JP2783196B2 - 液晶光学素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術の分野】本発明は、文字、図形等を
表示する表示装置、入射光の透過・散乱または透過・遮
断を制御する調光窓、光シャッター等に利用される液晶
光学素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】液晶を用いた表示素子は、従来、ネマチ
ック液晶を使用したＴＮ型や、ＳＴＮ型のものが実用化
されている。また近年、強誘電液晶や反強誘電液晶の開
発も行われている。しかしこれらの素子は偏光板を要す
るため、明るさ、コントラストにおいて制限を受けると
いう欠点を有している。

【０００３】一方、特公平３−５２８４３号公報に開示
された、液晶をカプセル化し、高分子化合物中に分散す
る方法では、偏光板を要しないため光の利用効率が高い
という利点を有している。このＰＤＬＣまたはＮＣＡＰ
と呼ばれる液晶光学素子においては、カプセル内の液晶
の屈折率が電界の有無によって変化することを利用して
いる。つまり高分子化合物の屈折率を電圧印加時の液晶
の屈折率と等しく設定することにより電圧印加時では光
を透過し透明となり、電圧を除いた時には光を散乱し不
透明となる光学素子が得られる。しかしながら上記液晶
光学素子は、高分子化合物と液晶との屈折率差を利用し
ているため、光透過率の温度依存性が大きい、光透過率
の視野角依存性が大きい等の問題があった。

【０００４】これに対し、国際出願９２／１９６９５号
公報に開示されたカイラルネマチック液晶中に微量の高
分子化合物を分散する方法では、電界無印加時に液晶相
はプレナーテクスチャーを形成し素子は透明となり、電
圧印加時にフォーカルコニックテクスチャーを形成し不
透明となる液晶光学素子が得られている。一般にＰＳＣ
Ｔと呼ばれるこの液晶光学素子は、カイラルネマチック
液晶の相変化による光の透過散乱現象を利用しており、
液晶と高分子化合物との屈折率差を利用するものではな
い。このため、光透過率の温度依存性が小さく、また、
光透過率の視野角依存性も小さいという利点を有してい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記国際出願９２／１
９６９５号公報においては、４，４′−ビスアクリロイ
ルビフェニルなる重合性化合物を重合させることにより
高分子化合物を得ている。しかしながら、上記開示技術
の液晶光学素子は、駆動電圧が１４Ｖ以上と高く、薄膜
トランジスタ（ＴＦＴ）等で駆動することが出来ないと
いう問題点があった。また上記開示技術による素子はヒ
ステリシスが大きく、階調表示が出来ないという問題も
あった。さらに、電圧無印加時の光透過率（最大光透過
率）を電圧印加時の光透過率で割った値で示されるコン
トラストの最大値が２０程度と小さく、鮮明な画像表示
が出来ないという問題もあった。

【０００６】特開平５−２２４１８７号公報では、上記
液晶光学素子の特性の改善が提案されており、重合性化
合物として、４，４′−ジアクリロイルオキシ ３，
３′，５，５′−テトラメチルビフェニルが例示されて
いる。しかしながら、この液晶光学素子も駆動電圧が約
１０Ｖと高く、またヒステリシスも０．８Ｖと大きく、
十分なものとは言えない。これらの２つの開示技術は、
いずれも重合性化合物としてビフェニル骨格を有してい
る化合物を使用している。

【０００７】

【課題を解決するための手段】一般に、駆動電圧やヒス
テリシス、コントラスト等の電気光学特性は、高分子化
合物とカイラルネマチック液晶との相互作用が大きく影
響していることが知られているが、その相互作用を化学
構造から予想することはできていない。

【０００８】本発明者らは、前述の課題を解決するため
に鋭意研究した結果、一般式（Ｉ）で示される化合物を
重合させて得た高分子化合物、もしくは一般式（Ｉ）で
示される化合物と、他の重合性化合物を重合させて成る
高分子化合物を、上記した相変化型の液晶光学素子のカ
イラルネマチック液晶またはコレステリック液晶中に分
散する高分子化合物として使用することにより、低電圧
駆動かつ精細表示可能である液晶素子が得られることを
見出した。

【０００９】

【化２】

【００１０】（上記一般式において、Ｒ₁ は水素原子又
はメチル基、Ｒ₂ 〜₅ は、それぞれ独立して水素原子又
は炭素数１〜１０のアルキル基、ｎは２〜６の整数を表
す。） つまり本発明は、電極層が付いた少なくとも一方が透明
な２枚の基板間にカイラルネマチック液晶またはコレス
テリック液晶と高分子化合物とからなる調光層を挟持し
た液晶光学素子において、前記高分子化合物が、一般式
（Ｉ）で示される化合物を重合させて得た高分子化合
物、もしくは一般式（Ｉ）で示される化合物と他の重合
性化合物を重合させて成る高分子化合物であることを特
徴とする。

【００１１】ここで、Ｒ₁ は水素原子、もしくはメチル
基とすることで一般式（Ｉ）の化合物を重合するときの
反応性を高めることから有利である。すなわち、炭素数
が多くなるとかさ高くなるために重合しにくくなり、実
用に供することは困難となる。ｎの数が１以下であると
液晶との混合物の粘性が高くなりすぎてしまい、素子に
混合物を注入するのが困難となり、好ましくない。ま
た、ｎの数が６より大きくなったり、またＲ₂ 〜₅ の炭
素数が１０より多くなると、液晶に対する化合物の溶解
性が低くなるため素子の作製が困難となってしまうため
好ましくない。なお、Ｒ₂ 〜₅ のアルキル基は、直鎖
状、分岐状、環状いずれでも良い。

【００１２】本発明の液晶光学素子の調光層に用いられ
る高分子化合物は、前記した相変化型の液晶光学素子の
カイラルネマチック液晶中に分散する高分子化合物とし
てのみ限定利用することはなく、例えば前記「従来の技
術」の欄で挙げたＰＤＬＣまたはＮＣＡＰと呼ばれる液
晶光学素子に使用される高分子化合物にも利用すること
ができる。

【００１３】本発明の液晶光学素子の調光層に用いられ
る高分子化合物は一般式（Ｉ）に示される重合性化合物
のみを単独で重合させて得たものでも良いし、一般式
（Ｉ）に示される重合性化合物の二種類以上の共重合体
や、他の化学式に示される一種類以上の重合性化合物と
の共重合体であっても構わない。他の重合性化合物とし
ては、アクリロイル基、ビニル基等の通常の重合性基を
有する重合性化合物であればいずれも使用できる。また
重合性基は、重合性化合物一分子中に複数あっても構わ
ない。一般式（Ｉ）が共重合体中に占める割合は特に限
定されないが、５０モル％程度以上であると、一般式
（Ｉ）の化合物による効果を十分発揮することが可能に
なる。

【００１４】本発明の一般式（Ｉ）に示される重合性化
合物と共重合できる重合性基を有する重合性化合物とし
ては、２−エチルヘキシルアクリレート、ブチルエチル
アクリレート、ブトキシエチルアクリレート、２−シア
ノエチルアクリレート、ベンジルアクリレート、シクロ
ヘキシルアクリレート、２−ヒドロキシプロピルアクリ
レート、２−エトキシエチルアクリレート、Ｎ，Ｎ−ジ
エチルアミノエチルアクリレート、Ｎ，Ｎ−ジメチルア
ミノエチルアクリレート、ジシクロペンタニルアクリレ
ート、ジシクロペンテニルアクリレート、グリシジルア
クリレート、テトラヒドルフルフリルアクリレート、イ
ソアミルアクリレート、イソボニルアクリレート、イソ
デシルアクリレート、ラウリルアクリレート、モルホリ
ンアクリレート、フェノキシエチルアクリレート、フェ
ノキシジエチレングリコールアクリレート、イソアミル
アクリレート、テトラフルオロフルフリルアクリレー
ト、２，２，２−トリフルオロエチルアクリレート、
２，２，３，３，３−ペンタフルオロプロピルアクリレ
ート、２−（パーフルオロブチル）エチルアクリレー
ト、２−（パーフルオロデシル）エチルアクリレート等
の単官能アクリレート化合物、２−エチルヘキシルメタ
クリレート、ブチルエチルメタクリレート、ブトキシエ
チルメタクリレート、２−シアノエチルメタクリレー
ト、ベンジルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリ
レート、２−ヒドロキシプロピルメタクリレート、２−
エトキシエチルアクリレート、Ｎ，Ｎ−ジエチルアミノ
エチルメタクリレート、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノエチル
メタクリレート、ジシクロペンタニルメタクリレート、
ジシクロペンテニルメタクリレート、グリシジルメタク
リレート、テトラヒドロフルフリルメタクリレート、イ
ソボニルメタクリレート、イソデシルメタクリレート、
ラウリルメタクリレート、モルホリンメタクリレート、
フェノキシエチルメタクリレート、フェノキシジエチレ
ングリコールメタクリレート、２，２，２−トリフルオ
ロエチルメタクリレート、２，２，３，３，３−ペンタ
フルオロプロピルメタクリレート、２−（パーフルオロ
ブチル）エチルメタクリレート、２−（パーフルオロヘ
キシル）エチルメタクリレート、２−（パーフルオロデ
シル）エチルメタクリレート、等の単官能メタクリレー
ト化合物、ジチレングリコールジアクリレート、１，４
−ブタンジオ−ルジアクリレート、１，３−ブチレング
リコールジアクリレート、ジシクロペンタニルジアクリ
レートグリセロールジアクリレート、１，６−ヘキサン
ジオールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジア
クリレート、テトラエチレングリコールジアクリレー
ト、トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタ
エリスリトールテトラアクリレート、ペンタエリスリト
ールトリアクリレート、ジトリメチロールプロパンテト
ラアクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサアクリ
レート、ジペンタエリスリトールモノヒドロキシペンタ
アクリレート、ウレタンアクリレートオリゴマー、４，
４′−ジアクリロイルオキシスチルベン、４，４′−ジ
アクリロイルオキシジエチルスチルベン、４，４′−ジ
アクリロイルオキシジプロピルスチルベン、４，４′−
ジアクリロイルオキシジブチルスチルベン、４，４−ジ
アクリロイルオキシフルオロスチルベン、４，４′−ジ
アクリロイルオキシジクロロスチルベン、２，２，３，
３，４，４−ヘキサフルオロ１，５−ペンタンジオール
ジアクリレート、２，２，３，３，４，４，５，５−オ
クタフルオロ１，６−ヘキサンジオールジアクリレート
等の多官能アクリレート化合物、ジエチレングリコール
ジメタクリレート、１，４−ブタンジオールジメタクリ
レート、１，３−ブチレングリコールジメタクリレー
ト、ジシクロペンタニルジメタクリレートグリセロール
ジメタクリレート、１，６−ヘキサンジオールジメタク
リレート、ネオペンチルグリコールジメタクリレート、
テトラエチレングリコールジメタクリレート、トリメチ
ロールプロパントリメタクリレート、ペンタエリスリト
ールテトラメタクリレート、ペンタエリスリトールトリ
メタクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラメタ
クリレート、ジペンタエリスリトールヘキサメタクリレ
ート、ジペンタエリスリトールモノヒドロキシペンタメ
タクリレート、ウレタンメタクリレートオリゴマー、
４，４′−ジメタクリロイルオキシスチルベン、４，
４′−ジメタクリロイルオキシジエチルスチルベン、
４，４′−ジメタクリロイルオキシジプロピルスチルベ
ン、４，４′−ジメタクリロイルオキシジブチルスチル
ベン、２，２，３，３，４，４−ヘキサフルオロ１，５
−ペンタジオールジメタクリレート、２，２，３，３，
４，４，５，５−オクタフルオロ１，６−ヘキサンジオ
ールジメタクリレート等の多官能メタクリレート化合
物、スチレン、アミノスチレン、酢酸ビニル、等がある
がこれに限定されるものではない。

【００１５】高分子化合物は、液晶および高分子化合物
の総重量中０．５重量％以上８．０重量％以下含有され
ていることが望ましい。少なすぎるとフォーカルコニッ
クテクスチャーを保持するいわゆるメモリー現象が発現
し、多すぎると駆動電圧が上昇しかつ電圧無印加時の透
過率が低下を引き起こすためである。

【００１６】重合性化合物の重合方法としては、光重合
法、加熱重合法等が挙げられるが、光重合法が好まし
い。

【００１７】重合性化合物の光重合法に用いられる光源
としては電子線や紫外線を用いることができる。紫外線
による光重合を行う際には反応促進のために光重合開始
剤を添加することが望ましい。その光重合開始剤として
は、２，２−ジエトキシアセトフェノン、２−ヒドロキ
シ−２−メチル−１−フェニル−１−オン、１−（４−
イソプロピルフェニル−）−２−ヒドロキシ−２−メチ
ルプロパン−１−オン、１−（４−ドデシルフェニル）
−２−ヒドロキシ−２−メチルプロパン−１−オン、２
−メチル−１−［４−（メチルチオ）フェニル］−２−
モルホリノプロパン−１等のアセトフェノン系、ベンゾ
インメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベン
ゾインイソプロピルエーテル、ベンジルジメチルケター
ル等のベンゾイン系、ベンゾフェノン、ベンゾイル安息
香酸、４−フェニルベンゾフェノン、３，３−ジメチル
−４−メトキシベンゾフェノン等のベンゾフェノン系、
チオキサンソン、２−クロルチオキサンソン、２−メチ
ルチオキサンソン等のチオキサンソン系、ジアゾニウム
塩系、スルホニウム塩系、ヨードニウム塩系、セレニウ
ム塩系等の通常の光重合開始剤が使用できる。開始剤は
固体でも液体でも構わないが素子の均一性の点から液晶
中に溶解または相溶するものが望ましい。開始剤濃度は
高分子化合物前駆体の３０重量％以下が好ましい。また
必要に応じてメチルジエタノールアミン、４−ジメチル
アミノ安息香酸等の光開始助剤を添加しても構わない。

【００１８】本発明の液晶光学素子に使用される液晶材
料としては、ネマチック液晶のほか、ネマチック液晶中
にカイラル剤を混合したカイラルネマチック液晶が使用
されるが、これと類似の特性を有している通常のコレス
テリック液晶も使用することができる。

【００１９】ネマチック液晶としては、シアノ系、フッ
素系、塩素系等のいずれの液晶でも使用することができ
るが、高電荷保持率、高Δｎの液晶が望ましく、特にフ
ッ素系液晶が有効である。またカイラル剤も、特に制限
は無いが、摂氏−２０度以上にて液晶に良好に溶解する
ことが望ましい。

【００２０】ネマチック液晶とカイラル剤の混合比は、
目的とするカイラルピッチにより決定される。カイラル
ネマチック液晶のカイラルピッチは、光透過型として使
用する場合は、素子の駆動電圧とコントラストの関係よ
り１．０μm 以上５．０μm以下が望ましい。また、選
択反射型として使用する場合は０．２５μm 以上１．０
μm 以下が望ましい。

【００２１】本発明に用いられる基板の材質は、ガラ
ス、プラスチック、金属等が使用できる。またカラーフ
ィルターを有する基板を用いたり、顔料や色素等を基板
中に分散させることによって、カラー化することができ
る。

【００２２】基板は電極層が調光層側になるように設置
する。

【００２３】電極層としてはＩＴＯ等の材質のものが利
用できるが、使用する基板自身が導電性を有している場
合は、基板を電極としても利用することができる。電極
層は調光層と密着した状態で設置する。

【００２４】これらの電極層付き基板は液晶が配向する
ように処理されていないものでもよいが、処理されてい
ることが望ましい。この際、２枚の基板ともホモジニア
ス配向であっても良いし、一方がホモジニアス配向で、
もう一方がホメオトロピック配向である、いわゆるハイ
ブリッドであっても構わない。この配向処理には、ＴＮ
液晶、ＳＴＮ液晶等に用いられるポリイミド等の通常の
配向膜が利用できる。またラビング処理することが望ま
しい。

【００２５】基板の間隔設定には、通常の液晶デバイス
に用いられるガラスまたは高分子化合物等から成るロッ
ド状、球状のスペーサーを使用することができ、その間
隔は３μm 〜３０μm 程度が望ましい。

【００２６】本発明の液晶光学素子は、ギャップの定ま
った基板間に、カイラルネマチック液晶および重合性化
合物の混合物を挟持した後、光を照射して製造すること
ができる。この際、混合物の注入は、減圧下でも常圧下
でも構わない。また必要であれば、加温を行っても構わ
ない。

【００２７】本発明の液晶光学素子は、調光層を電極層
を有する２枚の透明な基板間に挟持した構造である光透
過型のみならず一方の基板が不透明な光反射型にも適応
できる。例えば調光層を電極層を有する透明な基板と電
極層を有する光反射板間に挟持した素子構造、電極層を
有する透明な基板と電極層を有する光吸収板間に挟持し
た素子構造等がある。

【００２８】光反射板は光を反射する材料で構成されて
あれば無機材料でも有機材料でも構わない。また光反射
材料をコーティングする基板は光反射材料が調光層側に
位置していない場合は必ずしも透明である必要はない。

【００２９】光吸収板は光を吸収する材料で構成されて
いれば無機材料でも有機材料でも構わない。また光吸収
材料をコーティングする基板は光吸収材料が調光層側に
位置していない場合は必ずしも透明である必要はない。
光反射材料または光吸収材料が導電性を有している場合
はこれらを電極としても利用することができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を用いて詳細に説明
するが、本発明はその要旨を越えない限り以下の実施例
に限定されるものではない。

【００３１】なお本発明の実施例に記述されている駆動
電圧、応答時間は以下のように定義し、測定結果は表１
に示す。

【００３２】駆動電圧：電圧無印加時の光透過率を１０
０％（初期透過率）、電圧印加により飽和した光透過率
を０％（飽和透過率）とした時、素子の光透過率が１０
％となる印加電圧。

【００３３】応答時間：オンの応答時間は、電圧印加後
に、素子の光透過率が１００％から１０％にまで減少す
る時間までの時間である。

【００３４】オフの応答時間は、印加電圧除去後、素子
の光透過率が０％から９０％にまで増加する時間であ
る。

【００３５】電荷保持率：５Ｖ、６０μｓのパルス電圧
を素子に印加する。１６．７ｍｓ後に素子が保持してい
る電圧をＶとすると、電荷保持率は以下の式で示され
る。

【００３６】電荷保持率＝（Ｖ／５）×１００（％） コントラスト：Ｆ値を１５にした光学系において、電圧
無印加時の光透過率を電圧印加により飽和した光透過率
で割った値。

【００３７】（実施例１）フッ素系ネマチック液晶ＲＤ
Ｐ−４０９５７（ロディック社製）９５ｗｔ％、カイラ
ル剤Ｓ８１１（メルク社製）２．８ｗｔ％、下記式で表
される３，４−ビス（パラ−メタクリロイルオキシフェ
ニル）−２，４−ヘキサジエン２．１５ｗｔ％およびベ
ンゾインメチルエーテル０．０５ｗｔ％の混合液を２枚
のホモジニアス配向処理された電極層付き透明ガラス基
板から成るギャップ１０μm の液晶セルに注入した。こ
の液晶セルを２０℃に保ち、０．１ｍＷ／cm² の紫外線
（波長３６５nm）を１８０分間照射し、重合性化合物を
硬化させた。

【００３８】

【化３】

【００３９】作製した液晶光学素子の電気光学特性は、
光源としてヘリウム−ネオンレーザ、検出器としてフォ
トダイオードを用いて１００Ｈｚの矩形波を印加して測
定した。光学系のＦ値は１５である。２５℃での特性を
表１に示す。

【００４０】（実施例２）シアノ系液晶ＲＤＰ−７１１
２０−１（ＲＯＤＩＣ社製）９５．５ｗｔ％、カイラル
剤Ｓ８１１（メルク社製）２．０ｗｔ％、下記式で表さ
れる３，４−ビス（パラーメクリロイルオキシフェニ
ル）ヘキサン２．４５ｗｔ％、および２，２−ジエトキ
シアセトフェノン０．０５ｗｔ％の混合液を２枚のホモ
ジニアス配向処理された電極層付き透明ガラス基板から
成るギャップ１０μm の液晶セルに注入した。

【００４１】

【化４】

【００４２】紫外線の照射条件および電気光学特性の評
価条件は実施例１と同じ条件で行った。

【００４３】（実施例３）フッ素系ネマチック液晶ＲＤ
Ｐ−４０９５７（ロディック社製）９５ｗｔ％、カイラ
ル剤Ｓ８１１（メルク社製）２．８ｗｔ％、下記式
（ａ）で表される３，４−ビス（パラ−メタクリロイル
オキシフェニル）−２，４−ヘキサジエン１．１ｗｔ％
と下記式（ｂ）で表される４，４′−ビスアクリロイル
オキシビフェニル１．０５ｗｔ％およびベンゾインメチ
ルエーテル０．０５ｗｔ％の混合液を２枚のホモジニア
ス配向処理された電極層付き透明ガラス基板から成るギ
ャップ１０μm の液晶セルに注入した。この液晶セルを
２０℃に保ち、０．１ｍＷ／cm²の紫外線（波長３６５n
m）を１８０分間照射し、重合性化合物を硬化させた。 式（ａ）

【００４４】

【化５】

【００４５】式（ｂ）

【００４６】

【化６】

【００４７】紫外線の照射条件および電気光学特性の評
価条件は実施例１と同じ条件で行った。

【００４８】（比較例１）重合性化合物として４，４′
−ビスアクリロイルオキシビフェニル（下記式、２．１
５ｗｔ％）を使用する以外は実施例１と同等の条件で行
った。

【００４９】

【化７】

【００５０】（比較例２）重合性化合物として４，４′
−ビスアクリロイルオキシビフェニル（下記式、２．４
５ｗｔ％）を使用する以外は実施例２と同等の条件で行
った。

【００５１】

【化８】

【００５２】

【表１】

【００５３】

【発明の効果】本発明の液晶光学素子によれば、相変化
を用いた液晶光学素子のコントラストが向上し、鮮明な
画像表示が可能となる。また、駆動電圧が低下し、ＴＦ
Ｔ駆動が可能となる。またヒステリシスも低下するた
め、階調表示が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の液晶光学素子の光透過率を
示す図である。

【図２】本発明の実施例１の液晶光学素子の構造を示す
図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 電極層 ３ 配向膜 ４ 高分子化合物 ５ カイラルネマチック液晶

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長谷川 悦雄 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気 株式会社内 (56)参考文献 特開 平７−5440（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C09K 19/54 ＣＡ（ＳＴＮ) ＲＥＧＩＳＴＲＹ（ＳＴＮ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電極層が付いた少なくとも一方が透明な２
   枚の基板間にカイラルネマチック液晶またはコレステリ
   ック液晶と、高分子化合物とからなる調光層を挟持し、
   電界無印加時にプレナーテクスチャーとなり、電界印加
   時にフォーカルコニックテクスチャーとなる液晶光学素
   子において、前記高分子化合物が、一般式（Ｉ）に示さ
   れる化合物を重合させて成る高分子化合物、もしくは一
   般式（Ｉ）に示される化合物と他の重合性化合物とを共
   重合させて成る高分子化合物であることを特徴とする液
   晶光学素子。 【化１】 （上記一般式において、Ｒ₁ は水素原子又はメチル基、
   Ｒ₂ 〜₅ は、それぞれ独立して水素原子又は炭素数１〜
   １０のアルキル基、ｎは２〜６の整数を表す。）