(57)【要約】【課題】ねじれ配向状態とされたコレステリック液晶を用いる場合に、温度変化に伴う、液晶分子のねじれピッチの変動を抑制して、表示色の変化を阻止し得る液晶光変調器、その製造方法および液晶表示装置を提供する。【解決手段】液晶光変調器２０は、それぞれ透明電極１が付設された１対の基板２の間に、合成樹脂製の、表面が分子配向した網目状構造体３とコレステリック液晶４とからなる複合膜５、および基板２を接着・保持して複合膜５の厚みを維持する合成樹脂製のスペーサ構造体１０（実際には多数個存在する）、を互いに隣接するようにして配置してなる。複合膜５内の網目状構造体３の表面の分子配向は、樹脂表面に接する液晶４の配向と同様な向きとなるように配設される。また、両透明電極１は、リード線９を介して電圧源８と接続されている。【選択図】図１
2007248993.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極膜が付された１対の基板を、該電極膜が対向するように配置し、前記一対の基板の間に、表面が分子配向した網目状合成樹脂とねじれ配向のコレステリック液晶からなる複合膜を挟み、前記コレステリック液晶のねじれ配向のねじれピッチで決定される反射・表示光の強度が、前記電極膜に印加する電圧で変調されるように構成されてなることを特徴とする液晶光変調器。
【請求項２】
前記網目状合成樹脂の表面の分子配向方向に応じて、前記コレステリック液晶のねじれ配向の方向が設定されるように構成されてなることを特徴とする請求項１記載の液晶光変調器。
【請求項３】
請求項１または２記載の液晶光変調器の製造方法において、前記コレステリック液晶と前記網目状合成樹脂の原材料とが混合された混合液について、前記コレステリック液晶がねじれ配向となっている状態で、前記網目状合成樹脂の原材料を硬化させて、前記複合膜を形成することを特徴とする液晶光変調器の製造方法。
【請求項４】
前記網目状合成樹脂の原材料を硬化させる際には、前記混合液に対し紫外線を照射して網目構造を形成することを特徴とする請求項３記載の液晶光変調器の製造方法。
【請求項５】
請求項１または２記載の液晶光変調器を備えてなることを特徴とする液晶表示装置。
【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液晶光変調器、その製造方法および液晶表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に液晶光変調器は、液体である液晶が、電極層を付設された少なくとも一方が透明体よりなる1対の基板の間に挾まれて構成される。２つの電極間に電圧を印加して、液晶分子の配列状態を変化させると、液晶の光学的性質が変化するため、入射する光を電圧で変調する機能が得られる。すなわち、液晶の電気光学効果を応用すると、光変調器を容易に実現できる。液晶表示素子は、他の電気光学効果を示す光学結晶に比べて低電圧で動作するため、表示装置用の電気光学素子として、近年、急速に普及しつつある。
【０００３】
このような液晶表示素子の中でも、高度にねじれた分子配向を有するコレステリック液晶を透明基板の間に保持して形成された素子は、反射型の表示素子として有用である（例えば、下記非特許文献１参照）。
【０００４】
この場合、電圧が印加されていない状態では、この素子はグランジャン組織もしくはプレーナ配向と呼ばれる状態（分子配向のねじれ軸が基板面に垂直）とされている。このとき、プレーナ配向の波長選択反射（散乱）の効果により反射光が生じて、表示光となる（明状態）。一方、この素子に電圧が印加されると、液晶のねじれ軸が回転して、フォーカルコニック組織（分子配向のねじれ軸が基板面に平行）に一様に変化する。この状態では選択反射の効果が解消されるため表示光はなくなる（暗状態）。
【０００５】
【非特許文献１】K. Ochi, E. Yamakawa, K. Hashimoto and K.Kohriyama: ”Full color displaysystem using reflective memory type chiral nematic LCDs” Proc. International Display Workshops, PLC1-1, pp.281-284 (2000).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、一般的にコレステリック液晶では、温度変化に応じて液晶分子のねじれピッチが変動するため、屋外用途に適用した場合や、使用環境温度が変化するような場合には、選択反射光の波長がシフトして表示色が変化してしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、ねじれ配向状態とされたコレステリック液晶を用いる場合に、温度変化に伴う、液晶分子のねじれピッチの変動を抑制して、屋外用途に適用した場合や、使用環境温度が変化するような場合にも表示色の変化を阻止し得る液晶光変調器、その製造方法および液晶表示装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の液晶光変調器は、電極膜が付された１対の基板を、該電極膜が対向するように配置し、前記一対の基板の間に、表面が分子配向した網目状合成樹脂とねじれ配向のコレステリック液晶からなる複合膜を挟み、前記コレステリック液晶のねじれ配向のねじれピッチで決定される反射・表示光の強度が、前記電極膜に印加する電圧で変調されるように構成されてなることを特徴とするものである。
【０００９】
また、前記網目状合成樹脂の表面の分子配向方向に応じて、前記コレステリック液晶のねじれ配向の方向が設定されるように構成されてなることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の液晶光変調器の製造方法は、上述した液晶光変調器を製造する方法であって、前記コレステリック液晶と前記網目状合成樹脂の原材料とが混合された混合液について、前記コレステリック液晶がねじれ配向となっている状態で、前記網目状合成樹脂の原材料を硬化させて、前記複合膜を形成することを特徴とするものである。
【００１１】
ここで、前記網目状合成樹脂の原材料を硬化させる際には、前記混合液に対し紫外線を照射して網目構造を形成することが好ましい。
【００１２】
また、本発明の液晶表示装置は、上述したいずれかの液晶光変調器を備えてなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の液晶光変調器および液晶表示装置によれば、表面が分子配向した網目状合成樹脂をコレステリック液晶の内部に分散・形成することにより、分子配向した合成樹脂の表面が、液晶のねじれ配向を安定化するように作用し、温度変化に伴う液晶固有のねじれピッチの変動を抑制することができるので、温度変化が発生しても安定した表示色を得ることができる。
【００１４】
また、本発明の液晶光変調器の製造方法によれば、混合液中のコレステリック液晶がねじれ配向となっている状態で、網目状合成樹脂の原材料を硬化させることで、液晶のねじれ配向を安定化させる表面を有する構成を得るようにしているので、上述した液晶光変調器の製造が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態に係る液晶光変調器について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明による反射型の液晶光変調器の一実施形態を示す断面模式図である。
【００１６】
この液晶光変調器２０は、それぞれ透明電極１が付設された１対の透明な基板２の間に、合成樹脂製の表面が分子配向した網目状構造体３とコレステリック液晶４とからなる複合膜５、および両基板２の間に介在し、これら基板２を接着・保持して複合膜５の厚みを維持する合成樹脂製のスペーサ構造体１０（実際には多数個存在するが１つのみを記載）、を互いに隣接するようにして配置してなる。なお、上記複合膜５内の合成樹脂表面の分子配向は、樹脂表面に接する液晶配向と同様な向きを有する。
【００１７】
また、両電極１は、リード線９を介して電圧源８と接続されている。
これにより、この液晶光変調器２０に対し、入射光６を入射させると、この液晶光変調器２０からは所定波長の出射光７が反射表示光として出射される。
【００１８】
ところで、コレステリック液晶４の液晶分子の配向は、初期状態ではねじれ軸が基板面に対して垂直方向となっている(グランジャン組織もしくはプレーナ配向)。この場合、波長選択反射効果が生じ、入射光６はコレステリック液晶のねじれ配向の周期構造に応じてブラッグ反射され、出射光７すなわち表示光となる。このとき、明表示の状態となる。
【００１９】
これに対して、電圧源８からリード線９を介して、両電極１間に、所定値以上の高い電圧が印加されると、コレステリック液晶４のねじれ軸が基板面に対して水平方向となるように変化する(フォーカルコニック組織もしくはフィンガプリント組織)。この場合、ねじれ配向が横倒しとなり、波長選択反射効果は生ぜず、入射光６は直進・透過するため、表示光は消失して、黒表示の状態となる。
【００２０】
なお、さらに高い電圧が印加されると、ねじれ配向が解消され、すべての液晶分子が基板面に対して垂直方向に配向することになる（ホメオトロピック配向）。
【００２１】
また、本発明の実施形態に係る液晶光変調器の製造方法は、相分離を用いた簡便な作製工程により構成できる。その具体的な作製方法は以下の通りである。
【００２２】
すなわち、それぞれ透明電極１を付設した１対の基板２を使用し、一方の基板２上にコレステリック液晶４と樹脂原材料の混合液を塗布した後、当該塗布液上に他方の基板２を載せ貼り合わせる。この時、コレステリック液晶４と樹脂の混合液（複合膜６）の厚みを制御するために、フォトリソグラフィ法を用いてスペーサ樹脂構造を基板上に形成するか、球状スペーサを液晶／樹脂混合液内に分散する。
【００２３】
ところで、基板２には配向膜が設けられているため、液晶４と樹脂原材料の分子は、ねじれ軸が面内で一様な方向となる。このように分子配向した混合液を基板２で挟み込んだ状態で、外部から紫外線を照射して、混合液中の樹脂原材料の重合もしくは架橋反応を誘起する。これにより、合成樹脂の分子量が急速に増加して液晶４との相分離を起こし、コレステリック液晶４中に樹脂の網目状構造体３が形成される。このようにして作製することにより樹脂表面も配向した状態となるため、液晶４のねじれ配向を保持する効果が得られる。
【００２４】
なお、網目状構造体３の網目サイズは、紫外線強度が大きい程、すなわち硬化速度が大きい程、微細なものとなる。また紫外線の強度、樹脂の配合比、および硬化温度のうち少なくとも１つの要素を変更することにより、最終的に安定化される液晶のねじれピッチを制御することができる。すなわち、表示光である反射光の波長を所望の値に安定して制御することができる。一般に液晶は、樹脂原材料を分離する過程でねじれピッチが小さくなるが、その一方で、樹脂原材料の硬化条件に応じ、液晶中に残留する樹脂原材料の量や樹脂原材料の硬化のタイミングが異なるため、最終的に固定される液晶のねじれピッチが大きく左右される。したがって、本実施形態においては、紫外線の強度、樹脂の配合比、および硬化温度のうち少なくとも１つ、望ましくは全ての要素を変更することで液晶のねじれピッチを調整するようにしている。
【００２５】
なお、液晶の電気光学効果を効率よく引き出すためには、複合膜６中のコレステリック液晶４の含有率を少なくとも70％以上とする必要がある。また、複合膜６の厚みは、駆動電圧の抑制という観点からは100μｍ以下とすることが望ましく、表示のコントラスト比を高めるという観点からは5μｍ以上とすることが望ましい。
【００２６】
また、上記樹脂原材料としては、モノマやオリゴマが使用される。重合反応が進み易く、重合後の分子量変化が著しい材料ほど樹脂が液晶と相分離しやすいため、単官能性もしくは多官能性のモノマが使用可能である。さらに、液晶との溶解性に優れた樹脂原材料が望ましく、フェニル基やシクロヘキサン基などの液晶に類似した分子骨格をコアに有する有機材料が好適である。そのような樹脂原材料は自発的な分子配向機能（液晶性）を示し、液晶に溶解された場合でも、液晶分子とともに分子配向機能を保持する。この性質を活用することにより、紫外線による硬化後、ポリマ表面が液晶分子に対して強い配向規制力を及ぼすようにすることが可能となり、液晶のねじれ配向を安定化させることできる。具体的な樹脂原材料としては、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、ウレタン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、フッ素系樹脂（例えばポリテトラフルオロエチレンなど）、またはそれらの共重合体なども使用することができる。
【００２７】
また、使用するコレステリック液晶材料としては、不斉炭素原子を含み、自らねじれ配向を有する液晶材料のほかに、不斉炭素原子を含まないネマティック液晶にねじれ配向を誘発するカイラル剤を添加して使用することができる。カイラル添加剤には、小量で短いらせんピッチが得られる材料が好ましく、光学活性を持つ不斉炭素原子を含むカイラル化合物、もしくはコレステリック相を示すコレステロール誘導体が適当である。
【００２８】
また液晶内に生じるねじれピッチは、カイラルドーパントの濃度と反比例の関係にある。フォーカルコニック組織の配向（コレステリック相）を発現させるには、ねじれピッチを基板間隔の２分１以下に制御することが望まれる。
【００２９】
また電圧印加に対して高速応答性を得る液晶には、低粘性かつ高弾性の材料が適しており、化学構造としては、液晶の屈折率異方性Δｎ（Δｎ＝異常光屈折率ｎｅ−常光屈折率ｎｏ）が大きいシアノ系、ビフェニル系、タフェニル系、ピリミジン系、トラン系、フッ素系が適している。
【００３０】
液晶分子のねじれ配向を素子面内で一様化するために、透明電極の表面に液晶分子の配向を揃えるための配向膜を用いる。その配向膜の材料としては、ポリイミド樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリビニルシンナメート樹脂、アゾ系化合物などが好適である。その配向処理法としては、レーヨンやナイロン布などで樹脂膜表面を摩擦するラビング配向処理、もしくは偏光紫外線の照射による露光処理を用いることができる。配向膜の塗布法には、フレキソ印刷法、グラビア印刷法など既存の各種印刷法のほかに、ロールコーティング、ディッピング、スピンコーティング、キャスティング、スプレー、ドクターブレードコーティングおよびワイヤバーコーティングなどが挙げられるが、それら以外の塗布技術を用いることもできる。また、無機材料の配向膜として、斜法真空蒸着したSiO膜もしくはSiO2膜を基板表面に形成することも可能である。これらの配向膜の配向処理は、２枚の基板の双方について行ってもよいし、一方について行ってもよい。
【００３１】
基板２上への液晶／樹脂原材料混合液の塗布法としては、ロールコーティング、ディッピング、スピンコーティング、キャスティング、スプレー、ドクターブレードコーティングおよびワイヤバーコーティングなどが、生産性や量産性に優れた方法として用いられる。また、フレキソ印刷、スクリーン印刷、グラビア印刷など各種の印刷技術も用いることができる。
【００３２】
また、上記混合液の樹脂原材料を硬化させる紫外線の光源としては、液晶を分解しない長波長の紫外線を効率良く放出するものが適しており、高出力水銀キセノンランプ、超高圧水銀ランプ、エキシマランプ、キセノンランプなどが好適であるが、これらに限られるものではない。
【００３３】
また基板２としては、現在の液晶表示装置に多く使用されている、厚みが1mm以下の薄いガラス基板はもとより、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、ポリエチレンテレフタレート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。
【００３４】
基板２に設ける透明電極１としては、錫をドープした酸化インジウム（ＩＴＯ）をはじめ、酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛などが好適である。それらの透明電極１は、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングなどの方法で成膜することができる。また、金属酸化物以外の透明電極１として、ポリチオフェン系樹脂などの透明な有機系導電性材料を、スピンコートや印刷法などにより塗布してもよい。
【００３５】
なお本実施形態のものでは、表示させるための原理として、コレステリック液晶の波長選択反射効果を利用しているため、素子の背面に光吸収体を配置することが望まれる。また、特定の波長の光を選択的に反射できるようにしているので、コレステリック液晶のねじれピッチを調整することにより、カラー表示も可能になる。この方式ではバックライトを用いないため、低消費電力の反射型表示装置を構成できる。このような反射型表示装置の場合、光非入射側の基板を不透明化したり、光非入射側の電極を金属電極に置き換えることも可能である。
【００３６】
なお、前述したように、液晶４内の合成樹脂の微細化（照射する紫外線強度の増加）および分散量の増大（モノマ添加量の増加）により、液晶４のねじれ配向の安定化効果を高めることができる。しかし、その強い配向規制力により、ポリマ構造に歪みがあれば、液晶４のねじれ配向も大きく歪められることにもなるため、反射効果が弱まったり（反射率の低下）、温度変動に伴い液晶４のねじれ配向が乱れやすくなる等という現象も生じる。そのため、ポリマの分散量や紫外線強度は適切な値に設定することが望ましい。
【００３７】
このような観点からモノマの添加量としては、30重量％以下が適当である。また、モノマの硬化に用いる紫外線の強度としては、液晶４へのダメージも考慮して、10mW／cm2〜100mW／cm2の範囲が適当である。
【実施例】
【００３８】
以下に本発明の実施例に係る光変調器の検討結果について示す。
【００３９】
ポリイミド配向膜(AL-1254、JSR社)を塗付した透明電極(ITO)付きのガラス基板を、5μｍのスペーサ粒子を介して重ね合わせ、周囲を光硬化性の樹脂で固めた。この場合、あらかじめ一方の基板のみ、ラビング（摩擦）による配向処理を施した。その一方、ねじれのないネマティック液晶(JB-1010XX、チッソ社)にカイラル剤(CM-33、チッソ社、23重量％)と、紫外線で硬化する液晶性の単官能モノマ(UCL-001、DIC社、10重量％)を混ぜた混合液(コレステリック相)を、ガラス基板間に注入して混合液にねじれ配向を誘起した。この状態で、中心波長365nmの長波長の紫外線を照射して、網目状樹脂を相分離により析出・凝集させて実施例を作製した。その際の、紫外線照射の強度および時間をそれぞれ33mW/cm2および5分とした。
【００４０】
その一方、ねじれのないネマティック液晶(JB-1010XX、チッソ社)にカイラル剤(CM-33、チッソ社)のみを混ぜた混合液(コレステリック相)を、ガラス基板間に注入し、その他は上記実施例と同様にして比較例を作製した。
【００４１】
上記の如くして作製した実施例と比較例の光変調器に係るコレステリック液晶素子(プレーナ配向)を加熱しながら、透過スペクトルを測定した。実施例についての結果を図２に、比較例についての結果を図３に示す。なお、図２、３のグラフでは、反射した光波長成分が透過率の落ち込みとして表されている。
【００４２】
図２から明らかなように、実施例のものでは、温度を変化させても選択反射の中心波長はほとんどシフトせず一定である。
その一方、図３から明らかなように、比較例のものでは、温度変化により反射光の中心波長が大きく変化している。
【００４３】
以上の検証結果から、網目状樹脂をコレステリック相を有する液晶中に分散することにより、温度変化に対して反射波長が安定化すること、すなわち、液晶分子のねじれピッチが温度変化に対して安定化することが確認できた。
【００４４】
なお、上記実施例において、照射する上記紫外線の強度を変化させて作製した複数の試料を評価した結果、紫外線の強度が大きいほど、網目状樹脂の構造が微細になり、液晶のねじれピッチの安定化効果が高まることが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態に係る液晶光変調器を示す断面模式図
【図２】実施例の液晶光変調器について、透過スペクトルを測定した結果を示すグラフ（光透過特性）
【図３】比較例の液晶光変調器について、透過スペクトルを測定した結果を示すグラフ（光透過特性）
【符号の説明】
【００４６】
１          透明電極
２          基板
３          網目状構造体
４          コレステリック液晶
５          複合膜
６          入射光
７          反射光（表示光）
８          電圧源
９          リード線
１０        スペーサ構造体
【図１】
2007248993.tif 000003
【図２】
2007248993.tif 000004
【図３】
2007248993.tif 000005