DE60216703T2

DE60216703T2 - Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements und optisches Element

Info

Publication number: DE60216703T2
Application number: DE60216703T
Authority: DE
Inventors: Kouji 1-chome Ishizaki; Masanori 1-chome Umeya
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2002-10-22
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2022-10-23
Also published as: US7118795B2; EP1306699B1; EP1306699A3; US20030077421A1; EP1306699A2; JP2003131031A; US20060292296A1; DE60216703D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements, wie z.B. eines Elements zur Steuerung einer zirkularen Polarisation, und insbesondere ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements durch die Verwendung eines strahlungshärtenden flüssigkristallinen Materials mit einer cholesterischen Regelmäßigkeit, sowie ein optisches Element.
Optische Elemente, die Flüssigkristallschichten mit einer cholesterischen Regelmäßigkeit (cholesterische Schichten) umfassen, werden verbreitet als Elemente zur Steuerung einer zirkularen Polarisation (Zirkularpolarisationsplatten, Farbfilter, usw.) zur Verwendung in Flüssigkristallanzeigen verwendet.
Zur Erzeugung eines optischen Elements, wie z.B. einer Zirkularpolarisationsplatte, die das gesamte sichtbare Licht reflektiert, eines Farbfilters des Reflexionstyps, auf dem jedes Pixel aus Bereichen aufgebaut ist, die selektive Reflexionswellenlängenbereiche aufweisen, die mit den Wellenlängenbereichen einer roten (R), grünen (G) und blauen (B) Farbe identisch sind, oder eines optischen Elements, das in einer durchlässigen oder halbdurchlässigen Flüssigkristallanzeige verwendet wird, um die Lichtnutzungseffizienz zu verbessern, ist es erforderlich, eine cholesterische Schicht mit einem verbreiterten selektiven Reflexionswellenlängenbereich oder eine cholesterische Schicht mit selektiven Reflexionswellenlängenbereichen, die so gesteuert sind, dass sie mit den Wellenlängen einer roten, grünen und blauen Farbe identisch sind, zu bilden. Aus diesem Grund gab es einen Bedarf für ein Verfahren zum einfachen und hochgenauen Steuern des selektiven Reflexionswellenlängenbereichs einer cholesterischen Schicht.
Um diesem Bedarf zu genügen, wurden bisher die folgenden Verfahren vorgeschlagen: (1) Ein Verfahren, bei dem optisch aktive Gruppen, welche die cholesterische Struktur einer cholesterischen Schicht bilden, so modifiziert oder deaktiviert werden, dass der selektive Reflexionswellenlängenbereich der cholesterischen Schicht verändert wird (japanische Patentoffenlegungsschrift JP 10-054905), und (2) ein Verfahren, bei dem eine Flüssigkristallschicht mit einer cholesterischen Regelmäßigkeit mit einem Lösungsmittel oder einem Lösungsmittelgemisch in Kontakt gebracht wird, um deren selektiven Reflexionswellenlängenbereich zu verbreitern (japanische Patentoffenlegungsschrift JP 10-316755).
Die vorstehend genannten zwei Verfahren sind jedoch in der nachstehend beschriebenen Weise nachteilig. In dem Verfahren (1), bei dem optisch aktive Gruppen in einer cholesterischen Schicht modifiziert oder deaktiviert werden, werden die modifizierten oder deaktivierten Moleküle zu Verunreinigungen, so dass die Stabilität der cholesterischen Schicht selbst vermindert wird. Wenn eine solche cholesterische Schicht in eine Flüssigkristallanzeige einbezogen wird, kann die Anzeige ein Bild nicht klar anzeigen. Bei dem Verfahren (2) wird andererseits nur eine cholesterische Schicht mit einer verminderten Farbintensität erhalten. Wenn eine solche cholesterische Schicht in eine Flüssigkristallanzeige einbezogen wird, kann die Anzeige ein Bild nicht klar anzeigen.
Ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist in JP 2001-056484 beschrieben.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend genannten Nachteile des Standes der Technik gemacht.
Die vorliegende Erfindung ist gemäß Anspruch 1 der beigefügten Ansprüche definiert. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 2 und 3 definiert.
In den Zeichnungen ist
1 eine Querschnittsansicht, die ein optisches Element gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,
2 eine Ansicht, die ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung des in der 1 gezeigten optischen Elements veranschaulicht,
3 ein Diagramm, das die selektiven Reflexionswellenlängenbereiche cholesterischer Schichten vor und nach dem Inkontaktbringen der cholesterischen Schichten mit einem organischen Lösungsmittel zeigt,
4 eine Ansicht, die ein weiteres Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung des in der 1 gezeigten optischen Elements veranschaulicht,
5 eine Querschnittsansicht, die ein optisches Element gemäß eines weiteren Beispiels veranschaulicht,
6 ein Diagramm, das den selektiven Reflexionswellenlängenbereich einer cholesterischen Schicht zeigt, die aus einem Laminat einer Mehrzahl cholesterischer Filme zusammengesetzt ist,
7 eine Ansicht, die ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung des in der 5 gezeigten optischen Elements veranschaulicht,
8 ein Diagramm, das die selektiven Reflexionswellenlängenbereiche der cholesterischen Schichten im Beispiel 1 vor und nach dem Inkontaktbringen der cholesterischen Schichten mit einem organischen Lösungsmittel zeigt,
9 ein Diagramm, das die selektiven Reflexionswellenlängenbereiche der cholesterischen Schichten im Beispiel 2 vor und nach dem Inkontaktbringen der cholesterischen Schichten mit einem organischen Lösungsmittel zeigt, und
10 ein Diagramm, das den selektiven Reflexionswellenlängenbereich der cholesterischen Schicht im Beispiel 3 zeigt, die aus einem Laminat aus zwei cholesterischen Filmen zusammengesetzt ist.
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen werden die vorliegende Erfindung und andere beispielhafte Verfahren nachstehend beschrieben.
Als erstes wird ein optisches Element beschrieben, das gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist.
Gemäß der 1 ist ein optisches Element aus einem Ausrichtungssubstrat 13, das durch die Durchführung einer Ausrichtungsbehandlung hergestellt worden ist, und einer cholesterischen Schicht 12, die an das Ausrichtungssubstrat 13 laminiert ist, zusammengesetzt.
Die cholesterische Schicht 12 ist aus einem strahlungshärtenden flüssigkristallinen Material mit einer cholesterischen Regelmäßigkeit hergestellt und weist die Eigenschaft des Trennens von polarisiertem Licht auf, d.h. die Eigenschaft des Trennens einer in einer Richtung zirkular polarisierten Komponente von einer in der entgegengesetzten Richtung zirkular polarisierten Komponente gemäß der physikalischen Orientierung (planare Orientierung) von flüssigkristallinen Molekülen in dem flüssigkristallinen Material. Insbesondere wird Licht, das in die cholesterische Schicht 12 entlang der helikalen Achse der planaren Orientierung eintritt, in eine rechtsgängige zirkular polarisierte Komponente und eine linksgängige zirkular polarisier te Komponente aufgespalten, wobei eine dieser zirkular polarisierten Komponenten durchgelassen und die andere reflektiert wird. Dieses Phänomen ist als Zirkulardichroismus bekannt. Wenn die Drehrichtung der zirkular polarisierenden Komponente in geeigneter Weise bezüglich der Richtung von einfallendem Licht ausgewählt wird, wird nur eine zirkular polarisierte Komponente, die in der gleichen Richtung rotiert wie die Richtung der helikalen Achse der cholesterischen Schicht 12, selektiv reflektiert. Es sollte beachtet werden, dass die chirale Steigung von flüssigkristallinen Molekülen in der cholesterischen Schicht 12 die zentrale Wellenlänge des selektiven Reflexionswellenlängenbereichs der cholesterischen Schicht 12 bestimmt.
Es ist bevorzugt, als flüssigkristallines Material zur Bildung der cholesterischen Schicht 12 einen cholesterischen Flüssigkristall (chiral-nematischer Flüssigkristall) zu verwenden, der durch die Zugabe eines chiralen Mittels zu einem nematischen Flüssigkristall erhalten wird (vgl. die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 345160/2000). Es ist bevorzugt, dass sowohl der nematische Flüssigkristall als auch das chirale Mittel in dem flüssigkristallinen Material polymerisierbare Gruppen oder Gruppen aufweist, die polymerisierbare Gruppen enthalten. Es ist auch bevorzugt, dass dem flüssigkristallinen Material ein Photopolymerisationsinitiator zugesetzt wird.
Insbesondere kann ein Flüssigkristall, der eine Verbindung, die durch die folgende chemische Formel (1)
dargestellt wird, und eine Verbindung, die durch die folgende chemische Formel (2)
dargestellt wird, in einem Gewichtsverhältnis zwischen 99:1 und 50:50 enthält, als nematischer Flüssigkristall verwendet werden. In den vorstehend genannten chemischen Formeln (1) und (2) stellen R¹, R² und R³ unabhängig Wasserstoff oder eine Methylgruppe dar, X stellt Wasserstoff, Chlor, Brom, Iod, eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, eine Methoxygruppe, eine Cyanogruppe oder eine Nitrogruppe dar, und a, b und c sind ganze Zahlen von 2 bis 12.
Ferner ist es bevorzugt, als das chirale Mittel eine Verbindung, die durch die folgende chemische Formel (3) oder (4)
dargestellt wird, oder einen Flüssigkristall, dem ein chiraler Dotierstoff zugesetzt worden ist „S-811" (von Merck KGaA, Deutschland hergestellt), zu verwenden. In den vorstehend genannten chemischen Formeln (3) und (4) stellt R⁴ Wasserstoff oder eine Methylgruppe dar, d und e sind eine ganze Zahl von 2 bis 12, und Y stellt eine zweiwertige Gruppe dar, die aus den folgenden Gruppen (i) bis (xxiv) ausgewählt ist:
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die 2(a), 2(b) und 2(c) ein Verfahren zum Herstellen des optischen Elements 10 gemäß der vorliegenden Erfindung, das den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweist, beschrieben.
Ein Glassubstrat, das mit einem Polyimidfilm (PI-Film), der einer Reibbehandlung unterzogen worden ist, einem Trägerfilm, der die Funktion der Ausrichtung von flüssigkristallinen Molekülen aufweist, oder dergleichen ausgestattet ist, wird als Ausrichtungssubstrat 13 hergestellt, das durch die Durchführung einer Ausrichtungsbehandlung hergestellt wird. Auf dieses Ausrichtungssubstrat 13 wird eine Flüssigkristallschicht durch die Verwendung eines strahlungshärtenden Flüssigkristalls mit einer cholesterischen Regelmäßigkeit (eines photohärtenden chiral-nematischen Flüssigkristalls oder dergleichen) gebildet. Flüssigkristalline Moleküle in der Flüssigkristallschicht werden durch die ausrichtende und regulierende Wirkung des Ausrichtungssubstrats 13 ausgerichtet, wobei die Flüssigkristallschicht gegebenenfalls einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Eine vorgegebene Menge an Strahlung 20 wird auf die Flüssigkristallschicht angewandt, die auf dem Ausrichtungssubstrat 13 ausgebildet ist, um die Flüssigkristallschicht dreidimensional zu vernetzen und zu härten. Auf diese Weise wird eine cholesterische Schicht 12 in einem halbgehärteten Zustand gebildet (2(a)). Die hier verwendete Strahlung 20 dient zur Induktion einer Photopolymerisationsreaktion oder dergleichen in dem strahlungshärtenden Flüssigkristall und Ultraviolettlicht, ein Elektronenstrahl, sichtbares Licht, Infrarotlicht (Wärmestrahlen) oder dergleichen kann bzw. können als Strah lung verwendet werden. In dem Fall, bei dem Ultraviolettlicht zur Härtung des Flüssigkristalls verwendet wird, ist es bevorzugt, dem flüssigkristallinen Material im Vorhinein einen Photopolymerisationsinitiator zuzusetzen. Die Menge der Strahlung 20, die angewandt werden soll, variiert abhängig davon, ob der Photopolymerisationsinitiator zugesetzt worden ist oder nicht, oder von der Menge des zugesetzten Photopolymerisationsinitiators oder der Art der anzuwendenden Strahlung. Es ist jedoch bevorzugt, die Strahlung 20 in einer Menge von z.B. etwa 0,01 bis 10000 mJ/cm² anzuwenden. Mit „dreidimensionalem Vernetzen" ist hier gemeint, dass ein photohärtendes Monomer, Oligomer oder Polymer derart dreidimensional polymerisiert wird, dass eine Netzwerkstruktur erhalten wird. Wenn eine solche Netzwerkstruktur gebildet wird, wird der Zustand des flüssigkristallinen Materials, aus dem die cholesterische Schicht 12 gebildet worden ist, optisch fixiert, und ein Film, der als optischer Film leicht gehandhabt werden kann und der bei normalen Temperaturen stabil ist, kann erhalten werden.
Beispiele für Trägerfilme, die für das Ausrichtungssubstrat 13 verwendet werden können, umfassen Filme aus Kunststoffen, wie z.B. Polyimid, Polyamidimid, Polyamid, Polyetherimid, Polyetheretherketon, Polyetherketon, Polyketonsulfid, Polyethersulfon, Polysulfon, Polyphenylensulfid, Polyphenylenoxid, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polyethylennaphthalat, Polyacetal, Polycarbonat, Polyacrylat, Acrylharze, Polyvinylalkohol, Polypropylen, Cellulose, Triacetylcellulose, partiell verseifte Triacetylcellulose, Epoxyharze und Phenolharze. Diese Kunststofffilme können als Laminat von zwei oder mehr Filmen und auch als uniaxial oder biaxial orientierte Filme verwendet werden. Der Trägerfilm kann im Vorhinein behandelt werden, um dessen Oberfläche hydrophil oder hydrophob zu machen. Obwohl es abhängig von der Zusammensetzung des Flüssigkristalls, der in dem flüssigkristallinen Material enthalten ist, gegebenenfalls nicht erforderlich ist, dem Trägerfilm die Funktion der Ausrichtung von flüssigkristallinen Molekülen zu verleihen, ist es bevorzugt, dem Trägerfilm diese Funktion vor dem Aufbringen des flüssigkristallinen Materials auf den Trägerfilm zu verleihen. Um die Funktion der Ausrichtung von flüssigkristallinen Molekülen zu verleihen, wird eine Ausrichtungsschicht auf den Trägerfilm laminiert, oder der Trägerfilm oder die auf den Trägerfilm laminierte Ausrichtungsschicht wird gerieben. Es ist auch möglich, diese Funktion dem Trägerfilm durch schräges Abscheiden von Siliziumoxid auf dem Trägerfilm zu verleihen. Poly-imid, Polyamid, Polyvinylalkohol oder dergleichen wird üblicherweise zur Bildung der Ausrichtungsschicht verwendet. Die Reibbehandlung wird üblicherweise in der folgenden Weise durchgeführt: Ein Reibtuch, das aus Reyon, Baumwolle, Polyamid oder dergleichen hergestellt ist, wird um eine Metallwalze gewickelt, und diese Walze wird mit ihrer Oberfläche in Kontakt mit einem Film aus Polyimid oder dergleichen gerieben, oder ein Film aus Poly imid oder dergleichen wird bei feststehender Walze transportiert, wodurch die Filmoberfläche mit dem Reibtuch gerieben wird.
Danach wird die cholesterische Schicht 12 im halbgehärteten Zustand, die auf dem Ausrichtungssubstrat 13 ausgebildet ist, mit einem organischen Lösungsmittel 21 in Kontakt gebracht (2(b)). Zum Inkontaktbringen der cholesterischen Schicht 12 mit dem organischen Lösungsmittel 21 können verschiedene Entwicklungsverfahren, wie z.B. ein Eintauchen und eine Schleuderberieselung, sowie verschiedene Beschichtungsverfahren, wie z.B. Schleuderbeschichten, Düsenbeschichten und Gießbeschichten, eingesetzt werden. In diesem Verfahren werden ungehärtete Abschnitte der halbgehärteten Polyesterschicht 12 extrahiert, wobei ungehärtete Abschnitte sowohl des nematischen Flüssigkristalls als auch des chiralen Mittels extrahiert werden, wobei es sich um die Hauptkomponenten der cholesterischen Schicht 12 handelt. Wenn eine geringere Menge von Ultraviolettlicht auf die cholesterische Schicht 12 angewandt wird, verbleibt ein größerer Teil der cholesterischen Schicht 12 ungehärtet und umgekehrt. Daher werden in dem Fall, bei dem die halbgehärtete cholesterische Schicht 12, die durch die Anwendung einer geringen Menge an Strahlung 20 gebildet worden ist, mit einem organischen Lösungsmittel in Kontakt gebracht wird, ungehärtete Abschnitte der cholesterischen Schicht 12 in einer großen Menge extrahiert, und die cholesterische Schicht 12 wird insgesamt dünner gemacht. Als Ergebnis wird die chirale Steigung kurz und der selektive Reflexionswellenlängenbereich wird zu der Seite der kürzeren Wellenlängen verschoben. Der Wellenlängenverschiebungsgrad variiert folglich abhängig von dem Zustand der Härtung (Anteil der ungehärteten Abschnitte) der cholesterischen Schicht 12, und zwar ungeachtet der Bedingungen, unter denen die cholesterische Schicht 12 mit einem organischen Lösungsmittel in Kontakt gebracht wird, und der selektive Reflexionswellenlängenbereich dieser cholesterischen Schicht 12 wird durch den Grad dieser Verschiebung gesteuert (vgl. die 3).
Als organisches Lösungsmittel 21 in dem vorstehend genannten Verfahren kann jedwedes organische Lösungsmittel verwendet werden, so lange es die cholesterische Schicht 12 lösen kann. Spezielle Beispiele solcher organischen Lösungsmittel umfassen: Kohlenwasserstoffe, wie z.B. Benzol, Toluol, Xylol, n-Butylbenzol, Diethylbenzol und Tetralin; Ether, wie z.B. Methoxybenzol, 1,2-Dimethoxybenzol und Diethylenglykoldimethylether; Ketone, wie z.B. Aceton, Methylethylketon, Methylisobutylketon, Cyclohexanon und 2,4-Pentandion; Ester, wie z.B. Ethylacetat, Ethylenglykolmonomethyletheracetat, Propylenglykolmonomethyletheracetat; Propylenglykolmonoethyletheracetat und γ-Butyrolacton; Lösungsmittel des Amidtyps, wie z.B. 2-Pyrrolidon, N-Methyl-2-pyrrolidon, Dimethylformamid und Dimethylacetamid; Halogen-enthaltende Lösungsmittel, wie z.B. Chloroform, Dichlormethan, Kohlenstoff tetrachlorid, Dichlorethan, Tetrachlorethan, Trichlorethylen, Tetrachlorethylen, Chlorbenzol und ortho-Dichlorbenzol; Alkohole, wie z.B. t-Butylalkohol, Diacetonalkohol, Glycerin, Monoacetin, Ethylenglykol, Triethylenglykol, Hexylenglykol, Ethylenglykolmonomethylether, Ethylcellosolve und Butylcellosolve; und Phenole, wie z.B. Phenol und para-Chlorphenol. Diese Lösungsmittel können entweder einzeln oder in einer Kombination verwendet werden. Probleme, wie z.B. dass der Flüssigkristall nicht vollständig in einem Lösungsmittel gelöst werden kann und dass es wahrscheinlich ist, dass ein Lösungsmittel den Trägerfilm löst, welche später beschrieben werden, können durch die Verwendung eines Gemischs aus zwei oder mehr Lösungsmitteln vermieden werden. Von den vorstehend genannten Lösungsmitteln sind Kohlenwasserstoffe und Glykolmonoetheracetate als Lösungsmittel, die einzeln verwendet werden, bevorzugt, und Gemische aus Ethern oder Ketonen und Glykolen sind als Lösungsmittelgemische bevorzugt.
Folglich wird schließlich ein optisches Element 10 erhalten, das die cholesterische Schicht 12 enthält, die auf dem Ausrichtungssubstrat 13 ausgebildet ist (2(c)). Es ist bevorzugt, die cholesterische Schicht 12 bei einer vorgegebenen Temperatur einer Trocknungs- und Wiederausrichtungsbehandlung zu unterziehen, wodurch die optischen Eigenschaften der cholesterischen Schicht 12 stabilisiert werden. Es ist auch bevorzugt, dass nach dem Abschluss der Trocknungs- und Wiederausrichtungsbehandlung eine vorgegebenen Menge einer Strahlung (Ultraviolettlicht oder dergleichen) auf die cholesterische Schicht 12 an der Luft, mehr bevorzugt in einer inerten Atmosphäre angewandt wird, um die cholesterische Schicht 12 erneut zu härten.
In dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren kann das kristalline Material bzw. Kristallmaterial zur Bildung der cholesterischen Schicht 12 durch Lösen desselben in einem Lösungsmittel zu einer Beschichtungsflüssigkeit ausgebildet werden. In diesem Fall ist es erforderlich, den Trocknungsschritt des Verdampfens des Lösungsmittels vor der dreidimensionalen Vernetzung der Flüssigkristallschicht durch die Anwendung von Strahlung 20 hinzuzufügen. Als derartiges Lösungsmittel kann das vorstehend genannte Material für das organische Lösungsmittel 21 verwendet werden. In diesem Fall kann die Konzentration der Lösung nicht allgemein festgelegt werden, da sie von der Löslichkeit des Flüssigkristalls in dem Lösungsmittel und der gewünschten Dicke der zu bildenden Flüssigkristallschicht abhängt. Im Allgemeinen wird die Konzentration jedoch so eingestellt, dass sie im Bereich von 1 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 3 bis 40 Gew.-% liegt. Oberflächenaktive Mittel, usw., können der Flüssigkristalllösung zugesetzt werden, um das Aufbringen der Lösung einfacher zu machen. Beispiele für oberflächenaktive Mittel, die der Flüssigkristalllösung zugesetzt werden können, umfassen: Kationische oberflächenaktive Mittel, wie z.B. Imidazolin, quartä re Ammoniumsalze, Alkylaminoxide und Polyaminderivate; anionische oberflächenaktive Mittel, wie z.B. Polyoxyethylen-Polyoxypropylen-Kondensationsprodukte, primäre oder sekundäre Alkoholethoxylate, Alkylphenolethoxylate, Polyethylenglykol und dessen Ester, Natriumlaurylsulfat, Ammoniumlaurylsulfat, Aminlaurylsulfat, Alkyl-substituierte aromatische Sulfonate, Alkylphosphate und aliphatische oder aromatische Sulfonsäure-Formalin-Kondensationsprodukte; amphotere oberflächenaktive Mittel, wie z.B. Laurylamidopropylbetain und Laurylaminoessigsäurebetain; nichtionische oberflächenaktive Mittel, wie z.B. Polyethylenglykolfettester und Polyoxyethylenalkylamine; und Fluor-enthaltende oberflächenaktive Mittel, wie z.B. Perfluoralkylsulfonate, Perfluoralkylcarboxylate, Perfluoralkylethylenoxid-Addukte, Perfluoralkyltrimethylammoniumsalze, Oligomere, die Perfluoralkylgruppen und hydrophile Gruppen enthalten, Oligomere, die Perfluoralkylgruppen und lipophile Gruppen enthalten, und Urethane, die Perfluoralkylgruppen enthalten. Die Menge eines oberflächenaktiven Mittels, die zugesetzt werden soll, variiert abhängig von der Art des oberflächenaktiven Mittels, der Art des härtenden Flüssigkristalls, der Art des Lösungsmittels und der Art des Glassubstrats oder des Trägerfilms, auf das bzw. den die Flüssigkristalllösung aufgebracht wird, und sie beträgt im Allgemeinen 10 ppm (gewichtsbezogen) bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 100 ppm (gewichtsbezogen) bis 5 Gew.-%, mehr bevorzugt 0,1 bis 1 Gew.-% des in der Lösung enthaltenen Flüssigkristalls.
Erfindungsgemäß wird der selektive Reflexionswellenlängenbereich der cholesterischen Schicht 12 durch Ändern der Menge der Strahlung 20, die auf die Flüssigkristallschicht angewandt wird, die auf dem Ausrichtungssubstrat 13 ausgebildet ist, gesteuert, so dass es möglich ist, den selektiven Reflexionswellenlängenbereich der cholesterischen Schicht 12 einfach und hochgenau zu steuern. Es ist daher möglich, ein optisches Element 10, das eine cholesterische Schicht 12 mit dem gewünschten selektiven Reflexionswellenlängenbereich und sowohl mit einer hervorragenden optischen Stabilität als auch mit einer hervorragenden Farbintensität umfasst, einfach zu erzeugen.
In der vorliegenden Erfindung wird die Strahlung 20 in verschiedenen Mengen auf verschiedene Bereiche auf der Oberfläche der Flüssigkristallschicht angewandt, wie es in den 4(a), 4(b) und 4(c) gezeigt ist, so dass diese Bereiche unterschiedliche selektive Reflexionswellenlängenbereiche aufweisen. Dadurch kann ein Farbfilter oder dergleichen mit einer cholesterischen Schicht 12 erzeugt werden, auf der jedes Pixel selektive Reflexionswellenlängenbereiche aufweist, die mit den Wellenlängen einer roten (R), grünen (G) und blauen (B) Farbe identisch sind. In diesem Fall wird die cholesterische Schicht 12 durch Inkontaktbringen der einheitlich abgeschiedenen Flüssigkristallschicht mit einem organischen Lösungsmittel unter den spezifischen Bedingungen gebildet und die Enddicke der cholesteri schen Schicht 12 unterscheidet sich, wie es in der 4(c) gezeigt ist, gemäß den Bereichen, auf die Strahlung in unterschiedlichen Mengen angewandt worden ist.
Als nächstes wird ein weiteres Beispiel, das nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, unter Bezugnahme auf die 5 bis 7 beschrieben. Dieses Beispiel ist im Wesentlichen mit der in den 1 bis 4 gezeigten ersten Ausführungsform identisch, mit der Ausnahme, dass die cholesterische Schicht 12 aus einem Laminat einer Mehrzahl von cholesterischen Schichten 12' und 12'' zusammengesetzt ist. Es sollte beachtet werden, dass entsprechende Bezugszeichen ähnliche oder entsprechende Teile in mehreren Ansichten bezeichnen, und dass diejenigen Teile, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung erläutert worden sind, in der Beschreibung des weiteren Beispiels nicht mehr detailliert erläutert werden.
Gemäß der 5 ist ein optisches Element 10 aus einem Ausrichtungssubstrat 13, das durch die Durchführung einer Ausrichtungsbehandlung hergestellt worden ist, und einer cholesterischen Schicht 12, die an das Ausrichtungssubstrat 13 laminiert ist, zusammengesetzt. Die cholesterische Schicht 12 ist aus einem Laminat aus einer Mehrzahl von cholesterischen Filmen 12' und 12'' mit unterschiedlichen chiralen Steigungen zusammengesetzt und weist einen breiten selektiven Reflexionswellenlängenbereich auf, der den selektiven Reflexionswellenlängenbereich des cholesterischen Films 12' und denjenigen des cholesterischen Films 12'' umfasst (vgl. die 6).
Als nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen des optischen Elements 10 mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau unter Bezugnahme auf die 7(a) bis 7(f) beschrieben.
Ein Glassubstrat, das mit einem Polyimidfilm (PI-Film), der einer Reibbehandlung unterzogen worden ist, einem Trägerfilm, der die Funktion der Ausrichtung von flüssigkristallinen Molekülen aufweist, oder dergleichen ausgestattet ist, wird als Ausrichtungssubstrat 13 hergestellt, das durch die Durchführung einer Ausrichtungsbehandlung hergestellt wird. Auf diesem Ausrichtungssubstrat 13 wird eine erste Flüssigkristallschicht durch die Verwendung eines photohärtenden chiral-nematischen Flüssigkristalls mit einer cholesterischen Regelmäßigkeit gebildet. Flüssigkristalline Molekülen in der ersten Flüssigkristallschicht werden durch die ausrichtende und regulierende Wirkung des Ausrichtungssubstrats 13 ausgerichtet, wobei die erste Flüssigkristallschicht gegebenenfalls einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Eine vorgegebene Menge (z.B. 0,01 bis 10000 mJ/cm²) an Strahlung 20 wird auf die erste Flüssigkristallschicht angewandt, die auf dem Ausrichtungssubstrat 13 ausgebildet ist, um die erste Flüssigkristallschicht dreidimensional zu vernetzen und zu härten. Auf diese Weise wird ein erster cholesterischer Film 12' in einem halbgehärteten Zustand gebildet (7(a)).
Es ist möglich, als Trägerfilm zur Verwendung als Ausrichtungssubstrat 13 jedwedes derjenigen Materialien zu verwenden, die in der vorstehenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung genannt worden sind.
Danach wird der halbgehärtete cholesterische Film 12', der auf dem Ausrichtungssubstrat 13 ausgebildet worden ist, mit einem organischen Lösungsmittel 21 in Kontakt gebracht (7(b)).
Es wird folglich ein optisches Element erhalten, das den ersten cholesterischen Film 12' enthält, der auf dem Ausrichtungssubstrat 13 ausgebildet ist (7(c)). Es ist bevorzugt, den ersten cholesterischen Film 12' bei einer vorgegebenen Temperatur einer Trocknungs- und Wiederausrichtungsbehandlung zu unterziehen, wodurch die optischen Eigenschaften des ersten cholesterischen Films 12' stabilisiert werden. Es ist auch bevorzugt, dass nach dem Abschluss der Trocknungs- und Wiederausrichtungsbehandlung eine vorgegebenen Menge einer Strahlung (Ultraviolettlicht oder dergleichen) auf den ersten cholesterischen Film 12' an der Luft, mehr bevorzugt in einer inerten Atmosphäre angewandt wird, um den ersten cholesterischen Film 12' erneut zu härten. Jedwedes organische Lösungsmittel kann als organisches Lösungsmittel in dem vorstehend genannten Verfahren verwendet werden, so lange es den ersten cholesterischen Film 12' lösen kann, und eines der organischen Lösungsmittel, das in der vorstehenden Beschreibung genannt worden ist, kann z.B. verwendet werden.
Als nächstes wird unter Verwendung eines photohärtenden chiral-nematischen Flüssigkristalls oder dergleichen mit einer cholesterischen Regelmäßigkeit eine zweite Flüssigkristallschicht auf dem ersten cholesterischen Film 12' gebildet, der auf dem Ausrichtungssubstrat 13 bereitgestellt ist. Flüssigkristalline Moleküle in der zweiten Kristallschicht werden durch die ausrichtende und regulierende Wirkung des ersten cholesterischen Films 12' ausgerichtet, wobei die zweite Kristallschicht gegebenenfalls einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Vor der Bildung der zweiten Flüssigkristallschicht kann ein Polyimidfilm (PI-Film) auf dem ersten cholesterischen Film 12' gebildet und gerieben werden. Eine vorgegebene Menge an Strahlung 20 wird auf die zweite Flüssigkristallschicht angewandt, die auf dem ersten cholesterischen Film 12' ausgebildet ist, um die zweite Flüssigkristallschicht dreidimensional zu vernetzen und zu härten. Auf diese Weise wird ein zweiter cholesterischer Film 12'' im halbgehärteten Zustand gebildet (7(d)).
Der halbgehärtete zweite cholesterische Film 12'', der auf dem ersten cholesterischen Film 12' ausgebildet ist, wird dann mit einem organischen Lösungsmittel 21 in Kontakt gebracht (7(e)).
Folglich wird schließlich ein optisches Element 10 erhalten, das die cholesterischen Filme 12' und 12'' auf dem Ausrichtungssubstrat 13 enthält (7(f)). Es ist bevorzugt, den zweiten cholesterischen Film 12'' bei einer vorgegebenen Temperatur einer Trocknungs- und Wiederausrichtungsbehandlung zu unterziehen, wodurch die optischen Eigenschaften des zweiten cholesterischen Films 12'' stabilisiert werden. Es ist auch bevorzugt, dass nach dem Abschluss der Trocknungs- und Wiederausrichtungsbehandlung eine vorgegebene Menge einer Strahlung (Ultraviolettlicht oder dergleichen) auf den zweiten cholesterischen Film 12'' an der Luft, mehr bevorzugt in einer inerten Atmosphäre angewandt wird, um den zweiten cholesterischen Film 12'' erneut zu härten. Jedwedes organische Lösungsmittel kann als organisches Lösungsmittel in dem vorstehend genannten Verfahren verwendet werden, so lange es den zweiten cholesterischen Film 12'' lösen kann, und eines der organischen Lösungsmittel, das in der Beschreibung genannt worden ist, kann z.B. verwendet werden.
In dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren können die flüssigkristallinen Materialien zur Bildung der cholesterischen Filme 12' und 12'' durch Lösen derselben in Lösungsmitteln, wie sie vorstehend in der Beschreibung genannt worden sind, zu Beschichtungsflüssigkeiten ausgebildet werden. In diesem Fall ist es erforderlich, den Trocknungsschritt des Verdampfens des Lösungsmittels vor der dreidimensionalen Vernetzung jeder Flüssigkristallschicht durch die Anwendung von Strahlung 20 hinzuzufügen.
Gemäß dem weiteren Beispiel können die selektiven Reflexionswellenlängenbereiche der Mehrzahl von cholesterischen Filmen 12' und 12'' durch Ändern der Menge der Strahlung 20, die auf die auf dem Ausrichtungssubstrat 13 oder dem ersten cholesterischen Film 12' ausgebildeten Flüssigkristallschicht angewandt werden soll, gesteuert werden, so dass es möglich ist, die selektiven Reflexionswellenlängenbereiche der Mehrzahl von cholesterischen Filmen 12' und 12'' einfach und hochgenau zu steuern. Es ist daher möglich, ein optisches Element 10, das eine cholesterische Schicht 12 umfasst, die aus einem Laminat aus einer Mehrzahl von cholesterischen Filmen 12' und 12'' mit unterschiedlichen selektiven Reflexionswellenlängenbereichen und sowohl mit einer hervorragenden optischen Stabilität als auch mit einer hervorragenden Farbintensität zusammengesetzt ist, einfach zu erzeugen.
Beispiel 1
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend durch das Beispiel 1 spezifischer beschrieben.
Ein photohärtender chiral-nematischer Flüssigkristall, der aus 80 Gewichtsteilen eines polymerisierbaren nematischen Flüssigkristalls, 20 Gewichtsteilen eines chiralen Mittels und 1 Gewichtsteil eines Photopolymerisationsinitiators besteht, wurde in Toluol gelöst, wobei eine 25 Gew.-%ige Toluollösung des chiral-nematischen Kristalls erhalten wurde.
Der verwendete nematische Flüssigkristall war ein Flüssigkristall, der eine Verbindung, die durch die folgende chemische Formel (5)
dargestellt wird, und eine Verbindung, die durch die folgende chemische Formel (6)
dargestellt wird, im Gewichtsverhältnis von 90:10 enthielt. Ferner wurde als chirales Mittel ein Flüssigkristall, dem ein chiraler Dotierstoff zugesetzt worden ist „S-811" (von Merck KGaA, Deutschland hergestellt), verwendet, und als Photopolymerisationsinitiator wurde „Irg 631" (von Ciba Specialty Chemicals K.K., Japan erhältlich) verwendet.
Andererseits wurde ein Glassubstrat mit Polyimid (PI) beschichtet und der gebildete Polyimidfilm wurde in der festgelegten Richtung gerieben (Ausrichtungsbehandlung), wobei ein Ausrichtungssubstrat erhalten wurde.
Das Glassubstrat, das den Polyimidfilm (PI-Film) aufwies, welcher der Reibbehandlung unterzogen worden ist, wurde in eine Schleuderbeschichtungsvorrichtung eingesetzt und der Polyimidfilm wurde mit der in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellten Toluollösung mittels Schleuderbeschichten beschichtet, so dass die Dicke der Lösungsschicht etwa 3,0 bis 5,0 μm betrug.
Das mit der Toluollösung beschichtete Ausrichtungssubstrat wurde dann einer Trocknungs- und Ausrichtungsbehandlung durch Erwärmen bei 80°C für 5 min unterzogen. Es wurde visuell bestätigt, dass die auf dem Ausrichtungssubstrat gebildete Flüssigkristallschicht cholesterisch war.
Durch die Verwendung einer Ultraviolettlichtbestrahlungsvorrichtung mit einer Ultrahochdruckquecksilberdampflampe wurde eine vorgegebene Menge an Ultraviolettlicht auf die Flüssigkristallschicht angewandt, um die Flüssigkristallschicht dreidimensional zu vernetzen und zu polymerisieren. Auf diese Weise wurde eine cholesterische Schicht im halbgehärteten Zustand auf dem Ausrichtungssubstrat gebildet.
Die auf dem Ausrichtungssubstrat gebildete halbgehärtete cholesterische Schicht wurde 5 min in Aceton eingetaucht.
Danach wurde diese cholesterische Schicht durch Erwärmen bei 60°C für 15 min getrocknet und 10000 mJ/cm² Ultraviolettlicht wurden auf die cholesterische Schicht mit einer Ultraviolettlichtbestrahlungsvorrichtung, die eine Ultrahochdruckquecksilberdampflampe aufwies, angewandt, um die cholesterische Schicht erneut zu härten, wodurch die optischen Eigenschaften der cholesterischen Schicht stabilisiert werden.
Folglich wird schließlich ein optisches Element erhalten, bei dem die cholesterische Schicht auf dem Ausrichtungssubstrat ausgebildet ist.
Bei dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren wurde Ultraviolettlicht in drei verschiedenen Mengen angewandt, nämlich 1 mJ/cm², 100 mJ/cm² und 10000 mJ/cm², um drei cholesterische Schichten im halbgehärteten Zustand zu bilden, und die selektiven Reflexionswellenlängen (Reflexionsspektren) der schließlich erhaltenen drei optischen Elemente wurden mit einem Spektrophotometer gemessen. Die Ergebnisse sind in der 8 gezeigt. Eine Verschiebung zur Seite mit kürzeren Wellenlängen wurde in dem selektiven Reflexionswellenlängenbereich jeder cholesterischen Schicht bestätigt, nachdem die cholesterische Schicht mit dem organischen Lösungsmittel in Kontakt gebracht worden ist, und es wurde gefunden, dass der Grad dieser Verschiebung größer war, wenn die Menge des angewandten Ultraviolettlichts geringer war. Darüber hinaus betrug die Bandbreite des selektiven Reflexionswellenlängenbereichs in allen Fällen etwa 80 nm.
Beispiel 2
Im Beispiel 2 wurde ein optisches Element in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 hergestellt, jedoch wurden anstelle von 1 Gewichtsteil „Irg 631" 3 Gewichtsteile „Irg 369" (von Ciba Specialty Chemicals K.K., Japan erhältlich) als Photopolymerisationsinitiator verwendet.
Im Beispiel 2 wurde Ultraviolettlicht in vier verschiedenen Mengen angewandt, nämlich 4 mJ/cm², 8 mJ/cm², 20 mJ/cm² und 400 mJ/cm², um vier cholesterische Schichten im halbgehärteten Zustand zu bilden, und die selektiven Reflexionswellenlängen (Reflexionsspektren) der schließlich erhaltenen vier optischen Elemente wurden mit einem Spektrophotometer gemessen. Die Ergebnisse sind in der 9 gezeigt. Wie beim Beispiel 1 wurde eine Verschiebung zur Seite mit kürzeren Wellenlängen in dem selektiven Reflexionswellenlängenbereich jeder cholesterischen Schicht bestätigt, nachdem die cholesterische Schicht mit dem organischen Lösungsmittel in Kontakt gebracht worden ist. Diese Verschiebung wurde im Vergleich zu Beispiel 1 mit einer geringeren Menge an Ultraviolettlicht erreicht.
Beispiel 3
Das vorstehend genannte weitere Beispiel wird unter Bezugnahme auf das Beispiel 3 genauer erläutert.
Ein photohärtender chiral-nematischer Flüssigkristall, der aus 80 Gewichtsteilen eines polymerisierbaren nematischen Flüssigkristalls, 20 Gewichtsteilen eines chiralen Mittels und 1 Gewichtsteil eines Photopolymerisationsinitiators besteht, wurde in Toluol gelöst, wobei eine 25 Gew.-%ige Toluollösung des chiral-nematischen Flüssigkristalls erhalten wurde. Der nematische Flüssigkristall, das chirale Mittel und der Photopolymerisationsinitiator, die in diesem Beispiel verwendet wurden, waren mit denjenigen identisch, die im Beispiel 1 verwendet worden sind.
Andererseits wurde ein Glassubstrat mit Polyimid (PI) beschichtet und der gebildete Polyimidfilm wurde in der festgelegten Richtung (Ausrichtungsbehandlung) gerieben, wobei ein Ausrichtungssubstrat erhalten wurde.
Das Glassubstrat, das den Polyimidfilm (PI-Film) aufwies, welcher der Reibbehandlung unterzogen worden ist, wurde in eine Schleuderbeschichtungsvorrichtung eingesetzt und der Polyimidfilm wurde mit der in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellten Toluollösung mittels Schleuderbeschichten beschichtet, so dass die Dicke der Lösungsschicht etwa 3,0 bis 5,0 μm betrug.
Das mit der Toluollösung beschichtete Ausrichtungssubstrat wurde dann einer Trocknungs- und Ausrichtungsbehandlung durch Erwärmen bei 80°C für 5 min unterzogen. Es wurde visuell bestätigt, dass die auf dem Ausrichtungssubstrat gebildete Schicht cholesterisch war.
Durch die Verwendung einer Ultraviolettlichtbestrahlungsvorrichtung mit einer Ultrahochdruckquecksilberdampflampe wurde eine vorgegebene Menge an Ultraviolettlicht auf die Flüssigkristallschicht angewandt, um die Flüssigkristallschicht dreidimensional zu vernetzen und zu polymerisieren. Auf diese Weise wurde ein erster cholesterischer Film im halbgehärteten Zustand auf dem Ausrichtungssubstrat gebildet.
Der auf dem Ausrichtungssubstrat gebildete halbgehärtete erste cholesterische Film wurde 5 min in Aceton eingetaucht.
Danach wurde der erste cholesterische Film, der in Aceton eingetaucht worden ist, mit der in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellten Toluollösung mittels Schleuderbeschichten beschichtet, so dass die Dicke der Lösungsschicht etwa 3,0 bis 5,0 μm betrug.
Diese Schicht wurde dann einer Trocknungs- und Ausrichtungsbehandlung durch Erwärmen bei 80°C für 5 min unterzogen. Es wurde visuell bestätigt, dass die auf dem ersten cholesterischen Film gebildete Schicht cholesterisch war.
Durch die Verwendung einer Ultraviolettlichtbestrahlungsvorrichtung mit einer Ultrahochdruckquecksilberdampflampe wurde eine vorgegebene Menge an Ultraviolettlicht auf die Flüssigkristallschicht angewandt, um die Flüssigkristallschicht dreidimensional zu vernetzen und zu polymerisieren. Auf diese Weise wurde ein zweiter cholesterischer Film im halbgehärteten Zustand auf dem ersten cholesterischen Film gebildet.
Der auf dem ersten cholesterischen Film gebildete halbgehärtete zweite cholesterische Film wurde dann 5 min in Aceton eingetaucht.
Dieser cholesterische Film wurde durch Erwärmen bei 60°C für 15 min getrocknet. Dann wurden auf die cholesterische Schicht 10000 mJ/cm² Ultraviolettlicht mit einer Ultraviolettlichtbestrahlungsvorrichtung, die eine Ultrahochdruckquecksilberdampflampe aufwies, angewandt, um die cholesterische Schicht erneut zu härten, wodurch die optischen Eigenschaften der cholesterischen Schicht stabilisiert werden.
Folglich wurde schließlich ein optisches Element erhalten, das die cholesterische Schicht enthielt, die aus zwei cholesterischen Filmen zusammengesetzt war, welche auf dem Ausrichtungssubstrat ausgebildet waren.
Zur Bildung der cholesterischen Schicht im halbgehärteten Zustand in dem vorstehend genannten Verfahren wurden 100 mJ/cm² Ultraviolettlicht auf den ersten cholesterischen Film angewandt, während 10000 mJ/cm² Ultraviolettlicht auf den zweiten cholesterischen Film angewandt wurden. Die selektive Reflexionswellenlänge (Reflexionsspektrum) des schließlich erhaltenen optischen Elements wurde mit einem Spektrophotometer gemessen. Als Ergebnis wurde gefunden, dass das optische Element, das aus dem Laminat aus den zwei cholesterischen Filmen zusammengesetzt war, die durch Anwenden von Ultraviolettlicht in unterschiedlichen Mengen gebildet worden sind, optische Eigenschaften (breiter selektiver Reflexionswellenlängenbereich) aufwies, welche die optischen Eigenschaften (selektiver Reflexionswellenlängenbereich) des ersten cholesterischen Films und des zweiten cholesterischen Films umfassten, wie es in der 10 gezeigt ist.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines optischen Elements, umfassend: den ersten Schritt des Bildens einer strahlungshärtenden Flüssigkristallschicht (12) mit einer cholesterischen Regelmäßigkeit auf einem Ausrichtungssubstrat (13) mit einer Ausrichtungsfunktion, den zweiten Schritt des Anwendens einer vorbestimmten Menge an Strahlung (20) auf die auf dem Ausrichtungssubstrat gebildete Flüssigkristallschicht, um die Flüssigkristallschicht zu härten, um dadurch eine cholesterische Schicht in dem halbgehärteten Zustand zu bilden, und den dritten Schritt des Inkontaktbringens der auf dem Ausrichtungssubstrat gebildeten halbgehärteten cholesterischen Schicht mit einem organischen Lösungsmittel (21), wobei die Menge an auf die Flüssigkristallschicht anzuwendender Strahlung im zweiten Schritt geändert wird, um einen selektiven Reflexionswellenbereich der cholesterischen Schicht zu steuern, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung in dem zweiten Schritt in verschiedenen Mengen auf verschiedene Bereiche der Oberfläche der Flüssigkristallschicht angewendet wird, so daß diese Bereiche verschiedene selektive Reflexionswellenlängenbereiche aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die auf die Flüssigkristallschicht in dem zweiten Schritt anzuwendende Strahlung Licht ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus ultraviolettem Licht, einem Elektronenstrahl, sichtbarem Licht und Infrarotlicht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die in dem ersten Schritt gebildete Flüssigkristallschicht einen chiralen, nematischen Flüssigkristall umfaßt, erhalten durch Zugeben eines chiralen Mittels zu einem nematischen Flüssigkristall.