Способ формирования анизотропных пленок

 

Способ формирования анизотропных пленок предусматривает нанесение на подложку слоя коллоидной системы, внешнее ориентирующее воздействие на систему для обеспечения преимущественного ориентирования частиц коллоидной системы и сушку полученного слоя. Дополнительно в процессе нанесения слоя и/или после нанесения слоя проводят термообработку слоя на поверхности подложки путем, по крайней мере, однократного направленного перемещения температурной зоны вдоль поверхности подложки. Термообработку проводят при влажности не менее 60% и температура слоя не должна превышать температуру фазового перехода коллоидной системы. В качестве коллоидной системы может быть использован лиотропный жидкий кристалл, золь или гель. Одновременно с локальным нагревом остальную часть подложки и/или слоя коллоидной системы можно локально или полностью охлаждать. Технический результат - улучшение характеристик получаемой пленки по всей площади пленки, повышение степени анизотропии, увеличение степени кристалличности и укрупнение надмолекулярных комплексов, а также повышение термостабильности пленки. 19 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к формированию анизотропных пленок, в том числе и кристаллических, из коллоидных систем, в том числе из лиотропных жидких кристаллов (ЛЖК). Изобретение может быть использовано в оптике, средствах отображения информации, линиях коммуникации и других областях науки и техники.

Известен способ формирования анизотропных пленок, например поляризационных, из жидкокристаллических водных растворов органических красителей. Способ предусматривают нанесение жидкокристаллического водного раствора, по крайней мере, одного, органического красителя на подложку, приложение внешнего ориентирующего воздействия и сушку [1]. Пленка образуется в процессе удаления растворителя из слоя материала, содержащего упорядоченно ориентированные надмолекулярные комплексы органического красителя. Пленка имеет хорошие характеристики по степени анизотропии и качеству покрытия. Однако развитие науки и техники обуславливает повышение требований к показателям различных приборов и соответственно к характеристикам и качеству пленок, используемых в них. Так повышаются требования к степени анизотропии и однородности характеристик пленок, выполняющих функции поляризационных покрытий, ориентирующих, фазозадерживающих, отражающих, просветляющих и иных оптических элементов, а также анизотропных пленок иного назначения. Возникает необходимость в создании элементов приборов на основе анизотропных пленок с повышенной степенью анизотропии, с более совершенной структурой и не содержащих “вредных” примесей и дефектов структуры.

Известны способы обработки кристаллических слитков путем направленного перемещения температурной зоны вдоль слитка из полупроводникового материала. В результате такой зонной обработки происходит расплавление локального участка слитка, а затем его рекристаллизация с дополнительной очисткой. Указанный результат достигается в процессе перехода материала уже сформированного слитка из одного агрегатного состояния в другое - из твердого состояния в расплав и обратно [2].

Известны также способы зонной температурной обработки кристаллических полупроводниковых подложек [3]. Способы аналогичны предыдущему, только перемещение расплавленной зоны происходит по поверхности подложки. При этом также происходит перекристаллизация и очистка в результате перемещения расплавленной зоны.

Указанные приемы зонной температурной обработки (зонной плавки) основаны на процессе рекристаллизации, температура перемещаемой зоны превышает температуру фазового перехода из одного агрегатного состояния - твердого, в другое - жидкое. Только при этом условии происходит рекристаллизация и очистка материала обрабатываемого образца.

Для пленок, полученных из ЛЖК и ряда других коллоидных систем, указанные способы не могут быть применимы, поскольку при увеличении температуры будет происходить разложение органического вещества пленки без перехода в иное агрегатное состояние. Кроме того, в методах зонной плавки вытеснение примесей происходит за счет перекристаллизации - образования кристаллической структуры материала, что не всегда выполнимо в пленках полученных из ЛЖК.

В заявленном изобретении предложен способ формирования анизотропных пленок из коллоидных систем (в иной терминологии коллоидных растворов), содержащих анизометрические частицы. В частности, это могут быть ЛЖК, золи и гели.

Пленка, сформированная из коллоидной системы, может содержать все примеси, входящие в состав каждой из компонент системы, в том числе и перешедшие в растворитель из дисперсной фазы в процессе формирования системы. Поэтому даже при высокой степени очистки исходных компонент в коллоидной системе, используемой для изготовления анизотропных пленок, присутствуют примеси и вторичные продукты реакций.

Наличие примесей приводит к неоднородности получаемой пленки, к образованию макродефектов и ухудшению ее параметров.

Нами установлено, что дополнительная обработка получаемой пленки согласно изобретению приводит не только к удалению нежелательных примесей, но и к улучшению характеристик пленки, повышению степени анизотропии (причем независимо от направления движения температурной зоны). Кроме того, наблюдается повышение степени кристалличности получаемой пленки и укрупнение самих надмолекулярных комплексов, образующих структуру пленки.

Техническим результатом заявленного изобретения является одновременное улучшение характеристик получаемой пленки по всей площади пленки, повышение степени анизотропии, увеличение степени кристалличности и укрупнение надмолекулярных комплексов, образующих структуру пленки. Кроме того, техническим результатом заявленного изобретения является также повышение термостабильности получаемых пленок.

Указанный технический результат достигается осуществлением следующих технологических операций в процессе формирования анизотропных пленок:

- нанесение на подложку слоя коллоидной системы,

- внешнее ориентирующее воздействие на систему для обеспечения преимущественного ориентирования частиц коллоидной системы,

- сушку полученного слоя,

- дополнительно в процессе нанесения слоя и/или после нанесения слоя проводят термообработку слоя на поверхности подложки путем, по крайней мере, однократного направленного перемещения температурной зоны вдоль поверхности подложки.

Коллоидная система, из которой формируют анизотропные пленки, содержит анизометрические частицы.

В качестве коллоидной системы могут использовать лиотропный жидкий кристалл (ЛЖК), или золь, или гель.

Кроме того, кинетические единицы в коллоидной системе могут нести заряд.

Температурную зону при формировании анизотропной пленки могут создавать путем локального нагрева подложки со стороны, противоположной той, на которой формируют пленку, и/или локального нагрева подложки и/или слоя коллоидной системы со стороны формируемой пленки.

При этом одновременно с локальным нагревом остальную часть подложки и/или слоя коллоидной системы могут локально или полностью охлаждать.

Предпочтительно, чтобы температура зоны нагрева была бы не менее чем на 10°С выше температуры подложки и не менее чем на 10°С меньше температуры разложения материала пленки.

При этом температура нагрева не должна превышать 180°С.

В процессе формирования анизотропной пленки направление перемещения температурной зоны выбирают совпадающим с направлением внешнего ориентирующего воздействия и/или под углом к направлению ориентирующего воздействия.

При двух- и более кратном перемещении температурной зоны направление каждого последующего перемещения могут выбирать под углом от 0 до 180° к предыдущему.

Скорость перемещения фронта температурной зоны выбирают из условия установления равномерного прогрева слоя в указанной зоне по всей толщине и одновременно сохранения градиента температуры в слое вдоль поверхности подложки.

Ширину перемещаемой температурной зоны обычно выбирают равной ширине формируемой пленки.

Температурную зону могут создавать путем нагрева слоя коллоидной системы и/или подложки электромагнитным излучением, и/или потоком частиц, и/или переменным электрическим или магнитным полем, и/или потоком нагретой жидкости и/или газа.

Температурную зону могут также создавать путем нагрева средств(-ва) ориентирующего воздействия на коллоидную систему.

Предпочтительно нанесение на подложку слоя коллоидной системы, и/или внешнее ориентирующее воздействие на систему, и/или сушку полученного слоя, и/или термообработку слоя проводить при влажности не менее 40%.

При осуществлении способа в процессе нанесении на подложку слоя коллоидной системы, и/или внешнем ориентирующем воздействии на систему, и/или при сушке полученного слоя, и/или при термообработке слоя могут создавать градиент влажности вдоль поверхности подложки.

После формирования анизотропной пленки могут проводить дополнительную термообработку пленки и/или подложки.

В процессе осуществления способа в течении по крайней мере части времени формирования анизотропной пленки нанесенный слой может находиться в постоянном электрическом и/или магнитном поле.

Предлагаемый способ может также предусматривать дополнительный качественный и/или количественный анализ материала, выделившегося на краю сформированной пленки.

При этом в готовом изделии материал, выделившийся на краю сформированной пленки, удаляют.

Способ получения анизотропных пленок предусматривает нанесение на подложку коллоидной системы с анизометрическими частицами, или макромолекулами, или надмолекулярными комплексами, которые образованы сгруппированными и ориентированными определенным образом молекулами, находящимися в предкристаллическом состоянии. Предпочтительно, чтобы степень анизометрии (отношение длины к толщине) кинетических единиц коллоидной системы была не менее 10. Коллоидная система должна также обладать свойством тиксотропии. Для этого коллоидная система должна находиться при заданной температуре и иметь определенную концентрацию дисперсной фазы.

Следующей операцией заявленного способа является внешнее ориентирующее воздействие на систему, которое может быть произведено как механическим, так и любым другим способом. Степень указанного воздействия должна быть достаточна для того, чтобы кинетические единицы коллоидной системы получили необходимую ориентацию и образовали структуру, которая и будет являться основой будущей кристаллической решетки получаемой пленки. Вязкость коллоидной системы в процессе и после ориентирования должна быть такова, чтобы не происходила разориентация образовавшейся в слое структуры. Операции ориентирования может также включать перевод коллоидной системы в текучее состояние до или во время приложения внешнего ориентирующего воздействия и возврат в состояние с высокой вязкостью после ориентации.

Термообработку слоя обычно проводят во влажном слое после операции ориентирования (можно проводить термообработку и в процессе ориентирования или на нескольких этапах формирования пленки). Термообработка включает в себя перемещение зоны повышенной температуры вдоль поверхности пленки. Предпочтительно делать несколько проходов. При движении температурного фронта происходит “выдавливание” примесей, вторичных продуктов реакций и технологических добавок к периферии пленки. Кроме того, одновременно сглаживаются дефекты и напряжения в структуре слоя, повышается его однородность. Было установлено, что термообработка приводит к укрупнению надмолекулярных комплексов (элементов дисперсной фазы) в коллоидной системе совершенствование упаковки молекул в комплексах. В конечном итоге все это приводит к улучшению параметров и однородности получаемой анизотропной пленки.

Во избежание преждевременного высыхания предпочтительно проводить термообработку в атмосфере повышенной влажности (более 60%).

Температура слоя при термообработке не должна превышать температуры фазового перехода для коллоидной системы. Например, если пленку формируют из ЛЖК, наносят и ориентируют его в нематической фазе, а при нагреве он переход в изотропную фазу, то после прохождения температурной зоны и последующей сушке полученная пленка будет изотропной или будет обладать плохими параметрами анизотропной пленки. Таким образом, температура зоны не должна приводить к разрушению структуры слоя.

Завершающей операцией заявленного способа является операция сушки (удаление растворителя), в процессе которой и происходит непосредственно образование анизотропной пленки. Режимы операции сушки должны быть подобраны таким образом, чтобы исключить возможность разориентирования ранее полученной структуры. Предпочтительно проводить сушку в условиях повышенной влажности (не менее 50% при комнатной температуре).

Периферийные края пленки, на которых собираются примеси, удаляют. Исследуя полученный налет аналитическими методами, можно определить наличие и состав примесей в исходной коллоидной системе. Это поможет успешнее наладить технологический процесс производства анизотропных пленок и контролировать качество используемого сырья.

Целесообразно для каждого конкретного вещества (коллоидной системы) подбирать определенные технологические параметры всего процесса.

В качестве примера реализации заявленного способа рассмотрим способ получения анизотропной поляризационной пленки из водного жидкокристаллического раствора сульфированного индантрона. Для получения жидкого кристалла используют 3,0 г сульфированного красителя, свободного от неорганических солей, который растворяют при нагревании в 37 мл растворителя (Н₂O). Затем раствор охлаждают до комнатной температуры. Наличие жидкокристаллической фазы зафиксировано при наблюдении образца под поляризационным микроскопом, оборудованным двумя скрещенными поляризаторами. ЖК раствор наносят на подложку при комнатной температуре и влажности 70%. Получают на стеклянной подложке размером 100х100 мм² слой жидкого кристалла размером 80х80 мм². Ракель в виде вращающегося цилиндра диаметром 20 мм и длиной 200 мм помещен над плоской поверхностью подложки без возможности двигаться вдоль нее, но с возможностью вращения вокруг своей оси. На краях цилиндра закреплены прокладки толщиной 10 мкм и шириной 5 мм. Именно эти прокладки и будут определять толщину получаемой пленки, поскольку в процессе внешнего ориентирующего воздействия будет происходить корректировка толщины слоя. Столик с закрепленной подложкой перемещают со скоростью 20 мм/с относительно неподвижного вращающегося цилиндра таким образом, что цилиндр катится по поверхности пластины. При этом жидкий кристалл красителя равномерно распределяется и ориентируется на поверхности пластины. После высыхания ориентированная пленка красителя имеет следующие параметры: _о=45%, D⊥/D||=16,5. Аналогично осуществляли процесс получения анизотропной пленки, но на разных этапах ее формирования по поверхности формируемой пленки перемещали зону повышенной температуры порядка 40°С. На этапе внешнего ориентирующего воздействия использовали нагретый до указанной температуры ракель. В другом варианте изготовления использовали перемещаемую под подложкой нагретую до 50°С натянутую проволоку. Направления перемещения температурных зон выбирали как совпадающими с направлением внешнего ориентирования, так и перпендикулярными ему.

Температурное воздействие проводили в условиях повышенной влажности (95%), чтобы предотвратить высыхание пленки.

Скорость перемещения фронта температурной зоны задавали из условия получения равномерного прогрева формируемой пленки по толщине и в то же время из условия сохранения границы температурной зоны в формируемой пленке (в слое жидкого кристалла). Скорость перемещения температурной зоны составляла от 0,5 до 10 мм/с. Для создания более резкой границы температурной зоны использовали дополнительно устанавливаемые экраны.

В результате получены анизотропные пленки, имеющие следующие характеристики: Т_о=45%, D⊥/D||=22.

Представленные примеры показали, что при реализации изобретения достигается указанный технический результат.

Источники информации:

1. WO 94/28073.

2. RU 2102183.

3. RU 2107117.

Формула изобретения

1. Способ формирования анизотропных пленок, предусматривающий нанесение на подложку слоя коллоидной системы, внешнее ориентирующее воздействие на систему для обеспечения преимущественного ориентирования частиц коллоидной системы и сушку полученного слоя, отличающийся тем, что дополнительно в процессе нанесения слоя и/или после нанесения слоя проводят термообработку слоя на поверхности подложки путем, по крайней мере, однократного направленного перемещения температурной зоны вдоль поверхности подложки, причем термообработку проводят при влажности не менее 60% и температура слоя не должна превышать температуру фазового перехода коллоидной системы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что коллоидная система содержит анизометрические частицы.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве коллоидной системы используют лиотропный жидкий кристалл.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве коллоидной системы используют золь или гель.

5. Способ по любому из предыдущих пп.1-4, отличающийся тем, что кинетические единицы в коллоидной системе несут заряд.

6. Способ по любому из предыдущих пп.1-5, отличающийся тем, что температурную зону создают путем локального нагрева подложки со стороны, противоположной той, на которой формируют пленку, и/или локального нагрева подложки, и/или слоя коллоидной системы со стороны формируемой пленки.

7. Способ по любому из предыдущих пп.1-6, отличающийся тем, что одновременно с локальным нагревом остальную часть подложки и/или слоя коллоидной системы локально или полностью охлаждают.

8. Способ по любому из предыдущих пп.1-7, отличающийся тем, что температуру зоны нагрева выбирают не менее чем на 10° выше температуры подложки.

9. Способ по любому из предыдущих пп.1-8, отличающийся тем, что нагрев осуществляют не выше чем 180°С.

10. Способ по любому из предыдущих пп.1-9, отличающийся тем, что направление перемещения температурной зоны выбирают совпадающим с направлением внешнего ориентирующего воздействия и/или под углом к направлению ориентирующего воздействия.

11. Способ по любому из предыдущих пп.1-10, отличающийся тем, что при двух и более кратном перемещении температурной зоны направление каждого последующего перемещения выбирают под углом от 0 до 180° к предыдущему.

12. Способ по любому из предыдущих пп.1-11, отличающийся тем, что скорость перемещения фронта температурной зоны выбирают из условия установления равномерного прогрева слоя в указанной зоне по всей толщине и одновременно сохранения градиента температуры в слое вдоль поверхности подложки.

13. Способ по любому из предыдущих пп.1-12, отличающийся тем, что ширину перемещаемой температурной зоны выбирают равной ширине формируемой пленки.

14. Способ по любому из предыдущих пп.1-13, отличающийся тем, что температурную зону создают путем нагрева слоя коллоидной системы и/или подложки электромагнитным излучением, и/или потоком частиц, и/или переменным электрическим или магнитным полем, и/или потоком нагретой жидкости и/или газа.

15. Способ по любому из предыдущих пп.1-14, отличающийся тем, что температурную зону создают путем нагрева средств(-ва) ориентирующего воздействия на коллоидную систему.

16. Способ по любому из предыдущих пп.1-15, отличающийся тем, что при нанесении на подложку слоя коллоидной системы и/или внешнем ориентирующем воздействии на систему, и/или при сушке полученного слоя, и/или при термообработке слоя создают градиент влажности вдоль поверхности подложки.

17. Способ по любому из предыдущих пп.1-16, отличающийся тем, что после формирования анизотропной пленки проводят дополнительную термообработку пленки и/или подложки.

18. Способ по любому из предыдущих пп.1-17, отличающийся тем, что в течение, по крайней мере, части времени формирования анизотропной пленки нанесенный слой находится в постоянном электрическом и/или магнитном поле.

19. Способ по любому из предыдущих пп.1-18, отличающийся тем, что дополнительно проводят качественный и/или количественный анализ материала, выделившегося на краю сформированной пленки.

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что материал, выделившийся на краю сформированной пленки, удаляют.