JPH08179290A - 光変調素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 液晶／高分子複合膜を用いた高いコントラス
トを有する光変調素子を提供すること。 【構成】 基板上に設けられた液晶粒子が高分子マトリ
ックス中に分散してなる液晶／高分子複合膜上に平滑な
保護層を積層させてなる液晶光学素子において、上記該
保護層の屈折率と高分子マトリックスの屈折率との差が
０．０５以下であることを特徴とする光変調素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光変調素子に関し、更に
詳しくは高分子マトリックス中に液晶を分散させた液晶
／高分子複合膜を使用し、電界や熱応答性を有し、情報
の表示や記録を行うことが出来、ディスプレイ、調光パ
ネル、書き換え可能表示記録媒体（カードやＯＨＰ等）
に有用な光変調素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光変調素子（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、透明電極を有するガラス
板間に所定のシール等が施された液晶セル中に液晶を封
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、（１）２枚の偏光板が必要
である為、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、（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、低コスト化等には限界が
ある。

【０００４】この様な問題点を解決する液晶表示媒体と
して、液晶を高分子マトリックス中に分散させた液晶／
高分子複合膜を用いた光散乱機構に基づく光変調素子へ
の応用が期待され、その研究開発が活発化してきた。こ
の様な光変調素子に使用する液晶／高分子複合膜の主た
る製造方法としては下記の如き方法が挙げられる。

【０００５】（１）高分子多孔質体に液晶を含浸させる
方法、（２）ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）水溶液に
液晶を分散させたエマルジョンから成膜する方法（特表
昭５８−５０１６３１号公報参照）、（３）液晶と高分
子マトリックスとを共通溶剤に溶解した溶液をキャスト
し、溶剤の蒸発に伴って液晶と高分子マトリックスとを
相分離させる方法（特表昭６１−５０２１２８号公報参
照）、（４）液晶とモノマーとの混合物中のモノマーを
重合させ、液晶と高分子マトリックスとの相分離構造を
得る方法（特表昭６１−５０２１２８号公報参照）。こ
れらの方法の中では、上記（２）の方法が製造上簡便で
あり、膜構造の制御及び膜厚の制御が容易で、且つ大表
面積化が可能であるという利点があり、調光用のガラス
等としては既に実用化されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この様な液晶／高分子
複合膜を用いた光変調素子の表示特性として、コントラ
スト、駆動電圧−光透過性の曲線の急峻性及び視認性等
が要求される。コントラストは、電圧印加時の光透過率
と密接な関係があり、視認性もコントラストという観点
からは電圧印加時の光透過率に依存する。ところが、液
晶／高分子複合膜を、液晶のＰＶＡ分散水溶液から成膜
した場合には、膜の平滑性を均一にすることが困難で、
この複合膜を用いて作製した光変調素子は、電圧印加時
に膜面で光が反射して透過率が低下し、コントラストが
低下するという問題がある。従って本発明の目的は、液
晶／高分子複合膜を用いた高いコントラストを有する光
変調素子を提供することである。

【０００７】

【課題を解決する為の手段】上記目的は以下の本発明に
よって達せられる。即ち、本発明は、液晶粒子が高分子
マトリックス中に分散してなる液晶／高分子複合膜を基
板上に設け、該膜面に平滑な保護層を積層させてなる液
晶光学素子において、上記該保護層の屈折率と高分子マ
トリックスの屈折率との差が０．０５以下であることを
特徴とする光変調素子である。

【０００８】

【作用】基板上に形成した液晶／高分子複合膜面に、層
面が平滑な保護層を形成し、且つ保護層を形成する高分
子材料の屈折率と上記複合膜のマトリックスを形成する
高分子材料の屈折率との差を０．０５以下とすることに
よって、電圧印加時の液晶／高分子複合膜の光透過率が
向上し、液晶／高分子複合膜面の平滑さの不均一さに起
因する電圧印加時のコントラストの低下が防止され、高
い表示コントラストを有する光変調素子が提供される。

【０００９】

【好ましい実施態様】次に好ましい実施態様を挙げて本
発明を更に詳細に説明する。本発明の光変調素子は、基
板上に形成した液晶／高分子複合膜の膜面を、層面が平
滑な保護層で被覆してなることを特徴としている。本発
明で云う液晶とは、常温付近で液晶状態を示す有機化合
物（低分子有機化合物及び高分子重合体が含まれる）の
混合物である。本発明で使用される液晶は、光変調素子
に要求される電気光学効果を示す液晶であれば、ネマチ
ック液晶、スメクチック液晶、コレステリック液晶等の
いずれの液晶も使用することが出来、素子の用途、高分
子マトリックス等の他の材料に応じて選択して使用され
る。

【００１０】上記液晶には得られる素子のコントラスト
比の向上や着色を目的として二色性色素を添加してもよ
い。添加してもよい二色性色素は特に限定されず、例え
ば、アゾ系、ペリレン系、アントラキノン系等いずれも
使用することが出来、素子に要求される色調に適した二
色性色素が素子の用途、液晶、高分子マトリックス等の
他の材料に応じて選択して使用される。

【００１１】本発明において上記液晶（以下二色性色素
を含むものも意味する）を基板上に粒子状に固定する為
に使用される高分子マトリックス材料としては、透明な
被膜を形成し、且つ液晶と相溶しない（液晶をマイクロ
カプセル化して使用する場合には相溶性の有無は問題と
ならない）高分子材料であり、且つ保護層を形成する材
料との屈折率の差が０．０５以下であれば、いずれの高
分子材料も使用することが出来る。このような高分子材
料としては、例えば、ＰＶＡ、エポキシ樹脂、ポリカー
ボネート樹脂の他、ポリチオール樹脂等のＵＶ硬化性の
高分子材料が挙げられる。

【００１２】上記の液晶と高分子材料から液晶／高分子
複合膜を製造する方法は、前記の方法やその他の公知の
いずれの方法も用いることが出来るが、好ましい方法
は、液晶をＰＶＡ等の水溶液のエマルジョンとして成膜
する方法（エマルジョン法）である。エマルジョン法で
は、必要に応じて界面活性剤や保護コロイドを含む水を
主体とする媒体に液晶を乳化分散させ、得られた乳化液
にＰＶＡ、ゼラチン、アクリル酸系重合体や水溶性アル
キッド樹脂等の水溶性又は水分散性の高分子材料を加え
た乳化液を、適当な基板上に所定の乾燥厚となるように
塗布及び乾燥して膜を形成する。

【００１３】液晶を水性媒体に均一に分散させる方法と
しては、超音波分散法、各種攪拌機を用いて機械的に混
合・分散させる機械的分散法や膜乳化法（中島忠夫、清
水政高、ＰＨＡＲＭＡＴＥＣＨ．ＪＡＰＡＮ第４巻、第
１０号、１９８８年）等が有効である。液晶エマルジョ
ン粒子の粒子径は、得られる素子の用途に依存する。例
えば、得られる素子をディスプレイ用途に使用する場合
には、ネマチック液晶を使用し、該液晶粒子の体積分布
の平均値が０．５〜２μｍの範囲内にあり、重量分布の
平均値（直径）が１．１〜２．１μｍの範囲内にあり、
個数分布の平均値（直径）が０．９〜１．５μｍの範囲
内にあることが望ましい。又、得られる素子を書き換え
可能な表示・記録媒体用途に使用する場合には、スメク
チック液晶を用いると、マトリックス内若しくはカプセ
ル内で液晶が配向しにくくなる為、体積分布において１
μｍ以下の粒子径（直径）の液晶粒子の割合が全粒子中
で１０％以下であることが望ましい。

【００１４】液晶は、上記のエマルジョン状態で高分子
材料と混合して高分子マトリックス中に分散させること
が出来るが、液晶を適当な壁材料でマイクロカプセル化
し、マイクロカプセルを含む分散液として或はマイクロ
カプセルを分離後再度分散液を調製して高分子マトリッ
クス材料と混合して使用することも出来る。

【００１５】液晶のマイクロカプセル化の方法としては
下記の如き方法が挙げられる。即ち、ラジカル反応性界
面活性剤、水溶性保護コロイド或はラジカル反応性保護
コロイド或はこれらのうちの２種類以上の混合物で、液
晶を水性媒体中へ乳化分散し、水中或は液晶中にラジカ
ル重合開始剤を溶解或は分散し、該重合開始剤の分解温
度まで温度を上昇させることによって、液晶粒子をカプ
セル化することが出来る。又、ラジカル反応性モノマー
を溶解させた液晶を水溶性保護コロイドで水性媒体中に
乳化分散し、水中或は液晶中にラジカル開始剤を溶解或
は分散し、開始剤の分解温度まで温度を上昇させること
によって液晶粒子をカプセル化することが出来る。

【００１６】ラジカル反応性界面活性剤としては、市販
されているイオン性、ノニオン性の反応性界面活性剤を
用いることが出来る。例えば、スチレンスルホン酸ソー
ダ、ポリエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、
ポリプロピレングリコールジ（メタ）アクリレート、ポ
リテトラメチレングリコールジ（メタ）アクリレート等
が挙げられる。２官能以上の上記ラジカル反応性界面活
性剤を混合して使用することが好ましい。水溶性保護コ
ロイドとしては、部分鹸化ポリビニルアルコール、ヒド
ロキシエチルセルロース、ポリエチレングリコール等が
挙げられる。

【００１７】又、ラジカル反応性保護コロイドは、親水
性基と疎水性基とを有するポリマーの側鎖にラジカル反
応性基を導入したもの、例えば、（部分鹸化）ポリビニ
ルアルコールの水酸基に（メタ）アクリロイル基を導入
したものの如く、付加重合性二重結合を有するものであ
れば、どの様なものでも使用することが出来る。液晶中
に溶解させるラジカル重合性モノマーとしては、スチレ
ン、酢酸ビニル、（メタ）アクリル酸エステル等の如く
液晶と相溶性のあるものを用いることが出来る。２官能
以上のモノマーを混合して使用することが好ましい。重
合開始剤としては、水溶性、油溶性等いずれも使用する
ことが出来る。重合温度を上げることに支障がある場合
には、レドックス系重合開始剤を用いればよい。又、ガ
ンマ線や電子線の様な電離放射線を用いて重合を開始さ
せることも可能である。

【００１８】こうして得られた液晶粒子分散液から、液
晶／高分子複合膜を形成する方法としては、素子基板上
に上記液晶粒子分散液を塗布及び乾燥する方法が好まし
く、塗布方法としては、電着方法、スクリーンコーティ
ング、ブレードコーティング、ナイフコーティング、ス
ライドコーティング、イクストルージョンコーティン
グ、ファウンテンコーティング等が挙げられるが、本発
明ではスキージを使用するスクリーンコーティング法が
好ましい。この様にして得られる複合膜の厚みは、ネマ
チック液晶を用いたディスプレイ用途としては３〜１３
μｍ程度、スメクチック液晶を用いた書き換え可能表示
記録媒体用途の場合には３〜２３μｍ程度が好適であ
る。

【００１９】液晶の使用量としては、通常、高分子マト
リックス形成材料／液晶の混合比（重量比）が、ネマチ
ック液晶を用いたディスプレイ用途としては９５／５〜
５０／５０が望ましく、スメクチック液晶を用いた書き
換え可能表示記録媒体用途の場合には５５／４５〜３５
／６５が望ましい。液晶の使用量が少なすぎると、電圧
印加時の透明性が不足するだけでなく、膜を透明状態に
する為に多大の電圧を必要とする等の点で不十分であ
り、一方、液晶の使用量が多すぎると、電圧非印加時の
散乱（濁度）が不足するだけでなく、膜の強度が低下し
たりするので好ましくない。

【００２０】ネマチック液晶を用いた液晶／高分子複合
膜型表示媒体は、電圧印加時に液晶が配向して光が透過
し、液晶層が背景光となり、電圧無印加時に液晶の配向
が乱れて液晶層が二色性色素の色になるので、電圧印加
若しくは無印加のどちらか一方により表示を行うもので
ある。又、二色性色素を用いない場合には、反射板を液
晶／高分子複合膜の下に設け、反射板の色が電圧印加時
に現れる。電圧印加は上下の電極を用いて行う。

【００２１】スメクチック液晶を用いた液晶／高分子複
合膜型表示媒体は、電圧印加時に液晶が配向して光が透
過し、液晶層が背景色となり、加熱によって液晶の配向
が乱れて液晶層が二色性色素の色になるので、電圧印加
若しくは加熱のどちらか一方により書き込み、他の一方
により消去するものである。又、二色性色素を用いない
場合には、反射板を液晶／高分子複合膜の下に設け、反
射板の色が電圧印加時に現れる。電圧印加は上下の電極
若しくは導電性基板が１枚である場合にはコロナ放電を
用いて行う。

【００２２】上記の液晶／高分子複合膜表面には保護層
が形成される。保護層を形成する高分子材料は、液晶／
高分子複合膜との接着性に優れ、透明な被膜を形成し得
るものであり、その屈折率が、液晶／高分子複合膜のマ
トリックス形成高分子材料の屈折率と比較してその差が
０．０５以下であれば、いずれの高分子材料も用いるこ
とが出来る。例えば、マトリックス形成高分子材料とし
て、ポリビニルアルコールを用いた場合には、好ましい
保護層形成高分子材料としては、トリメチロールプロパ
ントリ（メタ）アクリレート、ジペンタエリスリトール
ヘキサ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリトールテ
トラ（メタ）アクリレート等の多官能モノマーからなる
架橋重合体等が挙げられる。これらのモノマーは単独
で、又は２種以上混合して、更に他のモノマーと混合し
て用いることが出来る。

【００２３】本発明の光変調素子の電圧印加時のコント
ラストが、液晶／高分子複合膜の表面の平滑性の不均一
により低下することが防止され、高いコントラストが得
られる為には、保護層の層面が平滑で、且つ保護層形成
高分子材料の屈折率と液晶／高分子複合膜のマトリック
ス形成高分子材料の屈折率の差は、０．０５以下である
ことが好ましい。その差が０．０５を超えるとコントラ
ストの低下を防止することが困難となる。更に好ましく
は０．０３以下である。又、得られる保護層の平均粗さ
（Ｒａ）は０．１μｍ未満であることが好ましい。

【００２４】保護層の作製方法としては、保護層形成高
分子材料を複合膜を溶解しない溶剤の溶液として、或は
適当な媒体のエマルジョンとして液晶／高分子複合膜の
形成方法と同様な方法、重合によって被膜を形成する前
記の如き単量体を複合膜面に塗布後、適当な手段（加
熱、電子線照射等）によって、単量体を重合体に転化さ
せると共に硬化させる等の方法、上記方法により離型シ
ート面に別に保護層又はモノマー層を形成しておき、こ
の保護層又はモノマー層を複合膜面に転写ラミネートす
る方法（モノマー層の場合には転写時又は転写後に重合
硬化させる）等が挙げられる。形成される保護層の厚さ
は１〜５μｍの範囲が好ましい。

【００２５】本発明で使用される光変調素子の基板は、
従来の光変調素子の基板として用いられているものを使
用することが出来る。例えば、ＩＴＯ付きガラス基板の
様な透明導電性基板である。その他ＳｎＯ₂ 系やＺｎＯ
系等の透明導電性材料を透明基板に付着させたものでも
よい。又、ＩＴＯ、ＳｎＯ₂、ＺｎＯ系等の透明導電性
材料を反射板に付着させたものでもよい。基板はガラス
基板以外にも、高分子フイルム、例えば、ポリエチレン
テレフタレート、ポリアリレート、ポリエーテルスルホ
ンの様な樹脂からなる透明フイルムであってもよい。一
方、不透明導電性基板の場合には、その電極が反射板と
しての機能も要求される為、例えば、アルミニウム反射
層を設けた基板が好ましい。勿論、その基板自体はガラ
スでも高分子フイルムでもその他のものであってもよ
い。

【００２６】

【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。尚、実施例及び比較例中の部又は％は重量基準
である。 実施例１ 液晶（メルク・リミッテド社製 Ｓ−６）１００部にＰ
ＶＡ（日本合成化学社製 ＫＰ−０６：重合度６００、
鹸化度７１．０〜７５．０）の５％水溶液２５２．４部
を添加し、機械分散を行った。得られた液晶粒子の平均
直径は７μｍであり、１μｍ以下の粒子の割合は４．８
％であった。粒径の測定は粒度分布計（ＬＥＥＤ ＆
ＮＯＲＴＨＲＡＰ社製マイクロトラックＭＫ−IIＳＰ
Ａ）を用いて体積分布を測定した。

【００２７】上記の分散液にＰＶＡ（日本合成化学社製
ＫＨ−２０：重合度２０００、鹸化度７８．５〜８
１．５）を、Ｓ−６／（ＫＰ−０６＋ＫＨ−２０）が５
０／５０となるように添加して攪拌した。得られた分散
液をＩＴＯ付きポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）
基板のＩＴＯ側に、ドクターブレードを用いて塗布及び
乾燥させて１０．０μｍ厚さの液晶／高分子複合膜を形
成した。複合膜のマトリックスを形成するＰＶＡ（ＫＰ
−０６＋ＫＨ−２０）の屈折率は１．５１であった（屈
折率計：ＤＶＡ−３６Ｌ、溝尻光学工業製を用いて測定
した）。

【００２８】ＰＥＴ製離型フィルム（麗光社製 ＭＣ−
１９）にドクターブレードを用いてトリメチロールプロ
パントリアクリレート（大日精化社製 ＥＸＧ−４０−
８）を塗布し、乾燥させて２．０μｍの厚さに成膜し
た。この膜面と上記の複合膜面とを対向させてラミネー
トした後、４Ｍｒａｄの電子線を照射して上記アクリレ
ートを重合及び硬化させ、その後離形フィルムを剥した
結果、平滑な（Ｒａ＝０．０１μｍ）保護層が形成され
た。同じ厚さのトリメチロールプロパントリアクリレー
トの硬化重合体フイルムの屈折率は１．５０であった。
このようにして得られた本発明の光変調素子をコロナワ
イヤー下を通して電界強度約５０Ｖ／μｍの電圧を印加
した状態で、そのの透過濃度を透過濃度計（Ｍａｃｂｅ
ｔｈ社製ＴＲ９２４：ステータスＡフィルターを使用）
で測定した結果０．１であった。

【００２９】比較例１ 液晶／高分子複合膜上に保護膜を形成しない以外は実施
例１と同様にして光変調素子を作製し、電圧を印加して
透過濃度を測定した。結果は０．３であった。 比較例２ 保護膜としてポリ塩化ビニル（屈折率：１．５７）を用
いて実施例１と同様にして光変調素子を作成し、電圧を
印加して透過濃度を測定した結果は０．４であった。 比較例３ 実施例１と同様にしてＩＴＯ付ＰＥＴ基板上に液晶／高
分子複合膜を形成し、その上にドクターブレードを用い
て直接トリメチロールプロパントリアクリレート（大日
精化製、ＥＸＧ−４０−８）を塗布し、乾燥させて２．
０μｍの厚さに成膜した後、４Ｍｒａｄの電子線を照射
して硬化させた。表面の平滑度はＲａ＝１．０μｍであ
った。

【００３０】

【発明の効果】以上の如き本発明によれば、液晶／高分
子複合膜面の平滑性の不均一性に起因する電圧印加時の
コントラストの低下が防止され、コントラスト性に優れ
た光変調素子が提供される。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液晶粒子が高分子マトリックス中に分散
   してなる液晶／高分子複合膜を基板上に設け、該膜面に
   平滑な保護層を積層させてなる液晶光学素子において、
   上記該保護層の屈折率と高分子マトリックスの屈折率と
   の差が０．０５以下であることを特徴とする光変調素
   子。