[發明專利]動態液晶凝膠全息圖

無效

• 申請號: 200580040439.6
• 申請日: 2005-11-21
• 公開（公告）號: CN101065713A
• 公開（公告）日: 2007-10-31
• 發明（設計）人: R·A·M·希克默特
• 申請（專利權）人: 皇家飛利浦電子股份有限公司
• 主分類號: G03H1/02
• 分類號: G03H1/02;G03H1/22;G02F1/1334;G02F1/29
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 段曉玲;韋欣華

技術領域

本發明涉及在液晶材料中形成的動態全息圖。通過施加電場，可以改變部分液晶的取向并且可以開啟和關閉全息圖。本發明適合于例如動態全息光學元件，由此可以在不引入或除去元件的情況下在光路中包括/排除光學功能。

發明背景

文獻中已知的常規全息圖為靜態全息圖。一旦形成全息圖，其光學特性不能變化。已經通過將液晶的優點與體全息光柵組合制成可電控的全息圖。首先，通過使用用于在材料內形成干涉圖樣的常規雙束設備使可光聚合材料曝光而形成全息透射光柵。曝光之后，加工該材料以在最大曝光區域中生產空隙，并用液晶灌注該空隙。令人遺憾地，這些材料制造復雜，并且不能提供用于原位控制液晶域尺寸、形狀、密度或排序的柔韌性。

可轉換液晶全息圖也已經在聚合物分散的液晶(PDLC)材料中加以制造。US?5,942,157公開了一種PDLC材料，包括向列液晶和多官能五丙烯酸酯單體，與光引發劑、助引發劑和交聯劑結合的均勻混合物。該PDLC材料暴露于相干光，在材料內產生干涉圖樣。PDLC材料的光聚合產生清楚區分液晶域和固化聚合物域的全息圖。

發明內容

如果可以提供制造簡單、容易操作、透明度高、斷開狀態下的衍射低、接通狀態下的衍射效率高以及雙折射性能清晰的改進的動態全息元件將是有利的。

現有技術的可轉換全息元件中應用的PDLC材料為沒有宏觀排列的各向同性體系。雖然PDLC溶液包括LC組分，但是該混合物不是LC，因為其它組分干擾了LC性能并使得分子無規取向。

與PDLC材料相反，LC凝膠材料在聚合之前處于各向異性液晶相。在本文中，聚合之前的LC凝膠材料還稱為LC預凝膠混合物。LC凝膠體系為聚合物穩定的各向異性液晶相，其中在聚合之前其濃度和狀態下，沒有組分能夠干擾該相的(折射率)各向異性或液晶態。

本發明的發明人已經發現，通過使用各向異性LC預凝膠混合物，而不是各向同性預PDLC混合物，可以生產表現與全息PDLC元件不同的全息LC凝膠元件。該生產包括兩步光照工藝，其產生新的且令人驚訝的全息元件性能。

因此，本發明的第一方面提供一種全息圖，其通過在各向異性LC預凝膠材料內曝光聚合光線的干涉圖樣并隨后將該本體LC預凝膠材料曝光于泛射聚合光線而形成。

LC預凝膠混合物包括以下組分：

-當混合物聚合時不發生聚合的非反應性LC主體；

-當聚合時形成線性聚合物的單官能反應性(可聚合)單體；

-能夠在聚合時與非官能反應性混合物共聚并形成交聯的多官能反應性單體(也稱為交聯劑)；和

-光引發劑。

單個組分不必處于液晶相，只要它們在聚合之前或之后不干擾整體混合物的液晶排序。LC主體可以為任何可商購LC混合物。可以選擇各種類型的官能團用于單體聚合。單官能可聚合聚合物可以例如為單丙烯酸酯、單環氧化物、單乙烯基醚。用于交聯的多官能聚合物可以例如為二或三(多)丙烯酸酯、環氧化物或乙烯基醚。也可以使用具有高于三個反應活性基團的官能度的硫醇烯(Thioleene)體系。在優選的實施方案中，反應性分子選定為內消旋分子，其顯示形成液晶相的傾向。光引發劑可以為當暴露于光線時引發自由基、陽離子/陰離子聚合的任何分子。

LC預凝膠混合物可以通過用聚合輻射，通常為紫外(UV)光照射材料進行光聚合。聚合過程中，形成交聯聚合物鏈的網絡，使LC分子在外部電場中排列的傾向降低。在本文中，聚合作為動詞表示經歷或進行聚合，而作為形容詞表示在可聚合介質中能夠產生或引起聚合。

根據第二方面，本發明提供一種形成動態全息元件的方法，該方法包括以下步驟：

-提供各向異性LC預凝膠混合物，其包括：

-非反應性LC主體；

-單官能可聚合單體；

-多官能反應性單體；和

-光引發劑，

-用聚合光線的干涉圖樣照射部分LC預凝膠混合物，在LC預凝膠混合物中形成高強度區域和低或無強度區域，和

-用聚合光線照射LC預凝膠混合物，形成各向異性LC凝膠。

在第一照射步驟過程中，在LC凝膠相中形成高和低強度區域，引發幾個過程。首先，光引發劑分子由于入射輻射分裂成為自由基。該反應在高強度區域中具有更高速率。這在單體和交聯分子之間引發聚合反應。由于光引發劑反應，這一反應在高強度區域中也具有高速率，并引發高強度區域中單體和/或交聯分子的逐漸消耗。如果聚合組分之一顯著少于其它組分，那么僅這一組分的濃度受到顯著影響。這一點再次導致較少的聚合組分根據菲克定律由低強度區域向高強度區域進行凈擴散。