JP2005172913A - 光学素子、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 可逆的に反射度合や反射の有無を制御しうる光学素子において、透明性と応答速度に優れる光学格子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 液晶分子に対して捻れ構造を付与する配向規制力を有する電圧印加可能な一対の透明基板間に光重合性液晶組成物を挟持し、該組成物を、捻れ構造配向状態、又は捻れ構造配向を解いた状態のいずれか一方の状態で部分的に重合させて、基板と略垂直方向に異方性高分子層と光重合性液晶組成物層とを層状に形成してなる光学素子であって、前記光重合性液晶組成物が（メタ）アクリロイル基を１個有する重合性液晶化合物を該組成物総質量に対して７０〜１００質量％の範囲内で含有し、且つ光重合開始剤を重合性液晶化合物総質量に対して０．０１〜５質量％の範囲内で含有する光学素子、及びその製造方法。
【選択図】 なし

Description

本発明は光学素子およびその製造方法に関し、更に回折格子や偏光分離素子として好適に使用できる光学素子とその製造方法に関する。

液晶パネルを光スイッチング素子として利用した投射型ディスプレイ（液晶プロジェクタ）としては、特に、解像度や光利用効率に優れた反射型液晶パネル（すなわち反射型液晶ライトバルブ）を用いた反射型プロジェクタの開発が進められている。この反射型液晶プロジェクタにおいては、反射型液晶ライトバルブが偏光変換素子として作用するため、その光学系には偏光ビームスプリッター（以下ＰＢＳ）などの偏光分離素子が必須となる。

ところが、通常、偏光分離素子として用いられているＰＢＳは、全可視域にわたる消光比が必ずしも十分ではなく、しかもガラスの立方体であるためバルキーで重いという難点がある。そこで、光重合相分離を用いたホログラフィック高分子分散型液晶素子（Holographic Polymer Dispersed Liquid Crystals、以下Ｈ−ＰＤＬＣ）を応用したホログラム回折格子を偏光分離素子として用いることが提案されている。

このホログラム回折格子として、従来、ガラス基板間に挟持された光重合性液晶と非重合性液晶との混合液晶にレーザー光を干渉露光して得た、屈折率異方性を有する光重合性液晶の重合体からなる領域と、非重合性液晶からなる第２の領域から形成され、非重合性液晶に対する印加電圧により、非重合性液晶のスイッチング状態を制御することで入射する異常光線に対する第２の領域の屈折率を制御するホログラム素子及び偏光分離素子が知られている（例えば、特許文献２参照）。しかし、該ホログラム素子は相分離を利用しているので、光重合性液晶が重合する際、液晶過多層において重合体中の微小な球形空孔にドロップレット状に液晶が閉じ込められ、その閉じこめられた壁面に対して液晶が揃うため一様な液晶配向とならず、透明性に劣る傾向があった。また該ホログラム素子は、応答速度が低い点も問題であった。

相分離を利用しない方法として、光重合性液晶組成物層をパターン露光して回折格子を得る方法が知られている。例えば、バインダーポリマーと光重合性液晶からなり、硬化層と未硬化層をレーザー光の二光束干渉法による干渉縞によって形成し、次に重合禁止剤の液中に浸漬することにより未硬化の光重合性液晶を不活性化処理する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、この方法は、光重合性液晶を不活性化する目的で重合禁止剤の溶液中に浸漬する工程を含むため工程が複雑になり、かつ処理の均一性を実現することが難しく、また処理により光重合性液晶が流出するという問題があった。

あるいは、光重合性液晶組成物層をパターン露光して回折格子を得る方法も知られている（例えば、特許文献３参照）。即ち、光重合性液晶組成物を配向させた状態でパターン露光を行うことにより露光部分のみを重合させてパターンを形成し、その後全面を露光することにより全体を硬化する。本方法においては光重合性液晶を配向させた状態で重合させるので、露光部分を、相分離することなく配向状態を保ったまま重合することができ、光学的異方性の大きいホログラム回折格子素子が得られる。しかしこの方法は、光重合性液晶を最終的に全て硬化することを前提としており、光重合性液晶を駆動させてはいない。
特開平１１−２７１５３６号公報 特開平５−８０３０９号公報 特開２００３−１２１６５０号公報

本発明が解決しようとする課題は、可逆的に反射度合や反射の有無を制御しうる回折格子等の光学素子において、透明性と応答速度に優れ、未硬化の重合性液晶化合物を不活性処理する必要のない光学格子及びその製造方法を提供することにある。

本発明者らは、（メタ）アクリロイル基を１個有する重合性液晶化合物を該組成物総質量に対して７０質量％以上の割合で使用し、且つ、光重合開始剤を重合性液晶化合物総質量に対して０．０１〜５質量％の範囲内で使用した光重合性液晶組成物を光学素子の材料として使用することにより上記課題を解決した。

即ち、本発明は、液晶分子に対して捻れ構造を付与する配向規制力を有する電圧印加可能な一対の透明基板間に、誘電率異方性を有する光重合性液晶組成物を挟持し、
該光重合性液晶組成物を、１）捻れ構造配向状態、又は、２）捻れ構造配向を解いた状態のいずれか一方の状態で部分的に重合させることにより、基板と略垂直方向に、異方性高分子層と光重合性液晶組成物層とを層状に形成してなる光学素子であって、
前記光重合性液晶組成物が（メタ）アクリロイル基を１個有する重合性液晶化合物を該組成物総質量に対して７０〜１００質量％の範囲内で含有し、且つ光重合開始剤を重合性液晶化合物総質量に対して０．０１〜５質量％の範囲内で含有する光学素子を提供する。

また、本発明は前記記載の光学素子の製造方法であって、液晶分子に対して捻れ構造を付与する配向規制力を有する電圧印加可能な一対の透明基板間に前記光重合性液晶組成物を挟持させ、重合性液晶化合物を捻れ構造配向状態、又は捻れ構造配向を解いた状態でパターン露光を行い、重合性液晶化合物を基板と略垂直方向に層状に重合させる光学素子の製造方法を提供する。

また、本発明は前記記載の光学素子の製造方法であって、液晶分子に対して捻れ構造を付与する配向規制力を有する電圧印加可能な一対の透明基板間に前記光重合性液晶組成物を挟持させ、重合性液晶化合物を捻れ構造配向状態、又は捻れ構造配向を解いた状態で、前記組成物層に、２方向から位相の揃った光線を照射してそれら２つの光線の干渉を利用して重合性液晶化合物を基板と略垂直方向に層状に重合させる光学素子の製造方法を提供する。

本発明の光学素子は、（メタ）アクリロイル基を１個有する重合性液晶化合物を該組成物総質量に対して７０質量％以上の高い割合で含有し、且つ、光重合開始剤を重合性液晶化合物総質量に対して０．０１〜５質量％の非常に少ない範囲内で含有した光重合性液晶組成物を、１）捻れ構造配向状態、又は２）捻れ構造配向を解いた状態のいずれか一方の状態で、基板と略垂直方向に配向させた状態で層状に重合して得る。
重合部分である異方性高分子層の架橋密度を、液晶の配向状態を保持し電界による液晶分子配向制御によっても架橋構造が破壊されない程度で、且つ、架橋構造を構成する分子鎖の運動が容易に生じうる程度に低く押さえているので、応答速度に優れる。また、相分離を利用しないので、透明性に優れる。
また、光重合開始剤を非常に少ない量使用し、単官能の重合性化合物を多く用いるので、未硬化部分である光重合性液晶組成物層の重合性液晶化合物を不活性処理しなくても、安定な素子が得られる。

（（メタ）アクリロイル基を１個有する重合性液晶化合物）
本発明で使用する、（メタ）アクリロイル基を１個有する重合性液晶化合物としては、公知の（メタ）アクリロイル基を１個有し液晶性を有する化合物、あるいは、単独では液晶性を示さないが他の液晶化合物との組成物としたときに液晶性を示す、（メタ）アクリロイル基を１個有する化合物を使用することができる。これらの化合物として、棒状の液晶化合物やディスコチック液晶化合物が挙げられ、具体的には、例えば、特開平７−２９４７３５号公報、特開平８−３１１１号公報、特開平８−２３１９５８号公報、特開平８−２８３７１８号公報、特開平１１−８００９０号公報、特開平１１−１４８０７７号公報、特開平０７−１４６４０９号公報、及び特開平１１−１４８０７９号公報等に記載されている化合物が挙げられる。該重合性液晶化合物の分子量は低分子量であることが液晶の動作速度の観点から好ましく、１５００以下、更に好ましくは７００以下が望ましい。

また、架橋密度を調整するために、（メタ）アクリロイル基を２個以上有する重合性液晶化合物を若干量使用することもできる。しかし、使用量が多すぎると、架橋密度が高くなりすぎるので、使用量は該組成物総質量に対して５〜３０質量％の範囲内とするのが好ましく、５〜２０質量％の範囲が尚好ましく、５〜１０質量％の範囲が最も好ましい。該化合物としては、特開平１１−１４８０７９号公報、特開平１１−１４７８５８号公報、特開平１１−８００９０号公報、特開２００２−１４５８３０号公報、特開平０７−１４６４０９号公報、及び特開２００２−３０８８３１号公報等に記載されている化合物が挙げられる。

光重合性液晶組成物は、その他の重合性基を有するメソゲン基を持たない化合物を添加することもできる。このような化合物としては、通常、この技術分野で重合性モノマーあるいは重合性オリゴマーとして認識されるものであれば特に制限なく使用することができる。添加する場合は、前記重合性液晶組成物総量に対して、５質量％以下であることが好ましく、３質量％以下が更に好ましい。

（誘電率異方性の大きい化合物）
本発明で使用する光重合性液晶組成物の誘電率異方性が小さく、電界駆動による配向性が小さい場合には、本発明の効果を損なわない範囲で、誘電率異方性の大きい化合物を含有することが好ましい。そのような化合物としては、例えば、一般式（１）で表される化合物が挙げられる。

（１）

式中、Ｒ_１はフッ素置換されていても良い炭素原子数１〜１６のアルキル基、炭素原子数１〜１６のアルコキシ基、炭素原子数２〜１６のアルケニル基、炭素原子数３〜１６のアルケニルオキシ基、又は炭素原子数１〜１０のアルコキシ基で置換された炭素原子数１〜１２のアルキル基を表す。

環Ｇ及び環Ｈは各々独立してフッ素原子により置換されていてもよい１，４−フェニレン基、２−メチル−１，４−フェニレン基、３−メチル−１，４−フェニレン基、ナフタレン−２，６−ジイル基、フェナントレン−２，７−ジイル基、フルオレン−２，７−ジイル基、トランス−１，４−シクロへキシレン基、１，２，３，４−テトラヒドロナフタレン−２，６−ジイル基、デカヒドロナフタレン−２，６−ジイル基、トランス−１，３−ジオキサン−２，５−ジイル基、ピリジン−２，５−ジイル基、ピリミジン−２，５−ジイル基、ピラジン−２，５−ジイル基またはピリダジン−２，５−ジイル基を表す。

ｍは各々独立して０、１もしくは２を表し、Ｙ_１、Ｙ_２は各々独立して単結合、−ＣＨ_２ＣＨ_２−、−（ＣＨ_２）_４−、−ＯＣＨ_２−、−ＣＨ_２Ｏ−、−ＣＯＯ−、−ＯＣＯ−、−ＣＨ＝ＣＨ−または−Ｃ≡Ｃ−を表し、Ｚ_１はシアノ基、フッ素原子、塩素原子、トリフルオロメトキシ基、トリフルオロメチル基、ジフルオロメトキシ基、水素原子、３，３，３−トリフルオロエトキシ基、Ｒ２または−ＯＲ_１を表し、Ｒ_２は炭素原子数１〜１２のアルキル基または、２〜１２のアルケニル基を表し、Ｘ_１、Ｘ_２は水素原子、フッ素原子または塩素原子を表す。

一般式（１）で表される化合物を使用する場合は、光重合性液晶組成物総質量に対して１〜１５質量％の範囲で使用するのが好ましい。該化合物は大きな誘電率異方性を持つが必ずしも液晶性を示す必要はなく、組成物が液晶性を保持しうる範囲で用いられる。該化合物として、具体的には以下の構造のものが挙げられる。（式中、ｎは０又は１を表す）

また、ねじれ配向状態を促進するために、カイラルドーパントを適宜加えてもよい。カイラルドーパントとしては公知のものを使用することができ、例えばMerck,KGaA Darmstadt, のコレステリルノナノエート、Ｓ８１１およびＣＢ１５（BDH, Poole, 英国）等や、特表２０００−５１５４９６号公報に記載のカイラルドーパントを使用することができる。カイラルドーパントの光重合性液晶組成物に対する割合は、好ましくは０〜１０質量％、特に０〜５質量％、特に好ましくは０〜３質量％である。

（光重合開始剤）
光重合開始剤としては公知慣用のものが使用でき、例えば２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニルプロパン−１−オン（メルク社製「ダロキュア１１７３」）、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン（チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製「イルガキュア１８４」）、１−（４−イソプロピルフェニル）−２−ヒドロキシ−２−メチルプロパン−１−オン（メルク社製「ダロキュア１１１６」）、２−メチル−１−［（メチルチオ）フェニル］−２−モリホリノプロパン−１（チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製「イルガキュア９０７」）、ベンジルメチルケタ−ル（チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製「イルガキュア６５１」）、２，４−ジエチルチオキサントン（日本化薬社製「カヤキュアＤＥＴＸ」）とｐ−ジメチルアミノ安息香酸エチル（日本化薬社製「カヤキュアＥＰＡ」）との混合物、イソプロピルチオキサントン（ワ−ドプレキンソップ社製「カンタキュア−ＩＴＸ」）とｐ−ジメチルアミノ安息香酸エチルとの混合物、アシルフォスフィンオキシド（ＢＡＳＦ社製「ルシリンＴＰＯ」）、などが挙げられる。光重合開始剤の使用量は組成物に対して０.０１〜５質量％以下が好ましく、０．０１〜３質量％が更に好ましく、０．０１〜１質量％が特に好ましい。

（配合量）
本発明で使用する光重合性液晶組成物は、前記（メタ）アクリロイル基を１個有する重合性液晶化合物を該組成物総質量に対して７０〜１００質量％の範囲内で含有し、且つ光重合開始剤を重合性液晶化合物総質量に対して０．０１〜５質量％の範囲内で含有する。組成の好ましい範囲としては、（メタ）アクリロイル基を１個有する重合性液晶化合物を該組成物総質量に対して８０〜１００質量％使用するのが好ましく、９０〜１００質量％使用するのが最も好ましい。その他の好ましい配合成分としては２官能の重合性液晶化合物が挙げられる。

本発明の光学素子は、光重合性液晶組成物の配向方向を前記透明基板の配向規制方向とは異なる方向に配向させることによってねじり構造を解き、光学素子の回折効果の有無をスイッチングする。これは配向方向を制御することによって異方性高分子層と光重合性液晶組成物層との屈折率を実質的に変化させることによって生じる。
前記光重合性液晶組成物の重合体は、構造を維持しうる程度の力学強度を持ち、且つ、架橋構造に組み込まれた液晶分子の熱運動が容易に生起できるような、高すぎず低すぎない中間的な架橋密度を有すると考えられ、これによって、電界駆動による回折格子の高速応答を実現したものと思われる。その機構について以下のように推定している。

Ａ．光重合性液晶組成物を、捻れ構造配向状態で部分的に重合させることにより、基板と略垂直方向に、ねじれ構造を有する異方性高分子層と光重合性液晶組成物層とを層状に形成してなる光学素子の場合。
液晶分子に対して捻れ構造を付与する配向規制力を有する電圧印加可能な一対の透明基板間に、誘電率異方性を有する光重合性液晶組成物を挟持し、該光重合性液晶組成物に電圧を印加しない状態で、即ち液晶分子が捻れ構造配向した状態で、重合性液晶化合物を、基板と略垂直方向に層状となるように部分的に光重合させると、露光部分は前記中間的な架橋密度を有し、液晶分子が捻れ構造配向状態で緩く固定化された異方性高分子層が形成される。このときメソゲン基は、異方性高分子層の架橋構造内に組み込まれるものと、架橋構造を構成する高分子に懸垂するものの両方が存在すると考えられる。このとき、異方性高分子層と未硬化層との屈折率はほぼ等しくなるので、回折光は生じない。

次いでこれに電圧を印加すると、電界効果により光重合性液晶化合物（以下、未硬化液晶モノマーと略す）は電界方向に配向しようとするので、光重合性液晶組成物層の捻れ構造配向状態が解かれる。一方、異方性高分子層のメソゲン基も電界により配向しようとする。異方性高分子層は中間的な架橋密度を有するので、特に未硬化モノマーと接する異方性高分子層表面のメソゲン基で架橋構造を構成する高分子に懸垂するものは、容易に配向できると考えられ、その表面効果により未硬化液晶モノマーの整列は更に促進され、その結果高速で回折が起こる屈折率が発現する。

再度電圧を除去すると、電界効果が失われ、未硬化液晶モノマーは基板のねじれ配向規制力により捻れ構造配向の状態へ戻ろうとする。同時に異方性高分子層のメソゲン基も、電界により生じていた系内の残留応力により電圧印加前の配向状態まで急速に戻り、その結果、光重合性液晶組成物層の未硬化液晶モノマーは、基板の配向規制力と異方性高分子層表面の規制力により高速で捻れ構造配向状態に戻り、回折光は高速で消滅する。このような機構により、応答速度の非常に早い光学素子が得られるものと推定される。

Ｂ．光重合性液晶組成物を、捻れ構造配向を解いた状態で部分的に重合させることにより、基板と略垂直方向に、異方性高分子層とねじれ構造を有する光重合性液晶組成物層とを層状に形成してなる光学素子の場合。
液晶分子に対して捻れ構造を付与する配向規制力を有する電圧印加可能な一対の透明基板間に、誘電率異方性を有する光重合性液晶組成物を挟持し、該光重合性液晶組成物に電圧を印加して液晶分子の捻れ構造を解いた状態で、重合性液晶化合物を基板と略垂直方向に層状となるように部分的に光重合させると、露光部分は前記中間的な架橋密度を有し、液晶分子が電界方向に配向した状態で緩く固定化された異方性高分子層が形成される。このときメソゲン基は、異方性高分子層の架橋構造内に組み込まれるものと、架橋構造を構成する高分子に懸垂するものの両方が存在すると考えられる。
この電圧を印加した状態では、未露光部分即ち光重合性液晶組成物層に存在している未硬化の未硬化液晶モノマーも電界方向に配向している。このとき、異方性高分子層表面では未硬化液晶モノマーに対する配向規制力が働くので、未硬化液晶モノマーはより良好に配向する。従って両層の屈折率はほぼ等しくなり、回折光は生じない。

電圧を除去すると電界効果が失われ、光重合性液晶組成物層の未硬化液晶モノマーは基板のねじれ配向規制力により捻れ構造配向の状態に戻ろうとする。異方性高分子層は中間的な架橋密度を有することから異方性高分子層の液晶分子は容易に分子運動を生起し、未硬化液晶モノマーに対する配向規制力が急速に消滅し、異方性高分子層表面での配向効果が減殺される。従って、光重合性液晶組成物層の未硬化液晶モノマーは基板面のねじれ配向規制力に従い高速に再配向することができ、高速で回折光が発現する。

再度電圧を印加すると、光重合性液晶組成物層の未硬化液晶モノマーと異方性高分子層の液晶分子は、電界方向に再配向する。異方性高分子層の液晶分子は元々電界方向に配向した構造を有していることに加え、異方性高分子層表面に懸垂しているメソゲン基が電界により配向するので、異方性高分子層の表面液晶分子による配向効果が電界効果に加わる形となって未硬化液晶モノマーはより高速に捻れ配向を解かれ、再配向することができる。このような機構により、応答速度の非常に早い光学素子が得られるものと推定される。

本発明の光学素子は、回折光が発現する状態、即ち、前記Ａ．の光学素子においては電圧を印加した状態のとき、捻れ構造配向状態となった異方性高分子層と捻れ構造配向を解いた状態の光重合性液晶組成物層が層状となっている。前記Ｂ．の光学素子においては電圧を印加しない状態において、捻れ構造配向状態となった光重合性液晶組成物層と、捻れ構造配向を解いた状態の異方性高分子層とが層状となっている。捻れ構造配向状態となった異方性高分子層または液晶層は、その配向方向が入射光の電界ベクトルの振動面に関し平均化している。従って、該光学素子に入射する光の偏光方向によらず、また偏光でない入射光に対しても、回折格子等の光学素子の機能を発現できる。

例えば液晶分子に対して２枚の基板間で９０°捻れ構造を付与する配向規制力を有する一対の基板を使用した前記Ｂ．の光学素子を例にすると、硬化部分の配向方向が一対の基板に設けた電極により基板に対して垂直配向しており、未硬化部分の配向方向が液晶ディスプレイで用いられるＴＮモードと同様に一対の基板間で９０°捻れた螺旋配向となっている。このような光学素子に垂直に入射した偏光はその振動方向によらず螺旋配向により平均化された屈折率を有する未硬化部分と垂直配向した異方性高分子層（硬化部分）との屈折率差に応じて回折される事となる。電場を印加すると未硬化部分の配向方向は硬化部分と同じ基板に対し垂直方向になるため回折は生ぜず、電場によりスイッチング駆動される。

捻れ角は、光重合性液晶組成物のダイレクターの配向方向が光学素子への入射光の電界ベクトルの振動面に関し平均化するように、９０°に限らず目的に応じて適当な値とすることができ、ＳＴＮモードのように２７０°程度にすることも可能であり、コレステリック液晶のように螺旋状の周期構造にすることもできる。これは、例えば光重合性液晶組成物に光学活性を有するキラルドーパントを添加して該液晶組成物のダイレクターの向きを入射光の進行方向を螺旋軸にして捻るか、前記一対の透明基板の配向規制方向を互いに異なる方向にすることによって光重合性液晶組成物のダイレクターの向きを同様に捻るか、両効果を併用して光重合性液晶組成物を螺旋状に配向させることも可能である。
入射光強度に対する回折光の１次光強度との比を回折効率とすると、異方性高分子層と光重合性液晶組成物層のいずれかが有する捻れ構造が、９０°の整数倍（例えば、９０°、１８０°、２７０°等）のとき、最も回折効率が高くなる。

（製造方法 フォトマスク）
本発明の光学素子は、公知の方法で作成することができる。具体的に例を挙げれば、必要に応じて配向膜を形成した２枚の電極付き基板間に光重合性液晶組成物を挟持し、液晶分子を基板面内で配向させる。一つの態様としてはこれに電圧を印加して液晶分子をホメオトロピック配向させたまま、フォトマスクによってパターン状に全面に光を照射し、あるいは２方向から位相の揃った光線を当ててできた干渉波形（干渉縞）を照射し、重合性液晶化合物を層状に重合させることで、光重合性液晶組成物の重合体からなる異方性高分子層と、未露光部分である光重合性液晶組成物層とが層状に形成してなる光学素子を得る。フォトマスクや干渉波形の形状により、様々なパターンを作成することが可能である。
別の態様としては液晶分子を基板の規制力により配向させたまま、フォトマスクによるパターン露光、あるいは２方向から位相の揃った光線を当ててできた干渉波形（干渉縞）による露光によって、重合性液晶化合物をパターン状に重合させることで、光重合性液晶組成物の重合体からなる異方性高分子層と、未露光部分である光重合性液晶組成物層とが層状に形成してなる光学素子を得る。

（基板の配向規制）
基板としては、実質的に透明であれば材質に特に限定はなく、ガラス、セラミックス、プラスチック等を使用することができる。プラスチック基板としてはセルロ−ス、トリアセチルセルロ−ス、ジアセチルセルロ−スのセルロ−ス誘導体、ポリエチレンテレフタレ−ト、ポリエチレンナフタレ−ト等のポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン、ポリカ−ボネ−ト、ポリビニルアルコ−ル、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ナイロン、ポリスチレン、ポリアクリレート、ポリメチルメタクリレ−ト、ポリエーテルサルホン、ポリアリレートなどを用いることができる。電極は、該基板上にインジウムチンオキシド（ＩＴＯ）を蒸着やスパッタリングすることにより得ることができる。

前記基板に液晶分子に対する配向方向を付与する方法は公知の方法でよく、例えば、基板表面をラビング処理したり、基板表面にポリイミド有機薄膜等を形成し該表面をラビング処理したり、基板表面にＳｉＯ２を斜方蒸着したり、あるいは光配向膜等を使用することができる。また、適当な配向膜を選択することによってプレチルト角を制御することが可能であり、液晶分子を任意の角度に配向させることができる。配向規制方向は駆動方法に従って選択すればよく、例えば２枚の平行電極により液晶部分を挟む構造の場合はホモジニアス配向膜が製造方法も駆動も簡単であり好ましい。尚、駆動方法として電界以外に磁界を使用することもできる。

前記電極付きの透明基板２枚を、配向規制力を持つ面を内側にして対面させた状態で、前記光重合性液晶組成物を挟持させる。前記Ａ．の光学素子を作成する場合は電界又は磁界等の外場をかけない状態で、前記Ｂ．の光学素子を作成する場合は外場をかけてパターン露光を行う。

パターン露光の際に使用する光としては紫外線が好ましく、例えば、キセノンランプ、高圧水銀ランプ、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、ＫｒＦ、ＡｒＦ等の紫外光レ−ザ−等が挙げられる。この他、適当な光重合開始剤を選べば液晶組成物の劣化を防ぐため可視光領域の光により露光し硬化することも可能である。

（露光条件）
また、あまり長い時間紫外線を照射すると、光重合開始剤の開裂により生じたラジカルが拡散し、未露光部分まで硬化が進むおそれがあるので、照射時間は２００秒以内に抑えることが好ましい。中でも１００秒以内が更に好ましい。また、露光エネルギーや露光強度が高すぎると、露光部分の架橋密度が高くなりすぎ、強固な橋かけ構造を有する異方性高分子層を形成し、電圧印加の際、異方性高分子層中の液晶分子の再配向や、未硬化液晶モノマーの熱運動を抑制して動作速度を低下させる恐れや、電圧除去の際、未硬化液晶モノマーの、基板の配向膜方向への再配向を阻害する恐れがある。重合条件の組み合わせにもよるが、露光エネルギーは２００ｍＪ/ｃｍ^２以下が好ましく、１００ｍＪ/ｃｍ^２以下が更に好ましく、露光強度は１０ｍＷ/ｃｍ^２以下が好ましく、５ｍＷ/ｃｍ^２以下が更に好ましく、２ｍＷ/ｃｍ^２以下が最も好ましい。

以下、本発明の実施例を示し、本発明を更に具体的に説明する。

式（２）で表される化合物と式（３）で表される化合物とを１：１の割合で混合した重合性液晶組成物９５部（Δε＝０．７、粘度２７．０ ｍＰａ・ｓｅｃ）、式（４）で表される高誘電率異方性を有する化合物を５部（Δε＝５０．０）、チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製の光重合開始剤「イルガキュア９０７」を重合性液晶組成物に対し質量比９９対１となるように添加した光重合性液晶組成物を、基板の内側に配向方向が９０°異なるポリイミド製ラビング配向膜が形成された、ギャップ４μｍのＩＴＯ電極付ＴＮ型ガラスセルに注入した。該セル上に、周期２０μｍの矩形状スリットを有するフォトマスクを乗せ、ガラス基板間に交流電界（１０ Ｖ/μｍ, １０ｋＨｚ）を印加しながら波長３６５ｎｍ、強度０．８ｍＷ/ｃｍ２のＵＶ光を室温にて６５秒間照射し、光学素子を得た。偏光顕微鏡の観察により、ガラス基板中に、ＴＮ配向した部分と垂直配向した部分とが２０μｍの間隔で層状に形成していることを確認した。

（２）

（３）

（４）

得られた光学素子に、交流電界（１０ Ｖ/μｍ, １０ｋＨｚ）を印加しない状態で、偏光板を通したＨｅ−Ｎｅレーザー（６３３ｎｍ）を基板面に垂直に入射したところ、偏光板の向きを変えることにより得られた入射偏光の電界ベクトルのあらゆる振動方向に対してＲａｍａｎ−Ｎａｔｈ散乱を示し（図−1）、±５次の回折ピークまで観測され、回折格子として機能することが確認できた。次いで１０ＫＨｚ正弦波の電圧を次第に除去し、入射光に対する一次回折光の強度比と電圧との関係を測定した。その様子を図２に示す。この結果から、本発明の回折格子は、電圧により回折光強度が変化することが確認できた。またその動作速度を測定するために５Ｖの電圧をステップ状に印加し、一次回折光の消滅するまでの時間、及び電圧を除去して一次回折光の発現して飽和するまでの時間を測定したところ、一次回折光が消滅するに要する時間は１.５ｍｓｅｃ、一次回折光が発現して飽和するまでの時間は７ｍｓｅｃを示し、高速応答性が確認できた。
該素子は、１か月後も、安定な応答性を示した。

（比較例）
光重合性液晶組成物として、大日本インキ化学工業（株）製の非重合性液晶組成物「１１-３３２３」７０部（Δε＝５．２１、粘度５０．９ｍＰａ・ｓｅｃ）、日本化薬（株）製のジアクリレートモノマー「ＨＸ２２０」３０部、チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製の光重合開始剤「イルガキュア９０７」をジアクリレートモノマーに対し質量比９９対１となるように添加した組成物を使用した以外は、実施例と同様にして比較例の光学素子を作成した。得られた光学素子はかなり白濁していた。偏光顕微鏡の観察により、ガラス基板中に水平配向した部分と垂直配向した部分とが２０μｍの間隔で格子状に並ぶ構造が生成した事を確認した。

得られた光学素子に、電圧を印加しない状態で、偏光板を通したＨｅ−Ｎｅレーザー（６３３ｎｍ）を基板面に垂直に、かつ偏光の振動方向がポリイミドのラビング方向に平行になるように入射したところ、弱いＲａｍａｎ−Ｎａｔｈ散乱を示し、不明確ではあるが±２次の回折ピークまで観測され、回折格子として機能することが確認できた。次いでその動作速度を測定するために８Ｖの電圧をステップ状に印加し、実施例と同様に時間を測定したところ、一次回折光が消滅するに要する時間は３６ｍｓｅｃ、一次回折光が発現して飽和するまでの時間は６４ｍｓｅｃを示し、実施例１に比べてはるかに応答性が遅いことを確認した。

本発明の光学素子は、ホログラム回折格子素子や偏光分離素子の他、光通信分野における光スイッチ等として使用することもできる。

入射した偏光の電界ベクトルの振動方向と回折効率（散乱強度比で表している）との関係を示した図である。 本発明の光学素子に１０ＫＨｚ正弦波の電圧を印加した時の、入射光に対する一次回折光の強度比と電圧との関係を示した図である。

Claims (7)

1. 液晶分子に対して捻れ構造を付与する配向規制力を有する電圧印加可能な一対の透明基板間に、誘電率異方性を有する光重合性液晶組成物を挟持し、
   該光重合性液晶組成物を、１）捻れ構造配向状態、又は、２）捻れ構造配向を解いた状態のいずれか一方の状態で部分的に重合させることにより、基板と略垂直方向に、異方性高分子層と光重合性液晶組成物層とを層状に形成してなる光学素子であって、
   前記光重合性液晶組成物が（メタ）アクリロイル基を１個有する重合性液晶化合物を該組成物総質量に対して７０〜１００質量％の範囲内で含有し、且つ光重合開始剤を重合性液晶化合物総質量に対して０．０１〜５質量％の範囲内で含有することを特徴とする光学素子。
2. 前記異方性高分子層が、前記光重合性液晶組成物を捻れ構造配向させた状態で重合させた請求項１記載の光学素子。
3. 前記異方性高分子層が、前記光重合性液晶組成物に電圧を印加することにより、捻れ構造配向を解いた状態で重合させた請求項１記載の光学素子。
4. 前記光重合性液晶組成物が、（メタ）アクリロイル基を２個以上有する重合性液晶化合物を該組成物総質量に対して５〜３０質量％の範囲内で含有する、請求項１に記載の光学素子。
5. 光学素子が回折格子である請求項１に記載の光学素子。
6. 請求項１記載の光学素子の製造方法であって、液晶分子に対して捻れ構造を付与する配向規制力を有する電圧印加可能な一対の透明基板間に前記光重合性液晶組成物を挟持させ、重合性液晶化合物を捻れ構造配向状態、又は捻れ構造配向を解いた状態
   でパターン露光を行い、重合性液晶化合物を基板と略垂直方向に層状に重合させることを特徴とする光学素子の製造方法。
7. 請求項１記載の光学素子の製造方法であって、液晶分子に対して捻れ構造を付与する配向規制力を有する電圧印加可能な一対の透明基板間に前記光重合性液晶組成物を挟持させ、重合性液晶化合物を捻れ構造配向状態、又は捻れ構造配向を解いた状態
   で、前記組成物層に、２方向から位相の揃った光線を照射してそれら２つの光線の干渉を利用して重合性液晶化合物を基板と略垂直方向に層状に重合させることを特徴とする光学素子の製造方法。
   
   
   

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