JP2002357815A - 赤外線調光素子 - Google Patents
赤外線調光素子Info
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- JP2002357815A JP2002357815A JP2001165993A JP2001165993A JP2002357815A JP 2002357815 A JP2002357815 A JP 2002357815A JP 2001165993 A JP2001165993 A JP 2001165993A JP 2001165993 A JP2001165993 A JP 2001165993A JP 2002357815 A JP2002357815 A JP 2002357815A
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Abstract
が異なり、省エネルギーを図るため建築物や車などの窓
などとして使用するのに好適な調光材料を提供する。 【解決手段】 光重合性液晶モノマーと低分子液晶を含
み、室温付近でカイラルネマチック相を呈する液晶組成
物を、少なくとも一方が透明な平行配向処理された基板
間に挟み、平行配向したカイラルネマチック相状態(プ
レーナ分子配列)で光重合性液晶モノマーを光重合させ
ることにより形成され、可視光に対しては常に透明で、
可視光よりも長波長の光に対しては広い波長幅(バンド
幅)にわたり、透過−選択反射の可逆的熱スイッチング
を示す赤外線調光素子。
Description
料に関し、特に、建築物や自動車の窓などに用いられる
調光素子であり、可視光に対しては常に透明で、可視光
よりも長波長の光(赤外線)に対しては広い波長幅(バ
ンド幅:波長領域)にわたり、透過−反射の可逆的熱ス
イッチングを示す赤外線調光素子に関する。
線反射などの種々の機能を有するものが用いられる傾向
にある。熱線反射ガラスは、ガラス表面に多層薄膜を製
膜し、これにより太陽光線中の赤外線を反射し、建築物
内の温度上昇を抑え、冷房負荷を軽減するものである。
しかし、該ガラスを用いた場合には可視光線の透過率の
低下を招くこともある。また、季節により赤外線の透過
率を任意に調整できるようなエレクトロクロミック材料
の応用が検討されている。しかし、これには電場を用い
るため、ガラス表面に透明電極を設け電気配線をする必
要があり、製増および設置費用の面から高価となる。ま
た、透過率の調整は、光線の吸収によるため、ガラス自
体が高温になり、二次放射が起こるという問題が生じ
る。これら以外にも、近年サーモクロミック材料の利用
も研究されている。これは、高温において水に不溶、低
温において可溶な、例えばポリイソプロピルアクリルア
ミドの水溶液を基板に挟み、低音において透明、高温に
おいて光を散乱する系を構築することが提案されてい
る。しかしながら、この手法は省エネルギー目的は達成
されるが、高温において光が散乱されるため、例えば、
その用途が窓ガラスの場合、高温では磨りガラス状態で
あって、窓の外の景色が見えないという致命的な欠点が
あり、実用に供することができないのが現状である。
化における特異な性質を利用して、太陽光線中の特定波
長の光線透過率、および光線反射率を制御可能な調光材
料が研究され、このような調光材料として、スメクチッ
クA⇔カイラルネマチック熱相転移を示す低分子液晶か
ら成る調光材料が提案されている(特開平9−2988
2)。スメクチックA相は、平行配向した場合に、入射
光がほとんど反射されずに透過する。また、カイラルネ
マチック相は、分子が螺旋状に配列しており、螺旋周期
ピッチ長と平均屈折率の積に等しい波長を持ち、螺旋軸
方向に平行に入射する円偏光を反射するという性質があ
る。この性質は選択反射と呼ばれ、選択反射される光の
波長範囲、すなわち反射スペクトル幅は、液晶の光学的
異方性である複屈折率とピッチ長の積で近似できること
が報告されている(H. F. Gleeson, H. J. Coles, Mol.
Cryst. Liq. Cryst., 1709-1734 (1989))。そのた
め、スメクチックA⇔カイラルネマチック熱相転移を示
す低分子液晶は、室温前後で特定波長の光線透過率およ
び光線反射率が変化し、省エネルギー化に大いに貢献し
得る調光材料として注目されている。すなわち、約40
0nmから約750nm波長範囲の可視光線を透過さ
せ、かつ室温で特定波長の光線透過率が変化し、例え
ば、気温の高い夏季においては、約750nmから約2
000nm波長範囲の熱線を反射し、冷房負荷の軽減が
図れ、また気温の低い冬期においては熱線を確保しつ
つ、暖房負荷の軽減を図ることができる。従って、該材
料を建築物の窓材料などの用いた場合、十分な省エネル
ギー化が図れるという優れた効果を奏するものと期待さ
れる(特開平9−29882)。
られるスメクチックA⇔カイラルネマチック熱相転移を
示す低分子液晶材料は、室温前後で平行配向したスメク
チックA相⇔平行配向したカイラルネマチック相熱相転
移を可逆的に示すことが要求される。しかしながら、実
際には、分子構造中に不斉炭素を有する光学活性化合物
の螺旋捩れ力があるため、平行配向処理を施したセルに
サンドイッチされた上記の低分子液晶は、カイラルネマ
チック相からゆっくりと冷却しても、スメクチックA相
で平行分子配列とは成り難い。また、スメクチックA相
での透過率はカイラルネマチック相からの冷却速度に強
く依存し、冷却速度が速いほどスメクチックA相の透過
率は低くなり、フォーカル・コニック配向という白濁状
態を形成し易い。さらに、カイラルネマチック相では、
選択反射の波長幅が狭く、選択反射の波長幅を任意に制
御できないという欠点があった。
加えて光重合性液晶モノマーを含む液晶組成物であっ
て、室温付近でカイラルネマチック相を呈する液晶組成
物を少なくとも一方が透明な平行配向処理された基板間
に挟み、平行配向したカイラルネマチック相状態(プレ
ーナ分子配列)で光重合性液晶モノマーを光重合させる
ことにより形成され、可視光に対しては常に透明であ
り、それよりも長波長の光に対しては広い波長領域にわ
たり、透過−選択反射の可逆的熱スイッチングを示し、
特に、温度の上昇にともない選択反射の長波長端が長波
長側に、または、短波長端が短波長側にシフトすること
を特徴とする赤外線調光素子を提供するものである。
付いて、具体的に説明する。図1は、本発明の赤外線調
光素子の製作段階における各液晶状態での液晶分子の配
向状態を示した断面模式図である。図1(a)は、セル
に液晶組成物を注入した直後の液晶分子の配向状態であ
る。図中の1,2は基板、3,4は平行配向膜、5,6
はスペーサ、7は液晶分子、8は光重合モノマーであ
る。
一方が透明であり、ガラス板やプラスチックフィルム等
を用いることができる。また、基板1,2の少なくとも
一方には、内側表面に配向膜やラビング処理等の平行配
向処理3,4を施す。図に示されるように、液晶組成物
収容用セルは、一般に上下の基板1,2の間を、ガラス
または光分子材料からなるスペーサ5,6で挟持されて
いる。スペーサ5,6の厚みは、2〜50μm程度とす
る。
晶からなる液晶組成物の注入は、液晶組成物が等方相状
態を示す温度で、毛細管現象によりおこなう。
ック相となる温度TLまで冷却したときの液晶分子の配
向状態である。液晶組成物中の液晶分子は螺旋配向をと
り、その螺旋軸は基板に対して垂直となる。すなわち、
液晶分子の長軸が基板に対して均一な平行配向(プレー
ナ配列)が得られるため、透明状態となる。
を照射し、液晶組成物の光重合性液晶モノマー(8)を
光重合させた後の液晶分子の配向状態である。図1
(c)に示されるように、螺旋軸がセル基板表面に対し
て垂直で螺旋状の高分子ネットワーク9を持つ液晶高分
子複合層が形成される。このとき、液晶分子の初期の分
子配列は固定化され、透明な赤外線調光素子が得られ
る。
う性質があり、螺旋の向き、および螺旋周期ピッチ長P
と平均屈折率nの積と等しい波長λ(λ=nP)を持つ
螺旋軸方向に平行に入射する円偏光を反射する。また、
カイラルネマチック液晶の選択反射の波長幅(バンド
幅)、すなわち、反射スペクトル幅△λは、一般に、液
晶の光学的異方性である複屈折率△nとピッチ長Pの積
△nPに近似できることは知られている。
組成物の特徴の一つは、低分子液晶に加えて光重合性モ
ノマーを含むことにある。このような本発明の赤外線長
光素子においては、低分子液晶と高分子ネットワークと
の界面における相互作用の強さは、界面からの距離に依
存する。そのため、液晶高分子複合層中では、局所的に
この相互作用の強さが異なり、それに応じて、カイラル
ネマチック相の螺旋ピッチ長も局所的に異なる。従っ
て、本発明の赤外線調光素子における選択反射のバンド
幅△λは、△λ=△nPでなく、△λ=△n(P+△
P)となる。すなわち、液晶光分子複合層中の低分子液
晶と高分子ネットワークとの相互作用により、温度の変
化に対して、カイラルネマチック層の螺旋構造のピッチ
長の分布が広がり、選択反射のバンド幅は拡大される。
さらに、照射する紫外線強度に勾配をつけたり、重合温
度に勾配を設けたり、光重合性液晶モノマーを複数使用
し、その間の反応性の差を利用して、選択反射のバンド
幅△λを積極的に拡大してもよい。
低分子液晶または低分子液晶とともに用いるカイラルド
ーパントとして、螺旋捩れ力が温度に依存するものを用
いることにあり、これにより、選択反射の長波長端が長
波長側に、または短波長端が短波長側にシフトし選択反
射の波長幅(バンド幅)が広くなる。図2は、本発明に
従い製作されるこのような赤外線調光素子の熱光学特性
を示した模式図である。温度TL=288±5K、TH
=303±5K、TL<TM<TH、赤外光領域を約7
50nmから約2000nmとする。図2(a)に用い
る低分子液晶は、温度の上昇にともない螺旋捩れ力が小
さくなるものであり、温度TLからTHまで加熱したと
きに、赤外光領域を選択反射できる螺旋ピッチ長を持つ
ものである。このとき、(a)の赤外線調光素子は、温
度TLにおいて約750nm付近の狭い範囲だけを反射
する。温度THまで加熱していくと、温度の上昇にとも
ない螺旋ピッチ長は長くなろうとするが、低分子液晶と
高分子ネットワークの相互作用により、その界面付近と
界面からの遠いところでのピッチ長に差が生じるため、
選択反射の長波長端が長波長側にシフトし、約750n
mから長波長側の約2000nmまでの広い範囲で赤外
光の選択反射が可能となる。また、図2(b)に用いる
低分子液晶は、温度の上昇にともない螺旋捩れ力が大き
くなるものであり、温度TLからTHまで加熱したとき
に、赤外光領域を選択反射できる螺旋ピッチ長を持つも
のである。このとき(b)の赤外線調光素子は、温度T
Lにおいて、約2000nm付近の狭い範囲だけを反射
する。温度THまで加熱していくと、温度の上昇にとも
ない螺旋ピッチ長が短くなろうとするが、低分子液晶と
高分子ネットワークの相互作用により、その界面付近と
界面から遠いところでのピッチ長に差が生じるため、選
択反射の短波長端が短波長側にシフトし、約2000n
mから短波長側の約750nmまでの広い範囲で赤外光
の選択反射が可能となる。それぞれ温度THからTLに
降温すると、選択反射のバンド幅は、初期の狭い範囲に
戻る。
子は選択反射のバンド幅がきわめて拡大されている。す
なわち、本発明の液晶光学材料は、可視光よりも長波長
の光(赤外線)に対して500nm以上の波長幅(バン
ド幅)、一般的には500〜1500nmの波長幅(バ
ンド幅)にわたり選択反射を行うことができる。
チ長と平均屈折率の積に等しい波長を持ち螺旋軸方向に
平行に入射する円偏光だけを反射するため、太陽光線中
の赤外線に対する選択反射率は、通常約50%である
が、螺旋の向きが反対で、同じ組成の二つのセルを積み
重ねてなるセルでは、カイラルネマチック相の選択反射
率を90%以上にすることもできる。従って、螺旋捩れ
力が温度に依存することに基づき、可視光に対しては常
に透明だが赤外線に対して低音で狭範囲を反射、そして
高温で広範囲を反射するとともに、反射効率の高い、可
逆的熱スイッチングを示す熱感応性赤外遮光材料を実現
することが可能となる。
る液晶組成物は、一般に、光重合性液晶モノマーと低分
子液晶の他に、カイラルドーパントを含有し重合開始剤
がドープされている。本発明において使用される光重合
性液晶モノマー、あるいは光重合性モノマーとしては、
アクリロイル基、ビニル基、エポキシ基等の汎用の光重
合性基を有する高分子樹脂の前駆体であって、低分子液
晶とカイラルドーパントに相溶し均一液晶を呈するもの
であればいずれも使用できるが、液晶相の配向が乱れな
いにするためには、光重合性基を2個有する2感応性モ
ノマーが好ましい。特に、低分子液晶とカイラルドーパ
ントとの相溶性の向上、およびコントラストを良好にす
るためには、液晶構造またはこれに類似する構造を分子
構造中に含むものが好ましい。例えば、最低1個のベン
ゼン環をその分子構造中に含むのである。また、これら
の光重合性液晶モノマー、あるいは光重合性モノマー
は、単独あるいは多種のモノマー、オリゴマーと混同し
ても使用できる。また、光重合性液晶モノマーと低分子
液晶は、それぞれの常光屈折率noと異常光屈折率n e
が、実質的に等しいものが好ましい。
晶は、室温付近、一般的に−20〜80℃においてカイ
ラルネマチック相を呈し、螺旋捩れ力の温度依存性が大
きなものが好ましい。例えば、温度の上昇にともない螺
旋捩れ力が小さくなるものは、およそ−20〜30℃の
温度範囲で昇温すると、ピッチ長が0.3〜0.6μm
の範囲から1.0〜2.0μmの範囲へと変化し、逆に
螺旋捩れ力が大きくなるものは、およそ15〜30℃の
温度範囲で昇温すると、ピッチ長が1.5〜2.0μm
範囲から0.3〜0.6μm範囲へと変化するのが好ま
しい。また、市販されているネマチック低分子液晶とカ
イラルドーパントを混合してもよく、このとき、カイラ
ルネマチック相の螺旋捩れ力の温度依存性やピッチ長
は、カイラルドーパントの種類や含有率を調整すること
により制御可能である。
7、E8、E44、E48、TL−205、TL−21
3、TL−215(メルク社製)等のものが好ましく使
用されるが、これらに限定されるものではない。
構造中に不斉炭素を有する光学活性化合物(不斉炭素を
有する低分子液晶を含む)であって、本発明に従う赤外
線調光素子を構築する光重合性液晶モノマーと低分子液
晶の混合物に相溶するものが使用される。カイラルドー
パントの混合比は、目的とする赤外線調光素子の螺旋ピ
ッチにより決定される。市販されているCB−15、S
(R)−811、S(R)−1082、ZLI−457
2(4571)(メルク社製)、CM21(20)(チ
ッソ社製)などのものが好ましく使用されるが、これら
に限定されるものではない。螺旋ピッチ補償用として、
2種類以上のカイラルドーパントを用いてもよい。カイ
ラルドーパントは、一般に、液晶を形成する分子構造、
またはそれに類似した構造を有する低分子化合物であ
る。
は、各成分の組成比は、光重合性液晶モノマーと低分子
液晶の合計を100重量%として、光重合性液晶モノマ
ーを1〜10重量%、低分子液晶を90〜99重量%と
し、低分子液晶に対してカイラルドーパントを1〜30
重量%とするのが好ましい。光重合性液晶モノマーを1
0重量%以上にすると、液晶分子と高分子ネットワーク
との相互作用が強くなりすぎるため、液晶光学材料中に
低分子液晶の螺旋構造のピッチ長は温度の上昇とともに
変化し難くなる。一方、光重合性液晶モノマーの量が1
wt%以下になると、赤外線調光素子の初期状態の選択
反射する波長が固定化し難くなる。
は、さらに、光重合性液晶モノマーに対して光重合開始
剤を1〜30重量%添加するのが好ましい。該光重合開
始剤としては、例えば、2,2−ジエトキシアセトフェ
ノンなどのアセトフェノン系、ベンゾイン系、ベンゾフ
ェノン系、チオキサンソン系、ジアゾニウム系、スルホ
ニウム塩系、ヨードニウム塩系、セレニウム塩系等の通
常の光重合剤が使用できる。光重合開始剤は、光重合性
モノマーと低分子液晶の混合物に溶解、あるいは相溶す
るものが使用される。
れらの実施例によって制限されるものではない。図3
に、本実施例で使用した試料の化学構造式を示す。な
お、図4においてK、N、Iの間の数字は、K(結晶
相)、N(ネマチック)、およびI(等方相)の間の相
転移温度を示す。例えば、光重合性液晶モノマーMPB
AHBは、結晶相−ネマチック相転移が356.4Kで
あり、ネマチック−等方相転移が388.8Kである。
量%、ネマチック低分子液晶(E48、メルク社製)8
0重量%、カイラルドーパント(CB−15、メルク社
製)20重量%、光重合開始剤(2,2−ジメトキシ−
2−フェニルアセトフェノン、TCI社製)0.9重量
%を共通良溶媒であるアセトン溶液で混合してから溶媒
蒸発法により液晶組成物混合液A2を調製した。次に、
この液晶組成物混合液A2を液晶評価用標準平行配向セ
ル(ポリイミド平行配向処理ソーダライムガラス、膜厚
20μm、E・H・C(株)社製)に等方相状態で注入
した後、等方相から温度273.2Kのカイラルネマチ
ック相までゆっくりと冷却し、紫外線(4W、365n
m)を20分間照射して、図1(c)に示される赤外線
調光素子A1を製作した。
1から、液晶とカイラルドーパントだけを溶解するヘキ
サンで、赤外線調光素子から液晶とカイラルドーパント
を抽出した後の高分子ネットワークの走査型電子顕微鏡
による観察像である。図4から赤外線調光素子中に、螺
旋軸がセル基板表面に対して垂直で螺旋状の高分子ネッ
トワーク9が形成されることが明らかとなった。
における反射率の波長依存性である。温度T1(27
3.2K)では、1000nm付近の狭い範囲で反射し
ているが、温度が上昇しT3(323.2K)では、1
000nmから1400nmの広い範囲で反射すること
を示した。つまり、赤外線調光素子A1は、温度上昇に
ともない、赤外光領域で選択反射のバンド幅が広がるこ
とが確認された。
量%、ネマチック低分子液晶(E48、メルク社製)9
7.5重量%、カイラルドーパント(ZLI−457
2、メルク社製)2.5重量%、光重合開始剤(2,2
−ジメトキシ−2−フェニルアセトフェノン、TCI社
製)0.9重量%を実施例1と同様にして、赤外線調光
素子A2を製作した。
における反射率の波長依存性である。温度T1(27
3.2K)では、1800nm付近の狭い範囲で反射し
ているが、温度が上昇しT3(353.2K)では、1
800nmから1400nmの広い範囲で反射すること
を示した。つまり、赤外線調光素子A2は、温度上昇に
ともない、赤外光領域で選択反射のバンド幅が広がるこ
とが確認された。
赤外線調光素子は、高分子ネットワークの存在により選
択反射のバンド幅が拡大され、また、カイラルドーパン
トの種類や混合率を調整することで、選択反射のバンド
域を制御可能であることが明らかとなった。
調光用赤外線調光素子は、短波長光(可視光)に対して
は常に透明であり、赤外光を含む長波長の光に対しては
広い波長領域にわたり、透過−選択反射の可逆的熱スイ
ッチングを示す、熱感応性の赤外遮断材料として実現さ
れたものである。本発明の調光用液晶光学材料を、種々
の建築物の窓、および車の窓材料として用いた場合、可
視光線を透過しつつ、気温の高い夏季においては熱線を
反射し、気温の低い冬季においては熱線を確保できるた
め、光熱費の軽減を図ることができる。従って、該材料
を建築物および車の窓材料などに用いた場合には、省エ
ネルギー化が図れるという優れた効果を奏す。
晶状態での液晶分子の配向状態を示した模式図である。
特性を示した模式図である。
晶モノマー、低分子液晶、カイラルドーパントおよび光
重合開始剤の化学構造式である。
液晶とカイラルドーパントを溶解するヘキサンで液晶と
カイラルドーパントを抽出した後の高分子ネットワーク
の走査型電子顕微鏡による観察像である。
の異なる温度における反射率の波長依存性である。
の異なる温度における反射率の波長依存性である。
Claims (2)
- 【請求項1】 光重合性液晶モノマーと低分子液晶とを
含む液晶組成物であって、室温付近でカイラルネマチッ
ク相を呈する液晶組成物を、少なくとも一方が透明な平
行配向処理された基板間に挟み、平行配向したカイラル
ネマチック相状態(プレーナ分子配列)で光重合性液晶
モノマーを光重合させることにより形成され、可視光に
対しては常に透明で、可視光よりも長波長の光に対して
広い波長幅にわたり、透過−選択反射の可逆的熱スイッ
チングを示すことを特徴とする赤外線調光素子。 - 【請求項2】 温度の上昇にともない、選択反射の長波
長端が長波長側に、または、短波長端が短波長側にシフ
トすることを特徴とする赤外線調光素子。
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