JP2002286935A - 円偏光制御光学素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学的な界面がなく、且つ耐熱性が高く、反
射波長領域が広い円偏光制御光学素子。 【解決手段】 配向膜１６が形成されたガラス基板１２
上にコレステリック規則性を備えた液晶分子を、カイラ
ル剤及び光重合開始剤を添加して塗布し、ガラス基板１
２と反対側の界面を空気に暴露した状態で弱い紫外線で
照射して硬化し、円偏光制御光学素子１０を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術】この発明は、無偏光から右旋又は
左旋円偏光を抽出するための円偏光制御光学素子及びそ
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】コレステリック規則性を備えた液晶は、
その螺旋構造のピッチに対応する周波数の右旋又は左旋
円偏光を、所定の反射波長領域で反射し、残りを透過す
るものであり、液晶表示パネル等に用いられている。

【０００３】このようなコレステリック液晶材料を用い
たとき、その螺旋ピッチを変化させることによって、反
射波長領域を広帯域化する方法が知られている。

【０００４】この反射波長領域の広帯域化の手段として
は、異なる中心反射波長を有するコレステリック液晶層
を複数積層したもの、特開平１０−３１９２３５号公
報、特開平１１−４４８１６号公報等に開示されるよう
な、２層のコレステリック液晶ポリマー層を圧着後、熱
処理により段階的に螺旋ピッチを変化させる方法があ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、異なる
中心反射波長を有するコレステリック液晶層を複数積層
する場合は、反射波長領域が加算的に広がるのみであ
り、通常、例えば、可視光域全域を反射波長領域とする
場合などは、多数の層を積層する必要があるが各層間の
積層界面で生じる反射の影響により、光学的特性が低下
するという問題点があった。

【０００６】又、段階的（連続的）に螺旋ピッチを変化
できるようなコレステリック液晶材料を用いる場合、単
層で広帯域化し、光反射率をある程度一定にできるが、
ＵＳＰ５６９１７８９で開示されるような、液晶材料中
に非架橋性の液晶分子を含んだり、特開平６−２８１８
１４号公報で開示されているような色素を含む場合は耐
熱性に乏しく、又、色がつくので光学特性を低下させる
という問題点がある。

【０００７】更に、上記のような２層のコレステリック
液晶ポリマー層を圧着、熱処理する方法は、高温の熱処
理のために、材料に耐熱性が必要であり、材料の種類が
限定され、更に、液晶ポリマー層の接着界面は一旦ポリ
マー化しているため、光学的界面は完全に消失していな
くて、このような界面が多数存在する場合は、光学的特
性が低下してしまうという問題点がある。

【０００８】更に又、前記いずれの液晶も反応性液晶で
はなく、反射波長領域を広帯域化した後に、その構造を
固定することが困難であり、再度加熱すれば層構造が変
化してしまうという問題点がある。

【０００９】この発明は、上記従来の問題点に鑑みてな
されたものであって、反射波長領域を広帯域化した後も
界面反射による光学特性の低下が少ない円偏光制御光学
素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

【００１０】又、耐熱性があり、その光学特性が固定さ
れていて、加熱しても光学特性が変化したりすることが
ない円偏光制御光学素子及びその製造方法を提供するこ
とを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は、コレステリ
ック液晶層の表裏の硬化度の違いによって、本来層内で
均一な螺旋ピッチを有するコレステリック相を、簡便な
方法で連続的に螺旋ピッチが変化したコレステリック相
にできることを見いだした。

【００１２】この発明は、未硬化の、プレーナー配向さ
れたコレステリック規則性を備えた液晶層を、一方の界
面を基板とし、他方の界面を酸素濃度１０％以上である
ガス雰囲気とすることによって、液晶分子の螺旋構造に
おける螺旋ピッチを制御するカイラル剤の濃度が厚さ方
向に直線的に変化されるようにして、紫外線を照射し、
液晶を硬化させて円偏光制御光学素子を製造する方法及
びその方法によって製造された円偏光制御光学素子によ
り、上記目的を達成するものである。

【００１３】この発明においては、未硬化のコレステリ
ック液晶層を空気又は酸素と接触しないように基板に密
着させ、他方を酸素濃度１０％以上であるガス雰囲気、
例えば空気雰囲気に暴露し、この状態で弱い紫外線を照
射させると、酸素ガス雰囲気側では酸素阻害を受けてコ
レステリック液晶が硬化し難くなり、一方基板側は良好
に硬化し、これによって液晶層内で硬化速度分布が生じ
る。

【００１４】更に、この硬化速度分布に対応して、紫外
線照射前には液晶層内で均一であったコレステリック液
晶の主材であるネマチック液晶とカイラル剤に濃度勾配
が生じ、酸素ガス雰囲気側と基板側とでは異なる螺旋ピ
ッチを有するコレステリック液晶層が硬化形成される。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態の例を図
面を参照して詳細に説明する。

【００１６】図１に示されるように、本発明の実施の形
態の例に係る円偏光制御光学素子１０は、ガラス基板１
２と、このガラス基板１２上にプレーナー配向されたコ
レステリック規則性を有する液晶層１４と、を含んで構
成されている。

【００１７】前記ガラス基板１２の一方の表面には、例
えば配向膜１６が形成されていて配向能を有し、前記液
晶層１４は、前記配向膜１６上に、ネマチック液晶とカ
イラル剤を混合することによって、螺旋構造が得られる
コレステリック液晶モノマーに光重合開始剤を添加した
溶液を塗布した後、紫外線照射によって硬化したもので
ある。

【００１８】この液晶層１４内では、前記カイラル剤の
濃度が厚さ方向に直線的に変化されていて、これによ
り、コレステリック液晶における液晶分子の螺旋構造の
螺旋ピッチが液晶層１４の厚さ方向に連続的に変化され
ている。

【００１９】ここで、前記螺旋構造における螺旋ピッチ
は、前記主材であるネマチック液晶とカイラル剤の反応
性が、主材よりもカイラル剤において大きい場合は、図
１に模式的に示されるように、ガラス基板１２側がより
短ピッチになり、逆の場合は、ガラス基板１２側がより
長ピッチになっている。

【００２０】上記のようなコレステリック規則性を有す
る液晶層１４は、一般的に、フィジカルな分子配列に基
づいて、一方向の旋光成分とこれと逆回りの旋光成分と
を分離する旋光選択特性を有する。

【００２１】このような液晶層に対して、液晶のプレー
ナー配列のヘリカル軸（螺旋中心軸）に沿って入射した
自然光（無偏光）は、右旋及び左旋の２つの円偏光に分
離され、一方が透過し、他方が反射される。

【００２２】この現象は、円偏光２色性として知られ、
液晶分子の螺旋構造における旋回方向を適宜選択する
と、該旋回方向と同一の旋光方向を持つ円偏光が選択的
に反射される。

【００２３】この場合の最大旋光偏光光散乱は、次の
（１）式の波長λ0で生じる。

【００２４】λ0＝ｎａｖ・ｐ …（１） ここで、ｐは液晶分子の螺旋構造におけるヘリカルピッ
チ、ｎａｖはヘリカル軸に直交する平面内の平均屈折率
である。

【００２５】又、このときの反射光の波長バンド幅Δλ
は次の（２）式で示される。

【００２６】Δλ＝Δｎ・ｐ …（２） ここで、Δｎは複屈折値である。

【００２７】コレステリック液晶による偏光分離作用
は、入射した無偏光がコレステリック液晶において、前
記波長λ0を中心とした波長バンド幅Δλの範囲の光の
右旋又は左旋の円偏光成分の一方が反射され、他方の円
偏光成分及び他の波長領域の光（無偏光）が透過され
る。なお、反射された右旋又は左旋円偏光は、通常の反
射と異なり、位相が反転されることなくそのまま反射さ
れる。

【００２８】一般に、コレステリック液晶による、可視
領域での選択反射波長の帯域幅の半値幅は、２５ｎｍ〜
１００ｎｍであり、可視領域を幅広く反射することがで
きない。特に、短波長側の４００ｎｍ〜５００ｎｍの領
域では、半値幅が５０ｎｍ以下となり、非常に狭い反射
帯域となる。

【００２９】この実施の形態の例に係る円偏光制御光学
素子１０においては、コレステリック液晶の螺旋ピッチ
が液晶層１４の厚さ方向に連続的に変化されているの
で、選択反射帯域の幅を大きく増大することができる
（後述の実施例参照）。

【００３０】次に、図２を参照して、上記のような円偏
光制御光学素子１０の製造方法について説明する。

【００３１】まず、配向膜１６を形成したガラス基板１
２の、前記配向膜１６上に、ネマチック液晶とカイラル
剤を混合することによって螺旋構造が得られるコレステ
リック液晶モノマーの溶液１３を、光重合開始剤を添加
して、図２（Ａ）に示されるように、塗布する。通常、
この塗布は、スピンナーにて行う。

【００３２】次に、図２（Ｂ）に示されるように、例え
ば、ホットプレートで加温（５０〜９０℃）として溶媒
を蒸発させ、未硬化のコレステリック液晶層１８を得
る。

【００３３】次に、図２（Ｃ）に示されるように、前記
未硬化コレステリック液晶層１８を、大気中で弱い照射
強度の紫外線を照射して、硬化させて、図２（Ｄ）に示
されるようなコレステリック液晶層１４を得る。

【００３４】前記ガラス基板１２上に塗布された未硬化
１８は、ガラス基板１２と反対側では空気雰囲気下とな
るので、空気中の酸素（酸素濃度約２０％）により、紫
外線照射によるラジカル重合の阻害を受け、ガラス基板
１２側の液晶分子に比べて硬化し難くなる。

【００３５】このとき、前述のように、紫外線の照射強
度が弱いと、硬化が進行している領域と進行していない
領域との間で液晶成分の濃度分布が生じし、液晶成分の
濃度分布が生じると、液晶層１４内で液晶分子の螺旋ピ
ッチがその厚さ方向に直線的に変化されることになる。

【００３６】この場合、前述のように、液晶成分の主材
であるネマチック液晶とカイラル剤の反応性の差によっ
て、例えば、主材の反応性がカイラル剤の反応性よりも
小さい場合は、ガラス基板１２側がより短ピッチにな
り、反対の場合はガラス基板１２側がより長ピッチにな
る。

【００３７】ここで、前記紫外線照射強度は、コレステ
リック液晶層内の螺旋ピッチが均一なまま硬化できる照
射強度の１０％以下、１％以上とすることが好ましい。

【００３８】紫外線照射強度が強い場合は、コレステリ
ック液晶層内でのラジカル生成率が大きくなり、該コレ
ステリック液晶層のガラス基板１２側と酸素雰囲気側と
での硬化度の差が小さくなり、液晶分子の濃度勾配が起
こるよりも早く全体が硬化してしまうため、通常の狭い
反射帯域を持つコレステリック液晶層が形成されてしま
う。又、紫外線照射強度が弱すぎれば、液晶硬化が進行
しないか、時間がかかりすぎることになる。

【００３９】具体的には、本発明での紫外線照射強度
は、前述の、コレステリック液晶層内の螺旋ピッチが均
一なまま硬化できる照射強度を基準に、その１０〜１
％、好ましくは８〜２％がよい。

【００４０】酸素存在化下（ラジカル阻害を受ける環
境）で、低い強度での紫外線を照射した場合、膜最表面
（界面から数ｎｍ程度）は条件によっては完全に硬化し
きれない場合もあるが、本発明の場合、上記のような状
態が万が一発生しても、層内の分離が完了した後に、必
要に応じた紫外線を照射することにより、非架橋成分を
含まないために、完全に硬化させることも可能である。
なお、本発明の特殊な層構造自体は本製造法において、
すでに固体化されているため、上記紫外線照射により光
学特性が変化するようなことはない。

【００４１】この実施の形態の例に係る製造方法で製造
した円偏光制御光学素子１０においては、液晶層成分の
濃度分布を発生させる非架橋物質を含まず、又紫外線に
より完全に液晶分子が固定されているため耐熱性に優
れ、後の加熱によっても光学特性が変化されることがな
い。

【００４２】又、液晶層を硬化生成する過程において、
通常アニール工程に用いられるような高温（１５０〜３
００℃）に加熱する必要がないので、液晶材料の選択範
囲が広くなる。多数の液晶層を積層することがないの
で、光学的な界面を少なくすることができ、この光学的
界面による光学特性の低下が少ない。

【００４３】上記実施の形態の例において、液晶層１４
のガラス基板１２と反対側の界面は空気雰囲気に暴露さ
れているが、本発明はこれに限定されるものでなく、酸
素分圧が１０％程度のガスを用いるものであればよい。

【００４４】更に、上記実施の形態の例においては、液
晶層１４の一方にのみガラス基板１２を配置している
が、本発明はこれに限定されるものでなく、液晶層１４
の一方の界面が酸素に暴露されることなく、且つ反対側
の界面が酸素に暴露されるようにするものであればよ
い。

【００４５】従って、例えば図３（Ａ）〜（Ｃ）に示さ
れるように、液晶層１４に対して、ガラス基板１２と反
対側に、酸素透過性の材料からなる第２の基板２０を配
置し、これを、未硬化コレステリック液晶層１８に密着
した状態で、該第２の基板２０を透過して酸素を供給し
つつ、紫外線照射するようにしてもよい。

【００４６】この場合、第２の基板２０の未硬化コレス
テリック液晶層１８側の表面の酸素透過量は、酸素分圧
が、常圧での酸素濃度１０％と同程度となるようにす
る。第２の基板２０による酸素透過量が不足する場合
は、加圧して酸素を供給したり、あるいは純酸素を用い
るとよい。

【００４７】又、この第２の基板２０の未硬化コレステ
リック液晶層１８側の表面には、第２の配向膜２２を形
成しておき、未硬化コレステリック液晶層１８がこの第
２の配向膜２２の配向能によって配向されるようにして
もよい。

【００４８】上記のような酸素透過能を有する第２の基
板２０は、酸素透過膜やコンタクトレンズ等に用いられ
る酸素透過性ガラスあるいは樹脂を用いるとよい。

【００４９】更に、上記各実施の形態の例に係る製造方
法では、酸素濃度又は酸素分圧が一定であるが、本発明
はこれに限定されるものでなく、紫外線照射の過程にお
いて、照射開始時に酸素濃度を高くし、徐々に酸素濃度
を低下させるようにしてもよい。

【００５０】このようにすれば、酸素濃度の低下速度に
合わせて液晶の硬化速度を制御することができる。

【００５１】また、上記実施の形態の例に係る単層で広
帯域化された液晶層を複数積層して、可視光域全域を反
射領域としてもよい。

【００５２】

【実施例】以下本発明の実施例を、比較例と共に説明す
る。

【００５３】実施例１：ネマチック液晶とカイラル剤を
混合することによって、螺旋構造が得られるコレステリ
ック液晶モノマーの３５％トルエン溶液を準備し、光重
合開始剤をコレステリック液晶に対し５％添加した。

【００５４】光重合開始剤としては、一般的な材料でよ
く、例えば、Ｉｒｇ９０７、Ｉｒｇ１８４、Ｉｒｇ３６
１、Ｉｒｇ６５１などがある。

【００５５】上記のように調整されたコレステリック液
晶溶液を配向処理を施したガラス基板にスピンナーにて
塗布し、９０℃で乾燥して、溶媒を除去し、厚さ３μｍ
の未硬化のコレステリック液晶層を得た。

【００５６】このコレステリック層は常温から１００℃
までの広い温度範囲でコレステリック相を有し、５３５
ｎｍの中心反射波長と４６ｎｍの半値幅をもつものであ
り、緑色の右円偏光を鏡面的に反射するものである。

【００５７】次に上記未硬化のコレステリック液晶層
を、ガラス基板とともに、大気中で、９０℃で２．６ｍ
Ｗ／ｃｍ2（３１０ｎｍ）の照射強度で６０ｓｅｃ照射
することにより反射波長帯域の半値幅が約１５０ｎｍの
広帯域化した硬化コレステリック液晶層を得た。その右
円偏光透過率を図４に示した。

【００５８】このコレステリック液晶層の断面が、コレ
ステリック螺旋構造における螺旋ピッチ（カイラルピッ
チ）ｐの変化を測定した結果を図５に示す。

【００５９】実施例２：実施例１と同じ操作で、未硬化
のコレステリック液晶層を配向処理を施したガラス基板
に成膜し、その後、９０℃で７．５ｍＷ／ｃｍ2（３１
０ｎｍ）の照射強度で２０ｓｅｃ照射することにより半
反射波長帯域の値幅が約１００ｎｍの広帯域化した硬化
コレステリック液晶層を得た。その右円偏光透過率を図
６に示した。

【００６０】比較例１：実施例１で記述した操作で成膜
した未硬化のコレステリック液晶層の硬化条件を変えて
コレステリック液晶層を重合させた時の光学特性を比較
した。表１に硬化条件、選択反射の半値幅、図７〜図１
０にそれぞれの右円偏光透過率を示した。

【００６１】

【表１】

【００６２】窒素雰囲気下（酸素濃度約０．２％）で硬
化させた場合、図７に示したように、照射強度を変化さ
せても反射円偏光のスペクトル形状は変わらず広帯域化
は起きない。

【００６３】一方空気雰囲気下（酸素濃度約２０％）で
は、照射強度によって、反射円偏光のスペクトル形状が
大きく異なる。紫外線照射強度が９０ｍＷ／ｃｍ2以上
では広帯域化は起こらず（図８）、反射波長帯域は、通
常の半値幅を有している。それに対し、紫外線照射強度
が９０ｍＷ／ｃｍ2の約８％である７．５ｍＷ／ｃｍ2以
下では反射波長帯域の半値幅は広がり、広帯域化してい
る（図９）。

【００６４】照射強度が９０ｍＷ／ｃｍ2の１００％未
満１０％以上の範囲にあたる２５ｍＷ／ｃｍ2、７５ｍ
Ｗ／ｃｍ2で硬化させた場合は、反射円偏光のスペクト
ル形状に変化はあるが、スペクトルが分裂していたり、
広帯域化が不十分である（図１０）。

【００６５】

【発明の効果】この発明は、上記のように構成したの
で、１層で広帯域化したコレステリック液晶層を含む円
偏光制御光学素子を効率良く製造することができると共
に、液晶材料の制限がなく、且つ、反射波長領域の幅を
良好に制御することができる。

【００６６】又、円偏光制御光学素子は、界面による光
学特性の低下が少ないとともに、反射波長領域が広く、
耐熱性があり、加熱によっても光学特性は変化すること
がないという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の例にかかる円偏光制御光
学素子を模式的に示す拡大断面図

【図２】同円偏光制御光学素子の製造工程を示す略示断
面図

【図３】同円偏光制御光学素子の他の製造工程を示す略
示断面図

【図４】実施例１の広帯域化したコレステリック液晶層
の右円偏光透過率を示す線図

【図５】実施例１の円偏光制御光学素子の断面を測定し
た結果を示す線図

【図６】実施例２の広帯域化したコレステリック液晶層
の右円偏光透過率を示す線図

【図７】窒素雰囲気下で硬化させたコレステリック液晶
層の右円偏光透過率を示す線図

【図８】空気雰囲気下、９０ｍＷ／ｃｍ2以上で硬化さ
せたコレステリック液晶層の右円偏光透過率を示す線図

【図９】空気雰囲気下、９ｍＷ／ｃｍ2以下で硬化させ
たコレステリック液晶層の右円偏光透過率を示す線図

【図１０】空気雰囲気下、９〜９０ｍＷ／ｃｍ2で硬化
させたコレステリック液晶層の右円偏光透過率を示す線
図

【符号の説明】

１０…円偏光制御光学素子 １２…ガラス基板 １４…液晶層 １６…配向膜 １８…未硬化コレステリック液晶層 ２０…第２の基板 ２２…第２の配向膜

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プレーナー配向されたコレステリック規則
   性を備えた液晶分子、及び、この液晶分子の螺旋構造に
   おける螺旋ピッチを制御するカイラル剤を含んだ状態で
   硬化されている液晶層を有してなる円偏光制御光学素子
   において、前記カイラル剤の濃度が厚さ方向に直線的に
   変化されていることを特徴とする円偏光制御光学素子。
2. 【請求項２】請求項１において、配向能を備えた基板を
   有してなり、前記液晶層は基板の配向能を備えた表面に
   重ねられ、且つ、これにより配向されていることを特徴
   とする円偏光制御光学素子。
3. 【請求項３】請求項２において、前記螺旋ピッチは、前
   記基板側がより短ピッチとされていることを特徴とする
   液晶塗布装置。
4. 【請求項４】請求項２において、前記螺旋ピッチは、前
   記基板側がより長ピッチとされていることを特徴とする
   液晶塗布装置。
5. 【請求項５】請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記
   液晶層は、光重合開始剤を含み、前記液晶分子は、重合
   性モノマー液晶分子又は重合性オリゴマー液晶分子の少
   なくとも一方であることを特徴とする円偏光制御光学素
   子。
6. 【請求項６】基板に、光重合開始剤を添加したコレステ
   リック液晶溶液を塗布して未硬化の液晶層を形成し、こ
   の未硬化の液晶層に紫外線を照射して硬化させる円偏光
   光制御光学素子の製造方法において、 前記紫外線照射の際に、前記液晶層における前記基板と
   反対側の表面を、常圧での酸素濃度が１０％以上の雰囲
   気に暴露することを特徴とする円偏光制御光学素子の製
   造方法。
7. 【請求項７】請求項６において、前記酸素濃度が１０％
   以上の雰囲気は空気雰囲気であることを特徴とする円偏
   光制御光学素子の製造方法。
8. 【請求項８】請求項６において、前記紫外線照射時間中
   に、前記酸素の分圧を、紫外線照射開始時から徐々に低
   下させることを特徴とする円偏光制御光学素子の製造方
   法。
9. 【請求項９】請求項６、７又は８において、前記紫外線
   照射の際の照射強度を、前記液晶層内で前記液晶分子が
   均一な螺旋ピッチ構造を保持したまま硬化できる紫外線
   照射強度の約１０％以下、１％以上としたことを特徴と
   する円偏光制御光学素子の製造方法。
10. 【請求項１０】請求項６乃至９のいずれかにおいて、前
    記紫外線照射時間中に前記基板を加熱することを特徴と
    する円偏光制御光学素子の製造方法。
11. 【請求項１１】請求項６乃至１０のいずれかにおいて、
    前記基板における液晶層と接する表面に配向能を形成し
    ておくことを特徴とする円偏光制御光学素子の製造方
    法。
12. 【請求項１２】請求項６乃至１１のいずれかにおいて、
    前記液晶層における前記基板と反対側の表面に、酸素透
    過性材料からなる第２の基板を密着させ、且つ、前記第
    ２の基板における前記液晶層側の表面に配向能を形成し
    ておき、ここに前記液晶層を接触させてから、紫外線を
    照射することを特徴とする円偏光制御光学素子の製造方
    法。