JP2004133096A - 液晶光学素子および液晶光学素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高開口率で広視野角特性を有し、生産性に優れ、光の着色現象が効果的に抑制された液晶光学素子、および、高開口率で広視野角特性を有し、生産性に優れる液晶光学素子の製造方法を提供する。
【解決手段】一対の基板10、20と、これらの間に設けられた液晶層30と、基板10、20の液晶層30側に設けられ、液晶層30を介して互いに対向する一対の電極層12、22とを有する液晶光学素子であって、一対の電極層12、22間に印加された電圧に応じて液晶層30の層面に平行な面に沿って配向方向が変化する分子16a、26aを含む一対のスイッチング層16、26を有する。液晶層30は、一対のスイッチング層16および26に含まれる分子16aおよび26aの配向方向の変化に応じて配向状態が変化する。一方のスイッチング層16に含まれる分子16aと他方のスイッチング層26に含まれる分子26aとは、互いに鏡像体としての挙動を示す。
【選択図】 図1
【解決手段】一対の基板10、20と、これらの間に設けられた液晶層30と、基板10、20の液晶層30側に設けられ、液晶層30を介して互いに対向する一対の電極層12、22とを有する液晶光学素子であって、一対の電極層12、22間に印加された電圧に応じて液晶層30の層面に平行な面に沿って配向方向が変化する分子16a、26aを含む一対のスイッチング層16、26を有する。液晶層30は、一対のスイッチング層16および26に含まれる分子16aおよび26aの配向方向の変化に応じて配向状態が変化する。一方のスイッチング層16に含まれる分子16aと他方のスイッチング層26に含まれる分子26aとは、互いに鏡像体としての挙動を示す。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶光学素子および液晶光学素子の製造方法に関し、特に、文字、図形等を表示する表示装置や、入射光の透過光量を変化させる調光装置、光シャッターなどに用いられる液晶光学素子および液晶光学素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、液晶表示装置は、薄型、軽量、低消費電力という特徴を生かして、テレビやコンピュータのディスプレイ、あるいは携帯機器の表示部などに広く用いられている。
【0003】
従来のTN(ツイストネマチック)モード、STN(スーパーツイストネマチック)モードの液晶表示装置は、視野角が狭いという欠点を有しており、それを解決するために、液晶層の液晶分子が面内スイッチングするモードが提案されている。
【0004】
液晶分子が面内スイッチングするモードの1つとして、ネマチック液晶層を用い、櫛歯状の電極によって液晶層の層面に平行な電界(横電界)を発生させるモードが提案されている。また、液晶層として強誘電性液晶層や反強誘電性液晶層を用いるモードも提案されている。これらのモードでは、液晶分子の配向方向が液晶層の層面に平行な面に沿って変化するので、これらのモードの液晶表示装置は広視野角特性を有する。
【0005】
しかしながら、横電界を発生させるモードでは、櫛歯状の電極上には電界が発生せず、電極上の液晶層は表示に寄与しないので、開口率の低下が大きいという問題がある。横電界を発生させるためには、少なくとも2本の電極(隣接する2本の電極には互いに異なる電位が与えられる)を絵素領域内に配置する必要があり、また、電極間距離を短くして十分に強い横電界を発生させるために、通常は、数本の電極が配置されるが、印加電圧に応答して表示に寄与するのは電極間の領域のみである。たとえ透明材料を用いて電極を形成したとしても、電極上には電界が発生しないので、その上の液晶層は印加電圧に対して応答せず、表示に寄与しない。そのため、横電界を用いるモードは、電極上の液晶層を表示に寄与させることができる、縦電界を用いるモードに比べると、原理的に開口率の低下が発生してしまう。
【0006】
また、強誘電性液晶層や反強誘電性液晶層を用いるモードでは、セル厚を2μm程度以下とする必要があり、そのような狭いセル厚で液晶分子の配向を無欠陥状態にしなければコントラスト比の低下が発生するので、製造プロセス上の難点があり、そのために安定な生産が難しいという問題がある。
【0007】
そこで、このような問題を解決できる液晶光学素子として、特許文献1は、ネマチック液晶材料からなる液晶層と、この液晶層の両側に配置された強誘電性液晶材料からなる2つの液晶層とを備えた液晶光学素子を開示している。図4に、特許文献1に開示されている液晶光学素子1000を示す。
【0008】
液晶光学素子1000は、図4に示したように、一対の基板1010および1020と、これらの基板1010および1020間に挟持された第1の液晶層1016、第2の液晶層1030および第3の液晶層1026とを有している。
【0009】
基板1010および1020の液晶層(第1、第2および第3の液晶層1016、1030および1026)側の表面に、電極1012および1022が形成されており、電極1012および1022を覆うように配向層1014および1024が形成されている。また、基板1010および1020の外側に偏光板1018および1028が設けられている。
【0010】
配向層1014および1024上に、第1および第3の液晶層1016および1026がそれぞれ設けられ、第1の液晶層1016と第3の液晶層1026との間に第2の液晶層1030が設けられている。第1および第3の液晶層1016および1026は、強誘電性の高分子液晶材料から形成されている。第2の液晶層1030は、ネマチック液晶材料から形成されている。
【0011】
液晶光学素子1000の動作を図5(a)および(b)を参照しながら説明する。図5(a)は、電極1012および1022間に所定の電圧が印加された状態を示し、図5(b)は、図5(a)とは逆の極性の電圧が印加された状態を示している。
【0012】
液晶光学素子1000においては、第1の液晶層1016および第3の液晶層1026に含まれる液晶分子1016aおよび1026aは、図5(a)および(b)に示すように、電極1012と電極1022との間に印加された電圧に応じて第2の液晶層1030の層面に(基板1010および1020の基板面に)平行な面に沿って面内スイッチングする。また、第1の液晶層1016と第3の液晶層1026との間に設けられた第2の液晶層1030に含まれる液晶分子1030aは、第1の液晶層1016および第3の液晶層1026の液晶分子1016aおよび1026aの影響を受けて面内スイッチングする。
【0013】
このように、液晶光学素子1000においては、液晶分子1030aが面内スイッチングするので、液晶光学素子1000を表示装置に用いると広視野角特性が得られる。また、電極1012および1022としては透明電極を用いることができるので、高開口率が得られる。さらに、液晶光学素子1000においては、セル厚を狭くする必要がないので、製造プロセス上の制約が少なく、製造が容易である。
【0014】
液晶光学素子1000は、例えば以下のようにして製造される。
【0015】
まず、基板(例えばガラス基板)1010上に透明で導電性を有するITOを用いて電極1012を形成する。次に、電極1012を覆うようSiOxを用いて配向層1014を形成する。続いて、光重合性を有する液晶材料を用いて第1の液晶層1016を形成する。
【0016】
次に、同様にして、基板1020上に電極1022、配向層1024、第3の液晶層1026を形成する。
【0017】
その後、基板1010と基板1020とを、第1の液晶層1016が形成された表面および第3の液晶層1026が形成された表面が内側になるように貼り合わせ、続いて、基板1010と基板1020との間に真空下で液晶材料を注入することによって第2の液晶層1030を形成する。
【0018】
【特許文献1】
国際公開第00/03288号パンフレット
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図4、図5(a)および(b)に示した液晶光学素子1000においては、斜め方向(基板面法線方向から傾斜した方向)から観察したときに着色現象が発生するという問題がある。具体的には、図6(a)に示すように液晶分子1016aの長軸方向から観察したときには、光が青色味がかり、図6(b)に示すように液晶分子1016aの短軸方向から観察したときには、光が黄色味がかる。つまり、液晶光学素子1000においては、第2の液晶層1030を斜め(層法線方向から傾斜した方向)に通過する光の青色味化や黄色味化が発生してしまう。これは、液晶分子のリタデーションが波長分散性(波長依存性)を有しているためである。
【0020】
また、上記特許文献1に開示されている液晶光学素子1000の製造方法においては、一対の基板1010および1020のそれぞれの表面に第1の液晶層116、第3の液晶層1026を形成した後に貼り合わせ、その後に第2の液晶層1030となる液晶材料を注入するので、その課程で、第1および第3の液晶層1016および1026が空気に接触し、その配向状態が乱れてしまう。より具体的には、空気との界面近傍では、液晶分子が、疎水基を空気側に向け、親水基を液晶層の内側に向けようとする(シャボン玉と同様の原理である)結果、垂直に配向してしまう。そのため、第2の液晶層1030の液晶分子の一部が、第1および第3の液晶層1016および1026の影響を受けて垂直に配向してしまう。その結果、その部分が表示(輝度)ムラとなり、表示品位が低下してしまう。
【0021】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、高開口率で広視野角特性を有し、生産性に優れ、光の着色現象が効果的に抑制された液晶光学素子を提供することにある。また、本発明による他の目的は、高開口率で広視野角特性を有し、生産性に優れる液晶光学素子を、表示品位の低下を伴うことなく製造することができる製造方法を提供することにある。
【0022】
【課題を解決するための手段】
本発明による液晶光学素子は、一対の基板と、前記一対の基板の間に設けられた第1の液晶層と、前記一対の基板の前記第1の液晶層側に設けられ、前記第1の液晶層を介して互いに対向する一対の電極層と、前記一対の電極層と前記第1の液晶層との間に設けられた一対のスイッチング層であって、前記一対の電極層間に印加された電圧に応じて前記第1の液晶層の層面に平行な面に沿って配向方向が変化する分子を含む一対のスイッチング層と、を有し、前記第1の液晶層は、前記一対のスイッチング層に含まれる前記分子の配向方向の変化に応じて配向状態が変化する、液晶光学素子であって、前記一対のスイッチング層の一方に含まれる前記分子と他方に含まれる前記分子とは、互いに鏡像体としての挙動を示し、そのことによって上記目的が達成される。
【0023】
典型的には、前記一対のスイッチング層の一方に含まれる前記分子と他方に含まれる前記分子とは、前記一対の電極層間に電圧が印加されたときに、互いに反対方向に配向方向が変化する。
【0024】
前記一対のスイッチング層と前記一対の電極層との間に設けられた一対の配向層を有し、前記一対の配向層の一方が含む分子と他方が含む分子とは、互いに鏡像体である構成としてもよい。
【0025】
前記一対のスイッチング層の一方に含まれる前記分子と他方に含まれる前記分子とは、互いに鏡像体である構成としてもよい。
【0026】
典型的には、前記一対のスイッチング層は、液晶材料を含む第2および第3の液晶層である。
【0027】
前記一対のスイッチング層に含まれる前記液晶材料はスメクチック相を呈することが好ましい。
【0028】
前記一対のスイッチング層に含まれる前記液晶材料は、強誘電性、反強誘電性およびフェリ誘電性の少なくとも1つを示すことが好ましい。
【0029】
前記一対のスイッチング層に含まれる前記液晶材料は高分子液晶材料であってもよい。
【0030】
前記一対のスイッチング層は高分子材料を含んでもよい。
【0031】
前記液晶層はネマチック相を呈する液晶材料を含むことが好ましい。
【0032】
前記液晶層に含まれる前記液晶材料の誘電異方性が負であることが好ましい。
【0033】
前記液晶層に含まれる前記液晶材料の誘電異方性が略ゼロであることが好ましい。
【0034】
本発明による液晶光学素子の製造方法は、一対の基板と、前記一対の基板の間に設けられた液晶層と、前記一対の基板の前記液晶層側に設けられ、前記液晶層を介して互いに対向する一対の電極層と、前記一対の電極層と前記液晶層との間に設けられた一対のスイッチング層であって、前記一対の電極層間に印加された電圧に応じて前記液晶層の層面に平行な面に沿って配向方向が変化する分子を含む一対のスイッチング層と、を有し、前記液晶層は、前記一対のスイッチング層に含まれる前記分子の配向方向の変化に応じて配向状態が変化する、液晶光学素子の製造方法であって、液晶材料を含む混合材料を用意する工程と、表面に前記一対の電極層が形成された前記一対の基板を用意する工程と、前記用意された一対の基板を所定の間隙を介して貼り合わせる工程と、前記貼り合わされた一対の基板間に前記混合材料を注入する工程と、前記注入された混合材料を相分離させることによって、前記一対の電極層上に前記一対のスイッチング層を形成するとともに、前記一対のスイッチング層間に前記液晶層を形成する工程と、を包含し、そのことによって上記目的が達成される。
【0035】
前記一対の基板を貼り合わせる工程の前に、互いに鏡像体である第1および第2の配向層材料を用意する工程と、前記一対の電極層の一方上に、前記第1配向層材料を用いて第1配向層を形成する工程と、前記一対の電極層の他方上に、前記第2配向層材料を用いて第2配向層を形成する工程と、をさらに包含することが好ましい。
【0036】
前記混合材料は、重合性材料を含み、前記一対のスイッチング層と前記液晶層とを形成する工程は、前記重合性材料を前記一対の電極層上において選択的に重合する工程を包含してもよい。
【0037】
前記重合性材料を重合する工程は、前記混合材料に光を照射する工程を包含してもよい。
【0038】
前記重合性材料を重合する工程は、前記混合材料を加熱する工程を包含してもよい。
【0039】
前記混合材料は、ネマチック液晶材料と、スメクチック液晶材料とを含み、前記一対のスイッチング層と前記液晶層とを形成する工程は、前記ネマチック液晶材料を含むように前記液晶層を形成するとともに、前記スメクチック液晶材料を含むように前記一対のスイッチング層を形成する工程であることが好ましい。
【0040】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明による実施形態の液晶光学素子およびその製造方法を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【0041】
図1および図2(a)および(b)を参照しながら、本発明による実施形態の液晶光学素子100の構造と動作とを説明する。図1は、液晶光学素子100を模式的に示す断面図であり、図2(a)および(b)は、液晶光学素子100を模式的に示す斜視図である。図2(a)は、一対の電極層間に所定の電圧が印加された状態を示し、図2(b)は、図2(a)とは逆の極性の電圧が印加された状態を示している。
【0042】
液晶光学素子100は、図1に示したように、液晶セル100aと、液晶セル100aを介して対向するように配置された一対の偏光板18および28とを有する。
【0043】
液晶セル100aは、一対の基板10および20と、基板10と基板20との間に設けられた液晶層30とを有する。液晶層30は、典型的には、ネマチック相を呈する液晶材料を含むネマチック液晶層である。
【0044】
基板10の液晶層30側に電極層12が設けられており、基板20の液晶層30側に電極層22が設けられている。これら一対の電極層12および22は液晶層30を介して互いに対向している。電極層12および22は、単一の連続した導電層である必要はなく、電気的に独立した複数の電極をそれぞれ含んでもよい。
【0045】
一対の電極層12および22と液晶層30との間に、一対のスイッチング層16および26が設けられている。スイッチング層16および26は、図2(a)および(b)に示したように、電極層12と電極層22との間に印加された電圧に応じて液晶層30の層面に(基板10および20の基板面に)平行な面に沿って配向方向が変化する分子16aおよび26aをそれぞれ含んでいる。つまり、スイッチング層16および26に含まれる分子16aおよび26aは、液晶層30の層法線方向に沿った電界(縦電界)によって面内スイッチングする。
【0046】
スイッチング層16および26は、典型的には、液晶材料を含む液晶層であり、例えば、ネマチック相、スメクチック相あるいはコレステリック相を呈する液晶材料を含んでいる。スイッチング層16および26が含む液晶材料として、強誘電性、反強誘電性およびフェリ誘電性の少なくとも1つを示す液晶材料を用いると、縦電界に応じた液晶分子の面内スイッチングを容易に実現することができる。スメクチック相は、強誘電性や反強誘電性あるいはフェリ誘電性を示しやすいので、スイッチング層16および26は、スメクチック相を呈する液晶材料を含んでいることが好ましい。
【0047】
スイッチング層16および26は、配向規制力を有する表面上に設けられていることが好ましい。本実施形態では、電極層12および22上に配向層14および24が形成されており、スイッチング層16および26は、配向層14および24上に形成されている。配向層14および24は、水平配向性であることが好ましい。配向層14および24としては、例えば、TNモードやSTNモードの液晶表示装置等に用いられる通常の配向膜(ポリイミド等からなる)を用いることができる。ポリイミド等の配向膜は、ポリイミド等が溶剤に溶け込んでいる可溶性タイプであってもよいし、焼成することによってポリイミド化する焼成タイプであってもよい。また、配向膜には、十分な配向規制力を得るためにラビング等の配向処理が施されていることが好ましい。あるいは、配向膜としてポリビニルシンナメート、ポリイミド薄膜等の有機薄膜を用い、紫外線を照射することによって光配向処理を施してもよい。さらに、SiOxなどを基板面に対して斜め方向から蒸着することによって基板表面に配向規制力を付与してもよい。
【0048】
なお、強誘電性、反強誘電性、フェリ誘電性を示す相よりも高い温度領域でスメクチックA相やネマチック相を呈する液晶材料は、配向制御が容易であるので、スイッチング層16および26の配向制御を容易にする観点からは、スイッチング層16および26に含まれる液晶材料としてこのような材料を用いることが好ましい。
【0049】
また、本発明による液晶光学素子100においては、一対のスイッチング層16および26の一方に含まれる分子(例えばスイッチング層16の分子16a)と他方に含まれる分子(例えばスイッチング層26の分子26a)とは、互いに鏡像体としての挙動を示す。
【0050】
従って、一方のスイッチング層16の分子16aと他方のスイッチング層26の分子26aとは、ある極性の印加電圧に対して自発分極が互いに反転しているものとして振る舞う。そのため、スイッチング層16の分子16aと、スイッチング層26の分子26aとは、電極層12および22間に電圧が印加されたとき、図2(a)および(b)に示したように、互いに反対方向に配向方向が変化(すなわち面内スイッチング)する。
【0051】
スイッチング層16および26と、液晶層30との界面近傍では、スイッチング層16および26の分子16aおよび26aの配向方向に沿うように、液晶層30の液晶分子30aが配向する。液晶分子30aがこのように配向するのは、排除体積効果などに起因する。排除体積効果とは、分子がその周囲に他の分子を立ち入らせない領域(排除体積)を有しているので、分子同士は排除体積による斥力を小さくするように(エネルギー的に安定になるように)互いに平行に並ぶように配向する現象である。
【0052】
液晶層30の中央付近の液晶分子30aは、界面近傍の液晶分子30aの配向と連続するように(整合するように)配向する。そのため、スイッチング層16の分子16aとスイッチング層26の分子26aとが同じ方位角方向に配向している場合には、図2(a)に示したように、液晶層30の液晶分子30aは、ツイスト角がゼロのホモジニアス配向となる。また、スイッチング層16の分子16aとスイッチング層26の分子26aとが異なる方位角方向に配向している場合には、図2(b)に示したように、液晶層30の液晶分子30aは、ツイスト配向となる。
【0053】
上述したように、スイッチング層16および26の間に位置する液晶層30は、スイッチング層16および26に含まれる分子16aおよび26aの配向方向の変化に応じて配向状態が変化する。
【0054】
この配向状態の変化を利用して液晶層30を通過する光を変調することによって表示を行うことができる。例えば、偏光板18および28がクロスニコルに配置されている場合、図2(a)に示したように液晶層30がホモジニアス配向をとっている状態で黒表示を行うことができ、図2(b)に示したように液晶層30がツイスト配向をとっている状態で白表示を行うことができる。
【0055】
本発明による液晶光学素子100においては、液晶層30の液晶分子30aが面内スイッチングすることによって表示が行われるので、広視野角特性が得られる。また、スイッチング層16および26への電圧の印加を行う電極層12および22として透明電極を用いることができるので、高開口率が実現される。さらに、セル厚を薄く(例えば約2μm以下程度)する必要がないので、製造プロセス上の難点が少なく、生産性に優れている。また、スイッチング層16および26は、液晶層30の液晶分子30aの配向に影響を与えることができる程度の厚さを有せばよく、光学変調に寄与しない程度にスイッチング層16および26の厚さを薄くできるので、製造プロセスにおいてスイッチング層16および26に配向不良(配向欠陥)が発生しても表示のコントラスト比が低下することがない。
【0056】
また、本発明による液晶光学素子100においては、一方のスイッチング層16の分子16aと、他方のスイッチング層26の分子26aとは、電極層12および22間に電圧が印加されたとき、互いに反対方向に配向方向が変化する。そのため、液晶層30がツイスト配向した状態で白表示を行うことができるので、斜め方向から観察したときの光の着色現象が抑制される。これは、液晶層30がツイスト配向していると、液晶層30の上側半分と下側半分とが互いに補色の関係を有する色味に光の波長帯域をシフトさせるので、液晶層30の厚さ方向に沿った光学補償が実現されるからである。例えば、液晶層30の下側半分が光を青色味がからせる場合には、液晶層30の上側半分は光を黄色味がからせるので、結果として光の着色が抑制される。
【0057】
さらに、本発明による液晶光学素子100においては、一方のスイッチング層16に含まれる分子16aと他方のスイッチング層26に含まれる分子26aとは、互いに鏡像体としての挙動を示す。そのため、着色現象の発生が効果的に抑制された、高品位の表示を行うことができる。以下、さらに詳しく説明する。
【0058】
スイッチング層の分子が面内スイッチングするときの傾き角θやその応答速度τは、液晶光学素子の表示品位に大きな影響を与えるので、一方のスイッチング層の分子と他方のスイッチング層の分子とで傾き角θや応答速度τは同じであることが好ましい。
【0059】
ところが、これらは温度などに依存して変化する。例えば液晶材料が強誘電性、反強誘電性、フェリ誘電性などを示す場合、応答速度τはτ=η/Ps・Eで表される。ここで、η、Ps、Eはそれぞれ粘度、自発分極、電場を示す。一般には、自発分極Psや傾き角θの温度変化はPs∝θ∝(Tc−T)βである(βは理論的には0.5、実験的には0.3〜0.4)ので、傾き角θや応答速度τは温度に依存して変化する。
【0060】
一方のスイッチング層の分子と他方のスイッチング層の分子とが、傾き角θや応答速度τに関して同じ特性(温度特性等)を有していない場合、ある条件において両方のスイッチング層の分子の傾き角θや応答速度τを互いに同じになるように設定しても、条件が変化(例えば温度が変化)したときには、一方の分子の傾き角θや応答速度τが他方の分子のそれとは異なってしまうので、着色現象を効果的に抑制できず、また、高品位の表示を行うことができない。
【0061】
互いに鏡像体である分子同士では、傾き角θなどの温度特性等がほぼ同じである。例えば、TFMHPDOPBと呼ばれる液晶材料では、その傾き角θがR体とS体とで同じ温度特性を持つ(A.Ikeda et al., Jpn. J. Appll. Phys. 30, L1032(1991)のFig.3(a))。
【0062】
従って、本発明による液晶光学素子100のように、一方のスイッチング層16の分子16aと、他方のスイッチング層26の分子26aとが、互いに鏡像体としての挙動を示すと、傾き角θなどが同じ特性(温度特性等)を示すので、着色現象を効果的に抑制することができ、また、高品位の表示を行うことができる。
【0063】
一方のスイッチング層16の分子16aと他方のスイッチング層26の分子26aとが、互いに鏡像体としての挙動を示すためには、例えば、一方のスイッチング層16の分子16aと他方のスイッチング層26の分子26aとが互いに鏡像体であればよい。
【0064】
また、本願発明者は、スイッチング層16および26の下面に設けられた一対の配向層14および24の一方が含む分子と他方が含む分子とが互いに鏡像体であると、一方のスイッチング層16の分子16aと他方のスイッチング層26の分子26aとが、互いに鏡像体としての挙動を示すことを見出した。例えば、S体の分子を含む配向層上に設けられたスイッチング層の分子は、印加電圧(縦電界)に応じてS体としての挙動を示し、R体の分子を含む配向層上に設けられたスイッチング層の分子は、印加電圧(縦電界)に応じてR体としての挙動を示す。そのため、S体の分子を含む配向層上に設けられたスイッチング層の分子と、R体の分子を含む配向層上に設けられたスイッチング層の分子とは、電圧が印加されたときに、互いに反対方向に面内スイッチングする。
【0065】
スイッチング層がこのような挙動を示す理由は、配向層の分子が鏡像体(光学異性体)であると、その界面のエネルギー的な対称性が低下するからと考えられる。すなわち、配向層の分子が鏡像体であると、配向層に接して配向しているスイッチング層の分子を左にスイッチングさせる場合と、右にスイッチングさせる場合とでエネルギー差が生じるので、スイッチング層のエネルギー的な対称性も低下していることになり、そのため、スイッチング層の分子が鏡像体と等価な挙動を示すと考えられる。
【0066】
なお、鏡像体である配向層の分子は、双極子モーメントの大きい官能基を有することが好ましく、スイッチング層の分子も、双極子モーメントの大きい官能基を有することが好ましい。配向層の分子とスイッチング層の分子の両方が双極子モーメントの大きい官能基を有していると、これらの双極子−双極子相互作用によって上述したような挙動が発現しやすくなる。
【0067】
スイッチング層16および26の厚さは、100nm以上200nm以下であることが好ましい。厚さが100nmより薄いと、基板表面のアンカリング効果が顕著となるのでスイッチング層16および26内の分子16aおよび26aが動きにくくなることがある。また、厚さが200nmより厚いと、スイッチング層16および26内の分子16aおよび26aが基板面に垂直な方向に立ち上がるようになることがあり、面内でのスイッチングがしにくくなることがある。また、スイッチング層16および26の厚さが可視光の波長より小さい100nm以上200nm以下程度であると、スイッチング層16および26が光の変調に光学的に寄与しないので、スイッチング層16および26に配向不良が発生してもコントラスト比の低下を招くことがない。
【0068】
また、スイッチング層16および26が液晶材料を含む(液晶層である)場合には、スイッチング層16および26が高分子液晶材料や高分子材料を含むことが好ましい。液晶材料自身を高分子化したり、高分子材料のネットワークを液晶層であるスイッチング層16および26中に形成したりすることによって、スイッチング層16および26と液晶層30との相溶性を低下させることができるので、これらが混じり合うことによる特性の劣化を防止することができる。
【0069】
具体的には、例えば、スイッチング層16および26の材料として、強誘電性を示す液晶材料に、重合性化合物と重合開始剤とを混入させたものを用いる。このとき、スイッチング層16および26の一方の材料にはS体の液晶材料を用い、他方の材料にはR体の液晶材料を用いる。
【0070】
重合性化合物としては、液晶性(メタ)アクリレートやエポキシアクリレートなどを用いることが出来る。
【0071】
液晶性(メタ)アクリレートとしては、液晶骨格と重合性官能基とを分子内に有する化合物であれば、特に制限なく用いることができるが、中間調表示と低電圧駆動を両立するためには、液晶骨格と重合性官能基との間にメチレンスペーサーがない単官能液晶性(メタ)アクリレートを用いることが好ましく、2つの6員環を有する液晶骨格を部分構造として有する環状アルコール、フェノールまたは芳香族ヒドロキシ化合物のアクリル酸またはメタクリル酸エステルである単官能(メタ)アクリレートを用いることがさらに好ましい。このような単官能(メタ)アクリレートは、(メタ)アクリロイルオキシ基と液晶骨格の間に、アルキレン基またはオキシアルキレン基などの柔軟性の連結基がない。そのため、この種の単官能(メタ)アクリレートを重合させて得られる重合体の主鎖には、連結基を介さず直接剛直な液晶骨格が統合し、液晶骨格の熱運動が高分子主鎖により制限されるので、スイッチング層に含まれる液晶分子の配向をより安定化させると考えられる。
【0072】
このような化合物としては、例えば下記[化1]で表せるものを挙げることができる。特に、[化1]においてXが水素原子またはメチル基を表し、nが0または1の整数を表し、6員環A、BおよびCが、1,4−フェニレン基、または1,4−トランスシクロヘキシル基を表し、Y1およびY3が単結合、Y2がハロゲン原子、シアノ基、炭素数1〜20のアルキル基またはアルコキシル基を表す化合物が、室温近傍で液晶相を示すため好ましい。
【0073】
【化1】
【0074】
エポキシアクリレートとしては、例えば、ビスフェノールA型エポキシアクリレート、ブロム化ビスフェノールA型エポキシアクリレート、フェノールノボラック型エポキシアクリレートなどを用いることができる。エポキシアクリレートは、1分子中に光照射により重合するアクリル基と加熱により重合するカルボニル基、水酸基を併せ持っているので、硬化法として光照射法と加熱法とを併せて用いることによって、少なくともどちらか一方の官能基が反応して未反応部分がなくなり、十分な重合(硬化)を行うことができる。
【0075】
スイッチング層16および26内における、重合性化合物を含む硬化性組成物の硬化した部分の濃度は、0.05重量%〜10重量%の範囲内であることが好ましい。硬化した部分の濃度が0.05%未満であると、重合性化合物の液晶骨格の配向方向と強誘電性液晶材料の配向方向とのなす平均角度をほぼ同じ方向にすることができず、また10%より多いと、駆動電圧が増大してしまう。
【0076】
重合性化合物を光や熱により重合して高分子化するためには、重合開始剤を添加することが好ましい。重合開始剤を添加することによって重合を迅速に行うことができる。重合開始剤としては、メチルエチルケトンパーオキサイド、ベンゾイルパーオキサイド、キュメンハイドロイドパーオキサイド、ターシャリブチルパーオクトエート、ジクミルパーオキサイドや、ベンゾイルアルキルエーテル系、アセトフェノン系、ベンゾフェノン系、キサントン系ベンゾインエーテル系、ベンジルケタール系の重合開始材などを用いることができる。市販品では、例えば、メルク社製のダロキュア1173、1116、チバケミカル社製のイルガキュア184、369、651、907、日本化薬社製のカヤキュアDETX、EPA、ITAなどをそのまま、あるいは適宜混合して用いることができる。重合開始剤の添加量は、重合性化合物に対して10重量%以下であることが好ましい。10重量%より多く添加すると重合開始剤が不純物として作用し液晶材料の比抵抗が低下する。
【0077】
また、スイッチング層16および26中の液晶材料の安定性を向上させるために安定剤を添加しても良い。安定剤としては、例えば、ヒドロキノン、ヒドロキノンアルキルエーテル類、第3ブチルカテコール類などを用いることができる。安定剤の添加量は、重合性化合物に対して1重量%以下であることが好ましい。1重量%より多く添加すると安定剤が不純物として作用し液晶材料の比抵抗が低下する。
【0078】
上述したような重合性化合物を含むスイッチング層16および26の材料を配向処理が施された基板に塗布した後、光照射、加熱を行うことによって、重合性化合物を高分子化し、スイッチング層16および26中に高分子のネットワークを形成することができる。光重合性化合物を光照射により高分子化させる工程における光の照射量は、使用する液晶材料や光重合開始剤の種類、さらにその濃度に応じて適宜設定すればよいが、50mJ/cm2〜10000mJ/cm2の範囲内であることが好ましい。照射量が50mJ/cm2未満であると光重合性化合物が完全に硬化しないことがあり、また、照射量が10000mJ/cm2を超えると液晶材料が著しく光劣化することがある。
【0079】
スイッチング層16および26間に配置される液晶層30は、典型的にはネマチック液晶材料を含んでいる。液晶層30に含まれる液晶材料として、誘電異方性が正である液晶材料を用いると、電極層12および22間に電圧が印加されたときに、液晶分子30aは、スイッチング層16および26の分子16aおよび26aの影響を受けて面内スイッチングするとともに、電圧の影響を受けて面外にもスイッチング(液晶層30の層面に平行な面に沿わない方向に配向方向が変化)する。これに対して、誘電異方性が負である液晶材料または誘電異方性が略ゼロの液晶材料を用いると、電圧が印加されたときに液晶分子30aが面外にスイッチングしないので、液晶分子30aの面内スイッチングを好適に行うことができる。特に、誘電異方性が負である液晶材料を用いると、電圧が印加されたときに、液晶分子30aに対して液晶分子30aを液晶層30の層面に平行に配向させる配向規制力が働くので、安定した水平配向状態を実現することができる。なお、誘電異方性が略ゼロである液晶材料は、誘電異方性が正の液晶材料と誘電異方性が負の液晶材料とを適宜混合することによって得ることができる。
【0080】
上述した構造を有する液晶光学素子100は、例えば、一対の基板10および20の表面にスイッチング層16および26をそれぞれ形成した後に貼り合わせ、その後に液晶層30となる液晶材料を注入することによって製造できる。ただし、このようにして製造すると、製造工程において、スイッチング層16および26が空気に接触してその配向状態が乱れてしまうことがあり、そのため、表示(輝度)ムラが発生して表示品位が低下することがある。これに対して、以下の製造方法を用いて液晶光学素子100を製造すると、スイッチング層16および26の配向の乱れが抑制され、表示品位の低下が発生しない。
【0081】
図3(a)〜(f)を参照しながら、本発明による液晶光学素子100の製造方法を説明する。
【0082】
まず、図3(a)に示すように、表面に電極層12および22が形成された基板10および20を用意する。基板10および20の材料としては、ガラス、プラスチック、金属等を用いることができる。また、カラーフィルタを有する基板を用いたり、顔料や色素等を基板中に分散させたりすることによって、カラー化が実現される。電極層12および22の材料としては、例えばITO(インジウム錫酸化物)を用いることができる。また、ポリピロールなどの有機導電性薄膜を用いてもよい。
【0083】
また、互いに鏡像体である第1および第2の配向層材料を用意しておく。第1および第2の配向層材料としては、例えば、側鎖部分に不斉炭素を有するポリイミドなどの高分子材料を用いることができる。側鎖は、強誘電性を示す液晶材料と同じかあるいは類似の構造であることが好ましく、また、大きな双極子モーメントを示す官能基を有することが好ましい。
【0084】
続いて、図3(b)に示すように、基板10上に形成された電極層12上に第1配向層材料を用いて配向層14を形成し、基板20上に形成された電極層22上に第2配向層材料を用いて配向層24を形成する。本実施形態では、配向層14および24には、ラビング方向が互いに平行または反平行になるようにラビング処理を施しておく。このことにより、図2(a)に示したようなツイスト角がゼロの状態が実現される。ただし、配向層14および24に大きな分極が生じているなどの理由から、電圧無印加時にもラビング方向に対して配向方向が傾いてしまう場合には、あらかじめこの角度を考慮してラビング方向を設定することが好ましい。
【0085】
次に、図3(c)に示すように、表面に配向層14が形成された基板10と表面に配向層24が形成された基板20とを所定の間隙を介して貼り合わせる。基板10と基板20との間隔は、約1μm〜約10μm程度であることが好ましい。間隔が1μmより小さいと、面内スイッチングによる十分な光学変調が得られないことがある。また、間隔が10μmより大きいと、液晶層30の層法線方向の中央部で面内スイッチングの応答時間が長くなり、動画表示品位が低下してしまうことがある。基板10と基板20との間隔を制御するためには、通常の液晶表示装置のセルギャップの制御に用いられるロッド状、球状あるいは柱状のスペーサを用いることができる。本実施形態では、直径が約4μmの球状スペーサを用いる。
【0086】
また、任意の時点で、液晶材料を含む混合材料を用意しておく。本実施形態では、ネマチック液晶材料と、スメクチック液晶材料と、重合性材料とを含む混合材料を用意する。
【0087】
続いて、図3(d)に示すように、貼り合わされた一対の基板10および20間に混合材料40を注入する。
【0088】
その後、図3(e)に示すように、注入された混合材料40を相分離させることによって、一対の電極層12および22上(ここではより厳密には第1配向層14および第2配向層24上)に一対のスイッチング層16および26を形成するとともに、一対のスイッチング層16および26間に液晶層30を形成する。つまり、混合材料を単一の相にある状態から相分離させ、分離した状態で固定化(安定化)することによって、一対のスイッチング層16および26と液晶層30とを形成する。本実施形態では、ネマチック液晶材料を含むように液晶層30を形成するとともに、スメクチック液晶材料を含むように一対のスイッチング層16および26を形成する。
【0089】
混合材料40の相分離は、例えば、混合材料40中の成分同士の科学的、物理的性質の差や、これらの成分と基板表面との界面の性質を利用して行われる。また、相分離した状態の固定化は、本実施形態では、混合材料40中に重合性材料を混入しておき、この重合性材料を電極層12および22上(第1配向層14および第2配向層24上)において選択的に重合することによって行われる。重合性材料が光重合性材料である場合には、重合性材料を重合する工程は、混合材料40に光を照射することによって施されるし、重合性材料が熱重合性材料である場合には、混合材料40を加熱することによって施される。なお、相分離した状態で重合性材料の重合を開始してもよいし、重合を開始することによって、相分離を誘発し、その後重合を続けることによって分離した状態を固定化してもよい。
【0090】
最後に、図3(f)に示すように、一対の偏光板18および28を一対の基板10および20の外側(液晶層30とは反対側)に設けることによって、液晶光学素子100が完成する。
【0091】
上述した本発明による液晶光学素子100の製造方法においては、スイッチング層16および26が空気に接触することがないので、スイッチング層16および26の配向の乱れが抑制される。そのため、表示(輝度)ムラの発生が抑制され、表示品位の低下が抑制される。
【0092】
ここで、一対のスイッチング層16および26と液晶層30とを形成する工程における、混合材料40の相分離と相分離した状態の固定化についてより詳しく説明する。
【0093】
スメクチック相を呈するスメクチック液晶材料に重合性ネマチック液晶材料を添加する場合、重合性ネマチック液晶材料の割合が多いと、スメクチック相からネマチック相への相転移が起こる。次に、重合性ネマチック液晶材料を重合すると、ネマチック相からスメクチック相への相転移が起こる。例えばこの現象を利用することによって、混合材料40の相分離を起こすことができる。
【0094】
より具体的には、スメクチック液晶材料(負の誘電異方性を有することが好ましい)に、ネマチック液晶材料(負の誘電異方性を有することが好ましい)を加えてスメクチック相を不安定化(つまりネマチック相を安定化)させてから、重合性ネマチック液晶材料を加えることによって、混合材料40を調製する。重合性ネマチック液晶材料は、光重合性を有していてもよいし、熱重合性を有していてもよい。
【0095】
この混合材料40を一対の基板10および20間に注入した後、電極層12および22上(第1配向層14および第2配向層24上)において重合性ネマチック液晶材料を選択的に重合すると、重合性ネマチック液晶材料が重合した高分子材料が存在する領域(第1配向層14および第2配向層24近傍の領域)が、スメクチック相を呈するスイッチング層16および26となり、これらの領域の間の領域がネマチック相を呈する液晶層30となる。
【0096】
混合材料40には、スメクチック相の安定化および自発分極の発現のためにカイラル剤が添加されていることが好ましい。また、混合材料40は、形成した液晶層30がネマチック相を呈するように調製されることが好ましく、形成した液晶層30が負の誘電異方性を有するように調製されることが好ましい。重合性ネマチック液晶材料の添加量が多すぎると、スイッチング層16および26を面内スイッチングするためのしきい値電圧の上昇を招くことがあるので、しきい値電圧の低減の観点からは、重合性ネマチック液晶材料の添加量が少ないことが好ましい。また、一般的な重合性ネマチック液晶材料は、誘電異方性が正である場合が多いので、この観点からも添加量が少ないことが好ましいといえる。勿論、負の誘電異方性を有する重合性ネマチック液晶材料を用いることも好ましい。
【0097】
重合性材料を電極層12および22上(第1配向層14および第2配向層24上)において選択的に重合する方法、言い換えると、スイッチング層16および26内あるいはスイッチング層16および26と液晶層30との界面近傍を選択的に高分子化または高分子安定化(完全に高分子化するのではなく、高分子で例えば網目状組織(ネットワーク)などをつくり部分的に高分子化する)する方法としては、例えば以下の4つの方法が挙げられる。これらを単独であるいは組み合わせて用いることによって、注入された混合材料40の特定の領域において選択的に重合を行うことができる。
【0098】
(配向層表面に重合開始剤を塗布)
第1の方法は、配向層14および24の表面に重合開始剤を塗布する方法である。例えば、重合開始剤を重合開始剤に対して不活性な溶媒に溶かし、この溶液を配向層14および24の表面に薄く塗布した後に溶剤を揮発させることによって、配向層14および24の表面に重合開始剤を塗布できる。配向層14および14の表面にこのような処理を施しておくと、基板10および20間に注入された混合材料に光を照射(あるいは混合材料を加熱)したときに、配向層14および24の表面近傍の領域にのみ重合開始剤が存在するためにその領域でのみ重合が行われる。
【0099】
(配向層に重合開始剤を添加)
第2の方法は、配向層14および24に重合開始剤を添加する方法である。例えば、配向層材料を溶媒で希釈するときに重合開始剤を添加しておき、この溶液をスピンコート法などにより基板上に薄く塗布した後に溶媒を揮発させることによって、配向層14および24に重合開始剤を添加することができる。このことによって、混合材料に光を照射(あるいは混合材料を加熱)したときに、配向層14および24の近傍の領域にのみ重合開始剤が存在するためにその領域でのみ重合が行われる。
【0100】
(光を基板表面近傍に選択的に照射)
第3の方法は、光を基板10および20の表面近傍に選択的に照射する方法である。例えば、照射光に、基板面法線方向に沿った強度分布を生じさせることによって、光を基板10および20の表面近傍に選択的に照射することができる。光重合性材料を含む混合材料40に対して強度分布を有する光を照射した場合、照射強度の強い部分では、光重合性材料の重合速度が速く、液晶材料と高分子材料との相分離速度が速いので、高分子材料が早く析出して液晶材料を照射強度が弱い部分へと押し出す。従って、照射強度が弱い部分ではネマチック相が発現し、照射強度が強い部分では光重合性材料の割合が減少してスメクチック相が発現する。あるいは、基板10および20の表面近傍に光吸収性(例えば紫外線吸収性)が高い材料を吸着させることによって実質的に基板10および20の表面近傍でのみ光吸収を行わせてもよい。
【0101】
(表面自由エネルギーの違いを利用して重合性材料を基板表面に集める)
第4の方法は、液晶材料と重合性材料との表面自由エネルギーの違いを利用して重合性材料を基板表面に集める方法である。
【0102】
この方法は、液晶材料と重合性材料とを含む混合材料40を等方相を示す温度で基板10および20間に注入した後、徐冷することによって等方相と液晶相とに相分離させ、その後重合性材料を重合することによってこの状態を固定化する工程を採用する場合に用いることができる。
【0103】
このような工程において、等方相と液晶相との相分離が起きているときには、これら2相のうち少なくとも1相の自由エネルギーを制御することによって、相分離に関係している系全体のエネルギーを、等方相を呈する領域と液晶相を呈する領域とが所望の配置・形状となった場合にもっとも低くなるようにすることができる。より具体的には、2相のうちの少なくとも1相の界面に対する自由エネルギーの制御を空間的かつ選択的にパターン化して行うことによって、基板表面近傍に重合性材料を集めることができる。
【0104】
例えば、液晶相に対する界面自由エネルギーと等方相に対する界面自由エネルギーとが異なる材料を基板表面(ここでは配向層14および24の表面)に塗布する。この材料が塗布されている領域の液晶相に対する界面自由エネルギーおよび等方相に対する界面自由エネルギーと、この材料が塗布されていない領域の液晶相に対する界面自由エネルギーおよび等方相に対する界面自由エネルギーとの関係を適宜設定することによって、等方相を呈する領域と液晶相を呈する領域とを所望の配置・形状とすることができ、このようにして各領域(それぞれの領域で重合性材料の比率が異なる)が配置された状態を重合により固定化することによって、スイッチング層16および26と液晶層30とを形成することができる。具体的には、この材料の表面自由エネルギーをγ1、この材料が塗布されていない領域の表面自由エネルギーをγ2、液晶相の表面自由エネルギーをγL、等方相の表面自由エネルギーをγIとすると、(γ1−γ2)×(γL−γI)>0という関係を満足する場合、すなわち、γ1>γ2且つγL>γIの場合あるいはγ1<γ2且つγL<γIの場合に、基板表面近傍に重合性材料を集めることができる。
【0105】
重合性材料の重合速度が重合性材料の移動速度よりも十分に遅い場合、基板表面に液晶材料に対する親和性が異なる領域が存在すると、相分離した液晶材料が親和性のより高い領域に集まり、親和性のより低い領域に重合性材料を押し出すように相分離が進む。
【0106】
つまり、この方法は、液晶材料と重合性材料とを表面自由エネルギーの違いにより分離する方法といえる。この方法においては、液晶材料と重合性材料との表面自由エネルギーの高低と、基板表面の表面自由エネルギーの高低とが重要である。液晶材料の表面自由エネルギーが重合性材料の表面自由エネルギーよりも高い場合には、基板表面の表面自由エネルギーが高い領域と低い領域とのうち、低い領域で重合が進む。
【0107】
重合性材料中にF(フッ素)原子を有する重合性モノマーを添加すると、重合性材料の表面自由エネルギーが低下するので、相分離の効果がより顕著に現れる。また、フッ素原子を有する重合性モノマーと液晶材料との相溶性は一般的に低いので、フッ素原子を有する重合性モノマーを添加すると、液晶層30とスイッチング層16および26との分離を好適に行うことができる。
【0108】
また、基板表面の重合を進行させたい領域にフッ素原子を含む高分子材料を塗布することによって、表面自由エネルギーを大きく低下させることができる。あるいは、界面活性剤を添加した高分子材料を塗布することによっても表面自由エネルギーを低下させることができる。
【0109】
なお、重合によって相分離を誘発させる前に、液晶材料と重合性材料とを含む混合物を均一化温度以上の温度から、均一化温度以下の温度に徐冷することによって、混合材料に熱的な相分離を起こさせ、液晶材料の比率が高い液晶材料リッチな領域と、重合性材料の比率が高い重合性材料リッチな領域とを予め形成しておく。このようにして予め重合性材料の濃度が高い領域を形成しておいてから重合反応を起こさせると、相分離を明確に行うことができる。このとき、熱的に液晶材料と重合性材料との混合エネルギーが高い、すなわち液晶材料と重合性材料とが混合しにくいほど、液晶材料と重合性材料との分離を行いやすい。
【0110】
【発明の効果】
本発明によると、高開口率で広視野角特性を有し、生産性に優れ、光の着色現象が効果的に抑制された液晶光学素子が提供される。また、本発明によると、高開口率で広視野角特性を有し、生産性に優れる液晶光学素子を表示品位の低下を伴うことなく製造することができる液晶光学素子の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による実施形態の液晶光学素子100を模式的に示す断面図である。
【図2】(a)および(b)は、液晶光学素子100を模式的に示す斜視図であり、(a)は、一対の電極層間に所定の電圧が印加された状態を示し、(b)は、(a)とは逆の極性の電圧が印加された状態を示す図である。
【図3】(a)〜(f)は、本発明による実施形態の液晶光学素子1000の製造工程を模式的に示す工程断面図である。
【図4】従来の液晶光学素子1000を模式的に示す断面図である。
【図5】(a)および(b)は、液晶光学素子1000を模式的に示す斜視図であり、(a)は、一対の電極間に所定の電圧が印加された状態を示し、(b)は、(a)とは逆の極性の電圧が印加された状態を示す図である。
【図6】(a)および(b)は、液晶光学素子1000において発生する光の着色現象を説明するための図である。
【符号の説明】
10、20 基板
12、22 電極層
14、24 配向層
16、26 スイッチング層
16a、26a 分子
18、28 偏光板
30 液晶層
30a 液晶分子
100 液晶光学素子
100a 液晶セル
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶光学素子および液晶光学素子の製造方法に関し、特に、文字、図形等を表示する表示装置や、入射光の透過光量を変化させる調光装置、光シャッターなどに用いられる液晶光学素子および液晶光学素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、液晶表示装置は、薄型、軽量、低消費電力という特徴を生かして、テレビやコンピュータのディスプレイ、あるいは携帯機器の表示部などに広く用いられている。
【0003】
従来のTN(ツイストネマチック)モード、STN(スーパーツイストネマチック)モードの液晶表示装置は、視野角が狭いという欠点を有しており、それを解決するために、液晶層の液晶分子が面内スイッチングするモードが提案されている。
【0004】
液晶分子が面内スイッチングするモードの1つとして、ネマチック液晶層を用い、櫛歯状の電極によって液晶層の層面に平行な電界(横電界)を発生させるモードが提案されている。また、液晶層として強誘電性液晶層や反強誘電性液晶層を用いるモードも提案されている。これらのモードでは、液晶分子の配向方向が液晶層の層面に平行な面に沿って変化するので、これらのモードの液晶表示装置は広視野角特性を有する。
【0005】
しかしながら、横電界を発生させるモードでは、櫛歯状の電極上には電界が発生せず、電極上の液晶層は表示に寄与しないので、開口率の低下が大きいという問題がある。横電界を発生させるためには、少なくとも2本の電極(隣接する2本の電極には互いに異なる電位が与えられる)を絵素領域内に配置する必要があり、また、電極間距離を短くして十分に強い横電界を発生させるために、通常は、数本の電極が配置されるが、印加電圧に応答して表示に寄与するのは電極間の領域のみである。たとえ透明材料を用いて電極を形成したとしても、電極上には電界が発生しないので、その上の液晶層は印加電圧に対して応答せず、表示に寄与しない。そのため、横電界を用いるモードは、電極上の液晶層を表示に寄与させることができる、縦電界を用いるモードに比べると、原理的に開口率の低下が発生してしまう。
【0006】
また、強誘電性液晶層や反強誘電性液晶層を用いるモードでは、セル厚を2μm程度以下とする必要があり、そのような狭いセル厚で液晶分子の配向を無欠陥状態にしなければコントラスト比の低下が発生するので、製造プロセス上の難点があり、そのために安定な生産が難しいという問題がある。
【0007】
そこで、このような問題を解決できる液晶光学素子として、特許文献1は、ネマチック液晶材料からなる液晶層と、この液晶層の両側に配置された強誘電性液晶材料からなる2つの液晶層とを備えた液晶光学素子を開示している。図4に、特許文献1に開示されている液晶光学素子1000を示す。
【0008】
液晶光学素子1000は、図4に示したように、一対の基板1010および1020と、これらの基板1010および1020間に挟持された第1の液晶層1016、第2の液晶層1030および第3の液晶層1026とを有している。
【0009】
基板1010および1020の液晶層(第1、第2および第3の液晶層1016、1030および1026)側の表面に、電極1012および1022が形成されており、電極1012および1022を覆うように配向層1014および1024が形成されている。また、基板1010および1020の外側に偏光板1018および1028が設けられている。
【0010】
配向層1014および1024上に、第1および第3の液晶層1016および1026がそれぞれ設けられ、第1の液晶層1016と第3の液晶層1026との間に第2の液晶層1030が設けられている。第1および第3の液晶層1016および1026は、強誘電性の高分子液晶材料から形成されている。第2の液晶層1030は、ネマチック液晶材料から形成されている。
【0011】
液晶光学素子1000の動作を図5(a)および(b)を参照しながら説明する。図5(a)は、電極1012および1022間に所定の電圧が印加された状態を示し、図5(b)は、図5(a)とは逆の極性の電圧が印加された状態を示している。
【0012】
液晶光学素子1000においては、第1の液晶層1016および第3の液晶層1026に含まれる液晶分子1016aおよび1026aは、図5(a)および(b)に示すように、電極1012と電極1022との間に印加された電圧に応じて第2の液晶層1030の層面に(基板1010および1020の基板面に)平行な面に沿って面内スイッチングする。また、第1の液晶層1016と第3の液晶層1026との間に設けられた第2の液晶層1030に含まれる液晶分子1030aは、第1の液晶層1016および第3の液晶層1026の液晶分子1016aおよび1026aの影響を受けて面内スイッチングする。
【0013】
このように、液晶光学素子1000においては、液晶分子1030aが面内スイッチングするので、液晶光学素子1000を表示装置に用いると広視野角特性が得られる。また、電極1012および1022としては透明電極を用いることができるので、高開口率が得られる。さらに、液晶光学素子1000においては、セル厚を狭くする必要がないので、製造プロセス上の制約が少なく、製造が容易である。
【0014】
液晶光学素子1000は、例えば以下のようにして製造される。
【0015】
まず、基板(例えばガラス基板)1010上に透明で導電性を有するITOを用いて電極1012を形成する。次に、電極1012を覆うようSiOxを用いて配向層1014を形成する。続いて、光重合性を有する液晶材料を用いて第1の液晶層1016を形成する。
【0016】
次に、同様にして、基板1020上に電極1022、配向層1024、第3の液晶層1026を形成する。
【0017】
その後、基板1010と基板1020とを、第1の液晶層1016が形成された表面および第3の液晶層1026が形成された表面が内側になるように貼り合わせ、続いて、基板1010と基板1020との間に真空下で液晶材料を注入することによって第2の液晶層1030を形成する。
【0018】
【特許文献1】
国際公開第00/03288号パンフレット
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図4、図5(a)および(b)に示した液晶光学素子1000においては、斜め方向(基板面法線方向から傾斜した方向)から観察したときに着色現象が発生するという問題がある。具体的には、図6(a)に示すように液晶分子1016aの長軸方向から観察したときには、光が青色味がかり、図6(b)に示すように液晶分子1016aの短軸方向から観察したときには、光が黄色味がかる。つまり、液晶光学素子1000においては、第2の液晶層1030を斜め(層法線方向から傾斜した方向)に通過する光の青色味化や黄色味化が発生してしまう。これは、液晶分子のリタデーションが波長分散性(波長依存性)を有しているためである。
【0020】
また、上記特許文献1に開示されている液晶光学素子1000の製造方法においては、一対の基板1010および1020のそれぞれの表面に第1の液晶層116、第3の液晶層1026を形成した後に貼り合わせ、その後に第2の液晶層1030となる液晶材料を注入するので、その課程で、第1および第3の液晶層1016および1026が空気に接触し、その配向状態が乱れてしまう。より具体的には、空気との界面近傍では、液晶分子が、疎水基を空気側に向け、親水基を液晶層の内側に向けようとする(シャボン玉と同様の原理である)結果、垂直に配向してしまう。そのため、第2の液晶層1030の液晶分子の一部が、第1および第3の液晶層1016および1026の影響を受けて垂直に配向してしまう。その結果、その部分が表示(輝度)ムラとなり、表示品位が低下してしまう。
【0021】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、高開口率で広視野角特性を有し、生産性に優れ、光の着色現象が効果的に抑制された液晶光学素子を提供することにある。また、本発明による他の目的は、高開口率で広視野角特性を有し、生産性に優れる液晶光学素子を、表示品位の低下を伴うことなく製造することができる製造方法を提供することにある。
【0022】
【課題を解決するための手段】
本発明による液晶光学素子は、一対の基板と、前記一対の基板の間に設けられた第1の液晶層と、前記一対の基板の前記第1の液晶層側に設けられ、前記第1の液晶層を介して互いに対向する一対の電極層と、前記一対の電極層と前記第1の液晶層との間に設けられた一対のスイッチング層であって、前記一対の電極層間に印加された電圧に応じて前記第1の液晶層の層面に平行な面に沿って配向方向が変化する分子を含む一対のスイッチング層と、を有し、前記第1の液晶層は、前記一対のスイッチング層に含まれる前記分子の配向方向の変化に応じて配向状態が変化する、液晶光学素子であって、前記一対のスイッチング層の一方に含まれる前記分子と他方に含まれる前記分子とは、互いに鏡像体としての挙動を示し、そのことによって上記目的が達成される。
【0023】
典型的には、前記一対のスイッチング層の一方に含まれる前記分子と他方に含まれる前記分子とは、前記一対の電極層間に電圧が印加されたときに、互いに反対方向に配向方向が変化する。
【0024】
前記一対のスイッチング層と前記一対の電極層との間に設けられた一対の配向層を有し、前記一対の配向層の一方が含む分子と他方が含む分子とは、互いに鏡像体である構成としてもよい。
【0025】
前記一対のスイッチング層の一方に含まれる前記分子と他方に含まれる前記分子とは、互いに鏡像体である構成としてもよい。
【0026】
典型的には、前記一対のスイッチング層は、液晶材料を含む第2および第3の液晶層である。
【0027】
前記一対のスイッチング層に含まれる前記液晶材料はスメクチック相を呈することが好ましい。
【0028】
前記一対のスイッチング層に含まれる前記液晶材料は、強誘電性、反強誘電性およびフェリ誘電性の少なくとも1つを示すことが好ましい。
【0029】
前記一対のスイッチング層に含まれる前記液晶材料は高分子液晶材料であってもよい。
【0030】
前記一対のスイッチング層は高分子材料を含んでもよい。
【0031】
前記液晶層はネマチック相を呈する液晶材料を含むことが好ましい。
【0032】
前記液晶層に含まれる前記液晶材料の誘電異方性が負であることが好ましい。
【0033】
前記液晶層に含まれる前記液晶材料の誘電異方性が略ゼロであることが好ましい。
【0034】
本発明による液晶光学素子の製造方法は、一対の基板と、前記一対の基板の間に設けられた液晶層と、前記一対の基板の前記液晶層側に設けられ、前記液晶層を介して互いに対向する一対の電極層と、前記一対の電極層と前記液晶層との間に設けられた一対のスイッチング層であって、前記一対の電極層間に印加された電圧に応じて前記液晶層の層面に平行な面に沿って配向方向が変化する分子を含む一対のスイッチング層と、を有し、前記液晶層は、前記一対のスイッチング層に含まれる前記分子の配向方向の変化に応じて配向状態が変化する、液晶光学素子の製造方法であって、液晶材料を含む混合材料を用意する工程と、表面に前記一対の電極層が形成された前記一対の基板を用意する工程と、前記用意された一対の基板を所定の間隙を介して貼り合わせる工程と、前記貼り合わされた一対の基板間に前記混合材料を注入する工程と、前記注入された混合材料を相分離させることによって、前記一対の電極層上に前記一対のスイッチング層を形成するとともに、前記一対のスイッチング層間に前記液晶層を形成する工程と、を包含し、そのことによって上記目的が達成される。
【0035】
前記一対の基板を貼り合わせる工程の前に、互いに鏡像体である第1および第2の配向層材料を用意する工程と、前記一対の電極層の一方上に、前記第1配向層材料を用いて第1配向層を形成する工程と、前記一対の電極層の他方上に、前記第2配向層材料を用いて第2配向層を形成する工程と、をさらに包含することが好ましい。
【0036】
前記混合材料は、重合性材料を含み、前記一対のスイッチング層と前記液晶層とを形成する工程は、前記重合性材料を前記一対の電極層上において選択的に重合する工程を包含してもよい。
【0037】
前記重合性材料を重合する工程は、前記混合材料に光を照射する工程を包含してもよい。
【0038】
前記重合性材料を重合する工程は、前記混合材料を加熱する工程を包含してもよい。
【0039】
前記混合材料は、ネマチック液晶材料と、スメクチック液晶材料とを含み、前記一対のスイッチング層と前記液晶層とを形成する工程は、前記ネマチック液晶材料を含むように前記液晶層を形成するとともに、前記スメクチック液晶材料を含むように前記一対のスイッチング層を形成する工程であることが好ましい。
【0040】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明による実施形態の液晶光学素子およびその製造方法を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【0041】
図1および図2(a)および(b)を参照しながら、本発明による実施形態の液晶光学素子100の構造と動作とを説明する。図1は、液晶光学素子100を模式的に示す断面図であり、図2(a)および(b)は、液晶光学素子100を模式的に示す斜視図である。図2(a)は、一対の電極層間に所定の電圧が印加された状態を示し、図2(b)は、図2(a)とは逆の極性の電圧が印加された状態を示している。
【0042】
液晶光学素子100は、図1に示したように、液晶セル100aと、液晶セル100aを介して対向するように配置された一対の偏光板18および28とを有する。
【0043】
液晶セル100aは、一対の基板10および20と、基板10と基板20との間に設けられた液晶層30とを有する。液晶層30は、典型的には、ネマチック相を呈する液晶材料を含むネマチック液晶層である。
【0044】
基板10の液晶層30側に電極層12が設けられており、基板20の液晶層30側に電極層22が設けられている。これら一対の電極層12および22は液晶層30を介して互いに対向している。電極層12および22は、単一の連続した導電層である必要はなく、電気的に独立した複数の電極をそれぞれ含んでもよい。
【0045】
一対の電極層12および22と液晶層30との間に、一対のスイッチング層16および26が設けられている。スイッチング層16および26は、図2(a)および(b)に示したように、電極層12と電極層22との間に印加された電圧に応じて液晶層30の層面に(基板10および20の基板面に)平行な面に沿って配向方向が変化する分子16aおよび26aをそれぞれ含んでいる。つまり、スイッチング層16および26に含まれる分子16aおよび26aは、液晶層30の層法線方向に沿った電界(縦電界)によって面内スイッチングする。
【0046】
スイッチング層16および26は、典型的には、液晶材料を含む液晶層であり、例えば、ネマチック相、スメクチック相あるいはコレステリック相を呈する液晶材料を含んでいる。スイッチング層16および26が含む液晶材料として、強誘電性、反強誘電性およびフェリ誘電性の少なくとも1つを示す液晶材料を用いると、縦電界に応じた液晶分子の面内スイッチングを容易に実現することができる。スメクチック相は、強誘電性や反強誘電性あるいはフェリ誘電性を示しやすいので、スイッチング層16および26は、スメクチック相を呈する液晶材料を含んでいることが好ましい。
【0047】
スイッチング層16および26は、配向規制力を有する表面上に設けられていることが好ましい。本実施形態では、電極層12および22上に配向層14および24が形成されており、スイッチング層16および26は、配向層14および24上に形成されている。配向層14および24は、水平配向性であることが好ましい。配向層14および24としては、例えば、TNモードやSTNモードの液晶表示装置等に用いられる通常の配向膜(ポリイミド等からなる)を用いることができる。ポリイミド等の配向膜は、ポリイミド等が溶剤に溶け込んでいる可溶性タイプであってもよいし、焼成することによってポリイミド化する焼成タイプであってもよい。また、配向膜には、十分な配向規制力を得るためにラビング等の配向処理が施されていることが好ましい。あるいは、配向膜としてポリビニルシンナメート、ポリイミド薄膜等の有機薄膜を用い、紫外線を照射することによって光配向処理を施してもよい。さらに、SiOxなどを基板面に対して斜め方向から蒸着することによって基板表面に配向規制力を付与してもよい。
【0048】
なお、強誘電性、反強誘電性、フェリ誘電性を示す相よりも高い温度領域でスメクチックA相やネマチック相を呈する液晶材料は、配向制御が容易であるので、スイッチング層16および26の配向制御を容易にする観点からは、スイッチング層16および26に含まれる液晶材料としてこのような材料を用いることが好ましい。
【0049】
また、本発明による液晶光学素子100においては、一対のスイッチング層16および26の一方に含まれる分子(例えばスイッチング層16の分子16a)と他方に含まれる分子(例えばスイッチング層26の分子26a)とは、互いに鏡像体としての挙動を示す。
【0050】
従って、一方のスイッチング層16の分子16aと他方のスイッチング層26の分子26aとは、ある極性の印加電圧に対して自発分極が互いに反転しているものとして振る舞う。そのため、スイッチング層16の分子16aと、スイッチング層26の分子26aとは、電極層12および22間に電圧が印加されたとき、図2(a)および(b)に示したように、互いに反対方向に配向方向が変化(すなわち面内スイッチング)する。
【0051】
スイッチング層16および26と、液晶層30との界面近傍では、スイッチング層16および26の分子16aおよび26aの配向方向に沿うように、液晶層30の液晶分子30aが配向する。液晶分子30aがこのように配向するのは、排除体積効果などに起因する。排除体積効果とは、分子がその周囲に他の分子を立ち入らせない領域(排除体積)を有しているので、分子同士は排除体積による斥力を小さくするように(エネルギー的に安定になるように)互いに平行に並ぶように配向する現象である。
【0052】
液晶層30の中央付近の液晶分子30aは、界面近傍の液晶分子30aの配向と連続するように(整合するように)配向する。そのため、スイッチング層16の分子16aとスイッチング層26の分子26aとが同じ方位角方向に配向している場合には、図2(a)に示したように、液晶層30の液晶分子30aは、ツイスト角がゼロのホモジニアス配向となる。また、スイッチング層16の分子16aとスイッチング層26の分子26aとが異なる方位角方向に配向している場合には、図2(b)に示したように、液晶層30の液晶分子30aは、ツイスト配向となる。
【0053】
上述したように、スイッチング層16および26の間に位置する液晶層30は、スイッチング層16および26に含まれる分子16aおよび26aの配向方向の変化に応じて配向状態が変化する。
【0054】
この配向状態の変化を利用して液晶層30を通過する光を変調することによって表示を行うことができる。例えば、偏光板18および28がクロスニコルに配置されている場合、図2(a)に示したように液晶層30がホモジニアス配向をとっている状態で黒表示を行うことができ、図2(b)に示したように液晶層30がツイスト配向をとっている状態で白表示を行うことができる。
【0055】
本発明による液晶光学素子100においては、液晶層30の液晶分子30aが面内スイッチングすることによって表示が行われるので、広視野角特性が得られる。また、スイッチング層16および26への電圧の印加を行う電極層12および22として透明電極を用いることができるので、高開口率が実現される。さらに、セル厚を薄く(例えば約2μm以下程度)する必要がないので、製造プロセス上の難点が少なく、生産性に優れている。また、スイッチング層16および26は、液晶層30の液晶分子30aの配向に影響を与えることができる程度の厚さを有せばよく、光学変調に寄与しない程度にスイッチング層16および26の厚さを薄くできるので、製造プロセスにおいてスイッチング層16および26に配向不良(配向欠陥)が発生しても表示のコントラスト比が低下することがない。
【0056】
また、本発明による液晶光学素子100においては、一方のスイッチング層16の分子16aと、他方のスイッチング層26の分子26aとは、電極層12および22間に電圧が印加されたとき、互いに反対方向に配向方向が変化する。そのため、液晶層30がツイスト配向した状態で白表示を行うことができるので、斜め方向から観察したときの光の着色現象が抑制される。これは、液晶層30がツイスト配向していると、液晶層30の上側半分と下側半分とが互いに補色の関係を有する色味に光の波長帯域をシフトさせるので、液晶層30の厚さ方向に沿った光学補償が実現されるからである。例えば、液晶層30の下側半分が光を青色味がからせる場合には、液晶層30の上側半分は光を黄色味がからせるので、結果として光の着色が抑制される。
【0057】
さらに、本発明による液晶光学素子100においては、一方のスイッチング層16に含まれる分子16aと他方のスイッチング層26に含まれる分子26aとは、互いに鏡像体としての挙動を示す。そのため、着色現象の発生が効果的に抑制された、高品位の表示を行うことができる。以下、さらに詳しく説明する。
【0058】
スイッチング層の分子が面内スイッチングするときの傾き角θやその応答速度τは、液晶光学素子の表示品位に大きな影響を与えるので、一方のスイッチング層の分子と他方のスイッチング層の分子とで傾き角θや応答速度τは同じであることが好ましい。
【0059】
ところが、これらは温度などに依存して変化する。例えば液晶材料が強誘電性、反強誘電性、フェリ誘電性などを示す場合、応答速度τはτ=η/Ps・Eで表される。ここで、η、Ps、Eはそれぞれ粘度、自発分極、電場を示す。一般には、自発分極Psや傾き角θの温度変化はPs∝θ∝(Tc−T)βである(βは理論的には0.5、実験的には0.3〜0.4)ので、傾き角θや応答速度τは温度に依存して変化する。
【0060】
一方のスイッチング層の分子と他方のスイッチング層の分子とが、傾き角θや応答速度τに関して同じ特性(温度特性等)を有していない場合、ある条件において両方のスイッチング層の分子の傾き角θや応答速度τを互いに同じになるように設定しても、条件が変化(例えば温度が変化)したときには、一方の分子の傾き角θや応答速度τが他方の分子のそれとは異なってしまうので、着色現象を効果的に抑制できず、また、高品位の表示を行うことができない。
【0061】
互いに鏡像体である分子同士では、傾き角θなどの温度特性等がほぼ同じである。例えば、TFMHPDOPBと呼ばれる液晶材料では、その傾き角θがR体とS体とで同じ温度特性を持つ(A.Ikeda et al., Jpn. J. Appll. Phys. 30, L1032(1991)のFig.3(a))。
【0062】
従って、本発明による液晶光学素子100のように、一方のスイッチング層16の分子16aと、他方のスイッチング層26の分子26aとが、互いに鏡像体としての挙動を示すと、傾き角θなどが同じ特性(温度特性等)を示すので、着色現象を効果的に抑制することができ、また、高品位の表示を行うことができる。
【0063】
一方のスイッチング層16の分子16aと他方のスイッチング層26の分子26aとが、互いに鏡像体としての挙動を示すためには、例えば、一方のスイッチング層16の分子16aと他方のスイッチング層26の分子26aとが互いに鏡像体であればよい。
【0064】
また、本願発明者は、スイッチング層16および26の下面に設けられた一対の配向層14および24の一方が含む分子と他方が含む分子とが互いに鏡像体であると、一方のスイッチング層16の分子16aと他方のスイッチング層26の分子26aとが、互いに鏡像体としての挙動を示すことを見出した。例えば、S体の分子を含む配向層上に設けられたスイッチング層の分子は、印加電圧(縦電界)に応じてS体としての挙動を示し、R体の分子を含む配向層上に設けられたスイッチング層の分子は、印加電圧(縦電界)に応じてR体としての挙動を示す。そのため、S体の分子を含む配向層上に設けられたスイッチング層の分子と、R体の分子を含む配向層上に設けられたスイッチング層の分子とは、電圧が印加されたときに、互いに反対方向に面内スイッチングする。
【0065】
スイッチング層がこのような挙動を示す理由は、配向層の分子が鏡像体(光学異性体)であると、その界面のエネルギー的な対称性が低下するからと考えられる。すなわち、配向層の分子が鏡像体であると、配向層に接して配向しているスイッチング層の分子を左にスイッチングさせる場合と、右にスイッチングさせる場合とでエネルギー差が生じるので、スイッチング層のエネルギー的な対称性も低下していることになり、そのため、スイッチング層の分子が鏡像体と等価な挙動を示すと考えられる。
【0066】
なお、鏡像体である配向層の分子は、双極子モーメントの大きい官能基を有することが好ましく、スイッチング層の分子も、双極子モーメントの大きい官能基を有することが好ましい。配向層の分子とスイッチング層の分子の両方が双極子モーメントの大きい官能基を有していると、これらの双極子−双極子相互作用によって上述したような挙動が発現しやすくなる。
【0067】
スイッチング層16および26の厚さは、100nm以上200nm以下であることが好ましい。厚さが100nmより薄いと、基板表面のアンカリング効果が顕著となるのでスイッチング層16および26内の分子16aおよび26aが動きにくくなることがある。また、厚さが200nmより厚いと、スイッチング層16および26内の分子16aおよび26aが基板面に垂直な方向に立ち上がるようになることがあり、面内でのスイッチングがしにくくなることがある。また、スイッチング層16および26の厚さが可視光の波長より小さい100nm以上200nm以下程度であると、スイッチング層16および26が光の変調に光学的に寄与しないので、スイッチング層16および26に配向不良が発生してもコントラスト比の低下を招くことがない。
【0068】
また、スイッチング層16および26が液晶材料を含む(液晶層である)場合には、スイッチング層16および26が高分子液晶材料や高分子材料を含むことが好ましい。液晶材料自身を高分子化したり、高分子材料のネットワークを液晶層であるスイッチング層16および26中に形成したりすることによって、スイッチング層16および26と液晶層30との相溶性を低下させることができるので、これらが混じり合うことによる特性の劣化を防止することができる。
【0069】
具体的には、例えば、スイッチング層16および26の材料として、強誘電性を示す液晶材料に、重合性化合物と重合開始剤とを混入させたものを用いる。このとき、スイッチング層16および26の一方の材料にはS体の液晶材料を用い、他方の材料にはR体の液晶材料を用いる。
【0070】
重合性化合物としては、液晶性(メタ)アクリレートやエポキシアクリレートなどを用いることが出来る。
【0071】
液晶性(メタ)アクリレートとしては、液晶骨格と重合性官能基とを分子内に有する化合物であれば、特に制限なく用いることができるが、中間調表示と低電圧駆動を両立するためには、液晶骨格と重合性官能基との間にメチレンスペーサーがない単官能液晶性(メタ)アクリレートを用いることが好ましく、2つの6員環を有する液晶骨格を部分構造として有する環状アルコール、フェノールまたは芳香族ヒドロキシ化合物のアクリル酸またはメタクリル酸エステルである単官能(メタ)アクリレートを用いることがさらに好ましい。このような単官能(メタ)アクリレートは、(メタ)アクリロイルオキシ基と液晶骨格の間に、アルキレン基またはオキシアルキレン基などの柔軟性の連結基がない。そのため、この種の単官能(メタ)アクリレートを重合させて得られる重合体の主鎖には、連結基を介さず直接剛直な液晶骨格が統合し、液晶骨格の熱運動が高分子主鎖により制限されるので、スイッチング層に含まれる液晶分子の配向をより安定化させると考えられる。
【0072】
このような化合物としては、例えば下記[化1]で表せるものを挙げることができる。特に、[化1]においてXが水素原子またはメチル基を表し、nが0または1の整数を表し、6員環A、BおよびCが、1,4−フェニレン基、または1,4−トランスシクロヘキシル基を表し、Y1およびY3が単結合、Y2がハロゲン原子、シアノ基、炭素数1〜20のアルキル基またはアルコキシル基を表す化合物が、室温近傍で液晶相を示すため好ましい。
【0073】
【化1】
【0074】
エポキシアクリレートとしては、例えば、ビスフェノールA型エポキシアクリレート、ブロム化ビスフェノールA型エポキシアクリレート、フェノールノボラック型エポキシアクリレートなどを用いることができる。エポキシアクリレートは、1分子中に光照射により重合するアクリル基と加熱により重合するカルボニル基、水酸基を併せ持っているので、硬化法として光照射法と加熱法とを併せて用いることによって、少なくともどちらか一方の官能基が反応して未反応部分がなくなり、十分な重合(硬化)を行うことができる。
【0075】
スイッチング層16および26内における、重合性化合物を含む硬化性組成物の硬化した部分の濃度は、0.05重量%〜10重量%の範囲内であることが好ましい。硬化した部分の濃度が0.05%未満であると、重合性化合物の液晶骨格の配向方向と強誘電性液晶材料の配向方向とのなす平均角度をほぼ同じ方向にすることができず、また10%より多いと、駆動電圧が増大してしまう。
【0076】
重合性化合物を光や熱により重合して高分子化するためには、重合開始剤を添加することが好ましい。重合開始剤を添加することによって重合を迅速に行うことができる。重合開始剤としては、メチルエチルケトンパーオキサイド、ベンゾイルパーオキサイド、キュメンハイドロイドパーオキサイド、ターシャリブチルパーオクトエート、ジクミルパーオキサイドや、ベンゾイルアルキルエーテル系、アセトフェノン系、ベンゾフェノン系、キサントン系ベンゾインエーテル系、ベンジルケタール系の重合開始材などを用いることができる。市販品では、例えば、メルク社製のダロキュア1173、1116、チバケミカル社製のイルガキュア184、369、651、907、日本化薬社製のカヤキュアDETX、EPA、ITAなどをそのまま、あるいは適宜混合して用いることができる。重合開始剤の添加量は、重合性化合物に対して10重量%以下であることが好ましい。10重量%より多く添加すると重合開始剤が不純物として作用し液晶材料の比抵抗が低下する。
【0077】
また、スイッチング層16および26中の液晶材料の安定性を向上させるために安定剤を添加しても良い。安定剤としては、例えば、ヒドロキノン、ヒドロキノンアルキルエーテル類、第3ブチルカテコール類などを用いることができる。安定剤の添加量は、重合性化合物に対して1重量%以下であることが好ましい。1重量%より多く添加すると安定剤が不純物として作用し液晶材料の比抵抗が低下する。
【0078】
上述したような重合性化合物を含むスイッチング層16および26の材料を配向処理が施された基板に塗布した後、光照射、加熱を行うことによって、重合性化合物を高分子化し、スイッチング層16および26中に高分子のネットワークを形成することができる。光重合性化合物を光照射により高分子化させる工程における光の照射量は、使用する液晶材料や光重合開始剤の種類、さらにその濃度に応じて適宜設定すればよいが、50mJ/cm2〜10000mJ/cm2の範囲内であることが好ましい。照射量が50mJ/cm2未満であると光重合性化合物が完全に硬化しないことがあり、また、照射量が10000mJ/cm2を超えると液晶材料が著しく光劣化することがある。
【0079】
スイッチング層16および26間に配置される液晶層30は、典型的にはネマチック液晶材料を含んでいる。液晶層30に含まれる液晶材料として、誘電異方性が正である液晶材料を用いると、電極層12および22間に電圧が印加されたときに、液晶分子30aは、スイッチング層16および26の分子16aおよび26aの影響を受けて面内スイッチングするとともに、電圧の影響を受けて面外にもスイッチング(液晶層30の層面に平行な面に沿わない方向に配向方向が変化)する。これに対して、誘電異方性が負である液晶材料または誘電異方性が略ゼロの液晶材料を用いると、電圧が印加されたときに液晶分子30aが面外にスイッチングしないので、液晶分子30aの面内スイッチングを好適に行うことができる。特に、誘電異方性が負である液晶材料を用いると、電圧が印加されたときに、液晶分子30aに対して液晶分子30aを液晶層30の層面に平行に配向させる配向規制力が働くので、安定した水平配向状態を実現することができる。なお、誘電異方性が略ゼロである液晶材料は、誘電異方性が正の液晶材料と誘電異方性が負の液晶材料とを適宜混合することによって得ることができる。
【0080】
上述した構造を有する液晶光学素子100は、例えば、一対の基板10および20の表面にスイッチング層16および26をそれぞれ形成した後に貼り合わせ、その後に液晶層30となる液晶材料を注入することによって製造できる。ただし、このようにして製造すると、製造工程において、スイッチング層16および26が空気に接触してその配向状態が乱れてしまうことがあり、そのため、表示(輝度)ムラが発生して表示品位が低下することがある。これに対して、以下の製造方法を用いて液晶光学素子100を製造すると、スイッチング層16および26の配向の乱れが抑制され、表示品位の低下が発生しない。
【0081】
図3(a)〜(f)を参照しながら、本発明による液晶光学素子100の製造方法を説明する。
【0082】
まず、図3(a)に示すように、表面に電極層12および22が形成された基板10および20を用意する。基板10および20の材料としては、ガラス、プラスチック、金属等を用いることができる。また、カラーフィルタを有する基板を用いたり、顔料や色素等を基板中に分散させたりすることによって、カラー化が実現される。電極層12および22の材料としては、例えばITO(インジウム錫酸化物)を用いることができる。また、ポリピロールなどの有機導電性薄膜を用いてもよい。
【0083】
また、互いに鏡像体である第1および第2の配向層材料を用意しておく。第1および第2の配向層材料としては、例えば、側鎖部分に不斉炭素を有するポリイミドなどの高分子材料を用いることができる。側鎖は、強誘電性を示す液晶材料と同じかあるいは類似の構造であることが好ましく、また、大きな双極子モーメントを示す官能基を有することが好ましい。
【0084】
続いて、図3(b)に示すように、基板10上に形成された電極層12上に第1配向層材料を用いて配向層14を形成し、基板20上に形成された電極層22上に第2配向層材料を用いて配向層24を形成する。本実施形態では、配向層14および24には、ラビング方向が互いに平行または反平行になるようにラビング処理を施しておく。このことにより、図2(a)に示したようなツイスト角がゼロの状態が実現される。ただし、配向層14および24に大きな分極が生じているなどの理由から、電圧無印加時にもラビング方向に対して配向方向が傾いてしまう場合には、あらかじめこの角度を考慮してラビング方向を設定することが好ましい。
【0085】
次に、図3(c)に示すように、表面に配向層14が形成された基板10と表面に配向層24が形成された基板20とを所定の間隙を介して貼り合わせる。基板10と基板20との間隔は、約1μm〜約10μm程度であることが好ましい。間隔が1μmより小さいと、面内スイッチングによる十分な光学変調が得られないことがある。また、間隔が10μmより大きいと、液晶層30の層法線方向の中央部で面内スイッチングの応答時間が長くなり、動画表示品位が低下してしまうことがある。基板10と基板20との間隔を制御するためには、通常の液晶表示装置のセルギャップの制御に用いられるロッド状、球状あるいは柱状のスペーサを用いることができる。本実施形態では、直径が約4μmの球状スペーサを用いる。
【0086】
また、任意の時点で、液晶材料を含む混合材料を用意しておく。本実施形態では、ネマチック液晶材料と、スメクチック液晶材料と、重合性材料とを含む混合材料を用意する。
【0087】
続いて、図3(d)に示すように、貼り合わされた一対の基板10および20間に混合材料40を注入する。
【0088】
その後、図3(e)に示すように、注入された混合材料40を相分離させることによって、一対の電極層12および22上(ここではより厳密には第1配向層14および第2配向層24上)に一対のスイッチング層16および26を形成するとともに、一対のスイッチング層16および26間に液晶層30を形成する。つまり、混合材料を単一の相にある状態から相分離させ、分離した状態で固定化(安定化)することによって、一対のスイッチング層16および26と液晶層30とを形成する。本実施形態では、ネマチック液晶材料を含むように液晶層30を形成するとともに、スメクチック液晶材料を含むように一対のスイッチング層16および26を形成する。
【0089】
混合材料40の相分離は、例えば、混合材料40中の成分同士の科学的、物理的性質の差や、これらの成分と基板表面との界面の性質を利用して行われる。また、相分離した状態の固定化は、本実施形態では、混合材料40中に重合性材料を混入しておき、この重合性材料を電極層12および22上(第1配向層14および第2配向層24上)において選択的に重合することによって行われる。重合性材料が光重合性材料である場合には、重合性材料を重合する工程は、混合材料40に光を照射することによって施されるし、重合性材料が熱重合性材料である場合には、混合材料40を加熱することによって施される。なお、相分離した状態で重合性材料の重合を開始してもよいし、重合を開始することによって、相分離を誘発し、その後重合を続けることによって分離した状態を固定化してもよい。
【0090】
最後に、図3(f)に示すように、一対の偏光板18および28を一対の基板10および20の外側(液晶層30とは反対側)に設けることによって、液晶光学素子100が完成する。
【0091】
上述した本発明による液晶光学素子100の製造方法においては、スイッチング層16および26が空気に接触することがないので、スイッチング層16および26の配向の乱れが抑制される。そのため、表示(輝度)ムラの発生が抑制され、表示品位の低下が抑制される。
【0092】
ここで、一対のスイッチング層16および26と液晶層30とを形成する工程における、混合材料40の相分離と相分離した状態の固定化についてより詳しく説明する。
【0093】
スメクチック相を呈するスメクチック液晶材料に重合性ネマチック液晶材料を添加する場合、重合性ネマチック液晶材料の割合が多いと、スメクチック相からネマチック相への相転移が起こる。次に、重合性ネマチック液晶材料を重合すると、ネマチック相からスメクチック相への相転移が起こる。例えばこの現象を利用することによって、混合材料40の相分離を起こすことができる。
【0094】
より具体的には、スメクチック液晶材料(負の誘電異方性を有することが好ましい)に、ネマチック液晶材料(負の誘電異方性を有することが好ましい)を加えてスメクチック相を不安定化(つまりネマチック相を安定化)させてから、重合性ネマチック液晶材料を加えることによって、混合材料40を調製する。重合性ネマチック液晶材料は、光重合性を有していてもよいし、熱重合性を有していてもよい。
【0095】
この混合材料40を一対の基板10および20間に注入した後、電極層12および22上(第1配向層14および第2配向層24上)において重合性ネマチック液晶材料を選択的に重合すると、重合性ネマチック液晶材料が重合した高分子材料が存在する領域(第1配向層14および第2配向層24近傍の領域)が、スメクチック相を呈するスイッチング層16および26となり、これらの領域の間の領域がネマチック相を呈する液晶層30となる。
【0096】
混合材料40には、スメクチック相の安定化および自発分極の発現のためにカイラル剤が添加されていることが好ましい。また、混合材料40は、形成した液晶層30がネマチック相を呈するように調製されることが好ましく、形成した液晶層30が負の誘電異方性を有するように調製されることが好ましい。重合性ネマチック液晶材料の添加量が多すぎると、スイッチング層16および26を面内スイッチングするためのしきい値電圧の上昇を招くことがあるので、しきい値電圧の低減の観点からは、重合性ネマチック液晶材料の添加量が少ないことが好ましい。また、一般的な重合性ネマチック液晶材料は、誘電異方性が正である場合が多いので、この観点からも添加量が少ないことが好ましいといえる。勿論、負の誘電異方性を有する重合性ネマチック液晶材料を用いることも好ましい。
【0097】
重合性材料を電極層12および22上(第1配向層14および第2配向層24上)において選択的に重合する方法、言い換えると、スイッチング層16および26内あるいはスイッチング層16および26と液晶層30との界面近傍を選択的に高分子化または高分子安定化(完全に高分子化するのではなく、高分子で例えば網目状組織(ネットワーク)などをつくり部分的に高分子化する)する方法としては、例えば以下の4つの方法が挙げられる。これらを単独であるいは組み合わせて用いることによって、注入された混合材料40の特定の領域において選択的に重合を行うことができる。
【0098】
(配向層表面に重合開始剤を塗布)
第1の方法は、配向層14および24の表面に重合開始剤を塗布する方法である。例えば、重合開始剤を重合開始剤に対して不活性な溶媒に溶かし、この溶液を配向層14および24の表面に薄く塗布した後に溶剤を揮発させることによって、配向層14および24の表面に重合開始剤を塗布できる。配向層14および14の表面にこのような処理を施しておくと、基板10および20間に注入された混合材料に光を照射(あるいは混合材料を加熱)したときに、配向層14および24の表面近傍の領域にのみ重合開始剤が存在するためにその領域でのみ重合が行われる。
【0099】
(配向層に重合開始剤を添加)
第2の方法は、配向層14および24に重合開始剤を添加する方法である。例えば、配向層材料を溶媒で希釈するときに重合開始剤を添加しておき、この溶液をスピンコート法などにより基板上に薄く塗布した後に溶媒を揮発させることによって、配向層14および24に重合開始剤を添加することができる。このことによって、混合材料に光を照射(あるいは混合材料を加熱)したときに、配向層14および24の近傍の領域にのみ重合開始剤が存在するためにその領域でのみ重合が行われる。
【0100】
(光を基板表面近傍に選択的に照射)
第3の方法は、光を基板10および20の表面近傍に選択的に照射する方法である。例えば、照射光に、基板面法線方向に沿った強度分布を生じさせることによって、光を基板10および20の表面近傍に選択的に照射することができる。光重合性材料を含む混合材料40に対して強度分布を有する光を照射した場合、照射強度の強い部分では、光重合性材料の重合速度が速く、液晶材料と高分子材料との相分離速度が速いので、高分子材料が早く析出して液晶材料を照射強度が弱い部分へと押し出す。従って、照射強度が弱い部分ではネマチック相が発現し、照射強度が強い部分では光重合性材料の割合が減少してスメクチック相が発現する。あるいは、基板10および20の表面近傍に光吸収性(例えば紫外線吸収性)が高い材料を吸着させることによって実質的に基板10および20の表面近傍でのみ光吸収を行わせてもよい。
【0101】
(表面自由エネルギーの違いを利用して重合性材料を基板表面に集める)
第4の方法は、液晶材料と重合性材料との表面自由エネルギーの違いを利用して重合性材料を基板表面に集める方法である。
【0102】
この方法は、液晶材料と重合性材料とを含む混合材料40を等方相を示す温度で基板10および20間に注入した後、徐冷することによって等方相と液晶相とに相分離させ、その後重合性材料を重合することによってこの状態を固定化する工程を採用する場合に用いることができる。
【0103】
このような工程において、等方相と液晶相との相分離が起きているときには、これら2相のうち少なくとも1相の自由エネルギーを制御することによって、相分離に関係している系全体のエネルギーを、等方相を呈する領域と液晶相を呈する領域とが所望の配置・形状となった場合にもっとも低くなるようにすることができる。より具体的には、2相のうちの少なくとも1相の界面に対する自由エネルギーの制御を空間的かつ選択的にパターン化して行うことによって、基板表面近傍に重合性材料を集めることができる。
【0104】
例えば、液晶相に対する界面自由エネルギーと等方相に対する界面自由エネルギーとが異なる材料を基板表面(ここでは配向層14および24の表面)に塗布する。この材料が塗布されている領域の液晶相に対する界面自由エネルギーおよび等方相に対する界面自由エネルギーと、この材料が塗布されていない領域の液晶相に対する界面自由エネルギーおよび等方相に対する界面自由エネルギーとの関係を適宜設定することによって、等方相を呈する領域と液晶相を呈する領域とを所望の配置・形状とすることができ、このようにして各領域(それぞれの領域で重合性材料の比率が異なる)が配置された状態を重合により固定化することによって、スイッチング層16および26と液晶層30とを形成することができる。具体的には、この材料の表面自由エネルギーをγ1、この材料が塗布されていない領域の表面自由エネルギーをγ2、液晶相の表面自由エネルギーをγL、等方相の表面自由エネルギーをγIとすると、(γ1−γ2)×(γL−γI)>0という関係を満足する場合、すなわち、γ1>γ2且つγL>γIの場合あるいはγ1<γ2且つγL<γIの場合に、基板表面近傍に重合性材料を集めることができる。
【0105】
重合性材料の重合速度が重合性材料の移動速度よりも十分に遅い場合、基板表面に液晶材料に対する親和性が異なる領域が存在すると、相分離した液晶材料が親和性のより高い領域に集まり、親和性のより低い領域に重合性材料を押し出すように相分離が進む。
【0106】
つまり、この方法は、液晶材料と重合性材料とを表面自由エネルギーの違いにより分離する方法といえる。この方法においては、液晶材料と重合性材料との表面自由エネルギーの高低と、基板表面の表面自由エネルギーの高低とが重要である。液晶材料の表面自由エネルギーが重合性材料の表面自由エネルギーよりも高い場合には、基板表面の表面自由エネルギーが高い領域と低い領域とのうち、低い領域で重合が進む。
【0107】
重合性材料中にF(フッ素)原子を有する重合性モノマーを添加すると、重合性材料の表面自由エネルギーが低下するので、相分離の効果がより顕著に現れる。また、フッ素原子を有する重合性モノマーと液晶材料との相溶性は一般的に低いので、フッ素原子を有する重合性モノマーを添加すると、液晶層30とスイッチング層16および26との分離を好適に行うことができる。
【0108】
また、基板表面の重合を進行させたい領域にフッ素原子を含む高分子材料を塗布することによって、表面自由エネルギーを大きく低下させることができる。あるいは、界面活性剤を添加した高分子材料を塗布することによっても表面自由エネルギーを低下させることができる。
【0109】
なお、重合によって相分離を誘発させる前に、液晶材料と重合性材料とを含む混合物を均一化温度以上の温度から、均一化温度以下の温度に徐冷することによって、混合材料に熱的な相分離を起こさせ、液晶材料の比率が高い液晶材料リッチな領域と、重合性材料の比率が高い重合性材料リッチな領域とを予め形成しておく。このようにして予め重合性材料の濃度が高い領域を形成しておいてから重合反応を起こさせると、相分離を明確に行うことができる。このとき、熱的に液晶材料と重合性材料との混合エネルギーが高い、すなわち液晶材料と重合性材料とが混合しにくいほど、液晶材料と重合性材料との分離を行いやすい。
【0110】
【発明の効果】
本発明によると、高開口率で広視野角特性を有し、生産性に優れ、光の着色現象が効果的に抑制された液晶光学素子が提供される。また、本発明によると、高開口率で広視野角特性を有し、生産性に優れる液晶光学素子を表示品位の低下を伴うことなく製造することができる液晶光学素子の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による実施形態の液晶光学素子100を模式的に示す断面図である。
【図2】(a)および(b)は、液晶光学素子100を模式的に示す斜視図であり、(a)は、一対の電極層間に所定の電圧が印加された状態を示し、(b)は、(a)とは逆の極性の電圧が印加された状態を示す図である。
【図3】(a)〜(f)は、本発明による実施形態の液晶光学素子1000の製造工程を模式的に示す工程断面図である。
【図4】従来の液晶光学素子1000を模式的に示す断面図である。
【図5】(a)および(b)は、液晶光学素子1000を模式的に示す斜視図であり、(a)は、一対の電極間に所定の電圧が印加された状態を示し、(b)は、(a)とは逆の極性の電圧が印加された状態を示す図である。
【図6】(a)および(b)は、液晶光学素子1000において発生する光の着色現象を説明するための図である。
【符号の説明】
10、20 基板
12、22 電極層
14、24 配向層
16、26 スイッチング層
16a、26a 分子
18、28 偏光板
30 液晶層
30a 液晶分子
100 液晶光学素子
100a 液晶セル
Claims (18)
- 一対の基板と、
前記一対の基板の間に設けられた第1の液晶層と、
前記一対の基板の前記第1の液晶層側に設けられ、前記第1の液晶層を介して互いに対向する一対の電極層と、
前記一対の電極層と前記第1の液晶層との間に設けられた一対のスイッチング層であって、前記一対の電極層間に印加された電圧に応じて前記第1の液晶層の層面に平行な面に沿って配向方向が変化する分子を含む一対のスイッチング層と、を有し、
前記第1の液晶層は、前記一対のスイッチング層に含まれる前記分子の配向方向の変化に応じて配向状態が変化する、液晶光学素子であって、
前記一対のスイッチング層の一方に含まれる前記分子と他方に含まれる前記分子とは、互いに鏡像体としての挙動を示す、液晶光学素子。 - 前記一対のスイッチング層の一方に含まれる前記分子と他方に含まれる前記分子とは、前記一対の電極層間に電圧が印加されたときに、互いに反対方向に配向方向が変化する、請求項1に記載の液晶光学素子。
- 前記一対のスイッチング層と前記一対の電極層との間に設けられた一対の配向層を有し、
前記一対の配向層の一方が含む分子と他方が含む分子とは、互いに鏡像体である、請求項1または2に記載の液晶光学素子。 - 前記一対のスイッチング層の一方に含まれる前記分子と他方に含まれる前記分子とは、互いに鏡像体である、請求項1または2に記載の液晶光学素子。
- 前記一対のスイッチング層は、液晶材料を含む第2および第3の液晶層である、請求項1から4のいずれかに記載の液晶光学素子。
- 前記一対のスイッチング層に含まれる前記液晶材料はスメクチック相を呈する、請求項5に記載の液晶光学素子。
- 前記一対のスイッチング層に含まれる前記液晶材料は、強誘電性、反強誘電性およびフェリ誘電性の少なくとも1つを示す、請求項5または6に記載の液晶光学素子。
- 前記一対のスイッチング層に含まれる前記液晶材料は高分子液晶材料である、請求項5から7のいずれかに記載の液晶光学素子。
- 前記一対のスイッチング層は高分子材料を含む、請求項5から7のいずれかに記載の液晶光学素子。
- 前記液晶層はネマチック相を呈する液晶材料を含む、請求項1から9のいずれかに記載の液晶光学素子。
- 前記液晶層に含まれる前記液晶材料の誘電異方性が負である、請求項10に記載の液晶光学素子。
- 前記液晶層に含まれる前記液晶材料の誘電異方性が略ゼロである、請求項10に記載の液晶光学素子。
- 一対の基板と、
前記一対の基板の間に設けられた液晶層と、
前記一対の基板の前記液晶層側に設けられ、前記液晶層を介して互いに対向する一対の電極層と、
前記一対の電極層と前記液晶層との間に設けられた一対のスイッチング層であって、前記一対の電極層間に印加された電圧に応じて前記液晶層の層面に平行な面に沿って配向方向が変化する分子を含む一対のスイッチング層と、を有し、
前記液晶層は、前記一対のスイッチング層に含まれる前記分子の配向方向の変化に応じて配向状態が変化する、液晶光学素子の製造方法であって、
液晶材料を含む混合材料を用意する工程と、
表面に前記一対の電極層が形成された前記一対の基板を用意する工程と、
前記用意された一対の基板を所定の間隙を介して貼り合わせる工程と、
前記貼り合わされた一対の基板間に前記混合材料を注入する工程と、
前記注入された混合材料を相分離させることによって、前記一対の電極層上に前記一対のスイッチング層を形成するとともに、前記一対のスイッチング層間に前記液晶層を形成する工程と、
を包含する液晶光学素子の製造方法。 - 前記一対の基板を貼り合わせる工程の前に、
互いに鏡像体である第1および第2の配向層材料を用意する工程と、
前記一対の電極層の一方上に、前記第1配向層材料を用いて第1配向層を形成する工程と、
前記一対の電極層の他方上に、前記第2配向層材料を用いて第2配向層を形成する工程と、
をさらに包含する、請求項13に記載の液晶光学素子の製造方法。 - 前記混合材料は、重合性材料を含み、
前記一対のスイッチング層と前記液晶層とを形成する工程は、
前記重合性材料を前記一対の電極層上において選択的に重合する工程を包含する、請求項13または14に記載の液晶光学素子の製造方法。 - 前記重合性材料を重合する工程は、
前記混合材料に光を照射する工程を包含する、請求項15に記載の液晶光学素子の製造方法。 - 前記重合性材料を重合する工程は、
前記混合材料を加熱する工程を包含する、請求項15に記載の液晶光学素子の製造方法。 - 前記混合材料は、ネマチック液晶材料と、スメクチック液晶材料とを含み、
前記一対のスイッチング層と前記液晶層とを形成する工程は、
前記ネマチック液晶材料を含むように前記液晶層を形成するとともに、前記スメクチック液晶材料を含むように前記一対のスイッチング層を形成する工程である、請求項13から17のいずれかに記載の液晶光学素子の製造方法。
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