JP2007248869A - 位相差板、位相差板の作製方法および液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】延伸を用いなくとも作製可能な、液晶を用いた二軸性の位相差板を提供する。
【解決手段】 少なくとも一層の分子量３００〜２０００の液晶性分子から形成される光学異方性層を有する位相差板であって、該光学異方性層において、該液晶性分子が、層構造を形成し、且つ隣り合う層の分子に対して実質的に反平行に傾斜している、前記位相差板。
【選択図】なし

Description

本発明は、液晶性化合物を用いた二軸性を発現する位相差板、位相差板の作製方法および液晶表示装置に関する。

３軸方向の屈折率を制御した二軸性の位相差板は、偏光を利用する光学分野において有用である。特に液晶ディスプレイの分野では偏光をきめ細かく制御できるこのような位相差板の重要性は高い。このような光学的二軸性の位相差板を作成する場合、ポリマーから得られるフイルムを二軸延伸によって得る方法が一般的である（例えば、特許文献１参照）。しかし、最近では、二軸性の液晶を用いて二軸性の位相差板を得る方法が提案されている。二軸性の液晶を用いた二軸性位相差板は、これまで多く用いられてきた二軸延伸フイルムと比較して、その膜厚を非常に薄くできるメリットを持つため、デバイスの薄層化や軽量化等に有用な手段である。そのような例としては、例えば、二軸性液晶相の一つであるスメクチックＣ_Ａ相を発現する高分子の液晶化合物を一軸延伸することによって二軸性の位相差板を得る方法が報告されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、延伸を利用した位相差板は、位相差板の寸法安定性が悪く、光学性能が湿熱等で変わりやすいといった問題を持つことが多かった。
特開平２−２６４９０５号公報 特開平１１−６０９７２号公報

したがって、本発明の目的は、延伸を用いなくとも作製可能な、液晶を用いた二軸性の位相差板、該位相差板の作製方法および液晶表示装置を提供することにある。

上記課題は、以下の手段によって解決される。
（１） 少なくとも一層の光学異方性層を有する位相差板であって、該光学異方性層は低分子の液晶性化合物から形成されており、なお且つ該光学異方性層において液晶性分子は層構造を形成し且つ該層面に対して分子が傾斜していることを特徴とする位相差板。
（２） 前記低分子の分子量が３００〜２０００好ましくは５００〜１０００であり、かつ該液晶性分子が、隣り合う層の分子に対して実質的に反平行に傾斜していることを特徴とする（１）に記載の位相差板。ここで「実質的に反平行」とは隣り合う層の分子の配向方向を示す単位ベクトルをスメクチック面へ投影してなる各ベクトル（Ｃ−ダイレクター）が正反対（１８０度）であることを意味する（図１を参照）。
（３） 前記光学異方性層が、配向膜を設けた支持体上に設けられることを特徴とする（１）または（２）に記載の位相差板。
（４） 前記液晶性分子が下記の一般式（１）で表されることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の位相差板。

Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂはそれぞれ独立に連結基を含む重合性基またはアルキル基を表し、ｎは１または２である。但し、Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂの少なくとも１つは連結基を含む重合性基である。
（５） 前記液晶分子の末端の重合性基が下記で表される基Ｑ１〜Ｑ１９から選ばれることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の位相差板。

（６） 前記光学異方性層が、二軸性を発現することを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の位相差板。
（７） （１）〜（６）のいずれかに記載の位相差板を有することを特徴とする液晶表示装置。
（８） 配向膜を設けた透明支持体の上に、スメクチックＣ_Ａ相を発現する液晶性化合物を塗布する工程、スメクチックＣ_Ａ相を配向させる工程、配向状態を固定する工程からなる、位相差板の作製方法。

本発明によれば、延伸を用いなくとも、液晶を用いた二軸性の位相差板を提供することができる。

［液晶性化合物］
本発明に用いる液晶性化合物は、層構造を形成しなお且つ該層面に対して分子が傾斜する液晶相を発現する。このような液晶相としては、液晶便覧（丸善（株）２０００年発行）第２章、１３頁などに記載）に記載の液晶相を挙げることができる。特に好ましい液晶相としては、スメクチックＣ相を挙げることができる。このような液晶相を発現する化合物としては、液晶便覧（丸善（株）２０００年発行））やＨａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ Ｖｏｌ．２Ａ（Ｄ．Ｄｅｍｕｓ，Ｊ．Ｇｏｏｄｂｙ等著：ＷＩＬＥＹ−ＶＣＨ社刊）等に記載の化合物を挙げることができる。

スメクチックＣ相は通常二軸性を示さないが、光学異方性層に二軸性を発現させるのであれば、スメクチックＣ相の中でも液晶便覧（丸善（株）２０００年発行）第２章、１７頁などに記載）に記載のスメクチックＣ_Ａ相を用いることが好ましい。
本発明においては、スメクチックＣ_Ａ相は必ずしも反強誘電性を発現しなくてもよく、隣接する層で、分子の傾斜する方向が変化することが重要である。
従って、本発明のスメクチックＣ_Ａ相の定義には、スメクチックＣ_２相（例えば、Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ、１３巻、４５５頁（１９９３年））も含まれる。

スメクチックＣ_Ａ相を発現する化合物または組成物としては、Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ Ｖｏｌ．２Ｂ（Ｄ．Ｄｅｍｕｓ，Ｊ．Ｇｏｏｄｂｙ等著：ＷＩＬＥＹ−ＶＣＨ社刊）等に記載のカイラルスメクチックＣ_Ａ相の不斉炭素をなくした化合物、またはＲ体とＳ体の混合物を挙げることができる。また、Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ、１３巻、４５５頁（１９９３年）に記載の２量体化合物及び、Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．，１５巻、３４４３頁（２００３年）に記載のスメクチックＣ相を発現する化合物と屈曲した化合物の混合物も挙げることができる。

本発明の液晶性分子化合物は、分子の配向状態を固定するために、分子内に重合性基を有することが好ましい。
このような重合性基を有する液晶化合物は、上述のスメクチックＣ相やスメクチックＣ_Ａ相を発現する化合物の末端に重合性基を導入することで得ることが可能である。
一般式（１）で表される液晶性分子化合物について説明する。
Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂはそれぞれ独立に連結基を含む重合性基またはアルキル基を表し、ｎは０または１である。但し、Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂの少なくとも１つは連結基を含む重合性基である。
アルキル基としては−Ｃ_５Ｈ_１１、−Ｃ_６Ｈ_１３、−Ｃ_７Ｈ_１５、−Ｃ_８Ｈ_１７等が挙げられる。
連結基は−Ｏ−、−Ｓ−、−ＣＯ−、−ＮＲ_１−、二価の鎖状基、二価の環状基およびそれらの組合せからなる群より選ばれる二価の連結基であり、より好ましくは−Ｏ−、−ＣＯ−、および二価の鎖状基の組合せからなる群より選ばれる二価の連結基である。
重合性基としては、前記重合性基Ｑ１〜Ｑ１９を挙げることができる。中でもＱ１またはＱ２が好ましく用いられる。
液晶分子の連結基を含む重合性基としては下記に挙げるものが好ましい。

例えば、スメクチックＣ相を発現し、重合性基を有する化合物としては、下記化合物が挙げられる。

スメクチックＣ_Ａ相を発現する組成物は、前記スメクチックＣ相を発現する化合物と屈曲化合物との混合により得ることもできる。なお、スメクチックＣ相（ＳｍＣ相）およびスメクチックＣ_Ａ相（ＳｍＣ_Ａ相）については図２参照。
スメクチックＣ_Ａ相において、分子の配向方向を示す単位ベクトルとスメクチック面とのなす角は、８９°〜２０°である。該なす角は８７°〜３０°であることが好ましく、特に８５°〜５０°であることが好ましい。
上記スメクチックＣ相を発現する化合物は、特開２００１−２３３８３７号公報等に準じて、定法により全て合成することができる。

本発明の液晶性化合物は、低分子も高分子も用いることが可能である。好ましくは、均一な配向を実現しやすい低分子化合物である。

［位相差板］
本発明の位相差板は、透明支持体の上に、液晶性化合物から形成された光学異方性層を有することが好ましい。透明支持体と光学異方性層の間には配向膜を設けるのが好ましい。光学異方性層は、液晶性化合物に必要に応じて他の添加剤を加え、該組成物を配向膜上に塗布した後、液晶状態の配向を固定化して得られる。

本発明の位相差板における光学的異方性層の厚さは、０．１〜２０μｍであることが好ましく、０．２〜１５μｍであることがさらに好ましく、０．３〜１０μｍであることが最も好ましい。

本発明の位相差板は、偏光膜と組み合わせて楕円偏光板の用途に供することができる。さらに、透過型、反射型、及び半透過型液晶表示装置に、偏光膜と組み合わせて適用することにより、上記装置の視野角の拡大に寄与させることができる。

［光学異方性層］
光学異方性層は、本発明の液晶性化合物を一度液晶相形成温度まで加熱し、次にその配向状態を維持したまま冷却することによりその液晶状態における配向形態を損なうことなく固定化することで形成できる。また、本発明の液晶性組成物に重合開始剤を添加した組成物を液晶相形成温度まで加熱した後、重合させ冷却することによって液晶状態の配向状態を固定化することで形成できる。

本発明で配向状態が固定化された状態とは、その配向が保持された状態が最も典型的、且つ好ましい態様ではあるが、それだけには限定されず、具体的には、通常０℃から５０℃、より過酷な条件下では−３０℃から７０℃の温度範囲において、該固定化された液晶組成物に流動性が無く、また外場や外力によって配向形態に変化を生じさせることなく、固定化された配向形態を安定に保ち続けることができる状態を指すものである。なお、配向状態が最終的に固定化され光学異方性層が形成された際に、本発明の液晶性組成物はもはや液晶性を示す必要はない。例えば、液晶性化合物として重合性基を有する化合物を用いているので、結果的に熱、光等で反応により重合または架橋反応が進行し、高分子量化して、液晶性を失ってもよい。

光学異方性層の形成にあたり本発明の液晶性化合物に加えることのできる添加剤の例としては、空気界面配向制御剤、ハジキ防止剤、重合開始剤、重合性モノマー等が挙げられる。これら添加剤は、特開２００５−２８９９８０号公報に記載の化合物を用いることができる。
また、液晶性化合物を塗布する時に用いる、塗布溶剤や塗布方式、更には配向膜および透明支持体も特開２００５−２８９９８０号公報に記載の素材及び方法を用いることができる。

本発明の光学異方性層において、分子の形成する層構造の層面は、位相差板面と平行であることが好ましい。位相差板面と平行な層構造を均一に形成させるためには、ネマチック相もしくはスメクチックＡ相から降温し、スメクチックＣ相に転移させる方法が好ましい。更に、ネマチック相もしくはスメクチックＡ相において、光軸が位相差板面の法線方向と平行になるような配向状態から降温することが好ましい。
層面を位相差板面と平行にするためには、分子を垂直配向させやすい配向膜を用いる方法が好ましい。また、水平配向し易い配向膜を用いた場合にも、液晶化合物に、例えば、特開２００４−１０１９２０号公報記載のオニウム塩を添加することで、垂直配向を誘起できる場合もあるため、このような添加剤を加えることも有効な手段である。
層面を位相差板面と平行にするためには、分子を垂直配向させやすい空気界面配向制御剤を用いることが好ましい。このような空気界面配向制御剤としては、特開２００５−１７９６３６号公報および特開２００５−１８１９７７号公報記載の親水性基を有するポリマー、更には特開２０００−３４４７３４号公報および特開２０００−３４５１６４号公報記載の化合物を用いることが可能である。

［楕円偏光板］
本発明の位相差板と偏光膜を積層することによって楕円偏光板を作製することができる。本発明の位相差板を利用することにより、液晶表示装置の視野角を拡大しうる楕円偏光板を提供することができる。
前記偏光膜には、ヨウ素系偏光膜、二色性染料を用いる染料系偏光膜やポリエン系偏光膜がある。ヨウ素系偏光膜および染料系偏光膜は、一般にポリビニルアルコール系フィルムを用いて製造する。偏光膜の偏光軸は、フィルムの延伸方向に垂直な方向に相当する。

偏光膜は位相差板の光学異方性層側に積層する。偏光膜の位相差板を積層した側と反対側の面に透明保護膜を形成することが好ましい。透明保護膜は、光透過率が８０％以上であるのが好ましい。透明保護膜としては、一般にセルロースエステルフィルム、好ましくはトリアセチルセルロースフィルムが用いられる。セルロースエステルフィルムは、ソルベントキャスト法により形成することが好ましい。透明保護膜の厚さは、２０〜５００μｍであることが好ましく、５０〜２００μｍであることがさらに好ましい。

［液晶表示装置］
本発明の位相差板の利用により、視野角が拡大された液晶表示装置を提供することができる。ＴＮモードの液晶セル用位相差板（光学補償シート）は、特開平６−２１４１１６号公報、米国特許５５８３６７９号、同５６４６７０３号、ドイツ特許公報３９１１６２０Ａ１号の各明細書に記載がある。また、ＩＰＳモードまたはＦＬＣモードの液晶セル用光学補償シートは、特開平１０−５４９８２号公報に記載がある。さらに、ＯＣＢモードまたはＨＡＮモードの液晶セル用光学補償シートは、米国特許５８０５２５３号明細書および国際公開（ＷＯ）第９６／３７８０４号パンフレットに記載がある。さらにまた、ＳＴＮモードの液晶セル用光学補償シートは、特開平９−２６５７２号公報に記載がある。そして、ＶＡモードの液晶セル用光学補償シートは、特許第２８６６３７２号公報に記載がある。

本発明において、前記記載の公報及び明細書を参考にして各種のモードの液晶セル用位相差板（光学補償シート）を作製することができる。本発明の位相差板は、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｙ Ｂｅｎｄ）、ＳＴＮ（Ｓｕｐｅｒ Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ Ａｌｉｇｎｅｄ）およびＨＡＮ（Ｈｙｂｒｉｄ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モードのような様々な表示モードの液晶表示装置に用いることができる。
液晶表示装置は、液晶セル、偏光素子及び位相差板（光学補償シート）からなる。偏光素子は、一般に偏光膜と保護膜からなる。偏光膜と保護膜については、上記楕円偏光で説明したものを用いることができる。

以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれら具体例に限定されるものではない。

［位相差板の作製］（配向膜の形成）
下記変性ポリビニルアルコールとグルタルアルデヒド（変性ポリビニルアルコールの５質量％）とを、メタノール／水の混合溶媒（容積比＝２０／８０）に溶解して、５質量％の溶液を調製した。

この溶液を、ガラス基盤上に塗布し、１００℃の温風で１２０秒間乾燥した後、ラビング処理を行い配向膜を形成した。得られた配向膜の膜厚は０．５μｍであった。

（光学異方性層の形成）
前記液晶化合物（ＳＣ３）３．８ｇ、下記の屈曲化合物０．１９ｇ、光重合開始剤（イルガキュアー９０７、チバ・スペシャルティ・ケミカルズ（株）製）０．１０ｇ、増感剤（カヤキュアーＤＥＴＸ、日本化薬（株）製）０．０３ｇ、下記のオニウム塩、０．０８ｇ、下記の空気界面制御剤０．００５ｇをクロロホルムに溶解した溶液を調製した。この塗布液を前記配向膜の表面に、スピンコートで塗布した。恒温槽中で加熱後、ＵＶ照射することで、光学異方性層を作製した。
屈曲化合物

オニウム塩

空気界面制御剤（ａ，ｂ，ｃは質量比である）

得られた位相差板のコノスコープ像を観察したところ、作製した位相差板が、二軸性であることが確認できた。

スメクチックＣ_Ａ相構造（配向構造）のモデル図 スメクチックＣ相構造（配向構造）及びスメクチックＣ_Ａ相構造（配向構造）における液晶分子の状態を示すモデル図

Claims (8)

1. 少なくとも一層の光学異方性層を有する位相差板であって、該光学異方性層は低分子の液晶性化合物から形成されており、なお且つ該光学異方性層において液晶性分子は層構造を形成し且つ該層面に対して分子が傾斜していることを特徴とする位相差板。
2. 前記低分子の分子量が３００〜２０００であり、かつ該液晶性分子が、隣り合う層の分子に対して実質的に反平行に傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の位相差板。
3. 前記光学異方性層が、配向膜を設けた支持体上に設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の位相差板。
4. 前記液晶性分子が下記の一般式（１）で表されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位相差板。
   

   

   Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂはそれぞれ独立に連結基を含む重合性基またはアルキル基を表し、ｎは１または２である。但し、Ｒ_Ａ、Ｒ_Ｂの少なくとも１つは連結基を含む重合性基である。
5. 前記液晶分子の末端の重合性基が下記で表される基Ｑ１〜Ｑ１９から選ばれることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の位相差板。
   

   
6. 前記光学異方性層が、二軸性を発現することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の位相差板。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の位相差板を有することを特徴とする液晶表示装置。
8. 配向膜を設けた透明支持体の上に、スメクチックＣ_Ａ相を発現する液晶性化合物を塗布する工程、スメクチックＣ_Ａ相を配向させる工程、配向状態を固定する工程からなる、位相差板の作製方法。

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