Meso-scale liquid crystal/polymer phase separation with anisotropic and hierarchical nonuniform structures and development of thermoresponsive light control devices

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K03779
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 垣内田 洋 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (40343660)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 高分子ネットワーク液晶 / 光学異方性 / 光拡散 / 後方散乱 / バックライト / スマートウィンドウ / 温度応答性

Outline of Annual Research Achievements

本研究の鍵となる光重合誘起相分離(PPIPS)の作製技術を拡張し、様々なメゾスケール(光波長程度に相当)相分離構造を有した、光制御性の高い高分子ネットワーク液晶(PNLC)を創製した。具体的には、以前の科研費研究(15K05257)で見出した「不均一露光技術」をさらに進め、これまで取り組んできた温度応答性のみならず、偏光・偏向選択性をもった光拡散素子を開発した。これは、ディスプレイバックライトやプライバシーウィンドウといった、幅広いシーンでの応用が見込まれる。また、混合原料の性質を活用し、より微細かつ分子配向が揃った相分離構造を自己組織化的に形成した。具体的には、主原料として用いる液晶と液晶性モノマーの分子構造の類似性を利用し、分子の配向秩序を高く維持したままでメゾスケールの相分離ドメインを作製した。このメゾ相分離で、微細な光学不均一構造が形成され、より後方に効率よく光散乱を発生させることができ、実質的に反射制御型の光伝播制御素子となる。これは、室内への太陽光入射を防ぐ、省エネ型スマートウィンドウへの展開が期待される。一方、PPIPS過程での液晶と液晶性モノマーの分子の振る舞いを詳しく探った。PPIPS過程では、光照射によって液晶性モノマーが高分子化する中で、液晶とモノマーの相互作用が変化していく。今回は、それらの互いの束縛の度合いに関する知見が得られた。これは、PNLCの外部刺激応答性の向上に役立つ情報である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

昨今の社会事情で、外部公表が遅れているが、研究内容は概ね順調に進んでいる。液晶と高分子の両相の配向秩序性を高める機構については、シアノビフェニル(CB)系の液晶と反応性メソゲンを使い、それらが有するシアノ(CN)基の挙動を赤外吸収測定などで追うことにより、PPIPSの様々な反応ステージでの挙動を見出している。一方、相分離のドメイン形状や大きさついては、概要でも既述したように、不均一露光技術の応用と、分子構造より選んだ原料により、作製時の制御性を高めることができた。一方、これらの不均一構造による光散乱特性については、光学計算との整合性を引き続き探る必要はある。実用化への観点では、シンプルな手法によって所望のメゾ構造創製が上手くできており、今後、耐久性の向上などを進めていくことで実用化に繋がる状況にある。

Strategy for Future Research Activity

2020年度に取り組んだPPIPSの応用露光技術を発展させ、よりユニークな相分離構造ひいては光機能を発現するPNLCを創製する。具体的には、まず、本研究で開発した偏光・偏向選択型の光拡散素子に光散乱の電場制御機能を持たせ、応用性を高める。また、熱応答型の光散乱制御材料については、後方散乱制御性が実用に耐えるレベルに近づいてきたため、実用化の一つの鍵となる耐久性の向上にも取り組む。一方、二波長露光を駆使した階層型の相分離構造の作製を引き続き進める。二波長露光技術では、相分離のドメインサイズの効果的な制御が現状の課題で、その解決に取り組む。以上の応用研究とは別に、PPIPS過程での異方性分子のダイナミクスは物理的興味が大きい。とくに、相分離のドメインサイズと内部の液晶分子のモビリティとの関係を詳細に探る。

Causes of Carryover

2020年度に取り組んだ光拡散素子の作製を、研究提案時に必要と考えていた特殊な設計の光拡散板を購入することなく、従来の光拡散板を工夫して使うことで、容易に実現できた。一方、提案時に予定していた直接転写法に必要なフォトマスクについては、購入前の予備実験で光回折の影響が予想以上に大きく現れたため、購入を一旦留めて、より簡便な別手法での作製を検討している。本年度は、進捗状況が良かった熱応答型の後方散乱素子と偏光・偏向選択型の光拡散素子の作製および評価に、当初から予定していた人件費を集中的に割り当てて研究を加速する。