JP7120719B2 - ブルー相の液晶を含む光学部品、及びそのような光学部品を作製するための方法 - Google Patents
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Description
- バルクが、ブルー相にある液晶材料を含む組成物により形成され、
- 第1及び第2の層の少なくとも1つが、バルクに面してアライメント層を有し、且つ
- 液晶材料のブルー相が、ブルー相Iと呼ばれる第1のタイプの構造であり、バルクの体積の少なくとも80%で3方向に均一な(uniform)組織を示し、前記ブルー相の前記液晶材料が、少なくとも20℃から35℃の範囲の温度にわたって安定化されている。
- 液晶材料は、前記液晶材料がブルー相にあるときに、複数の立方格子に配置された二重ねじれシリンダーを含むブルー相構造に配置構成された、液晶分子を含み、前記立方格子は、任意の2つの隣接する立方格子が、バルクの体積の少なくとも80%で前記3方向で全体的に平行である仮想面を示すように配置された、正方形の形状の仮想面を有しており;
- アライメント層はポリイミドを含み;
- 組成物は、液晶材料とは全く異なるマトリックス材料を含み、前記液晶材料は、重合形態にある前記マトリックス材料によって前記ブルー相内で安定化され;
- 液晶分子は、メイン液晶分子及びゲスト液晶分子の混合物を含み、前記組成物は、液晶材料の全重量に対して、30%から55重量%の前記ゲスト液晶分子と、少なくとも45%の前記メイン液晶分子を含み;
- ゲスト液晶分子は、CB5又はMLC2140液晶分子の混合物であり、メイン液晶分子はJC1041XX混合物から構成され;
- マトリックス材料は、第1のモノマー12CA及び第2のモノマーRM257を含み、前記組成物は、組成物の全重量に対する重量で、少なくとも3.5%、好ましくは5%の前記第2のモノマーRM257、並びに合わせて7%から15%の前記第1及び第2のモノマー12CA及びRM257を含み;
- 組成物は、前記液晶材料の前記ブルー相を誘導するように適合された、5%から7%のISO(6OBA)2等のキラルドーパントを含み;
- 第1及び第2の層のそれぞれは、バルクの前記液晶材料を電場内に配置するために、電源に接続するように適合された電極を形成し;
- 調整可能(tunable)な位相変調器であり、又は調整可能な位相変調器に備えられた光学レンズでもあり;
- 偏光無依存性調整可能位相変調器である。
a) 第1の層及び第2の層を用意する工程であって、第1及び第2の層が、互いに向き合う2つの主面を形成し、主面の少なくとも1つはその他の主面に面してアライメント層を有し、前記アライメント層がポリイミドを含む工程と、
b) 前記第1及び第2の層の間の空間を、前記液晶材料と、液晶材料とは全く異なるマトリックスとの混合物を含む組成物で満たす工程であって、前記液晶材料が、ブルー相を形成するよう互いに対して組織されるように適合された液晶分子を含み、前記マトリックス材料が、重合するよう適合されたモノマーを含む工程と、
c) 液晶分子にブルー相構造を形成させることによって、液晶材料を前記ブルー相にする工程と、
d) 液晶材料が前記ブルー相にある間にマトリックス材料のモノマーを重合する工程であって、重合する工程d)が、液晶材料が、少なくとも第1の所定の最小割合のブルー相の第1のタイプの構造と、少なくとも第2の所定の最小割合のブルー相II型の構造とを示す重合温度で実現される工程と
を含む。
- 工程c)において、液晶材料の一部はブルー相Iと呼ばれる第1のタイプの構造になり、この液晶材料の別の部分はブルー相IIと呼ばれる第2のタイプの構造を形成し、重合工程d)は、液晶材料がブルー相Iと呼ばれるこの第1のタイプの構造を部分的に形成し且つブルー相IIと呼ばれるこの第2のタイプの構造を部分的に形成しながら実現され;
- 重合温度は、下記の工程により達せられ:
m) 液晶材料の温度を、ブルー相IIと呼ばれる第2のタイプの構造が大部分形成されるように全ての液晶分子が互いに対して組織されるまで上昇させ;
n) 液晶材料の温度を、ブルー相Iの第1のタイプの構造が液晶材料の前記所定の割合になるまでゆっくりと低下させ;
- ステップn)において、ブルー相I中の液晶材料の実際の割合、ブルー相Iの配向、ブルー相Iのアライメント、及びブルー相Iの均質性の1つを、Kosselパターンを使用して決定し;
- ステップn)において、ブルー相I型の構造が、前記第1及び第2の層に平行な平面においてブルー相にある液晶材料の表面の40%を占めるときに、第1の所定の最小割合が得られ、ブルー相II型の構造が前記表面の少なくとも20%を占めるときに、第2の所定の最小割合が得られ;
- ステップm)及びn)に先行して、ブルー相の液晶材料がブルー相II型の構造にのみあるようになるまで温度を上昇させ、次いでブルー相の液晶材料がブルー相I型の構造にのみあるようになるまで温度を低下させる、少なくとも1つのサイクルが行われ;
- ステップd)は、5分から2時間の範囲の持続時間で、0.1mW/cm2から1mW/cm2の範囲の電力率の光線で実現された、組成物のUV照射からなり;
- ステップb)では、液晶材料がゲスト液晶分子を含み、前記組成物は、前記液晶材料の全重量に対する重量で、30%から55%の前記ゲスト液晶分子を含み;
- ステップb)では、液晶材料がメイン液晶分子を含み、前記組成物は、液晶材料の全重量に対する重量で、少なくとも45%の前記メイン液晶分子を含み;
- ゲスト液晶分子は、CB5又はMLC2140液晶分子の混合物であり;
- 液晶材料はメイン液晶分子を含み、マトリックス材料は第1及び第2のモノマーを含み、前記組成物は、前記組成物の全重量に対する重量で、併せて7%から15%の前記第1及び第2のモノマー、及び5%から7%のキラルドーパントを含み;
- 前記メイン液晶分子はJC1041XXであり、及び/又は2種のモノマーの一方若しくは両方が12CA及びRM257で構成されるリストで選択され、及び/又はキラルドーパントがISO(6OBA)2であり;
- ステップa)では、各アライメント層が、ラビングされたポリマー層により形成される。
図1及び図2に、第1の層10と、第2の層20と、前記第1及び第2の層10、20の間に挟まれたバルク50とを含み、前記バルク50が液晶材料55を含む、本発明による光学部品1の2つの実施形態の概略断面図を示す。
- バルク50は、ブルー相にある液晶材料55を含む組成物により形成され、
- 第1及び第2の層10、20の少なくとも1つは、バルクに面して、アライメント層15、25を有し、
- 液晶材料55のブルー相は、バルクの体積の少なくとも80%で、3方向Ox、Oy、Ozで均一な組織を示し、前記ブルー相の前記液晶材料55は、少なくとも10℃から35℃の範囲の温度にわたって安定化している。
- 液晶分子がいかなる位置秩序もなしに長距離配向秩序を示さない無秩序相である、等方相、
- 液晶分子がいかなる位置秩序もなしに長距離配向秩序を示す秩序相である、ネマチック相又はコレステリック相、
- 液晶分子が、複数の三次元立方格子51に組み合わされた二重ねじれシリンダーへの特定の拘束配置構成を有するブルー相56
がある。
- ブルー相Iと呼ばれる第1のタイプの構造であり、液晶分子アセンブリの回転対称が乱される欠陥線であるシリンダー間のディスクリネーションラインが体心立方対称になるように、二重ねじれシリンダーが立方格子内で組織されている構造、及び
- ブルー相IIと呼ばれる第2のタイプの構造であり、シリンダー間のディスクリネーションラインが単純立方対称にあるように、二重ねじれシリンダーが立方格子内で組織されている構造。
- RM257を3.5%及び7.5%と、
- 12CAを3.5%及び7.5%
であって、2種のマトリックスモノマーの重量分率の合計が、少なくとも7重量%に等しいもの、
- ISO(6OBA)2を5%から7%、
- CAS番号947-19-3の1-ヒドロキシ-シクロヘキシル-フェニル-ケトンとしても公知のIrgacure 184を0.4%から1%と、
- メイン及びゲスト液晶分子
を含む。
下記のパートでは、ブルー相56に安定化されている液晶材料55を含む、本発明の光学部品1を作製するための方法について記述する。
a) 第1の層10及び第2の層20を提供する工程であって、第1及び第2の層10、20は互いに面する2つの主面10A、20Aを形成し、主面10A、20Aの少なくとも一方が、他方の主面10A、20Aに面してアライメント層15、25を有し、前記アライメント層15、25がポリイミドを含む工程と、
b) 前記第1及び第2の層10、20の間の空間を、前記液晶材料55及び液晶材料55とは全く異なるマトリックス材料の混合物を含む組成物で満たす工程であって、前記液晶材料55は、ブルー相を形成するため互いに対して組織されるよう適合された液晶分子を含み、前記マトリックス材料は、重合するように適合されたモノマーを含む工程と、
c) 液晶分子にブルー相構造を形成させることにより、液晶材料55を前記ブルー相にする工程と、
d) 液晶材料55が前記ブルー相56)状態にある間にマトリックス材料のモノマーを重合する工程であって、重合する工程d)が、液晶材料(55)が、少なくとも第1の所定の最小割合のブルー相Iの第1のタイプの構造と、少なくとも第2の所定の最小割合のブルー相II型の構造とを示す重合温度で実現される工程と
を含む。
m) 液晶材料の温度を、ほとんどブルー相IIの第2のタイプの構造が形成されるように、全ての液晶分子が互いに組織されるまで上昇させる;
n) 液晶材料の温度を、ブルー相Iの第1のタイプの構造が前記第1の所定の最小割合の、ブルー相にある液晶材料となるまで、ゆっくり低下させる。
- ブルー相を示すバルクの割合、
- ブルー相I又はIIの構造を示すブルー相内のバルクの割合;
- 均質なアライメントで立方格子を有するブルー相I又はIIの構造の割合、
- 均質なアライメント及び配向で立方格子を有するブルー相I又はIIの構造の割合。
- バルクの少なくとも80%がブルー相I又はIIにあり、即ちバルクの20%がブルー相にはなく、
- アライメントが、液晶バルクの少なくとも80%で均質であり、即ちバルクの20%は異なった状態でアライメントされ又はブルー相(BP)にはなく、
- Kosselパターンの配向が、例えば45°(±5°)の配向の同じ方向では、バルクの少なくとも80%で均質であり、即ちその他20%が、他の状態で配向され、異なる状態でアライメントされ、又はブルー相(BP)にない
ことを示す場合、重合工程d)は、較正熱サイクル又は熱サイクルの工程m)及びn)を反復せずに行われる。
本発明の光学部品1は、調整可能なフィルターを備えた光学レンズであってもよく、又は空間位相変調器として使用されてもよい。
実験装置は、偏光顕微鏡を、Kosselパターンの観察、分光測色法、及び温度のin situ制御と組み合せる。
1/アライメント層
異なるアライメント層を試験して、ラビングされたポリイミド層と比較した。
- キラルドーパントISO(6OBA)2: 6%、
- 液晶分子(メイン+ゲスト): JC-1041XX + CB5: 94%、JC-1041XXが約50%でありCB5が約50%
であった。
ブルー相の組織について、異なるセル厚さのアライメント層として、ラビングされたポリイミドを使用して研究した:ブルー相の組織は、偏光顕微鏡法によって及びKosselパターン分析によって評価される。
全てのセルを、ラビングされたポリイミドと共に製造し、Kosselパターン分析で分析して、相変化をモニターした。
ポリマー安定化プロセスのため、新しいセルを製造した。
ポリマーの安定化を、分析したセルごとに、固定された制御温度で行った。
- CB5液晶ホストの場合:重合は、37.4℃(第1の臨界温度)から36.6℃(第2の臨界温度)の間、好ましくは約37.1℃で実現した。
- MLC-2140液晶ホストの場合:重合は、67.5℃(第1の臨界温度)から66.0℃(第2の臨界温度)の間、好ましくは約66.3℃で実現した。
位相シフトの研究を、全ての製造されたセルに関して、ポリマー安定化プロセス後にMach-Zender干渉計を使用して行った。
・ 飽和電圧(Vsat)、最大位相シフトが得られる電圧に該当する、
・ 閾値電圧(Vth)、液晶中に任意の応答をもたらす必要がある印加電圧の量に該当する。
10 第1の層
11 基板
12 電極
15 アライメント層
20 第2の層
21 基板
22 電極
25 アライメント層
50 バルク
51 立方格子
55 液晶材料
56 ブルー相
Claims (7)
- ブルー相(56)に安定化されている液晶材料(55)を含む光学部品(1)を作製するための方法であって、
a) 第1の層(10)及び第2の層(20)を用意する工程であって、前記第1及び第2の層(10、20)が、互いに向き合う2つの主面(10A、20A)を形成し、前記主面(10A、20A)の少なくとも1つは残りの主面(10A、20A)に面してアライメント層(15、25)を有し、前記アライメント層(15、25)がポリイミドを含む、工程と、
b) 前記第1及び第2の層(10、20)の間の空間を、前記液晶材料(55)と、キラルドーパントと、前記液晶材料(55) とは異なるマトリックス材料と、の混合物を含む組成物で満たす工程であって、前記液晶材料(55)が、ブルー相(56)を形成するよう互いに対して組織されるように適合された液晶分子を含み、前記マトリックス材料が、重合するよう適合されたモノマーを含む、工程と、
c) 前記液晶分子がブルー相構造を形成することを誘導することによって、前記液晶材料(55)を前記ブルー相(56)にする工程と、
d) 前記液晶材料(55)が前記ブルー相(56)にある間に前記マトリックス材料のモノマーを重合する工程であって、前記液晶材料(55)が、少なくとも第1の所定の最小割合の、ブルー相Iと呼ばれる第1のタイプの構造と、少なくとも第2の所定の最小割合の、ブルー相IIと呼ばれる第2のタイプの構造とを示す重合温度で、重合する工程d)が実現される、工程と
を含み、
前記少なくとも第1の所定の最小割合は、前記ブルー相Iが、前記ブルー相にある液晶を有する組成物の前記第1及び第2の層(10、20)に平行な平面内の表面の少なくとも40%を占めるときに得られ、前記少なくとも第2の所定の最小割合は、ブルー相IIが、前記表面の少なくとも20%を占めるときに得られる、方法。 - 前記重合温度が、
m) 前記液晶材料(55)の温度を、全ての液晶分子が互いに対して組織されて、ブルー相IIと呼ばれる第2のタイプの構造が大部分形成されるまで上昇させる工程と、
n) 前記液晶材料(55)の温度を、ブルー相Iの第1のタイプの構造が前記液晶材料(55)の前記少なくとも第1の所定の最小割合を占めるまでゆっくりと低下させる工程と
により達せられる、請求項1に記載の方法。 - 工程n)において、ブルー相Iにある前記液晶材料(55)の実際の割合、前記ブルー相1の配向、前記ブルー相Iのアライメント、及び前記ブルー相Iの割合の1つが、Kosselパターンを使用して決定される、請求項2に記載の方法。
- 工程m)及びn)に先行して、ブルー相にある前記液晶材料がブルー相II型の構造のみになるまで温度を上昇させ、次いでブルー相にある前記液晶材料がブルー相I型の構造のみになるまで温度を低下させる、少なくとも1つのサイクルが行われる、請求項2又は3に記載の方法。
- 工程d)が、電力率が0.1mW/cm2から1mW/cm2の範囲の光線で、5分から2時間の範囲の持続時間にわたって、前記組成物をUV照射することによって実現される、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
- 工程b)において、前記液晶材料(55)がゲスト液晶分子を含み、前記組成物が、前記液晶材料の全重量に対する重量で30%から55%の前記ゲスト液晶分子を含む、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
- 工程a)において、各アライメント層(15、25)が、ラビングされたポリイミド層によって形成される、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
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