JP2005336477A - 高分子とキラリティーを有する液晶材料とからなる複合材料、該複合材料の製造方法、および該複合材料を用いる光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 高分子と液晶材料からなり、可視光線以上の波長の光を実質的に散乱せず、かつ電界を印加していない時に光学的に等方性であり、液晶材料がキラリティーを有する液晶材料であることを特徴とする高分子/液晶複合材料による。カー係数が1×10−9mV−2以上を示し、またはカー係数が1×10−10以上を示し、かつ温度差10℃でのカー係数の比が1.5以下である領域が存在する高分子/液晶複合材料を得ることもできる。
【選択図】 図2
Description
[1] 高分子と液晶材料からなり、可視光線以上の波長の光を実質的に散乱せず、かつ電界を印加していない時に光学的に等方性であり、液晶材料がキラリティーを有する液晶材料であることを特徴とする高分子/液晶複合材料。
[2] カー係数が1×10−9mV−2以上を示す[1]項に記載の高分子/液晶複合材料。
[3] カー係数が1×10−10mV−2以上を示し、かつ温度差10℃でのカー係数の比が1.5以下である領域が存在する[1]項に記載の高分子/液晶複合材料。
[4] 室温でカイラルネマチック相またはブルー相を呈し、かつカイラルピッチ長が100μmから10nmである液晶材料を用いる[1]項に記載の高分子/液晶複合材料。
[5] 室温でカイラルネマチック相またはブルー相を呈し、かつカイラルピッチ長が10μmから10nmである液晶材料を用いる[1]項に記載の高分子/液晶複合材料。
[6] 室温でカイラルネマチック相またはブルー相を呈し、かつカイラルピッチ長が1μmから10nmである液晶材料を用いる[1]項に記載の高分子/液晶複合材料。
[7] 液晶材料含有率が65〜99重量%である[1]項に記載の高分子/液晶複合材料。
[8] 高分子が架橋構造を有する[1]項に記載の高分子/液晶複合材料。
[9] 高分子がメソゲン部位を有する[1]項に記載の高分子/液晶複合材料。
[10] 印加電界の二乗と電気複屈折値が比例関係にあることを特徴とする[1]項に記載の高分子/液晶複合材料。
[11] [1]項に記載の高分子/液晶複合材料を製造する方法であって、モノマーと液晶材料の混合物の重合において可視光線以上の波長の光を実質的に散乱せずかつ光学的に等方性の状態で重合を終了することを特徴とする方法。
[12] [1]〜[10]の何れか1項に記載の高分子/液晶複合材料を用いることを特徴とする光素子。
[13] 少なくとも一方が透明な一対の基板、該基板の一方または両方に形成された電極、前記基板間に挟持された液晶層と前記基板の外側に偏光板を有し、前記電極を介して液晶層に電界を印加する電界印加手段を備えた液晶表示装置であって、前記液晶層が高分子と液晶材料からなる高分子/液晶複合材料から構成され、電界を印加していない時には光学的に等方性であり、電界印加時には光学的異方性を示し、前期液晶材料は室温でのカイラルピッチ長が100μmから10nmのキラリティーを有し、前記高分子は三次元架橋の網目状構造を形成し、液晶材料は該高分子中で一つの連続した層を形成し、液晶層に対する液晶材料の含有率が65〜99重量%であることを特徴とする液晶表示素子。
[14] 液晶層に用いる液晶材料のカイラルピッチ長が室温で1μmから10nmであることを特徴とする[13]項に記載の液晶表示素子。
[15] 液晶層に用いる液晶材料が室温でカイラルネマチック相またはブルー相を呈し、且つ該液晶材料のカイラルピッチ長が室温にて1μmから10nmであることを特徴とする[13]または[14]に記載の液晶表示素子。
[16] 一対の基板の一方の基板上において基板面に並行で、且つ少なくとも2方向に電界を印加できるよう電極が構成されていることを特徴とする[13]〜[15]のいずれか1項に記載の液晶表示素子。
[17] 電極がマトリックス状に形成されて、画素電極を構成し、各画素にはアクティブ素子を備え、このアクティブ素子が薄膜トランジスター(TFT)であることを特徴とする[13]〜[16]のいずれか1項に記載の液晶表示素子。
[18] [13]〜[17]のいずれか1項に記載の液晶表示素子を用いた液晶表示装置。
本発明において更に好ましい態様は、液晶材料含有率が65〜99重量%である高分子/液晶複合材料である。
本発明において別の好ましい態様は、高分子が三次元架橋構造を有する高分子/液晶複合材料である。
本発明において別の好ましい態様は、高分子がメソゲン部位を有する高分子/液晶複合材料である。
本発明における別の好ましい態様は、印加電界の二乗と電気複屈折値ΔnEが比例関係にある高分子/液晶複合材料である。
本発明において別の好ましい態様は、一対の基板の一方の基板上において基板面に並行で、且つ少なくとも2方向に電界を印加できるよう電極が構成されていることを特徴とする液晶表示素子である。
本発明において更に別の好ましい態様は、電極がマトリックス状に形成されて、画素電極を構成し、各画素にはアクティブ素子を備え、このアクティブ素子が薄膜トランジスター(TFT)であることを特徴とする液晶表示素子である。
本発明における第5の発明は、上記の液晶表示素子を用いる液晶表示装置である。
高分子含有率が同じであれば、液晶材料のカイラルピッチ長が短いほど、より高透明性と等方性となる傾向がみられる。したがって、本発明で用いられる液晶材料の室温でのカイラルピッチ長は、一般に100μm〜10nmであり、好ましくは10μm〜10nmであり、特に好ましくは1μm〜10nmであり、例えば、1μm〜100nmまたは1μm〜50nmとする。1μm以下である液晶材料を用いると著しく高透明性と等方性となる。
本発明に用いる液晶材料の誘電率異方性の正負に関しては、特別の制限はない。但し、液晶材料の誘電率異方性値(Δε)の絶対値と屈折率異方性値(Δn)はそれぞれ大きいほど、カー係数は大きくなるため、いずれも大きいほど好ましい。しかし誘電率異方性値の絶対値あるいは屈折率異方性値が大きくなるほど、液晶材料の比抵抗値が大きくなる傾向にあるため、実際に光素子として用いる際に問題となる場合がある。本発明に従いキラリティーを有する液晶材料と高分子の複合材料を用いれば、液晶材料含有率を高くすることが可能であることから、従来技術より低い誘電率異方性値および屈折率異方性値の液晶材料を用いても、求められるカー係数を発現させることが可能である。液晶材料は二色性色素、フォトクロミック化合物を含有していてもよい。
−A1−Z1−A2−Z2−A3−Z3−A4− (1)
(式(1)中、A1およびA2は、単結合、ベンゼン環、シクロヘキサン環、シクロヘキセン環、ジオキサン環、テトラヒドロピラン環、ラクトン環、ピリジン環、ピリミジン環、ピリダジン環またはチオフェン環などの環を示し、A3およびA4はベンゼン環、シクロヘキサン環、シクロヘキセン環、ジオキサン環、テトラヒドロピラン環、ラクトン環、ピリジン環、ピリミジン環、ピリダジン環またはチオフェン環などの環を示し、ただし式(1)中の環は1個以上の水素原子が、アルキル基、ハロゲン原子、シアノ基、ニトロ基、アミノ基などの官能基で置換されていてもよく、Z1、Z2、Z3は独立して単結合、アルキレン基、−COO−、−OCO−を示すが、任意の−CH2−は、−O−、−S−、−CH=CH−(トランス)もしくは−C≡C−で置換されてもよいが、−O−は連続できず、水素原子はハロゲン原子に置換されてもよい。)
I(q)=I(0)/(1+ξ2q2)2
1)誘電率異方性が正である液晶材料:2枚のガラス基板の間隔(ギャップ)が約9μm、ツイスト角が80度のTNセルに試料を入れた。このセルにサイン波(10V、1kHz)を印加し、2秒後に液晶分子の長軸方向における誘電率(ε‖)を測定した。このセルにサイン波(0.5V、1kHz)を印加し、2秒後に液晶分子の短軸方向における誘電率(ε⊥)を測定した。誘電率異方性の値は、Δε=ε‖−ε⊥、の式から計算した。
モノマーと液晶材料の混合物の調製
液晶材料とモノマーの混合物として液晶組成物A1を87.1重量%、三官能性でメソゲンを有さないアクリレートであるトリメチロールプロパントリアクリレートを5.38重量%、メソゲンを有する二官能性モノマーである1,4−ジ(4−(6−(アクリロイルオキシ)ヘキシルオキシ)ベンゾイルオキシ)−2−メチルベンゼンを7.12重量%、光重合開始剤として2,2’−ジメトキシフェニルアセトフェノンを0.41重量%混合した液晶組成物A2を調製した。A2のI−BP点は40.8℃であった。
高分子/液晶複合材料の調製
液晶組成物A2を配向処理の施されていないITO電極付ガラス基板間(電極間距離12.9μm)に狭持し、得られたセルを42.8℃の等方相まで加熱した。この状態で、紫外光(紫外光強度1.5mWcm−2(365nm))を20分間照射した。照射終了後は得られた高分子/液晶複合材料A3は高透明性と等方性を発現した。この状態は室温以下まで保たれた。
液晶材料とモノマーの混合物として液晶組成物A1を87.0重量%、メソゲン基を有する三官能性アクリレートである1,2,4−トリ(4−(6−アクリロイルオキシヘキシルオキシ)−フェニルカルボニルオキシ)ベンゼンを12.7重量%、光重合開始剤として2,2’−ジメトキシフェニルアセトフェノンを0.3重量%混合し、モノマーと液晶材料の混合物からなる液晶組成物B2を調製した。B2のI−BP点は51℃であった。
高分子/液晶複合材料の調製
液晶組成物B2を配向処理の施されていないITO電極付ガラス基板間(電極間距離13ミクロン)に狭持し、得られたセルを55.0℃の等方相まで加熱した。この状態で、紫外光(紫外光強度1.5mWcm−2(365nm))を20分間照射した。得られた高分子/液晶複合材料B3は室温以下の温度まで冷却しても高透明性と等方性を発現した。
モノマーと液晶材料の混合物の調製
実施例2において液晶組成物A1を、液晶組成物Jを50重量%、5CBを38.5重量%、ZLI−4572のラセミ体である4−(4−ペンチルシクロヘキシル)ベンゾイックアシッド 1−フェニル−1,2−エタンジイル エステルを11.5重量%混合した液晶組成物C1とした以外は、実施例2の方法に準じてモノマーと液晶材料の混合物からなる液晶組成物C2を調製した。液晶組成物C2のI−N点は51℃であった。
高分子/液晶複合材料の調製
液晶組成物B2をC2に換え、かつ紫外光照射を52℃、55℃、80℃という異なる温度で行った以外は実施例2の方法に準じて高分子/液晶複合材料(C3a、C3b、C3c)を調製した。これらの複合材料はすべて等方相からの冷却下において52℃で明確に相転移し、散乱体となった。すなわち透明性と等方性が保持できなくなった。
モノマーと液晶材料の混合物の調製
比較例1において液晶組成物C1を、4−ヘプチル−4’−シアノビフェニル(7CB)とした以外は、比較例1の方法に準じてモノマーと液晶材料の混合物からなる液晶組成物D2を調製した。液晶組成物D2のI−N点は41℃であった。
高分子/液晶複合材料の調製
液晶組成物B2をD2に換え、かつ紫外光照射を43℃で行った以外は実施例2の方法に準じて高分子/液晶複合材料D3を調製した。この複合材料は等方相からの冷却下において42℃で明確に相転移し、散乱体となった。すなわち透明性と等方性が保持できなくなった。
電界強度の二乗に対するΔnEのプロットの傾きから、高分子/液晶複合材料A3が示すカー定数を算出した。温度とカー定数の関係を図2に示した。図2から、実施例1で得られた高分子/液晶複合材料A3は1.9×10−9mV−2を超えるカー係数を発現し、かつ(25℃のカー定数)/(35℃のカー定数)=1.05であり、温度依存性が小さいことがわかった。
液晶組成物の調製
液晶組成物Jを56.5重量%、4−ペンチル−4’−シアノビフェニル(5CB)を43.5重量%混合することにより液晶組成物E1を調製し、これにキラル化合物ZLI−4572を種々の分率で添加し、ピッチの異なる液晶組成物E1a〜E1hを調製した。液晶組成物E1a〜E1hの組成、相転移点、25℃におけるピッチを表1に示した。ただしE1hは液晶組成物A1と同一の組成である。
液晶組成物A1を液晶組成物E1a〜E1hに代える以外は、実施例1の方法に準じてモノマーと液晶材料の混合物である液晶組成物E2a〜E2hを調製した。
高分子/液晶複合材料の調製
紫外光照射を液晶組成物E1a〜E1hのI−N点、I−Ch点、I−BP点より2.5℃高温で行った以外は実施例2の方法に準じて高分子/液晶複合材料E3a〜E3hを調製した。
光散乱強度の測定
高分子/液晶複合材料E3a〜E3hの散乱プロファイルを高分子フィルムダイナミックス解析装置DYNA−3000(商品名/大塚電子(株))を用いて測定した。光源はHe−Neレーザー(633nm)を用い、測定温度は高分子/液晶複合材料E3a〜E3hに用いた液晶組成物E1a〜E1hのI−N点、I−Ch点、I−BP点より10℃低温で行った。結果を図3に示した。図3(a)および(b)はそれぞれVv散乱プロファイルおよびHv散乱プロファイルであり、散乱ベクトルqを変数として散乱強度Iの変化として得られる。いずれも、キラリティーを有する液晶材料を用いた複合材料(E3b、E3cおよびE3d)において著しい散乱強度の減少が確認された。またさらに液晶材料としてブルー相を発現する液晶材料を用いた複合材料(E3e、E3f、E3h、およびE3g)は、ブルー相を発現せずかつカイラルネマチック相を発現する液晶材料を用いた複合材料より、散乱強度がさらに減少することが確認された。この結果から、液晶材料にキラリティーを導入することによって、複合材料の透明性と等方性が著しく向上し、さらにブルー相を発現する液晶材料を用いた複合材料は、より透明性と等方性が良好であることがわかった。
高分子/液晶複合材料の調製
紫外光照射をモノマーと液晶材料の混合物E2aおよびE2hのI−N点、I−BP点より2℃高温で行った以外は実施例2の方法に準じて高分子/液晶複合材料E4aとE4hを調製した。
透過率および消光比
図4はE4aとE4hの透過率と消光比を液晶材料のI−N点およびI−BP点で規格化した温度に対してプロットした図である。
ネマチック液晶材料で構成されるE1aから調製されたE4aはE1aのI−N点近傍で急激に透過率が減少し、かつ消光比が増大しているのがわかる。すなわち、E1aの相転移点近傍で透明性が大きく減少し、等方性も失われたことがわかる。一方、キラリティーを有する液晶材料E1hから調製されたE4hはE1hのI−BP点より低温側においても、透過率、消光比に大きな変化はみられないことがわかる。すなわちE1hの相転移点より約30℃低温側でも、透明性と等方性が保たれていることがわかる。
ここで得られた高分子/液晶複合材料液晶セルF3を図6に示した光学系にセットし、電気光学特性を測定した。光学系へのセットは、図1の光学系とは異なり、レーザー光のセルへの入射角度がセル面に対して垂直となるようにし、櫛型電極の線方向がPolarizerとAnalyzer偏光板に対してそれぞれ45°となるようにセットした。1kHz交流正弦波を印加した時の、コントラスト比(電界印加時と非印加時の透過光量比)は図7のようになり、電界印加により透過光のオン/オフが出来ることが分かった。なお、測定温度は室温の25℃である。
Claims (18)
- 高分子と液晶材料からなり、可視光線以上の波長の光を実質的に散乱せず、かつ電界を印加していない時に光学的に等方性であり、液晶材料がキラリティーを有する液晶材料であることを特徴とする高分子/液晶複合材料。
- カー係数が1×10−9mV−2以上を示す請求項1に記載の高分子/液晶複合材料。
- カー係数が1×10−10mV−2以上を示し、かつ温度差10℃でのカー係数の比が1.5以下である領域が存在する請求項1に記載の高分子/液晶複合材料。
- 室温でカイラルネマチック相またはブルー相を呈し、かつカイラルピッチ長が100μmから10nmである液晶材料を用いる請求項1に記載の高分子/液晶複合材料。
- 室温でカイラルネマチック相またはブルー相を呈し、かつカイラルピッチ長が10μmから10nmである液晶材料を用いる請求項1に記載の高分子/液晶複合材料。
- 室温でカイラルネマチック相またはブルー相を呈し、かつカイラルピッチ長が1μmから10nmである液晶材料を用いる請求項1に記載の高分子/液晶複合材料。
- 液晶材料含有率が65〜99重量%である請求項1に記載の高分子/液晶複合材料。
- 高分子が架橋構造を有する請求項1に記載の高分子/液晶複合材料。
- 高分子がメソゲン部位を有する請求項1に記載の高分子/液晶複合材料。
- 印加電界の二乗と電気複屈折値が比例関係にあることを特徴とする請求項1に記載の高分子/液晶複合材料。
- 請求項1に記載の高分子/液晶複合材料を製造する方法であって、モノマーと液晶材料の混合物の重合において可視光線以上の波長の光を実質的に散乱せずかつ光学的に等方性の状態で重合を終了することを特徴とする方法。
- 請求項1〜10の何れか1項に記載の高分子/液晶複合材料を用いることを特徴とする光素子。
- 少なくとも一方が透明な一対の基板、該基板の一方または両方に形成された電極、前記基板間に挟持された液晶層と前記基板の外側に偏光板を有し、前記電極を介して液晶層に電界を印加する電界印加手段を備えた液晶表示装置であって、前記液晶層が、高分子と液晶材料からなる高分子/液晶複合材料から構成され、電界を印加していない時には光学的に等方性であり、電界印加時には光学的異方性を示し、前記液晶材料が室温でのカイラルピッチ長が100μmから10nmのキラリティーを有し、前記高分子は三次元架橋の網目状構造を形成し、液晶材料は該高分子中で一つの連続した層を形成し、液晶層に対する液晶材料の含有率が65〜99重量%であることを特徴とする液晶表示素子。
- 液晶層に用いる液晶材料のカイラルピッチ長が室温で1μmから10nmであることを特徴とする請求項13に記載の液晶表示素子。
- 液晶層に用いる液晶材料が室温でカイラルネマチック相またはブルー相を呈し、且つ該液晶材料のカイラルピッチ長が室温で1μmから10nmであることを特徴とする請求項13または14に記載の液晶表示素子。
- 一対の基板の一方の基板上において基板面に並行で、且つ少なくとも2方向に電界を印加できるよう電極が構成されていることを特徴とする請求項13〜15のいずれか1項に記載の液晶表示素子。
- 電極がマトリックス状に形成されて、画素電極を構成し、各画素にはアクティブ素子を備え、このアクティブ素子が薄膜トランジスター(TFT)であることを特徴とする請求項13〜16のいずれか1項に記載の液晶表示素子。
- 請求項13〜17のいずれか1項に記載の液晶表示素子を用いる液晶表示装置。
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