JP2014089476A - 低ツイストキラル液晶偏光回折格子および関連する作製方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】液晶偏光回折格子であって、第1の偏光回折格子層101の両面間に定められる第1の厚みにわたって該第1の偏光回折格子層101の分子のそれぞれの相対的配向が第1の捩じれ角で回転するように、第1の捩じれ性に従って捩じられている分子構造を含んでいる、第1の偏光回折格子層101と、前記第1の偏光回折格子層上の第2の偏光回折格子層102であって、前記第2の偏光回折格子層102の両面間に定められる第2の厚みにわたって該第2の偏光回折格子層102の分子のそれぞれの相対的配向が第2の捩じれ角で回転するように、前記第1の捩じれ性と逆の第2の捩じれ性に従って捩じられている分子構造を含んでいる、第2の偏光回折格子層102と、を備えてなる。
【選択図】図1C
Description
本出願は、2007年4月16日に出願された「低ツイストキラル液晶偏光回折格子および関連する作製方法」という表題の米国仮特許出願第60/912,044号の優先権を主張するものであり、その開示内容は、参照することによって、その全体がここに記載されているかのように含まれるものとする。
本発明は、偏光回折格子に関するものであり、さらに詳細には、液晶偏光回折格子および関連する作製方法に関するものである。
能な強度変調器を実現することができる。さらに具体的には、このような切換え可能なLCPGは、例えば、プロジェクションディスプレイおよび光シャッターを含む用途において、(レーザのような)比較的狭帯域幅の非偏光の比較的高コントラスト変調を達成するために、用いることができる。例えば、いくつかの従来のLCPGは、<5%の帯域幅を有する光に対して、0次光では約200:1よりも大きいコントラスト比で光を変調することができる。しかし、従来のLCPGのコントラスト変調は、多くの用途において重要である(LEDのような)広帯域の光を変調するのに用いられたときに低下することがある。
格子層の第2の厚みは、偏光回折格子の使用可能な波長域内の光の半波長リタデーションをもたらすように設定されていてもよい。
晶層は、第1の配向層上で光重合させた後、第2の偏光回折格子層を重合性液晶層上に形成してもよい。
を有するキラル分子がドープされてもよい。
わち、図面に示されている領域は、本質的に概略図であり、それらの形状は、装置の領域の実際の形状を示すことを意図したものではないし、本発明の範囲を限定することを意図したものでもない。
Met., Vol. 117 (1-3), pp. 273-5 (2001)(これらの材料では、LCは、偏光の方向とほぼ直交して配向する)に開示されているもの)が挙げられる。また、液晶配向の方法のさらに他の例が、Crawfordらに付与された米国特許第7,196,758号明細書において検討されている。さらに、ここに記載されているいくつかの構造は、スピンコーティング法と液晶材料とのバランスによる精緻な作製法と関連している。本発明のいくつかの実施形態と共に用いられるさらに他の構造および/または方法が、Escutiらに付与された国際公開第2006/092758号パンフレットにおいて検討されている。この開示内容は、参照することによって、その全体がここに含まれるものとする。
ロマチック回折は、2つの液晶偏光回折格子層を用いて、得ることができる。このような液晶偏光回折格子層は、それぞれの厚みにわたって、互いに横方向にオフセットされたまたは互いに位相がシフトされた互いに逆の捩じれ性を有している。さらに具体的には、半波長リタデーション厚みおよび+70°の捩じれを有する第1の偏光回折格子が、透過基板上の−70°の捩じれを有する第2のPGに積層されるようになっている。加えて、第1の層が非反応性液晶層として具体化され、第2の層が重合性液晶層として具体化された場合(それぞれの捩じれ角は、約+70°および−70°)、この回折格子は、切換え可能とされ、液晶ディスプレイ(LCD)に用いられるのに適する空間光変調器をもたらすことができる。他の実施形態では、厚みにわたって70°の捩じれを有する単一ポリマーまたは単一の非反応性液晶偏光回折格子層が、反射基板上に設けられても、同様の結果をもたらすことになる。上記の実施形態のいずれにおいても、他の捩じれ角が用いられてもよい。対照的に、単層偏光回折格子は、非偏光を変調することは可能であるが、その高コントラスト作動は、極めて狭帯域の入力光に制限されることになる。従って、広帯域光は、多くの用途において用いられているが、そのような用途において、本発明のいくつかの実施形態を用いることによって、既存の技術と比較して、極めて高コントラストおよび/または極めて高輝度を得ることができる。
角を誘発するように構成されたキラルLC分子が、ネマチックLC混合物にドープされるとよい。また、キラルドーパントの量および/または偏光回折格子層の厚みを変化させることによって、捩じれ角θtwistを変更することができる。各偏光回折格子の厚みにわたって分子の「捩じれ(twisting)」を生じさせることによって、局部的異方性パターンの連続的な位相ずれをもたらすことができる。図1Cにさらに示されているように、第1の偏光回折格子層PG1101の分子および第2の偏光回折格子層PG2102の分子は、第1の偏光回折格子層PG1101と第2の偏光回折格子層PG2102との間の界面において、整合されている、すなわち、同一の位相になっている。
ウエハパッケージを用いて、明らかにされている。従って、偏光ホログラフィおよび光配向技術を用いて重合性液晶フィルムとして形成されたアクロマチックPGの予備実験結果について、図2〜6を参照して説明する。
幅は、捩じれ角に対して鋭敏なので、帯域幅の性能を改良するには、θtwist の注意深い制御が重要である。
に同様の条件下で測定されたものである。従来のPG(610’)および本発明のいくつかの実施形態によるアクロマチックPG(620’)の0次回折効率から計算された推定回折効率
、偏光無依存性マイクロディスプレイ、例えば、携帯プロジェクションディスプレイ、消費者TV、リアルタイムホログラフィ、などに用いられる改良された空間光変調器素子を実現することができる。さらに、いくつかの実施形態では、本発明のいくつかの実施形態によるアクロマチックPGは、所望の中心波長の約45%におよぶ波長域の全体にわたって高コントラスト変調を高めることができ、その結果として、従来の単一偏光回折格子と比較して、900%の改良をもたらすことができる。従って、ディスプレイ用途では、画像品質を著しく改良することができる。
1内に形成されることになる。液晶層は、セルギャップ721の厚みdにわたって特定の捩じれ角Φcをもたらすようなキラル分子がドープされた単一ネマチックLC層であるとよい。換言すると、捩じれ角Φcは、液晶層の厚みdにわたって、局部的異方性パターンを連続的に変化させる位相ずれをもたらすことになる。また、液晶層725の分子は、光配向層の配向状態に基づいて、配向されている。従って、捩じれ角Φcが基板のオフセット角Φtと異なっているとき、弾性エネルギー歪が液晶層内に生じ、その結果、より非線形切換え挙動をもたらすことになる。STNディスプレイのように、これは、図8A〜8Eの例示的なシミュレーション結果にさらに示されているが、中間層チルト角を印加電圧の関数として計算することによって、定量化することができる。
Review of Material Science 27, 555-583 (1997)」および「Alt and Pleshko, IEEE Trans. Elec. Dev. ED-21, 146-155 (1974)」におけるSTNディスプレイアドレッシングの要約に見出される。これらの開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。
錫−酸化物(ITO)によってもたらされる1つまたは複数の電極を表面上に備えていてもよい。従って、このような修正の全ては、本発明の範囲内に含まれることが意図されている。それ故、前述の説明は、本発明の単なる例示にすぎず、開示されている特定の実施形態に限定されると解釈されるべきではないこと、かつ開示されている実施形態の修正および他の実施形態は、本発明の範囲内に含まれることが意図されていることを理解されたい。
第1の周期的配向状態を含む第1の基板と、
第2の周期的配向状態を含む第2の基板と、
前記第1の基板と前記第2の基板との間のネマチック液晶層であって、その両面間に定められる厚みにわたって、前記ネマチック液晶層の分子構造を前記第1の周期的配向状態と前記第2の周期的配向状態との間の相対的位相角と異なる捩じれ角だけ捩じるように構成されたキラルドーパントを含んでいる、ネマチック液晶層と、
を備えており、
前記第1の周期的配向状態および前記第2の周期的配向状態は、前記ネマチック液晶層とのそれぞれの界面に沿って、同じ周期性を呈していることを特徴とする切換え可能な偏光回折格子。
第1の周期的配向状態を含む第1の基板を設けることと、
第2の周期的配向状態を含む第2の基板を設けることと、
ネマチック液晶層に、前記ネマチック液晶層の分子構造を捩じるように構成されたキラル分子をドープすることと、
前記第1の基板および前記第2の基板上に前記ネマチック液晶層を形成し、前記ネマチック液晶層は、その両面間に定められる厚みにわたって、前記ネマチック液晶層の前記分子構造を前記第1の周期的配向状態と前記第2の周期的配向状態との間の相対的位相角と
異なる捩じれ角だけ捩じるように構成された前記キラル分子を含んでいる、ことと
を含んでおり、
前記第1の周期的配向状態および前記第2の周期的配向状態は、前記ネマチック液晶層とのそれぞれの界面に沿って同じ周期性を呈していることを特徴とする方法。
前記第1の基板上に第1の配向層を形成することと、
前記第1の配向層をパターンニングして、前記第1の配向層に前記第1の周期的配向状態を形成することと、
前記第2の基板上に第2の配向層を形成することと、
前記第2の配向層をパターンニングして、前記第1の周期的配向状態に対して位相を異ならせて前記第2の周期的配向状態を形成することと
を含んでいることを特徴とする上記2.に記載の方法。
前記ネマチック液晶層の分子が、前記第1の配向層と前記液晶層との間の界面および前記第2の配向層と前記液晶層との界面のそれぞれにおいて、前記第1の配向層の前記第1の配向状態および前記第2の配向層の前記第2の配向状態に従って配向されると共に、前記ネマチック液晶層が前記捩じれ角と前記相対的位相角との差による弾性エネルギー歪を含むように、前記ネマチック液晶層の前記厚みにわたって前記相対的位相角だけ回転するように、前記ネマチック液晶層を形成することを含んでいることを特徴とする上記2.に記載の方法。
Claims (25)
- 第1の偏光回折格子層であって、前記第1の偏光回折格子層の両面間に定められる第1の厚みにわたって該第1の偏光回折格子層の分子のそれぞれの相対的配向が第1の捩じれ角で回転するように、第1の捩じれ性に従って捩じられている分子構造を含んでいる、第1の偏光回折格子層と、
前記第1の偏光回折格子層上の第2の偏光回折格子層であって、前記第2の偏光回折格子層の両面間に定められる第2の厚みにわたって該第2の偏光回折格子層の分子のそれぞれの相対的配向が第2の捩じれ角で回転するように、前記第1の捩じれ性と逆の第2の捩じれ性に従って捩じられている分子構造を含んでいる、第2の偏光回折格子層と、
を備えてなる偏光回折格子。 - 前記第1の偏光回折格子層の分子の前記それぞれの相対的配向は、前記第1の偏光回折格子層の全体を通して、前記第1の厚みにわたって前記第1の捩じれ角だけ回転しており、前記第2の偏光回折格子層の分子の前記それぞれの相対的配向は、前記第2の偏光回折格子層の全体を通して、前記第2の厚みにわたって前記第2の捩じれ角だけ回転していることを特徴とする請求項1に記載の偏光回折格子。
- 前記第2の偏光回折格子層の局部的異方性パターンが、前記第2の厚みにわたって、前記第1の偏光回折格子層の局部的異方性パターンが前記第1の厚みにわたって連続的に変化する位相ずれと逆の連続的に変化する位相ずれを有するように、前記第2の捩じれ角は、前記第1の捩じれ角と逆の角度になっていることを特徴とする請求項2に記載の偏光回折格子。
- 前記第2の捩じれ角は、70°であり、前記第1の捩じれ角は、−70°であることを特徴とする請求項3に記載の偏光回折格子。
- 前記第1の偏光回折格子層および前記第2の偏光回折格子層の前記分子の前記それぞれの配向は、前記第1の偏光回折格子層と前記第2の偏光回折格子層との間の界面に沿って整合されていることを特徴とする請求項2に記載の偏光回折格子。
- 前記第1の偏光回折格子層は、前記第1の捩じれ性を有するキラル液晶分子を含む第1のキラル液晶層から構成されており、前記第2の偏光回折格子層は、前記第2の捩じれ性
を有するキラル液晶分子を含む第2のキラル液晶層から構成されていることを特徴とする請求項1に記載の偏光回折格子。 - 前記第1の偏光回折格子層および前記第2の偏光回折格子層の少なくとも1つは、重合性液晶層から構成されていることを特徴とする請求項1に記載の偏光回折格子。
- 前記第1の偏光回折格子層および前記第2の偏光回折格子層の他の1つは、非反応性液晶層から構成されていることを特徴とする請求項7に記載の偏光回折格子。
- 前記非反応性液晶層は、ネマチック液晶層から構成されていることを特徴とする請求項8に記載の偏光回折格子。
- 前記第1および/または第2の厚みは、前記第1および/または第2の偏光回折格子の使用可能な波長域内の光の半波長リタデーションをもたらすように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の偏光回折格子。
- 基板と、
前記基板上の配向層であって、その中に周期的配向状態を含む配向層と、
をさらに備えており、
前記配向層は、その中を通過する光の局部的偏光状態に実質的に影響しないものであり、
前記第1の偏光回折格子層の分子は、前記配向層の前記周期的配向状態に従って配向されていることを特徴とする請求項1に記載の偏光回折格子。 - 前記基板は、透過基板から構成されていることを特徴とする請求項11に記載の偏光回折格子。
- 第1の偏光回折格子層を形成し、前記第1の偏光回折格子層が、その両面間に定められる第1の厚みにわたって該第1の偏光回折格子層の分子のそれぞれの相対的配向が第1の捩じれ角で回転するように、第1の捩じれ性に従って捩じられている分子構造を含んでいる、ことと、
前記第1の偏光回折格子層上に第2の偏光回折格子層を形成し、前記第2の偏光回折格子層は、前記第2の偏光回折格子層の両面間に定められる第2の厚みにわたって該第2の偏光回折格子層の分子のそれぞれの相対的配向が第2の捩じれ角で回転するように、前記第1の捩じれ性と逆の第2の捩じれ性に従って捩じられている分子構造を含んでいる、ことと、
を含んでなる偏光回折格子を形成する方法。 - 前記第1の偏光回折格子層および前記第2の偏光回折格子層を形成することは、
前記第1の偏光回折格子層の分子の前記それぞれの配向が、前記第1の偏光回折格子層の全体を通して、前記第1の厚みにわたって前記第1の捩じれ角だけ回転するように、前記第1の偏光回折格子層を形成することと、
前記第2の偏光回折格子層の分子の前記それぞれの配向が、前記第2の偏光回折格子層の全体を通して、前記第2の厚みにわたって前記第2の捩じれ角だけ回転するように、前記第2の偏光回折格子層を形成することと、
を含んでいることを特徴とする請求項13に記載の方法。 - 前記第2の偏光回折格子層の局部的異方性パターンが、前記第2の厚みにわたって、前記第1の偏光回折格子層の局部的異方性パターンが前記第1の厚みにわたって連続的に変化する位相ずれと逆の連続的に変化する位相ずれを有するように、前記第2の捩じれ角は
、前記第1の捩じれ角と逆の角度になっていることを特徴とする請求項14に記載の方法。 - 前記第2の捩じれ角は、+70°であり、前記第1の捩じれ角は、−70°であることを特徴とする請求項15に記載の方法。
- 前記第2の偏光回折格子層を形成することは、
前記第1の偏光回折格子層および前記第2の偏光回折格子層の前記分子の前記それぞれの配向が前記第1の偏光回折格子層と前記第2の偏光回折格子層との間の界面に沿って整合されるように、前記第2の偏光回折格子層を前記第1の偏光回折格子層上に形成すること
をさらに含んでいることを特徴とする請求項14に記載の方法。 - 請求項17に記載の偏光回折格子を形成する方法であって、
内部に周期的配向状態を含む第1の配向層を基板上に形成することをさらに含んでなり、
前記第1の配向層は、その中を通過する光の局部的偏光状態に実質的に影響しないものであり、
前記第1の偏光回折格子層および前記第2の偏光回折格子層を形成することは、
前記第1の偏光回折格子層の分子が前記第1の周期的配向状態に従って配向されるように、前記第1の偏光回折格子層を前記第1の配向層上に直接形成することと、次いで、
前記第2の偏光回折格子層を前記第1の偏光回折格子層上に形成することと、
をさらに含んでいることを特徴とする方法。 - 前記第1の偏光回折格子層が重合性液晶層から構成される請求項18に記載の方法であって、
前記重合性液晶層を前記第1の配向層上に光重合させた後、前記第2の偏光回折格子層を前記重合性液晶層上に形成すること
をさらに含んでいることを特徴とする方法。 - 前記第2の偏光回折格子層を形成することは、
第2の基板上に第2の配向層を形成し、前記第2の配向層は、第2の周期的配向状態を含んでいる、ことと、
前記第2の配向層を備える前記第2の基板を、前記第2の配向層と前記第1の配向層との間にギャップを形成するように、前記第1の偏光回折格子層に隣接して組み合わせることと、
前記第2の偏光回折格子層を前記ギャップ内に形成することと、
を含んでいることを特徴とする請求項19に記載の方法。 - 前記第2の偏光回折格子層は、非反応性液晶層から構成されていることを特徴とする請求項20に記載の方法。
- 前記第2の偏光回折格子層は、重合性液晶層から構成されていることを特徴とする請求項19に記載の方法。
- 前記基板は、透過基板から構成されていることを特徴とする請求項18に記載の方法。
- 前記第1の偏光回折格子層を形成することは、第1の液晶層に前記第1の捩じれ性を有するキラル液晶分子をドープすることを含んでおり、前記第2の偏光回折格子層を形成することは、第2の液晶層に前記第2の捩じれ性を有するキラル液晶分子をドープすること
を含んでいることを特徴とする請求項13に記載の方法。 - 前記第1および/または第2の偏光回折格子層を形成することは、前記第1および/または第2の偏光回折格子層を、前記第1および/または第2の偏光回折格子の使用可能な波長域内の光の半波長リタデーションをもたらすように設定された厚みに形成することを含んでいることを特徴とする請求項13に記載の方法。
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