JP3296014B2 - 光学素子およびその作動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶を用いた光学素子
に関する。詳しくは、特定の液晶セルからなる光学素子
を光記録素子、光表示素子および光シャッター素子など
に用いることに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、事務用コンピュータの普及などに
より、各種の情報データ量は増大の一途をたどってい
る。これらの情報データを高密度に蓄積する手段とし
て、磁気デープ、磁気ディスク、光ディスクなどをメモ
リーとした記録装置が開発され、すでに実用化されてい
るが、さらに記録密度を高めるために、光で記録が書き
込める記録材料や記録装置が研究されている。光には、
エネルギー（波動）、偏光性、同位相性など種々の性質
があり、その組み合わせにより多重記録が可能になると
考えられる。これらの研究には、たとえば、カルコゲナ
イドのような半導体、あるいは光吸収剤として色素を配
合した熱可塑性樹脂などを記録材料とするものがある。
しかし、前者は毒性の問題があり、後者は光吸収剤とし
て色素を用いる為に記録保持時間が短く、コントラスト
も十分にとれないなどの問題があった。これに対して毒
性がなく、コントラストが改良された高分子液晶を用い
た光記録材料が、特開昭５８ー１２５２４７号および特
開昭６０ー１１４８２３号などに開示されている。

【０００３】

【本発明が解決しようとする課題】前記の発明は、いず
れも高分子液晶を使用し、レーザー光を熱源として使用
するヒートモード記録方式である。このため、記録速度
が遅く、また熱拡散のため記録密度が十分でないという
問題があった。また、従来の液晶表示素子はその駆動に
電気エネルギーを用いるため、表示素子の単位は電極の
大きさに相当する各画素子以下にはできないという問題
があった。本発明は、このような問題を解決したもので
あり、高速書き込みが可能な強誘電性液晶を光学素子と
した、新規な記録素子、表示素子、光シャッター素子を
提供するものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】液晶表示素子に光を照射
して直接これを駆動できれば、電極形成による画面サイ
ズの制約を受けることがなく、書き込み光の波長までの
解像度が達成されると期待される。さらに光コンピュー
ター用シャッター素子として用いた場合、同じ光路で、
特定波長（紫外線）でのチャンネル開閉、他波長（可視
光線）での情報伝達を行うことが考えられる。そこで本
発明者らは、液晶セルの駆動を光で直接行う方法につい
て鋭意研究を行った結果、液晶に強誘電性液晶を使用
し、液晶配向膜に光励起性を持たせると特異な効果が発
現することを見いだし、本発明に到達した。すなわち本
発明は、透明基板、その上に透明電極層、該電極層の上
に液晶配向膜を有する板２枚を、液晶配向膜を内側にし
て対向させ、その間に液晶を封入した構造をもつ液晶セ
ルにおいて、液晶配向膜の片面または両面が光励起性を
有する液晶配向膜からなり、液晶が強誘電性液晶からな
ることを特徴とする光学素子を提供するものである。ま
た、本発明は前記液晶セルに光を照射できるようにした
光学素子を提供する。

【０００５】前記光励起性を有する液晶配向膜は、ベン
ゾフェノン構造を有するポリマー、特にベンゾフェノン
構造を有するポリイミドからなり、強誘電性液晶がカイ
ラルスメクチックＣ相を持ち、らせん構造を形成しない
液晶相であることが好ましい。さらに本発明は、前記光
学素子を用いて、液晶相にしきい値電圧以上の直流電圧
を印加し、強誘電性液晶の自発分極を一方向に並べさせ
た後、先に印加したのと逆方向に、しきい値電圧を越え
ない直流電圧を印加し、この逆バイアス印加状態で光照
射を行い、受光部の液晶層に分極反転を誘起させ、配向
状態を変化させることを特徴とする光学素子の作動方法
を提供する。本発明の光学素子は、液晶相に強誘電性液
晶を用いるため高速化、メモリー性を兼備した素子とな
り、光記録素子、光表示素子および光シャッター素子な
どとして利用できる。以下、本発明について詳しく説明
する。

【０００６】本発明で使用する液晶配向膜は、基本的に
は、通常の液晶に使用されるものと同じく、液晶を配向
する機能が必要であるが、さらに、片面または両面が光
励起性を有していることが必要である。ここでいう光励
起性とは、光（レーザー光、紫外線、放射線を含む）の
照射を受けると、光励起反応により、エネルギー準位が
高まり、次いでエネルギーを放出して安定状態に戻るこ
とを意味する。光励起性液晶配向膜には、光励起性の化
学構造を持つ基をその分子内に有するポリマーが好適で
ある。光励起性を持つ物質には、励起寿命も長く、分子
極性変化の大きな３重項励起状態をとるベンゾフェノン
構造を持つ化合物が例示される。本発明で使用する液晶
配向膜は、このような化学構造を、ポリマーの主鎖骨格
にもつポリマーおよび／または側鎖に持つポリマーから
なる樹脂が好適である。

【０００７】液晶配向膜にはポリイミドが好適に使用さ
れる。ポリイミドは、アミノ基を２つ持つジアミン成分
（イ）と酸無水物基を２つ持つ酸無水物成分（ロ）とを
反応させ、中間体のポリアミック酸を経てポリイミドが
得られる。酸無水物成分（ロ）としては、二塩基酸のア
シル基から誘導される環状のイミド基を１分子中に２つ
持つテトラカルボン酸誘導体であってもよい。本発明に
使用するポリイミドは、ジアミン成分（イ）と酸無水物
成分（ロ）のいずれか、または双方にベンゾフェノンの
ような光励起性構造を持つ化合物を用いる。ジアミン成
分（イ）と酸無水物成分（ロ）の残りの成分は、光励起
性構造を持たない、通常のポリイミド原料を用いる。

【０００８】ベンゾフェノン構造を持つジアミン成分
（イ）としては、３、３’−ジアミノベンゾフェノン、
３、４’−ジアミノベンゾフェノン、４、４’−ジアミ
ノベンゾフェノンなどが好ましく用いられる。この他に
ジアミン成分として、３、５−ジアミノ安息香酸−３−
ベンゾフェノンエステル、３、５−ジアミノ安息香酸−
４−ベンゾフェノンエステル、３−ベンゾフェノンカル
ボン酸−３、５−ジアミノフェニルエステル、４−ベン
ゾフェノンカルボン酸−３、５−ジアミノフェニルエス
テル、３−ベンゾフェノンカルボン酸−２、４−ジアミ
ノフェニルエステル、４−ベンゾフェノンカルボン酸−
２、４−ジアミノフェニルエステル、Ｎ−３、５−ジア
ミノベンゾイル−４−アミノベンゾフェノン、 Ｎ−
３、５−ジアミノベンゾイル−３−アミノベンゾフェノ
ン、 Ｎ−３−ベンゾイル−１、３、５−トリアミノベ
ンゼン、 Ｎ−４−ベンゾイル−１、３、５−トリアミ
ノベンゼン、 ３−ベンゾフェノン−３、５−ジアミノ
フェニルエーテル、４−ベンゾフェノン−３、５−ジア
ミノフェニルエーテル、３−ベンゾフェノン−２、４−
ジアミノフェニルエーテル、４−ベンゾフェノン−２、
４−ジアミノフェニルエーテル、２、４−ジアミノベン
ゾフェノン、３、５−ジアミノベンゾフェノンなどが用
いられる。

【０００９】ベンゾフェノン構造を持つ酸無水物成分
（ロ）としては、３、３’、４、４’−ベンゾフェノン
テトラカルボン酸二無水物がある。ポリイミドには、有
機溶剤に可溶性のものと非可溶性のものとがある。可溶
性ポリイミドの場合、有機溶剤溶液としてキャステング
法で製膜できる。非可溶性ポリイミドの場合、ジアミン
成分（イ）と酸無水物成分（ロ）とを反応させて得られ
るポリアッミク酸の溶液を基板に塗布し、これを加熱
し、縮合反応させて基板上にポリイミド膜が作れる。

【００１０】本発明で使用する強誘電性液晶は、公知の
ものが使用できるが、好適にはカイラルスメクチックＣ
相を持ち、かつ、らせん構造を形成していない液晶相で
ある。これらの液晶を次に例示する。ｐ−ペプトキシビ
フェニルカルボン酸−（Ｓ）−メチルブトキシフェニル
エステル、ｐ−オクトキシビフェニルカルボン酸−
（Ｓ）−メチルブトキシフェニルエステル、ｐ−デコキ
シビフェニルカルボン酸−（Ｓ）−メチルブトキシフェ
ニルエステル、ｐ−オクトキシ安息香酸−ｐ’−２−メ
チルブトキシフェニルエステル、ｐ−デコキシ安息香酸
−ｐ’−２−メチルブトキシフェニルエステル、ｐ−
（２−メチルブチル）ビフェニルカルボン酸−ｐ’−ブ
トキシフェニルエステル、ｐ−（２−メチルブチル）ビ
フェニルカルボン酸−ｐ’−ペントキシフェニルエステ
ル、ｐ−（２−メチルブチル）ビフェニルカルボン酸−
ｐ’−ヘキソキシフェニルエステル、ｐ−（２−メチル
ブチル）ビフェニルカルボン酸−ｐ’−ヘプトキシフェ
ニルエステル、ｐ−（２−メチルブチル）ビフェニルカ
ルボン酸−ｐ’−オクトキシフェニルエステルなど。

【００１１】本発明に使用する液晶は強誘電性液晶であ
るが、発明の目的を損なわない限り少量の他の化学物質
を混合することができる。このような物質には、アゾベ
ンゼン誘導体などの色素化合物がある。本発明の光学素
子は、構造的には液晶セル（液晶表示素子）と同じであ
り、液晶セルと同様に製作できる。次にその製作につい
て説明する。透明基板としては、フロートガラス、ソー
ダガラスなどのガラスの板、ポリエチレンテレフタレー
ト、ポリエーテルスルフォン、ポリカーボネートなどの
プラスチックの板またはフィルムが使用できる。透明電
極層としては、ＳｎＯ₂からなるＮＥＳＡ膜、Ｉｎ₂Ｏ₃
−ＳｎＯ₂からなるＩＴＯ膜などが使用できる。透明電
極層は、透明基板上に形成して用いる。

【００１２】液晶配向膜となる樹脂は、有機溶剤に溶解
した溶液とし、また、有機溶剤に溶解しないが原料溶液
を加熱することで容易に樹脂を合成できる場合は、その
原料溶液を、基板である透明電極層の表面に、ロールコ
ーター法、スピンナー法、印刷法などにより塗布する。
樹脂溶液を塗布した場合は、比較的低温で乾燥して製膜
できるので、基板が熱に弱いプラスチックの場合好適で
ある。ポリアッミク酸からポリイミドを作る場合の加熱
温度は、常温〜３００℃、好ましくは２００〜２５０℃
である。塗膜の厚みは、０．００１〜１μｍ、好ましく
は０．００５〜０．５μｍである。塗膜はこのままでも
使用してもよいが、通常、ナイロンなどの合成繊維布を
巻き付けた回転ロールで塗膜を一定方向に摩擦するラビ
ング処理を行う。

【００１３】こうして得られた液晶配向膜付き基板は、
液晶配向膜面をラビング方向が平行となるように対向さ
せる。必要に応じてスペーサーを用いて基板間隔を調整
し、周辺部をエポキシ樹脂などのシール剤で封じた後、
液晶を充填し、充填口を封止して液晶セルとする。さら
にその両面に、通常の液晶セルと同じく偏光板を貼り合
わせて、光学素子が作られるが、偏光板は場合により省
略できる。偏光板は、通常の液晶セルに使用されるもの
であればよい。たとえば、ポリビニルアルコールのフィ
ルムを、延伸配向させながらヨウ素を吸収させた、Ｈ膜
と呼ばれる偏光膜を、酢酸セルロース保護膜で挟んだ偏
光板、または、Ｈ膜そのものからなる偏光膜が用いられ
る。前記スペーサーは、スペーサーに必要な強度とサイ
ズを持つ、非活性の無機あるいは有機の微粒子、たとえ
ば、酸化アルミニウムや架橋ポリスチレン粒子が用いら
れる。

【００１４】本発明の光学素子を用いた、作動方法を次
に説明する。光学素子の強誘電性液晶相に、しきい値電
圧以上の直流電圧を印加すると同時に、等方相温度より
徐々に冷却すると、強誘電性液晶は、分子の自発分極の
方向が揃った均一な配向状態になる。次に、先に印加し
たのと逆方向に、しきい値電圧以下の直流電圧を印加す
る。この逆バイアス印加状態で透明基板に、記録信号に
従って、局所的に光を照射すると、配向膜中の光励起性
樹脂が励起され、同時に光励起された樹脂に接した部分
の強誘電性液晶の分極反転が誘起される。

【００１５】この結果、光照射部と非照射部では液晶分
子長軸方向が異なり、クロスニコルの液晶分子長軸の角
度を調整することにより、光未照射部で暗の状態、光照
射部は液晶分子が傾いて明の状態となる記録が形成され
る。記録の消去は、透明電極に正バイアスを再び印加す
ることにより、強誘電性液晶の自発分極を再配向させる
ことにより行われる。この強誘電性液晶の分極反転は、
印加を中止しても安定に保持される。記録された情報、
すなわち、強誘電性液晶の分極反転の有無は、光学的に
読みとることができる。

【００１６】本発明の光学素子は、レーザー光等の照射
で照射部分の液晶の配向が変化することで光記録素子と
なる。また、液晶の変化は直接目視で読みとることがで
きるので、光表示素子（ディスプレイ）としても利用で
きる。さらにまた、本発明の光学素子は紫外線照射で、
可視光に対して暗となるので光シャッター素子としても
利用できる。

【００１７】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。 実施例（１） 厚さ１．１ｍｍのガラス基板上に電極と
してＩＴＯをスパッタ法により形成した。次いで、３、
３’、４、４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無
水物と、４、４’−ジアミノジフェニルメタンとを、Ｎ
−メチル−２−ピロリドンを溶媒として反応させて、ポ
リアミック酸溶液を得た。この溶液をスピンナーを用い
て電極層上に塗布し、２５０℃に加熱すると共に、脱水
イミド化反応を行わせた。こうして、ベンゾフェノン構
造を分子内に持つポリイミド樹脂膜（厚さ ０．１μ
ｍ）を、電極層上に形成させた。

【００１８】この塗膜に、ナイロン布を巻き付けたラビ
ング機により、ロール回転数５００回／分、ステージ移
動速度１ｃｍ／秒でラビング処理を行った。ラビング処
理した基板２枚に、その配向膜面の周辺部分に、直径２
μｍの酸化アルミニウム粒子入りエポキシ樹脂接着剤
を、スクリーン印刷法により塗布した。この基板２枚
を、配向膜面側で向かい合わせ、しかも、ラビング方向
が平行になるように重ね合わせて圧着し、接着剤を硬化
させた。次いで、液晶注入口より、強誘電性液晶のｐ−
オクトキシ安息香酸−ｐ’−２−メチルブトキシフェニ
ルエステルを充填し、注入口をエポキシ接着剤で封止
し、さらに両面の透明基板の外側に酢酸セルロース保護
膜でＨ膜を挟んだ偏光板を、偏光方向がそれぞれ直交す
るように貼り合わせた。

【００１９】このようにして作製した光学素子に、直流
バイアス５Ｖを印加しながら、等方相温度より徐々に冷
却（０．５℃／分）していき、強誘電性液晶分子の自発
分極の方向が揃った均一な配向状態を得た。次いで、強
誘電性液晶が反転しない逆バイアス（−１．５２Ｖ）を
印加しながら、高圧水銀灯から紫外線を透明電極側より
フォトマスクを通じて照射することによって、配向膜中
のベンゾフェノンが光励起され、分子双極子方向を変化
させた。この変化により強誘電性液晶分子の分極方向の
分極反転が引き起こされ、液晶セルには非照射部は暗，
光照射部は明のフォトマスクのパターンが記録された。
記録の消去は、電極層に正バイアスを再び印加すること
により、強誘電性液晶分子の自発分極の再配向を発生さ
せることにより行った。この書き込み操作は、１０回以
上繰り返し行うことができた。

【００２０】実施例（２） 酸無水物として２，３，５
−トリカルボキシシクロペンチル酢酸二無水物、ジアミ
ン成分として３，３’−ジアミノベンゾフェノンを用い
た以外は、実施例（１）と同様に作製した光学素子を用
いて、実施例（１）と同じ操作を行い、実施例（１）と
同じく光照射により液晶セルに記録することができた。

【００２１】実施例（３） 酸無水物として３、３’、
４、４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物
と、ジアミン成分として３、４’−ジアミノベンゾフェ
ノンを用いた以外は、実施例（１）と同様に作製した光
学素子を用いて、実施例（１）と同じ操作を行い、実施
例（１）と同じく光照射により液晶セルに記録すること
ができた。

【００２２】比較例（１） ポリアミック酸として、ピ
ロメリット酸テトラカルボン酸二無水物と、４、４’−
ジアミノジフェニルメタンから合成したものを用いた以
外は、実施例（１）と同様に作製した光学素子を用い
て、実施例（１）と同じ操作を行った。この結果、光照
射にかかわらず、記録の形成ができなかった。

【００２３】

【発明の効果】本発明は、新規な光学素子とその作動方
法を提供する。本発明の光学素子は、所定の電圧をかけ
た強誘電性液晶に、光を照射することにより液晶分子を
反転させることで、記録を行わせる。これはフォトンモ
ードで行われるために、高密度記録が可能である。本発
明の光学素子およびその作動方法は、光記録素子として
電子計算機のメモリーをはじめ、種々の電子化装置のメ
モリーとして使用できる。また本発明は、高精細な光表
示素子および光シャッターなどへの応用も可能である。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−10219（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−60516（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−242225（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−250033（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−191129（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−288524（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−131218（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/1337 G02F 1/133 G02F 1/141

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明基板、その上に透明電極層、該電極
   層の上に液晶配向膜を有する板２枚を、液晶配向膜を内
   側にして対向させ、その間に液晶を封入した構造をもつ
   液晶セルにおいて、液晶配向膜の片面または両面がベン
   ゾフェノン構造を有するポリマーからなる光励起性を有
   する液晶配向膜からなり、液晶がカイラルスメクチック
   Ｃ相を持ち、らせん構造を形成していない液晶相である
   強誘電性液晶からなり、かつ、液晶セルに光を照射でき
   るようにしたことを特徴とする光学素子。
2. 【請求項２】 透明基板、その上に透明電極層、該電極
   層の上に液晶配向膜を有する板２枚を、液晶配向膜を内
   側にして対向させ、その間に液晶を封入した構造をもつ
   液晶セルにおいて、液晶配向膜の片面または両面がベン
   ゾフェノン構造を有するポリマーからなる光励起性を有
   する液晶配向膜からなり、液晶がカイラルスメクチック
   Ｃ相を持ち、らせん構造を形成していない液晶相である
   強誘電性液晶からなる光学素子を用いて、液晶相にしき
   い値電圧以上の直流電圧を印加し、強誘電性液晶の自発
   分極を一方向に並べさせた後、先に印加したのと逆方向
   にしきい値電圧を越えない直流電圧を印加し、この逆バ
   イアス印加状態で光照射を行い、受光部の液晶相に分極
   反転を誘起させて配向状態を変化させることを特徴とす
   る光学素子の作動方法。