特許 7590746 調光装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-19

(45)【発行日】2024-11-27

(54)【発明の名称】調光装置

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/13 20060101AFI20241120BHJP

【ＦＩ】

G02F1/13 505

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2024112393

(22)【出願日】2024-07-12

【審査請求日】2024-07-12

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】591212718

【氏名又は名称】株式会社正興電機製作所

(73)【特許権者】

【識別番号】503361813

【氏名又は名称】学校法人 中村産業学園

(74)【代理人】

【識別番号】100099634

【弁理士】

【氏名又は名称】平井 安雄

(72)【発明者】

【氏名】早田 茂敏

(72)【発明者】

【氏名】苣木 雄一

(72)【発明者】

【氏名】福田 枝里子

【審査官】横井 亜矢子

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１６－５０７７８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３０２１９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１０９９５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０６４８３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／０５１００２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２００８／０７５７７４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２３／０６５９２５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｆ １／１３，１／１３７－１／１４１

Ｇ０２Ｆ １／１５－１／１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

対向して配設される一対の第１透明基板及び第２透明基板と、
前記第１透明基板及び前記第２透明基板の対向面である内側面にそれぞれ付設される一対の第１透明電極及び第２透明電極と、
前記第１透明電極及び前記第２透明電極が対向している対向空間に形成され、高分子及び液晶分子を含む液晶層と、
前記第１透明電極及び前記第２透明電極間に印加する電圧に応じて、前記液晶層における前記液晶分子の配向がランダムになっている電圧ＯＦＦ状態又は前記液晶層における前記液晶分子の配向が揃っている電圧ＯＮ状態に切り替える電圧印加手段と、
前記第１透明基板及び前記第２透明基板の外側面に、互いに異なる偏光方向となるように対向して配設される一対の第１偏光素子及び第２偏光素子とを備え、
前記液晶層に含まれる前記液晶分子が、前記電圧ＯＮ状態及び電圧ＯＦＦ状態において、ヘイズ値が２０％以下となる程度に光学異方性が小さい液晶分子であることを特徴とする調光装置。

【請求項2】

対向して配設される一対の第１透明基板及び第２透明基板と、
前記第１透明基板及び前記第２透明基板の対向面である内側面にそれぞれ付設される一対の第１透明電極及び第２透明電極と、
前記第１透明電極及び前記第２透明電極が対向している対向空間に形成され、高分子及び液晶分子を含む液晶層と、
前記第１透明電極及び前記第２透明電極間に印加する電圧に応じて、前記液晶層における前記液晶分子の配向がランダムになっている電圧ＯＦＦ状態又は前記液晶層における前記液晶分子の配向が揃っている電圧ＯＮ状態に切り替える電圧印加手段と、
前記第１透明基板及び前記第２透明基板の外側面に、互いに異なる偏光方向となるように対向して配設される一対の第１偏光素子及び第２偏光素子とを備え、
前記液晶層における液晶ドメインサイズが、前記液晶層が白濁状態を維持するための液晶ドメインサイズの最小値より小さいか、又は、前記液晶層が白濁状態を維持するための液晶ドメインサイズの最大値より大きいことを特徴とする調光装置。

【請求項3】

対向して配設される一対の第１透明基板及び第２透明基板と、
前記第１透明基板及び前記第２透明基板の対向面である内側面にそれぞれ付設される一対の第１透明電極及び第２透明電極と、
前記第１透明電極及び前記第２透明電極が対向している対向空間に形成され、高分子及び液晶分子を含む液晶層と、
前記第１透明電極及び前記第２透明電極間に印加する電圧を電圧ＯＦＦ状態又は電圧ＯＮ状態に切り替える電圧印加手段と、
前記第１透明基板及び前記第２透明基板の外側面に、互いに異なる偏光方向となるように対向して配設される一対の第１偏光素子及び第２偏光素子とを備え、
前記液晶分子が螺旋構造を有しており、
前記高分子が、前記螺旋構造に配置された液晶分子の光学異方性の方向に沿った状態に形成された液晶性モノマーを重合したものであり、
前記電圧ＯＦＦ状態において、前記液晶層を透過する光の偏光方向が回転し、前記電圧ＯＮ状態において、前記液晶層を透過する光の偏光方向が維持されることを特徴とする調光装置。

【請求項4】

請求項３に記載の調光装置において、
前記液晶層に非液晶性モノマーが混在していることを特徴とする調光装置。

【請求項5】

請求項３又は４に記載の調光装置において、
前記電圧印加手段が、前記第１透明電極及び前記第２透明電極間に電圧を印加した場合に、前記液晶分子の配向性が揃い、前記液晶層を透過する光の前記偏光方向が維持され、
前記第１透明電極及び前記第２透明電極間に電圧を印加しない場合に、前記液晶分子の螺旋構造により、前記液晶層を透過する光の前記偏光方向が前記螺旋構造に応じて回転することを特徴とする調光装置。

【請求項6】

請求項３又は４に記載の調光装置において、
前記液晶分子の螺旋構造における選択反射現象が、可視光の波長を避けるように前記液晶分子の前記螺旋構造のピッチｐ（μｍ）が設定されていることを特徴とする調光装置。

【請求項7】

請求項６に記載の調光装置において、
前記ピッチｐ（μｍ）と前記液晶層の厚さｄ（μｍ）との関係が、４≦（ｄ／ｐ）≦１５であることを特徴とする調光装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、透明状態と遮光状態とを切り替える調光装置に関する。

【背景技術】

【0002】

オフィスや車載用の調光素子として高分子分散型液晶素子（以下、ＰＤＬＣという）が実用化されている。ＰＤＬＣは、光の散乱状態と透過状態とを切り替えることで白濁状態と透明状態とを切り替える機能を有しており、例えばカーテンやブラインド、パーテーション、プロジェクタスクリーンなどに利用されている。

【0003】

ここで、特に自動車用のサンルーフやオフィスビルの窓では、明る過ぎる太陽光を遮光する一方で、見通しが良くなるような透明度が望まれる。しかしながら、通常のＰＤＬＣは、光の散乱／透過を切り替えることができるものの、透過する光を遮光する機能を有するものではない。例えば、特許文献１には、一対の偏光板を用いることで、電圧を印加していない状態では、一方の偏光板で偏光された光が混合膜で散乱し偏光が乱され、その状態で他方の偏光板を通過することで通過光が白濁を呈し、電圧を印加している状態では、一方の偏光板で偏光された光がそのまま混合膜を通過するため、他方の偏光板を通過できず黒色となることが記載されている。

【0004】

また、遮光素子としては、ＳＰＤ素子やエレクトロクロミック素子等が一般的に知られている。これ以外にも、遮光する機能を実現できる液晶分子として、ゲストホスト液晶やＴＮ液晶なども一般的に知られている。さらに、発明者らによりＰＤＬＣと二色性色素を使った素子の提案がなされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０００－２８７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に示す技術では、電圧を印加している状態では遮光を実現することができるものの、電圧を印加していない状態では白濁となってしまうため、透明状態を形成することができない。

【0007】

ＳＰＤ素子やエレクトロクロミック素子は、応答速度が遅く、色が青いといった種々の問題があり、実用化の範囲が限定的となってしまう。

【0008】

ゲストホスト液晶は、優れた光学特性を示すが、内部が液体であることからフィルム化する場合には、液だれ、液漏れ、押しや曲げに弱いなどの構造上の問題が生じてしまう。また、内部に添加されている二色性色素の耐候性が弱いという問題があり、フィルム化するのが困難であるという問題がある。ＴＮ液晶についても、遮光性能を有するものの、ＰＤＬＣでは不要な配向処理が必要であったり、ゲストホスト液晶と同様にフィルム化や大型化が困難であるという問題がある。

【0009】

ＰＤＬＣと二色性色素を使った素子については、基本状態（電圧が印加されない初期状態）が散乱であるため濁りがあり、また、遮光性を高くするためには、二色性色素の濃度を高くする必要があるため、透明状態と遮光状態とで十分なコントラストが取れなくなってしまうという問題がある。

【0010】

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、液晶層におけるヘイズ値及び透過光の偏光面を調整することで、高性能に遮光状態と透明状態との切り替えを実現することができる調光装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明に係る調光装置は、対向して配設される一対の第１透明基板及び第２透明基板と、前記第１透明基板及び前記第２透明基板の対向面である内側面にそれぞれ付設される一対の第１透明電極及び第２透明電極と、前記第１透明電極及び前記第２透明電極が対向している対向空間に形成され、高分子及び液晶分子を含む液晶層と、前記第１透明電極及び前記第２透明電極間に印加する電圧に応じて、前記液晶層を一の状態又は当該一の状態とは異なる他の状態に切り替える電圧印加手段と、前記第１透明基板及び前記第２透明基板の外側面に、互いに異なる偏光方向となるように対向して配設される一対の第１偏光素子及び第２偏光素子とを備え、前記液晶層は、前記一の状態及び他の状態において低ヘイズ値が維持されるものである。

【0012】

このように、本発明に係る調光装置においては、ＰＤＬＣの外側に、互いに異なる偏光方向となるように偏光素子が対向して配設されており、印加する電圧に応じて状態変化する液晶層は、一の状態及び他の状態において低ヘイズ値が維持されるため、液晶層が一の状態であっても他の状態であっても光が透過する状態となり、これに偏光素子が作用することで光を透過したり遮光することとなり、透明状態と遮光状態（黒色状態）とを切り替えることができるという効果を奏する。

【0013】

また、液晶層には高分子が混在していることから、液だれなどを生じることがなく、大型化、フィルム化を容易に実現することが可能になるという効果を奏する。さらに、応答性能、遮蔽性能、耐候性能などがいずれも高いものとなるため、非常に高性能な調光装置を実現することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る調光装置の構造を示す模式図である。

【図2】本発明の第１の実施形態に係る調光装置の作用を説明する図である。

【図3】光学異方性が大きい場合と小さい場合の液晶分子の配向状態を示す模式図である。

【図4】可視光において液晶分子のドメインサイズとヘイズとの関係を示す図である。

【図5】本発明の第２の実施形態に係る調光装置における液晶層の構造のイメージを表す模式図である。

【図6】本発明の第２の実施形態に係る調光装置の作用を説明する図である。

【図7】本発明の第２の実施形態に係る調光装置においてカイラル構造の最適化に関する説明図である。

【図8】本発明の第２の実施形態に係る調光装置においてカイラル構造の最適化に関する実験結果を示す図である。

【図9】図５に示す液晶層に非液晶性モノマーが混在する状態のイメージを表す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る調光装置について、図１ないし図４を用いて説明する。本実施形態に係る調光装置は、高分子と液晶分子とを混合した高分子分散型液晶素子であるＰＤＬＣと偏光素子とを用いて、透明状態と遮光状態（黒色状態）とを切り替えるものである。

【0016】

図１は、本実施形態に係る調光装置の構造を示す模式図である。調光装置１は、対向して配設される一対の第１透明基板１０ａ及び第２透明基板１０ｂと、第１透明基板１０ａ及び第２透明基板１０ｂの対向面である内側面にそれぞれ付設される一対の第１透明電極１１ａ及び第２透明電極１１ｂと、第１透明電極１１ａ及び第２透明電極１１ｂが対向している対向空間に形成され、高分子３０及び液晶分子２１（ドメイン２０を形成）を含む液晶層１２と、第１透明電極１１ａ及び第２透明電極１１ｂ間に印加する電圧に応じて、液晶層１２を一の状態又は当該一の状態とは異なる他の状態に切り替える電圧印加部１４と、当該電圧印加部１４による電圧のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御部１５と、第１透明基板１０ａ及び第２透明基板１０ｂの外側面に、互いに異なる偏光方向となるように対向して配設される一対の第１偏光素子１３ａ及び第２偏光素子１３ｂとを備える。

【0017】

一般的に実用化されているＰＤＬＣの場合は、制御部１５により第１透明電極１１ａ及び第２透明電極１１ｂ間に電圧が印加されないＯＦＦ状態に制御されると、液晶層１２における液晶分子２１の配向がランダムになっているため、高分子３０と液晶分子２１との屈折率に差が生じ、液晶層１２は入射光が拡散して白濁状態となる。一方、制御部１５により第１透明電極１１ａ及び第２透明電極１１ｂ間に電圧が印加されるＯＮ状態に制御されると、液晶層１２における液晶分子２１の配向が、第１透明基板１０ａ及び第２透明基板１０ｂの面に垂直な方向に揃って配向し、高分子３０と液晶分子２１との屈折率の差が小さくなることで、液晶層１２は入射光が直射光として透過して透明状態となる。

【0018】

本実施形態に係る調光装置１においては、液晶層１２のヘイズ値は低く調整されており、例えば、ヘイズ値が２０％以下となるような構造となっている。つまり、上述した一般的なＰＤＬＣとは異なり、液晶層１２において、電圧が印加される場合でも印加されない場合でも透明の状態（例えば、少なくとも調光装置１を介して反対側を透かして視認することが可能な程度の透明の状態）が維持されるものとなっている。

【0019】

第１偏光素子１３ａ及び第２偏光素子１３ｂは、それぞれ第１透明基板１０ａ及び第２透明基板１０ｂの外側面に配設されており、この偏光方向は９０度異なるように配設されている。例えば、第１偏光素子１３ａは第１偏光の光を透過させ、第２偏光素子１３ｂは第１偏光とは異なる（例えば９０度異なる）方向の第２偏光の光を透過させるような機能を有する。すなわち、太陽光や照明光のようなランダムな偏光の入射光Ｘが図１に示すように調光装置１に入射された場合、第１偏光素子１３ａにより第１偏光の光のみが第１透明基板１０ａ及び第１透明電極１１ａを透過して液晶層１２に入射される。液晶層１２を出射した光は、第２透明電極１１ｂ及び第２透明基板１０ｂを透過し、第２偏光の光のみが第２偏光素子１３ｂを透過して出射光Ｙとして出射される。

【0020】

なお、第１偏光素子１３ａ及び第２偏光素子１３ｂは、例えば、偏光板（反射型、円又は楕円偏光板を含む）、配向膜、偏光フィルター、これらと位相差板等の光学補償フィルムとの組み合わせ、遮熱フィルム他光学フィルムとの組み合わせなどで構成するようにしてもよい。また、偏光板付きのディスプレイを用いた場合は、第１偏光素子１３ａ又は第２偏光素子１３ｂのいずれか一方を備える構成としてもよい。

【0021】

また、第１透明基板１０ａ及び第２透明基板１０ｂは、例えば、ガラス、ポリカーボネート、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）など、リタデーションが小さいフィルムで構成されることが望ましい。

【0022】

図２は、本実施形態に係る調光装置の作用を説明する図である。図２（Ａ）は電圧を印加しないＯＦＦ状態の場合の作用を示し、図２（Ｂ）は電圧を印加したＯＮ状態の場合の作用を示している。図２（Ａ）において、例えばランダムな偏光の入射光Ｘが入射されるとする。入射光Ｘは、第１偏光素子１３ａを透過することで、一の偏光（ここでは、第１偏光とする）の成分の光になる。このとき、入射光Ｘのうち第１偏光の成分である略５０％が第１偏光素子１３ａを透過する。なお、図２において、実線の両方向矢印は偏光方向を概念的に表したものであり、一点鎖線の矢印は光の進行方向を概念的に表したものである。つまり、図２（Ａ）において、第１偏光素子１３ａを透過した入射光Ｘは、略５０％の第１偏光の光となり、光の進行方向はそのまま直進である。

【0023】

第1偏光素子１３ａを透過した光は、液晶層１２を透過する際にランダムに配向している液晶分子２１の光学異方性により、散乱や屈折などが起こってランダムな偏光になるが、上述したように液晶層１２のヘイズ値は例えば２０％以下と低くなっているため、当該液晶層１２において拡散する光は抑えられる。すなわち、液晶層１２を透過する光の偏光方向は乱れてランダムになるものの、進行方向は直進性が維持されやすくなっている。そして、液晶層１２から出射された光のうち他の偏光（ここでは、第２偏光とし、第２偏光素子１３ｂが第２偏光を透過する偏光素子であるとする）の成分のみが第２偏光素子１３ｂを透過し、出射光Ｙとして出射される。液晶層１２から出射された光は、上述したように拡散が抑えられているため、直進性が高く調光装置１は透明状態となる。このとき、出射光Ｙは、液晶層１２から出射された光のうちの略５０％（液晶層１２で均等に拡散した場合）の成分の光となる。

【0024】

図２（Ｂ）において、例えばランダムな偏光の入射光Ｘが入射されるとする。入射光Ｘは、第１偏光素子１３ａを透過することで、一の偏光（第１偏光）の成分の光になる。このとき、入射光Ｘのうち第１偏光の成分である略５０％が第１偏光素子１３ａを透過する。液晶層１２では、液晶分子２１の配向が揃っているため、透過する光の偏光方向を維持しながら直進する。そして、液晶層１２から出射された第１偏光の光は、第２偏光のみを透過する第２偏光素子１３ｂで遮蔽されるため、調光装置１は黒色状態となる。

【0025】

このように、本実施形態に係る調光装置１においては、液晶層１２におけるヘイズ値が、第１透明電極１１ａ及び第２透明電極１１ｂ間に電圧が印加されている場合、及び、印加されていない場合のいずれの場合においても低くなるような構成となっているため、第１透明基板１０ａ及び第２透明基板１０ｂの外側面に、互いに異なる偏光方向となるように第１偏光素子１３ａ及び第２偏光素子１３ｂを備えることで、透明状態と黒色状態（遮光状態）とを実現することが可能となる。

【0026】

ここで、液晶層１２におけるヘイズ値を低くする手法について具体的に説明する。液晶層１２のヘイズ値を低くする手法の具体例として、例えば光学異方性（Δｎ）が小さい液晶分子２１を用いることが挙げられる。図３は、光学異方性が大きい場合と小さい場合の液晶分子の配向状態を示す模式図である。図３（Ａ）は、一般的に知られている典型的なＰＤＬＣに用いられるΔｎが大きい液晶分子２１を示し、図３（Ｂ）は、本実施形態に適用されるΔｎが小さい液晶分子２１を示している。図３（Ａ）において、左が液晶分子２１の配向が揃った場合（電圧が印加された場合）を示し、右が液晶分子の配向が揃っていない（電圧が印加されていない場合）を示している。図３（Ａ）から明らかなように、Δｎが大きいため、配向が揃っている場合は光が直進性を維持して透過するが、配向が揃っていない場合は光が散乱、屈折を繰り返すことで拡散する状態となる。すなわち、従来から一般的に実用化されているＰＤＬＣの液晶層は、電圧が印加されない状態でより白く白濁させるために、このようなΔｎが大きい液晶分子２１を用いて構成されている。

【0027】

これに対して、図３（Ｂ）は、本実施形態に係る調光装置１に適用可能な液晶分子２１の構成を示している。図３（Ｂ）においても、左が液晶分子２１の配向が揃った場合（電圧が印加された場合）を示し、右が液晶分子の配向が揃っていない（電圧が印加されていない場合）を示している。図３（Ｂ）から明らかなように、Δｎが小さいため、配向が揃っている場合も配向が揃っていない場合も光の拡散が抑えられ、直進性を維持して透過する。つまり、光学異方性Δｎが小さい液晶分子２１を用いることで、液晶層１２のヘイズ値が低くなり、図２に示したような作用を実現することが可能となる。

【0028】

液晶層１２のヘイズ値を低くする手法の他の具体例として、液晶分子２１のドメイン２０のサイズを調整することが挙げられる。図４は、可視光において液晶分子のドメインサイズとヘイズとの関係を示す図である。一般的に実用化されている従来のＰＤＬＣの場合は、電圧が印加されていない場合において、白濁の度合いをできるだけ濃くする（すなわち、ヘイズを大きくする）ことが重要となっている。つまり、図４におけるグラフのピーク付近に該当するようなドメインサイズとなるように調整されている。

【0029】

一方で、本実施形態に係る調光装置１においては、電圧が印加されていない状態でもできるだけ透明状態とする（すなわち、ヘイズを小さくする）ことが重要となっている。そのため、本実施形態に適用するドメイン２０のサイズを、図４のグラフの斜線に示すように、液晶層１２に電圧が印加されない場合に白濁状態が維持される基準となるヘイズ値Ｈに対応するドメインサイズの最小値Ｄｍｉｎより小さくするか、又は、ドメインサイズの最大値Ｄｍａｘより大きくする。つまり、電圧が印加されない状態でもヘイズ値が小さくなるため、図２に示したような作用を実現することが可能となる。

【0030】

なお、上記のいずれの場合においても、第１透明電極１１ａ及び第２透明電極１１ｂ間に電圧を印加した場合は、液晶層１２が透明状態になることを前提としている。

【0031】

このように、本実施形態に係る調光装置１においては、対向して配設される一対の第１透明基板１０ａ及び第２透明基板１０ｂと、第１透明基板１０ａ及び第２透明基板１０ｂの対向面である内側面にそれぞれ付設される一対の第１透明電極１１ａ及び第２透明電極１１ｂと、第１透明電極１１ａ及び第２透明電極１１ｂが対向している対向空間に形成され、高分子３０及び液晶分子２１を含む液晶層１２と、第１透明電極１１ａ及び第２透明電極１１ｂ間に印加する電圧に応じて、液晶層１２を一の状態（透明状態）又は当該一の状態とは異なる他の状態（黒色状態、遮光状態）に切り替える電圧印加部１４と、第１透明基板１０ａ及び第２透明基板１０ｂの外側面に、互いに異なる偏光方向となるように対向して配設される一対の第１偏光素子１３ａ及び第２偏光素子１３ｂとを備え、液晶層１２は、一の状態及び他の状態において低ヘイズ値が維持されるため、制御部１５による電圧印加部１４の制御に応じて、調光装置１を透明状態と黒色状態（遮光状態）とに切り替えることができる。

【0032】

また、液晶層１２には高分子が混在していることから、液だれなどを生じることがなく、大型化、フィルム化を容易に実現することが可能になる。さらに、応答性能、遮蔽性能、耐候性能などがいずれも高いものとなるため、非常に高性能な調光装置を実現することができる。

【0033】

また、液晶層１２に含まれる液晶分子が、光学異方性が小さい液晶分子とするか、又は、液晶層１２における液晶分子２１のドメインサイズが、液晶層１２が白濁状態を維持するためのドメインサイズの最小値Ｄｍｉｎより小さいか、もしくは、液晶層１２が白濁状態を維持するためのドメインサイズの最大値Ｄｍａｘより大きくすることで、液晶層１２を低ヘイズ値にすることができ、調光装置１を透明状態と黒色状態（遮光状態）とに切り替えることができる。

【0034】

（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る調光装置について、図５及び図６を用いて説明する。本実施形態に係る調光装置１は、第１の実施形態に係る調光装置１と同様に透明状態と黒色状態（遮光状態）とを切り替える機能を実現するが、液晶層１２の構造が異なるものとなっている。なお、本実施形態において第１の実施形態と重複する説明は省略する。

【0035】

本実施形態に係る調光装置１の液晶層１２は、高分子３０と液晶分子２１とを含む構造となっているが、液晶分子２１がカイラル構造を有することでコレステリック効果により液晶層１２を透過する光の偏光方向を回転させる。このとき、高分子３０は液晶性モノマーを材料として形成される。つまり、液晶分子２１がカイラル剤によりカイラル構造を有すると共に、液晶性モノマーが液晶分子２１の光学異方性の方向に沿った状態に形成され、この液晶性モノマーを重合処理して高分子３０が形成されている。

【0036】

図５は、本実施形態に係る調光装置における液晶層の構造のイメージを表す模式図である。図５に示すように、液晶分子２１はカイラル剤によりカイラル構造を形成しており、液晶性モノマーは、図５の一点鎖線で示すように、マクロ的に見ると分子同士が繋がって繊維のように形成されている。図５に示す調光装置１では、配向膜を有する構成ではないため、点線領域に示すように第１透明電極１１ａ及び第２透明電極１１ｂの表面における面内（電極面を水平方向とした場合の水平面内）の液晶分子２１の配向状態は揃っていない。しかしながら、液晶分子２１の近傍をミクロ的に見ると、液晶性モノマーの光学異方性も液晶分子２１の光学異方性も水平方向（上記に示したように電極面を水平方向とする）に揃った状態となっている。つまり、液晶層１２を透過する光は屈折や散乱が発生しにくくなっており、光は直進的に進む。

【0037】

また、液晶層１２を透過する光は、液晶分子２１のカイラル構造により偏光方向が回転する構造となっている。図５の一点鎖線で示す液晶性モノマーは、紫外線や熱などの重合処理により硬化されて高分子３０を形成し、第１透明電極１１ａ及び第２透明電極１１ｂ間に電圧を印加した場合には、液晶分子２１の配向のみが変化することとなる。

【0038】

なお、カイラル構造の捻れ具合は、第１偏光素子１３ａ及び第２偏光素子１３ｂのそれぞれの偏光方向のずれに合致するのが望ましく、カイラル剤の混合量である程度調整されるようにしてもよい。例えば、第１偏光素子１３ａ及び第２偏光素子１３ｂの偏光方向が９０度ずれて配置されている場合は、捻れ回転数＋９０度のカイラル構造となるように調整されるのが望ましい。

【0039】

上述したように、図５に示すような液晶層１２の構造においては、液晶分子２１近傍において、当該液晶分子２１と高分子３０とが同じ水平方向を向いた状態となっているため、屈折や散乱が発生しにくく光の直進性が維持される。すなわち、一般的に知られている典型的なＰＤＬＣの場合は、屈折率が一様な高分子の中に異方性を有する液晶分子が混合されているため、液晶分子が屈折率の差が大きい方向に配向した場合に、屈折や散乱が強く出て白濁する。これに対して、本実施形態に係る液晶層１２の場合は、上述したように液晶分子２１と高分子３０とが同じ方向に配向した状態となっているため、どの方向から見ても屈折率差が小さく、屈折や散乱が発生しないため、透過する光の直進性が維持され透明状態を実現する。

【0040】

図６は、本実施形態に係る調光装置の作用を説明する図である。図６（Ａ）は電圧を印加しないＯＦＦ状態の場合の作用を示し、図６（Ｂ）は電圧を印加したＯＮ状態の場合の作用を示している。図６（Ａ）において、例えばランダムな偏光の入射光Ｘが入射されるとする。入射光Ｘは、第１偏光素子１３ａを透過することで、一の偏光（ここでは、第１偏光とする）の成分の光になる。このとき、入射光Ｘのうち第１偏光の成分である略５０％が第１偏光素子１３ａを透過する。第1偏光素子１３ａを透過した光は、液晶層１２を透過する際に、上述したように直進性を維持しつつ（屈折や拡散をする光を抑えつつ）、偏光方向が液晶分子２１のカイラル構造により所定角度（ここでは、捻れ回転数＋略９０度）回転して他の偏光（ここでは、第２偏光とする）の成分の光になる。そして、液晶層１２から出射された第２偏光の成分の光が、そのまま第２偏光素子１３ｂ（第１偏光素子１３ａと偏光方向が９０度ずれた状態で設置されているとする）を透過して出射光Ｙとして出射される。液晶層１２から出射された光は、直進性が高く調光装置１は透明状態となる。

【0041】

つまり、図２の場合には、液晶層１２に入射した光が屈折や拡散などを繰り返してランダムな偏光になり、最終的に第２偏光素子１３ｂを透過する出射光Ｙは、液晶層１２から出射された光の略５０％（液晶層１２で均等に拡散した場合）の成分に低減されるが、本実施形態の場合は、液晶層１２において偏光方向が捻れ回転数＋９０度回転することで、その多くの成分が第２偏光素子１３ｂを透過することが可能となっている。

【0042】

図６（Ｂ）において、例えばランダムな偏光の入射光Ｘが入射されるとする。入射光Ｘは、第１偏光素子１３ａを透過することで、一の偏光（第１偏光）の成分の光になる。このとき、入射光Ｘのうち第１偏光の成分である略５０％が第１偏光素子１３ａを透過する。液晶層１２では、液晶分子２１の螺旋構造が引き延ばされるように配向が揃うため、透過する光の偏光方向を維持しながら直進する。すなわち、第１偏光の光がそのまま透過して出射される。そして、液晶層１２から出射された第１偏光の光は、第２偏光のみを透過する第２偏光素子１３ｂで遮光されるため、調光装置１は黒色状態となる。

【0043】

ここで、上述したカイラル構造の最適化について説明する。カイラル構造を形成する場合は、調光装置１の色づきを抑えるために２つの制約条件を満たすことが望ましい。第１条件は、図７（Ａ）に示すような螺旋のピッチｐμｍ（波長）に応じた選択反射現象（特定の波長のみ反射する現象）において、可視光の波長を避けることである。仮に、選択反射の波長が可視光になると、調光装置１が色づいてしまうこととなる。すなわち、λ＝ｎｐ＞０．７８μｍ（ｎは液晶分子２１の平均屈折率（常光屈折率ｎｏと異常光屈折率ｎｅとの平均値））で示されるように、λが可視光（約３８０ｎｍ～７７０ｎｍ程度）よりも長波長となるようなｐに設定する第１条件を満たすことが望ましい。

【0044】

また、第２の条件は、図７（Ｂ）に示すような液晶層１２の厚さｄμｍを上記のピッチｐとの関係で、第１偏光素子１３ａ及び第２偏光素子１３ｂを通した場合の色づきがなくなるように最適値とするのが望ましい。

【0045】

上記第１の条件及び第２の条件を踏まえて、本実施形態における最適なｄ／ｐの値を実験により求めた。図８は、実験結果を示す図である。図８において、液晶層２０を直交する偏光板で挟み、下からライトを当てて撮像している。図８（Ａ）は、屈折率差Δｎ＝０．１６６の液晶分子２１を用い、ｄ／ｐを０．５～１７の間で可変させた場合の液晶層２０の色づき具合を示す結果であり、図８（Ｂ）は、屈折率差Δｎ＝０．０９７の液晶分子２１を用い、ｄ／ｐを１～１３の間で可変させた場合の液晶層２０の色づき具合を示す結果である。

【0046】

図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、ｄ／ｐが小さくなるほど直交偏光板下で長い波長（赤系）成分の透過が優勢となり、次第にｄ／ｐを大きくすることで赤系成分の優勢は解消され、いずれ短い波長（青系）成分の透過が優勢となることが明確である。なお、図面の都合上、実験結果をグレースケールで示しているが、実際には図８に記載している通り図８（Ａ）及び図８（Ｂ）のいずれにおいても、上段側にある結果については赤～黄色を呈しており、下段側にある結果については白～薄い水色を呈している。これらの結果から、図８（Ａ）においては、ｄ／ｐが６～１５程度の場合に適当な色づきとなり、図８（Ｂ）においては、ｄ／ｐが４～１３程度の場合に適当な色づきとなった。つまり、本実施形態に係る調光装置においては、ｄ／ｐが４～１５程度となるようにピッチｐ及び液晶層１２の厚さｄが設定されることで、色づきがなくなる（白に近くなる）ことがわかった。このことから、まず液晶分子２１を特定することでΔｎが決定し、それに伴いピッチｐの下限値が決まる。ピッチｐが決まると、色づきが最適となるような液晶層２０の厚さｄの範囲が決まるため、その範囲内となる厚さｄを特定することができる。

【0047】

なお、図５に示す液晶層１２の構造に、さらに非液晶性モノマーを添加する構造としてもよい。図９は、図５に示す液晶層に非液晶性モノマーが混在する状態のイメージを表す模式図である。図９に示すように、カイラル構造を維持できる範囲で非液晶性モノマーを添加することにより、第１透明電極１１ａ及び第２透明電極１１ｂ間の接着力強化や、電圧印加部１４による駆動電圧の低電圧化が可能となる。

【0048】

このように、本実施形態に係る調光装置においては、電圧を印加しない状態において、液晶層１２を透過する光の偏光方向が回転するため、液晶層１２を出射する光が第２偏光素子１３ｂを透過可能となり、透過率を上げることができる。

【0049】

また、高分子３０が、螺旋構造に配置された液晶分子２１の光学異方性の方向に沿った状態に形成された液晶性モノマーを重合したものであるため、液晶層１２を透過する光が、電圧を印加しない状態で直進性が維持され、且つ、偏光方向を回転して第２偏光素子１３ｂを透過させることが可能となるため、透明度を高くしつつ、多くの光を透過することができる。

【0050】

さらに、電圧印加部１４が、第１透明電極１１ａ及び第２透明電極１１ｂ間に電圧を印加した場合に、液晶分子２１の配向性が揃い、液晶層１２を透過する光の偏光方向が維持され、第１透明電極１１ａ及び第２透明電極１１ｂ間に電圧を印加しない場合に、液晶分子２１の螺旋構造により、液晶層１２を透過する光の偏光方向が螺旋構造に応じて回転するため、電圧を印加した場合は透明度及び透過率が高い状態を実現することができると共に、電圧を印加しない場合は黒色（遮光）状態を確実に実現することができる。

【0051】

さらにまた、配向膜を不要とすることで構造を簡素化することができる。また、ＰＤＬＣによる散乱がない状態を実現することで透明状態と黒色状態とを切り替え可能にすると共に、第１偏光素子１３ａ及び第２偏光素子１３ｂの特徴を活かした高い遮蔽性とコントラストを実現することができる。

【0052】

さらにまた、液晶分子２１の螺旋構造における選択反射現象が、可視光の波長を避けるように液晶分子２１の螺旋構造のピッチｐ（μｍ）が設定され、当該ピッチｐ（μｍ）と液晶層２０の厚さｄμｍとの関係が、４≦（ｄ／ｐ）≦１５であるため、液晶装置１の透明状態において色づけがなされることを防止し、高品質な透明状態を実現することができる。

【符号の説明】

【0053】

Ｘ 入射光
Ｙ 出射光
１ 調光装置
１０ａ 第１透明基板
１０ｂ 第２透明基板
１１ａ 第１透明電極
１１ｂ 第２透明電極
１２ 液晶層
１３ａ 第１偏光素子
１３ｂ 第２偏光素子
１４ 電圧印加部
１５ 制御部
２０ ドメイン
２１ 液晶分子
３０ 高分子

【要約】

【課題】液晶層におけるヘイズ値及び透過光の偏光面を調整することで、高性能に遮光状態と透明状態との切り替えを実現することができる調光装置を提供する。
【解決手段】対向して配設される一対の第１透明基板１０ａ及び第２透明基板１０ｂと、各透明基板１０ａ，１０ｂの対向面である内側面にそれぞれ付設される一対の第１透明電極１１ａ及び第２透明電極１１ｂと、各透明電極１１ａ，１１ｂが対向している対向空間に形成され、高分子３０及び液晶分子２１を含む液晶層１２と、各透明電極１１ａ，１１ｂ間に印加する電圧に応じて、液晶層１２を一の状態又は他の状態に切り替える電圧印加部１４と、各透明基板１０ａ，１０ｂの外側面に、互いに異なる偏光方向となるように対向して配設される一対の第１偏光素子１３ａ及び第２偏光素子１３ｂとを備え、液晶層１２は、一の状態及び他の状態において低ヘイズ値が維持される。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】