CN105874380B - 光调制元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供不易发生光分解、光劣化的光调制元件。一种光调制元件，其是包含至少一片以上的透明性基板和层叠于该透明性基板上的介电体层的光调制元件，其特征在于，所述介电体层含有外场反应性物质90摩尔％～100摩尔％，所述外场反应性物质的最低三重激态的能级(T1)为2.6eV～5.4eV。将所述外场反应性物质(A)的激发单重态的能级设为(S1)时，所述外场反应性物质优选具有S1‑T1的值为1.0eV～2.0eV的外场反应性物质(A‑1)35摩尔％～85摩尔％。

Description

光调制元件
技术领域
本发明涉及光调制元件。
背景技术
关于光调制元件，作为具有根据输入的外场信号对输入光的相位、强度、振幅等进行空间性调制并输出的功能的元件，期待在光记录技术、光信息处理技术、显示器技术等领域中应用，并广泛地进行了研究开发。作为空间光调制元件，已知例如利用了液晶的电场响应的元件，广泛用作显示装置(例如专利文献1～2)。液晶能够通过基板表面处理、外场而自如地控制分子排列，可以利用该特征而自如地使光的相位、强度发生变化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2008-143902号公报
专利文献2:日本特表2009-504814号公报
发明内容
发明所要解决的课题
对于光调制元件，要求对光、热等外在因素稳定。特别是光调制元件发挥恒定地对输入光进行调制并输出的作用，因此对光的稳定性尤其重要。
本发明的课题在于，提供一种能够对来自外部的物理作用响应且不易发生光分解、光劣化的光调制元件。
用于解决课题的方法
本发明为一种光调制元件，其是包含至少一片以上的透明性基板和层叠于该透明性基板上的介电体层的光调制元件，其特征在于，所述介电体层含有外场反应性物质(A)90摩尔％～100摩尔％，所述外场反应性物质的最低三重激态的能级(T1)为2.6eV～5.4eV。
本发明中，在将所述外场反应性物质(A)的激发单重态的能级设为(S1)时，所述外场反应性物质优选具有S1-T1值为1.0eV～2.0eV的外场反应性物质(A-1)35摩尔％～85摩尔％。
本发明中，所述外场反应性物质优选具有所述S1-T1值为1300meV±200meV的外场反应性物质(A-1-1)25摩尔％～65摩尔％。
本发明中，所述外场反应性物质(A)在波长300nm～650nm时的摩尔吸光系数(ε)优选小于500，作为该外场，优选对磁场、电场、光场、流动场产生反应。
本发明的光调制元件优选：在所述透明性基板的至少一片上形成有透明电极，对由输入至该电极的电信号所产生的电磁波响应而对光进行调制。
发明效果
根据本发明，通过具备具有预定能级的外场反应性物质，从而能够提供不易发生光分解且光可靠性高的光调制元件。
附图说明
图1为表示本发明实施例的光稳定性的图。
具体实施方式
《光调制元件》
本发明的光调制元件包含至少一片以上的透明性基板和层叠于该透明性基板上的介电体层，其特征在于，上述介电体层含有外场反应性物质，上述外场反应性物质含有最低三重激态的能级(T1)为2.6eV～5.4eV的外场反应性物质(A)90摩尔％～100摩尔％。
本发明的光调制元件对入射的光进行调制并将其射出，从而表现出光学性功能。本发明的光调制元件可以用作液晶显示元件、全息照相用元件、相位差膜等相位差元件、波分复用元件等光通信用元件、电致发光元件等照明用元件以及3D打印机用元件等。
作为本发明中所使用的透明基板的材质，可例示由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醚砜(PES)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚芳酯(PAR)、聚醚醚酮(PEEK)、聚碳酸酯(PC)、聚环烯烃、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺、聚酰亚胺酰胺、三乙酰基纤维素(TAC)等可挠性聚合物、玻璃纤维增强塑料、纤维素纤维增强塑料那样的复合材料制作的基板、玻璃等无机材料。它们中，优选玻璃。
本发明中，光调制元件只要具有至少一片以上的透明性基板即可，优选具有两片。在具有两片以上的基板的情况下，彼此可以由相同种类的材质形成，也可以由不同的材质形成。
本发明中，介电体层含有外场反应性物质。
本发明中，外场反应性物质是指对来自外场的物理性、化学性刺激产生反应而能够进行功能控制的物质。
作为外场反应性物质的外场，可举出磁场、电场、偏光(激光器或大光量灯)等光场、剪切力等流动(流动场)等。
本发明中，作为外场反应性物质，可举出例如热电性物质、压电性物质、强介电性物质、荧光物质、磷光物质、色素、液晶性物质等介电性物质。液晶性物质主要包含液晶性分子的集合体，具有能够通过外场来自如地控制分子排列这样的特征。例如，使用电场作为外场时，通过对多个电极之间施加电压，从而与基板垂直地排列的液晶分子会变成与基板平行地取向，或者，与基板大致平行地排列的液晶分子以在保留与基板平行的取向的状态下仅改变分子方向的方式产生取向变化，因此能够对液晶分子的动态取向进行电场控制。此外，通过对液晶性物质提供加温或降温的作用作为外场，从而能够使液晶相的序参量产生变化。进而，对于含有液晶性分子、以及色素或荧光磷光物质的液晶性物质，通过利用光照射来给予光能作为外场，从而能够使液晶相的秩序产生变化。在任一作用下，都能够对输入光进行调制并作为出射光引出。如此，液晶性物质具有能够对各种外场进行光调制这样的特点。本发明中，外场反应性物质优选为液晶分子。
作为本发明中的外场反应性物质，含有该外场反应性物质的最低三重激态的能级(T1)为2.6eV～5.4eV的外场反应性物质(A)90摩尔％～100摩尔％。
光调制元件为调制光的元件，是设想被光照射的元件。因此，为了即使长时间持续照射光也不使性能变化，需要充分的光稳定性。
本发明的光调制元件，如后所述，具有基板、电极、配线、无机保护膜、有机保护膜、偏光板、相位差膜等周边构件。
光照射有时会引起光调制元件的劣化。这是因为，光调制元件的构成材料因光照射能量而产生光分解、光劣化。即，为了提高光调制元件的光稳定性，首先提高构成光调制元件的外场反应性物质的光稳定性被认为是必要条件。
因而，本发明人等关注如下失活过程，即外场反应性物质或周边构件受到光激发，生成激发单重态后，其一部分进行系间窜越而生成最低三重态之后的失活过程。这是因为，最低三重态通常与激发单重态相比激发寿命非常长，因此成为引起光劣化的原因的光反应的发生概率高。
为了使外场反应性物质或周边构件受到光激发，需要下述任一情况：物质吸收光，或者激发能从激发分子产生移动。可认为：尽管外场反应性物质或周边构件的任一方通过光照射而受到了光激发，但由于它们不发生光化学反应而各自独立地失活并回到基态，因而可以保持元件的光稳定性。这是第一个光稳定性的机理。
接着，可认为：在物质受到光激发后，例如，通过液晶分子之间的能量移动、从液晶分子向周边构件的能量移动、从周边构件向液晶分子的能量移动、周边构件之间的能量移动等，从而利用与周围的能量移动来适度地经过能量的缓和过程而失活，由此不至于发生过度的光劣化，能够保持光调制元件的光稳定性。这是第二个光稳定性的机理。
本发明人等发现，当构成光调制元件的介电体层含有能级(T1)为2.6eV～5.4eV的外场反应性物质90摩尔％～100摩尔％时，能够经过适宜的能量缓和工序而失活，从而抑制光劣化，保持光稳定性。
激发能的移动从能级高的物质朝向能级低的物质产生。因此，受到激发的物质的能级与接受能量的物质的能级的相对关系是重要因素。可认为：通过使外场反应性物质的最低三重激态的能级(T1)为2.6eV以上，从而不易因外场反应性物质的分解而产生失活。这是因为，若为2.6eV以上，则认为外场反应性物质的能级不会过低而成为适当的高度，能够一边使激发能也分散至能级进一步低的周边构件，一边平稳地进行失活。
另一方面，若外场反应性物质的最低三重激态的能级(T1)小于2.6eV，则由于本来外场反应性物质自身的光稳定性不良好的化合物多，因此容易产生伴随化合物自身的分解的失活。此外认为，外场反应性物质的能级与周边构件的能级相比相对低的情况多，经过使能量分散至周边构件的缓和过程而进行失活的概率降低。
通过将外场反应性物质的最低三重激态的能级(T1)设为5.4eV以下，从而能够使外场反应性物质的能级不会过高而成为适当的高度，因此不易产生伴随各种光分解的光反应。此外，处于周边构件的能级与外场反应性物质的能级相比相对略低的状态，在它们之间产生适度且平稳的能量移动，能够经过不伴随过度的光反应的能量缓和工序而进行失活。因此，能够使光调制元件的光稳定性高。
当外场反应性物质的最低三重激态的能级(T1)高于5.4eV时，由于激发分子的能级非常高，因此引发外场反应性物质自身的光反应的可能性变高，这会造成第一个光稳定性不良的原因。此外，由于周边构件的能级与外场反应性物质的能级相比大幅低的情况多，因此虽然不易产生从周边构件向外场反应性物质的能量移动，但非常容易产生从外场反应性物质向周边构件的能量移动。因此，外场反应性物质的激发分子引发伴随周边构件的分解的化学反应的可能性提高。这成为第二个光稳定性不良的原因的可能性高。
本实施方式的介电体层所含有的外场反应性物质(A)的最低三重激态的能级(T1)优选为3.0～4.9eV，更优选为3.5～4.1eV。
本发明中，外场反应性物质的能级可通过例如磷光测定等发射光谱测定来进行测定。更具体而言，优选按照＜“荧光测定-在生物科学中的应用”木下一彦、御桥广真编，学会出版中心，东京，1983＞所记载的方法进行测定。
能级取决于化合物和其周边环境，可通过磷光测定等测定化合物的能级，并进一步测定使用了该化合物的组合物的能级。
此外，适宜地更换能级高的化合物和低的化合物，制成具有所希望的能级的组合物，这只要是本领域技术人员就能够实施，但由于激发分子会发生能量移动、受激准分子形成等复杂的行为，因此很少呈现单纯线性的值，为了在组合物中得到所希望的能级，需要一定的技术和秘诀。
关于本实施方式的介电体层所含有的外场反应性物质(A)的含量，含有90摩尔％～100摩尔％，优选为93摩尔％～100摩尔％。
本发明中，通过将外场反应性物质(A)的含量设为上述范围，从而能够控制激发能的失活的途径，使光稳定性良好。
此外，本发明中，当将上述外场反应性物质(A)的激发单重态的能级设为(S1)时，上述外场反应性物质优选具有S1-T1的值为1.0eV～2.0eV的外场反应性物质(A-1)35摩尔％～85摩尔％。
处于最低三重态的分子由于其激发寿命长，因此对于光化学反应而言重要，接下来，需要考虑激发寿命短的激发单重态。对有关光劣化的激发能的失活途径等的见解与最低三重态的情况同样，以外场反应性物质与光调制元件的构成材料之间的能级的相对关系来处理，例如，若S1-T1值为1.0eV～2.0eV，则激发单重态的能级为适当的高度，因此能够一边使能量在周边构件与液晶分子之间适度地分散，一边失活。
另一方面，若S1-T1值小于1.0eV，则由于激发单重态的能级低，因而容易产生光吸收。若因光吸收而产生激发单重态，则会发生以它为起点的光化学反应。有时会由激发单重态直接引起光化学反应，还包括经过系间窜越而以最低三重态为基点的光化学反应。
若S1-T1值大于2.0eV，则由于激发单重态的能级高，因而不易产生由光吸收引起的激发分子。进而，由于能级高，因而当周边构件吸收光而产生激发单重态时，不产生从周边构件向外场反应性物质的能量移动，无法经历平稳的缓和工序。因此，认为周边构件发生伴随光分解的光反应的可能性高。
本实施方式的介电体层所含有的外场反应性物质(A-1)的S1-T1值优选为1.2～1.9eV，更优选为1.1～1.7eV。
关于本实施方式的介电体层所含有的外场反应性物质(A-1)的含量，优选含有35摩尔％～85摩尔％，优选为40摩尔％～80摩尔％。
本发明中，通过将外场反应性物质(A-1)的含量设为上述范围，能够使光稳定性良好。
进而，本发明中，优选具有上述S1-T1值为1300meV±200meV的外场反应性物质(A-1-1)25摩尔％～65摩尔％。
若外场反应性物质(A-1-1)的S1-T1值为1300meV±200meV，则由于能级为适当的高度，因此能够一边使能量在周边构件与液晶分子之间适度地分散，一边失活。
本发明中，通过将外场反应性物质(A-1-1)的含量设为上述范围，能够使光稳定性良好。
此外，本发明中，上述外场反应性物质在波长300nm～650nm时的摩尔吸光系数(ε)优选小于500。
若在波长300nm～650nm时的摩尔吸光系数(ε)小于500，则能够使其不易光劣化。
本发明中，作为外场反应性物质的外场，可举出磁场、电场、偏光(激光器或大光量灯)等光场、剪切力等流动(流动场)等。这些外场无需如摩擦辊(rubbing roller)那样与基板表面接触，可以远程地使其产生作用，因此，即使在巨大的液晶显示器面板中也能够容易地进行取向处理。
在使用磁场作为外场时，能够使液晶分子的各向异性轴与磁场方向一致。在使用偏光作为外场时，也能够使液晶分子的各向异性轴与偏光的振动面一致。
本发明所涉及的光调制元件是具有夹持于相对的两片透明性基板之间的介电体层的光调制元件，优选为如下光调制元件：在上述透明性基板的至少一片上形成有透明电极，对由输入至该电极的电信号所产生的电磁波响应而对光进行调制。
用于光调制元件的相对的两片透明性基板，可以使用玻璃或如塑料那样具有柔软性的透明材料。
具有透明电极层的透明基板可以通过例如在玻璃板等透明基板上溅射氧化铟锡(ITO)来得到。
就透明电极而言，优选透过率高，优选电阻小，例如，表面电阻优选为150欧姆以下，优选为100欧姆以下，优选为50欧姆以下。
取介电体相使用液晶物质时的例子，关于夹持在两片透明性基板之间具有介电体层的光调制元件的方法，可以使用通常的真空注入法或滴注(ODF:One Drop Fill)法等。真空注入法虽然不产生滴痕但具有会留下注入痕迹这样的课题，本发明中，可以更合适地用于通过利用ODF法制造的显示元件。ODF法的光调制元件制造工序中，利用点胶机在背板或前板的任一方的基板上将环氧系光热并用固化性等的密封剂描画成闭环堤坝状，在脱气下向其中滴加预定量的液晶组合物后，将前板与背板接合，从而能够制造液晶显示元件。本发明的液晶组合物可以稳定地进行ODF工序中的液晶组合物的滴下，因而可以合适地使用。
本发明所涉及的光调制元件具有在相对的两片基板之间夹持有介电体层的结构。本发明所涉及的光调制元件可以具有与利用以往技术的液晶显示元件相同的结构。即，也可以对设置于基板上的取向膜和设置于基板上的电极施加电以控制液晶分子的取向。此外，通过具备偏光板、相位差膜等，能够利用该取向状态来进行显示。作为光调制元件，可应用于TN、STN、VA、IPS、FFS和ECB，特别优选TN。
实施例
以下，通过实施例对本发明进行更具体的说明，但本发明不限于以下实施例。
测定外场反应性物质的最低三重激态的能级(T1)、激发单重态的能级(S1)，对于处于下表所示的能级的光调制元件，通过下述方法评价光可靠性，结果实施例1～53为良好。
下表中，分别地，
(A)表示最低三重激态的能级(T1)为2.6eV～5.4eV的外场反应性物质(A)，
(A-1)表示将上述外场反应性物质(A)的激发单重态的能级设为(S1)时，上述外场反应性物质是S1-T1值为1.0eV～2.0eV的外场反应性物质(A-1)，
(A-1-1)表示上述外场反应性物质是上述S1-T1值为1300meV±200meV的外场反应性物质(A-1-1)。
[光可靠性的评价方法]
按照＜“荧光测定-在生物科学中的应用”木下一彦、御桥广真编、学会出版中心、东京、1983＞所记载的方法进行测定。
下表中，能级按照“荧光测定-在生物科学中的应用”木下一彦、御桥广真编、学会出版中心、东京、1983”所记载的方法测定。
[表1]
[表2]
[表3]
[表4]
[表5]
[表6]
[实施例54]
将液晶组合物的激发三重态能级设为(T1)、激发单重态的能级设为(S1)，混合液晶化合物以使液晶组合物的T1成为2.0～5.4eV、T1-S1成为1.0～2.0eV，从而制备液晶组合物。将各液晶组合物的、T1和T1-S1示于图1。本实施例中，制备了将T1(图1的纵轴、2.0～6.0)和T1-S1(图1的横轴、0.8～2.2)设为图1所示值的、615种液晶组合物。
对各液晶组合物都进行了光稳定性评价。将其结果示于图1。
图1是将光稳定性最良好的情况设为“100”，通过相对评价将光稳定性数值化而得的结果。
如图1所示，T1为2.6～5.4eV的液晶组合物为33.3以上，光稳定性良好。作为对比，T1小于2.6或大于5.4的液晶组合物为25以下，光稳定性不良好。
进而，若T1为3.0～4.9eV，则光稳定性优异，若T1为3.5～4.1eV，则光稳定性特别优异。
除了上述以外，T1-S1为1.0～2.0eV的液晶组合物(图1中的双重包围线内)为50以上，光稳定性进一步优异，其中，T1-S1为1.2～1.9eV的液晶组合物的光稳定性特别优异。

Claims (7)

1.一种使用液晶组合物的光调制元件，其是包含夹持于相对的两片基板之间的介电体层的光调制元件，其特征在于，
所述介电体层含有外场反应性物质，所述外场反应性物质含有90摩尔％～100摩尔％的外场反应性物质A，所述外场反应性物质的最低三重激态的能级T1为2.6eV～5.4eV，所述外场反应性物质为液晶性物质。
2.如权利要求1所述的使用液晶组合物的光调制元件，将所述外场反应性物质A的激发单重态的能级设为S1时，所述外场反应性物质具有35摩尔％～85摩尔％的S1-T1的值为1.0eV～2.0eV的外场反应性物质A-1。
3.如权利要求2所述的使用液晶组合物的光调制元件，所述外场反应性物质具有25摩尔％～65摩尔％的所述S1-T1的值为1300meV±200meV的外场反应性物质A-1-1。
4.如权利要求1所述的使用液晶组合物的光调制元件，所述外场反应性物质A在波长300nm～650nm时的摩尔吸光系数ε小于500。
5.如权利要求1～4中任一项所述的使用液晶组合物的光调制元件，其特征在于，作为该外场，对电场产生反应。
6.如权利要求1～4中任一项所述的使用液晶组合物的光调制元件，其是具有夹持于相对的两片透明性基板之间的介电体层的光调制元件，其特征在于，在所述透明性基板的至少一片上形成有透明电极，对由输入至该电极的电信号所产生的电场响应而对光进行调制。
7.如权利要求5所述的使用液晶组合物的光调制元件，其是具有夹持于相对的两片透明性基板之间的介电体层的光调制元件，其特征在于，在所述透明性基板的至少一片上形成有透明电极，对由输入至该电极的电信号所产生的电场响应而对光进行调制。
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