JP3985997B2

JP3985997B2 - 光学素子の製造方法、光学素子、光学フィルム並びにこれらを用いた照明装置及び液晶表示装置

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Publication number: JP3985997B2
Application number: JP2001339632A
Authority: JP
Inventors: 育郎川本; 弘則本村; 美紀白男川
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2001-11-05
Filing date: 2001-11-05
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2021-11-05
Also published as: US20030090617A1; JP2003139953A; KR20030038407A; KR100728427B1; US6803985B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、螺旋状ねじれ分子構造を有する高分子液晶層からなる光学素子の製造方法で関する。また本発明は当該製造方法により得られた光学素子、当該光学素子を用いた光学フィルム、さらにはこれらを用いた照明装置及び液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、螺旋状ねじれ分子構造を有する高分子液晶層からなる光学素子の製造方法としては、たとえば、重合性液晶モノマーとカイラルモノマーが含む液晶混合物を２つの平行な配向基板の間で紫外線等により重合硬化して、螺旋状ねじれ分子構造のコレステリック偏光子を製造する方法が方法が知られている（特開平６−２８１８１４号公報）。しかし、当該公報に記載の製造方法のように両側の配向基板の間に液晶混合物を挟み込んで重合する方法では、厚み精度が悪く、これによる面内の光学特性の不均一化が生じ、輝度向上特性、正面色相・斜視色相の特性が低下するというデメリットがあった。また、配向基材が液晶混合物の両側に必要なため産業廃棄物が多いという問題もある。
【０００３】
前記公報において実際に得られたコレステリック偏光子の層厚は、１８〜２０μｍと極めて厚い層厚のものである。製品層厚が厚いことによって厚み精度が低下して、これによる面内の光学特性の不均一化が生じ、輝度向上特性、正面色相・斜視色相の特性が低下するというデメリットがあった。また、製品層厚が厚いことから、材料コストの増加の問題もある。
【０００４】
また前記従来の方法は、０．０６〜５ｍＷ／ｃｍ² 程度の極めて弱い照射強度の紫外線源（３６５ｎｍ）において、５分〜６０分という極めて長時間の露光が必要であり、極めて製造効率が低い製造方法であった。また前記従来の方法は、液晶混合物に染料を添加したり、配向基板縁部にスペーサを設けることによりコレステリック偏光子の広帯域化を実現しているが、この場合には液晶の配向性の低下とこれによる面内の光学特性の不均一化が生じ、輝度向上特性・正面色相・斜視色相の特性が低下するというデメリットがあった。さらには、前記従来の方法では、不連続性の形成を阻止するために、両基板のせん断操作は、両基板を平面性が得られるまで短い距離にわたってせん断しており、ロールｔｏロールによる製造が困難であり、極めて製造効率が低い製造方法であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、螺旋状ねじれ分子構造を有する高分子液晶層からなり、良好な厚み精度で良好な光学特性を有する光学素子を製造する方法を提供することを目的とする。また当該製造方法により得られた光学素子、当該光学素子を用いた光学フィルム、さらにはこれらを用いた照明装置及び液晶表示装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す製造方法により前記目的を達成できることを見出し本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明は、重合性ネマチック液晶化合物および重合性カイラル剤を含む混合溶液を配向基材上に塗布し、配向させる工程、次いで、前記混合溶液が酸素を含む気体と接触している状態で、配向基材側から照射強度１０〜１０００ｍＷ／ｃｍ ² で放射線照射を行い前記混合溶液を重合硬化させる工程を含むことを特徴とする螺旋状ねじれ分子構造を有する高分子液晶層からなる光学素子の製造方法、に関する。
【０００８】
上記本発明の製造方法は、液晶材料を含む混合溶液を１枚の配向基材により片側から配向させた後、混合溶液は酸素を含む気体と接触させた状態で、混合溶液とは反対側の配向基材側から放射線照射を行うことで、液晶層の膜厚方向における配向性を向上させ、しかも酸素濃度の違いにより重合硬化の反応速度の制御をしている。その結果、厚み精度の向上により製品厚の薄型化を図ることができ、螺旋状ねじれ分子構造を有する高分子液晶層からなる光学素子を、層厚２〜１５μｍの薄層フィルムで製造可能である。また厚み精度の向上により面内の光学特性が均一化し、輝度向上特性、正面色相・斜視色相の特性が向上して高い広帯域化を実現することが可能である。
【０００９】
また、片側配向による本発明の製造方法では、従来の２枚の配向基材を用いた両側配向による製造方法に比べて配向基材が半分でよく産業廃棄物が減少する。しかも、厚み精度が高く製品厚を薄型化できることから液晶材料のコストを削減できる。また、両側配向における色素添加系の広帯域化には、色素の光吸収による架橋反応速度の制御が必要なため、ある程度の層厚が必要となるが、上記本発明の製造方法によれば配向性や厚み精度が向上しこれにより輝度向上特性・正面色相・斜視色相の特性が向上しているため必要最小限の厚みで広帯域化が可能であり、フィルムコストの低減を図ることが可能である。さらにはロールｔｏロールによる生産効率の向上が可能となる。
【００１０】
前記光学素子の製造方法において、放射線照射中の温度が４０℃以上であることが好ましい。放射線照射中の温度を４０℃以上とすることで良好な配向状態で液晶材料を重合硬化させることができる。放射線照射中の温度は５０〜９０℃程度がより好ましい。
【００１１】
前記光学素子の製造方法において、酸素を含む気体が０．５％以上の酸素を含んでいることが好ましい。当該気体としては好ましくは空気が用いられる。
【００１２】
前記光学素子の製造方法において、放射線の照射強度が１０〜１０００ｍＷ／ｃｍ² であることが好ましい。本発明によれば、たとえば、紫外線光源（３６５ｎｍ）における照射強度が前記強強度の範囲において、０．１秒間〜２分間という極めて短時間の露光により光学素子を製造可能であり、極めて製造効率よく光学素子を製造することができる。放射線の照射強度は５０〜５００ｍＷ／ｃｍ² であるのがより好ましい。
【００１３】
前記光学素子の製造方法において、放射線として紫外線を照射する場合には、混合溶液が重合開始剤を重合性ネマチック液晶化合物と重合性カイラル剤の合計量に対して０．５〜１０重量％含有してなることが好ましい。紫外線照射により液晶混合物を重合させるには、混合溶液中に重合開始剤が必要である。またその使用量は、広帯域化した螺旋状ねじれ分子構造を有する高分子液晶層からなる光学素子を得るには前記範囲とするのが好適である。重合開始剤の前記使用割合は１〜１５重量％、さらには３〜７重量％であるのがより好ましい。
【００１４】
前記光学素子の製造方法において、重合性ネマチック液晶化合物が重合性官能基数を１つ以上有する化合物であり、重合性カイラル剤が重合性ネマチック液晶化合物の重合性官能基数以上の重合性官能基数を有する化合物であることが好ましい。重合性ネマチック液晶化合物と重合性カイラル剤として、それぞれの重合性官能基数が前記関係にあるものを用いることにより、放射線照射工程における反応性の違いにより、より広帯域化した螺旋状ねじれ分子構造を有する高分子液晶層からなる光学素子が得られる。たとえば、重合性ネマチック液晶化合物が重合性官能基数を１つ有する化合物の場合には、重合性カイラル剤が重合性官能基を２つ以上有する化合物を用いるのが好ましい。
【００１５】
前記光学素子の製造方法において、高分子液晶層の螺旋状ねじれ分子構造のピッチが、配向基材側のピッチとその反対側のピッチとで異なることが好ましい。また、高分子液晶層の螺旋状ねじれ分子構造の最大ピッチと最小ピッチとの間の差が少なくとも１００ｎｍとなるように変化していることが好ましい。配向基材側のピッチとその反対側のピッチが異なるように変化することで分子螺旋のピッチを発生させる高分子液晶層の広帯域化が可能であり、前記ピッチ差を有する場合には特に広帯域化した螺旋状ねじれ分子構造を有する高分子液晶層からなる光学素子が得られる。また、高分子液晶層は均一な光学特性を有し、螺旋のピッチが前記層の一方の面における最小値から同層の他方の面における最大値へと略連続して徐々に変化するように増加しているものがよく、当該層の強度に好ましく作用する。
【００１６】
また本発明は、前記光学素子の製造方法により得られた光学素子に関する。得られた光学素子は、たとえば、選択反射型偏光光学素子として用いられる。その他、位相差フィルム（光学補償フィルム）、ねじれ位相差フィルム、傾斜位相差フィルムなどとして使用される。また本発明は、前記光学素子を位相差フィルムと組み合わせた光学フィルム（コレステリック偏光子）、また前記光学素子を吸収型偏光フィルムと組み合わせた光学フィルムに関する。
【００１７】
前記選択反射型偏光光学素子等やこれを用いた光学フィルムは、照明装置において、裏面側に反射層を有する面光源の表面側に用いられる。前記照明装置は、少なくとも一層のプリズムアレイ層を有することが好ましい。また前記照明装置は、アレイの配列方向が上下の層で交差する状態にある２層以上のプリズムアレイ層を有することが好ましい。さらには本発明は、照明装置の光出射側に、液晶セルを有することを特徴とする液晶表示装置に関する。前記光学フィルム、照明装置、液晶表示装置は、各形成層の全部又は一部が接着層を介して密着したものを使用できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
重合性ネマチック液晶化合物は、重合性官能基を少なくとも１つ有し、これに環状単位等からなるメソゲン基を有するものがあげられる。重合性官能基としては、アクリロイル基、メタクリロイル基、エポキシ基、ビニルエーテル基等があげられるが、これらのなかでアクリロイル基、メタクリロイル基が好適である。また重合性官能基を２つ以上有するものを用いることにより架橋構造を導入して耐久性を向上させることもできる。メソゲン基となる前記環状単位としては、たとえば、ビフェニル系、フェニルベンゾエート系、フェニルシクロヘキサン系、アゾキシベンゼン系、アゾメチン系、アゾベンゼン系、フェニルピリミジン系、ジフェニルアセチレン系、ジフェニルベンゾエート系、ビシクロへキサン系、シクロヘキシルベンゼン系、ターフェニル系等があげられる。なお、これら環状単位の末端は、たとえば、シアノ基、アルキル基、アルコキシ基、ハロゲン基等の置換基を有していてもよい。前記メソゲン基は屈曲性を付与するスペーサ部を介して結合していてもよい。スペーサ部としては、ポリメチレン鎖、ポリオキシメチレン鎖等があげられる。スペーサ部を形成する構造単位の繰り返し数は、メソゲン部の化学構造により適宜に決定されるがポリメチレン鎖の繰り返し単位は０〜２０、好ましくは２〜１２、ポリオキシメチレン鎖の繰り返し単位は０〜１０、好ましくは１〜３である。
【００１９】
重合性カイラル剤は、重合性官能基を少なくとも１つ有し、かつ光学活性基を有し、重合性ネマティック液晶化合物の配向を乱さないものであれば特に制限されない。重合性官能基としては、アクリロイル基、メタクリロイル基、エポキシ基、ビニルエーテル基等があげられるが、これらのなかでアクリロイル基、メタクリロイル基が好適である。重合性カイラル剤は、液晶性を有していてもよく液晶性を有しなくてもよいが、コレステリック液晶性を示すものを好ましく使用できる。
【００２０】
重合性カイラル剤の添加量は、その添加量により選択反射波長を決定するピッチが変化することから前記添加量の制御で選択反射波長に基づく色を調節することができる。重合性カイラル剤の配合量は、重合性ネマチック液晶化合物１００重量部に対し１〜３０重量部程度、好ましくは２〜２０重量部程度である。
【００２１】
前記重合性ネマチック液晶化合物と重合性カイラル剤を含む混合溶液を紫外線照射する場合には当該混合溶液に光重合開始剤が含まれる。光重合開始剤は各種のものを特に制限なく使用できる。光重合開始剤としては、たとえば、チバスペシャリフィケミカルズ社製のイルガキュア（Ｉｒｇａｃｕｒｅ）９０７，同１８４、同６５１、同３６９などを例示できる。
【００２２】
前記混合溶液を調製する際に用いられる溶媒としては、通常、クロロホルム、ジクロロメタン、ジクロロエタン、テトラクロロエタン、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン、クロロベンゼンなどのハロゲン化炭化水素類、フェノール、パラクロロフェノールなどのフェノール類、ベンゼン、トルエン、キシレン、メトキシベンゼン、１，２−ジメトキベンゼンなどの芳香族炭化水素類、その他、アセトン、酢酸エチル、ｔｅｒｔ−ブチルアルコール、グリセリン、エチレングリコール、トリエチレングリコール、エチレンブリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、エチルセルソルブ、ブチルセルソルブ、２−ピロリドン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ピリジン、トリエチルアミン、テトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ブチロニトリル、二硫化炭素などを用いることができる。溶液の濃度は、サーモトロピック液晶性化合物の溶解性や最終的に目的とする光学フィルムの膜厚に依存するため一概には言えないが、通常３〜５０重量％程度である。
【００２３】
本発明の製造方法は、図１に示すように、前記重合性ネマチック液晶化合物と重合性カイラル剤を含む混合溶液２を、配向基材１上に塗布し、配向させた後、次いで、前記混合溶液が酸素を含む気体と接触している状態で、配向基材側から放射線照射３を行い前記混合溶液２を重合硬化させて、螺旋状ねじれ分子構造を有する高分子液晶層（コレステリック液晶層）２ａとする。
【００２４】
配向基材としては、従来知られているものを採用できる。たとえば、基板上にポリイミドやポリビニルアルコール等からなる薄膜を形成して、それをレーヨン布等でラビング処理したラビング膜、斜方蒸着膜、シンナメートやアゾベンゼンなど光架橋基を有するポリマーあるいはポリイミドに偏光紫外線を照射した光配向膜、延伸フィルムなどが用いられる。その他、磁場、電場配向、ずり応力操作により配向させることもできる。なお、前記基板としては、ポリエチレンテレフタレート、トリアセチルセルロース、ノルボルネン樹脂、ポリビニルアルコール、ポリイミド、ポリアリレート、ポリカーボネート、ポリスルホンやポリエーテルスルホン等のプラスチックからなるフィルムやガラス板が用いられる。
【００２５】
配向基材に前記混合溶液を塗工する方法としては、例えば、ロールコート法、グラビアコート法、スピンコート法、バーコート法などを採用することができる。混合溶液の塗工後、溶媒を除去し、基板上に液晶層を形成させる。溶媒の除去条件は、特に限定されず、溶媒をおおむね除去でき、液晶層が流動したり、流れ落ちたりさえしなければ良い。通常、室温での乾燥、乾燥炉での乾燥、ホットプレート上での加熱などを利用して溶媒を除去する。
【００２６】
次いで、前記配向基材上に形成された液晶層を液晶状態とし、コレステリック配向させる。たとえば、液晶層が液晶温度範囲になるように熱処理を行う。熱処理方法としては、上記の乾燥方法と同様の方法で行うことができる。熱処理温度は、液晶材料や配向基材の種類により異なるため一概には言えないが、通常６０〜３００℃、好ましくは７０〜２００℃の範囲において行う。また熱処理時間は、熱処理温度および使用する液晶材料や配向基材の種類によって異なるため一概には言えないが、通常１０秒〜２時間、好ましくは２０秒〜３０分の範囲で選択される。
【００２７】
次いで、配向液晶層に対して、好ましくは４０℃以上の条件下で、放射線照射を行い、前記重合性ネマチック液晶化合物と重合性カイラル剤の重合硬化を行う。放射線照射としては、紫外線、Ｘ線、ガンマ線、電子線等が用いられる。こうして得られた螺旋状ねじれ分子構造を有する高分子液晶層からなる光学素子が得られる。光学素子は配向基材から剥離することなく用いられる他、配向基材から剥離して用いてもよい。
【００２８】
【実施例】
以下、実施例や比較例を参照して本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２９】
製造例１（配向基材の調製）
５０μｍ厚トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）フィルム上に、ポリビニルアルコールの配向膜０．１μｍ厚を形成した後、ラビング処理を行い配向基材とした。
【００３０】
製造例２（混合溶液の調製）
液晶性を示す温度が８０〜２１０℃の１官能性アクリル型のネマチック液晶モノマーと２官能性アクリル型のカイラル剤を９５対５の重量比率で配合し、約３３重量％の濃度になるように溶媒（メチルエチルケトン）で希釈し、前述の固形分に対して５重量％の重合開始剤を加えて混合溶液Ａを調製した。
【００３１】
製造例３（混合溶液の調製）
液晶性を示す温度が８０〜２１０℃の２官能性アクリル型のネマチック液晶モノマーと２官能性アクリル型のカイラル剤を９５対５の重量比率で配合し、約３３重量％の濃度になるように溶媒（メチルエチルケトン）で希釈し、前述の固形分に対して５重量％の重合開始剤を加えて混合溶液Ｂを調製した。
【００３２】
比較例１（酸素と接しない場合）
混合溶液Ａを２枚の配向基材（配向処理面）の間に形成し、溶媒を揮発除去した後、１２０℃に加熱して液晶を配向させ、６０℃でメタルハライドランプにより１００ｍＷ／ｃｍ² の紫外線照射を２秒間行い薄膜フィルムを得た。薄膜フィルム厚みは５μｍであった。
【００３３】
比較例２（配向基材の反対側から照射する場合）
混合溶液Ａを配向基材（配向処理面）上に形成し、溶媒を揮発除去した後、１２０℃に加熱して液晶を配向させ、６０℃で空気下において配向基材の反対側からメタルハライドランプにより１００ｍＷ／ｃｍ² の紫外線照射を２秒間行い薄膜フィルムを得た。厚みは５μｍであった。
【００３４】
実施例１
混合溶液Ｂを配向基材（配向処理面）上に形成し、溶媒を揮発除去した後、１２０℃に加熱して液晶を配向させ、６０℃で空気下において配向基材側からメタルハライドランプにより１００ｍＷ／ｃｍ² の紫外線照射を２秒間行い薄膜フィルムを得た。厚みは５μｍであった。
【００３５】
実施例２
実施例１において混合溶液Ｂの代わりに混合溶液Ａ（但し、重合開始剤は７重量％）を用いたこと以外は実施例１と同様にして厚み５μｍの薄膜フィルムを得た。
【００３６】
実施例３
実施例１において混合溶液Ｂの代わりに混合溶液Ａを用いたこと以外は実施例１と同様にして厚み５μｍの薄膜フィルムを得た。
【００３７】
実施例４
実施例１において混合溶液Ｂの代わりに混合溶液Ａ（但し、重合開始剤は３重量％）を用いたこと以外は実施例１と同様にして厚み５μｍの薄膜フィルムを得た。
【００３８】
評価試験
比較例１〜２および実施例１〜４で得た薄膜フィルムの反射スペクトルを分光光度計（大塚電子株式会社製、瞬間マルチ測光システムＭＣＰＤ−２０００）にて測定し、半値幅△λを求めた。半値幅△λ（最大反射率の半分の反射率における反射帯域）を表１に示す。
【００３９】
なお、比較例と実施例で用いたネマチック液晶モノマーは、平均屈折率ｎ｛（常光屈折率＋異常光屈折率）／２｝＝１．５、△ｎ（異常光屈折率−常光屈折率）＝０．２、である。比較例と実施例で用いたネマチック液晶モノマーとカイラル剤は、ネマチック液晶モノマー：カイラル剤＝９５：５（重量比）で配合すると、５００ｎｍの中心波長入を持つ反射スペクトルを得ることができる。また、コレステリック螺旋ピッチをｐ、半値幅△λは、λ＝ｎ×ｐ、△λ＝△ｎ・ｐの式で表される。理論値として、上記５００ｎｍの中心波長を持つときのコレステリック螺旋ピッチｐ＝３２０ｎｍであり、このときの半値幅△λ＝６７ｎｍとなる。
【００４０】
【表１】

表１に示す通り、比較例では半値幅△λが理論値と略一致しているが、実施例によれば半値幅△λが１００ｎｍを超え、理論値よりもかなり広帯域化しており、薄膜フィルムが厚み５μｍである場合にも良好な厚み精度で良好な光学特性の螺旋状ねじれ分子構造を有する高分子液晶層からなる光学素子が得られていると認められる。また、重合開始剤量や、ネマチック液晶モノマーとカイラル剤としてその重合性官能基数を調整することにより、さらに広帯域化できることが認められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学素子の製造方法の概念図である。
【符号の説明】
１配向基材
２混合溶液（高分子液晶層）
３放射線照射

Claims

重合性ネマチック液晶化合物および重合性カイラル剤を含む混合溶液を配向基材上に塗布し、配向させる工程、次いで、前記混合溶液が酸素を含む気体と接触している状態で、配向基材側から照射強度１０〜１０００ｍＷ／ｃｍ ² で放射線照射を行い前記混合溶液を重合硬化させる工程を含むことを特徴とする螺旋状ねじれ分子構造を有する高分子液晶層からなる光学素子の製造方法。
放射線照射中の温度が４０℃以上であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
酸素を含む気体が０．５％以上の酸素を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子の製造方法。
放射線が紫外線であり、混合溶液が重合開始剤を重合性ネマチック液晶化合物と重合性カイラル剤の合計量に対して０．５〜１０重量％含有してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
重合性ネマチック液晶化合物が重合性官能基を１つ以上有する化合物であり、重合性カイラル剤が重合性ネマチック液晶化合物の重合性官能基数以上の重合性官能基数を有する化合物であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
高分子液晶層の螺旋状ねじれ分子構造のピッチが、配向基材側のピッチとその反対側のピッチとで異なることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
高分子液晶層の螺旋状ねじれ分子構造の最大ピッチと最小ピッチとの間の差が少なくとも１００ｎｍとなるように変化していることを特徴とする請求項６記載の光学素子の製造方法。
請求項１〜７の光学素子の製造方法により得られた光学素子。
請求項８記載の光学素子と位相差フィルムからなることを特徴とする光学フィルム。
請求項８記載の光学素子と吸収型偏光フィルムからなることを特徴とする光学フィルム。
裏面側に反射層を有する面光源の表面側に請求項８記載の光学素子または請求項９もしくは請求項１０に記載の光学フィルムを有することを特徴とする照明装置。
少なくとも一層のプリズムアレイ層を有することを特徴とする請求項１１に記載の照明装置。
アレイの配列方向が上下の層で交差する状態にある２層以上のプリズムアレイ層を有することを特徴とする請求項１２記載の照明装置。
請求項１１〜１３に記載の照明装置の光出射側に、液晶セルを有することを特徴とする液晶表示装置。