JPH02695A - 強誘電性液晶組成物 - Google Patents

強誘電性液晶組成物

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JPH02695A
JPH02695A JP63163496A JP16349688A JPH02695A JP H02695 A JPH02695 A JP H02695A JP 63163496 A JP63163496 A JP 63163496A JP 16349688 A JP16349688 A JP 16349688A JP H02695 A JPH02695 A JP H02695A
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清一 荒川
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光 石本
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、液晶表示パネル等に使用される強誘電性液晶
組成物に関するものであり、特に応答速度、使用温度範
囲、配向性等の改良に関するものである。
(従来の技術〕 液晶表示素子は、薄形5軽量、低電圧駆動、低消費電力
といった利点を有し、平面デイスプレーとして広く用い
られている。
ところで、従来の液晶表示素子のほとんどは不マチンク
液晶を用いたTN (Twisted Nematic
)型表示素子であるが、当該TN型表示素子では前記利
点を有する反面、応答速度が遅いこと、視野角依存性が
あること、表示品位が不十分であること等、解決すべき
問題を数多く残しているのが現状である。表示品位につ
いては、スーパーライステンドネマチック(STN)1
品の出現により白黒表示が可能になりつつあり著しい改
善が見られるが、その応答速度は150 m5ec程度
と遅い。例えば、動画表示を行ったり単純マトリックス
を採用しようとする場合には、応答速度は100μse
c以下程度という厳しい要求が出される。
このような状況下で、カイラルスメクチック相(以下S
 C*相と称する。)の光スインチング効果を利用した
強誘電性液晶は、マイクロ七カント(μ5ec)オーダ
ーの高速応答性を存すること、双安定メモリー効果があ
り高速応答性と相俟って時分割駆動が容易であること等
の特徴を有し、その将来性が大いに期待されている。
強誘電性液晶の実用化のために必要とされる条件として
は、 (1) S C”相を室温を含む広い温度範囲で示すこ
と、(2)容易に良好な配向状態が得られること、(3
)大きい自発分極を持つこと、 (4)最適なチルト角(複屈折型で22.5°、ゲスト
ホスト型で45°)を有すること、 (5)化学的に安定であること、 (6)低粘性であること、 (7)双安定で急峻なしきい値特性を示すこと、等であ
る。これらの諸条件を満足して初めて実用的な強誘電性
液晶と言える。
〔発明が解決しようとする問題点3 強誘電性液晶の自発分極に関しては各方面で研究が進め
られ、20 (1−300n C/ctl程度のものが
得られるまでになっている。
しかしながら、特に化学的安定性や使用温度範囲等を考
慮すると充分なものとは言い難く、ましてや前述の各条
件を全て満足する強誘電性液晶材料は未だ得られていな
いのが現状である。
そこで本発明は、かかる従来の実情に鑑みて提案された
ものであって、室温を中心に広い温度範囲でSC“相を
示し、容易に良好な配向状態が得られるとともに、10
0μsec以下の高速応答性を有する強誘電性液晶組成
物を提供することを目的とする。
〔問題点を解決するための手段] 本発明者等は、前述の目的を達成せんものと長期に亘り
鋭意研究を重ねた結果、不斉炭素部にF原子を有するビ
フェニルエステル系強誘電性液晶が化学的に安定であり
大きな自発分極を有すること、これを逆のらせん向きを
存する液晶やスメクチック相(SC相)の高温側にネマ
チック相(N相)を有する液晶、低温低活性液晶とブレ
ンド(混合)することで前述の諸条件改善に大きな効果
を有すること、等の知見を得るに至った。
(但し、式中ρ及び9はそれぞれ6〜15の整数本発明
は前記知見を基に完成されたものであって、一般式 で示される’tfl晶■及び一般式 (但し、式中mは6〜15の整数を表し、nは3〜16
の整数を表す。) で示される強誘電性の液晶Iと、次式 あるいは次式 (但し、式中2は6〜15の整数を表す。)で示され前
記液晶Iとは逆のらせん向きを有する液晶■aあるいは
液晶nbとをカイラル成分とし、さらに一般式 (但し、式中j及びkはそれぞれ6〜15の整数を表す
。) で示される液晶■を非カイラル成分として含有すること
を特徴とするものである。
強誘電性の液晶Iは、不斉炭素部に電気陰性度の高いフ
ン素原子を置換基として導入することにより、双極子で
あるカルボニルの分極を大きくし、大きな双極子モーメ
ントを確保するようにしたものであって、200nC/
cJ程度と大きな自発分極を発揮するとともに、化学的
にも安定な強誘電性液晶材料である。
したがって、後述の各液晶材料とブレンドしたとしても
、所定の自発分極値が得やすく、高速応答性が実現され
る。
上述の液晶Iは、フン化カルボン酸とビフェノール誘導
体より容易に合成される。すなわち、フッ化カルボン酸
を例えばチオニルクロライドにより酸クロリドとした後
、前記ビフェノール誘導体に作用させればよい。反応式
を示せば次の通りである。
A法: NaN0゜ Cl13COOH n−BuJ’P L、l−+C,ClIC0OCJs 11□fi、、C,IClIC0OI+ここで、不斉炭
素にF原子を持つ強誘電性液晶を得るには、それに相当
する光学活性フッ化カルボン酸を必要とする。かかる光
学活性フッ化カルボン酸は、光学活性アミノ酸やカイラ
ルエポキシド等を原料として合成すればよい0合成法と
しては、次の3種類の方法が挙げられる。
液晶■は、らせんピッチを長くするために混合されるも
のであり、これによりカイラルネマチック相(以下、N
3相と称する。)、SC”相での配向制御を容易なもの
とする。
一般に、らせんピッチを長くする方法としてはらせんが
右回りの化合物と左回りの化合物とを混合し、これらら
せんのねじれ方向を相殺させる方法が考えられる。そこ
で、先の液晶Iとはらせんの向きが逆の液晶11aある
いは液晶nbを選び、これを当該液晶Iと混合すること
でらせんピッチを長いものとする。この液晶Uaあるい
は液晶■bの自発分極の向きは先の液晶Iと同じである
ことが好ましいが、自発分極が液晶■に比べて著しく小
さい場合にその向きはいずれであってもよい。
本発明の液晶組成物では、上述の液晶■と液晶11aあ
るいは液晶nbとの混合系をカイラル成分とするが、当
該カイラル成分の液晶組成物中に占める割合は5〜50
重量%の範囲内とすることが好ましい。これらカイラル
成分の割合が少なすぎると、自発分極を確保することが
難しい。逆にカイラル成分が多すぎると、温度条件を満
足させることができず、特に低温側での使用温度域が限
られることになる。
また、カイラル成分中に液晶Iが占めるδり合としては
、5〜70重星%の範囲内であることが好ましい。これ
はらせんピンチの観点から決まり、前記範囲内であれば
らせんピンチを十分に長くすることができる。ただし、
ンa晶■のらせんピッチがセルギヤツブ(通常2μm)
より十分長ければ液晶11aあるいは液晶llbを使用
する必要がない場合も生ずる。
一方、液晶■や液晶■等の非カイラル成分は、配向性や
使用温度域等の実用特性の改善のために混合されるもの
である。
例えば、液晶Iの分子配向は、特にSC1相の高温側の
相系列に大きく依存するが、SC相(スメクチック相)
の高温側にN相(ネマチック相)を持つ液晶■を混合す
ることで、等方性液体(Iso)→N1相→SA相(ス
メクチックA相)→SC1相なる相系列とすることがで
きる。ここで、らせんピンチの長いN1相は、ネマチッ
ク相と同様良好な配向性を示し、これを徐冷すればSA
相でホモジニアス配向が得られ、次いで分子が傾いてS
C0相となる一連の過程が無理なく受は入れられ、良好
な配向状態が得られる。
液晶■は、低温低活性を示す液晶材料で、これを配合す
ることで液晶組成物の粘度が下がり、室温を中心に広い
温度範囲でS00相が実現される。
非カイラル成分中、SC相の高温側にN相を持つ液晶■
の占める割合は、20〜80重量%とすることが好まし
い。液晶■が20重量%未満であるとN“相が発現しな
くなり、80重量%を越えると温度条件を満足させるこ
とができなくなる。
〔実施例〕
以下、本発明を具体的な実験結果に基づいて説明する。
実施例1 先ず、自発分極の大きな強誘電性の液晶(1a)〔液晶
■に相当する。〕を、次の方法で合成した。
L−ロイシン20gを50%酢酸水溶液200m2に溶
解し、21gの亜硝酸ナトリウムを熔解した亜硝酸水溶
液30m2を水冷下で滴下した。
これを室温で1時間撹拌した後、エーテルで抽出し、エ
ーテル留去後、残留物にトルエンスルホン酸0.5g、
エタノール300mjl!、 ヘンゼン100mj!を
加え、加熱還流した。このとき、生成した水は、酢酸エ
チル、ヘンゼア。エタノールと共沸除去した。
12時間後、エーテル抽出、洗浄、乾燥を行い、減圧蒸
留によりイソロイシン酸エチル15.9 gを得た。得
られたイソロイシン酸エチルの沸点は67〜70’C(
2ma+Hg)であった。
次に、イソロイシン酸エチル11g、ルチジン8mj!
、ジクロロメタン20mff1からなる溶液を水冷しな
がら15.4 m lのトリフルオロメタンスルホン酸
無水物を滴下し、滴下終了後30分間そのまま撹拌を続
けた。
シリカゲルカラム(ショートカラム)を通した後、減圧
蒸留してイソロイシン酸エチルのトリフルオロメタンス
ルホン酸エステル17.7 gを得た。
得られた化合物の沸点は71〜75°C(2n+mHg
)であった。
このスルホン酸エステル17.7 gをアセトニトリル
150rr+j!に溶解し、テトラ(n−ブチル)アン
モニウムフルオライド3水和物18 g lDt、5”
Cで一晩放置した。
シリカゲルカラムに通した後、減圧蒸留して2フルオロ
−3−メチルペンタン酸エチル6.1gを得た。得られ
た化合物の沸点は、70〜74°C(22閤Hg)であ
った。
これをlN−NaOH水溶液150mlに加え、室温で
12時間撹拌した。希塩酸で中和した後、エーテル抽出
、乾燥、エーテル留去することにより2−フルオロ−3
−メチルペンタン酸約4gを得た。
次に、この2−フルオロ−3−メチルペンタン酸を常法
により酸クロライド化(約3g)し、これとp、p′−
ビフェノール−モノ−n−ドデシルエーテルと反応させ
、目的の強誘電性液晶(la)を得た。得られた強誘電
性液晶(1a)の構造式は下記の通りである。
この強誘電性液晶(Ia)の不斉炭素部の立体配置は、
カルボニル基側から順にR−配置、S−配置である。ま
た、比旋光度は〔αL’1.1° (C=l  CHC
l3)であった。
また、転移温度は等方性液体(Iso)→SA相が93
.5°CSA相→sc”相が80°c、sc”相→結晶
が71.6°Cであった。自発分極は74°Cで200
nC/c+1であった。
上記強誘電性液晶(la)15重量%と非カイラル成分
であるフェニルベンゾエート系の液晶(3a)〔液晶■
に相当する。以下、非カイラルエステル系液晶(3a)
と称する。]885重世との混合物のらせんピッチをカ
ッ−のウェッジ法(Cano’s Wedge法)で測
定したところ、N0相2.4μm、SC”相8.6μm
であった。また、そのらせんの向きは右であった。
なお、使用した非カイラルエステル系液晶(3a)の構
造式は次の通りであり、転移温度は等方性液体(Iso
) →N相が89°C,N相→SC相が65°CSC相
→結晶が55°Cである。
ここで、N*相、sc’相においてはらせんピンチが長
い方が配向制御が容易である。らせんピッチを長くする
方法としては、右回りらせんの化合物と左回りらせんの
化合物とを混合してらせんのねじれ方向を相殺させる方
法が考えられる。
そこで、らせんの向きが左回りのフェニルベンゾエート
系の液晶(2a)(l晶’Jaに相当する。以下、逆ら
せんエステル系液晶(2a)と称する。〕を合成し、こ
れを上記強誘電性液晶(1a)と混合し、らせんピッチ
の変化を調べた。
なお、合成した逆らせんエステル系液晶(2a)は、下
記の構造式で示されるもので、比旋光度〔α)o’4.
8° (C=1.CHCN、)、 自発分pi4nc/
cdである。また、その転移温度は、等方性液体(rs
o)→SA相が60”C,SA相→sc”相が47’C
,SC”相→結晶が45°Cである。
測定に際しては、強誘電性液晶(1a)十逆らせんエス
テル系液晶(2a) 15重量%、エステル系液晶(3
a) 85重量%なる混合比とし、カイラル成分である
強誘電性液晶(1a)と逆らせんエステル系液晶(2a
)の混合比率を変えてピッチの長さを測定した。結果を
第1図に示す。なお、この図において縦軸にはピンチの
逆数(ピンチ−1)をとっである。したがって、このピ
ッチの逆数が小さいほどピッチが長いことになり、ピッ
チ−1−〇のときピッチは無限大であることを示す。
この第1図からも明らかなように、N0相のらせんピッ
チは、強誘電性液晶(1a)と逆らせんエステル系液晶
(2a)の比率が(la) : (2a) = 35 
:65のときに無限大となる。強誘電性液晶(1a)と
逆らせんエステル系液晶(2a)の比率が(la) :
(2a)=40:60のとき、N0相のらせんピッチは
63μmであり、S00相のらせんピッチは充分に長く
測定できなかった。(他の測定点から類推すると、10
0〜200Imである。、)実際に強誘電性液晶と共に
使用される液晶セルのセル厚は2μm程度であり、これ
からすると前記組成とすることでらせんピンチは充分に
長いものとなっていると言える。
そこで、カイラル成分として強誘電性液晶(1a)と逆
らせんエステル系液晶(2a)の比率を(la) : 
(2a)=40:60に固定し、非カイラル成分、すな
わち非カイラルエステル系液晶(3a)とフェニルピリ
ミジン系液晶(4a)、(4b) (液晶■に相当する
。〕の混合物(iv)  C以下、フェニルピリミジン
系液晶混合物(1v)と称する。〕の混合物に混ぜ合わ
せて最終的な液晶組成物を得た。なお、使用したフェニ
ルピリミジン系液晶(4a)、 (4b)は次式で表さ
れるものである。
このフェニルピリミジン系液晶混合物(iv)の転移温
度は、等方性液体(Tso>→N相が69’CN相→S
A相が66°C,SA相→SC相が35°C95C相→
結晶が一10’cである。
ここで、非カイラルエステル系液晶(3a)とフェニル
ピリミジン系液晶混合物(iv)の比率を(3a) :
 (iv) =53 : 47に固定し、カイラル成分
の1度を変えて相図を作成した。結果を第2図に示す。
その結果、カイラル成分の濃度が15重量%付近である
ときに、SC*相の温度範囲が大きく広がり、−8〜4
5°Cまでsc”相を示すことが明らかとなった。
以上の結果を基に、カイラル成分4度15重世%の液晶
組成物(組成物1)及びカイラル成分濃度25重量%の
液晶組成物(組成物2)を用い、2μmギャップの液晶
セルを作成して、その特性を評価した。
すなわち、配向処理剤としてポリイミドを塗布し表面を
ラビングして平行配向処理した透明電極を備えた2pm
ギャップのセルに、80 ’Cでこれら組成物を注入し
、等方性液体領域よりSC°相になるまで徐冷し、均一
なモノドメインセルを得た。
この液晶セルを直交ニコル状態に配置した2枚の偏光子
の間に挾み、電圧を印加して極性を反転させると表示状
態が変化した。
そこで、液晶セルの配置を最大コントラストがとれる配
置に固定し、その時の応答速度を室温(25°C)で±
IOV、±20Vの直流電圧印加で測定した。なお、応
答速度は電界印加時より輝度が90%変化するまでの時
間で表した。結果を第1表に示す。         
 (以下余白)第1表 その結果、本発明の実施例に相当する各液晶組成物は、
室温を中心に広い温度範囲でSC1相を示し、これを液
晶セルとすることで良好な配向状態が容易に得られ、1
00μsec以下の高速応答性が実現されることがわか
った。
実施例2 本実施例では、まず互いにらせんの向きの異なる2種類
の液晶を含むカイラル成分の相変化挙動を調べた。
使用した液晶の一方は上述の強誘電性液晶(1a)であ
り、他方はら仕んの向きの異なる次の構造式で示される
ビフェニル系の液晶(2b+) (液晶nbに相当する
。以下、逆らせんエステル系液晶(2b + )と称す
る。〕である。
この液晶の転移温度は、等方性液体(Iso)→SA相
が 123 ’C,SA相→sc”相が99°C,SC
9相→結晶が79℃であった。自発分極は82゛Cで4
7nC/cnであった。
第3図に上記強誘電性液晶(1a)と逆らせんエステル
系液晶(2bl)の混合系の相図を示す。
一方、非カイラル成分の相変化挙動も調べた。
使用した液晶は非カイラルエステル系液晶(3b)とフ
ェニルピリミジン系液晶混合物(1■)であり、前述の
実施例1と同じであるが、フヱニルピリミジン系液晶(
4a) 、 (4b)の混合比率は(4a) : (4
b) =30 ニアoに固定した。このフェニルピリミ
ジン液晶混合物(1v)を上記非カイラルエステル系液
晶(3a)と種々の割合で混合して相変化を調べた結果
を第4図に示す。この図から、この非カイラル成分は非
カイラルエステル系液晶(3a)とフェニルピリミジン
系液晶混合物(1v)の比が(3a) : (iv)=
40:60となる付近で結晶化温度を極小とすることが
わかる。
さらに、上記カイラル成分と上記非カイラル成分を混合
した組成物の相変化挙動を調べた。ここでカイラル成分
としては上記強誘電性液晶(1a)と逆らせんエステル
系液晶(2bl)を(la) : (2b1) =60
10の重量比にて混合したものを使用し、非カイラル成
分としては上記非カイラルエステル系液晶(3b)とフ
ェニルピリミジン系液晶混合物(IV)を43751の
重量比にて混合したものを使用した。結果を第5図に示
す。この図より、この組成物は広い温度範囲にわたって
SC相を示すことがわかる。カイラル成分の濃度が7.
5 ff11%の時の相転移温度は、等方性液体(l5
o)→N1相が73°C,N”相→SA相が60°C,
SA相→SC相が50°C25C相→結晶−4°Cであ
る。また自発分極は室温で6.5nC/cm”であった
実施例3 本実施例は、液晶1.液晶■b、液晶II1.!晶■を
それぞれ2種類ずつ使用した例である。ここで新たに使
用される各液晶は次式で表されるものである。
上記強誘電性液晶(lb)は前述の強誘電性液晶(1a
)と等量ずつ混合して強誘電性液晶混合物に)とし、上
記逆らせんエステル系液晶(2bz)は前述逆らせんエ
ステル系液晶(2b l )と等量ずつ混合して逆らせ
んエステル系液晶混合物(ii)とし、上記非カイラル
エステル系液晶(3b)は前述の非カイラルエステル系
液晶(3a)と等量ずつ混合して非カイラルエステル系
液晶混合物(iii )とした。フェニルピリミジン系
液晶混合物(iv )は上述の実施例2と同しものであ
る。
まず、強誘電性液晶混合物い)と逆らせんエステル系液
晶混合物(ii )を種々の割合で混合して調製したカ
イラル成分の相変化挙動を調べた結果を第6図に示す。
この図より、混合物(i)と混合物(II)をほぼ等量
ずつ混合した場合に低い結晶化温度が達成されることが
わかった。
そこで次に、混合物(i)と混合物(ii )を等量ず
つ含むカイラル成分と、非カイラルエステル系液晶混合
物(iii )とフェニルピリミジン系液晶混合物(1
v)を(iii):(iv) = 57 : 43の重
量比で混合して調製した非カイラル成分とを種々の割合
で混合した液晶組成物について相変化挙動を調べた。そ
の結果、カイラル成分の濃度が10重量%の時の相転移
温度は、等方性液体([so)→N1相が73.7°C
,N”相→SA相が 60°C,SA相→SC相が52
°C,SC相→結晶−14°Cである。
また自発分極は室温で7.5nC/cm”であった。
さらに、この液晶組成物のS00相のらせんピンチは3
0μm以上であり、セルギャップ(2μm)に比べて十
分に長いことが確認された。
このカイラル成分濃度10重量%の液晶組成物を用いて
実施例工に記載した方法と同様に液晶セルを作成し、そ
の特性を評価した。
この結果、初期状態のチルト角は25° (印加電圧±
15V)、メモリー状態では21.5°であった。この
値は、複屈折モードにおけるチルト角22.5°に近い
。また、光透過率の変化は電圧を印加した時に3.9%
、しない時に96.8%であり、きわめて高いコントラ
ストが達成された。
〔発明の効果〕
以上の説明からも明らかなように、本発明においては、
化学的に安定で大きな自発分極を示す弾速光学シャッタ
や表示情報量の高いデイスプレーとしての応用が可能で
ある。
であり、第2図は同じ実施例におけるカイラル成分の濃
度による液晶組成物の相変化を示す相図である。第3図
は本発明の他の実施例におけるカイラル成分の相図であ
り、第4図は同じ実施例における非カイラル成分の相図
であり、第5図は同じ実施例におけるカイラル成分の濃
度による液晶組成物の相変化を示す相図である。第6図
はさらに他の実施例における強誘電性液晶混合物の割合
によるカイラル成分の相変化を示す相図である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)一般式 ▲数式、化学式、表等があります▼・・・ I (但し、式中mは6〜15の整数を表し、nは3〜16
    の整数を表す。) で示される強誘電性の液晶 I と、次式 ▲数式、化学式、表等があります▼・・・IIa (但し、式中lは6〜15の整数を表す。)で示され前
    記液晶 I とは逆のらせん向きを有する液晶IIaとをカ
    イラル成分とし、 さらに一般式 ▲数式、化学式、表等があります▼・・・III (但し、式中p及びqはそれぞれ6〜15の整数を表す
    。) で示される液晶III及び一般式 ▲数式、化学式、表等があります▼・・・IV (但し、式中j及びkはそれぞれ6〜15の整数を表す
    。) で示される液晶IVを非カイラル成分として含有すること
    を特徴とする強誘電性液晶組成物。
  2. (2)一般式 ▲数式、化学式、表等があります▼・・・ I (但し、式中mは6〜15の整数を表し、nは3〜16
    の整数を表す。) で示される液晶 I と、次式 ▲数式、化学式、表等があります▼・・・IIb (但し、式中lは6〜15の整数を表す。)で示され前
    記液晶 I とは逆のらせん向きを有する液晶IIbとをカ
    イラル成分とし、 さらに一般式 ▲数式、化学式、表等があります▼・・・III (但し、式中p及びqはそれぞれ6〜15の整数を表す
    。) で示される液晶III及び一般式 ▲数式、化学式、表等があります▼・・・IV (但し、式中j及びkにはそれぞれ6〜15の整数を表
    す。) で示される液晶IVを非カイラル成分として含有すること
    を特徴とする強誘電性液晶組成物。
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JPH0288692A (ja) * 1988-09-24 1990-03-28 Dainippon Ink & Chem Inc 強誘電性液晶組成物
CN116332806A (zh) * 2022-12-29 2023-06-27 如皋市万利化工有限责任公司 一种辛烷基二甲基硫酸二乙酯的制备方法及应用

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