JP3504159B2 - 液晶光学スイッチ素子 - Google Patents

液晶光学スイッチ素子

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、液晶光学スイッチ
素子、これを用いたカラーシャッターおよびカラー画像
表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】液晶光学スイッチ素子は、軽量・低消費
電力といった利点を有しているので、これを活かして、
主としてノート型パソコンあるいは携帯情報機器のディ
スプレイとして開発・実用化されてきた。近年は、情報
のマルチメディア化が進んでおり、動画への対応が強く
求められるとともに、大画面化への期待も高まりつつあ
る。動画対応および大画面化には、高速・広視野角の液
晶光学スイッチ素子の実現が不可欠であり、実現に向け
て各種方式が精力的に検討され、その一部は実用化され
ている。例えば、強誘電性液晶（ＦＬＣ）素子、反強誘
電性液晶（ＡＦＬＣ）素子、インプレーンスイッチング
（ＩＰＳ）素子、πセル素子、バーティカリーアライン
ド（ＶＡ）素子、および双安定性ツイストネマチック
（ＢＴＮ）液晶素子などが挙げられる。これらのなかで
も強誘電性液晶（ＦＬＣ）素子や反強誘電性液晶（ＡＦ
ＬＣ）素子は自発分極を有しているため、これらは、数
μｓ〜数１０μｓという応答速度が得られる。他方式で
の応答速度は高々１ｍｓであるので、（ＦＬＣ）素子や
（ＡＦＬＣ）素子は応答速度の点では有利である。しか
しながら、これらの２方式は、外力による非可逆的な配
向破壊という大きな問題を抱えている。
【０００３】一方、実用化されている高速光シャッター
としては、カー効果を利用した素子が知られている。カ
ー効果とは、透明な等方性媒体に電圧を印加した際に、
電場Ｅの２乗に比例する光学的異方性を示す現象であ
り、１８７５年にJ.Kerrによって発見された。ここで、
電場によって誘起される複屈折をΔｎ、真空中での光の
波長をλとすると、Δｎ＝ＫλＥ2 が成立し、比例定数
Ｋをカー定数と呼ぶ。カー定数の大きな物質としては、
液体では二硫化炭素およびニトロベンゼン、固体では、
ＰＬＺＴ（ジルコン酸鉛とチタン酸鉛との固溶体にラン
タンを添加した金属酸化物）が挙げられ、これらの材料
は、偏光板と組合わせて光シャッターに利用することが
できる。例えばパレスレーザー光の電場を利用した光シ
ャッターの場合、二硫化炭素で２ｐｓの応答速度が得ら
れており(Appl. Phys. Lett. 26, 92(1975))、ニトロベ
ンゼンで３２ｐｓの応答速度が得られている(Appl. Phy
s. Lett. 15,192(1969))。しかしながら、これらの物質
は毒性や爆発性を有しているので、実用化は困難であ
る。一方、ＰＬＺＴを用いた光シャッターは実用化され
ており、その応答速度は０．１μｓ〜１０μｓである。
Ferroelectrics 50,63(1983)あるいは、ＳＩＤ８４Dige
st,137(1984)のようにＰＬＺＴを用いた表示素子の作製
も試みられているものの、ＰＬＺＴには、機械的強度の
不足および大面積化が困難であるといった問題がある。
【０００４】カー効果は液晶でも観測され、特にネマチ
ック相−等方相転移温度直上における等方相はＰＬＺＴ
並み、あるいはそれ以上の大きなカー効果を示す。こう
したカー効果は、異常カー効果と呼ばれている。異常カ
ー効果は、等方相中におけるネマチック的な分子配列の
短距離秩序の存在に起因すると考えられている。カー効
果を利用した液晶シャッターおよび表示は高速であると
ともに、ＰＬＺＴを用いた表示素子の場合に問題となっ
ていたような機械的強度の不足や表示面積の限界がな
い。さらに、他の液晶表示方式と比べて、視野角の面で
も有利である。しかしながら、液晶のカー効果を利用す
る場合には、カー定数の温度依存性が大きな問題とな
る。
【０００５】一般に液晶のカー定数はＫ＝Ａ／（Ｔ−Ｔ
* ）（Ａは定数であり、Ｔ* は、液晶−等方相転移温度
にほぼ等しい。）で与えられる。この温度依存性を解決
する手段として、ネマチック液晶／高分子複合系の利用
が菊池ら（九州大学）により提案され、ポリ（イソブチ
ルメタクリレート）を高分子材料として用いた実験結果
が報告されている（日本化学会第７２春季年会予稿集p.
226あるいは第２２回液晶討論会予稿集p. 413）。しか
しながら、温度依存性の改善は高々数℃と小さく、さら
に、液晶単独の系に対してカー定数が大幅に減少してい
るといった問題がある。
【０００６】また一方、ネマチック液晶／高分子複合系
で液晶のドロップレット径を０．１μｍ以下に設定する
ことにより散乱状態を抑制できること、かつ電場で誘起
される光学異方性が電場の２乗に比例し、その応答速度
が１０μｓ以下であることが松本ら（ＮＴＴ）により報
告されている（Appl. Phys. Lett.,69, 1044(1996)およ
び AM-LCD97 p.33）。しかしながらこの文献では、カー
効果については全く言及されていない。特に、液晶含有
率を４０重量％以下に設定することで直径０．１μｍ以
下の液晶ドロップレットを実現しているので、結果とし
て光学応答しない高分子領域が６０重量％以上を占め、
素子のコントラストが低下してしまう。さらに温度特性
については、この文献ではいっさい言及されていない。
したがって、カー効果であるならばその温度依存性がど
の程度改善されているかも、この文献では不明である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】このように、液晶のカ
ー効果を利用することが試みられているものの、カー定
数の温度依存性を十分に改善することは困難であり、カ
ー定数が大きいという利点を活かしきれていないのが現
状である。
【０００８】また、カー効果を利用した液晶シャッター
において、光利用効率をさらに高めることが望まれてい
る。
【０００９】本発明は、前述したような問題点を解決す
るためになされたものであり、高速で広視野角の液晶光
学スイッチ素子を提供することを目的とする。
【００１０】また本発明は、高速で光利用効率が高く、
かつ広視野角の液晶光学スイッチ素子を提供することを
目的とする。
【００１１】さらに本発明は、上述したような液晶光学
スイッチ素子を用いたカラーシャッターおよびカラー画
像表示装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、離間・対向して配置された一対の偏光
板、前記一対の偏光板の間に離間・対向して配置された
一対の基板、前記一対の基板の間に挟持され、小区域に
分割された液晶材料と、この液晶材料を小区域に分割
し、網目状高分子およびマイクロカプセルからなる群か
ら選択される材料とを含む媒質、および、前記媒質に電
圧を印加する電圧印加手段を具備し、前記液晶材料の各
小区域の平均直径は０．１μｍ以下であり、前記媒質は
電圧の非印加時に光学的に等方性であり、電圧の印加時
には電界強度の２乗に比例する光学的異方性を示し、前
記液晶材料は、前記媒質の５０％以上を占めることを特
徴とする液晶光学スイッチ素子を提供する。
【００１３】また本発明は、離間・対向して配置された
一対の基板、前記一対の基板の間に挟持され、小区域に
分割された液晶材料と、この液晶材料を小区域に分割す
る材料とを含む媒質、および、前記媒質に電圧を印加す
る電圧印加手段を具備し、前記液晶材料は液晶と色素と
を含み、前記媒質は、電圧の非印加時に光学的に等方性
であり可視光を吸収し、電圧の印加時には電界強度の２
乗に比例する光学異方性を示すとともに、可視光を透過
させ、前記小区域に分割された液晶材料の平均直径は
０．１μｍ以下であり、前記液晶材料を小区域に分割す
る材料は、網目状高分子およびマイクロカプセルからな
る群から選択され、前記電圧印加手段により印加される
電圧の方向は、前記光の透過方向に実質的に平行であ
り、前記液晶材料は、前記媒質の５０％以上を占めるこ
とを特徴とする液晶光学スイッチ素子を提供する。
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】以下、本発明を詳細に説明する。
【００１８】本発明者らは、液晶のカー効果について鋭
意検討した結果、液晶材料の領域を特定の材料で小区域
に分割することによって、液晶のカー定数の温度依存性
を抑制できること、さらに液晶単体でのカー定数をほぼ
維持できることを見出し、本発明を成すに至った。液晶
材料の領域を小区域に分割する材料としては、網目状高
分子が挙げられ、具体的には液晶と相互作用するメソゲ
ン部位を分子内に有する高分子を用いることができる。
この場合には、高分子領域を５０％以下に抑制すること
ができる。さらに、網目状高分子のみならず、マイクロ
カプセルや多孔質無機物を用いて液晶材料の領域を小区
域に分割することによって、より制御よく素子を作製で
きることを見出した。
【００１９】すなわち、本発明の液晶光学スイッチ素子
は、一対の基板間に挟持された媒質を、特定の材料で小
区域に分割された液晶材料により構成したことを特徴と
するものであり、この媒質についてまず説明する。
【００２０】媒質を構成する液晶材料は、単一の液晶ま
たは２種類以上の液晶の混合物、さらには液晶以外の物
質を含む混合物としてもよく、特に限定されるものでは
ない。ただし、大きなカー効果を確保し、駆動電圧を抑
制する観点から、用いる液晶は、屈折率異方性（Δｎ）
および誘電率異方性（Δε）が大きいことが望ましい。
屈折率異方性Δｎは０．１以上であることが好ましく、
０．２以上であることがより好ましい。また、誘電率異
方性Δεは５以上であることが好ましく、１５以上であ
ることがより好ましい。さらに、大きな応答速度を確保
する観点からは、粘性係数が小さいことが好ましい。具
体的には、回転粘性係数γは、望ましくは２００ｍＰａ
・ｓ以下であり、より望ましくは１５０ｍＰａ・ｓ以下
である。
【００２１】なお、本発明において、液晶に色素を配合
して液晶材料を構成する場合には、屈折率異方性（Δ
ｎ）が上述した範囲であることは必ずしも必要とはされ
ない。
【００２２】液晶材料の領域を小区域に分割する材料と
して網目状高分子を利用する場合には、液晶の物性は、
その高分子との組み合わせに応じて選択される。例え
ば、液晶の等方相への転移温度ＴL は、４０℃以上、さ
らには６０℃以上であることが好ましい。また、液晶の
固体への転移温度ＴS は、５℃以下、さらには、−１０
℃以下であることが好ましい。
【００２３】一方、マイクロカプセルや多孔質無機物な
どと液晶との混合系においては、液晶の相関長の大きさ
により、液晶単体とはその性質が異なっていることが考
えられる。したがって、素子としての動作温度範囲が５
℃以下から４０℃以上、より好ましくは−１０℃以下か
ら６０℃以上となるように、液晶を選択することが望ま
れる。
【００２４】本発明においては、液晶に色素を配合して
液晶材料を構成してもよい。色素を配合することによっ
て、カー効果とゲストホストモードとを組み合わせるこ
とができる。したがって、カー効果が有する高速性と、
ゲストホストモードが有する高光利用効率とを備えた液
晶光学スイッチ素子が得られる。
【００２５】液晶に配合される色素としては、液晶に溶
解する限り特に限定されるものではない。充分なコント
ラストを確保する観点からは、二色比が高く、かつ液晶
に対する溶解性が大きいことが望ましい。具体的には色
素の二色比は、５以上であることが好ましく、１０以上
であることがより好ましい。
【００２６】本発明において使用し得るイエローの色素
としては、例えばＧ２３２（日本感光色素）、ＳＩ２０
９（オージー社）、Ｄ８０（Ｍｅｒｃｋ社）などを用い
ることができる。シアンの色素としては、ＳＩ５０１、
ＳＩ４９７（ともにオージー社）、Ｇ４７２（日本感光
色素）などを用いることができる。マゼンタの色素とし
ては、Ｇ１７６、Ｇ２０２、Ｇ２３９、Ｇ４７１（とも
に日本感光色素）、ＳＩ５１２（オージー社）などを用
いることができる。レッドの色素は、上述のマゼンタの
色素とイエローの色素とを混合して調製することがで
き、Ｄ８３（Ｍｅｒｃｋ社）などを用いてもよい。グリ
ーンの色素はシアンの色素とイエローの色素とを混合し
て調製することができ、Ｄ８４（Ｍｅｒｃｋ社）などを
用いてもよい。ブルーの色素は、マゼンタの色素とシア
ンの色素とを混合して調製することができ、Ｄ１０２
（Ｍｅｒｃｋ社）などを用いてもよい。また、ブラック
の色素は、イエローとシアンおよびマゼンタの色素を混
合して調製することができる。あるいは、Ｄ８５、Ｄ８
６、Ｄ１０３（いずれもＭｅｒｃｋ社）などを用いても
よい。
【００２７】上述したような液晶材料を小区域に分割す
る材料としては、液晶材料に対して安定である限り特に
限定されるものではない。また、液晶材料の領域の小区
域は、必ずしも完全に独立して分割されていなくても構
わない。本発明において液晶材料を分割するために利用
できる材料としては、（１）網目状高分子、（２）マイ
クロカプセル、および（３）多孔質無機物を挙げること
ができ、それぞれについて詳細に説明する。
【００２８】第１の材料である網目状高分子は、材料的
に特に限定されるものではないが、混合する液晶、およ
び場合によっては色素との相溶性が良好であるもの、例
えば、分子内にメソゲン部位を有するものが好ましい。
また、高分子液晶を利用して、上述した液晶材料の領域
を小区域に分割することもできる。
【００２９】メソゲン部位としては、特に限定されるも
のではなく、例えば、フェニル基、ビフェニル基、ター
フェニル基、フェニルシクロヘキシル基、ビフェニルシ
クロヘキシル基、アゾベンゼン基、アゾキシベンゼン
基、ベンジリデンアニリン基、スチルベン基、およびト
ラン基を挙げることができる。
【００３０】特に、本発明において用い得る網目状高分
子は、液晶材料との相溶性が良好であることに加えて、
透明固体となることが望ましく、代表的な材料としてア
クリル樹脂を挙げることができる。さらに、高分子の前
駆体である重合性モノマー、あるいは反応性や粘度の選
択といった点からは、モノマー類から誘導したオリゴマ
ー類、あるいはオリゴマー類とモノマー類との混合物を
熱または光で重合硬化して得られた高分子を用いてもよ
い。
【００３１】なお、重合時の温度制御により液晶材料と
のミクロな混合状態の制御が可能である点からは、高分
子として光硬化性樹脂を用いることがより好ましい。重
合性モノマーあるいはオリゴマーとしては、紫外線照射
により重合硬化するモノアクリルモノマーあるいはオリ
ゴマー、ジアクリルモノマーあるいはオリゴマーを好ま
しい材料として挙げることができる。ビニル基のα位お
よび／またはβ位の水素は、フェニル基、アルキル基、
ハロゲン基またはシアノ基などで置換されていてもよ
い。例えば、重合性モノマーとしては、下記一般式
（１）で表わされる構造を有するものを挙げることがで
きる。
【００３２】
【化１】
【００３３】上記一般式（１）中、Ｒ1 およびＲ2 は、
以下に示す群から選択される一価の有機基である。ただ
し、Ｓ2 が一価の有機基である場合には、Ｒ2 は存在し
ない。
【００３４】
【化２】
【００３５】上記式中、Ｘ1 およびＹ1 は、以下に示す
群から選択される一価の基である。
【００３６】
【化３】
【００３７】上記式中、ｎは整数である。
【００３８】また、上記一般式（１）中、Ｓ1 およびＳ
2 は、以下に示す群から選択される二価の有機基であ
る。ただし、Ｓ2 は、水素原子あるいはシアノ基の一価
の有機基でもよい。
【００３９】
【化４】
【００４０】上記式中、ｎは０〜１６の整数である。
【００４１】さらに、上記一般式（１）中、Ｍは、以下
に示す群から選択される２価の有機基である。
【００４２】
【化５】
【００４３】また、市販され容易に入手できるものとし
て、カヤラッドＲ−５５１、およびカヤラッドＲ−７１
２（いずれも日本化薬社製）、ＮＯＡ６０、ＮＯＡ６
１、ＮＯＡ６３、ＮＯＡ６５、ＮＯＡ６８、ＮＯＡ７
１、ＮＯＡ７２、ＮＯＡ７３、ＮＯＡ８１、ＮＯＡ８３
Ｈ、ＮＯＡ８８（いずれもＮｏｒｌａｎｄ社製）を用い
てもよい。
【００４４】上述したようなモノマー類あるいはオリゴ
マー類の重合を速やかに行なって所望の高分子を得るた
めに、光重合開始剤を用いてもよい。光重合開始剤とし
ては、選択するモノマー類、オリゴマー類に適する任意
のものを用いることができ、例えば、市販され容易に入
手できるものとして、ダロキュア１１７３（Ｍｅｒｃｋ
社製）、ダロキュア１１１６（Ｍｅｒｃｋ社製）、イル
ガキュア１８４（Ｃｉｂａ Ｇｅｉｇｙ社製）、イルガ
キュア６５１（Ｃｉｂａ Ｇｅｉｇｙ社製）、イルガキ
ュア９０７（Ｃｉｂａ Ｇｅｉｇｙ社製）、カヤキュア
ＤＥＴＸ（日本化薬社製）、およびカヤキュアＥＰＡ
（日本化薬社製）などを挙げることができる。
【００４５】なお、重合速度を大きくし、液晶材料の液
滴の直径を可視光の波長に比べ小さくするために、光重
合開始剤の吸光度は大きいことが好ましい。吸収スペク
トルの形状等にもよるが、光重合開始剤の吸光度は、３
５０ｎｍにおけるモル吸光係数が５００（ｌ・ｍｏｌ-1
・ｃｍ-1）以上であることが望まれる。光重合開始剤の
添加量は、液晶材料の保持率を高く維持する観点から、
モノマー類あるいはオリゴマー類に対し５重量％以下で
あることが好ましく、０．５重量％以下であることがよ
り好ましい。また、重合性モノマーあるいはオリゴマー
には必要に応じて架橋剤、界面活性剤、重合促進剤、連
鎖移動剤、および光増感剤などの改質剤を配合してもよ
い。
【００４６】上述したような網目状高分子と液晶材料と
を含有する、本発明の液晶光学スイッチ素子の媒質は、
透明であることが望まれる。電圧の非印加時において透
明な等方性の状態をとるのであれば、その作製方法は特
に限定されるものではない。いわゆる高分子分散型液晶
（ＰＤＬＣ）と本発明の液晶光学スイッチ素子との大き
な違いは、電圧非印加時において散乱状態ではなく、透
明状態をとることにある。媒質の散乱状態を抑制して透
明状態を実現するには、液晶材料の液滴の直径を可視光
の波長より小さくしなければならない。このため、本発
明においては液晶材料の液滴の直径を０．１μｍ以下に
限定した。０．１μｍを越えると散乱状態を抑制するこ
とができないため、本発明の目的を達成することが不可
能となる。
【００４７】液晶材料の液滴の直径を０．１μｍ以下に
し、かつ液晶の高い含有率を維持するためには、液晶材
料中に高分子をより効果的に分散させる必要がある。そ
のためには、重合性モノマーあるいはオリゴマーと液晶
材料とを含む混合物を一対の基板間に挟持させた後に、
モノマーあるいはオリゴマーを光重合することが好まし
い。この際、光照射強度を大きくして重合速度を速める
ことによって、媒質を光散乱状態でなく透明状態とする
ことができるとともに、カー定数の温度依存性を抑制す
ることが可能となる。さらに、重合時の媒質温度を制御
することで、媒質の構造をより綿密に制御することがで
きる。なお、媒質を基板間に挟持させる方法は特に限定
されるものではなく、真空注入、吸引注入または塗布な
どの通常の方法で行なうことができる。
【００４８】液晶材料の領域を小区域に分割するための
第２の材料であるマイクロカプセルとしては、液晶材料
を安定に内包でき、可視光に対して透明であれば特に限
定されるものではなく、複数の成分から構成されていて
もよい。例えば、ポリスチレン、スチレンジビニルベン
ゼン共重合体、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリロ
ニトリル、ポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリ四フ
ッ化エチレン、およびポリビニルアルコールなどの付加
重合ポリマー；ナイロン６６などのポリアミド類、ポリ
イミド類、ポリウレタン類、ポリエステル類、およびポ
リエーテルイミド類などの重縮合ポリマー；アラビアゴ
ム、ゼラチン、天然ゴム、およびセルロースなどの天然
ポリマーなどが挙げられる。
【００４９】マイクロカプセルの材料としては、３次元
架橋した耐熱性を有するものが望ましく、マイクロカプ
セル材料の誘電率は、カプセルでの電圧降下を最小限に
抑えて駆動電圧を低くする観点から大きいことが望まし
い。また、マイクロカプセルの大きさは、電圧により誘
起される光学異方性の良好な温度特性を確保し、かつ散
乱を抑制するために、内包される液晶材料の平均直径が
０．１μｍ以下であることが好ましい。マイクロカプセ
ルの厚さが厚すぎる場合には電圧応答しない領域が大き
くなってコントラストが低下してしまい、一方薄すぎる
と十分な機械的強度が得られない。したがって、コント
ラストおよび機械的強度のいずれも高くするためには、
マイクロカプセルの厚さをマイクロカプセルの半径の３
〜１５％にすることが好ましい。
【００５０】マイクロカプセルの作製方法は、特に限定
されるものではなく、一般に知られている方法の中から
液晶物質の種類などに応じて適宜選択することができ
る。例えば、界面重合法、ｉｎ−ｓｉｔｕ重合法、およ
び液中硬化被覆法などの化学的作製方法；相分離を利用
したコアセルベーション法、界面沈殿法（液中濃縮法、
液中乾燥法、二次エマルジョン法）および融解分散法な
どの物理化学的作製方法を利用することもできる。
【００５１】上述のようにして得られた、液晶材料を内
包したマイクロカプセルを基板間に挟持する方法は、用
いた材料などに応じて適宜選択することができ、例え
ば、基板間への注入により挟持することができる。ま
た、マイクロカプセルを溶媒に分散させてペーストを調
製した後、このペーストを塗布し溶媒を揮発させる方法
により挟持してもよい。
【００５２】液晶材料の領域を小区域に分割するための
第３の材料である多孔質無機物の材質は、可視光に対し
透明である限り特に限定されるものではない。なお、本
発明において多孔質とは、平均孔径０．１μｍ以下で、
液晶材料の高い含有率および低い駆動電圧を維持するた
めに、気孔率が高いことが好ましい。また、多孔質無機
物の厚さは、印加する電圧等に応じて適宜選択すること
ができるが、通常０．５〜１０μｍ程度である。具体的
には、多孔質無機物としては、多孔質ガラスを用いるこ
とができる。
【００５３】このような多孔質無機物の作製や液晶材料
が内包された多孔質無機物の作製に当たっては、例えば
第４回ポリマー材料フォーラム予稿集ｐ．２３８あるい
はＦＬＣ９７予稿集ｐ２９６など公知の方法を用いるこ
とができる。
【００５４】本発明の液晶光学スイッチ素子において、
上述したような液晶材料を含む媒質に電圧を印加するた
めの電極は、特に限定されるものではなく、例えば、Ｉ
ＴＯ（インジウム スズ オキサイド）の薄膜が挙げら
れる。透明性が要求されない電極には、アルミニウム、
ニッケル、銅、銀、金、および白金などの各種電極材料
を用いてもよい。また、基板上へ電極を形成する際に
は、蒸着、スパッタリング、およびフォトリソグラフィ
など通常の方法を採用することができる。
【００５５】本発明の液晶光学スイッチ素子において、
上述したような媒質を挟持するための基板としては、十
分な強度と絶縁性とを有し、少なくとも観測者側の基板
が透明性を有している限り、特に限定されるものではな
い。例えば、ガラス、プラスチック、およびセラミック
などが挙げられる。
【００５６】なお、上述したような電極表面には絶縁性
薄膜を形成させてもよい。絶縁性薄膜の材料としては、
液晶材料に対する反応性や溶解性をもたず、電気的に絶
縁性であれば材質的に特に限定されるものではなく、例
えば、ポリイミド、ポリアミド、ポリビニルアルコー
ル、ポリアクリルアミド、環化ゴム、ノボラック樹脂、
ポリエステル、ポリウレタン、アクリル樹脂、ビスフェ
ノール樹脂またはゼラチンなどの有機物；また、酸化シ
リコンおよび窒化シリコンなどの無機物を挙げることが
できる。
【００５７】絶縁性薄膜は、各材料に適した任意の方法
により形成することができ、例えば、スピンコートによ
る塗布、水面上に形成された単分子膜を電極基板上に写
し取って積層し薄膜を形成させるラングミュア・ブロジ
ェット法などが挙げられる。さらに、蒸着法を用いて形
成してもよい。また、薄膜の厚さは、液晶層への電圧印
加を十分に行なうことが可能な範囲であれば特に限定さ
れるものではないが、低電圧駆動の観点から、絶縁性を
損なわない範囲において薄いことが望ましい。絶縁性薄
膜に対する配向処理は特に必要とはされないが、ラビン
グなどの配向処理を適宜施してもよい。
【００５８】本発明において一対の基板間の距離をより
正確に制御する場合には、これらの間にスペーサーを配
置してもよい。スペーサーとしては、通常行なわれるよ
うに球状のスペーサーを基板面に散布することができ
る。あるいは、柱状体のスペーサーを基板上に一定間隔
で形成してもよい。後者の場合には、基板貼り合わせ時
にスペーサー同士が近接する危険が少なく、面内に均一
に分散させることが可能である。
【００５９】このようなスペーサーのうち、基板に散布
するスペーサー材料としては、絶縁性を有し、かつ使用
する液晶と反応あるいは溶解せず、基板上に安定に分散
されるならば材質的に特に限定されない。例えば、ジビ
ニルベンゼン、ポリスチレンなどの高分子；あるいはア
ルミナ、シリカなどの無機酸化物などを用いることがで
きる。いずれの材料を用いる場合も、スペーサーの粒径
分布は狭いことが望ましい。
【００６０】一方、スペーサーとして柱状体を電極基板
上に一定間隔で形成する場合には、フォトリソグラフィ
ーで用いられる通常の方法により行なうことができる。
柱状体のスペーサーを作製するための材料としては、液
晶材料に対する反応性や溶解性を持たず、電気的に絶縁
性のポジ型またはネガ型の感光性樹脂などが挙げられ
る。例えば、ポリイミド、ポリアミド、ポリビニルアル
コール、ポリアクリルアミド、環化ゴム、ノボラック樹
脂、ポリエステル、ポリウレタン、アクリル樹脂、ビス
フェノール樹脂またはゼラチンを感光性樹脂化したもの
を挙げることができるが、一般的には、ネガ型の感光性
ポリイミドが好ましい。
【００６１】本発明の液晶光学スイッチ素子において、
液晶材料が色素を含まない場合には、前記媒質への電場
方向が、素子を観測する方向と実質的に直交の関係にあ
ることが必要である。すなわち、液晶光学スイッチ素子
の光透過方向に対して実質的に直交する方向に電圧が印
加される。これを達成するために、例えば、対向する２
つの基板の一方にくし形電極を配置する。また、光学ス
イッチ素子に要求される高透過率を確保する観点から、
電場方向と偏光板の透過軸とのなす角度を４５°に設定
することが望ましい。
【００６２】かかる構成の液晶光学スイッチ素子と、こ
の素子の光透過方向に配置された色偏光板とによってカ
ラーシャッターを構成することができる。用い得る色偏
光板は、材料的に特に限定されるものではないが、明る
くコントラストの良好な表示を実現する点からは、透過
成分の透過率が高いこと、非透過成分の透過率が低いこ
とが望ましい。かかる色偏光板は、市販の材料を用いて
もよく、あるいは２色性染料をポリビニルアルコールな
どの高分子に含浸させた後、これを延伸するといった通
常の方法で作製することもできる。
【００６３】本発明の液晶光学スイッチ素子において、
液晶材料が色素を含む場合には、光透過方向と垂直な電
界、いわゆる横電界を印加する必要がない。色素の配向
を電界制御することで光の吸収・透過を行なうゲストホ
ストモードに、カー効果を適用しているので、この場合
には通常の電極配置とすることができる。すなわち、液
晶光学スイッチ素子の光透過方向に対して実質的に平行
な方向に、電圧を印加する。具体的には、離間・対向し
て配置された一対の基板の各々に電極を形成し、これら
の電極間で電圧を印加する方法を採用することができ
る。なお、本発明におけるゲストホストモードへのカー
効果の適用とは、カー効果で生じる複屈折を利用するの
ではない。光学的に等方的な状態と異方的な状態とを高
速でスイッチングする現象を、ゲストホストモードに適
用することを意味しており、新規な概念である。
【００６４】かかる構成の液晶光学スイッチ素子は、光
偏光板を配置せずにカラーシャッターとして用いること
ができ、光利用効率が高められるという利点も得られ
る。この場合、異なる波長域の可視光を吸収する色素を
挟持した複数の液晶光学スイッチ素子を、光透過方向に
積層させてカラーシャッターを構成してもよい。例え
ば、赤・緑・青あるいは、シアン・マゼンタ・イエロー
といった色の３原色の透過率を制御する複数の素子を積
層させて、カラーフィルターを実現することができる。
さらに、液晶光学スイッチ素子に画像情報を入力する手
段を組み合わせ、カラー画像表示装置を構成することも
できる。
【００６５】上述したようなカラーシャッターと、この
シャッターの光透過方向に設けられた１またはこれ以上
の画像表示素子とによってカラー画像表示装置を構成す
ることができる。画像表示素子としては、少なくとも白
黒２値画像を出力できる限り特に限定されるものではな
い。例えば、電子線蛍光管、液晶画像表示素子、発光ダ
イオード画像表示素子、およびフィールドエミッション
画像表示素子などを使用することができる。製造コスト
・輝度・階調といった観点からは、赤、緑および青の混
合蛍光体を有する、いわゆる白黒タイプの電子線蛍光管
を使用することが適している。また、複数の小型画像表
示装置を組み合わせて、大型画像表示装置を実現するこ
ともできる。
【００６６】以上、透過型を例に挙げて本発明の液晶光
学スイッチ素子を説明したが、本発明はこれに限定され
るものではない。本発明の液晶光学スイッチ素子は、反
射型としての利用も可能である。反射型の場合には、観
測者からみて液晶光学スイッチ素子の後部に反射板を設
置すればよい。
【００６７】本発明においては、一対の基板に挟持され
る媒質を、特定の材料で小区域に分割された液晶材料に
より構成しているので、高速かつ広視野角の液晶光学ス
イッチ素子を得ることができた。特に本発明の液晶光学
スイッチ素子では、電圧無印加時における透過状態と電
圧印加時における複屈折状態との２状態間をスイッチン
グさせており、散乱状態を利用するものではない。した
がって、液晶材料／高分子複合系を用い、電圧無印加時
における散乱状態と電圧印加時における透過状態との２
状態間をスイッチングさせる高分子分散型液晶（ＰＤＬ
Ｃ）とは表示原理が異なる。
【００６８】さらに、本発明の液晶光学スイッチ素子に
おいては、液晶材料の液滴の平均直径を０．１μｍ以下
に限定しているので、可視光の散乱を抑制するととも
に、液晶分子間の相関距離を抑制してカー効果の温度特
性を改善を達成することができた。
【００６９】また、液晶に色素を配合して液晶材料を構
成した場合には、カー効果の高速性に加えて、ゲストホ
ストモードの有する高光利用効率という利点も得られ
る。
【００７０】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の液
晶光学スイッチ素子およびそのスイッチングを詳細に説
明する。
【００７１】実施例Ｉ 図１は、本発明の液晶光学スイッチ素子の一例の部分断
面図である。なお、図示する例は、電極として櫛形電極
を一方の基板に設置した場合のものであり、ここでは媒
質として液晶と網目状高分子とを用いた。すなわち、液
晶材料は、色素を配合しない液晶により構成されてい
る。なお、使用電極およびその配置は、網目状高分子と
液晶とを含有する媒質に印加する電場方向が光の透過方
向、すなわち素子の観測方向に直交している限り、特に
限定されるものではない。
【００７２】まず、図１を用いて本発明の液晶光学スイ
ッチ素子の構造およびその光学的性質の電圧制御を説明
する。図１（ａ）は電圧の非印加時の媒質の状態を表わ
し、図１（ｂ）は電圧印加時の媒質の状態を表わしてい
る。
【００７３】図１（ａ）に示すように、高分子と液晶材
料とを含む媒質５８は、電極５３および５４が設置され
た基板５１と、これに離間・対向して配置された基板５
０とに挟持されている。これら２つの基板５０，５１の
間はスペーサー５２によりその間隔が保持されている。
媒質５８への電圧印加は、電極５３および５４を介して
電気回路５６およびスイッチ５７により行なわれる。
【００７４】図１（ａ）で表わされる電圧の非印加時に
おいては、高分子と液晶材料とを含有する媒質５８は、
巨視的にみて光学的な等方相をとっている。ただし、微
視的に観測すると相関長は短いものの、液晶分子の配向
が揃った微小領域５９が多数存在している。図１（ａ）
に示されるように、これら各微小領域５９の配向方位は
ランダムであるが、微小領域５９の大きさは可視光の波
長に比べて十分に小さいため、電圧の非印加時において
は光散乱は生じない。
【００７５】電圧を印加した場合には、図１（ｂ）に示
すように各微小領域５９の配向方位が電場方向に揃うた
めに、媒質５８は光学的に異方性となる。配向方位がラ
ンダムな多数の微小領域５９は、以下のようにして形成
されると考えられる。すなわち、網目状高分子は、液晶
分子との相互作用が強く、高分子がほぼ分子スケールで
均一に混合することができる。このため、液晶分子間の
相関長は大幅に減少し、微視的に液晶構造を有しながら
も巨視的には等方相をとっている。
【００７６】次に図２および図３を用いて、本発明の液
晶光学スイッチ素子における透過光の制御を説明する。
図２は、櫛形電極５３および５４が設置された基板５１
面を、もう一方の基板側から見た図であり、用いる偏光
板（図３中の参照符号２および３）の透過軸２１，３１
および光軸１１をあわせて示している。
【００７７】図３は、液晶光学スイッチ素子と偏光板お
よび光源の位置関係を表わす図である。なお、図３は、
透過光のスイッチングを説明するためのものであるが、
反射光のスイッチングには、光源の代わりに反射板を設
置する。
【００７８】図３に示すように、本発明の液晶光学スイ
ッチ素子１の透過軸方向に、第１の偏光板２および第２
の偏光板３を配置して、これら２枚の偏光板２，３で液
晶光学スイッチ素子１を挟む。なお第１の偏光板２の透
過軸２１と、第２の偏光板３の透過軸３１とは、図２に
示したように互いに直交させる。さらに、第１の偏光板
２の液晶光学スイッチ素子１とは反対の側には光源４を
配置する。
【００７９】かかる構成において、光源４から出た光
は、まず第１の偏光板２に入射し、透過軸２１に平行な
偏光面を有する偏光のみが透過して液晶光学スイッチ素
子１に入射する。電圧の非印加時には、液晶光学スイッ
チ素子１は光学的に等方性であるため、偏光は液晶光学
スイッチ素子１をそのまま透過して第２の偏光板３に入
射する。上述したように第２の偏光板３の透過軸３１
は、第１の偏光板２の透過軸２１と直交しているので、
液晶光学スイッチ素子１を透過した偏光軸２１に平行な
偏光は、第２の偏光板３を透過できない。したがって、
電圧非印加時の表示は黒となる。
【００８０】電圧の印加時には、図１（ｂ）において説
明したように液晶光学スイッチ素子１は光学的に異方性
となる。図２に示すように光軸１１と第１の偏光板２の
透過軸２１とのなす角１２をαとした場合、第２の偏光
板３からの出射光の強度は、下記数式で表わされる。
【００８１】 Ｉ／Ｉ0 ＝｛ｓｉｎ２αｓｉｎ（πΔｎｄ／λ）｝2 （ここで、Δｎは透明媒質５８の光学的異方性、ｄは透
明媒質５８の厚さ、λは真空中での光の波長、Ｉ0 は、
液晶光学スイッチ素子１への入射光強度である。）明る
く、高コントラストの液晶光学スイッチを得るには、α
＝４５°、Δｎｄ＝λ／２となるように、偏光板の設
置、印加電場強度、および媒質の厚さを設定すればよ
い。先の条件を満たす場合、液晶光学スイッチ素子に入
射した直線偏光は、偏光方位が９０°回転した直線偏光
に完全に変換される。
【００８２】次に、図４のグラフを用いてカー定数と温
度との関係を説明する。このグラフ中、実線６１は、本
発明の液晶光学スイッチ素子における曲線、実線６２は
従来の液晶のみの透明媒質での曲線、実線６３は、従来
例（第２２回液晶討論会予稿集 p.413）での曲線、点線
６４は液晶単独のネマチック相−等方相転移温度、点線
６５は、従来例（第２２回液晶討論会予稿集 p.413）で
のネマチック相−等方相転移温度を示している。
【００８３】本発明での曲線６１は、従来例ではネマチ
ック相のカー効果を示さない温度領域においてもカー効
果を発現していることが明確に示されている。この理由
について、本発明者らは次のように考えた。すなわち、
液晶と相互作用するメソゲン部位を有する高分子を導入
することにより媒質を構成しているので、液晶分子間の
相関距離は温度に依存しない。具体的には、液晶分子間
の相関距離は、液晶単独ではネマチック相状態をとる温
度領域においても、異常カー効果を示す等方相での狭い
温度領域における相関距離程度に抑えられた。このため
に、微視的には液晶相を保持しつつ、巨視的には等方相
を維持することができた。
【００８４】本発明の液晶光学スイッチ素子は、色偏光
板および白黒電子線蛍光管と組み合わせてカラー画像表
示装置として用いることができる。こうしたカラー画像
表示装置の表示機構について、図５を参照して説明す
る。
【００８５】図５に示す構成においては、白黒電子線蛍
光管１２０側から、第１の色偏光板９０、第１の液晶光
学スイッチ素子７０、第２の色偏光板１００、第２の液
晶光学スイッチ素子８０、および第３の色偏光板１１０
が順次設けられている。第１の液晶光学スイッチ素子７
０および第２の液晶光学スイッチ素子８０は、制御回路
１３０に接続されており、白黒電子線蛍光管１２０はラ
スタ発生器１５０に接続されている。さらに、制御回路
１３０とラスタ発生器１５０との同期をとるための同期
回路１４０が、これらに接続されている。
【００８６】第１の色偏光板９０における２つの直交す
る透過軸９１および９２は、それぞれ赤および白の偏光
を透過させ、第２の偏光板１００における２つの直交す
る透過軸１０１および１０２は、それぞれ緑および白の
偏光を透過させる。また、第３の偏光板１１０における
２つの直交する透過軸１１１および１１２は、それぞれ
青および白の偏光を透過させる。これら３つの透過軸の
うち、９１，１０１および１１１の３つの透過軸は平行
の関係にあり、９２，１０２および１１２の３つの透過
軸も平行の関係にある。
【００８７】図５中、７１および８１は、それぞれ第１
の液晶光学スイッチ素子７０および第２液晶光学スイッ
チ素子８０の電圧印加時における光軸方向を表わしてい
る。これらの光軸方向７１および８１は、互いに平行の
関係にあるとともに、各偏光板９０，１００および１１
０の透過軸とのなす角は４５°となるように配置され、
かつ電圧印加時におけるリタデーションΔｎｄがλ／２
となるように設定されている。
【００８８】ここで、第１の液晶光学スイッチ素子７０
が電圧非印加時、第２の液晶光学スイッチ素子８０が電
圧印加である場合を例に挙げて説明する。白黒電子線蛍
光管１２０から出射された白色光は、まず、第１の偏光
板９０によって透過軸９１に平行な赤色直線偏光と、透
過軸９２に平行な白色直線偏光とに分離される。第１の
液晶光学スイッチ素子７０は電圧非印加であるため、入
射した直線偏光は、位相変調を受けることなくそのまま
透過する。
【００８９】第２の色偏光板１００に入射する直線偏光
は、透過軸１０１に平行な赤色と透過軸１０２に平行な
白色との２種類である。透過軸１０１は、緑色の直線偏
光のみを透過させるため、第２の色偏光板１００に入射
した直線偏光のうち赤色光は透過できない。一方、この
色偏光板の透過軸１０２は白色光の直線偏光を透過させ
るので、入射した白色光はそのまま透過する。すなわ
ち、第２の色偏光板１００から出射する直線偏光は、透
過軸１０２に平行な白色光のみとなり、透過軸１０１に
平行な光は出射されない。
【００９０】第２の液晶光学スイッチ素子８０は、電圧
印加時には入射された直線偏光を９０°回転した直線偏
光に変換するので、透過軸１０２に平行な白色の直線偏
光は９０°回転して、透過軸１１１に平行な直線偏光と
して第３の色偏光板１１０に入射する。一方、透過軸１
１２に平行な光は存在しない。ゆえに、第３の色偏光板
１１０から出射されるのは透過軸１１１に平行な青色の
直線偏光となり、この場合には青色が表示される。
【００９１】図５の構成における本発明の液晶光学スイ
ッチ素子７０および８０の電圧非印加・印加と表示色と
の関係を下記表１にまとめた。
【００９２】
【表１】
【００９３】このように同期回路１４０を利用して、白
黒電子線蛍光管１２０へのラスタ発生器１５０と、第１
の液晶光学スイッチ素子７０および第２の液晶光学スイ
ッチ素子８０の制御回路１３０との同期をとることによ
り、表示色の選択と各表示色での白黒画像発生とを行な
い、表示色を高速で切り替えることでカラー画像表示を
実現することができる。
【００９４】なお、本発明のカラー画像表示装置におけ
る色偏光板の選択や各色偏光板の透過軸の設定は、図５
に示した構成に限られるものではなく、適宜変更するこ
とができる。
【００９５】以下に本発明の具体例を示して、本発明を
さらに詳細に説明する。
【００９６】実施例Ｉ−１ まず、１つのガラス基板（厚さ０．７ｍｍ）の表面に、
電極幅１０μｍ、電極間隔１０μｍのＭｏＷ櫛形電極を
常法により形成した。次にポリイミド（ＡＬ−１０５
１：日本合成ゴム（株））を７０ｎｍの厚さにスピナー
で電極面にキャストして絶縁膜として、第１の基板を得
た。同様に、もう一つのガラス基板（厚さ０．７ｍｍ）
表面へも前述と同様の絶縁膜を形成して第２の基板を得
た。
【００９７】上述のようにして得られた第２の基板の絶
縁膜表面の所定位置に、貼り合わせのためのエポキシ接
着剤を塗布し、第１の基板の絶縁膜表面には、直径５μ
ｍの樹脂製スペーサーボールを散布した。その後、第１
および第２の基板を互いに絶縁膜が対向するよう貼り合
わせ、封着して液晶セルを得た。
【００９８】一方、ネマチック液晶ＢＬ０３５（Ｍｅｒ
ｃｋ社製）６０ｗｔ％と、重合性モノマー１，４−ジ
（４−（６−（アクリロイルオキシ）ヘキシルオキシ）
ベンゾイルオキシ）−２−メチルベンゼン４０ｗｔ％と
を混合し、さらに、重合開始剤イルガキュア６５１（Ｃ
ｉｂａ Ｇｅｉｇｙ社製）を重合性モノマーに対して
０．５ｗｔ％添加して混合物を調製した。
【００９９】こうして得られた混合物を、前述の液晶セ
ルに常法により注入した後、等方相の状態で高圧水銀ラ
ンプを用いて紫外光を照射した。この際、光照射強度は
１００ｍＷ／ｃｍ2 （３６５ｎｍ）とし、照射時間は１
分とした。
【０１００】次に、印加電場方向と透過軸が４５°の角
度をなし、かつ互いの透過軸が直交するように偏光板を
素子の表面および裏面に貼り、図１ないし図３に示した
ような液晶光学スイッチ素子を完成させた。
【０１０１】本実施例の液晶光学スイッチ素子において
は、一対の電極間に挟持された媒質は、メソゲン部位を
有する高分子で小区域に分割された液晶により構成され
ている。液晶の各小区域の平均直径は、０．０８μｍで
あった。
【０１０２】作製した液晶光学スイッチ素子の電圧−透
過光特性を、５５０ｎｍ光を用いて室温２５℃で評価し
た。電圧の非印加時には、透過率０．５％であり、電圧
の印加時（２００Ｖｐ、６０Ｈｚ矩形波）には、透過率
９０％と最大であった。すなわち、半波長電位は２００
Ｖであった。また、応答時間は、透過率最小／最大間で
の立ち上がり時間、立ち下がり時間ともに１μｓ未満で
あった。半波長電位および応答時間の温度依存性を確認
した結果、１０℃〜８０℃においてほぼ一定であった。
【０１０３】比較例Ｉ−１ メソゲン部位を有しない高分子であるカヤラッドＲ−５
２６（日本化薬社製）を用いる以外は前述の（実施例Ｉ
−１）と同様にして液晶光学スイッチ素子を作製した。
得られた液晶光学スイッチ素子の半波長電位および応答
時間を、前述と同様にして測定したところ、１０℃〜８
０℃において２倍以上変化した。
【０１０４】このように、メソゲン部位を有しない高分
子を用いた場合には、表示特性の大きな温度依存性が確
認された。
【０１０５】比較例Ｉ−２ 光照射強度を１ｍＷ／ｃｍ2 （３６５ｎｍ）とする以外
は前述と同様の手順で液晶光学スイッチ素子を作製した
ところ、液晶の液滴の直径が１μｍとなり、電圧非印加
時に散乱状態をとった。
【０１０６】このように、液晶の液滴の直径が０．１μ
ｍより大きい場合には、本発明の原理で液晶光学スイッ
チ素子を動作させることができないことが確認された。
【０１０７】実施例Ｉ−２ ネマチック液晶ＢＬ００６（Ｍｅｒｃｋ社製）６０ｗｔ
％と、重合性モノマー１，４−ジ（４−（６−（アクリ
ロイルオキシ）ヘキシルオキシ）ベンゾイルオキシ）ベ
ンゼン４０ｗｔ％とを混合し、さらに、重合開始剤イル
ガキュア６５１（Ｃｉｂａ Ｇｅｉｇｙ社製）を重合性
モノマーに対して０．５ｗｔ％添加して混合物を得た。
この混合物を用いる以外は、前述の（実施例Ｉ−１）と
同様の手順で液晶光学スイッチ素子を作製した。本実施
例の液晶光学スイッチ素子において、液晶の各小区域の
平均直径は、０．０８μｍであった。
【０１０８】作製した液晶光学スイッチ素子の電圧−透
過光特性を、５５０ｎｍ光を用いて室温２５℃で評価し
た。電圧の非印加時には、透過率０．５％であり、電圧
の印加時（１９０Ｖｐ、６０Ｈｚ矩形波）には、透過率
９２％と最大であった。すなわち、半波長電位は１９０
Ｖであった。また、応答時間は、透過率最小／最大間で
の立ち上がり時間、立ち下がり時間ともに１μｓ未満で
あった。半波長電位および応答時間の温度依存性を確認
した結果、１０℃〜８０℃においてほぼ一定であった。
【０１０９】実施例Ｉ−３ 前述の（実施例Ｉ−１）で作製した液晶光学スイッチ素
子２つと、赤色、緑色および青色の色偏光板３つと、
赤、緑、青の混合蛍光体を有する電子線蛍光管とを組み
合わせて、図５に示したようなカラー画像表示装置を作
製した。このカラー画像表示装置の表示特性について評
価したところ、２つの液晶光学スイッチ素子の電圧印加
と透過光の色との組み合わせが図５において説明したと
おりであることを確認した。
【０１１０】さらに、電子線蛍光管１２０のラスタ発生
装置１５０と同期をとって、半波長電位である２００
Ｖ、５４０Ｈｚ矩形波で液晶光学スイッチ素子を作動さ
せた結果、混色などの問題がないカラー画像が得られる
ことを確認した。また、動作温度１０℃〜６０℃の温度
範囲で表示特性はほぼ変わらず、一定であった。
【０１１１】実施例Ｉ−４ まず、ネマチック液晶ＢＬ０３５（Ｍｅｒｃｋ社製）８
４ｗｔ％と、メチルメタクリレートモノマー１５ｗｔ
％、架橋剤としてジビニルベンゼン１ｗｔ％、および重
合開始剤としてメチルベンゾイルパーオキサイドをメチ
ルメタクリレートに対して１ｗｔ％を混合・溶解して混
合物を調製した。次いで、この混合物に界面活性剤と純
水とを加えホモジナイザーで乳化した後、９０℃で１時
間重合して液晶混合物を得た。さらに、この液晶混合物
をフィルターで濾過した後、純水で洗浄して、内径が
０．０８μｍの液晶材料を内包したマイクロカプセルを
作製した。こうして得られたマイクロカプセルを、１０
％のイソプロピルアルコール水溶液に１０ｗｔ％で分散
させて分散液を得た。
【０１１２】一方、一つのガラス基板（厚さ０．７ｍ
ｍ）の表面に、ポリイミド（ＡＬ−１０５１：日本合成
ゴム（株））を７０ｎｍの厚さでキャストして絶縁膜を
形成し、この絶縁膜の表面に先の分散液を塗布した。そ
の後、分散液の塗膜を乾燥させてマイクロカプセルの層
を積層させた。また、前述の（実施例Ｉ−１）と同様の
櫛形電極が表面に形成され、さらに絶縁膜がキャストさ
れたガラス基板（厚さ０．７ｍｍ）を用意し、この絶縁
膜上に直径５μｍの樹脂製スペーサーボールを散布し
た。このガラス基板を、絶縁膜がマイクロカプセルに接
するようにして先のマイクロカプセル層が形成されたガ
ラス基板と貼り合わせた。
【０１１３】最後に、両ガラス基板を加熱密着させ、印
加電場方向と透過軸が４５°の角度をなし、かつ互いの
透過軸が直交するように偏光板を素子の表面および裏面
に貼って液晶光学スイッチ素子を完成させた。
【０１１４】本実施例の液晶光学スイッチ素子において
は、一対の電極間に挟持された媒質は、マイクロカプセ
ルで小区域に分割された液晶により構成されている。液
晶の各小区域の平均直径は、０．０８μｍであった。
【０１１５】作製した液晶光学スイッチ素子の電圧−透
過光特性を、５５０ｎｍ光を用いて室温２５℃で評価し
た。電圧の非印加時には、透過率０．５％であり、電圧
の印加時（１８０Ｖｐ、６０Ｈｚ矩形波）には、透過率
９２％と最大であった。すなわち、半波長電位は１８０
Ｖであった。また、応答時間は、透過率最小／最大間で
の立ち上がり時間、立ち下がり時間ともに１μｓ未満で
あった。半波長電位および応答時間の温度依存性を確認
した結果、１０℃〜６０℃においてほぼ一定であった。
【０１１６】実施例Ｉ−５ 平均孔径０．０５μｍの多孔質ガラス（厚さ１０μｍ）
をゾル−ゲル法により作製し、この多孔質ガラスにネマ
チック液晶ＢＬ０３５（Ｍｅｒｃｋ社製）を担持させ
た。次に、この多孔質ガラスの一方の面に、前述の（実
施例Ｉ−１）と同様の櫛形電極を形成した後、多孔質ガ
ラスの両面に偏光板を貼って、液晶光学スイッチ素子を
完成させた。なお、２枚の偏光板は、印加電場方向と透
過軸が４５°の角度をなし、かつ互いの透過軸が直交す
るように配置した。
【０１１７】本実施例の液晶光学スイッチにおいては、
一対の電極間に挟持された媒質は、多孔質ガラスで小区
域に分割された液晶により構成されている。液晶の各小
区域の平均直径は、０．０５μｍであった。
【０１１８】作製した液晶光学スイッチ素子の電圧−透
過光特性を、５５０ｎｍ光を用いて室温２５℃で評価し
た。電圧の非印加時には、透過率０．５％であり、電圧
の印加時（２５０Ｖｐ、６０Ｈｚ矩形波）には、透過率
９２％と最大であった。すなわち、半波長電位は２５０
Ｖであった。また、応答時間は、透過率最小／最大間で
の立ち上がり時間、立ち下がり時間ともに１μｓ未満で
あった。半波長電位および応答時間の温度依存性を確認
した結果、１０℃〜６０℃においてほぼ一定であった。
【０１１９】実施例II 図６には、本発明の液晶光学スイッチ素子の他の例の部
分断面図を示す。図示する例では、２つの基板の対向す
る面にそれぞれ電極を設置し、網目状高分子と液晶と色
素との混合物である媒質を用いた。すなわち、液晶材料
は、液晶と色素とにより構成される。
【０１２０】まず、図６を用いて本発明の液晶光学スイ
ッチ素子の構造およびその光学的性質の電圧制御を説明
する。図６（ａ）は電圧の非印加時の媒質の状態を表わ
し、図６（ｂ）は電圧印加時の媒質の状態を表わしてい
る。
【０１２１】図６（ａ）に示すように、高分子と液晶と
色素とを含有する媒質２０４は、電極２０２ａが設置さ
れた基板２０１ａと、これに離間・対向して配置され電
極２０２ｂが形成された基板２０１ｂとに挟持されてお
り、これら２つの基板２０１ａおよび２０１ｂとの間
は、スペーサー２０３によりその間隔が保持されてい
る。媒質２０４への電圧の印加は、電極２０２ａおよび
２０２ｂを介して電気回路２０６およびスイッチ２０７
により行われる。
【０１２２】図６（ａ）で表わされる電圧の非印加時に
おいては、高分子と液晶と色素とを含有する媒質２０４
は、巨視的にみて光学的に等方相をとっている。したが
って、色素分子により入射光が吸収され光学スイッチ素
子は吸収状態となる。ただし、微視的に観測すると、相
関長は短いものの、液晶分子の配向が揃った微小領域２
０５が多数存在している。図６（ａ）に示されるよう
に、これらの各微小領域２０５の配向方位はランダムで
あるが、微小領域２０５の大きさは可視光の波長に比べ
て十分に小さいため、電圧の非印加時においては光散乱
は生じない。
【０１２３】電圧を印加した場合には、図６（ｂ）に示
すように各微小領域２０５の配向方位が電場方向に揃う
ために、透明媒質２０４は光学的に異方性となる。した
がって、色素分子も電場方向に揃って、光学スイッチ素
子は透過状態となる。なお、電場の大きさを変化させる
ことによって、吸収状態と透過状態との中間の状態を実
現することも可能である。配向方位がランダムな多数の
微小領域２０５は、以下のようにして形成されると考え
られる。すなわち、ほぼ高分子と液晶分子とを分子スケ
ールに近いオーダーで均一に混合していることで、液晶
分子間の相関長は大幅に減少し、微視的に液晶構造を有
しながらも巨視的には等方相をとっている。
【０１２４】次に図７および図８を用いて、本発明の液
晶光学スイッチ素子によってカラー液晶光学スイッチ素
子およびカラー画像表示装置を構成した例を説明する。
【０１２５】図７は、本発明の液晶光学スイッチ素子２
１０とカラーフィルター２１１と白色発光体２１２とか
ら構成されるカラー画像表示装置であり、液晶光学スイ
ッチ素子２１０とカラーフィルター２１１とによりカラ
ー液晶光学スイッチ素子２１４が構成される。この場
合、本発明の液晶光学スイッチ素子２１０は、黒色色素
を保持するものを利用する。白色発光体２１２から液晶
光学スイッチ素子２１０に入射した光は、液晶光学スイ
ッチ素子２１０により透過あるいは吸収される。液晶光
学スイッチ素子２１０を透過した光は、カラーフィルタ
ー２１１を経て出射する。電気回路２１３から液晶光学
スイッチ素子２１０に画像情報が入射されれば、カラー
画像表示装置とすることができる。
【０１２６】図８は、本発明の液晶光学スイッチ素子を
３つ積層し、カラーフィルターを用いずにカラー液晶光
学スイッチ素子およびカラー画像表示装置を構成する例
である。液晶光学スイッチ素子２２０，２２１，２２２
は、各々赤・緑・青あるいはシアン・マゼンタ・イエロ
ーの光を吸収する色素をそれぞれ保持しており、これら
３つの液晶光学スイッチ素子によりカラー液晶光学スイ
ッチ素子２２５が構成される。白色発光体２２３からカ
ラー液晶光学スイッチ素子２２５に入射した光は、電気
回路２２４により各色の吸収／透過が制御される。電気
回路２２４により各色の画像情報が入力されれば、カラ
ー画像表示装置とすることができる。
【０１２７】図９は、本発明の液晶光学スイッチ素子を
用いて、反射型のカラー光学スイッチ素子およびカラー
画像表示装置を構成した例である。図８中における白色
発光体２２３の代わりに反射板２３３を設置したもので
あり、基本的には図８と同様の方法で反射光を制御する
ものである。
【０１２８】図１０は、本発明の液晶光学スイッチ素子
を３つ積層し、白黒電子線蛍光管と組み合わせ、カラー
画像表示装置を構成した例である。液晶光学スイッチ素
子２４０，２４１，２４２は、各々赤・緑・青あるいは
シアン・マゼンタ・イエローの光を吸収する色素を保持
しており、これら３つの液晶光学スイッチ素子によりカ
ラー液晶光学スイッチ素子２４７が構成される。カラー
液晶光学スイッチ素子２４７は、電気回路２４４に接続
されている。白色電子線蛍光管２４３は、ラスタ発生器
２４５に接続され、さらに電気回路２４４とラスタ発生
器２４５の同期をとるための同期回路２４６がこれに接
続されている。
【０１２９】同期回路２４６を利用して、白色電子線蛍
光管２４３へのラスタ発生器２４５と、カラー液晶光学
スイッチ素子２４７の電気回路２４４との同期をとるこ
とにより、表示色の選択と各表示色での白色画像発生と
を行ない、表示色を高速で切り換えることでカラー画像
表示装置を実現することができる。
【０１３０】以下、具体例を示して本発明をさらに詳細
に説明する。
【０１３１】実施例II−１ 表面にＩＴＯ電極がそれぞれ設けられた２枚のガラス基
板（厚さ０．７ｍｍ）を用意し、各基板の電極面に絶縁
膜としてポリイミド（ＡＬ−１０５１：日本合成ゴム
（株））を７０ｎｍの厚さに形成して、第１および第２
の２つの電極基板を得た。第１の電極基板の絶縁膜上に
直径５μｍのシリカ製スペーサーボールを散布し、第２
の電極基板の絶縁膜上には、貼り合わせのためのエポキ
シ接着剤を所定の位置に塗布した。
【０１３２】その後、互いの絶縁膜が向かい合うように
第１および第２の電極基板を貼り合わせ、オーブン内で
封着して空セルを得た。
【０１３３】一方、ネマチック液晶ＢＬ０３５（Ｍｅｒ
ｃｋ社）５８ｗｔ％と、重合性モノマー１，４−ジ（４
−（６−（アクリロイルオキシ）ヘキシルオキシ）ベン
ゾイルオキシ）−２−メチルベンゼン３７ｗｔ％と、ブ
ラック色素Ｄ８６（Ｍｅｒｃｋ社）５ｗｔ％とを混合
し、さらに重合開始剤イルガキュア６５１（ＣｉｂａＧ
ｅｉｇｙ社製）を重合性モノマーに対して０．５ｗｔ％
添加して混合物を調製した。
【０１３４】こうして得られた混合物を、前述の空セル
に常法により注入した後、等方相の状態で高圧水銀ラン
プを用いて紫外線を照射した。この際、光照射強度は１
００ｍＷ／ｃｍ2 （３６５ｎｍ）とし、照射時間は１分
とした。
【０１３５】本実施例の液晶光学スイッチ素子において
は、一対の電極間に挟持された媒質は、液晶と色素とを
含む液晶材料、およびこの液晶材料の領域を小区域に分
割する高分子により構成されている。液晶材料の各小区
域の平均直径は、０．０７μｍであった。
【０１３６】作製した液晶光学スイッチ素子の電圧−透
過光特性を、白色光源を用いて室温２５℃で評価した。
電圧の非印加時には透過率０．５％であり、電圧の印加
時（１００Ｖｐ、６０Ｈｚ矩形波）は、透過率９０％で
あり、印加電圧に対して連続的に透過率が変化した。ま
た、応答時間は、透過率最小／最大間での立ち上がり時
間、立ち下がり時間ともに１０μｓ未満であった。閾値
電圧および応答時間の温度依存性を確認した結果、１０
℃〜６０℃においてほぼ一定であった。
【０１３７】実施例II−２ ネマチック液晶ＢＬ００６（Ｍｅｒｃｋ社）５８ｗｔ％
と、重合性モノマー１，４−ジ（４−（６−（アクリロ
イルオキシ）ヘキシルオキシ）ベンゾイルオキシ）ベン
ゼン３７ｗｔ％と、ブラック色素Ｄ８６（Ｍｅｒｃｋ
社）５ｗｔ％とを混合し、さらに重合開始剤イルガキュ
ア６５１（Ｃｉｂａ Ｇｅｉｇｙ社製）を重合性モノマ
ーに対して０．５ｗｔ％添加して混合物を調製した。
【０１３８】この混合物を用いた以外は、前述の（実施
例II−１）と同様の手法で液晶光学スイッチ素子を作製
した。本実施例の液晶光学スイッチ素子において、液晶
材料の各小区域の平均直径は、０．０７μｍであった。
【０１３９】得られた液晶光学スイッチ素子の電圧−透
過光特性を、白色光源を用いて室温２５℃で評価した。
電圧の非印加時は透過率０．５％であり、電圧の印加時
（９０Ｖｐ、６０Ｈｚ矩形波）は透過率９２％と最大で
あった。また応答時間は、透過率最小／最大間での立ち
上がり時間、立ち下がり時間ともに１０μｓ未満であっ
た。閾値電圧および応答時間の温度依存性を確認した結
果、１０℃〜６０℃においてほぼ一定であった。
【０１４０】実施例II−３ ネマチック液晶ＢＬ０３５（Ｍｅｒｃｋ社）８０ｗｔ％
と、ブラック色素Ｄ８６（Ｍｅｒｃｋ社）４ｗｔ％と、
メチルメタクリレートモノマー１５ｗｔ％と、架橋剤と
してジビニルベンゼン１ｗｔ％、および重合開始剤とし
てメチルベンゾイルパーオキサイドをメチルメタクリレ
ートに対して１ｗｔ％を混合・溶解して混合物を得た。
次いで、この混合物に界面活性剤と純水とを加えてホモ
ジナイザーで乳化した後、９０℃で１時間重合して液晶
混合物を得た。さらに、この液晶混合物をフィルターで
濾過した後、純水で洗浄して、内径０．０８μｍの液晶
および色素を内包したマイクロカプセルを作製した。こ
うして得られたマイクロカプセルを、１０％のイソプロ
ピルアルコール水溶液に１０ｗｔ％で分散させて分散液
を得た。
【０１４１】一方、表面にＩＴＯ電極がそれぞれ設けら
れた２枚のガラス基板（厚さ０．７ｍｍ）を用意し、各
基板の電極面に絶縁膜としてポリイミド（ＡＬ−１０５
１：日本合成ゴム（株））を７０ｎｍの厚さに形成し
て、第１および第２の２つの電極基板を得た。第１の電
極基板の絶縁膜の表面には先の分散液を塗布した後、分
散液の塗膜を乾燥させてマイクロカプセルの層を積層さ
せた。第２の電極基板上には、直径５μｍの樹脂製スペ
ーサーボールを散布した。
【０１４２】第２の電極基板に設けられた絶縁膜がマイ
クロカプセルに接するようにして、マイクロカプセル層
が形成された第１の電極基板と貼り合わせた。最後に、
両電極基板を加熱密着させて、液晶光学スイッチ素子を
完成させた。
【０１４３】本実施例の液晶光学スイッチ素子において
は、一対の電極間に挟持された媒質は、液晶と色素とを
含む液晶材料、およびこの液晶材料の領域を小区域に分
割するマイクロカプセルにより構成されている。液晶材
料の各小区域の平均直径は、０．０８μｍであった。
【０１４４】作製した液晶光学スイッチ素子の電圧−透
過率特性を、白色光源を用いて室温２５℃で評価した。
電圧の非印加時は透過率０．５％であり、電圧の印加時
（９０Ｖｐ、６０Ｈｚ矩形波）は透過率９２％と最大で
あった。また応答時間は、透過率最小／最大間での立ち
上がり時間、立ち下がり時間ともに１０μｓ未満であっ
た。閾値電圧および応答時間の温度依存性を確認した結
果、１０℃〜６０℃においてほぼ一定であった。
【０１４５】実施例II−４ 平均孔径０．０５μｍの多孔質ガラス（厚さ１０μｍ）
をゾル−ゲル法で作製し、この多孔質ガラスにネマチッ
ク液晶ＢＬ０３５（Ｍｅｒｃｋ社）９５ｗｔ％と、ブラ
ック色素Ｄ８６（Ｍｅｒｃｋ社）５ｗｔ％との混合物を
担持させた。次いで、この多孔質ガラスの両面にＩＴＯ
電極をスパッタ法により形成し、液晶光学スイッチ素子
を完成させた。
【０１４６】本実施例の液晶光学スイッチ素子において
は、一対の電極間に挟持された媒質は、液晶と色素とを
含む液晶材料、およびこの液晶材料の領域を小区域に分
割する多孔質ガラスにより構成されている。液晶材料の
各小区域の平均直径は、０．０５μｍであった。
【０１４７】作製した液晶光学スイッチ素子の電圧−透
過率特性を、白色光源を用いて室温２５℃で評価した。
電圧の非印加時の透過率０．５％であり、電圧の印加時
（１８０Ｖｐ、６０Ｈｚ矩形波）は透過率９２％と最大
であった。また応答時間は、透過率最小／最大間での立
ち上がり時間、立ち下がり時間ともに１０μｓ未満であ
った。閾値電圧および応答時間の温度依存性を確認した
結果、１０℃〜６０℃においてほぼ一定でああった。
【０１４８】実施例II−５ ブラック色素Ｄ８６（Ｍｅｒｃｋ社）の代わりに、イエ
ロー色素としてＧ２３２（日本感光色素）、マゼンタ色
素としてＧ１７６（日本感光色素）、シアン色素として
Ｇ４７２（日本感光色素）をそれぞれ用いた以外は、前
述の（実施例II−１）と同様の手法により３つの液晶光
学スイッチ素子を作製した。
【０１４９】得られた３つの液晶光学スイッチ素子を光
透過方向に積層してカラー液晶光学スイッチ素子を構成
し、このカラー液晶光学スイッチ素子と白色発光体と組
み合わせて、図８に示すカラー画像表示装置を作製し
た。各液晶スイッチ素子の印加電圧を制御することによ
り、カラー画像を表示できることを確認した。
【０１５０】実施例II−６ （実施例II−５）で作製した液晶光学スイッチ素子３つ
を光透過方向に積層してカラー液晶光学スイッチ素子を
構成し、このカラー液晶光学スイッチ素子と赤・緑・青
の混合蛍光体を有する電子線蛍光管とを組み合わせて、
図１０に示したようなカラー画像表示装置を作製した。
【０１５１】白色電子線蛍光管２４３のラスタ発生装置
２４５と同期をとって、閾値以上の電圧である１００
Ｖ、５４０Ｈｚ矩形波でカラー液晶光学スイッチ素子を
作動させた結果、混色などの問題がないカラー画像が得
られることを確認した。さらに、動作温度１０℃〜６０
℃で表示特性がほぼ変わらず、一定であった。
【０１５２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高速で広視野角の液晶光学スイッチ素子が提供される。
また本発明によれば、高速で光利用効率が高く、かつ広
視野角の液晶光学スイッチ素子が提供される。本発明の
液晶光学スイッチ素子は、従来の問題を全て回避して優
れた特性を有しているので、カラーシャッターおよびカ
ラー画像表示装置に好適に応用することが可能であり、
その工業的価値は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶光学スイッチ素子の構成を概略的
に示す断面図。
【図２】本発明の液晶光学スイッチ素子における電極配
置の一部と、偏光板の透過軸との関係を概略的に示す
図。
【図３】本発明の液晶光学スイッチ素子の構成を概略的
に表わす図。
【図４】カー定数と温度との関係を説明するグラフ図。
【図５】本発明のカラー画像表示装置の一例の構成を示
す概略図。
【図６】本発明の液晶光学スイッチ素子の他の例の構成
を示す概略図。
【図７】本発明のカラー画像表示装置の他の例を示す概
略図。
【図８】本発明のカラー画像表示装置の他の例を示す概
略図。
【図９】本発明のカラー画像表示装置の他の例を示す概
略図。
【図１０】本発明のカラー画像表示装置の他の例を示す
概略図。
【符号の説明】
１，７０，８０…液晶光学スイッチ素子 ２，３，９０．１００．１１０…偏光板 ４…光源 １１…電圧印加時の光軸 １２…光軸と偏光板の透過軸とのなす角度 ２１，３１，９１，９２，１０１，１０２，１１１，１
１２…偏光板の透過軸 ５０，５１…基板 ５２…スペーサー ５３，５４，５５…電極 ５６…電気回路 ５７…スイッチ ５８…メソゲン部位を有する高分子とネマチック液晶と
からなる透明媒質 ５９…ネマチック液晶分子の配向が揃った領域 ６１…本発明でのカー定数と温度との関係を表わす曲線 ６２，６３…従来のカー定数と温度との関係を表わす曲
線 ６４，６５…従来のネマチック液晶−等方相転移温度を
表わす曲線 １２０…電子線蛍光管 １３０…制御回路 １４０…同期回路 １５０…ラスタ発生器 ２０１…基板 ２０２…電極 ２０３…スペーサー ２０４…高分子と液晶と色素とからなる媒質 ２０５…液晶分子および色素分子の配向が揃った微小領
域 ２０６，２１３，２２４，２３４，２４４…電気回路 ２０７…スイッチ ２１０，２２０，２２１，２２２…液晶光学スイッチ素
子 ２１１…カラーフィルター ２１２，２２３…白色発光体 ２１４，２２５，２３５，２４７…カラー液晶光学スイ
ッチ素子 ２３０，２３１，２３２，２４０，２４１，２４２…液
晶光学スイッチ素子 ２３３…反射板 ２４３…白色電子線蛍光管 ２４５…ラスタ発生器 ２４６…同期回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−253334（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−208993（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−194211（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−127189（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−20825（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−260428（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/137 G02F 1/1334

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 離間・対向して配置された一対の偏光
    板、 前記一対の偏光板の間に 離間・対向して配置された一対
    の基板、 前記一対の基板の間に挟持され、小区域に分割された液
    晶材料と、この液晶材料を小区域に分割し、網目状高分
    子およびマイクロカプセルからなる群から選択される材
    料とを含む媒質、および 前記媒質に電圧を印加する電圧印加手段を具備し、前記液晶材料の各小区域の平均直径は０．１μｍ以下で
    あり、 前記媒質は電圧の非印加時に光学的に等方性であ
    り、電圧の印加時には電界強度の２乗に比例する光学的
    異方性を示し、 前記液晶材料は、前記媒質の５０％以上を占める ことを
    特徴とする液晶光学スイッチ素子。
  2. 【請求項２】 離間・対向して配置された一対の基板、 前記一対の基板の間に挟持され、小区域に分割された液
    晶材料と、この液晶材料を小区域に分割する材料とを含
    む媒質、および 前記媒質に電圧を印加する電圧印加手段を具備し、 前記液晶材料は液晶と色素とを含み、 前記媒質は、電圧の非印加時に光学的に等方性であり可
    視光を吸収し、 電圧の印加時には電界強度の２乗に比例する光学異方性
    を示すとともに、可視光を透過させ、 前記小区域に分割された液晶材料の平均直径は０．１μ
    ｍ以下であり、前記液晶材料を小区域に分割する材料
    は、網目状高分子およびマイクロカプセルからなる群か
    ら選択され、 前記電圧印加手段により印加される電圧の方向は、前記
    光の透過方向に実質的に平行であり、 前記液晶材料は、前記媒質の５０％以上を占める ことを
    特徴とする液晶光学スイッチ素子。
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