JP2010286573A

JP2010286573A - 電気光学素子

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Publication number: JP2010286573A
Application number: JP2009138850A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Toko; 康夫都甲
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2010-12-24

Abstract

【課題】正面から入射する光の透過性を損なうことなく、斜めから入射する光を散乱させ又は透過させる切り替えが可能な電気光学素子を提供する。
【解決手段】電気光学素子1は、一面側に第１電極12を有する第１基板11と、一面側に第２電極14を有する第２基板13と、第１基板の一面と第２基板の一面との間に設けられた液晶層15と、を備える。液晶層は、液晶分子の向きが電界に応じて変化しやすい複数の第１領域17と、液晶分子の向きの電界に応じた変化が生じにくい複数の第２領域16とを有しており、複数の第１領域と複数の第２領域との境界18が第１基板の一面と平行な第１方向に沿って一定の間隔ｐで交互に設けられる。そして、液晶層の厚みｄは間隔ｐよりも大きく設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、透過光の状態を制御する機能を備えた電気光学素子に関する。

透過光の状態を制御し得る機能を備えた電気光学素子の従来例として、特開２００７−７９４５９号公報（特許文献１）に開示された液晶光学素子が知られている。この液晶光学素子は、一対の基板間に挟持された液晶層内にグレーティング部と非グレーティング部とが形成された構成を備えており、液晶層に電圧を印加することによってグレーティング部と非グレーティング部との屈折率差により液晶層内を通る光に散乱を生じさせ、それにより液晶層から外部へ放射される光を制御するものである。

ところで、風景や画像等を観察する場合において、正面から見た状態には何らの影響を与えることなく、斜めから見た状態を制御したい場合がある。例えば、グレアを防止（防眩）したい場合や、斜め方向からの画像の覗き込みを防止したい場合などである。上記した特許文献１に開示された液晶光学素子は正面から入射した光も散乱させるものであるため、このような要望に対して最適なものではない。

特開２００７−７９４５９号公報

本発明に係る具体的態様は、正面から入射する光の透過性を損なうことなく、斜めから入射する光を散乱させ又は透過させる切り替えが可能な電気光学素子を提供することを目的の１つとする。

本発明に係る一態様の電気光学素子は、一面側に第１電極を有する第１基板と、一面側に第２電極を有する第２基板と、上記第１基板の一面と上記第２基板の一面との間に設けられた液晶層と、を備える。上記液晶層は、液晶分子の向きが電界に応じて変化しやすい複数の第１領域と、上記液晶分子の向きの電界に応じた変化が生じにくい複数の第２領域とを有しており、上記複数の第１領域と上記複数の第２領域との境界が上記第１基板の一面と平行な第１方向に沿って一定の間隔ｐで交互に設けられる。そして、上記液晶層の厚みｄが上記間隔ｐよりも大きく設定されている。

上記の電気光学素子では、第１電極と第２電極を介して液晶層に電圧をかけた際に、第１領域では液晶分子の向き（ダイレクタ）の変化が相対的に大きく、第２領域ではダイレクタの変化が相対的に小さいため、両者の境界における屈折率を電圧のオン・オフによって変化させることができる。第１領域と第２領域との境界を一定の間隔ｐで設け、かつこの境界の間隔ｐよりも液晶層の厚みｄが大きくなるようにすることで、基板面に対して斜めに入射する光が第１領域と第２領域との境界を通過した際に、当該境界における屈折率差によって斜め入射光を散乱させる効果を高めることができる。他方で、電圧のオン・オフに関わらず、基板面に直交し、またはそれに近い角度で入射する光については散乱を生じさせずに通過させることができる。従って、上記の電気光学素子によれば、正面から入射する光の透過性を損なうことなく、斜めから入射する光を散乱させ又は透過させる切り替えが可能となる。

また、上記の電気光学素子では、液晶層に印加する電圧を増減することにより、第１領域と第２領域との境界における屈折率差を連続的に変化させることができる。それにより、斜め入射光に対する散乱度合いを電圧制御することが可能となる。さらに、液晶を利用した素子であるが偏光板を用いないので光の利用効率がよく、よって透過率が比較的に高いという利点もある。

このような本発明に係る電気光学素子は、例えば眩しさ防止のサンシェード、サンバイザー、車載用サンバイザー、ゴーグルなどの用途や、携帯電話等の携帯型機器の表示部における覗き込み防止の用途などに好適である。また、透過型・反射型兼用の表示装置に適用することも好適である。本発明に係る電気光学素子を透過型・反射型兼用の表示装置の前面に配置しておくことで、透過型表示の際には電気光学素子の液晶層への電圧をオフにし、反射型表示の際には電圧をオンにすることにより、いずれの表示状態においても良好な表示を得ることができる。

上述した電気光学素子において、上記第１電極又は上記第２電極の少なくとも一方は、上記第１方向と交差する第２方向に延在するストライプ状の複数の電極片を有していることも好ましい。なお、上記第１電極又は上記第２電極のいずれもが上記第１方向と交差する第２方向に延在するストライプ状の複数の電極片を有していてもよい。またこれらの場合において、上記複数の電極片の各々が上記複数の第１領域のいずれかと対応づけて配置されていることが好ましい。

これにより、各第１領域に対してのみ選択的に電圧を印加することが可能となり、電気光学素子に対して斜めに入射した光をより効率よく散乱させることが可能となる。

また、上記複数の電極片の各々は、上記第１方向における幅が上記間隔ｐよりも小さく、上記第１方向における両端が上記複数の第１領域のいずれかより内側に配置されていることがより好ましい。すなわち、平面視において各電極片が１つの第１部位に内包されることがより好ましい。

これにより、各電極片から発生する電気力線を各第１領域に優先的に集めることが可能となり、斜め入射光を散乱させる効果を更に高めることが可能となる。

第１の実施形態の電気光学素子の構成を模式的に示す断面図である。液晶層に各硬化部および各非硬化部を形成する方法の一例について説明するための図である。第１の実施形態に係る電気光学素子の透過率の視角特性の一例について示す図である。第２の実施形態の電気光学素子の構成を模式的に示す断面図である。各電極片と硬化部との配置状態を説明するための模式的な部分平面図である。第２の実施形態に係る電気光学素子の透過率の視角特性の一例について示す図である。電気光学素子の変形例の構成を模式的に示す断面図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の電気光学素子の構成を模式的に示す断面図である。図１に示す本実施形態の電気光学素子１は、一面側に第１電極１２を有する第１基板１１と、一面側に第２電極１４を有する第２基板１３と、第１基板１１の一面と第２基板１３の一面との間に設けられた液晶層１５と、を備える。また、第１電極１２と第２電極１４には、これらに任意の電圧を印加するための電圧印加手段２０が接続されている。

第１基板１１、第２基板１３は、それぞれガラス基板、プラスチック基板などの透明基板である。第１電極１２、第２電極１４は、インジウム錫酸化物膜（ＩＴＯ膜）などの透明導電膜を蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等の成膜方法によって成膜し、これを適宜パターニングすることによって形成されている。本実施形態では、第１電極１２は、第１基板１１の一面のほぼ全体にわたって形成され、第２電極１４は、第２基板１３の一面のほぼ全体にわたって形成されている。そして、第１電極１２と第２電極１４とは液晶層１５を挟んで対向配置されている。

液晶層１５は、例えば誘電率異方性Δεが正（Δε＞０）の液晶材料を用いて形成されている。従って、電圧印加手段２０によって第１電極１２と第２電極１４の間に電位差が与えられると、液晶分子の長軸が電界方向に沿って配向する。また、液晶材料の屈折率異方性Δｎは、例えば約０．３である。詳細には、常光に対する屈折率ｎｏが約１．５１、異常光に対する屈折率ｎｅが約１．８１である（Δｎ＝ｎｅ−ｎｏ≒０．３）。なお、ここでの数値は一例に過ぎないが、本実施形態の電気光学素子１の原理上、屈折率異方性Δｎの値は大きいほどよい。図示のように、液晶層１５は、液晶分子の向きの電界に応じた変化が生じにくい複数の硬化部（第２領域）１６と、液晶分子の向きが電界に応じて変化しやすい複数の非硬化部（第１領域）１７と、を有する。

複数の硬化部１６と複数の非硬化部１７とは、第１基板の一面と平行な第１方向（図示のＸ方向）に沿って交互に配列されている。各硬化部１６と各非硬化部１７との境界１８は一定の間隔ｐで配置されている。各硬化部１６は、予め液晶層１５を構成する液晶材料に光硬化性モノマーを混入しておき、その後光照射によってこの光硬化性モノマーをポリマー化することによって形成されている。これにより、液晶分子の向きが電界印加によってもほとんど変化しない状態が得られる。また、各非硬化部１７は、このようなポリマーがほとんど存在せず、液晶分子が電界に応じて自在に変化し得る部分である。なお、各硬化部１６の形成方法の詳細についてはさらに後述する。

ここで、本実施形態の電気光学素子１においては、液晶層１５の厚みｄが上述した硬化部１６と非硬化部１７との境界１８の配置間隔（ピッチ）ｐよりも大きく設定される（ｄ＞ｐ）。例えば、本実施形態では、硬化部１６と非硬化部１７の境界１８の間隔ｐが２０μｍに設定されている。詳述すれば、本実施形態では、各硬化部１６、各非硬化部１７のＸ方向における幅がそれぞれ２０μｍに設定され、隣り合う硬化部１６と非硬化部１７とがほぼ隙間のない状態でストライプ状に配列されている。また、本実施形態では、液晶層１５の厚みｄは、上記した間隔ｐ（２０μｍ）の１．５倍である３０μｍに設定されている。なお、間隔ｐ、厚みｄの数値は一例であり、ｄ＞ｐの関係を満たす限りにおいてこれらの数値に限定されない。

なお、図示を省略しているが、第１基板１１、第２基板１３の各々の一面上には、液晶層１５の液晶分子を一定方向に配列させるための処理（配向処理）がなされている。配向処理の典型例としては、ポリイミド系樹脂等の有機高分子膜からなる配向膜を成膜し、これにラビング処理を行うことが挙げられる。ここでは、第１基板１１、第２基板１３の間でアンチパラレル状態となるようにラビング処理が行われる。また、第１基板１１と第２基板１３の周縁部には、液晶層１５を囲むようにしてシール材が設けられる（図示省略）。

本実施形態の電気光学素子１はこのような構成を備えており、次に、液晶層１５に各硬化部１６および各非硬化部１７を形成する方法の一例について図２に基づいて詳細に説明する。

液晶層１５は、第１基板１１と第２基板１３の間隙に液晶材料を注入することによって形成される。このとき、本実施形態では、予め液晶材料中に光硬化性モノマー（モノマーの状態において液晶性を示すモノマー）を添加しておく。例えば、紫外線（ＵＶ）を照射することによってモノマーをポリマー化できるＵＶキュアラブル液晶を液晶材料に対して１〜１５ｗｔ％の範囲内の重量比率で添加する。添加量は一例として４ｗｔ％の重量比率とすることができる。

次いで、遮光部３１と透過部３２が交互に配置されたフォトマスク３０（金属膜を用いたメタルマスク、もしくはエマルジョンマスク）を用い、第１基板１１又は第２基板１３を介して液晶層１５に光（本例では紫外線）を照射する。フォトマスク３０としては、所定幅（本例では２０μｍ）の遮光部３１と、同じく所定幅（本例では２０μｍ）の透過部３２が交互に配置されたストライプ状のフォトマスクを用いる。これにより、遮光部３１に対応した領域に各非硬化部１７が形成され、透過部３２に対応した領域に各硬化部１６が形成される。

フォトマスク３０の配置は、ストライプ状パターンが上記したラビング処理のラビング方向と平行になるようにすることが好ましい。また、照射する光（紫外線）は、平行光になるべく近いものが望ましい。それにより、光照射後に得られる各硬化部１６および各非硬化部１７の境界が基板面に対して垂直かそれに近い状態にすることができるからである。このような露光には、例えばフォトリソ工程などで用いられる露光機や、液晶表示装置の製造に用いられる装置の一つであり光配向を行うための光照射装置などが好適である。本実施形態では、照度が８０ｍＷ／ｃｍ^２の装置を用いる。

ここで、紫外線の照射時にはいわゆる間欠露光を行うことが好ましい。例えば、フォトマスク３０を配置した状態で５秒間の光照射と２５秒間の非照射とを交互に６回繰り返し、その後３０秒間の光照射を行うことができる。この場合、紫外線の全照射時間は６０秒間、照射量は４．８Ｊ／ｃｍ^２となる。なお、間欠露光の条件はここで説明したものに限定されないが、相対的に長い時間の露光（本露光）に先だって、数秒間の短い露光と非照射による待ち時間とを組み合わせた間欠露光を行うことにより、各非硬化部１７に含まれるモノマーが待ち時間中に隣り合った硬化部１６へ移動し、最終的に、各非硬化部１７に残留するモノマーを少なくすることができる。これにより、電気光学素子１の信頼性をより向上することができる。

次に、本実施形態に係る電気光学素子１の透過率の視角特性の一例について図３に基づいて説明する。なお、この視角特性の測定に用いられた電気光学素子１の製造条件は、上記した説明において例示した各条件に即している。

図３においては、電圧印加手段２０を用いて第１電極１２と第２電極１４の間に電圧を印加した状態（電圧ＯＮ）と、電圧を印加しない状態（電圧ＯＦＦ）のそれぞれにおける視角特性が示されている。図３に示すように、電圧のＯＮ／ＯＦＦにより、入射光の入射角（換言すれば、見る角度すなわち視角）に対する透過率が変化していることが分かる。電圧ＯＦＦの場合にはどの方向から見てもほぼ透明であり、電圧ＯＮの場合には見る角度を斜めにするほど透過率が低く、入射光が散乱されていることが分かる。なお、図３に示す視角特性は、各硬化部１６と各非硬化部１７との境界１８の間隔ｐが２０μｍ、液晶層１５の厚み（セル厚）ｄが３０μｍの場合、すなわち両者の比ｄ／ｐが１．５の場合についてのものであり、この場合、視角５０°のときの透過率が正面の約１／２になっていることが分かる。理論上は、間隔ｐよりもセル厚ｄが大きくなるほど（すなわち比率ｄ／ｐが大きくなるほど）、斜めから見たときの透過率が低くなる、もしくは透過率が正面の約１／２になる視角が小さくなると考えられる。よって、製品として求められる性能に応じて、上記の比率ｄ／ｐを適宜変更すればよいことが分かる。

（第２の実施形態）
上述した実施形態では、液晶層１５の各硬化部１６および非硬化部１７の全体にわたって一律に電圧を印加していたが、各非硬化部１７に一対一に対応づけた電極片を設けるようにしてもよい。以下この場合の実施形態について説明する。

図４は、第２の実施形態の電気光学素子の構成を模式的に示す断面図である。図１に示す本実施形態の電気光学素子１ａは、基本的には上述した第１の実施形態における電気光学素子１と同様の構成を備えている。両者に共通する構成要素については、同一の符号を付したうえで詳細な説明を省略する。

図示のように本実施形態の電気光学素子１ａでは、第１方向（図示のＸ方向）と交差する第２方向（紙面と交差する方向）に延在するストライプ状の複数の電極片１２ａからなる第１電極と、同様に第１方向と交差する第２方向に延在するストライプ状の複数の電極片１４ａからなる第２電極と、を備えている。第１電極としての各電極片１２ａおよび第２電極としての各電極片１４ａには、これらに任意の電圧を印加するための電圧印加手段２０が接続されている。なお、図示の例では、各電極片１２ａ、各電極片１４ａに対してそれぞれ共通配線が接続されているが、個別に配線を設け、各電極片１２ａ、１４ａに対して個別に電圧を印加できるようにしてもよい。

図５は、各電極片と硬化部との配置状態を説明するための模式的な部分平面図である。図示のように、各電極片１２ａは、各非硬化部１７のいずれかと対応づけて配置されている。各電極片１４ａも同様である。より詳細には、本実施形態における各電極片１２ａ、１４ａは、第１方向（Ｘ方向）における幅ｘ１が上記した境界１８の間隔ｐよりも小さく形成されており、各電極片１２ａ、１４ａの第１方向における両端が各々に対応する非硬化部１７の内側に配置されている。詳細には、本実施形態の電気光学素子１ａは、硬化部１６と非硬化部１７との境界１８の間隔ｐが５μｍに設定され、各電極片１２ａ、１４ａの幅ｘ１は４μｍに設定され、電極片の相互間距離は６μｍに設定されている。また、液晶層１５の厚みｄは２０μｍに設定されている。

本実施形態の電気光学素子１の製造方法は上記した第１の実施形態と基本的に同様である。各電極片１２ａ、１４ａについては、透明導電膜を成膜後、第二酸化鉄等を用いたウェットエッチングあるいはメタノール等によるドライエッチングによってパターン形成をする。また、ＵＶキュアラブル液晶を液晶材料に対する添加量を一例として１０ｗｔ％の重量比率とする。また、フォトマスク３０（図２参照）として、５μｍ幅の遮光部３１と５μｍ幅の透過部３２とが交互に配置されたものを用いる。光照射時には、各電極片１２ａ又は各電極片１４ａと各遮光部３１とが重なるようにしてフォトマスク３０が位置合わせされる。露光については、フォトマスク３０を配置した状態で２秒間の光照射と２８秒間の非照射とを交互に５回繰り返し、その後２０秒間の光照射を行う。この場合、全照射時間は３０秒間、照射量は２．４Ｊ／ｃｍ^２となる。なお、これらの条件は一例である。

次に、本実施形態に係る電気光学素子１ａの透過率の視角特性の一例について図６に基づいて説明する。なお、この視角特性の測定に用いられた電気光学素子１ａの製造条件は、上記した説明において例示した各条件に即している。

図６においては、電圧印加手段２０を用いて第１電極１２と第２電極１４の間に電圧を印加した状態（電圧ＯＮ）と、電圧を印加しない状態（電圧ＯＦＦ）のそれぞれにおける視角特性が示されている。図６に示すように、電圧のＯＮ／ＯＦＦにより、入射光の入射角（換言すれば、見る角度すなわち視角）に対する透過率が変化していることが分かる。電圧ＯＦＦの場合にはどの方向から見てもほぼ透明であり、電圧ＯＮの場合には見る角度を斜めにするほど透過率が低く、入射光が散乱されていることが分かる。図６より、視角４０°のときの透過率は正面の約１／２、視角５０°のときの透過率は正面の約１／３となっていることが分かる。また、正面の透過率は電圧のＯＮ／ＯＦＦによる差がほとんどないことが分かる。第１の実施形態における視角特性（図３）と比較して、斜め入射光の透過率をより低下させる効果が得られていることも分かる。

なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。例えば上述した第２の実施形態においては、第１電極および第２電極の双方とも複数の電極片から構成する場合を説明していたが、第１電極または第２電極のいずれか一方のみを複数の電極片から構成し、他方については第１の実施形態の場合と同様にしてもよい。

また、上記した各実施形態においては、各硬化部１６および各非硬化部１７の境界を第１基板１１および第２基板１３の各一面に対してほぼ直交させた構成を説明していたが、図７に例示するように、各硬化部１６および各非硬化部１７の境界１８を第１基板１１等の一面に対して斜交させてもよい。なお、図１等と共通する構成要素については同符号を用いており、それらについては詳細説明を省略する。図７に示す変形例の電気光学素子１ｂは、フォトマスクを用いた露光（図２参照）において、露光に用いる光（紫外線等）を斜め入射させることによって製造し得る。この変形によれば、境界の傾き方向に対応した角度特性を有する電気光学素子を実現できる。

１、１ａ、１ｂ…電気光学素子（液晶光学素子）、１１…第１基板、１２、１２ａ…第１電極、１３…第２基板、１４、１４ａ…第２電極、１５…液晶層、１６…硬化部（第２領域）、１７…非硬化部（第１領域）、１８…境界、２０…電圧印加手段

Claims

一面側に第１電極を有する第１基板と、
一面側に第２電極を有する第２基板と、
前記第１基板の一面と前記第２基板の一面との間に設けられた液晶層と、
を備え、
前記液晶層は、液晶分子の向きが電界に応じて変化しやすい複数の第１領域と、前記液晶分子の向きの電界に応じた変化が生じにくい複数の第２領域とを有し、
前記複数の第１領域と前記複数の第２領域との境界が前記第１基板の一面と平行な第１方向に沿って一定の間隔ｐで交互に設けられ、
前記液晶層の厚みｄが前記間隔ｐよりも大きく設定されている、
電気光学素子。
前記第１電極又は前記第２電極の少なくとも一方は、前記第１方向と交差する第２方向に延在するストライプ状の複数の電極片を有しており、
前記複数の電極片の各々が前記複数の第１領域のいずれかと対応づけて配置されている、
請求項１に記載の電気光学素子。
前記複数の電極片の各々は、前記第１方向における幅が前記間隔ｐよりも小さく、前記第１方向における両端が前記複数の第１領域のいずれかより内側に配置されている、
請求項２に記載の電気光学素子。