JP2018525489A - 材料複合体 - Google Patents
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Abstract
【課題】材料複合体を提供する。
【解決手段】本発明は、液晶材料を含む第1流体および第1流体と実質的に非混和性な電気絶縁第2流体を含む材料複合体と、それを使用する光学デバイスとに関する。
【選択図】なし
【解決手段】本発明は、液晶材料を含む第1流体および第1流体と実質的に非混和性な電気絶縁第2流体を含む材料複合体と、それを使用する光学デバイスとに関する。
【選択図】なし
Description
本発明は、第2非混和性流体と組み合わせた液晶材料を含む2相系から成る材料複合体と、電界を使用して焦点距離を制御できるレンズが挙げられる種々の光学用途において有用な部品に転換でき前記材料複合体を含有する光学素子とを提供する。更に本発明は、2Dモードまたは3Dモードで動作可能なディスプレイデバイス、光学シャッター、ビームステアラ、回折格子または電子ペーパーディスプレイのために、そのようなレンズを使用することに関する。
例えば可変焦点レンズなどの適応光学部品は、光学系で一般に使用されている。ここで焦点距離は、モータまたは圧電アクチュエータを使用してレンズセットを機械的に作動させることで調整する。機械的チューニングは、小さい寸法を必要とする携帯用途に使用する場合、より高い電力消費および小型化の困難性の問題がある。機械的焦点システムに関連する問題を克服するために、勾配屈折率変更レンズなどの代替の可変レンズが開発された[T.Nose、S.MasudaおよびS. Sato著、「A liquid crystal microlens with hole−patterned electrodes on both substrates(両基板上にホールパターン電極を有する液晶マイクロレンズ)」、Jpn.J.Appl.Phys.第31巻、第1643頁(1992年)(非特許文献1);Y.Choi、J.−H.Park、J.−H Kim.およびS.−D.Lee著「Fabrication of a focal length variable microlens array based on a nematic liquid crystal(ネマチック液晶に基づく焦点距離可変マイクロレンズアレイの作製)」、Optical Mater.第21巻、第643頁(2003年)(非特許文献2);H Ren、Y H FanおよびS T Wu著、「Liquid−crystal microlens arrays using patterned polymer networks(パターン化ポリマーネットワークを使用する液晶マイクロレンズアレイ)」、Opt.Lett.第29巻、第1608頁(2004年)(非特許文献3)参照]。傾斜屈折率変更レンズは、2枚のインジウム錫酸化物(ITO、Indium Tin Oxide)ガラスの間に液晶分子が封入されているレンズ内の個々の液晶分子を電気的に再分配することで、その焦点距離を調整する。
固体フォトニックデバイスとは対照的に、調整可能光学流体デバイスは液体で作製された光学インターフェースに基づいている。液相の特性のために、この技術に基づくデバイスは例えば、高速適応光出力および堅牢性の利点を有し、適応焦点レンズ、ビームステアラ、回折格子、アイリス、光学スイッチおよびディスプレイなど、この技術の多くの技術的応用が開発されてきた。一例は、形状変化レンズである[例えば、B.BergeおよびJ.Peseux著、「Variable focal lens controlled by an external voltage:An application of electrowetting(外部電圧によって制御される可変焦点レンズ:エレクトロウェッティングの応用)」、Eur.Phys.J.第E3巻、第159頁(2000年)(非特許文献4);S.KwonおよびL.P.Lee著、「Focal length control by microfabricated planar electrodes−based liquid lens(μPELL)(微細加工平面電極系液体レンズ(μPELL)による焦点距離制御)」、Transducers Eurosensors、ドイツ国、2001年6月10〜14日(非特許文献5);N.Chronis、G.L.Liu、K−H JeongおよびL.P.Lee著、「Tunable liquid−filled microlens array integrated with microfluidic network(マイクロ流体ネットワークと一体化された調整可能液体充填マイクロレンズアレイ)」、Opt.Express第11巻、、第2370頁(2003年)(非特許文献6);M.Agarwal、R.A.Gunasekaran、P.CoaneおよびK.Varahramyan著、「Polymer−based variable focal length microlens system(ポリマー系可変焦点距離マイクロレンズシステム)」、J.Micromech.Microeng.第14巻、第1665頁(2004年)(非特許文献7)]。
光学インターフェースを操作できるよう種々の技術が適用されており例えば、エレクトロウェッティングまたは誘電泳動である。
形状変化レンズは液体レンズとしても既知で、液滴の表面プロファイルを電気的に変換することで焦点距離を調整する。液滴の接触角に依存する表面プロファイルは、エレクトロウェッティング効果で変化できる。エレクトロウェッティング機構のために水の伝導度を増加し水の動作温度を広げるために、一般に塩を水に添加する。電気分解、ジュール加熱、微小気泡および蒸発も、水系液体レンズの光学性能および動作条件を妨げることが分かった[F.MugeleおよびJ−C Baret著、「Electrowetting:from basics to applications(エレクトロウェッティング:基本から応用まで)」、J.Phys.:Condens.Matter第17巻、第R705頁(2005年)(非特許文献8)]。塩水の電気分解は、電極上に絶縁層を配置する「誘電体技術におけるエレクトロウェッティング」に基づけば最小化できる。絶縁層は、ジュール加熱効果および微小気泡を減少させる。しかしながら、より高い動作電圧となる[E.SeyratおよびR.A.Hayes著、「Amorphous fluoropolymers as insulators for reversible low−voltage electrowetting(可逆低電圧エレクトロウェッティングのための絶縁体としてのアモルファスフルオロポリマー)」、J.Appl.Phys.第90巻、第1383頁(2001年)(非特許文献9)]。更に塩水の高い飽和蒸気圧(即ち、5torr)は、長期間動作のためにレンズ内部の水を封止するために高価な気密パッケージ(即ち典型的には、金属ガラスパッケージ)を必要とする。水を使用してマイクロレンズアレイを形成するためにエレクトロウェッティング効果を使用することは例えば、「High speed adaptive liquid microlens array(高速適応型マイクロレンズアレイ)」、C.U.Murade、D.van der EndeおよびF.Mugele著、Optics Express、第20巻、第16号、第18180頁、(2012年)(非特許文献10)に記載された。
G.McHale、C.V.Brown、M.I.Newton、G.G.WellsおよびN.Sampara著、Phys.Rev.Lett.第107巻、第186101頁(2011年)(非特許文献11)には、不均一電界で誘起される液体誘電泳動を使用して、面内電極を含有する基板上の誘電性液体の濡れを増強および制御できることが記載された。これによりエレクトロウェッティングの上述の欠点なしで、液体の表面の大きさおよび形状の変更が可能になる。誘電ウェッティングという用語は、基礎を成すウェッティング効果が誘電泳動で駆動される場合に用いる。これは、不均一な電界および電気絶縁流体が使用される場合に起こり得る。
誘電泳動に適することが実証されている特定の種類の材料はネマチック液晶である。分子が非ゼロの誘電異方性を有するとき、液晶は絶縁性流体として考えられる。C.−C.Cheng、C.A.ChangおよびJ.A.Yeh著、Opt.Exp.第14巻(第9号)、第4101頁(2006)(非特許文献12)には、同心円状のITO電極パターンを含有する基板上のLC混合物の液滴の形状を変えることで、誘電泳動効果を利用するアクティブレンズを作製するために液晶を使用することが記載されている。しかしながら、ここで使用される商業的に入手可能な材料は一般的な溶媒に匹敵する誘電率を有する。
また、この誘電ウェッティング効果を使用して液体を塗り広げることも例えば、C.V.Brown、G.G.Wells、M.I.NewtonおよびG.McHale、Nature Photonics第3巻(第7号)、第403頁(2009年)(非特許文献13)に記載されている。この論文には更に、薄膜に皺が誘発され得る場合(更なる誘電ウェッティングが不可能な場合)が記載されている。この効果は「強制皺」として既知で、皺の頂部は電極間にあり、底部は電極と一致する。
アクティブレンズを作製する同様の手法が例えば、国際公開第2006/046185号(特許文献1)および米国特許第7,483,218号明細書(特許文献2)に開示されている。しかしながら両者の場合において、効果は誘電泳動ではなく電気泳動に基づく。
C.V.Brown、G.G.Wells、M.I.NewtonおよびG.McHale、Nature Photonics第3巻(第7号)、第403頁(2009年)(非特許文献13)においては油および空気の界面に強制皺を施し、円筒レンズを得ている。このような液体系デバイスは重力によって、動作方向が制限される。しかしながら英国特許第2422680号明細書(特許文献3)に記載される通り封入デバイス内において、2種類の非混和性の液体、例えば油−水間の界面に表面皺を生成し得ることが可能である。このタイプの手法はバリオプティック可変焦点液体レンズで使用されており、任意の方向で使用でき、衝撃および機械的振動に対して堅牢なデバイスを製造する[B.BergeおよびJ.Peseux著、「Variable focal lens controlled by an external voltage:An application of electrowetting(外部電圧によって制御される可変焦点レンズ:エレクトロウェッティングの応用)」、Eur.Phys.J.第E3巻、第159〜163頁(2000年)(非特許文献4)]。
この手法の欠点は油および空気の屈折率間の大きな差に比べ、油および水の屈折率間の差が小さいことである。従って最大回折効率(例えば、0次の未偏向ビームの透過において最小に達する)を生成するには、2種類の流体間の界面における皺の振幅が、油−空気界面で必要とされる振幅の数倍である必要がある。空気を流体媒体に置き換えることで屈折率の差の損失を補償し良好な光学性能および高い機械的安定性を有する堅牢なデバイスを可能にするために、低い動作電圧にも反応し、同時に高い誘電率、低い表面張力、低い粘度、適切な屈折率ならびに特に照射に曝露した際に良好な熱および化学安定性も有する新しい材料複合体が必要とされている。
高い誘電率を有する液晶混合物は、ポリマー安定化ブルー相液晶を利用する液晶ディスプレイの当業者に既知である。国際公開第2012/163470号(特許文献4)および国際公開第2013/156113号(特許文献5)には、そのようなブルー相液晶混合物が開示されており、ブルー相を達成するのに必要な高い螺旋ツイスト力を有するキラルドーパントと組み合わせて使用される高誘電率の基礎ホスト材料と、ブルー相を安定化する重合性化合物とを含む。添加物を含まない基礎ホスト材料自体については、これまでに何も用途は記載されていない。
過フッ素化炭化水素、(ポリ)エーテル類およびアミン類は一般的な有機化学物質と混和しないことが知られており、過フッ素化炭化水素を使用する化学合成におけるフルオラス相化学、(I.T.Horvat(編)、Topics Curr.Chem.第308巻、シュプリンガー社、ベルリン/ハイデルベルグ、2012年(非特許文献14))、医療目的、例えば熱傷治療(国際公開第81/00002号(特許文献6))または合成血液(米国特許第405,798号明細書(特許文献7))などの様々な用途が記載されている。更に例えばフッ素化シリコーン油を、例えば消泡剤として使用し(米国特許第5,454,979号明細書(特許文献8))、フッ素化ポリエーテルは、重要な種類の潤滑油である(例えば欧州特許出願公開第1 681 339号明細書(特許文献9))。
T.Nose、S.MasudaおよびS. Sato著、「A liquid crystal microlens with hole−patterned electrodes on both substrates(両基板上にホールパターン電極を有する液晶マイクロレンズ)」、Jpn.J.Appl.Phys.第31巻、第1643頁(1992年)
Y.Choi、J.−H.Park、J.−H Kim.およびS.−D.Lee著「Fabrication of a focal length variable microlens array based on a nematic liquid crystal(ネマチック液晶に基づく焦点距離可変マイクロレンズアレイの作製)」、Optical Mater.第21巻、第643頁(2003年)
H Ren、Y H FanおよびS T Wu著、「Liquid−crystal microlens arrays using patterned polymer networks(パターン化ポリマーネットワークを使用する液晶マイクロレンズアレイ)」、Opt.Lett.第29巻、第1608頁(2004年)
B.BergeおよびJ.Peseux著、「Variable focal lens controlled by an external voltage:An application of electrowetting(外部電圧によって制御される可変焦点レンズ:エレクトロウェッティングの応用)」、Eur.Phys.J.第E3巻、第159頁(2000年)
S.KwonおよびL.P.Lee著、「Focal length control by microfabricated planar electrodes−based liquid lens(μPELL)(微細加工平面電極系液体レンズ(μPELL)による焦点距離制御)」、Transducers Eurosensors、ドイツ国、2001年6月10〜14日
N.Chronis、G.L.Liu、K−H JeongおよびL.P.Lee著、「Tunable liquid−filled microlens array integrated with microfluidic network(マイクロ流体ネットワークと一体化された調整可能液体充填マイクロレンズアレイ)」、Opt.Express第11巻、、第2370頁(2003年)
M.Agarwal、R.A.Gunasekaran、P.CoaneおよびK.Varahramyan著、「Polymer−based variable focal length microlens system(ポリマー系可変焦点距離マイクロレンズシステム)」、J.Micromech.Microeng.第14巻、第1665頁(2004年)
F.MugeleおよびJ−C Baret著、「Electrowetting:from basics to applications(エレクトロウェッティング:基本から応用まで)」、J.Phys.:Condens.Matter第17巻、第R705頁(2005年)
E.SeyratおよびR.A.Hayes著、「Amorphous fluoropolymers as insulators for reversible low−voltage electrowetting(可逆低電圧エレクトロウェッティングのための絶縁体としてのアモルファスフルオロポリマー)」、J.Appl.Phys.第90巻、第1383頁(2001年)
C.U.Murade、D.van der EndeおよびF.Mugele著、「High speed adaptive liquid microlens array(高速適応型マイクロレンズアレイ)」、Optics Express、第20巻、第16号、第18180頁、(2012年)
G.McHale、C.V.Brown、M.I.Newton、G.G.WellsおよびN.Sampara著、Phys.Rev.Lett.第107巻、第186101頁(2011年)
C.−C.Cheng、C.A.ChangおよびJ.A.Yeh著、Opt.Exp.第14巻(第9号)、第4101頁(2006)
C.V.Brown、G.G.Wells、M.I.NewtonおよびG.McHale、Nature Photonics第3巻(第7号)、第403頁(2009年)
I.T.Horvat(編)、Topics Curr.Chem.第308巻、シュプリンガー社、ベルリン/ハイデルベルグ、2012年
驚くべきことに高誘電率を有する液晶媒体は、前記液晶媒体と非混和性である第2過フッ素化流体と組み合わせて、適応レンズとしての使用のための光学部品を製造するための上述の要件を充足するのに適していることが見出された。そのようなLC媒体は、高い誘電率、低い粘度、良好な熱および光学安定性を示す。適切な第2媒体は、低い粘度、LC媒体との低い混和性および前記LC媒体から十分に異なる屈折率を示す。
本発明は、
液晶材料を含む第1流体(40)と、および
第1流体と実質的に非混和性の電気絶縁第2流体(41)と
を含有する材料複合体に関する。
液晶材料を含む第1流体(40)と、および
第1流体と実質的に非混和性の電気絶縁第2流体(41)と
を含有する材料複合体に関する。
本発明は更に、光波の空間的に変化する界面屈折を誘電泳動によって生成する光学部品であって、
第1基板(10)と、
第1基板に対向して配置され、それぞれ光入力または出力面を画定する第2基板(11)とを含み、デバイスの光軸は第1基板から第2基板に伸びており、
流体封入体は、第1流体および第2流体が界面に沿って接触している本発明による材料複合体を含み、
第1基板上に配置され、電極間に印加する電圧に応じて界面の形状を変更するよう動作可能であり、ただし界面が屈折面を表すように第1流体および第2流体は異なる屈折率を有し、電気光学効果は、電極間に電圧を印加した際の第1流体および第2流体間の界面における周期的なうねりに関連する第1および第2の櫛形電極(20,21)と
を含む流体封入体を含む光学部品に関する。
第1基板(10)と、
第1基板に対向して配置され、それぞれ光入力または出力面を画定する第2基板(11)とを含み、デバイスの光軸は第1基板から第2基板に伸びており、
流体封入体は、第1流体および第2流体が界面に沿って接触している本発明による材料複合体を含み、
第1基板上に配置され、電極間に印加する電圧に応じて界面の形状を変更するよう動作可能であり、ただし界面が屈折面を表すように第1流体および第2流体は異なる屈折率を有し、電気光学効果は、電極間に電圧を印加した際の第1流体および第2流体間の界面における周期的なうねりに関連する第1および第2の櫛形電極(20,21)と
を含む流体封入体を含む光学部品に関する。
本明細書中で使用する場合、「流体」は、分子が互いに自由に通過し移動する連続した非晶質物質を指す。流体は、ガス、液化ガス、液体もしくは加圧下で液体または流動性粒子状物質でよい。
本明細書中で使用する場合、「流体封入体」は、流体を物理的に格納するためのデバイスを指してよい。
好ましい実施形態において第2流体は、1種類以上の実質的にフッ素化または過フッ素化された化合物を含む。好ましくは第2流体は、実質的にフッ素化または過フッ素化された化合物から全体が成り、特に好ましくは過フッ素化された化合物から全体が成る。
過フッ素化は、炭素材料の実質的に全ての水素原子がフッ素原子で置き換えられたことを意味する。過フッ素化された材料が好ましいが、また実質的にフッ素化された炭素材料も本発明で使用できる。「実質的にフッ素化」は、大部分の水素原子がフッ素原子で置き換えられたこと、更に置き換えてもフッ素化されていない材料または部分的にフッ素化された材料との混和性は実質的に低下しないことを示す。このレベルは、約50%の水素原子がフッ素原子で置き換えられたときに達成されると考えられる。また上記材料のフッ素原子によっては、塩素などの他のハロゲン原子で置換してもよい。
示した通り過フッ素化は、炭素材料の実質的に全ての水素原子がフッ化物原子で置き換えられたことを意味する。そのような化合物の製造において、少量の実質的にフッ素化された誘導体が完全にフッ素化された化合物と混合し得ることが考えられる。これは、全ての水素の完全な置き換えの欠如が本発明の液体パーフルオロカーボンの本質的な特性に影響しない限り許容される。水素原子の少なくとも95%、より好ましくは少なくとも98%、より更に好ましくは100%が置き換えられたことが好ましい。
パーフルオロ炭素化合物のなかでも用いられ得るものは、パーフルオロデカリン(PP5)、パーフルオロ−1−メチルデカリン、パーフルオロ−n−ウンデカン、パーフルオロドデカン、パーフルオロ−n−オクチルシクロヘキサン、パーフルオロ−p−ジイソプロピルシクロヘキサン、パーフルオロイソプロピルシクロヘキサン、パーフルオロ−n−ブチルシクロヘキサンパーフルオロ−m−ジイソプロピルシクロヘキサン、パーフルオロ−1,2−ジメチルシクロヘキサン、パーフルオロトリメチルシクロヘキサン、パーフルオロテトラメチルシクロヘキサン、パーフルオロ−1−メチル−4−イソプロピルシクロヘキサン、パーフルオロ−1−メチル−4−t−ブチルシクロヘキサン、パーフルオロペンタデカン、パーフルオロ(メチルシクロペンタン)、パーフルオロヘキサン、パーフルオロヘプタン、パーフルオロケロセン、パーフルオロテロラデカヒドロフェナントレン、パーフルオロデカヒドロフルオレン、パーフルオロビシクロ[4.3.0]ノナン、パーフルオロ−endo−テトラヒドロシクロペンタジエン、パーフルオロアダマンタン、パーフルオロ−エチルアダマンタン、パーフルオロ−メチルアダマンタン、パーフルオロ−エチルメチルアダマンタン、パーフルオロ−エチルジメチルアダマンタン、パーフルオロ−トリエチルアダマンタン、パーフルオロ−トリメチルジアダマンタン、パーフルオロ−メチルジアダマンタン、パーフルオロ−1,3,5,7−テトラメチルアダマンタン、パーフルオロ−1,3−ジメチルアダマンタン、パーフルオロ−テトラヒドロジシクロペンタジエン、パーフルオロ−メチルビシクロ[2.2.2]オクタン、パーフルオロ−ジメチルビシクロ[2.2.2]オクタン、パーフルオロ−ピナン、パーフルオロ−カンファン、パーフルオロ−1,4,6,9−ジメタノデカリン、パーフルオロ−ビシクロ[4.3.2]ウンデカン、パーフルオロ−ビシクロ[5.3.0]デカン、パーフルオロ−exo−テトラヒドロジシクロペンタジエン、パーフルオロビシクロ[5.3.0]デカン、パーフルオロジメチルビシクロ[3.3.1.]ノナン、パーフルオロ−2,6−ジメチルビシクロ[3.3.1]ノナン、パーフルオロ−3−メチルビシクロ[3.3.1]ノナン、パーフルオロデカヒドロアセナフテン、パーフルオロトリメチル−ビシクロ[3.3.1.]ノナン、パーフルオロ−7−メチルビシクロ[4.3.0.]ノナン、パーフルオロ−n−オクチルブロミド、パーフルオロトリブチルアミン(FC47)、パーフルオロ−N,N−ジアルキルシクロヘキシルアミン、パーフルオロアルキルモルホリン、パーフルオロアルキルピペリジン、パーフルオロテトラヒドロフラン(FC80)、パーフルオロ−2−ブチルテトラヒドロフラン、パーフルオロエーテル(PID)[(CF3)2CFOCF2(CF2)2CF2OCF(CF3)2]、パーフルオロエーテル(PllD)[(CF3)2CFOCF2(CF2)6CF2OCF(CF3)2]、パーフルオロポリマー(E3)[CF3CHF(OCF2C(CF3)F)2OCF2CF2CF3]、パーフルオロパーフルオロポリマー(E4)[CF3CHF(OCF2C(CF3)F)3OCF2CF2CF3]、パーフルオロエーテルポリマー(フォンブリンY)、
フルオロシリコンオイル
フルオロシリコンオイル
パーフルオロカーボンおよびそれらの任意の誘導体は、一般に「液体」と呼ばれることがある。本明細書で使用する通りの「液体」という用語は、液体、エマルジョンおよびゲルなどの固体または気体のいずれでもない状態の化合物を組み込む包括的名称である。用語「パーフルオロカーボン」は、炭素の「環式」または「非環式」化合物を意味する。用語「それらの置換誘導体」は、酸素、窒素、塩素および臭素などの構造内に化学元素を有する置換パーフルオロカーボンを特徴とする。
本発明のパーフルオロカーボン液体は、「ニート(neat、添加剤などを含まない)」パーフルオロカーボン液体、エマルジョン、懸濁液またはそれら自体もしくは他の溶媒との混合物中におけるパーフルオロカーボン溶液として形成されてよいと理解されるべきである。
前述の化合物の幾つかは周囲温度で固体であるが、それらは周囲温度で液体のものに可溶性であり、そのような混合物を使用できる。例えば、パーフルオロ−1,3−ジメチルアダマンタンは通常は固体であるが、パーフルオロトリメチルビシクロ[3.3.1]ノナンと混合して液体が形成され、即ちDAWNである。
有用な実質的にフッ素化または過フッ素化された材料は、周囲温度および圧力が挙げられる温度および圧力で一般に液体のものである。過フッ素化されたC8以下の材料およびC18以上までの材料を本発明で使用できる。また種々の異なる過フッ素化された材料の混合物も使用できる。
上のパーフルオロカーボンは、既知の化学的または電気化学的プロセスで合成できる。好ましい過フッ素化された材料は商業的に入手可能であるか、以下の米国特許第4,105,798号明細書;第3,911,138号明細書および第3,962,439号明細書またはHouben−Weyl社、Methods in Organic Chemistry(有機化学における方法)、第E10巻−Organo−Fluorine Compounds(有機フッ素化合物)、第1〜5巻(第4版)に記載される方法に従って調製できる。
本発明の好ましい実施形態において第1流体は、1種類以上の式Iのメソゲン化合物を含む液晶媒体を含む。
L11〜L15は、それぞれ互いに独立にHまたはFであり、
R11はアルキルであり、該基は直鎖状または分岐状で、F、ClまたはCNで単置換または多置換されており、該基中1個以上のCH2基は、それぞれの場合で互いに独立にOおよび/またはS原子が互いに直接連結しにようにして、−O−、−S−、−NR01−、−SiR01R02−、−CO−、−CO−O−、−O−CO−、−O−CO−O−、−S−CO−、−CO−S−、−CY01=CY02−または−C≡C−で置き換えらてよく、
Y01、Y02は、それぞれ互いに独立に、F、ClまたはCNであり、あるいはそれらの一方はHでよく、
R01、R02は、それぞれ互いに独立に、Hまたは1〜12個のC原子を有するアルキルであり、
Z11は、−CO−O−、O−CO−、−OCF2−または−CF2O−であり、
X11は、ハロゲン、CN、SF5、1〜6個のC原子を有し単ハロゲン化もしくは多ハロゲン化されたアルキルもしくはアルコキシまたは2〜6個のC原子を有し単ハロゲン化、二ハロゲン化もしくは多ハロゲン化されたアルケニルを表し、
a)トランス−1,4−シクロヘキシレン、1,4−シクロヘキセニレンおよび1,4’−ビシクロヘキサンジイルから成る群であって、ただし加えて1個以上の隣接しないCH2基は、−O−および/または−S−で置き換えられてよく、ただし加えて1個以上のH原子は、Fで置き換えられてよく、
b)1,4−フェニレンおよび1,3−フェニレンから成る群であって、ただし加えて1個または2個のCH基はNで置き換えられてよく、ただし加えて1個以上のH原子は、Fで置き換えられてよく、および
は、1,4−フェニレンおよび1,3−フェニレンから成る群から選択する2価基を表し、ただし加えて1個または2個のCH基はNで置き換えられてよく、ただし加えて1個以上のH原子は、Fで置き換えられてよく、
mは、0または1であり、
nは、0、1または2であり、
pは、0または1であり、および
m+n+pは、0、1または2である。
本発明の好ましい実施形態においてLC媒体は、1種類以上の式I−1の化合物を含む。
化合物I−1は好ましくは、そのサブ式I−1−1およびI−1−2の、好ましくは式I−1−2の化合物の群から選択する。
本発明の好ましい実施形態においてLC媒体は、1種類以上の式I−2の化合物を含む。
本発明の好ましい実施形態においてLC媒体は、式I−2−1〜I−2−5の化合物の群から選択する1種類以上のI−2の化合物を含む。
本発明の好ましい実施形態において式I−2−1〜1−2−5の化合物は、好ましくはサブ式I−2−1a〜I−2−1c、1−2−2a〜1−2−2f、I−2−3a〜1−2−3c、I−2−4a〜1−2−4fおよびI−2−5a〜1−2−5fの化合物の群から、より好ましくは式I−2−2c、I−2−3cまたはI−2−2fの化合物の群から選択する。
本発明の好ましい実施形態においてLC媒体は、1種類以上の式I−3の化合物を含む。
式I−3の化合物は好ましくは、下から選択する。
式中パラメータは、式Iにおいて示す通りの意味の1つを有する。
本発明の好ましい実施形態において式I−3−1、I−3−2およびI−3−3の化合物は、サブ式I−3−1a〜I−3−1f、I−3−2a〜I−3−2cおよびI−3−3a〜I−3−3fから選択する。
更に好ましい実施形態において、式I−4の化合物は好ましくは、式I−4−1またはI−4−2の化合物またはそれらの組み合わせから選択する。
式I−4−1および1−4−2の化合物は好ましくは、以下のサブ式の化合物の群から選択する。
本発明の好ましい実施形態においてLC媒体は、1種類以上の式IIの化合物を含む。
R21は、上で式IにおいてR11に与える意味の1つを有し、
X21は、上で式IにおいてX11に与える意味の1つを有し、
A21は、上で式IにおいてA11に与える意味の1つを有し、
A22は、上で式IにおいてA12に与える意味の1つを有し、
L21、L24は、それぞれ互いに独立にHまたはFであり、
mは、0または1であり、
nは、0、1または2であり、
pは、0または1であり、および
m+n+pは、1、2または3である。
本発明の好ましい実施形態においてメソゲン性媒体は、式II−1またはII−2の1種類以上の化合物またはそれらの組み合わせを含む。
式II−2の化合物は好ましくは、そのサブ式II−2−1〜II−2−8の、好ましくは式II−2−1〜II−2−4の、最も好ましくは式II−2−3の化合物の群から選択する。
本出願によればアルキルまたはアルコキシ基、即ち、末端CH2基が−O−で置き換えられているアルキルは、直鎖状または分岐状のいずれでも構わない。それは、好ましくは、直鎖状で、1、2、3、4、5、6、7または8個の炭素原子を有しており、従って、好ましくは、例えば、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、エトキシ、プロポキシ、ブトキシ、ペントキシ、ヘキソキシ、ヘプトキシ、またはオクトキシであり、更には、ノニル、デシル、ウンデシル、ドデシル、トリデシル、テトラデシル、ペンタデシル、ノノキシ、デコキシ、ウンデコキシ、ドデコキシ、トリデコキシまたはテトラデコキシである。
オキサアルキル、即ち、1つの非末端のCH2基が−O−で置き換えられているアルキル基は、好ましくは、例えば、直鎖状の2−オキサプロピル(即ちメトキシメチル)、2−(即ちエトキシメチル)または3−オキサブチル(即ち2−メトキシエチル)、2−、3−、または4−オキサペンチル、2−、3−、4−、または5−オキサヘキシル、2−、3−、4−、5−、または6−オキサヘプチル、2−、3−、4−、5−、6−または7−オキサオクチル、2−、3−、4−、5−、6−、7−または8−オキサノニルまたは2−、3−、4−、5−、6−、7−、8−または9−オキサデシルである。
アルケニル基、即ち、1つ以上のCH2基が−CH=CH−で置き換えられたアルキル基は、直鎖状または分岐状のいずれでも構わない。それは、好ましくは、直鎖状で、2〜10個の炭素原子を有し、従って、好ましくは、ビニル、プロパ−1−、またはプロパ−2−エチル、ブタ−1−、2−またはブタ−3−エニル、ペンタ−1−、2−、3−またはペンタ−4−エニル、ヘキサ−1−、2−、3−、4−またはヘキサ−5−エニル、ヘプタ−1−、2−、3−、4−、5−またはヘプタ−6−エニル、オクタ−1−、2−、3−、4−、5−、6−またはオクタ−7−エニル、ノナ−1−、2−、3−、4−、5−、6−、7−またはノナ−8−エニル、デカ−1−、2−、3−、4−、5−、6−、7−、8−またはデカ−9−エニルである。
特に好ましいアルケニル基は、C2−C7−1E−アルケニル、C4−C7−3E−アルケニル、C5−C7−4−アルケニル、C6−C7−5−アルケニルおよびC7−6−アルケニルであり、特に、C2−C7−1E−アルケニル、C4−C7−3E−アルケニルおよびC5−C7−4−アルケニルである。特に好ましいアルケニル基の例は、ビニル、1E−プロペニル、1E−ブテニル、1E−ペンテニル、1E−ヘキセニル、1E−ヘプテニル、3−ブテニル、3E−ペンテニル、3E−ヘキセニル、3E−ヘプテニル、4−ペンテニル、4Z−ヘキセニル、4E−ヘキセニル、4Z−ヘプテニル、5−ヘキセニル、6−ヘプテニルなどである。C原子の数が5個までの基が、一般に好ましい。
1つのCH2基が−O−基で置き換えられており、1つが−CO−で置き換えられているアルキル基の中では、これらの基は隣接していることが好ましい。よって、これらの基は、カルボニルオキシ基−CO−O−またはオキシカルボニル基−O−CO−を共に形成する。好ましくは、そのようなアルキル基は直鎖状で、2〜6個のC原子を有する。
従って、それらは、好ましくは、アセチルオキシ、プロピオニルオキシ、ブチリルオキシ、ペンタノイルオキシ、ヘキサノイルオキシ、アセチルオキシメチル、プロピオニルオキシメチル、ブチリルオキシメチル、ペンタノイルオキシメチル、2−アセチルオキシエチル、2−プロピオニルオキシエチル、2−ブチリルオキシエチル、3−アセチルオキシプロピル、3−プロピオニルオキシプロピル、4−アセチルオキシブチル、メトキシカルボニル、エトキシカルボニル、プロポキシカルボニル、ブトキシカルボニル、ペントキシカルボニル、メトキシカルボニルメチル、エトキシカルボニルメチル、プロポキシカルボニルメチル、ブトキシカルボニルメチル、2−(メトキシカルボニル)エチル、2−(エトキシカルボニル)エチル、2−(プロポキシカルボニル)エチル、3−(メトキシカルボニル)プロピル、3−(エトキシカルボニル)プロピル、または4−(メトキシカルボニル)ブチルである。
2つ以上のCH2基が−O−および/または−COO−で置き換えられているアルキル基は、直鎖状でも分岐状でも構わない。それは、好ましくは、直鎖状で3〜12個のC原子を有する。従って、それは、好ましくは、ビス−カルボキシ−メチル、2,2−ビス−カルボキシ−エチル、3,3−ビス−カルボキシ−プロピル、4,4−ビス−カルボキシ−ブチル、5,5−ビス−カルボキシ−ペンチル、6,6−ビス−カルボキシ−ヘキシル、7,7−ビス−カルボキシ−ヘプチル、8,8−ビス−カルボキシ−オクチル、9,9−ビス−カルボキシ−ノニル、10,10−ビス−カルボキシ−デシル、ビス−(メトキシカルボニル)−メチル、2,2−ビス−(メトキシカルボニル)−エチル、3,3−ビス−(メトキシカルボニル)−プロピル、4,4−ビス−(メトキシカルボニル)−ブチル、5,5−ビス−(メトキシカルボニル)−ペンチル、6,6−ビス−(メトキシカルボニル)−ヘキシル、7,7−ビス−(メトキシカルボニル)−ヘプチル、8,8−ビス−(メトキシカルボニル)−オクチル、ビス−(エトキシカルボニル)−メチル、2,2−ビス−(エトキシカルボニル)−エチル、3,3−ビス−(エトキシカルボニル)−プロピル、4,4−ビス−(エトキシカルボニル)−ブチル、5,5−ビス−(エトキシカルボニル)−ヘキシルである。
CNまたはCF3によって一置換されているアルキルまたはアルケニル基は、好ましくは直鎖状である。CNまたはCF3による置換は所望の位置でよい。
ハロゲンによって少なくとも一置換されているアルキルまたはアルケニル基は、好ましくは直鎖状である。ハロゲンは好ましくはFまたはClであり、多置換の場合、好ましくはFである。得られる基は、ペルフルオロ化された基も含む。一置換の場合、FまたはCl置換は何れの所望の箇所でも構わないが、好ましくはω−位である。末端F置換の直鎖状基の特に好ましい例は、フルオロメチル、2−フルオロエチル、3−フルオロプロピル、4−フルオロブチル、5−フルオロペンチル、6−フルオロヘキシルおよび7−フルオロヘプチルである。しかしながら、Fの他の位置が除外されている訳ではない。
ハロゲンはF、Cl、BrおよびIを意味し、好ましくはFまたはClで、最も好ましくはFである。
式IおよびIIの化合物は、専門家に既知の通常の方法で入手可能である。出発物質は商業的に入手可能であるか、公表された方法で入手可能である。
好ましくは本発明による第1流体は、式IおよびIIの化合物の群から選択する1種類以上の化合物を含む。
本発明による第1流体中の個々の化合物の濃度は、好ましくは0.5%以上〜70%以下の範囲内、より好ましくは1%以上〜60%以下の範囲内、最も好ましくは5%以上〜50%以下の範囲内である。
第1流体は、式IおよびIIの化合物の群から選択される1種類以上の化合物の混合物を好ましくは、70%以上〜100.0%以下、好ましくは80%以上〜100.0%以下、最も好ましくは90%以上〜100.0%以下の範囲内の合計濃度で含む。
特に第1流体は、式Iの1種類以上の化合物の混合物を好ましくは、40%以上〜100.0%以下、好ましくは60%以上〜90%以下、最も好ましくは80%以上〜90%以下の範囲内の合計濃度で含む。
第1流体が1種類以上の式IIの化合物を含む場合、これらの化合物の合計濃度は好ましくは、1%以上〜30%以下、好ましくは5%以上〜25%以下、最も好ましくは10%以上〜20%以下の範囲内である。
好ましい実施形態を下に示す:
・第1流体は、1種類、2種類、3種類または4種類以上の式Iの、好ましくは式I−1の化合物を含む、および/または
・第1流体は、1種類または2種類以上の式IIの、好ましくは式II−2の化合物を含む。
・第1流体は、1種類、2種類、3種類または4種類以上の式Iの、好ましくは式I−1の化合物を含む、および/または
・第1流体は、1種類または2種類以上の式IIの、好ましくは式II−2の化合物を含む。
式IおよびIIの化合物は、無色で、安定であり、お互いおよび他の液晶材料と容易に混和する。
式IおよびIIの化合物の最適な混合比は、所望の特性、式IまたはIIの成分の選択および存在してよい任意の他の成分の選択に実質的に依存する。上に与える範囲内の適切な混合比は、場合に応じて容易に決定できる。
第1流体中の式IおよびIIの化合物の合計量は、多くの場合重要ではない。従って混合物は、種々の特性を最適化する目的で1種類以上の更なるメソゲン化合物を含み得る。そのような化合物は、当業者に既知である。しかしながら一般に、動作電圧および動作温度範囲に対する観察される効果は、式IおよびIIの化合物の合計濃度が高いほど高い。
特に好ましい実施形態において本発明による媒体は、式IおよびIIのそれぞれの1種類以上の化合物を含む。式Iの化合物との好ましい相乗効果の結果、特に有利な特性となる。特に式Iおよび式IIの化合物を含む混合物は、低い作動電圧で区別される。
本発明による媒体中で使用できる式IおよびIIの個々の化合物は、既知であるか、既知の化合物に類似して調製できる。
他の好ましい実施形態において第1流体は、式Iおよび/またはIIの化合物の群から選択する1種類以上の化合物、および追加して非メソゲン化合物を含む。
前記非メソゲン化合物は、光学部品の必要性に応じて第1流体の特性を適合させるために使用され、好ましくは高沸点有機液体、好ましくは3−フェノキシトルエン、ブトキシベンゼン、ベンジルメチルエーテル、ベンジルエチルエーテル、ベンジルプロピルエーテル、ベンジルブチルエーテル、1,4−ベンゾジオキサン、ジプロポキシベンゼン、2,5−ジメトキシトルエン、4−エチルフェノレート、1,2,4−トリメトキシベンゼン、1,2−ジメトキシベンゼン、1,3−ジメトキシベンゼン、ジベンジルエーテル、4−tert.−4−ブチルアニソール、アニソール、フェネトール、2−メトキシトルエン、3−メトキシトルエン、4−メトキシトルエン、2,2−ジメチル−1,3−ベンゾジオキソール、1,8−シネオール、2,3−ジヒドロ−2−メチルベンゾフラン、2,3−ジヒドロベンゾフラン、3,5−ジメチルアニソール、2,5−ジメチルアニソール、4−エチルアニソール、1,2−メチレンジオキシベンゼンから選択する。
液体とは、物質が室温よりも低い融点を有することを意味する。
本発明による高沸点とは、常圧での液体の沸点が150℃以上、好ましくは180℃以上、最も好ましくは200℃以上であることを意味する。
本発明の好ましい実施形態において第1流体は、ネマチック液晶である。
他の好ましい実施形態において第1流体は、室温で等方性である。
更に第1流体の誘電率は、100〜1000以上、より好ましくは200〜500以上であることが好ましい。
本発明に従って使用できる液晶混合物は、それ自体慣用の方法で、例えば1種類以上の式Iの化合物を、1種類以上の式IIの化合物とまたは更なる液晶化合物および/または添加物と混合して調製する。一般により少量で使用される所望量の成分を、主成分を構成する成分に有利には昇温して溶解する。また有機溶媒中、例えばアセトン、クロロホルムまたはメタノール中の成分の溶液を混合し、完全に混合後、例えば蒸留で溶媒を再び除去することも可能である。本発明は更に、本発明によるLC媒体の調製方法に関する。
本発明および特に以下の例において、メソゲン化合物の構造を頭文字とも呼ばれる略号を用いて示す。これらの頭文字において、化学式は、下の表A〜Cを使用して次の通り略記される。全ての基CnH2n+1、CmH2m+1およびClH2l+1またはCnH2n−1、CmH2m−1およびClH2l−1は、それぞれn、mおよびl個のC原子を有する直鎖状のアルキルまたはアルケニル、好ましくは1E−アルケニルを、それぞれ表す。表Aには化合物の核構造の環要素に使用されるコードを列記し、一方、表Bには連結基を示す。表Cには、左手または右手の末端基のためのコードの意味を与える。頭文字は、第1のハイフンおよび左手の末端基のためのコードと、それに続く任意要素である連結基と共に環要素のためのコードと、第2のハイフンおよび右手の末端基のためのコードとから構成される。表Dには、それらのそれぞれの略号と共に化合物の構造を図解する。
以下の表に、それらのそれぞれの略号と共に、例示構造を示す。これらは、略号の規則の意味を図解するために示される。それらは、更に、好ましく使用される化合物を表す。
以下の表、表Eに、本発明によるメソゲン媒体において安定剤として使用できる例示化合物を示す。
以下の表、表Fに、本発明によるメソゲン媒体においてキラルドーパントとして好ましく使用できる例示化合物を示す。
本出願によるメソゲン媒体は、好ましくは、上の表からの化合物から成る群より選択される、2種類以上、好ましくは4種類以上の化合物を含む。
本発明による液晶媒体は、好ましくは、
・表Dからの化合物群より選択される、7種類以上、好ましくは8種類以上の化合物、好ましくは、3種類以上好ましくは4種類以上の異なる式を有する化合物
を含む。
・表Dからの化合物群より選択される、7種類以上、好ましくは8種類以上の化合物、好ましくは、3種類以上好ましくは4種類以上の異なる式を有する化合物
を含む。
基板は流体を閉じ込め得る任意の適切な材料から作製してよく、好ましくはガラスなどの光学的に等方な材料(即ち、複屈折を有さないもの)である。
基板の厚さは、好ましくは0.1mm〜3mm、より好ましくは0.5mm〜2mm、最も好ましくは1.0mm〜1.5mmである。基板は好ましくは、可視光の領域で透明である。
流体封入体は、好ましくは分離した層でそれぞれ互いに対して配置される非混和性液体の形態である第1および第2流体受け入れる内部容積を有する。第1流体は液晶材料であり、第2流体は非導電性液体、好ましくは実質的にフッ素化された液体である。好ましい実施形態において液晶が等方状態にあるときは、液晶および第2流体の両者が光に対して実質的に透明であり、それぞれが他の流体と違う異なる屈折率を有し、液晶が複屈折性であるときは液晶の一軸性屈折率の少なくとも一方は第2流体の屈折率と異なる。
第1および第2の電極は好ましくは、互いに噛み合って互いに対向するように配置された少なくとも1対の櫛形の電極を含む櫛型電極である。電極の幅は、好ましくは5〜240μm、より好ましくは10〜150μm、最も好ましくは25〜100μmであり、それぞれ電極について同じでも異なっもよく、好ましくは同じでよい。電極間ギャップは、好ましくは1〜100μm、より好ましくは5〜75μm、最も好ましくは10〜50μmであり、それぞれギャップについて同じでも異なっもよく、好ましくは同じでよい。
好ましくは電極間ギャップは、電極線幅より0.9〜0.1、より好ましくは0.25〜0.75、最も好ましくは0.4〜0.6の範囲内の倍数だけ小さい。電極は好ましくは透明であり、好適な透明導電材料、好ましくはインジウム錫酸化物(ITO、indium tin oxide)、インジウム亜鉛酸化物(IZO、indium zinc oxide)、アンチモン錫酸化物(ATO、Antimony tin oxide)、RuO2またはPEDOT、最も好ましくはITOから作製してよい。電極は好ましくは、100Ω/□未満の1平方当たりの抵抗を有する。
本発明の好ましい改良形態においては、電極(20、21)からの電荷注入に対して保護するため、または液晶のウェッティングを促進するために高い透明性を有するポリマー層(30)、好ましくはポリイミドまたはテフロン(登録商標)で電極を覆う。更に前記ポリマー層は、液晶の好ましい配向を促進するための液晶配向層(ラビングされたポリイミド)であることが好ましいことであり得る。
好ましくは、上部基板(11)は未処理である。
更に上部基板は、高い透明性を有するポリマー層(31)、好ましくはポリイミドまたはテフロン(登録商標)で覆われていることが好ましいことであり得る。
本明細書において「透明」とは、物質または物質に入射する光の全てでないにしても大部分が著しく減衰せずにそこを通過することを材料または物質が許すことを指すと意味すると解する。また更に「光」、「入射光」および関連する用語が特に可視光を全て指すものとして理解されるべきであるが、電磁スペクトルの他の領域からの他の放射、例えば紫外および赤外線も含んでよい。
本発明の全ての実施形態において印加する電圧は、直流または交流のいずれでもよく、好ましくは交流である。
図2は、図1のデバイスの第1および第2電極に電圧を印加する効果を図解している。電圧を印加すると、第1流体(40)および第2流体(40)間の界面に静的な皺が形成され、皺の高さは電圧の関数である。
電圧を印加した結果として、第1流体(40)および第2流体(41)間の界面は周期波の形状をとっており、よって一連の円筒レンズを形成している。皺の高さは電圧に依存するので、これらの円筒レンズの焦点距離は電極に印加する電圧を変化させた結果として制御可能に調整できる。
第1および第2電極(20、21)間の印加電圧をゼロに低下または減少すると、システムは図1に示す初期状態に戻る。
以下の略語および記号を使用する:
ne 20℃および589nmにおける異常屈折率、
no 20℃および589nmにおける正常屈折率、
Δn 20℃および589nmにおける光学異方性、
ε⊥ 20℃および1kHzにおけるダイレクタに垂直なな誘電感受率、
ε‖ 20℃および1kHzにおけるダイレクタに平行な誘電感受率、
Δε 20℃および1kHzにおける誘電異方性、
cl.p.、T(N,I) 透明点(℃)。
ne 20℃および589nmにおける異常屈折率、
no 20℃および589nmにおける正常屈折率、
Δn 20℃および589nmにおける光学異方性、
ε⊥ 20℃および1kHzにおけるダイレクタに垂直なな誘電感受率、
ε‖ 20℃および1kHzにおけるダイレクタに平行な誘電感受率、
Δε 20℃および1kHzにおける誘電異方性、
cl.p.、T(N,I) 透明点(℃)。
特に明記しない限り本出願における全ての濃度は重量パーセントで示され、溶媒なしで対応する混合物全体についてである。
特に明記しない限り、例えば融点T(C,N)、スメクチック(S)からネマチック(N)相への転移T(S,N)および透明点T(N,I)などの本出願で示す全ての温度値は、摂氏(℃)で示される。m.p.は融点を表し、cl.p.は透明点である。更に、Cは結晶状態、Nはネマチック相、Sはスメクチック相およびIは等方相である。これらの記号間のデータは遷移温度を表す。
全ての物理的特性は、「Merck Liquid Crystals, Physical Properties of Liquid Crystals(メルク液晶、液晶の物理的特性)」1997年11月、メルク社、ドイツ国ダルムシュタット市に従って決定するおよび決定したもので、それぞれの場合で他に明示しない限り20℃の温度に適用され、Δnは589nmで決定し、Δεは1kHzで決定する。
個々の化合物の液晶特性は他に示さない限り、濃度10%でネマチックホスト混合物ZLI−4792(メルク社、ダルムスタット市から商業的に入手可能)中で決定する。
「室温」は他に示さない限り、20℃を意味する。
下の実施例は本発明を何ら限定することなく例示する。
液晶混合物M−1を以下の通り調製する。
最初に単一の流体での実験を行い、効果を実証し、第1流体(40)を使用して第2流体(41)を適用しないレンズ部品の特性を解析した。単一の流体での実験は、ホウケイ酸ガラススライド基板を用いて行った。約100オーム/平方の抵抗率のインジウム錫酸化物の厚さ約25nmの層で、基板をプレコートした。このコーティングは、Prazisions Glas and Optik社、イーザーローン市、ドイツ国によって商業的に提供された。標準的なフォトリソグラフィーの手順を使用してインジウム錫酸化物層をエッチングしパターニングして、同一平面の櫛型ストライプ電極(図1の20、21に対応する)のアレイならびにコンタクトパッドを作製した。正のy方向に基板の一方側のインジウムスズ酸化物コンタクトパッドに電極(20)を接続し、負のy方向に基板の他方側の他のコンタクトパッドに電極(21)を接続した。典型的には12mm×12mmの領域をカバーする基板の正方形領域上に、電極(20)および(21)を共に配置し、交互配置した。厚さ約0.8μMのフォトレジスト層(市販材料SU8−10、MicroChem社、ニュートン市、マサチューセッツ州、米国)で基板および電極をコートし、UV照射および加熱に曝露して硬化した。コンタクトパッドの上からSU8−10層を除去した。「Gilson Pipetman」マイクロピペット(Gilson社、ミドルトン市、米国)を使用して、液体の液滴を基板の電極領域上に分配した。コンタクトパッドを介して交互の電極に印加された典型的には10kHzの周波数を有する正弦波電圧を用いて、デバイスの電気的アドレスを行った。間の電極は、他のコンタクトパッドを介してアース電位に接続した。PZD700A−1増幅器(Trek社、メディナ市、ニューヨーク州、米国)に接続した波形発生器で、電圧を提供した。M−1およびM−2については典型的には25V(rms)を超え、E7またはTTEについては典型的には125V(rms)を超える振幅の電圧を印加すると、共に配置された櫛型電極の最上部上の領域内の基板をコートする薄層を形成するまで流体フィルムが広がった。電圧の振幅を更に増加して、フィルムの流体−空気表面上の皺の振幅を増加させた。標準的なUSBビデオカメラ(例えば、DCC1645C、ThorLabs社、イーリー市、英国)を使用し拡散白色光側面照射下で、流体の最上部上の皺が見えるように典型的には10倍対物レンズを取り付け、液体フィルムの側面画像をy方向から撮影した。異なるrmsの振幅の電圧を印加して流体フィルムの最上部における領域上に焦点を合わせることで、これらの画像より皺の頂部から底部への振幅を計測でき、図3のデータを得た。LEDからのコリメート白色光で下から基板を照らしながら、典型的にはz方向から見下ろす10倍対物レンズが取り付けられた標準的なUSBビデオカメラで基板の上面視点を使用して、図4の縦軸の焦点距離の値を得た。USBビデオカメラの高さは、z方向にマイクロメータで操作される並進ステージを使用して調整した。最初に、流体がない領域の基板の最上部上にカメラの焦点を合わせた。電圧下で広がった流体を含有する領域上に位置するまで、カメラを横に動かした。次いで鮮明で平行に焦点の合った一連の光の線が見えるまで、カメラの高さを上昇した。図4に示すように焦点距離の正の方向では、上昇した高さの距離を記録した。基板上に焦点を合わせた際に、その位置に対してカメラの高さを低下した以外は同様のプロセスを使用して、図4に示すように負の方向における焦点距離を記録した。
所定の電圧に対して液晶E7および極性液体TTEと比較して、液体材料M−1およびM−2を使用することで、より高い皺の振幅を達成できることが図3から見て取れる。
これに対応してM−1またはM−2を使用する場合、図4に示す通り比較的低い電圧で焦点距離を短くできる。
<第2流体の適用>
図4についての上記の通り同一の実験技術および基板を使用して、図5に示すデータを記録した。相違点は、液晶流体M−1(図2の流体40)の広がった層上に液体パーフルオロデカリン(図2の流体41)の層が留まり浸漬するように容器を基板に接着したことである。
図4についての上記の通り同一の実験技術および基板を使用して、図5に示すデータを記録した。相違点は、液晶流体M−1(図2の流体40)の広がった層上に液体パーフルオロデカリン(図2の流体41)の層が留まり浸漬するように容器を基板に接着したことである。
第2流体としてのパーフルオロデカリンの層で、第1流体としてLC混合物M−1の厚さ約20μmのフィルム(電極:線幅80μm、ギャップ40μm)を覆った。
図5から見て取れる通りスイッチ挙動(即ち、電圧の印加による焦点距離の変化)は、第2液体層の添加後も同様である。
Claims (14)
- 液晶材料を含む第1流体と、および
第1流体と実質的に非混和性の電気絶縁第2流体とを含有し、
それらは界面に沿ってそれぞれ互いに接触している材料複合体。 - 第2流体が、1種類以上の実質的にフッ素化または過フッ素化された有機化合物を含むことを特徴とする請求項1に記載の材料複合体。
- 第2流体が、1種類以上の過フッ素化された有機化合物から成ることを特徴とする請求項2に記載の材料複合体。
- 第1流体が、1種類以上の式Iの化合物を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の材料複合体。
L11〜L15は、それぞれ互いに独立にHまたはFであり、
R11はアルキルであり、該基は直鎖状または分岐状で、F、ClまたはCNで単置換または多置換されており、該基中1個以上のCH2基は、それぞれの場合で互いに独立に−O−および/または−S−原子が互いに直接連結しにようにして、−O−、−S−、−NR01−、−SiR01R02−、−CO−、−C(O)O−、−OC(O)−、−OCO−O−、−S−CO−、−CO−S−、−CY01=CY02−または−C≡C−で置き換えらてよく、
Y01、Y02は、それぞれ互いに独立に、F、ClまたはCNであり、あるいはそれらの一方はHでよく、
R01、R02は、それぞれ互いに独立に、Hまたは1〜12個のC原子を有するアルキルであり、
Z11は、−C(O)O−または−CF2O−を表し、
X11は、ハロゲン、CN、SF5、1〜6個のC原子を有し単ハロゲン化もしくは多ハロゲン化されたアルキルもしくはアルコキシまたは2〜6個のC原子を有し単ハロゲン化、二ハロゲン化もしくは多ハロゲン化されたアルケニルを表し、
a)トランス−1,4−シクロヘキシレン、1,4−シクロヘキセニレン、1,4’−ビシクロヘキサンジイルから成る群であって、ただし加えて1個以上の隣接しないCH2基は、−O−および/または−S−で置き換えられてよく、ただし加えて1個以上のH原子は、Fで置き換えられてよく、
b)1,4−フェニレンおよび1,3−フェニレンから成る群であって、ただし加えて1個または2個のCH基はNで置き換えられてよく、ただし加えて1個以上のH原子は、Fで置き換えられてよく、および
mは、0または1であり、
nは、0、1または2であり、
pは、0または1であり、および
m+n+pは、0、1または2である。) - 第1流体が、室温で等方性の状態にある請求項1〜5のいずれか1項に記載の材料複合体。
- 第1流体が20℃および1kHzで測定して、100〜1000以上の誘電率を有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の材料複合体。
- 第1基板と、
第1基板に対向して配置される第2基板と、および
第1基板および第2基板間に配置される請求項1〜7のいずれか1項に記載の材料複合体と
を含む流体封入体を含む光学部品。 - 光学部品が、第1基板上に配置された櫛型電極を利用する請求項8に記載の光学部品。
- 電極が、ポリマー層によって覆われている請求項8または9に記載の光学部品。
- ポリマー層が、液晶配向層である請求項10に記載の光学部品。
- 請求項8に記載の光学部品を製造する方法であって、
A)請求項1、4または5に記載の第1流体を、第1基板上に分配する工程と、
B)請求項1〜3のいずれか1項に記載の第2流体を、第1流体の最上部上に分配する工程と
を少なくとも含む方法。 - 請求項8〜11のいずれか1項に記載の光学部品を含む光学デバイス。
- 請求項13に記載の光学デバイスを含む、2Dモードもしくは3Dモードで動作可能なディスプレイデバイス、ダイナミックレンズ素子、光学シャッター、ビームステアラ、回折格子または電子ペーパーディスプレイ。
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