JP2005515498A - コレステリック層と配向層の組み合わせ - Google Patents

Abstract

選択波長反射可能な状態と伝達可能な状態を切り替え可能なコレステリック層は、ホメオトロピック配向層と直接接触する。反射可能な状態では、層は、螺旋の方向と螺旋のピッチに特徴のある螺旋においてコレステリック配列されている。ホメオトロピック層は、螺旋軸方向の分布を広げ、これにより、反射可能な状態において反射した光をより拡散し、コレステリック層によって反射された色の視野角依存を減らす。あるいは、コレステリック層は、重合層でもよい。

Description

本発明は、コレステリック層と配向層の組み合わせに関する。

本発明は、また、重合されたコレステリック層に関する。

コレステリック層は、照明やディスプレイへの適用おいて、有用な光学効果を示すことができる。このような効果は、入射光の偏光、色および／または方向に関係している。

コレステリック配列された状態のコレステリック層は、分子単位では、螺旋を形成するように配列されている。このような螺旋は、螺旋軸とピッチに特徴付けられる。このようなコレステリック配列状態のコレステリック層の１つは、当該技術分野ではプレーナ構造とも呼ばれ、螺旋軸が、基準表面に対して実質的に直角に配向されている。基準表面は、層の主面またはコレステリック層を支える基板表面に通常対応する。プレーナ構造では、コレステリック層は、電磁放射を反射するブラッグ反射器（Bragg reflector）として作用し（以下では単に光と呼ぶ）、波長選択的に、また偏光選択的に反射することができる。一般的には、正常に入射する電磁放射と一定のピッチに対し、波長の狭い帯域が反射される。この帯域は、中心波長がλ＝ｎ・ｐで帯域幅がΔλ＝Δｎ・ｐである。ｎは、コレステリック層の平均屈折率、Δｎは、コレステリック層に対応するネマチック相の複屈折（birefringence）、ｐは、螺旋のピッチを表す。このようにして、適切な螺旋のピッチと複屈折を選択することによって、所望の反射波長が選択される。入射光によって感知される螺旋のピッチは、光が入射する角度の関数であるため、反射した光の波長は、光が入射する角度に依存する、つまり、白色光が入射すると、反射した光の色は、光が入射する角度に依存する。これは、ディスプレイでの適用において、画像の色知覚が視野角に依存するということを意味する。

Ｓｔ ジョン（St Jhon）らによる、“Phys.Rev.E51(2)”（１９９５年）における論文の１１９１ページに、このようなプレーナ構造を持つコレステリック層を備えるディスプレイが開示されている。コレステリック層は、透明なＩＴＯ電極を備える基板の間に挟まれている。コレステリック層をプレーナ構造にするために、基板にはポリイミド配向層が設けられる。セルに電圧を印加することで、コレステリック層は、プレーナ構造からフォーカルコニック構造へ切り替わる。プレーナ構造では、コレステリック層は、鮮やかに色のついた光を、鏡のように反射する。フォーカルコニック構造では、螺旋軸方向が広く分布しているのが特徴だが、コレステリック層は透過可能である。

ディスプレイの視野角を改善するために、Ｓｔ ジョンらは、不完全なプレーナ構造の使用を提案している。不完全なプレーナ構造において、螺旋軸は、基準表面の垂直線に対して広がった分布を示す。Ｓｔ ジョンらによれば、これは、コレステリック層において、ポリマーを分散させることによって達成することができる。あるいは、コレステリック層は粗い表面に形成してもよい。カーン（Ｋｈａｎ）らが、“SID D1 Digest”の４６０〜４６３ページにおいて、ラビングしていないポリアミド配向層を用いた、視野角依存の改善を提案している。

本発明の目的は、とりわけ、光学的性質の視野角依存を低減するための代わりの手段を有するコレステリック層を備える組み合わせを提供することである。特に、反射状態は、鏡面反射を少なく、つまり拡散して反射するものであり、この反射状態において、コレステリック層によって反射された色は、視野角依存が減少する。さらに、代わりの手段は、コレステリック層の製造を、液晶層のような中間視的な相を表す、または表すことのできる従来の層処理の方法と同一基準にする。

本発明によれば、この目的は、コレステリック配列された選択波長反射状態と、透過可能な状態を切り替え可能なコレステリック層と、コレステリック層と直接接触するホメオトロピック配向層の組み合わせによって達成される。

ホメオロトピック配向層は、反射状態のコレステリック層により、光の反射をより拡散し、鏡面反射を減らす効果を持つと同時に、反射光の色における視野角依存を低減する。

理論による限定を望まないが、Ｓｔ ジョンらの学説に従い、本発明者らは、ホメオトロピック配向層は反射状態のコレステリック配列の配列に影響すると信じる。特に、ホメオトロピック配向層は、コレステリック層内の螺旋軸方向の分布を広げる。それぞれの特定の視野角で、螺旋軸方向の広げられた範囲は、反射波長の広げられた範囲にむすびつく。加えて、広げられた波長範囲は、視野角の関数によってシフトし、特定の波長がより広い範囲の視野角で反射される、結果的な効果である。言い換えれば、コレステリック層で反射された色は、視野角依存が少ない。更なる詳細については、前述したＳｔ ジョンらの論文を参照されたい。

コレステリック層の所望の配列をもたらす配向層の使用が、組み合わせの製造を、やはり配向層を用いて液晶層を配向する従来の液晶セルの製造方法と、同一基準にするということであり、これは、光学的、また電気光学的な適用における使用を大いに促進する。さらに、ホメオトロピック配向層は、当該技術では周知であり、広く市販されている。ホメオトロピック配向層の存在は、反射状態と透過状態の切替性を妨げるものではない。

本発明の文脈においては、配向層は、ネマチック液晶材料をホメオトロピック配向させることができれば、ホメオトロピックであると考え、コレステリック層がネマチックＬＣ材料とキラルドーパントを混合して得られるキラルネマチック材料からできているとき、特にネマチックＬＣ材料であると考える。当該技術では、配向層は、方向層とも呼ばれる。

本発明の文脈においては、コレステリック層はキラルネマチック材料とも呼ばれる。ピッチ及び／または複屈折がコレステリック層内で変化するとき、たとえば、異なるピッチ層をそれぞれ持つコレステリック層同士を積み重ねたり、コレステリック層内でピッチ勾配を設けたりすることによって、反射波長の帯域幅を増加することができる。コレステリック層の光の反射は、偏光選択でき、円偏光を反射する。１／４波長リターダ（retarder）と組み合わせて使用すれば、直線偏光反射が得られる。

本発明による組み合わせの詳細な実施形態では、コレステリック層はホメオトロピック配向層とプレーナ配向層に挟まれている。

電磁放射を選択波長反射できる状態にするために、コレステリック層をホメオトロピック配向層とプレーナ配向層に挟むと都合が良い。ラビングしたポリアミド層のようなプレーナ配向層は、当該技術では周知である。

本発明によるコレステリック層とホメオトロピック層の組み合わせは、色、方向、輝度および／または入射する電磁放射の偏光を変調させることができ、偏光子、リターダー、ビームスプリッター（半透明）、リフレクター、フィルターなどの一連の光学素子に適用を見出す。さらに、コレステリック層は、少なくともスペクトルの可視範囲でなければ、一般に入射する電磁放射を吸収しないため、このような材料を備える光学部品は、光が効果的にリサイクルされることから、高い効率を得ることができる。実質的に吸収作用がないため、コレステリック層は、光の入射によって温められる。これは、コレステリック層を、投影ディスプレイのような高輝度な適用に適したものにする。

特に、コレステリック層は切り替え可能なため、コレステリック層が電気光学的アクティブ層として使われる適用に使用できる。反射状態と透過状態の切り替えは、電界によってもたらされる。このような、電気光学的に切り替え可能なコレステリック層は、特にディスプレイに適している。

このようにして、本発明による好ましい実施形態は、光弁またはディスプレイセルなどの電気光学セルに関し、このセルは、対向する一対の基板と、前記一対の基板に挟まれた本発明による組み合わせを備える。

本実施形態による電気光学（ディスプレイ）セルの利点の一つとして、偏光子および、セルが反射セルの作用をする場合はリフレクターの使用を必要としないため、低価格であることがあげられる。さらに、プレーナ構造も、フォーカルコニック構造も安定した構造であるため、その構造を維持するために電界を必要とせず、ディスプレイの電力消費が少ない。そのような状態の切り替えに基づいたセル（ホメオトロピック配列状態など他の状態と切り替えることも可能であるため、必ずしもそうである必要はない）は、表示されている情報を変えるときにのみ電力を消費し、表示された情報を維持するためには、電力を消費しない。

本発明による、さらなる好ましい実施形態は、本発明による電気光学セルを備えたディスプレイ装置などの電気光学装置に関する。

本発明による組み合わせは、ディスプレイ装置に好ましくは用いることができる。以上説明したセルの双安定性の観点から、この組み合わせを備えたパッシブマトリックスディスプレイは、とくに有利である。ピクセル化された単色セルを積み重ねることによって、多色や、フルカラーの装置をも得ることができる。

本発明は、これまで、異なる状態に切り替え可能なコレステリック層に関して説明してきたが、本発明は、重合コレステリック層のように、切り替えできないコレステリック層をも含むこともできる。

したがって、別の側面から、本発明は、コレステリック配列状態の重合されたコレステリック層に関し、偏光された光を選択波長反射できるが、その層は、偏光した光を選択波長反射できる状態にコレステリック配列された、重合可能なコレステリック層を重合させることによって得られる。重合可能な層はホメオトロピック配向層と直接接触する。

そのような重合されたコレステリック層を、（広帯域の）偏光子と反射型カラーフィルタに効果的に利用して、コレステリック層によって反射された色の視野角依存を改善することができる。前述したように、ホメオトロピック層は、コレステリック配列状態にされたコレステリック層の配向を変調させ、コレステリック層に反射される色の視野角依存を小さくする。要望により、重合後、ホメオトロピック配向層を取り除くこともできる。

重合されたコレステリック層は、高温や温度変化、機械的な力にさらされても、操作が存続している間を通して、コレステリック層の同じ配列状態を保つことが望ましい光学素子や光学部品に利用できる。そのような光学的素子の例としては、（偏光感知）狭帯域および広帯域フィルタ、ならびにリフレクタ、ビームスプリッタ、リターデーションレイヤーなどが挙げられる。特に有益なのは、ＥＰ６０６９４０に開示されているような広帯域反射型偏光子やＷＯ００／３３１２９に開示されているような反射型カラーフィルタなどに、本発明による組み合わせを使用することである。

重合されたコレステリック層は、重合可能なコレステリック層を重合することで得られる。重合可能なコレステリック層は、重合可能なグループを持つモノマーを含む。そのようなグループの例としては、（メタ）アクリル酸ビニレン、ビニルエーテル、エポキシドの各グループ、オキセタン、チオラエン系である。

コレステリックポリマーネットワークとも呼ばれる、架橋したコレステリック層によって、特に高い耐性が提供される。そのような架橋したポリマーは、ジアクリル酸などの二つ以上の重合可能なグループを持つモノマーによって得られる。

特に、重合されるコレステリック層を用いた場合、その上に形成される膜、層などの形成物は自らを支えるように作ることができる。あるいは、コレステリック層を支えるために、別の基板を用いることができる。

本発明のこれらの側面、あるいは他の側面は、以下に述べる例に照らして明確になり、または明瞭に説明されるであろう。

図１において、反射型ディスプレイ装置１は、当該技術分野ではコレステリック構造液晶（ＣＴＬＣ）装置とも称され、電気光学セル２を備えている。電気光学セル２は、配向層７および１１の対向する面がそれぞれ対応する、２つの透過性基板３および５に挟まれるコレステリック層９を備え、これにより、コレステリック層９ならびに配向層７および１１の組み合わせ８を構成している。セル２には、コレステリック配列された選択波長反射状態に配列されたコレステリック層９が満たされている。この反射状態は、配向層７および１１によってもたらされる。本発明によれば、配向層７はホメオトロピック配向層である。配向層１１はプレーナ配向層である。セル２には、観察者１５の側に面していない側に光吸収層１３が設けられている。コレステリック層はコレステリック配列された選択波長反射状態と、透過可能な状態を、電界によって切り替えることができる。電界は、基板３および５に設けられた電極（図１には図示せず）によって、適切に供給される。

図２Ａにおいて、オン状態、すなわち電界が印加されていない状態で、コレステリック層９は、コレステリック配列された選択波長反射状態にあり、その状態をプレーナ構造とも言う。コレステリック層９が反射可能な波長の範囲内であり、且つ、例えば周辺光やフロントライトから発生する光でもよい波長の範囲内である波長を持つ非偏光光線２０３が、反射光線２０５と透過光光線２０７に分割される。反射光線２０５および透過光光線２０７は、円偏光し、その偏光状態はコレステリック配列された状態の右巻き左巻き（handedness）に依存する。図中では、右円偏光が反射されていると仮定される。透過光光線２０７は、光吸収層１３に吸収される。コレステリック層９が反射することができる波長の範囲外の波長を持つ非偏光光線２０９は、その極性にかかわらず、実質的に透過する。したがって、アドレスされていない状態で、白色光がセル２に入射すると、観察者１５には鮮やかに色付いて見える。この色は、コレステリック層９の反射バンドによって決定されたものである。

図２Ｂによれば、オフ状態であり、すなわち、矢印２１１で示される方向に適切な強さの電界を印加後におけるコレステリック層９が光を選択波長反射できない安定状態であり、例えば、フォーカルコニック状態であるが、透過可能な状態を生ずる。その結果、光線２０３および２０９は共に、実質的に透過し、その後、光吸収層１３に吸収される。このような状態で、セル２は暗くなる。

この実施例は、配向層７および１１が共にプレーナ型配向層であることを除いて、図１に示すディスプレイ装置１に関係する。この装置は、コレステリック層に直接接触するホメオトロピック配向層を備えていないので、配向層とコレステリック層９の組み合わせも、この例のディスプレイ装置も本発明に基づくものではない。

この例１の装置は、次のように製造される。

ガラス基板に、日本のＪＳＲから発売されているポリイミド、配向材料ＡＬ１０５１を塗布し、次に、塗布された配向材料を、従来の方法でラビングし、プレーナ配向層７および１１を形成する。２つの対向する基板を、配向層７および１１を互いに向かい合わせて、従来の方法で縁を揃えて貼り付け、セルギャップを明確に定めたセルを形成する。明確に定めたセルギャップは、スペーサを用いて得られる。その後、セルは、ＢＬ０８７の商品名でメルク(Merck)から発売されている１４．５ｗｔ％のネマチック液晶材料と、ＢＬ０８８の商品名でメルク(Merck)から発売されているの８５．５ｗｔ％のキラルドーパントを備えるコレステリック層９によって満たされる。

プレーナ構造になると、コレステリック層は、４００ｍｍのピッチと、６３０ｍｍに集中する反射バンドを持つ。正常な入射に対し、反射光の色は白になり、次いで赤になる。プレーナ配光層は、コレステリック層をコレステリック配列された選択波長反射状態にする役目を果たす。

このようにして得られたセルは、θ角（セル表面の垂直線について測定）で入射する白色光のビームが当てられると、同じ入射方向に反射する（ビームスプリッターによって、入射方向に反射した光は検知器に向けられる）、視覚波長範囲（５００ｎｍ〜７００ｎｍ）に統合された光の輝度Ｒが、測定される。

図３は、本発明に基づかないコレステリック層と配光層の組み合わせを備えるセルに入射する白色光の、入射角θ（度）の関数としての、入射方向に反射する輝度Ｒの、任意の単位での、グラフを示す。

完全なプレーナ配列あるいはほぼ完全なプレーナ配列のコレステリック層が螺旋軸分布（分布するのはセル表面を垂直にする螺旋軸の角度である）によって特徴づけられるこのモデルの状況において、入射の方向と同じ方向への光の反射は、入射方向と一致する螺旋軸を持つ螺旋により、実質的になされると考えられる。

このように考えると、（ほぼ完全な）プレーナ構造においては、ほとんどの螺旋軸が垂直に整列している状態なので、反射輝度は、θ＝０°のとき（セル表面に対して垂直の光入射）もっとも高い。軸の角度がすこしずれるだけで、反射輝度はすぐに低下する。光の反射は、−３．０°から＋２．５°の角度の範囲に基本的に限定される。これは、螺旋軸の分布は、相対的に狭いこと、したがって、反射は、拡散に対して相対的に鏡面になることを示す。最小自乗法を適用した実験に基づいて求められた点は、図３が約２°の１／ｅ幅を持つガウス曲線に非常に接近していることを示している。

様々な視野角での目視検査により、反射が相対的に鏡面で、実質的な色の変化は視野角の関数によって観察されることがわかる。

上述し、且つ、図４に示したように、反射光の色の実質的な視野角依存は、狭い螺旋軸分布の結果である。

図４は、ＣＩＥ色度図を示し、計算されたＣＩＥ色度点が、完全なプレーナ構造（視野角依存の分布がない）に配列され、赤、緑、青の反射バンドを持つコレステリック層の視野角（度）の関数として描かれている。

色度点は、反射バンドが、ナローバンドのコレステリック層に典型的な、完全な８０ｎｍの１／ｅ幅を持つガウス形だと仮定して計算される。反射バンドは７００ｎｍ、５２０ｎｍ、４８０ｎｍ付近に集中し、それぞれ、赤、緑、青である。平均反射指数は、１．５である。白および拡散した周辺光状態である。視野角は０度から３０度の間で変化し、携帯電話のようなハンドヘルドでの適用に特有の角度である。

実施例１に、プレーナ配向層７の代わりにホメオトロピック配向層を用いるという違いを繰り返すと、本発明に基づくコレステリック層と配向層の組み合わせ、およびこのような組み合わせを備えるセルとなる。特に、ホメオトロピック層は、ＮＭＰ／ブチルセロソルブが８０％：２０％の混合溶剤で、５．３ｗｔ％の配向材料であるＮｉｓｓａｎ ＳＥ７５１１〈ニッサン(Nissan)より発売〉溶液をフレックスプリントすることにより、得られる。

図５は、図３で示したものと類似のグラフを示すが、本実施例２によるコレステリック層と配向層の組み合わせに関するものである。

図３と比較して、また、ホメオトロピック配向層の導入の結果、入射方向に反射する光の角度範囲は、実質上増加している。

コレステリック層が、ほぼ完全なプレーナ構造で配列されている場合、螺旋軸分布により特徴付けることができるモデルの状況内で、反射光の広げられた角度範囲は、螺旋軸分布が広がったことを示している。とりわけ、ガウス（図４に描かれた曲線に示される）の最小自乗法の適用は、図３における値より一桁大きい２２°の１／ｅ幅をもたらす。

図５と図３を比較すると、ホメオトロピック配向層と、コレステリック配列された選択波長反射状態に配列されたコレステック層の組み合わせの使用は、反射を著しく拡散し、鏡面反射を少なくすることを証明している。

このことは、様々な視野角で行われる、セルの目視検査と、白色／拡散の周辺光の状態によって確認される。目視検査はまた、反射光の色の視野角依存は実施例１のセルと比較して著しく減少したことを示す。これは、図６更に示されている。

図６は、ＣＩＥ色度図を示し、計算されたＣＩＥ色度点が赤、緑、青の反射バンドと、本発明に基づく螺旋軸分布を持つように配列されたコレステリック層の視野角（度）の関数として描かれている。

計算のためのパラメータの入力は、螺旋軸分布が４０°の完全な１／ｅ幅を持つと仮定する場合を除いて、図４で示した色度点の計算に使われたものと同じである。

図１は、コレステリック層を備える反射型ディスプレイ装置を概略的に示す断面図である。 図２Ａは、図１に示すディスプレイ装置を通る光の伝播を、オン状態、オフ状態のそれぞれにおいて、概略的に示す。 図２Ｂは、図１に示すディスプレイ装置を通る光の伝播を、オン状態、オフ状態のそれぞれにおいて、概略的に示す。 図３は、本発明に基づかないコレステリック層と配向層の組み合わせに入射する白色光の、入射角θ（度）の関数としての入射方向に反射する輝度Ｒの、任意の単位における、グラフを示す。 図４は、計算されたＣＩＥ色点が、完全なプレーナ構造に配列され、赤、緑、青の反射バンドを有するコレステリック層の視野角（度）の関数として描かれるＣＩＥ色度図を示す。 図５は、図３で示されたグラフに類似のグラフを示すが、本発明に基づくコレステリック層と配向層の組み合わせに関する。 図６は、計算されたＣＩＥ色度点が、赤、緑、青の反射バンドおよび本発明による螺旋軸分布を有するよう配列されたコレステリック層の視野角（度）の関数として描かれるＣＩＥ色度図を示す。

Claims (5)

1. 組み合わせであって、
   コレステリック配列された選択波長反射状態と、透過可能状態とが切り替え可能なコレステリック層と、
   前記コレステリック層に直接接触するホメオトロピック配向層の組み合わせであることを特徴とする組み合わせ。
2. 前記コレステリック層は、ホメオトロピック配向層とプレーナ配向層に挟まれることを特徴とする請求項１に記載の組み合わせ。
3. 光弁やディスプレイセルなどの電気光学セルであって、
   対向する一対の基板と、
   前記一対の基板に挟まれる、請求項１または請求項２に記載の組み合わせと、
   を備えることを特徴とする電気光学セル。
4. ディスプレイ装置などの電気光学装置であって、
   請求項３に記載のセルを備えることを特徴とする電気光学装置。
5. 重合可能なコレステリック層を、偏光された光を選択波長反射可能なコレステリック配列状態に重合することによって得ることが可能であり、偏光された光を選択波長反射可能なコレステリック配列状態に配列された、重合されたコレステリック層であって、
   前記重合可能な層は、重合中に、ホメオトロピック配向層と直接接触することを特徴とする重合されたコレステリック層。

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