JP2007513358A - 二相フィルム材料および製造方法 - Google Patents

Abstract

二相フィルム材料およびその製造方法を提供する。二相フィルム材料は、典型的に、超分子の結晶性フィルムからなる第一の相と、ポリマーフィルムからなる第二の相とを有する。二相フィルム材料を製造する方法は、少なくとも一つの極性基を有する有機化合物の分子からなる超分子のリオトロピック液晶を調製する工程、前記リオトロピック液晶の層を堆積する工程、前記ＬＬＣ層に外部配向作用を付与する工程、および前記ＬＣＣ層を結合剤で処理する工程を有する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、米国仮特許出願番号第６０／５０５，４６７号（２００３年９月２３日出願、名称「二相フィルム材料および製造方法」）の利益および優先権を主張するものであり、その全開示内容はこの引用により本明細書に記載されたものとする。

本発明は、二相フィルム材料を製造するための方法および組成物に関する。特に、異方性の結晶性フィルムを製造するための方法および組成物を提供するものであり、それらは、マイクロエレクトロニクス、光学、通信、またはコンピュータ技術のためのものであるが、これに限定されるものではない。

結晶性フィルムをベースとする光学材料を改変する可能な方法の一つは、ポリマー等の高分子量化合物との相互作用を通じてそのようなフィルムに優れた機械的性質を付与することである。

ポリマー−染料の系をベースとするフィルム材料は良く知られている。そのような系は、偏光フィルムとして広く使用されている。特に、ヨウ素と使用する半結晶性アタクチックポリビニルアルコール（ＰＶＡ）は良く知られている。そのフィルムは、優れた光学特性を有し、薄膜トランジスタ／液晶表示装置および高精度光学装置に使用されている（例えば、B.Bahadur編,"Liquid Crystals-Application and Uses",vol.１, World Scientific,Singapore,New York,July(1990),p.101参照）。これらのフィルムにおける光学活性成分の選択は、一般的に、使用されるポリマー−染料系の二色性によって制限される。しかし、ポリヨウ素分子は、他の染料よりもかなり高い二色性を示すため、ＰＶＡ−染料系は偏光フィルムとして有用である。不利な点として、ＰＶＡ−ヨウ素の偏光フィルムおよび系は、高温および／または高湿度において不安定であり、しばしばそのポリマーマトリックスからポリヨウ素が放出することである。この欠点に対処するため、Han et al.,"Atactic Poly(vinyl alcohol)/Dye Polarizing Film with High Durability"(2003),International Display Manufacturing Conference Taipei 18-21は、向上した安定性を有する系を記載する。ヨウ素の代わりにアゾ染料（例えば、Direct BlueまたはDirect Red）が用いられる。理論に縛られることなく、フィルムの安定性は、染料分子自体の性質およびそれらのポリマー基材との相互作用に依存すると考えられる。

最近、有望な種類である水溶性の二色性有機染料が、平面分子構造を有する光学フィルム材料として報告されている。そのような化合物の複素環式分子および分子集合体は、可視スペクトル領域における強い二色性を特徴とする。そのような染料材料の結晶薄膜を得るためのプロセスを以下に記載する。

第一段階において、水溶性染料にリオトロピック液晶相を形成させる。Yeh et al.,"Molecular Crystalline Thin Film E-Polarizer,"Molecular Materials, 14,2000は、前記二色性染料のディスコチック分子から構成される柱状集合体を記載する。Lydon,"Handbooks of Liquid Crystals,"Chromonics,1998, pp.981-1007は、希薄溶液中で集まることができる染料分子を記載する。

第二段階において、剪断力を前記リオトロピック液晶相（インクまたはペーストの形態）にかけ、分子の柱状体を剪断の方向に配向させる。前記液晶インクまたはペーストの高いチキソトロピーのため、剪断により誘発された状態において高い分子秩序がもたらされ、その剪断作用が除かれた後も、分子の秩序は保存される。

第三の段階において、溶媒（例えば水であるが、これに限定されない）の蒸発により、結晶化がもたらされ、それに伴って、予め配向された液晶相から、固い結晶膜が形成される（例えば、米国特許第６，５６３，６４０号（この引用によりその内容が本明細書に記載されたものとする）参照）。そのような結晶薄膜（Thin Crystal Film（TCF））は、屈折率について高い光学的異方性（例えば複屈折性）および吸収率を有し、それは、前記結晶薄膜を偏光子として適当なものにする。偏光子およびその用途（例えば液晶表示装置があるがそれに限定されない）が、Bobrov,Yu.A.,J.Opt.Tech.,66,547(1999)およびIgnatov et al.,Society for Information Display,Int.Symp.Digest of Technical Papers,Long Beach,California,May 2000,vol.XXXI,p.1102に記載されている。

実際、ポリマー−染料系において最も頻繁に生じるタイプの相互作用は、界面での粘着性相互作用である。このメカニズムは、種々の液晶性染料の配向層を得るため広く使用されるポリマー基材を配向させる作用（その後に液晶フィルムが形成される）の基礎となっている。ポリマーフィルムの接着特性および配向特性は、かなりの程度、これらの材料が誘電体として分極（荷電）状態を保持できる能力によって決まってくる。しかし、染料層とポリマー層の間の相互作用の強さは、限られており、それぞれ個々の成分の強さを決める凝集力の大きさを超えることができない。

染料の分子集合体の間および集合体とポリマーとの間の低い結合強度を考えると、ポリマー−染料の系において相互作用の強度を上げるための手段が必要である。

Tazuke et at.,Polymer Letters,16(10),525(1978)およびTurner, Macromolecules, 13(4),782(1980)が指摘するところよれば、染料が化学的に結合されたポリマーの光学的性質および機械的性質は、機械的な混合物の同様の性質よりも優れている。しかし、共有結合の形成は、常に容易にもたらされるわけではなく、また、通常、ポリマーと染料の両方に適当な反応性基を導入する必要があり、それは、時に染料の場合、困難である。

液晶表示装置用フィルムを得る方法が、米国特許第５，７３０，９００号に記載されている。この方法によれば、あるフィルムは、配向されたポリマーマトリックスとそれに含まれる液晶性化合物とからなる。

ポリマーと染料との間のイオン交換タイプのイオン性相互作用が、Tkachev et al.,Polymethacrylates Containing Immobilized Dye:Optical and Sorption Properties,Vysokomol.Soedin.,1994,vol.３６, no.8,p.1326において検討されている。この系において、染料分子は、対イオンとして働き、イオン結合によってポリマー鎖に結合する。そのようなポリマー−染料系の光学特性を分析すると、そのような態様による染料のポリマーへの固定により、化学結合のない系よりも前記系がより安定になっていることがわかった。

上述した種類の水溶性有機染料の分子とポリ（塩化ジアリルメチルアンモニウム）の荷電分子との相互作用が、Schneider, T.,et al.,Self-Assembled Monolayers and Multilayered Stacks of Lyotropic Chromonic Liquid Crystalline Dyes with In-Plane Orientational Order, Langmuir 2000,16,p.5227において検討されている。このポリマーは水中で解離し、正に荷電したポリイオンと負の塩素イオンを形成する（溶液において生じる）。その置換された両親媒性染料分子は、スルホン酸基を含み、それは溶液中で負に荷電する。ポリマー−染料界面において分子層の表面間に生じるイオン相互作用（静電相互作用）は、配向秩序を有する単層の自己集合体と液晶染料の多層積層体の提供に用いられた。この場合、各ポリマー層は、隣接する結晶性層のための配向基材の役割を果たす。その結果得られる自己集合構造は、交互に配置されるポリマー単層と染料単層を有する光学的異方性の強い丈夫な多層材料である。しかし、実際の用途は、通常、所定の固有の厚みを有する光学材料機能層を必要とする。そのような層は、この知られた方法を用いて得ることはできなず、液体の媒体においてのみ利用できる。従って、非液体の媒体において薄い交互に配置されるポリマー層と染料層を有するポリマー−染料系を製造するための方法が求められている。光学部品のため所定の固有の厚みを有するポリマー−染料系を製造するための方法が必要である。

本発明は、優れた作動特性を有する二相フィルム材料を製造する方法を開示する。本開示の方法は、所定の厚みで良好な光学的性質および必要な機械的性質を有する二相異方性フィルム材料を提供するため、用いられる。

本発明の上述した局面および他の局面ならびに効果は、以下（i）〜（vi）を含む方法により製造される二相フィルム材料によって達成される。（i）少なくとも一つの極性基を有する有機化合物の分子を有する分子のリオトロピック液晶を調製すること、（ii）基材上に前記リオトロピック液晶（ＬＬＣ）の層を堆積させること、（iii）前記ＬＬＣ層に外部からの配列作用または配向作用を付与すること、（iv）溶媒を除去して超分子からなる結晶性フィルムの層を形成すること、（v）前記フィルムの極性基と化学的相互作用を起こしてポリマー相の形成をもたらす少なくとも一つの反応性基を含む結合剤の溶液で、前記フィルムを処理すること、および（vi）前記ポリマーフィルム相を硬化させて二相フィルム材料を形成すること。

一般に、本発明の二相フィルム材料は、結晶構造に組織化されている超分子からなる第一の相と、ポリマーフィルムからなる第二の相とを有する。

意図する一態様において、本発明の多層フィルム材料は、結晶構造を有する超分子からなり交互に配置される、複数の第一の相と、ポリマーフィルムからなる第二の相とを有する。

当業者に明らかなとおり、以下に説明する図面は、単に例示を目的とするものである。図面は、いかなる意味においても、本開示の範囲を限定しようとするものではない。

本発明は、広い波長範囲において選択的に機能することができる光学的に異方性のフィルム材料（光学異方性フィルム材料）を得る方法を開示する。その機能的光学層は、溶液中でリオトロピック液晶メソ相を形成する種々の有機物質をベースとする。一態様において、そのようなリオトロピック液晶に外部からの配向作用を加えかつ溶媒を除去することにより、超分子の秩序づけられた系からなる異方性の結晶薄膜が形成される。しかし、このフィルムは、機械的強度が不十分である。機械的強度を向上させるため、この光学フィルムを、保護膜の形態のポリマー相を形成することができる結合剤で処理する。前記ポリマー相は、作動スペクトル域における前記結晶性フィルムの光学特性に顕著に影響を与えることなく、機械的強度を付与する。

本発明において、用語「相」は物質の状態を表す。ある特定の相内において、その物質は、化学的組成および物理的状態の両方に関し、全体にわたって均一である（例えば、P.W.Atkins,Physical Chemistry,Oxford University Press,1978,p.312参照）。

もう一つの局面において、本発明の超分子は、単量体単位（平板状構造および置換極性基を有する有機分子または有機化合物としてここで理解される有機化合物の分子）の重合配列（高分子配列）として規定され、そして、本発明の超分子は、例えば限定されることなくπ−π（あるいはアレーン−アレーン）等の非共有結合によってまとめられている（例えば、Brandveld,"Supramolecular Polymers,Chem.Rev.,101,4071-97(2001)参照）。

それらの化学構造に関し、典型的な態様において、それらの有機分子は多環式化合物である。多環式化合物には、π結合を含む共役系を有する炭素環式化合物および／または複素環式化合物があるが、これらに限定されるものではない。他の態様において、共役は、水素のプロトン付加または脱プロトン化によってもたらすことができる。

さらに他の態様において、これらの有機分子は極性基で置換される。一般に、極性基は、親水性であり、水および他の極性溶媒に対する有機分子の溶解性を支配する。本発明に適当な有機化合物のクラスの一つに有機染料があるが、これに限定されるものではない。

本発明の超分子は、非共有結合によって相互に連結される共役π系を有する多環式有機分子からなる。非共有結合には、π−π結合、イオン結合、ファンデルワールス結合、金属−金属結合、金属−π結合、金属−π^＊結合、金属−σ結合、双極子−双極子結合、配位結合、水素結合、疎水−疎水または親水−親水相互作用などがあるがこれらに限定されるものではない（上記参照）。これらの超分子は、共役π系を有する有機分子の重合配列として表すことができ、ここで、非共有結合によって連結された前記分子は、一般式：
｛Ｍ｝_n（Ｆ）_d （１）
（式中、Ｍ（単量体単位）はπ−π結合を介して同様の有機分子と化学的相互作用を生じさせることができる多環式有機分子であり、ｎは重合鎖中の分子の数でありかつ最高１００００までであり、Ｆは超分子間の空間に露出する極性基であり、かつ、dは一分子あたりの極性基の数でありかつ１〜４の範囲にある）を有する。

極性基は、イオノゲン基および／または非イオノゲン基とすることができる。イオノゲンの極性基には、典型的に、強い鉱酸のアニオン基（例えば、スルホン酸基、硫酸基、ボロン酸基、ホスホン酸基、および燐酸基があるが、これらに限定されない）やカルボキシ基がある。さらに、イオノゲンの極性基には、カチオンのフラグメント（例えば、プロトン化されたアミノ基またはイミン基およびｐＨ依存特性を有するいくつかの両性基があるが、これらに限定されるものではない）も含まれる。溶液中、これらの極性基は、常に、一つまたは複数の同じもしくは異なる対イオンを伴う。多価の対イオンは、複数の有機分子に同時に属することができる。非イオノゲンの極性基には、ヒドロキシル基、塩素、臭素、フッ素、アルコキシ基、トリハロアルコキシ基、シアノ基、ニトロ基、ケトン基、アルデヒド基、エステル基、エポキシ基、ボロン酸エステル基、チオエステル基、チオール基、イソシアネート基、イソチオシアネート基、アルケン基、アルキン基などがあるが、これらに限定されるものではない。

非極性基の具体例には、メチル基、エチル基、メトキシ基、エトキシ基などがあるが、これらに限定されるものではない。

本発明に係る有機化合物の分子は、平板状構造を有し、通常、楕円体の形状である。それらの分子は、対称または非対称のいずれかとすることができ、周辺部に配置される置換基を有してもよいし、有さなくともよい。典型的な態様において、本発明の有機分子は、両親媒性であり、化学的に類似するまたは化学的に異なる複数の置換基を同時に含むことができる。

前記置換基の溶媒との優先的な相互作用により、リオトロピック液晶（ＬＬＣ）またはメソ相と呼ばれる同じ種類の複数の有機環状分子の秩序づけられた構造が形成される。リオトロピック液晶は、広い範囲の濃度、温度およびｐＨ値にわたって安定性の領域を有する状態図によって特徴づけられる。

極性溶媒中における有機物質によりそのようなリオトロピック液晶を形成することは、本発明の技術的結果を達成するのに必要な条件である。その主な極性溶媒は、水、または水と混和できる極性溶媒と水との混合物であり、水は溶媒中に任意の割合で存在することができる。一局面において、本発明は、リオトロピック液晶を形成できる可溶性の有機物質を利用する。例えば米国公開特許出願第２００１／００２９６３８号（名称「Dichroic Polarizer and a Material for Its Fabrication」）参照）。適当な有機分子には、以下のものあるが、それらに限定されるものではない。ポリメチン染料（例えば擬イソシアニン、ピアシアノール）、トリアリールメタン染料（例えばBasic Turquose、Acid Light Blue 3）、ジアミノキサンテン染料（例えばスルホローダミン）、アクリジン染料（例えばベーシック・イエローＫ）、スルホン化アクリジン染料（例えばトランス−キナクリドン）、アントラキノン染料の水溶性誘導体（例えばアクティバイト・ライト・ブルーＫＸ）、スルホン化バット染料（例えばフラバントロン、インダンスレン・イエロー、バット・イエロー４Ｋ、バット・ダーク・グリーンＧ、バット・バイオレットＣ、インダントロン、ペリレン・バイオレット、バット・スカーレット２Ｇ）、アゾ染料（例えばベンゾプルプリン４Ｂ、ダイレクト・ライトファースト・イエローＯ）、水溶性ジアジン染料（例えばアシッド・ダーク・ブルー３）、スルホン化ジオキサジン染料（ピグメント・バイオレット・ジオキサジン）、可溶性チアジン染料（例えばメチレンブルー）、水溶性フタロシアニン誘導体（例えば、銅オクタカルボキシフタロシアニン塩）、蛍光増白剤、クロモグリカネート二ナトリウム、ペリレンテトラカルボン酸ジイミドレッド（ＰＡＤＲ）、ＰＡＤＲのベンゾイミダゾール（すなわち紫）、ナフタレンテトラカルボン酸（すなわち黄、濃い赤紫）、フェナントロ-９´，１０´：２，３‐キノキサリンおよびベンゾイミダゾール類のスルホ誘導体など。本発明の他の局面において、リオトロピック液晶（メソ相）を形成するための方法が提供され、前記方法は、個々のスルホ誘導体または個々のスルホ誘導体の混合物もしくは系からなる水溶性スルホ誘導体の形態のイオノゲン有機分子を用いる。

ｐＨに応じて、スルホ誘導体は、酸、塩またはそれらの組合せとして存在することができる。典型的な態様において、対イオンには、Ｈ⁺、ＮＨ_４ ⁺、Ｋ⁺、Ｌｉ⁺、Ｎａ⁺、Ｃｓ⁺、Ｃａ⁺⁺、Ｓｒ⁺⁺、Ｍｇ⁺⁺、Ｂａ⁺⁺、Ｃｏ⁺⁺、Ｍｎ⁺⁺、Ｚｎ⁺⁺、Ｃｕ⁺⁺、Ｐｂ⁺⁺、Ｆｅ⁺⁺、Ｎｉ⁺⁺、Ａｌ⁺⁺⁺、Ｃｅ⁺⁺⁺、Ｌａ⁺⁺⁺等、またはそれらの混合物がある。

水に溶解されるとき、これらのスルホ誘導体またはその混合物の分子は、非等尺的な（棒状の）集合体を形成し、それは、複数のコインを積み重ねたようにまとめられている。各集合体は電気二重層を有するミセルである一方、その溶液全体は、高度に分散された（コロイド状の）親液系となる。溶液の濃度（すなわちミセルの濃度）を増加させると、前記非等尺的集合体は自発的な秩序化（「自己秩序化」または「自己集合体」）を示す。これは、ネマチックリオトロピックのメソ相の形成をもたらし、それにより、前記系は液晶性となる。柱状構造において染料分子は高度に秩序づけられているため、そのメソ相は、配向二色性材料を得るため用いることができる。これらの材料から形成されるフィルムは、高度の光学的異方性を有する。その液晶状態は、通常の方法により、例えば偏光顕微鏡法により容易に確認される。

リオトロピック液晶（メソ相）中のスルホ誘導体またはスルホ誘導体の混合物もしくは系の含有量は、約３〜５０質量％の範囲にある。ある態様において、ＬＬＣ中のスルホ誘導体またはスルホ誘導体の混合物もしくは系は、約７〜１５質量％の範囲にある。種々の態様において、前記メソ相は、さらに、約５質量％までの界面活性剤および／または可塑剤を含むことができる。ディスコチック染料分子中のスルホン酸基の数ならびに修飾基または置換基の数および種類を変えることにより、液晶溶液中に形成される集合体の親水性−疎水性バランスを調節することができ、また、前記溶液の粘度を変えることができる。これは、結果として、超分子の寸法（サイズ）および形状に作用し、前記有機分子、化合物および／または超分子の分子秩序の程度に作用し、リオトロピック液晶の溶解性および安定性に作用する。

強調すべきことに、上述したすべての化合物は、個々のスルホ誘導体としてまたは個々のスルホ誘導体の混合物もしくは系として、互いに、または、可視スペクトル領域において無色または弱い吸収性である何らかの他の有機化合物とともに、溶液中で安定なリオトロピック液晶を形成することができる。溶媒除去の後、これらのメソ相は、すぐれた光学特性を有する異方性で結晶性のフィルムを形成することができる。

ＬＬＣを濃縮するための方法には、蒸発、蒸留、不活性ガスの吹き込み、比較的低い温度への加熱、真空蒸留、またはそれらの組合せがある。この処理は、ペースト状組成物（「インク」）の形成をもたらし、前記組成物は、十分に長い時間、液晶状態を保持することができる。

典型的に、リオトロピック液晶の層は、清浄な基材表面に前記溶液または濃縮物を塗布することにより形成される。基材は、通常、ガラス、ポリマー、半導体、金属、合金、ケイ酸塩、何らかの他の材料、またはそれらの組合せからなる。基材は、親水性または疎水性のいずれかとすることができ、平板状とすることができ、あるいは、その他の予め設定された形状を有することができる。塗布されたリオトロピック液晶層の構造は、高分子材料の配向基材を用いることにより制御できる。既知の化学的方法（ポリイオンの形態の極性ポリマーを用いる（例えば米国特許出願２００２／０１６８５１１Ａ１を参照））により、あるいは、物理的方法により、高分子誘電体コーティングの配向特性が得られる。それらの方法の中で、最も広く用いられているのは、誘電体材料への電荷キャリアの注入である。これは、機械的摩擦を生じさせるラビングローラーによる前記材料の処理、コロナ放電への暴露、あるいは、プラズマ処理により、達成される。この電荷キャリア注入プロセスは、一般的であり、本開示の方法により得られるフィルムを含む任意の高分子コーティングの処理に用いることができる。

基材上に形成された前記リオトロピック液晶の層は十分に長い時間安定であり、従って以下の処理工程はいくらか遅れて行うことができる。

電荷キャリア注入法に加えて、有機分子を外部から配向させる他の知られた方法があり、例えば限定されることなく、機械的、電気的、磁気的、プラズマによるもしくは物理的配向もしくは配向力または作用のほか、米国特許第５，７３９，２９６号および第６，１７４，３９４号に開示される方法、ならびにそれらの組合せがある。配向作用の強度は、リオトロピック液晶のメソ相において超分子の動力学的単位を配向させるのに十分なものでなければならず、これに限定されるものではないが例えば、液晶溶液または混合物の種類、濃度、温度、ｐＨといった液晶溶液の性質によって変わってくる。ＬＬＣにおいて得られる配向は、前記材料およびそれに由来する物の光学的性質をもたらしかつ支配する。

本発明の種々の態様において、有機分子のリオトロピック液晶の層に向けられる外部からの配向作用は、機械的剪断によってもたらされる。典型的に、機械的剪断による配向は、種々のタイプ（例えば限定されることなくＬＬＣ層の表面に平行またはある角度で配向されたナイフ、円筒状ワイパーまたは平板を含む）のうち一以上の配向用具を用いて達成することができる。前記表面から配向用具先端までの距離は、必要な厚みのフィルムが得られるように設定される。

一連の態様において、その後の溶媒の除去は、温和な条件下、室温で１時間までの時間、行われる。その代わりに、可能であれば、時間節約のため、約２０〜６０℃の温度範囲で約４０〜７０％の相対湿度において加熱することにより、溶媒を除去することができる。ここで図１Ａを参照すると、この処理により、結晶性有機フィルム３の配向した薄層によって覆われる基材１が残され、フィルム−基材構造２０がもたらされる。溶媒除去の方法は、すでに形成したリオトロピック液晶構造の配向を損なう可能性を排除するよう、一方、外部配向作用の過程で生じる応力の緩和がもたらされるよう、選択する必要がある。多くの態様において、溶媒除去工程は、湿度を上昇させた条件下で行うべきである。前記ＬＬＣ層の結晶度を確実に高くするため重要な因子には、系から溶媒を除去する工程の速度と方向性があるが、これらに限定されるものではない。得られる結晶性層３は、分子的に秩序づけられかつ整列された構造を有する十分に薄い連続したフィルムとなっており、そこにおいて、有機分子は、超分子の集合体、集塊、コロイド、粒子、懸濁物またはそれらの混合物を形成する配向秩序を有する集合体にまとめられている。それらの集合体および構造物の形成は、溶液中の分子の特別な液晶性配向によってもたらされ、そこにおいて、超分子集合体の前の分子は、一次元的および／または二次元的な互いに配向した準結晶性集合体を構成することにより、すでに局部的な秩序を有している。この準結晶性集合体の溶液および／または混合物を基材表面に塗布すると同時に外部配向作用を付与するとき、溶液および／または混合物中の有機分子および／または集合体は、超分子複合体への自己集合により、巨視的配向を経験する。この配向は乾燥工程において保持される。その結果、乾燥は、結晶化によって分子秩序をさらに高めることができる。ここで図１Ａを参照すると、基材１上において、得られる結晶性フィルム３は、そこから出ている少なくとも一つの置換基Ｆを有していることが示されている。結晶性フィルム３は、その光軸の一つに沿って３．４±０．３Åのオーダーの格子面間隔を有する。前記フィルムは、光軸に対して互いに垂直な複数の方向における屈折率が異なることに関連して、複屈折性となり得、また、二色性、偏光性、および位相シフト（位相差板）の特性を示し得る。また、前記フィルムは、光学フィルターの特性を有し得る。前記フィルムは、種々の特性をあわせもつことができ、また、いくつかの機能を同時に発揮することができる。

ここで図１Ｂを参照すると、本発明の二相フィルム材料の製造における次の段階は、固体の結晶フィルム３（超分子の秩序構造を有する）を結合剤（分子、高分子またはオリゴマーを含み、ここで結合剤またはＢとして示される）で処理し、図１Ｃに示すように、保護ポリマーのフィルム、相または層５を形成し、一体化された物理化学的系４０を生成させることを含む。個々の結合剤分子Ｂからなる新たに形成された相５は、互いに作用するとともに、相境界１０において有機分子または化合物の極性基と相互作用する。典型的に、結合剤分子同士の分子間化学相互作用の速度は、相境界１０における層３と層５との間の分子間化学相互作用よりも顕著に高い。ここで図１Ｃを参照すると、各結合剤分子が二つの異なる置換基（例えば、アルケンと極性カチオンの部分）を有するように結合剤の分子またはモノマーを選択した場合、結合剤分子は、分子間で重合して架橋されたポリマー層５を形成することができるとともに、層３が、これに限定されないが例えばスルホン酸（塩）のような陰性の基を有する場合、イオン相互作用により分子間で結晶層３と結合することができる。他の態様において、一つの反応性基または置換基を有する結合剤分子を用いることができる。適当な電荷を、前記ポリマーに注入または付与することができ（例えば電荷キャリア注入など）、あるいは、前記ポリマーに、電荷付与原子（例えば金属など）、イオン（例えば金属、電解質など）、またはリンカー（例えば、ホモ二官能性、ヘテロ二官能性、三官能性のリンカーなど）を含む化合物を、ドーピングすることができ、相間の架橋結合を促進させることができる。特定の態様において、結合剤の化学的性質は、共有結合または非共有結合による相互作用の組合せにより、相間の架橋結合を促進する。

一連の態様において、結合剤分子は、一つ以上の反応性基を有する。所定の態様において、特に、異なる反応性基を有する異なる結合剤分子の混合物を用いることができる。他の一連の態様において、結合剤分子は、飽和、部分的不飽和または完全不飽和の脂肪族化合物または芳香族化合物（複素環式化合物を含む）およびそれらの混合物であり、少なくとも一つの反応性基を有するものである。反応性基には、アルケン、アルキン、アミン、ヒドラジン、アルコール、チオール、ケトン、アルデヒド、エステル、カルボン酸、酸塩化物、イソシアネート、ケテン、イソチオシアネート、エポキシド、アクリレート、またはチオエステルがあるが、これらに限定されるものではない。他の態様において、それから追加される適当な反応性基または重合性基を有する前もって製造されたポリマー、樹脂、またはオリゴマーのフィルムを、ポリマー、樹脂またはそのオリゴマーの前もって調製された溶液を用いて堆積させることができ、それにより、結晶性フィルム上に、その場で重合を行うことなく、同様の二相光学材料をもたらすことができる。

一般に、反応性基は、求核性基と求電子性基に大きく分類することができる。各基のタイプに対し、さらに、飽和の求核性／求電子性基（例えばアミン、ヒドラジン、アジド、炭素アニオン、チオール、リン、アルコール、オキシアニオン、アルキルハロゲン化物、ボロン酸エステル、エポキシドなど）または不飽和の求核性／求電子性基（例えばアルケン、アルキン、アレン、シアノ、ケトン、アルデヒド、エステル、カルボン酸、アクリレート、ケテン、イソシアネート、アシルクロリド、スルホニルクロリド、ホスホリルクロリド、ホスホノアミド、イソチオシアネート、チオシアネート、チオケトンなど）を規定することができる。

適当な反応性基の他の例および重合可能な反応をHermanson,G.T.,Bioconjugate Techniques,Academic Press,Inc.,San Diego,Calif.(1996)に見出すことができ、その内容はこの引用によりそっくり本明細書に記載されたものとする。

典型的な態様において、結合剤の分子またはモノマーの開始および／または重合は、共有結合および／または非共有結合を伴う、ラジカル反応、縮合反応、イオン相互作用、またはそれらの反応の組合せにより行うことができる。

一局面において、重合反応および重合条件は、結晶薄膜３の光学特性への影響または阻害を最小限とし、構造的に均一なフィルムが得られるよう、選択される。

他の局面において、化学反応、通常、イオンタイプの機構による重合反応は、プロトン、水酸化物、または金属カチオン（アルカリ金属、アルカリ（塩基性物質）、金属、有機物、無機物、遷移元素、土類金属もしくは希土類金属またはそれらの組合せを含み、有機フィルム３の極性基に対して対イオンの役割を果たしている）によって開始され得る。

前記重合プロセスは、加熱、ＵＶ照射、または化学的相互作用（例えば同じ対イオンによる）によって開始することができる。重合性化合物（すなわち結合剤）は、反応タイプに応じた触媒、例えば、樹脂を硬化させるための触媒を含んでもよい。特定の態様において、ＵＶ照射プロセス用の結合剤は、光増感剤（例えばケトン類、ベンゾフェノンなどがあるが、これらに限定されるものではない）を約０．５％までの量で含んでもよい。必要に応じて、ラジカル重合は、化学開始剤（例えば過酸化ベンゾイルまたはＮ-オキシド類などがなるがこれらに限定されるものではない）を用いてまたは用いずに、熱により開始させることができる。

本発明の適当な結合剤の分子またはモノマーには、エポキシ樹脂およびメタクリル酸メチルがある。

一局面において、前記ポリマーフィルムは、系の約１０〜６０質量％までを占めることができる。結合剤は、種々の改質剤（例えば、フィルムの特性を向上させるためのジブチルフタレートのような可塑剤）を、単独でまたは混合物にて、約２０質量％までの合計含有量で含んでもよい。その重合度は、芳香族モノマーに対して４０より大きく、脂肪族モノマーに対して１２０より大きい。そのような重合度は、保護フィルムとして優れた機械的性質を有する高分子量ポリマーの形成を確実なものにする。高分子の長さは、染料の柱状構造間の層間距離（４０〜１００Å）より短くないことが必要である。

さらに他の局面において、合成されたポリマーの分子量分布は約４０００〜２００００の範囲にある。ある態様において、その分布は約５０００〜８０００の範囲内にある。前記ポリマーの分子量の分布は、例えば１０倍以上に、顕著に大きくすることができるが、しかし、このことは高品質フィルムの形成を複雑化する。

ある態様で、ポリマーの構造および調製条件に応じて、フィルムを結晶性または部分的に結晶性とすることができる。他の態様において、二つの相のそれぞれについてフィルムの厚みは同等であり、典型的に約０．１〜２．０ミクロンの範囲にある。

本発明の二相フィルム材料を製造する最後の段階は、ポリマーフィルムの硬化であり、その過程において、必要な二相材料が得られる。ある態様において、このプロセスは、特定のポリマーに応じて種々の方法で行うことができる。典型的な態様において、硬化は、１００℃より高い高温において約１０分〜１０時間程度の範囲の露出時間で行うことができる。他の態様において、ＵＶ照射の下、室温硬化または「低温硬化」を利用することができる。

一態様において、本発明は、多層のフィルム材料を得るため用いることができる。ここで図２を参照すると、二相材料は、多層材料６０を製造するプロセスにおいて、第二のリオトロピック液晶層３０の形成のための基材として働く。リオトロピック液晶の層３０は、上述した方法および本発明の具体的態様に従って、基材の表面に形成される。リオトロピック液晶は、層３と同じものでもよいし、異なるものでもよい。ある態様において、二相フィルム材料は、リオトロピック液晶層形成のための配向基材として働くことができ、そして、結晶化プロセスに作用することができる。他の態様において、基材の配向は、機械的な配向および／または剪断力のような外部からの作用を付与することにより、電界を印加することにより、プラズマでの処理により、または、上述した有機分子、超分子もしくはＬＬＣを誘導することができる任意の外部力の組合せにより、達成される。ＬＬＣ層３０の堆積の後、ポリマー、樹脂、オリゴマー、ブロック共重合体、染料、添加剤、界面活性剤、金属、可塑剤、またはそれらの混合物からなる前もって製造されたフィルムを配置することにより、第二の結合剤またはポリマーの層５０を付加することができる。一方、第二のポリマー層５０は、上述した重合反応から生成させることができる。そのような重合反応には、共有結合反応（例えばラジカル重合、縮合反応など）、非共有結合の反応（例えば、イオン結合、π−π結合、ファンデルワールス結合、金属−金属結合、金属−π結合、金属−π^＊結合、金属−σ結合、双極子−双極子結合、配位結合、水素結合、疎水−疎水または親水−親水相互作用）、またはそれらの組合せがあるが、それらに限定されるものではない。ポリマー層５０の導入に使用される技術にかかわらず、前記ポリマーは層５と同じものでもよいし、異なるものでもよい。種々の態様において、製造される材料、フィルムまたは層は、任意の所定の必要な厚みに制御することが遊離である。

本発明の態様について上述してきたものは、例示と説明を目的とするものであり、本発明を完全に網羅するものでもなく、また、本発明を開示したそのものずばりの形態に限定しようとするものでもない。上述した開示に照らして多くの変更・修飾、具体例および変形例が可能であることは明らかである。本発明の技術的範囲は、添付した請求の範囲およびその均等の範囲によって規定すべきである。

以下に記載する実施例は、単なる例示の目的で示すものであり、いかなる意味においても本発明の技術的範囲を限定しようとするものではない。

実施例１：二相フィルム材料の調製
第一工程において、有機分子の結晶性フィルムを調製する。蒸留水を１０．０gのスルホン化ナフトイレンベンゾイミダゾールが入ったフラスコに添加する。その混合物を完全に溶解するまで加熱しながら撹拌する。最終的な溶液の濃度は、約７〜１５質量％程度であり、もし必要であれば、過剰の水を減圧において留去してもよい。次いで、その濃縮物をガラス基材上に塗布する。液晶メソ相の生成の後、上部ガラス板を移動させることにより、フィルムを秩序づける。上部ガラス基材は、ＬＬＣフィルムで被覆された下部ガラス基材に対して、配向用具の役割を果たす。最終的に、フィルムを、約２０℃の温度で６５％の相対湿度において乾燥する。フィルムは、約０．５μｍの厚みを有し、そして、異方性の光学特性を示す。

高分子量エポキシ樹脂を次のようにして合成する。メカニカルスターラー、温度計、および還流冷却器を装備する丸底フラスコに、２４．５gのキシレンと１６．７gのエポキシ樹脂（ＤＥＲ-３００）を入れ、そして、その混合物を撹拌しながら約１２０℃に加熱する。次いで、１０．０ｇのビスフェノールＡと０．０４gの２-メチルイミダゾール（すなわち硬化触媒）を添加し、高い粘性の溶液が得られるまでその混合物を加熱還流（すなわち１４２〜１４４℃）することにより、重合させる。最終的に混合物を１〜５の比率でエチルセロソルブ（約１２０℃に冷却）およびメチルエチルケトン（約８０℃に冷却）により希釈し、溶液中の最終樹脂濃度を８〜１０％にする。ポリマーは１５０００の分子量を有し、そして、エポキシ基の残留含有量は０．４％である。

基材上の有機分子の結晶性フィルムを、前記エポキシ樹脂溶液中に２〜３秒間浸漬する。次いで前記基材試料を垂直の位置で注意深く引き上げる。得られた透明フィルムを、空気中、室温で約３０分間乾燥し、次いで約１５０℃で１５分間乾燥する。最終的な二相フィルム材料は、約１μｍの厚みを有する。結晶性フィルムの構造およびポリマーフィルムの品質を偏光顕微鏡を用いて調べた。相間の架橋結合の形成はＩＲ分光法により確認した。前記二相フィルム材料は異方性の光学特性を示した。

二相フィルム材料の前記試料のスペクトルをＯｃｅａｎ ＰＣ２０００およびＣａｒｙ５００（Varian）分光光度計を用いて４００〜７００ｎｍの範囲において測定した。そのフィルムのスペクトル特性は、５００ｎｍ、５６０ｎｍおよび６６０ｎｍの領域における特徴的な吸収帯によって明らかなように、個々の層に対するスペクトルと類似した。

前記フィルムの光学特性を以下の表１に示す。

ここで、Ｔ、Ｈ₀およびＨ₉₀は、それぞれ、非偏光および偏光（平行および直交）の透過特性である。Ｅ_pは偏光効率であり、ＣＲはコントラスト比であり、Ｋ_dは二色比である。前記フィルムの極限曲げ強さは４０Ｍｐaであった。

実施例２：二相フィルム材料の調製
第一工程において有機分子の結晶性フィルムを調製する。蒸留水を、インダントロン、ペリレン・バイオレットおよびバット・レッド１４を５:１:２の比率で含むスルホン化染料の混合物８．０ｇが入ったフラスコに添加する。混合物を完全に溶解するまで加熱しながら撹拌する。溶液の最終濃度は１０％である。もし必要ならば、適当な濃度とするため、減圧で過剰な水を留去してもよい。次いで濃縮物をガラス基材に塗布する。液晶メソ相の生成の後、ＬＬＣの層で被覆された下部ガラス基材に対して配向用具の役割を果たす上部ガラス板を移動させることにより、フィルムを秩序づける。最終的に、フィルムを、約２０℃の温度で７０％の相対湿度において乾燥する。フィルムは、約０．４μｍの厚みを有し、そして、異方性の光学特性を示す。

フィルムで被覆された基材を、０．０３７ｇ（０．５％溶液）の光開始剤（例えばベンゾフェノン）および０．０１５ｇ（６％溶液）のtert-ブチルメルカプタン（例えば分子量調節剤）を含み、モノマー中で、ポリ（メタクリル酸メチル）（分子量８０００）の５〜６％溶液に、３〜４秒間、浸漬する。その試料を、前記ポリマー溶液／混合物から取り除き、その後、１５分間、ＵＶ照射にさらす。次いで試料を、空気中、室温で２時間乾燥する。

前記フィルムの光学特性を以下の表２に示す。

ここで、Ｔ、Ｈ₀およびＨ₉₀はは、それぞれ、非偏光および偏光（平行および垂直）の透過特性である。Ｅ_pは偏光効率であり、ＣＲはコントラスト比であり、Ｋ_dは二色比である。前記フィルムは、約１．０ミクロン程度の厚みを有し、そして４０Mpaの極限曲げ強さを有する。

以上の実験データから明らかなように、秩序づけられた有機分子の系からなる固体フィルムと結合剤との間の相間相互作用により、個々の元のフィルムの光学特性と同じ光学特性を少なくとも有する厚みが制御された強い均質なフィルムが、他の効果とともにもたらされる。

基材上において結晶性フィルムの薄層が堆積されかつ乾燥された本発明の意図する一態様を示す図である。結晶性フィルムは極性基が付いた有機分子によって構成される。 超分子の秩序づけられた系となっている、結晶性フィルムを結合剤Ｂの有機溶媒溶液によって処理する様子を示す図である。 結晶性層と、ポリマー相をＵＶ照射で硬化した後の前記結晶性層（超分子の秩序づけられた系となっている）の処理の後のポリマー層とを有する二相材料フィルムを示す図である。 結晶性フィルムからなる第一相の層とポリマー層からなる第二相の層とが交互に配置されてなる多層材料フィルムを示す図である。

Claims (58)

1. 有機化合物の分子（各分子は少なくとも一つの極性基を有する）を有する超分子を有するリオトロピック液晶を極性溶媒において調製する工程、
   基材上に前記リオトロピック液晶の層を堆積させる工程、
   外部からの配向作用を付与する工程、
   溶媒を除去して超分子の結晶性フィルムを形成する工程、
   少なくとも一つの反応性基を有する結合剤で前記フィルムを処理して、ポリマー相を形成しかつ前記フィルムの極性基と前記反応性基とを化学的に相互作用させる工程、および
   前記ポリマーフィルム相を硬化させて二相フィルム材料を形成する工程、
   を有する二相フィルム材料の製造方法。
2. 前記リオトロピック液晶を調製する工程は、前記有機化合物の溶液を濃縮することを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記有機化合物の含有量は約３〜５０質量％の範囲にある、請求項２記載の方法。
4. 前記リオトロピック液晶中の前記有機化合物の含有量は約７〜１５質量％の範囲にある、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 前記極性溶媒は水である、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記超分子は共役π系を有する有機分子の重合配列であり、そこにおいて、非共有結合によって連結された前記分子は、一般式：
   ｛Ｍ｝_n（Ｆ）_d
   （式中、Ｍはπ−π結合を介して他の多環式有機分子と連結される多環式有機分子であり、ｎは重合鎖中の前記有機分子の数でありかつ最高１００００までの値を有するものであり、Ｆは超分子間の空間に露出する極性基であり、かつ、dは前記有機分子あたりの極性基の数でありかつ１〜４の範囲にある）を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 前記極性基は、イオノゲンであり、かつ前記リオトロピック液晶の形成のため前記極性溶媒に対する前記有機分子の溶解性を確実なものにする、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 前記極性基は一以上の対イオンと結合している、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. 前記リオトロピック液晶は、約５質量％までの界面活性剤をさらに含む、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
10. 前記リオトロピック液晶は、約５質量％までの可塑剤をさらに含む、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
11. 前記外部からの配向作用は機械的剪断である、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記外部からの配向作用は電界もしくは磁界またはそれらの組合せである、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
13. 前記外部からの配向作用は、前記リオトロピック液晶層の堆積と同時にまたは別に付与される、請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記極性溶媒は、約２０℃〜６０℃の温度で約４０〜７０％の相対湿度において除去される、請求項１〜１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記極性溶媒は、約２０℃の温度で約１時間までの時間にわたって除去される、請求項１〜１４のいずれかに記載の方法。
16. 前記結合剤の反応性基と前記超分子の極性基との化学的相互作用は、超分子の結晶性フィルムを乱さないものである、請求項１〜１５のいずれかに記載の方法。
17. 前記結合剤は少なくとも一つのポリマーを含む、請求項１〜１６のいずれかに記載の方法。
18. 前記ポリマーは樹脂を含む、請求項１７の方法。
19. 前記結合剤は、少なくとも一つの脂肪族モノマーまたは芳香族モノマーを含む、請求項１〜１６のいずれかに記載の方法。
20. 前記結合剤は、少なくとも一つの脂肪族モノマーまたは芳香族モノマーをさらに含む、請求項１７の方法。
21. 前記結合剤は約０．５質量％までの光増感剤を含む、請求項１〜１９のいずれかに記載の方法。
22. 前記モノマーは不飽和化合物である、請求項１〜１６または１９のいずれかに記載の方法。
23. 前記モノマーは少なくとも一つの求核性の反応性基を有する、請求項１〜１６または１９のいずれかに記載の方法。
24. 前記モノマーは少なくとも一つの求電子性の反応性基を有する、請求項１〜１６または１９のいずれかに記載の方法。
25. 前記結合剤は不飽和化合物または飽和化合物である、請求項１〜１７または２１のいずれかに記載の方法。
26. 前記ポリマー相の形成はラジカル機構によって進む、請求項１〜１６、１９または２２のいずれかに記載の方法。
27. 前記ポリマー相の形成はラジカル機構によって進む、請求項１〜１７、２１または２５のいずれかに記載の方法。
28. 前記ポリマー相の形成は縮合機構によって進む、請求項１〜１６、１９または２３のいずれかに記載の方法。
29. 前記ポリマー相の形成はイオン機構によって進む、請求項１〜１６、１９または２４のいずれかに記載の方法。
30. 前記ポリマー相の形成は複合機構によって進む、請求項１〜１７または１９のいずれかに記載の方法。
31. 前記ポリマー相の形成は熱により開始される、請求項１〜１６、２２または２６のいずれかに記載の方法。
32. 前記ポリマー相の形成は熱により開始される、請求項１〜１７、１９または３０のいずれかに記載の方法。
33. 前記ポリマー相の形成は化学的相互作用により開始される、請求項１〜１６、２２または２６のいずれかに記載の方法。
34. 前記ポリマー相の形成は化学的相互作用により開始される、請求項１〜１６、２３または２８のいずれかに記載の方法。
35. 前記ポリマー相の形成は化学的相互作用により開始される、請求項１〜１６、２４または２９のいずれかに記載の方法。
36. 前記ポリマー相の形成は化学的相互作用により開始される、請求項１〜１６、１９または３０のいずれかに記載の方法。
37. 前記ポリマー相の形成は前記有機分子の前記極性基に結合する対イオンにより開始される、請求項１〜１６、２４、２９または３５のいずれかに記載の方法。
38. 前記ポリマー相の形成はＵＶ照射により開始される、請求項１〜１７、２１、２５または２７のいずれかに記載の方法。
39. 前記ポリマー相の形成はＵＶ照射により開始される、請求項１〜１７、１９または３０のいずれかに記載の方法。
40. 前記超分子の前記極性基と前記結合剤との相互作用は、前記極性基の対イオンによって触媒される、請求項１〜１７または１９のいずれかに記載の方法。
41. 前記ポリマー相は約１００℃より高い温度で硬化される、請求項１〜４０のいずれかに記載の方法。
42. 少なくとも一つの極性基を含む超分子の結晶性フィルムを有する第一の相、および
    ポリマーフィルムを有する第二の相を有する、二相フィルム材料。
43. 前記材料は異方性である、請求項４２の二相フィルム材料。
44. 前記結晶性フィルムは、光軸の一つに沿った格子面間隔が３．４±０．３Åである結晶構造を有する、請求項４２または４３の二相フィルム材料。
45. 前記フィルム材料は、前記第一の相が４０質量％以上である、請求項４２〜４４のいずれかに記載の二相フィルム材料。
46. 前記ポリマー相は、芳香族モノマーから形成されており、かつ４０を超える重合度を有する、請求項４２〜４５のいずれかに記載の二相フィルム材料。
47. 前記ポリマー相は、脂肪族モノマーから形成されており、かつ１２０を超える重合度を有する、請求項４２〜４５のいずれかに記載の二相フィルム材料。
48. 前記ポリマー相は、約４，０００〜２０，０００の範囲にある分子量の分布を有する、請求項４２〜４７のいずれかに記載の二相フィルム材料。
49. 前記ポリマー相は、約５，０００〜８，０００の範囲にある分子量の分布を有する、請求項４８の二相フィルム材料。
50. 前記フィルム材料中の前記ポリマー相は、約１〜２０質量％の範囲にある可塑剤を含む、請求項４２〜４９のいずれかに記載の二相フィルム材料。
51. 前記フィルム材料は偏光フィルム材料である、請求項４２〜５０のいずれかに記載の二相フィルム材料。
52. 前記フィルム材料は位相差板または光フィルターである、請求項４２〜５１のいずれかに記載の二相フィルム材料。
53. 請求項１〜４１の方法により形成された二相フィルム材料。
54. 前記フィルム材料は、一つ以上の結晶性フィルムおよび一つ以上のポリマーフィルムを有する、請求項４２〜５３のいずれかに記載の二相フィルム材料。
55. 前記フィルム材料は、前記結晶性フィルムおよび／または前記ポリマーフィルムの少なくとも一つの交互に配置される層を有する、請求項４２〜５４のいずれかに記載の二相フィルム材料。
56. 前記フィルム材料は、前記第一の相および／または前記第二の相の交互に配置される層を一つ以上有する多層フィルム材料を製造するための基材として働く、請求項４２〜５５のいずれかに記載の二相フィルム材料。
57. 前記基材は、リオトロピック液晶層の堆積のため、配向基材として働く、請求項４２〜５６のいずれかに記載の二相フィルム材料。
58. 前記基材は、機械的方法、電界もしくは磁界の印加、またはプラズマ中での処理により表面に付与される外部からの配向作用によって、配向されている、請求項５６または５７の二相フィルム材料。

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