CN111918951A - 液晶组合物、单体/液晶混合物、高分子/液晶复合材料、液晶元件及手性化合物 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及一种含有手性成分与非手性成分的液晶组合物、单体/液晶混合物、高分子/液晶复合材料、液晶元件及手性化合物。
背景技术
作为可达成光散射型液晶显示用装置的实用化所要求的重要特性的低电压驱动的技术,公开了使用包含液晶组合物、手性化合物及光聚合性单体的手性向列液晶组合物的调光层(专利文献1~专利文献3)。通过使手性向列液晶组合物所含有的光聚合性单体在聚合引发剂的存在下进行光聚合而制造的调光层用于低电压驱动的液晶装置中。具体而言,用于作为可对外部光或视野的遮挡、透过进行电性操作的液晶装置的、尤其是建筑物的窗户或商店橱窗、室内的隔断(partition)、车的顶窗、后窗等中用以遮挡·透过外部光或视野的调光窗中。
与向列液晶材料中的各向同性相(以下有时称作“非液晶各向同性相”)同样地,在作为光学各向同性的液晶相的一种的蓝相中也可观测到克尔效应(Kerr effect)[Δn(E)=KλE2(K:克尔系数(克尔常数),λ:波长)],所述克尔效应为电致双折射值(对各向同性媒体施加了电场时所激发的双折射值)Δn(E)与电场E的平方成比例的现象。另外,公开了对蓝相及高分子稳定化蓝相等光学各向同性的液晶相施加电场而使其表现出电致双折射的模式(专利文献4~专利文献9、非专利文献1~非专利文献3)。关于蓝相,不仅提出了在所述模式的显示元件中的应用,而且也提出了在利用电致双折射的可调滤波器(tunablefilter)、波前控制(wavefront control)元件、液晶透镜、像差修正元件、开口控制元件、光学头装置等中的应用(专利文献7~专利文献9)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利特开平5-241119号公报
专利文献2:日本专利特开平5-281525号公报
专利文献3:日本专利特开平5-289064号公报
专利文献4:日本专利特开2003-327966号公报
专利文献5:国际公开第2005/90520号
专利文献6:日本专利特开2005-336477号公报
专利文献7:国际公开第2005/080529号
专利文献8:日本专利特开2005-157109号公报
专利文献9:日本专利特开2006-127707号公报
非专利文献
非专利文献1:《自然材料(Nature Materials)》第1期第64页(2002)
非专利文献2:《先进材料(Advanced Materials,Adv.Mater.)》第17期第96页(2005)
非专利文献3:《国际信息显示学会会志(Journal of the Society forInformation Display,Journal of the SID)》第14期第551页(2006)
非专利文献4:《软物质(Soft Matter)》第10期第6582页(2014)
发明内容
发明所要解决的问题
显示出手性向列相、或光学各向同性相的液晶组合物含有手性成分与非手性成分。一般而言,手性化合物的螺旋扭转功率(helical twisting power,HTP)越大,则可通过向液晶组合物中添加越少量的手性化合物来缩短液晶的螺旋节距。因此,可通过少量的手性化合物的添加来实现具有目标螺旋节距的液晶组合物。另外,在用于光学各向同性的液晶组合物的情况下,通过少量的手性化合物的添加而表现出手性向列相、或光学各向同性相,且在用作液晶元件的情况下,可期待驱动电压的降低、抑制手性化合物的析出等效果。其原因在于:在所述液晶组合物中,有助于驱动电压、响应速度等液晶元件的特性的成分为非手性成分,通过使用HTP大的手性化合物而可增加非手性成分的含有率。另外,相容性良好的手性化合物最终可使液晶组合物的相容性提高,在用作液晶元件的情况下,可在包括低温在内的广温度范围下驱动。另外,当制作液晶组合物时,也可大幅缩短溶解所必需的时间,因此可实现有效率的制造,可降低制造成本。
因此,本发明的课题在于提供一种液晶组合物及液晶元件,其包含螺旋扭转功率(HTP)大、与其他液晶化合物的相容性良好、且耐光性等可靠性良好的手性成分与非手性成分,从而驱动电压低且为高速响应,保存稳定性良好。另外,提供一种相对于外部的光而言稳定、可在外部长期使用的耐光性优异的液晶组合物及液晶元件。
解决问题的技术手段
本发明人等人进行了努力研究,结果发现,通过使用如下液晶组合物而可解决所述课题:所述液晶组合物使用9,10-桥亚乙基蒽(9,10-ethanoanthracene)系手性化合物作为手性成分,且使用氟系的液晶化合物作为非手性成分。具体而言如下所述。
[1]一种液晶组合物,含有式(K1)所表示的手性化合物的至少一种作为手性成分(K),且含有式(1-A)或式(1-B)所表示的非手性化合物的至少一种作为非手性成分(T)。
[化1]
·手性成分(K)
(式(K1)中,
Rk1分别独立地为氟、氯、-C≡N、碳数1~10的烷基、碳数2~10的烯基,在所述烷基中,至少一个-CH2-可经-O-取代,但两个连续的-CH2-不会经-O-取代,在这些基中,至少一个氢可经卤素取代;
Yk1分别独立地为单键、或-(CH2)n-,n为1~20的整数;
nk1、及nk2分别独立地为0~4的整数,
Rodk1为部分结构式(Rod1),
部分结构式(Rod1)中,
Rk2为氢、氟、氯、-C≡N、碳数1~10的烷基、碳数2~10的烯基,在所述烷基中,至少一个-CH2-可经-O-取代,但两个连续的-CH2-不会经-O-取代,在这些基中,至少一个氢可经卤素取代;
环Ak1、环Ak2、及环Ak3分别独立地为1,4-亚环己基、1,4-亚苯基、至少一个氢经氟取代的1,4-亚苯基、1,3-二噁烷-2,5-二基、四氢吡喃-2,5-二基、或嘧啶-2,5-二基;
Zk1、Zk2、及Zk3分别独立地为单键、-CH2CH2-、-COO-、-OCO-、-OCH2-、-CH2O-、-CF2O-、-OCF2-、-CH=CH-、-CF2CF2-、-CF=CF-、或-C≡C-;
mk1、及mk2分别独立地为0或1的整数;
另外,在下述所示的、环结构中连结有0~4个Rk1的部分结构(X1)及部分结构(X2)中,形成环结构的氢中的0~4个氢可经Rk1取代)
[化2]
[化3]
·非手性成分(T)
(式(1-A)及式(1-B)中,
R11及R12分别独立地为氢、碳数1~10的烷基、碳数1~10的烷氧基、或碳数2~10的烯基,在所述烷基及烯基中,至少一个-CH2-可经-O-取代,但两个连续的-CH2-不会经-O-取代,在这些基中,至少一个氢可经卤素取代;
环A11、环A12、及环A13分别独立地为1,4-亚环己基、1,4-亚苯基、至少一个氢经氟取代的1,4-亚苯基、1,3-二噁烷-2,5-二基、四氢吡喃-2,5-二基、或嘧啶-2,5-二基;
Z11、Z12、及Z13分别独立地为单键、-CH2CH2-、-COO-、-OCO-、-CH2O-、-OCH2-、-CF2O-、-OCF2-、-CH=CH-、-CF=CF-、或-C≡C-;
X11为氟、氯、-SF5、-CHF2、-CF3、-CF2CH2F、-CF2CHF2、-CF2CF3、-(CF2)3-F、-CF2CHFCF3、-CHFCF2CF3、-(CF2)4-F、-(CF2)5-F、-OCHF2、-OCF3、-OCF2CH2F、-OCF2CHF2、-OCH2CF3、-OCF2CF3、-O-(CF2)3-F、-OCF2CHFCF3、-OCHFCF2CF3、-O-(CF2)4-F、-O-(CF2)5-F、-CH=CF2、-CH=CHCF3、或-CH=CHCF2CF3;
L11及L12分别独立地为氢或氟;
L13及L14分别独立地为氢、氟、氯、或-C≡N,但L13及L14不会均为氢;
S11为氢或甲基;
m及n分别独立地为0或1)
[2]根据[1]所述的液晶组合物,其中式(K1)所表示的手性化合物为式(K1-1)所表示的手性化合物。
[化4]
(式(K1-1)中,
Rk1分别独立地为氟、氯、-C≡N、碳数1~10的烷基、或碳数2~10的烯基,在所述烷基中,至少一个-CH2-可经-O-取代,但两个连续的-CH2-不会经-O-取代,在这些基中,至少一个氢可经卤素取代;
nk1、及nk2分别独立地为0~4的整数,
Rodk1为部分结构式(Rod1-1)或部分结构式(Rod1-2),
部分结构式(Rod1-1)及部分结构式(Rod1-2)中,
Rk2为氢、氟、氯、-C≡N、碳数1~10的烷基、或碳数2~10的烯基,所述烷基中的至少一个-CH2-可经-O-取代,但两个连续的-CH2-不会经-O-取代,在这些基中,至少一个氢可经卤素取代;
环Ak1、环Ak2、及环Ak3分别独立地为1,4-亚环己基、1,4-亚苯基、至少一个氢经氟取代的1,4-亚苯基、1,3-二噁烷-2,5-二基、四氢吡喃-2,5-二基、或嘧啶-2,5-二基;
Zk2及Zk3分别独立地为单键、-CH2CH2-、-COO-、-OCO-、-OCH2-、-CH2O-、-CF2O-、-OCF2-、-CH=CH-、-CF2CF2-、-CF=CF-、或-C≡C-;
mk1、及mk2分别独立地为0或1的整数;
另外,在下述所示的、环结构中连结有Rk1的部分结构(X1)及部分结构(X2)中,形成环结构的氢中的0~4个氢可经Rk1取代)
[化5]
[3]根据[2]所述的液晶组合物,其中式(K1-1)中,
Rk1分别独立地为碳数1~10的烷基、或碳数2~10的烯基,在所述烷基中,至少一个-CH2-可经-O-取代,但两个连续的-CH2-不会经-O-取代,在这些基中,至少一个氢可经卤素取代;
nk1、及nk2分别独立地为0~4的整数,
Rodk1为下述所示的部分结构式(Rod1-1A)~部分结构式(Rod1-1H)及部分结构式(Rod1-2A)~部分结构式(Rod1-2H)的任一者。
[化6]
[化7]
(部分结构式(Rod1-1A)~部分结构式(Rod1-1H)及部分结构式(Rod1-2A)~部分结构式(Rod1-2H)中,
Rk2为氢、碳数1~10的烷基、或碳数2~10的烯基,所述烷基中的至少一个-CH2-可经-O-取代,但两个连续的-CH2-不会经-O-取代,在这些基中,至少一个氢可经卤素取代;
另外,下述所示的在1,4-亚苯基中连结有(F)的部分结构(X3)表示一个或两个氢可经氟取代的1,4-亚苯基)
[化8]
[4]根据[1]至[3]中任一项所述的液晶组合物,其中式(1-A)所表示的非手性化合物为式(1-A-01)~式(1-A-22)所表示的任一种非手性化合物。
[化9]
[化10]
[化11]
式(1-A-01)~式(1-A-22)中,
R11独立地为碳数1~10的烷基或碳数2~10的烯基,所述烷基及烯基中,至少一个-CH2-可经-O-取代,但两个连续的-CH2-不会经-O-取代;
环A11及环A12独立地为1,4-亚环己基、或四氢吡喃-2,5-二基、或嘧啶-2,5-二基;
X11独立地为氟、氯、-CF3、或-OCF3;
(F)为氢或氟。
[5]根据[1]至[3]中任一项所述的液晶组合物,其中式(1-B)所表示的非手性化合物为式(1-B-01)~式(1-B-22)所表示的任一种非手性化合物。
[化12]
[化13]
式(1-B-01)~式(1-B-22)中,
R11及R12独立地为碳数1~10的烷基或碳数2~10的烯基,所述烷基及烯基中,至少一个-CH2-可经-O-取代,但两个连续的-CH2-不会经-O-取代;
环A11及环A12独立地为1,4-亚环己基、或四氢吡喃-2,5-二基、或嘧啶-2,5-二基;
(F)为氢或氟。
[6]根据[1]至[5]中任一项所述的液晶组合物,其中液晶组合物中的手性成分(K)的含量为0.1重量%~30重量%。
[7]根据[1]至[6]中任一项所述的液晶组合物,其中非手性成分(T)中的、式(1-A)或式(1-B)所表示的化合物的含量为50重量%~100重量%。
[8]根据[1]至[6]中任一项所述的液晶组合物,其中非手性成分(T)中的、式(1-A)所表示的化合物的含量为50重量%~100重量%,且显示出光学各向同性的液晶相。
[9]根据[1]至[8]中任一项所述的液晶组合物,其中在手性成分(K)中还含有式(K2)~式(K8)所表示的手性化合物的至少一种。
[化14]
(式(K2)~式(K8)中,RK分别独立地为氢、卤素、-C≡N、-N=C=O、-N=C=S或碳数1~20的烷基,所述烷基中的至少一个-CH2-可经-O-、-S-、-COO-、-OCO-、-CH=CH-、-CF=CF-或-C≡C-取代,所述烷基中的至少一个氢可经卤素取代;
AK分别独立地为芳香族性的6元环~8元环、非芳香族性的3元环~8元环、或碳数9~20的缩合环,这些环中的至少一个氢可经卤素、碳数1~3的烷基或卤代烷基取代,环的-CH2-可经-O-、-S-或-NH-取代,-CH=可经-N=取代;
YK分别独立地为氢、卤素、碳数1~3的烷基、碳数1~3的卤代烷基、芳香族性的6元环~8元环、非芳香族性的3元环~8元环、或碳数9~20的缩合环,这些环的至少一个氢可经卤素、碳数1~3的烷基或卤代烷基取代,-CH2-可经-O-、-S-或-NH-取代,-CH=可经-N=取代;
ZK分别独立地为单键、或碳数1~8的亚烷基,但至少一个-CH2-可经-O-、-S-、-COO-、-OCO-、-CSO-、-OCS-、-N=N-、-CH=N-、-N=CH-、-CH=CH-、-CF=CF-或-C≡C-取代,至少一个氢可经卤素取代;
XK分别独立地为单键、-COO-、-OCO-、-CH2O-、-OCH2-、-CF2O-、-OCF2-、或-CH2CH2-;
mK分别独立地为1~4的整数)
[10]一种单体/液晶混合物,包含根据[1]至[9]中任一项所述的液晶组合物、以及聚合性单体。
[11]根据[10]所述的单体/液晶混合物,在-20℃~70℃中在至少1℃以上的温度范围中显示出手性向列相,且在所述温度范围的至少一部分中螺旋节距为700nm以下。
[12]根据[10]所述的单体/液晶混合物,其中液晶组合物为具有光学各向同性的液晶相的液晶组合物。
[13]根据[10]至[12]中任一项所述的单体/液晶混合物,其中相对于单体/液晶混合物的总量,聚合性单体的含量为0.1重量%~50重量%的范围。
[14]一种高分子/液晶复合材料,是使根据[10]所述的单体/液晶混合物以非液晶各向同性相或光学各向同性的液晶相进行聚合而获得,且用于以光学各向同性的液晶相来驱动的液晶元件。
[15]一种高分子/液晶复合材料,是使根据[10]所述的单体/液晶混合物进行聚合而获得,且用于以手性向列相来驱动的光散射型的液晶元件。
[16]一种液晶元件,包括:具有电极的一对基板;夹持于所述一对基板间的调光层;以及用于经由所述电极对所述调光层施加电场的电场施加部件,
所述一对基板的至少一者透明,且所述调光层包含根据[14]或[15]所述的高分子/液晶复合材料。
[17]根据[16]所述的液晶元件,其中所述高分子/液晶复合材料显示出手性向列相,且构成光散射型的液晶元件。
[18]根据[16]或[17]所述的液晶元件,其中高分子/液晶复合材料中的、高分子的含量为0.1重量%~50重量%的范围。
[19]一种手性化合物,由下述式(K101)、式(K102)、或式(K103)表示。
[化15]
此处,(R)表示掌性。
本说明书中,“液晶化合物”是具有向列相、近晶相等液晶相的化合物以及虽不具有液晶相但可用作液晶组合物的成分的化合物的总称。有时将液晶化合物、液晶组合物、液晶显示元件分别简称为化合物、组合物、元件。
本说明书中,“液晶元件”是液晶显示面板及液晶显示模块的总称。向列相的上限温度是向列相-各向同性相的相转移温度,而且有时简称为透明点或上限温度。有时将向列相的下限温度简称为下限温度。
本说明书中,有时将式(1)所表示的化合物简称为化合物(1)。所述略记有时也适用于式(2)等所表示的化合物。化学式中,由六角形包围的A11、A12等记号分别与环结构A11、环结构A12等相对应。
这些有时简称为“环A11”、“环A12”。所谓“环结构”是指环状的基,包含苯环、萘环、环己烯环、双环辛烷环或环己烷环等。此处,包含如萘环那样的缩合多环烃或如双环辛烷环那样的桥环烃等多个环的环结构作为环结构而也计为1个。
虽将环Ak1、环Yk1等多个相同的记号记载于同一式或者不同式中,但这些记号分别可相同,或者也可不同。
化学式中的波浪线表示键结部位。
“至少一个”表示不仅针对位置,而且针对个数也无限定,但并不包含个数为0的情况。至少一个A可经B、C或D取代的表述是指除了包含至少一个A经B取代的情况、至少一个A经C取代的情况以及至少一个A经D取代的情况以外,也包含多个A经B~D的至少两个取代的情况。例如至少一个-CH2-可经-O-或-CH=CH-取代的烷基中,包括烷基、烯基、烷氧基、烷氧基烷基、烷氧基烯基、烯氧基烷基等。再者,在本发明中,连续的两个-CH2-经-O-取代而变为-O-O-的情况欠佳。而且,烷基中的末端的-CH2-经-O-取代的情况也欠佳。
另外,本说明书中,只要未特别提及,则“%”是指“重量%”。
发明的效果]
本发明实施方式的、含有手性成分与非手性成分的液晶组合物因耐光性良好而可优选地用于液晶元件用途。本发明实施方式的手性化合物的HTP大、相对于非手性成分的相容性高,因此可进行0.5μm以下的节距的调整。另外,可在包括低温在内的广温度范围内显示出液晶相。
进而可获得有效的光散射性,因此使用所述液晶组合物而得的液晶元件为低电压驱动,施加电压时与不施加电压时的光散射的变化大,因此可适用于显示出高对比度的液晶装置。
为了更良好地引出本发明实施方式的液晶组合物的性能,优选为并用手性向列液晶或胆固醇液晶。本发明实施方式的液晶组合物中,除所述式(K1)所表示的手性化合物外,也可进一步适宜添加所述技术领域中通常被识别为液晶材料的材料、以及式(K1)所表示的手性化合物以外的手性化合物等来使用。
另外,可以短时间有效率地制备光学各向同性的液晶组合物。本发明实施方式的液晶组合物、显示出光学各向同性的液晶相的液晶组合物及高分子/液晶复合材料表现出比较大的克尔系数。即,显示出比较低的驱动电压。本发明实施方式的显示出光学各向同性的液晶组合物及高分子/液晶复合材料的响应速度快。
本发明实施方式的显示出光学各向同性的液晶相的液晶组合物及高分子/液晶复合材料可在广温度范围内使用。而且,本发明实施方式的显示出光学各向同性的液晶相的液晶组合物及高分子/液晶复合材料可基于这些效果而优选地用于高速响应用途的液晶显示元件等液晶元件。
附图说明
图1表示实施例中使用的梳型电极基板。
图2表示实施例中使用的光学***。
图3是表示液晶元件的结构的一例的剖面。
图4是表示液晶元件的结构的另一例的剖面。
具体实施方式
1.本发明的液晶组合物
本发明的第一实施例为可用于以手性向列相或光学各向同性相驱动的液晶元件中的液晶组合物。
本发明实施方式的液晶组合物具有作为手性成分的式(K1)所表示的化合物,且具有非手性成分。此处,手性成分的掌性并无限定。本发明实施方式的液晶组合物优选为显示出手性向列相或光学各向同性相。
本发明实施方式的液晶组合物中包含的化合物一般是通过现有方法、例如使必需的成分在高温下进行反应的方法等而合成。
另外,构成本发明实施方式的液晶组合物的化合物的各元素即便为包含同位素元素的类似物,只要其物理特性中无大的差异,则也可使用。
在本发明实施方式的液晶组合物中,手性成分(K)的含量通常为0.1重量%~30重量%,优选为0.1重量%~10重量%。
1.1手性向列相
本发明实施方式的液晶组合物包含具有手性向列相的液晶组合物。手性向列相可通过在包含表现出向列相的化合物的非手性成分中添加少量的手性化合物而获得。为了获得光散射所带来的不透明性与透明性之间的充分的对比度,本发明实施方式中使用的液晶组合物的螺旋节距(以下有时简称为“节距”)优选为0.3μm~5μm。一般而言,在螺旋节距为0.3μm~0.5μm的范围中,光散射所带来的透明性比较高,在螺旋节距为0.6μm~5μm的范围中,光散射所带来的不透明性比较高。
作为在调光材中的用途,化合物(K1)的HTP大,且与化合物(1-A)或化合物(1-B)的相容性高,因此可进行0.5μm以下的节距的调整。进而,因可获得有效的光散射性,且相对于光的稳定性高,故可提供以低电压驱动获得高对比度、且耐光性高的液晶元件。
1.2光学各向同性的液晶相
本发明实施方式的液晶组合物包含具有光学各向同性的液晶相的液晶组合物。此处,所谓液晶组合物具有光学各向同性,是指从宏观来看液晶分子排列为各向同性,因此显示出光学各向同性,但从微观来看存在液晶秩序。
而且,在本说明书中,所谓“光学各向同性的液晶相”,表示并非表现出波动而是表现出光学各向同性的液晶相的相,例如表现出小板(platelet)组织的相(狭义的蓝相)为其一例。
一般而言,蓝相被分类为三种(蓝相I、蓝相II、蓝相III),所述三种蓝相全部为光学活性,且为各向同性。在蓝相I或蓝相II的蓝相中可观测到由来自不同晶格面的布拉格反射(Bragg reflection)所引起的两种以上的衍射光。
在本发明实施方式的液晶组合物中,为了表现出光学各向同性的液晶相,基于从微观来看所具有的液晶秩序的螺旋节距优选为1000nm以下。
节距变得越长,则光学各向同性的液晶相中的电致双折射变得越大,因此只要满足所期望的光学特性(透过率、衍射波长等),则可通过调整手性成分的种类与含量,将节距设定为长,来增大电致双折射。
另外,在本说明书中,所谓“非液晶各向同性相”,为一般所定义的各向同性相,即无序相,且为即便生成了局部的秩序参数不为零的区域,其原因也取决于波动的各向同性相。例如在向列相的高温侧所表现出的各向同性相在本说明书中相当于非液晶各向同性相。关于本说明书中的手性液晶化合物,也适用同样的定义。
1.3手性成分(K)
1.3.1手性化合物(K1)的性质
作为本发明实施方式的液晶组合物中包含的手性成分(K),可列举下述式(K1)所表示的化合物。
[化16]
式(K1)中,
Rk1分别独立地为氟、氯、-C≡N、碳数1~10的烷基、或碳数2~10的烯基,在所述烷基中,至少一个-CH2-可经-O-取代,但两个连续的-CH2-不会经-O-取代,在这些基中,至少一个氢可经卤素取代。
优选例为氢、氟、碳数1~5的烷基、碳数2~5的烯基、及碳数1~5的烷氧基。
Yk1分别独立地为单键、或-(CH2)n-,n为1~20的整数。
优选例为单键、-CH2CH2-、-(CH2)4-、或-(CH2)6-,有若n小则HTP大,若n大则相容性变良好的倾向。
nk1、及nk2分别独立地为0~4的整数。
优选例为0、1、或2,当nk1为1或2时,有在液晶组合物中的相容性变良好的倾向。
Rodk1为部分结构式(Rod1),
部分结构式(Rod1)中,
Rk2为氢、氟、氯、-C≡N、碳数1~10的烷基、或碳数2~10的烯基,所述烷基中的至少一个-CH2-可经-O-取代,但两个连续的-CH2-不会经-O-取代,在这些基中,至少一个氢可经卤素取代。
优选例为碳数1~6的烷基、碳数2~7的烯基、或碳数1~7的烷氧基。
另外,作为部分结构式,优选例为(Rod1-1)或(Rod1-2),为(Rod1-1)时HTP高,为(Rod1-2)时在液晶组合物中的相容性比较良好。
环Ak1、环Ak2、及环Ak3分别独立地为1,4-亚环己基、1,4-亚苯基、至少一个氢经氟取代的1,4-亚苯基、1,3-二噁烷-2,5-二基、四氢吡喃-2,5-二基、或嘧啶-2,5-二基。
优选例为1,4-亚环己基、1,4-亚苯基、一个或两个氢经氟取代的1,4-亚苯基、或1,3-二噁烷-2,5-二基,化合物的HTP大,在其他液晶组合物中的相容性良好。
Zk1、Zk2、及Zk3分别独立地为单键、-CH2CH2-、-COO-、-OCO-、-OCH2-、-CH2O-、-CF2O-、-OCF2-、-CH=CH-、-CF2CF2-、-CF=CF-、或-C≡C-;
优选例为单键、-COO-、-OCO-、碳数1~10的亚烷基、-CH2O-、-OCH2-、-CF2O-、或-OCF2-。在为这些取代基的情况下,HTP与在液晶组合物中的相容性两者平衡性佳地变良好。
mk1、及mk2分别独立地为0或1的整数。
mk1+mk2为1的化合物在液晶组合物中的相容性佳。另外,mk1+mk2为2的化合物有HTP大的倾向。
在存在多个Rk1、Rk2、Ak1、Zk1、nk1、或nk2等的相同的记号的情况下,分别可相同也可不同。
再者,碳数1~10的烷基更优选为碳数1~6的烷基。烷基的例子并无限制,可列举甲基、乙基、丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、叔丁基、戊基、己基、及十二烷基等。
式(K1)所表示的手性化合物的优选例为式(K1-1)所表示的化合物,且Rodk1为(Rod1-1),式(K1-1)中,更优选为Rodk1为(Rod1-1C)、(Rod1-1D)、(Rod1-1F)、及(Rod1-1G)所表示的化合物。任一者的HTP均高,在液晶组合物中的相容性均比较良好。
一般而言,本发明实施方式的液晶组合物中的手性成分的含量优选为0.1重量%~20重量%,特别优选为1重量%~10重量%。在这些范围内含有手性成分的液晶组合物容易具有光学各向同性的液晶相。
使用本发明实施方式的液晶组合物,可获得后述的高分子/液晶复合材料。在将所述高分子/液晶复合材料用作调光材的情况下,为了获得光散射所带来的不透明性与透明性之间的充分的对比度,液晶组合物中的螺旋节距特别优选为0.3μm~0.5μm、0.6μm~5μm的范围。
另外,在将本发明实施方式的液晶组合物用于液晶显示元件的情况下,优选为对手性成分的浓度进行调整,从而在可见区域中实质上确认不到衍射或反射。
再者,构成本发明实施方式的液晶组合物中含有的手性成分的手性化合物可为一种,也可为两种以上。
再者,在使用两种以上的手性化合物的情况下,优选为使用扭转方向相同的手性化合物,以便不抵消HTP。也可出于调整螺旋节距的温度依存性的目的而组合使用扭转方向相反的手性化合物。
1.3.2手性化合物(K1)的合成
接着,对式(K1)所表示的化合物的合成进行说明。化合物(K1)可通过将有机合成化学中的方法适当组合来合成。在起始物质中导入目标末端基、环及键结基的方法记载于:《有机合成》(Organic Synthesis,约翰·威利父子出版公司(John Wiley&Sons,Inc))、《有机反应》(Organic Reactions,约翰·威利父子出版公司(John Wiley&Sons,Inc))、《综合有机合成》(Comprehensive Organic Synthesis,培格曼出版公司(Pergamon Press))、新实验化学讲座(丸善)等中。
合成化合物(K1)的方法有多种,可参考本说明书的实施例或书籍来适当合成。
最初,使用流程图对生成作为共同的中间体的化合物(15)的方法的一例进行说明。
(1)蒽衍生物(15)的准备及合成
[化17]
蒽衍生物可通过一般的有机合成法而由市售的化合物来合成。作为市售的化合物,例如有化合物(ref.001)及化合物(ref.002)等。
在Rk1为烷基、烯基、炔基、或烷氧基的情况下,例如可在适当的锂试剂、或金属催化剂下使烷基卤化物作用于化合物(101)而进行偶合反应,由此获得化合物(102)。同样地,在Rk1为氟的情况下,可通过使N-苯磺酰亚胺等氟化剂作用于化合物(101)而获得化合物(103),而且在Rk1为-CN的情况下,可通过使氰化铜等氰化物作用于化合物(101)而获得化合物(104)。
(2)化合物(K1-1)及化合物(K1-2)的合成
[化18]
[化19]
反丁烯二酰氯(111)为市售。另外,光学活性的乳酸乙酯(112)的(S)体或(R)体均为市售。可使反丁烯二酰氯(111)与三乙基胺等碱一并作用于光学活性的乳酸乙酯(112)而获得化合物(113)。
其后,通过进行化合物(113)与蒽衍生物(114)的狄耳士-阿德尔反应(Diels-Alder reaction)而立体选择性地制成化合物(114),进而使过剩量的碱进行作用而可衍生出化合物(115)。
若在化合物(115)中加入二环己基碳二酰亚胺(dicyclohexyl carbodiimide,DCC)及二甲基氨基吡啶(dimethylamino pyridine,DMAP),并使适当的酚衍生物(Rodk1-OH)进行作用,则可获得本发明实施方式的化合物(K1-1)。进而,若使氢化铝锂(lithiumaluminium hydride,LAH)等还原剂作用于化合物(K1-1),则可获得化合物(K1-2)。
接着,使用流程图对生成键结基Zk1的方法的一例进行说明。在所述流程中,MSG1或MSG2为具有至少一个环的一价有机基。流程中所使用的多个MSG1(或MSG2)可相同,或者也可不同。化合物(1A)~化合物(1K)相当于化合物(K1)。
(I)单键的生成
[化20]
在碳酸盐水溶液与四(三苯基膦)钯之类的催化剂的存在下,使芳基硼酸(21)与利用现有方法合成的化合物(22)反应而合成化合物(1A)。所述化合物(1A)也可通过使利用现有方法合成的化合物(23)与正丁基锂反应,继而与氯化锌反应,在二氯双(三苯基膦)钯之类的催化剂的存在下使化合物(22)进行反应来合成。
(II)-CF2O-与-OCF2-的生成
[化21]
利用劳森试剂(Lawesson's reagent)之类的硫化剂来处理化合物(1B)而获得化合物(26)。以氟化氢吡啶络合物与N-溴代丁二酰亚胺(N-Bromosuccinimide,NBS)将化合物(26)氟化而合成具有-CF2O-的化合物(1C)(参照M.黑星(M.Kuroboshi)等人的《化学快报(Chem.Lett.)》,1992年第827期)。也以(二乙基氨基)三氟化硫((diethylamino)sulfurtrifluoride,DAST)将化合物(26)氟化来合成化合物(1C)(参照W.H.班尼尔(W.H.Bunnelle)等人的《有机化学期刊(Journal of Organic Chemistry,J.Org.Chem.)》1990年第55期第768页)。具有-OCF2-的化合物也可利用所述方法来合成。利用皮尔.基尔希(Peer.Kirsch)等人的《德国应用化学(Angew.Chem.Int.Ed.)》(2001年第40期第1480页)所记载的方法也可生成这些键结基。
(III)-CH=CH-的生成
[化22]
利用正丁基锂对化合物(22)进行处理后,与N,N-二甲基甲酰胺(N,N-dimethylformamide,DMF)等甲酰胺反应而获得醛(28)。使利用叔丁醇钾之类的碱对利用现有方法合成的鏻盐(27)进行处理而产生的磷叶立德(phosphorus ylide)与醛(28)反应而合成化合物(1D)。视反应条件不同,生成顺式体,故视需要利用现有方法将顺式体异构化为反式体。
(IV)-(CH2)2-的生成
[化23]
在钯碳之类的催化剂的存在下对化合物(1D)进行氢化,由此合成化合物(1E)。
(V)-(CH2)4-的生成
[化24]
代替鏻盐(27)而使用鏻盐(29),并依照项(III)或项(IV)的方法来获得具有-(CH2)2-及-CH=CH-的化合物。对所述化合物进行催化氢化而合成化合物(1F)。
(VI)-C≡C-的生成
[化25]
在二氯钯与卤化铜的催化剂存在下,使化合物(23)与2-甲基-3-丁炔-2-醇进行反应后,在碱性条件下进行脱保护而获得化合物(30)。在二氯钯与卤化铜的催化剂存在下,使化合物(30)与化合物(22)进行反应而合成化合物(1G)。
(VII)-CF=CF-的生成
[化26]
在利用正丁基锂对化合物(22)进行处理后,与四氟乙烯进行反应而获得化合物(31)。在利用正丁基锂对化合物(22)进行处理后,与化合物(31)进行反应而合成化合物(1H)。
(VIII)-CH2O-或-OCH2-的生成
[化27]
利用硼氢化钠等还原剂将化合物(28)还原而获得化合物(32)。利用氢溴酸等将所述化合物(32)卤化而获得化合物(33)。在碳酸钾等的存在下,使化合物(33)与化合物(25)反应而合成化合物(1J)。
(IX)-(CH2)3O-或-O(CH2)3-的生成
[化28]
使用化合物(34)来代替化合物(32),依照项(VIII)的方法来合成化合物(1K)。
(X)-(CF2)2-的生成
依照《美国化学学会会志(J.Am.Chem.Soc.)》,2001年第123期第5414页中所记载的方法,在氟化氢催化剂的存在下,利用四氟化硫对二酮(-COCO-)进行氟化而获得具有-(CF2)2-的化合物。
在本发明实施方式的液晶组合物中,作为手性成分(K)而加入所述手性化合物(K1),也可包含至少一种所述(K2)~(K8)所表示的化合物任一者。
1.4非手性成分
构成本发明实施方式的液晶组合物的非手性成分包含至少一种非手性化合物,且表现出液晶相。含有式(1-A)或式(1-B)所表示的非手性化合物的至少一种的非手性成分作为用作液晶元件的液晶成分而言适当。本发明实施方式的液晶组合物中,除作为所述手性成分(K)的式(K1)所表示的手性化合物、及式(1-A)或式(1-B)所表示的非手性化合物中的至少一种非手性化合物外,也可进一步添加所述技术领域中通常被识别为液晶材料的材料来作为其他液晶材料而使用。
再者,在本发明实施方式的液晶组合物中,非手性成分(T)的含量通常为80重量%~99.9重量%,优选为90重量%~99.9重量%。
在本发明实施方式的液晶组合物中,非手性成分(T)中的、式(1-A)或式(1-B)所表示的化合物的含量通常为50重量%~100重量%,优选为90重量%~100重量%。
进而,在本发明实施方式的液晶组合物中,非手性成分(T)中的、式(1-A)所表示的化合物的含量为50重量%~100重量%,所述情况下可显示出光学各向同性的液晶相。
1.4.1式(1-A)或式(1-B)所表示的化合物的结构
[化29]
所述式(1-A)及式(1-B)中,
R11及R12分别独立地为氢、碳数1~10的烷基、碳数1~10的烷氧基、或碳数2~10的烯基,在所述烷基及烯基中,至少一个-CH2-可经-O-取代,但两个连续的-CH2-不会经-O-取代,在这些基中,至少一个氢可经卤素取代。
在此种R11及R12中,优选为碳数1~10的烷基、或碳数2~10的烯基。更优选为碳数2~8的烷基、或碳数2~8的烯基。烯基中的-CH=CH-的优选的立体构型依存于双键的位置。在如-CH=CHCH3、-CH=CHC2H5、-CH=CHC3H7、-CH=CHC4H9、-C2H4CH=CHCH3、及-C2H4CH=CHC2H5那样的在奇数位具有双键的烯基中,优选为反式构型。在如-CH2CH=CHCH3、-CH2CH=CHC2H5、及-CH2CH=CHC3H7那样的在偶数位具有双键的烯基中,优选为顺式构型。具有优选的立体构型的烯基化合物具有高上限温度或液晶相的广温度范围。《分子晶体与液晶(Molecular Crystals and Liquid Crystals,Mol.Cryst.Liq.Cryst.)》,1985年第131期第109页以及《分子晶体与液晶(Molecular Crystals and Liquid Crystals,Mol.Cryst.Liq.Cryst.)》,1985年第131期第327页中有详细说明。
环A11、环A12、及环A13分别独立地为1,4-亚环己基、1,4-亚苯基、至少一个氢经氟取代的1,4-亚苯基、1,3-二噁烷-2,5-二基、四氢吡喃-2,5-二基、或嘧啶-2,5-二基。
环A11、环A12、及环A13分别独立地优选为可经卤素取代的1,4-亚苯基、1,3-二噁烷-2,5-二基、四氢吡喃-2,5-二基、或1,4-亚环己基。
Z11、Z12、及Z13分别独立地为单键、-CH2CH2-、-COO-、-OCO-、-CH2O-、-OCH2-、-CF2O-、-OCF2-、-CH=CH-、-CF=CF-、或-C≡C-。
Z11、Z12、及Z13优选为单键、-CH2CH2-、-CH=CH-、-C≡C-、-COO-、-CF2O-、-OCF2-、-CH2O-、或-OCH2-,这些中,特别优选为单键、-COO-或-CF2O-。
另外,在这些键中,在如-CH=CH-、-CF=CF-、-CH=CH-(CH2)2-、及-(CH2)2-CH=CH-等那样的具有双键的键结基中,其立体构型是反式构型优于顺式构型。
X11为氟、氯、-SF5、-CHF2、-CF3、-CF2CH2F、-CF2CHF2、-CF2CF3、-(CF2)3-F、-CF2CHFCF3、-CHFCF2CF3、-(CF2)4-F、-(CF2)5-F、-OCHF2、-OCF3、-OCF2CH2F、-OCF2CHF2、-OCH2CF3、-OCF2CF3、-O-(CF2)3-F、-OCF2CHFCF3、-OCHFCF2CF3、-O-(CF2)4-F、-O-(CF2)5-F、-CH=CF2、-CH=CHCF3、或-CH=CHCF2CF3。
优选的X11的例子为氟、氯、-C≡N、-N=C=S、-CF3、-CHF2、-OCF3、及-OCHF2。最优选的X1的例子为氟、氯、-C≡N、-N=C=S、-CF3、及-OCF3。
L11及L12分别独立地为氢或氟,L13及L14分别独立地为氢、氟、氯、或-C≡N,但L13及L14不会均为氢。
这些中,优选为L11及L12的任一者为氟,且优选为L13及L14分别独立地为氢、氟或-C≡N。
S11为氢或甲基。
m及n分别独立地为0或1。
作为所述式(1-A)所表示的化合物,特别优选为下述式(1-A-01)~式(1-A-22)所表示的化合物的任一者。
[化30]
[化31]
[化32]
作为所述式(1-B)所表示的化合物,特别优选为下述式(1-B-01)~式(1-B-22)所表示的化合物的任一者。
[化33]
[化34]
(式(1-A-01)~式(1-A-22)、及式(1-B-01)~式(1-B-22)中,R11及R12为氢、碳数1~8的烷基、碳数2~8的烯基、或碳数1~8的烷氧基,A11及A12为1,4-亚环己基、1,3-二噁烷-2,5-二基、或四氢吡喃-2,5-二基,X11为氟、氯、-CF3、-CHF2、-CH2F、-OCF3、-OCHF2、-OCH2F、-CN、或-C=C-CF3,(F)为氢或氟。)
1.3.2式(1-A)及式(1-B)所表示的非手性化合物的性质
化合物(1-A)是介电各向异性为正的化合物。另一方面,化合物(1-B)是介电各向异性为负的化合物。
通过适当选择化合物(1-A)及化合物(1-B)中的左末端基R11、右末端基X11及右末端基R12、环A11~环A13的种类;键结基Z11~键结基Z13、末端的亚苯基环上的基及其取代位置(L11、L12、L13、L14、及S11);键结基Z11~键结基Z13、m及n的组合等,可调整非手性成分(T)的透明点、折射率各向异性、介电各向异性等物性。
以下对左末端基R11、右末端基X11及右末端基R12、环A11~环A13、键结基Z11~键结基Z13、L11~L14、m及n的组合的种类等与化合物(1-A)及化合物(1-B)的物性的一般关系进行说明。
当R11或R12为直链时,化合物(1-A)及化合物(1-B)的液晶相的温度范围广且粘度小。另一方面,当R11或R12为分支链时,化合物(1-A)及化合物(1-B)在液晶组合物中的相容性佳。
当R11或R12为烯基时,粘度小,在液晶组合物中的相容性佳。
当R11或R12为烷氧基时,介电各向异性大,在液晶组合物中的相容性佳。
环A11~环A13中包含越大量的芳香环,化合物(1-A)及化合物(1-B)的折射率各向异性越大。当环A11~环A13分别为至少一个氢经氟取代的1,4-亚苯基、1,3-二噁烷-2,5-二基、四氢吡喃-2,5-二基、或嘧啶-2,5-二基时,在表现出大的介电各向异性的方面有效,当环A11~环A13分别为1,4-亚环己基、四氢吡喃-2,5-二基环时,有助于表现出化合物(1-A)或化合物(1-B)的良好的相容性。
当键结基Z11、键结基Z12、及键结基Z13分别为单键、-CH2CH2-、-CH=CH-、-CF2O-、-OCF2-、-CH2O-、-OCH2-、-CF=CF-、-(CH2)3-O-、-O-(CH2)3-、-(CH2)2-CF2O-、-OCF2-(CH2)2-或-(CH2)4-时,化合物(1-A)或化合物(1-B)的粘度小。另外,当键结基Z11、键结基Z12、及键结基Z13分别为单键、-(CH2)2-、-CF2O-、-OCF2-或-CH=CH-时,化合物(1-A)或化合物(1-B)的粘度进一步变小。当键结基Z11、键结基Z12、及键结基Z13分别为-C≡C-时,化合物(1-A)或化合物(1-B)的折射率各向异性大。当键结基Z11、键结基Z12、及键结基Z13分别为-COO-或-CF2O-时,化合物(1-A)或化合物(1-B)的介电各向异性大。当Z11、Z12、及Z13分别为单键、-(CH2)2-、-CH2O-、-CF2O-、-OCF2-、或-(CH2)4-时,化合物(1-A)或化合物(1-B)在化学性质上比较稳定,不易发生劣化。
一般而言,当折射率各向异性或介电各向异性大时,本发明实施方式的液晶元件的驱动电压有变低的倾向,且若粘度低则响应速度快。
当X11为氟、氯、-SF5、-CHF2、-CF3、-CH2F、-OCF3、-OCHF2或-OCH2F时,化合物(1-A)的介电各向异性大。当X11为氟或-OCF3时,化学性质稳定。
当L11及L12均为氟,且X11为氟、氯、-SF5、-CF3、-CHF2、-CH2F、-OCF3、-OCHF2、或-OCH2F时,化合物(1-A)的介电各向异性非常大。另外,当L11为氟且L12为氢,X11为-CF3或-OCF3时;L11及L12均为氟,且X11为-CF3或-OCF3时;或者L11、L12及X11均为氟时,化合物(1-A)的介电各向异性大,液晶相的温度范围广,进而化学性质稳定,不易引起劣化。
另外,当L13及L14均为氟,且R12为烷氧基时,化合物(1-B)的介电各向异性大,液晶相的温度范围广。另外,当L13为氟,且R12为烷基时,化合物(1-B)的介电各向异性大,化学性质稳定而不易引起劣化。
m+n越大,化合物的透明点越高,m+n越小,化合物(1-A)的熔点越低。
1.3.3其他非手性成分
出于使本发明实施方式的液晶组合物的特性最佳化的目的,作为非手性成分,可视需要而使用以下的式子(1-C)所表示的化合物。
[化35]
所述式(1-C)中,
R11及R12分别独立地为氢、碳数1~8的烷基、碳数2~8的烯基、或碳数1~8的烷氧基;
Z11及Z12分别独立地为单键、-CH2CH2-、-COO-、-OCO-、-CH2O-、-OCH2-、-CF2O-、-OCF2-、-CH=CH-、-CF=CF-、或-C≡C-;
环A11及环A12分别独立地为1,4-亚环己基、1,4-亚苯基、至少一个氢经氟取代的1,4-亚苯基、1,3-二噁烷-2,5-二基、四氢吡喃-2,5-二基、或嘧啶-2,5-二基;
p为1、2、或3。
化合物(1-C)为介电各向异性小的化合物,且显示出粘性低的特征。关于化合物(1-C)的末端基R11及末端基R12、环A11及环A12、键结基Z11及键结基Z12的组合的种类等与物性的一般关系,与化合物(1-A)及化合物(1-B)中所说明的内容类似。
关于p,当p为1时,透明点低,粘性低。当p为2时,透明点与粘性的平衡佳,当p为3时,透明点高。
作为所述式(1-C)所表示的化合物,特别优选为下述式(1-C-01)~式(1-C-14)所表示的任一种化合物。
[化36]
式(1-C-01)~式(1-C-14)中,R11及R12分别独立地为氢、碳数1~8的烷基、碳数2~8的烯基、或碳数1~8的烷氧基,A11及A12分别独立地为1,4-亚环己基、1,3-二噁烷-2,5-二基、或四氢吡喃-2,5-二基,(F)为氢或氟。
2.包含液晶组合物与聚合性单体的单体/液晶混合物、及高分子/液晶复合材料
本发明的第二实施例为包含具有手性向列相或光学各向同性的液晶相的液晶组合物与聚合性单体的混合物。再者,在本说明书中,“聚合性单体”为也包含大分子单体或寡聚物的概念。
在将包含所述液晶组合物与聚合性单体的单体/液晶混合物例如用作调光窗等具有调光层的液晶元件的材料的情况下,可制作可以更低的电压驱动、且具有更高的对比度特性的液晶元件。为了根据目的而对成为后述的液晶元件的调光层的一部分的透明物质的结构进行控制,优选为使用本发明实施方式的单体/液晶混合物。
本发明的第三实施例为高分子/液晶复合材料,例如可通过对本发明的第二实施例的包含液晶组合物以及聚合性单体的单体/液晶混合物进行聚合反应来制造。本发明实施方式的高分子/液晶复合材料优选为具有手性向列相或光学各向同性的液晶相。所谓高分子/液晶复合材料,只要为包含液晶组合物与高分子化合物此两者的复合材料,则并无特别限定,也可为在高分子的一部分或者全部未溶解于液晶组合物中的状态下,高分子与液晶组合物呈相分离的状态。
本发明实施方式的光学各向同性的高分子/液晶复合材料可在广温度范围内表现出光学各向同性的液晶相。另外,可实现低驱动电压及极快的响应速度,因此基于这些效果而可优选地用于显示用的液晶元件等中。
本发明的优选实施例的显示出手性向列相的高分子/液晶复合材料可在广温度范围内表现出手性向列相。另外,在施加电压与不施加电压时,可在光散射所带来的不透明性与透明性之间获得充分的对比度。
2.1制造高分子/液晶复合材料时的聚合条件
本发明的高分子/液晶复合材料也可将液晶组合物与预先聚合而获得的高分子进行混合来制造,优选为通过将成为高分子材料的低分子量单体、大分子单体、寡聚物等(以下总称为“聚合性单体”)与液晶组合物进行混合后,在所述混合物中进行聚合反应来制造。
本案说明书中,也将本发明的第二实施例的包含液晶组合物以及聚合性单体的混合物称为“单体/液晶混合物”。在“单体/液晶混合物”中,也可在不损及本发明效果的范围内,视需要而包含后述聚合引发剂、硬化剂、催化剂、稳定剂、二色性色素(部花青(merocyanine)系、苯乙烯基系、偶氮系、甲亚胺(azomethine)系、氧偶氮(azoxy)系、喹酞酮(quinophthalone)系、蒽醌系、四嗪(tetrazine)系等)、或者光致变色化合物等。例如,在本发明实施方式的单体/液晶混合物中,视需要可含有聚合性单体的0.1重量份~20重量份的聚合引发剂。
在制造具有光学各向同性的高分子/液晶复合材料的情况下,关于包含液晶组合物以及聚合性单体的单体/液晶混合物中的聚合,优选为在非液晶各向同性相或光学各向同性的液晶相下对单体/液晶混合物进行。即,聚合温度优选为高分子/液晶复合材料显示出高透明性与各向同性的温度。更优选为在聚合性单体与液晶组合物的混合物表现出非液晶各向同性相或蓝相的温度下,且在非液晶各向同性相或光学各向同性的液晶相下结束聚合。即,优选为设为在聚合后,高分子/液晶复合材料实质上不会使较可见光线长的波长侧的光散射、且表现出光学各向同性的状态的聚合温度。
另外,在将本发明实施方式的高分子/液晶复合材料用作调光层的情况下,在聚合反应时也可在对透明电膜间施加有电压的状态下照射光。
2.2构成高分子/液晶复合材料的高分子的原料
作为构成本发明实施方式的高分子/液晶复合材料的高分子的原料,可使用作为聚合性单体的、例如低分子量的单体、大分子单体、寡聚物。另外,优选为所获得的高分子具有三维交联结构,因此优选为使用具有两个以上聚合性官能基的多官能性单体作为高分子的原料。聚合性的官能基并无特别限定,可列举丙烯酸基、甲基丙烯酸基、缩水甘油基、环氧基、氧杂环丁基、乙烯基等,就聚合速度的观点而言,优选为丙烯酸基及甲基丙烯酸基。高分子的原料中,若使原料中含有10重量%以上的包含两个以上具有聚合性的官能基的单体,则在本发明实施方式的高分子/液晶复合材料中容易表现出高度的透明性及各向同性,因此优选。
另外,为了获得优选的复合材料,高分子优选为具有液晶原部位,可将具有液晶原部位的单体作为高分子的原料而用于其一部分、或者全部中。
2.2.1具有液晶原部位的单体(单反应性、二反应性、及三反应性单体)
具有液晶原部位的单反应性、二反应性或三反应性单体在结构上并无特别限制,例如可列举下述式(M1)、式(M2)或式(M3)所表示的任一种化合物。
[化37]
式(M1)~式(M3)中,RMA为氢、卤素、-CF3、-OCF3、-C≡N、或碳数1~20的烷基、碳数2~20的烯基、碳数1~20的烷氧基、或碳数2~20的烷氧基羰基。优选的RMA为碳数1~20的烷基、或碳数1~20的烷氧基。
RMB分别独立地为基(M3-1)~基(M3-7)的聚合性基。
[化38]
此处,基(M3-1)~基(M3-7)中的Rd分别独立地为氢、卤素或碳数1~5的烷基,这些烷基中至少一个氢可经卤素取代。优选的Rd为氢、氟及甲基。
另外,基(M3-2)、基(M3-3)、基(M3-4)、基(M3-7)优选为以自由基聚合进行聚合。基(M3-1)、基(M3-5)、基(M3-6)优选为以阳离子聚合进行聚合。由于所述聚合均为活性聚合,故而只要少量的自由基或者阳离子活性种在反应***内产生,则聚合开始。可出于加快活性种的产生的目的来使用聚合引发剂。产生活性种时可使用例如光或热。
AM分别独立地为芳香族性或非芳香族性的5元环、6元环或碳数9以上的缩合环,环中的-CH2-可经-O-、-S-、-NH-、或-NCH3-取代,环中的-CH=可经-N=取代,环中的氢原子可经卤素、及碳数1~5的烷基、或卤化烷基取代。
优选的AM的具体例为:1,4-亚环己基、1,4-亚苯基、1,4-亚环己烯基、2-氟-1,4-亚苯基、2,3-二氟-1,4-亚苯基、2,5-二氟-1,4-亚苯基、2,6-二氟-1,4-亚苯基、2-甲基-1,4-亚苯基、2-三氟甲基-1,4-亚苯基、2,3-双(三氟甲基)-1,4-亚苯基、萘-2,6-二基、四氢萘-2,6-二基、芴-2,7-二基、9-甲基芴-2,7-二基、1,3-二噁烷-2,5-二基、吡啶-2,5-二基、及嘧啶-2,5-二基。再者,所述1,4-亚环己基以及1,3-二噁烷-2,5-二基的立体构型是反式构型优于顺式构型。
再者,由于2-氟-1,4-亚苯基与3-氟-1,4-亚苯基在结构上相同,故而未例示后者。所述规则也适用于2,5-二氟-1,4-亚苯基与3,6-二氟-1,4-亚苯基的关系等。
YM分别独立地为单键或碳数1~20的亚烷基,这些亚烷基中至少一个-CH2-可经-O-、-S-、-CH=CH-、-C≡C-、-COO-、或-OCO-取代,但不会如-O-O-那样两个氧原子邻接。优选的YM为单键、-(CH2)m2-、-O(CH2)m2-、及-(CH2)m2O-(所述式中,m2为1~20的整数)。
ZM分别独立地为单键、-(CH2)m3-、-O(CH2)m3-、-(CH2)m3O-、-O(CH2)m3O-、-CH=CH-、-C≡C-、-COO-、-OCO-、-(CF2)2-、-(CH2)2-COO-、-OCO-(CH2)2-、-CH=CH-COO-、-OCO-CH=CH-、-C≡C-COO-、-OCO-C≡C-、-CH=CH-(CH2)2-、-(CH2)2-CH=CH-、-CF=CF-、-C≡C-CH=CH-、-CH=CH-C≡C-、-OCF2-(CH2)2-、-(CH2)2-CF2O-、-OCF2-、或-CF2O-(所述式中,m3为1~20的整数)。
优选的ZM为单键、-(CH2)m3-、-O(CH2)m3-、-(CH2)m3O-、-CH=CH-、-C≡C-、-COO-、-OCO-、-(CH2)2-COO-、-OCO-(CH2)2-、-CH=CH-COO-、-OCO-CH=CH-、-OCF2-、及-CF2O-(所述式中,m3为1~20的整数)。
m1分别独立地为0~2的整数。当m1的合计为1时,为具有两个6元环等环的二环化合物。当m1的合计为2或3时,分别为三环及四环的化合物。另外,当存在多个m1时,两个以上的AM、或两个以上的ZM可相同,或者也可不同。对于RMB及YM也同样如此。
式(M1)~式(M3)所表示的化合物即便包含较天然存在比的量更多的2H(氘)、13C等同位素也具有同样的特性,故可优选地使用。
化合物(M1)~化合物(M3)的更优选的例子为下述式(M1-1)~式(M1-16)、式(M2-1)~式(M2-14)、及式(M3-1)~式(M3-3)所表示的化合物。这些化合物中,RMA、RMB、ZM、AM、及YM的含义与本发明的实施例中记载的式(M1)及式(M2)的含义相同。
对化合物(M1-1)~化合物(M1-16)、化合物(M2-1)~化合物(M2-14)、及化合物(M3-1)~化合物(M3-3)中的下述部分结构进行说明。部分结构(a1)表示至少一个氢可经氟或甲基取代的1,4-亚苯基。部分结构(a2)表示9位的氢可经甲基取代的芴。
[化39]
[化40]
[化41]
[化42]
[化43]
[化44]
可视需要使用下述不具有液晶原部位的单体、以及具有液晶原部位的单体(M1)及单体(M2)以外的聚合性化合物。
2.2.2不具有液晶原部位的具有存在聚合性的官能基的单体
作为不具有液晶原部位的具有存在聚合性的官能基的单体,例如为碳数1~30的直链丙烯酸酯或分支丙烯酸酯、碳数1~30的直链甲基丙烯酸酯或分支甲基丙烯酸酯、碳数1~30的直链二丙烯酸酯或分支二丙烯酸酯、及碳数1~30的直链二甲基丙烯酸酯或分支二甲基丙烯酸酯,作为具有三个以上聚合性官能基的单体,可列举甘油-丙氧基化物(1PO/OH)三丙烯酸酯、季戊四醇-丙氧基化物-三丙烯酸酯、季戊四醇-三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷-乙氧基化物-三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷-丙氧基化物-三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷-三丙烯酸酯、二(三羟甲基丙烷)四丙烯酸酯、季戊四醇-四丙烯酸酯、二(季戊四醇)五丙烯酸酯、及二(季戊四醇)六丙烯酸酯等,但并不限定于这些单体。
2.3聚合引发剂
构成本发明实施方式的高分子/液晶复合材料的高分子的制造中的聚合反应并无特别限定,例如进行光自由基聚合、热自由基聚合、光阳离子聚合等。
光自由基聚合中可使用的光自由基聚合引发剂的例子为:德牢固(DAROCUR)1173及4265(均为商品名,日本巴斯夫(BASF Japan)(股)),艳佳固(IRGACURE)184、369、500、651、784、819、907、1300、1700、1800、1850、及2959(均为商品名,日本巴斯夫(股))等。
热自由基聚合中可使用的利用热的自由基聚合的优选引发剂的例子为:过氧化苯甲酰、过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化-2-乙基己酸叔丁酯、过氧化三甲基乙酸叔丁酯、过氧化二异丁酸叔丁酯、过氧化月桂酰、2,2'-偶氮双异丁酸二甲酯(2,2'-Azobisisobutyricacid dimethyl,MAIB)、过氧化二-叔丁酯(di-t-butyl peroxide,DTBPO)、偶氮双异丁腈(Azodiisobutyronitrile,AIBN)、偶氮双环己烷甲腈(Azobis Cyclohexanecarbonitrile,ACN)等。
作为光阳离子聚合中可使用的光阳离子聚合引发剂,可列举二芳基碘鎓盐(diaryliodonium salt,以下称为“DAS”)、三芳基锍盐(triaryl sulfonium salt,以下称为“TAS”)等。光阳离子聚合引发剂的具体的商品名的例子为:希乐固(Cyracure)UVI-6990、希乐固UVI-6974、希乐固UVI-6992(分别为商品名,UCC(股)),艾迪科欧普托玛(AdekaOptomer)SP-150、SP-152、SP-170、SP-172(分别为商品名,艾迪科(ADEKA)(股)),罗多泽尔光引发剂(Rhodorsil Photoinitiator)2074(商品名,日本罗地亚(Rhodia Japan)(股)),艳佳固(IRGACURE)250(商品名,日本巴斯夫(股)),以及UV-9380C(商品名,GE东芝硅酮(GEToshiba Silicone)(股))等。
2.4硬化剂等
构成本发明实施方式的高分子/液晶复合材料的高分子的制造中,除了所述单体等及聚合引发剂以外,也可进而添加一种或两种以上的其他优选的成分,例如可加入选自硬化剂、催化剂、稳定剂、链转移剂、光增感剂、及染料交联剂等中的一种以上。
作为硬化剂,可使用通常用作环氧树脂的硬化剂的现有现有的潜在性硬化剂。潜在性环氧树脂用硬化剂可列举:胺系硬化剂、酚醛清漆树脂系硬化剂、咪唑系硬化剂、及酸酐系硬化剂等。
另外,也可进而使用用以促进具有缩水甘油基、环氧基、氧杂环丁基的聚合性化合物与硬化剂的硬化反应的硬化促进剂。作为硬化促进剂,例如可列举:苄基二甲基胺、三(二甲基氨基甲基)苯酚、二甲基环己基胺等三级胺类,1-氰基乙基-2-乙基-4-甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑等咪唑类,三苯基膦等有机磷系化合物,四苯基溴化鏻等四级鏻盐类,1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一烯-7等或其有机酸盐等二氮杂双环烯烃类,四乙基溴化铵、四丁基溴化铵等四级铵盐类,三氟化硼、及硼酸三苯酯等硼化合物等。这些硬化促进剂可单独使用或混合使用两种以上。
另外,例如为了防止储存中的不期望的聚合,优选为添加稳定剂。稳定剂可使用本领域技术人员所熟知的所有化合物。作为稳定剂的代表例,可列举:4-乙氧基苯酚、对苯二酚、及丁基化羟基甲苯(butylated hydroxytoluene,BHT)等。
2.5单体/液晶混合物中的聚合性单体等的含有率
本发明实施方式的单体/液晶混合物中包含的聚合性单体的含量可根据使用目的来调整。在用作用以形成液晶元件的调光层的材料的情况下,为了获得光散射所带来的不透明性与透明性之间的充分的对比度,单体/液晶混合物中,优选为在0.1重量%~50重量%的范围内含有聚合性单体,更优选为在0.1重量%~40重量%的范围内含有,更优选为在0.1重量%~10重量%的范围内含有。
本发明实施方式的高分子/液晶复合材料中的液晶组合物的含有率根据使用目的而不同,只要为高分子/液晶复合材料可表现出光学各向同性的范围、或者复合材料可表现出必需的螺旋节距的范围,则优选为含有率尽可能低,可实现本发明实施方式的高分子/复合材料的驱动电压的降低、响应的高速化、电致双折射(克尔系数)的提高、及高对比度。
2.6其他成分
本发明实施方式的高分子/液晶复合材料也可在不损及本发明的效果的范围内含有例如二色性色素、光致变色化合物。
3液晶元件
3.1使用光学各向同性的液晶组合物的液晶元件
本发明的第四实施例是包含本发明实施方式的液晶组合物或高分子/液晶复合材料(以下,有时将液晶组合物以及高分子/液晶复合材料总称为“液晶媒体”)中的光学各向同性者的、以光学各向同性的液晶相来驱动的液晶元件。
作为使用光学各向同性的液晶组合物的液晶显示元件的结构例,可列举如图1所示那样梳齿电极基板的电极是自左侧延伸的电极1与自右侧延伸的电极2交替配置的结构。于在电极1与电极2之间存在电位差的情况下,可在如图1所示的梳齿电极基板上,提供存在上方向与下方向的两个方向的电场的状态。
3.2使用显示出手性向列相的液晶组合物的液晶元件
本发明的第五实施例是将本发明实施方式的液晶组合物或高分子/液晶复合材料中的显示出手性向列相者用作调光材料的液晶元件。
本发明实施方式的液晶元件包括:具有电极层且至少一者透明的两块基板、以及在所述基板间受到支持的调光层。所述调光层包含上述所说明的高分子/液晶复合材料。此处,高分子/液晶复合材料中包含的高分子优选为透明。另外,高分子/液晶复合材料优选为形成连续层,通过形成液晶分子的无秩序的状态而形成光学边界面,从而表现出光的散射,就此而言重要。
所述调光层中的高分子/液晶复合材料中的高分子包含单体/液晶混合物中包含的聚合性单体的聚合物,但也可为以纤维状或粒子状经分散者、以小滴状分散有所述高分子/液晶复合材料的膜状者、或者具有三维网眼状结构且为凝胶状者。
在所述基板中,可根据目的而将透明、或不透明的电极适宜地配置于其整个面或局部。另外,所述基板的至少一者具有透明性,但并非必须为完全的透明性。若所述液晶元件用于对自液晶元件的其中一侧向另一侧通过的光发挥作用,则所述情况下,可对两块基板均赋予适宜的透明性。
所述液晶元件中使用的基板可为坚固的材料,例如玻璃、金属等,也可为具有柔软性的材料,例如塑料膜。而且,液晶元件中,基板是两块相向且可隔开适当的间隔。
另外,可视需要在至少一个基板的整个面或局部配置聚酰亚胺等的取向膜。再者,在两块基板间,与通常现有的液晶元件同样地,也可***间隔保持用的分隔件。
本发明实施方式的液晶元件中,关于反向模式(reverse mode)驱动的液晶元件,例如可如以下那样制造。
即,使所述单体/液晶混合物介隔存在于具有电极层且至少一者具有透明性的两块基板间,通过经由所述透明性基板进行紫外线的照射或对透明性基板进行加热而使所述单体/液晶混合物中包含的聚合性单体聚合,由此可制造具有包含高分子与液晶化合物的调光层的液晶元件。
作为反向模式驱动的液晶元件的例子,将示意图示于图3。图3(a)为不施加电压的状态,液晶化合物的取向成为平面状(planar)而光透过,故而面板变得透明。图3(b)为施加电压的状态,液晶化合物的取向为均相(homogeneous)而光散射,故而面板白浊。
本发明实施方式的液晶元件中,关于正常模式(normal mode)驱动的液晶元件,例如可如以下那样制造。即,使所述单体/液晶混合物介隔存在于具有电极层且至少一者具有透明性的两块基板间,通过一边对液晶化合物施加特有的饱和电压,一边经由所述透明性的基板进行紫外线的照射或对透明性的基板进行加热而使单体/液晶混合物中包含的聚合性单体聚合,由此可制造具有包含高分子与液晶化合物的调光层的液晶元件。
作为本发明的正常模式驱动的液晶元件的例子,将示意图示于图4。图4(a)为不施加电压的状态,液晶化合物的取向为焦锥状(focal-conic)而光散射,故而面板白浊。图4(b)为施加电压的状态,液晶化合物的取向为垂直状(homeotropic)而光透过,故而面板变得透明。
再者,使作为形成调光层的材料的单体/液晶混合物介隔存在于两块基板间的方法并无特别限制,只要通过现有的注入技术将所述单体/液晶混合物注入至基板间即可。例如,可使用适当的溶液涂布机或旋涂机等均匀地涂布于其中一个基板上,继而重叠另一基板并加以压接。
关于本发明的液晶元件中的具有光散射性的调光层的层厚,可根据使用目的对其层厚进行调整,为了获得光散射所带来的不透明性与透明性之间的充分的对比度,层厚(基板间隔)优选为2μm~40μm的范围,特别优选为6μm~25μm的范围。
本发明实施方式的液晶元件可作为调光窗、光调变元件(light modulationdevice)等而用于室内装饰等建筑用途、汽车用叶片(leaf)等汽车用途等各种用途。
以下,通过实施例对本发明进行进一步具体说明,但本发明并不由这些实施例限定。再者,只要无特别说明,则“%”是指“重量%”。
实施例
在本说明书的实施例中,I表示非液晶各向同性相,N表示向列相,N*表示手性向列层,BP表示蓝相,BPX表示未观测到二色以上的衍射光的光学各向同性的液晶相。在本说明书中,有时将I-N相转移点称为N-I点。有时将I-N*相转移点称为N*-I点。有时将I-BP相转移点称为BP-I点。
在本说明书的实施例中,只要无特别说明,则物性值等的测定/计算是依照日本电子机械工业标准(Standard of Electronic Industries Association of Japan)、EIAJ·ED-2521A中记载的方法。具体的测定方法、计算方法等如以下所述。
1)I-N相转移点(TNI)
在具备偏光显微镜的熔点测定装置的热板上放置试样,在正交尼科耳(crossednicols)的状态下,首先升温至试样成为非液晶各向同性相的温度,然后以1℃/min的速度进行降温,使手性向列相或者光学各向异性的相得以完全表现出。测定所述过程中的相转移温度,继而以1℃/min的速度进行加热,测定所述过程中的相转移温度。在光学各向同性的液晶相中,在正交尼科耳下以暗视野难以判别相转移点的情况下,将偏光板自正交尼科耳的状态偏移1°~10°来测定相转移温度。
2)折射率(n∥及n⊥;25℃下测定)
使用波长589nm的光,利用在接目镜上安装有偏光板的阿贝折射计来进行测定。将主棱镜的表面向一方向摩擦(rubbing)后,将试样滴加于主棱镜上。折射率(n∥)是在偏光的方向与摩擦的方向平行时进行测定。折射率(n⊥)是在偏光的方向与摩擦的方向垂直时进行测定。
3)间距(P;在25℃下测定;nm)
节距长是利用选择反射来测定(液晶便览第196页,2000年发行,丸善)。关于选择反射波长λ,关系式<n>p/λ=1成立。此处,<n>表示平均折射率,是由下式获得。<n>={(n∥2+n⊥2)/2}1/2。选择反射波长是通过显微分光光度计(大冢电子股份有限公司,商品名FE-3000)来测定。通过所获得的反射波长除以平均折射率来求出节距。
在较可见光更长的波长区域或更短的波长区域具有反射波长的胆固醇液晶、及难以测定的胆固醇液晶的节距是通过如下方式求出:以在可见光区域具有选择反射波长那样的浓度添加手性化合物(浓度C')而测定选择反射波长(λ'),并根据原本的手性化合物的浓度(C)、利用直线外推法(λ=λ'×C'/C)而计算原本的选择反射波长(λ)。
4)HTP(螺旋扭转功率)(在25℃下测定;μm-1)
使用利用所述方法而求出的平均折射率<n>、及节距的值,由下式来获得HTP。HTP=<n>/(λ×C)。λ表示选择反射波长(nm),C表示手性化合物的浓度(wt%)。
5)电压保持率(VHR;在60℃下测定;%)
用于测定的TN元件具有聚酰亚胺取向膜,而且两块玻璃基板的间隔(单元间隙)为5μm。所述元件在注入试样后,利用以紫外线进行硬化的粘接剂来密封。以高速电压计在16.7ms期间测定对所述TN元件施加脉冲电压(5V、60μs)来充电后的衰减电压,求出单位周期(30Hz)中电压曲线与横轴之间的面积A。面积B为未衰减时的面积。电压保持率(%)是以面积A相对于面积B的百分率来表示。
6)单元的透过光强度的测定及单元的透过率的计算
在日本分光股份有限公司制造的紫外可见分光光度计V650DS中,以光源光相对于单元面而垂直的方式设置单元,并测量波长450nm的透过光强度。此时的入射光的带宽为5nm。单元的透过率/%是通过作为测量对象的单元的透过光强度/(在未将作为测量对象的单元放入所述分光计的状态下测得的光强度)×100来计算。使用电场施加单元与双极电源,测定对单元施加电压的状态下的单元的透过光强度及不施加电压的状态下的单元的透过光强度。所述电场施加单元使用的是安捷伦(Agilent)公司制造的波形产生装置33210A,双极电源使用的是NF公司制造的nf电子仪器(nf ELECTRONIC INSTRUMENTS)4010。
7)对比度比的计算
对比度比为特定状况下的透过光强度与不同状况下的透过光强度的比。
成分或液晶化合物的比例(百分率)是基于液晶化合物的总重量的重量百分率(重量%)。组合物是通过在测定液晶化合物等成分的重量后加以混合来制备。因此,容易算出成分的重量%。
[实施例1]
<化合物(K101)的合成>
[化45]
(化合物(K1-1)中,Rodk1=Rod1-1C,nk1=nk2=0,Rk2=C5H11的化合物)
依照下述流程图来合成化合物(K101)。
[化46]
(第一阶段)化合物(103)的合成
在氮环境下,制备化合物(102)(38.6g,326mmol)、及三乙基胺(36.4g,360mmol)的甲苯(150mL)溶液,在室温下缓慢滴加化合物(101)(25.0g,163mmol),保持所述温度并进行1小时搅拌。对反应液进行过滤而将不溶物去除,倒入水中并追加甲苯(100mL),以水进行两次清洗,继而对有机相进行浓缩后,利用硅胶管柱色谱(展开溶媒:甲苯/乙酸乙酯=1/1)对残渣进行离析精制而获得化合物(103)(15.7g,163mmol)。
(第二阶段)化合物(104)的合成
在氮环境下,对前一阶段中所获得的化合物(103)(29.6g,93.5mmol)、蒽(25g,140mmol)的甲苯(150mL)溶液在110℃下进行3天加热搅拌。在将反应液溶解并去除所残留的蒽后对有机相进行浓缩,然后利用硅胶管柱色谱(展开溶媒:甲苯/乙酸乙酯=4/1)对残渣进行离析精制而获得白色结晶的化合物(104)(46.2g,93.5mmol)。
(第三阶段)化合物(105)的合成
在氮环境下,制备前一阶段中所获得的化合物(104)(20g,40.4mmol)的THF(100mL)/水(100mL)的混合溶液,在室温下缓慢滴加氢氧化锂(2.91g,121mmol)的甲醇溶液,保持所述温度并进行24小时搅拌。将反应液冷却至5℃,缓慢加入1N-HCl溶液直至成为pH=4为止,倒入水中并利用二乙基醚(300mL)进行萃取,以水进行两次清洗。对有机相进行浓缩,利用硅胶管柱色谱(展开溶媒:甲苯/乙酸乙酯=2/1)对残渣进行离析精制,获得白色结晶的化合物(105)(8.50g,28.9mmol)。
(第四阶段)化合物(K101)的合成
在氮环境下,将酚衍生物(106)(7.37g,29.9mmol)的二氯甲烷(5mL)溶液冷却至-10℃,加入N,N'-二环己基碳二酰亚胺(6.17g,29.9mmol)、4-二甲基氨基吡啶(1.00g,8.15mmol)、及前一阶段中所获得的羧酸衍生物(105)(4.00g,13.6mmol),在常温下搅拌5小时。对反应液进行过滤,倒入水中并追加二氯甲烷(50mL),以碳酸氢钠水进行两次清洗,以水进行两次清洗。继而,在对有机相进行浓缩后,利用硅胶管柱色谱(展开溶媒:甲苯)对残渣进行离析精制,获得化合物(K101)(6.30g,8.39mmol)。所述化合物的熔点为85℃。
1H-NMR(CDCl3,ppm):δ0.932-0.985(6H,t),1.37-1.43(8H,m),1.66-1.71(4H,m),2.66-2.69(4H,t),3.93(2H,s),5.07(2H,s),7.04-7.07(4H,d),7.24-7.31(8H,m),7.46-7.51(8H,m),7.58-7.60(4H,d).
[实施例2]
<化合物(K102)的合成>
[化47]
(化合物(K1-1)中,Rodk1=Rod1-1G,nk1=nk2=0,Rk2=C5H11的化合物)
通过与实施例1相同的方法,使用下述化合物(107)来代替化合物(106),获得化合物(K102)(2.40g,2.66mmol)。所述化合物的熔点为182℃。
[化48]
1H-NMR(CDCl3,ppm):δ0.885-0.914(6H,t),1.02-1.10(4H,m),1.20-1.35(18H,m),1.45-1.55(4H,m),1.86-1.93(8H,m),2.47-2.58(2H,tt),3.88(2H,s),5.03(2H,s),7.00-7.02(4H,d),7.21-7.22(4H,m),7.26-7.28(4H,d),7.42-7.48(8H,m),7.53-7.55(4H,d).
[实施例3]
<化合物(K103)的合成>
[化49]
(化合物(K1-1)中,Rodk1=Rod1-1D,nk1=nk2=0,Rk2=C5H11的化合物)
通过与实施例1相同的方法,使用下述化合物(108)来代替化合物(106),获得化合物(K103)(9.04g,12.0mmol)。所述化合物在常温下为非晶状态。
[化50]
1H-NMR(CDCl3,ppm):δ0.879-0.907(6H,t),0.990-1.06(4H,m),1.18-1.33(18H,m),1.38-1.43(4H,m),1.84-1.86(8H,d),2.40-2.48(2H,tt),3.82(2H,s),4.98(2H,s),6.84-6.86(4H,d),7.16-7.20(8H,m),7.38-7.40(2H,d),7.42-7.43(2H,m).
[实施例4-1]
通过将下图所示的液晶化合物以下述比例进行混合来制备液晶组合物NLC-A。
[化51]
·液晶组合物NLC-A
[化52]
所述液晶组合物NLC-A的相转移温度(℃)为N 79.7I,平均折射率<n>为1.56。
在液晶组合物NLC-A(98.0重量%)中,使实施例1中所获得的化合物(K101)(2.00重量%)在100℃下加热溶解,获得液晶组合物CLC-A1。所述液晶组合物CLC-A1的相转移温度(℃)为N*79.1I。
此时,获得完全溶解的液晶组合物CLC-A1所需要的加热时间为2分钟。其结果可知,化合物(K101)显示出非常高的溶解性。
液晶组合物CLC-A1的选择反射波长(λ)为484.0(nm),根据这些值而计算出的化合物(K101)的HTP为161(μm-1)。另外,对液晶组合物CLC-A1的VHR进行了测定,结果为96.1%。其结果可知,组合物CLC-A1显示出高电压保持率。
[实施例4-2]
通过将下图所示的液晶化合物以下述比例进行混合来制备液晶组合物NLC-B。
[化53]
·液晶组合物NLC-B
[化54]
所述液晶组合物NLC-B的相转移温度(℃)为N 87.9I,平均折射率<n>为1.56。
在液晶组合物NLC-B(95.2重量%)中,通过对实施例1中所获得的化合物(K101)(4.80重量%)在100℃下进行2分钟加热搅拌而使其完全溶解,获得液晶组合物CLC-B1。
所述液晶组合物CLC-B1的相转移温度(℃)为N*79.1BP 79.2I。
[实施例4-3]
单体/液晶混合物的制备
制备将液晶组合物CLC-B1 89.2重量%、丙烯酸正十六烷基酯(C16A)5.4重量%、化合物(MC3-12)5.4重量%、作为光聚合引发剂的2,2'-二甲氧基苯基苯乙酮0.4重量%混合而成的液晶组合物MLC-B1作为液晶组合物与聚合性单体的混合物。所述液晶组合物MLC-B1的相转移温度(℃)为N*51.1BP 54.6I、I 53.3BP 49.7N*。
[化55]
·C16A
·MC3-12
[实施例4-4]
高分子/液晶复合材料的制备
将液晶组合物MLC-B1夹持于未实施取向处理的梳型电极基板与相向玻璃基板(未赋予电极)之间(单元厚度为8μm),将所获得的单元加热至52.0℃的蓝相。在所述状态下,照射紫外光(紫外光强度为23mWcm-2(365nm))1分钟而进行聚合反应。
如此而获得的高分子/液晶复合材料PSBP-B1即便冷却至室温,也维持光学各向同性的液晶相。
再者,如图1所示,关于梳型电极基板的电极,自左侧的连接用电极部朝右方向延伸的电极1、与自右侧的连接用电极部朝左方向延伸的电极2交替地配置。因此,于在电极1与电极2之间存在电位差的情况下,在图1所示那样的梳型电极基板上,若着眼于一根电极,则可提供存在附图上的上方向与下方向两个方向的电场的状态。
[实施例4-5]
将夹持有实施例4-4中所获得的高分子/液晶复合材料PSBP-B1的单元设置于图2所示的光学***,测定电光特性。图2所示的测定光学***包括光源3、偏光器4、梳型电极5、检偏器6以及光接收器(Photodetector)7。作为光源3而使用偏光显微镜(尼康(Nikon)制造,日蚀(Eclipse)LV100POL)的白色光源,使朝向单元的入射角度相对于单元面垂直,且以梳型电极5的线方向相对于偏光器(Polarizer)4与检偏器(Analyzer)6偏光板而分别为45°的方式,将所述单元设置于光学***。在室温下调查施加电压与透过率的关系。若施加68.4V的矩形波,则透过率为89.7%,透过光强度饱和。对比度为1614而显示出非常高的值。
[实施例5-1]
在液晶组合物NLC-A(98.0重量%)中,使实施例2中所获得的化合物(K102)(2.00重量%)在100℃下加热溶解,获得液晶组合物CLC-A2。所述液晶组合物CLC-A2的相转移温度(℃)为N*79.1I。
此时,获得完全溶解的液晶组合物CLC-A2所需要的加热时间为3分钟。其结果可知,化合物(K102)显示出非常高的溶解性。
液晶组合物CLC-A2的选择反射波长(λ)为560(nm)。根据这些值而计算出的化合物(K102)的HTP为139(μm-1)。另外,对液晶组合物CLC-A2的VHR进行了测定,结果为95.6%。其结果可知,组合物CLC-A2显示出高电压保持率。
[实施例5-2]
在液晶组合物NLC-B(95.2重量%)中,通过对实施例2中所获得的化合物(K102)(4.80重量%)在100℃下进行2分钟加热搅拌而使其完全溶解,获得液晶组合物CLC-B2。
所述液晶组合物CLC-B2的相转移温度(℃)为N*83.5BP 83.7I。
[实施例5-3]
单体/液晶混合物的制备
制备将液晶组合物CLC-B2 89.2重量%、丙烯酸正十六烷基酯(C16A)5.4重量%、化合物(MC3-12)5.4重量%、作为光聚合引发剂的2,2'-二甲氧基苯基苯乙酮0.4重量%混合而成的液晶组合物MLC-B2作为液晶组合物与聚合性单体的混合物。所述液晶组合物MLC-B2的相转移温度(℃)为N*55.4BP 55.5I、I 55.6BP 54.7N*。
[实施例5-4]
高分子/液晶复合材料的制备
将液晶组合物MLC-B2夹持于未实施取向处理的梳型电极基板与相向玻璃基板(未赋予电极)之间(单元厚度为8μm),将所获得的单元加热至55.4℃的蓝相。在所述状态下,照射紫外光(紫外光强度为23mWcm-2(365nm))1分钟而进行聚合反应。
如此而获得的高分子/液晶复合材料PSBP-B2即便冷却至室温,也维持光学各向同性的液晶相。
[实施例5-5]
将夹持有实施例5-4中所获得的高分子/液晶复合材料PSBP-B2的单元设置于图2所示的光学***,测定电光特性。作为光源而使用偏光显微镜(尼康(Nikon)制造,日蚀(Eclipse)LV100POL)的白色光源,使朝向单元的入射角度相对于单元面垂直,且以梳型电极的线方向相对于偏光器与检偏器偏光板而分别为45°的方式,将所述单元设置于光学***。在室温下调查施加电压与透过率的关系。若施加59.5V的矩形波,则透过率为88.9%,透过光强度饱和。对比度为1656而显示出非常高的值。
[实施例6-1]
通过将下图所示的液晶化合物以下述比例进行混合来制备液晶组合物NLC-C。
[化56]
·液晶组合物NLC-C
所述液晶组合物NLC-C的相转移温度(℃)为N 79.9I,平均折射率<n>为1.60。
在液晶组合物NLC-C(95.8重量%)中,通过对实施例1中所获得的化合物(K101)(4.2重量%)在100℃下进行2分钟加热搅拌而使其完全溶解,获得液晶组合物CLC-C1。
所述液晶组合物CLC-C1的相转移温度(℃)为N*75.9I。另外,液晶组合物CLC-C1的螺旋节距为0.29μm,VHR为99.1%。其结果可知,组合物CLC-C1显示出高电压保持率。
[实施例6-2]
单体/液晶混合物的制备
制备在液晶组合物NLC-C(92.9重量%)中混合有实施例1中所获得的化合物(K101)(0.9重量%)、化合物(MC2-04)5.90重量%、作为光聚合引发剂的2,2'-二甲氧基苯基苯乙酮0.3重量%的液晶组合物MLC-C1。
[化57]
·MC2-04
[实施例6-3]
高分子/液晶复合材料的制备
将液晶组合物MLC-C1夹持于未实施取向处理的、两块赋予了透明导电膜的电极的玻璃基板之间(单元厚度为10μm),将所获得的单元加热至MLC-04成为各向同性相为止。在所述状态下,照射紫外光(紫外光强度为18mWcm-2(365nm))1分钟而进行聚合反应。
如此而获得的高分子/液晶复合材料PDLC-C1即便冷却至室温,也维持手性向列相。
[实施例6-4]
将夹持有实施例6-3中所获得的高分子/液晶复合材料PDLC-C1的单元设置于光学***,测定电光特性。作为光源而使用偏光显微镜(尼康(Nikon)制造,日蚀(Eclipse)LV100POL)的白色光源,以朝向单元的入射角度相对于单元面垂直的方式设置于光学***。在室温下调查施加电压与透过率的关系。若施加20V的电压,则确认到高分子/液晶复合材料PDLC-C1以正常模式驱动。当对高分子/液晶复合材料PDLC-C1的电极间施加10V的电压时,透过光强度为96.9%,当施加22V的电压时,透过光强度为10.0%,可获得以低电压驱动且对比度高的液晶装置。
[实施例7-1]
在液晶组合物NLC-C(95.8重量%)中,通过对实施例2中所获得的化合物(K102)(4.2重量%)在100℃下进行3分钟加热搅拌而使其完全溶解,获得液晶组合物CLC-C2。
所述液晶组合物CLC-C2的相转移温度(℃)为N*82.5I。另外,液晶组合物CLC-C2的螺旋节距为0.33μm,VHR为99.2%。其结果可知,组合物CLC-C2显示出高电压保持率。
[实施例7-2]
单体/液晶混合物的制备
制备在液晶组合物NLC-C(92.9重量%)中混合有实施例2中所获得化合物(K102)(0.9重量%)、化合物(MC2-04)5.90重量%、作为光聚合引发剂的2,2'-二甲氧基苯基苯乙酮0.3重量%的液晶组合物MLC-C2。
[实施例7-3]
高分子/液晶复合材料的制备
将液晶组合物MLC-C2夹持于未实施取向处理的、两块赋予了透明导电膜的电极的玻璃基板之间(单元厚度为10μm),将所获得的单元加热至MLC-04成为各向同性相为止。在所述状态下,照射紫外光(紫外光强度为18mWcm-2(365nm))1分钟而进行聚合反应。
如此而获得的高分子/液晶复合材料PDLC-C2即便冷却至室温,也维持手性向列相。
[实施例7-4]
将夹持有实施例7-3中所获得的高分子/液晶复合材料PDLC-C2的单元设置于光学***,测定电光特性。作为光源而使用偏光显微镜(尼康(Nikon)制造,日蚀(Eclipse)LV100POL)的白色光源,以朝向单元的入射角度相对于单元面垂直的方式设置于光学***。在室温下调查施加电压与透过率的关系。若施加20V的电压,则确认到高分子/液晶复合材料PDLC-C2以正常模式驱动。当对高分子/液晶复合材料PDLC-C2的电极间施加10V的电压时,透过光强度为91.1%,当施加18V的电压时,透过光强度为10.0%,可获得以低电压驱动且对比度高的液晶装置。
[实施例8-1]
在液晶组合物NLC-C(95.8重量%)中,通过对实施例3中所获得的化合物(K103)(4.2重量%)在100℃下进行2分钟加热搅拌而使其完全溶解,获得液晶组合物CLC-C3。
所述液晶组合物CLC-C3的相转移温度(℃)为N*75.4I。另外,液晶组合物CLC-C3的螺旋节距为0.31μm,VHR为98.0%。其结果可知,组合物CLC-C3显示出高电压保持率。
[实施例8-2]
单体/液晶混合物的制备
制备在液晶组合物NLC-C(92.9重量%)中混合有实施例3中所获得化合物(K103)(0.9重量%)、化合物(MC2-04)5.90重量%、作为光聚合引发剂的2,2'-二甲氧基苯基苯乙酮0.3重量%的液晶组合物MLC-C3。
[实施例8-3]
高分子/液晶复合材料的制备
将液晶组合物MLC-C3夹持于未实施取向处理的、两块赋予了透明导电膜的电极的玻璃基板之间(单元厚度为10μm),将所获得的单元加热至MLC-04成为各向同性相为止。在所述状态下,照射紫外光(紫外光强度为18mWcm-2(365nm))1分钟而进行聚合反应。
如此而获得的高分子/液晶复合材料PDLC-C3即便冷却至室温,也维持手性向列相。
[实施例8-4]
将夹持有实施例8-3中所获得的高分子/液晶复合材料PDLC-C3的单元设置于光学***,测定电光特性。作为光源而使用偏光显微镜(尼康(Nikon)制造,日蚀(Eclipse)LV100POL)的白色光源,以朝向单元的入射角度相对于单元面垂直的方式将所述单元设置于光学***。在室温下调查施加电压与透过率的关系。若施加20V的电压,则确认到高分子/液晶复合材料PDLC-C3以正常模式驱动。当对高分子/液晶复合材料PDLC-C3的电极间施加10V的电压时,透过光强度为91.0%,当施加20V的电压时,透过光强度为10.0%,可获得以低电压驱动且对比度高的液晶装置。
产业上的可利用性
作为本发明的有效用法,例如可列举使用高分子/液晶复合材料的显示元件等液晶元件、或调光玻璃。
符号的说明
1:电极1
2:电极2
3:光源
4:偏光器(偏光板)(Polarizer)
5:梳型电极单元
6:检偏器(偏光板)(Analyzer)
7:光接收器(Photodetector)
Claims (19)
1.一种液晶组合物,含有式(K1)所表示的手性化合物的至少一种作为手性成分(K),且含有式(1-A)或式(1-B)所表示的非手性化合物的至少一种作为非手性成分(T)。
[化1]
·手性成分(K)
(式(K1)中,
Rk1分别独立地为氟、氯、-C≡N、碳数1~10的烷基、碳数2~10的烯基,在所述烷基中,至少一个-CH2-可经-O-取代,但两个连续的-CH2-不会经-O-取代,在这些基中,至少一个氢可经卤素取代;
Yk1分别独立地为单键、或-(CH2)n-,n为1~20的整数;
nk1、及nk2分别独立地为0~4的整数,
Rodk1为部分结构式(Rod1),
部分结构式(Rod1)中,
Rk2为氢、氟、氯、-C≡N、碳数1~10的烷基、碳数2~10的烯基,在所述烷基中,至少一个-CH2-可经-O-取代,但两个连续的-CH2-不会经-O-取代,在这些基中,至少一个氢可经卤素取代;
环Ak1、环Ak2、及环Ak3分别独立地为1,4-亚环己基、1,4-亚苯基、至少一个氢经氟取代的1,4-亚苯基、1,3-二噁烷-2,5-二基、四氢吡喃-2,5-二基、或嘧啶-2,5-二基;
Zk1、Zk2、及Zk3分别独立地为单键、-CH2CH2-、-COO-、-OCO-、-OCH2-、-CH2O-、-CF2O-、-OCF2-、-CH=CH-、-CF2CF2-、-CF=CF-、或-C≡C-;
mk1、及mk2分别独立地为0或1的整数。
另外,在下述所示的、环结构中连结有0~4个Rk1的部分结构(X1)及部分结构(X2)中,形成环结构的氢中的0~4个氢可经Rk1取代)。
[化2]
[化3]
·非手性成分(T)
(式(1-A)及式(1-B)中,
R11及R12分别独立地为氢、碳数1~10的烷基、碳数1~10的烷氧基、或碳数2~10的烯基,在所述烷基及烯基中,至少一个-CH2-可经-O-取代,但两个连续的-CH2-不会经-O-取代,在这些基中,至少一个氢可经卤素取代;
环A11、环A12、及环A13分别独立地为1,4-亚环己基、1,4-亚苯基、至少一个氢经氟取代的1,4-亚苯基、1,3-二噁烷-2,5-二基、四氢吡喃-2,5-二基、或嘧啶-2,5-二基;
Z11、Z12、及Z13分别独立地为单键、-CH2CH2-、-COO-、-OCO-、-CH2O-、-OCH2-、-CF2O-、-OCF2-、-CH=CH-、-CF=CF-、或-C≡C-;
X11为氟、氯、-SF5、-CHF2、-CF3、-CF2CH2F、-CF2CHF2、-CF2CF3、-(CF2)3-F、-CF2CHFCF3、-CHFCF2CF3、-(CF2)4-F、-(CF2)5-F、-OCHF2、-OCF3、-OCF2CH2F、-OCF2CHF2、-OCH2CF3、-OCF2CF3、-O-(CF2)3-F、-OCF2CHFCF3、-OCHFCF2CF3、-O-(CF2)4-F、-O-(CF2)5-F、-CH=CF2、-CH=CHCF3、或-CH=CHCF2CF3;
L11及L12分别独立地为氢或氟;
L13及L14分别独立地为氢、氟、氯、或-C≡N,但L13及L14不会均为氢;
S11为氢或甲基;
m及n分别独立地为0或1)。
2.根据权利要求1所述的液晶组合物,其中式(K1)所表示的手性化合物为式(K1-1)所表示的手性化合物。
[化4]
(式(K1-1)中,
Rk1分别独立地为氟、氯、-C≡N、碳数1~10的烷基、或碳数2~10的烯基,在所述烷基中,至少一个-CH2-可经-O-取代,但两个连续的-CH2-不会经-O-取代,在这些基中,至少一个氢可经卤素取代;
nk1、及nk2分别独立地为0~4的整数,
Rodk1为部分结构式(Rod1-1)或部分结构式(Rod1-2),
部分结构式(Rod1-1)及部分结构式(Rod1-2)中,
Rk2为氢、氟、氯、-C≡N、碳数1~10的烷基、或碳数2~10的烯基,所述烷基中的至少一个-CH2-可经-O-取代,但两个连续的-CH2-不会经-O-取代,在这些基中,至少一个氢可经卤素取代;
环Ak1、环Ak2、及环Ak3分别独立地为1,4-亚环己基、1,4-亚苯基、至少一个氢经氟取代的1,4-亚苯基、1,3-二噁烷-2,5-二基、四氢吡喃-2,5-二基、或嘧啶-2,5-二基;
Zk2及Zk3分别独立地为单键、-CH2CH2-、-COO-、-OCO-、-OCH2-、-CH2O-、-CF2O-、-OCF2-、-CH=CH-、-CF2CF2-、-CF=CF-、或-C≡C-;
mk1、及mk2分别独立地为0或1的整数。
另外,在下述所示的、环结构中连结有Rk1的部分结构(X1)及部分结构(X2)中,形成环结构的氢中的0~4个氢可经Rk1取代)
[化5]
3.根据权利要求2所述的液晶组合物,其中式(K1-1)中,
Rk1分别独立地为碳数1~10的烷基、或碳数2~10的烯基,在所述烷基中,至少一个-CH2-可经-O-取代,但两个连续的-CH2-不会经-O-取代,在这些基中,至少一个氢可经卤素取代;
nk1、及nk2分别独立地为0~4的整数,
Rodk1为下述所示的部分结构式(Rod1-1A)~部分结构式(Rod1-1H)及部分结构式(Rod1-2A)~部分结构式(Rod1-2H)的任一者。
[化6]
[化7]
(部分结构式(Rod1-1A)~部分结构式(Rod1-1H)及部分结构式(Rod1-2A)~部分结构式(Rod1-2H)中,
Rk2为氢、碳数1~10的烷基、或碳数2~10的烯基,所述烷基中的至少一个-CH2-可经-O-取代,但两个连续的-CH2-不会经-O-取代,在这些基中,至少一个氢可经卤素取代;
另外,下述所示的在1,4-亚苯基中连结有(F)的部分结构(X3)表示一个或两个氢可经氟取代的1,4-亚苯基),
[化8]
6.根据权利要求1至5中任一项所述的液晶组合物,其中液晶组合物中的手性成分(K)的含量为0.1重量%~30重量%。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的液晶组合物,其中非手性成分(T)中的、式(1-A)或式(1-B)所表示的化合物的含量为50重量%~100重量%。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的液晶组合物,其中非手性成分(T)中的、式(1-A)所表示的化合物的含量为50重量%~100重量%,且显示出光学各向同性的液晶相。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的液晶组合物,其中在手性成分(K)中还含有式(K2)~式(K8)所表示的手性化合物的至少一种。
[化14]
(式(K2)~式(K8)中,RK分别独立地为氢、卤素、-C≡N、-N=C=O、-N=C=S或碳数1~20的烷基,所述烷基中的至少一个-CH2-可经-O-、-S-、-COO-、-OCO-、-CH=CH-、-CF=CF-或-C≡C-取代,所述烷基中的至少一个氢可经卤素取代;
AK分别独立地为芳香族性的6元环~8元环、非芳香族性的3元环~8元环、或碳数9~20的缩合环,这些环中的至少一个氢可经卤素、碳数1~3的烷基或卤代烷基取代,环的-CH2-可经-O-、-S-或-NH-取代,-CH=可经-N=取代;
YK分别独立地为氢、卤素、碳数1~3的烷基、碳数1~3的卤代烷基、芳香族性的6元环~8元环、非芳香族性的3元环~8元环、或碳数9~20的缩合环,这些环的至少一个氢可经卤素、碳数1~3的烷基或卤代烷基取代,-CH2-可经-O-、-S-或-NH-取代,-CH=可经-N=取代;
ZK分别独立地为单键、或碳数1~8的亚烷基,但至少一个-CH2-可经-O-、-S-、-COO-、-OCO-、-CSO-、-OCS-、-N=N-、-CH=N-、-N=CH-、-CH=CH-、-CF=CF-或-C≡C-取代,至少一个氢可经卤素取代;
XK分别独立地为单键、-COO-、-OCO-、-CH2O-、-OCH2-、-CF2O-、-OCF2-、或-CH2CH2-;
mK分别独立地为1~4的整数)。
10.一种单体/液晶混合物,包含如权利要求1至9中任一项所述的液晶组合物、以及聚合性单体。
11.根据权利要求10所述的单体/液晶混合物,在-20℃~70℃中在至少1℃以上的温度范围中显示出手性向列相,且在所述温度范围的至少一部分中螺旋节距为700nm以下。
12.根据权利要求10所述的单体/液晶混合物,其中液晶组合物为具有光学各向同性的液晶相的液晶组合物。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的单体/液晶混合物,其中相对于单体/液晶混合物的总量,聚合性单体的含量为0.1重量%~50重量%的范围。
14.一种高分子/液晶复合材料,是使如权利要求10所述的单体/液晶混合物以非液晶各向同性相或光学各向同性的液晶相进行聚合而获得,且用于以光学各向同性的液晶相来驱动的液晶元件。
15.一种高分子/液晶复合材料,是使如权利要求10所述的单体/液晶混合物进行聚合而获得,且用于以手性向列相来驱动的光散射型的液晶元件。
16.一种液晶元件,包括:具有电极的一对基板;夹持于所述一对基板间的调光层;以及用于经由所述电极对所述调光层施加电场的电场施加部件,
所述一对基板的至少一者透明,且所述调光层包含如权利要求14或15所述的高分子/液晶复合材料。
17.根据权利要求16所述的液晶元件,其中所述高分子/液晶复合材料显示出手性向列相,且构成光散射型的液晶元件。
18.根据权利要求16或17所述的液晶元件,其中高分子/液晶复合材料中的、高分子的含量为0.1重量%~50重量%的范围。
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