JP3013496B2

JP3013496B2 - 液晶シャッターの駆動方法

Info

Publication number: JP3013496B2
Application number: JP3109132A
Authority: JP
Inventors: 孝夫湊; 繁清水
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 1991-05-14
Filing date: 1991-05-14
Publication date: 2000-02-28
Anticipated expiration: 2015-02-28
Also published as: JPH04336531A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶シャッターに係わ
り、特に、交流電場の印加、遮断により光学的に透明な
状態と光散乱状態とを可逆的に発現する液晶シャッター
の駆動方法に関する。

【０００２】

【従来技術】液晶素子は、軽量で薄く出来るのでポケッ
タブルな電卓、テスター等の表示体あるいは装飾用、Ｐ
ＯＰ用として図形や文字を主として平面上に表示する装
置として広く利用され、更に最近では薄膜トランジスタ
ーを用いてフルカラーで動画を表示する液晶テレビジョ
ンとしても実用化されるに至っている。これらにおける
シャッター動作の原理は、ツイステッドネマチックモー
ド（以降ＴＮ型）と言われるもので公知の技術である
（小林、岡野編著 ”液晶”１９８５年培風館）。

【０００３】しかしながら、液晶はこうした表示素子と
しての利用の他に様々な機能を発現する機能性材料とし
ての可能性をも秘めており、幅広い研究がされている。
こうした可能性の一つとしてより大面積の遮光性シャッ
ターの研究開発が試みられている。具体的には屋内用、
車裁用の大型ウィンドウ、プラスチックフィルムカーテ
ン、目隠し用ウィンドウなどへの展開が考えられてい
る。この観点からするとＴＮ型はガラス基板上にポリイ
ミド等の有機物を用いた配向処理と２枚の偏光板を必要
とするため、大型でも軽量で薄いシャッターを製造する
技術としては必ずしも適したものでない。液晶には流動
性が残されており、自己支持性に欠けるので液晶自体の
重量を保持するのに平滑で剛性のある基板を必要とし、
ガラスや厚めのプラスチックが使われるからである。こ
のため、大型化すると重くなるのみならず、液晶の注入
と配向処理に困難をきたし液晶相の配向自身も難しくな
る。加えて、偏光板は透過率と耐久性を大きく低下させ
る原因となり、先述した遮光用シャッター等には全く向
かない。

【０００４】大面積でも薄く軽量なシャッターとして
は、液晶の完全な配向が不要で偏光板がいらない動作モ
ードが必要で、かつ自己支持性のある素材であって、製
造上でも印刷技術やラミネート技術が使えることが望ま
れる。こうした要望に答えるもので最近注目されている
ものに、液晶と高分子バインダーの複合体がある。これ
は高分子分散液晶フィルム（以下単にＰＤＬＣという、
J.W.DOANE et al.,Mol.Cryst.Liq.Cryst.,vol 165,533
(1988）、特開昭６０ー２５２６８７号公報）と呼ばれ
ている。これの構造的な特徴は、図４の（イ）に示すよ
うに、高分子バインダー中に液晶が可視波長程度の大き
さの粒、あるいはより複雑であるがネットワーク状に分
散したものであるということである。どのような分散状
態になるかは製造方法に依存する。シャッター性の起源
は、光散乱状態と透明状態が交互に顕れることでなされ
る。図４の（ロ）に示すように、交流電場を印加する
と、バインダーと分散した液晶の屈折率が略一致した状
態となり、光を散乱せず透明となる。不一致の場合は、
図４の（イ）に示すように、不均一な屈折率分布により
光が散乱されるということである。

【０００５】しかし、ＰＤＬＣの欠点として２相複合体
であるので、（１）液晶部分に印加される実効的な電圧
が低下する、（２）液晶に未反応のバインダー分子が残
存して純度が低下し、これにより動作電圧が上昇する、
（３）液晶とバインダー間の相互作用のため液晶に対す
る束縛が通常のＴＮセルより強い、等を補償するため、
一般に純粋なＴＮ動作より駆動電圧が大きく増加する。
また液晶とバインダーの分離が完全でないので、屈折率
の調整が難しく霞がかかったようになり完全な透明性が
得られない。これらは本質的にはＰＤＬＣが相分離した
２相系であることに起因するものである。

【０００６】他方、軽量で大面積向きのフィルム化が可
能な液晶性材料として自己支持性に富む高分子液晶があ
る。遮光性シャッターとしてはＴＮ型での動作が試みら
れているが、現在のところ合成された液晶は粘性が高く
応答速度が遅い、動作温度域が高いなどの理由で期待さ
れた特性は得られていない。これらが解決されたとして
もＴＮモードでは先述した問題により大面積化は困難で
ある。

【０００７】特開昭６４ー６００８号公報には、強誘電
性のメソゲンを側鎖としたシロキサンタイプの高分子液
晶でフィルムシャッターを製造する試みもあるが、液晶
配向の問題などで、やはり大面積シャッターの実用化に
は程遠いのが現状である。総じて高分子液晶では大面積
のシャッター性をどんなメカニズムで発現するかの枠組
みが明確になっておらず、暗中模索の状態である。

【０００８】本発明者らは、コレステリック相を呈する
高分子液晶／低分子液晶混合系も、低分子コレステリッ
ク液晶と同様に、図１に示すグランジャン状態、図２に
示すフォーカルコニック状態（以下単にＦＣ状態とい
う）、図３に示すホメオトロピック状態をとることが可
能であり、特にＦＣ状態が低分子液晶に比べて非常に強
い光散乱能を有し経時的にも安定であることを見いだし
た。これは交流電場印加で光学的に透明なホメオトロピ
ック状態を形成できるので、可逆的な光シャッターとし
て利用できることを意味する。ＦＣ状態は、ＰＤＬＣに
劣らず強い光散乱能を有するが、ＰＤＬＣにおけるよう
に完全な安定状態でないため、電場遮断後、概ね数分程
度で光散乱能が劣化する、すなわち透明性の若干高い状
態に移行して安定化する。この様子は図６の（ａ）のグ
ラフ変化に示す。

【０００９】この最終的な状態の光散乱能は、液晶の厚
みを増せば比例して増大するが、駆動電圧が増加するな
どの問題がある。要求される白濁の程度は、使用される
目的により異なるが、非常に強い遮光性が必要な場合も
考えられ、この場合、厚みを増すのが好ましくない場合
は、緩和する前の白濁度（光透過率）を図６に示す点
（Ｍ）の位置程度に維持することが必要である。

【００１０】また平衡状態での光散乱能も、図１のグラ
ンジャン状態に近い状態に移行するか、またはＦＣ状態
のラセン軸が基板と平面なフィンガープリント状態から
少し傾いたＦＣ状態に移行するため、長期的には劣化す
る。これは温度が高くなると促進される傾向が強く、液
晶の粘性が低下するためと考えられる。また応答速度を
増して低電圧動作が要求される場合には高分子液晶成分
を減らして低分子液晶を増す必要がある。この場合、光
散乱状態の保持が難しい場合が多い。したがって、図６
に示す点（Ｍ）の位置程度の強い光散乱状態を、広い温
度領域で一定に保持することが必要である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、コレステリ
ック相を示す高分子液晶／低分子液晶混合系において、
電場遮断後の強い光散乱性フォーカルコニック状態の安
定性を実際上もしくは見かけ上保持して、広い温度領域
で光シャッターとしての遮光時の白濁度（光散乱強度）
を一定にする駆動方法を提供しようとするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、低
分子液晶と高分子液晶の混合物、もしくは低分子液晶と
高分子液晶と光学活性物質の混合物を、コレステリック
相を呈する温度域で透明な電極付基板間に挟持したもの
であって、高電圧の交流電場の印加により光学的に透明
な状態を形成し、低電圧の交流電場を連続的にあるいは
断続的に印加することにより光散乱状態を一定に保つよ
うにしたこと特徴とする液晶シャッターである。また、
もう一つの手段としては、低分子液晶と高分子液晶の混
合物、もしくは低分子液晶と高分子液晶と光学活性物質
の混合物を、コレステリック相を呈する温度域で透明な
電極付基板間に挟持したものを２組積層したものであっ
て、透明状態は２つの該液晶シャッターを同時に透明状
態とし、光散乱状態は２つの液晶シャッター間で透明状
態と光散乱状態を時間的に重なるように相互に切り替え
て形成することを特徴とする液晶シャッターである。

【００１３】

【作用】高分子液晶が臨界濃度以上を占める低分子液晶
との混合系では、図１のグランジャン状態から図３のホ
メオトロピック状態へ移行する途上（電圧印加）、もし
くはこの逆に変化する途上（電場遮断）に相当経時的に
安定な強い光散乱性を示す状態が存在しうるのである
が、本発明は、液晶の応答特性に基づく基本的な観点
から、及び動作電圧の低電圧化という実用的な面か
ら、この状態を更に半永久的に保持出来るようにしたの
である。

【００１４】

【発明の詳述】本発明は、印刷適性を有しフィルム化が
可能であって、かつ高速応答性と経時的に安定な光散乱
状態を呈する液晶系の電気光学的応答を詳細に調べた結
果に基づいている。高分子液晶と低分子液晶の混合系で
コレステリック相を呈する系は下記の実施例に述べるよ
うに容易に形成出来る。これらの系は十分な時間を経過
した後には安定状態に達する。最初の状態を、図５の位
置（ｆ）としてこの状態に対して、１Ｖrms/20sec(周波
数１００ヘルツのサインカーブ）の昇圧速度でゆっくり
と交流電圧を印加すると、図５の（ａ）に示すように、
光透過率が（ｆ）から始まって変化し、一定値（ｅ）に
達する。重要なことは、図１のグランジャン状態が図３
の垂直配向したホメオトロピック状態に変化する途上
に、ラセン軸が電場と略垂直（面内ではラセン軸の向き
はランダムで、フィンガープリントと呼ばれる）なＦＣ
状態があって、これが強い光散乱性を呈して透過率が最
小を示す電圧領域Ｖmin 〜Ｖmax （図５参照）があると
いうことである。光学的に透明なホメオトロピック状態
から同じ速度で電圧を降下させると、（ｂ）のルートで
透過率が低下し、最終的には（ｓ）になる。すなわち、
上昇時のルートとは一致せずヒステリシスを示す。ヒス
テリシスは組成に依存し高分子液晶の含有量が増すにつ
れて強くなる。この場合、透明状態が一度形成された
後、電圧を低下させることも可能である。ホメオトロピ
ック状態で電場を遮断すると、図５に示す低電圧側の
（ｆ）の状態に近い状態が得られるが、これは見かけ上
Ｖmin からＶmax までの範囲に対応した部分と白濁の程
度は変わらない。

【００１５】問題は（ｆ）の状態の白濁の程度が図６の
（ａ）で示したように時間的に変化して最終的には一定
（ｓ）に達することである。最終的な白濁度はセルの厚
みによるが、この厚みは動作電圧に影響を与える。家庭
での使用では余り高い電圧は好ましくない。本発明者等
は図５の低電圧印加部分の応答に強い光散乱を示す領域
Ｖmin 〜Ｖmax があることに着目して、電場を遮断した
後、引き続いてこの電圧領域内の弱い電場を連続的に印
加する、あるいは断続的に印加して高い白濁度が維持で
きないか調べた。

【００１６】この実験によると概してＶmin 以下の電圧
印加では十分長い時間を経過すると徐々に透明性が増す
ことがあった。これはこの電圧では図６の（ａ）の平衡
状態への移行を止められないことを示している。但し、
余り高い電圧（Ｖmax より数Ｖ低電圧）でも透明性が増
すことがあり、これは徐々にホメオトロピック状態に変
化するためと考えられる。一般には、この中間の電圧Ｖ
（Ｖmin ＜Ｖ＜Ｖmax）の印加で白濁度の保持が可能で
あった。この結果は実施例１に後述する。

【００１７】連続的な電圧印加では白濁度の保持・調整
が難しい場合もある。この場合は、実験によるとＶmin
より僅かに高い電圧を印加してＶmin の近くに相当する
状態を造り、その後電場印加を遮断すると良い。する
と、これは図５の（Ｄ）の線に添って緩和する（但し、
見かけ上白濁度の低下が無視出来る）。ここで再び電場
Ｖmin を印加することを繰り返すと初期の白濁状態をほ
とんど変えずに維持できた。これが請求項１の内容であ
る。

【００１８】見かけ上一定の白濁度は複数枚のシャッタ
ーを積層することでも可能である。但し、実際には２枚
で十分である。この場合の積層例を図７に示した。透明
状態は２枚のシャッターを同時に透明状態にすればよ
い。ＰＤＬＣとは異なり、単相系であるので屈折率の不
均一による霞が全く無いので積層しても何等不利益はな
い。白濁状態はまず一方のシャッターへの電場を遮断し
て白濁状態にし、残りは透明状態に保つ。これはほぼ初
期状態の十分な白濁度を持っている。時間が経過すると
白濁の程度が緩和してくるが、適当なタイミングで白濁
したほうを透明状態として、いままで透明であった方の
シャッターの電場を遮断して白濁化する。これを繰り返
すと見かけ上一定の白濁度を維持できる。これは平衡状
態の白濁度を増すために厚くする必要がないので動作電
圧を増やさずにすむ利点がある。これが請求項２の内容
である。以下に、実施例により詳しく説明する

【００１９】

【実施例】＜実施例１＞下記の構造式で化１で表されるアクリル骨
格の共重合コレステリック型側鎖型高分子液晶と、化２
で示される低分子ネマチック液晶５ＣＢを重量比で１：
９から７：３の範囲で混合した。化１は、光学活性なコ
レステリル残基とシアノビフェニル残基からなるコポリ
マー型の高分子液晶である。図８にその相図を示した
が、実線の下側ではコレステリック相を呈した。

【００２０】

【化１】

【００２１】

【化２】

【００２２】ここでｎ：ｍ＝１：２、ｋ＝ｌ＝５であ
る。これらの値はここに記された値に限らず、コレステ
リック相を示す範囲であればよい。化１の重量平均分子
量は、約１．５万であった。この混合系に２５ミクロン
のガラススペーサーを分散し均一なインキとした後電極
付き透明フィルム上にコーチングした。その後、対抗電
極付きフィルムで狭持し液晶セルとした。

【００２３】高分子液晶の重量分率が増すと粘性が高く
透明なホメオトロピック配向を得るのが高電圧であり、
かつオフしてもコレステリックに戻るのに時間がかかっ
た。逆に低分子量成分が増すにつれて光散乱の強度が弱
くなり、かつフォーカルコニック状態のグランジャン状
態への緩和が速くなる傾向であった。好ましい組成は
３：７から５：５である。３：７の組成では、６５Ｖの
電圧で完全な透明状態を示した。電圧を遮断すると非常
に強い光散乱状態を呈し、３：７の組成でヘイズ値は９
５程度であった。これは図６の（ａ）で示すように、徐
々に緩和して約１３分後に平衡状態に達し、この時のヘ
イズ値は約８０（図６の（ｓ）参照）であった。この値
では光散乱状態の緩和は見られなかった。

【００２４】混合比が３：７の系に１Ｖ／１min の速度
で電場を印加した場合の透過率の変化を図５に示した
が、透明状態で電場を遮断するとヘイズ値は９５の白濁
度が得られる。引き続いてＶmin よりは高い３０Ｖｒｍ
の電圧を印加すると白濁度の緩和が大きく抑制され、ヘ
イズ値９０以上の値が保持できた。この時の光透過率は
図６の（ｂ）の変化で示した。Ｖmin 近傍での電圧値の
印加では、印加しない場合と比較して、緩慢であるが緩
和する傾向があった。故に、１０秒間印加して１分間遮
断する駆動方法を繰り返したところ、ヘイズ値９５程度
を維持できた。組成が異なる系でも電圧と遮断時間を調
整すると初期の白濁度を大きく低下させることなく維持
できた。

【００２５】＜実施例２＞下記の構造式で化３で示され
るネマチック型側鎖型高分子液晶と、前記の化２で示さ
れる低分子液晶を重量比で５：５から３：７の範囲で混
合した。

【００２６】

【化３】

【００２７】ここでｌ＝５である。これらの値はここに
記された値に限らず、ネマチック相を示す範囲であれば
よい。重量平均分子量は約１．２万であった。組成が
３：７のものに、光学活性物質「ＺＬＩ４５７１」（メ
ルク社製商品名）を重量比で５％添加し、さらに粒径９
ミクロンのガラスビーズをスペーサーとして加えて印刷
適性のある組成物とした。この組成物を、図７に示すよ
うに、透明電極（702)付きの１００ミクロン厚ポリエス
テルフィルム(700) にスクリーン印刷して液晶層(701)
を形成した。しかる後、対向フィルム(703) でラミネー
トした。反対側にも同様に液晶層(701) を印刷した後、
対向フィルム(703) でラミネートして図７に示す２層積
層型の液晶セルとした。二つのセルは並列接続とした。
これは約２５Ｖrms で透明となった。白濁状態は１分毎
に切り替えて５Ｖrmsの電圧を印加すると初期のヘイズ
値９０と、実施例１と同様の値を維持できた。

【００２８】

【発明の効果】本発明により低電圧で動作する、大面積
でも軽量で極めて強い遮光性を有する液晶シャッターの
提供が可能である。これは、偏光板と液晶の完全な配向
が不必要であり、大型の直視型ディスプレイおよびプロ
ジェクション型ディスブレイの液晶表示体としても利用
できる。

【００２９】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明でコレステリック相が取り得る、ラセン
軸が基板面に略垂直なグランジャン状態を示す模式図で
ある。

【図２】本発明でコレステリック相が取り得る、経時的
に安定なフォーカルコニック状態を示す模式図である。

【図３】本発明でコレステリック相が取り得る、ホメオ
トロピック状態を示す模式図である。

【図４】高分子分散液晶の液晶シヤッターの一例であっ
て、（イ）は電圧無印加時に光散乱状態を呈することを
示す説明図、（ロ）は電圧印加時に光透過状態を呈する
ことを示す説明図である。

【図５】本発明の液晶シヤッターの駆動方法の原理を示
す説明図である。

【図６】本発明の液晶シヤッターにおける初期の白濁状
態の緩和を時間の関数として示すグラフ図である。

【図７】本発明の液晶シヤッターの駆動方法に用いるこ
とのできる２層構造型の液晶セルの一例を示す説明図で
ある。

【図８】実施例１に用いる高分子液晶と低分子液晶の混
合系が示す相図である。

【符号の説明】

４００透明電極４０１バインダーポリマー４０２ランダム配向した液晶４０３透明基板４０４ホメオトロピック配向した液晶４０５液晶粒４１０入射光４１１散乱光または反射光４１２透過光

フロントページの続き (56)参考文献特開平４−166912（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−298221（ＪＰ，Ａ) 特開平３−185423（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−86526（ＪＰ，Ａ) 特開平３−105314（ＪＰ，Ａ) 特表平２−503963（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/139 G02F 1/1347 G09G 3/36

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】低分子液晶と高分子液晶の混合物、もしく
は低分子液晶と高分子液晶と光学活性物質の混合物を、
コレステリック相を呈する温度域で透明な電極付基板間
に挟持したものであって、高電圧の交流電場の印加によ
り光学的に透明な状態を形成し、低電圧の交流電場を連
続的にあるいは断続的に印加することにより光散乱状態
を保持するようにしたこと特徴とする液晶シャッターの
駆動方法。
【請求項２】低分子液晶と高分子液晶の混合物、もしく
は低分子液晶と高分子液晶と光学活性物質の混合物を、
コレステリック相を呈する温度域で透明な電極付基板間
に挟持したものを２組積層したものであって、透明状態
は２組の該液晶シャッターを同時に透明状態とし、光散
乱状態は２組の液晶シャッター間で透明状態と光散乱状
態を時間的に重なるように相互に切り替えて形成するこ
とを特徴とする液晶シャッターの駆動方法。