(57)【要約】  本発明は、第1の層(10)と、第2の層(20)と、前記第1及び第2の層の間に挟まれたバルク(50)とを含む光学部品(1)であって、−  バルクが、ブルー相(56)にある液晶材料(55)を含む組成物により形成され、−  第1及び第2の層の少なくとも1つが、バルクに面してアライメント層(15、25)を有し、且つ、−  液晶材料のブルー相が、バルクの体積の少なくとも80%で3方向(Ox、Oy、Oz)に均一な組織を示し、前記液晶材料が、少なくとも10℃から35℃の範囲の温度にわたって前記ブルー相に安定化されている、光学部品(1)に関する。
2019536104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1の層(10)と、第2の層(20)と、前記第1及び第2の層(10、20)の間に挟まれたバルク(50)とを含む光学部品(1)であって、
−  前記バルク(50)が、ブルー相(56)にある液晶材料(55)を含む組成物により形成され、
−  前記第1及び第2の層(10、20)の少なくとも1つが、前記バルク(50)に面してアライメント層(15、25)を有し、且つ
−  前記液晶材料(55)の前記ブルー相(56)が、ブルー相Iと呼ばれる第1のタイプの構造であり、前記バルク(50)の体積の少なくとも80%で3方向(Ox、Oy、Oz)に均一な組織を示し、前記ブルー相(56)にある前記液晶材料(55)が、少なくとも20℃から35℃の範囲の温度にわたって安定化されている、
光学部品(1)。
【請求項２】
前記組成物が、前記液晶材料(55)とは全く異なるマトリックス材料を含み、前記液晶材料が、重合形態にある前記マトリックス材料によって前記ブルー相(56)に安定化されている、請求項1に記載の光学部品(1)。
【請求項３】
前記液晶材料(55)が、メイン液晶分子及びゲスト液晶分子の混合物を含み、前記組成物が、液晶材料の全重量に対する重量で、30%から55%の前記ゲスト液晶分子、及び少なくとも45%の前記メイン液晶分子を含む、請求項1又は2に記載の光学部品(1)。
【請求項４】
前記ゲスト液晶分子が、CB5又はMLC2140液晶分子混合物であり、前記メイン液晶分子が、JC1041XX混合物で構成される、請求項3に記載の光学部品(1)。
【請求項５】
前記マトリックス材料が、第1のモノマー12CA及び第2のモノマーRM257を含み、前記組成物が、前記組成物の全重量に対する重量で、少なくとも3.5%の前記第2のモノマーRM257、並びに累積で7%から15%の前記第1及び第2のモノマー12CA、RM257を含む、請求項2に記載の光学部品(1)。
【請求項６】
調整可能な位相変調器である、請求項1から5のいずれか一項に記載の光学部品(1)。
【請求項７】
偏光無依存性の調整可能な位相変調器である、請求項6に記載の光学部品(1)。
【請求項８】
ブルー相(56)に安定化されている液晶材料(55)を含む光学部品(1)を作製するための方法であって、
a)  第1の層(10)及び第2の層(20)を用意する工程であって、前記第1及び第2の層(10、20)が、互いに向き合う2つの主面(10A、20A)を形成し、前記主面(10A、20A)の少なくとも1つは残りの主面(10A、20A)に面してアライメント層(15、25)を有し、前記アライメント層(15、25)がポリイミドを含む、工程と、
b)  前記第1及び第2の層(10、20)の間の空間を、前記液晶材料(55)と、前記液晶材料(55)とは全く異なるマトリックスとの混合物を含む組成物で満たす工程であって、前記液晶材料(55)が、ブルー相(56)を形成するよう互いに対して組織されるように適合された液晶分子を含み、前記マトリックス材料が、重合するよう適合されたモノマーを含む、工程と、
c)  前記液晶分子がブルー相構造を形成することを誘導することによって、前記液晶材料(55)を前記ブルー相(56)にする工程と、
d)  前記液晶材料(55)が前記ブルー相(56)にある間に前記マトリックス材料のモノマーを重合する工程であって、前記液晶材料(55)が、少なくとも第1の所定の最小割合の、ブルー相Iと呼ばれる第1のタイプの構造と、少なくとも第2の所定の最小割合の、ブルー相IIと呼ばれる第2のタイプの構造とを示す重合温度で、重合する工程d)が実現される、工程と
を含む方法。
【請求項９】
前記重合温度が、
m)  前記液晶材料(55)の温度を、全ての液晶分子が互いに対して組織されて、ブルー相IIと呼ばれる第2のタイプの構造が大部分形成されるまで上昇させる工程と、
n)  前記液晶材料(55)の温度を、ブルー相Iの第1のタイプの構造が前記液晶材料(55)の前記第1の所定の最小割合を占めるまでゆっくりと低下させる工程と
により達せられる、請求項8に記載の方法。
【請求項１０】
工程n)において、ブルー相Iにある前記液晶材料(55)の実際の割合、前記ブルー相1の配向、前記ブルー相Iのアライメント、及び前記ブルー相Iの割合の1つが、Kosselパターンを使用して決定される、請求項9に記載の方法。
【請求項１１】
工程n)において、前記第1の所定の最小割合は、前記ブルー相Iが、前記ブルー相にある液晶を有する組成物の前記第1及び第2の層(10、20)に平行な平面内の表面の少なくとも40%を占めるときに得られ、前記第2の所定の最小割合は、ブルー相IIが、前記表面の少なくとも20%を占めるときに得られる、請求項9又は10に記載の方法。
【請求項１２】
工程m)及びn)に先行して、ブルー相にある前記液晶材料がブルー相II型の構造のみになるまで温度を上昇させ、次いでブルー相にある前記液晶材料がブルー相I型の構造のみになるまで温度を低下させる、少なくとも1つのサイクルが行われる、請求項9から11のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
工程d)が、電力率が0.1mW/cm2から1mW/cm2の範囲の光線で、5分から2時間の範囲の持続時間にわたって、前記組成物をUV照射することによって実現される、請求項8から12のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
工程b)において、前記液晶材料(55)がゲスト液晶分子を含み、前記組成物が、前記液晶材料の全重量に対する重量で30%から55%の前記ゲスト液晶分子、好ましくはCB5又はMLC2140液晶分子の混合物を含む、請求項8から13のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
工程a)において、各アライメント層(15、25)が、ラビングされたポリイミド層によって形成される、請求項8から14のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブルー相の液晶分子を含む光学物品に関する。
【０００２】
より詳細には、本発明は、第1の層と、第2の層と、前記第1及び第2の層の間に挟まれたバルクとを含む光学部品であって、バルクが、ブルー相にある液晶材料を含む組成物によって形成される、光学部品に関する。
【０００３】
本発明は、そのような光学物品を作製するための方法にも関する。
【背景技術】
【０００４】
液晶は、液晶分子が、三次元立方格子構造に組み立てられた二重ねじれシリンダー(double twist cylinders)に配置構成されている、ブルー相を形成できることが周知である。
【０００５】
特に、液晶分子は、互いに対して組織されて、ブルー相I構造又はブルー相II構造を形成し得る。
【０００６】
ブルー相I構造では、回転対称が乱れた欠陥線であるシリンダー間のディスクリネーションライン（disclination line）が体心立方対称であるように、二重ねじれシリンダーが立方格子へと組織されている。ブルー相II構造では、シリンダー間のディスクリネーションラインが単純立方対称になるように、二重ねじれシリンダーが立方格子へと組織されている。
【０００７】
ブルー相にある液晶材料、即ちブルー相に組織された液晶分子を含む材料の、1つの特徴は、電圧が印加されたときに2つの電極の間に誘導された電場自体に対するそれらの応答時間である。一般に、そのような応答時間は、およそミリ秒未満である。ブルー相の液晶材料の別の特徴は、電磁場の通常の周囲条件下での、その光学等方性である。
【０００８】
これら2つの特徴は、偏光無依存性位相変調器として働くデバイスでの、ブルー相にある液晶材料の使用を可能にする。通常、そのようなデバイスは、2つの電極の間に挟まれたブルー相の液晶材料を含み、前記電極は、液晶材料を通して電場を創出するように適合される。電場に応答して、前記液晶材料の有効屈折率は変化し、したがってデバイスに進入する任意の光線の相は、シフトし得る。
【０００９】
しかし、材料の液晶分子の物理的状態、即ちブルー相は、温度の小さい範囲にのみ、通常は摂氏2〜3度でのみ天然に存在するので、非常に不安定である。
【００１０】
更に今日、液晶材料が到達し得る屈折率範囲が増大するように、又はそのようなデバイスに進入する任意の光線の位相変調が増大するように、高電圧をデバイスの2つの電極の間に印加する必要がある。そのような高電圧は、液晶材料又はデバイスに全体として損傷を与える可能性がある。更に、高電圧を印加する必要があるデバイスは非常にコストがかかり、大きい環境フットプリントを有する。更に、そのような高電圧を提供する電子機器がデバイス自体に埋め込まれた場合、漏れ電流は、安全性を理由として認められない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって本発明の1つの目的は、ブルー相の液晶材料を使用した偏光無依存性位相変調器として働き、容易に到達可能な使用条件を有し且つ改善された電気-光学挙動を示す、デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
そのような光学部品は、第1の層と、第2の層と、前記第1及び第2の層の間に挟まれたバルクとを含み、下記の通りである。
-  バルクが、ブルー相にある液晶材料を含む組成物により形成され、
-  第1及び第2の層の少なくとも1つが、バルクに面してアライメント層を有し、且つ
-  液晶材料のブルー相が、ブルー相Iと呼ばれる第1のタイプの構造であり、バルクの体積の少なくとも80%で3方向に均一な（uniform）組織を示し、前記ブルー相の前記液晶材料が、少なくとも20℃から35℃の範囲の温度にわたって安定化されている。
【００１３】
好ましくは、ブルー相の安定化により、ブルー相は、15℃から35℃に至る温度の範囲で、又は更に10℃から35℃、又は更に40℃に至る温度の範囲で安定になることが可能になる。
【００１４】
このように、有利には、本発明による光学部品は均質なバルクを有し、即ち極めて十分に秩序のあるブルー相構造を、液晶材料中に、大きいサイズの面積上に有する。
【００１５】
更に、光学部品は室温で安定であり、したがって標準的な温度条件で使用するのが容易である。
【００１６】
更に、光学部品は、他の公知の解決策よりも更に低い電圧で、少なくとも1.5π相シフト変調、又は2π位相シフト変調をも誘導することができる。
【００１７】
記述の残りの部分では、「均質なバルク」は、ブルー相構造が、均質に規則正しい立方格子に組織される材料と理解されるべきである。
【００１８】
より正確には、各立方格子は、6つの仮想面を有し且つ3本の軸Oz、Ox、Oyを定義することができる三次元構造であり、各軸は、1対の仮想面に直交している。
【００１９】
バルクが均質であるとき、立方格子は、全方向に同じ配向（Orientation）を有し:立方格子の軸Oz、Ox、Oyのそれぞれは、その他の立方格子の軸Oz、Ox、Oyにそれぞれ平行である。
【００２０】
このように、バルクが均質であるとき、1つの立方格子の面は、別の立方格子の面に対して2つずつ平行である。
【００２１】
本発明の実施形態では、バルクの側面に位置する第1及び第2の層の表面が、互いに平行である。
【００２２】
次いでバルクの立方格子は、前記第1及び第2の層に対して配向される。
【００２３】
より正確には、本発明の第1の好ましい実施形態では、バルクの各立方格子は、[1,1,0]若しくは[2,2,0]結晶学的配置にあり又は類似しており、したがって、前記第1及び第2の層に平行な第1の軸(Oy)と、第1及び第2の層の前記表面に直角な方向に対して角度シータを形成する2つのその他の軸(Ox、Oz)に相当する。
【００２４】
特に、前記2本のその他の軸(Ox、Oz)は、前記直角方向に対して45°の角度シータを形成する。
【００２５】
言い換えれば、この第1の実施形態では、バルクの各立方格子の4つの辺が、第1及び第2の層の前記表面に平行であり、第1及び第2の層の前記表面に平行な前記立方格子の面はない。
【００２６】
本発明の第2の実施形態では、バルクの各立方格子は、[1,0,0]又は[2,0,0]結晶学的配置にあり又は類似しており、したがって、前記第1及び第2の層の両面に直交する第1の軸(Oz)を表し、2本のその他の軸(Ox、Oy)のそれぞれは、第1及び第2の層の前記表面に平行である。
【００２７】
言い換えれば、この第2の実施形態では、各立方格子の8つの辺が、第1及び第2の層の前記表面に平行であり、前記立方格子の2つの面は、第1及び第2の層の前記表面に平行である。
【００２８】
本発明の光学部品のその他の特徴は、下記の通りである:
-  液晶材料は、前記液晶材料がブルー相にあるときに、複数の立方格子に配置された二重ねじれシリンダーを含むブルー相構造に配置構成された、液晶分子を含み、前記立方格子は、任意の2つの隣接する立方格子が、バルクの体積の少なくとも80%で前記3方向で全体的に平行である仮想面を示すように配置された、正方形の形状の仮想面を有しており;
-  アライメント層はポリイミドを含み;
-  組成物は、液晶材料とは全く異なるマトリックス材料を含み、前記液晶材料は、重合形態にある前記マトリックス材料によって前記ブルー相内で安定化され;
-  液晶分子は、メイン液晶分子及びゲスト液晶分子の混合物を含み、前記組成物は、液晶材料の全重量に対して、30%から55重量%の前記ゲスト液晶分子と、少なくとも45%の前記メイン液晶分子を含み;
-  ゲスト液晶分子は、CB5又はMLC2140液晶分子の混合物であり、メイン液晶分子はJC1041XX混合物から構成され;
-  マトリックス材料は、第1のモノマー12CA及び第2のモノマーRM257を含み、前記組成物は、組成物の全重量に対する重量で、少なくとも3.5%、好ましくは5%の前記第2のモノマーRM257、並びに合わせて7%から15%の前記第1及び第2のモノマー12CA及びRM257を含み;
-  組成物は、前記液晶材料の前記ブルー相を誘導するように適合された、5%から7%のISO(6OBA)2等のキラルドーパントを含み;
-  第1及び第2の層のそれぞれは、バルクの前記液晶材料を電場内に配置するために、電源に接続するように適合された電極を形成し;
-  調整可能（tunable）な位相変調器であり、又は調整可能な位相変調器に備えられた光学レンズでもあり;
-  偏光無依存性調整可能位相変調器である。
【００２９】
事実、物品が調整可能位相調節器の場合、本発明の目的は、前記調整可能位相調節器に偏光無依存性を持たせることが可能である。事実、液晶がアライメントされ且つ偏光効果がない活性状態で、及び不活性状態で、室温では、液晶は、そこを透過する光に対してやはり偏光効果がないブルー相状態にある。
【００３０】
本発明のさらなる目的は、そのような光学部品を作製するための方法を提供することである。
【００３１】
ブルー相で安定化されている液晶材料を含む光学部品を作製するためのそのような方法は:
a)  第1の層及び第2の層を用意する工程であって、第1及び第2の層が、互いに向き合う2つの主面を形成し、主面の少なくとも1つはその他の主面に面してアライメント層を有し、前記アライメント層がポリイミドを含む工程と、
b)  前記第1及び第2の層の間の空間を、前記液晶材料と、液晶材料とは全く異なるマトリックスとの混合物を含む組成物で満たす工程であって、前記液晶材料が、ブルー相を形成するよう互いに対して組織されるように適合された液晶分子を含み、前記マトリックス材料が、重合するよう適合されたモノマーを含む工程と、
c)  液晶分子にブルー相構造を形成させることによって、液晶材料を前記ブルー相にする工程と、
d)  液晶材料が前記ブルー相にある間にマトリックス材料のモノマーを重合する工程であって、重合する工程d)が、液晶材料が、少なくとも第1の所定の最小割合のブルー相の第1のタイプの構造と、少なくとも第2の所定の最小割合のブルー相II型の構造とを示す重合温度で実現される工程と
を含む。
【００３２】
有利には、本発明による方法の工程d)は、ブルー相にポリマー網状構造を提供する。したがって前記ブルー相構造の安定性は、広範な温度範囲に拡張される。
【００３３】
有利には、本発明による方法の工程a)は、今日まで文献で述べられてきたものとは対照的に、ブルー相構造の立方格子の均一な配置構成を与える。
【００３４】
方法は全体として、均質なバルク、即ち、バルクを形成する組成物の液晶材料内に極めて十分に秩序付けられたブルー相を有する、光学部品を提供する。そのような性質は、バルクの大きいサイズの面積で、且つ周囲温度を含む広範な温度にわたり達せられる。
【００３５】
例えば、安定化ブルー相の均質バルクは、2cm2以上、例えば3cm2、5cm2、8cm2、又は更に10cm2以上で達せられ、10℃から35℃(摂氏度)の間を構成する温度の範囲に関し、セルの厚さ全体で、セルの表面の少なくとも80%を包含する均質ゾーンを形成する。
【００３６】
典型的な製造されたセルは、基板間に特定の厚さを有するサンドイッチ様のセルとして互いに組み立てられた2枚のITOコーティングガラス基板によって構成される。セルのアクティブ領域は、1cm2×2〜15μmの厚さである。
【００３７】
本発明の方法のその他の特徴は、下記の通りである:
-  工程c)において、液晶材料の一部はブルー相Iと呼ばれる第1のタイプの構造になり、この液晶材料の別の部分はブルー相IIと呼ばれる第2のタイプの構造を形成し、重合工程d)は、液晶材料がブルー相Iと呼ばれるこの第1のタイプの構造を部分的に形成し且つブルー相IIと呼ばれるこの第2のタイプの構造を部分的に形成しながら実現され;
-  重合温度は、下記の工程により達せられ:
m)  液晶材料の温度を、ブルー相IIと呼ばれる第2のタイプの構造が大部分形成されるように全ての液晶分子が互いに対して組織されるまで上昇させ; 
n)  液晶材料の温度を、ブルー相Iの第1のタイプの構造が液晶材料の前記所定の割合になるまでゆっくりと低下させ;
-  ステップn)において、ブルー相I中の液晶材料の実際の割合、ブルー相Iの配向、ブルー相Iのアライメント、及びブルー相Iの均質性の1つを、Kosselパターンを使用して決定し;
-  ステップn)において、ブルー相I型の構造が、前記第1及び第2の層に平行な平面においてブルー相にある液晶材料の表面の40%を占めるときに、第1の所定の最小割合が得られ、ブルー相II型の構造が前記表面の少なくとも20%を占めるときに、第2の所定の最小割合が得られ;
-  ステップm)及びn)に先行して、ブルー相の液晶材料がブルー相II型の構造にのみあるようになるまで温度を上昇させ、次いでブルー相の液晶材料がブルー相I型の構造にのみあるようになるまで温度を低下させる、少なくとも1つのサイクルが行われ;
-  ステップd)は、5分から2時間の範囲の持続時間で、0.1mW/cm2から1mW/cm2の範囲の電力率の光線で実現された、組成物のUV照射からなり;
-  ステップb)では、液晶材料がゲスト液晶分子を含み、前記組成物は、前記液晶材料の全重量に対する重量で、30%から55%の前記ゲスト液晶分子を含み;
-  ステップb)では、液晶材料がメイン液晶分子を含み、前記組成物は、液晶材料の全重量に対する重量で、少なくとも45%の前記メイン液晶分子を含み;
-  ゲスト液晶分子は、CB5又はMLC2140液晶分子の混合物であり;
-  液晶材料はメイン液晶分子を含み、マトリックス材料は第1及び第2のモノマーを含み、前記組成物は、前記組成物の全重量に対する重量で、併せて7%から15%の前記第1及び第2のモノマー、及び5%から7%のキラルドーパントを含み;
-  前記メイン液晶分子はJC1041XXであり、及び/又は2種のモノマーの一方若しくは両方が12CA及びRM257で構成されるリストで選択され、及び/又はキラルドーパントがISO(6OBA)2であり;
-  ステップa)では、各アライメント層が、ラビングされたポリマー層により形成される。
【００３８】
非限定的な例として解釈されるべき添付図面で補われた以下の記述は、本発明を理解し、それがどのように実現できるかを見出すのを助けるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による光学部品の第1の実施形態の概略図である。
【図２】本発明による光学部品の第2の実施形態の概略図である。
【図３】その層が、バルクに面してオプツール界面活性剤の層を有している光学部品の、偏光顕微鏡から得られた写真である。
【図４】図3を得るのに使用されたものと同じ光学部品から得られたKosselパターンの概略図である。
【図５】その層が、バルクに面して、ラビングされたポリイミドを含むアライメント層を有している、本発明の第2の実施形態による光学部品の偏光顕微鏡から得られた写真である。
【図６】図5を得るのに使用されたものと同じ光学部品から得られたKosselパターンの概略図である。
【図７】2μmの厚さのセルの、結晶学的配置[1,0,0]にある、ブルー相II型の構造の液晶材料から得られたKosselパターンの概略図である。
【図８】2μmの厚さのセルにおいて、結晶学的配置[2,0,0]にあるブルー相I型の構造を持つ、本発明の第2の実施形態の光学部品から得られたKosselパターンの概略図である。
【図９】4μmの厚さのセルにおいて、結晶学的配置[1,0,0]にあるブルー相II型の構造の液晶材料から得られたKosselパターンの概略図である。
【図１０】4μmの厚さのセルにおいて、結晶学的配置[2,0,0]にあるブルー相I型の構造を持つ、本発明の第2の実施形態の光学部品から得られたKosselパターンの概略図である。
【図１１】10μmの厚さのセルにおいて、結晶学的配置[1,0,0]にあるブルー相II型の構造の液晶材料から得られたKosselパターンの概略図である。
【図１２】10μmの厚さのセルにおいて、結晶学的配置[2,0,0]にあるブルー相I型の構造を持つ、本発明の第2の実施形態の光学部品から得られたKosselパターンの概略図である。
【図１３】光学部品の基板上にアライメント層のない(対照セル)、CB5及びJC1041XX液晶分子を含むバルクの組成物に関するバルクの厚さ5μm(C5)、10μm(C10)、及び15μm(C15)に関し、ボルト(V)を単位とする電圧の関数として、π単位で位相シフトを表すグラフである。
【図１４】本発明による光学部品中にCB5及びJC1041XX液晶分子を含む、及びラビングされたポリイミドの2つのアライメント層を含む、バルクの組成物に関するバルクの厚さ2μm(D2)、4μm(D4)、7μm(D7)、10μm(D10)、及び15μm(D15)に関し、ボルト(V)を単位とする電圧の関数として、π単位で位相シフトを表すグラフである。
【図１５】本発明による光学部品中にMLC2140及びJC1041XX液晶分子を含む、及びラビングされたポリイミドの2つのアライメント層を含む、バルクの組成物に関するバルクの厚さ4μm(E4)、10μm(E10)、及び15μm(E15)に関し、ボルト(V)を単位とする電圧の関数として、π単位で位相シフトを表すグラフである。
【図１６】本発明の実施形態で使用され得る分子の展開式を示す図である。
【図１７】本発明の実施形態で使用され得る分子の展開式を示す図である。
【図１８】本発明の実施形態で使用され得る分子の展開式を示す図である。
【図１９】本発明の実施形態で使用され得る分子の展開式を示す図である。
【図２０】本発明の実施形態で使用され得る分子の展開式を示す図である。
【図２１】本発明の実施形態で使用され得る分子の展開式を示す図である。
【図２２】本発明の実施形態で使用され得る分子の展開式を示す図である。
【図２３】本発明の実施形態で使用され得る分子の展開式を示す図である。
【図２４】試験をした界面活性剤の展開式を示す図である。
【図２５】ブルー相I型の構造を持つ、結晶学的配置[1,1,0]にある本発明の第1の実施形態の光学部品から得られたKosselパターンの概略図である。
【図２６】ブルー相II型の構造を持つ、結晶学的配置[1,1,0]にある本発明の第1の実施形態の光学部品から得られたKosselパターンの概略図である。
【図２７】ブルー相I型の構造を持つ、結晶学的配置[2,0,0]にある本発明の第2の実施形態の光学部品から得られたKosselパターンの概略図である。
【図２８】ブルー相II型の構造を持つ、結晶学的配置[1,0,0]にある本発明の第2の実施形態の光学部品から得られたKosselパターンの概略図である。
【図２９】種々の温度でのセルの較正熱サイクル中に観察されたKosselパターンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
デバイス
図1及び図2に、第1の層10と、第2の層20と、前記第1及び第2の層10、20の間に挟まれたバルク50とを含み、前記バルク50が液晶材料55を含む、本発明による光学部品1の2つの実施形態の概略断面図を示す。
【００４１】
これら2つの実施形態の間の唯一の相違は、第1及び第2の層の表面に対するバルク50の立方格子51の配向にある。したがって両方の実施形態に使用される参照符号は同じである。
【００４２】
本発明によるそのような光学部品1では、バルク50の前記液晶材料を電場に配置するために、第1及び第2の層10、20のそれぞれが、電源に接続するよう適合された電極を形成する。
【００４３】
後で説明するように、液晶材料55は、この液晶材料の周りに配置された第1及び第2の電極の間に電場が印加されると切り換わるようになされている。
【００４４】
したがって本発明による光学部品1は、調整可能位相変調器を備えた光学レンズとすることができ、又は例えば空間位相変調器として使用することができる。
【００４５】
より正確には、本発明による光学部品1において、
-  バルク50は、ブルー相にある液晶材料55を含む組成物により形成され、
-  第1及び第2の層10、20の少なくとも1つは、バルクに面して、アライメント層15、25を有し、
-  液晶材料55のブルー相は、バルクの体積の少なくとも80%で、3方向Ox、Oy、Ozで均一な組織を示し、前記ブルー相の前記液晶材料55は、少なくとも10℃から35℃の範囲の温度にわたって安定化している。
【００４６】
更に、液晶材料のブルー相は、後述されるように、ブルー相Iと呼ばれる第1のタイプの構造にある。
【００４７】
実際に、第1及び第2の層10、20のそれぞれは、サブ層の積層体である。
【００４８】
ここで第1及び第2の層10、20のそれぞれは、平面で平行である2つの主面11A、11B、21A、21Bを有するプレートの形の基板11、21を含む。
【００４９】
基板11、21は、第1及び第2の層10、20のそれぞれの第1のサブ層を形成する。
【００５０】
第1の層10の基板11の1つの主面11Aは、第2の層20の基板21の1つの主面21Aに面している。
【００５１】
互いに面している各基板11、21の主面11A、21Aは、導電性材料のコーティングによって覆われている。この材料は、電極12、22を各基板11、21上に形成する。
【００５２】
言い換えると、光学部品1の内側に面する各基板11、22の主面11A、21A、即ちバルク50に面して配置された各基板11、21の主面11A、21Aは、対応する電極12、22を形成するコーティングを含む。
【００５３】
このコーティングは、第1及び第2の層10、20の第2のサブ層を形成する。
【００５４】
基板11、21は、例えばガラスで作製される。電極12、22を形成する材料は、例えばインジウム-スズ-酸化物(ITO)である。
【００５５】
更に、第1及び第2の層10、20の一方又は両方は、アライメント層15、25を有する。
【００５６】
ここで図1及び図2に示されるように、第1及び第2の層10、20は共に、アライメント層15、25を有する。
【００５７】
各アライメント層15、25は、第1及び第2の層10、20の第3のサブ層を形成する。
【００５８】
より正確には、アライメント層15、25は、電極12、22を形成するコーティング上に配置される。
【００５９】
このように、ここでアライメント層15、25は、前記ITOコーティング12、22を覆い、バルク50と接触する。
【００６０】
実際に、アライメント層15、25は、ポリイミド、好ましくはラビングされたポリイミドであって、ラビングの方向に沿ってアライメント方向を定めるものを含む。
【００６１】
ここでアライメント層15、25は、これらアライメント層の優位偏光方位（privileged direction）が互いに反平行配置になるような、相対配向を有する。これは2つのアライメント層のラビング方向が互いに対して逆向きに平行であることを意味する。
【００６２】
ラビングされたポリイミド層は、例えば、10ナノメートル(nm)から80ナノメートル(nm)の範囲の、好ましくは20nmの厚さを有する。
【００６３】
有利には、アライメント層15、25は、ブルー相にある液晶材料の安定化に重要な役割を演じる。更に、ラビングされたポリイミドを含むそのようなアライメント層15、25は、後で説明するように、その他の試験がなされたアライメント層と比較した場合、前記液晶材料55に含まれる液晶分子とは無関係に、バルク50内の液晶材料55の組織の均質性を改善する。
【００６４】
実際に、バルク50は、本明細書では前記液晶材料55と、液晶材料55とは全く異なるマトリックス材料とを含む組成物によって形成される。
【００６５】
バルク50は透明であり、即ち発光体D65により放出される光の透過は、平均として、380nmから780nmの波長範囲に関して80%超として測定される。
【００６６】
有利には、本発明による光学部品1も透明であり、バルク50と第1及び第2の層の10、20、は全て透明である。
【００６７】
安定化されない場合、液晶材料55は、組成及び温度等の様々な外部パラメーターに応じて、以下に説明するように種々のメソ相に適応することができる。
【００６８】
本発明によれば、後で記述するように、マトリックス材料は、ブルー相と称するそのメソ相の1つにおいて前記液晶材料55を安定化させるために、光学部品1のバルク50内で重合形態にある。
【００６９】
より詳細には、液晶材料55は、主に温度、及び前記液晶材料の組成に応じて、前記液晶材料55内で様々な配向及び位置秩序を示す液晶分子を含む。
【００７０】
液晶分子は、液晶材料55の液晶特性に関与し、即ち液晶材料55は様々な液晶メソ相に組織され得るという特性に関与する。
【００７１】
液晶メソ相は、中間状態において温度、圧力、又は組成の明確な範囲内で生ずる相であり、即ち、分子秩序の程度が、固体結晶に見出される完全な三次元長距離位置及び配向秩序と、等方性液体、気体、及び非晶質固形分に見出される長距離秩序の不在との間の中間にある、物質の状態である。
【００７２】
より正確には、液晶メソ相は、長距離配向秩序を有する中間状態である。
【００７３】
ここで液晶分子の配向及び位置秩序によれば、液晶材料55は、「メソ相」とも呼ばれる異なる種類の構造相を示すことが可能になり、その中には:
-  液晶分子がいかなる位置秩序もなしに長距離配向秩序を示さない無秩序相である、等方相、
-  液晶分子がいかなる位置秩序もなしに長距離配向秩序を示す秩序相である、ネマチック相又はコレステリック相、
-  液晶分子が、複数の三次元立方格子51に組み合わされた二重ねじれシリンダーへの特定の拘束配置構成を有するブルー相56
がある。
【００７４】
更に、相が何であろうと、液晶は、液晶分子が、電磁場により与えられた配向と共にいかなる位置秩序もなしに長距離配向秩序を示す電磁配向状態に進入し得る。
【００７５】
ネマチック相又はコレステリック相及びブルー相56が、電磁場の周囲条件下で観察され得るのに対し、電磁配向状態は、液晶材料55が、液晶分子を所与の方向に沿って並ばせる周囲電磁場以外の追加の電磁場に供されるときのみ観察される。したがって液晶材料55は、電磁配向を示す。
【００７６】
実際に、液晶材料55のブルー相56の前記立方格子51は、立方体として組織された四角形の形状の仮想面を有する前記ブルー相に組織された、液晶材料の反復構造単位である。
【００７７】
より正確には、各立方格子51は、6つの仮想面を有し且つ3本の軸Oz、Ox、Oyを画定することができる三次元構造であり、各軸は、1対の仮想面に直交している。言い換えれば、各立方格子では、3方向Ox、Oy、Ozにより形成された直交基準を画定することができる。
【００７８】
本発明の光学部品1において、バルク50の立方格子51は、任意の2つの隣接する立方体が、バルク50の体積の少なくとも80%で、前記3方向Ox、Oy、Ozで全体として平行な仮想面を示すように配置される。
【００７９】
そのようなバルク50を、均質と言う。
【００８０】
立方格子51のこの特異的配置構成により、液晶材料55のブルー相56は、均一な組織を示すと言える。
【００８１】
言い換えれば、バルク50が均質な場合、バルクの体積の少なくとも80%は、全ての方向に同じ配向を有するブルー相の立方格子により形成される。
【００８２】
「全ての方向に同じ配向を有する」は、1つの立方格子の面が、別の立方格子の面に対して2つずつ平行であることを意味し、即ち、立方格子の軸Oz、Ox、Oyのそれぞれは、別の立方格子の軸Oz、Ox、Oyにそれぞれ平行であることを意味する。
【００８３】
次いで立方格子51は、バルク50の少なくとも80%にわたり均質に、存在し、位置合わせされ、且つ配向される。
【００８４】
バルク50の立方格子は、その基準(Ox、Oy、Oz)が、アライメント層に直交する軸Aに対して全て同じ傾斜で存在するとき、均質に位置合わせされると言える(図1及び図2)。実際に、このことは、全てが同じ結晶学的配置にあるときに検証される。しかし、その基準(Ox、Oy、Oz)を持つ立方格子は、依然として、アライメント層に直交する軸Aを中心に回転する可能性がある。
【００８５】
立方格子は、アライメント層に直交する前記軸Aに対して全てが同じ配向を有するときに、均質に配向すると言える。次いでこの軸を中心とした回転は遮断される。
【００８６】
より正確には、図1に示される本発明の第1の好ましい実施形態では、バルクの側面に位置する第1及び第2の層が互い平行であり、バルクの各立方格子では、軸の1本(Oy)が第1及び第2の層の前記表面に平行であり、2本のその他の軸(Ox、Oz)は、前記第1及び第2の層の表面の法線方向と角度シータを形成する。
【００８７】
特に、前記2本のその他の軸(Ox、Oz)は、前記法線と45°の角度シータを形成する。
【００８８】
言い換えれば、この第1の実施形態では、各立方格子の4つの辺が前記第1及び第2の層に平行であり、前記立方格子の面はいずれも前記第1及び第2の層に平行ではない。
【００８９】
図2に示される第2の実施形態では、立方格子の軸の1本(Oz)が、前記第1及び第2の層10、20の両方に直交し、2本のその他の軸(Ox、Oy)は、立方格子ごとに平行である。
【００９０】
この第2の実施形態では、図2に表されるように、2本のその他の軸(Ox、Oy)が、第1及び第2のアライメント層15、25の前記表面に平行であり、第3の軸(Oz)は、第1及び第2の層のこれらの表面に直交する。
【００９１】
更に、実際に、実施形態とは無関係に、液晶材料55のブルー相56は、2つのタイプの構造に見出すことができる:
-  ブルー相Iと呼ばれる第1のタイプの構造であり、液晶分子アセンブリの回転対称が乱される欠陥線であるシリンダー間のディスクリネーションラインが体心立方対称になるように、二重ねじれシリンダーが立方格子内で組織されている構造、及び
-  ブルー相IIと呼ばれる第2のタイプの構造であり、シリンダー間のディスクリネーションラインが単純立方対称にあるように、二重ねじれシリンダーが立方格子内で組織されている構造。
【００９２】
実際に、ブルー相Iの第1のタイプの構造の立方体は、240ナノメートル(nm)から290ナノメートル(nm)の範囲の、通常は250nmの辺の、正方形の面を有する。ブルー相IIの第2のタイプの構造の立方体は、140ナノメートル(nm)から200ナノメートル(nm)の範囲の、通常は155nmの辺の、正方形の面を有する。そのような第1及び第2のタイプの構造は、420nmから480nmの間、特に436nmの光線ビームを回折する。
【００９３】
立方格子51のアライメント及び配向、並びに存在するブルー相のタイプ(I又はII)は、以後Kosselパターンと呼ばれる対応する回折パターンの観察によりチェックされ得る。
【００９４】
Kosselパターンは、液晶材料55の、三次元の反復構造単位の回折パターンである。事実、収束光がバルクの周期構造に進入する場合、Braggの方程式を満たす入射光の一部は反射され、格子の配向及びサイズ、並びに格子のタイプに依存する特異的パターンを生成する。
【００９５】
Kosselパターンは、光学顕微鏡法により観察することができる。パターンの特定の形状は、ブルー相のタイプを決定するために結晶構造に関して情報を与え:既に述べたように、ブルー相Iは体心立方格子を有し、それに対してブルー相IIは単純立方格子を有する。立方格子の結晶学的配置は、特定の配置に対応するパターンの特定の形状により決定することもできる。
【００９６】
立方格子の均質アライメントは、セルの異なる位置のKosselパターンの測定によりチェックされてもよい。いくつかの結晶学的配置のKosselパターンが重なり合った場合、立方格子は完全には位置合わせされない。特定の結晶学的配置のKosselパターンが測定される場合のみ、立方格子は均質に位置合わせされる。
【００９７】
立方格子の均質配向は、セルの異なる位置でのKosselパターンの測定によりチェックされてもよい。立方格子が均質に配向する場合、観察平面内に異なる傾斜を持つ同じKosselパターンのいくつかの出現が、重なることになる。
【００９８】
異なる傾斜にあるただ1つの結晶学的配置のKosselパターンが重なる場合、立方格子は均質に位置合わせされるが、均質には配向しない。観察平面内にただ1つの傾斜を持つ特定の結晶学的配置のKosselパターンのみが測定される場合、全ての立方格子は均質に位置合わせされ、配向される。これは例えば、図1及び図2の場合である。
【００９９】
また、観察されるパターンの傾斜は、ラビング方向に比べ、立方格子そのものの配向に対応する。
【０１００】
したがって、本発明の第1の実施形態では、ブルー相Iの第1のタイプの構造及びブルー相IIの第2のタイプの構造は共に、[1,1,0]結晶学的配置を有し、それぞれは、図25及び図26に概略的に示されるように、それ自体の回折パターンを示す。
【０１０１】
これらの図はそれぞれ、ブルー相I構造に関して波長700nm及びブルー相II構造に関して350nmのBragg反射ピークについて、開口数0.9で、436nmに等しい測定波長を持つ垂直入射光線で測定したときに、結晶学的配置[1,1,0]にあるブルー相I及びブルー相II型の構造のKosselパターンを示す。
【０１０２】
以下、[1,1,0]結晶学的配置にあるブルー相I型の構造の回折パターンを六つ折りパターンと呼び、[1,1,0]結晶学的配置にあるブルー相II型の構造の回折パターンをベースボールパターンと呼ぶことにする。
【０１０３】
本発明の第2の実施形態では、ブルー相Iの第1のタイプの構造は、結晶学的配置[2,0,0]を有し、ブルー相IIの第2のタイプの構造は、結晶学的配置[1,0,0]を有する。それらは各々、それ自体の回折パターンを示す。特に、結晶学的配置[2,0,0]を持つブルー相Iの第1のタイプの構造は、図27に概略的に表されるように四つ折り形パターンであり、結晶学的配置[1,0,0]を持つブルー相IIの第2のタイプの構造は、図28に概略的に表されるようにドーナツ形パターンである。
【０１０４】
これらの図27及び図28はそれぞれ、ブルー相I構造に関して波長400nm、及びブルー相II構造に関して488nmの、Bragg反射ピークについて、開口数0.9で、436nmに等しい測定波長を持つ垂直入射光線で測定したときに、結晶学的配置[2,0,0]及び[1,0,0]にあるブルー相I及びブルー相II型の構造のKosselパターンを示す。
【０１０５】
図25から28で、点線による円は、顕微鏡を通して見られる画像の限界を表す。
【０１０６】
図25から28は、異なる構造のKosselパターンを示す概略図である。これらのKosselパターンの構造は、これら概略図において、白色背景上の黒線又は破線を付した表面として表されるが、図4、6、7から12及び29に示される実験画像において、黒色背景上の白線又は白色表面として表される。
【０１０７】
例えば、ブルー相立方格子のKosselパターンが30°回転させた四つ折り形パターンである場合、観察される液晶材料のゾーンの全ての立方格子は、結晶学的配置[2,0,0]にあるブルー相I型の構造に並べられ、ラビング方向に対してバルク内で30°に配向することを意味する。
【０１０８】
多くの重なり合った四つ折り形パターンを示す「混合Kosselパターン」は、ブルー相が、結晶学的配置[2,0,0]にあり且つランダムに配向された、ブルー相I型の構造に並べられた立方格子を含むことを示す。
【０１０９】
液晶材料55が、ポリマーにより安定化されているブルー相56にない場合、液晶分子は、その温度で逆にブルー相I型の構造からブルー相II型の構造まで並べることができる。
【０１１０】
より正確には、温度が上昇する場合、液晶分子はコレステリック相からブルー相I型の構造に、次いでブルー相II型の構造に、次いで等方相に並べられる。対照的に、温度が低下する場合、液晶分子は等方相からブルー相II型の構造に、次いでブルー相I型の構造に、最後にコレステリック相に並べられる。
【０１１１】
本発明の光学部品1では、液晶材料55は、重合形態にある前記マトリックス材料により、前記ブルー相で安定化される。
【０１１２】
言い換えれば、光学部品1のバルク50では、液晶材料55は、ポリマーにより安定化されるブルー相56状態にある。
【０１１３】
安定化されるとは、光学部品1のバルク50内の液晶材料55が、前記バルクに含有されないときの同じ液晶材料のブルー相よりも広い温度範囲の下、ブルー相56で維持されることを意味する。
【０１１４】
例えば、安定化されない場合、ブルー相I型の構造は、約0.3℃の温度範囲でのみ安定である。同様に、安定化されない場合、ブルー相II型の構造は、約3℃の温度範囲でのみ安定である。
【０１１５】
対照的に、安定化される場合、ブルー相I型の構造は、約20℃から30℃の温度範囲にわたり安定化される。例えば、10℃から35℃の間を含む温度範囲にわたり安定化される。
【０１１６】
安定化されるとは、1つのタイプのブルー相構造が維持され、その温度で液晶分子をブルー相I型の構造からブルー相II型の構造に(及び逆に)並べることができないことも意味する。
【０１１７】
より詳細には、重合マトリックス材料中で安定化されているブルー相56は、周囲温度で、及び大気圧下で安定であり、工業目的での使用が可能になる。
【０１１８】
より正確には、本明細書では、液晶材料55は、バルク50の体積の少なくとも80%が、ブルー相I型の構造で、周囲温度で安定化される。
【０１１９】
しかし、ブルー相が安定化されている場合であっても、液晶材料55の液晶分子は、追加の電磁場に供されたときに依然として電磁配向状態を取り入れることができる。
【０１２０】
後で説明するように、液晶材料55がブルー相56で安定化され、その液晶分子が電磁配向状態を取ることができるため、光学部品1は位相シフト変調器として使用することができる。
【０１２１】
その組成に関して、本明細書のバルク50の液晶材料55は、以下でメイン液晶分子及びゲスト液晶分子と呼ばれる2つのタイプの液晶分子の混合物を含む。
【０１２２】
メイン液晶分子は、ブルー相への液晶材料の組織を観察する必要がある。
【０１２３】
実際に、バルク50を形成する前記組成物は、前記ゲスト液晶分子を、(メイン及びゲスト液晶分子を含む)液晶材料の全重量に対する重量で30%から55%、前記メイン液晶分子を少なくとも45%含む。
【０１２４】
したがって組成物は、前記ゲスト液晶分子を、液晶材料の全重量に対して重量%で、30%、31%、32%、33%、34%、35%、36%、37%、38%、39%、40%、41%、42%、43%、44%、45%、46%、47%、48%、49%、50%、51%、52%、53%、54%含む。同様に、液晶分子は、前記メイン液晶分子を45%、46%、47%、48%、49%、50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%、79%、又は80%含む。
【０１２５】
メイン液晶分子は、例えばJC1041XX液晶分子混合物である。
【０１２６】
JC1041XX液晶分子混合物は、その構造が図16に示される分子の誘導体を含む、JNC社(Chisso)の商品である。それらの誘導体のいくつかは、例えば、CAS番号85312-59-0の4'-(trans-4-エチルシクロヘキシル)-3,4-ジフルオロビフェニル、CAS番号の4'-(trans-4-プロピルシクロヘキシル)-3,4-ジフルオロビフェニル、CAS番号134412-17-2の4'-(trans-4-ペンチリルシクロヘキシル)-3,4-ジフルオロビフェニル、又はその他の誘導体であってもよい。
【０１２７】
図16では、Rが脂肪族基を表す。
【０１２８】
ゲスト液晶分子は、CB5若しくはMLC2140液晶分子混合物、又はこれらの混合物から選択されてもよい。
【０１２９】
CB5の構造は、図17に示され、CAS番号40817-08-1の4-シアノ-4'-ペンチルビフェニルとしても公知である。
【０１３０】
MLC2140は、Merck社から入手可能な商品である。
【０１３１】
可能性あるゲスト液晶分子の別の例は、図22に示されるCB5及び3種のその他の分子を所定の濃度比で含む、E7として公知の分子の混合物であり、例えばMerck(登録商標)により入手可能である。
【０１３２】
液晶材料55の液晶分子は、液晶材料がブルー相で安定化しない場合、ブルー相I及びブルー相II型の構造が天然に存在する温度の範囲に影響を及ぼす。
【０１３３】
その組成物に関し、マトリックス材料は、重合形態にあるモノマーを含む。それらのモノマーは、非電磁状態で液晶の配向を支持し影響を及ぼすことができる重合グリッド又はマトリックスを形成することによって、安定化を可能にするものである。
【０１３４】
より正確には、マトリックス材料は、重合する前に、第1のタイプのモノマー及び/又は第2のタイプのモノマーを含む。
【０１３５】
実際に、バルク50を形成する組成物は、前記組成物の全重量に対する重量で、前記第2のタイプのモノマーを少なくとも3.5%、並びに前記第1及び第2のタイプのモノマーを累積で7%から15%含む。言い換えれば、バルク50を形成する組成物は、好ましくはモノマーを合計で7%から15%含み、その少なくとも3.5%は第2のタイプのモノマーである。
【０１３６】
したがって組成物は、モノマーを7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%、14%、又は15%含み、その少なくとも3.5%は第2のタイプのモノマーである。
【０１３７】
第1のタイプのモノマーは、例えば、CAS番号2156-97-0のアクリル酸ドデシルとしても公知の分子12CAである。第2のタイプのモノマーは、例えば、分子RM257である。RM257は、2-メチル-1,4-フェニレン-ビス[4[3(アクリロイルオキシ)プロピルオキシ]ベンゾエート]、CAS番号174063-87-7としても公知である。
【０１３８】
これらの分子の構造を、図18及び図19にそれぞれ示す。
【０１３９】
第1のタイプのモノマーの、別の可能性ある例は、例えば分子12CMであり、そのより一般的な名称はメタクリル酸ドデシルであり、CAS番号142-90-5である。この分子の構造を、図23に示す。更に、バルク50を形成する組成物は、前記組成物の全重量に対する重量で、前記液晶材料55の前記ブルー相56を誘導するよう適合されたキラルドーパントを5%から7%含む。
【０１４０】
したがって組成物は、キラルドーパントを5%、5.5%、6%、6.5%、又は7%含み得る。
【０１４１】
実際にキラルドーパントは、前記液晶材料55をブルー相に並ばせ、その後、マトリックス材料が前記ブルー相56を安定化させる。
【０１４２】
そのようなキラルドーパントは、例えばISO(6OBA)2である。
【０１４３】
この分子の構造を、図20に示す。
【０１４４】
キラルドーパントとして使用することができる別の分子は、例えば、Alphamicron Chemistry社によるC03203である。
【０１４５】
以下に詳述される実施例で、バルク用の組成物は、組成物の全重量に対する重量で:
-  RM257を3.5%及び7.5%と、
-  12CAを3.5%及び7.5%
であって、2種のマトリックスモノマーの重量分率の合計が、少なくとも7重量%に等しいもの、
-  ISO(6OBA)2を5%から7%、
-  CAS番号947-19-3の1-ヒドロキシ-シクロヘキシル-フェニル-ケトンとしても公知のIrgacure 184を0.4%から1%と、
-  メイン及びゲスト液晶分子
を含む。
【０１４６】
前記液晶分子の全重量に対する重量で、この実施例の組成物は、メイン液晶分子JC1041XXを少なくとも45%、及びゲスト液晶分子CB5を40%から55%含む。言い換えれば、液晶分子の全重量に対する重量で、組成物は、ゲスト液晶分子CB5を40%から55%、及びメイン液晶分子JC1041XXを45%から60%含む。
【０１４７】
別の実施形態では、前記液晶分子の全重量に対する重量で、この実施例の組成物は、メイン液晶分子JC1041XXを少なくとも45%、及びゲスト液晶分子MLC2140を30%から40%含む。言い換えれば、液晶分子の全重量に対する重量で、組成物は、ゲスト液晶分子MLC2140を30%から40%、及びメイン液晶分子JC1041XXを60%から70%含む。
【０１４８】
Table 1及び2(表1及び2)には、バルク50を形成するのに使用される、2種の可能性ある組成物が、組成物の全重量に対する重量で示されている。
【０１４９】
【表１】
2019536104.tif 000003
【０１５０】
【表２】
2019536104.tif 000004
【０１５１】
分子Irg184又はIrgacure184は、所定の放射線により照射されると重合反応を開始させる、光開始剤である。
【０１５２】
この分子の構造を、図21に示す。
【０１５３】
有利には、出願人は、全体として本発明の光学部品1において、各アライメント層15、25が、ブルー相立方格子の全体組織に影響を及ぼすので、バルク50内のブルー相56の均質性を改善することを発見した。
【０１５４】
意外にも、アライメント層15、25は、ブルー相I構造及びブルー相II構造がマトリックス材料によって安定化される前に前記構造が現れる温度範囲も、変化させるようである。アライメント層15、25は、ブルー相が示される全温度範囲に関して、ブルー相にある液晶材料55の均一及び均質な組織を得ることも可能にする。
【０１５５】
バルクの厚さが何であろうと、ラビングされたポリイミド層15、25は、バルク50におけるブルー相56立方格子の非常に均質な秩序を確実にする。液晶材料55の均質な組織を決定し定量するための例示的な方法は、Kosselパターンを使用し、これについては後で説明する。
【０１５６】
方法
下記のパートでは、ブルー相56に安定化されている液晶材料55を含む、本発明の光学部品1を作製するための方法について記述する。
【０１５７】
そのような方法は、
a)  第1の層10及び第2の層20を提供する工程であって、第1及び第2の層10、20は互いに面する2つの主面10A、20Aを形成し、主面10A、20Aの少なくとも一方が、他方の主面10A、20Aに面してアライメント層15、25を有し、前記アライメント層15、25がポリイミドを含む工程と、
b)  前記第1及び第2の層10、20の間の空間を、前記液晶材料55及び液晶材料55とは全く異なるマトリックス材料の混合物を含む組成物で満たす工程であって、前記液晶材料55は、ブルー相を形成するため互いに対して組織されるよう適合された液晶分子を含み、前記マトリックス材料は、重合するように適合されたモノマーを含む工程と、
c)  液晶分子にブルー相構造を形成させることにより、液晶材料55を前記ブルー相にする工程と、
d)  液晶材料55が前記ブルー相56)状態にある間にマトリックス材料のモノマーを重合する工程であって、重合する工程d)が、液晶材料(55)が、少なくとも第1の所定の最小割合のブルー相Iの第1のタイプの構造と、少なくとも第2の所定の最小割合のブルー相II型の構造とを示す重合温度で実現される工程と
を含む。
【０１５８】
より正確には、工程a)において、各層10、20は、下記の通り調製することができる:電極を形成するITOの層を得るために、ITOの第1のコーティングを、両方のガラス基板11、21上に堆積し、次いでポリイミドの第2のコーティングを、前記ITOコーティング上に堆積する。
【０１５９】
ポリイミドの第2のコーティングは、ITOでコーティングされた基板の1つ又は両方で実現することができる。
【０１６０】
次いで前記第1及び第2の層10、20のアライメント層15、25を得るために、ポリイミド層を、ラビングする。
【０１６１】
言い換えれば、優先的な実施形態では、各アライメント層15、25は、ラビングされたポリイミド層により形成される。
【０１６２】
ポリイミド層のラビングは、当業者に公知の方法により、所定の方向に沿って実現される。
【０１６３】
より正確には、例えば、分当たり600回転の回転速度及び秒当たり30ミリメートルのステージ速度を使用して、ポリエステルラビングクロスでラビングすることにより、基板の短辺に平行な方向で行われる。
【０１６４】
代替例として、第1及び第2の層を調製するこれらの工程は、予め実現されてもよい。例えば、その主面11A、21Aの1つの表面にITOコーティングを含み、最終的には前記ITOコーティングを覆うラビング済みポリイミド層のコーティングを含むガラス基板を、購入してもよい。
【０１６５】
次いでこのように得られた第1及び第2の層10、20を、互いにある距離に配置し、そのそれぞれの表面10A、20Aは、互いに面する異なるコーティングを含んでいる。
【０１６６】
第1及び第2の層10、20は、1マイクロメートル(μm)から15マイクロメートル(μm)の間隔を空けてもよい。例えばこれらの層は、2μm、4μm、5μm、7μm、10μm、又は更に15μmに配置することができる。好ましくは、第1及び第2の層は、互いに10μm離して配置される。工程b)で、前記第1及び第2の層10、20の間の空間に、前述の組成物を満たしてバルク50を形成する。
【０１６７】
第1及び第2の層10、12を、前記層10、20の間に含まれる組成物と一緒に、以後、セルと呼ぶ。
【０１６８】
この組成物は、液晶材料55、キラルドーパント、及びマトリックス材料を含む。
【０１６９】
工程b)では、セルを、毛管現象によって組成物で満たす。
【０１７０】
工程c)では、液晶材料55の液晶分子を、前記ブルー相56に組織されるよう適切な条件で配置する。
【０１７１】
より正確には、液晶分子のブルー相I型の構造への組織は、マトリックス材料のモノマーが重合する前に誘導される。
【０１７２】
したがって液晶材料の少なくとも一部は、重合前に、ブルー相Iと呼ばれる前記第1のタイプの構造になる。
【０１７３】
この工程c)では、後でより詳細に説明されるように、工程d)の重合が行われることになる温度も決定される。
【０１７４】
重合工程d)は、少なくとも所定の割合の液晶分子が、ブルー相Iと呼ばれる第1のタイプの構造を形成する間に実現される。
【０１７５】
より正確には、重合工程d)は、液晶分子材料が少なくとも部分的に、ブルー相Iと呼ばれる第1のタイプの構造を形成する間に実現される。
【０１７６】
そのようにするため、重合工程d)は、前記第1のタイプの構造(ブルー相I)及びブルー相IIと呼ばれる第2のタイプの構造との間で転移が生ずる温度に対応する重合温度で実現され、少なくとも第1の所定の最小割合の液晶材料は、ブルー相Iの第1のタイプの構造を示し、少なくとも第2の所定の最小割合の液晶材料は、ブルー相II型の構造を示す。
【０１７７】
ブルー相I又はII型の構造における液晶材料の本発明の割合は、前記第1及び第2の層10、20に平行な縦断面でバルクを観察し、ブルー相(I又はII)に覆われた表面の量を比較し、次いでこの面で、ブルー相I及びブルー相IIで覆われたブルー相の表面の量を比較することによってモニターしてもよい。これは例えば偏光顕微鏡の観察内容により実現される。
【０１７８】
実際に、重合温度は、ある範囲の転移温度に属する。転移温度は、通常ならブルー相II型の構造を示す液晶材料でのブルー相Iの最初のゾーンの出現と、通常ならブルー相I型の構造を示す液晶材料でのブルー相IIの最後のゾーンの消失との間の温度に該当する。
【０１７９】
より詳細には、目的とする温度は、ここでは、ブルー相Iの第1のタイプの構造を有するゾーンが少なくとも第1の最小割合に相当し、例えば前記平面のブルー相内に液晶材料55を有する組成物の少なくとも40%を相当し、ブルー相IIの第2のタイプの構造を有するゾーンが、少なくとも第2の所定の最小割合に相当し、例えば前記平面のブルー相内に液晶材料55を有する組成物の少なくとも20%に相当する温度に該当する。
【０１８０】
次いでこの転移温度範囲は、第1及び第2の臨界温度の間に含まれる。本発明の場合、第1の臨界温度は、前記面内でブルー相にある液晶材料を有する組成物中のブルー相Iの構造の40%の割合に該当し、第2の臨界温度範囲は、前記面内でブルー相にある液晶材料を有する組成物のブルー相IIの構造の20%の割合に該当する。
【０１８１】
第1及び第2の臨界温度は、バルクの組成に依存する。Table 1及び2(表1及び2)の組成により上記に示される実施例では、第1の臨界温度が、Table 1(表1)の組成物の場合に約37.4℃であり、Table 2(表2)の組成物の場合は約67.5℃である。
【０１８２】
第2の臨界温度は、Table 1(表1)の組成物の場合、Table 1(表1)の組成物に関して約36.6℃であり、Table 2(表2)の組成物の場合は約66℃である。
【０１８３】
より正確には、工程c)において、ブルー相I及びブルー相II型の構造の所定の割合が、工程d)の重合が誘発されたときにブルー相にある液晶を有する組成物に形成されるように、液晶材料55の液晶分子は前記ブルー相56に組織するのに適切な条件で配置される。
【０１８４】
これは下記の工程を含む少なくとも1つの熱サイクルを通して実現される:
m)  液晶材料の温度を、ほとんどブルー相IIの第2のタイプの構造が形成されるように、全ての液晶分子が互いに組織されるまで上昇させる;
n)  液晶材料の温度を、ブルー相Iの第1のタイプの構造が前記第1の所定の最小割合の、ブルー相にある液晶材料となるまで、ゆっくり低下させる。
【０１８５】
これを実現する方法は、温度の低下中に、次いで上述の工程m)及びn)中に、前記第1の所定の最小割合の液晶材料が到達する温度を決定するために、較正熱サイクルを行うことである。
【０１８６】
較正サイクル中、温度は例えば、ブルー相にある液晶材料がブルー相II型の構造のみに存在するようになるまで上昇させ、次いでブルー相にある液晶材料がブルー相I型の構造のみに存在するようになるまで低下させる。
【０１８７】
較正サイクルは、重合温度を決定する必要があり、ブルー相の立方格子のアライメント及び配向が均質になるのを確実にする。
【０１８８】
較正サイクル中、急速に高まる温度上昇により液晶材料が等方相になるまで温度を上昇させ、次いで下記の相転移:等方相からブルー相IIを経て、更にブルー相Iを経てコレステリック相に至るまで、等方相からコレステリック相まで低速で温度を低下させることも可能である。
【０１８９】
異なる温度で液晶材料中に存在するブルー相I型の構造の割合の分析は、求められる最小割合のブルー相Iが観察される、重合温度を決定するのを可能にする。
【０１９０】
次いで工程m)及びn)による熱サイクルを行い、工程n)では、所定の重合温度に到達したら温度の低下を停止させる。
【０１９１】
較正熱サイクルを行う間、セル内の本発明の相の割合を、Kosselパターン及び/又は偏光顕微鏡観察を介してチェックして、顕微鏡の視野内の相分布をチェックする。
【０１９２】
ブルー相I又はIIの出現を、冷却後の試料の目視検査により評価する。ブルー相は、Bragg反射に起因して非常に特徴的な色を有する。反射モードでの観察は、ブルー相I及びブルー相II型の構造が現れる温度範囲を確立するのを可能にする。
【０１９３】
したがって偏光顕微鏡法は、バルク内に存在するブルー相の割合を確立し、ブルー相にある液晶材料中に存在するブルー相I及びIIの割合を確立する:ブルー相I及びIIによって示される、特定の色があり、それに対してその他の相には色がなく、黒色領域と見なされる。
【０１９４】
更に、特定の色は、異なる結晶学的配置に関連付けられ、次いで偏光顕微鏡法は、バルクの立方格子のアライメントを評価することもできる。
【０１９５】
ブルー相I又はブルー相II型の構造の立方構造のアライメント及び配向の均質性も、セルの異なる場所で測定されたKosselパターンによりチェックされる。
【０１９６】
第1及び第2の臨界温度は、ブルー相I型の構造が、偏光顕微鏡法により観察されたブルー相にある液晶材料を有するバルクの表面の少なくとも40%を覆うとき、及びブルー相II型の構造が、ブルー相にある液晶材料を有するバルクの表面の20%を依然として覆うとき、それぞれ決定される。
【０１９７】
或いは、分光測色法を使用して、ブルー相II型の構造である液晶材料55のパーセンテージを決定することもできる。
【０１９８】
バルク中のブルー相I及びブルー相II型の構造の割合は、分光測色法の測定を通して決定されてもよい。
【０１９９】
より正確には、ブルー相I及びブルー相II型の構造に関するスペクトルのBragg反射が決定される。2つの特色あるピークが、2つの波長λ1及びλ2の近くに位置付けられて存在し、最大強度I1及びI2を示している。ブルー相II型の構造に対するブルー相I型の構造の割合は、2つのピークの強度I1/I2の比から推定され得る。
【０２００】
例えば、I1/(I1+I2)が80%を超えた場合、バルクの前記体積中のBPIのパーセンテージは80%であることを、推定することができる。
【０２０１】
記述される実施例によれば、重合は、更にいくらかのブルー相II型の構造がバルク中に残される間に、実現される。最終的に得られるブルー相のアライメント及び配向の均質性は、このように改善される。ブルー相IIの構造のアライメント及び配向は、確かに、ブルー相Iの構造のアライメント及び配向に影響を及ぼす。
【０２０２】
このように、較正熱サイクル中、液晶材料の下記の特徴が決定される:
-  ブルー相を示すバルクの割合、
-  ブルー相I又はIIの構造を示すブルー相内のバルクの割合;
-  均質なアライメントで立方格子を有するブルー相I又はIIの構造の割合、
-  均質なアライメント及び配向で立方格子を有するブルー相I又はIIの構造の割合。
【０２０３】
重合温度も、第1及び第2の臨界温度の間の範囲にあるよう決定される。
【０２０４】
熱サイクルの工程m)中、液晶材料は、急速に高まる温度上昇により等方相になってもよい。この場合、工程n)における温度の低下は、第1の熱サイクルに基づいて決定された重合温度に到達するまで、液晶材料を等方相からブルー相IIに、更にブルー相Iにする。
【０２０５】
次いで工程d)を行う:重合プロセスを、この決定された重合温度で行う。
【０２０６】
別の変形例では、重合温度が予め決定されたと考えることが可能である。
【０２０７】
その場合、工程m)及びn)による独自の熱サイクルを行ってもよい。
【０２０８】
独自の熱サイクルが行われる間、セル内の本発明の相の割合は、顕微鏡の視野内の相分布がチェックされるように偏光顕微鏡観察及び/又は分光測色法を介して、及び/又はKosselパターンの処理を介して、チェックしてもよい。ブルー相I又はブルー相II型の構造の立方構造のアライメント及び配向の均質性も、セルの異なる場所で測定されたKosselパターンによりチェックされる。
【０２０９】
図29は、異なる温度での較正サイクル中に観察された、異なるKosselパターンの実施例を示す。ここでの組成物は、ラビングされたポリイミドのアライメント層による厚さ10μmに関して、CB5を46.5%、JC1041XXを46.5%、ISO-(OBA)2を7%含む。入射光は、波長436nmを有し、開口数は0.85である。
【０２１０】
Kosselパターンのおかげで、温度45.997から44.826℃の間で、液晶材料が、結晶学的配置[1,0,0]で均質なアライメントを持つ純粋なブルー相II型の構造を示すことを、検証することが可能である。温度44.776から44.769℃の間では、液晶材料は、それぞれ結晶学的配置[2,0,0]及び[1,0,0]において均質なアライメントを持つブルー相I及びII型の構造の混合物を示す。温度44.713から44.276℃の間では、液晶材料は、結晶学的配置[2,0,0]で均質なアライメントを持つ純粋なブルー相I型の構造を示す。
【０２１１】
混合パターンによるKosselパターンの処理は、そのパターンを通して検出された各相の割合を定量することも可能にする。
【０２１２】
詳細には、分光測光法及び/又は偏光顕微鏡法及び/又はKosselパターン処理によって実現された測定が、下記:
-  バルクの少なくとも80%がブルー相I又はIIにあり、即ちバルクの20%がブルー相にはなく、
-  アライメントが、液晶バルクの少なくとも80%で均質であり、即ちバルクの20%は異なった状態でアライメントされ又はブルー相(BP)にはなく、
-  Kosselパターンの配向が、例えば45°(±5°)の配向の同じ方向では、バルクの少なくとも80%で均質であり、即ちその他20%が、他の状態で配向され、異なる状態でアライメントされ、又はブルー相(BP)にない
ことを示す場合、重合工程d)は、較正熱サイクル又は熱サイクルの工程m)及びn)を反復せずに行われる。
【０２１３】
前述の特徴が、所定の温度に到達したときにバルクで観察されない場合、温度を低下させて、液晶材料がコレステリック相へと並ぶようにし、且つ工程m)及びn)での第2の熱サイクルが上述のように行われるようにする。
【０２１４】
別の変形例として、任意の数の較正熱サイクルを、熱サイクルの工程m)及びn)が行われる前に、行ってもよい。
【０２１５】
上述の熱サイクルでは、温度が低下する遅い速度は、分当たり0.05℃から分当たり0.5℃の間に含まれ、好ましくは分当たり摂氏0.1度に等しい。
【０２１６】
工程d)では、重合は、組成物のUV照射にあり、これは0.1mW/cm2から1mW/cm2の範囲の電力率（power rate）の光線で実現される。
【０２１７】
実際に、電力率は、ブルー相のアライメントが重合中に破壊されないことが確実になるように、低く保持されるべきである。
【０２１８】
組成物を照射するUV光線の波長は、光開始剤の吸収範囲に依存する。この場合、Irg184光開始剤では、UV光は300nmから380nmの範囲の波長を有していてもよく、好ましくは365nm(ナノメートル)に等しい。
【０２１９】
当然ながら、重合は、前述のように決定された重合温度で、又は少なくとも、以前定義された臨界温度の間に含まれる転移温度範囲内の温度で実現される。
【０２２０】
照射は、5分から2時間の範囲の持続時間で、好ましくは30分間実現される。
【０２２１】
実際に、重合の完全性を確実にする、照射の持続時間は、光線の電力率に依存する。例えば0.4mW/cm2の電力率で、照射の持続時間は10分よりも長くすることができる。
【０２２２】
例えば重合は、30分間の、電力率が0.4mW/cm2である波長365nmでのUV照射にある。
【０２２３】
このように重合した組成物は、本発明による光学部品1のバルク50を形成する。
【０２２４】
有利には、重合はバルク50を透明なままにし、即ち可視光は、吸収なしに前記バルク内を通過することができ、ブルー相の格子サイズ、その配向、及び光の入射角に応じてBragg反射が生ずるスペクトル範囲を考慮に入れることはない。
【０２２５】
本発明による光学部品1の使用
本発明の光学部品1は、調整可能なフィルターを備えた光学レンズであってもよく、又は空間位相変調器として使用されてもよい。
【０２２６】
そのために、第1及び第2の層10、20の電極12、22を電源に接続する。
【０２２７】
バルク50の液晶材料55は、このように電場内に配置され、前記電場は液晶分子の配向に影響を及ぼす。
【０２２８】
事実、液晶分子の配向は、電場の方向によって与えられる。言い換えれば、電気的テンション又は電圧が光学部品1の2つの電極12、22の間に印加されると、液晶分子は、電場に沿ったある好ましい方向に沿って並ぶ傾向にある。
【０２２９】
光学部品1内を通過する光線は、前記光学部品1に含まれる液晶分子の配向によって影響を受けることが示されている。
【０２３０】
したがって、この物品内を通過する光線に対するこの光学部品1の影響を、前記光学部品1の2つの電極12、22の間に印加されるテンションを制御することによって、制御してもよい。光に対する光学部品1の「影響」は、入射光線の偏向又はその位相シフトを含んでいてもよい。
【０２３１】
光学部品1の電極12、22の間に印加された電圧に応じて、液晶分子は、前記電場に沿って多少なりとも位置合わせされる。
【０２３２】
とりわけ、ブルー相にある液晶材料55の安定化に関わらず、これら液晶分子の大多数を電場に沿って位置合わせできるようにするために、電気的テンションは、ブルー相内でこれら液晶分子の間に存在する優先的な物理的相互作用を支配するのに十分強力であるべきである。
【０２３３】
それにも関わらず、液晶材料55の全ての液晶分子がブルー相に非常にうまく組織される場合、したがって前記液晶材料55が均一に且つ均質に組織される場合、液晶分子は電場と同じ手法で反応することになる。その結果、非常に小さい電圧は、液晶材料55の全配向に大きい影響を及ぼすことができ、前記光学部品1内を通過する光線に大きな影響を及ぼす可能性がある。
【０２３４】
このように、光学部品1のバルク50におけるブルー相の液晶材料55の均一な組織のため、前記光学部品1内を通過する光線の所与の位相変調に達するのに必要とされる電圧は、減少する。後で論じる位相シフトのより円滑に且つより高い値に達することも可能である。
【０２３５】
有利には、バルク50の液晶材料55の均一な組織は、電圧が印加されたときのブルー相から電磁配向相への均質な切換えを得ることを可能にし、したがって良好な位相シフト変調を可能にする。
【０２３６】
特に、本発明の実施形態による液晶材料の均一な組織は、特に良好な位相シフト変調を可能にする。
【０２３７】
実験装置
実験装置は、偏光顕微鏡を、Kosselパターンの観察、分光測色法、及び温度のin situ制御と組み合せる。
【０２３８】
光学Kosselパターンを観察するために、偏光顕微鏡を使用した。Kosselパターンは、回折パターンであり、瞳面（pupil plane）上に形成される(フーリエ画像)。偏光顕微鏡は、コノスコープ撮像用の瞳観察システムを有する。
【０２３９】
対物レンズは、CCD画像面上に物体の画像を形成する。即ち、対物面及び画像面が接合される。偏光顕微鏡は、CCD画像面上に瞳画像(フーリエ画像)を形成するために、Bertrandレンズを含む。
【０２４０】
より正確には、Nikon Eclipse LV100POL偏光顕微鏡を使用した。干渉フィルターは、回折角が波長に依存するので必要とされる。適切なサイズのパターンを得るためのλ=436nmフィルターを、シャープカラーフィルター用のフォルダーに設置した。大きい回折角をカバーするために、高NA対物レンズが必要であった。Nikon CFI Plan LWD IMSI 100X NA0.85を使用した。液晶セルの上方ガラス面により引き起こされた球面収差を補償する、補償リングを有していた。Bertrandレンズを挿入しその焦点を合わせることにより、Kosselパターンを観察することができる。INSTECホットステージTS62-MS200及びコントローラーMK2000を、顕微鏡の試料テーブルに設置した。ブルー相の外観は、その温度に対して非常に敏感である。このホットステージは、その温度を-30℃から120℃の範囲で±0.05℃以内に制御することができる。
【０２４１】
実施例、特徴付け、及び比較
1/アライメント層
異なるアライメント層を試験して、ラビングされたポリイミド層と比較した。
【０２４２】
3つの異なるタイプのアライメント層:ポリイミド層、F-POSS層、及びオプツール層を試験した。これら3つのタイプのアライメント層をそのまま試験し(ラビングせず)、ラビングプロセス後、次いでそれらを比較した。
【０２４３】
F-POSS及びオプツールは2種の界面活性剤である。
【０２４４】
F-POSSは、フッ素化多面体オリゴマーシルセスキオキサンであり、その構造を図29に示す。実際に、ポリイミド層は、市場から入手可能(例えば、EHC社から)な基板上に既に存在することができる。購入した基板の半分はポリイミド層を有し、あとの半分は未処理のままであった。
【０２４５】
F-POSS及びオプツールの層はそれぞれ、前記F-POSS及びオプツール界面活性剤をそれぞれ、ガラス基板上に存在するITO層上に、スピンコーティングすることによって堆積することから得た。それらの半分は、ラビングプロセスを経て、それらの半分は未処理のままであった。
【０２４６】
同一の基板を、本発明による方法の工程a)で説明されるように、互いにある距離を離して2つずつ組み立てた。
【０２４７】
より正確には、基板を互いに10μm離して配置した。
【０２４８】
組立て後、空のセルに、等方相にある、即ち液体状態にある液晶材料55を、透明点よりも高い温度で満たした。
【０２４９】
液晶材料を、毛管現象によってセルの内側に満たした。例示的な組成物は:
-  キラルドーパントISO(6OBA)2: 6%、
-  液晶分子(メイン+ゲスト): JC-1041XX + CB5: 94%、JC-1041XXが約50%でありCB5が約50%
であった。
【０２５０】
対照セルも、ITO層のみ備えかつアライメント層が全く存在しないガラス基板から製造した。
【０２５１】
次いでこのように形成されたセルを、偏光顕微鏡法により観察し、Kosselパターン分析に供した。ラビングされた若しくはラビングされていないオプツール層、又はラビングされた若しくはラビングされていないF-POSS層、又はラビングされていないポリイミド層を含むセルを、偏光顕微鏡法の下で観察した場合、小板の組織が観察され、これはブルー相Iの第1のタイプの構造が観察されたがランダムに配向したことを証明している。言い換えれば、これらセルのブルー相には秩序がなく、異なる配向の領域を形成した。
【０２５２】
そのような小板を、図3に示す。
【０２５３】
このことは、アライメント層が全くない対照セルの場合にも言えた。
【０２５４】
対照的に、ラビングされたポリイミド層を含むセルは、偏光顕微鏡法の下で観察した場合、均質で均一な色を示し、小板はなかった。そのような均質な観察を、図5に示す。
【０２５５】
図3及び図5において、観察のスケールは1ミリメートル四方であり、セルの全表面に沿ってチェックされたものである。観察の温度は44.4℃である。この場合、観察は、重合が生ずる前に行う。
【０２５６】
Kosselパターン分析は、観察内容を確認した。確かに、小板組織を示すセルでは、Kosselパターンが異なるKosselパターンの重なり合いである。そのようなKosselパターンを図4に表す。そのようなKosselパターンは、重ねられた四角形の形状を含む。
【０２５７】
これは、ブルー相I型の構造がバルク内に存在し、ブルー相Iの立方格子が均一に組織されないことを意味する。
【０２５８】
本発明による光学部品から得られたKosselパターンを、図6に表す。そのようなKosselパターンは、独自の四つ折りパターン(正方形の種類)であり、ブルー相I型の構造のみがバルク内に存在し、このブルー相Iの全ての立方格子が空間内で均一に組織されることを意味する。
【０２５９】
Kosselパターンの四角形の形状は、以下に実証するブルー相I型の構造に特徴的なものである。
【０２６０】
ブルー相I型の構造の立方格子は、重ね合わされた正方形の代わりにただ1つの四角形がKosselパターン上に表されるように、ポリイミド層のラビング方向に合わせて並べられる。「並べられた」とは、それらの軸Ox、Oyがラビングされたポリイミドパターンの表面に平行になるように配置され、且つそれら全てがラビング方向に対して同じ配向を有するように、それらの軸Ozを中心に配向されることを意味する。
【０２６１】
その結果、ラビングされたポリイミド層は、バルク内で液晶材料の最も良く均一に組織されたブルー相を提供するものであった。
【０２６２】
実験の残りでは、ラビングされたポリイミド層のみをアライメント層として使用した。
【０２６３】
2/セルの厚さ及び均質性
ブルー相の組織について、異なるセル厚さのアライメント層として、ラビングされたポリイミドを使用して研究した:ブルー相の組織は、偏光顕微鏡法によって及びKosselパターン分析によって評価される。
【０２６４】
ラビングされたポリイミド及び異なる厚さを持ついくつかのセルを、製造し、アライメント層に関するパラグラフで既に述べた液晶混合物で満たした。分析したセルは、それぞれ2マイクロメートル、4マイクロメートル、及び10マイクロメートルの厚さであり、即ち、バルクは2μm、4μm、又は10μmの厚さであった(光学部品全体ではない)。第1の工程として、全てのセルを、以前記述した第1の熱サイクルに該当する温度の上昇及び低下に供して、ブルー相Iゾーンが所定の割合で存在する適切な温度範囲を見出し、純粋なブルー相IIゾーンでは面積の少なくとも80%が均質なブルー相IIにある状態に到達させた。
【０２６５】
ここで転移温度は、第1及び第2の臨界温度、即ち44.8℃及び43.8℃の間の範囲である。次いで重合を、第2の熱サイクル後、この転移温度範囲で実現し、転移温度範囲が温度の低下によって実現されるようにする。
【０２６６】
次いで安定化したブルー相の組織の均一性を、偏光顕微鏡下で評価した。
【０２６７】
結果は、ブルー相I構造にあるブルー相が、2μmの厚さであるようなより薄いセルの場合に、より均一に組織されたことを示す。事実、そのようなセルに関して偏光顕微鏡法により得られた画像は、画一化された色のものであった。
【０２６８】
更に組織は、ブルー相I型の構造、それぞれブルー相II型の構造が示される、全温度範囲にわたって一定のままであった。
【０２６９】
セルの厚さが増大すると、ブルー相の組織の均一性は低下する。このことは、均一に着色した画像の代わりの小板画像によって、偏光顕微鏡法により得られた画像に見られる。
【０２７０】
しかし、本発明の方法を使用することにより、10μmの厚さのセルの場合であっても、ブルー相の少なくとも80%を均質なものとして得ることができた。本発明者等は、本発明の教示が、10μmよりも大きい厚さ、例えば最大20μm、50μm、又は更に100μmのセルに関して高いパーセンテージのアライメント及び均質性の利益を提供し得ると推測する。
【０２７１】
バルク中のブルー相の割合、並びにこのブルー相のアライメント及び配向の均質性を、以下のプロトコールに従い推測する。
【０２７２】
偏光顕微鏡法によるセルの表面の目視検査から、バルク中のブルー相の割合を、大まかに決定してもよい。
【０２７３】
この第1の検査が、バルク中に十分な量のブルー相があることを明らかにする場合、好ましくはバルクの80%よりも多くがブルー相にある場合、Kosselパターンは、セルのアクティブ領域に沿って10カ所の異なる場所で決定される。8つ又はそれよりも多くのKosselパターンが同じブルー相(BPI又はBPII)に該当する場合、セル内のブルー相の割合は少なくとも80%である。
【０２７４】
ここでのアクティブ領域は、セルの表面と、表面下のセルの体積の少なくとも一部を取り囲む。
【０２７５】
この場合の測定は、測定されたセルの面積に比べてバルクの厚さが非常に小さいので、バルクの性質を反映する。
【０２７６】
同様に、Kosselパターンは、セルのアクティブ領域に沿った10カ所の異なる場所で決定する。測定された8つ又はそれよりも多くのKosselパターンが、立方格子の所与のアライメントを持つ特定のブルー相に該当する場合(例えば、結晶学的配置[1,1,0])、アライメントはバルクの体積の少なくとも80%である。
【０２７７】
測定された8つ又はそれよりも多くのKosselパターンが、同じ方向に配向する場合(例えば、45°(±5°))、立方格子の配向は、バルクの体積の80%で同じである。
【０２７８】
セルの厚さの増大に関連付けられた均一性の低下は、おそらく、ブルー相の立方格子の積層に起因する。事実、平均的なブルー相I型の構造が、凡そ250〜290ナノメートルの格子サイズを有することを、考慮に入れなければならない。その結果、僅か2、3の積層立方格子が薄いセル内に適合することができ、したがって薄いセルは、より容易に均一に組織されたバルクを有する。
【０２７９】
主面10A、20Aの近くのブルー相立方格子は、並んだままであるが、バルク内の立方格子はそれほど拘束されておらず、最終的に回転することができる。これはブルー相I型の構造の異なるドメインを、より厚いセルでなぜ観察することができるのかを説明している。
【０２８０】
しかし本発明では、より大きい位相シフトが可能になるように、約10μmのセルの厚さを有することが好ましい;この厚さは、例えば10μmのセルに関しても80%よりも高い均質性を可能にする本発明の方法に起因して、使用することができる。
【０２８１】
3/ブルー相I又はII型の構造
全てのセルを、ラビングされたポリイミドと共に製造し、Kosselパターン分析で分析して、相変化をモニターした。
【０２８２】
組成物は、第1のパラグラフで記述されたものと同じである。
【０２８３】
まず、これらのフレーズに関連付けられた相及び温度範囲を得る。
【０２８４】
ここでブルー相I型の構造に関連付けられた温度は、44.7℃から43.6℃の範囲であり、これはその間の温度で合計で液晶材料55の50%から90%がブルー相I型の構造である温度に該当する。ブルー相II型の構造に関連付けられた温度は、45.8℃から44.7℃の範囲であり、これはその間の温度で液晶材料55の50%から90%がブルー相II型の構造にある温度に該当する。次いでブルー相の立方格子の構造の配向及びタイプを特定する。
【０２８５】
図7、9、及び11でわかるように、結晶学的配置[1,0,0]におけるブルー相II型の構造は、ドーナツ形のKosselパターンに関連付けられる。このパターンは、立方格子が、光学部品の層10、20に平行なそれらの軸Ox、Oyと共に組織される、ブルー相IIの第2のタイプの構造に該当する。温度が低下すると、パターンは、典型的な四つ折りパターンを表す図8、10、12、に示されるようにブルー相I型の構造にゆっくりと変化し、即ち、立方格子が光学部品の層10、20に平行なそれらの軸Ox、Oyと共に組織される、ブルー相I型の構造、即ち結晶学的配置[2,0,0]へと変化する。
【０２８６】
Kosselパターンは、液晶分子の配置構成がブルー相II型の構造からブルー相I型の構造に変化しているとき、立方構造の配向が修正されず:立方格子の面は、それらが置かれる基板11、21に平行に留まることを示す。
【０２８７】
更に図8、10、及び12から、立方格子はアライメント層15、25のラビング方向の範囲内で配向することを推論することができる。
【０２８８】
図1及び図2の実施例では、ラビング方向がOyである。四つ折りKosselパターンの辺の2つは、ラビング方向(Oy)に平行に配向し、これは立方構造の4つの平行な辺がOyに平行であると言うに等しい。
【０２８９】
この最後の特徴は、ドーナツ形が、ラビング方向に沿った立方格子のアライメントに関する追加の情報を与えないので、ブルー相II型の構造のKosselパターンから結論付けることができない。
【０２９０】
全体として、Kosselパターンは、ブルー相II内のブルー相立方格子が全ての場合にラビング方向の範囲内で配向するという、高い可能性を示す。
【０２９１】
4/アライメント分析、組織の均一性
ポリマー安定化プロセスのため、新しいセルを製造した。
【０２９２】
2つの異なるタイプの液晶ゲスト分子を、液晶材料: CB5及びMLC2140分子で試験した。
【０２９３】
これはTable 1及び2(表1及び2)で先に与えられた2種の組成物に該当する。
【０２９４】
全ての製造されたセルは、ブルー相温度範囲を見出すために温度ヒステリシスサイクルに供された:それらは前述の第1の熱サイクルに供された。
【０２９５】
セルも、Kosselパターンにより分析して、ブルー相I及び/又はII型の構造が得られるか否かを決定し、ブルー相立方格子の配向をチェックした。
【０２９６】
この分析の後、ブルー相I型の構造が存在する温度を、ポリマー安定化プロセスに向けて選択した。CB5ゲスト液晶分子を含むTable 1(表1)の組成物では、第1及び第2の層10、20の間に挟まれた組成物を冷却しながら、セルを分析した。全ての場合に、非常にうまく並んだ立方格子及び均質な液晶材料は、ブルー相I及びブルー相II型の構造が示される両方の温度で、2μm、4μm、7μm、10μm、及び15μmの全てのセルに関して得られた。
【０２９７】
ブルー相II型の構造は、セルの厚さが増大するにつれて濃くなる、偏光顕微鏡法での薄赤色によって特徴付けられた。この場合、ベースボールパターンの形状において非常に明瞭なKosselパターンが観察され、これはブルー相IIの立方格子が、Oy軸のみ第1及び第2の層10、20に平行になるように配向すること、即ち結晶学的配置[1,1,0]のブルー相I型の構造にあり、偏光顕微鏡法で非常に特殊な赤色も示したことを意味する。この場合も、非常にうまく並んだ均質な液晶材料が得られ、Kosselパターン分析は、立方格子が結晶学的配置[1,1,0]にあることを決定した。
【０２９８】
得られたKosselパターンは、ブルー相II及びブルー相I型の両方の構造に関し、アライメント層のラビング方向に対して45°で配向した(Oy、ラビング方向は一般に、Kosselパターンの画像上で大まかに水平である)。この配向は、バルクの表面で常時観察される。これはブルー相I及び/又はIIの構造の立方格子が、ラビング方向に対して45°で配向することを意味する。
【０２９９】
同じ熱サイクル及びKossel分析を、Table 2(表2)の組成物を含む、即ちMLC2140ゲスト液晶分子を含むセルに関して行った。
【０３００】
新しいセルを、アライメント層としてラビングされたポリイミドで、4μm、10μm、及び15μmの厚さで製造し、ポリマー安定化に適切な温度を見出すように特徴付けた。
【０３０１】
Table 2(表2)の組成物を含むセルに見出されたアライメント、構造、及び配向は、Table 1(表1)の組成物を含むセルの場合に完全に類似している。結晶学的配置[1,1,0]にある非常に均質な液晶材料55が、Kosselパターン分析により示されるように、バルク内に得られた。立方格子は、基板11、21のアライメント層15、25のラビング方向に対して45°で配向する。
【０３０２】
これらの実験は、ブルー相I型の構造における立方格子の均一なアライメントが、重合の前後で観察されることも示す。このことは、ブルー相II型の構造に関しても言える。全体として、重合は、立方格子のアライメントを変化させない。
【０３０３】
5/ポリマーの安定化
ポリマーの安定化を、分析したセルごとに、固定された制御温度で行った。
【０３０４】
重合温度は下記の通りになる:
-  CB5液晶ホストの場合:重合は、37.4℃(第1の臨界温度)から36.6℃(第2の臨界温度)の間、好ましくは約37.1℃で実現した。
-  MLC-2140液晶ホストの場合:重合は、67.5℃(第1の臨界温度)から66.0℃(第2の臨界温度)の間、好ましくは約66.3℃で実現した。
【０３０５】
重合の場合、各セルを、波長365nmのUV光で、電力率0.4mW/cm2で30分間照射した。
【０３０６】
バルクの均質性を、ポリマー安定化プロセス中に制御した。ブルー相I型の構造の均一性、即ち均質性と、立方格子の配向及びアライメントを、重合の前後でチェックした。
【０３０７】
CB5又はMLC2140液晶ゲスト分子を含むTable 1及び2(表1及び2)の両方の組成物に関し、並びに製造された全ての厚さに関し、Kosselパターンは、ブルー相I型の構造の配向が、重合前に観察されたものに比べ、室温で観察している間は重合プロセス後に変化しないことを決定した。
【０３０８】
本発明の実施例では、ブルー相I型の構造は、結晶学的配置[1,1,0]のままであり、即ち立方格子の軸Ox、Ozは、重合の前後で、アライメント層15、25の法線に対して45°で配向した。
【０３０９】
このプロトコールを使用することにより、非常に均一に組織された液晶材料55及び非常に均質なバルク50が得られ、この液晶分子は、均質な配向で、制御された結晶学的配置[1,1,0]にあるブルー相I型の構造に配置構成されたものであり、これらは重合によって安定化されていた。
【０３１０】
更に、重合後、ブルー相I型の構造の割合は保たれており又は改善もされていることが見出された。
【０３１１】
これは、ブルー相II型の構造からブルー相Iへの変換の結果と考えられる。
【０３１２】
6/電圧の関数としての位相シフト
位相シフトの研究を、全ての製造されたセルに関して、ポリマー安定化プロセス後にMach-Zender干渉計を使用して行った。
【０３１３】
位相シフトの測定を、異なる厚さを持ちアライメント層を持たないセル(対照セル、図13)、及びラビングされたポリイミドコーティング層(図14、15)で、比較の目的で行った。
【０３１４】
全ての安定化したセルを、室温で、位相シフト変調を研究するために測定した。
【０３１５】
対照セル及びラビングされたポリミドセルを比較しながら、それらの間に、ブルー相の挙動及び関連する物理的性質の両方に関して明らかな相違が見出された。いくつかの因子を比較した:
・  飽和電圧(Vsat)、最大位相シフトが得られる電圧に該当する、
・  閾値電圧(Vth)、液晶中に任意の応答をもたらす必要がある印加電圧の量に該当する。
【０３１６】
Vthは、10%から90%への最大位相差に至るのに必要な電圧の差を見出すことによって測定することができ、この場合、10%は閾値電圧、Vthであり、90%は飽和電圧Vsatである。
【０３１７】
・  位相シフトの最大値に該当する最大位相シフト。
【０３１８】
飽和電圧Vsat及び閾値電圧Vthは、アライメント層がない対照セルに関して、より低い電圧で生じた。図13から図15は、印加電圧の関数として得られた位相シフトを示す。これらの図において、使用される液晶分子は各図の下部に指定され、得られた最大位相シフトは、各曲線ごとに与えられる。更に、これらの図において、曲線には対応するセルの厚さが標識されている。とりわけ、図13では、C5は5μmの厚さのセルで得られた結果をマークし、C10は10μmの厚さのセルに関するもの、及びC15は15μmの厚さのセルに関するものをマークし;図14では、D2は2μmの厚さを持つセルに関する結果をマークし、D4は、4μmの厚さを持つセルに関する結果をマークし、D7は、7μmの厚さを持つセルに関する結果をマークし、D10は、10μmの厚さを持つセルに関する結果をマークし、D15は、15μmの厚さを持つセルに関する結果をマークし;図15では、E4は、4μmの厚さのセルに関する結果をマークし、E10は、10μmの厚さのセルに関するものをマークし、E15は、15μmの厚さのセルに関するものをマークする。
【０３１９】
図13に見られるように、Table 1(表1)の組成物で満たされた対照セル(ラビングされたポリイミド層はない)で得られた最大位相シフトは、飽和後、15μmの厚さのセル(C15)に関して1.56πであった。同じ厚さで得られた最大位相シフトは、この位相シフトが飽和前に1.57πに達するので、図13(曲線C15)に示されるTable 1(表1)の組成物で満たされた本発明によるラビングされたポリイミド層を持つセルの場合に、より高かった。
【０３２０】
これは、10μmの厚さのセルに関して収集されたデータにも見られ:最大位相シフトは対照セルにおいて飽和後に0.85πであり、それに対してラビングされたポリイミドを持つ類似のセルにおいては少なくとも1.4πに達する。確かに、上述のように、液晶材料の均一に組織されたブルー相は、ブルー相から電磁配向状態への、液晶分子の滑らかで秩序ある切換えを可能にし、したがって立方格子の液晶分子は、同じ手法で「切り換わる」ようになり、即ち同じ方法で電磁場に沿って並ぶようになる。
【０３２１】
更に、セルのほとんどを覆う均一に組織されたブルー相を持つセルを有することにより、例えばコレステリック相状態にある液晶の領域によって修正されていないこのブルー相の光学指数を、均一に示すセルを有することが可能になる。ブルー相と電磁配向状態との間の光学指数の差は、最大である。
【０３２２】
この理由で、位相シフトに対するより高い関与及びより良好な電気光学性能を、液晶材料の均一に組織されたブルー相を持つセルで得ることができる。
【０３２３】
更に、印加電圧の関数としての、位相シフトの変動の勾配は、対照セルにおけるよりも、類似の厚さのセルに関してラビングされたポリイミドを持つセルにおいて、より小さい。このため、電圧の関数としてセルの位相シフトをより精密に制御することが可能になる。最大許容勾配は、顕微鏡の焦点を変化させるために、セルの使用に依存し、10ボルト当たり0.1πの最大勾配であることが好ましい。
【０３２４】
Table 2(表2)の組成物もバルクに使用した。2種の異なる組成物で満たされる本発明によるセルの位相シフトを測定し、比較した。
【０３２５】
使用される厚さ及びゲスト液晶分子に応じて、各セルごとに得ることができる最大位相シフトを確立するために、異なる厚さを調製した。
【０３２６】
一般に、より厚いセルでは、どのゲスト液晶分子が使用されたとしても、より薄いセルよりも飽和後に位相シフトのより高い値に到達可能になり、且つより薄いセルよりも、この飽和に達するのにより高い電圧が必要になることが、結果からわかる。
【０３２７】
複屈折、即ち液晶の通常の屈折率と並外れた屈折率との間の屈折率の差は、CB5液晶分子の場合にΔn=0.19であり、MLC2140液晶分子の場合の複屈折率は、Δn=0.253である。理解できるように、その複屈折がより大きいゲスト液晶分子、この実施例ではMLC2140分子を含む組成物では、より大きい位相シフトを得ることが予測される。MLC-2140はCB5よりも高い複屈折を有し、共に同じ方向に並び配向するので、得られた位相シフトは、同じ厚さの場合にMLC-2140でより大きい。
【０３２８】
図14及び15に示されるように、両方のタイプのバルク組成物に関する電圧Vth及びVsatは、固定されたセル厚さでそれほど有意には異ならない。例えば、Table 1(図13)の組成物を含むセルに関し、4μmで、Vthは25Vにほぼ等しく、Vsatは70Vに等しく;一方、Table 2(図14)の組成物を含むセルに関し、Vthは20Vに等しく、Vsatは65Vに等しい。
【０３２９】
しかし、実験装置が到達することができる最大印加電圧は、いくつかの場合に飽和電圧を実現するのに十分ではない200Vであった(図14及び図15の曲線10及び15参照)。このように、Vsatの比較は、10μm及び15μmの厚さで、2つのタイプのバルク組成物の場合に可能ではなかった。
【０３３０】
図14に見られるように、その組成物(Table 1(表1)の組成物)中にCB5を含むバルクの最大位相シフトは、2μmの厚さのセルの場合、0.46πであったが、最大印加電圧は、セルの後続の過熱に起因して110Vを超えなかった。
【０３３１】
7μm及び10μmの厚さのセルで実現された位相シフトは、それぞれ0.95π及び1.4πであった。実現された最大位相シフトは、15μmの厚さのセルで1.57πであった。しかし、得られた応答曲線から、15μmの厚さのセルは、200Vの範囲内のVsatに到達できないことが明らかである。全ての測定された試料からの外挿データにより、1.7π位相シフトが、225Vで実現されることが予測される。
【０３３２】
図15に見られるように、その組成物中にMLC2140を含む(Table 2(表2)の組成物)バルクで得られた最大位相シフトは、CB5を含むバルクで得られたものよりも高かった。とりわけ、2μmのセルに関する位相シフトは0.8πに達し、即ちCB5分子を含むセルで得られた値の2倍の大きさであった。同様に、10μmのセルの位相シフトは、1.92πに達した。
【０３３３】
使用される液晶材料の複屈折が大きいほど、予測される位相シフトは大きくなる。
【０３３４】
したがって高複屈折の液晶材料が、本発明による光学部品及び製造方法に好ましい。
【０３３５】
更に、ブルー相の屈折率は立方格子のサイズに依存し、これは位相シフトがブルー相I又はIIのタイプにより、及びこのブルー相の結晶学的配置により変化し得ることを意味する。
【０３３６】
したがって、結晶学的配置[1,1,0]を持つブルー相が好ましい。
【０３３７】
図15において、Vsatは、10μmの厚さのセルのみの場合に200Vで実現され、これはより厚いセルが、その最大位相シフトに到達するのに、最終的にはより高い電圧を必要とし得ることを意味する。それにも関わらず、15μmの厚さのセルも測定し、200Vで1.95πの位相シフトに到達したが、それはこれらのデバイスが飽和電圧に到達しないことを前提とした。測定されたセルデータの外挿から、MCL2140を含む組成物を持つ15μmの厚さのセルは、225Vで2.2πの位相シフトをもたらすべきである。
【０３３８】
更に、全ての位相シフト測定は、光学部品1に進入する光線の垂直及び水平の両方の偏光に関して行った。印加される電圧の関数としての、電気光学的応答-位相シフト、及び実現された最大位相シフトの値は、全ての場合に両方の偏光で本質的に同じであり(最大で0.05πの変動)、したがって、本発明による光学部品1の偏光無依存性が実証された。
【０３３９】
対照的に、対照セルでの水平及び垂直偏光で得られた最大位相シフトは、同じではなく、場合によっては0.2πの差さえ有していた。事実、対象セルで得られた液晶材料及びバルクの均質性は非常に低くなった可能性があり、したがって立方格子が異なる手法で変形した場合、偏光無依存性がなかったことが示唆される。
【符号の説明】
【０３４０】
1  光学部品
10  第1の層
11  基板
12  電極
15  アライメント層
20  第2の層
21  基板
22  電極
25  アライメント層
50  バルク
51  立方格子
55  液晶材料
56  ブルー相
【図１】
2019536104.tif 000005
【図２】
2019536104.tif 000006
【図３】
2019536104.tif 000007
【図４】
2019536104.tif 000008
【図５】
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【図６】
2019536104.tif 000010
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2019536104.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2019536104.tif 000017
【図１４】
2019536104.tif 000018
【図１５】
2019536104.tif 000019
【図１６】
2019536104.tif 000020
【図１７】
2019536104.tif 000021
【図１８】
2019536104.tif 000022
【図１９】
2019536104.tif 000023
【図２０】
2019536104.tif 000024
【図２１】
2019536104.tif 000025
【図２２】
2019536104.tif 000026
【図２３】
2019536104.tif 000027
【図２４】
2019536104.tif 000028
【図２５】
2019536104.tif 000029
【図２６】
2019536104.tif 000030
【図２７】
2019536104.tif 000031
【図２８】
2019536104.tif 000032
【図２９】
2019536104.tif 000033
【国際調査報告】
2019536104.tif 000034
2019536104.tif 000035