JP5180579B2 - 液晶光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＰＤＬＣ（Polymer Dispersed Liquid Crystal）あるいは、高分子分散型液晶と称されている液晶方式に係るものであり、詳細には、前記ＰＤＬＣの駆動方法に係るものである。

従来のＰＤＬＣはラビング処理が不要で、液晶中にモノマー（液晶性を有しない）と、光反応開始剤を添加したものを注入する。紫外線を均一に照射すると、モノマーがポリマー化し、液晶部分とポリマー部分に相分離する（ミクロな相分離）。液晶部分とポリマー部分は屈折率が異なるため、電圧無印加時には透過光は錯乱する（均一錯乱）、そして、電圧が印加されると、液晶が電界方向に立上がり、ポリマーと液晶との屈折率比が小さくなり透明状態となる。

よって、従来の液晶表示装置では、偏光板、配向板などという部材が必要とされていたために、これらにより、入射する光の量が減少するという問題点があったが、ＰＤＬＣでは、偏光板、配向板を用いていないため、少ない電力（バックライトを含む）でより明るい画面を実現することができると言われている。
特開２００５−０６０７０３号公報

しかしながら、上記に説明した従来のＰＤＬＣでは、表示面の全面を透明状態、若しくは、散乱状態にするのは、対峙する２枚の基板の少なくとも表示が行われる部分の全面に透明電極（ＩＴＯ）を形成しておき、この電極に電圧を印加するときには、表示面の全面が透明となり、印加を停止すれば、表示面の全面が散乱状態となるので、困難性は無い。

また、表示面の一部分のみ、例えば左右で半部に分割した状態で２枚の基板に透明電極を形成しておけば、例えば、左半部のみの透明電極に電圧を印加すれば、左半部のみが透明化し、右半部は散乱状態となるので、電極に印加する電源の制御が煩雑化するのみでさしたる困難性は生じない。

ここで、例えば、表示部分の周縁が散乱状態で、中央部分が透明状態の表示面が要求された場合には、基板の外縁には透明電極（ＩＴＯ）を設けることができず、中央部分のみに透明電極を設け、且つ、観視面側の透明電極にも給電を行わなければならないので、給電端子が観視面側から見えるなどの問題を解決しなければ成らず、実質的には実現不可能となる問題点を生じている。

更には、散乱状態の部分と、透明状態の部分との間が、グラデーションを持って移行していくようにするなど、所望の所の散乱性を制御するなどの手段は、現状でははなはだ困難であり、これにより、ＰＤＬＣの表現性も制約を受けざるを得ないという問題点を生じている。

本発明は、前記した従来の課題を解決するための具体的手段として、ギャップが一様となるように設けられた一対の基板と、前記基板の内側には透明電極が設けられており、前記透明電極には高抵抗のＩＴＯが採用され、前記ＩＴＯの高抵抗による電圧勾配を利用して、前記素子の内部に部分的に異なる電圧値を付与することを可能とする液晶光学素子であって、前記素子の内部には誘電率異方性と屈折率異方性を有する液晶材料とモノマー、及び、モノマーを重合するための光重合開始剤が含まれた状態で封止された液晶層を有し、 前記液晶層は、前記モノマーが重合した領域と前記モノマーが重合していない領域とがパターンを形成していることを特徴とする液晶光学素子を提供することで、課題を解決するものである。

本発明により、少なくとも一方の基板に比較的に高抵抗（５００Ω□以上）の透明電極（ＩＴＯ）を敷設すると共に、この透明電極の両端に、異なる電圧の電源を接続することで、透明電極に印加されている電圧に位置による傾斜を設け、表示面上の透明とする場所と、散乱させる場所とを自在に設定できるものとして、表示に自由度を与え、この種のＰＤＬＣの表現能力の拡大に優れた効果を奏するものである。

図１に示すものは本発明に係るＰＤＬＣを示すもので、ＩＴＯなどの透明電極が形成された１対のガラス基板２、３（ＩＴＯの厚さ：５００Å、ガラス板厚：０．７mm、ガラス材質：青板ガラス）を用意する。そして、片側のガラス基板（裏基板）２に、例えば、窓から見える風景など、ＩＴＯ２ａを所望のパターンにパターニングする。

対向基板（表基板）３上のＩＴＯ３ａのパターンは、ベタ状でも良く（図１Ｂ参照）、別途、適宜にパターニングしたものでも良い。ＩＴＯ２ａ、及び、ＩＴＯ３ａの表面に配向膜（図示せず）を形成し、ラビングなどによる配向処理を上下基板２、３間の配向方向がアンチパラレルになるように行った。

尚、ＰＤＬＣにおいては、配向膜形成やラビングなどによる配向処理は行っても良いし、行わなくても良い。またＴＮ配向でも良い。光制御部分（ディスプレイでいえば画素部分）の透明電極はパターニングされたＩＴＯ２ａ、３ａを用いた。ＩＴＯ２ａ、３ａの抵抗は上記に記載した（５００Ω□以上）に限らない。

また、片側の基板、例えば、基板３には低抵抗ＩＴＯ３ａを用いても良い。更には、部分的に低抗値の異なるＩＴＯを用いても良い。特に表示図形上の注目させたい部分に当たる部位の抵抗を低くすると、まず、注目させたい部分が最初に散乱して徐々に末端の部分に散乱が波及していくような表示を表現する事も可能である。但し、上記のような作用、効果を得るためには、パターニング及びＩＴＯ成膜を２回以上行う必要があり、ここでは用いなかった。

次に片側のガラス基板３(下基板)上にギャップコントロール剤を２．５ｗｔ％含んだメインシール剤を形成した。（形成方法：スクリーン印刷、もしくは、ディスペンサー）、ギャップコントロール剤の径は液晶層が５〜１５０μｍになるように材料を選ぶ、この第一実施例では液晶層１５μｍとしたため、ギャップコントロール剤の径は１５μｍのグラスファイバーを選んだ。

このグラスファイバーを三井化学製シール剤ＥＳ・７５００に３ｗｔ％添加し、メインシール剤とした。もう一方のガラス基板２（上基板）上にはギャップコントロール剤を散布した。ここでは、１５μｍのプラスチックボールを乾式のギャップ散布機を用いて散布した。

これらのガラス基板の重ね合わせを行い、プレス機などで圧力を一定に加えた状態で熱処理を行いメインシール剤を硬化させた。ここでは、１５０℃で３時間熱処理を行った。こうして、１５ミクロンのセル厚を有する空セルを作製した。

前記セルに液晶、カイラル剤、液晶性モノマー（ＵＣＬ・００１）：大日本インキ化学工業製)、光重合反応開始剤を混合したものを真空注入した。ホスト液晶として△εが正の液晶(△ｎ：０．２９８，Ｔｎｉ＝１２８℃：大目本インキ化学工業製)を用いた。カイラル剤Ｓ−８１１をホスト液晶に対し０．３７６ｗｔ％（ピッチ２８ミクロン）となるよう添加した。尚、カイラル剤はＳ−８１１に限らない。

また添加量は、この値に限らず０．０２ｗｔ％程度から５ｗｔ％程度の範囲においても同様の効果が得られる。但し、添加量が少なくなるほど電圧印加時の散乱性が低くなる。また添加量が多すぎるとＶ−Ｔ特性にヒステリシスが生じたり、無電圧印加時の透明性が悪くなるなどの問題が生じることがある。

カイラル剤添加量と前記散乱性の傾向及びカイラルピッチの関係は液晶材料やカイラル材料により一概に言えないが、今回用いた液晶材料に対してはカイラル剤の添加重０．１ｗｔ％〜３ｗｔ％程度が望ましい。このカイラル入り液晶にアクリレート系のモノマーを
０．５〜４０ｗｔ％添加した。

使用材料にも依るが、モノマー添加量が２ｗｔ％以下では十分にポリマーネットワークが形成されない傾向があり、また１５ｗｔ％以上では電圧による液晶の応答性が悪くなる傾向があるため、概ね２〜１５ｗｔ％程度が望ましい。実施例では５ｗｔ％添加して実験を行った。

さらに、光重合反応開始剤をモノマーに対し０．１〜０．５ｗｔ％添加した、開始剤としては特に限定はなく、紫外線（３６５nm付近）に感度を持っ材料であれば良い。この第一実施例ではチバケミカルズ製のイルガキュアを用いた。注入後、注入口にエンドシール剤を塗布し封止した。

この時、光硬化性エンドシールを用いるのであればセルに直接紫外線が照射されないよう遮光マスクを用いると良い。また熱硬化性のエンドシール剤や２液混合タイプのエンドシール剤を用いても良い。

注入された液晶セルに強い紫外線をフォトマスクを介して照射した。光照射はメジロプレジション製の光配向装置を用いた。ここで用いられている光源は高圧水銀ランプであるが、キセノンランプ、メタルハライドランプ、低圧水銀ランフなどを用いても良い、照射強度は８０ｍＷ／ｃｍ²（３５０nm）であり、３０秒間照射した（照射量は２．５Ｗ/ｃｍ^２）。

フォトマスクは２０μｍ／２０μｍのライン／スペースパターン（ストライプパターン）を用いた、マスクパターンはストライプパターンに限らず、格子状パターン、同心円状パターン、ランダムパターンなどでも良い。場所により透過率を変えても良い。またパターンのサイズは２０μｍ（４０μｍピッチ）の場合について説明したが、それに限らない。

但し１５μｍのセル厚の液晶セルについては５０μｍ以上のパターンサイズでは高い散乱性が得られにくいことがわかっており、４０μｍ以下が望ましい。紫外線の照射時間は３０秒の場合について説明したが、それに限らない。但し照射時間が短いと高い散乱性が得られにくく、また、照射時間を３０秒以上に長くしても散乱性は変わらないことが確認されている。

用いる電源は通常のＬＣＤ駆動電源より高電圧を印加可能な電源が必要である。ここでは最大５０Ｖ印加可能な電源を用いたが、ＩＴＯの抵抗、パターン、セルサイズにより要求される電源容量は異なる。また端子（電極を繋ぐ位置）によっても透過率の変化の状態を変えることができ、例えばベタ電極のように端子を下側につけると、電圧印加により下左側から対角線方向に徐々に散乱状態が広がっていくような透過率変化を表現できる。

逆に上側に付けると上左側から変化していくが、対向電極との兼ね合いで、横方向に徐々に散乱状態が広がっていくような透過率変化となる。

図２は本発明の第二実施例であり、ＩＴＯなどの透明電極が形成された1対のガラス基板裏基板４、表基板５（ＩＴＯの厚さ：５００Å、ガラス板厚：０．７mm、ガラス材質：青板ガラス）を用意する。両基板上のＩＴＯパターン４ａ、５ａはベタ状のものを用いた（但しシール部に両ＩＴＯパターン４ａ、５ａが存在しないよう部分的なパターニングを実施）。

ＩＴＯ表面に配向膜を形成し、ラビングなどによる配向処理を上下基板問の配向方向がアンチパラレルになるように行った。配向膜形成やラビング等による配向処理は行っても良いし行わなくても良い。またＴＮ配向でも良い。光制御部分（ディスプレイでいえば画素部分)の透明電極はベタＩＴＯを用いた。ＩＴＯの抵抗は第一実施例の値に限らない。また片側の基板には低抵抗ＩＴＯを用いても良い。あるいは、部分的に低抗値の異なるＩＴＯを用いても良い。

次に片側のガラス基板（例えば、裏基板４）上にギャップコントロール剤を２．５ｗｔ％含んだメインシール剤を形成した（形成方法：スグリーン印刷もしくはディスペンンサー）、ギャップコントロール剤の径は液晶層が５〜１５０ミクロンになるように材料を選ぶ。この実施例では液晶層１５μｍとしたためギャップコントロール剤の径は１５μｍミクロンのグラスファイバーを選んだ。このグラスファイバーを三井化学製シール剤ＥＳ・７５００に３ｗｔ％添加し、メインシール剤とした。

もう一方のガラス基板（表基板５）上にはギャップコントロール剤を散布した。ここでは１５ミクロンのプラスチックボールを乾式のギャップ散布機を用いて散布した。これらのガラス基板の重ね合わせを行い、プレス機などで圧力を一定に加えた状態で熱処理を行い、メインシール剤を硬化させた。ここでは１５０℃で３時間熱処理を行った。こうして１５ミクロンのセル厚を有する空セルを作製した。

前記セルに液晶、カイラル剤、液晶性モノマー（ＵＣＬ−００１：大日本インキ化学工業製）、光重合反応開始剤を混合したものを真空注入した。ホスト液晶として△εが正の液晶（△ｎ＝０．２９８、Ｔｎｉ＝１２８℃：大日本インキ化学製）を用いた。カイラル剤Ｓ−８１１をホスト液晶に対し０．３７６ｗｔ％（ピッチ２８ミクロン）となるように添加した。

尚、カイラル剤はＳ−８１１に限らない。また添加量はこの値に限らず０．０２ｗｔ％程度から５ｗｔ％程度の範囲においても同様の効果が得られる。但し添加量が少なくなるほど電圧印加時の散乱性が低くなる。また添加量が多すぎるとＶ−Ｔ特性にヒステリシスが生じたり、無電圧印加時の透明性が悪くなるなどの問題が生じることがある。

カイラル剤添加量と前記散乱性の傾向及びカイラルピッチの関係は液晶材料やカイラル材料により一概に言えないが、今回用いた液晶材料に対してはカイラル剤の添加量０．１ｗｔ％〜３ｗｔ％程度が望ましい。このカイラル入り液晶にアクリレート系のモノマーを０．５〜４０ｗｔ％添加した。

使用材料にも依るが、モノマー添加重が２ｗｔ％以下では十分にポリマーネットワークが形成されない傾向があり、また１５ｗｔ％以上では電圧による液晶の応答性が悪くなる優向があるため、概ね２．１５ｗｔ％程度が望ましい。実施例では５ｗｔ％添加して実験を行った。

さらに光重合反応開始剤をモノマーに対し０．１〜０．５ｗｔ％添加した。開始剤としては特に限定はなく、紫外線（３６５nm付近）に感度を持っ材料であれば良い。実施例ではチバケミカルズ製のイルガキュアを用いた。注入後注入口にエンドシール剤を塗布し封止した。この時光硬化性エンドシールを用いるのであればセル１に直接紫外線が照射されないよう遮光マスクを用いると良い。また熱硬化性のエンドシール剤や２液混合タイプのエンドシール剤を用いても良い。

注入された液晶セルに強い紫外線を、フォトマスクを介して照射した。光照射はメジロプレシジョン製の光配向装置を用いた。ここで用いられている光源は高圧水銀ランプであるが、キセノンランプ、メタノレハライドランプ、低圧水銀ランプなどを用いても良い。照射強度は８０ｍＷ／ｃｍ^２（３５０nm）であり、３０秒間照射した（照射量は２．５Ｗ／ｃｍ^２）。

フォトマスクは２０μｍ／２０μｍのライン／スペースパターン(ストライプパターン)を用いた。マスクパターンはストライプパターンに限らず、格子状パターン、同心円状パターン、ランダムパターンなどでも良い。またパターンのサイズは２０ミクロン（４０ミクロンピッチ）の場合について説明したが、それに限らない。

但し１５ミクロンのセル厚の液晶セルについては５０ミクロン以上のパターンサイズでは高い散乱性が得られにくいことがわかっており、４０ミクロン以下が望ましい。紫外線の照射時間は３０秒の場合について説明したが、それに限らない。但し照射時間が短いと高い散乱性が得られにくく、また照射時間を３０秒以上に長くしても散乱性は変わらないことが確認されている。

図２の構成では両基板４、５から２本ずつの端子（計４端子）を取る事ができる。各々にそれぞれ異なる交流電源を配置する事で様々な散乱状態を表現できる。用いる電源は通常のＬＣＤ駆動電源より高電圧を印加可能な電源が必要である。ここでは最大５０Ｖ印加可能な電源を用いたが、ＩＴＯの抵抗、セルサイズにより要求される電源容量は異なる。

図２の各端子に異なる電圧を印加した時の透過率状態を図３及び図４に示す。ここでの閾値は１０Ｖ程度で、駆動周波数は３００Ｈｚを用いた。それぞれの端子に３０Ｖ、０Ｖを印加したときは、図３に示すように対角線状に透明な部分ができる。

また、４つの端子それぞれに異なる電圧を印加した場合には、図４に示すように複雑な模様を示す。このように各端子への電圧のかけ方により様々な散乱模様が描ける。尚、印加する周波数により実効電圧が変わりさらに複雑な模様を出せる可能性もある。

以上に説明したように、本発明によれば、従来のＰＤＬＣの単にＯＮ、ＯＦＦを行うもにも駆動方法に加えて、透明側から拡散側に移行する早さを場所によって変えたり、あるいは、逆に、拡散側から透明側に移行する早さを場所によって変えるなどが自在に設定できるものとなり、この種のＰＤＬＣの表現性を増すものとなる。

また、場所により、拡散の度合いを変えて、従来にない斬新な表示を行うことも可能とし、この種のＰＤＬＣの用途の拡大にも効果を奏するものである。

本発明に係る液晶光学装置であるＰＤＬＣの第一実施例を示す説明図である。 同じく本発明に係るＰＤＬＣの第二実施例を示す説明図である。 第二実施例における表示の一例を示す説明図である。 第二実施例における別の表示例を示す説明図である。

符号の説明

１…ＰＤＬＣ
２…裏基板
２ａ…パターニングＩＴＯ
３…表基板
３ａ…ベタ状ＩＴＯ
４…裏基板
４ａ…ベタ状ＩＴＯ
５…表基板
５ａ…ベタ状ＩＴＯ

Claims (4)

1. ギャップが一様となるように設けられた一対の基板と、
   前記基板の内側には透明電極が設けられており、前記透明電極には高抵抗のＩＴＯが採用され、前記ＩＴＯの高抵抗による電圧勾配を利用して、前記素子の内部に部分的に異なる電圧値を付与することを可能とする液晶光学素子であって、
   前記素子の内部には誘電率異方性と屈折率異方性を有する液晶材料とモノマー、及び、モノマーを重合するための光重合開始剤が含まれた状態で封止された液晶層を有し、
   前記液晶層は、前記モノマーが重合した領域と前記モノマーが重合していない領域とがパターンを形成していることを特徴とする液晶光学素子。
2. 少なくとも１方の前記透明電極には、少なくともこの透明電極の両端間に異なる電圧を印加するための電源が配置されていることを特徴とする請求項１記載の液晶光学装置。
3. 前記液晶材料中には液晶分子をねじる性質を有したカイラル剤が含まれた状態で封止されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の液晶光学素子。
4. 前記モノマーが、液晶性モノマーであることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の液晶光学装置。

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