JPS60500145A - 色−選択的円偏光子およびその用途 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 色−選択的円偏光子およびその用途 本発明は、電圧制御された色選択を示す円偏光子（関する。この偏光子は、相互 に対向する側に電導性被覆物（電極）が設けられそしてそれらの間にカイラルな 色−選択的に反射する液晶結晶層を囲繞する２枚の担持プレートを有する液晶セ ルより成る。このような配置はＭｏｌ。

ｃｒｙｓｔ、　ｂｉｑ、　０ｒ７８ｔ、　Ｌｅｔｔ、　６４　（１９８０）　６ ９に知られている。

それらの分子がプレーナ配列状態にあるときは、コレステリンク液晶は特徴的な 光学効果、すなわち通常わずか数ナノメータという幅の狭い周波数帯内の光を反 射するという効果を示す。反射光は円形に、すなわち、液晶分子が相互にねじれ るのと同じ回転的な意味で円形に偏光される。反射極大は、垂直入光とした場合 に液晶らせんピッチに相当する波長λｍａｘにおいて得られ、そして入射角が増 大するとともに減少する。これらの液晶の透過挙−動は相補的である。すなわち 、’ｍａＸを中心とするスにクトル領域においては通過の許される光だけが反射 光とは反対の意味で円偏光されるものである。その他の色の光は影響を受けずに 通過する。

反射極大の波長は観察方向に依存するばかりが温度変化にも反応し、捷だ長い間 知られて来たように電圧の印加によっても変化できる（　ＩＫＫＥ　Ｔｒａｎｓ 、　ｏｎ　ＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ　ＫＤ−１５（１９６８’）８９６ ）　ｏこの電気光学効果はそれ自体、例えば度量衡掌上の分野、あるいは例えば 画像記録および再生などにおいて多くの興味ある応用を可能にするものであるが 、これまで実際に受け容れられていない。主な理由は反射帯が原則的に比較的狭 い範囲内でソフトするにすぎないためである。すなわち、前記引用に係る文献は 液晶を注意深く選択しても３０　ｎｍを超えないλｍａｘシフトを報告している 。さらに、電界の作用の下でさえも安定々状態を維持しかつ乱されることのない プレーナ組織をその液晶に与えることもどちらかというと困難である。

交叉された直線偏光子間にネマチック液晶を有するセルを代りに用いると色の選 択は広がり、また液晶の複屈折特性は電圧によって変化する（　Ｔｅｃｈｎ、　 Ｍｉｔｔ、　ＡＥＧ−Ｔｅｌｅｆｕｎｋｅｎ　６２　（１９７２）　３参照）。

しかしながらこの場合にも液晶分子を一様に配向０させなければならない。

もう一つの難点は、その液晶層を平行光線束℃照射しかつ該層が極めて狭い許容 範囲内の厚さを有する場合にのみ有用な結果が得られるにすぎない点である。

この従来技術水準から発して、比較的広い範囲内で変調できしかも過度のコスト を伴わずに製造できる液晶に基づく色−選択性円偏光子を提供するのが本発明の 目的である。この目的の達成のために、本発明により、前述のタイプの装置にお いてカイラル液晶層を光学的等方性相に変えることが提案される。

この相（これに対してはその間に１ブルー相”　（ＢＰ）なる用語が受け容れら れるようになっている）は近年よく研究されている。こｉまでに観察された現象 は途方もなく複雑であり捷だそれらの一部には解釈し難いものもあるため、ＢＰ の形成される条件およびその分子の配列のされ方については実際にはまた十分知 られていない。ブルー相が厳密な意味で独立相なのか、あるいは単にコレステリ ック相の特別組織が関与しているのかさえも確かでない。しかしながら未だ解明 されていないこの問題にかかわらず、ＢＰは明瞭に確認することができる。

ある種のカイラル系はコレステリック相から出発する場合は加温すると、等方性 相から出発する場合は冷却するとＢＰが生じる。それは透明点よりも低い狭い温 度範囲（それはせいぜい数℃の幅である）内で安定である。ＢＰはせいぜいで弱 複屈折性であるか、あるいは全く複屈折性を示さない。統計的平均としてはその 分子は等方性に分布している。少なくとも２種類の区別し得る三次元的に配列し たＢＰ型が存在しそのうちの一方（ＢＰ　Ｉ　）は低温で優勢であり他方（ＢＰ ＩＩ）は高温で優勢である。コレステリック／ＢＰＩおよびＢＰ　［／ＢＰ　■ 転移（いずれもおそらく−次転移である）の際にはエントロピーは極めてわずか しか変化しない。これに対しＢＰＩＴ／等方性転移の際のエントロピー差は太き い。いずれのブルー相はコレステリック相によく知られる選択反射を示し、反射 極太は様々な波長に存在し、そしてそれらばλｍａｘ　に対して歩測にソフトす る。しばしばλ□ａＸ〉λｍａｘ　：＞λ　があては捷ａｘ る。ブルー相の詳細な記述はモノグラフ１１次元および２次元オーダーの液晶（ Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｉｓ　ｏｆ　Ｏｎｅ−ａｎｄＴｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓ ｉｏｎａｌ　０ｒｃＬｅｒ　）　”ステリンガー・フエルラーク（ｆＥｐｒｉｎ ｇｅｒ　Ｖｅｒｌａｇ）　％１９８０．１６１〜１７５頁、Ｗ。

ヘルフリツシュ（Ｗ−Ｈｅ１ｆｒｉｓｃｈ　）およびＧ−ヘプタ（Ｇ。

Ｈｅｐｐｋｅ　）編、にみられる。

驚くべきこ七に、今般、いずれのＢＰタイプの反射帯も電圧依存性であることを 見出した。例えば、２枚の担持プレートの電極に印加する電圧の増加に伴ってλ ｍａｘおよび、２ＢＰＴ［は着実に増加する。△ε〉Ｏの液晶がＢＰＩ状態にあ ａｘ るときは、その系は電圧の増加に伴い、まずコレステリック相、次いでホメオト ロピック−ネマチック相に変化する。ＢＰ■相にあるこの液晶からスタートする と、それはまずＢＰＩ相を経てからコレステリック相に入り、そして最後にホメ オトロピツクーネマラツク相に到る。このことは、適当な動作温度を選択すれば 、少なくとも２つの異なる反射帯を単に電圧を変えることによってカバーするこ とができることを意味している。λｍａｘおよびλｍａｘの変動範囲は１０Ｄｎ ｍをはるかに超える幅であり得、しかも実質的に連続的な転移を有することが実 験的に示され。

ている。好ましい条件の下では、比較的小さな電圧ソフトをもってほとんど全面 的な可視スはクトルをカバーすることができる。驚くべきことに、この見出され た効果は液晶層に明確な分子配列が与えられなくても得られる。

（傾斜）ホモジナスまたは（傾斜）ホメオトロピック・ウオール配列は、せいぜ い反射帯の位置に影響を及ぼすがこの効果は個々の場合には全く重重しい効果で あり得る。これとは別に、この選択反射は広い領域にわたってさえも、一様で十 分規定された値をもって比較的容易に認めることができ、コレステリック相では しばしば不可避の光学障害、例えばディスクリネーゾヨン・ラインは生じない。

ＢＰの反射スはクトルが温度および圧力の変化に比較的敏感に反応することはそ れ自体知られている。電場におけるブルー相については既に研究されている（　 Ｍｏ１．　ｃｒｙｓｔ。

Ｌｉｑ、　Ｃｒｙｓｔ、　Ｌｅｔｔ、　６４　（１９８０）　４１およびＭｏ１ ．　Ｃｒｙｓｔ。

Ｌｉｑ、　Ｃｒｙｓｔ、　８４　（１９８２）　１５９　）が選択反射に対する 影響は全く報告されていない。これは電界が従来他の目的にのみ、すなわち、相 転移を生じさせるために用いられていたことによるものと推定され、そして本発 明の効果は流体力学的不安定性が回避され、そして非反射光フラクションが除去 された場合のみ極立ったものとなる。

これまでに測定されたデータから、測定された反射帯のシフトは純粋な電界効果 であると結論付けることができる。それは、可聴周波数域の交番電圧を用い、２ 種類のＢＰ型のうち一方のみが形成される有限の間隔をもった広い温度にわたっ てブルー相が存在しそしてカイラル物質のピッチが比較的小さくかつ３８０　ｎ ｍ〜５４　Ｄ　ｎｍの分子配列に依存する臨界値以下にとど捷りそしてその他の 点ではＢＰ反射帯が可視スはりトルに存在するようなディメンジョンである場合 に特に顕著である。これらの諸要件は、１種またはそれ以上のネマチック成分を １種またはそれ以上のカイラル成分と混合す九ば容易に満たすことができる。し かしながら、個々のカイラル化合物を用いることもできる。

本発明による偏光子は、反射型または透過型のいずれかで動作し得る。選択反射 光と同じ意味で円偏光される光のみを許す色−中性にュートラル）円偏光子をも 加えた場合には、透過光型動作では可変ストップ帯を有す゛る円偏光子が得られ 、反射光型動作では可制御選択鏡が得られる。それらの電極をセグメント化すれ ば、これらの装置から、可視信号を任意の所望の純粋色で与える表示装置を開発 することができる。

好ましくは、本発明による円偏光子の２枚の担持プレートの少なくとも一方はそ の内面に、隣接液晶分子を一様に配向する配向層を担持する。

更に、液晶層が光の波長域に相当するピッチを有する液晶から成っている本発明 による円偏光子が好ましい。

従って、本発明の主題は、相互に対向する側（内面）に電導性コーティング（電 極）が設けられそして間にカイラルな色−選択反射性液晶層を囲繞する２枚の担 持プレートを有する液晶セルから成りそしてそのカイラル液晶層（８）が光学的 等方性層として存在することを特徴とする電圧制御される色選択を伴う円偏光子 、特に２枚の担持プレート（２，３）の電極（６，７）に電圧を印加できる色− 選択的円偏光子である。本発明のもう一つの主題は、液晶層（８）が光の波長域 に相当するピッチを有する液晶から成る本発明による色選択的円偏光子である。

本発明のもう一つの主題は、液晶層（８）により色−選択的に反射された光と同 じ意味で円偏光された光のみの通過を許す色−中性円偏光子を液晶層（８）の前 または後に担持し、そして反射型または透過型で動作する本発明による色−選択 的円偏光子である。

本発明のもう一つの主題は、２枚の担持プレート（２，ろ）の少なくとも一方の 電極が個別に活性化できる部分電極（６）から構成される本発明による色−選択 的円偏光子である。

これら色−選択的円偏光子のうちの一つを電気光学成分として用いることも本発 明の主題である。

次に本発明を添付図面と共に具体例に言及することによりより詳細に説明する。

図面において、第１図は本発明による液晶ディスプレイのやや概略図化された側 断面図であり； 第２図は、液晶層がＢＰｌ状態にある温度Ｔ１における選択電圧値に対するこの ディスプレイの吸収スはクトルを示し； 第ろ図は、ブルー相■が存在する範囲内の温度Ｔ２における第２図に示された関 係を示し； 第４図は、第２図および第６図からとったλｍａｘ値を電圧の関数として示した ものであり； 第５図、第６図および第７図は別の液晶系についての第２図、第３図および第４ 図に描かれた関数を示す。

第１図のディスプレイは多桁数の表示に用いられる。

詳しくは、それは、円偏光子１、前側担持プレート（前側プレート）２、後側担 持プレート（後側プレート）３および加熱箔より成る。それら２枚のプレートを 相互に連結して封止ユニットを作りそしてそれらの内面に各々薄膜電極を設ける 。前側プレートの電極は別個に活性化し得るセグメント６より成り、−力抜側プ レートの電極（後側電極）７はひと続きに形成する。枠体５と２枚のプレート２ 、乙により形成されるチェンバーをカイラル液晶層８で満たす。その層８は右廻 りに円偏光される光のみを反射しそして偏光子１はこの意味において偏光された 光のみを通過させる。このディスプレイは光源９により照射される。

このディスプレイは次のように動作する：光源９から発出した光線は偏光子１を 通適し、そして円偏光されながら液晶層８にあたる。その層は色−選択的に、す なわちスイッチ・オンされたディスプレイ要素においては第１の色を、そしてス イッチ・オフされたディスプレイ要素および残り全体の領域にわたって第２の色 を反射する。反射光は々おも右廻りに円偏光され、偏光子１を通過しそして実質 的に入射角に相当する角度で再び現われる。反射されない光線の一部は後方に逃 げ、また一部は要素６．４および７０表面で鏡面反射する。

選択反射光とは異なり、鏡面反射光は左廻りに円偏光されそして偏光子１によっ て遮断される。その結果、異なる色を背景としてカラー画像が形成される。−色 のコントラストが偏光子１の正面での反射により損われる場合には、この成分を 曇らせ、および／またはそのディスプレイをやや異々つだ方向から観察した方が よい。

本発明の範囲内において、液晶層の組成を極めて広範囲にわたって変えることが できる。従来技術より、極めて様々な液晶が尚業者にとって利用可能である。そ れらはルーチンな方法によって選択することができる。通常、液晶層は少なくと も１種のカイラル成分を含む１〜１５、好捷しくは２〜１２種類の液晶成分から 成る液晶から構成される。その他の成分は好ましくは、ネマチックまたはネマト ジエニンク物質、特に既知物質、例えば、アゾキシベンゼン類、ベンジリデンア ニリン類、ビフェニル類、ターフェニル類、フェニルマタハゾクロヘキシルベン ゾエート類、フェニルまたはシクロヘキシルシクロヘキサン力ルポキ７レート類 、フェニルシクロヘキサン類、シクロへキシルビフェニル類、シクロへキシルシ クロヘキサ７Ｍ、ンクロヘキゾルナフタレン類、１．４−ビスノクロヘキブルベ ンゼンＭ、４１４’−ヒスーンクロヘキゾルビフェニル類、フェニル−またはゾ クロヘキシルーヒリミジン類、フェニル−またはシクロヘキシルージオキサン類 、置換または非置換ノ・ロダン化スチルベン類、ベンジルフェニルエーテル類、 トラン類および置換けい皮酸などの物質群から選択される。

（式中りおよびＥはそれぞれ、１．４’−ジ置換されたベンゼンおよびシクロヘ キサン環、４．４’−ジ置換されたビフェニル、フェニルシクロヘキサンおヨヒ ンクロヘキゾルンクロヘキサン系、２，５−ジ置換されたピリミジンおよび、１ ．６′−ジオキサン環、２．６−ジ置換ナフタレン、ジヒドロ−およびテトラリ ドローナフタレン、キナゾリンおよびテトラヒドロキナゾリンから成る群から選 択される炭素環式または複素環式環系であり、Ｇは−ｃＨ＝ｃＨ−−Ｎ（ｏ）− Ｎ− −ＣＨ−ＯＹ−−ＣＨ＝Ｎ（０）　− −Ｃ＝Ｃ−−ＣＨ２−ＣＨ２− 捷たはＣ−Ｃ単結合であり、Ｙはハロゲン、好捷しくは塩素、または−〇Ｎであ り、そしてＲ′およびＲ“は１８個以下、好ましくは８個以下の炭素原子を有す るアルキル、アルコキシ、アルカノイルオキシ捷たはアルコキシカルボニルオキ シであるかあるいはこれらの基の一方Ｉｌ′ｉＣＮ　％　ＮＣ１Ｎｏ２、Ｏ］ｌ 、Ｆ、　ＣΩまたけＢｒであることもできる）により（１１） 特徴付けることができる。

大部分のこれら化合物において、Ｒ′およびＲ″は互いに異なり、これらの基の 一方は大抵の場合アルキルはアルコキシ基である。しかしながら、前述の置換分 のその他の種々変形したものも有用である。多くのこのような物質、あるいはこ れらの混合物さえも商業的に入手することができる。すべてのこれらの物質は文 献に知られる方法により製造することができる。

使用されるカイラル化合物は基本的に任意の既知のコレステリンクおよび／また はネマチック−コレステリンク液晶化合物であってもよい。カイラル成分として 使用できる最も重要な化合物は同様に式Ｉにより特徴付は得るが、その中の基Ｒ ′およびＲ”のうちの少なくとも一方は適宜分枝されている。しかしながら、好 ましくは、これらの光学活性化合物は１個を超える分枝基を含まない。

一般に、このタイプの分枝基は１個を超える分枝鎖を含まない。好ましい分枝基 Ｒ′およびＲ″はインゾロピル、２１−メチルベキソキ７、１−メチルへフトキ ７、２−オ（１２） キサ−６−メチルブチルおよび６−オキサ−４−メチルはブチルなどである。

次の実施例は本発明を説明するためのものであり、本発明を限定するものではな い。

実施例　１ 液晶層は、メルク社（　Ｍｅｓｓｒｓ．　Ｍｅｒｃｋ　）からのネマチック混合 物’　ＺＬ工１６１２′（１２重量ヂのｐ−）ランス−４−プロピルシクロヘキ ／ルーベンゾニトリル、３０重量係のｐ−トランス−４−はンチル′／クロヘキ ヅルーペンソニトリル、２０ｆｆｉ量％の４−−’フチルー４′ーシアノビフエ ニル、１０重量係の４−／アノー４’　−　（　＋ーランス−４−はンチルノク ロヘキ／ル）ヒフェニル，１０ｉ量係の４−ｐ−シアノフェニル−４′−スンチ ルービフェニルおよび１８重量係のトランス−４−プロピルシクロヘキヅルｐ− ）ランス−４−ブチルシクロへキシルベンゾエート）にＢＤＨ社（　Ｍｅｓｓｒ ｓ．　ＢＤＩｉ　）からのカイラル化合物’　ＣＢ　１５　’　（　２−メチル ブチル−４′−シアノヒ゛フェニル）を５９７重量重量部加したものから構成す る。この多成分混合物は２０５℃以下の温度ではコレステリンクであり２６．８ ℃以上では等方性であり、また２０．５℃〜２２．４℃の温度ではＢＰ１状態に あり、２２．４〜２　３．　８　’ＣでばＢＰＩＩ相・である。選択反射光は右 廻りに円偏光される。

第２図は２２．６℃（この温度では従ってその混合物は依然としてようやくのこ とでブルー相Ｉとして存在する）での液晶物質の吸収（−反射）スはクトルを示 す。任意（１６） 単位で測定された吸収Ａを波長に対してプロットしである。１ｌｌｌ＋定された 液晶層の厚みは２０μｍとし、そしてそれに対して１ｋＨｚ交番電圧を印加した 。電圧振幅の増加に伴い吸収帯極大が５２０ｎｍ（ＯＶ）から６０５ｎｍ（８０ ■）にシフトしていることがこの図かられかる。電圧を更に高めていくと、コレ ステリック相が生じ、これは最終的ニ更にツイストがかかつてホメオトロピック 配列のネマチック相を形成することができる。

前記測定を２６．４℃（この温度では液晶はＢｐＨ状態をとっている）で繰返す と、第６図かられかるようにλｍａｘば４５５ｎｍ（ＯＶ）から４９０ｎｍ（６ ０Ｖ）まで動く。それよりも高い電圧値ではブルー相Ｉへの転化が起こりそして この状態でλｍａｘは５２０ｎｍ（６５Ｖ）から６００ｎｍ（７５Ｖ）まで増加 する。

第４図では、λＢＩＪおよび襦に塁が印加電圧の関数としａｘ て再び描かれている。大部分の分光色を活性化できることがわかるであろう。

実施例　２ ６２．３重ｔ％０″ＣＢ１５Ｎをホフマンーラロノシュ（Ｈｏｆｆｍａｎ−Ｌａ Ｒｏｃｈ、ｅ　）社からのネマチック物質”　ＲＯ−ＴＮ４’０４”Ｋ混合する 。その混合物は２６．７℃までコレステリックであり、２７７℃から等方性とな り、そして２６℃ではＢＰ　Ｉ　／Ｂ−Ｐ　１１相転移を示す。

この混合物の吸収スはクトルは、それぞれＢＰＩおよびＢｐＨ［関する第５図お よび第６図にプロットされている。

第７図の示すλｍａｘ／電圧曲線は、ＲＯ−ＴＮ　４０４　／　ＣＢ　１５系に おいては２つの色帯がＺＬＩ　１６１２　／　ＣＢ　１５系におけるよりもいく らか共に近接したことを示している。

それらすべての測定結果は可逆的であり、また少なくとも１０２Ｈｚ〜１０’Ｈ ｚの範囲では交番電圧周波数の変化に動じることはなかった。誘電加熱による乱 れは、より高い周波数で目立つようになり、また流体力学的乱流は約１０Ｈ２と いう極めて低い周波数で生じた。

本発明は、前記実施例に限定されない。すなわち、単一のＢＰ型により与えられ る可能性はある種の場合には全く十分なものである。特に広範囲にわたる様々な 色が重要であるときは、コレステリック相による選択反射を利用することもてき る。それとは独立的に、液晶層をある種の性質について改変することができ、例 えばそれは、正または負のあるいはその符号が周波数依存性である△εを有する ことができる。更に、当業者であれば、本発明偏光子を、例えば電気光学成分と して、あるいは他の目的に対しても、例えば単色光源用オン・オフ切換え自在円 偏光子として、あるいは分光写真における置換自在周波数ウィンドーとして利用 すること、およびそれを用途に適合させることが可能である。

Ｆｌ［３，２λｊ　ｎｍｌ ＩＧ　３ λ［ｎｍ１ ＦＩＧ、　５ ＦＩＧ、６ 国際調査報告

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．相互に対向する側（内面）に電導性コーティング（電極）が設けられそして 間にカイラルな色−選択反射性液晶層を囲繞する２枚の担持プレートを有する液 晶セルから成りそして前記カイラルな液晶層（８）が−光学的等方性相として存 在することを特徴とする電圧制御された色選択を伴う円偏光子。 ２、２枚の担持プレート（２，３）上の電極（６，７）に対し電圧を印加できる 請求の範囲第１項に記載の色−選択的円偏光子。 ３、　液晶層（８）が光の波長域に相当するピンチを有する液晶から成る請求の 範囲第１項または第２項に記載の色−選択的円偏光子。 ４、　液晶層（８）により色−選択的ンζ反射された光と同じ意味で円偏光され た光のみの通過を許す色−中性円偏光子（１）を液晶層（８）の前または後に配 設した請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか−に記載の色−選択的円偏光子 。 ５、　色−中性円偏光子（１）を液晶層（８）の前に配置し、反射型で動作され る請求の範囲第４項に記載の色−選択的円偏光子。 ６　色−中性円偏光子（１）を液晶層（８）の後に配置し、透過型で動作される 請求の範囲第４項に記載の色−選択的円偏光子。 ７２枚の担持プレート（２，ろ）の少なくとも一方の電極が個別に活性化できる 部分電極（６）から成る請求の範囲第１項ないし第６項のいずれか−に記載の色 −選択的円偏光子。 ８　請求の範囲第１項ないし第７項のい゛ずれか−に記載の色−選択的円偏光子 より成る電気光学成分。 （１）