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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022144917
(43)【公開日】2022-10-03
(54)【発明の名称】液晶素子
(51)【国際特許分類】
G02B 5/30 20060101AFI20220926BHJP
【ＦＩ】
G02B5/30
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021046120
(22)【出願日】2021-03-19
(71)【出願人】
【識別番号】502356528
【氏名又は名称】株式会社ジャパンディスプレイ
(74)【代理人】
【識別番号】110001737
【氏名又は名称】特許業務法人スズエ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】小橋 淳二
(72)【発明者】
【氏名】岡 真一郎
(72)【発明者】
【氏名】冨岡 安
(72)【発明者】
【氏名】井桁 幸一
【テーマコード（参考）】
2H149
【Ｆターム（参考）】
2H149AB22
2H149AB26
2H149BA05
2H149BA27
2H149BB28
2H149CA02
2H149EA12
2H149FA27W
2H149FC01
2H149FD46
(57)【要約】
【課題】大面積化及び量産化が可能な液晶素子を提供する。
【解決手段】本実施形態の液晶素子は、第１主面を有する透明基板と、前記第１主面に配置され、一方向に並んだ複数の構造体と、前記構造体の各々の表面に配置された配向膜と、コレステリック液晶を有し、前記配向膜に接する液晶層と、を備え、前記コレステリック液晶の螺旋軸は、前記第１主面に対して傾斜し、前記構造体の各々は、前記第１主面に対して傾斜した第１面を有し、複数の前記構造体において、各々の前記第１面は、互いに平行であり、前記配向膜は、前記第１面と前記液晶層との間に介在している。
【選択図】図３
【解決手段】本実施形態の液晶素子は、第１主面を有する透明基板と、前記第１主面に配置され、一方向に並んだ複数の構造体と、前記構造体の各々の表面に配置された配向膜と、コレステリック液晶を有し、前記配向膜に接する液晶層と、を備え、前記コレステリック液晶の螺旋軸は、前記第１主面に対して傾斜し、前記構造体の各々は、前記第１主面に対して傾斜した第１面を有し、複数の前記構造体において、各々の前記第１面は、互いに平行であり、前記配向膜は、前記第１面と前記液晶層との間に介在している。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１主面を有する透明基板と、
前記第１主面に配置され、一方向に並んだ複数の構造体と、
前記構造体の各々の表面に配置された配向膜と、
コレステリック液晶を有し、前記配向膜に接する液晶層と、を備え、
前記コレステリック液晶の螺旋軸は、前記第１主面に対して傾斜し、
前記構造体の各々は、前記第１主面に対して傾斜した第１面を有し、
複数の前記構造体において、各々の前記第１面は、互いに平行であり、
前記配向膜は、前記第１面と前記液晶層との間に介在している、液晶素子。
前記第１主面に配置され、一方向に並んだ複数の構造体と、
前記構造体の各々の表面に配置された配向膜と、
コレステリック液晶を有し、前記配向膜に接する液晶層と、を備え、
前記コレステリック液晶の螺旋軸は、前記第１主面に対して傾斜し、
前記構造体の各々は、前記第１主面に対して傾斜した第１面を有し、
複数の前記構造体において、各々の前記第１面は、互いに平行であり、
前記配向膜は、前記第１面と前記液晶層との間に介在している、液晶素子。
【請求項2】
前記螺旋軸は、前記第１面の法線にほぼ平行である、請求項１に記載の液晶素子。
【請求項3】
前記構造体の各々は、前記第１面と鋭角に交差する第２面を有し、
前記配向膜は、前記第２面と前記液晶層との間に介在している、請求項１に記載の液晶素子。
前記配向膜は、前記第２面と前記液晶層との間に介在している、請求項１に記載の液晶素子。
【請求項4】
前記構造体の各々は、前記第１面と鋭角に交差する第２面を有し、
前記液晶層は、前記第２面に接している、請求項１に記載の液晶素子。
前記液晶層は、前記第２面に接している、請求項１に記載の液晶素子。
【請求項5】
前記第２面は、前記第１主面と直交している、請求項３または４に記載の液晶素子。
【請求項6】
前記第２面は、前記第１主面に対して傾斜している、請求項３または４に記載の液晶素子。
【請求項7】
前記構造体の各々は、前記第１面と直交する第２面を有し、
前記配向膜は、前記第２面と前記液晶層との間に介在している、請求項１に記載の液晶素子。
前記配向膜は、前記第２面と前記液晶層との間に介在している、請求項１に記載の液晶素子。
【請求項8】
前記構造体の各々は、前記第１面に直交する第２面を有し、
前記液晶層は、前記第２面に接している、請求項１に記載の液晶素子。
前記液晶層は、前記第２面に接している、請求項１に記載の液晶素子。
【請求項9】
前記第１主面に対する前記第１面の傾斜角度は、前記第１主面に対する前記第２面の傾斜角度より小さい、請求項７または８に記載の液晶素子。
【請求項10】
第１主面を有する透明基板と、
前記第１主面に配置され、一方向に並んだ複数の構造体と、
前記構造体の各々の表面に配置された配向膜と、
コレステリック液晶を有し、前記配向膜に接する液晶層と、を備え、
前記コレステリック液晶の螺旋軸は、前記第１主面に対して傾斜し、
前記構造体の表面は、第１上面と、前記第１上面とは異なる高さの第２上面と、前記第１上面と前記第２上面との間の側面と、を含む階段状に形成され、
前記配向膜は、前記第１上面及び前記第２上面と前記液晶層との間に介在している、液晶素子。
前記第１主面に配置され、一方向に並んだ複数の構造体と、
前記構造体の各々の表面に配置された配向膜と、
コレステリック液晶を有し、前記配向膜に接する液晶層と、を備え、
前記コレステリック液晶の螺旋軸は、前記第１主面に対して傾斜し、
前記構造体の表面は、第１上面と、前記第１上面とは異なる高さの第２上面と、前記第１上面と前記第２上面との間の側面と、を含む階段状に形成され、
前記配向膜は、前記第１上面及び前記第２上面と前記液晶層との間に介在している、液晶素子。
【請求項11】
前記側面は、前記第１上面の一端と前記第２上面の他端とを接続し、
前記螺旋軸は、前記第１上面の一端と前記第２上面の一端とを接続する面の法線にほぼ平行である、請求項１０に記載の液晶素子。
前記螺旋軸は、前記第１上面の一端と前記第２上面の一端とを接続する面の法線にほぼ平行である、請求項１０に記載の液晶素子。
【請求項12】
前記液晶層は、前記側面に接している、請求項１０に記載の液晶素子。
【請求項13】
前記構造体は、透明な樹脂材料によって形成されている、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の液晶素子。
【請求項14】
前記構造体の屈折率は、前記透明基板の屈折率、及び、前記液晶層の屈折率と同等である、請求項１３に記載の液晶素子。
【請求項15】
前記構造体の高さは、５μｍ以下である、請求項１３に記載の液晶素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、液晶素子に関する。
【背景技術】
【0002】
近年では、コレステリック液晶を用いた各種液晶素子が検討されている。コレステリック液晶は、螺旋ピッチに応じて特定波長の光を反射する性質を有している。一例では、光学層の凹凸面上に設けられる反射層として、コレステリック液晶を適用した光学体が提案されている。
このようなコレステリック液晶を所定の方向に配向し、面内で所望の位相分布を形成するための技術としては、光配向剤を利用した円偏光干渉露光法が知られている。しかしながら、干渉露光が可能な範囲は制限されるため、大面積化が困難である。
このようなコレステリック液晶を所定の方向に配向し、面内で所望の位相分布を形成するための技術としては、光配向剤を利用した円偏光干渉露光法が知られている。しかしながら、干渉露光が可能な範囲は制限されるため、大面積化が困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１１－２２７１５４号公報
【特許文献2】特開２０１３－１１４０７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本実施形態の目的は、大面積化及び量産化が可能な液晶素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
一実施形態に係る液晶素子は、
第１主面を有する透明基板と、前記第１主面に配置され、一方向に並んだ複数の構造体と、前記構造体の各々の表面に配置された配向膜と、コレステリック液晶を有し、前記配向膜に接する液晶層と、を備え、前記コレステリック液晶の螺旋軸は、前記第１主面に対して傾斜し、前記構造体の各々は、前記第１主面に対して傾斜した第１面を有し、複数の前記構造体において、各々の前記第１面は、互いに平行であり、前記配向膜は、前記第１面と前記液晶層との間に介在している。
第１主面を有する透明基板と、前記第１主面に配置され、一方向に並んだ複数の構造体と、前記構造体の各々の表面に配置された配向膜と、コレステリック液晶を有し、前記配向膜に接する液晶層と、を備え、前記コレステリック液晶の螺旋軸は、前記第１主面に対して傾斜し、前記構造体の各々は、前記第１主面に対して傾斜した第１面を有し、複数の前記構造体において、各々の前記第１面は、互いに平行であり、前記配向膜は、前記第１面と前記液晶層との間に介在している。
【0006】
他の実施形態に係る液晶素子は、
第１主面を有する透明基板と、前記第１主面に配置され、一方向に並んだ複数の構造体と、前記構造体の各々の表面に配置された配向膜と、コレステリック液晶を有し、前記配向膜に接する液晶層と、を備え、前記コレステリック液晶の螺旋軸は、前記第１主面に対して傾斜し、前記構造体の表面は、第１上面と、前記第１上面とは異なる高さの第２上面と、前記第１上面と前記第２上面との間の側面と、を含む階段状に形成され、前記配向膜は、前記第１上面及び前記第２上面と前記液晶層との間に介在している。
第１主面を有する透明基板と、前記第１主面に配置され、一方向に並んだ複数の構造体と、前記構造体の各々の表面に配置された配向膜と、コレステリック液晶を有し、前記配向膜に接する液晶層と、を備え、前記コレステリック液晶の螺旋軸は、前記第１主面に対して傾斜し、前記構造体の表面は、第１上面と、前記第１上面とは異なる高さの第２上面と、前記第１上面と前記第２上面との間の側面と、を含む階段状に形成され、前記配向膜は、前記第１上面及び前記第２上面と前記液晶層との間に介在している。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、本実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、開示はあくまで一例に過ぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べて、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する詳細な説明を適宜省略することがある。
【0009】
なお、図面には、必要に応じて理解を容易にするために、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、及び、Ｚ軸を記載する。Ｘ軸に沿った方向をＸ方向または第１方向と称し、Ｙ軸に沿った方向をＹ方向または第２方向と称し、Ｚ軸に沿った方向をＺ方向または第３方向と称する。Ｘ軸及びＹ軸によって規定される面をＸ－Ｙ平面と称し、Ｘ軸及びＺ軸によって規定される面をＸ－Ｚ平面と称する。Ｘ－Ｙ平面を見ることを平面視という。第１方向Ｘ及び第２方向Ｙは、液晶素子に含まれる基板の主面に平行な方向に相当し、また、第３方向Ｚは、液晶素子の厚さ方向に相当する。
【0010】
図１は、本実施形態に係る液晶素子１０の一例を示す断面図である。
液晶素子１０は、透明基板１１と、配向膜ＡＬ１１と、液晶層ＬＣと、保護層１２と、を備えている。透明基板１１は、第３方向Ｚにおいて保護層１２と対向している。液晶層ＬＣは、反射型の偏光回折格子ＲＰＧとして機能し、透明基板１１と保護層１２との間に位置している。
液晶素子１０は、透明基板１１と、配向膜ＡＬ１１と、液晶層ＬＣと、保護層１２と、を備えている。透明基板１１は、第３方向Ｚにおいて保護層１２と対向している。液晶層ＬＣは、反射型の偏光回折格子ＲＰＧとして機能し、透明基板１１と保護層１２との間に位置している。
【0011】
透明基板１１及び保護層１２は、例えば、透明なガラス板または透明な合成樹脂板によって構成されている。透明基板１１は、第１主面１１Ａを有している。第１主面１１Ａは、Ｘ－Ｙ平面に平行な面である。
【0012】
配向膜ＡＬ１１は、透明基板１１の第１主面１１Ａに配置されている。配向膜ＡＬ１１は、例えば、ポリイミドによって形成され、Ｘ－Ｙ平面に沿った配向規制力を有する水平配向膜である。また、一例では、配向膜ＡＬ１１は、空間的に変化する液晶配向パターンを形成するための光配向膜あるいは単分子膜である。
【0013】
液晶層ＬＣは、配向膜ＡＬ１１及び保護層１２の間に配置され、配向膜ＡＬ１１及び保護層１２に接している。液晶層ＬＣは、主面ＬＳを有している。ここでの主面ＬＳは、例えば、液晶層ＬＣと配向膜ＡＬ１１との境界であり、また、Ｘ－Ｙ平面と平行な面である。
【0014】
液晶層ＬＣは、コレステリック液晶（液晶構造体）ＣＬを有している。なお、図１では、簡略化のため、コレステリック液晶ＣＬを構成する液晶分子ＬＭ１として、Ｘ－Ｙ平面に平行な同一平面に位置する複数の液晶分子のうちの１つの液晶分子ＬＭ１を図示しており、この液晶分子ＬＭ１の配向方向は、同一平面に位置する複数の液晶分子の平均的な配向方向に相当する。
【0015】
１つのコレステリック液晶ＣＬに着目すると、コレステリック液晶ＣＬは、その一端側に位置する液晶分子ＬＭ１１と、その他端側に位置する液晶分子ＬＭ１２と、を有している。液晶分子ＬＭ１１は配向膜ＡＬ１１に近接し、液晶分子ＬＭ１２は保護層１２に近接している。液晶分子ＬＭ１１及び液晶分子ＬＭ１２を含む複数の液晶分子ＬＭ１は、螺旋軸ＡＸを中心として、旋回しながら螺旋状に積み重ねられ、コレステリック液晶ＣＬを構成している。
【0016】
コレステリック液晶ＣＬは、螺旋ピッチＰを有している。螺旋ピッチＰは、螺旋の１周期（液晶分子ＬＭ１が３６０度回転するのに要する螺旋軸ＡＸに沿った厚さ）を示す。図１に示す例では、螺旋軸ＡＸは、第１主面１１Ａあるいは液晶層ＬＣの法線方向である第３方向Ｚに対して傾斜している。
【0017】
液晶層ＬＣにおいて、複数のコレステリック液晶ＣＬは、第１方向Ｘに配列されるとともに、第２方向Ｙにも配列されている。第１方向Ｘに沿って隣接する複数のコレステリック液晶ＣＬは、互いに配向方向が異なっている。配向膜ＡＬ１１に沿って並んだ複数の液晶分子ＬＭ１１の配向方向、及び、保護層１２に沿って並んだ複数の液晶分子ＬＭ１２の配向方向は、連続的に変化している。なお、液晶層ＬＣにおいて、第２方向Ｙに沿って隣接する複数のコレステリック液晶ＣＬは、互いに配向方向が揃っている。
【0018】
液晶層ＬＣは、配向膜ＡＬ１１と保護層１２との間に、一点鎖線で示すような複数の反射面ＲＳを有している。複数の反射面ＲＳは、互いに略平行である。反射面ＲＳは、ブラッグの法則に従って、入射光のうち、一部の円偏光を反射し、他の円偏光を透過する。ここでの反射面ＲＳは、液晶分子ＬＭ１の配向方向が揃った面、あるいは、空間位相が揃った面（等位相面）に相当する。図１に示すＸ－Ｚ断面においては、反射面ＲＳは、第１主面１１Ａあるいは液晶層ＬＣの主面ＬＳに対して傾斜している。
【0019】
コレステリック液晶ＣＬは、特定波長λの光のうち、コレステリック液晶ＣＬの旋回方向と同じ旋回方向の円偏光を反射する。例えば、コレステリック液晶ＣＬの旋回方向が右回りの場合、特定波長λの光のうち、右回りの円偏光を反射し、左回りの円偏光を透過する。同様に、コレステリック液晶ＣＬの旋回方向が左回りの場合、特定波長λの光のうち、左回りの円偏光を反射し、右回りの円偏光を透過する。
【0020】
このような液晶層ＬＣは、液晶分子ＬＭ１１及び液晶分子ＬＭ１２を含む液晶分子ＬＭ１の配向方向が固定された状態で硬化している。つまり、液晶分子ＬＭ１の配向方向は、電界に応じて制御されるものではない。このため、液晶素子１０は、配向制御のための電極を備えていない。
【0021】
一般的に、垂直入射した光に対するコレステリック液晶ＣＬの選択反射帯域Δλは、コレステリック液晶ＣＬの螺旋ピッチＰ、異常光に対する屈折率ｎｅ、及び、常光に対する屈折率ｎｏに基づいて、「ｎｏ＊Ｐ～ｎｅ＊Ｐ」で示される。このため、反射面ＲＳにおいて特定波長λの円偏光を効率よく反射するためには、特定波長λが選択反射波長帯Δλに含まれるように、螺旋ピッチＰ、屈折率ｎｅ及びｎｏが設定される。
【0022】
図２は、反射型の偏光回折格子ＲＰＧの光学作用を説明するための図である。
図２の左側に示すように、入射光として非偏光状態の光ＮＰが偏光回折格子ＲＰＧの法線方向から入射した場合、偏光回折格子ＲＰＧは、光ＮＰのうちの第１円偏光Ｃ１を反射面ＲＳで反射するとともに、第２円偏光Ｃ２を透過する。第１円偏光Ｃ１は、傾斜した反射面ＲＳにおいて斜め方向に反射される。第２円偏光Ｃ２は、反射面ＲＳを透過し、偏光回折格子ＲＰＧの法線方向に直進する。
図２の左側に示すように、入射光として非偏光状態の光ＮＰが偏光回折格子ＲＰＧの法線方向から入射した場合、偏光回折格子ＲＰＧは、光ＮＰのうちの第１円偏光Ｃ１を反射面ＲＳで反射するとともに、第２円偏光Ｃ２を透過する。第１円偏光Ｃ１は、傾斜した反射面ＲＳにおいて斜め方向に反射される。第２円偏光Ｃ２は、反射面ＲＳを透過し、偏光回折格子ＲＰＧの法線方向に直進する。
【0023】
図２の右側に示すように、入射光として非偏光状態の光ＮＰが偏光回折格子ＲＰＧに対して斜め方向から入射した場合も同様に、偏光回折格子ＲＰＧは、光ＮＰのうちの第１円偏光Ｃ１を反射面ＲＳで反射するとともに、第２円偏光Ｃ２を透過する。第１円偏光Ｃ１は、傾斜した反射面ＲＳにおいて法線方向に反射される。第２円偏光Ｃ２は、反射面ＲＳを透過し、偏光回折格子ＲＰＧに対して斜め方向に直進する。
【0024】
以下に、いくつかの構成例について説明する。なお、各構成例においては、主な相違点を中心に説明し、同一構成については同一の参照符号を付して説明を省略する場合がある。
【0025】
【0026】
液晶素子１０は、透明基板１１の第１主面１１Ａに配置された複数の構造体２０を備えている。複数の構造体２０は、第１方向Ｘに等ピッチで並んでいる。第１方向Ｘに隣接する構造体２０は、互いに繋がっていてもよいし、離間していてもよい。構造体２０の各々は、Ｘ－Ｚ平面において三角形状の断面を有し、第２方向Ｙに延出した三角柱として形成されている。構造体２０は、表面を形成する第１面２１及び第２面２２と、透明基板１１に接する底面２３を、を有している。
【0027】
第１面２１は、第１主面１１Ａに対して傾斜している。第１面２１と第１主面１１Ａとのなす角度θ１は、鋭角である。構造体２０の各々の第１面２１は、互いに平行である。
第２面２２は、第１方向Ｘに隣接する構造体２０の第１面２１の間に位置する面である。第２面２２は、第１面２１と鋭角に交差している。第１面２１と第２面２２との交差部は、第２方向Ｙに延出し、構造体２０の稜線を形成するものであるが、丸みを帯びていてもよい。第１面２１と第２面２２とのなす角度θ２は、角度θ１より大きい鋭角である（θ１＜θ２）。また、第２面２２は、第１主面１１Ａと直交している。構造体２０の各々の第２面２２は、互いに平行である。
第２面２２は、第１方向Ｘに隣接する構造体２０の第１面２１の間に位置する面である。第２面２２は、第１面２１と鋭角に交差している。第１面２１と第２面２２との交差部は、第２方向Ｙに延出し、構造体２０の稜線を形成するものであるが、丸みを帯びていてもよい。第１面２１と第２面２２とのなす角度θ２は、角度θ１より大きい鋭角である（θ１＜θ２）。また、第２面２２は、第１主面１１Ａと直交している。構造体２０の各々の第２面２２は、互いに平行である。
【0028】
配向膜ＡＬ１１は、第１面２１及び第２面２２にそれぞれ配置されている。つまり、配向膜ＡＬ１１は、第１面２１と液晶層ＬＣとの間に介在するとともに、第２面２２と液晶層ＬＣとの間に介在している。配向膜ＡＬ１１のうち、特に第１面２１に配置された部分については、第１面２１に平行な面内において所定の方向に配向規制力を有するように構成されている。
【0029】
コレステリック液晶ＣＬに含まれる液晶分子のうち、配向膜ＡＬ１１に近接する液晶分子ＬＭ１１は、配向膜ＡＬ１１の配向規制力により、第１面２１と平行な面内において、所定の方向に配向している。図示した例では、液晶分子ＬＭ１１は、その長軸がＸ－Ｚ平面において第１面２１に沿うように配向しているが、その長軸が第２方向Ｙに沿うように配向してもよい。
【0030】
コレステリック液晶ＣＬの螺旋軸ＡＸは、第１面２１の法線２１Ｎにほぼ平行である。螺旋軸ＡＸ及び法線２１Ｎは、第１主面１１Ａに対して傾斜している。第１主面１１Ａと螺旋軸ＡＸとのなす角度（あるいは、第１主面１１Ａと法線２１Ｎとのなす角度）θαは、鋭角であり、ここでは角度θ２と同等である。このようなコレステリック液晶ＣＬにより、第１主面１１Ａに対して傾斜した反射面ＲＳが形成される。
【0031】
上記の構造体２０は、例えば透明な樹脂材料によって形成されているが、ガラスによって形成されていてもよい。構造体２０は、透明基板１１と同一材料によって形成されていてもよいし、透明基板１１とは異なる材料によって形成されていてもよい。但し、構造体２０の屈折率は、透明基板１１の屈折率と同等であり、また、液晶層ＬＣの屈折率と同等である。なお、液晶層ＬＣの屈折率は、常光屈折率ｎｏ及び異常光屈折率をｎｅの二乗平均平方根（ＲＭＳ）に相当する。ここでの『同等』とは、屈折率差が０．２以下であり、好ましくは屈折率差が０．１未満である。このような屈折率の関係により、構造体２０と透明基板１１との間での不所望な回折あるいは反射が抑制され、また、構造体２０と液晶層ＬＣとの間での不所望な回折あるいは反射が抑制される。
【0032】
一例では、構造体２０は、いわゆるナノインプリント技術を用いて形成することができる。このような構造体２０を形成するための材料としては、熱硬化型樹脂や、紫外線等の光に反応する光硬化型樹脂が適用される。
【0033】
ここで、構造体２０の寸法例について説明する。図の右側に構造体２０を拡大して示す。ここで、構造体２０の第１方向Ｘに沿った底面２３の長さ（あるいはい構造体２０のピッチ）をＬとし、構造体２０の第３方向Ｚに沿った高さをＨとする。このとき、ｔａｎθ１＝Ｈ／Ｌの関係が成り立つ。また、第１面２１の法線方向に、螺旋の半ピッチＰ／２の整数倍に相当する距離に亘って液晶分子が並ぶことを想定すると、Ｈ＊ｃｏｓθ１≒ｍ＊Ｐ／２の関係が成り立つ。但し、ｍは整数である。
【0034】
これらの関係式を整理すると、長さＬは、Ｌ≒ｍ＊Ｐ／（２＊ｓｉｎθ１）を満たすように設定される。また、高さＨは、Ｈ≒ｍ＊Ｐ／（２＊ｃｏｓθ１）＝Ｌ＊ｔａｎθ１を満たすように設定される。
【0035】
コレステリック液晶ＣＬの螺旋軸ＡＸに沿った長さは、Ｐ＊Ｎとして表記される。但し、Ｎは整数である。コレステリック液晶ＣＬにおいて好ましい反射率を得る観点で、Ｎは４以上であることが望ましい。なお、Ｎが１０以上の場合には、反射率はほぼ飽和する傾向にある。
【0036】
一例として、螺旋ピッチＰが５００ｎｍの場合、コレステリック液晶ＣＬの長さは、少なくとも２μｍ～５μｍ以上である。このようなケースにおいて、構造体２０の高さＨは、コレステリック液晶ＣＬの長さより小さいことが望ましく、例えば５μｍ以下である。また、構造体２０の長さＬについては、第１面２１の傾斜角であるθ１と高さＨとに基づいて決定される。θ１が２０°であり、高さＨが５μｍである場合、長さＬは１３．７μｍである。
【0037】
ここで、液晶素子１０の製造方法の一例を簡単に説明する。
まず、透明基板１１の第１主面１１Ａに、構造体２０を形成するための材料（例えば紫外線硬化型樹脂）を塗布し、溶媒を除去して材料が仮硬化した状態を形成する。
まず、透明基板１１の第１主面１１Ａに、構造体２０を形成するための材料（例えば紫外線硬化型樹脂）を塗布し、溶媒を除去して材料が仮硬化した状態を形成する。
【0038】
続いて、予め構造体２０の形状に応じた凹部が形成された金型を、仮硬化した状態の材料に重ね合わせ、加圧しながら紫外線を照射する。これにより、材料が金型の凹部に応じた形状に硬化し、構造体２０が形成される。その後、金型を除去する。
【0039】
続いて、構造体２０に接するように、カイラル剤が添加された液晶材料を塗布する。このとき、液晶材料に含まれる液晶分子の配向方向は、以下のようにして固定される。すなわち、第１面２１に近接する液晶分子ＬＭ１１は、配向膜ＡＬ１１の配向規制力に応じて所定の方向に配向する。コレステリック液晶ＣＬは、液晶分子ＬＭ１１を含む複数の液晶分子が並んだ連続体としてみなすことができる。このため、液晶分子ＬＭ１１の配向方向が構造体２０によって規定されることにより、他の液晶分子ＬＭ１も螺旋軸ＡＸを中心に旋回するように配向する。これにより、構造体２０の傾斜に応じて螺旋軸ＡＸが傾斜したコレステリック液晶ＣＬを得ることができる。その後、紫外線等の光を照射して液晶材料を硬化させ、液晶層ＬＣを形成する。
そして、液晶層ＬＣの上に保護層１２を配置して、液晶素子１０が製造される。
そして、液晶層ＬＣの上に保護層１２を配置して、液晶素子１０が製造される。
【0040】
このような第１構成例によれば、波長オーダーの微小な凹凸を有する金型を用いて、微小な構造体２０を容易に形成することができる。このような構造体２０は、液晶材料が塗布された際に、液晶材料に含まれる液晶分子の配向方向を規定する機能を有している。構造体２０のパターンは、所望の角度で傾斜した螺旋軸ＡＸを有するコレステリック液晶ＣＬを得るように形成されている。これにより、所望の角度で傾斜した反射面ＲＳを有する液晶素子１０が得られる。このように、円偏光干渉露光法を適用した場合と比較して、容易に液晶素子１０を得ることができ、大面積化及び量産化が可能となる。
【0041】
《構成例２》
図５は、液晶素子１０の他の構成例を示す断面図である。
図５に示す例は、図３に示した例と比較して、配向膜ＡＬ１１が第２面２２に配置されていない点で相違している。つまり、液晶層ＬＣは、第２面２２に接している。
このような配向膜ＡＬ１１は、例えば、透明基板１１の法線（第３方向Ｚ）に対して斜め方向から蒸着する斜方蒸着法を適用して形成することができる。一例では、図の左上に蒸着源を配置し、配向膜材料を蒸着することで、構造体２０のうち、蒸着源と対向する第１面２１には配向膜材料が付着し、第２面２２には配向膜材料が付着せず、図示したような配向膜ＡＬ１１を得ることができる。
あるいは、構造体２０の表面全体を配向膜材料で覆った後に、第２面２２を覆う配向膜材料を除去することで、図示したような配向膜ＡＬ１１を得ることもできる。
図５は、液晶素子１０の他の構成例を示す断面図である。
図５に示す例は、図３に示した例と比較して、配向膜ＡＬ１１が第２面２２に配置されていない点で相違している。つまり、液晶層ＬＣは、第２面２２に接している。
このような配向膜ＡＬ１１は、例えば、透明基板１１の法線（第３方向Ｚ）に対して斜め方向から蒸着する斜方蒸着法を適用して形成することができる。一例では、図の左上に蒸着源を配置し、配向膜材料を蒸着することで、構造体２０のうち、蒸着源と対向する第１面２１には配向膜材料が付着し、第２面２２には配向膜材料が付着せず、図示したような配向膜ＡＬ１１を得ることができる。
あるいは、構造体２０の表面全体を配向膜材料で覆った後に、第２面２２を覆う配向膜材料を除去することで、図示したような配向膜ＡＬ１１を得ることもできる。
【0042】
このような構成例２においても、上記の構成例１と同様の効果が得られる。加えて、第２面２２を覆う配向膜が存在しないため、液晶層ＬＣを形成する過程で、第２面２２を覆う配向膜による配向規制力の影響を受けず、所望の方向に配向したコレステリック液晶ＣＬを得ることができる。
【0043】
《構成例３》
図６は、液晶素子１０の他の構成例を示す断面図である。
図６に示す例は、図５に示した例と比較して、第２面２２が第１主面１１Ａ（あるいは底面２３）に対して傾斜している点で相違している。第２面２２と第１主面１１Ａとのなす角度θ３は、鈍角である。構造体２０の各々の第２面２２は、互いに平行である。
図６は、液晶素子１０の他の構成例を示す断面図である。
図６に示す例は、図５に示した例と比較して、第２面２２が第１主面１１Ａ（あるいは底面２３）に対して傾斜している点で相違している。第２面２２と第１主面１１Ａとのなす角度θ３は、鈍角である。構造体２０の各々の第２面２２は、互いに平行である。
【0044】
図６に示す例では、配向膜ＡＬ１１は、第２面２２には配置されていない。このため、液晶層ＬＣは、第２面２２に接している。但し、図３に示した例と同様に、第２面２２に配向膜ＡＬ１１が配置されていてもよい。
このような構成例３においても、上記したのと同様の効果が得られる。
このような構成例３においても、上記したのと同様の効果が得られる。
【0045】
《構成例４》
図７は、液晶素子１０の他の構成例を示す断面図である。
図７に示す例は、図３に示した例と比較して、構造体２０の形状が異なっている。複数の構造体２０は、第１方向Ｘに等ピッチで並んでいる。第１方向Ｘに隣接する構造体２０は、図示した例では互いに繋がっているが、離間していてもよい。
図７は、液晶素子１０の他の構成例を示す断面図である。
図７に示す例は、図３に示した例と比較して、構造体２０の形状が異なっている。複数の構造体２０は、第１方向Ｘに等ピッチで並んでいる。第１方向Ｘに隣接する構造体２０は、図示した例では互いに繋がっているが、離間していてもよい。
【0046】
第１面２１は、第１主面１１Ａに対して傾斜している。第１面２１と第１主面１１Ａとのなす角度θ１は、鋭角である。構造体２０の各々の第１面２１は、互いに平行である。
第２面２２は、第１方向Ｘに隣接する構造体２０の第１面２１の間に位置する面である。第２面２２は、第１面２１と直交している。第１面２１と第２面２２との交差部は、第２方向Ｙに延出し、構造体２０の稜線を形成するものであるが、丸みを帯びていてもよい。また、第２面２２は、第１主面１１Ａに対して傾斜している。第２面２２と第１主面１１Ａとのなす角度θ３は、鋭角である。第１面２１の第１主面１１Ａに対する傾斜角度θ１は、第２面２２の第１主面１１Ａに対する傾斜角度θ３より小さい（θ１＜θ３）。構造体２０の各々の第２面２２は、互いに平行である。
第２面２２は、第１方向Ｘに隣接する構造体２０の第１面２１の間に位置する面である。第２面２２は、第１面２１と直交している。第１面２１と第２面２２との交差部は、第２方向Ｙに延出し、構造体２０の稜線を形成するものであるが、丸みを帯びていてもよい。また、第２面２２は、第１主面１１Ａに対して傾斜している。第２面２２と第１主面１１Ａとのなす角度θ３は、鋭角である。第１面２１の第１主面１１Ａに対する傾斜角度θ１は、第２面２２の第１主面１１Ａに対する傾斜角度θ３より小さい（θ１＜θ３）。構造体２０の各々の第２面２２は、互いに平行である。
【0047】
配向膜ＡＬ１１は、第１面２１及び第２面２２にそれぞれ配置されている。つまり、配向膜ＡＬ１１は、第１面２１と液晶層ＬＣとの間に介在するとともに、第２面２２と液晶層ＬＣとの間に介在している。配向膜ＡＬ１１のうち、特に第１面２１に配置された部分については、第１面２１に平行な面内において所定の方向に配向規制力を有するように構成されている。
【0048】
コレステリック液晶ＣＬの螺旋軸ＡＸは、第１面２１の法線２１Ｎにほぼ平行である。螺旋軸ＡＸ及び法線２１Ｎは、第１主面１１Ａに対して傾斜している。第１主面１１Ａと螺旋軸ＡＸとのなす角度（あるいは、第１主面１１Ａと法線２１Ｎとのなす角度）θαは、鋭角であり、ここでは角度θ３と同等である。
【0049】
このような構成例４においても、上記の構成例１と同様の効果が得られる。
【0050】
《構成例５》
図８は、液晶素子１０の他の構成例を示す断面図である。
図８に示す例は、図７に示した例と比較して、配向膜ＡＬ１１が第２面２２に配置されていない点で相違している。つまり、液晶層ＬＣは、第２面２２に接している。
このような配向膜ＡＬ１１の製造方法については、上記の構成例２で説明した通りである。
このような構成例５においても、上記の構成例２と同様の効果が得られる。
図８は、液晶素子１０の他の構成例を示す断面図である。
図８に示す例は、図７に示した例と比較して、配向膜ＡＬ１１が第２面２２に配置されていない点で相違している。つまり、液晶層ＬＣは、第２面２２に接している。
このような配向膜ＡＬ１１の製造方法については、上記の構成例２で説明した通りである。
このような構成例５においても、上記の構成例２と同様の効果が得られる。
【0051】
《構成例６》
図９は、液晶素子１０の他の構成例を示す断面図である。
図９に示す例は、上記の例と比較して、構造体２０の表面が階段状に形成された点で相違している。複数の構造体２０は、第１方向Ｘに等ピッチで並んでいる。第１方向Ｘに隣接する構造体２０は、図示した例では離間している。
図９は、液晶素子１０の他の構成例を示す断面図である。
図９に示す例は、上記の例と比較して、構造体２０の表面が階段状に形成された点で相違している。複数の構造体２０は、第１方向Ｘに等ピッチで並んでいる。第１方向Ｘに隣接する構造体２０は、図示した例では離間している。
【0052】
すなわち、構造体２０の表面は、第１上面Ｕ１及び第２上面Ｕ２を含む複数の上面と、側面Ｓ１乃至Ｓ３を含む複数の側面と、を有している。上面の各々は、Ｘ－Ｙ平面とほぼ平行な面である。側面の各々は、Ｙ－Ｚ平面とほぼ平行な面である。
第１主面１１Ａを基準として、第２上面Ｕ２までの高さは、第１上面Ｕ１までの高さとは異なる。図示した例では、第１上面Ｕ１の位置は、第２上面Ｕ２の位置よりも高い。
側面Ｓ１は、第１上面Ｕ１と第２上面Ｕ２との間に位置し、第１上面Ｕ１の一端と第２上面Ｕ２の他端とを接続している。側面Ｓ２は構造体２０の第１方向Ｘに沿った一端側に位置し、側面Ｓ３は構造体２０の第１方向Ｘに沿った他端側に位置している。なお、図９においては、第１方向Ｘを示す矢印の後端側（図の左側）を一端側と称し、第１方向Ｘを示す矢印の先端側（図の右側）を他端側と称する。
第１主面１１Ａを基準として、第２上面Ｕ２までの高さは、第１上面Ｕ１までの高さとは異なる。図示した例では、第１上面Ｕ１の位置は、第２上面Ｕ２の位置よりも高い。
側面Ｓ１は、第１上面Ｕ１と第２上面Ｕ２との間に位置し、第１上面Ｕ１の一端と第２上面Ｕ２の他端とを接続している。側面Ｓ２は構造体２０の第１方向Ｘに沿った一端側に位置し、側面Ｓ３は構造体２０の第１方向Ｘに沿った他端側に位置している。なお、図９においては、第１方向Ｘを示す矢印の後端側（図の左側）を一端側と称し、第１方向Ｘを示す矢印の先端側（図の右側）を他端側と称する。
【0053】
配向膜ＡＬ１１は、第１上面Ｕ１及び第２上面Ｕ２を含む各上面にそれぞれ配置されている。つまり、配向膜ＡＬ１１は、各上面と液晶層ＬＣとの間に介在している。一方で、配向膜ＡＬ１１は、各側面には配置されていない。つまり、液晶層ＬＣは、構造体２０の各側面に接している。配向膜ＡＬ１１は、隣接する構造体２０の間の第１主面１１Ａにも配置されている。
【0054】
第１上面Ｕ１の一端と第２上面Ｕ２の一端とを接続する面２４を図中に一点鎖線で示す。コレステリック液晶ＣＬの螺旋軸ＡＸは、面２４の法線２４Ｎにほぼ平行である。螺旋軸ＡＸ及び法線２４Ｎは、第１主面１１Ａに対して傾斜している。
【0055】
このような構成例６においても、上記の構成例１と同様の効果が得られる。
【0056】
《構成例７》
図１０は、液晶素子１０の他の構成例を示す断面図である。
図１０に示す例は、図９に示した例と比較して、第１方向Ｘに隣接する構造体２０が互いに繋がっている点で相違している。
このような構成例７においても、上記の構成例と同様の効果が得られる。
図１０は、液晶素子１０の他の構成例を示す断面図である。
図１０に示す例は、図９に示した例と比較して、第１方向Ｘに隣接する構造体２０が互いに繋がっている点で相違している。
このような構成例７においても、上記の構成例と同様の効果が得られる。
【0057】
なお、図９及び図１０に示した各構成例において、構造体２０が有する上面の数は、図示した例に限らない。各上面の第１方向Ｘに沿った幅、及び、各側面の第３方向Ｚに沿った高さは、一定であることが望ましいが、仮想の面２４が平面になるように適宜設定される。
【0058】
次に、いくつかの実施例について説明する。各実施例において、構造体２０の形状については詳述しないが、上記の構成例１乃至７のいずれも適用することができる。
【0059】
《実施例１》
図１１は、液晶素子１０の実施例１を示す断面図である。
液晶素子１０は、透明基板１１と、構造体２０と、コレステリック液晶を含む液晶層ＬＣと、保護層１２と、保護層１３と、受光素子３０と、を備えている。
図１１は、液晶素子１０の実施例１を示す断面図である。
液晶素子１０は、透明基板１１と、構造体２０と、コレステリック液晶を含む液晶層ＬＣと、保護層１２と、保護層１３と、受光素子３０と、を備えている。
【0060】
透明基板１１は、第１主面１１Ａと、第１主面１１Ａの反対側の第２主面１１Ｂと、側面１１Ｃと、を有している。上述したように、構造体２０は、第１主面１１Ａに配置されている。液晶層ＬＣは、構造体２０に接するように配置されている。保護層１２は、液晶層ＬＣを覆っている。保護層１３は、第２主面１１Ｂに配置されている。保護層１３の屈折率は、透明基板１１の屈折率よりも低い。なお、保護層１３は省略してもよい。受光素子３０は、側面１１Ｃに対向するように配置されている。
【0061】
ここで、入射光として非偏光状態の光ＮＰが液晶素子１０の法線方向から入射した場合を考える。光ＮＰは、保護層１３及び透明基板１１を透過し、液晶層ＬＣに入射する。液晶層ＬＣに形成された反射面ＲＳは、光ＮＰのうちの特定波長λの第１円偏光Ｃ１を反射するとともに、第１円偏光Ｃ１とは逆回りの第２円偏光Ｃ２を透過する。なお、光ＮＰのうち、特定波長λとは異なる波長の光も反射面ＲＳを透過する。
【0062】
反射面ＲＳで反射された第１円偏光Ｃ１は、再び透明基板１１に入射する。このとき、反射面ＲＳの傾斜角度は、反射した第１円偏光Ｃ１が透明基板１１と保護層１３との間の界面で全反射されるように設定される。このため、透明基板１１に入射した第１円偏光Ｃ１は、透明基板１１の内部を反射しながら伝播し、側面１１Ｃを透過する。受光素子３０は、側面１１Ｃを透過した第１円偏光Ｃ１を受光し、受光した光のエネルギーを電力に変換する。このような液晶素子１０は、発電装置として利用することができる。
【0063】
《実施例２》
図１２は、液晶素子１０の実施例２を示す断面図である。
液晶素子１０は、透明基板１１と、構造体２０と、コレステリック液晶を含む液晶層ＬＣと、透明基板１４と、保護層１５、受光素子３０と、を備えている。
図１２は、液晶素子１０の実施例２を示す断面図である。
液晶素子１０は、透明基板１１と、構造体２０と、コレステリック液晶を含む液晶層ＬＣと、透明基板１４と、保護層１５、受光素子３０と、を備えている。
【0064】
透明基板１４は、主面１４Ａと、主面１４Ａの反対側の主面１４Ｂと、側面１４Ｃと、を有している。液晶層ＬＣは、主面１４Ａに配置されている。保護層１５は、主面１４Ｂに配置されている。保護層１５の屈折率は、透明基板１４の屈折率よりも低い。なお、保護層１５は省略してもよい。受光素子３０は、側面１４Ｃに対向するように配置されている。
【0065】
ここで、入射光として非偏光状態の光ＮＰが液晶素子１０の法線方向から入射した場合、光ＮＰは、保護層１５及び透明基板１４を透過し、液晶層ＬＣに入射する。液晶層ＬＣに形成された反射面ＲＳは、光ＮＰのうちの特定波長λの第１円偏光Ｃ１を反射するとともに、第１円偏光Ｃ１とは逆回りの第２円偏光Ｃ２を透過する。
【0066】
反射面ＲＳで反射された第１円偏光Ｃ１は、再び透明基板１４に入射する。このとき、反射面ＲＳの傾斜角度は、反射した第１円偏光Ｃ１が透明基板１４と保護層１５との間の界面で全反射されるように設定される。このため、透明基板１４に入射した第１円偏光Ｃ１は、透明基板１４の内部を反射しながら伝播し、側面１４Ｃを透過する。受光素子３０は、側面１４Ｃを透過した第１円偏光Ｃ１を受光し、受光した光のエネルギーを電力に変換する。このような液晶素子１０は、発電装置として利用することができる。
【0067】
【0068】
ここで、入射光として非偏光状態の光ＮＰが液晶素子１０の法線方向から入射した場合、光ＮＰは、保護層１２を透過し、液晶層ＬＣに入射する。液晶層ＬＣに形成された反射面ＲＳは、光ＮＰのうちの特定波長λの第１円偏光Ｃ１を反射するとともに、第１円偏光Ｃ１とは逆回りの第２円偏光Ｃ２を透過する。このような液晶素子１０は、反射型光学素子として利用することができる。
【0069】
上述した各例では、液晶層ＬＣに形成される反射面ＲＳがほぼ平面である場合について説明したが、これに限らない。例えば、構造体２０の形状および配列を工夫することで、曲面の反射面ＲＳを形成することができる。
【0070】
図１４は、液晶素子１０の他の例を示す断面図である。図１５は、図１４に示した液晶素子１０の構造体２０を示す斜視図である。
複数の構造体２０は、第１方向Ｘに並んでいる。また、透明基板１１の中心線ＬＮに対して図の右側に形成された構造体２０の各々は、中心線ＬＮに対して図の左側に形成された構造体２０の各々と線対称である。例えば、右側半分の複数の構造体２０に着目すると、中心線ＬＮから離れるにしたがって構造体２０の第１方向Ｘに沿った長さが小さくなる。但し、構造体２０の各々第３方向Ｚに沿った高さＨは、ほぼ一定である。このため、各構造体２０の第１面２１の傾斜角度θ１は、中心線ＬＮから離れるにしたがって、次第に増加する。
複数の構造体２０は、第１方向Ｘに並んでいる。また、透明基板１１の中心線ＬＮに対して図の右側に形成された構造体２０の各々は、中心線ＬＮに対して図の左側に形成された構造体２０の各々と線対称である。例えば、右側半分の複数の構造体２０に着目すると、中心線ＬＮから離れるにしたがって構造体２０の第１方向Ｘに沿った長さが小さくなる。但し、構造体２０の各々第３方向Ｚに沿った高さＨは、ほぼ一定である。このため、各構造体２０の第１面２１の傾斜角度θ１は、中心線ＬＮから離れるにしたがって、次第に増加する。
【0071】
液晶層ＬＣに含まれるコレステリック液晶の螺旋軸は、これらの構造体２０の形状に応じて所定の方向に配向する。これにより、図１４に一点鎖線で示したような湾曲した反射面ＲＳが形成される。なお、構造体２０の各々は、第２方向Ｙに延出した三角柱状に形成されているため、反射面ＲＳは、第２方向Ｙに延出した円筒状に形成される。
【0072】
このように、目標とする形状の反射面ＲＳを形成するためには、構造体２０の各々の第１面２１が同一方向を向いている必要はなく、複数の方向を向いた構造体２０を組み合わせて配置してもよい。
【0073】
以上説明したように、本実施形態によれば、大面積化及び量産化が可能な液晶素子を提供することができる。
【0074】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0075】
１０…液晶素子 １１…透明基板 １１Ａ…第１主面
１２…保護層
２０…構造体 ２１…第１面 ２２…第２面 ２３…底面
Ｕ１…第１上面 Ｕ２…第２上面 Ｓ１…側面
ＬＣ…液晶層 ＣＬ…コレステリック液晶 ＡＸ…螺旋軸 ＲＳ…反射面
ＡＬ１１…配向膜
１２…保護層
２０…構造体 ２１…第１面 ２２…第２面 ２３…底面
Ｕ１…第１上面 Ｕ２…第２上面 Ｓ１…側面
ＬＣ…液晶層 ＣＬ…コレステリック液晶 ＡＸ…螺旋軸 ＲＳ…反射面
ＡＬ１１…配向膜
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】