JP6070489B2 - 光学素子およびその製造方法 - Google Patents
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非線形光学効果を利用した光物理プロセスによって、液晶の配向変化を、より低い光強度で誘起することができれば、新たな原理に基づく小型デバイスの製造が実現可能となる。
なお、本実施の形態は、発明の趣旨をよりよく理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
本発明の光学素子は、応答する光強度に閾値を有する光応答性物質と、異方性分子とを含有する光応答性組成物に、閾値以上の光強度を有する光を照射することにより光応答性組成物が配向してなるものである。
本発明の光学素子は、異方性分子の配向を光によって制御することで、光応答性組成物の屈折率が空間的・領域的に変調あるいは分布することにより光学的な機能を発現するものである。本発明の光学素子は、屈折率分布を利用する光学素子(例えば、レンズ、プリズム、ミラー、フィルター等) に特に制限なく適用可能であり、また、液晶表示素子、ホログラム用素子、位相差フィルム等の位相差素子、3Dプリンター用素子等として使用することができる。
液晶表示素子10は、2枚の基板11,12と、これらの基板の間に封入された、光応答性物質13および異方性分子14を含有する光応答性組成物15とから概略構成されている。
本発明の光学素子が液晶表示素子10の場合、基板11,12としては、例えば、ガラス基板が用いられる。
また、一方の基板11における、他方の基板12と対向する面11aには、シランカップリング剤により垂直配向処理が施された配向膜16が設けられている。同様に、他方の基板12における、一方の基板11と対向する面12aには、シランカップリング剤により垂直配向処理が施された配向膜17が設けられている。
また、本発明の光学素子としては、基板と、該基板上に形成された光応答性物質および異方性分子を含有する光応答性組成物層(光応答性組成物からなる層)とから概略構成される光学素子(すなわち、基板が1枚のみの素子)により構成されていてもよい。このような光学素子は、基板上に、光応答性物質および異方性分子を含有する塗液を塗布することにより得られる。
本発明において、光を照射すると、光応答性物質が応答するとは、光を照射すると、光応答性物質が配向することである。より詳細には、光応答性物質が配向するとは、光応答性物質が、その長軸方向が光の振動方向(偏光の電場ベクトル)に対し平行に配向することである。
で表されるオリゴチオフェン系の化合物が挙げられる。
R1およびR2は、それぞれ独立して、炭素原子数1〜10のアルキル基(−CnH2n+1)、−OCnH2n+1、−N(CnH2n+1)2、−COOCnH2n+1、シアノ基(−CN)、ニトロ基(−NO2)を表すものが好ましく、炭素原子数2〜5のアルキル基(−CnH2n+1)、−OCnH2n+1、−N(CnH2n+1)2、−COOCnH2n+1、を表すものがさらに好ましい。
nは、1〜5が好ましく、1〜3がより好ましい。
前記一般式(I−1)は、下記一般式(I−2)
で表される化合物であることが好ましい。
前記一般式(I−2)で表される化合物としては、具体的には、対称性を有する化合物として、下記式(I−3)
また、前記一般式(I−2)で表される化合物としては、非対称性を有する化合物として、R1が−C4H9、または、−N(C4H9)2、R2が−CN、または、−NO2を表す化合物が挙げられる。
また、前記一般式(I−1)は、下記式(I−5)
オリゴチオフェン系の化合物としては、他には、下記一般式(I−7)
で表される化合物が挙げられる。
前記一般式(I−7)で表される化合物としては、下記式(I−8)
で表される化合物が挙げられる。
また、光応答性物質としては、下記一般式(I−9)
で表される化合物が挙げられる。
前記一般式(I−9)で表される化合物としては、下記式(I−10)
また、光応答性物質としては、下記一般式(I−11)
で表される化合物が挙げられる。
n1およびn2は、0〜6が好ましく、0〜4がより好ましい。
前記一般式(I−11)で表される化合物としては、具体的には、下記式(I−12)から式(I−19)で表される化合物が挙げられる。
B1およびB2は、それぞれ独立して、水素原子、炭素原子数1〜14のアルキル基、炭素原子数2〜14のアルケニル基、炭素原子数2〜14のアルキニル基、炭素原子数1〜14のアルコキシ基、シアノ基(−CN)、ニトロ基(−NO2)、置換基を有していてもよいフェニル基(この基中に存在する1個以上の−C=は−N=に置換されていてもよい。)、置換基を有していてもよいナフチル基、置換基を有していてもよいシクロヘキシル基(この基中に存在する1個以上の−C−は−O−又は−S−に置換されていてもよい。)、および下記(a)、(b)、又は(c)のいずれかの基を表し、前記アルキル基中の1つまたは2つ以上のCH2基は、酸素原子が直接隣接しないように、−O−、−CO−、−OCO−、または−COO−で置換されていてもよく、前記アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基中の1つまたは2つ以上の水素原子は任意にハロゲン原子に置換されていてもよい。)
R3およびR4がアルキル基を表す場合、炭素原子数1〜10のアルキル基が好ましく、炭素原子数1〜5のアルキル基がより好ましく、B1およびB2がアルキル基を表す場合、炭素原子数1〜10のアルキル基が好ましく、炭素原子数1〜5のアルキル基がより好ましい。
前記一般式(I−20)で表される化合物としては、下記式(I−22)から式(I−24)で表される化合物が挙げられる。
で表される化合物が挙げられる。
B1およびB2がアルキル基を表す場合、炭素原子数1〜10のアルキル基が好ましく、炭素原子数1〜5のアルキル基がより好ましい。
前記一般式(I−25)で表される化合物としては、下記式(I−26)から式(I−30)で表される化合物が挙げられる。
B3は水素原子、炭素原子数1〜14のアルキル基、炭素原子数2〜14のアルケニル基、炭素原子数2〜14のアルキニル基、炭素原子数1〜14のアルコキシ基、シアノ基(−CN)、ニトロ基(−NO2)、置換基を有していてもよいフェニル基(この基中に存在する1個以上の−C=は−N=に置換されていてもよい。)、置換基を有していてもよいナフチル基、置換基を有していてもよいシクロヘキシル基(この基中に存在する1個以上の−C−は−O−又は−S−に置換されていてもよい。)を表し、前記アルキル基中の1つまたは2つ以上のCH2基は、酸素原子が直接隣接しないように、−O−、−CO−、−OCO−、または−COO−で置換されていてもよく、前記アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基中の1つまたは2つ以上の水素原子は任意にハロゲン原子に置換されていてもよい。)
で表される化合物が挙げられる。
R6、R7およびB3がそれぞれ独立してアルキル基を表す場合、炭素原子数1〜10のアルキル基が好ましく、炭素原子数1〜5のアルキル基がより好ましい。また、R6、R7およびB3がそれぞれ独立してアルケニル基を表す場合、炭素原子数2〜10のアルケニル基が好ましく、炭素原子数2〜5のアルケニル基がより好ましい。また、B3は、置換基を有していてもよいフェニル基が好ましく、該置換基としては、炭素原子数1〜14のアルキル基、炭素原子数2〜14のアルケニル基、炭素原子数1〜14のアルコキシ基が好ましく、炭素原子数1〜10のアルキル基、炭素原子数2〜10のアルケニル基、炭素原子数1〜10のアルコキシ基がより好ましい。
前記一般式(I−31)で表される化合物としては、下記式(I−32)
で表される化合物、下記式(I−33)
で表される化合物が挙げられる。
また、光応答性物質としては、下記一般式(I−34)
で表される化合物が挙げられる。
R10〜R13は、それぞれ独立して、水素原子、アルキル基中のCH2基が−COO−または−OCO−で置換されている炭素原子数1〜10のアルキル基を表すことが好ましく、水素原子、アルキル基中のCH2基が−COO−または−OCO−で置換されている炭素原子数1〜5のアルキル基を表すことがより好ましい。
前記一般式(I−34)で表される化合物としては、下記式(I−35)
で表される化合物、下記式(I−36)
で表される化合物が挙げられる。
また、光応答性物質としては、下記一般式(I−37)
で表される化合物が挙げられる。
一般式(I−37)中のR18およびR19としては、炭素原子数1〜14のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素原子数2〜14のアルケニル基、フェニル基が好ましい。
前記一般式(I−37)で表される化合物としては、下記式(I−38)
で表される化合物、下記式(I−39)
で表される化合物、下記式(I−40)
で表される化合物が挙げられる。
また、光応答性物質としては、下記一般式(I−41)
で表されるジオキサジン系の化合物が挙げられる。
B5〜B8は、それぞれ独立して、炭素原子数1〜10のアルキル基、炭素原子数1〜10のアルコキシ基、置換基を有していてもよいフェニル基、置換基を有していてもよいシクロヘキシル基が好ましく、該置換基としては、炭素原子数1〜10のアルキル基、炭素原子数1〜10のアルコキシ基が好ましい。
前記一般式(I−41)で表される化合物としては、下記式(I−42)
また、光応答性物質としては、下記一般式(I−44)
R22〜R25 は、それぞれ独立して、水素原子、炭素原子数1〜14のアルキル基、炭素原子数2〜14のアルケニル基、炭素原子数2〜14のアルキニル基、炭素原子数1〜14のアルコキシ基、シアノ基(−CN)、ニトロ基(−NO2)を表し、前記アルキル基中の1つまたは2つ以上のCH2基は、酸素原子が直接隣接しないように、−O−、−CO−、−OCO−、または−COO−で置換されていてもよく、前記アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基中の1つまたは2つ以上の水素原子は任意にハロゲン原子に置換されていてもよい。)
で表されるアントラキノン系の化合物が挙げられる。
前記一般式(I−44)で表される化合物としては、下記式(I−45)
アントラキノン系の化合物としては、他には、下記一般式(I−48)
R22、R23およびR26は、それぞれ独立して、水素原子、炭素原子数1〜14のアルキル基、炭素原子数2〜14のアルケニル基、炭素原子数2〜14のアルキニル基、炭素原子数1〜14のアルコキシ基、シアノ基(−CN)、ニトロ基(−NO2)を表し、前記アルキル基中の1つまたは2つ以上のCH2基は、酸素原子が直接隣接しないように、−O−、−CO−、−OCO−、または−COO−で置換されていてもよく、前記アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基中の1つまたは2つ以上の水素原子は任意にハロゲン原子に置換されていてもよい。)
で表される化合物が挙げられる。
前記一般式(I−48)で表される化合物としては、下記式(I−49)
さらに、光応答性物質としては、下記式(I−50)
で表される化合物、下記式(I−51)
で表される化合物、下記式(I−52)
で表される化合物、下記式(I−55)
で表される化合物、下記式(I−56)
で表される化合物、下記式(I−57)
で表される化合物が挙げられる。
上記式(I−51)、式(I−54)、式(I−56)および式(I−57)において、R28〜R38は、炭素原子数1〜10のアルキル基、炭素原子数2〜10のアルケニル基が好ましく、炭素原子数1〜5のアルキル基、炭素原子数2〜5のアルケニル基がより好ましい。
また、上記式(I−57)で表される化合物として、具体的には、R35〜R38が、それぞれC2H5基であるものが挙げられる。
また、光応答性物質として、共役系のある液晶化合物を用いることもできる。このような光応答性物質として機能し得る液晶化合物としては、棒状の液晶化合物が好ましい。
液晶としては、下記一般式(LC)で表される化合物を含有することが好ましい。
ALC1およびALC2は、それぞれ独立して、
(a)トランス−1,4−シクロヘキシレン基(この基中に存在する1個のCH2基または隣接していない2個以上のCH2基は、酸素原子または硫黄原子で置換されていてもよい。)、
(b)1,4−フェニレン基(この基中に存在する1個のCH基または隣接していない2個以上のCH基は、窒素原子で置換されていてもよい。)、および
(c)1,4−ビシクロ(2.2.2)オクチレン基、ナフタレン−2,6−ジイル基、デカヒドロナフタレン−2,6−ジイル基、1,2,3,4−テトラヒドロナフタレン−2,6−ジイル基、またはクロマン−2,6−ジイル基
からなる群より選ばれる基を表すが、上記の基(a)、基(b)または基(c)に含まれる1つまたは2つ以上の水素原子は、それぞれ、F、Cl、CF3またはOCF3で置換されていてもよく、
ZLCは単結合、−CH=CH−、−CF=CF−、−C≡C−、−CH2CH2−、−(CH2)4−、−OCH2−、−CH2O−、−OCF2−、−CF2O−、−COO−またはOCO−を表し、
YLCは、水素原子、フッ素原子、塩素原子、シアノ基、および炭素原子数1〜15のアルキル基を表し、該アルキル基中の1つまたは2つ以上のCH2基は、酸素原子が直接隣接しないように、−O−、−CH=CH−、−CO−、−OCO−、−COO−、−C≡C−、−CF2O−、−OCF2−で置換されてよく、該アルキル基中の1つまたは2つ以上の水素原子は、任意にハロゲン原子によって置換されていてもよく、
aは1〜4の整数を表すが、aが2、3または4を表し、ALC1が複数存在する場合、複数存在するALC1は、同一であっても異なっていてもよく、ZLCが複数存在する場合、複数存在するZLCは、同一であっても異なっていてもよい。)
で表される化合物群から選ばれる1種または2種以上の化合物であることが好ましい。
ALC11およびALC21は、それぞれ独立して、下記の構造が好ましい。
ZLC11およびZLC21は、単結合、−CH2CH2−、−COO−、−OCO−、−OCH2−、−CH2O−、−OCF2−またはCF2O−が好ましく、単結合、−CH2CH2−、−OCH2−、−OCF2−またはCF2O−が好ましく、単結合、−OCH2−またはCF2O−がより好ましい。
mLC11およびmLC21は、1、2または3が好ましく、低温での保存安定性、応答速度を重視する場合には1または2が好ましく、ネマチック相上限温度の上限値を改善するには2または3が好ましい。
前記一般式(LC1)は、下記一般式(LC1−a)から一般式(LC1−c)
RLC11は、それぞれ独立して、炭素原子数1〜7のアルキル基、炭素原子数1〜7のアルコキシ基、炭素原子数2〜7のアルケニル基が好ましく、炭素原子数1〜5のアルキル基、炭素原子数1〜5のアルコキシ基、炭素原子数2〜5のアルケニル基がより好ましい。
XLC11〜XLC1c4は、それぞれ独立して、水素原子またはFが好ましい。
YLC11は、それぞれ独立して、F、CF3またはOCF3が好ましい。
また、前記一般式(LC1)は、下記一般式(LC1−d)から一般式(LC1−m)
RLC11は、それぞれ独立して、炭素原子数1〜7のアルキル基、炭素原子数1〜7のアルコキシ基、炭素原子数2〜7のアルケニル基が好ましく、炭素原子数1〜5のアルキル基、炭素原子数1〜5のアルコキシ基、炭素原子数2〜5のアルケニル基がより好ましい。
XLC11〜XLC1m2は、それぞれ独立して、水素原子またはFが好ましい。
YLC11は、それぞれ独立して、F、CF3またはOCF3が好ましい。
ZLC1d1〜ZLC1m1は、それぞれ独立して、−CF2O−、−OCH2−が好ましい。
前記一般式(LC2)は、下記一般式(LC2−a)から一般式(LC2−g)
RLC21は、それぞれ独立して、炭素原子数1〜7のアルキル基、炭素原子数1〜7のアルコキシ基、炭素原子数2〜7のアルケニル基が好ましく、炭素原子数1〜5のアルキル基、炭素原子数1〜5のアルコキシ基、炭素原子数2〜5のアルケニル基がより好ましい。
XLC21〜XLC2g4は、それぞれ独立して、水素原子またはFが好ましく、
YLC21は、それぞれ独立して、F、CF3またはOCF3が好ましい。
ZLC2a1〜ZLC2g4は、それぞれ独立して、−CF2O−、−OCH2−が好ましい。
また、前記一般式(LC)で表される化合物は、下記一般式(LC3)〜一般式(LC5)
RLC31〜RLC52は、それぞれ独立して、炭素原子数1〜7のアルキル基、炭素原子数1〜7のアルコキシ基、炭素原子数2〜7のアルケニル基が好ましく、アルケニル基としては下記構造を表すことが最も好ましく、
ALC31〜ALC52は、それぞれ独立して、下記の構造が好ましく、
前記一般式(LC3)は、下記一般式(LC3−a)および一般式(LC3−b)
RLC31およびRLC32は、それぞれ独立して、炭素原子数1〜7のアルキル基、炭素原子数1〜7のアルコキシ基、炭素原子数2〜7のアルケニル基または炭素原子数2〜7のアルケニルオキシ基を表すことが好ましい。
ALC31は、1,4−フェニレン基、トランス−1,4−シクロヘキシレン基、テトラヒドロピラン−2,5−ジイル基、1,3−ジオキサン−2,5−ジイル基を表すことが好ましく、1,4−フェニレン基、トランス−1,4−シクロヘキシレン基を表すことがより好ましい。
ZLC31は、単結合、−CH2O−、−COO−、−OCO−、−CH2CH2−を表すことが好ましく、単結合を表すことがより好ましい。
前記一般式(LC3−a)としては、下記一般式(LC3−a1)〜一般式(LC3−a4)を表すことが好ましい。
RLC31およびRLC32は、それぞれ独立して、炭素原子数1〜7のアルキル基、炭素原子数1〜7のアルコキシ基、炭素原子数2〜7のアルケニル基が好ましく、RLC31が炭素原子数1〜7のアルキル基を表し、RLC32が炭素原子数1〜7のアルコキシ基を表すことがより好ましい。
前記一般式(LC3−b)としては、下記一般式(LC3−b1)〜一般式(LC3−b12)を表すことが好ましく、下記一般式(LC3−b1)、下記一般式(LC3−b6)、下記一般式(LC3−b8)、下記一般式(LC3−b11)を表すことがより好ましく、下記一般式(LC3−b1)および一般式(LC3−b6)を表すことがさらに好ましく、下記一般式(LC3−b1)を表すことが最も好ましい。
RLC31およびRLC32は、それぞれ独立して、炭素原子数1〜7のアルキル基、炭素原子数1〜7のアルコキシ基、炭素原子数2〜7のアルケニル基が好ましく、RLC31が炭素原子数2または3のアルキル基を表し、RLC32が炭素原子数2のアルキル基を表すことがより好ましい。
前記一般式(LC4)は下記一般式(LC4−a)から一般式(LC4−c)、前記一般式(LC5)は下記一般式(LC5−a)から一般式(LC5−c)
RLC41、RLC42、RLC51およびRLC52は、それぞれ独立して、炭素原子数1〜7のアルキル基、炭素原子数1〜7のアルコキシ基、炭素原子数2〜7のアルケニル基または炭素原子数2〜7のアルケニルオキシ基を表すことが好ましい。
ZLC4a1〜ZLC5c1は、それぞれ独立して、単結合、−CH2O−、−COO−、−OCO−、−CH2CH2−を表すことが好ましく、単結合を表すことがより好ましい。
前記一般式(LC)で表される化合物は、下記一般式(LC6)
RLC61およびRLC62は、それぞれ独立して、炭素原子数1〜7のアルキル基、炭素原子数1〜7のアルコキシ基、炭素原子数2〜7のアルケニル基が好ましく、アルケニル基としては下記構造を表すことが最も好ましく、
ALC61〜ALC63は、それぞれ独立して、下記の構造が好ましく、
前記一般式(LC6)は、下記一般式(LC6−a)から一般式(LC6−m)
液晶の形状(棒状か、円盤状か、屈曲型か)は、望ましい屈折率異方性を得るために適切に選択される。早い応答性が必要な場合は、液体に近い液晶であるネマチック液晶が好ましく、安定な配向性が必要な場合は、固体に近いスメクチック液晶を使用することが好ましい。キラルな液晶に特有な液晶相を利用することもでき、その場合には、液晶の一部あるいは全部がキラルなものを用いるか、あるいは、液晶とキラルな非液晶を混合すればよい。また、液晶としては、単量体、二量体、三量体以上の多量体(オリゴマー)、高分子(ポリマー)のいずれでもよい。早い応答性が必要な場合には単量体が好ましく、また、安定な配向性が必要な場合は、二量体、三量体以上の多量体(オリゴマー)、高分子(ポリマー)が好ましい。
光応答性組成物における光応答性物質の割合が上記範囲内であれば、光応答性組成物に、閾値以上の光強度を有する光を照射することにより、光応答性物質の配向に伴って、光応答性組成物に含まれる異方性分子を任意の方向に容易に配向させることができる。
なお、ここで、光応答性物質と異方性分子を配向させる任意の方向とは、これらの物質(分子)の長軸方向が光の振動方向に対し平行となる方向である。
この場合、オリゴマーおよび/またはポリマーを光応答組成物に混ぜてもよいし、重合性基を有する低分子化合物を混ぜてから重合させてもよい。
オリゴマーおよび/またはポリマーとしては、特にポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリアクリルアミド、ポリメタクリルアミド、ポリメタクリル酸メチル等が挙げられる。重合度、あるいは液晶性の有無は、光応答性組成物への溶解性を考慮して決めればよい。
光応答性組成物におけるオリゴマーおよび/またはポリマーの含有量が上記範囲内であれば、光の光強度の閾値を低減することができる。
なお、光応答性組成物が配向するために必要な光強度の閾値とは、光応答性物質が配向し、それに伴って、異方性分子を配向するために必要な光強度の最低値のことである。
すなわち、本発明における光応答性組成物では、光照射により、光応答性物質が配向するのに伴って、異方性分子が配向する。
光応答性組成物を含有する層の厚みが上記範囲内であれば、光応答性組成物を配向させるために必要な光強度の閾値を低くすることができる。
液晶表示素子としては、AM−LCD(アクティブマトリックス液晶表示素子)、TN(ツイステッド・ネマチック液晶表示素子)、STN−LCD(超ねじれネマチック液晶表示素子)、OCB−LCD、IPS−LCD(インプレーンスイッチング液晶表示素子)およびFFS(フリンジフィールドスイッチングモードの液晶表示素子)に有用であるが、アクティブマトリクスアドレス装置を有するAM−LCDに特に有用であり、透過型あるいは反射型の液晶表示素子に用いることができる。
カラーフィルターは、例えば、顔料分散法、印刷法、電着法または、染色法等によって作製することができる。顔料分散法によるカラーフィルターの作製方法を一例に説明すると、カラーフィルター用の硬化性着色組成物を、該透明基板上に塗布し、パターニング処理を施し、そして加熱または光照射により硬化させる。この工程を、赤、緑、青の3色についてそれぞれ行うことで、カラーフィルター用の画素部を作製することができる。その他、該基板上に、TFT、薄膜ダイオード、金属絶縁体金属比抵抗素子等の能動素子を設けた画素電極を設置してもよい。
このように、第一の基板側と、第二の基板側とにおいて、光応答性組成物の配向する方向を異ならせることにより、光応答性組成物を配向させるために必要な光強度の閾値を低くすることができる。
本発明の光学素子の製造方法は、前記の本発明の光学素子を製造する方法であって、応答する光強度に閾値を有する光応答性物質と、異方性分子とを含有する光応答性組成物に、閾値以上の光強度を有する光を照射することにより、光応答性組成物を配向させる工程を有する方法である。
2枚の基板間に光応答性組成物を挟持させる方法は、通常の真空注入法または滴下注入(ODF:One Drop Fill)法等を用いることができる。
光応答性組成物に照射する光を、光応答性組成物を含有する層の法線方向に対して角度をつけて照射することにより、例えば、光照射前に、光応答性物質が、その長軸方向を光の振動方向に対し垂直になるように配向している場合にも、光応答性物質の長軸方向に対して、斜め方向から光を照射することができる。これにより、効率的に、光応答性物質を、その長軸方向が光の振動方向に対し平行になるように配向させることができる。さらに、光応答性組成物に光を照射する際、光応答性組成物を含有する層の法線方向に対する角度を10度以下とすることにより、より効率的に、光応答性物質を、その長軸方向が光の振動方向に対し平行になるように配向させることができる。
光応答性組成物に照射する光を発生させる光源としては、メタルハライドランプ、高圧水銀ランプ、超高圧水銀ランプ等を用いることができる。
また、光応答性組成物に照射する光の強度は、光応答性組成物に含まれる光応答性物質が、その長軸方向を光の振動方向に対し平行に配向するのに必要とされる光強度の閾値(光強度の最低値)以上であり、10W/cm2以下であることが好ましく、5W/cm2以下であることがより好ましく、1W/cm2以下であることがさらに好ましい。
また、光を照射する時間は、照射する光の強度により適宜選択されるが、10秒から3600秒が好ましく、10秒から600秒がより好ましい。
このように、第一の基板側と、第二の基板側とにおいて、光応答性組成物の配向する方向を異ならせることにより、光応答性組成物に含まれる異方性分子を配向させるために必要な光強度の閾値を低くすることができる。
下記式(II)
次いで、このガラスセル内(2枚のガラス基板の間)に、調製した重合用試料を封入し、室温(25℃)で光重合した。
光重合は、高圧水銀灯の波長366nmの輝線をフィルターで取り出し、光強度1.0mW/cm2の光を1時間照射することにより行った。
光重合後、70℃から室温(25℃)まで徐冷し、実施例1の試料1−1を得た。
光重合により作製した高分子安定化液晶を含む試料1−2は、下記比較例1の試料と比べて、色素分子のオーダーパラメーターが減少することが明らかとなった。したがって、ホメオトロピック配向セル中においても、高分子安定化液晶を含む試料においては色素分子の配向度が低下している可能性があると考えられる。
この観察には、ポンプ光として、ビーム径2.0mm、波長488nmのAr+レーザーを用いた。そのポンプ光を、グラントムソンプリズムを用いて垂直Vertical偏光とし、焦点距離15cmのレンズで集光して、試料1−1に照射し、試料1−1を透過した光をスクリーンに投影し観察した。
液晶に強度分布がガウシアン型である光を入射した場合、閾値より小さい光強度で分子は配向変化せず、入射光がそのまま透過する。しかし、閾値以上の強度をもつ光を照射すると、光強度に依存して液晶の分子配向が変化し、ガウシアン型の屈折率勾配が形成される。ここで、液晶はレンズとしての役割を果たすため、入射した光自体が作り出した屈折率勾配によって位相変調し、自己収束効果および自己位相変調効果が現れる。したがって、液晶を透過した光は、位相の異なる光が干渉し、このような干渉縞を示す。ここでは、サンプルを透過したポンプ光が形成する干渉縞を遠方のスクリーンに投影して観察を行なった。
その結果、ポンプ光強度が閾値を超えると、干渉縞が発生し、その数は急激に増大することが分った。また、光強度を下げると可逆的に干渉縞の本数が減少し、消失した。
また、光強度に対して干渉縞の本数の増加が急峻なことから、非線形性が大きく向上していることが分かった。
(1)室温でネマチック液晶相を示すホスト液晶に結晶性のモノマーあるいは固体性のポリマーが混ざることによる、粘性の増加が考えられる。その結果、垂直配向セル中での基板表面の配向規制力が弱まり、より小さな光電場に対しても応答を示した可能性がある。
(2)光重合によって高分子安定化液晶中の色素分子のオーダーパラメーターが減少していることが考えられる。したがって、色素分子に働く光電場からのトルクが増大し、配向変化効率が向上した可能性も考えられる。
ホモジニアスセルに電圧を印加すると、液晶がホメオトロピック配向するため、ラビング方向に対して45度をなす偏光子と検光子から光は透過しない。一方、ホモジニアスセルに対する電圧の印加を止めると、配向膜の影響により初期のホモジニアス配向へ戻るため、光が透過する。
そこで、プローブ光の透過光量変化を、電圧印加を止めた直後から初期状態へ戻るまで1ms毎に測定した。その結果、緩和時間を比較すると高分子安定化液晶を含む試料1−3では、緩和時間が顕著に増加し、粘性の増加に伴いセル中の配向規制力が減少していることが分った。これは、高分子安定化液晶を含む試料1−3では、配向規制力が弱まり、光電場と色素分子が相互作用する際の閾値が減少すると解釈できる。
その結果、分子を垂直配向させた、厚さ100μm、200μm、400μmのセルに光を照射したところ、等しい複屈折を誘起するために必要な光強度は減少することが分った。その結果、厚さを4倍(400μm)にすることにより、光強度の閾値が2.3W/cm2になった。
厚さ100μmの試料1−1を入射光の偏波面と平行に傾けた状態で、この試料1−1に光を照射し、光応答性の入射角依存性を検討した。試料1−1を傾ける角度を増大させることにより、光強度の閾値が大幅に減少する結果が得られた。特に、試料1−1を傾ける角度が1〜10度の範囲においては、試料1−1の吸光度がほとんど変化しないにもかかわらず、光強度の閾値は著しく低下し、1.5W/cm2になった。
そこで、分子を垂直配向させた厚さを400μmとした、高分子安定化液晶を含む試料を、入射光の偏波面と平行方向に対して傾けた状態で、その試料に光を照射し、光強度の閾値を調べたところ、光強度の閾値は900mW/cm2であった。
実施例1で調製した重合用試料に変えて、上記式(II)で表される化合物に、上記式(IV)で表される光応答性物質を0.1mol%を加えて調製した試料を用いた以外は実施例1と同様にしてセルを作製し、比較例1の試料1’−1を得た。
試料1’−1を実施例1と同様にして偏光顕微鏡で観察したところ、コノスコープ像においては十字のアイソジャイヤが、オルソスコープ像においては暗視野が確認できた。
また、試料1−1の偏光吸収スペクトル測定を行った。試料1’−1では、分子が垂直配向しているので、波長488nmの光に対して鉛直方向および水平方向の偏光に対して、色素分子に由来する0.14程度の吸収を持つことが分かった。
また、分子配向秩序度を見積もるために、実施例1と同様にしてホモジニアスセル(比較例1の試料1’−2)を作製し、各サンプルのオーダーパラメーターを算出したところ、実施例1の試料と比べて、色素分子のオーダーパラメーターが減少しなかった。
また、実施例1と同様にして、光強度を、ビームプロファイラーを用いて、1つ目の干渉縞が出現する光強度を測定し、試料1’−1に1つ目の干渉縞が出現する光強度の閾値(最低値)を詳細に調べたところ、28W/cm2であった。
上記式(II)で表される化合物と、上記式(III)で表され、重合部位として、シアノビフェニル骨格を有するアクリレートモノマー(A4CB)とをモル比で、90/10となるように混合し、組成物(B−1)を調製した。
次いで、このガラスセル内(2枚のガラス基板の間)に、調製した重合用試料を封入し、室温(25℃)で光重合した。
光重合は、高圧水銀灯の波長366nmの輝線をフィルターで取り出し、光強度1.0mW/cm2の光を1時間照射することにより行った。
光重合後、70℃から室温(25℃)まで徐冷し、ハイブリッド配向した実施例2の試料2−1を得た。
その結果、重合用試料が応答(配向)する光強度の閾値が0.57W/cm2と、非常に低いものであることがわかった。すなわち、垂直配向処理を施したガラス基板と水平配向処理を施したガラス基板とを用いたハイブリッド配向のセルは、光強度の閾値を低減する効果があることがわかった。
下記式(LC−7)
実施例1で調製した組成物(A−1)に変えて、組成物(C−1)を用いた以外は実施例1と同様にしてセルを作製し、実施例3の試料3−1を得た。
試料3−3について、プローブ光の透過光量変化を、電圧印加を止めた直後から初期状態へ戻るまで1ms毎に測定した。その結果、緩和時間を比較すると高分子安定化液晶を含む試料3−3では、緩和時間が顕著に増加し、粘性の増加に伴いセル中の配向規制力が減少していることが分った。
上記式(II)で表される化合物と、上記式(III)で表され、重合部位として、シアノビフェニル骨格を有するアクリレートモノマー(A4CB)とをモル比で、100/0(比較例1)、98/2、96/4、94/6、93/7、92/8、91/9、90/10、89/11、87/13となるように混合し、組成物(I−1)〜(I−10)を調製した。
この組成物(I−1)〜(I−10)に、上記式(IV)で表される光応答性物質(オリゴチオフェンTR5、メルク社製)0.1mol%と、紫外域にのみ吸収をもつ光重合開始剤(商品名:Irgacure651、長瀬産業社製)0.5mol%とを加えて、組成物(I−11)〜(I−20)を調製した。
次いで、このガラスセル内(2枚のガラス基板の間)に、調製した組成物(I−11)〜(I−20)を封入し、室温(25℃)で光を照射した。
光の照射は、高圧水銀灯の波長366nmの輝線をフィルターで取り出し、光強度1.0mW/cm2の光を1時間照射することにより行った。
光の照射後、70℃から室温(25℃)まで徐冷し、実験例の試料4−1〜4−10を得た。
また、図3の結果から、A4CBの含有量が増加することにより、組成物(I−11)〜(I−20)が配向する光強度の閾値が低くなる傾向にあることが分った。
また、図4の結果から、A4CBの含有量が増加することにより、干渉縞の数が多くなることが分った。
Claims (8)
- 第一の基板および第二の基板間に、光応答性物質を配向させるための光強度に閾値を有する光応答性物質と、異方性分子と、オリゴマーおよび/またはポリマーと、を含有する光応答性組成物を有し、
前記光応答性組成物は、前記第一の基板面及び第二の基板面に対して垂直に配向し、
前記光応答性組成物における前記オリゴマーおよび/またはポリマーの含有量の合計が、5mol%以上、9mol%以下であり、
前記閾値以上の光強度に応じて前記光応答性組成物の配向性が変化することを特徴とする光学素子。 - 前記光応答性物質が、光化学反応を起こさない異方性の物質であり、前記閾値以上の光強度を有する光を照射することにより、前記光応答性物質の長軸方向が光の振動方向に対し平行に配向する請求項1に記載の光学素子。
- 前記光強度の閾値が、10W/cm2以下である請求項1又は2に記載の光学素子。
- 前記光応答性組成物を含有する層の厚みが、400μm以上である請求項1〜3のいずれか1項に記載の光学素子。
- 第一の基板および第二の基板間に、光応答性物質を配向させるための光強度に閾値を有する光応答性物質と、異方性分子と、オリゴマーおよび/またはポリマーと、を含有する光応答性組成物を挟持させ、前記光応答性組成物を、前記第一の基板面及び第二の基板面に対して垂直に配向させた後、前記閾値以上の光強度を有する光を照射することにより、前記光応答性組成物を配向させることを含む光学素子の製造方法であって、
前記光応答性組成物における前記オリゴマーおよび/またはポリマーの含有量の合計が、5mol%以上、9mol%以下であり、
前記光学素子は、前記閾値以上の光強度に応じて前記光応答性組成物の配向性が変化することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 前記光応答性物質が、光化学反応を起こさない異方性の物質であり、前記閾値以上の光強度を有する光を照射することにより、前記光応答性物質の長軸方向を光の振動方向に対して平行に配向する請求項5に記載の光学素子の製造方法。
- 前記光応答性組成物に照射する光を、前記光応答性組成物を含有する層の法線方向に対して角度をつけて照射する請求項5または6に記載の光学素子の製造方法。
- 前記角度が、前記光応答性組成物を含有する層の法線方向に対して15度以下である請求項7に記載の光学素子の製造方法。
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