JPH06194635A - 光変調装置 - Google Patents

光変調装置

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JPH06194635A JP5214133A JP21413393A JPH06194635A JP H06194635 A JPH06194635 A JP H06194635A JP 5214133 A JP5214133 A JP 5214133A JP 21413393 A JP21413393 A JP 21413393A JP H06194635 A JPH06194635 A JP H06194635A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 電界のない状態でグレーレベルを維持するこ
とができ、電圧ショックによる影響が比較的少なく、 "
シェブロン形成" により生じるコントラストの損失を発
生することなく比較的厚い光学活性層を含むように構成
することができる比較的簡単な構造の光変調装置を提供
する。 【構成】 少なくとも１個の電極(3,4) を形成した２個
の基板(1,2) とこれら２個の基板の間に配置した光学活
性層(10)とを具え、この光学活性層が強誘電性、反強誘
電性または電傾効果特性を有する液晶物質を含む光学活
性層である光変調装置において、光学活性層がキラル液
晶物質の遊離分子を含む重合物質の永久配向異方性網状
構造体を含むことを特徴とする。網状構造体はアクリレ
ート、メタクリレート、エポキシ化合物および／または
チオーレン系を基とする少なくとも２個の反応性基を有
する反応性単量体から形成された重合体を含むのが好ま
しい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は少なくとも１個の電極を
設けた２個の基板とこの２個の電極間に配置する光学活
性層とを具え、この光学活性層が強誘電性、反強誘電性
または電傾効果特性を有する液晶物質を含む光変調装置
に関する。また本発明は表示装置の形態の変調装置に関
する。この変調装置は、例えば光学印刷機用の光電式光
シャッタ、および駆動可能な光学フィルタおよびスプリ
ッタにおいて用いることができる。
【０００２】
【従来の技術】冒頭部で述べた形式の光変調装置は、例
えば、欧州特許出願公開第406705号明細書から知られて
いる。この明細書に記載された表示装置は、例えば、相
互に対向する側にインジウム−スズ−酸化物(ITO) の透
明電極マトリクスを具える２個の平行透明ガラス基板を
含む。例えば、ラビング処理したポリイミドの配向層を
この電極に形成する。基板をスペーサ、例えば、所定の
直径を有する光ファイバの形態をしたスペーサにより互
いに位置決めする。液晶物質の光学活性層は両基板の間
に存在する。
【０００３】この表示装置の作動温度において液晶物質
はいわゆるキラルスメクチックＣ相( Sc* 相) にある。
この状態で、この液晶物質は自発分極のような強誘電特
性を示す。光学活性層が十分に薄い場合、すべてのキラ
ル液晶分子は基板表面に対して平行に広がるように配向
層により配向される。この状態において、液晶分子の分
極方向は基板表面に対してほぼ直交している。電極を介
して、光学活性層と直交するように電界を印加すること
ができる。結果として、すべてのキラル液晶分子が同一
方向に分極する。分極方向は逆方向に印加した電界によ
り反転させることができる。外部の磁界または電界がな
いと、分極の調整方向が比較的長時間維持される。この
結果、かかる強誘電変調器は双安定性を示す。
【０００４】偏光方向が相互に直交する偏光子を相互に
反対側の基板表面上に設けることができる。かかる装置
を光電式表示装置として用いることができ、種々の画素
の光学的透明性を電界により切り換えることができる。
【０００５】かかる強誘電変調装置はいわゆるTN型（ね
じれネマチック）のキラル液晶物質を含む極めて広く知
られている光変調装置に対して重要な利点を有する。後
者の表示装置の動作は電界を印加することによるネマチ
ック層中の液晶物質分子の配向変化に基づいている。電
界中断後に液晶分子の緩和時間が比較的長いため、かか
る変調装置は10ミリ秒程度の本質的に比較的長い応答時
間を有する。これに対し、強誘電変調装置の動作は電界
を印加することによりキラルスメクチック層中の液晶物
質の分極方向の変化に基づいている。これらの変化は本
質的に比較的迅速である。結果として、強誘電変調装置
は数マイクロ秒の代表的応答時間を有する。強誘電変調
器の別の利点は、TN変調器と比較して、像コントラスト
が見る角度によって影響されないことである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、最新式
の強誘電光変調装置は多数の重大な欠点を有する。かか
る欠点の一つはグレーレベルの形成および維持に関す
る。かかるグレーレベルは印加電界の迅速な変調により
得ることができることが知られている。しかしながら、
この電界を除いたとき、調整したグレーレベルが直ちに
消失する。このようにして、既知の変調器を用いると調
節したグレーレベルを比較的長時間にわたって "受動的
に" 維持することができない。さらに、 "Ferroelectri
cs" 、 121巻、１〜29ページ(1991)から、電界または磁
界のない状態で、比較的長時間維持されるグレーレベル
を所定の織り込み処理(texturing processes) により得
ることができることが知られている。しかし、かかる織
り込み処理は実際に極めて高価で実現するのが困難であ
るとともに、得られたグレーレベルの再現性には不満足
な点が多いことが見出された。既知の強誘電変調器の別
の重大な欠点は電圧ショックにより影響されることであ
り、この影響が比較的強いことが見出された。
【０００７】本発明の目的は前記欠点を解決することに
ある。さらに特に本発明は電界のない状態で維持される
グレーレベルを実現することができる比較的簡単な構造
の光変調装置を提供することを目的とする。さらに、本
発明の目的は電圧ショックによる影響が比較的少ない変
調装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明のこれらの目的は
冒頭部に述べた形式の光変調装置により達成することが
でき、本発明のこの光変調装置は光学活性層がキラル液
晶物質の遊離分子を含む重合体物質の永久配向異方性網
状構造体を有することを特徴とする。
【０００９】本発明の変調装置の光学活性層を次のよう
に製造する。液晶物質の重合性単量体とキラル液晶物質
の非反応性分子との液晶混合物を変調装置の基板間に配
置する。この液晶物質は、装置の常用温度で、前記混合
物が強誘電性、反強誘電性または電傾特性を示す液晶状
態であるように選定する。次に、装置を、液晶物質が、
例えば、ネマチック、スメクチックＣまたはスメクチッ
クＡ相となる温度にする。この状態で液晶物質を、例え
ば、配向層により一方向に配向する。次に、反応性単量
体を重合させて３次元網状構造体を形成する。この網状
構造体はキラル液晶物質の非反応性分子を含む。このキ
ラル分子の一方向配向のため異方性網状構造体が重合後
に得られる。従って、本発明の変調装置の光学活性層は
いわば、異方性３次元重合体網状構造体中に捕捉される
遊離の、非反応性キラル液晶分子を含むゲルから成る。
【００１０】この一方向配向以外の配向を得ることもで
きる。例えば、 "ツゥィステッド"構造、 "スーパーツ
ゥィステッド" 構造および "チルティッド" 構造を配向
層の向き、セルの光学活性物質および厚さを適当に選択
することにより光学活性物質に形成することができる。
【００１１】本発明の変調装置を用いることにより、電
界のない状態で維持されるグレーレベルを得ることがで
きる。光学層中の分子の正確な作動機構は知られていな
い。遊離キラル液晶分子が網状構造体と相互反応しその
結果両限界双極子配向の範囲における双極子配向がさら
に外部電界により安定化されることが考えられる。また
網状構造体によって相互に反対の分極方向を有する微小
な隣接するドメインを比較的長時間にわたって安定化さ
せることができる。
【００１２】さらに本発明の変調装置は電圧ショックに
よる影響が既知の強誘電性変調器よりも著しく小さいこ
とが見出された。電圧ショックに対するこの優れた特性
は遊離キラル分子の配向に対する網状構造体の特別の安
定化作用に帰することができる。
【００１３】また本発明の光変調器は既知の変調器を用
いて達成することができない多数の他の重要な利点を得
ることができる。例えば、従来既知装置の光学層の層厚
は比較的薄く、すなわち最大２μm にする必要があっ
た。層厚が厚いほどいわゆる "シェブロン形成" の問題
が受け入れがたいほど大きくなる。このシェブロン形成
が生じると変調器の輝度コントラストが低下してしま
う。この光学活性層の厚さの前記制約はこの形式の変調
装置の製造に高度な技術的条件を課すことになる。この
制約により、TN作用に基づく変調装置の製造技術は最小
３μm の層厚を通例用いる本発明の形式の装置に用いる
ことはできない。本発明の変調器の活性層にはシェブロ
ン形成の問題はほとんど生じない。すなわち活性層が６
μm の厚さを有しシェブロン形成により生じる著しいコ
ントラストの減少を生じることなく、変調装置を製造す
ることができる。
【００１４】本発明の変調装置の他の利点は配向層に関
する。本発明の光変調装置の活性層中に異方性網状構造
体を用いるため装置の動作中の配向層の存在は、原理的
に、不要である。実際に、本発明の装置の活性層中のキ
ラル液晶分子は異方性網状構造体により配向される。こ
の網状構造体は装置の作動中に配向する遊離キラル分子
を保持する。しかしながら、配向層が装置中に存在する
のが好ましく、異方性網状構造体の重合中に簡単な方法
で遊離の、非反応性液晶分子を配向させることができ
る。しかしながら、この目的のため外部電界または磁界
を用いることができる。外部電界または磁界を用いる場
合、配向層を省くことができる。
【００１５】本発明の変調装置の好適例は５〜60重量％
の活性層が異方性網状構造体から成ることを特徴とす
る。異方性網状構造体の量が５重量％未満の場合には、
活性層の厚さが４μm を超えると受け入れがたい高度の
シェブロン形成が生じることが見出されている。異方性
網状構造体の量が60重量％より多い場合、装置のスイッ
チング時間が著しく増加してしまう。最良の活性層は10
〜50重量％の異方性網状構造体を含む。重合後に形成さ
れる異方性網状構造体の量は網状構造体を形成する反応
性単量体の重量と重合後に遊離分子として光学活性層に
存在する非反応性キラル液晶物質の重量との間の比とし
て計算される。
【００１６】本発明の光変調装置のさらに好ましい例で
は網状構造体がアクリレート、メタクリレート、エポキ
シ化合物および／またはチオーレン系を基とする少なく
とも２個の反応性基を有する反応性単量体から形成され
る重合体を含むことを特徴とする。前記反応性単量体を
光開始剤の存在下に化学線により簡単な方法で重合させ
ことができる。化学線とは、光、特に紫外線、Ｘ線、γ
線または電子線およびイオンビームのような高エネルギ
ー粒子線を意味する。上述の単量体の重合において、変
調装置の光学特性に有害な作用を有する低分子量副産物
が形成される。かかる網状構造体の組成物の例は欧州特
許出願公開第451905号明細書に記載されている。あるい
はまたかかる網状構造体を上述の反応性単量体の熱重合
により形成することができる。
【００１７】さらに本発明の好適例では、活性層中のキ
ラル液晶物質の遊離分子が１つ以上の次式：
【化８】
【化９】
【化１０】
【化１１】
【化１２】
【化１３】
【化１４】 で表される化合物（式中ＲおよびＲ′は置換することが
できる非反応性アルキル基を意味する）を含む。前記化
合物は本発明の変調装置を作動させる温度範囲、すなわ
ち−10℃〜＋60℃の範囲のSc* 相に含まれる。
【００１８】本発明の光変調装置の他の有利な例は光学
活性層のキラル液晶物質が二色性を有する遊離分子を含
むことを特徴とする。このようにすれば光変調器におい
て１個の偏光子だけを用いればよいことになる。かかる
二色性分子の例は欧州特許出願公開第269062号明細書に
記載されている。
【００１９】本発明の変調装置の注目すべき例は異方性
網状構造体およびキラル液晶物質の遊離分子が二色性を
示すことを特徴とする。この場合には、単一の偏光子を
光変調装置内に用いる必要がない。次式
【化１５】 で表す化合物（式中Ｒは次式
【化１６】 で表す化合物を意味する）は二色性を有する反応性単量
体の例であり、この単量体は重合中に比較的少量を網状
構造体に吸収される場合がある。前記二色性単量体は１
つ以上の反応性基を有する場合がある。
【００２０】
【実施例】図面を参照して本発明を実施例により詳細に
説明する。図１は本発明の、光電式光シャッタの形態を
した強誘電性光変調装置の線図的断面図を示す。このシ
ャッタは、光に対して透明な２個の平行な円形ガラス基
板(1,2) を含む。基板の互いに対向する面上に、ITO の
ような電極層(3,4) を設け、この電極層も変調装置を用
いる光に対して透明とする。ラビング処理したポリイミ
ドの配向層(5,6) を、両層が相互に平行に同一方向にラ
ビングされたものとなるように、電極層上に設ける。そ
れぞれの基板の反対側に偏光子(7,8) を設ける。両偏光
子は偏光面が互いに直交するように配置する。配向層の
互いに対向する面間で固定する６μm の間隔をスペーサ
(9) により維持する。光学活性層(10)を配向層の間に配
置する。
【００２１】図１の光変調器に次式
【化１７】 で表す構造を有するジアクリレートを基とする反応性の
重合性単量体（20重量％）と非反応性キラル液晶物質Zl
i 3654〔メルク(Merck);80重量％〕の液晶混合物を充填
した。 0.5重量％の量の光−開始剤 Igacure 651（メル
ク）をこの混合物に添加した。次いで充填したセルを80
℃の温度にし、この温度で混合物がネマチック相とな
り、さらに配向層の存在により配向した。この状態にお
いて一方向に配向した液晶物質が得られた。次いで、反
応性単量体を紫外線により重合し異方性網状構造体を形
成させた。強誘電特性を有する光学活性層を光シャッタ
の常用温度(25 ℃) に冷却することにより得た。
【００２２】上述の光電式光シャッタをグレーレベルの
調整可能性および品質について多数の測定を行った。図
2-A は光シャッタの電極層に印加した電圧の特性曲線を
時間に対する関数として示す。45Ｖの最大振幅を有する
最初のリセットパルス Vr を印加した後、60マイクロ秒
の０〜45Ｖの間の範囲の任意の値を有する選択パルスV
s をシャッタの電極層間に印加し、その後電圧を０Ｖに
減少させた。印加した選択パルスは０、15、18、21、24
および30Ｖを有した。図2-A に示すパルス列として、30
Ｖの選択パルスを用いた。パルス列を30ミリ秒の周波数
を用いて多数回繰り返した。
【００２３】図2-B は、図1-A に示したような同一の時
間目盛りで測定した、前記電圧パルス列の結果の透過率
変動を示す。光変調器のグレーレベルは選択パルスの値
の関数として調節することができる。選択パルスが生じ
た後直ちにパルス列の印加を中止する場合、このように
して調節したグレーレベルが比較的長時間、すなわち少
なくとも60分間維持されることを見出した。グレーレベ
ルは光シャッタに加えられた電圧ショックにより影響を
受けない。
【００２４】図３は本発明の表示装置としての形態をし
た強誘電性光学光変調器を示す。図3-A は装置の平面図
である。図3-B は図3-A の装置のＡ−Ａ′線に沿って切
断した、断面図である。この表示装置は互いに対向した
面上に透明電極層(13,14) のマトリクスを有する２個の
ガラス基板(11,12) を具える。この電極層は導電性トラ
ックにより個々に駆動させることができる。電極層のマ
トリクス上にラビング処理したポリイミドの配向層(15,
16) を形成する。両配向層の間隔は 3.6μm である。こ
の間隔は光学活性層(17)の厚さになる。また表示装置に
２個の偏光子(18 、19) を設け、偏光方向がはぼ直交す
るように配置する。
【００２５】図３の表示装置に上述の式〔化１７〕の構
造を有するジアクリレートを基とする反応性の重合性単
量体（30重量％）と非反応性キラル液晶物質Zli 3654
（メルク）（70重量％）の混合物を充填した。光−開始
剤 Igacure 651（メルク）の 0.4重量％の量をこの混合
物に添加した。次に充填したセルを90℃の温度にし、こ
の温度で混合物をスメクチック相とし分子の液晶部分を
同一のラビング方向を有する配向層(15,16) の方に配向
し、その後このセルを電界により配向させた。この状態
で一方向に配向した液晶分子が得られた。次に、反応性
単量体を紫外線のような化学線により重合し異方性網状
構造体を形成させた。室温に冷却することにより強誘電
特性を有する光学活性層を備えた表示装置が得られた。
また上述のパッシブマトリクス表示装置をアクティブマ
トリクス表示装置としても構成することができる。
【００２６】光学活性層の厚さが比較的厚いにもかかわ
らず、シェブロン形成の結果としての輝度コントラスト
の低下は比較的小さいことが見出された。さらに、本発
明の表示装置において調節したグレーレベルを比較的長
時間維持することができることが見出された。またこの
本発明による表示装置では電圧ショックによる影響は比
較的小さかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例の強誘電性光変調装置の断面図で
ある。
【図２】Ａは図１に示した装置のパルス配列を時間に対
する関数として示す図であり、Ｂは図１に示した装置の
透過性（グレーレベル）を時間に対する関数として示す
図である。
【図３】Ａは本発明の、光変調装置を表示装置の形態で
示す平面図であり、ＢはＡの装置のＡ−Ａ′線で切断し
た断面図である。
【符号の説明】
１、２ 円形ガラス基板 ３、４ 電極層 ５、６、15、16 配向層 ７、８、18、19 偏光子 ９ スペーサー 10 光学活性層 11、12 ガラス基板 13、14 透明電極層 17 光学活性層

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも１個の電極を形成した２個の
    基板とこれら２個の基板の間に配置した光学活性層とを
    具え、この光学活性層が強誘電性、反強誘電性または電
    傾効果特性を有する液晶物質を含む光学活性層である光
    変調装置において、光学活性層がキラル液晶物質の遊離
    分子を含む重合物質の永久配向異方性網状構造体を含む
    ことを特徴とする光変調装置。
  2. 【請求項２】 ５〜60重量％の活性層が異方性網状構造
    体から成ることを特徴とする請求項１に記載の変調装
    置。
  3. 【請求項３】 網状構造体がアクリレート、メタクリレ
    ート、エポキシ化合物および／またはチオーレン系を基
    とする少なくとも２個の反応性基を有する反応性単量体
    から形成された重合体を含むことを特徴とする請求項１
    または２に記載の変調装置。
  4. 【請求項４】 活性層中のキラル液晶物質の遊離分子が
    １つ以上の次式： 【化１】 【化２】 【化３】 【化４】 【化５】 【化６】 【化７】 で表される化合物（式中ＲおよびＲ′は置換することが
    できる非反応性アルキル基を意味する）を含むことを特
    徴とする請求項１、２または３に記載の変調装置。
  5. 【請求項５】 キラル液晶物質が二色性を有する遊離分
    子を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つ
    の項に記載の変調装置。
  6. 【請求項６】 異方性網状構造体およびキラル液晶物質
    の遊離分子が二色性を有することを特徴とする請求項１
    〜４のいずれか一つの項に記載の変調装置。
  7. 【請求項７】 表示装置の形態で、多数の電極を備えた
    ２個の基板および前記２個の基板間に配置する光学活性
    層を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つ
    の項に記載の変調装置。
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