JP2022183784A - 液晶素子、液晶装置、照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶ポリマー層が設けられた液晶素子における透過率低下の抑制等。【解決手段】第１基板及び第２基板と、第１配向容易軸を有する第１垂直配向膜と、前記第１垂直配向膜の上側に配置された第１液晶性ポリマー層と、第２配向容易軸を有する第２垂直配向膜と、前記第２垂直配向膜の上側に配置された第２液晶性ポリマー層と、カイラル材を含有する液晶材料を用いて構成されており、前記第１液晶性ポリマー層と前記第２液晶性ポリマー層の間に配置された略垂直配向の液晶層と、を含み、前記液晶層は、前記第１液晶性ポリマー層による第１配向方向が前記第１垂直配向膜の前記第１配向容易軸の方向と異なり、かつ前記第２液晶性ポリマー層による第２配向方向が前記第２垂直配向膜の前記第２配向容易軸の方向と異なる、液晶素子である。【選択図】図１

Description

本開示は、液晶素子、液晶装置、照明装置に関する。

特開２０１３－１４０１９５号公報（特許文献１）には、垂直配向型の液晶素子であって、垂直配向膜の上側に液晶ポリマー層が設けられた液晶素子が記載されている。

特開２０１３－１４０１９５号公報

本開示に係る具体的態様は、液晶ポリマー層が設けられた液晶素子における透過率の低下を抑制することを目的の１つとする。
本開示に係る具体的態様は、透過率の低下が抑制された液晶素子を備える液晶装置並びに照明装置を提供することを他の目的の１つとする。

［１］本開示に係る一態様の液晶素子は、（ａ）互いの一面側を向かい合わせて配置された第１基板及び第２基板と、（ｂ）前記第１基板の一面側に配置されており第１配向容易軸を有する第１垂直配向膜と、（ｃ）前記第１基板の一面側において前記第１垂直配向膜の上側に配置された第１液晶性ポリマー層と、（ｄ）前記第２基板の一面側に配置されており第２配向容易軸を有する第２垂直配向膜と、（ｅ）前記第２基板の一面側において前記第２垂直配向膜の上側に配置された第２液晶性ポリマー層と、（ｆ）カイラル材を含有する液晶材料を用いて構成されており、前記第１液晶性ポリマー層と前記第２液晶性ポリマー層の間に配置された略垂直配向の液晶層と、を含み、（ｇ）前記液晶層は、前記第１液晶性ポリマー層による第１配向方向が前記第１垂直配向膜の前記第１配向容易軸の方向と異なり、かつ前記第２液晶性ポリマー層による第２配向方向が前記第２垂直配向膜の前記第２配向容易軸の方向と異なる、液晶素子である。
［２］本開示に係る一態様の液晶装置は、上記［１］の液晶素子と、当該液晶素子に接続されて駆動電圧を供給する駆動装置と、を含む、液晶装置である。
［３］本開示に係る一態様の照明装置は、上記［２］の液晶装置と、この液晶装置の前記液晶素子に光を入射させる光源と、を含む、照明装置である。

上記［１］の構成によれば、液晶ポリマー層が設けられた液晶素子における透過率の低下を抑制することが可能になる。また、上記［２］、［３］の構成によれば、透過率の低下が抑制された液晶素子を備える液晶装置並びに照明装置を提供することが可能になる。

図１は、一実施形態の液晶素子の構成を示す模式的な断面図である。 図２（Ａ）は、液晶素子の配向容易軸と各偏光板の透過軸との位置関係を説明するための図である。図２（Ｂ）は、各液晶性ポリマー層における配向方向を説明するための図である。 図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、図１に示した実施形態の液晶素子の製造方法を説明するための図である。 図４（Ａ）は、液晶素子の電気光学特性の測定例を示す図である。図４（Ｂ）は、液晶素子の電気光学特性の測定例を示す図である。 図５は、方位角方位の液晶分子の配向分布の印加電圧依存性の計算結果である。 図６は、液晶層へのカイラル材の添加量を調整することによりｄ／ｐを変化させたときの実質ねじれ角の変化を両基板面がアンチパラレル配向の場合について示した図である。 図７は、プレティルト角をパラメータにして電気光学特性における最大透過率をプロットしたグラフである。 図８は、各電気光学特性において得られた最大透過率をｄ／ｐに対してプロットしたグラフである。 図９は、液晶素子の各サンプルを用いて測定された室温時における立ち上がり応答の測定結果を示す図である 図１０は、基板面ねじれ角の回転方向とカイラル材によるねじれ方向との関係を示す図である。 図１１は、正面観察時の電気光学特性における最大透過率の基板面ねじれ角依存をプロットした図である。 図１２は、他の実施形態の液晶素子の構成を示す模式的な断面図である。 図１３は、図１２に示す液晶素子の構成を示す模式的な平面図である。 図１４は、一実施形態の車両用灯具システムの構成を示す図である。

図１は、一実施形態の液晶素子の構成を示す模式的な断面図である。図示のように、本実施形態の液晶素子１０は、一対の偏光板（偏光素子）２１、２２の間に配置されている。この液晶素子１０は、例えば光源と組み合わせて表示装置あるいは照明装置などとして用いられるものである。なお、各偏光板２１、２２と液晶素子１０との間には適宜、視角補償板が配置されてもよい。

第１基板１１と第２基板１２は、互いの一面側を向かい合わせ、相互間に隙間（例えば数μｍ程度の隙間）を設けて配置されており、互いに貼り合わされている。第１基板１１及び第２基板１２としては、少なくとも可視光に対して透明（高透過率）なガラス基板やプラスチック基板が好適に用いられる。

画素電極（個別電極）１３は、第１基板１１の一面側に配置されている。また、対向電極（共通電極）１４は、第２基板１２の一面側に配置されている。これらの画素電極１３、対向電極１４は、それぞれ例えばインジウム錫酸化物膜（ＩＴＯ膜）などの透明導電膜を適宜パターニングすることによって得られる。各画素電極１３と対向電極１４との重なる領域がそれぞれ画素部（光変調領域）となる。

第１垂直配向膜１５は、第１基板１１の一面側において各画素電極１３を覆うようにして配置されている。同様に、第２垂直配向膜１６は、第２基板１２の一面側において対向電極１４を覆うようにして配置されている。垂直配向膜とは、液晶層１９の液晶分子を基板面に対して垂直かそれに近い角度（例えば８０°～８９．９°）に配向させる能力を有する膜である。本実施形態では、第１垂直配向膜１５及び第２垂直配向膜１６として、それぞれラビング処理などの配向処理が施されており、その配向処理方向と一致する配向容易軸を有する垂直配向膜が用いられている。

第１液晶性ポリマー層１７は、第１基板１１の一面側において第１垂直配向膜１５を覆うようにして配置されている。同様に、第２液晶性ポリマー層１８は、第２基板１２の一面側において第２垂直配向膜１６を覆うようにして配置されている。第１液晶性ポリマー層１７及び第２液晶性ポリマー層１８は、それぞれ液晶層１９の形成時に液晶材料に含有させておいた液晶性モノマーを外部からの光照射によってポリマー化して得られるものである。

液晶層１９は、第１基板１１と第２基板１２の間、詳細には第１液晶性ポリマー層１７及び第２液晶性ポリマー層１８の間において両者と接するように配置されている。本実施形態では、誘電率異方性が負であり、流動性を有するネマティック液晶材料を用いて液晶層１９が構成されている。また、液晶層１９の液晶材料には、液晶分子の配向にねじれを生じさせる機能を発揮するカイラル材が添加されている。また、液晶層１９は、電圧無印加時において液晶分子の配向が第１基板１１ないし第２基板１２の基板面に対して９０°未満であって垂直に近い角度（例えば８９°）で一様に傾斜した配向を有する。また、液晶層１９は、閾値以上の電圧印加時においてはカイラル材の効果によりねじれ配向となる。

図２（Ａ）は、液晶素子の配向容易軸と各偏光板の透過軸との位置関係を説明するための図である。図２（Ａ）では、液晶素子１０を偏光板２２側から平面視した場合の配向容易軸と透過軸が示されている。座標系としては、例えば液晶素子１０の平面視における左右方向（３時方位－９時方位）を０°、１８０°とし、液晶素子１０の平面視における上下方向（１２時方位－６時方位）を９０°、２７０°とする。このとき、第１基板１１の第１垂直配向膜１５における第１配向容易軸（配向処理方向）３１を４５°方位に配置し、第２基板１２の第２垂直配向膜１６における第２配向容易軸（配向処理方向）３２を２２５°方位に配置している。すなわち、第１配向容易軸３１と第２配向容易軸３２は互いに反平行（アンチパラレル）状態に設定されている。また、偏光板２１、２２の透過軸３３、３４は互いに略直交配置（クロスニコル配置）とされており、例えば透過軸３３を０°－１８０°方位に配置し、透過軸３４を９０°－２７０°方位に配置している。これにより、電圧無印加時における透過光はその透過率が著しく低い暗状態となる。

図２（Ｂ）は、各液晶性ポリマー層における配向方向を説明するための図である。図示のように、本実施形態の液晶素子１０では、第１配向方向３５は、第１垂直配向膜１５における第１配向容易軸３１の方向（図中、４５°－２２５°方位の点線で示す）と異なる。同様に、第２配向方向３６は、第２垂直配向膜１６における第２配向容易軸３２の方向（図中、４５°－２２５°方位の点線で示す）と異なる。ここでいう「異なる」とは、平行（同方向）ではないことをいう。また、本実施形態では、第１配向容易軸３１と第１配向方向３５とのなす角度と、第２配向容易軸３２と第２配向方向３６とのなす角度とが略等しい。別言すれば、第１配向方向３５と第２配向方向とは、第１配向容易軸３１（又は第２配向容易軸３２）を挟んで略対称に配置されている。なお、第１配向方向３５は、第１液晶ポリマー層１７が自身と液晶層１９との界面近傍領域の液晶分子に与える配向方向である。第２配向方向３６も同様である。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、図１に示した実施形態の液晶素子の製造方法を説明するための図である。

まず、第１基板１１の一面側に各画素電極１３が形成され、さらに第１垂直配向膜１５が形成される。同様に、第２基板１２の一面側に対向電極１４が形成され、さらに第２垂直配向膜１６が形成される。第１垂直配向膜１５と第２垂直配向膜１６には、それぞれラビング処理等の配向処理が施される。

このようにして得られた第１基板１１と第２基板１２の一方に樹脂等からなるスペーサー粒子（粒径約４μｍ）が散布され、他方にはガラス粒子等のスペーサー粒子（粒径約４μｍ）を均等に分散させたシール材が印刷された後、両基板が貼り合わされる。第１基板１１と第２基板１２は、第１垂直配向膜１５と第２垂直配向膜１６の各々の配向処理方向がアンチパラレルとなるように位置合わせされる。

貼り合わされた第１基板１１と第２基板１２を一定の圧力下でプレスした状態でシール材を熱硬化させることで、両基板が一定の隙間をもって略平行に配置された空セルが得られる。この空セルに、液晶性モノマーが略０．３ｗｔ％添加された液晶材料（液晶組成物）を真空注入法により注入する。なお、液晶材料には、液晶層厚をｄ、カイラルピッチをｐとしたときのｄ／ｐを０．３１に設定可能な左ねじれのカイラル材が添加されている。

上記のようにして得られた第１基板１１と第２基板１２の結合体（液晶セル）に対して、図３（Ａ）に示すように、液晶材料に電圧を印加しながら、高圧水銀ランプ等の光源を用いて紫外線（ＵＶ）を照射する。例えば、約１８ｍＷ／ｃｍ^２の強度にて８分間の照射を行う。これにより、図３（Ｂ）に示すように、液晶材料中の液晶モノマー１９ｂがポリマー化することになり、第１基板１１と第２基板１２の各一面側にそれぞれ第１液晶性ポリマー層１７、第２液晶性ポリマー層１８が形成される。また、これらの間に液晶分子１９ａとカイラル材を含んだ液晶層１９が形成される。液晶材料へ印加される電圧の大きさは適宜設定されるものであり、例えば液晶材料の閾値の５倍以上（一例として１７Ｖ）の電圧とされる。以上のようにして液晶素子１０が完成する。

次に、上記のような構成の液晶素子１０の有用性並びに好適条件についての検討結果を詳細に説明する。

図４（Ａ）は、液晶素子の電気光学特性の測定例を示す図である。ここでは、上記した条件にて作製した実施例の液晶素子１０を一対の偏光板２１、２２で挟んで配置し、各偏光板２１、２２の透過軸を液晶素子１０の第１垂直配向膜１５と第２垂直配向膜１６の各配向容易軸に対してそれぞれ４５°方位となるように配置し、かつ互いの透過軸が略直交するように配置した状態（図２（Ａ）参照）として、第２基板１２の基板面法線方向から観察したときの印加電圧と透過率の関係を示している。この実施例の液晶素子１０の特性線を図中では「ＵＶ照射時電圧印加」と示している。なお、ＵＶ照射時の印加電圧の大きさは上記で例示した１７Ｖである。また、比較例として、液晶性ポリマー層を有しない以外は実施例と同様の条件で作製した液晶素子と、液晶性ポリマー層の形成時（紫外線照射時）に液晶層１９へ電圧を印加しなかった液晶素子のそれぞれについても同様の電気光学特性を測定した。各比較例の液晶素子の特性線を図中では「ポリマー無し」、「ＵＶ照射時電圧無印加」と示している。

図示のように、各比較例（「ポリマー無し」、「ＵＶ照射時電圧無印加」）の液晶素子は、電気光学特性における閾値が同等であり、透過率の変化についてもほぼ同等な曲線が得られている。一方、実施例（ＵＶ照射時電圧印加）の液晶素子１０では、電気光学特性における閾値及び高電圧印加時の透過率が明らかに低下する傾向が観察された。

図４（Ｂ）は、液晶素子の電気光学特性の測定例を示す図である。ここでは、第１基板１１と第２基板１２の間に介在させるスペーサーを粒径約３μｍのものとし、シール材に混合されるスペーサーも粒径約３μｍのものとした点以外は同様の条件で作製した実施例の液晶素子１０と、同様にして作製した比較例の液晶素子とを用いた。図示のように、各比較例の液晶素子は、電気光学特性における閾値が同等であり、透過率の変化についてもほぼ同等な曲線が得られている。一方、実施例の液晶素子１０では、電気光学特性における閾値が低くなっているが高電圧印加時の最大透過率には差がほとんどないという結果が得られた。

上記の結果を検証するために、３種類（ＵＶ照射時電圧印加、ＵＶ照射時電圧無印加、液晶性ポリマー層無し）の液晶素子について、カイラル材を添加せず、それ以外の条件は同様にした検証用の液晶素子を作製し、それら液晶素子の電圧無印加時における傾斜角、すなわち液晶層１９の液晶分子の平均傾斜角（プレティルト角）をクリスタルローテーション法にて測定した。プレティルト角は、第１基板１１及び／又は第２基板１２の液晶層１９と近い側の基板面を基準にして定義されるものであり、基板面と平行方向が０°、基板面法線方向が９０°となる。測定の結果、液晶性ポリマー層無しの液晶素子ではプレティルト角が８９．１°であり、ＵＶ照射時電圧無印加の液晶素子ではプレティルト角が８８．８°であり、ＵＶ照射時電圧印加（１７Ｖ）の液晶素子ではプレティルト角が８２．０°であった。このことから、図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示したＵＶ照射時電圧印加の液晶素子における電気光学特性の閾値低下は、上記した定義によるプレティルト角の相違によるものと考えられる。このプレティルト角の相違は、各配向膜の表面に形成された各液晶性ポリマー層によるものと考えられる。

上記現象の理由を検討するために、液晶性ポリマー層を有しない比較例の垂直配向型の液晶素子において液晶層へ明状態が得られる十分な電圧を印加した場合の液晶層厚方向の方位角配向分布を計算機シミュレーションによって計算した。シミュレーションにはシンテック製LCDMASTER9（１次元解析）を用いた。液晶層を構成する液晶材料には誘電率異方性Δεが－５．１で相転移温度が約１００℃の液晶材料を想定し、液晶層厚は４μｍを想定し、液晶層と垂直配向膜のそれぞれにおけるプレティルト角や配向方向を変化させた場合の依存性を計算した。方位角の座標系は上記した図２（Ａ）に示したように、３時方位を０°、１２時方位を９０°、９時方位を１８０°、６時方位を２７０°とした。

図５は、方位角方位の液晶分子の配向分布の印加電圧依存性の計算結果である。ここでは、裏基板及び表基板の各基板面におけるプレティルト角を８９°に設定し、裏基板の垂直配向膜の配向容易軸（配向処理方向）を４５°、表基板の垂直配向膜の配向容易軸（配向処理方向）を２２５°のアンチパラレル配向に設定し（図２（Ａ）参照）、左ねじれのカイラル材を用いた想定でｄ／ｐを０．３１５に設定した。液晶材料のプレティルト角８９°における電気光学特性における閾値電圧は約２Ｖである。

電圧無印加時（０Ｖ）においては、裏基板（液晶層厚＝０μｍ）と表基板（液晶層厚＝４μｍ）の位置ではいずれもアンチパラレル配向のため方位角が４５°であり、液晶層内部で一定となっている。しかし、閾値電圧付近の２Ｖでは裏基板と表基板の双方の近傍にて、基板面での配向容易軸（配向処理方向）と液晶層の方位角とに違いが生じている。このような、基板面での配向容易軸（配向処理方向）と液晶層の方位角との相違（以下「方位角ズレ」という。）は、印加電圧に応じて大きくなり、かつ最大の方位角ズレがみられる液晶層厚方向での位置が両基板面に近接していく傾向がみられる。閾値電圧の約２．５倍である５Ｖ印加時には最大の方位角ズレが得られ、さらに印加電圧を増加すると方位角ズレが減少する傾向があるがその最大の方位角ズレが生じる液晶層厚はより基板表面に近接する傾向がみられる。

ここで、上記したシミュレーションでは、両基板表面に関する設定として強いアンカリング条件を想定しているため、高電圧印加時でも両基板表面では各配向容易軸（配向処理方向）に沿った方位角が維持されている。しかし、実際の液晶素子に用いられる垂直配向膜ではこのような強いアンカリング条件は得られない。このため、実際の液晶素子では、カイラル材によるねじれ力が影響し、電圧印加時には両基板表面近傍においても配向方向が大きく変化していると推察される。

５Ｖ印加時において、基板表面の影響を受けにくい液晶層厚１μｍ～３μｍの範囲ではほぼ線形的な左ねじれ配向が得られている。この方位角（ねじれ角）の変化が一定である範囲を両基板面まで直線で外挿したものを図中に細い点線による直線で示す。この外挿によると、裏基板の基板面での方位角（配向方向）は約９０°、表基板の基板面での方位角（配向方向）は約０°であった。なお、５Ｖ以上の印加電圧においては計算条件としての強いアンカリング条件の影響を受けて最大の方位角ズレが小さくなっているが、実際の液晶素子では閾値電圧の２．５倍以上の電圧を印加した際にはほぼ同等な最大の方位角ズレが生じているものと推察される。

図６は、液晶層へのカイラル材の添加量を調整することによりｄ／ｐを変化させたときの実質ねじれ角の変化を両基板面がアンチパラレル配向の場合について示した図である。ここでいう「実質ねじれ角」とは、図５で示した印加電圧５Ｖ時における１μｍ～３μｍの範囲（配向方向が線形に変化する範囲）の傾きを両基板面まで外挿したときの両配向方向の差である。ｄ／ｐに対する実質ねじれ角のプロットが線形近似できている。具体的には、ｄ／ｐをｘ軸、実質ねじれ角をｙ軸にとると、ｙ＝２７８．０２２８６１７ｘ＋１．２３５８９３４６と表せる。このことから、閾値の２．５倍の印加電圧である５Ｖ印加時における実質ねじれ角はｄ／ｐにより定められることが分かった。なお、プレティルト角が８０°～８９．９５°の範囲で設定されていれば上記と同様な現象が生じると考えられる。

以上のような検討結果を参照し、図４（Ａ）で示されたポリマー無し、ＵＶ照射時電圧無印、ＵＶ照射時電圧印加（１７Ｖ）の各条件下における最大透過率の差の理由を明らかにする。図５に示した方位角方位の液晶分子の配向分布の印加電圧依存性の計算と同様の計算を行う際に、プレティルト角を８０°、８５°、８９°のそれぞれに設定し、両基板の垂直配向膜の配向容易軸をアンチパラレルに配置するとともに、上下基板間での液晶層の配向のねじれ方向をカイラル材によるねじれ方向と同方向になるように設定した。両基板における配向容易軸のなす角度を以下では「基板面ねじれ角」という。また、ｄ／ｐは０．３１５に設定した。電気光学特性は液晶素子の法線方向から観察したものである。液晶素子の裏表には偏光板を配置し、電圧印加時における液晶層の層厚方向の略中央における液晶分子の配向方向に対して各偏光板の透過軸が４５°の角度をなすよう配置し、かつ透過軸同士を直交配置とした。使用する偏光板としては全波長領域で同じ透過率が得られる理想的な偏光板を想定した。なお、印加電圧は１５Ｖまで設定しており、各条件における最大透過率はほとんどの条件でその最大の印加電圧（１５Ｖ）で得られていた。

図７は、プレティルト角をパラメータにして電気光学特性における最大透過率をプロットしたグラフである。基板面ねじれ角が大きくなるにしたがって最大透過率が低下する傾向が観察される。この現象はプレティルト角に依存していない。一方、プレティルト角の小さい場合のほうが基板ねじれ角の増加に対する透過率の低下が少ない傾向がみられる。

以上の計算結果より、図４（Ａ）で示されたポリマー無し、ＵＶ照射時電圧無印加、ＵＶ照射時電圧印加（１７Ｖ）の各条件下における最大透過率の差の理由は以下の通りと考えられる。図４（Ａ）で示したように、閾値の２．５倍以上の印加電圧を加えることにより両基板面の配向容易軸（配向処理方向）がアンチパラレル配向であっても基板面と接する界面近傍の液晶層内では基板面の配向容易軸と異なる配向方向になっていると考えられる。一方、図７に示したように、基板面ねじれ角を増加させた場合の電気光学特性の計算結果からは、最大透過率が低下するためには両基板間で初期状態（電圧無印加時）から液晶層がねじれ配向となっている必要性があると考えられる。

液晶性ポリマー層を形成する際にＵＶ照射時電圧無印加とした比較例では、図５に示す「０Ｖ」の場合の配向状態と同様、液晶層内にねじれが生じない状態で液晶性ポリマー層が形成されることから、その際の配向方向が反映されており、最大透過率はポリマー無しの条件と同等になる。これに対して、ＵＶ照射時電圧印加とした場合には、その印加電圧の大きさに応じ、かつカイラル材の効果により、液晶層がねじれ配向となった状態で液晶ポリマー層が形成される。このため、その状態が反映されたプレティルト角になるとともに、配向方向も初期のアンチパラレルとは異なる方向に変化した状態が液晶性ポリマー層によって固定化される。液晶層内に添加される液晶性モノマーは例えば０．３ｗｔ％程度と非常に少ないので、実質的には、配向膜上に薄膜状に液晶性ポリマー層が形成される。このため、図５で示した配向分布における両基板面とほぼ同じ配向方向が液晶性ポリマー層によって固定化されると考えられる。

以上の考察結果より、ＵＶ照射時電圧印加の条件では両基板面の配向膜上に形成された液晶ポリマー層により、両基板面では、ＵＶ照射前に垂直配向膜の配向容易軸によって定まっていた配向方向ではない配向方向へ液晶層が配向しており、液晶層全体としてはねじれ配向を形成することから最大透過率が低下したものと考えられる。

このため、ＵＶ照射時電圧印加の液晶素子においてその透過率低下を防ぐためにはｄ／ｐの設定値を小さくすることが有効と考えられる。そこで、図４（Ａ）に示した電気光学特性を得た液晶素子とｄ／ｐ以外を同条件とし、カイラル材を調整することでｄ／ｐを０．２２～０．３１の間で可変に設定した液晶素子のサンプルを作製した、それぞれのｄ／ｐにおいて、ポリマー無し、ＵＶ照射時電圧無印加、ＵＶ照射時電圧印加（１７Ｖ）の条件を設定し、正面観察時の電気光学特性を図４（Ａ）の測定時と同じ偏光板、及び配置、測定条件で測定した。

図８は、各電気光学特性において得られた最大透過率をｄ／ｐに対してプロットしたグラフである。ポリマー無し、及びＵＶ照射時電圧無印加の各液晶素子に比べてＵＶ照射時電圧印加の液晶素子のほうがｄ／ｐの違いに対する最大透過率の変化が大きく、上記した解析から想定された結果が反映されていることが分かった。ＵＶ照射時電圧印加の液晶素子においてはｄ／ｐが０．２２以下でポリマー無し及びＵＶ照射時電圧無印加の各液晶素子とほぼ同じ最大透過率が得られることが分かった。ＵＶ照射時電圧印加（１７Ｖ）の液晶素子のプレティルト角は８２°であるが、図７に示した結果から考えると、プレティルト角が８０°～８５°の範囲では同等な最大透過率が得られると考えられる。

ここで、ｄ／ｐが０．２２のカイラル材の場合、カイラル材自体は７９．２°のねじれを生じさせる効果を有する。これに対して図７に示したように基板面ねじれ角が４５°の場合に基板面ねじれ角が０°の場合と同等の最大透過率が得られていることから、カイラル材によるねじれ角と基板面ねじれ角の差は３４．２°となる。このことから、各液晶性ポリマー層での第１配向方向と第２配向方向とのなす角度は３４．２°又はそれ以下と考えられる。従って、第１垂直配向膜１５の配向容易軸と第１液晶性ポリマー層１７の第１配向方向とのなす角度は０°より大きく１７．１°以下の範囲であり、同様に第２垂直配向膜１６の配向容易軸と第２液晶性ポリマー層１８の第２配向方向とのなす角度も０°より大きく１７．１°以下の範囲であると考えられる。

ｄ／ｐを０．２２以下に設定することで、プレティルト角が８０°～８５°の範囲であれば、第１液晶性ポリマー層１７及び第２液晶性ポリマー層１８によって液晶層１９に発現するねじれ角をより小さくすることができる。それにより、液晶性ポリマー層の形成時に電圧印加を行った場合における液晶素子の透過率の減少を抑制することができる。これは、第１液晶性ポリマー層１７及び第２液晶性ポリマー層１８を形成する際の電圧印加時に液晶層１９に生じるねじれ角をより小さくし、その状態を固定化することができるためである。

図９は、上記した液晶素子の各サンプルを用いて測定された室温時における立ち上がり応答の測定結果を示す図である。なお、ここでは最大透過率を１００％、最低透過率を０％としたとき、０％から９０％まで変化するのに要する時間を「応答速度」と定義する。オフ電圧は０Ｖ、オン電圧は１２Ｖとした。ポリマー無し、及びＵＶ照射時電圧無印加の液晶素子ではｄ／ｐの設定値に関わらず応答速度が非常に遅い。この原因は、閾値の５倍以上の高電圧を印加したことからバックフロー効果が生じているためと考えられる。一方、ＵＶ照射時電圧印加（１７Ｖ）の液晶素子の場合、ｄ／ｐに依存せず立ち上がり応答速度が飛躍的に改善されている。これはプレティルト角が約８２°と低く設定されており、バックフローの影響を抑制できているためと考えられる。

上記においてはｄ／ｐの設定値をより小さい値に設定することによりＵＶ照射時に液晶層へ電圧を印加した場合でも電気光学特性における最大透過率の低下を抑制する構成を提示した。以下ではｄ／ｐの設定値を変化させずに最大透過率の低下を招かないようにすることができる構成例を示す。詳細には、上記においては液晶材料へ添加するカイラル材によって生じるねじれ方向と、基板面ねじれ角によるねじれ方向が同じである場合のみ取り扱ってきた。以下では、基板面ねじれ角によるねじれ方向とカイラル材によるねじれ方向を互いに逆方向とした場合における最大透過率と基板面ねじれ角との関係を計算した結果を示す。なお、プレティルト角をパラメータとして最大透過率を求めた。

図１０は、基板面ねじれ角の回転方向とカイラル材によるねじれ方向との関係を示す図である。図１０に示す時計回り方向を「右ねじれ」、反時計方向を「左ねじれ」とする。カイラル材によるねじれ方向ｒ２は左ねじれに設定し、ｄ／ｐ＝０．３１５に設定し、各液晶性ポリマー層１７、１８による第１配向方向３５、第２配向方向３６によって定まる基板面ねじれ角のねじれ方向ｒ１を右ねじれに設定する。このとき、液晶層の層厚方向の略中央における液晶分子配向方向は、クロスニコル配置の偏光板のうち一方の偏光板の透過軸に対して４５°となるように配置する。

図１１は、正面観察時の電気光学特性における最大透過率の基板面ねじれ角依存をプロットした図である。図示のように、プレティルト角、基板面ねじれ角に依存せず最大透過率はほぼ変化せず約４５％であることが分かった。基板面ねじれ角が－１２０°以下であればプレティルト角８０°～８９°の範囲において透過率の変化はほとんどないと考えられる。

図１２は、他の実施形態の液晶素子の構成を示す模式的な断面図である。また、図１３は、図１２に示す液晶素子の構成を示す模式的な平面図である。なお、図１３に示すＡ－Ａ線方向の断面が図１２に示す断面図に対応している。各図に示す液晶素子１０ａは、基本的に上記した実施形態の液晶素子１０と同様の構成を有しており、第１基板１１側において画素電極１３の下層側に画素間電極２３ａ等が追加された点が異なっている。以下、相違点を中心に説明する。

各図に示すように、平面視において各画素電極１３の図中左右方向における相互間にそれぞれ画素間電極２３ａ、２３ｂ、２３ｃが配置されている。また、画素間電極２３ａには配線部２４ａが一体化され、画素間電極２３ｂには配線部２４ｂが一体化され、画素間電極２３ｃには配線部２４ｃが一体化されている。各配線部２４ａ、２４ｂ、２４ｃは、図中上側へ向かって延びるように設けられている。また、配線部２４ｂは、図中上下方向に隣り合う画素電極１３の相互間に配置される部位と、各画素電極１３と平面視において重なるようにして配置される部位を有している。同様に、配線部２４ｃは、図中上下方向に隣り合う画素電極１３の相互間に配置される部位と、各画素電極１３と平面視において重なるようにして配置される部位を有している。

また、配線部２４ａは、絶縁膜２５に設けられたスルーホールを介して１つの画素電極１３と接続されている。同様に、配線部２４ｂは、絶縁膜２５に設けられたスルーホールを介して１つの画素電極１３と接続されており、配線部２４ｃは、絶縁膜２５に設けられたスルーホールを介して１つの画素電極１３と接続されている。これにより、配線部２４ａと一体化されている画素間電極２３ａと、この配線部２４ａに接続されている１つの画素電極１３とが電気的に接続され、同電位化される。同様に、配線部２４ｂと一体化されている画素間電極２３ｂと、この配線部２４ｂに接続されている１つの画素電極１３とが電気的に接続され、同電位化される。同様に、配線部２４ｃと一体化されている画素間電極２３ｃと、この配線部２４ｃに接続されている１つの画素電極１３とが電気的に接続され、同電位化される。

各画素間電極２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、各配線部２４ａ、２４ｂ、２４ｃは、第１基板１１の一面側に設けられている。これらはそれぞれ、例えばインジウム錫酸化物膜（ＩＴＯ膜）などの透明導電膜を適宜パターニングすることによって得られる。各画素間電極２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、各配線部２４ａ、２４ｂ、２４ｃの上側には、例えばＳｉＯ_２膜などからなる絶縁膜２５が設けられている。絶縁膜２５の膜厚は例えば１μｍ程度である。そして、各画素電極１３は、絶縁膜２５の上側に設けられている。さらに、各画素電極１３の上側にはそれぞれ、例えばＳｉＯ_２膜などからなる絶縁膜２６が設けられている。各絶縁膜２６の膜厚は例えば０．８μｍ（絶縁膜２５の０．８倍程度）である。そして、これら絶縁膜２６及び画素電極１３を覆うようにして第１垂直配向膜１５が設けられ、その上側に第１液晶性ポリマー層１７が設けられている。

このような構造の液晶素子１０ａによれば、画素間電極を設けない場合において各画素電極１３の一部のエッジと対向電極１４との間で生じ得る斜め電界を生じないようにすることができる。それにより、第１液晶性ポリマー層１７、第２液晶性ポリマー層１８を形成する際において斜め電界による影響を排除し、均一なプレティルト角分布が得られる。液晶素子１０ａの平面視での中央付近の部分において斜め電界の影響がないため、特にプレティルト角分布を均一にできる。従って、当該中央付近での液晶配向の均一性を向上することが可能となる。この利点は、次に説明する図１４に示すような車両用灯具システムに液晶素子１０ａを用いる場合において特に重要となる液晶素子１０ａの平面視での中央付近での光度を向上させることができる。

図１４は、一実施形態の車両用灯具システムの構成を示す図である。図１４に示す車両用灯具システムは、上記の実施形態に係る液晶素子１０又は１０ａを用いて構成されるものであり、ランプユニット（車両用灯具）１０１と、コントローラ１０２と、カメラ１０３を含んで構成されている。この車両用前照灯システムは、カメラ１０３によって撮影される画像に基づいて自車両の周囲に存在する前方車両や歩行者の顔等の位置を検出し、前方車両等の位置を含む一定範囲を非照射範囲（減光領域）に設定し、それ以外の範囲を光照射範囲に設定して選択的な光照射を行うとともに、路面上へ種々形状の光照射を行うものである。

ランプユニット１０１は、車両前部の所定位置に配置されており、車両前方を照明するための照射光を形成する。なお、ランプユニット１０１は車両の左右それぞれに１つずつ設けられるがここでは１つのみ図示する。

コントローラ１０２は、車両用灯具１０１の光源１１０や液晶素子１１５の動作制御を行うものである。このコントローラ１０２は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を有するコンピュータシステムを用い、このコンピュータシステムにおいて所定の動作プログラムを実行させることによって実現される。本実施形態のコントローラ１０２は、運転席に設置されたライトスイッチ（図示せず）の操作状態に応じて光源１０を点灯させるとともに、カメラ１０３によって検出される前方車両（対向車両、先行車両）、歩行者、道路標識、路上白線などの対象体に応じた配光パターンを設定し、この配光パターンに対応する像を形成するための制御信号を液晶素子１１５へ供給する。

カメラ１０３は、自車両の前方空間を撮影して画像を生成し、この画像に対して所定の画像認識処理を行って上記した前方車両等の対象体の位置、範囲、大きさ、種別などを検出する。画像認識処理による検出結果は、カメラ１０３と接続されているコントローラ１０２へ供給される。カメラ１０３は、自車両の車室内の所定位置（例えば、フロントガラス上部）に設置されるか、または自車両の車室外の所定位置（例えば、フロントバンパー内）に設置される。車両に他の用途（例えば、自動ブレーキシステム等）のためのカメラが備わっている場合にはそのカメラを共用してもよい。

なお、カメラ１０３における画像認識処理の機能をコントローラ１０２にて代替してもよい。その場合には、カメラ１０３は、生成した画像をコントローラ１０２へ出力、この画像に基づいてコントローラ１０２側で画像認識処理が行われる。あるいは、カメラ１０３から画像とそれに基づく画像認識処理の結果の双方がコントローラ２へ供給されてもよい。その場合に、コントローラ１０２は、カメラ１０３から得た画像を用いてさらに独自の画像認識処理を行ってもよい。

図１４に示すランプユニット１０１は、光源１１０、リフレクタ１１１、１１３、偏光ビームスプリッタ１１２、１／４波長板１１４、液晶素子１１５、光学補償板１１６、偏光板１１７、投影レンズ１１８を含んで構成されている。これらの各要素は、例えば１つのハウジング（筐体）に収容されて一体化されている。また、光源１１０と液晶素子１１５は、それぞれコントローラ１０２と接続されている。なお、本実施形態では、偏光ビームスプリッタ１１２と偏光板１１７が「偏光素子」に対応する。

光源１１０は、コントローラ１０２による制御を受けて光を放出する。この光源１１０は、例えばいくつかの白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの発光素子と駆動回路を含んで構成される。なお、光源１０の構成はこれに限定されない。例えば、光源１１０としては、レーザ素子、さらには電球や放電灯など車両用ランプユニットに一般的に使用されている光源が使用可能である。

リフレクタ１１１は、光源１１０に対応づけて配置されており、光源１１０から放出される光を反射及び集光して偏光ビームスプリッタ１１２の方向へ導き、液晶素子１１５へ入射させる。リフレクタ１１１は、例えば楕円面状の反射面を有する反射鏡である。この場合、光源１１０は、リフレクタ１１１の反射面の焦点付近に配置することができる。なお、リフレクタ１１１に代えて集光部として集光レンズを用いてもよい。

偏光ビームスプリッタ１１２は、入射光のうち特定方向の偏光成分を透過し、これと直交方向の偏光成分を反射させる反射型偏光素子である。このような偏光ビームスプリッタ１１２としては、例えばワイヤーグリッド型偏光素子や多層膜偏光素子などを用いることができる。

リフレクタ１１３は、偏光ビームスプリッタ１１２によって反射される光が入射し得る位置に設けられており、入射した光を偏光ビームスプリッタ１１２の方向へ反射させる。

１／４波長板１１４は、偏光ビームスプリッタ１１２とリフレクタ１１３の間の光路上に配置されており、入射する光に位相差を与える。本実施形態では、偏光ビームスプリッタ１１２によって反射された光は、１／４波長板１１４を透過し、リフレクタ１１３で反射されて再度１／４波長板１１４を透過することで偏光方向が９０°回転して偏光ビームスプリッタ１１２へ再入射する。それにより、再入射した光は偏光ビームスプリッタ１１２を透過することができるので光の利用効率が向上する。

液晶素子１１５は、リフレクタ１１１、１１３のそれぞれにより反射及び集光された光が入射し得る位置に配置されている。液晶素子１１５は、互いに独立に制御可能な複数の画素部（光変調部）を備えている。本実施形態では、液晶素子１１５は、各画素部に駆動電圧を与えるためのドライバ（図示せず）を有している。ドライバは、コントローラ１０２から供給される制御信号に基づいて、液晶素子１１５に対して、各画素部を個別に駆動するための駆動電圧を与える。この液晶素子１１５として、上記の実施形態に係る液晶素子１０又は１０ａが用いられる。本実施形態では、液晶素子１１５、図示しないドライバ及びコントローラ１０２が「液晶装置」に対応する。

光学補償板１１６は、液晶素子１１５を透過した光の位相差を補償し、偏光度を高めるためのものである。なお、光学補償板１１６は省略されてもよい。

偏光板１１７は、液晶素子１１５の光出射側に配置されている。偏光ビームスプリッタ１１２、偏光板１１７とこれらの間に配置された液晶素子１１５によって、自車両の前方へ照射する光の配光パターンに対応した像が形成される。

投影レンズ１１８は、リフレクタ１１１、１１３により反射及び集光され、液晶素子１１５を透過した光が入射し得る位置に配置されており、この入射した光を自車両の前方へ投影する。投影レンズ１１８は、その焦点が液晶素子１１５の液晶層の位置に対応するように配置されている。

以上のような実施形態によれば、液晶素子における透過率の低下を抑制することが可能になる。また、透過率の低下が抑制された液晶素子を備える車両用灯具システムを提供することが可能になる。

なお、本開示は上記した各実施形態の内容に限定されるものではなく、本開示の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。例えば、車両用灯具システムの構成は上記した実施形態の構成に限定されず、液晶素子を用いて配光パターンを形成するものであれば本開示に係る液晶素子を適用することができる。また、各実施形態の液晶素子は、車両用途に限らず種々の照明装置（例えば液晶プロジェクタ、街路灯、踏切信号、方向案内照明等）に適用することも可能であり、また一般的な表示用途の液晶素子に適用することも可能である。

１０、１０ａ：液晶素子、１１：第１基板、１２：第２基板、１３：画素電極、１４：対向電極、１５：第１垂直配向膜、１６：第２垂直配向膜、１７：第１液晶性ポリマー層、１８：第２液晶性ポリマー層、１９：液晶層、１９ａ：液晶分子、１９ｂ：液晶性モノマー、２１、２２：偏光板、３１、３２：配向処理方向

Claims (9)

1. 互いの一面側を向かい合わせて配置された第１基板及び第２基板と、
   前記第１基板の一面側に配置されており第１配向容易軸を有する第１垂直配向膜と、
   前記第１基板の一面側において前記第１垂直配向膜の上側に配置された第１液晶性ポリマー層と、
   前記第２基板の一面側に配置されており第２配向容易軸を有する第２垂直配向膜と、
   前記第２基板の一面側において前記第２垂直配向膜の上側に配置された第２液晶性ポリマー層と、
   カイラル材を含有する液晶材料を用いて構成されており、前記第１液晶性ポリマー層と前記第２液晶性ポリマー層の間に配置された略垂直配向の液晶層と、
   を含み、
   前記液晶層は、前記第１液晶性ポリマー層による第１配向方向が前記第１垂直配向膜の前記第１配向容易軸の方向と異なり、かつ前記第２液晶性ポリマー層による第２配向方向が前記第２垂直配向膜の前記第２配向容易軸の方向と異なる、
   液晶素子。
2. 前記第１液晶性ポリマー層及び／又は前記第２液晶性ポリマー層によって前記液晶層に発現するプレティルト角が８０°以上８５°以下である、
   請求項１に記載の液晶素子。
3. 前記第１配向容易軸と前記第２配向容易軸とが反平行に配置された、
   請求項１又は２に記載の液晶素子。
4. 前記第１配向方向と前記第２配向方向とのなす角度が０°より大きく、
   前記第１配向方向と前記第２配向方向との相対的な位置関係から定まる第１ねじれ方向と前記カイラル材により定まる第２ねじれ方向とが同方向であり、
   前記カイラル材のピッチをｐとし、前記液晶層の層厚をｄとしたときのｄ／ｐが０より大きく０．２２以下である、
   請求項３に記載の液晶素子。
5. 前記第１配向方向と前記第２配向方向とのなす角度が０°より大きく、
   前記第１配向方向と前記第２配向方向との相対的な位置関係から定まる第１ねじれ方向と前記カイラル材により定まる第２ねじれ方向とが逆方向である、
   請求項３に記載の液晶素子。
6. 前記第１配向容易軸と前記第１配向方向とのなす角度と前記第２配向容易軸と前記第２配向方向とのなす角度とが略等しい、
   請求項４又は５に記載の液晶素子。
7. 前記第１配向容易軸と前記第１配向方向とのなす角度は０°より大きく１７．１°以下であり、
   前記第２配向容易軸と前記第２配向方向とのなす角度は０°より大きく１７．１°以下である、
   請求項４～６の何れか１項に記載の液晶素子。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の液晶素子と、当該液晶素子に接続されて駆動電圧を供給する駆動装置と、
   を含む、液晶装置。
9. 請求項８に記載の液晶装置と、
   前記液晶装置の前記液晶素子に光を入射させる光源と、
   を含む、照明装置。

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