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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】P2023169661
(43)【公開日】2023-11-30
(54)【発明の名称】液晶光学素子
(51)【国際特許分類】
G02B 5/30 20060101AFI20231122BHJP
【ＦＩ】
G02B5/30
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022080911
(22)【出願日】2022-05-17
(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
(71)【出願人】
【識別番号】504176911
【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学
(74)【代理人】
【識別番号】110001737
【氏名又は名称】弁理士法人スズエ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】井桁 幸一
(72)【発明者】
【氏名】冨岡 安
(72)【発明者】
【氏名】岡 真一郎
(72)【発明者】
【氏名】吉田 浩之
【テーマコード（参考）】
2H149
【Ｆターム（参考）】
2H149AA00
2H149AB01
2H149AB18
2H149BA05
2H149FA01Z
2H149FA21W
2H149FA26Z
2H149FA27W
2H149FA28Z
2H149FA40W
2H149FA42Z
2H149FD03
(57)【要約】
【課題】反射帯域を拡大することが可能な液晶光学素子を提供する。
【解決手段】本実施形態の液晶光学素子は、第１主面と、前記第１主面と対向する第２主面と、を有する透明基板と、前記第２主面に配置された配向膜と、前記配向膜に重なり、コレステリック液晶及び液晶性を示す添加剤を有する液晶層と、を備え、前記添加剤の屈折率異方性は、前記液晶層の屈折率異方性よりも大きい。
【選択図】図２
【解決手段】本実施形態の液晶光学素子は、第１主面と、前記第１主面と対向する第２主面と、を有する透明基板と、前記第２主面に配置された配向膜と、前記配向膜に重なり、コレステリック液晶及び液晶性を示す添加剤を有する液晶層と、を備え、前記添加剤の屈折率異方性は、前記液晶層の屈折率異方性よりも大きい。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１主面と、前記第１主面と対向する第２主面と、を有する透明基板と、
前記第２主面に配置された配向膜と、
前記配向膜に重なり、コレステリック液晶及び液晶性を示す添加剤を有する液晶層と、を備え、
前記添加剤の屈折率異方性は、前記液晶層の屈折率異方性よりも大きい、液晶光学素子。
前記第２主面に配置された配向膜と、
前記配向膜に重なり、コレステリック液晶及び液晶性を示す添加剤を有する液晶層と、を備え、
前記添加剤の屈折率異方性は、前記液晶層の屈折率異方性よりも大きい、液晶光学素子。
【請求項2】
第１主面と、前記第１主面と対向する第２主面と、を有する透明基板と、
前記第２主面に配置された配向膜と、
前記配向膜に重なり、コレステリック液晶及び液晶性を示す添加剤を有する液晶層と、を備え、
前記添加剤の屈折率異方性は、前記コレステリック液晶の屈折率異方性よりも大きい、液晶光学素子。
前記第２主面に配置された配向膜と、
前記配向膜に重なり、コレステリック液晶及び液晶性を示す添加剤を有する液晶層と、を備え、
前記添加剤の屈折率異方性は、前記コレステリック液晶の屈折率異方性よりも大きい、液晶光学素子。
【請求項3】
前記添加剤は、ネマティック液晶材料またはスメクティック液晶材料によって形成されている、請求項１または２に記載の液晶光学素子。
【請求項4】
前記添加剤は、シアノビフェニル系及びその類縁体、含フッ素ビフェニル系及びその類縁体、その他のビフェニル系及びその類縁体、フェニルエステル系、シッフ塩基系の材料、シクロヘキサンフェニルトラン系、シクロヘキサンエステルフェニルトラン系、アルコキシシクロヘキサンエステルフェニルトラン系、フルオロシクロヘキサンエステルフェニルトラン系、４環エステルトラン系、フェニルトランエステル系、シアノフェニルトランエステル系、フルオロフェニルトランエステル系、または、ビフルオロフェニルトランエステル系の材料によって形成されている、請求項３に記載の液晶光学素子。
【請求項5】
前記コレステリック液晶の螺旋ピッチは、３００ｎｍ以上、７００ｎｍ以下である、請求項１または２に記載の液晶光学素子。
【請求項6】
前記液晶層の屈折率異方性は、０．２１以上、０．２４以下であり、
前記添加剤の屈折率異方性は、０．２４より大きい、請求項１に記載の液晶光学素子。
前記添加剤の屈折率異方性は、０．２４より大きい、請求項１に記載の液晶光学素子。
【請求項7】
前記コレステリック液晶の屈折率異方性は、０．２であり、
前記添加剤の屈折率異方性は、０．２より大きい、請求項２に記載の液晶光学素子。
前記添加剤の屈折率異方性は、０．２より大きい、請求項２に記載の液晶光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、液晶光学素子に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば、液晶材料を用いた液晶偏光格子が提案されている。このような液晶偏光格子では、格子周期、液晶層の屈折率異方性Δｎ（液晶層の異常光に対する屈折率ｎｅと常光に対する屈折率ｎｏとの差分）、及び、液晶層の厚さｄといったパラメータの調整が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特表２０１７－５２２６０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
実施形態の目的は、反射帯域を拡大することが可能な液晶光学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光学素子は、
第１主面と、前記第１主面と対向する第２主面と、を有する透明基板と、前記第２主面に配置された配向膜と、前記配向膜に重なり、コレステリック液晶及び液晶性を示す添加剤を有する液晶層と、を備え、前記添加剤の屈折率異方性は、前記液晶層の屈折率異方性よりも大きい。
一実施形態に係る液晶光学素子は、
第１主面と、前記第１主面と対向する第２主面と、を有する透明基板と、前記第２主面に配置された配向膜と、前記配向膜に重なり、コレステリック液晶及び液晶性を示す添加剤を有する液晶層と、を備え、前記添加剤の屈折率異方性は、前記コレステリック液晶の屈折率異方性よりも大きい。
第１主面と、前記第１主面と対向する第２主面と、を有する透明基板と、前記第２主面に配置された配向膜と、前記配向膜に重なり、コレステリック液晶及び液晶性を示す添加剤を有する液晶層と、を備え、前記添加剤の屈折率異方性は、前記液晶層の屈折率異方性よりも大きい。
一実施形態に係る液晶光学素子は、
第１主面と、前記第１主面と対向する第２主面と、を有する透明基板と、前記第２主面に配置された配向膜と、前記配向膜に重なり、コレステリック液晶及び液晶性を示す添加剤を有する液晶層と、を備え、前記添加剤の屈折率異方性は、前記コレステリック液晶の屈折率異方性よりも大きい。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【発明を実施するための形態】
【0007】
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。
【0008】
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。Ｚ軸に沿った方向をＺ方向または第１方向Ａ１と称し、Ｙ軸に沿った方向をＹ方向または第２方向Ａ２と称し、Ｘ軸に沿った方向をＸ方向または第３方向Ａ３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平面と称し、Ｙ軸及びＺ軸によって規定される面をＹ－Ｚ平面と称する。
【0009】
図１は、本実施形態に係る液晶光学素子１００を模式的に示す断面図である。
液晶光学素子１００は、透明基板１と、配向膜２と、液晶層３と、を備えている。
液晶光学素子１００は、透明基板１と、配向膜２と、液晶層３と、を備えている。
【0010】
透明基板１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１は、例えば、可撓性を有する透明な合成樹脂板によって構成されていてもよい。透明基板１は、任意の形状を取り得る。例えば、透明基板１は、湾曲していてもよい。
【0011】
本明細書において、『光』は、可視光及び不可視光を含むものである。例えば、可視光域の下限の波長は３６０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であり、可視光域の上限の波長は７６０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下である。可視光は、第１波長帯（例えば４００ｎｍ～５００ｎｍ）の第１成分（青成分）、第２波長帯（例えば５００ｎｍ～６００ｎｍ）の第２成分（緑成分）、及び、第３波長帯（例えば６００ｎｍ～７００ｎｍ）の第３成分（赤成分）を含んでいる。不可視光は、第１波長帯より短波長帯の紫外線、及び、第３波長帯より長波長帯の赤外線を含んでいる。
本明細書において、『透明』は、無色透明であることが好ましい。ただし、『透明』は、半透明又は有色透明であってもよい。
本明細書において、『透明』は、無色透明であることが好ましい。ただし、『透明』は、半透明又は有色透明であってもよい。
【0012】
透明基板１は、Ｘ－Ｙ平面に沿った平板状に形成され、第１主面（外面）Ｆ１と、第２主面（内面）Ｆ２と、側面Ｓ１と、を有している。第１主面Ｆ１及び第２主面Ｆ２は、Ｘ－Ｙ平面に略平行な面であり、第１方向Ａ１において、互いに対向している。側面Ｓ１は、第１方向Ａ１に沿って延びた面である。図１に示す例では、側面Ｓ１は、Ｘ－Ｚ平面と略平行な面であるが、側面Ｓ１は、Ｙ－Ｚ平面と略平行な面を含んでいる。
【0013】
配向膜２は、第２主面Ｆ２に配置されている。配向膜２は、Ｘ－Ｙ平面に沿って配向規制力を有する水平配向膜である。配向膜２は、例えば、光照射により配向処理が可能な光配向膜であるが、ラビングによって配向処理される配向膜であってもよいし、微小な凹凸を有する配向膜であってもよい。配向膜２の第１方向Ａ１に沿った厚さＴ２は、５ｎｍ～３００ｎｍであり、好ましくは１０ｎｍ～２００ｎｍである。
【0014】
液晶層３は、第１方向Ａ１において、配向膜２に重なっている。つまり、配向膜２は、透明基板１と液晶層３との間に位置し、また、透明基板１及び液晶層３に接している。
液晶層３は、第３主面（内面）Ｆ３と、第４主面（外面）Ｆ４と、を有している。第３主面Ｆ３及び第４主面Ｆ４は、Ｘ－Ｙ平面に略平行な面であり、第１方向Ａ１において、互いに対向している。第３主面Ｆ３は、配向膜２に接している。液晶層の第１方向Ａ１に沿った厚さＴ３、厚さＴ２より大きく、例えば、１μｍ～１０μｍであり、好ましくは２μｍ～７μｍである。
なお、第４主面Ｆ４は、透明な保護層で覆われてもよい。
液晶層３は、第３主面（内面）Ｆ３と、第４主面（外面）Ｆ４と、を有している。第３主面Ｆ３及び第４主面Ｆ４は、Ｘ－Ｙ平面に略平行な面であり、第１方向Ａ１において、互いに対向している。第３主面Ｆ３は、配向膜２に接している。液晶層の第１方向Ａ１に沿った厚さＴ３、厚さＴ２より大きく、例えば、１μｍ～１０μｍであり、好ましくは２μｍ～７μｍである。
なお、第４主面Ｆ４は、透明な保護層で覆われてもよい。
【0015】
液晶層３は、拡大して模式的に示すように、第１旋回方向に旋回したコレステリック液晶３１１を有している。コレステリック液晶３１１は、第１方向Ａ１にほぼ平行な螺旋軸ＡＸ１を有し、また、第１方向Ａ１に沿った螺旋ピッチＰを有している。螺旋ピッチＰは、螺旋の１周期（液晶分子が３６０度回転するのに要する螺旋軸ＡＸ１に沿った層厚）を示す。
【0016】
液晶層３は、反射面３２１を有している。反射面３２１では、液晶層３への入射光のうち、コレステリック液晶３１１の螺旋ピッチＰ及び液晶層３の屈折率異方性Δｎに応じて決定する選択反射帯域の円偏光が反射される。例えば、第１旋回方向が右回りの場合、右回りの円偏光が反射面３２１で反射され、第１旋回方向が左回りの場合、左回りの円偏光が反射面３２１で反射される。なお、本明細書において、液晶層３における「反射」とは、液晶層３の内部における回折を伴うものである。また、本明細書において、円偏光は、厳密な円偏光であってもよいし、楕円偏光に近似した円偏光であってもよい。
【0017】
図１に示す例では、液晶層３は、第１主面Ｆ１の側から入射した光ＬＴｉの一部を透明基板１に向けて反射するように構成されている。なお、液晶層３は、第４主面Ｆ４の側から入射した光の一部を反射するように構成することもできる。また、液晶光学素子１００において、図１に示した液晶層３に、他のコレステリック液晶を有する液晶層が積層されていてもよい。他のコレステリック液晶とは、例えば、螺旋ピッチＰとは異なる螺旋ピッチを有するコレステリック液晶や、第１旋回方向とは逆回りの第２旋回方向に旋回したコレステリック液晶などである。
【0018】
次に、図１に示す液晶光学素子１００の光学作用について説明する。
【0019】
液晶光学素子１００に入射する光ＬＴｉは、例えば、可視光、紫外線、及び、赤外線を含んでいる。
図１に示す例では、理解を容易にするために、光ＬＴｉは、透明基板１に対して略垂直に入射するものとする。なお、透明基板１に対する光ＬＴｉの入射角度は、特に限定されない。例えば、互いに異なる複数の入射角度をもって透明基板１に光ＬＴｉが入射してもよい。
図１に示す例では、理解を容易にするために、光ＬＴｉは、透明基板１に対して略垂直に入射するものとする。なお、透明基板１に対する光ＬＴｉの入射角度は、特に限定されない。例えば、互いに異なる複数の入射角度をもって透明基板１に光ＬＴｉが入射してもよい。
【0020】
光ＬＴｉは、第１主面Ｆ１から透明基板１の内部に進入し、第２主面Ｆ２から出射して、配向膜２を透過し、液晶層３に入射する。そして、液晶層３は、光ＬＴｉの一部を反射する。一例では、液晶層３は、赤外線の第１円偏光を透明基板１に向けて反射し、他の光ＬＴｔを透過する。
【0021】
液晶層３は、第１円偏光を、透明基板１における光導波条件を満足する進入角θで、透明基板１に向けて反射する。ここでの進入角θとは、透明基板１と空気との界面で全反射を起こす臨界角θｃ以上の角度に相当する。進入角θは、透明基板１に直交する垂線に対する角度を示す。
【0022】
透明基板１、配向膜２、及び、液晶層３が同等の屈折率を有している場合、これらの積層体が単体の光導波体となり得る。この場合、光ＬＴｒは、透明基板１と空気との界面、及び、液晶層３と空気との界面において、反射を繰り返しながら、側面Ｓ１に向けて導光される。
【0023】
なお、ここでは赤外線Ｉが反射される例について説明したが、液晶層３は、可視光を反射するように構成されてもよいし、紫外線を反射するように構成されてもよいし、複数の波長帯の光を反射するように構成されてもよい。
【0024】
図２は、液晶層３に含まれるコレステリック液晶３１１の一例を説明するための図である。
なお、図２では、液晶層３を第１方向Ａ１に拡大して図示している。また、簡略化のため、コレステリック液晶３１１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を図示している。図示した液晶分子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。
なお、図２では、液晶層３を第１方向Ａ１に拡大して図示している。また、簡略化のため、コレステリック液晶３１１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を図示している。図示した液晶分子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。
【0025】
液晶層３は、コレステリック液晶３１１と、液晶性を示す添加剤（ゲスト液晶）４と、を有している。
【0026】
１つのコレステリック液晶３１１に着目すると、コレステリック液晶３１１は、旋回しながら第１方向Ａ１に沿って螺旋状に積み重ねられた複数の液晶分子ＬＭ１によって構成されている。複数の液晶分子ＬＭ１は、コレステリック液晶３１１の一端側の液晶分子ＬＭ１１と、コレステリック液晶３１１の他端側の液晶分子ＬＭ１２と、を有している。液晶分子ＬＭ１１は、第３主面Ｆ３あるいは配向膜２に近接している。液晶分子ＬＭ１２は、第４主面Ｆ４に近接している。
【0027】
図２に示す例の液晶層３において、第２方向Ａ２に沿って隣接する複数のコレステリック液晶３１１は、互いに配向方向が揃っている。つまり、第２方向Ａ２に沿って隣接する複数の液晶分子ＬＭ１１の配向方向は、ほぼ一致している。また、第２方向Ａ２に沿って隣接する複数の液晶分子ＬＭ１２の配向方向も、ほぼ一致している。
【0028】
液晶層３の反射面３２１は、Ｘ－Ｙ平面に沿って延びた平面状に形成される。ここでの反射面３２１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。
【0029】
このような液晶層３は、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、液晶光学素子１００は、液晶層３に電界を形成するための電極を備えていない。
【0030】
添加剤４は、液晶層３においてほぼ均一に浸透している。添加剤４は、コレステリック液晶３１１と同様に配向している。このような添加剤４は、屈折率異方性Δｎ４を有している。屈折率異方性Δｎ４は、コレステリック液晶３１１の屈折率異方性Δｎ３よりも大きい。このため、液晶層３の屈折率異方性Δｎは、添加剤４が液晶層３に添加された分に応じて増大する。屈折率異方性Δｎは、屈折率異方性Δｎ４を超えることはない。つまり、屈折率異方性Δｎ４は、屈折率異方性Δｎよりも大きい。
【0031】
一般的に、コレステリック液晶３１１を有する液晶層３において、垂直入射した光に対する選択反射帯域Δλは、コレステリック液晶３１１の螺旋ピッチＰ、液晶層３の屈折率異方性Δｎ（異常光に対する屈折率ｎｅと常光に対する屈折率ｎｏとの差分）に基づいて、次の式（１）で示される。
Δλ＝Δｎ＊Ｐ …（１）
選択反射帯域Δλの具体的な波長範囲は、（ｎｏ＊Ｐ～ｎｅ＊Ｐ）の範囲であり、一例では、８００ｎｍ～１０００ｎｍの近赤外の範囲である。
Δλ＝Δｎ＊Ｐ …（１）
選択反射帯域Δλの具体的な波長範囲は、（ｎｏ＊Ｐ～ｎｅ＊Ｐ）の範囲であり、一例では、８００ｎｍ～１０００ｎｍの近赤外の範囲である。
【0032】
選択反射帯域Δλの中心波長λｍは、コレステリック液晶３１１の螺旋ピッチＰ、液晶層３の平均屈折率ｎａｖ（＝（ｎｅ＋ｎｏ）／２）に基づいて、次の式（２）で示される。
λｍ＝ｎａｖ＊Ｐ …（２）
λｍ＝ｎａｖ＊Ｐ …（２）
【0033】
上記の式（１）に基づくと、選択反射帯域Δλを拡大する要望に対しては、屈折率異方性Δｎを増大する、もしくは、螺旋ピッチＰを増大する必要がある。しかしながら、上記の式（２）で示すように、螺旋ピッチＰは、中心波長λｍにも影響を与える。このため、中心波長λｍの長波長側へのシフトを抑制しつつ選択反射帯域Δλを拡大するためには、屈折率異方性Δｎを増大することが有効である。
【0034】
本実施形態によれば、液晶層３は、コレステリック液晶３１１に加えて、添加剤４を有している。添加剤４の屈折率異方性Δｎ４は、コレステリック液晶３１１の屈折率異方性Δｎ３より大きい。このため、液晶層３が添加剤４を有していない場合と比較して、液晶層３の屈折率異方性Δｎを増大することができる。これにより、液晶層３における選択反射帯域Δλを拡大することができる。
【0035】
また、コレステリック液晶３１１を形成するための材料として、所望の屈折率異方性Δｎを得るための材料を選定することが難しい場合であっても、添加剤４の添加量を調整することで容易に所望の屈折率異方性Δｎを実現することができる。
【0036】
図３は、液晶層３に含まれるコレステリック液晶３１１の他の例を説明するための図である。
図３に示す例は、図２に示した例と比較して、第２方向Ａ２に沿って隣接する複数のコレステリック液晶３１１の配向方向が互いに異なっている点で相違している。また、第２方向Ａ２に沿って隣接するコレステリック液晶３１１の各々の空間位相は、互いに異なっている。そして、複数の液晶分子ＬＭ１１の配向方向は、第２方向Ａ２に沿って連続的に変化している。また、複数の液晶分子ＬＭ１２の配向方向も、第２方向Ａ２に沿って連続的に変化している。これらの配向方向については、後述する。
図３に示す例は、図２に示した例と比較して、第２方向Ａ２に沿って隣接する複数のコレステリック液晶３１１の配向方向が互いに異なっている点で相違している。また、第２方向Ａ２に沿って隣接するコレステリック液晶３１１の各々の空間位相は、互いに異なっている。そして、複数の液晶分子ＬＭ１１の配向方向は、第２方向Ａ２に沿って連続的に変化している。また、複数の液晶分子ＬＭ１２の配向方向も、第２方向Ａ２に沿って連続的に変化している。これらの配向方向については、後述する。
【0037】
液晶層３の反射面３２１は、Ｘ－Ｙ平面に対して傾斜している。反射面３２１とＸ－Ｙ平面とのなす角度φは、鋭角である。
なお、反射面３２１の形状は、図２及び図３に示したような平面形状に限らず、凹状や凸状の曲面形状であってもよく、特に限定されるものではない。また、反射面３２１の一部に凸凹を有していたり、反射面３２１の傾斜角度φが均一でなかったり、複数の反射面３２１が、規則的に整列していなかったりしてもよい。複数のコレステリック液晶３１１の空間位相分布に応じて、任意の形状の反射面３２１を構成することができる。
なお、反射面３２１の形状は、図２及び図３に示したような平面形状に限らず、凹状や凸状の曲面形状であってもよく、特に限定されるものではない。また、反射面３２１の一部に凸凹を有していたり、反射面３２１の傾斜角度φが均一でなかったり、複数の反射面３２１が、規則的に整列していなかったりしてもよい。複数のコレステリック液晶３１１の空間位相分布に応じて、任意の形状の反射面３２１を構成することができる。
【0038】
図４は、液晶光学素子１００を模式的に示す平面図である。
図４には、コレステリック液晶３１１の空間位相の一例が示されている。ここに示す空間位相は、コレステリック液晶３１１に含まれる液晶分子ＬＭ１のうち、第３主面Ｆ３の近傍に位置する液晶分子ＬＭ１１の配向方向として示している。
図４には、コレステリック液晶３１１の空間位相の一例が示されている。ここに示す空間位相は、コレステリック液晶３１１に含まれる液晶分子ＬＭ１のうち、第３主面Ｆ３の近傍に位置する液晶分子ＬＭ１１の配向方向として示している。
【0039】
第２方向Ａ２に沿って並んだコレステリック液晶３１１の各々について、液晶分子ＬＭ１１の配向方向は互いに異なる。つまり、コレステリック液晶３１１の空間位相は、第２方向Ａ２に沿って異なる。
一方、第３方向Ａ３に沿って並んだコレステリック液晶３１１の各々について、液晶分子ＬＭ１１の配向方向は略一致する。つまり、コレステリック液晶３１１の空間位相は、第３方向Ａ３において略一致する。
一方、第３方向Ａ３に沿って並んだコレステリック液晶３１１の各々について、液晶分子ＬＭ１１の配向方向は略一致する。つまり、コレステリック液晶３１１の空間位相は、第３方向Ａ３において略一致する。
【0040】
特に、第２方向Ａ２に並んだコレステリック液晶３１１に着目すると、各液晶分子ＬＭ１１の配向方向は、一定角度ずつ異なっている。つまり、第２方向Ａ２に沿って並んだ複数の液晶分子ＬＭ１１の配向方向は、線形に変化している。したがって、第２方向Ａ２に沿って並んだ複数のコレステリック液晶３１１の空間位相は、第２方向Ａ２に沿って線形に変化している。その結果、図３に示した液晶層３のように、Ｘ－Ｙ平面に対して傾斜する反射面３２１が形成される。ここでの「線形に変化」は、例えば、液晶分子ＬＭ１１の配向方向の変化量が１次関数で表されることを示す。なお、ここでの液晶分子ＬＭ１１の配向方向とは、Ｘ－Ｙ平面における液晶分子ＬＭ１１の長軸方向に相当する。このような液晶分子ＬＭ１１の配向方向は、配向膜２になされた配向処理によって制御される。
【0041】
ここで、図４に示すように、一平面内において、第２方向Ａ２に沿って液晶分子ＬＭ１１の配向方向が１８０度だけ変化するときの２つの液晶分子ＬＭ１１の間隔を周期Ｔと定義する。なお、図４においてＤＰは液晶分子ＬＭ１１の旋回方向を示している。図３に示した反射面３２１の傾斜角度φは、周期Ｔ及び螺旋ピッチＰによって適宜設定される。
【0042】
【0043】
図５に示す材料例（１）～（８）、及び、図６に示す材料例（９）～（１４）は、ネマティック液晶材料、スメクティック液晶材料の例であり、シアノビフェニル系及びその類縁体、含フッ素ビフェニル系及びその類縁体、その他のビフェニル系及びその類縁体、フェニルエステル系、シッフ塩基系の材料である。
【0044】
図７乃至図９に示す材料例（１５）～（４４）は、ネマティック液晶材料、スメクティック液晶材料の例であり、トラン系の材料である。
材料例（１５）及び（１６）は、シクロヘキサンフェニルトラン系の材料である。
材料例（１７）～（２０）は、シクロヘキサンエステルフェニルトラン系の材料である。
材料例（２１）及び（２２）は、アルコキシシクロヘキサンエステルフェニルトラン系の材料である。
材料例（２３）～（２６）は、フルオロシクロヘキサンエステルフェニルトラン系の材料である。
材料例（２７）及び（２８）は、４環エステルトラン系の材料である。
材料例（２９）～（３２）は、フェニルトランエステル系の材料である。
材料例（３３）～（３６）は、シアノフェニルトランエステル系の材料である。
材料例（３７）～（４０）は、フルオロフェニルトランエステル系の材料である。
材料例（４４）～（４４）は、ビフルオロフェニルトランエステル系の材料である。
材料例（１５）及び（１６）は、シクロヘキサンフェニルトラン系の材料である。
材料例（１７）～（２０）は、シクロヘキサンエステルフェニルトラン系の材料である。
材料例（２１）及び（２２）は、アルコキシシクロヘキサンエステルフェニルトラン系の材料である。
材料例（２３）～（２６）は、フルオロシクロヘキサンエステルフェニルトラン系の材料である。
材料例（２７）及び（２８）は、４環エステルトラン系の材料である。
材料例（２９）～（３２）は、フェニルトランエステル系の材料である。
材料例（３３）～（３６）は、シアノフェニルトランエステル系の材料である。
材料例（３７）～（４０）は、フルオロフェニルトランエステル系の材料である。
材料例（４４）～（４４）は、ビフルオロフェニルトランエステル系の材料である。
【0045】
図１０に示す材料例（４５）～（５４）は、ネマティック液晶材料、スメクティック液晶材料の例であり、シアノビフェニル系及びその類縁体の材料である。
【0046】
次に、液晶光学素子１００の製造方法について説明する。
まず、図１１Ａに示すように、透明基板１を洗浄する（ステップＳＴ１）。
そして、透明基板１の第２主面Ｆ２に配向膜２を形成する（ステップＳＴ２）。配向膜２には、所定の配向処理を行う。
まず、図１１Ａに示すように、透明基板１を洗浄する（ステップＳＴ１）。
そして、透明基板１の第２主面Ｆ２に配向膜２を形成する（ステップＳＴ２）。配向膜２には、所定の配向処理を行う。
【0047】
そして、配向膜２の上に液晶材料（コレステリック液晶を形成するためのモノマー材料を含む溶液）を塗布する（ステップＳＴ３）。その後、チャンバ内を減圧することで溶媒を乾燥し（ステップＳＴ４）、さらに、液晶材料をベークする（ステップＳＴ５）。ベークにより液晶材料に含まれる液晶分子は、配向膜２の配向処理方向に応じて所定の方向に配向する。そして、液晶材料を室温程度まで冷却し（ステップＳＴ６）、その後、液晶材料に紫外線を照射して液晶材料を硬化する（ステップＳＴ７）。これにより、コレステリック液晶３１１を有する液晶層３が形成される。
【0048】
続いて、図１１Ｂに示すように、溶媒に上記の添加剤４を溶かした液晶溶液を用意する。溶媒は、ヘキサン、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、ヘプタン、トルエン、アニソール、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（ＰＧＭＥＡ）などの有機溶媒が適用可能である。そして、液晶層３に液晶溶液を塗布する（ステップＳＴ８）。ここでの塗布とは、液晶層３を液晶溶液に浸漬したり、液晶層３に液晶溶液を滴下したりすることを含むものである。これにより、液晶溶液に含まれる添加剤４が溶媒とともに液晶層３に均一に浸透する。塗布した液晶溶液のうち、過剰な液晶溶液は、スピンナーなどを利用して除去される。必要に応じて、液晶溶液を除去するための有機溶媒を用いてもよい。
その後、透明基板１を加熱することで液晶層３に浸透した溶媒を除去する（ステップＳＴ９）。そして、透明基板１を室温程度まで冷却する（ステップＳＴ１０）。
なお、液晶層３への添加剤４の添加量は、上記のステップＳＴ８乃至ＳＴ１０を行う回数で調整することができる。つまり、添加量を増大したい場合には、上記のステップＳＴ８乃至ＳＴ１０を複数回繰り返し行えばよい。これにより、所望の反射性能を有する液晶光学素子１００が製造される。
その後、透明基板１を加熱することで液晶層３に浸透した溶媒を除去する（ステップＳＴ９）。そして、透明基板１を室温程度まで冷却する（ステップＳＴ１０）。
なお、液晶層３への添加剤４の添加量は、上記のステップＳＴ８乃至ＳＴ１０を行う回数で調整することができる。つまり、添加量を増大したい場合には、上記のステップＳＴ８乃至ＳＴ１０を複数回繰り返し行えばよい。これにより、所望の反射性能を有する液晶光学素子１００が製造される。
【0049】
図１１Ｂに示した工程の代わりに、図１１Ｃに示す工程を適用してもよい。以下、図１１Ｃに示す工程について説明する。
まず、添加剤４を用意する。そして、液晶層３に添加剤４を塗布する（ステップＳＴ１１）。ここでの塗布とは、液晶層３を添加剤４に浸漬したり、液晶層３に添加剤４を滴下したりすることを含むものである。
その後、塗布した添加剤４がＮＩ点（Nematic-Isotropic転移温度）を超えて液体状態になるように、透明基板１を加熱する（ステップＳＴ１２）。
これにより、添加剤４が液晶層３に均一に浸透する。
その後、スピンナーなどを利用して過剰な添加剤４を除去する（ステップＳＴ１３）。なお、必要に応じて、過剰な添加剤４を除去するための有機溶媒を用いてもよい。
そして、透明基板１を加熱することで液晶層３を乾燥させる（ステップＳＴ１４）。
そして、透明基板１を室温程度まで冷却する（ステップＳＴ１５）。
なお、液晶層３への添加剤４の添加量は、上記のステップＳＴ１１乃至ＳＴ１５を行う回数で調整することができる。つまり、添加量を増大したい場合には、上記のステップＳＴ１１乃至ＳＴ１５を複数回繰り返し行えばよい。これにより、所望の反射性能を有する液晶光学素子１００が製造される。
まず、添加剤４を用意する。そして、液晶層３に添加剤４を塗布する（ステップＳＴ１１）。ここでの塗布とは、液晶層３を添加剤４に浸漬したり、液晶層３に添加剤４を滴下したりすることを含むものである。
その後、塗布した添加剤４がＮＩ点（Nematic-Isotropic転移温度）を超えて液体状態になるように、透明基板１を加熱する（ステップＳＴ１２）。
これにより、添加剤４が液晶層３に均一に浸透する。
その後、スピンナーなどを利用して過剰な添加剤４を除去する（ステップＳＴ１３）。なお、必要に応じて、過剰な添加剤４を除去するための有機溶媒を用いてもよい。
そして、透明基板１を加熱することで液晶層３を乾燥させる（ステップＳＴ１４）。
そして、透明基板１を室温程度まで冷却する（ステップＳＴ１５）。
なお、液晶層３への添加剤４の添加量は、上記のステップＳＴ１１乃至ＳＴ１５を行う回数で調整することができる。つまり、添加量を増大したい場合には、上記のステップＳＴ１１乃至ＳＴ１５を複数回繰り返し行えばよい。これにより、所望の反射性能を有する液晶光学素子１００が製造される。
【0050】
図１２は、添加剤４が浸透する様子を説明するための図である。図１２の左側は液晶溶液を塗布する前の液晶光学素子１００を示し、図１２の右側は液晶溶液を塗布した後の液晶光学素子１００を示している。なお、図１２は、添加剤４が添加された様子を模式的に示すものである。
【0051】
液晶溶液を塗布する前の液晶層３においては、コレステリック液晶３１１は螺旋ピッチＰ０を有している。
液晶溶液を塗布した後の液晶層３は、添加剤４を含む液晶溶液が浸透したことによって膨潤する。このため、コレステリック液晶３１１の螺旋ピッチＰは、螺旋ピッチＰ０より拡大する。
液晶溶液を塗布した後の液晶層３は、添加剤４を含む液晶溶液が浸透したことによって膨潤する。このため、コレステリック液晶３１１の螺旋ピッチＰは、螺旋ピッチＰ０より拡大する。
【0052】
《実施例１》
まず、コレステリック液晶３１１を形成するための材料として、屈折率異方性Δｎ３が０．２である液晶材料を適用し、上記のステップＳＴ１乃至ＳＴ７を経て液晶層３を形成した。
まず、コレステリック液晶３１１を形成するための材料として、屈折率異方性Δｎ３が０．２である液晶材料を適用し、上記のステップＳＴ１乃至ＳＴ７を経て液晶層３を形成した。
【0053】
続いて、溶媒としてのシクロヘキサノンに、添加剤４として、４－Ｃｙａｎｏ－４’’－ｐｅｎｔｙｌ－ｐ－ｔｅｒｐｈｅｎｙl（別名：５ＣＴ）を溶解させて濃度１０ｗｔ％の液晶溶液を作製した。そして、上記のステップＳＴ８乃至ＳＴ１０を経て液晶層３に添加剤４を添加した。
【0054】
そして、５つのサンプルを用意した。
サンプル１は、添加剤４を含まないものである。
サンプル２は、上記のステップＳＴ８乃至ＳＴ１０を１回行って添加剤４を添加したものである。
サンプル３は、上記のステップＳＴ８乃至ＳＴ１０を２回行って添加剤４を添加したものである。
サンプル４は、上記のステップＳＴ８乃至ＳＴ１０を３回行って添加剤４を添加したものである。
サンプル５は、上記のステップＳＴ８乃至ＳＴ１０を４回行って添加剤４を添加したものである。
これらの５つのサンプルについて、分光透過スペクトルを測定した。
サンプル１は、添加剤４を含まないものである。
サンプル２は、上記のステップＳＴ８乃至ＳＴ１０を１回行って添加剤４を添加したものである。
サンプル３は、上記のステップＳＴ８乃至ＳＴ１０を２回行って添加剤４を添加したものである。
サンプル４は、上記のステップＳＴ８乃至ＳＴ１０を３回行って添加剤４を添加したものである。
サンプル５は、上記のステップＳＴ８乃至ＳＴ１０を４回行って添加剤４を添加したものである。
これらの５つのサンプルについて、分光透過スペクトルを測定した。
【0055】
図１３は、サンプル１乃至５についての分光透過スペクトルの測定結果を示す図である。
図の横軸は波長（ｎｍ）を示し、図の縦軸は透過率（％）を示している。
図の横軸は波長（ｎｍ）を示し、図の縦軸は透過率（％）を示している。
【0056】
図中のＳＰ１はサンプル１の測定結果を示し、図中のＳＰ２はサンプル２の測定結果を示し、図中のＳＰ３はサンプル３の測定結果を示し、図中のＳＰ４はサンプル４の測定結果を示し、図中のＳＰ５はサンプル５の測定結果を示している。
これらの測定結果から、サンプル１乃至５のそれぞれの選択反射帯域Δλ及び選択反射帯域Δλの中心波長λｍを求めた。
これらの測定結果から、サンプル１乃至５のそれぞれの選択反射帯域Δλ及び選択反射帯域Δλの中心波長λｍを求めた。
【0057】
図１４は、サンプル１乃至５についての選択反射帯域Δλ及び中心波長λｍの関係を示す図である。
図の横軸は中心波長λｍ（ｎｍ）を示し、図の縦軸は選択反射帯域Δλ（ｎｍ）を示している。
図の横軸は中心波長λｍ（ｎｍ）を示し、図の縦軸は選択反射帯域Δλ（ｎｍ）を示している。
【0058】
これらの測定結果によると、添加剤４の添加量が多いほど、選択反射帯域Δλが拡大し、しかも、選択反射帯域Δλの中心波長λｍも長波長化する傾向が確認された。
【0059】
図中のＳＰ６及びＳＰ７は、比較例であるサンプル６及びサンプル７の測定結果を示すものである。サンプル６は、サンプル１と同様に添加剤４を含まず、サンプル１の螺旋ピッチよりも大きな螺旋ピッチのコレステリック液晶を有するものである。サンプル７は、サンプル１と同様に添加剤４を含まず、サンプル６の螺旋ピッチよりもさらに大きな螺旋ピッチのコレステリック液晶を有するものである。
【0060】
サンプル２乃至５によれば、同一の中心波長λｍを得るために螺旋ピッチを拡大した比較例よりも、選択反射帯域Δλを拡大できることが確認された。
また、サンプル２乃至５によれば、同一の選択反射帯域Δλを得るために螺旋ピッチを拡大した比較例よりも、中心波長λｍの長波長側へのシフトが軽減できることも確認された。
また、サンプル２乃至５によれば、同一の選択反射帯域Δλを得るために螺旋ピッチを拡大した比較例よりも、中心波長λｍの長波長側へのシフトが軽減できることも確認された。
【0061】
サンプル２について、電子顕微鏡で撮影した断面写真に基づいて、螺旋ピッチＰを求めたところ、３４８ｎｍであった。また、上記の分光透過スペクトルの測定結果に基づいて、選択反射帯域Δλを求めたところ、７４ｎｍであった。したがって、上記の式（１）に基づき、液晶層３の屈折率異方性Δｎは、０．２１３であると算出された。この屈折率異方性Δｎは、実施例１で適用した液晶材料の屈折率異方性Δｎ３（＝０．２）よりも大きいことがわかる。
【0062】
同様に、サンプル３について、螺旋ピッチＰを求めたところ、３７８ｎｍであった。また、選択反射帯域Δλを求めたところ、８３ｎｍであった。したがって、上記の式（１）に基づき、液晶層３の屈折率異方性Δｎは、０．２２０であると算出された。
【0063】
同様に、サンプル５について、螺旋ピッチＰを求めたところ、３８８ｎｍであった。また、選択反射帯域Δλを求めたところ、９２ｎｍであった。したがって、上記の式（１）に基づき、液晶層３の屈折率異方性Δｎは、０．２３７であると算出された。
【0064】
このように、一例として、コレステリック液晶３１１の螺旋ピッチＰは、３００ｎｍ以上、７００ｎｍ以下の範囲に設定される。このとき、液晶層３の屈折率異方性Δｎは、０．２１以上、０．２４以下であり、添加剤４としては、屈折率異方性Δｎ４が０．２４より大きい材料を適用している。
また、他の観点では、コレステリック液晶３１１の屈折率異方性Δｎ３は、０．２であり、添加剤４としては、屈折率異方性Δｎ４が０．２より大きい材料を適用している。
また、他の観点では、コレステリック液晶３１１の屈折率異方性Δｎ３は、０．２であり、添加剤４としては、屈折率異方性Δｎ４が０．２より大きい材料を適用している。
【0065】
《実施例２》
まず、コレステリック液晶３１１を形成するための材料として、屈折率異方性Δｎ３が０．２である液晶材料を適用し、上記のステップＳＴ１乃至ＳＴ７を経て液晶層３を形成した。
まず、コレステリック液晶３１１を形成するための材料として、屈折率異方性Δｎ３が０．２である液晶材料を適用し、上記のステップＳＴ１乃至ＳＴ７を経て液晶層３を形成した。
【0066】
続いて、溶媒としてのシクロヘキサノンに、添加剤４として、４’－ｐｅｎｔｙｌ ｃｙｃｌｏｈｅｘａｎｅ ｅｓｔｅｌ ｐｈｅｎｙｌ ｔｏｌａｎｓ（別名:ＥＴ５０）を溶解させて濃度１０ｗｔ％の液晶溶液を作製した。そして、上記のステップＳＴ８乃至ＳＴ１０を経て液晶層３に添加剤４を添加した。
【0067】
このような実施例２においても、実施例１と同様の効果が得られた。
【0068】
《実施例３》
まず、コレステリック液晶３１１を形成するための材料として、屈折率異方性Δｎ３が０．２である液晶材料を適用し、上記のステップＳＴ１乃至ＳＴ７を経て液晶層３を形成した。
まず、コレステリック液晶３１１を形成するための材料として、屈折率異方性Δｎ３が０．２である液晶材料を適用し、上記のステップＳＴ１乃至ＳＴ７を経て液晶層３を形成した。
【0069】
続いて、溶媒としてのシクロヘキサノンに、添加剤４として、４－ｍｅｔｈｏｘｙ－４’－ｐｒｏｐｙｌ ｃｙｃｌｏｈｅｘａｎｅ ｅｓｔｅｌ ｐｈｅｎｙｌ ｔｏｌａｎs（別名：ＥＴ３０１）を溶解させて濃度１０ｗｔ％の液晶溶液を作製した。そして、上記のステップＳＴ８乃至ＳＴ１０を経て液晶層３に添加剤４を添加した。
【0070】
このような実施例３においても、実施例１と同様の効果が得られた。
【0071】
《適用例》
次に、本実施形態に係る液晶光学素子１００の適用例として、太陽電池装置２００について説明する。
次に、本実施形態に係る液晶光学素子１００の適用例として、太陽電池装置２００について説明する。
【0072】
図１５は、太陽電池装置２００の外観の一例を示す図である。
太陽電池装置２００は、上記した液晶光学素子１００と、発電装置２１０と、を備えている。発電装置２１０は、液晶光学素子１００の一辺に沿って設けられている。発電装置２１０と対向する液晶光学素子１００の一辺は、図１に示した透明基板１の側面Ｓ１に沿った辺である。このような太陽電池装置２００において、液晶光学素子１００は、発電装置２１０に所定波長の光を導く導光素子として機能する。
太陽電池装置２００は、上記した液晶光学素子１００と、発電装置２１０と、を備えている。発電装置２１０は、液晶光学素子１００の一辺に沿って設けられている。発電装置２１０と対向する液晶光学素子１００の一辺は、図１に示した透明基板１の側面Ｓ１に沿った辺である。このような太陽電池装置２００において、液晶光学素子１００は、発電装置２１０に所定波長の光を導く導光素子として機能する。
【0073】
発電装置２１０は、複数の太陽電池を備えている。太陽電池は、光を受光して、受光した光のエネルギーを電力に変換するものである。つまり、太陽電池は、受光した光によって発電する。太陽電池の種類は、特に限定されない。例えば、太陽電池は、シリコン系太陽電池、化合物系太陽電池、有機物系太陽電池、ペロブスカイト型太陽電池、又は、量子ドット型太陽電池である。シリコン系太陽電池としては、アモルファスシリコンを備えた太陽電池や、多結晶シリコンを備えた太陽電池などが含まれる。
【0074】
【0075】
液晶層３は、例えば、図１に示したように赤外線Ｉの第１円偏光を反射するように構成されている。なお、液晶層３は、赤外線Ｉの第１円偏光及び第２円偏光をそれぞれ反射するように構成されてもよい。
【0076】
液晶層３で反射された赤外線Ｉは、側面Ｓ１に向かって液晶光学素子１００を伝播する。発電装置２１０は、側面Ｓ１を透過した赤外線Ｉを受光して発電する。
【0077】
太陽光のうちの可視光Ｖ及び紫外線Ｕは、液晶光学素子１００を透過する。特に、可視光Ｖの主要な成分である第１成分（青成分）、第２成分（緑成分）、及び、第３成分（赤成分）の各々は、液晶光学素子１００を透過する。このため、太陽電池装置２００を透過した光の着色を抑制することができる。また、太陽電池装置２００における可視光Ｖの透過率の低下を抑制することができる。
また、上記の液晶光学素子１００を適用することにより、発電に利用できる帯域を拡大することができ、発電効率（変換効率）を向上することができる。
また、上記の液晶光学素子１００を適用することにより、発電に利用できる帯域を拡大することができ、発電効率（変換効率）を向上することができる。
【0078】
以上説明したように、本実施形態によれば、反射帯域を拡大することが可能な液晶光学素子を提供することができる。
【0079】
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】
【0080】
１００…液晶光学素子
１…透明基板 Ｆ１…第１主面 Ｆ２…第２主面 Ｓ１…側面
２…配向膜 ３…液晶層 ３１１…コレステリック液晶 ３２１…反射面
１…透明基板 Ｆ１…第１主面 Ｆ２…第２主面 Ｓ１…側面
２…配向膜 ３…液晶層 ３１１…コレステリック液晶 ３２１…反射面
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】