JP2018501523A - 電気的に制御可能な干渉カラーフィルタ及びその使用 - Google Patents

電気的に制御可能な干渉カラーフィルタ及びその使用 Download PDF

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Abstract

本発明は、少なくとも２つの透明電極、少なくとも１つのネマチック液晶層及び液晶を配向させるための配向層を有する電気的に制御可能な干渉カラーフィルタに関する。電界を印加することにより、液晶を再配向させることで、これに伴い、干渉カラーフィルタの透過波長領域の変位が生じる。【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも２つの透明電極、少なくとも１つのネマチック液晶層及び液晶を配向させるための配向層を有する電気的に制御可能な干渉カラーフィルタに関する。電界を印加することにより、液晶を再配向させることで、これに伴い、干渉カラーフィルタの透過波長領域の変位が生じる。
一般的に、干渉と吸収フィルタの２種類のカラーフィルタがある。電気的に制御可能なカラーフィルタは、干渉原理のみに基づいている。しかし、既知のタイプの干渉カラーフィルタの動作モード及び光学特性は、部分的に著しく異なる。リオ（Lyot）原理に基づく電気的に制御可能なカラーフィルタは、ＬＯＴ社によって「VariSpec filter」という名称で市販されている。リオフィルタは、複屈折材料の層構造及びこれに続く偏光フィルタからなる。放射された光が線形に偏光されていない場合、追加の偏光フィルタが先行する。シングルステージリオフィルタは実用的ではなく、市販もされていない。連続して接続されるリオフィルタが多いほど、自由スペクトル領域が大きくなる。「VariSpec filter」の場合には、液晶セルが電気的に制御可能な複屈折性材料として用いられ、典型的には１２以上のリオフィルタが積層フィルタを形成するように連続して接続されている。構成条件として、フィルタ厚さは数センチメートル（典型的には１．５インチ＝３．８ｃｍ）である。複雑な構成方法及び長いスイッチング時間（＞５０ｍｓ）は、「VariSpecフィルタ」のさらなる短所である。独国特許出願公開第３７２７６５５号明細書には、キラルスメクチックＣ相を有する強誘電性液晶材料を含む電気的に制御可能な色変調フィルタが記載されている。電界中での強誘電性液晶の再配向によって、実際には、特定の波長において効果的な遮断（blocking）を達成することなく、波長に敏感な可視スペクトル領域において上述の色変調フィルタの透過率が変化する。例えば米国特許出願公開第２００３／００７５７２１号明細書又は米国特許出願公開第２００８／００３０６３５号明細書に記載されているような、ヘリカルコレステリック液晶配置に基づくカラーフィルタ、及び、例えば米国特許第３６９３１１５号明細書に記載されているような機械的に制御可能なカラーフィルタは、動画には実用的ではない。
独国特許出願公開第３７２７６５５号明細書 米国特許出願公開第２００３／００７５７２１号明細書 米国特許出願公開第２００８／００３０６３５号明細書 米国特許第３６９３１１５号明細書
そこで、本発明の目的は、偏光フィルタの使用を省くことができ、非偏光の透過が電気制御に影響を受ける、電気的に制御可能な干渉カラーフィルタに提供することである。
この目的は、請求項１の特徴を有する電気的に制御可能な干渉カラーフィルタによって達成される。請求項１３及び１４には、本発明にかかる使用が示されている。
本発明によれば、少なくとも２つの透明電極、少なくとも１つの配向層及びネマティック液晶層とを有する電気的に制御可能な干渉カラーフィルタが提供される。ネマチック液晶層及び少なくとも１つの配向層は、液晶の配向を可能にするために直接接触している。電界を印加することにより、干渉カラーフィルタの透過波長領域は、ネマティック液晶層内の液晶の再配向によって変位させることができる。
ネマチック液晶層は、好ましくは１００ｎｍから１０００ｎｍ、特に、５００ｎｍから９００ｎｍの範囲の層厚を有している。よって、干渉カラーフィルタの２つの隣接する共鳴線（resonance lines）の間の間隔は、ネマチック液晶層及び少なくとも１つの配向層の層厚に反比例する。可視領域内の２つの共鳴線の間の十分に広い自由スペクトル領域を達成するためには、この層の厚さは必然的に２λ／ｎ未満でなければならない。
原理的には、すべてのネマチック液晶構造体又はその混合物が、液晶として適している。好ましい構造体は、ビフェニル（biphenyls）、ターフェニル（terphenyls）、クォーターフェニル（quaterphenyls）、トラン（tolanes）又はそれらの混合物の、例えば、シアノ（cyano-）、フルオロ（fluoro-）、イソチオシアネート（isothiocyanates）のような、ビフェニル、ターフェニル、クォーターフェニル及びトランである。フィルタの波長シフトは、Δｎ＝ｎｅ−ｎ０の増加に伴い増加するため、ｎｅとｎ０との差はできるだけ大きくすべきである。少なくとも５％の数値が望まれるが、好ましくは１０％以上である。
正又は負の誘電率を有するネマチック相の選択は、当業者にとって、明らかに、オフモードでの液晶の均一な平面又は垂直配向に直接関連する（特に、M. Schadt et al.、Nature、381、212、1996又は、A. Seeboth、Displays、20、131、1999参照）。配向層は、好ましくは単分子である。液晶層（１０６）及び配向層（１０５）の厚さからなる誘電体反射層（１０３）の間の間隔は、光学法則（C. K. Madsen and J. H. Zhao, Optical Filter Design and Analysis, John Wiley & Sons, Inc. 1999）に対応し、カラーフィルタの場合には２λ／ｎ以下である必要がある。配向層の層厚の増加に伴って、カラーフィルタ効果も相応して悪影響を受ける。さらに、配向層は、好ましくは、すでに米国特許第４８４２３７５号明細書において非単分子配向層について記載されているように、隣接する固体表面に化学的に共有結合している。単分子配向層の場合、化学的表面固定が追加の要件を表す。H. H. Dunken et al.のPhysikalische Chemie der Glasoberflache (Physical Chemistry of the Glass Surface), VEB German Press for Basic Material Industry 1981に詳細に記載されているように、配向層を金属酸化物表面（例えば、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５又はＴｉＯ２）に固定するためには、Ｏ−、ＣＯＯ−、ＮＨ２−、ＳｉＸ４−、Ｓｉ（ＯＸ）４−又はＳｉＸｎ（ＯＸ）４−ｎ基（Ｘ＝Ｈ、ＣＨ３、Ｃ２Ｈ５、及び、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉのようなハロゲン）のような化学的に活性な官能基が絶対に必要であり、一方で、基は、共有結合を形成するように、例えば反射層中のＳｉ−Ｏ−Ｓｉ基又はＴｉ−Ｏ−Ｔｉ基と反応しうる。一方、官能基を有するこれらの構造単位は、配向層γＯＳの表面形状及び界面張力のいずれにも悪影響を与えてはならない。液晶の均質な配向、及び十分な程度の秩序は、もはや保証されない。ネマチック液晶の毛細管力による充填プロセスも同様に不可能である。本発明によれば、既知の方法（A. Seebothら、Colloids and Surfaces A、78、177、1993）でいずれも決定することができる、配向層の界面張力γＯＳと液晶の界面張力γＬＣは、好ましくは最も広く同一である。Δγ＝γＯＳ−γＬＣ≒０。
配向層に適した基本構造は、図２ａに示すように、クマリン基（coumar-）、フェニルアクリル基（phenylacryl-）、３−（２−フリル）アクリル基（3-(2-furyl)acryl-）、３−（２−チエニル）アクリル基（3-(2-thienyl)acryl-）及びトランス−スチルベン誘導体（trans-stilbene derivatives）のような光反応性エテン基を含み、Ａｒは、フェニル（phenyl）、ナフチル（naphthyl）、アントリル（anthryl）、フリル（furyl）、チエニル（thienyl）又は他の芳香族を表す。しかしながら、金属酸化物表面に配向層を固定するために、この基本構造はさらに、図２ｂのようにスペーサーＳを介して芳香族コアに結合された、又は、例えば図２ｃのように主分子の脂肪族部分の任意の点に結合された、さらなる官能基Ｆを必要とする。また、図２ｃのスペーサは、例えば図２ｄのように、他の箇所に結合することもできる。さらに、分子設計のために、図２ｅ示されるように、例えば、脂肪族及び芳香族の分子部分の両方に結合するような、可能なすべてのさらなる組み合わせを用いることができる。図２ａ〜２ｅにＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４で示される置換基は、例えば、水素（hydrogen）、ハロゲン（halogen）（Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）、アルキル（alkyl）、アルキルオキシ（alkyloxy）、シクロアルキル（cycloalkyl）、フェニル（phenyl）、ナフチル（naphthyl）、アントリル（anthryl）、フリル（furyl）、チエニル（thienyl）又は任意の他の芳香族である。スペーサＳは、好ましくは２〜８個の炭素原子を有する炭化水素鎖であり、例えばアミド基（amide-）、エーテル（ether-）又はエステル架橋（ester bridges）によって中断することができる。官能基Ｆは、好ましくはＯ−、ＣＯＯ−、ＮＨ２−、ＳｉＸ４−、Ｓｉ（ＯＸ）４−又はＳｉＸｎ（ＯＸ）４−ｎ基（Ｘ＝Ｈ、ＣＨ３、Ｃ２Ｈ５、Ｆ、Ｂｒ、Ｉ）である。
各置換基Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、それ自体で、又はＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の任意の組み合わせのいずれかで存在することができる。
好ましくは、ネマチック液晶層は、両面にそれぞれ１つの配向層と直接接触している。
さらに、干渉カラーフィルタは、ネマチック液晶層を受ける少なくとも１つの凹部を有する間隔層を有することが好ましい。ネマチック液晶層の層厚は、間隔層によって調整することができる。従って、間隔層は好ましくはスパッタリングプロセスで形成される。その結果、間隔層の層厚を１桁のｎｍ範囲で精度良く調整することができる。
さらに好ましい実施形態は、干渉カラーフィルタが少なくとも１つの誘電体反射層を有することをもたらす。
誘電体反射層は、好ましくは低屈折率材料と高屈折率材料の交互のペアの層からなり、ｎは正の整数である。例えば、低屈折材料として、５８９ｎｍで１．４６の屈折率を有するＳｉＯ２、高屈折材料として、５８９ｎｍで２．１５〜２．４５の屈折率を有するＴａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５又はＴｉＯ２を用いることができる。上述の誘電材料の選択は、可視スペクトル範囲に対して最適化される。
誘電体反射層の配置には３つの変形例がある。第１の変形例では、誘電体反射層は、ネマティック液晶層の方に向けられている透明電極の面（side）に配置することができる。第２の変形例は、誘電体反射層が、ネマチック液晶層から離れる方に向けられている透明電極の面に配置され、第３の変形例は、誘電体反射層中に透明電極を組み込むことに関する。
透明電極は、透明な導電性材料を含むか、又はそれからなることが好ましい。
その例は、インジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、フッ素酸化スズ（ＦＴＯ）、アンチモン酸化スズ（ＡＴＯ）、グラフェン（graphene）、銀ナノワイヤ（silver nanowires）及びカーボンナノチューブ（carbon nanotubes）である。
本発明にかかる対象は、以下の図及び実施例を参照してより詳細に説明されることが意図され、ここに示された特定の実施形態に前記対象を限定することを望むものではない。
本発明にかかる干渉カラーフィルタの概略構成を示す図である。 本発明の配向層として用いられる構成要素の様々な構造を示す図である。 本発明の配向層として用いられる構成要素の様々な構造を示す図である。 本発明の配向層として用いられる構成要素の様々な構造を示す図である。 本発明の配向層として用いられる構成要素の様々な構造を示す図である。 本発明の配向層として用いられる構成要素の様々な構造を示す図である。 図を参照して、光透過のために使用されていないスペクトル範囲での、本発明にかかる干渉カラーフィルタの透過範囲の変位を示す図である。
図１に、本発明にかかる干渉カラーフィルタが示されている。フィルタは、ネマチック液晶層（１０６）が間に配置された、２つの配向層（１０５）、（１０５’）を有している。ネマチック液晶層（１０６）の厚さは、周囲間隔層（１０４）によって規定される。配向層（１０５）、（１０５’）のネマティック液晶層（１０６）から離れる方向に位置する側に、誘電体反射層（１０３）、（１０３’）がそれぞれ配置される。これらの上に順に、透明電極（１０２）、（１０２’）が堆積される。さらに、本発明にかかる干渉カラーフィルタはまた、外側キャリア層（１０１）、（１０１’）を有する。
実施例１
実施例１は、５７５ｎｍの波長を有する緑色光のために設計された電気的に制御可能な干渉カラーフィルタに関する。
この例では、表面抵抗が４０Ω／□の、Prazisions Glas & Optik GmbH（ドイツ）の市販のＩＴＯガラス（ＣＥＣ０５０Ｐ）が用いられた。ＩＴＯガラスの透過率は、４５０ｎｍにおいては８０％、７００ｎｍにおいては８７％である。２つのＩＴＯガラスはそれぞれ５７５ｎｍの波長のために設計された誘電体反射層１０３で被覆されている。誘電体反射層は、ＳｉＯ２（S[HL]^4H-575nm）で始まり、交互の層順序でスパッタリングされる４つのＳｉＯ２層及び４つのＴａ２Ｏ５層からなる。
２つの反射層付きＩＴＯガラスの第１上に、トランス−３−（３−（５−クロロペンチルオキシ）フェニル）アクリル酸フェニルエステル（trans-3-(3-(5-chloropentyloxy)phenyl)acrylic acid phenyl ester）が続いて浸漬プロセスで反射層表面に共有結合され、その結果、光反応性エテン基を有する単分子有機層が形成される。直線偏光を有する光化学架橋結合によって、配向層（１０５）の構造表面はそこから製造される。偏光解析測定は、単分子層について予想されるように、プロセスの条件として、配向層の厚さが２ｎｍの検出限界以下であることを示した。
反射層が設けられた第２のＩＴＯガラス上に、間隔層（１０４）が基板の両端に２つのウェブ（web）の形態で設けられる。これにより、基板の中央に凹部が形成され、２つのハーフセル（half cell）（ＩＴＯガラス＋反射層＋配向層／ＩＴＯガラス＋反射層＋間隔層）の組み立て後に、液晶層（１０６）が充填されるキャビティが形成される。極薄の間隔層（１０４）及び得られる極薄の液晶層（１０６）を正確に調整できるようにするため、キャビティ表面はマスクで覆われ、間隔層がスパッタリングプロセスで形成される。本実施形態の場合、ＳｉＯ２は、７５３ｎｍの層厚でスパッタリングされる。ＬＣ層は、同様に７５３ｎｍで形成される。
ハーフセル（ＩＴＯガラス＋反射層＋配向層／ＩＴＯガラス＋反射層＋間隔層）の両方が、干渉フィルタを形成するために、従来のＬＣＤ組立技術に従って、面平行に接合されている。
干渉フィルタのキャビティは、最後のステップでネマティック液晶が充填される。本実施形態では、室温でΔｎ＝６％のネマチック相を有し、及び、配向層の界面張力と適合した、Δγ＝γＯＳ−γＬＣ＝０．８ｍＮ／ｍの界面張力を有する、共融液晶混合物がこの目的のために用いられた。
このようにして製造されたカラーフィルタは、１１Ｖの電圧を印加することにより、ＩＴＯ電極に接続することができる。カラーフィルタのスイッチング時間は、μｓ／ｍｓの範囲で、ｔｏｎ＝５８０μｓ、ｔｏｆｆ＝１．３３ｍｓである。バックライトとして中心波長５７５ｎｍの単色又は狭帯域光（ＬＥＤ又はレーザーダイオード）を使用する場合、セルのスイッチング効果は緑色から黒色の肉眼ではっきりと見えるスイッチング効果と関連している。「オフ」状態では、カラーフィルタは波長５７５ｎｍの光に対して透明であるが、「オン」状態ではバックライトは実質的に完全に遮断される。「オン」状態の透過波長は、使用されていないスペクトル範囲内にある。５２０ｎｍから６００ｎｍの波長領域に対する「オフ」及び「オン」状態のカラーフィルタの透過スペクトルを図３に示す。これらのスペクトルは非偏光で測定された。
「オフ」状態では、カラーフィルタは、観察された波長領域で、５４５ｎｍ及び５７５ｎｍで最大値を有する２つの透過ピークを有する。それらの間の範囲は自由スペクトル領域として定義される。印加電圧の関数として、ピークは５７５ｎｍから５４５ｎｍに連続的に移動する。
実施例２
実施例２は、波長４５０ｎｍの青色光のために設計された電気的に制御可能な干渉カラーフィルタである。実施形態２は、実施形態１と同様に製造された。変更された透過波長に適合させるために、まず、反射層（１０３）のＳｉＯ２及びＴａ２Ｏ５層の厚さを７６．３６ｎｍ（ＳｉＯ２）／５１．０７ｎｍ（Ｔａ２Ｏ５）に変更し、次にスペーサ層の厚さを５５８ｎｍに変更した。このようにして製造されたカラーフィルタは、そのＩＴＯ電極に９．２Ｖの電圧でスイッチングする。単色バックライトの場合、カラーフィルタは青色から黒色に切り替わる。実施形態１と同様に、スイッチング効果は肉眼ではっきりと見える。
実施例３
実施例３は、波長６３２ｎｍの赤色光のために設計された電気的に制御可能な干渉カラーフィルタである。実施形態３は、ＳｉＯ２及びＴａ２Ｏ５層の厚さを９５．５３ｎｍ（ＳｉＯ２）／６４．１２ｎｍ（Ｔａ２Ｏ５）に変更し、スペーサ層の厚さを７９８ｎｍに変更して、実施形態１と同様に製造された。このようにして製造されたカラーフィルタは、そのＩＴＯ電極に１１．９Ｖの電圧でスイッチングする。単色バックライトの場合、カラーフィルタは赤色から黒色に切り替わる。実施形態１及び２と同様に、スイッチング効果は肉眼ではっきりと見える。
反射層構造のネマチック液晶（Δｎ、Δε、粘度の変化）及び層材料（反射層ペアの数、層厚及び層の誘電特性）の選択を変更することにより、液晶層の厚さ、単分子配向層の化学構造（界面特性のばらつき）、電気的に制御可能なフィルタのスイッチング時間及び閾値電圧を、より高い値と低い値の両方に変位させることができることは、当業者には明らかである。同様に、波長の最大変位範囲はΔｎによって決定され、用いられる変位範囲は電圧によって可変的に制御することができることも明らかである。実施形態は、単一のフィルタとしても、ＲＧＢフィルタとしても、また、マトリクス形式でも使用することができる。

Claims (14)

  1. 少なくとも２つの透明電極（１０２、１０２’）と、
    少なくとも１つの配向層（１０５、１０５’）と、
    ネマチック液晶層（１０６）とを備え、
    前記ネマチック液晶層（１０６）及び少なくとも一つの前記配向層（１０５、１０５’）は、液晶の配向のために直接接触し、
    電界を印加することにより、前記液晶の再配向によって、干渉カラーフィルタの透過波長領域が変位する、
    電気的に制御可能な干渉カラーフィルタ。
  2. 前記ネマチック液晶層（１０６）は、１００ｎｍから１０００ｎｍ、特に、５００ｎｍから９００ｎｍの範囲の層厚を有している、
    請求項１に記載の干渉カラーフィルタ。
  3. 前記ネマチック液晶層（１０６）は、好ましくは、ビフェニル（biphenyls）、ターフェニル（terphenyls）、クォーターフェニル（quaterphenyls）又はトラン（tolanes）のシアノ（cyano-）、フルオロ（fluoro-）、イソチオシアネート（isothiocyanates）のような、ビフェニル、ターフェニル、クォーターフェニル及びトランからなる群から選択される、
    請求項１又は２に記載の干渉カラーフィルタ。
  4. 前記ネマチック液晶層（１０６）は、両面にそれぞれ１つの前記配向層（１０５、１０５’）と直接接触している、
    請求項１から３のいずれかに記載の干渉カラーフィルタ。
  5. 少なくとも１つの前記配向層（１０５、１０５’）は、光反応性エテン基、特に、クマリン基（coumar-）、フェニルアクリル基（phenylacryl-）、２−（２−フリル）アクリル−３−（２−チエニル）アクリル基（2-(2-furyl)acryl-3-(2-thienyl)acryl-）及びトランス−スチルベン誘導体（trans-stilbene derivatives）からなる群から選択される、
    請求項１〜４のいずれかに記載の干渉カラーフィルタ。
  6. 少なくとも１つの前記配向層（１０５、１０５’）は単分子であり、少なくとも１つの誘電体反射層（１０３、１０３’）に共有化学結合している、
    請求項１〜５のいずれかに記載の干渉カラーフィルタ。
  7. 少なくとも１つの前記配向層（１０５、１０５’）の界面張力は、前記ネマチック液晶層（１０６）の界面張力に実質的に一致しており、界面張力の差は多くても１ｍＮ／ｍである、
    請求項１〜６のいずれかに記載の干渉カラーフィルタ。
  8. 前記干渉カラーフィルタは、前記ネマチック液晶層（１０６）を受ける、少なくとも１つの凹部を有する間隔層（１０４）を有する、
    請求項１〜７のいずれかに記載の干渉カラーフィルタ。
  9. 前記干渉カラーフィルタは、少なくとも１つの誘電体反射層（１０３、１０３’）を有する、
    請求項１〜８のいずれかに記載の干渉カラーフィルタ。
  10. 少なくとも１つの前記誘電体反射層（１０３、１０３’）は、屈折率＜１．５、特にＳｉＯ２を有する材料と、屈折率＞２．０、特にＴａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５又はＴｉＯ２を有する材料の数ペアの層からなる、
    請求項９に記載の干渉カラーフィルタ。
  11. 前記誘電体反射層（１０３、１０３’）は、前記ネマチック液晶層（１０６）の方に向けられている前記透明電極（１０２、１０２’）の面に、前記ネマチック液晶層（１０６）から離れる方に向けられている前記透明電極（１０２、１０２’）の面に組み込まれている、又は、前記透明電極（１０２、１０２’）は前記誘電体反射層（１０３、１０３’）中に組み込まれている、
    請求項９又は１０のいずれかに記載の干渉カラーフィルタ。
  12. 前記透明電極（１０２、１０２’）は透明導電材料を含むか、又は、それからなり、特に、インジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、フッ素酸化スズ（ＦＴＯ）、アンチモン酸化スズ（ＡＴＯ）、グラフェン（graphene）、銀ナノワイヤ（silver nanowires）及びカーボンナノチューブ（carbon nanotubes）からなる、
    請求項１〜１１のいずれか１に記載の干渉カラーフィルタ。
  13. 定義された波長領域のための切り替え可能なバリアフィルタとしての請求項１〜１２のいずれかに記載の干渉カラーフィルタの使用。
  14. 前記干渉カラーフィルタは、バックライト、特に、光ダイオード又はレーザダイオードからの切り替え可能な遮断及び透過のために使用される、
    請求項１３に記載の使用。
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