JPH04258683A - 電気光学材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２次の電気光学効果を
利用する光変調素子や光偏光素子等に用いられる電気光
学材料に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電気光学効果とは、物質の屈折率が外部
電界によって変化する現象であって、電界の１次に比例
する効果と２次に比例する効果とがあり、それぞれポッ
ケルス効果、カー効果と呼ばれている。

【０００３】例えば、ポッケルス効果を有する材料とし
ては、ＫＨ２ＰＯ４（ＫＤＰ）、ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４（Ａ
ＤＰ）、ＬｉＮｂＯ３、ＰＬＺＴ等の中心対称性のない
無機結晶が知られており、カー効果のみを有する材料と
しては、Ｂａ２Ｎａ２Ｎｂ５Ｏ１５等の中心対称性を有
する無機物やニトロベンゼン、二硫化炭素等の有機液体
、ｐ−ニトロフェノール、ｐ−ニトロトルエン、ｐ−シ
アノアニリン等の極性物質を溶媒に溶解した溶液、等方
相状態のネマチック液晶などが知られている。

【０００４】これらの物質を電気光学変調素子、あるい
は電気光学偏光素子として使用するに当り、単結晶材料
の場合には次のような問題がある。

【０００５】（１）　結晶自身が複屈折性を有し、かつ
その複屈折率が温度に依存するため素子の温度を厳密に
コントロールしなければならない。

【０００６】（２）　結晶自体の複屈折により生じる透
過光の抑制作用（リターデーション）を打ち消すために
、波長板を挿入せねばならない。

【０００７】（３）　一般に硬質でもろく、光学的に均
一で大きな物は得難い。 （４）　高価である。

【０００８】一方、電気光学効果を有する有機物の場合
には、それ自身が液体の場合はもちろん、そうでない場
合でも適当な溶媒に溶解させて液体の形で使用するため
、無機結晶の場合に見られる物質自体の複屈折性に起因
する問題はないものの、素子製作上次のような問題を有
する。

【０００９】（１）　電極を封入したガラス容器が必要
であり、このことが素子の小型化に対する制約となって
いる。

【００１０】（２）　前記ガラス容器が機械的に弱く破
損しやすい。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】これらの問題点に対し
て、複屈折性を有さず、光学的に均一で、かつ機械的強
度に優れた電気光学材料を提供しようという試みがある
。これは、有極性分子を高分子マトリクス中に分散して
同様の効果を発現させようというものであるが、大きな
電気光学効果が得られないという問題がある。

【００１２】これに対して、高分子側鎖に液晶構造を有
する置換基を導入し、ニトロベンゼンの５０倍以上の電
気光学効果が得られるという報告もあるが、液晶単独で
得られる程度の電気光学効果もまだ得られておらず、よ
り一層の性能向上が求められている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】電界印加時に２次の電気
光学効果による複屈折性を生じ、その構造が

【００１４
】

【化２】

【００１５】の構造式（ここにおいて、ｎは１以上の整
数を表し、Ｘは−Ｏ−または−（ＣＨ２）ｍ−を、Ｙは
−ＮＯ２、−Ｃ≡Ｎまたは−Ｆを示す。但し、ｍは１以
上２０未満の整数である。）で表される分子鎖のうち、
少なくとも１種類の分子鎖を含む誘電性高分子よりなる
電気光学材料を用いる、あるいは、（化２）の構造式（
ここにおいて、ｎは１以上の整数を表し、Ｘは−Ｏ−ま
たは−（ＣＨ２）ｍ−を、Ｙは−ＮＯ２、−Ｃ≡Ｎまた
は−Ｆを示す。但し、ｍは１以上２０未満の整数である
。）で表される分子鎖のうち、少なくとも１種類の分子
鎖を含む誘電性高分子とポリメチルメタクリレートとの
固溶体からなる電気光学材料を用いる。

【００１６】

【作用】本発明は高分子鎖に対して、液晶類似構造を有
する置換基を−（ＣＨ２）ｍ−、あるいは−Ｏ−などの
スペーサ部を介して高分子主鎖に導入した高分子材料を
含むことを特徴とするものである（但し、ｍは１以上２
０未満の整数である）。本発明に用いられる高分子構造
においては、電界に応答する液晶類似構造部分の動きが
主鎖に束縛される度合が少ないため、即ち、電界応答し
やすいため、全体として大きな電気光学効果が得られる
。

【００１７】本発明によれば、複屈折性を有さず、光学
的に均一で、かつ機械的強度に優れ、しかもニトロベン
ゼンの１００倍以上のカー定数を有する電気光学材料を
得ることが可能である。また、本発明の電気光学材料を
使用することにより、ポリメチルメタクリレートなどの
光導波路や薄膜染料レーザなどと一体化された電気光学
素子を得ることも可能である。

【００１８】

【実施例】大きな２次の電気光学効果を示す誘電性高分
子は、側鎖末端に双極子能率の大きな電子吸引性基を導
入することによって得られる。特に、前記誘電性高分子
の側鎖末端として、芳香族環や複素芳香族環などの共鳴
系を介して、共鳴効果の立場から見た電子吸引性基（−
Ｒ置換基）を導入したものは非常に大きな電気光学効果
を示す。

【００１９】この場合芳香族環としては、分子の長軸方
向とそれに直交する方向の誘電率の異方性が大きい方が
一般にカー効果の大きさを表すカー定数が大きいため、
ベンゼン環やビフェニル環のほうが、ナフタレン環やア
ントラセン環、ピレン環よりも適格である。また、合成
の容易さからしても、芳香族環としては、ベンゼン環、
ビフェニル環、ターフェニル環が優れている。また、複
素芳香族環についても同様のことが言える。

【００２０】共鳴効果の立場から見た電子吸引性基とし
ては、−ＮＯ２、−Ｃ≡Ｎ、−Ｆ、−ＣＯＲ、−ＣＨＯ
、−ＣＯＯＨ、−ＣＯＮＨ２、−ＣＦ３などがあるが、
双極子能率が大きく、かつかさ高くないということより
、ニトロ基（−ＮＯ２）やシアノ基（−Ｃ≡Ｎ）が優れ
ている。

【００２１】このような要件を満たす側鎖グループとし
ては、（表１）に示すようなｐ型ネマチック液晶と類似
の構造を持った置換基が考えられる。

【００２２】

【表１】

【００２３】（ここにおいて、Ｘは−Ｏ−または−（Ｃ
Ｈ２）ｍ−を、Ｙは−ＮＯ２、−Ｃ≡Ｎまたは−Ｆを示
す。但し、ｍは１以上２０未満の整数である。）（表１
）の置換基Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１３のなかでは、側鎖グル
ープとしては、合成が容易である、大きな２次の電気光
学効果を示す誘電性高分子が得られる、薄膜化が容易で
ある、などの理由よりＮｏ．２、Ｎｏ．４、Ｎｏ．５、
Ｎｏ．８の置換基が好ましい。ここにおいて、（表１）
は側鎖グループと成り得る置換基の一部を例示したもの
であり、これにより何等本発明の電気光学材料の構造を
制限するものではない。

【００２４】また、前記誘電性高分子をこれに対して相
溶性を有する高分子物質中に均一に分散させて得られる
固溶体も、大きな２次の電気光学効果を示す。この時、
前記誘電性高分子の分散割合にほぼ比例してカー定数の
値は変化するため、前記誘電性高分子そのものに比べて
２次の電気光学効果は小さいが、薄膜状にした場合の成
膜性や強度は向上する。

【００２５】前記誘電性高分子を分散する高分子物質と
しては、透光性の点から透明なものが好ましく、前記誘
電性高分子との相溶性に優れていなければならない。代
表的な高分子物質としてはフェノール樹脂、ユリア樹脂
、メラミン樹脂、フラン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂
、エポキシ樹脂、ケイ素樹脂、ジアリルフタレート樹脂
等の熱硬化性樹脂や、塩化ビニル樹脂、塩化ビニリデン
樹脂、ポリスチレン、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、メタクリ
ル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、フッ素樹脂、
ポリアミド、熱可塑性ポリエステル樹脂、ポリカーボネ
ート、ポリ酢酸ビニルなどの熱可塑性樹脂が使用可能で
ある。

【００２６】以下に本発明の実施の態様を詳細に説明す
る。 実施例（１） 誘電性高分子として

【００２７】

【化３】

【００２８】の一般式でその構造が表される誘電性高分
子〔Ｉ〕を合成した。（ここにおいて、ｎは１以上の整
数を表している。）誘電性高分子〔Ｉ〕は黄色がかった
透明な物質であり、トルエンに可溶であった。誘電性高
分子〔Ｉ〕をトルエンに溶解後、吸引濾過により不溶分
を除去した後再びトルエンを取り除き、得られる固形物
を光学研磨し、図１に示されるような５ｍｍ×３ｍｍ×
１ｍｍの電気光学材料１を得た。この電気光学材料１の
５ｍｍ×３ｍｍの相対する面２、３に電極４、５として
黄銅片をそれぞれ取り付け、電気光学効果測定のための
セル６とした。そして、このセル６を用い、図２に示さ
れるような測定系によって誘電性高分子〔Ｉ〕のカー定
数の大きさを測定した。

【００２９】図２において、セル６は変調電源７より電
力の供給を受ける。８、９は偏光板（但し、以下は９を
検光子と称する。）であり、それらの偏光軸は互いに直
交した位置関係にあり、また、セル６の電界印加方向と
は４５度傾けて配置してある。セル６に電界が加わらな
い場合、電気光学材料１は等方的であるから、光線１０
は偏光方向を変えないでセル６中を通過するため、偏光
板の配置から考えて検知機１１に光線１０は達しない。 セル６に電界が加われば電気光学材料１は複屈折性を示
し、電界印加方向と、それに垂直な方向との屈折率に差
異が生ずるため、それぞれの方向に伝搬する光の位相が
異なり、位相差が生じる。このため、セル６を通過した
光は、一般には楕円偏光となっている。従って、一部の
成分は検光子９を通過出来るようになり、検知器１１に
は光線が到達するようになる。

【００３０】前記の位相差がπラジアン（半波長に相当
）になった時、セル６を通過した光は検光子９と同一の
偏光方向を持つ直線偏光に変化し、光線１０は、ほぼ１
００％検知器１１に到達するようになる。この時のセル
６に加わる電圧を半波長電圧（Ｖπ）という。

【００３１】本実施例において被変調光線１０としてＨ
ｅ−Ｎｅレーザ光（６３３ｎｍ）を用いた場合、セル６
に電圧を加えていくと検知器１１の出力は５０５Ｖで最
高に達した。この値は前記光学位相差がπラジアンに達
したことを示すもので、半波長電圧（Ｖπ）に相当する
。 セル６における電極間隔ｄを１ｍｍとし、光線通過方向
の電極長さｌを５ｍｍとした場合、カー定数Ｂは、Ｂ＝
ｄ２／２ｌＶ２π として計算されるので、誘電性高分子［Ｉ］のカー定数
Ｂは３．９２×１０−８ｃｍ／Ｖ２となる。この値はニ
トロベンゼンの約１３０倍に相当し、しかも電界を印加
しない時には電気光学材料１は複屈折性を有しない透明
固体であるなどその実用的価値は非常に高い。

【００３２】実施例（２） 誘電性高分子として

【００３３】

【化４】

【００３４】の一般式でその構造が表される誘電性高分
子［ＩＩ］〜［ＶＩＩＩ］を合成した。次にそれぞれの
誘電性高分子［ＩＩ］〜［ＶＩＩＩ］について、実施例
１と同様の方法で半波長電圧Ｖπを測定し、カー定数Ｂ
の大きさを求めたところ、（表２）の値が得られた。測
定は何れも室温で行った。

【００３５】

【表２】

【００３６】（表２）より明らかなように、本発明の誘
電性高分子はニトロベンゼンのカー定数に比べて、同等
以上の大きさのカー定数を有しており、特に誘電性高分
子の側鎖がｐ型ネマチック液晶と類似の構造を持った置
換基である場合にはニトロベンゼンの１００倍近いカー
定数を持つなど、その実用的価値は極めて高い。また、
これらの誘電性高分子は、従来のカー効果液体と異なり
固体として扱うことが出来るため、その取り扱いは非常
に簡単である。

【００３７】実施例（３） 実施例１で合成した誘電性高分子［Ｉ］をトルエンに溶
解させた溶液を用い、アルミニウム基板上に乾燥膜厚が
５μｍとなるようスピンコート法によってコートする。 得られた均一な薄膜上にアルミニウムを１０ｍｍ×１０
ｍｍの大きさに蒸着し電極とした。このようにして得ら
れた電気光学セルを（図２）のセル６の位置におき、実
施例１と同様の方法でカー効果の大きさを測定した。本
実施例に用いた薄膜状電気光学セルへの光の導入および
取り出しにはプリズムカプラーを用いた。実験の結果半
波長電圧Ｖπは１．８１Ｖであった。本実施例では電極
間隔ｄは５μｍ、光通過方向の電極長さｌは１０ｍｍで
あるため、カー定数Ｂは３．８１×１０−８ｃｍ／Ｖ２
となる。　　この実施例より明らかなように、本発明の
誘電性高分子は薄膜状にすることが可能であり、また３
Ｖ以下の電圧で光変調をすることも可能であるなど、光
変調器や光偏向器などの薄膜能動素子に適している。

【００３８】実施例（４） 実施例２で合成した誘電性高分子［ＩＶ］とポリメチル
メタクリレートを（１）２０：８０、（２）５０：５０
および（３）８０：２０の重量比となるようにそれぞれ
ひょう量した後、これらをトルエン−酢酸ブチル等量混
合液に均一に溶解する。その後これらの溶液を実施例３
と同様の方法で、アルミニウム基板上に乾燥膜厚が５μ
ｍとなるようスピンコート法によってコートする。この
ようにして得られたそれぞれの薄膜に電極としてアルミ
ニウムを１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさに蒸着し薄膜状電
気光学セルを作成し、実施例３と同様の方法でそれぞれ
のカー効果の大きさを測定した。結果を（表３）に示す
。

【００３９】

【表３】

【００４０】（表３）より明らかなように、本実施例の
薄膜状電気光学セルは、ポリメチルメタクリレートを含
むため、誘電性高分子単独の場合に比べて小さなカー効
果しか示さない。しかし、この場合でも数Ｖの電圧で光
変調が可能なうえ、誘電性高分子単独の場合に比べて薄
膜強度が大きく、機械加工も容易であるなど、その実用
的価値は大きい。また、（表３）より誘電性高分子とバ
インダー樹脂とからなる電気光学材料のカー定数の大き
さは、誘電性高分子の含有割合にほぼ比例することが分
かる。

【００４１】更に、比較例として、誘電性高分子［ＩＶ
］を全く含まないポリメチルメタクリレート単独の薄膜
を作成し、上記と同様の方法でカー効果の大きさを測定
したところ、この試料はカー効果を示さなかった。

【００４２】

【発明の効果】以上のように本発明の電気光学材料は、
次のような効果を有する。 （１）　ニトロベンゼンの１００倍以上の２次の電気光
学効果を示す。 （２）　複屈折性を有さず、光学的に均一な固体が得ら
れる。 （３）　機械的強度に優れ、かつ、機械加工が容易であ
る。 （４）　薄膜化、小型化が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に依る電気光学材料の外観斜
視図である。

【図２】本発明実施例の電気光学効果の測定系を示す概
略図である。

【符号の説明】

１　　電気光学材料 ４、５　　電極 ７　　変調電源 ８、９　　偏光板 １１　　検知器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　電界印加時に２次の電気光学効果によ
   る複屈折性を生じ、その構造式が 【化１】 （ここにおいて、ｎは１以上の整数を表し、Ｘは−Ｏ−
   または−（ＣＨ２）ｍ−を、Ｙは−ＮＯ２、−Ｃ≡Ｎま
   たは−Ｆを示す。但し、ｍは１以上２０未満の整数であ
   る。）で表される分子鎖のうち、少なくとも１種類の分
   子鎖を含む誘電性高分子よりなる電気光学材料。
2. 【請求項２】　　電界印加時に２次の電気光学効果によ
   る複屈折性を生じ、その構造式が（化１）（ここにおい
   て、ｎは１以上の整数を表し、Ｘは−Ｏ−または−（Ｃ
   Ｈ２）ｍ−を、Ｙは−ＮＯ２、−Ｃ≡Ｎまたは−Ｆを示
   す。但し、ｍは１以上２０未満の整数である。）で表さ
   れる分子鎖のうち、少なくとも１種類の分子鎖を含む誘
   電性高分子とポリメチルメタクリレートとの固溶体から
   なる電気光学材料。