JP4756268B2 - コレステリック液晶化合物 - Google Patents
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Description
また、コレステリック相での周期構造は1次元のフォトニッククリスタルとみなすことができる。そのため、試料外部から入射した光に関しては、螺旋構造に一致する円偏光を選択的に反射する一方で、試料の内部での発光に対しては、螺旋周期に一致する波長の光を閉じ込めることができるため、レーザーの共振器として作用する(非特許文献1)。
この論文は、従来はイオン伝導しか進行し得ないとされていたコレステリック液晶の有機半導体としての可能性を明らかにしたもので、コレステリック相の選択反射などのユニークな光学的な性質を電気伝導と組み合わせることにより、電気励起による有機半導体レーザーや円偏光発光可能な電界発光素子などの、従来にない新しいタイプの光電子デバイスの応用が可能となるものであった。
すなわち、円偏光発光可能な電界発光素子や電気励起による有機半導体レーザーなどの実用的な光電子デバイスを実現するには、室温よりも高い温度領域でコレステリック相からコレステリックガラス相にガラス転移し、ガラス転移点以下で準安定なコレステリックガラス相を示し、室温付近でもコレステリック相を示すことが必要とされるが、残念ながら、非特許文献3に記載の液晶化合物はこれらの特性を満足するものではなかった。
すなわち、この出願によれば、以下の発明が提供される。
〈1〉 下記一般式(1)で示されるコレステリック液晶化合物。
〈2〉 下記一般式(2)で示される、S体のコレステリック液晶化合物。
〈3〉 下記一般式(3)で示される、R体のコレステリック液晶化合物。
〈4〉上記〈1〉〜〈3〉のいずれかに記載のコレステリック液晶化合物を含む溶液から得られる薄膜。
〈5〉上記〈1〉〜〈3〉のいずれかに記載のコレステリック液晶化合物を含有するコレステリック半導体薄膜。
〈6〉上記〈1〉〜〈3〉のいずれかに記載のコレステリック液晶化合物を含有するコレステリック蛍光体薄膜。
〈7〉上記〈4〉〜〈6〉のいずれかに記載の薄膜を備えた電界発光素子。
また、本発明に係る前記一般式(1)〜(3)で示されるコレステリック液晶化合物は高いガラス転移温度を有するため室温付近で安定なコレステリック薄膜を形成することができる。そのため、電荷移動特性が均一で大面積の有機半導体素子および有機半導体装置、さらには有機エレクトロルミネッセンス素子および有機エレクトロルミネッセンス装置を形成することができる。
この一般式(1)で示される液晶化合物には、光学異性体である、下記一般式(2)で示されるS体と下記一般式(3)で示されるR体が含まれる。
本反応は、合成出発原料のひとつであるビナフトールがラセミ体のみならず、(S)体、および、(R)体がともに市販で入手可能であるため、容易に、二種類の光学活性体((R)体、(S)体)を容易に合成することができる。
[クウォーターチオフェニルホウ酸エステル4(R = C3H7)の合成]
2−プロピル−3’’’−メチルクウォーターチオフェン3 3.0 g (7.0 mmol)をTHF 100mlに溶かし、-78度において、n-ブチルリチウム 1.6 Mヘキサン溶液(5 ml, 8.0 mmol)を滴下する。0度に昇温して30分攪拌後、再度-78度に冷却し、トリメチルホウ酸のTHF溶液(1.04 g, 10 mmol/THF 10 ml)を5分かけて滴下する。徐々に室温まで昇温して30分攪拌の後、2,2-ジメチル-1,3-プロパンジオール(1.04 g, 10 mmol)を加え、1時間攪拌する。その後、水を加えて、分液した後、THF層を硫酸ナトリウムで乾燥させる。溶媒を留去してシリカゲルカラムクロマトグラフィーにて精製し(展開溶媒シクロヘキサン/THF(3:1))、さらに、シクロヘキサン-THF混合溶媒から再結晶する。収量2.2 g(4.5 mmol, 64 %)。
[ビナフチル誘導体5(R = C3H7, n = 3)の合成]
クウォーターチオフェニルホウ酸エステル4 (0.52 g, 1.0 mmol)、(S)-ビナフトール誘導体7(n= 3) (0.41 g, 0.49 mmol)、 Pd(PPh3)4 58 mg (0.05 mmol)をジメトキシエタン(DME) 50 mlに溶解し、10 wt% 炭酸ナトリウム水溶液 50 mlを加え1時間還流する。やがて生成物が沈殿してくる。冷却後、有機層を留去しろ過して沈殿を濾別する。得られた沈殿をTHFに溶かし、ろ過して不溶物を除いた後、濾液を濃縮する。得られた粗生成物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製する(展開溶媒は加熱したシクロヘキサン/THF(5:1)混合溶媒)。シクロヘキサン/THF(5:1)混合溶媒より再結晶することにより、橙色結晶0.21g(収率 15%)を得る(一般式(2)において、R:プロピル,n:3)
クウォーターチオフェニルホウ酸エステル4 (0.52 g, 1.0 mmol)、(S)-ビナフトール誘導体7(n = 1) (0.39 g, 0.5 mmol)、 Pd(PPh3)4 44 mg (0.04 mmol)をジメトキシエタン(DME) 50 mlに溶解し、10 w% 炭酸ナトリウム水溶液 50 mlを加え1時間還流する。やがて生成物が沈殿してくる。冷却後、有機層を留去しろ過して沈殿を濾別する。得られた沈殿をTHFに溶かし、ろ過して不溶物を除いた後、濾液を濃縮する。得られた粗生成物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製する(展開溶媒はシクロヘキサン/THF混合溶媒)。シクロヘキサン/THF混合溶媒より再結晶することにより、橙色結晶.0.32g(収率 24%)を得る(一般式(2)において、R:プロピル,n:1)
実施例1で得た液晶化合物5(R=C3H7, n= 3)の液晶相の同定を以下のようにして行った。
実施例1で得た液晶化合物を200℃に融解し、厚さ10μmの二枚のITO電極ガラス基板からなる液晶セルに毛管現象を利用して浸透させた。この液晶セルを120℃において偏光顕微鏡により光学組織を観察した。電場を印加しない場合にはプレーナー配向したコレステリック相に特有のGranjan組織が観測された。電場を100V以上印加しても分子の配向状態は変化しなかった。130℃から90度においては、コレステリック相特有の選択反射が見られた。反射色は130℃で赤色、120℃で橙色、110℃で黄色、100℃で緑色、90℃で青色であった。徐冷した試料においては室温では可視域に反射色を認めることはできなかったが、加熱した試料を液体窒素に浸して急冷した場合には、室温においてもプレーナー配向が保持され、各温度での反射色を室温で固定することができた。
また、実施例1で得た液晶化合物の相転移温度を示差型走査熱分析(DSC)によって測定した(図1(a))。157 ℃の等方性液体相からコレステリック相への転移を示すピークに加えて、53 ℃付近にガラス転移を示すキンク点が見られる。
実施例2で得た液晶化合物5(R=C3H7, n= 1)においても、同様に偏光顕微鏡観察下、液晶相でコレステリック相特有のGranjan組織がみられた。また、反射バンドと吸収バンドが重なるため、液晶相では可視域に選択反射バンドは見られなかったが、後述するように、低分子液晶を混合した系では、高温側で青、低温側で赤色の反射色が認められた。DSC測定においては、163℃の等方性液体相からコレステリック相への転移を示すピークに加えて、72℃付近にガラス転移を示すキンク点が見られる(図1(b))。
以上の結果から、実施例1〜2で得られた液晶化合物は室温付近で安定なコレステリックガラス状態を示すものと判断された。
実施例1、2で得た液晶化合物5の電荷輸送特性(キャリア移動特性)をTime-of- Flight法により測定した。本法においては、光伝導性を示すサンドイッチ型の試料に直流電圧を印加し、パルスレーザーを照射することにより、試料の片側に光キャリアを発生させ、そのキャリアが試料中を走行する際に外部回路に誘起される変位電流(過渡光電流)の時間変化を測定する。光キャリアの走行により一定の電流が生じ、キャリアが対向電極に到達すると電流は0に減衰する。過渡光電流の減衰が始まる時間がキャリアは試料を走行するのに要した時間(トランジットタイム)に対応する。試料の厚さをd (cm)、印加電圧をV (volt)、トランジットタイムをtT とすると、移動度m (cm2/Vs)は、
実施例1で得た液晶化合物5(R=C3H7, n= 3)を200℃に融解し、厚さ10μmの二枚のITO電極ガラス基板からなる液晶セルに毛管現象を利用して浸透させた。実施例3において作製した液晶セルをホットステージ上で加熱し、試料に電圧を印加しながら、パルスレーザー(Nd:YAGレーザー、THG:波長356nm、パルス幅1ns)を照射し、その際に誘起される変位電流をデジタルオシロスコープによって測定した。図2(a)に照射側電極を正にバイアスした場合のコレステリック相での典型的な過渡光電流測定の測定結果を示す。本試料は良好な光伝導性を示すため、十分な強さの電流信号を得ることができた。電圧を変化させるとそれに対応して、減衰の始まる時間(トランジットタイムタイム)が変化しており、得られた過渡光電流がキャリアの走行に対応していることがわかる。正キャリアの移動度は室温において、1X10-5cm2/Vsであり、一般に電界発光素子に用いられるホール輸送材料と同程度の値を示した。
また、実施例2において得られた液晶化合物5(R=C3H7, n= 1)についても、同様に液晶セルを作製し、キャリア移動度を測定した。結果を図2(b)に示す。室温付近の正キャリアの移動度は5X10-5 cm2/Vsであり、同じオーダーの値が得られた。
実施例1において得られた液晶化合物5(R=C3H7, n=3)を、ポリイミドを塗布したガラス基板上で200℃に加熱し融解させた後、ポリイミドを塗布した硝子基板をその上に乗せ、冷却して試料を作製した。150℃から90℃においては、コレステリック相特有の選択反射が見られた。反射色は150℃から90℃の温度領域で赤から青に変化した。加熱した試料を液体窒素に浸して急冷した場合には、室温においてもプレーナー配向が保持され、各温度での反射色を室温で固定することができた。また、選択反射バンドは温度のみならず、長い螺旋ピッチを有するオリゴチオフェン誘導体8[非特許文献3]を混合することによっても、変調することが可能であった。
液晶化合物5(R=C3H7, n=3)に下記液晶化合物8を1:1で混合した試料においては、反射色は130℃で赤色、120℃で橙色、110℃で黄色、100℃で緑色、90℃で青色であった。この液晶試料に白色光を照射し、その反射スペクトルを測定した。結果を図3に示す。
また、実施例2において得られた液晶化合物5(R=C3H7, n= 1)を用いて同様に、液晶試料を作製し、反射スペクトルを測定した。この化合物の場合は、選択反射バンドと紫外-可視光吸収バンドが重なるため、液晶相においては可視域に反射色は認められない。しかし、この材料に、長い螺旋ピッチを有するオリゴチオフェン誘導体8[非特許文献3]を混合することにより、反射波長帯を可視域にシフトさせることが可能である。混合比を10:0.5から10:2に変化させることにより反射波長帯を500nmから800nmにまで変調することができた。
実施例1において得られた液晶化合物5(R=C3H7, n=3)を用いて、実施例5に示した方法で液晶試料を作成し、蛍光スペクトルを測定した。液晶試料をホットステージ上で102.5℃に加熱し、水銀ランプの360nmの輝線を、光学フィールターを通して照射し、その蛍光スペクトルを測定した。その際に、試料とプローブの間に1/4波長板と偏光子を配置してスペクトルを測定した。その結果を図4に示す。1/4波長板の角度により観察されるスペクトル強度が異なっていることから、試料の蛍光が円偏光であることがわかる。基板表面にポリイミドを塗布して配向状態の良い試料を作成した場合に、円偏光の二色パラメーターは1.3を超えており、高品位の円偏光を得ることができた。
実施例1で得た液晶化合物5(R=C3H7, n=3)10mgをクロロベンゼン1mlに溶解し、ガラス基板上にキャストスして一晩放置することにより厚さ2mmのコレステリックガラス状態の薄膜を作成した。得られたフィルムの写真を図5(a)に、偏光顕微鏡写真を図5(b)に示す。
Claims (7)
- 下記一般式(1)で示されるコレステリック液晶化合物。
- 下記一般式(2)で示される、S体のコレステッリク液晶化合物。
- 下記一般式(3)で示される、R体のコレステリック液晶化合物。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のコレステリック液晶化合物を含む溶液から得られる薄膜。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のコレステリック液晶化合物を含有するコレステリック半導体薄膜。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のコレステリック液晶化合物を含有するコレステリック蛍光体薄膜。
- 請求項4〜6のいずれかに記載の薄膜を備えた電界発光素子。
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