JP7392160B2 - 透過型液晶回折素子 - Google Patents
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Description
このような回折素子として、液晶化合物を用いた液晶回折素子が提案されている。
また、液晶化合物を用いた回折素子では、円偏光を回折させるとともに、円偏光の偏光方向を変換する作用が生じる。しかしながら、回折光が純粋な円偏光にはなりにくく、回折光の円偏光度は低い。そのため、円偏光を混合させたくない用途ではノイズの原因となるという問題があった。
[1] 棒状液晶化合物を配向してなる棒状液晶層と、円盤状液晶化合物を配向してなる円盤状液晶層とを交互に積層した構成を有する透過型液晶回折素子であって、
棒状液晶層および円盤状液晶層は、それぞれ、棒状液晶化合物および円盤状液晶化合物に由来する光学軸の向きが連続的に回転しながら変化している方向が、棒状液晶層および円盤状液晶層の面内の少なくとも一方向に沿っている、液晶配向パターンを有し、
棒状液晶層の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向と、円盤状液晶層の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向とが同じであり、
光学軸の向きが面内で180°回転する長さを1周期とすると、棒状液晶層の液晶配向パターンの1周期と、円盤状液晶層の液晶配向パターンの1周期とが同じであり、
棒状液晶層および円盤状液晶層のそれぞれの厚さ方向の位相差|Rth|が65nm以下であり、
棒状液晶層と円盤状液晶層との界面において、透過型液晶回折素子の主面の面方向の同じ位置に存在する棒状液晶化合物と円盤状液晶化合物とは、棒状液晶化合物の長手方向と、円盤状液晶化合物を円盤状液晶層の界面に投影した形状における長手方向とが一致している透過型液晶回折素子。
[2] 透過型液晶回折素子の主面の面方向の同じ位置に存在する棒状液晶化合物と円盤状液晶化合物とは、棒状液晶化合物の長手方向と、円盤状液晶化合物を円盤状液晶層の界面に投影した形状における長手方向とが、透過型液晶回折素子の一方の面から他方の面に亘って一致している[1]に記載の透過型液晶回折素子。
[3] 透過型液晶回折素子の主面の面方向の同じ位置に存在する棒状液晶化合物と円盤状液晶化合物とは、前記棒状液晶層および前記円盤状液晶層のそれぞれの厚さ方向において、棒状液晶化合物の長手方向と、円盤状液晶化合物を円盤状液晶層の界面に投影した形状における長手方向とが連続的にねじれ配向しており、
透過型液晶回折素子の一方の面から他方の面におけるねじれ配向のねじれ角が360°未満である[1]に記載の透過型液晶回折素子。
[4] 棒状液晶層の厚さ、および、円盤状液晶層の厚さがそれぞれ、0.9μm以下である[1]~[3]のいずれかに記載の透過型液晶回折素子。
本明細書において、「(メタ)アクリレート」は、「アクリレートおよびメタクリレートのいずれか一方または双方」の意味で使用される。
本明細書において、「同じ」、「等しい」等は、技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含むものとする。
本発明の透過型液晶回折素子は、
棒状液晶化合物を配向してなる棒状液晶層と、円盤状液晶化合物を配向してなる円盤状液晶層とを交互に積層した構成を有し、
棒状液晶層および円盤状液晶層は、それぞれ、液晶化合物由来の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化している方向が、棒状液晶層および円盤状液晶層の面内の少なくとも一方向に沿っている、液晶配向パターンを有し、
棒状液晶層の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向と、円盤状液晶層の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向とが同じであり、
光学軸の向きが面内で180°回転する長さを1周期とすると、棒状液晶層の液晶配向パターンの1周期と、円盤状液晶層の液晶配向パターンの1周期とが同じであり、
棒状液晶層および円盤状液晶層のそれぞれの厚さ方向の位相差|Rth|が65nm以下であり、
棒状液晶層と円盤状液晶層との界面において、透過型液晶回折素子の主面の面方向の同じ位置に存在する棒状液晶化合物と円盤状液晶化合物とは、棒状液晶化合物の長手方向と、円盤状液晶化合物を円盤状液晶層の界面に投影した形状における長手方向とが一致している。
また、図1に示す例においては、透過型液晶回折素子10の主面の面方向の同じ位置に存在する棒状液晶化合物40cと円盤状液晶化合物40dとは、少なくとも棒状液晶層と円盤状液晶層との界面において、棒状液晶化合物40cの長手方向と、円盤状液晶化合物40dを円盤状液晶層44の界面に投影した形状における長手方向(以下、単に円盤状液晶化合物40dの長手方向ともいう)とが一致するように配向されている。
上記観点から、棒状液晶層42の厚さおよび円盤状液晶層44の厚さはそれぞれ回折する光の波長に応じて適宜設定すればよい。回折する光が可視光の場合には、0.9μm以下が好ましく、0.7μm~0.01μmがより好ましく、0.5μm~0.01μmがさらに好ましい。
断面SEMによりそれぞれの膜厚を求めることができる。また、透過型液晶回折素子の断面切片を切削するリタデーション観測により、透過型液晶回折素子の断面方向から各液晶層の遅相軸および進相軸方向とその屈折率の差を求めることが出来る。これにより各層におけるRthを求めることができる。
すなわち、棒状液晶層42と円盤状液晶層44とを同じ層数有する構成に限定はされず、棒状液晶層42と円盤状液晶層44のいずれか一方が1層多くてもよい。
図2に本発明の透過型液晶回折素子の他の一例を示す。
図2に示す例においては、透過型液晶回折素子10bにおける液晶化合物のねじれ方向は、図中上から下に向かって反時計回りに回転する方向である。透過型液晶回折素子10bにおけるねじれ配向は、厚さ方向でのねじれ角が360°未満である。すなわち、透過型液晶回折素子10bの一方の面(たとえば、棒状液晶層42bの表面のうち、円盤状液晶層44bが積層されずに露出している面)から他方の面(たとえば、円盤状液晶層44bの表面のうち、棒状液晶層42bが積層されずに露出している面)におけるねじれ配向のねじれ角が360°未満であり、コレステリック配向されない程度にねじれ配向されたものである。
図3に本発明の透過型液晶回折素子の他の一例を概念的に表す図を示す。
また、棒状液晶層42bの液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向と、円盤状液晶層44bの液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向とが同じであり、かつ、棒状液晶層42bの液晶配向パターンの1周期の長さと、円盤状液晶層44bの液晶配向パターンの1周期の長さとが同じである。すなわち、第1の光学異方性層37bの棒状液晶層42bおよび円盤状液晶層44bの液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向および1周期の長さと、第2の光学異方性層37cの棒状液晶層42bおよび円盤状液晶層44bの液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向および1周期の長さとは同じである。また、第1の光学異方性層37bおよび第2の光学異方性層37cはそれぞれ、棒状液晶層42bおよび円盤状液晶層44bのそれぞれの厚さ方向の位相差|Rth|が65nm以下である。
ねじれ配向した光学異方性層の間の非ねじれ配向の光学異方性層は、液晶化合物の光学軸の方向が、透過型液晶回折素子の主面の面方向の任意の位置において、隣接するねじれ配向した光学異方性層との界面における液晶化合物の光学軸の方向と連続的に繋がっている(同じ向きを向いている)ことが好ましい。このように隣接する光学異方性層間で液晶化合物の光学軸の向きが連続的に繋がっている構成は、下層の液晶層に上層の液晶層を積層塗布することによって作製することができる。
なお、図1の透過型液晶回折素子10の下から1層目の棒状液晶層42の場合には、棒状液晶層42は、支持体30および配向膜32の上に積層された状態でもよい。あるいは、棒状液晶層42は、支持体30を剥離した、配向膜32および棒状液晶層42のみが積層された状態で積層されてもよい。または、棒状液晶層42は、支持体30および配向膜32を剥離した、棒状液晶層42のみの状態で積層されてもよい。
また、図1の透過型液晶回折素子10の下から3層目の棒状液晶層42のように、円盤状液晶層44上に積層される棒状液晶層42は、円盤状液晶層44上に直接形成して積層されてもよいし、図4の例ように支持体の上に形成した後に支持体および配向膜を剥離して円盤状液晶層44上に積層されてもよい。
支持体30は、配向膜32、および、棒状液晶層42を支持するものである。
支持体30は、配向膜32、棒状液晶層42を支持できるものであれば、各種のシート状物(フィルム、板状物)が利用可能である。
なお、支持体30は、回折する光に対する透過率が50%以上であるのが好ましく、70%以上であるのがより好ましく、85%以上であるのがさらに好ましい。
支持体30の厚さは、1~1000μmが好ましく、3~250μmがより好ましく、5~150μmがさらに好ましい。
単層である場合の支持体30としては、ガラス、トリアセチルセルロース(TAC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、アクリル、および、ポリオレフィン等からなる支持体30が例示される。多層である場合の支持体30の例としては、前述の単層の支持体のいずれかなどを基板として含み、この基板の表面に他の層を設けたもの等が例示される。
支持体30の表面には配向膜32が形成される。
配向膜32は、棒状液晶層42を形成する際に、棒状液晶化合物40cを所定の液晶配向パターンに配向するための配向膜である。
後述するが、本発明において、棒状液晶層42は、棒状液晶化合物40cに由来する光学軸40A(図5参照)の向きが、面内の一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する。従って、配向膜32は、棒状液晶層42が、この液晶配向パターンを形成できるように、形成される。
以下の説明では、『光学軸40Aの向きが回転』を単に『光学軸40Aが回転』とも言う。
例えば、ポリマーなどの有機化合物からなるラビング処理膜、無機化合物の斜方蒸着膜、マイクログルーブを有する膜、ならびに、ω-トリコサン酸、ジオクタデシルメチルアンモニウムクロライドおよびステアリル酸メチルなどの有機化合物のラングミュア・ブロジェット法によるLB(Langmuir-Blodgett:ラングミュア・ブロジェット)膜を累積させた膜、等が例示される。
配向膜32に使用する材料としては、ポリイミド、ポリビニルアルコール、特開平9-152509号公報に記載された重合性基を有するポリマー、特開2005-97377号公報、特開2005-99228号公報、および、特開2005-128503号公報記載の配向膜32等の形成に用いられる材料が好ましい。
偏光の照射は、光配向膜に対して、垂直方向または斜め方向から行うことができ、非偏光の照射は、光配向膜に対して、斜め方向から行うことができる。
中でも、アゾ化合物、光架橋性ポリイミド、光架橋性ポリアミド、光架橋性ポリエステル、シンナメート化合物、および、カルコン化合物は、好適に利用される。
配向膜32の厚さは、0.01~5μmが好ましく、0.05~2μmがより好ましい。
図8に示す露光装置60は、レーザ62を備えた光源64と、レーザ62が出射したレーザ光Mの偏光方向を変えるλ/2板65と、レーザ62が出射したレーザ光Mを光線MAおよびMBの2つに分離する偏光ビームスプリッター68と、分離された2つの光線MAおよびMBの光路上にそれぞれ配置されたミラー70Aおよび70Bと、λ/4板72Aおよび72Bと、を備える。
なお、光源64は直線偏光P0を出射する。λ/4板72Aは、直線偏光P0(光線MA)を右円偏光PRに、λ/4板72Bは直線偏光P0(光線MB)を左円偏光PLに、それぞれ変換する。
この際の干渉により、配向膜32に照射される光の偏光状態が干渉縞状に周期的に変化するものとなる。これにより、配向状態が周期的に変化する配向パターンを有する配向膜(以下、パターン配向膜ともいう)が得られる。
露光装置60においては、2つの光線MAおよびMBの交差角αを変化させることにより、配向パターンの周期を調節できる。すなわち、露光装置60においては、交差角αを調節することにより、棒状液晶化合物40cに由来する光学軸40Aが一方向に沿って連続的に回転する配向パターンにおいて、光学軸40Aが回転する1方向における、光学軸40Aが180°回転する1周期の長さを調節できる。
このような配向状態が周期的に変化した配向パターンを有する配向膜32上に、光学異方性層を形成することにより、後述するように、棒状液晶化合物40cに由来する光学軸40Aが一方向に沿って連続的に回転する液晶配向パターンを有する、棒状液晶層42を形成できる。
また、λ/4板72Aおよび72Bの光学軸を、それぞれ、90°回転することにより、光学軸40Aの回転方向を逆にすることができる。
例えば、支持体30をラビング処理する方法、支持体30をレーザ光などで加工する方法等によって、支持体30に配向パターンを形成することにより、棒状液晶層42が、棒状液晶化合物40cに由来する光学軸40Aの向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する構成とすることも、可能である。すなわち、本発明においては、支持体30を配向膜として作用させてもよい。
棒状液晶層42は、配向膜32の表面に形成される。
上述したように、棒状液晶層42は、棒状液晶化合物40cを配向した液晶相を固定してなる液晶層であり、液晶化合物由来の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化している方向が面内の少なくとも一方向に沿っている液晶配向パターンを有する液晶層である。
棒状液晶層は、液晶化合物由来の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化している方向が面内の少なくとも一方向に沿っている液晶配向パターンを有する液晶相を層状に固定して形成できる。
液晶相を固定した構造は、液晶相となっている液晶化合物の配向が保持されている構造であればよく、典型的には、重合性液晶化合物を液晶配向パターンに沿った配向状態としたうえで、紫外線照射、加熱等によって重合、硬化し、流動性が無い層を形成して、同時に、外場または外力によって配向形態に変化を生じさせることない状態に変化した構造が好ましい。
なお、液晶相を固定した構造においては、液晶相の光学的性質が保持されていれば十分であり、棒状液晶層において、液晶化合物は液晶性を示さなくてもよい。例えば、重合性液晶化合物は、硬化反応により高分子量化して、液晶性を失っていてもよい。
これらの点は、後述する円盤状液晶層についても同様である。
また、棒状液晶層の形成に用いる液晶組成物は、さらに界面活性剤、重合開始剤等を含んでいてもよい。
棒状液晶層を形成する棒状の重合性液晶化合物の例としては、棒状ネマチック液晶化合物が挙げられる。棒状ネマチック液晶化合物としては、アゾメチン類、アゾキシ類、シアノビフェニル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シアノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピリミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フェニルジオキサン類、トラン類、および、アルケニルシクロヘキシルベンゾニトリル類等が好ましく用いられる。低分子液晶化合物だけではなく、高分子液晶化合物も用いることができる。
重合性液晶化合物の例は、Makromol.Chem.,190巻、2255頁(1989年)、Advanced Materials 5巻、107頁(1993年)、米国特許第4683327号明細書、米国特許第5622648号明細書、米国特許第5770107号明細書、国際公開第95/22586号、国際公開第95/24455号、国際公開第97/00600号、国際公開第98/23580号、国際公開第98/52905号、特開平1-272551号公報、特開平6-16616号公報、特開平7-110469号公報、特開平11-80081号公報、および、特開2001-328973号公報等に記載の化合物が含まれる。2種類以上の重合性液晶化合物を併用してもよい。2種類以上の重合性液晶化合物を併用すると、配向温度を低下させることができる。
棒状液晶層を形成する際に用いる液晶組成物は、界面活性剤を含有してもよい。
界面活性剤は、安定的に、または迅速に、液晶化合物の配向に寄与する配向制御剤として機能できる化合物が好ましい。界面活性剤としては、例えば、シリコ-ン系界面活性剤およびフッ素系界面活性剤が挙げられ、フッ素系界面活性剤が好ましく例示される。
なお、界面活性剤は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
フッ素系界面活性剤として、特開2014-119605号公報の段落[0082]~[0090]に記載の化合物が好ましい。
液晶組成物が重合性化合物を含む場合は、重合開始剤を含有しているのが好ましい。紫外線照射により重合反応を進行させる態様では、使用する重合開始剤は、紫外線照射によって重合反応を開始可能な光重合開始剤であるのが好ましい。
光重合開始剤の例には、α-カルボニル化合物(米国特許第2367661号、米国特許第2367670号の各明細書記載)、アシロインエーテル(米国特許第2448828号明細書記載)、α-炭化水素置換芳香族アシロイン化合物(米国特許第2722512号明細書記載)、多核キノン化合物(米国特許第3046127号、米国特許第2951758号の各明細書記載)、トリアリールイミダゾールダイマーとp-アミノフェニルケトンとの組み合わせ(米国特許第3549367号明細書記載)、アクリジンおよびフェナジン化合物(特開昭60-105667号公報、米国特許第4239850号明細書記載)、ならびに、オキサジアゾール化合物(米国特許第4212970号明細書記載)等が挙げられる。
液晶組成物中の光重合開始剤の含有量は、液晶化合物の含有量に対して0.1~20質量%であるのが好ましく、0.5~12質量%であるのがさらに好ましい。
液晶組成物は、硬化後の膜強度向上、耐久性向上のため、任意に架橋剤を含有していてもよい。架橋剤としては、紫外線、熱、および、湿気等で硬化するものが好適に使用できる。
架橋剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えばトリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレートおよびペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート等の多官能アクリレート化合物;グリシジル(メタ)アクリレートおよびエチレングリコールジグリシジルエーテル等のエポキシ化合物;2,2-ビスヒドロキシメチルブタノール-トリス[3-(1-アジリジニル)プロピオネート]および4,4-ビス(エチレンイミノカルボニルアミノ)ジフェニルメタン等のアジリジン化合物;ヘキサメチレンジイソシアネートおよびビウレット型イソシアネート等のイソシアネート化合物;オキサゾリン基を側鎖に有するポリオキサゾリン化合物;ならびに、ビニルトリメトキシシラン、N-(2-アミノエチル)3-アミノプロピルトリメトキシシラン等のアルコキシシラン化合物などが挙げられる。また、架橋剤の反応性に応じて公知の触媒を用いることができ、膜強度および耐久性向上に加えて生産性を向上させることができる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
架橋剤の含有量は、液晶組成物の固形分質量に対して、3~20質量%が好ましく、5~15質量%がより好ましい。架橋剤の含有量が上記範囲内であれば、架橋密度向上の効果が得られやすく、液晶相の安定性がより向上する。
液晶組成物中には、必要に応じて、さらに重合禁止剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、光安定化剤、色材、および、金属酸化物微粒子等を、光学的性能等を低下させない範囲で添加することができる。
液晶組成物は溶媒を含んでいてもよい。溶媒には、制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、有機溶媒が好ましい。
有機溶媒には、制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ケトン類、アルキルハライド類、アミド類、スルホキシド類、ヘテロ環化合物、炭化水素類、エステル類、および、エーテル類などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、環境への負荷を考慮した場合にはケトン類が好ましい。
すなわち、配向膜32上に棒状液晶層を形成する場合には、配向膜32に液晶組成物を塗布し、所定の液晶配向パターンになるように液晶化合物を配向した後、液晶化合物を硬化して、液晶相を固定してなる棒状液晶層を形成するのが好ましい。また、円盤状液晶層上に棒状液晶層を形成する場合には、円盤状液晶層に液晶組成物を塗布して、所定の液晶配向パターンになるように液晶化合物を配向した後、液晶化合物を硬化して、液晶相を固定してなる棒状液晶層を形成するのが好ましい。
液晶組成物の塗布は、インクジェットおよびスクロール印刷等の印刷法、ならびに、スピンコート、バーコートおよびスプレー塗布等のシート状物に液体を一様に塗布できる公知の方法が全て利用可能である。
前述のように、棒状液晶層は、棒状液晶化合物40cに由来する光学軸40Aの向きが、光学異方性層の面内において、一方向に連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有する。
なお、棒状液晶化合物40cに由来する光学軸40Aとは、棒状液晶化合物40cにおいて屈折率が最も高くなる軸、いわゆる遅相軸である。棒状液晶化合物40cでは、光学軸40Aは、棒形状の長軸方向に沿っている。以下の説明では、液晶化合物に由来する光学軸40Aを、『液晶化合物の光学軸40A』または『光学軸40A』ともいう。
なお、平面図とは、図4において棒状液晶層を上方から見た図であり、すなわち、透過型液晶回折素子の厚さ方向(=各層(膜)の積層方向)から見た図である。
また、図5では、棒状液晶層の構成を明確に示すために、棒状液晶化合物40cは配向膜32の表面の棒状液晶化合物40cのみを示している。
棒状液晶層42を構成する棒状液晶化合物40cは、配列軸D、および、この一方向(配列軸D方向)と直交する方向に、二次元的に配列された状態になっている。
以下の説明では、配列軸D方向と直交する方向を、便宜的にY方向とする。すなわち、矢印Y方向とは、棒状液晶化合物40cの光学軸40Aの向きが、棒状液晶層42の面内において、連続的に回転しながら変化する一方向と直交する方向である。従って、図1~4、および後述する図6では、Y方向は、紙面に直交する方向となる。
なお、配列軸D方向に互いに隣接する棒状液晶化合物40cの光学軸40Aの角度の差は、45°以下であるのが好ましく、15°以下であるのがより好ましく、より小さい角度であるのがさらに好ましい。
言い換えれば、棒状液晶層42を形成する棒状液晶化合物40cは、Y方向では、棒状液晶化合物40cの光学軸40Aと配列軸D方向とが成す角度が等しい。
すなわち、配列軸D方向に対する角度が等しい2つの棒状液晶化合物40cの、配列軸D方向の中心間の距離を、1周期の長さΛとする。具体的には、図5に示すように、配列軸D方向と光学軸40Aの方向とが一致する2つの棒状液晶化合物40cの、配列軸D方向の中心間の距離を、1周期の長さΛとする。以下の説明では、この1周期の長さΛを『1周期Λ』とも言う。
棒状液晶層42の液晶配向パターンは、この1周期Λを、配列軸D方向すなわち光学軸40Aの向きが連続的に回転して変化する一方向に繰り返す。
以下、円盤状液晶層44について図6および図7を用いて説明する。
円盤状液晶層は、液晶化合物由来の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化している方向が面内の少なくとも一方向に沿っている液晶配向パターンを有する液晶相を層状に固定して形成できる。
また、棒状液晶層の形成に用いる液晶組成物と同様に、円盤状液晶層の形成に用いる液晶組成物は、さらに界面活性剤、重合開始剤等の添加剤、ならびに、溶媒を含んでいてもよい。界面活性剤、重合開始剤等の添加剤、ならびに、溶媒については上記のとおりである。
円盤状液晶化合物としては、例えば、特開2007-108732号公報や特開2010-244038号公報に記載のものを好ましく用いることができる。
すなわち、配向膜上に円盤状液晶層を形成する場合には、配向膜に液晶組成物を塗布して、液晶化合物を所定の液晶配向パターンに配向した後、液晶化合物を硬化して、液晶相を固定してなる円盤状液晶層を形成するのが好ましい。また、棒状液晶層上に円盤状液晶層を形成する場合には、棒状液晶層に液晶組成物を塗布して、液晶化合物を所定の液晶配向パターンに配向した後、液晶化合物を硬化して、液晶相を固定してなる円盤状液晶層を形成するのが好ましい。
前述のように、円盤状液晶層は、円盤状液晶化合物40dに由来する光学軸40Aの向きが、光学異方性層の面内において、一方向に連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有する。
なお、円盤状液晶化合物40dに由来する光学軸40Aとは、円盤状液晶化合物40dの円盤面に垂直な軸である。
なお、平面図とは、図6において円盤状液晶層を上方から見た図であり、すなわち、透過型液晶回折素子の厚さ方向(=各層(膜)の積層方向)から見た図である。
また、図7では、円盤状液晶層の構成を明確に示すために、円盤状液晶化合物40dは円盤状液晶層44の表面(界面)の円盤状液晶化合物40dのみを示している。
円盤状液晶層44を構成する円盤状液晶化合物40dは、配列軸D、および、この一方向(配列軸D方向)と直交するY方向に、二次元的に配列された状態になっている。
すなわち、配列軸D方向に対する角度が等しい2つの円盤状液晶化合物40dの、配列軸D方向の中心間の距離を、1周期の長さΛとする。具体的には、図7に示すように、配列軸D方向と光学軸40Aの方向とが一致する2つの円盤状液晶化合物40dの、配列軸D方向の中心間の距離を、1周期の長さΛとする。以下の説明では、この1周期の長さΛを『1周期Λ』とも言う。
円盤状液晶層44の液晶配向パターンは、この1周期Λを、配列軸D方向すなわち光学軸40Aの向きが連続的に回転して変化する一方向に繰り返す。
透過型液晶回折素子10の作用を、図9および図10に概念的に示す図を用いて説明する。なお、透過型液晶回折素子10は、液晶化合物の屈折率差と透過型液晶回折素子の厚さとの積の値がλ/2であるとする。また、図9および図10においては、透過型液晶回折素子10の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向を示すため、表面の棒状液晶化合物40cのみを示しているが、透過型液晶回折素子10は、図1に示す例のように、交互に積層された棒状液晶層42および円盤状液晶層44を有する。
また、透過型液晶回折素子10に形成された液晶配向パターンは、配列軸D方向に周期的なパターンであるため、透過光L2は、入射光L1の進行方向とは異なる方向に進行する。このように、左円偏光の入射光L1は、入射方向に対して配列軸D方向に一定の角度だけ傾いた、右円偏光の透過光L2に変換される。図9に示す例では、透過光L2は、右下方向に進行するように回折されている。
また、透過型液晶回折素子10に形成された液晶配向パターンは、配列軸D方向に周期的なパターンであるため、透過光L5は、入射光L4の進行方向とは異なる方向に進行する。このとき、透過光L5は透過光L2と異なる方向、つまり、入射方向に対して配列軸Dの矢印方向とは逆の方向に進行する。このように、入射光L4は、入射方向に対して配列軸D方向とは逆の方向に一定の角度だけ傾いた左円偏光の透過光L5に変換される。図10に示す例では、透過光L5は、左下方向に進行するように回折されている。
透過型液晶回折素子は、棒状液晶層および円盤状液晶層をそれぞれ上述した方法で、交互に形成することで作製できる。すなわち、例えば、まず、支持体上にパターン配向膜を形成し、このパターン配向膜上に棒状液晶層となる液晶組成物を塗布、乾燥、加熱および硬化して1層目の棒状液晶層を形成し、次に、この1層目の棒状液晶層の上に円盤状液晶層となる液晶組成物を塗布、乾燥、加熱および硬化して1層目の円盤状液晶層を形成し、次に、この1層目の円盤状液晶層の上に棒状液晶層となる液晶組成物を塗布、乾燥、加熱および硬化して2層目の棒状液晶層を形成し、次に、この2層目の棒状液晶層の上に円盤状液晶層となる液晶組成物を塗布、乾燥、加熱および硬化して2層目の円盤状液晶層を形成することで、棒状液晶層と円盤状液晶層とを交互に2層ずつ有する透過型液晶回折素子を作製することができる。
なお、上記例では、支持体上のパターン配向膜の上に棒状液晶層を形成するものとしたがこれに限定はされず、支持体上のパターン配向膜の上に円盤状液晶層を形成し、その後、棒状液晶層および円盤状液晶層を形成してもよい。
また、透過型液晶回折素子の作製後には、支持体およびパターン配向膜を剥離してもよい。
キラル剤(キラル剤)は液晶相の螺旋構造を誘起する機能を有する。キラル剤は、化合物によって誘起する螺旋の捩れ方向および螺旋誘起力(Helical twisting power:HTP)が異なるため、目的に応じて選択すればよい。
キラル剤としては、特に制限はなく、公知の化合物(例えば、液晶デバイスハンドブック、第3章4-3項、TN(twisted nematic)、STN(Super Twisted Nematic)用キラル剤、199頁、日本学術振興会第142委員会編、1989に記載)、イソソルビド、および、イソマンニド誘導体等を用いることができる。
キラル剤は、一般に不斉炭素原子を含むが、不斉炭素原子を含まない軸性不斉化合物または面性不斉化合物もキラル剤として用いることができる。軸性不斉化合物または面性不斉化合物の例には、ビナフチル、ヘリセン、パラシクロファン、および、これらの誘導体が含まれる。キラル剤は、重合性基を有していてもよい。キラル剤と液晶化合物とがいずれも重合性基を有する場合は、重合性キラル剤と重合性液晶化合物との重合反応により、重合性液晶化合物から誘導される繰り返し単位と、キラル剤から誘導される繰り返し単位とを有するポリマーを形成することができる。この態様では、重合性キラル剤が有する重合性基は、重合性液晶化合物が有する重合性基と、同種の基であるのが好ましい。従って、キラル剤の重合性基も、不飽和重合性基、エポキシ基またはアジリジニル基であるのが好ましく、不飽和重合性基であるのがより好ましく、エチレン性不飽和重合性基であるのがさらに好ましい。
また、キラル剤は、液晶化合物であってもよい。
しかしながら、本発明は、これに制限はされず、棒状液晶層42および円盤状液晶層44において、液晶化合物の光学軸40Aが一方向に沿って連続して回転するものであれば、各種の構成が利用可能である。
<液晶回折素子の作製>
以下のようにして棒状液晶層を1層有する液晶回折素子を作製した。
(配向膜の形成)
支持体としてガラス基板を用意した。支持体上に、下記の配向膜形成用塗布液をスピンコートで塗布した。この配向膜形成用塗布液の塗膜が形成された支持体を60℃のホットプレート上で60秒間乾燥し、配向膜P-1を形成した。
―――――――――――――――――――――――――――――――――
・下記光配向用素材 1.00質量部
・水 16.00質量部
・ブトキシエタノール 42.00質量部
・プロピレングリコールモノメチルエーテル 42.00質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
図8に示す露光装置を用いて配向膜P-1を露光して、配向パターンを有する配向膜P-2を形成した。露光装置において、レーザとして波長(325nm)のレーザ光を出射するものを用いた。干渉光による露光量を300mJ/cm2とした。なお、2つのレーザー光の干渉により形成される配向パターンの1周期Λ(光学軸が180°回転する長さ)が、1.05μmとなるように、2つの光の交差角(交差角α)を調節した。
棒状液晶層を形成する液晶組成物として、下記の組成物B-1を調製した。
――――――――――――――――――――――――――――――――――
・下記棒状液晶化合物L-1 100.00質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
3.00質量部
・光増感剤(日本化薬製、KAYACURE DETX-S)
1.00質量部
・下記レベリング剤T-1 0.08質量部
・メチルエチルケトン 2000.00質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
比較例1と同様にして、配向膜の形成および配向膜の露光を行い、次いで、下記のようにして円盤状液晶層と棒状液晶層とを1層ずつ有する液晶回折素子を作製した。
――――――――――――――――――――――――――――――――――
・下記円盤状液晶化合物L-2 80.00質量部
・下記円盤状液晶化合物L-3 20.00質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
5.00質量部
・メガファックF444(DIC製) 0.50質量部
・メチルエチルケトン 300.00質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
円盤状液晶層は、配向膜P-2上に組成物D-0を多層塗布することにより形成した。すなわち、先ず配向膜P-2の上に組成物D-0を塗布したのち加熱し、次いで紫外線硬化を行って、1層目の液晶固定化層を作製した。2層目以降の液晶固定化層は、その直前に作製した液晶固定化層に組成物D-0を重ね塗りした以外は1層目の液晶固定化層の作製と同様にして作製した。塗布から紫外線硬化までの工程は比較例1と同じである。この際、各回の重ね塗り時の塗布厚は円盤状液晶層D-0の厚みが約0.4μm程度になるようにして良好な配向状態が得られるようにした。これにより、円盤状液晶層D-0のΔn1550×厚さが360nmになるようにした。
形成した円盤状液晶層の上に、比較例1と同様の方法で、棒状液晶層B-1を形成した。棒状液晶層B-1のΔn1550×厚さは360nmになるようにした。
以上により、円盤状液晶層D-0と棒状液晶層B-1が重なった構造の透過型液晶回折素子(Δn1550×厚さが720nm)を作製した。顕微鏡で確認した結果、周期的な配向になっていることを確認した。また、円盤状液晶層D-0部分の厚さ方向の捩れ角は0°、棒状液晶層B-1部分の厚さ方向の捩れ角は0°であった。また、SEMによる断面像において、円盤状液晶層D-0の下界面(ガラス基板との界面)に対し、略垂直の明暗線が観察された。また、円盤状液晶層および棒状液晶層のうち最大の|Rth|は180nmであった。
比較例1と同様にして、配向膜の形成および配向膜の露光を行い、次いで、以下のようにして、円盤状液晶層と棒状液晶層とを交互に複数層積層した液晶回折素子を作製した。
先ず配向膜の上に組成物D-0を塗布したのち加熱し、次いで紫外線硬化を行って、液晶固定化層(1層目の円盤状液晶層D-0)を形成した。次に、1層目の円盤状液晶層D-0に、組成物B-1を重ね塗りしてしたのち加熱し、ついで紫外線硬化を行って、液晶固定化層(2層目の棒状液晶層B-1)を形成した。このように円盤状液晶層D-0と棒状液晶層B-1の形成を交互に繰り返し行って、交互に積層された円盤状液晶層D-0と棒状液晶層B-1を各6層ずつ、合計で12層形成した。塗布から紫外線硬化までの工程は比較例1と同じである。この際、1回の塗布での塗布厚は約0.4μm程度になるようにした。最終的に、液晶層の全体のΔn1550×厚さが720nmになるようにした。
実施例1の作製方法のうち、組成物D-0および組成物B-1の塗布を2回ずつ塗布して各層を形成するものとした以外は実施例1と同様にして、実施例2の液晶回折素子を作製した。
すなわち、まず、配向膜の上に組成物D-0を塗布したのち加熱し、次いで紫外線硬化を行って、液晶固定化層を作製した。この液晶固定化層に組成物D-0を重ね塗りした後、上記と同様の条件で再び加熱および紫外線硬化を行い、1層目の円盤状液晶層を形成した。
次に、1層目の円盤状液晶層の上に、組成物B-1を塗布したのち加熱し、次いで紫外線硬化を行って、液晶固定化層を作製した。この液晶固定化層に組成物B-1を重ね塗りした後、上記と同様の条件で再び加熱、および紫外線硬化を行い、1層目の棒状液晶層を形成した。
1回の塗布での塗布厚は約0.4μm程度とした。すなわち、円盤状液晶層および棒状液晶層はそれぞれ約0.8μmである。最終的に、液晶層の全体のΔn1550×厚さが720nmになるようにした。
実施例1と同様にして、配向膜の形成および配向膜の露光を行い、次いで以下のようにして円盤状液晶層と棒状液晶層とを交互に複数層積層して液晶回折素子を作製した。
液晶層を形成する液晶組成物として、下記の組成物C-1、C-2、D-1、D-2を調製した。ここで、符号のCは液晶化合物の主成分が棒性の化合物で、Dは液晶化合物の主成分が円盤状の化合物を表し、また、1は時計回り(ねじれ角は+の値)、2は反時計回り(ねじれ角は-の値)を表している。すなわち、組成物C-1は、棒状液晶化合物を主成分とし、時計回りとなる液晶組成物であり、組成物C-2は、棒状液晶化合物を主成分とし、反時計回りとなる液晶組成物であり、組成物D-1は、円盤状液晶化合物を主成分とし、時計回りとなる液晶組成物であり、組成物D-2は、円盤状液晶化合物を主成分とし、反時計回りとなる液晶組成物である。
――――――――――――――――――――――――――――――――――
・棒状液晶化合物L-1 100.00質量部
・キラル剤Ch-2 0.058質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
3.00質量部
・光増感剤(日本化薬製、KAYACURE DETX-S)
1.00質量部
・レベリング剤T-1 0.08質量部
・メチルエチルケトン 2000.00質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
――――――――――――――――――――――――――――――――――
・棒状液晶化合物L-1 100.00質量部
・キラル剤Ch-3 0.099質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
3.00質量部
・光増感剤(日本化薬製、KAYACURE DETX-S)
1.00質量部
・レベリング剤T-1 0.08質量部
・メチルエチルケトン 2000.00質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
――――――――――――――――――――――――――――――――――
・円盤状液晶化合物L-2 80.00質量部
・円盤状液晶化合物L-3 20.00質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
5.00質量部
・メガファックF444(DIC製) 0.50質量部
・キラル剤Ch-2 0.033質量部
・メチルエチルケトン 300.00質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
――――――――――――――――――――――――――――――――――
・円盤状液晶化合物L-2 80.00質量部
・円盤状液晶化合物L-3 20.00質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
5.00質量部
・メガファックF444(DIC製) 0.50質量部
・キラル剤Ch-3 0.033質量部
・メチルエチルケトン 300.00質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
すなわち、先ず、配向膜の上に組成物C-1を塗布した後加熱し、次いで紫外線硬化を行って、棒状液晶層C-1を作製した。この棒状液晶層C-1に組成物D-1を重ね塗りした後、上記と同様の条件で再び加熱および紫外線硬化を行い、円盤状液晶層D-1を形成した。この棒状液晶層C-1と円盤状液晶層D-1の形成を交互に繰り返し行った。塗布から紫外線硬化までの工程は実施例1と同じである。この際、1回の塗布での塗布厚は約0.4μm程度になるようにした。また、液晶層の全体のΔn1550×厚さが930nmになるようにした。この場合のΔn1550は面内方向の複屈折率である。
棒状液晶層C-1の液晶化合物の配向方向(棒状液晶化合物の長軸の方向)と円盤状液晶層D-1の液晶化合物の配向方向(円盤状液晶化合物の長い側の方向)は積層塗布時に平行に配向するため、厚さ方向のリタデーションは相殺する光学特性になる。
このようにして、棒状液晶層C-1と円盤状液晶層D-1が交互積層した液晶層に、棒状液晶層C-2と円盤状液晶層D-2が交互積層した液晶層が重なった液晶層を作製した。顕微鏡で確認した結果、周期的な配向になっていることを確認した。また、棒状液晶層C-1および円盤状液晶層D-1が交互に積層した液晶層部分の厚さ方向のねじれ角は60°、棒状液晶層C-2および円盤状液晶層D-2が交互に積層した液晶層部分の厚さ方向のねじれ角は-60°であった。
また、SEMによる断面像において、下界面(ガラス基板との界面)に対し、Vの字を横にした形状の明暗線が観察された。この明暗線は、正負の異なった厚さ方向のねじれ方向を配向している液晶化合物が厚さ方向に積み重ねられた構成により観察されるものである。また、各円盤状液晶層および棒状液晶層のうち最大の|Rth|は30nmであった。
実施例3の作製方法のうち、組成物C-1、C-2、D-1、D-2の塗布を2回ずつ塗布して各層を形成するものとした以外は実施例3と同様にして、実施例4の液晶回折素子を作製した。1回の塗布での塗布厚は約0.4μm程度とした。すなわち、円盤状液晶層および棒状液晶層はそれぞれ約0.8μmである。このようにして、棒状液晶層C-1と円盤状液晶層D-1が交互積層した液晶層(Δn1550×厚さが930nm)に、棒状液晶層C-2と円盤状液晶層D-2が交互積層した液晶層(Δn1550×厚さが930nm)が重なった液晶層を作製した。顕微鏡で確認した結果、周期的な配向になっていることを確認した。また、棒状液晶層C-1および円盤状液晶層D-1が交互に積層した液晶層部分の厚さ方向のねじれ角は60°、棒状液晶層C-2および円盤状液晶層D-2が交互に積層した液晶層部分の厚さ方向のねじれ角は-60°であった。 また、SEMによる断面像において、液晶層の下界面(ガラス基板との界面)に対し、Vの字を横にした形状の明暗線が観察された。また、各円盤状液晶層および棒状液晶層のうち最大の|Rth|は65nmであった。
作製した透過型液晶回折素子に、方位角は液晶化合物由来の光学軸が面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している方位(配列軸D方向)で、かつ、透過型液晶回折素子の主面の法線方向からの入射角θiで波長1550nmのレーザー光を入射し、光を入射した方位方向において、光の入射方向と逆方向に屈折された屈折光の出射角度θoと強度(回折効率)をパワーメーターで測定した。なお、レーザー光は右円偏光を入射した。基準は以下の通りである。
・A:強度(回折効率)が95%以上
・B:強度(回折効率)が80%以上
・C:強度(回折効率)が70%以上
・D:強度(回折効率)が60%以上
・E:強度(回折効率)が50%未満
・A:回折光の円偏光度が99%以上
・B:回折光の円偏光度が98%以上
・C:回折光の円偏光度が96%以上
・D:回折光の円偏光度が96%未満
結果を下記の表1に示す。
以上の結果より、本発明の効果は明らかである。
30 支持体
32 配向膜
37b 第1の光学異方性層
37c 第2の光学異方性層
40c 棒状液晶化合物
40d 円盤状液晶化合物
40A 光学軸
42、42b 棒状液晶層
44、44b 円盤状液晶層
60 露光装置
62 レーザ
64 光源
65 λ/2板
68 偏光ビームスプリッター
70A,70B ミラー
72A,72B λ/4板
D 配列軸
R 領域
Λ 1周期
M レーザ光
MA,MB 光線
PO 直線偏光
PR 右円偏光
PL 左円偏光
α 角度
L1,L2,L4,L5 光
Claims (4)
- 棒状液晶化合物を配向してなる棒状液晶層と、円盤状液晶化合物を配向してなる円盤状液晶層とを交互に積層した構成を有する透過型液晶回折素子であって、
前記棒状液晶化合物は正の複屈折性を有し、前記円盤状液晶化合物は負の複屈折性を有し、
前記棒状液晶層および前記円盤状液晶層は、それぞれ、前記棒状液晶化合物および前記円盤状液晶化合物に由来する光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有し、
前記棒状液晶層の前記液晶配向パターンにおける前記光学軸の回転方向と、前記円盤状液晶層の前記液晶配向パターンにおける前記光学軸の回転方向とが同じであり、
前記光学軸の向きが前記面内で180°回転する長さを1周期とすると、前記棒状液晶層の前記液晶配向パターンの1周期と、前記円盤状液晶層の前記液晶配向パターンの1周期とが同じであり、
前記棒状液晶層および前記円盤状液晶層のそれぞれの厚さ方向の位相差|Rth|が65nm以下であり、
前記棒状液晶層と前記円盤状液晶層との界面において、前記透過型液晶回折素子の主面の面方向の同じ位置に存在する前記棒状液晶化合物と前記円盤状液晶化合物とは、前記棒状液晶化合物の長手方向と、前記円盤状液晶化合物を前記円盤状液晶層の界面に投影した形状における長手方向とが一致している透過型液晶回折素子。 - 前記透過型液晶回折素子の主面の面方向の同じ位置に存在する前記棒状液晶化合物と前記円盤状液晶化合物とは、前記棒状液晶化合物の長手方向と、前記円盤状液晶化合物を前記円盤状液晶層の界面に投影した形状における長手方向とが、前記透過型液晶回折素子の一方の面から他方の面に亘って一致している請求項1に記載の透過型液晶回折素子。
- 前記透過型液晶回折素子の主面の面方向の同じ位置に存在する前記棒状液晶化合物と前記円盤状液晶化合物とは、前記棒状液晶層および前記円盤状液晶層のそれぞれの厚さ方向において、前記棒状液晶化合物の長手方向と、前記円盤状液晶化合物を前記円盤状液晶層の界面に投影した形状における長手方向とが連続的にねじれ配向しており、
前記透過型液晶回折素子の一方の面から他方の面における前記ねじれ配向のねじれ角が360°未満である請求項1に記載の透過型液晶回折素子。 - 前記棒状液晶層の厚さ、および、前記円盤状液晶層の厚さがそれぞれ、0.9μm以下である請求項1~3のいずれか一項に記載の透過型液晶回折素子。
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