧操控維度，既滿足現有元器件的制備需求，又打開了全新器件設計的大門。

發明內容
本發明的目的是，提出一種數控微鏡陣光刻實現液晶任意取向控制的方法與裝置，設計一套基于DMD的投影式光刻系統，進而實現任意圖形和偏振狀態的液晶取向控制。本發明的技術方案是，一種數控微鏡陣光刻實現液晶任意取向控制的方法，利用一套基于DMD的投影式光刻系統，令準直后的紫外或藍光束均勻照射到DMD表面，計算機輸出圖形信號控制DMD各像素即單個微鏡呈現不同反射狀態實現掩模，即DMD各像素反射光實行圖形信號的控制；所述光束通過顯微物鏡縮微后，經偏振片投射至曝光圖案所在的表面涂有光控取向材料的灌液晶的基片，對曝光圖案區域的液晶進行取向控制；控制光強、時間完成曝光；基片組合成液晶盒并灌晶，實現液晶的選區取向。
將涂有光控取向材料(光敏材料)的灌液晶基片置于像平面處曝光，控制光強、時間完成曝光。光控取向材料為偶氮染料、聚酰亞胺、聚乙烯醇、肉桂酸酯類等在線偏光照射下能夠引發分子排布的各向異性，并可取向液晶分子的材料。紫外或藍光光束被透鏡準直后，均勻入射在DMD表面。DMD作為反射式動態掩模，對入射光進行微區調制，然后縮微成像在基片表面。將微圖案和偏振信息記錄到光控取向材料上，實現液晶分子的取向控制。光控取向材料在紫外或藍光線偏光照射下發生異構化、定向光交聯或光裂解反應而引發分子排布的各向異性，并能夠進一步通過分子間相互作用的傳遞取向液晶分子。可利用本發明DMD微光刻系統將微圖案和偏振信息記錄到基片的光控取向材料上，然后將曝光后的基片組合成液晶盒并灌入液晶，即實現了液晶分子的取向控制。數控微鏡陣光刻實現液晶任意取向控制的系統，即基于DMD的投影式光刻系統，其特征在于包括光源組件、動態掩模生成組件、圖形縮微組件、聚焦監控組件及精密調節載物臺幾個部分；光源組件由紫外或藍光燈及光導管(也可為LED)，準直透鏡，可變光闌組成并依次通過光路連接；動態掩模生成組件由數控微鏡DMD和計算機控制系統組成，計算 機控制系統的圖像信號輸至DMD信號輸入端；圖形縮微組件由會聚透鏡，顯微物鏡，偏振片組成；聚焦監控組件即實時監控系統由分束棱鏡、CCD成像器件和連接CCD成像器件信號的計算機終端(監控電腦終端，與上述計算機控制系統終端是同一臺電腦)組成；精密調節載物臺由承載灌液晶基片的載物臺，精密位移調節桿和固定支架組成。紫外或藍光光源發出的光經過光導管，以一定發散角出射。出射紫外或藍光光束被透鏡準直后，均勻入射在DMD表面。DMD為數控微鏡陣器件，本發明中所使用的DMD共有1024X768個像素，也就是1024X 768個獨立可控的微小反射鏡。如圖2所示，每個像素(微鏡，每個像素為邊長13. 68um的正方形反射鏡)可以通過由計算機控制加電來獨立的繞軸偏轉，使反射光進入和折出光路。計算機的圖形輸入即可使DMD成為反射式的動態掩模的信號源。入射光被DMD調制后反射，通過分光棱鏡和顯微物鏡(實施例的光路中顯微物鏡數值孔徑為0.3，放大倍率為10)后，縮微成像在置于像平面上的載物臺固定的樣品上。依曝光環節分為一步曝光法和分步曝光法。一步曝光法為，將涂有光控取向材料的基片或液晶盒按照預設圖形一步曝光，曝光區域取向相同，但與非曝光區域不同；一步曝光法具體操作流程如下(a)清洗基片，然后涂布光取向材料，退火處理形成均勻薄膜；(b)對兩片基片用均勻的線偏光曝光獲得初始取向；(c)用DMD光刻系統對其中一片基片進行選區圖形曝光，或組立成盒后兩片基片同時曝光，旋轉偏光片控制偏振方向與初始曝光偏振方向不同；(d)在其中一片基片上噴涂空間粉，然后將兩片基片膠合成盒，在清亮點以上灌入液晶。分步曝光法為，利用DMD動態掩模不同區域的控制結合偏振片轉角控制，對涂有光控取向材料的基片或液晶盒的不同區域分步曝光，可實現不同區域的液晶取向的分別控制。具體操作流程如下(如圖3所示)(a)清洗基片，然后涂布光取向材料，退火處理形成均勻薄膜；(b)對兩片基片用均勻的線偏光曝光獲得初始取向；(c)用DMD光刻系統結合偏振片轉角控制，對涂有光控取向材料的基片或組立成盒后兩片基片的不同區域分步曝光；(d)在其中一片基片上噴涂空間粉，然后將兩片基片膠合成盒，在清亮點以上灌入液晶。本發明的有益效果是該發明提供了一種便捷實用的液晶選區光控取向方法，可以實現任意圖形和取向方向的控制制備，并無需機械對準，在廣視角液晶顯示、可調光通訊器件、波前矯正、光束操縱等領域都具有潛在的重要應用。與傳統掩模光照相比，本發明方法和系統可實現任意圖形光刻而無需更換掩模，節約了掩模制作成本，全數字化操作，靈活方便。該系統用于液晶光控取向，可實現任意圖形的液晶取向控制。由于是投影式曝光，可避免光束展寬造成的圖形變形，并大大提高了分辨率。本發明提出基于DMD投影式光刻系統的任意圖形和偏振狀態的液晶取向技術方法。由于分步曝光不會產生任何機械位移，因此多次曝光無需對準，并能實現不同區域的任意液晶取向方向的控制，進而控制出射光的偏振狀態。能夠完全克服上述技術的缺陷，豐富完善圖形結構的設計及器件的調諧操控維度，既滿足現有元器件的制備需求，又打開了全 新器件設計的大門。


圖IDMD投影式光刻系統示意圖。圖2DMD工作原理示意圖。圖3 —步曝光法制備液晶結構取向樣品的示意圖。圖4不同取向結構的液晶樣品的顯微鏡照片，其中圖4 (a)展示了線寬為6.5 iim的一維相位光柵，圖4 (b)展示了具有十二重對稱性的二維準晶結構。圖5不同取向方向的液晶樣品的顯微鏡照片。圖6不同取向方向的液晶樣品的顯微鏡照片。
具體實施例方式下面通過實施例來進一步闡明本發明方法及應用，而不是要用這些實施例來限制本發明。如圖I所示，工業(XD1、輸入圖形信號2、DMD3、光闌4、準直透鏡5、光導管6、光源7、會聚透鏡8、顯微物鏡9、偏振片10、基片11、載物臺12、圖形成像13、計算機輸14、分束棱鏡15、基片二 16、基片一 17。利用基于DMD的光刻系統實現液晶選區光控取向。數控微鏡陣光刻系統組成為405±10nm藍光LED光源，通過直徑50mm的平凸透鏡，經可變光闌后均勻照射至DMD (1024X768個像素，最佳匹配紫外及藍光波段)，計算機通過CAD軟件將圖像控制信號輸至DMD信號輸入端；圖形縮微透鏡孔徑50mm，焦距150mm，顯微物鏡數值孔徑0. 3，工作距離34mm，焦深3 u m,放大倍率10倍，樣品載物臺前5cm處放置亞波長金屬線柵偏振片(直徑50mm，消光比大于2000 1);聚焦監控組件即實時監控系統中的分束棱鏡尺寸25mm X 25mm、CXD成像器件選用工業紫外可見近紅外成像CXD并通過USB與計算機終端連接；載物臺精密位移調節桿行程均為25mm，精度I y m。ITO玻璃切成合適大小，兩邊長分別為I. 4cm和2cm，然后用丙酮或酒精進行超聲清洗30分鐘以上。在100C烘箱里烘干100分鐘后，進行UVO清洗以增加浸潤性和粘附性。將偶氮類光取向材料SDl，旋涂在基片上，旋涂參數為低速旋涂5秒，轉速800轉/分鐘，高速旋涂30秒，轉速3000轉/分鐘。旋涂完畢后放在熱臺上以70C烘干10分鐘。用藍光405nm LED透過偏振片垂直曝光(5J/cm2)，在兩片上獲得均勻的初始取向。然后，將其中一片基片放置在DMD光刻系統的焦平面上。選擇需要曝光的圖形，用電腦將其輸出到DMD表面，并將偏振片的偏振方向調節為與原曝光方向垂直，再次曝光(5J/cm2)。二次曝光的區域的取向方向將于其余區域垂直。在其中一片基片上均勾嗔涂直徑為6 ii m的空間粉，然后將兩片基片做成液晶盒，在清亮點以上灌入液晶E7。自然冷卻至室溫后，液晶分子將重新取向，兩片基板取向層方向相同的區域，液晶分子呈平行取向(PA取向)；取向層方向相互垂直的區域，液晶分子將呈90°扭轉向列向(TN取向)。如圖4所示，在垂直偏振片的觀測下，TN區域呈亮態，PA區域呈暗態。用以上方法制備的液晶盒，部分區域的液晶分子為平行取向，其余部分為扭轉向 列取向。圖4a展示了線寬為6. 5 ii m的一維相位光柵，圖4b展示了具有十二重對稱性的二維準晶結構。實施例2利用基于DMD的光刻系統實現偏振控制器陣列的制備。利用DMD光刻系統以及與實施例I相似的步驟，使用1000W紫外光源，肉桂酸酯類光控取向劑。在對基片2進行曝光的時候，如圖5所示，首先讓DMD輸出圖形“NJU”字樣，調整偏振片方向，使得曝光區域的取向方向與基片I的取向方向垂直。然后改變DMD的輸出圖形，依次曝光圖5中的各圓形區域，每次曝光的時候選用不同的偏振片方向。曝光結束后依照實例I的步驟(4)將兩片基片組成液晶盒。通過這種方法，在液晶盒的不同區域，液晶分子將具有不同的扭轉角度。此處，“NJU”字樣和右上角的圓形圖案為90° TN區域，這些區域在垂直偏振片下亮度最高。其余的8個圓環依次為80°、70°、60° -10° TN區域，其灰度也依次遞減，這是因為線性偏振光通過這些區域后，被扭轉的液晶分子改變了偏振方向，最終只有和檢偏片方向相同的光分量才能被觀測到，因此在偏光顯微鏡下這些區域呈現不同灰度。液晶盒的這些區域將對垂直入射的線性偏振光有不同角度的偏振旋轉作用，舉例說明，對扭轉角度為50°的TN區域而言，入射偏振光的偏振方向將被扭轉50°后從下基板出射。實施例3利用基于DMD的光刻系統實現相位延遲器陣列的制備。利用DMD光刻系統以及與實施例I及2相似的步驟，使用1000W紫外光源，聚酰亞胺類光控取向劑。先將兩片同向取向的基片制成液晶盒。然后利用DMD光刻系統逐步曝光，首先讓DMD輸出圖形“NJU”字樣，調整偏振片方向，使得曝光區域的取向方向與兩基片的取向方向垂直。然后改變DMD的輸出圖形，依次曝光圖6中的各數字區域，每次曝光旋轉不同的偏振片方向。如圖中數字所示，液晶取向與預設取向的夾角依次為90°、80°、70°、60° -10°。曝光結束后在清亮點附近灌入液晶。這樣，曝光區域和未曝光區域均為PA取向，但是各曝光區域的取向方向均不同。對線性入射的偏振光而言，這些區域會引發不同的相位延遲。
權利要求
1.一種數控微鏡陣光刻實現液晶任意取向控制的方法，其特征是利用一套基于DMD的投影式光刻系統，令準直后的紫外或藍光束均勻照射到數控微鏡陣DMD表面，計算機輸出圖形信號控制DMD各像素即單個微鏡呈現不同反射狀態實現掩模，即DMD各像素反射光實行圖形信號的控制；所述光束通過顯微物鏡縮微后，經偏振片投射至表面涂有光控取向材料的基片上，控制光強、時間完成曝光，對曝光圖案區域的液晶進行重新取向；與另一片基片組成液晶盒并灌晶，實現預定取向。
2.由權利要求I所述的數控微鏡陣光刻實現液晶任意取向控制的方法，其特征是將涂有光控取向材料即光敏材料的灌液晶基片置于像平面處曝光，控制光強、時間完成曝光；光控取向材料為偶氮染料、聚酰亞胺、聚こ烯醇或肉桂酸酷； 由權利要求I或2所述的數控微鏡陣光刻實現液晶任意取向控制的方法，其特征是DMD作為反射式動態掩模，對入射光進行微區調制，然后縮微成像在基片表面；將微圖案和偏振信息記錄到光控取向材料上，實現液晶分子的取向控制。
3.由權利要求I所述的數控微鏡陣光刻實現液晶任意取向控制的方法，其特征是依曝光環節分為ー步曝光法和分步曝光法；一歩曝光法為，將涂有光控取向材料的基片或液晶盒按照預設圖形一歩曝光，曝光區域取向相同，但與非曝光區域不同；操作流程如下 清洗基片，然后涂布光取向材料，退火處理形成均勻薄膜； 對兩片基片用均勻的線偏光曝光獲得初始取向； 用DMD光刻系統對其中一片基片進行選區圖形曝光，或組立成盒后兩片基片同時曝光，旋轉偏光片控制偏振方向與初始曝光偏振方向不同； 在其中一片基片上噴涂空間粉，然后將兩片基片股合成盒，在清売點以上灌入液晶。
4.由權利要求4所述的數控微鏡陣光刻實現液晶任意取向控制的方法，其特征是分步曝光法為，利用DMD動態掩模不同區域的控制結合偏振片轉角控制，對涂有光控取向材料的基片或液晶盒的不同區域分步曝光，實現不同區域的液晶取向的分別控制，操作流程如下 清洗基片，然后涂布光取向材料，退火處理形成均勻薄膜； 對兩片基片用均勻的線偏光曝光獲得初始取向； 用DMD光刻系統結合偏振片轉角控制，對涂有光控取向材料的基片或組立成盒后兩片基片的不同區域分步曝光； 在其中一片基片上噴涂空間粉，然后將兩片基片股合成盒，在清売點以上灌入液晶。
5.由權利要求1-3之I所述的數控微鏡陣光刻實現液晶任意取向控制的方法，其特征是通過分光棱鏡的另一路光由エ業CXD用來做實施監控，確保CXD和DMD相對于分光棱鏡等光程，當基片處在像平面時，基片表面的反射光將被顯微物鏡接收并在CCD上形成清晰的像。
6.數控微鏡陣光刻實現液晶任意取向控制的系統，其特征在于包括光源組件、動態掩模生成組件、圖形縮微組件、聚焦監控組件及精密調節載物臺幾個部分；光源組件依次由紫外或藍光光源及光導管，準直透鏡，可變光闌組成；動態掩模生成組件由數控微鏡DMD和計算機控制系統組成，計算機控制系統的圖像信號輸至DMD信號輸入端；圖形縮微組件由會聚透鏡，顯微物鏡，偏振片組成；聚焦監控組件即實時監控系統由分束棱鏡、CCD成像器件和連接CCD成像器件信號的計算機終端組成；精密調節載物臺由承載液晶基片的載物臺，精密位移調節桿和固定支架組成。
7.紫外或藍光光源發出的光經過光導管，出射紫外或藍光光束被透鏡準直后，均勻入射在DMD表面；DMD為數控微鏡陣器件，DMD共有1024X768個像素，也就是1024X768個獨立可控的微小反射鏡。
8.每個像素(微鏡，每個像素為邊長13.68 um的正方形反射鏡)通過由計算機控制加電來獨立的繞軸偏轉，使反射光進入和折出光路；計算機的圖形輸入即可使DMD成為反射式的動態掩模的信號源。
9.利用基于DMD的光刻系統實現液晶選區光控取向的方法，在廣視角液晶顯示、可調光通訊器件、波前矯正、光束操縱領域的應用。
全文摘要
一種數控微鏡陣光刻實現液晶任意取向控制的方法，利用一套基于DMD的投影式光刻系統，令準直后的紫外或藍光束均勻照射到數控微鏡陣DMD表面，計算機輸出圖形信號控制DMD各像素即單個微鏡呈現不同反射狀態實現掩模，即DMD各像素反射光實行圖形信號的控制；所述光束通過顯微物鏡縮微后，經偏振片投射至表面涂有光控取向材料的基片上，控制光強、時間完成曝光，對曝光圖案區域的液晶進行重新取向；與另一片基片組成液晶盒并灌晶，實現預定取向。該發明實現任意圖形和取向方向的控制制備，在廣視角液晶顯示、可調光通訊器件、波前矯正、光束操縱等領域都具有潛在的重要應用。
文檔編號G02F1/1337GK102768472SQ20121022509
公開日2012年11月7日 申請日期2012年6月30日 優先權日2012年6月30日
發明者吳皓, 徐飛, 林曉雯, 胡偉, 陸延青 申請人:南京大學