JPH04353831A - 液晶シャッター - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶シャッターに係わ
り、特に、交流電場の印加、遮断により光学的に透明な
状態と光散乱状態とを可逆的に発現する液晶シャッター
に関する。

【０００２】

【従来技術】液晶素子は、軽量で薄く出来るのでポケッ
タブルな電卓、テスター等の表示体あるいは装飾用、Ｐ
ＯＰ用として図形や文字を主として平面上に表示する装
置として広く利用され、さらに最近では薄膜トランジス
ターを用いてフルカラーで動画を表示する液晶テレビジ
ョンとしても実用化されるに至っている。これらにおけ
るシャッター動作の原理は、ツイステッドネマチックモ
ード（以降ＴＮ型）と言われるもので公知の技術である
（小林、岡野編著　　”液晶”１９８５年　　培風館）
。

【０００３】しかしながら、液晶はこうした表示素子と
しての利用の他に様々な機能を発現する機能性材料とし
ての可能性をも秘めており、幅広い研究がされている。 こうした可能性の一つとしてより大面積の遮光性シャッ
ターの研究開発が試みられている。具体的には屋内用、
車裁用の大型ウィンドウ、プラスチックフィルムカーテ
ン、目隠し用ウィンドウなどへの展開が考えられている
。この観点からするとＴＮ型はガラス基板上にポリイミ
ド等の有機物を用いた配向処理と２枚の偏光板を必要と
するため、大型でも軽量で薄いシャッターを製造する技
術としては必ずしも適したものでない。液晶には流動性
が残されており、自己支持性に欠けるので液晶自体の重
量を保持するのに平滑で剛性のある基板を必要とし、ガ
ラスや厚めのプラスチックが使われるからである。この
ため、大型化すると重くなるのみならず、液晶の注入と
配向処理に困難をきたし液晶相の配向自身も難しくなる
。加えて、偏光板は光透過率と耐久性を大きく低下させ
る原因となり、先述したような高い透明性と遮光性の両
方を要求される液晶用シャッター等には全く向かない。

【０００４】大面積でも薄く軽量なシャッターとしては
、液晶の完全な配向が不要で偏光板がいらない動作モー
ドが必要で、かつ自己支持性のある素材であって、製造
上でも印刷技術やラミネート技術が使えることが望まれ
る。こうした要望に答えるもので最近注目されているも
のに、液晶と高分子バインダーの複合体がある。これは
高分子分散液晶フィルム（以下単にＰＤＬＣという、Ｊ
．Ｗ．ＤＯＡＮＥ　ｅｔ　ａｌ．，Ｍｏｌ．Ｃｒｙｓｔ
．Ｌｉｑ．Ｃｒｙｓｔ．，ｖｏｌ　１６５，５３３（１
９８８）、特開昭６０ー２５２６８７号公報）と呼ばれ
ている。これの構造的な特徴は、図４の（イ）に示すよ
うに、高分子バインダー中に液晶が可視波長程度の大き
さの粒、あるいはより複雑であるがネットワーク状に分
散したものであるということである。どのような分散状
態になるかは製造方法に依存する。シャッター性の起源
は、光散乱状態と透明状態が交互に顕れることでなされ
る。図４の（ロ）に示すように、交流電場を印加すると
、バインダーと分散した液晶の屈折率が略一致した状態
となり、光を散乱せず透明となる。不一致の場合は、図
４の（イ）に示すように、不均一な屈折率分布により光
が散乱されるということである。

【０００５】しかし、ＰＤＬＣの欠点として２相複合体
であるので、 （１）液晶部分に印加される実効的な電圧が低下する、
（２）液晶に未反応のバインダー分子が残存して純度が
低下し、これにより動作電圧が上昇する、（３）液晶と
バインダー間の相互作用のため液晶に対する束縛が通常
のＴＮセルより強い、等を補償するため、一般に純粋な
ＴＮ動作より駆動電圧が大きく増加する。また液晶とバ
インダーの分離が完全でないので、屈折率の調整が難し
く霞がかかったようになり完全な透明性が得られない。 これらは本質的にはＰＤＬＣが相分離した２相系である
ことに起因するものである。

【０００６】他方、軽量で大面積向きのフィルム化が可
能な液晶性材料として自己支持性に富む高分子液晶があ
る。遮光性シャッターとしてはＴＮ型での動作が試みら
れているが、現在のところ合成された液晶は粘性が高く
応答速度が遅い、動作温度域が高いなどの理由で期待さ
れた特性は得られていない。これらが解決されたとして
もＴＮモードでは先述した問題により大面積化は困難で
ある。

【０００７】特開昭６４ー６００８号公報には、強誘電
性のメソゲンを側鎖としたシロキサンタイプの高分子液
晶でフィルムシャッターを製造する試みもあるが、液晶
配向の問題などで、やはり大面積シャッターの実用化に
は程遠いのが現状である。総じて高分子液晶では大面積
のシャッター性をどんなメカニズムで発現するかの枠組
みが明確になっておらず、暗中模索の状態である。

【０００８】本発明者らは、コレステリック相を呈する
高分子液晶／低分子液晶混合系も、低分子コレステリッ
ク液晶と同様に、図１に示すグランジャン状態、図２に
示すフォーカルコニック状態（以下単にＦＣ状態という
）、図３に示すホメオトロピック状態をとることが可能
であり、特にＦＣ状態が低分子液晶に比べて非常に強い
光散乱能を有し経時的にも安定であることを見いだした
。これは交流電場印加で光学的に透明なホメオトロピッ
ク状態を形成できるので、可逆的な光シャッターとして
利用できることを意味する。ＦＣ状態は、ＰＤＬＣに劣
らず強い光散乱能を有するが、ＰＤＬＣにおけるように
完全な安定状態でないため、電場遮断後、概ね数分程度
で光散乱能が劣化する、すなわち透明性の若干高い状態
に移行して安定化する。この様子は図６の（ａ）のグラ
フ変化に示す。

【０００９】この最終的な状態の光散乱能は、液晶の厚
みを増せば比例して増大するが、駆動電圧が増加するな
どの問題がある。要求される白濁の程度は、使用される
目的により異なるが、非常に強い遮光性が必要な場合も
考えられ、この場合、厚みを増すのが好ましくない場合
は、緩和する前の白濁度（光透過率）を図６に示す点（
Ｍ）の位置程度に維持することが必要である。

【００１０】また平衡状態での光散乱能も、図１のグラ
ンジャン状態に近い状態に移行するか、またはＦＣ状態
のラセン軸が基板と平面なフィンガープリント状態から
少し傾いたＦＣ状態に移行するため、長期的には劣化す
る。これは温度が高くなると促進される傾向が強く、液
晶の粘性が低下するためと考えられる。また応答速度を
増して低電圧動作が要求される場合には高分子液晶成分
を減らして低分子液晶を増す必要がある。この場合、光
散乱状態の保持が難しい場合が多い。したがって、図６
に示す点（Ｍ）の位置程度の強い光散乱状態を、広い温
度領域で一定に保持することが必要である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、コレステリ
ック相を示す高分子液晶／低分子液晶混合系において、
電場遮断後の強い光散乱性フォーカルコニック状態の安
定性を保持して、広い温度領域で光シャッターとしての
遮光時の白濁度（光散乱強度）を一定にする駆動方法を
提供しようとするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、低
分子液晶と高分子液晶の混合物、もしくは低分子液晶と
高分子液晶と光学活性物質の混合物を、コレステリック
相を呈する温度域で少なくとも一方が透明な電極付基板
間に挟持したものであって、高電圧の交流電場の印加に
より光学的に透明な状態を形成し、直流電圧に交流電場
を重畳した電場の印加により光散乱状態を保持するよう
にしたこと特徴とする液晶シャッターである。

【００１３】

【作用】高分子液晶が臨界濃度以上を占める低分子液晶
との混合系では、図１のグランジャン状態から図３のホ
メオトロピック状態へ移行する途上（電圧印加）、もし
くはこの逆に変化する途上（電場遮断）に相当経時的に
安定な強い光散乱性を示す状態が存在しうるのであるが
、本発明はこの状態を広い温度範囲で半永久的に保持出
来るようにしたのである。

【００１４】

【発明の詳述】本発明は、印刷適性を有しフィルム化が
可能であって、かつ高速応答性と経時的に安定な光散乱
状態を呈する液晶系の電気光学的応答を詳細に調べた結
果に基づいている。高分子液晶と低分子液晶の混合系で
コレステリック相を呈する系は下記の実施例に述べるよ
うに容易に形成出来る。混合系の最初の状態を、図５の
位置（ｆ）としてこの状態に対して、１Ｖｒｍｓ／２０
ｓｅｃ（周波数１００ヘルツのサインカーブ）の昇圧速
度でゆっくりと交流電圧を印加すると、図５の（ａ）に
示すように、光透過率が（ｆ）から始まって変化し、一
定値（ｅ）に達する。

【００１５】重要なことは、図１のグランジャン状態が
図３の垂直配向したホメオトロピック状態に変化する途
上に、ラセン軸が電場と略垂直（面内ではラセン軸の向
きはランダムで、フィンガープリントと呼ばれる）なＦ
Ｃ状態があって、これが強い光散乱性を呈して透過率が
最小を示す電圧領域Ｖｍｉｎ　〜Ｖｍａｘ　（図５参照
）があるということである。光学的に透明なホメオトロ
ピック状態から同じ速度で電圧を降下させると、（ｂ）
のルートで透過率が低下し、最終的には（ｓ）になる。 すなわち、上昇時のルートとは一致せずヒステリシスを
示す。 ヒステリシスは組成に依存し高分子液晶の含有量が増す
につれて強くなる。この場合、透明状態が一度形成され
た後、保持電圧を低下させることも可能である。ホメオ
トロピック状態で電場を遮断すると、図５に示す（ｍ）
の白濁度に近い状態が得られるが、これは見かけ上Ｖｍ
ｉｎ　からＶｍａｘまでの範囲の電圧印加に対応する状
態である。

【００１６】問題は、図６の（Ｍ）の状態の白濁の程度
が、図６の（ａ）で示したように時間的に緩和して、最
終的には透明度の高い一定値（ｓ）に達することである
。最終的な白濁度はセルの厚みによるが、この厚みは動
作電圧に影響を与える。家庭での使用では余り高い電圧
は好ましくない。本発明者等は図５の低電圧印加部分の
応答に強い光散乱を示す領域Ｖｍｉｎ　〜Ｖｍａｘ　が
あることに着目して、電場を遮断した後、引き続いてこ
の電圧領域内の弱い電場を印加して緩和のない高い白濁
度が維持できないか調べた。

【００１７】この実験によると概してＶｍｉｎ　以下の
余り低い電圧印加では十分長い時間を経過すると徐々に
透明性が増した。これはこの電圧では図６の（ａ）の平
衡状態への移行を止められないことを示している。但し
、余り高い電圧（Ｖｍａｘ　より数Ｖ低電圧）でも透明
性が増すことがあり、これは徐々にホメオトロピック状
態に変化するためと考えられる。一般には、この中間の
電圧Ｖ（Ｖｍｉｎ　＜Ｖ＜Ｖｍａｘ　）の印加で白濁度
の保持が可能であった。

【００１８】しかしながら、この場合では緩和量は減少
するが完全には抑止できなかった。そこで直流定電圧に
交流を重畳させた電場を印加して同じく緩和挙動を調べ
た。直流電圧と交流電圧の割合を変化させて見たところ
、交流電圧としてＶｍｉｎ　近傍の値を採用するとかな
り幅広い直流電圧範囲で緩和が完全に抑止されることが
分かった。この傾向は高分子液晶と低分子液晶の組成比
によらず、また交流の周波数によらない普遍的な効果で
あった。これが請求項１の内容である。低分子コレステ
リック液晶では同じ抑止効果は見られなかったので何等
かの高分子性に由来するか、使用した材料に依存する効
果と考えられるが詳しい機構は不明である。抑止効果に
周波数依存性が見られないこと、組織の流動が見られな
いことなどから動的散乱現象ではないと考えられる。以
下実施例により詳しく説明する。

【００１９】

【実施例】下記の構造式で化１で表されるアクリル骨格
の共重合コレステリック型側鎖型高分子液晶と、化２で
示される低分子ネマチック液晶５ＣＢを重量比で１：９
から７：３の範囲で混合した。化１は、光学活性なコレ
ステリル残基とシアノビフェニル残基からなるコポリマ
ー型の高分子液晶である。図１０にその相図を示したが
、実線の下側ではコレステリック相を呈した。

【００２０】

【化１】

【００２１】

【化２】

【００２２】ここでｎ：ｍ＝１：２、ｋ＝ｌ＝５である
。これらの値はここに記された値に限らず、コレステリ
ック相を示す範囲であればよい。化１の重量平均分子量
は、約１．５万であった。（分子量約１１万の高分子液
晶でも以下の結果に本質的な違いは無かった。）　　こ
の混合系に２５ミクロンのガラススペーサーを分散し均
一なインキとした後、電極付き透明フィルム上にコーテ
ィングした。その後、対向電極付きフィルムで狭持し液
晶セルとした。

【００２３】高分子液晶の重量分率が増すと粘性が高く
透明なホメオトロピック配向を得るのが高電圧であり、
かつオフしてもコレステリックに戻るのに時間がかかっ
た。逆に低分子量成分が増すにつれて光散乱強度が弱く
なり、かつ先述したＦＣ状態の緩和が速くなる傾向であ
った。好ましい組成は３：７から５：５である。混合比
が４：６（高分子：低分子）の系に１Ｖ／２０ｓｅｃ　
の速度で電場を印加した場合の透過率の変化を図５に示
したた。３：７の組成では６５Ｖ、４：６では９０Ｖの
電圧で完全な透明状態を示した。

【００２４】この状態で電圧を遮断すると非常に強い光
散乱状態を呈し、いづれの組成でもヘイズ値で９５程度
の白濁度であった。３：７の組成では図６（ａ）で示す
ように、徐々に緩和して約１０分後に平衡状態に達し、
この時のヘイズ値は約８０（図６の（ｓ）参照）であっ
た。この状態からでは光散乱状態の緩和は見られなかっ
た。時間変化はＨｅ−Ｎｅレーザービームをセルに照射
して透過量をフォトダイオードで電圧に変換して測定し
たものである。次に遮断後再び弱い電場を印加しての緩
和の抑止効果を調べた。

【００２５】図６（ｂ）と（ｂ）’に遮断後引き続いて
２０Ｖ及び３０Ｖ（いずれも１００Ｈｚ）の交流を印加
した結果を示した。緩和は印加しない場合より抑制され
てはいるが、完全ではない。一般に交流だけの印加では
完全な抑止は不可能であった。そこで直流電圧１０Ｖに
Ｖｍｉｎ　より若干低い電圧１０Ｖを重畳したものを印
加した結果を図６の（ｃ）の変化で示した。この場合に
は遮断直後の白濁度の緩和が起こらずほぼ完全な抑止効
果が見られた。効果的な直流電圧の範囲を調べるために
交流電圧を一定にして直流電圧を変化させて１０００秒
後の平衡透過率を組成が３：７交流電圧１０Ｖ）と４：
６（同２０Ｖ）の場合について調べた結果を図７と図８
に示した。いずれの場合にも相当広い電圧範囲で透過率
の極小が得られている。高分子量が多いほど極小を与え
る電圧範囲は広く、交流電圧を増やすと直流電圧は低め
にシフトする傾向である。

【００２６】次に４：６の組成について直流３０Ｖに交
流２０Ｖを重畳した電圧を印加して最低の平衡透過率を
得た後、温度を上げて透過率の変化を調べた。結果は図
９に示した。この組成では約４８度まで殆ど変化が見ら
れず温度変化に対して非常に安定であることが分かった
。最後に付け加えると直流電圧は同じ極性である必要は
なく、適当な時間間隔、例えば５分等で極性を切り替え
てもよい。

【００２７】

【発明の効果】本発明により低電圧で動作する、大面積
でも軽量で極めて強い遮光性を有する温度変化に対して
安定な液晶シャッターの提供が可能である。これは、偏
光板と液晶の完全な配向が不必要であり、大型の直視型
ディスプレイおよびプロジェクション型ディスブレイの
液晶表示体としても利用できる。

【００２８】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明でコレステリック相が取り得る、ラセン
軸が基板面に略垂直なグランジャン状態を示す模式図で
ある。

【図２】本発明でコレステリック相が取り得る、経時的
に安定なフォーカルコニック状態を示す模式図である。

【図３】本発明でコレステリック相が取り得る、ホメオ
トロピック状態を示す模式図である。

【図４】高分子分散液晶の液晶シヤッターの一例であっ
て、（イ）は電圧無印加時に光散乱状態を呈することを
示す説明図、（ロ）は電圧印加時に光透過状態を呈する
ことを示す説明図である。

【図５】本発明の液晶シヤッターの駆動方法の原理を示
す説明図である。

【図６】本発明の液晶シヤッターにおける初期の白濁状
態の緩和を時間の関数として示すグラフ図である。

【図７】高分子液晶と低分子液晶の組成比が３：７であ
る本発明の液晶シヤッターにおける白濁状態の平衡透過
率を交流電圧が一定の場合に直流電圧の関数として表示
したグラフ図である。

【図８】高分子液晶と低分子液晶の組成比が４：６であ
る本発明の液晶シヤッターにおける白濁状態の平衡透過
率を交流電圧が一定の場合に直流電圧の関数として表示
した図である。

【図９】直流に交流を重畳して得られる白濁状態の光透
過率の温度変化を示すグラフ図である。

【図１０】実施例に用いた高分子液晶と低分子液晶の混
合系が示す相図である。

【符号の説明】

４００　　透明電極 ４０１　　バインダーポリマー ４０２　　ランダム配向した液晶 ４０３　　透明基板 ４０４　　ホメオトロピック配向した液晶４０５　　液
晶粒 ４１０　　入射光 ４１１　　散乱光または反射光 ４１２　　透過光

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】低分子液晶と高分子液晶の混合物、もしく
   は低分子液晶と高分子液晶と光学活性物質の混合物を、
   コレステリック相を呈する温度域で少なくとも一方が透
   明な電極付基板間に挟持したものであって、高電圧の交
   流電場の印加により光学的に透明な状態を形成し、直流
   電圧に交流電場を重畳した電場の印加により光散乱状態
   を保持するようにしたこと特徴とする液晶シャッター。