(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自発分極を持ちカイラルスメクティックＣ相を示す強誘電性液晶と液晶性モノマーから合成された３次元網目状の分子配向性の合成樹脂であって、前記合成樹脂の含有率が液晶・樹脂複合体全体の２０重量％以上かつ４０重量％以下である前記合成樹脂からなる液晶・樹脂複合体と、それぞれ透明電極が形成され該透明電極を内側にして前記液晶・樹脂複合体を挟みかつ該透明電極が前記液晶・樹脂複合体に固着している２枚の透明基板と、２つの前記透明電極に両極性の直流電圧を印加する電圧源とを有することを特徴とする液晶光変調器。
【請求項２】
前記網目を構成する合成樹脂の繊維の太さが１μｍ以下もしくは入射光の波長以下であることを特徴とする請求項１に記載の液晶光変調器。
【請求項３】
前記透明基板が可撓性のプラスティックフィルムもしくはガラス板であることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶光変調器。
【請求項４】
前記液晶・樹脂複合体の内部に球状のスペーサが分散されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の液晶光変調器。
【請求項５】
前記透明電極と前記液晶・樹脂複合体の間に絶縁膜が配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の液晶光変調器。
【請求項６】
前記合成樹脂は光硬化、熱硬化または反応硬化によって形成されたアクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、またはそれらの共重合体であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の液晶光変調器。
【請求項７】
前記液晶はシッフ塩基系強誘電性液晶、アゾ系強誘電性液晶、アゾキシ系強誘電性液晶、ビフェニル系強誘電性液晶、エステル系強誘電性液晶、もしくはフェニルピリミジン系強誘電性液晶であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の液晶光変調器。
【請求項８】
前記２つの透明電極のそれぞれと前記液晶・樹脂複合体の間に配向膜が形成され、前記透明電極が前記配向膜を介して前記液晶・樹脂複合体に固着していることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の液晶光変調器。
【請求項９】
前記配向膜がラビング配向処理または偏光紫外線光の照射に伴う光配向処理が施されたポリイミド樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、および斜方蒸着処理されたＳｉＯ、ＳｉＯ２のいずれかであることを特徴とする請求項８に記載の液晶光変調器。
【請求項１０】
前記合成樹脂の網目形状が前記配向膜の配向処理方向に延伸した形状で異方性化していることを特徴とする請求項８または９に記載の液晶光変調器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は液晶を用いて光強度を変調する液晶光変調器に関し、特に表示パネルの軽量化や大型化に有利なフラットディスプレイ用の液晶光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶に電界を加えて、液晶分子の配列状態を変化させるという液晶の電気光学効果を応用すると光変調器が実現できる。液晶光変調器は、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し、また比較的大きな面積のものを作ることができるため、ディスプレイ用の電気光学素子として近年注目されている。
【０００３】
このような液晶光変調器の一つとして、自発分極を持ち、カイラルスメクティックＣ相を示す強誘電性液晶を２枚の透明電極間の狭いギャップ（３μｍ以下）に充填し、液晶分子の配列方向（配向）を安定化した表面安定化強誘電性液晶がある。この場合、液晶分子は、基板の水平面内で配列変化し、数十〜数百マイクロ秒の高速な光変調機能をもつため、高速動作が求められるフラットディスプレイに好適である。
【０００４】
従来の強誘電性液晶を用いた光変調器として、以下のような液晶光変調器が提案されている。
【０００５】
（１）図４に示した液晶光変調器では、２枚のガラス基板５ａ、５ｂのそれぞれに透明電極４ａ、４ｂが形成され、さらにその上にポリイミド樹脂の配向膜１２ａ、１２ｂが設けられている。このようなガラス基板５ａ、５ｂをシール樹脂１３ａ、１３ｂを介して貼り合わせて微小ギャップを形成した後、その中に強誘電性液晶１を充填する。このタイプの液晶セルは表面安定型強誘電性液晶と呼ばれる。液晶光変調器は、偏光方向が互いに直交する２つの偏光板９ａ、９ｂに挟まれている。直流駆動電源８からリード線６ａ、６ｂを介して透明電極４ａ、４ｂに印加される電圧の極性や強度により入力光１０に対する液晶の光透過率が制御され、その結果、変調された出力光１１が得られる。（文献：N.A.Clark and S.T.Lagerwall; Appl.Phys.Lett., vol.36, no.11, pp.899-901 (1980)）
（２）図５に示した液晶光変調器では、図４の光変調器と同様に、ポリイミド樹脂の配向膜12a 、12b が設けられた透明電極4a、4b付きのガラス基板5a、5bを用いて、シール樹脂13a 、13b を介して微小ギャップを形成した後、その中に強誘電性液晶と微量（数％）の合成樹脂が分子オーダーで混ざりあった液晶・樹脂相溶体１４を充填したものである。その他の構成は図４の光変調器と同様である。（文献：S.Kataoka, Y.Iimura and S.Kobayasi; SID Dig., 28, 3, pp.,699-702(1996) ）
（３）図６に示した液晶光変調器は、透明電極４ｂ付きの透明基板５ｂに、強誘電性の液晶高分子１５を塗布製膜した上で、もう一枚の透明電極４ａ付きの透明基板５ａで挟み込んだ構造である。（文献：T.Sekiya. K.Yuasa, S.Uchida, S.Hachiya, K.Hashimoto, and K.Kawasaki; Liquid Crystals, vol.14, pp.1255-1267 (1993) ）
（４）図７に示した液晶光変調器は、回転楕円体状の強誘電性液晶１の小滴が分散された合成樹脂２が透明電極４ａ、４ｂ付きの透明基板５ａ、５ｂの間に挟まれた構造である。（文献：H.Molsen and H.S.Kitzerow; J.Appl.Phys., vol.75,pp.710-716 (1994)）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の光変調器は以下に述べるような問題を抱えている。
【０００７】
（１）図４に示した第１の従来例では、均一かつ大面積に微小ギャップを形成するのが困難であり、液晶充填時に配向欠陥を生じ配向の面内均一性が劣るとともに、外部応力によってギャップが容易に変形して液晶の分子配列が崩れやすい。そのために変調特性が不安定になる。また、均一なギャップを保持するために堅いガラス基板が必要となるため、光変調器の大型化に伴って重量が増大する。
【０００８】
（２）図５に示した第２の従来例では、分散された微量のポリマーによる矯正効果により配向欠陥は解消するものの、外部応力に対する脆弱性をはじめ、図４の光変調器と同様に、ギャップの制御や重量の増加の課題が残る。
【０００９】
（３）図６に示した第３の従来例では、シール樹脂によるギャップ形成が不要で、塗布工程により均一かつ大面積な液晶膜が製膜可能になるとともに、堅固な高分子液晶が透明基板を支持するため、外部応力に対しても堅固な構造となる。しかし、強誘電性液晶が高分子で分子量が極めて大きいため、応答時間がミリ秒オーダーと動作速度が大幅に制限される。
【００１０】
（４）図７に示した第４の従来例では、合成樹脂により透明基板が支持されるとともに、合成樹脂の回転楕円体状に異方性化した小孔形態により、液晶分子の配向が促される。しかし、合成樹脂の壁面（小孔の面）での液晶の不完全な分子配向や、液晶の小滴（数μｍ径）の光散乱により、光変調のコントラスト低下が避けられない。
【００１１】
そこで、本発明は上記の点を鑑みてなされたもので、その目的とするところは、液晶を充填するためのギャップ形成工程を要せず均一・大面積な構造が可能で、しかも、配向欠陥が発生せず、外部応力にも強く、かつ高速、高コントラストで光変調を行うことができる液晶光変調器を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本発明による液晶光変調器は、自発分極を持ちカイラルスメクティックＣ相を示す強誘電性液晶と液晶性モノマーから合成された３次元網目状の分子配向性の合成樹脂であって、前記合成樹脂の含有率が液晶・樹脂複合体全体の２０重量％以上かつ４０重量％以下である前記合成樹脂からなる液晶・樹脂複合体と、それぞれ透明電極が形成され該透明電極を内側にして前記液晶・樹脂複合体を挟みかつ該透明電極が前記液晶・樹脂複合体に固着している２枚の透明基板と、２つの前記透明電極に両極性の直流電圧を印加する電圧源とを有することを特徴とする。
【００１３】
本発明による液晶光変調器の製造法は、２枚の透明基板のそれぞれに形成された透明電極の少なくとも一方に液晶とモノマーの混合液を塗布する工程、前記２枚の透明基板を透明電極を内側にしてかつ前記塗布された混合液を挟んで密着させる工程および前記モノマーを重合する工程を有することを特徴とする。
【００１４】
本発明では、低分子の強誘電性液晶内に、合成樹脂を高濃度に分散し、その混合液を透明基板に形成された透明電極に塗布して堅固な液晶・樹脂複合体を形成することにより、第１、第２の従来例におけるシール樹脂を用いたギャップ制御が不要になり、均一かつ大面積な光変調器の製作が可能になる。
【００１５】
さらに、本発明では、合成樹脂自体の分子が配向するとともに、液晶・樹脂複合体が延伸した網目状に異方性化して、液晶分子の配向を促すため、光変調器作製時の液晶の配向欠陥が生じ難く、従って、面内の均一性が優れ、第１の従来例の欠点が解決される。
【００１６】
さらに、本発明では、合成樹脂の強い配向規制力により、均一な液晶分子の配向が得られるため、第４の従来例と異なって高いコントラスト比が得られる。
【００１７】
本発明では、自己支持性の液晶・樹脂複合体を用いるため、堅固なガラス基板の代わりに柔軟なプラスティック基板あるいは極めて薄いガラス基板を用いることができ、光変調器の重量を第１、第２の従来例に比較して大幅に軽減することができる。
【００１８】
さらに、本発明では、液晶・樹脂複合体が基板を堅固に支持するとともに、合成樹脂が強誘電性液晶を保護する構造のため、第１、第２の従来例と異なって、外部応力がかかっても液晶の分子配向が崩れにくい。
【００１９】
さらに、本発明では、高分子でなく低分子の強誘電性液晶が光変調を担うため、第３の従来例と比較して格段に高速な応答動作が得られる。
【００２０】
また、網目状の合成樹脂の繊維の太さを入射光の波長以下とすることにより、光散乱がほとんど生じなくすることができ、従ってコントラストの低下がない。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
【００２２】
図１は本発明による液晶光変調器の一実施例の構成を示す模式的断面図である。本実施例の液晶光変調器では、カイラルスメクティックＣ相を示す強誘電性液晶１の中に３次元網目状の合成樹脂２が分散された液晶・樹脂複合体３がそれぞれ透明基板５ａ、５ｂに付着された透明電極４ａと透明電極４ｂに挟まれて配設され、透明電極４ａ、４ｂは堅い合成樹脂２を含む液晶・樹脂複合体３によって堅固に支持されている。透明電極４ａ、４ｂはリード線６ａ、６ｂとスイッチ７を介して、両極性電圧を供給できる電圧源８に接続されている。偏光板９ａにより、液晶の分子の長軸方向に偏光された入射光１０は、一方の透明基板５ａから入射し、液晶・樹脂複合体３で偏光状態が制御され、出射側の偏光板９ｂを透過した後、強度変調された出射光１１となる。
【００２３】
すなわち、２つの偏光板９ａ、９ｂの光透過軸は直交関係にあり、スイッチ７による電圧極性の切り替えにより、液晶分子の配向が透明電極（透明基板）の面内でスイッチする。それに伴って液晶の複屈折が変化するため、入射光１０の偏光方向が回転して透過光１１の強度が変調される。
【００２４】
この場合、合成樹脂２の構造によって液晶が分断され、微小な液晶ドメインが誘発されるため、強誘電性液晶１のスイッチング挙動も、ドメイン分布に基づく面積階調すなわち中間調表示を行うことも可能である。さらに、合成樹脂２の構造で配向が安定化された液晶ドメインは、従来の表面安定化強誘電性液晶と同様に分子配向状態を保持するため、単純マトリックス駆動ディスプレイパネルに有用な中間調メモリ機能を得ることもできる。
【００２５】
合成樹脂２の原材料として、強誘電性液晶１に溶解性が優れた液晶性モノマーを用いることにより多量の添加・分散が可能になるため、液晶・樹脂複合体３の機械的強度を増すことができる。液晶・樹脂複合体３中の樹脂２の含有率は、複合体３の自己支持性を確保するため、１０重量％以上が望ましく、２０重量％以上であれば基板が堅牢に固定される。しかし、樹脂含有率が４０重量％を超えると液晶１が小滴状に分散されるようになるため、光散乱によりコントラストが低下する。
【００２６】
本発明による光変調器では、合成樹脂２が強誘電性液晶１を保護するため、外部応力にも強い構造になる。液晶・樹脂複合体３の物理的強度をさらに増すために球状のスペーサを分散することも有効である。
【００２７】
液晶・樹脂複合体３は自己支持性を持っているので、従来のように堅い基板を用いてギャップを構成し、その中に液晶を充填することによって液晶の膜厚を保つ必要がなく、簡便な塗布工程により透明電極上に所望の膜厚の複合体層を形成することができる。具体的には、それぞれ表面に透明電極を形成した２枚の透明基板を用意し、少なくとも一方の基板の透明電極上に液晶と液晶性モノマーの混合液を塗布した後、２枚の透明基板を透明電極を内側にして貼り合わせ、モノマーを重合することによって、大面積で均一な液晶光変調器を容易に製作することができる。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ーバーコーティングなどが、生産性、量産性に優れた方法として用いられる。液晶・樹脂複合体３の膜厚は３μｍ以下が実用的である。
【００２８】
さらに、合成樹脂２の原材料である液晶性モノマーの分子は、液晶とともに配向して硬化するため、硬化後は、合成樹脂２の液晶性側鎖部が液晶分子の配向を促す役割を有する。また、合成樹脂２の分散形態は、強誘電性液晶１の配向を促進するために、延伸した３次元網目形状などのように、一方向に異方性化していることが望ましい。それによって、液晶の配向が不連続となる配向欠陥（ジグザグ欠陥）の発生が抑制されるとともに、液晶配向の高い秩序性により、高コントラストな光変調特性を得ることができる。なお、合成樹脂２の網目の繊維の直径は１μｍ以下、または入射光の波長以下にして、光散乱を生じさせないことが重要である。
【００２９】
このような異方性化した合成樹脂２は、液晶とモノマーの均質混合液が、分子の配列状態にあるネマティック相またはスメクティック相を示す温度で、紫外線照射によって光重合し、液晶と樹脂を相分離することによって形成される。それらの相に制御するために両者の混合溶液を加熱してもよい。混合液の分子配向を一方向に定めるために、液晶・樹脂複合体３と透明電極４ａ、４ｂの間に摩擦（ラビング）処理もしくは偏光紫外光の照射による光配向処理を施されたポリイミド樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、斜方蒸着されたＳｉＯ、ＳｉＯ2 のいずれかの配向膜を配置することも可能である。また、配向膜を設ける代わりに、外部から曲げ応力またはせん断応力を加えて液晶およびモノマーの混合液内の分子を配向させながら、重合することによっても、一方向に異方性化した液晶・樹脂複合体３を形成することができる。もしくは、偏光した紫外線を混合液に照射して、一方向のモノマーを選択的に重合して、異方性化した液晶・樹脂複合体３を形成することもできる。
【００３０】
透明基板５ａ、５ｂとしては、液晶・樹脂複合体３が透明電極４ａ、４ｂすなわち透明基板５ａ、５ｂを支持する構造となるため、柔軟なプラスティックフィルムや、厚みが０．６ｍｍ以下の薄いガラス板を用いることができる。特に、プラスティックフィルム基板５ａ、５ｂと自己支持性の液晶・樹脂複合体３を一体化することにより、軽量で折り曲げが可能な柔軟な光変調器を実現することができる。
【００３１】
透明電極４ａ、４ｂとしては、錫をドープした酸化インジウム（ＩＴＯ：Ｉｎ2 Ｏ3 ：Ｓｎ）などが好適である。透明電極４ａ、４ｂ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 ）などの絶縁層を液晶・樹脂複合体３と透明電極４ａ、４ｂの間に設けることも可能である。
【００３２】
合成樹脂２としては、前述したような光硬化をはじめ、熱硬化または反応硬化により形成されるアクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、またはそれらの共重合体が好適である。
【００３３】
強誘電性液晶１の材料としては、入射光１０の偏光状態を大きく制御できるように、液晶の屈折率異方性Δｎ（Δｎ＝異常光屈折率ｎe −常光屈折率ｎo ）が大きい方が好ましい。そのため、屈折率異方性の大きなシッフ塩基系強誘電性液晶、アゾ系強誘電性液晶、アゾキシ系強誘電性液晶、ビフェニル系強誘電性液晶、エステル系強誘電性液晶、もしくはフェニルピリミジン系強誘電性液晶などが適している。また、自発分極が大きな強誘電性液晶材料を用いることにより、高速応答と低電圧駆動が可能となる。
【００３４】
【実施例】
一例として、強誘電性液晶１としてチッソ社ＣＳ−１０３０（屈折率異方性Δｎ＝０．１５）を使用し、合成樹脂２の材料として、紫外線硬化性のアクリル性モノマー（大日本インキ、ＵＣＬ−００１）を用いて作製した液晶光変調器について述べる。
【００３５】
作製方法は以下の通りである。
【００３６】
まず、２枚の透明ガラス基板５ａ、５ｂに、それぞれ、厚み７２ｎｍのＩｎ2 Ｏ3 ：Ｓｎを蒸着して透明電極４ａ、４ｂを形成し、さらに透明電極４ａ、４ｂ上にスピンコート法によってポリイミド（ＪＳＲ社ＡＬ−１２５４）を塗布して厚み５０ｎｍの配向膜を形成した。この配向膜を微細なレーヨンブラシで一方向に摩擦（ラビング）した。ただし、図１においては配向膜は図示を省略してある。この２枚の配向膜付きの基板のうちの一方の基板の配向膜上に１００℃で加熱・溶解した前述の強誘電性液晶とモノマーの混合液（モノマー濃度２０重量％、２μｍ径の球状スペーサを分散）を塗布した。次いで、他方の基板を、その配向膜が塗布された混合液と密着するするように重ね（２枚の基板の配向膜の摩擦方向は平行）、５０℃に加熱しながら１０ｍＷ／ｃｍ2 の紫外線（波長３６５ｎｍ）を照射した。その結果、２枚の基板５ａ、５ｂを支持する厚み３μｍの液晶・樹脂複合体３が得られた。
【００３７】
図２はこのようにして得られた液晶・樹脂複合体の偏光顕微鏡写真である。配向膜のラビング方向に延伸した網目状の合成樹脂が液晶内に形成されて、多数の微細な液晶ドメインが生じることが観察された。このようなポリドメイン化は、液晶が均質相でなく、相分離したことを示唆している。合成樹脂の網目の太さはサブミクロンオーダーであり、その網目の寸法は、照射紫外線の強度の増加とともに減少することが実験的に判明した。
【００３８】
図３はこのようにして作製された液晶光変調器の応答特性を示すシンクロスコープ写真である。両極性のパルス電圧３０Ｖを透明電極４ａ、４ｂ間に印加した結果、自己支持性を有するにもかかわらず、応答速度は３００μｓとポリマーを分散しない強誘電性液晶と同等の高速動作が得られた。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、自己支持性の液晶・樹脂複合体を形成することにより、液晶を充填するためのギャップ形成工程を要せず均一・大面積な光変調器の作成が容易であり、配向欠陥が発生せず、外部応力にも強く、高速かつ高コントラストな液晶光変調器を提供することができる。
【００４０】
従って、本発明の液晶光変調器は、フラットパネルディスプレイに好適であり、本発明を用いることにより、ディスプレイパネルの軽量・大型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による液晶光変調器に一実施例を示す模式的断面図である。
【図２】液晶・樹脂複合体の偏光顕微鏡写真である。
【図３】本発明の液晶光変調器の応答特性を示すシンクロスコープ写真である。
【図４】従来の液晶光変調器の構成を示す断面図である。
【図５】従来の液晶光変調器の構成を示す断面図である。
【図６】従来の液晶光変調器の構成を示す断面図である。
【図７】従来の液晶光変調器の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１  強誘電性液晶
２  合成樹脂
３  液晶・樹脂複合体
４ａ、４ｂ  透明電極
５ａ、５ｂ  ガラス基板
６ａ、６ｂ  リード線
７  スイッチ
８  直流電圧源
９ａ、９ｂ  偏光板
１０  入射光
１１  出射光
１２ａ、１２ｂ  配向膜
１３ａ、１３ｂ  シール樹脂
１４  液晶・樹脂相溶体
１５  強誘電性高分子液晶
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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