JPH03111818A - 光学素子およびその製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は分子の配向状態を制御した高分子液晶からなる
光学素子およびその製法に関する。

［従来の技術］ 近年、液晶を利用した光導波路や光学レンズ等の光学素
子が検討されているが、液晶の著しい分子の熱ゆらぎに
よる光学的損失や、外場の変化。

除去により配向の変化、消失、あるいは温度変化による
光学的特性の変化が隘路となり、実用化に至っていない
のが現状である。

また、こうした液晶の秩序度を取り込んだ分子配向の制
御と固定化が可能な材料として、高分子液晶が注目され
ている（Ａ、ｆｌｌｕｍｓｔａｉｎ　：　Ｐｏｌｙｍｅ
ｒｉｃＬｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ　：　Ｐｌａｎ
ｕｍ　Ｐｕｂ、、　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ、　１９８５（エ
イ・プルムシュタイン：高分子液晶：プレナム出版、ニ
ューヨーク。１９８５年）〕。

このような高分子液晶を用いたものとしては。

負の誘電的異方性を持つ、いわゆるｎ型液晶性を有する
モノマを、配向処理１例えばラビング処理を施した２枚
のネサガラス基板間に担持し、前記高分子液晶の液晶相
温度において、該モノマに垂直な電場を印加して、ラビ
ング方向に一軸的に配向させ光重合することにより、ラ
ビング方向にポリマ分子が一様に配向した偏光膜が得ら
れることが示されている（特開昭５８−１０２２０５号
）。

しかし、この方法ではｎ型液晶モノマを用いているため
、ネサガラスに垂直な方向に印加された電場だけでは一
軸的な配向状態が実現できず、また、−軸的な配向を誘
起する手段が、ラビング処理であるために、ラビング方
向以外にモノマの配向状態を自由に制御することはでき
なかった。

特に、これらの配向を自由に制御してパターニングする
ことについては、全く考慮されてぃなかった・ ［発明が解決しようとする課１１］ 前記従来技術においては、高分子液晶中に複数の配向状
態を形成することについては考慮されておらず、−様な
配向を形成する上で外場の強度を大きくするのにも限界
があるので、もっばら高分子主鎖の屈曲性を向上させる
ような化学構造上の修飾により低粘度化して、配向を容
易にすることに研究の主眼が置かれてきた。

しかし、低分子液晶に匹敵する実用レベルの配向化には
、電場や磁場の外場による選択的配向が不可欠で、更に
、配向させた液晶性モノマを重合する方法についての考
慮が必要である。特に１分子配向のミクロンオーダの領
域での配向制御法や、これによって初めて可能となる光
学素子についての報告は見当らない、単に、高分子液晶
の配向が全面にわたって一定方向に配向した液晶表示装
置等に用いる偏光膜が知られているのみである。

本発明の目的は、高分子液晶のメソーゲンの配向度合い
を調整し１ミクロンオーダの微小領域において、配向状
態を自由に選択しパターン化された高分子液晶重合体か
らなる光学素子およびその製法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 前記目的は下記によって達成される。

高分子液晶重合体から成る光学素子の所定個所の分子配
向が、ほぼ水平または垂直に配向している光学素子、あ
るいは前記所定個所の分子配向が、ほぼ水平または垂直
に配向しており、その他の個所が散乱状態または上記と
異なった配向となっている光学素子にある。

また、電場を選択的に印加できる電極を有し。

高エネルギー線を透過し得る２枚の基板間に高分子液晶
のモノマを担持し１Ｍモノマを液晶状態とし、前記電極
に電場を印加しながら前記モノマを選択的に配向させ、
高エネルギー線を照射して重合することにより固定し、
パターニングすることを特徴とする光学素子の製法にあ
る。

更にまた。高分子液晶モノマの分子を配向させる配向手
段と電場を選択的に印加する電極とを有し、かつ、高エ
ネルギー線を透過する２枚の基板間に、高分子液晶のモ
ノマを担持し、該モノマを液晶状態とし、前記電極に電
場を印加して前記モノマの配向を選択的に制御したもの
に高エネルギー線を照射して重合することにより固定し
、パタニングすることを特徴とする光学素子の製法にあ
る。

前記において、配向手段が基板に対し平行配向であると
きは、高分子液晶モノマはｐ型のモノマが、また、前記
配向手段が基板に対し垂直配向であるときは、前記高分
子液晶モノマがｎ型のモノマが好ましい。

前記高分子液晶モノマとしては、アクリル酸エステル系
、メタクリル酸エステル系、スチレン誘導体等のビニル
系化合物、アセチレン誘導体、ジアセチレン誘導体等の
不飽和結合を有する化合物を挙げることができる。

また、このような液晶相を示すモノマの液晶性骨格とし
ては、 （但し、Ｚは末端基、例えば−Ｃｍ、−Ｉｊｒ。

−０ＩＩ、−ＣＯＯＨ，−ＣＮ、−ＮＩｌ、、−Ｎｏ。

等）を有するものがある。上記においては、３環エステ
ル構造を有するものが、液晶温度領域の広さ、耐光劣化
性等の点において優れている。

本発明において、電場を印加する手段としては。

前記高分子液晶を重合する高エネルギー線が透過可能な
材料からなる基板の表面に、高エネルギー線が透過可能
な材質からなる電極を形成したものである。

例えば、厚さ１　ｍ　ｍのＳ　ｉ　Ｏ，ガラス上にＩＴ
Ｏ電極を蒸着によって厚さ５００人に形成し、これを公
知のフォトエツチング法により必要パターンを形成した
基板を二枚対向させ、該基板間に前記高分子液晶モノマ
を担持させて、前記電極に電圧を印加し電場をかけるこ
とによって行なうことができる。

前記高分子液晶モノマは、加熱することによって液晶状
態、または等方状態とし、前記基板間に挿入する。

電場は、前記基板上に形成された電極パターンに、直流
または交流の電圧を印加することによって与えることが
できる。この際、液晶状態の前記モノマは、前記上下電
極によって形成される電気力線に対して誘電的異方性が
パ正″のｐ型液晶性物質は平行に、″負″のｎ型液晶性
物質は垂直に配向する。

例えば、上下が対称なパターンの？ｃｉ　ｔ４間にｐ型
のモノマを担持した場合は、電極形成部分のモノマは垂
直に配向し、それ以外の部分では散乱状態になったもの
を得ることができる。

また、上側電極を円形電極とし、該電極の中心部に対応
する部分の下側電極を、実質的に点状の電極とすると、
両電極間のｐ型モノマは、下側の点電極を頂点とする円
錐状に配向し、それ以外の部分では散乱状になる。

更に、前記基板と電極表面に、ラビングしたポリイミド
配向膜を形成することによって、前記散乱部は、ｐ型モ
ノマの場合は基板に平行に、また、ｎ型モノマの場合は
基板に垂直な配向となる。特に電極間は、印加する電圧
に応じて水平から垂直までの任意の角度に配向を制御す
ることができる。

前記基板と電極表面にＳｉＯ等を斜方蒸着することによ
って、電極間以外の部分においては、該蒸着のチルト角
に配向することができる。

本発明の前記高分子液晶モノマの重合は、高エネルギー
線照射により光重合させることができる。

前記方法によってパターニングされた富分子液晶モノマ
の全表面に、フォトマスク等の高エネルギー線を遮断す
る手段を形成し１選択的に照射することにより実現する
ことができる。

上記のフォトマスクを用いる場合は、高エネルギー線が
照射されない部分は光重合が起らないので、この未重合
部分を適当な溶剤で洗浄し１選択的に除去した後、別種
の高分子液晶モノマを注入して配向し重合することで、
屈折率の分布をっけたり、特定の個所だけ光変調が可能
な機能を有する先導波路を得ることもできる。

また、電圧の大きさを変えることにょ゛って該モノマの
配向方向が異なる部分を二カ所以上形成し。

固定化することもできる。

前記高エネルギー線としては、超音波、マイクロ波、赤
外線、紫外線、可視光線、Ｘ線、α線、β線、γ線、電
子線、中性子線等、前記高分子液晶モノマを重合し得る
ものであればよい。

前記高エネルギー線重合の効果を高めるため、モノマの
液晶性に影響を与えない範囲で、該重合促進剤等を配合
してもよい。

更に、重合後パターニングされた配向が乱れる前に、該
高分子液晶のガラス転移点よりも低い温度まで急冷する
のがよい。これによって高分子液晶の配向を半永久的に
固定することができる。

本発明においては、前記バターニングされた高分子液晶
膜を、前記基板から取り外し複数層積層することによっ
て３次元的な配向を有する光学素子が得ることができる
。その−例を第３図に模式的に示す、なお、（ａ）は上
面図、（ｂ）は側面図を示す。

図は、水平配向部１１に光導波路としての垂直配向部１
２を選択的に形成したｐ型モノマからなる高分子液晶重
合体の第１層と第２層を積層接着した先導波路である。

配向方向に平行な偏光に対する屈折率が、垂直な偏光に
対するものよりも大きい、従って、こうした配向パター
ンを有する高分子液晶膜の光導波路の側面から、膜厚方
向に垂直偏光させた光を垂直偏光人口１３から入射する
と、垂直配向部１２を導波し、垂直偏光出口１４から出
射される。

このように、多層化することによって複雑な光路を有す
る光導波路を構成することができる。

なお積層法は、第１ＷＪを配向１重合した後、別の電極
パターンを有する基板間に担持し、第１層の上に新たな
モノマを注入して配向し、重合することによって得るこ
とができる。また、第１ＪＰＪおよび第２層を形成後、
熱接着するか、また、モノマの薄いそうからなる接着層
を形成して重合し接着してもよい。

［作用］ 本発明、例えば前記の、ような偏光を伝播する先導波路
を同一素子内に一体形成できるのは、該光導波路を構成
する高分子液晶重合体の分子配向を、モノマ段階で電場
により選択的に制御し１重合固定したことによるもので
ある。

［実施例］ 次に、本発明を実施例により具体的に説明する。

〔実施例１〕 高分子液晶モノマの配向を任意に制御しパターン状に重
合、固定させる装置の模式図を第１図に示す。

透明電極部分２，２′を有するガラス基板間１゜１′の
内側にポリイミドの配向膜３，３′が形成されており、
エポキシ系樹脂からなる接着層４゜４′により前記基板
は所定のギャップを介して接着されセルを構成している
。

前記ポリイミドの配向膜３，３′は、逆平行ラビング処
理が施されている。

上記セル中に、下記の（１）式で示されるアクリル酸系
の高分子液晶モノマ５を、１５０℃に加熱してネマチッ
ク状態にしたものを注入した。

この状態で電極間に２Ｖ／μｍ、１　ｋ　Ｈｚの交流電
場を印加することにより、電極部分が基板に対して垂直
、それ以外の部分が基板に対して平行に配向した。この
状態を保持したまま、水銀ランプを用いて紫外線（λ、
、、＝　２７８μｍ、２６．６８Ｗ／ｃｍ”）を５分間
照射し重合した。

前記の電場を印加したまま液体窒素中に該セルを入れて
急冷した。

上記によって得た高分子液晶膜を直交ニコル下で偏光顕
微鏡により観察したところ、高分子液晶膜のメソーゲン
の光学的異方性が、電極部分と電極のない部分とで著し
く異なり、電極部分はメソーゲンが垂直配向しているた
めに複屈折色がが消失し、電極のない部分はメソーゲン
が平行に配向しているために複屈折色が見える。

〔実施例２〕 、次に本発明の他の実施例を第２図を用いて説明する。

第２図（ａ）は、実施例１と同様に逆平行ラビング処理
が施されたポリイミド配向膜３，３′を有する透明電極
付きガラス基板１，１゛と、高分子液晶の配向方向を選
択的に変える部分にフォトマスク７を設けたセルの模式
図である。

上記セルに前記（１）式で示す高分子液晶のモノマを実
施例１と同様にして注入し、フォトマスク上から紫外線
（λ□、＝　２７８μｍ、２６．６８Ｗ／ｃｍ”）を５
分間照射して重合させた。このとき、フォトマスク７に
よって紫外線が当たらなかった部分を残し、高分子液晶
モノマは重合してポリマ８に変化した。

次に、第２図（ｂ）で示すように、フォトマスク７を除
去し、透明電極に２ｖ／μｍ、１　ｋ　Ｈｚの交流電場
を印加してフォトマスクによって紫外線が遮断された未
重合部分の高分子液晶モノマを、基板に対して垂直方向
に配向し、そのままの状態を保持して実施例１と同様に
光重合させた。

重合後は、手早く室温に冷却して高分子液晶膜を得た。

実施例１と同様に、偏光顕微鏡によりａ察したところ、
後で電場をかけて重合させた部分は、メソーゲンが垂直
配向しているために複屈折色が消失していた。しかし、
電場をかけなかった部分はメソーゲンが平行配向してい
るため複屈折色が見られた。

前記（Ｉ）式で示す高分子液晶モノマを用いて実施例１
と同様に重合７Ｆ６１度を変えて光重合し、該高分子液
晶の配向制御を行なった。その結果を第１表に示す。

第　　１　　表 重合温度９０℃では、モノマが液晶状態でなかったので
配向制御できなかった。

重合温度１１０℃では、モノマは液晶相であるが、ポリ
マは電場応答性のないガラス状態であるために重合後の
偏光顕微鏡による観察では、乱れたテクスチャが観察さ
れた。

重合温度１３０℃では、実施例１の場合（１５０℃）と
同様の高分子液晶ポリマの配向が観察された。

重合温度１７０Ｔ：ではモノマの熱重合が始まるために
不均一な重合が起り、均一な配向は得られなかった。

重合温度２５０℃ではポリマが等六相となり、偏光顕微
ｆｉ！察では全面が暗視野となった。

また、（ＩＩ）式で示される高分子液晶モノマを用いて
、該モノマがネマチック相でそのポリマが結晶相となる
８０℃において、実施例１と同様にして光重合させ、偏
光顕微鏡で観察したところ、乱れたテクスチャが見られ
、−様な屈折率の分布が形成されず、パターニングされ
た高分子液晶の重合体を作ることはできなかった。

〔比較例〕

（１）式で示される高分子液晶膜ツマを予め熱重合した
後、実施例１で用いたセル中に封入し、高分子液晶の等
六相転移点である２５０’Ｃがら、６０ｖ／μｍの電圧
を印加しっ＼１℃／分の速度で冷却したが、散乱したテ
クスチャのものしか得られず、パターニングすることは
できなかった。

［発明の効果］ 本発明によれば、高分子液晶からなるポリマにおいて、
分子配向の異なる部分を選択的に形成してパターン化す
ることができる。

また、前記配向をミクロンオーダで制御することができ
る。

これによって、新しい光学素子を提供することができる
。

本発明の光学素子は光導波路、光学フィルタ。

光学レンズ、光路変換素子、光変調器、光スィッチ、光
ＩＣ１並びに各種の光学制御素子に応用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図に本発明の高分子液晶の配向を制御
しパターン状に重合させる装置の模式図、第３図は本発
明の光学素子の一例である先導波路の模式図である。 １．１゛・・・ガラス基板、２，２′・・・透明電極部
分、３．３゛・・・配向膜、４，４’・・・接着層、５
・・・重合前の高分子液晶モノマ、６・・・照射紫外線
、７・・・フォトマスク、８・・・重合後の高分子液晶
ポリマ、１１・・・水平配向部、１２・・・垂直配向部
、１３・・・垂直偏光入口、１４・・・垂直偏光出口、
１５・・・第１層。 １６・・・第２層。 第 図 １．１′・・・ガラス基板 ２．２′・・・透明電極部分 ３．３′・・・配向膜 ４．４′・・・接着層 ５・・・・・・・・・・・・重合前の高分子液晶モノ６
・・・・・・・・・・・・照射紫外線第２図 （ａ） ７・・・フォトマスク ８・・・重合後の高分子液晶ポリマ 第 図 （ａ） １１・・・水平配向部 １２・・・垂直配向部 １３・・・垂直偏光人口 １４・・・垂直偏光出口 １５・・・第１層 １６・・・第２層

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高分子液晶重合体から成る光学素子の所定個所の分
   子配向が、ほぼ水平または垂直に配向していることを特
   徴とする光学素子。 ２、高分子液晶重合体から成る光学素子の所定個所の分
   子配向が、ほぼ水平または垂直に配向しており、その他
   の個所が散乱状態となっていることを特徴とする光学素
   子。 ３、高分子液晶重合体から成る光学素子の所定個所の分
   子配向が、ほぼ水平配向しておりその他の個所がほぼ垂
   直配向しているか、または、前記所定個所がほぼ垂直配
   向しておりその他の個所がほぼ水平配向していることを
   特徴とする光学素子。 ４、前記高分子液晶重合体から成る光学素子が、多層構
   造を有することを特徴とする請求項第１項、第２項また
   は第３項記載の光学素子。 ５、電場を選択的に印加できる電極を有し、高エネルギ
   ー線を透過し得る２枚の基板間に高分子液晶のモノマを
   担持し、該モノマを液晶状態とし、前記電極に電場を印
   加しながら前記モノマを選択的に配向させ、高エネルギ
   ー線を照射して重合することにより固定し、パターニン
   グすることを特徴とする光学素子の製法。 ６、高分子液晶モノマの分子を配向させる配向手段と電
   場を選択的に印加する電極とを有し、かつ、高エネルギ
   ー線を透過する２枚の基板間に、高分子液晶のモノマを
   担持し、該モノマを液晶状態とし、前記電極に電場を印
   加して前記モノマの配向を選択的に制御したものに高エ
   ネルギー線を照射して重合することにより固定し、パタ
   ーニングすることを特徴とする光学素子の製法。 ７、前記配向手段が基板に対し平行配向であり、前記高
   分子液晶モノマがｐ型のモノマであることを特徴とする
   請求項第６項記載の光学素子の製法。 ８、前記配向手段が基板に対し垂直配向であり、前記高
   分子液晶モノマがｎ型のモノマであることを特徴とする
   請求項第６項記載の光学素子の製法。