JPH04250418A

JPH04250418A - 液晶光学素子およびその製造方法

Info

Publication number: JPH04250418A
Application number: JP818791A
Authority: JP
Inventors: Hideya Murai; 秀哉村井
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1991-01-28
Filing date: 1991-01-28
Publication date: 1992-09-07
Anticipated expiration: 2015-06-05
Also published as: JP3049779B2

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、透明−散乱方式あるい
は屈折方式により透過光（または反射光）を操作する液
晶光学素子に関するものであって、文字、図形等を表示
する表示装置、入射光の透過−遮断を制御する光シャッ
タ、光バルブおよび光路を切り換える光回路部品として
利用される。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示素子は、従来ネマチック液晶を
使用したＴＮ型や、ＳＴＮ型のものが実用化されている
。これらは偏光板を要するため、明るさ、コントラスト
において制限を受ける。

【０００３】一方、特表昭５８−５０１６３１号に開示
された、液晶材料をカプセル化し、高分子中に分散する
方法では、偏光板を要しないため、光の減衰が少ない利
点を有している。この開示技術においては、カプセル内
の液晶の屈折率が電界の有無によって変化することを利
用し、電圧印加下の液晶の屈折率を高分子の屈折率と等
しく設定することによって、電圧印加下では透明な電圧
を除いた時には、光を散乱し、不透明となる光学素子が
得られている。液晶の屈折率の変化を利用した同様な素
子として、液晶をエポキシ樹脂中に分散したもの（特表
昭６１−５０２１２８号）、紫外線硬化樹脂中に分散し
たもの（特開昭６２−２２３１号）等が知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の液晶光
学素子は以下の方法によって製造することができる。■
カプセル化した液晶を高分子中に分散する方法。■液晶
材料と樹脂およびそれらの共通溶媒を均一に混合し、溶
媒を除去することによって生じる相分離によって製造す
る方法。■液晶材料とモノマーを均一に混合し、モノマ
ーを重合させることによって生じる相分離によって製造
する方法。しかし、これらの製造方法では、透明性固体
材料中に分散する液晶材料の形状、位置の制御は難しく
、また、形状、位置を高度に制御した材料を得ることは
不可能である。ところで、液晶光学素子の散乱状態は、
液晶の分散状態によって決まる。しかし、従来の液晶光
学素子では、液晶−透明性固体材料の界面（分散状態）
を高度に制御することは不可能であるため、透過光の散
乱を制御することができないという課題があった。また、従来の液晶光学素子においては、光が散乱した状
態においても中央部の光量を最大とし、散乱光強度が散
乱光角度のみに依存する単調減少タイプのものしか得ら
れないし、たとえば特定の方向の散乱を強めることがで
きないという課題を有している。

【０００５】本発明の目的は、散乱光の状態を任意にか
つ容易に設定できる液晶光学素子を提供することにある
。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、凹凸を有する
透明性固体材料と、その凹凸に接して設けられた液晶材
料とからなる液晶光学素子を提供するものである。本発
明においては、液晶材料と透明性固体材料との界面の制
御を、固体材料の表面の制御（機械的加工等）によって
行うため、公知の方法に比較し、界面の制御を高精度に
、また容易に行うことができる利点を有する。

【０００７】本発明の液晶光学素子を構成する透明性固
体材料は、その凹凸部において液晶材料と接し、凹凸を
有する界面を形成する。液晶材料は、液晶分子の配向状
態および相状態（液晶相と等方相）の変化によって屈折
率が変化する。適当な屈折率を有する透明性固体材料を
用いることによって、液晶材料と透明性固体材料におけ
る光の散乱、屈折を変化させることができる。たとえば
、電圧印加下での液晶材料の屈折率と透明性固体材料の
屈折率を一致させた場合には、電圧印加状態で光が直進
し、電圧を切った状態で、光が散乱あるいは屈折する光
学素子が得られる。このような透明性固体材料と液晶材
料の組み合わせとしては、下表のようなものがある。

【０００８】

【表１】

【０００９】

【００１０】本発明で使用される透明性固体材料は、完
全な透明性を必須とするものではないが、光線が透明性
固体材料中を通過するときに、著しい減衰を生じない程
度の透明性を有することが望ましい。また透明性固体材
料に無色である必要はなく必要に応じて有色の固体材料
を用いることもできる。透明性固体材料の固体性につい
ては、柔軟性、弾性、可ぎょう性を有するものであって
もよいし、堅固なものであってもよい。透明性固体材料
が堅固な場合には液晶光学素子の基板をかねることがで
きる。透明性固体材料の形状は特に制限されるものでは
なく、光の散乱、屈折を効率よく行いうるものであれば
どのような形状のものでも可能であるが、透明性固体材
料が液晶材料と層構造を形成する場合には、薄膜状（フ
ィルム状）や板状であるものが望ましい。とくに駆動電
圧を下げるためには、２０μｍ以下が望ましい。

【００１１】前述した特性を有する透過性固体材料であ
れば、特に限定されるものではないが透明性、加工性等
より高分子材料（ポリマー、プラスチック）あるいはガ
ラスなどが望ましい。

【００１２】透明性固体材料の凹凸が、光の波長に比し
て小さすぎる場合には、光散乱や屈折の効果が期待でき
ないが、それ以外は、目的に応じて適当な大きさ、形状
の凹凸を選択することができる。特に透明性固体材料の
凹凸を光学的手法、機械的手法によって作製する場合に
は、その凹凸の制御は、きわめて容易であり、精度が高
い。透明性固体材料が薄膜状あるいは板上である場合に
は、凹凸は片面のみに作製することはもちろん、光制御
の効率を上げるために両面に付けることもできる。

【００１３】透明性固体の凹凸の製造方法はなんら限定
されるものではないが、たとえば、切削、プレス等の機
械的方法、レーザ光線等による加工、フォトレジストに
用いられるような光反応を利用する方法、溶剤による溶
出等の化学的方法あるいは凹凸を有する部分をレプリカ
等の方法で写し取る方法等がある。いずれの方法にせよ
液晶材料を透明性固体材料との界面を、固体材料の表面
形状の制御によって行うことができるため、高精度にま
た容易に制御することができる。特に、レプリカ等で写
し取る方法は、大量生産に適している。この方法には、
透明性、固体材料の溶液を凹凸を有する型に塗布し、溶
媒を揮発させたり、透明性固体材料の前駆体（モノマー
）を凹凸を有する型に塗布し、ＵＶ照射や熱によって重
合させたりする方法がある。

【００１４】液晶材料は、単一の液晶性化合物に制限さ
れるものではなく、２種以上の液晶性化合物や液晶性化
合物以外の物質を含んだ混合物であってもよい。液晶材
料としては、ネマチック液晶、スチクチック液晶、コレ
ステリック液晶のどれを用いてもよく、また誘電率異方
性が正であっても負であってもよい。液晶材料の屈折率
の変化で、光線が変化するため、液晶材料の２つの屈折
率（常光線屈折率と異常光線屈折率）の差、もしくは液
晶性と等方相との屈折率の差が大きいものが望ましいが
、特にこれによって制限されるものではない。

【００１５】液晶材料と透明性固体材料が層構造を有す
る液晶光学素子の場合に、それぞれの材料が各一層であ
る必要はなく、光学素子の特性を制限するために、それ
らの材料を複数層積ねることもできる。

【００１６】本発明において液晶材料と透明性固体材料
から成る光制御部は、それらがバラバラにならないよう
保持される必要がある。透明性固体材料自身がこの働き
を兼ねる場合もあるが、他の材料によって形成されるこ
ともできる。光制御部が、薄膜状あるいは板状である場
合には基板がこれに対応する。基板はガラス、金属等の
堅固な材料から作られてもよく、高分子フィルム等の柔
軟性を有する材料から作られてもよい。

【００１７】本発明の液晶光学素子の駆動は、電圧を印
加する方法、磁場を印加する方法、温度による液晶相−
等方相の転移を利用する方法等があるが、とくに電圧印
加による方法が望ましい。電圧を印加するための電極と
して、透明性が要求される場合にはＩＴＯ（インジウム
　　スズ　　オキサイド）等の透明電極を、透明性が要
求されない場合には各種電極を用いることができる。電
極の位置は、基板表面に存在することは必須ではなく、
透明性固体材料の表面、内部に直接設けることも可能で
あり、液晶材料との界面に設けることもできる。

【００１８】本発明の液晶光学素子を反射型として使用
する場合には反射板を設ける必要がある。反射板は、電
極と別に設けることもできるが、反射板が電極を兼ねる
ように設計することもできる。

【００１９】本発明の液晶光学素子をプロジェクタ用に
用いるためには散乱光が入射口銭の軸（透過光の方向）
方向より５°程度ずれる必要があり、それ以下の確度に
散乱する光は透過光（０°）との分離が難しい。そこで
、透明性固体と液晶の界面が、三角形を連ねた形の凹凸
と形成し三角形の斜面を入射光に対しても３６°以上の
傾きとすれば、界面における屈折光の方向を入射光の軸
より５°以上ずらすことができる。ただし、透明性固体
の屈折率は１．５液晶の屈折率を１．７とした。

【００２０】本発明の液晶光学素子をプロジェクタ用に
用いるためには、散乱光が入射光線の軸（透過光の方向
）方向より５°程度ずれる必要があり、それ以下の角度
に散乱する光は、透過光（０°）との分離が難しい。そこで、透明性固体と液晶の界面が、三角形を連ねた形
の凹凸と形成し、三角形の斜面を入射光に対して３６°
以上の傾きとすれば、界面における屈折光の方向を入射
光の軸より５°以上ずらすことができる。ただし、透明
性固体の屈折率１．５液晶の屈折率を１．７とした。

【００２１】また、透明性固体と液晶の界面が、矩型で
ある場合には、透明性固体と液晶の光学的距離の差が、
入射光の半波長に等しくなるように矩型の形状を制御す
ることによって透過−非透過型の素子を作ることができ
、これは、プロジェクタ以外にも反射型の表示装置とし
ての利用も考えられる。

【００２２】

【実施例】以下、実施例により、本発明を具体的に説明
する。しかし、本発明は、これらの実施例に限定される
ものではない。実施例１ポリメチルメタクリレート（和光純薬製Ｃａｔ　　Ｎｏ
　　２５２９０−３１：以下ＰＭＭＡと略す）をクロロ
ホルムに溶解し２０ｗｔ％のＰＭＭＡ溶液を得た。これ
を透明電極１３付ガラス基板１４（５５ｍｍ×２５ｍｍ
，ＩＴＯ部５５ｍｍ×１０ｍｍ）上にたらし、溶媒を揮
発させた。ガラス基板上にＰＭＭＡの膜１２が形成され
た。膜は透明であり、厚さは約２０μｍであった。ＰＭＭＡ
膜をサンドペーパー＃１８０を用いて一方向にこすると
、白く不透明となった。この膜を透過型電子顕微鏡（Ｓ
ＥＭ）で観察すると、こすった方向に、数μｍから数１
０μｍの無数の溝ができ、凹凸の表面となっていること
が確認された。このＰＭＭＡ膜上に正の誘電異方性を有
するネマティック液晶材料Ｅ７（メルク社製）１１をた
らし、その上より他のＩＴＯ付ガラス基板１４を押し付
け固定した（図１参照）。得られた液晶光学素子は白く
半透明であった。ＩＴＯ電極間に３３０Ｈｚの矩形交流
波を加え、電圧の変化に伴う入射光線方向の透過率の変
化を測定した。光源には、Ｈｅ−Ｎｅレーザー（日本電
気製ＧＬＳ５３２０Ｂ）の６３２．８ｎｍの単色光を用
いた。電圧を変化させた後０．５秒たった時の値を透過
率として測定した。透過率は、電圧０Ｖにおいて８％で
あったが、電圧とともに増加し、５０Ｖで７２％まで増
加した低電圧領域における光の散乱状態は、中心に対し
て同心円状に対称ではなく、ＰＭＭＡ膜の溝の向きに垂
直な方向に強くなっていた。光の入射方向に対して５°
傾いた方向への散乱光強度を測定した。溝に垂直な方向
に５°傾いた散乱強度は、電圧０Ｖでの７％から電圧増
加とともに、０．６％（５０Ｖ）まで低下した。一方、
溝に平行な方向に５°傾いた散乱強度は、電圧に依存せ
ず、０Ｖから５０Ｖの範囲で０．３％以下であった。

【００２３】印加電圧を５０Ｖ一定とし、周波数を０．
１Ｈｚから１０４Ｈｚまで変化させ、透過率を測定した
。０．１Ｈｚで透過率１０％であったが、周波数ととも
に増加し（１Ｈｚで２１％、１０Ｈｚで４８％）１００
Ｈｚで７０％となり、それ以上の周波数ではほとんど変
化が見られなかった。比較例１実施例１と同様に素子を作成した。ただし、ＰＭＭＡ膜
には溝を付けなかった。電圧０Ｖでの透過率９５％、電
圧５０Ｖでの透過率９６％であった。また電圧５０Ｖに
おいて、周波数０．１Ｈｚから１０４　Ｈｚの間で透過
率は９５％から９６％の範囲内にあった。比較例２特表昭６１−５０２１２８号で公知となっているエポキ
シ樹脂中に液晶が分散した系について同様な測定を行っ
た。エポキシ樹脂系接着剤（セメダインスーパー、エポ
キシ−アミド系）と液晶Ｅ７を５０ｗｔ％ずつ混合した
。混合物をＩＴＯ付ガラス基板の間にはさみ、厚さ１６
μｍのスペーサー用フィルムとともにプレスした。エポ
キシ樹脂が硬化するにつれて白色不透明になった。実施
例１と同様に透過率の測定を行った。０Ｖから５Ｖで２
８％であったものが５０Ｖ、９２％まで増加した。光線
の入射方向から５°の方向の散乱光は、０Ｖから５０Ｖ
で４％から０．３％まで低下したが、基板の向きによる
変化は認められなかった。実施例２実施例１と同様に作成したＰＭＭＡの２０％溶液を曇り
ガラス（松波ガラス工業製スライドグラスのフロスト部
を仕様）上にたらし、溶媒を揮発させた。曇りガラス上
にＰＭＭＡの膜が形成され透明になった。ＰＭＭＡ膜を
ガラス板よりはがすと不透明となり、曇りガラスとその
レプリカの凹凸状態をＳＥＭによって観察すると、とも
に１μｍ程度から数十μｍ程度の不規則な凹凸の存在が
確認され、曇りガラスからＰＭＭＡ膜への凹凸の写し取
りが良好であることが確認できた。膜厚は約１０μｍで
あった。ＰＭＭＡ膜をＩＴＯ付ガラス基板の間に液晶Ｅ
７とともにはさみ固定し、積層構造の光学素子を作製し
た。層の順序は、基板／液晶／ＰＭＭＡ／液晶基板であ
った。

【００２４】作製した光学素子について、実施例１と同
様、透過率を測定した。透過率の電圧依存性おいては、
１０Ｖまで２０％とほとんど一定であったが、１０Ｖよ
り急速に立上がり、５０Ｖで８９％となった（図２参照
）。電圧５０Ｖでの周波数依存性では、周波数とともに
透過率が２１％（０．１Ｈｚ）から８８％（１０２　〜
１０４　Ｈｚ）まで増加した。これらの透過率の変化は
、電圧および周波数の変化の向きによらず、また繰り返
し測定においても安定であった。比較例３曇りガラスのかわりに透明な（平面）ガラスを用いた以
外実施例１と同様な方法で素子を作製し、測定した。電
圧を０Ｖから５０Ｖまで変化させた時、周波数を０．１
Ｈｚから１０４　Ｈｚまで変化した時の透過率の変化は
それぞれ９７〜９８％、９６〜９８％であった。実施例３ＰＭＭＡのかわりにポリスチレン（和光純薬製、分子量
１６００−１８００）を液晶としてＥ８（メルク製）を
用いた以外は、実施例２と同様に光学素子を作成し、測
定を行った。電圧とともに透過率は９％（０Ｖ）から７
９％（５０Ｖ）まで増加した。実施例４，５ＰＭＭＡ溶液のかわりにポリ塩化ビニル系接着剤（セメ
ダインビニール用）およびエポキシ樹脂系接着剤（セメ
ダインハイスーパー５）以外は実施例１と同様にして素
子の作製および測定を行った。透過率の電圧依存性はそ
れぞれ４０％（０Ｖ）〜９３％（５０Ｖ）、　　４１％
（０Ｖ）〜７７％（５０Ｖ）であった。実施例６実施例２の方法で得られたＰＭＭＡ膜を裏返し、少量の
クロロホルムを付けた曇りガラスに押し付けることによ
って両面に凹凸を有したＰＭＭＡ膜を作成した。実施例
２と同様に２枚の基板間に液晶／ＰＭＭＡ／液晶の各層
を挟み固定した。透過率は電圧とともに９％（０Ｖ）か
ら８１％（５０Ｖ）まで変化した。実施例７実施例１と同様の方法で得られたＰＭＭＡ膜を２枚用い
て、光学素子を作製し、測定を行った。層の順序は基板
／液晶／ＰＭＭＡ／液晶／ＰＭＭＡ／液晶／基板であっ
た。透過率は１０％（０Ｖ）から４１％（５０Ｖ）まで
変化した。実施例８実施例１と同様の光学素子を作製し、電圧を印加せず、
温度変化に伴う透過率の変化を測定した。液晶材料（Ｅ
７）が等方相に変化する約７０℃以上で９６％であった
透過率は、それ以下の温度では１７％であった。測定を
繰り返した時の透過率もこれらの値と等しかった。実施例９実施例２と同様に作成したＰＭＭＡ膜の平らな側（曇り
ガラスの反対側）にスパッタコーティング法でＩＴＯか
ら成る透明電極を付けた。ＩＴＯ付ガラス基板の上に液
晶および上記ＰＭＭＡ膜を重ねた３層構造（基板／液晶
／ＰＭＭＡ）の素子を作成した。実施例１と同様の方法
で透過率を測定すると、電圧無印加で１５％であったも
のが、５０Ｖで７０％まで変化した。

【００２５】

【発明の効果】以上の如く、本発明は、新規な液晶光学
素子を提供するものであり、凹凸を有する透明性固体材
料と液晶材料から液晶光学素子を構成することによって
、固体−液晶界面の凹凸を高積度に、また容易に制御で
きる光学素子を与える。従って、本発明は、表示装置光
シャッタ（光バルブ）、光回路等に広く利用することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶光学素子の一例の概略断面図であ
る。

【図２】本発明の液晶光学素子の電圧−透過率曲線の一
例を示す図である。

【符号の説明】

１１　　液晶材料１２　　透明性固体材料１３　　透明電極１４　　ガラス基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　凹凸を有する透明性固体材料と、その
凹凸に接して設けられた液晶材料とからなることを特徴
とする液晶光学素子。
【請求項２】　　液晶材料と透明性固体材料が、少なく
とも一方が透明性を有する２枚の基板間に保持された請
求項１記載の液晶光学素子。
【請求項３】　　透明性固体材料の溶液又は透明性固体
材料の前駆体を凹凸を有する他の固体材料の凹凸上に塗
布し、固化させることより透明性固体材料表面に前記凹
凸を写し取り、得られた透明性固体材料と液晶材料を積
層する液晶光学素子の製造方法。