WO2011142124A1 - 光応答性液晶化合物およびその応用 - Google Patents

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恭央 則包
友樹 平井
吉田 勝
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    • G02F2202/14Materials and properties photochromic

Definitions

  • the present invention relates to a photoresponsive liquid crystal compound and application of the compound.
  • liquid crystal capable of freely manipulating light characteristics such as wavelength, transmittance, and polarization by utilizing a change in the orientation state of molecules is expected as an extremely useful material.
  • Optical materials such as nonlinear optical materials and light control materials are known as materials using liquid crystals. Further, as products using these optical materials, displays for displaying characters and images, optical compensation plates, and the like are known. On the other hand, in addition to optical materials, it is known to use liquid crystals as materials such as fibers and reinforced plastics. Furthermore, application of liquid crystals to tribological materials, conductive materials, semiconductor materials, and light-emitting materials utilizing the unique physical properties is expected.
  • Liquid crystalline compounds can be broadly classified into two types based on molecular shape.
  • One is a calamitic liquid crystal formed by rod-like molecules
  • the other is a discotic liquid crystal formed by disk-like molecules.
  • a rod-like liquid crystal compound is generally used for a portion responsible for optical switching
  • a discotic liquid crystal compound is generally used for an optical compensation film (retardation plate) portion.
  • a discotic liquid crystal having a wide ⁇ -conjugated plane as a core forms a columnar (columnar) phase in which discotic molecules are stacked in a self-organized manner.
  • the ⁇ conjugate plane is integrated one-dimensionally at the center of the column to form a one-dimensional channel.
  • a high charge transporting property close to that of organic single crystals and amorphous silicon is developed.
  • discotic liquid crystals are actively studied all over the world as a base material for next-generation printable electronics. This is because excellent properties such as spontaneous orientation, solubility, and flexibility of the liquid crystal material are very advantageous for simple device fabrication by a solution process.
  • a liquid crystal compound exhibiting a discotic phase generally has a disc shape, and has a radial side chain in a central nucleus or a cyclic nucleus.
  • optical (polarizability), electronic (electron / charge transportability), and mechanical (viscosity) anisotropy are exhibited. Utilizing such characteristics, the application of discotic liquid crystals to display materials, optoelectronic materials, photonics materials, and tribological materials is expected. Further, the negative optical anisotropy, which is a characteristic property of discotic molecules, is currently most commonly used for an optical compensation film of a liquid crystal display. Therefore, the development of discotic liquid crystals having new optical properties and / or process easiness is strongly desired at the industrial level.
  • the present invention focusing on the macrocyclic azobenzene, unlike the conventional molecular design, the present invention aimed to impart photoresponsiveness to the disk-like liquid crystal nucleus itself.
  • the present inventors have found that macrocyclic azobenzene having no side chain forms a columnar structure in which molecules are one-dimensionally overlapped in a crystalline state, and stepwise cis-trans isomerization by light irradiation in a solution. (See Non-Patent Document 2).
  • An object of the present invention is to provide a novel liquid crystal compound capable of freely controlling a phase transition by light stimulation. Another object of the present invention is to provide a novel liquid crystal compound useful in the fields of displays, optoelectronics, and photonics.
  • R 1 , R 2 and R 3 are each independently hydrogen, alkyl group, alkoxyl group, alkoxycarbonyl group, alkoxycarbonyloxy group, alkanoyl group, alkanoyloxy group, alkoxyphenyl group, and N-alkyl Selected from the group consisting of aminocarbonyl groups, n represents an integer.
  • Liquid crystal compound represented by ⁇ 2> The liquid crystal compound according to ⁇ 1>, wherein n is an integer of 1 to 4.
  • ⁇ 3> The liquid crystal compound according to ⁇ 1>, which undergoes a phase change upon irradiation with ultraviolet light or visible light.
  • ⁇ 4> The liquid crystal compound according to ⁇ 1>, which exhibits a discotic liquid crystal phase.
  • ⁇ 5> The liquid crystal compound according to ⁇ 1>, which undergoes a reversible phase change between a crystal phase and an isotropic phase by irradiation with ultraviolet light.
  • ⁇ 6> An optical element using the liquid crystal compound according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 5>.
  • ⁇ 7> A photosensitive material using the liquid crystal compound according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 5>.
  • ⁇ 8> The photosensitive material according to ⁇ 7>, which is a photopatterning material or a photosensitive ink.
  • the present invention not only the phase transition of the liquid crystal induced by light but also the change of the transition temperature of the liquid crystal phase due to the structural change of the molecule is enabled. That is, the present invention can provide a liquid crystal material and a liquid crystal composition capable of controlling the physical properties of the liquid crystal over a wide range.
  • the compound of the present invention can undergo a reversible phase transition between crystal phase and isotropic phase by light stimulation. Therefore, the compound of the present invention is expected to be applied to optical elements that can be switched by light, organic semiconductor elements, and photosensitive materials such as photopatterning materials or photosensitive inks.
  • FIG. 1 is a diagram showing a differential scanning calorimetry (DSC) chart of liquid crystal compound 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing a DSC chart of liquid crystal compound 2.
  • FIG. It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of the liquid crystal compound 1 in 110 degreeC. It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of the liquid crystal compound 2 in room temperature. It is a figure which shows the ultraviolet visible absorption spectrum before and behind ultraviolet irradiation of the chloroform solution of the liquid crystal compound 1.
  • the liquid crystal compound according to the present invention is represented by the following general formula.
  • each of R 1 , R 2 and R 3 is independent for each occurrence and may be the same or different.
  • Each of R 1 , R 2 and R 3 represents hydrogen, an alkyl group, an alkoxyl group, an alkoxycarbonyl group, an alkoxycarbonyloxy group, an alkanoyl group, an alkanoyloxy group, an alkoxyphenyl group, or an N-alkylaminocarbonyl group.
  • the alkyl chain portion of the above substituent may be either linear or branched.
  • at least one of R 1 , R 2 or R 3 is not hydrogen. In other words, compounds in which all of R 1 , R 2 and R 3 are hydrogen are outside the scope of the present invention.
  • n is an integer.
  • the compound having the general formula (1) can be generally synthesized by reductively cyclizing a dinitro compound (methylene bridged dimerized nitrobenzene derivative) as a precursor.
  • the compound having the general formula (1) is mainly obtained as a mixture of compounds in which n is 1 to 10.
  • the compound corresponding to each n can be isolated.
  • the solubility of the compound in an organic solvent decreases.
  • n is preferably an integer of 1 to 4.
  • a dinitro compound (methylene-bridged dimerized nitrobenzene derivative) that is a precursor of the compound having the general formula (1) includes, for example, (a) a dimerization step of a nitrobenzene derivative with formaldehyde, and (b) a dimerized nitrobenzene derivative. And a step of introducing a substituent.
  • a dinitro compound (methylene bridged dimerized nitrobenzene derivative) is produced by a method including (a ′) a step of introducing a substituent to the nitrobenzene derivative and (b ′) a dimerization step of the substituted nitrobenzene derivative with formaldehyde. Also good.
  • a preferred specific example of the liquid crystal compound of the present invention is a compound in which R 1 is an alkoxyl group, R 2 and R 3 are hydrogen, and n is an integer of 1 to 4. More preferred specific examples are compounds in which R 1 is an octadecyloxy group, R 2 and R 3 are hydrogen, and n is an integer of 1 to 4.
  • R 1 is an alkoxyl group
  • R 2 and R 3 are hydrogen
  • n is an integer of 1 to 4.
  • the liquid crystal compound of the present invention exhibits a discotic liquid crystal phase because macrocyclic azobenzene functions as a mesogen.
  • the liquid crystal compound of the present invention undergoes a phase change of the liquid crystal phase accompanying isomerization of the azo bond (—N ⁇ N—) by irradiation with ultraviolet light or visible light.
  • the wavelength of light that causes a phase change of the liquid crystal phase varies depending on the value of n in the general formula (1) and the electronic and steric effects of the side chains (R 1 , R 2, and R 3 ).
  • An optical element such as a light-controllable TFT element or a light-controllable liquid crystal display can be produced using the liquid crystal compound of the present invention.
  • the liquid crystal compound of the present invention causes a reversible crystal phase-isotropic phase transition by light stimulation at room temperature (25 ° C.).
  • the wavelength of light that causes this phase change varies depending on the value of n in the general formula (1) and the electronic and steric effects of the side chains (R 1 , R 2 and R 3 ).
  • a photosensitive material that can be used repeatedly can be produced using the liquid crystal compound of the present invention.
  • an optical patterning material that can be used repeatedly can be produced using the liquid crystal compound of the present invention.
  • a photosensitive ink that can be transferred by light irradiation using the liquid crystal compound of the present invention can be prepared to replace a thermal transfer ink having a resolution limit caused by a thermal process.
  • the liquid crystal compound of the present invention can be applied to an adhesion technique that can be photodetached in accordance with a change in viscosity (coefficient of friction).
  • FIG. 1A is a polarizing microscope photograph of liquid crystal compound 1 at 120 ° C.
  • FIG. 1B is a polarizing microscope photograph of liquid crystal compound 2 at room temperature.
  • Both Liquid Crystal Compound 1 and Liquid Crystal Compound 2 exhibited birefringence under crossed Nicols and had fluidity.
  • the liquid crystal compound 1 exhibited a fan texture characteristic of a smectic phase (FIG. 1A).
  • liquid crystal compound 1 The thermal behavior of liquid crystal compound 1 and liquid crystal compound 2 was analyzed by differential scanning calorimetry (DSC). The results are shown in FIG. 2A (liquid crystal compound 1) and FIG. 2B (liquid crystal compound 2). Liquid crystal compound 1 exhibited a liquid crystal phase in the range from 121 ° C. to 84 ° C. during cooling. Further, the liquid crystal compound 2 exhibited a liquid crystal phase in a temperature range of 60 ° C. or lower during cooling.
  • DSC differential scanning calorimetry
  • the liquid crystal phases of the liquid crystal compound 1 and the liquid crystal compound 2 were analyzed by an X-ray diffraction method at a temperature at which each compound exhibited a liquid crystal phase.
  • the obtained X-ray diffraction patterns are shown in FIG. 3A (liquid crystal compound 1) and FIG. 3B (liquid crystal compound 2).
  • a steep diffraction peak corresponding to a 33 ⁇ periodic structure slightly shorter than the molecular length of 35 ⁇ was observed. From this, the liquid crystal phase of the liquid crystal compound 1 was identified as the smectic A phase (SmA) in which the alkyl chain was partially engaged.
  • SmA smectic A phase
  • Photoreactive liquid crystal compound 1 and liquid crystal compound 2 Photoreactive liquid crystal compound 1 and UV-visible absorption spectrum of liquid crystal compound 2 in chloroform solution (1.0 ⁇ 10 ⁇ 5 M) before and after irradiation with ultraviolet light (wavelength 365 nm). Measured in The results are shown in FIG. 4A (liquid crystal compound 1) and FIG. 4B (liquid crystal compound 2).
  • FIG. 4A and FIG. 4B a solid line shows the spectrum before ultraviolet irradiation, and a broken line shows the spectrum after ultraviolet irradiation.
  • Photoinduced liquid crystal phase-isotropic phase transition liquid crystal compound 1 and liquid crystal compound 2 of liquid crystal compound 1 and liquid crystal compound 2 were sealed in a glass sandwich cell and irradiated with ultraviolet rays under a polarizing microscope.
  • 5A shows a polarizing microscope photograph of liquid crystal compound 1 before ultraviolet light irradiation at 120 ° C.
  • FIG. 5B shows a polarizing microscope photograph of liquid crystal compound 1 immediately after ultraviolet light irradiation at 120 ° C.
  • FIG. The polarizing microscope photograph of the liquid crystal compound 1 after ultraviolet light irradiation for 10 degreeC is shown.
  • 6A shows a polarizing microscope photograph of the liquid crystal compound 2 before irradiation with ultraviolet light at 120 ° C.
  • FIG. 6B shows a polarizing microscope photograph of the liquid crystal compound 2 immediately after irradiation with ultraviolet light at 120 ° C.
  • the liquid crystal phase was re-formed as shown in FIG. 5C in about several seconds after the ultraviolet irradiation. This is because reverse isomerization due to heat occurred because the temperature at which the liquid crystal phase of the liquid crystal compound 1 appears was a high temperature around 100 ° C.
  • the photoinduced isotropic state was maintained even after the ultraviolet light irradiation. This is because the reverse isomerization due to heat is suppressed because the temperature at which the intermediate phase of the liquid crystal compound 2 appears is around room temperature.
  • the liquid crystal compound 1 and the liquid crystal compound 2 were formed into a glass sandwich cell using the same procedure as described above except that the photoinduced crystal phase-isotropic phase transition observation temperature of the liquid crystal compound 1 and the liquid crystal compound 2 was changed to 25 ° C.
  • the sample was sealed and irradiated with ultraviolet rays under a polarizing microscope.
  • 7 and 8 show polarization micrographs of the crystal phase-isotropic phase transition of liquid crystal compounds 1 and 2, respectively.
  • 7A and FIG. 8A are polarization micrographs showing the crystal phase at 25 ° C.
  • FIG. 7D and FIG. 8D are polarization microscopes showing a state in which the cell was heated to 100 ° C. after being irradiated with ultraviolet rays and then cooled to 25 ° C.
  • Example 2 shows structural examples of TFT elements formed using the liquid crystal compound of the present invention.
  • 9A includes a substrate 10, a gate electrode 20 on the substrate 10, a gate insulating film 30 covering the gate electrode 20, an organic semiconductor layer 40 covering the gate insulating film 30, and an organic semiconductor layer 40. It has a source electrode 50 and a drain electrode 60 formed thereon.
  • either the organic semiconductor layer 40 or the gate insulating film 30 can be formed using the liquid crystal compound of the present invention.
  • the electrical characteristics of the TFT element can be controlled.
  • FIG. 9B shows a configuration example of a bottom contact type TFT element.
  • 9B is that the source electrode 50 and the drain electrode 60 are formed so as to be in contact with the gate insulating film 30, and the organic semiconductor layer is in contact with the gate insulating film 30, the source electrode 50, and the drain electrode 60.
  • the difference from the element shown in FIG. 9A is that 40 is formed.
  • the effect of light irradiation on the element of FIG. 9B is the same as that of the element shown in FIG. 9A.
  • the organic semiconductor layer 40 existing on the gate insulating film 30 emits ultraviolet light or visible light used for controlling the characteristics of the TFT element. It is necessary to transmit with sufficient strength.
  • FIG. 9C shows a configuration example of a top gate type TFT element.
  • 9C includes a substrate 10, a source electrode 50 and a drain electrode 60 that are spaced apart from each other on the substrate 10, and an organic semiconductor layer 40 that is formed so as to cover the source electrode 50 and the drain electrode 60.
  • the gate insulating film 30 formed on the organic semiconductor layer 40 and the gate electrode 20 formed on the gate insulating film 30 are included.
  • either the substrate 10 or the laminated structure of the gate insulating film 30 and the gate electrode 20 is used for controlling the characteristics of the TFT element. It is necessary to transmit ultraviolet light or visible light with sufficient intensity.
  • either the gate electrode 20 or the laminated structure of the substrate 10 and the organic semiconductor layer 40 has ultraviolet light or It is necessary to transmit visible light with sufficient intensity.
  • the substrate 10, the gate electrode 20, the source electrode 50, and the drain electrode 60 can be formed using any material known in the art.
  • the gate insulating film 30 and the organic semiconductor layer 40 that do not use the liquid crystal compound of the present invention can be formed using any material known in the art.
  • Example 3 An example of the structure of a liquid crystal display produced using the liquid crystal compound of the present invention is shown in FIG. 10 includes a pair of transparent substrates 110 (a, b), a liquid crystal layer 120 and a color filter 130 sandwiched between the pair of transparent substrates 110 (a, b), and a pair of transparent substrates 110 (a, b).
  • the color filter 130, the optical compensation plate 140 (a, b), the brightness enhancement film 160, the light guide plate 170, and the antireflection layer 180 are optional layers that may be provided as necessary.
  • either the liquid crystal layer 120 or the optical compensator 140 (a, b) can be formed using the liquid crystal compound of the present invention.
  • the display content of the display can be changed by selectively irradiating ultraviolet light or visible light.
  • the optical compensator 140 (a, b) is formed of the liquid crystal compound of the present invention, it is possible to control the viewing angle characteristics or display color of the display by irradiating ultraviolet light or visible light.
  • the liquid crystal layer 120 can be formed using conventional calamitic liquid crystal molecules.
  • an electric field applying means such as an electrode for changing the display content by controlling the alignment state of the liquid crystal molecules may be provided on the transparent substrate 110 (a, b).

Abstract

 本発明は、光刺激によって相転移を誘起することができ、ディスプレイ、オプトエレクトロニクス、およびフォトニクス分野において有用な新規な液晶化合物を提供することを目的とする。本発明は、下記一般式(1)で示される液晶化合物(式中R1、R2およびR3は、それぞれ独立的に、水素、アルキル基、アルコキシル基、アルコキシカルボニル基、アルコキシカルボニルオキシ基、アルカノイル基、アルカノイルオキシ基、アルコキシフェニル基、およびN-アルキルアミノカルボニル基からなる群から選択され、nは整数を表す)に関する。

Description

光応答性液晶化合物およびその応用
 本発明は、光応答性液晶化合物および該化合物の応用に関する。
 高度な情報化社会の発展に伴い、より効率的に多くの情報を扱うことを目的として、情報の伝送、処理および記録に対して光技術を用いる研究が多く行われている。そのような状況下において、分子の配向状態の変化を利用することにより、波長、透過率および偏光などの光の特性を自在に操ることのできる液晶は、極めて有用な材料として期待されている。
 液晶を用いた材料として、非線形光学材料、調光材料などの光学材料が知られている。また、それらの光学材料を用いた製品として、文字および画像を表示するディスプレイ、光学補償板などが知られている。一方、光学材料以外にも、繊維、強化プラスチックなどの材料として液晶を用いることが知られている。さらに、その特異な物性を活用した、トライボロジー材料、導電性材料、半導体材料、および発光材料への液晶の応用が期待されている。
 液晶性の化合物は、分子の形状から大きく2つに分類することができる。その一つは棒状分子が形成するカラミチック液晶で、もう一つは円盤状分子が形成するディスコチック液晶である。実用例として、現在の液晶ディスプレイでは、光学的なスイッチングを担う部分に棒状液晶化合物が、光学補償フイルム(位相差板)部分にディスコチック液晶化合物が一般的に用いられている。
 広いπ共役平面をコアとするディスコチック(円盤状)液晶は、円盤状分子が自己組織的に積み重なったカラムナー(柱状)相を形成する。カラムナー相においてはπ共役平面がカラムの中心に一次元的に集積化して、一次元チャネルが形成される。この一次元チャネルを通じて有機単結晶およびアモルファスシリコンに迫る高い電荷輸送性が発現する。また、ディスコチック液晶は次世代プリンタブルエレクトロニクスの基盤材料として世界中で盛んに研究が行われている。なぜなら、液晶材料の自発配向性、溶解性、柔軟性などの優れた特性が溶液プロセスによる簡便なデバイス作製に非常に有利であるからである。
 ディスコチック相を示す液晶化合物は、一般的に円盤状の形をしており、中心核または環状核に放射状の側鎖を有している。円盤状化合物が配向することによって、光学的(分極率)、電子的(電子・電荷輸送性)、さらに力学的(粘度)異方性が発現する。このような特性を活用して、ディスプレイ材料、オプトエレクトロニクス材料、フォトニクス材料、およびトライボロジー材料へのディスコチック液晶の応用が期待されている。また、円盤状分子の特徴的な性質である負の光学異方性は、現在、液晶ディスプレイの光学補償フイルムに最も一般的に利用されている。そのために、新しい光学特性および/またはプロセス容易性を有するディスコチック液晶の開発が実産業レベルでも強く望まれている。
 上記の様々な物性は、液晶分子の配向状態に起因すること。よって、液晶分子の配向状態を光刺激によって自在に相転移を操ることができれば、たとえば、液晶分子の電荷輸送性を光でスイッチングすることが可能となる。そのような光刺激応答性液晶材料は、光メモリなどの情報記録材料などとして有用である。しかしながら、光でディスコチック液晶相の相転移を実現できた例はこれまでに報告されていない。Shimizuらは、円盤状の化合物(トリフェニレン)に光応答性の化合物であるアゾベンゼンを側鎖に導入したディスコチック液晶化合物を報告している(非特許文献1参照)。しかしながら、このディスコチック液晶化合物においては、光応答性部位が側鎖に導入されているため、分子全体の観点からは、アゾベンゼン部位の異性化による構造変化は相転移を誘起させる程の大きな分子形状の変化ではないと考えられる。
 また、光誘起される結晶(固体)相-等方相の相転移特性を有する有機化合物はこれまで見いだされていなかった。
Yo Shimizu, Atsuhiko Kurobe, Hirosato Monobe, Naohiro Terasawa, Kenji Kiyohara, Kingo Uchida, Chem. Commun., 2003, 1676-1677. Y. Norikane, K. Kitamoto, N. Tamaoki, J. Org. Chem. 2003, 68, 8291-8304.
 よって、液晶化合物の相転移を実現するためには、光刺激によってより劇的な分子形状の変化を誘起させなければならないという問題点があった。そこで、本発明では大環状アゾベンゼンに着目し、これまでの分子設計とは異なり、円盤状の液晶核部分そのものに光応答性を付与することを目指した。本発明者らは、側鎖を持たない大環状アゾベンゼンが、結晶状態において分子が一次元的に重なり合った柱状の構造体を形成すること、ならびに溶液中において光照射によって段階的なシス-トランス異性化を行うことを見いだしている(非特許文献2参照)。
 本発明の目的は、相転移を光刺激によって自在に操ることが可能な新規な液晶化合物を提供することにある。また、本発明の目的は、ディスプレイ、オプトエレクトロニクス、およびフォトニクス分野において有用な新規な液晶化合物を提供することである。
 光刺激によって相転移可能な円盤状のディスコチック液晶化合物を鋭意検討した結果、本発明者は、アゾベンゼンを環状に連結した環状核に放射状の側鎖を有する化合物が光によってディスコチック相の相転移を示すこと、ならびに、それら化合物が結晶から液体への相転移を示すことを見いだし、本発明を完成するに至った。
 すなわち、この出願によれば、以下の発明が提供される。
<1> 一般式(1)
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
(式中
 R1、R2およびR3は、それぞれ独立的に、水素、アルキル基、アルコキシル基、アルコキシカルボニル基、アルコキシカルボニルオキシ基、アルカノイル基、アルカノイルオキシ基、アルコキシフェニル基、およびN-アルキルアミノカルボニル基からなる群から選択され、nは整数を表す。
 ただし、R1、R2およびR3の全てが水素の場合を除く)
で示される液晶化合物。
<2> nが1~4の整数であることを特徴とする<1>に記載の液晶化合物。
<3> 紫外光または可視光の照射によって相変化することを特徴とする<1>に記載の液晶化合物。
<4> ディスコチック液晶相を示すことを特徴とする<1>に記載の液晶化合物。
<5> 紫外光の照射によって結晶相-等方相の可逆の相変化をすることを特徴とする<1>に記載の液晶化合物。
<6> <1>から<5>のいずれかに記載の液晶化合物を用いた光学素子。
<7> <1>から<5>のいずれかに記載の液晶化合物を用いた感光性材料。
<8> 光パターニング材料または感光性インクであることを特徴とする<7>に記載の感光性材料。
 本発明では、光に誘起される液晶の相転移のみならず、分子の構造変化による液晶相の転移温度の変化も可能にしている。すなわち、本発明は、液晶の物性を広範囲に制御可能な液晶性材料および液晶組成物を提供することができる。また、本発明の化合物は、光刺激による結晶相-等方相の可逆的相転移を行うこともできる。このことから、本発明の化合物は、光でスイッチング可能な光学素子、有機半導体素子、および光パターニング材料または感光性インクなどの感光性材料への応用が期待されるものである
120℃における液晶化合物1の偏光顕微鏡写真を示す図である。 室温における液晶化合物2の偏光顕微鏡写真を示す図である。 液晶化合物1の示差走査熱量分析(DSC)チャートを示す図である。 液晶化合物2のDSCチャートを示す図である。 110℃における液晶化合物1のX線回折パターンを示す図である。 室温における液晶化合物2のX線回折パターンを示す図である。 液晶化合物1のクロロホルム溶液の紫外線照射前後の紫外可視吸光スペクトルを示す図である。 液晶化合物2のクロロホルム溶液の紫外線照射前後の紫外可視吸光スペクトルを示す図である。 120℃における液晶化合物1の紫外線照射前の偏光顕微鏡写真を示す図である。 120℃における液晶化合物1の紫外線照射直後の偏光顕微鏡写真を示す図である。 120℃における液晶化合物1の紫外線照射10秒後の偏光顕微鏡写真を示す図である。 120℃における液晶化合物2の紫外線照射前の偏光顕微鏡写真を示す図である。 120℃における液晶化合物2の紫外線照射直後の偏光顕微鏡写真を示す図である。 120℃における液晶化合物2の紫外線照射10秒後の偏光顕微鏡写真を示す図である。 25℃における液晶化合物1の偏光顕微鏡写真を示す図である。 25℃における1回目の紫外線照射の直後の液晶化合物1の偏光顕微鏡写真を示す図である。 1回目の紫外線照射後に100℃への加熱および25℃への冷却を行った状態の液晶化合物1の偏光顕微鏡写真を示す図である。 25℃における2回目の紫外線照射後の液晶化合物1の偏光顕微鏡写真を示す図である。 25℃における液晶化合物2の偏光顕微鏡写真を示す図である。 25℃における1回目の紫外線照射の直後の液晶化合物2の偏光顕微鏡写真を示す図である。 1回目の紫外線照射後に100℃への加熱および25℃への冷却を行った状態の液晶化合物2の偏光顕微鏡写真を示す図である。 25℃における2回目の紫外線照射後の液晶化合物2の偏光顕微鏡写真を示す図である。 本発明の液晶化合物を用いるトップコンタクト型TFT素子の構成例を示す図である。 本発明の液晶化合物を用いるボトムコンタクト型TFT素子の構成例を示す図である。 本発明の液晶化合物を用いるトップゲート型TFT素子を示す図である。 本発明の液晶化合物を用いる液晶ディスプレイの構成例を示す図である。
 本発明に係る液晶化合物は、下記一般式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
 上記一般式(1)において、R1、R2およびR3のそれぞれは、出現毎に独立であり、同一であってもよいし、異なっていてもよい。R1、R2およびR3のそれぞれは、水素、アルキル基、アルコキシル基、アルコキシカルボニル基、アルコキシカルボニルオキシ基、アルカノイル基、アルカノイルオキシ基、アルコキシフェニル基、またはN-アルキルアミノカルボニル基を表す。上述の置換基のアルキル鎖部分は、直鎖状または分岐状のいずれであってもよい。ただし、本発明においては、R1、R2またはR3の少なくとも1つは水素ではない。言い換えると、R1、R2およびR3の全てが水素である化合物は、本発明の範囲外である。
 また、一般式(1)において、nは整数である。ここで、一般式(1)を有する化合物は、前駆体であるジニトロ化合物(メチレン架橋二量化ニトロベンゼン誘導体)を還元的に環化させることによって、一般的に合成することができる。合成の際には、主として、一般式(1)を有する化合物は、nが1~10の化合物の混合物として得られる。得られた混合物をゲル透過クロマトグラフィーによって精製することによって、それぞれのnに対応する化合物を単離することができる。一般式(1)を有する化合物において、nが大きくなるほど、当該化合物の有機溶媒に対する溶解性が低下する。また、一般式(1)を有する化合物の立体構造を考慮すると、nが5以上の場合に分子が円盤状構造を採ることが困難となり、液晶性が原理的に低下すると考えられる。したがって、本発明においては、nが1~4の整数であることが望ましい。
 さらに、一般式(1)を有する化合物の前駆体であるジニトロ化合物(メチレン架橋二量化ニトロベンゼン誘導体)は、たとえば、(a)ホルムアルデヒドによるニトロベンゼン誘導体の二量化工程と、(b)二量化ニトロベンゼン誘導体に対する置換基の導入工程とを含む方法によって製造することができる。あるいはまた、(a’)ニトロベンゼン誘導体に対する置換基の導入工程と、(b’)ホルムアルデヒドによる置換ニトロベンゼン誘導体の二量化工程とを含む方法によって、ジニトロ化合物(メチレン架橋二量化ニトロベンゼン誘導体)を製造してもよい。
 本発明の液晶化合物の好ましい具体例は、R1がアルコキシル基であり、R2およびR3が水素であり、nが1~4の整数である化合物である。より好ましい具体例は、R1がオクタデシルオキシ基であり、R2およびR3が水素であり、nが1~4の整数である化合物である。本発明に係る一般式(1)で示される液晶化合物の代表例を以下の実施例において例示するが、本発明の液晶化合物はこれらに限定されるものではない。
 本発明の液晶化合物は、大環状アゾベンゼンがメソゲンとして機能するため、ディスコチック液晶相を示す。また、本発明の液晶化合物は、紫外光または可視光の照射によるアゾ結合(-N=N-)の異性化に伴って、液晶相の相変化を起こす。液晶相の相変化を起こす光の波長は、一般式(1)におけるnの値、および側鎖(R1、R2およびR3)の電子的効果および立体的効果によって変化する。
 本発明の液晶化合物を用いて、光制御可能なTFT素子、または光制御可能な液晶ディスプレイなどの光学素子を作製することができる。
 また、本発明者らは、本発明の液晶化合物が、室温(25℃)において、光刺激によって可逆的な結晶相-等方相転移を起こすことも見いだした。この相変化を起こす光の波長は、一般式(1)におけるnの値、および側鎖(R1、R2およびR3)の電子的効果および立体的効果によって変化する。
 本発明の液晶化合物の結晶相-等方相転移は可逆性であるため、本発明の液晶化合物を用いて繰り返しの利用が可能な感光性材料を作製することができる。たとえば、本発明の液晶化合物を用いて、繰り返しの利用が可能な光パターニング材料を作製することができる。あるいはまた、本発明の液晶化合物を用いて光照射による転写が可能な感光性インクを作製して、熱プロセスに起因する解像度の限界を有する熱転写インクを代替することができる。さらに、本発明の液晶化合物を、粘度(摩擦係数)の変化に対応して光脱着可能な接着技術に応用することが可能である。
  (実施例1)
 液晶化合物1(n=1、R 1 =OC 12 25 、R 2 =H、R 3 =H)および液晶化合物2(n=2、R 1 =OC 12 25 、R 2 =H、R 3 =H)の合成
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
(1) 中間体3の合成
 パラニトロフェノール(27.8g、200mmol)に水5mLを加え、80℃に加熱・攪拌して溶解させた。この溶液に、濃硫酸10mLおよびホルムアルデヒド水溶液(35%)10mLを加え、125℃に昇温して1時間攪拌を続けた。薄層クロマトグラフィー(TLC)によりパラニトロフェノールの消失を確認した後、室温で放冷し、蒸留水を注ぎ入れて固体を析出させた。析出した固体を濾別し、5%NaOH水溶液に分散させた。不溶物を濾過によって取り除き、得られた塩基性水溶液を塩酸により酸性化して固体を析出させた。析出した固体を濾別し、蒸留水で洗浄した後に真空乾燥を行うことで中間体3を得た(淡黄色固体、収量:26.4g、収率:91%)。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
(2) 中間体4の合成
 中間体3(2.9g、10mmol)、1-ブロモドデカン(7.5g、30mmol)、炭酸カリウム(6.9g、50mmol)、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF、50mL)の混合物を、窒素雰囲気下、80℃で4時間加熱・攪拌した。TLCにより中間体3の消失を確認した後、反応液に蒸留水を加え、ヘキサンで抽出した。合わせた有機相を、蒸留水で1回、飽和塩化ナトリウム水溶液で1回洗浄した。次いで、有機相に無水硫酸マグネシウムを加えて乾燥させた。固体を濾過にて取り除いた後、溶媒を減圧留去した。目的化合物をヘキサン:クロロホルム=1:1の混合液を展開溶媒とするシリカゲルカラムクロマトグラフィーにより分離し、溶媒を減圧留去することで純粋な中間体4を得た(白色結晶、収量:3.2g、収率:51%)。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
(3) 液晶化合物1および液晶化合物2の合成
 中間体4(1.0g、1.6mmol)を無水テトラヒドロフラン(THF)300mLに溶解させた。この溶液に対して、9.0mLの水素化リチウムアルミニウム無水THF溶液(1.0mol/L)を室温で約20分かけて滴下し、その後、40℃で3時間攪拌した。反応液に蒸留水200mLを加え、THFの大部分を減圧留去した。得られた残渣を、酢酸エチルで抽出した。合わせた有機相を蒸留水で1回、飽和塩化ナトリウム水溶液で1回洗浄した。次いで、有機相に無水硫酸マグネシウムを加えて乾燥させた。固体を濾過にて取り除いた後、溶媒を減圧留去した。得られたオイル状の残渣を、ヘキサン:酢酸エチル=20:1の混合液を展開溶媒とするシリカゲルカラムクロマトグラフィーにより精製し、複数の環状オリゴマーを含む混合物を得た。これをさらにゲル浸透クロマトグラフィーにより分離し、環状2量体である液晶化合物1(橙色固体、収量:6.4mg、収率0.7%)および環状3量体である液晶化合物2(橙色グリース状、収量:13.0mg、収率1.4%)を得た。
液晶化合物1
TLC: Rf = 0.31 (CHCl3-Hexane, 1 : 1);
1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 8.06 (d, J = 2.4 Hz, 4H), 7.62 (dd, J1 = 8.7 Hz, J2 = 2.4 Hz, 4H), 6.92 (d, J = 8.8 Hz, 4H), 4.21 (s, 4H), 4.05 (t, J = 6.5 Hz, 8H), 1.87 (m, 8H), 1.22-1.72 (m, 80H), 0.90 (t, J = 6.7 Hz, 12H);
13C NMR (100 MHz, CDCl3): δ 157.6, 146.2, 127.5, 127.1, 118.7, 110.3, 67.5, 30.9, 28.7, 28.6, 28.4, 28.3, 28.2, 25.0, 23.8, 21.6, 13.1;
MS (MALDI): m/z 1125.90 (calc. [M + H]+ = 1125.90)
液晶化合物2
TLC: Rf = 0.31 (CHCl3-Hexane, 1 : 1);
1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ7.71 (dd, J1 = 8.6 Hz, J2 = 2.4 Hz, 6H), 7.64 (d, J = 2.4 Hz, 6H), 6.91 (d, J = 8.8 Hz, 6H), 4.09 (s, 4H), 4.00 (t, J = 6.4 Hz, 12H), 1.76 (m, 12H), 1.21-1.44 (m, 120H), 0.90 (t, J = 6.7 Hz, 18H);
13C NMR (100 MHz, CDCl3): δ159.1, 146.8, 130.0, 124.3, 122.9, 111.0, 68.4, 32.1, 29.9, 29.8, 29.7, 29.6, 29.5, 29.4, 29.3, 26.2, 22.8, 14.3;
MS (MALDI): m/z 1688.38 (calc. [M + H]+ = 1688.35)
 液晶化合物1および液晶化合物2の液晶相構造
 上記で得られた液晶化合物1および液晶化合物2をガラスサンドイッチセルに封入し、ホットステージを備えた偏光顕微鏡により観察した。図1Aは、120℃における液晶化合物1の偏光顕微鏡写真であり、図1Bは、室温における液晶化合物2の偏光顕微鏡写真である。液晶化合物1および液晶化合物2ともに、クロスニコル下で複屈折を示し、かつ、流動性を有していた。特に、液晶化合物1はスメクチック相に特徴的なファンテクスチャを示した(図1A)。
 示差走査熱量分析(DSC)により、液晶化合物1および液晶化合物2の熱挙動を解析した。その結果を図2A(液晶化合物1)および図2B(液晶化合物2)に示す。液晶化合物1は、冷却時に、121℃から84℃までの範囲で液晶相を示した。また、液晶化合物2は、冷却時に、60℃以下の温度範囲で液晶相を示した。
 次いで、液晶化合物1および液晶化合物2の液晶相を、それぞれの化合物が液晶相を示す温度において、X線回折法により分析した。得られたX線回折パターンを図3A(液晶化合物1)および図3B(液晶化合物2)に示す。液晶化合物1の液晶相のX線回折測定において、分子長35Åより若干短い33Åの周期構造に対応する急峻な回折ピークが観察された。このことから、液晶化合物1の液晶相は、アルキル鎖が部分的にかみ合ったスメクチックA相(SmA)であると同定された。一方、液晶化合物2の液晶相のX線回折測定においては、分子長38Åに対応するブロードなピーク、および融解アルキル鎖に対応するブロードなハロー(halo)のみが観察された。このことから、液晶化合物2の液晶相は、秩序性の低い中間相(M)であることがわかった。
 液晶化合物1および液晶化合物2の光反応性
 液晶化合物1および液晶化合物2のクロロホルム溶液(1.0×10-5M)の紫外可視吸収スペクトルを、紫外光(波長365nm)の照射前および照射後において測定した。その結果を、図4A(液晶化合物1)および図4B(液晶化合物2)に示す。図4Aおよび図4Bにおいて、実線は紫外線照射前のスペクトルを示し、破線は紫外線照射後のスペクトルを示す。液晶化合物1および液晶化合物2の両方において、紫外線照射後に、アゾベンゼンのトランス体に由来する350nm付近の吸収が減少し、500nm以上の長波長側にある弱い吸収が増加した。無溶媒の薄膜状態の液晶化合物1および液晶化合物2においても、ほぼ同様の変化が観測された。これらのことから、液晶化合物1および液晶化合物2が、紫外光照射によって効率的に光異性化することが明らかになった。
 液晶化合物1および液晶化合物2の光誘起液晶相-等方相転移
 液晶化合物1および液晶化合物2をガラスサンドイッチセルに封入し、偏光顕微鏡観察下で紫外線を照射した。図5Aは、120℃における紫外光照射前の液晶化合物1の偏光顕微鏡写真を示し、図5Bは、120℃における紫外光照射直後の液晶化合物1の偏光顕微鏡写真を示し、および図5Cは、120℃における紫外光照射10秒後の液晶化合物1の偏光顕微鏡写真を示す。図6Aは、120℃における紫外光照射前の液晶化合物2の偏光顕微鏡写真を示し、図6Bは、120℃における紫外光照射直後の液晶化合物2の偏光顕微鏡写真を示し、および図6Cは、120℃における紫外光照射10秒後の液晶化合物2の偏光顕微鏡写真を示す。
 液晶化合物1および液晶化合物2の両方において、紫外光照射によって、異性化、ならびに液晶相から等方相(Iso)への相転移が誘起され、クロスニコル下で暗視野が観察された(図5B、図6B)。
 ここで、液晶化合物1においては、紫外線照射後の数秒程度で図5Cに示すように液晶相が再形成された。これは、液晶化合物1の液晶相が発現する温度が100℃前後の高温であるため、熱による逆異性化が起こったためである。一方、液晶化合物2においては、図6Cに示すように紫外光照射後も光誘起された等方的な状態が保持された。これは、液晶化合物2の中間相が発現する温度が室温付近であるため、熱による逆異性化が抑制されたためである。
 液晶化合物1および液晶化合物2の光誘起結晶相-等方相転移
 観察温度を25℃に変更した点を除いて前述と同様の手順を用いて、液晶化合物1および液晶化合物2をガラスサンドイッチセルに封入し、偏光顕微鏡観察下で紫外線を照射した。図7および図8は、それぞれ、液晶化合物1および2の結晶相-等方相転移の偏光顕微鏡写真を示す。図7Aおよび図8Aは25℃における結晶相を示す偏光顕微鏡写真であり、図7Bおよび図8Bは25℃において波長365nmの紫外線を照射した状態を示す偏光顕微鏡写真であり、図7Cおよび図8Cは紫外線照射後にセルを100℃に加熱した後に25℃まで冷却した状態を示す顕微鏡写真であり、図7Dおよび図8Dは25℃に冷却した状態で2回目の紫外線照射を行った状態を示す偏光顕微鏡写真である。
 液晶化合物1および液晶化合物2の両方において、25℃における紫外光照射によって、異性化、ならびに結晶相(Cry)から等方相(Iso)への相転移が誘起され、クロスニコル下で暗視野が観察された(図7B、図8B)。
 次いで、部分的に等方相への相転移した試料を100℃に加熱し、次いで25℃まで冷却したところ、等方相へ相転移した部分が再び結晶相(Cry)へと変化した(図7C、図8C)。さらに、再び全体が結晶相となった試料に対して2回目の紫外線照射を行った結果、1回目の紫外線照射と同様に、異性化、ならびに結晶相(Cry)から等方相(Iso)への相転移が誘起され、クロスニコル下で暗視野が観察された(図7D、図8D)。これらの現象は、液晶化合物1および液晶化合物2の両方において観察された。これは、これら化合物の結晶相-等方相の相転移が可逆であり、これら化合物を用いて繰り返し使用が可能な感光性材料を形成できることを示す。
  (実施例2)
 本発明の液晶化合物を用いて作成されるTFT素子の構成例を図9A~図9Cに示す。図9Aのトップコンタクト型TFT素子は、基板10と、基板10上のゲート電極20と、ゲート電極20を覆うゲート絶縁膜30と、ゲート絶縁膜30を覆う有機半導体層40と、有機半導体層40上に形成されたソース電極50およびドレイン電極60とを有する。ここで、有機半導体層40またはゲート絶縁膜30のいずれかを本発明の液晶化合物を用いて形成することができる。本発明の液晶化合物を用いて形成された有機半導体層40またはゲート絶縁膜30に紫外光または可視光を照射することによって、TFT素子の電気的特性を制御することが可能となる。
 図9Bは、ボトムコンタクト型TFT素子の構成例を示す。図9Bの構成は、ゲート絶縁膜30に接触するようにソース電極50およびドレイン電極60が形成されている点、ならびにゲート絶縁膜30、ソース電極50およびドレイン電極60に接触するように有機半導体層40が形成されている点が、図9Aに示す素子と異なる。図9Bの素子に対する光照射の作用は、図9Aに示す素子と同様である。
 図9Aおよび図9Bの素子において、ゲート絶縁膜30を本発明の液晶化合物を用いて形成する場合、その上に存在する有機半導体層40が、TFT素子の特性制御に用いる紫外光または可視光を十分な強度で透過させることが必要である。
 図9Cは、トップゲート型TFT素子の構成例を示す。図9CのTFT素子は、基板10と、基板10の上に離間して配置されたソース電極50およびドレイン電極60と、ソース電極50およびドレイン電極60を覆うように形成される有機半導体層40と、有機半導体層40上に形成されるゲート絶縁膜30と、ゲート絶縁膜30上に形成されるゲート電極20とを有する。
 図9Cの素子において、有機半導体層40を本発明の液晶化合物を用いて形成する場合、基板10、あるいはゲート絶縁膜30およびゲート電極20の積層構造のいずれかが、TFT素子の特性制御に用いる紫外光または可視光を十分な強度で透過させることが必要である。あるいはまた、ゲート絶縁膜30を本発明の液晶化合物を用いて形成する場合、ゲート電極20、あるいは基板10および有機半導体層40の積層構造のいずれかが、TFT素子の特性制御に用いる紫外光または可視光を十分な強度で透過させることが必要である。
 基板10、ゲート電極20、ソース電極50およびドレイン電極60は、当該技術において知られている任意の材料を用いて形成することができる。また、本発明の液晶化合物を用いないゲート絶縁膜30および有機半導体層40は、当該技術において知られている任意の材料を用いて形成することができる。
  (実施例3)
 本発明の液晶化合物を用いて作成される液晶ディスプレイの構成例を図10に示す。図10の液晶ディスプレイは、一対の透明基板110(a,b)と、一対の透明基板110(a,b)に挟持される液晶層120およびカラーフィルター130と、一対の透明基板110(a,b)のそれぞれの外側に配置される光学補償板140(a,b)および偏光板140(a,b)と、光取り出し側の偏光板140bの表面に配置される反射防止層180と、バックライト(不図示)側の偏光板140aの表面に配置される輝度向上フィルム160および導光板170とを有する。ここで、カラーフィルター130、光学補償板140(a,b)、輝度向上フィルム160、導光板170、および反射防止層180は、必要に応じて設けてもよい任意選択的な層である。ここで、図10の液晶ディスプレイにおいて、液晶層120または光学補償板140(a,b)のいずれかを本発明の液晶化合物を用いて形成することができる。
 液晶層120を本発明の液晶化合物で形成する場合、紫外光または可視光を位置選択的に照射することによって、ディスプレイの表示内容を変更することが可能となる。
 あるいはまた、光学補償板140(a,b)を本発明の液晶化合物で形成する場合、紫外光または可視光を照射することによって、ディスプレイの視野角特性または表示色を制御することが可能となる。なお、この場合、液晶層120は、慣用のカラミチック液晶分子を用いて形成することができる。さらに、液晶分子の配向状態を制御して表示内容を変更するための電界印加手段(電極など)を透明基板110(a,b)上に設けてもよい。
  10 基板
  20 ゲート電極
  30 ゲート絶縁膜
  40 有機半導体層
  50 ソース電極
  60 ドレイン電極
 110(a,b) 透明基板
 120 液晶層
 130 カラーフィルター
 140(a,b) 光学補償板
 150(a,b) 偏光板
 160 輝度向上フィルム
 170 導光板
 180 反射防止層

Claims (8)

  1.  一般式(1)
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
    (式中
     R1、R2およびR3は、それぞれ独立的に、水素、アルキル基、アルコキシル基、アルコキシカルボニル基、アルコキシカルボニルオキシ基、アルカノイル基、アルカノイルオキシ基、アルコキシフェニル基、およびN-アルキルアミノカルボニル基からなる群から選択され、nは整数を表す。
     ただし、R1、R2およびR3の全てが水素の場合を除く)
    で示されることを特徴とする液晶化合物。
  2.  nが1~4の整数であることを特徴とする請求項1に記載の液晶化合物。
  3.  紫外光または可視光の照射によって相変化することを特徴とする請求項1に記載の液晶化合物。
  4.  ディスコチック液晶相を示すことを特徴とする請求項1に記載の液晶化合物。
  5.  紫外光または可視光の照射によって結晶相-等方相の可逆の相変化をすることを特徴とする請求項1に記載の液晶化合物。
  6.  請求項1から5のいずれかに記載の液晶化合物を用いた光学素子。
  7.  請求項1から5のいずれかに記載の液晶化合物を用いた感光性材料。
  8.  光パターニング材料、感光性インクまたは感光性接着剤であることを特徴とする請求項7に記載の感光性材料。
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