JP3141433B2 - 強誘電性液晶組成物及びそれを用いた液晶光学素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光の作用による液晶の
配向変化を利用した新規な液晶光学素子に関し、更に詳
しくは、偏光板、透明性電極層及び配向膜を有する２枚
の透明性基板の間に、ホトクロミック化合物を含有する
液晶組成物を介在させ、情報を一時的又は永久的に繰り
返し保存することができる液晶光学素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶材料を用いる液晶光学素子として
は、電気的な作用による液晶の配向変化を利用するもの
と、光の作用により引き起こされる液晶の相変化や配向
変化を利用するものとがあるが、前者は主として表示用
に用いられ、後者は主として光記録に利用されるてい
る。

【０００３】電気的な作用を利用する液晶光学素子にお
いては、通常はパターンを形成した電極層を有する２枚
の基板の間に液晶材料を挟み込んで構成されているため
に、その解像性には限界があり、大容量の情報を保存す
るのに適していない。

【０００４】他方、光の作用により引き起こされる液晶
の相変化あるいは配向変化を利用して情報を保存し、消
去できるものとしては、低分子もしくは高分子ネマチッ
ク液晶にアゾベンゼンのようなホトクロミック化合物を
溶解させ、そのホトクロミズムに誘起される液晶の相変
化を利用したり、ホトクロミック化合物を基板面に結合
させてネマチック液晶素子とし、そのホトクロミズムに
誘起される液晶の配向変化を利用するもの等がある。
（川西、市村、日本写真学会誌、５２巻、４１３ページ
（１９８９年）参照）

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】これらの液晶光学素子
は、電極層による制限を受けないので優れた解像性を示
すが、液晶材料としてネマチック液晶を用いるために、
応答速度が数10〜数100ミリ秒と遅く、高速での情報処
理には適さないという欠点を有しているうえ、ホトクロ
ミズムにおける逆反応が熱的あるいは環境の光により進
行するために、情報の長期保存が困難という問題点を有
していた。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記課題を
解決するために、光による液晶の変化を利用した液晶光
学素子について鋭意研究を重ねた結果、ネマチック液晶
に代えて、応答速度が優れている強誘電性液晶を用い、
これにホトクロミック化合物を添加すれば、そのホトク
ロミズムに対応して液晶の配向が変化を受けることを見
いだし、更に、印加電圧に対して電極に蓄積された強誘
電性液晶層の電気量の変化はヒステリシス曲線を描くこ
とに着目して、本発明に到った。

【０００７】即ち、本発明は（１）ホトクロミック化合
物を含有する強誘電性液晶組成物及び（２）偏光板、透
明性電極層及び配向膜を有する２枚の透明性基板の間
に、ホトクロミック化合物を含有する強誘電性液晶組成
物を介在させた液晶光学素子を提供する。

【０００８】更に本発明は、（３）偏光板、透明性電極
層及び配向膜を有する２枚の透明性基板の間に、ホトク
ロミック化合物を含有する強誘電性液晶を介在させた液
晶光学素子に、電場を印加することによって、液晶分子
の分極を同一方向に揃えた後に、抗電場以下の逆電場を
印加しながら光を照射する光記録方法を提供する。

【０００９】本発明で使用する強誘電性液晶は、分子が
不斉炭素原子を有し、ラセミ体ではなく、分子の長軸と
垂直方向の永久双極子の成分を持ち、且つ、キラルスメ
クチックＣ相（以下、ＳＣ^*という。）を有するという
条件を満たす必要がある。（福田、竹添、「強誘電性液
晶の構造と物性」、コロナ社（1990）参照） 更には、分子の末端基の一方はアルキル基又はアルコキ
シル基であり、もう一方は連結部を介してキラル部を有
する基が好ましい。

【００１０】分子の中心骨格部の構造は、ビフェニル、
エステル、シクロヘキサン、ピリミジンあるいはピラジ
ン等の複素環が好ましく、ホトクロミズムを起こすため
に必要な波長の光に対して透過性を示すものであればよ
い。

【００１１】ここで、本発明で使用することができる強
誘電性液晶の代表的なものの例を以下に示す。

【００１２】

【化１】

【００１３】（式中、ｎは１から１８までの整数を表わ
す。）本発明で使用するホトクロミック化合物として
は、光の作用によって可逆的に分子構造が変化し、強誘
電性液晶に十分な溶解性を示すものであればいずれでも
よく、例えば、光幾何異性化反応を起こすアゾベンゼ
ン、スチルベン、インジゴあるいはチオインジゴなどの
誘導体、光電子環化反応を起こすスピロピラン、スピロ
オキサジンなどの誘導体等が挙げられる。

【００１４】これらのホトクロミック化合物の含有量
は、本発明の強誘電性液晶組成物中に0.1〜10重量％の
範囲が好ましく、0.5〜5重量％の範囲がより好ましい。
この範囲より少なければ光応答性が誘起されないし、こ
の範囲より多ければ液晶組成物が強誘電性液晶相を示し
にくくなる傾向がある。

【００１５】また、本発明の液晶光学素子に用いる偏光
板、配向膜、透明性電極層及び基板は、通常のＴＮ（ツ
イスティッド・ネマチック）型、あるいはＳＴＮ（スー
パー・ツイスティッド・ネマチック）型の液晶表示素子
に用いられているものを用いることができる。

【００１６】本発明の液晶光学素子を製造する方法とし
ては、例えば、公知の表面安定化強誘電性液晶素子の製
造方法と類似した方法を用いることができる。即ち、表
面に透明性電極層を有するパイレックス等の平滑なガラ
ス基板の電極層上に液晶配向膜を塗布する。ここで用い
る配向膜としては、ポリイミド等の高分子薄膜をラビン
グ処理したものが用いられる。このような処理を施した
２枚の基板間に、液晶層の厚みを調節するためのスペー
サを介在させて空セルとして、その空隙に真空注入法等
の方法によって本発明の強誘電性液晶を充填して、注入
孔部を封孔すればよい。更に、このセルの外面に２枚の
偏光板をそれぞれ配置すればよい。

【００１７】通常、強誘電性液晶は、印加電場の方向に
よって自発分極の向きが決まるが、印加電圧に対して電
極に蓄積された電気量の変化はヒステリシス曲線を描く
ものであり、このヒステリシス曲線の例を第１図に掲示
した。このようなヒステリシス曲線は強誘電性液晶に特
有のものであり、ホトクロミック化合物を含有する本発
明の強誘電性液晶においても同様である。

【００１８】第１図から、光を照射しない場合（第１図
における実線のヒステリシス曲線）には、液晶分子の自
発分極の向きを同一に揃えた状態では、逆向きの電場を
ある一定の値（抗電場）まで印加しても自発分極の反転
に基づく液晶の配向変化は起きないことが理解できる。

【００１９】しかしながら、同じ大きさの電場を印加し
ながら光を照射することによって、ホトクロミック化合
物がその分子構造を可逆的に変化させるので、その構造
変化はそれを取り囲む液晶分子の配列状態をも変えるの
で、光照射によって強誘電性液晶のヒステリシス曲線を
実際に変えることができる。このようなことから、実線
のヒステリシス曲線は、第１図中の破線のヒステリシス
曲線に変化する。

【００２０】従って、電圧を印加しながら光を照射する
ことによって抗電場の値を変化させ、光を照射しない場
合の抗電場より小さい逆向きの電場を印加しながら光照
射をすれば、液晶分子の分極の向きが容易に変化し、偏
光透過率も変化することを利用したものが本発明の液晶
光学素子及び記録方法である。

【００２１】本発明の記録方法を第２図によって更に詳
細に説明する。第２図中の（ａ）は、本発明の液晶光学
素子に抗電場以上の電場を印加して液晶分子の自発分極
の向きを揃えた状態である。

【００２２】次いで、（ｂ）のように、抗電場以下の逆
向きの電場を印加しながらホトクロミズムを引き起こす
波長の光を照射すると、ホトクロミック化合物の構造が
変化し、これに伴ってホトクロミック化合物を取り囲む
液晶分子の配列状態も変化し、（ｃ）のように、印加電
場の作用によって液晶分子の自発分極の向きが反転する
ことによって、光で書き込まれた情報が液晶分子の配向
変化として保存される。

【００２３】また、強誘電性液晶は、メモリー効果を有
するため、本発明の液晶光学素子は、情報を保存した
後、電場の印加を解除しても情報をそのまま保持するこ
とができ、長期に渡る保存が可能である。

【００２４】本発明の液晶光学素子において、保存した
情報を消去するには、記録時とは逆の向きの電場を印加
しながらホトクロミック化合物が元に戻る反応を引き起
こす波長の光を照射すればよいし、あるいは、ホトクロ
ミック化合物が元に戻る反応を引き起こす波長の光を照
射してから、記録時とは逆の向きの電場を印加してもよ
い。

【００２５】本発明の記録方法に用いられる光源として
は、水銀灯、キセノン灯などのほかに、ホトクロミック
反応を引き起こす波長の光を発振するレーザ、例えば、
ヘリウム−カドミウムレーザ、アルゴンレーザ、ヘリウ
ム−ネオンレーザ、更には半導体レーザを適宜用いるこ
とができる。レーザの場合には走査露光によって画像を
形成することができる。

【００２６】本発明の液晶光学素子においては、自発分
極の反転に基づく液晶分子の配向変化は印加される電場
の大きさに依存するが、自発分極の反転を引き起こすた
めのホトクロミック反応は完結する必要はなく、一部が
分子構造変化すればよい。このため、本発明の液晶光学
素子は従来のホトクロミズムを利用する光応答型液晶光
学素子より、格段に高い感度を有するという特徴を持
つ。

【００２７】更には、ホトクロミック反応を要する分子
の数は少なくて済むので、ホトクロミック化合物の光劣
化に伴う液晶光学素子の劣化が、著しく低減されるとい
う特徴も兼ね備えている。

【００２８】本発明の液晶光学素子に書き込まれた情報
は、偏光子により容易に検出することができる。本発明
の液晶光学素子は、光の照射された部分に情報が記録さ
れるので、照射する光を制御することによって高い解像
性が得られる。

【００２９】

【実施例】以下に、本発明の実施例を示し、本発明を更
に具体的に説明する。しかしながら、本発明はこれらの
実施例に限定されるものではない。 （実施例１） 式（ａ）

【００３０】

【化２】

【００３１】の化合物９７．７重量％及び式（ｂ）

【００３２】

【化３】

【００３３】のアゾベンゼン誘導体２．３重量％から成
る強誘電性液晶組成物を調整した。なお、式（ａ）の化
合物の諸特性は、以下の通りであった。 （上記中、Ｃは結晶相、ＳＣ^*はキラルスメクチックＣ
相、ＳＡはスメクチックＡ相、Ｎ^*はキラルネマチック
相、Ｉは等方性液体相をそれぞれ表わす。）この強誘電
性液晶組成物を真空脱気処理によって、透明ITO電極層
上にポリイミド系配向膜を有する２枚のパイレックス製
（２×２cm²）透明基板から成るセル厚２μmの空セルに
充填した後、注入孔部分を封孔して、２枚の偏光板を配
置して、液晶光学素子を作成した。

【００３４】この液晶光学素子に特定波長の光を照射し
ないときの抗電場の大きさは約６Ｖであった。この液晶
光学素子に２０Ｖの直流電圧を印加して液晶分子の分極
を一方向にさせた後、６Ｖ以下の逆電圧を印加しながら
式（ｂ）のアゾベンゼン誘導体の吸収波長である紫外光
（３６５nm）を照射すると、すみやかに露光部の分極方
向が反転し、直交ニコル間では明瞭な画像を確認するこ
とができた。この画像は３カ月以上、室温で保存しても
消失することはなかった。

【００３５】また、この液晶光学素子に可視光（約440n
m）を十分照射してから再び２０Ｖの直流電圧を印加し
たところ、画像は完全に消去された。 （実施例２）実施例１において、式（ａ）の化合物９
７．８重量％及び不斉炭素原子を持たない式（ｃ）

【００３６】

【化４】

【００３７】のアゾベンゼン誘導体２．２重量％から成
る強誘電性液晶組成物を用いた以外は、実施例１と同様
にして、液晶光学素子を作成した。この液晶光学素子に
２０Ｖの直流電圧を印加して液晶分子の分極を一方向に
させた後、６Ｖ以下の逆電圧を印加しながらアゾベンゼ
ン誘導体の吸収波長である紫外光（３６５nm）を照射す
ると、すみやかに露光部の分極方向が反転し、直交ニコ
ル間では明瞭な画像が観察された。 （実施例３）実施例１において、式（ａ）の化合物９
７．５重量％及び4,4'-ジオクチルオキシアゾベンゼン
２．５重量％を用いた以外は、実施例１と同様にして、
液晶光学素子を作成した。

【００３８】この液晶光学素子に２０Ｖの直流電圧を印
加して液晶分子の分極を一方向にさせた後、６Ｖ以下の
逆電圧を印加しながらアゾベンゼン誘導体の吸収波長で
ある紫外光（３６５nm）を照射すると、すみやかに露光
部の分極方向が反転し、直交ニコル間では明瞭な画像が
観察された。

【００３９】

【発明の効果】本発明の液晶光学素子は、強誘電性液晶
を用いているので、従来のネマチック液晶を用いた液晶
光学素子よりも、迅速な光書き込み速度を有し、更に、
書き込んだ情報を長期にわたって保存することができる
という優れた特性を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶光学素子における印加電圧（Ｅ）
と電気分極（Ｖ）の関係を示した図表である。

【図２】本発明の液晶光学素子における記録の状態を簡
単に示した図である。

【符号の説明】 １ 基板 ２ 液晶分子の分極方向 ３ 電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｇ０３Ｃ 1/00 ５３１ Ｇ０３Ｃ 1/00 ５３１ 5/08 ３５１ 5/08 ３５１ (56)参考文献 特開 平３−190845（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−232293（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−86008（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C09K 19/54 C09K 9/02 C09K 19/12 C09K 19/20 G02F 1/13 G03C 1/00 G03C 5/08

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 偏光板、透明性電極層及び配向膜を有す
   る２枚の透明性基板の間に、ホトクロミック化合物を含
   有する強誘電性液晶組成物を介在させた液晶光学素子
   に、電場を印加することによって液晶分子の分極を同一
   方向に揃えた後に、抗電場以下の逆電場を印加しながら
   光照射し、光照射部分の液晶分子の分極の方向を反転さ
   せることによって、情報を記録する記録方法。