JP4553769B2 - 光学素子の製造方法 - Google Patents

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Description

発明の分野
本発明は、直線偏光の光を円偏光に変換できる光学素子を製造する方法、その方法により得られる光学素子、およびその光学素子を備えた半透過型の液晶表示装置に関する。
近年、液晶表示装置の小型化により、携帯電話やＰＤＡ等に液晶表示装置が幅広く用いられるようになってきている。このような小型の液晶表示装置においては、省電力化に加えて、高輝度化や高コントラスト化が重要な課題となる。このような観点から、省電力化のための反射型または半透過型の液晶表示装置の開発や、それら液晶表示装置の輝度及びコントラストを改善するための光学素子が開発されている。
このような半透過型の液晶表示装置の一形態として、アルミニウム等の金属膜に光が透過できる開口部を形成した反射膜を光半透過膜として機能させた液晶表示装置が提案されている。このような半透過型の液晶表示装置では、電圧無印加時の位相のずれが１／４波長となるような液晶層が一対のガラス基板間に狭持されており、下の（バックライト側の）ガラス基板の内面には、半透過反射層、インジウム錫酸化物（以下、ＩＴＯと略す）等の透明導電膜からなる透明電極が積層され、透明電極を覆うように配向膜が形成されている。一方、上の（表示面側の）ガラス基板の内面には、ＩＴＯ等の透明導電膜からなる透明電極が形成され、この透明電極を覆うように配向膜が形成されている。そして、上のガラス基板の外面側には、基板側から順に、１／４波長板、偏光板が配置され、下のガラス基板の外面側には、基板側から順に、１／４波長板、偏光板が設けられている。なお、１／４波長板は、ある波長帯域において、直線偏光を略円偏光に変換することができる機能を有する光学素子である。
上記のような構成を有する半透過型液晶表示装置においては、バックライトからの光のうち、反射層で反射された光は、反射層の下側（バックライト側）に配置した１／４波長板で偏光軸が変化し、１／４波長板の下側（バックライト側）に設置した偏光板に吸収されてしまうため、光のリサイクルができず十分な輝度が得られない。また、反射層の開口部を通過し、１／４波長板を透過したバックライト光は円偏光であり、透過光の半分は、上の基板上に設けられた偏光板で吸収されてしまうため、十分な明度とコントラストが得られないと言った問題があった。
上記の問題に対して、透過部と反射部とのセルギャップを調整するとともに、１／４波長板を、反射層の部分にのみ設けた構造の半透過型液晶表示装置が提案されている。この液晶表示装置においては、バックライト側と表示側との一対の位相差層を省略できるので、高輝度化に加え、表示装置を薄型化することができる。
このような半透過型の液晶表示装置として、例えば、特開２００４−４４９４号公報（特許文献１）には、任意形状にパターニングされた反射層を備えた半透過型液晶表示装置であって、その反射表示領域にのみ位相差層（１／４波長板）を設けた構造の液晶表示装置が開示されている。この液晶表示装置によれば、反射層で反射されたバックライトからの光は、位相差層で吸収されることなく、光のリサイクルが可能になる。また、電圧無印加時における、透過表示領域での液晶層の位相のずれが１／２波長で、反射表示領域での液晶層の位相のずれが１／４波長となるように透過表示領域と反射表示領域でのセルギャップを調整することにより、良好な明度とコントラストを実現している。
また、Doornkamoらは、電圧無印加時における、透過表示領域での液晶層の位相のずれが１／２波長で、反射表示領域での液晶層の位相のずれが１／４波長となるように透過表示領域と反射表示領域でのセルギャップを調整し、更に、反射表示領域にあるカラーフィルタ部分にのみ位相差板（１／４波長板）を設けることにより、明度およびコントラストに優れる半透過型液晶表示装置を提案している（非特許文献１）。
このように、反射表示領域にのみに位相差層を設けるためには、任意形状にパターニングされた反射層に対応した形状に位相差層もパターニングする必要がある。
特開２００４−４４９４号公報 C.Doornkamo et. al., SDI2004 Digest, 670 (2004)
しかしながら、特開２００４−４４９４号公報記載の方法においては、位相差層のパターニングは、フォトリソグラフィー法を用いるため、製造工程が複雑であり、その結果、安価に液晶表示装置を製造することが困難であった。すなわち、フォトリソグラフィー法は、位相差層上に感光性樹脂層を設け、その感光性樹脂層をます任意形状にパターニングした後、その感光性樹脂層をマスクとして使用して位相差層をエッチングし、局所的に位相差層を残存させることによって、任意形状にパターニングされた位相差層を形成させるものであるため、位相差層のパターニングに複数の工程を必要とするものであった。
また、Doornkamoらの提案によれば、フォトマスクを介した光照射により、一部の樹脂を硬化させて位相差層のパターニングを行い、その後、未硬化部分の樹脂を光照射により硬化させるものであり、従って二回の露光が必要となるため、更なる簡便な方法が希求されていた。
本発明者らは、今般、位相差層を形成する材料として重合性液晶を用い、光照射により重合性液晶の一部を硬化させ、次いで熱処理により未硬化部分を硬化させることにより、位相差層を簡易且つ安価にパターニングできる、との知見を得た。本発明はかかる知見に基づくものである。
従って、本発明の目的とするところは、半透過反射用の液晶表示装置に用いられるパターン化された１／４波長の位相差を付与できる光学素子を簡易且つ安価に製造できる方法を提供することにある。また、別の目的は、上記方法によって得られる光学素子を提供することにある。
本発明による光学素子の製造方法は、光が入射すると位相差を生じさせる液晶層部分と、光が入射しても位相差を生じさせない等方層部分とが任意形状にパターニングされてなる光学素子を製造する方法であって、
重合性液晶を含んでなる塗工液を、基材上に塗布して塗膜を形成する工程、
前記重合性液晶を配向させて液晶相状態にする工程、
前記塗膜にフォトマスクを介して電離放射線を照射して、液晶相状態にある前記重合性液晶を重合させることにより、照射部分のみ前記重合性液晶を硬化させて前記液晶層を形成する工程、および
前記塗膜が形成された基板を加熱して、未硬化の状態にある前記重合性液晶を等方相の状態にし、その状態で未硬化の前記重合性液晶を重合させることにより、等方層を形成する工程、
を含んでなることを特徴とするものである。
本発明の方法によれば、半透過反射用の液晶表示装置に用いられるパターン化された１／４波長の位相差を付与できる光学素子を簡易且つ安価に製造できる
＜光学素子の製造方法＞
本発明による光学素子の製造方法は、重合性液晶を含んでなる塗工液を、基材上に塗布して塗膜を形成する工程、前記重合性液晶を配向させて液晶相状態にする工程、前記塗膜にフォトマスクを介して電離放射線を照射して、液晶相状態にある前記重合性液晶を重合させることにより、照射部分のみ前記重合性液晶を硬化させて前記液晶層を形成する工程、および、前記塗膜が形成された基板を加熱して、未硬化の状態にある前記重合性液晶を等方相の状態にし、その状態で未硬化の前記重合性液晶を重合させることにより、等方層を形成する工程、を含んでなるものである。そして、この方法においては、光が入射すると位相差を生じさせる液晶層部分と、光が入射しても位相差を生じさせない等方層部分とが任意形状にパターニングされてなる光学素子を簡易且つ安価に得ることができる。以下、各製造工程について説明する。
（１）液晶層形成工程
図１は、本発明の光学素子の製造方法の一実施態様を示したものである。
先ず、図１の（１）に示すように、配向能を有する基材上に重合性液晶を含む塗工液を塗布して、塗膜を形成する。塗布法としては、公知の技術を用いることができる。具体的には、ロールコート法、グラビアコート法、スライドコート法、浸漬法等により、基板上に塗工液を塗布することができる。なお、基材と塗膜との密着性を上げるため、特開平８−２７８４９１号公報に記載されているように、基材上に接着層を設けてから、当該接着剤層上に塗工液を塗布してもよい。
次に、基材上に形成した塗膜を重合性液晶が液晶構造を発現する所定の温度に保持し（以下、液晶構造発現した状態を液晶相という）、その状態で、フォトマスクを使用して、塗膜に電離放射線を露光して重合性液晶を重合させて硬化させる（以下、液晶相が硬化した状態を液晶層という）。この工程により、光学素子の任意の位置に液晶層が形成される（図１の（２）及び（３）を参照）。当該液晶層以外の部分、すなわち、フォトマスクにより、電離放射線が露光されなかった部分については、液晶材料が固化していない状態（液晶相）である。
液晶相を硬化させる方法としては、三次元架橋方法を用いる場合は、例えば、液晶分子に光重合開始剤を添加して紫外線照射によって硬化させる。また、直接電子線を照射して硬化させる方法を用いることもできる。
電離放射線として紫外線を使用する場合は、使用する重合性液晶材料にもよるが、一般に２００ｍＪ／ｃｍ２程度の露光量が好ましく、露光波長は、２００〜４５０ｎｍ程度が好ましい。また、電子線により露光する場合は、５０〜５００Ｇｙが好ましい。
（２）等方層形成工程
次に、図１の（４）に示すように、電離放射線が照射されなかった部分、すなわち、重合性液晶が硬化していない部分（液晶相）が、等方相に転移する温度（以下、等方相転移温度という）以上に加熱する。等方相転移温度以上では、未硬化の重合性液晶は、等方相に転移し液晶配向がなくなる。なお、等方相転移温度は、ＤＳＣ等の測定装置によって測定できる。また、液晶相から等方相への相転移においては、一般に、偏光顕微鏡観察によっても、等方相転移温度を確認できる。一方、前工程の電離放射線照射により硬化した液晶層部分は、重合により液晶分子が固定されているため、等方相転移温度以上に加熱しても、液晶秩序配列が乱れることはない。
次いで、図１の（５）に示すように、塗膜を加熱して、等方相の状態にある未硬化の重合性液晶を重合させて硬化させることにより、等方層を形成する。
このようにして、基材上に塗布した重合性液晶の全部分を硬化させることにより、光が入射すると位相差を生じる液晶層部分と、光が入射しても位相差を生じない等方層部分とが任意形状にパターニングされてなる光学素子を、簡易且つ安価に得ることができる。
次に、本発明の製造方法において使用する各材料について説明する。
＜基材＞
本発明においては、基材上に塗布した重合性液晶を液晶相が発現するように、配向能を備えたものを使用する必要がある。このような配向能を有する基材としては、基材そのものが配向能を有するものである場合と、透明基板上に配向膜が形成されて配向能を有する基材として機能するものとを挙げることができる。
基材そのものが配向能を有するものとして、基材が延伸フィルムである場合を挙げることができる。このように延伸フィルムを用いることにより、その延伸方向に沿って重合性液晶を配向させることが可能である。したがって、基材の調製は、単に延伸フィルムを準備することにより行うことができるため、工程上極めて簡便であるという利点を有する。このような延伸フィルムとしては、市販の延伸フィルムを用いることも可能であり、また必要に応じて種々の材料の延伸フィルムを形成することも可能である。
具体的には、ポリカーボネート系高分子、ポリアリレートやポリエチレンテレフタレートの如きポリエステル系高分子、ポリイミド系高分子、ポリスルホン系高分子、ポリエーテルスルホン系高分子、ポリスチレン系高分子、ポリエチレンやポリプロピレンの如きポリオレフィン系高分子、ポリビニルアルコール系高分子、酢酸セルロース系高分子、ポリ塩化ビニル系高分子、ポリメチルメタクリレート系高分子等の熱可塑性ポリマーなどからなるフィルムや、液晶ポリマーからなるフィルムなどを挙げることができる。
本発明においては、中でもポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムが、延伸倍率のレンジ幅が広い点、さらには入手のしやすさ等の観点から好ましく用いられる。
また、透明基板上に配向膜が形成されて配向能を有する基材では、配向処理を選択することにより、比較的広範囲の配向方向を選択することが可能であるという利点を有する。透明基板上に塗布した配向膜の配向処理方法を選択することにより、種々の配向方向を実現することが可能であり、かつより効果的な配向を行うことができる。このような配向膜としては、通常、液晶表示装置等において用いられる配向膜を好適に用いることが可能であり、一般的には、基材フィルムに配向膜を積層させるか、または基材フィルムもしくはこれに積層された配向膜をラビングまたは偏光処理することにより、基材フィルムに配向能を付与することができる。配向膜としては、ポリイミド、ポリアミド、ポリビニルアルコール等が通常使用される。また、ラビング処理は、レーヨン、綿、ポリアミド、ポリメチルメタクリレート等の材料から選択されるラビング布を金属ロールに巻きつけ、これをフィルムに接した状態で回転させるか、ロールを固定したまま基材フィルムを搬送することにより、フィルム面をラビングで摩擦する方法が通常用いられる。また、光配向膜を用いて偏光照射することによっても、配向能を有する基材を得ることができる。
なお、透明基材としては、透明材料により形成されたものであれば特に限定されるものではなく、例えば石英ガラス、パイレックス（登録商標）ガラス、合成石英板等の可撓性のない透明なリジット材、あるいは透明樹脂フィルム、光学用樹脂板等の可撓性を有する透明なフレキシブル材を用いることができる。
また、市販の配向膜を使用してもよい。例えば、サンエバー（日産化学株式会社製）、ＱＬ及びＬＸシリーズ（日立化成デュポンマイクロシステムズ株式会社製）、ＡＬシリーズ（ＪＳＲ株式会社製）、リクソンアライナー（チッソ株式会社製）等の配向膜を基板上に塗布し、上記と同様にして配向処理を施してもよい。
＜重合性液晶＞
本発明において使用される重合性液晶としては、ネマチック規則性、スメクチック規則性、を有する液晶相を形成し得る重合性液晶であれば特に限定されるものではないが、ネマチック液晶材料を好適に使用できる。ネマチック液晶のなかでも、液晶分子中に2つ以上の重合性基を有するネマチック液晶を好適に使用できる。具体的には、特表平１１−５１３０１９号公報に開示されているような重合性液晶を使用できる。
重合性液晶は、重合性モノマー分子、重合性オリゴマー分子、重合性ポリマー分子等を単体で使用してもよく、またこれら二種以上を混合して使用してもよい。
具体的には、下記の一般式（１）で表わされる化合物：
Figure 0004553769
 （式中、Ｒ1及びＲ2はそれぞれ水素又はメチル基を示し、Ｘは水素、塩素、臭素、ヨウ素、炭素数１〜４のアルキル基、メトキシ基、シアノ基、又はニトロ基を表し、ａ及びｂは、それぞれ個別に２〜１２の整数を表す。）
や、下記に列挙した化合物：
Figure 0004553769
 を好適に使用することができる。
また、上記一般式（１）で表される化合物や、上記の下記化合物を二種以上混合して用いても良い。
一般式（１）で表される化合物において、液晶相を示す温度範囲の広さからＲ1及びＲ2はいずれも水素であることが好ましい。また、Ｘは塩素又はメチル基であることが好ましい。更に、分子鎖両端の（メタ）アクリロイロキシ基と、芳香環とのスペーサーであるアルキレン基の鎖長を示すａ及びｂは、それぞれ別個に４〜１０の範囲の整数であることが好ましく、６〜９の範囲の整数であることがより好ましい。ａ及びｂのいずれもが０である一般式（１）で表される化合物は安定性に欠け、加水分解を受け易く、また、化合物自体の結晶性も高い。また、ａ及びｂがそれぞれ１３以上であると、アイソトロピック転移温度（等方相転移温度）が低い。このような理由から、ａ及びｂが２〜１２の範囲にない上記化合物は液晶性を示す温度範囲が狭くなり好ましくない。
また、市販の材料の一例としてはRMM34（メルク社製）が挙げられる。
＜その他の成分＞
本発明においては、重合性液晶を含む塗工液が光重合開始剤を含んでなることが好ましい。光重合開始剤としては、ラジカル重合性開始剤を好適に使用できる。ラジカル重合性開始剤は、紫外線等のエネルギーによりフリーラジカルを発生するものであり、例えば、ベンジル（ビベンゾイルとも言う）、ベンゾインイソブチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル、ベンゾフェノン、ベンゾイル安息香酸、ベンゾイル安息香酸メチル、４−ベンゾイル−４’−メチルジフェニルサルファイド、ベンジルメチルケタール、ジメチルアミノメチルベンゾエート、２−ｎ−ブトキシエチル−４−ジメチルアミノベンゾエート、ｐ−ジメチルアミノ安息香酸イソアミル、３，３’−ジメチル−４−メトキシベンゾフェノン、メチロベンゾイルフォーメート、２−メチル−１−（４−（メチルチオ）フェニル）−２−モルフォリノプロパン−１−オン、２−ベンジル−２−ジメチルアミノ−１−（４−モルフォリノフェニル）−ブタン−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、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、２−ヒドロキシ−２−メチル−１フェニルプロパン−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、２−クロロチオキサントン、２，４−ジエチルチオキサントン、２，４−ジイソプロピルチオキサントン、２，４−ジメチルチオキサントン、イソプロピルチオキサントン、１−クロロ−４−プロポキシチオキサントン等が挙げることができる。本発明においては、市販の光重合開始剤を使用することもでき、例えば、イルガキュア１８４、イルガキュア３６９、イルガキュア６５１、イルガキュア９０７（いずれも、チバ・スペシャリティー・ケミカルズ社製）、ダロキュアー（メルク社製）、アデカ１７１７（旭電化工業株式会社製）等のケトン系化合物や、２，２’−ビス（ｏ−クロロフェニル）−４，５，４’−テトラフェニル−１，２’ビイミダゾール（黒金化成株式会社製）等のビイミダゾール系化合物を好適に使用できる。
なお、光重合開始剤の他に増感剤を、本発明の目的が損なわれない範囲で添加することもできる。
光重合開始剤は、重合性液晶の液晶規則性を大きく損なわない範囲で添加することが好ましい。光重合開始剤の添加量としては、一般的には０．０１〜１５質量％、好ましくは０．１〜１２質量％、より好ましくは、０．５〜１０質量％の範囲で重合性液晶材に添加することができる。
本発明においては、重合性液晶を含む塗工液が、更に熱重合開始剤を含んでなることが好ましい。重合性液晶は、加熱によっても重合反応が進行するが、熱重合開始剤を含有することにより、等方相の状態にある重合性液晶を効率的に重合させて硬化することができる。
熱重合開始剤としては、ラジカル重合性開始剤を好適に使用できる。例えば、２，２’−アゾビスイソブチルニトリル、２，２’−アゾビス−２−メチルブチロニトリル、２，２’−アゾビス（２，４−ジメチルバレロニトリル）、２，２’−アゾビス（４−メトキシ−２，４−ジメチルバレロニトリル）、１，１’−アゾビス−１−シクロヘキシルニトリル、ジメチル−２，２’−アゾビスイソブチレート、４，４’−アゾビス−４−シアノバレル酸、１，１’−アゾビス（１−アセトキシ−１−フェニルエタン）等のアゾ化合物、ベンゾイルパーオキサイド、ラウロイルパーオキサイド、ｔｅｒｔ−ブチルパーオキサイド、１，１−ビス（ｔｅｒｔ−ブチルパーオキシ）シクロヘキサン等の有機過酸化物、を挙げることができる。
熱重合開始剤は、重合性液晶の液晶規則性を大きく損なわない範囲で添加することが好ましい。熱重合開始剤の添加量としては、一般的には０．０１〜１５質量％、好ましくは０．１〜１２質量％、より好ましくは、０．５〜１０質量％の範囲で重合性液晶材に添加することができる。
本発明に使用する重合性液晶を含む塗工液は、界面活性剤を含有することが好ましい。界面活性剤を含有することにより、空気界面での液晶配向を制御できる。
界面活性剤としては、重合性液晶材料の液晶発現性を損なうものでなければ、特に限定されることはない。例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルアリルエーテル、ポリオキシエチレン誘導体、ポリオキシエチレン・ポリオキシプロピレンブロック重合体、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビトール脂肪酸エステル、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンアルキルアミン等の非イオン性界面活性剤、脂肪酸塩、アルキル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルナフタレンスルホン酸塩、アルキルスルホコハク酸塩、アルキルジフェニルエーテルジスルホン酸塩、アルキルリン酸塩、ポリオキシエチレンアルキル硫酸エステル塩、ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物、特殊ポリカルボン酸型高分子界面活性剤、ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル等の陰イオン性界面活性剤等が挙げられる。
界面活性剤の添加量としては、一般的には０．０１〜１質量％、好ましくは０．０５〜０．５質量％の範囲で重合性液晶材に添加することができる。
重合性液晶および上記の各成分を溶媒に溶解させて塗工液とすることができる。使用できる溶媒として、重合性液晶および各成分を溶解できるものであれば特にされるものではなく、有機溶媒を好適に使用できる。スピンコート法を用いて基材上に塗膜を均一に形成する場合は、溶剤として、酢酸３−メトキシブチル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、シクロヘキサノン、等を好適に使用できる。
電離放射線照射により硬化させた液晶層は、光が入射すると位相差を生じるものでなければならない。位相差は、リタデーション量、すなわち、液晶層の複屈折率（Δｎ）と膜厚との積により決定される。従って、液晶層は屈折率異方性を有するように形成される必要がある。この屈折率異方性は、用いる液晶材料や基材表面の配向能により異なるものではあるが、一般的には、配向方向に平行な面において、配向方向に直角なＸ軸と配向方向に平行なＹ軸を仮定した場合に、Ｘ軸方向の屈折率ｎＸとＹ軸方向の屈折率ｎＹとの差Δｎ、すなわち、
Δｎ＝｜ｎＸ−ｎＹ｜
が、０．０３〜０．２０程度が好ましく、０．０５〜０．１５程度がより好ましい。Δｎが０．０３以下になると、所望のリタデーション量を得るために膜厚を厚くする必要があり、液晶層の配向性が悪くなる。一方、Δｎが０．２０を超えると、液晶層が薄くなりすぎ、膜厚の制御が困難になる。なお、複屈折率の測定は、リタデーション値と光学素子の膜厚を測定することにより算出できる。
リタデーション値は、ＫＯＢＲＡ−２１（王子計測機器社製）等の市販の測定装置を用いて測定できる。測定波長は、可視領域（３８０〜７８０ｎｍ）であることが好ましく、特に、比視感度の最も大きい５５０ｎｍ付近で測定することがより好ましい。
光学素子の膜厚は、触針式段差計等を用いて測定することができ、ＤＥＫＴＡＫ（Ｓｌｏａｎ社製）等の市販の測定機器を好適に使用できる。
＜半透過型液晶表示装置＞
本発明による方法により得られた光学素子をインセル型の半透過液晶表示装置に組み込んだ場合の一例を図２に示す。液晶表示装置は、図２に示すように、液晶セル１３とバックライトと２０を備え、液晶セル１３が、第一基板１１と第二基板１８との間に狭持された構成を有する。液晶セル１３には、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）液晶等が封入されている。
透明材料からなる第二基板上には、アルミニウム、銀、またはこれらの合金等の反射率の高い金属膜からなる半透過反射層１７が形成されている。半透過反射層１７には、バックライトから出射された光を透過させるための開口部１６が各画素毎に設けられており、反射表示領域（金属膜が存在している部分１７）と透過表示領域（開口部の部分１６）から構成されている。
半透過反射層上には、本発明による光学素子１５が設けられている。光学素子１５を構成する液晶層部分５が反射表示領域１７になるように、そして、等方層部分８が、透過表示領域１６になるよう、光学素子１５が配置される。なお、光学素子を保護するため、例えばアクリル系感光性樹脂等の絶縁膜から構成さる保護層（図示せず）を設けてもよい。
光学素子１５上には、ＩＴＯ等の透明導電膜からなる画素電極１４ｂが設けられている。そして、画素電極１４ｂを覆うようにポリイミド等からなる配向膜（図示せず）が積層される。
第二基板１８は、ＴＦＴ等の画素スイッチング素子、データ線、走査線等が形成された素子基板から構成される（図示せず）。また、第二基板のバックライト側には、第二偏光板１８が設けられている。
第一基板１１の下側（バックライト側）には、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色素層を有するカラーフィルタ１２が設けられ、その下に透明導電膜からなる共通電極１４ａ及び配向膜（図示せず）が順次積層されている。また、第一基板１１の上側（表示側）には第一偏光板１０が設けられている。
液晶セル内にあるＴＮ液晶は、電圧印加時には電界方向に沿って液晶分子が立ち上がり、液晶セルの位相のずれが反射表示領域、透過表示領域ともに０となる。これに対し、非電圧印加時には液晶分子が寝た状態となり、液晶セルの位相のずれが反射表示領域では１／４波長、透過表示領域では１／２波長となるように、液晶の屈折率異方性Δｎおよび液晶層厚ｄが設計されている。第一基板下の配向膜の配向軸と第一偏光板の透過軸とは垂直または平行であり、液晶セル内の液晶分子が、非電圧印加時において第一基板と第二基板との間で９０°ねじれた状態となっている。
バックライト２０は、光源と反射板と導光板から構成され、導光板の下面側には、導光板中を透過する光を液晶セル側に向けて出射させるための反射板２１が設けられている。
次に、半透過型液晶表示装置の表示原理について説明する。
先ず、表示側から入射した光（外光）は、第一偏光板１０を透過して直線偏光となり、その状態で液晶セル１３内を透過する。そして、光学素子１５の液晶層部分５を透過する際に１／４波長の位相差が付与され、円偏光に変換される。次いで、この円偏光が半透過反射層１７の表面で反射すると偏光方向が反転する。偏光方向が反転した円偏光が、液晶層部分５を再度透過すると、直線偏光に変換され、その状態で液晶セル１３を透過する。この直線偏光は、第一偏光板１０と垂直な偏光軸を有しているため、第一偏光板に吸収されて観察者側へは出射されず、暗表示となる。
一方、バックライト２０から出射された光は、第二偏光板１９を透過して直線偏光となり、その状態で液晶セル１３を透過する。この直線偏光は、上記と同様に第一偏光板１０に吸収されるため、暗表示となる。
非電圧印加状態では、液晶セル１３を光が透過する際に、ＴＮ液晶の有する旋光性によって１／２波長の位相のずれが付与される。従って、外光の場合（反射表示）もバックライト光の場合（透過表示）も、第一偏光板１０を透過する直線偏光は、偏光板と平行な偏光軸を有することとなり、第一偏光板１０によって出射光が吸収されることはなく、明表示となる。
また、第二偏光板１９を透過したバックライト光は直線偏光となるが、この直線偏光が半透過反射層１７の裏面で反射し、 そのまま第二偏光板１９を透過してバックライト側に戻ることができるため、光の再利用が図られ輝度の高い表示装置を実現できる。
このように、半透過型の液晶表示装置に本発明による光学素子を用いることにより、高輝度でコントラストの高い液晶表示装置が簡易且つ安価に製造できる。
本発明の別の態様により半透過型液晶表示装置として、図３に示すように、第一基板側に位相差層を設置してもよい。液晶表示装置は、図３に示すように、液晶セル１３とバックライトと２０を備え、液晶セル１３が、第一基板１１と第二基板１８との間に狭持された構成を有する。液晶セル１３には、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）液晶等が封入されている。
透明材料からなる第二基板上には、アルミニウム、銀、またはこれらの合金等の反射率の高い金属膜からなる半透過反射層１７が形成されている。半透過反射層１７には、バックライトから出射された光を透過させるための開口部１６が各画素毎に設けられており、反射表示領域（金属膜が存在している部分１７）と透過表示領域（開口部の部分１６）から構成されている。
第一基板の下側（バックライト側）にはＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色素層を有するカラーフィルタが設置され、カラーフィルタの下側（バックライト側）に本発明による光学素子１５が設けられている。光学素子１５を構成する液晶層部分５が反射表示領域１７に対応するカラーフィルタ上の画素部になるように、そして、等方層部分８が、透過表示領域１６に対応するカラーフィルタ上の画素部になるよう、光学素子１５が配置される。なお、光学素子を保護するため、例えばアクリル系感光性樹脂等の絶縁膜から構成さる保護層（図示せず）を設けてもよい。
光学素子１５上には、ＩＴＯ等の透明導電膜からなる画素電極１４aが設けられている。そして、画素電極１４aを覆うようにポリイミド等からなる配向膜（図示せず）が積層される。また、第一基板１１の上側（表示側）には第一偏光板１０が設けられている。
第二基板１８は、ＴＦＴ等の画素スイッチング素子、データ線、走査線等が形成された素子基板から構成される（図示せず）。また、第二基板のバックライト側には、第二偏光板１８が設けられている。
上記の半透過型液晶表示装置の表示原理について説明する。
先ず、表示側から入射した光（外光）は、第一偏光板１０を透過して直線偏光となり、さらに光学素子１５の液晶層部分５を透過し、１／４波長の円偏光となる。この状態で液晶セル１３を透過し、半透過反射層１７の表面で反射すると偏光方向が反転する。そしてその状態で液晶セル１３を透過し、さらに光学素子１５の液晶部分５を透過し、直線偏光に変換される。この直線偏光は、第一偏光板１０と垂直な偏光軸を有しているため、第一偏光板に吸収されて観察者側へは出射されず、暗表示となる。
一方、バックライト２０から出射された光は、第二偏光板１９を透過して直線偏光となり、その状態で液晶セル１３を透過する。この直線偏光は、上記と同様に第一偏光板１０に吸収されるため、暗表示となる。
非電圧印加状態では、液晶セル１３を光が透過する際に、ＴＮ液晶の有する旋光性によって１／２波長の位相のずれが付与される。従って、外光の場合（反射表示）もバックライト光の場合（透過表示）も、第一偏光板１０を透過する直線偏光は、偏光板と平行な偏光軸を有することとなり、第一偏光板１０によって出射光が吸収されることはなく、明表示となる。
また、第二偏光板１９を透過したバックライト光は直線偏光となるが、この直線偏光が半透過反射層１７の裏面で反射し、 そのまま第二偏光板１９を透過してバックライト側に戻ることができるため、光の再利用が図られ輝度の高い表示装置を実現できる。
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、実施例により本発明が限定されるものではない。
実施例１
（１）光学素子の作製
基材として、ガラス基板上に配向膜を設けたものを使用した。１００×１００ｍｍのガラス基材上にＪＳＲ株式会社製の配向膜（ＡＬ１２５４）を、スピンコーターを用いて膜厚が０．０６５μｍになるように塗布し、２３０℃のオーブン内で１時間焼成した。次いで、ラビング装置を用いて、基材上の配向膜に配向処理を施した。
次いで、得られた基材上に、下記組成の塗工液をスピンコーターにより、焼成後の膜厚が０．８μｍ程度になるように塗布した。
＜塗工液組成＞
重合性液晶（ＲＭＭ３４：メルク社製） ２３．７５重量部
光重合開始剤
（Ｉｒｇ１８４：チバ・スペシャリティー・ケミカルズ社製） １．２５重量部
界面活性剤（ジエチレングリコールジメチルエーテル） ７５重量部
次に、基板を８０℃で３分間保持することにより、重合性液晶を液晶相の状態にした。液晶相への相転移は、塗膜が白濁から透明となることで確認した。その状態で、塗膜上に、任意形状のフォトマスクを介して、紫外線照射装置により紫外線を照射し、重合性液晶を三次元架橋させて硬化させた。照射量は、２０ｍＷ／ｃｍ２×５秒とした。このようにして、基材上にパターニングされた液晶層を形成した。
次いで、基材を２３０℃のオーブンに３０分間保持し焼成を行うことにより、未硬化の重合性液晶を等方相の状態で重合させて硬化させた。このようにして、液晶層部分と等方層部分とが任意形状にパターニングされた光学素子１を得た。
（２）評価
得られた光学素子１の液晶層部分の位相差（リタデーション）を、ＫＯＢＲＡ−２１（王子計測機器社製）を用いて測定した。測定は５５０ｎｍで行った。基板の法線方向に対してのリタデーションは、約１００ｎｍであった。
また、光学素子１が偏光軸に対して４５°となるように、クロスニコル設置した間に配置したところ、パターン形状に光が透過する様子が確認できた。
実施例２
（１）光学素子の作製
実施例１で用いたものと同様の基材を用いた。基材上に、下記組成の塗工液をスピンコーターを用いて、焼成後の膜厚が０．８μｍ程度になるように塗布した。
＜塗工液組成＞
重合性液晶（ＲＭＭ３４：メルク社製） ２２．５重量部
光重合開始剤
（Ｉｒｇ１８４：チバ・スペシャリティー・ケミカルズ社製） １．２５重量部
熱重合開始剤（ＡＩＢＮ：和光純薬社製） １．２５重量部
界面活性剤（ジエチレングリコールジメチルエーテル） ７５重量部
次に、基板を８０℃で３分間保持することにより、重合性液晶を液晶相の状態にした。液晶相への相転移は、塗膜が白濁から透明となることで確認した。その状態で、塗膜上に、任意形状のフォトマスクを介して、紫外線照射装置により紫外線を照射し、重合性液晶を三次元架橋させて硬化させた。照射量は、２０ｍＷ／ｃｍ２×５秒とした。このようにして、基材上にパターニングされた液晶層を形成した。
次いで、基材を１３０℃のオーブンに５分間保持し焼成を行うことにより、未硬化の重合性液晶を等方相の状態で重合させて硬化させた。このようにして、液晶層部分と等方層部分とが任意形状にパターニングされた光学素子２を得た。
（４）評価
得られた光学素子２の液晶層部分の位相差（リタデーション）を、実施例１と同様にして測定した。その結果、基板の法線方向に対してのリタデーションは、約１００ｎｍであった。
また、光学素子２が偏光軸に対して４５°となるように、クロスニコル設置した間に配置したところ、パターン形状に光が透過する様子が確認できた。
本発明による光学素子の製造方法の一態様を概略的に示したものである。 本発明による光学素子を備えた半透過型液晶表示装置の一例を示した断面概略図である。 本発明による光学素子を備えた半透過型液晶表示装置の別の一例を示した断面概略図である。
符号の説明
１ 塗膜
２ 基材
３ 配向膜
４ マスク
５ 液晶層
６ 液晶相状態にある未硬化の重合性液晶
７ 等方相状態にある未硬化の重合性液晶
８ 等方層
１０ 第一偏光板
１１ 第一基板
１２ カラーフィルタ
１３ 液晶セル
１４ａ、ｂ 透明電極
１５ 光学素子
１６ 透過表示領域
１７ 反射表示領域
１８ 第二基板
１９ 第二偏光板
２０ バックライト
２１ 反射板

Claims (8)

  1. 光が入射すると位相差を生じさせる液晶層部分と、光が入射しても位相差を生じさせない等方層部分とが任意形状にパターニングされてなる光学素子を製造する方法であって、
    重合性液晶を含んでなる塗工液を、基材上に塗布して塗膜を形成する工程、
    前記重合性液晶を配向させて液晶相状態にする工程、
    前記塗膜にフォトマスクを介して電離放射線を照射して、液晶相状態にある前記重合性液晶を重合させることにより、照射部分のみ前記重合性液晶を硬化させて前記液晶層を形成する工程、および
    前記塗膜が形成された基板を加熱して、未硬化の状態にある前記重合性液晶を等方相の状態にし、その状態で未硬化の前記重合性液晶を加熱して重合反応を進行させて硬化させることにより、等方層を形成する工程、
    を含んでなることを特徴とする、方法。
  2. 前記液晶相部分が、直線偏光を円偏光に変換できるものである、請求項１に記載の方法。
  3. 前記塗工液が、光重合開始剤を含んでなる、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記塗工液が、更に熱重合開始剤を含んでなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記重合性液晶が、ネマチック液晶である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記基材の表面に配向膜が設けられてなる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法により得られた光学素子。
  8. 請求項７に記載の光学素子を備えてなる、半透過型液晶表示装置。
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