JP2015041006A - 液晶光学素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プリズム層のような凹凸を有する下地の上方に形成される液晶層の新規な配向技術を提供する。
【解決手段】液晶光学素子は、第１透明基板と、第１透明基板上方に配置された、第１透明電極層及び傾斜断面構造層の積層構造と、積層構造上方に配置された液晶層と、液晶層上方に配置された第２透明電極層と、第２電極層上方に配置された第２透明基板とを有し、液晶層は、紫外線硬化性モノマーを含み、積層構造に接して配置されており、電圧無印加状態において、積層構造と接する界面近傍の液晶分子長軸の面内方向が平均的に第１方向に揃っている。
【選択図】図２

Description

本発明は、液晶光学素子及びその製造方法に関する。

液晶セル内にプリズム層を形成し、光偏向を行う液晶光学素子が提案されている（例えば特許文献１、２参照）。特許文献１記載の液晶光学素子は、車両用灯具に利用され、特許文献２記載の液晶光学素子は、立体表示装置に利用されている。このような液晶光学素子においては、プリズム層のような凹凸を有する下地の上方に液晶層が形成される。

平坦な下地の上方に形成される液晶層の配向方法として、種々の技術が提案されている（例えば特許文献３、４参照）。特許文献３には、透明基材上に形成され偏光ＵＶを照射することにより異方性を示す光配向材料を有する配向膜と、配向膜上に液晶材料を塗工して硬化することにより形成される液晶層とを有する光学素子であって、光配向材料の配向方向と液晶材料の塗工方向とが実質的に同一であることを特徴とする光学素子が記載され、液晶材料の塗工方法として、マイヤーバーコート法、マイクロバーコート法またはダイコート法が挙げられている。

特許文献４記載の技術では、搬送される透明基材シート上に、ダイコータにより光配向層形成用液状組成物の塗膜が形成され偏光紫外線が照射されて、光配向層が形成されている。さらに、光配向層上に、ダイコータにより重合性の液晶分子を含む液状組成物が塗工されて塗膜が形成され、光配向層によりこの塗膜中の液晶分子の配向が規制されて、液晶層が形成されている。

特開２００６−１４７３７７号公報 特開２０１２−１３３１２８号公報 特開２００５−３５２０２５号公報 特開２００７−３４１７４号公報

本発明の一目的は、プリズム層のような凹凸を有する下地の上方に形成される液晶層の新規な配向技術を提供することである。

本発明の一観点によれば、
第１透明基板と、
前記第１透明基板上方に配置された、第１透明電極層及び傾斜断面構造層の積層構造と、
前記積層構造上方に配置された液晶層と、
前記液晶層上方に配置された第２透明電極層と、
前記第２電極層上方に配置された第２透明基板と
を有し、
前記液晶層は、紫外線硬化性モノマーを含み、前記積層構造に接して配置されており、電圧無印加状態において、前記積層構造と接する界面近傍の液晶分子長軸の面内方向が平均的に第１方向に揃っている、液晶光学素子
が提供される。

液晶分子の配向方向が揃っていることにより、例えば、一定方向の入射偏光に対する偏向動作を効率的に行うことができる。

図１は、実施例による液晶光学素子の概略断面図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、実施例の液晶セルに動作電圧が印加されていない状態の概略的な断面図及び平面図であり、図２Ｃ及び図２Ｄは、実施例の液晶セルに動作電圧が印加されている状態の概略的な断面図及び平面図である。 図３Ａ〜図３Ｃは、実施例による液晶層形成方法を概略的に示す断面図であり、図３Ｄは、他の例による液晶層形成方法を概略的に示す断面図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、下地基板上に実施例の方法で形成された液晶層を示す概略断面図である。 図５は、実施例による液晶光学素子のロールトゥロール方式による製造装置の概略断面図である。 図６Ａ及び図６Ｂは、プリズム形成用ロール状金型のパターンの一例を示す概略斜視図、及び、１つ分のプリズムの例を示す概略断面図であり、図６Ｃは、スペーサー形成用ロール状金型のパターンの一例を示す概略斜視図である。 図７Ａ〜図７Ｃは、実施例の重ね合わせ工程におけるメインシール剤の配置形状等を示す概略平面図である。 図８Ａ及び図８Ｂは、試作された実施例による液晶光学素子の動作電圧無印加時における偏光顕微鏡写真である。 図９は、試作された実施例による液晶光学素子の動作電圧無印加時における偏光顕微鏡写真である。 図１０Ａ及び図１０Ｂは、試作された実施例による液晶光学素子の可変配光特性を示すグラフである。 図１１Ａは、他の傾斜断面構造の例であるフレネルレンズの概略平面図であり、図１１Ｂは、他の実施例による液晶光学素子の概略断面図である。

図１を参照して、本発明の実施例による液晶光学素子の概略構造について説明する。図１は、実施例による液晶光学素子の概略断面図である。

透明基板１上に、透明電極層２が形成されている。透明基板１１上に、透明電極層１２が形成されている。電極層２と電極層１２とが対向するように、基板１と基板１１とが対向配置されている。

透明基板１、１１は、例えばフィルム基板であり、フィルム基板１、１１として、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等で形成された透明なプラスチックフィルムを用いることができる。なお、画像の表示を行なう液晶表示素子の基板材料としては、リターデーション（複屈折）の小さい材料が求められる。しかし、本実施例による液晶光学素子は、液晶とプリズムの屈折率差による光偏向を行うものであり、複屈折による性能への影響は少ない。従って、フィルム基板１、１１として、ＰＥＴ等の複屈折を有するフィルムを用いることもできる。

電極層２、１２は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）やインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）等の金属酸化物や、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）やグラフェン等の透明導電材料で形成することができる。電極層２、１２は、必要に応じて所望のパターンに形成することができ、パターニング方法として、例えば、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングや、レーザーアブレーション等を用いることができる。

電極層２上に、プリズム層３が形成されている。電極層１２上に、突起層１３が形成されている。突起層１３の突起部１３Ｐは、プリズム層３に接し、液晶セルのセル厚（上下基板間の距離）を保持するスペーサーとして機能する。プリズム層３、突起層１３は、例えば紫外線硬化性樹脂で形成されている。なお、突起層１３の、突起部１３Ｐの外側にベース層１３Ｂが形成されている。突起部１３Ｐの外側は、ベース層１３Ｂが形成されずに電極層１２が露出していてもよい。

電極層２、プリズム層３と、電極層１２、ベース層１３Ｂとの間に、液晶層４が配置されている。液晶層４は、例えば、誘電率異方性Δεが正のネマティック液晶が用いられ、紫外線により硬化するモノマーが微量に添加されており、紫外線照射がされたものである。

液晶層４の示す屈折率は、液晶分子長軸に平行な偏光に対する屈折率と、液晶分子長軸に垂直な（短軸に平行な）偏光に対する屈折率とで異なる。本例では、液晶分子長軸に垂直な偏光に対する液晶層４の屈折率と、プリズム層３の屈折率とがほぼ等しく（例えば屈折率差が３％以内となるように）設定されている。

屈折率は例えば、液晶分子長軸に平行な偏光に対する液晶層４の屈折率が１．８２であり、液晶分子長軸に垂直な偏光に対する液晶層４の屈折率が１．５３であり、プリズム層３の屈折率が１．５１である。

プリズム層３は、必要に応じて適当なプリズム幅や高さ等を選択することができる。突起層１３は、必要に応じて適当な突起部の寸法や配置等を選択することができる。液晶層４は、必要に応じて適当な屈折率等を選択することができる。基板１、電極層２、プリズム層３、液晶層４、突起層１３、電極層１２、及び基板１１を含んで、実施例による液晶光学素子が形成される。

次に、図２Ａ〜図２Ｄを参照して、実施例による液晶光学素子の光偏向作用について説明する。図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、液晶セルに動作電圧が印加されていない状態の概略的な断面図及び平面図である。図２Ｃ及び図２Ｄは、液晶セルに動作電圧が印加されている状態の概略的な断面図及び平面図である。

電圧無印加状態では、図２Ｂに示すように、液晶分子ＭＬの長軸の面内方向が、平均的に一定方向ＤＭに揃っている。本例では、液晶分子長軸の面内方向ＤＭが、プリズム長さ方向（プリズムパターンの溝が伸びている方向）ＤＰと直交する方向に設定されている。図２Ａに示すように、例えば、プリズム層３の形成された基板１側から、液晶分子長軸の面内方向ＤＭと平行な偏光ＰＬが入射する。光線ＰＬに対する屈折率が、プリズム層３と液晶層４とで異なっていることから、プリズム層３と液晶層４との界面で光線ＰＬが屈折されて、光偏向が行われる。液晶分子の配向方向が揃っていることにより、一定方向の入射偏光に対する偏向動作を効率的に行うことができる。

一方、動作電圧印加状態では、図２Ｄに示すように、液晶分子ＭＬが基板表面に垂直な方向に立ち上がっている。光線ＰＬに対するプリズム層３と液晶層４の屈折率が同等であるので、図２Ｃに示すように、屈折作用が生じず、光線ＰＬがそのまま直進する。

このように、実施例による液晶光学素子は、電圧無印加状態における液晶分子長軸方向の面内成分が一方向に揃えられた均一配向となっており、光偏向作用を有する。以下、このような配向の液晶セルを形成するための、実施例による方法について説明する。

図３Ａ〜図３Ｃは、実施例による液晶層形成方法を概略的に示す断面図である。ここでは、バーコートによる液晶層塗布を例示する。図３Ａに示すように、液晶層が塗布される下地基板２１を準備する。下地基板２１は、図１に示した基板１上に電極層２及びプリズム層３が形成されたプリズム側下地基板、または、プリズムと対向側の、基板１１上に電極層１２及び突起層１３が形成された対向側下地基板である。

液晶を吐出するディスペンサー３１と、アプリケーター（基板と所定のギャップを保ったワイヤーバーの一種）３２により、液晶供給ヘッド３３が形成される。紫外線照射装置３４が、紫外線を照射する。液晶供給ヘッド３３と紫外線照射装置３４とが、液晶層形成装置３５を形成する。

図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、下地基板２１に対し相対的に、液晶供給ヘッド３３及び紫外線照射装置３４を一定方向ＤＣへ移動させながら、下地基板２１上に液晶材料を塗布して、液晶層２２を形成する。ディスペンサー３１から吐出された液晶材料が、アプリケーター３２を介して下地基板２１上に塗布される。液晶材料には、紫外線硬化性モノマーが含まれている。液晶層２２の塗布直後の部分に紫外線ＵＶを照射して、硬化を行う。

なお、図３Ｄに示す他の例のように、液晶供給側と反対側（基板裏側）に紫外線照射装置３４を配置し、基板を介して紫外線照射を行う構造とすることもできる。基板裏面側から紫外線照射を行う方が、照射領域が液晶供給ヘッド３３の陰になりにくく、塗布直後の領域に紫外線照射を行いやすい。

図４Ａは、プリズム側下地基板２１上に形成された液晶層４ａを示す概略断面図である。液晶供給ヘッドを（図３Ｂ等に示した）一定方向ＤＣに移動させながら液晶層塗布を行い、塗布直後に紫外線照射して硬化を行うことにより、塗布方向ＤＣと平行な方向ＤＭに液晶分子ＭＬの長軸の面内方向が揃った液晶層４ａを形成することができる。なお、塗布方向ＤＣが斜面立上り方向であるか斜面立下り方向であるかによっては、塗布状態は特に差がないようである。

図４Ｂは、対向側下地基板２１上に形成された液晶層４ｂを示す概略断面図である。プリズム側下地基板と同様、液晶塗布方向ＤＣと平行な方向ＤＭに、液晶分子長軸の面内方向を揃えることができる。

その後、各基板の液晶塗布方向ＤＣに関してパラレルあるいはアンチパラレルに、プリズム側下地基板と対向側下地基板とを重ね合わせる。このようにして、電圧無印加時の液晶分子の長軸方向の面内成分が、液晶塗布方向と平行な一定方向ＤＭに揃えられた液晶セルを形成することができる。

なお、液晶塗布方法は、バーコートを例示したが、これに限定されない。下地基板に対して相対的に液晶供給ヘッドを一定方向へ移動させて液晶塗布を行う方法であれば採用することができる。バーコートの他、例えば、スリットコート、スロットコート、ダイコート、スクリーンコート、ビードコート等を用いることができる。

また、下地基板に対して相対的に液晶層形成装置（液晶供給ヘッド及び紫外線照射装置）を移動させられればよいので、下地基板及び液晶層形成装置の少なくとも一方を移動させるようにすればよい。

ここで、プリズム側基板における液晶分子配向方法の比較例として、例えば、プリズム層上に配向膜を形成しラビングを行う方法について考える。本願発明者の経験によれば、比較例の方法では、プリズム長さ方向と平行に配向させる場合であれば、液晶配向を揃えることが容易である。しかし、配向方向がプリズム長さ方向と交差している場合、例えば本例のように直交している場合は、プリズムの谷の部分がうまくラビングされず、液晶配向を揃えることが難しい。

本実施例の方法によれば、プリズム側基板における液晶分子配向が、プリズム長さ方向と直交する場合であっても、液晶配向を揃えることが容易になる。なお、プリズム長さ方向と平行に配向させた素子、及び、直交に配向させた素子を試作し観察した結果について、図８Ａ、図８Ｂ等を参照して後述する。

次に、実施例による液晶光学素子の、ロールトゥロール方式を採用した製造方法について説明する。まず、一対の電極付フィルム基板（電極層２の形成されたフィルム基板１、及び、電極層１２の形成されたフィルム基板１１）を用意する。用意する電極付フィルム基板は、少なくとも長さ方向に複数の液晶光学素子を形成して、液晶光学素子を多面取りできるような、長尺のシート状のものである。

プリズム層３の形成される側の電極付フィルム基板を、プリズム側基板（プリズム側搬送基板）４１と呼ぶ。他方の突起層（スペーサー）１３の形成される側の電極付フィルム基板を、対向側基板（対向側搬送基板）４２と呼ぶ。

図５は、実施例による液晶光学素子の製造装置の概略断面図である。プリズム側基板４１を長さ方向に搬送しながら、電極層２上に、供給ヘッド１０１（ディスペンサーなど）により、紫外線硬化性樹脂３ａを塗布する。紫外線硬化性樹脂３ａとして、例えば、アクリル系やアリル系やエポキシ系の紫外線硬化性樹脂を用いることができる。

ロール状金型１０２に、プリズムの型が形成されている。プリズム側基板４１を、ニップロール１０３によりロール状金型１０２に押し付け、ロール状金型１０２を回転させて搬送させながら、紫外線硬化樹脂３ａにプリズムパターンを転写する。ロール状金型１０２と反対側から、紫外線照射装置１０４により紫外線を照射し、紫外線硬化性樹脂３ａを硬化させて、プリズム層３を形成する。パターン転写後、ニップロール１０３から外れるところで、プリズム側基板４１とロール状金型１０２とを分離する。

図６Ａ及び図６Ｂは、プリズム形成用ロール状金型１０２のパターンの一例を示す概略斜視図、及び、１つ分のプリズムの例を示す概略断面図である。基板搬送方向と直交する方向に長いプリズムに対応する溝が、ロール状金型１０２の円周方向に並んでいる。つまり、基板上に形成されるプリズム層は、搬送方向と直交する方向に長いプリズムが、搬送方向に並んだ形状となる。一例として、個々のプリズムは、断面形状が直角三角形で、高さは５μｍ、頂角は７５°、底角は１５°と９０°である。複数のプリズムが長さ方向を揃えて約２０μｍピッチで配置され、プリズム断面の全体形状は、片ノコギリ状である。

図５に戻って製造工程の説明を続ける。プリズム側基板４１へのプリズム層３の形成と同時に、対向側基板４２を長さ方向に搬送しながら、電極層１２上に、供給ヘッド１１１（ディスペンサーなど）により、紫外線硬化性樹脂１３ａを塗布する。紫外線硬化性樹脂１３ａとして、例えば、アクリル系やアリル系やエポキシ系の紫外線硬化性樹脂を用いることができる。

ロール状金型１１２に、突起部（スペーサー）の型が形成されている。スペーサー側基板４２を、ニップロール１１３によりロール状金型１１２に押し付け、ロール状金型１１２を回転させて搬送させながら、紫外線硬化樹脂１３ａに突起パターンを転写する。ロール状金型１１２と反対側から、紫外線照射装置１１４により紫外線を照射し、紫外線硬化性樹脂１３ａを硬化させて、突起層１３を形成する。パターン転写後、ニップロール１１３から外れるところで、スペーサー側基板４２とロール状金型１１２とを分離する。

図６Ｃは、スペーサー形成用ロール状金型１１２のパターンの一例を示す概略斜視図である。突起部に対応する穴が、突起部の所望の配置となるように、分布している。穴の深さ（突起高さ）は、例えば１０μｍ程度であり、穴の直径（突起部の直径）は、例えば１０μｍ〜１５μｍ程度である。穴の密度は例えば３．８％程度である。穴の密度、つまり突起部の密度が低すぎると、ギャップムラの原因となり、高すぎると、光学性能に影響が出る。このため、型の表面で穴部の占める面積の割合（密度）は、１％〜１０％程度が望ましい。なお、パターン転写時、突起部外側の樹脂が、基板上から排除されればベース層は形成されず、基板上に残ればベース層が形成される。

図５に戻って製造工程の説明を続ける。このようにして、プリズム層３及び突起層１３を、プリズム側基板４１と対向側基板４２の各々に、ロールトゥロール方式により形成することができる。個々の液晶光学素子ごとにプリズム層、突起層を形成する方法に比べて、製造時間の短縮や、製造コストの低減を図ることができる。

引き続き、プリズム層３の形成されたプリズム側基板４１を搬送しながら、基板４１上に、液晶層形成装置１０５により液晶層４ａを形成する。また、突起層１３の形成された対向側基板４２を搬送しながら、基板４２上に、液晶層形成装置１１５により液晶層４ｂを形成する。上述のように、液晶層形成装置１０５、１１５は、バーコート、スリットコート等の液晶供給ヘッドから液晶を供給し、紫外線照射を行って、液晶材料中の紫外線硬化性モノマーを硬化させる。

図３Ａ〜図３Ｃを参照して説明した工程は、液晶供給ヘッド側を移動させて液晶層を塗布する例であったが、本例は、下地基板側を移動させて液晶層を塗布する例となっている。基板搬送方向ＤＴの下流側から上流側に向かう方向が、液晶塗布方向となる。図４Ａ、図４Ｂを参照して説明したように、各基板について、液晶塗布方向と平行な方向に、液晶分子長軸の面内方向を揃えることができる。

その後、片側の基板、例えば対向側基板４２に、供給ヘッド（ディスペンサー等）１１６によりメインシール剤５を形成する。メインシール剤５として、紫外線硬化性のものを用いることができる。

液晶層４ａが形成されたプリズム側基板４１と、液晶層４ｂ及びメインシール剤５が形成された対向側基板４２とを、ニップロール１２１で挟み込んで、重ね合わせる。液晶塗布方向に関し、両基板４１、４２がパラレルに重ね合わされて、液晶分子長軸方向の面内成分が一方向に揃えられた液晶セルを形成することができる。

両基板４１、４２を重ね合わせながら、紫外線照射装置１２２により紫外線を照射し、メインシール剤５を硬化させる。なお、図７Ａ〜図７Ｃを参照して後述するようなメインシールパターン５を形成することにより、重ね合わせ工程と同時に個々の液晶セルの封止を行うことができる。

このようにして、ロールトゥロール方式により、多数個の液晶光学素子を取ることができる長尺シート状の液晶セル構造を形成できる。個々の液晶光学素子ごとに液晶セルを形成する方法に比べて、製造時間の短縮や、製造コストの低減を図ることができる。その後、長尺のシート状液晶セル構造を、カッター１２３により１つ分ずつの液晶セルに切断することにより、個々の液晶光学素子が形成される。

次に、実施例の液晶光学素子の試作例による形成方法について説明する。試作例では、最後までロールトゥロール方式で多数の液晶セルを形成するのではなく、プリズム層、突起層の形成後に基板を切断して、１つ分の液晶セルを作製した。

ＩＺＯ電極層が形成されたフィルム基板に、紫外線硬化性樹脂に塗布し、ロール状金型からパターン転写して、プリズム層及び突起層を形成した。なお、プリズム層、突起層形成の樹脂硬化における紫外線照射量は、例えば１Ｊ／ｃｍ^２程度である。パターン形成後、それぞれの電極付フィルム基板を、カッターなどにより所定の大きさに分断した。

その後、プリズム層が形成されたプリズム層側基板と、突起層が形成された対向側基板とに、それぞれ液晶層を形成した。液晶材料は、誘電率異方性が正のネマティック混合液晶を用い、紫外線硬化性の液晶モノマーを２ｗｔ％添加した。

ここでは添加量を２ｗｔ％としたが、紫外線硬化性モノマーの添加量は０．１ｗｔ％〜４ｗｔ％の間で選択できる。４ｗｔ％以上添加すると電圧に対する液晶分子の動きが鈍くなる。また、添加量が少なすぎると配向性が悪くなり、配向性を得るための紫外線照射量（液晶塗布工程における紫外線照射量）を多くする必要も出てくる。添加量は例えば０．５ｗｔ％以上とすることが好ましい。なお、最適な添加量はモノマーの種類によっても若干異なる。

液晶材料の塗布方法として、バーコートを用いた。用いた装置はバーコーターであり、アプリケーターとディスペンサー及び紫外線照射装置が一体となって動く構造のものである。ディスペンサーにより所定量の液晶材料を滴下できるとともに、紫外線照射装置から照射される紫外線がアプリケーターの後方のできるだけ近い位置に照射される構造となっており、アプリケーターを移動させたときこれらが同じ位置関係を保ったまま同じ速度で移動する（図３Ａ〜図３Ｃ参照）。アプリケーターと基板との距離は自在に調整することが可能である。基板平面とアプリケーターの底面（底辺）の距離を一定に保つように調整できる。

何回か条件出しの実験を行った。パラメータは、基板平面とアプリケーターの底面（底辺）の距離、ディスペンサーの液滴吐出量、吐出回数、アプリケーターの移動速度などである。吐出エリアは、ここでは５００ｍｍ角エリアへの塗布を目標とした。本例では、基板平面とアプリケーターの底面（底辺）の距離を１００μｍ程度になるように調整して実験を行った。基板とアプリケーターの距離はこれに限らないが、１０μｍから２５０μｍの間が望ましい。

ディスペンサーは精度よく液滴を滴下できるようになっており、基板上に直接ではなくアプリケーターの側面を通って、液晶が基板上に塗布されるようにした（図３Ａ〜図３Ｃ参照）。アプリケーターは１００ｍｍ／ｓｅｃ程度の速度で移動させた。ディスペンサーの１回あたりの吐出量を２．５ｍｇ程度となるように調整し、５回吐出する条件で塗布を行ったところ丁度５００ｍｍ角程度のエリアに均一に液晶層の膜を形成することができた。塗布エリアの大きさは５００ｍｍ角程度であることから、この時の液晶層の厚さは５μｍ程度と見積もることができた。基板として表面状態が平滑な場合もミクロンオーダーの微細な凹凸が形成されている場合もほぼ同様に液晶層の膜を得ることができた。

アプリケーターを移動させる液晶塗布方向について、プリズム長さ方向に対し、平行な場合と直交する場合の２種類実験を行った。

液晶塗布工程（液晶配向固定化）での紫外線照射量は、例えば０．５Ｊ／ｃｍ^２程度である。なお、これまでの経験から、液晶と紫外線硬化性モノマーを混合させた材料に紫外線を照射しポリマー化させる場合、基板界面付近からポリマー化が進行することが分かっている。本試作例において、紫外線を液晶材料に対し上方向から入射させているが、ポリマー化は基板界面から進行していると考えられる。なお、図３Ｄを参照して説明したように、基板裏側から紫外線照射することもできる。

次に、液晶層同士が向かい合うようにそれぞれの基板を重ね合わせて、セル化を行った。まず、対向側基板にディスペンサー等によりメインシールパターンを形成した。メインシール剤として、紫外線硬化性のものを用いた。そしてプリズム側基板を向かい合うように配置し、ラミネーションと紫外線照射を併用し重ね合せを行った。セル化工程（メインシール剤硬化）での紫外線照射量は、例えば１．５Ｊ／ｃｍ^２程度である。上下基板がアプリケーター移動方向（液晶塗布方向）に対しアンチパラレルになるようして、重ね合せを行った。このようにして、セル厚が１０μｍ程度の液晶光学素子を作製した。

図７Ａ〜図７Ｃは、重ね合わせ工程におけるメインシール剤の配置形状等を示す概略平面図である。なお、対向側基板側にメインシール剤を形成して重ね合わせを行う場合を例示しているが、同様にして、プリズム側基板側にメインシール剤を形成して重ね合わせを行うこともできる。

図７Ａに示すように、液晶層形成工程の終了後、対向側基板４２上に、１つ分のセルに相当する、矩形状の液晶膜パターン４ｂが形成されている。

図７Ｂに示すように、液晶膜パターン４ｂの周囲を囲むように、四角形状に、メインシールパターン５を形成した。メインシールパターン５の四角形の３辺は閉じられており、１辺のみ部分的に開口部５ａを有する。

なお、試作例においてメインシール剤にスペーサー剤は添加しておらず、基板上に形成された突起層により基板間の距離を制御するようにしたが、別途スペーサー剤をシール剤に添加しても構わない。また、ここではディスペンサー方式にてシールパターンを形成したが、スクリーン印刷など別の方式を用いることもできる。

次に、プリズム側基板を液晶層の膜が向かい合うように配置し、それをローラーで押しながら紫外線を照射して重ね合せを行った（いわゆるラミネーション工程）。メインシールパターン５の開口部５ａを有する辺の対辺側からラミネーションを開始し、開口部５ａを有する辺の方向にローラーを押しながら移動させるようにして重ね合せを行った。

その結果、開口部５ａを有する辺付近までローラーが移動してくると開口部５ａより気泡や余分な液晶がメインシールパターン５の外に押し出され、また、開口部５ａを有する辺の上にローラーが来てメインシール５がローラーで押されてシールパターンが広がり、開口部分５ａが閉じられた。

図７Ｃは、開口部５ａが閉じられたメインシールパターン５を示す。このように、基板の重ね合わせと同時に、液晶セルの封止を行うことができる。

図５を参照して説明したロールトゥロール方式による製造工程では、基板搬送方向の上流側の辺に開口部５ａが形成されるようにメインシールパターン５が形成され、開口部５ａの対辺側である下流側からニップロール１２１によりラミネーションが開始され、開口部５ａを有する辺部がニップロール１２１に挟み込まれることにより開口部５ａが閉じられて、１つずつの液晶セルを封止することができる。

次に、液晶塗布方向を、プリズム長さ方向と平行にして作製した液晶光学素子と、プリズム長さ方向と直交にして作製した液晶光学素子の観察結果について説明する。図８Ａ及び図８Ｂは、作製された素子の偏光顕微鏡写真である（動作電圧無印加時）。

図８Ａは、液晶塗布方向がプリズム長さ方向と平行な素子であり、図８Ｂは、液晶塗布方向がプリズム長さ方向と直交する素子である。図８Ａ及び図８Ｂに見えている横線は、プリズムの境界部分（隣接斜面部の境界である垂直な側壁部）であり、紙面左右方向がプリズム長さ方向である。なお、図８Ｂの写真で目立つ丸い点（５、６か所）は、突起部（スペーサー）である。図８Ａ（及び後述の図９にも）、明るいためわかりにくいが良く見ると、同様に突起部が点在している。

図８Ａ、図８Ｂとも入光側の偏光方向は同じであり、偏光透過軸がプリズム長さ方向と直交方向（紙面上下方向）である。出光側の偏光方向は、入光側の偏光方向と同一である。また、図８Ａ、図８Ｂともプリズム側基板が入光側になるようにセットされている。

ここで用いている液晶の短軸方向（長軸方向と直交する方向）の屈折率は、プリズムの屈折率とほぼ等しい。一方、液晶の長軸方向の屈折率は、プリズムの屈折率より大きい。従って、入射光の偏光方向が液晶の短軸方向である場合、入射光がそのまま直進するので、明るく観察される。一方、入射光の偏光方向が液晶の長軸方向である場合、入射光が曲げられるので、暗く観察される。

図８Ａは明るく観察されているので、入射偏光方向（紙面上下方向）と直交する方向に液晶分子が配向していると判断され、つまり、液晶の配向方向（液晶分子の長軸が平均的に向いている方向）がプリズム長さ方向と平行（紙面左右方向）であると判断される。この素子を、プリズム平行配向素子と呼ぶこととする。

一方、図８Ｂは暗く観察されているので、入射偏光方向（紙面上下方向）と平行な方向に液晶分子が配向していると判断され、つまり、液晶の配向方向（液晶分子の長軸が平均的に向いている方向）がプリズム長さ方向と直交（紙面上下方向）であると判断される。この素子を、プリズム直交配向素子と呼ぶこととする。

また、図９に、偏光顕微鏡の変更配置は同じままで、図８Ｂのセルを面内で９０°回転させた写真を示す。この場合、図８Ａとほぼ同様な状態で明るく観察されていることから、図８Ａの素子と、図８Ｂ及び図９の素子とでは、液晶の配向方向が ９０°異なっているといえる。

ここで観察された液晶の配向方向は、液晶層を形成する際にアプリケーターを移動させた方向（液晶塗布方向）と等しくなっている。従って、本実施例の方法は、下地表面にミクロンオーダーの凹凸がある場合でも、選択した液晶塗布方向に、ほぼ均一な液晶配向状態を得られることが分かる。

図１０Ａ及び図１０Ｂは、これらの液晶光学素子の可変配光特性を示すグラフである。図１０Ａは、図８Ａの素子（プリズム平行配向素子）に対し、プリズム長さ方向と平行な透過軸の直線偏光を入射した場合の結果である。図１０Ｂは、図８Ｂの素子（プリズム直交配向素子）に対し、プリズム長さ方向と直交方向の透過軸を持つ直線偏光を入射した場合の結果である。

両素子とも、電圧無印加時（実線）に入射光を５°程度偏向させ、動作電圧９Ｖ印加時（破線）に入射光を直進させていることがわかる。つまり、電圧変化により配光方向が５°程度移動できていることが分かる。両素子でほぼ同様の配光特性が得られている。

上述の比較例で説明したように、プリズム長さ方向と平行な均一配向（図８Ａのプリズム平行配向素子）は、ラビング等の従来配向方法によっても得やすい。一方、プリズム長さ方向と直交方向の均一配向（図８Ｂのプリズム直交配向素子）は、従来方法では得ることが困難であった。

実施例の方法で得られたプリズム直交配向素子は、プリズム平行配向素子と同程度の性能を有している。したがって、実施例の方法によれば、プリズム長さ方向と平行な場合でも、直交する場合でも、ほぼ同程度の均一配向が得られるといえる。

なお、上記実験では、液晶塗布方向で制御される配向方向が、プリズム長さ方向に平行な場合と直交する場合の２種類の素子を作製した。ここで、均一配向を得ることは、プリズム長さ方向と直交する場合に最も困難であると考えられる。従って、本実施例の方法によれば、プリズム長さ方向に依存せずに、任意の面内方向に、液晶塗布方向の選択により、均一配向を得ることができると思われる。

つまり、下地の凹凸形状に依存せずに、選択した液晶塗布方向に均一配向を得ることができると考えられる。従って、下地の凹凸形状はプリズムに限らず、他の形状でもよいといえる。例えば、フレネルレンズパターン等を形成することもできるであろう。フレネルレンズも、プリズムと類似して、傾斜部を有する断面構造により、光線の向きを変える偏向機能を有する。プリズムやフレネルレンズ等、液晶層と協同して、所望の斜面を有する断面の繰り返し構造により光の向きを制御する層を、傾斜断面構造層と呼ぶこととする。ロール状金型は、所望の傾斜断面構造層に応じて作製することができる。図１１Ａに、フレネルレンズ３Ｆの概略平面図を示す。

図１１Ｂに、他の実施例による液晶光学素子の概略断面図を示す。図１に示した実施例との違いは、プリズム側基板１において、プリズム層３の上に電極層２が形成されていることである。このような電極層２は、基板１上へのプリズム層３の形成後、例えば、インクジェット方式の供給ヘッドによりプリズム層３上に透明導電膜材料を塗布することで形成できる。プリズム層３上に電極層２を配置することにより、液晶層４の屈折率制御に要する電圧の低下が図られる。このような構造では、プリズム側基板上の液晶層４は、電極層２に接して形成されることとなる。

再び図４Ａ及び図４Ｂを参照する。なお、プリズム側下地基板２１について、プリズム層３の長さ方向と交差する方向に液晶塗布方向ＤＣが設定されている場合（つまり、液晶塗布方向ＤＣがプリズム層３の長さ方向と平行でない場合）、プリズム側下地基板２１と液晶層４ａとの界面近傍の液晶分子ＭＬは、プリズム層３の斜面により０°でないプレチルト角を持って配置される。一方、液晶塗布方向ＤＣがプリズム層３の長さ方向と平行な場合は、プレチルト角がほぼ０°で配置されることとなる。

また、対向側下地基板２１について、液晶層４ｂと接する突起層１３のベース層部分１３Ｂ（あるいは露出した電極層１２）は、平坦（基板表面に平行）であるので、対向側下地基板２１と液晶層４ｂとの界面近傍の液晶分子ＭＬは、プレチルト角がほぼ０°で配置される。

プリズム側基板についてプリズム長さ方向と平行な液晶配向とした場合、プレチルト角はほぼ０°となる。このような液晶セルでは、リバースチルトディスクリネーションが発生する。リバースチルトディスクリネーションは、表示素子においては表示欠陥を形成し好ましくない。本実施例の液晶光学素子においては、リバースチルトディスクリネーションは、光偏向機能にそれほど影響を及ぼさない。

プリズム側基板についてプリズム長さ方向と交差する液晶配向とした場合、プレチルト角を付与できる。このような液晶セルでは、リバースチルトディスクリネーションの発生を抑制できる。液晶光学素子についても、リバースチルトディスクリネーションが抑制されていればより好ましい。

なお、試作例では液晶塗布方法としてバーコートを用いたが、特に、スリットコートを用いると液晶層の膜厚を薄くできる可能性が高く、高速応答タイプの液晶光学素子を製造する場合には望ましい方法である。ただし、スリットコートを用いると、例えば装置価格が高くなる。バーコートを用いて得られた液晶素子の可変配光性能（図１０Ａ、図１０Ｂ）は、理想的に配向された素子とほとんど遜色のない性能であった。バーコートのように簡便な方法を用いて作製しても、本実施例による液晶光学素子は、十分に高い性能を発揮できることが分かる。

なお、以上の説明では、ロールトゥロール方式での製造を想定して、可撓性のあるフィルム基板を用いる場合を例示したが、実施例による液晶層形成方法は、基板に依存するものではないので、例えばガラス基板上に液晶層を形成する場合等に用いることもできる。

以上説明したように、本実施例の方法によれば、液晶塗布方向に、液晶分子長軸の面内方向を揃えることができる。下地に形成されたミクロンオーダー程度の凹凸形状に依存せず、液晶塗布方向の選択により、任意の面内方向に均一配向を得ることができる。

配向制御に、配向膜形成が不要である。また液晶層の膜を形成する際に液晶が配向されるため、ラビングや光配向などの配向処理が不要である。従って、製造コストを低減でき素子を安く作ることができる。また、製造工程に用いられるバーコート法、ラミネーション法などは、スループットも早い方式であり製造タクトを短くすることができる。

基板上が平坦でなく表面凹凸を有する場合についても均一に配向させることができる。従来の配向方法、特にラビングでは表面凹凸があるとラビング布が均一に基板表面を擦ることができないため均一配向を得にくいといった問題があったが、本実施例の方法ではそのような問題が解消される。

実施例による液晶光学素子は、各種照明装置、車両用前照灯、各種ＬＣＤ（携帯、モバイル、ゲーム機器、ＰＣ等）用バックライト、各種ストロボ等に利用することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１、１１ 基板
２、１２ 電極層
３ プリズム層
１３ 突起層
１３Ｐ 突起部
１３Ｂ ベース層
４、４ａ、４ｂ 液晶層
ＭＬ 液晶分子
ＤＭ 配向方向
ＤＰ プリズム長さ方向
ＰＬ 偏光
２１ 下地基板
３１ ディスペンサー
３２ アプリケーター
３３ 液晶供給ヘッド
３４ 紫外線照射装置
３５ 液晶層形成装置
ＤＣ 塗布方向
ＵＶ 紫外線
４１ プリズム側基板
４２ 対向側基板
３ａ、１３ａ 紫外線硬化性樹脂
５ メインシール剤
５ａ 開口部
ＤＴ 搬送方向
１０１、１１１、１１６ 供給ヘッド
１０２、１１２ ロール状金型
１０３、１１３、１２１ ニップロール
１０４、１１４、１２２ 紫外線照射装置
１０５、１１５ 液晶層形成装置
１２３ カッター
３Ｆ フレネルレンズ

Claims (4)

1. 第１透明基板と、
   前記第１透明基板上方に配置された、第１透明電極層及び傾斜断面構造層の積層構造と、
   前記積層構造上方に配置された液晶層と、
   前記液晶層上方に配置された第２透明電極層と、
   前記第２電極層上方に配置された第２透明基板と
   を有し、
   前記液晶層は、紫外線硬化性モノマーを含み、前記積層構造に接して配置されており、電圧無印加状態において、前記積層構造と接する界面近傍の液晶分子長軸の面内方向が平均的に第１方向に揃っている、液晶光学素子。
2. 前記傾斜断面構造層は、長さ方向が第２方向に揃った複数のプリズムを有し、
   前記第１方向が前記第２方向と交差する方向である請求項１に記載の液晶光学素子。
3. 前記第１透明基板及び第２透明基板は、フィルム基板である請求項１または２に記載の液晶光学素子。
4. 第１透明基板上方に第１透明電極層及び傾斜断面構造層の積層構造を形成する工程と、
   前記第１透明基板及び液晶供給ヘッドの少なくとも一方を移動させることにより、前記第１透明基板に対し相対的に前記液晶供給ヘッドを第１方向へ移動させながら、紫外線硬化性モノマーを含む液晶材料を、前記積層構造の表面上に塗布して液晶層を形成する工程と、
   前記液晶層に紫外線を照射する工程と、
   前記紫外線の照射後、前記積層構造及び前記液晶層が形成された第１透明基板と、第２透明電極層が形成された第２透明基板とを重ね合わせて、液晶セルを形成する工程と
   を有する液晶光学素子の製造方法。