JP3955903B2 - 液晶デバイス - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、液晶オリゴマーシロキサン材料を含むデバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術および課題】
シロキサン主鎖およびメソーゲン部分からなるポリマーの液晶は知られている。例えば、欧州特許第029162号明細書には、ビニル置換メソーゲン分子に、ケイ素に結合した水素原子を有するポリシロキサンを付加させることにより、このようなポリマーを製造することが開示されている。さらに最近では、強誘電性を有するカイラルスメクティック液晶材料が開示されている。例えば特開平1-144491号は、式
【０００３】
【化４】
【０００４】
（式中、Ｍｅはメチルを表し、Ｒは光学活性を有するアルキルまたはアラルキル基を表し、ｍは０〜５およびｎは２〜１０である）を含む材料を開示している。
【０００５】
強誘電性の液晶の所望される性質は、実質的に温度と独立した低い粘度および比較的高い傾き角を含む。低い粘度は、応答時間の減少に関係し、染料が液晶材料に導入されるときに有利である。高い傾き角は、液晶の電気光学的性質に関して有利である。複屈折効果に基づくデバイスにおいて、傾き角は通常２２.５°であるが、染料を導入したデバイスは、良好な光学的コントラストのために、これよりも高い角度が要求される。特開平1-144491号に開示された種類の液晶材料の傾き角の測定によれば、ポリマーからポリマーへの変化だけではなく、温度増加に伴う傾き角の減少も示した。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、オリゴマー液晶材料の特定のごく狭く限られたグループが、比較的高い傾き角を示す純化合物または混合物として存在し、この角度は、周囲温度を含む幅広い温度範囲に対して、実質的に温度と独立しているという驚くべきことを発見した。
【０００７】
従って、本発明は、液晶デバイスを提供するものであり、この液晶材料は、一般式
【０００８】
【化５】
【０００９】
（式中、Ｒは１〜１０の炭素原子を有するアルキル基または基
【００１０】
【化６】
【００１１】
を表し、各Ｒ'は１〜４の炭素原子を有するアルキル基を表し、Ｔは
【００１２】
【化７】
【００１３】
であり、Ｘは少なくとも一つのカイ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、ｎは１０、１１または１２の値を有する）を有するシロキサン含有化合物である。
【００１４】
本発明に使用される液晶材料の一般式において、Ｒは、１〜１０の炭素原子を有するアルキル基、例えばメチル、プロピル、ヘキシルまたデシル基を表し、各Ｒ'は、メチル、エチル、プロピルまたはブチルであることができる。好適なＲ'はメチルである。基Ｘは、例えば−ＣＨ（ＣＨ3）−Ｃ2Ｈ5、−ＣＨＣｌＣＨ（ＣＨ3）Ｃ2Ｈ5または−ＣＨＣｌＣＨ（ＣＨ3）ＣＨ3であることができる。好適な化合物は、ｎが１１の値を有するものである。このような好適な化合物は、新規であると考えられ、それ自体、本発明の範囲内に含まれる。
【００１５】
本発明に使用される液晶材料は、適当な不飽和メソーゲン
【００１６】
【化８】
【００１７】
を、ジシロキサンＲＲ'2ＳｉＯＳｉ（Ｒ'）2Ｈに付加させることにより調製することができる。この付加は、例えば白金触媒の存在下、従来のハイドロシリル化技術を用いることにより行うことができる。
【００１８】
本発明のデバイスは、その作動においてスメクチックまたは強誘電性液晶物質の使用に依存するような、いかなるタイプのものであってもよい。このようなデバイスの例としては、図１にその概略的な断面図を示すようなものがある。シロキサン含有液晶材料（１７）が、ガラスまたは適当なポリマー材料の一対の基材（１０、１１）の間におかれる。この内部表面は透明な導電性フィルム（１２、１３）、例えばインジウム錫酸化物、および配向剤（aligning agent）でコーティングされている。このような表面配向剤は、当業者に公知のものである。スペーサー（１６）は、フィルムの厚みを１〜１００μmに境界している。スペーサーは、例えばポリマーフィルム、光エッチングしたもの、またはガラスファイバービーズであってもよい。導電性フィルムは基材の全内表面をカバーし、あるいは適当なパターン、例えばドットマトリックス、セブンセグメントディスプレイのようにエッチングしてもよい。フィルムの地域（regions）は、電界によりアドレスされ、それにより所定の情報をディスプレイする。この電界は適当な波形を用いて電極に外部から適用されるか、または内部的に薄いトランジスターデバイスを使用して電極に適用される。同様に、磁気や適当な光源（レーザーを含む）を使用して熱によるアドレスがなされ、デバイスの表示を変えるのに使用される。光やビームを変える適当なシステムを用いて、フィルムの異なった場所に焦点を移動させ、その上に情報を書き込む。必要ならば偏光フィルム（１９、２０）を付けて情報を観察する。
【００１９】
本発明に使用される液晶材料のカイラルスメクチック構造およびこれを導入する非ラセミ混合物は、強誘電性を示す。この材料が図１のタイプのデバイスに含まれるとき、マイクロ秒からミリ秒のスケールの迅速な電気光学的スイッチングが生み出される。この相において、ラメラ相は、外部電界の適用時、文献に記載されているように、分子が一つの傾き角θから−θにスイッチするように、基材に対して垂直に配向する。分子が基材に対して平均して水平に配向している、最初の電界のない平面な配向は、ポリマーの配向層を用いることにより達成される。偏光板は、お互いに偏光方向を交差して配列させているが、一つの偏光板の場合、偏光方向は＋θまたは−θと平行であるようにしている。電界の適用時、材料は反対のθ状態にスイッチし、デバイスは、シロキサン含有液晶材料の複屈折の性質により、光を通す。電界を取り除いたとき、配向が保持される。
【００２０】
カイラルまたは非カイラル多色性染料は、ただ一つの偏光板が要求される液晶材料に導入することができる。染料は、＋または−θで、液晶分子と同じ方向に配向する。このように、一つの配向状態において（例えば＋θ）、染料は、偏光を吸収するが、他の配向状態において（例えば−θ）、吸収は顕著に減少される。このような染色されたカイラルスメクチック材料は、カラースイッチにおいて使用することができる。
【００２１】
別の態様において、２つの染色されたデバイスを組み合わせて用い、外部の偏光板を必要としないカラースイッチを与えることができる。事実上、カラーのいかなる組み合わせも達成でき、この染色されたデバイスは、スイッチ可能な偏光板として作用する。スイッチした状態は安定である。
【００２２】
さらに別の態様において、一つの偏光板を用い、あるいはこれを全く用いずに、染料は、および明るいディスプレイを導く吸収および螢光物質であることができる。吸収方向に対して平行に配向した偏光方向の場合（例えば＋θ）、螢光は輝くが、偏光方向に対して平行でない吸収方向の場合、吸収、つまり螢光は減少する。このことは、迅速で、明るい光学的に着色されたスイッチを与え、スイッチされた状態は安定である。入力偏光板は、上記のタイプのスイッチ可能な偏光板により同様に置き換えることができる。
【００２３】
カイラルスメクチックＡ付近からカイラルスメクチックＣ相転移まで、本発明に使用される液晶材料は、エレクトロクリニック（electroclinic）として知られる方法においてスイッチすることが分かった。この方法において、傾き角は、適用された電界に比例して誘導され、これは速い変調器またグレースケールデバイスにおける使用を可能にしている。このエレクトロクリニックスイッチングは、適用された電界に依存して迅速なものであるが、双安定性ではない。二色性または螢光染料を用いると、この効果を高めることができる。
【００２４】
【実施例】
化合物
【００２５】
【化９】
【００２６】
は、塩化白金酸とジビニルテトラメチルジシロキサンとの間で形成された錯体の触媒の存在下、ペンタメチルジシロキサンを、４−［（Ｓ）−２−メチルブタノイルオキシ］フェニル−４'−（９−デセニルオキシ）ベンゾエートに付加させることにより、カイラル（Ｃ＊）の形態において調製された。
電気光学的特性、すなわち傾き角（θ）、自発分極（Ｐｓ）および応答時間（Ｔ）を、インジウム錫酸化物電極（５mm×５mm）上に付着した、粉末ポリイミドの配向相を備えた３μmのスペーサーを有するセル中で測定した。１００Ｈｚでの５Ｖμm-1の交流電界の存在下、セルを１分あたり１℃で冷却し、液晶化合物の良好な平面の均一な配向を与えた。配向したセルは、逆極性のパルス化された直流電界の存在のもとで、良好な光学的スイッチを示した。
【００２７】
傾き角は、印加された０.１Ｈｚで１０Ｖμm-1の連続矩形波電界および６３２.８mmのプロービング（probing）波長の場合、温度の関数として測定された。結果を図２に示す。この結果から、傾き角は、事実上、約３６°の値で、温度と独立していることが分かる。
【００２８】
自発分極は、１０Ｖμm-1のピーク電界を有する印加された三角波を用いる電流パルス技術により測定された。２５℃でのＰｓ値は、１７ｎＣcm-2であった。
【００２９】
１０Ｖμm-1に対する２０℃での矩形波の応答時間は、約２１０μｓであった。
【００３０】
【発明の効果】
上記のように、本発明における液晶材料は、周囲温度を含む幅広い温度範囲に対して、実質的に温度と独立している傾き角を有し、非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶デバイスの一例を示す断面図である。
【図２】液晶材料の傾き角と温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１０，１１ 基材
１２，１３ 導電性フィルム
１６ スペーサー
１７ シロキサン含有液晶材料
１９，２０ 偏光フィルム
【産業上の利用分野】
本発明は、液晶オリゴマーシロキサン材料を含むデバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術および課題】
シロキサン主鎖およびメソーゲン部分からなるポリマーの液晶は知られている。例えば、欧州特許第029162号明細書には、ビニル置換メソーゲン分子に、ケイ素に結合した水素原子を有するポリシロキサンを付加させることにより、このようなポリマーを製造することが開示されている。さらに最近では、強誘電性を有するカイラルスメクティック液晶材料が開示されている。例えば特開平1-144491号は、式
【０００３】
【化４】
（式中、Ｍｅはメチルを表し、Ｒは光学活性を有するアルキルまたはアラルキル基を表し、ｍは０〜５およびｎは２〜１０である）を含む材料を開示している。
【０００５】
強誘電性の液晶の所望される性質は、実質的に温度と独立した低い粘度および比較的高い傾き角を含む。低い粘度は、応答時間の減少に関係し、染料が液晶材料に導入されるときに有利である。高い傾き角は、液晶の電気光学的性質に関して有利である。複屈折効果に基づくデバイスにおいて、傾き角は通常２２.５°であるが、染料を導入したデバイスは、良好な光学的コントラストのために、これよりも高い角度が要求される。特開平1-144491号に開示された種類の液晶材料の傾き角の測定によれば、ポリマーからポリマーへの変化だけではなく、温度増加に伴う傾き角の減少も示した。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、オリゴマー液晶材料の特定のごく狭く限られたグループが、比較的高い傾き角を示す純化合物または混合物として存在し、この角度は、周囲温度を含む幅広い温度範囲に対して、実質的に温度と独立しているという驚くべきことを発見した。
【０００７】
従って、本発明は、液晶デバイスを提供するものであり、この液晶材料は、一般式
【０００８】
【化５】
（式中、Ｒは１〜１０の炭素原子を有するアルキル基または基
【００１０】
【化６】
を表し、各Ｒ'は１〜４の炭素原子を有するアルキル基を表し、Ｔは
【００１２】
【化７】
であり、Ｘは少なくとも一つのカイ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、ｎは１０、１１または１２の値を有する）を有するシロキサン含有化合物である。
【００１４】
本発明に使用される液晶材料の一般式において、Ｒは、１〜１０の炭素原子を有するアルキル基、例えばメチル、プロピル、ヘキシルまたデシル基を表し、各Ｒ'は、メチル、エチル、プロピルまたはブチルであることができる。好適なＲ'はメチルである。基Ｘは、例えば−ＣＨ（ＣＨ3）−Ｃ2Ｈ5、−ＣＨＣｌＣＨ（ＣＨ3）Ｃ2Ｈ5または−ＣＨＣｌＣＨ（ＣＨ3）ＣＨ3であることができる。好適な化合物は、ｎが１１の値を有するものである。このような好適な化合物は、新規であると考えられ、それ自体、本発明の範囲内に含まれる。
【００１５】
本発明に使用される液晶材料は、適当な不飽和メソーゲン
【００１６】
【化８】
を、ジシロキサンＲＲ'2ＳｉＯＳｉ（Ｒ'）2Ｈに付加させることにより調製することができる。この付加は、例えば白金触媒の存在下、従来のハイドロシリル化技術を用いることにより行うことができる。
【００１８】
本発明のデバイスは、その作動においてスメクチックまたは強誘電性液晶物質の使用に依存するような、いかなるタイプのものであってもよい。このようなデバイスの例としては、図１にその概略的な断面図を示すようなものがある。シロキサン含有液晶材料（１７）が、ガラスまたは適当なポリマー材料の一対の基材（１０、１１）の間におかれる。この内部表面は透明な導電性フィルム（１２、１３）、例えばインジウム錫酸化物、および配向剤（aligning agent）でコーティングされている。このような表面配向剤は、当業者に公知のものである。スペーサー（１６）は、フィルムの厚みを１〜１００μmに境界している。スペーサーは、例えばポリマーフィルム、光エッチングしたもの、またはガラスファイバービーズであってもよい。導電性フィルムは基材の全内表面をカバーし、あるいは適当なパターン、例えばドットマトリックス、セブンセグメントディスプレイのようにエッチングしてもよい。フィルムの地域（regions）は、電界によりアドレスされ、それにより所定の情報をディスプレイする。この電界は適当な波形を用いて電極に外部から適用されるか、または内部的に薄いトランジスターデバイスを使用して電極に適用される。同様に、磁気や適当な光源（レーザーを含む）を使用して熱によるアドレスがなされ、デバイスの表示を変えるのに使用される。光やビームを変える適当なシステムを用いて、フィルムの異なった場所に焦点を移動させ、その上に情報を書き込む。必要ならば偏光フィルム（１９、２０）を付けて情報を観察する。
【００１９】
本発明に使用される液晶材料のカイラルスメクチック構造およびこれを導入する非ラセミ混合物は、強誘電性を示す。この材料が図１のタイプのデバイスに含まれるとき、マイクロ秒からミリ秒のスケールの迅速な電気光学的スイッチングが生み出される。この相において、ラメラ相は、外部電界の適用時、文献に記載されているように、分子が一つの傾き角θから−θにスイッチするように、基材に対して垂直に配向する。分子が基材に対して平均して水平に配向している、最初の電界のない平面な配向は、ポリマーの配向層を用いることにより達成される。偏光板は、お互いに偏光方向を交差して配列させているが、一つの偏光板の場合、偏光方向は＋θまたは−θと平行であるようにしている。電界の適用時、材料は反対のθ状態にスイッチし、デバイスは、シロキサン含有液晶材料の複屈折の性質により、光を通す。電界を取り除いたとき、配向が保持される。
【００２０】
カイラルまたは非カイラル多色性染料は、ただ一つの偏光板が要求される液晶材料に導入することができる。染料は、＋または−θで、液晶分子と同じ方向に配向する。このように、一つの配向状態において（例えば＋θ）、染料は、偏光を吸収するが、他の配向状態において（例えば−θ）、吸収は顕著に減少される。このような染色されたカイラルスメクチック材料は、カラースイッチにおいて使用することができる。
【００２１】
別の態様において、２つの染色されたデバイスを組み合わせて用い、外部の偏光板を必要としないカラースイッチを与えることができる。事実上、カラーのいかなる組み合わせも達成でき、この染色されたデバイスは、スイッチ可能な偏光板として作用する。スイッチした状態は安定である。
【００２２】
さらに別の態様において、一つの偏光板を用い、あるいはこれを全く用いずに、染料は、および明るいディスプレイを導く吸収および螢光物質であることができる。吸収方向に対して平行に配向した偏光方向の場合（例えば＋θ）、螢光は輝くが、偏光方向に対して平行でない吸収方向の場合、吸収、つまり螢光は減少する。このことは、迅速で、明るい光学的に着色されたスイッチを与え、スイッチされた状態は安定である。入力偏光板は、上記のタイプのスイッチ可能な偏光板により同様に置き換えることができる。
【００２３】
カイラルスメクチックＡ付近からカイラルスメクチックＣ相転移まで、本発明に使用される液晶材料は、エレクトロクリニック（electroclinic）として知られる方法においてスイッチすることが分かった。この方法において、傾き角は、適用された電界に比例して誘導され、これは速い変調器またグレースケールデバイスにおける使用を可能にしている。このエレクトロクリニックスイッチングは、適用された電界に依存して迅速なものであるが、双安定性ではない。二色性または螢光染料を用いると、この効果を高めることができる。
【００２４】
【実施例】
化合物
【００２５】
【化９】
は、塩化白金酸とジビニルテトラメチルジシロキサンとの間で形成された錯体の触媒の存在下、ペンタメチルジシロキサンを、４−［（Ｓ）−２−メチルブタノイルオキシ］フェニル−４'−（９−デセニルオキシ）ベンゾエートに付加させることにより、カイラル（Ｃ＊）の形態において調製された。
電気光学的特性、すなわち傾き角（θ）、自発分極（Ｐｓ）および応答時間（Ｔ）を、インジウム錫酸化物電極（５mm×５mm）上に付着した、粉末ポリイミドの配向相を備えた３μmのスペーサーを有するセル中で測定した。１００Ｈｚでの５Ｖμm-1の交流電界の存在下、セルを１分あたり１℃で冷却し、液晶化合物の良好な平面の均一な配向を与えた。配向したセルは、逆極性のパルス化された直流電界の存在のもとで、良好な光学的スイッチを示した。
【００２７】
傾き角は、印加された０.１Ｈｚで１０Ｖμm-1の連続矩形波電界および６３２.８mmのプロービング（probing）波長の場合、温度の関数として測定された。結果を図２に示す。この結果から、傾き角は、事実上、約３６°の値で、温度と独立していることが分かる。
【００２８】
自発分極は、１０Ｖμm-1のピーク電界を有する印加された三角波を用いる電流パルス技術により測定された。２５℃でのＰｓ値は、１７ｎＣcm-2であった。
【００２９】
１０Ｖμm-1に対する２０℃での矩形波の応答時間は、約２１０μｓであった。
【００３０】
【発明の効果】
上記のように、本発明における液晶材料は、周囲温度を含む幅広い温度範囲に対して、実質的に温度と独立している傾き角を有し、非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶デバイスの一例を示す断面図である。
【図２】液晶材料の傾き角と温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１０，１１ 基材
１２，１３ 導電性フィルム
１６ スペーサー
１７ シロキサン含有液晶材料
１９，２０ 偏光フィルム
Claims (5)
- 液晶材料がシロキサン含有化合物である液晶デバイスにおいて、該シロキサン含有化合物が、次の一般式を有するものであることを特徴とする、液晶デバイス：
- 各Ｒ’がメチル基である、請求項１に記載のデバイス。
- Ｒが１〜６の炭素原子を有するアルキル基を表す、請求項１または２に記載のデバイス。
- ｎが１１である、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のデバイス。
- デバイスが、一対の基材を有し、該基材間に液晶材料がおかれている、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のデバイス。
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