JP2004258623A - 液晶層からなる光学素子及びそれを用いた液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 液晶層を複数積層して光学素子を構成する場合に、隣接する液晶層間の液晶分子の軸の向きが連続して繋がるようにする液晶分子軸変換層を介在させるようにすることにより、粘着膜、配向膜等を配置せずに一体に構成できるようにする。
【解決手段】 液晶分子軸方向が一定の方向に揃った第１の液晶層３の上に、液晶分子軸変換層４が直接積層され、さらにその上に第１の液晶層３の液晶分子軸方向と異なる方向に液晶分子軸方向が揃った第２の液晶層５が直接積層されてなる光学素子１。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液晶層からなる光学素子及びそれを用いた液晶表示装置に関し、特に、複数の液晶層からなる光学素子であって一体に構成された光学素子とそれを用いた液晶表示装置に関するものである。

まず、本発明で用いる「液晶層」なる用語は、光学的に液晶の性質を有する分子からなる層という意味で用いており、層の状態がオリゴマーやポリマーからなる固定された固相の状態にあるものを言う。

また、位相差層の種類は、光学軸（光軸）の向きと、光学軸に直交する方向の屈折率に対して光学軸方向の屈折率の大きさとによって分類される。光学軸の方向が層面に沿っているものをＡプレート、光学軸の方向が層に垂直な法線方向に向いているものをＣプレート、光学軸の方向が法線方向から傾いているものをＯプレートと呼び、光学軸方向の屈折率が光学軸に直交する方向の屈折率より大きいものを正のプレート、光学軸方向の屈折率が光学軸に直交する方向の屈折率より小さいものを負のプレートと言う。したがって、正のＡプレート、負のＡプレート、正のＣプレート、負のＣプレート、正のＯプレート、負のＯプレートの区別がある。

さて、従来から液晶層を備えた光学素子として、コレステリック相構造を有する液晶層（コレステリック液晶層）を備えた偏光分離素子や偏光板、カラーフィルター等が提案されている。また、ネマチック相構造やスメクチック相構造等を有する液晶層を備えた位相差板等も提案されている。

一方、各種位相差板や２分の１波長板、４分の１波長板、円偏光分離素子等を組み合わせて液晶表示素子の視野角特性を改善するもの等が多く提案されている（特許文献１〜１２）。
特開平８−２７１８３７号公報 特開平９−１８９８１１号公報 特開２００１−１４７３２１号公報 特開２００１−１４７３２３号公報 特開２００１−１８３６４３号公報 特開２００１−２４９２２５号公報 特開２００１−３３７２２５号公報 特開２００１−３５００２２号公報 特開２００２−５５３４２号公報 特表２００２−５０６５３２号公報 特開２００２−７２２０９号公報 特開２００２−１０７５４１号公報 ２００２年日本液晶学会サマースクールテキストｐｐ６９〜７７

これら従来例においては、異なる層を一体化するには、粘着層による貼り合わせ、熱圧着による貼り合わせ等が用いられており、また、位相差層には延伸フィルムからなる位相差フィルムが用いられることが多かった。また、従来の位相差層は液晶セル外に貼り付けて用いられている。

ただし、特許文献６においては、コレステリック液晶層からなる円偏光分離素子をネマチック液晶層からなる４分の１波長層上に直接成膜させることが開示されているが、この場合は、下層のネマチック液晶層が上層のコレステリック液晶層を配向させる能力を持っているので、両層を直接成膜することができており、複数の液晶層を一体化する一般的な場合には配向膜を液晶層間に成膜しなければならない。

このように、従来は、異なる層を一体化するのに粘着層を用いたり、熱圧着を用いたり、延伸フィルムを用いるため、位相差板や円偏光分離素子等を組み合わせた光学素子を液晶セル内（透明基板間）に配置するインセル化は困難であった。

また、液晶層で位相差板等を一体化する場合、複数の層を積層するのに転写法を用いるかあるいは配向膜を液晶層間に配置しなければならなかった。

本発明は従来技術のこのような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、液晶層を複数積層して光学素子を構成する場合に、隣接する液晶層間の液晶分子の軸の向きが連続して繋がるようにする液晶分子軸変換層を介在させるようにすることにより、粘着膜、配向膜等を配置せずに一体に構成できるようにすることである。

上記目的を達成する本発明の液晶層からなる光学素子は、液晶分子軸方向が一定の方向に揃った第１の液晶層の上に、液晶分子軸変換層が直接積層され、さらにその上に第１の液晶層の液晶分子軸方向と異なる方向に液晶分子軸方向が揃った第２の液晶層が直接積層されてなることを特徴とするものである。

この場合に、液晶分子軸変換層としては、カイラルネマチック液晶、あるいは、コレステリック液晶からなるものとすることができる。

また、上記の本発明の液晶層からなる光学素子において、第１の液晶層及び第２の液晶層としては、例えばネマチック液晶からなるものとすることができる。

この場合に、第１の液晶層及び第２の液晶層が膜面に対して実質的に平行な液晶分子軸を有するものとすることができる。

また、液晶分子軸変換層は１ピッチ以下の螺旋構造を有するものであることが望ましい。

この場合に、螺旋構造のピッチが紫外領域に選択反射波長を有するピッチ長であることが望ましい。

また、上記の本発明の液晶層からなる光学素子において、第１の液晶層と第２の液晶層の何れか一方が４分の１波長位相差層を構成し、他方が２分の１波長位相差層を構成しているものとすることができる。

この場合に、選択反射を有するコレステリック液晶層が第１の液晶層側あるいは第２の液晶層側に直接積層されていてもよい。

また、上記の本発明の液晶層からなる光学素子において、液晶分子軸変換層が、一方の界面において界面に沿った一定の方向に揃った液晶分子軸を有し、他方の界面において界面に交差する特定角度の方向に揃った液晶分子軸を有し、両界面間の液晶分子軸の角度が一方の界面から他方の界面にかけて連続的又は不連続に変化するものであることが望ましい。

この場合に、第１の液晶層が膜面に対して実質的に平行な液晶分子軸を有し、第２の液晶層が膜面に対して実質的にその特定角度に等しい角度の分子軸を有すものとすることができる。

本発明のもう１つの液晶層からなる光学素子は、膜面に対して実質的に垂直な螺旋軸を持つカイラルネマチック液晶又はコレステリック液晶からなる第１の液晶層の上に、液晶分子軸変換層が直接積層され、さらにその上に液晶分子軸方向が一定の方向に揃った第２の液晶層が直接積層されてなることを特徴とするものである。

この場合に、液晶分子軸変換層が、第１の液晶層との界面において界面に沿った一定の方向に揃った液晶分子軸を有し、他方の界面において界面に交差する特定角度の方向に揃った液晶分子軸を有し、両界面間の液晶分子軸の角度が一方の界面から他方の界面にかけて連続的又は不連続に変化するものであることが望ましい。

以上において、第２の液晶層の上に、別の液晶分子軸変換層が直接積層され、さらにその上に第２の液晶層の液晶分子軸方向と異なる方向に液晶分子軸方向が揃った第３の液晶層が直接積層されてなるものとすることができる。

また、以上において、支持基材上に積層され、膜面内でパターニングされ、支持基材の露出部を有しているものとすることができる。

また、複数の領域に分割され、隣接する領域を透過する光に対する光学的作用が隣接する領域間で異なるものとすることができる。

また、第１の液晶層、液晶分子軸変換層、第２の液晶層を同一の液晶分子を主成分とする材料を用いて構成することが望ましい。

本発明は、以上の液晶層からなる光学素子を用いる液晶表示装置を含むものであり、液晶セル内にその光学素子を配置することができる。

本発明においては、第１の液晶層の上に、液晶分子軸変換層が直接積層され、さらにその上に第２の液晶層が直接積層されてなるので、粘着膜、配向膜等を配置せずに光学素子を一体に構成することができる。また、同一の材料又はそれに準じた関係の材料を用いることにより、界面反射を抑制でき、熱膨張等の熱的環境変化に強い位相差板等の光学素子を得ることができ、液晶セル内に配置するインセル化が可能になる。また、その液晶分子軸変換層がその上に直接積層する第１の液晶層又は第２の液晶層の配向膜を兼ねるため、ラビングレスで成膜でき、異物等による汚染の発生の恐れがなくなり、また、第１の液晶層と第２の液晶層の貼り合わせによる界面の乱れや気泡の混入の問題がなくなる。

以下に、本発明の液晶層からなる光学素子及びそれを用いた液晶表示装置の原理と実施例について説明する。

例えば、波長帯域の広い円偏光板（広帯域円偏光板）を構成するには、λ／２板（２分の１波長板）１枚あるいは２枚とλ／４板（４分の１波長板）１枚を組み合わせることで得られる（例えば非特許文献１）。λ／２板やλ／４板は正のＡプレートから構成でき、正のＡプレートは、例えば、正の屈折率異方性を持つネマテック重合性液晶分子を層面内にプラナー配向させることにより構成することができる。広帯域円偏光板を構成する場合には、λ／２板の遅相軸（光学軸）とλ／４板の遅相軸（光学軸）を所定角度だけずらして重ね合わされる。同様に、Ａプレートを複数枚重ね合わせて各種光学素子が構成される。

このように、Ａプレートを複数枚重ね合わせて一体化して各種光学素子を構成する場合であって、それらＡプレートを重合性液晶分子をプラナー配向させて構成する場合、Ａプレート間の光学軸を相互にずらすために積層される上側の液晶層の配向方向を所定の方向にするために、一般には、転写法を用いるか配向膜を液晶層間に配置しなければならない。

本発明は、このような場合に、積層される液晶層の間に、液晶層からなる液晶分子軸変換層を介在させて、積層される液晶層間の液晶分子の軸の向きが連続して繋がるようにするするものである。

この構成を図１を参照にして説明する。図１（ａ）は本発明による液晶層からなる光学素子の１つの形態の断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の各層の界面の液晶分子軸の向きを示す斜視図である。

図１の光学素子１は、基板２側から第１の液晶層３、液晶分子軸変換層４、第２の液晶層５が一体に積層されてなるもので、第１の液晶層３の液晶分子軸変換層４側の界面の液晶分子３’の軸は界面に沿った両矢符で示す特定の方向に配向しており、第２の液晶層５の液晶分子軸変換層４側の界面の液晶分子５’の軸は界面に沿った両矢符で示す別の特定の方向に配向しており、液晶分子軸変換層４中の液晶分子４’の軸は、第１の液晶層３側から第２の液晶層５側に螺旋を描いて連続的に繋がるように配向しており、液晶分子軸変換層４の第１の液晶層３側の界面の液晶分子４₁ ’の軸は第１の液晶層３の液晶分子軸変換層４側の界面の液晶分子３’の軸と同じ方向に配向し、液晶分子軸変換層４の第２の液晶層５側の界面の液晶分子４₂ ’の軸は第２の液晶層５の液晶分子軸変換層４側の界面の液晶分子５’の軸と同じ方向に配向している。

このような各界面での第１の液晶層３と液晶分子軸変換層４、液晶分子軸変換層４と第２の液晶層５の液晶分子の軸の向きを同じにするには、それぞれの液晶層３、４、５に用いる液晶分子として、同じ液晶分子か、あるいは、類似構造の液晶分子を用いればよい。このように隣接する液晶層の液晶分子の特性が大きく変化していないと、先に成膜した液晶層の表面の液晶分子の軸の配向がその上に成膜する液晶層のその界面での配向を同じ方向に規制するため（配向膜として作用するため）、後に成膜される液晶層のその界面での液晶分子の軸の向きが先に成膜した液晶層のその界面での液晶分子の軸の向きと同じになる。

図１の液晶分子軸変換層４のように、層中の液晶分子４’の軸が螺旋を描くように連続的に繋がるように配向させるには、例えばコレステリック液晶あるいはカイラル剤を混入させて螺旋構造にしたカイラルネマチック液晶を用いればよい。

このように、この光学素子１は、液晶層３、４、５は間には粘着層や配向層を介在させないで一体に積層されており、同一の液晶材料又はそれに準じた類似の関係の液晶材料を用いることにより作製でき、液晶層間の屈折率差を小さくできるので界面反射を抑制でき、熱膨張等の熱的環境変化に強いものとなる。また、液晶層間の配向は下の液晶層が上に設ける液晶層の配向を制御するようにできるので、ラビングレスで異物等による汚染がない光学素子を構成することができる。また、貼り合わせによる界面の乱れや、気泡の問題も生じない。さらには、このような光学素子１は、粘着剤等を用いずに耐熱性のある液晶ポリマーからなるので、液晶セル内に配置するインセル化が可能となる。

ここで、図１の液晶分子軸変換層４の螺旋構造の液晶層としては、その機能である液晶層３と液晶層５の間の液晶分子の軸を連続的に繋がるようにする作用から、螺旋構造のピッチは１以下の薄いもので十分である。しかも、液晶分子軸変換層４は、光学素子１に入射する可視光をその螺旋構造によって反射しないようにするためには、その螺旋構造（コレステリック液晶）の選択反射波長が可視光領域外の紫外域か赤外域にあることが必要であり、赤外域にその選択反射波長があると螺旋ピッチが長くなってしまい、液晶分子軸変換層４の厚さが厚くなって屈折率異方性の影響が大きくなるので、螺旋ピッチが相対的に短くてすむ紫外域に選択反射波長があるようなものを選ぶことが望ましい。

ところで、図１は、Ａプレートを複数枚重ね合わせて各種光学素子を構成する場合の本発明の原理を説明するためのものであったが、ＡプレートとＣプレート、コレステリック液晶層（以下、ＣＬＣ層）とＣプレート、ＡプレートとＯプレート、又は、ＣＬＣ層とＯプレートを重ね合わせて視野角特性を改善する補償板等を構成する場合（特許文献９、１１等）には、図１のような液晶分子軸変換層４では、Ａプレート又はＣＬＣ層を構成する液晶層とＣプレート又はＯプレートを構成する液晶層との間の液晶分子の軸を連続的に繋がるようにすることはできない。この場合は、図２に示す液晶分子軸変換層４のように、液晶分子軸変換層４中の液晶分子４’の軸は、第１の液晶層３側から第２の液晶層５側に膜面に対してなす角度（チルト角）が０°から所定の角度（第１の液晶層３がＣプレートの場合は９０°、Ｏプレートの場合は９０°より小さい所定の角度）に連続的に順次繋がって変化するように配向しており、液晶分子軸変換層４の第１の液晶層３側の界面の液晶分子４₁ ’の軸は第１の液晶層３の液晶分子軸変換層４側の界面の液晶分子３’の軸と同じ方向に配向し、液晶分子軸変換層４の第２の液晶層５側の界面の液晶分子４₂ ’の軸は第２の液晶層５の液晶分子軸変換層４側の界面の液晶分子５’の軸と同じ方向に配向している。

この場合も、各界面での第１の液晶層３と液晶分子軸変換層４、液晶分子軸変換層４と第２の液晶層５の液晶分子の軸の向きを同じにするには、それぞれの液晶層３、４、５に用いる液晶分子として、同じ液晶分子か、あるいは、類似構造の液晶分子を用いればよい。このように隣接する液晶層の液晶分子の特性が大きく変化していないと、先に成膜した液晶層の表面の液晶分子の軸の配向がその上に成膜する液晶層のその界面での配向を同じ方向に規制するため（配向膜として作用するため）、後に成膜される液晶層のその界面での液晶分子の軸の向きが先に成膜した液晶層のその界面での液晶分子の軸の向きと同じになる。

図２の液晶分子軸変換層４のように、層中の液晶分子４’の軸が一方の界面から他方の界面にかけて連続的に順次繋がって変化するように配向させるにはいくつかの方法がある。それを以下に説明する。

（１）液晶分子は、例外はあるが、空気界面で垂直に並ぶという性質がある。通常の成膜の場合は、界面に平行に向くようにするため界面活性剤を添加して表面を改質して垂直に配向しないようにするが、添加する界面活性剤の種類や界面活性剤の添加量を最適化することで、図２のような第２の液晶層５側の界面の液晶分子４₂ ’の軸のチルト角θが９０°あるいはそれより小さい角度のものが得られる。その後、紫外線等を照射して架橋重合させて硬化させることにより図２のような液晶分子軸変換層４が得られる。

この場合の界面活性剤の添加量は一般的に液晶に対し、０．０１〜０．３重量％、好ましくは０．０３〜０．１重量％である。界面活性剤の種類には特に限定はなく、一般に市販されるもので十分対応できる。具体的例としては、イミダゾリン、第四級アンモニウム塩、アルキルアミンオキサイド、ポリアミン誘導体等の陽イオン系界面活性剤、ポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレン縮合物、第一級あるいは第二級アルコールエトキシレート、アルキルフェノールエトキシレート、ポリエチレングリコール及びそのエステル、ラウリル硫酸ナトリウム、ラウリル硫酸アンモニウム、ラウリル硫酸アミン類、アルキル置換芳香族スルホン酸塩、アルキリン酸塩、脂肪族あるいは芳香族スルホン酸ホルマリン縮合物等の陰イオン系界面活性剤、ラウリルアミドプロピルベタイン、ラウリルアミノ酢酸ベタイン等の両性系界面活性剤、ポリエチレングリコール脂肪酸エステル類、ポリオキシエチレンアルキルアミン等の非イオン系界面活性剤、パーフルオロアルキルスルホン酸塩、パーフルオロアルキルカルボン酸塩、パーフルオロアルキルエチレンオキシド付加物、パーフルオロアルキルトリメチルアンモニウム塩、パーフルオロアルキル基・親水性基含有オリゴマー、パーフルオロアルキル・親油基含有オリゴマーパーフルオロアルキル基含有ウレタン等のフッ素系界面活性剤、ポリアクリル酸、アクリル酸共重合体、メタクリル酸、メタクリル酸共重合体等のアクリル系界面活性剤等があげられる。

（２）液晶分子軸変換層４の垂直配向あるいは所定角度のプレチルト配向させたい面（図２のような第２の液晶層５側の界面）に垂直配向膜あるいはプレチルトを持つ配向膜を密着させ、液晶分子軸変換層４に紫外線等を照射して架橋重合させて硬化させ、その硬化後にその配向膜を剥離することにより図２のような液晶分子軸変換層４が得られる。

この方法によると、上記（１）の方法で垂直等の配向をしない材料であっても、図２のように、一方の界面に平行な配向から別の界面においてチルト角θが９０°あるいはそれより小さい角度の液晶分子軸変換層４を得ることができる。

なお、垂直配向膜やプレチルトを持つ配向膜は市販されているものを用いればよい。

以上のような液晶分子軸変換層４を１層以上介在させることにより、液晶層からなるＡプレート、Ｃプレート、Ｏプレート、ＣＬＣ層を２層以上、粘着層や配向層を介在させないで一体に積層して各種位相差板や視野角特性を改善する補償板、偏光分離素子、偏光板等の光学素子を構成することができる。

この場合、各液晶層に同一の液晶分子を主成分とする材料を用いていることが望ましい。図１の液晶分子軸変換層４に用いるカイラルネマチック液晶は、カイラル剤が主剤のネマチック液晶に比べてその添加量が少ない（一般的には、０〜２０％) ので、実質的に熱的、光学的に同物性とみなせる。ただし、前記したように、各液晶層に用いる液晶分子が同一でなくても、類似構造のものであれば、分子特性は大きく変化しないため、所望の光学特性の光学素子を得ることができる。

なお、液晶分子軸変換層４が十分に薄い場合は、その変換層４の上下に配向膜等を配置して配向規制する製造法を採用する際に、変換層内部で液晶分子配列の不連続点が生じる場合がある。これは、上下の配向規制力の及ぼす影響が強いときに液晶層構造の変化が追従できない場合に起こるが、液晶分子軸変換層４としての性能には影響がなく、また、光学特性的にも不具合は現れない。

ところで、以上の説明から液晶分子軸変換層４は、光学的には使用波長に対して光学的作用は実質上無視できるものでなければならない。実例をもってそのような液晶分子軸変換層４が構成可能であることを示す。

例えば、図１の液晶分子軸変換層４のように膜面に平行な液晶分子の軸を例えば相互に４５°変換する液晶分子軸変換層４の場合、波長３５０ｎｍを選択反射するカイラルネマチック液晶（ｎ＝１．６、Δｎ（異常光屈折率から常光屈折率から引いた値）＝０．１）を用いると、
螺旋の１ピッチ（３６０°）＝２１９ｎｍ
螺旋の１／８ピッチ（４５°）＝２７ｎｍ
したがって、２７ｎｍの膜厚の液晶分子軸変換層４となる。ネマチック液晶層のリタデーションΔＲｅは、ΔＲｅ＝２．７ｎｍ（０．１×２７) となる。入射光は直線偏光であるのが一般的であるので、４５°のときの作用が最大であるが、カイラルネマチック液晶層（液晶分子軸変換層４）の場合は、ΔＲｅ＜２．７ｎｍとなる。また、液晶分子の螺旋による単位長さの旋光は、−π・Δｎ² ・（Ｐ／４）・λ² で与えられ（Ｐ：ピッチ、λ：波長）、λ＝５５０ｎｍの光が通過する場合、６×１０^-6ｒａｄ／ｎｍであり、２７ｎｍの膜厚の液晶分子軸変換層４を通るとき、０．０００１６ｒａｄ＝０．００９°の旋光となる。

以上の検討から、液晶分子軸変換層４のリタデーション、旋光共に実質上無視できるものである。

ところで、本発明において液晶層３、５、液晶分子軸変換層４を構成する三次元架橋が可能な液晶モノマー分子（重合性液晶分子）としては、例えば特許文献３や特許文献４で開示されているような液晶性モノマー及びそれとキラル化合物の混合物がある。このような重合性液晶材料の一例としては、次の〔化１１〕に包含されるような化合物や、下記の〔化１〕〜〔化１０〕の化合物の２種類以上を混合して使用することができる。なお、一般化学式〔化１１〕で示される液晶性モノマーの場合、Ｘは２〜５（整数）であることが好ましい。

また、カイラル剤としては、例えば一般化学式〔化１２〕〜〔化１４〕に示されるようなカイラル剤を用いることができる。なお、一般化学式〔化１２〕、〔化１３〕で示されるカイラル剤の場合、Ｘは２〜１２（整数）であることが望ましく、また、一般化学式〔化１４〕で示されるカイラル剤の場合、Ｘが２〜５（整数）であることが望ましい。

また、これらの液晶には、さらに重合開始剤を添加することが好ましい。電子線の照射により液晶モノマー分子を重合させる際には重合開始剤が不要なる場合もあるが、例えば紫外線の照射により液晶モノマー分子を重合させる際には、重合開始剤（光重合開始剤）が重合促進のために好適に用いられる。

添加される光重合開始剤としては、ベンジル（ビベンゾイルとも言う。）、ベンゾインイソブチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル、ベンゾフェノン、ベンゾイル安息香酸、ベンゾイル安息香酸メチル、４−ベンゾイル−４’−メチルジフェニルサルファイド、ベンジルメチルケタール、ジメチルアミノメチルベンゾエート、２−ｎ−ブトキシエチル−４−ジメチルアミノベンゾエート、ｐ−ジメチルアミノ安息香酸イソアミル、３，３’−ジメチル−４−メトキシベンゾフェノン、メチロベンゾイルフォーメート、２−メチル−１−（４−（メチルチオ）フェニル）−２−モルフォリノプロパン−１−オン、２−ベンジル−２−ジメチルアミノ−１−（４−モルフォリノフェニル）−ブタン−１−オン、１−（４−ドデシルフェニル）−２−ヒドロキシ−２−メチルプロパン−１−オン、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニルプロパン−１−オン、１−（４−イソプロピルフェニル）−２−ヒドロキシ−２−メチルプロパン−１−オン、２−クロロチオキサントン、２，４−ジエチルチオキサントン、２，４−ジイソプロピルチオキサントン、２，４−ジメチルチオキサントン、イソプロピルチオキサントン、１−クロロ−４−プロポキシチオキサントン等をあげることができる。

なお、光重合開始剤の他に、増感剤を、本発明の目的が損なわれない範囲で添加することも可能である。

このような光重合開始剤の添加量としては、重合性液晶材料に対して、一般的には、０．０１〜２０重量％、好ましくは０．１〜１０重量％、より好ましくは０．５〜５重量％の範囲で添加することができる。

次に、図１に示したような光学素子１を、第１の液晶層３として２分の１波長位相差層又は４分の１波長位相差層とし、第２の液晶層５として４分の１波長位相差層又は２分の１波長位相差層とすることにより、広帯域４分の１波長板として構成した場合の液晶表示装置への利用例を図３に示す。この例においては、バックライト側のガラス基板１１の内面には、上記のような本発明による第１の広帯域４分の１波長板１４と、その上に配置された広帯域の半透過型のコレステリック液晶フィルター１５が配置され、反対側のガラス基板１２の内面には、上記のような本発明による第２の広帯域４分の１波長板１６が配置されている。そして、半透過型のコレステリック液晶フィルター１５と第２の広帯域４分の１波長板１６の間には、液相状態にある液晶層１３が挟持され、シール部材２０によりガラス基板１１、１２間がシールされ、液晶セル１０が構成されている。ここで、半透過型のコレステリック液晶フィルター１５とは、コレステリック液晶フィルター１５の反射特性（例えば右円偏光）の円偏光が５０％程度反射され、残りの５０％程度が透過し、反射特性と反対の円偏光（例えば左円偏光）は反射されないで透過するタイプのコレステリック液晶フィルターである。

また、バックライト側のガラス基板１１の入射側には第１の直線偏光板１７が配置されており、観察側のガラス基板１２の観察側には第２の直線偏光板１８が配置されており、第１の直線偏光板１７の入射側には、バックライト光源１９が配置されている。

なお、液晶セル１０のガラス基板１１と１２の内面には、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）のカラーフィルターと、カラーフィルターの画素と整列して画素電極、対向電極、ＴＦＴ（ＴＦＤ）、液晶層１３を配向する配向膜、等は設けられるが、図示は省く。

以上のような配置であるので、透過型の表示の場合、バックライト光源１９から出た自然偏光の照明光は、第１の直線偏光板１７と第１の広帯域４分の１波長板１４とで半透過型のコレステリック液晶フィルター１５の反射特性（例えば右円偏光）に合致する円偏光（右円偏光）になる直線偏光成分のみが通過する。第１の直線偏光板１７と第１の広帯域４分の１波長板１４とを通過した右円偏光の光は、半透過型のコレステリック液晶フィルター１５を略５０％だけ透過し、液晶層１３に達し、画素の表示状態が白の場合は右円偏光が左円偏光に変換され、また、画素の表示状態が黒の場合は右円偏光のまま、第２の広帯域４分の１波長板１６と第２の直線偏光板１８に達する。第２の広帯域４分の１波長板１６と第２の直線偏光板１８は左円偏光を通過させ、右円偏光を遮断する向きに構成されており、そのため、画素の表示状態が白の場合は右円偏光に変換されて、第２の広帯域４分の１波長板１６と第２の直線偏光板１８を通過してバックライト光源１９からの光が観察者に達し明状態の表示をする。画素の表示状態が黒の場合は、左円偏光のまま第２の広帯域４分の１波長板１６と第２の直線偏光板１８で遮断されてバックライト光源１９からの光は観察者には達せず、暗状態の表示をする。

次に、外光による反射型の表示の場合、外光は、第２の直線偏光板１８と第２の広帯域４分の１波長板１６とを経て左円偏光になり、画素の表示状態が白の場合は、液晶層１３で左円偏光が右円偏光に変換され、また、画素の表示状態が黒の場合は液晶層１３で変換されずに左円偏光のまま、半透過型のコレステリック液晶フィルター１５に達する。

半透過型のコレステリック液晶フィルター１５は、右円偏光のみを略５０％反射するので、液晶層１３で右円偏光に変換された外光は半透過型のコレステリック液晶フィルター１５で右円偏光のまま略５０％反射され、液晶層１３で右円偏光から左円偏光に変換され、第２の広帯域４分の１波長板１６と第２の直線偏光板１８とを経て観察者に達し明状態の表示をする。画素の表示状態が黒の場合は、左円偏光のまま半透過型のコレステリック液晶フィルター１５に達し、そこで反射されないので、暗状態の表示をする。

このような構成であるので、液晶セル１０の半透過型のコレステリック液晶フィルター１５と観察側のガラス基板１２の間にＲ、Ｇ、Ｂの吸収型カラーフィルターを配置することにより、反射型と透過型のカラー表示が可能な液晶表示装置が得られる。そして、本発明による光学素子（上記例では、広帯域４分の１波長板１４、１６）を液晶セル１０内に配置できるので、界面反射を少なくでき、また、液晶表示装置を薄くすることが可能になる。また、本発明による光学素子を基板と一体化することにより、画素パターニングが可能となり、さらには、パネル化の工程を簡略化することが可能となる。特に、図３のように、シール部材２０によりガラス基板１１、１２間をシールする際に、広帯域４分の１波長板１４、１６を有効表示エリアのみにパターニングして設けることができ、シール部材２０を設ける部分をガラス基板表面とすることができるため、確実なシールが可能となり、耐久性に優れた液晶表示装置を構成することが可能となる。

さらには、例えばＲ、Ｇ、Ｂの画素に対応するように、本発明の液晶層からなる光学素子を複数の領域に分割して、それぞれの領域をＲ、Ｇ、Ｂの中心波長に最適な厚さ等にして、隣接する領域を透過する光に対する光学的作用が隣接する領域間で異なるようにすることが望ましい。

次に、本発明の液晶層からなる光学素子の実施例を説明する。

実施例１
第１の基板として、５００μｍの厚さのガラズ基板に垂直配向膜０．６μｍを成膜したものを用意した。

第１の溶液として、重合型ネマチック液晶（波長５５０ｎｍにおいて、ｎ＝１．５７，Δｎ＝０．１）の液晶モノマーの液晶固形分３０％のキシレン溶液を準備し、光重合開始剤を液晶に対し５％添加した。光重合開始剤としては一般的な材料でよく、例えば、Irg907、Irg184、Irg361、Irg651（何れも、Chiba Speciality Chemicals社製）等がある。

第２の溶液として、第１の溶液に、界面活性剤Byk390（ビックケミー社製）を０．０４％添加したものを準備した。

第２の基板として、５００μｍの厚さのガラズ基板にプレチルト角３°の配向膜０．５μｍを成膜したものを用意した。

第３の溶液として、５５０ｎｍに中心反射波長を有するコレステリック液晶のトルエン溶液（コレステリック液晶固形分３０％）に、界面活性剤Byk352（ビックケミー社製）を０．０６％、光重合開始剤を５％添加したものを用意した。光重合開始剤としては一般的な材料でよく、例えば、Irg907、Irg184、Irg361、Irg651（何れも、Chiba Speciality Chemicals社製）等がある。

このような基板と溶液を用いて、先に例示した層構成（ＣＬＣ層とＣプレートを重ね合わせて視野角特性を改善する補償板等）であるＣプレートとＣＬＣ層が一体化した円偏光分離素子を作製した。その作製手順は次の通りである。

（１）第ｌの基板に第１の溶液を用いてＣプレートを２μｍ厚で成膜した。成膜方法は、第１の溶液をスピンナーにて塗布し、９０℃で乾燥して、溶媒を除去し、未硬化の液晶層を得た。その後、８０℃に保持し、Ｎ₂ 中で３．６ｍＷ／ｃｍ² の照射強度で３秒間紫外線（波長３１０ｎｍ）照射することにより硬化して成膜した。

（２）次に、上記Ｃプレート上に第２の溶液を用いて４０ｎｍ厚の液晶分子軸変換層を成膜した。このとき、第２の溶液を塗布し、溶剤を除去後、第２の基板をその塗布層上に密着させ、８０℃に保持し、Ｎ₂ 中で３．６ｍＷ／ｃｍ² の照射強度で３秒間紫外線（波長３１０ｎｍ）照射することにより紫外線硬化して成膜した。

（３）その後、第２の基板を硬化した液晶分子軸変換層から剥離した。

（４）液晶分子軸変換層の上に第３の溶液を用いて２μｍ厚のＣＬＣ層を成膜した。成膜方法は、第３の溶液をスピンナーにて塗布し、９０℃で乾燥して、溶媒を除去し、未硬化の液晶層を得た。その後、８０℃に保持し、Ｎ₂ 中で３．６ｍＷ／ｃｍ² の照射強度で３秒間紫外線（波長３１０ｎｍ）照射することにより硬化して成膜した。

以上のようにして、第１の基板上にＣプレート、液晶分子軸変換層、ＣＬＣ層が一体化した円偏光分離素子が得られた。

実施例２
基板として、７００μｍの厚さのガラズ基板にポリイミド配向膜０．７μｍを成膜したもの、あるいは、延伸フィルム、又は、フィルム基材にＰＶＡ配向膜１μｍを成膜したものを用いる。

第１の液晶層としては、重合型ネマチック液晶（波長５５０ｎｍにおいて、ｎ＝１．５７，Δｎ＝０．１）を用い、そのネマチック液晶モノマーの３５％トルエン溶液を準備し、光重合開始剤を液晶に対し５％添加した。光重合開始剤としては一般的な材料でよく、例えば、Irg907、Irg184、Irg361、Irg651（何れも、Chiba Speciality Chemicals社製）等がある。界面活性剤はByk361（ビックケミー社製）を０．０５％添加した。上記のように調整された液晶溶液を配向処理を施した上記基板に成膜した。成膜方法は、液晶溶液をスピンナーにて塗布し、９０℃で乾燥して、溶媒を除去し、未硬化の液晶層を得た。その後、８０℃に保持し、Ｎ₂ 中で３．６ｍＷ／ｃｍ² の照射強度で３秒間紫外線（波長３１０ｎｍ）照射することにより硬化して成膜した。膜厚は０．９５μｍであった。

液晶分子軸変換層としては、重合型カイラルネマチック液晶（波長５５０ｎｍにおいて、ｎ＝１．５７，Δｎ＝０．１）を用いた。カイラル剤を混合することによって螺旋構造が得られる第１の液晶層と同じネマチック液晶モノマーの３５％トルエン溶液を準備し、光重合開始剤をこのコルステリック液晶（カイラルネマチック液晶）に対し５％添加した。光重合開始剤としては、一般的な材料でよく、例えば、Irg907、Irg184、Irg361、Irg651等がある。上記のように調整されたコレステリック液晶溶液を選択反射波長が３５０ｎｍとなるように準備した（ネマチック液晶：カイラル剤＝９２．５ｗ％：７．５ｗ％）。成膜は、上記の第１の液晶層と同様である。膜厚は３１ｎｍとした（１ピッチは２２３ｎｍであるので、角度５０°だけ液晶分子の軸を変換するには、２２３ｎｍ／（５０°／３６０°）＝３１ｎｍ）。

第２の液晶層としては、第１の液晶層と同じで、膜厚が１．９μｍとした。

以上により、光学軸が５０°ずれた２分の１波長位相差層と４分の１波長位相差層とを積層した光学素子Ａを得た。

この光学素子Ａの２分の１波長位相差層側に直線偏光板に貼り付けた。貼り合わせ角度は２分の１波長位相差層の分子長軸と直線偏光板の吸収軸が５°の角度をなすようにした。このとき、直線偏光層の吸収軸と４分の１波長位相差層の分子長軸がなす角は５５°となる。

このように、直線偏光板と光学素子Ａを貼り合わた光学素子に、直線偏光板側から入射した白色光の透過光の偏光状態を測定した。

比較例として、上記の４分の１波長位相差層（光学素子Ｂ）のみと直線偏光板（４分の１波長位相差層の分子長軸と直線偏光層の吸収軸が４５°の角度をなす。）とからなる光学素子、及び、光学素子Ａと同様であって液晶分子軸変換層を配置しない光学素子Ｃと直線偏光板からなる光学素子を測定した（液晶分子軸変換層なしの光学素子Ｃは、４分の１波長位相差層と２分の１波長位相差層をそれぞれ別々に成膜し、光学軸が相互に３１°なす関係になるようにして転写し、貼り合わせて作成した。）。

比較の結果は後記の表のようになった。

実施例３
実施例２と同様で、液晶分子軸変換層の膜厚が３７ｎｍで、貼り合わせ角度は、直線偏光板の吸収軸を０°とすると、それぞれ、１５°（２分の１波長位相差層の長軸）、７４°（４分の１波長位相差層の長軸）とし、これを光学素子Ｄとする。

比較例として、光学素子Ｄと同様であって液晶分子軸変換層を配置しない光学素子Ｅと直線偏光板からなる光学素子を測定した。

比較の結果
各波長における光学素子Ａ〜Ｅの楕円率を比較したところ、光学素子Ｂよりも楕円率が１に近い広帯域化した円偏光素子（光学素子Ａ）が得られ、さらに、液晶分子軸変換層の影響はほとんどないことが分かった（光学素子ＡとＣ、ＤとＥ）。

表
┌───┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────┐
│波長 │光学素子Ａ│光学素子Ｂ│光学素子Ｃ│光学素子Ｄ│光学素子Ｅ│
├───┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┤
│400nm │ 0.50 │ 0.46 │ 0.56 │ 0.69 │ 0.71 │
├───┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┤
│500nm │ 0.86 │ 0.89 │ 0.89 │ 0.94 │ 0.95 │
├───┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┤
│600nm │ 0.89 │ 0.80 │ 0.88 │ 0.96 │ 0.96 │
├───┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┤
│700nm │ 0.76 │ 0.63 │ 0.75 │ 0.73 │ 0.73 │
└───┴─────┴─────┴─────┴─────┴─────┘
。

以上、本発明の液晶層からなる光学素子及びそれを用いた液晶表示装置をその原理と実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。

本発明の液晶層からなる光学素子の１つの形態の断面図とその各層の界面の液晶分子軸の向きを示す斜視図である。 本発明の液晶層からなる光学素子の別の形態の各層の液晶分子軸の向きを示す断面図である。 本発明の液晶層からなる光学素子の液晶表示装置への利用例を示す断面図である。

符号の説明

１…光学素子（本発明）
２…基板
３…第１の液晶層
３’…第１の液晶層の液晶分子軸変換層側の界面の液晶分子
４…液晶分子軸変換層
４’…液晶分子軸変換層中の液晶分子
４₁ ’…液晶分子軸変換層の第１の液晶層側の界面の液晶分子
４₂ ’…液晶分子軸変換層の第２の液晶層側の界面の液晶分子
５…第２の液晶層
５’…第２の液晶層の液晶分子軸変換層側の界面の液晶分子
１０…液晶セル
１１…バックライト側のガラス基板
１２…観察側のガラス基板
１３…液晶層
１４…第１の広帯域４分の１波長板
１５…半透過型のコレステリック液晶フィルター
１６…第２の広帯域４分の１波長板
１７…第１の直線偏光板
１８…第２の直線偏光板
１９…バックライト光源
２０…シール部材

Claims (19)

1. 液晶分子軸方向が一定の方向に揃った第１の液晶層の上に、液晶分子軸変換層が直接積層され、さらにその上に第１の液晶層の液晶分子軸方向と異なる方向に液晶分子軸方向が揃った第２の液晶層が直接積層されてなることを特徴とする液晶層からなる光学素子。
2. 請求項１において、前記液晶分子軸変換層がカイラルネマチック液晶からなることを特徴とする液晶層からなる光学素子。
3. 請求項１において、前記液晶分子軸変換層がコレステリック液晶からなることを特徴とする液晶層からなる光学素子。
4. 請求項１において、前記第１の液晶層及び前記第２の液晶層がネマチック液晶からなることを特徴とする液晶層からなる光学素子。
5. 請求項４において、前記第１の液晶層及び前記第２の液晶層が膜面に対して実質的に平行な液晶分子軸を有することを特徴とする液晶層からなる光学素子。
6. 請求項２又は３において、前記液晶分子軸変換層が１ピッチ以下の螺旋構造を有することを特徴とする液晶層からなる光学素子。
7. 請求項６において、螺旋構造のピッチが紫外領域に選択反射波長を有するピッチ長であることを特徴とする液晶層からなる光学素子。
8. 請求項１から７の何れか１項において、前記第１の液晶層と前記第２の液晶層の何れか一方が４分の１波長位相差層を構成し、他方が２分の１波長位相差層を構成していることを特徴とする液晶層からなる光学素子。
9. 請求項７において、選択反射を有するコレステリック液晶層が前記第１の液晶層側あるいは前記第２の液晶層側に直接積層されていること特徴とする液晶層からなる光学素子。
10. 請求項１において、前記液晶分子軸変換層が、一方の界面において界面に沿った一定の方向に揃った液晶分子軸を有し、他方の界面において界面に交差する特定角度の方向に揃った液晶分子軸を有し、両界面間の液晶分子軸の角度が一方の界面から他方の界面にかけて連続的又は不連続に変化することを特徴とする液晶層からなる光学素子。
11. 請求項１０において、前記第１の液晶層が膜面に対して実質的に平行な液晶分子軸を有し、前記第２の液晶層が膜面に対して実質的に前記の特定角度に等しい角度の分子軸を有することを特徴とする液晶層からなる光学素子。
12. 膜面に対して実質的に垂直な螺旋軸を持つカイラルネマチック液晶又はコレステリック液晶からなる第１の液晶層の上に、液晶分子軸変換層が直接積層され、さらにその上に液晶分子軸方向が一定の方向に揃った第２の液晶層が直接積層されてなることを特徴とする液晶層からなる光学素子。
13. 請求項１２において、前記液晶分子軸変換層が、前記第１の液晶層との界面において界面に沿った一定の方向に揃った液晶分子軸を有し、他方の界面において界面に交差する特定角度の方向に揃った液晶分子軸を有し、両界面間の液晶分子軸の角度が一方の界面から他方の界面にかけて連続的又は不連続に変化することを特徴とする液晶層からなる光学素子。
14. 請求項１から１３の何れか１項において、前記第２の液晶層の上に、別の液晶分子軸変換層が直接積層され、さらにその上に第２の液晶層の液晶分子軸方向と異なる方向に液晶分子軸方向が揃った第３の液晶層が直接積層されてなることを特徴とする液晶層からなる光学素子。
15. 請求項１から１４の何れか１項において、支持基材上に積層され、膜面内でパターニングされ、支持基材の露出部を有しているを特徴とする液晶層からなる光学素子。
16. 請求項１から１５の何れか１項において、複数の領域に分割され、隣接する領域を透過する光に対する光学的作用が隣接する領域間で異なることを特徴とする液晶層からなる光学素子。
17. 請求項１から１６の何れか１項において、前記第１の液晶層、前記液晶分子軸変換層、前記第２の液晶層が同一の液晶分子を主成分とする材料を用いていることを特徴とする液晶層からなる光学素子。
18. 請求項１から１７の何れか１項記載の液晶層からなる光学素子を用いることを特徴とする液晶表示装置。
19. 液晶セル内に前記液晶層からなる光学素子が配置されていることを特徴とする請求項１８記載の液晶表示装置。

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