JPH05156254A - 液晶組成物およびこれを含む液晶素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】強誘電性カイラルスメクチックＣ相を示すフェ
ニルピリミジン系化合物に４−ｎ−ヘキサデシルピリジ
ンを添加した強誘電性カイラルスメクチックＣ相を示す
液晶組成物およびそれを用いた液晶素子 【効果】従来の強誘電性カイラルスメクチックＣ相を示
す液晶化合物に比較して応答時間、配向性に優れ、高速
応答性、コントラスト比の改善された液晶素子を提供で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強誘電性液晶組成物お
よびそれを用いた液晶素子に関する。さらに詳しくは、
応答性と配向性が改良された新規な強誘電性カイラルス
メクチックＣ相を示す液晶組成物、およびそれを使用し
た光シャッターや表示素子などに使用できる液晶素子に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、情報化社会の進展に伴い、各種の
表示装置はマンマシーンインターフェースの一つとして
その重要性がますます高まっている。そのような中で平
面ディスプレイ、特に液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）は薄
型・軽量・低電圧駆動・低消費電力などの特長を有し急
速に普及してきた。

【０００３】ＬＣＤのうち表示容量の大きいマトリクス
型ＬＣＤにはアクティブマトリクス方式と単純マトリク
ス方式と呼ばれている二つの方式がある。アクティブマ
トリクス方式はポリシリコン、アモルファスシリコンな
どの薄膜トランジスター（ＴＦＴ）またはダイオードを
画素毎に非線形素子として装着したものである。複雑な
製造プロセスと歩留まりの悪さから大面積化、低価格
化、高密度化に関して課題を残している。

【０００４】ＳＴＮ型ＬＣＤに代表される単純マトリク
ス方式はＴＦＴなどの非線形素子が不要であるという大
きな特徴を有している。ＳＴＮ型ＬＣＤは各種パソコン
やワープロに使用され、技術的な改良が着々と進められ
ている。しかし、原理的に走査線の数を多くできないと
いう欠点を有しており大容量化、高密度化は容易ではな
い。また視野角の制約や表示画質にも大きな問題を残し
ている。

【０００５】このような背景の下に、強誘電性ＬＣＤは
単純マトリクス方式で高表示容量で高品質のＬＣＤを実
現するための有力候補の一つとして活発に研究が行われ
ている。強誘電性ＬＣＤは上記した他のＬＣＤが液晶材
料としてネマティック液晶を用いるのに対して強誘電性
液晶を用いる。そのため前者とは全く異なる以下の特徴
を有している。 （１）メモリー性 電界印加時の液晶分子の配向が電界を除去してもそのま
ま保持される。したがって走査線を増やしてもコントラ
ストが低下しない。 （２）高速応答性 マイクロ秒オーダーの高速応答性をもつので走査線の増
大や高速動画表示が可能である。 （３）広視野角 液晶分子が基板に対して平行な面内で応答し、セル厚も
薄いので表示の視角依存性が小さい。

【０００６】強誘電性ＬＣＤはこのような特徴を持つこ
とから、アクティブマトリクス方式の場合のように高価
な非線形素子を必要とせず、単純マトリクス方式で大表
示容量と高表示画質を達成できる高品位大型ディスプレ
イとして期待されている。その代表的なものであり、現
在の開発の主流を占めているのが１９８０年にＮ．Ａ．
ＣｌａｒｋとＳ．Ｔ．Ｌａｇｅｒｗａｌｌにより提案さ
れた表面安定化型強誘電性液晶表示装置（ＳＳＦＬＣ
Ｄ）である。

【０００７】強誘電性液晶化合物に関して現在精力的に
化合物のスクリーニングが行われているが、液晶化合物
に要求される基本的な特性を以下に記載する。 １）強誘電性相を示す温度範囲が室温を中心に充分広い
こと。 ２）高フレーム周波数でマルチプレックス駆動できるよ
う応答速度が充分速いこと、そのために適度の大きさの
自発分極と小さい回転粘度を有すること。 ３）マルチプレックス駆動可能な良好なしきい値特性と
メモリー性を有すること。 ４）均一な配向を得るためカイラルネマチック相（Ｎ＊
相）及びカイラルスメクチックＣ相（Ｓｃ＊相）のヘリ
カルピッチが充分長いこと。 ５）好ましくは相系列としてＳｃ＊相の高温側にＮ＊相
およびスメクチックＡ相（Ｓ_A 相）を有すること。

【０００８】このような観点で現在強誘電性カイラルス
メクチックＣ相を示す（以下強誘電性カイラルスメクチ
ックと略称する場合がある。）液晶化合物としてシッフ
塩基系、アゾおよびアゾキシ系、ビフェニル系、アロマ
ティックエステル系、フェニルピリミジン系などの多く
の化合物が検討されている。しかしながら単品の液晶化
合物では実用的な特性を満たすことは非常に困難であ
り、実用的な強誘電性液晶材料の開発においては二成分
以上の液晶化合物を混合し、種々の基本的な材料物性を
より実用サイドに近い特性に調製しているのが現状であ
る。

【０００９】その中で高速応答性の強誘電性カイラルス
メクチック液晶組成物を調製する一般的な方法には二つ
ある。その一つは強誘電性相を示す各種液晶のみを混合
する方法であり、もう一つはノンカイラルなスメクチッ
クＣ相（Ｓｃ相）を示す母体液晶（ホスト）にカイラル
化合物（ゲスト）を添加する方法である。前者の方法
は、一般的にはカイラル化合物のみを混合するため自発
分極の値を大きくすることは比較的容易であるが、混合
に際して自発分極や螺旋ピッチの向きを調整する必要が
あり、さらに回転粘度が一般に大きいという欠点を有し
ている。一方後者の方法は自発分極を有する強誘電性液
晶にノンカイラルな液晶を添加するため回転粘度の低下
はあるレベルまでは比較的容易である。しかしこの方法
は、強誘電性相としての安定性が低下する傾向にあるこ
とと、現在ノンカイラル液晶としてフェニルピリミジン
系の液晶が多く用いられているが、それらよりもさらに
粘度の低い液晶の開発が非常に困難であるという課題を
有している。

【００１０】さらにＳＳＦＬＣＤを実用に供する場合に
おいては明るさを犠牲にせず充分なコントラスト比を得
る必要がある。そのためには暗状態での光の漏れを最小
限にする必要がある。暗状態で光が漏れる原因としてス
メクティック相を有する層がセル中央部で折れ曲がった
シェブロン構造やねじれ状態が存在する。現時点におい
てＳＳＦＬＣＤが実用化に至らない原因の一つがこのシ
ェブロン構造であり、当初Ｎ．Ａ．ＣｌａｒｋとＳ．
Ｔ．ＬａｇｅｒｗａｌｌがＳＳＦＬＣＤの概念を発表し
た際には全く予想できなかった構造である。このシェブ
ロン構造を排除し、本来のブックシェルフ構造または傾
斜ブックシェルフ構造を実現するための努力が液晶材料
の側面及び配向制御の側面から活発になされている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、電界の変化
に対する応答時間が速く、また配向性の優れた強誘電性
カイラルスメクチック液晶組成物、およびそれを用いた
応答速度、コントラスト比が改善された液晶素子を提供
することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記した課
題を解決することを目的に鋭意検討した結果、強誘電性
カイラルスメクチック液晶化合物または組成物に比較し
て、これら化合物または組成物に単独では液晶相を示さ
ない特定の化合物を混合することにより応答性および配
向性が優れた強誘電性カイラルスメクチック液晶組成物
が得られることを見い出し本発明に到達した。

【００１３】すなわち、本発明は、強誘電性カイラルス
メクチックＣ相を示す液晶化合物または組成物に、下記
一般式（１） Ａ−Ｒ （１） （但し、Ａはフェニル基、ピリジル基または水素であ
り、Ｒは炭素数６〜２２の直鎖状のアルキル基であ
る。）で示される化合物を添加してなることを特徴とす
る応答性および配向性が改良された強誘電性カイラルス
メクチックＣ相を示す液晶組成物およびこれを含む液晶
素子を提供することにある。

【００１４】本発明において強誘電性カイラルスメクチ
ック液晶化合物または組成物は公知のものが使用でき
る。以下、これらについて説明する。強誘電性液晶化合
物としては、シッフ塩基系、アゾおよびアゾキシ系、ビ
フェニル系、アロマティックエステル系、フェニルピリ
ミジン系化合物等の強誘電性カイラルスメクチック液晶
化合物単独または二種以上の混合物が挙げられる。また
強誘電性液晶組成物としてはスメクチックＣ相を示す液
晶化合物を母体液晶としてこれにカイラル化合物を加え
て強誘電性カイラルスメクチック液晶組成物としたもの
等が挙げられる。

【００１５】具体的には例えば特開平３−１２４８７号
公報等に例示されているフェニルピリミジン系の強誘電
性カイラルスメクチック液晶化合物およびそれらを含む
液晶組成物、特開平３−８３９４９号公報に例示されて
いる光学活性なビフェニル系の強誘電性カイラルスメク
チック液晶化合物およびそれを含む液晶組成物、特開昭
５９−９８０５１号および同６０−１９９８６５号公報
に例示されているシッフ塩基系の強誘電性カイラルスメ
クチック液晶化合物およびそれを含む組成物、特開昭６
１−１８３２５６号公報に例示されているアゾキシ系強
誘電性カイラルスメクチック液晶化合物およびそれを含
む組成物、特開平２−１６７２５１号公報に例示されて
いるアロマチックエステル系の強誘電性液晶化合物およ
びそれを含む組成物、特開平３−２０７７９０号公報に
例示されているスメクチック液晶を示すフェニルピリミ
ジン系化合物、フェニルピリジン系化合物、ビフェニル
化合物またはアロマチックエステル系化合物を母体液晶
とし、これにカイラル化合物を加えた強誘電性カイラル
スメクチック液晶組成物、特開平３−６２８８５号公報
に例示されているスメクチック液晶化合物にアロマチッ
クエステル系カイラル化合物を添加した強誘電性カイラ
ルスメクチック液晶組成物等が例示される。

【００１６】また、本発明において使用の上記一般式
（１）で示される化合物はそれ単独では液晶性を示さな
い化合物であり、これを上記で詳述した強誘電性カイラ
ルスメクチックＣ相を示す液晶化合物または組成物に添
加して得られる組成物は強誘電性カイラルスメクチック
Ｃ相を示す液晶となり、この液晶の応答時間や液晶の配
向性に関係する液晶素子での応答速度、コントラスト比
などが添加前のそれらより向上する。このような効果が
得られる化合物の例としては、炭素数が６〜２２の直鎖
状アルキル基を有する４−ｎ−アルキルピリジン、ｎ−
アルキルベンゼンおよびｎ−アルカンが挙げられる。４
−ｎ−アルキルピリジンとしては、４−ｎ−デシルピリ
ジン、４−ｎ−ドデシルピリジン、４−ｎ−テトラデシ
ルピリジン、４−ｎ−ペンタデシルピリジン、４−ｎ−
ヘキサデシルピリジン、４−ｎ−オクタデシルピリジ
ン、４−ｎ−エイコサンピリジンなどが挙げられる。ｎ
−アルキルベンゼンとしては、ｎ−デシルベンゼン、ｎ
−ドデシルベンゼン、ｎ−テトラデシルベンゼン、ｎ−
ペンタデシルベンゼン、ｎ−ヘキサデシルベンゼン、ｎ
−オクタデシルベンゼン、ｎ−エイコサンベンゼンなど
が挙げられる。ｎ−アルカンとしては、ｎ−デカン、ｎ
−ドデカン、ｎ−テトラデカン、ｎ−ペンタデカン、ｎ
−ヘキサデカン、ｎ−オクタデカン、ｎ−エイコサンな
どが挙げられる。またこれらの化合物は単独、または二
種以上の混合物で用いることができる。

【００１７】本発明においては、液晶を示さない上記し
た化合物を強誘電性カイラルスメクチックＣ相を示す液
晶化合物または組成物に添加するが、添加して得られる
組成物も強誘電性カイラルスメクチックＣ相を示すこと
が必要である。そのため上記一般式（１）で示される液
晶とならない化合物の添加量は得られる組成物が強誘電
性カイラルスメクチックＣ相を示す範囲に制限される。
本発明においては、液晶とならない化合物の含有量の上
限は添加する対象である強誘電性カイラルスメクチック
液晶を示す化合物または組成物の種類によって異るので
一義的に添加量を限定することはできないが、概ね一般
式（１）で示される液晶とならない化合物の添加量は、
得られる組成物中の含有量で好ましくは１５モル％程度
以下である。一方、下限は特にないが添加により上記効
果を顕著に発現させるには含有量は０．５モル％以上が
好ましく、１モル％以上がより好ましい。

【００１８】本発明の強誘電性カイラルスメクチック液
晶組成物は公知の方法で一対の透明電極間に挟持するこ
とにより液晶素子を構成することができる。また、通常
は該組成物を挟持する透明電極の少なくとも一方、好ま
しくは両方に液晶配向膜を公知の方法で設ける。このよ
うにして本発明の強誘電性カイラルスメクチック液晶組
成物を使用して応答速度が速く、コントラストの大きい
液晶素子が得られる。

【００１９】

【実施例】以下に本発明を実施例により具体的に説明す
るが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。

【００２０】実施例１ 強誘電性カイラルスメクチックＣ相を示す液晶化合物と
して下記化１

【００２１】

【化１】 （＊は不整炭素を表す。）で示される化合物９０モル％
と液晶とならない化合物として４−ｎ−オクタデシルピ
リジン１０モル％との組成物を調製した。

【００２２】この組成物を以下の手順で作製したセルに
封入した。１．１ｍｍ厚みのガラス基板上に透明電極と
してＩＴＯを常法により１５０Åの厚みに蒸着したもの
を２枚用意し、このＩＴＯ薄膜上にポリイミド樹脂前駆
体を１０重量％溶解させたＮ−メチル−２−ピロリドン
溶液を回転数２０００ｒｐｍのスピンナーで４５秒間ス
ピンコートを行い、ついで３時間、２００℃加熱処理を
してポリイミド樹脂薄膜を作製した。この薄膜の厚みは
１２０Åであった。次いでこの薄膜にナイロン植毛布に
よりラビング処理を行った。その後、平均粒径２μｍの
シリカ球を混合した接着剤を一方のガラス基板の薄膜が
設けられた側に印刷し、ラビング方向が平行になるよう
にもう一方のガラス基板を貼り合わせ、２０分間１８０
℃で乾燥してセルを作製した。このセルのセル厚を分光
反射スペクトルを測定することにより求めたところ約２
μｍであった。得られたセルに調製した強誘電性液晶組
成物を封入し、液晶素子を作製した。なお、２枚のガラ
ス基板のそれぞれ外側に偏光面が９０゜回転した状態で
二枚の偏光板を設置した。この際、光の入射側の偏光軸
はポリイミド配向膜のラビング方向に一致するように設
置した。この液晶素子を用いて下記の測定方法で性能を
評価した結果を表１に示す。

【００２３】・応答時間（ｔ）は３０℃で±２０Ｖの矩
形波を印加した際の分極反転電流の半値巾より求めた。 ・コントラスト比はこの液晶素子に光を入射し、液晶素
子に±２０Ｖの矩形波を印加した場合の出射光の強度を
フォトマルで計測し、暗状態と明状態との光の強度比よ
り求めた。 ・チルト角θは１０Ｖ／μｍの矩形波電圧を試料台に載
せた液晶素子に印加し、試料台を回転させて各々の電
場、極性に対して消光位になる角度θ₁ 、θ₂ を測定
し、これらの角度の差の半分をチルト角として求めた。 ・自発分極はジャパニーズ・ジァーナル・オブ・アプラ
イド・フィジックス（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．）２２巻、パート２、Ｌ６６１−６６３頁（１９８
３年）に記載の三角波法を用いて算出した。 ・チルト角２２．５°に修正した場合の応答時間
（ｔ₁ ）を下式によりで求めた。 ｔ₁ ＝ｔ×ｓｉｎ２２．５°÷ｓｉｎ（チルト角） この理由は、単独では液晶とならない化合物の添加によ
り通常チルト角が減少するが、チルト角（θ）と応答時
間の間には下記の関係があるため、 ｔ ∝ ｓｉｎθ チルト角の減少による見かけの応答時間の短縮ではない
ことを示すために、添加前後におけるチルト角を２２．
５゜に仮定した場合の応答時間が真の応答時間の比較に
なると考えられるためである。 ・回転粘度〔η₀ （Ｐａ・ｓ）〕は下式より求めた。 η₀ ＝（ｔ×｜Ｐｓ｜×Ｅ×１０^-5）／（１．７６×ｓ
ｉｎ² θ） ここでｔは応答時間（μｓ）、Ｐｓは自発分極（ｎＣ／
ｃｍ² ）、Ｅは電場（Ｖ／μｍ：液晶厚み１μｍ当りの
印加電圧）、θはチルト角である。

【００２４】

【表１】

【００２５】表１から明らかなように本発明の強誘電性
カイラルスメクチック液晶組成物を用いた液晶素子にお
いては応答速度、コントラスト比が顕著に向上している
ことが判る。

【００２６】実施例２〜５ 強誘電性カイラルスメクチック液晶化合物として実施例
１に使用のものを用い、この化合物９０モル％に対して
それぞれｎ−テトラデシルピリジン（実施例２）、ｎ−
オクタデシルベンゼン（実施例３）、ｎ−オクタデカン
（実施例４）およびｎ−ヘキサデシルピリジン（実施例
５）を１０モル％の割合で混合して４つの組成物を調製
した。これらの組成物を用いてそれぞれ実施例１と同様
の液晶素子を作製して性能を評価した。結果を表２に示
す。

【００２７】

【表２】

【００２８】表３の結果から明らかなようにチルト角を
２２．５゜に修正した応答時間が向上している。

【００２９】

【発明の効果】本発明の強誘電性カイラルスメクチック
Ｃ相を示す液晶組成物は従来の強誘電性カイラルスメク
チックＣ相を示す液晶化合物、組成物に比較して応答時
間が短く、配向性において優れているため、高速応答
性、コントラスト比が改善された液晶素子を提供するこ
とができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】強誘電性カイラルスメクチックＣ相を示す
   液晶化合物または組成物に、下記一般式（１） Ａ−Ｒ （１） （但し、Ａはフェニル基、ピリジル基または水素であ
   り、Ｒは炭素数６〜２２の直鎖状のアルキル基であ
   る。）で示される化合物を添加してなることを特徴とす
   る応答性と配向性が改良された強誘電性カイラルスメク
   チックＣ相を示す液晶組成物。
2. 【請求項２】請求項１記載の応答性と配向性が改良され
   た強誘電性カイラルスメクティックＣ相を示す液晶組成
   物を一対の透明電極基板間に挟持したことを特徴とする
   液晶素子。