JP4475515B2 - 光ダイオード - Google Patents

Description

本発明は、光の入射方向によって透過光量が異なる光ダイオードに関する。

従来より、光の入射方向によって透過光量が異なる光ダイオードが知られている（例えば下記特許文献１参照）。同文献には、低屈折率層と高屈折率層を交互に複数積層した積層体からなり、低屈折率層および高屈折率層の屈折率がそれぞれ積層体の厚さ方向に沿って徐々に増加し且つ低屈折率層または高屈折率層が非線形光学特性を有する光ダイオードが提案されている。

この光ダイオート゛によれば、低屈折率層又は高屈折率層において非線形光学効果が生じる程度の十分高強度なレーザ光を入射すると、積層体の一方から入射される光については一部透過するのに対し他方から入射される光についてはほとんど反射されることとされている。
米国特許第５５５９８２５号明細書

しかしながら、前述した従来の光ダイオードは以下に示す課題を有する。

即ち上記従来の光ダイオードは、低屈折率層と高屈折率層を交互に複数積層した積層体からなり、製造に極めて手間がかかるため、低コスト化が困難である。

また上記光ダイオードは、光ダイオード特性を実現させるために、光ダイオードに対して低屈折率層又は高屈折率層において非線形光学効果が生じる程度の十分高強度なレーザ光を入射する必要があり、省電力化も困難である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、低コスト化及び省電力化を実現できる光ダイオードを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の光ダイオードは、入射された偏光の２つの固有偏光間の位相差を変化させる位相子と、前記位相子を透過した光の２つの固有偏光のうち片方の固有偏光のみ透過し、残りの固有偏光は吸収もしくは反射することで透過しない偏光子を備えることを特徴とする。具体的には、本発明の光ダイオードは、選択反射波長帯域を有するコレステリック液晶層と、前記コレステリック液晶層の前記選択反射波長帯域内の波長における２つの固有偏光間の位相差を変化させる位相子とを備え、光の入射方向によって透過光量が異なることを特徴とする。

選択反射波長帯域を有するコレステリック液晶層と、前記コレステリック液晶層の前記選択反射波長帯域内の波長における２つの固有偏光間の位相差を変化させる位相子とを備える光ダイオードによれば、例えばコレステリック液晶層の選択反射波長帯域内の波長を有し且つコレステリック液晶層のらせんの巻き方向と同一の回転方向を有する円偏光を位相子に入射すると、位相子により２つの固有偏光間の位相差が変化される。このため、位相子から出射される光がコレステリック液晶層に入射すると、この光は、コレステリック液晶層を透過することが可能となる。一方、コレステリック液晶層に、コレステリック液晶層の選択反射波長帯域内の波長を有し且つコレステリック液晶層のらせんの巻き方向と同一の回転方向を有する円偏光が入射されると、この円偏光はコレステリック液晶層で選択的に反射される。こうして光ダイオード特性が実現される。上記の光ダイオード特性は、コレステリック液晶層の選択反射波長帯域内の波長を有し且つコレステリック液晶層のらせんの巻き方向と反対の回転方向を有する円偏光を用いた場合も実現され得る。この光ダイオードによれば、製造に手間がかからないため、低コスト化を実現できる。更にこの光ダイオードによれば、非線形光学効果が利用されないため、入射光として、非線形光学効果を生じさせる程度の十分に高強度なレーザ光を入射させる必要がない。従って、省力化を実現することも可能である。

上記光ダイオードにおいて、上記位相子が、コレステリック液晶層の選択反射波長帯域内の波長を有する円偏光の２つの固有偏光間の位相差を１６０°〜２００°変化させるものであることが好ましい。

この場合、位相子に円偏光が入射すると、この円偏光と反対の回転方向の円偏光、すなわちコレステリック液晶層のらせんの巻き方向と反対の回転方向を有する円偏光に近い偏光状態の偏光が出射され、コレステリック液晶層による反射が十分に防止される。このため、位相子側から円偏光を入射した場合に、透過光量をより増加させることが可能となる。

上記光ダイオードは、第１コレステリック液晶層である上記コレステリック液晶層と異なる選択反射波長帯域を有する第２コレステリック液晶層を更に備えており、前記位相子が、前記第１コレステリック液晶層の前記選択反射波長帯域の中心波長と、前記第２コレステリック液晶層の前記選択反射波長帯域の中心波長との間の波長２つの固有偏光間の位相差を１６０°〜２００°変化させるものであることが好ましい。ここで、第１及び第２コレステリック液晶層の選択反射波長帯域の中心波長とは、コレステリック液晶層単体での分光透過スペクトルにおいて、選択反射波長帯域の短波長端と長波長端でそれぞれ透過率６０％となる２つの波長の算術平均によって算出される波長を言うものとする。

この場合、第１コレステリック液晶層の選択反射波長帯域内の波長を有する円偏光を入射する場合でも、第２コレステリック液晶層の選択反射波長帯域内の波長を有する円偏光を入射する場合でも、光ダイオード特性が実現される。即ち、２つの異なる波長の光に対して光ダイオード特性が実現される。

本発明の光ダイオードによれば、低コスト化及び省電力化を実現できる。

以下、本発明の光ダイオードの実施形態について詳細に説明する。

[第１実施形態]
図１は、本発明の光ダイオードの一実施形態を概略的に示す断面図である。図１に示すように、光ダイオード１は、コレステリック液晶層（第１コレステリック液晶層）２と、コレステリック液晶層（第２コレステリック液晶層）３とを備えており、これらは互いに対向して配置されている。コレステリック液晶層２、３におけるらせんの巻き方向は同一であり、本実施形態では左となっている。またコレステリック液晶層２の選択反射波長帯域とコレステリック液晶層３の選択反射波長帯域は異なっている。言い換えると、コレステリック液晶層２の選択反射波長帯域の中心波長とコレステリック液晶層３の選択反射波長帯域の中心波長とは互いにずれている。

コレステリック液晶層２、３の間には、位相子４が設けられている。位相子４は、コレステリック液晶層２の選択反射波長帯域の中心波長とコレステリック液晶層３の選択反射波長帯域の中心波長との間の波長の偏光に対し、２つの固有偏光間の位相差を略１８０°変化させる、即ち半波長素子として機能するものである。

なお、コレステリック液晶層２上には位相子４の反対側に、透明な配向基板７が設けられていてもよく、コレステリック液晶層３上には位相子４の反対側に、透明な配向基板８が設けられていてもよい。

この光ダイオード１において、コレステリック液晶層３に対し、コレステリック液晶層２の選択反射波長帯域内の波長の左円偏光を入射する。ここで、入射する左円偏光の波長としては、コレステリック液晶層２の選択反射波長帯域内の波長であってコレステリック液晶層３の選択反射波長帯域を外れるものを用いる。

すると、この左円偏光は、コレステリック液晶層３で選択反射されずに透過することが可能となる。

そして、この左円偏光が位相子４に入射すると、位相子４により２つの固有偏光の位相差が変化される。このとき、位相子４は、コレステリック液晶層２の選択反射波長帯域の中心波長とコレステリック液晶層３の選択反射波長帯域の中心波長との間の波長の偏光に対し、位相差を略１８０°変化させる、即ち半波長素子として機能する。このため、コレステリック液晶層３を透過した左円偏光の位相は実質的に１８０°変化されて、右円偏光に近い偏光状態の偏光とされる。

そして、位相子４から出射される偏光がコレステリック液晶層２に入射される。このとき、この偏光は、コレステリック液晶層２の選択反射波長帯域内の波長であるが、右円偏光に近い偏光状態を有する。このため、この偏光は、コレステリック液晶層２を透過することが可能となる。一方、コレステリック液晶層２に、コレステリック液晶層２の選択反射波長帯域内の波長を有する左円偏光が入射されると、この左円偏光はコレステリック液晶層２で選択的に反射される。

また光ダイオード１においては、コレステリック液晶層２に対し、コレステリック液晶層３の選択反射波長帯域内の波長の左円偏光を入射する。ここで、入射する左円偏光の波長としては、コレステリック液晶層３の選択反射波長帯域内の波長であってコレステリック液晶層２の選択反射波長帯域を外れるものを用いる。

すると、この左円偏光は、コレステリック液晶層２で選択反射されずに透過することが可能となる。

そして、この左円偏光が位相子４に入射すると、位相子４により２つの固有偏光の位相差が変化される。このとき、位相子４は、コレステリック液晶層２の選択反射波長帯域の中心波長とコレステリック液晶層３の選択反射波長帯域の中心波長との間の波長の偏光に対し、位相差を略１８０°変化させる、即ち半波長素子として機能する。このため、コレステリック液晶層２を透過した左円偏光の位相は実質的に１８０°変化されて、右円偏光に近い偏光状態の偏光とされる。

そして、位相子４から出射される偏光がコレステリック液晶層３に入射される。このとき、この偏光は、コレステリック液晶層３の選択反射波長帯域内の波長であるが、右円偏光に近い偏光状態を有する。このため、この偏光は、コレステリック液晶層３を透過することが可能となる。一方、コレステリック液晶層３に、コレステリック液晶層３の選択反射波長帯域内の波長を有する左円偏光が入射されると、この左円偏光はコレステリック液晶層３で選択的に反射される。

このように、光ダイオード１においては、２つの異なる波長の円偏光に対して光ダイオード特性が実現される。なお、光ダイオード１においては、入射光として左円偏光に代えて右円偏光を用いた場合であっても、光ダイオード特性が実現される。

また、コレステリック液晶層２とコレステリック液晶層３のらせんの巻き方向は同一の場合を例示したが、反対であっても光ダイオード特性は実現できる。

らせんの巻き方向が反対である場合は、コレステリック液晶層２とコレステリック液晶層３の選択反射波長帯域をずらせば、２つの異なるの波長に対し光ダイオード特性を発現させることが可能となり、選択反射波長帯域を同一とすれば、選択反射波長帯域内にある波長に対して、入射光の偏光状態および入射方向と、透過光の有無および偏光状態の関係が相補的となる素子を実現できる。

更に光ダイオード１によれば、製造に手間がかからないため、低コスト化を実現できる。更にこの光ダイオード１によれば、非線形光学効果が利用されないため、入射光として、非線形光学効果を生じさせる程度の十分に高強度なレーザ光を入射させる必要がない。従って、省力化を実現することも可能である。

次に、上述した位相子４、コレステリック液晶層２、３の構成について詳細に説明する。

位相子４は、コレステリック液晶層２の選択反射波長帯域の中心波長とコレステリック液晶層３の選択反射波長帯域の中心波長との間の波長の偏光に対し、２つの固有偏光間の位相差を略１８０°変化させるものであれば特に限定されるものではない。例えば位相子４は異方性媒質から構成される。異方性媒質としては、ネマチック液晶６を含むものが用いられる。

また、異方性媒質としては、ポリマーボネート、ポリスルフォン、ポリビニルアルコール、ノルボルネンなどからなる１軸延伸フィルム、２軸延伸フィルムを用いることができる。さらには、水晶、方解石などの光学的１軸結晶や２軸結晶も用いることが出来る。

異方性媒質としては、好ましくは、電磁場、圧力、温度などの物理的な環境を変化させることによって複屈折位相差量を変化させることが可能であり、また所望の複屈折位相差量を固定化可能な液晶材料、特に好ましくは使用環境においてネマチック相を呈する液晶材料が本発明の実現に適している。

以下はネマチック相を呈する液晶材料を用いた場合を例示する。

位相子４においては通常、ネマチック液晶６のダイレクタがコレステリック液晶層２、３の表面に対し平行な方向に配向している。

コレステリック液晶層２、３は、コレステリック液晶を含んでおり、コレステリック液晶はらせん構造に起因して特定波長帯域の光を選択的に反射することが可能となっている。なお、コレステリック液晶の具体例については後述する。

（ネマチック液晶）
ネマチック液晶６は、ネマチック液晶相状態を呈することが可能なものであれば特に制限されず、高分子液晶又は低分子液晶のいずれであっても構わない。高分子液晶としては、各種の主鎖型高分子液晶物質、側鎖型高分子液晶物質、またはこれらの混合物を用いることができる。

主鎖型高分子液晶物質としては、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリカーボネート系、ポリイミド系、ポリウレタン系、ポリベンズイミダゾール系、ポリベンズオキサゾール系、ポリベンズチアゾール系、ポリアゾメチン系、ポリエステルアミド系、ポリエステルカーボネート系、ポリエステルイミド系等の高分子液晶物質、またはこれらの混合物等が挙げられる。

また、側鎖型高分子液晶物質としては、ポリアクリレート系、ポリメタクリレート系、ポリビニル系、ポリシロキサン系、ポリエーテル系、ポリマロネート系、ポリエステル系等の直鎖状または環状構造の骨格鎖を有する物質に側鎖としてメソゲン基が結合した高分子液晶物質、またはこれらの混合物が挙げられる。

また低分子液晶としては、例えば飽和ベンゼンカルボン酸誘導体類、不飽和ベンゼンカルボン酸誘導体類、ビフェニルカルボン酸誘導体類、芳香族オキシカルボン酸誘導体類、シッフ塩基誘導体類、ビスアゾメチン化合物誘導体類、アゾ化合物誘導体類、アゾキシ化合物誘導体類、シクロヘキサンエステル化合物誘導体類、ステロール化合物誘導体類などの末端に反応性官能基を導入した液晶性を示す化合物や、前記化合物誘導体類のなかで液晶性を示す化合物に架橋性化合物を添加した組成物が用いられる。

（コレステリック液晶）
コレステリック液晶層２、３を構成するコレステリック液晶は、コレステリック配向を固定化できる液晶物質から少なくとも構成される。

上記液晶物質としては、高分子液晶物質と低分子液晶物質があり、高分子液晶物質としては、各種の主鎖型高分子液晶物質、側鎖型高分子液晶物質、またはこれらの混合物を用いることができる。

主鎖型高分子液晶物質としては、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリカーボネート系、ポリイミド系、ポリウレタン系、ポリベンズイミダゾール系、ポリベンズオキサゾール系、ポリベンズチアゾール系、ポリアゾメチン系、ポリエステルアミド系、ポリエステルカーボネート系、ポリエステルイミド系等の高分子液晶物質、またはこれらの混合物等が挙げられる。

また、側鎖型高分子液晶物質としては、ポリアクリレート系、ポリメタクリレート系、ポリビニル系、ポリシロキサン系、ポリエーテル系、ポリマロネート系、ポリエステル系等の直鎖状または環状構造の骨格鎖を有する物質に側鎖としてメソゲン基が結合した高分子液晶物質、またはこれらの混合物が挙げられる。

これらのなかでも合成や配向の容易さなどから、主鎖型高分子液晶物質が好ましく、その中でもポリエステル系が特に好ましい。

ポリマーの構成単位としては、例えば芳香族あるいは脂肪族ジオール単位、芳香族あるいは脂肪族ジカルボン酸単位、芳香族あるいは脂肪族ヒドロキシカルボン酸単位を好適な例として挙げられる。

また低分子液晶物質としては、飽和ベンゼンカルボン酸誘導体類、不飽和ベンゼンカルボン酸誘導体類、ビフェニルカルボン酸誘導体類、芳香族オキシカルボン酸誘導体類、シッフ塩基誘導体類、ビスアゾメチン化合物誘導体類、アゾ化合物誘導体類、アゾキシ化合物誘導体類、シクロヘキサンエステル化合物誘導体類、ステロール化合物誘導体類などの末端に反応性官能基を導入した液晶性を示す化合物や、前記化合物誘導体類のなかで液晶性を示す化合物に架橋性化合物を添加した組成物などが挙げられる。

コレステリック液晶層２、３を形成する方法としては、公知の方法を用いることができる。コレステリック液晶層２、３は、透明基板上に配向膜を形成し、配向膜にラビング処理を施した後、前記コレステリック液晶を必須成分とする液晶材料を塗布し、熱処理することによって得ることができる。

（配向基板）
配向基板７、８は、コレステリック液晶層２、３を支持することが可能なものであれば特に制限されず、配向基板７、８としては、例えばポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリスルフォン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリアリレート、トリアセチルセルロース、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等のフィルム、又はこれらのフィルムの一軸延伸フィルム等が例示できる。これらのフィルムはその製造方法によっては改めて配向能を発現させるための処理を行わなくともコレステリック液晶層２、３に使用されるコレステリック液晶に対して十分な配向能を示すものもあるが、配向能が不十分、または配向能を示さない等の場合には、必要によりこれらのフィルムを適度な加熱下に延伸したり、フィルム面をレーヨン布等で一方向に擦るいわゆるラビング処理を行ったり、フィルム上にポリイミド、ポリビニルアルコール、シランカップリング剤等の公知の配向剤からなる配向膜を設けてラビング処理を行ったり、酸化珪素等の斜方蒸着処理を行ったり、あるいはこれらの処理を適宜組み合わせるなどして配向能を発現させたフィルムを用いても良い。また表面に規則的な微細溝を設けた各種ガラス板等も配向基板７、８として使用することができる。

配向基板７、８としては、好ましくは、透明基板９、１０上に、ラビング処理したポリイミドフィルム１１、１２を形成したものが用いられる。

（光ダイオードの製造方法）
上記光ダイオード１は、以下のようにして製造することができる。

まず透明な配向基板７、８を用意する。配向基板７、８としては、例えばラビング処理した配向膜が形成されたガラス基板が用いられる。

次に、コレステリック液晶層２、３を構成するコレステリック液晶を溶媒と混合して所定濃度の液晶溶液を調製し、この液晶溶液を配向基板７、８の配向膜上に塗布する。これにより、コレステリック液晶が配向する。このとき、必要なら熱処理などによりコレステリック液晶の配向を形成する。熱処理は液晶相発現温度範囲に加熱することにより、該液晶物質が本来有する自己配向能により液晶を配向させるものである。このとき、コレステリック液晶層２の選択反射波長帯域と、コレステリック液晶層３の選択反射波長帯域とが互いにずれるようにコレステリック液晶を選択する。また熱処理の条件としては、用いる液晶物質の液晶相挙動温度（転移温度）により最適条件や限界値が異なるため一概には言えないが、通常１０〜３００℃、好ましくは３０〜２５０℃の範囲である。あまり低温では、液晶の配向が十分に進行しないおそれがあり、また高温では、液晶物質が分解したり配向基板に悪影響を与えるおそれがある。また、熱処理時間については、通常３秒〜６０分、好ましくは１０秒〜３０分の範囲である。３秒よりも短い熱処理時間では、液晶の配向が十分に完成しないおそれがあり、また６０分を超える熱処理時間では、生産性が極端に悪くなるため、どちらの場合も好ましくない。

上記液晶溶液を構成する溶媒は、用いるコレステリック液晶の種類により異なるが、通常トルエン、キシレン、ブチルベンゼン、テトラヒドロナフタレン、デカヒドロナフタレン等の炭化水素系、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル系、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン系、酢酸エチル、酢酸ブチル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、乳酸エチル、γ−ブチロラクトン等のエステル系、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等のアミド系、ジクロロメタン、四塩化炭素、テトラクロロエタン、クロロベンゼン等のハロゲン化炭化水素系、ブチルアルコール、トリエチレングリコール、ジアセトンアルコール、ヘキシレングリコール等のアルコール系等が挙げられる。これらの溶媒は必要により適宜混合して使用してもよい。また、溶液の濃度は用いられるコレステリック液晶の分子量や溶解性、さらに最終的に目的とするコレステリック液晶層２、３の厚み等により異なるため一概には決定できないが、通常は１〜６０重量％、好ましくは３〜４０重量％である。

また上記液晶溶液には、塗布を容易にするために界面活性剤を加えても良く、この界面活性剤としては、例えばイミダゾリン、第四級アンモニウム塩、アルキルアミンオキサイド、ポリアミン誘導体等の陽イオン系界面活性剤、ポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレン縮合物、第一級あるいは第二級アルコールエトキシレート、アルキルフェノールエトキシレート、ポリエチレングリコール及びそのエステル、ラウリル硫酸ナトリウム、ラウリル硫酸アンモニウム、ラウリル硫酸アミン類、アルキル置換芳香族スルホン酸塩、アルキルリン酸塩、脂肪族あるいは芳香族スルホン酸ホルマリン縮合物等の陰イオン系界面活性剤、ラウリルアミドプロピルベタイン、ラウリルアミノ酢酸ベタイン等の両性系界面活性剤、ポリエチレングリコール脂肪酸エステル類、ポリオキシエチレンアルキルアミン等の非イオン系界面活性剤、パーフルオロアルキルスルホン酸塩、パーフルオロアルキルカルボン酸塩、パーフルオロアルキルエチレンオキシド付加物、パーフルオロアルキルトリメチルアンモニウム塩、パーフルオロアルキル基・親水性基含有オリゴマー、パーフルオロアルキル・親油基含有オリゴマーパーフルオロアルキル基含有ウレタン等のフッ素系界面活性剤などが挙げられる。

界面活性剤の添加量は、界面活性剤の種類や溶剤、あるいは塗布する配向基板７、８の配向膜にもよるが、通常、コレステリック液晶の重量に対する比率にして１０ｐｐｍ〜１０％、好ましくは５０ｐｐｍ〜５％、さらに好ましくは０．０１％〜１％の範囲である。

また上記液晶溶液には、コレステリック液晶層２、３の耐熱性等を向上させるために、コレステリック液晶相の発現を妨げない程度のビスアジド化合物やグリシジルメタクリレート等の架橋剤等を添加し、後の工程で架橋することもできる。またアクリロイル基、ビニル基あるいはエポキシ基等の官能基を導入したビフェニル誘導体、フェニルベンゾエート誘導体、スチルベン誘導体などを基本骨格とした重合性官能基を予め液晶物質に導入しておきコレステリック相を発現させ架橋させてもよい。

塗布方法については、塗膜の均一性が確保される方法であれば、特に限定されることはなく公知の方法を採用することができる。例えば、ロールコート法、ダイコート法、ディップコート法、カーテンコート法、スピンコート法などを挙げることができる。塗布の後に、ヒーターや温風吹きつけなどの方法による溶媒除去（乾燥）工程を入れても良い。塗布された膜の乾燥状態における膜厚は、通常０．３〜２０μｍ、好ましくは０．５〜１０μｍ、さらに好ましくは０．７〜３μｍである。この範囲外では、得られるコレステリック液晶層２、３の光学性能が不足したり、コレステリック液晶の配向が不十分になるなどして好ましくない。

コレステリック液晶の配向を形成させた後は、配向の固定化を行う。この場合、コレステリック液晶の配向が熱処理などにより完成したのち、そのままの状態で配向基板７、８上のコレステリック液晶を、使用した液晶に適した手段を用いて固定化する。このような手段としては、例えば急冷によるガラス固定化、熱、紫外線、電子線などのエネルギー照射による架橋化などが挙げられる。

次に、コレステリック液晶層２、３が互いに内側を向くように、配向基板７、８同士をスペーサ（図示せず）を介して接続する。このとき、コレステリック液晶層２の内側表面におけるコレステリック液晶のダイレクタと、コレステリック液晶層３の内側表面におけるコレステリック液晶のダイレクタとが平行になるように配向基板７、８同士を接続する。

そして、ネマチック液晶６を溶媒中に混合した溶液を調製し、この溶液を毛細管現象を利用して上記配向基板７、８間のスペースに封入した後、この溶液を加熱して溶媒を除去する。これによりコレステリック液晶層２、３間に位相子４が得られる。このとき、コレステリック液晶層２の内側表面におけるコレステリック液晶のダイレクタと、コレステリック液晶層３の内側表面におけるコレステリック液晶のダイレクタとが平行になるため、ネマチック液晶６は、ネマチック液晶相状態を呈したときに、そのダイレクタが配向基板７、８の表面に平行な方向に配向するようになる。以上のようにして光ダイオード１が得られる。

なお、上記製造方法では、コレステリック液晶層２、３同士を、スペーサを介して接続し、溶液を封入した後、溶媒を除去することにより、ネマチック液晶６を配向させてコレステリック液晶層２、３間に位相子４を形成しているが、ネマチック液晶６の配向が固定化されており位相子４がもともと作製されている場合、すなわち位相子４が高分子フィルムからなる場合には、コレステリック液晶層２、位相子４およびコレステリック液晶層を、接着剤などを用いて相互に積層すればよい。

なお、上記実施形態では、位相子４が、コレステリック液晶層２のらせんの巻き方向と同一の回転方向を有する円偏光の２つの固有偏光間の位相差を１８０°変化させるものであるとしているが、位相子４は、上記円偏光の２つの固有偏光間の位相差を１６０°〜２００°変化させるものであれば、１８０°に限定されるものではない。この場合でも、上記とほぼ同様の効果を得ることができる。

[第２実施形態]
次に、本発明の光ダイオードの第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等の構成要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図２は、本発明の光ダイオードの第２実施形態を概略的に示す断面図である。図２に示すように、本実施形態の光ダイオード２１は、コレステリック液晶層３及び配向基板８が省略され、且つ位相子２４が下記のように構成されている点で、第１実施形態の光ダイオード１と相違する。

即ち光ダイオード２１においては、位相子２４は、コレステリック液晶層２のらせんの巻き方向と同一の回転方向を有する円偏光の２つの固有偏光間の位相差を略１８０°変化させて、コレステリック液晶層２のらせんの巻き方向と反対の回転方向を有する円偏光を出射する点で、コレステリック液晶層２の選択反射波長帯域の中心波長とコレステリック液晶層３の選択反射波長帯域の中心波長との間の波長の偏光に対し半波長素子として機能する第１実施形態の位相子４と相違する。本実施形態ではコレステリック液晶層２のらせんのまき方向は左であるため、言い換えると、位相子２４は、左円偏光の位相を１８０°変化させて右円偏光を出射するものである。即ち、位相子２４は、入射される左円偏光に対して半波長素子として機能する。

この光ダイオード２１において、位相子２４に対し、コレステリック液晶層２の選択反射波長帯域内の波長の左円偏光を入射する。ここで、入射する左円偏光の波長としては、コレステリック液晶層２の選択反射波長帯域内の波長を用いる。

すると、位相子２４により左円偏光の２つの固有偏光間の位相差が１８０°変化されて右円偏光とされる。

そして、位相子２４から出射される右円偏光がコレステリック液晶層２に入射される。このとき、右円偏光は、コレステリック液晶層２の選択反射波長帯域内の波長であるが、コレステリック液晶層２におけるらせんの巻き方向と反対の回転方向を有する。このため、右円偏光は、コレステリック液晶層２を透過することが可能となる。一方、コレステリック液晶層２に、コレステリック液晶層２の選択反射波長帯域内の波長を有する左円偏光が入射されると、この左円偏光はコレステリック液晶層２で選択的に反射される。

また光ダイオード２１によれば、製造に手間がかからないため、低コスト化を実現できる。更にこの光ダイオード２１によれば、非線形光学効果が利用されないため、入射光として、非線形光学効果を生じさせる程度の十分に高強度なレーザ光を入射させる必要がない。従って、省力化を実現することも可能である。

なお、上記実施形態では、位相子２４が、コレステリック液晶層２のらせんの巻き方向と同一の回転方向を有する円偏光の２つの固有偏光間の位相差を１８０°変化させるものであるとしているが、位相子２４は、上記円偏光の２つの固有偏光間の位相差を１６０°〜２００°変化させるものであれば、１８０°に限定されるものではない。この場合でも、上記とほぼ同様の効果を得ることができる。

[第３実施形態]
次に、本発明の光ダイオードの第３実施形態について説明する。

図３は、本発明の光ダイオードの第３実施形態を示す側面図である。図３に示すように、本実施形態の光ダイオード３１は、入射される偏光の２つの固有偏光間の位相差を変化させる３４と、位相子３４の進相軸と略４５°となるように透過軸が設けられた直線偏光素子３２とを備えている。なお、図３において、破線の矢印は、この方向に沿った透過光が存在しないことを表し、実線の矢印は、透過光の電界成分が存在することを表している。また図３において、位相子３４と直線偏光素子３２とは離れて配置されているが、実際には、両者は接着剤等で貼り合わされる。

この光ダイオード３１によれば、直線偏光素子３２の吸収軸に平行な直線偏光を位相子３４側から入射させると、直線偏光の偏光方位が９０度回転され、直線偏光素子３２の吸収軸に垂直な直線偏光が出射される。そして、この直線偏光が直線偏光素子３２に入射されると、直線偏光素子３２の吸収軸に垂直なため完全に透過する。

一方、直線偏光素子３２の吸収軸に平行な直線偏光を直線偏光素子３２側から入射させる。このとき、直線偏光は直線偏光素子３２に完全に吸収されるため、直線偏光素子３２からの出射光はなり、したがって位相子３４からの出射もなくなる。

こうして光ダイオード３１において、光ダイオード特性が実現される。

この光ダイオード３１によれば、製造に手間がかからないため、低コスト化を実現できる。更にこの光ダイオード３１によれば、非線形光学効果が利用されないため、入射光として、非線形光学効果を生じさせる程度の十分に高強度なレーザ光を入射させる必要がない。従って、省力化を実現することも可能である。

また上記第３実施形態では、位相子として半波長素子が用いられる。直線偏光素子３２の透過軸に対して半波長素子の進相軸が略４５°をなすように配置される。なお、位相子３４としては、第１実施形態の位相子４と同様のものを用いることができる。

[第４実施形態]
次に、本発明の光ダイオードの第４実施形態について説明する。

図４は、本発明の光ダイオードの第４実施形態を示す側面図である。図４に示すように、本実施形態の光ダイオード４１は、入射される偏光の偏光方位を略９０°回転させる９０°旋光子４４と、直線偏光素子４２とを備えている。９０°旋光子４４の直線偏光子４２側の遅相軸は、直線偏光子４２の透過軸と略平行になっており、直線偏光子４２と反対の側の遅相軸は、直線偏光子４２の透過軸と略垂直になっており、９０°旋光子４４において入射した偏光の偏光方位は略９０°回転する。この場合、回転の方向は左右どちらでも良い。

なお、図４において、破線の矢印は、この方向に沿った透過光が存在しないことを表して、実線の矢印は、透過光の電界成分が存在することを表している。また図４において、９０°旋光子４４と直線偏光素子４２とは離れて配置されているが、実際には、両者は接着剤等で貼り合わされる。

この光ダイオード４１によれば、直線偏光子４２の透過軸に垂直な直線偏光を９０°旋光子４４側から入射させると、直線偏光の偏光方位が９０°回転され、直線偏光子４２の透過軸に平行な直線偏光が出射される。そして、この直線偏光が直線偏光子４２に入射されると、直線偏光子４２の透過軸に平行なため完全に透過する。

一方、直線偏光子４２の透過軸に垂直な直線偏光を直線偏光子４２側から入射させる。このとき、直線偏光は直線偏光子４２に完全に吸収されるため、直線偏光子４２からの出射光はなり、したがって９０°旋光子４４からの出射もなくなる。

こうして光ダイオード４１において、光ダイオード特性が実現される。

この光ダイオード４１によれば、製造に手間がかからないため、低コスト化を実現できる。更にこの光ダイオード４１によれば、非線形光学効果が利用されないため、入射光として、非線形光学効果を生じさせる程度の十分に高強度なレーザ光を入射させる必要がない。従って、省力化を実現することも可能である。

なお、９０°旋光子４４としては、例えば入射される直線偏光の偏光方位を略９０°変化させるものであれば特に限定されるものではない。例えば９０°旋光子４４は旋光能を有する光学活性媒質から構成される。光学活性媒質としては、ねじれネマチック液晶を含むものが用いられる。また、水晶、過塩素酸ナトリウムなどの旋光能を有する光学結晶も用いることが出来る。

好ましくは、電磁場、圧力、温度などの物理的な環境を変化させることによって旋光量を変化させることが可能であり、また所望の旋光量を固定化可能な液晶材料、特に好ましくは使用環境においてねじれネマチック相を呈する液晶材料が本発明の実現に適している。

更に上記第１、第２及び第３の実施形態において、位相子４、２４、３４が異方性媒質から構成されているが、異方性媒質に含まれるネマチック液晶が低分子液晶である場合には、さらに異方性媒質を挟む電極を備えていてもよい。また、上記第４の実施形態において、旋光子４４が異方性媒質から構成されているが、光学活性媒質に含まれるねじれネマチック液晶が低分子液晶である場合には、さらに光学活性媒質を挟む電極を備えていてもよい。これら場合、電極間に印加する電圧を調整することで、異方性媒質または光学活性媒質における異方性を調整することが可能となる。これにより、コレステリック液晶層２から円偏光を入射させる場合もしくは直線偏光素子３２、４２側から直線偏光を入射させる場合の透過光と、コレステリック液晶層３側から円偏光を、もしくは位相子２４、旋光子４２側から直線偏光を入射させる場合の透過光とのコントラスト比を最適な値に調整することが可能となる。

以下、本発明の内容を実施例及び比較例を挙げて説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
まず芳香族ポリエステルからなる高分子アキラルネマチック液晶と、芳香族ポリエステルからなる高分子キラルネマチック液晶との液晶混合物（新日本石油（株）製ＬＣフィルム）を用い、これをクロロホルム中に溶解して高分子コレステリック液晶溶液を得た。ここで、液晶混合物中の高分子キラルネマチック液晶の混合比は９３質量％とし、高分子コレステリック液晶溶液中の混合物の濃度は１０質量％とした。

この高分子コレステリック液晶溶液を、一方向にラビング処理したポリイミド配向膜（ＪＳＲ（株）製１２５４）を持つガラス基板上にスピンキャストした後、１８０℃に加熱し、２分間配向処理した後に、急冷しガラス化し、コレステリック配向を固定化した。こうして、ガラス基板上に、良好に配向した厚さ約３μｍの第１の高分子コレステリック液晶（ＰＣＬＣ）フィルムを得た。第１のＰＣＬＣフィルムについて透過スペクトルの測定を行ったところ、第１のＰＣＬＣフィルムにおける選択反射波長帯域の中心波長はおよそ５０５ｎｍであった。また第１のＰＣＬＣフィルムについて右円偏光及び左円偏光を入射させて透過光量を測定したところ、左円偏光を入射した方が透過光量が少なかったことから、第１のＰＣＬＣフィルムについては、らせんの巻き方向が左方向であることが分かった。また第１のＰＣＬＣフィルムについて、透過スペクトルを測定し、選択反射波長帯の短波長端と長波長端となる波長からｎ_ｅ、ｎ_ｏを測定したところ、ｎ_ｅ＝１．８０、ｎ_ｏ＝１．６０であった。また第１のＰＣＬＣフィルムのらせん軸はガラス基板表面に垂直であった。

一方、液晶混合物中の高分子キラルネマチック液晶の混合比を８２質量％とし、高分子コレステリック液晶溶液中の混合物の濃度を１０質量％としたこと以外は第１のＰＣＬＣフィルムと同様にして第２のＰＣＬＣフィルムを作製した。そして、第２のＰＣＬＣフィルムについても、第１のＰＣＬＣフィルムと同様にして、第１のＰＣＬＣフィルムにおける選択反射波長帯域の中心波長、及び、らせんの巻き方向を測定したところ、第２のＰＣＬＣフィルムにおける選択反射波長帯域の中心波長はおよそ５９０ｎｍであり、らせんの巻き方向は左方向であった。また第２のＰＣＬＣフィルムについて、第１のＰＣＬＣフィルムと同様にしてｎ_ｅ、ｎ_ｏを測定したところ、ｎ_ｅ＝１．８０、ｎ_ｏ＝１．６０であった。更に第２のＰＣＬＣフィルムのらせん軸はガラス基板表面に垂直であった。

一方、芳香族ポリエステルからなる高分子アキラルネマチック液晶（新日本石油（株）製ＬＣフィルム）を用い、これをクロロホルム中に溶解して高分子ネマチック液晶溶液を得た。ここで、高分子ネマチック液晶溶液中の高分子液晶濃度は１０質量％とした。

この高分子ネマチック液晶溶液を、一方向にラビング処理したポリイミド配向膜（ＪＳＲ（株）製１２５４）を持つガラス基板上にスピンキャストした後、１８０℃に加熱し、３分間配向処理した後に、急冷しガラス化し、ネマチック配向を固定化した。こうして、ガラス基板上に、良好に配向した厚さ約１．４μｍの高分子ネマチック液晶（NＬＣ）フィルムを得た。NＬＣフィルムについて王子計測機器（株）製自動複屈折計KOBRA２１−ADHにてリタ―デーションを測定したところ、波長５５０nmの光において２７８nmのリタ―デーションであることが分かり、半波長板として機能する位相子を得た。

次に、第１のＰＣＬＣフィルムにＮＬＣフィルムからなる半波長板を紫外線硬化型接着剤を介して積層した後に、ＮＬＣフィルム側のガラス基板を剥離した。さらに、その剥離面に紫外線硬化型接着剤を介して第２のＰＣＬＣフィルムを、高分子コレステリック液晶面が接するように接着して、ガラス基板の厚みを除いた積層体の厚みが約２０μｍの光ダイオードを得た。

（比較例１）
第１及び第２のＰＣＬＣフィルム間に位相子を設けなかったこと以外は実施例１と同様にして積層体を得た。

（透過スペクトルの測定）
実施例１及び比較例１で得られた積層体について、日本分光（株）製紫外可視分光光度計V-560を用いて透過スペクトルの測定を行った。このとき、入射光は右円偏光を透過する右円偏光板を用いて右円偏光とした。透過スペクトルの測定は、第１のＰＣＬＣフィルムを入射光側に向けた場合（Ｆｏｒｗａｒｄ）と、第２のＰＣＬＣフィルムを入射光側に向けた場合（Ｂａｃｋｗａｒｄ）のそれぞれについて行った。実施例１の積層体についての結果を図５に、比較例１の積層体についての結果を図６に示す。図５に示すように、実施例１の場合、ＦｏｒｗａｒｄとＢａｃｋｗａｒｄとでは、選択反射波長帯域が不一致であり、ずれることが分かった。これに対して図５に示すように、比較例１の積層体については、ＦｏｒｗａｒｄとＢａｃｋｗａｒｄとで、選択反射波長帯域が一致することが分かった。

また図５は、実施例１の積層体に対し右円偏光を入射した結果を示すものであるが、実施例１の積層体に対し左円偏光の入射を試みた。結果を図７に示す。なお、図６において、縦軸Ｔは、透過率１００％を１として表してある。図７に示すように、実施例１の積層体に対し左円偏光を入射した場合も、右円偏光を入射した場合と同様に、ＦｏｒｗａｒｄとＢａｃｋｗａｒｄとでは、選択反射波長帯域が不一致であり、ずれることが分かった。但し、右円偏光を入射した場合と比べると、ＦｏｒｗａｒｄとＢａｃｋｗａｒｄとで、選択反射波長帯域が逆転することが分かった。

（光ダイオード特性の確認）
図５および図7に示した透過スペクトルより、代表的な波長２点における透過光量を、入射する円偏光の種類と入射方向ごとにまとめた例を表１に示す。表１より、入射する円偏光の種類によって、また、入射する方向によって透過光量は大きく変化し、光ダイオード特性が得られていることが確認された。

比較例１の積層体については、Ｆｏｒｗａｒｄの場合もＢａｃｋｗａｒｄの場合も、透過光量は同じであった。このことから比較例１の積層体では、光ダイオード特性を示さないことが確認された。

（実施例２）
ガラス基板としてＩＴＯ膜付の導電性ガラスを使用した以外は実施例１と同様に、選択反射波長がおよそ５１０ｎｍである第１のＰＣＬＣフィルムを得た。ＰＣＬＣフィルムは、ガラス基板のＩＴＯ膜面とは反対側に形成した一方向にラビング処理したポリイミド配向膜（ＪＳＲ（株）製１２５４）面に実施例１記載の手順で作製した。

また第１のＰＣＬＣフィルムについて右円偏光及び左円偏光を入射させて透過光量を測定したところ、右円偏光を入射した方が透過光量が少なかったことから、第１のＰＣＬＣフィルムについては、らせんの巻き方向が右方向であることが分かった。

次に、ＰＣＬＣフィルムを形成した第１のＩＴＯ膜付ガラス板と、第２のＩＴＯ膜付ガラス板とを平行になるように且つそれぞれのガラス板のＩＴＯ膜付面が内側に配置されるように、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる厚さ１２．５μｍのスペーサを介して接続した。

一方、市販のネマチック液晶（ＮＬＣ）の低分子混合物（Ｍｅｒｃｋ社製ＺＬＩ２２９３、ｎ_ｅ＝１．６３１、ｎ_ｏ＝１．４９９）を、毛細管現象を利用して第１及び第２ＰＣＬＣフィルム間のスペースに導入し、７０℃でクロロホルムを蒸発させ、厚さ１．９２μｍの位相子を形成した。なお、この位相子について、王子計測機器（株）製自動複屈折計KOBRA−２１ADHにより測定した結果、リタ―デーションがおよそ２５２ｎｍであることが分かった。

このようにしておよそ５１０ｎｍの波長の光に対して半波長板として機能する位相子と選択反射帯域の中心波長がおよそ５１０ｎｍのＰＣＬＣフィルムの積層体を作製した。

（透過スペクトルの測定）
実施例２で得られた積層体について、日本分光（株）製紫外可視分光光度計V-560を用いて透過スペクトルの測定を行った。このとき、入射光は右円偏光を透過する右円偏光板を用いて右円偏光とした。また、２枚の導電性ガラスのＩＴＯ膜間に電圧を印加し、位相子を形成するネマチック液晶の配向状態を変化させることで位相子のリタ―デーションを変化させた。

透過スペクトルの測定は、位相子側を入射光側に向けた場合（Ｂａｃｋｗａｒｄ）について行った。実施例２の積層体についての結果を図８に示す。図８に示すように、実施例２の場合、印加電圧により選択反射波長帯域内の透過率が明確に変化することが分かった。すなわち、電圧を印加しない状態では半波長板として機能する位相子により入射した右円偏光の２つの固有偏光間の位相差が１８０°変化し、位相子を出射した状態ではほぼ左円偏光となり、右巻きのＰＣＬＣフィルムに入射するため、ＰＣＬＣフィルムをほぼ完全に透過する。印加電圧を０Ｖより５Ｖまで漸次増加するにしたがって、位相子のリタ―デーションが減少し、出射する透過光量が減少していくことが確認された。

これにより、光ダイオード特性を電圧によって制御可能であることが確認された。

（参考例３）
実施例１で作製した位相子を、粘着剤を介して住友化学（株）製直線偏光板ＳＲＷ８６２ＡＰに貼合して積層体を得た。この時、位相子を構成する高分子液晶の長軸の配向方位と直線偏光板の吸収軸がなす角度が４５°となるよう貼合した。

（参考例４）
旋光子として新日本石油（株）製旋光子「日石ＬＣフィルム（９０°旋光子）」を用い、粘着剤を介して住友化学（株）製直線偏光板ＳＲＷ８６２ＡＰに貼合して積層体を得た。この時、旋光子の偏光子側の高分子液晶の長軸の配向方位と、偏光子の透過軸が平行になるよう貼合した。

（透過スペクトルの測定）
参考例３、４で得られた積層体について、日本分光（株）製紫外可視分光光度計V-560を用いて透過スペクトルの測定を行った。このとき、入射光は直線偏光子を用いて、偏光子の透過軸と平行な直線偏光とした。波長５５０ｎｍの光について、位相子を入射光側に向けた場合（Ｆｏｒｗａｒｄ）と、偏光子を入射光側に向けた場合（Ｂａｃｋｗａｒｄ）のそれぞれについて透過スペクトルを測定した結果、Ｂａｃｋｗａｒｄの透過光量はＦｏｗａｒｄの透過光量の１０倍以上あることが分かった。

これより、参考例３、４で得られた積層体で光ダイオード特性が得られていることが確認された。

本発明の光ダイオードの第１実施形態を示す断面図である。 本発明の光ダイオードの第２実施形態を示す断面図である。 本発明の光ダイオードの第３実施形態を示す側面図である。 本発明の光ダイオードの第４実施形態を示す側面図である。 実施例１の積層体に対し右円偏光を入射した場合の透過スペクトルの結果を示すグラフである。 比較例１の積層体に対し左円偏光を入射した場合の透過スペクトルの結果を示すグラフである。 実施例１の積層体に対し左円偏光を入射した場合の透過スペクトルの結果を示すグラフである。 実施例２の積層体に対し右円偏光を入射し、印加電圧を変化させた場合の透過スペクトルの結果を示すグラフである。

符号の説明

２…コレステリック液晶層（第１のコレステリック液晶層）、
３…コレステリック液晶層（第２コレステリック液晶層）、
４、２４、３４…位相子、
４４…９０°旋光子、
１、２１、３１、４１…光ダイオード、
３２、４２…直線偏光素子。

Claims (4)

1. 選択反射波長帯域を有するコレステリック液晶層と、
   前記コレステリック液晶層の前記選択反射波長帯域内の波長における２つの固有偏光間の位相差を変化させる位相子と、を備え、
   光の入射方向によって透過光量が異なることを特徴とする光ダイオード。
2. 前記位相子が、前記コレステリック液晶層の選択反射波長帯域内の波長における２つの固有偏光間の位相差を１６０°〜２００°変化させるものである請求項１に記載の光ダイオード。
3. 第１コレステリック液晶層である前記コレステリック液晶層と異なる選択反射波長帯域を有する第２コレステリック液晶層を更に備えており、
   前記位相子が、前記第１コレステリック液晶層の前記選択反射波長帯域の中心波長と、前記第２コレステリック液晶層の前記選択反射波長帯域の中心波長との間の波長における２つの固有偏光間の位相差を１６０°〜２００°変化させるものである請求項１に記載の光ダイオード。
4. 前記位相子を挟む一対の電極を備え、
   前記位相子が、ネマチック液晶を含む異方性媒質から構成され、
   前記ネマチック液晶が低分子液晶である請求項１〜３のいずれか一項に記載の光ダイオード。

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