JP2001288471A - 液晶・高分子複合層形成材料および液晶光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液晶・高分子複合層において、液晶と高分子
の相互作用を低減し、駆動電圧を低減すると共に応答速
度を速くする。 【解決手段】 液晶と重合性組成物を含む混合材料に、
４位以上フッ素置換された非重合性フッ素置換低分子化
合物、或いは１または２以上フッ素置換された芳香族環
を１または２以上含む構造である非重合性フッ素置換低
分子化合物を加える。フッ素置換低分子化合物は、フッ
素系化合物特有の分子間斥力により液晶のバルク中に溶
解しにくい。また、液晶と高分子が相分離すると、未反
応成分中の非重合性フッ素置換低分子化合物濃度が上昇
し、高分子化過程で重合生成物の凝集による体積的な排
除効果が生じる。さらに、非重合性であるので分子が移
動し易い。よって、液晶と高分子との界面に非重合性フ
ッ素置換低分子化合物がはきだされる。その結果、液晶
と高分子間の相互作用が低減し、電圧印加時のスイッチ
ング特性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶・高分子複合
層を有し、表示素子に用いられる液晶光学素子、および
その液晶・高分子複合層を形成するために用いられる液
晶・高分子複合層形成材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ネマティック液晶を用いた表示素
子として、液晶・高分子複合層を有する高分子分散型液
晶を用いたものが知られている。

【０００３】例えば、特開平５−１３４２６６号公報、
または伊達他、信学技報、Ｖｏｌ．９５，Ｎｏ．５２
６，ｐ．１３１（１９９６）に記載されているように、
高分子層と液晶層とが交互に積層し、高分子層および液
晶層が基板に平行な平面構造を有するか、または高分子
層および液晶層が基板からある方向に傾斜した平面構造
を有するホログラフィック高分子分散型液晶（ＨＰＤＬ
Ｃ）を用いた反射型液晶表示素子が作製されている。

【０００４】このＨＰＤＬＣ表示素子においては、電圧
無印加状態では液晶と高分子樹脂の屈折率が異なる。こ
のため、液晶・高分子複合層に白色光を入射させると、
液晶層と高分子層との繰り返しピッチで決まる特定波長
の光がブラッグ反射の原理により選択的に反射され、残
りの波長帯の光が透過される。一方、液晶分子の屈折率
変化が飽和する電圧Ｖｓａｔ以上の電圧を印加した状態
では、液晶と高分子樹脂の屈折率が等しいため、液晶・
高分子複合層に入射した光がそのまま透過光となる。こ
のように、上記ＨＰＤＬＣ表示素子は、光の透過／反射
特性を制御することができる。

【０００５】上記ＨＰＤＬＣ表示素子は、例えば、液晶
と高分子前駆体とを混合した混合液をセル内に封入し、
レーザー光をセルの両側から照射（干渉露光）すること
により作製される。これにより、高分子前駆体が重合し
て高分子化する際の相分離によって、液晶と高分子を分
離させて液晶層と高分子層とが交互に積層した構造を作
製することができる。

【０００６】また、例えば特開平５−１７３１９６号公
報に記載されているように、高分子層と液晶層とが交互
に積層し、高分子層および液晶層が基板に垂直な平面構
造を有するホログラフィック高分子分散型液晶（ＨＰＤ
ＬＣ）を用いた表示素子が作製されている。

【０００７】このＨＰＤＬＣ表示素子においては、電圧
無印加状態では液晶と高分子樹脂の屈折率が異なる。こ
のため、液晶・高分子複合層に白色光を入射させると、
液晶層と高分子層との繰り返しピッチで決まる特定波長
の光が回折格子の原理により選択的に回折される。一
方、液晶分子の屈折率変化が飽和する電圧Ｖｓａｔ以上
の電圧を印加した状態では、液晶と高分子樹脂の屈折率
が等しいため、液晶・高分子複合層に入射した光がその
まま透過光となる。このように、上記ＨＰＤＬＣ表示素
子は、光の透過／回折特性を制御することができる。

【０００８】また、高分子中に分散したネマティック液
晶からなる小滴中の液晶分子配列を電界によって変化さ
せて、それによる屈折率変化を利用した高分子分散液晶
（ＰＤＬＣ）も広く知られている。

【０００９】このＰＤＬＣを用いた表示素子において
は、電圧無印加状態では、液晶小滴の光軸がランダムに
配列し、異常光屈折率が高分子マトリックスの屈折率と
一致しない。このため、液晶・高分子複合層に光を入射
させると、光散乱によって不透明白色を示す。一方、Ｖ
ｓａｔ以上の電圧を印加した状態では、液晶分子が電場
の方向に配列し、常光屈折率が高分子マトリックスの屈
折率と一致するため、液晶・高分子複合層に入射した光
はそのまま透過する。このように、上記ＰＤＬＣ表示素
子は、光の透過／散乱特性を制御することができる。

【００１０】しかしながら、上記従来技術の液晶・高分
子複合層は、いずれも液晶と高分子の屈折率差があまり
大きくないため、十分な光学反射率特性を有する液晶光
学素子を作製することができなかった。

【００１１】そこで、例えば特開平１０−３１９２３７
号公報に記載されているように、高分子層と高分子化合
物中に液晶が分散した高分子液晶層と高分子化合物から
なる高分子層とを交互に積層したホログラフィック高分
子分散型液晶（ＨＰＤＬＣ）において、高分子化合物と
して重合性フッ素化合物をモノマー成分として含むもの
を用いた表示素子が作製されている。

【００１２】このＨＰＤＬＣ表示素子は、ホログラム形
成時にフッ素系化合物が高分子化合物中に分散して含ま
れるため、電圧無印加時に、液晶と高分子の屈折率差が
より大きい液晶光学素子を作製することができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来技術では、液晶と高分子の界面近傍において、液
晶が高分子に含浸し、または液晶に高分子鎖の一部が伸
び広がった状態になり、液晶分子と高分子鎖との間で強
い相互作用が働く領域が存在する。このため、液晶・高
分子複合層に電圧を印加したときに、液晶と高分子の界
面近傍において液晶分子が動き難くなるという現象が予
測される。

【００１４】さらに、上記特開平１０−３１９２３７号
公報に記載されている従来技術では、高分子化合物に重
合性フッ素化合物をモノマー成分として用いているが、
このような重合性フッ素化合物を用いると、重合時にフ
ッ素系化合物が高分子中に均一に分散することになる。
このため、液晶と高分子との界面における相互作用を低
減することができず、フッ素系化合物特有の特徴である
排除効果が十分に発揮されていなかった。

【００１５】実際の現象としては、液晶・高分子複合層
に印加する電圧を増加させていく際に、液晶と高分子の
界面近傍において液晶分子の屈折率変化が生じ難くなっ
てＶｓａｔが高くなるという問題が生じていた。また、
電圧無印加状態から電圧印加状態に変化する際の応答速
度、または電圧印加状態から電圧無印加状態に変化する
際の応答速度が遅い等の問題も生じていた。

【００１６】ところで、高分子分散液晶（ＰＤＬＣ）の
駆動電圧を低減する手法としては、例えば特開平１１−
２１２０７０号公報に記載されているように、高分子中
に分散したネマティック液晶からなる小滴中の液晶分子
配列を電界によって変化させて、それによる屈折率変化
を利用したＰＤＬＣ表示素子において、非イオン性界面
活性剤を添加する手法が知られている。

【００１７】しかし、このような手法では、界面活性剤
の効果が発揮されるのが、液晶に対する高分子の重量比
率が小さいとき（２０％以下）のみであるため、液晶に
対する高分子の重量比率が大きいとき（５０％以上）に
は効果が少なかった。

【００１８】本発明は、このような従来技術の課題を解
決するためになされたものであり、液晶・高分子複合層
において、液晶と高分子の相互作用を低減して電圧印加
時のスイッチング特性を向上させ、駆動電圧を低減する
と共に応答速度を速くすることができる液晶光学素子、
およびその液晶・高分子複合層を形成するために用いら
れる液晶・高分子複合層形成材料を提供することを目的
とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の液晶・高分子複
合層形成材料は、少なくとも液晶と重合性組成物とを含
み、液晶光学素子に用いられる液晶・高分子複合層を形
成するための材料であって、４位以上フッ素置換された
非重合性フッ素置換低分子化合物を含んでおり、そのこ
とにより上記目的が達成される。

【００２０】前記非重合性フッ素置換低分子化合物が、
パーフルオロ基Ｆ（ＣＦ₂）_nを含む構造であり、かつ、
側鎖の長さｎが２≦ｎ≦２０であるのが好ましく、さら
に好ましくは２≦ｎ≦１２である。

【００２１】前記非重合性フッ素置換低分子化合物が、
アルコール基を含む構造であるのが好ましい。

【００２２】前記非重合性フッ素置換低分子化合物が、
アルキル基（ＣＨ₂）_mを含み、かつ、側鎖の長さｍが２
≦ｍ≦４であるのが好ましい。

【００２３】本発明の液晶・高分子複合層形成材料は、
少なくとも液晶と重合性組成物とを含み、液晶光学素子
に用いられる液晶・高分子複合層を形成するための材料
であって、１または２以上フッ素置換された芳香族環を
１または２以上含む構造である非重合性フッ素置換低分
子化合物を含んでおり、そのことにより上記目的が達成
される。

【００２４】前記非重合性フッ素置換低分子化合物の添
加量が、材料の総重量に対して０．５重量％以上５０重
量％以下の範囲であるのが好ましく、さらに好ましくは
１．６重量％以上１６重量％以下の範囲である。

【００２５】本発明の液晶光学素子は、本発明の液晶・
高分子複合層形成材料を用いて形成した液晶・高分子複
合層を有しており、そのことにより上記目的が達成され
る。

【００２６】前記液晶・高分子複合層は、電圧印加によ
り光の透過または反射特性が変調するものであってもよ
い。

【００２７】前記液晶・高分子複合層は、電圧印加によ
り光の透過または回折特性が変調するものであってもよ
い。

【００２８】前記液晶・高分子複合層は、電圧印加によ
り光の透過または散乱特性が変調するものであってもよ
い。

【００２９】前記液晶・高分子複合層は、電圧印加によ
り光の屈折率が変調し、光学的機能を有する素子と組み
合わせてあってもよい。

【００３０】以下、本発明の作用について説明する。

【００３１】本発明にあっては、液晶・高分子複合層を
形成するために、液晶と重合性組成物とを含む混合材料
に、従来の非イオン界面活性剤に相当する非重合性フッ
素置換低分子化合物を加えたものを用いる。

【００３２】フッ素置換された部位を有する低分子化合
物は、フッ素系化合物特有の分子間斥力により、液晶の
バルク中に溶解しにくい。さらに、液晶と高分子とが相
分離すると、液晶分子を中心とする未反応成分中におい
て非重合性フッ素置換低分子化合物の濃度が上昇し、高
分子化する過程での重合生成物の凝集による体積的な排
除効果や、非重合性であることによる分子の移動し易さ
によって、液晶と高分子との界面に非重合性フッ素置換
低分子化合物がはきだされる。よって、液晶と高分子と
の間に働く相互作用が低減し、界面近傍での液晶分子
は、液晶層内のバルクにより近い物性を示すことができ
る。その結果、電圧印加時のスイッチング特性を向上
し、駆動電圧を低減し、さらに、応答速度を速くするこ
とが可能となる。なお、本明細書において、「低分子」
化合物とは、分子量１０００以下の化合物のことを言う
ものとする。

【００３３】この非重合性フッ素置換低分子化合物とし
ては、４位以上フッ素置換されたものを用いることがで
き、例えば、パーフルオロ基Ｆ（ＣＦ₂）_nを含む構造の
ものを用いることができる。パーフルオロ基Ｆ（Ｃ
Ｆ₂）_nを含む化合物では、フッ素置換された炭素分子が
２個以上（ｎ≧２）の連続したものである分子におい
て、始めて、Ｃ−Ｃ結合軸まわりの分子回転運動への規
制力が生じ、分子軸の剛直性が生じる。このため、ｎ＝
１ではパーフルオロ鎖の剛直性に欠ける。その側鎖の長
さｎは２≦ｎ≦２０であるのが好ましく、側鎖の長さｎ
が液晶分子の末端アルキル鎖長と同程度の長さである２
≦ｎ≦１２であるのがさらに好ましい。この範囲にする
ことにより、フッ素系化合物特有の分子間斥力によって
液晶と高分子の界面にはきだされる非重合性多フッ素置
換低分子化合物が適切な量となる。

【００３４】さらに、上記非重合性フッ素置換低分子化
合物としては、アルコール基ＯＨを含む構造であるのが
好ましい。アルコール基を含むことにより、液晶、高分
子複合層内において、アルコール基が高分子中に含まれ
る酸素と水素結合に近い結合をして、高分子側に向いた
配置となる。その結果、液晶と高分子との間に働く相互
作用がさらに低減する。

【００３５】このような化合物としては、例えば一般式
でＦ（ＣＦ₂）_n（ＣＨ₂）_mＯＨで表される化合物が挙げ
られる。このアルキル基（ＣＨ₂）_m部分は、非重合性フ
ッ素置換低分子化合物の液晶・高分子複合組成に対する
溶解性を制御する作用を有しており、側鎖の長さｍは、
２≦ｍ≦４であるのが好ましい。

【００３６】非重合性フッ素置換低分子化合物として
は、例えば以下に示すように、１または２以上フッ素置
換された芳香族環を１または２以上含む構造のものを用
いることもできる。この非重合性フッ素置換低分子化合
物では、フッ素系置換基が芳香族環に対してラテラルに
置換されていることにより、液晶の配向に対して並びに
くい構造を取るため、液晶と高分子との間に働く相互作
用が低減する。

【００３７】

【化１】

【００３８】このような非重合性フッ素置換低分子化合
物は、液晶と重合性組成物とを含む材料の総重量に対し
て０．５重量％以上５０重量％以下の範囲で添加するの
が好ましい。この範囲にすることにより、フッ素系化合
物特有の分子間斥力によって液晶と高分子の界面にはき
だされる非重合性多フッ素置換低分子化合物が適切な量
となる。さらに好ましくは、非重合性フッ素置換低分子
化合物を、液晶と重合性組成物とを含む材料の総重量に
対して１．６重量％以上１６重量％以下の範囲で添加す
るのが好ましい。

【００３９】本発明が適用可能なデバイスとしては、液
晶・高分子複合層により発現する光学的な特性、例えば
反射、回折、散乱、屈折率等が液晶分子の電界応答によ
って変調する光学素子全般に及ぶ。

【００４０】例えば、高分子層と液晶層とが交互に積層
し、高分子層および液晶層が基板に平行な平面構造を有
するか、または高分子層および液晶層が基板からある方
向に傾斜した平面構造を有するホログラフィック高分子
分散型液晶（ＨＰＤＬＣ）において、非重合性フッ素置
換低分子化合物を含む本発明の液晶・高分子複合層形成
材料を用いて液晶・高分子複合層を形成する。これによ
り、液晶と重合性組成物を含む混合材料を干渉露光して
液晶と高分子に相分離させる過程において、非重合性フ
ッ素置換低分子化合物が、溶解濃度の変化やフッ素系化
合物特有の分子間斥力によって液晶と高分子の界面には
きだされる。よって、液晶と高分子の間に働く相互作用
が低減し、界面近傍での液晶分子は、液晶層内のバルク
により近い物性を示すことができる。

【００４１】このようにして作製されるＨＰＤＬＣ液晶
光学素子においては、電圧無印加状態では、液晶と高分
子樹脂の屈折率が異なる。このため、液晶・高分子複合
層に白色光を入射させると、液晶層と高分子層との繰り
返しピッチで決まる特定波長の光がブラッグ反射の原理
により選択的に反射され、残りの波長帯の光が透過され
る。一方、液晶分子の屈折率変化が飽和する電圧Ｖｓａ
ｔ以上の電圧を印加した状態では、液晶と高分子樹脂の
屈折率が等しいため、液晶・高分子複合層に入射した光
がそのまま透過光となる。このように、ＨＰＤＬＣ液晶
光学素子において、光の透過／反射特性を制御すること
ができる。

【００４２】または、高分子層と液晶層とが交互に積層
し、高分子層および液晶層が基板に垂直な平面構造を有
するホログラフィック高分子分散型液晶（ＨＰＤＬＣ）
において、非重合性フッ素置換低分子化合物を含む本発
明の液晶・高分子複合層形成材料を用いて液晶・高分子
複合層を形成する。これにより、液晶と重合性組成物を
含む混合材料を干渉露光して液晶と高分子に相分離させ
る過程において、非重合性フッ素置換低分子化合物が、
溶解濃度の変化やフッ素系化合物特有の分子間斥力によ
って液晶と高分子の界面にはきだされる。よって、液晶
と高分子の間に働く相互作用が低減し、界面近傍での液
晶分子は、液晶層内のバルクにより近い物性を示すこと
ができる。

【００４３】このようにして作製されるＨＰＤＬＣ液晶
光学素子においては、電圧無印加状態では液晶と高分子
樹脂の屈折率が異なる。このため、液晶・高分子複合層
に白色光を入射させると、液晶層と高分子層との繰り返
しピッチで決まる特定波長の光が回折格子の原理により
選択的に回折される。一方、液晶分子の屈折率変化が飽
和する電圧Ｖｓａｔ以上の電圧を印加した状態では、液
晶と高分子樹脂の屈折率が等しいため、液晶・高分子複
合層に入射した光がそのまま透過光となる。このよう
に、ＨＰＤＬＣ液晶光学素子において、光の透過／回折
特性を制御することができる。

【００４４】または、高分子中にネマティック液晶を分
散させた高分子分散液晶（ＰＤＬＣ）において、非重合
性フッ素置換低分子化合物を含む本発明の液晶・高分子
複合層形成材料を用いて液晶・高分子複合層を形成す
る。これにより、液晶と重合性組成物を含む混合材料を
紫外光等で露光して液晶の小滴を高分子中に分散させる
過程において、非重合性フッ素置換低分子化合物が、溶
解濃度の変化やフッ素系化合物特有の分子間斥力によっ
て液晶と高分子の界面にはきだされる。よって、液晶と
高分子の間に働く相互作用が低減し、界面近傍での液晶
分子は、液晶層内のバルクにより近い物性を示すことが
できる。

【００４５】このようにして作製されるＰＤＬＣ液晶光
学素子においては、電圧無印加状態では液晶小滴の光軸
がランダムに配列し、異常光屈折率が高分子マトリック
スの屈折率と一致しない。このため、液晶・高分子複合
層に白色光を入射させると、光散乱によって不透明白色
を示す。一方、Ｖｓａｔ以上の電圧を印加した状態で
は、液晶分子が電場の方向に配列し、常光屈折率が高分
子マトリックスの屈折率と一致するため、液晶・高分子
複合層に入射した光はそのまま透過する。このように、
ＰＤＬＣ液晶光学素子において、光の透過／散乱特性を
制御することができる。

【００４６】さらに、非重合性フッ素置換低分子化合物
を含む本発明の液晶・高分子複合層形成材料を用いて、
電圧印加により光の屈折率が変調する液晶・高分子複合
層を形成し、レンズやプリズムアレイ等の光学的機能を
有する素子と組み合わせた液晶光学素子としてもよい。

【００４７】なお、透明電極間に電圧を印加していくと
きに液晶・高分子複合層内の液晶分子が電界によって状
態が変化して、光学的な変化として検出される電圧をＶ
ｔｈ（しきい値電圧）とし、液晶分子が印加電圧に対し
て応答し、光学的な変化が飽和するときの電圧をＶｓａ
ｔ（飽和電圧）とする。

【００４８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて説明する。

【００４９】本発明にあっては、少なくとも液晶と重合
性組成物とを含む液晶・高分子複合層形成材料に、４位
以上フッ素置換された非重合性フッ素置換低分子化合
物、或いは１または２以上フッ素置換された芳香族環を
１または２以上含む構造である非重合性フッ素置換低分
子化合物を添加して、例えば反射、回折、散乱や屈折率
等が液晶分子の電界応答によって変調する液晶・高分子
複合層を有する液晶光学素子を作製する。

【００５０】（実施形態） （１）素子構造 図１（ａ）は本発明の一実施形態であるホログラフィッ
ク高分子分散液晶（ＨＰＤＬＣ）表示素子の概略構成を
示す断面図である。

【００５１】この表示素子は、透光性基板１１、１１’
上に、例えば膜厚１１０ｎｍのＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ
Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）からなる透明電極１２、１２’
と、例えば膜厚２５ｎｍのポリイミドからなる配向膜１
３、１３’とを備えたセルからなり、液晶・高分子複合
層を有している。

【００５２】液晶高分子複合層は、複屈折性を示さない
高分子樹脂からなる高分子層１４と、電界によって屈折
率が変化する複屈折材料である液晶層１５とが交互に積
層し、高分子層１４および液晶層１５が基板に平行な平
面構造を有している。また、液晶と高分子の界面には、
非重合性フッ素置換低分子化合物１６が含まれている。

【００５３】上記透明電極１２、１２’には、交流電源
１７が接続されている。また、配向膜１３、１３’の表
面は、液晶・高分子複合層内の液晶分子が基板に対して
平行に配向するように、例えばラビング処理等の処理が
施されている。さらに、配向膜１３、１３’の配向方向
が、互いに平行に、かつ、逆方向になるように、透光性
基板１１、１１’が配置されている。

【００５４】なお、図１（ａ）では、基板１１、１１’
表面に接している液晶層の配向規制力を保たせるため
に、配向膜１３、１３’を塗布しているが、図１（ｂ）
に示すように、配向膜を設けないセル構成であっても、
図１（ａ）と同様な効果を有する液晶・高分子複合層を
形成することができる。

【００５５】（２）材料組成 次に、本実施形態における液晶・高分子複合層形成材料
の材料組成について説明する。

【００５６】重合性組成物としては日本化薬製のイソボ
ルニルアクリレート（ＭＰＬ−２１４）およびジアクリ
レート（ＫＳＭ−０７４）、重合開始剤としてはＩｒｇ
ａｃｕｒｅ３６９（チバガイギー社製）、重合遅延剤と
してはｐ−ｐｈｅｎｙｌｓｔｙｌｅｎｅ（以下、ｐｐｓ
ｔと略記する）を各々重量比で６８：３０：１：１で用
いた。なお、重合遅延剤を添加することにより、干渉露
光時の非照射部での反応性を低下させて微細な構造を形
成できることは、例えば特開平１０−１８３００号公報
に報告されている。

【００５７】液晶材料としてはＴＬ−２１３（メルク・
ジャパン製）を用い、液晶と重合性組成物との割合は、
重量比で１：１とした。

【００５８】増感色素としては、ＤＥＴＸ−Ｓ（チオキ
サン、日本化薬製）を用い、液晶・高分子複合層形成材
料の総重量に対して２ｗｔ％添加した。

【００５９】４位以上フッ素置換された非重合性フッ素
置換低分子化合物としては、２−パーフルオロブチルエ
タノール（Ａ−１４２０、ダイキン工業製）を用い、液
晶・高分子複合層形成材料の総重量に対して０．５ｗｔ
％以上５０ｗｔ％以下添加した。

【００６０】なお、後述する評価結果では、非重合性フ
ッ素置換低分子化合物を液晶・高分子複合層形成材料の
総重量に対して１．６ｗｔ％および１６ｗｔ％添加した
例について説明するが、添加量が０．５ｗｔ％以上５０
ｗｔ％以下の範囲で効果が認められている。添加量が
０．５ｗｔ％未満の場合には駆動電圧の低減効果が殆ど
認められず、５０ｗｔ％を超える場合には良好なＨＰＤ
ＬＣを形成することができなかった。また、４位以上フ
ッ素置換された非重合性フッ素置換低分子化合物は、パ
ーフルオロ基Ｆ（ＣＦ₂）_nを含み、側鎖の長さｎが２≦
ｎ≦２０、好ましくは液晶性を示す２≦ｎ≦１２であ
り、かつ、アルコール基ＯＨを含む構造であるのが好ま
しい。本実施形態で用いた２−パーフルオロブチルエタ
ノールは、ｎ＝４である。

【００６１】（３）製造方法 次に、本実施形態のＨＰＤＬＣ表示素子の製造方法につ
いて、図２を用いて説明する。なお、光源としてはコヒ
ーレントな光源であるＫｒレーザ（波長４０７ｎｍ）を
用いた。

【００６２】上記液晶と重合性組成物と非重合性フッ素
置換低分子化合物とを含む液晶・高分子複合層形成材料
をセル内に封入し、レーザ光源から出射したコヒーレン
トな２つ以上の光をホログラム構造形成部位にて干渉す
るように照射する。例えば、セルの両側からレーザ光２
１、２１’を照射する。これにより、重合性組成物が光
重合して高分子化する過程において、高分子の溶媒（液
晶・高分子複合層形成材料）に対する溶解度の変化によ
って、液晶と高分子が相分離し、液晶リッチ層と高分子
リッチ層を交互に積層した構造を作製することができ
る。この相分離の際に、上記非重合性フッ素置換低分子
化合物が、フッ素系化合物特有の分子間斥力によって液
晶と高分子の界面にはきだされ、その界面において多フ
ッ素置換基（パーフルオロ基）側が液晶側に向き、アル
コール基側が高分子中に含まれる酸素側に向く。これに
よって、電圧印加時において液晶・高分子間の相互作用
を低減させることができる、液晶・高分子複合層の微細
な多層構造を形成することができる。

【００６３】（４）動作原理 次に、本実施形態のＨＰＤＬＣ表示素子の動作原理につ
いて、図３ａ、図３ｂを用いて説明する。

【００６４】このＨＰＤＬＣ表示素子は、電圧無印加状
態では、液晶と高分子樹脂の屈折率が異なる。このた
め、図３（ａ）に示すように、液晶・高分子複合層に白
色光３１を入射させると、液晶層１５と高分子層１４と
の繰り返しピッチで決まる特定波長の光３２がブラッグ
反射の原理により選択的に反射され、残りの波長帯の光
３３が透過される。一方、Ｖｓａｔ以上の電圧を印加し
た状態では、液晶と高分子樹脂の屈折率が等しいため、
図３（ｂ）に示すように、液晶・高分子複合層に入射し
た光３１がそのまま透過光３３となる。このように、本
実施形態のＨＰＤＬＣ表示素子は、光の透過／反射特性
を制御することができる。

【００６５】（５）評価結果 次に、本実施形態のＨＰＤＬＣ表示素子の評価結果につ
いて、説明する。

【００６６】駆動電圧については、大塚電子製のＬＣＤ
評価装置（ＬＣＤ−７０００）を用い、標準白色板（Ａ
ｌ₂Ｏ₃）を用いて反射率を測定することにより反射光特
性を評価した。図４に、しきい値電圧に対する反射光特
性を示す。この図４に示すように、上記非重合性フッ素
置換低分子化合物を１．６ｗｔ％添加した試料を用いた
セルにおいてはＶｓａｔが６．３Ｖ／μｍ、上記非重合
性フッ素置換低分子化合物を１６ｗｔ％添加した試料を
用いたセルにおいてはＶｓａｔが３．２Ｖ／μｍであっ
た。なお、非重合性フッ素置換低分子化合物を添加した
試料を用いたセルの反射率については、非重合性フッ素
置換低分子化合物を添加していない試料を用いた場合に
比べて殆ど低下していないことは、オリンパス製の顕微
分光（ＢＨ３−ＭＪＬ）を用いた反射率測定により確認
されている。

【００６７】さらに、応答速度については、大塚電子製
のＬＣＤ評価装置（ＬＣＤ−７０００）を用いて以下の
ように測定した。まず、表示素子に電圧を５０Ｖ（１０
Ｖ／μｍ）印加し、電圧をオフにした直後から反射率が
最大値の１０％に回復するまでの時間をＴ（Ｖ₁₀）、反
射率が最大値の９０％に回復するまでの時間をＴ
（Ｖ ₉₀）として、Ｔ（Ｖ₉₀）−Ｔ（Ｖ₁₀）（＝Ｔｄｅｃ
ａｙ）の特性を評価した。図５に、応答速度特性の結果
を示す。

【００６８】（比較例）以下に、本発明の比較例につい
て説明する。この比較例のＨＰＤＬＣ表示素子は、構
造、製造方法および動作原理については、上記実施形態
と同様である。

【００６９】（１）材料組成 比較例における液晶・高分子複合層形成材料の材料組成
について説明する。

【００７０】重合性組成物としては日本化薬製のイソボ
ルニルアクリレート（ＭＰＬ−２１４）およびジアクリ
レート（ＫＳＭ−０７４）、重合開始剤としてはＩｒｇ
ａｃｕｒｅ３６９（チバガイギー社製）、重合遅延剤と
してはｐ−ｐｈｅｎｙｌｓｔｙｌｅｎｅ（以下、ｐｐｓ
ｔと略記する）を各々重量比で６８：３０：１：１で用
いた。

【００７１】液晶材料としてはＴＬ−２１３（メルク・
ジャパン製）を用い、液晶と重合性組成物との割合は、
重量比で１：１とした。

【００７２】増感色素としては、ＤＥＴＸ−Ｓ（チオキ
サン、日本化薬製）を用い、液晶・高分子複合層形成材
料の総重量に対して２ｗｔ％添加した。

【００７３】（２）評価結果 次に、比較例のＨＰＤＬＣ表示素子の評価結果につい
て、説明する。反射光特性および応答速度の測定は、上
記実施形態と同様に行った。

【００７４】図４に、しきい値電圧に対する反射光特性
を示す。この図４に示すように、非重合性フッ素置換低
分子化合物を添加しない試料を用いたセルにおいてはＶ
ｓａｔが７．５Ｖ／μｍであった。また、図５に、応答
速度特性の結果を示す。

【００７５】以上の評価結果から分かるように、液晶・
高分子複合層形成材料に非重合性フッ素置換低分子化合
物を添加した実施形態のＨＰＤＬＣ表示素子は、比較例
のＨＰＤＬＣ表示素子に比べて、駆動電圧が大幅に低減
され、応答速度が大幅に向上している。

【００７６】なお、上記実施形態においては、液晶・高
分子の相互作用を低減するために、パーフルオロ基、ア
ルキル基およびアルコール基を直鎖状に有する非重合性
フッ素置換低分子化合物を用いたが、１つの芳香族環に
ついて１または２以上フッ素置換された芳香族環を１ま
たは２以上含む芳香族化合物についても、同様の効果が
得られることを容易に類推することができる。

【００７７】上記実施形態においては、高分子層１４と
液晶層１５とが交互に積層し、高分子層１４および液晶
層１５が基板に平行な平面構造を有するＨＰＤＬＣ表示
素子を作製し、電圧印加の有無により透過／反射特性を
評価したが、図６に示すように、高分子層１４と液晶層
１５とが交互に積層し、高分子層１４および液晶層１５
が基板に垂直な平面構造を有するＨＰＤＬＣ表示素子に
おいて、電圧印加の有無により透過／回折特性を評価し
てもよい。この構造においても、液晶と高分子の界面に
非重合性フッ素置換低分子化合物１６がはきだされた構
造となり、非重合性フッ素置換低分子化合物による液晶
と高分子の相互作用の低減効果が容易に類推できる。

【００７８】または、図７に示すように、高分子層１
４’中にネマティック液晶１５’が分散したＰＤＬＣ表
示素子において、電圧印加の有無により透過／散乱特性
を評価してもよい。この構造においても、液晶と高分子
の界面に非重合性フッ素置換低分子化合物１６がはきだ
された構造となり、非重合性フッ素置換低分子化合物に
よる液晶と高分子の相互作用の低減効果が容易に類推で
きる。

【００７９】さらに、非重合性フッ素置換低分子化合物
を含む液晶・高分子複合層は、電圧印加により光の屈折
率が変調し、レンズやプリズムアレイ等の光学的機能を
有する素子と組み合わせた液晶光学素子としてもよい。
このような電圧印加により光の屈折率が変調する液晶・
高分子複合層は、上記透過・反射、透過・回折、透過・
散乱特性を有するＨＰＤＬＣやＰＤＬＣと基本的には同
じ構成とすることができる。

【００８０】なお、本発明において、液晶材料は特に限
定されず、シアノビフェニル系化合物、シクロヘキシル
カルボン酸エステル系化合物、フェニルシクロヘキサン
系化合物、ジオキサン系化合物、安息香酸エステル系化
合物、ピリミジン系化合物、アゾメチン化合物、ビフェ
ニル系化合物、アゾキシ系化合物等、様々なものを用い
ることができる。

【００８１】さらに、重合性組成物についても上述した
ものに限られず、光照射により重合する性質を有するモ
ノマーであれば、いずれも用いることができる。

【００８２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
液晶・高分子複合層形成材料に４位以上フッ素置換され
た非重合性フッ素置換低分子化合物、或いは１または２
以上フッ素置換された芳香族環を１または２以上含む構
造である非重合性フッ素置換低分子化合物を添加するこ
とによって、液晶と高分子の界面近傍で相互作用を低減
し、液晶光学素子の駆動電圧の大幅な低減と応答速度の
大幅な向上を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）および（ｂ）は本発明の一実施形態であ
るＨＰＤＬＣ表示素子の構成を示す断面図である。

【図２】ＨＰＤＬＣ表示素子の製造方法を説明するため
の断面図である。

【図３】ＨＰＤＬＣ表示素子の動作原理を説明するため
の断面図である。

【図４】実施形態および比較例のＨＰＤＬＣ表示素子に
ついて、しきい値電圧特性を示すグラフである。

【図５】実施形態および比較例のＨＰＤＬＣ表示素子に
ついて、応答速度特性を示すグラフである。

【図６】本発明の他の実施形態であるＨＰＤＬＣ表示素
子の構成を示す断面図である。

【図７】本発明の他の実施形態であるＨＰＤＬＣ表示素
子の構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１１、１１’ 基板 １２、１２’ 透明電極 １３、１３’ 配向膜 １４、１４’ 高分子層 １５ 液晶層 １５’ 液晶 １６ 非重合性フッ素置換低分子化合物 １７ 交流電源 ２１、２１’ レーザ光 ３１ 入射光 ３２ 反射光 ３３ 透過光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒井 尚子 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 柴田 諭 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Ｆターム(参考） 2H088 EA48 GA02 GA10 GA11 JA28 KA05 2H089 HA04 JA05 KA08 QA16 RA04 SA02 UA09 2K008 DD02 DD12 EE07 FF17 4H027 BD04 BD08 CA03 CA04 CD03 CD04

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも液晶と重合性組成物とを含
   み、液晶光学素子に用いられる液晶・高分子複合層を形
   成するための材料であって、 ４位以上フッ素置換された非重合性フッ素置換低分子化
   合物を含む液晶・高分子複合層形成材料。
2. 【請求項２】 前記非重合性フッ素置換低分子化合物
   が、パーフルオロ基Ｆ（ＣＦ₂）_nを含む構造であり、か
   つ、側鎖の長さｎが２≦ｎ≦２０である請求項１に記載
   の液晶・高分子複合層形成材料。
3. 【請求項３】 前記パーフルオロ基Ｆ（ＣＦ₂）_nの側鎖
   の長さｎが２≦ｎ≦１２である請求項２に記載の液晶・
   高分子複合層形成材料。
4. 【請求項４】 前記非重合性フッ素置換低分子化合物
   が、アルコール基を含む構造である請求項１乃至請求項
   ３のいずれかに記載の液晶・高分子複合層形成材料。
5. 【請求項５】 前記非重合性フッ素置換低分子化合物
   が、アルキル基（ＣＨ ₂）_mを含み、かつ、側鎖の長さｍ
   が２≦ｍ≦４である請求項１乃至請求項４のいずれかに
   記載の液晶・高分子複合層形成材料。
6. 【請求項６】 少なくとも液晶と重合性組成物とを含
   み、液晶光学素子に用いられる液晶・高分子複合層を形
   成するための材料であって、 １または２以上フッ素置換された芳香族環を１または２
   以上含む構造である非重合性フッ素置換低分子化合物を
   含む液晶・高分子複合層形成材料。
7. 【請求項７】 前記非重合性フッ素置換低分子化合物の
   添加量が、材料の総重量に対して０．５重量％以上５０
   重量％以下の範囲である請求項１乃至請求項６のいずれ
   かに記載の液晶・高分子複合層形成材料。
8. 【請求項８】 前記非重合性フッ素置換低分子化合物の
   添加量が、前記材料の総重量に対して１．６重量％以上
   １６重量％以下の範囲である請求項７に記載の液晶・高
   分子複合層形成材料。
9. 【請求項９】 請求項１乃至請求項８のいずれかに記載
   の液晶・高分子複合層形成材料を用いて形成した液晶・
   高分子複合層を有する液晶光学素子。
10. 【請求項１０】 前記液晶・高分子複合層は、電圧印加
    により光の透過または反射特性が変調する請求項９に記
    載の液晶光学素子。
11. 【請求項１１】 前記液晶・高分子複合層は、電圧印加
    により光の透過または回折特性が変調する請求項９に記
    載の液晶光学素子。
12. 【請求項１２】 前記液晶・高分子複合層は、電圧印加
    により光の透過または散乱特性が変調する請求項９に記
    載の液晶光学素子。
13. 【請求項１３】 前記液晶・高分子複合層は、電圧印加
    により光の屈折率が変調し、光学的機能を有する素子と
    組み合わせてある請求項９に記載の液晶光学素子。