JPH0618855A

JPH0618855A - 液晶シャッター

Info

Publication number: JPH0618855A
Application number: JP4172285A
Authority: JP
Inventors: Takao Minato; 孝夫湊; Toshiaki Yoshihara; 俊昭吉原
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 1992-06-30
Filing date: 1992-06-30
Publication date: 1994-01-28

Abstract

(57)【要約】【構成】コレステリック相を呈する高分子液晶あるいは
高分子液晶と低分子液晶の混合液晶を、透明電極間に挟
持したものであって、電場の印加により透明状態を形成
し、電場の遮断により光散乱状態を形成する液晶シャッ
ターにおいて、いずれか一方の透明電極上にゾルゲル法
により形成された凹凸性の透明な無機被膜層を設けたこ
とを特徴とする液晶シャッター。【効果】本発明によれば、電場の印加なしに高い白濁度
を維持することができ、消費電力が少なく、駆動系が簡
便で、製造のうえでも大面積の調光ガラス用の液晶シャ
ッターの製造が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電場の印加および遮断
により可逆的に光学的透明状態と光散乱状態を呈しめる
液晶シャッターに関する。

【０００２】

【従来技術とその問題点】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、ＰＯＰ用として図形や文字を主として平面上
に表示する装置に広く利用され、更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テレビ
としても実用化されるに至っている。これらに於けるシ
ャッター動作の原理はツイステッドネマチックモード
（以下ＴＮ型という）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、液晶はこうしたディスプレ
イ用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家屋用、車裁
用の大面積調光ガラスがある。しかし、ＴＮ型は、調光
ガラスとしてはガラス基板上にポリイミド等の有機物を
塗布する配向処理と２枚の偏光板を必要とするため、大
型のシャッターを製造する技術としては適していない。
特に偏向板は透過率と耐久性を低下させる原因である。

【０００４】大面積化可能なシャッターとしては、配向
処理が不必要で偏向板が不要な動作モードが不可欠で、
かつ自己支持性のある素材であって製造上でも塗工技術
やラミネート技術が使えることが望まれる。こうした要
望に合致したものにネマチック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
ＰＤＬＣという：J.W.DOANE et al.,Mol.Cryst.Liq.Cry
st.,vol 165,533(1988）、特開昭６０ー２５２６８７号
公報）と呼ばれている。この構造的な特徴は、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で分散す
るか、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。

【０００５】これがシャッター性の発現する理由は、バ
インダーと分散した液晶の屈折率が略一致した場合には
光を散乱せず透明であって、不一致の場合は不均一な屈
折率分布により光が散乱され白濁状態が得られるという
ことである。液晶粒を析出する手段としては、１．液晶と光硬化型樹脂を混合し（ＵＶ照射、ＥＢ照射
により）樹脂を硬化させて析出させる。２．高分子バインダーと液晶を共通溶剤に溶かした後溶
剤を蒸発させて液晶を析出させる。などがある。

【０００６】しかし、ＰＤＬＣの欠点として複合体であ
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）液晶中にバインダー分子が残留して純度が落ち液
晶性が低下する。（３）液晶粒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型セルより強い等の問題がある。これらは、使用上駆動電圧が大きく増加し、使用温度域
が低下し、長期の安定性が損なわれるなどの欠陥があ
る。また液晶とバインダーの屈折率の調整が難しく霞が
かかったようになり、完全な透明度が得にくいなどの問
題もある。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。

【０００７】製造設備面からも、ＵＶ硬化や熱硬化には
それぞれ専用の紫外線照射装置、温度制御装置が必要で
ある。溶媒蒸発でも用いる材料によっては完全に乾燥さ
せるためにオーブンなどの装置を必要とし、生産性が下
がり、コスト上昇の原因となる。２色性色素を混合する
とカラー状態と透明状態のスイッチングも可能である
が、液晶の含有割合が１００％以下であるのと、色素を
必ずしも液晶だけに溶解させられないのでコントラスト
が充分に得られない等の欠点もある。

【０００８】一方、フィルム化も可能な液晶性材料とし
て高分子液晶がある。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型では先述した問題により調光
ガラス化は困難である。強誘電性のメゾゲンを側鎖とし
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配向の問題、偏光板を必要とす
る（特開昭６４ー６００８号公報参照）、などで調光ガ
ラス化には程遠いのが現状である。

【０００９】本発明者らはコレステリック層を呈する高
分子液晶と低分子液晶の混合系が形成するフォーカルコ
ニック（ＦＣ）状態が強い光散乱能と低分子液晶にない
経時的安定性を示すこと見いだした。これは混合系であ
る必要はなく高分子液晶単独でもよい。さきに述べたよ
うに室温で動作可能なコレステリック高分子液晶が得に
くいため低分子液晶で希釈して用いるものである。いず
れにおいても単一相であるのでしきい値以上の電場を印
加すればホメオトロピックな完全な透明状態を形成でき
る。電場を遮断すればＦＣ状態としての白濁状態（光散
乱状態）が得られる。最大白濁度は遮断直後に得られる
が、これは数分の緩和時間で若干透過性の高い白濁度の
低下した平衡状態に到る。

【００１０】従って、強い遮光性が期待される調光ガラ
スのような場合にはこの緩和は好ましいものでなく、何
等かの手段により抑止することが必要である。本発明者
の知見によれば、このためには交流電場の印加が効果的
であった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】このことは、実用上で
は透明状態と白濁状態の間のスイチツングと維持に絶え
ず電場の印加が必要であることを示しており、好ましく
は電場の印加なしで緩和を抑止できるのが望まれる。す
なわち、本発明は、コレステリック相の光散乱状態であ
るＦＣ状態が電場の印加なしで白濁状態を維持できるよ
うな条件を見いだし、駆動系が簡便で、消費電力の少な
い液晶シャッターを提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この目的のために本発明
は、コレステリック相を呈する高分子液晶あるいは高分
子液晶と低分子液晶の混合液晶を、透明電極間に挟持し
たものであって、電場の印加により透明状態を形成し、
電場の遮断により光散乱状態を形成する液晶シャッター
において、いずれか一方の透明電極上にゾルゲル法によ
り形成された凹凸性の透明な無機被膜層を設けたことで
解決したものである。

【００１３】コレステリック相を呈する液晶（３００）
の光散乱性のＦＣ状態は、図３に示すように、ラセン軸
の方向がセル基板に略平行なサブミクロンサイズのドメ
イン（３０１）が、多数併存する状態が最大の光散乱能
を有する、と考えられる。電場を遮断すると、ホメオト
ロピックな状態から一時的にこの状態に遷移するが、こ
の状態は準安定であり、図４に示すように、次第にラセ
ン軸方向が基板に垂直なドメイン（４０１）成分が増し
てくる。このため白濁度の低下が生じるものと考えられ
る。

【００１４】こうした変化は、液晶の弾性エネルギーと
基板界面との相互作用で生じる。通常の処理をしたＩＴ
Ｏ電極では、液晶分子が基板に略平行になる方が安定で
あり、ラセン軸も基板に垂直になる。こうした変化を抑
止するには誘電的なトルクを用いるか、動的散乱を使う
ことが可能である。前者については、本発明者らにより
既に報告されている。後者は、導電性キャリアーが必要
であり、安定性の面から好ましくない。

【００１５】本発明者は、さらに進んで、ラセン軸がほ
ぼ同じ方向にあるドメインと同じ程度のスケールの凹凸
性ゾルゲル膜（１０２）を電極基板上に設けることで
（図１参照）、ドメイン（１０４）のラセン軸方向がラ
ンダムな状態で長時間安定して存在することを見いだし
たものである。長時間安定して存在する理由は、凹凸性
ゾルゲル膜（１０２）のランダムな凹凸の被膜面の効果
により、液晶内部のドメイン（１０４）のラセン方向の
分布も多種多様となり、かつドメイン（１０４）の方向
変化が抑止されるから、と考えられる。

【００１６】一定の周期を有する凹凸な表面を形成する
より、凹凸面がランダムであるほうが液晶ドメインの向
きもそれに対応してランダムとなり、屈折率の異方性が
増して光散乱性の増強に効果がある。

【００１７】次に、こうした凹凸性に富んだ表面を形成
する手段について述べる。本発明はこの方法としていわ
ゆるゾルゲル法を用いることを特徴とするものである。
透明な無機物の被膜を基板上に設ける手段としては蒸着
法やスパッター法もあるが、これらの方法では、凹凸性
のスケールが基板方向と厚み方向の両方とも小さく、液
晶相の十分な厚み（大体２０ミクロン）に対しては、著
しい効果は見られなかった。かつ製法的にも真空製膜で
あり、大面積の基板の量産には不向きである。

【００１８】ゾルゲル法は、液相法であり、コーティン
グ法による成膜が可能であり、大面積基板にも対応が可
能な量産向きの方法である。このゾルゲル法を以下に簡
単に述べる。金属アルコキシド（Ｍ（ＯＲ）n ）のアル
コール溶液に水を加えると、次式右辺の加水分解液がで
きる。

【００１９】

【化１】

【００２０】Ｒとしてはエチル基、メチル基等のアルキ
ル基から、ＭとしてはＳｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒなどから
目的に応じて選択できる。加水分解液は温度、ＰＨ、水
分量の調整にもよるが、一般に次式の脱水縮合を通じて
高分子ゲル状物質に変化する。

【００２１】

【化２】

【００２２】これを２００〜３００℃に加熱して未反応
の有機物成分を除去すると、乾燥ゲルと呼ばれる多孔性
のガラス状物質が得られる。反応条件を制御すること
で、無機成分の凝集状態をコントロールできる。更に温
度をあげると、融着成長が起こり、ガラス被膜が得られ
る。これは、ガラス状の被膜の低温合成法として有益な
方法である。

【００２３】一般には、こうして得られる被膜も真空製
膜法によるものと同様に数百オングストローム程度の凹
凸しか有しないのが普通である。ゾルゲル法のもう一つ
の利点としては、出発物質が液体であるため、水〜アル
コール系に溶解する物質であれば、均一に混合すること
が可能であって、先述した方法によりガラス中に様々な
物質を均一に分散できるという特徴を有しており、機能
性ガラスの製造に賦されている。

【００２４】この性質を用いて、ガラス被膜上にサブミ
クロンオーダーの凹凸を、以下のようにして形成した。
例えば、エチレングリコールは、金属アルコキシドの水
〜アルコール溶液に可溶であるが、加水分解→縮合の反
応が進むに従って不溶となり、析出してくる。これは、
図１で示すように、被膜表面から内部にかけてサブミク
ロンサイズのドメインを形成するからで、これは表面の
凹凸のみならず細孔として表面からバルク中にも存在す
る。従って、このままで有機物を除去すれば、表面形状
が非常に入り組んだ、いわゆる凹凸性にとんだ表面形状
が形成できる。

【００２５】一般に、液晶分子をその表面に平行に並べ
る性質があるガラス物質、例えばＳｉＯ₂やＴｉＯ₂を
使えば、コレステリック相のドメインのラセンの方向を
種々の方向に向けることが可能であり、実際に実施例で
記載するような例においては、強い白濁状態の維持が、
電圧の印加無しで可能であった。

【００２６】ガラス中に一時的に析出可能で昇温により
分解除去可能な有機物質としてはエチレングリコールや
液晶自身、無機物としては洗浄除去が可能なボロンなど
を用いることもできる。

【００２７】

【作用】従来、透明状態と白濁状態の間のスイチツング
と維持には、絶えず電場の印加が必要であったが、本発
明は、コレステリック相の光散乱状態であるＦＣ状態が
電場の印加なしで白濁状態を維持できるような条件を見
いだし、駆動系が簡便で、消費電力の少ない液晶シャッ
ターであって、大面積化が可能な液晶シャッターを提供
できる。以下実施例により説明する。

【００２８】

【実施例】

＜実施例１＞水８モル、塩酸０．０２５モル、エチルア
ルコール５２３mlを混合した後、テトラエトキシシラン
（以下ＴＥＯＳという）１モルを混合して加水分解液を
得た。これを室温で３時間放置して熟成した。これは、
二酸化ケイ素が約８重量％になるように調整したもので
ある。この加水分解液に、分子量２００のポリエチレン
グリコール（以下ＰＥＧという）を、重量比でＰＥＧ：
ＳｉＯ₂＝５０：５０となるように添加した。透明電極
付きのガラス基板にデイツピングして、この溶液を塗布
した。その後、１２０℃で３０分乾燥した。ついで５０
０℃で３０分間焼結し、未反応のアルキル基とＰＥＧを
完全に除去した。

【００２９】こうして得られた凹凸性のガラス被膜の最
大の厚みは約１μｍであった。これに高分子液晶（化
３）と、（化４）の低分子液晶「Ｋ１５」（メルク
（株）製商品名）を重量比で３：７に混合した。

【００３０】

【化３】

【００３１】

【化４】

【００３２】これは温度４５℃以下でコレステリック相
を呈する液晶である。ギャップが２５μｍになるように
混合液晶に粒状スペーサーを適量混合した。これをガラ
ス被膜を設けたガラス基板の一方に塗布した後、透明電
極付きの厚さ５０ミクロンのポリエステルフィルムでカ
バーして円筒ロールを用い、ロールを回転しながら両基
板間に均一に広げて素子を得た。次に、この素子の白濁
状態の緩和時間を調べた。約８０ボルトの交流電圧を印
加すると、液晶相はホメオトロピック配向になり、完全
な透明状態を呈した。

【００３３】この状態で電場を遮断し、その直後から測
定した光透過率の時間変化（２０１）を図２に示す。こ
の図２には、比較のために本実施例で記載した方法によ
る被膜を設けない単純なＩＴＯ電極を使った場合の時間
変化（２０２）も併せて載せた。この２つの比較からも
明かなように、緩和時間が長くなり、かつ平衡の白濁度
も優れていることが分かった。

【００３４】

【実施例２】実施例１と同様に水８モル、塩酸０．０２
５モル、エチルアルコール５２３mlを混合した後、テト
ラエトキシシラン１モルを混合して加水分解液を得た。
これにテトラプロピルチタニウム（以下ＴＰＴという：
（Ti(OーisoC₃H₇)₄)を添加した。さらにモル比でＳｉＯ
₂：ＴｉＯ₂＝６：４（以下（ＳｉＯ＋ＴｉＯ）とい
う）、濃度が５重量％になるようにエチルアルコールで
希釈して塗液を調整した。この混合液に低分子液晶「Ｋ
１５」を重量比で（ＳｉＯ＋ＴｉＯ）：Ｋ１５＝７０：
３０になるように加えた。

【００３５】この後、実施例１と同じ条件で焼結し、未
反応のアルキル基と液晶成分を除去し凹凸性の被膜を形
成した。実施例１と同様な手順でコレステリック混合液
晶を封じた素子を作製した。この場合にも、実施例１と
同じ条件で透明なホメオトロピック状態が得られ、電場
を遮断すると白濁状態が得られた。緩和の程度は、ガラ
ス被膜を設けないものに比べて高い白濁度が得られ、大
きな効果のあることが確認された。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、電場の印加なしに高い
白濁度を維持することができ、消費電力が少なく、駆動
系が簡便で、製造のうえでも大面積の調光ガラス用の液
晶シャッターの製造が可能である。

【００３７】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶シャッターの一実施例を示す断面
図である。

【図２】本発明の液晶シャッターの光透過率の時間変化
を示すグラフ図である。

【図３】強い光散乱性を示すコレステリックのフォーカ
ルコニックドメインのあり方を示す模式説明図である。

【図４】弱い光散乱性を示すコレステリックのフォーカ
ルコニックドメインのあり方を示す模式説明図である。

【符号の説明】

１００透明ガラス基板１０１ＩＴＯ電極１０２凹凸性ゾルゲル膜３００液晶分子３０１ドメイン４００液晶分子４０１ドメイン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コレステリック相を呈する高分子液晶ある
いは高分子液晶と低分子液晶の混合液晶を、透明電極間
に挟持したものであって、電場の印加により透明状態を
形成し、電場の遮断により光散乱状態を形成する液晶シ
ャッターにおいて、いずれか一方の透明電極上にゾルゲ
ル法により形成された凹凸性の透明な無機被膜層を設け
たことを特徴とする液晶シャッター。