JP2011122077A - 液晶材料、液晶表示素子および液晶光空間変調素子 - Google Patents

Abstract

【課題】スメクチックＡＰ_R 相を示す温度範囲を低温側に広げることが可能な液晶材料を提供する。
【解決手段】ＴＦＴアレイ基板１０と対向基板２０との間に、液晶材料を含む液晶層３０を備えている。この液晶材料は、自発分極して屈曲型構造の短軸方向に双極子を有すると共にスメクチックＡＰ_R 相を示す屈曲型鎖状分子であり、少なくとも一方の末端にケイ素を構成元素として含む１価の末端基を有している。この末端基は、ケイ素と共に炭素および水素、または、ケイ素と共に炭素、水素および酸素を構成元素として含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、自発分極して屈曲型構造の短軸方向に双極子を有する屈曲型鎖状分子である液晶材料、ならびにそれを用いた液晶表示素子および液晶光空間変調素子に関する。

近年、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）などを用いたアクティブマトリクス駆動方式の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）が普及している。このＬＣＤの用途は、モバイル機器などの小型用途から大画面テレビなどの大型用途まで広い範囲に渡る。ＬＣＤでは、インパルス駆動方式などを採用して液晶材料の応答速度が高速化されているが、その液晶材料自体の応答速度が根本的に遅いため、動画ボケなどが生じやすいという問題がある。このため、ＬＣＤの動画表示品位は、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ：Plasma Display Panel）および電界放出型ディスプレイ（ＦＥＤ：field emission display）などに比べて、未だ十分であるとは言えない状況にある。

ＬＣＤの高速応答化については、フレームレートを６０Ｈｚから１２０Ｈｚまたは２４０Ｈｚに変更する対策（ハイフレーム駆動）がなされている。ところが、ＬＣＤの動画表示品位は、確かにＴＦＴを含む駆動系の要因に依存するところはあるが、本質的には液晶材料自体の応答特性に大きく依存する。よって、液晶材料自体の応答特性を改善しない限り、根本的な解決にはならないため、実質的にハイフレームレート駆動を実現できているとは言えない。そこで、優れた動画表示品位を実現するために、ハイフレーム駆動に対応できる高速応答可能な液晶材料の登場が要望されている。

高速応答可能な液晶材料としては、ネマチック液晶（フレクソエレクトリック効果）、強誘電性液晶または反強誘電性液晶などが知られているが、最近では、屈曲型鎖状分子（またはバナナ型分子）も検討されている。この屈曲型鎖状分子は、一般的な棒状分子とは異なり、長軸方向において局所的に折れ曲がっている分子であり、その屈曲鎖状型分子を用いる技術については、既にいくつかの報告が成されている。

具体的には、屈曲型鎖状分子をゲスト分子として含む液晶材料が２枚の基板の間に挟まれたＬＣＤが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この場合には、基板の表面に対して垂直な方向に電場が印加されている。

また、屈曲型鎖状分子を含むネマチック液晶相が一対の基板の間に設けられたＬＣＤが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この場合には、少なくとも一方の基板に、その表面に対して概ね平行な成分を有する横電界を発生させるための電極が形成されている。また、双方の基板に、永久双極子モーメントの方向に沿って（一定の規則性をもって）屈曲型鎖状分子を配向させるための配向手段が施されている。

さらに、スメクチック相を示す屈曲型鎖状分子を含む液晶材料を用いたＬＣＤが提案されている（例えば、特許文献３参照。）。この場合には、屈曲型鎖状分子がその長軸を基板の表面に対して垂直な方向に向けるように配列されていると共に、基板の表面に対して平行な方向に電場が印加されている。このように屈曲型鎖状分子を配列させるためには、シランカップリング剤またはポリイミド膜などの垂直配向剤が用いられている。これにより、スメクチック相の層は基板の表面に対して平行になる。また、屈曲型鎖状分子は屈曲型構造の短軸方向に双極子を有し、その分極方位はランダムになる。このように分極方位がランダムであるスメクチック相は、スメクチックＡＰ_R （SmecticA Polar Random ）相とよばれている。

スメクチックＡＰ_R 相を示す屈曲型鎖状分子については、具体的な材料例が紹介されており、その電場に対する挙動変化も確認されている（例えば、非特許文献１参照。）。

中でも、ＬＣＤの高速応答化を実現するためには、スメクチックＡＰ_R 相を示す屈曲型鎖状分子を用いると共に、基板の表面に対して平行な方向に電場を印加する表示モードを採用することが好ましい。この表示モードでは、複数（例えば数百）の屈曲型鎖状分子がバナナの房状に集合してグループを形成し、そのグループが電場に応じて協調的に応答するため、高速応答化だけでなく低電場駆動化も実現される。

このような表示モードにおいて、複数の屈曲型鎖状分子では、無電界時には分極方位が巨視的にランダムであるが、電界印加時には分極方位が基板の表面に対して平行な面内において電場方向に揃えられる。これにより、屈曲型鎖状分子の短軸が面内において回転するため、異方性が生じる。このように異方性が面内においてのみ変化するため、大画面テレビの用途では視野角依存性が確保される。しかも、異方性は電場強度に依存するため、光透過率が連続的に変化する（階調性が得られる）と共に、光透過率は電場の印加に対して閾値を有するため、クロストークによる光漏れが防止される。

特開２００２−１６１２７７号公報 特許第３４６０５２７号明細書 国際公開第２００７−０８３７８４号パンフレット

ジャパニーズ ジャーナル オブ アップライド フィジックス，４５巻，Ｌ２８２頁〜Ｌ２８４頁，２００６年，新保等（Japanese Journal of Applied Physics ，Vol.45，No.10 ，p.L282〜L284，2006，Y.Shimbo et al. ）

スメクチックＡＰ_R 相を示す屈曲型鎖状分子は、上記したようにＬＣＤの高速応答化などを実現するために有用であるにもかかわらず、そのスメクチックＡＰ_R 相を示す温度範囲は、高温かつ狭い範囲である。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、スメクチックＡＰ_R 相を示す温度範囲を低温側に広げることが可能な液晶材料を得ると共に、それを用いて広い温度範囲で動作可能な液晶表示素子および液晶光空間変調素子を得ることにある。

本発明の液晶材料は、（１）自発分極して屈曲型構造の短軸方向に双極子を有し、（２）スメクチックＡＰ_R 相を示し、（３）少なくとも一方の末端にケイ素を構成元素として含む１価の末端基を有する屈曲型鎖状分子である。また、本発明の液晶表示素子または液晶光空間変調素子は、一対の基板の間に液晶層を備え、その液晶層が上記した液晶材料を含むものである。

液晶材料が屈曲型鎖状分子であるかどうかについては、分極反転電流測定により確認される。また、液晶材料がスメクチックＡＰ_R 相を示すかどうかについては、混和性試験により確認される。いずれの場合においても、スメクチックＡＰ_R 相を示すことが既に確認されている液晶材料を標準物質として用いる。なお、液晶材料の相変化を調べる場合には、示差走査熱量測定法により液晶材料の温度を測定すれば、相転移の有無を確認できる。この場合には、ホットステージなどで液晶材料を加熱しながら偏光顕微鏡で観察すれば、液晶相の種類を目視で同定できる。

液晶表示素子とは、液晶層に電界が印加されると、それに応じて液晶材料（液晶分子）の長軸が傾斜するため、液晶層の透過率が変化する素子である。また、液晶光空間変調素子とは、液晶層に電界が印加されると、それに応じて液晶材料の長軸が傾斜するため、液晶層に入射した光が空間変調される素子である。

本発明の液晶材料によれば、自発分極して屈曲型構造の短軸方向に双極子を有すると共にスメクチックＡＰ_R 相を示す屈曲型鎖状分子は、少なくとも一方の末端にケイ素を構成元素として含む１価の末端基を有している。よって、スメクチックＡＰ_R 相を示す温度範囲を低温側に広げることができる。これにより、本発明の液晶材料を用いた液晶表示素子または液晶光空間変調素子によれば、動作温度範囲を広げることができる。

本発明の一実施形態の液晶材料を用いた液晶表示素子の主要部の構成を表す断面図である。 本発明の一実施形態の液晶材料を用いた液晶光空間変調素子の主要部の構成を表す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明する順序は、下記の通りである。

１．液晶材料
２．液晶材料の適用例（液晶表示素子）
３．液晶材料の他の適用例（液晶光空間変調素子）

＜１．液晶材料＞
まず、本発明の一実施形態の液晶材料について説明する。ここで説明する液晶材料は、多様な光学用途に用いられるものであり、その光学用途の一例としては、後述するＬＣＤなどの液晶表示素子または光偏光スイッチなどの液晶光空間変調素子が挙げられる。

液晶材料は、屈曲型構造を有し、自発分極して屈曲型構造の短軸方向に双極子を有する屈曲型鎖状分子である。この液晶材料は、特に、スメクチックＡＰ_R 相を示すと共に、長軸方向における少なくとも一方の末端にケイ素を構成元素として含む１価の末端基（以下、「ケイ素含有末端基」という。）を有している。この液晶材料がケイ素含有末端基を有しているのは、以下の理由による。

屈曲型鎖状分子が末端に巨大な基（ケイ素含有末端基）を有するため、複数の屈曲型鎖状分子が短軸方向において密に配列されると、巨大な基同士は隣接できるが、その基以外の部分（コア部）同士は隣接できない。これにより、隣り合う屈曲型鎖状分子の間にスペース（コア部が動くことができる空間）が確保されるため、そのコア部が電場に応じて動きやすくなる。

また、ケイ素含有基（ケイ素を構成元素として含む基）の位置が屈曲型鎖状分子の末端であるため、複数の屈曲型鎖状分子が長軸方向において階層状に積層されると、上下に位置する屈曲型鎖状分子間（ケイ素含有末端基同士）に相互作用が生じる。これにより、上下に位置する屈曲型鎖状分子の位置関係が安定に維持される（化学的に安定化する）ため、スメクチックＡＰ_R 相の層状態が安定化する。

ケイ素含有末端基の種類は、ケイ素を構成元素として含んでいれば、特に限定されない。中でも、１または２以上のケイ素と共に炭素および水素を構成元素として含み、少なくとも１つのケイ素原子が炭素原子に結合されている基が好ましく、全てのケイ素原子が炭素原子に結合されている基がより好ましい。あるいは、１または２以上のケイ素と共に炭素、水素および酸素を構成元素として含み、少なくとも１つのケイ素原子が炭素原子または酸素原子に結合されている基が好ましく、全てのケイ素原子が炭素原子または酸素原子に結合されている基がより好ましい。前者の基としては、例えば、シラン構造（−ＳｉＲ₂ −：Ｒは１価の炭化水素基である。）を有する基などが挙げられる。また、後者の基としては、例えば、シロキサン構造（−ＳｉＲ₂ −Ｏ−ＳｉＲ₂ −：Ｒは１価の炭化水素基である。）を有する基などが挙げられる。

ケイ素原子が炭素原子または酸素原子に結合されていることが好ましい理由は、ケイ素原子が水素原子（Ｈ）に結合されていると、屈曲型鎖状分子が化学的に不安定になるからである。詳細には、ケイ素原子が水素原子に結合された部分（≡Ｓｉ−Ｈ）を有すると、その部分において反応しやすくなるため、屈曲型鎖状分子の構造（化学的構造＝化学式）が当初の構造から変化しやすくなる。この場合には、屈曲型鎖状分子において物性が変化すると共に位置関係が乱れる可能性があり、場合によっては液晶分子として機能できなくなる可能性もある。なお、屈曲型鎖状分子の位置関係とは、例えば、上記した短軸方向における配列構造および長軸方向における積層構造などである。

ケイ素含有末端基以外の部分（コア部）の構造は、自発分極して短軸方向に双極子を有することができるような屈曲型構造を有していれば、特に限定されない。このコア部の構造としては、公知の屈曲型鎖状分子における該当部分の構造を適用できる。中でも、屈曲型鎖状分子の中心（屈曲点）に位置する基は、例えば、パラ位（１，３−位）またはそれに相当する位置に２つの結合手を有する芳香族環などが好ましい。屈曲型構造を安定に維持できるからである。このような芳香族環の種類としては、例えば、ベンゼンまたはナフタレンなどが挙げられる。なお、パラ位に相当する位置とは、２つの結合手間の角度がパラ位に位置する２つの結合手間の角度（＝約１２０°）とほぼ同程度になるような位置である。

特に、液晶材料は、式（１）で表される構造を有していることが好ましい。Ｗ１は、屈曲型鎖状分子の中心（屈曲点）に位置すると共に屈曲角度を決定する基である。また、Ｚ１およびＺ２のうちの少なくとも一方は、ケイ素含有末端基である。

Ｚ１−Ｙ１−Ｗ２−Ｘ１−Ｗ１−Ｘ２−Ｗ３−Ｙ２−Ｚ２ …（１）
（Ｗ１は式（Ａ−１）〜式（Ａ−１４）で表される２価の基、Ｗ２およびＷ３は式（Ｂ−１）〜式（Ｂ−１６）で表される２価の基、Ｘ１およびＸ２は式（Ｃ−１）〜式（Ｃ−６）で表される２価の基、Ｙ１およびＹ２は炭素数＝１〜３０である２価の炭化水素基、またはエーテル結合（−Ｏ−）と炭素数＝１〜３０である炭化水素基とが連結された２価の基、Ｚ１およびＺ２は水素基または式（Ｄ−１）〜式（Ｄ−１０）で表される１価の基である。ただし、Ｘ１およびＸ２はそれぞれあってもなくてもよいと共に、Ｚ１およびＺ２のうちの少なくとも一方は式（Ｄ−１）〜式（Ｄ−１０）に示した基である。）

（Ｒ１〜Ｒ１２は水素基（−Ｈ）、ハロゲン基、アルキル基、ハロゲン化アルキル基、アルケニル基、ハロゲン化アルケニル基、アルキニル基、ハロゲン化アルキニル基、アルコキシ基、ハロゲン化アルコキシ基、シアノ基（−ＣＮ）、ニトロ基（−ＮＯ₂ ）、水酸基（−ＯＨ）またはアセチル基（−Ｃ（＝Ｏ）ＣＨ₃ ）、ｎは１〜５の整数である。）

（Ｒ１〜Ｒ１２は水素基、ハロゲン基、アルキル基、ハロゲン化アルキル基、アルケニル基、ハロゲン化アルケニル基、アルキニル基、ハロゲン化アルキニル基、アルコキシ基、ハロゲン化アルコキシ基、シアノ基、ニトロ基または水酸基である。）

（Ｒ１〜Ｒ１６は水素基、ハロゲン基、アルキル基、ハロゲン化アルキル基、アルケニル基、ハロゲン化アルケニル基、アルキニル基、ハロゲン化アルキニル基、アルコキシ基、ハロゲン化アルコキシ基、シアノ基、ニトロ基または水酸基である。）

（ｎは１〜３０の整数である。ただし、Ｍｅはメチル基（−ＣＨ₃ ）である。）

Ｗ１に関するＲ１〜Ｒ１２は、同じ種類の基でもよいし、異なる種類の基でもよい。Ｒ１〜Ｒ１２の種類は、個別に選択可能である。ハロゲン基の種類は、特に限定されないが、中でも、フッ素基（−Ｆ）、塩素基（−Ｃｌ）、臭素基（−Ｂｒ）またはヨウ素基（−Ｉ）が好ましい。屈曲型鎖状分子が化学的に安定になりやすいからである。アルキル基等の炭素数は特に限定されないが、中でも、できるだけ少ないことが好ましく、１または２、さらには１であることがより好ましい。炭素数が多すぎると、屈曲型鎖状分子が屈曲型構造を維持しにくくなると共にコア部が電場に応じて動きにくくなる可能性があるからである。ハロゲン化アルキル基等におけるハロゲンの種類は、ハロゲン基について説明した場合と同様である。

なお、Ｗ１には、幾何異性体も含まれる。また、Ｗ１は２価の基であるため、２つの結合手を有しているが、隣の基（Ｘ１またはＸ２）には、どちらの結合手が結合されていてもよい。これらのことは、他の２価の基（Ｗ２，Ｗ３，Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２）についても同様である。

Ｗ２およびＷ３は、同じ種類の基でもよいし、異なる種類の基でもよい。Ｗ２およびＷ３に関するＲ１〜Ｒ１６の種類は、Ｗ１に関するＲ１〜Ｒ１２について説明した場合と同様である。

Ｘ１およびＸ２は、同じ種類の基でもよいし、異なる種類の基でもよい。ただし、Ｘ１およびＸ２の双方があってもよいし、いずれか一方だけがあってもよい。Ｘ１がない場合には、Ｗ１がＸ１を介さずにＷ２に結合されると共に、Ｘ２がない場合には、Ｗ１がＸ２を介さずにＷ３に結合される。

Ｙ１およびＹ２は、同じ種類の基でもよいし、異なる種類の基でもよい。２価の炭化水素基の種類は、特に限定されないが、例えば、アルキレン基、ハロゲン化アルキレン基、アルケニレン基、ハロゲン化アルケニレン基、アルキニレン基またはハロゲン化アルキニレン基などである。ハロゲン化アルキレン等におけるハロゲンの種類は、例えば、Ｗ１について説明した場合と同様である。エーテル結合と炭化水素基とが結合された２価の基は、例えば、−Ｏ−Ｒ−（Ｒは上記した２価の炭化水素基）で表される基であり、中でも、酸素原子においてＷ２およびＷ３に結合されることが好ましい。炭化水素基の炭素数が１〜３０であるのは、液晶材料がスメクチックＡＰ_R 相を示すことができるからである。

Ｚ１およびＺ２は、同じ種類の基でもよいし、異なる種類の基でもよい。ただし、Ｚ１およびＺ２の双方が水素基であることはない。すなわち、Ｚ１およびＺ２の双方が式（Ｄ−１）〜式（Ｄ−１０）に示した基であり、あるいはいずれか一方が式（Ｄ−１）〜式（Ｄ−１０）に示した基である。いずれか一方が式（Ｄ−１）〜式（Ｄ−１０）に示した基である場合、他方は水素基になる。なお、Ｚ１およびＺ２は、式（Ｄ−１）〜式（Ｄ−１０）に示した基のうちの一部分に該当する基でもよい。また、Ｚ１およびＺ２は、ケイ素を構成元素として含む１価の基であれば、式（Ｄ−１）〜式（Ｄ−１０）に示した基以外の基でもよい。

中でも、液晶材料は、式（２）で表される構造を有していることが好ましい。屈曲型構造が安定に維持されるため、安定に自発分極できるからである。

（Ｒ２１〜Ｒ２３は水素基、ハロゲン基、アルキル基、ハロゲン化アルキル基、アルケニル基、ハロゲン化アルケニル基、アルキニル基、ハロゲン化アルキニル基、アルコキシ基、ハロゲン化アルコキシ基、シアノ基、ニトロ基、水酸基またはアセチル基、Ｚ３およびＺ４は水素基または式（Ｄ−１）〜式（Ｄ−１０）に示した１価の基、ｎは１〜３０の整数である。ただし、Ｚ３およびＺ４のうちの少なくとも一方は式（Ｄ−１）〜式（Ｄ−１０）に示した基である。）

式（２）に示した液晶材料は、例えば、式（２−１）〜式（２−１３）で表される構造を有する。安定に自発分極すると共にスメクチックＡＰ_R 相を示すことができるからである。この他、液晶材料は、例えば、式（２−１４）または式（２−１５）で表される構造を有していてもよい。このような構造を有していても、自発分極すると共にスメクチックＡＰ_R 相を示すことができるからである。

なお、式（２−１）〜式（２−１５）では、式（１）中における一方の末端基（Ｚ２）だけがケイ素含有末端基である場合を示しているが、これに限られない。例えば、式（２−１）に示した液晶材料を例に挙げると、式（２−１６）で表されるように、他方の末端基（Ｚ１）だけがケイ素含有末端基でもよいし、式（２−１７）で表されるように、双方の末端基（Ｚ１，Ｚ２）がケイ素含有末端基でもよい。このことは、式（２−２）〜式（２−１５）に示した液相材料についても同様である。

この液晶材料によれば、自発分極して屈曲型構造の短軸方向に双極子を有すると共にスメクチックＡＰ_R 相を示す屈曲型鎖状分子は、少なくとも一方の末端にケイ素含有末端基を有している。このため、ケイ素含有末端基を有していない場合と比較して、上記したように、コア部が電場に応じて動きやすくなると共に、スメクチックＡＰ_R 相の層状態が安定化する。このケイ素含有末端基を有していない場合とは、例えば、屈曲型鎖状分子が式（３）で表される構造を有する場合などである。よって、スメクチックＡＰ_R 相を示す温度範囲を低温側に広げることができる。

特に、ケイ素含有末端基において１または２以上のケイ素原子が水素原子に結合されておらずに炭素原子または酸素原子に結合されていれば、屈曲型鎖状分子が化学的に安定化するため、より高い効果を得ることができる。

次に、本発明の液晶材料に関するいくつかの適用例について説明する。

＜２．液晶材料の適用例（液晶表示素子）＞
本発明の液晶材料は、例えば、液晶表示素子に適用される。図１は、液晶表示素子の主要部の断面構成を表している。

ここで説明する液晶表示素子は、例えば、液晶材料を用いて光の透過率を制御することにより画像が形成され、その画像が観察者により直接見られることになる直視型の表示素子である。このような液晶表示素子の具体例としては、直視型ＬＣＤまたは高温ポリシリコンＴＦＴ−ＬＣＤなどが挙げられる。

この液晶表示素子は、例えば、ＴＦＴを用いたアクティブマトリクス駆動方式の透過型液晶表示素子であり、一対の基板であるＴＦＴアレイ基板１０と対向基板２０との間に液晶層３０を備えている。

ＴＦＴアレイ基板１０は、支持基板１１に画素電極１２がマトリクス状に形成されたものである。支持基板１１は、例えば、ガラスなどの透過性材料により形成されており、画素電極１２は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）などの透過性導電性材料により形成されている。なお、画素電極１２には、スイッチング用のＴＦＴを含む画素選択用の駆動回路（図示せず）が接続されている。

対向基板２０では、支持基板２１に対向電極２２が全面形成されたものである。支持基板２１は、例えば、ガラスなどの透過性材料により形成されており、対向電極２２は、例えば、ＩＴＯなどの導電性材料により形成されている。

ＴＦＴアレイ基板１０および対向基板２０は、液晶層３０を挟んで画素電極１２と対向電極２２とが対向するように配置されていると共に、球状または柱状のスペーサ（図示せず）を介して離間されるようにシール材により貼り合わされている。なお、両基板の液晶層３０に接する側には、配向膜（図示せず）が設けられている。

液晶層３０は、本発明の液晶材料を含んでおり、ＴＦＴアレイ基板１０と対向基板２０との間に封入されている。

この他、液晶表示素子は、例えば、位相差板、偏光板、配向膜およびバックライトユニットなどの他の構成要素（いずれも図示せず）を備えていてもよい。なお、バックライトユニットは、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）などの光源を含んでいる。

この液晶表示素子では、画素電極１２と対向電極２２との間に電界が印加されると、その電界強度に液晶材料（屈曲型鎖状分子）の挙動が変化する。これにより、バックライトユニットから発生した光の透過量（透過率）が制御されるため、階調画像が表示される。

この際、例えば、１Ｈ（Ｈは水平走査期間）反転駆動方式あるいは１Ｆ（Ｆはフィールド）反転駆動方式などが用いられる。これらの交流駆動方式では、駆動電圧の高さ（振幅の大きさ）に応じて色レベル（階調）が変化する。この場合には、駆動電圧を大きくすれば、画像のコントラストが向上する。

この液晶表示素子によれば、液晶層３０が本発明の液晶材料を含んでいるので、その液晶材料がスメクチックＡＰ_R 相を示す温度範囲は低温側に広がる。よって、動作温度範囲を広げることができる。

＜３．液晶材料の他の適用例（液晶光空間変調素子）＞
また、本発明の液晶材料は、例えば、液晶光空間変調素子に適用される。図２は、液晶光空間変調素子の主要部の断面構成を表している。

ここで説明する液晶光空間変調素子は、光源から発生した光を平面的に分割し、その個々の光束の強度および位相などを変化させる素子である。このような液晶光空間変調素子の具体例としては、プロジェクションディスプレイに用いられるマイクロ液晶デバイス（ＬＣｏＳ：Liquid Crystal on Silicon ）またはライトバルブ、あるいは光偏光スイッチなどが挙げられる。なお、ライトバルブは、例えば、上記した液晶表示素子とほぼ同様の構成を有している。この場合には、光源から発生した光が赤色、緑色および青色の光に分離され、各色の光が液晶表示素子と同様の構成を有する３つのライトバルブにより変調されたのちに合成されるため、投射面に像が拡大投影される。

この液晶光空間変調素子は、例えば、光偏光スイッチであり、一対の基板である透明基板４０，５０の間に、本発明の液晶材料を含む液晶層７０を備えている。透明基板４０，５０は、液晶層７０を挟むように対向配置された電極６１，６２により離間されており、交流電源などの駆動装置（図示せず）から電極６１，６２の間に交流電界が印加されるようになっている。

透明基板４０，５０は、例えば、ガラスなどの透過性材料により形成されていると共に、それぞれの主面同士が平行になるように対向配置されている。透明基板４０，５０の対向面（互いに対向する側の面）には、例えば、垂直配向剤が塗布されており、電極６１，６２の間に電界が印加されていない状態では、液晶分子の長軸が主面に対して垂直に配向するようになっている。

この液晶光空間変調素子では、透明基板４０に対して光Ｌが垂直に入射すると、その光Ｌは、電極６１，６２の間に印加された電界Ｅにより、その電界方向と直交する方向に偏光されると共に透明基板５０から出射される。この場合には、Ｅ＝０であると、光Ｌは偏光されない。これに対して、Ｅ＞０であると、光Ｌは電界方向と直交する方向（＋方向）に偏光されると共に、Ｅ＜０であると、光ＬはＥ＞０の場合とは逆方向（−方向）に偏光される。このときの偏光量（シフト量）は、電界強度に応じて変化する。

この液晶光空間変調素子によれば、液晶層７０が本発明の液晶材料を含んでいるので、液晶表示素子と同様の理由により、動作温度範囲を広げることができる。

次に、本発明の実施例について詳細に説明する。

（実験例１）
以下の手順により、式（２−１）に示した液晶材料を合成した。最初に、アルゴン（Ａｒ）置換したフラスコ中に、４−ヒドロキシ−３−ニトロベンズアルデヒドとトリフェニルホスフィンと１−テトラデカノールとの混合溶液（溶媒はトルエン）を入れた。続いて、アゾジカルボン酸ジエチル溶液（溶媒はトルエン）を滴下して、室温で終夜攪拌した。続いて、溶媒を揮発させたのち、カラムクロマトグラフィにより式（４−１）で表される中間生成物１を得た。

続いて、中間生成物１と（４−メトキシカルボニルベンジル）トリフェニルホスホニウムブロミドとの混合溶液（溶媒はジクロロメタンおよびテトラヒドロフラン）に、触媒として１８−クラウン−６および炭酸カリウムを加えた。続いて、アルゴン雰囲気中で混合溶液を５０℃×２４時間攪拌した。続いて、水で洗浄すると共に溶媒を揮発させたのち、エタノールを用いた再結晶により式（４−２）で表される中間生成物２を得た。

続いて、中間生成物２と水酸化ナトリウムとの混合溶液（溶媒はエタノール）を７０℃×３時間攪拌したのち、塩酸で酸性にして、式（４−３）で表される中間生成物３を得た。

続いて、１−（３−（ジメチルアミノ）−プロピル）−３−エチルカルボジイミドメチオジンに、中間生成物３と２−メチルレソルシノールと４−ジメチルアミノピリジンとの混合溶液（溶媒はジクロロメタン）を加えたのち、室温で終夜攪拌した。続いて、攪拌後の溶液を水で洗浄したのち、分液すると共に硫酸マグネシウムを用いて乾燥させた。続いて、溶媒を揮発させたのち、カラムクロマトグラフィにより式（４−４）で表される中間生成物４を得た。

一方、フラスコ中に、４−ヒドロキシ−３−クロロベンズアルデヒドとメトキシメチルクロライドとの混合溶液（溶媒はジメチルホルムアミド）と、触媒として炭酸カリウムおよびヨウ化カリウムとを入れたのち、室温で終夜攪拌した。続いて、溶媒を揮発させたのち、カラムクロマトグラフィにより式（４−５）で表される中間生成物５を得た。

続いて、中間生成物５と（４−メトキシカルボニルベンジル）トリフェニルホスホニウムブロミドとの混合溶液（溶媒はテトラヒドロフラン）に、触媒として１８−クラウン−６および炭酸カリウムを加えた。続いて、アルゴン雰囲気中で混合溶液を５０℃×２４時間攪拌した。続いて、水で洗浄すると共に溶媒を揮発させたのち、エタノールを用いた再結晶により式（４−６）で表される中間生成物６を得た。

続いて、中間生成物６と水酸化ナトリウムとの混合溶液（溶媒はエタノール）を７０℃×３時間攪拌したのち、塩酸で酸性にして、式（４−７）で表される中間生成物７を得た。

続いて、１−（３−（ジメチルアミノ）−プロピル）−３−エチルカルボジイミドメチオジンに中間生成物４，７と４−ジメチルアミノピリジンとの混合溶液（溶媒はジクロロメタン）を加えたのち、室温で終夜攪拌した。続いて、攪拌後の溶液を水で洗浄したのち、分液すると共に硫酸マグネシウムを用いて乾燥させた。続いて、溶媒を揮発させたのち、カラムクロマトグラフィにより式（４−８）で表される中間生成物８を得た。

続いて、ギ酸に中間生成物８を溶解させると共に還流した。続いて、室温に戻したのち、析出物を水で洗浄して、式（４−９）で表される中間生成物９を得た。

続いて、アルゴン置換したフラスコ中に、中間生成物９とテトラデカメチレングリコールとトリフェニルホスフィンとの混合溶液（溶媒はトルエン）を入れた。続いて、アゾジカルボン酸ジエチル溶液（溶媒はトルエン）を滴下して、室温で終夜攪拌した。続いて、溶媒を揮発させたのち、カラムクロマトグラフィにより式（４−１０）で表される中間生成物１０を得た。

続いて、中間生成物１０とトリス（トリメチルシロキシ）クロロシランとの混合溶液（溶媒はジクロロメタン）に、触媒としてトリエチルアミンおよび４−ジメチルアミノピリジンを加えたのち、室温で２４時間攪拌した。続いて、水で洗浄したのち、分液すると共に硫酸マグネシウムを用いて乾燥させた。最後に、溶媒を揮発させたのち、カラムクロマトグラフィにより式（２−１）に示した液晶材料を得た。

（実験例２〜４）
１−テトラデカノールの代わりに１−オクタノール、テトラデカメチレングリコールの代わりにドデカメチレングリコールを用いたことを除き、実験例１と同様の合成手順により式（２−２）に示した液晶材料を得た。また、１−テトラデカノールの代わりに１−オクタノール、テトラメチレングリコールの代わりにＨＯ（ＣＨ₂ ）₄ Ｓｉ（ＣＨ₂ ）₂ ＯＳｉ（ＣＨ₂ ）₂ （ＣＨ₂ ）₄ ＯＨを用いたことを除き、実験例１と同様の合成手順により式（２−３）に示した液晶材料を得た。さらに、１−テトラデカノールの代わりに１−オクタノール、テトラメチレングリコールの代わりにＨＯ（ＣＨ₂ ）₄ Ｓｉ（ＣＨ₂ ）₂ ＯＳｉ（ＣＨ₂ ）₂ （ＣＨ₂ ）₄ ＯＨ、トリス（トリメチルシロキシ）クロロシランの代わりにトリメチルクロロシランを用いたことを除き、実験例１と同様の合成手順により式（２−４）に示した液晶材料を得た。

（実験例５）
４−ヒドロキシ−３−ニトロベンズアルデヒドの代わりに４−ヒドロキシ−３−クロロベンズアルデヒド、４−ヒドロキシ−３−クロロベンズアルデヒドの代わりに４−ヒドロキシ−３−ニトロベンズアルデヒド、１−テトラデカノールの代わりに１−ドデカノール、テトラメチレングリコールの代わりに１０−ウンデカン−１−オールを用いて、式（４−１１）で表される中間生成物１１を得た。さらに、中間生成物１１と１，１，１，３，３，５，５−ヘプタメチルトリシロキサンとの混合溶液（溶媒はテトラヒドロフラン）に、触媒としてジクロロ（ジシクロペンタジエル）白金（ＩＩ）を加えた。続いて、アルゴン雰囲気中で混合溶液を６０℃×２４時間攪拌した。最後に、溶媒を揮発させたのち、カラムクロマトグラフィにより式（２−５）に示した液晶材料を得た。

（実験例６）
テトラメチレングリコールの代わりに１−ドデカノールを用いたことを除き、実験例１と同様の合成手順により式（３）に示した液晶材料を得た。この式（３）に示した液晶材料は、「背景技術」で説明した非特許文献１に開示されている屈曲型鎖状分子であり、スメクチックＡＰ_R 相を示すことが既に確認されている。

まず、実験例１〜６の液晶材料について、混和性試験および分極反転電流測定により分子構造および相の種類を調べた。

混和性試験では、最初に、株式会社イーエッチシー製のセル（セルギャップ＝５μｍ）を準備した。このセルは、一対の基板が紫外線硬化樹脂により貼り合わされたものであり、双方の基板の一面（互いに対向する面）には、電極（ＩＴＯ）および配向剤（ポリイミド）が設けられている。続いて、一対の基板間に設けられた空間に、互いに異なる方向から式（３）に示した液晶材料（以下、「標準物質」ともいう。）および式（２−１）〜式（２−５）に示した液晶材料（以下、単に「液晶材料」ともいう。）を注入した。最後に、ホットステージで標準物質および液晶材料を加熱したのち、偏光顕微鏡で標準物質と液晶材料との混和状況を観察した。

分極反転電流測定では、最初に、混和性試験と同様に、セルに標準物質および液晶材料を注入したのち、ホットステージで加熱した。続いて、電極が設けられた側における基板の表面に、電流測定用の補助電極を設置した。最後に、波形発生装置で交流電場を印加して、セルに流れる電流を測定した。この場合には、交流電場として、５０Ｖおよび１５Ｈｚの三角波電圧を用いた。

混和性試験の結果、液晶材料は標準物質と混和（相溶）した。このため、式（２−１）〜式（２−５）に示した液晶材料はスメクチックＡＰ_R 相を示すことが確認された。また、分極反転電流測定の結果、液晶材料では、標準物質と同様に、半周期に１つのピークが観測された。このため、式（２−１）〜式（２−５）に示した液晶材料は分極することが確認された。

次に、実験例１〜６の液晶材料について、スメクチックＡＰ_R 相を示す温度範囲（℃）およびその温度幅（℃）を調べたところ、表１に示した結果が得られた。この場合には、ホットステージで液晶材料を加熱しながら、その相状態（液晶相の種類）を偏光顕微鏡で観察した。また、示差走査熱量測定法により液晶材料の温度を測定して相転移の有無を確認することにより、スメクチックＡＰ_R 相を同定した。

実験例１〜５では、実験例６と比較して、温度範囲の上限温度がほぼ同等に維持されたままで下限温度が低温側にシフトしたため、それに応じて温度幅が広くなった。この結果は、末端基の種類（ケイ素含有末端基または水素基）だけが異なる液晶材料を用いている実験例１，６の比較から明らかなように、屈曲型鎖状分子がケイ素含有末端基を有していると、スメクチックＡＰ_R 相を示す温度範囲が低温側に広がることを証明している。

なお、ここでは一方の末端基だけがケイ素含有末端基である場合について説明しており、双方の末端基がケイ素含有末端基である場合については具体的に実験結果を開示していない。しかしながら、一方の末端基がケイ素含有末端基であると温度範囲が低温側に広がることは表１の結果から明らかであり、双方の末端基がケイ素含有末端基であると温度範囲が低温側に広がらなくなる特別な理由も見当たらない。また、双方の末端基がケイ素含有末端基であることは、上記したコア部の動きやすさおよびスメクチックＡＰ_R 相の層状態の安定化に対してよりよい影響を及ぼすことになるため、やはり問題はないはずである。よって、双方の末端基がケイ素含有末端基である場合においても温度範囲が低温側に広くなるはずである。

以上、実施形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明はそれらで説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、本発明の液晶材料は、液晶表示素子および液晶光空間変調素子に限らず、他の光学用途に適用されてもよい。このような他の光学用途としては、例えば、シャッタ眼鏡などの液晶シャッタが挙げられる。もちろん、本発明の液晶材料は、光学用途以外の用途に適用されてもよい。

１０…ＴＦＴアレイ基板、１１，２１…支持基板、１２…画素電極、２０…対向基板、２２…対向電極、３０，７０…液晶層、４０，５０…透明基板、６１，６２…電極。

Claims (9)

1. （１）自発分極して屈曲型構造の短軸方向に双極子を有し、（２）スメクチックＡＰ_R （SmecticA Polar Random ）相を示し、（３）少なくとも一方の末端にケイ素（Ｓｉ）を構成元素として含む１価の末端基を有する、屈曲型鎖状分子である、液晶材料。
2. 前記末端基は１または２以上のケイ素と共に炭素（Ｃ）および水素（Ｈ）を構成元素として含み、全てのケイ素原子は炭素原子に結合されている、請求項１記載の液晶材料。
3. 前記末端基は１または２以上のケイ素と共に炭素、水素および酸素（Ｏ）を構成元素として含み、全てのケイ素原子は炭素原子または酸素原子に結合されている、請求項１記載の液晶材料。
4. 前記末端基はシラン構造（−ＳｉＲ₂ −：Ｒは１価の炭化水素基である。）またはシロキサン構造（−ＳｉＲ₂ −Ｏ−ＳｉＲ₂ −：Ｒは１価の炭化水素基である。）を有する、請求項１記載の液晶材料。
5. 式（１）で表される構造を有する、請求項１記載の液晶材料。
   Ｚ１−Ｙ１−Ｗ２−Ｘ１−Ｗ１−Ｘ２−Ｗ３−Ｙ２−Ｚ２ …（１）
   （Ｗ１は式（Ａ−１）〜式（Ａ−１４）で表される２価の基、Ｗ２およびＷ３は式（Ｂ−１）〜式（Ｂ−１６）で表される２価の基、Ｘ１およびＸ２は式（Ｃ−１）〜式（Ｃ−６）で表される２価の基、Ｙ１およびＹ２は炭素数＝１〜３０である２価の炭化水素基、またはエーテル結合（−Ｏ−）と炭素数＝１〜３０である炭化水素基とが連結された２価の基、Ｚ１およびＺ２は水素基または式（Ｄ−１）〜式（Ｄ−１０）で表される１価の基である。ただし、Ｘ１およびＸ２はそれぞれあってもなくてもよいと共に、Ｚ１およびＺ２のうちの少なくとも一方は式（Ｄ−１）〜式（Ｄ−１０）に示した基である。）
   

   

   （Ｒ１〜Ｒ１２は水素基（−Ｈ）、ハロゲン基、アルキル基、ハロゲン化アルキル基、アルケニル基、ハロゲン化アルケニル基、アルキニル基、ハロゲン化アルキニル基、アルコキシ基、ハロゲン化アルコキシ基、シアノ基（−ＣＮ）、ニトロ基（−ＮＯ₂ ）、水酸基（−ＯＨ）またはアセチル基（−Ｃ（＝Ｏ）ＣＨ₃ ）、ｎは１〜５の整数である。）
   

   

   （Ｒ１〜Ｒ１２は水素基、ハロゲン基、アルキル基、ハロゲン化アルキル基、アルケニル基、ハロゲン化アルケニル基、アルキニル基、ハロゲン化アルキニル基、アルコキシ基、ハロゲン化アルコキシ基、シアノ基、ニトロ基または水酸基である。）
   

   

   （Ｒ１〜Ｒ１６は水素基、ハロゲン基、アルキル基、ハロゲン化アルキル基、アルケニル基、ハロゲン化アルケニル基、アルキニル基、ハロゲン化アルキニル基、アルコキシ基、ハロゲン化アルコキシ基、シアノ基、ニトロ基または水酸基である。）
   

   

   

   （ｎは１〜３０の整数である。ただし、Ｍｅはメチル基（−ＣＨ₃ ）である。）
6. 式（２）で表される構造を有する、請求項５記載の液晶材料。
   

   

   （Ｒ２１〜Ｒ２３は水素基、ハロゲン基、アルキル基、ハロゲン化アルキル基、アルケニル基、ハロゲン化アルケニル基、アルキニル基、ハロゲン化アルキニル基、アルコキシ基、ハロゲン化アルコキシ基、シアノ基、ニトロ基、水酸基またはアセチル基、Ｚ３およびＺ４は水素基または式（Ｄ−１）〜式（Ｄ−１０）に示した１価の基、ｎは１〜３０の整数である。ただし、Ｚ３およびＺ４のうちの少なくとも一方は式（Ｄ−１）〜式（Ｄ−１０）に示した基である。）
7. 式（２−１）〜式（２−１３）で表される構造を有する、請求項６記載の液晶材料。
   

   

   

   
8. 一対の基板の間に液晶層を備え、前記液晶層は屈曲型鎖状分子である液晶材料を含み、前記液晶材料は（１）自発分極して屈曲型構造の短軸方向に双極子を有し、（２）スメクチックＡＰ_R 相を示し、（３）少なくとも一方の末端にケイ素を構成元素として含む１価の末端基を有する、液晶表示素子。
9. 一対の基板の間に液晶層を備え、前記液晶層は屈曲型鎖状分子である液晶材料を含み、前記液晶材料は（１）自発分極して屈曲型構造の短軸方向に双極子を有し、（２）スメクチックＡＰ_R 相を示し、（３）少なくとも一方の末端にケイ素を構成元素として含む１価の末端基を有する、液晶光空間変調素子。

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