JPH0915568A - 液晶光学素子、その製造方法、及び投射型液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】低温における電気光学特性を改善する。 【解決手段】ポリプロピレングリコールと２，２，４−
トリメチル−１，６−ジイソシアネートヘキサン、及
び、２，４，４−トリメチル−１，６−ジイソシアネー
トヘキサンの混合物、及び２−ヒドロキシエチルアクリ
レートの反応生成物からなり両端にアクリレート基を持
つ２官能アクリルウレタン化合物を用い、これに２−エ
チルヘキシルアクリレート、２−ヒドロキシエチルアク
リレート、ネマチック液晶及び光反応開始剤を混合した
均一溶解混合物から光重合相分離により液晶／樹脂複合
体層７を形成し液晶光学素子１を得る。 【効果】光重合相分離における液晶／樹脂複合体層の構
造制御性を向上させる。特に液晶相中の樹脂相の形態を
精密に制御し、連続液晶相中の液晶ドメインの光学的性
能を調節し、高コントラスト、低ヒステリシスの表示が
得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一対の電極付基板
間に液晶が樹脂相中に保持された液晶光学素子の高性能
化に関する。具体的には樹脂相の分子構造に着目し、そ
れに由来する表示素子としての電気光学的特性の改良に
関する。さらに、液晶光学素子を用いた投射型液晶表示
装置を開示する。

【０００２】

【従来の技術】液晶ディスプレイは、その低消費電力
性、低電圧駆動等の特長を生かしてパーソナルワードプ
ロセッサ、ハンドヘルドコンピュータ、ポケットＴＶ等
に近年広く利用されている。なかでも注目され、盛んに
開発されているのが、視角性がよく、高速かつ高密度表
示が可能な能動素子を備えた液晶表示素子である。

【０００３】当初、光を透過散乱する動的散乱型（ＤＳ
Ｍ）の液晶表示素子（ＬＣＤ）が提案されていた。しか
し、ＤＳＭ−ＬＣＤでは液晶中を流れる電流値が高いた
め、消費電流が大きいという欠点があった。現在では偏
光板を用いたツイストネマチック型（ＴＮ）のＬＣＤが
主流となっており、ポケットＴＶや可搬型の情報機器の
表示素子として市場で用いられている。ＴＮ−ＬＣＤの
漏れ電流はきわめて小さく、消費電力が少ないので、電
池を電源とする用途に適する。

【０００４】能動素子を備えたＤＳＭ−ＬＣＤの場合に
は液晶自身の漏れ電流が大きい。このため、各画素と並
列に大きな蓄積容量を設けなくてはならない。かつ、液
晶表示素子自体の消費電力が大きくなるという問題があ
った。

【０００５】ＴＮ−ＬＣＤにおいては、液晶自身の漏れ
電流はきわめて小さいので、大きな蓄積容量を付加する
必要はないし、液晶表示素子自体の消費電力は小さくで
きる。しかし、ＴＮ−ＬＣＤは二枚の偏光板を必要と
し、光を透過吸収するので、光の透過率が小さくなって
しまうという問題がある。特に、カラーフィルターを用
いてカラー表示を行う場合には、入射する光の数％しか
利用できないこととなり、強い光源を必要とし、そのた
め結果として消費電力を増加させる。

【０００６】また、画像の投影を行う際にはきわめて強
い光源を必要とし、投影スクリーン上で高いコントラス
トが得られにくいことや、光源からの発熱が液晶表示素
子の動作状態を変えてしまうという問題がある。

【０００７】そこで、これらの課題を解決すべく、ネマ
チック液晶を樹脂などからなるマトリックス中に保持し
た液晶／樹脂複合体を使用して、その散乱−透過特性を
利用し、偏光板を用いずに直接光のオンとオフの制御を
行い得る液晶表示素子が提案された。液晶樹脂複合体表
示素子、分散型液晶表示素子、高分子分散型液晶表示素
子などと呼ばれている。

【０００８】特開昭６３−２７１２３３（従来例１と呼
ぶ）には樹脂材料にビニル系化合物、具体的には、ウレ
タンアクリレートオリゴマーを含むアクリロイル系化合
物を用いて液晶と樹脂材料との混合物から光重合相分離
のプロセスによって液晶セル内に樹脂相と液晶相とを形
成し、高性能の液晶／樹脂複合体が形成できることが開
示されている。そして、液晶／樹脂複合体の層を通過す
る光のオン・オフを外部の電気信号で制御し、外観性の
よい高性能の調光体が得られると示している。

【０００９】特開昭６１−１９６２２９（従来例２と呼
ぶ）にはポリマーと液晶からなる液晶／樹脂複合体層と
ＴＦＴやＭＩＭなど各種の能動素子とが組み合わされた
液晶表示素子についての一般的な記載がある。

【００１０】しかし、従来例１、２のような液晶／樹脂
複合体を備えた初期の液晶表示素子においては、その電
気光学的特性のうちの電圧−透過率特性（Ｖ−Ｔカー
ブ）にヒステリシスが存在していた。実質的に二値状態
で用いる窓やシャッタではほとんど問題にならないが、
中間調を必要とする高機能の表示素子では、駆動電圧の
昇圧時と降圧時において光の透過率が異なるという課題
があった。そのため、表示画面の変化時に前画面の情報
が数秒以上にわたって残ってしまうという焼付き現象が
生ずることがあった。

【００１１】そこで、特開平６−１８６５３５（従来例
３）では用いる液晶の物性値と液晶セル内での液晶相の
空間的分散に着目し、液晶材料の物性値と液晶相の構造
制御についての発明が示されている。そして、表示素子
として必要なヒステリシス低減が達成されたとの記載が
ある。例えば、液晶の屈折率異方性△ｎが０．１８以上
で、かつ誘電率異方性△εが５〜１３の間が好ましいと
の記載がある。また、同時に液晶相の形状に一定の歪み
があることと液晶セル内でのランダムな配置がヒステリ
シス低減に寄与するとの記載がある。

【００１２】特開平５−１３４２３８（従来例４）では
用いる樹脂相の弾性率に着目し、その弾性率が２０℃で
３×１０⁷ Ｎ／ｍ² 以下、４０℃で１×１０³ Ｎ／ｍ²
以上となるような樹脂材料を用いることが示されてい
る。そして、この樹脂の弾性率の制御によってヒステリ
シス低減に大きな寄与があり、動画表示であっても残像
や焼付きのないきわめて美しい表示が得られるとの記載
がある。

【００１３】特開平７−１２３４５６（参考例）では、
エマルジョン法における液晶／樹脂複合体の樹脂材料の
種別に着目している。具体的には、エマルジョン法の場
合の液晶カプセルの形成に有効な水溶性樹脂の選択に関
しての考察がある。そして、液晶エマルジョンの形成を
安定化し、最終的に得られる液晶カプセルの分散構造を
制御し、ヒステリシスを低減しようとする。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、液晶
／樹脂複合体を備えた液晶光学素子において、いくつか
の特性改善が行われ一定の性能が得られるようになっ
た。しかし、広い条件のもとでの総合的な安定性はまだ
充分に得られていなかった。例えば、このような液晶光
学素子のＶＴカーブ上のヒステリシスの強度は、液晶光
学素子の動作温度に強い依存性を示し、動作温度が低い
場合にヒステリシス強度が大きくなる傾向を示すことが
あった。つまり、一般の液晶表示素子として求められる
実用性の観点から、常温より低い低温側の特性に問題が
あった。

【００１５】すなわち、この液晶光学素子を投射光源、
投射光学系と組み合わせて投射型液晶表示装置とし、室
温２５℃〜２８℃の部屋で液晶表示素子に数１０万ルッ
クスの光束を照射して、画像の投影を行う場合を考察す
る。液晶表示素子は照射される強い光束により＋８〜１
５℃程度昇温し、ビデオ表示を行っても液晶表示素子の
ヒステリシスに起因する画像の焼付き現象は見られな
い。しかし、室温１５℃の部屋で同様に画像の投影を行
うと、液晶表示素子のヒステリシスにより、ビデオ表示
時に画像の焼付き現象が発生することがあった。

【００１６】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、動作温
度が実質的に低い条件のもとであっても、従来にまして
より高輝度、高コントラスト比を有し、かつ安定して製
造できる液晶光学素子を提供する。低温域での動作にお
いても中間調表示がきれいに表示でき、かつ液晶／樹脂
複合体のヒステリシスに基づく焼付き現象を低減した改
良された液晶光学素子、液晶表示素子、及び投射型液晶
表示装置を提供する。

【００１７】本発明は、一対の電極付基板間に、電圧印
加時又は非印加時に樹脂相の屈折率が液晶の常光屈折率
（ｎ_o ）、又は異常光屈折率（ｎ_e ）とほぼ一致せしめ
られた液晶／樹脂複合体が挟持された液晶光学素子にお
いて、樹脂相が側鎖を有する脂肪族イソシアネート化合
物を用いて得られた付加重合性ウレタン化合物を含む硬
化性材料の重合硬化物であることを特徴とする液晶光学
素子を提供する。これを第１の発明と呼ぶ。

【００１８】また、この第１の発明において、付加重合
性ウレタン化合物が上記イソシアネート化合物とポリエ
ーテルポリオールと水酸基含有アクリレートとの反応生
成物であることを特徴とする液晶光学素子を提供する。
これを第２の発明と呼ぶ。また、この第２の発明におい
て、ポリエーテルポリオールがポリプロピレングリコー
ルであることを特徴とする液晶光学素子を提供する。こ
れを第３の発明と呼ぶ。

【００１９】また、上記の第１〜第３の発明のいずれか
の液晶光学素子において、硬化性材料が、付加重合性ウ
レタン化合物とともに他の付加重合性化合物を含むこと
を特徴とする液晶光学素子を提供する。これを第４の発
明と呼ぶ。

【００２０】また、上記の第１〜第４の発明のいずれか
の液晶光学素子において、外部信号に応じて液晶／樹脂
複合体を通る電界が変化せしめられ、非飽和の電界値に
よって中間調表示が行われることを特徴とする液晶光学
素子を提供する。これを第５の発明と呼ぶ。具体的に
は、対向する電極間に印加される駆動電圧を調整して中
脂調表示が行われる。また、上記のいずれかの液晶光学
素子において、液晶／樹脂複合体中の液晶相が連続相で
あることを特徴とする液晶光学素子を提供する。

【００２１】また、上記の第１〜第５の発明のいずれか
の液晶光学素子と、投射用光源と投射光学系とを組み合
わせたことを特徴とする投射型液晶表示装置を提供す
る。これを第６の発明と呼ぶ。

【００２２】また、一対の電極付基板間に、付加重合性
化合物からなる硬化性材料と液晶との混合物を挟持せし
め、次いで硬化性材料を重合硬化し、その混合物より樹
脂相を析出させて樹脂と液晶とを相分離させることによ
り、液晶相と樹脂相とを含む液晶／樹脂複合体を形成
し、電圧印加時又は非印加時に樹脂相の屈折率が液晶の
常光屈折率（ｎ_o ）、又は異常光屈折率（ｎ_e ）とほぼ
一致せしめてなる液晶光学素子の製造方法において、硬
化性材料が、側鎖を有する脂肪族イソシアネート化合物
を用いて得られた付加重合性ウレタン化合物を含むこと
を特徴とする液晶光学素子の製造方法を提供する。これ
を第７の発明と呼ぶ。

【００２３】また、第７の発明の液晶光学素子の製造方
法において、付加重合性ウレタン化合物が、側鎖を有す
る脂肪族イソシアネート化合物とポリエーテルポリオー
ルと水酸基含有アクリレートとの反応性生成物であるこ
とを特徴とする液晶光学素子の製造方法を提供する。こ
れを第８の発明と呼ぶ。

【００２４】また、第８の発明の液晶光学素子の製造方
法において、硬化性材料が付加重合性ウレタン化合物と
他の付加重合性化合物の混合物であることを特徴とする
液晶光学素子の製造方法を提供する。これを第９の発明
と呼ぶ。

【００２５】また、上記の第７〜９のいずれかの発明の
液晶光学素子の製造方法において、光を用いて重合硬化
を行うことを特徴とする液晶光学素子の製造方法を提供
する。

【００２６】本発明によれば上記の構成をとることによ
り、広範囲の温度条件下でヒステリシスに基づく焼付き
現象をさらに低減し、かつ高コントラスト比を有し、低
電圧で駆動できる液晶光学素子及び液晶表示素子が得ら
れる。

【００２７】本発明による液晶／樹脂複合体において
は、樹脂相を形成する高分子材料の構造について分子設
計を行う。そして液晶／樹脂複合体の微細構造を調整す
ることで、低温域における動作においても液晶光学素子
のＶ−Ｔカーブ上のヒステリシスを増加させることな
く、焼付きのない美しい動画表示ができる。

【００２８】すなわち、樹脂相を形成する高分子材料
が、側鎖を有する脂肪族イソシアネート化合物とを用い
た付加重合性ウレタン化合物の重合硬化物から形成され
る。これによって、投射型液晶表示装置に使用される際
の常温より低い低温域においても、樹脂相を形成する高
分子の自由体積が大きく変化せず、温度低下による樹脂
相と液晶界面での収縮応力を小さくでき、そのために、
低温域においても全体としてはランダムな液晶配列が維
持され、液晶表示素子のヒステリシス強度の増加を抑制
できる。

【００２９】本発明では、一対の電極付基板間に液晶／
樹脂複合体、具体的には液晶相中に樹脂相が形成され、
電圧印加時又は非印加時のいずれか一方でその樹脂相の
屈折率が使用する液晶の屈折率とほぼ一致し、他方で両
屈折率が一致しない液晶／樹脂複合体を用いる。樹脂相
は複雑な空間構造を備え、液晶セル内で液晶との界面を
３次元的に形成する。

【００３０】特に、正の誘電異方性を有するネマチック
液晶が樹脂相中に保持され、その樹脂相の屈折率ｎ_p が
使用する液晶のｎ_O とほぼ一致するようにされた液晶／
樹脂複合体を用いる。そして、液晶／樹脂複合体を、画
素電極毎に能動素子を設けたアクティブマトリックス基
板と、対向電極を設けた対向電極基板との間に挟持す
る。

【００３１】この電極付基板とは、ガラス、プラスチッ
ク、セラミック等の基板上に電極が形成されたものをい
う。通常この電極は、ＩＴＯ（Ｉｎ₂ Ｏ₃ −ＳｎＯ₂ ）
やＳｎＯ₂ 等の透明電極とされる。さらに必要に応じ
て、クロム、アルミニウム等の金属電極を併用してもよ
い。反射型で用いられる場合には、反射電極とされるこ
ともありうる。また、この一対の基板としては、アクテ
ィブマトリックス基板と対向電極基板との組み合わせも
ある。

【００３２】このアクティブマトリックス基板とは、基
板上に電極と、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、薄膜ダイ
オード、金属絶縁体金属非線形抵抗素子（ＭＩＭ）等の
能動素子とが形成された基板である。この各画素電極に
は夫々に１個乃至複数個の能動素子が接続されている。
また、この対向電極基板には、基板上に電極が形成さ
れ、アクティブマトリックス基板基板と組み合わせて、
表示が可能なようにされている。

【００３３】この一対の電極基板間に液晶／樹脂複合体
を挟持する。この液晶／樹脂複合体は、電圧の印加状態
により、液晶／樹脂複合体中の液晶の屈折率が変化す
る。その樹脂相の屈折率が、液晶の屈折率とほぼ一致し
た時に、光が透過し、一致しない時に光が散乱する。こ
れには、偏光板を用いていないので、明るい表示が容易
に得られる。

【００３４】この際、その樹脂相の屈折率が使用する液
晶のｎ_O とほぼ一致するように設けることにより、電圧
を印加した時に光を透過し、電圧を印加しない時に光が
散乱することになる。電圧印加時には、液晶分子が電界
方向に平行に配列するので、屈折率が制御しやすく、こ
の形式の表示素子は光の透過時に高い透過率が得られ
る。

【００３５】本発明の液晶光学素子は、主として人間が
表示を視認する液晶表示素子として用いられる。もっと
も、光のオンとオフのみを直接用いる調光窓や光シャッ
タとしても利用できる。この液晶表示素子としては、直
視型表示素子、投射型表示素子の両方で使用できる。直
視型表示素子として用いる場合、所望の表示特性に応じ
て、バックライト、レンズ、プリズム、ミラー、拡散
板、光吸収体、カラーフィルタなどを組み合わせて表示
装置を構成すればよい。

【００３６】本発明の液晶表示素子は、特に、投射型の
表示に適する。投射用光源、投射光学系などと組み合わ
せて、投射型液晶表示装置となしうる。投射用光源、投
射光学系は従来から公知の投射用光源、レンズ等の投射
光学系が使用でき、通常は上記液晶表示素子を投射用光
源と投射レンズとの間に配置して用いればよい。

【００３７】本発明の液晶光学素子では、一対の電極付
基板間に、透過−散乱型の動作モードを有する液晶／樹
脂複合体、例えば液晶と硬化性材料の硬化物とからなる
液晶／樹脂複合体を挟持する。樹脂相の部分に他の固化
性材料を固化せしめた固化物を用いてもよい。

【００３８】具体的には、本発明では、液晶光学素子と
して、樹脂相と液晶材料とが３次元的に相分離した構造
を有する液晶／樹脂複合体を形成する。そして、この液
晶／樹脂複合体を、一対の電極付基板間に挟持する。そ
の電極間への電圧の印加状態により、その液晶の屈折率
が変化し、樹脂相の屈折率ｎ_p と液晶の屈折率との関係
が変化する。これら両者の屈折率が一致した時には透過
状態となり、屈折率が異なった時には散乱状態となるよ
うな液晶表示素子が使用できる。

【００３９】この、相分離した樹脂と液晶の構造は３次
元的である。この３次元構造としては、細かな孔が多数
形成された樹脂相のその孔の部分に液晶を充填した構造
や、網目構造を形成した樹脂相に液晶が含侵したような
構造、又は、樹脂相中に液晶を内包したマイクロカプセ
ルが多数分散したような構造や、粒子状に相分離した液
晶相が３次元的に連結したような構造などが例示され
る。

【００４０】これらの３次元的相分離構造は、樹脂相を
介して６０〜１００％の液晶相が連続又は連通した連続
液晶相構造と、連続又は連通した液晶相が３０％以下で
ある独立液晶相を呈する相分離構造に大別される。粒子
状のもしくは分離したカプセル、すなわちディスクリー
トな液晶カプセルに液晶が相分離したような、内部連続
した液晶相が少ない相分離構造においては、散乱性を発
現する界面が液晶相と樹脂相との界面に限定される。そ
のような場合は、液晶／樹脂複合体としての散乱能を増
大させるには、分離する液晶カプセルの数を多くする必
要があるが、ある最適な平均粒子径を保った状態で、カ
プセルの密度を高くすることは、空間的な配置から考え
て限界がある。

【００４１】ディスクリートな液晶カプセル構造と、連
続相の形態中に液晶が存在するような構造とを比較する
と、散乱状態でのヘイズ値が高く（低い透過率）、かつ
高コントラスト比の液晶光学素子を得るためには、連続
液晶相を用いることが好ましい。連続液晶相の構造は樹
脂と液晶との界面だけではなく、液晶ドメインの界面に
おいても光を散乱せしめる。電界の影響下になく、ある
表面に接している液晶はランダムに配列したドメインと
いう形態で存在し、光の散乱に寄与することが知られて
いる。液晶／樹脂複合体中に連続相として液晶が存在す
る場合には、ディスクリートなカプセル形態として液晶
が存在するのではなく、連続体の液晶が複数の液晶ドメ
インに分割されて液晶が存在すると考えられる。

【００４２】本発明に用いる液晶／樹脂複合体は、従来
技術により次のようにして製造できる。液晶と、硬化性
材料または樹脂のいずれかの溶液又はラテックスを形成
する。次いで、溶液又はラテックスを、光硬化、熱硬
化、溶媒除去による硬化、反応硬化により樹脂相と液晶
とを相分離せしめるように硬化又は固化される。好まし
い技術は液晶をモノマーもしくはプレポリマーに溶解せ
しめて、その後で相分離を引き起こすように重合するこ
とである。ラテックスを用いることは好ましくない、何
故ならこの技術は、ある選択的な液晶の配列、すなわち
表示素子の面内に平行な液晶配列を誘起し、表示素子の
動作特性に好ましくない影響を与える可能性があるから
である。

【００４３】本発明では、この硬化性材料として、側鎖
を有する脂肪族イソシアネート化合物を用いた付加重合
性ウレタン化合物を用いる。さらに使用する硬化性材料
を、光硬化又は熱硬化タイプにすることにより、密閉系
内で硬化させうるため好ましい。特に、光硬化タイプの
硬化性材料を用いることにより、熱による影響を受けな
く、短時間で硬化させうるため好ましい。かつ、均一な
相分離構造を安定して形成できるため好ましい。

【００４４】具体的な製法としては、従来の通常のネマ
チック液晶と同様にシール材を用いてセルを形成し、注
入口から液晶と硬化性材料の混合物を注入し、注入口を
封止して後、混合物に光照射を行う。又は、加熱して硬
化させることもできる。加熱による硬化は、温度により
液晶と硬化性化合物との相溶性が変化してしまう可能性
があるため、光照射による硬化がより好ましい。

【００４５】また、本発明の液晶光学素子の場合には、
密閉セルを用いず、例えば、透明電極を設けた基板上
に、液晶と硬化性材料との混合物を供給し、その後、他
方の電極付基板を重ねて、光照射等により硬化させるこ
ともできる。その後、周辺にシール材を塗布して周辺を
シールしてもよい。この製法によれば、単に液晶と硬化
性材料の混合物をロールコート、スピンコート、印刷、
ディスペンサによる塗布等の供給をすればよいため、注
入工程が簡便であり、生産性がきわめてよい。

【００４６】また、これらの液晶と硬化性材料の混合物
には、基板間隙制御用のセラミック粒子、プラスチック
粒子、ガラス繊維等のスペーサ、顔料、色素、粘度調整
剤、その他本発明の性能に悪影響を与えない添加剤を添
加してもよい。この素子に、この硬化工程の際に特定の
部分のみに充分高い電圧を印加した状態で硬化させるこ
とにより、その部分を常に光透過状態にすることができ
るので、固定表示したいものがある場合には、そうした
常透過部分を形成してもよい。

【００４７】なお、この液晶／樹脂複合体を備えた液晶
光学素子の透過状態での透過率は高いほどよく、散乱状
態でのヘイズ値は８０％以上であることが好ましい。

【００４８】本発明では、電圧を印加している状態で、
樹脂相の屈折率が、使用する液晶のｎ_O と一致するよう
にされることが好ましい。これにより、樹脂相の屈折率
と液晶の屈折率とが一致した時に光が透過し、一致しな
い時に光が散乱（白濁）することになる。この液晶光学
素子の光散乱性は、従来のＤＳＭ−ＬＣＤの場合よりも
きわめて高く、高いコントラスト比の表示が得られる。

【００４９】本発明の最も大きな目的は、液晶／樹脂複
合体のヒステリシスに基づく焼付き現象を低減し、かつ
低い駆動電圧で高いコントラストを発現する液晶光学素
子を提供する。この液晶光学素子は、能動素子と組み合
わせることにより、明るく高コントラストを有する高密
度表示が得られる。従来の、液晶表示素子に比べてより
高い機能を発現できる。このほか、中間調の必要な他の
用途（窓、シャッタ、ディスプレイ、空間変調器など）
においても、その機能は有効に発揮できる。

【００５０】従来の液晶／樹脂複合体においては、電圧
−透過率特性にヒステリシスが存在しそれが階調表示を
する際の問題であった。ヒステリシスとは、電圧を上昇
する過程と電圧を降下させる過程において透過率が異な
る現象である。ヒステリシスが存在すると、階調性の画
面を表示する際に前画面の情報が残ってしまう、すなわ
ち、画像が焼付くという現象が生じ、これが画質を低下
させていた。

【００５１】液晶／樹脂複合体においてヒステリシスが
存在する原因の一つは、液晶／樹脂複合体が、液晶が樹
脂相中に分散保持されていたり、樹脂の介在により液晶
相に複数のドメインが形成されるといった構造による。
すなわち、分離して樹脂相中に存在する液晶同士の相互
作用や、液晶相中に形成された複数の液晶ドメイン間の
相互作用によってヒステリシスが存在すると考えられ
る。樹脂相と液晶相との間の相互作用の性質は電界が印
加された場合と、電界が存在していない場合とで異な
る。電界が印加されていない場合には、液晶と樹脂との
間の相互作用は境界に発生する表面張力によって制御さ
れる。電界が印加されると、相互作用は境界効果だけで
はなく、液晶の再配列によって引き起こされるエネルギ
ー、すなわち弾性エネルギーをも含むのである。

【００５２】このヒステリシスの大小は、分散保持され
る液晶中や、隣接する液晶ドメイン内に蓄えられる弾性
エネルギー、外から印加される電界による電気的エネル
ギーと、分離して樹脂相中に存在する液晶同士の相互作
用エネルギーや、液晶相中に形成された複数の液晶ドメ
イン間の相互作用エネルギーによって決定される。した
がって、このエネルギーバランスを最適化することによ
ってヒステリシスは低減でき、階調表示の際にも焼付き
のない優れた表示が得られる。

【００５３】本発明の目的は、高いコントラスト、高い
輝度、優れた応答性を有し、ヒステリシスを低減した液
晶光学素子を得ることである。さらには、低電圧動作の
能動素子や駆動回路で駆動できる液晶光学素子を得るこ
とである。

【００５４】樹脂相の果たす役割としては、液晶配列の
安定化、弾性的エネルギー蓄積、液晶／樹脂複合体全体
の構造安定性があり、これらの点を加味して、樹脂相の
材質は最適化される。

【００５５】これらのうち、電気光学特性上重要なの
は、弾性エネルギーの蓄積と液晶と樹脂相との相互作用
である、すなわち液晶と樹脂との境界における表面張力
である。中間調の表示において特に問題となる画像の焼
付きの一因である液晶／樹脂複合体の電圧−透過率特性
上のヒステリシスや、電圧変化時の応答性、透過率特性
の再現性などと密接に関連する。

【００５６】なかでも、液晶／樹脂複合体のヒステリシ
スの解消は精細な中間調表示には欠かせないものであ
り、重要な要件として挙げられる。また、樹脂相は、個
々の液晶粒子、又は液晶ドメインの安定性や、液晶／樹
脂複合体全体としての構造安定性とも関連するため、液
晶との表面張力や樹脂相の弾性率などをも考慮して樹脂
相の材質を決定することが求められる。

【００５７】本発明の目的は、動作温度が実質的に低い
条件のもとであっても、高いコントラスト比、高い輝
度、優れた応答性を有し、ヒステリシスを低減した液晶
光学素子を得ることである。さらには、従来のＴＮ−Ｌ
ＣＤ用の能動素子や駆動回路で駆動できる液晶光学素子
を得ることである。

【００５８】樹脂相の果たす役割としては、液晶配列の
安定化、弾性的エネルギー蓄積、液晶／樹脂複合体全体
の構造安定性、液晶との表面張力などがあり、これらの
点を加味して、樹脂相の材質は最適化される。

【００５９】これらのうち、電気光学的特性上重要なの
は、弾性エネルギーの蓄積と液晶との表面張力である。
中間調の表示において特に問題となる画像の焼付きの原
因の一つである液晶／樹脂複合体の電圧−透過率特性上
のヒステリシスや、電圧変化時の応答性、透過率特性の
再現性などと密接に関連する。

【００６０】上記の意味において、本発明では樹脂相と
なる硬化性材料として、側鎖を有する脂肪族イソシアネ
ート化合物、すなわち、分子内に芳香環又は飽和環を含
まずかつ分子内に３級又は４級炭素を１つ以上含む単官
能又は多官能のイソシアネートを用いて得られた付加重
合性ウレタン化合物を含むことを必須とする。

【００６１】側鎖を有する脂肪族イソシアネート化合物
を用いて得られた付加重合性ウレタン化合物を含む硬化
性材料の硬化物を樹脂相として用いた場合、中間調表
示、動画表示に適した光学特性を得るための条件である
マトリックスの弾性的性質、液晶との表面張力における
好ましいバランスが得られる。

【００６２】また、高分子鎖の自由体積は樹脂相の弾性
率、液晶との表面張力を変化させるため重要な因子であ
る。上述した従来例４は、樹脂相の弾性率の低減がヒス
テリシスの低減に有効であると開示している。また、従
来例１は、液晶との表面張力を制御するために、液晶に
対して適度な極性を持つウレタン結合を有するオリゴマ
ーを樹脂相の一部に含むことが好ましいと開示してい
る。

【００６３】ヒステリシスの小さい中間調表示に適した
液晶／樹脂複合体を得るためには、樹脂相は分子鎖の自
由体積を低減し弾性率を増加させる芳香環を含まないこ
とが好ましい。飽和炭化水素環は含まれていてもよい
が、多すぎると芳香環と同様に物性を低下させるおそれ
がある。

【００６４】一方、側鎖を有さず、枝分かれ構造を全く
含まない、完全に直鎖のイソシアネート化合物のみを用
いて得られる付加重合性ウレタン化合物の重合硬化物
は、結晶性が高く、樹脂と液晶との間の表面張力を制御
することが難しい。そのため樹脂材料と液晶材料とが３
次元的に相分離した構造を有する液晶／樹脂複合体とし
ては、高いコントラストと小さいヒステリシスを両立す
ることが困難となる。

【００６５】そこで、構造体としてのポリマーの自由体
積を低減することなく、かつポリマーの結晶性を低下さ
せることができるよう、液晶／樹脂複合体は、側鎖を有
する脂肪族イソシアネート化合物を用いた付加重合性ウ
レタン化合物を用いて得られる樹脂相より構成されるこ
とが好ましい。

【００６６】本発明においては、イソシアネート化合物
として側鎖を有する脂肪族イソシアネート化合物のみを
用いるか、又はそれと直鎖状脂肪族イソシアネートや脂
環族イソシアネート化合物を用いる。側鎖を有するイソ
シアネート化合物は全イソシアネート化合物に対して約
１０％以上用いることが好ましい。特に、５０モル％以
上用いることが好ましい。

【００６７】側鎖を有する脂肪族イソシアネート化合物
の側鎖としては、アルキル基はもちろん、アルキルオキ
シカルボニル基やイソシアネートアルキルオキシカルボ
ニル基等のエステル結合を有する側鎖でもよい。その他
エーテル結合やカーボネート結合などを有する側鎖でも
よい。このイソシアネート化合物としてはジイソシアネ
ート化合物が好ましいが、モノイソシアネート化合物や
３官能以上のポリイソシアネート化合物でもよい。

【００６８】具体的な側鎖を有するイソシアネート化合
物としては、下記のような化合物がある。２，２，４−
トリメチル−１，６−ジイソシアネートヘキサン、２，
４，４−トリメチル−１，６−ジイソシアネートヘキサ
ン、１，５−ジイソシアネート−２−メチルペンタン、
リジンジイソシアネート、１，８−ジイソシアネート−
４−イソシアネートメチルオクタン、リジンエステルト
リイソシアネート。特に好ましいイソシアネート化合物
は、２，２，４−トリメチル−１，６−ジイソシアネー
トヘキサン、２，４，４−トリメチル−１，６−ジイソ
シアネートヘキサン、及びそれらの混合物である。これ
ら二つの化合物の重量比約１：１の混合物は市販されて
おり、この市販品を使用できる。

【００６９】前記したように、上記イソシアネート化合
物は他のイソシアネート化合物と併用できる。併用でき
るイソシアネート化合物としては、直鎖状脂肪族イソシ
アネート化合物や脂環族イソシアネート化合物が好まし
い。場合によっては、少量の無黄変性芳香族イソシアネ
ート化合物を使用できる。これらはジイソシアネート化
合物であることが好ましい。

【００７０】上記他のイソシアネート化合物としては、
具体的には例えば以下のような化合物がある。ヘキサメ
チレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネー
ト、４，４−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネー
ト、ビスイソシアネートメチルシクロヘキサン、キシリ
レンジイソシアネート、テトラメチルキシリレンジイソ
シアネート、１，３，６−ヘキサメチレントリイソシア
ネート。

【００７１】付加重合性ウレタン化合物は、上記イソシ
アネート化合物とポリオールと反応性基を有する付加重
合性化合物とを反応させて得られる化合物であることが
好ましい。しかし、これに限られず、例えば、付加重合
性基を有するポリオールやモノオールと上記イソシアネ
ート化合物を反応させて得られる化合物等であってもよ
い。反応性基を有する付加重合性化合物としては、水酸
基等のイソシアネート基と反応性の基が好ましい。

【００７２】反応性基を有する付加重合性化合物におけ
る付加重合性基としては、アクリロイル基、メタクリロ
イル基、ビニル基、アリル基、マレイン酸残基、エポキ
シ基、チオール基等がある。紫外線等の光で付加重合さ
せるためには、アクリロイル基が最も好ましい。熱硬化
タイプの化合物を用いる場合は他の付加重合性基であっ
てもよい。本発明においては光硬化性タイプが好ましい
ので、以下付加重合性基としてアクリロイル基を採用す
る場合について説明する。

【００７３】ポリオールとしてはポリエーテルポリオー
ル、ポリエステルポリオール、ポリカーボネートポリオ
ール、ポリブタジエンポリオールなどのポリオールを使
用できる。ジメチルポリシロキサン鎖などのジオルガノ
ポリシロキサン鎖を有するシリコーン系ポリオール、そ
の他のポリオールをも使用できる。好ましくはポリエー
テルポリオールやポリエステルポリオールが使用され
る。特に比較的低い弾性率の樹脂相を形成できるポリオ
ールの使用が好ましく、このようなポリオールとしては
側鎖含有連鎖を有するポリオールがある。

【００７４】ポリオールとしては、比較的高分子量のポ
リエーテルポリオールが好ましい。例えば、ポリプロピ
レングリコール、ポリブチレングリコール、ポリエチレ
ングリコール、ポリ（オキシプロピレン・オキシエチレ
ン）グリコール、ポリオキシテトラメチレングリコー
ル、３官能以上のポリオキシプロピレンポリオール、３
官能以上のポリ（オキシプロピレン・オキシエチレン）
ポリオール、等がある。特に、ポリプロピレングリコー
ルなどのオキシプロピレン基を繰り返し単位として含む
ポリエーテルポリオールが好ましい。オキシプロピレン
基を有するポリエーテルポリオールは側鎖含有連鎖を有
するポリオールの１種である。

【００７５】反応性基を有する付加重合性化合物として
は、前記のように水酸基とアクリロイル基を有する化合
物が好ましい。最も好ましくは、水酸基含有アクリレー
ト類である。例えば、２−ヒドロキシエチルアクリレー
ト、２−ヒドロキシプロピルアクリレート等の２価アル
コールとアクリル酸のモノエステルが好ましい。

【００７６】また、グリセリンモノアクリレートやペン
タエリスリトールモノアクリレート等の２以上の水酸基
を有するアクリレート、グリセリンジアクリレートやペ
ンタエリスリトールジアクリレートなどの水酸基を有す
る多官能アクリレートなども使用できる。さらには、ジ
プロピレングリコール、トリプロピレングリコール、ジ
グリセリンなどの繰り返し単位を有するポリオールの部
分アクリル酸エステル等も使用できる。

【００７７】本発明における付加重合性ウレタン化合物
は、前記イソシアネート化合物、ポリオール、及び水酸
基含有アクリレートの反応生成物が好ましい。これら３
種の原料化合物は各々２種以上を併用することもでき
る。反応割合は、少なくとも１個のアクリロイル基を有
する付加重合性ウレタン化合物（以下、アクリルウレタ
ン化合物ともいう）が得られるかぎり特に限定されな
い。通常はポリオールと水酸基含有アクリレートの合計
当量に対して等当量のイソシアネート化合物を用いる。
イソシアネート化合物に対するポリオールの当量数が１
に近い場合、高分子量の生成物が生じやすく、生成物の
粘度が高くなりやすい。

【００７８】好ましくは、ｎ個の水酸基を有するポリオ
ール１モルに対してｎモルのイソシアネート化合物を用
いる。また、残りのイソシアネート基に対して等当量の
水酸基となる割合で水酸基含有アクリレートを用いる。
例えばポリエーテルジオール１モルに対し、２モルのジ
イソシアネート化合物と２モルの２−ヒドロキシエチル
アクリレートを用いる。

【００７９】イソシアネート化合物、ポリオール、及び
水酸基含有アクリレートは３者同時に反応させてもよ
く、イソシアネート化合物とポリオール又は水酸基含有
アクリレートとを予め反応させてイソシアネート基を有
する反応物を製造し、これに残りの化合物を反応させて
もよい。例えば、イソシアネート化合物とポリオールを
反応させてイソシアネート基含有プレポリマーを製造
し、これに水酸基含有アクリレートを反応させてアクリ
ルウレタン化合物を製造できる。

【００８０】得られたアクリルウレタン化合物は通常２
以上のアクリロイル基を有するアクリルウレタン化合
物、すなわち多官能アクリルウレタン化合物である。し
かし、水酸基含有アクリレートの一部を飽和アルコール
に代えて反応させることにより単官能アクリルウレタン
化合物を製造できる。

【００８１】また、ポリオールの代わりに比較的高分子
量のモノオール（例えばポリエーテルモノオール）を用
いて、イソシアネート化合物と水酸基含有アクリレート
と反応させて単官能アクリルウレタン化合物を製造する
こともできる。上記した本発明におけるこのアクリルウ
レタン化合物の分子量は５００〜５００００が好まし
い。

【００８２】上記本発明における特定のアクリルウレタ
ン化合物の例を化学式で示す。しかし、特定のアクリル
ウレタン化合物はこれらに限定されない。特に好ましい
ものは式（３）で表される化合物（ただし、ｍは１）で
ある。

【００８３】

【化１】 A-R⁵-O-[CONH-R¹-NHCO-O-(R³-O)_n]_m-H ……(1) A-R⁵-O-[CONH-R¹-NHCO-O-(R³-O)_n]_m-CONH-R¹-NCO ……(2) A-R⁵-O-[CONH-R¹-NHCO-O-(R³-O)_n]_m-CONH-R¹-NHCO-O-R⁶-A ……(3) A-R⁵-O-[CONH-R¹-NHCO-O-(R³-O)_n]_m-R⁶-A ……(4) A-R⁵-O-[CONH-R¹-NHCO-O-(R³-O)_n]_m-[CONH-R²-NHCO-O-(R⁴-O)_p]_q- -CONH-R²-NHCO-O-R⁶-A ……(5) 式（１）〜（５）にてＡ、Ｒ¹ 〜Ｒ⁷ 、ｍ、ｎ、ｐ、ｑ
は下記のものを示す。 Ａ ：アクリロキシ基。 Ｒ¹ ：側鎖を有する脂肪族ジイソシアネート化合物から
イソシアネート基を除いた残基。 Ｒ² ：側鎖を有する脂肪族ジイソシアネート化合物以外
のジイソシアネート化合物からイソシアネート基を除い
た残基。 Ｒ³ 、Ｒ⁴ ：それぞれ独立に炭素数２〜４のアルキレン
基。 Ｒ⁵ 、Ｒ⁶ ：炭素数２〜８のアルキル基。 ｍ ：１以上の整数（ただし、式（２）、（３）におい
てはｍは０であってもよい。） ｎ、ｐ：２以上の整数。 ｑ ：０以上の整数。

【００８４】本発明において、アクリルウレタン化合物
を含む硬化性材料としては、アクリルウレタン化合物と
他の付加重合性化合物の混合物であってもよい。他の付
加重合性化合物としてはウレタン結合を含まない各種ア
クリレート類、側鎖を有する脂肪族イソシアネート化合
物以外のイソシアネート化合物を用いて得られるアクリ
ルウレタン化合物などがある。後者のアクリルウレタン
化合物としては、イソシアネート化合物の相違以外は前
記と同様の原料を用いて得られるアクリルウレタン化合
物がある。

【００８５】イソシアネート化合物としては、前記した
ような側鎖を有しない脂肪族イソシアネート化合物や脂
環式イソシアネート化合物が好ましい。このようなアク
リルウレタン化合物を用いる場合は、その量は前記本発
明における特定のアクリルウレタン化合物との合計重量
に対して２／３以下、特に１／２以下であることが好ま
しい。

【００８６】ウレタン結合を有しない各種アクリレート
類としては、アルキルアクリレート、水酸基含有アクリ
レート、多価アルコールのアクリル酸エステル（水酸基
を有しないもの）、比較的高分子量のアクリレートなど
が使用できる。これらは単官能でも多官能でもよい。官
能基数は１〜１０、特に１〜６が好ましい。

【００８７】アルキルアクリレートとしては、エチルア
クリレート、イソプロピルアクリレート、２−エチルヘ
キシルアクリレートなどのアルキル基の炭素数が２０以
下のアルキルアクリレートが好ましい。水酸基含有アク
リレートとしては、前記アクリルウレタン化合物の原料
として挙げたような水酸基含有アクリレートを使用でき
る。

【００８８】多価アルコールのアクリル酸エステルとし
ては、エチレングリコールジアクリレート、ジプロピレ
ングリコールジアクリレートなどがある。比較的高分子
量のアクリレートとしては、前記比較的高分子量のポリ
オールとアクリル酸のエステルなどを使用できる。これ
ら、各種アクリレート類は２種以上を使用できる。

【００８９】上記のようなアクリルウレタン化合物や各
種アクリレート類としては特に好ましいものは、前記特
定のアクリルウレタン化合物と同程度の分子量を有する
比較的高分子量のアクリルウレタン化合物、アルキルア
クリレート、及びヒドロキシアルキルアクリレートであ
る。

【００９０】上記したアクリルウレタン化合物やウレタ
ン化合物を有しないアクリレート類以外に、さらに他の
付加重合性化合物を硬化性材料の成分として使用でき
る。例えば、アクリル酸、アクリルアミド、その他のア
クリロキシ基を有する化合物、メタアクリレート類等の
メタクリロキシ基を有する化合物、ビニルエステル類や
スチレン類などのビニル化合物、不飽和ポリエステル類
などがある。しかし、アクリロキシ基を有する化合物以
外は光重合性は良好ではないので、本発明における硬化
性材料の付加重合性化合物としては、アクリルウレタン
化合物、アクリレート類などのアクリロキシ基を有する
化合物が好ましい。

【００９１】本発明における硬化性材料中の付加重合性
化合物としては、前記特定のアクリルウレタン化合物の
みからなっていてもよいが、好ましくは上記他の付加重
合性化合物、特に他のアクリルウレタン化合物やアクリ
レート類を含む。特に特定のアクリルウレタン化合物に
比較して低分子量のアクリレート類を併用することが、
液晶に対する相溶性の制御、硬化後の相分離構造の均一
性向上、相分離した液晶相分率の制御などの面で好まし
い。両者の分子量の差は１．５倍以上であることが好ま
しい。

【００９２】また、相溶性制御をより細かく行うために
低分子量のアクリレート類として水酸基含有アクリレー
トを使用するか、水酸基含有アクリレートと水酸基を含
まないアクリレートを併用することが好ましい。また、
特定のアクリルウレタン化合物の一部を比較的高分子量
の他のアクリルウレタン化合物を併用することも好まし
い。特に、ヒドロキシアルキルアクリレートを使用する
か、ヒドロキシアルキルアクリレートとアルキルアクリ
レートを併用することが好ましい。

【００９３】硬化性材料中の全付加重合性化合物に対す
る特定のアクリルウレタン化合物の量は１０重量％以
上、特に２０〜８０重量％が好ましい。特定のアクリル
ウレタン化合物以外のアクリルウレタン化合物を併用す
る場合は、その量は特定のアクリルウレタン化合物に対
して２倍重量以下、特に等重量以下が好ましい。水酸基
含有アクリレートや水酸基不含アクリレート類など比較
的低分子量のアクリレート類は、前記のように特定のア
クリルウレタン化合物と併用することが好ましく、全付
加重合性化合物に対して１０重量％以上、特に２０〜８
０重量％使用することが好ましい。

【００９４】硬化性材料中には付加重合性化合物と液晶
以外に他の配合物を配合できる。特に付加重合性化合物
を重合硬化させるための重合開始剤が通常配合される。
重合開始剤としては特に光による重合硬化を行わしめる
光重合開始剤が好ましい。さらに、粘度調節剤、アルミ
ナ粒子やガラス繊維などのスペーサ、その他の配合剤を
配合することもできる。

【００９５】硬化性材料に配合する液晶には、ネマチッ
ク液晶又はスメチック液晶が使用でき、ネマチック液晶
の使用が好ましい。また、その一部にコレステリック液
晶を添加したり、二色性色素や単なる色素を添加したり
してもよい。液晶を含む硬化性材料との混合物全体に対
する液晶の割合は３５〜９０重量％、特に６０〜８０重
量％が好ましい。この液晶と硬化物との相対比について
はさらに後述する。

【００９６】液晶の屈折率異方性Δｎは、電界非印加状
態での散乱性を高めて高コントラスト比を得るために
は、０．１８≦Δｎとされ、特に好ましくは０．２０≦
Δｎとされる。

【００９７】本発明では、電圧印加時に液晶と樹脂相の
屈折率が一致するようにすることにより、透過時の透過
率が高くなるので好ましい。このため、正の誘電異方性
のネマチック液晶を使用し、液晶のｎ_O が樹脂相の屈折
率ｎ_p とほぼ一致するようすることが好ましい。このと
き、電圧印加時に高い透明性が得られる。具体的にはｎ
_o −０．０３＜ｎ_p ＜ｎ_o ＋０．０５の関係を満たすこ
とが好ましい。

【００９８】本発明においては、液晶は硬化性材料に均
一に溶解することが好ましい。そして、硬化性材料の重
合の硬化物は溶解しない、又は溶解困難なものとされ
る。液晶の組成物を用いる場合は、個々の液晶の溶解度
ができるだけ近いものが好ましい。

【００９９】液晶を含む硬化性材料の重合硬化は光、特
に紫外線、で行うことが好ましい。熱硬化などの他の重
合硬化方法に比較して、光硬化方法は液晶に対する悪影
響が少なく、かつ迅速な硬化が可能で、相分離性も良好
である。

【０１００】硬化性材料の光硬化においては、硬化時に
不要となる単なる溶媒や水を蒸発させる必要がない。こ
のため、密閉系で硬化できるため、従来のセルへの注入
という製造法がそのまま採用でき、信頼性が高くなる。
さらに、光硬化性材料の硬化で二枚の基板を接着する効
果も有するため、より信頼性が高くなる。

【０１０１】本発明では、このように液晶樹脂／複合体
とすることにより、上下の透明電極が短絡する危険性が
低くなる。さらに、通常のＴＮ型の表示素子のように配
向や基板間隙を厳密に制御する必要もなく、透過状態と
散乱状態とを制御しうる液晶光学素子をきわめて生産性
よく製造できる。

【０１０２】具体的な製造方法としては、上記硬化性材
料を液晶と均一に溶解させ、硬化性材料の硬化により液
晶と樹脂相の相分離構造を形成させる手法等が挙げられ
る。この際、他の硬化性化合物や反応開始剤等を適宜混
合することにより硬化前後の系の相溶性のバランスと樹
脂相の特性を制御できる。

【０１０３】樹脂相と液晶とが３次元的に相分離した液
晶／樹脂複合体の構造としては、連続の液晶相中に３次
元網目構造を有する樹脂相を相分離させたような構造が
好ましい。これは、高い散乱能と低電圧で駆動した際の
高い透過性を両立させるために有効である。散乱は液晶
ドメイン間の界面、及び、液晶と樹脂相の間の境界にお
ける界面の存在により引き起こされる。このため、液晶
と樹脂相との間の界面の面積を増加させること、及び液
晶相中に存在する液晶ドメインの数を増やすことで散乱
性は向上する。

【０１０４】液晶ドメインのある最適な平均的サイズを
維持しつつ、散乱性を発現するこれらの液晶ドメインの
界面の面積を増大させるためには、相分離時、すなわち
重合時に分離した液晶相になるべく、分離する液晶量を
多くし、かつ、内部連通又は連続した液晶相中に多数の
液晶ドメインを発生させるような樹脂相の形状を形成す
ることが重要である。

【０１０５】したがって、液晶／樹脂複合体として高い
散乱能を発現させるためには、相分離した樹脂の３次元
網目構造が、連続液晶相中に多数の液晶ドメインを誘起
させ、液晶ドメイン間の界面を増大させるような形態を
とることが好ましい。

【０１０６】また、駆動電圧を低くするためには、樹脂
中に保持される夫々の液晶がほぼ等しい駆動電界を持つ
ことが重要である。このためには、液晶ドメイン間の界
面が駆動電界除去後においても一定している方が有利で
ある。この界面が一定していないと実質的な駆動電界の
分散につながり、コントラスト比の低下と駆動電圧の上
昇を生じる傾向を生む。このため、連続又は連通した液
晶相を保持する樹脂相が液晶相中の複数の液晶ドメイン
間の界面を一定させるような形態を形成するように、分
子構造に由来する樹脂相の極性や相分離時の分離速度等
を調節すればよい。

【０１０７】上記の説明では、単独の液晶光学素子を用
いた単板方式の場合を説明している。投射型液晶表示装
置等に用いるように、例えば三個の液晶表示素子を用
い、ＲＧＢ三色の光を各液晶表示素子に分けて透過させ
る場合には、各色毎に液晶ドメインの平均的サイズ、基
板間隙、液晶の屈折率等を調整して、各色毎にその特性
を揃えておくことが好ましい。

【０１０８】また、無電界時の散乱性を向上させるに
は、液晶／樹脂複合体の動作可能な液晶の体積分率Φを
増加させることが有効である。具体的には、高い散乱性
を有するにはΦ＞３５％が好ましく、さらにはΦ＞４５
％が好ましい。一方、Φがあまり大きくなると、液晶／
樹脂複合体の構造安定性が悪くなるため、Φ＜９０％が
好ましい。最密充填構造に近い完全連通状態とするには
硬化性材料との組み合わせにもよるが未硬化時の液晶と
硬化性材料とからなる混合物の液晶含有量を６０〜８０
重量％程度とすればよい。

【０１０９】本発明の液晶表示素子は、その樹脂相の屈
折率が使用する液晶のｎ_o とほぼ一致するようにするこ
とが好ましい。この場合、電圧が印加されていない場合
は、配列方向が異なる液晶ドメイン間の界面及び、液晶
相と樹脂相との界面でそれぞれの屈折率の差により、散
乱状態（つまり白濁状態）を示す。このため、電極のな
い部分は光が散乱される。

【０１１０】この液晶表示素子を投射型液晶表示装置と
して用いる場合には、画素部分以外の部分は光が散乱さ
れるので、遮光膜を設けなくても、光が投射スクリーン
に到達しないため、表示としては黒く視認される。この
ことにより、画素電極以外の部分からの光の漏れを防止
するために、画素電極とＴＦＴ以外の部分を遮光膜等で
遮光するとさらに画素間の黒状態がはっきりする。

【０１１１】本発明の液晶光学素子に所望の画素に電界
を印加する。この電界を印加された画素部分では、液晶
が配列し、液晶のｎ_o と樹脂相の屈折率であるｎ_p とが
ほぼ一致せしめられる。これにより透過状態を示し、当
該所望の画素で光が透過することとなり、投射スクリー
ンに明るく表示される。

【０１１２】この素子に、この硬化工程の際に特定の部
分のみに充分に高い電圧を印加した状態で硬化させるこ
とにより、その部分を常に光透過状態とすることができ
る。固定表示したいものがある場合には、そうした常透
過部分を形成してもよい。

【０１１３】また、本発明の液晶表示素子は、カラーフ
ィルタを設けることによりカラー表示を行いうる。この
カラーフィルタは、一個の液晶表示素子に三色設けても
よく、一個の液晶表示素子に一色設けてもこれを三個組
み合わせてもよい。このカラーフィルタは、基板の電極
面側に設けてもよく、外側に設けてもよい。

【０１１４】また、液晶／樹脂複合体中に染料、顔料等
を混入しておくことにより、カラー表示を行うようにし
てもよい。

【０１１５】図１は、本発明の例の断面図であり、アク
ティブマトリックス基板を使用した液晶光学素子の例の
断面図である。図１において、１は液晶光学素子、２は
アクティブマトリックス基板用のガラス、プラスチック
等の基板、３はＩＴＯ（Ｉｎ₂ Ｏ₃ −ＳｎＯ₂ )、ＳｎＯ
₂ 等の画素電極、４はトランジスタ、ダイオード、非線
形抵抗素子等の能動素子、５は対向電極基板用のガラ
ス、プラスチック等の基板、６はＩＴＯ、ＳｎＯ₂ 等の
対向電極、７は両基板間に挟持された液晶／樹脂複合体
を示す。

【０１１６】図２は、図１の液晶光学素子を用いた投射
型液晶表示装置の模式図である。図２において、１１は
光源系、１２は液晶光学素子、１８は第２の絞り、１９
は投射レンズ等の投射光学系、１４は投射する投射スク
リーンを示す。

【０１１７】能動素子としてＴＦＴ等の三端子素子を使
用する場合、対向電極基板は全画素共通のベタ電極を設
ければよい。ＭＩＭ素子、ＰＩＮダイオード等の二端子
素子を用いる場合には、対向電極基板はストライプ状の
パターニングをされる。

【０１１８】能動素子として、ＴＦＴを用いる場合に
は、半導体材料としてはシリコンが好適である。特に多
結晶シリコンは、非結晶シリコンに比して感光性が相対
的に低いため誤動作の可能性も低くなり好ましい。この
多結晶シリコンは、本発明のように投射型液晶表示装置
として用いる場合、さらに強い投射用光源を利用できる
のできわめて明るい表示が得られる。

【０１１９】この場合、樹脂相の屈折率が使用する液晶
のｎ_O とほぼ一致するようにされた液晶／樹脂複合体を
使用することが好ましい。これにより、原理的には電界
を印加しない部分では光が散乱して投射された投射スク
リーン上では黒くなる。一方、能動素子として多結晶シ
リコンを用いる場合、能動素子部分に与える光の影響が
低減されるので好ましい。さらに、能動素子の部分のみ
に遮光膜を設けることもできる。

【０１２０】なお、非結晶シリコンを用いても、その半
導体部分に遮光膜を形成すれば、使用できる。また、電
極は通常は透明電極とされるが、反射型の液晶表示装置
として使用する場合には、クロム、アルミニウム等の反
射電極としてもよい。

【０１２１】また、従来のＴＮ−ＬＣＤの場合には、画
素間からの光の漏れを抑止するために、画素間に遮光膜
を形成することが多い。これと同様に、本発明の液晶光
学素子においても画素間間隙に遮光膜を形成し、さらに
能動素子部分に遮光膜を設けてもよい。

【０１２２】本発明の液晶光学素子は、このほか赤外線
カットフィルタ、紫外線カットフィルタ等を積層した
り、文字、図形等を印刷したりしてもよく、複数枚の液
晶光学素子を用いたりするようにしてもよい。

【０１２３】さらに、本発明では、この液晶光学素子の
外側にガラス板、プラスチック板等の保護板を積層して
もよい。これにより、その表面を加圧しても、破損する
危険性が低くなり、安全性が向上する。

【０１２４】投射用光源、投射光学系、投射スクリーン
等は従来からの投射用光源、投射光学系、投射スクリー
ンが使用でき、投射用光源と投射光学系との間に本発明
の液晶表示素子を配置すればよい。複数の液晶表示素子
の像を光学系を用いて合成して表示するようにしてもよ
い。また、これに冷却系を付加したり、ＬＥＤ等のチャ
ンネル表示等を付加したりしてもよい。

【０１２５】特に、この投射型の表示をする場合、光路
上に拡散光を減ずる装置、例えば、図２の１５で示され
るようなアパーチャやスポットを設置することにより、
表示コントラストをさらに大きくすることができる。

【０１２６】すなわち、拡散光を減ずる装置とは、液晶
光学素子を通過した光のうち、入射光に対して直進する
光（画素部分が透過状態の部分を透過する光）を取り出
し、直進しない光（液晶／樹脂複合体が散乱状態の部分
で散乱される光）を減ずるものであればよい。特に、直
進する光は減ずることなく、直進しない光は拡散光を減
ずることが好ましい。

【０１２７】具体的には、図２のブロック図に示す投射
型液晶表示装置のように、光源系１１（光源、楕円鏡、
凸錐体レンズ１３、第１の絞り１７）、液晶表示素子１
２、第１のレンズ１５（平行光化レンズ）、第２のレン
ズ１６、投射光学系（第２の絞り１８、投射レンズ１
９）とを備える。光源系１１からは指向性のよい光源光
束が出射される。

【０１２８】この例によれば、投射用光源系から出射し
液晶表示素子１２を通過した光のうち、入射光に対して
直進する光は第２のレンズ１６により集光され、第２の
絞り１８及び投射レンズ１９を通過して投射される。一
方、液晶表示素子１２で散乱させられた直進しない光
は、集光レンズ１６により集光されても、アパーチャや
スポットなどで構成される第２の絞り１８を通過しな
い。このため、散乱光が投射されないことになり、コン
トラスト比が向上する。

【０１２９】また、他の例としては、アパーチャやスポ
ットの代りに、小さな面積を有する鏡を同じ位置に斜め
に配置し、反射させてその光軸上に配置された投射レン
ズを通して投射させることもできる。また、このような
集光レンズを用いることなく、投射レンズにより光線が
絞られる位置にスポット、鏡等を設置してもよい。ま
た、特別なアパーチャ等を用いなくとも、投射用レンズ
の焦点距離、口径を、散乱光が除去されるように選択し
てもよい。

【０１３０】また、マイクロレンズ系なども使用でき
る。具体的には、液晶表示素子の投射光学系側にマイク
ロレンズアレイと細かな穴がアレイ化されたスポットア
レイを配置して、不要な散乱光を除去できる。この場
合、散乱光除去に必要な光路長を非常に短くできるた
め、全体の投射型表示装置をコンパクトにできるという
利点を持つ。光路長の短縮に関しては、投射光学系の中
に散乱除去系を組み込むことも有効である。この場合、
独立に投射光学系と散乱除去系を設置するより光学系が
シンプルになるとともに、サイズを小さく抑えることが
できる。

【０１３１】これらの光学系は、ミラー、ダイクロイッ
クミラー、プリズム、ダイクロイックプリズム、レンズ
などと組合せ、画像の合成、カラー化ができる。また、
カラーフィルタと組み合わせることによっても画像のカ
ラー化ができる。

【０１３２】投射スクリーン上に到達する直進成分と散
乱成分との比は、スポット、鏡等の径及びレンズの焦点
距離により制御可能で、所望の表示コントラスト、表示
輝度を得られるように設定すればよい。

【０１３３】図２のような拡散光を減ずる装置を用いる
場合、表示の輝度を上げるためには、投射用光源から液
晶表示素子に入射される光はより平行であることが好ま
しい。そのためには、高輝度でかつできるだけ点光源に
近い光源と、凹面鏡、コンデンサーレンズ等を組み合わ
せて投射用光源を構成することが好ましい。

【０１３４】また、上記の説明では、主として透過型の
液晶表示素子で説明したが、反射型の構成を有する投射
型液晶表示装置であってもよい。例えば、スポットの代
わりに小型の鏡を配置して必要な光のみを取り出すよう
にすることができる。

【０１３５】

【実施例】

（実施例１）２，２，４−トリメチル−１，６−ジイソ
シアネートヘキサンと２，４，４−トリメチル−１，６
−ジイソシアネートヘキサンの等重量混合物（以下、Ｔ
ＭＤＩという）、分子量１０００のポリプロピレングリ
コール（以下、ＰＰＧという）、及び２−ヒドロキシエ
チルアクリレート（以下、ＨＥＡという）をモル比２：
１：２で反応させてアクリルウレタン化合物を製造し
た。以下、このアクリルウレタン化合物をアクリルウレ
タン（Ａ）という。

【０１３６】アクリルウレタン（Ａ）、２−エチルヘキ
シルアクリレート（以下、ＥＨＡという）、及びＨＥＡ
の重量比２０：７：１３の混合物に、正の誘電異方性の
ネマチック液晶（Δｎ＝０．２２、Δε＝１２、Ｋ３３
＝１３×１０^-12 Ｎ、η＝２５ｃＳｔ）と少量の光重合
開始剤を混合し、液晶含有率６５重量％の均一な組成物
を製造した。

【０１３７】一方、多結晶シリコンＴＦＴが画素毎に形
成されたアクティブマトリックス基板と、全面ベタ電極
が形成された対向電極基板とを、周辺部に配置したシー
ル材でシールして、電極基板間隙１０μｍのセルを形成
した。

【０１３８】このセルに、前記の未硬化の組成物を注入
した後、紫外線露光により硬化させ、液晶／樹脂複合体
の層を形成した。この液晶／樹脂複合体層を有する液晶
光学素子と駆動回路とを組み合わせて液晶表示素子と
し、さらに投射光源、投射光学系を組み合わせて投射型
液晶表示装置とし、室温１５℃の部屋で、投射光源より
７０万ルックスの光束を液晶表示素子に照射し、スクリ
ーン上に画像の投影を行なったところ、スクリーン上の
コントラスト比は１１０であった。このときの液晶光学
素子の温度を測定したところ平均的温度は２４℃であっ
た。

【０１３９】この液晶光学素子をビデオ信号で駆動した
ところ、画像の切り替え時にも焼付きのほとんどない動
画像が得られた。また、この液晶光学素子を７Ｖで駆動
したときの画素部の透過率は７３％であった。なお、投
射光学系の集光角は全角で５度とした。

【０１４０】（実施例２）分子量１０００のＰＰＧ、イ
ソホロンジイソシアネート、及びＨＥＡのモル比１：
２：２の反応生成物（以下、アクリルウレタン（Ｂ）と
いう）を製造し、このアクリルウレタン（Ｂ）とアクリ
ルウレタン（Ａ）との重量比１：１の混合物に、ＥＨＡ
及びＨＥＡを加えて混合物を調製した。（Ａ）：
（Ｂ）：ＥＨＡ：ＨＥＡの重量比は１０：１０：７：１
３とした。この混合物に実施例１と同じ液晶と光重合開
始剤を混合し、液晶含有量６５重量％の組成物を製造し
た。この組成物を用いて、実施例１と同様に液晶光学素
子を製造した。

【０１４１】（比較例１）分子量１０００のＰＰＧ、
４，４’−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート、
及びＨＥＡのモル比１：２：２の反応生成物（以下、ア
クリルウレタン（Ｃ）という）を製造し、このアクリル
ウレタン（Ｃ）をアクリルウレタン（Ａ）の代りに用い
る以外は実施例１と同じ材料を同じ条件で用いて液晶光
学素子を製造した。

【０１４２】（比較例２）分子量１０００のＰＰＧ、
１，６−ヘキサメチレンジイソシアネート、及びＨＥＡ
のモル比１：２：２の反応生成物（以下、アクリルウレ
タン（Ｄ）という）を製造し、このアクリルウレタン
（Ｄ）をアクリルウレタン（Ａ）の代わりに用いる以外
は実施例１と同じ材料を同じ条件で用いて液晶光学素子
を製造した。

【０１４３】実施例２、比較例１及び比較例２で製造し
た液晶光学素子を用いて実施例１と同じ投影試験を行っ
た。このときの液晶光学素子の温度はいずれの場合も平
均的に温度は２４〜２５℃であった。

【０１４４】これらの液晶表示素子をビデオ信号で駆動
して動画を表示させた際の、画像の切り替え時の焼付き
の程度を表１に示す。また、これらの液晶表示素子を７
Ｖで駆動させたときの画素部の透過率を合わせて表１に
示す。なお、いずれの場合においても投射光学系の集光
角は全角で５度とした。また、液晶光学素子への入射角
の分散角は５度以下とした。

【０１４５】

【表１】

【０１４６】

【発明の効果】本発明の液晶光学素子では、一対の電極
付基板間に挟持される液晶材料として、電気的に散乱状
態と透過状態とを制御しうる液晶／樹脂複合体を挟持し
た液晶光学素子を用いる。液晶／樹脂複合体の構造制御
をきわめて精密に安定して行えるようになったため、光
の透過率を下げずに散乱性を大幅に向上できる。光学特
性に最適な液晶／樹脂複合体、すなわち連続の液晶相中
に３次元網目構造を有する樹脂相を相分離させたような
空間構造を構築できる。

【０１４７】また、樹脂相を選択することにより、重合
相分離の前後におけるそれぞれの状態制御が可能になっ
たからである。特に、光重合相分離を用いる場合、液晶
と硬化性材料との混合物の相溶性が安定し、その後の液
晶空セルへの注入工程と光照射による硬化工程を安定し
て行えるようになった。

【０１４８】また、形成された液晶／樹脂複合体は電気
光学的に好ましい所望の微細構造をとれるようになっ
た。これは、用いた樹脂相の分子構造に由来する弾性的
性質や極性により、相分離時における液晶層と樹脂相と
の界面での相互作用が適切に調節されるためである。

【０１４９】そして、広い温度範囲、言い換えると従来
ではなかなか得られにくかった常温より低い低温での動
作時での、液晶／樹脂複合体におけるヒステリシスを低
減でき、焼付き現象の発生しない、中間調表示がきれい
な投射型液晶表示装置が得られた。具体的には、液晶表
示素子に約５０万ルクス以上の光束が照射される投射型
液晶表示装置において、その周囲温度が＋１５〜４０℃
の範囲において良好な動作特性が得られる。

【０１５０】また、本発明の液晶光学素子は、従来のＴ
Ｎ−ＬＣＤの駆動用ＩＣを用いた駆動においても、高コ
ントラスト比を有し、かつ高輝度の表示が可能になる。

【０１５１】さらに、本発明によれば、階調駆動を行っ
た際にも、中間調がきれいにでた階調表示ができ、ヒス
テリシスに基づく焼付き現象を低減できる。

【０１５２】このため、本発明の液晶光学素子は、高輝
度の画像を得ようとする投射型表示に有効であり、画像
の焼付きがなく、明るくコントラスト比の良い投射型表
示が得られる。また、光源も小型化できる。

【０１５３】また、偏光板を用いなくてもよいため、光
学特性の波長依存性が少なく、光源の色補正等がほとん
ど不要になるという利点もある。また、ＴＮ−ＬＣＤに
必須のラビング等の配向処理やそれに伴う静電気の発生
による能動素子の破壊といった問題点も避けられるの
で、液晶光学素子の製造歩留りを大幅に向上させること
ができる。

【０１５４】さらに、この液晶／樹脂複合体は、硬化後
はフィルム状になっているので、基板の加圧による基板
間短絡やスペーサの移動による能動素子の破壊といった
問題も生じにくい。

【０１５５】また、この液晶／樹脂複合体は、比抵抗が
従来のＴＮ−ＬＣＤの場合と同等であり、従来のＤＳＭ
−ＬＣＤのように大きな蓄積容量を画素電極毎に設けな
くてもよい。このため、能動素子の設計が容易で、有効
画素電極面積の割合を大きくしやすく、かつ、液晶光学
素子の消費電力を少なく保てる。

【０１５６】さらに、従来のＴＮ−ＬＣＤの製造工程か
ら、配向膜形成工程を除くだけで製造できるので、生産
が容易である。

【０１５７】また、この液晶／樹脂複合体を用いた液晶
光学素子は、安定して生産することができ、求められる
性能を満たす製品を高い歩留で得られる。

【０１５８】本発明は、この外本発明の効果を損しない
範囲内で種々の応用ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶光学素子の断面図。

【図２】本発明の投射型液晶表示装置のブロック図。

【符号の説明】

１：液晶光学素子 ２、５：基板 ３：画素電極 ４：能動素子 ７：液晶／樹脂複合体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０４Ｎ 5/74 Ｈ０４Ｎ 5/74 Ｂ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一対の電極付基板間に、電圧印加時又は非
   印加時に樹脂相の屈折率が液晶の常光屈折率（ｎ_o ）又
   は異常光屈折率（ｎ_e ）とほぼ一致せしめられた液晶／
   樹脂複合体が挟持された液晶光学素子において、樹脂相
   が、側鎖を有する脂肪族イソシアネート化合物を用いて
   得られた付加重合性ウレタン化合物を含む硬化性材料の
   重合硬化物であることを特徴とする液晶光学素子。
2. 【請求項２】付加重合性ウレタン化合物が、側鎖を有す
   る脂肪族イソシアネート化合物とポリエーテルポリオー
   ルと水酸基含有アクリレートとの反応生成物であること
   を特徴とする請求項１の液晶光学素子。
3. 【請求項３】ポリエーテルポリオールが、ポリプロピレ
   ングリコールであることを特徴とする請求項２の液晶光
   学素子。
4. 【請求項４】硬化性材料が、付加重合性ウレタン化合物
   と他の付加重合性化合物との混合物であることを特徴と
   する請求項１〜３のいずれか１項の液晶光学素子。
5. 【請求項５】外部信号に応じて液晶／樹脂複合体を通る
   電界が変化せしめられ、非飽和の電界値によって中間調
   表示が行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれ
   か１項の液晶光学素子。
6. 【請求項６】請求項１〜５のいずれか１項の液晶光学素
   子と、投射用光源と投射光学系とを組み合わせたことを
   特徴とする投射型液晶表示装置。
7. 【請求項７】一対の電極付基板間に、付加重合性化合物
   からなる硬化性材料と液晶との混合物を挟持せしめ、次
   いで硬化性材料を重合硬化して樹脂相を形成させるとと
   もに相分離により樹脂と液晶とを分離させて樹脂相と液
   晶との液晶／樹脂複合体を形成し、電圧印加時又は非印
   加時に樹脂相の屈折率が液晶の常光屈折率（ｎ_o ）又は
   異常光屈折率（ｎ_e ）とをほぼ一致せしめてなる液晶光
   学素子の製造方法において、硬化性材料が、側鎖を有す
   る脂肪族イソシアネート化合物を用いて得られた付加重
   合性ウレタン化合物を含むことを特徴とする液晶光学素
   子の製造方法。
8. 【請求項８】付加重合性ウレタン化合物が、側鎖を有す
   る脂肪族イソシアネート化合物とポリエーテルポリオー
   ルと水酸基含有アクリレートとの反応生成物からなるこ
   とを特徴とする請求項７の液晶光学素子の製造方法。
9. 【請求項９】硬化性材料が、付加重合性ウレタン化合物
   と他の付加重合性化合物の混合物であることを特徴とす
   る請求項７の液晶光学素子の製造方法。
10. 【請求項１０】光を用いて重合硬化を行うことを特徴と
    する請求項６〜９のいずれか１項の液晶光学素子の製造
    方法。