Получение и свойства ультратонких кремнийорганических пленок для ориентации жидких кристаллов

В настоящее время продолжается поиск и разработка материалов и технологий для оптических элементов оптоэлектронных приборов и систем отображения информации (дисплеев), в частности — материалов для ориентации жидких кристаллов (ЖК). Необходимость в данных работах вызвана как потребностью в улучшении качественных характеристик дисплеев (быстродействие, углы обзора), так и поиском более дешевых технологий.

На данный момент стоит задача поиска новых высокостабильных ориентирующих материалов, обладающих высокой энергией сцепления с ЖК и подложкой, образующих ультратонкую пленку, для проектирования и создания жидкокристаллических устройств с большим сроком эксплуатации и способных работать в самых неблагоприятных условиях.

Для стабильной и длительной эксплуатации приборов на основе ЖК необходимо получить определенное пространственное расположение молекул ЖК (так называемую ориентацию ЖК) относительно поверхности удерживающих подложек. Ориентацию ЖК можно достигнуть разными, эмпирически найденными способами обработки подложки. Наилучшие результаты получают при нанесении на подложку тонких пленок из органических и неорганических веществ. Основными требованиями к ориентантам ЖК являются следующие:

— инертность к конструкционным материалам и ЖК,.

— термо-, влагои светостойкость,.

— прочная связь с подложкой, не изменяющаяся во времени и под воздействием различных факторов,.

— толщина слоя 10 — 200 нм,.

— температура нанесения покрытия не выше 120 °C.

Наиболее полно отвечают этим требованиям кремнийорганические полимеры. Пленки на их основе обладают высокой гидрофобностью, т. е. устойчивостью к действию влаги и атмосферным воздействиям, они термостойки до 300 °C и морозостойки до минус 60 °C и ниже, стойки к действию ряда химических реактивов [1 — 3] и образуются на поверхности в достаточно мягких уеловиях (максимальная температура закрепления п ленки J80fC). Одновременно с этим КОС с функциональными группами у атома кремния (хлор, алкокси, гид-рокси, ацетокси) являются амфифильными веществами (совмещают в молекуле гидрофильные и гидрофобные группы), способными взаимодействовать с активными центрами подложки с образованием силоксановой связи с поверхностью.

В. литературных источниках отсутствуют систематические исследования в области получения ультратонких пленок из КОС и их свойств. Описаны различные КОС, с помощью которых проводилась ориентация ЖК, однако несопоставимые условия получения ориентирующих покрытий не дают установить закономерности ориентации и выбрать оптимальные структуры КОС для создания заданного угла наклона ЖК к подложке.

Целью настоящей работы является изучение условий и способов получения мономолекулярных и ультратонких пленок КОС на подложках, разработка технологии нанесения пленок, исследование их свойств и способности ориентировать ЖК, выбор оптимальных КОС для создания заданного угла наклона ЖК к подложке.

Диссертация состоит из пяти глав и экспериментальной части. В первой главе рассматриваются литературные данные о получении и свойствах КО-пленок, а также приведены типы КОС, используемые для ориентации ЖК, рассматриваются основные методы получения органоэтоксисиланов и силоксанов, олигоалкилгидридсилоксанов и гексаорганоциклотрисилоксанов.

Вторая глава содержит сведения об исследуемых КОС и методах их получения.

Третья глава посвящена получению мономолекулярных пленок из алкил-этоксисиланов и гексаалкилциклотрисилоксанов методом ЛБ.

Четвертая глава посвящена получению ультратонких КО-пленок адсорбционным методом и изучению их поверхностных свойств.

В пятой главе обсуждаются экспериментальные данные по ориентации ЖК на полученных ультратонких кремнийорганических пленках.

Экспериментальная часть содержит методики синтеза исследуемых КОС и их основные свойства, а также стандарты на используемое сырье и материалы. Методики подготовки и модификации поверхности, исследования свойств полученных ультратонких пленок из КОС приведены в соответствующих разделах диссертации.

В заключении обсуждается практическое применение результатов работы, приводятся основные выводы, список использованной литературы и акты испытаний и использования результатов работы.

ВЫВОДЫ.

1. На основе анализа литературных данных выбраны и синтезированы кремнийорганические соединения в качестве возможных ориентантов ЖКпроведено систематическое исследование в области получения ультратонких кремнийорганических пленок из выбранных соединений. Разработаны методики получения пленок различными способами и определены их оптимальные технологические параметры.

2. Впервые: а) рассчитаны значения свободной поверхностной энергии и ее дисперсионной и полярной составляющих для пленок из алкилтриэтоксисиланов и гексаорганоциклотрисилоксановб) показано, что с увеличением концентрации раствора происходит уменьшение полярной составляющей поверхностной энергии, характеризующей наличие на поверхности остаточных функциональных групп у атома кремнияв) измерен заряд поверхности КО-пленкиустановлено, что величина заряда поверхности пленки составляет 1(Г12 Клпоказано, что заряд увеличивается на 2−3 порядка для пленок из циклических КОС и при натирании пленки.

3. Показана способность полученных ультратонких пленок из КОС орис. ентировать ЖК. Получение пленок в одинаковых «Уровнях дало возможность установить, что ориентация ЖК на КО-пленках зависит от строения КОС и ЖК, концентрации раствора КОС, поверхностных свойств пленки. Планарной ориентации ЖК способствует увеличение межмолекулярного взаимодействия пленки с молекулами ЖК по всей длине, которое проявляется при малой длине углеводородных заместителей и при наличии в них полярных атомов или фе-нильных групп.

4. Впервые определены три главных параметра ориентирующих КО-пленок, полученных в одинаковых условиях: угол наклона ЖК к подложке, константы полярной и азимутальной энергии сцепления ЖК и пленки КОС. Показано, что азимутальная энергия сцепления уменьшается с увеличением длины органического заместителя у атома кремния даже при наличии в нем полярных атомов или фенильных группполярная энергия сцепления не зависит от длины органического заместителя и повышается с введением в заместитель полярных атомов и фенильных групп.

5. Установлено, что для получения высокой энергии сцепления КО-пленок и ЖК необходимы КОС с короткими алкильными заместителями, содержащими полярные атомы или фенильные группы. При этом КОС должны иметь структуру, образующую на поверхности подложки регулярный молекулярный микрорельеф.

6. Исследован процесс модификации поливинилового спирта, планарно ориентирующего ЖК, кремнийорганическими соединениями с целью получения гидрофобной пленки. Найдено, что однородная гидрофобная пленка образуется при поверхностной модификации пленки ПВС растворами алкил-триэтоксисиланов и гексаэтилциклотрисилоксана с концентрацией 3 масс.%. Показано, что КО-пленки и модифицированные пленки ПВС сохраняют свои свойства и ориентацию ЖК при воздействии эксплуатационных факторов, таких как повышенная влажность воздуха (до 100%) и циклическое изменение температуры от -90 до +160 — 200 °C.

7. Впервые получено подтверждение предположения об использовании метода ЛБ для получения мономолекулярных пленок КОС, применяемых для ориентации ЖК без механического «натирания» пленки.

8. Получены положительные заключения о применении разработанной технологии нанесения ориентирующей пленки и использовании следующих КОС при изготовлении приборов отображения информации, работающих в экстремальных климатических условиях: винилтриэтоксисилана, фенилтри-этоксисилана, органоэтоксисиланов с полярными группами в органическом заместителе, гексаэтилциклотрисилоксана для получения планарной ориентации.

ЖК на основе цнанбифеннлов. Для получения гомеотропной ориентации ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией рекомендовано использовать пленки из олигоэтилгидридсилоксана.