JPH0792438A - 液晶複合光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は樹脂マトリクス中に液晶を分散さ
せ、電気、磁気、熱等によって光の透過散乱特性を変え
られる液晶複合光学素子において、電界又は磁界の除去
後にもその特性を保持できるメモリ特性を有し、光の透
過散乱特性を変化させることにより新規な性能を有する
調光素子、表示素子、及び記録素子等を構成することを
目的としている。 【構成】 前記の液晶複合光学素子において、電界又は
磁界を加えた状態で液晶が等方性液体に相転移する温度
より高い温度から液晶相に相転移させることによる樹脂
マトリクスと液晶との界面における液晶分子配向のメモ
リ効果を利用し、電界又は磁界を除去した後に前記液晶
が等方性液体に相転移する温度より高い温度に加熱する
ことでメモリ効果が消去される効果を利用して書き込み
及び消去等を行うもので、斜め方向にのみ透過特性を有
する調光素子等も可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は樹脂マトリクス中に液晶
を分散させ、電気、磁気、熱等によって光の透過散乱特
性を変えられる液晶複合光学素子に係わり、特に電界又
は磁界の除去後にもその特性を保持できるメモリ特性を
有し光の透過散乱特性を変化させることを目的とした調
光素子、表示素子、及び記録素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、表示装置もしくは調光装置として
樹脂マトリクス中に液晶を分散させた液晶と樹脂の複合
素子が開示されている。この液晶と樹脂の複合素子は樹
脂マトリクス中に液晶の常光線成分に対応する屈折率が
樹脂の屈折率に近い値を有するネマティック液晶の小滴
を多数分散した構成、もしくは同様に網目状の樹脂マト
リクス中に液晶を含んだ構成の材料を透明電極を付けた
プラスチックフィルムやガラス板の間に挟み込んだ構造
となっている。この樹脂マトリクス中に液晶を分散させ
た複合素子は電界が加わらないときには液晶分子の配向
方向が不規則になっているため、液晶部の実効的な屈折
率と樹脂部の屈折率が異なりその界面で光が散乱されて
白濁して見えるが、しきい電界以上の電界を加えると液
晶分子の配向方向が電界方向にそろって液晶部の実効的
な屈折率が樹脂部の屈折率に近い値となるため光の散乱
効果が減少して光透過状態となる。特に、透明電極を付
けたプラスチックフィルムを用いた樹脂マトリクス中に
液晶を分散させた複合素子による表示装置や調光装置は
容易に大面積とすることができ、更に柔軟で自由に曲げ
たりすることができる可撓性を有しているという特徴を
持っている。

【０００３】しかしながら、上記の樹脂マトリクス中に
液晶を分散させた複合素子による液晶素子では、電界を
加えている間だけ光透過状態を維持できるものであり、
電界を除去すると初めの光散乱状態に戻ってしまうた
め、電界を除去したのちも光透過状態を持続するような
メモリ効果を示すものではないので、熱的にもしくは電
界印加等の手段により書き込み、記録、表示、及び消去
等を行うことはできないという課題があった。この課題
を解決するものとして、樹脂マトリクス中に液晶を分散
させた複合素子による液晶素子において、印加電界除去
後にも光透過状態が持続されるというメモリ効果が、例
えば第３７回応用物理学関係連合講演会予稿集３０ａＢ
１（１９９０年３月）やＪａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎ
ａｌ ｏｆＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏ
ｌ．３０、 Ｎｏ．４、 ６１６頁（１９９１年４月）
等に記載されている。

【０００４】更に、電界印加及び熱的に書き込み、表
示、及び消去を行う液晶素子も知られている。これらの
液晶素子には、コレステリック−ネマティック相転移効
果を利用するもの、ネマティック液晶における過冷却現
象を利用するもの、スメクティック液晶を用いるもの等
があり、いずれも通常の液晶表示素子において用いられ
ている液晶セルと同様にマトリクス状やセグメント状の
透明電極を付けたガラス板の間に液晶材料を挟み込んだ
構成となっている。

【０００５】一方、熱的に書き込みや記録等を行うもの
としては熱的に分解又は昇華による発色又は変色作用を
有し、もしくは試薬等と反応してその光学的吸収率や反
射率等が変化する物質を紙の表面に塗布した感熱紙が使
われており、サーマルヘッド等により感熱紙の表面を局
所的に加熱して発色又はその色相の変化を生じさせる方
式のものがあり、広く使用されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
液晶と樹脂材料からなる液晶と樹脂マトリクスの複合素
子に単に電界又は磁界を加えることによるメモリ効果で
は十分な光透過状態は得られないという難点があった。
又、液晶と樹脂マトリクス複合素子による調光素子にお
いては、素子に垂直な方向にのみ白濁等の光散乱と透過
状態の切り換えを行うのみで、素子に斜めの方向に対し
て調光機能を有するようなものを構成することは困難で
あるという問題点があった。

【０００７】一方、コレステリック−ネマティック相転
移液晶、ネマティック液晶やスメクティック液晶等を用
いて電界印加及び熱的に書き込み、表示、及び消去を行
う液晶装置では、液晶層の厚み即ち透明電極を付けたガ
ラス板もしくはプラスチック板の間隔を常に一定に保た
ねばならず、又透明電極を付けたガラス板やプラスチッ
ク板に応力や歪みが加わると液晶分子の配向状態が変化
してしまうために特性が悪化し、更に紙の様に自由に曲
げたりすることはできないという問題点があった。

【０００８】更に、熱的に書き込みや記録等を行う感熱
紙では一度書き込み記録を行ったものを消去したり又は
一部分を消去したのち改めて書き込みを行うというよう
なことはできないため、一度しか使用できないという問
題点があった。

【０００９】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたもので、外部場の除去後にもその特性を保
持できるメモリ特性を有し、書き込み、記録、表示、及
び消去を何度でも繰り返して行うことができる液晶複合
光学素子、及び斜め方向に対して調光の機能を有する調
光素子を得ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明に係わる液晶複
合光学素子は、樹脂マトリクス中に液晶を分散させた素
子において、電界又は磁界を加えた状態で前記液晶が等
方性液体に相転移する温度より高い温度から液晶相に相
転移させることにより樹脂マトリクスと液晶との界面に
おける液晶分子配向のメモリ効果を利用することを特徴
とするもので、電界又は磁界を除去した後に前記液晶が
等方性液体に相転移する温度より高い温度に加熱するこ
とでメモリ効果が消去される効果を利用して少なくとも
書き込み及び消去もしくは書き込み又は消去のいずれか
を行うこともでき、プラスチックフィルムの間に液晶複
合光学素子を挟むようにすることもでき、前記のプラス
チックフィルムに透明導電膜を付けることもでき、液晶
複合光学素子に対して垂直方向から傾けて電界又は磁界
を加えた状態で液晶分子配向のメモリ効果を利用するこ
ともできる。

【００１１】

【作用】この発明は液晶材料と樹脂材料を含む複合素子
において、電界又は磁界を加えたまま液晶の等方性液体
への相転移温度以上の温度から液晶相に相転移すること
により、外部場を除去してもその特性を持続できる高分
子樹脂物質と液晶物質との界面における液晶分子配向の
メモリ効果やメモリの消去効果を利用して、液晶樹脂マ
トリクス複合素子に調光機能をもたせ、又書き込み、記
録、表示、及び消去を行うようにしたものである。

【００１２】

【実施例】液晶材料と樹脂材料からなり、樹脂マトリク
ス中に液晶を分散した構成の液晶と樹脂マトリクス複合
素子を透明電極を付けたプラスチックフィルムやガラス
板の間に挟み込んだ素子が作られている。たとえば、エ
ポキシ樹脂と硬化材及びネマティック液晶Ｅ７とを重量
比で１対１対１の割合で混合し、２０ミクロンの厚みの
スペーサを用いてＩＴＯ透明電極を付けたガラス板の間
に挟み込んで素子を作製したものでは、図２に示すよう
にしきい値よりも大きな電界が加わらないときには液晶
分子の配向の方向が不規則になっているため、液晶部の
屈折率と樹脂マトリクス部の屈折率が異なりその界面で
光が散乱されるため光透過率が低く白濁して見えるが、
しきい電界よりも十分高い電界を加えると液晶分子の配
向方向が電界方向に揃って液晶部の実効的な屈折率が樹
脂マトリクス部の屈折率に近い値となるため光の散乱効
果が減少して光透過状態となる。

【００１３】ところで、このような液晶と樹脂マトリク
スの複合素子では液晶と樹脂マトリクス材料の組合せを
選ぶことにより図３に示すように電界を除去したのちも
光透過状態を持続させることができる。この無電界光透
過状態は液晶状態から等方性液体への相転移温度以上に
加熱することにより元の光散乱状態に戻すことができ
る。すなわち、液晶と樹脂マトリクス複合素子を一度加
熱したのち室温に戻すと全体に白濁した状態になり、次
に書き込み、記録、及び表示したい部分のみに電界を加
えて書き込み、記録等を行うことができる。この場合は
再び加熱を行うことで消去することができる。一方、素
子に一様に電界を加えて光透過状態としたのち表示した
い部分のみを局所的に加熱することにより白濁させて書
き込み記録等を行うこともできる。この場合は電界を加
えることで記録、表示状態から消去することができる。
書き込み記録もしくは消去された状態は電界を加えてい
なくても長時間その状態が保持されるので、表示を行う
ことができる。なお、電界の代わりに磁界を加えても同
様のメモリ効果が得られる。

【００１４】しかし、このように液晶状態において単に
電界又は磁界を加えるだけでは分子配向の十分なメモリ
効果にはならず、したがって光透過率が高いメモリ状態
を得ることは難しい。そこで、樹脂マトリクス中に液晶
を分散させた素子において、電界又は磁界を加えた状態
で前記液晶が等方性液体に相転移する温度より高い温度
から液晶相に相転移させることにより前記メモリ効果が
より顕著に生じるという効果を利用すると、単に電界又
は磁界を加えるだけの場合よりも光透過率の高いメモリ
状態を得ることができる。このメモリ状態は、電界又は
磁界を除去した後に前記液晶が等方性液体に相転移する
温度より高い温度に加熱することで同様に消去すること
ができる。

【００１５】以下、この発明の実施例について説明す
る。紫外線硬化型の樹脂材料ＩＮＣ−９０とネマティッ
ク液晶Ｅ７を重量比で１対１の割合で混合し、約２０ミ
クロンの厚みのスペーサを用いて透明電極ＩＴＯを付け
たガラス板又はプラスチックフィルムで挟み、紫外線を
照射して樹脂材料を重合させて液晶と樹脂マトリクス複
合体の素子を作製した。この液晶と樹脂マトリクス複合
体素子では電圧を加えないときには光透過率は１％程度
でほとんどの光を散乱するために白濁して見えるが、前
記液晶Ｅ７が等方性液体に相転移する温度よりも高い温
度たとえば８０℃程度から約３０ボルトよりも高い電圧
を印加した状態で液晶相に相転移させることにより図１
に示したように４０％程度の光透過率の状態が得られ
る。この透過率は図３に示したネマティック液晶状態に
おいて１５０ボルト程度の電圧を加えたときのメモリ状
態の光透過率２０％に比べて２倍程度高い光透過率とな
っており、メモリに必要な電圧もより低い値で十分であ
る。又、この４０％程度の電圧除去後の光透過状態すな
わちメモリ状態は素子を液晶の相転移温度以上たとえば
８０℃程度より高い温度まで加熱することで元の光散乱
状態に戻り、何回でもこのような繰り返しを行うことが
できる。

【００１６】このようなメモリ効果を示す液晶と樹脂マ
トリクス複合素子をＩＴＯ等の透明電極を内側に付けた
２枚のプラスチックフィルムの間に挟み込んでシート状
の素子とし、透明電極間にしきい値よりも十分に大きな
電圧たとえば５０ボルトの電圧を加えた状態で等方性液
体に相転移する温度たとえば８０℃程度の温度から液晶
相に相転移させると、シート状の素子は光透過状態とな
る。次に、電圧を除去した状態で汎用の熱転写形のプリ
ンタや感熱式のプリンタ等の装置で使用されているサー
マルヘッドにより局所的に液晶の相転移温度以上たとえ
ば８０℃以上に加熱したのち液晶状態（たとえば室温）
にするとその加熱された領域のみが白濁するので、書き
込みを行うことができ、書き込まれた状態はそのまま持
続されるので、記録、表示等を行うことができる。この
記録、表示状態を消去するためには透明電極間にしきい
電界以上となる電圧を加えて液晶が等方性液体状態とな
る温度まで加熱すればよい。

【００１７】なお、ＩＴＯ等の透明電極を付けていない
２枚のプラスチックフィルムを用いて液晶と樹脂マトリ
クス複合素子を挟み込んでシート状の素子として使用す
ることもできる。この場合には、液晶と樹脂マトリクス
複合素子の層に実効的に十分大きな電界が加わるように
プラスチックフィルムを介して外部から電界を加えて液
晶状態まで加熱することで消去を行うことができる。
又、このシート状の素子を一度等方性液体状態となる温
度以上に加熱後に冷却して全体を光散乱状態としたの
ち、針状の電極及び局部的に加熱できる加熱装置を用い
てプラスチックフィルムの外側から液晶と樹脂マトリク
ス複合素子を局所的に加熱しながらしきい値以上の電界
となるような大きさの電圧を加えて必要な領域のみを光
透過状態として書き込みを行い、記録、表示をすること
も可能である。熱や電界等により書き込み、記録、表示
を行った素子を消去するためには、素子を相転移温度以
上に加熱することで容易に行うことができる。なお、こ
れらの消去は素子全域にわたって行うことの他に、必要
とされる一部分のみについて行うことももちろん可能で
ある。

【００１８】更に、加熱方法としては、汎用の熱転写形
のプリンタや感熱式のプリンタ装置等において用いられ
ているサーマルヘッドを使用することができるが、一様
な消去を行う場合には赤外線ランプや加熱ローラー等を
用いることもできる。更に、レーザ光を使用して加熱を
行い、書き込み、記録、表示等を行うことも可能であ
る。なお、レーザ光を用いると、その光ビーム径を非常
に細く絞ることができるので、高精細な書き込みを行う
ことができ、又高速の書込を行うことも可能となる。

【００１９】電界の代わりに磁界を用いても同様のメモ
リ効果を得ることができる。たとえば、前記の樹脂ＩＮ
Ｃ−９０とネマティック液晶Ｅ７による複合素子を８０
℃から２００００ガウスの磁界を加えたまま液晶状態に
相転移させることにより、約２０％の透過率を示すメモ
リ状態を得ることができる。一方、誘電異方性が負のネ
マティック液晶ＺＬＩ４７５８を重量比で１対１の割合
で混合し、約２０ミクロンのスペーサを用いて透明電極
ＩＴＯを付けたガラス板又はプラスチックフィルムで挟
み、紫外線を照射して樹脂材料を重合させて液晶と樹脂
マトリクス複合体の素子を作製した。この液晶と樹脂マ
トリクス複合体素子では電圧を加えないときには光透過
率は１％程度でほとんどの光を散乱するために白濁して
見えるが前記液晶ＺＬＩ４７５８が等方性液体に相転移
する温度よりも高い温度たとえば９０℃程度から２００
００ガウスの磁界を加えたまま液晶状態に相転移させる
ことにより、約２５％の透過率を示すメモリ状態を得る
ことができる。ここで、磁界による効果と電界による効
果とを比較すると、１０００ガウスの磁界は１ｃｍにつ
き約３００ボルトの電界に対応している。なお、この液
晶ＺＬＩ４７５８は誘電異方性が負であるため、１００
Ｖ程度の電圧を加えることによりこれまでの液晶樹脂マ
トリクス複合素子とは逆に透明な状態から透過率が３％
程度の白濁した光散乱状態に変化させることができる。
更に、磁界を液晶複合素子に対して傾いた方向に加える
ことにより、素子に斜め方向に透明な特性を示すことに
なり、この素子に電圧を加えることにより素子に対して
斜め方向に調光機能を有する光学素子とすることもでき
る。

【００２０】

【発明の効果】以上説明した本発明によれば、薄型軽量
で自由に曲げることができるという可撓性を有する液晶
と樹脂マトリクス複合素子を用い、加熱及び電界又は磁
界印加により容易に書き込み、記録、表示や消去等の動
作を行うことができ、同一の素子を用いてこれらの動作
を何度でも繰り返し行うことができるので、経済的に極
めて有利であり、且つ省資源的にも極めて有効である。
又、汎用の熱転写形のプリンタや感熱プリンタ装置にお
けるサーマルヘッドやレーザ等を用いて、書き込み、記
録、及び表示等を行うこともでき、ワードプロセッサや
パーソナルコンピュータ、ファクシミリ等における表示
装置にも使用することができ、極めて容易に任意の形状
すなわち文字、数字、記号、画像等の記録や表示を行な
う装置を構成することもできる。更に、記録もしくは表
示を行ったのちに容易に取り外して通常の印刷物のよう
に取り扱うこともできるというこれまでにないすぐれた
効果を発揮する。

【００２１】更に、電圧印加により透明な状態から白濁
した光散乱状態に変化させることができ、又斜め方向に
のみ透過特性を有する調光素子等を構成することもでき
るという、卓越した効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

図１は本発明におけるメモリ効果すなわち電界を加えた
状態で等方性液体状態から液晶相に相転移させることに
より光散乱状態から光透過状態に変化し電界除去後に加
熱することで前記光透過状態から光散乱状態に変化する
液晶と樹脂マトリクス複合素子における印加電圧とメモ
リ状態での透過率、及び液晶状態で電圧を加えたのち除
去することによるメモリ状態での透過率の関係を示すグ
ラフ、図２はメモリ効果を示さない液晶と樹脂マトリク
ス複合素子における印加電圧と透過率の関係を示すグラ
フ、図３はメモリ効果を示す液晶と樹脂マトリクス複合
素子において、液晶状態において徐々に電界を加えたの
ち電界を徐々に除去したときの印加電圧と透過率の関係
を示すグラフである。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】樹脂マトリクス中に液晶を分散させた複合
   素子において、電界又は磁界を加えた状態で前記液晶が
   等方性液体に相転移する温度より高い温度から液晶相に
   相転移させることにより樹脂マトリクスと液晶との界面
   における液晶分子配向のメモリ効果を利用することを特
   徴とする液晶複合光学素子。
2. 【請求項２】請求項１に記載の液晶複合光学素子におい
   て、電界又は磁界を除去した後に前記液晶が等方性液体
   に相転移する温度より高い温度に加熱することでメモリ
   状態が消去される効果を利用し、少なくとも書き込み及
   び消去もしくは書き込み又は消去のいずれかを行うこと
   を特徴とする請求項１に記載の液晶複合光学素子。
3. 【請求項３】樹脂マトリクス中に液晶を分散させた液晶
   複合光学素子をプラスチックフィルムの間に挟んだこと
   を特徴とする請求項１及び請求項２に記載の液晶複合光
   学素子。
4. 【請求項４】請求項３に記載のプラスチックフィルムに
   透明導電膜を付けたことを特徴とする液晶複合光学素
   子。
5. 【請求項５】樹脂マトリクス中に液晶を分散させた液晶
   複合光学素子の垂直方向に対しある角度傾けて電界又は
   磁界を加えることを特徴とする請求項１、請求項２、請
   求項３、及び請求項４に記載の液晶複合光学素子。