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WO2018150629A1 - 光学デバイス及び光学デバイスの製造方法 - Google Patents

光学デバイス及び光学デバイスの製造方法 Download PDF

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WO2018150629A1
WO2018150629A1 PCT/JP2017/037440 JP2017037440W WO2018150629A1 WO 2018150629 A1 WO2018150629 A1 WO 2018150629A1 JP 2017037440 W JP2017037440 W JP 2017037440W WO 2018150629 A1 WO2018150629 A1 WO 2018150629A1
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liquid crystal
optical device
free surface
surface film
electrode
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PCT/JP2017/037440
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太田　益幸
裕子 鈴鹿
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an optical device and a method for manufacturing the optical device.
  • An optical device capable of controlling the light distribution of incident light has been proposed.
  • Such an optical device is used for a window of a building or a car.
  • the traveling direction of outside light such as sunlight entering from outside the room can be changed and the outside light can be introduced toward the ceiling in the room.
  • a liquid crystal optical element including a pair of transparent substrates, a pair of transparent electrodes disposed inside the pair of transparent substrates, and a liquid crystal layer disposed between the pair of transparent electrodes is known.
  • Patent Document 1 a liquid crystal optical element including a pair of transparent substrates, a pair of transparent electrodes disposed inside the pair of transparent substrates, and a liquid crystal layer disposed between the pair of transparent electrodes.
  • the traveling direction of light incident on the optical device is changed by changing the alignment state of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer according to the voltage applied to the pair of transparent electrodes.
  • an alignment film is used to align liquid crystal molecules in the liquid crystal layer in a certain direction.
  • alignment films are formed on the interfaces on both sides of the liquid crystal layer.
  • an alignment film is formed on the surface of the concavo-convex layer formed on one transparent substrate and the surface of the transparent electrode formed on the other transparent substrate.
  • the optical device using the alignment film has a problem of low reliability and low productivity.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to provide an optical device that is excellent in productivity and reliability, and that can save power, and a method for manufacturing the optical device. To do.
  • an aspect of the optical device includes a pair of translucent substrates and a pair of translucent electrodes disposed between the pair of substrates.
  • a first electrode having translucency is formed on a first substrate having translucency, and an inorganic material is formed on the first electrode.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the optical device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the optical device according to the first embodiment.
  • 3A is a diagram for explaining a first optical action of the optical device according to Embodiment 1.
  • FIG. 3B is a diagram for explaining a second optical action of the optical device according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of an optical device of a comparative example.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the optical device according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an alignment state of liquid crystal molecules when a voltage is applied to the optical device according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of the optical device according to the first modification.
  • FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of an optical device according to the second modification.
  • the X axis, the Y axis, and the Z axis represent the three axes of the three-dimensional orthogonal coordinate system.
  • the Z axis direction is the vertical direction and the Z axis is perpendicular to the Z axis. This direction (the direction parallel to the XY plane) is the horizontal direction.
  • the X axis and the Y axis are orthogonal to each other and both are orthogonal to the Z axis. Note that the plus direction in the Z-axis direction is defined as a vertically downward direction.
  • the “thickness direction” means the thickness direction of the optical device, and is a direction perpendicular to the main surfaces of the first base material 11 and the second base material 12 (in this embodiment, the Y axis).
  • the “plan view” means a view from the direction perpendicular to the main surface of the first base material 11 or the second base material 12.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an optical device 1 according to the first embodiment.
  • 2 is an enlarged cross-sectional view of the optical device 1, and shows an enlarged view of a region II surrounded by a broken line in FIG.
  • the optical device 1 is a light control device that controls light incident on the optical device 1.
  • the optical device 1 is a light distribution control device that can change the traveling direction of light incident on the optical device 1 (that is, distribute light) and emit the light.
  • the optical device 1 includes a first base material 11 and a second base material 12 that form a pair of base materials, a first electrode 21 and a second electrode 22 that form a pair of electrodes, A first free surface film 31, a second free surface film 32, an uneven layer 40, and a liquid crystal layer 50 are provided.
  • the optical device 1 includes a first electrode 21, a first free surface film 31, a liquid crystal layer 50, a second free surface film 32, between the first base material 11 and the second base material 12, along the thickness direction.
  • the uneven layer 40 and the second electrode 22 are arranged in this order.
  • the first base material 11, the first electrode 21, and the first free surface film 31 constitute the first laminated substrate 10
  • the second base material 12, the second electrode 22, and the second free surface constitute the second laminated substrate 20
  • the liquid crystal layer 50 is filled between the first laminated substrate 10 and the second laminated substrate 20 that are arranged via a gap.
  • the optical device 1 configured as described above is an active light control device that drives the liquid crystal layer 50 by a pair of electrodes (first electrode 21 and second electrode 22).
  • the first base material 11 and the second base material 12 shown in FIGS. 1 and 2 are translucent substrates having translucency.
  • a resin substrate made of a resin material or a glass substrate made of a glass material can be used as the first base material 11 and the second base material 12.
  • the resin substrate material examples include polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC), acrylic, and epoxy.
  • the glass substrate material examples include soda glass, non-alkali glass, and high refractive index glass.
  • the resin substrate has an advantage of less scattering at the time of destruction.
  • the glass substrate has an advantage of high light transmittance and low moisture permeability.
  • the first base material 11 and the second base material 12 may be made of the same material or different materials, but are preferably made of the same material. Moreover, the 1st base material 11 and the 2nd base material 12 are not restricted to a rigid board
  • PET substrate transparent resin substrate
  • the first base material 11 and the second base material 12 are disposed so as to face each other.
  • the 1st base material 11 is a counter substrate with respect to the 2nd base material in which the uneven
  • seal resins such as an adhesive agent formed in frame shape on the edge part of each other, for example, it is not restricted to this.
  • the first base material 11 and the second base material 12 may be welded and bonded by a laser without using a sealing resin.
  • the thickness of the first base material 11 and the second base material 12 is, for example, 5 ⁇ m to 3 mm, but is not limited thereto. In the present embodiment, the thickness of each of the first base material 11 and the second base material 12 is 50 ⁇ m.
  • the shape of the first base material 11 and the second base material 12 in plan view is, for example, a square or a rectangular rectangle, but is not limited to this, and may be a polygon other than a circle or a rectangle. Any shape can be employed.
  • first electrode 21 and the second electrode 22 are electrically paired, and are configured to apply an electric field to the liquid crystal layer 50. Further, the first electrode 21 and the second electrode 22 are paired not only electrically but also in arrangement, and are arranged so as to face each other.
  • the first electrode 21 and the second electrode 22 are provided between the first base material 11 and the second base material 12 forming a pair of base materials so as to sandwich at least the uneven layer 40 and the liquid crystal layer 50. Is arranged.
  • the first electrode 21 is disposed between the first base material 11 and the first free surface film 31, and the second electrode 22 includes the second base material 12, the concavo-convex layer 40, and the second. It is arranged between the free surface film 32. More specifically, the first electrode 21 is formed on the main surface of the first base 11 on the second base 12 side, and the second electrode 22 is the first base 11 of the second base 12. It is formed on the side surface.
  • the thicknesses of the first electrode 21 and the second electrode 22 are, for example, 5 nm to 2 ⁇ m, but are not limited thereto. In the present embodiment, the thicknesses of the first electrode 21 and the second electrode 22 are both 100 nm.
  • the shape of the first electrode 21 and the second electrode 22 in a plan view is, for example, a square or a rectangular shape like the first base material 11 and the second base material 12, but is not limited thereto.
  • the first electrode 21 and the second electrode 22 are solid electrodes having a rectangular shape in plan view formed on almost the entire surface of each substrate.
  • the first electrode 21 and the second electrode 22 are translucent electrodes and transmit incident light.
  • the first electrode 21 and the second electrode 22 are transparent electrodes made of, for example, a transparent conductive layer.
  • a conductor-containing resin made of a resin containing a conductive material such as a transparent metal oxide such as ITO (Indium Tin Oxide) or IZO (Indium Zinc Oxide), silver nanowires, or conductive particles, or A metal thin film such as a silver thin film can be used.
  • the first electrode 21 and the second electrode 22 may have a single layer structure or a stacked structure thereof (for example, a stacked structure of a transparent metal oxide and a metal thin film).
  • the first electrode 21 and the second electrode 22 are configured to be electrically connected to an external power source.
  • each of the first electrode 21 and the second electrode 22 may be drawn out to the outside of the sealing resin that seals the liquid crystal layer 50, and the drawn portion may be used as an electrode terminal for connecting to an external power source. .
  • the first free surface film 31 is disposed on the first base material 11.
  • the first free surface film 31 is disposed on the first electrode 21.
  • the first free surface film 31 covers the surface of the first electrode 21 and is in contact with the liquid crystal layer 50.
  • the first free surface film 31 exists between the first electrode 21 and the liquid crystal layer 50.
  • the second free surface film 32 is disposed on the second substrate 12.
  • the second free surface film 32 is disposed on the second electrode 22 so as to cover the uneven surface of the uneven layer 40.
  • the second free surface film 32 covers the surface of the uneven surface of the uneven layer 40, covers the surface of the second electrode 22 where the uneven layer 40 is not formed, and is in contact with the liquid crystal layer 50. . That is, the second free surface film 32 exists between the uneven layer 40 and the liquid crystal layer 50 and between the second electrode 22 exposed from the uneven layer 40 and the liquid crystal layer 50.
  • the first free surface film 31 and the second free surface film 32 are films whose surfaces become free surfaces with respect to the liquid crystal molecules 51 of the liquid crystal layer 50.
  • the free surface refers to a state in which there is almost no interaction with the liquid crystal molecules 51 at the interface of the liquid crystal layer 50 in contact with the liquid crystal molecules 51 and the anchoring force is extremely small.
  • the first free surface film 31 and the second free surface film 32 are in contact with the liquid crystal layer 50. Accordingly, the liquid crystal molecules 51 existing in the vicinity of the interfaces of the first free surface film 31 and the second free surface film 32 in the liquid crystal layer 50 cause the interaction from the first free surface film 31 and the second free surface film 32. It is almost unaffected and the anchoring force is extremely small.
  • the first free surface film 31 and the second free surface film 32 are films containing SiOx as a main component.
  • the first free surface film 31 and the second free surface film 32 are silicon oxide films made of SiO 2 .
  • the thicknesses of the first free surface film 31 and the second free surface film 32 are, for example, 10 nm to 500 nm, but are not limited thereto. In the present embodiment, the thicknesses of the first free surface film 31 and the second free surface film 32 are both 100 nm.
  • the first free surface film 31 and the second free surface film 32 are not limited to films having SiOx as a main component, and may be films having a metal such as silver as a main component.
  • a metal film such as a silver film made of silver may be used as the first free surface film 31 and the second free surface film 32.
  • the film thickness is about several nanometers so that light passes through the first free surface film 31 and the second free surface film 32. A very thin film is recommended.
  • the concavo-convex layer 40 is a layer having a concavo-convex structure having a concavo-convex surface, and has a configuration in which a plurality of convex portions 41 of micro-order size or nano-order size are arranged as shown in FIG.
  • the uneven layer 40 is disposed on one of the first electrode 21 and the second electrode 22 forming a pair of electrodes.
  • the concavo-convex layer 40 is provided on the second electrode 22 so that the plurality of convex portions 41 protrude to the liquid crystal layer 50 side.
  • an adhesion layer may be formed between the second electrode 22 and the uneven layer 40.
  • the surface on the second electrode 22 side of the uneven layer 40 (the surface on the second electrode 22 side of the convex portion 41) is a flat surface.
  • the plurality of convex portions 41 are formed in a stripe shape. Specifically, each of the plurality of convex portions 41 has a trapezoidal cross-sectional shape and an elongated substantially quadrangular prism shape extending in the X-axis direction, and is arranged at equal intervals along the Z-axis direction. Moreover, although all the convex parts 41 become the same shape, it does not restrict to this.
  • each protrusion 41 has a height of 100 nm to 100 ⁇ m and an aspect ratio (height / bottom base) of about 1 to 10, but is not limited thereto.
  • each protrusion 41 has a height of about 10 ⁇ m, a lower base of about 5 ⁇ m, and an upper base of about 2 ⁇ m.
  • the interval between two adjacent convex portions 41 is, for example, 0 or more and 100 mm or less. That is, the two adjacent convex portions 41 may be arranged at a predetermined interval without contacting each other, or may be arranged in contact with each other (with a zero interval). It may be the following. As an example, in the case of the above-described convex portions 41 (height 10 ⁇ m, lower base 5 ⁇ m, upper base 2 ⁇ m), the interval between two adjacent convex portions 41 is about 2 ⁇ m.
  • each of the plurality of convex portions 41 has a pair of side surfaces.
  • the cross-sectional shape of each convex portion 41 is a tapered shape that tapers along the direction from the second base material 12 toward the first base material 11 (the Y-axis minus direction).
  • each of the pair of side surfaces of each convex portion 41 is an inclined surface that is inclined at a predetermined inclination angle with respect to the thickness direction, and the interval between the pair of side surfaces in each convex portion 41 (width of the convex portion 41). Is gradually smaller from the second base material 12 toward the first base material 11.
  • the inclination angles of the two side surfaces of each convex portion 41 may be the same or different. In the present embodiment, the inclination angles of the two side surfaces of each convex portion are the same.
  • the light incident on the second free surface film 32 from the second base material 12 side corresponds to the refractive index difference between the second free surface film 32 and the liquid crystal layer 50. Refracted and transmitted, or transmitted without being refracted.
  • a part of the light incident on the second free surface film 32 from the second base material 12 side is incident on the side surface. Total reflection according to the angle. That is, the second free surface film 32 on the upper side surface of the convex portion 41 can be a total reflection surface according to the incident angle of light.
  • the second free surface film 32 is preferably substantially equal to the refractive index of the convex portion 41.
  • the uneven layer 40 for example, a resin material having translucency such as an acrylic resin, an epoxy resin, or a silicone resin can be used.
  • the uneven layer 40 can be formed by, for example, laser processing or imprinting.
  • corrugated layer 40 was formed using the acrylic resin whose refractive index is 1.5.
  • the concavo-convex layer 40 may be made of only an insulating resin material as long as it can apply an electric field to the liquid crystal layer 50 by the first electrode 21 and the second electrode 22, but has conductivity. You may do it.
  • the material of the concavo-convex layer 40 may be a conductive polymer such as PEDOT, or a resin (conductor containing resin) containing a conductor.
  • the liquid crystal layer 50 is disposed between the first laminated substrate 10 and the second laminated substrate 20.
  • the liquid crystal layer 50 is in contact with both the first free surface film 31 and the second free surface film 32. It is provided between the free surface film 31 and the second free surface film 32.
  • the liquid crystal layer 50 mainly functions as a refractive index adjusting layer capable of adjusting the refractive index in the near infrared region from the visible light region when an electric field is applied. Specifically, since the liquid crystal layer 50 is composed of a liquid crystal having liquid crystal molecules 51 having electric field responsiveness, the alignment state of the liquid crystal molecules 51 is changed by applying an electric field to the liquid crystal layer 50, so that the liquid crystal layer The refractive index of 50 changes.
  • An electric field is applied to the liquid crystal layer 50 by applying a voltage to the first electrode 21 and the second electrode 22. Therefore, by controlling the voltage applied to the first electrode 21 and the second electrode 22, the electric field applied to the liquid crystal layer 50 is changed, whereby the alignment state of the liquid crystal molecules 51 is changed and the refractive index of the liquid crystal layer 50 is changed. Changes. That is, the refractive index of the liquid crystal layer 50 is changed by applying a voltage to the first electrode 21 and the second electrode 22.
  • an electric field may be applied to the liquid crystal layer 50 by AC power, or an electric field may be applied by DC power.
  • the voltage waveform may be a sine wave or a rectangular wave.
  • the liquid crystal layer 50 is composed of a liquid crystal having liquid crystal molecules 51 having birefringence of ordinary light refractive index (n o ) and extraordinary light refractive index (n e ).
  • a liquid crystal for example, a nematic liquid crystal in which the liquid crystal molecules 51 are rod-like molecules can be used.
  • the liquid crystal layer 50 is composed of positive liquid crystal having rod-like liquid crystal molecules 51 whose dielectric constant is large in the major axis direction and small in the direction perpendicular to the major axis (short axis direction).
  • the refractive index of the liquid crystal layer 50 changes between a refractive index close to the refractive index of the second free surface film 32 and a refractive index having a large refractive index difference between the refractive index of the second free surface film 32. Good. Therefore, in the present embodiment, since the refractive index of the second free surface film 32 is 1.5, the liquid crystal material of the liquid crystal layer 50 has an ordinary light refractive index of 1.5 and an extraordinary light refractive index of 1. 7 is a positive type nematic liquid crystal composed of rod-like liquid crystal molecules 51.
  • the thickness of the liquid crystal layer 50 (that is, the gap between the first laminated substrate 10 and the second laminated substrate 20) is, for example, 1 ⁇ m to 100 ⁇ m, but is not limited thereto. In the present embodiment, the thickness of the liquid crystal layer 50 is 7 ⁇ m.
  • optical device manufacturing method Next, a method for manufacturing the optical device 1 will be described with reference to FIGS.
  • a PET substrate is used as the first base material 11
  • an ITO film is formed as the first electrode 21 on the PET substrate
  • a first free surface film 31 is formed on the ITO film to form the first stack.
  • the substrate 10 is manufactured (first laminated substrate manufacturing step).
  • the first free surface film 31 is a silicon oxide film made of, for example, SiO 2 and can be formed by an evaporation method, a sputtering method, or a coating method.
  • the ITO film is formed as the first electrode 21 on the PET substrate by the vapor deposition method. Therefore, the first electrode 21 (ITO film) is formed by forming the first free surface film 31 by the vapor deposition method. ) And the first free surface film 31 can be continuously formed.
  • a PET substrate is used as the second base material 12
  • the second electrode 22 made of an ITO film is formed on the PET substrate
  • the acrylic film (refractive index 1.5) is formed on the ITO film.
  • the second laminated substrate 20 is produced by forming the uneven layer 40 including the plurality of convex portions 41 by the imprint method (second laminated substrate producing step).
  • the second multilayer substrate 20 is produced by forming the second free surface film 32 so as to cover the concavo-convex layer 40.
  • the second free surface film 32 can be formed by the same method as the first free surface film 31.
  • the second free surface film 32 is formed by vapor deposition.
  • liquid crystal layer 50 is filled between the first laminated substrate 10 and the second laminated substrate 20 (liquid crystal layer filling step).
  • the first multilayer substrate 10 and the second multilayer substrate 20 are arranged so that the first free surface film 31 and the second free surface film 32 face each other, and the first A liquid crystal layer 50 is filled between the multilayer substrate 10 and the second multilayer substrate 20.
  • liquid crystal material of the liquid crystal layer 50 a positive nematic liquid crystal composed of rod-like liquid crystal molecules 51 having an ordinary light refractive index of 1.5 and an extraordinary light refractive index of 1.7 is used.
  • a liquid crystal material is injected between the first laminated substrate 10 and the second laminated substrate 20, and the outer periphery of the first laminated substrate 10 and the second laminated substrate 20 is bonded to the first laminated substrate 10 and the second laminated substrate 20.
  • the liquid crystal layer 50 was sealed between the two.
  • the optical device 1 having the structure shown in FIG. 1 can be manufactured.
  • FIG. 3A is a diagram for explaining the first optical action of the optical device 1 according to Embodiment 1
  • FIG. 3B is a diagram for explaining the second optical action of the optical device 1.
  • the optical device 1 can be realized, for example, as a window with a light distribution control function by being installed in a building window.
  • the optical device 1 is bonded to a building window via an adhesive layer, for example.
  • the optical device 1 is arranged in the window so that the longitudinal direction of the convex portion 41 of the concave-convex layer 40 is the X-axis direction.
  • sunlight is incident on the optical device 1 installed in the window.
  • the optical device 1 since the second substrate 12 is the light incident side substrate, the optical device 1 transmits the light (sunlight) incident from the second substrate 12 and transmits the first substrate 11. To the outside of the optical device 1.
  • the light incident on the optical device 1 receives an optical action from the optical device 1 when passing through the optical device 1.
  • the optical action of the optical device 1 changes due to a change in the refractive index of the liquid crystal layer 50 with respect to incident light. For this reason, the light incident on the optical device 1 is subjected to different optical actions depending on the refractive index of the liquid crystal layer 50.
  • the second free surface film 32 is made of SiO 2 having a refractive index of 1.5
  • the liquid crystal layer 50 has an ordinary light refractive index of 1.5 and an extraordinary light refractive index. Is composed of 1.7 positive type nematic liquid crystal.
  • the first optical mode when the voltage is not applied to the first electrode 21 and the second electrode 22 (when no voltage is applied), the first optical mode is set. A first optical action is applied to the incident light.
  • the liquid crystal molecules 51 of the liquid crystal layer 50 remain in the same posture without rotating. Is maintained. That is, the longitudinal direction of the liquid crystal molecules 51 remains oriented in the longitudinal direction of the convex portions 41.
  • the liquid crystal layer 50 senses an extraordinary refractive index (1.7) for the S-polarized light of the S-polarized light and the P-polarized light. A refractive index difference is generated between the second free surface film 32 and the liquid crystal layer 50.
  • the P-polarized light feels an ordinary refractive index (1.5)
  • the refractive index of the concavo-convex layer 40 is 1.5, a refractive index difference of 0.2 is generated between the second free surface film 32 and the liquid crystal layer 50.
  • a part of the light L1 (S-polarized light) is totally reflected at the interface between the liquid crystal layer 50 and the second free surface film 32 on the upper side surface of the convex portion 41, and the traveling direction is bent in the direction of bounce. To the outside of the optical device 1. That is, a part of the light L1 is distributed by the optical device 1.
  • the optical device 1 enters the second optical mode when a voltage is applied to the first electrode 21 and the second electrode 22 (voltage application state), and gives a second optical action to incident light. .
  • an electric field is applied to the liquid crystal layer 50 by the first electrode 21 and the second electrode 22, so that the liquid crystal molecules 51 of the liquid crystal layer 50 are in the first base material 11 (the second substrate 11 as shown in FIG. 3B). Rotate to stand up against the main surface of the substrate 12).
  • both the S-polarized light and the P-polarized light of the light L1 feel the ordinary light refractive index (1.5) in the liquid crystal layer 50.
  • the light incident on the optical device 1 travels straight through the optical device 1 without being bent in the traveling direction by the optical device 1 and is emitted to the outside of the optical device 1. That is, the light L1 passes straight through without being distributed by the optical device 1.
  • the optical device 1 is an active optical control device that can change the optical action by controlling the refractive index matching between the second free surface film 32 and the liquid crystal layer 50 by an electric field. That is, by controlling the voltage applied to the first electrode 21 and the second electrode 22, the optical device 1 can be switched between the first optical mode (FIG. 3A) and the second optical mode (FIG. 3B).
  • the light L1 is refracted at the interface that enters the liquid crystal layer 50 from the second free surface film 32, and is also refracted at the interface that exits from the liquid crystal layer 50 to the first free surface film 31.
  • This refraction angle changes depending on the refractive index of the liquid crystal layer 50 with respect to the light L1. That is, it changes with the voltage between the 1st electrode 21 and the 2nd electrode 22, and the emission angle of the light L1 can be varied by changing the voltage.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the optical device 100 of the comparative example.
  • an alignment film has been used to obtain desired optical characteristics by aligning liquid crystal molecules in the liquid crystal layer in a certain direction when no voltage is applied. It was used.
  • the first alignment film 110 is formed between the first electrode 21 and the liquid crystal layer 50 as in the optical device 100 of the comparative example shown in FIG.
  • the second alignment film 120 is formed between the uneven layer 40 and the liquid crystal layer 50 so as to face the first alignment film 110.
  • a barrier film 130 is bonded to the outer surface of the first base material 11 in order to ensure the moisture resistance of the liquid crystal layer 50.
  • first alignment film 110 and the second alignment film 120 a polyimide film is generally used.
  • the first alignment film 110 and the second alignment film 120 are subjected to an alignment process such as a rubbing process or a UV light process.
  • the alignment film 110 is formed on the first base material 11 on which the first electrode 21 is formed, and then the alignment film 110 is subjected to alignment treatment.
  • the optical device using the alignment film has a problem of low reliability and poor productivity.
  • the first alignment film 110 and the second alignment film 120 are intentionally used without using the first alignment film 110 and the second alignment film 120 as in the optical device 1 shown in FIGS.
  • the idea of forming the first free surface film 31 and the second free surface film 32 in place of the second alignment film 120 was obtained, and the optical device 1 was actually fabricated and evaluated.
  • the first free surface film 31 and the second free surface film 32 are in contact with the liquid crystal layer 50.
  • the liquid crystal molecules 51 existing in the vicinity of the interface between the film 31 and the second free surface film 32 are hardly affected by the intermolecular force from the first free surface film 31 and have a low free energy. That is, as compared with the case where the alignment film 110 is provided, the alignment regulating force (anchoring force) at the interface of the liquid crystal layer 50 can be greatly reduced.
  • the liquid crystal molecules 51 of the liquid crystal layer 50 are aligned by the action of the uneven structure of the uneven layer 40 and the action of the liquid crystal molecules 51 themselves.
  • the liquid crystal layer 50 has a concavo-convex shape by a plurality of convex portions 41 formed in a stripe shape, and thus the liquid crystal molecules 51 that are rod-like molecules are arranged in the longitudinal direction of the liquid crystal molecules 51.
  • it will orient along the longitudinal direction between two adjacent convex parts 41 (namely, recessed part). Due to such an action, as shown in FIG. 3A, it is considered that incident light can be distributed as desired when no voltage is applied.
  • the optical device 1 in the present embodiment since it is possible to obtain desired optical characteristics when no voltage is applied without using an alignment film, like an optical device using an alignment film, It can suppress that reliability falls and productivity worsens.
  • the liquid crystal molecules 51 of the liquid crystal layer 50 can be moved at a low voltage. There is also an advantage of being able to do it.
  • a certain driving voltage or more is required to move the liquid crystal molecules 51 aligned by the first alignment film 110 and the second alignment film 120 as in the optical device 100 of the comparative example of FIG.
  • the first free surface film 31 and the second free surface film 32 are used in place of the first alignment film 110 and the second alignment film 120, so that the liquid crystal molecules 51 near the interface of the liquid crystal layer 50 are used.
  • the alignment is not restricted by the alignment film 110 and the anchoring force is low.
  • the liquid crystal molecules 51 can be easily moved even with a low driving voltage. That is, the optical device 1 in the present embodiment can drive the liquid crystal layer 50 at a lower voltage than the optical device 100 of the comparative example. Therefore, power saving of the optical device 1 can be achieved.
  • the active optical device that is excellent in productivity and reliability and can save power as compared with the optical device 100 of the comparative example. realizable.
  • the barrier film 130 is provided on the outer surface of the first base material 11 that is opposite to the surface to be attached to the window glass in order to ensure the moisture resistance of the liquid crystal layer 50.
  • the barrier film 130 is provided on the first substrate 11. Even if it is not provided, the moisture resistance of the liquid crystal layer 50 can be ensured by the first free surface film 31. That is, by providing the first free surface film 31 on the first base material 11, it is possible to obtain an effect that it is possible to omit providing the barrier film 130 on the first base material 11.
  • the liquid crystal layer 50 is sandwiched between the first free surface film 31 and the second free surface film 32, and both interfaces of the liquid crystal layer 50 are in contact with each other by the free surface film. Yes.
  • the liquid crystal molecules 51 existing in the vicinity of both interfaces of the liquid crystal layer 50 have low free energy, so that the liquid crystal molecules 51 of the entire liquid crystal layer 50 are more affected by the uneven structure of the uneven layer 40.
  • the liquid crystal molecules 51 themselves are more easily affected.
  • membrane 32 has the liquid crystal molecule 51 in the longitudinal direction of the convex part 41. It is easy to align and align along. That is, variations in the orientation of the liquid crystal molecules 51 can be suppressed in the entire region of the liquid crystal layer 50. Therefore, unevenness in light distribution when no voltage is applied can be suppressed.
  • the optical device 1 in which both the first free surface film 31 and the second free surface film 32 are disposed, the optical characteristics when no voltage is applied can be further improved.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the optical device 1A according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an alignment state of the liquid crystal molecules 51A when a voltage is applied to the optical device 1A according to the second embodiment.
  • the liquid crystal material of the liquid crystal layer is different between the optical device 1A in the present embodiment and the optical device 1 in the first embodiment.
  • the liquid crystal layer 50A is composed of a liquid crystal (chiral liquid crystal) to which a chiral material is added.
  • a positive nematic liquid crystal composed of rod-like liquid crystal molecules 51A having an ordinary light refractive index of 1.5 and an extraordinary light refractive index of 1.7 is used as a base material liquid crystal.
  • a material obtained by adding a chiral material to this nematic liquid crystal is used as the liquid crystal material of the liquid crystal layer 50A.
  • a liquid crystal in which a chiral material is added to the liquid crystal material of the liquid crystal layer 50 in the first embodiment is used.
  • the chiral material may be introduced in advance into the base material liquid crystal of the liquid crystal layer 50A before being filled between the first laminated substrate 10 and the second laminated substrate 20.
  • the liquid crystal to which the chiral material is added as the liquid crystal material of the liquid crystal layer 50A, as shown in FIG. 5, the liquid crystal molecules 51A of the liquid crystal layer 50A can be spontaneously twisted, and the liquid crystal layer The elastic constant (K2) of 50A can be increased.
  • the liquid crystal molecules 51A of the liquid crystal layer 50A sandwiched between the first free surface film 31 and the second free surface film 32 are affected by the concavo-convex structure of the concavo-convex layer 40 and the liquid crystal molecules 51A, as in the first embodiment.
  • the liquid crystal molecules 51A have a spontaneous twist, so that the liquid crystal molecules 51A themselves are more greatly affected by the elastic force.
  • the alignment of the liquid crystal molecules 51A of the liquid crystal layer 50A in the present embodiment is regulated by the elastic force of the liquid crystal layer 50A by the liquid crystal molecules 51A itself.
  • the liquid crystal molecules 51A are regulated so that the spring spreads between the grooves of the concavo-convex structure of the concavo-convex layer 40, and as shown in FIG. It will be oriented while twisting at an angle. Thereby, the liquid crystal layer 50A can also align the liquid crystal molecules 51A away from the interface. Thereby, since the dispersion
  • a region (disclination) in which the alignment of the liquid crystal molecules 51 differs partially occurs in the liquid crystal layer 50, and there is a possibility that unevenness of light distribution occurs when no voltage is applied. there were.
  • the liquid crystal molecules 51A are twisted and aligned in the entire region of the liquid crystal layer 50A, so that disclination can be suppressed.
  • the nonuniformity of the light distribution at the time of no voltage application can be suppressed. That is, the light distribution rate can be improved.
  • the liquid crystal molecules 51 ⁇ / b> A of the liquid crystal layer 50 ⁇ / b> A rotate to rise with respect to the main surface of the first base material 11 (second base material 12) and twist. Disappears.
  • light (sunlight or the like) incident on the optical device 1A from an oblique direction is not bent in the traveling direction by the optical device 1A. Go straight through and see through.
  • the optical device 1A in the present embodiment since the first free surface film 31 and the second free surface film 32 are included as in the optical device 1 in the first embodiment, The same effect as the optical device 1 is produced. That is, according to the optical device 1A in the present embodiment, it is possible to realize an active optical device that is excellent in productivity and reliability and can save power. Furthermore, moisture resistance of the liquid crystal layer 50A can be ensured without using a barrier film.
  • a liquid crystal to which a chiral material is added is used as the liquid crystal material of the liquid crystal layer 50A.
  • the elastic constant (K2) of the liquid crystal layer 50A due to spontaneous twist is increased, but the present invention is not limited to this.
  • the elastic constants of the liquid crystal material include an elastic constant k1 for spray (spreading) deformation, an elastic constant k2 for twist (twist) deformation, and an elastic constant k3 for bend (bending) deformation.
  • a liquid crystal having a large elastic constant k2 may be used as the liquid crystal material itself of the liquid crystal layer 50A. Also in this case, unevenness in light distribution when no voltage is applied can be suppressed.
  • liquid crystal material of the liquid crystal layer 50A a liquid crystal having a large elastic constant k2 may be used as a base material liquid crystal, and a chiral material may be further added. In this case, unevenness of light distribution when no voltage is applied can be further suppressed.
  • FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of an optical device 1B according to Modification 1.
  • liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 50 are omitted.
  • the plurality of convex portions 41 of the concavo-convex layer 40 are formed separately from each other.
  • the optical device 1B according to the present modification as shown in FIG.
  • the plurality of convex portions 41 of 40B are connected to each other.
  • the concavo-convex layer 40 ⁇ / b> B includes a thin film layer 42 formed on the first base material 11 side and a plurality of protrusions 41 protruding from the thin film layer 42.
  • the thin film layer 42 may be formed intentionally, or may be formed as a residual film when the plurality of convex portions 41 are formed.
  • the optical device 1B according to the present modification also has the same effect as the optical device 1 according to the first embodiment.
  • This modification can also be applied to the optical device 1A in the second embodiment.
  • FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of an optical device 1C according to Modification 2.
  • liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 50 are omitted.
  • the liquid crystal layer 50 exists between the convex portion 41 of the concavo-convex layer 40 and the first free surface film 31, but as shown in FIG. In the optical device 1 ⁇ / b> C, the liquid crystal layer 50 does not exist between the protrusion 41 of the uneven layer 40 and the first free surface film 31. Specifically, the second free surface film 32 and the first free surface film 31 formed on the surface of the convex portion 41 are in contact with each other, and the liquid crystal layer 50 is divided into a plurality of portions by the plurality of convex portions 41 of the concave and convex layer 40. Has been.
  • the optical device 1 ⁇ / b> C in the present modification also has the same effect as the optical device 1 in the first embodiment.
  • This modification can also be applied to the optical device 1A in the second embodiment.
  • transparency can be improved.
  • optical device according to the present invention has been described based on the embodiment and the modification.
  • present invention is not limited to the embodiment and the modification.
  • the convex portions 41 constituting the concavo-convex layers 40 and 40B are elongated rectangular columns having a substantially trapezoidal cross-sectional shape. Not exclusively.
  • the convex portion 41 may be a long, substantially triangular prism having a substantially triangular cross section.
  • the side surface of the cross-sectional shape may be curved or saw-shaped.
  • the convex portions 41 may be arranged in a dot shape instead of a stripe shape.
  • each of the plurality of convex portions 41 has the same shape.
  • the present invention is not limited to this. Good.
  • the inclination angles of the side surfaces (inclined surfaces) of the plurality of convex portions 41 may be different between the upper half and the lower half in the Z-axis direction of the optical device 1.
  • the heights of the plurality of convex portions 41 are constant, but the present invention is not limited to this.
  • the heights of the plurality of convex portions 41 may be different at random.
  • interval of the convex part 41 may differ at random, and both height and a space
  • the uneven layers 40 and 40B may be formed on both the first base material 11 and the second base material 12.
  • a first concavo-convex layer having a first concavo-convex structure is formed between the first electrode 21 and the first free surface film 31, and between the second electrode 22 and the second free surface film 32.
  • a second uneven layer having a second uneven structure may be formed on the substrate.
  • the first electrode 21 and the second electrode 22 may be electrodes in which at least one of them is divided into stripes.
  • the concavo-convex layers 40 and 40B themselves may be formed of a free surface film such as SiO 2 . That is, the uneven layers 40 and 40B and the first free surface film 31 may be integrated. In addition, a first uneven layer is formed between the first electrode 21 and the first free surface film 31, and a second uneven layer is formed between the second electrode 22 and the second free surface film 32. In the case of forming, the first uneven layer and the first free surface film 31 may be integrated, and the second uneven layer and the second free surface film 32 may be integrated.
  • the liquid crystal material of the liquid crystal layers 50 and 50A is not limited to the nematic liquid crystal having positive dielectric anisotropy, but has negative dielectric anisotropy. It may be a nematic liquid crystal or the like.
  • the light incident on the optical device 1 may be light emitted from a light emitting device such as a lighting fixture.
  • the optical device is arranged in the window so that the longitudinal direction of the convex portion 41 is the X-axis direction.
  • the present invention is not limited to this.
  • the optical device may be arranged in the window so that the longitudinal direction of the convex portion 41 is the Z-axis direction.
  • the optical device is attached to the window.
  • the optical device may be used as a building window itself.
  • the optical device is not limited to being installed on a building window, and may be installed on a car window, for example.

Landscapes

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Abstract

光学デバイス（１）は、透光性を有する一対の基材（第１基材（１１）、第２基材（１２））と、一対の基材の間に配置された透光性を有する一対の電極（第１電極（２１）、第２電極（２２））と、一対の電極の一方の上に配置された、無機材料からなる第１フリーサーフェス膜（３１）と、一対の電極の他方の上に配置された、無機材料からなる第２フリーサーフェス膜（３２）と、第１フリーサーフェス膜（３１）及び第２フリーサーフェス膜（３２）の間に配置された液晶層（５０）とを備える。

Description

光学デバイス及び光学デバイスの製造方法
　本発明は、光学デバイス及び光学デバイスの製造方法に関する。
　入射する光の配光を制御することができる光学デバイスが提案されている。このような光学デバイスは、建物又は車等の窓に用いられる。例えば、光学デバイスを建物の窓に設置することで、室外から入射する太陽光等の外光の進行方向を変更して当該外光を室内の天井に向けて導入することができる。
　この種の光学デバイスとして、一対の透明基板と、一対の透明基板の内側に配置された一対の透明電極と、一対の透明電極の間に配置された液晶層とを備える液晶光学素子が知られている（例えば特許文献１）。このような光学デバイスでは、一対の透明電極に印加する電圧に応じて液晶層の液晶分子の配向状態を変化させることで、光学デバイスに入射する光の進行方向を変化させている。
特開２０１２－１７３５３４号公報
　液晶層を備える光学デバイスでは、液晶層の液晶分子を一定の方向に配列させるために配向膜が用いられている。例えば、特許文献１に記載された液晶光学素子では、液晶層の両側の界面に配向膜を形成している。具体的には、一方の透明基板に形成された凹凸層の表面と他方の透明基板に形成された透明電極の表面とに配向膜を形成している。
　しかしながら、配向膜を用いた光学デバイスは、信頼性が低く、生産性が悪いという課題がある。
　また、一対の電極によって液晶層を駆動するアクティブ型の光学デバイスでは、低電圧駆動による省電力化が要望されている。
　本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、生産性及び信頼性に優れるとともに省電力化を図ることができる光学デバイス及び光学デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明に係る光学デバイスの一態様は、透光性を有する一対の基材と、前記一対の基材の間に配置された透光性を有する一対の電極と、前記一対の電極の一方の上に配置された、無機材料からなる第１フリーサーフェス膜と、前記一対の電極の他方の上に配置された、無機材料からなる第２フリーサーフェス膜と、前記第１フリーサーフェス膜及び前記第２フリーサーフェス膜の間に配置された液晶層とを備える。
　また、本発明に係る光学デバイスの製造方法の一態様は、透光性を有する第１基材の上に透光性を有する第１電極を形成し、前記第１電極の上に無機材料からなる第１フリーサーフェス膜を形成することによって第１積層基板を作製する工程と、透光性を有する第２基材の上に透光性を有する第２電極を形成し、前記第１電極の上に無機材料からなる第２フリーサーフェス膜を形成することによって第２積層基板を作製する工程と、前記第１フリーサーフェス膜と前記第２フリーサーフェス膜とが向き合うように前記第１積層基板と前記第２積層基板とを配置して、前記第１積層基板と前記第２積層基板との間に液晶層を充填する工程とを含み、前記第１積層基板を作製する工程において、前記第１フリーサーフェス膜及び前記第２フリーサーフェス膜の少なくとも一方を、蒸着法、スパッタ法、又は、塗布法によって成膜する。
　本発明によれば、生産性及び信頼性に優れるとともに省電力化を図ることができる光学デバイスを実現できる。
図１は、実施の形態１に係る光学デバイスの断面図である。 図２は、実施の形態１に係る光学デバイスの拡大断面図である。 図３Ａは、実施の形態１に係る光学デバイスの第１光学作用を説明するための図である。 図３Ｂは、実施の形態１に係る光学デバイスの第２光学作用を説明するための図である。 図４は、比較例の光学デバイスの拡大断面図である。 図５は、実施の形態２に係る光学デバイスの拡大断面図である。 図６は、実施の形態２に係る光学デバイスの電圧印加時における液晶分子の配列状態を示す図である。 図７は、変形例１に係る光学デバイスの拡大断面図である。 図８は、変形例２に係る光学デバイスの拡大断面図である。
　以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であって本発明を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
　各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺等は必ずしも一致していない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
　また、本明細書及び図面において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、三次元直交座標系の三軸を表しており、本実施の形態では、Ｚ軸方向を鉛直方向とし、Ｚ軸に垂直な方向（ＸＹ平面に平行な方向）を水平方向としている。Ｘ軸及びＹ軸は、互いに直交し、かつ、いずれもＺ軸に直交する軸である。なお、Ｚ軸方向のプラス方向を鉛直下方としている。また、本明細書において、「厚み方向」とは、光学デバイスの厚み方向を意味し、第１基材１１及び第２基材１２の主面に垂直な方向（本実施の形態では、Ｙ軸方向）のことであり、「平面視」とは、第１基材１１又は第２基材１２の主面に対して垂直な方向から見たときのことをいう。
　（実施の形態１）
　まず、実施の形態１に係る光学デバイス１の構成について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、実施の形態１に係る光学デバイス１の断面図である。図２は、同光学デバイス１の拡大断面図であり、図１の破線で囲まれる領域IIの拡大図を示している。
　光学デバイス１は、光学デバイス１に入射する光を制御する光制御装置である。具体的には、光学デバイス１は、光学デバイス１に入射する光の進行方向を変更して（つまり配光して）出射させることができる配光制御デバイスである。
　図１及び図２に示すように、光学デバイス１は、一対の基材をなす第１基材１１及び第２基材１２と、一対の電極をなす第１電極２１及び第２電極２２と、第１フリーサーフェス膜３１と、第２フリーサーフェス膜３２と、凹凸層４０と、液晶層５０とを備える。
　光学デバイス１は、第１基材１１と第２基材１２との間に、厚み方向に沿って、第１電極２１、第１フリーサーフェス膜３１、液晶層５０、第２フリーサーフェス膜３２、凹凸層４０及び第２電極２２がこの順で配置された構成となっている。
　また、光学デバイス１において、第１基材１１、第１電極２１及び第１フリーサーフェス膜３１は、第１積層基板１０を構成し、第２基材１２、第２電極２２、第２フリーサーフェス膜３２及び凹凸層４０は、第２積層基板２０を構成している。液晶層５０は、ギャップを介して配置された第１積層基板１０と第２積層基板２０との間に充填されている。
　このように構成される光学デバイス１は、一対の電極（第１電極２１及び第２電極２２）によって液晶層５０を駆動するアクティブ型の光制御装置である。
　以下、光学デバイス１の各構成部材について、図１及び図２を参照して詳細に説明する。
　［第１基材、第２基材］
　図１及び図２に示される第１基材１１及び第２基材１２は、透光性を有する透光性基板である。第１基材１１及び第２基材１２としては、例えば、樹脂材料からなる樹脂基板又はガラス材料からなるガラス基板を用いることができる。
　樹脂基板の材料としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、アクリル又はエポキシ等が挙げられる。ガラス基板の材料としては、ソーダガラス、無アルカリガラス又は高屈折率ガラス等が挙げられる。樹脂基板は、破壊時の飛散が少ないという利点がある。一方、ガラス基板は、光透過率が高く、かつ、水分の透過性が低いという利点がある。
　第１基材１１と第２基材１２とは、同じ材料で構成されていてもよいし、異なる材料で構成されていてもよいが、同じ材料で構成されている方がよい。また、第１基材１１及び第２基材１２は、リジッド基板に限るものではなく、フレキシブル基板又はフィルム基板であってもよい。本実施の形態では、第１基材１１及び第２基材１２として、いずれもＰＥＴからなる透明樹脂基板（ＰＥＴ基板）を用いている。
　第１基材１１及び第２基材１２は、互いに対向するように配置されている。第１基材１１は、凹凸層４０が形成された第２基材に対する対向基板である。第１基材１１と第２基材１２とは、例えば互いの端部外周に額縁状に形成された接着剤等のシール樹脂によって接着することができるが、これに限らない。例えば、シール樹脂を用いずに、レーザによって第１基材１１と第２基材１２とを溶着して接着してもよい。
　第１基材１１及び第２基材１２の厚さは、例えば５μｍ～３ｍｍであるが、これに限るものではない。本実施の形態において、第１基材１１及び第２基材１２の厚さは、いずれも５０μｍである。
　また、第１基材１１及び第２基材１２の平面視の形状は、例えば正方形や長方形の矩形状であるが、これに限るものではなく、円形又は四角形以外の多角形であってもよく、任意の形状が採用され得る。
　［第１電極、第２電極］
　図１及び図２に示すように、第１電極２１及び第２電極２２は、電気的に対になっており、液晶層５０に電界を与えることができるように構成されている。また、第１電極２１と第２電極２２とは、電気的だけではなく配置的にも対になっており、互いに対向するように配置されている。
　本実施の形態において、第１電極２１及び第２電極２２は、少なくとも凹凸層４０及び液晶層５０を挟むように、一対の基材をなす第１基材１１と第２基材１２との間に配置されている。
　具体的には、第１電極２１は、第１基材１１と第１フリーサーフェス膜３１との間に配置されており、第２電極２２は、第２基材１２と凹凸層４０及び第２フリーサーフェス膜３２との間に配置されている。より具体的には、第１電極２１は、第１基材１１の第２基材１２側の主面に形成されており、第２電極２２は、第２基材１２の第１基材１１側の面に形成されている。
　第１電極２１及び第２電極２２の厚さは、例えば５ｎｍ～２μｍであるが、これに限るものではない。本実施の形態において、第１電極２１及び第２電極２２の厚さは、いずれも１００ｎｍである。
　また、第１電極２１及び第２電極２２の平面視の形状は、第１基材１１及び第２基材１２と同様に、例えば正方形や長方形の矩形状であるが、これに限るものではない。本実施の形態において、第１電極２１及び第２電極２２は、各基材表面のほぼ全面に形成された平面視形状が矩形状のべた電極である。
　第１電極２１及び第２電極２２は、透光性を有する電極であり、入射した光を透過する。第１電極２１及び第２電極２２は、例えば透明導電層からなる透明電極である。透明導電層の材料としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｉｎ　Ｏｘｉｄｅ）やＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｚｉｎｃ　Ｏｘｉｄｅ）等の透明金属酸化物、銀ナノワイヤや導電性粒子等の導電体を含有する樹脂からなる導電体含有樹脂、又は、銀薄膜等の金属薄膜等を用いることができる。なお、第１電極２１及び第２電極２２は、これらの単層構造であってもよし、これらの積層構造（例えば透明金属酸化物と金属薄膜との積層構造）であってもよい。
　第１電極２１及び第２電極２２は、外部電源との電気接続が可能となるように構成されている。例えば、液晶層５０を封止するシール樹脂の外部にまで第１電極２１及び第２電極２２の各々が引き出されて、この引き出された部分を外部電源に接続するための電極端子にしてもよい。
　［第１フリーサーフェス膜、第２フリーサーフェス膜］
　第１フリーサーフェス膜３１は、第１基材１１に配置されている。本実施の形態において、第１フリーサーフェス膜３１は、第１電極２１の上に配置されている。具体的には、第１フリーサーフェス膜３１は、第１電極２１の表面を覆っており、液晶層５０と接している。つまり、第１フリーサーフェス膜３１は、第１電極２１と液晶層５０との間に存在している。
　第２フリーサーフェス膜３２は、第２基材１２に配置されている。本実施の形態において、第２フリーサーフェス膜３２は、凹凸層４０の凹凸面を覆うように第２電極２２の上に配置されている。具体的には、第２フリーサーフェス膜３２は、凹凸層４０の凹凸面の表面を覆うともに凹凸層４０が形成されていない第２電極２２の表面を覆っており、液晶層５０と接している。つまり、第２フリーサーフェス膜３２は、凹凸層４０と液晶層５０との間、及び、凹凸層４０から露出する第２電極２２と液晶層５０との間に存在している。
　第１フリーサーフェス膜３１及び第２フリーサーフェス膜３２は、表面が液晶層５０の液晶分子５１に対してフリーサーフェスになる膜である。ここでフリーサーフェスとは液晶分子５１が接する液晶層５０の界面の液晶分子５１に対し、相互作用がほとんど無くアンカリング力が極めて小さい状態を指す。本実施の形態において、第１フリーサーフェス膜３１及び第２フリーサーフェス膜３２は、液晶層５０に接した状態になっている。したがって、液晶層５０における第１フリーサーフェス膜３１及び第２フリーサーフェス膜３２の各々の界面付近に存在する液晶分子５１は、第１フリーサーフェス膜３１及び第２フリーサーフェス膜３２からの相互作用をほとんど受けず、極めてアンカリング力が小さい状態になっている。
　本実施の形態において、第１フリーサーフェス膜３１及び第２フリーサーフェス膜３２は、ＳｉＯｘを主成分とする膜である。一例として、第１フリーサーフェス膜３１及び第２フリーサーフェス膜３２は、ＳｉＯ２からなる酸化シリコン膜である。
　第１フリーサーフェス膜３１及び第２フリーサーフェス膜３２の厚さは、例えば１０ｎｍ～５００ｎｍであるが、これに限るものではない。本実施の形態において、第１フリーサーフェス膜３１及び第２フリーサーフェス膜３２の厚さは、いずれも１００ｎｍである。
　なお、第１フリーサーフェス膜３１及び第２フリーサーフェス膜３２は、ＳｉＯｘを主成分とする膜に限るものではなく、銀等の金属を主成分とする膜であってもよい。例えば、第１フリーサーフェス膜３１及び第２フリーサーフェス膜３２として、銀からなる銀膜等の金属膜を用いてもよい。ただし、第１フリーサーフェス膜３１及び第２フリーサーフェス膜３２として金属膜を用いる場合、光が第１フリーサーフェス膜３１及び第２フリーサーフェス膜３２を透過するように、膜厚が数ｎｍ程度の極薄膜にするとよい。
　［凹凸層］
　凹凸層４０は、凹凸面を有する凹凸構造を有する層であり、図２に示すように、マイクロオーダサイズ又はナノオーダサイズの複数の凸部４１が配列された構成である。凹凸層４０は、一対の電極をなす第１電極２１及び第２電極２２の一方の上に配置されている。本実施の形態において、凹凸層４０は、複数の凸部４１が液晶層５０側に突出するように第２電極２２の上に設けられている。この場合、第２電極２２と凹凸層４０との間に密着層が形成されていてもよい。なお、凹凸層４０の第２電極２２側の面（凸部４１の第２電極２２側の面）は平坦な面となっている。
　本実施の形態において、複数の凸部４１は、ストライプ状に形成されている。具体的には、複数の凸部４１の各々は、断面形状が台形でＸ軸方向に延在する長尺状の略四角柱形状であり、Ｚ軸方向に沿って等間隔に配列されている。また、全ての凸部４１が同じ形状となっているが、これに限るものではない。
　各凸部４１は、例えば、高さが１００ｎｍ以上１００μｍ以下で、アスペクト比（高さ／下底）が１～１０程度であるが、これに限るものではない。一例として、各凸部４１は、高さが１０μｍ程度で、下底が５μｍ程度で、上底が２μｍ程度である。
　また、隣り合う２つの凸部４１の間隔は、例えば０以上１００ｍｍ以下である。つまり、隣り合う２つの凸部４１は、接触することなく所定の間隔をあけて配置されていてもよいし、接触して配置（間隔ゼロで）されていてもよいが、凸部４１の底辺以下であるとよい。一例として、上記サイズの凸部４１（高さ１０μｍ、下底５μｍ、上底２μｍ）の場合、隣り合う２つの凸部４１の間隔は、２μｍ程度である。
　複数の凸部４１の各々は、一対の側面を有する。本実施の形態において、各凸部４１の断面形状は、第２基材１２から第１基材１１に向かう方向（Ｙ軸マイナス方向）に沿って先細りのテーパ形状である。したがって、各凸部４１の一対の側面の各々は、厚み方向に対して所定の傾斜角で傾斜する傾斜面となっており、各凸部４１において一対の側面の間隔（凸部４１の幅）は、第２基材１２から第１基材１１に向かって漸次小さくなっている。各凸部４１の２つの側面の傾斜角は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。本実施の形態において、各凸部の２つの側面の傾斜角は同じである。
　各凸部４１の一対の上側の側面の上では、第２基材１２側から第２フリーサーフェス膜３２に入射した光が、第２フリーサーフェス膜３２と液晶層５０との屈折率差に応じて屈折して透過したり屈折せずにそのまま透過したりする。また、本実施の形態において、凸部４１の一対の側面の上側の側面の上では、第２基材１２側から第２フリーサーフェス膜３２に入射した光の一部は、当該側面への入射角に応じて全反射する。つまり、凸部４１の上側の側面の上の第２フリーサーフェス膜３２は、光の入射角に応じて全反射面となりうる。また、第２フリーサーフェス膜３２は、凸部４１の屈折率と略等しいことが望ましい。
　凹凸層４０（凸部４１）の材料としては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂又はシリコーン樹脂等の透光性を有する樹脂材料を用いることができる。凹凸層４０は、例えばレーザー加工又はインプリント等によって形成することができる。本実施の形態において、凹凸層４０は、屈折率が１．５のアクリル樹脂を用いて形成した。
　なお、凹凸層４０は、第１電極２１及び第２電極２２によって液晶層５０に電界を与えることができさえすれば、絶縁性の樹脂材料のみによって構成されていてもよいが、導電性を有していてもよい。この場合、凹凸層４０の材料は、ＰＥＤＯＴ等の導電性高分子、又は、導電体を含む樹脂（導電体含有樹脂）等を用いることができる。
　［液晶層］
　液晶層５０は、第１積層基板１０と第２積層基板２０の間に配置されている。本実施の形態において、凹凸層４０は第２フリーサーフェス膜３２で覆われているので、液晶層５０は、第１フリーサーフェス膜３１及び第２フリーサーフェス膜３２の両方に接するように、第１フリーサーフェス膜３１と第２フリーサーフェス膜３２との間に設けられている。
　液晶層５０は、電界が与えられることによって主に可視光領域から近赤外での屈折率が調整可能な屈折率調整層として機能する。具体的には、液晶層５０は、電界応答性を有する液晶分子５１を有する液晶によって構成されているので、液晶層５０に電界が与えられることで液晶分子５１の配向状態が変化して液晶層５０の屈折率が変化する。
　液晶層５０には、第１電極２１及び第２電極２２に電圧が印加されることによって電界が与えられる。したがって、第１電極２１及び第２電極２２に印加する電圧を制御することによって液晶層５０に与えられる電界が変化し、これにより、液晶分子５１の配向状態が変化して液晶層５０の屈折率が変化する。つまり、液晶層５０は、第１電極２１及び第２電極２２に電圧が印加されることで屈折率が変化する。この場合、液晶層５０には、交流電力によって電界が与えられてもよいし、直流電力によって電界が与えられてもよい。交流電力の場合、電圧波形は、正弦波でもよいし、矩形波でもよい。
　本実施の形態において、液晶層５０は、常光屈折率（ｎｏ）及び異常光屈折率（ｎｅ）の複屈折性を有する液晶分子５１を有する液晶によって構成されている。このような液晶としては、例えば、液晶分子５１が棒状分子からなるネマティック液晶等を用いることができる。
　一例として、液晶層５０は、誘電率が長軸方向には大きく長軸に垂直な方向（短軸方向）には小さい棒状の液晶分子５１を有するポジ型の液晶によって構成されている。また、液晶層５０の屈折率は、第２フリーサーフェス膜３２の屈折率に近い値の屈折率と、第２フリーサーフェス膜３２の屈折率との屈折率差が大きい屈折率との間で変化するとよい。したがって、本実施の形態では第２フリーサーフェス膜３２の屈折率が１．５であることから、液晶層５０の液晶材料としては、常光屈折率が１．５で、異常光屈折率が１．７である棒状分子の液晶分子５１からなるポジ型のネマティック液晶を用いている。
　また、液晶層５０の厚さ（つまり、第１積層基板１０と第２積層基板２０とのギャップ）は、例えば１μｍ～１００μｍであるが、これに限るものではない。本実施の形態において、液晶層５０の厚さは、７μｍである。
　［光学デバイスの製造方法］
　次に、光学デバイス１の製造方法について、図１及び図２を参照しながら説明する。
　まず、第１基材１１として例えばＰＥＴ基板を用いて、ＰＥＴ基板の上に第１電極２１としてＩＴＯ膜を形成し、ＩＴＯ膜の上に第１フリーサーフェス膜３１を形成することによって第１積層基板１０を作製する（第１積層基板作製工程）。
　第１フリーサーフェス膜３１は、例えばＳｉＯ２からなる酸化シリコン膜であり、蒸着法、スパッタ法、又は、塗布法によって成膜することができる。本実施の形態では、蒸着法によりＰＥＴ基板に第１電極２１としてＩＴＯ膜を成膜しているので、第１フリーサーフェス膜３１を蒸着法によって成膜することで、第１電極２１（ＩＴＯ膜）と第１フリーサーフェス膜３１とを連続成膜することができる。
　次に、第２基材１２として例えばＰＥＴ基板を用いて、ＰＥＴ基板の上にＩＴＯ膜からなる第２電極２２を形成し、ＩＴＯ膜の上に、アクリル樹脂（屈折率１．５）によって構成された複数の凸部４１からなる凹凸層４０をインプリント法により形成することによって第２積層基板２０を作製する（第２積層基板作製工程）。
　本実施の形態では、凹凸層４０を形成した後に、さらに凹凸層４０を覆うよう第２フリーサーフェス膜３２を形成することで第２積層基板２０を作製した。第２フリーサーフェス膜３２は、第１フリーサーフェス膜３１と同様の方法で成膜することができる。本実施の形態では、蒸着法によって第２フリーサーフェス膜３２を成膜した。
　次に、第１積層基板１０と第２積層基板２０との間に液晶層５０を充填する（液晶層充填工程）。
　本実施の形態では、液晶層充填工程では、第１フリーサーフェス膜３１と第２フリーサーフェス膜３２とが対向するように第１積層基板１０と第２積層基板２０とを配置して、第１積層基板１０と第２積層基板２０との間に液晶層５０を充填する。
　具体的には、液晶層５０の液晶材料としては、常光屈折率が１．５で、異常光屈折率が１．７である棒状分子の液晶分子５１からなるポジ型のネマティック液晶を用いて、第１積層基板１０と第２積層基板２０との間に液晶材料を注入し、第１積層基板１０と第２積層基板２０との外周を接合することで第１積層基板１０と第２積層基板２０との間に液晶層５０を封止した。
　このようにして、図１に示される構造の光学デバイス１を製造することができる。
　［光学デバイスの光学作用］
　次に、実施の形態１に係る光学デバイス１の光学作用について、図３Ａ及び図３Ｂを用いて説明する。図３Ａは、実施の形態１に係る光学デバイス１の第１光学作用を説明するための図であり、図３Ｂは、同光学デバイス１の第２光学作用を説明するための図である。
　光学デバイス１は、例えば建物の窓に設置することによって配光制御機能付き窓として実現することができる。光学デバイス１は、例えば、粘着層を介して建物の窓に貼り合わされる。この場合、凹凸層４０の凸部４１の長手方向がＸ軸方向となるように光学デバイス１を窓に配置する。窓に設置された光学デバイス１には、例えば太陽光が入射する。本実施の形態では、第２基材１２を光入射側の基材としているので、光学デバイス１は、第２基材１２から入射した光（太陽光）を透過して、第１基材１１から光学デバイス１の外部に出射させることができる。
　このとき、光学デバイス１に入射した光は、光学デバイス１を透過する際に光学デバイス１から光学作用を受ける。光学デバイス１は、入射した光に対する液晶層５０の屈折率の変化によって光学作用が変化する。このため、光学デバイス１に入射した光は、液晶層５０の屈折率に応じて異なる光学作用を受けることになる。
　本実施の形態では、上述のとおり、第２フリーサーフェス膜３２は、屈折率が１．５のＳｉＯ２によって構成されており、液晶層５０は、常光屈折率が１．５で異常光屈折率が１．７のポジ型のネマティック液晶によって構成されている。
　このように構成された光学デバイス１では、図３Ａに示すように、第１電極２１及び第２電極２２に電圧が印加されていない状態（電圧無印加時）のときに第１光学モードとなり、入射した光に対して第１光学作用を与える。
　第１光学モードでは、第１電極２１及び第２電極２２によって液晶層５０に電界が与えられないので、図３Ａに示すように、液晶層５０の液晶分子５１は、回転することなくそのままの姿勢が維持される。つまり、液晶分子５１の長手方向は、凸部４１の長手方向に向いたままである。
　この場合、光学デバイス１に対して斜め方向から光Ｌ１が入射すると、光Ｌ１のＳ偏光及びＰ偏光のうちのＳ偏光については、液晶層５０で異常光屈折率（１．７）を感じるため、第２フリーサーフェス膜３２と液晶層５０との間に屈折率差が生じる。一方、Ｐ偏光は、常光屈折率（１．５）を感じるため、第２フリーサーフェス膜３２と液晶層５０との間に屈折率差は生じない。本実施の形態では、凹凸層４０の屈折率が１．５であるので、第２フリーサーフェス膜３２と液晶層５０との間には０．２の屈折率差が生じる。このため、光Ｌ１（Ｓ偏光）の一部は、液晶層５０と凸部４１の上側の側面の上の第２フリーサーフェス膜３２との界面で全反射し、跳ね返る方向に進行方向が曲げられて光学デバイス１の外部に出射する。つまり、光Ｌ１の一部は、光学デバイス１によって配光する。
　一方、光学デバイス１は、第１電極２１及び第２電極２２に電圧が印加されている状態（電圧印加状態）のときに第２光学モードとなり、入射した光に対して第２光学作用を与える。
　第２光学モードでは、第１電極２１及び第２電極２２によって液晶層５０に電界が与えられるので、図３Ｂに示すように、液晶層５０の液晶分子５１は、第１基材１１（第２基材１２）の主面に対して立ち上がるように回転する。
　この場合、光学デバイス１に対して斜め方向から光Ｌ１が入射すると、光Ｌ１のＳ偏光及びＰ偏光の両方が、液晶層５０で常光屈折率（１．５）を感じるため、第２フリーサーフェス膜３２と液晶層５０との間に屈折率差がなくなる。このため、光Ｌ１（Ｓ偏光、Ｐ偏光）は、液晶層５０と凸部４１の２つの側面の上下の第２フリーサーフェス膜３２との界面で屈折されずに進行方向が変わらない。したがって、第２光学モードでは、光学デバイス１に入射した光は、光学デバイス１で進行方向が曲げられることなく、光学デバイス１内をそのまま直進して光学デバイス１の外部に出射する。つまり、光Ｌ１は、光学デバイス１によって配光されることなく直進透過する。
　このように、光学デバイス１は、第２フリーサーフェス膜３２と液晶層５０との屈折率マッチングを電界によって制御することで光学作用を変化させることができるアクティブ型の光学制御デバイスである。つまり、第１電極２１及び第２電極２２に印加する電圧を制御することによって、光学デバイス１を第１光学モード（図３Ａ）と第２光学モード（図３Ｂ）とに切り替えることができる。
　また、第１光学モードでは、光Ｌ１は第２フリーサーフェス膜３２から液晶層５０に入射する界面で屈折し、液晶層５０から第１フリーサーフェス膜３１に出射する界面でも屈折する。この屈折角度は、光Ｌ１に対する液晶層５０の屈折率によって変化する。すなわち、第１電極２１と第２電極２２の間の電圧によって変化し、電圧を変化することにより、光Ｌ１の出射角度を可変にできる。
　［作用効果］
　次に、本実施の形態における光学デバイス１の作用効果について、本発明に至った経緯も含めて、図４を用いて説明する。図４は、比較例の光学デバイス１００の拡大断面図である。
　これまで、一対の電極の間に配置された液晶層を備える光学デバイスでは、電圧無印加時において液晶層の液晶分子を一定の方向に配列させて所望の光特性を得るために、配向膜が用いられていた。
　例えば、図４に示す比較例の光学デバイス１００のように、第１電極２１と液晶層５０との間に第１配向膜１１０を形成することが考えられていた。また、第１配向膜１１０と対向する形で凹凸層４０と液晶層５０との間にも、第２配向膜１２０を形成することが考えられていた。なお、液晶層５０の防湿性を確保するために第１基材１１の外面にバリア膜１３０が貼り合わされている。
　第１配向膜１１０及び第２配向膜１２０としては、一般的にポリイミド膜が用いられる。第１配向膜１１０及び第２配向膜１２０には、ラビング処理又はＵＶ光処理等による配向処理が施されている。この場合、例えば第１電極２１が形成された第１基材１１に配向膜１１０を形成し、その後、配向膜１１０に配向処理を行う。
　しかしながら、特に第１配向膜１１０及び第２配向膜１２０にラビング処理を行うという方法では、ラビング処理中に異物等が混入し、第１配向膜１１０及び第２配向膜１２０の配向処理が不安定となって信頼性が低下するという課題がある。
　また、第１基材１１及び第２基材１２に配向膜材料（ポリイミド樹脂等）を塗布した後に配向処理を施す必要があり、工程が１工程増え、生産性が悪いという課題がある。また、ＰＥＴフィルム等の樹脂基材を用いて、ロール・ツー・ロールで生産する場合、配向処理後の巻き取りが発生し、配向膜表面がＰＥＴフィルムの裏面に触れることによって、配向性能の劣化が生じ、液晶層５０の液晶分子５１の配向安定性を保つことが難しく、長時間動作での品質を保つことができないという課題もある。また、第２配向膜１２０は、凹凸層４０の上に形成されているので、配向処理が極めて難しく、配向安定性は著しく乏しい。
　このように、配向膜を用いた光学デバイスは、信頼性が低く、生産性が悪いという課題がある。
　そこで、本発明者らが鋭意検討した結果、図１及び図２に示される光学デバイス１のように、あえて第１配向膜１１０及び第２配向膜１２０を用いずに、第１配向膜１１０及び第２配向膜１２０に代えて第１フリーサーフェス膜３１、第２フリーサーフェス膜３２を形成するという着想を得て、実際に光学デバイス１を作製して評価した。
　その結果、第１配向膜１１０及び第２配向膜１２０を用いなくても、電圧無印加時に所望の光特性を得ることができることが分かった。具体的には、図３Ａに示される光学デバイス１のように、電圧無印加時において、入射した光の進行方向を変更して出射させることができた。この点に関して、本願発明者らの考察を以下詳細に説明する。
　図１及び図２に示される光学デバイス１の構造によれば、液晶層５０に第１フリーサーフェス膜３１及び第２フリーサーフェス膜３２が接触することになるので、液晶層５０における第１フリーサーフェス膜３１及び第２フリーサーフェス膜３２の界面付近に存在する液晶分子５１は、第１フリーサーフェス膜３１からの分子間力による作用をほとんど受けず、自由エネルギーが低い状態になる。つまり、配向膜１１０を設ける場合と比べて、液晶層５０の界面における配向の規制力（アンカリング力）を大きく低下させることができる。
　この結果、液晶層５０の液晶分子５１は、凹凸層４０の凹凸構造による作用と液晶分子５１自身の作用とが支配的とになって配向することになる。具体的には、図２に示すように、液晶層５０は、ストライプ状に形成された複数の凸部４１によって凹凸状になるので、棒状分子である液晶分子５１は、液晶分子５１の長手方向が、隣り合う２つの凸部４１の間（つまり凹部）の長手方向に沿って配向することになる。このような作用によって、図３Ａに示すように、電圧無印加時において、入射した光を所望に配光させることができたと考えられる。
　このように、本実施の形態における光学デバイス１によれば、配向膜を用いなくても電圧無印加時において所望の光特性を得ることができるので、配向膜を用いた光学デバイスのように、信頼性が低下したり、生産性が悪くなったりすることを抑制できる。
　しかも、本実施の形態における光学デバイス１では、配向膜に代えて第１フリーサーフェス膜３１及び第２フリーサーフェス膜３２を用いているので、低電圧で液晶層５０の液晶分子５１を動かすことができるという利点もある。
　つまり、図４の比較例の光学デバイス１００のように第１配向膜１１０及び第２配向膜１２０によって配向された液晶分子５１を動かすには一定以上の駆動電圧が必要になるが、本実施の形態における光学デバイス１では、第１配向膜１１０及び第２配向膜１２０に代えて第１フリーサーフェス膜３１及び第２フリーサーフェス膜３２を用いているので、液晶層５０の界面付近の液晶分子５１は、配向膜１１０に配向が規制されるとなく、アンカリング力が低い状態になっている。
　この結果、低い駆動電圧であっても液晶分子５１を容易に動かすことができる。つまり、本実施の形態における光学デバイス１は、比較例の光学デバイス１００と比べて、低電圧で液晶層５０を駆動することができる。したがって、光学デバイス１の省電力化を図ることができる。
　以上説明したように、本実施の形態における光学デバイス１によれば、比較例の光学デバイス１００と比べて、生産性及び信頼性に優れるとともに省電力化を図ることができるアクティブ型の光学デバイスを実現できる。
　さらに、図４に示す比較例の光学デバイス１００では、液晶層５０の防湿性を確保するために窓ガラスに貼りつける面とは反対側になる第１基材１１の外面にバリア膜１３０を設けていたが、本実施の形態では、液晶層５０の第１基材１１側にＳｉＯｘを主成分とする第１フリーサーフェス膜３１が配置されているので、第１基材１１にバリア膜１３０を設けなくても、第１フリーサーフェス膜３１によって液晶層５０の防湿性を確保することができる。つまり、第１基材１１に第１フリーサーフェス膜３１を配置することによって、第１基材１１にバリア膜１３０を設けることを省略できるという効果を奏することもできる。
　また、本実施の形態における光学デバイス１では、第１フリーサーフェス膜３１と第２フリーサーフェス膜３２とによって液晶層５０を挟み、液晶層５０の両方の界面をいずれもフリーサーフェス膜で接触させている。
　この結果、液晶層５０の両方の界面付近のそれぞれに存在する液晶分子５１はいずれも自由エネルギーが低くなるので、液晶層５０全体の液晶分子５１は、凹凸層４０の凹凸構造の影響をより受けやすくなるとともに、液晶分子５１自身の作用をより受けやすくなる。これにより、第１フリーサーフェス膜３１のみを配置する場合と比べて、第１フリーサーフェス膜３１及び第２フリーサーフェス膜３２の両方を配置した方が、液晶分子５１は凸部４１の長手方向に沿って揃って整列しやすくなる。つまり、液晶層５０の全領域において液晶分子５１の配向のばらつきを抑制することができる。したがって、電圧無印加時における配光のムラを抑制することができる。
　このように、第１フリーサーフェス膜３１及び第２フリーサーフェス膜３２の両方を配置した光学デバイス１を用いることによって、電圧無印加時における光特性を一層向上させることができる。
　（実施の形態２）
　次に、実施の形態２に係る光学デバイス１Ａについて、図５及び図６を用いて説明する。図５は、実施の形態２に係る光学デバイス１Ａの拡大断面図である。図６は、実施の形態２に係る光学デバイス１Ａの電圧印加時における液晶分子５１Ａの配列状態を示す図である。
　本実施の形態における光学デバイス１Ａと、上記実施の形態１における光学デバイス１とでは、液晶層の液晶材料が異なる。具体的には、本実施の形態における光学デバイス１Ａでは、液晶層５０Ａは、カイラル材が添加された液晶（カイラル液晶）によって構成されている。
　より具体的には、本実施の形態では、常光屈折率が１．５で、異常光屈折率が１．７である棒状分子の液晶分子５１Ａからなるポジ型のネマティック液晶を母材液晶として用いて、このネマティック液晶にカイラル材を添加したものを液晶層５０Ａの液晶材料として用いている。
　つまり、本実施の形態では、実施の形態１における液晶層５０の液晶材料にカイラル材を添加した液晶を用いている。なお、カイラル材は、第１積層基板１０と第２積層基板２０との間に充填する前に、液晶層５０Ａの母材液晶に予め導入しておけばよい。
　このように、液晶層５０Ａの液晶材料としてカイラル材が添加された液晶を用いることによって、図５に示すように、液晶層５０Ａの液晶分子５１Ａに自発的ねじれを持たせることができ、液晶層５０Ａの弾性定数（Ｋ２）を大きくすることができる。
　これにより、第１フリーサーフェス膜３１と第２フリーサーフェス膜３２とで挟まれた液晶層５０Ａの液晶分子５１Ａは、実施の形態１と同様に、凹凸層４０の凹凸構造による作用と液晶分子５１Ａ自身の作用とによって配向されるが、本実施の形態では、液晶分子５１Ａが自発的ねじれを有するので、液晶分子５１Ａ自身の弾性力の作用をより大きく受けることになる。具体的には、本実施の形態における液晶層５０Ａの液晶分子５１Ａは、液晶分子５１Ａ自身による液晶層５０Ａの弾性力によって配向が規制されることになる。
　この結果、液晶分子５１Ａは、凹凸層４０の凹凸構造の溝の間によってバネが広がるように規制され、図５に示すように、第２基材１２から第１基材１１に向かって一定の角度でねじれながら配向することになる。これにより、液晶層５０Ａは、界面から離れた液晶分子５１Ａも配向することができる。これにより、液晶層５０Ａの全領域において液晶分子５１Ａの配向のばらつきをなくすことができるので、電圧無印加時における配光のムラを解消させることができる。
　つまり、上記実施の形態１における光学デバイス１では、液晶層５０において液晶分子５１の配向が異なる領域（ディスクリネーション）が部分的に発生し、電圧無印加時において配光のムラが生じるおそれがあった。
　これに対して、本実施の形態における光学デバイス１Ａでは、液晶層５０Ａの全領域において液晶分子５１Ａが一定にねじれて配向されるので、ディスクリネーションを抑制できる。これにより、上記実施の形態１における光学デバイス１と比べて、電圧無印加時における配光のムラを抑制することができる。つまり、配光率を向上させることができる。
　なお、図６に示すように、電圧印加時においては、液晶層５０Ａの液晶分子５１Ａは、第１基材１１（第２基材１２）の主面に対して立ち上がるように回転して、ねじれが消失する。この場合、上記実施の形態１における光学デバイス１と同様に、光学デバイス１Ａに対して斜め方向から入射する光（太陽光等）は、光学デバイス１Ａで進行方向が曲げられることなく、光学デバイス１Ａ内をそのまま直進して透過する。
　以上、本実施の形態における光学デバイス１Ａによれば、上記実施の形態１における光学デバイス１と同様に、第１フリーサーフェス膜３１及び第２フリーサーフェス膜３２を有するので、上記実施の形態１における光学デバイス１と同様の効果を奏する。つまり、本実施の形態における光学デバイス１Ａによれば、生産性及び信頼性に優れるとともに省電力化を図ることができるアクティブ型の光学デバイスを実現できる。さらに、バリア膜を用いなくても、液晶層５０Ａの防湿性を確保することもできる。
　さらに、本実施の形態における光学デバイス１Ａによれば、液晶層５０Ａの液晶材料としてカイラル材が添加された液晶を用いている。
　これにより、上記実施の形態１における光学デバイス１と比べて、電圧印加時における配光のムラを抑制することができる。
　なお、本実施の形態では、母材液晶にカイラル材を添加することで、自発的ねじれによる液晶層５０Ａの弾性定数（Ｋ２）を大きくしたが、これに限らない。例えば、液晶材料の弾性定数には、スプレー（広がり）変形に対する弾性定数ｋ１と、ツイスト（ねじれ）変形に対する弾性定数ｋ２と、ベンド（曲がり）変形に対する弾性定数ｋ３とがあるが、カイラル材を添加するのではなく、液晶層５０Ａの液晶材料そのものとして弾性定数ｋ２が大きい液晶を用いてもよい。この場合も、電圧無印加時における配光のムラを抑制することができる。また、液晶層５０Ａの液晶材料として、弾性定数ｋ２が大きい液晶を母材液晶として、さらにカイラル材を添加してもよい。この場合、電圧無印加時における配光のムラを一層抑制することができる。
　（変形例１）
　次に、変形例１に係る光学デバイス１Ｂについて、図７を用いて説明する。図７は、変形例１に係る光学デバイス１Ｂの拡大断面図である。なお、図７において、液晶層５０の液晶分子は省略している。
　上記実施の形態１における光学デバイス１では、凹凸層４０の複数の凸部４１は、互いに分離して形成されていたが、図７に示すように、本変形例における光学デバイス１Ｂでは、凹凸層４０Ｂの複数の凸部４１が互いに連結されている。
　具体的には、凹凸層４０Ｂは、第１基材１１側に形成された薄膜層４２と、薄膜層４２から突出する複数の凸部４１とによって構成されている。なお、薄膜層４２は、意図的に形成されたものであってもよいし、複数の凸部４１を形成する際の残渣膜として形成されたものであってもよい。
　以上、本変形例における光学デバイス１Ｂでも、上記実施の形態１における光学デバイス１と同様の効果を奏する。なお、本変形例は、上記実施の形態２における光学デバイス１Ａにも適用できる。
　（変形例２）
　次に、変形例２に係る光学デバイス１Ｃについて、図８を用いて説明する。図８は、変形例２に係る光学デバイス１Ｃの拡大断面図である。なお、図８において、液晶層５０の液晶分子は省略している。
　上記実施の形態１における光学デバイス１では、凹凸層４０の凸部４１と第１フリーサーフェス膜３１との間に液晶層５０が存在していたが、図８に示すように、本変形例における光学デバイス１Ｃでは、凹凸層４０の凸部４１と第１フリーサーフェス膜３１との間に液晶層５０は存在していない。具体的には、凸部４１表面に形成された第２フリーサーフェス膜３２と第１フリーサーフェス膜３１とが接触しており、液晶層５０が凹凸層４０の複数の凸部４１によって複数に分割されている。
　これにより、凸部４１第１フリーサーフェス膜３１との間の液晶層５０による不要な光学作用が無くなる。具体的には光Ｌ１の散乱が無くなり、透明性の尺度となる濁り度（ヘイズ）が減少し、よりクリアな透明感を得ることができる。
　以上、本変形例における光学デバイス１Ｃでも、上記実施の形態１における光学デバイス１と同様の効果を奏する。なお、本変形例は、上記実施の形態２における光学デバイス１Ａにも適用できる。また、透明性の向上も図れる。
　（その他の変形例等）
　以上、本発明に係る光学デバイスについて、実施の形態及び変形例に基づいて説明したが、本発明は、上記実施の形態及び変形例に限定されるものではない。
　例えば、上記実施の形態１、２及び変形例１、２において、凹凸層４０及び４０Ｂを構成する凸部４１は、断面形状が略台形の長尺状の略四角柱であったが、これに限らない。凸部４１は、断面形状が略三角形の長尺状の略三角柱等であってもよい。さらに断面形状の側面部は、曲線又は鋸状であってもよい。さらには、凸部４１は、ストライプ状ではなく、ドット状に配列されていてもよい。
　また、上記実施の形態１、２及び変形例１、２において、複数の凸部４１の各々は、同じ形状としたが、これに限るものではなく、例えば、面内において異なる形状であってもよい。例えば、光学デバイス１におけるＺ軸方向の上半分と下半分とで複数の凸部４１の側面（傾斜面）の傾斜角を異ならせてもよい。
　また、上記実施の形態１、２及び変形例１、２において、複数の凸部４１の高さは、一定としたが、これに限るものではない。例えば、複数の凸部４１の高さがランダムに異なっていてもよい。あるいは、凸部４１の間隔がランダムに異なっていてもよいし、高さと間隔の両方がランダムであってもよい。このようにすることで、光学デバイスを透過する光が虹色に見えてしまうことを抑制できる。つまり、複数の凸部４１の高さをランダムに異ならせることで、凹凸層４０又は４０Ｂと液晶層５０との凹凸界面での微小な回折光や散乱光が波長で平均化されて出射光の色付きが抑制される。
　また、上記実施の形態１、２及び変形例１、２において、凹凸層４０及び４０Ｂは、第１基材１１及び第２基材１２の両方に形成されていてもよい。この場合、第１電極２１の上と第１フリーサーフェス膜３１との間に第１凹凸構造を有する第１凹凸層を形成し、第２電極２２の上と第２フリーサーフェス膜３２との間に第２凹凸構造を有する第２凹凸層を形成すればよい。
　また、上記実施の形態１、２及び変形例１、２において、第１電極２１及び第２電極２２は、少なくとも一方がストライプ状に分割された電極であってもよい。
　また、上記実施の形態１、２及び変形例１、２において、凹凸層４０及び４０Ｂ自体を、ＳｉＯ２等、フリーサーフェスになる膜で形成してもよい。つまり、凹凸層４０及び４０Ｂと第１フリーサーフェス膜３１とが一体となっていてもよい。また、第１電極２１の上と第１フリーサーフェス膜３１との間に第１凹凸層を形成するとともに、第２電極２２の上と第２フリーサーフェス膜３２との間に第２凹凸層を形成する場合、第１凹凸層と第１フリーサーフェス膜３１とを一体にするとともに、第２凹凸層と第２フリーサーフェス膜３２とを一体にしてもよい。
　また、上記実施の形態１、２及び変形例１、２において、液晶層５０、５０Ａの液晶材料は、正の誘電異方性を有するネマティック液晶に限るものではなく、負の誘電異方性を有するネマティック液晶等であってもよい。
　また、上記実施の形態１等において、光学デバイスに入射する光として太陽光を例示したが、これに限るものではない。例えば、光学デバイス１に入射する光は、照明器具等の発光装置が発する光であってもよい。
　また、上記実施の形態１等において、凸部４１の長手方向がＸ軸方向となるように光学デバイスを窓に配置したが、これに限らない。例えば、凸部４１の長手方向がＺ軸方向となるように光学デバイスを窓に配置してもよい。
　また、上記実施の形態１等において、光学デバイスを窓に貼り付けたが、光学デバイスを建物の窓そのものとして用いてもよい。また、光学デバイスは、建物の窓に設置する場合に限るものではなく、例えば車の窓等に設置してもよい。
　なお、その他、上記各実施の形態及び各変形例に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、又は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で上記の各実施の形態及び各変形例における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
　１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ　光学デバイス
　１１　第１基材
　１２　第２基材
　２１　第１電極
　２２　第２電極
　３１　第１フリーサーフェス膜
　３２　第２フリーサーフェス膜
　４０、４０Ｂ　凹凸層
　５０、５０Ａ　液晶層

Claims (12)

  1. 　透光性を有する一対の基材と、
    　前記一対の基材の間に配置された透光性を有する一対の電極と、
    　前記一対の電極の一方の上に配置された、無機材料からなる第１フリーサーフェス膜と、
    　前記一対の電極の他方の上に配置された、無機材料からなる第２フリーサーフェス膜と、
    　前記第１フリーサーフェス膜及び前記第２フリーサーフェス膜の間に配置された液晶層と、
    　を備える、
    　光学デバイス。
  2. 　前記一対の電極の一方の上と前記第１フリーサーフェス膜との間に第１凹凸構造を有する第１凹凸層を備える、
    　請求項１に記載の光学デバイス。
  3. 　前記一対の電極の他方の上と前記第２フリーサーフェス膜との間に第２凹凸構造を有する第２凹凸層を備える、
    　請求項２に記載の光学デバイス。
  4. 　前記第１凹凸層と前記第１フリーサーフェス膜とが一体である、
    　請求項２に記載の光学デバイス。
  5. 　前記第２凹凸層と前記第２フリーサーフェス膜とが一体である、
    　請求項３に記載の光学デバイス。
  6. 　前記液晶層は、カイラル材が添加された液晶によって構成されている、
    　請求項１～５のいずれか１項に記載の光学デバイス。
  7. 　前記第１フリーサーフェス膜及び前記第２フリーサーフェス膜の少なくとも一方は、ＳｉＯｘを主成分とする膜である、
    　請求項１～６のいずれか１項に記載の光学デバイス。
  8. 　前記液晶層は、ポジ型の液晶によって構成されている、
    　請求項１～７のいずれか１項に記載の光学デバイス。
  9. 　透光性を有する第１基材の上に透光性を有する第１電極を形成し、前記第１電極の上に無機材料からなる第１フリーサーフェス膜を形成することによって第１積層基板を作製する工程と、
    　透光性を有する第２基材の上に透光性を有する第２電極を形成し、前記第１電極の上に無機材料からなる第２フリーサーフェス膜を形成することによって第２積層基板を作製する工程と、
    　前記第１フリーサーフェス膜と前記第２フリーサーフェス膜とが向き合うように前記第１積層基板と前記第２積層基板とを配置して、前記第１積層基板と前記第２積層基板との間に液晶層を充填する工程とを含み、
    　前記第１積層基板を作製する工程において、前記第１フリーサーフェス膜及び前記第２フリーサーフェス膜の少なくとも一方を、蒸着法、スパッタ法、又は、塗布法によって成膜する、
    　光学デバイスの製造方法。
  10. 　前記第１電極の上に第１凹凸層を形成することによって、前記第１積層基板を作製する、
    　請求項９に記載の光学デバイスの製造方法。
  11. 　前記第２電極の上に第２凹凸層を形成することによって、前記第１積層基板を作製する、
    　請求項１０に記載の光学デバイスの製造方法。
  12. 　前記第１フリーサーフェス膜及び前記第２フリーサーフェス膜の少なくとも一方は、ＳｉＯｘを主成分とする膜である、
    　請求項９～１１のいずれか１項に記載の光学デバイスの製造方法。
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