JP2007240578A - 液晶光変調素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性を向上することのできる柔軟性を有する液晶光変調素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】液晶光変調素子１は、所定の間隔を隔てて配置され内面に透明電極１０１、１０２、および配向膜１０３、１０４を有する透明基板１１１、１１２と、一対の透明基板１１１、１１２の間に合成樹脂製スペーサ１２、および合成樹脂製繊維１３と強誘電性液晶１４を含み、強誘電性液晶１４にはネマティック液晶が添加されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶光変調素子およびその製造方法に係り、特に、柔軟性を有する液晶光変調素子およびその製造方法に関する。

液晶光変調素子を適用した表示装置の大型化および柔軟化を可能とするために、液晶を保護する基板を薄いガラス板あるいは柔軟なプラスチックフィルム製とし、液晶の膜厚を確保するスペーサを基板の間に配置した液晶光変調素子が既に提案されている。

しかし、基板を折り曲げたときにスペーサが移動して、液晶膜厚の均一性が損なわれ液晶配向が破壊されることがあった。

自発分極性を有し高速な分子スイッチングが可能な強誘電性液晶は高品質な動画表示用の液晶として有望であるが、強誘電性液晶は配向が破壊され易く柔軟な基板の適用が困難であるとされていた。

そこで、本出願人は、プラスチックフィルム基板の間に三次元網目状の合成樹脂製繊維を含む強誘電体液晶を配置した液晶光変調素子を既に提案している（例えば、特許文献１参照）。

上記液晶光変調素子は、合成樹脂製繊維を含む液晶自体が自己保持性を有するため、柔軟性のあるプラスチックフィルム基板を適用しても、強誘電性液晶の膜厚を一定に維持することが可能となる。さらに、合成樹脂製繊維を一定方向に配向することにより、強誘電性液晶を一定方向に配向することも可能となる。

しかし、上記液晶光変調素子は、合成樹脂製繊維表面に液晶分子が固定された構造であるため、機械的強度を高めるために合成樹脂製繊維の量を増加すると、液晶分子の配向を制御するための駆動電圧を高電圧化する必要があった。

そこで、本出願人は、光硬化性モノマーと強誘電性液晶の混合液に光線を照射して合成樹脂製スペーサおよび合成樹脂製繊維を形成する液晶光変調素子の製造方法を既に提案している（例えば、非特許文献１参照）。

ただし、上記提案に係る製造方法にあっては、
（１）光線照射域の光硬化性モノマーが重合して形成されたスペーサから液晶が排出され易いように、混合液がある程度の流動性を有する
（２）スペーサ近傍の強誘電性液晶の配向方向が揃うためには、光硬化性モノマーが重合して形成されたスペーサの樹脂分子の配向方向が揃っている
ことが必要であるので、強誘電性液晶と光硬化性モノマーとの混合液がネマティック相を維持する温度に保持しつつ合成樹脂製スペーサおよび合成樹脂製繊維を形成することが必要となる。なお、混合液は、温度が高くなるに従って、スメティック相（Ｓ相）、ネマティック相（Ｎ相）、等方相（Ｉ相）と変化する。

そして、上記製造方法によれば、液晶光変調素子の機械的強度を高めるとともに、駆動電圧を低電圧化することが可能となる。

しかし、ネマティック相からスメクティック相への相転移温度は強誘電性液晶と光硬化性モノマーの混合比によって変化するので、光線照射により光硬化性モノマーが重合してスペーサが形成されるに従って相転移温度が変化することとなる。

図６は、混合液のネマティック相−スメクティック相間の相転移温度との濃度の関係を示すグラフであって、光硬化性モノマーの濃度が低下するに従って、相転移温度は上昇する。

このため、スペーサが形成される過程で、混合液がスメクティック相へ転移しないように、混合液の温度を精密に制御することが必要であった。

即ち、スペーサが形成されるに従って光硬化性モノマーの濃度がＡｗｔ％からＢｗｔ％まで変化する場合は、光硬化性モノマーの重合程度に応じて温度をＴ₀からＴ₁まで上昇させることが必要となっていた。
特開２０００−１２２０４３公報（［００２２］，図１） 佐藤弘人他「単安定強誘電性液晶を用いたフレキシブル表示素子」２００３年映像情報メディア学会年次大会予稿集

しかしながら、混合液中の光硬化性モノマーの濃度に応じて混合液の温度を制御すると液晶光変調素子の生産性が悪化するという課題があった。

本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであって、生産性を向上することのできる柔軟性を有する液晶光変調素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る液晶光変調素子は、所定の間隔を隔てて配置され内面に透明電極および配向膜を有する透明基板と、前記一対の透明基板の間に合成樹脂製スペーサおよび合成樹脂製繊維と強誘電性液晶とを含み、前記強誘電性液晶にはネマティック液晶が添加される構成を有している。

この構成により、液晶光変調素子を湾曲させた場合にも、強誘電性液晶の配向を維持することが可能となることとなる。

本発明に係る液晶光変調素子は、前記強誘電性液晶中への前記ネマティック液晶の添加量が１５ｗｔ％以下であることが望ましい。

本発明に係る液晶光変調素子は、前記合成樹脂製スペーサの厚さが１マイクロメートル以上２００マイクロメートル以下の壁構造であってもよい。

本発明に係る液晶光変調素子は、前記合成樹脂製スペーサが直径１マイクロメートル以上２００マイクロメートル以下の円に内接し島状に分布する柱形状であってもよい。

本発明に係る液晶光変調素子の製造方法は、Ａ：第１の透明基板の透明電極面に配向膜を塗布する配向膜塗布段階と、Ｂ：前記第１の透明基板の前記配向膜塗布面に光硬化性モノマー、強誘電性液晶、およびネマティック液晶の混合液を塗布する混合液塗布段階と、Ｃ：透明電極が形成され配向膜が塗布された第２の透明基板を前記配向膜面を前記混合液に向けて前記混合液上に配置する透明基板配置段階と、Ｄ：前記強誘電性液晶がネマティック相を維持する温度下で前記第１の透明基板または第２の透明基板のスペーサ形成箇所に光線を照射するスペーサ形成箇所光線照射段階と、Ｅ：前記強誘電性液晶がネマティック相を維持する温度下で前記第１の透明基板または第２の透明基板の全面に光線を照射する全体光線照射段階とを含んでいる。

この製造方法により、強誘電性液晶がネマティック相を維持する一定温度の下でスペーサを形成できることとなる。

本発明は、強誘電性液晶中にネマティック液晶を添加することにより相転移温度を下げることにより、柔軟性を有する製造容易な液晶光変調素子およびその製造方法を提供することができるものである。

以下、本発明に係る液晶光変調素子の実施形態について、図面を用いて説明する。

本発明に係る液晶光変調素子は、図１の断面図に示すように、所定の間隔を隔てて配置され、内面に透明電極１０１、および配向膜１０３を有する第１の透明基板１１１と、内面に透明電極１０２、および配向膜１０４を有する第２の透明基板１１２と、第１の透明基板１１１と第２の透明基板１１２の間に合成樹脂製スペーサ１２、および合成樹脂製繊維１３と強誘電性液晶１４を含む。そして、強誘電性液晶１４にはネマティック液晶が添加されている。

本発明に係る液晶光変調素子１は、図２の生産流れ図に示すように、以下のＡからＥの５段階を経て生産される。

Ａ：第１の透明基板の透明電極面に配向膜を塗布する配向膜塗布段階
透明基板１１１および１１２としては、ガラスあるいはプラスチックフィルムを使用することができる。プラスチックフィルムを使用した場合には、液晶光変調素子を軽量化することが可能となる。

プラスチックフィルムとしては、ポリカーボネイト、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリエチレンナフタレート等を使用することができる。

また、透明電極１０１および１０２は、錫をドープした酸化インジウム、酸化インジウム、酸化錫などを真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリングなどにより透明基板１１１および１１２上に形成することができる。

配向膜１０３および１０４は、強誘電性液晶分子を特定方向に揃える目的で塗布するものであって、ポリイミド樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリビニルシンナメート樹脂、アゾ系化合物を使用することができる。

配向膜１０３および１０４の塗布方法としては、ロールコーティング、ディッピング、スピンコーティング、キャスティング、スプレ、ドクターブレードコーティング、ワイヤーバーコーティングをはじめ各種の方法を使用することができる。

Ｂ：第１の透明基板の配向膜塗布面に光硬化性モノマー、強誘電性液晶、および、ネマティック液晶の混合液を塗布する混合液塗布段階
光硬化性モノマーとしては、重合が進み易く、重合後の構造変化が著しいモノマーであるほど強誘電性液晶と相分離し易いことから、多官能性モノマーを使用することが望ましい。

また、光硬化性モノマーは、強誘電性液晶との溶解性に優れ、フェニル基、シクロヘキサン基等強誘電性液晶に類似する分子骨格を有する樹脂であることが望ましい。

なお、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂等を使用することもできる。

強誘電性液晶としては、シェフ塩素系液晶、アゾ系液晶、アゾキシ系液晶、ビィフェニル系液晶、エステル系液晶、フェニルピリミジン系液晶等を使用することができる。これら液晶は、（１）室温でスメクティック相を呈する、（２）分子は不斉炭素含む、（３）分子長軸に対し垂直方向の双極子モーメントを有する、という強誘電性の条件を具備している。

さらに、ネマティック液晶としては、強誘電性液晶と混合したときに混合液のネマティック相からスメクティック相への相転移温度を低下させる特性を有し、常温においてネマティック相であるビフェニル系、タフェニル系、シクロフェニル系、トラン系、フッ素系の液晶を使用することが望ましいが、これらの混合液であってもよい。

なお、ネマティック液晶の添加割合は、混合液が強誘電性を失われない範囲であればよいが、１５ｗｔ％以下とすることが望ましい。

Ｃ：透明電極が形成され配向膜が塗布された第２の透明基板を、配向膜面を混合液に向けて、混合液上に配置する透明基板配置段階
Ｄ：強誘電性液晶がネマティック相を維持する温度下で、第１の透明基板または第２の透明基板の透明電極面の所定箇所に光線を照射するスペーサ形成箇所光線照射段階
液晶光変調素子を恒温槽１５の中に入れて、第１の透明基板１０１および第２の透明基板１０２で挟まれた強誘電性液晶、ネマティック液晶および光硬化性モノマーの混合液がネマティック相を維持する温度に保つ。

そして、第１の透明基板１０１（または第２の透明基板１０２）にスペーサのパターンを切り抜いたマスクを設置し、光源２２から光線を照射し光硬化性モノマーを重合させて、第１の透明基板１０１および第２の透明基板１０２の間に合成樹脂製スペーサ１２を形成する。

図３は、光硬化性モノマー、強誘電性液晶およびネマティック液晶の混合液における光硬化性モノイマーの濃度とネマティック相−スメクティック相間相転移温度の関係を示すグラフ（実線）であって、ネマティック液晶を添加しない場合の相転移温度（破線）に比較して相転移温度が低下する。

従って、混合液の温度を一定に維持しても、スペーサ形成中にスメクティック相に相転移することはなく、硬化後のスペーサ内に液晶が残留しないばかりでなく、スペーサ内の分子の配向を一定とすることができる。

なお、光源を例えばレーザ（エキシマレーザ、アルゴンレーザ、ヘリウム・カドニウムレーザ等）であるコヒーレント光源とし、第１の透明基板１０１（または第２の透明基板１０２）を走査することによりマスクなしでスペーサを形成することも可能である。

Ｅ：強誘電性液晶がネマティック相を維持する温度下で、第１の透明基板または第２の透明基板の透明電極面全体に光線を照射する全体光線照射段階
液晶光変調素子を恒温槽１５の中に入れて、第１の透明基板１０１および第２の透明基板１０２で挟まれた強誘電性液晶、ネマティック液晶、および光硬化性モノマーの混合液がネマティック相を維持する温度に保つ。

そして、第１の透明基板１０１（または第２の透明基板１０２）全面に光源２３から光線を照射して光硬化性モノマーを重合して、第１の透明基板１０１および第２の透明基板１０２の間に合成樹脂製繊維を形成するが、混合液はネマティック相を維持しているので、合成樹脂は配向しつつ繊維状に析出する。

強誘電性液晶としてチルト角が４２．９度の強誘電性液晶を、ネマティック液晶としてチッソ社製ＪＢ−１０１０（商品名）を使用した場合の相転移温度を測定した。

図４は、この場合の相転移温度と光硬化性モノマーの混合濃度の関係を示すグラフであって、一点鎖線は強誘電性液晶および光硬化性モノマーの混合液のネマティック相からスメクティック相への相転移温度を、実線は強誘電性液晶、ネマティック液晶および光硬化性モノマーの混合液のネマティック相からスメクティック相への相転移温度を示す。

なお、破線は強誘電性液晶、ネマティック液晶および光硬化性モノマーの混合液のネマティック相から等方相（Ｉ相）への相転移温度を示し、点線は混合液のネマティック相内での平行配向状態からツイスト配向状態への状態転移温度を示す。

このグラフから、ネマティック液晶を混入した場合は、光硬化性モノマーの濃度が２０％から０％までの範囲でネマティック相からスメクティック相への相転移温度は約１５度から８度低下することが判る。

スズ添加酸化インジウム（ＩＴＯ）の透明電極膜が形成された透明基板にポリイミド膜をスピンコーティング法により３３００ｒｐｍで９０秒間塗布し、１８０度で２時間焼成する。

次に、ナイロン布でポリイミド膜表面をラビング（毛先押し込み長さ：０．４ミリメートル）して、ポリイミド膜に配向処理する。

そして、間隔が１．５マイクロメートル、配向膜がアンチパラレル状態の透明基板間に１０ｗｔ％のネマティック液晶を添加した強誘電性液晶に光硬化性モノマーを１５ｗｔ％混合した混合液を流し込む。

次に、透明基板にマスクを密着させた状態で紫外線（中心波長：３６５ナノメートル、強度：１３０ミリワット／平方センチメートル）を１２０秒間照射してスペーサを形成した。なお、マスクは格子状であり、格子の周期は２５０マイクロメートル、格子幅は１５マイクロメートルとした。

なお、透明基板１１１および１１２の厚さを０．２ミリメートルとすることが、光学マスクを使用して光を照射した場合に、広がり光を受ける混合液の面積を減少し、スペーサ形成段階で合成樹脂製スペーサ１２近傍に合成繊維樹脂が形成されることを防止する上で有利である。

スペーサを形成する際、強誘電性液晶はツイスト配向が発生せず、かつ、スペーサが形成されて光硬化性モノマーの濃度が減少したときにも平行配向を保つ温度に維持する必要がある。

この温度は、ツイスト配向と平行配向間の転移温度は液晶層の厚みによって変化するので、透明基板の間隔の変動を考慮すると、ツイスト配向と平行配向間の転移温度からできる限り離れた温度とすることが必要である。

そこで、本実施例においては、ネマティック液晶を添加した強誘電性液晶の温度を摂氏５５度に維持した。

なお、比較のために、ネマティック液晶を添加しない強誘電性液晶で液晶光変調素子を製作したが、この際には強誘電性液晶を摂氏６５度に維持した。

スペーサ形成後、光学マスクを除去して、透明基板全面に紫外線（中心波長：３６５ナノメートル、強度：４０ミリワット／平方センチメートル）を照射し、格子内に樹脂繊維を形成した。

図５は、ネマティック液晶を添加しない液晶強誘電性液晶を使用した液晶光変調素子（Ａ）とネマティック液晶を添加した強誘電性液晶を使用した液晶光変調素子（Ｂ）の分子配向図である。

この図から、ネマティック液晶を添加しない場合（Ａ）はスペーサの分子およびスペーサ近傍の液晶に配向乱れが観察されるのに対し、ネマティック液晶を添加した場合（Ｂ）はスペーサの分子およびスペーサ近傍の液晶の配向乱れが解消されていることがわかる。

なお、上記実施形態および実施例で説明した液晶光変調素子を、液晶表示装置に適用できることは当業者にとって明らかである。

以上のように、本発明に係る液晶光変調素子は製造容易かつ柔軟な液晶光変調素子を提供できるという効果を有し、表示装置等として有効である。

本発明に係る液晶光変調素子の断面図 本発明に係る液晶光変調素子の製造工程を示す流れ図 本発明に係る液晶光変調素子の光硬化性モノマーの混合濃度と相転移温度の関係を示すグラフ 本発明に係る液晶光変調素子の実施例の光硬化性モノマーの混合濃度と相転移温度の関係を示すグラフ 本発明に係る液晶光変調素子の実施例の光変調素子の分子配向図 従来の技術による光硬化性モノマーの混合濃度と相転移温度の関係を示すグラフ

符号の説明

１０１、１０２ 透明電極
１０３、１０４ 配向膜
１１１、１１２ 透明基板
１２ 合成樹脂製スペーサ
１３ 合成樹脂製繊維
１４ ネマティック液晶が添加された強誘電性液晶
１５ 恒温槽

Claims (5)

1. 所定の間隔を隔てて配置され、内面に透明電極および配向膜を有する透明基板と、
   前記一対の透明基板の間に合成樹脂製スペーサおよび合成樹脂製繊維と強誘電性液晶とを含む液晶光変調素子であって、
   前記強誘電性液晶にはネマティック液晶が添加されることを特徴とする液晶光変調素子。
2. 前記強誘電性液晶中への前記ネマティック液晶の添加量が１５ｗｔ％以下である請求項１に記載の液晶光変調素子。
3. 前記合成樹脂製スペーサが、厚さが１マイクロメートル以上２００マイクロメートル以下の壁構造である請求項１または請求項２に記載の液晶光変調素子。
4. 前記合成樹脂製スペーサが、直径が１マイクロメートル以上２００マイクロメートル以下の円に内接し、島状に分布する柱形状である請求項１または請求項２に記載の液晶光変調素子。
5. 第１の透明基板の透明電極面に配向膜を塗布する配向膜塗布段階と、
   前記第１の透明基板の前記配向膜塗布面に光硬化性モノマー、強誘電性液晶、およびネマティック液晶の混合液を塗布する混合液塗布段階と、
   透明電極が形成され配向膜が塗布された第２の透明基板を、前記配向膜面を前記混合液に向けて、前記混合液上に配置する透明基板配置段階と、
   前記強誘電性液晶がネマティック相を維持する温度下で、前記第１の透明基板または第２の透明基板のスペーサ形成箇所に光線を照射するスペーサ形成箇所光線照射段階と、
   前記強誘電性液晶がネマティック相を維持する温度下で、前記第１の透明基板または第２の透明基板の全面に光線を照射する全体光線照射段階とを含む液晶光変調素子の製造方法。