2018 Fiscal Year Research-status Report
Low driving voltage by novel light scattering mechanism in polymer composite liquid crystal device
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18K04257
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| Research Institution | Akita University |
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Principal Investigator |
山口 留美子 秋田大学, 理工学研究科, 教授 (30170799)
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2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 高分子複合液晶 / 反応性メソゲン / 光散乱 / 低電圧駆動 / 屈折率 / レンズ効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
液晶中に～10％程度の高分子を分散させた高分子・液晶複合素子は，透明状態から光散乱状態への電気的切り替えを可能とするリバースモード特性を提供する。しかし，通常の液晶ディスプレイと比較しその駆動電圧は10倍程高い。そこで，申請課題では低電圧駆動(～6 V）を可能とするため，従来の“高分子―液晶間の屈折率差による光散乱”の他に，大小の液晶ドメインの再配向電圧の違いに着目し，“液晶ドメイン間での光散乱機構”を新規に提案する。
I 液晶ドメイン間での光散乱機構の解明：液晶ドメインの大きさとそのドメイン内のしきい電圧は反比例することが分かっている。液晶分子配向プログラムを作成し，電圧-実効的屈折率（ドメイン内における異常光液晶屈折率）を求めた。大小ドメインの平均の屈折率と高分子屈折率との差，および2つのドメイン間の屈折率の差から，散乱係数を見積り，素子の電気光学特性を算出できることを確認した。
II 高分子モフォロジーの制御技術の確立：高分子材料を固定し，3種類の異なる液晶を用いて，高分子モフォロジーが液晶材料でも変化すること，それによる電気光学特性が大きく異なることを明らかにした。本年は，面内に不均一な紫外線強度照射を行い，液晶ドメインの異なる領域を作り込むことを試みた。一様な紫外線強度および不均一照射で，電気光学特性に変化が生じたが，その違いにも液晶材料依存性があることが明らかになった。1つの液晶材料において，しきい電圧を大幅に下げることができたが，駆動電圧においてはわずかな低減にとどまった。しかし，駆動電圧の違う領域，すなわち屈折率異なる領域が，レンズ効果による光散乱を引き起こしていることが示唆され，新たな光散乱機構を加えることができた。加えて，高分子リッチな領域が本素子の機械的強度を増加させる，副次的効果も得ることができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
II 高分子モフォロジーの制御技術の確立において，面内に不均一な紫外線強度照射を行い，液晶ドメインの大きさの異なる領域を作り込むことを試みた。紫外線照射をフォトマスクを介して行うことで，光重合時の条件を変えた。フォトマスク越しに紫外線を照射された領域は，高分子リッチな状態になり，その後フォトマスクを取り除き前面に紫外線を照射し，素子全体での光重合を完了させる。高分子リッチな部分では液晶ドメインは小さく，液晶の駆動電圧は高くなる。マスク下にあった領域では逆に高分子プアで駆動電圧は低くなる。すなわち，領域により屈折率が異なることでの光散乱の他に，レンズ効果が生じることとなった。
今回はライン＆スペースのマスクを用い，ライン幅（5～100μｍ）に応じてレンズ効果が異なった。セル厚の３～5倍程のライン幅で，焦点距離の短いレンズ効果による光散乱が生じているようである。さらに，副次的な効果として，高分子リッチな領域が本素子の機械的強度を増加させるることに寄与していることも明らかとなった。
以上,当初の予想よりも素子の特性を向上できる要因を発見することができ，計画以上に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
I 液晶ドメイン間での光散乱機構の解明：大小ドメインの平均の屈折率と高分子屈折率との差，および2つのドメイン間の屈折率の差が引き起こす散乱機構において，各散乱係数を見積り，それらの散乱機構の寄与を散乱係数の重み付けを行う。次に，2つの屈折率差による散乱機構の重み付けと電気光学特性の関係を検討する。さらに，液晶再配向時の誘電率変化を算出するプログラムを作成する。複合誘電率にはいくつかの算出法があるため，どれが本素子に適用可能かを，実際に作製した液晶素子とのフィッティングを行うことで明らかにする。加えて，素子の静電容量の電圧特性と，透過率の電圧特性の両面からフィッティングを行うことで，散乱機構の解明を進める。
II 高分子モフォロジーの制御技術の確立：面内での不均一紫外線強度照射により，電気光学特性の低電圧駆動化が行える可能性が明らかとなったため，不均一照射に用いるフォトマスクの形状（ライン＆スペース，円形穴，チェッカーボードパターン，等）およびそれらのサイズと液晶層厚の関係，をパラメータとして，種々の素子を作製する。また，これらのパターンがもたらす液晶ドメイン間の閾値の違い，およびレンズ効果が，光散乱機構に与える影響を明らかにする。これらの特性に関しては，液晶材料依存性も大きいことが明らかとなっているため，数種類の液晶で同様の検討を行う。
以上の研究推進方策によって，低電圧駆動リバースモード素子のメカニズムと，素子作製条件を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
光重合高分子材料に関し，企業からのサンプル提供があったため，物品費が低く抑えられた。次年度は，素子作製のパラメータを増やし，作製個数も増やす計画であるため，次年度使用額34,331円 は，これに充てる。
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