JP2001209035A - 液晶光シャッター - Google Patents
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Abstract
特性を発揮できる省エネルギー型液晶光シャッターを提
供する。 【解決手段】2枚の導電性基板及びこれらの基板間に支
持された光シャッター層を有する液晶光シャッターであ
って、(1)前記光シャッター層は、5〜20重量%の
透明性高分子成分及び95〜80重量%の液晶成分から
なり、(2)前記液晶成分は、コレステリック液晶、カ
イラルスメクチックC液晶及びネマチック液晶からな
り、コレステリック液晶及びカイラルスメクチックC液
晶の合計量が液晶成分中0.05〜10重量%であり、
(3)前記光シャッター層は、前記透明性高分子成分か
らなる透明性高分子薄膜が前記液晶成分を包んでなる粒
状構造体により構成されていることを特徴とする液晶光
シャッター。
Description
エネルギータイプの散乱型液晶光シャッターに関する。
さらには、本発明は、この液晶光シャッターを用いた表
示デバイスに関する。
てネマチック液晶を使用したTN(ツイステッドネマチ
ック)型又はSTN(スーパーツイステッドネマチッ
ク)型のものが用いられている。ところが、これらの方
式はツイステッド配列した液晶の施光性(すなわち、偏
光光)を利用するものであることから、1)偏光板を必
要とする、2)光源のエネルギーのロスが大きい、3)
セル厚の高精度な制御が必要なため大画面化に適してい
ない、4)視野角が狭い等の問題点を有している。近
年、これらの問題点を改善し、明るくコントラストの良
い大型の廉価な液晶表示デバイスを与えるものとして、
高分子−液晶複合系を用いた要素的液晶光シャッターを
表示デバイスに応用する研究が活発に行われるようにな
った。
の液晶光シャッターは、液晶成分としてネマチック液晶
を用いたものがほとんどである。とりわけ、液晶が微小
なドロップレットとして高分子マトリックス中に分散し
た構造を有するもの(高分子内分散型液晶:J,W.Doane,
N.A.Vaz,B.G.Wu,S.Zumer,Appl.Phys,Lett.,48,27(198
6))と、液晶を連続相としてその中に3次元網目状又は
微小なドロップレットとして高分子が分散した構造を有
するもの(高分子分散型液晶:特開平2−28284号
公報、特開平2−55318号公報)の2つのタイプの
液晶光シャッターが検討されてきた。
晶による高分子−液晶複合型液晶光シャッターの応答速
度はいずれも他の液晶表示デバイスに比較するとかなり
遅く、また駆動に要する電圧もまだ高い。
を5〜10重量%含有するカイラルネマチック液晶を用
い、らせんのねじり力を液晶に付加することで高分子分
散型液晶光シャッターの光遮蔽能を高め、コントラスト
比を上昇させるとともに、応答速度を速める試みがなさ
れている(特開平4−119320号公報)。
ついてかなりの改善がみられるものの、駆動に要する電
圧はかえって高くなってしまい、実用化にはさらなる改
善が必要である。
目的は、これらの問題点を改善し、特に、偏光板が不要
であり、低電圧でも優れた特性を発揮できる省エネルギ
ー型液晶光シャッターを提供することにある。
問題点を解決するために鋭意研究を重ねた結果、特定の
構成からなる光シャッター層を採用することにより上記
目的を達成できることを見出し、ついに本発明を完成す
るに至った。
びこれらの基板間に支持された光シャッター層を有する
液晶光シャッターであって、(1)前記光シャッター層
は、5〜20重量%の透明性高分子成分及び95〜80
重量%の液晶成分からなり、(2)前記液晶成分は、コ
レステリック液晶、カイラルスメクチックC液晶及びネ
マチック液晶からなり、コレステリック液晶及びカイラ
ルスメクチックC液晶の合計量が液晶成分中0.05〜
10重量%であり、(3)前記光シャッター層は、前記
透明性高分子成分からなる透明性高分子薄膜が前記液晶
成分を包んでなる粒状構造体により構成されていること
を特徴とする液晶光シャッターに係るものである。
用いた表示デバイスに係るものである。
枚の導電性基板及びこれらの基板間に支持された光シャ
ッター層を有する液晶光シャッターであって、(1)前
記光シャッター層は、5〜20重量%の透明性高分子成
分及び95〜80重量%の液晶成分からなり、(2)前
記液晶成分は、コレステリック液晶、カイラルスメクチ
ックC液晶及びネマチック液晶からなり、コレステリッ
ク液晶及びカイラルスメクチックC液晶の合計量が液晶
成分中0.05〜10重量%であり、(3)前記光シャ
ッター層は、前記透明性高分子成分からなる透明性高分
子薄膜が前記液晶成分を包んでなる粒状構造体により構
成されていることを特徴とするものである。
性基板は、光シャッター層に電圧を印加できるものであ
れば特に限定されない。例えば、ガラス、樹脂等の透明
基板にITO(Indium Tin Oxide)等からなる導電層(透
明電極)を積層して得られる透明導電性基板を本発明の
導電性基板として用いることもできる。また、公知の液
晶ディスプレイ等で用いられている透明導電性基板も採
用することができる。透明導電性基板は、通常は無色透
明のものを使用すれば良く、必要に応じて有色透明のも
のを使用することもできる。
シャッター層が支持されている。光シャッター層の組成
は、実質的に透明性高分子成分及び液晶成分からなる。
透明性高分子成分は通常5〜20重量%程度(好ましく
は7〜15重量%)、液晶成分は通常95〜80重量%
程度(好ましくは93〜85重量%)である。透明性高
分子成分が5重量%未満の場合には、高分子成分が分散
層になるおそれがある。また、透明性高分子成分が20
重量%を超える場合には、駆動電圧が高くなるおそれが
ある。
イラルスメクチックC液晶及びネマチック液晶からな
り、コレステリック液晶及びカイラルスメクチックC液
晶(以下、両者を総称して「カイラル液晶」ともいう)
の合計量が液晶成分中0.05〜10重量%(好ましく
は0.3〜1重量%)である。ネマチック液晶に少しで
もコレステリック液晶が混入するとコレステリック液晶
になることは良く知られている。本発明では、ネマチッ
ク液晶中にコレステリック液晶を加えてなるコレステリ
ック液晶にカイラルスメクチックC液晶を加えたもので
ある。カイラル液晶の割合が上記範囲外となる場合に
は、駆動電圧が高くなったり、あるいは応答速度が遅く
なることがある。
晶及びカイラルスメクチックC液晶の割合は、最終製品
の用途、使用目的等に応じて適宜設定すれば良いが、通
常はコレステリック液晶1モルに対してカイラルスメク
チックC液晶を4モル以下、好ましくは0.01〜2モ
ル、より好ましくは0.01〜0.5モルとすれば良
い。
リック液晶とカイラルスメクチックC液晶の2種の液晶
を併用するので、駆動電圧の低減化を図ることができる
とともに、ポリドメイン性に基づく光散乱能等をさらに
向上させることが可能である。特に、本発明では、コレ
ステリック液晶のらせんの向きと、カイラルスメクチッ
クC液晶のらせんの向きを互いに逆向きとすることが性
能向上により一層有益である。例えば、らせんの向きが
時計回りであるコレステリック液晶を用いる場合には、
らせんの向きが反時計回りのカイラルスメクチックC液
晶を用いれば良い。これら液晶のらせんの向きは、例え
ばプレナーテキスチャーを作成し、これを偏光顕微鏡で
観察することによって確認することができる。
混合物)を用いることによって優れた特性が得られる理
由については明確でないが、ねじれ力は弱くてもポリド
メイン構造への自発回復時間が速い液晶系が形成される
ことにより、全体として比較的低電圧でも応答し、しか
も比較的速い応答を示すものと考えられる。
ク液晶、コレステリック液晶及びカイラルスメクチック
C液晶は特に限定的でなく、公知のもの又は市販品を用
いることもできる。
分な電界応答性を有し、プレポリマーと混合した場合に
均一に混合され、等方相を形成するものが好ましい。こ
のような条件を満たすものであれば、汎用されているネ
マチック液晶も用いることができる。例えば、ビフェニ
ル系、フェニルシクロヘキサン系、シクロヘキシルシク
ロヘキサン系、シアノビフェニル系、シアノフェニルシ
クロヘキサン系、シアノシクロヘキシルシクロヘキサン
系あるいはこれらの混合物を挙げることができる。これ
らの中でも、特に電界応答性に優れたシアノビフェニル
系、シアノフェニルシクロヘキサン系、シアノヘキシル
シクロヘキサン系等が好ましい。
ックC液晶としては、ネマチック液晶との混合性・混和
性に優れ、ネマチック液晶に十分ならせんのねじれ力を
付与できるものであれば良い。具体的には、それぞれ常
温において単独でコレステリック相及びカイラルスメク
チックC相を呈するものであれば特に限定されず、公知
のもの又は市販品を用いることができる。コレステリッ
ク液晶及びカイラルスメクチックC液晶は、比較的バル
キーでない構造を有するものが好ましい。
分発現させるために液晶成分の小体積の壁面を薄膜状に
覆う構造をとることができるものであれば特に限定され
ない。製造工程上の見地から言えば、本発明における光
シャッター層は、紫外・可視光重合型のプレポリマー及
び/又はモノマーならびに前記液晶成分(コレステリッ
ク液晶、カイラルスメクチックC液晶及びネマチック液
晶)を含む混合物に紫外・可視光(波長:約350〜4
00nm)を照射して前記プレポリマー又はモノマーを
重合させてなることが好ましい。このような処理をする
ことによって、コレステリック液晶のフォーカルコニッ
ク・グレイン構造を包み込んだ状態で薄膜状ポリマーが
形成され、ポリドメインを含むグレインがポリマーの薄
膜に包まれた構造(粒状構造体)をより確実に得ること
ができる。
び/又はモノマーを液晶成分と混合し、相溶状態にした
後、紫外・可視光照射等によって常温付近で重合させて
得られるような透明性高分子成分を好適に用いることが
できる。このようなプレポリマー又はモノマーとして
は、一般に紫外・可視光重合型のプレポリマー又はモノ
マーとして知られているものを用いることができ、例え
ばアクリル系、メタアクリル系、チオアクリル系等のも
のを使用できる。より具体的には、ヒドロキシエチルア
クリレート、フェノキシエチルアクリレート、ラウリル
アクリレート、1,6−ヘキサンジオールジアクリレー
ト、ポリエチレングライコールジアクリレート、ポリテ
トラメチレングライコールジアクリレート、トリメチル
プロパントリアクリレート等あるいはこれらのプレポリ
マーを単独又は混合して用いることができる。本発明で
は、特に、重合後のポリマーのガラス転移温度(Tg)
が使用温度範囲より低温であることが望ましい。なお、
プレポリマーの重合度は、用いるプレポリマー、液晶成
分等の種類に応じて適宜設定すれば良い。
て、アクリル系多官能基、ベンゾフェノン、1−ヒドロ
キシシクロヘキシルフェニルケトン等の重合開始剤のほ
か、連鎖移動剤、染料、光増感剤、架橋剤等の添加剤を
必要に応じて適宜混合することができる。
性高分子成分からなる透明性高分子薄膜が前記液晶成分
を包んでなる粒状構造体(小胞体又は細胞状体)により
構成されている。すなわち、本発明における光シャッタ
ー層は、液晶成分の小体積が透明性高分子薄膜(薄膜
壁)により包まれた小胞体(グレイン)の複数により占
有されている。
途、透明性高分子成分の種類等により適宜設定すれば良
いが、通常は1〜10μm程度、好ましくは1〜3μm
である。この範囲内に設定することにより、コントラス
ト比を向上させることができ、また特に優れた応答性等
を発揮することができる。本発明における上記平均直径
は、偏光顕微鏡又は走査型電子顕微鏡で粒状構造体を観
察し、任意に選んだ粒状構造体50個の各最長径を算術
平均した値である。
に限定されるものではなく、所望のデバイスの目的・用
途等に応じて適宜決定できるが、応答性等の見地から言
えば通常3〜60μm程度、好ましくは5〜15μmと
すれば良い。上記厚みは、公知のスペーサーにより調節
することができる。
以下のようにして製造することができる。まず、ネマチ
ック液晶をカイラル液晶で希釈し、十分に混合し、さら
にプレポリマー及び任意成分を添加し、混合・攪拌す
る。得られた混合物をスペーサーを用いて所定の間隔に
設定した2枚の透明導電性基板間に挿入し、この基板を
通して紫外・可視光を照射してプレポリマーを光重合さ
せることにより、高分子薄膜が形成されると同時に液晶
成分が析出し、最終的には高分子薄膜で液晶成分が包ま
れた粒状構造体が得られる。このようにして不透明な光
シャッター層が形成される。
合順序は、特に限定されない。上記例の場合、カイラル
液晶とネマチック液晶を混合しているが、場合によって
は3種類の液晶を同時に混合しても良い。
も、用いるモノマー又はプレポリマーの種類、液晶成分
の種類、所望の粒状構造体の大きさ等より適宜設定すれ
ば良い。特に、粒状構造体を形成させる温度は、通常0
〜90℃程度とすることが望ましい。
型又は非透過型表示デバイスの光シャッター部分に適用
することができる。すなわち、本発明の表示デバイス
は、本発明の液晶光シャッターを用いるほかは、公知の
構成要素をそのまま採用することができる。例えば、必
要に応じてバックライト、光反射板、カラーフィルタ
ー、コンデンサーレンズ等を用いることができる。但
し、偏光板は不要である。
ッターと同様の使用方法に従えば良い。例えば、2枚の
導電性基板に通電できるように電源、スイッチ等に配線
し、電源のオン/オフにより光シャッターの開閉を行う
ことができる。
膜がカイラル液晶の小体積を包み込んだ小胞体が積み重
なった構造をなし、高分子薄膜が細胞膜のようになって
いるので、いわば高分子細胞壁型液晶光シャッターと呼
ぶことができる。その構造を図1に示す。透明導電性基
板であるITOコートガラス(3)に支持(挟持)され
た光シャッター層中には、多数の粒状構造体が充填され
ている。各粒状構造体(グレイン)は高分子薄膜(7)
でカイラル液晶(5)を包含している。各粒状構造体中
には、ドメイン境界(6)で区分されたドメインを多数
有し、各ドメイン中に要素的コレステリック液晶(4)
が多数分布している。
いては、電源オフ(電圧無印加時)では、図1に示すよ
うに、コレステリック・フォーカルコニック・テキスチ
ャー(要素的コレステリック液晶がさまざまな方向を向
いているテキスチャー)の強い濁りにより入射光(1)
が遮断される。一方、電源オン(電圧無印加時)では、
図2に示すように、液晶分子がホメオトロピックに配向
して光を透過させる。
に、液晶相がコレステリック液晶特有のフォーカルコニ
ック・ポリドメイン構造となるため、小胞体が微細でな
くても、ネマチック液晶のみを用いた場合に比較して著
しい光散乱性を示す(すなわち、シャッターを閉じた状
態に寄与する)。その結果、本発明においては高分子成
分と液晶成分の屈折率を特に調整しなくとも、透明性の
高いポリマーを用いさえすれば表示のコントラスト比を
改善することが可能である。
における立ち上がり時間(τr)は、電界によって分子
を強制配向させるのに要する時間に相当することから、
電圧が大きいほど短時間になる傾向がある。一方、立ち
下がり時間(τd)は、ポリドメイン構造の自発的回復
に要する時間に相当することから、主として高分子壁面
上に生じるコレステリック液晶(カイラル液晶)の生長
サイトの数の大小によって決定される(高分子−液晶界
面の相互作用が関係する)。
さくすることができるが、その一方でコレステリック構
造の崩壊が関与する立ち上がりに強い力が必要となるた
め、駆動に要する電圧は高くなる。すなわち、τrの高
速化とτdの高速化はカイラル液晶のねじれ力及び駆動
電圧の大小において互いに相反する関係となる。
シャッターでは、高分子成分の壁面の導入を調整すると
ともに、カイラル液晶のねじれ力を制御して最適な状態
にすることにより、比較的低い駆動電圧で応答の高速化
を実現することができる。
動電圧3〜12Vにおいて、立ち上がり時間(τr)が
2〜10ms(ms:m sec)、立ち下がり時間
(τd)が6〜14ms、最大コントラスト比(T100/
T0)(T100:電圧印加時の透過率(%)、T0:最小
透過率(すなわち電圧未印加時の透過率)(%))60
0以上という優れた性能を得ることができる。これは、
従来の高分子−液晶複合型液晶光シャッターが数10V
の駆動電圧を必要としていたのに比較して相当低いもの
であり、しかも低駆動電圧であっても応答速度は従来の
ものと同程度又はそれ以上の性能である。また、このこ
とは、偏光板が不要となることと相俟って、省エネルギ
ー化に大いに寄与できることを示すものである。
させることにより、最大コントラスト比は従来のネマチ
ック液晶のみを用いた場合に得られる2〜14:1程度
に比較して相当向上しており、実用的で高性能な液晶光
シャッター、ひいては信頼性の高い表示デバイスを提供
することができる。
光板、配向膜(配向処理・ラビング)等が不要となるこ
とから、製造工程の短縮化・低コスト化という点でも非
常に有利である。
間変調器、調光器、大型画面用プロジェクション・ディ
スプレイ、大画面テレビ用ディスプレイ、パソコン用デ
ィスプレイ等の透過型又は非透過型表示デバイスに有用
であり、またレーザープリンターの光シャッター等、さ
まざまな分野での応用が期待される。
的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるも
のではない。
各々のデバイスの電気光学特性の測定は、次の方法によ
り実施した。供給電源としてファンクションジェネレー
ター「1920A」(NF社製)を用い、光源には15
0W(100V)ハロゲンランプを用い、ハロゲンラン
プ用ランプハウス及び顕微鏡用白色光フィルターを用い
て得られた平行光束をフィルターより40cmの距離に
設置したサンプルに直径5mmの光束で入射し、試料を
透過して試料から10cmの距離において幅5mmのス
リットを通過した光量をフォトディテクターにより評価
した。
記の条件において電圧印加時の最大透過率(T100)及
び電圧未印加時の透過率(T0)の比を求めることによ
り算出した。また、立ち上がり時間(τr)及び立ち下
がり時間(τd)の測定は、「デジタル・ストレージオ
シロスコープ」(岩通製、40MHz)を用い、周波数
500Hzの矩形波を加えて行った。
クリレートの60:40(重量比)混合物10重量%
と、コレステリック液晶「C−15」(メルク社製、ら
せんの向きは反時計回り(−))及びカイラルスメクチ
ックC相を示す強誘電性液晶「CS−2003」(チッ
ソ社製、らせんの向きは時計回り(+))の1:0.2
(モル比)混合物が液晶成分中0.4重量%となるよう
にネマチック液晶「5CB」(メルク社製)で希釈して
得られた液晶成分90重量%とを十分に混合した。ポリ
イミドフィルムのスペーサーにより間隔を7.5μm設
定した2枚のITOコートした透明導電ガラス基板間に
上記混合物を挿入し、室温22℃にて100Wの高圧水
銀灯による紫外・可視光の平行光束を出光側レンズから
30cmの位置で5分間照射して重合させた。2枚の基
板間に形成された光シャッター層部分の大きさは約1c
m×1cmであり、この光シャッター層中の組織を電子
顕微鏡で観察したところ、ポリドメイン・フォーカルコ
ニック・グレイン構造を形成しているのが認められた。
グレインの大きさは平均2μm程度で多少分布があるの
が確認された。室温20℃においてこのデバイスの電気
光学特性を測定したところ、駆動電圧8Vにおいて最大
コントラスト比(T100/T0)700以上、τr=2.
2ms、τd=7.3msが得られた。
クリレートの60:40(重量比)混合物10重量%
と、コレステリック液晶「C−15」(メルク社製)が
液晶成分中20重量%となるようにネマチック液晶「5
CB」(メルク社製)で希釈して得られた液晶成分90
重量%とを十分に混合した。ポリイミドフィルムのスペ
ーサーにより間隔を7.5μmに設定した2枚のITO
コートした透明導電ガラス基板間に上記混合物を挿入
し、室温22℃にて100Wの高圧水銀灯による紫外・
可視光の平行光束を出光側レンズから30cmの位置で
5分間照射して高分子成分を重合させた。2枚の基板間
に形成された光シャッター層部分の大きさは約1cm×
1cmである。室温20℃においてこのデバイスの電気
光学特性を測定したところ、駆動電圧6Vにおいて最大
コントラスト比(T100/T0)300、τr=10.6
ms、τd=15msであった。
印加時)の模式図である。
加時)の模式図である。
Claims (5)
- 【請求項1】2枚の導電性基板及びこれらの基板間に支
持された光シャッター層を有する液晶光シャッターであ
って、(1)前記光シャッター層は、5〜20重量%の
透明性高分子成分及び95〜80重量%の液晶成分から
なり、(2)前記液晶成分は、コレステリック液晶、カ
イラルスメクチックC液晶及びネマチック液晶からな
り、コレステリック液晶及びカイラルスメクチックC液
晶の合計量が液晶成分中0.05〜10重量%であり、
(3)前記光シャッター層は、前記透明性高分子成分か
らなる透明性高分子薄膜が前記液晶成分を包んでなる粒
状構造体により構成されていることを特徴とする液晶光
シャッター。 - 【請求項2】コレステリック液晶のらせんの向きとカイ
ラルスメクチックC液晶のらせんの向きが互いに逆方向
である請求項1記載の液晶光シャッター。 - 【請求項3】粒状構造体の平均直径が1〜10μmであ
る請求項1又は2に記載の液晶光シャッター。 - 【請求項4】光シャッター層が、紫外・可視光重合型の
プレポリマー及び/又はモノマーならびにコレステリッ
ク液晶、カイラルスメクチックC液晶及びネマチック液
晶を含む混合物に紫外・可視光を照射して前記プレポリ
マー又はモノマーを重合させてなる請求項1〜3のいず
れかに記載の液晶光シャッター。 - 【請求項5】請求項1〜4のいずれかに記載の液晶光シ
ャッターを用いた表示デバイス。
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