JP3881110B2 - 調光用液晶光シャッターおよびその作製方法 - Google Patents
調光用液晶光シャッターおよびその作製方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種イルミネーション、室内照明、テレビジョン撮影や映画撮影や写真撮影用等の証明に用いられる調光用液晶光シャッターとその作製方法に関するものである。
【０００２】
［発明の概要］
本発明は透過光のスペクトル変動を低減し、光の透過率を連続的に制御する液晶光シャッターと、その作製方法とを提供するものである。本発明の液晶光シャッターは、２枚の透明電極付き透明基板の間にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料と高分子からなる液晶・高分子複合膜を挿入した構成を有し、かつ、この液晶・高分子複合膜は、その透過光の色温度の印加電圧依存性が空間的に均一でなく、場所によって異なる光変調特性を持つ。この液晶・高分子複合膜は、場所によって強度あるいはスペクトルの異なる紫外線を照射する、あるいは場所によって液晶・高分子複合膜の作製温度を変えることによって作製される。
【０００３】
【従来の技術】
捻れネマチック液晶（ＴＮ）、超捻れネマチック液晶（ＳＴＮ）、強誘電性液晶（ＦＬＣ）等を用いた従来の液晶光シャッターは偏光子を必要とする。ところが、当該偏光子によるロスは５０％以上もあるため、光利用率を上げるのが困難である。また、上記各液晶を用いた液晶光シャッターを大光量の光源を用いる照明装置の調光用液晶光シャッターとして使用した場合には、偏光子の吸光による発熱が避けられないという問題がある。
【０００４】
これに対し、３次元網目状構造を有する透明体マトリクスからなる担体膜の連続した孔内にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材が充填された液晶・高分子複合膜、あるいは、透明体マトリクスからなる担体膜中にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料が粒状に分散した構造の液晶・高分子複合膜を、一対の透明導電膜を有する透明基板で狭着した調光用液晶光シャッターは、偏光子を必要としないため、上記の問題を解決することができる。
【０００５】
上記調光用液晶光シャッターにおいては、無電圧時には、液晶分子が、当該液晶分子と透明マトリクスとの界面の形状的な規制（界面作用）を受けてランダムな状態にあるため、入射光が散乱されて、液晶・高分子複合膜は不透明な状態になっている。そして、液晶・高分子複合膜を挟んだ一対の透明導電膜に電圧（通常は２００Ｈｚ程度の矩形波または正弦波）が印加されると、その印加電圧の大きさに応じて、正の誘電率異方性（Δε）をもつ液晶分子が電場方向に配向し、配向の乱れが徐々に解消されて光の透過率が上昇し、最終的には透明な状態に至るという電気光学効果を示す。なおここでいう透過率とは、調光用液晶光シャッターに入射する光量に対する、光シャッターを透過して出射し、被写体を照射する光量の割合を示し、特にコリメートした平行光線を調光用液晶光シャッターに入射したときのある角度範囲内に拡散した光の出射光量の割合で表す。この角度は、調光用液晶光シャッターの使用状況に応じて決めればよい。ここではその角度範囲内に透過する光のことを非散乱光とする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の液晶・高分子複合膜を用いた調光用液晶光シャッターには、印加電圧の状態により透過光のスペクトルが変化し、特に曇りガラスのような散乱状態（印加電圧がゼロの状態）とガラスのように透明な状態（透過率が飽和する電圧を印加した状態）の中間の状態において、透過光のスペクトルが大きく変動するという問題がある。
【０００７】
言い換えると、従来の液晶・高分子複合膜を用いた調光用液晶光シャッターでは、各波長の光の透過率と印加電圧との関係が一定でなく、同一電圧における透過率が波長によって大きくばらつき、特に長波長側の光の透過率が短波長側の光の透過率より大きくなって、透過光のスペクトルが長波長側に大きくずれてしまう。即ち、印加電圧に応じて各波長の透過率の割合が変化するので、印加電圧の変化に伴って、透過光の色調が変化してしまうのである。
【０００８】
このため、上記従来の調光用液晶光シャッターを調光素子として使用した場合には、短波長側が優勢な光や、波長依存性のない（つまり白色の）光が得られない他、光の色調を一定にできないという問題がある。したがって、上記調光用液晶光シャッターは、不透明な状態と透明な状態との２段階の切り替えによる表示等には既に実用されているが、ＴＶや映画照明など、光の透過率を連続的に調整する調光装置には、利用可能性が期待されながらも、未だ実用化されていないのが現状である。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、透過光のスペクトル変動を低減し、光の透過率を連続的に制御する液晶光シャッターと、その作製方法とを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者の考察によれば、印加電圧に応じて各波長の透過率の割合が変化するので、印加電圧の変化に伴って、透過光の色調が変化してしまう現象は、液晶・高分子複合膜の動作機構に起因することが分かった。以下に上記現象の物理的考察を記述する。
【００１１】
液晶・高分子複合膜に交流電圧が印加されない場合、液晶・高分子複合膜１の断面図である図１（ａ）が示すように、高分子である透明体マトリクス３の３次元的なネットワークの孔内に充填された液晶４の分子は、高分子壁面と液晶の界面作用により様々な方向に配列する。この初期配向状態の液晶・高分子複合膜に白色光が入射すると、高分子である透明体マトリクス３の屈折率と液晶４の異常光屈折率は大きく異なるため、光はドメインの境界や透明体マトリクス３と液晶４の境界で屈曲、反射され、これを繰り返すことにより強く散乱される。
【００１２】
次に、液晶・高分子複合膜１を挟む２つの透明導電膜２の印加電圧を徐々に増加すると、図１（ｂ）に示すように、高分子壁面から遠い液晶分子から電界方向に配列し、ネマチック液晶は、その内部に新たなドメイン構造を有するようになる。このドメインが印加電圧の増加と共に増大すると、新たに形成されたドメインや高分子壁面に触れている３次元ネットワーク状の液晶層に選択散乱が生じ、赤色光が透過されやすくなる。図１（ｃ）のように十分大きな電圧が液晶・高分子複合膜１に印加された場合は、高分子壁面に触れている僅かな領域を除いて全ての液晶分子が印加電界方向に配列するため、白色光は散乱されずに透過する。
【００１３】
以上の考察から、液晶・高分子複合膜を用いた光シャッターの透過光の色温度低下は本質的なものであることが分かった。すなわち、調光用液晶光シャッターに電圧を印加すると、前述したように、液晶分子が電場方向に配向するが、不透明な状態と透明な状態との中間の状態では電界強度が十分でないので、高分子壁面から離れた液晶分子の配向が変化する。このため、主として短波長光が散乱されて、その透過率が、長波長光の透過率よりも低くなり、透過光は長波長側が優勢なスペクトルを示すものとなる。
【００１４】
以上の考察に基づく本発明は以下の構成を採用する。請求項１の調光用液晶光シャッターは、３次元網目状構造を有する透明体マトリクスからなる担体膜の連続した孔内にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料が充填された液晶・高分子複合膜、あるいは、透明体マトリクスからなる担体膜中にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料が粒状に分散した構造の液晶・高分子複合膜を、少なくとも一方の基板が透明導電膜を有する透明基板である一対の導電膜を有する基板間に狭着した液晶光シャッターにおいて、前記液晶・高分子複合膜が、場所によって異なる透過率対印加電圧特性と透過光の色温度対印加電圧特性とを備えて成ることを特徴とする。
【００１５】
請求項２は、請求項１記載の調光用液晶光シャッターにおいて、前記透明体マトリクスが、架橋された構造の高分子材料であることを特徴とする。
【００１６】
請求項３は、請求項１または２記載の調光用液晶光シャッターにおいて、前記液晶・高分子複合膜は、光散乱状態と透明状態とのそれぞれのスペクトル分布がほぼ等しくなるように構成されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項４は、請求項１、２または３記載の調光用液晶光シャッターを作製する方法であって、場所によって異なる強度あるいはスペクトルをもつ紫外線を照射して前記透明体マトリクスを形成することを特徴とする。
【００１８】
請求項５は、請求項１、２または３記載の調光用液晶光シャッターを作製する方法であって、紫外線光源と当該調光用液晶光シャッターとの間に紫外線を透過する部分と紫外線を遮断する部分を有する１枚のホトマスクを設置し、初めに強度の強い紫外線を照射し、次に前記ホトマスクを取り去って、強度の弱い紫外線を照射して透明体マトリクスを形成することを特徴とする。
【００１９】
請求項６は、請求項１、２または３記載の調光用液晶光シャッターを作製する方法であって、紫外線を透過する部分と紫外線を遮断する部分とを有し、かつ紫外線を透過する位置がホトマスクごとに異なる複数のホトマスクを、１枚ずつ紫外線光源と前記調光用液晶光シャッターの間に介挿し、各ホトマスク毎に強度の異なる紫外線を照射して透明体マトリクスを形成することを特徴とする。
【００２０】
請求項７は、請求項１、２または３記載の調光用液晶光シャッターを作製する方法であって、紫外線光源と前記調光用液晶光シャッターとの間に紫外線の透過波長域が空間的に異なる１枚もしくは複数枚の紫外線用波長フィルターを設置し、複数のスペクトルを有する紫外線を照射して透明体マトリクスを形成することを特徴とする。
【００２１】
請求項８は、請求項１、２または３記載の調光用液晶光シャッターを作製する方法であって、場所によって透明体マトリクスの形成温度を変えて透明体マトリクスを作製することを特徴とする。
【００２２】
場所によって透過率対印加電圧特性と透過光の色温度対印加電圧特性が異なるという特徴を利用すると、一定の照度と色温度を照射面全体に与えることが出来る。すなわち、調光用液晶光シャッターの透明電極にある交流電圧が印加されると、場所ごとに調光用液晶光シャッターの透過率および色温度特性が異なるため、調光用液晶光シャッターを通過した光は、マクロ的に見るとこれらが混合した透過率および色温度特性を持つことになる。これは一種のカクテル光線であり、場所ごとに透過率および色温度特性が異なる本発明の調光用液晶光シャッターは、この調光用液晶光シャッターから離れた遠方では輝度や色温度の異なる光がミックスされ、照射面全体に平均的な照度と色温度を与えることが出来るという特徴を持つ。
【００２３】
さらに、光散乱状態と透明状態とのそれぞれのスペクトル分布をほぼ等しくすることにより、不透明な状態と透明な状態との中間の状態における分布の変化をさらに小さくすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明による調光用液晶光シャッターの実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２５】
調光用液晶光シャッター５は、図２に示すように、場所によって異なる透過率対印加電圧特性と透過光の色温度対印加電圧特性を持つ液晶・高分子複合膜１を、一対の透明基板６，６で狭着することにより構成されている。ただし各透明基板６における液晶・高分子複合膜１と接触する側の表面には透明導電膜２がそれぞれ形成されている。透明導電膜２は、リード線７を通して駆動回路８と接続されている。透明基板６としては、ガラス、プラスチックフイルム（例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ））等があげられる。透明導電膜２としては、透明基板６の表面に、ＩＴＯ（インジウム・チン・オキサイド）やＳｎＯ2 等の導電膜を蒸着法、スパッタリング法あるいは塗布法等で形成したものがあげられる。
【００２６】
場所によって異なる透過率対印加電圧特性と透過光の色温度対印加電圧特性を持つ液晶・高分子複合膜１としては、上記透明導電膜２，２からの電気的入力状態により、光散乱と透明の２段階の光学的状態に切り替えられる種々の液晶・高分子複合膜が使用される。特に図１に示すように、スポンジ状構造を有する透明体マトリクス３からなる担体膜の連続した孔内にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料が充填された構造の複合膜が好適に使用される他、図３に示すように、透明体マトリクス３からなる担体膜中にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料１０が粒状に分散した構造を採用することもできる。これらの構造の液晶・高分子複合膜１は、次に示す幾つかの方法で形成される。
【００２７】
《液晶・高分子複合膜の製造方法》
《重合相分離法、その１（請求項５に対応）》
重合相分離法では、高分子前躯体（プレポリマー）、ネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料および重合開始剤を混合した溶液１１を、図４（ａ）に示すように２枚の透明基板６の透明導電膜２の間に注入する。実際の素子では、２枚の透明基板６の間に溶液１１の流出を防ぐためのシール部が形成されるが、図４ではその記載を省略した。図６、図７、図８、図１０、図１２、図１４、図１５、図１９、図２０においてもシール部の記載を省略した。
【００２８】
次に図５に示すような紫外線を通す多数の小領域１３を持つホトマスク１２を図４（ｂ）に示すように透明基板６の上に置き、初めに強い紫外線１４により前記小領域１３下の溶液を重合および架橋反応させて部分的に液晶・高分子複合膜１を形成する。
【００２９】
次に、図４（ｃ）に示すようにホトマスク１２を取り去り、弱い紫外線１５を全面に照射し、全面において重合および架橋反応させ、高分子とネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料を相分離させることにより、高分子のマトリクス中にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料が分散した液晶、高分子複合膜１を透明導電膜２上の全面に形成し、図２に示す層構成の調光用液晶光シャッター５を構成する。
【００３０】
《重合相分離法、その２（請求項６に対応）》
図６、図７に示す重合相分離法の他の方法では、高分子前躯体、ネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料および重合開始剤を混合した溶液１１を、図６（ａ）に示すように２枚の透明基板６の透明導電膜２の間に注入する。次に図６（ｂ）に示すように透明基板６の上に紫外線を通す多数の小領域を持つ第１のホトマスク１６を置き、第１の紫外線１７により前記小領域下の溶液を重合および架橋反応させ、部分的に液晶・高分子複合膜１を形成する。
【００３１】
次に、図６（ｃ）に示すように前記第１のホトマスク１６を取り去り、前記第１のホトマスク１６の前記小領域の位置と違う位置に紫外線を通す多数の小領域を有する第２のホトマスク１８を置き、前記第１の紫外線１７と異なる強度を持つ第２の紫外線１９により前記小領域下の溶液を重合および架橋反応させ、部分的に液晶・高分子複合膜１を形成する。
【００３２】
さらに、図７（ａ）に示すように第１及び第２のホトマスク１６，１８の小領域の位置と異なる位置に紫外線を通す多数の小領域を有する第３のホトマスク２０を第２のホトマスク１８の代わりに置き、第１および第２の紫外線１７，１９と異なる強度を有する第３の紫外線２１により前記小領域下の溶液を重合および架橋反応させ、部分的に液晶・高分子複合膜１を形成する。
【００３３】
このように次々とホトマスクと紫外線の強度を変えながら前記２枚の透明基板６，６に挟まれた溶液１１に紫外線１７，１９，２１を順次照射して、高分子とネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料を相分離させることにより、図７（ｂ）に示すように高分子マトリクス中にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料が分散した液晶・高分子複合膜１を透明導電膜２上の全面に形成し、図２に示す層構成の調光用液晶光シャッター５を構成する。
【００３４】
《重合相分離法、その３（請求項７に対応）》
重合相分離法の他の方法においては、高分子前躯体、ネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料および重合開始剤を混合した溶液１１を、図８（ａ）に示すように２枚の透明基板６の透明導電膜２の間に注入する。
【００３５】
次に、例えば紫外線透過率対スペクトル特性が異なる２種類の波長フィルター層２２Ａ，２２Ｂを図９に示すように交互に組み合わせた１枚の波長フィルター２２を図８（ｂ）に示すように透明基板６の上に置き、複数のスペクトルを持つ紫外線２３により溶液１１を重合および架橋反応させ、高分子とネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料を相分離させることにより、高分子マトリクス中にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料が分散した液晶・高分子複合膜１を形成し、図２に示す層構成の調光用液晶光シャッター５を構成する。
【００３６】
《重合相分離法、その４（請求項７に対応）》
重合相分離法のさらに他の方法においては、高分子前躯体、ネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料および重合開始剤を混合した溶液１１を、図１０（ａ）に示すように２枚の透明基板６の透明導電膜２の間に注入する。
【００３７】
次に、例えば図１１（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように互いに異なる紫外線透過率対スペクトル特性を有する波長フィルター層２４Ｃ，２５Ｄ，２６Ｅとそれそれ遮光層２４Ｆ，２５Ｆ，２６Ｆをもつ複数枚の波長フィルター２４，２５，２６を図１０（ｂ）に示すように１枚ずつ透明基板６上に置き、複数のスペクトルを持つ紫外線２７で照射することにより溶液１１を重合および架橋反応させ、高分子とネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料を相分離させる。これにより、高分子マトリクス中にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料が分散した液晶・高分子複合膜１を形成し、図２に示す層構成の調光用液晶光シャッター５を構成する。ここでは３枚の波長フィルター２４，２５，２６を用いる例を示したが、波長フィルターの枚数には特に制限はない。
【００３８】
《溶媒蒸発法（請求項８に対応）》
溶媒蒸発法では、図１２（ａ）に示すように高分子と液晶材料とを適当な溶媒に溶解または分散させた塗布液３０を、一方の透明基板６における透明導電膜２が形成された面に塗布する。
【００３９】
次に、図１２（ｂ）に示すようにこの基板６を不均一な温度分布を持つヒーター３１を用いて溶媒３２を蒸発させて、高分子と液晶材料とを相分離させて液晶・高分子複合膜１を形成する。この後、形成されたこの液晶・高分子複合膜１の表面に、もう一方の透明基板６を、透明導電膜２が複合膜と接するように重ね合わせて、図２に示す層構成の調光用液晶光シャッター５を構成する。ここで不均一な温度分布を持つヒーター３１とは、例えば図１３に示すようにピッチが一定の加熱線３１Ａと基板６の間に多数の小穴３１Ｂをもつ赤外線反射板３１Ｃを備えたものである。赤外線反射板３１Ｃの材料としては、アルミニウムが好適である。ヒーター３１の代わりに図１４に示すように、赤外線を通す多数の小領域３５をもつホトマクス３６を通して赤外線３４を塗布液３０に照射して、不均一な温度分布を形成することもできる。
【００４０】
《懸濁法（請求項８に対応）》
懸濁法においては、ポリビニルアルコールなどの親水性高分子とネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料を混合した乳状溶液３７を、図１５（ａ）に示すように一方の透明基板６の透明導電膜２の表面に塗布する。次に図１５（ｂ）に示すように不均一な温度分布を持つヒーター３１で溶液中の水３８を蒸発させて、高分子中に液晶材料を粒状に分散させることで液晶・高分子複合膜１を形成する。この後、形成された液晶・高分子複合膜１の表面に、もう一方の透明基板６を、透明導電膜２が液晶・高分子複合膜１と接するように重ね合わせて、図２に示す層構成の調光用液晶光シャッター５を構成する。不均一な温度分布を形成する方法は、溶媒蒸発法と同じで、その手段は図１３、図１４に示されているものと同様である。
【００４１】
液晶・高分子複合膜の膜厚は、光散乱方式の調光用液晶光シャッターとするために、可視光の波長以上である必要がある。ただし、あまりに厚さが大なるときは、素子の駆動電圧が高くなりすぎるという問題があるため、実際上は１０〜３０μｍ程度が適当である。液晶・高分子複合膜を構成する液晶材料としては、屈折率異方性Δｎ（Δｎ＝ｎe −ｎo ただし、ｎe およびｎo は液晶の異常光屈折率と常光屈折率）および誘電率異方性Δεが大きいものを使用するのが、良好な特性を得る上で好ましい。液晶材料としては、ネマチック液晶、スメクチック液晶、カイラルネマチック液晶等、従来公知の種々の液晶相を示すものが使用できる。カイラルネマチック液晶としては、コレステリック液晶があげられる他、通常のネマチック液晶に、上記コレステリック液晶等のカイラル成分を配合したものも使用できる。また液晶に色彩機能を付与するために、従来公知の各種の二色性色素を配合することもできる。
【００４２】
ただし上記液晶材料としては、高速応答性を有するものを使用するのが好ましい。上記液晶材料とともに液晶・高分子複合膜１を構成する担体膜の材料である透明体マトリクス３としては、主として高分子が使用される。高分子としては、可視光に対する透明性の高いものが好ましく、例えばＰＭＭＡに代表される（メタ）アクリル系高分子や、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂などが好適に使用される。なお透明体マトリクスは高分子に限らず、ガラス等の透明な無機材質、あるいはこれを高分子中に分散したもので構成してもよい。
【００４３】
このような方法で作製された液晶・高分子複合膜１は、従来の液晶・高分子複合膜とは異なる電気光学特性を示す。本発明の液晶・高分子複合膜１と従来の液晶・高分子複合膜の電気光学特性の違いを明確にするため、初めに、従来の液晶・高分子複合膜を試作しその電気光学特性について詳述する。
【００４４】
＜従来の液晶・高分子複合膜の試作例＞
まず、以下に述べる溶媒蒸発法を用いて従来の液晶・高分子複合膜を試作した。
【００４５】
（１）シアノターフェニル系ネマチック液晶（常光屈折率１．５１６、異常光屈折率１．７５０、液晶長軸方向の比誘電率３．６、短軸方向の比誘電率１３．４）を７０重量％、アクリル酸エステル共重合体（屈折率１．４８０、比誘電率７．５）を２５重量％、ポリイソシアネートの架橋剤（５重量％）およびスペーサを混合した。
（２）この混合液をジクロロメタンの溶媒に溶解し、溶質２０％の塗布液を構成した。
（３）透明電極が付いたガラス基板に上記塗布液をスピンコート法で塗布した。
（４）２５℃、１気圧の空気中で溶媒を蒸発させた。
（５）１００℃に加熱して、膜中に残留する溶媒を蒸発させるとともに、アクリル酸エステル共重合体に含まれるヒドロキシエチルメタクリレート末端のＯＨ基とポリイソシアネーチとの橋架反応により、液晶・高分子複合膜を形成した。（６）最後に液晶・高分子複合膜の上に透明電極の付いたガラス基板を乗せ、１ｋｇｆ／ｃｍ2 の圧力で押して、調光用液晶光シャッターを構成した。
【００４６】
試作した従来の液晶・高分子複合膜に、例えば図１６に示すように、正負交番する矩形波状の電圧を透明導電膜２から印加すると、従来の液晶・高分子複合膜は、図１７に示すように波長に応じて異なる透過率対印加電圧特性を示した。その理由が液晶・高分子複合膜の選択散乱にあることは、図１を用いて既に説明した通りである。次に、従来の液晶・高分子複合膜に白色光を入射させると、図１８に示すように従来の液晶・高分子複合膜を透過した光の色温度は、印加電圧に応じて大きく変化した。図１７、図１８から、透過率が急激に変化するときの印加電圧（例えば図１７では２０Ｖ〜４０Ｖ。ここではこの領域の電圧を閾値領域電圧ＶT とよぶことにする）付近で色温度が最小値ＣT を示すことが分かる。
【００４７】
本発明の液晶・高分子複合膜１は、従来の液晶・高分子複合膜が持つ閾値領域電圧ＶT と色温度の最小値ＣT の間の強い相間関係を利用して色温度変化の少ない調光用液晶光シャッター５を構成するものである。即ち、本発明の液晶・高分子複合膜１は、場所によって異なる透過率対印加電圧特性を有しているため、場所ごとに異なる閾値領域電圧ＶT と色温度の最小値ＣT を持つ。図１９、図２０は２種類の透過率対印加電圧特性をもつ本発明の液晶・高分子複合膜１を用いた調光用液晶光シャッター５の概念図である。図１９は本発明の液晶・高分子複合膜１をもつ調光用液晶光シャッター５の概略図であり、２枚の透明基板６に挟まれた液晶・高分子複合膜１が描かれている。透明導電膜２はここでは描かれていないが、調光用液晶光シャッター５の断面図である図２０に示すように、液晶・高分子複合膜１は透明導電膜２によって上下から挟まれている。ここでは、小円部分（形状は円形に限らず任意の形状でよい）とそれ以外の部分に液晶・高分子複合膜を分け、両者の透過率対印加電圧特性が異なっているとする。小円部分の透過率対印加電圧特性を図２１の太い実線で、例えば小円以外の部分の透過率対印加電圧特性を図２１の細い実線でそれぞれ表すと、図１７、図１８に示された前記閾値領域電圧ＶT と色温度の最小値ＣT の関係より、小円部分を通った白色透過光の色温度特性は図２２の太い破線で、また、小円以外の部分を通った白色透過光の色温度特性は図２２の細い破線で、模式的にそれぞれ表される。小円部分を構成する一つひとつの小円が小さければ、遠方では小円部分から出射した光とそれ以外の部分から出射した光はミックスされ、強度および色温度は両者の値が平均化されたものとなる。従って、被写体に照射される照明光の特性は、図２２の実線に示されるように平均的な特性となり、色温度特性は大幅に改善される。
【００４８】
本発明の液晶・高分子複合膜１の応答速度を速めるためには、光散乱状態から透明状態に至る時間（立ち上がり時間）と、透明状態か散乱状態に至る時間（立ち下がり時間）を短縮しなければならない。立ち上がり時間を改善するには、大きな振幅を持った交流電圧を印加すればよい。
【００４９】
一方、立ち下がり時間を短縮するためには、（１）粘性率が小さく、弾性率が大きい液晶材料を用いる、（２）液晶の透明体マトリクスに対する配向規制力を強くする、（３）担体膜を構成する透明体マトリクスの網目のサイズを小さくする、（４）誘電率異方性の符号が駆動電圧の周波数により変化する２周波駆動型液晶を用いる、（５）特開平４−１１９３２０号公報に開示されたようなコレステリック液晶材料を用いる、などの手段が有効である。
【００５０】
また、素子温度が高いほど液晶粘性が小さくなり、立ち上がり時間、立ち下がり時間ともに短くなるので、素子温度を高くして使用するのは有効な方法である。この場合は、調光用液晶光シャッターが正常な動作を保つように、液晶・高分子複合膜１は高い温度で動作する構成とされていることが必要である。そのための構成としては、液晶材料は高い温度でも液晶相であるものを用いることが必要である。この場合の液晶相としては、ネマチック相、コレステリック相が応答時間の点からは好適である。スメクチック相は応答時間は上記の２相よりも一般的に遅いが、メモリー性があるので、用途によってはスメクチック相でもよい。
【００５１】
液晶の屈折率異方性や誘電率異方性、粘性、弾性定数、コレステリック相におけるピッチ長等の物性は、一般に温度により変動することが多いので、高温で適当な物性を発現し、かつ透明体マトリクスの屈折率等の変動を考慮して用いるのがよい。また、透明体マトリクスはガラス等の耐熱性のある無機材質を使用するか、または高分子材料を用いる場合は、軟化温度が１００℃以上、好ましくは１５０℃以上のできる限り高いものを使用するか、または架橋された高分子材料を用いることが有効である（請求項２）。
【００５２】
光散乱状態と透明状態とのそれぞれの分布をほぼ等しくするためには、液晶・高分子複合膜中の液晶の分散状態を制御することが適当である。透明状態のスペクトルは、一般に白色に近いスペクトルとなる。無電圧状態あるいは低い電圧値を印加したときには複合膜は光散乱状態となるが、この光散乱は液晶が充填されている液晶の分散状態すなわち連続孔あるいは粒の形状と大きさにより変化する。例えば、粒あるいは孔の大きさが均一な場合には、ある光波長を特に強く散乱する選択散乱現象がみられることがあり、非散乱光の白色性を損なうため、好ましくない。従って、図１９の小円部分およびそれ以外の部分においては適度に粒あるいは孔の構造が不均一であるか、可視光の波長域で選択散乱が生じないような粒あるいは孔の大きさにすることが好ましいと考えられる。
【００５３】
連続孔あるいは粒の形状は作製時の条件により制御される。例えば、実施例に示す蒸発相分離法においては溶媒蒸発速度により孔の大きさや形状を制御することができるので、温度、気圧・溶媒の種類・塗布液の配合組成比率等を最適化することで、光散乱状態と透明状態とのそれぞれの分布をほぼ等しくすることが可能である。この最適化の方法は複合膜の製法に応じて適当に選ぶことができる（請求項３）。
【００５４】
上記本発明の液晶・高分子複合膜１によれば、透過光の分布をほぼ一定に維持しつつ、調光用液晶光シャッター５の光の透過率を連続的に制御することができる。したがって、本発明の調光用液晶光シャッター５を、例えば調光窓や表示装置等に用いれば、中間の透過率の状態での色ずれがなく、しかも、調光窓の場合にはその透過率を、表示装置の場合には表示の濃さを、それぞれ連続的かつ自在に調整できるという、従来にない顕著な作用効果が得られる。
【００５５】
また上記調光用液晶光シャッターを照明装置に組み込めば、投射光のスペクトルを変えることなく、投射光量を連続的かつ自在に制御できるので、各種のイルミネーション、室内照明、テレビジョン撮影や映画撮影や写真撮影用の照明、あるいは投射型テレビジョン受像機、映写機、スライド映写機等における、調光機能付きの照明装置として利用できる。
【００５６】
【実施例】
＜本発明の調光用液晶光シャッターの作製＞
一例として、前述した重合相分離法を用いて本発明の液晶・高分子複合膜を試作した。液晶材料としてシアノターフェニル組成物を含むネマチック混合液晶（常光屈折率ｎ0 ＝１．５２７、異常光屈折率ｎe ＝１．８０７、液晶分子の短軸方向の比誘電率ε⊥=６．１、液晶分子の長軸方向の比誘電率ε‖＝２３．４）を使用し、高分子材料として、紫外線硬化性高分子前躯体（ノーランドプロダクツ社ＮＯＡ−６５硬化後の屈折率ｎp ＝１．５２４、比誘電率４．１）を用いた。このネマチック液晶と高分子前躯体の混合液（配合比１：１）をバイノーダル温度（約６０℃）まで加熱して３時間以上攪拌し、均質な透明液体とした。
【００５７】
この液体に１０μｍのスペーサを適量入れ、透明電極付きの２枚のガラス基板の間に挿入して陽圧の空気で２枚のガラス基板に均一な圧力を加え、２枚の基板に挟まれた混合液体の厚さを１０μｍ±０．５μｍに保持した。さらに、ガラス基板の上に紫外線を透過する多数の小領域（直径３ｍｍ、小穴の総面積はホトマスク全面積の５０％）を持つホトマスクを乗せて強度４０ｍＷ／ｃｍ2 の紫外線（波長３６５ｎｍ）を照射した。次に、ホトマスクを取り去り、強度１０ｍＷ／ｃｍ2 の紫外線を照射して、前記ホトマスクで隠されていた部分の相分離を行った。なお、透明電極にはＩＴＯ薄膜（Ｉｎ2 Ｏ3 ：Ｓｎ、厚さ５０ｎｍ）を用いた。このような方法で試作された調光用液晶光シャッターの有効面積は５０ｍｍ×５０ｍｍ、液晶・高分子複合膜の厚さは１０μｍである。
【００５８】
＜比較例の試作＞
比較のため上記の本発明の液晶・高分子複合膜と同じ材料、配合比、プロセス条件を用いて２種類の従来の液晶・高分子複合膜を試作した。ただし、これらの従来の液晶・高分子複合膜の試作にはホトマスクを用いずに、第１比較例の従来の液晶・高分子複合膜には強度４０ｍＷ／ｃｍ2 の紫外線（波長３６５ｎｍ）を、また第２比較例の従来の液晶・高分子複合膜には強度１０ｍＷ／ｃｍ2 の紫外線（波長３６５ｎｍ）をそれぞれ素子全面に照射した。本発明の液晶・高分子複合膜では、強度４０ｍＷ／ｃｍ2 の紫外線（波長３６５ｎｍ）と強度１０ｍＷ／ｃｍ2 の紫外線（波長３６５ｎｍ）が選択的に照射されており、従来の液晶・高分子複合膜と本発明の液晶・高分子複合膜では、紫外線が一様に照射されるか強度の異なる紫外線が選択的に照射されるかだけが異なる。
【００５９】
＜実施例の動作＞
次に本実施例の調光用液晶光シャッターの評価系と評価結果を図面を用いて説明する。
【００６０】
図２３に評価系を示す。白色光源４０は常に最適な電圧で点灯され、白色光源４０から放射された無偏光の白色光（４００ｎｍ〜７８０ｎｍ）４１は、レンズ４２を通り本発明の液晶・高分子複合膜１からなる調光用液晶光シャッター５かあるいは従来の液晶・高分子複合膜からなる調光用液晶光シャッターで強度変調される。調光用液晶光シャッターから１ｍ離れた所に照度計あるいは色彩色度計４３を設置して、照度および色度と調光用液晶光シャッターの駆動電圧との関係を測定した。
【００６１】
図２３の構成による本発明の調光用液晶光シャッター５の白色光変調実験結果を図２４に示す。図２４の実線は規格化された照度と調光用液晶光シャッターの駆動電圧の関係であり、破線は照射光の色温度と駆動電圧との関係を示す。
【００６２】
図２５および図２６は、図２３の構成による従来の調光用液晶光シャッターの白色光変調実験結果である。図２５は、強度４０ｍＷ／ｃｍ2 の紫外線（波長３６５ｎｍ）で作製した第１比較例の実験結果であり、図２６は強度１０ｍＷ／ｃｍ2 の紫外線（波長３６５ｎｍ）で作製した第２比較例の実験結果である。
【００６３】
図２４、図２５、図２６を比べると、図２４の規格化された照度対駆動電圧特性は、図２５、図２６に示す第１比較例と第２比較例の規格化された照度対駆動電圧特性よりも勾配の緩やかな特性となり、その閾値は第１比較例と第２比較例の閾値のほぼ中間値を示すことが分かった。一方、図２４の色温度特性の最小値は図２４および図２５の色温度の最小値よりも高くなり、駆動電圧の変化に対する色温度変化も、図２４では図２５、図２６よりも大幅に小さくなることが分かった。また、本発明の調光用液晶光シャッターから１ｍ離れた所では、空間的な色ムラは検出されず、一様な色温度分布が得られた。以上の結果より、本発明の調光用液晶光シャッターを用いると、従来の調光用液晶光シャッターの色温度特性を大幅に改善できると結論することが出来る。
【００６４】
上記調光用液晶光シャッターの一対の透明導電膜に１００Ｖのステップ電圧を印加したときに、その透過率が飽和透過率の９０％に到達するまでの時間を、光散乱状態→透明状態の応答時間τon、逆に印加電圧を０Ｖにしたときに、その透過率が飽和透過率の１０％に減衰するまでの時間を、透明状態→光散乱状態の応答時間τoff として、それぞれ測定したところ、τon＝２ｍsec.、τoff ＝４ｍsec.であった。
【００６５】
さらにこの調光用液晶光シャッターの応答性の変化を調べたところ、１０００時間経過しても印加電圧０Ｖの時の透過率と、印加電圧１００Ｖの時の透過率に変化はみられず、応答性を有し続けることがわかった。
【００６６】
上記実施例では、強度の異なる２つの紫外線を照射したが、上記と違う強度の紫外線を用いれば、色温度特性をさらに改善することが出来る。１０ｍＷ／ｃｍ2 よりも強度の弱い第３の紫外線（波長３６５ｎｍ）を加えて３回の紫外線照射で液晶と高分子の相分離を行う場合を例に取り、安定的にその効果を説明する。ここでは、第１、第２、第３の紫外線は複数枚の紫外線を通す多数の小領域を有するホトマスクによってそれぞれ別の場所を離散的に照射し、各紫外線の照射する面積は、それぞれ素子全面の１／３であるとする。第１および第２の紫外線による照射光強度対駆動電圧の関係および色温度対駆動電圧の関係は、試作素子による実測から図２７に示す曲線▲１▼、▲２▼および図２８に示す曲線▲１▼、▲２▼（いずれも図２５、図２６の再掲）で与えられる。一方、第３の紫外線による照射光強度対駆動電圧特性は、第３の紫外線の強度が第２の紫外線の強度より弱いことから、例えば、図２７に示すように、曲線▲２▼よりも閾値の小さい曲線▲３▼で与えられる。曲線▲３▼は、実験によって得たものでなく、実験結果である図２４に示す曲線▲１▼、▲２▼から推定したものである。このとき、閾値近傍で色温度が最小になるという実験結果（図１５、図１６）より、例えば、色温度対駆動電圧特性は図２５に示すように曲線▲３▼で与えられる。この曲線▲３▼も、実験によって得られたものでなく、実験結果である図２８の曲線▲１▼、▲２▼から推定したものである。この調光用液晶光シャッターから離れた所（ホトマスクの紫外線を通す小領域のサイズが数ｍｍならば１ｍ以上）では、その光変調性は、図２７および図２８の曲線▲１▼、▲２▼、▲３▼の特性を平均した特性、即ち図２７、図２８の破線で表される。従って、第３の紫外線を加えると、色温度特性はさらに改善されることになる。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の調光用液晶光シャッターによれば、従来の調光用液晶光シャッターに比べて色温度の変化を小さく抑えながら照射光の強度を連続的に制御することが可能となる。
【００６８】
また、本発明の調光用液晶光シャッターを、例えば調光窓や表示装置等に採用すれば、中間の透過率の状態での色ずれがなく、しかも、調光窓の場合にはその透過率を、表示装置の場合には表示の濃さを、それぞれ連続的かつ自在に調整できる。さらに、上記調光用液晶光シャッターを照明装置に組み込めば、投射光のを変えることなく、投射光量を連続的かつ自在に制御できる。
【００６９】
したがって、本発明の調光用液晶光シャッターは、各種イルミネーション、室内照明、テレビジョン撮影や映画撮影や写真撮影用の照明、あるいは投射型テレビジョン受像機、映写機、スライド映写機等における調光機能付きの照明装置として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】液晶・高分子複合膜の変調動作原理を概略的に示す説明図である。
【図２】本発明の液晶・高分子複合膜を用いた調光用液晶光シャッターの層構成の一例を示す断面図である。
【図３】図２に示す調光用液晶光シャッターにおける液晶・高分子複合膜の部分を拡大した断面図である。
【図４】重合相分離法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製する手順を示す説明図である。
【図５】重合相分離法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製するときに用いるホトマスクの外観を示す構成図である。
【図６】重合相分離法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製する他の手順を示す説明図である。
【図７】重合相分離法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製する他の手順を示す説明図である。
【図８】重合相分離法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製する他の手順を示す説明図である。
【図９】重合相分離法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製するときに用いる他のホトマスクの外観を示す構成図である。
【図１０】重合相分離法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製する他の手順を示す説明図である。
【図１１】重合相分離法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製するときに用いる他のホトマスクの外観を示す構成図である。
【図１２】溶媒蒸発法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製する手順を示す説明図である。
【図１３】溶媒蒸発法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製するときに用いるヒーターの外観を示す説明図である。
【図１４】溶媒蒸発法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製するときに用いるヒーター以外の加熱手段の外観を示す説明図である。
【図１５】懸濁法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製する手順を示す説明図である。
【図１６】両極性パルス電圧の波形を示す説明図である。
【図１７】従来の液晶・高分子複合膜を用いた調光用液晶光シャッターにおける、印加電圧と各波長の光の透過率との関係を示すグラフ。
【図１８】従来の液晶・高分子複合膜を用いた調光用液晶光シャッターに白色光を入射したときの、透過光の色温度と印加電圧との関係を示すグラフ。
【図１９】本発明の調光用液晶光シャッターの液晶・高分子複合膜の不均一性を示す概略図である。
【図２０】本発明の液晶・高分子複合膜を用いた調光用液晶光シャッターにおける層構成の一例を示す断面図である。
【図２１】本発明の調光用液晶光シャッターの構成要素である液晶・高分子複合膜の小円部分（強い紫外線で形成された液晶・高分子複合膜）と非小円部分（弱い紫外線で形成された液晶・高分子複合膜）の透過率と印加電圧の関係を示す説明図である。
【図２２】本発明の調光用液晶光シャッターの構成要素である液晶・高分子複合膜の小円部分（強い紫外線で形成された液晶・高分子複合膜）と非小円部分（弱い紫外線で形成された液晶・高分子複合膜）に白色光を照射したときの両部分における透過光の色温度と印加電圧の関係を示す説明図である。
【図２３】本発明の調光用液晶光シャッターおよび従来の調光用液晶光シャッターの性能を比較する測定系を示す説明図である。
【図２４】本発明の調光用液晶光シャッターの照度対印加電圧特性および透過光の色温度対印加電圧特性を示す説明図である。
【図２５】従来の調光用液晶光シャッター（第１比較例）の照度対印加電圧特性および透過光の色温度対印加電圧特性を示す説明図である。
【図２６】従来の調光用液晶光シャッター（第２比較例）照度対印加電圧特性および透過光の色温度対印加電圧特性を示す説明図である。
【図２７】強度の異なる３種類の紫外線を照射した場合の本発明の調光用液晶光シャッターの照度対印加電圧特性を示す定性的な説明図である。
【図２８】強度の異なる３種類の紫外線を照射した場合の本発明の調光用液晶光シャッターの透過光の色温度対印加電圧特性を示す定性的な説明図である。
【符号の説明】
１：液晶・高分子複合膜
２：透明導電膜
３：透明体マトリクス（高分子）
４：液晶
５：液晶光シャッター
６：透明基板
７：リード線
８：駆動回路
１１：高分子前躯体（プレポリマー）、ネマチック液晶、コレテリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料および重合開始剤を混合した溶液
１２：紫外線を通す多数の小領域１３を持つホトマスク
１３：紫外線を通す小領域
１４：強度の強い紫外線
１５：強度の弱い紫外線
１６：紫外線を通す多数の小領域をもつ第１のホトマスク
１７：第１の紫外線
１８：第１のホトマスク１６の紫外線を通す小領域の位置と違う位置に紫外線を通す多数の小領域を有する第２のホトマスク
１９：第１の紫外線１７と異なる強度を持つ第２の紫外線
２０：第１及び第２のホトマスク１６，１８の紫外線を通す小領域の位置と異なる位置に紫外線を通す多数の小領域を有する第３のホトマスク
２１：第１および第２の紫外線１７，１９と異なる強度を有する第３の紫外線２２：異なる紫外線透過率対スペクトル特性を持つ２種類の波長フィルター２２Ａ，２２Ｂを交互に組み合わせた１枚の波長フィルター
２２Ａ：２２Ｂと異なる紫外線透過率対スペクトル特性を持つ波長フィルター層
２２Ｂ：２２Ａと異なる紫外線透過率対スペクトル特性を持つ波長フィルター層
２３：複数のスペクトルを持つ紫外線
２４：波長フィルター層２５Ｄ，２６Ｅと異なる紫外線透過率対スペクトル特性を有する波長フィルター層２４Ｃと遮光層２４Ｆをもつ波長フィルター
２５：波長フィルター層２４Ｃ，２６Ｅと異なる紫外線透過率対スペクトル特性を有する波長フィルター層２５Ｄと遮光層２５Ｆをもつ波長フィルター
２６：波長フィルター層２４Ｃ，２５Ｄと異なる紫外線透過率対スペクトル特性を有する波長フィルター２６Ｅと遮光層２６Ｆをもつ波長フィルター
２７：複数のスペクトルを持つ紫外線
３０：高分子と液晶材料とを適当な溶媒に溶解または分散させた塗布液
３１：不均一な温度分布を持つヒーター
３２：溶媒
３４：赤外線
３５：赤外線を通す多数の小領域
３６：赤外線を通す多数の小領域３５を持つホトマスク
３７：ポリビニルアルコールなどの親水性高分子とネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料を混合した乳状溶液
３８：水
Ｖ2：両極性パルス電極の振幅値
ＶT ：閾値領域電圧
ＣT ：色温度の最小値
４０：白色光源
４１：白色光
４２：レンズ
４３：照度計（または色彩色度計）
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種イルミネーション、室内照明、テレビジョン撮影や映画撮影や写真撮影用等の証明に用いられる調光用液晶光シャッターとその作製方法に関するものである。
【０００２】
［発明の概要］
本発明は透過光のスペクトル変動を低減し、光の透過率を連続的に制御する液晶光シャッターと、その作製方法とを提供するものである。本発明の液晶光シャッターは、２枚の透明電極付き透明基板の間にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料と高分子からなる液晶・高分子複合膜を挿入した構成を有し、かつ、この液晶・高分子複合膜は、その透過光の色温度の印加電圧依存性が空間的に均一でなく、場所によって異なる光変調特性を持つ。この液晶・高分子複合膜は、場所によって強度あるいはスペクトルの異なる紫外線を照射する、あるいは場所によって液晶・高分子複合膜の作製温度を変えることによって作製される。
【０００３】
【従来の技術】
捻れネマチック液晶（ＴＮ）、超捻れネマチック液晶（ＳＴＮ）、強誘電性液晶（ＦＬＣ）等を用いた従来の液晶光シャッターは偏光子を必要とする。ところが、当該偏光子によるロスは５０％以上もあるため、光利用率を上げるのが困難である。また、上記各液晶を用いた液晶光シャッターを大光量の光源を用いる照明装置の調光用液晶光シャッターとして使用した場合には、偏光子の吸光による発熱が避けられないという問題がある。
【０００４】
これに対し、３次元網目状構造を有する透明体マトリクスからなる担体膜の連続した孔内にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材が充填された液晶・高分子複合膜、あるいは、透明体マトリクスからなる担体膜中にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料が粒状に分散した構造の液晶・高分子複合膜を、一対の透明導電膜を有する透明基板で狭着した調光用液晶光シャッターは、偏光子を必要としないため、上記の問題を解決することができる。
【０００５】
上記調光用液晶光シャッターにおいては、無電圧時には、液晶分子が、当該液晶分子と透明マトリクスとの界面の形状的な規制（界面作用）を受けてランダムな状態にあるため、入射光が散乱されて、液晶・高分子複合膜は不透明な状態になっている。そして、液晶・高分子複合膜を挟んだ一対の透明導電膜に電圧（通常は２００Ｈｚ程度の矩形波または正弦波）が印加されると、その印加電圧の大きさに応じて、正の誘電率異方性（Δε）をもつ液晶分子が電場方向に配向し、配向の乱れが徐々に解消されて光の透過率が上昇し、最終的には透明な状態に至るという電気光学効果を示す。なおここでいう透過率とは、調光用液晶光シャッターに入射する光量に対する、光シャッターを透過して出射し、被写体を照射する光量の割合を示し、特にコリメートした平行光線を調光用液晶光シャッターに入射したときのある角度範囲内に拡散した光の出射光量の割合で表す。この角度は、調光用液晶光シャッターの使用状況に応じて決めればよい。ここではその角度範囲内に透過する光のことを非散乱光とする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の液晶・高分子複合膜を用いた調光用液晶光シャッターには、印加電圧の状態により透過光のスペクトルが変化し、特に曇りガラスのような散乱状態（印加電圧がゼロの状態）とガラスのように透明な状態（透過率が飽和する電圧を印加した状態）の中間の状態において、透過光のスペクトルが大きく変動するという問題がある。
【０００７】
言い換えると、従来の液晶・高分子複合膜を用いた調光用液晶光シャッターでは、各波長の光の透過率と印加電圧との関係が一定でなく、同一電圧における透過率が波長によって大きくばらつき、特に長波長側の光の透過率が短波長側の光の透過率より大きくなって、透過光のスペクトルが長波長側に大きくずれてしまう。即ち、印加電圧に応じて各波長の透過率の割合が変化するので、印加電圧の変化に伴って、透過光の色調が変化してしまうのである。
【０００８】
このため、上記従来の調光用液晶光シャッターを調光素子として使用した場合には、短波長側が優勢な光や、波長依存性のない（つまり白色の）光が得られない他、光の色調を一定にできないという問題がある。したがって、上記調光用液晶光シャッターは、不透明な状態と透明な状態との２段階の切り替えによる表示等には既に実用されているが、ＴＶや映画照明など、光の透過率を連続的に調整する調光装置には、利用可能性が期待されながらも、未だ実用化されていないのが現状である。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、透過光のスペクトル変動を低減し、光の透過率を連続的に制御する液晶光シャッターと、その作製方法とを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者の考察によれば、印加電圧に応じて各波長の透過率の割合が変化するので、印加電圧の変化に伴って、透過光の色調が変化してしまう現象は、液晶・高分子複合膜の動作機構に起因することが分かった。以下に上記現象の物理的考察を記述する。
【００１１】
液晶・高分子複合膜に交流電圧が印加されない場合、液晶・高分子複合膜１の断面図である図１（ａ）が示すように、高分子である透明体マトリクス３の３次元的なネットワークの孔内に充填された液晶４の分子は、高分子壁面と液晶の界面作用により様々な方向に配列する。この初期配向状態の液晶・高分子複合膜に白色光が入射すると、高分子である透明体マトリクス３の屈折率と液晶４の異常光屈折率は大きく異なるため、光はドメインの境界や透明体マトリクス３と液晶４の境界で屈曲、反射され、これを繰り返すことにより強く散乱される。
【００１２】
次に、液晶・高分子複合膜１を挟む２つの透明導電膜２の印加電圧を徐々に増加すると、図１（ｂ）に示すように、高分子壁面から遠い液晶分子から電界方向に配列し、ネマチック液晶は、その内部に新たなドメイン構造を有するようになる。このドメインが印加電圧の増加と共に増大すると、新たに形成されたドメインや高分子壁面に触れている３次元ネットワーク状の液晶層に選択散乱が生じ、赤色光が透過されやすくなる。図１（ｃ）のように十分大きな電圧が液晶・高分子複合膜１に印加された場合は、高分子壁面に触れている僅かな領域を除いて全ての液晶分子が印加電界方向に配列するため、白色光は散乱されずに透過する。
【００１３】
以上の考察から、液晶・高分子複合膜を用いた光シャッターの透過光の色温度低下は本質的なものであることが分かった。すなわち、調光用液晶光シャッターに電圧を印加すると、前述したように、液晶分子が電場方向に配向するが、不透明な状態と透明な状態との中間の状態では電界強度が十分でないので、高分子壁面から離れた液晶分子の配向が変化する。このため、主として短波長光が散乱されて、その透過率が、長波長光の透過率よりも低くなり、透過光は長波長側が優勢なスペクトルを示すものとなる。
【００１４】
以上の考察に基づく本発明は以下の構成を採用する。請求項１の調光用液晶光シャッターは、３次元網目状構造を有する透明体マトリクスからなる担体膜の連続した孔内にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料が充填された液晶・高分子複合膜、あるいは、透明体マトリクスからなる担体膜中にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料が粒状に分散した構造の液晶・高分子複合膜を、少なくとも一方の基板が透明導電膜を有する透明基板である一対の導電膜を有する基板間に狭着した液晶光シャッターにおいて、前記液晶・高分子複合膜が、場所によって異なる透過率対印加電圧特性と透過光の色温度対印加電圧特性とを備えて成ることを特徴とする。
【００１５】
請求項２は、請求項１記載の調光用液晶光シャッターにおいて、前記透明体マトリクスが、架橋された構造の高分子材料であることを特徴とする。
【００１６】
請求項３は、請求項１または２記載の調光用液晶光シャッターにおいて、前記液晶・高分子複合膜は、光散乱状態と透明状態とのそれぞれのスペクトル分布がほぼ等しくなるように構成されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項４は、請求項１、２または３記載の調光用液晶光シャッターを作製する方法であって、場所によって異なる強度あるいはスペクトルをもつ紫外線を照射して前記透明体マトリクスを形成することを特徴とする。
【００１８】
請求項５は、請求項１、２または３記載の調光用液晶光シャッターを作製する方法であって、紫外線光源と当該調光用液晶光シャッターとの間に紫外線を透過する部分と紫外線を遮断する部分を有する１枚のホトマスクを設置し、初めに強度の強い紫外線を照射し、次に前記ホトマスクを取り去って、強度の弱い紫外線を照射して透明体マトリクスを形成することを特徴とする。
【００１９】
請求項６は、請求項１、２または３記載の調光用液晶光シャッターを作製する方法であって、紫外線を透過する部分と紫外線を遮断する部分とを有し、かつ紫外線を透過する位置がホトマスクごとに異なる複数のホトマスクを、１枚ずつ紫外線光源と前記調光用液晶光シャッターの間に介挿し、各ホトマスク毎に強度の異なる紫外線を照射して透明体マトリクスを形成することを特徴とする。
【００２０】
請求項７は、請求項１、２または３記載の調光用液晶光シャッターを作製する方法であって、紫外線光源と前記調光用液晶光シャッターとの間に紫外線の透過波長域が空間的に異なる１枚もしくは複数枚の紫外線用波長フィルターを設置し、複数のスペクトルを有する紫外線を照射して透明体マトリクスを形成することを特徴とする。
【００２１】
請求項８は、請求項１、２または３記載の調光用液晶光シャッターを作製する方法であって、場所によって透明体マトリクスの形成温度を変えて透明体マトリクスを作製することを特徴とする。
【００２２】
場所によって透過率対印加電圧特性と透過光の色温度対印加電圧特性が異なるという特徴を利用すると、一定の照度と色温度を照射面全体に与えることが出来る。すなわち、調光用液晶光シャッターの透明電極にある交流電圧が印加されると、場所ごとに調光用液晶光シャッターの透過率および色温度特性が異なるため、調光用液晶光シャッターを通過した光は、マクロ的に見るとこれらが混合した透過率および色温度特性を持つことになる。これは一種のカクテル光線であり、場所ごとに透過率および色温度特性が異なる本発明の調光用液晶光シャッターは、この調光用液晶光シャッターから離れた遠方では輝度や色温度の異なる光がミックスされ、照射面全体に平均的な照度と色温度を与えることが出来るという特徴を持つ。
【００２３】
さらに、光散乱状態と透明状態とのそれぞれのスペクトル分布をほぼ等しくすることにより、不透明な状態と透明な状態との中間の状態における分布の変化をさらに小さくすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明による調光用液晶光シャッターの実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２５】
調光用液晶光シャッター５は、図２に示すように、場所によって異なる透過率対印加電圧特性と透過光の色温度対印加電圧特性を持つ液晶・高分子複合膜１を、一対の透明基板６，６で狭着することにより構成されている。ただし各透明基板６における液晶・高分子複合膜１と接触する側の表面には透明導電膜２がそれぞれ形成されている。透明導電膜２は、リード線７を通して駆動回路８と接続されている。透明基板６としては、ガラス、プラスチックフイルム（例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ））等があげられる。透明導電膜２としては、透明基板６の表面に、ＩＴＯ（インジウム・チン・オキサイド）やＳｎＯ2 等の導電膜を蒸着法、スパッタリング法あるいは塗布法等で形成したものがあげられる。
【００２６】
場所によって異なる透過率対印加電圧特性と透過光の色温度対印加電圧特性を持つ液晶・高分子複合膜１としては、上記透明導電膜２，２からの電気的入力状態により、光散乱と透明の２段階の光学的状態に切り替えられる種々の液晶・高分子複合膜が使用される。特に図１に示すように、スポンジ状構造を有する透明体マトリクス３からなる担体膜の連続した孔内にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料が充填された構造の複合膜が好適に使用される他、図３に示すように、透明体マトリクス３からなる担体膜中にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料１０が粒状に分散した構造を採用することもできる。これらの構造の液晶・高分子複合膜１は、次に示す幾つかの方法で形成される。
【００２７】
《液晶・高分子複合膜の製造方法》
《重合相分離法、その１（請求項５に対応）》
重合相分離法では、高分子前躯体（プレポリマー）、ネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料および重合開始剤を混合した溶液１１を、図４（ａ）に示すように２枚の透明基板６の透明導電膜２の間に注入する。実際の素子では、２枚の透明基板６の間に溶液１１の流出を防ぐためのシール部が形成されるが、図４ではその記載を省略した。図６、図７、図８、図１０、図１２、図１４、図１５、図１９、図２０においてもシール部の記載を省略した。
【００２８】
次に図５に示すような紫外線を通す多数の小領域１３を持つホトマスク１２を図４（ｂ）に示すように透明基板６の上に置き、初めに強い紫外線１４により前記小領域１３下の溶液を重合および架橋反応させて部分的に液晶・高分子複合膜１を形成する。
【００２９】
次に、図４（ｃ）に示すようにホトマスク１２を取り去り、弱い紫外線１５を全面に照射し、全面において重合および架橋反応させ、高分子とネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料を相分離させることにより、高分子のマトリクス中にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料が分散した液晶、高分子複合膜１を透明導電膜２上の全面に形成し、図２に示す層構成の調光用液晶光シャッター５を構成する。
【００３０】
《重合相分離法、その２（請求項６に対応）》
図６、図７に示す重合相分離法の他の方法では、高分子前躯体、ネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料および重合開始剤を混合した溶液１１を、図６（ａ）に示すように２枚の透明基板６の透明導電膜２の間に注入する。次に図６（ｂ）に示すように透明基板６の上に紫外線を通す多数の小領域を持つ第１のホトマスク１６を置き、第１の紫外線１７により前記小領域下の溶液を重合および架橋反応させ、部分的に液晶・高分子複合膜１を形成する。
【００３１】
次に、図６（ｃ）に示すように前記第１のホトマスク１６を取り去り、前記第１のホトマスク１６の前記小領域の位置と違う位置に紫外線を通す多数の小領域を有する第２のホトマスク１８を置き、前記第１の紫外線１７と異なる強度を持つ第２の紫外線１９により前記小領域下の溶液を重合および架橋反応させ、部分的に液晶・高分子複合膜１を形成する。
【００３２】
さらに、図７（ａ）に示すように第１及び第２のホトマスク１６，１８の小領域の位置と異なる位置に紫外線を通す多数の小領域を有する第３のホトマスク２０を第２のホトマスク１８の代わりに置き、第１および第２の紫外線１７，１９と異なる強度を有する第３の紫外線２１により前記小領域下の溶液を重合および架橋反応させ、部分的に液晶・高分子複合膜１を形成する。
【００３３】
このように次々とホトマスクと紫外線の強度を変えながら前記２枚の透明基板６，６に挟まれた溶液１１に紫外線１７，１９，２１を順次照射して、高分子とネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料を相分離させることにより、図７（ｂ）に示すように高分子マトリクス中にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料が分散した液晶・高分子複合膜１を透明導電膜２上の全面に形成し、図２に示す層構成の調光用液晶光シャッター５を構成する。
【００３４】
《重合相分離法、その３（請求項７に対応）》
重合相分離法の他の方法においては、高分子前躯体、ネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料および重合開始剤を混合した溶液１１を、図８（ａ）に示すように２枚の透明基板６の透明導電膜２の間に注入する。
【００３５】
次に、例えば紫外線透過率対スペクトル特性が異なる２種類の波長フィルター層２２Ａ，２２Ｂを図９に示すように交互に組み合わせた１枚の波長フィルター２２を図８（ｂ）に示すように透明基板６の上に置き、複数のスペクトルを持つ紫外線２３により溶液１１を重合および架橋反応させ、高分子とネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料を相分離させることにより、高分子マトリクス中にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料が分散した液晶・高分子複合膜１を形成し、図２に示す層構成の調光用液晶光シャッター５を構成する。
【００３６】
《重合相分離法、その４（請求項７に対応）》
重合相分離法のさらに他の方法においては、高分子前躯体、ネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料および重合開始剤を混合した溶液１１を、図１０（ａ）に示すように２枚の透明基板６の透明導電膜２の間に注入する。
【００３７】
次に、例えば図１１（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように互いに異なる紫外線透過率対スペクトル特性を有する波長フィルター層２４Ｃ，２５Ｄ，２６Ｅとそれそれ遮光層２４Ｆ，２５Ｆ，２６Ｆをもつ複数枚の波長フィルター２４，２５，２６を図１０（ｂ）に示すように１枚ずつ透明基板６上に置き、複数のスペクトルを持つ紫外線２７で照射することにより溶液１１を重合および架橋反応させ、高分子とネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料を相分離させる。これにより、高分子マトリクス中にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料が分散した液晶・高分子複合膜１を形成し、図２に示す層構成の調光用液晶光シャッター５を構成する。ここでは３枚の波長フィルター２４，２５，２６を用いる例を示したが、波長フィルターの枚数には特に制限はない。
【００３８】
《溶媒蒸発法（請求項８に対応）》
溶媒蒸発法では、図１２（ａ）に示すように高分子と液晶材料とを適当な溶媒に溶解または分散させた塗布液３０を、一方の透明基板６における透明導電膜２が形成された面に塗布する。
【００３９】
次に、図１２（ｂ）に示すようにこの基板６を不均一な温度分布を持つヒーター３１を用いて溶媒３２を蒸発させて、高分子と液晶材料とを相分離させて液晶・高分子複合膜１を形成する。この後、形成されたこの液晶・高分子複合膜１の表面に、もう一方の透明基板６を、透明導電膜２が複合膜と接するように重ね合わせて、図２に示す層構成の調光用液晶光シャッター５を構成する。ここで不均一な温度分布を持つヒーター３１とは、例えば図１３に示すようにピッチが一定の加熱線３１Ａと基板６の間に多数の小穴３１Ｂをもつ赤外線反射板３１Ｃを備えたものである。赤外線反射板３１Ｃの材料としては、アルミニウムが好適である。ヒーター３１の代わりに図１４に示すように、赤外線を通す多数の小領域３５をもつホトマクス３６を通して赤外線３４を塗布液３０に照射して、不均一な温度分布を形成することもできる。
【００４０】
《懸濁法（請求項８に対応）》
懸濁法においては、ポリビニルアルコールなどの親水性高分子とネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料を混合した乳状溶液３７を、図１５（ａ）に示すように一方の透明基板６の透明導電膜２の表面に塗布する。次に図１５（ｂ）に示すように不均一な温度分布を持つヒーター３１で溶液中の水３８を蒸発させて、高分子中に液晶材料を粒状に分散させることで液晶・高分子複合膜１を形成する。この後、形成された液晶・高分子複合膜１の表面に、もう一方の透明基板６を、透明導電膜２が液晶・高分子複合膜１と接するように重ね合わせて、図２に示す層構成の調光用液晶光シャッター５を構成する。不均一な温度分布を形成する方法は、溶媒蒸発法と同じで、その手段は図１３、図１４に示されているものと同様である。
【００４１】
液晶・高分子複合膜の膜厚は、光散乱方式の調光用液晶光シャッターとするために、可視光の波長以上である必要がある。ただし、あまりに厚さが大なるときは、素子の駆動電圧が高くなりすぎるという問題があるため、実際上は１０〜３０μｍ程度が適当である。液晶・高分子複合膜を構成する液晶材料としては、屈折率異方性Δｎ（Δｎ＝ｎe −ｎo ただし、ｎe およびｎo は液晶の異常光屈折率と常光屈折率）および誘電率異方性Δεが大きいものを使用するのが、良好な特性を得る上で好ましい。液晶材料としては、ネマチック液晶、スメクチック液晶、カイラルネマチック液晶等、従来公知の種々の液晶相を示すものが使用できる。カイラルネマチック液晶としては、コレステリック液晶があげられる他、通常のネマチック液晶に、上記コレステリック液晶等のカイラル成分を配合したものも使用できる。また液晶に色彩機能を付与するために、従来公知の各種の二色性色素を配合することもできる。
【００４２】
ただし上記液晶材料としては、高速応答性を有するものを使用するのが好ましい。上記液晶材料とともに液晶・高分子複合膜１を構成する担体膜の材料である透明体マトリクス３としては、主として高分子が使用される。高分子としては、可視光に対する透明性の高いものが好ましく、例えばＰＭＭＡに代表される（メタ）アクリル系高分子や、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂などが好適に使用される。なお透明体マトリクスは高分子に限らず、ガラス等の透明な無機材質、あるいはこれを高分子中に分散したもので構成してもよい。
【００４３】
このような方法で作製された液晶・高分子複合膜１は、従来の液晶・高分子複合膜とは異なる電気光学特性を示す。本発明の液晶・高分子複合膜１と従来の液晶・高分子複合膜の電気光学特性の違いを明確にするため、初めに、従来の液晶・高分子複合膜を試作しその電気光学特性について詳述する。
【００４４】
＜従来の液晶・高分子複合膜の試作例＞
まず、以下に述べる溶媒蒸発法を用いて従来の液晶・高分子複合膜を試作した。
【００４５】
（１）シアノターフェニル系ネマチック液晶（常光屈折率１．５１６、異常光屈折率１．７５０、液晶長軸方向の比誘電率３．６、短軸方向の比誘電率１３．４）を７０重量％、アクリル酸エステル共重合体（屈折率１．４８０、比誘電率７．５）を２５重量％、ポリイソシアネートの架橋剤（５重量％）およびスペーサを混合した。
（２）この混合液をジクロロメタンの溶媒に溶解し、溶質２０％の塗布液を構成した。
（３）透明電極が付いたガラス基板に上記塗布液をスピンコート法で塗布した。
（４）２５℃、１気圧の空気中で溶媒を蒸発させた。
（５）１００℃に加熱して、膜中に残留する溶媒を蒸発させるとともに、アクリル酸エステル共重合体に含まれるヒドロキシエチルメタクリレート末端のＯＨ基とポリイソシアネーチとの橋架反応により、液晶・高分子複合膜を形成した。（６）最後に液晶・高分子複合膜の上に透明電極の付いたガラス基板を乗せ、１ｋｇｆ／ｃｍ2 の圧力で押して、調光用液晶光シャッターを構成した。
【００４６】
試作した従来の液晶・高分子複合膜に、例えば図１６に示すように、正負交番する矩形波状の電圧を透明導電膜２から印加すると、従来の液晶・高分子複合膜は、図１７に示すように波長に応じて異なる透過率対印加電圧特性を示した。その理由が液晶・高分子複合膜の選択散乱にあることは、図１を用いて既に説明した通りである。次に、従来の液晶・高分子複合膜に白色光を入射させると、図１８に示すように従来の液晶・高分子複合膜を透過した光の色温度は、印加電圧に応じて大きく変化した。図１７、図１８から、透過率が急激に変化するときの印加電圧（例えば図１７では２０Ｖ〜４０Ｖ。ここではこの領域の電圧を閾値領域電圧ＶT とよぶことにする）付近で色温度が最小値ＣT を示すことが分かる。
【００４７】
本発明の液晶・高分子複合膜１は、従来の液晶・高分子複合膜が持つ閾値領域電圧ＶT と色温度の最小値ＣT の間の強い相間関係を利用して色温度変化の少ない調光用液晶光シャッター５を構成するものである。即ち、本発明の液晶・高分子複合膜１は、場所によって異なる透過率対印加電圧特性を有しているため、場所ごとに異なる閾値領域電圧ＶT と色温度の最小値ＣT を持つ。図１９、図２０は２種類の透過率対印加電圧特性をもつ本発明の液晶・高分子複合膜１を用いた調光用液晶光シャッター５の概念図である。図１９は本発明の液晶・高分子複合膜１をもつ調光用液晶光シャッター５の概略図であり、２枚の透明基板６に挟まれた液晶・高分子複合膜１が描かれている。透明導電膜２はここでは描かれていないが、調光用液晶光シャッター５の断面図である図２０に示すように、液晶・高分子複合膜１は透明導電膜２によって上下から挟まれている。ここでは、小円部分（形状は円形に限らず任意の形状でよい）とそれ以外の部分に液晶・高分子複合膜を分け、両者の透過率対印加電圧特性が異なっているとする。小円部分の透過率対印加電圧特性を図２１の太い実線で、例えば小円以外の部分の透過率対印加電圧特性を図２１の細い実線でそれぞれ表すと、図１７、図１８に示された前記閾値領域電圧ＶT と色温度の最小値ＣT の関係より、小円部分を通った白色透過光の色温度特性は図２２の太い破線で、また、小円以外の部分を通った白色透過光の色温度特性は図２２の細い破線で、模式的にそれぞれ表される。小円部分を構成する一つひとつの小円が小さければ、遠方では小円部分から出射した光とそれ以外の部分から出射した光はミックスされ、強度および色温度は両者の値が平均化されたものとなる。従って、被写体に照射される照明光の特性は、図２２の実線に示されるように平均的な特性となり、色温度特性は大幅に改善される。
【００４８】
本発明の液晶・高分子複合膜１の応答速度を速めるためには、光散乱状態から透明状態に至る時間（立ち上がり時間）と、透明状態か散乱状態に至る時間（立ち下がり時間）を短縮しなければならない。立ち上がり時間を改善するには、大きな振幅を持った交流電圧を印加すればよい。
【００４９】
一方、立ち下がり時間を短縮するためには、（１）粘性率が小さく、弾性率が大きい液晶材料を用いる、（２）液晶の透明体マトリクスに対する配向規制力を強くする、（３）担体膜を構成する透明体マトリクスの網目のサイズを小さくする、（４）誘電率異方性の符号が駆動電圧の周波数により変化する２周波駆動型液晶を用いる、（５）特開平４−１１９３２０号公報に開示されたようなコレステリック液晶材料を用いる、などの手段が有効である。
【００５０】
また、素子温度が高いほど液晶粘性が小さくなり、立ち上がり時間、立ち下がり時間ともに短くなるので、素子温度を高くして使用するのは有効な方法である。この場合は、調光用液晶光シャッターが正常な動作を保つように、液晶・高分子複合膜１は高い温度で動作する構成とされていることが必要である。そのための構成としては、液晶材料は高い温度でも液晶相であるものを用いることが必要である。この場合の液晶相としては、ネマチック相、コレステリック相が応答時間の点からは好適である。スメクチック相は応答時間は上記の２相よりも一般的に遅いが、メモリー性があるので、用途によってはスメクチック相でもよい。
【００５１】
液晶の屈折率異方性や誘電率異方性、粘性、弾性定数、コレステリック相におけるピッチ長等の物性は、一般に温度により変動することが多いので、高温で適当な物性を発現し、かつ透明体マトリクスの屈折率等の変動を考慮して用いるのがよい。また、透明体マトリクスはガラス等の耐熱性のある無機材質を使用するか、または高分子材料を用いる場合は、軟化温度が１００℃以上、好ましくは１５０℃以上のできる限り高いものを使用するか、または架橋された高分子材料を用いることが有効である（請求項２）。
【００５２】
光散乱状態と透明状態とのそれぞれの分布をほぼ等しくするためには、液晶・高分子複合膜中の液晶の分散状態を制御することが適当である。透明状態のスペクトルは、一般に白色に近いスペクトルとなる。無電圧状態あるいは低い電圧値を印加したときには複合膜は光散乱状態となるが、この光散乱は液晶が充填されている液晶の分散状態すなわち連続孔あるいは粒の形状と大きさにより変化する。例えば、粒あるいは孔の大きさが均一な場合には、ある光波長を特に強く散乱する選択散乱現象がみられることがあり、非散乱光の白色性を損なうため、好ましくない。従って、図１９の小円部分およびそれ以外の部分においては適度に粒あるいは孔の構造が不均一であるか、可視光の波長域で選択散乱が生じないような粒あるいは孔の大きさにすることが好ましいと考えられる。
【００５３】
連続孔あるいは粒の形状は作製時の条件により制御される。例えば、実施例に示す蒸発相分離法においては溶媒蒸発速度により孔の大きさや形状を制御することができるので、温度、気圧・溶媒の種類・塗布液の配合組成比率等を最適化することで、光散乱状態と透明状態とのそれぞれの分布をほぼ等しくすることが可能である。この最適化の方法は複合膜の製法に応じて適当に選ぶことができる（請求項３）。
【００５４】
上記本発明の液晶・高分子複合膜１によれば、透過光の分布をほぼ一定に維持しつつ、調光用液晶光シャッター５の光の透過率を連続的に制御することができる。したがって、本発明の調光用液晶光シャッター５を、例えば調光窓や表示装置等に用いれば、中間の透過率の状態での色ずれがなく、しかも、調光窓の場合にはその透過率を、表示装置の場合には表示の濃さを、それぞれ連続的かつ自在に調整できるという、従来にない顕著な作用効果が得られる。
【００５５】
また上記調光用液晶光シャッターを照明装置に組み込めば、投射光のスペクトルを変えることなく、投射光量を連続的かつ自在に制御できるので、各種のイルミネーション、室内照明、テレビジョン撮影や映画撮影や写真撮影用の照明、あるいは投射型テレビジョン受像機、映写機、スライド映写機等における、調光機能付きの照明装置として利用できる。
【００５６】
【実施例】
＜本発明の調光用液晶光シャッターの作製＞
一例として、前述した重合相分離法を用いて本発明の液晶・高分子複合膜を試作した。液晶材料としてシアノターフェニル組成物を含むネマチック混合液晶（常光屈折率ｎ0 ＝１．５２７、異常光屈折率ｎe ＝１．８０７、液晶分子の短軸方向の比誘電率ε⊥=６．１、液晶分子の長軸方向の比誘電率ε‖＝２３．４）を使用し、高分子材料として、紫外線硬化性高分子前躯体（ノーランドプロダクツ社ＮＯＡ−６５硬化後の屈折率ｎp ＝１．５２４、比誘電率４．１）を用いた。このネマチック液晶と高分子前躯体の混合液（配合比１：１）をバイノーダル温度（約６０℃）まで加熱して３時間以上攪拌し、均質な透明液体とした。
【００５７】
この液体に１０μｍのスペーサを適量入れ、透明電極付きの２枚のガラス基板の間に挿入して陽圧の空気で２枚のガラス基板に均一な圧力を加え、２枚の基板に挟まれた混合液体の厚さを１０μｍ±０．５μｍに保持した。さらに、ガラス基板の上に紫外線を透過する多数の小領域（直径３ｍｍ、小穴の総面積はホトマスク全面積の５０％）を持つホトマスクを乗せて強度４０ｍＷ／ｃｍ2 の紫外線（波長３６５ｎｍ）を照射した。次に、ホトマスクを取り去り、強度１０ｍＷ／ｃｍ2 の紫外線を照射して、前記ホトマスクで隠されていた部分の相分離を行った。なお、透明電極にはＩＴＯ薄膜（Ｉｎ2 Ｏ3 ：Ｓｎ、厚さ５０ｎｍ）を用いた。このような方法で試作された調光用液晶光シャッターの有効面積は５０ｍｍ×５０ｍｍ、液晶・高分子複合膜の厚さは１０μｍである。
【００５８】
＜比較例の試作＞
比較のため上記の本発明の液晶・高分子複合膜と同じ材料、配合比、プロセス条件を用いて２種類の従来の液晶・高分子複合膜を試作した。ただし、これらの従来の液晶・高分子複合膜の試作にはホトマスクを用いずに、第１比較例の従来の液晶・高分子複合膜には強度４０ｍＷ／ｃｍ2 の紫外線（波長３６５ｎｍ）を、また第２比較例の従来の液晶・高分子複合膜には強度１０ｍＷ／ｃｍ2 の紫外線（波長３６５ｎｍ）をそれぞれ素子全面に照射した。本発明の液晶・高分子複合膜では、強度４０ｍＷ／ｃｍ2 の紫外線（波長３６５ｎｍ）と強度１０ｍＷ／ｃｍ2 の紫外線（波長３６５ｎｍ）が選択的に照射されており、従来の液晶・高分子複合膜と本発明の液晶・高分子複合膜では、紫外線が一様に照射されるか強度の異なる紫外線が選択的に照射されるかだけが異なる。
【００５９】
＜実施例の動作＞
次に本実施例の調光用液晶光シャッターの評価系と評価結果を図面を用いて説明する。
【００６０】
図２３に評価系を示す。白色光源４０は常に最適な電圧で点灯され、白色光源４０から放射された無偏光の白色光（４００ｎｍ〜７８０ｎｍ）４１は、レンズ４２を通り本発明の液晶・高分子複合膜１からなる調光用液晶光シャッター５かあるいは従来の液晶・高分子複合膜からなる調光用液晶光シャッターで強度変調される。調光用液晶光シャッターから１ｍ離れた所に照度計あるいは色彩色度計４３を設置して、照度および色度と調光用液晶光シャッターの駆動電圧との関係を測定した。
【００６１】
図２３の構成による本発明の調光用液晶光シャッター５の白色光変調実験結果を図２４に示す。図２４の実線は規格化された照度と調光用液晶光シャッターの駆動電圧の関係であり、破線は照射光の色温度と駆動電圧との関係を示す。
【００６２】
図２５および図２６は、図２３の構成による従来の調光用液晶光シャッターの白色光変調実験結果である。図２５は、強度４０ｍＷ／ｃｍ2 の紫外線（波長３６５ｎｍ）で作製した第１比較例の実験結果であり、図２６は強度１０ｍＷ／ｃｍ2 の紫外線（波長３６５ｎｍ）で作製した第２比較例の実験結果である。
【００６３】
図２４、図２５、図２６を比べると、図２４の規格化された照度対駆動電圧特性は、図２５、図２６に示す第１比較例と第２比較例の規格化された照度対駆動電圧特性よりも勾配の緩やかな特性となり、その閾値は第１比較例と第２比較例の閾値のほぼ中間値を示すことが分かった。一方、図２４の色温度特性の最小値は図２４および図２５の色温度の最小値よりも高くなり、駆動電圧の変化に対する色温度変化も、図２４では図２５、図２６よりも大幅に小さくなることが分かった。また、本発明の調光用液晶光シャッターから１ｍ離れた所では、空間的な色ムラは検出されず、一様な色温度分布が得られた。以上の結果より、本発明の調光用液晶光シャッターを用いると、従来の調光用液晶光シャッターの色温度特性を大幅に改善できると結論することが出来る。
【００６４】
上記調光用液晶光シャッターの一対の透明導電膜に１００Ｖのステップ電圧を印加したときに、その透過率が飽和透過率の９０％に到達するまでの時間を、光散乱状態→透明状態の応答時間τon、逆に印加電圧を０Ｖにしたときに、その透過率が飽和透過率の１０％に減衰するまでの時間を、透明状態→光散乱状態の応答時間τoff として、それぞれ測定したところ、τon＝２ｍsec.、τoff ＝４ｍsec.であった。
【００６５】
さらにこの調光用液晶光シャッターの応答性の変化を調べたところ、１０００時間経過しても印加電圧０Ｖの時の透過率と、印加電圧１００Ｖの時の透過率に変化はみられず、応答性を有し続けることがわかった。
【００６６】
上記実施例では、強度の異なる２つの紫外線を照射したが、上記と違う強度の紫外線を用いれば、色温度特性をさらに改善することが出来る。１０ｍＷ／ｃｍ2 よりも強度の弱い第３の紫外線（波長３６５ｎｍ）を加えて３回の紫外線照射で液晶と高分子の相分離を行う場合を例に取り、安定的にその効果を説明する。ここでは、第１、第２、第３の紫外線は複数枚の紫外線を通す多数の小領域を有するホトマスクによってそれぞれ別の場所を離散的に照射し、各紫外線の照射する面積は、それぞれ素子全面の１／３であるとする。第１および第２の紫外線による照射光強度対駆動電圧の関係および色温度対駆動電圧の関係は、試作素子による実測から図２７に示す曲線▲１▼、▲２▼および図２８に示す曲線▲１▼、▲２▼（いずれも図２５、図２６の再掲）で与えられる。一方、第３の紫外線による照射光強度対駆動電圧特性は、第３の紫外線の強度が第２の紫外線の強度より弱いことから、例えば、図２７に示すように、曲線▲２▼よりも閾値の小さい曲線▲３▼で与えられる。曲線▲３▼は、実験によって得たものでなく、実験結果である図２４に示す曲線▲１▼、▲２▼から推定したものである。このとき、閾値近傍で色温度が最小になるという実験結果（図１５、図１６）より、例えば、色温度対駆動電圧特性は図２５に示すように曲線▲３▼で与えられる。この曲線▲３▼も、実験によって得られたものでなく、実験結果である図２８の曲線▲１▼、▲２▼から推定したものである。この調光用液晶光シャッターから離れた所（ホトマスクの紫外線を通す小領域のサイズが数ｍｍならば１ｍ以上）では、その光変調性は、図２７および図２８の曲線▲１▼、▲２▼、▲３▼の特性を平均した特性、即ち図２７、図２８の破線で表される。従って、第３の紫外線を加えると、色温度特性はさらに改善されることになる。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の調光用液晶光シャッターによれば、従来の調光用液晶光シャッターに比べて色温度の変化を小さく抑えながら照射光の強度を連続的に制御することが可能となる。
【００６８】
また、本発明の調光用液晶光シャッターを、例えば調光窓や表示装置等に採用すれば、中間の透過率の状態での色ずれがなく、しかも、調光窓の場合にはその透過率を、表示装置の場合には表示の濃さを、それぞれ連続的かつ自在に調整できる。さらに、上記調光用液晶光シャッターを照明装置に組み込めば、投射光のを変えることなく、投射光量を連続的かつ自在に制御できる。
【００６９】
したがって、本発明の調光用液晶光シャッターは、各種イルミネーション、室内照明、テレビジョン撮影や映画撮影や写真撮影用の照明、あるいは投射型テレビジョン受像機、映写機、スライド映写機等における調光機能付きの照明装置として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】液晶・高分子複合膜の変調動作原理を概略的に示す説明図である。
【図２】本発明の液晶・高分子複合膜を用いた調光用液晶光シャッターの層構成の一例を示す断面図である。
【図３】図２に示す調光用液晶光シャッターにおける液晶・高分子複合膜の部分を拡大した断面図である。
【図４】重合相分離法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製する手順を示す説明図である。
【図５】重合相分離法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製するときに用いるホトマスクの外観を示す構成図である。
【図６】重合相分離法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製する他の手順を示す説明図である。
【図７】重合相分離法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製する他の手順を示す説明図である。
【図８】重合相分離法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製する他の手順を示す説明図である。
【図９】重合相分離法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製するときに用いる他のホトマスクの外観を示す構成図である。
【図１０】重合相分離法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製する他の手順を示す説明図である。
【図１１】重合相分離法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製するときに用いる他のホトマスクの外観を示す構成図である。
【図１２】溶媒蒸発法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製する手順を示す説明図である。
【図１３】溶媒蒸発法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製するときに用いるヒーターの外観を示す説明図である。
【図１４】溶媒蒸発法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製するときに用いるヒーター以外の加熱手段の外観を示す説明図である。
【図１５】懸濁法により本発明の調光用液晶光シャッターを作製する手順を示す説明図である。
【図１６】両極性パルス電圧の波形を示す説明図である。
【図１７】従来の液晶・高分子複合膜を用いた調光用液晶光シャッターにおける、印加電圧と各波長の光の透過率との関係を示すグラフ。
【図１８】従来の液晶・高分子複合膜を用いた調光用液晶光シャッターに白色光を入射したときの、透過光の色温度と印加電圧との関係を示すグラフ。
【図１９】本発明の調光用液晶光シャッターの液晶・高分子複合膜の不均一性を示す概略図である。
【図２０】本発明の液晶・高分子複合膜を用いた調光用液晶光シャッターにおける層構成の一例を示す断面図である。
【図２１】本発明の調光用液晶光シャッターの構成要素である液晶・高分子複合膜の小円部分（強い紫外線で形成された液晶・高分子複合膜）と非小円部分（弱い紫外線で形成された液晶・高分子複合膜）の透過率と印加電圧の関係を示す説明図である。
【図２２】本発明の調光用液晶光シャッターの構成要素である液晶・高分子複合膜の小円部分（強い紫外線で形成された液晶・高分子複合膜）と非小円部分（弱い紫外線で形成された液晶・高分子複合膜）に白色光を照射したときの両部分における透過光の色温度と印加電圧の関係を示す説明図である。
【図２３】本発明の調光用液晶光シャッターおよび従来の調光用液晶光シャッターの性能を比較する測定系を示す説明図である。
【図２４】本発明の調光用液晶光シャッターの照度対印加電圧特性および透過光の色温度対印加電圧特性を示す説明図である。
【図２５】従来の調光用液晶光シャッター（第１比較例）の照度対印加電圧特性および透過光の色温度対印加電圧特性を示す説明図である。
【図２６】従来の調光用液晶光シャッター（第２比較例）照度対印加電圧特性および透過光の色温度対印加電圧特性を示す説明図である。
【図２７】強度の異なる３種類の紫外線を照射した場合の本発明の調光用液晶光シャッターの照度対印加電圧特性を示す定性的な説明図である。
【図２８】強度の異なる３種類の紫外線を照射した場合の本発明の調光用液晶光シャッターの透過光の色温度対印加電圧特性を示す定性的な説明図である。
【符号の説明】
１：液晶・高分子複合膜
２：透明導電膜
３：透明体マトリクス（高分子）
４：液晶
５：液晶光シャッター
６：透明基板
７：リード線
８：駆動回路
１１：高分子前躯体（プレポリマー）、ネマチック液晶、コレテリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料および重合開始剤を混合した溶液
１２：紫外線を通す多数の小領域１３を持つホトマスク
１３：紫外線を通す小領域
１４：強度の強い紫外線
１５：強度の弱い紫外線
１６：紫外線を通す多数の小領域をもつ第１のホトマスク
１７：第１の紫外線
１８：第１のホトマスク１６の紫外線を通す小領域の位置と違う位置に紫外線を通す多数の小領域を有する第２のホトマスク
１９：第１の紫外線１７と異なる強度を持つ第２の紫外線
２０：第１及び第２のホトマスク１６，１８の紫外線を通す小領域の位置と異なる位置に紫外線を通す多数の小領域を有する第３のホトマスク
２１：第１および第２の紫外線１７，１９と異なる強度を有する第３の紫外線２２：異なる紫外線透過率対スペクトル特性を持つ２種類の波長フィルター２２Ａ，２２Ｂを交互に組み合わせた１枚の波長フィルター
２２Ａ：２２Ｂと異なる紫外線透過率対スペクトル特性を持つ波長フィルター層
２２Ｂ：２２Ａと異なる紫外線透過率対スペクトル特性を持つ波長フィルター層
２３：複数のスペクトルを持つ紫外線
２４：波長フィルター層２５Ｄ，２６Ｅと異なる紫外線透過率対スペクトル特性を有する波長フィルター層２４Ｃと遮光層２４Ｆをもつ波長フィルター
２５：波長フィルター層２４Ｃ，２６Ｅと異なる紫外線透過率対スペクトル特性を有する波長フィルター層２５Ｄと遮光層２５Ｆをもつ波長フィルター
２６：波長フィルター層２４Ｃ，２５Ｄと異なる紫外線透過率対スペクトル特性を有する波長フィルター２６Ｅと遮光層２６Ｆをもつ波長フィルター
２７：複数のスペクトルを持つ紫外線
３０：高分子と液晶材料とを適当な溶媒に溶解または分散させた塗布液
３１：不均一な温度分布を持つヒーター
３２：溶媒
３４：赤外線
３５：赤外線を通す多数の小領域
３６：赤外線を通す多数の小領域３５を持つホトマスク
３７：ポリビニルアルコールなどの親水性高分子とネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料を混合した乳状溶液
３８：水
Ｖ2：両極性パルス電極の振幅値
ＶT ：閾値領域電圧
ＣT ：色温度の最小値
４０：白色光源
４１：白色光
４２：レンズ
４３：照度計（または色彩色度計）
Claims (8)
- ３次元網目状構造を有する透明体マトリクスからなる担体膜の連続した孔内にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料が充填された液晶・高分子複合膜、あるいは、透明体マトリクスからなる担体膜中にネマチック液晶、コレステリック液晶、スメクチック液晶あるいはこれらの液晶の混合材料が粒状に分散した構造の液晶・高分子複合膜を、少なくとも一方の基板が透明導電膜を有する透明基板である一対の導電膜を有する基板間に狭着した液晶光シャッターにおいて、
前記液晶・高分子複合膜が、場所によって異なる透過率対印加電圧特性と透過光の色温度対印加電圧特性とを備えて成る、
ことを特徴とする調光用液晶光シャッター。 - 請求項１記載の調光用液晶光シャッターにおいて、
前記透明体マトリクスが、架橋された構造の高分子材料である、
ことを特徴とする調光用液晶光シャッター。 - 請求項１または２記載の調光用液晶光シャッターにおいて、前記液晶・高分子複合膜は、光散乱状態と透明状態とのそれぞれのスペクトル分布がほぼ等しくなるように構成されている、
ことを特徴とする調光用液晶光シャッター。 - 請求項１、２または３記載の調光用液晶光シャッターを作製する方法であって、
場所によって異なる強度あるいはスペクトルをもつ紫外線を照射して前記透明体マトリクスを形成する、
ことを特徴とする調光用液晶光シャッターの作製方法。 - 請求項１、２または３記載の調光用液晶光シャッターを作製する方法であって、
紫外線光源と当該調光用液晶光シャッターとの間に紫外線を透過する部分と紫外線を遮断する部分を有する１枚のホトマスクを設置し、
初めに強度の強い紫外線を照射し、
次に前記ホトマスクを取り去って、強度の弱い紫外線を照射して透明体マトリクスを形成する、
ことを特徴とする調光用液晶光シャッターの作製方法。 - 請求項１、２または３記載の調光用液晶光シャッターを作製する方法であって、
紫外線を透過する部分と紫外線を遮断する部分とを有し、かつ紫外線を透過する位置がホトマスクごとに異なる複数のホトマスクを、１枚ずつ紫外線光源と前記調光用液晶光シャッターの間に介挿し、
各ホトマスク毎に強度の異なる紫外線を照射して透明体マトリクスを形成する、
ことを特徴とする調光用液晶光シャッターの作製方法。 - 請求項１、２または３記載の調光用液晶光シャッターを作製する方法であって、
紫外線光源と前記調光用液晶光シャッターとの間に紫外線の透過波長域が空間的に異なる１枚もしくは複数枚の紫外線用波長フィルターを設置し、
複数のスペクトルを有する紫外線を照射して透明体マトリクスを形成する、
ことを特徴とする調光用液晶光シャッターの作製方法。 - 請求項１、２または３記載の調光用液晶光シャッターを作製する方法であって、
場所によって透明体マトリクスの形成温度を変えて透明体マトリクスを作製する、
ことを特徴とする調光用液晶光シャッターの作製方法。
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