JP2007219413A - 液晶調光デバイスの駆動方法及び液晶調光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】着色状態と白色散乱状態と無色透明状態の３状態を、印加する電圧で切り替えることができる液晶調光デバイスの駆動方法、及び該駆動方法を用いた液晶調光デバイスの提供。
【解決手段】水平配向膜を備えた透明電極を、ギャップ１０μｍ以下のセル間を形成するように対向させ、該セル間に、少なくともカイラルドーパントと二色性色素とホスト液晶とを含有する透過率異方性が正の液晶組成物を充填してなる液晶調光デバイスに、前記液晶組成物のしきい値電圧よりも高い電圧を印加して無色透明状態とし、しきい値電圧よりも低い電圧を印加して白色散乱状態とし、電圧を印加しないときに着色状態として、表示を切り替えることを特徴とする駆動方法、及び該駆動方法を用いた液晶調光デバイス。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶調光デバイスの駆動方法及び液晶調光デバイスに関するものであり、特にカイラルドーパントと二色性色素とを含有する液晶組成物を用いた液晶調光デバイスの駆動方法及び液晶調光デバイスに関する。

液晶調光デバイスにおいて、散乱（遮光）状態と透明状態とを切り替える方法としては、以下のような方法が開示されている。

例えば、高分子中に液晶を内包したカプセルを分散し、電圧がＯｆｆ時には、液晶の配向がランダムになり、かつ液晶と高分子の屈折率差により光が乱反射することで散乱（遮光）し、電圧がＯｎ時には、液晶の配向が一様になり、かつ液晶の長軸方向と高分子の屈折率がほぼ一致することで透明状態となり、白色散乱状態と透明状態を電圧により切り替える方法がある（例えば、非特許文献１参照。）。

しかし、この方法では、液晶調光デバイスを着色状態にするためには、二色性色素を液晶中に溶解させる必要があるが、カプセル皮膜に二色性色素が染着したり、二色性色素が高分子皮膜に沿って配向しやすく電圧応答性が無くなったりすることで、透明時の透過率が低くなるといった問題がある。

また、未硬化の紫外線硬化樹脂、重合開始剤、液晶、及び二色性色素を混合し、紫外線照射により樹脂を硬化させることで、高分子と液晶とが相分離し、高分子と液晶との間に界面を形成するので、上記の液晶調光デバイスと同じ原理で動作するという方法がある（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、この方法では、紫外線照射や重合開始剤により色素が分解し、着色性が低下するといった問題がある。

このように、これまでの液晶調光デバイスの駆動方法では、それぞれに改善すべき問題が有り、且つ、散乱（遮光）状態と透明状態の２つの状態を切り替えて表示に利用するものであった。
国際公開第２００２／０９３２４１号パンフレット 市村國宏編「クロミック材料の開発」シーエムシー出版（２０００年発行）Ｐ２２６〜２３６

本発明の目的は、着色状態と白色散乱状態と無色透明状態の３状態を、印加する電圧で切り替えることができる液晶調光デバイスの駆動方法、及び液晶調光デバイスを提供することである。

前記課題を解決するための手段は以下の通りである。
［１］ 水平配向膜を備えた透明電極を、ギャップ１０μｍ以下のセル間を形成するように対向させ、該セル間に、少なくともカイラルドーパントと二色性色素とホスト液晶とを含有する誘電率異方性が正の液晶組成物を充填してなる液晶調光デバイスに、前記液晶組成物のしきい値電圧よりも高い電圧を印加して無色透明状態とし、しきい値電圧よりも低い電圧を印加して白色散乱状態とし、電圧を印加しないときに着色状態として、表示を切り替えることを特徴とする液晶調光デバイスの駆動方法である。

［２］ 前記白色散乱状態にするための印加電圧が、しきい値電圧の０.１〜０．９倍であることを特徴とする前記［１］に記載の液晶調光デバイスの駆動方法である。

［３］ 水平配向膜を備えた透明電極を、ギャップ１０μｍ以下のセル間を形成するように対向させ、該セル間に、少なくともカイラルドーパントと二色性色素とホスト液晶とを含有する誘電率異方性が正の液晶組成物を充填してなり、無色透明状態と白色散乱状態と着色状態とを切り替え可能な液晶調光デバイスである。

［４］ 前記白色散乱状態にするための印加電圧が、しきい値電圧の０.１〜０．９倍であることを特徴とする前記［３］に記載の液晶調光デバイスである。

［５］ 前記無色透明状態にするための印加電圧が、前記液晶組成物のしきい値電圧よりも高い電圧であり、前記白色散乱状態とするための印加電圧が、しきい値電圧よりも低い電圧であり、前記着色状態とするためには電圧を印加しないことを特徴とする前記［３］又は［４］に記載の液晶調光デバイスである。

本発明によれば、着色状態と白色散乱状態と無色透明状態の３状態を、印加する電圧で切り替えることができる液晶調光デバイスの駆動方法、及び液晶調光デバイスを提供することができる。

本発明では、セルギャップが１０μｍ以下であり、かつ水平配向膜を備えた透明電極間に、少なくともカイラルドーパントと二色性色素を混合した液晶組成物を注入した液晶調光デバイスを、（１）電圧を切断することで着色状態、（２）しきい値電圧よりも大きい電圧を印加することで無色透明状態、（３）しきい値電圧よりも小さい電圧を印加することで白色散乱状態、の３つの状態に切り替えることを特徴とする。

この原理について、図１を参照しながら説明する。
Δεが正の液晶を用いると、図１（Ａ）に示すように、しきい値電圧よりも大きい電圧を印加したとき、液晶がホメオトロピック配向（透明電極基板に対して、垂直状態）になるため、二色性色素の吸収がない無色透明状態になる。
一方で、図１（Ｃ）に示すように、印加電圧を遮断すると、水平配向の配向膜によって、液晶がプレーナー配向（透明電極基板に対して、水平状態）になるため、二色性色素が特定波長の光を吸収する着色状態になる。

さらに、図１（Ｂ）に示すように、しきい値電圧よりも小さい電圧を印加すると、カイラルドーパントによるねじれ力と電界による液晶の配向変化の両方が作用するため、液晶分子の振動を誘起し、二色性色素も振動するが、二色性色素は水平に配向していないので二色性色素による吸収は小さく、その結果、白色散乱状態になると推測される。

ここで、セルギャップが１０μｍ以下の場合に、図１（Ｂ）に示すような白色散乱状態を有効に呈することができる。この理由については明らかとなっていないが、セルギャップが１０μｍ以下の場合には配向膜の影響が大きくなることと、液晶分子の挙動と二色性色素の挙動の違いが大きくなることによるのではないかと推測される。好ましいセルギャップは、２μｍ以上１０μｍ以下であり、６μｍ以上８μｍ以下であることがより好ましい。セルの間隔はスペーサーなどによって調整することができる。

（無色透明状態とするための駆動）
無色透明状態とするために印加する電圧は、直流、交流のどちらでもよく、その波形も矩形波、三角波、サイン波などの任意の波形でよく、周波数もある特定の範囲に限定されるものではない。
また、印加する電圧は、液晶組成物のしきい値電圧よりも高い電圧とする必要があり、カイラルドーパント濃度、液晶の誘電率特性、電極間距離によって、印加電圧を適宜設定する必要がある。ここで、「しきい値電圧」とは、図２に示すように、透過率を飽和値で規格化し、規格化した透過率が１となる最小の印加電圧を指す。

（白色散乱状態とするための駆動）
白色散乱状態とするために印加する電圧は、直流、交流のどちらでもよく、その波形も矩形波、三角波、サイン波などの任意の波形でよく、周波数もある特定の範囲に限定されるものではない。
また、液晶組成物のしきい値電圧よりも高い電圧を印加すると無色透明状態となるため、白色散乱状態とするために印加する電圧は、液晶組成物のしきい値電圧よりも低い電圧とする。なお、液晶組成物中のカイラルドーパント濃度、液晶の誘電率特性、電極間距離によって、印加電圧の絶対値は適宜設定する必要がある。
好適な印加電圧は、しきい値電圧に対して０．１〜０．９倍の範囲である。０．１倍よりも低いと、電界による液晶分子の振動が小さくなり、水平配向膜による配向規制力により、ほぼ着色状態となり、０．９倍よりも高いと、液晶の配向がほぼホメオトロピック配向となり、散乱状態が弱く、無色透明状態とほぼ等価となり好ましくない。

（着色状態とするための駆動）
無色透明状態、あるいは白色散乱するために印加した電圧を切断することで、配向膜の配向規制力によって、液晶及び二色性色素の長軸が透明電極基板に対し平行になるため、色素の吸収が発生する。

次に、本発明の液晶調光デバイスの駆動方法に適用し得る液晶調光デバイスの構成について説明する。

本発明の液晶調光デバイスは、水平配向膜を備えた透明電極を、ギャップ１０μｍ以下のセル間を形成するように対向させ、該セル間に、少なくともカイラルドーパントと二色性色素とホスト液晶とを含有する誘電率異方性が正の液晶組成物を充填してなり、無色透明状態と白色散乱状態と着色状態とを切り替え可能な液晶調光デバイスである。
無色透明状態にするための印加電圧が、液晶組成物のしきい値電圧よりも高い電圧とし、白色散乱状態とするための印加電圧が、しきい値電圧よりも低い電圧とし、着色状態とするためには電圧を印加しないようにすることが好ましい。また、白色散乱状態にするための印加電圧が、しきい値電圧の０.１〜０．９倍であることが好ましい。

本発明の液晶調光デバイスは、透明電極を対向させたセル間に液晶組成物を充填してなる。透明電極は、ＩＴＯなど公知のものを適宜適用することができる。
セル間には、液晶組成物を充填する。液晶組成物は、少なくともカイラルドーパントと二色性色素とホスト液晶とを含有する。

カイラルドーパントとしては、「液晶デバイスハンドブック」（日本学術振興会第１４２委員会編、日刊工業新聞社、１９８９年）の１９９〜２０２頁に記載のＴＮ、ＳＴＮ用カイラルドーパントを用いることができ、具体的には、メルク社製Ｒ−１０１１、Ｓ−１０１１、Ｒ−８１１、Ｓ−８１１、ＣＢ１５、旭電化社製ＣＮＬ−６１１、ＣＮＬ−６１７、ＣＮＬ−６８６、ＣＮＬ−６８７、ＣＮＬ−６８８、ＣＮＬ−６８９、ＣＮＬ−６９０、ＣＮＬ−６９１、ＣＮＬ−６９９など公知のものを適宜適用することができる。

カイラルドーパントの含有率は、液晶組成物全体に対して、０．１質量％〜４０質量％であり、具体的には、カイラルドーパントのねじれ力を示すＨＴＰ値（Ｈｅｒｉｃａｌ Ｔｗｉｓｔｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ）によって、カイラルドーパント濃度を変える必要があり、着色状態での可視波長（０.８μｍ以下）の選択反射を防止するため、カイラルドーパント濃度（Ｃ）は、以下の関係とする。
Ｃ＜ｎ／（ＨＴＰ×０．８）
ｎ：液晶の平均屈折率、ＨＴＰ：カイラルドーパントのＨＴＰ値（μｍ^-1）である。

二色性色素としては、公知のものを適宜適用することができ、アゾ色素、アントラキノン色素、ペリレン色素、メロシアニン色素、アゾメチン色素、フタロペリレン色素、インジゴ色素、アズレン色素、ジオキサジン色素、フェノキサジン色素などが挙げれらる。特に、高い二色比の観点から、アゾ色素、アントラキノン色素、フェノキサジン色素などが好適である。

二色性色素の含有率は、液晶組成物全体に対して、０.１質量％〜２０質量％であることが好ましく、１．０質量％〜１０質量％であることがより好ましい。二色性色素の含有率が０．１質量％よりも少ない場合、色素による吸収が小さくなり、着色状態での発色が弱く、コントラストが小さくなりやすく、２０質量％よりも多いと（１）液晶の粘度が高くなることで、応答速度が遅く、（２）色素の短軸方向の吸収成分により、透明状態での色素の吸収が大きくなりやすく好ましくない。

ホスト液晶としては、ネマチック液晶、スメクチック液晶など公知のものを適宜適用することができる。特に、応答速度の観点から、ネマチック液晶の場合が好適である。また、白色散乱状態の散乱度を高めて透過率を下げるには、屈折率異方性が大きいホスト液晶を用いることが好ましい。ホスト液晶に好適な屈折率（△ｎ）は、０．１〜０．３程度であり、更に好ましくは、０．１５〜０．３程度である。
ホスト液晶として具体的は、メルク社製Ｅ７、Ｅ９０、ＭＬＣ−６６２１−０００、ＭＬＣ−６６２１−１００、旭電化社製ＨＡ−１１７５７Ｃ、ＨＡ−１１７５６Ｃ、ＨＡ−１１７３１Ｃなどや、これらの混合物が好適である。

その他液晶組成物には、球状スペーサー、紫外線吸収剤、酸化防止剤などの公知の添加剤を適宜添加することができる。

本発明にかかる液晶調光デバイスは、透明電極と液晶組成物のほかに、支持体、配向膜、紫外線防止膜、反射防止膜、バリア層、封止剤などを適用することができる。

以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、試薬、物質量とその割合、操作等は本発明の主旨から逸脱しない限り適宜変更することができる。従って本発明の範囲は以下の具体例に制限されるものではない。

（デバイス作製）
ラビングされた水平配向膜を塗布、焼成したＩＴＯ基板（１００Ω／□）を、ギャップ８μｍで貼り合せた液晶評価用セル（イーエッチシー製）に、ホスト液晶としてＺＬＩ−１１３２（メルク社製、△ε：１３．１、Δｎ：０．１４０、ネマチック液晶）に、カイラルドーパントとしてＲ−１０１１（メルク製）２質量％と二色性色素として下記に示すアントラキノン系色素を１．５質量％溶解し、液晶組成物とした。この液晶組成物を前述の液晶セルに注入することでデバイスを作製した。
前記液晶組成物のしきい値電圧は、２０Ｖであった。このデバイスは、周波数：１００Ｈｚ、電圧：±２０Ｖの矩形波を印加することで、無色透明状態になる。

［実施例］
作製した液晶調光デバイスに、周波数：１００Ｈｚ、電圧：±２０Ｖの矩形波を印加した状態で透過率を分光光度計ＵＶ−２４００（島津製作所製）で測定したところ、図３の実線で示すように、着色がなく高い透過性を発現した。
次に、周波数：１００Ｈｚ、電圧：±１０Ｖの矩形波を印加した状態では、図３の点線で示すように、全波長で透過率が減少し、白色散乱状態を発現した。電圧を切断した状態では、一点鎖線で示すように５６０ｎｍに吸収のピーク波長を有する吸収状態になった。

［比較例］
実施例に記載の液晶組成物を、ラビングされた水平配向膜を塗布、焼成したＩＴＯ基板（１００Ω／□）を、ギャップ２５μｍで貼り合せた液晶評価用セル（イーエッチシー製）に注入する以外は、同じ方法で液晶調光デバイスを作製した。
作製した液晶調光デバイスに、周波数：１００Ｈｚ、電圧：±６５Ｖの矩形波を印加した状態では、着色がない透明状態を発現した。一方、周波数：１００Ｈｚ、電圧：±３０Ｖの矩形波を印加した状態と電圧を切断した状態では、色素の吸収とともに散乱が発生した。

本発明の液晶調光デバイスの駆動による液晶の様子を示す図であり、図１（Ａ）は無色透明状態の様子を、図１（Ｂ）は白色散乱状態の様子を、図１（Ｃ）は着色状態の様子を示す。 しきい値電圧の定義を説明するためのグラフである。 実施例における、無色透明状態、白色散乱状態、着色状態のときの、波長に対する透過率を示すグラフである。

Claims (4)

1. 水平配向膜を備えた透明電極を、ギャップ１０μｍ以下のセル間を形成するように対向させ、該セル間に、少なくともカイラルドーパントと二色性色素とホスト液晶とを含有する誘電率異方性が正の液晶組成物を充填してなる液晶調光デバイスに、前記液晶組成物のしきい値電圧よりも高い電圧を印加して無色透明状態とし、しきい値電圧よりも低い電圧を印加して白色散乱状態とし、電圧を印加しないときに着色状態として、表示を切り替えることを特徴とする液晶調光デバイスの駆動方法。
2. 前記白色散乱状態にするための印加電圧が、しきい値電圧の０.１〜０．９倍であることを特徴とする請求項１に記載の液晶調光デバイスの駆動方法。
3. 水平配向膜を備えた透明電極を、ギャップ１０μｍ以下のセル間を形成するように対向させ、該セル間に、少なくともカイラルドーパントと二色性色素とホスト液晶とを含有する誘電率異方性が正の液晶組成物を充填してなり、無色透明状態と白色散乱状態と着色状態とを切り替え可能な液晶調光デバイス。
4. 前記白色散乱状態にするための印加電圧が、しきい値電圧の０.１〜０．９倍であることを特徴とする請求項３に記載の液晶調光デバイス。

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