特開 2024-125440 液晶光学素子及びその製造方法

(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】P2024125440

(43)【公開日】2024-09-19

(54)【発明の名称】液晶光学素子及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/30 20060101AFI20240911BHJP

   H02S 40/22 20140101ALI20240911BHJP

【ＦＩ】

G02B5/30

H02S40/22

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021128317

(22)【出願日】2021-08-04

(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】岡 真一郎

(72)【発明者】

【氏名】冨岡 安

(72)【発明者】

【氏名】小橋 淳二

(72)【発明者】

【氏名】吉田 浩之

【テーマコード（参考）】

2H149

5F151

5F251

【Ｆターム（参考）】

2H149AB01

2H149DA02

2H149EA03

2H149EA06

2H149FA03W

2H149FA27Y

5F151JA23

5F151JA25

5F251JA23

5F251JA25

(57)【要約】

【課題】所望の反射性能を得ることが可能な液晶光学素子及びその製造方法を提供する。
【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、を有する光導波部と、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を有し、前記光導波部を介して入射した光の少なくとも一部を前記光導波部に向けて反射する液晶層と、前記液晶層に重なり、水溶性ポリマーまたはフッ素系樹脂によって形成された透明な第１保護層と、を備える。
【選択図】図１

【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、を有する光導波部と、
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を有し、前記光導波部を介して入射した光の少なくとも一部を前記光導波部に向けて反射する液晶層と、
前記液晶層に重なり、水溶性ポリマーまたはフッ素系樹脂によって形成された透明な第１保護層と、
を備える、液晶光学素子。

【請求項2】

前記コレステリック液晶は、前記配向膜に近接する第１領域において第１螺旋ピッチを有し、前記第１領域と前記第１保護層との間の第２領域において第２螺旋ピッチを有し、
前記第１螺旋ピッチと前記第２螺旋ピッチとの差は、２０ｎｍ以下である、請求項１に記載の液晶光学素子。

【請求項3】

前記液晶層は、前記第１保護層を構成する成分を含まない、請求項１に記載の液晶光学素子。

【請求項4】

前記第１保護層は、ポリビニルアルコールによって形成されている、請求項１に記載の液晶光学素子。

【請求項5】

前記液晶層の厚さは、前記第１保護層の厚さより厚い、請求項１に記載の液晶光学素子。

【請求項6】

前記液晶層は、
前記コレステリック液晶からなる第１層と、
前記コレステリック液晶からなる第２層と、を備え、
前記第１層及び前記第２層において、前記コレステリック液晶は、同等の螺旋ピッチを有し、逆回りに旋回している、請求項１に記載の液晶光学素子。

【請求項7】

さらに、前記第１保護層に対向する透明な第１カバー部材と、
前記第１保護層と前記第１カバー部材との間に空間を形成した状態で前記第１カバー部材を支持する支持体と、を備える、請求項１に記載の液晶光学素子。

【請求項8】

さらに、前記光導波部に対向する第２カバー部材を備え、
前記支持体は、前記光導波部と前記第２カバー部材との間に空間を形成した状態で前記第２カバー部材を支持している、請求項７に記載の液晶光学素子。

【請求項9】

さらに、前記第１保護層に重なる透明な第２保護層を備え、
前記第２保護層は、前記第１保護層とは異なる材料によって形成され、
前記第２保護層の透湿度は、前記第１保護層の透湿度より小さい、請求項１に記載の液晶光学素子。

【請求項10】

さらに、前記第２保護層に対向する透明な第１カバー部材と、
前記第２保護層と前記第１カバー部材との間に空間を形成した状態で前記第２保護層及び前記第１カバー部材を支持する支持体と、を備える、請求項９に記載の液晶光学素子。

【請求項11】

さらに、前記光導波部に対向する第２カバー部材を備え、
前記支持体は、前記光導波部と前記第２カバー部材との間に空間を形成した状態で前記光導波部及び前記第２カバー部材を支持している、請求項１０に記載の液晶光学素子。

【請求項12】

光導波部の上に配向膜を形成し、
前記配向膜の上にコレステリック液晶を有する液晶層を形成し、
前記液晶層の上に、ポリビニルアルコールを純水に溶かした水溶液を塗布した後に乾燥し、第１保護層を形成する、液晶光学素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、液晶光学素子及びその製造方法に関する。

【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は、波長λの光が入射した際に、入射光を０次回折光及び１次回折光に分割するものである。液晶材料を用いた光学素子では、格子周期の他に、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】

本実施形態の目的は、所望の反射性能を得ることが可能な液晶光学素子及びその製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

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、を有する光導波部と、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を有し、前記光導波部を介して入射した光の少なくとも一部を前記光導波部に向けて反射する液晶層と、前記液晶層に重なり、水溶性ポリマーまたはフッ素系樹脂によって形成された透明な第１保護層と、を備える。

【0006】

本実施形態の液晶光学素子の製造方法は、
光導波部の上に配向膜を形成し、前記配向膜の上にコレステリック液晶を有する液晶層を形成し、前記液晶層の上に、ポリビニルアルコールを純水に溶かした水溶液を塗布した後に乾燥し、第１保護層を形成する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、実施形態１に係る液晶光学素子１００を模式的に示す断面図である。

【図2】図２は、液晶層３の構造を模式的に示す断面図である。

【図3】図３は、液晶光学素子１００を模式的に示す平面図である。

【図4】図４は、本実施形態における液晶層３を模式的に示す図である。

【図5】図５は、第１保護層１１を形成する前後での透過スペクトルの測定結果を示す図である。

【図6】図６は、実施形態１に係る液晶光学素子１００の変形例を模式的に示す断面図である。

【図7】図７は、実施形態２に係る液晶光学素子１００を模式的に示す断面図である。

【図8】図８は、実施形態３に係る液晶光学素子１００を模式的に示す断面図である。

【図9】図９は、実施形態４に係る液晶光学素子１００を模式的に示す断面図である。

【図10】図１０は、実施形態５に係る液晶光学素子１００を模式的に示す断面図である。

【図11】図１１は、実施形態６に係る液晶光学素子１００を模式的に示す断面図である。

【図12】図１２は、太陽電池装置２００の外観の一例を示す図である。

【図13】図１３は、太陽電池装置２００の動作を説明するための図である。

【図14】図１４は、液晶層３の反射スペクトルの測定結果を示す図である。

【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。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。

【0010】

（実施形態１)
図１は、実施形態１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、光導波部１と、配向膜２と、液晶層３と、第１保護層１１と、を備えている。

【0011】

光導波部１は、光を透過する透明部材、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。光導波部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。光導波部１は、任意の形状を取り得る。例えば、光導波部１は、湾曲していてもよい。光導波部１の屈折率は、例えば、空気の屈折率よりも大きい。光導波部１は、例えば、窓ガラスとして機能する。

【0012】

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。

【0013】

光導波部１は、Ｘ－Ｙ平面に沿った平板状に形成され、第１主面Ｆ１と、第２主面Ｆ２と、側面Ｆ３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Ｆ３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Ｆ３は、Ｘ－Ｚ平面と略平行な面であるが、側面Ｆ３は、Ｙ－Ｚ平面と略平行な面を含んでいる。

【0014】

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。このような配向膜２は、例えばポリイミドなどの透明な材料によって形成されている。

【0015】

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、光導波部１と液晶層３との間に位置し、また、光導波部１及び液晶層３に接している。液晶層３は、第１主面Ｆ１の側から入射した光ＬＴｉの少なくとも一部を光導波部１に向けて反射するものである。一例では、液晶層３は、光導波部１を介して入射した光ＬＴｉのうち、第１円偏光及び第１円偏光とは逆回りの第２円偏光の少なくとも一方を反射するコレステリック液晶を有している。なお、コレステリック液晶については、後に詳述するが、一方向に旋回したコレステリック液晶は、特定波長の光のうち、旋回方向に対応した円偏光を反射する反射面３２を形成する。

【0016】

液晶層３において反射される第１円偏光及び第２円偏光は、例えば赤外線であるが、可視光であってもよいし、紫外線であってもよい。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。

【0017】

第１保護層１１は、第１方向Ａ１において、液晶層３に重なっている。つまり、液晶層３は、配向膜２と第１保護層１１との間に位置し、また、配向膜２及び第１保護層１１に接している。また、第１保護層１１は、透明であり、特に、可視光に対しては高い光透過性を有するものである。
このような第１保護層１１は、水溶性ポリマーまたはフッ素系樹脂によって形成されている。

【0018】

本明細書での水溶性ポリマーとは、液晶層３に対して低い相溶性を有する溶媒である水に対して可溶性を呈する高分子材料である。高分子材料の一例としては、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール、ポリエチレンイミン、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドンなどの合成ポリマーが適用可能である。また、高分子材料の他の例としては、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースなどのセルロース系半合成ポリマーが適用可能である。さらに、高分子材料の他の例としては、酸化でんぷん、変性でんぷんなどのでんぷん系半合成ポリマーが適用可能である。
本明細書でのフッ素系樹脂とは、フッ素系溶液を溶媒として用いるものである。

【0019】

次に、図１に示す実施形態１において、液晶光学素子１００の光学作用について説明する。

【0020】

液晶光学素子１００に入射する光ＬＴｉは、例えば、可視光Ｖ、紫外線Ｕ、及び、赤外線Ｉ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、光導波部１に対して略垂直に入射するものとする。なお、光導波部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光導波部１に光ＬＴｉが入射してもよい。

【0021】

光ＬＴｉは、第１主面Ｆ１から光導波部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のうち、一部の光ＬＴｒを光導波部１に向けて反射し、他の光ＬＴｔを透過する。ここでは、光導波部１及び液晶層３における吸収等の光損失は無視している。
液晶層３で反射される光ＬＴｒは、例えば、所定波長の第１円偏光である。また、液晶層３を透過する光ＬＴｔは、所定波長の第２円偏光と、所定波長とは異なる波長の光を含んでいる。ここでの所定波長とは、例えば赤外線Ｉであり、液晶層３で反射される光ＬＴｒは赤外線Ｉの第１円偏光Ｉ１である。液晶層３を透過する光ＬＴｔは、可視光Ｖ、紫外線Ｕ、及び、赤外線Ｉの第２円偏光Ｉ２を含んでいる。なお、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。

【0022】

液晶層３は、第１円偏光Ｉ１を、光導波部１における光導波条件を満足する進入角θで、光導波部１に向けて反射する。ここでの進入角θとは、光導波部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、光導波部１に直交する垂線に対する角度を示す。

【0023】

光導波部１、配向膜２、液晶層３、及び、第１保護層１１が同等の屈折率を有している場合、これらが単体の光導波体となり得る。この場合、光ＬＴｒは、光導波部１と空気との界面、及び、第１保護層１１と空気との界面において、反射を繰り返しながら、側面Ｆ３に向けて導光される。

【0024】

このような実施形態１によれば、液晶層３に重なる第１保護層１１が設けられたことにより、液晶層３の損傷が抑制される。そして、液晶層３の損傷による不所望な光の散乱や液晶層３での反射率の低下が抑制される。したがって、光の利用効率の低下が抑制される。

【0025】

図２は、液晶層３の構造を模式的に示す断面図である。
なお、光導波部１は二点鎖線で示している。また、図１に示した配向膜及び第１保護層の図示は省略している。

【0026】

液晶層３は、螺旋状構造体として、コレステリック液晶３１を有している。複数のコレステリック液晶３１の各々は、第１方向Ａ１にほぼ平行な螺旋軸ＡＸを有している。螺旋軸ＡＸは、光導波部１の第２主面Ｆ２に対して略垂直である。
コレステリック液晶３１の各々は、第１方向Ａ１に沿って螺旋ピッチＰを有している。螺旋ピッチＰは、螺旋の１周期(３６０度）を示す。螺旋ピッチＰは、第１方向Ａ１に沿ってほとんど変化することなく一定である。コレステリック液晶３１の各々は、複数の液晶分子３１５を含んでいる。複数の液晶分子３１５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ている。

【0027】

液晶層３は、第１方向Ａ１おいて第２主面Ｆ２に対向する第１境界面３１７と、第１境界面３１７の反対側の第２境界面３１９と、第１境界面３１７と第２境界面３１９との間の複数の反射面３２と、を有している。第１境界面３１７は、光導波部１を透過した光ＬＴｉが液晶層３に入射する面である。第１境界面３１７及び第２境界面３１９の各々は、コレステリック液晶３１の螺旋軸ＡＸに対して略垂直である。第１境界面３１７及び第２境界面３１９の各々は、光導波部１（あるいは第２主面Ｆ２）に略平行である。

【0028】

第１境界面３１７は、コレステリック液晶３１の両端部のうちの一端部ｅ１に位置する液晶分子３１５を含んでいる。第１境界面３１７は、図示しない配向膜と液晶層３との境界面に相当する。
第２境界面３１９は、コレステリック液晶３１の両端部のうちの他端部ｅ２に位置する液晶分子３１５を含んでいる。第２境界面３１９は、液晶層３と図示しない第１保護層との境界面に相当する。

【0029】

図２に示す例では、複数の反射面３２は、互いに略平行である。反射面３２は、第１境界面３１７及び光導波部１（あるいは第２主面Ｆ２）に対して傾斜しており、一方向に延びる略平面形状を有している。反射面３２は、ブラッグの法則に従って、第１境界面３１７から入射した光ＬＴｉのうち一部の光ＬＴｒを選択反射する。具体的には、反射面３２は、光ＬＴｒの波面ＷＦが反射面３２と略平行になるように、光ＬＴｒを反射する。更に具体的には、反射面３２は、第１境界面３１７に対する反射面３２の傾斜角度φに応じて光ＬＴｒを反射する。

【0030】

反射面３２は、次のように定義できる。すなわち、液晶層３において選択的に反射される所定波長の光（例えば円偏光）が感じる屈折率は、光が液晶層３の内部を進行するのに伴って徐々に変化する。このため、液晶層３においてフレネル反射が徐々に起こる。そして、複数のコレステリック液晶３１において光が感じる屈折率が最も大きく変化する位置で、フレネル反射が最も強く起こる。つまり、反射面３２は、液晶層３においてフレネル反射が最も強く起こる面に相当する。

【0031】

複数のコレステリック液晶３１のうち、第２方向Ａ２に隣接するコレステリック液晶３１の各々の液晶分子３１５の配向方向は互いに異なっている。また、複数のコレステリック液晶３１のうち、第２方向Ａ２に隣接するコレステリック液晶３１の各々の空間位相は互いに異なっている。反射面３２は、配向方向が揃った液晶分子３１５によって形成される面、あるいは、空間位相が揃った面（等位相面）に相当する。つまり、複数の反射面３２の各々は、第１境界面３１７あるいは光導波部１に対して傾斜している。

【0032】

なお、反射面３２の形状は、図２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３２の一部に凸凹を有していたり、反射面３２の傾斜角度φが均一でなかったり、複数の反射面３２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３１の空間位相分布に応じて、任意の形状の反射面３２を構成することができる。

【0033】

図２では、図面の簡略化のため、Ｘ－Ｙ平面内に位置する複数の液晶分子３１５のうち、平均的配向方向を向いている液晶分子３１５を代表して示している。

【0034】

コレステリック液晶３１は、選択反射帯域Δλに含まれる所定波長λの光のうち、コレステリック液晶３１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３１の旋回方向が右回りの場合、所定波長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３１の旋回方向が左回りの場合、所定波長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。

【0035】

コレステリック液晶３１の螺旋ピッチをＰ、液晶分子３１５の異常光に対する屈折率をｎｅ、液晶分子３１５の常光に対する屈折率をｎｏと記載すると、一般的に、垂直入射した光に対するコレステリック液晶３１の選択反射帯域Δλは、「ｎｏ＊Ｐ～ｎｅ＊Ｐ」で示される。なお、詳細には、コレステリック液晶３１の選択反射帯域Δλは、「ｎｏ＊Ｐ～ｎｅ＊Ｐ」の範囲に対して、反射面３２の傾斜角度φや、第１境界面３１７への入射角度などに応じて変化する。

【0036】

図３は、液晶光学素子１００を模式的に示す平面図である。
図３には、コレステリック液晶３１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３１に含まれる液晶分子３１５のうち、第１境界面３１７に位置する液晶分子３１５の配向方向として示している。

【0037】

第２方向Ａ２に沿って並んだコレステリック液晶３１の各々について、第１境界面３１７に位置する液晶分子３１５の配向方向は互いに異なる。つまり、第１境界面３１７におけるコレステリック液晶３１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３１の各々について、第１境界面３１７に位置する液晶分子３１５の配向方向は略一致する。つまり、第１境界面３１７におけるコレステリック液晶３１の空間位相は、第３方向Ａ３において略一致する。

【0038】

特に、第２方向Ａ２に並んだコレステリック液晶３１に着目すると、各液晶分子３１５の配向方向は、一定角度ずつ異なっている。つまり、第１境界面３１７において、第２方向Ａ２に沿って並んだ複数の液晶分子３１５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３１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２に示した液晶層３のように、第１境界面３１７及び光導波部１に対して傾斜する反射面３２が形成される。ここでの「線形に変化」は、例えば、液晶分子３１５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３１５の配向方向とは、Ｘ－Ｙ平面における液晶分子３１５の長軸方向に相当する。このような液晶分子３１５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。

【0039】

ここで、図３に示すように、第１境界面３１７において、第２方向Ａ２に沿って液晶分子３１５の配向方向が１８０度だけ変化するときの２つのコレステリック液晶３１の間隔をコレステリック液晶３１の周期Ｔと定義する。なお、図３においてＤＰは液晶分子３１５の旋回方向を示している。図２に示した反射面３２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。

【0040】

液晶層３は、以下のようにして形成される。例えば、所定の配向処理がなされた配向膜２の上に液晶材料を塗布した後、複数の液晶分子３１５に光を照射し、複数の液晶分子３１５を重合させることで、液晶層３が形成される。又は、所定の温度又は所定の濃度において液晶状態を示す高分子液晶材料を、複数のコレステリック液晶３１を形成するように配向制御し、その後、配向を維持したまま固体に転移させることで、液晶層３が形成される。
液晶層３において、隣り合うコレステリック液晶３１は、重合又は固体への転移によって、コレステリック液晶３１の配向を維持したまま、つまり、コレステリック液晶３１の空間位相を維持したまま、互いに結合している。その結果、液晶層３において、各液晶分子３１５の配向方向が固定されている。

【0041】

一例として、選択反射帯域Δλが赤外線となるように、コレステリック液晶３１の螺旋ピッチＰが調整された場合について説明する。液晶層３の反射面３２での反射率を高くする観点では、液晶層３の第１方向Ａ１に沿った厚さは、螺旋ピッチＰの数倍から１０倍程度とすることが望ましい。つまり、液晶層３の厚さは、１～１０μｍ程度となり、好ましくは２～７μｍとなる。

【0042】

ここで、液晶層３に接する第１保護層１１が液晶層３に対して高い相溶性を有する溶媒を用いて形成される場合について説明する。
第１保護層１１を形成するための水溶液を液晶層３の上に塗布した際、溶媒が液晶層３に浸透するのに伴って第１保護層１１を形成する高分子材料も液晶層３に浸透しやすく、液晶層３が膨張する。液晶層３の膨張に伴って、コレステリック液晶３１の螺旋ピッチは、第１方向Ａ１に拡大する。液晶層３に浸透した溶媒は後の乾燥工程で蒸発するが、液晶層３に浸透した高分子材料は液晶層３にとどまり、螺旋ピッチが拡大した状態で維持されてしまう。上記の通り、コレステリック液晶３１の選択反射帯域Δλは螺旋ピッチに依存する。このため、第１保護層１１を形成する前後で選択反射帯域Δλを比較した場合、第１保護層１１が形成された後に螺旋ピッチが拡大することで、選択反射帯域Δλは長波長側にシフトしてしまう。

【0043】

そこで、本実施形態では、液晶層３に接する第１保護層１１は、上記の通り、液晶層３に対して低い相溶性を有する溶媒を用いて形成されている。このため、第１保護層１１を構成する成分（溶媒及び高分子材料）は、液晶層３にほとんど浸透しない。

【0044】

図４は、本実施形態における液晶層３を模式的に示す図である。
液晶層３は、配向膜２に近接する第１領域Ｒ１と、第１保護層１１に近接する第２領域Ｒ２と、を有している。第２領域Ｒ２は、第１領域Ｒ１と第１保護層１１との間の領域である。
コレステリック液晶３１は、第１領域Ｒ１において第１螺旋ピッチＰ１を有し、第２領域Ｒ２において第２螺旋ピッチＰ２を有している。

【0045】

第１保護層１１を形成する過程で、第１保護層１１を形成するための水溶液は、液晶層３にはほとんど浸透しない。このため、液晶層３と第１保護層１１との界面（図２の第２境界面３１９）はほぼ平坦である。また、液晶層３において、第１保護層１１を形成するための溶媒や高分子材料が第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２に浸透した痕跡はほとんど確認されない。つまり、液晶層３は、第１保護層１１を構成する成分をほとんど含まない。しかも、第１保護層１１を形成する過程での液晶層３の膨張が抑制され、コレステリック液晶３１の螺旋ピッチの拡大が抑制される。つまり、コレステリック液晶３１の螺旋ピッチは、第１保護層１１を形成する前の螺旋ピッチに維持される。

【0046】

なお、第１領域Ｒ１は、第２領域Ｒ２よりも配向膜２の近くに位置しているため、配向膜２による配向規制力の影響を強く受ける。このため、第１螺旋ピッチＰ１と第２螺旋ピッチＰ２とを比較した場合、第２螺旋ピッチＰ２が第１螺旋ピッチＰ１より大きくなる場合があり得るが、その差はわずかである。一例では、第１螺旋ピッチＰ１と第２螺旋ピッチＰ２との差ΔＰは、２０ｎｍ以下である。差ΔＰが２０ｎｍ以下であれば、コレステリック液晶３１は、第１方向Ａ１に沿ってほぼ一定の螺旋ピッチを有するものみなすことができる。
仮に、第１保護層１１を構成する成分が液晶層３に僅かに浸透した場合、コレステリック液晶３１は、第１保護層１１に近い第２領域Ｒ２において局所的に膨張し、第１螺旋ピッチＰ１と第２螺旋ピッチＰ２との差ΔＰが２０ｎｍを超える。換言すると、差ΔＰが２０ｎｍ以下であれば、液晶層３が第１保護層１１を構成する成分をほとんど含んでいないとみなすことができる。

【0047】

ここで、液晶光学素子１００の製造方法の一例について説明する。
まず、光導波部１の上（あるいは第２主面Ｆ２）に配向膜２を形成する。配向膜２には、所定の配向処理を施す。
その後、配向膜２の上にコレステリック液晶３１を有する液晶層３を形成する。液晶層３を形成する方法については、上記の通りである。
続いて、液晶層３の上に第１保護層１１を形成する。

【0048】

ここでは、第１保護層１１が水溶性ポリマーの１つであるポリビニルアルコール（ＰＶＡ）によって形成される場合について説明する。使用するポリビニルアルコール（関東化学製）は、重合度が５００であり、けん化度が８６．５％～８９％である。このポリビニルアルコールの粉末を純水に溶かして、濃度が１５ｗｔ％のポリビニルアルコール水溶液を用意する。
そして、このポリビニルアルコール水溶液を液晶層３の表面にバーコーターなどを用いて均一塗布する。その後、自然乾燥、もしくは加熱（例えば、１２５℃、３分）により純水を除去することで、ポリビニルアルコール製の第１保護層１１を形成する。

【0049】

このような工程を経て形成した液晶光学素子１００について、例えば、配向膜２の厚さは１１０ｎｍであり、液晶層３の厚さは４．１μｍであり、第１保護層１１の厚さは２．４μｍであった。この例では、液晶層３の厚さは、第１保護層１１の厚さより厚い。

【0050】

このような液晶光学素子１００において、第１保護層１１を形成する前後での透過スペクトルを測定した。

【0051】

図５は、第１保護層１１を形成する前後での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。図中のＢ１は、第１保護層１１を形成する前の透過スペクトルの測定結果を示している。図中のＢ２は、第１保護層１１を形成した後の透過スペクトルの測定結果を示している。
図示した測定結果によれば、第１保護層１１を形成する前後において、選択反射帯域Δλが５００ｎｍ～５６０ｎｍであり、ほとんど変化していないことが確認された。

【0052】

液晶層３と第１保護層１１との厚さの関係については、以下の通りである。
液晶層３の厚さは、１μｍ～１０μｍであり、好ましくは２μｍ～７μｍである。液晶層３の厚さは、上記の通り、螺旋ピッチＰの数倍から１０倍程度であることが望ましいが、液晶層３の厚さが螺旋ピッチＰの１０倍を超える厚さであったとしても、反射率は飽和する傾向にある。
第１保護層１１の厚さは、１μｍ～１０００μｍであり、好ましくは２μｍ～１００μｍである。第１保護層１１の厚さは、厚いほど保護性能が上がるが、生産性の低下を招くおそれがある。上記の例のように、第１保護層１１の厚さが２．４μｍであっても十分な保護性能が発揮されることが確認されている。

【0053】

以上説明したように、実施形態１によれば、液晶層３に重なる第１保護層１１が設けられたことにより、液晶層３の損傷が抑制され、光の利用効率の低下が抑制される。また、第１保護層１１が液晶層３に対して相溶性の低い材料を用いて形成されているため、液晶層３に含まれるコレステリック液晶３１の螺旋ピッチは、第１保護層１１を形成する前後でほとんど変化しない。このため、所望の反射性能を実現することができる。

【0054】

（変形例）
図６は、実施形態１に係る液晶光学素子１００の変形例を模式的に示す断面図である。図６に示す例は、図１に示した例と比較して、液晶層３が、第１旋回方向に旋回したコレステリック液晶３１１を有する第１層３Ａと、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３１２を有する第２層３Ｂと、を有している点で相違している。第１層３Ａ及び第２層３Ｂは、第１方向Ａ１に沿って重なっている。第１層３Ａは配向膜２と第２層３Ｂとの間に位置し、第２層３Ｂは第１層３Ａと第１保護層１１との間に位置している。

【0055】

第１層３Ａに含まれるコレステリック液晶３１１は、選択反射帯域のうち、第１旋回方向の第１円偏光を反射するように構成されている。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Ｐ１１を有している。
第２層３Ｂに含まれるコレステリック液晶３１２は、選択反射帯域のうち、第２旋回方向の第２円偏光を反射するように構成されている。コレステリック液晶３１２は、第１方向Ａ１にほぼ平行な螺旋軸ＡＸ２を有し、また、第１方向Ａ１に沿った螺旋ピッチＰ１２を有している。螺旋軸ＡＸ１は、螺旋軸ＡＸ２に平行である。螺旋ピッチＰ１１は、螺旋ピッチＰ１２と同等である。

【0056】

コレステリック液晶３１１及び３１２は、拡大して模式的に示すように、ともに選択反射帯域として赤外線Ｉを反射するように形成されている。第１層３Ａのコレステリック液晶３１１は、赤外線Ｉのうちの第１円偏光Ｉ１を反射する反射面３２１を形成する。第２層３Ｂのコレステリック液晶３１２は、第２層３Ｂにおいて、赤外線Ｉのうちの第２円偏光Ｉ２を反射する反射面３２２を形成する。

【0057】

このような液晶光学素子１００においては、可視光Ｖ、紫外線Ｕ、及び、赤外線Ｉを含む光ＬＴｉが入射すると、液晶層３は、赤外線Ｉを含む光ＬＴｒを反射し、可視光Ｖ及び紫外線Ｕを含む光ＬＴｔを透過する。
液晶層３の第１層３Ａに形成された反射面３２１では、赤外線Ｉのうちの第１円偏光Ｉ１が光導波部１に向けて反射される。また、液晶層３の第２層３Ｂに形成された反射面３２２では、第１層３Ａを透過した赤外線Ｉの第２円偏光Ｉ２が光導波部１に向けて反射される。液晶層３で反射された第１円偏光Ｉ１及び第２円偏光Ｉ２を含む光ＬＴｒは、光導波部１と空気との界面、及び、第１保護層１１と空気との界面で反射されながら、側面Ｆ３に向けて導光される。

【0058】

このような変形例では、赤外線Ｉの第１円偏光Ｉ１のみならず、第２円偏光も導光することができ、光の利用効率をさらに向上することができる。
なお、液晶層３は、３層以上の多層体であってもよい。また、液晶層３を構成する各層の螺旋ピッチが異なっていてもよい。

【0059】

（実施形態２)
図７は、実施形態２に係る液晶光学素子１００を模式的に示す断面図である。
図７に示す実施形態２は、図１に示した実施形態１と比較して、第１保護層１１に対向する透明な第１カバー部材２１が設けられた点で相違している。

【0060】

第１カバー部材２１は、透明平板であり、例えば、ガラス板やアクリル板である。第１カバー部材２１の厚さは、０．１ｍｍ～２５ｍｍであり、好ましくは、１ｍｍ～２０ｍｍである。

【0061】

支持体４０は、光導波部１、配向膜２、液晶層３、及び、第１保護層１１の積層体と、第１カバー部材２１とをそれぞれ支持している。そして、支持体４０は、第１保護層１１と第１カバー部材２１との間に空間Ｓ１を形成した状態で第１カバー部材２１を支持している。空間Ｓ１は、例えば空気層であり、第１保護層１１及び第１カバー部材２１よりも低い屈折率を有する低屈折率層である。

【0062】

このような実施形態２においても、上記の実施形態１と同様の効果が得られる。加えて、第１保護層１１が第１カバー部材２１によって外気から遮蔽されるため、第１保護層１１がたとえ吸湿性を有する材料によって形成されていたとしても、第１保護層１１を介した液晶層３への水分浸入が抑制される。したがって、液晶層３における反射性能の経年劣化が抑制される。

【0063】

なお、図示した例では、第１カバー部材２１が第１保護層１１から離間しているが、第１カバー部材２１が第１保護層１１に接していてもよい。

【0064】

（実施形態３)
図８は、実施形態３に係る液晶光学素子１００を模式的に示す断面図である。
図８に示す実施形態３は、図７に示した実施形態２と比較して、さらに、光導波部１に対向する透明な第２カバー部材２２が設けられた点で相違している。光導波部１、配向膜２、液晶層３、及び、第１保護層１１の積層体は、第１カバー部材２１と第２カバー部材２２との間に設けられている。

【0065】

第２カバー部材２２は、透明平板であり、例えば、ガラス板やアクリル板である。第２カバー部材２２の厚さは、０．１ｍｍ～２５ｍｍであり、好ましくは、１ｍｍ～２０ｍｍである。

【0066】

支持体４０は、光導波部１、配向膜２、液晶層３、及び、第１保護層１１の積層体と、第１カバー部材２１と、第２カバー部材２２と、をそれぞれ支持している。そして、支持体４０は、光導波部１と第２カバー部材２２との間に空間Ｓ２を形成した状態で第２カバー部材２２を支持している。空間Ｓ２は、例えば空気層であり、光導波部１及び第２カバー部材２２よりも低い屈折率を有する低屈折率層である。

【0067】

このような実施形態３においても、上記の実施形態２と同様の効果が得られる。加えて、光導波部１が第２カバー部材２２によって保護されているため、光導波部１の損傷が抑制され、光導波部１での不所望な光の散乱が抑制される。

【0068】

なお、図示した例では、第２カバー部材２２が光導波部１から離間しているが、第２カバー部材２２が光導波部１に接していてもよい。

【0069】

（実施形態４)
図９は、実施形態４に係る液晶光学素子１００を模式的に示す断面図である。
図９に示す実施形態４は、図１に示した実施形態１と比較して、第１保護層１１に重なる透明な第２保護層１２が設けられた点で相違している。第１保護層１１は、液晶層３と第２保護層１２との間に位置し、液晶層３及び第２保護層１２に接している。

【0070】

第２保護層１２は、第１保護層１１とは異なる材料によって形成され、しかも、第２保護層１２の透湿度は、第１保護層１１の透湿度より小さい。このような第２保護層１２は、有機膜であってもよいし、無機膜であってもよい。

【0071】

以下に、第２保護層１２を形成し得る有機膜としては、例えば、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、無軸延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ）、二軸延伸ポリプロピレン（ＯＰＰ）、二軸延伸ポリスチレン（ＯＰＳ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）、アクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）、ポリカーボネイト（ＰＣ）、アラミド、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリウレタン、フッ素樹脂、ノルボルネン樹脂、シクロオレフィン系樹脂などが適用可能である。
また、第２保護層１２を形成し得る無機膜としては、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）などが適用可能である。

【0072】

第２保護層１２が有機膜である場合、第２保護層１２の厚さは、１μｍ～１０００μｍであり、好ましくは、２μｍ～１００μｍである。
第２保護層１２が無機膜である場合、第２保護層１２の厚さは、１０ｎｍ～１０μｍであり、好ましくは、５０ｎｍ～５μｍである。

【0073】

このような実施形態４においても、上記の実施形態１と同様の効果が得られる。加えて、低透湿性を有する第２保護層１２が第１保護層１１のほぼ全面に重なっているため、第１保護層１１がたとえ吸湿性を有する材料によって形成されていたとしても、第１保護層１１を介した液晶層３への水分浸入が抑制される。したがって、液晶層３における反射性能の経年劣化が抑制される。

【0074】

（実施形態５)
図１０は、実施形態５に係る液晶光学素子１００を模式的に示す断面図である。
図１０に示す実施形態５は、図９に示した実施形態４と比較して、第２保護層１２に対向する透明な第１カバー部材２１が設けられた点で相違している。第１カバー部材２１の詳細については、実施形態２で説明した通りである。

【0075】

支持体４０は、光導波部１、配向膜２、液晶層３、第１保護層１１、及び、第２保護層１２の積層体と、第１カバー部材２１とをそれぞれ支持している。そして、支持体４０は、第２保護層１２と第１カバー部材２１との間に空間Ｓ１を形成した状態で第１カバー部材２１を支持している。空間Ｓ１は、空気層などの低屈折率層である。

【0076】

このような実施形態５においても、上記の実施形態４と同様の効果が得られる。加えて、第１保護層１１及び第２保護層１２が第１カバー部材２１によって外気から遮蔽されるため、第１保護層１１及び第２保護層１２を介した液晶層３への水分浸入が抑制される。したがって、液晶層３における反射性能の経年劣化が抑制される。

【0077】

なお、図示した例では、第１カバー部材２１が第２保護層１２から離間しているが、第１カバー部材２１が第２保護層１２に接していてもよい。

【0078】

（実施形態６)
図１１は、実施形態６に係る液晶光学素子１００を模式的に示す断面図である。
図１１に示す実施形態６は、図１０に示した実施形態５と比較して、さらに、光導波部１に対向する透明な第２カバー部材２２が設けられた点で相違している。第２カバー部材２２の詳細については、実施形態３で説明した通りである。光導波部１、配向膜２、液晶層３、第１保護層１１、及び、第２保護層１２の積層体は、第１カバー部材２１と第２カバー部材２２との間に設けられている。

【0079】

支持体４０は、光導波部１、配向膜２、液晶層３、第１保護層１１、及び、第２保護層１２の積層体と、第１カバー部材２１と、第２カバー部材２２と、をそれぞれ支持している。そして、支持体４０は、光導波部１と第２カバー部材２２との間に空間Ｓ２を形成した状態で第２カバー部材２２を支持している。空間Ｓ２は、空気層などの低屈折率層である。

【0080】

このような実施形態６においても、上記の実施形態５と同様の効果が得られる。加えて、光導波部１が第２カバー部材２２によって保護されているため、光導波部１の損傷が抑制され、光導波部１での不所望な光の散乱が抑制される。

【0081】

なお、図示した例では、第２カバー部材２２が光導波部１から離間しているが、第２カバー部材２２が光導波部１に接していてもよい。

【0082】

上記の実施形態２乃至６の各々について、図６を参照して説明した変形例を適用することができる。すなわち、液晶層３は、コレステリック液晶３１１を有する第１層３Ａ、及び、コレステリック液晶３１２を有する第２層３Ｂの多層体であってもよい。また、液晶層３は、３層以上の多層体であってもよい。

【0083】

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。

【0084】

図１２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、上記したいずれかの液晶光学素子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などに示した光導波部１の側面Ｆ３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。

【0085】

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。

【0086】

図１３は、太陽電池装置２００の動作を説明するための図である。
光導波部１の第１主面Ｆ１は、屋外に面している。液晶層３は、屋内に面している。図１３において、配向膜、第１保護層等の図示を省略している。

【0087】

液晶層３は、太陽光のうちの赤外線Ｉを反射するように構成されている。なお、液晶層３は、図１に示したように赤外線Ｉのうちの第１円偏光Ｉ１を反射して第２円偏光Ｉ２を透過するように構成されてもよいし、図６に示したように赤外線Ｉの第１円偏光Ｉ１及び第２円偏光Ｉ２を反射するように構成されてもよい。液晶層３で反射された赤外線Ｉは、側面Ｆ３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Ｆ３を透過した赤外線Ｉを受光して発電する。

【0088】

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。

【0089】

《実施例》
次に、赤外線の第１円偏光を反射するように形成した液晶層３の一実施例について説明する。

【0090】

図１４は、液晶層３の反射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、図の縦軸は反射率（％）を示している。
液晶層３において、屈折率異方性Δｎは０．２であり、平均屈折率は１．６６であり、コレステリック液晶３１の螺旋ピッチＰは５３０ｎｍであり、コレステリック液晶３１の周期Ｔは６５０ｎｍとした。このとき、液晶層３の反射スペクトルを測定したところ、選択反射帯域Δλが８２０ｎｍ～１０００ｎｍであることが確認された。

【0091】

以上説明したように、本実施形態によれば、所望の反射性能を得ることが可能な液晶光学素子及びその製造方法を提供することができる。

【0092】

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】

【0093】

１００…液晶光学素子
１…光導波部 Ｆ１…第１主面 Ｆ２…第２主面 Ｆ３…側面
３…液晶層 ３１…コレステリック液晶 ３２…反射面
Ｒ１…第１領域 Ｒ２…第２領域
３Ａ…第１層 ３Ｂ…第２層
１１…第１保護層 １２…第２保護層
２１…第１カバー部材 ２２…第２カバー部材
４０…支持体

【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】