JP5219386B2 - 新規ディスコティック液晶性化合物 - Google Patents
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Description
しかしながら、これまで、機能性化合物を2種類以上結合して得られた化合物においてディスコティックカラムナー液晶性を示すものはごく少なく(例えば、非特許文献3)、さらに言えば、このような化合物で基板に対してホメオトロピックなディスコティックカラムナー液晶性を示すものは、本発明者らの知る限り現在までに報告されていない。
グロウミ(A.Gouloumis)外,「ケミストリー・ヨーロピアン・ジャーナル(Chemistry - A European Journal)」,2000年,第6巻,p.3600 アントニエッタ(M. Antonietta Loi)外,「ジャーナル・オブ・マテリアルズ・ケミストリー(Journals of Materials Chemistry)」,2003年,第13巻,p.700 ブッシュバイ(R. J. Bushby)外,「ジャーナル・オブ・マテリアルズ・ケミストリー(Journals of Materials Chemistry)」,2001年,第15巻,p.4429
また本発明は、前記の2種類の機能性化合物の可逆的な酸化還元電位が異なることを特徴とする新規ディスコティックカラムナー液晶性化合物に関する。
また本発明は、前記の新規ディスコティックカラムナー液晶性化合物の結合体を構成する機能性化合物のうち少なくとも片方が、1つまたは複数個のアルキル基あるいはアルコキシ基を置換基として有するフェノキシまたはナフタロキシ構造の少なくともどちらか一方を修飾基として有することを特徴とする新規ディスコティックカラムナー液晶性化合物に関する。
また本発明は、前記の新規ディスコティックカラムナー液晶性化合物を構成する機能性化合物の少なくとも一つが、フタロシアニンであることを特徴とする新規ディスコティックカラムナー液晶性化合物に関する。
また本発明は、前記の新規ディスコティックカラムナー液晶性化合物を配向させて得られる配向型機能性材料に関する。
また本発明は、前記の配向型機能性材料を用いて作製した機能性デバイスに関する。
本発明の新規ディスコティックカラムナー液晶性化合物は、機能性化合物を少なくとも二種類以上結合した結合体であって、当該結合体がこの結合体を設置する基板に対して、ホメオトロピックなディスコティックカラムナー液晶性を示すことを特徴とする。さらにディスコティックカラムナー液晶性をもつ分子は、分子自身が図1のように自発的に積み重なってカラムを形成する。これをディスコティックカラムナー相といい、カラム内では分子間を電子やホールが移動する、「ホッピング伝導」と呼ばれる事象を持つため、一次元伝導体として応用できることが報告されている。
ディスコティックカラムナー液晶性とは、中心の円盤状コア分子同士にπ−π相互作用とその周辺のアルキル長鎖が揺らぐことによって液体のような構造柔軟性を持ちながらも、固体固有の構造配向性を示すことである。さらにディスコティックカラムナー液晶性をもつ分子は、分子自身が自発的に積み重なって、カラム内の分子間を電子やホールが移動する、「ホッピング伝導」と呼ばれる事象を持つため、1次元伝導体として応用できる。
ディスコティックカラムナー液晶性の確認方法は、偏光顕微鏡観察(POM)と、加熱X線構造解析が主である。ディスコティックカラムナー液晶性化合物をPOMで観察すると、その化合物がもつ液晶相特有のテクスチャーを観察することができる。またスパチュラなどで擦ると柔らかい感触が得られることも確認方法の一つである。そして、ディスコティックカラムナー液晶性を示す化合物をX線構造解析すると、液晶相特有の回折ピークを観察することができる。
ホメオトロピック配向の確認方法は偏光顕微鏡観察で確認することができる。ディスコティック液晶分子がホメオトロピック配向すると、直交ニコル下では暗視野となる。しかし、スパチュラなどで暗視野な部分を擦ると、分子の配向が乱れ、透過してくる光が複屈折をし、偏光を示す。
例えば、ナフタレン、ピレン、ペリレン、トリフェニレン、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、コロネン、ヘキサベンゾコロネン、フラーレン類または、ポルフィリン類、アザポルフィリン類、フタロシアニン類、ナフタロシアニン類、などが挙げられる。
また、いわゆるレドックス高分子として知られるπ共役系ポリマーあるいはオリゴマーなどを用いることも出来る。たとえば、オリゴまたはポリアセチレン、オリゴまたはポリフェニレンビニレン、オリゴまたはポリチオフェン、オリゴまたはポリアニリン、オリゴまたはポリピロールとそれらの誘導体を挙げることができる。
より具体的な構造としては、下記のような機能性化合物が挙げられるが、本発明の目的に適うものであれば、これに制限されるものではない。
また、上記目的にかなう範囲であれば、導電性高分子に代表されるいわゆるレドックス高分子として知られるπ共役系ポリマーあるいはオリゴマーなどを用いることも出来る。たとえば、オリゴまたはポリアセチレン、オリゴまたはポリフェニレンビニレン、オリゴまたはポリチオフェン、オリゴまたはポリアニリン、オリゴまたはポリピロールとそれらの誘導体を挙げることができる。
さらに、上記目的を妨げなければ、ここに上記機能性分子に代表される可逆な酸化還元を示す構造を結合基として用いることができる。
また、結合の形態については特に制限されず、例えば、以下に示すような形態を挙げることができる。すなわち、(1)機能性化合物Aと機能性化合物Bが1:1で結合したもの、(2)機能性化合物AがX個(Xは2≦X≦10の整数)からなる結合体と機能性化合物BがY個(Yは2≦Y≦10の整数)からなる結合体が結合したもの、および、(3)機能性化合物Aに複数個の機能性化合物Bが結合したもの等を挙げることができる。
最も簡便な方法としては、本発明の結合体を二枚の平滑な基板間に挟むことにより、この目的は達成される。用いる基板としては、形成する配向型機能性材料の厚みに比べて充分平滑であれば特に限定されず、材質、厚さ、寸法、形状等は目的に応じて適宜選択することができ、例えば無色あるいは有色ガラス、網入りガラス、ガラスブロック等が用いられる他、無色あるいは有色の透明性を有する樹脂でも良い。かかる樹脂としては、具体的には、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル、ポリアミド、ポリスルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、トリ酢酸セルロース、ポリメチルペンテンなどが挙げられる。なお、本発明における基板とは、常温において平滑な面を有するものであり、その面は平面あるいは曲面であってもよく、また応力によって変形するものであってもよい。また、例えば金属板のように不透明であっても良く、金、銀、クロム、銅、タングステン、アルミニウム、クロムやステンレスなどの平滑な金属板などが挙げられる。二枚の基板に挟む際には、必要に応じて加熱・加圧等を行っても良い。
次いで、結合体溶液を基板表面に塗布する。基板としては、先に示した基板と同様で、適度に平滑性があれば問題ない。本発明の結合体の溶液を基板表面に塗布する方法としては、特に制限はないが、例えば、キャスト、スピンコート、スプレーコート、バーコート等の方法によって実施することができる。また、塗布量については特に制限はないが、通常は、基板1cm2当たり0.002〜0.1ml程度が好ましい。次いで、上記溶媒を蒸発させることにより、結合体による機能性材料を形成することができる。溶媒を蒸発させる方法としては、例えば、基板を加熱する方法が挙げられる。
配向させる手段としては、例えば機能性材料を基板ごと加熱するなどにより、一旦液晶相における等方相が得られるまで昇温させた後、ゆっくりと冷却する方法などをとることが出来る。
また、補助的には偏光顕微鏡によりカラムナー層に固有のホメオトロピックに配向したディスコティックカラムナー液晶相に特徴的なデンドリックなテクスチャー構造が観察される場合もある。
本発明の配向型機能性デバイスとしては、例えば、透明導電性基板上に光吸収剤として本発明のディスコティックカラムナー液晶性化合物による配向型機能性材料、対極を順次積層配置した構造をもつものが挙げられる。あるいは、本発明の配向型機能性材料による薄膜を作製した導電性基板上と対極の間に適当な電解質を有する形を挙げることができる。本配向型機能性デバイスは、例えば配向型機能性材料が光吸収による電荷発生を行うことで、光照射により取り出し電荷量、すなわち電流値の変化する光電変換素子としての特性を示す。
膜厚は通常、1nm〜50μm、好ましくは10nm〜10μmである。また、表面抵抗(抵抗率)は、本発明の基板の用途により適宜選択されるところであるが、通常、0.01〜500Ω/sq、好ましくは0.1〜50Ω/sqである。
本発明において用いられる電解質としては特に限定されず、液体系でも固体系のいずれでもよく、可逆な電気化学的酸化還元特性を示すものが望ましい。ここで、可逆な電気化学的酸化還元特性を示すということは、光電変換素子の作用する電位領域において、可逆的に電気化学的酸化還元反応を起こし得ることをいう。典型的には、通常、水素基準電極(NHE)に対して−1〜+2V vs NHEの電位領域で可逆的であることが望ましい。
電解質層の厚さは特に制限されないが、1μm以上であることが好ましく、より好ましくは10μm以上であり、また、3mm以下が好ましく、より好ましくは1mm以下である。かかる電解質としては、上記の条件を満足すれば特に制限されるものでなく、液体系および固体系とも、本技術分野で公知のものを使用することができる。
素子特性の評価については、透明電極および対極にそれぞれ電流測定用の端子を取り付け、光照射の有無による電流値の変化について測定を実施すれば良い。
溶媒のジクロロメタンは五酸化二リン上で蒸留し、トリエチルアミンはKOH上で常圧蒸留をしたものを用いた。化合物(1)0.065g(0.018mmol)を乾燥ジクロロメタン40mlに溶かし、それに乾燥トリエチルアミン10mlとマロニルクロライド0.0032g(0.023mmol)を加えた。この溶液を40℃で24時間攪拌した。反応終了確認後、クロロホルムで抽出、芒硝乾燥後、溶媒を減圧留去した。残渣をカラムクロマトグラフィー(クロロホルム,silicagel,Rf=0.5)にかけ、酢酸エチルから3回再結晶精製をして、緑色の化合物(2)を0.050g得た。収率は62%であった。
1742(RCOO−),2923,2852(CH3),1511(Ar−H)
分子式(分子量):C230H360N8O24Cu(3684.81)
質量分析値:3684.54
計算値(%):C,74.97;H,9.85;N,3.04
分析値(%):C,74.68;H,9.55;N,2.82
結合体(1)[1:1化合物]:0.012g
結合体(2)[1:2化合物]:0.020g
結合体(3)[1:3化合物]:0.0060g
分子式(分子量):C290H358N8O24Cu(4403.62)
質量分析値:4404.91
計算値(%):C,79.59;H,8.93;N,2.54
分析値(%):C76.36;H,8.58;N,2.28
結合体(2):収率38%、
分子式(分子量):C520H716N16O48Cu2(8086.84)
質量分析値:8086.26
計算値(%):C,77.24;H,8.92;N,2.77
分析値(%):C,76.94;H,8.63;N,2.46
結合体(3):収率11%、
分子式(分子量):C750H1074N24O72Cu3(11768.76)
質量分析値:11765.40
実施例1により合成した結合体(1)を少量スパチュラでとり、二枚の清浄なガラスの間に挟みこんだ。このガラスを、ヒーターの間に挟みこみ、同時にPOMにて観察しながら昇温すると122℃以上において、均一なアイソトロピック状態となった。そこで、この結合体をガラス基板ごと冷却すると、顕微鏡視野の全面に渡ってホメオトロピックな配向が広がり、配向型機能性材料による薄膜を形成することができた。
実施例1により合成した結合体(1)をクロロホルムに1wt%で溶解させ溶液とした。この溶液を、ITO付きガラス基板上に500rpmスピンコート法により塗布すると、光学的には均一な薄膜を形成した。POMで観察すると、クロスニコル下、暗視野状態においても、光は透過しなかったことから、既にホメオトロピックな配向が出来上がった配向型機能性材料による薄膜を形成することができた。
短冊状にパターニングしたITO基板上に、実施例3と同様の方法で機能性材料による薄膜を塗布、作製した。次に、短冊状のITOパターンと直交し、一部が交差する長方形の窓をもった蒸着用マスクを用いて、その窓を通してアルミニウムを1000オングストロームの厚みで成膜した。基板上のITO端とアルミニウム端にそれぞれ導線をハンダで固定し、配向型機能性デバイスを作製した。本配向型機能性デバイスをI−Vカーブトレーサーに接続し、キセノンランプより光照射を行い、光照射の有無におけるI−Vカーブ特性を測定したところ、光照射により光電流の変化が観測され、本配向型機能性デバイスが、光応答性素子として利用できることを確認した(図2)。
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