JPH047520A - 液晶材料の配向方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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・プ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ができるが、
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＊ｉ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、本発明は直線偏光照射により配向する性質を
持つ化学物質の薄膜と液晶とを基板上に積層した液晶材
料に、直線偏光を一定時間照射することにより、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、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−炭素間炭素一窒素間、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、ヘテロリティックな光間閉環反応、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。（例えばウィ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Ｊ　（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、ベリナフトインジゴ、ヘミ
インジゴ、ヘミチオインジゴ、アゾメチンなどを、ヘテ
ロリティックな光間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ビラン、イ
ンドリノスピロナフトオキサジン、ペンゾチアゾリノ応
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ている方法、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、Ｃｏｇｎａｒ
ｄ）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　Ｃｒｙｓｔ
ａｌｓ　ａｎｄＬｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ）、１
、サブルメント１　（１９８２年）、及び松本圧−１角
田−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
ノクロロジェトキシシリルトリエトキシシリルインジゴ
、トリ巴トキシシリルインドリノスビロペンゾピラン等
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
ロピルジェトキシシラン、アミノブチルメチルジェトキ
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漫
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、シリル化剤のアミン
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、
スメクテイ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、例えばニー・ペキン（Ａ、Ｂｓ
ｑｕｉｎ）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（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＣｒ
ｙｓｔａｌｓ　ａｎｄ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ
ｓ）」、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　Ｐｏｌ
ｙｍｅｒ　５ｃｉｅｎｃｅ）、　第６０／６１巻（１９
８４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ｍｓ光を得る方法のひとつとして、非
偏光光源か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＃！偏光子としては、例えば、ポラロイド
板、ボ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より直
線偏光の照射条件は得られる。

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＃ｌ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、あるいは液晶を匝直に配向
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
を用いることができる。

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＃ｉ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れれる。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、−枚の偏光子を介して色
素の酒漬を見ることができる。この時濃淡はπラジアン
の周期をもってあられれる。

二色性色素としては、例えば、松材尚武、「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
つと経験的に１１１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、しがも電場を取−
ｉ、、、ｊｌ、）Ｆ’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
ことで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、光照射モ
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２０ｍｍｘ　２０ｍｍｘ　１ｍｍのガラス板を、
構造式工 ■ 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°Ｃ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２０ｍｍｘ２０・ｍｍＸ　１ｍｍ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７３°Ｃ−Ｉ）をはさみ、エポキシ樹脂
で封じてサンドイッチ梨セルを構成した。

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線をり、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、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に舛して
、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℃−工）を、８μｍのスペーサを
介して２枚の基板Ａには′舒み、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。３６
５ｎｍ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り、とする。二色性色素の吸収波
長において、枚の偏光子を介してセルを透過する光は、
Ｌｌｌ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＃Ｉ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■ ■ に示すカルボン酸残基を有するアゾベンゼン誘導体（１
００ｍｇ）、アミノプロピルトリエトキシシラン（ｓｘ
ｍｇ）を５ｍｌの脱水塩化メチレンに溶解し０℃に冷却
した。１．３−ジシクロへキシルカルボジイミド（５７
ｍｇ）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２０ｍ１を加えた。この溶液に、洗浄したガラス板を
３０分浸せき、風乾した後１２０°Ｃ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、８
μｍ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−、ｊＣ−Ｎ　−７
３°Ｃ−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。３
６５ｎｍの光を偏光プリズムを通して直＃Ｉ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れれた。

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
縁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＃Ｉ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 (1)

【特許請求の範囲】
1. 基板上にホトクロミック化合物層および液晶層をこの順
   序に積層した液晶材料に直線偏光を与えることによって
   所定方向へのホモジニアス配向を得ることを特徴とする
   、液晶材料の配向方法。