JP2922394B2 - 高分子液晶複合体 - Google Patents
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Description
い形態の高分子液晶複合体に関する。
テッドネマチック(Twisted Nematic:TN)液晶やスーパ
トウィステッドネマチック(Super Twisted Nematic:ST
N)液晶は、偏光板を使用するので光の利用効果が小さ
く、また表面配向を必要とするので画素密度が高くなる
と薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor:TFT)素子
周囲の配向処理が難しくなり、視野角が±20度内外と
狭い。
高分子に液晶を分散させた光散乱モードの高分子分散形
液晶複合体(Polymer Dispersed Liquid Crystal:PDLC)
や高分子網形液晶複合体(Polymer Network Liquid Cry
stal:PNLC)が登場した。
液晶と高分子の屈折率が一致しないので入射光が散乱さ
れてセル(cell)が不透明になるが電界を印加すると液
晶が電界方向に配列されてセルが透明になるという原理
により、偏光板を使用しない照光表示が可能となる。
液晶やSTN液晶より光の利用効率が良好であり、視野
角も優秀ではあるが、電界印加時に視覚方向によって屈
折率の不一致(mismatching )が大きくなり、ヘイズ
(haze)発生によるコントラストの低下が生じるので、
実際には照光ガラス(switchable window )および直視
形ディスプレイに応用するためには視野角を改善する必
要がある。
した液晶ディスプレイは、偏光板を使用するために光の
利用効率が少なくコントラストが良くない。従って、偏
光を利用しないで光の透過、散乱モードを利用してディ
スプレイに利用しようとする多くの努力が試図されてき
た。
のは、透明高分子樹脂に液晶を分散させた形式である
(米国特許第4,435,047号)。これは、透明な
ポリビニルアルコール水溶液の中で液晶を均一に分散さ
せた後、これを電導性物質であるインジウムティンオキ
サイド(ITO)をコーティングしたガラス板またはポリエ
ステルフィルムの上に10乃至20μmの厚さで均一に
コーティングして水分を蒸発させた後、ITOがコーテ
ィングされた他のガラス板またはポリエステルフィルム
をその上に接着させて製造する方法である。
高分子化合物と液晶モノマの溶解度の差を利用した相分
離製造方法(米国特許第4,688,900号、米国特
許第4,685,771号)である。これは、透明高分
子樹脂のモノマーまたはオリゴマーに液晶モノマーを溶
解し、紫外線または熱により重合反応を進行させたとき
に液晶モノマーの溶解度が減少してドロプレット形態で
析出する原理を利用して製造するものである。
液晶の常光屈折率(Ordinary Refractive Index)をn
o、異常光屈折率(Extra Ordinary Refractive Index)
をneとした時、電界を印加しない場合は図1(A)に
示すようにneとnsが一致しないので入射光が散乱さ
れてフィルムは不透明であるが、電界を印加すると図1
(B)のように液晶が電界方向に配列されるのでnoと
nsとが一致し、フィルムは透明になる。このような原
理により製造されたフィルムは大面積化が可能であるの
で照光ガラスとして利用したり、明るい画面を得ること
ができるので透射型や直視型ディスプレイとして利用す
ることが可能である。
STN液晶よりは視野角度が広く応答速度も向上された
液晶材料を得ることができる。しかしながら、電界印加
時に側面入射光のnsとnoとが高分子と液晶モノマー
との構造の相違性により一致しないため、この場合も視
野角は±45度程度と限界がある。
ロプレットを形成するのとは異なり、高分子網形液晶複
合体(PNLC)は液晶が連続相であり、高分子が架橋された
3次元的網模様の構造であるため、液晶と高分子との屈
折率依存性が大きくないという点でPDLCとは動作原
理が異なり(日本国特開平1−198725号公報)、
視野角もPDLCよりは広い方である。しかしながら、
このPNLCも視覚方向が側面に傾いてヘイズが増加し
て視野角が減少する。
示すように、高分子に液晶モノマーと同一な構造の側鎖
を持ち(branched)、複屈折率がある異方性高分子を合
成して液晶高分子複合体を製造する方法が提案(WO 89
−09807)されている。これは、常光屈折率no’
および異常光屈折率ne’が液晶の常光屈折率noおよ
び異常光屈折率neと同一の値を持った高分子を選択し
て製造することにより、電界印加時にいかなる視覚にお
いても液晶と高分子化合物の屈折率値を同じにして視野
角を拡大させるものである。
分子の合成が非常に難しい。また高分子化合物と液晶モ
ノマーとの相溶性等により相分離も難しいので、構造が
異なるいろいろな液晶モノマーが混合されている場合に
は視野角が減少する等の欠点がある。
ステリック液晶のポカルコニック構造および双安定性を
利用した広視野角を持つ高分子液晶複合材料が発表され
ている。これは、ポリイミド等によりラビング(rubbin
g)処理された2枚のインジウムティンオキサイド(ITO)
のガラス板の間にコレステリック液晶を添加して生じる
螺旋構造を利用したものである。螺旋1ピッチの長さを
赤外線領域に調節すると可視光線領域で反射や散乱が生
じないため、表面配向効果によるプラナ構造により光が
透過するようになる。また、電界を印加すれば配向規制
力が解かれて無秩序度が最大のポカルコニック構造にな
るので入射光が散乱されるようになる。しかしながら、
この高分子液晶複合材料は、コントラストが10程度と
良好でなく、また駆動電圧が高いので配向処理が必要に
なる等の欠点がある。
のような問題点を解決するために、製造が簡単であり、
配向処理を施さなくとも駆動電圧およびコントラスト等
が良好で、かつ広視野角を持つ新規の高分子液晶複合体
を提供することにある。
枚の透明電極基板の間に、液晶と高分子とが分散する構
造を有する高分子液晶複合体であって、モノマー、オリ
ゴマー系列のアクリレート化合物、前記液晶と類似した
構造を有するビフェニルジアクリレートに、コレステリ
ック液晶、ネマチック液晶を添加して重合させてなる高
分子液晶複合体を提供するものである。
クリレートは、モノマーとオリゴマーと架橋剤とで構成
されたモノマー、オリゴマーシステムであって、所望す
る物性に最適な比率で使用することができる。この高分
子化合物の含量が多くなると駆動電圧が上がり、少なす
ぎるとコントラストが低下するので、高分子液晶複合体
全体組成に対して1乃至40重量%とするのが望まし
く、より好ましくは3乃至30重量%、最も好ましくは
5乃至20重量%である。
ビフェニルジアクリレートは、両端に二重結合を有して
いるので容易に紫外線硬化が可能である。ビフェニルジ
アクリレートの使用量が多くなると視野角は改善される
が、駆動電圧が上昇してコントラストが減少し、使用量
があまりに少ないと視野角が減少する。従って、添加す
る量は、アクリレート系高分子化合物に対して0.1乃
至40重量%が好ましく、より好ましくは0.5乃至2
0重量%、最も好ましくは1乃至10重量%である。液
晶を含む全体組成に対しては、0.1乃至20重量%が
好ましく、より好ましくは0.1乃至10重量%、さら
に好ましくは0.5乃至5重量%である。また、モノマ
ー、オリゴマー系列のアクリレート化合物とビフェニル
ジアクリレートとは、99:1〜80:20の重量比率
とするのが望ましい。
一般的にステロイド系液晶と光学活性のあるキラルネマ
チック液晶とに分かれるが、ステロイド系のコレステリ
ック液晶は最近多く使用されず、コレステリックピッチ
の長さはネマチック液晶に添加されるキラルトパント
(コレステリック液晶)の含量によって異なるが、ヘリ
カルトウィスティングパワー(Helical Twisting Powe
r:HTP)が同一な場合、ピッチの長さは添加するキラル
トパントの含量に反比例する(k・HTP =1/pc ,ただし
k は常数、HTP は螺旋軸の相反する力、p はコレステリ
ックピッチの長さ、c はネマチック液晶に添加するコレ
ステリック液晶の濃度である)。
型の液晶を使用してピッチの長さを調節する。一般的に
コレステリック液晶の含量が増加するとピッチの長さが
短くなり、入射光の散乱性が増加するので初期状態のコ
ントラストが良くなるが、ヒステリシスが大きくなるの
でホメオトロピック状態になるための駆動電圧が上昇す
る。また、使用含量が減少すると視野角が減少するので
液晶組成に対して0乃至20重量%を使用するのが良
く、より好ましくは液晶組成に対して0乃至15重量
%、最も好ましくは0乃至10重量%場合である。
あり、キラルトパントの固体または液体状態のコレステ
リック液晶を溶解してなるが、この時使用することがで
きるネマチック液晶の量は50乃至98重量%が好まし
く、より好ましくは65乃至95重量%、最も好ましく
は70乃至90重量%である。
転移モードは図3(A)に示すようにセル表面に垂直に
配向されているプラナ構造、図3(B)に示すように螺
旋構造に配向して規制力が解かれたポカルコニック構
造、図3(C)に示すように螺旋構造が解かれたホメオ
トロピック構造等にて存在する。
れば、光がセル表面に垂直に入射した場合λ=np(λ
は反射される波長、nは液晶の平均屈折率、pはピッチ
の長さ)に該当する波長を反射する状態になる。従っ
て、液晶の平均屈折率を1.5にし螺旋ピッチの長さを
350nm(0.35μm)に調節すれば525nmに
該当する緑色光を反射するようになり、ピッチの長さを
長くしてλを赤外線領域に調節すれば可視光線領域にて
反射(reflection)又は散乱(scattering)が起こらな
いためにプラナ構造にてもセルは透明になる。ここに電
界を印加すればポカルコニック構造になりセルは不透明
になるが、電界をより強く印加すれば螺旋構造が解かれ
たホメオトロピック状態になる。
用する場合にはプラナ構造とポカルコニック構造の双安
定性を利用して単純マトリックスにて駆動するディスプ
レイとして利用するか、反射波長の長さを赤外線にて調
節する場合には、視野角が優秀なリバースモード(reve
rce mode)の光シャッターとして利用することもでき
る。しかしながら、このような場合はポリイミド等にて
ラビング処理したインジウムティオンオキサイド(ITO)
ガラスを使用しなければならないのでラビング処理が不
必要であるというPDLCの大きな長所がなくなり、コ
ントラストも10内外に低くなる。
はラビング処理をしないために散乱状態であるポカルコ
ニック構造と透過状態であるホメオトロピック構造の2
種の状態にて存在する。スペイサーを使用して5乃至2
0μmの間隔を維持しているセルに高分子液晶混合物を
注入した後、紫外線重合をさせればポカルコニック構造
になりセルは不透明になるが、ここに電界を加えればホ
メオトロピック状態になり透明になる。これは、散乱透
過モードにして一般的なPDLCとPNLCはオン/オ
フは同じであるが動作原理は違うということができる。
るが、本発明は、下記の実施例に限定されるものではな
い。
の重量比が90:10の高分子液晶複合体を調製した。
すなわち、高分子化合物中、アクリレート成分のオリ
ゴマーおよびモノマーと多官能基を持つ架橋剤とを90
重量%、実験室にて合成した液晶類似構造を持つ高分子
とモノマーである4,4’−ビフェニルジアクリレート
(4,4'-Biphenyl diacrylate: BPD)とを10重量%
使用した高分子システム、そして、 液晶中、ネマティック液晶を使用したE−7(E.Merc
k 社)95重量%と、コレステリック液晶を使用したキ
ラルネマチック類型のCB−15(E.Merck 社)5重量
%とからなる液晶、をそれぞれ用意し、これらを混ぜた
後、紫外線重合開始剤としてジエトキシアセトフェノン
を高分子化合物に対して0.03重量%添加して均一に
混合した。
Tc(Clearing Temperature;透明点:61℃)よりも
低い47℃で透明になった。この均一混合液をスペイサ
ーを利用して厚さ7μmに調節した後、透過率86%、
面積抵抗30Ω/□の2枚のインジウムティンオキサイ
ド(ITO)ガラス板の間に注入した。注入が完了した後3
65nmの波長を持つ紫外線を5mW/cm2 の強さで5
分間照射させて硬化させた。
性質と視野角とを下記表−2に表示する。なお、この時
の視野角は±方向にて透過率が40%である角度の範囲
で測定した。
としてアクリレートだけを使用する場合よりも駆動電圧
は若干上昇するが、応答速度及び視野角特性は特に優秀
性を現した。
液晶としてネマチック液晶だけを使用した以外は実施例
1と同じ方法で実施した。その結果を表−2に示す。
類似する構造を持つ高分子化合物の含量を変えた以外は
実施例1と同じ方法で実施した。その結果を表−2に示
す。
類似する構造を持つ高分子化合物の含量を変えた以外は
実施例1と同じ方法で実施した。その結果を表−2に示
す。
に、液晶と高分子化合物の重量比率を変えた以外は実施
例1〜4と同じ方法で実施した。その結果を表−2に示
す。
化合物としてアクリレートだけを使用し、液晶としてネ
マティック液晶だけを使用した以外は実施例1と同じ方
法で実施した。その結果を表−2に示す。
レートだけを使用し、コレステリック液晶は添加しなか
ったので、駆動電圧は実施例よりも比較的低く現れた
が、応答速度が遅く視野角が狭く現れた。
高分子化合物の重量比率を変えた以外は比較例1と同じ
方法で実施した。その結果を表−2に示す。
ステッドネマチック(TN)液晶やスーパートウィステッ
ドネマチック(STN)液晶とは異なって偏光板を使用しな
いために光の利用効率が良好であり、コレステリック液
晶を使用しながらも配向処理をしないために製造が簡単
である長所を有し、またアクリレート系高分子化合物及
び液晶と類似した構造を持つモノマーを重合させて高分
子化合物として使用するためにPDLCやPNLCより
も優秀な視野角を提供し、照光ガラス及び直視型ディス
プレイとして利用する場合に有利な液晶材料である。
体(PDLC)の構造図であり、(B)は従来の電界印加時
の高分子液晶複合体(PDLC)の構造図である。
を利用した視野角が改善された高分子液晶複合体の構造
図である。
造図(Planar texture)であり、(B)は本発明の高分
子液晶複合体のポカルコニック液晶図(Focal conic te
xture )であり、(C)は本発明の高分子液晶複合体の
ホメオトロピック(Homeotropic texture )構造図であ
る。
Claims (3)
- 【請求項1】 2枚の透明電極基板の間に、液晶と高分
子とが分散する構造を有する高分子液晶複合体であっ
て、モノマー、オリゴマー系列のアクリレート化合物1
乃至40重量%、前記液晶と類似した構造を有するビフ
ェニルジアクリレート0.1乃至20重量%に、コレス
テリック液晶0乃至20重量%、ネマチック液晶50乃
至98重量%を添加して重合させてなることを特徴とす
る高分子液晶複合体。 - 【請求項2】 請求項1に記載の高分子液晶複合体であ
って、前記モノマー、オリゴマー系列のアクリレート化
合物と前記ビフェニルジアクリレートとを、99:1乃
至80:20の重量比率で添加することを特徴とする高
分子液晶複合体。 - 【請求項3】 請求項1に記載の高分子液晶複合体であ
って、前記高分子液晶複合体は、配向処理を必要としな
いことを特徴とする高分子液晶複合体。
Applications Claiming Priority (2)
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