JP5552429B2 - オリゴシロキサン変性液晶配合物およびそれを用いるデバイス - Google Patents
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Description
τ∝η/Ps・E
式中、
τ=光学応答が10%から90%に変化するために必要な時間
E=光学的状態の変化を駆動する印加電場
Ps=自発分極
η=回転粘度
1)幅広いSmC*相、すなわち、常温にわたる幅広いFLC駆動温度範囲。「幅広い」とは、少なくとも、約15℃から約35℃、および好ましくは約10℃から約40℃、または約0℃から約50℃、または約‐20℃から約60℃、または約‐30℃から約80℃までの幅を意味する。
2)基本設計内でブックシェルフ配列を有する液晶モノドメインまたは準モノドメインの形成を可能にする配向プロセス。この配向プロセスは、配合されたナノ相分離した等方相→SmC*システムのSmC*相内で、適する電場を等温的に用いて行うことができる。これは、FLCDの先行技術とは異なっており、そこでは、特定の上に横たわる液晶相(具体的には、SmA*およびネマチック)、および等方相→ネマチック→スメクチックA*を通して最終的にSmC*相への慎重に制御された冷却プロフィルが必須である。SmC*相を等温的に配向させる能力は有利であり、デバイス製作を単純化し、配合物における複雑な相系列を設計する必要なしに配向の達成を可能にしている。SmC*相中で等温的電場配向を用いる能力は、デバイスを展開する間自由に再配向させることを可能にし、このことは非常に意義があり、なぜなら、当業者は、現行の強誘電性液晶デバイスは機械的衝撃または温度逸脱(ここでは液晶が結晶または等方相になる)によって可逆的に配向を失うおそれがあることを理解するからである。
3)得られたブックシェルフ構造は、デバイスの作動および保管の間安定でなければならない。いくらか劣化が見られた場合は、オリゴシロキサン強誘電性液晶配合物に使用される等温的、電気的配向スキームを、配向を回復させるために用いることができる。多くの従来からのすべての有機FLCはブックシェルフまたは擬ブックシェルフ配列を主張していたが、それらの構造はデバイス内での配置に対して十分には安定ではない。主張されたブックシェルフ構造は、基本設計内で不可欠な安定性を向上させた。本発明者は、ナノ相分離オリゴシロキサン変性液晶分子の実現できる効果が、コールズ、クロスランド、およびダウコーニングにより単一成分システムについて記述されたように、適切に配合されたシステムにおいて保たれ得ることを発見した。二重のセグメントホストのナノ相分離ブックシェルフ構造がその構造を安定化する。キャノンによって記述された固定機構は、ナノ相分離オリゴシロキサン変性液晶システムには必要とされず、また本発明者らはABA(すなわち、ビ−メソゲン)種を含有しないシステムにおいて真の双安定性を達成する能力を立証している。それ故に、キャノンによって用いられたトリ−セグメント(ABA)分子は、ここで記述した配合物の安定化には必要とされない。しかし、トリ−セグメント分子は、所望する場合は、本発明において、SmC*温度範囲を広げるのに用いることができる。配合物はまた、上を覆うスメクチックA相を除去することにより、シェブロン欠陥の形成を除去するようにも設計され、直接I→SmC*相転移を有する配合物をもたらす。従来の有機FLCDの潜在的欠陥モードは配向の喪失であり、それは、FLC物質が低温で、例えば保管または出荷中に、結晶化することが可能な場合である。本発明者らは、結晶化しない配合物を開発できることを立証した。これらの配合物はSmC*相の下に幅広いSmX相を有する。SmX相は、非晶質相であって、その相中では本明細書で定義した条件下で電気光学スイッチングが止まるけれども、ブックシェルフ構造のマクロスコピックな分子配向は低温で保持される相として定義される。このデバイスはこの相では作動しないが、作動温度範囲に戻された場合には再び作動するようになる。
4)配向の質および均一性は、デバイスの高コントラスト比およびアクティブ領域全体にわたる双安定性の実現を可能にするために十分でなければならない。「高コントラスト」とは、同一の条件下で試験された、市販の有機の等方相→ネマチック→スメクチックA*→SmC*相系列の配合物と同一またはそれより優れていることを意味する。
5)チルト角は、偏光子ベースの電気光学デバイスの効率的作動のために特定値に調整されなければならない。例えば、透過型デバイスの例では、最適チルト角は22.5度±6度、または22.5度±4度、または22.5度±2度である。さらに、チルト角はデバイスの作動温度範囲内であまりにも劇的に変化してはならない。ある範囲のチルト角をもつ配合物を設計する能力もまた有利である;例えば、45度±6度、または45度±4度、または45度±2度のチルト角を有する配合物は、位相変調デバイス用としても用いることができる。
6)低Psの必要性もまた上で言及されている。低Psは、市販のLCDにおいて現在利用されているとおり、TFTベースアクティブマトリクスバックプレーン技術の要求事項であるが、電場配向プロトコルを用いて常温または常温付近で粘性なスメクチック相中においてその配向に取り組むデバイスに対して、大きな難題を負わせている。配向プロセスに加えて、低Psは、固定した温度および駆動場において液晶デバイスの応答時間にマイナスの影響を与え得る。
7)デジタルモードデバイスについては、真の双安定性が必要条件である。「真の双安定性」とは、スイッチング場の除去後のいくらかの時間、特定の許容範囲内での光信号の保持を意味する。許容範囲の例は、光信号が約20%超えて、または10%を超えて、または5%を超えて低下してはならないということである。平坦域の値に対する短時間緩和は許容し得るが、光透過の継続的低下は許容されない。許容時間は用途により、且つ駆動アーキテクチャによって決定され、分からミリ秒までの範囲であることができる。
8)配合物の複屈折は基本設計、すなわちAMLCD設計に基づいて最適化されなければならない。複屈折は典型的には約0.05よりも大きくまたは約0.1よりも大きい。複屈折は、作動温度範囲にわたって大きく変化するべきではなく、例えば作動温度範囲の下限とSmC*→等方相転移より下約5℃の間で<約100ppm/℃、または<約50ppm/℃の複屈折の変化である。
1)分子内相互作用を減らするために芳香族コアが選ばれ、それによって最終配合物の回転粘度を低くする。
2)芳香族コアをシロキサンから離す炭化水素鎖が選ばれ、オリゴシロキサンからの最適分離をもたらすとともに、低領域(low regime)(約22.5度)または高領域(約45度)チルト角をもたらす。
3)オリゴシロキサンはできるだけ短いものが選ばれて、最大限の可能な複屈折を得るとともに、必要な相特性を維持する。
4)スメクチックA物質が加えられて、配合物の有効チルト角を下げることができるが、配合物中にSmA相を誘発することはない。
5)低い全体のPs値を実現するためにいくつかのアプローチをとることができる。例えば、本質的に低Psのメソゲン種を作ることができ、アキラルおよびキラル種を配合してPsを設定することができ、または相反する光学活性を有する物質が配合されてPsを調整することができる。
(一般的構造)
配合物中にナノ相分離スメクチック相を作り出すために用いることができるオリゴシロキサン変性液晶物質のなかには、フェニルベンゾアート類ならびにビフェニル類、テルフェニル類およびフェニルピリミジン類がある。適する材料の例を以下に示す。
一つのクラスの化合物は次式を有する:
上記式中、Aは
Aを表す式中、n=3〜15;d=1〜5;R’およびR’’は独立してCrH(2r+1)(r=1〜4)またはフェニル基から選ばれ;
Rは1〜10個の炭素原子を有するアルキル基またはW基であり、
ここで、Wは
Wを表す式中、n=3〜15;a=0または1;m=1または2;s=1または2;q=0または1;b=0または1;i=0〜4;T=O、COO、OCO、CH=N、N=CH、CF2O、OCF2、NHCO、CONH、CH2、CH2CH2、C≡C、−CH=CH−、またはCF2CF2;Yは独立して、ハロゲン、NO2、CN、CH3、CF3、OCF3から選ばれ;Q=O、COO、またはOCO;およびX=アルキル、または少なくとも1個のキラル中心を有する置換アルキルであり、ここで個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする。〕
別のクラスの適する化合物は下記式:
上記式中、Aは
Aを表す式中、n=3〜15;d=1〜5;R’およびR’’は独立してCrH(2r+1)(r=1〜4)またはフェニル基から選ばれ;
Rは1〜10個の炭素原子を有するアルキル基または本明細書の他の箇所で定義されているW’’もしくはW、またはW’の一つであり、
W’は
W’を表す式中、n=3〜15;a=0または1;b=0または1;Lは独立して、H、ハロゲン、NO2、CN、CH3、CF3、OCF3から選ばれ;Q=O、COO、またはOCO;およびX=アルキル、または少なくとも1個のキラル中心を有する置換アルキルであり、ここで個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする。〕
その他のクラスの適する化合物は下記式(1a)又は(1b)を有するフェニル(またはビフェニル)ピリミジン類である:
タイプ1
上記式中、Xはアルキル、または少なくとも1個のキラル中心を有する置換アルキルであり、ここで個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする;
上記式中、Vは
Vを表す式中、n=3〜15;d=1〜5;かつR’およびR’’は独立してCrH(2r+1)(r=1〜4)またはフェニル基から選ばれ;
Rは1〜10個の炭素原子を有するアルキル基、または本明細書の他の箇所で定義されているWもしくはW’、もしくはW’’のうちの一つであり、
ここで、W’’は次の基の一つから選ばれて、対称または非対称の二量体添加剤を作る:
下記の式(4)のクラスの物質は、上で示したオリゴシロキサン変性ナノ相分離液晶物質を含有する配合物への添加剤として有用である。
Mは、アルキル、または少なくとも1個のキラル中心を有する置換アルキルであって、ここで個々のキラル基はラセミまたは非ラセミでもよい(ただしこの液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする)、またはMは、下記基:
Mを表す式中、n=3〜15;d=1〜5;R’およびR’’は独立してCrH(2r+1)(r=1〜4)またはフェニル基から選ばれ;
Rは1〜10個の炭素原子を有するアルキル基またはZであり、
ここで、Zは、
液晶分子(メソゲン)は通常は複雑な混合物中に配合される。そのような配合物は、単一の分子からは実現が難しいか、不可能でさえあろう特性セット(特性の組合わせ)を実現可能にする。クロスランド(国際公開番号WO2005/019380)およびダウコーニング社特許出願(PCT/US07/009035)は、電場配向および双安定スイッチングを示す単一成分システムを確認した;しかしそのような分子は、それらが幅広い温度で用いられ且つアクティブ・マトリクス・バックプレーンデバイスに用いられる場合には配合を必要とする。オリゴシロキサン変性液晶に基づく配合されたシステムの開発は、そのような物質の独特のミクロ相分離した性質によって複雑化される。以下に示す実施例は、相系列、SmC*相の温度範囲、自発分極(Ps)、およびチルト角がそのようなシステムでどのように制御されるかを明らかにする。そのような物質の配合は有機FLCの例から推定することはできず、なぜなら有機FLCシステムには存在しないナノ相分離オリゴシロキサン領域が、バルク配合物の特性およびそれから作製されたデバイスの電気光学特性を制御することにおいて重要な役割を果たすからである。
オリゴシロキサン液晶C17を非液晶オリゴシロキサンC23と配合した。C17はI→SmA→SmC→Cr相挙動を示すが、一方でC23は非液晶化合物である。二成分配合物はI→SmC*→SmX相挙動を示すことが分かり、異なる相挙動を有する成分から、所望のI→SmC*相挙動を得ることができるという予想外の能力を明らかにした。
I→SmC*相系列を有するC1を、I→SmA→K相系列を有するC10と種々の割合で混合した。異なる量のC10を用いた二つの配合物を製造した。C10だけがSmA相を示すが、すべての配合物がSmC*相を示した。
C27およびC26を合成し、ここでC27はC26のラセミ化同族体である。これらの化合物それぞれのPsは下の表に数値をまとめたように測定された。
C1を、I→SmA→Cr相系列を有するC10と種々の割合で混合した。C10はC1とは異なり、シアノ‐ビフェニル構造によって強い長手方向双極子を有し、C1では横方向の双極子(トランスバース双極子)挙動が示され、強誘電性スイッチングをもたらす。異なる量のC10を含有する配合物7〜9を調製し、それらのチルト角を40℃で測定した。C10だけがSmA相を示すが、すべての配合物がSmC*相を示した。図2に示されているように、この組成物を調整することによってチルト角を調整することができる。別の配合物、例えば配合物13および配合物2では、そのような添加物が、配合物中に不連続のSmA*相を導入することなくチルト角を調整するために用いることができる。
C1を、従来の強誘電体相系列I→N→SmA*→SmC*を示す市販の配合物C15と種々の割合で混合した。以下の表に示されているように、配合物の相系列は、C15の量が増加するにつれて、I→SmA*→SmC*からI→SmC*に移っている。
オリゴシロキサン液晶組成「配合物19」を、以下の化合物を下記表に示した量で混合することによって調製した。得られた配合物は、−29〜50℃の間のSmC*範囲をもち、表6に示した相系列をもつと特徴付けられた。
オリゴシロキサン液晶組成「配合物23」を、以下の化合物を下の表に示した組成で混合することにより調製した。得られた配合物は、39〜58℃の間にSmC*範囲をもち、表6に示した相系列をもつと特徴付けられた。
オリゴシロキサン液晶組成物「配合物33」を、以下の化合物を下の表に示された組成で混合することにより調製した。得られた配合物は、−35〜55℃の間のSmC*範囲をもち、表8に示した相系列をもつと特徴付けられた。
オリゴシロキサン液晶組成「配合物25」を、以下の化合物を下の表に示した組成で混合することにより調製した。得られた配合物は、41〜61℃の間のSmC*範囲をもち、表6に示された相系列をもつと特徴付けられた。
オリゴシロキサン液晶組成「配合物20」を、以下の化合物を下の表に示した組成で混合することによって調製した。得られた配合物は、−27〜49℃の間のSmC*範囲をもち、表6に示した相系列をもつと特徴付けられた。
オリゴシロキサン液晶組成「配合物31」を、以下の化合物を下の表に示した組成で混合することによって調製した。得られた配合物は、13〜60℃の間のSmC*範囲をもち、表7に示した下記の相系列をもつと特徴付けられた。
Claims (10)
- 下記式(3)で表される化合物、下記式(2)で表される化合物、及び下記式(1a)又は(1b)で表される化合物から選択される、50モル%以上の第一オリゴシロキサン変性ナノ相分離液晶物質;および少なくとも一つの追加物質を含む液晶配合物であって、
前記追加物質が、第二オリゴシロキサン変性ナノ相分離液晶物質、非液晶オリゴシロキサン変性物質、有機液晶物質、または有機非液晶物質のいずれかであり、
且つ前記第二オリゴシロキサン変性ナノ相分離液晶物質及び非液晶オリゴシロキサン変性物質は、下記式(4)で表される化合物、下記式(2)で表される化合物、下記式(3)で表される化合物、及び下記式(1a)又は(1b)で表される化合物から選択され、
前記液晶配合物は、強誘電性であり、SmC*相でナノ相分離されており、15℃〜35℃のSmC*温度範囲をもってI→SmC*相転移を有し、22.5°±6°または45°±6°のチルト角を有し、50nC/cm2未満の自発分極を有し、かつ600cP未満の回転粘度を有し;
ここで、式(1a)又は(1b)は下記のとおりであり:
上記式中、Xは、アルキル、または少なくとも1個のキラル中心を有する置換アルキルであって、個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし、本液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする;
上記式中、Vは
Vを示す式中、n=3〜15;d=1〜5;かつR’およびR’’は独立してCrH(2r+1)(r=1〜4)またはフェニル基から選ばれ;
Rは1〜10個の炭素原子を有するアルキル基、またはW、W’、もしくはW’’の一つであり、ここで、
Wは
Wを示す式中、n’=3〜15;a’=0または1;m=1または2;s=1または2;q=0または1;b=0または1;i’=0〜4;T=O、COO、OCO、CH=N、N=CH、CF2O、OCF2、NHCO、CONH、CH2、CH2CH2、C≡C、またはCF2CF2;Y’は独立して、ハロゲン、NO2、CN、CH3、CF3、OCF3から選ばれ;Q=O、COO、またはOCO;およびX’=アルキル、または少なくとも1個のキラル中心を有する置換アルキルであって、個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし本液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする;
W’は
W’を示す式中、n’’=3〜15;a’’=0または1;b’=0または1;Lは独立して、水素、ハロゲン、NO2、CN、CH3、CF3、OCF3から選ばれ;Q’=O、COO、またはOCO;およびX’’=アルキル、または少なくとも1個のキラル中心を有する置換アルキルであって、個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし本液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする;および
W’’は
W’’を示す式中、n’’’=3〜15;g=0または1;p’=0、1または2;k’は0、1または2であり;i’’=0〜4;tは0または1であり;u=0または1;ただし、t=0の場合はu=0であることを条件とし;Y’’は独立して、ハロゲン、NO2、CN、CH3、CF3、またはOCF3から選ばれ;Eは、アルキル、または少なくとも1個のキラル中心を有する置換アルキルであって、個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし本液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする。〕;
式(2)は以下のとおりであり:
式中、Aは
Aを示す式中、n=3〜15;d=1〜5;R’およびR’’は独立してCrH(2r+1)(r=1〜4)またはフェニル基から選ばれ;
Rは1〜10個の炭素原子を有するアルキル基、またはW、W’、またはW’’の一つであり、
Wは
Wを表す式中、n’=3〜15;a’=0または1;m=1または2;s=1または2;q=0または1;b’=0または1;i=1〜4;T=O、COO、OCO、CH=N、N=CH、CF2O、OCF2、NHCO、CONH、CH2、CH2CH2、C≡C、またはCF2CF2;Yは独立して、ハロゲン、NO2、CN、CH3、CF3、OCF3から選ばれ;Q’=O、COO、またはOCO;およびX’=アルキル、または少なくとも1個のキラル中心を有する置換アルキルであって、個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし本液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする;
W’は
W’を表す式中、n’’=3〜15;a’’=0または1;b’’=0または1;L’は独立して、H、ハロゲン、NO2、CN、CH3、CF3、OCF3から選ばれ;式中Q’’=O、COO、またはOCO;およびX’’=アルキル、または少なくとも1個のキラル中心を有する置換アルキルであって、個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし本液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする;および
W’’は
W’’を表す式中、n’’’=3〜15;g=0または1;p=0、1または2;kは0、1または2であり;i’=0〜4;tは0または1であり;u=0または1;ただし、t=0の場合はu=0であることを条件とする;Y’は独立して、ハロゲン、NO2、CN、CH3、CF3、またはOCF3から選ばれ;Eはアルキル、または少なくとも1個のキラル中心を有する置換アルキルであって、個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし本液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする。〕;
かつ、式(3)は以下のとおりであり:
Aは
Aを表す式中、n=3〜15;d=1〜5;R’およびR’’は独立してCrH(2r+1)(r=1〜4)またはフェニル基から選ばれ;
Rは1〜10個の炭素原子を有するアルキル基またはW基であり、
Wは
Wを表す式中、n’=3〜15;a’=0または1;m’=1または2;s’=1または2;q’=0または1;b’=0または1;i’=0〜4;T’=O、COO、OCO、CH=N、N=CH、CF2O、OCF2、NHCO、CONH、CH2、CH2CH2、C≡C、またはCF2CF2;Y’は独立して、ハロゲン、NO2、CN、CH3、CF3、OCF3から選ばれ;Q’=O、COO、またはOCO;およびX’=アルキル、または少なくとも1個のキラル中心を有する置換アルキルであって、個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし本液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする。〕;
式(4)は以下のとおりであり:
Mを表す上記式中、n=3〜15;d=1〜5;R’およびR’’は独立してCrH(2r+1)(r=1〜4)またはフェニル基から選ばれ;
Rは1〜10個の炭素原子を有するアルキル基、またはZであり、
Zは
Zを表す上記式中、n’=3〜15;e’=0または1;G’は、H、ハロゲン、エポキシド、NO2、CN、CH3、CF3、またはOCF3である。〕;
前記有機液晶物質または前記有機非液晶物質が、前記追加の物質として用いられる場合には、下記の式を有する化合物:
- 前記自発分極が40nC/cm2未満である、請求項1に記載の液晶配合物。
- 前記液晶配合物がI→SmC*→SmX相転移を有する、請求項1または2に記載の液晶配合物。
- 前記液晶配合物が0.05より大きな複屈折を有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の液晶配合物。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載の液晶配合物を含むデバイスであって、SmC*相において、安定なブックシェルフ配列、双安定スイッチング、および等温電場配向を有し、かつ二つの安定状態間でスイッチされたときに500μ秒未満の応答時間および30V/μm未満の電気駆動場を有する、デバイス。
- 間に隙間を有する一対の基板;
前記基板の一つの上に配置された一対の電極、または各基板上に配置された1つの電極の対;および
前記一対の基板間の隙間に配置された請求項1〜4のいずれか一項に記載の液晶配合物、
を含む少なくとも1個の液晶セルを含む、請求項5に記載のデバイス。 - 少なくとも1つの偏光子をさらに含む、請求項6に記載のデバイス。
- 前記デバイスがラビングした配向層をさらに含む、請求項6または7に記載のデバイス。
- 二つの安定状態間でスイッチされたときに100μ秒未満の応答時間を有する、請求項6〜8のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記デバイスが、前記電気駆動場を除去した後20m秒後に、透過強度に10%未満の緩和しか有しない、請求項6〜9のいずれか一項に記載のデバイス。
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