JP2006284967A - 垂直配向膜上に液晶分子をホメオトロピック配向させた光学素子およびこれを用いた液晶表示装置用基材ならびに液晶表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光透過性を有する基板を備えた基材と、基材に設けられる垂直配向膜と、垂直配向膜上に積層された複屈折率層とを有する光学素子において、垂直配向膜は、側鎖にアルキル基を有するポリイミドを含有し、複屈折率層は、末端に重合性基を有する液晶の分子をホメオトロピック配向させた状態で固定してなる層であって側鎖にアルキル基を有するポリイミドを含有する層を備えていることにより、生産コストを抑制できると共に、垂直配向膜上に固定された液晶の分子の配向性をより均一化させた光学素子が提供される。
【選択図】図1
Description
その場合、光学素子としては、トリアセチルセルロース(TAC)フィルムを1軸延伸や2軸延伸処理したフィルム材の他、液晶分子を特定方向に配向させた固定した層を用いた光学素子が提案されている。
型液晶ポリマーからなり、ホメオトロピック配向の状態で固定されていても昇温に伴って流動性が増し、熱により複屈折特性が容易に影響を受けてしまうことから、所望の複屈折特性を維持することができる温度範囲が比較的狭い上、液晶ポリマーを固定化した部分の液晶ポリマーの配向性が不均一化し易い。すると、この方法で得られるホメオトロピック配向液晶フィルムは、高い耐熱性が求められる液晶表示装置に用いることが困難なものであり、この液晶フィルムを使用可能な液晶表示装置が限定されてしまう。
型液晶ポリマーからなるので、この方法では、上記した特許文献3に記載されている方法と同様の問題を有している。
また、複屈折率層が架橋重合構造を有しているので、複屈折特性が熱による影響を受け難いので、例えば車内のように比較的高温になり易い環境下で使用される光学機器にも用いることができる。更に、耐熱性が比較的高いので、光学機器に設置された液晶パネル中に設けることも可能である。
光学素子1(1a)は、光透過性を有する基材2と、近接する液晶5の分子に配向性を持たせる垂直配向膜3と、垂直配向膜3上に積層された固定液晶層4を備えている。
基板2aとしては、ガラス基板の他、種々の材質からなる板状体を適宜選択できる。具体的には、基板は、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート、トリアセチルセルロース等からなるプラスチック基板であってもよいし、またさらにポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルケトン等のフィルムを用いることもできる。なお、光学素子を液晶ディスプレイ用に用いる場合には、基板は無アルカリガラスであることが好ましい。また、基板に用いるフィルムとしては、1軸延伸または2軸延伸したフィルム材を用いることが可能であり、フィルム材の内部にリタデーションを有するトリアセチルセルロース(TAC)フィルムなどを用いることもできる。
また、ポリイミドを含む膜組成液としては、具体的には、日産化学社製のSE−7511やSE−1211、あるいはJSR社製のJALS−2021−R2等を例示できる。
なお、垂直配向膜3を形成するポリイミドとしては、長鎖アルキル基を有するものであることが、光学素子に形成される複屈折率層3の膜厚を広い範囲で選択することができて好ましい。
なお、図1では、便宜上、液晶5分子同士の結合状態を示す結合手についての図示を省略している。
したがって、複屈折率層4は、液晶5分子の種類、液晶分子の配向の程度、複屈折率層4の膜厚などを適宜選択することにより、液晶5分子の配向特性、リタデーションの大きさを制御することができる。
また、液晶5分子が垂直配向膜3から離れた位置にあると、ホメオトロピック配向が弱くなるため、垂直配向膜3から離れた位置にある液晶5分子についても強くホメオトロピック配向した状態となれば、複屈折率層4は、結晶分子のチルト角が均一化したものとなり、均一に結晶分子がホメオトロピック配向した状態となる。より均一に液晶分子がホメオトロピック配向した複屈折率層4を得ようとする観点からしてみると、リタデーションの大きさは1nm以下であることが好ましく、0.1nm以下であることがより好ましく、理想的にはゼロであることが好ましい。
また、液晶5分子としては、その複屈折Δnが0.03〜0.20程度であるものが好ましく、0.05〜0.15程度であるものが更に好ましい。このような液晶分子としては、下記式1から式11で表される化合物を具体例に例示できる。耐熱性の点から好ましくは3次元架橋可能なものが良く、分子の末端に不飽和2重結合を2以上有するものが用いられる。
さらに、複屈折率層4を構成する液晶5分子としては、下記化学式(化1)から(化11)に表される化合物の複数種類が選択されても良い。
複屈折率層組成液は、側鎖にアルキル基を有するポリイミドと液晶との配合比率が重量比で1/7から1/3である。また、複屈折率層組成液におけるポリイミドの配合量は、複屈折率層組成液中の液晶の総量に対して12.5〜25重量%とすることが好ましく、15〜22.5重量%とすることが更に好ましい。ポリイミドの配合量が、12.5重量%より小さいと、十分均一にホメオトロピック配向した複屈折率組成物を得ることが困難になる虞があり、25重量%よりも大きいと、光の透過率が低下する虞がある。
また、光重合開始剤及び増感剤は、それぞれ、1種類のみ用いられてもよいし、2種類以上が併用されてもよい。
まず、上記したような材料を用いてポリイミドを含む膜組成液を調整し、これを光透過性を有する基材の面に、フレキソ印刷やスピンコートなどの方法で塗布して垂直配向膜用塗膜を作製し、さらにこの垂直配向膜用塗膜を硬化させることにより、基材に垂直配向膜の形成された垂直配向膜形成基材を得る。
この複屈折率層用塗膜は、複屈折率層組成液をダイコート、バーコート、スライドコート、ロールコート等といった各種印刷法やスピンコートなどの方法で基材上に塗布することにより、形成することができる。なお、垂直配向膜形成基材表面の撥水性又は撥油性が高い場合には、液晶をホメオトロピック配向させることが可能な範囲内でUV洗浄やプラズマ処理を介在させることにより、複屈折率層組成液を塗布しようとする垂直配向膜形成基材面の濡れ性を予め高めてもよい。
すなわち、複屈折率層用塗膜を加熱して、複屈折率層用塗膜の温度を、この塗膜中の液晶が液晶相となる温度(液晶相温度)以上、この塗膜中の液晶が等方相(液体相)となる温度未満にすることで、液晶をホメオトロピック配向させる。このとき複屈折率層用塗膜の加熱手段は、特に限定されず、加熱雰囲気下におく手段でもよいし、赤外線で加熱する手段でもよい。
具体的には、異複屈折率層は、上記した屈折率がnz=nx<nyあるいはnz=ny<nxであるような複屈折率特性を有する層、いわゆる「+Aプレート」として機能する層であってもよく、また、上記した屈折率がnz<nx=nyであるような複屈折率特性を有する層、いわゆる「−Cプレート」として機能する層であってもよい。
図4(a)は、第3の形態の光学素子の実施例における断面構造を示す概略図である
また、これらの着色画素(8a、8b、8c)に代えて、各色の補色の波長帯の光を透過させる着色画素を用いることも可能である。
なお、液晶表示装置用部材の実施例として、積層構造体の一方において第1の形態の光
学素子が形成されている場合について説明する。
なお、この液晶表示装置用形成部材において、積層構造体の一方に第4の形態の光学素子を形成している場合を例とする。
図7(a)に示すように、液晶表示装置用部材50aの両外面に偏光板11、11を備えるとともに、液晶表示装置用部材50aの積層構造体14aを構成する基板16と配向膜15との間に介在形成された平坦電極部25と、光照射部13とを設けている。
共通電極27aは、例えばタンタル(Ta)、チタン(Ti)等の金属により形成することができる。
第1の形態の液晶表示装置100aは、液晶表示装置用部材50aに、ホメオトロピック配向の均一性を高めた架橋構造を有する複屈折率層4を有するから、耐熱性が比較的高く、比較的高温環境に曝される車載用の液晶表示装置としても用いることができる。また、第1複屈折率層25の生産コストを抑え易いことから、液晶表示装置を安価に提供することも可能である。また、従来の液晶表示装置では、視野角の狭さを補正するために位相差を補正するフィルム材(位相差制御フィルム)を別体で粘着剤などを用いて貼着していたが、この液晶表示装置では、そのようなフィルム材を設ける必要もなくなり、粘着剤を設けるための厚みが不要となって装置の厚みを薄くすることができるばかりか、粘着剤による光の乱反射や吸収などの虞も低減できる。
この液晶表示装置100bは、液晶表示装置用部材50bの両側面に偏光板11、11を備えるとともに、液晶表示装置用部材50bの積層構造体を構成する基板16、2aの間に電極部29を介在させ、光照射部13を備えている。
画素電極は、酸化インジウムスズ(ITO)等の透明電極材料により形成されている。
垂直配向膜の作製
垂直配向膜の溶液(JSR社製、JALS-2021-R2)をγ-ブチロラクトンで2倍に希釈して膜組成液を作製する。
基材としてのガラス基板上に、この膜組成液を塗布して塗膜を作製し、塗膜の形成されたガラス基板を180℃で1時間焼成して垂直配向膜形成基材を得る。
ポリイミドを含む溶液として、垂直配向膜の溶液(JSR社製、JALS-2021-R2)をジエチレングリコールジメチルエーテルで8倍希釈した溶液を調整する。
ネマチック液晶相を示す重合可能な液晶分子(重合性液晶)として上記化学式(化11)に示される化合物(ただしXの値が6の化合物である)20重量部と、光重合開始剤(チバガイギー社製、「イルガキュア907」)0.8重量部と、溶媒としてクロロベンゼン59.2重量部と、ポリイミドを含む溶液20重量部と混合して、複屈折率層組成液を作製する。
液晶のホメオトロピック配向状態の形成
複屈折率層形成用塗膜の形成された垂直配向膜形成基材を、100℃で3分間加熱し、複屈折率層形成用塗膜中の液晶の分子が液晶相に転移して配向状態を形成していることを確認した。このとき、複屈折率層形成用塗膜が白濁状態から透明状態となったことが目視にて確認された。
液晶の架橋重合反応
次に、空気雰囲気下で、透明状態の複屈折率層形成用塗膜に、紫外線照射装置(ハリソン東芝ライティング社製、「商品名TOSCURE751」)を用いて出力が20mW/cm2の紫外線を10秒間照射して、複屈折率層形成用塗膜中の液晶を架橋重合反応させて液晶の分子の配向性を固定することで、複屈折率層が形成され、光学素子が得られた。
リタデーションの測定
まず、光学素子をリタデーションの計測機に設置して、測定波長550nmの条件で複屈折率層の厚さ方向に対して、光学素子のリタデーションを測定した。このとき、リタデーションの計測機として、王子計測機器社製「KOBRA-21」を使用した。
この測定の結果、光学素子のリタデーションの大きさは、おおよそ0(ゼロ)nmであった。
さらに、複屈折率層の厚さ方向のリタデーションの測定がなされた状態を基準として、厚さ方向に対して傾きを持った方向に光学素子の設置状態を変化させた。
この測定の結果、光学素子は、厚さ方向に対して大きく傾くほど、リタデーションが大きくなった。
これにより、均一に垂直配向した複屈折率層が形成されていることが確認された。
基材として、ガラス基板からなる層(基板層)に着色層を積層して形成されるものを用いて、光学素子を得た。
ブラックマトリクス(BM)及び赤色(R)、緑色(G)、青色(B)着色画素の着色材料分散液として、顔料分散型フォトレジストを用いた。顔料分散型フォトレジストは、着色材料として顔料を用い、分散液組成物(顔料、分散剤及び溶剤を含有する)にビーズを加え、分散機で3時間分散させ、その後ビーズを取り除いた分散液とクリアレジスト組成物(ポリマー、モノマー、添加剤、開始剤及び溶剤を含有する)とを混合することにより得られた。得られた顔料分散型フォトレジストは、下記に示すような組成である。尚、分散機としては、ペイントシェーカー(浅田鉄工社製)を用いた。
・黒顔料・・・・・14.0重量部
(大日精化工業(株)製、TMブラック#9550)
・分散剤・・・・・1.2重量部
(ビックケミー(株)製、Disperbyk111)
・ポリマー・・・・・2.8重量部
(昭和高分子(株)製、VR60)
・モノマー・・・・・3.5重量部
(サートマー(株)製、SR399)
・添加剤・・・・・0.7重量部
(綜研化学(株)製L−20)
・開始剤・・・・・1.6重量部
(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)−ブタノン−1)
・開始剤・・・・・0.3重量部
(4,4’−ジエチルアミノベンゾフェノン)
・開始剤・・・・・0.1重量部
(2,4−ジエチルチオキサントン)
・溶剤・・・・・75.8重量部
(エチレングリコールモノブチルエーテル)
・赤顔料・・・・・4.8重量部
(C.I.PR254(チバスペシャリティケミカルズ社製、クロモフタールDPP Red BP))
・黄顔料・・・・・1.2重量部
(C.I.PY139(BASF社製、パリオトールイエローD1819))
・分散剤・・・・・3.0重量部
(ゼネカ(株)製、ソルスパース24000)
・モノマー・・・・・4.0重量部
(サートマー(株)製、SR399)
・ポリマー1・・・・・5.0重量部
・開始剤・・・・・1.4重量部
(チバガイギー社製、イルガキュア907)
・開始剤・・・・・0.6重量部
(2,2’−ビス(o−クロロフェニル)−4,5,4’,5’−テトラフェニル−1,2’−ビイミダゾール)
・溶剤・・・・・80.0重量部
(プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート)
・緑顔料・・・・・3.7重量部
(C.I.PG7(大日精化製、セイカファストグリーン5316P))
・黄顔料・・・・・2.3重量部
(C.I.PY139(BASF社製、パリオトールイエローD1819))
・分散剤・・・・・3.0重量部
(ゼネカ(株)製、ソルスパース24000)
・モノマー・・・・・4.0重量部
(サートマー(株)製、SR399)
・ポリマー1・・・・・5.0重量部
・開始剤・・・・・1.4重量部
(チバガイギー社製、イルガキュア907)
・開始剤・・・・・0.6重量部
(2,2’−ビス(o−クロロフェニル)−4,5,4’,5’−テトラフェニル−1,2’−ビイミダゾール)
・溶剤・・・・・80.0重量部
(プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート)
・青顔料・・・・・4.6重量部
(C.I.PB15:6(BASF社製、ヘリオゲンブルーL6700F))
・紫顔料・・・・・1.4重量部
(C.I.PV23(クラリアント社製、フォスタパームRL−NF))
・顔料誘導体・・・・・0.6重量部
(ゼネカ(株)製、ソルスパース12000)
・分散剤・・・・・2.4重量部
(ゼネカ(株)製、ソルスパース24000)
・モノマー・・・・・4.0重量部
(サートマー(株)製、SR399)
・ポリマー1・・・・・5.0重量部
・開始剤・・・・・1.4重量部
(チバガイギー社製、イルガキュア907)
・開始剤・・・・・0.6重量部
(2,2’−ビス(o−クロロフェニル)−4,5,4’,5’−テトラフェニル−1,2’−ビイミダゾール)
・溶剤・・・・・80.0重量部
(プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート)
洗浄処理を施した基板としてのガラス基板(コーニング社製、「1737材」)を用意し、このガラス基板上面に、次に示すように各色ごとに着色材料分散液を塗布し、基板に着色層を積層形成した。
まず、ガラス基板に、上述で調製したBM用フォトレジストをスピンコート法で1.2μmの厚さに塗布し、90℃、3分間の条件でプリベーク(予備焼成)し、所定のパターンに形成されたマスクを用いて露光(100mJ/cm2)し、続いて0.05%KOH水溶液を用いたスプレー現像を60秒行った後、200℃、30分間ポストベーク(焼成)し、BMを形成したBM基板を作製した。
続いて、上記赤色(R)着色画素パターンの形成方法と同様の方法及び条件で、膜厚2.6μmの緑色(G)着色画素パターンを形成した。
さらに、上記赤色(R)着色画素パターンの形成方法と同様の方法及び条件で、膜厚2.3μmの青色(B)着色画素パターンを形成した。
こうして、ガラス基板上に、BM、赤色着色画素、緑色着色画素、及び青色着色画素から構成される着色層が形成され、基板層に着色層を形成した基材を得た。
次に、実施例1と同様に複屈折率層組成液を調整した。
そして、垂直配向膜形成基材をスピンコーター(MIKASA社製、「商品名1H-360S)に設置して、垂直配向膜上に複屈折率層組成液をスピンコーティングして、複屈折率層形成用塗膜を作製した。得られた複屈折率層形成用塗膜は白濁していた。また、作製された複屈折率層形成用塗膜の膜厚は、乾燥時において約1.0μmであった。なお、この膜厚は、触針式段差計(Sloan社製、製品名「DEKTAK」)を用いて計測された。
これにより、均一に垂直配向した複屈折率層が形成されていることが確認された。
複屈折率層組成液として、液晶分子として上記化学式(化11)に示される化合物(ただしXの値が6の化合物である)20重量部、光重合開始剤(チバガイギー社製、「イルガキュア907」)0.8重量部と、溶媒としてクロロベンゼン59.2重量部と、ジエチレングリコールジメチルエーテル20重量部とを混合した溶液を用いた他は、実施例1と同様にして、光学素子を製造した。
得られた光学素子の複屈折率層に白濁が認められたため、複屈折率層に含まれる液晶分子の配向の均一性が低いことが確認された。
2 基材
2a 基板
3 垂直配向膜
4 複屈折率層
5 液晶
2b、6 機能性層
7 着色層
8 着色画素部
9 遮光部
Claims (9)
- 光透過性を有する基板を備えた基材と、基材に設けられる垂直配向膜と、垂直配向膜上に積層された複屈折率層とを有する光学素子において、
垂直配向膜は、側鎖にアルキル基を有するポリイミドを含有し、複屈折率層は、末端に重合性基を有する液晶の分子をホメオトロピック配向させた状態で固定してなる層であって側鎖にアルキル基を有するポリイミドを含有する層を備えている、ことを特徴とする光学素子。 - 複屈折率層は、側鎖にアルキル基を有するポリイミドと液晶との配合比率が重量比で1/7から1/3である、ことを特徴とする請求項1記載の光学素子。
- 複屈折率層は、垂直配向膜に対向する面と非対向面の各々に対する液晶のチルト角が等しい請求項1または2に記載の光学素子。
- 光学素子の外面および基板表面のうち、少なくともいずれか1つの面に、光の状態を変化させる機能を有し複屈折率層とは異なる機能性層が積層されている請求項1から3のいずれかに記載の光学素子。
- 機能性層は、複屈折率層とは異なる複屈折率特性を有する層である請求項4に記載の光学素子。
- 光学素子には着色層が形成されており、機能性層は着色層の少なくとも一部で形成されていることを特徴とする請求項4に記載の光学素子。
- 光透過性を有する層を備えた2つの積層構造体の間に液晶の封入された液晶層を形成した液晶表示装置用部材において、
少なくとも1つの積層構造体には、請求項1から6のいずれかに記載の光学素子からなる層が形成されていることを特徴とする液晶表示装置用部材。 - 光学素子は、基板と液晶層の間に複屈折率層が位置するように形成されていることを特徴とする請求項7記載の液晶表示装置用部材。
- 液晶層を挟んだ両側に偏光板からなる層を備えるとともに、電圧を負荷して液晶層の配向を変化させる電極部からなる層を備えて多層構造を形成している液晶表示装置において、請求項7または8に記載の液晶表示装置用部材が形成されている液晶表示装置。
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