JP2008203574A - 液晶光学素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】実用上有用な光学的距離の可制御範囲を確保しながらも、応答速度を向上することができる液晶光学素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 液晶光学素子100は、コモン電極20が形成された基板10と、第一の駆動電極21および第二の駆動電極22が形成された基板11と、多孔質構造体12と、液晶40とから構成されている。多孔質構造体の形成方法としては、高純度アルミニウム材料に対して陽極酸化処理を行い、アルミナ多孔質構造体を形成する。また、多孔質構造体12の多数の貫通孔は、円形形状に形成され、多孔質構造体12の内壁面に、垂直配向処理が施されると共に、上下ガラス基板の多孔質構造体12が配置される面に、垂直配向処理が施される。
【選択図】 図8
【解決手段】 液晶光学素子100は、コモン電極20が形成された基板10と、第一の駆動電極21および第二の駆動電極22が形成された基板11と、多孔質構造体12と、液晶40とから構成されている。多孔質構造体の形成方法としては、高純度アルミニウム材料に対して陽極酸化処理を行い、アルミナ多孔質構造体を形成する。また、多孔質構造体12の多数の貫通孔は、円形形状に形成され、多孔質構造体12の内壁面に、垂直配向処理が施されると共に、上下ガラス基板の多孔質構造体12が配置される面に、垂直配向処理が施される。
【選択図】 図8
Description
本発明は、液晶光学素子の技術分野に属する。例えば、携帯電話機、携帯情報端末機(PDA)、デジタル機器等における超小型カメラが内蔵され、オートフォーカス機能、マクロ−ミクロ切替機能を持つ液晶光学素子、または、光ディスク装置において、光ピックアップでの記録・再生時に生ずる収差を補正するために用いる液晶収差補正素子など、基板の間に液晶と多孔質構造体を挟んで構成される、液晶光学素子およびその製造方法に関するものである。
従来、電極を形成した基板の間に液晶を挟んで構成される、様々な液晶光学素子が知られている。例えば、情報記録媒体としてCD、DVD等の各種光ディスク装置があるが、これらの光ディスク装置は、回転することによる厚さずれや反り等によって、収差(集光スポットの歪)を生ずるため、この収差を補正して記録・再生の精度を確保する必要がある。そのため、同心円のリング状に電極を形成した基板で、液晶を挟み込んだ液晶収差補正素子が用いられ、これにより、光束の中央部と外縁部とで、異なる位相制御を行っている(例えば、特許文献1参照)。
従来の液晶光学素子では、液晶の分子配列状態を電気的に制御し、それによって、光に対する屈折率などの性質を変化させている。二次元的あるいは三次元的に屈折率の分布を変化制御することによって、各光路における位相遅れ量や光路の屈折状態を制御できるので、電子的に焦点を可変できるレンズや液晶収差補正素子などの、光学素子として有益な機能素子である。しかし、実応用に有用な光の屈折効果を最大限に引き出すためには、液晶光学セルの対応する両配向膜の間に、光路に沿って十分な量の液晶を保持する必要があり、このために液晶層の厚さ(両配向膜の間)dは、通常の液晶表示セルが数μm程度であるのに対して、30〜100μm程度と極めて厚くする必要がある。
液晶の応答速度は、液晶層の厚さ(両配向膜の間)dの2乗に逆比例することが知られており、このように厚い液晶光学セルの場合には、応答時間は数100ms〜数分になる。即ち、従来の多くの液晶光学素子は、応答速度が遅いという問題点があった。図1に示すように、液晶層の厚さ(両配向膜の間)をdとする場合、液晶層においては基板の配向膜面に近いところに、界面層K0,K1が存在し、中央部分にバルク層Pが存在している。電界印加時における、界面層K0,K1の、電界による液晶分子の配列状態の変化量は、バルク層Pのそれに比べて小さく、また、印加電界による、液晶分子の配列状態の変化速度も遅い。印加電界を除去することによって、液晶分子配列状態は電界印加前の状態に戻るが、このときの配向変化は、界面における配向層で決まる配向状態への自然緩和である。このために、配向膜面に近い界面層K0,K1では初期の液晶分子配列状態に、復帰する速度が速いのに対して、バルク層Pでは配向膜面から遠く、回復応答時間は極端に長くなる。
これにより、機器を制御する際に応答速度が遅いことは、液晶光学素子を利用する焦点可変レンズ機能や収差補正機能にとって大きな制約であり、実用化への課題であった。
上記の欠点を解決するために、2層の液晶層を有する光学素子が提案された(例えば、特許文献2参照)。
また、上記の欠点を補う液晶構造体としては、液晶をマイクロカプセル体に包含して、その集合体としたもの(例えば、特許文献3参照)、あるいは液晶層内にポリマーネットを設け、配向制御機能を立体構造体としたもの(例えば、非特許文献1参照)などが提案された。
また、上記の欠点を補う液晶構造体としては、液晶をマイクロカプセル体に包含して、その集合体としたもの(例えば、特許文献3参照)、あるいは液晶層内にポリマーネットを設け、配向制御機能を立体構造体としたもの(例えば、非特許文献1参照)などが提案された。
しかしながら、上記の液晶光学セル(液晶光学素子)では、上述した課題の解決案であり、応答速度の向上効果は見られるが、液晶の充填・保持量が少ないことや、光散乱が見られること、または均一的な構造配置が難しい(構造再現性が困難である)ため、特性の安定性などに問題点があり、実用化に課題があった。また、特許文献2は、2層の液晶層の製造が困難である欠点があった。
ところで、応用上必要な屈折率変化を得るためには、厚い液晶層を透過させて十分な光学的距離Lを確保する必要がある。しかし、液晶層が厚くなると応答時間τr、τdは液晶層の厚さ(両配向膜の間)dの二乗に比例して遅くなることが知られている。
そこで、本発明は、液晶光学セルを構成する基板間に、多数の貫通孔あるいは非貫通孔を有する多孔質構造体を設け、基板上の電極間に電圧を印加し、液晶分子の配列状態を制御することによって、十分な光学的距離Lを確保することができると共に、応答速度を大幅に向上できる液晶光学素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明に係る液晶光学素子は、電極が形成された複数の基板と、前記複数の基板に挟まれた液晶とを有する液晶光学素子であって、前記基板の間に、多数の貫通孔あるいは非貫通孔を有する多孔質構造体が配置され、前記貫通孔あるいは非貫通孔に液晶が充填・保持されることを特徴とする。
例えば、前記多数の貫通孔あるいは非貫通孔は、円形形状または六角形状に形成される。また、前記多孔質構造体の孔開口率sは、50〜80%とされる。また、前記多孔質構造体の多孔質間のピッチは、50〜5000nmである。
また例えば、前記多孔質構造体の内壁面に配向処理が施されると共に、前記基板の前記多孔質構造体が配置される面に、配向処理が施され、液晶の面内配向に異方性が無い等方性で、偏光方向に依存しないことを特徴とする。
また例えば、前記多孔質構造体の上面あるいは下面に、ブラック処理を施し、光漏れを減少する処置をする。このような処置は、光の光路以外の部分を遮蔽することであり、液晶表示セルなどでは、表示ピクセル以外の部分をブラック処理を施し、表示コントラスト向上効果があることが知られている。
本発明に係る液晶光学素子において、基板の間に多孔質構造体が配置されることにより、液晶のかなりの部分が配向層に近くなって界面層となり、逆にバルク層が少なくなる。さらに、液晶の面内配向には巨視的な異方性がないために等方性で、光学的な諸性質は偏光方向に依存しない。
上記課題を解決するため、本発明に係る液晶光学素子の製造方法は、電極が形成された複数の基板と、前記複数の基板に挟まれた液晶とを有する液晶光学素子の製造方法であって、母材となる基板に電極を形成する電極形成工程と、多数の貫通孔あるいは非貫通孔を有する多孔質構造体を形成する多孔質構造体形成工程と、前記多孔質構造体の内壁面に対して、配向処理を行う配向処理工程と、電極を形成した1つの基板に、前記多孔質構造体を配置する多孔質構造体配置工程と、多孔質構造体が配置された基板に対し、電極を形成した別の基板を組み合わせる組立工程と、組み合わせた基板の間に液晶を注入する液晶注入工程とを備えることを特徴とする。
例えば、多孔質構造体形成工程では、高純度アルミニウム材料に対して陽極酸化処理を行い、アルミナ多孔質構造体を形成する。また、多孔質構造体形成工程では、ガラス・樹脂・シリコン・カーボンまたはセラミックス材料に対してエッチング処理を行い、多孔質構造体を形成する。
また例えば、上記液晶光学素子の製造方法において、前記基板の前記多孔質構造体が配置される面に対して、配向処理を行う工程をさらに備える。
また、上記課題を解決するため、本発明に係る液晶光学素子の製造方法は、電極が形成された複数の基板と、前記複数の基板に挟まれた液晶とを有する液晶光学素子の製造方法であって、母材となる基板に、電極を形成する電極形成工程と、電極を形成した1つの基板あるいは複数の基板に高純度アルミニウム材料を配置、または高純度アルミ膜を形成する配置工程と、高純度アルミニウム材料、または高純度アルミ膜に対して陽極酸化処理を行い、多数の貫通孔あるいは非貫通孔を有する多孔質構造体を形成する多孔質構造体形成工程と、形成された多孔質構造体の内壁面に対して、配向処理を行う配向処理工程と、多孔質構造体が形成された基板に対し電極を形成した別の基板を組み合わせる組立工程と、組み合わせた基板の間に液晶を注入する液晶注入工程とを備えることを特徴とする。
例えば、上記液晶光学素子の製造方法において、前記基板の前記多孔質構造体が配置される面に対して、配向処理を行う工程をさらに備える。
レスポンス、応答依存性については、従来の液晶光学素子の場合は、
TNモードにおける応答時間:
立上り時間 τr =4πηd2/(ε0ΔεV2−4π3K)
立下り時間 τd =ηd2/(Kπ2)
式中 η:液晶の粘度
d:液晶層の厚さ(両配向処理膜の間)
ε0:真空の誘電率
Δε: 液晶の誘電率異方性
K:液晶の弾性定数
V:印加電圧
T: 温度特性(η、Δε、Kの物性値は温度によって変化する)
TNモードにおける応答時間:
立上り時間 τr =4πηd2/(ε0ΔεV2−4π3K)
立下り時間 τd =ηd2/(Kπ2)
式中 η:液晶の粘度
d:液晶層の厚さ(両配向処理膜の間)
ε0:真空の誘電率
Δε: 液晶の誘電率異方性
K:液晶の弾性定数
V:印加電圧
T: 温度特性(η、Δε、Kの物性値は温度によって変化する)
液晶光学素子に電圧を印加し、逆に電圧を除去すると、液晶は再配向する。再配向に要する時間が応答時間τである。印加したときの、応答特性τr(立上り時間)および電圧除去時のτd(立下り時間)は、ともに液晶の粘性ηの大きさに比例関係になる。電圧を除去したときに、もとの配向状態への緩和は、配向膜の配向規制力によるものであるために、配向膜から離れたバルク部分では、復元までに長時間を要することになる。
一般的には、応答時間τr、τdは液晶層の厚さ(両配向膜の間)dの二乗に比例して遅くなることが知られている。したがって、液晶層の厚さdを薄くすることは、応答特性改善の有効な手段である。上述した非特許文献1のような、液晶層内にポリマーネットを設ける場合(ポリマー分散型液晶モード)では、液晶の体積あたりのポリマーとの界面の面積は大きく、電圧除去時の緩和応答が高速になることが知られている。しかし、ポリマーネットは製造工程上均一性に欠ける嫌いがある。
多孔質構造体12を挟持した液晶光学素子は、多孔質構造体12に多数のナノサイズの貫通孔あるいは非貫通孔が設けられることで、表面積が大きいと考えられる。この場合、ナノサイズの孔内の液晶は、孔内壁面12aの配向膜表面の非常に近くに位置することになり、即ち、多孔質構造体12を挟持した液晶光学素子の場合、従来の液晶光学素子の液晶層の厚さdは、多孔質構造体12の開孔の穴径に相当する。上記の液晶光学素子の応答速度に関する「立上り時間τr」、「立下り時間τd」の計算式から、多孔質構造体12を用いる場合の、高速性が明らかである。なお、多孔質構造体12を用いる場合、応答速度が大幅に向上したことが実証された。図2は、本発明の液晶光学素子の高速応答性を示す一例である。図2(a)は、立上り時間と静電容量との関係を示している。図2(b)は、立下り時間と静電容量との関係を示している。
本発明に係る液晶光学素子によれば、液晶光学セルを構成する基板間に、多数の貫通孔あるいは非貫通孔を有する多孔質構造体が配置され、該構造体に液晶が充填・保持し、基板上に設けた電極間に電圧を印加することにより、液晶の分子配列状態を制御することができ、光学特性を変化させることができる。
そのため、液晶光学素子としての応答速度を向上することができ、また、電極間に配置される構造物の均一性、および構造物形成の再現性を向上することができ、光屈折などの光学特性を電気的に制御することが出来る焦点可変レンズ、または、光ピックアップでの記録・再生時に生ずる収差を補正するために用いる、液晶収差補正素子などとして実用化できるようになった。
また、本発明に係る液晶光学素子の製造方法によれば、多数の貫通孔あるいは非貫通孔を有する多孔質構造体を形成し、この多孔質構造体を、電極が形成された1つの基板に配置することで、液晶の分子配向を容易に制御することができ、光学特性を変化させる液晶光学素子を形成することができる。
また、多孔質構造体形成工程では、高純度アルミニウム材料に対して陽極酸化処理を行うことで、円形形状または、六角形状のアルミナ多孔質構造体を形成することができる。
また、多孔質構造体形成工程では、ガラス・樹脂・シリコン・カーボンまたはセラミックス材料に対して、エッチング処理を行い、多孔質構造体を形成することで、多孔質構造体の加工効率を向上することができ、高純度アルミニウム以外の材料を利用することができる。
また、形成された多孔質構造体の内壁面12aに対して、配向処理を行うことで、多数の貫通孔あるいは非貫通孔の内部において、液晶を所定配向にすることで、光学特性を変化させるのが容易にできる。
また、本発明に係る液晶光学素子の製造方法によれば、電極を形成した1つの基板、あるいは複数の基板に高純度アルミニウム材料を配置、または高純度アルミ膜を形成し、高純度アルミニウム材料または高純度アルミ膜に対して陽極酸化処理を行い、多数の貫通孔あるいは非貫通孔を有する、多孔質構造体を形成することで、多孔質構造体を形成するための陽極酸化処理を行う製造工程等を簡単化にすることができ、製造コストの削減を図ることができる。
本発明に係る液晶光学素子およびその製造方法を、実施するための最良の形態を、図を参照して説明する。ここで、あらかじめ特定の方向に配列してある液晶分子に、部分的に電界をかけ、この分子の配列を変え、液晶光学セル内に生じた屈折率分布の変化を利用して、レンズ効果を得る液晶光学素子の例を説明する。
図3は、第1の実施の形態の液晶光学素子100の構成(垂直配向処理の例)を示す図である。図4は、液晶光学素子100の構成を示すA−A断面図である。図5は、液晶光学素子100の構成を示す断面図である。図5において、図5(a)はB−B断面図であり、図5(b)はC−C断面図である。図6は、基板の電極および接続端子の配置状態を示す図である。図6において、図6(a)は基板10の電極および接続端子の配置状態であり、図6(b)は基板10の電極および接続端子の配置状態である。
図3〜図6に示すように、液晶光学素子100は、コモン電極20が形成された基板10と、第一の駆動電極21および第二の駆動電極22が形成された基板11と、多孔質構造体12と、液晶40とから構成されている。
この例の場合は、液晶40は電圧印加時に、分子の長軸が電界方向に向く誘電率異方性が正のネマチック液晶(Np液晶)であり、多孔質構造体12の内壁面12aの壁面に、垂直配向膜が形成される。
また、図4では、コモン電極20、第一の駆動電極21および第二の駆動電極22と液晶40との間に、一般的に設けられる配向膜、透明絶縁層や、基板10、11上に設けられる反射防止膜等は図示を省略している。また、液晶40はシール材50によって内側に封入されている。また、各端子には電圧を印加するためリード線等が接続されている。
上ガラス基板11の厚さ方向に穴が穿たれ、それらの穴にはコモン電極20、ヒータ電極20hへ接続するためのアース端子V0、ヒータ端子VHがそれぞれ設けられている。また、上ガラス基板11に第一の駆動端子V1、第二の駆動端子V2が設けられている。下ガラス基板10側に形成されたコモン電極20については、導通材80を介在させることにより、上ガラス基板11側のアース端子V0と接続されている。また、ヒータ電極20hも導通材80を介在させることにより、上ガラス基板11側のヒータ端子VHと接続されている。なお、各端子は、穴の内周面に沿ってスルーホール加工され、Cr−Au等の金属メッキ・導通材の充填をして形成される。
また、図3ように各端子を上ガラス基板11の面上に配置することにより、ガラス基板の側方に端子を集約配置する、従来の液晶光学セルに比べて、セルに偏った力が加わることなく、割れ・カケ等の不良が生じにくくなる。したがって、基板10、11をより薄く(例えば0.2mm〜0.5mm)することが可能となり、液晶光学素子を小型・軽量化することができる。
また、ガラス基板10、11間に液晶40を注入するための注入口32が、上ガラス基板11の面上に形成されている。注入口32の形状は円形あるいは楕円形等であり、液晶40を注入した後に封止材により適宜封止される。
また、図6(a)に示すように、上ガラス基板11の中心部に円形の第二の駆動電極22が配置され、その周辺に第一の駆動電極21が配置されている。第二の駆動電極22は、第二の駆動端子V2に接続されている。また、第一の駆動電極21は、第一の駆動端子V1に接続されている。また、図6(b)に示すように、基板10の中心部に円形のコモン電極20が配置され、その周辺にヒータ電極20hが配置されている。コモン電極20は、アース端子V0に接続されている。また、ヒータ電極20hは、ヒータ端子VHに接続されている。
図7は、液晶光学素子100の電気回路系を示す概念図である。図7に示すように、電源Vが可変抵抗R1を介して、第一の駆動端子V1とアース端子V0との間に、所定の電圧V1を印加すると共に、可変抵抗R2を介して、第二の駆動端子V2とアース端子V0との間に所定の電圧V2を印加する。また、電源VHが、抵抗RHを介してアース端子V0とヒータ端子VH間に所定の電圧VHを印加する。この部分は液晶光学素子100のヒータ部として機能する。
図8は、液晶光学素子100の構成を示す部分拡大概念図である。この図8に示す部分は、液晶光学素子100の基本構造である。多孔質構造体12は、下ガラス基板10に配置されている。また、上ガラス基板11は、多孔質構造体12の上方に配置されている。上ガラス基板11と多孔質構造体12との間に所定空間を有する。下ガラス基板10と上ガラス基板11との間に液晶40が充填・保持されている。
ガラス基板10または11の内面には、配向膜を形成している。そのため、図8に示すように、ガラス基板の内面の液晶は、一定の方向(垂直方向)に配向される。また、多孔質構造体12の内壁面12aは、配向処理されている。そのため、液晶は内壁面12aに対して垂直方向に配向される。このとき、液晶として誘電率異方性が正のネマチック液晶(Np型液晶)を使用する。
ガラス基板内面と多孔質構造体12との間隔は、多孔質構造体12の製造バラツキ、上下ガラス基板間のギャップの製造バラツキと、液晶の注入経路の役割から数μmの間隔があり、この部分にも液晶が存在する。この液晶は、光の進む方向に平行な液晶分子であり、上下ガラス基板に垂直方向に働く電界変化には応答しない。
図9は、多孔質構造体12の構成を示すイメージ図である。図9に示す多孔質構造体12の貫通孔は、円形形状である。図10は、円形形状の孔を有する多孔質構造体12の配向モデルである。図10に示すように、液晶は内壁面12aに対して垂直方向に、放射状に配向される。また、図11は、六角形状の孔を有する多孔質構造体12の配向モデルである。図11に示すように、液晶は内壁面12aに対して垂直方向に、ほぼ放射状に配向される。
多孔質構造体12の内壁面12aの垂直配向処理による配向状態は、図10または、図11のような模様配置になり、巨視的には面内配向に異方性がなく、偏光方向に依存しない。また、多孔質構造体12の貫通孔は、円形形状または六角形状に形成されることで、構造的に丈夫で孔開口率sを大きくでき、液晶も多く充填・保持することが可能となる。
多孔質構造体12は、例えば高純度アルミニウム材料に対して、陽極酸化処理を行い形成される。図12は、陽極酸化法で形成したアルミナ多孔質構造体12の写真である。図12(a)は、アルミナ多孔質構造体12の平面写真である。図12(b)は、アルミナ多孔質構造体12の断面写真である。多孔質構造体の貫通孔のピッチは約500nm、孔径は約400nm、厚さは約50μmである。
多孔質構造体12の部分の面積(基板法線光路方向から見た部分の面積)が狭いほど、光学特性の制御に寄与し、液晶材料部分の面積を広く取れることから望ましい。即ち、液晶が充填・保持された貫通孔あるいは非貫通孔部分はより大きな面積が期待される。
さらに、多孔質構造体12は光波長に対して高い信頼性、安定性を有することが望ましい。
図13は、液晶光学素子100の電圧印加時の液晶配向状態を示す図である。図13に示すように、液晶光学素子100に所定の電圧を印加する際に、内壁面12aに対して、垂直方向に配向していた液晶は電界方向に力を受けて傾斜し、電界が強くなると電極面に対して垂直状態になる。これにより、光に対する屈折率を電気的に制御することができ、焦点可変レンズや収差補正素子として有益な機能素子となる。
また、図13に示すように、電圧を印加する際にA・C領域の液晶分子の配列状態は変わらず、電極表面に対して垂直配向のままである。そのため、このA・C領域の液晶は、液晶光学素子の特性に影響しない領域である。一方、B領域の液晶分子の配列状態は、印加電圧によって液晶分子の配列状態が変化する。これにより、光学素子としての光学特性が得られる。
図8に示した液晶光学素子100の部分拡大概念図のように、基板法線方向と光の進行方向に平行に、多孔質構造体12の貫通孔が並び、垂直配向処理された内壁面12aに液晶分子が垂直配列状態で並ぶ。
また、多孔質構造体12の隔壁は狭いほど、即ち、孔開口率sが大きいほど、液晶の充填・保持割合が多くなり、光制御に有利に作用するので、孔開口率sは下式のように定義される。
孔開口率s=(孔部分の面積)/{(孔部分の面積)+(隔壁部分の面積)}
多孔質構造体12の製造バラツキや製造可能性を考慮して、孔開口率sは50〜80%程度が望ましい。
孔開口率s=(孔部分の面積)/{(孔部分の面積)+(隔壁部分の面積)}
多孔質構造体12の製造バラツキや製造可能性を考慮して、孔開口率sは50〜80%程度が望ましい。
隔壁部の光透過の効率や、特に、紫外線に対する耐候性・温度依存性からは、材料の選定も重要な課題である。電気絶縁材料としては、ガラス・樹脂・シリコン・カーボンまたはセラミックス材料などがあり、それぞれの用途に応じた選択が必要である。
液晶材料は複屈折性を示し、その大きさの程度は,液晶分子長軸方向の屈折率ne(異常光屈折率と呼ばれる)と短軸方向の屈折率no(常光屈折率と呼ばれる)の差Δn(=ne−no)で定義されている。多くの液晶表示セルに用いるネマチック液晶の場合、このΔn(=ne−no)の符号は正で、正号結晶に分類されている。
以下に、前記の多孔質構造体12を挟持した、液晶光学素子に垂直に光を入射させたときの、光学機能の様子を知るために、ネマチック液晶ZLI-1132(メルク社製)を例にして、数値的な見積りをしてみる。ZLI-1132液晶材料の異常光屈折率neは約1.632、正常光屈折率noは約1.493である。電圧無印加時における、多孔質構造体12の貫通孔中での、液晶分子の配向を図8に示すような、放射状配向とした場合には、期待できる屈折率の最大値nMAXはneよりもやや小さくなって、nMAX=1.561程度になる。また、この状態に電圧印加して得られる、屈折率の最小値nMINはnoと等しくnMIN=1.493である。したがって、電圧によって変化できる屈折率の可制御範囲δnは、δn=nMAX―nMIN=0.068程度と見積もられる。屈折率の値と幾何学的な距離の積は、光学的距離と呼ばれる。この場合、液晶層の厚さ(多孔質構造体の厚さ)をdとして、最大および最小の光学的距離LはそれぞれLMAX=d・nMAXおよびLMIN=d・nMINとなる。したがって、電圧で制御できる光学距離δL=d・δnとなる。
以上の見積もりは、多孔質構造体の孔開口率sが100パーセントの場合であるが、孔開口率sが低くなると電圧によって、実効的に変化できる屈折率の可制御範囲δnも低下することになる。例として、多孔質構造体の部分が、高純度アルミニウム材料を陽極酸化処理することによって、形成されたアルミナ材で、その平均屈折率を約1.764とし、孔開口率sを50%と仮定した場合には、電圧オフ時の実効的屈折率はnMAX=(1.561+1.764)×0.5=1.6625、電圧オン時の実効的屈折率はnMIN=(1.493+1.764)×0.5=1.6285となる。電圧印加によって、制御可能な屈折率範囲δnがs=100パーセントの場合の二分の一になるので、光学距離範囲δLもs=100パーセントの場合の二分の一になる。
光学的距離Lの光路を経由したときの光の位相遅れの大きさ(遅相量)Φは、光の波長をλとして下式で算出できる。
遅相量Φ= L×2π/λ
式中 L:光学的距離、λ:光波長
したがって、前記の多孔質構造体がアルミナで、孔開口率sが50%の場合、液晶層の厚さ(多孔質構造体の厚さ)をdとして、電圧で制御できる位相遅れ(遅相量)の範囲をδΦとすると、
δΦ=(nMAX―nMIN)×d×2π/λ=0.035×d×2π/λとなる。
遅相量Φ= L×2π/λ
式中 L:光学的距離、λ:光波長
したがって、前記の多孔質構造体がアルミナで、孔開口率sが50%の場合、液晶層の厚さ(多孔質構造体の厚さ)をdとして、電圧で制御できる位相遅れ(遅相量)の範囲をδΦとすると、
δΦ=(nMAX―nMIN)×d×2π/λ=0.035×d×2π/λとなる。
このように本実施の形態においては、液晶光学素子100は、コモン電極20が形成された基板10と、第一の駆動電極21および第二の駆動電極22が形成された基板11と、多孔質構造体12と、液晶40とから構成されている。多孔質構造体の形成方法としては、高純度アルミニウム材料に対して陽極酸化処理を行い、アルミナ多孔質構造体を形成する。また、多孔質構造体12の多数の貫通孔13は、円形形状に形成され、多孔質構造体12の内壁面12aに、垂直配向処理が施されると共に、上下ガラス基板の多孔質構造体12が配置される面(基板10において、即ち電極20の多孔質構造体12が配置される面)に、垂直配向処理が施される。
これにより、ガラス基板上に設けた電極間に電圧を印加することで、液晶の分子配向を制御することができ、光学特性を変化させることができる。したがって液晶光学素子としての、応答時間を短縮することができ、光ピックアップでの記録・再生時に生ずる収差を補正するために用いる液晶収差補正素子として実用化できるようになる。
次に、液晶光学素子の他の構成例を説明する。図14は、第2の実施形態の、液晶光学素子200の構成を示す部分拡大概念図である。図14において、(a)は、電圧無印加時の液晶配向状態を示す図であり、(b)は電圧印加時の液晶配向状態を示す図である。
図14に示すように、液晶光学素子200は、コモン電極20が形成された下ガラス基板10と、第一の駆動電極21および第二の駆動電極22が形成された基板11と、多孔質構造体12と、液晶40とから構成されている。この例の場合は、液晶40は、電圧印加時に、分子の長軸が電界方向に対して,垂直に向く誘電率異方性が負のネマチック液晶(Nn液晶)であり、多孔質構造体12の貫通孔の内壁面12aには,液晶分子長軸が貫通孔の深さ方向に向くような水平配向膜が形成される。
これにより、図14(a)に示すように、電圧印加前に、多孔質構造体12の貫通孔の液晶は内壁面12aに対して水平状態に配列している。この場合、上下ガラス基板の表面付近の液晶はランダム配向状態になっている。
またこの状態で各電極間に電圧を印加すると、多孔質構造体12の貫通孔内の液晶は電界に対して垂直になるような力を受ける。このために図14(b)に示すように、内壁面12aに対して、垂直な状態の配列に変化する。ここで、また、上下ガラス基板の表面付近の液晶はランダム配向状態のままである。
このような構成を有する液晶光学素子200は、上述した第1の実施形態と同様な効果が得られる。
図15は、第3の実施形態の、液晶光学素子300の構成を示す部分拡大概念図である。図15に示すように、液晶光学素子300は、コモン電極20が形成されたガラス基板10と、第一の駆動電極21および第二の駆動電極22が形成たガラス基板11と、多孔質構造体12Aと、液晶40とから構成されている。
この例の場合は、多孔質構造体12Aは、多数の非貫通孔を有する多孔質構造体である。また、液晶40は、電圧印加時に、分子の長軸が電界方向に向く誘電率異方性が正のネマチック液晶(Np液晶)であり、多孔質構造体12の非貫通孔の、内壁面12aに垂直配向膜が形成される。
また、電圧印加前に、多孔質構造体12Aの非貫通孔の液晶は、内壁面12aに対して垂直に放射状に配列し、ガラス基板配向処理面の液晶は、表面に対して垂直状態に配列している。電圧印加時に、電圧の印加により、多孔質構造体12Aの非貫通孔の液晶は、内壁面12aに対して、垂直配列状態から水平配列状態に変わる。また、ガラス基板配向処理面の液晶は垂直配列状態のままである。
このような構成を有する液晶光学素子300は、上述した第1の実施形態と、同様な効果が得られる。また、高純度アルミニウム材料に対して陽極酸化処理を行う場合、陽極酸化処理で残されたアルミニウム材料部分の処理、または貫通になっていない孔の部分を除去する、バックエッチング処理(後述の図14参照)が簡素化される。
以下、図16〜図19を参照しながら、本発明の液晶光学素子100の第1の製造方法を説明する。図16は、多孔質構造体12の製造方法(陽極酸化法)を示す工程図である。図17は、多孔質構造体12の製造方法(エッチング法)を示す工程図である。図18は、液晶光学素子の第1の製造方法を示す工程図(その1)である。図19は、液晶光学素子の第1の製造方法を示す工程図(その2)である。
図16に示す多孔質構造体12の製造方法は、高純度アルミニウム材料を陽極酸化処理することで、多孔質構造体12を形成する方法である。
この方法において、図16に示すように、まず、高純度アルミニウム材料を所定厚みの板状に形成する(S11)。次に、高純度アルミニウム材料に対して陽極酸化処理を行う(S12)。ここで、高純度アルミニウム材料を硝酸、リン酸など、酸性電解液中の陽極酸化処理用電極のうち1つと接続し、もう一方の陽極酸化処理用電極を電解液中に配置し、陽極酸化処理用電極間に電圧を印加して陽極酸化処理を行う。これにより、多数の貫通孔あるいは非貫通孔を有する多孔質構造体が得られる。
次に、得られた多孔質構造体12に対して、孔径拡大のためにエッチング処理を行い(S13)、多孔質構造体12の孔径を所定の寸法にする。
次に、孔径拡大エッチング処理後の多孔質構造体12に対して、バックエッチング処理を行い(S14)、陽極酸化処理で残されたアルミニウム材料部分の処理、または貫通になっていない孔の部分を除去する。
次に、貫通孔の内壁面12aの壁面に、液晶表示セルに用いられる配向材料と処理法によって、たとえば、CTABなどの界面活性剤や撥水処理剤、ポリイミド・PVAなどで配向膜を付ける(S15)。
また、図17に示す、多孔質構造体12の製造方法は、ガラス・樹脂・シリコン・カーボンまたはセラミックス材料に対して、エッチング処理を行い、多孔質構造体12を形成する方法である。
この方法において、図17に示すように、まず、ガラス・樹脂・シリコン・カーボンまたはセラミックス材料等を、所定厚みの板状に形成する(S21)。次に、板状に形成したガラス・樹脂・シリコン・カーボンまたはセラミックス材料にCr膜あるいはレジスト膜を付する(S22)。次に、露光処理後にエッチング処理を行う。ここで、多孔質構造体12の貫通孔を所定の大きさにする(S23)。例えば、貫通孔の直径を5000nm程度にする。次に、貫通孔の内壁面12aに配向膜を付ける(S24)。このように、図10に示すような円形形状の孔を有する多孔質構造体12が得られる。
液晶光学素子100の第1の製造方法として、まず、図18に示すように、下ガラス基板側(基板10側)において、所定の位置に電極材を蒸着等によって形成する(S101)。
次に、エッチング等によるパターンニング処理を行って電極20、21を作製する(S102)。なお、上述の端子を設ける工程と、電極を形成する工程とは前後しても良い。
次に、透明絶縁層を必要に応じて積層させた後、PVA等の液晶配向膜を形成する(S103)。さらに、液晶を封入するためのシール材50を、印刷等により電極20の外側に設ける(S104)。
一方、対向させる上ガラス基板(基板11側)については、上記と同様に母材となる基板に対して電極を形成し(S201)、パターンニングを行って、第一の駆動電極21および第二の駆動電極22とする(S202)。また、液晶配向膜を形成する(S203)。
そして、図19に示すように、多孔質構造体を配置する(S300)。ここで、上述した図16、17に示す2つの方法のいずれかにより形成された多孔質構造体12を配置する。次に、上ガラス基板と、上ガラス基板とを、対向させて組み合わせる(S301)。この工程は、スペーサを介してシール剤で貼り合わせる等して行われる。
続いて、注入口32からシール材50の内側へ液晶を注入し(S302)、封止する。そして、母材となる上ガラス基板11上に配列した各端子を使用して、素子の動作検査を行う(S303)。検査が不合格であった箇所については、NGマーキングを行う(S304)。その後、母材となる基板の全面に反射防止膜(AR膜)を形成する(S305)。AR膜はガラス基板10側又は基板11側の、いずれか一方に形成しても良いし、両方に形成しても良い。
最後に、母材となる基板を、スライサー等を用いて個々の液晶収差補正素子1に切り分け(S306)、単品の検査工程(S307)を経て完了する。なお、単品の検査において不合格となった素子は、廃棄又は修理するか、又は再生工程に移される(S308)。
以上のような製造方法によれば、予め、多孔質構造体12を形成し、液晶光学素子の組立時に上下ガラス基板の間に配置する。
液晶光学素子100の第2の製造方法として、図20に示すように、液晶光学素子100を組立中に、高純度アルミニウム材料の陽極酸化処理を行い、多孔質構造体12を形成する方法である。図20は、液晶光学素子の第2の製造方法を示す工程図である。
この第2の製造方法において、まず、図20に示すように、下ガラス基板に膜付け、パターンニング処理後、ステップS400で、下ガラス基板側(基板10側)において、所定の位置に電極材を蒸着等によって形成する。次に、エッチング等によるパターンニング処理を行って電極20、21を作製する(S401)。
次に、ステップS402で、高純度アルミニウム材料を配置する(または高純度アルミ膜を形成する)。次に、高純度アルミニウム材料に対して陽極酸化処理を行う(S403)。ここで、陽極酸化処理の方法は、上述した方法と同じである。これにより、多数の貫通孔を有する多孔質構造体が得られる。
次に、得られた多孔質構造体12に対して孔拡大エッチング処理を行う(S404)。ここで、多孔質構造体12の貫通孔を所定の大きさにする。例えば、貫通孔の直径を80nm程度にする。
次に、貫通孔の内壁面12aに配向膜を付ける(S405)。このように、図9に示すような円形形状の孔を有する多孔質構造体12が得られる。
一方、対向させる上ガラス基板(基板11側)については、上記と同様に母材となる基板に対して電極を形成し(S500)、パターンニングを行って、第一の駆動電極21および第二の駆動電極22とする(S501)。また、液晶配向膜を形成する(S502)。さらに、液晶を封入するためのシール材50を、印刷等により電極の外側に設ける(S503)。
次に、上記の電極、端子等を形成した基板と、上ガラス基板とを、対向させて組み合わせる(S406)。この工程はスペーサを介して接着剤で貼り合わせる等して行われる。
続いて、注入口32からシール材50の内側へ液晶を注入し(S407)、封止する。そして、母材となる基板10上に配列した各端子を使用して、素子の動作検査を行う(S408)。検査が不合格であった箇所についてはNGマーキングを行う(S409)。その後、母材となる基板の全面に反射防止膜(AR膜)を形成する(S410)。AR膜は、基板10側又は基板11側のいずれか一方に形成しても良いし、両方に形成しても良い。
最後に、母材となる基板を、スライサー等を用いて個々の液晶収差補正素子1に切り分け(S411)、単品の検査工程(S412)を経て完了する。なお、単品の検査において不合格となった素子は、廃棄又は修理するか、又は再生工程に移される(S413)。
上述した液晶光学素子の製造方法で、液晶の分子配向を容易に制御することができ、光学特性を変化させる液晶光学素子を容易に形成することができる。
また、高純度アルミニウム材料に対して陽極酸化処理を行い、多孔質構造体を形成する。
また、ガラス・樹脂・シリコン・カーボンまたはセラミックス材料に対してエッチング処理を行い、多孔質構造体を形成することで、多孔質構造体の加工効率を向上することができ、アルミナ以外の材料を利用することができる。
なお、上述実施の形態においては、多孔質構造体12が高純度アルミニウム材料に対して陽極酸化処理を行って形成されるものについて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、Si(シリコン)材料に対してエッチング処理を行って形成するようにしてもよい。
また、上述実施の形態においては、多孔質構造体12の多数の貫通孔あるいは非貫通孔は、円形形状または六角形状に形成されるものについて説明したが、これに限定されるものではない。
また、上述実施の形態においては、光漏れを減少するために、多孔質構造体12の上面あるいは下面に、ブラック処理を施すようにしてもよい。
この発明は、携帯電話機、携帯情報端末機(PDA)、デジタル機器等における超小型カメラに内蔵される、オートフォーカス機能やマクロ−ミクロ切替機能をもつ液晶光学素子、または、光ディスク装置において、光ピックアップでの記録・再生時に生ずる収差を補正するために用いる液晶光学素子など、広く利用することが期待できる。
K0、K1 界面層
P バルク層
10,11 下ガラス基板、上ガラス基板
12 多孔質構造体(貫通孔)
12A 多孔質構造体(非貫通孔)
12a 多孔質構造体の内壁面
13 貫通孔
20 下基板、コモン電極
20h 下基板、ヒータ電極
21 上基板、第一の駆動電極
22 上基板、第二の駆動電極
V0 アース端子
V1 第一の駆動端子
V2 第二の駆動端子
VH ヒータ端子
32 注入口
40 液晶材料
50 シール材
80 導通材
100 液晶光学素子(垂直配向処理の例)
200 液晶光学素子(水平配向処理の例)
300 液晶光学素子(非貫通孔の例)
P バルク層
10,11 下ガラス基板、上ガラス基板
12 多孔質構造体(貫通孔)
12A 多孔質構造体(非貫通孔)
12a 多孔質構造体の内壁面
13 貫通孔
20 下基板、コモン電極
20h 下基板、ヒータ電極
21 上基板、第一の駆動電極
22 上基板、第二の駆動電極
V0 アース端子
V1 第一の駆動端子
V2 第二の駆動端子
VH ヒータ端子
32 注入口
40 液晶材料
50 シール材
80 導通材
100 液晶光学素子(垂直配向処理の例)
200 液晶光学素子(水平配向処理の例)
300 液晶光学素子(非貫通孔の例)
Claims (12)
- 電極が形成された複数の基板と、前記複数の基板に挟まれた液晶とを有する液晶光学素子であって、前記基板の間に、多数の貫通孔あるいは非貫通孔を有する多孔質構造体が配置され、前記貫通孔あるいは非貫通孔に液晶が充填・保持されることを特徴とする液晶光学素子。
- 前記多数の貫通孔あるいは非貫通孔は、円形形状または六角形状に形成されることを特徴とする請求項1記載の液晶光学素子。
- 前記多孔質構造体の孔開口率sは、50〜80%とされることを特徴とする請求項1または請求項2記載の液晶光学素子。
- 前記多孔質構造体の貫通孔あるいは非貫通孔のピッチは、50〜5000nmであることを特徴とする請求項1または請求項2記載の液晶光学素子。
- 前記多孔質構造体の内壁面に配向処理が施されると共に、前記基板の前記多孔質構造体が配置される面に、配向処理が施され、液晶の面内配向に異方性が無い等方性で、偏光方向に依存しないことを特徴とする請求項1または請求項2記載の液晶光学素子。
- 前記多孔質構造体の上面あるいは下面に、ブラック処理を施し、光漏れを減少する処置をすることを特徴とする請求項1または請求項2記載の液晶光学素子。
- 電極が形成された複数の基板と、前記複数の基板に挟まれた液晶とを有する液晶光学素子の製造方法であって、母材となる基板に電極を形成する電極形成工程と、多数の貫通孔あるいは非貫通孔を有する多孔質構造体を形成する多孔質構造体形成工程と、前記多孔質構造体の内壁面に対して、配向処理を行う配向処理工程と、電極を形成した1つの基板に、前記多孔質構造体を配置する多孔質構造体配置工程と、多孔質構造体が配置された基板に対し、電極を形成した別の基板を組み合わせる組立工程と、組み合わせた基板の間に液晶を注入する液晶注入工程とを備えることを特徴とする液晶光学素子の製造方法。
- 多孔質構造体形成工程では、高純度アルミニウム材料に対して陽極酸化処理を行い、アルミナ多孔質構造体を形成することを特徴とする請求項7記載の液晶光学素子の製造方法。
- 多孔質構造体形成工程では、ガラス・樹脂・シリコン・カーボンまたはセラミックス材料に対してエッチング処理を行い、多孔質構造体を形成することを特徴とする請求項7記載の液晶光学素子の製造方法。
- 前記基板の前記多孔質構造体が配置される面に対して、配向処理を行う工程をさらに備えることを特徴とする請求項7乃至請求項9のいずれかに記載の液晶光学素子の製造方法。
- 電極が形成された複数の基板と、前記複数の基板に挟まれた液晶とを有する液晶光学素子の製造方法であって、母材となる基板に、電極を形成する電極形成工程と、電極を形成した1つの基板あるいは複数の基板に高純度アルミニウム材料を配置、または高純度アルミ膜を形成する配置工程と、高純度アルミニウム材料、または高純度アルミ膜に対して陽極酸化処理を行い、多数の貫通孔あるいは非貫通孔を有する多孔質構造体を形成する多孔質構造体形成工程と、形成された多孔質構造体の内壁面に対して、配向処理を行う配向処理工程と、多孔質構造体が形成された基板に対し電極を形成した別の基板を組み合わせる組立工程と、組み合わせた基板の間に液晶を注入する液晶注入工程とを備えることを特徴とする液晶光学素子の製造方法。
- 前記基板の前記多孔質構造体が配置される面に対して、配向処理を行う工程をさらに備えることを特徴とする請求項11記載の液晶光学素子の製造方法。
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