JP2006009030A - 光学的要素 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】単一の支持体上に、光配向ポリマー網目構造物等の配向層を塗布し、これに、ネマチック、コレツテリック、強誘電性または非線形光学性を有するモノマー混合物である非架橋液晶モノマーの層を塗布し、これらの層を架橋させ、配向を固定化させ、異方性層を製造する。
【選択図】なし
Description
本発明は、単一の支持体上の配向層と接触した架橋液晶モノマー(LCP)の異方性層の製造、及び単一の支持体上に配向層、LCP層及びLCP層の上の1種以上の追加の配向層を含む積層構造の光学要素、及びそれらの好ましい用途に関する。
一様な、又は個々の場所において予め調節された光学軸の3次元配向を有する異方性の透明あるいは着色架橋ポリマー層は、ディスプレー技術、インテグレイティッドオプティックス等の多くの部門で大きな関心がある。
液晶ポリマーの層構造は、例えばEP-A-331233 から公知である。セルプレートに印加された電圧を用いセル内でモノマー層を配向させ、マスクにより一部の領域に照射することによりそれらを製造しうる。そうすることにより照射された領域においてのみ架橋が開始する。次いで、外部場の方向を変化させると、まだ架橋していないモノマー領域が新しい場の方向に応答して再配向する。その際、後者の領域にも照射すると架橋する。明らかに、この方法はマスクの遮蔽のため、ラジカル架橋反応が鋭い境界線をもたないので、局所的解像の高い配向構造を調製することはできない。さらに、この方法は電場内で層構造を配向させるためのサンドイッチセルを使用することに常に限定される。
米国特許第4,974,941 号明細書に記載されているレーザー配向法により2つの表面を光配向させたサンドイッチセル内で液晶モノマー層が配向を形成し、光により構造を形成しうることも近年公知になった。この方法もまたセル内におけるモノマーの配向に限定されている。セルの表面により電圧を印加された配向は、その後のセル内の従来の液晶モノマーの光重合により凝固する。コーティングされた単一の支持体を得るためには、重合後セルを分解しなければならない(P.J.Shannon,W.M.Gibbons,S.T.Sun,Nature 368,532(1994))。
驚くべきことに、LCP層をすでに含む単一の支持体表面に液晶モノマー層も適用されたり架橋されたりしうることが見いだされた。そのためにサンドイッチセルの反対側の支持体をさらに配向させることも、配向のための磁場又は電場も必要ない。このことは、偏光フィルムの製造のために単一のLCモノマー層中で二色性染料を磁場配向させることが好ましいとされ、実際には単独工程(実際には場のない配向が請求されているが示されてはいない)として例示されているEP-A-397,263とは対照的である。さらに、驚くべきことに単一の支持体上のこれらのモノマー層の配向がその後の重合又は架橋の影響を受けたり破壊されたりしないことが見いだされた。したがって、単純な連続方法で単一のLCP配向支持体上に数種の液晶ポリマー層を含む固体フィルムを製造することがはじめて可能になった。さらに、異なる光学的及び/又は電気的機能を有する追加の層をこれらの複雑なハイブリッド層に統合しうる。このため、公知のものばかりでなく、光−干渉フィルター、光学リターダー、偏光子等のような新規の光学的要素をLCPにより単一の支持体上で実現し、これらの成分をハイブリッド層中で結合及び統合することがはじめて可能になった。さらに、液晶の配向層のような追加の機能層をハイブリッド層中に統合しうる。
配向層と接触した架橋液晶モノマー層の異方性層の本発明による製造は、単一の支持体上に配向層を適用し、これに非架橋液晶モノマーの層を適用し、次いでモノマーを架橋させることからなる。さらに複雑な層構造物の製造においては、追加の配向層及び液晶層を更なる工程で適用し、これらの層を架橋させる。更に、所望に応じて光学的に等方性の脱結合層又は導電性層を配向層の下の個々のLCP層の間に挿入又は塗布しうる。
本発明による光学的成分は、少なくとも1層の配向層が光配向ポリマー網目構造物(PPN)の層であるか、配向パターンが局所的に異なることを特徴とする。
好ましくは、室温においてネマチック、コレステリック、強誘電性又は非線形光学(NLO)性を有するモノマー混合物を使用する。
第二及びその他のLCP層も直接、すなわち中間にPPN層を用いることなく第一のLCP層に塗布し、次いで架橋しうる。第二及び続く層中のモノマーは、第一の層又はその下のLCP層の好ましい配向を引き継ぐ。
PPN及びLCP層は支持体の全表面をおおう必要はないが、表面の全て又は一部を独自の方法及び異なる方法でおおいうることは認められよう。
これらの多層構造物は、光学的及び電気−光学的デバイス、特に種々のLCP層が異なる光学的及び配向目的に役立つ液晶セルの製造に使用される。それらは又、ストリップ導波管、マッハ・ツェンダー干渉計及び周波数2倍導波管集成装置のような集積光学的デバイスにも使用される。つまり、これらの層構造物は、偽造及びコピーに対する保護手段として使用しうる。
図1は、本発明の一実施態様における層構造物の断面図であり、ガラス、ポリマー、金属、紙等のような透明又は反射物質の支持体1を示す。光配向したポリマー網目構造物の層2は支持体上に配置されており、支持体全体を一様におおっているか、局所的に平面配向している。この層は、例えばスイス特許願第 2244/91号及び同 2246/91号に記載されている桂皮酸誘導体から製造しうる。
層は、直線偏光したUV光を選択的に照射することにより配向させると同時に架橋しうる。
層2は、PPN層ではなく、例えば一方向にこすりつけられたポリイミド層又は配向効果を有し、SiO X を斜めスパッターすることにより得られる層のような従来の配向層でもよい。この場合には、配向層は通常支持体表面全体にわたって一様に配向している。表面全体にわたって一様に配向しているのが望ましい用途には、このものの製造はPPN層より安価かもしれない。
またPPN層2は、例えば斜めスパッターされたSiO X 層又は一様にこすりつけられたポリマー層のような支持体1上にすでに付着している従来の配向層に適用しうる。
層2は、配向した架橋液晶モノマーの異方性層3と隣接している。層3は、その下の層2の配向により決定された又はそれから液晶層に移された配向の分子配列を有する。LCP層3は、適する波長の光の作用により光架橋し、層2により予め決められた分子の配向を保持する。光架橋は、光又は高温のようなはなはだしい外部の影響により影響されないようにLCP層3の配向を固定する。PPN層2で生ずる光学的又は熱的不安定性も、架橋後にはLCP層3の配向性に悪影響を及ぼさない。
図3は、既に記載した場合のようにそれぞれ配向層を有する2つのLCP層が支持体1の上に配置されている成分の実施態様を示す。しかしながら、図2の実施態様とは異なり、LCP層3が、もちろんリターダー層として作用しうるが、上方のハイブリッド層4,5、したがって層5の上に配置されている液晶に対して配向の影響を及ぼさないように、光学的等方性又は弱い異方性の脱結合層6が下方のLCP層3と上方の配向層4の間に配置されている。脱結合層6は、例えば二酸化珪素(SiO X) 又はポリビニルアルコール(PVA)又はナイロンのような等方性ポリマーから製造しうる。
同様に、図5に示される層構造物は、脱結合層を有し、前述のように上方のPPN層が異なる配向領域7及び8を含み、上方のLCP層が対応して異なる配向を有する領域9及び10を含むこと以外図3のそれに対応する。
図1乃至5に示される、2つの個々に配向したLCP層を有する層構造物を液晶セルの製造に使用する場合には、層3はリターダーとして作用し、層5又は9、10は液晶層の配向層として作用しうる。リターダー効果を得るためには、LCP層3の光路差は通常高い、すなわち100nmである。
もう一方のガラスプレート12にも同様に、例えば一方向にこすりつけられたPVAの配向層14の下にITO電極層13が塗布されている。
回転角φ=240°のSTNセルを得るためには、PVA層14及び上部のLCP層の配向方向は相互に60°離れている。液晶が適するキラルドーピングを有する場合には、液晶15において240°のねじれである。図7は、偏光子P1 及びP2 の配置、光学的リターダー3の遅い光学軸ce の方向、及び2つの配向層5及び14に隣接する液晶層15の壁配向方向n1 及びn2 を示す。
n1 及びP1 はリターダー側である。
リターダー層3は、キラルなドーパントを混合した液晶でもよい。ドーパントの濃度を変化させることにより、0乃至360°のねじれ角が得られる。ねじれは左旋性又は右旋性である。
この種のねじれたリターダーは、STNディスプレーセルの着色補償に特に適する。好ましくは、Δn・d≒900nmの大きな光路差を有するリターダー層がこの目的のために使用される。図6のSTNセルにおいてねじれた光学的リターダーを使用する場合には、以下の条件に合格しなければならない。
・光学的リターダーの回転方向は液晶層15の回転方向と逆であり、光学的リターダーの回転角(φ)は液晶層のそれと同一である。
・液晶に面する側の光学的リターダーの遅い光学軸は、液晶15の回転方向n1 と直角である。
・光学的リターダーの光路差は液晶層15の光路差と等しい。
リターダー層は熱的に安定であるため、これらのフィルターは約100℃よりずっと高い温度で使用しうる。これらのコレステリックフィルターの選択的反射の波長は、キラルなドーパントを変化させることにより変化させうる。フィルターの組み合わせの選択的反射のバンド幅は、互いに選択的反射の異なる少なくとも2種のコレステリック層を重ね合わせることにより変化させうる。
組み込まれた直線偏光子、又は吸収光学的フィルターを有するリターダー又は配向層は、LCP層中の液晶分子が配向している二色性染料を添加することにより得られる。
その他の詳細は以下の実施例に記載する。
PPN層の製造
PPN物質は、例えば桂皮酸誘導体を含みうる。実施例においては、選択された物質はガラス転移点の高い(Tg =133℃)PPNであった。
実施例2
LCP層のための架橋性LCモノマーの混合物
実施例においては、以下のジアクリレート成分を架橋性モノマーとして使用した。
ジアクリレートモノマーは混合物中に以下の割合で存在した。
Mon 1 80%
Mon 2 15%
Mon 3 5%
混合物に2%のCiba-Geigy IRGACURE 369 光開始剤を添加した。
次いでMLCP 混合物をアニソールに溶解させた。LCP層の厚さは、アニソール中のMLCP の濃度を変化させることにより幅広い範囲で調整しうる。
LCモノマーの光による架橋のために、配向後、層に約30分間150Wのキセノンランプから等方性の光を照射し、配向を固定させた。
リターダーと配向層の結合
PPNを塗布したガラスプレートに5分間偏光UV光を照射した。MLCP の40%アニソール溶液を遠心分離により照射した層に付着させた。スピンパラメータは2000rpm で2分間であった。得られた架橋性LCP層をUV光の偏光方向にしたがって配向させた。架橋後、LCP層の厚さは2.2μm であった。
偏光子がPPN層の照射中に偏光方向と平行又は直角となるようにコーティングしたガラスプレートを交差した偏光子の下に配置する場合には、プレートは暗い。しかしながら、プレートをプレート平面において45°回転させると、プレートは明るくなる。すなわち複屈折を有する。光学的遅延は約300nmである。
光学的遅延が300nmのハイブリッド層上にスパッターすることにより50nmの厚さの等方性SiO X 脱結合層を付着させた。次いで、実施例1に記載したようにして脱結合層上にPPN層を構築した。PPN層を、異なる方向の偏光を照射した2つの領域に分割した。半分の光の偏光方向はその下のリターダー層の光学軸に平行であり、残りの半分のそれは光学軸に直角であった。半分の光を照射する間は、他方の半分の光をおおった。その結果、平面配向の方向が相互に直角の2つの領域となった。
このハイブリッド支持体及び第二の粉砕PVAをコーティングした支持体をLCセルの構築に使用し、セルを液晶で満たす場合には、セルの半分はねじれたセル(TN)形態となり、残りの半分はLC分子の均質な平面配置となる。ハイブリッド支持体は、一方では光学体リターダーとして作用し、他方では液晶の配向層として作用する。リターダーの光学軸は、LC分子が配向する方向とは異なりうる。
2つの架橋したLCP層のために、多層は熱的及び光学的に安定である。SiO X 層の代わりにナイロンの等方性脱結合層を製造した。このために、0.1%のナイロンをトリフルオロエタノールに溶解させ、スピンコーティングにより第一のLCP層に付着させた。
現場で一軸リターダーで補償したSTNセル
ITOをコーティングしたガラスプレートにPPN層を適用し、直線偏光を照射した。次いで、MLCP の53%アニソール溶液を遠心分離により付着させ、架橋させた(スピンパラメータ:2000rpm において2分間)。このリターダー層の光学的遅延は530nmであった。実施例3と同様に、第二のPPN層を塗布し、等方性のSiO2層によりリターダーから脱結合した。第二のPPN層に照射する偏光の方向は、PPN1の照射の偏光方向と比較して75°回転させた。実施例3のようにして、照射後、PPN2層に薄いLCP層を付着させた。
この支持体及び第二のこすりつけられたPVA−ITOガラス支持体を、d=5μm のプレート分離を有するLCセルの構築に使用した。こすりつけの方向とハイブリッド層の配向方向間の角度が240°であるように第二のプレートを配置させた。2つの偏光子の透過方向は図7のように調整した。まず、d/p比が0.51(p=ピッチ)となるように、液晶混合物にキラルなドーパントをドープした。この混合物をLCセルに注いだ。
セルに電圧を印加しなければ、セルは暗い。しかしながら、十分な電圧を印加すると、セルは黒色から白色に変化する。したがってSTNセル内の通常の干渉色は、外部に塗布する補償ホイルを必要とすることなく、リターダー層により補償される。
ねじれたリターダーとしてのハイブリッド層
MLCP 混合物に、ねじり能の高い〔ヘリックスねじり能(HTP)=0.26μm -1〕左旋性のキラルなドーパントを0.16%ドープした。次いでドープした混合物をアニソールに溶解させて40%溶液とし、遠心分離により照射されたPPN層に塗布した(2000rpm で2分間)。架橋後、LCP層の厚さは約2.2μm であった。コーティングしたプレートを交差した偏光子の下で観察すると、支持体側への透過方向はPPNに照射する光の偏光方向と平行であり、層は直線リターダーの場合とは異なり暗くはなかった。しかしながら、層は分析計を30°回転させると最も暗くなった。従って、直線偏光の偏光平面はLCP層内のねじれに対応してリターダーによる輸送中に30°回転した。
ねじれは、キラルなドーパントの濃度を変化させることにより0乃至360°に調整しうる。左旋性のドーパントの代わりに右旋性のキラルなドーパントも使用しうる。これらのねじれたリターダーは又、例えばSTNディスプレーの色の補償において重要である。
現場でねじれたリターダーで補償したSTNセル
直線リターダーの代わりに、第一のPPN−LCP層結合物がねじれたリターダーであり、コントラストを増大させうる。従って、第一のLCP層のためのMLCP 混合物に右旋性のキラルなドーパントをドープした。スピンパラメータは、LCP層の光学的遅延が図6の液晶15のそれと等しくなるように選択した。次いでLCP層のピッチを、リターダーの回転角が液晶の回転角と等しくなるようにドーパントの濃度により調整した。ねじれたリターダーの上の配向層に、その配向方向が配向層に面した側においてリターダーの遅い軸に直角であるように照射した。実施例4と同様にして、STNセルの構築にこの支持体を使用し、左旋性の液晶を充填した。
局所的に色の異なるハイブリッド層
直線偏光を照射したPPN層に、室温においてMLCP の50%アニソール溶液を遠心分離により塗布し、架橋させた。得られた光学的リターダーの遅延は470nmであった。交差した偏光子の下では、プレートは橙色に着色した。実施例3のように、50nmの厚さの等方性のSiO X の脱結合層をスパッターすることにより付着させ、次いで第二のPPN層を付着させた。次いで、層PPN2に異なる偏光方向で照射して3つの領域に分割した。領域1は偏光方向がPPN1の照射の偏光方向と平行であり、領域2は直角であり、領域3は45°であった。各領域の照射中には他の領域をおおった。
このようにして得られたPPN2層に、MLCP の30%アニソール溶液を遠心分離により塗布し、架橋させた。得られたLCP層の光学的遅延はΔnd=140nmであった。
PPN1の照射の偏光方向が偏光子に対して45°となるようにハイブリッド層を交差した偏光子の下に配置させると、3色が認められた。
領域 Δnd[nm] 色
1 610 青
2 330 黄
3 470 橙
2つのLCP層の光学的遅延は領域1では加えられ、領域2では減じられた。
同様にしてさらにPPN−LCP結合物をこれらの3色の各々に適用することによりその他の色も製造しうる。個々の層の照射はまた、第一の照射に対して0乃至90°の偏光方向に変化させることにより実施しうる。したがって、透過範囲が層の数、厚さ及び光学軸の方向により調整しうるライオット/エーマン又はSolcの干渉フィルターも実現しうる。透過範囲は構造によりピクセルで種々に調整しうる。
実施例8
光学的フィルター/偏光子(円形偏光子)用のコレステリックLCP層
MLCP 混合物に、12%の実施例5のキラルな左旋性のドーパントをドープした。得られたコレステリック混合物のピッチは約360nmであった。ドープした混合物をアニソールに溶解させて40%の溶液とし、遠心分離により直線偏光を照射したPPN層に塗布して架橋させた。得られた層は、λ0 =580nmの選択的反射波長を有するコレステリックフィルターとして作用した。反射バンドの幅は70nmであった。
実施例9
直線偏光子としての二色性LCP層
2%の以下の構造:
Claims (30)
- 単一の支持体上の配向層と接触した架橋液晶モノマー(LCP)の異方性層を製造する方法において、単一の支持体を準備し、該単一の支持体上に配向層を適用し、その上に非架橋液晶モノマーの層を適用し、次いで前記唯一の配向層に接触したモノマーの層を架橋させることを特徴とする方法。
- 前記配向層が光配向材料製である、請求項1に記載の方法。
- 前記LCP層に次いで更なる配向層を適用する請求項1又は2記載の方法。
- 少なくとも2つの配向層の一つにおいて、光配向ポリマー網目構造物(PPN)が使用される、請求項1乃至3のいずれかに記載の方法。
- 前記更なる配向層に非架橋液晶モノマーの更なる層を適用し、次いで前記モノマーを架橋させる請求項1乃至4のいずれか記載の方法。
- 単一の支持体上に配向層、LCP層及び前記LCP層の上の1層以上の追加の配向層を含む光学的要素において、1層以上の配向層が光配向ポリマー網目構造物(PPN)からなることを特徴とする光学的要素。
- 前記1層以上の配向層の配向パターンが局所的に異なる請求項6記載の光学的要素。
- 追加の配向した架橋液晶モノマーの異方性層が前記追加の配向層の上に配列している請求項6又は7記載の光学的要素。
- 前記追加の配向層がこすりつけ又は斜めスパッターにより製造された表面配向構造を有する請求項6乃至8のいずれかに記載の光学的要素。
- 下方のLCP層及び追加の配向層の間に等方性の脱結合層が設けられている請求項6乃至9のいずれかに記載の光学的要素。
- 前記配向及び/又は架橋液晶モノマー層が前記支持体の一部のみをおおっている請求項6乃至10のいずれかに記載の光学的要素。
- 前記第一の架橋液晶モノマー層が光学リターダーである請求項6乃至11のいずれかに記載の光学的要素。
- 複数の液晶モノマー層が光学リターダーとして構築されている請求項12記載の光学的要素。
- 前記第一の架橋液晶モノマー層がねじれた光学リターダーとして構築され、前記LCP層がコレステリック液晶物質から成る請求項9記載の光学的要素。
- 一定の光の波長範囲内で光学フィルター又は円形偏光子として作用するように、1層以上のLCP層が非常にねじれたコレステリック液晶物質から成る請求項6乃至14のいずれかに記載の光学的要素。
- 吸収カラーフィルター層が存在する請求項6乃至15のいずれかに記載の光学的要素。
- LCP層の一が強誘電性である請求項6乃至16のいずれかに記載の光学的要素。
- LCP層の一が非線形光学活性を有する請求項6乃至17のいずれかに記載の光学的要素。
- 第二の架橋液晶モノマー層又は第二のPPN層が配向層として構築されている請求項6乃至17のいずれかに記載の光学的要素。
- 吸収光学フィルター及び/又は直線偏光子として作用するように、1層以上のLCP層が二色性染料分子を含む請求項6乃至19のいずれかに記載の光学的要素。
- 少なくとも1層のLCP層が、モノマー状態において少なくとも加工中15乃至80℃において液晶である架橋モノマー又はモノマー混合物からなる請求項6乃至20のいずれかに記載の光学的要素。
- 前記温度範囲が15乃至50℃である請求項21記載の光学的要素。
- 1層のLCP層がリターダーとして作用し、その他のLCP層が配向層として作用する請求項6乃至21のいずれかに記載の光学的要素。
- 透過及び反射液晶ディスプレーに使用される請求項6乃至21のいずれかに記載の光学的要素。
- 前記液晶ディスプレーが回転セルである請求項22記載の光学的要素。
- 前記液晶ディスプレーがSTNセルである請求項22記載の光学的要素。
- 前記液晶ディスプレーが強誘電性セルである請求項22記載の光学的要素。
- 前記液晶セルがアドレスできる活性マトリックス支持体を含む請求項22記載の光学的要素。
- 光学的及び集積光学的デバイスに使用される請求項6乃至22のいずれかに記載の光学的要素。
- 透過における偽造及び複製に対する保護に使用される請求項6乃至22のいずれかに記載の光学的要素。
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