JP2024020891A - 液晶光学素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶分子の配向欠陥を抑制することが可能な液晶光学素子を提供する。【解決手段】一実施形態によれば、液晶光学素子は、基板と、前記基板の上に配置され、所定のピッチで並んだ複数の凸状体を有する第１配向制御層と、前記第１配向制御層の上に配置された第１液晶層と、を備え、前記第１液晶層は、それぞれの長軸が前記凸状体の各々に沿うように配向した複数の液晶分子を有し、前記複数の液晶分子の配向方向が固定された状態で硬化し、前記第１配向制御層は、架橋性の液晶性ポリマーによって形成されている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、液晶光学素子及びその製造方法に関する。

例えば、液晶材料を用いた液晶偏光格子が提案されている。このような液晶偏光格子は、ブラッグ条件にしたがって内部を通過する光の伝播方向を変えるように構成されている。
このような液晶偏光格子を実現する場合、液晶分子を所定の方向に配向させることが重要である。

特表２０１７－５２２６０１号公報

実施形態の目的は、液晶分子の配向欠陥を抑制することが可能な液晶光学素子及びその製造方法を提供することにある。

一実施形態によれば、液晶光学素子は、
基板と、前記基板の上に配置され、所定のピッチで並んだ複数の凸状体を有する第１配向制御層と、前記第１配向制御層の上に配置された第１液晶層と、を備え、前記第１液晶層は、それぞれの長軸が前記凸状体の各々に沿うように配向した複数の液晶分子を有し、前記複数の液晶分子の配向方向が固定された状態で硬化し、前記第１配向制御層は、架橋性の液晶性ポリマーによって形成されている。

一実施形態によれば、液晶光学素子の製造方法は、
基板の上に架橋性の液晶性ポリマーを塗布し、熱ナノインプリント法または光ナノインプリント法により、所定のピッチで並んだ複数の凸状体を有する第１配向制御層を形成し、前記第１配向制御層の上に液晶材料を塗布し、前記液晶材料に含まれる複数の液晶分子が前記第１配向制御層の配向規制力に応じて所定の方向に配向した状態で前記液晶材料を硬化し、第１液晶層を形成する。

図１は、実施形態に係る液晶光学素子１の一構成例を示す断面図である。 図２は、配向制御層を形成するための架橋性の液晶性ポリマーの例を示す図である。 図３は、配向制御層を形成するための架橋性の液晶性ポリマーの例を示す図である。 図４は、配向制御層を形成するための架橋性の液晶性ポリマーの例を示す図である。 図５は、液晶層ＬＣ１に含まれるコレステリック液晶ＣＬ１の一例を説明するための断面図である。 図６は、液晶層ＬＣ１における液晶分子の配向パターンを示す平面図である。 図７は、図１に示した液晶光学素子１の製造方法を説明するための図である。 図８は、液晶光学素子１の一構成例を示す断面図である。 図９は、液晶光学素子１の他の構成例を示す断面図である。 図１０は、凸状体２１による液晶分子ＬＭ１１の配向パターンを説明するための平面図である。 図１１は、凸状体２１による液晶分子ＬＭ１１の配向パターンを説明するための平面図である。 図１２は、他の凸状体２１による液晶分子ＬＭ１１の配向パターンを説明するための平面図である。 図１３は、液晶光学素子１の他の構成例を示す断面図である。 図１４は、液晶光学素子１の他の構成例を示す断面図である。 図１５は、図１３または図１４に示した液晶光学素子１の製造方法を説明するための図である。 図１６は、液晶光学素子１の適用例である太陽電池装置１００を説明するための断面図である。

以下、本実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、開示はあくまで一例に過ぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べて、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する詳細な説明を適宜省略することがある。

なお、図面には、必要に応じて理解を容易にするために、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、及び、Ｚ軸を記載する。Ｘ軸に沿った方向をＸ方向または第１方向と称し、Ｙ軸に沿った方向をＹ方向または第２方向と称し、Ｚ軸に沿った方向をＺ方向または第３方向と称する。第１方向Ｘ及び第２方向Ｙは、例えば、液晶光学素子を構成する基板の主面に平行な方向である。第３方向Ｚは、液晶光学素子の厚さ方向に相当する。Ｘ軸及びＹ軸によって規定される面をＸ－Ｙ平面と称し、Ｘ軸及びＺ軸によって規定される面をＸ－Ｚ平面と称する。Ｘ－Ｙ平面を見ることを平面視という。

図１は、液晶光学素子１の一構成例を示す断面図である。液晶光学素子１は、基板１０と、配向制御層２０と、液晶層ＬＣ１と、を備えている。

基板１０は、光を透過する透明基板であり、例えば、透明なガラス板または透明な合成樹脂板によって構成されている。基板１０は、例えば、可撓性を有する透明な合成樹脂板によって構成されていてもよい。基板１０は、任意の形状を取り得る。例えば、基板１０は、湾曲していてもよい。基板１０の屈折率は、例えば、空気の屈折率よりも大きい。

本明細書において、『光』は、可視光及び不可視光を含むものである。例えば、可視光域の下限の波長は３６０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であり、可視光域の上限の波長は７６０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下である。可視光は、第１波長帯（例えば４００ｎｍ～５００ｎｍ）の第１成分（青成分）、第２波長帯（例えば５００ｎｍ～６００ｎｍ）の第２成分（緑成分）、及び、第３波長帯（例えば６００ｎｍ～７００ｎｍ）の第３成分（赤成分）を含んでいる。不可視光は、第１波長帯より短波長帯の紫外線、及び、第３波長帯より長波長帯の赤外線を含んでいる。
本明細書において、『透明』は、無色透明であることが好ましい。ただし、『透明』は、半透明又は有色透明であってもよい。

基板１０は、Ｘ－Ｙ平面に沿った平板状に形成され、主面Ｆ１と、主面Ｆ２と、を有している。主面Ｆ１及び主面Ｆ２は、Ｘ－Ｙ平面に略平行な面であり、第３方向Ｚにおいて、互いに対向している。主面Ｆ２は、例えば空気に接しているが、他の薄膜で覆われていてもよい。

配向制御層２０は、主面Ｆ１の側において、基板１０の上に配置されている。配向制御層２０は、所定のピッチＰ１で第１方向Ｘに沿って並んだ複数の凸状体２１を有している。凸状体２１の各々は、第３方向Ｚにおいて液晶層ＬＣ１に向かって突出している。このような複数の凸状体２１は、後に詳述するが、液晶層ＬＣ１に含まれる液晶分子の配向方向を規定する機能を有するものである。図示した例では、配向制御層２０は、隣接する凸状体２１の間の主面Ｆ１を覆っている。

なお、隣接する凸状体２１の間において、主面Ｆ１が配向制御層２０から露出していてもよい。配向制御層２０が隣接する凸状体２１の間を覆っていない場合、基板１０と配向制御層との間に配向膜が配置されてもよい。

凸状体２１は、Ｘ－Ｚ平面において、第３方向Ｚに沿って先細る断面形状を有していてもよいし、略矩形の断面形状を有していてもよい。凸状体２１は、頂部２１Ｔと、側面２１Ｓと、を有している。

凸状体２１の各々は、第３方向Ｚに沿ってほぼ一定の厚さＤ２１を有している。また、凸状体２１の各々の頂部２１Ｔは、第１方向Ｘに沿って幅ＷＴを有している。第１方向Ｘに隣接する凸状体２１は、間隔Ｌをおいて並んでいる。
厚さＤ２１は、頂部２１Ｔの幅ＷＴより大きい。一例では、厚さＤ２１は、１００ｎｍ～２０００ｎｍであり、望ましくは、３００ｎｍ～１０００ｎｍである。幅ＷＴは、例えば、５０ｎｍ～１５００ｎｍであり、望ましくは、１００ｎｍ～１０００ｎｍである。厚さＤ２１と幅ＷＴとのアスペクト比（Ｄ２１／ＷＴ）は、例えば、２から４程度である。
間隔Ｌは、厚さＤ２１より小さい。一例では、間隔Ｌは、５０ｎｍ～１５００ｎｍであり、望ましくは、１００ｎｍ～１０００ｎｍである。間隔Ｌは、例えば、幅ＷＴの３倍程度である。

液晶層ＬＣ１は、配向制御層２０の上に配置され、凸状体２１の各々を囲み、頂部２１Ｔ及び側面２１Ｓに接している。しかも、図１に示す例では、液晶層ＬＣ１は、隣接する凸状体２１の間において配向制御層２０に接している。液晶層ＬＣ１に含まれる液晶分子は、後述するが、配向制御層２０の配向規制力に応じて所定の方向に配向している。液晶層ＬＣ１は、液晶分子の配向方向が固定された状態で硬化している。つまり、液晶分子の配向方向は、電界に応じて制御されるものではない。このため、液晶光学素子１は、配向制御のための電極を備えていない。このような液晶層ＬＣ１は、例えば、液晶材料のモノマーに光や熱などのエネルギーを与えて重合させることで形成される。

液晶層ＬＣ１は、第３方向Ｚに沿って厚さＤＬＣを有している。液晶層ＬＣ１の厚さＤＬＣは、凸状体２１の厚さＤ２１より大きい。一例では、厚さＤＬＣは、１０００ｎｍ～１４０００ｎｍであり、望ましくは、５０００ｎｍ～１２０００ｎｍである。

図１に示す例では、第３方向Ｚにおいて、液晶層ＬＣ１の上には他の薄膜や基板は重なっていない。つまり、液晶層ＬＣ１は、空気に接する主面Ｆ３を有している。なお、主面Ｆ３は、保護膜などの他の薄膜で覆われる場合があり得る。

配向制御層２０は、透明な有機材料によって形成され、熱架橋性の液晶性ポリマー、または、光架橋性の液晶性ポリマーによって形成されている。配向制御層２０の屈折率は、基板１０の屈折率と同等である。このため、基板１０と配向制御層２０との界面に到達した光は、ほとんど屈折しない。なお、配向制御層２０を形成する材料が屈折率異方性を有している場合、配向制御層２０の屈折率とは、異常光屈折率及び常光屈折率の平均値に相当する平均屈折率である。

図２乃至図４は、配向制御層２０を形成するための架橋性の液晶性ポリマーの例を示す図である。
図２に示すように、材料例（１）はサーモトロピック液晶性を示すポリエステルであり、材料例（２）はリオトロピック液晶性を示す芳香族ポリアミドであり、材料例（３）は側鎖型シロキサンコポリマーであり、材料例（４）は側鎖型ポリメチルメタクリレートである。
図３に示すように、材料例（５）はスメクチック側鎖型ポリシロキサンであり、材料例（６）は側鎖型ポリシロキサンであり、材料例（７）はシアノビフェニル系ポリアクリレートである。
図４に示すように、材料例（８）はシアノアゾベンゼンポリエステルであり、材料例（９）は側鎖型シリコーンポリマーであり、材料例（１０）はメタクリル系エラストマーであり、材料例（１１）は桂皮酸を側鎖に有するメタクリル系ポリマーである。
これらの材料例のうち、例えば、材料例（８）及び（１１）は、紫外線等の直線偏光が照射されることにより、所定の方向に沿った配向規制力を発生する光配向性の液晶性ポリマーである。また、材料例（８）および（１１）は、側鎖として、光配向性のクロモファとしてシス－トランス光異性化を示すアゾベンゼン、光二量化を示す桂皮酸を含む液晶性ポリマーであり、直線偏光が照射されることにより、直線偏光の偏光軸に対して直交する配向規制力を発生する。

図５は、液晶層ＬＣ１に含まれるコレステリック液晶ＣＬ１の一例を説明するための断面図である。
なお、図５では、液晶層ＬＣ１を第３方向Ｚに拡大して示している。液晶層ＬＣ１は、コレステリック液晶ＣＬ１を有している。簡略化のため、コレステリック液晶ＣＬ１を構成する液晶分子ＬＭ１として、Ｘ－Ｙ平面に平行な同一平面に位置する複数の液晶分子のうちの１つの液晶分子ＬＭ１を図示している。図示した液晶分子ＬＭ１の配向方向は、同一平面に位置する複数の液晶分子の平均的な配向方向に相当する。

点線で囲んだ１つのコレステリック液晶ＣＬ１に着目すると、コレステリック液晶ＣＬ１は、旋回しながら第３方向Ｚに沿って螺旋状に積み重ねられた複数の液晶分子ＬＭ１によって構成されている。コレステリック液晶ＣＬ１の螺旋軸ＡＸ１は、第３方向Ｚあるいは基板１０の法線に平行である。このようなコレステリック液晶ＣＬ１は、第３方向Ｚに沿って螺旋ピッチＰ１０を有している。
複数の液晶分子ＬＭ１は、コレステリック液晶ＣＬ１の一端側の液晶分子ＬＭ１１と、コレステリック液晶ＣＬ１の他端側の液晶分子ＬＭ１２と、を有している。液晶分子ＬＭ１１は、配向制御層２０に近接している。なお、ここでは、配向制御層２０の凸状体の図示を省略している。

液晶層ＬＣ１において、第２方向Ｙに沿って隣接するコレステリック液晶ＣＬ１の配向方向は、互いに異なっている。
第２方向Ｙに沿って隣接する液晶分子ＬＭ１１の配向方向は、互いに異なっている。複数の液晶分子ＬＭ１１の配向方向は、第２方向Ｙに沿って連続的に変化している。
第２方向Ｙに沿って隣接する液晶分子ＬＭ１２の配向方向も、互いに異なっている。複数の液晶分子ＬＭ１２の配向方向も、第２方向Ｙに沿って連続的に変化している。

図中に一点鎖線で示す液晶層ＬＣ１の反射面Ｒ１は、Ｘ－Ｙ平面あるいは主面Ｆ１に対して傾斜している。反射面Ｒ１とＸ－Ｙ平面とのなす角度θは、鋭角である。反射面Ｒ１は、液晶分子ＬＭ１の配向方向が揃った面、あるいは、空間位相が揃った面（等位相面）に相当する。

一般的に、コレステリック液晶を有する液晶層において、垂直入射した光に対する選択反射帯域Δλは、コレステリック液晶の螺旋ピッチＰ、及び、液晶層の屈折率異方性Δｎ（異常光に対する屈折率ｎｅと常光に対する屈折率ｎｏとの差分）に基づいて、次の式（１）で示される。
Δλ＝Δｎ＊Ｐ …（１）
選択反射帯域Δλの具体的な波長範囲は、（ｎｏ＊Ｐ）以上、（ｎｅ＊Ｐ）以下の範囲である。

図６は、液晶層ＬＣ１における液晶分子の配向パターンを示す平面図である。
図６には、コレステリック液晶ＣＬ１の空間位相の一例が示されている。ここに示す空間位相は、コレステリック液晶ＣＬ１に含まれる液晶分子ＬＭ１のうち、配向制御層２０の近傍に位置する液晶分子ＬＭ１１の配向方向として示している。なお、ここでの液晶分子ＬＭ１１の配向方向とは、Ｘ－Ｙ平面における液晶分子ＬＭ１１の長軸方向に相当する。

第２方向Ｙに沿って並んだ液晶分子ＬＭ１１の配向方向は互いに異なる。つまり、第２方向Ｙに沿って隣接するコレステリック液晶ＣＬ１の空間位相は、互いに異なっている。
一方、第１方向Ｘに沿って並んだ液晶分子ＬＭ１１の配向方向は略一致する。つまり、第１方向Ｘに沿って隣接するコレステリック液晶ＣＬ１の空間位相は、互いに略一致する。

例えば、Ａ－Ｂ線に沿って並んだ複数の液晶分子ＬＭ１１に着目すると、液晶分子ＬＭ１１の各々の配向方向は、第２方向Ｙに沿って（図の上から下に向かって）、時計回りに一定角度ずつ変化している。ここでは、互いに隣接する液晶分子ＬＭ１１の配向方向の変化量は、第２方向Ｙに沿って一定であるが、徐々に増大したり、徐々に減少したりしてもよい。
その結果、図５に示した液晶層ＬＣ１のように、Ｘ－Ｙ平面に対して傾斜する反射面Ｒ１が形成される。

次に、図１に示した液晶光学素子１の製造方法について図７を参照しながら説明する。

まず、ステップＳＴ１において、基板１０の主面Ｆ１に、配向制御層２０を形成するための透明な材料２０Ｍを塗布する。ここで適用される材料２０Ｍは、図２乃至図４に示した架橋性の液晶性ポリマーのいずれかである。

続いて、ステップＳＴ２では、予め凸状体２１の形状に対応する凹部が形成された金型ＭＤを用意し、金型ＭＤを材料２０Ｍに重ね合わせる。ここで、熱ナノインプリント法を適用する場合、金型ＭＤを加圧しながら金型ＭＤ及び基板１０の全体を所定の温度まで加熱する。また、光ナノインプリント法を適用する場合には、金型ＭＤを加圧しながら、材料２０Ｍが硬化する波長を含む光（例えば紫外線）を照射する。これにより、材料２０Ｍが金型ＭＤの凹部に応じた形状に硬化する。
上述した架橋性の液晶性ポリマーが凸状体２１の長手方向に平行に配向した状態で重合した一軸配向性のポリマーである場合、凸状体２１の長手方向が主鎖の方向に平行であり、主鎖の方向に液晶分子を配向させようとする配向規制力が生ずる。

その後、ステップＳＴ３では、金型ＭＤを除去する。これにより、複数の凸状体２１を有する配向制御層２０が形成される。
図示した例では、ステップＳＴ２において、金型ＭＤの凸部ＣＶが主面Ｆ１から離間した状態で、材料２０Ｍの硬化処理を行っている。このため、凸状体２１の間の主面Ｆ１が配向制御層２０で覆われている。
なお、金型ＭＤが加圧された際に、凸部ＣＶと主面Ｆ１とが互いに接した状態で材料２０Ｍの硬化処理が行われてもよい。この場合、凸状体２１の間の主面Ｆ１は、配向制御層２０から露出する。

続いて、ステップＳＴ４では、配向制御層２０の上に液晶層ＬＣ１を形成する。液晶層ＬＣ１は、例えば以下のようにして形成される。まず、配向制御層２０に接するように液晶材料を塗布する。そして、液晶材料に含まれる複数の液晶分子が配向制御層２０によって所定の方向に配向した状態で、紫外線等の光を照射して液晶材料を硬化させる。これにより、液晶層ＬＣ１が形成される。

但し、液晶材料を硬化させる以前の段階では、液晶材料に含まれる液晶分子の配向方向は、以下のようにして固定される。すなわち、配向制御層２０に近接する液晶分子ＬＭ１１は、配向制御層２０に生じた配向規制力により、Ｘ－Ｙ平面に沿うように水平配向するとともに、液晶分子ＬＭ１１の長軸が凸状体２１の接線に沿うように配向する。液晶分子ＬＭ１１に対して第３方向Ｚに重なる他の液晶分子の配向方向は、液晶分子ＬＭ１１を起点として決定される。

液晶分子ＬＭ１１の配向方向に応じて、他の液晶分子の配向方向が固定された後に、液晶材料の硬化処理が行われる。

なお、配向制御層２０を形成するための材料２０Ｍとして、上記の材料例（８）または材料例（１１）が適用された場合、ステップＳＴ４の液晶層ＬＣ１を形成する前に、配向制御層２０に対して光配向処理を行うことが望ましい。この光配向処理では、配向制御層２０に直線偏光の紫外線が照射される。

図８は、液晶光学素子１の一構成例を示す断面図である。
図８に示す例は、図７を参照して説明した製造方法において、配向制御層２０に接するように塗布された液晶材料にカイラル剤が添加されていた場合に相当する。この場合、液晶材料に含まれる複数の液晶分子ＬＭ１は、配向制御層２０に近接する液晶分子ＬＭ１１を起点として旋回しながら第３方向Ｚに重なり、コレステリック液晶ＣＬ１を形成する。

図９は、液晶光学素子１の他の構成例を示す断面図である。
図９に示す例では、液晶層ＬＣ１は、配向制御層２０を覆う第１層ＬＣ１１と、第１層ＬＣ１１の上に積層された第２層ＬＣ１２と、を備えている。
第１層ＬＣ１１は、複数の液晶分子の配向方向が揃ったネマティック液晶ＮＬ１を有している。第２層ＬＣ１２は、コレステリック液晶ＣＬ１を有している。コレステリック液晶ＣＬ１は、第１層ＬＣ１１のネマティック液晶ＮＬ１に含まれる液晶分子を起点として、複数の液晶分子が旋回しながら第３方向Ｚに重なることで形成されている。

図７を参照して説明した製造方法において、液晶層ＬＣ１を形成する工程は、第１層ＬＣ１１を形成する工程と、第２層ＬＣ１２を形成する工程と、を含む。
第１層ＬＣ１１を形成する工程では、例えば光架橋型のネマティック液晶材料を配向制御層２０の上に塗布し、液晶材料に含まれる液晶分子の配向方向が固定された後に、光を照射することで液晶材料の硬化処理を行う。
第２層ＬＣ１２を形成する工程では、例えば光架橋型のコレステリック液晶材料を第１層ＬＣ１１の上に塗布し、液晶材料に含まれる液晶分子の配向方向が固定された後に、光を照射することで液晶材料の硬化処理を行う。

図１０は、凸状体２１による液晶分子ＬＭ１１の配向パターンを説明するための平面図である。

配向制御層に含まれる複数の凸状体２１は、平面視において、アーチ状に湾曲した複数の凸状体２１１と、直線状に延出した複数の凸状体２１２と、を含む。凸状体２１１及び凸状体２１２は、互いに離間している。

複数の凸状体２１１は、平面視において、いずれも第１方向Ｘを示す矢印の先端に向かって凸となる同一の形状を有している。複数の凸状体２１２は、第１方向Ｘに沿って延出している。複数の凸状体２１１は、第１方向Ｘに並び、２本の凸状体２１２の間に配置されている。

配向制御層２０は、複数の凸状体２１の周期性による配向規制力を有している。また、配向制御層２０が一軸配向性の液晶性ポリマーである場合には、配向制御層２０は、凸状体２１の長手方向あるいは液晶性ポリマーの主鎖に沿った配向規制力ＰＰを有する。このように、配向制御層２０が液晶性ポリマーで形成されることにより、配向制御層２０の配向規制力が増強される。

例えば、第１方向Ｘに隣接する凸状体２１１の間の液晶分子ＬＭ１１は、その長軸ＬＸが凸状体２１１の延出方向（あるいは凸状体２１１の接線方向）に沿うように配向する。同様に、凸状体２１２に沿った液晶分子ＬＭ１１も、その長軸ＬＸが凸状体２１２の延出方向に沿うように配向する。
このように、配向制御層２０の配向規制力が増強されることにより、複雑な配向パターンであっても、液晶分子の配向欠陥を抑制することができる。

また、配向制御層２０の配向規制力が増強されることにより、凸状体２１のピッチＰ１を拡大したり、凸状体２１のアスペクト比（Ｄ２１／ＷＴ）を低減したりしたとしても、所望の配向パターンを安定的に形成することができる。

また、凸状体２１のピッチＰ１を拡大する、あるいは、凸状体２１のアスペクト比（Ｄ２１／ＷＴ）を低減することで、ナノインプリント法に適用される金型ＭＤを容易に製作することができ、製造コストを削減することができる。

また、金型ＭＤを用いたナノインプリント法により、液晶分子の配向方向を規定するための微小な凸状体２１を容易に形成することができる。このため、所望の光学特性を有する液晶光学素子１を量産することができる。

図１１は、凸状体２１による液晶分子ＬＭ１１の配向パターンを説明するための平面図である。
図１１に示す例では、配向制御層２０を形成するための材料２０Ｍとして、上記の材料例（８）が適用されている。また、液晶層ＬＣ１を形成する前に、配向制御層２０に対する光配向処理として、第２方向Ｙに偏光軸ＰＬを有する直線偏光の紫外線が照射される。材料例（８）に相当する液晶性ポリマーは、側鎖として、光配向性のクロモファを含んでいる。このような側鎖は、直線偏光の紫外線が照射されることにより、直線偏光に対して直交する配向規制力を生ずる。

例えば、図示した凸状体２１１に対して、偏光軸ＰＬを有する直線偏光の紫外線が照射される。これにより、凸状体２１１は、図中に矢印で示す配向規制力ＰＰＳを生ずる。このため、凸状体２１１と凸状体２１２との間の領域において、液晶分子ＬＭ１１は、凸状体２１２の配向規制力ＰＰ及び凸状体２１２の配向規制力ＰＰＳにより、その長軸ＬＸが第１方向Ｘに沿うように配向する。

図示したように、凸状体２１１の長手方向は、凸状体２１２の長手方向とは非平行である。このため、凸状体２１１の配向規制力ＰＰは、凸状体２１２の配向規制力ＰＰとは異なる方向に作用する。このように、互いに異なる方向の配向規制力ＰＰが拮抗する領域において、凸状体２１１に生じた配向規制力ＰＰＳは、凸状体２１２の配向規制力ＰＰと平行な方向に作用する。これにより、液晶分子の配向欠陥を抑制することができる。

図１０及び図１１に示す例において、例えば、凸状体２１１は第１凸状体に相当し、凸状体２１２は第２凸状体に相当する。

図１２は、他の凸状体２１による液晶分子ＬＭ１１の配向パターンを説明するための平面図である。
図１２に示す例は、図１０に示した例と比較して、複数の凸状体２１がそれぞれ直線状に延出した凸状体２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃを含む点で相違している。凸状体２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃは、互いに異なる方向に延出し、第２方向Ｙに並び、２本の凸状体２１２の間に位置している。凸状体２１１Ａ、２１１Ｂ、２１１Ｃ、２１２の各々は、図中に矢印で示す配向規制力ＰＰを有している。
このような例においても、図１０に示した例と同様の効果が得られる。

なお、図１２に示す例において、例えば、凸状体２１１Ａは第１凸状体に相当し、凸状体２１１Ｂは第２凸状体に相当する。

図１３は、液晶光学素子１の他の構成例を示す断面図である。
液晶光学素子１は、基板１０と、配向制御層２０と、液晶層ＬＣ１と、配向制御層４０と、液晶層ＬＣ２と、を備えている。

配向制御層２０は、基板１０の上に配置され、所定のピッチＰ１で並んだ複数の凸状体２１を有している。液晶層ＬＣ１は、配向制御層２０の上に配置されている。液晶層ＬＣ１は、模式的に示すように、コレステリック液晶ＣＬ１を有している。

配向制御層４０は、液晶層ＬＣ１の上に配置され、所定のピッチＰ２で並んだ複数の凸状体４１を有している。配向制御層４０は、配向制御層２０と同様に、架橋性の液晶性ポリマーによって形成されている。ピッチＰ２は、ピッチＰ１と異なっていてもよいし、ピッチＰ１と同一であってもよい。液晶層ＬＣ２は、配向制御層４０の上に配置されている。液晶層ＬＣ２は、液晶層ＬＣ１と同様に、それぞれの長軸が凸状体４１の各々に沿うように配向した複数の液晶分子を有し、これらの液晶分子の配向方向が固定された状態で硬化している。液晶層ＬＣ２は、模式的に示すように、複数の液晶分子が旋回しながら第３方向Ｚに沿って螺旋状に積み重ねられたコレステリック液晶ＣＬ２を有している。

コレステリック液晶ＣＬ１の螺旋軸ＡＸ１、及び、コレステリック液晶ＣＬ２の螺旋軸ＡＸ２は、互いに平行である。コレステリック液晶ＣＬ１は第３方向Ｚに沿って螺旋ピッチＰ１０を有し、コレステリック液晶ＣＬ２は第３方向Ｚに沿って螺旋ピッチＰ２０を有している。図１３に示す例では、螺旋ピッチＰ１０、及び、螺旋ピッチＰ２０は、互いに異なり、螺旋ピッチＰ１０は螺旋ピッチＰ２０より大きい（Ｐ１０＞Ｐ２０）。なお、螺旋ピッチＰ２０が螺旋ピッチＰ１０より大きくてもよい。

上記の通り、液晶層における選択反射帯域は、螺旋ピッチに比例する。このため、液晶層ＬＣ１及びＬＣ２がそれぞれ螺旋ピッチの異なるコレステリック液晶を有することで、液晶光学素子１の選択反射帯域を拡大することができる。

図１４は、液晶光学素子１の他の構成例を示す断面図である。
図１４に示す例は、図１３に示した例と比較して、コレステリック液晶ＣＬ１がコレステリック液晶ＣＬ２とは逆回りに旋回している点で相違している。なお、図１４に示す例では、螺旋軸ＡＸ１及び螺旋軸ＡＸ２は互いに平行であり、螺旋ピッチＰ１０及び螺旋ピッチＰ２０はほぼ同一である。なお、螺旋ピッチＰ１０は、螺旋ピッチＰ２０とは異なっていてもよい。
このため、液晶層ＬＣ１及び液晶層ＬＣ２において、右回りの円偏光及び左回りの円偏光の双方を反射することができる。

図１３及び図１４に示す例では、液晶光学素子１が２層の液晶層を備える場合について説明したが、これに限らない。液晶光学素子１は、３層以上の液晶層を備えていてもよい。

次に、図１３または図１４に示した液晶光学素子１の製造方法について図１５を参照しながら説明する。

まず、図７を参照して説明したステップＳＴ１乃至ＳＴ４により、配向制御層２０及び液晶層ＬＣ１を形成する。

その後、ステップＳＴ５において、液晶層ＬＣ１の上に、配向制御層４０を形成するための透明な材料４０Ｍを塗布する。ここで適用される材料４０Ｍは、図２乃至図４に示した架橋性の液晶性ポリマーのいずれかである。このような液晶性ポリマーは、低分子量の材料と比較して、液晶層ＬＣ１への浸透及び拡散がほとんどない。このため、液晶層ＬＣ１におけるコレステリック液晶ＣＬ１の螺旋ピッチＰ１０の変動が抑制される。

続いて、ステップＳＴ６では、予め凸状体４１の形状に対応する凹部が形成された金型ＭＤを用意し、金型ＭＤを材料４０Ｍに重ね合わせ、熱ナノインプリント法または光ナノインプリント法を適用することで、材料４０Ｍを硬化する。

その後、ステップＳＴ７では、金型ＭＤを除去する。これにより、複数の凸状体４１を有する配向制御層４０が形成される。

続いて、ステップＳＴ８では、配向制御層４０の上に液晶層ＬＣ２を形成する。液晶層ＬＣ２は、例えば以下のようにして形成される。まず、配向制御層４０に接するように液晶材料を塗布する。そして、液晶材料に含まれる複数の液晶分子が配向制御層４０によって所定の方向に配向した状態で、紫外線等の光を照射して液晶材料を硬化させる。これにより、液晶層ＬＣ２が形成される。

次に、液晶光学素子１の適用例について説明する。

図１６は、液晶光学素子１の適用例である太陽電池装置１００を説明するための断面図である。

太陽電池装置１００は、液晶光学素子１と、光電変換素子ＰＶと、保護層５０と、を備えている。液晶光学素子１は、例えば図１４に示した例の如く構成されている。すなわち、液晶層ＬＣ１のコレステリック液晶ＣＬ１は、液晶層ＬＣ２のコレステリック液晶ＣＬ２とは逆回りに旋回している。なお、螺旋軸ＡＸ１及び螺旋軸ＡＸ２は互いに平行であり、螺旋ピッチＰ１０及び螺旋ピッチＰ２０はほぼ同一である。

光電変換素子ＰＶは、基板１０の側面Ｓ１に対向し、透明な接着層により側面Ｓ１に接着されている。保護層５０は、透明基板であり、液晶層ＬＣ２の表面を覆っている。

液晶光学素子１において、配向制御層２０の屈折率は、液晶層ＬＣ１の屈折率とは異なる。また、配向制御層４０の屈折率は、液晶層ＬＣ２の屈折率とは異なる。なお、配向制御層２０及び４０、液晶層ＬＣ１及びＬＣ２が屈折率異方性を有している場合、屈折率とは、異常光屈折率及び常光屈折率の平均値に相当する平均屈折率である。

次に、太陽電池装置１００の動作について説明する。

太陽電池装置１００に入射する光ＬＴｉは、例えば、太陽光である。つまり、光ＬＴｉは、可視光の他に赤外線を含んでいる。

光ＬＴｉは、基板１０及び配向制御層２０を透過して、液晶層ＬＣ１に入射する。このとき、配向制御層２０の屈折率が液晶層ＬＣ１の屈折率とは異なるため、入射した光ＬＴｉは、配向制御層２０と液晶層ＬＣ１との界面で屈折する。そして、液晶層ＬＣ１は、反射面Ｒ１において、光ＬＴｉのうち、一部の光ＬＴｒ１を基板１０に向けて反射し、他の光ＬＴｔを透過する。

液晶層ＬＣ１を透過した光ＬＴｔは、配向制御層４０を透過して、液晶層ＬＣ２に入射する。このとき、配向制御層４０の屈折率が液晶層ＬＣ２の屈折率とは異なるため、入射した光ＬＴｔは、配向制御層４０と液晶層ＬＣ２との界面で屈折する。そして、液晶層ＬＣ２は、反射面Ｒ２において、光ＬＴｔのうち、一部の光ＬＴｒ２を基板１０に向けて反射し、他の光ＬＴｔを透過する。

例えば、液晶層ＬＣ１及びＬＣ２は、赤外線を反射するように構成されている。赤外線のうちの第１円偏光Ｉ１は、光ＬＴｒ１に相当し、液晶層ＬＣ１に形成された反射面Ｒ１において反射される。また、赤外線のうちの第１円偏光Ｉ１とは逆回りの第２円偏光Ｉ２は、光ＬＴｒ２に相当し、液晶層ＬＣ２に形成された反射面Ｒ２において反射される。液晶層ＬＣ２及び保護層５０を透過する光ＬＴｔは、赤外線とは異なる波長の光であり、可視光を含んでいる。

液晶層ＬＣ１で反射された光ＬＴｒ１、及び、液晶層ＬＣ２で反射された光ＬＴｒ２は、基板１０と空気層との界面で全反射される。そして、光ＬＴｒ１及び光ＬＴｒ２は、液晶光学素子１において反射を繰り返しながら側面Ｓ１を透過する。光電変換素子ＰＶは、側面Ｓ１を透過した光ＬＴｒ１及びＬＴｒ２（赤外線の第１円偏光Ｉ１及び第２円偏光Ｉ２）を受光し、発電する。

このような太陽電池装置１００によれば、入射した光のうち、発電に必要な波長の光を効率よく光電変換素子ＰＶに導光することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、液晶分子の配向欠陥を抑制することが可能な液晶光学素子を提供することができる。

本実施形態において、液晶層ＬＣ１は第１液晶層に相当し、液晶層ＬＣ２は第２液晶層に相当し、コレステリック液晶ＣＬ１は第１コレステリック液晶に相当し、コレステリック液晶ＣＬ２は第２コレステリック液晶に相当し、配向制御層２０は第１配向制御層に相当し、配向制御層４０は第２配向制御層に相当する。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…液晶光学素子 １０…基板
２０、４０…配向制御層 ２１、４１…凸状体
ＬＣ１、ＬＣ２…液晶層 ＬＭ１、ＬＭ１１、ＬＭ１２…液晶分子
５０…保護層
１００…太陽電池装置

Claims (15)

1. 基板と、
   前記基板の上に配置され、所定のピッチで並んだ複数の凸状体を有する第１配向制御層と、
   前記第１配向制御層の上に配置された第１液晶層と、を備え、
   前記第１液晶層は、それぞれの長軸が前記凸状体の各々に沿うように配向した複数の液晶分子を有し、前記複数の液晶分子の配向方向が固定された状態で硬化し、
   前記第１配向制御層は、架橋性の液晶性ポリマーによって形成されている、液晶光学素子。
2. 前記液晶性ポリマーは、側鎖として、光配向性のクロモファを含む、請求項１に記載の液晶光学素子。
3. 前記凸状体の厚さは、前記凸状体の幅より大きい、請求項１に記載の液晶光学素子。
4. 隣接する前記凸状体の間隔は、前記凸状体の厚さより小さい、請求項１に記載の液晶光学素子。
5. 前記第１液晶層は、前記複数の液晶分子が旋回しながら厚さ方向に沿って螺旋状に積み重ねられた第１コレステリック液晶を有している、請求項１に記載の液晶光学素子。
6. 前記第１液晶層は、前記第１配向制御層を覆う第１層と、前記第１層の上に積層された第２層と、を備え、
   前記第１層は、前記複数の液晶分子の配向方向が揃ったネマティック液晶を有し、
   前記第２層は、前記第１コレステリック液晶を有している、請求項５に記載の液晶光学素子。
7. 平面視において、前記複数の凸状体は、湾曲した第１凸状体と、直線状に延出した第２凸状体と、を含む、請求項１に記載の液晶光学素子。
8. 平面視において、前記複数の凸状体は、直線状に延出した第１凸状体及び第２凸状体を含み、
   前記第１凸状体の延出方向は、前記第２凸状体の延出方向とは異なる、請求項１に記載の液晶光学素子。
9. さらに、
   前記第１液晶層の上に配置され、所定のピッチで並んだ複数の凸状体を有する第２配向制御層と、
   前記第２配向制御層の上に配置された第２液晶層と、を備え、
   前記第２液晶層は、それぞれの長軸が前記凸状体の各々に沿うように配向した複数の液晶分子を有し、前記複数の液晶分子の配向方向が固定された状態で硬化し、
   前記第２配向制御層は、架橋性の液晶性ポリマーによって形成されている、請求項１に記載の液晶光学素子。
10. 前記第１液晶層は、第１コレステリック液晶を有し、
    前記第２液晶層は、第２コレステリック液晶を有し、
    前記第１コレステリック液晶の螺旋ピッチは、前記第２コレステリック液晶の螺旋ピッチとは異なる、請求項９に記載の液晶光学素子。
11. 前記第１液晶層は、第１コレステリック液晶を有し、
    前記第２液晶層は、第２コレステリック液晶を有し、
    前記第１コレステリック液晶は、前記第２コレステリック液晶とは逆回りに旋回している、請求項９に記載の液晶光学素子。
12. 前記第１配向制御層の屈折率は、前記第１液晶層の屈折率とは異なる、請求項１に記載の液晶光学素子。
13. 基板の上に架橋性の液晶性ポリマーを塗布し、熱ナノインプリント法または光ナノインプリント法により、所定のピッチで並んだ複数の凸状体を有する第１配向制御層を形成し、
    前記第１配向制御層の上に液晶材料を塗布し、前記液晶材料に含まれる複数の液晶分子が前記第１配向制御層の配向規制力に応じて所定の方向に配向した状態で前記液晶材料を硬化し、第１液晶層を形成する、液晶光学素子の製造方法。
14. 前記液晶性ポリマーは、側鎖として、光配向性のクロモファを含み、
    前記液晶材料を塗布する前に、前記第１配向制御層に直線偏光の紫外線を照射する、請求項１３に記載の液晶光学素子の製造方法。
15. さらに、
    前記第１液晶層の上に架橋性の液晶性ポリマーを塗布し、熱ナノインプリント法または光ナノインプリント法により、所定のピッチで並んだ複数の凸状体を有する第２配向制御層を形成し、
    前記第２配向制御層の上に液晶材料を塗布し、前記液晶材料に含まれる複数の液晶分子が前記第２配向制御層の配向規制力に応じて所定の方向に配向した状態で前記液晶材料を硬化し、第２液晶層を形成する、請求項１３に記載の液晶光学素子の製造方法。

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