JP4311131B2 - 異方性光散乱膜、その製法および光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、偏光方向による光散乱の異方性を有する異方性光散乱膜、およびこれを用いた光学素子に関する。

液晶ディスプレイやＥＬディスプレイでは吸収型偏光板により光源からの光（ほぼ無偏光）から直線偏光を取り出している。このため、光源の光の利用効率は吸収型偏光板を通すことによって５０％以下となる。そこで吸収型偏光板と光源の間に異方性光散乱板を挿入し、光の利用効率を向上させる方法が提案されている。（特許文献１参照）

異方性光散乱とは一方の直線偏光を透過し、これと直交する直線偏光を散乱する性質をいう。
異方性光散乱板が光の利用効率を改善する機構について以下に説明する（特許文献２参照）。

吸収型偏光板の透過軸と異方性光散乱板の透過軸を一致させ、光源上に配置する(この順序で配列する)ことにより、異方性光散乱板がなければ吸収されるはずの直線偏光成分を異方性光散乱板によって散乱させる。散乱光には吸収型偏光板方向に向かう光と光源側に戻る光がある。吸収型偏光板方向に向かう散乱光のうち偏光解消された成分の一部は吸収型偏光板を透過するようになる。また光源側に向かう散乱光は光源に附設した反射板によって反射され、再度異方性光散乱板に入射することとなる。（この場合、散乱光の偏光解消の度合いが低い場合は反射板上に１／４λ板を設けて位相を１８０°反転させた方が効率的である。）再度、異方性光散乱板に入射した光は、原理に従い透過光と散乱光に分離される。透過光成分は輝度向上に寄与する。

異方性光散乱の発現には、光学的異方性物質のドメインサイズ、ドメインの密度、光学的異方性値、および膜厚をコントロールする必要があり、種々の技術が提案されているが、未だ実際に利用されるには至っていない。

従来の異方性光散乱板は、高分子マトリックス内の液晶を延伸して配向させたもの（非特許文献１、特許文献３及び４参照）、高分子マトリックス内の液晶を高温下で延伸して配向させ、急冷して配向状態を固定したもの（特許文献５及び６参照）などがある。しかし延伸で液晶を配向させる方法ではフィルム面内で延伸むらが生じやすく、また延伸が必須であることから、例えばガラス基板のような延伸には高温を要するような基板上に異方性光散乱板を形成することが困難である。
また、光照射により、光学的異方性物質を配向させる方法が開示されている（特許文献７及び８参照）が、層法線方向において配向の均一性を実現することが困難である。

特開平８−７６１１４号公報 特開２００１−２８１４４６号公報 特開平８−７６１１４号公報 特開平９−２７４１０８号公報 特開２０００−３２１４３８号公報 特開２００２−２０７１１８号公報 特開２００１−２４２３１９号公報 特開２００１−２８１４４６号公報 Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ，１９９３，Ｖｏｌ．１５，Ｎｏ．３，３９５−４０７

本発明の目的は、必ずしも延伸工程を必要とせず、また比較的厚い膜厚でも光学的異方性物質を配向させることが可能であり、ドメインサイズや密度、光学的異方性値のコントロールが容易であり、大きな光散乱異方性を有する異方性光散乱膜を提供し、液晶ディスプレイ等の偏光を用いた装置の輝度向上を実現することである。

本発明は次の各項より構成される。
（１） 光学的異方性物質と光学的等方性物質とからなり、いずれか一方が微小領域に分断され、光学的異方性物質が結晶相を含有していることを特徴とする異方性光散乱膜。
（２） 光学的異方性物質が光学的等方性物質により微小領域に分断されている項（１）に記載の異方性光散乱膜。
（３） 光学的異方性物質が結晶相と液晶相を含有していることを特徴とする項（１）に記載の異方性光散乱膜。

（４） 光学的異方性物質中の結晶相が一方向に配向していることを特徴とする項（１）に記載の異方性光散乱膜。
（５） 結晶相が結晶成長により配向したものである項（１）〜（４）のいずれかに記載の異方性光散乱膜。

（６） 光学的異方性物質が結晶化温度より高温側において液晶相を呈することを特徴とする項（１）に記載の異方性光散乱膜。
（７） 光学的等方性物質が高分子化合物を含有していることを特徴とする項（１）に記載の異方性光散乱膜。

（８） 結晶成長により結晶を一方向に配向させることを特徴とする異方性光散乱膜の製造方法。
（９） 項（１）に記載の異方性光散乱膜を輝度向上素子として用いたディスプレイ。

本発明の結晶成長を用いた異方性光散乱膜の製法によれば、光学的異方性物質のドメインサイズや濃度は光学的等方性物質の濃度によってコントロールが可能であり、光学的異方性値は、分子構造の選択によりコントロール可能であり、また結晶成長を利用しているため、配向度の膜厚依存性も少ないという特徴を有する。
本発明の異方性光散乱膜は液晶ディスプレイ等の偏光を利用する輝度向上素子に用いることができるほか、二色性色素を含有させることにより吸収型偏光板としても用いることが可能である。

以下本発明を、発明の実施の形態に即して詳細に説明する。
本発明において異方性光散乱膜とは、入射する偏光によって散乱強度が異なる膜をいう。具体的にはある直線偏光とこれとほぼ直交する直線偏光に対する散乱強度または透過率が異なる膜をいう。

本発明において、光学的異方性物質とは、０．０５以上の光学的異方性値を有する化合物を含有する物質であり、かつ少なくとも一部が結晶化している物質である。少なくとも一部が結晶化している状態とは、結晶相と、液晶相または等方相とが共存している状態をも含む意である。すべて結晶化させる場合は、その結晶化する物質が０．０５以上の光学的異方性値を有し、結晶相と液晶相を共存させる場合はいずれか一方の相を発現している物質が０．０５以上の屈折率を有し、結晶相と等方相を共存させる場合は結晶相を発現している物質が０．０５以上の光学的異方性を有する。

光学的異方性物質の構成は単体でも混合物でもよく、また低分子化合物、高分子化合物または低分子化合物と高分子化合物の混合物でもよい。しかし、結晶化前は液晶相を有していることが異方性光散乱を増大させるために好ましい。これは液晶相の方が微小領域に分断するにあたって好適であるからである。
光学的異方性物質の成分のうち結晶化する物質は、特に限定されないが、例えば棒状分子、円盤状分子を挙げることができる。

また結晶相と結晶相以外の相の共存状態における、結晶相以外の相は液晶相が好ましい。液晶相としては螺旋構造を有しない相が好ましく、ネマチック相、スメクチックＡ相、スメクチックＢ相、ディスコチックネマチック相、デイスコチックヘキサゴナルカラムナー相などを挙げることができる。
また光学的異方性物質は第三成分として二色性色素、光重合開始剤などが添加されていてもよい。

結晶化法としては、温度、濃度および分子量などを制御した既存の結晶化法を用いることができる。例えば、融点以下に冷却する方法や、溶媒を蒸発させる方法や、光反応性物質の重合により結晶化させる方法などを挙げることができるが、これらに限定されない。
また必要な場合には結晶軸が一方向に揃うように結晶化させる方法も使用可能である。例えば温度勾配下で結晶化させる方法などがあるが、これらに限定されない。

光学的異方性物質が微小領域に分断された状態とは、光学的異方性物質が完全に独立した状態で分断されている必要はなく、三次元ネットワークを形成する物質によって１００μｍ以下の間隔で概ね分断されていればよい。本発明では、結晶を一方向に配列させる必要があるため、後者の方が製造上好ましい。分断する間隔としては１０〜１０^５ｎｍ（１００μｍ）が好ましく、さらには１０^２〜１０^４ｎｍ（１０μｍ）が好ましく、特に好ましくは１０^２〜３×１０^３ｎｍ（３μｍ）である。。

本明細書において光学的等方性物質とは０．０５未満の光学的異方性値を有する物質を意味する。
光学的等方性物質としては、光学的異方性物質内に界面を形成し、この両物質からなる複合材料系内でネットワークを形成する物質であれば特に限定されないが、例えば高分子化合物、低分子オイルゲル化剤を挙げることができる。ただし本明細書中、界面とは完全な分離状態のみを意味せず、濃度の傾斜構造を有するものをも含む。

高分子化合物としてはアクリル系高分子、酢酸ビニル系高分子、スチレン系高分子などを挙げることができ、また一般に高分子分散型液晶に用いられる高分子をも使用することができる。好ましくはアクリル系高分子であり、より好ましくはアクリル系共重合体である。例えばエチレンなどの不飽和炭化水素とアクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、メタクリル酸メチル、グリシジルメタクリレート、酢酸ビニルなどとの共重合体を挙げることができる。

また、光学的等方性物質によるネットワークは、熱や光によって反応するモノマーが光学的異方性物質との混合状態において反応し、形成されてもよい。この場合は、熱または光反応性の官能基を有するモノマーを用いる。具体例としては、アクリル基、メタクリル基やグリシジル基などを有する化合物を用いる。またあらかじめ透明な高分子多孔質膜であってもよい。

異方性光散乱膜中の光学的等方性物質の含有率は、膜全体に渡ってネットワークを形成する必要性から１％以上が好ましく、光学的異方性物質のドメインの密度の観点から９９％以下が好ましい。より好ましくは３〜７０％である。

異方性光散乱膜の構成成分の一部または全部を光または熱により反応する化合物とし、結晶化後、異方性光散乱を示した状態で光または熱により重合させ、配向を固定してもよい。
本発明の異方性光散乱膜は結晶化させることで、著しく光散乱異方性が増大するが、さらに延伸処理を施されていてもよい。
以下実施例を挙げて本発明を詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（光学的異方性物質）
光学的異方性物質として下記の液晶組成物Ａと化合物Ｂの１／１（重量比）混合物Ｃを用いた。この混合物は常温において結晶相と液晶相が共存状態を呈するものであった。

（光学的等方性物質）
ポリ（エチレン−ｃｏ−メチルアクリレート−ｃｏ−グリシジルメタクリレート）（アルドリッチ社製）を用いた。
（異方性光散乱膜）
ポリ（エチレン−ｃｏ−メチルアクリレート−ｃｏ−グリシジルメタクリレート）（アルドリッチ社製）０．１６ｇと混合物Ｃ１．４７ｇを加熱溶解し、これを１５０℃のホットプレート上でガラスセル（層厚７μｍ）に注入し、このセルをセル面内に温度勾配が生ずるようにして室温まで冷却し、結晶化させ、異方性光散乱膜Ｄを得た。結晶化前は異方性光散乱はほとんど確認できなかったのに対し、結晶化させることにより大きな光散乱異方性を発現した。図１は本異方性光散乱膜Ｄの光散乱異方性を表す顕微鏡写真（サンプルの光源側に吸収型偏光板１枚を挿入、直線偏光Ａと直線偏光Ｂはほぼ直交）である。

（異方性光散乱膜）
混合物Ｃを１５０℃のホットプレート上で、ポリイミドからなる配向膜をアンチパラレルでラビングしたセル（層厚５μｍ）に注入し、このセルをセル面内に温度勾配が生ずるようにして室温まで冷却し、結晶化させ、異方性光散乱膜Ｅを得た。このものは光散乱異方性を示した。

（光学的異方性物質）
光学的異方性物質として下図に示す液晶組成物Ｆと前記化合物Ｂの１／１（重量比）混合物Ｇを用いた。このものは常温において結晶相と液晶相の共存状態であった。等方相から冷却し、ネマチック相を呈しかつ結晶化していない状態から昇温して測定したネマチック相−等方相転移点は４３℃であった。

（異方性光散乱膜）
前記ポリ（エチレン−ｃｏ−メチルアクリレート−ｃｏ−グリシジルメタクリレート）（アルドリッチ社製）０．１３ｇと前記混合物Ｇ１．１８ｇを加熱下で溶解し、これを１５０℃のホットプレート上で、ポリイミドからなる配向膜をアンチパラレルでラビングしたセル（層厚５μｍ）に注入し、このセルをセル面内に温度勾配が生ずるようにして室温まで冷却し、結晶化させ、異方性光散乱膜Ｈを得た。このものは光散乱異方性を示した。

液晶ディスプレーやＥＬディスプレー用の異方性光散乱膜として適用することができる。

実施例１に示した本発明の異方性光散乱膜Ｄの光散乱異方性を表す顕微鏡写真である。

Claims (8)

1. 光学的異方性物質と光学的等方性物質とからなり、いずれか一方が微小領域に分断され、光学的異方性物質が結晶相と液晶相を含有していることを特徴とする異方性光散乱膜。
2. 光学的異方性物質が光学的等方性物質により微小領域に分断されている請求項１に記載の異方性光散乱膜。
3. 光学的異方性物質中の結晶相が一方向に配向していることを特徴とする請求項１に記載の異方性光散乱膜。
4. 結晶相が結晶成長により配向したものである請求項１〜３のいずれかに記載の異方性光散乱膜。
5. 光学的異方性物質が結晶化温度より高温側において液晶相を呈することを特徴とする請求項１に記載の異方性光散乱膜。
6. 光学的等方性物質が高分子化合物を含有していことを特徴とする請求項１に記載の異方性光散乱膜。
7. 結晶成長により光学的異方性物質の結晶相を一方向に配向させることを特徴とする請求項１に記載の異方性光散乱膜の製造方法。
8. 請求項１に記載の異方性光散乱膜を輝度向上素子として用いたディスプレイ。

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