JP2007502869A

JP2007502869A - シロキサンオリゴマーを用いた双安定強誘電性液晶セルおよび装置並びにこれらの使用

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Publication number: JP2007502869A
Application number: JP2006523063A
Authority: JP
Inventors: ウイリアムアルデンクロスランド; アンソニーバールナルドダベイ
Original assignee: Cambridge University Technical Services Ltd CUTS
Current assignee: Cambridge University Technical Services Ltd CUTS
Priority date: 2003-08-16
Filing date: 2004-08-16
Publication date: 2007-02-15
Also published as: EP1660611B1; KR20060113886A; EP1660611A1; GB0319269D0; TW200516130A; CN1836025A; WO2005019380A1; ATE359342T1; DE602004005874T2; DE602004005874D1; US20070131904A1

Abstract

【課題】操作において双安定であり、ポリアミドまたはポリエステルのアライメント層の間に配列されたスメクチックＣ相を有する強誘電性化合物を含む液晶セルを提供する。
【解決手段】その液晶セルでは、化合物は、一般式（Ｉ）を有する。ここで、Ｒは１から１０の炭素原子を有するアルキル基、または、基（ＩＩ）を表し、各Ｒ’は、１から４の炭素原子を有するアルキル基を表し、Ｔは、（ａ）または（ｂ）であり、Ｘは少なくとも１つのキラル中心を有するアルキル基またはハロゲン置換アルキル基を表し、Ｙはフッ素原子を表し、ｍは０、１または２の値を有し、ｎは１０、１１または１２の値を有する。
【化１】

Description

本発明は、ポリアミドまたはポリエステルのアライメント層の間に配列された、スメクチックＣ相を有する強誘電性化合物を含むセル、前記セルを含む装置、および、この装置の双安定スイッチング方法に関する。

強誘電性液晶（ＦＬＣ）装置は、キラルなスメクチック液晶を基にする（それは、J. Dijon in Chapter 13 (pages 307-354) of "Liquid Crystals Applications and Uses, Vol. 1, edited by B. Bahadur, published by World Scientific Publishing co. Pte. Ltd (Singapore) in 1990（非特許文献１）に記載されている。）。特に、ブックシェルフ形状に配列されたセルが開示されている（３０９頁参照）。それは、アライメント層の間に配列された、例えば１から１０μｍの厚さの非常に薄いセルである。アライメント層によって作られた境界の状態は、キラルなスメクチック液晶のへリックス構造を抑制するのに十分な程度の強さである。スメクチック層は、一般に、セルプレートに対して垂直であるが、その垂直に対してそれぞれの角度（チルト角）を有する２種の光学的状態の間で切り換えることができる。

米国特許第５４９８３６８号明細書（US-A-5498368、特許文献１）には、下記一般式を有するシロキサン含有化合物が記載されている。

ここで、Ｒは１から１０の炭素原子を有するアルキル基、または、以下の基を表し、

各Ｒ’は、１から４の炭素原子を有するアルキル基を表し、Ｔは、

を表わし、Ｘは少なくとも１つのキラル中心を有するアルキル基またはハロゲン置換アルキル基を表し、Ｙはフッ素原子を表し、ｍは０、１または２の値を有し、ｎは１０、１１または１２の値を有する。

米国特許第５４９８３６８号明細書（特許文献１）の強誘電性液晶シロキサンオリゴマーは、純化合物として、または比較的高いチルト角を示す混合物の状態で存在する。特開平０１−１４４４９１号公報（JP-A-01-144491、特許文献２）に開示されるような他の液晶材料のチルト角の測定値はポリマーごとに変動するのみでなく、温度の上昇に伴ってチルト角の減少も示す。米国特許第５４９８３６８号明細書（特許文献１）の強誘電性液晶材料のチルト角は、周囲温度を含めた広い温度範囲にわたる温度から実質的に独立である。
米国特許第５４９８３６８号明細書特開平０１−１１４４４９１号公報 J. Dijon in Chapter 13 (pages 307-354) of "Liquid Crystals Applications and Uses, Vol. 1, edited by B. Bahadur, published by World Scientific Publishing co. Pte. Ltd (Singapore) in 1990 I. G. Magnolis et al in the paper "Control of the electro-optic bistability of some useful FLCs useful for binary phase optical modulators" in Mol. Cryst. Liq. Cryst., 351, (2000) at page 305

しかし、当技術分野で開示されたセル構造のいずれも、例えば大画面のＦＬＣディスプレイパネル、リアルタイムホログラフィック装置などのような実際の応用において使用できるような双安定装置は提供しない。従って、このような双安定材料の開発が、当技術分野において必要である。

本発明者らは、本発明により、強誘電性シロキサンオリゴマー（米国特許第５４９８３６８号明細書に開示されているオリゴマーを包含する）を含む高品質なブックシェルフ型ＦＬＣ構造が、簡単に作成でき、双安定な形式でスイッチングすることができることを見いだした。

本発明の第一の形態によれば、ポリアミドまたはポリエステルのアライメント層の間に配列されたスメクチックＣシロキサン含有化合物を含む双安定液晶セルであって、前記シロキサン含有化合物が以下のものである双安定性液晶セルを提供する。

ここで、Ｒは１から１０の炭素原子を有するアルキル基を表すか、下記の基を表し、

各Ｒ’は１から４の炭素原子を有するアルキル基を表し、Ｔは、

を表し、Ｘは少なくとも１つのキラル中心を有するアルキルまたはハロゲン置換アルキル基を表し、Ｙはフッ素原子を表し、ｍは０、１または２の値を有し、ｐは２、３または４の値を有し、ｎは１０、１１または１２の値を有する。

本発明では、用語「双安定」は、液晶の２つの可能なスイッチ状態（すなわち、分子系が制御信号によって強制的にされる順安定状態）の実質的な緩和が全く観測できないことを指す。

本発明の強誘電性液晶シロキサンオリゴマーは、スメクチックＡ相またはネマチック相を有せず、スメクチックＣ相が等方性状態から冷却されると直接に形成される。本発明の最も好ましい強誘電性液晶シロキサンオリゴマーはＺがＣｌまたはＦである下記のオリゴマーである。

強誘電性液晶シロキサンオリゴマーは、最も好ましくは以下のものである。

第一の態様の結晶セルは、１以上のさらなる強誘電性液晶材料を含むことができる。このさらなる強誘電性液晶はスメクチックＣシロキサン含有化合物と組み合わせて、好ましくはそれらの混合物で提供することができる。このさらなる強誘電性液晶は、好ましくは５０％以下、より好ましくは２０％以下、最も好ましくは５％以下の、さらなる強誘電性液晶スメクチックＣシロキサン含有化合物の混合物のレベルで提供される。

本発明者らは、いずれかの特定の理論に結びつけることを意図しないが、双安定スイッチングを実現する能力は、アライメント層とこのアライメント層のすく隣のスメクチックＣ相の表面層との間の弱い相互作用（言い換えれば弱い結合）のみ、および／またはスメクチックＣ相の様々な層同士の間、特にスメクチックＣ相の前記表面層と、スメクチックＣ相の次の隣接した層との間の弱い相互作用のみを提供することで少なくともある程度は十分であり、または、それによって高められると考えられる。アライメント層および／またはシロキサン強誘電性化合物の性質はしかるべく選択されるべきである。アライメント層の場合、ポリアミドおよびポリエステルで作成された層が好ましい。

アライメント層は、好ましくはポリアミドである。好ましいポリアミドはナイロン−６，６であるが、ナイロン−６は他の選択肢である。ポリエステルアライメント層、特にポリアルキレンテレフタレート、例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）またはＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）のような脂肪族／芳香族ポリエステルのものも適切である。液晶用として最も一般的に使用されるアライメント層であるポリアミドアライメント層が、温度変化を用いずに、電場のみの印加によって双安定スイッチングを可能にすることは見いだされていない。第一の態様のセルは、当技術分野で知られた方法およびプロセスに従って調製することができる。

本発明は、さらに、第二の態様として、本発明の第一の態様で説明したセルを含む装置を提供する。この装置は、多重方式ＦＬＣ大パネルディスプレイまたは液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）装置であることが好ましい。第二の態様の装置は当技術分野で知られた方法およびプロセスに従って調製することができる。

液晶の最初のアライメントは、１から１０ＫＨｚの値を有する周波数で、１μｍのセルの厚さあたり２から５０Ｖの値を有する電場を印加することによって達成することができる。本発明は、また、第三の態様として、強誘電性液晶装置の双安定スイッチング方法を包含しており、その方法では、第一の態様に関して先に定義したように、セルを、１μｍのセルの厚さあたり２から５０Ｖの値を有する電場を印加することによってスイッチングする。

このような電圧は、多重方式ＦＬＣ大パネルディスプレイまたは液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）装置で利用可能であり、そのため、装置を整列し、必要であれば元の位置に復帰させることができる。これは、従来法である共有アライメント（これはディスプレイの製造には利用できない）、またはネマチック相およびスメクチックＡ相からスメクチックＣ相への冷却以外の、双安定スイッチングへの新たなルートを提供する。

本発明の利点には、双安定スイッチングに求められるアライメントを作り出すのに加熱／冷却サイクルが全く必要ないということが含まれる。従って、再アライメントは、必要であれば、製造されたＦＬＣディスプレイの寿命の間に行うことができる。（例えば、衝撃、変形または温度変位によって）ディスプレイ装置の表面に誘導されたアライメントが損傷を受けたディスプレイ装置は、使用中に、（例えば、装置のスタートアップ、またはシャットダウンの間に）ごく普通に修復することができる。

上記の材料は、積層するスメクチックＡ相またはネマチック相を有さないので、チルト角（従って、スイッチング角）は高く、温度に依存しない。シェブロンおよび関連する欠陥の形成は観測されない。このような一次転移を通るキラルスメクチックＣを示すようなＦＬＣのみが、有効な相調変調に必要な４５度のチルト角を持つことができる。以前には、真に双安定なこのような材料を作成する実用的な方法は全くなかった。本発明のセルの実施形態は、ディスプレイ業界（２２．５度付近のチルト角を持つもの）、並びに位相変調を用いるリアルタイムホログラフィック装置（ほぼ４５度のチルト角を持つもの）に使用することができる。得られたチルト角は、本発明の強誘電性液晶シロキサンオリゴマーに存在するメソゲンの選択によって選ぶことができる。

電気光学的双安定性は、受動的に多重化されるという（すなわち、各ピクセルにトランジスタ回路を配置することなしに作動するという）ＦＬＣディスプレイの注目すべき性能に基づく。堅牢な双安定表面アライメントを実現することが、大画面ＦＬＣディスプレイパネルを開発するに際しての主要な不確定要素となっていた。フレーム時間を効果的に加速するアクティブバックプレーンを持つＬＣＯＳディスプレイでは、双安定ＦＬＣ装置のみが、連続的に有効な画像を備えることができると考えられる。本発明者が知る限りでは、すべての市販のＦＬＣＬＣＯＳ装置は、双安定性に依拠しておらず、従って、休止期間中に照明を「スイッチオフ」しなければならない。本発明のセルは真に双安定であるので、連続的に有効な画像を備えることができる。

双安定性は、情報を貯蔵または蓄積するための装置、例えば、ホログラフィックシステム用の超高解像度ディスプレイのための光学的にアドレス指定される空間光変調器にＦＬＣを使用するのにも必要である。電気通信の応用のためのラッチスイッチも双安定であることが必要である。

ブックシェルフ構造の層回転は、I. G. Magnolis et al の論文の"Control of the electro-optic bistability of some useful FLCs useful for binary phase optical modulators" in Mol. Cryst. Liq. Cryst., 351, (2000)の３０５頁（非特許文献２）に記載されているように非対称波形を持つ電場の印加によって実現される。真に双安定な材料を保持しながらの層回転は以前には達成されたことがない。

本発明の各態様のすべての好ましい特徴は、必要な変更を加えてすべての他の態様に適用される。

本発明は、種々の方法で実施することができ、多くの特定の実施形態を、添付の図面を参照しながら本発明を説明するの実施例によって説明する。

図１は、セルの構造を概略断面図で示す。シロキサン含有結晶材料（１１７）が、ガラスまたは適切なポリマーで構成することができる一対の基板（１１０、１１１）の間に挟まれている。内側表面は、例えば、インジウム−スズ酸化物の透明な導電性フィルム（１１２、１１３）および位置調整媒介部材（１１４、１１５）で覆われている。位置調整媒介部材（１１４、１１５）は、本発明のセル中では、好ましくはポリアミド、または代替物としてのＰＥＴまたはＰＢＴである。スペーサー（１１６）はセルの厚さを規定する。導電性フィルムは、基板の内側面すべてを覆っていてもよく、または、適切なパターンにエッチングされていてもよい。

図２は、ＳｍＣ^*の等方性転移への結果を示す。

図２（ａ）は、２５から５０℃の範囲の温度でのチルト角の安定性を示す。

図２（ｂ）は、＋７から−７Ｖの間で変化する印加電圧に対するセルの電気光学的応答を示す。

図３（ａ）は、電場によるアライメントの前後におけるセル中のシロキサンオリゴマーの顕微鏡写真であり、アライメント後に達成されたブックシェルフ構造を示す。

図３（ｂ）は、従来法で整列された市販のＦＬＣのアライメントの前後での構造を示す。

図４は、実験用のキラルスメクチックＣ試験的シロキサンオリゴマーＣＤＲＲ³およびＣＤＲＲ⁸の双安定スイッチ状態を示す。

図４（ａ）および（ｂ）は、正および負にスイッチングされた状態において交差した偏光器の間のセルを通して取り出される光の顕微鏡写真である。図４（ａ）は、光が一方の状態（輝いている状態）では透過していることを示し、これに対し、図４（ｂ）は、光がもう一方の状態（暗い状態）では透過しないことを示す。観測された性質は、長いシロキサン鎖による表面からの分離を示唆する。このことは、また、層回転からも示唆される。

図５（ａ）および（ｂ）は、Mol. Cryst. Liq. Cryst. 351, 205 (2000)（非特許文献２）に記載されているような、セル中のＦＬＣの層回転を誘導するのに使用できる非対称波形を示す。

図６（ａ）は所定時間にわたりセルに印加される電圧を示す。正の電圧が、ＦＬＣが輝く状態に整列されるように印加され、次いで電圧をかけず、さらに負の電圧を印加する。図６（ｂ）は、セルを通過する交差した偏光器からの光に対するフォトダイオードの応答を示す。応答は、正の電圧の印加の後、正（光が透過さされる）であり、電圧が印加されていない間は実質的に安定であり、負の電圧が印加されたときにはゼロに落ちる。

図６（ｃ）は所定時間にわたってセルに印加される電圧を示す図である。この場合、負の電圧が、ＦＬＣが暗い状態に整列されるように印加され、次いで電圧をかけず、さらに正の電圧を印加する。図６（ｄ）は、フォトダイオードの応答を示す。応答は全く記録されない（光が全く透過しない。）。

本発明を、以下の非制限的な１以上の実施例を参照して例示する。

下式の強誘電性液晶シロキサンオリゴマー（ＣＤＲＲ８）を図１に示すタイプのセルに組み立てた。

アライメント層１１４、１１５を２０ｎｍ厚さのポリアミド層に塗った。このセルを５３℃超に加熱し、シロキサンオリゴマーをアイソトロピック状態に変換し、冷却してスメクチックＣ相を形成した。周波数１ＫＨｚの２０Ｖの電場を印加した。

セルの構造を示す概略断面図である。ＳｍＣ^*の等方性転移への結果を示す図である。（ａ）は、２５から５０℃の範囲の温度でチルト角の安定性を示す図である。（ｂ）は、＋７から−７Ｖの間で変化する印加電圧に対するセルの電気光学的応答を示す図である。（ａ）は、電場によるアライメントの前後でのセル中のシロキサンオリゴマーの顕微鏡写真であり、アライメント後に達成されたブックシェルフ構造を示す図である。（ｂ）は、従来法で整列された市販のＦＬＣのアライメントの前後での構造を示す図である。実験用のキラルスメクチックシロキサンオリゴマーＣＤＲＲ³およびＣＤＲＲ⁸の双安定スイッチ状態を示す図である。（ａ）は、光が一方の状態（輝いている状態）では透過することを示し、（ｂ）は、光がもう一方の状態（暗い状態）では透過しないことを示す。（ａ）および（ｂ）は、セル中のＦＬＣの層回転を誘導するのに使用できる非対称波形を示す図である。（ａ）は所定時間にわたってセルに印加される電圧を示す図である。（ｂ）は、セルを通過する交差した偏光器からの光に対するフォトダイオードの応答を示す図である。（ｃ）は所定時間にわたってセルに印加される電圧を示す図である。（ｄ）は、フォトダイオードの応答を示す。

Claims

ポリアミドまたはポリエステルのアライメント層の間に配列されたスメクチックＣ相を有する強誘電性化合物を含む双安定液晶セルであって、前記化合物が、

（式中、Ｒは１から１０の炭素原子を有するアルキル基、または、以下の基を表し、

各Ｒ’は、１から４の炭素原子を有するアルキル基を表し、Ｔは、

を表し、Ｘは少なくとも１つのキラル中心を有するアルキル基またはハロゲン置換アルキル基を表し、Ｙはフッ素原子を表し、ｍは０、１または２の値を有し、ｐは２，４または４の値を有し、ｎは１０、１１または１２の値を有する。）
の一般式を有する双安定液晶セル。
前記化合物が

（式中、ＺはＦまたはＣｌである。）
である請求項１に記載のセル。
前記アライメント層がナイロン−６，６またはナイロン−６である請求項１または２に記載のセル。
前記アライメント層が脂肪族／芳香族ポリエステルである請求項１から３のいずれか１項に記載のセル。
前記アライメント層がＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）またはＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）である請求項４に記載のセル。
前記シロキサン含有材料が２枚の基板の間に配置され、前記基板の少なくとも１つが透明導電性フィルムを支持している請求項１から５のいずれか１項に記載のセル。
２２．５度付近のチルト角をもたらすように選択されたメソゲンを含む請求項１から６のいずれかに記載のセル。
４５度付近のチルト角をもたらすように選択されたメソゲンを含む請求項１から６のいずれかに記載のセル。
請求項１から８のいずれか１項に記載の少なくとも１種のセルを含む強誘電性液晶装置。
前記装置が、多重方式ＦＬＣ大パネルディスプレイまたは液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）装置の１つである請求項９に記載の装置。
強誘電性液晶装置の双安定スイッチング方法であって、請求項１から８のいずれか１項に記載のセルを、１μｍのセルの厚さあたり２から５０Ｖの範囲の値を有する電場を印加することによりスイッチングする、双安定スイッチング方法。