JPH0762740B2 - 光学的輻射を制御できるように減衰する装置 - Google Patents

光学的輻射を制御できるように減衰する装置

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JPH0762740B2
JPH0762740B2 JP59054115A JP5411584A JPH0762740B2 JP H0762740 B2 JPH0762740 B2 JP H0762740B2 JP 59054115 A JP59054115 A JP 59054115A JP 5411584 A JP5411584 A JP 5411584A JP H0762740 B2 JPH0762740 B2 JP H0762740B2
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 この発明は、液晶材料を媒質内に収容し、電界の印加、
無印加により光の透過を制御できる光学装置に関する。
背景 現在、液晶は表示装置のような光学装置を含む種類の装
置に用いられる。このよな装置は、通常比較的低い電力
で足り、満足すべき応答時間を有し、且つ比較的経済的
である。たとえば、表示装置での利用を可能にする液晶
の性質は、液晶物質への電界印加などによる液晶構造の
配列（または配列の欠除）次第で、一方では光を透過
し、他方では光を散乱および／または吸収する液晶の能
力である。電気応答性液晶物質およびその利用の例は米
国特許第3322485号明細書に示される。
若干の液晶物質は温度に感じやすく、液晶物質の温度に
応じて光学特性を変える。
この発明は、電界にとくに感じやすい液晶物質の利用に
ついてとくに、以下に開示するものである。
現在、３種類の液晶物質、すなわち、コレステリツク、
ネマテイツクおよびスメクテイツク型がある。この発明
は、以下に述べる好適例において、後述する動作的マネ
テイツク（operationally nematic）である液晶物質の
利用に関する。コレステリツク、ネマテイツクおよびス
メクテイツク形の液晶物質の種類の特性は従来技術に述
べられている。
ネマテイツク液晶物質の一つの特性は可逆性である。コ
レステリツク物質は可逆的ではない。可逆性という特性
は、液晶構造が電界の印加と取り去り後その元の配置に
戻るということである。
液晶物質のコントラストおよび恐らくは他の性質をも増
大させるように、多色色素を液晶物質と混合してそれと
溶液を形成した。一般に、多色色素の分子は液晶物質の
構造について配列する。そのために、多色色素は、電界
の印加または非印加のようなパラメーターの変化に応じ
て、液晶物質と、同様なしかたで光学的に作用する傾向
がある。多色色素を液晶物質とともに使用する例は米国
特許3499702号および3551026号明細書に示される。ジヤ
ーナル・オブ・アプライド・フイジクス（Jornal of ap
plied physics）第45巻、第11号、11月号、1974年、第4
718〜4723頁所載のホワイト（White）らの論文において
コレステリツク液晶物質をネマテイツク液晶物質に加え
て多色色素とともに用い、それから形成した光学デイス
プレイのコントラスト比を改善することが記載されてい
る。
液晶物質の代表的な特性は異方性である。異方性物質は
異なる方向で異なる物理的性質を有する。たとえば、液
晶は通常光学異方性であり、すなわち、入射光の伝搬と
偏光の方向によつて変る屈折率を有する。複屈折のこの
ような特性は、例えば次に示す特許出願の明細書で示す
カプセル封入液晶物質で利用され、界のオフ（field−o
ff）状態の場合、光の散乱および／または吸収を改善す
る：出願番号第302780号、1981年９月16日出願；出願番
号第477242号、1983年３月21日出願；出願番号第477138
号、1983年３月21日出願。たとえば、液晶物質は、界の
オフ状態では封入またはカプセル封入媒質とは全く異な
る屈折率を有して吸収が起こり、界のオン（field−o
n）状態では封入媒質のそれとほぼ一致するので光の透
過が起こる屈折率を有する。しかしながら、前記複屈折
により、液晶物質内を透過させようとする映像の完全
性、明瞭性、焦点合わせ等が、液晶物質が電界に関して
配列していない、すなわち界のオフ状態の場合とくにほ
とんど不可能となる。
液晶物質また電気的異方性を有する。たとえば、ネマチ
ツク液晶物質の誘電率（dielectric constant）が、液
晶構造中の分子が電界に平行な場合はある値をとり、液
晶構造中の分子が電界に垂直に配列する場合は異なる値
をとることができる。このような誘電値は配列の関数で
あるので、例えば、これを「誘電係数」（dielectric c
oefficient）という方が、通常の表示である「誘電率」
より適切であると思う。同様な性質は他の形の液晶でも
真である。
動作的ネマチイツク液晶物質のカプセル封入の議論は発
明者の上記米国同時係属出願明細書中に示される。コレ
ステリツク液晶物質のカプセル封入の若干の短かい議論
は米国特許第3720623号；第3341466号；および2800457
号明細書に示され、後者の２件の特許は第１のものの中
で言及されている。
カプセル封入液晶物質、とくに動作的ネマテイツク型の
ものの比較的大形の光学デイスプレイおよび光制御装置
への利用に役立つ利点は発明者の前記米国同時係属出願
明細書中に示される。このような利用に供される前記カ
プセル封入液晶物質の若干の特性の中にはこの物質の流
体的性質の有効な除去があり、これは液晶物質が封入媒
質によりエマルジヨン中に形成されたカプセル状球のよ
うな、分離したかまたは少なくとも比較的分離した封入
量中に含有されるためである。カプセルは、均一に、例
えば均一な層の厚さで、支持媒質上に用いることがで
き、これにより、例えば、得られる装置の光学的および
電気的特性を均一にすることができる。さらに、所要に
応じて、カプセルの使用を必要な場所のみにすることが
でき、従つて所定の装置に要する液晶物質の量を減ずる
ことができる。
発明の簡潔な要約 簡単に言えば、本発明は、複屈折特性がゼロもしくはゼ
ロに近い動作的にネマチックな液晶材料を使用する。こ
のような物質を若干量の多色色素と混合し、それとの溶
液を形成して、吸収特性を増加させるようにして、カプ
セル封入する；そして、このようにカプセル封入した物
質は、光学光制御装置または光シヤツターとして使用す
ることができ、その中でそこを透過する光学的映像をゆ
がめることなく、または少なくともほとんどゆがめるこ
となく、光の強度を制御することができる。
この発明の一面によれば、複屈折がゼロまたはゼロに近
い液晶は、２種のコレステロール誘導体、一つは右まわ
りのねじれを有するもので、他方は左まわりのねじれを
有するもの、を組合わせることにより形成する。異なる
ねじれにより互いの作用を有効に消し合つて、正味ゼロ
のまたはゼロに近いねじれ特性を生じる。複屈折はねじ
れの関数であるので、それもまたゼロまたはゼロ近くな
る。ここで用いたように、低複屈折は低い、好ましくは
ゼロまたはゼロに近い複屈折を意味する。
この発明の他の面に従えば、多色色素を前記液晶物質に
加えてこの物質に所望の光吸収特性を与えるようにす
る。
この発明のまたの面に従えば、このような液晶物質、好
ましくは前記多色色素を含有するもの、を分離したカプ
セル状封入量でカプセル封入する。
さらに、この発明の面に従えば、このようなカプセル封
入液晶物質、好ましくは他色色素を含有するものは、例
えば、これを透明またはほとんど透明な支持媒質に適用
することにより、光シヤツターのような光制御装置とし
て用いられる。作動時このような光シヤツターは、その
中を透過する光の強度または輝度を、入射光の映像特性
をゆがめることなく、または少なくともほとんどゆがめ
ることなく、選択的に制御することができる。
この発明において一般的に用いる若干の用語の定義は、
次の通りである： 「液晶物質」（liquid crystal material）とは、広義
には、この発明の線に沿つて作用する任意の形の液晶物
質をいうが、好ましくは動作的ネマチツク液晶物質をい
う。
「動作的ネマテイツク」とは、外部界が存在しないと
き、液晶の構造歪みを支配するのは、コレステリツク物
質におけるごとき非常に強いねじれとか、スメクテイツ
ク物質におけるごとき層状化のように、本体の効果より
むしろ液晶の境界におけるその配向であるということを
意味する。従つて、例えば、ねじれる傾向を誘発する
が、境界配列の作用に勝つことはできないカイラル成分
は、なお動作的ネマテイツクである。このような動作的
ネマテイツク物質は多色色素、カイラル化合物または多
の共成分を含有することができる。
「カプセル」または「カプセル状」とは、若干量の液晶
物質を閉込める封入装置（device）または媒質をいう。
「カプセル封入液晶」または「カプセル封入液晶物質」
とは、分離した量で、たとえば、個個のカプセルまたは
乾燥した安定エマルジヨンのような固体媒質に閉込めら
れまたは含有される若干量の液晶物質をいう。
「映像特性」とは、光により形成される映像、例えば、
この発明に従つて光シヤツター上に当たり、前記光シヤ
ツターにより選択的に、好ましくは制御的に減衰され、
透過される入射光の映像特性である。
「光シヤツター」とは、その中を透過する光の強度の減
衰量を増減する作用のある、従つて、透過光の強度を制
御する作用のある光強度制御装置を意味する。この発明
の好適例によれば、このような強度の減衰（または否）
を、入射光の映像特性をめがめることなく、または少な
くともほとんどゆがめることなく達成する。
この発明において、カプセルは一般に、ほぼ球形形状を
有し（これは、それ自体、発明の要件でないが）、その
直径が約0.3〜100μｍ（ミクロン）、好ましくは0.3〜3
0μｍ（ミクロン）、とくに好ましくは２〜15μｍ（ミ
クロン）、たとえば５〜15μｍ（ミクロン）である。こ
の発明において、カプセル封入および同様な用語は、一
般にカプセルと呼ばれるような物品の形成をいうのみで
なく、安定な、好ましくはほぼ均一な大きさの、粒子を
均一な周囲媒質中に生成させる薬剤（カプセル化媒質）
中での液晶物質の安定なエマルジヨンまたは分散の生成
をもいう。カプセル封入技術は、一般にはカプセルの大
きさによりマイクロカプセル封入と呼ばれるが、業界で
よく知られており（例えば、マルセル・デツカー社（Ma
rcel Dekker,Inc.）発行、コンドウ・アサジ著「マイク
ロカプセル・プロセツシング・アンド・テクノロジー
（Microcapsule Processing and Technology）参照）、
当業者がこの発明の開示を願慮すれば、液晶物質に適当
なカプセル封入薬剤と方法を決定することは可能であ
る。
液晶装置は液晶物質で形成した装置である。この発明に
おいて、このような装置は、液晶物質の典型的な形の機
能を与えることのできるカプセル封入液晶で形成する；
例えば、このような液晶装置は、電界の印加またはとり
去りに応じて光の放射、好ましくは遠赤外から紫外波長
を経るものを含む光の放射の選択減衰を行なう表示装置
または光シヤツターであつてよい。
カプセル封入液晶の一つの製造方法は、液晶物質とカプ
セル封入媒質を互いに混合することを含むが、このカプ
セル封入媒質としては液晶物質がその中に溶解せず、液
晶物質を含有する分離したカプセルの生成が可能なもの
を用いる。
このようなカプセル封入液晶を含む液晶装置の製造方法
には、例えば、このようなカプセル封入液晶物質を基板
に適用することが含まれる。さらに、前記方法は電界を
液晶物質に印加してその性質を変える手段を提供するこ
とを含むことができる。
この発明の他の特徴によれば、多色色素を溶解した動作
的ネマテイツク物質を一般に球形であるカプセルに入れ
る。電界のないとき、カプセル壁は液晶構造を歪ませる
ので、これおよび色素は偏光方向に関係なく光を吸収す
る性質があり、従つて光の透過の強度を減少させるか、
または遮断さえする。適当な電界をこのようなカプセル
に、例えばその軸を横切つて、印加する場合、液晶物質
は前記界に平行に配設し、液晶物質の吸収特性をこの物
質が平面配置（planar configuration）をとる場合の吸
収特性まで減少させる。十分な電界をカプセル内の液晶
物質を横切つて印加し、この印加がカプセル封入媒質だ
けを横切るか経ることなく、しかも、実際に、それぞれ
のカプセルの壁厚さを横切る電圧低下が最小となるよう
保証することを助けるように、カプセル封入物質が、一
方では、液晶物質の低い方の誘電率に劣らない誘電率を
有し、他方、比較的大きいインピーダンスを有すること
が好ましい。理想的には、カプセル封入物質の誘電率を
液晶の最高誘電係数にできるだけ近くすべきである。
カプセル封入媒質は、液晶物質をカプセル封入するため
ばかりではく、カプセルをそれを支持する基板上に固着
するためにも使用することができる。別法としては、さ
らに結合触媒を使用して、液晶カプセルを基板に対して
固定することができる。しかし、後者の場合、加える結
合媒質の屈折率をカプセル封入媒質のそれと一致させ、
透過光およびそれにより生じる映像のゆがみを避けるよ
うにすることが好ましい。物質の屈折率が一般に歪みに
依存し、しかも歪みが例えばカプセル封入媒質中で誘起
されるので、液晶、カプセル封入媒質、および存在する
場合結合媒質の屈折率を一致させる際に、この影響を考
慮する必要がある。さらに、真珠光沢を避け得るなら
ば、屈折率を１波長だけでなく、可能な限りの波長範囲
にわたつて一致させることが好ましい。
この発明に従つて、液晶物質を中に閉じ込める球面また
はその他の曲面を有するカプセルの特徴は、液晶物質が
曲率に従うが、それ自体を前記カプセルの曲面と一般に
平行に配列しようとすることである。従つて、液晶構造
は特定の形状に強制または歪ませられ、それがカプセル
壁に従つて行くにつれてある意味でそれ自体の上に下り
返され、そのために液晶物質を含有する所定のカプセル
の得られる光学特性が、電界を印加しない場合、入射光
の偏光方向と関係なく、液晶物質に伝播したほとんどす
べての光が影響を受け、例えば多色色素が存在する場合
吸収されるようなものである。色素なしでさえ、この影
響で散乱が起こり、液晶物質の複屈折がゼロてない場
合、とくに不透明となり得る。
他の特徴は、このようなカプセルの内径を制御すること
により、カプセルに包含される液晶物質の有効な厚さを
制御し得ることである。このような直径の制御は、カプ
セル封入液晶の製造中種類の従来または新規の選別技術
の任意の一つを用いる粒度分別分離方法によるとか、混
合方法、成分量、およびまたは混合中加える成分の性質
を制御することによるなどして行なうことができる。前
記厚さパラメーターを比較的近い公差に制御することに
より、カプセル封入液晶を用いて最終液晶装置を製造す
る場合の引き続く公差の要求がカプセル封入しない装置
に対して従来必要であつた程臨界的でない。
さらに、この発明の一層かつ非常に有意な特徴は、この
発明に従つてカプセル封入液晶を用いて製造し得る高品
質液晶装置の大きさに制限があるように見えない点であ
る。さらに詳しく述べれば、分離した量の液晶物質を、
例えば上記カプセルに閉じ込めて設けることにより、従
来経験した、液晶物質の大形装置への使用を阻んだ種類
の問題を克服し得るのであり、これは個個のカプセルが
効果上なお独立の液晶装置として動作し得るためであ
る。さらに、好ましいのは、各カプセルが実質的に任意
の環境、その中には基板に取付けるか、その他のしかた
で支持した複数の別のこのような液晶を含む環境も含め
て、に取り付け可能であり、かつ、例えば電気または磁
気のような、なんらかの形の励起源の印加およびとり去
りに応じて使用し得るような物質的性質を有することで
ある。また、この特徴は、大形のデイスプレイ（例えば
ビルボード（billboard）を含む）、光シヤツター等に
おけるような、光学装置の選択した領域のみに液晶物質
を配置することを可能にする。
この発明に従う重要な考察および発明者の確かめた点
は、カプセル封入される液晶物質の電気的性質に前記の
ように一致した電気的性質を有し、その上好ましくは前
記液晶物質の光学的性質に光学的に一致する、カプセル
封入媒質により、液晶物質の外部源による励起または非
励起に応じた効果的、かつ高品質作用が可能であるこ
と；およびカプセル封入媒質と液晶物質との相互作用に
より後者が前述のように歪みを受け、液晶物質の動作様
式を変えることである。後者の点についてみると、液晶
構造、とくに液晶構造にしたがつて配列する多色色素を
含有するものをカプセル壁に一般に平行であるかしたが
う配列に歪ませるように強制することにより、液晶およ
び多色色素は、電界のない場合、光を完全に透過するよ
りむしろ吸収するか妨げ、すべての様式の入射光に関し
て偏光の方向がたとえ異なつても、その方向に関係なく
このように作用する。液晶物質が低またはゼロ複屈折を
有するため、それが入射光を吸収するさい、その中を透
過する光を、たとえば屈折により、歪まえる傾向はな
く、それによつて任意の映像特性を保持し得る。
この発明のこれらのおよび他の目的および利点は、以下
の記述が進むにつれ一層明らかとなるであろう。
好適例の説明 図面について詳細に説明する。若干の図面中同様な符号
は同様な部分を示す。初めに、第1,2および３図にこの
発明にしたがつて用いるカプセル封入液晶物質を示す。
第１図は、この発明の液晶物質10の略図である。第１〜
３図において、装置10は単一カプセルで示したカプセル
封入液晶物質11を含む。図面に示すカプセルは２次元で
表わし、したがつて平面形状であるが、カプセルは３次
元的であつて、球状であることが最も好ましい。カプセ
ル11は、互いに独立または一体であり得る上部部分およ
び下部部分12a,12bを有する好ましくは透明な支持媒質1
2内に取付けて示される。装置10はまた一対の電極13,14
を含み、スイツチ15を閉じて通常の電圧供給源16から電
極を附勢するとき液晶物質に電界を印加するようにす
る。
カプセル11は、分離して形成されるが、より好ましく
は、液晶物質をいわゆるカプセル封入物質または封入媒
質と混合してエマルジヨン、好ましくは安定なエマルジ
ヨンを形成することにより形成される多くのカプセルの
１個であつてもよいものとする。エマルジヨンは、図示
したように、支持媒質部分12a,12b,および電極13,14に
加えるか、それらの間に挾むことができる。所要に応じ
て、支持媒質12といわゆるカプセル封入物質または封入
媒質を同一物質とすることができる。さらに代案とし
て、上部および下部支持媒質部分12a,12b,またはそれら
の一つを、プラスチツク状、ガラス等、好ましくは透明
な、取付け材とすることができる。この後者の場合、電
極13,14を前記取付け材に加えることができ、カプセル
封入液晶物質／エマルジヨン、例えば多数のカプセル11
を含むもの、をこのような取付け材12a,12bの間に挾ん
で、装置10を形成することができ、これについては以下
にさらに詳細に説明する。
電極13を、例えば、若干の真空蒸着インジウムスズ酸化
物とし、下部支持媒質部分12bに加えることができ、ま
た電極14を、例えば、導電インキとし、直接液晶物質に
適用することができ、あるいは電極13と同様のものにし
てもよい。他の電極材料およびその取付け手段も、いず
れの電極に対しても使用することができる。酸化スズお
よびアンチモンドープ酸化スズはその一例である。電極
を比較的薄く、例えば約200オングストロームの厚さ、
かつ透明にすることが好ましく、その理由は電極によつ
て液晶装置10の光学が有意に影響されないようにするた
めである。
カプセル封入液晶物質11は、カプセル32の境界すなわち
内部体積31内に入つた液晶30を包含する。各カプセル32
は、分離したものであり得るし、あるいはその代りに、
液晶物質を収容する多数のカプセル状環境を形成する、
封入媒質またはいわゆるカプセル封入物質33の安定なエ
マルジヨンに、液晶30を入れることができる。説明の適
宜上、カプセル32を全体にわたる封入媒質またはカプセ
ル封入物質33中の分離したカプセルとして示すが、カプ
セル自体が前記封入媒質または封入物質で構成されるこ
とが好ましい。
液晶30が低含屈折特性を有することが望ましい。とく
に、液晶構造の配向に関係なく（例えば、飽和した大き
さの電界に関して完全に配列するか、電界のない場合カ
プセル32の壁の関数として歪んだ配列でか、またはそれ
らの間のある状態で）、入射光の方向または偏光に関係
なく、その屈折率は同一またはほとんど同一である。
さらに、液晶物質30の屈折率が、封入媒質33の屈折率と
一致するか、すなわち同じか少なくともほとんど同じで
あることが好ましい。そのため、透過光のその界面にお
ける屈折、曲がり、ゆがみ等は最小となり、好ましくは
除かれる。
また、多色色素34を液晶物質30中に含有する、通常溶液
状に溶解して、ことが好ましい。多色色素は光は吸収
し、その吸光度の量または百分率は多色色素物質の構造
配列の関数である。このような多色色素の構造配列は液
晶の構造配列に従う。従つて、電界のとり去り、印加、
および強度を制御することにより、液晶および多色色素
の配列特性を制御し、順次、例えば液晶装置10を透過す
る光の光学的減衰を制御することができる。重要な点
は、液晶30の好ましいとされる低複屈折および屈折率一
致により、入射光が装置10を透過するさいの、その映像
特性のゆがみを最小にし、好ましくは除くことである。
この発明の好適例および最良の態様によれば、カプセル
32は一般に球状であり、液晶30は正の誘電異方性を有す
るネマテイツクまたは動作的ネマテイツク液晶物質であ
る。しかし、この発明の原理は、カプセル32が球と異な
る形状である場合も適用する；このような形状およびそ
の材料は、液晶物質30の光学的特性、例えば屈折率と満
足に協力し、且つ、界のオン状態を有することが望まれ
る場合、電界の十分な部分が液晶30自体を横切つて起こ
り、液晶の所望の規則的または平行的配列を起こさせる
ような、所望の光学的および電気的特性を提供すること
が必要である。形状は、また界のオフまたはランダム配
列状態の場合、液晶物質を歪ませることが必要である。
カプセル32の好ましいとされる球形形状の特別の利点
は、界のオフ状態の場合に、その中の液晶30にそれが起
こす歪みである。この歪みは、少くとも一部は、カプセ
ルと液晶のピツチの相対的大きさによる；それらはほぼ
同じか少なくともほぼ同じ程度の大きさであることが好
ましい。さらに、ネマテイツク液晶物質は流体状の性質
を有し、これは電界のない場合、カプセル壁の形状にこ
の液晶物質が一致したり歪みを受けるのを容易にする。
他方、電界のある場合、前記ネマテイツク物質はこのよ
うな界に関して規則的列に比較的容易に変化する。
カプセル封入液晶が動作的ネマテイツクである限り、ネ
マテイツク形およびネマテイツク以外の形の液晶物質ま
たは種々の形の液晶物質および／または他の添加物の組
合わせをネマテイツク液晶物質とともにまたはこれに換
えて使用することができる。しかし、コレステリツクお
よびスメクテリツク液晶物質は一般に本体の影響が大き
い。それらの本体の構造を、カプセル壁形状への一致お
よびカプセル内のエネルギーの考慮によつて、壊すこと
は一層困難である。
第２図および第３図において、液晶30を包含する単独カ
プセル32を、それぞれ界のオフおよび界のオン状態にお
いて、略図で示す。カプセル32は球形であり、体積31の
境界を画成する一般になめらかな曲面の壁内面50を有す
る。壁面50およびカプセルの全体32の実際の寸法パラメ
ーターは、その内に入る液晶30の量および恐らくその中
の個個の液晶物質の他の特性に関係する。さらに、カプ
セル32は、液晶30に力を及ぼし、これを加圧し、または
少なくとも体積31内の圧力をほとんど一定に保つ。前記
の結果、および液晶の表面湿潤性により、通常自由形状
において平行になる傾向を有する（恐らくランダムな分
布ではあるが）液晶は、壁内面50の最も近い部分に関係
した方向に歪んで曲るのであり、例えば、第２図に示す
ようにこのような壁部分に平行、または前記発明者の出
願の最後のものに示すように垂直になる。このような歪
により、液晶は弾性エネルギーを貯える。説明を簡単に
するため、液晶および多色色素分子の層51、その方向配
向をそれぞれ破線52および点線52Pで表わしてある、は
壁内面50にもつとも接近して示す（図面の複雑化を避け
るため多色色素の一部のみを示す）。液晶分子52および
多色色素分子52Pの方向配向は、壁面50の最も近い領域
に平行な方向に歪んで曲がる。カプセル内で、境界層5
2,52Pから離れた液晶および多色色素分子の方向パター
ンを53,53Pで表わす。液晶および多色色素分子を方向的
に層で表わすが、分子自体はこのような層に閉じ込めら
れているわけではない。このようにして、個個のカプセ
ル内の組織は、壁における構造52の組織により先決さ
れ、外力、例えば電界、の作用を受けない限り固定され
る。電界をとり去れば、方向配向は、第２図に示すよう
な、元の配向に戻る。
前述のように、多色色素構造の配向は液晶構造のそれに
従う。ネマテイツク形物質は通常平行配置をとり、通常
光学偏光方向に敏感である。しかし、カプセル封入液晶
11中の物質は歪を受け、または無理にカプセル32の全３
次元にわたり曲げられた形状にされているので、前記カ
プセル中の前記動作的ネマテイツク液晶物質は、入射光
の光学的偏光の方向に感じない改善された特性を有す
る。さらに、発明者が確かめたのは、多色色素が個個の
液晶分子52と同様な種類の曲り配向または歪みを受ける
傾向があるので、光の吸収の百分率または量を液晶の配
列構造を制御することにより制御することができる、と
いうことである。
カプセル32中の液晶30は、その一般的に球形配向におい
て不連続部55を有するが、これは液晶が壁50に平行な配
列に合うように均一に配列することができないこと、お
よび最小弾性エネルギーの要求による。このように不連
続部は３次元的であり、液晶30を歪ませて、液晶30およ
び多色色素34が入射光を光学的偏光方向に敏感になる可
能性をさらに減少させるのに役立つ。電界を印加した場
合、例えば、第３図に示すように、不連続部はもはや存
在しないので、カプセル封入液晶11が界のオンまたは配
列状態にある場合、このような不連続部の光の透過に及
ぼす影響は最小である。
前記の議論は、液晶物質のホモジニアス配向（カプセル
壁に平行）に関していたが、このようなことがこの発明
の要件ではない。必要とされるすべてのことは、壁と液
晶の間の相互作用によつて、液晶中、壁の近くに、一般
に均一で一部連続な配向が生じて、カプセル体積にわた
る液晶物質の空間の平均的配向が強く曲げられ、電界の
ない場合、液晶構造の著しい平行方向の配向がないよう
にすることである。界のオフ状態で散乱と偏光への不感
受性をもたらすのは、この強く曲げられた配向であり、
これがこの発明の特徴である。
液晶が飽和され、これにより、第３図に示すように、規
則的または平行配列となるようにする、界のオン状態、
または任意の他の状態の場合、カプセル封入液晶11は、
その中の多色色素34による最小の減衰はあるにしても、
それへのすべての入射光を最大限透過する。それに反し
て、界のオフ状態で、液晶が、例えば第２図に示すよう
に、歪んだ配列にある場合、この発明ではこれを時にラ
ンダム配列とよぶ、入射光の最大量が主として多色色素
34により吸収される。電界の大きさを、部分的配列が始
まるしきい値と、第３図に示すように、少なくともほと
んど完全な配列が起る飽和値との間で変化させることに
より、装置10を透過する光の減衰を制御し、調整するこ
とができる。
液晶30とカプセル封入媒質33の屈折率の一致の程度は装
置10の透明度の目的の程度による。前記屈折率間の差
は、0.03以下であることが好ましく、0.01以下が一層好
ましく、0.001がとくに好ましく、ゼロであることがも
つとも好ましい。許容差はカプセルの大きさにも依存す
る。
好適例および最良態様によれば、第３図に示す電界Ｅ
は、カプセル封入物質33中で著しく消散または低下され
るよりむしろ大部分カプセル32中の液晶30に印加するこ
とが望ましい。カプセル32の壁54を形成する物質を横切
るか通つて著しい電圧低下があつてはならない；むし
ろ、電圧低下がカプセル32の体積31内の液晶30を横切つ
て起ることが必要である。
カプセル封入媒質の電気的インピーダンスは、カプセル
封入液晶11内の液晶のそれに比して事実上十分大きく、
壁54を通るのみの短絡、たとえば点Ａから壁のみを経て
点Ｂにといたり、液晶をバイパスする短絡が起らないよ
うにすることが大変好ましい。したがつて、例えば、壁
54のみを通りすなわち経て点Ａから点Ｂにいたるまで
の、誘導または変位電流に対する実効インピーダンス
は、点Ａから壁の内面50内の点Ａ′にいたり、液晶物質
30を通り、なお体積31内にある点Ｂ′に、そして最後に
再び点Ｂにいたる路をとるとしてのインピーダンスより
大きいことが必要である。この条件により、点Ａと点Ｂ
間の電位差の存在が保証される。このような電位差は、
それによりつくられる液晶物質を横切る電界が液晶物質
を配列させ得るのに十分な程大きくなければならない。
幾何学的考慮、すなわち例えば壁のみを通つて点Ａから
点Ｂにいたる長さを考慮すれば、前記条件は壁の物質の
実際のインピーダンスがその中の液晶物質のそれより低
い場合でもなお満たし得ることがある。
カプセル封入媒質を形成し、液晶を包含する物質の誘電
率（係数）、およびカプセル壁54の、とくに半径方向の
実効キヤパシタンス値および電界Ｅが横切つて印加され
る液晶の実効キヤパシタンス値、これらすべての関係
を、カプセル32の壁54によつて印加した電界Ｅの大きさ
が著しく低下することがないようにする必要がある。理
想的には、カプセル封入液晶物質の全層61（第４図）の
キヤパシタンス誘電率（係数）は界のオン状態でほとん
ど同じであることが必要である。
液晶30は異方性の誘電率を有する。壁54の誘電率（係
数）が異方性の液晶物質30の誘電率（係数）より低くな
いことが最適操作の上記条件を満たすことを助けるので
好ましくない。電界Ｅの電圧要求を減少するため比較的
高い正の誘電異方性を有することが望ましい。電界を印
加しない場合の液晶30の誘電率（係数）、これは比較的
小さいことが必要、と、電界印加時液晶が配列した場合
のその誘電率（係数）、これは比較的大きいことが必
要、との間の差はできるだけ大きいことが必要である。
誘電率（係数）関係については、共存出願で議論してあ
り、その全部の開示はとくに参考に記載した。しかし、
とくに注意しなければならない点は、誘電値と印加した
電界の臨界的関係が、カプセル中の液晶物質を横切つて
印加した電界が液晶構造の電界に関する配列を起すのに
十分であるようなものであることが必要であるというこ
とである。通常使用する液晶の下方の誘電値は、たとえ
ば、約3.5の低さから約８の高さまでである。
カプセル32は種々の大きさにすることができる。しか
し、大きさが小さい程、カプセル中の液晶を配列させる
のに必要な電界が高くなる。しかしながら、カプセルが
均一な大きさのパラメーターであつて、カプセル封入液
晶を用いる、デイスプレイのような装置の光学的および
電気的特性のような、種々の特性がほとんど均一となる
ようにすることが大変好ましい。さらに、カプセル32の
直径は少くとも１μｍ（ミクロン）あり、カプセルが入
射光線に対して分離したカプセルとみなされることが必
要である；一層小さい直径の場合、光線はカプセル連続
的一層と見るので、必要な等方性の散乱が起らない。カ
プセルの大きさの例、たとえば１〜30μｍ（ミクロ
ン）、および液晶物質の例は上記共存出願中にあり、こ
こでは特に参考に記載したものである。
動作的ネマテイツク液晶物質において低いゼロ近く、ま
たはゼロでさえある複屈折特性が、反対のねじれまたは
ピツチ特性を有する複数の液晶物質を組合わせることに
より得られることを確かめた。従つて、好適例および最
良の態様によれば、選択された液晶物質またはそれらの
混合物にはこのような性質を有せしめる。たとえば、２
種のコレステロール誘導体の混合物、一方は右まわりの
ねじれを有し、他方は左まわりで前者とほぼ同量のねじ
れを有する、は液晶構造が電界に沿つて配列するか、カ
プセル壁に関して歪んだ配列にあるかどうかに関係な
く、正味ゼロのねじれを有する液晶混合物を生じる。
それぞれのカプセル32を形成するカプセル封入媒質は、
液晶物質によつてほとんど完全に影響されず、かつ影響
しない形でなければならない。種々の樹脂および／また
は重合体をカプセル封入媒質として使用することができ
る。好ましいカプセル封入媒質はポリビニルアルコール
（PVA）であり、これは良好な、比較的高い誘電率、お
よび好ましい液晶物質の屈折率に比較的近い一致する屈
折率を有する。好ましいPVAの例は加水分解率約84％、
分子量少なくとも約1000の樹脂である。モンサント社
（Monsanto Company）のゲルバトール（Gelvatol）20/3
0という名称のPVAの使用はこの発明の最良の態様であ
る。
乳化またはカプセル封入液晶11の製造方法は、最初に反
対のねじれを有する液晶物質を混合して、低複屈折液晶
物質を得、次いで封入またはカプセル封入媒質、液晶物
質混合物、および恐らく、水のような、担体媒質を混合
することを含むことができる。混合は手で行なうか、一
層好ましくは、ブレンダーのような種々の混合装置、な
かでももつとも好ましいものとしてコロイドミル等で行
なうことができる。このような混合中に起こることは、
成分のエマルジヨンの生成であり、つづいて、このエマ
ルジヨンを、水のような担体媒質を除去して乾燥させPV
Aのようなカプセル封入媒質を満足する程度に硬化させ
ることができる。このようにつくられた各カプセル封入
液晶11のカプセル32は完全な球とはなり得ないが、各カ
プセルの形状はほとんど球状であり、これは球が個個の
小滴（droplet）、小滴（globule）またはエマルジヨン
のカプセルの、最適な生成時および乾燥および／または
硬化後の両方とも、最低自由エネルギー状態であるとい
う理由による。
カプセルの大きさ（直径）は、入射光に対する作用およ
び電界への応答に関する動作の均一性のために、エマル
ジヨン中均一であることが大変好ましい。典型的なカプ
セルの大きさの範囲は約0.3〜100μｍ（ミクロン）、好
ましくは0.3〜30μｍ（ミクロン）、とくに３〜15μｍ
（ミクロン）、例えば５〜15μｍ（ミクロン）である。
種種の技術を支持媒質12の形成に用いることができ、支
持媒質はカプセル封入または封入媒質と同じか類似の物
質製とすることができる。たとえば、下部支持媒質部分
12bは成形または注型方法を用いて形成し得る。電極13
および液晶物質をこの媒質12bに支持されるように加え
ることができる。電極14は、例えば印刷により加えるこ
とができる。その後、上部支持媒質部分12aを適所に流
し込むか注型して、カプセル封入液晶物質および電極の
密閉を完了することができる。代りに、支持媒質部分12
a,12bを、たとえば、ほとんど透明なプラスチイツク状
フイルムまたはガラス板とすることができる。
この発明に従えば、好ましい支持媒質12はその上に透明
イントレツクス（Intrex）電極を有するマイラー（Myla
r）物質である。他の形の使用支持媒質12にはポリエス
テル物質；およびコーデル（Kodel）フイルムのような
ポリカーボネート物質を含む。また、テドラー（Tedla
r）フイルムは非常に不活性であるが、電極の十分な接
着が可能な場合、使用することができる。このような媒
質12がほとんど光学的に透明であることは大変好まし
い。
この発明に従つて、使用し得る若干の異なる封入媒質を
下記表１に表示する。表はまたそれぞれの媒質の若干の
特性を示す。
この発明に従つて、カプセル封入液晶11中に適当に使用
し得るう多色色素の例はインドフエノールブルー，スダ
ン ブラツクB,スダン３およびスダン2;および西独ダル
ムシユタツトのイー・メルク・ケミカル社（E.Marck Ch
emicals）製Ｄ−37,D−43およびＤ−85である。
液晶物質対封入媒質の好ましい量比は、液晶物質約１重
量部対封入媒質約３重量部である。この発明により実施
可能な許容しうるカプセル封入液晶エマルジヨンは、約
１部の液晶物質対約２部の封入媒質、たとえばゲルバト
ールPVAの量比を用いても達成することができる。さら
に、1:1比も役に立つが、一般に約1:2ないし約1:3の比
の範囲の物質のようにきわめてよくは行かない。
さて、第４図に戻つて、ここには、この発明の光シヤツ
ター装置の形での液晶光制御装置の一部60を示す。装置
60は、第１図に関して上に述べた液晶装置10の応用であ
り、その中に複数のカプセル封入液晶11、実際はその複
数層を支持媒質12内に含むか上にとり付ける。第４図に
示した若干の部分の大きさ、厚さ、直径等は必ずしも比
例して示していない；むしろ大きさは、下記のように、
この発明に従う、若干の部分およびそれらの動作を説明
するのに必要な程度である。
電極13,14を用いて所望の電界を印加し、例えば第３図
に示すしかたで液晶物質の選択的配列を行なう。電極以
外の手段を、ある形の入力を装置60に加え、液晶の、ま
たしたがつて多色色素の規則的またはランダムな配列を
行なう目的のために、用いることができる。
カプセル封入液晶11は、若干層61をなしてデイスプレイ
部60内に配設する。層61を若干部分に分割し、これらを
装置60により制御的に光が減衰される種々な領域とする
ことができる。以下の層61についての説明は集合的なも
の、すなわち若干のレベルまたはこれを含む層を含むよ
うな層61に関する。一例として、このような層61の複合
層は、約7.62〜254μｍ（0.3〜10ミル）であり；均一な
厚さが電界の均一な応答に対し好ましい。
注意すべき重要な点は、カプセル封入液晶物質層61のこ
のような配設が容易になる、あるいはそもそも可能とな
ることが、好ましい安定なエマルシヨンによつて形成さ
れ、このようにして液晶の媒質12の表面上を液晶が自由
流動することを防止するような、液晶のカプセル封入ま
たは分離した封入媒質中への閉じ込めによる、というこ
とである。従つて、比較的大形の光シヤツターまたは他
の装置上でとくに、カプセル封入液晶が均一に分布さ
れ、支持媒質上適当な場所に保持され得る。
光シヤツター60中、支持媒質12bの一部を、例えば、ビ
ルデイングの壁の中の窓枠71にとり付けたガラス板のよ
うな、透明材料70により形成する。電極18をガラス70の
表面に接着したイントレツクスフイルムまたは他の透明
な電極物質とすることができ、カプセル封入した、多色
色礎を含有する動作的ネマテイツクの、低複屈折液晶物
質を前期電極13に加える。他の電極14を、層61の電極18
に対して反対の面に設け、材料72の保護シートを、例え
ば支持媒質１の他部を形成させて、図示のように、電極
14に隣接させて設ける。材料72も、ガラス、プラスチツ
ク、または他の材料の板とすることができ、あるいは、
所要に応じて、電極14および／または層61がそれ以上の
保護を必要としない場合、全く除くことさえ可能であ
る。材料70,72の屈折率と層61に含まれるそれとが同じ
かほとんど同じであつて、種々の界面における屈折を最
小にし、このようにして密集成体75を通して見られる任
意の映像のゆがみを最小にするようにすることが好まし
い。
電気制御回路、第４図に線図的に示した76を用いて、電
力を加え電極13,14の間に、したがつて層61を横切つて
電界を印加することができる。回路76は、電池77または
他の電力源、オン・オフスイツチ78を具え、このスイツ
チで電池77反対極側とそれぞれの電極13,14を結合する
電線または他の電気を伝える導線79,80に関して回路76
を選択的に開閉できるようにする。通常のポテンシヨメ
ータ、加減抵抗器、可変抵抗、等を81で示す。このよう
な装置81はこれを選択的に調節して、導線79,80間に印
加する電圧の大きさ、従つて、層61に印加する電界の大
きさを制御しようという目的を有する。
この発明に従う光シヤツター60の作動において、スイツ
チ78を閉じ、最高または飽和準位電圧を電極13,14に与
えるように、ポテンシヨメータ81を調節し、層61内の液
晶物質の構造をほとんど完全に配列させる電界を印加す
る。その結果、同じく配列した多色色素は入射光82に関
して最小の吸収特性を有する。従つて、最大または飽和
準位の電界を層61を横切つて印加する場合、透過光83の
強度は最大である。重要な点は、低複屈折の上記要求に
より、目視される、すなわち入射側85を84で示され、窓
集成体75を通る透過光により有効に運ばれるような、映
像が目視可能であり、且つ窓集生態の目視する側86から
ほとんどゆがむことなく見ることができことである。ポ
テンシヨメータ81は、例えば手動で調節して、電界の大
きさを減ずることができ、このような調節によつて透過
光83の強度の減少が起こるが、これは入射光82の大部分
が層61中の多色色素により、上記のように、吸収される
ためである。
前記のことを見れば、この発明を窓集成体75あるいは任
意の他の光学的に透明かほとんど透明な物質のような、
媒質を通つて通過する光の強度を調節するのに使用する
ことができることがわかる。電界の大きさを調節および
／または制御することにより、透過光の強度、すなわち
集成体75を通りいずれかの方向に透過する、を相応じて
調節または制御することができる。
層61と電極13は直接、例えば窓枠71中にすでに、存在す
る窓ガラス70に設けることができ、あるいはこのような
材料70の製造中に設けることもできる。代りに、例え
ば、マイラーシートまたは他の好ましくは光学的に透明
な物質の支持媒質12を、電極13,14および層61を支持
し、かつ保護する媒質12として、例えば、第１図に示す
線に沿う集成体のように使用することができる。つい
で、このような集成体をガラスまたは他の好ましくは光
学的に透明またはほとんど透明な物質の板に設けること
ができる。
次に実施例はこの発明の、多色色素を含有するカプセル
封入低複屈折の動作的ネマテイツク液晶物質の製造方法
およびこのような物質の動作を示す。
実施例 低複屈折の液晶を得るために、２種のコレステロール誘
導体、一方は右まわりのコレステリルクロリドで他方は
左まわりのコレステリルオレアートである、の混合物を
使用することが必要であつた。これらは50％/50％W/W
（重量対重量）の混合物で、0.029の複屈折を有するネ
オテイツク相を生じた。得られた物質の0.390％W/Wスダ
ンIIIおよび0.5％W/WスダンブラツクＢを加え、ほとん
ど黒色の液晶を得た。
この物質は、小さい正の誘電異方性を有し、これは10％
シアノフエニロ４ブチル−シクロヘキサノアートの添加
により増加された。得られた物質5gを20/30ゲルバトー
ル（ポリビニルアルコール−PVA−モンサント社製）の2
2％溶液15g中、中程度のせん断を用いて乳化した。
得られたエマルジヨンを127μｍ（５ミル）に調整した
間隙でドクターブレードを用いて注型した。30.5μｍ
（1.2ミル）のフイルムが乾燥後得られた。フイルムは
透明であるが吸収性であつた。電界を印加した場合、吸
収は20ボルトの印加電界で減少し始め、120ボルトで最
小の吸光度となつた。
この発明は、ガラス、プラスチツク、流体等のような光
学的に透明またはほとんど透明な物質をとおる光の透過
を制御する目的の種種の用途に使用することができるこ
とがわかる。多色色素によつて吸収される光の性質は、
勿論、多色色素の性質の関数である。例えば、色素が黒
色色素であつたとすれば、それは可視および隣接波長の
すべてまたはほとんどすべての光を吸収するであろう。
吸収および透過特性はどちらの方向でも可能である。他
方、色素が特定の色であつたとすれば、吸収特性は相応
して変る。
工業的用途の説明 前記に鑑み、この発明が媒質を通る光の透過を、好まし
くは映像特性をゆがめることなく、制御するのに使用す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明の液晶装置の要部を説明する断面図、 第２図、第３図はそれぞれ電界のない場合および電界を
印加した場合のこの発明の液晶カプセルを説明する拡大
断面図、 第４図はこの発明の光制御物質を窓を透過する光の強度
の制御に応用した光シヤツターの説明図である。 10……液晶装置 11……カプセル封入液晶物質 12……支持媒質、12a……上部支持媒質部分 12b……下部支持媒質部分、13,14……電極 15……スイツチ、16……電圧供給源 30……液晶、31……カプセル体積 32……カプセル 33……封入媒質またはカプセル封入物質 34……多色色素、50……カプセル壁内面 51……液晶および多色色素分子の層 52……液晶分子、52P……多色色素分子 54……カプセル壁、55……不連続部 60……光シヤツター、61……層 70……透明材料、71……窓枠 72……材料、75……窓集成体 76……電気制御回路、77……電池 78……オン・オフスイツチ、79,80……導線 81……ポテンシヨメータ、82……入射光 83……透過光、84……映像 85……入射側、86……目視する側。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】複屈折特性がゼロもしくはゼロに近い動作
    的にネマチックな液晶材料と、多色色素とが、多数の容
    積体を構成するように媒質内に収容され、前記媒質は、
    その屈折率が前記液晶材料の屈折率と実質的に一致して
    前記液晶材料を通って伝達される光の歪曲を最小とする
    ように選定され、前記媒質は電界無印加で前記液晶材料
    と多色色素とに作用する湾曲面を有し、前記液晶へ電界
    を加える手段が設けられ、電界の印加時に該電界の方向
    に前記液晶材料と多色色素とが揃えられるようにして、
    電界の印加、無印加に応じて伝達される光の強度を調整
    するようにしたことを特徴とする光学的輻射を制御でき
    るように減衰する装置。
  2. 【請求項２】液晶材料と媒質とは、液晶材料を含む個別
    のマイクロカプセルを構成しているか、もしくは前記液
    晶材料を含むカプセル状の包囲を形成するカプセル化材
    料の安定乳濁液を構成している請求項１に記載の光学的
    輻射を制御できるように減衰する装置。
  3. 【請求項３】無電界では液晶材料が多色色素を配向して
    多色色素が光学的輻射を吸収し、そして有電界では光学
    的輻射の吸収を減少する請求項１もしくは２に記載の光
    学的輻射を制御できるように減衰する装置。
  4. 【請求項４】湾曲面は液晶材料と相互作用して無電界で
    は液晶材料と多色色素とを湾曲面に沿って配向する請求
    項１、２もしくは３に記載の光学的輻射を制御できるよ
    うに減衰する装置。
JP59054115A 1983-03-21 1984-03-21 光学的輻射を制御できるように減衰する装置 Expired - Lifetime JPH0762740B2 (ja)

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