JP3315434B2

JP3315434B2 - 体積ホログラム光学フィルム、その製造方法及びそれを用いた液晶光学素子

Info

Publication number: JP3315434B2
Application number: JP15406292A
Authority: JP
Inventors: 友紀郡島; 正浩平野; 良典平井; 聡新山
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1991-04-27
Filing date: 1992-04-24
Publication date: 2002-08-19
Anticipated expiration: 2017-08-19
Also published as: JPH05181403A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高分子化合物による体
積ホログラム光学フィルム、その製造方法及びそれを用
いた液晶光学素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】体積ホログラム光学フィルムとして、樹
脂フィルム中に屈折率の異なる層が層状に積層されたも
のが知られている。これは、例えば光硬化性化合物に一
直線上にない２方向から位相の揃った光線をあてて、干
渉を生じさせ、層状に屈折率の異なる層が積層されるよ
うにして製造されている。

【０００３】この体積ホログラム光学フィルムは、その
ピッチ（屈折率の高い部分と隣接の屈折率の高い部分と
の間隔）によって定まる特定波長を選択的に透過した
り、選択的に反射したりする。このため、ヘッドアップ
ディスプレイやハイマウントストップランプ、立体３次
元表示等に使用が検討されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、体積ホログラ
ム光学フィルムの製造に用いられる光硬化性化合物で
は、一直線上にない２方向から位相の揃った光線をあて
て、それらの２つの光線の干渉を利用して光硬化性化合
物を層状に硬化させても、わずかな屈折率差しか発現し
ないという問題点があった。このため、体積ホログラム
として使用した場合、光の回折効率が悪く、層の数を多
くせざるを得ないものであり、回折効率を向上させるこ
とが望まれていた。

【０００５】従来の体積ホログラム光学フィルムの構造
は、少なくとも１つおきに層と層の屈折率が異なるよう
にする。このため、１層毎に材料組成を変えたり、少な
くとも一方の層に微小な空隙を包含させたりしていた。
このため、全体として均一なホログラムを得ようとする
と、隣接する２層の屈折率差を大きくできない。もし、
隣接する層の屈折率差を大きくしようとすると、全体の
均一性が悪くなるという問題点があった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記のような
課題を解決するためになされたものであり、

【０００７】高分子化合物からなる体積ホログラム光学
フィルムの製造方法であって、重合反応可能な液晶性を
示す材料を含む光硬化性の未硬化物に、２方向から位相
の揃った光線をあてて、それらの２つの光線の干渉を利
用して光硬化性の未硬化物を層状に硬化させる工程と、
次いで全体の硬化を完了する工程とを有し、その一方の
工程でのみ外場を印加するか、両工程で異なる外場を印
加することにより、その内部で屈折率が周期的に変化す
る層構造を有する体積ホログラム光学フィルムを製造す
ることを特徴とする体積ホログラム光学フィルムの製造
方法を提供する。

【０００８】また、２回の硬化工程のいずれにおいても
硬化を生じない液晶を含有する上記の体積ホログラム光
学フィルムの製造方法、及び、架橋性モノマーを含有す
る上記の体積ホログラム光学フィルムの製造方法を提供
する。

【０００９】また、上記の製造方法で製造された体積ホ
ログラム光学フィルムを電極付の基板間に挟持してなる
液晶光学素子を提供する。

【００１０】本発明の体積ホログラム光学フィルムの場
合、外場を印加されて硬化させられた部分では、そのフ
ィルムの内部で特定の方向に沿って反応により硬化させ
られた液晶性を示す材料が配列する傾向がある。外場を
印加しないで硬化させられた部分では、液晶性を示す材
料はほぼ特定の方向に沿って配列しない。この配列状況
の差により、屈折率が繰り返し変化し、その特定な方向
に垂直な面では屈折率がほぼ一定となる層構造を有して
いる。

【００１１】本発明においては、従来の体積ホログラム
光学フィルムと異なり、隣接する２層間で配向状態を変
えている。このため、隣接する２層の屈折率差を大きく
することができる。しかも、材料としては、これらの層
は本質的には同じであるため、全体としての均一性が良
い。

【００１２】図１は、本発明により製造された体積ホロ
グラム光学フィルムの例の断面図である。図１におい
て、１は体積ホログラム光学フィルムを表しており、屈
折率の高い層１Ａ、１Ｃ、１Ｅ、１Ｇ・・・と、屈折率
の低い層１Ｂ、１Ｄ、１Ｆ・・・とが積層されている。
この図ではわかりやすくするために、屈折率の高い層と
屈折率の低い層とが完全に分離した状態で表されている
が、通常は徐々に屈折率が変化している。

【００１３】この屈折率の高い層と屈折率の低い層とが
組み合わさって１ピッチ（ｐ）となっている。具体的に
は、屈折率の高い層１Ａと、屈折率の低い層１Ｂを挟ん
で隣接している屈折率の高い層１Ｃとの間が１ピッチ
（ｐ）となる。

【００１４】本発明のうち上記製造方法においては、液
晶性を示す材料がそれ自身で又は他の材料との重合反応
により高分子化する際に、その分子配列に差がついた２
つの層ができる。そして、一方の層又は両方の層で樹脂
の主鎖又は側鎖がある単位で特定の配列を持つ。これに
より、一方の層と他方の層との間で異なる屈折率が設け
られる。層として形成される配列状態として、具体的に
は、ミクロ的にみれば秩序だった配列を示しても、マク
ロ的にみればほぼランダムに配列している状態に近いも
のと、ある特定の方向にほぼ平行に近い配列をした状態
に近いものとがある。なお、この配列の特定の方向が異
なるようにされてもよい。この配列の差により、屈折率
に差がつく。

【００１５】本発明によれば上記の構成をとることによ
り、屈折率差を大きく取り、回折効率を向上することが
できる。

【００１６】従来の光硬化性化合物による体積ホログラ
ム光学フィルムに対し、本発明の体積ホログラム光学フ
ィルムは同様に光硬化性化合物を用いているが、その中
に重合反応性があり液晶性を示す材料を含めている。こ
のため、２方向から位相の揃った光線をあてて、それら
の２つの光線の干渉を利用して光硬化性の未硬化物を層
状に硬化させる第１の工程と、次いで全体の硬化を完了
する第２の工程との一方の工程でのみ外場を印加する
か、両工程で異なる外場を印加することにより、高分子
化時にその分子の配列に差をつけることができる。

【００１７】本発明では、この分子配列の差から生じる
屈折率差を利用するため、ホログラムの層間の屈折率差
を大きくすることができる。

【００１８】本発明では、屈折率の異なる層によって回
折効果が発現する。この場合、どの波長の光を回折の対
象にするかは、フィルムの材料の屈折率、層構造のピッ
チで定まる。例えば、屈折率が１．５程度の樹脂材料を
用いる場合には、約３００ｎｍの波長の紫外から、約１
５００ｎｍの波長の近赤外までの間で、回折効果を発現
するためには、５０〜５００ｎｍ程度のピッチ（ｐ）の
層構造とすればよい。なお、高次の回折を使用すること
も考えられる。このため、層構造のピッチ（屈折率の高
い層と隣接する屈折率の高い層との距離）は、５０〜５
００ｎｍ程度のピッチの層構造とすればよい。

【００１９】また、特定の波長の光のみ回折させたい場
合には、ピッチを一定にすればよい。これにより、特定
の波長のみを透過したり、反射したりするようにでき
る。これにより、ヘッドアップディスプレイ、ハイマウ
ントストップランプ、立体３次元表示等の反射層や透過
層として利用できる。

【００２０】また、ある範囲の波長域の光を回折させた
い場合には、ピッチをその波長域の範囲に合わせて変え
ればよい。これにより、特定の波長域を透過したり、反
射したりするようにできる。これにより、近赤外線のみ
を反射する熱線反射ガラス等に応用できる。

【００２１】本発明では、高分子化される反応時に、液
晶性を示す材料の配列に差がつく。例えば、重合反応性
があり正の誘電率異方性を有する液晶性を示す材料を光
硬化性の未硬化物に含めて使用した場合、電場を印加し
ながら重合すると、この液晶性を示す材料は電場に平行
に配列する。電場を印加しなければ、界面になる基板に
特別な配向処理をしない限り、通常はマクロ的に見れば
ほぼランダムに配列する。このため、高分子化される反
応時に電場等の外場の状況により、高分子化合物中で液
晶性を示す材料の分子（主鎖又は側鎖）は配列状態が異
なることになる。

【００２２】しかし、未硬化物は硬化前には、必ずしも
液晶性を示すことを要さず、硬化時に外場の影響で、配
列が定まるものであればよい。この未硬化物である硬化
性化合物は全てが液晶性を示す化合物でもよいが、他の
特性を満足するために非液晶性の化合物を混合して用い
ることが多い。

【００２３】本発明ではこのようにして、配列が異なる
ことによる屈折率が異なる層が積層される。この屈折率
差は理想的には、２つの層間で屈折率ｎ ₁ がｎ ₂ に急激
に変化するものであるが、実際の体積ホログラム光学フ
ィルムでは、通常徐々に屈折率が変化している。このた
め、その屈折率の高い層の中の最大値をｎ ₁ 、屈折率の
低い層の中の最小値をｎ ₂ とし、屈折率差ΔｎをΔｎ＝
ｎ ₁ −ｎ ₂ で表す。本発明では、この屈折率差Δｎは、
回折効率と回折光の半値幅に関連するので、大きい程よ
く、例えば、この層間の屈折率差を０．０２以上とし、
好ましくは０．０５以上とする。

【００２４】この層の数は、所望の回折効率によって決
まるが、ピッチ（屈折率の高い層と低い層とを１組にし
て１ピッチとする）にしておおむね１０〜１００程度で
ある。屈折率差Δｎが０．２程度の場合、３０ピッチ積
層することにより、回折効率はほぼ９０％を超える。屈
折率差Δｎが０．１程度の場合には、同程度の回折効率
を得るためには、約６０ピッチ程度積層する必要があ
る。

【００２５】本発明では、この層構造は、フィルム面に
平行であってもよいし、フィルム面に対して特定の角度
傾斜していてもよい。フィルム面に平行に近い場合、反
射型の体積ホログラムになる。この層構造はフィルム面
に沿って形成される。

【００２６】例えば、図１の体積ホログラム光学フィル
ムに対して、斜め上方２Ａから光を入射させた場合、ピ
ッチと屈折率によって決まる特定波長の光が逆の斜め上
方２Ｂに反射される。このため、ヘッドアップディスプ
レイ、ハイマウントストップランプ、赤外線反射窓等に
利用される。

【００２７】層の方向が異なる体積ホログラム光学フィ
ルム（フィルム面に層１Ａ〜１Ｇが垂直）では、特定波
長の光が２Ａから図の下面方向へ抜けることにより、フ
ィルム面を透過する。このため、カラーフィルターを用
いないカラー表示的な使用が可能になる。また、レーザ
ー光の立体像からの反射光と参照光のホログラムをこの
体積ホログラム光学フィルムに作り込めば、立体３次元
表示ができる。

【００２８】本発明に用いる光硬化性の未硬化物は、少
なくとも一部に硬化時に液晶性を示す材料を含む。この
液晶性を示す材料は、光硬化時にそれ自体又は他の材料
と重合反応して高分子化するものであればよい。本発明
における光硬化性の未硬化物は、均質溶液になるものが
好ましい。一般的には、樹脂を形成する光硬化性のモノ
マー、オリゴマーが使用されるが、光硬化性の材料であ
ればケイ素やチタン等の無機物でも使用でき、必要に応
じて加熱工程を併用してもよい。混合物が均質溶液にな
るものは、均質なものができやすいので好ましい。

【００２９】ここで重要な点は、本発明では光硬化性の
未硬化物は、重合反応性のある液晶性を示す化合物を含
んでいれば、他の材料は通常の光硬化性の化合物でよい
点であり、通常の体積ホログラムに用いられるような特
殊な材料を必要としないことである。

【００３０】本発明に用いられる重合反応可能な液晶性
を示す化合物は、それ自身が光硬化するか、又は、他の
光硬化性の未硬化物と反応して高分子化するものであれ
ばよい。その液晶相もネマチック液晶相、スメクチック
液晶相が使用でき、重合時に外場の印加により異なる配
列状態を生じそれにより異なる屈折率を生じるものであ
れば使用できる。

【００３１】架橋性モノマーは、分子内に少なくとも２
個の２重結合、特にはアクリロイル基又はアクリロイル
オキシ基を有するものが好ましい。また、熱重合可能な
液晶モノマー、非重合性の液晶、溶媒、未硬化物の溶液
に可溶なポリマーや液晶ポリマー等を用いてもよい。こ
れらは相互に溶解性のあることが好ましい。特に、低分
子量の非重合性の液晶は、外場に対する応答速度を大き
くするので、外場印加のオンオフによりホログラム性を
変化させる場合には、このような目的には添加した方が
よい。

【００３２】液晶モノマーとして、外場を印加しない時
に重合するモノマーは熱重合性でもよく、その例として
は末端にエポキシ基を有するシアノビフェニル系液晶モ
ノマーがある。しかし、一般には光重合性を有するもの
が外場の印加時にも非印加時にも兼用できるので好まし
い。その例としては、一方の末端にアクリロイルオキシ
基（ＣＨ₂ ＝ＣＸ−ＣＯ−Ｏ−、ＸはＨ、Ｆ又はＣＨ
₃ ）を持つものや、シアノビフェニル系、安息香酸フェ
ニルエステル系の液晶モノマーがある。このほか、これ
に粘度調整剤、着色剤、色素等の添加剤を添加してもよ
い。

【００３３】図２は、本発明の体積ホログラム光学フィ
ルムを電極付の基板間に挟持した液晶光学素子の正面図
である。図２において、体積ホログラム光学フィルム１
は、電極３Ａを設けた基板４Ａと、電極３Ｂを設けた基
板４Ｂとに挟持されている。この図では示されていない
が、体積ホログラム光学フィルム１の端にシールを形成
してもよい。

【００３４】この体積ホログラム光学フィルムが、未重
合の液晶を含んでいるか硬化物自体が液晶性を有してい
る場合には、上下の電極３Ａ、３Ｂ間に電圧を印加する
ことにより電場が発生し、液晶の配向が変わり、屈折率
が変化する。これにより、ホログラムの特性を変えるこ
とができる。これにより通常の表示や記憶性の表示をす
ることが可能になる。

【００３５】本発明の製造方法を説明する。本発明で
は、液晶性を示す材料を含む光硬化性の未硬化物に、２
方向から位相の揃った光線をあてて、それらの２つの光
線の干渉を利用して光硬化性の未硬化物を層状に硬化さ
せる第１の工程と、次いで全体の硬化を完了する第２の
工程とを有する。このいずれかの工程中に、電場、磁場
等の液晶性を示す材料を特定方向に配列させる外場を印
加する。両工程に夫々異なる外場を印加してもよい。こ
れにより、その内部で屈折率が周期的に変化する層構造
を有する体積ホログラム光学フィルムを製造できる。

【００３６】この場合、図１の２Ａと２Ｄの２方向から
位相の揃った光を照射すれば、図１のような配列状態の
差による屈折率の異なる層構造を形成できる。この層構
造を９０°ずらして垂直な方向にしたいのであれば、２
Ａと２Ｃの２方向から光を照射すればよい。この位相の
揃った光の供給方法としては、例えばシングルモードの
レーザー光を、ビームエキスパンダーを用いて広がった
平行光として用いればよい。

【００３７】外場を印加せずに硬化を行うと、光硬化が
始まり硬化物が形成してくる。液晶性を示す材料は外場
の影響を受けなければ、マクロ的に見て一般的には特定
の配列を生ぜずに反応して高分子化する。

【００３８】一方、外場を印加しつつ硬化を行うと、外
場により強制的に配列させられた液晶性を示す材料の分
子がその状態で反応し、高分子化する。通常は一方の工
程時にのみ、外場を印加すればよいが、２つの工程の両
方に異なる外場をかけて、異なる配列状態としてもよ
い。

【００３９】これにより、層間に液晶性を示す材料の分
子配列状態に差を生じ、これが屈折率差となり、ホログ
ラムとして機能する。本発明では、光硬化性の未硬化物
が均質溶液になるものが好ましい。この方法によれば、
均質な体積ホログラム光学フィルムが得られやすい。

【００４０】硬化工程の電場の印加を逆にして、最初に
電場を印加せずに２方向から光を照射して硬化させ、２
番目の工程で電場を印加して硬化させてもよい。また、
電場の代わりに、液晶性を示す化合物を配列させうる他
の外場として磁場を用いても可能である。もっとも、電
場の印加が一番簡便であり、生産性が良い。

【００４１】また、２つの工程で、外場を２つの異なる
方向から与えて、夫々の層で液晶性を示す化合物の配列
方向を変えることもできる。また、使用は限定される
が、フィルム厚みが薄く、ホログラム層をフィルム表面
に対し、垂直に設けてなる体積ホログラム光学フィルム
が可能である。この場合、フィルム硬化時に、その表面
に接触させる板に特定方向に液晶性を示す化合物を配列
させる表面処理を施して、その影響で特定方向の配列を
形成する製法も可能である。

【００４２】また、外場を部分的に印加したり、第１工
程を部分的に行うことにより、全体を同じホログラムに
せずに、部分的にホログラム性を持たせることもでき
る。また、照射レーザー波長や外場の強さや方向を部分
的に変え、部分的にホログラム特性を変えることもでき
る。

【００４３】高分子化された際の液晶性を示す化合物の
分子の配列の差により生じる屈折率の差、２つの光線の
照射時間、放置時間、液晶性を示す材料の含有量等を適
宜選択することにより、この屈折率差を所望の値とする
ことができる。

【００４４】本発明の体積ホログラム光学フィルムは、
前述のように従来の体積ホログラム光学フィルムと同じ
ような用途に使用できる。具体的には、ヘッドアップデ
ィスプレイ、ハイマウントストップランプ、赤外線反射
窓、立体３次元表示等がある。また、その使い方も窓等
のガラス面やプラスチック面に貼り付けて使用してもよ
いし、積層ガラス内や合わせガラス内に封じ込めて使用
してもよい。また、液晶光学素子にして使用することに
よりホログラム性を可変にすることもできる。

【００４５】

【実施例】実施例１未硬化物として、末端にシアノビフェニリル基を有する
アクリル系の液晶モノマーと末端に安息香酸フェニルエ
ステル系の置換基を有するアクリル系の液晶モノマーと
アクリル系の非液晶モノマーとウレタン系非液晶アクリ
ルオリゴマーと、光反応開始剤と増感色素とを混合して
得た溶液をプラスチックフィルムの上に供給し、他のプ
ラスチックフィルムを重ねて溶液の厚さを約１０μｍと
した。

【００４６】露光用光源として、アルゴンレーザー（波
長５１４．５ｎｍ）を用い、ビームエキスパンダーで平
行光線とし、この平行光線を鏡を用いて２つの光束にし
た後、図１の２Ａと２Ｄの２方向から溶液層に照射し
た。その際、磁場を上下間に印加して硬化させた。その
後、磁場を取り去り、全体を紫外線をあてて硬化を完了
させて、体積ホログラム光学フィルムを製造した。この
体積ホログラム光学フィルムは、緑の反射を持ってお
り、分光測定を行ったところ、５４０ｎｍ付近に反射帯
が見られた。

【００４７】実施例２実施例１の溶液を、ＩＴＯ電極付のプラスチックフィル
ム基板上に流延し、その上にもう１枚のＩＴＯ電極付の
プラスチックフィルム基板を重ねあわせ、レーザー光照
射時にのみ電極間に５０Ｖの電圧を印加し、電場が印加
された状態で露光した。その後、電場を印加せずに全体
に紫外線をあてて硬化を完了させた。この体積ホログラ
ム光学フィルムは、実施例１と同様に緑の反射を持って
おり、分光測定を行ったところ、５４０ｎｍ付近に反射
帯が見られた。

【００４８】実施例３実施例１の溶液に、さらに非重合性の液晶組成物「Ｅ−
８」を加えた溶液を用いて、実施例２と同様にして体積
ホログラム光学フィルムを製造した。この体積ホログラ
ム光学フィルムは、実施例２と同様に緑の反射を持って
おり、分光測定を行ったところ、５４０ｎｍ付近に反射
帯が見られた。

【００４９】この体積ホログラム光学フィルムの電極付
の基板間に１００Ｖの電圧を印加したところ、緑の反射
が減少した。

【００５０】実施例４実施例３と同様にして体積ホログラム光学フィルムを製
造した。ただし、電場をレーザー光照射時には印加しな
いで、全体に紫外線を照射する時に電場を印加して、体
積ホログラム光学フィルムを製造した。この体積ホログ
ラム光学フィルムは、実施例３と同様に緑の反射を持っ
ており、分光測定を行ったところ、５４０ｎｍ付近に反
射帯が見られた。

【００５１】

【発明の効果】本発明の体積ホログラム光学フィルム
は、層間の屈折率差を大きくすることが容易であり、少
ない層数で回折効率の高い体積ホログラム光学フィルム
が得られやすい。特に、隣接する２層の材料は本質的に
同じでよく、分子配列に差があるので、全体としての均
一性が良く、製造しやすい。また、使用する光硬化性の
未硬化物として、液晶性を示す材料以外は、通常の光硬
化性化合物が使用できるという利点もある。

【００５２】体積ホログラム光学フィルムの層の方向を
フィルム面に平行にしたり、ある角度傾斜させることに
より、種々の特性の体積ホログラム光学フィルムが容易
に得られる。

【００５３】本発明は、本発明の効果を損しない範囲内
で種々の応用が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の体積ホログラム光学フィルムの概念を
説明するための断面図

【図２】本発明の体積ホログラム光学フィルムを用いた
液晶光学素子の正面図

【符号の説明】

１：体積ホログラム光学フィルム１Ａ、１Ｃ、１Ｅ、１Ｇ：屈折率の高い層１Ｂ、１Ｄ、１Ｆ：屈折率の低い層２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ：光の方向３Ａ、３Ｂ：電極４Ａ、４Ｂ：基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き審査官里村利光 (56)参考文献特開平５−72509（ＪＰ，Ａ) 特開平４−355424（ＪＰ，Ａ) 特開平５−80310（ＪＰ，Ａ) 特開平５−173196（ＪＰ，Ａ) 特開平６−281815（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 5/32 G03H 1/00 - 1/30 G02F 1/13

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】高分子化合物からなる体積ホログラム光学
フィルムの製造方法であって、重合反応可能な液晶性を
示す材料を含む光硬化性の未硬化物に、２方向から位相
の揃った光線をあてて、それらの２つの光線の干渉を利
用して光硬化性の未硬化物を層状に硬化させる工程と、
次いで全体の硬化を完了する工程とを有し、その一方の
工程でのみ外場を印加するか、両工程で異なる外場を印
加することにより、その内部で屈折率が周期的に変化す
る層構造を有する体積ホログラム光学フィルムを製造す
ることを特徴とする体積ホログラム光学フィルムの製造
方法。
【請求項２】２回の硬化工程のいずれにおいても硬化を
生じない液晶を含有する請求項１に記載の体積ホログラ
ム光学フィルムの製造方法。
【請求項３】架橋性モノマーを含有する請求項１又は２
に記載の体積ホログラム光学フィルムの製造方法。
【請求項４】請求項１、２又は３に記載の製造方法で製
造された体積ホログラム光学フィルム。
【請求項５】請求項４に記載の体積ホログラム光学フィ
ルムを電極付の基板間に挟持してなる液晶光学素子。