JPH07120732A - 液晶／高分子複合型光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低駆動電圧、低ヒステリシスで且つ優れた電
気−光学特性と信頼性を有する液晶／高分子複合型光学
素子を提供すること。 【構成】 含液晶マイクロカプセルが、カプセル壁材料
と同一若しくは異なる高分子マトリックス中に分散して
なる液晶／高分子複合膜を一対の電極基板間に挟持して
なる光学素子において、カプセル壁材料がスチレン系ポ
リマー、弗素系ポリマー、シリコーン系ポリマー、弗素
系或はシリコン系界面活性剤、架橋アクリル系ポリマ
ー、架橋スチレン系ポリマー、架橋弗素系ポリマー及び
架橋シリコーン系ポリマーからなる群から選ばれた少な
くとも１種のポリマーであることを特徴とする液晶／高
分子複合型光学素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電界に対して応答性を
有し、情報の表示や記録を行うことが出来る液晶／高分
子複合型光学素子に関し、更に詳しくは、調光パネル、
ディスプレイ、記録媒体等の構成材料として有用な液晶
／高分子複合型光学素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、液晶ディスプレイは、低消費電
力、軽量、薄型等の特徴を有している為、文字や画像の
表示媒体として、腕時計、電卓、パソコン、テレビ等に
幅広く用いられている。一般的なＴＮ及びＳＴＮ液晶デ
ィスプレイは、透明電極を有する一対のガラス板間に所
定のシール等が施されたセル中に液晶を封入し、更に両
面から偏光板でサンドイッチされたものである。

【０００３】しかしながら、従来の液晶表示素子には、
（１）２枚の偏光板が必要な為、視野角が狭く、又、輝
度が不足している為、高消費電力のバックライトが必要
である、（２）セル厚依存性が大きく、大面積化が困難
である、及び（３）構造が複雑で、セルへの液晶の封入
が困難な為、製造コストが高い等の問題があり、液晶デ
ィスプレイの軽量化、薄型化、大面積化、低消費電力
化、低コスト化に限界がある。

【０００４】この様な問題点を解決する液晶表示素子と
して、液晶を高分子マトリックス中に分散させた液晶／
高分子複合膜の応用が期待され、その研究開発が活発化
してきた。既に、次に示す様な技術が開示されている。
液晶／高分子複合膜の主たる製造方法は、主としてエマ
ルジョン法と相分離法に分類することが出来る。エマル
ジョン法には、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を保護
コロイドとして液晶を乳化した水溶液から作製する方法
（特表昭５８−５０１６３１号公報）、液晶エマルジョ
ンをラテックスと混合して水溶液から作製する方法（特
表昭６０−２５２６８７号公報）等が挙げられる。一
方、相分離法には、更に、液晶と高分子マトリックスの
相分離状態を固定する方法と、膜形成時に液晶を高分子
マトリックスから相分離させる方法に分類することが出
来る。

【０００５】

【発明が解決しようとしている問題点】液晶／高分子複
合膜に関する従来技術においては、液晶の滲み出し、駆
動電圧が高い、ヒステリシスが大きい、コントラストが
低い等の問題点がある。これらの問題点を解決する方法
として、特開平１−２０３４９４号公報、その他種々の
文献に液晶のマイクロカプセル化が提案されているが、
従来提案された含液晶マイクロカプセルを使用しても、
駆動電圧の低下、ヒステリシスの低下が充分ではなく、
優れた電気−光学特性と信頼性を持つ液晶／高分子複合
型光学素子は得られなかった。従って本発明の目的は、
低駆動電圧、低ヒステリシスで且つ優れた電気−光学特
性と信頼性を有する液晶／高分子複合型光学素子を提供
することである。

【０００６】

【問題点を解決する為の手段】上記目的は以下の本発明
によって達成される。即ち、本発明は、含液晶マイクロ
カプセルが、カプセル壁材料と同一若しくは異なる高分
子マトリックス中に分散してなる液晶／高分子複合膜を
一対の電極基板間に挟持してなる光学素子において、カ
プセル壁材料がスチレン系ポリマー、弗素系ポリマー、
シリコーン系ポリマー、弗素系或はシリコン系界面活性
剤、架橋アクリル系ポリマー、架橋スチレン系ポリマ
ー、架橋弗素系ポリマー及び架橋シリコーン系ポリマー
からなる群から選ばれた少なくとも１種のポリマーであ
ることを特徴とする液晶／高分子複合型光学素子であ
る。

【０００７】

【作用】含液晶マイクロカプセルを使用する液晶／高分
子複合型光学素子において、カプセル壁材料として上記
特定のポリマーを採用することによって、壁材料と液晶
との界面相互作用が低下する為、得られる液晶／高分子
複合型光学素子の駆動電圧及びヒステリシスを小さくす
ることが出来る。本発明の好ましい実施態様では、高分
子マトリックスとして、カプセル壁材料と異なったポリ
マーを用いると、屈折率の差により電圧印加時の透明性
が落ちる為、高分子マトリックスとしてはカプセル壁材
料と同一又は類似の材料を用いることが好ましい。又、
本発明の別の好ましい実施態様では、カプセル壁材料を
架橋高分子とすることによって、カプセル壁材料の剛直
性が増大する為、電圧印加時の高分子マトリックスの変
形が少なくなり、ヒステリシスを更に小さくすることが
出来る。

【０００８】一方、液晶に印加される電界、高分子マト
リックスに印加される電界を夫々Ｅ_LC、Ｅ_Pとすれば、
両者の関係は下式で表わされる。 σ_p ：ポリマーの電気伝導度 σ_LC ：液晶の電気伝導度 ω ：角速度 ε_p ：ポリマーの誘電率 ε_LC：液晶の誘電率 従って、ε_pが大きい程、液晶が配向するのに必要な液
晶／高分子複合膜全体に印加する電圧は少なくて済む。
従って、本発明の別の好ましい実施態様では、誘電率の
高い或は大きな高分子マトリックスを用いることによっ
て駆動電圧を更に低減させることが出来る。

【０００９】

【好ましい実施態様】次に好ましい実施態様を挙げて本
発明を更に詳しく説明する。本発明で云う液晶とは、常
温付近で液晶状態を示す有機混合物であって、ネマチッ
ク液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶が含ま
れる。このうちネマチック液晶若しくはコレステリック
液晶を添加したネマティック液晶が表示素子として用い
る場合には特性上好ましい。又、メモリー機能が要求さ
れる場合にはスメチック液晶を使用することが望まし
い。尚、液晶中にコントラスト或いは色調を改善させる
為に色素を含有させることも出来る。二色性色素を添加
した場合には、散乱−透過型の複合膜としてばかりでな
く、色素のゲスト−ホスト効果により、光吸収（着色）
−透明状態でスイッチングする複合膜として使用するこ
とも出来る。

【００１０】本発明では、上記液晶を特定の壁材料、即
ち、スチレン系ポリマー、弗素系ポリマー、シリコーン
系ポリマー、弗素系或はシリコン系界面活性剤、架橋ア
クリル系ポリマー、架橋スチレン系ポリマー、架橋弗素
系ポリマー及び架橋シリコーン系ポリマーからなる群か
ら選ばれた少なくとも１種のポリマーでカプセル化した
含液晶マイクロカプセルを使用する。これらの壁材料自
体はいずれの市場から容易に入手して本発明で使用する
ことが出来る。

【００１１】液晶のマイクロカプセル化自体は従来公知
いずれの方法によっても可能であるが、好ましい１例と
して所謂ｉｎ−ｓｕｔｉ重合方法が挙げられる。この方
法では、上記の特定の壁材料を構成し得る適当なモノマ
ー及び／又はオリゴマーを液晶に添加し、これを超音波
分散方法や膜乳化方法等の任意の分散手段により水性媒
体中に分散させる。尚、常温で液晶にモノマー及び／又
はオリゴマーが溶解しない場合には、高温で溶解して水
性媒体中に分散することも出来る。この際、水性媒体中
には、分散する液晶粒子の粒径を制御し、且つ安定化す
る為に界面活性剤や保護コロイド等を用いることが好ま
しい。この際分散される液晶は、分散方法によって任意
の粒径に分散させることが出来るが、分散される液晶粒
子の粒径が最終的に得られる含液晶マイクロカプセルの
粒子の粒径をほぼ決定する為、本発明において好ましい
液晶分散粒子の粒径は１〜５μｍ程度である。

【００１２】この様に水性媒体中に分散された液晶粒子
中のモノマー及び／又はオリゴマーを重合することによ
り、液晶粒子の表面に該重合体からなるカプセル壁が形
成される。この時モノマー及び／又はオリゴマーの一部
として、多官能性のモノマー及び／又はオリゴマーを使
用することによって、形成される壁材料を架橋構造とす
ることが出来る。使用する多官能モノマー及び／又はオ
リゴマーの比率が高すぎると、ゲル状のカプセル壁が形
成されて液晶がゲル内に取り込まれてしまったり、カプ
セル壁の内面に凹凸が出来る為、駆動電圧を上げたり、
コントラストを低下させる原因となることがあり得る。
従って併用する好ましい多官能モノマー及び／又はオリ
ゴマーの使用量は、単官能モノマー及び／又はオリゴマ
ーに対して通常その３０重量％以下である。

【００１３】液晶／高分子複合膜に印加された電圧は、
高分子マトリックスと液晶に分配されるが、液晶に分配
される電圧を大きくする為には、カプセル壁はなるべく
薄くすることが好ましい。従って、形成されるカプセル
壁の膜厚は、液晶粒子の粒径によっても異なるが、通常
は約２０〜２００ｎｍ程度になる様に液晶とカプセル壁
材料の使用量を調製することが好ましい。又、好ましい
条件で液晶粒子をカプセル化すれば、得られた含液晶マ
イクロカプセルの径は、始めに液晶を乳化分散した際の
液晶エマルジョン粒子径と殆ど等しくすることが出来
る。従って、液晶を分散する際の条件により、得られる
含液晶マイクロカプセルの粒径を最適化することが可能
である。又、得られた含液晶マイクロカプセルの粒径分
布が広く、望ましくない径の含液晶マイクロカプセルが
混在している場合には、遠心沈降や濾過等の方法で望ま
しくない径の含液晶マイクロカプセルを取り除くことが
出来る。

【００１４】又、含液晶マイクロカプセルは、製造した
状態の分散体としても使用することが出来るが、光変調
材料としては不要となる界面活性剤、未反応のカプセル
化剤、水分等を取り除く為に、遠心沈降、雰霧乾燥、溶
媒置換、乾燥濃縮等の操作を施して含液晶マイクロカプ
セルを単離した後使用してもよい。

【００１５】次に上記含液晶マイクロカプセルを用いた
本発明の液晶／高分子複合型光学素子について更に詳し
く説明する。上記の様にして得られる含液晶マイクロカ
プセルは、高分子マトリックス中に分散させてそのまま
キャストして液晶／高分子複合膜とし、これを光変調材
料としても使用可能であるが、含液晶マイクロカプセル
分散液のコーティング適性、得られる膜の強度等を考慮
して、含液晶マイクロカプセル分散液中に水溶性高分子
を添加して使用してもよい。

【００１６】本発明においては従来公知のいずれの高分
子マトリックスも使用可能であるが、特に好ましい高分
子マトリックスは、下記の通りである。 誘電率が１２以上である材料：例えば、シアノエチル
化セルロース、シアノエチル化ヒドロキシエチルセルロ
ース、シアノエチル化デンプン、シアノエチル化プルプ
ラン、シアノエチル化グリシドールプルプラン、シアノ
エチル化ヒドロキシプロピルデンプン、シアノエチル化
ポリビニルアルコール、シアノエチル化シュクロース、
シアノエチル化ソルビトール等が挙げられる。これらの
材料を使用することによって素子の駆動電圧が低減する
等の効果がある。 誘電率が１２以上で且つイオン解離性基（カルボキシ
ル基、スルホン酸基等）を有する材料：例えば、シアノ
エチル化カルボキシメチルセルロース、カルボキシル基
や水酸基を有する（メタ）アクリル酸エステル共重合体
をシアノエチル化したもの、シアノエチル化ヒドロキシ
セルロース、シアノエチル化ポリビニルアルコール等を
カルボキシル化したもの等が挙げられ、これらの材料を
使用することによって、電着コーティングが可能とな
り、膜厚均一性の高い塗膜を作成することが出来る、高
い加工精度で、液晶／高分子複合膜のパターン加工が可
能となる、誘電率が高く、駆動電圧の低減が図れる等の
効果がある。

【００１７】弗素系或はシリコン系ポリマー：含弗素
アクリル／メタクリル系ポリマー、ポリ弗化ビニリデ
ン、フルオロエチレン−ビニルエーテル共重合体、ポリ
テトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチ
レン、フルオロエチレン−エチレン共重合体及び含弗素
ポリウレタン等が挙げられ、特に弗素含有率が２０重量
％以上のものが好ましい。これらの材料を使用すること
によって、カプセル壁材料との屈折率が近くなり、電圧
印加時の散乱残り（ヘイズ残り）が低減される等の効果
がある。

【００１８】上記高分子マトリックスを使用するに当た
っては、カプセル壁材料と異なった高分子マトリックス
を用いると、屈折率の差により電圧印加時の液晶／高分
子複合型膜の透明性が落ちる為、高分子マトリックスと
してはカプセル壁材料と同一又は類似の材料を用いるこ
とが好ましい。又、上記高分子マトリックスは、固形分
基準で前記含液晶マイクロカプセル１００重量部当た
り、約５〜５０重量部の割合で割合で使用することが好
ましく、使用量が少なすぎると、塗膜が均一にならな
い、膜中に微小間隙が生成する等の問題があり、一方、
多すぎると。マトリックスによる電圧降下が大きくな
る、駆動電圧が高くなる、コントラストが低下する等の
問題があるので好ましくない。

【００１９】本発明の液晶／高分子複合型光学素子を形
成する為の基板としては、少なくともいずれか一方が、
例えば、ＩＴＯ、ＳｎＯ₂ 系、ＺｎＯ系の様な透明導電
性を付与したガラスや高分子フイルム等の様な一対の基
板である。

【００２０】上記素子基板上に含液晶マイクロカプセル
を含む塗工液をコーティングする方法としては、ドクタ
ーコ−ティング法やブレ−ドコ−ティング法等の従来公
知のいずれのコーティング方法も使用することが出来る
が、好ましい１例としては、電着コーティング法が挙げ
られる。このコーティング方法では、液晶／高分子複合
膜中の液晶含率を高くすることが出来る為、電気光学特
性に優れた膜を高い膜厚精度で形成することが出来る。
又、微細なパターン状に液晶／高分子複合膜を形成させ
ることも可能である。この様にして形成される液晶／高
分子複合膜の厚みは、通常約５〜１５μｍ程度である。
この様に素子基板上に形成した液晶／高分子膜面に、常
法に従って対向電極を貼合することによって本発明の光
学素子とすることが出来る。

【００２１】

【実施例】次に実施例を挙げて本発明を更に具体的に説
明する。 実施例１ 多孔質ガラス（ＭＰＧ）膜乳化システム（伊勢化学工業
（株）製）において、平均細孔径０．３７μｍの多孔質
ガラスを用い、下記の組成からＯ／Ｗ型エマルジョンを
作製した。 油相 スチレン ５．３０ｇ ネマチック液晶（ＢＬ−０１０、メルク社製） １００．００ｇ アゾビスイソブチロニトリル ０．０８ｇ 水相 ポリビニルアルコールＫＰ−０６（日本合成化学工業（株）製） ５．３ ｇ 水 １００．７ ｇ

【００２２】このエマルジョンを７０℃で２０時間加熱
することによって、液晶をポリスチレン壁でカプセル化
した。これにポリビニルアルコール（ＰＶＡ）であるＫ
Ｈ−２０（日本合成化学工業（株）製）の２０重量％水
溶液７０ｇを加えて、ＩＴＯ付きガラス基板上にブレー
ドコーティング法で塗付した。室温で２４時間乾燥し、
膜厚８μｍの液晶／高分子複合膜を得た。更にＩＴＯ付
きガラス基板でラミネートして本発明の液晶／高分子複
合型光学素子を作製した。

【００２３】実施例２ 実施例１における油相中のスチレンをトリフルオロエチ
ルメタクリレート（ダイキンファインケミカル研究所
製）に代える以外は実施例１と同様にして本発明の液晶
／高分子複合型光学素子を作製した。

【００２４】実施例３ 実施例１における油相中のスチレンを反応性シリコンオ
イルＸ−２２−１７４（信越化学工業（株）製）１ｇと
メチルメタクリレート４ｇに代える以外は実施例１と同
様にして本発明の液晶／高分子複合型光学素子を作製し
た。

【００２５】実施例４ 実施例１における油相中のスチレンをトリメチロールプ
ロパントリアクリレート（共栄社油脂製）１ｇとトリフ
ルオロエチルメタクリレート４ｇに代える以外は実施例
１と同様にして本発明の液晶／高分子複合型光学素子を
作製した。

【００２６】実施例５ 膜乳化法により実施例１と同様にして下記の組成からＯ
／Ｗ型エマルジョンを作製した。 油相 ネマチック液晶ＢＬ−０１０（メルク社製） １００ｇ シリコーン界面活性剤Ｌ−７５００（日本ユニカー製） １ｇ 水相 シリコーン界面活性剤Ｌ−７２０ （日本ユニカー製） １ｇ 水 ９９ｇ このエマルジョンに、ポリビニルアルコールＫＨ−２０
（日本合成化学工業（株）製）の２０重量％水溶液１１
６．５ｇを加え、ＩＴＯ付きガラス基板上にブレードコ
ーティング法で塗付した。室温で２４時間乾燥し、膜厚
８μｍの液晶／高分子複合膜を得た。更にＩＴＯ付きガ
ラス基板でラミネートし本発明の液晶／高分子複合型光
学素子を作製した。

【００２７】実施例６ 膜乳化法により実施例１と同様にして下記の組成からＯ
／Ｗ型エマルジョンを作製した。 油相 ネマチック液晶ＢＬ−０１０（メルク社製） １００ｇ 水相 弗素系界面活性剤（DS-401、ダイキン工業（株）製） ３ｇ 水 ９７ｇ このエマルジョンに、ポリビニルアルコールＫＨ−２０
（日本合成化学工業（株）製）の２０重量％水溶液１１
６．５ｇを加え、ＩＴＯ付きガラス基板上にブレードコ
ーティング法で塗付した。室温で２４時間乾燥し、膜厚
８μｍの液晶／高分子複合膜を得た。更にＩＴＯ付きガ
ラス基板でラミネートし本発明の液晶／高分子複合型光
学素子を作製した。

【００２８】実施例７ 実施例４において得られた含液晶マイクロカプセルの分
散液を、遠心分離法で沈降、水洗を繰返し、含液晶マイ
クロカプセルを単離した後、１ＫＨｚでの誘電率が１５
であるシアノレジンＣＲ−Ｖ（信越化学工業（株）製）
のメチルエチルケトン２０重量％溶液７０ｇに強制的に
分散させ、膜厚８μｍの液晶／高分子複合膜を得た。更
にＩＴＯ付きガラス基板でラミネートし本発明の液晶／
高分子複合型光学素子を作製した。

【００２９】実施例８ 実施例４において得られた含液晶マイクロカプセルの分
散液を、遠心分離法で沈降、水洗を繰返し、含液晶マイ
クロカプセルを単離した後、これを両末端反応性シリコ
ンオイルＸ−１６４Ｃ（信越化学工業（株）製）１４ｇ
に強制的に分散させ、ワイヤーバーでＩＴＯ付きガラス
基板上にコーティングした。電子線を加速電圧１７５Ｋ
Ｖで１０Ｍｒａｄ照射して乾燥し、膜厚８μｍの液晶／
高分子複合膜を得た。更にＩＴＯ付きガラス基板でラミ
ネートし本発明の液晶／高分子複合型光学素子を作製し
た。

【００３０】実施例９ 実施例４において得られた含液晶マイクロカプセルの分
散液を、遠心分離法で沈降、水洗を繰返し、含液晶マイ
クロカプセルを単離した後、メタクリル酸−メチルメタ
クリレート−トリフルオロエチルメタクリレート共重合
体の水、エタノール、トリエチルアミン混合溶液中に下
記の組成で分散させ、電着用塗工液とした。 マイクロカプセル ４０部 シアノエチル化カルボキシメチルセルロース ５部 トリエチルアミン １．４部 エタノール ３０部 水 ２００部

【００３１】この塗工液を、ＩＴＯ付きガラス基板が陽
極として設置されている電着浴に入れ、２０Ｖで１０秒
間通電させ、６０℃にて１時間乾燥して厚さ１０μｍの
液晶／高分子複合膜を得た。更にＩＴＯ付きガラス基板
でラミネートし本発明の液晶／高分子複合型光学素子を
作製した。

【００３２】比較例１ 実施例１における油相中のスチレンをメチルメタクリレ
ートに代える以外は同様にして比較例の液晶／高分子複
合型光学素子を作製した。

【００３３】比較例２ 膜乳化法により下記の組成からＯ／Ｗ型エマルジョンを
作製した。 油相 ネマチック液晶ＢＬ−０１０（メルク社製） １００ｇ 水相 ポリビニルアルコールＫＰ−０６（日本合成化学工業（株）製） １０．３ｇ 水 １９５．７ｇ このエマルジョンに、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）
であるＫＨ−２０（日本合成化学工業（株）製）の２０
重量％水溶液７０ｇを加えて、ＩＴＯ付きガラス基板上
にブレードコーティング法で塗付した。室温で２４時間
乾燥し、膜厚８μｍの液晶／高分子複合膜を得た。更に
ＩＴＯ付きガラス基板でラミネートし比較例の液晶／高
分子複合型光学素子を作製した。

【００３４】以上、実施例１〜９、比較例１及び２にお
ける含液晶マイクロカプセルは、レーザー回折方式の粒
度分布計で測定したところ、いずれも平均粒径２．８〜
３．３μｍにあり、電気光学特性に及ぼす構造の影響は
無視することが出来る。又、実施例１〜９、比較例１及
び２で得られた液晶／高分子複合型光学素子の電圧に対
する平行光透過率の変化をフォータル−５０００を用
い、１ＫＨｚの矩形波を印加し、Ｆ−ナンバー４．０で
調べた。その結果、下記表１に示す様に実施例は比較例
よりも駆動電圧が著しく低く、且つヒステリシスの著し
い改良が認められた。

【００３４】

【表１】 ヒステリシスは掃引速度を０．５Ｖ／ｓｅｃ．として測
定した。 Ｖ₅₀↑−Ｖ₅₀↓／Ｖ₅₀↑×１００

【００３５】

【効果】以上の如き本発明によれば、低駆動電圧、低ヒ
ステリシスで且つ優れた電気−光学特性と信頼性を有す
る液晶／高分子複合型光学素子を提供することが出来
る。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 含液晶マイクロカプセルが、カプセル壁
   材料と同一若しくは異なる高分子マトリックス中に分散
   してなる液晶／高分子複合膜を一対の電極基板間に挟持
   してなる光学素子において、カプセル壁材料がスチレン
   系ポリマー、弗素系ポリマー、シリコーン系ポリマー、
   弗素系或はシリコン系界面活性剤、架橋アクリル系ポリ
   マー、架橋スチレン系ポリマー、架橋弗素系ポリマー及
   び架橋シリコーン系ポリマーからなる群から選ばれた少
   なくとも１種のポリマーであることを特徴とする液晶／
   高分子複合型光学素子。
2. 【請求項２】 高分子マトリックスが、高誘電性或は強
   誘電性ポリマーである請求項１に記載の液晶／高分子複
   合型光学素子。
3. 【請求項３】 高分子マトリックスの誘電率が、１２以
   上である請求項２に記載の液晶／高分子複合型光学素
   子。
4. 【請求項４】 高分子マトリックスが、誘電率１２以上
   で且つイオン性解離性基を有するポリマーである請求項
   ２に記載の液晶／高分子複合型光学素子。
5. 【請求項５】 高分子マトリックスが、弗素系ポリマー
   或はシリコン系ポリマーである請求項１に記載の液晶／
   高分子複合型光学素子。