2020 Fiscal Year Annual Research Report
パターン配向キラル液晶を用いた波面自在制御アクティブ・フラットオプティクスの開発
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20H00391
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
尾崎 雅則 大阪大学, 工学研究科, 教授 (50204186)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤井 彰彦 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (80304020)
吉田 浩之 大阪大学, 工学研究科, 講師 (80550045)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 液晶 / 光配向 / フラットオプティクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
コレステリック液晶（キラル液晶）の螺旋構造からの反射光の位相は、基板表面の分子の配向方位（螺旋方位とよぶ）に依存し、その螺旋方位を局所光配向技術を用いてパターンニングすることにより、平板であるにもかかわらず、反射光の波面を制御可能な反射型フラットオプティクスが実現できる。しかしながら、①パターン分解能や素子面積が不十分なため、素子性能の限界と機能の可能性が不透明であり、②素子作製時にデザインした光配向パターンが変更することができないため、動的な波面制御が不可能であるという課題がある。そこで本研究では、①拡大投影技術や光干渉技術の採用により、大面積・高精細の配向パターンを実現し、さらに、②高分子強誘電性液晶を配向膜として用いることにより、電界によってコレステリック液晶の分子配向方位（螺旋方位）を動的に制御可能な素子を開発することを目的としている。
まず、本年度は、三次元螺旋構造を有するコレステリックブルー相（BP）液晶に着目して、電界によるその格子配列の制御を試み、基板に対する格子面の方向と格子軸の面内方位角の制御のメカニズムを明らかにした。それによると、一旦螺旋構造を完全に消失させたのち電界を除去した場合、フォールコニック状態によってBP Iの格子軸[001]の面内方位が決定され、BPX相状態によって結晶面方向(110)が決まることが明らかとなった。得られたこれらの知見を元に、計算機援用ホログラムを作成し、斜め入射光に対しても円偏光選択制が維持されるホログラムの実現に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は、二つの項目からなる。すなわち、(1)パターン光配向技術の高度化による性能限界の探求と応用範囲の拡大と、(2)電界により自在に波面制御が可能なアクティブ・フラットオプティクスの実現である。本年度の当初研究計画では、まず、前者に注力することになっていた。すなわち、本提案の根幹技術となっている光配向技術の高度化・最適化をはかり、その結果発現する問題点の洗い出しと解決方法の検討、本研究で目指す波面制御素子の高性能化と性能限界の検討を行うことである。そこで、（1-1)光配向パターンの高分解能化に関しては、これまで用いてきた液晶プロジェクターを用いた局所パターン偏光描画装置からDMDを用いたものに改良して分解能の向上を図った。次に、(1-2)高精細光配向パターン素子の波面制御特性評価および(1-3)微小領域でのパターン化による配向乱れの評価に関しては、フェムト秒レーザーを用いた二光子励起過程をもちいた光異性化反応の活用を当初計画していたが、計画当初より議論を行なっており実際の研究においても実験協力を予定していた米国の研究者が、新型コロナ感染症拡大防止による訪日制限のため研究に参画できず、計画が大幅に遅れた。これに関する実験計画および予算を次年度に繰り越した。(1-4)微細領域配向制御による液晶配向双安定性の検討については、周期的に配向容易軸方向を変化させた局所パターン配向素子において、周期が数μm以下の場合、フラストレート配向状態が発現することを確認した。(1-5)印刷技術による塗布液晶膜の形成技術については、局所配向パターンを描画した光配向基板上に、スピンコート法およびバーコート法による光重合性液晶の塗布を試み、大面積での良好な分子配向膜の作製に成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き当初計画に沿って研究を推進することは勿論のこと、フェムト秒レーザーを用いた微細領域への配向パターン書き込み実験に先立って、特に、BP液晶の格子の配列メカニズムのさらなる理解を図るために、外部電界の印加方向の違いによる格子配列挙動の検討を進める。また、微細配向パターン上における液晶の配向状態の直接観測手法の検討を行う。特に、光重合性液晶の表面のSEM観察などの手法を検討する。また、(2)電場での波面の自在制御に必要な高分子液晶の導入を検討する。
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