JPWO2013061729A1 - 液晶素子及び液晶素子用セル - Google Patents
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Abstract
駆動電圧が低く、且つ、応答速度が速い液晶素子を提供する。液晶素子１は、液晶層１１と、第１及び第２の電極２１，２２と、高抵抗層４１と、無機誘電体層４２とを備えている。第１及び第２の電極２１，２２は、液晶層１１に電圧を印加する。高抵抗層４１は、第１及び第２の電極２１，２２のうち、いずれか一方の電極２１と液晶層１１との間に配されている。無機誘電体層４２は、高抵抗層４１と液晶層１１との間に配されている。
Description
本発明は、液晶素子及び液晶素子用セルに関する。
従来、屈折率が可変な液晶レンズなどの液晶素子が提案されている。液晶素子には、駆動電圧を低くしたいという要望がある。これに鑑み、例えば特許文献１では、電極と液晶層との間に透明絶縁層が配されており、さらに透明絶縁層の液晶層に面する側の表面の上に高抵抗層が配された液晶レンズが提案されている。特許文献１に記載のように、高抵抗層を設けることにより液晶レンズの駆動電圧を低下させることができる。
しかしながら、特許文献１に記載の液晶レンズには、応答速度が遅いという問題がある。
本発明は、駆動電圧が低く、且つ、応答速度が速い液晶素子を提供することを主な目的とする。
本発明に係る液晶素子は、液晶層と、第１及び第２の電極と、高抵抗層と、無機誘電体層とを備えている。第１及び第２の電極は、液晶層に電圧を印加する。高抵抗層は、第１及び第２の電極のうち、いずれか一方の電極と液晶層との間に配されている。無機誘電体層は、高抵抗層と液晶層との間に配されている。
本発明において、「高抵抗層」とは、電気抵抗値が表面抵抗で１×１０４Ω/□〜１×１０１４Ω/□であり、第１及び第２の電極よりも高く、無機誘電体層よりも低い電気抵抗を有する膜のことをいう。
本発明に係る液晶素子は、液晶層内に配されており、液晶層を厚み方向に分割する少なくともひとつの中間板をさらに備えることが好ましい。
無機誘電体層は、無機酸化物誘電体層及び無機フッ化物誘電体層の少なくとも一方により構成されていることが好ましい。
無機酸化物誘電体層は、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ及び酸化ジルコニウムの少なくとも一種を含むことが好ましい。
無機フッ化物誘電体層は、フッ化マグネシウムを含むことが好ましい。
高抵抗層は、酸化亜鉛、アルミニウム亜鉛酸化物、インジウムスズ酸化物、アンチモンスズ酸化物、ガリウム亜鉛酸化物、シリコン亜鉛酸化物、スズ亜鉛酸化物、ホウ素亜鉛酸化物及びゲルマニウム亜鉛酸化物のうちの少なくとも一種を含むことが好ましい。
第１及び第２の電極のうち、いずれか一方の電極は、開口部を有する第１の電極部と、第１の電極部内に配された第２の電極部とを有することが好ましい。
本発明に係る液晶素子用セルは、液晶を注入することにより液晶素子となるセルである。本発明に係る液晶素子用セルは、液晶層を形成するための空間部と、第１及び第２の電極と、高抵抗層と、無機誘電体層とを備える。高抵抗層は、第１及び第２の電極のうち、いずれか一方の電極と空間部との間に配されている。無機誘電体層は、高抵抗層と空間部との間に配されている。
本発明に係る液晶素子用セルは、液晶を注入することにより液晶素子となるセルである。本発明に係る液晶素子用セルは、液晶層を形成するための空間部と、第１及び第２の電極と、高抵抗層と、無機誘電体層とを備える。高抵抗層は、第１及び第２の電極のうち、いずれか一方の電極と空間部との間に配されている。無機誘電体層は、高抵抗層と空間部との間に配されている。
本発明によれば、駆動電圧が低く、且つ、応答速度が速い液晶素子を提供することができる。
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
図１は、第１の実施形態に係る液晶素子１の略図的断面図である。液晶素子１は、液晶レンズである。液晶素子１は、液晶分子を含む液晶層１１を備えている。液晶層１１は、第１及び第２の電極２１，２２により挟持されている。第１及び第２の電極２１，２２により、液晶層１１に電圧が印加され、これにより液晶素子１の屈折率が変化する。
より具体的には、液晶素子１は、相互に間隔をおいて対向するように配された第１の基板３１と第２の基板３２とを有する。第１の基板３１と第２の基板３２との間には、隔壁部材３４が配されている。この隔壁部材３４と第１及び第２の基板３１，３２とにより区画形成された空間に液晶層１１が設けられている。
第１の基板３１と第２の基板３２との間には、少なくともひとつの中間板３３が配されている。具体的には、本実施形態では、ひとつの中間板３３が設けられている。この中間板３３によって液晶層１１が、厚み方向ｚに沿って、第１の液晶層１１ａと第２の液晶層１１ｂとに分割されている。第１の基板３１、第２の基板３２、中間板３３及び隔壁部材３４は、例えばガラスにより構成することができる。
中間板３３には、第１の液晶層１１ａと第２の液晶層１１ｂとを連通させる連通口が設けられていてもよい。そうすることにより、第１の液晶層１１ａと第２の液晶層１１ｂとの間における圧力ばらつきを小さくすることができる。
なお、液晶を注入するための注入口は、第１及び第２の基板３１，３２の少なくとも一方に設けられていてもよいし、隔壁部材３４に設けられていてもよい。
なお、液晶を注入するための注入口は、第１及び第２の基板３１，３２の少なくとも一方に設けられていてもよいし、隔壁部材３４に設けられていてもよい。
第１の基板３１及び第２の基板３２の厚みは、例えば、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度とすることができる。中間板３３の厚みは、例えば、５μｍ〜８０μｍ程度とすることができる。隔壁部材３４の厚みは、得ようとする光学的パワーにより決定される液晶層１１ａ、１１ｂの厚みや、液晶層１１ａ、１１ｂに要求される応答速度等に応じて適宜設定することができる。隔壁部材３４の厚みは、例えば、１０μｍ〜８０μｍ程度とすることができる。
第１の基板３１の液晶層１１側の表面３１ａの上には、第１の電極２１が配されている。一方、第２の基板３２の液晶層１１側の表面３２ａの上には、第２の電極２２が、液晶層１１を介して第１の電極２１と対向するように配されている。第１及び第２の電極２１，２２は、例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）等の透明導電性酸化物により構成することができる。
第１の電極２１は、円形の開口部２１ａ１を有する第１の電極部２１ａと、第１の電極部２１ａの開口部２１ａ１の内部に配された円形の第２の電極部２１ｂとを有する。一方、第２の電極２２は、第１及び第２の電極部２１ａ、２１ｂに対向するように面状に設けられている。
第１の電極２１の第１の電極部２１ａと、第２の電極２２との間には、電圧Ｖ１が印加される。一方、第１の電極２１の第２の電極部２１ｂと、第２の電極２２との間には、電圧Ｖ２が印加される。通常、第２の電極２２は、電位が０Ｖであるグラウンド電極とされている。このため、本実施形態では、第１及び第２の電極２１，２２のうち、電圧が印加された際に生じる電位の絶対値が大きい方の電極は、第１の電極２１となる。
第１及び第２の電極２１，２２のうちの、電圧が印加された際に生じる電位の絶対値が大きい方の電極である第１の電極２１と液晶層１１との間には、電気抵抗値が、表面抵抗で１×１０４Ω/□〜１×１０１４Ω/□であり、第１の電極よりも高く、後述する無機誘電体層４２よりも低い電気抵抗を有する高抵抗層４１が配されている。なお、高抵抗層４１と第１の電極２１との間には、高抵抗層４１と第１の電極２１とを絶縁する絶縁層が設けられていることが好ましい。絶縁層は、例えば酸化ケイ素や窒化ケイ素等により構成することができる。
高抵抗層４１は、酸化亜鉛、アルミニウム亜鉛酸化物、インジウムスズ酸化物、アンチモンスズ酸化物、ガリウム亜鉛酸化物、シリコン亜鉛酸化物、スズ亜鉛酸化物、ホウ素亜鉛酸化物、及びゲルマニウム亜鉛酸化物のうちの少なくとも一種を含むことが好ましい。
なお、高抵抗層４１は、単一の高抵抗層により構成されていてもよいし、複数の高抵抗層の積層体により構成されていてもよい。高抵抗層４１が、複数の高抵抗層の積層体により構成されている場合は、複数の高抵抗層は、相互に同じ材料からなるものであってもよいし、相互に異なる材料からなるものであってもよい。
高抵抗層４１の厚みは、例えば、１０ｎｍ〜３００ｎｍであることが好ましい。
高抵抗層４１と液晶層１１との間には、無機誘電体層４２が配されている。この無機誘電体層４２によって高抵抗層４１の実質的に全体が覆われている。図示は省略するが、無機誘電体層４２と液晶層１１ａとの間には、配向膜が配されている。この配向膜により無機誘電体層４２が覆われている。同様に、第２の電極２２と液晶層１１ｂとの間には、第２の電極２２を覆うように配向膜が配されている。また、中間板３３の両面の上にも、配向膜が配されている。これら配向膜により液晶層１１における液晶分子の配向がなされている。なお、配向膜は、例えばラビング処理されたポリイミド膜により構成することができる。
無機誘電体層４２は、無機酸化物誘電体層及び無機フッ化物誘電体層の少なくとも一方により構成されていることが好ましい。無機酸化物誘電体層は、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ及び酸化ジルコニウムの少なくとも一種を含むことが好ましい。無機フッ化物誘電体層は、フッ化マグネシウムを含むことが好ましい。
無機誘電体層４２は、単一の誘電体層により構成されていてもよいし、複数の誘電体層の積層体により構成されていてもよい。無機誘電体層４２が複数の誘電体層の積層体により構成されている場合は、複数の誘電体層は、相互に同じ材料からなるものであってもよいし、相互に異なる材料からなるものであってもよい。
無機誘電体層４２の厚みは、１ｎｍ〜２μｍ程度であることが好ましく、１００ｎｍ〜１．５μｍ程度であることがより好ましい。
以上説明したように、液晶素子１では、第１の電極２１と液晶層１１との間に、高抵抗層４１が配されている。このため、低い駆動電圧を実現することができる。
さらに、液晶素子１では、高抵抗層４１と液晶層１１との間に無機誘電体層４２が配されており、高抵抗層４１と液晶層１１とが隔離されている。このため、高速応答性を実現することができる。例えば無機誘電体層４２を設けないこと以外は実質的に同様の構成を有する液晶素子において第１及び第２の電極間の印加電圧を所定の電圧だけ変化させたときに液晶素子の屈折率の変化に要した時間は、４秒〜５秒程度であった。それに対して、液晶素子１では、０．１秒〜０．５秒程度であった。この結果から、無機誘電体層４２を設けることにより、例えば、応答速度を数十倍程度に高めることができることが分かる。
すなわち、本実施形態のように、第１の電極２１と液晶層１１との間に高抵抗層４１を設けると共に、高抵抗層４１と液晶層１１との間に無機誘電体層４２を設けることにより、駆動電圧が低く、応答速度が速い液晶素子１を実現することができる。
高抵抗層４１と液晶層１１との間に無機誘電体層４２を配することにより応答速度を速めることができる理由は、定かではないが、以下のような理由であると考えられる。
第１の電極２１と第２の電極２２との間の電圧を変化させると、電界分布が変化して、それに伴い液晶層１１における液晶分子の配向が変化する。液晶層１１における液晶分子の配向が変化すると液晶層１１の誘電率が変化する。ここで、無機誘電体層４２を設けない場合は、導体である高抵抗層と液晶層とが接しているため、電界分布の変化が遅い。その結果、液晶層における液晶分子の配向が徐々に変化する。このように、無機誘電体層を設けない場合は、液晶層において、電界分布の変化に伴う液晶分子の配向の変化が徐々に起こるため、第１の電極と第２の電極との間の電圧を変化させた際の液晶素子の応答速度が遅くなるものと考えられる。
それに対して、液晶素子１では、無機誘電体層４２により高抵抗層４１と液晶層１１とが隔離している。液晶層１１には、導体ではない無機誘電体層４２が接している。このため、液晶層１１における液晶分子の配向が変化し、液晶層１１の誘電率が変化した場合であっても、電界分布の変化が速いものと考えられる。その結果、液晶層における液晶分子の配向が即座に変化する。このように、無機誘電体層を設けた場合は、液晶層において、電界分布の変化に伴う液晶分子の配向の変化が即座に起こるため、第１の電極と第２の電極との間の電圧を変化させた際の液晶素子の応答速度が速くなるものと考えられる。
また、無機誘電体層４２を高抵抗層４１を覆うように配することにより、高抵抗層４１の電気抵抗の経時的な変化を抑制することができる。従って、液晶素子１の駆動電圧等の特性の経時的な変化を抑制することができる。
図４は、実施例において製造した液晶素子の製造直後の波面収差である。図５は、実施例において製造した液晶素子の製造から１８０日経過後の波面収差である。図６は、比較例において製造した液晶素子の製造直後の波面収差である。図７は、比較例において製造した液晶素子の製造から１８０日経過後の波面収差である。
図４及び図５に示す実施例では、高抵抗層４１として、Ａｌを含有する酸化亜鉛膜（厚み１２５ｎｍ）を設け、無機誘電体層４２として酸化ケイ素層（厚み１２５ｎｍ）を設けた。一方、図６及び図７に示す比較例では、実施例と同様の高抵抗層４１を設けたものの、無機誘電体層４２を設けなかった。
図４及び図５に示す結果から、無機誘電体層４２を設けた実施例では、波面収差が経時的に劣化し難いことが分かる。一方、図６及び図７に示す結果から、無機誘電体層４２を設けなかった比較例では、波面収差が経時的に劣化することが分かる。これらのことから、無機誘電体層４２を設けることにより、波面収差の経時的な劣化を抑制できることが分かる。
なお、比較例において波面収差が経時的に劣化した理由は、定かではないが、高抵抗層４１が劣化し、高抵抗層４１の抵抗値に面内ばらつきが生じたためであると考えられる。
また、液晶素子１のように、液晶層１１が中間板３３により厚み方向に複数に分割されている場合は、液晶層１１全体の厚みを大きくしたまま、各液晶層１１ａ、１１ｂの厚みを小さくすることができる。従って、さらなる高速応答性を実現することができる。
なお、本実施形態では、液晶層を厚み方向に分割する中間板がひとつのみ設けられている場合について説明したが、中間板は、複数設けられていてもよい。即ち、液晶層は、例えば、３つ以上の液晶層に分割されていてもよい。液晶層は、例えば４つの液晶層に分割されていてもよい。
液晶素子１では、高抵抗層４１が単一の膜により構成されている例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。複数の高抵抗層の積層体が設けられていてもよい。同様に、複数の無機誘電体層の積層体が設けられていてもよい。その場合に、複数の無機誘電体層の積層体が界面反射を抑制する反射抑制層を構成していてもよい。例えば、複数の無機誘電体層の積層体は、屈折率が相対的に低い低屈折率層と、低屈折率層に接するように設けられており、屈折率が相対的に高い高屈折率層とを含んでいてもよい。
また、図３に示すように、液晶素子は、中間板を有さず、単一の液晶層１１を有するものであってもよい。
また、本発明の液晶素子は、液晶レンズ以外の液晶素子であってもよい。
１…液晶素子
１１…液晶層
１１ａ…第１の液晶層
１１ｂ…第２の液晶層
２１…第１の電極
２１ａ…第１の電極部
２１ａ１…開口部
２１ｂ…第２の電極部
２２…第２の電極
３１…第１の基板
３１ａ…第１の基板の表面
３２…第２の基板
３２ａ…第２の基板の表面
３３…中間板
３４…隔壁部材
４１…高抵抗層
４２…無機誘電体層
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３２ａ…第２の基板の表面
３３…中間板
３４…隔壁部材
４１…高抵抗層
４２…無機誘電体層
Claims (8)
- 液晶層と、
前記液晶層に電圧を印加する第１及び第２の電極と、
前記第１及び第２の電極のうち、いずれか一方の電極と前記液晶層との間に配された高抵抗層と、
前記高抵抗層と前記液晶層との間に配された無機誘電体層と、
を備える、液晶素子。 - 前記液晶層内に配されており、前記液晶層を厚み方向に分割する少なくともひとつの中間板をさらに備える、請求項１に記載の液晶素子。
- 前記無機誘電体層は、無機酸化物誘電体層及び無機フッ化物誘電体層の少なくとも一方により構成されている、請求項１または２に記載の液晶素子。
- 前記無機酸化物誘電体層は、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ及び酸化ジルコニウムの少なくとも一種を含む、請求項３に記載の液晶素子。
- 前記無機フッ化物誘電体層は、フッ化マグネシウムを含む、請求項３または４に記載の液晶素子。
- 前記高抵抗層は、酸化亜鉛、アルミニウム亜鉛酸化物、インジウムスズ酸化物、アンチモンスズ酸化物、ガリウム亜鉛酸化物、シリコン亜鉛酸化物、スズ亜鉛酸化物、ホウ素亜鉛酸化物及びゲルマニウム亜鉛酸化物のうちの少なくとも一種を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の液晶素子。
- 前記第１及び第２の電極のうち、いずれか一方の電極は、開口部を有する第１の電極部と、前記第１の電極部内に配された第２の電極部とを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の液晶素子。
- 液晶を注入することにより液晶素子となる液晶素子用セルであって、
液晶層を形成するための空間部と、
第１及び第２の電極と、
前記第１及び第２の電極のうち、いずれか一方の電極と前記空間部との間に配された高抵抗層と、
前記高抵抗層と前記空間部との間に配された無機誘電体層と、
を備える、液晶素子用セル。
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