专利名称：圆偏振光二色性光学元件及其装置和液晶聚合物的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种由液晶聚合物固化层构成的圆偏振光二色性光学元件和利用这种元件的亮度好的液晶显示装置或背面照明装置，以及适用于形成所说光学元件的液晶聚合物。
背景技术：
过去已知的圆偏振光二色性光学元件是将一种低分子量液态胆甾醇型液晶以取向状态封装入玻璃等的基板之间而制成。在该光学元件中，液晶分子的螺旋轴相对于光学元件是垂直的格氏取向(Grandjeanoriented)，当一种自然光以平行于所说螺旋轴入射时(入射角为0度)，在该自然光内，某种波长的光约有一半作为右(或左)旋的圆偏振光被反射，其余的约一半作为左(或右)旋的圆偏振光透过，这种光的波长λ由公式λ＝n·p决定(式中，n是液晶的平均折射率，p是胆甾醇的螺旋螺距)。另外，被反射的圆偏振光的左或右旋由胆甾醇相的螺旋状态决定并与螺旋的旋转方向一致。
在上述圆偏振光二色性的光学元件中，由于入射光被分离成反射光和透过光，因此其反射光也有可能被利用，并且可以期待作为在聚乙烯醇等拉伸薄膜上吸附二色性染料制成的偏光板的代用品。总之，所说的偏光板多数用于液晶显示装置等，但是，作为直线偏振光而透过的光仅是入射光的50％以下，其余的光被吸收在偏光板内，不能加以利用，因此这是难以使液晶显示装置达到高亮度化和低电耗化的原因之一。
然而，对于已往的圆偏振光二色性光学元件来说，由于必须与上述的基板并用，因此变得又厚又重，从而成为液晶显示装置的轻量性和薄型性等的障碍，这是它的一个缺点。另外，胆甾醇型液晶的取向状态，例如螺距，容易随温度等条件而变化，这是它的另一个缺点。
虽然也有人提出过胆甾醇类液晶聚合物(见特开昭55-21479号公报和美国专利US 5332522说明书)，但是难以获得象低分子量材料那样良好取向状态的薄膜等固化物，而且为了进行取向处理需要数小时的长时间，其玻璃化转变温度低并且耐用性差，因此缺乏实用性，总之，在任何一种情况下都难以获得薄膜等固化状态的圆偏振光二色性光学元件。
本发明的目的是要获得一种由液晶聚合物的固化物构成的，薄而且轻，并且其螺距等取向状态在实用温度下不易发生变化的圆偏振光二色性光学元件。本发明的另一个目的是要获得这样一种液晶聚合物，这种液晶聚合物的成膜性优良，而且能以良好的单晶畴状态形成格氏取向，其取向处理只需在数分钟等的短时间内即可完成，能在玻璃状态下稳定地固定化，从而能够形成一种耐用性和保存稳定性皆优良的圆偏振光二色性光学元件，并且它的胆甾醇相的螺距容易控制。
发明的公开本发明提供了一种圆偏振光二色性光学元件，其特征在于，它具有由格氏取向的胆甾醇型液晶相构成的液晶聚合物固化层；本发明还提供了一种液晶聚合物，其特征在于，它是以下述通式(a)表示的单体单元60～95重量％和通式(b)表示的单体单元40～5重量％形成的共聚物作为其构成成分，所说通式(a)为
(式中，R1表示氢或甲基，m表示1～6的整数，X1表示CO2基或OCO基，p和q表示1或2而且满足p+q＝3。)所说通式(b)为
(式中，R2表示氢或甲基，n表示1～6的整数，X2表示CO2基或OCO基，X3表示-CO-R3或-R4，其中，R3表示
或
R4表示
；和R5表示
或
)。
根据上述构成，可以获得一种由薄而轻的液晶聚合物固化物形成的，其螺距等取向状态在实用温度下不易变化的圆偏振光二色性光学元件。另外，使用本发明的液晶聚合物，可以在成膜性良好的条件下容易地形成一种具有良好单晶畴状态的格氏取向的膜，它的取向处理只需数分钟等的短时间即可完成，并且可以在稳定于玻璃状态的条件下固定化，可以高效地形成一种耐用性和保存稳定性皆优良的圆偏振光二色性光学元件，并且它的胆甾醇相的螺距也容易控制，因此也能容易地获得一种在可见光区域显示圆偏振光二色性的光学元件。
对附图的简单说明
图1表示液晶显示装置一例的截面图。
图2表示另一例液晶显示装置的截面图。
图3是曲线图，它表示通式(b)的单体单元的含有率与显示圆偏振光二色性的中心波长之间的关系。
图4是曲线图，它表示另一种通式(b)的单体单元的含有率与显示圆偏振光二色性的中心波长之间的关系。
图5是表示透光特性的曲线图。
图6是表示另一种透光特性的曲线图。
图7也是表示另一种透光特性的曲线图。
图8也是表示另一种透光特性的曲线图。
图9也是表示另一种透光特性的曲线图。
图10也是表示另一种透光特性的曲线图。
图11也是表示另一种透光特性的曲线图。
图12也是表示另一种透光特性的曲线图。
图13也是表示另一种透光特性的曲线图。
图1 4也是表示另一种透光特性的曲线图。
图15也是表示另一种透光特性的曲线图。
用于实施发明的最佳方案本发明的光学元件是一种具有由格氏取向的胆甾醇型液晶相构成的液晶聚合物固化层并且能显示圆偏振光二色性的光学元件。在形成所说的光学元件时，可以使用适宜的液晶聚合物，但优选的是使用一种以下述通式(a)表示的单体单元和通式(b)表示的单体单元作为成分的共聚物。
所说通式(a)为
(式中，R1表示氢或甲基，m表示1～6的整数，X1表示CO2基或OCO基，p和q表示1或2而且满足p+q＝3。)所说通式(b)为
(式中，R2表示氢或甲基，n表示1～6的整数，X2表示CO2基或OCO基，X3表示-CO-R3或-R4，其中，R3表示
或
R4表示
；和R5表示
或
能够形成上述通式(a)、通式(b)表示的单体单元的丙烯酸类单体可以通过适宜的方法合成。顺便说明，下面示出式(a1)表示的丙烯酸类单体的合成例。
也就是说，在上述流程中，首先以碘化钾作为催化剂将2-氯乙醇与4-羟基苯甲酸在碱性水溶液中加热回流，获得羟基羧酸，然后将其与丙烯酸或甲基丙烯酸进行脱水反应，获得(甲基)丙烯酸酯，然后在DCC(二环己基碳化二亚胺)和DMAP(二甲氨基吡啶)的存在下将所获的(甲基)丙烯酸酯用4-氰基-4′-羟基联苯进行酯化处理，从而获得作为目的产品的(a1)。
另外，下面示出式(b1)表示的丙烯酸类单体的合成例。
在上述流程中，首先以碘化钾作为催化剂将羟烷基卤与4-羟基苯甲酸在碱性水溶液中加热回流，获得羟基羧酸，然后将其与丙烯酸或甲基丙烯酸进行脱水反应，获得(甲基)丙烯酸酯，然后在DCC和DMAP的存在下将所获的(甲基)丙烯酸酯用一种在4位上具有含R3基的CO基的苯酚进行酯化处理，从而获得作为目的产品的(b1)。
上述在4位上具有含R3基的CO基的苯酚，例如可按如下所述方法获得，也就是首先将氯甲酸甲酯与4-羟基苯甲酸在碱性水溶液中反应，获得羧酸，接着用草酰氯将该羧酸转变成酰氯，然后将其在吡啶/四氢呋喃中与H-R3反应，从而导入R3基，最后将其用氨水处理以除去其保护基，从而获得一种在4位上具有含R3基的CO基的苯酚。
在上述式(b1)的合成中，如果把最后工序中加入的化合物
用下述的化合物来代替，即可获得由式(b2)表示的丙烯酸类单体。
也就是说，在将羟基羧酸与(甲基)丙烯酸进行脱水反应从而获得(甲基)丙烯酸酯之后，在DCC和DMAP的存在下将所获的(甲基)丙烯酸酯用一种在4位上具有不对称碳原子基团的苯酚进行酯化处理，即可获得目的产品(b2)。
上述在4位上具有不对称碳原子基团的苯酚，例如可按如下所述方法，即，通过将4-羟基苯甲醛与(S)-(-)-1-苯基乙胺在甲苯中进行共沸脱水而制得。
因此，能够形成由通式(a)、通式(b)表示的单体单元的其他丙烯酸类单体也可按照上述的合成例，使用具有所需导入基团的适宜原料将其合成。
用于形成光学元件的液晶聚合物是由上述通式(a)表示的单体单元的一种或两种以上，与由通式(b)表示的单体单元的一种或两种以上进行共聚合而形成的。其共聚比例优选是由通式(a)表示的单体单元占60～95重量％，由通式(b)表示的单体单元占40～5重量％，如果由通式(b)表示的单体单元的含有率过多，则其液晶性变差，如果含有率过少，则其胆甾醇型液晶性变差。
共聚物的分子量如果过小，则其成膜性变差，如果过大，则作为液晶的取向性及其单晶畴化性能变差，难以形成均匀的取向状态，因此其重均分子量适宜为2,000～100,000，优选是2,500～50,000。
共聚物的制备，例如可以按照自由基聚合方式、阳离子聚合方式、阴离子聚合方式等常规的丙烯酸类单体的聚合方式进行。在使用自由基聚合方式的情况下，可以使用各种聚合引发剂，但是其中优选使用象偶氮二异丁腈和过氮化苯甲酰等，其分解温度不高也不低，在比较适中的温度下分解的引发剂。
胆甾醇型液晶的螺距随着共聚物中由通式(b)表示的单体单元的含有率的变化而变化。图3和图4中举例示出了所说含有率与显示圆偏振光二色性的中心波长之间的关系。另外，在图3的曲线中，使用在下述实施例中以化学式表示的(a2)和(b3)作为共聚物的单体成分，而在图4的情况下则使用(a2)和(b6)作为共聚物的单体成分。显示圆偏振光二色性的波长由所说螺距决定，因此，通过控制由通式(b)表示的单体单元的含有率，即可以调节显示圆偏振光二色性的波长。因此，如下面的实施例所述，可以容易地获得对可见光区域的光显示圆偏振光二色性的光学元件。
可以将一种或两种以上的共聚物混合来形成光学元件。也可以通过把显示圆偏振光二色性的波长区域不同的两种以上共聚物混合来调节显示圆偏振光二色性的波长区域。在本发明中，从所获光学元件的耐用性以及螺距等取向特性对实际应用时温度变化的稳定性或者无变化性等观点考虑，优选是使用玻璃化转变温度在80℃以上的液晶聚合物来形成光学元件。
另外，在本发明中，可以使用由上述通式(a)或通式(b)表示的单体单元的一种或两种以上构成的，符合该通式的均聚物作为由通式(a)类的聚合物和通式(b)类的聚合物的混合型液晶聚合物来形成光学元件。其混合比例或分子量等可以根据上述的共聚物来决定。
显示圆偏振光二色性的光学元件可以按照已往的取向处理方法来形成。作为其具体例子，可以举出下述的方法，例如，首先在基板上形成由聚酰亚胺或聚乙烯醇等构成的取向膜，然后用人造丝布等摩擦处理该取向膜，再在该取向膜上展开液晶聚合物并将其在高于玻璃化转变温度并低于各向同性转变温度范围内的温度下加热，然后将其冷却至玻璃化转变温度以下，以使液晶聚合物的分子按照格氏取向状态成为玻璃态，从而形成一种按所需取向固定化的固化层。
作为上述的基板，例如可以使用由三乙酰基纤维素或聚乙烯醇、聚酰亚胺或聚芳族化合物、聚酯或聚碳酸酯、聚砜或聚醚砜、如环氧树脂等塑料形成的薄膜或玻璃板等适宜的基板。在基板上形成的液晶聚合物固化层，可以将其与基板一起作为整体物直接用于光学元件，也可以将其从基板上剥离下来，作为由薄膜等构成的光学元件使用。
液晶聚合物可以按加热熔融的方式展开，也可以用溶剂将其制成溶液后展开。作为溶剂，例如可以使用二氯甲烷或环己烷、三氯乙烯或四氯乙烷、N-甲基吡咯烷酮或四氢呋喃等适宜的溶剂。展开工序可以使用棒式涂布机、旋转式涂布机或辊式涂布机等适宜的涂布机进行。
所形成的液晶聚合物固化层的厚度如果过薄，则难以显示圆偏振光二色性，如果过厚，则其均匀取向性变差，不能显示圆偏振光二色性，而且取向处理所需的时间较长，因此固化层的厚度适宜为0.5～20μm，其中优选为1～10μm。另外，在形成光学元件时，可以根据需要，配合使用所说共聚物以外的聚合物和稳定剂、增塑剂等无机、有机或金属类等构成的各种添加剂。
虽然本发明的光学元件可以显示圆偏振光二色性，但是对单层的液晶固化层来说，能够显示圆偏振光二色性的波长范围是受限定的。该限定的范围通常约在1.00nm波长区域附近，但是在将光学元件应用到液晶显示装置等设备中时，一般总是希望它能在可见光的全部区域内显示圆偏振光二色性。
在本发明中，通过把能够对不同波长的光显示圆偏振光二色性的液晶聚合物固化层积叠起来，从而能够将显示圆偏振光二色性的波长区域扩大。这种积层化的优点在于，除了可以扩大所说波长范围之外，还可以适应倾斜入射光引起的波长移动。积层化处理可以通过对反射圆偏振光的中心波长进行不同的组合，制成两层以上的积层产品。在积层时，优选使用粘合剂等，以尽量减少在各界面处的表面反射损失。
顺便说明，可以把反射圆偏振光的中心波长在300～900nm的液晶聚合物固化层按照反射相同方向的圆偏振光进行组合，并且把选择反射的中心波长不同的、相互差别在50nm以上的圆偏振光进行组合，这样通过积叠2～6种固化层就能形成一种在很宽的波长范围内显示圆偏振光二色性的光学元件。另外，把反射相同方向的圆偏振光的固化层组合起来的目的是为了使被各层反射的圆偏振光的位相状态相一致，从而防止成为在各波长区域不同的偏光状态，这样就能通过反射层等将反射的圆偏振光再利用，从而达到提高效率的目的。
本发明的光学元件基于它的圆偏振光二色性，可以把入射光分解成左、右两种旋转方式的圆偏振光，并将其分别作为透过光和反射光输出，并且它的视角宽度优良，由视角变化所引起的光学特性变化很小，因此可以很好地适用于从倾斜方向也能直接观察的直视型等液晶显示装置等的各种装置。特别是通过反射层等可以再利用被反射的圆偏振光，从而可以达到提高光的利用效果的目的，并且也可以容易地达到大面积化等，因此可以很好地作为液晶显示装置中的背面照明系统使用。
在图1和图2中示出了将本发明的光学元件用于背面照明系统的液晶显示装置。其中，4是背面照明系统，1是该系统的光学元件，2是用于使圆偏振光转变成直线偏振光的相位差层，3是光源，5是偏光板，6是液晶电池，11、12、13是用于形成积层型光学元件的液晶聚合物固化层，31是光源夹具，41、44是光扩散板，42是发光层，43、46是反射层，45是容纳空间，7是补偿用的光程相位差板。
液晶显示装置通常是将偏光板、液晶电池、背面照明系统以及根据需要使用的补偿用光程相位差板等构件适当地进行组装，然后装入驱动电路而制成，而在本发明中，如图例所示，除了使光通过光学元件1和用于使圆偏振光转变成直线偏振光的相位差层2而入射到液晶电池6这一点之外，其余都没有特殊限定，可以按照已往的方法来形成。
因此，只要是一种肯定能使偏振光状态的光入射到液晶电池中的液晶显示装置即可。优选使用扭转向列型液晶或超扭转向列型液晶，但是非扭转向列型液晶以及由二色性染料分散于液晶中而形成的宾主向列型液晶，或者强介电性液晶等也可以使用。对液晶的驱动方式也没有特殊限定。
虽然在附图的例子中示出，在液晶电池6的两侧具有偏光板5，但是，当通过光学元件等能够输出直线偏光性优良的光线时，可以省去背面照明侧的偏光板。这种直线偏光化，也就是使透过光学元件的圆偏振光的直线偏光化，可以通过配置在光学元件1上的相位差层2来进行。因此，可将液晶电池配置在处于背面照明系统内的相位差层2之上。
用于使透过光学元件的圆偏振光转变成直线偏振光的相位差层的目的是改变由光学元件出射的圆偏振光的相位，将其转变成一种直线偏振光成分占多数的状态，从而使光线容易地透过偏光板等。因此，作为优选的相位差层应能使得由光线元件出射的圆偏振光大部分地转变成一种相当于1/4波长相位差的直线偏振光，并且能够使得其他波长的光转变成一种在尽可能地与上述直线偏振光相平行的方向上具有长径方向，而且尽可能地接近于直线偏振光的扁平状椭圆偏振光。
通过配置如上所述的相位差层，也就是按照使出射光的直线偏振光方向或椭圆偏振光的长径方向尽可能地与偏光板的透过轴相平行的方式来配置，从而获得一种能够透过偏光板的直线偏振光成分占多数状态的光线。
相位差层可用适宜的材料形成。其中优选是透明并能赋予均匀相位差的材料。一般地说，由聚碳酸酯之类的塑料拉伸薄膜形成的相位差板、向列型液晶聚合物的单取向物或扭转取向物等皆适合使用。相位差层的相位差可以根据由光学元件出射的圆偏振光的波长范围等适宜地决定。例如，在可见光区域，从波长特性和实用性等观点考虑，几乎所有的相位差板都根据其材质特性掺入一些能显示正双折射的波长分散的物质，在多数情况下可以使用相位差较小的物质，其中优选使用相位差为100～200的物质。
相位差层可以作为1层或2层以上来形成。在由1层构成相位差层的情况下，双折射的波长分散越小的物质，每一种波长的偏光状态越均匀，因此较为优选。另一方面，相位差层的重叠化能够有效地改善波长区域内的波长特性，其组合方式可根据波长区域等适宜地决定。
另外，在以可见光区域为对象形成2层以上相位差层的情况下，如上所述，从为了获得一种直线偏振光成分占多数的光线的观点考虑，优选是含有1层以上奇数层能够赋予100～200nm相位差的相位差层。除了能赋予100～200nm相位差的相位差层以外的相位差层，从改善波长特性的观点考虑，优选是由一种能够赋予200～400nm相位差的相位差层来形成，但对此没有限定。
上面例示的液晶显示装置，由于在背面照明系统的底面设置有反射层43、46，因此能把被光学元件1反射的圆偏振光由所说的反射层反射，使其作为反射光再次入射到光学元件中，从而达到了提高光的利用效率的目的。也就是说，由光学元件反射的圆偏振光被约束在光学元件与反射层之间，并被反复地反射，变成了能够透过光学元件的圆偏振光状态，从而能够减少由于反射损失等引起的光的未利用部分。
如上所述，由于利用相位差层将圆偏振光转变成直线偏振光，因此可以降低可被偏光板吸收的光成分的含有率，并且在过去成为反射损失和吸收损失的光也能优选地利用，因此可以提高光的利用效率，从而能够形成一种明亮的、观察性优良的液晶显示装置。
作为上述的反射层，优选是象由铝和银等形成的金属面那样能够产生反射反转的反射层。因此，它能使反射的圆偏振光的左右旋转方向逆转，使其成为与透过的圆偏振光相同的状态，能够尽可能地提高透过效率，从而能有效地提高光的利用效率。另外，即使对于以凹凸面为代表的扩散反射层来说，也能够解决由于其扩散作用引起的偏光状态无规地混杂的状况，从而能够提高光的利用效率。
作为发光层，适宜使用那些在其一个侧面上将光线出射的发光层。优选是那些不吸收光而能有效地将光出射的物质。将(冷、热)阴极管等线状光源或发光二极管等的光源3配置在导光板(42)的侧面，使得在该导光板内传送的光，通过扩散、反射、衍射、干涉等作用而从该导光板的一个侧面出射，在液晶显示装置中，公知的例子有侧光型背面照明(图1)和EL灯泡型或直下灯泡型(图2)。另外，光学元件可以配置在所说发光层的光出射侧。
如上所述的用于将内部传送的光从其一个侧面出射的导光板，例如可以通过在一种透明或半透明的树脂板的光出射面上或者在其里面设置一种点状或带状的扩散体，或者设置能在树脂板里面形成凹凸结构的物体而制得。
在形成发光层时，可以根据需要把用于获得均匀发光的光扩散板41、44，用于控制光线出射方向的棱镜片，用于把泄漏的光线返回的反射装置，用于把从线状光源出射的光线导向导光板侧面的光源夹具31等的辅助装置配置在预定的位置上，从而获得适宜组合的装置。
另外，为了使得由高度的直线偏振光的入射获得良好的对比显示，作为偏光板，特别是作为背面照明侧的偏光板，也就是作为配置在液晶电池的可见光入射侧的光学元件附近一侧的偏光板，优选使用例如碘系列或染料系列的吸收型直线偏振器等偏光度高的偏光板。
液晶显示装置和背面照明系统等的形成构件，可以将其作为积层一体化，也可使其保留分离状态。另外，在形成液晶显示装置时，可以把例如设置在观察侧的偏光板上的扩散板和遮光层、防反射膜、保护层或保护板、设置在液晶电池和偏光板之间的补偿用相位差板等适合的光学元件适当地配置。另外，在将光学元件和相位差层组合使用的情况下，可以将它们积层一体化，也可使其保留分离状态。它们的配置位置应成为光学元件介于发光层的光出射侧与相位差层之间的状态。
上述的补偿用相位差板的目的是用来补偿双折射性能对波长的依赖性，从而提高其观察效果等，该相位差板在图1和图2中以符号7表示。在本发明中，该相位差板可以根据需要配置在观察侧和/或背景照明侧的液晶电池与偏光板之间等位置处。另外，作为补偿用的相位差板，可以根据波长区域等使用适宜的相位差板，并且可以将其作为1层或2层以上的重叠层成型。
如上所述，本发明的液晶显示装置借助于反射层等把被光学元件反射的圆偏振光进行偏振光变换而作为出射光再利用，从而防止反射损失，并且借助于相位差层对该出射光进行相位控制，使其转变成富含偏光板透过性的直线偏振光成分的光状态，因此防止了被偏光板吸收引起的损失，从而提高了光的利用效率。
由相位差层出射的光，作为直线偏振光或椭圆偏振光的长径方向成分等，优选是其中能够透过偏光板的直线偏振光成分占65％以上，更优选占70％以上。另外，从防止显示的颜色变化的观点考虑，在将光学元件与相位差层组合时，优选是使得由自然光构成的入射光作为一种基于NBS方式的色变化Δab在10以下的状态的偏振光出射。液晶聚合物固化层的积层化，从降低所说颜色变化的观点考虑也是有利的。
在此情况下，背面照明侧的偏光板的偏光轴与位相差板的快光轴或慢光轴之间的配置角度可以根据相位差层的相位差特性和入射圆偏振光的特性等适宜地决定。例如，在上述能赋予100～200nm的相位差的相位差板的情况下，在左旋圆偏振光入射时，以偏光板的偏光轴作为基准(0度)，则相位差板的快光轴的配置角度为0～90度时，优选为35～55度时，特别优选为45度时，可以提高偏光板的透光率。
另一方面，在右旋偏振光入射时，可以根据相位差板的慢光轴来设定上述角度，从而可以提高偏光板的透光率。在具有2层以上相位差板的情况下，特别是其中能够赋予100～200nm相位差的相位差层占据最外侧的表面层时，右旋是以该层为基准来设定所说的配置角度。实施例1
将由上述化学式(a2)表示的单体33.9重量份(82mmol)与由化学式(b3)表示的单体9.16重量份(18mmol)加热溶解于四氢呋喃430ml中，使其温度稳定在55～60℃之间，然后用氮气置换反应器内部空间，在没有氧存在的条件下滴入溶解有偶氮二异丁腈0.5重量份的四氢呋喃溶液5ml，进行6小时的聚合反应，将所获反应液在搅拌下慢慢注入乙醚3000ml中，获得白色的聚合物沉淀，将此沉淀物离心分离后干燥，然后将其再沉淀2次以使其纯化，获得一种重均分子量为7000的共聚物。此共聚物的玻璃化转变温度为88℃，各向同性转变温度为225℃，在二者之间的温度下呈现胆甾醇结构。
在一层厚度为50μm的三乙酰基纤维素薄膜上设置一层厚度约为0.1μm的聚乙烯醇层，用人造丝布对该层进行摩擦处理，使用棒式涂布机在上述处理面上涂覆一种含10重量％上述共聚物的二氯甲烷溶液，待其干燥后在140℃的温度下进行15分钟的加热取向处理，然后在室温下放冷，从而使液晶聚合物的取向在玻璃态下固定化。该液晶聚合物层的厚度为2μm，由该层与三乙酰基纤维素薄膜的一体化物构成的薄膜状光学元件显示出如镜面状反射蓝色光的圆偏振光二色性，该反射光是一种波长为410～485nm的左旋圆偏振光。该光学元件的透光特性示于图5中。实施例2除了按照化学式(a2)的单体36.3重量份(88mmol)和化学式(b3)的单体6.11重量份(12mmol)的比例使用之外，其余按照实施例1的步骤进行，获得一种重均分子量为7500的共聚物，并用它制得光学元件。该共聚物的玻璃化转变温度为92℃，各向同性转变温度为240℃，在二者之间的温度下呈现胆甾醇结构。另外，该光学元件显示出如镜面状反射红色光的圆偏振光二色性，该反射光是一种波长为580～695nm的左旋圆偏振光。该光学元件的透光特性示于图6中。实施例3把按照实施例1和实施例2的步骤获得的共聚物按照0.47/0.53(实施例1/实施例2)的比例混合，然后按照实施例1的方法制得光学元件。这种光学元件显示出镜面状反射绿色光的圆偏振光二色性，该反射光是一种波长为480～585nm的左旋圆偏振光。该光学元件的透光特性示于图7中。实施例4
除了按照化学式(a2)的单体16.5重量份(40mmol)、上述化学式(a3)的单体17.1重量份(40mmol)以及化学式(b4)的单体9.18重量份(20mmol)的比例使用之外，其余按照实施例1的步骤进行，获得一种重均分子量为11500的共聚物。该共聚物的玻璃化转变温度为105℃，各向同性转变温度为238℃，在二者之间的温度下呈现胆甾醇结构。
另一方面，使用上述的共聚物，按照实施例1的方法在150℃的温度下进行15分钟的取向处理，按此条件形成一种厚度为3μm的液晶聚合物固化层并获得了光学元件。该光学元件显示出一种镜面状反射红黄色光的圆偏振光二色性，该反射光是一种波长为565～675nm的右旋圆偏振光。该光学元件的透光特性示于图8中。实施例5除了按照下述化学式(a4)的单体36.3重量份(85mmol)和化学式(b5)的单体9.09重量份(15mmol)的比例使用之外，其余按照实施例1的步骤进行，获得一种重均分子量为21000的共聚物。该共聚物的玻璃化转变温度为95℃，各向同性转变温度为215℃，在二者之间的温度下呈现胆甾醇结构。
另一方面，使用上述的共聚物，按照实施例1的方法形成一种厚度为5μm的液晶聚合物固化层并获得了光学元件。该光学元件显示出一种镜面状反射红色光的圆偏振光二色性，该反射光是一种波长为590～695nm的右旋圆偏振光。另外，该光学元件的透光特性示于图9中。实施例6把按照实施例1、2、3的方法获得的光学元件通过丙烯酸类粘合层叠合在一起，获得一种在波长410～690nm的范围内显示圆偏振光二色性的光学元件。该光学元件的透光特性示于图10中。
把2张由聚碳酸酯构成的拉伸薄膜的积层体制成的一块1/4波长板，通过丙烯酸类粘合层叠合在上述光学元件上，当自然光入射到该光学元件上时，基于NBS方式的色变化Δab为3，该数值非常小。另外，将这种设置有1/4波长板的光学元件在80℃的温度下进行1000小时的加热试验，或者在60℃和90％RH的条件下进行1000小时的温热试验，结果表明，在任一个试验中皆几乎观察不到光学性能或外观等的变化，这表明它有优良的耐用性。
另外，使用上述设置有1/4波长板的光学元件，形成一种如图1所示结构的液晶显示装置，该装置显示出90cd/m2的亮度，这表明它要比没有使用所说光学元件时(60cd/m2)提高50％的亮度。实施例7
除了将上述化学式(a2)表示的单体31.8重量份(77mmol)与上述化学式(b6)表示的单体10.2重量份(23mmol)加热溶解于四氢呋喃415ml中之外，其余皆按照实施例1的步骤，获得了一种重均分子量为7300、玻璃化转变温度为85℃，各向同性转变温度为215℃，在二者之间的温度下呈现胆甾醇结构的共聚物，使用该共聚物按照实施例1的方法，在150℃下进行5分钟加热取向的处理方式，获得了一种能显示如镜面状反射蓝色光的圆偏振光二色性，其反射光为一种波长为410～485nm的左旋圆偏振光的光学元件，该光学元件的透光特性示于图11中。实施例8除了按照化学式(a2)的单体35.5重量份(86mmol)，化学式(b6)的单体6.20重量份(14mmol)的比例使用之外，其余皆按照实施例7的方法，获得了一种重均分子量为7100的共聚物，并用其制成了光学元件。该共聚物的玻璃化转变温度为89℃，各向同性转变温度为230℃，在二者之间的温度下呈现胆甾醇的结构。另外，该光学元件显示出如镜面状反射红色光的圆偏振光二色性，该反射光是一种波长为580～695nm的左旋偏振光。该光学元件的透光特性示于图12中。实施例9把按照实施例7和实施例8的共聚物按照0.47/0.53(实施例7/实施例8)的比例混合，按照实施例7的方法制得光学元件。该光学元件显示出如镜面状反射绿色光的圆偏振光二色性，该反射光是一种波长为480～585nm的左旋圆偏振光。该光学元件的透光特性示于图13中。实施例10把按照实施例7、8、9获得的光学元件通过丙烯酸类粘合层叠合在一起，获得了一种在波长410～690nm的范围内显示圆偏振光二色性的光学元件。该光学元件的透光特性示于图14中。
把2张由聚碳酸酯构成的拉伸薄膜的积层体制成的一块1/4波长板，通过丙烯酸类粘合层叠合在上述光学元件上，当自然光入射到该光学元件上时，基于NBS方式的色变化Δab为3，该数值非常小。另外，将这种设置有1/4波长板的光学元件在80℃的温度下进行1000小时的加热试验，或者在60℃和90％RH的条件下进行1000小时的温热试验，结果表明，在任一个试验中皆几乎观察不到光学性能或外观等的变化，这表明它有优良的耐用性。
另外，使用上述设置有1/4波长板的光学元件，形成一种如图1所示结构的液晶显示装置，该装置显示出90cd/m2的亮度，这表明它要比没有使用所说光学元件时(60cd/m2)提高50％的亮度。比较例除了按照下述化学式(C)的单体39.0重量份(80mmol)，化学式(D)的单体9.14重量份(20mmol)的比例使用之外，其余皆按照实施例1的方法，获得了一种重均分子量为18000的共聚物。该共聚物的玻璃化转变温度为71℃，各向同性转变温度为205℃，在二者之间的温度下呈现胆甾醇结构。
另一方面，使用上述共聚物，按照实施例1的方法试验形成液晶聚合物的固化层，结果不能获得均一的取向物，所制得的厚度为3μm的液晶聚合物层也不能显示镜面的反射，并且显示出扩散反射，是一种圆偏振光二色性不充分的产品。该光学元件的透光特性示于图15中。另外，可以认为，这种扩散反射是由于没有形成格氏取向而引起的。
工业上利用的可能性按照本发明，可以获得一种由液晶聚合物固化物构成的、薄而且轻，其螺距等取向状态在实用温度下不易变化的圆偏振光二色性光学元件，这种液晶聚合物的成膜性优良，能够以良好的单晶畴状态形成格氏取向。能在数分钟等的短时间内完成取向处理，能在稳定于玻璃状态的条件下固定化，从而可以形成一种耐用性和保存稳定性皆优良的圆偏振光二色性光学元件，并且可以获得一种胆甾醇相的螺距容易控制的液晶聚合物。
权利要求
1.一种圆偏振光二色性光学元件，其特征在于，它具有一种由格氏(Grandjean)取向的胆甾醇型液晶相构成的液晶聚合物的固化层。
2.如权利要求1所述的光学元件，其中的液晶聚合物具有80℃以上的玻璃化转变温度，并且以一种含有由下述通式(a)表示的单体单元和由通式(b)表示的单体单元的共聚物作为其构成成分，所说通式(a)为
(式中，R1表示氢或甲基，m表示1～6的整数，X1表示CO2基或OCO基，p和q表示1或2而且满足p+q＝3。)所说通式(b)为
(式中，R2表示氢或甲基，n表示1～6的整数，X2表示CO2基或OCO基，X3表示-CO-R3或-R4，其中，R3表示
或
和R4表示
R5表示
或
3.如权利要求1或2所述的光学元件，该光学元件对可见光区域的光显示圆偏振光二色性。
4.如权利要求1～3所述的光学元件，它由一种对不同波长的光显示圆偏振光二色性的液晶聚合物的固化层的积层体构成。
5.如权利要求1～4所述的光学元件，它具有能使圆偏振光转变成直线偏振光的相位差层。
6.如权利要求5所述的光学元件，它能把由自然光构成的入射光作为基于NBS方式的色变化Δab在10以下状态的偏振光出射。
7.一种液晶显示装置，其特征在于，它在液晶电池观察光的入射侧具有权利要求1～6中所述的光学元件。
8.一种背面照明装置，其特征在于，它在光出射侧具有权利要求1～6中所述的光学元件。
9.一种液晶聚合物，其特征在于，它以由权利要求2所述的通式(a)表示的单体单元60～95重量％和通式(b)表示的单体单元40～5重量％构成的共聚物作为构成成分。
全文摘要
一种具有由格氏取向的胆甾醇型液晶相构成的液晶聚合物固定化层的圆偏振光二色性光学元件及其装置,以及由至少两种特殊的丙烯酸类单体单元构成的共聚物作为构成成分的液晶聚合物。
文档编号C08F20/36GK1196798SQ97190737
公开日1998年10月21日 申请日期1997年3月3日 优先权日1996年4月22日
发明者本村弘则, 泉今日子, 中野秀作, 望月周 申请人:日东电工株式会社