(57)【要約】【課題】  光変調器の動作速度を高速としながら、コントラストを良好とする。【解決手段】  液晶の配向状態を変化させることで当該液晶を透過する光を変調する光変調器であって、当該液晶には二色性色素が添加され、当該液晶の屈折率異方性Δｎが、０．０５以下であることを特徴とする光変調器を用いた。そのため、光変調のコントラストが良好となり、光変調器の応答速度が高速となった。【選択図】  図１
2005070550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶の配向状態を変化させることで当該液晶を透過する光を変調する光変調器であって、当該液晶には二色性色素が添加され、当該液晶の屈折率異方性Δｎが、０．０５以下であることを特徴とする光変調器。
【請求項２】
前記液晶のねじれピッチＰと、前記屈折率異方性Δｎ、および可視光の波長λが、λ／Δｎ＜Ｐ＜４λ／Δｎの関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の光変調器。
【請求項３】
前記液晶層のねじれ角が１８０°以下であることを特徴とする請求項１または２記載の光変調器。
【請求項４】
請求項１〜３のうち、いずれか１項記載の光変調器を用いた液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶を用いて光を変調する光変調器と、当該光変調器を用いた表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶に電界を加えて、液晶分子の配向状態を変化させるという液晶の電気光学効果を用いた液晶光変調器は、他の電気光学効果を用いた光変調器に比べて低電圧で動作するため、例えば表示装置を構成する液晶光変調器として近年その研究・改良が盛んになっている。
【０００３】
例えば表示用の可視光を変調する液晶光変調器として、入射光が液晶層と偏光板を透過して光変調を行う構造として、液晶層と偏光板を組み合わせて用いる方法が知られている。
【０００４】
しかし、偏光板を用いた光変調器の場合には光利用効率が５０％以下に低下してしまう問題があるため、偏光板を用いる必要がない、すなわち無偏光の光を変調することが可能な液晶光変調器が、提案されており、表示装置の明るさを改善する技術として期待されている。
【０００５】
例えば、偏光板を用いずに光変調を行う方法として、液晶内に二色性色素を混入して、色素（ゲスト）の光吸収が液晶（ホスト）の配向変化に伴って変わることを利用して、透過光の強度を変調する、いわゆるゲストホスト動作方式がある。
【０００６】
このようなゲストホスト方式を用いた光変調器としては、例えば以下の２つの光変調器が提案されている。
【０００７】
一つは、互いに直行する配向方向を有する２層の、色素が添加された液晶層を用いて、入射光の、直交する２つの偏光成分をそれぞれ吸収することを可能として光の変調を行う方法である。このような液晶光変調器は、２層ゲストホスト方式と呼ばれている。
【０００８】
また、もう一つの方法は、ねじれ配向された、色素が添加された液晶層を用いて、入射光の直交する２つの偏光成分を吸収することを可能として、光変調を行う方法がある。このような光変調器は、液晶層がねじれ配向であるコレステリック層から、液晶層に電圧を印加したことで、電界に平行なネマティック層に変化するため、相転移型ゲストホスト方式と呼ばれている。このような相転移型ゲストホスト方式を用いた光変調器では、入射光の吸収の効率を向上させるため、すなわち光変調器のコントラストを良好とするためには液晶層のねじれピッチを小さくする必要が有り、ねじれピッチを小さくすることに伴って液晶層のねじれ角を大きくとる必要があった。
【非特許文献１】T.Uchida et al., Proc.SID,22(1981),p41
【非特許文献２】D.L.White and Taylor, J.Appl. Phys.,45(1974).p4718
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記した２層ゲストホスト方式を用いた光変調器では、液晶層が２層必要なため、光変調器の構造が複雑となり、製造コストが高くなってしまう問題があった。
【００１０】
また、相転移型ゲストホスト方式の光変調器を用いた場合には、コントラストを良好とするために液晶層のねじれピッチを小さくする必要生じ、そのために液晶層のねじれ角を大きくとる必要があり、そのために電圧除去時の緩和時間が長くなって、光変調器の応答時間が増加する、またヒステリシスが発生する、配向変化を起こす臨界電圧が増大するなどの問題が生じていた。
【００１１】
そこで、本発明は上記の問題点を解決することを統括的課題としている。本発明の具体的な課題は、構造が単純でコントラストが良好であり、かつ光変調に用いる液晶のねじれ角が小さく応答速度が高速である光変調器、および光変調器を用いた表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記の課題を、液晶の配向状態を変化させることで当該液晶を透過する光を変調する光変調器であって、当該液晶には二色性色素が添加され、当該液晶の屈折率異方性Δｎが、０．０５以下であることを特徴とする光変調器を用いて解決する。
【００１３】
本発明によれば、屈折率異方性が０．０５以下である、二色性色素が添加された液晶を用いることで、単純な構造で、直交する２つの偏光成分を変調する場合のコントラストを良好とすることが可能となる。また、液晶のねじれピッチを大きくすることが可能となり、光変調器の応答速度を高速とすることが可能となる。
【００１４】
また、この場合、前記液晶のねじれピッチＰと、前記屈折率異方性Δｎ、および可視光の波長λが、λ／Δｎ＜Ｐ＜４λ／Δｎの関係を満たすと、液晶のねじれピッチを大きくすることが可能となり、光変調器の応答速度が高速となり、好適である。
【００１５】
また、この場合、前記液晶のねじれ角が１８０°以下であると光変調器の応答速度が高速となり、好適である。
【００１６】
また、上記の光変調器を用いた液晶表示装置は、単純な構造で、コントラストが良好であり、応答速度が高速である特長を有する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、単純な構造で、コントラストを良好とする光変調器または表示装置を提供することが可能となり、また、液晶のねじれ角を小さくすることが可能となるために、光変調器または表示装置の応答速度を高速とすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、実施例１による、光変調器１０を模式的に示した図である。図１を参照するに、光変調器１０は、基板１１ａと、当該基板１１ａと対向するように設けられた基板１１ｂ、および当該基板１１ａと当該基板１１ｂの間に形成された、厚さｄの液晶層２０を備えた構造をしている。
【００１９】
前記基板１１ａの、前記基板１１ｂに対向する面上には、電極１２ａが形成され、さらに当該電極１２ａを覆うように配向膜１３ａが形成され、当該配向膜１３ａの配向面が液晶層２０に接するよう構成されている。
【００２０】
一方、前記基板１１ｂの前記基板１１ａに対向する面には電極１２ｂが形成され、当該電極１２ｂを覆うように配向膜１３ｂが形成され、当該配向膜１３ｂの配向面が液晶層２０に接するよう構成されている。
【００２１】
また、電源３０は光変調器１０を駆動するための直流電圧または交流電圧を供給するための電源であり、前記電源３０によって、配線３１ａおよび３１ｂを介して、前記電極１１ａおよび１１ｂ間に電圧が印加され、光変調器１０を駆動する。
【００２２】
光変調器１０によって光を変調する場合には、例えば基板１１ｂの側から、可視光である入射光４１が液晶層２０に入射し、前記電極１２ａ、１２ｂ間に印加される電圧の強度や極性に応じて、液晶層２０で吸収・変調されて、基板１１ａの側で透過光４２となる。液晶層２０は、液晶分子２１を含み、さらに二色性色素分子２２が添加されており、二色性色素分子２２が、入射光を吸収・変調する機能を有する。
【００２３】
前記配向膜１３ａ、１３ｂは、配向膜表面付近の液晶分子を一方向に配向させる機能を有している。前記配向膜１３ａは、図１に記載したｘ軸方向と平行に配向しており、前記配向膜１３ａ付近の液晶分子は、ｘ軸方向に配向しており、また前記配向膜１３ｂは、当該ｘ軸に直交するｙ軸に平行な方向に配向しており、前記配向膜１３ｂ付近の液晶分子は当該ｙ軸方向に配向している。
【００２４】
このため、例えば液晶層２０中の、細長い形状をした液晶分子２１の配向は、液晶層に電圧が印加されていない状態では、前記配向膜１３ａから前記配向膜１３ｂに向かって、９０°連続的にねじれている。また、液晶層２０には二色性色素が添加されており、当該二色性色素分子２２も液晶分子２１と同一の方向に配向する。
【００２５】
前記光変調器１０によって入射光を変調する場合、例えば入射光４１の吸収量を最大に制御して透過光４２の光量を最小にする場合には、前記電極１２ａ、１２ｂ間に電圧を印加しない状態にして、液晶がねじれ配向した状態とする。この場合、二色性色素分子が、当該二色性色素の細長い分子構造の長軸方向（以下文中、分子軸方向と呼ぶ）に平行な偏光成分を吸収する上に、本実施例による液晶層２０では、液晶の屈折率異方性が小さいため、従来は透過する割合が多かった前記分子軸方向に垂直な偏光で入射した光が、液晶の複屈折効果により、液晶層内部で楕円偏光になり、二色性色素に吸収される。その結果、光の吸収率が大きくなる効果を奏する。この詳細については、後述する。
【００２６】
また、前記光変調器１０によって入射光４１の吸収量を最小にし、前記透過光４２の光量を最大にする場合には、前記電極１２ａ，１２ｂ間に電圧を印加する。その場合、液晶層の液晶分子２１と、二色性色素分子２２が電界に平行、すなわち図１に記載したｚ軸と平行になるため、二色性色素によって光が吸収される量が減少して透過光４２の強度が増大する。このように、必要とされる透過光４２の強度に応じて、液晶層２０に印加する電圧を変化させて、入射光４１の透過率を調整して、所望の光変調を行うことが可能となっている。
【００２７】
本実施例において光変調を行う場合には、従来の場合に比べて、以下の特長を有している。まず、前記光変調器１０において、液晶層に電圧を印加しない場合は、ｚ軸方向をねじれ軸にして、ねじれ配向した液晶と同一方向に配向した二色性色素が、前記分子軸方向に偏光した偏光成分を吸収する。さらに、本実施例の場合には、従来吸収されずに透過する割合が多かった分子軸方向に垂直な偏光で入射した光に対する二色性色素による吸収の割合が多きいことが特長である。
【００２８】
その結果、入射光の、直行する２方向の偏光（以下文中両偏光と呼ぶ）成分が二色性色素に吸収される割合を従来の場合に比べて大きくすることが可能となるため、光変調器によって制御される、最小となる光の強度を、より小さくすることが可能となっている。
【００２９】
そのため、本実施例による光変調器では、光の透過量が最大となる場合と最小となる場合の比が大きく、コントラストが良好となっている。
【００３０】
従来、このようにねじり配向した液晶層に色素を添加して光変調器として用いる場合には、例えば、液晶のねじり配向のねじれピッチが長いと、液晶に入射する入射光が、ねじり配向された液晶により旋光されるため、入射光の両偏光成分のうち、細長い液晶分子と色素分子に直交する成分、すなわち前記分子軸方向に直交する偏光成分は、二色性色素には殆ど吸収されずに通過してしまう問題があった。このため、光変調で黒状態、すなわち光の透過率を最小に制御した場合にも光の透過率が大きくなってしまい、光変調器のコントラストが低下する問題が生じていた。
【００３１】
従来の場合、液晶がねじれ配向した状態で、光の透過率を最小に制御した場合の光の吸収量を増大させるためには、液晶層のねじれピッチを小さくする方法をとる必要があった。液晶層のねじれピッチを小さくすると、入射光に対する液晶層での光の旋行効果がなくなるため、両偏光成分が二色性色素に吸収されて、光の透過率を小さくすることが可能となる。
【００３２】
この場合、液晶層で光の旋行効果を生じさせないようにするためには、いわゆるモーガン条件と呼ばれる条件を満たさないように、すなわち、下記式Ａを満たすように液晶層のねじれピッチを小さくする必要があった。この場合、λは、光変調される可視光の波長、Δｎは、液晶層の異常光屈折率と常光屈折率の差で求められる、液晶層の屈折率異方性である。
【００３３】
Ｐ＜λ／Δｎ・・・（式Ａ）
例えば、上記式Ａを満たすようにねじれピッチを小さくすると、二色性色素分子が前記分子軸方向に平行な偏光成分を吸収する上に、前記分子軸方向に垂直な偏光で入射した光も、液晶の複屈折効果により、液晶層内部で楕円偏光になり、二色性色素に吸収される。その結果、光の吸収率を増大させることができる。
【００３４】
しかし、液晶層のねじれピッチＰと液晶層のねじれ角θには、以下の式Ｂの関係が成り立つため、液晶層のねじれピッチを小さくすると、液晶層のねじれ角θを大きくとる必要が生じる。但し、この場合、液晶層の厚さを厚さｄとしている。
【００３５】
θ＝３６０ｄ／Ｐ・・・（式Ｂ）
従来、光変調器のコントラストを良好とするねじれピッチＰを得るためには、液晶のねじれ角を１８０°を超える値にする必要があった。液晶層のねじれ角を大きくとると、液晶層に電圧を印加して液晶層の配向状態を変化させる場合に、電圧除去時の緩和過程が長くなり、応答時間が増加する問題が生じる。また、ねじれ角を大きくしたことにより液晶層にヒステリシスが発生する、また液晶層の配向変化を起こす臨界電圧が増大するなどの問題が生じていた。
【００３６】
ねじれ角を小さくするためには、液晶層を薄くする方法があるが、液晶層に添加することが可能な二色性色素の濃度には限界があるため、液晶層を薄くするとコントラストが低下することは避けられない。
【００３７】
そこで、本発明では、液晶層の屈折率異方性を小さくすることで、上記の問題を解決して、液晶層のねじれ角を増大させることなく、光変調器のコントラストを良好とすることを可能としている。
【００３８】
光変調器の液晶層の屈折率異方性を小さくすると、ねじれピッチを小さくした場合と同様に、液晶層への入射光の旋光効果が抑制されるため、液晶層の複屈折効果によって、前記分子軸方向に平行な偏光成分を吸収する上に、前記分子軸方向に垂直な偏光で入射した光も、二色性色素に吸収され、入射光の両偏光が吸収されるようになる。
【００３９】
そのために、光変調器によって光の透過率が最小に制御された場合の、光の透過率を小さくすることが可能となり、光変調装置のコントラストが良好となる。また、このように光変調装置のコントラストを良好とする場合に、従来は液晶層のねじれピッチを小さくする必要があったが、本発明によれば、液晶層のねじれピッチを小さくすること無く、すなわち液晶層のねじれ角を大きくすること無く、光変調器のコントラストを良好とすることが可能となる。
【００４０】
液晶層のねじれ角を小さくすることで、光変調器の応答速度が高速となり、また液晶層のヒステリシスが小さくなる、さらに、液晶層に配向変化を起こさせるための臨界電圧が小さくなる、すなわち光変調器の駆動電圧を抑制することが可能となる効果を奏する。
【００４１】
このように、光変調器のコントラストを良好とする効果が得られるためには、液晶層の光学屈折率異方性Δｎを０．０５以下とすればよいことが、本発明の発明者によって見出された。
【００４２】
この場合、光学屈折率異方性Δｎを小さくすれば、コントラストを改善する効果が大きくなるが、光学屈折率Δｎが小さくなると、光変調器で入射光の透過率を最大に制御した場合の入射光の透過率が低下する、すなわち入射光の利用効率が低下するため、光学屈折率Δｎの下限は０．０２程度とすることが好ましい。
【００４３】
また、ねじれピッチＰを大きくするほど、ねじれ角θを小さくすことができるが、ねじれピッチＰを大きく取りすぎると、入射光を吸収することが可能な割合が減少してしまう。
【００４４】
また、ねじれピッチＰを小さくしすぎると、上記したように、ねじれ角θが大きくなるため、適切な範囲でねじれピッチＰを用いることが好ましく、ねじれピッチＰは、下記の式Ｃで示す範囲で用いることが好ましい。この場合、λは、変調される可視光の波長、Δｎは液晶層の屈折率異方性である。
【００４５】
λ／Δｎ＜Ｐ＜４λ／Δｎ・・・（式Ｃ）
このように、ねじれピッチを、従来用いることが困難であった、モーガン条件を満たす領域（λ／Δｎ＜Ｐとなる領域）とした場合でも、本実施例による光変調器は、良好なコントラストと、高速応答性を実現することが可能となっている。
【００４６】
また、本実施例では、上記のようにねじれピッチを大きくしたことで、ねじれ角を小さくすることが可能となり、良好なコントラストで、かつねじれ角を１８０°以下とすることが可能となり、例えば、本実施例の場合は、ねじれ角を９０°として光変調器の高速応答性を実現しながら、コントラストを良好としている。
【００４７】
このように、ねじれ角を小さくすることで、応答速度は高速となるが、ねじれ角が４５°よりも小さくなると、入射光の両偏光のうち、一方の偏光成分が吸収されにくくなるため、ねじれ角は４５°以上とすることが望ましい。
【００４８】
また、ねじれ角は１８０°以下とすることが好ましいが、光変調器の応答速度や、ヒステリシス、動作電力などが改善された場合には、この値に限るものではない。
【００４９】
また、本実施例による光変調器では、コントラストが良好であるために、液晶層を厚くして入射光の吸収率を増大させる必要がないため、液晶層の厚さｄを１０μｍ以下とすることを可能としており、光変調器を薄型化することを可能としている。また、本実施例による光変調器では、偏光板を用いる必要がないため、構造が単純となり、製造コストを低減することが可能となっている。
【００５０】
また、液晶層２０に用いる液晶材料としては、ビフェニル系、ターフェニル系、フェニルシクロヘキサン系、フッ素系、トラン系、エステル系のネマティック液晶、コレステリック液晶が好適である。
【００５１】
また、液晶層２０に添加する二色性色素の材料としては、黒または、赤、緑、青、黄、マゼンタ、シアンを呈するものが、例えば光変調器を用いた表示装置を構成する場合には好適であり、二色性比が高いアントラキノンや、アゾ系の色素を調合して用いることが好ましい。
【００５２】
また、前記基板１１ａ、１１ｂに用いる材料としては、厚さが０．７ｍｍ以下のガラス板の他に、厚さが０．４ｍｍ以下のポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルスルホンなど柔軟なプラスティックフィルムを用いることができる。柔軟なプラスティックフィルムを基板に用いた場合には、光変調器が軽量となり、また光変調器を折り曲げることが可能となる効果を奏する。本実施例による光変調器は、硬質材料からなる偏光板を取り付ける必要がないため、より軽量で、かつ折り曲げることが可能な光変調器を実現できる。
【００５３】
また、液晶層２０の厚さｄを精密に形成するためには、粒径の揃ったスペーサ粒子（硬質樹脂、ＳｉＯ2など）を液晶層の内部に分散する、もしくはフォトリソグラフィーで形成した樹脂の柱を設けてもよい。
【００５４】
前記電極１２ａ，１２ｂの材料としては、錫をドープした酸化インジウム（ＩＴＯ：Ｉｎ2Ｏ3：Ｓｎ）などが好適であるが、ポリチオフェンなどの有機系の高分子導電体を用いてもよい。さらに、複数の透明電極を形成する場合には、隣接する透明電極間の短絡を避けるために透明な有機物や無機酸化物、例えばＳｉＯ2、ＴｉＯ2などの絶縁層を、隣接すする透明電極の間に設けることも可能である。
【００５５】
前記光変調器１０に、蛍光管、冷陰極管、発光ダイオードなどのバックライトを組み合わせることにより、すなわちバックライトを前記基板１１ｂの側に設置してバックライトから入射光４１を取り込む構造とすることにより、高輝度で高コントラストな表示装置を構成することができる。また、表示装置の応答速度が高速となるため、例えば動画が滑らかに表現できるなどの効果を奏する。
【００５６】
また、前記光変調器に入射光を反射する反射板や、拡散板を設けることにより、バックライトを用いない、低消費電力の反射型表示装置を構成することも可能である。このような、反射型表示装置の場合、基板１１ａ、１１ｂのうち、一方の基板を透明材料でないものに変更したり、電極１２ａ，１２ｂのうち、一方の電極を透明材料でないものに変更することが可能である。
【００５７】
例えば、前記表示装置１０の場合、電極１２ａをアルミニウム電極にすると、電極１２ａが入射光４１を反射する反射板として機能し、反射型表示装置を構成することが可能となる。この場合、基板１１ａは入射光が透過することがないため、透明材料以外のものを用いることが可能となる。また、反射型表示装置の場合、反射板に微小孔を設けてバックライトの透過光と反射光を表示のための光として併用する半透明型の表示装置とすることも可能である。
【００５８】
さらに、３原色のマイクロカラーフィルターを設けることにより、表示装置をカラー化することも可能である。
【００５９】
また、前記光変調器１０は、通常の光変調器、または表示装置の製造方法により、製造することが可能であり、電気配線、制御系なども従来のものを用いることが可能であるため、図示を省略している。
【実施例１】
【００６０】
次に、前記光変調器１０を用いて、光変調を行い、コントラストを調べた結果を以下に示す。光変調器１０は、以下の要領で作成した。まず、ガラスからなる基板１１ａおよび１１ｂ上に、ＩＴＯからなる電極１２ａおよび１２ｂをそれぞれ形成した。
【００６１】
さらに、前記電極１２ａおよび１２ｂ上には、ラビング処理を行って、配向方向が電極１２ａと電極１２ｂで直交するようにした、配向膜１３ａおよび１３ｂ（JSR社AL-1254）を形成した。
【００６２】
液晶層２０の液晶材料としては、屈折率異方性Δｎが０．０４１であるネマティック液晶を用い、液晶層には二色性色素として、二色性黒色色素（HBCL社NKX-1336）を３％添加して、液晶層２０を構成し、前記配向膜１３ａと配向膜１３ｂに矜持されるようにした。また、液晶層２０の厚さｄは、７μｍに調整した。
【００６３】
この場合、ねじれ角θが９０°となるので、ねじれピッチＰは、前記式Ｂより２８μｍとなる。可視光の波長λを４００ｎｍとすると、前記式Ｃで示される領域は、９．７６μｍ＜Ｐ＜３９．０２μｍとなり、本実施例のねじれピッチＰは、前記式Ｃを満たしていることが確認できた。
【００６４】
このようにして形成した光変調器に白色平行光を入射光４１として入射させ、電極１２ａと電極１２ｂ間に印加する電圧を変化させて、入射光４１の透過量を最小に制御した場合と、最大に制御した場合の比であるコントラストを調べた結果を図２に示す。図２には、比較のために、本実施例で用いた光変調器と構造が同一であり、液晶材料の屈折率異方性Δｎを０．１６８とした場合のコントラストの測定結果を併記した。
【００６５】
図２を参照するに、屈折率異方性が０．１６８である場合にくらべて、屈折率異方性を０．０４１とした場合には、コントラストが１．８倍となり、コントラストが良好となっていることがわかる。
【００６６】
このように、ねじれ角を１８０度以下、例えば９０°にした場合でも良好なコントラストが得られており、ねじれ角を小さくして光変調器の応答速度を高速とすることが可能となることが確認された。
【００６７】
また、実施例では、光変調器、および表示装置について記述したが、例えば、本実施例は、光通信装置の導波路のスイッチング回路など、液晶によって光を変調することで機能する他の素子にも利用することが可能である。
【００６８】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明によれば、単純な構造で、コントラストを良好とする光変調器または表示装置を提供することが可能となり、また、液晶のねじれ角を小さくすることが可能となるために、光変調器または表示装置の応答速度を高速とすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】実施例１による光変調器を模式的に示した図である。
【図２】本発明の効果を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０  光変調器
１１ａ，１１ｂ  基板
１２ａ，１２ｂ  電極
１３ａ，１３ｂ  配向膜
２０  液晶層
２１  液晶分子
２２  二色性色素
３０  電源
３１ａ，３１ｂ  配線
４１  入射光
４２  透過光
【図１】
2005070550.tif 000003
【図２】
2005070550.tif 000004