JP4236898B2

JP4236898B2 - Polarizing element and manufacturing method thereof

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Publication number: JP4236898B2
Application number: JP2002297414A
Authority: JP
Inventors: 谷雅規梅
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2022-10-10
Also published as: JP2004133179A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
液晶表示装置に使用される偏光素子に関し、特に、面積分割型の液晶表示装置に使用される偏光素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
半透過型液晶表示装置は、消費電力が少ない事や、外光がない場合はバックライトを利用した透過表示が可能であるため、あらゆる環境において使用できるといった特徴を有し、携帯機器等のディスプレイとして広く使用されようとしている。
【０００３】
このような半透過型液晶表示装置として、半透過反射板、例えばハーフミラーを備えたものが開発されている。このようなハーフミラーは、真空蒸着法等で製造した光半透過性の金属薄膜を反射面全面に配置する方法（以下において「金属薄膜法」という。）と、金属電極として配置した反射部分と透過電極として配置した透明部分とを交互に設け、両者の面積率に応じて反射と透過とをコントロールする方法（以下において「面積分割法」という。）とがある。
【０００４】
面積分割法においては、特開２００２−１２２８５９号公報に開示されているように、全反射金属をエッチングによりパターニングし、金属が残っている部分を反射部として使用し、金属を除去した開口部分を光透過用の透明部として使用する半透過反射膜が採用されている（特許文献１参照）。
【０００５】
さらに、近年、偏光反射層を備える反射型または半透過型の液晶表示装置が開発されてきている。かかる偏光反射層は、特定方向の円偏光のみを選択的に反射し、反射光と異なる偏光方向を有する光を透過するものである。このような偏光素子を半透過反射層として用いることにより、バックライトの光利用効率を高めることができるため、液晶表示装置への使用が期待されている。かかる偏光素子として、特開２０００−１７１７８９号公報や、特開２００１−４８４２号公報にはコレステリック液晶を用いたものが開示されている（特許文献２および特許文献３参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１２２８５９号公報
【特許文献２】
特開２０００−１７１７８９号公報
【特許文献３】
特開２００１−４８４２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、液晶表示装置が表示素子を２枚の支持基板間に配置する、いわゆるインセル構造の場合、すなわち、例えば、観察者側から順に、上面側偏光板／上面側ガラス基板／液晶／背面側ガラス基板／背面側偏光板／光源／反射板の構造を有する液晶表示装置において、上面側ガラス基板と背面側ガラス基板との間に表示素子が配置される構造の場合には、当該液晶表示装置は半透過反射板上に電極や液晶層を形成していくことのより製造されるため、上記のような面積分割型のパターニングされた半透過反射板では、開口部分と非開口部分との凹凸でセルギャップが異なり、当該半透過反射膜上にＩＴＯ電極層や配向層などの薄膜を成膜する際に凹凸の段差があるため良好な膜が得られず、断膜の原因になっていた。
【０００８】
特に、特開２０００−１７１７８９号公報等に開示されるような、コレステリック液晶からなる偏光素子を、面積分割型の表示装置に使用する場合にあっては、コレステリック層の厚みが従来の金属反射薄膜よりも厚いため、偏光素子をエッチング等によりパターニングすると、凹凸部の段差も大きくなり、配向膜等の成膜時に断膜し易くなると予想される。
【０００９】
一方、凹凸部の段差が大きい場合には、エッチングされた凹部に、例えばアクリル樹脂やエポキシ樹脂等の透明樹脂を設けることにより凹凸部をなくし、当該偏光素子を平坦化することも考えられる。
【００１０】
しかしながら、偏光素子のエッチングされた部分に透明樹脂を埋め込むと、反射部分と透明樹脂部分の屈折率が異なるため、界面での反射率が異なり、表示品位に悪影響を及ぼすことになる。特に、コレステリック液晶を反射層として用いる場合には、液晶セル内で界面反射率の異なる領域があると、かかる領域間で偏光状態に違いが生じ、表示品位が低下するという問題が生ずる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の問題を解決することに向けられたものであり、より詳細には、面積分割型表示装置の半透過反射板として使用される偏光素子であって、凹凸のない実質的に均一な平面有し、かつ、光透過部分と光反射部分との屈折率が実質的に同一な偏光素子を提供することにある。
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明の偏光素子は、パターニングにより反射部と透過部とが形成され、前記反射部が、所定の円偏光成分の光のみを反射する偏光素子であって、前記反射部と前記透明部とが、同一材料で形成されていることにより、両者屈折率が実質的に同一であり、さらに前記反射部と前記透明部とから形成される前記偏光素子の表面が平坦で実質的に凹凸がないことを特徴とする。このように、同一材料で反射部と透明部を形成することにより、両者の屈折率が同じになるため、光が当該反射部または反射部を通過した場合でも、偏光状態が変化することがない。また、反射部と透明部との厚みが同じにすることにより、パターニングしても偏光素子の凹凸部分がなく、その後の成膜工程での断膜等を避けることができる。
【００１３】
本発明の態様として、前記材料が、液晶材料であり、前記反射部が、液晶を発現させた規則的液晶配列を有する液晶相からなる光学機能層であり、前記透過部が、液晶を発現させない等方相からなる透明層であることが好ましい。このように、液晶材料の液晶分子の配列秩序を制御することにより、同一材料で、反射部と透明部とを形成できる。
また、前記液晶材料が、コレステリック液晶材料を含んでなることが好ましい。液晶材料として、コレステリック液晶を含んでなる材料を用いることにより、所定の偏光方向を有する円偏光のみを反射することができる反射部を形成することができる。また、かかる液晶材料を所定の等方相転移温度以上で硬化させることにより、または、液晶相が発現した状態で一旦硬化させたものを高温焼成で形成することにより、単なる透明樹脂としての機能も発現させることができる。
【００１４】
さらに好ましくは、前記コレステリック液晶が、放射線硬化型液晶である。
【００１５】
このように、放射線硬化型のコレステリック材料を用いると、反射部と透過部とのパターニングを、フォトマスク等により簡易に形成することができる。
【００１６】
本発明の別の態様である偏光素子の製造方法は、基材上に液晶材料を塗布することにより液晶相を形成し、前記液晶相を液晶が発現する温度以上に保持してパターニングすることにより、液晶相の所定部分のみを硬化させて反射部を形成し、次に、前記液晶材料を等方相転移温度以上に保持することにより、未硬化である前記液晶相部分を等方相に転移させ、前記等方相部分の液晶材料を硬化させることにより透明部を形成する工程を含んでなることを特徴とするものである。このように、液晶発現温度で一旦、反射部を形成した後、等方相転移温度以上の温度で液晶材料を硬化させて透明部を形成することにより、同一材料で、反射部と透明部とを形成することができる。
【００１７】
また、本発明の別の態様として、基材上に液晶材料を塗布することにより液晶相を形成し、前記液晶相を等方相転移温度以上で保持することにより、等方相に移転させ等方相の前記液晶材料をパターニングすることにより、所定部分のみを硬化させて透明部を形成し、次に、前記液晶材料を液晶が発現する温度に保持することにより、未硬化である前記等方相部分を液晶相に転移させ、前記液晶相部分の液晶材料を硬化させることにより反射部を形成する工程を含んでなることを特徴とするものである。このように、上記の方法とは逆に、透明部を形成した後、反射部を形成することもできる。
【００１８】
上記の製造方法においては、前記液晶層の硬化を、フォトマスクを介して、電離放射線露光により行うことが好ましい。このように、フォトマスクを介した光硬化により、簡単に、反射部と透明部とを形成することができる。
【００１９】
さらに別の態様として、基材上に液晶材料を塗布することにより液晶相を形成し、前記液晶相を液晶が発現する温度以上に保持して、前記液晶相の全面を一旦硬化させて反射部を形成し、次に、パターニングにより、前記反射部の所定部分を、加熱処理して前記反射部の所定部分のみを等方相に変換することにより透明部を形成することを特徴とするものである。上記に説明したように、一旦反射部を形成した後に、当該反射部の所定部分を高温焼成することによっても、反射部と透明部とを任意の面積比率で形成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の偏光素子およびその製造方法について、図を参照しながらさらに詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態である偏光素子の概略断面図を示したものである。また、図２は、図１に示した偏光素子の一主面を示したものである。本発明の偏光素子は、透明な基材上にコレステリックな分子配列を有する液晶相が硬化した層（以下、コレステリック層という。）と、その液晶相が等方相に転移した状態で硬化した層（以下、等方層という）とが格子状にパターニングされた状態で、形成されている。これらのコレステリック層と等方層とは、同一の材料から形成されたものであるため、実質的に両者の屈折率は等しい。コレステリック層を通過する光は、右円偏光（または左円偏光）のみ透過し、左円偏光（または右円偏光）は反射する。
【００２２】
このような偏光素子をインセル型の半透過液晶表示装置に組み込んだ場合の一例を図３に示す。当該液晶表示装置は、観察者側から順に、前面側円偏光板、前面側ガラス基板、カラーフィルター層、前面側電極、液晶層、背面側電極、偏光素子、背面側ガラス基板、背面側円偏光板、バックライト光源、拡散反射板で構成されている。
【００２３】
上面側円偏光板は、直線偏光板と、固定リターダ層であるλ／４位相差板が組み合わされて構成され、自然光を右回りの円偏光に変換する。
【００２４】
透明電極はＩＴＯ層で構成され、当該ＩＴＯ層背面には液晶層が設けられている。さらにＩＴＯの液晶層側には配向膜が設けられている（図示せず）。
【００２５】
本発明の偏光素子は、コレステリック層が形成されている部分と、形成されていない部分（透明部）とが前記背面側ガラス基板上に交互に配置されている。当該偏光素子上にはＩＴＯ電極層が配置されている。さらにＩＴＯ電極層の上面には配向膜が設けられている（図示せず）。なお、当該偏光素子内部にはＴＦＴやＴＦＤなど、液晶を駆動するための素子等が設けられている（図示せず）。このような構成においては、ＴＦＴやＴＦＤは、コレステリック液晶材料からなる偏光素子により絶縁が行われているので、あらためてその周囲に絶縁層を設けなくてもよい。また、背面側ガラス基板には偏光素子に接するように導電層が設けられ、これからＴＦＴやＴＦＤへの電気の供給、ＩＴＯ層等への導通などが行われる（図示せず）。
背面側ガラス基板のさらに背面には、背面側円偏光板が配置されており、当該背面側円偏光板は、直線偏光板と、固定リターダ層であるλ／４位相差板が組み合わされた構成であり、自然光を左回りの円偏光に変換する。なお、図３に示した液晶表示体は一例であり、構成部材の組み合わせや、構成順序はこれに限られるものではない。
【００２６】
本発明の偏光素子では、コレステリック液晶相からなる反射部と、等方相からなる透明部とが、同一材料で形成されている。また、当該反射部と透明部とは、後述するように、コレステリック液晶材料の硬化温度を変えることにより、液晶分子の配列構造が異なる状態で固化させて形成したものであるため、両者の屈折率は実質的に同一である。このように、反射部と透明部との屈折率を同一にした偏光素子を用いることにより、光が当該反射部または反射部を通過した場合でも、偏光状態が変化することがない。すなわち、透過部を有する反射板として機能する本発明の偏光素子を、面積分割型の液晶表示装置で使用する場合、バックライトから出射された光は位相差版や直線偏光板を通過し偏光されて、当該偏光素子の透明部を通過する。この偏光素子に入射する光は、当該偏光素子の一主面に対して垂直方向（入射角が０°）だけでなく、ある程度の入射角をもって入射するものもある。図４に示すように、入射光が当該偏光素子にある入射角をもって入射した場合、透明部と反射部との屈折率が異なると、その界面で入射光が反射されて光の位相が反転し偏光状態が変化することになる。この位相が反転した偏光がコントラスト等の表示特性を著しく悪化させる。本発明の偏光素子では、反射部と透明部との屈折率とを同じにすることにより、上記の問題を解決したものである。
【００２７】
また、液晶セルに上記偏光素子を組み込む場合、セル製造工程において、例えば２００℃以上の高温加熱される場合がある。反射部と透明部が実質的に同材料であれば、熱膨張の性質が同一となるため、熱履歴に関して、膜剥がれや素子の歪み等の不具合を解決することができる。
【００２８】
ここで、実質的に同一とは、以下の内容を意味する。すなわち、液晶構造を発現させた液晶材料を高温焼成することにより、透明層に転移させた場合、その加熱により、ごく僅かではあるが、液晶材料中に含まれるカイラル剤が失活したり、また液晶分子の分解（変性）が起こる。したがって、厳密には当該液晶材料の分子組成が、加熱の前後で変化する。当該液晶材料で形成される反射部や透明部の屈折率は、液晶材料の分子構造や分子組成に起因して変化するため、加熱の前後では、かかる屈折率も厳密には変化する。本願明細書で使用する「実質的に同一」なる用語は、かかる微小な屈折率の変化をも含めて、両者の屈折率が同一であることを意味するものである。
【００２９】
また、本発明の偏光素子は、光が反射する部分（反射部）と光が透過する部分（透明部）とが、所定のパターンとなるように形成されており、当該反射部と透明部とからなる偏光素子表面が平坦で実質的に凹凸がない。ここで、実質的に凹凸がないとは、以下の内容を意味する。すなわち、上記で説明したように、液晶材料を液晶相から等方相（透明部）に転移させる際に加熱するので、その際に、ごく微量ではあるが、液晶材料を構成する分子の熱分解や気化が起こる。そのため、加熱した部分と加熱しない部分とでは、僅かに体積が異なり、加熱した部分の膜厚が僅かに薄くなる。本願明細書で使用する「実質的に凹凸がない」なる語は、かかる僅かな凹凸も含めて、透明部と反射部とからなる偏光素子表面が平坦で凹凸がないことを意味するものである。
【００３０】
従来の金属反射薄膜よりも、コレステリック液晶材料からなる偏光素子では、膜厚が厚いため、従来のようにパターニングして光透過部を形成すると、エッチングされて液晶層が除去された部分と、除去されない部分の段差が大きくなるため、ＩＴＯ電極層や配向膜を当該偏光素子上に直接設けることができない。そのため、凸部である反射部と、凹部である光透過部とで別々にＩＴＯ電極層等を形成する必要がある。本発明の偏光素子では、反射部と透明部（光透過部）との厚みが同じになるように形成されているため、直接、ＩＴＯ電極層等をその上に設けることができ、また、凹凸の段差がないため、形成したＩＴＯ電極等が断膜することもない。
【００３１】
上記のような構成を有する液晶表示装置において、本発明の偏光素子の光学的作用は、外光からの光を、当該偏光素子の反射部で、所定の円偏光に変換して液晶層側に反射し、一方、透明部でバックライトからの光を透過させて液晶層に入射させることにより、透過型の表示と反射型の表示を行えるようにするものである。すなわち、本発明の偏光素子では反射部と透明部とを交互に配置することにより、半透過型液晶表示装置を構成することができる。また、反射部と透明部との面積比を変化させることにより、もしくは、当該偏光素子の膜厚を変化させることにより、任意の透過率（反射率）を備えた半透過型液晶表示装置を提供することができる。
【００３２】
次に、このような本発明の偏光素子を構成する各要素について説明する。
【００３３】
＜液晶材料＞
本発明の偏光素子は、液晶材料が所定の液晶規則性を有して硬化された反射部と液晶規則性を有さない等方層とから形成されている。このような液晶材料としては、ネマチック液晶やコレステリック液晶を用いることができ、特に、コレステリック液晶が好適に用いられる。かかる材料としては、これらのみで液晶相を形成した場合に、ネマチック規則性、スメクチック規則性、またはコレステリック規則性を有する液晶相を形成し得る重合性液晶材料であれば特に限定されるものではないが、分子の両末端に重合性官能基があることが、耐熱性のよい光学素子を得る上で好ましい。
【００３４】
このような重合性液晶材料の一例としては、例えば下記の一般式（１）で表わされる化合物（Ｉ）や下記に示す化合物を挙げることができる。化合物（Ｉ）としては、一般式（１）に包含される化合物の２種を混合して使用することも可能である。
【００３５】
重合性液晶材料としては、一般式（１）に包含される化合物や下記の化合物の２種以上を混合して使用することもできる。
【００３６】
【化１】

【化２】

化合物（Ｉ）を表わす一般式（１）において、Ｒ¹及びＲ²はそれぞれ水素又はメチル基を示すが、液晶相を示す温度範囲の広さからＲ¹及びＲ²は共に水素であることが好ましい。Ｘは水素、塩素、臭素、ヨウ素、炭素数１〜４のアルキル基、メトキシ基、シアノ基、ニトロ基のいずれであっても差し支えないが、塩素又はメチル基であることが好ましい。また、化合物（Ｉ）の分子鎖両端の（メタ）アクリロイロキシ基と、芳香環とのスペーサーであるアルキレン基の鎖長を示すａ及びｂは、それぞれ個別に２〜１２の範囲で任意の整数を取り得るが、４〜１０の範囲であることが好ましく、６〜９の範囲であることがさらに好ましい。ａ＝ｂ＝０である一般式（１）の化合物は、安定性に乏しく、加水分解を受けやすい上に、化合物自体の結晶性が高い。また、ａ及びｂがそれぞれ１３以上である一般式（１）の化合物は、アイソトロピック転移温度（ＴＩ）が低い。この理由から、これらの化合物はどちらも液晶性を示す温度範囲が狭く好ましくない。
【００３７】
上述した例では、重合性液晶モノマーの例を挙げたが、本発明においては、重合性液晶オリゴマーや重合性液晶高分子等を用いることも可能である。このような重合性液晶オリゴマーや重合性液晶高分子としては、従来提案されているものを適宜選択して用いることが可能である。
【００３８】
本発明においては、また、ネマチック液晶にカイラル剤を加えた、コレステリック規則性を有するカイラルネマチック液晶を、好適に使用することもできる。カイラル剤としては、光学活性な部位を有する低分子化合物であり、分子量１５００以下の化合物を意味する。カイラル剤は主として化合物（Ｉ）が発現する正の一軸ネマチック規則性に螺旋ピッチを誘起させる目的で用いられる。この目的が達成される限り、化合物（Ｉ）や上記の化合物と、溶液状態あるいは溶融状態において相溶し、上記ネマチック規則性をとりうる重合性液晶材料の液晶性を損なうことなく、これに所望の螺旋ピッチを誘起できるものであれば、下記に示すカイラル剤としての低分子化合物の種類は特に限定されないが、分子の両末端に重合性官能基があることが耐熱性のよい光学素子を得る上で好ましい。液晶に螺旋ピッチを誘起させるために使用するカイラル剤は、少なくとも分子中に何らかのキラリティーを有していることが必須である。従って、本発明で使用可能なカイラル剤としては、例えば１つあるいは２つ以上の不斉炭素を有する化合物、キラルなアミン、キラルなスルフォキシド等のようにヘテロ原子上に不斉点がある化合物、あるいはクムレン、ビナフトール等の軸不斉を持つ化合物が例示できる。さらに具体的には、市販のカイラルネマチック液晶、例えば、Merck社製Ｓ−８１１等が挙げられる。
【００３９】
しかし、選択したカイラル剤の性質によっては、化合物（Ｉ）が形成するネマチック規則性の破壊、配向性の低下、あるいは該化合物が非重合性の場合には、液晶性組成物の硬化性の低下、硬化フィルムの信頼性の低下を招くおそれがある。さらに、光学活性な部位を有するカイラル剤の多量使用は、組成物のコストアップを招く。従って、短ピッチのコレステリック規則性を有する円偏光制御光学素子を製造する場合には、本発明の液晶性組成物に含有させる光学活性な部位を有するカイラル剤には、螺旋ピッチを誘発する効果の大きなカイラル剤を選択することが好ましく、具体的には一般式（２）、（３）または（４）で表されるような分子内に軸不斉を有する低分子化合物（ＩＩ）の使用が好ましい。
【００４０】
【化３】

【化４】

【化５】

カイラル剤（ＩＩ）を表わす一般式（２）、（３）又は（４）において、Ｒ⁴は水素又はメチル基を示す。Ｙは上記に示す式（ｉ）〜（ｘｘｉｖ）の任意の一つであるが、なかでも、式（ｉ），（ｉｉ），（ｉｉｉ），（ｖ）及び（ｖｉｉ）の何れか一つであることが好ましい。また、アルキレン基の鎖長を示すｃ及びｄは、それぞれ個別に２〜１２の範囲で任意の整数をとり得るが、４〜１０の範囲であることが好ましく、６〜９の範囲であることがさらに好ましい。ｃ又はｄの値が０又は１である一般式（２）又は（３）の化合物は、安定性に欠け、加水分解を受けやすく、結晶性も高い。一方、ｃ又はｄの値が１３以上である化合物は融点（Ｔｍ）が低い。これらの化合物は液晶性を示す化合物（Ｉ）と、もしくは化合物（Ｉ）との相溶性が低下し、濃度によっては相分離等が起きるおそれがある。
【００４１】
本発明の重合性液晶材料に配合されるカイラル剤の量は、螺旋ピッチ誘起能力や最終的に得られる円偏光制御光学素子のコレステリック性を考慮して最適値が決められる。具体的には、用いる重合性液晶材料により大きく異なるものではあるが、重合性液晶材料の合計量１００重量部当り、０．０１〜６０重量部、好ましくは０．１〜４０重量部、さらに好ましくは０．５〜３０重量部、最も好ましくは１〜２０重量部の範囲で選ばれる。この配合量が上記範囲よりも少ない場合は、重合性液晶材料に充分なコレステリック性を付与できない場合があり、上記範囲を越える場合は、分子の配向が阻害され、活性放射線によって硬化させる際に悪影響を及ぼす危惧がある。
【００４２】
本発明においては、このようなカイラル剤としては、特に重合性を有することが必須ではない。しかしながら、得られる光学機能層の熱安定性等を考慮すると、上述した重合性液晶材料と重合し、コレステリック規則性を固定化することが可能な重合性のカイラル剤を用いることが好ましい。特に、分子の両末端に重合性官能基があることが、耐熱性のよい光学素子を得る上で好ましい。
【００４３】
＜基材＞
上記のように、本発明の偏光素子は、配向能を有する基材上に液晶材料を塗布して、硬化させることにより、透明部と反射部とを形成することが好ましい。このような配向能を有する基材としては、基材そのものが配向能を有するものである場合と、透明基板上に配向膜が形成されて配向能を有する基材として機能するものとを挙げることができる。
【００４４】
基材そのものが配向能を有するものとして、基材が延伸フィルムである場合を挙げることができる。このように延伸フィルムを用いることにより、その延伸方向に沿って液晶材料を配向させることが可能である。したがって、基材の調製は、単に延伸フィルムを準備することにより行うことができるため、工程上極めて簡便であるという利点を有する。このような延伸フィルムとしては、市販の延伸フィルムを用いることも可能であり、また必要に応じて種々の材料の延伸フィルムを形成することも可能である。
【００４５】
具体的には、ポリカーボネート系高分子、ポリアリレートやポリエチレンテレフタレートの如きポリエステル系高分子、ポリイミド系高分子、ポリスルホン系高分子、ポリエーテルスルホン系高分子、ポリスチレン系高分子、ポリエチレンやポリプロピレンの如きポリオレフィン系高分子、ポリビニルアルコール系高分子、酢酸セルロース系高分子、ポリ塩化ビニル系高分子、ポリメチルメタクリレート系高分子等の熱可塑性ポリマーなどからなるフィルムや、液晶ポリマーからなるフィルムなどを挙げることができる。
【００４６】
本発明においては、中でもポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムが、延伸倍率のレンジ幅が広い点、さらには入手のしやすさ等の観点から好ましく用いられる。
【００４７】
本発明に用いられる延伸フィルムの延伸率としては、配向能が発揮し得る程度の延伸率であれば特に限定されるものはない。したがって、２軸延伸フィルムであっても２軸間で延伸率が異なるものであれば用いることが可能である。
【００４８】
この延伸率は、用いる材料により大きく異なるものであり、特に限定されるものではないが、一般的には１５０％〜３００％程度のものを用いることが可能であり、好ましくは２００％〜２５０％のものが用いられる。
【００４９】
また、透明基板上に配向膜が形成されて配向能を有する基材では、配向膜を選択することにより、比較的広範囲の配向方向を選択することが可能であるという利点を有する。透明基板上に塗布する配向膜形成用塗工液の種類を選択することにより、種々の配向方向を実現することが可能であり、かつより効果的な配向を行うことができる。このような配向膜としては、通常、液晶表示装置等において用いられる配向膜を好適に用いることが可能であり、一般的には、基材フィルムに配向膜を積層させるか、または基材フィルムもしくはこれに積層された配向膜をラビングすることにより、基材フィルムに配向能を付与することができる。配向膜としては、ポリイミド、ポリアミド、ポリビニルアルコール等が通常使用される。また、ラビング処理は、レーヨン、綿、ポリアミド、ポリメチルメタクリレート等の材料から選択されるラビング布を金属ロールに巻きつけ、これをフィルムに接した状態で回転させるか、ロールを固定したまま基材フィルムを搬送することにより、フィルム面をラビングで摩擦する方法が通常用いられる。また、光配向膜を用いることも可能である。
【００５０】
なお、透明基材としては、透明材料により形成されたものであれば特に限定されるものではなく、例えば石英ガラス、パイレックス（登録商標）ガラス、合成石英板等の可撓性のない透明なリジット材、あるいは透明樹脂フィルム、光学用樹脂板等の可撓性を有する透明なフレキシブル材を用いることができる。
【００５１】
＜偏光素子の製造方法＞
図５は、本発明の偏光素子の製造工程を示した概略図である。まず、図５（１）に示すように、基材上に放射線硬化型液晶材料を塗布する。塗布法としては、公知の技術を用いることができる。具体的には、ロールコート法、グラビアコート法、スライドコート法、浸漬法等により、基板上の液晶材料を塗布することができる。なお、基材と液晶材料との密着性を上げるため、特開平８−２７８４９１号公報に記載されているように、基材上に接着層を設けてから、当該接着剤層上に液晶材料を塗布してもよい。
【００５２】
次に、放射線硬化型液晶材料を液晶構造が発現する所定の温度に保持し（以下、このような硬化前の液晶構造の状態を液晶相という）、その状態で、フォトマスクを使用して、液晶材料に電離放射線を露光して硬化させることにより、任意の位置に液晶発現層（反射部）を形成する（図５（２）および図５（３）を参照）。当該液晶層以外の部分、すなわち、フォトマスクにより、電離放射線が露光されなかった部分については、液晶材料が固化していない状態（液晶相）である。
【００５３】
液晶相を硬化させる方法としては、三次元架橋方法を用いる場合は、例えば、液晶分子に光重合開始剤を添加して紫外線照射によって硬化させる。また、直接電子線を照射して硬化させる方法を用いることもできる。このようにして液晶分子を三次元架橋して硬化させ位相差板を得ることができる。なお、配向した液晶を形成するに際して、重合性モノマー分子もしくは重合性オリゴマー分子、または液晶ポリマーを溶剤に溶解してコーティング液とし、基材上に塗布するようにしてもよい。その場合には三次元架橋を行うか、または冷却前に乾燥を行う必要がある。
【００５４】
光重合開始剤としては、ベンジル（ビベンゾイルとも言う）、ベンゾインイソブチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル、ベンゾフェノン、ベンゾイル安息香酸、ベンゾイル安息香酸メチル、４−ベンゾイル−４’−メチルジフェニルサルファイド、ベンジルメチルケタール、ジメチルアミノメチルベンゾエート、２−ｎ−ブトキシエチル−４−ジメチルアミノベンゾエート、ｐ−ジメチルアミノ安息香酸イソアミル、３，３’−ジメチル−４−メトキシベンゾフェノン、メチロベンゾイルフォーメート、２−メチル−１−（４−（メチルチオ）フェニル）−２−モルフォリノプロパン−１−オン、２−ベンジル−２−ジメチルアミノ−１−（４−モルフォリノフェニル）−ブタン−１−オン、１−（４−ドデシルフェニル）−２ヒドロキシ−２−メチルプロパン−１−オン、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、２−ヒドロキシ−２−メチル−１フェニルプロパン−１−オン、１−（４−イソプロピルフェニル）−２−ヒドロキシ−２−メチルプロパン−１−オン、２−クロロチオキサントン、２，４−ジエチルチオキサントン、２，４−ジイソプロピルチオキサントン、２，４−ジメチルチオキサントン、イソプロピルチオキサントン、１−クロロ−４−プロポキシチオキサントン等が挙げることができる。なお、光重合開始剤の他に増感剤を、本発名の目的が損なわれない範囲で添加することもできる。
【００５５】
このような光重合開始剤の添加量としては、一般的には０．０１〜２０質量％、好ましくは０．１〜１０質量％、より好ましくは、０．５〜５質量％の範囲で重合性液晶材に添加することができる。
【００５６】
また、上記の液晶材料は、位相差板として機能するためには屈折率異方性を有するように形成される必要がある。この屈折率異方性は、用いる液晶材料や基材表面の配向能により異なるものではあるが、一般的には、配向方向に平行な面において、配向方向に直角なＸ軸と配向方向に平行なＹ軸を仮定した場合に、Ｘ軸方向の屈折率ｎ_ＸとＹ軸方向の屈折率ｎ_Ｙとの差Δｎ、すなわち、
Δｎ＝｜ｎ_Ｘ−ｎ_Ｙ｜
が、０．０１以上、好ましくは０．０５以上であることが好ましい。この程度の屈折率異方性を有する位相差板でなければ、実用上位相差板の厚み等において問題が生じる可能性があるからである。
【００５７】
次に、図５（４）に示すように、フォトマスク露光により部分的に硬化した放射線硬化型液晶材料を、当該液晶材料にのうち、硬化していない部分（液晶相）が、等方相に転移する温度（以下、等方相転移温度という）以上に加熱する。等方相転移温度以上では、硬化していない液晶材料部分は、等方相に転移し液晶配向がなくなるが、一方、前工程の電離放射線照射により硬化した液晶層部分は、当該等方相転移温度以上に加熱しても、液晶秩序配列が乱れることはない。
【００５８】
さらに、図５（５）に示すように、等方相状態になった液晶材料部分（等方相部分）を、上記と同様にして電離放射線露光により硬化させる（以下、等方相が露光により硬化した部分を等方層という）。このようにして、基材上に塗布した液晶材料の全部分を硬化させることにより、反射部、すなわち、液晶構造の発現した部分と、等方層である透明部とを任意の面積比で有する、本発明の偏光素子を得ることができる。
【００５９】
また、本発明の偏光素子の製造方法では、まず等方相転移温度以上の温度で、パターニングして透明部を形成し、その後、液晶が発現する温度に冷却して未硬化の等方相部分を液晶相に転移させ、その液晶相部分を硬化させることによって反射部を形成することもできる。
【００６０】
さらに、液晶材料としてコレステリック液晶を用いる場合には、上記に説明したように、液晶層（液晶相が硬化した状態のもの）を加熱焼成することにより、透明層に変換することができる。本発明の別の態様として、液晶相を硬化させて反射部を一旦形成した後に、当該反射部の所定部分を加熱し、かかる部分を透明層に変換することにより、任意の面積比率の反射部と透明部とを有する偏光素子を作成することもできる。なお、反射部の所定部分を加熱してパターニングする方法としては、所定のパターン形状を有する金型等を高温に加熱し、当該金型を、反射部に接触させる方法や、所定部分をレーザ照射により加熱する方法が用いられる。
【００６１】
このようにして得られた偏光素子は、反射部と透明部との分子の配列構造が異なるのみで、分子組成自体は実質的に同一であるため、両者の屈折率は実質的に同じである。したがって、反射部と透明部との界面反射を抑制できるため、表示特性を向上させることができる。
【００６２】
また、本発明の製造方法においては、液晶材料を基材上に均一に塗布して、液晶材料を硬化させて反射部と透明部とを形成するため、反射部と透明部との膜厚が同じである。したがって、エッチング等の従来の方法によりパターニングされた偏光素子のように凹凸が生じることもなく、段差によるＩＴＯ電極等の断膜も起こらない。
【００６３】
【実施例】
実施例１
一辺が１００ｍｍの矩形状ガラス基板上にポリイミド膜を０．０７μｍ厚で成膜し、ラビング処理を施した支持体を準備した。次に紫外線硬化型ネマチック液晶からなる主剤にカイラル剤を添加したモノマー混合液晶と光重合開始剤とを酢酸−３−メトキシブチルに溶解してコレステリック液晶溶液を調製した。
【００６４】
このコレステリック液晶溶液を支持体上に塗布し溶剤を除去後、７０℃で１分間保持し、コレステリック液晶相を発現させた。この状態で、コレステリック液晶相の全面に紫外線を照射して硬化させ、コレステリック層を形成した。
【００６５】
次に、一辺３０μｍで高さ２ｍｍの角柱が３０μｍ間隔でマトリックス状に配置された一辺１００μｍの金属製金型を３５０℃に加熱し、この角柱にコレステリック層が接触するように、コレステリック層上に金型を配置し１分間保持することにより金型と接触しているコレステリック液晶層を液晶相から等方相へと転移させた。このようにして、３０μｍ間隔で反射層（液晶相部分）と透明層とが交互にマトリックス状に面積分割された偏光素子１を得た。
【００６６】
実施例２
実施例１と同様の工程により、支持体上にコレステリック液晶溶液を塗布し、コレステリック液晶相を発現させた。塗布面上に、１辺３０μｍの千鳥格子状の開口部を有するフォトマスクを介して紫外線を照射し、露光された部分の液晶相を硬化させて反射部を形成した。次に、部分的に反射部が形成されたコレステリック液晶相を１２０℃で１分間保持し、未硬化部分である液晶相を等方相に転移させた。その後、基板全面に紫外線を照射することにより、等方相部分を硬化させて透明層を形成し、３０μｍ間隔で反射層（液晶相部分）と透明層（等方相部分）とが交互にマトリックス状に面積分割された偏光素子２を得た。
【００６７】
比較例１
実施例１と同様の工程により、支持体上にコレステリック液晶溶液を塗布し、コレステリック液晶相を発現させた。この状態で、コレステリック液晶相の全面に紫外線を照射して硬化させ、コレステリック層を形成した。
【００６８】
次に、得られた支持体／コレステリック層膜を、３０μｍ×３０μｍの大きさの穴を３０μｍ間隔で切削加工により形成することにより、反射層（液晶相部分）と光透過部（穴を空けた部分）とが交互にマトリックス状に面積分割された偏光素子３を得た。
【００６９】
＜偏光素子の評価＞
得られた偏光素子の表面に０．１μｍのポリイミド膜を形成し、ラビング処理を施した。偏光素子１および２については、断膜もなく、ラビング処理を均一にすることができた。一方、偏光素子３では、反射部と光透過部との境界部分で断膜が生じ、また、段差のためラビング処理が均一にできないため配向斑が発生した。
【００７０】
また、これらの偏光素子を液晶駆動部分と円偏光板とでセル組を行い、ＶＡモードの液晶表示装置とした。バックライトの替わりにゴニオフォトメータ（アペックス製）の光源を用い、入射光角度を変えて透過光強度を測定することにより、明表示時の光透過率と暗表示時の光透過率とを算出し、その比をコントラスト比とした。なお、入射光角度は、０°、５°、１０°で行った。
【００７１】
偏光素子３を組み込んだ液晶表示装置の入射角度０°の時のコントラスト比を１００％とした場合に、偏光素子３では、入射光角度が０°ではコントラスト比が１００％、角度５°で８５％、角度１０°で６５％であったのに対し、偏光素子１および２を用いたものでは、入射光角度が０°ではコントラスト比が１００％であり、角度５°で９０％、角度１０°で７５％であり、偏光素子１および２の光学特性が向上していることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である偏光素子の概略断面図を示したものである。
【図２】本発明の一実施形態である偏光素子の一主面図を示したものである。
【図３】本発明の偏光素子をインセル型の半透過液晶表示装置に組み込んだ場合の一例を示したものである。
【図４】従来の面積分割型半透過板の一例を示したものである。
【図５】本発明の偏光素子の製造方法の一例を示した工程概略図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a polarizing element used in a liquid crystal display device, and more particularly to a polarizing element used in an area division type liquid crystal display device.
[0002]
[Prior art]
The transflective liquid crystal display device has the feature that it can be used in any environment because it has low power consumption and can be transmissively displayed using a backlight when there is no external light. Is going to be widely used as.
[0003]
As such a transflective liquid crystal display device, a transflective reflector, for example, a device equipped with a half mirror has been developed. Such a half mirror has a method in which a light semi-transmissive metal thin film manufactured by a vacuum deposition method or the like is disposed on the entire reflecting surface (hereinafter referred to as “metal thin film method”), a reflective portion disposed as a metal electrode, There is a method (hereinafter referred to as “area division method”) in which transparent portions arranged as transmissive electrodes are alternately provided, and reflection and transmission are controlled in accordance with the area ratio of both.
[0004]
In the area division method, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-122859, a total reflection metal is patterned by etching, a portion where the metal remains is used as a reflection portion, and an opening portion from which the metal is removed is formed. A transflective film used as a transparent part for light transmission is employed (see Patent Document 1).
[0005]
Further, in recent years, a reflective or transflective liquid crystal display device including a polarizing reflection layer has been developed. Such a polarization reflection layer selectively reflects only circularly polarized light in a specific direction and transmits light having a polarization direction different from the reflected light. By using such a polarizing element as a transflective layer, the light use efficiency of the backlight can be increased, and therefore, it is expected to be used for a liquid crystal display device. As such polarizing elements, those using cholesteric liquid crystals are disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2000-171789 and 2001-4842 (see Patent Documents 2 and 3).
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2002-122859 A
[Patent Document 2]
JP 2000-171789 A
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-4842
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the liquid crystal display device has a so-called in-cell structure in which the display element is arranged between two support substrates, that is, for example, in order from the observer side, the upper surface side polarizing plate / the upper surface side glass substrate / the liquid crystal / the rear side glass. In a liquid crystal display device having a structure of a substrate / back side polarizing plate / light source / reflector, in the case of a structure in which a display element is disposed between the upper surface side glass substrate and the rear side glass substrate, the liquid crystal display device is Since it is manufactured by forming an electrode or a liquid crystal layer on a semi-transmissive reflector, the area-divided patterned semi-transmissive reflector as described above has unevenness between an opening portion and a non-open portion. The cell gap was different, and when forming a thin film such as an ITO electrode layer or an alignment layer on the transflective film, a satisfactory film could not be obtained, which caused the film to break.
[0008]
In particular, when a polarizing element made of cholesteric liquid crystal as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-171789 is used for an area division type display device, the thickness of the cholesteric layer is a conventional metal reflective thin film. Therefore, when the polarizing element is patterned by etching or the like, it is expected that the level difference of the concavo-convex portion will increase, and it will be easy to break the film when forming the alignment film or the like.
[0009]
On the other hand, when the uneven part has a large step, it may be possible to eliminate the uneven part by providing a transparent resin such as an acrylic resin or an epoxy resin in the etched recessed part, and to flatten the polarizing element.
[0010]
However, when a transparent resin is embedded in the etched portion of the polarizing element, the reflective portion and the transparent resin portion have different refractive indexes, so that the reflectance at the interface is different, which adversely affects display quality. In particular, when a cholesteric liquid crystal is used as a reflective layer, if there are regions having different interface reflectivities in the liquid crystal cell, a problem arises in that the polarization state is different between the regions and the display quality is lowered.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is directed to solving the above-described problem. More specifically, the present invention relates to a polarizing element used as a transflective plate of an area-dividing display device, which is substantially free from unevenness. An object of the present invention is to provide a polarizing element having a uniform plane and having substantially the same refractive index between the light transmitting portion and the light reflecting portion.
[0012]
In order to achieve the above object, the polarizing element of the present invention is a polarizing element in which a reflection part and a transmission part are formed by patterning, and the reflection part reflects only light of a predetermined circularly polarized light component, Since the reflection part and the transparent part are formed of the same material, both refractive indexes are substantially the same, and the surface of the polarizing element formed from the reflection part and the transparent part is It is flat and substantially free of irregularities. Thus, since the refractive index of both is made the same by forming the reflection part and the transparent part with the same material, even when light passes through the reflection part or the reflection part, the polarization state does not change. . Further, by making the reflective portion and the transparent portion have the same thickness, there is no uneven portion of the polarizing element even if patterning is performed, and it is possible to avoid film breakage or the like in the subsequent film forming step.
[0013]
As an aspect of the present invention, the material is a liquid crystal material, the reflective portion is an optical functional layer having a liquid crystal phase having a regular liquid crystal alignment in which liquid crystal is expressed, and the transmissive portion does not exhibit liquid crystal. A transparent layer composed of an isotropic phase is preferred. Thus, by controlling the arrangement order of the liquid crystal molecules of the liquid crystal material, the reflective portion and the transparent portion can be formed of the same material.
The liquid crystal material preferably includes a cholesteric liquid crystal material. By using a material containing cholesteric liquid crystal as the liquid crystal material, a reflective portion that can reflect only circularly polarized light having a predetermined polarization direction can be formed. In addition, by curing such a liquid crystal material at a predetermined isotropic phase transition temperature or higher, or by curing a liquid crystal phase that has been cured once at a high temperature, it can function as a simple transparent resin. Can be expressed.
[0014]
More preferably, the cholesteric liquid crystal is a radiation curable liquid crystal.
[0015]
As described above, when the radiation curable cholesteric material is used, patterning of the reflection portion and the transmission portion can be easily formed by a photomask or the like.
[0016]
According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a polarizing element, in which a liquid crystal phase is formed by applying a liquid crystal material on a substrate, and the liquid crystal phase is held at a temperature higher than or equal to a temperature at which the liquid crystal is expressed and patterned. Then, only a predetermined portion of the liquid crystal phase is cured to form a reflection portion, and then the liquid crystal phase portion that is uncured is transferred to the isotropic phase by maintaining the liquid crystal material at or above the isotropic phase transition temperature. And forming a transparent part by curing the liquid crystal material of the isotropic phase part. In this way, after forming the reflective portion once at the liquid crystal expression temperature, the liquid crystal material is cured at a temperature equal to or higher than the isotropic phase transition temperature to form the transparent portion. Can be formed.
[0017]
Further, as another aspect of the present invention, a liquid crystal phase is formed by applying a liquid crystal material on a substrate, and the liquid crystal phase is transferred to an isotropic phase by maintaining the liquid crystal phase at an isotropic phase transition temperature or higher. By patterning the liquid crystal material in the phase, only a predetermined portion is cured to form a transparent portion, and then the liquid crystal material is kept at a temperature at which the liquid crystal develops, thereby being uncured. The phase portion is transferred to a liquid crystal phase, and the liquid crystal material of the liquid crystal phase portion is cured to form a reflective portion. Thus, contrary to the above method, after forming the transparent part, the reflecting part can also be formed.
[0018]
In the above manufacturing method, the liquid crystal layer is preferably cured by ionizing radiation exposure through a photomask. Thus, the reflection part and the transparent part can be easily formed by photocuring through the photomask.
[0019]
As yet another embodiment, a liquid crystal phase is formed by applying a liquid crystal material on a substrate, the liquid crystal phase is maintained at a temperature higher than the temperature at which the liquid crystal develops, and the entire surface of the liquid crystal phase is temporarily cured to be a reflective portion. Next, by patterning, a predetermined portion of the reflecting portion is heat-treated to convert only the predetermined portion of the reflecting portion into an isotropic phase, thereby forming a transparent portion. is there. As described above, the reflective portion and the transparent portion can be formed at an arbitrary area ratio by once forming the reflective portion and then baking the predetermined portion of the reflective portion at a high temperature.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The polarizing element and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
[0021]
FIG. 1 is a schematic sectional view of a polarizing element according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 shows one main surface of the polarizing element shown in FIG. The polarizing element of the present invention includes a layer in which a liquid crystal phase having a cholesteric molecular arrangement is cured on a transparent substrate (hereinafter referred to as a cholesteric layer), and a layer cured in a state in which the liquid crystal phase is transferred to an isotropic phase. (Hereinafter referred to as an isotropic layer) is patterned in a lattice pattern. Since the cholesteric layer and the isotropic layer are formed of the same material, the refractive indexes of both are substantially the same. The light passing through the cholesteric layer transmits only the right circularly polarized light (or left circularly polarized light) and reflects the left circularly polarized light (or right circularly polarized light).
[0022]
An example in which such a polarizing element is incorporated in an in-cell type transflective liquid crystal display device is shown in FIG. The liquid crystal display device includes, in order from the observer side, a front-side circularly polarizing plate, a front-side glass substrate, a color filter layer, a front-side electrode, a liquid crystal layer, a back-side electrode, a polarizing element, a back-side glass substrate, and a back-side circularly polarized light. It consists of a plate, a backlight source, and a diffuse reflector.
[0023]
The upper surface side circularly polarizing plate is configured by combining a linearly polarizing plate and a λ / 4 retardation plate which is a fixed retarder layer, and converts natural light into clockwise circularly polarized light.
[0024]
The transparent electrode is composed of an ITO layer, and a liquid crystal layer is provided on the back side of the ITO layer. Further, an alignment film is provided on the liquid crystal layer side of ITO (not shown).
[0025]
In the polarizing element of the present invention, the portion where the cholesteric layer is formed and the portion where the cholesteric layer is not formed (transparent portion) are alternately arranged on the back side glass substrate. An ITO electrode layer is disposed on the polarizing element. Furthermore, an alignment film is provided on the upper surface of the ITO electrode layer (not shown). Note that an element for driving a liquid crystal, such as a TFT or a TFD, is provided inside the polarizing element (not shown). In such a configuration, the TFT and TFD are insulated by a polarizing element made of a cholesteric liquid crystal material, so that an insulating layer may not be provided around the TFT or TFD. In addition, a conductive layer is provided on the back glass substrate so as to be in contact with the polarizing element, and from this, electricity is supplied to the TFT and TFD, conduction to the ITO layer, etc. is performed (not shown).
A back side circularly polarizing plate is disposed on the back side of the back side glass substrate, and the back side circularly polarizing plate is configured by combining a linearly polarizing plate and a λ / 4 retardation plate which is a fixed retarder layer. It converts natural light into counterclockwise circularly polarized light. In addition, the liquid crystal display body shown in FIG. 3 is an example, and the combination of the structural members and the structural order are not limited to this.
[0026]
In the polarizing element of the present invention, the reflective portion made of a cholesteric liquid crystal phase and the transparent portion made of an isotropic phase are formed of the same material. In addition, the reflection part and the transparent part are formed by solidifying the liquid crystal molecules in different states by changing the curing temperature of the cholesteric liquid crystal material, as will be described later. Are substantially identical. In this way, by using a polarizing element in which the refractive index of the reflecting portion and that of the transparent portion are the same, even when light passes through the reflecting portion or the reflecting portion, the polarization state does not change. That is, when the polarizing element of the present invention that functions as a reflecting plate having a transmission part is used in an area-divided liquid crystal display device, light emitted from the backlight passes through a phase difference plate or a linear polarizing plate and is polarized. And passes through the transparent portion of the polarizing element. The light incident on the polarizing element is incident not only in a direction perpendicular to the principal surface of the polarizing element (incident angle is 0 °) but also with a certain incident angle. As shown in FIG. 4, when incident light is incident on the polarizing element with an incident angle, if the refractive index of the transparent part and the reflective part are different, the incident light is reflected at the interface and the phase of the light is inverted. The polarization state will change. The polarized light whose phase has been inverted significantly deteriorates display characteristics such as contrast. In the polarizing element of the present invention, the above problem is solved by making the refractive indexes of the reflecting portion and the transparent portion the same.
[0027]
When the polarizing element is incorporated into a liquid crystal cell, it may be heated at a high temperature of, for example, 200 ° C. or higher in the cell manufacturing process. If the reflective part and the transparent part are substantially the same material, the thermal expansion properties are the same, so that problems such as film peeling and device distortion can be solved with respect to the thermal history.
[0028]
Here, substantially the same means the following contents. That is, when a liquid crystal material that exhibits a liquid crystal structure is transferred to a transparent layer by high-temperature baking, the chiral agent contained in the liquid crystal material is deactivated by the heating, Decomposition (modification) of liquid crystal molecules occurs. Therefore, strictly speaking, the molecular composition of the liquid crystal material changes before and after heating. Since the refractive index of the reflective part and the transparent part formed of the liquid crystal material changes due to the molecular structure and molecular composition of the liquid crystal material, the refractive index also changes strictly before and after heating. As used herein, the term “substantially the same” means that the refractive indexes of both are the same, including such a minute change in refractive index.
[0029]
In addition, the polarizing element of the present invention is formed so that a portion that reflects light (reflecting portion) and a portion that transmits light (transparent portion) have a predetermined pattern, and the reflecting portion and the transparent portion The surface of the polarizing element made of is flat and substantially free of irregularities. Here, the fact that there is substantially no unevenness means the following contents. In other words, as described above, since the liquid crystal material is heated when it is transferred from the liquid crystal phase to the isotropic phase (transparent portion), the thermal decomposition of the molecules constituting the liquid crystal material is very small. And vaporization occurs. Therefore, the heated portion and the non-heated portion have slightly different volumes, and the heated portion has a slightly thinner film thickness. As used herein, the term “substantially free of unevenness” means that the surface of the polarizing element including the transparent portion and the reflective portion is flat and free of unevenness, including such slight unevenness. .
[0030]
A polarizing element made of a cholesteric liquid crystal material is thicker than a conventional metal reflective thin film. Therefore, when a light transmission part is formed by patterning as in the past, the portion where the liquid crystal layer is removed by etching is removed. Since the step difference in the portion that is not performed becomes large, the ITO electrode layer and the alignment film cannot be directly provided on the polarizing element. Therefore, it is necessary to form an ITO electrode layer or the like separately for the reflective portion that is a convex portion and the light transmitting portion that is a concave portion. In the polarizing element of the present invention, since the reflective part and the transparent part (light transmission part) are formed to have the same thickness, an ITO electrode layer or the like can be directly provided thereon, Therefore, the formed ITO electrode or the like does not break.
[0031]
In the liquid crystal display device having the above-described configuration, the optical action of the polarizing element of the present invention is that the light from outside light is converted into predetermined circularly polarized light by the reflecting portion of the polarizing element, and the liquid crystal layer side. On the other hand, the light from the backlight is transmitted through the transparent portion and is incident on the liquid crystal layer, so that a transmissive display and a reflective display can be performed. That is, in the polarizing element of the present invention, a transflective liquid crystal display device can be configured by alternately arranging the reflective portions and the transparent portions. In addition, a transflective liquid crystal display device having an arbitrary transmittance (reflectance) is provided by changing the area ratio between the reflective portion and the transparent portion or by changing the film thickness of the polarizing element. can do.
[0032]
Next, each element constituting the polarizing element of the present invention will be described.
[0033]
<Liquid crystal material>
The polarizing element of the present invention is formed of a reflective portion in which a liquid crystal material is cured with a predetermined liquid crystal regularity and an isotropic layer having no liquid crystal regularity. As such a liquid crystal material, nematic liquid crystal or cholesteric liquid crystal can be used, and cholesteric liquid crystal is particularly preferably used. Such a material is not particularly limited as long as it is a polymerizable liquid crystal material capable of forming a liquid crystal phase having nematic regularity, smectic regularity, or cholesteric regularity when a liquid crystal phase is formed only by these materials. However, it is preferable to have a polymerizable functional group at both ends of the molecule in order to obtain an optical element with good heat resistance.
[0034]
As an example of such a polymerizable liquid crystal material, for example, compound (I) represented by the following general formula (1) and the following compounds can be mentioned. As the compound (I), it is also possible to use a mixture of two compounds included in the general formula (1).
[0035]
As the polymerizable liquid crystal material, a compound included in the general formula (1) or two or more of the following compounds may be mixed and used.
[0036]
[Chemical 1]

[Chemical formula 2]

In general formula (1) representing compound (I), R ¹ And R ² Each represents hydrogen or a methyl group, but from the wide temperature range showing the liquid crystal phase, R ¹ And R ² Both are preferably hydrogen. X may be hydrogen, chlorine, bromine, iodine, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, a methoxy group, a cyano group, or a nitro group, but is preferably a chlorine or methyl group. Moreover, a and b which show the chain length of the alkylene group which is a spacer with the (meth) acryloyloxy group of the molecular chain both ends of a compound (I), and an aromatic ring are respectively arbitrary integers in the range of 2-12. Although it can take, it is preferable that it is the range of 4-10, and it is more preferable that it is the range of 6-9. The compound of the general formula (1) in which a = b = 0 is poor in stability, easily subjected to hydrolysis, and the compound itself has high crystallinity. In addition, the compound of the general formula (1) in which a and b are each 13 or more has a low isotropic transition temperature (TI). For this reason, both of these compounds are not preferred because the temperature range showing liquid crystallinity is narrow.
[0037]
In the example described above, an example of a polymerizable liquid crystal monomer has been described. However, in the present invention, a polymerizable liquid crystal oligomer, a polymerizable liquid crystal polymer, or the like can be used. As such a polymerizable liquid crystal oligomer and a polymerizable liquid crystal polymer, those conventionally proposed can be appropriately selected and used.
[0038]
In the present invention, a chiral nematic liquid crystal having a cholesteric regularity obtained by adding a chiral agent to a nematic liquid crystal can also be suitably used. The chiral agent is a low molecular compound having an optically active site and means a compound having a molecular weight of 1500 or less. The chiral agent is mainly used for the purpose of inducing a helical pitch in the positive uniaxial nematic regularity expressed by the compound (I). As long as this purpose is achieved, the compound (I) and the above compound are compatible with each other in a solution state or in a molten state, and the liquid crystal property of the polymerizable liquid crystal material capable of taking the nematic regularity is not impaired. As long as it can induce a helical pitch, the kind of low molecular compound as a chiral agent shown below is not particularly limited, but an optical element having good heat resistance can be obtained by having polymerizable functional groups at both ends of the molecule. Preferred above. It is essential that the chiral agent used for inducing a helical pitch in the liquid crystal has at least some chirality in the molecule. Accordingly, the chiral agent that can be used in the present invention includes, for example, a compound having one or more asymmetric carbons, a compound having an asymmetric point on a heteroatom such as a chiral amine, a chiral sulfoxide, Alternatively, compounds having axial asymmetry such as cumulene and binaphthol can be exemplified. More specifically, a commercially available chiral nematic liquid crystal, for example, S-811 manufactured by Merck Co., etc. may be mentioned.
[0039]
However, depending on the properties of the selected chiral agent, the nematic regularity formed by the compound (I) is deteriorated, the orientation is lowered, or when the compound is non-polymerizable, the curability of the liquid crystalline composition is lowered. There is a possibility that the reliability of the cured film is lowered. Furthermore, the use of a large amount of a chiral agent having an optically active site causes an increase in the cost of the composition. Therefore, in the case of producing a circularly polarized light controlling optical element having a short pitch cholesteric regularity, the chiral agent having an optically active site contained in the liquid crystalline composition of the present invention has an effect of inducing a helical pitch. It is preferable to select a large chiral agent. Specifically, the use of a low molecular compound (II) having axial asymmetry in the molecule as represented by the general formula (2), (3) or (4) preferable.
[0040]
[Chemical 3]

[Formula 4]

[Chemical formula 5]

In the general formula (2), (3) or (4) representing the chiral agent (II), R ^Four Represents hydrogen or a methyl group. Y is any one of formulas (i) to (xxiv) shown above, and among them, any one of formulas (i), (ii), (iii), (v), and (vii) It is preferable that Moreover, although c and d which show the chain length of an alkylene group can each take arbitrary integers in the range of 2-12, it is preferable that it is the range of 4-10, and is the range of 6-9. Is more preferable. The compound of the general formula (2) or (3) in which the value of c or d is 0 or 1 lacks stability, is susceptible to hydrolysis, and has high crystallinity. On the other hand, a compound having a value of c or d of 13 or more has a low melting point (Tm). These compounds have low compatibility with the compound (I) exhibiting liquid crystallinity or with the compound (I), and there is a possibility that phase separation or the like may occur depending on the concentration.
[0041]
The amount of the chiral agent blended in the polymerizable liquid crystal material of the present invention is determined in consideration of the helical pitch inducing ability and the cholesteric property of the finally obtained circularly polarized light controlling optical element. Specifically, although it varies greatly depending on the polymerizable liquid crystal material to be used, 0.01 to 60 parts by weight, preferably 0.1 to 40 parts by weight, more preferably 100 parts by weight of the total amount of the polymerizable liquid crystal material. Is selected in the range of 0.5 to 30 parts by weight, most preferably 1 to 20 parts by weight. When the blending amount is less than the above range, the polymerizable liquid crystal material may not be provided with sufficient cholesteric properties. When the blending amount exceeds the above range, the orientation of the molecule is inhibited and adversely affects when cured by actinic radiation. There is a risk of affecting.
[0042]
In the present invention, it is not essential that such a chiral agent has polymerizability. However, in consideration of the thermal stability and the like of the obtained optical functional layer, it is preferable to use a polymerizable chiral agent that can be polymerized with the above-described polymerizable liquid crystal material and fix the cholesteric regularity. In particular, it is preferable to have a polymerizable functional group at both ends of the molecule in order to obtain an optical element having good heat resistance.
[0043]
<Base material>
As described above, the polarizing element of the present invention preferably forms a transparent part and a reflective part by applying a liquid crystal material on a substrate having orientation ability and curing it. Examples of such a substrate having orientation ability include a case where the substrate itself has orientation ability, and a case in which an orientation film is formed on a transparent substrate and functions as a substrate having orientation ability. Can do.
[0044]
An example where the substrate itself has orientation ability is a case where the substrate is a stretched film. By using a stretched film in this way, it is possible to align the liquid crystal material along the stretched direction. Therefore, since the preparation of the base material can be performed simply by preparing a stretched film, it has an advantage that it is extremely simple in terms of the process. As such a stretched film, a commercially available stretched film can be used, and stretched films of various materials can be formed as necessary.
[0045]
Specifically, polycarbonate polymers, polyester polymers such as polyarylate and polyethylene terephthalate, polyimide polymers, polysulfone polymers, polyethersulfone polymers, polystyrene polymers, polyolefins such as polyethylene and polypropylene Film made of thermoplastic polymer such as polymer based polymer, polyvinyl alcohol polymer, cellulose acetate polymer, polyvinyl chloride polymer, polymethyl methacrylate polymer, or film made of liquid crystal polymer. it can.
[0046]
In the present invention, among them, a polyethylene terephthalate (PET) film is preferably used from the viewpoints of a wide range of stretch ratio and availability.
[0047]
The stretch ratio of the stretched film used in the present invention is not particularly limited as long as the stretch ratio is such that the orientation ability can be exhibited. Therefore, even if it is a biaxially stretched film, it can be used as long as the stretch ratio differs between the two axes.
[0048]
This stretch ratio varies greatly depending on the material used, and is not particularly limited, but generally a stretch ratio of about 150% to 300% can be used, preferably 200% to 250%. Is used.
[0049]
In addition, a substrate having an alignment ability formed on a transparent substrate has an advantage that a relatively wide range of alignment directions can be selected by selecting the alignment film. By selecting the kind of the coating liquid for forming the alignment film applied on the transparent substrate, various alignment directions can be realized, and more effective alignment can be performed. As such an alignment film, an alignment film usually used in a liquid crystal display device or the like can be suitably used. In general, an alignment film is laminated on a base film, or a base film or By rubbing the alignment film laminated thereon, alignment ability can be imparted to the base film. As the alignment film, polyimide, polyamide, polyvinyl alcohol or the like is usually used. In the rubbing treatment, a rubbing cloth selected from materials such as rayon, cotton, polyamide, polymethylmethacrylate, etc. is wound around a metal roll and rotated while in contact with the film, or the base is fixed with the roll fixed. A method of rubbing the film surface by rubbing by conveying the film is usually used. It is also possible to use a photo-alignment film.
[0050]
The transparent substrate is not particularly limited as long as it is formed of a transparent material. For example, a transparent rigid body having no flexibility such as quartz glass, Pyrex (registered trademark) glass, synthetic quartz plate, etc. A transparent flexible material having flexibility such as a material, a transparent resin film, an optical resin plate, or the like can be used.
[0051]
<Manufacturing method of polarizing element>
FIG. 5 is a schematic view showing a manufacturing process of the polarizing element of the present invention. First, as shown in FIG. 5 (1), a radiation curable liquid crystal material is applied on a substrate. As a coating method, a known technique can be used. Specifically, the liquid crystal material on the substrate can be applied by a roll coating method, a gravure coating method, a slide coating method, a dipping method, or the like. In order to increase the adhesion between the substrate and the liquid crystal material, as described in JP-A-8-278491, an adhesive layer is provided on the substrate, and then the liquid crystal material is applied on the adhesive layer. It may be applied.
[0052]
Next, the radiation curable liquid crystal material is maintained at a predetermined temperature at which the liquid crystal structure is expressed (hereinafter, the state of the liquid crystal structure before curing is referred to as a liquid crystal phase), and in that state, using a photomask, By exposing the liquid crystal material to ionizing radiation and curing it, a liquid crystal expression layer (reflecting portion) is formed at an arbitrary position (see FIGS. 5 (2) and 5 (3)). A portion other than the liquid crystal layer, that is, a portion where the ionizing radiation is not exposed by the photomask is in a state where the liquid crystal material is not solidified (liquid crystal phase).
[0053]
As a method for curing the liquid crystal phase, when a three-dimensional crosslinking method is used, for example, a photopolymerization initiator is added to liquid crystal molecules and cured by ultraviolet irradiation. Moreover, the method of making it harden | cure by irradiating an electron beam directly can also be used. In this manner, the liquid crystal molecules can be three-dimensionally crosslinked and cured to obtain a retardation plate. In forming an aligned liquid crystal, a polymerizable monomer molecule, a polymerizable oligomer molecule, or a liquid crystal polymer may be dissolved in a solvent to form a coating solution, which may be applied on a substrate. In that case, it is necessary to perform three-dimensional crosslinking or to dry before cooling.
[0054]
As photopolymerization initiators, benzyl (also called bibenzoyl), benzoin isobutyl ether, benzoin isopropyl ether, benzophenone, benzoylbenzoic acid, methyl benzoylbenzoate, 4-benzoyl-4′-methyldiphenyl sulfide, benzylmethyl ketal, dimethylamino Methylbenzoate, 2-n-butoxyethyl-4-dimethylaminobenzoate, isoamyl p-dimethylaminobenzoate, 3,3′-dimethyl-4-methoxybenzophenone, methylobenzoylformate, 2-methyl-1- (4 -(Methylthio) phenyl) -2-morpholinopropan-1-one, 2-benzyl-2-dimethylamino-1- (4-morpholinophenyl) -butan-1-one, 1- (4-dodecylphenyl) -2 hide Xyl-2-methylpropan-1-one, 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone, 2-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-one, 1- (4-isopropylphenyl) -2-hydroxy-2-methyl Propan-1-one, 2-chlorothioxanthone, 2,4-diethylthioxanthone, 2,4-diisopropylthioxanthone, 2,4-dimethylthioxanthone, isopropylthioxanthone, 1-chloro-4-propoxythioxanthone and the like can be mentioned. In addition to the photopolymerization initiator, a sensitizer can be added within a range that does not impair the purpose of the present invention.
[0055]
The addition amount of such a photopolymerization initiator is generally 0.01 to 20% by mass, preferably 0.1 to 10% by mass, and more preferably 0.5 to 5% by mass. Can be added to the liquid crystalline material.
[0056]
Further, the above liquid crystal material needs to be formed so as to have refractive index anisotropy in order to function as a retardation plate. This refractive index anisotropy varies depending on the liquid crystal material used and the alignment ability of the substrate surface, but in general, on the plane parallel to the alignment direction, the X axis perpendicular to the alignment direction is parallel to the alignment direction. If the correct Y axis is assumed, the refractive index n in the X axis direction _X And refractive index n in the Y-axis direction _Y Δn, that is,
Δn = | n _X -N _Y ｜
Is 0.01 or more, preferably 0.05 or more. This is because, unless the retardation plate has such a refractive index anisotropy, there may be a problem in practical use of the thickness of the retardation plate.
[0057]
Next, as shown in FIG. 5 (4), the radiation curable liquid crystal material partially cured by photomask exposure is a portion of the liquid crystal material that has not been cured (liquid crystal phase) in an isotropic phase. Is heated to a temperature higher than that at which it transitions to (hereinafter referred to as isotropic phase transition temperature). Above the isotropic phase transition temperature, the uncured liquid crystal material portion transitions to the isotropic phase and the liquid crystal alignment is lost, whereas the liquid crystal layer portion cured by ionizing radiation irradiation in the previous step has the isotropic phase transition. Even when heated above the temperature, the liquid crystal ordering arrangement is not disturbed.
[0058]
Further, as shown in FIG. 5 (5), the liquid crystal material portion (isotropic phase portion) in the isotropic phase state is cured by ionizing radiation exposure in the same manner as described above (hereinafter, the isotropic phase is determined by exposure). The hardened part is called isotropic layer). In this way, by curing the entire portion of the liquid crystal material applied on the substrate, the reflective portion, that is, the portion where the liquid crystal structure is expressed, and the transparent portion which is an isotropic layer have an arbitrary area ratio. The polarizing element of the present invention can be obtained.
[0059]
Further, in the method for producing a polarizing element of the present invention, first, a transparent portion is formed by patterning at a temperature equal to or higher than the isotropic phase transition temperature, and then cooled to a temperature at which liquid crystal develops to be an uncured isotropic phase portion. It is also possible to form a reflection portion by transferring the liquid crystal phase to cure the liquid crystal phase portion.
[0060]
Further, when cholesteric liquid crystal is used as the liquid crystal material, as described above, the liquid crystal layer (with the liquid crystal phase cured) can be converted into a transparent layer by heating and baking. As another aspect of the present invention, after a liquid crystal phase is cured and a reflective portion is formed once, a predetermined portion of the reflective portion is heated, and the portion is converted into a transparent layer, whereby a reflective portion having an arbitrary area ratio is obtained. And a polarizing element having a transparent portion can also be created. In addition, as a method of heating and patterning a predetermined portion of the reflecting portion, a method such as heating a mold having a predetermined pattern shape to a high temperature and bringing the die into contact with the reflecting portion, or laser irradiation of the predetermined portion. The heating method is used.
[0061]
The polarizing element obtained in this way is different in only the molecular arrangement structure of the reflective portion and the transparent portion, and the molecular composition itself is substantially the same, so that the refractive indexes of both are substantially the same. . Therefore, since the interface reflection between the reflective part and the transparent part can be suppressed, the display characteristics can be improved.
[0062]
Further, in the manufacturing method of the present invention, the liquid crystal material is uniformly coated on the substrate, and the liquid crystal material is cured to form the reflective portion and the transparent portion. The same. Accordingly, there is no unevenness unlike a polarizing element patterned by a conventional method such as etching, and no film breakage of the ITO electrode or the like due to a step occurs.
[0063]
【Example】
Example 1
A polyimide film having a thickness of 0.07 μm was formed on a rectangular glass substrate having a side of 100 mm, and a support subjected to rubbing treatment was prepared. Next, a monomer mixed liquid crystal in which a chiral agent was added to a main component composed of an ultraviolet curable nematic liquid crystal and a photopolymerization initiator were dissolved in 3-methoxybutyl acetate to prepare a cholesteric liquid crystal solution.
[0064]
This cholesteric liquid crystal solution was applied onto a support and the solvent was removed, followed by holding at 70 ° C. for 1 minute to develop a cholesteric liquid crystal phase. In this state, the entire surface of the cholesteric liquid crystal phase was cured by irradiating with ultraviolet rays to form a cholesteric layer.
[0065]
Next, a metal mold having a side of 30 μm and a height of 2 mm arranged in a matrix at intervals of 30 μm is heated to 350 ° C. and placed on the cholesteric layer so that the cholesteric layer contacts the prism. The cholesteric liquid crystal layer in contact with the mold was transferred from the liquid crystal phase to the isotropic phase by disposing the mold and holding it for 1 minute. In this way, a polarizing element 1 was obtained in which the reflective layer (liquid crystal phase portion) and the transparent layer were alternately divided into areas in a matrix at 30 μm intervals.
[0066]
Example 2
A cholesteric liquid crystal solution was applied onto the support by the same process as in Example 1 to develop a cholesteric liquid crystal phase. On the coated surface, ultraviolet rays were irradiated through a photomask having an opening of a staggered lattice shape with a side of 30 μm, and the exposed liquid crystal phase was cured to form a reflective portion. Next, the cholesteric liquid crystal phase in which the reflection portion was partially formed was held at 120 ° C. for 1 minute, and the liquid crystal phase that was an uncured portion was transferred to the isotropic phase. Thereafter, by irradiating the entire surface of the substrate with ultraviolet rays, the isotropic phase portion is cured to form a transparent layer, and the reflective layer (liquid crystal phase portion) and the transparent layer (isotropic phase portion) are alternately matrixed at intervals of 30 μm. Thus, the polarizing element 2 divided into areas was obtained.
[0067]
Comparative Example 1
A cholesteric liquid crystal solution was applied onto the support by the same process as in Example 1 to develop a cholesteric liquid crystal phase. In this state, the entire surface of the cholesteric liquid crystal phase was cured by irradiating with ultraviolet rays to form a cholesteric layer.
[0068]
Next, the obtained support / cholesteric layer film was formed by cutting holes with a size of 30 μm × 30 μm at intervals of 30 μm, so that the reflective layer (liquid crystal phase portion) and the light transmitting portion (holes were made) Thus, the polarizing element 3 in which the area was alternately divided into areas in a matrix was obtained.
[0069]
<Evaluation of polarizing element>
A polyimide film having a thickness of 0.1 μm was formed on the surface of the obtained polarizing element and subjected to rubbing treatment. For the polarizing elements 1 and 2, the rubbing treatment could be made uniform without any film breakage. On the other hand, in the polarizing element 3, a film breakage occurred at the boundary portion between the reflecting portion and the light transmitting portion, and alignment spots were generated because the rubbing treatment could not be made uniform due to the step.
[0070]
In addition, a cell set of these polarizing elements was formed by a liquid crystal driving portion and a circularly polarizing plate to obtain a VA mode liquid crystal display device. Using the light source of a goniophotometer (manufactured by Apex) instead of the backlight and measuring the transmitted light intensity by changing the incident light angle, the light transmittance during bright display and the light transmittance during dark display are calculated. The ratio was taken as the contrast ratio. The incident light angle was 0 °, 5 °, and 10 °.
[0071]
When the contrast ratio at an incident angle of 0 ° of a liquid crystal display device incorporating the polarizing element 3 is 100%, the polarizing element 3 has a contrast ratio of 100% at an incident light angle of 0 ° and 85 at an angle of 5 °. %, An angle of 10 ° was 65%, whereas in the case of using the polarizing elements 1 and 2, the contrast ratio was 100% at an incident light angle of 0 °, 90% at an angle of 5 °, and an angle of 10%. It was confirmed that the optical characteristics of the polarizing elements 1 and 2 were improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a polarizing element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a principal view of a polarizing element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows an example in which the polarizing element of the present invention is incorporated in an in-cell type transflective liquid crystal display device.
FIG. 4 shows an example of a conventional area-divided transflective plate.
FIG. 5 is a process schematic diagram showing an example of a method for producing a polarizing element of the present invention.

Claims

A reflection part and a transmission part are formed by patterning, and the reflection part is a method of manufacturing a polarizing element that reflects only light of a predetermined circularly polarized component,
A liquid crystal layer is formed by applying a liquid crystal material on a substrate,
Holding the liquid crystal layer above the temperature at which the liquid crystal develops, the entire surface of the liquid crystal layer is once cured to form a reflective portion,
Next, a method for manufacturing a polarizing element, comprising: forming a transparent portion by performing heat treatment on a predetermined portion of the reflective portion and only a predetermined portion of the reflective portion by patterning.

The method of claim 1, wherein the liquid crystal material comprises a cholesteric liquid crystal material.

The method according to claim 1, wherein the cholesteric liquid crystal is a radiation curable liquid crystal.

The method of Claims 1-3 which forms a transparent part so that the said reflection part and the said transparent part are flat, and there is substantially no unevenness | corrugation.

The method as described in any one of Claims 1-4 which heat-processes the predetermined part of the said reflection part above the temperature which the said liquid-crystal material changes to an isotropic phase .