JP3111610B2 - 強誘電性液晶組成物およびデバイス - Google Patents

強誘電性液晶組成物およびデバイス

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JP3111610B2 JP04078156A JP7815692A JP3111610B2 JP 3111610 B2 JP3111610 B2 JP 3111610B2 JP 04078156 A JP04078156 A JP 04078156A JP 7815692 A JP7815692 A JP 7815692A JP 3111610 B2 JP3111610 B2 JP 3111610B2
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【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に関
し、更に詳しくは、温度によって自発分極の符号が変化
する組成物に関する。本発明はさらに、この液晶組成物
を使用して構成される液晶素子に関する。
【0002】
【従来の技術】現在、液晶表示素子として最も広く使用
されているツイストネマチック(TN)型表示方式は駆
動電圧が低いこと、消費電力が小さいことなどの利点を
多く備えている。しかしながら、応答速度に関しては、
陰極線管、エレクトロルミネッセンス、プラズマ等の発
光型の表示素子に比べて著しく劣っている。スーパーツ
イストネマチック(STN)型というねじれ角を180
ー270゜にした表示方式も応答速度に関してはやはり
劣っている。応答速度の大幅な改善を可能ならしめる表
示方式として強誘電性液晶を用いる表示素子がクラーク
等によって提示されている。この強誘電性液晶を用いて
表示以外の応用も試みられている。これらは例えば高調
波発生素子、光メモリー、光増幅器、そして、熱、光、
温度、圧力等に対するセンサー等への可能性である。強
誘電性液晶の中で自発分極(以下Psと略記する)の符
号が温度によって変化する化合物がこれまで一例だけ知
られている。(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.Appl.Phy
s.)25巻、L833頁(1986)およびフィロソ
フィカル、マガジン、レターズ(Philosophi
cal Magazine Letters)55巻、
283頁(1987)参照)。
【0003】この化合物の自発分極の符号は、温度に対
して段階的に変化する。これをスイッチングあるいはセ
ンシングに利用することが可能である。しかし、さきに
報告された化合物はセンサーに応用するには以下の点で
不十分である。 (1)室温から自発分極の符号が変化する温度までの領
域が十分に広くないので、センサーとして利用できる温
度領域が狭い。 (2)報告されている化合物のPsの符号が変化する温
度(以下Tpsと略記する)が、ほぼ25℃付近の物し
かないために、使用目的に応じてTpsをより高い温度
領域に持った液晶組成物を得ることが困難である。 (3)化合物のPsの値が小さい(3nC/cm2程度)の
で、センシングに対する応答が十分でない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】以上のことから明らか
なように、本発明の目的はPsの絶対値が大きく、Ps
の符号が変わる温度が25℃より高い液晶組成物を提供
することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、後記する一般
式(I)で表される強誘電性液晶化合物を少なくとも一
つ含み、その含量が組成物の60ー100重量パーセン
トである強誘電性液晶組成物、および該組成物を利用し
た液晶デバイスである。
【0006】
【化3】
【0007】(I)式において、R1は炭素数4ー16
のアルキル基を、R2は炭素数2ー12のアルキル基を
それぞれ示し、*は不正炭素原子を示す。本発明の組成
物に用いる(I)式の化合物としては、式中のR1が6
ー12である物が好ましく、またR2が4ー10である
物が好ましい。さらに、式中のR2が6ー8である化合
物がより好ましい。本発明に用いられる(I)式の化合
物の中、代表的な化合物の相転移温度と自発分極の符号
の変化する温度を表1に示す。
【0008】
【表1】
【0009】表1において数字は相転移温度ならびに自
発分極の符号の変わる温度(Tps)をセ氏温度にて表
し、Cr、SF*、SC*、SA、およびIは結晶、カ
イラルスメクチックF、カイラルスメクチックC、スメ
クチックAおよび等方性液体の各相をそれぞれ意味す
る。・印はその上に略記した相が存在することを意味
し、括弧内の数字は相転移が単変性であることを意味す
る。本発明の組成物においては(I)式で表される化合
物の含有される割合は組成物の重量に対して60ー10
0%であり、更に好ましくは80ー100%である。含
有される(I)式の化合物の割合が60%未満では、自
発分極の符号が変化する現象が観察されなくなってしま
うため好ましくない。(I)式の化合物は既に特開昭6
3ー190842に開示されている。そこに開示された
化合物の中で、(I)式でR1がアルコキシ基である化
合物には自発分極の符号が反転する現象は観察されず、
Psの符号が反転する現象は(I)式でR1がアルキル
基である化合物だけに限られている。本発明において
は、また、(I)式の化合物のほかに以下に示す式で表
される化合物を本発明の目的を損なわない範囲で用いる
ことができる。
【0010】
【化4】
【0011】これらの式においてRおよびR’はそれぞ
れ独立に炭素数4ー20のアルキル基を意味する。これ
らの化合物の中では以下の(II)式および(III)式で
表される化合物が好ましく用いられる。
【0012】
【化5】
【0013】(II)式において、R3およびR4はそれぞ
れ独立に炭素数6ー16のアルキル基またはアルコキシ
基を表し、(III)式においてR5は炭素数5ー12のア
ルキル基またはアルコキシ基を、R6は炭素数4ー12
のアルキル基またはアルコキシ基をそれぞれ表わす。
(II)式および(III)式の化合物にはスメクチックC
相を広い 温度領域にわたって示す物が多く、これらの
化合物を成分とすることにより強誘電性の発現するカイ
ラルスメクチック相を広い温度域で実現することができ
るので有用である。本発明の組成物は、高いTpsを有
する(I)式の化合物を成分とすることにより高いTp
sを実現している。本発明の強誘電性液晶組成物はTp
sより高い温度域ではPsの符号は負であり、Tpsよ
り低い温度域ではPsの符号は正である。ここで、Ps
の符号はS.T.ラガウオールらの定義に従って定めた
ものである(モレキュラークリスタルアンドリクイドク
リスタル(Mol.Cryst.Liq.Crys
t.)114巻、151ー187頁(1984)参
照)。このような液晶組成物を強誘電性が発現する液晶
相(例えばカイラルスメクチックC相)で配向させて強
誘電性液晶セルを作成しこれに一定方向の電界を印加し
た場合、Tpsの高温側と低温側では液晶分子の傾く方
向が変化している。この液晶分子のダイレクターがTp
sの上下で反転することによって液晶セルの光学応答が
変化することを応用して、Tpsを検知の対象の温度と
するセンシングが可能である。さらに、本発明の組成物
には通常の液晶組成物と同様に過冷却状態でも比較的安
定な物が多いので、Tpsの低温側の広い温度領域をも
対象としたセンサーの材料として用いることができる。
【0014】本発明のデバイスは温度による強誘電性、
非強誘電性の間の特性の変化を利用する物である。本発
明の液晶組成物は、強誘電性状態ではヘリカルピッチ、
自発分極等の物性が存在するが、非強誘電性状態(温度
がTpsの時)では通常のスメクチック液晶となり、ヘ
リカルピッチ、自発分極等の物性は存在しない。そこ
で、ヘリカルピッチの特徴を利用したデバイスを構成で
きる。即ち、強誘電性液晶状態では、らせんを巻いてい
るため光の選択反射が起こり、反射光は着色している。
しかし、非強誘電性液晶状態ではらせんを巻いていない
ので、選択反射は起こらず、ただ単に白濁しているのみ
である。この散乱光の違いを利用して温度のセンシング
が可能であり、例えばこれを素子に応用すると組成物の
Tpsに応じた温度センサーを得ることができる。本発
明の組成物に例えば交流電界を印加した場合は、自発分
極を利用した素子を構成できる。例えば、強誘電性状態
では交流電界に従ったスイッチングが起きているが、非
強誘電性状態では自発分極が存在しないのでスイッチン
グが起こらなくなっている。従って、これを利用した温
度制御機構の構成が可能である。
【0015】これらの素子に用いる、偏光子と検光子の
配置の仕方によっては、高温側からON−OFF、ON
−OFF−ON、OFF−ON、OFF−ON−OFF
等の組み合わせを持った温度制御素子を構成することが
可能である。本発明の組成物を用いることにより、応答
速度の温度依存性の小さい素子が構成できる。小さな温
度依存性は、複数の(I)式の化合物のみからなる組成
物を使用した素子よりも、(I)式の化合物に該式以外
の成分を混合した組成物を使用した素子において顕著で
ある。
【0016】
【実施例】以下に、実施例により本発明をさらに詳述す
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。実施例における諸々の物性値の測定は次の方法によ
り行なった。 相転移温度: 温度制御用ホットステージを付けた偏光
顕微鏡下の観察により求めた。以下の実施例において相
転移温度(℃)は相を表す略記号の間に記載した。記号
Cr、SC*、SA、およびIはそれぞれ結晶、カイラ
ルスメクチックC、スメクチックA、および等方性液体
の各相を意味する。 自発分極(Ps): 自発分極の大きさはソウヤー・タ
ワー法により求め、その符号はS.T.ラガウオールら
の定義に従って決定した。 傾き角(θ): ホモジニアス配向させた液晶セルに臨
界電圧以上の十分に高い電圧を印加して液晶のらせん構
造を消失させた時の消光位を直交ニコル下に求め、更に
印加電圧の極性を反転させた時の消光位を求め、二つの
消光位の間の角度(2θに相当する)から決定した。 自発分極の符号の変わる温度(Tps):ソウヤー・タ
ワー法により求められるPsの値が零となる温度として
求めた。
【0017】実施例1 一般式(I)で表される9の化合物、一般式(II)で表
される3の化合物、および一般式(III)で表される2
の化合物からなる以下に示す強誘電性組成物を調製し
た。
【0018】
【化6】
【化7】
【0019】この強誘電性組成物の相転移温度は Cr 10.6 SC* 52.0 SA 81.1
I であった。自発分極および傾き角の温度依存性は表2に
示す。表2において、また後記する表3ー5において、
TcはSC*相の上限温度を、Tは測定した温度をそれ
ぞれ意味する。また、この組成物のTpsは35.1℃
であった。
【0020】実施例2 一般式(I)の化合物4つ、一般式(II)の化合物1つ
および一般式(III)の化合物4つとからなる下記の強
誘電性液晶組成物は相転移温度 Cr 15.1 SC* 53.5 SA 84.7
I を示した。Psおよび傾き角の温度依存性を表3に示
す。この組成物のPsの符号が変わる温度は30.7℃
であった。
【0021】
【化8】
【0022】実施例3 5つの(I)式の化合物と4つの(II)式の化合物とか
らなる後記の強誘電性液晶組成物を調製した。その相転
移温度は Cr 13.3 SC* 53.3 SA 82.2
I であった。Psおよび傾き角の温度依存性を表4に示
す。この組成物のTpsは25.5℃であった。
【0023】
【化9】
【0024】実施例4 4つの(I)式の化合物と4つの(II)式の化合物とか
らなる後記の強誘電性液晶組成物を調製した。この組成
物の相転移温度は Cr 14.3 SC* 56.0 SA 85.1
I であった。Psおよび傾き角の温度依存性を表5に示
す。この組成物のTpsは29.5℃であった。
【0025】
【化10】
【0026】実施例5 (I)式で表される4つの化合物だけからなる後記の強
誘電性液晶組成物を調製した。この組成物の相転移温度
は Cr 24 SC* 49 SA 79.3 I であった。また、この組成物のTpsは42℃であっ
た。
【0027】
【化11】
【0028】実施例6 実施例1に示される組成物を、配向剤としてPVAを塗
布し、表面をラビングして平行配向処理を施した、セル
厚2μmの透明電極を備えたセルに注入して液晶素子を
作成した。この素子をホットステージに載せて40℃で
直交ニコル状態に配置した2枚の偏光板の間に挟み、2
0Vの直流電圧を印加し、光が遮断されるように素子と
偏光板の位置を調節した。次いで、印加電圧の極性を変
えずに、ホットステージの温度を30℃まで下げたとこ
ろ光の透過が認められた。ホットステージの昇温と降温
を徐々に行うと、ほぼ35℃を挟んでで光の遮断と透過
が観察された。
【0029】
【表2】
【0030】
【表3】
【0031】
【表4】
【0032】
【表5】
【0033】
【発明の効果】本発明により提供される強誘電性液晶組
成物は常温、25℃よりも高い温度域に自発分極の符号
の反転する温度Tpsを有する。この組成物を利用した
液晶素子は、強誘電性液晶の自発分極の符号の変化する
ことを応用して、センサー等に使用できる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−190842(JP,A) 特開 昭63−216878(JP,A) 特開 平3−205487(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C09K 19/34 C09K 19/42 - 19/46

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 後記の一般式(I)で表される化合物を
    少なくとも一つ含有し、その混合割合が60ー100重
    量パーセントである、少なくとも二つの成分からなる強
    誘電性液晶組成物。 【化1】 ただし、(I)式において、R1は炭素数4ー16のア
    ルキル基を、R2は炭素数2ー12のアルキル基をそれ
    ぞれ示す。
  2. 【請求項2】 請求項1において(I)式の化合物以外
    の成分として後記の一般式(II)および(III)で表さ
    れる化合物の群から選ばれた少なくとも一つの化合物を
    含有する強誘電性液晶組成物。 【化2】 (II)式において、R3およびR4はそれぞれ独立に炭素
    数6ー16のアルキル基またはアルコキシ基を示し、
    (III)式において、R5は炭素数4ー12のアルキル基
    またはアルコキシ基を、R6は炭素数4ー12のアルキ
    ル基またはアルコキシ基をそれぞれ示す。
  3. 【請求項3】 請求項1において、複数の(I)式で表
    される化合物のみを成分とする強誘電性液晶組成物。
  4. 【請求項4】 請求項1に記載の強誘電性液晶組成物を
    使用して構成される液晶デバイス。
  5. 【請求項5】 請求項2に記載の強誘電性液晶組成物を
    使用して構成される液晶デバイス。
  6. 【請求項6】 請求項3に記載の強誘電性液晶組成物を
    使用して構成される液晶デバイス。
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