JP3594955B1 - スメクティック液晶素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 反強誘電性液晶に代表される相系列にネマティック相を持たないスメクティック液晶の一様配向を実現することができるスメクティック液晶素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 スメクティック液晶に光重合性のネマティック相を示すモノマー液晶を添加した混合物の相系列として等方相−ネマティック相−スメクティック相を誘起させる工程と、前記混合物にＵＶ光照射を行い、モノマーを光重合・高分子化させて、一様配向構造のスメクティック液晶媒質を生成する工程とを施す。
【選択図】 図１
【解決手段】 スメクティック液晶に光重合性のネマティック相を示すモノマー液晶を添加した混合物の相系列として等方相−ネマティック相−スメクティック相を誘起させる工程と、前記混合物にＵＶ光照射を行い、モノマーを光重合・高分子化させて、一様配向構造のスメクティック液晶媒質を生成する工程とを施す。
【選択図】 図１
Description
本発明は、スメクティック液晶素子およびその製造方法に関するものである。
近年、液晶ディスプレイにおいて美しい動画表示を可能にするなどの様々な特徴から、自発分極を有する強誘電性液晶や反強誘電性液晶〔下記非特許文献１参照〕が注目されている。しかし、これらの強誘電性液晶や反強誘電性液晶に代表されるスメクティック液晶は、その分子配向構造に層構造を有するため、現在液晶ディスプレイなどへ広く利用されているネマティック液晶に比べ、一様配向構造を得ることが格段に困難である。
さらに、反強誘電性液晶は、現在までに数万とも言われる数多くのものが合成されてきたが、未だにその相系列にネマティック相を有するものは見出されておらず、相系列にネマティック相を有する強誘電性液晶よりもはるかに一様配向構造を得ることが難しい。
そこで、本願発明者らはこれまでに強誘電性液晶中に液晶骨格を有する高分子を導入した高分子安定化強誘電性液晶について報告をしてきた〔下記非特許文献２参照〕。
また、液晶に対して一様配向構造を得るための有効な従来技術としては、温度勾配法、磁場印加配向法、ずり応力印加法がある（例えば、下記非特許文献３参照）。しかし、これらは、特別な素子構成や装置を必要とするため、簡便な方法とは言えない。
特開平２００３−９８５５３号公報（第２−３頁 図１）
Ａ．Ｄ．Ｌ．Ｃｈａｎｄａｎｉ ｅｔ ａｌ．：Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，２８，Ｌ１２６１（１９８９）
Ｈ．Ｆｕｒｕｅ ｅｔ ａｌ．：Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，３６，Ｌ１５１７（１９９７）
液晶便覧編集委員会編：液晶便覧，ｐｐ．２４８，丸善
図７は従来のスメクティック液晶相において一様な分子配向構造を得る方法を示す模式図、図８はその従来技術の問題点を示す図である。
スメクティック液晶相において一様な分子配向構造を得るためには、まず、図７（ａ）に示すように、等方相（Ｉｓｏ．）から、降温過程を経て、図７（ｂ）に示すように、ネマティック相（Ｎ）に転移して分子の一様配向を形成した後、次いで、図７（ｃ）および（ｄ）に示すように、スメクティック相（ＳｍＡ，ＳｍＣ）に転移して一様な層構造を形成することが重要である。
しかしながら、反強誘電性液晶のように等方相（Ｉｓｏ．）から直接スメクティック相（ＳｍＡ，ＳｍＣ）へ転移する場合、分子配向と層構造形成が同時に起こるため、等方相（Ｉｓｏ．）中に現れる液晶ドメインの核発生・成長の過程で生じる配向の乱れが層構造形成により固定化され、図８に示すように、分子配向の乱れた媒質が得られてしまう（ネマティック相であれば、分子の再配向が容易に生じるため、液晶ドメインの成長に伴い、一様配向領域が拡大する）。
本発明は、上記状況に鑑みて、反強誘電性液晶に代表される相系列にネマティック相を持たないスメクティック液晶の一様配向を実現することができるスメクティック液晶素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕スメクティック液晶素子の製造方法において、（ａ）スメクティック液晶に光重合性のネマティック相を示すモノマー液晶を添加した混合物の相系列として等方相−ネマティック相−スメクティック相を誘起させる工程と、（ｂ）前記混合物にＵＶ光照射を行い、モノマーを光重合・高分子化させて、一様配向構造のスメクティック液晶媒質を生成する工程とを施すことを特徴とする。
〔２〕上記〔１〕記載のスメクティック液晶素子の製造方法において、高分子が上記（ｂ）工程において配向構造を記憶し安定化させるテンプレートの働きをなし、上記（ｂ）工程後の等方相への転移によっても、相転移以前と全く変化しない一様配向構造のスメクティック液晶媒質を等方相から直接得ることを特徴とする。
〔３〕スメクティック液晶素子であって、上記〔１〕又は〔２〕記載のスメクティック液晶素子の製造方法によって製造される。
〔１〕スメクティック液晶素子の製造方法において、（ａ）スメクティック液晶に光重合性のネマティック相を示すモノマー液晶を添加した混合物の相系列として等方相−ネマティック相−スメクティック相を誘起させる工程と、（ｂ）前記混合物にＵＶ光照射を行い、モノマーを光重合・高分子化させて、一様配向構造のスメクティック液晶媒質を生成する工程とを施すことを特徴とする。
〔２〕上記〔１〕記載のスメクティック液晶素子の製造方法において、高分子が上記（ｂ）工程において配向構造を記憶し安定化させるテンプレートの働きをなし、上記（ｂ）工程後の等方相への転移によっても、相転移以前と全く変化しない一様配向構造のスメクティック液晶媒質を等方相から直接得ることを特徴とする。
〔３〕スメクティック液晶素子であって、上記〔１〕又は〔２〕記載のスメクティック液晶素子の製造方法によって製造される。
より具体的な例としては、
〔４〕上記〔１〕記載のスメクティック液晶素子の製造方法において、前記スメクティック液晶が、４−ｃｙａｎｏ−４’−ｄｏｄｅｃｙｌｂｉｐｈｅｎｙｌであり、前記光重合性のネマティック相を示すモノマー液晶を３０ｗｔ％添加することを特徴とする。
〔５〕上記〔３〕記載のスメクティック液晶素子において、ラビング配向膜が形成された上下ガラス基板を有する液晶セル構造を具備する。
〔６〕上記〔５〕記載のスメクティック液晶素子において、前記上下ガラス基板のラビング配向膜のラビング方向が同一方向になるように構成する。
〔７〕上記〔５〕記載のスメクティック液晶素子において、前記液晶セルギャップが２μｍである。
〔４〕上記〔１〕記載のスメクティック液晶素子の製造方法において、前記スメクティック液晶が、４−ｃｙａｎｏ−４’−ｄｏｄｅｃｙｌｂｉｐｈｅｎｙｌであり、前記光重合性のネマティック相を示すモノマー液晶を３０ｗｔ％添加することを特徴とする。
〔５〕上記〔３〕記載のスメクティック液晶素子において、ラビング配向膜が形成された上下ガラス基板を有する液晶セル構造を具備する。
〔６〕上記〔５〕記載のスメクティック液晶素子において、前記上下ガラス基板のラビング配向膜のラビング方向が同一方向になるように構成する。
〔７〕上記〔５〕記載のスメクティック液晶素子において、前記液晶セルギャップが２μｍである。
本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
（１）反強誘電性液晶に代表される相系列にネマティック相を持たないスメクティック液晶の一様配向を実現することができる。
（２）簡便な方法により、高分子化され、一様な分子配向構造のスメクティック液晶媒質を有するスメクティック液晶素子を得ることができる。
（３）高分子が配向構造を記憶し安定化させるテンプレートの働きをなし、等方相への転移によっても、相転移以前と全く変化しない一様配向構造のスメクティック液晶媒質を等方相から直接得ることができる。
高分子化され、一様な分子配向構造のスメクティック液晶媒質を有するスメクティック液晶素子を得ることができ、反強誘電性液晶に代表される相系列にネマティック相を持たないスメクティック液晶の一様配向を実現する。
その製造は、スメクティック液晶に光重合性のネマティック相を示すモノマー液晶を添加した混合物の相系列として等方相−ネマティック相−スメクティック相を誘起させる工程と、前記混合物にＵＶ光照射を行い、モノマーを光重合・高分子化させて、一様配向構造のスメクティック液晶媒質を生成する工程とを施す。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
まず、本発明の原理について説明する。
スメクティック液晶に光重合性のモノマー液晶を適量添加する。このモノマー液晶にはネマティック相を示す物を用いる。ネマティック液晶モノマーの添加により混合物の相系列として等方相−ネマティック相−スメクティック相となるように混合比を調製する。つまり、その混合物に等方相−ネマティック相−スメクティック相の相系列が誘起されれば、一様な分子配向を有するスメクティック液晶媒質が得られることになる。なお、このときのスメクティック相は反強誘電性液晶である必要はない（むしろ、上述したように、ネマティック相と反強誘電性液晶相は同一相系列では一般に共存しないので、このスメクティック相に反強誘電性液晶相は現れない）。
次いで、この混合物にＵＶ光照射を行い、モノマー液晶を光重合・高分子化させ、液晶と高分子の相分離を引き起こす。相分離の結果、液晶は元の組成に戻るため、本来の相系列に戻る。主として添加したモノマー量に依存するが、高分子化に伴う配向の乱れが生じなければ、最終的に一様配向のスメクティック液晶媒質が得られることになる。また、高分子ネットワークの導入により、この一様配向構造が強く安定化されることも特徴である。
一例として４−ｃｙａｎｏ−４’−ｄｏｄｅｃｙｌｂｉｐｈｅｎｙｌ
図３は本発明の実施例を示すスメクティック液晶素子の構成図である。
この図において、１はガラス下基板、２はガラス下基板１上に形成されるラビング配向膜、３はガラス上基板、４はガラス上基板３下に形成されるラビング配向膜、５は本発明における高分子化され、一様な分子配向構造の液晶媒質を有するスメクティック液晶、６は液晶セルである。
ここでは、例えば、上下ガラス基板１，３のラビング配向膜２，４のラビング方向が同一方向になるように形成する。また、前記液晶セル６のギャップは２μｍである。
モノマー液晶添加後におけるテクスチャーと温度変化を図１に示す。
（１）まず、降温過程において等方相〔図１（ａ）：５５℃〕からネマティック相〔図１（ｂ）次いで図１（ｃ）：５０℃〕への転移が、次いで、スメクティック相〔図１（ｄ）：３６℃〕への転移が確認される。ネマティック相を経由するため、一様な分子配向を有するスメクティック液晶媒質が得られる。
（２）これにＵＶ光照射を行い光重合・高分子化させた際のテクスチャーを図２に示す。
図１（ｄ）に示されるスメクティック相媒質〔図２（ａ）：３６℃〕にＵＶ光照射を行うことにより、光重合・高分子化された媒質〔図２（ｂ）〕が得られる。
この時、相分離が引き起こされるが、液晶／高分子の相分離による大きな配向の乱れは確認されず、一様な配向構造が維持される。なおかつこの光重合・高分子化された媒質〔図２（ｂ）〕は、相分離により、元の相系列に戻る。したがって、この等方相からネマティック相を経由して得られたスメクティック相が、今度は相分離によって、ネマティック相を経由せずにスメクティック相から等方相へ直接転移することが確認された。
図４は本発明にかかるネマティック相を経由して得られた等方相から直接スメクティック相への直接転移の態様を示す図である。
この図に示すように、スメクティック相〔図４（ａ）：４０℃〕を加熱して、一度、等方相〔図４（ｂ）：６０℃〕にした後に、再び降温させると、等方相〔図４（ｂ）〕から直接スメクティック相〔図４（ｃ）：４０℃〕へ転移するにも関わらず、図４（ｃ）に示すように、一様な分子配向が得られる。これは、形成された高分子ネットワークが光重合時の配向構造を記憶し、テンプレートの働きをしているからである。その結果、等方相〔図４（ｂ）〕に転移させる前後において、ほぼ完全に同一のテクスチャーが得られる。
次に、この高分子テンプレートに注目し、等方相−ネマティック相−スメクティック相の相系列を有する液晶に光重合性モノマーを添加し、ＵＶ光照射により高分子化させた後、溶媒により相分離された液晶を除去して高分子テンプレートを作製し、次いで、ネマティック相を相系列に有さないスメクティック液晶をテンプレート中に注入させて一様配向を得る手法について一例を示す。
ネマティック相を相系列に有するスメクティック液晶ＦＥＬＩＸ−０２０（クラリアント社製）に上記した光重合性モノマー液晶を５ｗｔ％添加し、ネマティック相を経由して得られた一様配向のスメクティック相において、ＵＶ光照射による高分子化を行った。そのときのテクスチャー写真を図５に示す。
図５から明らかなように、高分子化に伴う相分離に基づく配向の乱れは確認されない。
その後、アセトンを用いてスメクティック液晶ＦＥＬＩＸ−０２０を除去し、得られた高分子テンプレート中に反強誘電性液晶ＣＳ４００１（チッソ石油化学社製）を注入した。得られた媒質のテクスチャー写真を図６に示す。この図において、図６（ａ）および（ｂ）は一様配向を有する７５℃の媒質、図６（ｃ）および（ｄ）は一様配向を有する６０℃の媒質を示している。
これらによれば、大きな配向の乱れは確認されず、その結果、液晶媒質の光軸とクロスニコル偏光子の偏光軸を合わせた暗状態〔図６（ｂ）および（ｄ）〕は、光漏れのほとんどない良好な黒レベルとなる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
本発明のスメクティック液晶素子およびその製造方法によれば、美しい動画表示を可能にする液晶ディスプレイに適している。
１ ガラス下基板
２，４ ラビング配向膜
３ ガラス上基板
５ スメクティック液晶
６ 液晶セル
２，４ ラビング配向膜
３ ガラス上基板
５ スメクティック液晶
６ 液晶セル
Claims (3)
- （ａ）スメクティック液晶に光重合性のネマティック相を示すモノマー液晶を添加した混合物の相系列として等方相−ネマティック相−スメクティック相を誘起させる工程と、
（ｂ）前記混合物にＵＶ光照射を行い、モノマーを光重合・高分子化させて、一様配向構造のスメクティック液晶媒質を生成する工程とを施すことを特徴とするスメクティック液晶素子の製造方法。 - 請求項１記載のスメクティック液晶素子の製造方法において、高分子が上記（ｂ）工程において配向構造を記憶し安定化させるテンプレートの働きをなし、上記（ｂ）工程後の等方相への転移によっても、相転移以前と全く変化しない一様配向構造のスメクティック液晶媒質を等方相から直接得ることを特徴とするスメクティック液晶素子の製造方法。
- 請求項１又は２記載のスメクティック液晶素子の製造方法によって製造されるスメクティック液晶素子。
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