JPH07101264B2

JPH07101264B2 - 液晶材料の配向方法

Info

Publication number: JPH07101264B2
Application number: JP2109280A
Authority: JP
Inventors: 祐司川西; 敬玉置; 国宏市村; 隆広関
Original assignee: 工業技術院長
Priority date: 1990-04-25
Filing date: 1990-04-25
Publication date: 1995-11-01
Anticipated expiration: 2010-11-01
Also published as: JPH047520A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、直線偏光照射により薄膜中の分子を配向し、
これと積層する液晶層を所定の方向へ配向することを特
徴とする新規な液晶配向法に関するものである。さらに
詳しく言えば本発明は、光の振動方向に対し固有の角度
に配向する性質を持つ化学物質層と液晶層とを基板上に
積層し、直線偏光を一定時間照射することによって、所
定の方向にホモジニアス配向した液晶材料を得る方法で
あり、加えて、偏光面の異なる直線偏光を再照射するこ
とによってホモジニアス配向の配向軸を所定の角度に再
配向することもできる、直線偏光を用いることを特徴と
した液晶配向法に関するものである。

（従来の技術）液晶とは柔軟な構造性を持つ流体であるが、材料化にあ
たって配向を与えることが必須である。このため、２枚
の基板間に液晶層を充填したサンドイッチ構造体とし、
基板表面により副次的に液晶のホモジニアス配向を誘起
する手段がとられる。このような配向を誘起する表面と
しては、一定方向に微細な溝をきざんだガラス表面、延
伸した高分子膜、ラングミュア・ブロジェット法により
累積した高分子膜、真空蒸着法・化学気相成長法等によ
る蒸着膜、配向した液晶との界面で重縮合した高分子膜
などがあげられる。表面により誘起される液晶のホモジ
ニアス配向軸は液晶セル作製時の条件によって決定さ
れ、恒久的・固定化されたものである。電場印加・熱・
液晶層中に添加した化学物質の光反応などにより液晶の
相転移を促すあるいは表面による液晶の拘束を強弱する
ことできるが、ホモジニアス配向軸を変えることはでき
ない。さらに所定方向の配向軸を持つ微細なドメインを
ひとつの材料中に作り出すことは、これまでの方法によ
る限り困難である。

（発明が解決しようとする課題）本発明は、液晶材料に直線偏光を一定時間照射すること
により、所定の角度にホモジニアス配向した液晶材料を
得ることを目的としてなされたものである。

（課題を解決するための手段）本発明者らは、光により液晶材料に所定の配向を与える
方法を開発するために鋭意研究を重ねた結果、光の振動
方向に対し固有の角度で配向する性質を持つ化学物質層
と液晶層とを基板上にこの順序に積層した液晶材料に直
線偏光を一定時間照射することにより、薄膜中での化学
物質の配向に伴ってこれと積層した液晶層がホモジニア
ス配向すること、直線偏光の偏光面を回転することによ
りホモジニアス配向している液晶層の配向軸も回転でき
ること、液晶層の厚みが基板表面層の１万倍以上の分子
の重なりであっても配向が迅速に伝達されること、光照
射を止めても液晶のホモジニアス配向は長期間にわたっ
て保持されることを見いだし、この知見に基いて本発明
をなすに至った。

すなわち、本発明は、透明基板とその上に積層された液
晶層とを有する液晶材料に対し、基板と液晶層との間に
ホトクロミック化合物層を設けるとともに、透明基板を
通して実質上すべての液晶分子が所定方向に配向するの
に十分な時間直線偏光照射を行うことによって、所定の
方向にホモジニアス配向した液晶材料を得る方法であ
り、偏光面の異なる直線偏光の再照射によってホモジニ
アス配向の配向軸を所定の角度に再配向できることを特
徴とする、直線偏光を用いた液晶配向法を提供するもの
である。

本法でホモジニアス配向できるサンドイッチ型液晶セル
においては、２枚の基板のうちの少なくとも一方が透明
基板であればよく、他方は銅、鉄、アルミニウム、白金
などの金属のシート又はこれらの金属で被覆したシート
にすることもできる。これらの基板は通常0.01〜1mmの
厚みの表面平滑なシートとして用いられる。

透明基板としては、普通のシリカガラス、硬質ガラス、
石英、各種プラスチックなどのシートあるいはその表面
に、酸化ケイ素、酸化スズ、酸化インジウム、酸化アル
ミニウム、酸化チタン、酸化クロム、酸化亜鉛などの金
属酸化物や窒化ケイ素炭化ケイ素などの被覆を有するも
のが用いられる。

本発明においては、少なくとも一方の基板上に直線偏光
により配向する性質を持つ化学物質が結合していること
が必要であるが、この化学物質としてはホトクロミック
化合物が最も普通に用いられる。

このホトクロミック化合物とは、光の作用で構造変化を
生じ、その光に対する挙動例えば色調を変化する化合物
であって、これまで炭素−炭素間炭素−窒素間、窒素−
窒素間の不飽和二重結合の光幾何異性化反応、原子価光
異性化反応、ヘテロリテイックな光開閉環反応、光閉環
反応、光互変異性化反応などを利用した多種多様の化合
物が知られている。〔例えばウイリーインターサイエン
ス社発行、ジー、エイチ、ブラウン編、「ホトクロミズ
ム」（1971年）参照〕。このような化合物のうち、光幾
何異性化に基づくホトクロミック化合物の例としては、
アゾベンゼン、インジゴ、アシルインジゴ、チオインジ
ゴ、セレノインジゴ、ペリナフトインジゴ、ヘミインジ
ゴ、ヘミチオインジゴ、アゾメチンなど、ヘテロリテイ
ックな光開閉環反応に基づくホトクロミック化合物の例
としては、インドリノスピロベンゾピラン、インドリノ
スピロナフトオキサジン、ベンゾチアゾリノスピロベン
ゾピラン、インドリノスピロベンゾチオピラン、スピロ
インドリジンなどを、光閉環反応に基づくホトクロミッ
ク化合物の例としては、スチルベン、フルギドなどを、
また光互変異性化反応に基づくホトクロミック化合物の
例としては、サリチリデンアニル、ｏ−ヒドロキシアゾ
ベンゼン、ｏ−ニトロベンジルなどをそれぞれ基本骨格
とする化合物を挙げることができる。

ホトクロミック化合物の薄膜を基板上に設けるには、液
晶の垂直配向に通常用いられる方法、例えば基板を表面
活性基を有するホトクロミック化合物により処理する方
法、少なくとも１個のハロゲン原子またはアルコキシ基
で置換されたシリル基を持つホトクロミック化合物で処
理する方法、基板表面をアミノ基を持つシリル化剤で処
理した後、カルボキシル基あるいはビニル基を持つホト
クロミック化合物を結合する方法などによって行なうこ
とができる〔ジェイ・コグナー、J.Cognard）著、「モ
レキュラー・クリスタルズ・アンド・リキッド・クリス
タルズ（Molecular Crystals and Liquid Crystal
s）」、サプルメント１（1982年）、及び松本正一、角
田一良著「液晶の最新技術」（1983年）参照〕。

前記の表面活性基を持つホトクロミック化合物の表面活
性基の例としては、カルボン酸残基、マロン酸残基、ア
ルキルアルミニウム塩残基、アルキルピリジニウム塩残
基、アルキルキノリニウム塩残基、カルボキシラトクロ
ミウム錯体残基、エステル残基、ニトリル残基、尿素残
基、アミン残基、アルコール残基、フェノール残基、ベ
タイン残基等を挙げることができる。このような表面活
性基を持つホトクロミック化合物の薄膜を基板上に設け
るには、これを直接塗布するか、あるいは、これを液晶
物質に溶解して使用すればよい。後者の場合、表面活性
基を持つホトクロミック化合物の添加量は、液晶の重量
あたり0.01〜5.0％の範囲である。

前記した少なくとも１個のハロゲン原子またはアルコキ
シ基で置換されたシリル基を持つホトクロミック化合物
としては、例えばトリエトキシシリルアゾベンゼン、モ
ノクロロジエトキシシリルアゾベンゼン、トリクロロシ
リルアゾベンゼン、トリエトキシシリルインジゴ、トリ
エトキシシリルインドリノスピロベンゾピラン等があ
る。これらの化合物による処理は、0.1〜10％、好まし
くは0.5〜５％の範囲の濃度の溶液として基板表面に塗
布するか、あるいはこの溶液中に基板を浸せきすること
によって行なわれる。この際の溶媒としては、酢酸、ト
ルエン、アセトン、ジメチルホルムアミド等が好適であ
る。また、処理時間としては、１秒ないし１時間、通常
は30秒ないし10分間を要する。

次に、基板表面をアミノ基を持つシリル化剤で処理した
後、カルボキシル基あるいはビニル基を持つホトクロミ
ック化合物で処理する場合に用いるシリル化剤として
は、例えばアミノプロピルトリエトキシシラン、アミノ
プロピルジエトキシシラン、アミノブチルメチルジエト
キシシラン、アミノブチルトリエトキシシラン等があ
る。これらのシリル化剤による処理は、これを0.1〜10
％、好ましくは0.5〜５％の範囲の濃度の溶液として基
板表面に塗布するか、あるいはこの溶液中に基板を浸せ
きすることによって行なわれる。この際の溶媒として
は、水、エタノール、酢酸、トルエン、アセトン、ジメ
チルホルムアミド等が好適である。また、処理時間とし
ては、通常数秒ないし数十分の範囲内である。

このシリル化剤により処理した後、シリル化剤のアミノ
基に対し、カルボキシル基を持つホトクロミック化合物
を常法に従って反応しアミド結合を形成させる。

あるいはシリル化剤のアミノ基に対し、ビニル基を持つ
ホトクロミック化合物をマイケル付加することもでき
る。ビニル基を持つホトクロミック化合物をマイケル付
加するには、0.1〜10％の溶液として基板上に塗布し数
分ないし数時間加熱するか、あるいはこの溶液中に基板
を浸せきし数十分ないし数時間加熱する事により行われ
る。

基板表面上の化学物質は、単分子層を形成させるだけで
十分にその機能を発揮しうるが、所望ならば２分子層ま
たはそれ以上の層にすることもできる。

次に、材料中に用いられる液晶としては、従来知られて
いるネマティック系、スメクティック系及びコレステリ
ック系の液晶物質の中から任意のものを選ぶことができ
る。また、液晶物質としては低分子のみならず高分子の
ものも含まれることは言うまでもない。

このような液晶物質は、例えばエー・ベキン（A.Bequi
n）他著、「モレキュラー・クリスタルズ・アンド・リ
キッド・クリスタルズ（Molecular Crystals and Liqui
d Crystals）」、第115巻、第１ページに記載されてい
る。高分子液晶物質は、たとえば、アドバンシズ・イン
・ポリマー・サイエンス（Advances in Polymer Scienc
e）、第60/61巻（1984年）に掲載されている。これらの
液晶物質は、単独で用いてもよいし、また２種以上混合
して用いてもよい。

本発明で用いる直線偏光を得る方法のひとつとして、非
偏光光源らの光を直線偏光子を通す方法がとられる。こ
のような直線偏光子としては、例えば、ポラロイド板、
ポラコート膜などの二色性膜偏光子、ニコルプリズム、
グラン−トムソンプリズム、アーレンスプリズム、グラ
ン−フーコープリズム、ロッションプリズム、ウォラス
トンプリズムなどの複屈折型偏光子、あるいは積層板型
偏光子などがあげられる。光源としてレーザー光を用い
た場合は出力および空間制御性が高いので、配向軸の異
なる微細なドメインを液晶材料中に高速で作り出すこと
も可能である。この場合あらかじめ直線偏光出力のレー
ザーを用いれば、直線偏光子を用いなくてもよい。

また簡便法として、液晶材料を構成する基板のブルース
ター角に等しい角度で普通の光を入射することにり直線
偏光の照射条件は得られる。

この直線偏光照射は、実質上すべての液晶分子が所定方
向に配向するのに十分な時間行われることが必要であ
る。このような処理を行うことにより、液晶層のホモジ
ニアス配向が得られ、光照射を停止しても、このホモジ
ニアス配向を長時間にわたって維持することができる。

次に添付図面により本発明をさらに詳細に説明する。

第１図は本発明に用いる液晶材料の基本構造を示す断面
図で透明基板１の上に、直線偏光により配向する化学物
質から構成される分子層２を固定し、さらにこの上に液
晶層３を積層し、かつ逸散や破損を防ぐために、この上
をさらに基板４で被覆している。この基板は透明であっ
ても不透明であってもよく、またその表面を直線偏光に
より配向する化学物質から構成される分子層、あるいは
液晶を恒久的に固定された方向へホモジニアス配向する
作用を持つ配向膜、あるは液晶を垂直に配向する作用を
持つ垂直配向剤の分子層などで被覆したものを用いるこ
とできる。

すなわち、直線偏光照射前は材料中の液晶層の配向は一
定ではない。材料の一部に基板１の側から直線偏光を入
射すると、基板表面のホトクロミック残基が構造変化を
起こすと同時に偏光面に対して固有の角度で配向し、こ
の配向面の作用により上部の液晶層が配向する。

例えば、垂直配向剤で処理した基板４を用いた材料に基
板１側から直線偏光を照射し、２枚の直交偏光子の間に
置き材料を回転すると、直線偏光で照射した部分は（π
/2）ラジアンの周期をもって明暗があらわれる。また偏
光面の異なる直線偏光を照射し直すことにより異なった
方向へ再配向でき、偏光面の回転角だけ、透過光の強弱
の周期に位相差を与えることができる。

また液晶層の中にあらかじめ二色性色素を溶解し、直線
偏光照射によって配向すると、一枚の偏光子を介して色
素の濃淡を見るとができる。この時濃淡はπラジアンの
周期をもってあらわれる。

二色性色素としては、例えば、松村尚武、「染色工
業」、第32巻、215ページ（1984）に記載されているも
のが用いられる。

（発明の効果）従来の液晶材料の配向法としては、基板表面により副次
的に液晶のホモジニアス配向を誘起する方法がとられ、
配向軸は液晶セルの製作過程で決定される恒久的・固定
的なものである。従って、配向の程度や配向方向はその
つど経験的に調節する他はなく、また材料中で配向方向
を微細に変えて複雑なパターンを得ることは不可能であ
り、電極を用いて電気的に得られるパターンも、その大
きさが電極の大きさに限定され、しかも電場を取り去れ
ばパターンは消滅する等、利用範囲が限定されていた。

本発明による直線偏光を用いた液晶材料の配向法は、既
存の配向技術による液晶材料の限定された利用範囲を拡
大するものである。すなわち、配向方向は照射する直線
偏光の偏光面によって決定でき、配向の程度は照射する
光の直線偏光性すなわちＰ波とＳ波の成分比を変える、
あるいは光の強度を変える等の手段で容易に調節でき
る。加えて、異なった偏光面を持つ直線偏光を再照射す
ることが再配向が可能である。光を用いるために非常に
高い空間制御性をもって、光の集光サイズにほぼ等しい
微細さで配向方向のそろったドメインを材料中に作り出
すことができ、複雑なパターンを容易に得ることができ
る。また直線偏光照射で得られた液晶の配向は、光照射
を止めても維持される。

（実施例）次に実施例により本発明をさらに詳細に説明する。

「実施例１」常法によりアミノプロピルトリエトキシシランで表面処
理した20mm×20mm×1mmのガラス板を、構造式Ｉに示す４−メトキシ−４′−アクリロイルオキシアゾベ
ンゼンの1.0％クロロホルム溶液に10分間浸せきした
後、溶液よりひきあげて風乾した。これを100℃で１時
間オーブン中で加熱し、マイケル付加反応によってアゾ
ベンゼンを固定化した。このガラス板をクロロホルムで
くりかえし超音波洗浄した（基板Ａ）。常法によってオ
クタデシルトリクロロシランで処理した20mm×20mm×1m
mのガラス板と基板Ａによって、８μｍのスペーサを介
してシクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル系混合
液晶（Ｋ−17℃−Ｎ−73℃−Ｉ）をはさみ、エポキシ樹
脂で封じてサンドイッチ型セルを構成した。

光照射前のセルはホメオトロピック配向であり、２枚の
直交偏光子間に置くとき全く光を透過しない。このセル
に、365nmの光を偏光プリズムを通して直線偏光とした
後基板Ａの側から入射すると、基板表面のアゾベンゼン
の光異性化に伴って液晶はホモジニアス配向に変わっ
た。この時、照射光の偏光面とセルとの交換をＬ_θとす
る。偏光照射を止めセルを２枚の直交する偏光子間で回
転すると、Ｌ_θが一方の偏光子となす角度をθ（ラジア
ン単位）として、θ＝｛（2n＋１）/4｝πで明るく、θ
＝（n/2）πで暗くなった（ｎは整数）。

ホモジニアス配向したセルは、偏光面をαラジアン回転
した365nmの直線偏光を一定時間照射した後では、透過
光の極大・極小値を与える角度は先のθに対してαラジ
アン回転した角度になった。すなわち液晶のホモジニア
ス配向の配向軸はαラジアン回転した。直線偏光の偏光
面の回転による液晶の再配向は、任意のαに対して、何
回も繰り返し行なうことができた。

「実施例２」実施例１に示した方法で基板Ａを得た。構造式II に示すアントラキノン系二色性色素を1.0重量％含有す
るシクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル系混合液
晶（Ｋ−17℃−Ｎ−73℃−Ｉ）を、８μｍのスペーサを
介して２枚の基板Ａにはさみ、エポキシ樹脂で封じてサ
ンドイッチ型セルを構成した。

光照射前のセルはホメオトロピック配向であった。365n
mの光を偏光プリズムを通して直線偏光とした後、セル
に入射すると、基板表面のアゾベンゼンの光異性化に伴
って液晶はホモジニアス配向になった。照射光の偏光面
とセルとの交線をＬ_θとする。二色性色素の吸収波長に
おいて、一枚の偏光子を介してセルを透過する光は、Ｌ
_θが偏光子となす角度をθ（ラジアン単位）として、θ
＝ｎπで明るく、θ＝｛ｎ＋（1/2）｝πで暗くなった
（ｎは整数）。

ホモジニアス配向したセルに、偏光面をαラジアン回転
した365nmの直線偏光を一定時間照射した後では、透過
光の極大・極小値を与える角度は先のθに対してαラジ
アン回転した角度になった。すなわち液晶のホモジニア
ス配向の配向軸はαラジアン回転した。直線偏光の偏光
面の回転による液晶の再配向は、任意のαに対して、何
回も繰り返し行なうことができた。

「実施例３」構造式III に示すカルボン酸残基を有するアゾベンゼン誘導体（10
0mg）、アミノプロピルトリエトキシシラン（61mg）を5
mlの脱水塩化メチレンに溶解し０℃に冷却した。１、３
−ジシクロヘキシルカルボジイミド（57mg）を加え１時
間撹拌した後、室温でさらに５時間撹拌した。副産物の
カルボウレアを濾別した後、エタノール20mlを加えた。
この溶液は、洗浄したガラス板を30分浸せき、風乾した
後120℃で１時間加熱した。クロロホルムで繰り返し超
音波洗浄した後乾燥し、８μｍのスペーサを介してシク
ロヘキサンカルボン酸フェニルエステル系混合液晶（Ｋ
−17℃−Ｎ−73℃−Ｉ）をはさみ、エポキシ樹脂で封じ
てサンドイッチ型セルを構成した。

光照射前のセルはホメオトロピック配向であって、２枚
の直交偏光子間に置くとき全く光を透過しなかった。36
5nmの光を偏光プリズムを通して直線偏光としセルへ入
射すると、基板表面のアゾベンゼンの光異性化に伴って
液晶はホモジニアス配向した。偏光照射を遮断し、セル
を２枚の直交する偏光子間で回転すると、（π/4）ラジ
アンごとに明暗が交互にあらわれた。

このセルに、365nmの直線偏光を偏光面をαラジアン回
転して一定時間照射すると、照射を遮断した後、透過光
の極大・極小値を与える角度は先のθに対してαラジア
ン回転した角度になった。すなわち液晶のホモジニアス
配向軸がαラジアン回転した。直線偏光の偏光面の回転
による液晶の再配向は、任意のαに対して、何回も繰り
返し行なうことができた。

【図面の簡単な説明】

図は、本発明の配向法が適用できる液晶材料の基本的な
構造を示す断面図である。図中、符号１は透明基板、２
は直線偏光により配向する化学物質より構成される分子
層、３は液晶層、４は散逸や破損を防ぐための基板であ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明基板とその上に積層された液晶層とを
有する液晶材料に対し、基板と液晶層との間にホトクロ
ミック化合物層を設けるとともに、透明基板を通して実
質上すべての液晶分子が所定方向に配向するのに十分な
時間直線偏光照射を行うことを特徴とする液晶材料の配
向方法。
【請求項２】液晶層が二色性色素を含有する液晶材料で
ある請求項１記載の配向方法。