JPH09179126A - 光学部品用液晶セル - Google Patents

光学部品用液晶セル

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JPH09179126A JP8290199A JP29019996A JPH09179126A JP H09179126 A JPH09179126 A JP H09179126A JP 8290199 A JP8290199 A JP 8290199A JP 29019996 A JP29019996 A JP 29019996A JP H09179126 A JPH09179126 A JP H09179126A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 微視的な領域で配向を任意に変えた光学素子
を提供すること。 【構成】 光学素子が、基板(1) 又は２つの間隔をおい
た基板からなるセルと、基板上の１つ又はそれ以上の配
向層(2) と、架橋した液晶モノマー又はオリゴマーの１
つ又はそれ以上の異方性層(3) とを有する。液晶層に隣
接する配向層の表面は、局所の決められた平行な又は扇
状のライン構造のある配向パターン(4,5)を有する。ラ
イン間の平均間隔は、液晶層の厚さより大きくなく、隣
接するライン間の角度は３°より大きくない。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、１つ又は２つの基板
と、それぞれの基板上の１つ又は２つの配向層と、架橋
した液晶モノマー又はオリゴマーの１つ又はそれ以上の
異方性フィルムとを備え、基板上又は基板間の液晶分子
の配向が部分的に異なる光学素子に関するものである。
本発明は、また、このような素子の生産と使用に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】光学軸を高分解能で事前に調整し、３次
元配向させた異方性の透明又はカラーのポリマー網状組
織層は、表示技術、積分光学技術及び偽造防止の分野で
非常に重要である。ＥＰ−Ａ（ヨーロッパ特許公開）54
5234は、決められた異なる配向でその結果異なる屈折率
の領域を備える液晶セルを開示する。液晶のこの種の屈
折率パターンは、走査形顕微鏡（走査形プローブ顕微鏡
又は原子間力顕微鏡［ＡＦＭ］）の走査ペンに従って移
動する針を使用して、液晶の境界となる配向層の表面上
に、ライン構造を精密機械的に生成することにより生産
される。針にかけられる力により、ラインは比較的明確
な溝又は単に均一に整列した分子の列にすることができ
る。以下、「スクラッチ（引っかく）」という言葉は、
針の手段によりライン構造を生産するプロセスに使用す
る。このように構成したプレートのセルでは、配向層の
パターンは液晶に移転される配向パターンを構成する。
光学的に非線形な液晶状の又はさらに構造を固定した光
学導波管構造は重要な用途である。
【０００３】ＥＰ−Ａ611981は、架橋によりモノマー液
晶の配向構造を安定化させる材料と方法を開示する。液
晶の配向構造は、光配向可能なポリマー網状組織（「Ｐ
ＰＮ層」）の配向層により誘導される。この目的のた
め、第１ステップで偏光によりＰＰＮ配向層に所望のパ
ターンが光化学的に作られ、第２ステップでスピンコー
ティングによりその上に形成された液晶層に移される
（ＰＰＮ法）。次に液晶構造は、架橋により安定化され
る。この種の架橋した液晶層は、簡単にＬＰＣ（液晶ポ
リマー）と呼ぶ。ヨーロッパ特許出願第689084号は、多
くのＰＰＮ配向層と架橋液晶モノマーの異方性層の層構
造を有する光学部品を記述するが、全てＰＰＮ法の制限
を受ける、即ち分解能は制限され、ディレクタ(directo
r)は少ししか方向を変えられず、傾き (チルト tilt)角
の制御は制限される。
【０００４】まだ発行されていないスイス特許出願第20
36/95 号は、光学部品をマスクとして使用する即ち偏光
パターンを偏光感光層に伝える製品とその使用を記述す
る。ヨーロッパ特許出願第689065号は、特に偽造防止に
適した層構造の光学ＰＰＮ素子とその生産を記述する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、微視
的な領域で配向を任意に変えた光学素子を提供すること
である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】精密機械的にスクラッチ
した配向層を有する架橋可能な液晶は、より良いまたは
完全に新しい特性を有する構造になることが分かった。
本発明によれば、前述の素子は、液晶層に隣接する配向
層の表面は、局所の決められた平行な又は扇状のライン
構造の配向パターンを有し、ライン間の平均間隔は液晶
層の厚さより大きくなく、隣接するライン間の角度は３
°より大きくない。例えば、このようにしてＰＰＮ法と
比較してより小さい構造も生産することができる。好適
な方向に加えて、分子のチルト角も制御し変えることが
でき、好適な方向も局所的に連続的に変化させることが
できる。ＥＰ−Ａ545234に記述された液晶セルと比較し
て、本発明の素子は基板は１枚のみでよい。３次元構造
（複合層）もまた構成することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１に示すように、配向層２は基
板１（例えばガラス）の上に配置される。配向層はポリ
イミドで出来ているのが好ましく、当業者に公知の方法
でスピンコーティングで形成されるのが好ましい。第１
ステップで、配向層は図に示すｙ方向に通常の方法でラ
ビング（こする）される。その目的は、公知のように隣
接する液晶層にラビングの方向とほぼ同じ方向の配向を
させることである。次に、所望の配向パターンが精密機
械的な針によりスクラッチされる。針を制御する方法
は、走査形プローブ顕微鏡により公知である。針は、ｘ
軸に平行に移動し、表面上に図に溝４で概略を示す微細
な構造を生じる。次に、所望の厚さの好適な液晶モノマ
ー混合物がスピンコーティングにより形成される。液晶
層３のスクラッチしない領域５では、当初のラビングｙ
の方向と平行に配向し、スクラッチした領域４では引っ
かいた方向ｘと平行に配向する。配向パターンは、１本
の針で又は数本の針で平行に描くことができる。
【０００８】次に、液晶層は化学的又は光化学的な架橋
により安定化される。光化学的架橋の場合、層の個々の
部分を固化する必要が無ければ、前述のステップで照射
を好適なマスクをを通して行うこともできる。それゆえ
この例では、完成したＬＣＰ層は、液晶分子がラビング
のｙ方向に平行に配向した領域７と、ラビングのｘ方向
に平行に配向した領域６とを備える。針はまた、液晶分
子のチルト角を制御し、調節するのに使用することがで
きる。公知のように、液晶分子は表面に平行である必要
はなく、配向層のポリマーによって決まる角度だけ平面
から傾いている。ラビング又はスクラッチの方向によ
り、ｘ方向に対して正の角度傾くか又は負の角度傾くか
が決まる。本発明でこれをどのように使用するかは、図
５に示す。ａ）戻るとき針を上げる又はｂ）戻るとき前
に描いた軌跡を通るようにすると、スクラッチの移動
は、いつも同じ方向におこるようにすることができる。
従って後者の場合は、ｙ方向の送りは同期させなければ
ならない。これらの２つのスクラッチ方法によれば、最
大のポリマー特有のチルト角になる。ｃ）に示すスクラ
ッチパターンでは、チルト角０になり、パターンｄ）又
はｅ）では可能な最大チルト角より小さな値となる。そ
れゆえ、スクラッチの方法を選択することにより、チル
ト角は制御し調節することができる。
【０００９】架橋したポリマーは機械的に安定なので、
緩衝ポリマー層があったもなくても上述の方法は繰り返
し使用することができる。これは図２に示す。層２１，
２２，２３は、図１の層１，２，３に対応する。層２３
が架橋されたのち、再度ラビングされ精密機械的にスク
ラッチされる。または、別の層はラビングとスクラッチ
の前に形成し、例えば光学的性質又は配向特性を改善す
ることもできる。層２４のスピンコーティングとその後
の架橋により、別の配向パターン２５，２６ができる。
この方法は必要なだけ繰り返すことができ、このように
構成すると、ｚ方向にも３次元屈折率パターンが得られ
る。本発明は、静的即ち切り換えない高分解能の屈折率
パターンが必要なところにはどこでも使用できる。ＰＰ
Ｎプロセスで生産した素子を使用できる範囲は全て適用
の範囲に含まれる。しかし、本発明はまた、より微細な
構造を得るためにも使用することができ、ディレクタの
方向を連続的に変化させ、さらにチルト角を制御し、公
知のＰＰＮの用途に加え完全に新しい可能性を開くこと
もできる。
【００１０】このような可能性には、カプラー等の積分
光学の光学導波管、結合構造（例えばグレーティン
グ）、ディレイライン、偏光影響構造が含まれる。活性
な又はＮＬＯ活性な素子と結合すると、これらの光学導
波管構造は、また単純な方法で網状組織を結合するのに
使用することができる。３次元網状組織は、特に光学導
波管の層間を結合し、又は干渉なく通過するのに使用す
ることができる。本発明の可能性の１つの例は、図３の
光学導波管の１８０°曲げである。光３１が、導波管３
３を伝わり、ポイント３２まで行くと１８０°曲がる。
この種の導波管構造を生産するには、湾曲部の内側の領
域３４と湾曲部の外側の領域３５との両方で、即ち導波
管３３自体の中で、スクラッチの方向を局所的に連続的
に変化させなければならない。これは、公知のどの方法
ででも行うことができない。
【００１１】静的な屈折率パターンもまた、例えばＰＰ
Ｎイルミネーション用の高分解能のマスクに使用するこ
とができる。本発明は、スイス特許出願第2036/95 号に
記述されたホトリソグラフィー法より高分解能で複雑な
マスクを生産するのに使用することができる。
【００１２】静的な屈折率パターンはまた、身分証明所
と全ての文書の偽造防止に非常に重要である。本発明の
スクラッチパターンは高分解能なので、屈折効果は別に
防護の要素として使用することができる。即ち屈折率パ
ターンは偏光によるホログラムとして作用する。もし前
述したように３次元構造（体積ホログラム）を作ると、
光分散の効率が大きく改善される。本発明はまた、ＰＰ
Ｎ法との組合わせが非常に重要である。広い領域を光学
的にＰＰＮ法により構成し、その後本発明の方法でミク
ロ構造を形成することができる。その場合例えば、図１
に示す配向層２又は図２に示す配向層２２は、ラビング
したポリマー層ではなく、中間層２３，２４はスクラッ
チしたポリマー層ではなく、光で形成し架橋後別のパタ
ーンがスクラッチされたポリマー網状組織である。同じ
ことが、前述した全ての例に当てはまる。
【００１３】
【実施例】次のジアクリレート素子が、架橋可能なモノ
マーとして使用された。
【００１４】
【化１】
【００１５】これらの素子は、特に低い融点（約３５°
Ｃ）を有する過冷可能なネマチック混合物ＭＬＣＰを開
発するのに使用され、室温で調製できるようになった。
混合物中のモノマー１，２，３の比率は、８０：１５：
５であった。混合物にチバ−ガイギー社の光反応開始剤
IRGACURE 369を２％添加した。ＩＴＯ（酸化インジウ
ム、錫）をコーティングしたガラスの試験片に、約100n
mの厚さのポリイミド層を公知のスピンコーティングに
より形成した。層は、通常のラビング装置によりラビン
グされた。次に、可変の回折定数を有し当初のラビング
方向に４５°の回折格子構造が、圧電気で駆動される針
でスクラッチされた。これを、図４に図式的に示す。４
５の方向に移動する（ｖ＝3.6mm/s ）テーブルに、コー
ティングした試料４１が機械的に固定される。針４３
は、小さな棒４４に固定され、圧電気により４６と４７
の両方向に移動することができる。スクラッチされたラ
イン間の平均間隔7.5 nmに対応して240 Hzの一定の周波
数が方向４６にかけられ、ラインの長さは10μm であ
る。格子を付ける周期は、変調の周期的な中断により生
じる。また、針は周期的に４７の方向に上下させること
ができる。
【００１６】次にＬＰＣ層が、スピンコーティングによ
り形成される（パラメーター：2000ｒｐｍで２分間）。
アニソール溶剤内のＭＬＣＰの濃度を選択することで、
層の厚さを広い範囲内で変化させることができる。５％
の濃度では、例えば約65nmの層厚になる。次に、層は照
射装置で光架橋された（水銀アーク灯30分）。架橋した
構造を、偏光顕微鏡と原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で検査
した。偏光顕微鏡では、顕微鏡の分解能の限度で（即ち
720 nmの格子の周期まで）格子をはっきり見ることがで
き、図４の部分４２は試験片の他の部分と異なり、異な
る方向に配向した複屈折を有した。ＡＦＭで観察する
と、格子の周期は240 nmであった。これらの測定によ
り、異方性架橋ポリマーに非常に微細な屈折率パターン
を生じることができることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の素子の実施例の概略断面図。
【図２】他の実施例の概略断面図。
【図３】他の実施例の概略上面図。
【図４】本発明の素子を生産する装置。
【図５】針を案内する色々の方法。
【符号の説明】
１・・基板 ２・・配向層 ３・・液晶層 ４・・スクラッチした領域 ５・・スクラッチしない領域 ６・・ｘ方向に配向した領域 ７・・ｙ方向に配向した領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マルティン シャット スイス国 シーエイチ−4411 ゼルティス ベルク リーシュターレルストラッセ 77 (72)発明者 フーベルト ザイベルレ ドイツ連邦共和国 デー79576 ヴァイル アム ライン ボーデンゼーストラッセ １

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板と、１つまたはそれ以上の配向層
    と、架橋した液晶モノマー又はオリゴマーの１つ又はそ
    れ以上の異方性層とを有し、液晶分子が局所的に異なる
    配向を有する光学素子において、 前記液晶層に隣接する前記配向層の表面は、局所の決め
    られた平行な又は扇状のライン構造のある配向パターン
    を有し、ライン間の平均間隔は前記液晶層の厚さより大
    きくなく、隣接するライン間の角度は３°より大きくな
    いことを特徴とする光学素子。
  2. 【請求項２】 ２つの間隔をおいた基板からなるセル
    と、それぞれの基板上の１つまたはそれ以上の配向層
    と、前記配向層間に配置され、架橋した液晶モノマー又
    はオリゴマーの１つ又はそれ以上の異方性層とを有し、
    液晶分子が局所的に異なる配向を有する光学素子におい
    て、 前記液晶層に隣接する前記配向層の表面は、局所のはっ
    きり平行な又は扇状のライン構造のある配向パターンを
    有し、ライン間の平均間隔は前記液晶層の厚さより大き
    くなく、隣接するライン間の角度は３°より大きくない
    ことを特徴とする光学素子。
  3. 【請求項３】 請求項１又は２のいずれか１項に記載し
    た光学素子であって、前記配向層は、光により形成され
    たポリマー網状組織からなることを特徴とする光学素
    子。
  4. 【請求項４】 請求項１又は２のいずれか１項に記載し
    た光学素子であって、前記ライン構造は、機械化学的に
    形成された溝状構造要素からなることを特徴とする光学
    素子。
  5. 【請求項５】 請求項１又は２のいずれか１項に記載し
    た光学素子であって、架橋した液晶分子の少なくとも１
    つの層は、液晶のモノマー又はオリゴマーの混合物であ
    り、少なくともプロセスの期間中は、また０°Ｃから６
    ０°Ｃの範囲では１°Ｃの温度間隔で、架橋前は液晶状
    であったことを特徴とする光学素子。
  6. 【請求項６】 請求項１乃至５のいずれか１項に記載し
    た光学素子の製造方法であって、配向層の表面上に微細
    構造を精密機械的に作り、次に液晶オリゴマー又はモノ
    マーの層を形成し、次に液晶層を架橋することを特徴と
    する方法。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載した光学素子の製造方法
    であって、光学軸の方向がスクラッチしたラインの方向
    により変化することを特徴とする方法。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載した光学素子の製造方法
    であって、２つの基板の１つはセル中で架橋した後除去
    されることを特徴とする方法。
  9. 【請求項９】 請求項５に記載した光学素子の製造方法
    であって、架橋した液晶分子の少なくとも１つの層は、
    液晶のモノマー又はオリゴマーの混合物であり、少なく
    ともプロセスの期間中は、また０°Ｃから６０°Ｃの範
    囲では１°Ｃの温度間隔で、架橋前は液晶状であったこ
    とを特徴とする方法。
  10. 【請求項１０】 請求項１乃至５のいずれか１項に記載
    した光学素子を、決められた光偏光パターン、即ち局所
    的に可変の偏光の光ビームを生じるマスクとして使用し
    た装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１乃至５のいずれか１項に記載
    した光学素子を、偏光に感応する光感応層に光で誘起す
    る配向パターンを形成することに使用する装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１乃至５のいずれか１項に記載
    した光学素子を、光学導波管又は光学導波管の網状組織
    として使用する装置。
  13. 【請求項１３】 請求項１乃至５のいずれか１項に記載
    した光学素子を、身分証明書又は文書の防護要素として
    使用する装置。
  14. 【請求項１４】 請求項１乃至５のいずれか１項に記載
    した光学素子を、光屈折要素として使用する装置。
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