JP2726111B2 - 強誘電性液晶素子 - Google Patents

強誘電性液晶素子

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JP2726111B2 JP17159089A JP17159089A JP2726111B2 JP 2726111 B2 JP2726111 B2 JP 2726111B2 JP 17159089 A JP17159089 A JP 17159089A JP 17159089 A JP17159089 A JP 17159089A JP 2726111 B2 JP2726111 B2 JP 2726111B2
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、例えば液晶テレビ等のディスプレイ用、光
プリンターヘッド、光フーリエ変換素子、ライトバルブ
等、液晶やエレクトロケミクロミズムを利用するオプト
エレクトロニクス関連素子として有用な強誘電性液晶素
子に関するものである。
(従来の技術および発明が解決しようとする課題) 現在、液晶化合物が表示材料として種々の機器で応用
され、時計、電卓、小型テレビ等に実用化されている。
これらは、ネマチック液晶材料を主成分としたセルを用
い、TN型あるいはSTN型と呼ばれる表示方式のものが採
用されている。この場合のセルは、液晶化合物の誘電異
方性Δεと電場Eとの弱い相互作用(ΔεE2/2)に基づ
く作動であり、電場に対する応答速度が数m secと遅い
ことが欠点としてあげられている。そのため、テレビに
用いた場合、駆動方式として画素ごとにスイッチング素
子を配置、付加したアクティブマトリクス方式が主とし
て用いられ、大画面化を図る上での障害の一つになって
いる。しかし、1975年R.B.Meyerらによって合成された
4−(4−n−デシルオキシベンジリデンアミノ)ケイ
皮酸−2−メチルブチルエステル(DOBAMBC)を代表例
とする強誘電性液晶の出現と、それを用いたN.A.Clark
らの提案した新しい表示方式(SSFLC型)(Applied Phy
s.Lett.1980,36,899)により、μ secオーダーの高速応
答性および電場を切っても液晶分子の配向が変わらない
特性(メモリー性)を有する液晶セルが可能となった。
これらの材料を用いた表示素子を使えば、スイッチング
素子などを用いないマルチプレックス駆動による単純マ
トリクス方式による液晶テレビが可能となり、アクティ
ブマトリクスのものに比べ、生産性やコスト、信頼性さ
らには大画面化などの面ではるかに有利なものとなる。
このため、現在まで多くの強誘電性液晶材料が合成さ
れ、提案され、強誘電性液晶素子として用いられてい
る。
しかし、強誘電性液晶材料を表示素子として用いるに
は、大きな自発分極を有すること、低粘性を有するこ
と、あるいは室温近傍を含む広い温度範囲でカイラルス
メクチックC相を示すこと等の物性が要求され、現在ま
でのところこれらの物性を充分に満足する強誘電性液晶
材料は知られていない。
一方、近年、強誘電性液晶を用いた新たな方式の素子
として、厚膜状態でも回位線と回位線の間の液晶分子の
配向がユニフォーム状態になる液晶材料と界面とを用い
ることにより、らせん状態を保持したままで強誘電性液
晶と同様なスイッチングを行うものが開発された(Y.Ou
chi他,Jpn.J.Appl.Phys.27 L733(1988))。しかし、
この方法は厚膜状態でもユニフォーム状態になる材料と
界面の組合わせを選ぶ必要があり、用いる材料と界面が
かなり限定されるという欠点があった。
また、他の方式の素子として、厚膜において過渡光散
乱を用いる表示素子も提案されているが(K.Yoshino,Jp
n.J.Appl.Phys.23 L385(1984))、この方法も、光散
乱状態を持続するため矩形波を印加し続けなければなら
ず、素子が複雑となるとうい欠点があった。
更に、他の方式の素子として、キラル分子によって構
成されるスメクチックA相(SA相)において、電場によ
って配向が誘起される結果、すなわちエレクトロクリニ
ック効果を用いるものがある(Ch.Bahr他,Liq.Cryst,
825(1987))。この場合分子の傾き角が十分大きいこ
とが要求されるが、そのためには、大きな印加電圧ある
いは大きな自発分極をもつ材料が必要であり、またその
傾き角は温度依存性が大きいという欠点があった。
更にまた他の方式の素子として、液晶分子の配向が安
定な第三状態を示す材料を利用するものがある(A.D.L.
Chandani他,Jpn.J.Appl.Phys.27 PL729(1988))。し
かし、この第三状態を示す強誘電性液晶材料は少なく、
また応答速度も不十分であるという欠点があった。
そこで本発明の目的は、上述の強誘電性液晶素子の欠
点を解決し、従来の強誘電性液晶素子の原理とは異なる
新しい方式の優れた強誘電性液晶素子を提供することに
ある。
(課題を解決するための手段) 本発明者らはかかる強誘電性液晶素子を開発すべく鋭
意検討した結果、本出願人の特許出願(特願平1−6229
1号)に係る、優れた性能を有するトリフルオロメチル
基含有エステル化合物のいくつかが、従来にない新しい
方式の強誘電性液晶素子を与えることを見い出し、本発
明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、強誘電性液晶と電圧を印加する
手段とを具えた強誘電性液晶素子において、前記強誘電
性液晶として、層構造を有し、分子の長軸が層法線から
傾いており、その傾き角が印加電圧の絶対値の増加によ
り減少する化合物を用いるとともに、印加電圧を正負の
逆転なしに変化させることにより、スイッチング作動を
なすことから構成され、特に、前記化合物が、下記一般
式(1) (式中、R及びR1はC1〜C18のアルキル基、Xは−O−
または−COO−のいずれか、A及びBは単結合、−COO−
または−OCO−のいずれかを、Cは不斉炭素を示す)
で表わされる化合物の少なくとも1種以上含有すること
からなるものである。
本発明に言う上記強誘電性液晶は、通常の強誘電性液
晶と同様に、カイラルスメクチックC相において、層構
造を有し、分子の長軸が層法線から傾いているが、その
傾き角が印加電圧の絶対値の増加により減少する点で特
異なものである。すなわち、通常の強誘電性液晶化合物
の場合は、印加電圧の絶対値を増加させると、その傾き
角は増加し、所定の印加電圧に達すると、それ以後さら
に印加電圧を増加させてもその傾き角は一定値を保つ。
しかし、本発明では、前記の化合物とは異なり、所定の
印加電圧に達し、さらに印加電圧を増加させていくと、
傾き角が大きく低下する化合物を用いるものである。こ
のような化合物の代表例が、上記一般式(1)で示され
るものである。これらの化合物の理化学的性質や製造方
法は、特願平1−62291号に詳述されている。
一方、電圧を印加する手段としては、ガラス等の透明
な基板からなるセル内の液晶化合物と接する前記基板
に、NESA膜或いはITO膜等の金属酸化物膜を透明電極と
して形成することにより調製される。尚、このセル内に
は、ポリイミド等の配向膜を塗布、形成しても良いこと
は言うまでもない。
本発明では、このようにして形成された液晶セルに、
上記の液晶化合物を充填し、上述の傾き角が大きく低下
する範囲内で印加電圧を変化させるように構成する。こ
の印加電圧は、正側でも負側でも良く、また、上記正側
または負側のいずれかの範囲内で連続的に変化させて
も、さらには上記正側または負側のいずれかの範囲内で
の二点間を切り替える方式で変化させるように構成して
も良い。前者は、連続的に切り替えるスイッチング作動
を行い、後者は、断続的なスイッチング作動を行うこと
になる。
(作 用) 本発明の強誘電性液晶素子において、強誘電性液晶と
して、傾き角が印加電圧の絶対値の増加により減少する
化合物を用い、印加電圧を正負の逆転なしに変化させる
ことにより、スイッチング作動をなすようにしたため、
従来の液晶分子のスイッチング機構のように傾き角の反
転によって光の透過量を変化させるのではなく、傾き角
の角度の大小によって、光の透過量を変化させるスイッ
チング機能を果たすことから、従来にない高速応答性を
示すことになる。
(実施例) 次に本発明を実施例により具体的に説明する。
実施例1 液晶材料として、次式、 で表わされる4′−オクチルオキシビフェニル−4−カ
ルボン酸−4−(2−トリフルオロメチル−2−フルオ
ロヘキシルオキシカルボニル)フェニルを用い、この材
料を2枚のITO付きガラスからなる厚さ3μmのセルに
注入し、液晶配向法として温度勾配法を用いて良好なモ
ノドメインを作成した。このセルを116℃に保ち、正負
の直流を印加し、クロスニコルの偏光顕微鏡下で暗視野
となるセルの位置の移動角から傾き角を測定した。
4 この結果、正電界印加の場合も負電界印加の場合も
絶対値で10V以上の直流の印加により、印加電圧の絶対
値を増大させると分子の傾き角が小さくなる現象が確認
された(第1図参照)。
また、+14Vから+30Vのステップ波を印加すると、ク
ロスニコルの偏光顕微鏡下の観察で明瞭なスイッチング
現象が観察され、強誘電性素子となることが確認され
た。そのときの透過光量の変化をフォトダイオードによ
り検出したところ、第2図に示す応答波形がえられ、応
答が高速であることがわかった。
実施例2 液晶材料として実施例1の化合物を用い、ポリイミド
を塗布し、ラビング処理を施した2枚のITOガラスから
なる厚さ4.6μmのセルに注入し、等方性液体から徐冷
することにより液晶相を配向させた。このセルを120.5
℃に保ち、実施例1に記載の方法で分子の傾き角を測定
した。
この結果、正電界印加の場合も負電界印加の場合も絶
対値が15V以上の直流印加により、印加電圧の絶対値を
増大させると分子の傾き角が小さくなる現象が確認され
た(第3図参照)。この現象はセルの界面によらず、液
晶材料自身のもつ特性であることがわかった。
実施例3 液晶材料として、次式、 で表わされる4′−オクチルオキシビフェニル−4−カ
ルボン酸−4−(2−トリフルオロメチル−2−フルオ
ロデシルオキシカルボニル)フェニルを用い、実施例2
に記載の方法で分子の傾き角の測定を行った。尚、温度
は85℃、セル厚さは2.7μmである。
測定の結果、15V以上の直流印加により、実施例2に
記載の現象が確認された(第4図参照)。
実施例4 液晶材料として、次式、 で表わされる4−ノナノイルオキシ安息香酸−4′−
(2−トリフルオロメチル−2−フルオロヘキシルオキ
シカルボニル)ビフェニルを用い、実施例2に記載の方
法で分子の傾き角の測定を行った。尚、温度は50℃、セ
ル厚さは3.6μmである。
測定の結果、25V以上の直流印加により、実施例2に
記載の現象が確認された(第5図参照)。
この新しい強誘電性液晶素子の材料の構造的特徴を明
らかにするために、いくつかの材料について実施例2の
現象がおこるか否かを、以下の比較例により確認した。
比較例1 液晶材料として、次式、 で表わされる4′−オクチルオキシビフェニル−4−カ
ルボン酸−4−(2−トリフルオロメチル−2−フルオ
ロヘキサノイルオキシ)フェニルを用い、実施例2に記
載の方法で分子の傾き角の測定を行った。尚、温度は95
℃、セル厚さは4.1μmである。
測定の結果、実施例2に記載の現象は確認されなかっ
た(第6図参照)。
比較例2 液晶材料として、次式、 で表わされる4′−オクチルオキシビフェニル−4−カ
ルボン酸−4−(2−トリフルオロメチル−2−フルオ
ロデカノイルオキシ)フェニルを用い、実施例2に記載
の方法で分子き傾き角の測定を行った。尚、温度は75
℃、セル厚さは4.1μmである。
測定の結果、実施例2に記載の現象は確認されなかっ
た(第7図参照)。
比較例3 液晶材料として、次式、 で表わされる4−オクチルオキシビフェニル−4−カル
ボン酸−4−(2−メチルヘキシルオキシカルボニル)
フェニルを用い、実施例2に記載の方法で分子の傾き角
の測定を行った。尚、温度は110℃、セル厚さは4.6μm
である。
測定の結果、実施例2に記載の現象は確認されなかっ
た(第8図参照)。
比較例1〜3の結果から、キラル部分として、次式、 で表わされる構造を有すると、本発明の強誘電性液晶素
子の材料として使用できることが分かる。
(発明の効果) 以上説明してきたように、本発明の強誘電性液晶素子
において、強誘電性液晶として、層構造を有し、分子の
長軸が層法線から傾いており、その傾き角が印加電圧の
絶対値の増加により減少する化合物を用いるとともに、
印加電圧を正負の逆転なしに変化させることにより、ス
イッチング作動をなすようにしたため、スイッチング時
間が極めて高速であり、従来にはない、全く新しい方式
の強誘電性液晶素子ということができる。
従って、本発明は、例えば液晶テレビ等のディスプレ
イ用、プリンターヘッド、光フーリエ変換素子、ライト
バルブ等、液晶やエレクトロケミクロミズムを利用する
オプトエレクトロニクス関連素子として極めて有用であ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は実施例1における表示素子の印加電圧と液晶分
子の傾き角との関係を示すグラフ、 第2図は上記表示素子の時間と透過光量および印加電圧
との関係を示すグラフ、 第3図は実施例2における表示素子の印加電圧と液晶分
子の傾き角との関係を示すグラフ、 第4図は実施例3における表示素子の印加電圧と液晶分
子の傾き角との関係を示すグラフ、 第5図は実施例4における表示素子の印加電圧と液晶分
子の傾き角との関係を示すグラフ、 第6図は比較例1における表示素子の印加電圧と液晶分
子の傾き角との関係を示すグラフ、 第7図は比較例2における表示素子の印加電圧と液晶分
子の傾き角との関係を示すグラフ、 第8図は比較例3における表示素子の印加電圧と液晶分
子の傾き角との関係を示すグラフである。 尚、図中の○は電圧の絶対値を増大させながら測定した
値であり、一方●は電圧の絶対値を減少させながら測定
した値である。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】強誘電性液晶と電圧を印加する手段とを具
    えた強誘電性液晶素子において、前記強誘電性液晶とし
    て、層構造を有し、分子の長軸が層法線から傾いてお
    り、その傾き角が印加電圧の絶対値の増加により減少す
    る化合物を用いるとともに、印加電圧を正負の逆転なし
    に変化させることにより、スイッチング作動をなすこと
    を特徴とする強誘電性液晶素子。
  2. 【請求項2】請求項1の化合物が、下記一般式(1) 前記強誘電性液晶部分が下記の一般式(1)、 (式中、R及びR1はC1〜C18のアルキル基、Xは−O−
    または−COO−のいずれか、A及びBは単結合、−COO−
    または−OCO−のいずれかを、Cは不斉炭素を示す)
    で表わされる化合物の少なくとも1種以上含有すること
    を特徴とする強誘電性液晶素子。
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