JPH04119320A - 偏光無依存型液晶光変調器 - 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］ この発明は液晶を用いて光強度の変調を行う液晶光変調
器に係り、特に高速応答かつ高コントラストな特性が必
要とされるデイスプレィ、立体視用めがね、および調光
ガラスに応用が可能な液晶光変調器（液晶光シャッタを
含む）に関する。

１発明の概要１ この発明は、駆動電圧により入射光を透過または散乱し
て光強度の変調が行える液晶光変調器に関するもので、
３次元の網目状の合成樹脂マトリックス内にコレステリ
ック−ネマティック相転移を起こすフォーカルコニック
組織のカイラルネマティック液晶を分散することにより
、応答の高速化およびコントラスト比の向上を図り、デ
イスプレィ、立体視用めがね、および調光ガラスなどに
応用できるようにしたものである。

［従来の技術］ 液晶セルに電圧を加えて、液晶分子の配列状態を変化さ
せるという液晶の電気光学効果を応用すると光変調器が
実現できる。特に、液晶素子では、他の電気光学効果を
示す結晶に比べて低電圧で動作し、比較的大きな面積の
ものを廉価に作ることができるので、近年注目されてい
る。

このような液晶光変調器の１つとして、合成樹脂マトリ
ックスとネマティック液晶からなる複合体を用いた従来
の液晶光変調器には、以下に記述する素子がある。

（１）第５図に示すように、フェニルシクロヘキサン系
ネマティック液晶１１が、ガラス板４・、４上に形成さ
れた２枚の透明電極３，３間のメンブレンフィルタ状の
セルロース系エステル２の中に連通状に充填されて、交
流電源７からの駆動電圧の印加により光透過率が制御さ
れる素子（文献：Ｈ６Ｃｒａｉｇｈｅａｄ　、　Ｊ、　
Ｃｈｅｎｇ　ａｎｄ　Ｓ、　Ｈａｃｋｗｏｏｄ、　Ａｐ
ｐｌ。

Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　Ｖｏｌ、４０、ｐ、　２２．
１９８２参照）。入射光只ｆＸ−羽糀日８雷妬２の一右
六）Ｃζス自什＋、７．／、リキρをＯＮシ、リード線
５を経て透明電極３，３間に電圧を印加することにより
、変調された出力光９を得る。

（２）第６図に示すように、２枚の透明電極３，３間の
ポリビニルアルコールもしくはエポキシ樹脂２の中にシ
アノビフェニル系ネマティック液晶１１が粒状に分散さ
れて、交流電源７からの駆動電圧の印加により光透過率
が制御される素子（文献：Ｊ、　Ｆｅｒｇａｓｏｎ、　
　５ｏｃｉｅｔｙ　ｆｏｒ　ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＤ
ｉｓｐｌａｙｓ　（ＳＩＤ）　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ
ａｌ　ＳｙｍｐｏｓｉｕｍＤｉｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｔｅｃ
ｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒｓ、　ｐ、　６８−ｐ、　７
０．１９８５、　もしくはＪ、　Ｗ、　Ｄｏａｎｅ　、
　Ｎ、　Ａ、　Ｖａｚ、Ｂ、　Ｇ、　Ｗｕ　ａｎｄ　Ｓ
、　Ｚｕｍｅｒ　、Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ
。

Ｖｏｌ、４ｇ　、Ｎｏ、　４、ｐ、　２６９−ｐ、２７
１．１９８６ｇ照）。

（３）第７図に示すように、ピリジン系ネマティック液
晶ｌｌ内に３次元の網目状のアクリル樹脂２を分散させ
て、交流電源７からの駆動電圧の印加により光透過率が
制御される素子（文献：Ｔ、　Ｆｕｊｉｓａｗａ、　Ｈ
，Ｏｇａｗａ、に、　Ｍａｒｕｙａｍａ　、Ｊａｐａｎ
ｒｌｉｃ＋ｎ＋＊ｖ’ＲＱ　　ｒｊａｏｃ＋　　　ｎ　
　ＡＱｎ−ｒ＋　　ｅ０２　　　　＋ｏｏｏ央照）。

一方、光散乱を利用した他の変調方式として、以下に示
すようなコレステリック−ネマティック相転移現象を有
するカイラルネマティック液晶を用いた液晶光変調器が
提案されている。

（４）第８図に示すように、コレステリルクロライド（
カイラルドーパント）とＭＢＢＡ（＋）−メトキシベン
ジリデン・ｐ−ブチルアニリン）ネマティックｌ夜晶と
で構成されるフォーカルコニック組織のカイラルネマテ
ィック液晶１が、２枚の透明電極３゜３間に封入されて
、交流電圧の印加により光透過率が制御される素子（文
献：Ｗ、　Ｇｒｅｕｂｅｌ　、Ａｐｐｌ。

Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　Ｖｏｌ、２５、Ｎｏ、　１　
、ｐ、５−ｐ、７．１９７４参照）。

［発明が解決しようとする課題］ 上述の合成樹脂マトリックスと液晶の複合体を用いた上
記（１）、　（２）および（３）の素子は１分散された
ネマティック液晶の形状は異なるが、いずれも液晶と樹
脂マトリックスの境界面で生じる光の散乱現象を主に利
用し、光透過↓の変調が制？１１されており、以下に述
べるような共通の問題点を持っていた。

交流の駆動電圧を印加した場合、電圧により液晶分子に
強いトルクが働くため、不透過状態から透過状態へは高
速で遷移するが、その一方、駆動電圧を除去した際の透
過状態から不透過状態への遷移は、マトリックス界面で
の規制力（アンカリング）と液晶の弾性力（界面効果）
に起因するため低速となる。すなわち、立下がり動作は
、立上がり動作に比べて遅いという欠点を持っていた。

従来、立下がり動作を高速化するには、液晶の分散構造
を微細にする方法がある。しかし、この方法を用いた場
合、液晶分散体が入射光の波長よりも小さくなると、分
散体での光散乱が減少するため、素子のコントラスト比
が大幅に劣化する。

一方、上述のカイラルネマティック液晶を用いた上記（
４）の液晶光変調器では、散乱効率が小さいため、素子
のコントラスト比が極めて低いという欠点があった。さ
らに、カイラルネマティック液晶を用いた液晶光変調器
では、液状の液晶を封入しなければならず、液晶セルの
ギャップを均一に保持するのが難しく、大面積の液晶セ
ルの製作が極めて困難であった。

そこで、本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、
その目的とするところは、高速応答性とともに高コント
ラストが得られ、大面積が可能な液晶光変調器を提供す
ることにある。

［課題を解決するための手段］ このような目的を達成するために、本発明は、カイラル
ドーパントを含有するフォーカルコニック組織のカイラ
ルネマティック液晶と３次元網目状の透明な合成樹脂マ
トリックスからなる液晶複合体と、該複合体を挾む透明
電極と、該透明電極に電圧を印加する交流電圧源とを有
することを特徴とする。

［作　用］ 本発明では、網目状の透明な樹脂マトリックス内に、カ
イラルドーパント入りのネマティック液晶、すなわちフ
ォーカルコニック組織のカイラルネマティック液晶を分
散し、液晶自身にらせんねじり力を導入し液晶の持つ弾
性力を強めることで、分散構造の微細化によるコントラ
スト比の低下を招くことなく、立下がり動作を高速化で
きる。すなわち従来の（１）、　（２）および（３）の
素子の問題点を解決することができる。

さらに、本発明ではマトリックス界面での光散乱と共に
、フォーカルコニック組織の液晶内での光散乱も、光変
調動作に効率良く利用できるため、樹脂マトリックスと
ネマティック液晶の複合体を用いた従来の液晶光変調器
やカイラルネマティック液晶を用いた従来の液晶光変調
器に比べて、コントラスト比を格段に向上させることが
できる。さらに、上記の樹脂マトリックスは自己保持性
であるため、透明電極間のギャップの制御が容易であり
、均一性に優れた大面積の液晶光変調器を構成すること
が可能である。すなわち、上述した従来の（４）の素子
の問題点を解決することができる。

上記の理白により、本発明によれば、高速かつ高コント
ラストで、大面積が可能な液晶光変調器を実現できる。

［実施例１ 以下に本発明の実施例について、図面を参照して詳細に
説明する。

σ災血土少」」 第１図は本発明を適用した液晶光変調器の一実施例の模
式的構成を示す。本実施例の液晶光変調器では、不規則
ならせん軸を持つねじれ配向、すなわちフォーカルコニ
ック組織のカイラルネマティック液晶１の中に、３次元
の網目状の透明な合成樹脂マトリックス２を分散し、そ
れぞれガラス基板４に付着した２つの透明電極３，３間
に液晶１およびマトリックス２を挟んで配設する。さら
に２つの透明電極３，３は、リード線５とスイッチ６を
介して、駆動用交流電圧′ａ、７に接続される。一方の
ガラス基板から入射する入射光８は、液晶］とマトリッ
クス２からなる複合体で強度変調を受けて、透過光すな
わち出射光９と散乱光１０になる。なお、マトリックス
２が軟質のものの場合には、マトリックス２と液晶１か
らなる複合体の側面を支えるために、透明電極３間にス
ペーサ（図示しなし旬を配設することもある。

液晶１は、ネマティック液晶に、ねじれ配向を誘発する
カイラルドーパントを添加して作製する。液晶１内に生
じるらせんピッチは、カイラルドーパントの濃度と反比
例の関係にある。なお、第２図に示されるようなフォー
カルコニック組織の配向（コレステリック相）を発現さ
せるには、らせんピッチを網目の大きさの２分の１以下
にしなければならない。

カイラルドーパントには、少量の添加で短いらせんピッ
チが得られる材料が好ましく、光学活性を持つ不斉炭素
原子を含むカイラル化合物、もしくはコレステリック液
晶相を示すコレステロール誘導体が適当である。

カイラルネマティック液晶ｌと網目状マトリックス２か
らなる複合体は、液晶１およびマトリックス２の構成材
料を混ぜ合わせて均質溶媒にした後、光硬化、熱硬化、
または反応硬化等の方法を用いて、マトリックス２の成
分のみを硬化し、液晶１を析出・凝集させることで得ら
れる。この時のマトリックス２の網目の大きさは、硬化
速度が大きいほど微細になる。なお、液晶１中での散乱
効果を効率よ（引き出すためには、複合体中での液晶１
の含有率を少なくとも７０％以上に高くする必要がある
。

液晶１の常光屈折率ｎ０は、マトリックス２の屈折率ｎ
、と同等の値である。さらに、本素子の変調原理である
光散乱現象は、液晶ｌの異常光屈折率ｎｅとマトリック
ス２の屈折率ｎｐの差により生じるものであるから、液
晶１の屈折率異方性△ｎ　（＝ｎ、−ｎ０）は可能な限
り大きい方が有利である。そのため、ネマティック液晶
には、屈折率異方性の大きなシアノビフェニル液晶が適
している。さらに、シアノビフェニル液晶を用いた場合
、誘電率異方性△ε（・ε１１−ε工）が大きいため、
比較的低電圧で駆動できる利点もある。

マトリックス２には、屈折率ｎ、が１．５２程度の透明
なアクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂等が
最適である。

一例として試作した本実施例では、カイラルネマティッ
ク液晶１として、シアノビフェニル系混合ネマティック
液晶（常光屈折率ｎ０・１．５２５、異常光屈折率ｎや
＝１．７５４）にエステル基を含むカイラルドーパント
を１０％添加して使用した。この時、らせんピッチは、
約１μｍであった。また、マトリックス２として、紫外
線硬化性のポリウレタン樹脂（屈折率ｎ０・１．５２４
）を用いた、。液晶ｌとマトリックス２の材料の均質混
合液（液晶含有率８０％）に、強度１０ｍＷ／ｃｍ２の
紫外線（波長３６５ｎｍ）を照射した場合、５〜１０μ
ｍ程度の樹脂マトリックス２の網目構造が生成された。

なお、透明電極３としては、青板ガラス４に付着したＩ
ＴＯ（Ｉｎ２０．　：Ｓｎ）を用いた。

このような方法で試作された液晶セルの有効面積および
厚みは、それぞれ２０Ｘ２０ｍｍおよび１０μｍである
。なお、実用的なコントラスト比を得るためには、５〜
３０μｍの液晶セルの厚みが必要となる。

■ユ上」ムλ軌立 次に、本実施例の液晶光変調器の動作を図面を用いて説
明する。本発明の素子の光変調動作は偏光無依存性であ
ることから、第１図の入射光８には、無偏光の白色光ま
たは任意の波長の可視光を用いることが可能である。

第２図に示すように、スイッチ６を交流電源７に接続し
ていない場合は、液晶１が交流電圧で駆動されないため
、液晶１のねじれ配向（コレステリック相）のらせん軸
方向は、マトリックス２の界面の規制力を受けて不規則
である。従って、液晶１の屈折率、特に異常光屈折率ｎ
、とマトリックス２の屈折率ｎｐの不整合から、入射光
８はマトリックス２の界面で散乱すると共に、空間的な
屈折率の乱れを持つフォーカルコニック組織の液晶１内
でも散乱し、散乱光１０が生成される。この時、複合体
は白濁して、光の不透過状態にある。

次に、第３図に示すようにスイッチ６を交流電源７に接
続した場合、液晶１は正の誘電率異方性△εを持つため
印加電圧により駆動され、液晶分子はすべて電界に平行
に並び、ネマティック相であるホメオトロピック配向を
形成する。あらかじめ、液晶１の常光屈折率ｎ０をマト
リックス２の屈折率ｎｐに近似しであるため、入射光８
は屈折率の差を感じず、そのまま透過して出射光９とな
る。

この時、複合体は光の透過状態となる。

上述のように本発明の液晶光変調器は、網目状マトリッ
クス内の液晶１におけるフォーカルコニック状態（コレ
ステリック相）とホメオトロピック配向状態（ネマティ
ック相）間の相転移現象を利用したものである。このよ
うな構造の複合体での光散乱量や応答時間は、主に液晶
１内のらせんピッチおよびマトリックス２の網目の大き
さに依有する。従って、複合体の作製時にカイラルドー
パントの添加量とマトリックス２の硬化速度を適当に制
御することで、光変調のコントラスト比および応答速度
を調整することができる。また、液晶１のらせんピッチ
は、温度依存性を持つことから、電圧駆動時の温度によ
り、同様にコントラスト比および応答速度を制御するこ
とも可能である。

本実施例の一例として試作した上述の液晶光変調器に、
単色光（波長６３３ｎｍ）を入射した場合の手行光透過
率と駆動電圧（周波数１ｋＨｚの正弦波）の関係を第４
図に示す。第４図において、実線は１０％濃度のカイラ
ルドーパントを含むカイラルネマティック液晶１を用い
た場合であり、点線は無添加のネマティック液晶を用い
た場合である。

ドーパントの添加により、コレステリック−ネマティッ
ク相転移現象による履歴特性が生じる。この履歴特性を
用いれば、バイアス電圧を印加することで、光透過率を
記憶することも可能である。

一方、コントラスト比はドーパントの添加により大幅に
向上し、無添加の６０：１に対して濃度１０％では１６
０：１となる。

さらに、応答時間を評価するために強度２０ｍＷ／ｃｍ
２での紫外線を照射して樹脂マトリックスの網目構造を
作成した。この実施例の複合体に交流電圧（周波数１０
ｋＨｚの矩形波）のパルス（Ｚｍｓ幅）を印加して、立
下がり時間（透過率が１００％から１０％になるまでの
時間で定義）を測定した。その結果、カイラルドーパン
トが無添加の複合体を用いた場合の立下がり時間は、約
８ｍｓであるのに対して、添加した複合体では５００ｕ
ｓ以下となり、立下がり動作の大幅な高速化が確認され
た。

電圧除去時の液晶１の緩和過程には、マトリックス２界
面でのアシカリングによる速い動作と、界面から離れた
部位での弾性力による遅い動作があり、本発明による素
子の場合、らせんねじり力が後者の緩和過程を促進した
ものと考えられる。

また、本素子の液晶１中に吸収異方性を有する２色性色
素を添加することにより、不透過状態において散乱光が
吸収されるため、白濁状態よりもさらにコントラストの
高い黒色の不透過状態を実現することも可能であり、液
晶光シャックどして用いることもできる。

［発明の効果１ 以上説明したように、本発明によれば、３次元の網目状
の合成樹脂マトリックス内にフォーカルコニック組織の
カイラルネマティック液晶を分散することにより、コレ
ステリック−ネマティック相転移を利用できるようにし
たので、高速で高コントラストな液晶光変調器を提供す
ることができる。

従って、本発明の液晶光変調器は、デイスプレィ、立体
視用めがね、および調光ガラス等に好適に応用が可能で
あり、本発明を用いた場合、これらの機器の性能向上が
可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光変調器の１実施例を示す構成図、 第２図は第１図に示した光変調器の駆動電圧を除去した
時の動作状態を示す図、 第３図は第１図に示した光変調器の電圧駆動時の動作状
態を示す図、 第４図は第１図に示した光変調器の平行光透過率の電圧
振幅依存性を示す図、 第５図ないし第８図はそれぞれ従来の液晶光変調器の駆
動電圧を除去した時の動作状態を示す図である。 １・・・カイラルネマティック液晶、 ２・・・合成樹脂マトリックス、 ３・・・透明電極、 ４・・・ガラス基板、 ５・・・リード線、 ６・・・スイッチ、 ７・・・駆動用交流電圧源、 ８・・・入射光、 ９・・・出射光、 １０・・・散乱光、 １１・・・ネマティック液晶。 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）カイラルドーパントを含有するフォーカルコニック
   組織のカイラルネマティック液晶と３次元網目状の透明
   な合成樹脂マトリックスからなる液晶複合体と、 該複合体を挟む透明電極と、 該透明電極に電圧を印加する交流電圧源とを有すること
   を特徴とする液晶光変調器。 ２）前記液晶に生じるねじれ配向のらせんピッチは、前
   記マトリックスの網目の大きさの２分の１以下であるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の液晶光変調器。 ３）光変調のコントラスト比および応答速度が前記マト
   リックスの網目の大きさおよび前記液晶のらせんピッチ
   の値の少なくともいずれかを制御することにより制御可
   能であることを特徴とする請求項１または２に記載の液
   晶光変調器。 ４）前記複合体中の前記液晶の含有率は少なくとも７０
   ％以上であることを特徴とする請求項１ないし３のいず
   れかに記載の液晶光変調器。 ５）前記マトリックスの屈折率は、前記液晶の常光屈折
   率と同等であることを特徴とする請求項１ないし４のい
   ずれかに記載の液晶光変調器。 ６）前記カイラルドーパントは光学活性を有するカイラ
   ル化合物、またはコレステリック液晶であることを特徴
   とする請求項１ないし５のいずれかに記載の液晶光変調
   器。 ７）前記液晶は、正の誘電率異方性を持つシアノビフェ
   ニル液晶であることを特徴とする請求項１ないし６のい
   ずれかに記載の液晶光変調器。 ８）前記合成樹脂マトリックスは、光硬化、熱硬化また
   は反応硬化により得られるアクリル樹脂、エポキシ樹脂
   、またはポリウレタン樹脂であることを特徴とする請求
   項１ないし７のいずれかに記載の液晶光変調器。