JP2000119654A

JP2000119654A - 液晶光学素子の製造方法

Info

Publication number: JP2000119654A
Application number: JP10298621A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Niiyama; 聡新山; Shinya Tawara; 慎哉田原
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1998-10-20
Filing date: 1998-10-20
Publication date: 2000-04-25

Abstract

(57)【要約】【課題】コントラスト比と低電圧駆動可能な液晶光学素
子の製造方法。【解決手段】少なくとも一方が透明な一対の電極付き基
板間に液晶と未硬化の硬化性化合物との混合物を狭持
し、前記硬化性化合物を硬化させて液晶／硬化物複合体
層を形成する液晶光学素子の製造方法において、前記混
合物にカイラル剤を含有させ、カイラル剤のヘリカルピ
ッチを４μｍ以上、かつ、電極間隙の３倍以下とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電界の印加／非印
加により、素子の透過、散乱、反射状態を制御し、調光
素子や表示素子、光学シャッター等に利用可能な液晶光
学素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】液晶と透明な高分子とを複合して、高分
子と液晶、または液晶内部（微小領域間）の屈折率差を
生じせしめた透過−散乱型の光学素子が提案された。液
晶／高分子複合体素子、液晶／樹脂複合体素子あるいは
分散型液晶素子などと呼ばれている。この素子は原理的
に偏光板を必要としないので、光の吸収損失が少なく、
かつ高い散乱性能が得られ、素子全体における光の利用
効率が高いことが大きな利点となっている。

【０００３】この特性を生かして、調光ガラス、光シャ
ッター、レーザ装置および表示装置などに用いられてい
る。電圧非印加で散乱状態、電圧印加で透明状態のもの
が商用化された。

【０００４】さらに、従来例１（ＵＳＰ５１８８７６
０）では、液晶と重合性の液晶を用いた素子が開示され
た。この従来例１は、電圧非印加時において素子内の液
晶と重合された液晶とが同じ配向方向を有しているの
で、素子をどの方向から見ても透明状態を呈する。そし
て、電圧印加時には、素子内の液晶の配向が電界によっ
て制御され、液晶分子の配列方向が微小領域においてさ
まざまに変化することにより、素子は散乱状態を呈す
る。

【０００５】また、カイラル剤を添加して初期配向にヘ
リカル構造を設けることで、コントラスト比が向上する
ことが開示された。この素子は、「異方性ゲル」または
「液晶ゲル」と呼ばれている。この従来例１ではアクリ
ロイル基を末端に持つメソゲンモノマーが使用された。

【０００６】また、従来例２（ＷＯ９２／１９６９５）
にも同様の構成を持つ素子が開示された。従来例１と同
様の動作モードであって、カイラルネマチック液晶中に
微量の高分子を分散させ、電圧非印加時に透明状態、電
圧印加時に散乱状態を得る。この素子はＰＳＣＴ（ポリ
マー・スタビライズド・コレステリック・テクスチャ
ー）と呼ばれている。この従来例２にもアクリロイル基
を末端に持つメソゲンモノマーが開示された。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来技術において、電
圧の印加／非印加時に得られる液晶光学素子の透過率
（または反射率）のコントラスト比を改良する手段とし
て、従来例１は、その混合物にカイラル剤を添加し、硬
化後の硬化性化合物の配向形態にヘリカル構造を導入す
ることを示した。また、従来例２は、カイラル剤の添加
によりヘリカルピッチを０．５〜４μｍとする素子を示
した。

【０００８】しかしながら、カイラル剤の添加は素子の
駆動電圧の増大させたり、素子の透明時の透過率を低下
させるといった問題を引き起こすことがある。さらに、
液晶と未硬化の硬化性化合物との混合物を液晶セルへ注
入する場合、または、透明電極付き基板、たとえば電極
付き樹脂フィルム基板間へ狭持せしめる場合に、カイラ
ル剤を多く含有すると、注入むらや狭持むらを発生させ
やすいといった問題がおこった。

【０００９】本発明における課題は、カイラル剤の添加
をできるだけ最小限にとどめ、かつ電圧印加／非印加時
に得られる透過率特性において、高いコントラスト比を
発現でき、かつ、できるだけ駆動電圧を上昇させないこ
とである。

【００１０】また、液晶と未硬化の硬化性化合物を含有
する混合物をあらかじめ準備し、硬化性化合物を硬化さ
せることで得られる液晶光学素子の特性は、その液晶／
硬化物複合体層の構造に大きく依存する。特に、その液
晶／硬化物複合体層の液晶にカイラル剤を含有せしめた
場合、つまり複合体が内部に含有するカイラル剤に起因
したヘリカル構造を内包する場合、そのヘリカルピッチ
が素子の電気光学特性に与える影響は大きい。

【００１１】そこで、本発明においては、液晶と未硬化
の硬化性化合物との混合物が含有するカイラル剤の添加
量とそれに起因したヘリカル構造のピッチについて詳細
な検討を行った。そして、従来では用いられることのな
かった大きなヘリカルピッチの条件下において、高いコ
ントラスト比と、低い駆動電圧とを両立できる領域が存
在することを見出した。

【００１２】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、少
なくとも一方が透明な一対の電極付き基板間に液晶と未
硬化の硬化性化合物との混合物を狭持し、前記硬化性化
合物を硬化させて液晶／硬化物複合体層を形成する液晶
光学素子の製造方法において、前記混合物にカイラル剤
を含有させ、カイラル剤のヘリカルピッチを４μｍ以
上、かつ、電極間隙の３倍以下とすることを特徴とする
液晶光学素子の製造方法を提供する。

【００１３】また、上記の製造方法において、前記硬化
性化合物が式（１）の化合物を含有することが好まし
い。

【００１４】

【化１】Ａ₁ −（ＯＲ₁ ）_n −Ｏ−Ｚ−Ｏ−（Ｒ₂ Ｏ）_m −Ａ₂ ・・・式（１）

【００１５】Ａ₁ 、Ａ₂ ：それぞれ独立にアクリロイル
基、メタクリロイル基、グリシジル基、アリル基Ｒ₁ 、Ｒ₂ ：それぞれ独立に炭素数２〜６のアルキレン
基Ｚ：２価のメソゲン構造部ｎ、ｍ：それぞれ独立に１〜１０の整数

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明ではヘリカルピッチを上記
の範囲に設定することで従来例では得ることができなか
った良好な特性を達成できる。ヘリカルピッチを４μｍ
より小さくすると、電圧非印加時の透過率が低下した
り、駆動電圧が上昇するなどの問題が発生する。

【００１７】ヘリカルピッチを、液晶／樹脂複合体を狭
持する一対の電極間隙の３倍より大きくすると、電圧印
加時の透過率が高く、電圧印加／非印加時の透過率にお
けるコントラスト比が低下する。

【００１８】さらに、ヘリカルピッチを５μｍより大き
く、かつ、電極間隙の２倍以下にすることで、低い駆動
電圧と高いコントラストのバランスを調節することが可
能となる。

【００１９】式（１）の硬化部位（Ａ₁ 、Ａ₂ ）として
は、一般に硬化触媒とともに光硬化、熱硬化可能な上記
の官能基であればいずれでもよいが、なかでも、硬化時
の温度を制御できることから光硬化に適するアクリロイ
ル基、メタクリロイル基が好ましい。

【００２０】式（１）のオキシアルキレン部のＲ₁ およ
びＲ₂ の炭素数については、その運動性から２〜６が好
ましく、さらに炭素数２のエチレン基、および炭素数３
のプロピレン基が好ましい。

【００２１】式（１）のメソゲン構造部（Ｚ）として
は、１、４−フェニレン基が２個以上連結した２価のポ
リフェニレンが好ましい。また、このポリフェニレン基
中の一部の１，４−フェニレン基が１，４−シクロヘキ
シレン基で置換された２価の有機基であってもよい。

【００２２】これらポリフェニレン基や２価の有機基の
水素原子の一部または全部は炭素数１〜２のアルキル
基、ハロゲン原子、カルボキシル基、アルコキシカルボ
ニル基などの置換基に置換されていてもよい。好ましい
Ｚは、１，４−フェニレン基が２個連結したビフェニレ
ン基（以下、４，４’−ビフェニレン基という。）、３
個連結したターフェニレン基、およびこれらの水素原子
の１〜４個が炭素数１〜２のアルキル基、フッ素原子、
塩素原子もしくはカルボキシル基に置換された２価の有
機基である。最も、好ましいＺは置換基を有しない４，
４’−ビフェニレン基である。

【００２３】式（１）のｎ、ｍはあまり大きいと液晶と
の相溶性が低下するため、それぞれ独立に１〜１０であ
り、硬化後の素子特性を考慮すると１〜４がさらに好ま
しい。

【００２４】液晶と未硬化の硬化性化合物の混合物が硬
化触媒を含有していてもよく、光硬化の場合、ベンゾイ
ンエーテル系、アセトフェノン系、フォスフィンオキサ
イド系などの一般に光硬化樹脂に用いられる光重合開始
剤を使用できる。

【００２５】熱硬化の場合は、硬化部位の種類に応じ
て、パーオキサイド系、チオール系、アミン系、酸無水
物系などの硬化触媒を使用でき、また、必要に応じてア
ミン類などの硬化助剤も使用できる。

【００２６】硬化触媒の含有量は、含有する未硬化の硬
化性化合物の２０ｗｔ％以下が好ましく、硬化後の硬化
物の高い分子量や高い比抵抗が要求される場合、１〜１
０ｗｔ％とすることがさらに好ましい。

【００２７】液晶と未硬化の硬化性化合物の混合物中の
未硬化の硬化性化合物は、液晶との相溶性を向上させる
ために、式（１）でｎ、ｍの異なる複数の未硬化の硬化
性化合物を含んでいてもよく、それによりさらにコント
ラストを改善することができる。一方、液晶と未硬化の
硬化性化合物の混合物は、混合後均質な溶液であること
が好ましい。また、液晶と未硬化の硬化性化合物の混合
物は、電極付き基板に狭持されるとき、液晶相を示して
いてもよい。

【００２８】さらに、液晶と未硬化の硬化性化合物の混
合物は、硬化されるとき、液晶相を示していてもよい。
液晶と未硬化の硬化性化合物の混合物を狭持する電極付
き基板の電極表面を直接研磨したり、樹脂の薄膜を設け
それをラビングするなどして、電極表面に液晶を配向さ
せる機能を付与することもでき、それにより、液晶と未
硬化の硬化性化合物の混合物を狭持する際のむらを低減
させることもできる。

【００２９】また、一対の配向処理済み基板の配向方向
の組み合わせとしては、平行、直交、いずれでもよく、
混合物を狭持したときのむらが最小となるよう角度を設
定すればよい。

【００３０】電極間の距離は、スペーサー等で保持する
ことができ、間隔は４〜５０μｍが好ましく、さらには
５〜３０μｍが好ましい。電極間隔は小さすぎるとコン
トラストが低下し、大きすぎると駆動電圧が上昇する。

【００３１】電極を支持する基板は、ガラス基板でも樹
脂基板でもよく、またガラス基板と樹脂基板の組み合わ
せでもよい。また、片方がアルミニウムや誘電体多層膜
の反射電極であってもよい。

【００３２】フィルム基板の場合、連続で供給される電
極付き基板を２本のゴムロール等で挟み、その間に、ス
ペーサーを含有分散させた液晶と未硬化の硬化性化合物
との混合物を供給し、挟み込み、その後連続で硬化させ
ることができるので生産性が高い。

【００３３】ガラス基板の場合、電極面内に微量のスペ
ーサーを散布し、対向させた基板の４辺をエポキシ樹脂
等のシール剤で封止セルとし、２カ所以上の設けたシー
ルの切り欠きの一方を液晶と未硬化の硬化性化合物の混
合物に浸し、他方より吸引することでセル内に混合物を
満たし、硬化させ液晶光学素子を得ることができる。ま
た、通常の真空注入法を用いることもできる。以下、実
施例について説明する。

【００３４】

【実施例】（実施例１）シアノ系ネマティック液晶（メ
ルク社製ＢＬ−００６）９５部、式（２）の未硬化の
硬化性化合物５部、および、ベンゾインイソプロピルエ
ーテル０．１５部の混合物（混合物Ａ）を調製した。

【００３５】

【化２】

【００３６】この式（２）の化合物は、式（１）でＡ
₁ 、Ａ₂ がアクリロイル基で、Ｒ₁ 、Ｒ₂ がエチレン基
で、Ｚのメソゲン構造部が４，４’−ビフェニレン基
で、ｎ、ｍがともに１である場合に相当する。

【００３７】この混合物Ａ１００部に、カイラル剤（メ
ルク社製Ｓ−８１１とメルク社製Ｃ１５の重量比１：
１の混合物、以後カイラル剤Ａ）３．５部を均一に溶解
した混合物を調製した（混合物Ｂ）。そして、ヘリカル
ピッチ測定用のくさびセルに注入してピッチを測定した
ところ、そのヘリカルピッチは５．１μｍであった。

【００３８】この混合物Ｂを、透明電極上に形成したポ
リイミド薄膜を一方向にラビングした一対の基板を、ラ
ビング方向が直交するように対向させ、微量の直径１３
μｍの樹脂ビーズを介して、四辺に幅約１ｍｍで印刷し
たエポキシ樹脂により張り合わせて作製した液晶セルに
注入した。

【００３９】このセルを２５℃に保持した状態で、主波
長が約３６５ｎｍのＨｇＸｅランプにより、上側より３
ｍＷ／ｃｍ² 、下側より同じく約３ｍＷ／ｃｍ² の紫外
線を１０分間照射し、液晶光学素子を形成した。

【００４０】この液晶光学素子に矩形波５０Ｈｚ、５０
Ｖｒｍｓの電圧を１０分印加後電圧を除去する操作を１
０回繰り返した。その後、５３０ｎｍを中心波長とした
半値幅約２０ｎｍの測定光源を用いた透過率測定系（光
学系のＦ値１１．５）で透過率を測定したところ、電圧
を印加しない状態で７８％、この値を５０Ｖｒｍｓ印加
したときの透過率で割ったコントラスト比の値は２３で
あった。

【００４１】この液晶光学素子の電圧印加しないときの
透過率を１００％、５０Ｖｒｍｓの電圧を印加したとき
の透過率を０％としたときに、５０％を示す印加電圧、
すなわち５割の透過率変化を示すときの印加電圧の値
（Ｖ₅₀）は、２３Ｖｒｍｓであった。

【００４２】（実施例２）実施例１の混合物Ａを１００
部に、同じく実施例１のカイラル剤Ａを１．５部を均一
に溶解して混合物を調製した（混合物Ｃ）。実施例１と
同様に、ヘリカルピッチ測定用のくさびセルに注入して
ピッチを測定したところ、そのヘリカルピッチは１０．
８μｍであった。

【００４３】この混合物Ｃを実施例１で使用したものと
同様の構成の液晶セルに注入し、２５℃で同様に紫外線
を照射して未硬化の硬化性化合物を硬化させて液晶光学
素子を形成した。

【００４４】この液晶光学素子に矩形波５０Ｈｚ、５０
Ｖｒｍｓの電圧を１０分印加後電圧を除去する操作を１
０回繰り返した。その後、実施例１と同じ透過率測定系
で透過率を測定したところ、電圧を印加しない状態で８
１％、この値を５０Ｖｒｍｓ印加したときの透過率で割
ったコントラスト比の値は２３であり、Ｖ₅₀は１９Ｖｒ
ｍｓであった。

【００４５】（比較例１）実施例１の混合物Ａにカイラ
ル剤を添加せず、実施例１で使用したものと同じ構成の
液晶セルに注入し、２５℃で同様に紫外線を照射して未
硬化の硬化性化合物を硬化させて液晶光学素子を得た。
この液晶セルは配向方向を直交させてあるため、混合物
Ａはセルに注入された状態では、見かけ上、セルの電極
間距離の約４倍のヘリカルピッチを呈する。

【００４６】この液晶光学素子に矩形波５０Ｈｚ、５０
Ｖｒｍｓの電圧を１０分印加後電圧を除去する操作を１
０回繰り返した。その後、実施例１と同じ透過率測定系
で透過率を測定したところ、電圧を印加しない状態で７
９％、この値を５０Ｖｒｍｓ印加したときの透過率で割
ったコントラスト比の値は３．２であり、Ｖ₅₀は１８で
あった。

【００４７】（比較例２）実施例１の混合物Ａを１００
部に、実施例１のカイラル剤Ａを７．５部を均一に溶解
して混合物を調製した（混合物Ｄ）。実施例１と同様
に、ヘリカルピッチ測定用のくさびセルに注入してピッ
チを測定したところ、そのヘリカルピッチは２．４μｍ
であった。

【００４８】この混合物Ｄを実施例１で使用したものと
同じ構成の液晶セルに注入し、２５℃で紫外線を同様に
照射して未硬化の硬化性化合物を硬化させて液晶光学素
子を形成した。

【００４９】この液晶光学素子に矩形波５０Ｈｚ、５０
Ｖｒｍｓの電圧を１０分印加後電圧を除去する操作を１
０回繰り返した。その後、実施例１と同じ透過率測定系
で透過率を測定したところ、電圧を印加しない状態で７
３％、この値を５０Ｖｒｍｓ印加したときの透過率で割
ったコントラスト比の値は１３であり、Ｖ₅₀は３１であ
った。

【００５０】（実施例３）実施例１の混合物Ａを１００
部に、カイラル剤（メルク社製Ｒ−８１１とメルク社
製ＣＢ１５の重量比１：１の混合物、以後カイラル剤
Ｂ）２部を均一に溶解して混合物を調製した（混合物
Ｅ）。ヘリカルピッチ測定用のくさびセルに注入してピ
ッチを測定したところ、そのヘリカルピッチは５．７μ
ｍであった。

【００５１】この混合物Ｅを実施例１で使用したものと
同じ構成の液晶セルに注入し、２５℃で実施例１と同様
にして紫外線を１分間を照射して未硬化の硬化性化合物
を硬化させて液晶光学素子を形成した。この液晶光学素
子に矩形波５０Ｈｚ、５０Ｖｒｍｓの電圧を１０分印加
後電圧を除去する操作を１０回繰り返した。その後、実
施例１と同じ透過率測定系で透過率を測定したところ、
電圧を印加しない状態で８１％、この値を５０Ｖｒｍｓ
印加したときの透過率で割ったコントラストの値は３１
であり、Ｖ₅₀は２２Ｖｒｍｓであった。

【００５２】（実施例４）実施例１の混合物Ａを１００
部に、同じく実施例３のカイラル剤Ｂを０．５部を均一
に溶解して混合物を調製した（混合物Ｆ）。実施例１と
同様に、ヘリカルピッチ測定用のくさびセルに注入して
ピッチを測定したところ、そのヘリカルピッチは２１μ
ｍであった。

【００５３】この混合物Ｆを実施例１で使用したものと
同様の液晶セルに注入し、２５℃で実施例３と同様にし
て紫外線を照射して未硬化の硬化性化合物を硬化させて
液晶光学素子を得た。この液晶光学素子に矩形波５０Ｈ
ｚ、５０Ｖｒｍｓの電圧を１０分印加後電圧を除去する
操作を１０回繰り返した。その後、実施例１と同じ透過
率測定系で透過率を測定したところ、電圧を印加しない
状態で８０％、この値を５０Ｖｒｍｓ印加したときの透
過率で割ったコントラスト比の値は１４であり、Ｖ₅₀は
１７Ｖｒｍｓであった。

【００５４】（比較例３）実施例１の混合物Ａにカイラ
ル剤を添加せず、実施例１で使用したものと同様構成の
液晶セルに注入し、２５℃で実施例３と同様に紫外線を
照射して未硬化の硬化性化合物を硬化させて液晶光学素
子を得た。この液晶セルは配向方向を直交させたセルで
あるため、混合物Ａはセルに注入された状態では、見か
け上、セルの電極間距離の約４倍のヘリカルピッチを呈
する。

【００５５】この液晶光学素子に矩形波５０Ｈｚ、５０
Ｖｒｍｓの電圧を１０分印加後電圧を除去する操作を１
０回繰り返した。その後、実施例１と同じ透過率測定系
で透過率を測定したところ、電圧を印加しない状態で７
８％、この値を５０Ｖｒｍｓ印加したときの透過率で割
ったコントラストの値は３．９であり、Ｖ₅₀は１０Ｖｒ
ｍｓであった。

【００５６】（比較例４）実施例１の混合物Ａを１００
部に、同じく実施例３のカイラル剤Ｂを４部を均一に溶
解して混合物を調製した（混合物Ｄ）。実施例１と同様
に、ヘリカルピッチ測定用のくさびセルに注入してピッ
チを測定したところ、そのヘリカルピッチは３．０μｍ
であった。

【００５７】この混合物Ｄを実施例１で使用したものと
同様の液晶セルに注入し、２５℃で実施例３と同様に紫
外線を照射して未硬化の硬化性化合物を硬化させて液晶
光学素子を形成した。

【００５８】この液晶光学素子に矩形波５０Ｈｚ、５０
Ｖｒｍｓの電圧を１０分印加後電圧を除去する操作を１
０回繰り返した。その後、実施例１と同じ透過率測定系
で透過率を測定したところ、電圧を印加しない状態で７
９％、この値を５０Ｖｒｍｓ印加した時の透過率で割っ
たコントラストの値は２５であり、Ｖ₅₀は２８Ｖｒｍｓ
であった。

【００５９】

【発明の効果】本発明の液晶光学素子は、低い駆動電圧
で動作させることが可能で、かつ、電界の印加／非印加
時の透過率におけるコントラスト比を高くできるため、
駆動電圧に制限のある、調光ガラスや光シャッターやデ
ィスプレイ等に好適である。

【００６０】また、素子の透明時の透過率が高く、ま
た、注入工程や狭持工程に由来する透明時のむらを小さ
くできるため、高品位の調光ガラスや光シャッター等に
好適な液晶光学素子を提供することができる。

【００６１】また、本発明は、駆動電圧を大きく上昇さ
せずに、低電圧でコントラスト比を大きく改善できるの
で表示素子に用いることもできる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一方が透明な一対の電極付き基
板間に液晶と未硬化の硬化性化合物との混合物を狭持
し、前記硬化性化合物を硬化させて液晶／硬化物複合体
層を形成する液晶光学素子の製造方法において、前記混
合物にカイラル剤を含有させ、カイラル剤のヘリカルピ
ッチを４μｍ以上、かつ、電極間隙の３倍以下とするこ
とを特徴とする液晶光学素子の製造方法。
【請求項２】電極間隙が４〜５０μｍである請求項１に
記載の液晶光学素子の製造方法。
【請求項３】前記混合物に微量の硬化触媒を含有せしめ
る請求項１または２に記載の液晶光学素子の製造方法。
【請求項４】ヘリカルピッチを５μｍ以上、かつ、電極
間隙の２倍以下とする請求項１、２または３記載の液晶
光学素子の製造方法。