JP2009237459A - 光学素子の製造方法、光学素子、および、該光学素子を備えた半透過半反射型液晶表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】液晶化合物の分子構造中のメソゲン基に反応して液晶分子間を架橋させる架橋剤5を含むとともに液晶化合物と光重合開始剤と酸発生剤とを含む液晶組成物を、光透過性を有する基材1を備える支持体3に塗布して液晶塗布膜を作製し、該液晶塗布膜に向けて活性放射線を照射した後、液晶塗布膜を150℃以上240℃以下の温度範囲且つ30分以上240分以下の時間範囲にて焼成して、該液晶塗布膜を、複屈折の値(Δn)が0.05以上0.28以下である位相差層9となす、ことを特徴とする光学素子10の製造方法、半透過半反射液晶表示装置の様々な装置設計に適応した光学素子等。
【選択図】図1
Description
(2) 液晶組成物には、架橋剤として、炭化水素環またはヘテロ環を有するアルキロール化合物が含まれることを特徴とする、上記(1)に記載の光学素子の製造方法、
(3) 液晶塗布膜は、基材と配向膜を備える支持体に対して液晶組成物が塗布されることで作製される、上記(1)または(2)に記載の光学素子の製造方法、
(4) 液晶塗布膜は、基材と着色層を備える支持体に対して液晶組成物が塗布されることで作製される、上記(1)から(3)のいずれかに記載の光学素子の製造方法、
(5) 上記(1)から(4)のいずれかに記載の製造方法にて作製された光学素子、
(6) 対面する第1の基板と第2の基板の間に、液晶を駆動可能に封入してなる駆動用液晶層を形成し、第2の基板の外側に該第2の基板に向かって光を照射するバックライトを設けるとともに、第2の基板の面内方向所定領域に反射膜を設け、駆動用液晶層を進行した光のうち該反射膜で反射した光にて液晶画面表示を行う反射部と、バックライトから入射された光にて液晶画面表示を行う透過部とを備えてなる半透過半反射型液晶表示装置において、第1の基板に、上記(5)記載の光学素子が組み込まれてなる半透過半反射型液晶表示装置、を要旨とする。
本発明の製造方法にて製造される光学素子10は、光透過性を有する支持体3の表面に位相差層9が積層されて構成される(図1(f))。
「基材について」
支持体3は、光透過性を有する基材1を備えてなり(図1(a)(b))、一種類の基材1にて単層に構成されても、複数種類の基材1を備えて多層に構成されてもよい。基材1の光線透過率は、適宜選定可能である。
支持体3において、下地層2が着色層13である場合について説明する。特に、支持体3につき、基材1の表面上に、色パターン形成層とブラックマトリクスとを有する着色層が形成されている場合を一例として説明する(図2)。図2は、下地層2が着色層13である場合の支持体3の実施例の一つを説明するための概略断面図である。
支持体3において、基材1に下地層2として配向膜が設けられる場合、配向膜としては、水平配向膜、垂直配向膜などを適宜用いることができる。
保護層は、光透過性を有する樹脂にてなる層である。この保護層は、支持体3の表面を保護するため、あるいは、支持体3に上記着色層13などの層が積層されている場合において、その着色層13等の露出面を保護するためなどの目的で、基材1に積層される。支持体3は、このように基材1に保護層を下地層2として積層して構成されていてもよい。
位相差層9は、それに対して所定の方向から入射される光を複屈折させる光学機能を有する層である。
位相差層9に含まれる液晶化合物は、位相差層9に要請される光学機能に応じで適宜選択できる。そのような液晶化合物をなす液晶分子としては、ネマチック液晶相を形成可能な液晶分子やスメクチック液晶相を形成可能な液晶分子を用いることができる。
位相差層9に含まれる架橋剤としては、重合性液晶分子のメソゲン基同士を架橋可能なものを用いることができ、架橋剤としては、炭化水素環あるいはヘテロ環を有し且つ1つ以上のアルキロール基を有する化合物が用いられる。架橋剤は芳香環への親電子置換反応を起こすようなアルコール類であって、具体的には1,2−ベンゼンジメタノール、1,3−ベンゼンジメタノール、1,4−ベンゼンジメタノール、1,3,5−ベンゼンジメタノール等の多官能アルカノール芳香族化合物、トリメチロールメラミン、トリエチロールメラミン、ヘキサメチロールメラミン、ヘキサエチロールメラミン等の多官能アルカノールメラミン化合物を挙げることができる。
光透過性を有するとしての透明基板(基材1)上に下地層2を設けてなるものを支持体3として用い、その支持体3における配向膜の露出面上に位相差層9をパターン形成する光学素子10の製造方法を例として説明する。図1は本発明の光学素子の製造方法の一例を示す工程断面図であり下地層2が配向膜である場合の例を示す。次に、この図1を用いて本発明の光学素子の製造方法について説明する。
基材1として透明基板を準備する(図1(a))。透明基板としては、従前よりカラーフィルタなどに用いられているガラス基板(無アルカリガラスなど)や耐熱性の透明樹脂基板が用いられる。次に、この透明基板面上に配向膜が形成される。配向膜を構成する材料としては、上記に例示したような配向膜に使用可能なポリイミド等の材料(配向膜形成用材料)が選択される。選択された配向膜形成用材料を透明基板上に塗布して塗布膜を作製する。その塗布膜の作成方法は、従前より公知な方法(印刷法、スピンコーティング法等)を適宜採用される。塗布膜が作成されると、その塗布膜にラビング処理が施され、塗布膜が配向膜となる。このとき、配向膜は、ラビング方向に液晶分子を配向させる配向性能を付与されている。こうして、透明基板に配向膜を設けた支持体3が調整される(図1(b))。
まず、液晶組成物をなす、重合性官能基を有する液晶化合物(重合性液晶化合物)と、架橋剤とが選択される。これらについては、上記に例示したような液晶化合物や架橋剤から適宜選択される。重合性液晶化合物に架橋剤が添加されることで液晶組成物が調整される。
位相差層を形成する場合には、液晶化合物の配向を大きく損なわない範囲で液晶組成物光重合開始剤が添加される。光重合開始剤としては、ラジカル重合性開始剤を使用することができる。ラジカル重合性開始剤は、例えば紫外線のエネルギーによりフリーラジカルを発生する化合物であって、ベンゾイン、ベンゾフェノンなどのベンゾフェノン誘導体又はそれらのエステルなどの誘導体;キサントン並びにチオキサントン誘導体;クロロスルフォニル、クロロメチル多核芳香族化合物、クロロメチル複素環式化合物、クロロメチルベンゾフェノン類などの含ハロゲン化合物;トリアジン類;フルオレノン類;ハロアルカン類;光還元性色素と還元剤とのレドックスカップル類;有機硫黄化合物;過酸化物などがある。好ましくは、イルガキュアー184、イルガキュアー369、イルガキュアー651、イルガキュアー907(いずれもチバ・スペシャリティー・ケミカルズ社製)、ダロキュアー(メルク社製)、アデカ1717(旭電化工業株式会社製)、2,2’−ビス(o−クロロェニル)−4,5,4’−テトラフェニル−1,2’−ビイミダゾール(黒金化成株式会社製)などのケトン系及びビイミダゾール系化合物等を挙げることができる。これらの開始剤を1種のみ又は2種以上を組み合わせて用いることができる。2種以上を併用する場合には、吸収分光特性を阻害しないようにするのがよい。なお、光重合開始剤の他に増感剤を、本発明の目的が損なわれない範囲で添加することもできる。
酸発生剤としては、光又は熱により直接もしくは間接的に酸を発生するものであれば特に限定されないが、芳香族ジアゾニウム塩、ジアリールヨードニウム塩、トリアリールスルフォニウム塩、トリアリールセレニウム塩等の各種オニウム塩系化合物、スルフォン酸エステル、ハロゲン化合物等があげられる。
液晶組成物には、液晶組成物を透明基板に塗布する際の塗布特性を向上させるため、適宜、液晶の配向を大きく損なわない範囲で界面活性剤が好ましく添加される。
液晶組成液に含まれるは溶剤としては、重合性液晶等を溶解することが可能な溶剤であり、かつ配向性材料を設けた基材上の配向性能を阻害しない溶剤であれば特に限定されるものではない。
上記のような液晶組成物は、液晶組成液の状態にされ、その液晶組成液が、先に調整された支持体3の配向膜の露出面上に塗布される。これにより、支持体3の配向膜面上に塗布膜(液晶塗布膜)が作製される(図1(c))。なお、液晶組成物には、溶剤に溶かす前の状態と、溶剤に溶かした後の溶液の状態のいずれも含まれるが、溶液の状態となった液晶組成物を、便宜上、液晶組成液と呼ぶ。
一定方向に配向した状態となった液晶分子4を含む液晶塗布膜に向けて、一定方向に液晶化合物を配列させた状態を維持しつつ、活性放射線6が照射される(露光工程)。この露光工程により、液晶分子4の末端基同士が架橋重合反応して重合部7を形成し、この反応により液晶塗布膜の硬化が生じる(図1(e))。なお、活性放射線6は、紫外線などを含む電磁波、及び電子線などを含み分子を重合し得るエネルギー量子を有する粒子線のいずれをも含む概念である。この露光工程においては、活性放射線6として紫外線が好ましく用いられる。紫外線としては、波長300〜500nm程度の照射光で、高圧水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ等が用いられる。また、紫外線の照射光量は、重合性液晶化合物の種類や組成、光重合開始剤の種類や量等によって異なるが、通常、10〜3000mJ/cm2程度の範囲である。
露光処理の後、液晶塗布膜を備える支持体3は焼成される(焼成工程)。焼成工程において、焼成温度、焼成時間は、重合性液晶化合物の液晶分子4の種類や組成、架橋剤5の反応開始温度等に依存して変動する。この焼成処理において、重合した重合性液晶化合物をなす液晶分子4のメソゲン基同士が架橋剤5により架橋される。このとき、架橋剤5の分子が液晶分子4のメソゲン基の間に配置されて、架橋部8が形成されているものと思料される。そして、この焼成処理により、液晶塗布膜は、一定方向に液晶分子4を配列させた状態をなすとともに架橋部を形成して液晶化合物と架橋剤とで全体として3次元構造を形成した状態をなし、位相差層となる。こうして、支持体3上に位相差層9を形成してなる光学素子10が作製される(図1(f))。
本発明の製造方法にて得られた光学素子では、位相差層は、重合性液晶化合物が一定方向に配向した状態にて重合反応してなる構造を有するとともに、架橋剤により液晶化合物のメソゲン基間が架橋されて3次元構造を形成している。
次に、本発明の製造方法にて作製された光学素子10を用いた液晶表示装置(半透過半反射型液晶表示装置)について、駆動方式をVAモードとする液晶表示装置を例として説明する。
<支持体の調整>
100×100mmのガラス基板(NHテクノグラス社製NA35)たる基材に、配向膜を形成可能な組成物(JSR(株)製、AL1254)を、スピンコーターを用い塗布して塗布膜(膜厚0.065μm)を作製し、塗布膜を作製したガラス基板を230℃のオーブンにて1時間焼成した。そして、塗布膜面に対してラビング装置(飯沼ゲージ社製、装置名RLYY−3)を用いてラビング処理を施して、塗布膜を配向膜となした。このガラス基板に配向膜を形成したものを支持体とした。
次にネマチック液晶相を示す重合性液晶としてRMM34(メルク社製;18.75重量部)、光重合開始剤としてイルガキュアー907(チバ・スペシャリティー・ケミカルズ社製;1.25重量部)、架橋剤として1,4−ベンゼンジメタノール(関東化学製;2.5重量部)、酸発生剤としてMP−トリアジン(三和ケミカル社製;2.5重量部)を添加した後、溶剤としてジエチレングリコールジメチルエーテル(75重量部)で希釈し、溶液状の液晶組成物(液晶組成液)を調整した。
焼成工程の焼成温度を240℃にした以外は実施例1と同様に位相差層を成膜して光学素子を得たところ、位相差層の位相差は117nmであった。さらに、膜厚は1.47μmであり、複屈折率Δnは0.08であった。また、液晶塗布膜の白化も起こらず、良好な面質であった。
焼成工程の焼成時間を120分にした以外は実施例1と同様に位相差層を成膜して光学素子を得たところ、位相差層の位相差は105nmであった。さらに、膜厚は1.50μmであり、複屈折率Δnは0.07であった。また、液晶塗布膜の白化も起こらず、良好な面質であった。
焼成工程の焼成時間を240分にした以外は実施例1と同様に位相差層を成膜して光学素子を得たところ、位相差層の位相差は70nmであった。さらに、膜厚は1.40μmであり、複屈折率Δnは0.05であった。また、液晶塗布膜の白化も起こらず、良好な面質であった。
焼成工程の焼成温度を150℃にした以外は実施例4と同様に位相差層を成膜して光学素子を得たところ、位相差層の位相差は165nmであった。さらに、膜厚は1.50μmであり、複屈折率Δnは0.11であった。また、液晶塗布膜の白化も起こらず、良好な面質であった。
本実施例では、架橋剤に1,3−ベンゼンジメタノール(関東化学製;2.5重量部)を用いた以外は実施例1と同様に位相差層を成膜して光学素子を作製した。光学素子の位相差層の位相差は150nmであった。さらに、膜厚は1.51μmであり、複屈折率Δnは0.10であった。また、液晶塗布膜の白化も起こらず、良好な面質であった。
本実施例では、焼成工程の焼成温度を240℃にした以外は実施例6と同様に位相差層を成膜して光学素子を得た。光学素子の位相差層の位相差は118nmであった。さらに、膜厚は1.48μmであり、複屈折率Δnは0.08であった。また、液晶塗布膜の白化も起こらず、良好な面質であった。
本実施例では、焼成工程の焼成時間を120分にした以外は実施例6と同様に位相差層を成膜して光学素子を得た。光学素子の位相差層の位相差は100nmであった。さらに、膜厚は1.50μmであり、複屈折率Δnは0.07であった。また、液晶塗布膜の白化も起こらず、良好な面質であった。
焼成工程の焼成時間を240分にした以外は実施例6と同様に位相差層を成膜して光学素子を得たところ、位相差層の位相差は72nmであった。さらに、膜厚は1.43μmであり、複屈折率Δnは0.05であった。また、液晶塗布膜の白化も起こらず、良好な面質であった。
焼成工程の焼成温度を150℃にした以外は実施例9と同様に位相差層を成膜して光学素子を得たところ、位相差層の位相差は164nmであった。さらに、膜厚は1.49μmであり、複屈折率Δnは0.11であった。また、液晶塗布膜の白化も起こらず、良好な面質であった。
実施例1の架橋剤を用いなかった以外は実施例1と同様に支持体に位相差層を成膜したところ、位相差層の位相差は194nmであった。さらに、膜厚は1.49μmであり、複屈折率Δnは0.13であった。
比較例1の焼成工程の焼成温度を240℃にした以外は比較例1と同様に支持体に位相差層を成膜したところ、位相差層の位相差は188nmであった。さらに、膜厚は1.47μmであり、複屈折率Δnは0.13であった。
比較例1の焼成工程の焼成時間を120分にした以外は比較例1と同様に支持体に位相差層を成膜したところ、位相差層の位相差は190nmであった。さらに、膜厚は1.48μmであり、複屈折率Δnは0.13であった。
焼成工程の焼成時間を240分にした以外は比較例1と同様に支持体に位相差層を成膜したところ、位相差層の位相差は185nmであった。さらに、膜厚は1.42μmであり、複屈折率Δnは0.13であった。
焼成工程の焼成温度を150℃にした以外は比較例4と同様に支持体に位相差層を成膜したところ、位相差層の位相差は194nmであった。さらに、膜厚は1.49μmであり、複屈折率Δnは0.13であった。
実施例1の架橋剤にジメチロール尿素(関東化学製;2.5重量部)を用いた以外は実施例1と同様に支持体に位相差層を成膜したところ、移送差層の位相差は177nmであった。さらに、膜厚は1.49μmであり、複屈折率Δnは0.12であった。
比較例4の焼成温度を240℃にした以外は比較例6と同様に支持体に位相差層を成膜したところ、位相差層の位相差は172nmであった。さらに、膜厚は1.45μmであり、複屈折率Δnは0.12であった。
比較例4の焼成時間を120分にした以外は比較例6と同様に支持体に位相差層を成膜したところ、位相差層の位相差は173nmであった。さらに、膜厚は1.46μmであり、複屈折率Δnは0.12であった。
焼成工程の焼成時間を240分にした以外は比較例6と同様に支持体に位相差層を成膜したところ、位相差層の位相差は174nmであった。さらに、膜厚は1.45μmであり、複屈折率Δnは0.12であった。
焼成工程の焼成温度を150℃にした以外は比較例9と同様に支持体に位相差層を成膜したところ、位相差層の位相差は192nmであった。さらに、膜厚は1.48μmであり、複屈折率Δnは0.13であった。
2 下地層
3 支持体
4 液晶分子
5 架橋剤
6 活性放射線
7 重合部(液晶分子同士の重合部)
8 架橋部(液晶分子間の架橋部)
9 位相差層
10 光学素子
13 着色層
15 ブラックマトリクス
16,17,18 色パターン形成層
30 液晶表示装置
Claims (6)
- 光透過性を有する基材を備える支持体に、重合性官能基を有する液晶化合物を重合してなる構造を備える位相差層を設けてなる光学素子の製造方法であって、
液晶化合物の分子構造中のメソゲン基に反応して液晶分子間を架橋させる架橋剤を含むとともに液晶化合物と光重合開始剤と酸発生剤とを含む液晶組成物を、支持体に塗布して液晶塗布膜を作製し、
該液晶塗布膜に向けて活性放射線を照射した後、液晶塗布膜を150℃以上240℃以下の温度範囲且つ30分以上240分以下の時間範囲にて焼成して、該液晶塗布膜を、複屈折の値(Δn)が0.05以上0.28以下である位相差層となす、ことを特徴とする光学素子の製造方法。 - 液晶組成物には、架橋剤として、炭化水素環またはヘテロ環を有するアルキロール化合物が含まれることを特徴とする、請求項1に記載の光学素子の製造方法。
- 液晶塗布膜は、基材と配向膜を備える支持体に対して液晶組成物が塗布されることで作製される、請求項1または2に記載の光学素子の製造方法。
- 液晶塗布膜は、基材と着色層を備える支持体に対して液晶組成物が塗布されることで作製される、請求項1から3のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
- 請求項1から4のいずれかに記載の製造方法にて作製された光学素子。
- 対面する第1の基板と第2の基板の間に、液晶を駆動可能に封入してなる駆動用液晶層を形成し、第2の基板の外側に該第2の基板に向かって光を照射するバックライトを設けるとともに、第2の基板の面内方向所定領域に反射膜を設け、駆動用液晶層を進行した光のうち該反射膜で反射した光にて液晶画面表示を行う反射部と、バックライトから入射された光にて液晶画面表示を行う透過部とを備えてなる半透過半反射型液晶表示装置において、
第1の基板に、請求項5記載の光学素子が組み込まれてなる半透過半反射型液晶表示装置。
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