JP2010060671A - 液晶材料の製造方法、光部品及びディスプレー - Google Patents

Abstract

【課題】偏波の影響を受けず、かつ通信波長帯においても十分な消光比を実現することができる液晶材料の製造方法、光部品及びディスプレーを提供する。
【解決手段】ネマチック液晶である母液晶３と、前記母液晶３をランダムに配向させる光重合性モノマと、光重合を加速させる光重合開始剤と、特定波長における散乱及び吸収を増強する二色性色素４とからなる複合材料を紫外線照射によって光重合させた。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶材料の製造方法、光部品及びディスプレーに関する。

一般に、可視光域で使用される液晶ディスプレー（ＬＣＤ）は、主としてネマチック液晶を用いており、消光比を得るためにネマチック液晶素子の両側に偏光子と検光子を配置して使用されている（下記非特許文献１参照）。

図３は、従来のＬＣＤの構造を示した模式図である。
図３に示すように、従来のＬＣＤは、上面側にガラス基板１０１ａと下面側にガラス基板１０１ｂを備えている。ガラス基板１０１ａの下面には透明電極１０２ａを備えており、ガラス基板１０１ｂの下面には透明電極１０２ｂを備えている。透明電極１０２ａと透明電極１０２ｂとの間には、液晶１０３を備えている。ガラス基板１０１ｂの下面には偏光子１０４を備えており、ガラス基板１０１ａの上面には検光子１０５を備えている。

なお、図３においては省略したが、透明電極１０２ａ，１０２ｂの液晶１０３側には配向膜がコートされている。液晶１０３は一般的なネマチック液晶であり、上下の配向処理については、上面側が紙面左右方向で、下面側が紙面表裏方向となっていて、互いに直交する。よって、液晶１０３はツイストネマチック・モードで動作する。なお、偏光子１０４と検光子１０５の偏光方向は、下側の配向の方向に合わせてある。

図３（ａ）は、透明電極１０２ａ，１０２ｂ間に電圧が印加されていない電圧オフの状態を示している。
液晶１０３の分子は配向に支配されており、ガラス基板１０１ａから１０１ｂに向かって、緩やかに９０度回転して配向されている。したがって、入射光のうち単一偏光成分のみが偏光子１０４を透過して、液晶１０３へと入射する。ツイストネマチック液晶の効果によって、液晶１０３中を伝搬しながら入射光の偏光は９０度回転する。偏光子１０４と検光子１０５は平行であるため、出射時には光は検光子１０５を通過することができない。なお、このときのＬＣＤは、肉眼で見た場合不透明に見える。

一方、図３（ｂ）は、透明電極１０２ａ，１０２ｂ間に数Ｖの電圧を印加した電圧オンの状態を示している。
このとき、液晶１０３の分子は電界の方向に並ぶ。この場合、入射光の偏光は液晶１０３の中で変わらない。偏光子１０４と検光子１０５は平行であるため、出射時には光は検光子１０５を通過する。なお、このときのＬＣＤは、肉眼で見た場合透明に見える。よって、このＬＣＤは電圧のオン又はオフで、透明又は不透明をスイッチングすることができる。ただし、偏光子１０４を用いるため最善のケースでも５０％は光量の損失がある。

なお、損失の問題を解決するため、ネマチック液晶と光重合性モノマを用いた材料系（下記非特許文献２参照）が発明されている。ネマチック液晶と光重合性モノマを用いた材料系を用いた場合、偏光を使わずに散乱により光のスイッチングを行うため偏波依存損失はほとんどない。

液晶若手研究会編、「液晶：ＬＣＤの基礎と新しい応用」、シグマ出版、１９９７年９月２５日、ｐ．２７、２８ Ｔ．Ｋａｊｉｙａｍａ、Ａ．Ｍｉｙａｍｏｔｏ、Ｈ．Ｋｉｋｕｃｈｉ、Ｙ．Ｍｏｒｉｍｕｒａ、"Ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ Ｓｔａｔｅｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ‐ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｌｉｇｈｔ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｐｏｌｙｍｅｒ／（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｆｉｌｍｓ"、ＣＨＥＭＩＳＴＲＹ ＬＥＴＴＥＲＳ、１９８９年、ｐ．８１３−８１６

ここで、上述した従来のＬＣＤを光通信用部品に適用できるか検討してみる。現在の光通信で使用されている波長は、およそ１．３〜１．６μｍ帯が主流である。従来のＬＣＤと同じ構成を光通信用部品に適用すると、以下の問題が生ずる。
（１） 主な液晶材料は可視光域で最適化されており、可視光域より長波長域では偏光子１０４と検光子１０５を用いても、必要な消光比が得られない。または、同じ消光比を得るためには、液晶層の厚さを厚くすることや、印加電圧を大きくすることが必要になる。
（２） 光ファイバの中を伝搬する光は無偏光であるため、偏波依存損失なく（すなわち、偏光子１０４と検光子１０５を用いることなく）光スイッチングや光変調（減衰）の効果を得ることは容易ではない。
（３） 偏光子１０４の作用によって、最善でも光量に５０％の損失が生じる。

また、従来のＬＣＤおいて、ネマチック液晶と光重合性モノマを用いた材料系（上記非特許文献２参照）を用いた散乱型の部品を用いた場合であっても、通信波長帯において十分な消光比を得ることは容易ではない。

以上のことから、本発明は、偏波の影響を受けず、かつ通信波長帯においても十分な消光比を実現することができる液晶材料の製造方法、光部品及びディスプレーを提供することを目的とする。

上記の課題を解決する第１の発明に係る液晶材料の製造方法は、
ネマチック液晶である母液晶と、
前記母液晶をランダムに配向させる光重合性モノマと、
光重合を加速させる光重合開始剤と、
特定波長における散乱及び吸収を増強する二色性色素と
からなる複合材料を紫外線照射によって光重合させた
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第２の発明に係る液晶材料の製造方法は、第１の発明に係る液晶材料の製造方法において、
前記二色性色素は、アントラキノン誘導体、アゾ誘導体、フタロシアニン誘導体、金属錯体のうち少なくともいずれかひとつを含有する
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第３の発明に係る光部品は、
一対の透明電極付きガラス基板と、
前記一対の透明電極付きガラス基板の間に封入された第１の発明又は第２の発明に記載の液晶材料と、
前記一対の透明電極付きガラス基板の間隙を一定にするためのスペーサと、
前記液晶材料を封止する接着剤と
を備える
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第４の発明に係るディスプレーは、
第３の発明に係る一対の透明電極付きガラス基板における透明電極は、それぞれ直交するように配置されたマトリクス形状である
ことを特徴とする

本発明によれば、偏波の影響を受けず、かつ通信波長帯においても十分な消光比を実現できる液晶材料の製造方法、光部品及びディスプレーを提供することができる。

以下、本発明に係る液晶材料の製造方法、光部品及びディスプレーの実施例について図を参照しながら説明する。なお、図１は本発明の実施例に係る光部品を示した模式図、図２は金属錯体ドープのサンプルの透過率対電圧特性を示した図、表１はサンプル製造の詳細を示した表である。

本発明の実施例に係る液晶材料の製造方法、光部品及びディスプレーについて説明する。
はじめに、表１により、サンプルの組成を説明する。

表１に示すように、サンプルには、光重合剤、光重合性モノマ、母液晶３（図１参照）、二色性色素４（図１参照）が含まれる。本実施例では、光重合剤として２，２‐ｄｉｍｅｔｈｏｘｙ‐２‐ｐｈｅｎｙｌａｃｅｔｏｐｎｅｎｏｎｅ（ＤＭＰＡＰ）を１％、光重合性モノマとして３，５，５‐ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌ ａｃｒｙｌａｔｅ（ＴＭＨＡ）を１０％と１，６‐ｈｅｘａｎｄｉｏｌ ｄｉａｃｒｙｌａｔｅ（ＨＤＤＡ）を１０％、母液晶３としてメルクＥ７を７８％、二色性色素４として金属錯体（三井東圧ＳＩＲ‐１３２）を１％用いた。なお、比率はいずれも重量％（ｗｔ％）である。そして、これらを事前に混合し、十分に撹拌しておく。

次に、液晶材料の製造方法及び光部品の製造方法について説明する。
なお、液晶材料の製造方法と光部品の製造方法は完全に分離して説明することができないため、図１を参照して液晶材料の製造方法及び光部品の製造方法について説明する。

図１に示すように、本実施例に係る光部品は、上面にガラス基板１ａ（コーニング７０５９）と下面にガラス基板１ｂを備えている。ガラス基板１ａ（コーニング７０５９）の下面には透明電極２ａ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ，ＩＴＯ）を備えており、ガラス基板１ｂの上面には透明電極２ｂ（ＩＴＯ）を備えている。

透明電極２ａと透明電極２ｂとの間には、母液晶３（メルクＥ７）、二色性色素４（三井東圧ＳＩＲ‐１３２）、高分子ネットワーク５を備えており、透明電極２ａと透明電極２ｂとはスペーサ含有する接着剤６により所望の間隔で接着されている。なお、高分子ネットワーク５については、後ほど説明する光重合の過程において詳述する。

次に、液晶材料の製造方法及び光部品の製造方法の手順について説明する。
はじめに、ガラス基板１ａ，１ｂに透明電極２ａ，２ｂをスパッタ法や蒸着法によって成膜する。なお、以下の説明においては透明電極２ａ，２ｂとガラス基板１ａ，１ｂとは一体のものとして考え、透明電極２ａ，２ｂを含めてガラス基板１ａ，１ｂとして説明を行うものとする。

次に、ガラス基板１ａ，１ｂの所望の間隔（例えば、１５μｍ）を保持するために、直径１５μｍ級のスペーサを混ぜた接着剤６で２枚のガラス基板１ａ，１ｂを接着する。なお、スペーサは、接着剤６に混ぜる方法以外に、ガラス基板１ａ，１ｂ間にランダムに散布する方法も有効であることを確認した。

次に、接着剤６によるガラス基板１ａ，１ｂの接着にあたり、光重合剤、光重合性モノマ、母液晶３、二色性色素４の混合物をガラス基板１ａ，１ｂ間に浸透させるために、ガラス基板１ａ，１ｂの全周を接着するのではなく、少なくとも一部をあけて接着する。

次に、接着剤６が硬化した時点で、事前に準備した光重合剤、光重合性モノマ、母液晶３、二色性色素４の混合物を、２枚のガラス基板１ａ，１ｂの間に浸透させる。このとき、ガラス基板１ａ，１ｂの接着剤６により封止した部分のうち、あいている部分を液状の混合物に浸せば、毛細管現象で混合物は自然にガラス基板１ａ，１ｂの間の内部へと浸透してゆく。

最後に、ガラス基板１ａ，１ｂの間に光重合剤、光重合性モノマ、母液晶３、二色性色素４の混合物を浸透させた後、この状態で光重合を行う。光重合は、周囲温度２５℃にて、ガラス基板１ａの上面からメタルハライドランプ（波長３６５ｎｍ、強度１５ｍＷ／ｃｍ²）により紫外線を７０秒照射して行う。この条件により混合物は重合し、高分子ネットワーク５が形成される。

そして、図１（ａ）に示すように、ガラス基板１ａ，１ｂ間に高分子ネットワーク５が形成され、その隙間に母液晶３や二色性色素４が収まる。なお、母液晶３及び二色性色素４は、高分子ネットワーク５中における最も安定な位置で、ほぼランダムな状態に配向する。

図１（ａ）に示すように、微細に分布した高分子ネットワーク５、母液晶３、二色性色素４の影響により、透明電極２ａ，２ｂ間に電圧を印加していない電圧オフの状態では、入射光は散乱される。そして、このとき肉眼でこの光部品を見た場合、白濁して見える。なお、本実施例に係る光部品においては、従来のＬＣＤとは異なり、偏光子１０４（図３参照）も検光子１０５（図３参照）も不要である。

また、図１（ｂ）に示すように、透明電極２ａ，２ｂ間に電圧Ｖを印加した電圧オンの状態では、母液晶３及び二色性色素４は電界に平行に配向する。この場合、入射光は光部品を透過する。そして、このとき肉眼でこの光部品を見た場合、透明に見える。

ここで、具体的な金属錯体ドープのサンプルの透過率対電圧特性について、図２を参照して説明する。
図２中、実効値表示の印加電圧Ｖ（Ｖｒｍｓ）と透過率Ｔ（ｄＢ）をそれぞれ横軸と縦軸に示す。また、測定波長は１５２０ｍｍである。なお、図２においては、矢印Ａで示す上述した金属錯体ドープのサンプルの結果と、矢印Ｂで示すこの金属錯体ドープのサンプルから金属錯体をドープしていないことを除いて同じ組成比率の標準サンプルの結果とを比較した。

図２に示すように、金属錯体ドープのサンプルでは、印加電圧Ｖが増すにしたがい透過率が上昇する。すなわち、印加電圧Ｖのないときは、散乱及び吸収によって通信波長帯の入射光は透過しない。周波数１００Ｈｚ〜１ｋＨｚの正弦波で電圧１０Ｖｒｍｓ程度を印加すると、金属錯体ドープのサンプルはほぼ透過状態となり、実験の範囲内では−３ｄＢの透過率Ｔが得られた。また、さらに印加電圧Ｖを上げることで−１ｄＢ程度の透過率Ｔが得られた。

一方、標準サンプルでは、透過率Ｔは印加電圧Ｖの大小に関わらず全域で−７ｄＢ一定であった。このことから、標準サンプルにおいては、常に弱い吸収と散乱が起きている状態であり、この状態は印加電圧Ｖにより制御することができないということがわかる。

なお、本実施例においては、二色性色素４として金属錯体を用いたが、この他にアントラキノン誘導体（三井東圧Ｍ‐３７０）、アゾ誘導体（三井東圧Ｍ‐６１８）、フタロシアニン誘導体（三井東圧ＳＩＲ‐１０３）を用いた場合においても良好な結果が得られることを確認した。ただし、それぞれに良好な消光比が得られる波長は異なる。さらに、複数種の二色性色素４を混合すると、より広い波長範囲で良好な消光比が得られることも確認した。

なお、本発明に係る光部品は、例えば、可変光減衰器や光シャッタとして使用することが可能である。また、透明電極２ａ，２ｂの加工や薄膜トランジスタを搭載することにより、単純マトリクス型液晶ディスプレーやアクティブマトリクス型液晶ディスプレーとして使用することが可能であることについても確認した。

以上説明したように、本発明に係る液晶材料の製造方法、光部品及びディスプレーによれば、波長１．３〜１．６μｍでの散乱、透過及び吸収による光のスイッチングを実現することができる。これにより、高効率で、可視光線から赤外線に亘る波長選択性を有し、低コストな液晶材料の製造方法、光部品及びディスプレーを提供することができる。

本発明は、例えば、通信用光部品の他、ディスプレーに利用することが可能である。

本発明の実施例に係る光部品を示した模式図である。 金属錯体ドープのサンプルの透過率対電圧特性を示した図である。 従来のＬＣＤの構造を示した模式図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ ガラス基板
２ａ，２ｂ 透明電極
３ 母液晶
４ 二色性色素
５ 高分子ネットワーク
６ スペーサ含有接着剤

Claims (4)

1. ネマチック液晶である母液晶と、
   前記母液晶をランダムに配向させる光重合性モノマと、
   光重合を加速させる光重合開始剤と、
   特定波長における散乱及び吸収を増強する二色性色素と
   からなる複合材料を紫外線照射によって光重合させた
   ことを特徴とする液晶材料の製造方法。
2. 前記二色性色素は、アントラキノン誘導体、アゾ誘導体、フタロシアニン誘導体、金属錯体のうち少なくともいずれかひとつを含有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の液晶材料の製造方法。
3. 一対の透明電極付きガラス基板と、
   前記一対の透明電極付きガラス基板の間に封入された請求項１又は請求項２に記載の液晶材料と、
   前記一対の透明電極付きガラス基板の間隙を一定にするためのスペーサと、
   前記液晶材料を封止する接着剤と
   を備える
   ことを特徴とする光部品。
4. 請求項３に記載の一対の透明電極付きガラス基板における透明電極は、それぞれ直交するように配置されたマトリクス形状である
   ことを特徴とするディスプレー。

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