JP2005068437A

JP2005068437A - スメクティック液晶化合物の混合物における層間隔を制御する方法

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Publication number: JP2005068437A
Application number: JP2004299261A
Authority: JP
Inventors: Kenneth A Epstein; エー．エプステイン，ケネス; Michael P Keyes; ピー．キース，マイケル; Marc D Radcliffe; ディー．ラドクリフ，マルク; Daniel C Snustad; シー．スナスタッド，ダニエル
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1994-04-11
Filing date: 2004-10-13
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2021-10-11
Also published as: DE69512395D1; TW387995B; US5417883A; JPH10501562A; KR970702344A; MX9604660A; EP0755425A1; KR100339280B1; JP3831394B2; DE69512395T2; JP2006257436A; MY112898A; CA2185797A1; EP0755425B1; WO1995027765A1

Abstract

【課題】ティルトスメクティックメソフェーズにおける層間隔を制御すること。
【解決手段】少なくとも１つのティルト（又は潜在的ティルト）スメクティックメソフェーズにおいて正味で負の層熱膨張率を有する液晶組成物と少なくとも１つのティルト（又は潜在的ティルト）スメクティックメソフェーズにおいて正味で正の層熱膨張率を有する液晶組成物とを組み合わせる工程を含んでなるスメクティック液晶化合物の混合物における層間隔を制御する方法であって、前記組成物の各々が少なくとも１種のスメクティック又は潜在的スメクティック液晶化合物を含んでなる方法。この方法はティルトスメクティックメソフェーズにおける層間隔を制御することを可能にし、それによってシェブロン層のジオメトリーを制御又は抑制する。
【選択図】なし

Description

本発明は、少なくとも１つのティルトスメクティックメソフェーズ（tilted smectic mesophase）において制御可能な（温度に対する）層膨張性又は層収縮性を有するスメクティック又は潜在的スメクティック（latent smectic）液晶化合物の混合物を製造する方法に関する。他の観点において、本発明は、前記方法により製造される混合物及びこの混合物を含む電気光学的表示素子に関する。

液晶を用いる素子は、種々の電気光学的用途において、特に、嵩張らず、エネルギー効率の良い電圧制御型ライトバルブ（voltage-controlled light valve）を必要とするようなもの、例えば時計及び計算機のディスプレイ、並びにポータブルコンピューター及びコンパクトテレビに見られるようなフラットパネルディスプレイにおいての使用が見出されている。液晶ディスプレイは、低電圧及び低電力で動作することを含む数々の特徴を有し、この特徴は液晶ディスプレイを最も将来有望な現在利用可能な非発光形電気光学ディスプレイの候補にならしめている。しかしながら、遅い応答は多くの潜在的な応用に対して限界を与える。応答速度は素子に組み込まなければならない部品の数に比例して特に重要になってきており、そしてこのことはあるタイプの液晶化合物の潜在的な用途を制限している。

現在、最も広範に用いられている液晶ディスプレイのモードは、ねじれネマティック（twisted nematic ：ＴＮ）、超ねじれ複屈折効果（supertwisted birefringence effect ：ＳＢＥ）、及び動的散乱（dynamic scattering：ＤＳ）であり、これらは全てネマティック又はキラルネマティック（コレステリック）液晶を用いる。これらの素子は、電界の印加によるネマティック及び／又はキラルネマティック液晶（又はネマティック若しくはキラルネマティック液晶の混合物）の誘電配列効果（フレデリクス効果（Freedericksz effect ））に基礎をおくものである。液晶物質の平均の分子長軸は、印加された電界中で好ましい配向をとり、その配向はその物質の又は混合物の誘電異方性の符号に依存し、そしてこの配向は印加電界の除去により緩和する。この再配向及び緩和は、数ミリ秒程度の遅いものである。

ネマティック及びキラルネマティック液晶は最も広範に使用されているが、より高度に配向するスメクティック液晶を用いる液晶素子が存在する。これらの素子も液晶化合物の誘電再配向に基礎をおくものであり、その応答時間はミリ秒程度である。

液晶技術分野における最近の発展は、素子においてマイクロ秒のスイッチングを与える強誘電性液晶とも称されているティルトキラルスメクティック液晶（tilted chiral smectic liquid crysta l）の素子への利用である。強誘電性液晶は、R. B. Meyer 等により発見され（J. Physique 36, 1-69 (1975) ）、そしてフッ素含有強誘電性液晶物質が最近になって開発された（例えば、米国特許第4,886,619 号（Janulis ）、同第5,082,587 号（Janulis ）、及び同第5,262,082 号（Janulis 等）を参照されたい）。強誘電性液晶は、分子の偏向方向に垂直且つスメクティック層の面に平行な巨視的電気双極子密度を有する。これは、印加された電界に対し、誘電異方性により得られるものよりもかなり強い分子配向のカップリングを与える。更に、このカップリングは極性であり、そのため分子配向を調節するために印加電界の逆転を有効に用いることができる。

高速光学的スイッチング現象は、N. A. Clark 等により強誘電性液晶において発見された（Appl. Phys. Lett. 36, 899 (1980)及び米国特許第4,367,924 号）。Clark は、上記の素子のいずれにおいても不可能であった双安定動作を可能にする表面安定化強誘電性液晶ディスプレー（surface-stabilized ferroelectric liquid crystal display ）（以下、SSFLCDと称する）を開発した。SSFLCDは、情報量、視角、コントラスト比、及びスイッチング時間に関して高い性能を有するものとして認識されているが、SSFLCDの開発は液晶の層状構造中の欠陥に関する問題によって妨げられてきた。これらの欠陥は、（ティルトスメクティックメソフェーズにかかわる温度範囲を経る）冷却時の層の収縮及びその結果によるシェブロン（chevron ）層状構造の形成によって発生する（例えば、T. P. Rieker等による Phys. Rev. Lett. 59, 2658（1987）及び Ferroelectrics 113, 245 (1991) における議論、並びにY. Ouchi等による J. Appl. Phys. 27, L1993 (1988)における議論を参照されたい）。欠陥は、例えば不十分なコントラスト比及び望ましくない双安定性の原因となり、研究者はシェブロン構造の形成を防ぐ手段を熱心に探究している。

ヨーロッパ特許出願第405,868 号（富士通株式会社等）は、書棚型構造（bookshelf structure ）を示す液晶組成物を開示している。この組成物は強誘電性（ティルトキラルスメクティック）液晶化合物の混合物を含んでなり、この混合物は特定のナフタレン環構造を有する所定量のキラル強誘電性液晶化合物を含む。

Takanishi 等は、ナフタレン環から誘導された強誘電性液晶における準書棚型層状構造（quasi-bookshelf layer structure ）の自発的形成を記述している（Jpn. J. Appl. Phys. 29, L984 (1990)及びMol. Cryst. Liq. Cryst. 199, 111 (1991) ）。

Mochizuki 等は、「ラビングされたポリマー配向フィルムパネルと共にナフタレンに基づく液晶混合物」を使用することによる書棚型構造及び準書棚型構造の双方を得た（ Ferroelectrics 122, 37(1991)を参照されたい）。

Research Disclosure 34573 (1993)は、ペルフルオロエーテル含有液晶化合物を高い割合で含む強誘電性液晶混合物を開示している。この混合物は自発的に書棚型層状構造を示すものであって、層の厚さの温度依存性を小さくさせるために、負の層膨張率を示す材料を使用して配合されたものである。

電界の印加により得られる書棚型構造は、M. Johno等によるJpn. J. Appl. Phys. 28, L119 (1989) において報告されており、また米国特許第5,206,751 号（Escher等）に記載されている。

斜め蒸着技術により得られる書棚型構造は、A. Yasuda 等によるLiquid Crystals 14, 1725 (1993) に報告されている。

幾つかの液晶化合物は、驚くべきことに、少なくとも１つのティルトスメクティックメソフェーズにかかわる温度領域を経る冷却の際に、層の収縮よりもむしろ層の膨張を示すことが見出された。このような化合物は、特定の他の液晶化合物との混合物で使用された場合には、（温度に対して）制御可能な層が膨張又は収縮する性質を有する混合物を与えることも見出された。これは、ティルトスメクティックメソフェーズにおいて基本的に温度に依存しない層間隔にするため、また非ティルトメソフェーズとティルトメソフェーズの間の転移に関わる温度範囲において層間隔の温度依存性を小さくするために使用できる。

従って、１つの態様において、本発明は、スメクティック液晶化合物の混合物における層間隔を制御する方法を提供する。この方法は、少なくとも１つのティルト（又は潜在的ティルト）スメクティックメソフェーズにおいて正味で負の層熱膨張率（net negative thermal layer expansion）を有する液晶組成物と少なくとも１つのティルト（又は潜在的ティルト）スメクティックメソフェーズにおいて正味で正の層熱膨張率（net positive thermal layer expansion）を有する液晶組成物を組み合わせる工程を含んでなる。前記組成物の各々は少なくとも１種のスメクティック又は潜在的スメクティック液晶化合物を含んでなる（潜在的スメクティック液晶化合物は、それら自体ではスメクティックメソフェーズ（例えばティルトスメクティックメソフェーズ）を示さないが、スメクティックメソフェーズを有する化合物又は潜在的スメクティックメソフェーズを有する他の化合物との混合物において、適切な条件下でスメクティックメソフェーズを形成するか又は呈するようなものである）。好ましくは、正味で負の熱膨張性を示す組成物（以下、「負の組成物」と称する）は、結果として得られる組合せが約-0.05 〜約+0.05 Å／℃の範囲内の正味の層熱膨張率を有するような量で使用される。

本発明の方法は、ティルトスメクティックメソフェーズにおいて層間隔を制御することを可能にし、そしてシェブロン層のジオメトリーの制御又は抑制を可能にする。このような抑制は、ティルトスメクティックメソフェーズを経る冷却時のジグザグ配向欠陥（zig-zag alignment defect）の形成を減少させるか又は無くし、その結果として電気光学的性能を高め、駆動コーン−ティルト角に対するメモリー比（memory to driven cone-tilt angle ratio）を増加させ、そしてコントラスト比を高める。この方法は、加熱及び冷却サイクルに起因する応力により生じる欠陥及び非書棚型層ジオメトリーを減少させるか又はなくすことができる。

更に、本発明の方法は、キラル又はアキラル液晶化合物のいずれかを使用して実施でき、特定の型のコア（core）構造を有する化合物に限定されない。低粘性物質を使用することができるため、速いスイッチング速度を達成することができる。

他の態様において、本発明は、本発明の方法により調製される混合物及びその混合物を含む電気光学的表示素子も提供する。

本発明の方法に係る負の組成物として使用するのに適する液晶組成物は少なくとも１つのティルト（又は潜在的ティルト）スメクティックメソフェーズにおいて正味で負の層熱膨張率を有するような組成物である。負の組成物中に含めることが適切なスメクティック（又は潜在的スメクティック）液晶化合物は、例えば、少なくとも１つのティルト（又は潜在的ティルト）スメクティックメソフェーズにおいて分子の偏向に関係する層の収縮を相殺する機構を示すものと、前記メソフェーズにおいて負の熱的膨張性を示すものを含む。このような化合物は、結果として得られる組成物が正味で負の層熱膨張率を有するとの条件で、このような機構を示さない（即ち、正の層間熱膨張性を示す）液晶化合物との混合物で使用することができる。

負の組成物に使用することができる好ましいスメクティック又は潜在的スメクティック液晶化合物は、少なくとも１つのフッ素化された末端部分を有し、且つ、少なくとも１つのティルト（又は潜在的ティルト）スメクティックメソフェーズにおいて負の層間熱膨張性を示すキラル又はアキラル液晶化合物である。このような化合物の好ましい種類は、少なくとも２つのカテナリー、即ち鎖内にあるエーテル状酸素原子を含む少なくとも１つのフルオロエーテル末端部分を有するキラル又はアキラル液晶化合物の種類である。このような化合物は、例えば、（ａ）少なくとも２つのカテナリーのエーテル状酸素原子を含む脂肪族フルオロカーボン末端部分；（ｂ）脂肪族炭化水素末端部分；及び（ｃ）前記末端部分を連結している中心コア；を含んでなることができる。前記化合物の脂肪族炭化水素末端部分はキラル又はアキラルのいずれかであることができる（このようなアキラル化合物は米国特許第5,262,082 号（Janukis 等）に記載されている）。脂肪族フルオロカーボン末端部分は下記式により表される：
−Ｄ（Ｃ_x Ｆ_2xＯ）_z Ｃ_y Ｆ_2y+1
［上式中、ｘは、各Ｃ_x Ｆ_2xＯ基に対して独立に１〜約１２の整数であり、ｙは１〜約１２の整数であり、ｚは２〜約１０の整数であり、並びにＤは、共有結合、

（上式中、ｒ及びｒ’は独立に０〜約２０の整数であり、ｓは各（Ｃ_s Ｈ_2sＯ）に対して独立に１〜約１０の整数であり、ｔは１〜約６の整数であり、及びｐは０〜約４の整数である）
及びこれらの組合せからなる群より選ばれる］。

前記フルオロカーボン末端部分の（Ｃ_x Ｆ_2xＯ）_z Ｃ_y Ｆ_2y+1基は、炭素に結合されている水素原子を少量含有しうるが、完全にフッ素化されていることが好ましい。好ましくは、フルオロカーボン末端部分は下記式により表される直鎖基である：
−Ｄ（Ｃ_x Ｆ_2xＯ）_z Ｃ_y Ｆ_2y+1
（上式中、Ｄは−ＯＣＨ₂ −であり、ｘは各Ｃ_x Ｆ_2xＯ基に対して独立に１〜約８の整数であり、ｙは１〜約８の整数であり、及びｚは２〜約６の整数である）。

このような液晶化合物は下記一般式Ｉにより表される。

［上式中、Ｍ、Ｎ及びＰは、各々独立に、

からなる群より選ばれ；
ａ、ｂ及びｃは各々独立に０又は１〜３の整数であり、ただしａ＋ｂ＋ｃの合計が少なくとも１であることを条件とし；
各Ａ及びＢは、非指向的且つ独立に、共有結合、

からなる群より選ばれ；
各Ｘ、Ｙ及びＺは、独立に、−Ｈ，−Ｃｌ，−Ｆ，−Ｂｒ，−Ｉ，−ＯＨ，−ＯＣＨ₃ ，−ＣＨ₃ ，−ＣＦ₃ ，−ＯＣＦ₃ ，−ＣＮ，及び−ＮＯ₂ からなる群より選ばれ；
各ｌ、ｍ及びｎは、独立に、０又は１〜４の整数であり；
Ｄは、共有結合、

（上式中、ｒ及びｒ’は独立に０〜約２０の整数であり、ｓは各（Ｃ_s Ｈ_2sＯ）に対して独立に１〜約１０の整数であり、ｔは１〜約６の整数であり、及びｐは０〜約４の整数である）
及びこれらの組合せからなる群より選ばれ；
Ｒは、

からなる群より選ばれ、且つＲは直鎖又は分枝鎖のキラル又はアキラルであることができる；並びに
Ｒ_f は、
−（Ｃ_x Ｆ_2xＯ）_z Ｃ_y Ｆ_2y+1
（上式中、ｘは、各（Ｃ_x Ｆ_2xＯ）に対して独立に１〜約１２の整数であり、ｙは１〜約１２の整数であり、及びｚは２〜約１０の整数である）
である］。好ましくは、Ｄは−ＯＣＨ₂ −であり、Ｒ_f は直鎖であり、ｘは各（Ｃ_x Ｆ_2xＯ）に対して独立に１〜約８の整数であり、ｙは１〜約８の整数であり、及びｚは２〜約６の整数である。

この化合物のサブクラスは下記式により表される：

［上式中、ｘは、各Ｃ_x Ｆ_2xＯに対して独立に１〜約８の整数であり；ｙは１〜約８の整数であり；及びｚは２〜約４の整数であり；ｊは０又は１の整数であり；ｊ’は０又は１の整数であり；及び
Ｒ”は、（Ｒ')_v −Ｃ_q Ｈ_2q+1-v及び

（上式中、各ｑは独立に２〜約１０の整数であり；各Ｒ’は、独立に、水素、フッ素、塩素、メチル及びペルフルオロメチルからなる群より選ばれ；ｖは０〜約４の整数であり；並びにＣ_q Ｈ_2q及びＣ_q Ｈ_2q+1は直鎖又は分枝鎖であることができる）
からなる群より選ばれる］。

少なくとも１つのフッ素化された末端部分を有し、且つ、負の組成物（negative composition）中に使用することができる液晶化合物のもつ一つの好ましい種類は、少なくとも１つのフルオロ脂肪族末端部分を有するスメクティック又は潜在的スメクティックのキラル又はアキラル液晶化合物（例えば、米国特許第4,886,619 号（Janulis ）及び同第5,082,587 号（Janulis ）に開示されている化合物）であって、少なくとも１つのティルト（又は潜在的ティルト）スメクティックメソフェーズにおいて負の層間熱膨張性を示すものである。例えば、５−ヘキシル−２−（４’−１，１−ジヒドロペルフルオロオクチルオキシ）フェニルピリミジンはこのような性質を示し、このような用途に適することが見出された。

少なくとも１つのティルト（又は潜在的ティルト）スメクティックメソフェーズにおいて分子の偏向にかかわる層の収縮を相殺する機構を有し、それによってそのメソフェーズにおいて負の熱膨張性を示す他の液晶化合物もこの負の組成物中に使用することができる。

本発明の方法に係る上記した負の組成物との混合物に使用するのに適する液晶組成物は、少なくとも１つのティルト（又は潜在的ティルト）スメクティックメソフェーズにおいて正味で正の層熱膨張率を有するものであって、少なくとも１種のスメクティック又は潜在的スメクティック液晶化合物を含んでなる。正味で正の層熱膨張率を有する液晶化合物（以下、「正の組成物」と称する）に含めることが適切なスメクティック（又は潜在的スメクティック）液晶化合物には、脂肪族末端部分を有し、且つ、少なくとも１つのティルト（又は潜在的ティルト）スメクティックメソフェーズにおいて正の層熱膨張率を示すキラル又はアキラル液晶化合物、例えば、D. Demus等によるFlussige Kristalle in Tabellen, VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie, Leipzig (1974) 第65〜76頁及び第260 〜263 頁、及びS. Kumarによる Phys. Rev. A 23, 3207 (198 4)に記載されているアルキル，アルコキシフェニルピリミジン及びアルコキシ，アルコキシフェニルベンゾエートのような化合物；少なくとも１つのフルオロ脂肪族末端部分を有するキラル及びアキラル液晶化合物（このような化合物は、例えば米国特許第4,886,619 号号（Janulis ）及び同第5,082,587 号（Janulis ）に記載されている）であって、少なくとも１つのティルト（又は潜在的ティルト）スメクティックメソフェーズにおいて負の層間熱膨張性を示すもの、例えば、下記表１に記載の化合物Ｂのような化合物；並びにただ１つのカテナリーのエーテル状酸素原子を含む少なくとも１つのフルオロエーテル末端部分を有し、且つ、少なくとも１つのティルト（又は潜在的ティルト）スメクティックメソフェーズにおいて正の層間熱膨張性を示すキラル及びアキラル液晶化合物が含まれる。前記化合物は、例えば、（ａ）１つのカテナリーのエーテル状酸素原子を含む脂肪族フルオロカーボン末端部分；（ｂ）脂肪族炭化水素末端部分；及び（ｃ）前記末端部分を連結する中心コア；を含んでなる化合物であることができる。前記脂肪族フルオロカーボン末端部分は下記式により表される：
−Ｄ（Ｃ_x Ｆ_2xＯ）_z Ｃ_y Ｆ_2y+1
［上式中、ｘは独立に１〜約１２（好ましくは１〜約８）の整数であり、ｙは１〜約１２（好ましくは１〜約８）の整数であり、ｚは１であり、及びＤは上記定義の群から選ばれる］。このような化合物は、Ｒ，Ｍ，Ｎ，Ｐ，Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｘ，Ｙ，Ｚ，ａ，ｂ，ｃ，ｌ，ｍ及びｎが上記定義の通りであり、且つＲ_f が（Ｃ_x Ｆ_2xＯ）_z Ｃ_y Ｆ_2y+1（式中、ｘは１〜約１２の整数であり、ｙは１〜約１２の整数であり、ｚは１である）である一般式Ｉにより表される。好ましくは、Ｄは−ＯＣＨ₂ −であり、Ｒ_f は直鎖であり、ｘは１〜約８の整数であり、及びｙは１〜約８の整数である。

少なくとも２つのカテナリーのエーテル状酸素原子を含むフルオロエーテル末端部分を有する化合物が前記負の組成物の主成分として使用される場合には、好ましいことに、この組成物を、フルオロ脂肪族末端部分又はただ１つのカテナリーのエーテル状酸素原子を含むフルオロエーテル末端部分を有する少なくとも１種のキラル又はアキラル液晶化合物を（主成分として）含んでなる正の組成物と組み合わせることができる。このような組合せは混和性（compatibility ）の観点から好ましい。

本発明の方法は、負の組成物と正の組成物とを組み合わせることにより実施できる。前記組成物を組み合わせること又は混合することは、概して同時に及び／又は引き続きかきまぜながら又は攪拌しながら、例えばローラー混合（roller mixing ）しながら前記組成物を容器に導入することにより達成できる。前記容器は前記組成物の双方を室温で混合したままの状態を保つのに十分な大きさの開放容器又は密閉容器の何れであってもよい。前記組成物は、互いに組み合わせる前に形成させるか、または代わりに前記組成物の一方の成分の１種以上を残りの成分に加える前に、もう一方の組成物の成分の１種以上と組合せることができる。組成物の成分を組み合わせるいかなる順序及び方法も許容可能である。得られる組合せは、均一混合が達成されるほど十分にかきまぜ又は攪拌されることが好ましい。このことは、組合せを融解させるのに十分に加熱すること、又はこの組合せを、溶剤、例えば極性非プロトン性溶剤中に溶かすことにより容易になされ、その後、溶剤は例えばロータリーエバポレーションにより除去される。

使用すべき組成物（及びそれらの成分）は、少なくとも１つのティルト（又は潜在的ティルト）スメクティックメソフェーズ、例えばスメクティックＣメソフェーズにおけるそれらの層熱膨張率の符号及び値に基づいて選ぶことができる。このような膨張率の符号及び絶対値は、可変温度小角Ｘ線散乱（SAXS）を使用して決定できる。SAXS法は、例えば、A. Guinier等（C. B. Walkerにより翻訳）によるSmall-Angle Scattering of X-Rays, John Wiley & Sons, New York (1955)第１〜４頁に記載されており、液晶に対するその応用は、例えばS. Kumarによる Phys. Rev. A 23, 3207 (1981) に記載されている。膨張率の符号及び絶対値は、所望のメソフェーズにおける温度に対する層間隔のプロットのほぼ直線的な領域（目視により選択）に対してフィッティングした直線の傾きの符号及び大きさを計算することにより決定することができる。概して、フィッティングのために選択した温度領域を、特定の素子への応用にとって有用な温度範囲に対応させることができ、そしてティルトメソフェーズと非ティルトメソフェーズとの間の転移にかかわるデータは非直線的であるために選択した領域から一般に除外することができる。温度の上昇に伴って層間隔が増大（減小）する成分又は組成物は正（負）の層熱膨張率を有する。

好ましくは、負の組成物は、結果として得られる組合せが、約-0.05 〜約+0.05 Å／℃、より好ましくは約-0.01 〜約+0.01 Å／℃、最も好ましくは約-0.005〜約+0.005Å／℃の範囲内の正味の層熱膨張率を有するような量で使用される。しかしながら、ある場合において、これらの範囲外の膨張率が特定の目的のために望ましく、そしてこれらの範囲は正の組成物と負の組成物とを混合することにより達成することができる。これらの範囲内の正味の膨張率は、概して、負の組成物の量に該組成物の正味の負の膨張率の絶対値を掛けた値が正の組成物の量に該組成物の正味の正の膨張率の絶対値を掛けた値に基本的に等しくなるように、負の組成物の量を選ぶことにより達成することができる（これは、重量％又はモル分率に対する膨張率のプロットに対する直線の式のフィッティングに対応する）。正味の膨張率の値の最適化（所望の値に近い値を得るため）は反復法（測定された混合物の正味の膨張率が、膨張率と重量％又はモル分率との間の関係を表す式を最適化するために用いられる）を通じて達成することができる。

潜在的スメクティック液晶化合物が使用される場合には、濃度の異なる組成を有する（本発明に係る）混合物を調製すること、混合物の膨張率を測定すること、重量％又はモル分率に対する膨張率をプロットすること、データに直線の式をフィッティングすること、次いで潜在的スメクティック化合物１００％に対応する組成物について式を求めることによって、それらの層熱膨張率（スメクティックメソフェーズの潜在性（latency ）のために測定できない）を推定することができる。

本発明の方法は、少なくとも１つのティルトスメクティックメソフェーズにおいて基本的に温度に依存しない層間隔（及び非ティルトメソフェーズとティルトメソフェーズとの間の転移に関係する温度範囲において温度依存性の小さい層間隔）を達成するのに使用できる制御可能な層の膨張性又は収縮性（温度に対して）を有する組合せ又は混合物を提供する。この方法は、層の収縮を制御することができ、そのためシェブロン層のジオメトリーの抑制が可能となる。このことはティルトスメクティックメソフェーズを経る冷却時にジグザグ配向欠陥の形成を減らすか又は無くし、その結果として高い電気光学的スイッチング性能、大きな駆動コーン−ティルト角に対するメモリーの比、及び高いコントラスト比が得られる。この方法は、応力により生じる欠陥並びに加熱及び冷却サイクルに起因する非書棚型層ジオメトリーを減少させるか又は無くすことができる。

少なくとも１つのティルトスメクティックメソフェーズにおいて基本的に温度に依存しない層間隔を有する混合物は、メソフェーズにおいて、好ましくは約-0.05 〜約+0.025Å／℃、より好ましくは約-0.01 〜約+0.01 Å／℃、最も好ましくは約-0.005〜約+0.005Å／℃の範囲内の非常に小さな負（又は非常に小さな正）の層熱膨張率を有するスメクティック又は潜在的スメクティック液晶化合物（又は組成物）を組み合わせることにより調製することもできる。

少なくとも１つのティルトスメクティックメソフェーズにおいて特に望ましい零でない温度依存性の層間隔を有する混合物は、選ばれた負（正）の層熱膨張率をメソフェーズにおいて有するスメクティック又は潜在的スメクティック液晶化合物又は組成物を、選ばれた正（負）の膨張率を有する他のそのような化合物又は組成物と組み合わせることにより調製できる。負（正）の膨張率は、所望の中間膨張率（及び上述のように膨張率と量との間のほぼ直線的な関係に基づく化合物又は組成物の量）の限界を定めるように選ぶか、又はこのような膨張率を推定するために選ぶことができる。代わりに、特に望ましい零でない温度依存性は、選ばれた負（正）の膨張率を有する化合物又は組成物をほぼ零の膨張率を有する化合物又は組成物と組み合わせることにより達成することができる。層間隔のこのような零でない温度依存性は、例えば、T. P. Ricker及びN. A. Clark によりPhase Transitions in Liquid Crystals（S. Martellucci及びA. N. Chester により編集）, Plenum Press, New York (1992), 第310 頁に記載されている密度により起こるシェブロンの形成を相殺することに対して望ましい。

本発明の目的及び利点を、以下の実施例により更に説明するが、これらの実施例中に挙げた特定の材料及びそれらの量並びに他の条件及び詳細は、本発明を著しく限定するものであると理解されるべきではない。実施例に使用したフッ素含有液晶化合物は、米国特許第4,886,619 号（Janulis ）、同第5,082,587 号（Janulis ）、及び同第5,262,082 号（Janulis 等）に記載されている方法の応用により調製できる。

以下の実施例において、層間隔は、小角Ｘ線散乱を温度の関数として観測するSAXS法により測定した。Kratkyカメラ、銅のＫα線、及び検出器を使用してデータを集めた。液晶試料（単一化合物又は混合物）を開口型石英キャピラリー管内に入れ、次いで管の軸が水平面内にあり、且つビーム経路に対して垂直になるようにステンレス鋼の試料ホルダーの表面上に置いた。試料は、層間隔の初期決定のため、等方的状態になるまで加熱し、次いで冷却し、データを収集する前に10分間の待ち時間をとった。次いで、試料を２〜３℃の間隔で冷却し、各温度において10分間の待ち時間の後でデータをとった。

層間隔のデータを温度に対してプロットし、そしてほぼ直線的となったで望ましいメソフェーズ（スメクティックＣ）の領域を目視により選んだ。概して、ティルトメソフェーズと非ティルトメソフェーズとの間のデータ領域は、直線的でないために選んだデータから除外した。選んだ領域に対する層間隔のデータをプッロトし、次いでそのデータに直線の式をフィッティングさせた。直線の式の傾きは、選ばれた温度範囲における試料の層熱膨張率をあらわす。従って、温度上昇とともに増大する層間隔を有する試料は正の熱膨張率を有する。この方法を使用し、本発明の方法に使用するのに適する種々の液晶化合物の熱膨張率を決定した。この結果を下記表１に示す。

実施例１
負の組成物と正の組成物を混合することによる層間隔の制御
５−デシルオキシ−２−（４’−（１，１−ジヒドロペルフルオロ−２−（２−ブトキシエトキシ）エトキシ）フェニルピリミジン（表１の化合物２）の層間隔を温度の関数として測定し、プロットし、次いで上記の方法により熱膨張率を算出した。選ばれた温度に対する得られた層間隔（オングストローム単位）のプロットは図１に示される。算出した膨張率はスメクティックＣメソフェーズにおいて-2. 64×10^-2Å／℃であった。用いた直線のフィットは、y=33.591-2.6404e-2x, R2=0.985 であった。

次いで、化合物２と５−オクチル−２−（４’−（１，１−ジヒドロペルフルオロ−（３−ブトキシプロポキシ）フェニルピリミジン）（表１の化合物Ａ）の一連の混合物を調製し、基本的に上記のように混合物の熱膨張率を決定した。選ばれた温度（摂氏温度）に対する得られた層間隔（オングストローム単位）のプロットは図１に示される。混合物の算出された熱膨張率は以下の通りである：
100％化合物２ -2.64×10^-2Å／℃
75％化合物２／25％化合物Ａ -1.78×10^-2Å／℃
50％化合物２／55％化合物Ａ -1.19×10^-2Å／℃
25％化合物２／75％化合物Ａ -0.37×10^-2Å／℃

化合物２の重量％に対し、各混合物の算出されたＴＥ値をプロットすることにより、化合物Ａが100 重量％（化合物２が０重量％）の理論組成物に対して外挿し、純粋な化合物ＡのＴＥ値は +0.36×10^-2Å／℃であると算出された。

上記データは、正の物質の層の収縮を相殺し、それによって層の膨張性を制御し、スメクティックＣメソフェーズ（ＴＥはほぼ零に等しい）において基本的に温度に依存しない層間隔を達成するために、化合物２（負の熱膨張率を有する）を正の熱膨張率を有する液晶物質（ティルトメソフェーズにおいて冷却時に収縮を示す）と混合することができることを示している。

混合物の上記熱膨張率（ＴＥ）は、下記式：
100×ＴＥ=0.3590-2.26×（化合物Ａに対する化合物２の重量比）
にほぼ一致する。

零に非常に近いＴＥ値が望ましい場合には、反復法により式の最適化を達成することができる。

実施例２
負の組成物と正の組成物とを混合することによる層間隔の制御
基本的に実施例１の方法を使用して表１の化合物10のＴＥを決定した。キャピラリー管の代わりに、シラン接着促進剤（VM651 としてDuPontから市販入手可能）により処理された基板（ガラスの顕微鏡用カバーグラス）上の液晶混合物の薄いホメオトロピック（homeotropic ）フィルムを使用し、上記SAXS法を改良した方法を使用して化合物10と５−デシル−２−（４’−（１，１−ジヒドロペルフルオロヘキシルオキシ）フェニルピリミジン（化合物Ｂ、冷却時に強い層収縮を示す）との混合物のＴＥを決定した。得られた試料は、試料の層を垂直な向きにしたままKratkyジオメトリー内にＸ線ビームに水平に置き、散乱が最大になるよう調節した。選ばれた温度に対する層間隔（オングストローム単位）のプロットは図２に示される。

混合物の熱膨張率は以下の通りに決定された：
100％化合物10 -4.01×10^-2Å／℃
75％化合物10／25％化合物Ａ -6.39×10^-3Å／℃
50％化合物10／55％化合物Ａ -5.00×10^-3Å／℃

このデータは、化合物10（大きな負の熱膨張率を有する）を、正の熱膨張率を有し、且つ、強い層収縮を示す液晶物質と混合し、その収縮を大いに相殺することができることを示している。

実施例３
同一符号（負の符号）を有する熱膨張率を有する組成物を混合することよる層間隔の制御
表１の化合物11及び12のＴＥを基本的に実施例１に記載したように決定した。双方の化合物は負のＴＥを有することが見出された。これら２種の化合物の混合物を調製し、混合物のＴＥを基本的に同様な方法により決定した。選ばれた温度に対する層間隔（オングストローム単位）のプロットは図３に示される。

混合物の熱膨張率は以下の通りに決定された：

このデータは、化合物11及び12（双方とも負の熱膨張率を有する）を混合し、層間膨張性を制御し、該組成物のバルクの熱膨張率又は第２の組成物の正の層間膨張率を相殺するのに有用な望ましい中間の熱膨張率を達成できることを示している。

実施例４
負の組成物と正の組成物を混合することによる層間隔の制御
５−オクチル−２−（４’−（１，１−ジヒドロペルフルオロ−２−（２−ブトキシエトキシ）エトキシ）フェニルピリミジン（表１の化合物９）及び５−オクチル−２−（４’−（１，１−ジヒドロペルフルオロ−（３−ブトキシプロポキシ）フェニルピリミジン（表１の化合物Ａ）のＴＥを基本的に実施例１に記載したように決定し、ＴＥは化合物９について負であり、そして化合物Ａについて正であることがわかった。75重量％の化合物９と25重量％の化合物Ａの混合物を調製し、次いで基本的に同様な方法により混合物のＴＥを決定した。選ばれた温度に対する層間隔（オングストローム単位）のプロットは表４に示される。

純粋な化合物９及び混合物に対するデータのプロットから、41重量％の化合物９と59重量％の化合物Ａの混合物がほぼ零のＴＥを有するであろうことが推定される（実施例１に記載のように組成物のＴＥのデータに直線を繰返しフィッティングすることにより推定）。この混合物を調製し、次いでそのＴＥを基本的に上記のように決定し、 -0.31×10^-2Å／℃であることがわかった。このデータは、化合物９（負の熱膨張率を有する）を正の熱膨張性を有する液晶物質と混合し、少なくとも１つのティルトスメクティックメソフェーズにおいて基本的に温度に依存しない予測可能な層間隔を達成できることを示している（ほぼ零に近いＴＥ値が望ましい場合には、実施例１に記載のように反復法を使用することができる）。

実施例５
潜在的スメクティック液晶化合物の（ティルトスメクティックメソフェーズにおける）熱膨張率の決定
この実施例において、負のＴＥを有するスメクティック液晶化合物（表１の化合物２）を種々の割合で潜在的ティルトスメクティック液晶化合物（表１の化合物Ｃ）と混合した。この特別な混合物中の化合物ＣのＴＥ（スメクティックＣメソフェーズの潜在性のために直接決定できない）の推定が可能となるように、種々の混合物のＴＥを基本的に実施例１におけるように決定した。温度に対する層間隔のプロットは図５に示される。

化合物２の重量％に対する各混合物のＴＥの値をプロットすることにより、化合物Ｃが100 重量％（化合物２は０重量％）の理論組成物に対して外挿し、純粋な化合物ＣのＴＥ値は図６に示されるように -0.44×10^-2Å／℃であると算出された。

実施例６
負の組成物と正の組成物を混合することによる層間隔の制御
この実施例において、負のＴＥを有するスメクティック液晶化合物（表１の化合物10）を正のＴＥを有するフッ素化されていないスメクティック液晶化合物（H. ZaschkeによるJ. prakt. chem. 317, 617 (1975) に記載されている方法により調製できる５−デシル−２−ヘキシルオキシフェニルピリミジン：表１の化合物Ｄ）と混合した。純粋な化合物及び90重量％の化合物10と10重量％の化合物Ｄの混合物のＴＥを基本的に実施例１におけるように決定し、得られたプロットを下記図７に示した。混合物のＴＥは２種の純粋な化合物のＴＥの中間の値であった。このことは、層の膨張性を制御するために、負の組成物と正の組成物とを本発明の方法により組み合わせることができることを表す。

実施例７
本発明の方法により調製される強誘電性液晶混合物を含む液晶表示素子
本発明の方法により強誘電性液晶化合物の２種の混合物（下記表２に示される組成を有する混合物７Ａ及び７Ｂ）を調製した。各混合物のスメクティックＣメソフェーズに対するＴＥを基本的に実施例１におけるように決定し、温度に対する層間隔の得られたプロットを図８に示した。この図は、潜在的スメクティックＣ液晶化合物（混合物７Ｂに独特の２種の化合物）を添加剤として使用し、混合物のＴＥ値を更に減少させ、そして強誘電性相においてかなり強い温度依存性を達成できることを示している。

表面安定化強誘電性液晶素子（SSFLCD；surface stabilized ferroelectric liquid crystal device）を以下の方法で作製した：

インジウム−スズ−酸化膜（ＩＴＯ）（厚さ300 ÅのＩＴＯ膜）により被覆された超音波洗浄されたガラス基板（2.85×3.5 ×0.1cm ）の上にギ酸中に溶けたナイロン6/6 の0.52重量％溶液（Aldrich Chemical Co.）の数滴を滴下した。この基板を1200rpm で40秒間回転させ、次いで75℃で16時間を要して硬化させ、厚さ約400 Åのナイロン被膜を与えた。綿65％、レーヨン35％の別珍製布帛が周囲にきつく巻かれた115 ｇのラビング棒（直径2.5cm 、長さ10cmのガラス棒）を使用し、被覆した基板を一方向においてラビング（20回）し、基板上に配向した配向層を与えた。

高さ1.5 μｍのポリイミドスペーサ柱のパターンを有するもう一つのＩＴＯ膜（厚さ300 ÅのＩＴＯ膜）により被覆されたガラス基板（2.85×3.5 ×0.1cm ）（超音波洗浄されたもの）の上にブチルアルコール中に溶けたポリジメチルシロキサン（Owen-Illinois, Inc. から入手可能な 5.6% GR-651L ）の1.5 重量％溶液の数滴を滴下した。基板を8000rpm で20秒間回転させ、次いで75℃で16時間を要して硬化させ、厚さ約300 Åの配向膜を与えた。

ＩＴＯ構成電極と配向層が向かいあって２つのセルを形成するように、紫外線硬化性接着剤（Norland Products, Inc.から入手可能 Norland（商標）61 光学接着剤）を使用して２組の上記基板を集成した。次いで、減圧下で毛細管現象を用い、加熱することにより各セルに液晶化合物の２種の混合物（表２の混合物７Ａ及び７Ｂ）の内の一方を充填した。

素子のＩＴＯ構成電極を種々の出力電圧を有する任意の波形発生器に接続した。素子を偏光顕微鏡の回転ステージ上に載せた。顕微鏡の白熱光源にフィルターを付け、その波長が450 〜700nm の間になるようにした。光電子倍増管を使用して光伝導度を測定し、オシロスコープ上に表示した。24℃の温度での20Ｖ／μｍの電場で測定した素子のラッチング時間（latching time ）は80マイクロ秒であった。少なくとも30ミリ秒間隔の20Ｖ／μｍの双極矩形パルスからなり、強度6.7 Ｖ／μｍの同一幅の矩形パルス列により分割された電圧波形により素子を駆動させた。素子のティルト角に対するメモリ比は測定の結果0.87であることがわかった。

比較例
SSFLCDに使用するのに適するとして販売されている市販入手可能な強誘電性液晶混合物の代表として２種の市販入手可能な強誘電性液晶混合物（チッソ株式会社から入手可能なCS-1015 及びドイツ国メルク（Merck ）社から入手可能なZLI 4654-100）を選んだ。混合物のＴＥを基本的に実施例１におけるように決定し、そして温度に対する層間隔のプロットを図９に示した。図９には、本発明の方法により調製された実施例７の混合物７Ｂに関する温度に対する層間隔のプロットも示されている。２種の市販入手可能な混合物に関するデータのプロットは、殆ど重ね合わせることができるほぼ一致する正のＴＥ値を与える。２種の市販入手可能な混合物とは対照的に混合物７Ｂは、当該技術分野で非常に求められている基本的に温度に依存しない層間隔を示す。

本発明の範囲及び真意から逸脱することなく、本発明の種々の改良及び変更が当業者により明らかになるであろう。

図１は、実施例１に記載の液晶試料（化合物又は混合物）についての温度に対する層間隔のプロット（温度変化させることのできる小角Ｘ線散乱により得た）である。大きさの小さい印により表されるプロット部分は直線をフィッテイングさせるために選んだ部分である（以下、図２〜４及び７〜９についても同様）。図中に示される式の傾きは試料の層熱膨張率に対応する（以下、図２〜４及び７〜９についても同様）。図２は、実施例２に記載の液晶試料（化合物又は混合物）についての温度に対する層間隔のプロット（温度変化させることのできる小角Ｘ線散乱により得た）である。図３は、実施例３に記載の液晶試料（化合物又は混合物）についての温度に対する層間隔のプロット（温度変化させることのできる小角Ｘ線散乱により得た）である。図４は、実施例４に記載の液晶試料（化合物又は混合物）についての温度に対する層間隔のプロット（温度変化させることのできる小角Ｘ線散乱により得た）である。図５は、実施例５に記載の液晶試料（化合物又は混合物）についての温度に対する層間隔のプロット（温度変化させることのできる小角Ｘ線散乱により得た）である。図６は、実施例５に記載の液晶化合物の混合物についての組成に対する層熱膨張率のプロットである。図７は、実施例７に記載の液晶試料（化合物又は混合物）についての温度に対する層間隔のプロット（温度変化させることのできる小角Ｘ線散乱により得た）である。図８は、実施例８に記載の液晶試料（化合物又は混合物）についての温度に対する層間隔のプロット（温度変化させることのできる小角Ｘ線散乱により得た）である。図９は、実施例９に記載の液晶試料（化合物又は混合物）についての温度に対する層間隔のプロット（温度変化させることのできる小角Ｘ線散乱により得た）である。

Claims

少なくとも１つのティルト又は潜在的ティルトスメクティックメソフェーズにおいて正味で負の層熱膨張率を有する液晶組成物と少なくとも１つのティルト又は潜在的ティルトスメクティックメソフェーズにおいて正味で正の層熱膨張率を有する液晶組成物とを組み合わせる工程を含んでなる層間隔を制御する方法であって、前記組成物の各々がスメクティック液晶化合物及び潜在的スメクティック液晶化合物からなる群より選ばれる少なくとも１種の液晶化合物を含んでなる方法。
少なくとも１つのティルト又は潜在的ティルトスメクティックメソフェーズにおいて正味で負の既知の大きさの層熱膨張率を有する液晶組成物と少なくとも１つのティルト又は潜在的ティルトスメクティックメソフェーズにおいて正味で正の既知の大きさの層熱膨張率を有する液晶組成物とを組み合わせる工程を含んでなる層間隔を制御する方法であって、前記組成物がスメクティック液晶化合物及び潜在的スメクティック液晶化合物からなる群より選ばれる少なくとも１種の液晶化合物を含んでなり、且つ、結果として得られる組合せが少なくとも１つのティルトスメクティックメソフェーズにおいて所望の正味の層熱膨張率を有するように前記大きさに基づく量で前記組成物が使用される方法。
請求項１記載の方法により製造される液晶化合物の混合物。
少なくとも１つのティルト又は潜在的ティルトスメクティックメソフェーズにおいて正味で負の層熱膨張率を有する液晶組成物と少なくとも１つのティルト又は潜在的ティルトスメクティックメソフェーズにおいて正味で正の層熱膨張率を有する液晶組成物とを含んでなる液晶化合物の混合物であって、前記組成物の各々がスメクティック液晶化合物及び潜在的スメクティック液晶化合物からなる群より選ばれる少なくとも１種の液晶化合物を含んでなり、且つ、前記混合物が少なくとも１つのティルトスメクティックメソフェーズにおいて約-0.05 〜約+0.05 Å／℃の正味の層熱膨張率を有するような量で正味で負の層熱膨張率を有する前記組成物が存在する液晶化合物の混合物。
請求項３記載の混合物を含む液晶表示素子。
請求項４記載の混合物を含む液晶表示素子。
スメクティックＣメソフェーズにおいて正味で負の層熱膨張率を有する液晶組成物とスメクティックＣメソフェーズにおいて正味で正の層熱膨張率を有する液晶組成物とを組み合わせる工程を含んでなる層間隔を制御する方法であって、前記正味で負の層熱膨張率を有する液晶組成物が、少なくとも２つのカテナリーのエーテル状酸素原子を含むフルオロエーテル末端部分を有するキラル又はアキラルのスメクティック又は潜在的スメクティック液晶化合物の少なくとも１種を含んでなり、且つ、前記正味で正の層熱膨張率を有する液晶組成物が、フルオロ脂肪族末端部分及び１つのカテナリーのエーテル状酸素原子を含むフルオロエーテル末端部分からなる群より選ばれる末端部分を有するキラル又はアキラルのスメクティック又は潜在的スメクティック液晶化合物の少なくとも１種を含んでなり、結果として得られる組合せがスメクティックＣメソフェーズにおいて約-0.05〜約+0.05 Å／℃の正味の層熱膨張率を有するような量で前記正味で負の層熱膨張率を有する組成物が使用される方法。
少なくとも１つのティルト又は潜在的ティルトスメクティックメソフェーズにおいて同一符号の既知の大きさの正味の層熱膨張率を有する液晶組成物の少なくとも２種を組み合わせる工程を含んでなる層間隔を制御する方法であって、前記組成物がスメクティック液晶化合物及び潜在的スメクティック液晶化合物からなる群より選ばれる少なくとも１種の液晶化合物を含んでなり、且つ、結果として得られる組合せが少なくとも１つのティルトスメクティックメソフェーズにおいて所望の正味の層熱膨張率を有するように前記大きさに基づく量で前記組成物が使用される方法。
請求項８記載の方法により製造される液晶化合物の混合物。
少なくとも１つのティルト又は潜在的ティルトスメクティックメソフェーズにおいて同一符号の正味の層熱膨張率を有する液晶組成物の少なくとも２種を含んでなる液晶化合物の混合物であって、前記組成物の各々がスメクティック液晶化合物及び潜在的スメクティック液晶化合物からなる群より選ばれる少なくとも１種の液晶化合物を含んでなり、且つ、前記混合物が少なくとも１つのティルトスメクティックメソフェーズにおいて約-0.05 〜約+0.025Å／℃の正味の層熱膨張率を有するような量で前記組成物の各々が存在する液晶化合物の混合物。
請求項９記載の混合物を含む液晶表示素子。
請求項１０記載の混合物を含む液晶表示素子。
少なくとも１つの潜在的ティルトスメクティックメソフェーズにおいて潜在的スメクティック液晶組成物の正味の層熱膨張率を推定する方法であって、
（ａ）少なくとも１種の潜在的スメクティック液晶化合物を含んでなる潜在的スメクティック液晶組成物と少なくとも１種のスメクティック液晶化合物を含んでなるスメクティック液晶組成物との少なくとも１つの混合物を調製すること；
（ｂ）少なくとも１つの選ばれたティルトスメクティックメソフェーズにおいて前記混合物の正味の層熱膨張率を決定すること；
（ｃ）少なくとも１つの対応するティルトスメクティックメソフェーズにおいて前記スメクティック液晶組成物の正味の層熱膨張率を決定すること；次いで
（ｄ）前記潜在的スメクティック液晶組成物が100 ％の組成物に対して外挿し、少なくとも１つの対応する潜在的ティルトスメクティックメソフェーズにおける前記潜在的スメクティック液晶組成物に対する正味の層熱膨張率の推定値を得ること；
を含んでなる方法。
少なくとも１つのティルト又は潜在的ティルトスメクティックメソフェーズにおいて正味で負の層熱膨張率を有する液晶組成物と少なくとも１つのティルト又は潜在的ティルトスメクティックメソフェーズにおいて正味で正の層熱膨張率を有する液晶組成物とを含んでなる液晶化合物の混合物を含む液晶表示素子であって、前記組成物の各々がスメクティック液晶化合物及び潜在的スメクティック液晶化合物からなる群より選ばれる少なくとも１種の液晶化合物を含んでなり、且つ、前記混合物が少なくとも１つのティルトスメクティックメソフェーズにおいて基本的に温度に依存しない層間隔を有するような量で正味で負の層熱膨張率を有する前記組成物が存在する液晶表示素子。