JPH08245437A

JPH08245437A - 液晶材料およびこれを含む液晶素子

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Publication number: JPH08245437A
Application number: JP5109595A
Authority: JP
Inventors: Chizu Sekine; 千津関根; Tomoaki Endo; 智明遠藤; Koichi Fujisawa; 幸一藤沢
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 1995-03-10
Filing date: 1995-03-10
Publication date: 1996-09-24

Abstract

(57)【要約】（修正有）【構成】一般式（１）で表される構造（式中、Ａは、光学活性部を除く部分を構成し、置換基
を有していてもよい二価の含六員環基を含む化合物残
部。Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃は互いに異なり、水素原子、フッ
素原子、アルキル基、アルコキシ基または水酸基。＊は
キラル炭素）を分子内に有し、キラル炭素とＡの間の結
合を軸として分子を回転させて、各回転角における分子
の最安定構造の存在比率を計算で求めたときに、最も存
在比率の高いコンフォメーションが１つだけで、かつそ
の存在比率が２番目に高い存在比率の少なくとも２倍以
上の大きさを有する光学活性化合物。【効果】少量の添加で十分な大きさの自発分極を誘起
し、従来のキラルドーパントと比較して誘起自発分極の
大きさに対する非キラル液晶材料（ホスト液晶）の化学
構造の違いによる影響が小さい。この光学活性化合物お
よび液晶組成物は、光シャッターや表示素子等の液晶素
子に用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学活性化合物および
これを含む強誘電性カイラルスメクティック液晶組成物
およびそれを用いた液晶素子に関する。さらに詳しく
は、少量添加で十分な自発分極を誘起し、かつ誘起自発
分極の大きさに対する、非キラル液晶材料の化学構造の
違いによる影響が小さい光学活性化合物およびこれを用
いた液晶組成物、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徴を有し
急速に普及してきた。液晶ディスプレイに代表される液
晶素子のうち情報量の大きいマトリクス型液晶素子に
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駆動方法がある。

【０００３】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。しかし、アクティブマトリクス方式は、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有しており、価格や生産性
などを考え合わせると単純マトリクス方式の方が有力で
ある。

【０００４】現在実用化されている単純マトリクス方式
の液晶素子としてはＴＮ型・ＳＴＮ型液晶を用いたもの
が主流である。しかしこれらの素子の光学的な応答は、
電界印加時に生じる液晶分子の誘電率異方性にもとずく
平均的な液晶分子軸の特定方向への配列を利用してい
る。従ってこれらの素子の光学的な応答速度の限界は、
ミリ秒のオーダーであり、情報量の増大を考えると不十
分である。

【０００５】また情報量を増大するために走査線の数を
増大するとコントラスト比の低下やクロストークが原理
的に避けられない。これはＴＮ型やＳＴＮ型の液晶がメ
モリー性（双安定性）を示さないことによる本質的な問
題である。このことを改良するために、二周波駆動法・
電圧平均化法・多重マトリクス法など種々の駆動法が提
案されているが問題の本質的な解決ではなく、大容量
化、高密度化は容易ではない。またこれらの液晶は視野
角の制約や表示品質にも大きな問題がある。

【０００６】このような液晶素子の本質的な問題点を解
決することを目標に、１９８０年Ｎ．Ａ．Ｃｌａｒｋと
Ｓ．Ｔ．Ｌａｇｅｒｗａｌｌは、双安定性を有する液晶
を利用する液晶素子を提案した（米国特許第４３６７９
２４号明細書、特開昭５６−１０７２１６号公報等）。
このような双安定性を示す液晶としてはカイラルスメク
チックＣ相を発現する強誘電性液晶が主として用いられ
ている。

【０００７】強誘電性液晶を用いることの特徴の一つ
は、強誘電性液晶が双安定性を示すことにある。双安定
性とは、強誘電性液晶を透明電極を有する二枚のガラス
基板間に狭持した場合に、印加する電界の向きに依存し
て二つの光学的な安定状態を有し、しかもこの二つの光
学的安定状態は、印加した電界を除去しても維持される
性質である。このような性質を有することから、強誘電
性液晶を用いた液晶素子は走査線の数を増大させてもコ
ントラスト比の低下やクロストークがないことが期待で
きる。

【０００８】もう一つの強誘電性液晶の特徴は、高速応
答性にある。すなわち強誘電性液晶の光学的応答は、強
誘電性液晶が有する自発分極と電場との直接的な相互作
用によって生じる液晶分子の配列の変化を利用するた
め、前述したＴＮ型・ＳＴＮ型液晶の場合の光学応答に
比較して、約１０００倍速い。

【０００９】すなわち強誘電性液晶素子は、( １) 二つ
の光学的安定状態を示し、その光学的安定状態が電界を
除去してもそのまま保持され（双安定性）、( ２) その
二つの光学的安定状態をマイクロ秒オーダーでスイッチ
ングする（高速応答性）という本質的な特徴を有する。
さらに強誘電性液晶素子は、( ３) 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（広視野角）という特徴も有している。

【００１０】従って強誘電性液晶素子は、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品質を
達成できる高品質大型ディスプレイとして期待されてい
る。

【００１１】このため現在までに強誘電性を示す液晶材
料に関して多く研究がなされ、報告されている。強誘電
性液晶素子を実用化するためには、解決しなければなら
ない課題がいくつか存在しているが特に低粘度で高速応
答を示す液晶材料を提供することが要求されている。

【００１２】低粘度な液晶組成物を得る方法として、キ
ラルドーパント法がよく用いられる。キラルドーパント
法とは、スメクチックＣ相を示す非キラル液晶材料に少
量の光学活性化合物を添加することにより強誘電性キラ
ルスメクチックＣ相を得るものである。

【００１３】強誘電性を付与する光学活性化合物はキラ
ルドーパントと呼ばれており、一般的になるべく少ない
添加量で、できるだけ大きい自発分極を誘起するように
分子設計、合成されている。キラルドーパント法の問題
点は、非キラル液晶材料とキラルドーパントとの相性が
化合物によって異なることである。

【００１４】すなわちある非キラル液晶材料に添加した
ときには十分な大きさの自発分極を誘起するが、別の非
キラル液晶材料に添加したときには、同じ添加量でも十
分な大きさの自発分極を誘起できないというものであ
る。このような、キラルドーパントと非キラル液晶材料
との相性の違いは、非キラル液晶材料によってキラルド
ーパントの立体構造が異なるためと考えられている。

【００１５】

【本発明が解決しようとする課題】本発明は、少量添加
で十分な自発分極を誘起し、かつ誘起自発分極の大きさ
に対する、強誘電性を付与しようとする非キラル液晶材
料の化学構造の違いによる影響が小さい光学活性化合物
およびこれを含む強誘電性液晶組成物および該組成物を
用いた液晶素子を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは鋭意検討の
結果、少量添加で十分な自発分極を誘起し、かつ誘起自
発分極の大きさに対する、用いる非キラル液晶材料の化
学構造の違いによる影響が小さい光学活性化合物を見い
だし、またそのような化合物を含む液晶材料を発明し
た。

【００１７】本発明は次に記す発明からなる。［１］一般式（１）で表される構造

【化４】

【００１８】（式中、Ａは、光学活性部を除く部分を構
成し、置換基を有していてもよい二価の含六員環基を含
む化合物残部を示す。Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃は互いに異な
り、水素原子、フッ素原子、フッ素置換されていてもよ
いアルキル基、フッ素置換されていてもよいアルコキシ
基または水酸基から選ばれる光学活性部構成基である。
＊はキラル炭素であることを示す）を分子内に有し、キ
ラル炭素とＡの間の結合を軸として分子を回転させて、
各回転角における分子の最安定構造の存在比率を計算で
求めたときに、最も存在比率の高いコンフォメーション
が１つだけで、かつその存在比率が２番目に高い存在比
率の少なくとも２倍以上の大きさを有することを特徴と
する光学活性化合物。

【００１９】〔２〕前記項〔１〕記載の光学活性化合物
のうち、Ａが

【化５】または

【化６】である光学活性化合物。

【００２０】〔３〕前記項〔１〕または項〔２〕記載の
光学活性化合物を少なくとも１種類以上含む強誘電性カ
イラルスメクチック液晶組成物。〔４〕前記項〔３〕記載の強誘電性カイラルスメクチッ
ク液晶組成物を一対の電極基板間に挟持してなることを
特徴とする液晶素子。

【００２１】なお、前記の分子の最安定構造の存在比率
の計算とは、一般式（１）中のＡとキラル炭素間の結合
を０度から３６０度まで数十度きざみ、例えば、３０度
きざみで回転させた構造を初期構造とし、半経験的な分
子軌道法、例えば、ＭＮＤＯ―ＡＭ１を用いて各安定構
造および生成エネルギーを求め、これらのパラメータを
用いて、ある温度における各安定構造の、ボルツマン分
布を仮定した存在比率を求める計算をいう。

【００２２】本発明に関わる液晶素子は種々のタイプの
液晶素子、表示装置として利用することができる。液晶
素子の構造は特に限定されるものではないが、図１に強
誘電性液晶素子の一例の概略図を示す。図１において、
１は偏光板、２はガラス基板、３は透明電極、４は絶縁
性の配向制御膜、５は強誘電性液晶、６はスペーサーで
ある。

【００２３】図１に記載したような構造をもつ液晶素子
の一つの例として表面安定化型強誘電性液晶表示装置を
挙げることができる。この表示装置は、二枚のガラス基
板２の間の間隔を極めて薄くしたセルに強誘電性液晶を
水平配向するようにつめたものである。

【００２４】強誘電性液晶層５の厚さは、二枚のガラス
基板２の間隔とそれらの上で強誘電性液晶層５の方向に
設置された透明電極３と絶縁性配向膜４の厚みのみで決
定され、通常０．５から２０μｍ、好ましくは１から５
μｍである。

【００２５】透明電極３は、液晶層側のガラス基板２上
に被覆されており、通常ＩＴＯ（Indium-Tin Oxide）、
Ｉｎ₂Ｏ₃、ＳｎＯ₂などが用いられている。

【００２６】透明電極３の液晶層側５には、絶縁性配向
膜が設置されている。この際、配向膜がそれ単独で充分
な絶縁性を有する場合には、配向膜のみでよいが、必要
に応じて配向膜と配向膜の下に絶縁膜を設置し、その両
者で絶縁性配向膜としてもかまわない。

【００２７】配向膜としては、有機物、無機物、低分
子、高分子物質など、公知のものを使用することができ
る。高分子物質としては、例えば、ポリイミド、ポリア
ミド、ポリアミドイミド、ポリビニルアルコール、ポリ
スチレン、ポリエステル、ポリエステルイミドや種々の
フォトレジストなどを必要に応じて用いることができ
る。

【００２８】またこれらの高分子物質を配向膜として用
いた場合には、必要に応じてこれら配向膜の表面を、ガ
ーゼやアセテート植毛布などを用いて、一方向にこす
る、いわゆるラビング処理を行なうことによって液晶分
子の配向をより一層促進することができる。

【００２９】絶縁膜としては、例えば、チタン酸化物、
アルミニウム酸化物、ジルコニウム酸化物、シリコン酸
化物、シリコン窒化物などを用いることができる。

【００３０】これらの配向膜や絶縁膜を形成する方法と
しては、必要に応じて、それら用いる物質によって最適
な方法を用いることができる。例えば、高分子物質の場
合には、その高分子物質またはその前駆体を、それらの
物質を溶解できる溶媒に溶解後、スクリーン印刷法スピ
ンナー塗布法、浸漬法などの方法で塗布することができ
る。無機物質の場合には、浸漬法、蒸着法、斜方蒸着法
などを用いることができる。

【００３１】これら絶縁性配向膜の厚みは、特に限定さ
れるものでないが、１０Å〜２０μｍ、好ましくは２０
Å〜１０００Åである。これら絶縁性配向膜４および透
明電極３を設置した二枚のガラス基板３は、スペーサー
６を介して所定の間隔に保持される。

【００３２】スペーサーとしては、シリカ、アルミナ、
高分子よりなり、所定の直径または厚みを有するビー
ズ、ファイバーまたはフィルム状の絶縁性の材料を用い
ることができる。これらスペーサ６を２枚のガラス基板
２で挟持し、周囲を例えばエポキシ系接着剤等を用いて
シールした後、強誘電性液晶を封入することができる。

【００３３】二枚のガラス基板の外側には、通常一枚ま
たは二枚の偏光板１が設置されている。二色性色素を添
加するゲストーホスト法の場合は用いる偏光板は一枚
で、複屈折法の場合は用いる偏光板は二枚である。図５
には二枚の偏光板を用いた場合が例示されている。この
際二枚の偏光板は互いの偏光軸を直交させた状態、すな
わちクロスニコル状態となっている。

【００３４】透明電極３は、適当なリード線が接続され
ており、外部の駆動回路に接続されている。

【００３５】

【実施例】以下、実施例により、本発明に関してより詳
細に述べるが、本発明はこれらに限定されるものではな
い。

【００３６】実施例１表１に示す化合物１を、表２に示す４種類の非キラル液
晶材料（ホスト液晶１〜４とする）各々に５ｍｏｌ％ず
つ混合し、強誘電性スメクチック液晶組成物１〜４（以
下、単に液晶組成物１〜４ということがある）を調製し
た（表３）。化合物１は、２９８ケルビンにおいて、キ
ラル炭素とベンゼン環の間の結合まわりに分子を回転さ
せ３０度おきに最安定構造と、各々の存在確率を計算し
たときに、最も存在確率の高いコンフォメーションが１
つだけで、かつその存在確率の大きさが、２番目に高い
存在確率の２倍以上であった。なお、この計算は表１に
示すモデル化合物について行った。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【表２】

【００３９】

【表３】

【００４０】この液晶組成物１〜４を、ガラス基板上に
透明電極をつけ、ポリイミド配向膜を塗布した、二枚の
ガラス基板間にスペーサーを用いてギャップが約２μｍ
になるように挟持し、この二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
置し液晶素子を作製した。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。

【００４１】次にこれらの液晶素子を用いて自発分極の
大きさを測定した。自発分極はジャパニーズ・ジャーナ
ル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａ
ｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．）２２巻、パート２、Ｌ６６１―Ｌ
６６３頁（１９８３年）に記載の三角波法を用いて測定
した。自発分極の温度依存性を測定し、図２に示した。
図２中、Ｔｃ―Ｔとは、キラルスメクチックＣ相の上限
温度からの温度差を表す。

【００４２】液晶組成物１〜４の自発分極の大きさに著
しい違いは見られず、化合物１をキラルドーパントとし
て用いた場合に、誘起自発分極の大きさは非キラル液晶
材料の影響をあまり受けないことがわかる。

【００４３】次に、比較のために、表４に示す化合物１
Ｒを、表２に示す４種類の非キラル液晶材料（ホスト液
晶１〜４とする）各々に５ｍｏｌ％ずつ混合し、強誘電
性スメクチック液晶組成物１Ｒ〜４Ｒ（以下、単に液晶
組成物１Ｒ〜４Ｒということがある）を調製した（表
５）。化合物１Ｒは、２９８ケルビンにおいて、キラル
炭素とベンゼン環の間の結合まわりに分子を回転させ３
０度おきに最安定構造と、各々の存在確率を計算したと
きに、最も存在確率の高いコンフォメーションの存在確
率の大きさが、２番目に高いコンフォメーションの存在
確率の２倍以下である。なお、このときの計算は表４に
示すモデル化合物ＭＲについて行った。

【００４４】

【表４】

【００４５】

【表５】

【００４６】これらの液晶組成物１Ｒ〜４Ｒを液晶組成
物１〜４と同様のセルに封入し、自発分極の温度依存性
を測定した。その結果を図３に示す。図２と図３を比較
すると、化合物１Ｒは非キラル液晶材料（ホスト液晶）
の種類によって誘起する自発分極の大きさが著しく異な
ることがわかる。以上のことより、化合物１は、化合物
１Ｒよりもキラルドーパントとして優れていることがわ
かる。

【００４７】

【発明の効果】本発明の光学活性化合物は、少量の添加
で十分な大きさの自発分極を誘起し、従来のキラルドー
パントと比較して誘起自発分極の大きさに対する非キラ
ル液晶材料（ホスト液晶）の化学構造の違いによる影響
が小さい。本発明の光学活性化合物を含む液晶組成物
は、光シャッターや表示素子等の液晶素子に用いること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】強誘電性液晶を用いた表示装置の一例の概略図
を示す。

【図２】液晶組成物１〜４の自発分極の温度依存性を示
す。

【図３】液晶組成物１Ｒ〜４Ｒの自発分極の温度依存性
を示す。

【符号の説明】

１．偏光板２．ガラス基板３．透明電極４．絶縁性の配向制御膜５．強誘電性液晶層６．スペーサー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０２Ｆ 1/13 ５００Ｇ０２Ｆ 1/13 ５００ 1/141 1/137 ５１０ // Ｃ０７Ｍ 7:00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一般式（１）で表される構造【化１】（式中、Ａは、光学活性部を除く部分を構成し、置換基
を有していてもよい二価の含六員環基を含む化合物残部
を示す。Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃は互いに異なり、水素原子、
フッ素原子、フッ素置換されていてもよいアルキル基、
フッ素置換されていてもよいアルコキシ基または水酸基
から選ばれる光学活性部構成基である。＊はキラル炭素
であることを示す）を分子内に有し、キラル炭素とＡの
間の結合を軸として分子を回転させて、各回転角におけ
る分子の最安定構造の存在比率を計算で求めたときに、
最も存在比率の高いコンフォメーションが１つだけで、
かつその存在比率が２番目に高い存在比率の少なくとも
２倍以上の大きさを有することを特徴とする光学活性化
合物。
【請求項２】請求項１記載の光学活性化合物のうち、Ａ
が【化２】または【化３】である光学活性化合物。
【請求項３】請求項１または請求項２記載の光学活性化
合物を少なくとも１種類以上含むことを特徴とする強誘
電性カイラルスメクチック液晶組成物。
【請求項４】請求項３記載の強誘電性カイラルスメクチ
ック液晶組成物を一対の電極基板間に挟持してなること
を特徴とする液晶素子。