(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記式（３）で表される化合物、下記式（２）で表される化合物、及び下記式（１ａ）又は（１ｂ）で表される化合物から選択される、５０モル％以上の第一オリゴシロキサン変性ナノ相分離液晶物質；および少なくとも一つの追加物質を含む液晶配合物であって、
前記追加物質が、第二オリゴシロキサン変性ナノ相分離液晶物質、非液晶オリゴシロキサン変性物質、有機液晶物質、または有機非液晶物質のいずれかであり、
且つ前記第二オリゴシロキサン変性ナノ相分離液晶物質及び非液晶オリゴシロキサン変性物質は、下記式（４）で表される化合物、下記式（２）で表される化合物、下記式（３）で表される化合物、及び下記式（１ａ）又は（１ｂ）で表される化合物から選択され、
前記液晶配合物は、強誘電性であり、ＳｍＣ＊相でナノ相分離されており、１５℃〜３５℃のＳｍＣ＊温度範囲をもってＩ→ＳｍＣ＊相転移を有し、２２．５°±６°または４５°±６°のチルト角を有し、５０ｎＣ／ｃｍ２未満の自発分極を有し、かつ６００ｃＰ未満の回転粘度を有し；
ここで、式（１ａ）又は（１ｂ）は下記のとおりであり：
【化１】
0005552429.tif 000037
または
【化２】
0005552429.tif 000038
〔上記式中、ａ＝０または１；ｐ＝０、１または２；ｋ＝０、１または２；ｆ＝０または１；ｈ＝０または１；ｉ＝０〜４；ｃ＝０または１；ただし、ｆ＝０の場合はｃ＝０であることを条件とし；ただし、ａ＝０の場合はｈ＝０であることを条件とし；Ｙは独立して、ハロゲン、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＨ３、ＣＦ３、またはＯＣＦ３から選ばれ；
上記式中、Ｘは、アルキル、または少なくとも１個のキラル中心を有する置換アルキルであって、個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし、本液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする；
上記式中、Ｖは
【化３】
0005552429.tif 000039
であり、
Ｖを示す式中、ｎ＝３〜１５；ｄ＝１〜５；かつＲ’およびＲ’’は独立してＣｒＨ（２ｒ＋１）（ｒ＝１〜４）またはフェニル基から選ばれ；
Ｒは１〜１０個の炭素原子を有するアルキル基、またはＷ、Ｗ’、もしくはＷ’’の一つであり、ここで、
Ｗは
【化４】
0005552429.tif 000040
であり、
Ｗを示す式中、ｎ’＝３〜１５；ａ’＝０または１；ｍ＝１または２；ｓ＝１または２；ｑ＝０または１；ｂ＝０または１；ｉ’＝０〜４；Ｔ＝Ｏ、ＣＯＯ、ＯＣＯ、ＣＨ＝Ｎ、Ｎ＝ＣＨ、ＣＦ２Ｏ、ＯＣＦ２、ＮＨＣＯ、ＣＯＮＨ、ＣＨ２、ＣＨ２ＣＨ２、Ｃ≡Ｃ、またはＣＦ２ＣＦ２；Ｙ’は独立して、ハロゲン、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＨ３、ＣＦ３、ＯＣＦ３から選ばれ；Ｑ＝Ｏ、ＣＯＯ、またはＯＣＯ；およびＸ’＝アルキル、または少なくとも１個のキラル中心を有する置換アルキルであって、個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし本液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする； 
Ｗ’は
【化５】
0005552429.tif 000041
であり、
Ｗ’を示す式中、ｎ’’＝３〜１５；ａ’’＝０または１；ｂ’＝０または１；Ｌは独立して、水素、ハロゲン、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＨ３、ＣＦ３、ＯＣＦ３から選ばれ；Ｑ’＝Ｏ、ＣＯＯ、またはＯＣＯ；およびＸ’’＝アルキル、または少なくとも１個のキラル中心を有する置換アルキルであって、個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし本液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする；および
Ｗ’’は
【化６】
0005552429.tif 000042
のうちの１つであり、
Ｗ’’を示す式中、ｎ’’’＝３〜１５；ｇ＝０または１；ｐ’＝０、１または２；ｋ’は０、１または２であり；ｉ’’＝０〜４；ｔは０または１であり；ｕ＝０または１；ただし、ｔ＝０の場合はｕ＝０であることを条件とし；Ｙ’’は独立して、ハロゲン、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＨ３、ＣＦ３、またはＯＣＦ３から選ばれ；Ｅは、アルキル、または少なくとも１個のキラル中心を有する置換アルキルであって、個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし本液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする。〕；
式（２）は以下のとおりであり：
【化７】
0005552429.tif 000043
〔上記式中、ａ＝０または１；ｂ＝０または１；Ｌは独立して、Ｈ、ハロゲン、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＨ３、ＣＦ３、ＯＣＦ３から選ばれ；Ｑ＝Ｏ、ＣＯＯ、またはＯＣＯ；Ｘ＝アルキル、または少なくとも１個のキラル中心を有する置換アルキルであって、個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし本液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする； 
式中、Ａは
【化８】
0005552429.tif 000044
であり、
Ａを示す式中、ｎ＝３〜１５；ｄ＝１〜５；Ｒ’およびＲ’’は独立してＣｒＨ（２ｒ＋１）（ｒ＝１〜４）またはフェニル基から選ばれ；
Ｒは１〜１０個の炭素原子を有するアルキル基、またはＷ、Ｗ’、またはＷ’’の一つであり、
Ｗは
【化９】
0005552429.tif 000045
であり、
Ｗを表す式中、ｎ’＝３〜１５；ａ’＝０または１；ｍ＝１または２；ｓ＝１または２；ｑ＝０または１；ｂ’＝０または１；ｉ＝１〜４；Ｔ＝Ｏ、ＣＯＯ、ＯＣＯ、ＣＨ＝Ｎ、Ｎ＝ＣＨ、ＣＦ２Ｏ、ＯＣＦ２、ＮＨＣＯ、ＣＯＮＨ、ＣＨ２、ＣＨ２ＣＨ２、Ｃ≡Ｃ、またはＣＦ２ＣＦ２；Ｙは独立して、ハロゲン、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＨ３、ＣＦ３、ＯＣＦ３から選ばれ；Ｑ’＝Ｏ、ＣＯＯ、またはＯＣＯ；およびＸ’＝アルキル、または少なくとも１個のキラル中心を有する置換アルキルであって、個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし本液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする；
Ｗ’は
【化１０】
0005552429.tif 000046
であり、
Ｗ’を表す式中、ｎ’’＝３〜１５；ａ’’＝０または１；ｂ’’＝０または１；Ｌ’は独立して、Ｈ、ハロゲン、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＨ３、ＣＦ３、ＯＣＦ３から選ばれ；式中Ｑ’’＝Ｏ、ＣＯＯ、またはＯＣＯ；およびＸ’’＝アルキル、または少なくとも１個のキラル中心を有する置換アルキルであって、個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし本液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする；および
Ｗ’’は
【化１１】
0005552429.tif 000047
のうちの１つであり、
Ｗ’’を表す式中、ｎ’’’＝３〜１５；ｇ＝０または１；ｐ＝０、１または２；ｋは０、１または２であり；ｉ’＝０〜４；ｔは０または１であり；ｕ＝０または１；ただし、ｔ＝０の場合はｕ＝０であることを条件とする；Ｙ’は独立して、ハロゲン、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＨ３、ＣＦ３、またはＯＣＦ３から選ばれ；Ｅはアルキル、または少なくとも１個のキラル中心を有する置換アルキルであって、個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし本液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする。〕；
かつ、式（３）は以下のとおりであり：
【化１２】
0005552429.tif 000048
〔上記式中、ａ＝０または１；ｍ＝１または２；ｓ＝１または２；ｑ＝０または１；ｂ＝０または１；ｉ＝０〜４；Ｔ＝Ｏ、ＣＯＯ、ＯＣＯ、ＣＨ＝Ｎ、Ｎ＝ＣＨ、ＣＦ２Ｏ、ＯＣＦ２、ＮＨＣＯ、ＣＯＮＨ、ＣＨ２、ＣＨ２ＣＨ２、Ｃ≡Ｃ、またはＣＦ２ＣＦ２；Ｙは独立して、ハロゲン、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＨ３、ＣＦ３、ＯＣＦ３から選ばれ；Ｑ＝Ｏ、ＣＯＯ、またはＯＣＯ；およびＸ＝アルキル、または少なくとも１個のキラル中心を有する置換アルキルであって、個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし本液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする；
Ａは
【化１３】
0005552429.tif 000049
であり、
Ａを表す式中、ｎ＝３〜１５；ｄ＝１〜５；Ｒ’およびＲ’’は独立してＣｒＨ（２ｒ＋１）（ｒ＝１〜４）またはフェニル基から選ばれ；
Ｒは１〜１０個の炭素原子を有するアルキル基またはＷ基であり、
Ｗは
【化１４】
0005552429.tif 000050
であり、
Ｗを表す式中、ｎ’＝３〜１５；ａ’＝０または１；ｍ’＝１または２；ｓ’＝１または２；ｑ’＝０または１；ｂ’＝０または１；ｉ’＝０〜４；Ｔ’＝Ｏ、ＣＯＯ、ＯＣＯ、ＣＨ＝Ｎ、Ｎ＝ＣＨ、ＣＦ２Ｏ、ＯＣＦ２、ＮＨＣＯ、ＣＯＮＨ、ＣＨ２、ＣＨ２ＣＨ２、Ｃ≡Ｃ、またはＣＦ２ＣＦ２；Ｙ’は独立して、ハロゲン、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＨ３、ＣＦ３、ＯＣＦ３から選ばれ；Ｑ’＝Ｏ、ＣＯＯ、またはＯＣＯ；およびＸ’＝アルキル、または少なくとも１個のキラル中心を有する置換アルキルであって、個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし本液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする。〕；
式（４）は以下のとおりであり：
【化１５】
0005552429.tif 000051
〔上記式中、ｅ＝０または１；Ｇは、Ｈ、ハロゲン、エポキシド、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＨ３、ＣＦ３、またはＯＣＦ３であり；Ｍは下記の基
【化１６】
0005552429.tif 000052
であり、
Ｍを表す上記式中、ｎ＝３〜１５；ｄ＝１〜５；Ｒ’およびＲ’’は独立してＣｒＨ（２ｒ＋１）（ｒ＝１〜４）またはフェニル基から選ばれ；
Ｒは１〜１０個の炭素原子を有するアルキル基、またはＺであり、
Ｚは
【化１７】
0005552429.tif 000053
であり、
Ｚを表す上記式中、ｎ’＝３〜１５；ｅ’＝０または１；Ｇ’は、Ｈ、ハロゲン、エポキシド、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＨ３、ＣＦ３、またはＯＣＦ３である。〕；
前記有機液晶物質または前記有機非液晶物質が、前記追加の物質として用いられる場合には、下記の式を有する化合物：
【化１８】
0005552429.tif 000054
〔上記式中、ｅ＝０または１；Ｇは、Ｈ、ハロゲン、エポキシド、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＨ３、ＣＦ３、またはＯＣＦ３であり；Ｍは、アルキル、または少なくとも１個のキラル中心を有する置換アルキルであって、個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし本液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする。〕、あるいは下記式のうちの一つを有する化合物である：
【化１９】
0005552429.tif 000055
〔上記式中、ｒ＝０または１；ｐ＝０、１、または２；ｖ＝０、１、または２；ｘ＝０、または１；ｑ＝０または１；ｉ＝０〜４；ただし、ｒ＝０の場合はｘ＝０である；Ｙは独立して、ハロゲン、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＨ３、ＣＦ３、またはＯＣＦ３から選ばれ；ＪおよびＪ’は独立して、アルキルまたは少なくとも１個のキラル中心を有する置換アルキルから選ばれ、個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし本液晶配合物が非ラセミとなることを確実にするように個々のキラル基が選ばれることを条件とする。〕。  
【請求項２】
前記自発分極が４０ｎＣ／ｃｍ２未満である、請求項１に記載の液晶配合物。
【請求項３】
前記液晶配合物がＩ→ＳｍＣ＊→ＳｍＸ相転移を有する、請求項１または２に記載の液晶配合物。
【請求項４】
前記液晶配合物が０．０５より大きな複屈折を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の液晶配合物。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の液晶配合物を含むデバイスであって、ＳｍＣ＊相において、安定なブックシェルフ配列、双安定スイッチング、および等温電場配向を有し、かつ二つの安定状態間でスイッチされたときに５００μ秒未満の応答時間および３０Ｖ／μｍ未満の電気駆動場を有する、デバイス。
【請求項６】
間に隙間を有する一対の基板；
前記基板の一つの上に配置された一対の電極、または各基板上に配置された１つの電極の対；および
前記一対の基板間の隙間に配置された請求項１〜４のいずれか一項に記載の液晶配合物、
を含む少なくとも１個の液晶セルを含む、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
少なくとも１つの偏光子をさらに含む、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記デバイスがラビングした配向層をさらに含む、請求項６または７に記載のデバイス。
【請求項９】
二つの安定状態間でスイッチされたときに１００μ秒未満の応答時間を有する、請求項６〜８のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記デバイスが、前記電気駆動場を除去した後２０ｍ秒後に、透過強度に１０％未満の緩和しか有しない、請求項６〜９のいずれか一項に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願はオリゴシロキサン変性液晶の使用および電気光学デバイスでのその使用に関する。本発明は特に、等温的に電場配向させることができ、またアクティブマトリクス・バックプレーン技術を用いる実用的デバイスに必要とされる非常に低い自発分極（Ｐｓ）をも有する、双安定強誘電体ディスプレイでの使用を可能にする液晶配合物に関する。
【背景技術】
【０００２】
サーモトロピック液晶は、相が温度の関数として変化することができる液晶またはメソゲン相を示すことが可能な物質である。例えばネマチックまたはスメクチックなどの液晶相は、等方相と結晶相との間に存在し、等方（液体）相または結晶相では観察されない物理特性を示す傾向がある。例えば、液晶相は、同じ温度で複屈折および流体挙動を示すことができる。そのような特性は、例えば透過型および反射型ディスプレイなどの電気光学デバイスにおいて有効に使われてきており、そこでは、液晶分子の配向が制御されているデバイス構造において、印加電場により効果的に複屈折を調整することができる。ネマチック液晶は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、例えばラップトップコンピューター、携帯電話、ＰＤＡ、コンピューター・モニター、およびＴＶのディスプレイなどに広く使われてきた。ネマチック液晶ベースの電気光学デバイスは広く利用されているが、そのようなデバイスの最速応答時間はミリ秒の位に限定されている、なぜなら、デバイスが、スイッチング・サイクルの一部については表面配向制御緩和プロセスに依存しているためである。強誘電性液晶は、光学状態間で非常により速くスイッチする可能性をもっている。しかし、デジタルおよびアナログモードデバイス両方が開発されているが、そのようなデバイスは実施することが困難であることがわかっており、それ故、特殊化された微小なディスプレイ用途、例えばカメラファインダーなどで商品化されただけであった。
【０００３】
クラークおよびラガーウォール（米国特許第４，３６７，９２４号およびＡｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、３６，８９９−９０１（１９８０）、それら両方とも参考として本明細書に組み込まれる）は、サブマイクロ秒の電気光学スイッチング速度を示す有機強誘電性液晶を利用するデバイスを記述している。クラークおよびラガーウォールのデバイスはいわゆる表面安定化強誘電性液晶デバイス（ＳＳＦＬＣＤ）である。そのようなデバイスは、デジタルスイッチングＳＳＦＬＣＤモードに必要とされるキラルスメクチックＣ（ＳｍＣ＊）相を示す有機強誘電性液晶またはそれらの配合物を利用している。その物質は、典型的にはＳＳＦＬＣＤの製造を容易にするために冷却した場合に次の相系列を示す：等方相→ネマチック→ＳｍＡ＊→ＳｍＣ＊、ここでＳｍＡ＊はキラルスメクチックＡ相である。この相系列は、低粘度ネマチックであるより高い温度の相中における液晶分子の表面位置合せ（ｓｕｒｆａｃｅ  ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）によって、表面安定化配向層の形成を可能にしている。配向した液晶デバイスはその後慎重にＳｍＡ＊相を経由してＳｍＣ＊相へ冷却されて、ＳＳＦＬＣＤを作り出す。ＳｍＣ＊相が確実にいわゆる「ブックシェルフ」配列することができる場合は、デバイスは双安定強誘電性スイッチングを示す。
【０００４】
しかしながら、これは実際には困難であることが分かった。ＳＳＦＬＣＤはいくつかの問題に敏感であり、それがこの技術の限定された実商化をもたらしていた。主要な制限は、用いた相系列に起因し、なぜなら、従来の有機ＦＬＣは、より高い温度のＳｍＡ＊からより低い温度のＳｍＣ＊相に冷却すると、転移の間に著しい層収縮を受けるからである。層状構造の収縮は欠陥の形成（ゆがんだ層またはシェブロンの形成による、ジグザグ欠陥）をもたらし、これがＳＳＦＬＣＤで観測されるコントラスト比を著しく低下させる。シェブロン構造の形成およびそれらの構造の制御は、当技術分野で知られているように、Ｃ１またはＣ２型デバイスのいずれかの製作を可能にし、例えばＯｐｔｉｃａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ，Ｅｄ．Ｌ  Ｖｉｃａｒｉ著，第１章，ＩＳＢＮ０７５０３０８５７５を参照されたい。ある場合は、理想的な、いわゆる「ブックシェルフ配列」（ＳｍＣ＊相の層がデバイス基板および配向層に対して垂直に配置される）が、電場の印加によってそのような物質中に誘導されうる。しかし、誘導されたブックシェルフ構造または擬ブックシェルフ構造を有するデバイスは、そのデバイスを、一旦配置されたシェブロン配向に戻すための製造要件およびその潜在的可能性が理由で、商品化されたディスプレイデバイスとしては実用的ではない。それ故に多くのＳＳＦＬＣＤ特許がブックシェルフ構造が存在すると特許請求の範囲に記載しているが、そのような構造が真のブックシェルフ構造または擬ブックシェルフ構造であるかどうか、およびデバイスに用いられた場合にシェブロン構造が実在しているのかどうかを理解することは重要である。従来のＳＳＦＬＣＤのこれらの制限はまた、クロスランドらによってＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，３１２，３〜２３（２００４）でも議論されている。
【０００５】
等方相→ネマチック→ＳｍＡ＊→ＳｍＣ＊相系列を有するＦＬＣ物質のこの固有の問題が、層収縮現象の傾向のない新規物質の研究へと導いた。これを除去する一つのアプローチが、等方相→ＳｍＡ＊→ＳｍＣ＊相系列を示し、このＳｍＡ＊→ＳｍＣ＊相転移で実際に層収縮のない、いわゆる「ド・フリース（de Vries）」物質を用いることである。非常に低い粘度のネマチック相の不在は、ＳｍＣ＊相のランダムドメインおよび自然なヘリエレクトリック（Ｈｅｌｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）状態をモノ‐ドメイン（これは電極と基板に対して配向して実用的な電気光学デバイスを生み出す）に近づく相構造に変換することを可能にする、代替の配向スキームが必要である。
【０００６】
コールズ（米国特許第５，４９８，３６８号およびＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  ｏｆ  ＳＰＩＥ、Ｖｏｌ．２４０８，２２〜２９（１９９５）、それら両方とも参考として本明細書に組み込まれる）は、フェニルベンゾアート芳香族核をベースにしたオリゴシロキサン変性強誘電性液晶の予期しない特性を強調した。真の双安定性、すなわち、印加電場の除去後のＬＣモノドメインの電気的に選択された配向の保持、および５０℃ほどの広い温度範囲にわたって大きく低減された、ＦＬＣチルト角の過敏性が、この特許で示された。この場合、モノ‐ドメインは、等方相から印加電場下でのＳｍＣ＊を経由してゆっくり（例えば、１℃／分）デバイスを冷却することにより作り出された。クロスランドら（国際公開番号ＷＯ２００５０１９３８０Ａ１、参考として本明細書に組み込まれる）は、後に、フェニルベンゾアート芳香族核をベースにした簡単な、単一成分オリゴシロキサンＦＬＣを用いたデバイスを実証し、それはモノ‐ドメイン配向のために電場だけを用いており、かつ前記特許出願に含められた定義に基づいて双安定であると述べられている。
【０００７】
Ｇｏｏｄｂｙら（米国特許公開２００５／０００１２００Ａ１、参考として本明細書に組み込まれる）は、ビフェニル核を含有するオリゴシロキサン液晶類に関する物の組成物を記述した。Ｇｏｏｄｂｙは、そのような物質が単独でまたは他の液晶との混合物として用いることができると指摘したが、特許請求された物質（それぞれＳｍＡ相を有し、得られた液晶混合物のＳｍＡ相を安定化する）の使用の域を越えたそのような混合物の設計については論じなかった。このことと特許出願内の比較化合物例とに基づけば、等方相→ネマチック→ＳｍＡ＊→ＳｍＣ＊相系列を有する従来のＳＳＦＬＣ混合物を設計することを意図していたことは明白である。この特許出願は、実用的なＦＬＣＤを構築するために必要である他の重要な物理特性に触れることなく、特許請求された物質の相系列のみを論じた。
【０００８】
リーら（Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｃｈｅｍ．，１７，２３１３〜２３１８，（２００７）、参考として本明細書に組み込まれる）はいくつかのアキラルなシロキサン末端フェニルピリミジンを作った。それら物質のいくつかは、等方相→ＳｍＣ→結晶相系列（下記の表中のメソゲン１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、２ｅ、５，６、７、８）を有していたが、他のものは等方相→ＳｍＡ→ＳｍＣ→結晶相系列（下記の表中のメソゲン２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、３、４）を有していた。彼は、ＰＯＭ（偏光光学顕微鏡）で光学チルト角を測定しようとしてメソゲン１ｂ、２ｂ、３、４、５，６、７、および８への添加剤として１モル％のキラルオリゴシロキサン（「Ｂｒｌｌ−Ｓｉ３」）を用いた。彼は、他の人がシロキサン末端液晶についてＸ線データとＰＯＭ観察との間の不一致点を観察したことに注目し、Ｘ線によって明確にされる選択されたメソゲンのスメクチック層間隔とその光学チルト角間の関係を調べた。形成された２成分混合物の相系列は報告されていない。彼は５つの混合物（１ｂ、５、６、７、および８に基づき、それらすべては等方相→ＳｍＣ相系列を有する）を調製したが、モノ‐ドメインに配向できなかったこと、およびチルト角を測定できなかったことを報告した。彼は、用いた配向物質および用いたセルギャップに注目したが、試験セル内で配向を作り出そうとする試みに用いられるプロセスを論じなかった。彼はメソゲン２ｂに基づいて１個のサンプルを配向させることができ、３６度のチルト角が測定されたことに言及した。このチルト角は実用的なＦＬＣＤには役立たず、実用的ＦＬＣＤではＦＬＣデバイスの動作モードに応じて２２．５度または４５度に近いチルト角は必要条件である。彼は、サンプルはチルト角測定のために配向されなければならないことに言及し、メソゲン３および４に基づくさらなる２個の混合物についてチルト角（それぞれ２４度および２６度）を報告した。それ故、彼は、等方相→ＳｍＡ→ＳｍＣ→結晶相系列を有するメソゲンにキラル添加剤が加えられた混合物を配向することができたことしか報告していない。それらの要約および概要は、メソゲン３（末端塩素原子および等方相→ＳｍＡ＊→ＳｍＣ＊相系列を有する）の真のド・フリース挙動を強調している。それらの構造は下記に示す。
【０００９】
【表１】
0005552429.tif 000002
【００１０】
Ｗａｌｂａら（米国特許第６，８７０，１６３号、参考として本明細書に組み込まれる）は、典型的なＦＬＣデバイスがシェブロン欠陥形成に起因して真の光学的双安定性を示さないということは、ＦＬＣ物質およびデバイスの当業者には良く知られていると指摘した。クロスランドらはＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，３１２，３〜２３（２００４）（参考として本明細書に組み込まれる）において、画像化中に「デッド期間（Ｄｅａｄ  ｐｅｒｉｏｄｓ）」をもたらす、デバイス動作へのこの制限の影響、例えば直流バランスおよび逆フレーミング（ｒｅｖｅｒｓｅ  ｆｒａｍｉｎｇ）の必要性などを論じている。米国特許第６，５０７，３３０号（Ｈａｎｄｓｃｈｙら）もまた直流バランスの必要性を論じた。
【００１１】
国際公開ＷＯ２００５／０１９３８０Ａ１（参考として本明細書に組み込まれる）において、クロスランドらは、デバイス内で配向層のラビング方向に対して配向されたスメクチックモノ‐ドメインを回転させる能力と組み合わされた、電場配向、ＳｍＣ＊相内での温度に対するチルト角の鈍感さ、および真の双安定性を含めた、オリゴシロキサンＦＬＣおよびデバイスの特有の特性に言及した。しかしながら、そのような特徴は、単一成分であるフェニルベンゾアートベースのオリゴシロキサンメソゲンについてしか明らかにされていない。チルト角は成分の分子構造を変えることでしか調整することができず、すなわちすべての必要特性は単一分子構造のなかに設計されなければならない。
【００１２】
ＬＣ技術の当業者は、幅広い動作領域を混合物に与え、かつ、実用的なＦＬＣデバイスの要求事項に適合するために最適化されなければならない多くの物理特性を調整するために、分子は通常配合されることを知っている。この配合知識の大部分は有機ＦＬＣを用いて発展されてきており、その有機ＦＬＣは、等方相→ネマチック→ＳｍＡ＊→ＳｍＣ＊相系列を有する物質を利用している従来モードのシェブロン・デバイスにおける使用向けに開発されてきている。
【００１３】
コールズら（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ，２３（２），２３５〜２３９（１９９７）；Ｊ．Ｐｈｙｓ  ＩＩ  Ｆｒａｎｃｅ，６，２７１〜２７９，（１９９６））ならびにリーら（Ｊ．Ｍａｔｅｒ.Ｃｈｅｍ．，１７，２３１３〜２３１８（２００７）およびそれらに記載された引用文献、それらすべては参考として本明細書に組み込まれる）に記載されているように、オリゴシロキサン変性液晶は、ナノ相分離層状構造を形成する傾向のために従来の液晶から区別される。そのようなシステムは仮想ポリマーとして記述されており、なぜならそれらの構造および特性は、サイド・チェーン液晶ポリマー（ＳＣＬＣＰ）の特徴のいくつかと従来の有機液晶の特性のいくつかとが組み合わせているからである。オリゴシロキサン変性液晶の構造および特性は、最近の科学の総説（参照：Ｃ．Ｔｓｃｈｉｅｒｓｋｅ,「Ｎｏｎ−ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ  ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌｓ−ｔｈｅ  ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ  ｏｆ  ｍｉｃｒｏ−ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｓｅｌｆ−ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ」，Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｃｈｅｍ．，１９９８，８（７），１４８５〜１５０８）において両親媒性またはナノ相分離した液晶のタイプとして分類されている有機液晶と非常に著しく異なっている。そのようなシステムの構造はなおも活発な科学的議論の分野であり、リーら（Ｊ．Ｍａｔｅｒ.Ｃｈｅｍ．，１７，２３１３〜２３１８（２００７）、それらすべては参考として本明細書に組み込まれる）を参照されたい。
【００１４】
例えば、アクティブマトリクス強誘電性ＬＣＤ（ＦＬＣＤ）（これに限定されない）を含めた実用的デバイスに使用するためのオリゴシロキサン変性ナノ分離強誘電性液晶の配合は、詳細に研究されていなかった。有機液晶の配合は広範囲にわたって研究され、そのような配合の液晶の相挙動の設計を助けるために、多くの予測法則が開発されている（Ｄｅｍｕｓら，Ｍｏｌ．Ｃｒｙｓｔ．Ｌｉｑ．Ｃｒｙｓｔ．，２５，２１５〜２３２（１９７４）；Ｈｓｕら，Ｍｏｌ．Ｃｒｙｓｔ．Ｌｉｑ．Ｃｒｙｓｔ．，２７，９５〜１０４（１９７４）；Ｒａｂｉｎｏｖｉｃｈら，Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，１２１，３３５〜３４２（１９９１））。しかしながら、本発明者らの経験ではそのような配合設計のやり方はオリゴシロキサンＦＬＣには適さず、なぜなら、未知の液晶の相は、もしそれが既知の相を持つ液晶と混和性（Ｇｏｏｄｂｙ＆Ｇｒａｙ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ，ＩＳＢＮ３−５２７−２９７４７−２，Ｐａｇｅ１７）（すなわち「類似の液晶」は「類似の液晶」に混和する）であれば、その素性を特定できるという標準の「経験則」でさえ行き詰る。そのような基本則は、ナノ相分離スメクチック層化が優位であり、他のクラスの液晶または非液晶分子でさえそのスメクチック相構造の損失なしに容易に混合されるオリゴシロキサン変性強誘電性液晶には適用されない。例えば、コールズおよびリーはそれぞれ独自に、そのようなシステムでの混和性の予期しない例を実証し、オリゴシロキサンシステムの有機ＬＣシステムとの相違を強調している（コールズら，Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，２４３，７５〜８５(２０００)、およびリーら，Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  １７（５），５６７〜５７１（２００５）を参照されたい。それら両方とも参考として本明細書に組み込まれる）。本発明に先立って、高水準量のオリゴシロキサン液晶を含む組成物の配合に関する洗練された予測的規則は確認されていなかったし、実用的デバイス物質、配向および構造安定性の要求事項に適合するように物理特性を調整する能力も持っていなかった。例えば、リーら（Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｃｈｅｍ．，１７，２３１３〜２３１８（２００７））による簡単な一連の物質のチルト角を研究する試みは挫折したが、なぜなら、調製された８つの混合物のうちわずか３つしかチルト角が測定されることを可能にするように配向されることができなかったからである。
【００１５】
キャノン（米国特許第５，７２０，８９８号、参考として本明細書に組み込まれる）は、シロキサン連結基を含む主鎖型液晶および液晶モノマーを含むデバイスの群を記述している。米国特許第５，７２０，８９８号では、最小の主鎖ポリマーはＡＢＡ種（ここで、Ａ＝メソゲン基、およびＢ＝ジシロキサン連結基）でありうる。この特許は、スメクチックＡＢＡ物質を微量成分としてモノマーの有機メソゲンに加えることを教示しているが、この液晶相がナノ相分離されることを何ら示唆していない。事実、そのシロキサン添加剤は、従来のスメクチック相構造を乱していない。発明者らは、共有的に結合されたＡＢＡオリゴマーがスメクチック相の隣接層を橋渡しすることができるならば、その相を安定化できることに注目した。この液晶システムはデバイス内でＬＣ媒体を引き伸ばし又はせん断することにより巨視的（マクロスコピック）に配向される。この例では、相構造はナノ相分離されておらず、なぜなら、それがモノマー有機メソゲンに基づいており、かつ、存在する相を橋渡しするためにＡＢＡオリゴシロキサンが低濃度で加えられ、相を一緒に固定し且つ相を安定化しているからである。この特許は、シロキサン連結セグメントが大きすぎる場合、分子はヘアピンに折りたたまれることになり、もはや隣接層を橋渡しできなくなるので、その固定化機構は失われることを教示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第4,367,924号明細書
【特許文献２】米国特許第5,498,368号明細書
【特許文献３】国際公開WO2005/001200号パンフレット
【特許文献４】米国特許第6,870,163号明細書
【特許文献５】米国特許第6,507,330号明細書
【特許文献６】国際公開WO2005/019380号パンフレット
【特許文献７】米国特許第5,720,898号明細書
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】Applied Physics Letters, 36, 899-901 (1980)
【非特許文献２】Optical Applications of Liquid Crystals, Ed.L Vicari著
【非特許文献３】Ferroelectrics, 312, 3-23 (2004)
【非特許文献４】Proceeding of SPIE, Vol.2408, 22-29 (1995)
【非特許文献５】J.Mater.Chem.,17, 2313-2318 (2007)
【非特許文献６】Ferroelectrics, 312, 3-23 (2004)
【非特許文献７】Liquid Crystals, 23(2), 235~239 (1997)
【非特許文献８】J.Phys II France, 6, 271~279 (1996)
【非特許文献９】J.Mater.Chem.,17, 2313-2318 (2007)
【非特許文献１０】C. Tschierske, J.Mater.Chem., 1998, 8(7), 1485-1508
【非特許文献１１】J.Mater.Chem.,17, 2313-2318 (2007)
【非特許文献１２】Mol.Cryst. Liq. Cryst., 25, 215-232 (1974)
【非特許文献１３】Mol. Cryst. Liq. Cryst., 27, 95-104 (1974)
【非特許文献１４】Ferroelectrics, 121, 335-342 (1991)
【非特許文献１５】Goodby&Gray、Physical Properties of Liquid Crystals,ISBN3-527-29747-2, 17頁
【非特許文献１６】Ferroelectrics, 243, 75-85 (2000)
【非特許文献１７】Advanced Materials 17(5), 567-571 (2005)
【非特許文献１８】J.Mater.Chem.,17, 2313-2318 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
したがって、双安定な強誘電性ディスプレイに使用可能なオリゴシロキサン液晶物質の配合物に対するニーズがある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、実用的デバイス用途向にバランスのとれた特性セット（特性の組合わせ）を有するナノ相分離オリゴシロキサン変性液晶配合物を提供することによりそのニーズを満たす。この液晶配合物は、第一オリゴシロキサン変性ナノ相分離液晶物質；および第二オリゴシロキサン変性ナノ相分離液晶物質、非液晶オリゴシロキサン変性物質、有機液晶物質、または有機非液晶物質から選ばれる少なくとも一つの追加物質、を含み、ここで、この液晶配合物はＳｍＣ＊相においてナノ相分離されており、約１５℃から約３５℃のＳｍＣ＊温度範囲をもってＩ→ＳｍＣ＊相転移を有し、約２２．５°±６°または約４５°±６°のチルト角を有し、約５０ｎＣ／ｃｍ２未満の自発分極を有し、かつ約６００ｃＰ未満の回転粘度を有する。
【００２０】
本発明の他の態様は、液晶配合物を含むデバイスである。このデバイスは安定なブックシェルフ配列、双安定なスイッチング、および等温的電場配向、二つの安定状態間をスイッチされたときの５００μ秒未満の応答時間、および約３０Ｖ／μｍ未満の電気駆動場を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、典型的な双安定液晶セルの横断面図を示す。
【図２】図２は、Ｉ→ＳｍＡ→Ｃｒ相系列を有する化合物の量の関数として、配合物のチルト角（チルト角）を示すグラフである。
【図３】図３は、Ｉ→ＳｍＣ＊およびＩ→Ｎ→ＳｍＡ＊→ＳｍＣ＊相系列を有する物質を異なる割合で有する配合物のチルト角の温度依存性を示すグラフである。
【図４】図４ａおよび４ｂは、駆動電圧および光透過を時間の関数として示すグラフである。
【図５】図５ａはチルト角の温度依存性を示すグラフであり、図５ｂは駆動電圧および光透過を時間の関数として示すグラフである。
【図６】図６は、駆動電圧および光透過を時間の関数として示すグラフである。
【図７】図７は、チルト角の温度依存性を示すグラフである。
【図８】図８は、駆動電圧および光透過を時間の関数として示すグラフである。
【図９】図９は、チルト角の温度依存性を示すグラフである。
【００２２】
本発明者は、配合されたオリゴシロキサン変性液晶の挙動が、そのナノ相分離のために従来の液晶の大部分とは基本的に異なっていることを発見した。さらに、本発明者は、層中に生じたシロキサンに富む領域の存在によって生じるはっきりと異なる特徴を示した。例えば、オリゴシロキサン変性は、ナノ分離によってスメクチック相の形成を促進することを発見した。さらに、ナノ分離されたスメクチック層化の影響によって、他の種類の液晶および非液晶分子はスメクチック相構造の損失なしに容易に混合される。単一分子中において必要な特性セット（特性の組合わせ）を達成することの困難さのため、これらは重要な特徴である。したがって、種々の成分を混合することによる特性の最適化は、実用的な液晶物質を実現する重要なやり方である。はっきりと区別できる群の液晶に見られる安定化スメクチック相（本明細書ではナノ分離オリゴシロキサン変性液晶と表される）は本発明の重要な特徴であり、ここでは強誘電性液晶特性に必要なキラル・スメクチック相構造を保持しながら、バランスの良くとれた特性セットを有する実用的組成物を実現するために、用途に焦点を絞った配合物を用いる。このやり方は実用的ＦＬＣデバイスの実現を助ける。本発明に先立って、実用的デバイス物質に合わせるように物理特性を調整する能力を示す高水準量のオリゴシロキサン液晶を含む組成物の配合に関する洗練された予測的法則は示されていなかった。本発明は、Ｓｉ−ＴＦＴ技術に基づいて実用的デバイスを実現するために用いることができるバランスのとれた特性セットを有する安定な強誘電性液晶組成物を配合するためのベース液晶組成物としてオリゴシロキサン変性液晶を用いることの利益を示している。さらに、テーラーメードのデバイス構造および実用的な配向スキームを、これらのオリゴシロキサン変性液晶配合物用に開発しており、これは、従来の等方相→ネマチック→ＳｍＡ＊→ＳｍＣ＊有機強誘電性液晶に関する重大な加工および配向安定性の問題（当業者では知られている）を解消する。
【００２３】
本発明は、ナノ相分離したオリゴシロキサンＦＬＣシステム内で、実用的デバイスに必要とされるベース物質およびデバイス特性をどのようにして首尾よく開発したかを示す。等方相→ＳｍＣ＊相系列を有する配合物およびそれにより可能となる新規な強誘電性デバイスが本特許出願の対象である。有機メソゲンは完全にこの相系列で配合できるが、本出願はオリゴシロキサンＦＬＣに関する。その低分子量液晶は、ハイブリッドシロキサン有機部分であり、ここで不連続のシロキサンセグメントは有機部分（１又は複数）上にＡＢまたはＡＢＡの形態（Ｂ＝オリゴシロキサンおよびＡ＝有機）でグラフトしている。シロキサンはオリゴマーであり、したがって、側鎖液晶ポリシロキサン（ＳＣＬＣＰ）、主鎖液晶ポリシロキサン（ＭＣＬＣＰ）、または液晶ポリシロキサンエラストマー（ＬＣＥ）とは、構造および物理的特性の両方で異なる。オリゴシロキサンＬＣは興味深く、なぜならそれらは、安定なスメクチック相を、実際のＬＣＤの作動に必要な高度な可動性と結合させているからである。
【００２４】
本発明は、少なくとも１種のオリゴシロキサン変性液晶物質を含有する最適化された強誘電性液晶配合物の設計に関する。このオリゴシロキサン変性液晶物質は、他のオリゴシロキサン変性液晶、有機液晶、非液晶ハイブリッドオリゴシロキサン有機物質、または非液晶有機物質と混合されて、最適化された液晶特性を有する配合物を作ることができる。この配合物は、電場配向され、真の双安定性を示すＦＬＣデバイスを製造するために用いることができる。これらの特徴は、電場を用いていつでも等温的にデバイスを配向または再配向する能力に加えて、直流バランスの目的のために反対フレーム（inverse frame）を用いる必要なしにデジタル・アドレス方式を可能にする。後者の特性は、等方相→ネマティック→ＳｍＡ＊→ＳｍＣ＊相系列物質の欠点（ゆっくり冷却させることの必要性が、機械的衝撃または温度逸脱によって引き起こされた損傷をうけた配向を有するデバイスを再配向させることを、それが一旦起こってしまうと困難にする）を克服する。任意選択により場合によっては、本出願の対象である配合物は、ＳｍＣ＊相より下（すなわち、より低温で）の相を示すこともあり、そこでは、電場配向テクスチュアが保持され、デバイスの作動に著しい影響（例えば、デバイスのコントラスト比の減少）なしに、真に双安定なスウィッチングが、ＳｍＣ＊に戻す加熱時に観察される。特許請求の範囲に記載された配合物および用いられたデバイス作製方法を用いて作製されたデバイスの特性は、配合物のベースを形成するオリゴシロキサン変性液晶の類まれなナノ相分離構造に起因する。このオリゴシロキサン変性液晶成分（１種又は複数）は、例えばＸ線回折試験によって検出されるナノ相分離したＳｍＣ＊相を生じさせるために十分な濃度で常に存在しなければならない。
【００２５】
上記配合物は少なくとも２種の成分を含んでいる。配合物中に、１種以上のオリゴシロキサン変性液晶成分が存在することができる。さらに、配合物中には、１種以上の非液晶オリゴシロキサン変性物質、有機液晶物質、または有機非液晶物質が存在することもできる。オリゴシロキサン変性液晶成分でない成分は、それが存在する場合は、通常、約５０モル％未満、または約４５モル％未満、または約４０モル％未満、または約３５モル％未満、または約３０モル％未満の量で存在する。
【００２６】
これら配合物は、以下に限定されないが、透過型ディスプレイ、空間光変調器、および反射モード超小型ディスプレイを含めた、光の振幅または位相変調を利用するさまざまなデバイスでの使用向けに設計される。そのようなデバイスは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）バックプレーンを用いて、パッシブマトリクス型アドレッシングまたはアクティブ画素アドレッシングを利用することができ、例えば、パッシブマトリクス液晶デバイス（ＰＭＬＣＤ）、またはアクティブマトリクス液晶デバイス（ＡＭＬＣＤ）などのデバイスである。本出願では、本発明者は透過モードまたは反射モードで作動しうるＡＭＣＬＤデバイスの場合に焦点をあてる。しかし、本配合物は、そのようなデバイスでの使用に限定されることが意図されてはいない；本配合物は、当業者に周知の他のタイプのデバイスで使用することができる。液晶の配向性を制御するためのＴＦＴの使用は、アモルファスシリコン（ａ‐Ｓｉ）、低温多結晶シリコン（ＬＴＰＳ）、または結晶シリコンに基づいていようといまいと、ＴＦＴの電荷輸送制限により、容認できる液晶配合物の自発分極（Ｐｓ）の大きさに対する制約を課す。低Ｐｓ値は、ＴＦＴベースアクティブマトリクスの設計をかなり単純にする。当業者には、高Ｐｓはディスプレイ設計における自由度の低下、例えば、より低い解像度、より小さいディスプレイサイズ、および潜在的な開口サイズの縮小をもたらし、および最後にはＳｉ−ＴＦＴの使用を排除することは承知するところである。単純化されたバックプレーン電気回路は大きな開口率（すなわち、より明るいディスプレイ（ｂｒｉｇｈｔｅｒ  ｄｉｓｐｌａｙ））および低コストを可能にする。
【００２７】
本発明の配合物は、アクティブマトリクス・バックプレーン電気光学デバイスに用いられることを可能にする低自発分極（Ｐｓ値）を有するように特に設計される。Ｐｓ値が高すぎる場合は、メソゲンの一つの光学状態から他の状態への電場誘導再配向の間に生じる電流フローが、画素電気回路の電流駆動能力に対する妥当な設計空間を越えてしまう。当業者には周知のとおり、Ｐｓ値は正または負のいずれかでありえる。値が本明細書で与えられる場合は、その数は正および負の値の両方を意味することを意図している。例えば、１０ｎＣ／ｃｍ２のＰｓは＋１０ｎＣ／ｃｍ２または‐１０ｎＣ／ｃｍ２のいずれかを意味する。
【００２８】
強誘電性液晶の電気光学応答時間は次の式で決定できる：
τ∝η／Ｐｓ・Ｅ
式中、
τ＝光学応答が１０％から９０％に変化するために必要な時間
Ｅ＝光学的状態の変化を駆動する印加電場
Ｐｓ＝自発分極
η＝回転粘度
【００２９】
実際に、応答時間は可能な限り速くなければならず、好ましくは＜約５００マイクロ秒、または＜約２５０マイクロ秒、または＜約１００マイクロ秒、または＜約７５マイクロ秒、または約５０マイクロ秒である。配合物のＰｓの大きさはバックプレーンにより制限され（例えば、＜約５０ｎＣ／ｃｍ２、または＜約４０ｎＣ／ｃｍ２、または＜約３０ｎＣ／ｃｍ２、または＜約２０ｎＣ／ｃｍ２）、スイッチングのために必要な電場は可能な限り低くなければならない（例えば、＜約３０Ｖ／μｍ、または＜約２０Ｖ／μｍ、または＜約１５Ｖ／μｍ、または＜約１０Ｖ／μｍ、または＜約５Ｖ／μｍ）。冷却時に等方相→ＳｍＣ＊相系列を有するＦＬＣ配合物の開発に加えて、低Ｐｓシステムについて電気光学応答時間を最適化するために回転粘度を最小にする必要がある（例えば、＜約６００ｃＰ、または＜約４００ｃＰ、または＜約３００ｃＰ、または＜約２００ｃＰ、または＜約１００ｃＰ、または＜約５０ｃＰ）。
【００３０】
以前の出願（例えば、クロスランド（国際公開ＷＯ２００５／０１９３８０）およびダウコーニング社出願（ＰＣＴ／ＵＳ０７／００９０３５））は単一成分強誘導性液晶を強調している。しかし、その単一成分物質はＡＭＬＣＤのために最適化されていなかった。実際は、ＡＭＬＣＤでの使用に要求される特性すべてを示す単一分子を設計することは非常に難しい。本発明は、配合のやり方によってそれら特性を最適化する方法を提供し、この方法はＡＭＬＣＤに用いるのにより適している。
【００３１】
例えば、実際の透過型ＡＭＬＣＤの場合、オリゴシロキサン変性液晶物質に基づく配合物の慎重な設計、および適する基本設計のカスタム設計は、配合物が多くの望ましい特徴を示すことを可能にする。「基本設計」とは、液晶配合物と、基本のＦＬＣ電気光学デバイスを製作するに必要となる、適する基板、配向層技術、電極構造、および分極技術との一体化を意味する。そのようなデバイスは、実在する強誘電性液晶デバイスから、本配合物の組成、その液晶相系列およびその配向特性の組み合わせによって区別される。ＡＭＬＣＤおよびＰＭＬＣＤの両方にとって都合のよい特徴には以下の点が含まれる。
１）幅広いＳｍＣ＊相、すなわち、常温にわたる幅広いＦＬＣ駆動温度範囲。「幅広い」とは、少なくとも、約１５℃から約３５℃、および好ましくは約１０℃から約４０℃、または約０℃から約５０℃、または約‐２０℃から約６０℃、または約‐３０℃から約８０℃までの幅を意味する。
２）基本設計内でブックシェルフ配列を有する液晶モノドメインまたは準モノドメインの形成を可能にする配向プロセス。この配向プロセスは、配合されたナノ相分離した等方相→ＳｍＣ＊システムのＳｍＣ＊相内で、適する電場を等温的に用いて行うことができる。これは、ＦＬＣＤの先行技術とは異なっており、そこでは、特定の上に横たわる液晶相（具体的には、ＳｍＡ＊およびネマチック）、および等方相→ネマチック→スメクチックＡ＊を通して最終的にＳｍＣ＊相への慎重に制御された冷却プロフィルが必須である。ＳｍＣ＊相を等温的に配向させる能力は有利であり、デバイス製作を単純化し、配合物における複雑な相系列を設計する必要なしに配向の達成を可能にしている。ＳｍＣ＊相中で等温的電場配向を用いる能力は、デバイスを展開する間自由に再配向させることを可能にし、このことは非常に意義があり、なぜなら、当業者は、現行の強誘電性液晶デバイスは機械的衝撃または温度逸脱（ここでは液晶が結晶または等方相になる）によって可逆的に配向を失うおそれがあることを理解するからである。
３）得られたブックシェルフ構造は、デバイスの作動および保管の間安定でなければならない。いくらか劣化が見られた場合は、オリゴシロキサン強誘電性液晶配合物に使用される等温的、電気的配向スキームを、配向を回復させるために用いることができる。多くの従来からのすべての有機ＦＬＣはブックシェルフまたは擬ブックシェルフ配列を主張していたが、それらの構造はデバイス内での配置に対して十分には安定ではない。主張されたブックシェルフ構造は、基本設計内で不可欠な安定性を向上させた。本発明者は、ナノ相分離オリゴシロキサン変性液晶分子の実現できる効果が、コールズ、クロスランド、およびダウコーニングにより単一成分システムについて記述されたように、適切に配合されたシステムにおいて保たれ得ることを発見した。二重のセグメントホストのナノ相分離ブックシェルフ構造がその構造を安定化する。キャノンによって記述された固定機構は、ナノ相分離オリゴシロキサン変性液晶システムには必要とされず、また本発明者らはＡＢＡ（すなわち、ビ−メソゲン）種を含有しないシステムにおいて真の双安定性を達成する能力を立証している。それ故に、キャノンによって用いられたトリ−セグメント（ＡＢＡ）分子は、ここで記述した配合物の安定化には必要とされない。しかし、トリ−セグメント分子は、所望する場合は、本発明において、ＳｍＣ＊温度範囲を広げるのに用いることができる。配合物はまた、上を覆うスメクチックＡ相を除去することにより、シェブロン欠陥の形成を除去するようにも設計され、直接Ｉ→ＳｍＣ＊相転移を有する配合物をもたらす。従来の有機ＦＬＣＤの潜在的欠陥モードは配向の喪失であり、それは、ＦＬＣ物質が低温で、例えば保管または出荷中に、結晶化することが可能な場合である。本発明者らは、結晶化しない配合物を開発できることを立証した。これらの配合物はＳｍＣ＊相の下に幅広いＳｍＸ相を有する。ＳｍＸ相は、非晶質相であって、その相中では本明細書で定義した条件下で電気光学スイッチングが止まるけれども、ブックシェルフ構造のマクロスコピックな分子配向は低温で保持される相として定義される。このデバイスはこの相では作動しないが、作動温度範囲に戻された場合には再び作動するようになる。
４）配向の質および均一性は、デバイスの高コントラスト比およびアクティブ領域全体にわたる双安定性の実現を可能にするために十分でなければならない。「高コントラスト」とは、同一の条件下で試験された、市販の有機の等方相→ネマチック→スメクチックＡ＊→ＳｍＣ＊相系列の配合物と同一またはそれより優れていることを意味する。
５）チルト角は、偏光子ベースの電気光学デバイスの効率的作動のために特定値に調整されなければならない。例えば、透過型デバイスの例では、最適チルト角は２２．５度±６度、または２２．５度±４度、または２２．５度±２度である。さらに、チルト角はデバイスの作動温度範囲内であまりにも劇的に変化してはならない。ある範囲のチルト角をもつ配合物を設計する能力もまた有利である；例えば、４５度±６度、または４５度±４度、または４５度±２度のチルト角を有する配合物は、位相変調デバイス用としても用いることができる。
６）低Ｐｓの必要性もまた上で言及されている。低Ｐｓは、市販のＬＣＤにおいて現在利用されているとおり、ＴＦＴベースアクティブマトリクスバックプレーン技術の要求事項であるが、電場配向プロトコルを用いて常温または常温付近で粘性なスメクチック相中においてその配向に取り組むデバイスに対して、大きな難題を負わせている。配向プロセスに加えて、低Ｐｓは、固定した温度および駆動場において液晶デバイスの応答時間にマイナスの影響を与え得る。
７）デジタルモードデバイスについては、真の双安定性が必要条件である。「真の双安定性」とは、スイッチング場の除去後のいくらかの時間、特定の許容範囲内での光信号の保持を意味する。許容範囲の例は、光信号が約２０％超えて、または１０％を超えて、または５％を超えて低下してはならないということである。平坦域の値に対する短時間緩和は許容し得るが、光透過の継続的低下は許容されない。許容時間は用途により、且つ駆動アーキテクチャによって決定され、分からミリ秒までの範囲であることができる。
８）配合物の複屈折は基本設計、すなわちＡＭＬＣＤ設計に基づいて最適化されなければならない。複屈折は典型的には約０．０５よりも大きくまたは約０．１よりも大きい。複屈折は、作動温度範囲にわたって大きく変化するべきではなく、例えば作動温度範囲の下限とＳｍＣ＊→等方相転移より下約５℃の間で＜約１００ｐｐｍ／℃、または＜約５０ｐｐｍ／℃の複屈折の変化である。
【００３２】
上で定義された制約内で機能する配合物が設計されるなら、実用的なＦＬＣデバイスが開発できる。以前に言及したように、かなり多数の配合経験が有機物質に基づく有機ＦＬＣシステムに存在する一方で、そのような情報は、このオリゴシロキサンベースＦＬＣ配合物に直接移すことができず、それは以下のものの組み合わされた影響のためである：ｉ）本明細書で網羅されるオリゴシロキサンベースシステムによって示されるナノ相分離構造のより一層の構造上の複雑さ；ｉｉ）有機ＦＬＣの大部分に対する特定の相系列の利用、すなわち有機システムに対する、等方相→ネマチック→ＳｍＡ＊→ＳｍＣ＊の利用；ｉｉｉ）オリゴシロキサンベース配合物において、Ｐｓおよびチルト角の換算温度依存性を観測する能力；ｉｖ）オリゴシロキサンベース配合物の電場配向および層回転特性；ｖ）オリゴシロキサンベース配合物の真の双安定性；ｖｉ）ナノ相分離システムにおいてチルト角を調整する能力；ｖｉｉ）低温において、好ましい分子配向の崩壊を避けることができるサブ‐ＳｍＣ＊相特性を設計する能力；およびｖｉｉｉ）オリゴシロキサン変性強誘電性液晶配合物中でのネマチック層形成を抑制する能力、例えば、４‐ｎ‐ペンチル‐４’‐シアノビフェニル（化合物９）またはＦｅｌｉｘ  １５／０００（「化合物」１５）がスメクチック・オリゴシロキサンシステムに添加された場合における能力。
【００３３】
一つのやり方は、等方相→ＳｍＣ＊→結晶、または好ましくは等方相→ＳｍＣ＊→ＳｍＸ相系列を有する配合物を設計することである。本発明者は、上記の相系列を有する配合物を開発するために、幅広い相挙動を有する物質を用いることができることを発見した。以下に限定されないが、次の型から選ばれる相系列を有する物質を配合物に用いることができる：ｉ）等方相→ＳｍＣ＊；ｉｉ）等方相→ＳｍＡ；ｉｉｉ）等方相→ＳｍＡ→ＳｍＣ；ｉｖ）等方相→ＳｍＡ＊→ＳｍＣ＊；ｖ）等方相→ネマチック；ｖｉ）モノトロピック液晶相；ｖｉｉ）非液晶物質；など。配合物に用いられる物質すべてが官能化オリゴシロキサンである必要はないが、但し配合物中のナノ相分離構造を維持するために存在する十分なオリゴシロキサン変性物質があることを条件とする。
【００３４】
本発明の一つの実施態様では、Ｉ→ＳｍＣ＊相系列のオリゴシロキサン液晶の特性は次のように調整される：
１）分子内相互作用を減らするために芳香族コアが選ばれ、それによって最終配合物の回転粘度を低くする。
２）芳香族コアをシロキサンから離す炭化水素鎖が選ばれ、オリゴシロキサンからの最適分離をもたらすとともに、低領域（ｌｏｗ  ｒｅｇｉｍｅ）（約２２．５度）または高領域（約４５度）チルト角をもたらす。
３）オリゴシロキサンはできるだけ短いものが選ばれて、最大限の可能な複屈折を得るとともに、必要な相特性を維持する。
４）スメクチックＡ物質が加えられて、配合物の有効チルト角を下げることができるが、配合物中にＳｍＡ相を誘発することはない。
５）低い全体のＰｓ値を実現するためにいくつかのアプローチをとることができる。例えば、本質的に低Ｐｓのメソゲン種を作ることができ、アキラルおよびキラル種を配合してＰｓを設定することができ、または相反する光学活性を有する物質が配合されてＰｓを調整することができる。
【００３５】
本発明者の研究は、そのような配合物の選択および最適化には、異なる成分の効果のバランスをとることが含まれることを示している。例えば、チルト角を小さくするのに有効な添加剤は、回転粘度を下げるには効果がないかもしれず、あるいはサンプルの配向を妨げるかもしれない。
【００３６】
適する配合物の製造に用いられるオリゴシロキサン変性ナノ相分離液晶物質には、以下に限定されないが、以下に示される構造が含まれる。オリゴシロキサン変性ナノ相分離液晶物質は、ＡＢ（二つのセグメント付加物）、またはＡＢＡ（三つのセグメント付加物、またＬＣダイマーとしても知られている）（ここでＢ＝シロキサンセグメント、およびＡ＝芳香族液晶コア）として定義することができることに注意されたい。ＡＢＡ’構造もまた与えられる（ここでＡおよびＡ’は同一基ではなく、非対称構造に導く）。
【００３７】
Ｉ）ナノ相分離スメクチック相を作り出すために用いることができる成分
（一般的構造）
配合物中にナノ相分離スメクチック相を作り出すために用いることができるオリゴシロキサン変性液晶物質のなかには、フェニルベンゾアート類ならびにビフェニル類、テルフェニル類およびフェニルピリミジン類がある。適する材料の例を以下に示す。
【００３８】
１）フェニルベンゾアート類（下記式（３））およびビフェニル類（下記式（４））
一つのクラスの化合物は次式を有する：
【００３９】
【化１】
0005552429.tif 000003
【００４０】
〔上記式中、ａ＝０または１；ｍ＝１または２；ｓ＝１または２；ｑ＝０または１；ｂ＝０または１；ｉ＝０〜４；Ｔ＝Ｏ、ＣＯＯ、ＯＣＯ、ＣＨ＝Ｎ、Ｎ＝ＣＨ、ＣＦ２Ｏ、ＯＣＦ２、ＮＨＣＯ、ＣＯＮＨ、ＣＨ２、ＣＨ２ＣＨ２、Ｃ≡Ｃ、−ＣＨ＝ＣＨ−、またはＣＦ２ＣＦ２；Ｙは独立してハロゲン、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＨ３、ＣＦ３、ＯＣＦ３から選ばれ；Ｑ＝Ｏ、ＣＯＯ、またはＯＣＯ；およびＸ＝アルキルまたは少なくとも１個のキラル中心を有する置換アルキルであって、ここで個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする；
上記式中、Ａは
【００４１】
【化２】
0005552429.tif 000004
であり、
Ａを表す式中、ｎ＝３〜１５；ｄ＝１〜５；Ｒ’およびＲ’’は独立してＣｒＨ（２ｒ＋１）（ｒ＝１〜４）またはフェニル基から選ばれ；
Ｒは１〜１０個の炭素原子を有するアルキル基またはＷ基であり、
ここで、Ｗは
【００４２】
【化３】
0005552429.tif 000005
であり、
Ｗを表す式中、ｎ＝３〜１５；ａ＝０または１；ｍ＝１または２；ｓ＝１または２；ｑ＝０または１；ｂ＝０または１；ｉ＝０〜４；Ｔ＝Ｏ、ＣＯＯ、ＯＣＯ、ＣＨ＝Ｎ、Ｎ＝ＣＨ、ＣＦ２Ｏ、ＯＣＦ２、ＮＨＣＯ、ＣＯＮＨ、ＣＨ２、ＣＨ２ＣＨ２、Ｃ≡Ｃ、−ＣＨ＝ＣＨ−、またはＣＦ２ＣＦ２；Ｙは独立して、ハロゲン、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＨ３、ＣＦ３、ＯＣＦ３から選ばれ；Ｑ＝Ｏ、ＣＯＯ、またはＯＣＯ；およびＸ＝アルキル、または少なくとも１個のキラル中心を有する置換アルキルであり、ここで個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする。〕
【００４３】
Ｘで表されるアルキルおよび置換アルキル基は典型的には２〜２０個の炭素原子を有する。置換アルキル基は以下の基の１個以上で置換され得る：さらなるアルキル基、ハロゲン、エポキシド、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＦ３、またはＯＣＦ３。
【００４４】
２）テルフェニル類（下記式（２））
別のクラスの適する化合物は下記式： 
【００４５】
【化４】
0005552429.tif 000006
を有するテルフェニル類である。
【００４６】
〔上記式中、ａ＝０または１；ｂ＝０または１；Ｌは独立して、Ｈ、ハロゲン、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＨ３、ＣＦ３、ＯＣＦ３から選ばれ；Ｑ＝Ｏ、ＣＯＯ、またはＯＣＯ；Ｘ’’＝アルキル、または少なくとも１個のキラル中心を有する置換アルキルであり、ここで個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする；
上記式中、Ａは
【００４７】
【化５】
0005552429.tif 000007
であり、
Ａを表す式中、ｎ＝３〜１５；ｄ＝１〜５；Ｒ’およびＲ’’は独立してＣｒＨ（２ｒ＋１）（ｒ＝１〜４）またはフェニル基から選ばれ；
Ｒは１〜１０個の炭素原子を有するアルキル基または本明細書の他の箇所で定義されているＷ’’もしくはＷ、またはＷ’の一つであり、
Ｗ’は
【００４８】
【化６】
0005552429.tif 000008
であり、
Ｗ’を表す式中、ｎ＝３〜１５；ａ＝０または１；ｂ＝０または１；Ｌは独立して、Ｈ、ハロゲン、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＨ３、ＣＦ３、ＯＣＦ３から選ばれ；Ｑ＝Ｏ、ＣＯＯ、またはＯＣＯ；およびＸ＝アルキル、または少なくとも１個のキラル中心を有する置換アルキルであり、ここで個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする。〕
【００４９】
Ｘで表されるアルキルおよび置換アルキル基は典型的には２〜２０個の炭素原子を有する。置換アルキルは１個以上の以下の基で置換され得る：さらなるアルキル基、ハロゲン、エポキシド、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＦ３またはＯＣＦ３。
【００５０】
３）フェニルピリミジン類（下記式（１ａ）又は（１ｂ））
その他のクラスの適する化合物は下記式（１ａ）又は（１ｂ）を有するフェニル（またはビフェニル）ピリミジン類である：
タイプ１
【００５１】
【化７】
0005552429.tif 000009
タイプ２
【００５２】
【化８】
0005552429.tif 000010
【００５３】
〔上記式中、ａ＝０または１；ｐ＝０、１または２；ｋ＝０、１または２；ｆ＝０または１；ｈ＝０または１；ｃ＝０または１；ｉ＝０〜４；ただし、ｆ＝０である場合はｃ＝０であり；ただし、ａ＝０である場合はｈ＝０であり；Ｙは、ハロゲン、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＨ３、ＣＦ３、またはＯＣＦ３であり；
上記式中、Ｘはアルキル、または少なくとも１個のキラル中心を有する置換アルキルであり、ここで個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする；
上記式中、Ｖは
【００５４】
【化９】
0005552429.tif 000011
であり、
Ｖを表す式中、ｎ＝３〜１５；ｄ＝１〜５；かつＲ’およびＲ’’は独立してＣｒＨ（２ｒ＋１）（ｒ＝１〜４）またはフェニル基から選ばれ；
Ｒは１〜１０個の炭素原子を有するアルキル基、または本明細書の他の箇所で定義されているＷもしくはＷ’、もしくはＷ’’のうちの一つであり、
ここで、Ｗ’’は次の基の一つから選ばれて、対称または非対称の二量体添加剤を作る：
【００５５】
【化１０】
0005552429.tif 000012
【００５６】
〔上記式中、ｎ＝３〜１５；ｇ＝０または１；ｐ＝０、１または２；ｋは０、１または２であり；ｉ＝０〜４；ｔは０または１であり；ｕ＝０または１；ただし、ｔ＝０の場合はｕ＝０であることを条件とする；Ｙは独立して、ハロゲン、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＨ３、ＣＦ３、またはＯＣＦ３から選ばれ；Ｅはアルキル、または少なくとも１個のキラル中心を有する置換アルキルであって、ここで個々のキラル基はラセミまたは非ラセミであることができ、ただし液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする。〕
【００５７】
ＸおよびＥで表されるアルキルおよび置換アルキル基は典型的には２〜２０個の炭素原子を有する。置換アルキルは１個以上の以下の基で置換され得る：さらなるアルキル基、ハロゲン、エポキシド、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＦ３またはＯＣＦ３。
【００５８】
ＩＩ）ナノ相分離スメクチック相（包括的構造）の特性を調整するために用いることができる成分
下記の式（４）のクラスの物質は、上で示したオリゴシロキサン変性ナノ相分離液晶物質を含有する配合物への添加剤として有用である。
【化１１】
0005552429.tif 000013
【００５９】
〔上記式中、ｅ＝０または１；Ｇは、Ｈ、ハロゲン、エポキシド、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＨ３、ＣＦ３、またはＯＣＦ３であり；
Ｍは、アルキル、または少なくとも１個のキラル中心を有する置換アルキルであって、ここで個々のキラル基はラセミまたは非ラセミでもよい（ただしこの液晶配合物が非ラセミとなるように個々のキラル基が選ばれることを条件とする）、またはＭは、下記基：
【００６０】
【化１２】
0005552429.tif 000014
であり、
Ｍを表す式中、ｎ＝３〜１５；ｄ＝１〜５；Ｒ’およびＲ’’は独立してＣｒＨ（２ｒ＋１）（ｒ＝１〜４）またはフェニル基から選ばれ；
Ｒは１〜１０個の炭素原子を有するアルキル基またはＺであり、
ここで、Ｚは、
【００６１】
【化１３】
0005552429.tif 000015
であり、
Ｚを表す式中、ｎ’＝３〜１５；ｅ’＝０または１；Ｇ’は、Ｈ、ハロゲン、エポキシド、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＨ３、ＣＦ３、またはＯＣＦ３である。〕
【００６２】
Mで表されるアルキルおよび置換アルキル基は典型的には２〜２０個の炭素原子を有する。置換アルキルは１個以上の以下の基で置換され得る：さらなるアルキル基、ハロゲン、エポキシド、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＦ３またはＯＣＦ３。
【００６３】
以下のクラスの物質もまた添加剤として用いることができる。
【００６４】
【化１４】
0005552429.tif 000016
【００６５】
〔上記式中、ｒ＝０または１；ｐ＝０、１、または２；ｖ＝０、１、または２；ｘは０または１であることができる；ｑ＝０または１；ｉ＝０〜４；ただし、ｒ＝０の場合はｘ＝０であることを条件とする；Ｙは独立して、ハロゲン、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＨ３、ＣＦ３、またはＯＣＦ３から選ばれ；ＪおよびＪ’は独立して、アルキル、または少なくとも１個のキラル中心を有する置換アルキルから選ばれ、ここで個々のキラル基はラセミまたは非ラセミでもあることができ、ただし液晶配合物が非ラセミとなることを確実にするように個々のキラル基が選ばれることを条件とする。〕
【００６６】
JおよびJ’で表されるアルキルおよび置換アルキル基は典型的には２〜２０個の炭素原子を有する。置換アルキルは１個以上の以下の基で置換され得る：さらなるアルキル基、ハロゲン、エポキシド、ＮＯ２、ＣＮ、ＣＦ３またはＯＣＦ３。
【００６７】
オリゴシロキサン変性ナノ相分離液晶成分がアキラルである場合は、液晶配合物中にキラリティーを生じさせるために有機キラル分子を用いることもできる。
【実施例】
【００６８】
配合物の実施例
液晶分子（メソゲン）は通常は複雑な混合物中に配合される。そのような配合物は、単一の分子からは実現が難しいか、不可能でさえあろう特性セット（特性の組合わせ）を実現可能にする。クロスランド（国際公開番号ＷＯ２００５／０１９３８０）およびダウコーニング社特許出願（ＰＣＴ／ＵＳ０７／００９０３５）は、電場配向および双安定スイッチングを示す単一成分システムを確認した；しかしそのような分子は、それらが幅広い温度で用いられ且つアクティブ・マトリクス・バックプレーンデバイスに用いられる場合には配合を必要とする。オリゴシロキサン変性液晶に基づく配合されたシステムの開発は、そのような物質の独特のミクロ相分離した性質によって複雑化される。以下に示す実施例は、相系列、ＳｍＣ＊相の温度範囲、自発分極（Ｐｓ）、およびチルト角がそのようなシステムでどのように制御されるかを明らかにする。そのような物質の配合は有機ＦＬＣの例から推定することはできず、なぜなら有機ＦＬＣシステムには存在しないナノ相分離オリゴシロキサン領域が、バルク配合物の特性およびそれから作製されたデバイスの電気光学特性を制御することにおいて重要な役割を果たすからである。
【００６９】
異なる配合物に用いられた成分の化学構造を表１に示している。配合物およびそれらの特性は表２〜８に示されている。表２はチルト角調整に用いたシアノビフェニル系物質の相挙動を示す。表３は、オリゴシロキサン変性テルフェニルメソゲンおよび有機シアノビフェニルメソゲンに基づいた二成分配合物の例についてのデータを示す。表４は、オリゴシロキサン変性テルフェニルメソゲンおよびオリゴシロキサン変性シアノビフェニルメソゲンに基づいた二成分、三成分および四成分の配合物の例を示す。表５は複数のオリゴシロキサン変性テルフェニルメソゲンを含有する配合物の例を示す。表６はオリゴシロキサン変性フェニルピリミジンおよびキラル・オリゴシロキサンフェニルピリミジン・ドーパントを含有する配合物の例を示す。表７は、オリゴシロキサン変性フェニルピリミジンおよび種々のキラル・オリゴシロキサン変性ドーパントを含有する配合物の例を示す。表７はオリゴシロキサン変性フェニルピリミジンおよびキラル・オリゴシロキサンフェニルピリミジン・ドーパントを含有する三成分の配合物の例を示す。表８はその他の配合物の例を示す。
【００７０】
配合物は、容器に成分を秤量し、次に等方相の形成のため、最も高い転移温度をもつ成分の透明化温度（液晶から等方相への転移）よりも、または非液晶成分の場合には融点よりも、約１０℃上の温度に容器を加熱することにより調製した。サンプルをこの温度で約５〜１０分間保持かつ混合し、次に常温に冷やした。すべての組成物は、別段の表示がない限り、それぞれの成分のモルパーセントとして示している。配合物は、最初に示差走査熱量計（ＤＳＣ）を使用して特性解析を行なった。ＤＳＣ試験の温度範囲は、配合物の透明相転移温度が＞１００℃でない限り（この場合、上限温度は高くなる）、典型的には−４０℃〜１２０℃であった。未使用サンプルを等方相で加熱し（加熱＃１）、その後−４０℃に冷却し（冷却＃１）、その後等方相に加熱して戻し（加熱＃２）、次に−４０℃に冷却し戻し（冷却＃２）、その後等方相に加熱し戻し（加熱＃３）、次に室温に冷やして戻した（冷却＃３）。加熱＃２と＃３を用い、各転移に対するピーク温度を選択することによって、相転移温度を決めた。存在する液晶相のタイプ（型）を分類するために、偏光光学顕微鏡およびプログラム可能なホットステージシステムを用いての熱光学分析を行なった。Ｐｓを測定するための現在の反転法（Ｍｉｙａｓａｔｏら、Ｊａｐａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，２２，Ｌ６６１（１９８３）に記載されている）を用いて、ＳｍＣ＊相の存在を確認し、且つＳｍＣ＊の転移温度境界を特定した。熱光学および電気光学測定は、ＩＴＯガラス基板を用い、スペーサービーズでセパレートし、接着剤で端をシールして組み立てた単一画素デバイスで行った。ラビングしたポリイミド配向層をそのデバイスに用いた。図１を参照されたい。
【００７１】
図１は、配合物を試験するために用いた典型的な双安定性液晶セルの構造を示す。液晶配合物１７を、２枚の基板１０、１１の間に配置する。基板は任意の適する物質、例えば、ガラス、シリコン、有機ポリマー、または無機ポリマーで作ることができる。基板の一つまたは両方は透明とすることができるが、それはデバイスのクラスに左右される。
【００７２】
基板１０、１１の内表面は電極１２、１３、例えば、アルミニウムまたはインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を有し、この電極は選ばれた領域に付けることができる。１個の電極が各基板上に存在し、または両方の電極が基板のうちの１つの上に存在しうる（しかし、一対の電極だけは必要である）。電極の１個または両方は、デバイスに応じて透明であることができる。あるいは、電気光学効果を制御可能にする、フリンジ電場を与える電極があることもできる。電極の内表面は、所望する場合は、不動態化（パッシベーション）層で被覆することもできる。
【００７３】
電場配向、層配向、およびＳｍＣ＊相のスイッチングを容易にするために、電極の内表面（液晶物質に隣接する）またはフリンジ電場デバイスの場合には基板の内表面は、配向層１４、１５で被覆される。配向層は有機コーティングまたは無機コーティングであることができる。適する配向層としては、以下に限定されないが、ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリテトラフルオロエチレン、酸化ケイ素、シラン、およびポリシランが挙げられる。しかし、配向層物質の的確な選択およびその製造条件は、良好な配向および双安定性を実現するために重要であるが、的確な選択は配合物の組成に左右される。好ましい物質としては＜約３度のプレチルト角を有するポリイミドが挙げられる；しかし他の物質もまた用いられ得る。用いることのできる物質の例として、日産化学工業株式会社からＳＥ１３０、ＳＥ１４１０、ＳＥ８２９２およびＲＮ１１９９の表示で販売されているポリイミドが挙げられる。配向層は当技術分野既知の任意の方法で形成することができ、その方法は以下に限定されないが、ラビング、延伸、堆積、およびエンボス加工が挙げられる。配向層は、モノドメインが形成される（すなわち「ブックシェルフ」）ために、および双安定なスイッチングが観測されるために役立つ。均一な配向および双安定性を達成するために、配向層の厚さは＜約２００ｎｍ、または＜約１００ｎｍ、または＜約５０ｎｍ、または＜２５ｎｍであるべきである。
【００７４】
スペーサー１６は基板１０、１１を引き離し、且つセル厚を決める。シーリング層１８は、セル内に液晶物質を保持するために用いられる。本発明の液晶電気光学デバイスは典型的には０．５ミクロンから１０ミクロンの範囲となるように設計されたセルギャップを有する。
【００７５】
積層されたデバイスは、互いに９０度で配向されている偏光子１９、２０の間に置くことができ、液晶が二つの状態間でスイッチされると明状態または暗状態を生じる。図１に記載されたデバイスは透過モードデバイスである。当業者に公知の、代わりの偏光子の配置を、透過モードおよび反射モードデバイスのために用いることができる。
【００７６】
【表２Ａ】
0005552429.tif 000017
【００７７】
表１の続き
【表２Ｂ】
0005552429.tif 000018
【００７８】
表１の続き
【表２Ｃ】
0005552429.tif 000019
【００７９】
【表３】
0005552429.tif 000020
【００８０】
【表４】
0005552429.tif 000021
【００８１】
【表５】
0005552429.tif 000022
【００８２】
【表６】
0005552429.tif 000023
【００８３】
【表７】
0005552429.tif 000024
【００８４】
【表８】
0005552429.tif 000025
【００８５】
【表９】
0005552429.tif 000026
【００８６】
実施例１：
オリゴシロキサン液晶Ｃ１７を非液晶オリゴシロキサンＣ２３と配合した。Ｃ１７はＩ→ＳｍＡ→ＳｍＣ→Ｃｒ相挙動を示すが、一方でＣ２３は非液晶化合物である。二成分配合物はＩ→ＳｍＣ＊→ＳｍＸ相挙動を示すことが分かり、異なる相挙動を有する成分から、所望のＩ→ＳｍＣ＊相挙動を得ることができるという予想外の能力を明らかにした。
【００８７】
【表１０】
0005552429.tif 000027
【００８８】
実施例２：
Ｉ→ＳｍＣ＊相系列を有するＣ１を、Ｉ→ＳｍＡ→Ｋ相系列を有するＣ１０と種々の割合で混合した。異なる量のＣ１０を用いた二つの配合物を製造した。Ｃ１０だけがＳｍＡ相を示すが、すべての配合物がＳｍＣ＊相を示した。
【００８９】
【表１１】
0005552429.tif 000028
【００９０】
これらの配合物の電気光学特性を、図１に示した１３ｍｍ×１６ｍｍ液晶セルで測定した。液晶試験用セルを次の方法で製造した：ＩＴＯコーティングを、それぞれについてコンタクトパッドを有する５ｍｍ×５ｍｍの活性化領域で光パターン化した。ＩＴＯコーティングされたガラスは、ガラス基板とＩＴＯコーティングの間にＳｉＯ２コーティングを有し、ＩＴＯのシート抵抗は１００オーム／スクエアであった。指定された配向剤を約２５ｎｍの厚さにスピンコートし、硬化させ、その後ラビングして、配向層を形成させた。所望のサイズのスペーサーを約２％（質量）量で紫外線硬化性シーラントと混合し、これを一つの基板上のセルの２つの端部において、配向層の上面に適用した。それを、シーラントの適用なしに別の基板と、配向層どうしが内側を向き且つ逆平行ラビング配向となるようにラミネートした。二つの基板は１３ｍｍ×１３ｍｍの基板の重なりおよび５ｍｍ×５ｍｍの対向する電極を有し、かつ電源接続用コンタクトパッドを有する二つの相対する３ｍｍ出っ張りを有するように、ねじれた形態に組み立てた。この組立品を、真空プレスを使用して圧縮し、紫外線光源を照射して、シーラントを硬化させた。
【００９１】
配向層としてのナイロンと３μｍスペーサーとを用いて作ったセルを上記の配合物で充填することによって透過型液晶デバイスを作製した。次にそのポートを紫外線硬化性シーラントでシールし、電場を液晶配合物の全域に適用するための相対するＩＴＯ電極に対して、コンタクトパッドにはんだづけすることによってワイヤーを取り付けた。
【００９２】
充填されたデバイスを、ＳｍＣ＊相の上限の直ぐ下の温度で８００Ｈｚ１０Ｖ／μｍ方形波を適用して処理することにより、均一な配向を生じた。このデバイスを次に４０℃で特性解析し、Ｃ１０の量を増加した場合にそのチルト角は３０．５°から２５°に低下したことが認められ、これは、Ｃ１０のチルト角の調整挙動を明らかにしている。Ｃ１０の量を１７モルパーセントから２５モルパーセントに増加させた場合、応答時間もまた、２００から５０μ秒に低下することがわかった。
【００９３】
実施例３：
Ｃ２７およびＣ２６を合成し、ここでＣ２７はＣ２６のラセミ化同族体である。これらの化合物それぞれのＰｓは下の表に数値をまとめたように測定された。
【００９４】
【表１２】
0005552429.tif 000029
【００９５】
部分的なラセミ（Ｃ２７）およびキラル（Ｃ２６）な化合物を２：１のモル比でブレンドし、配合物３７を作った。この配合物のＰｓは２９ｎＣ／ｃｍ２であることがわかり、エナンチオ過剰率を調整することによって配合物のＰｓを調整できる能力を実証した。
【００９６】
実施例４：
Ｃ１を、Ｉ→ＳｍＡ→Ｃｒ相系列を有するＣ１０と種々の割合で混合した。Ｃ１０はＣ１とは異なり、シアノ‐ビフェニル構造によって強い長手方向双極子を有し、Ｃ１では横方向の双極子（トランスバース双極子）挙動が示され、強誘電性スイッチングをもたらす。異なる量のＣ１０を含有する配合物７〜９を調製し、それらのチルト角を４０℃で測定した。Ｃ１０だけがＳｍＡ相を示すが、すべての配合物がＳｍＣ＊相を示した。図２に示されているように、この組成物を調整することによってチルト角を調整することができる。別の配合物、例えば配合物１３および配合物２では、そのような添加物が、配合物中に不連続のＳｍＡ＊相を導入することなくチルト角を調整するために用いることができる。
【００９７】
実施例５：
Ｃ１を、従来の強誘電体相系列Ｉ→Ｎ→ＳｍＡ＊→ＳｍＣ＊を示す市販の配合物Ｃ１５と種々の割合で混合した。以下の表に示されているように、配合物の相系列は、Ｃ１５の量が増加するにつれて、Ｉ→ＳｍＡ＊→ＳｍＣ＊からＩ→ＳｍＣ＊に移っている。
【００９８】
【表１３】
0005552429.tif 000030
【００９９】
図３示されているように、チルト角の弱い温度依存性が、Ｃ１５含量の低い、Ｉ→ＳｍＣ＊相系列を有する配合物に見られる。Ｃ１５の量が増えるにつれてＳｍＡ相が導入され、同時にチルト角の温度依存性もまた増大した。これらの結果は、Ｉ→ＳｍＡ＊→ＳｍＣ＊を有する配合物に対する、Ｉ→ＳｍＣ＊相系列を有する配合物の利点、さらには、配合物中の少ないＳｍＡ形成成分の利点（これはチルト角の大きな温度安定性を有するＦＬＣ配合物へと導く）を示している。
【０１００】
実施例６：
オリゴシロキサン液晶組成「配合物１９」を、以下の化合物を下記表に示した量で混合することによって調製した。得られた配合物は、−２９〜５０℃の間のＳｍＣ＊範囲をもち、表６に示した相系列をもつと特徴付けられた。
【０１０１】
【表１４】
0005552429.tif 000031
【０１０２】
実施例２に記述したようにして、配合物１９でセルを充填して透過型液晶デバイスを調製した。周辺温度に保持しつつ、３０Ｈｚ  １０Ｖ／μｍ方形波を適用することによる充填されたデバイスの処理が、コントラスト比９：１を有する均一な配向の形成をもたらした。市販の有機強誘電性液晶処方（ＡＺ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  （Ｃｌａｒｉａｎｔ）  Ｆｅｌｉｘ  ０１５／０００）（「化合物」１５）は同じ条件下で２６：１のコントラスト比を有していた。配合物１９を用いて作製したデバイスは、２５℃および４０℃のそれぞれにおいて、６４μ秒および１３５μ秒の電圧印加から９０％透過までの応答時間、１１ｎＣ／ｃｍ２および１６ｎＣ／ｃｍ２のＰｓ、ならびに２４°および２７°のチルト角を示すことがわかった。＞９０％シグナルをもつ良好な双安定性が、２５℃での１０Ｖ／μｍ  ２００μ秒パルスの適用後２０ｍ秒（ミリ秒）保持された（図４ａ）。配合物１９を用いて作製したデバイスはまた、１６０ｎｍ厚ポリイミド配向層（図４ｂ）と、１７ｍ秒のパルス間遅延をもつ１３０μ秒幅の１０Ｖ／μｍ両極性パルスの駆動条件とを備えたセルにおいて、４０℃で良好な双安定性を示した。
【０１０３】
実施例７：
オリゴシロキサン液晶組成「配合物２３」を、以下の化合物を下の表に示した組成で混合することにより調製した。得られた配合物は、３９〜５８℃の間にＳｍＣ＊範囲をもち、表６に示した相系列をもつと特徴付けられた。
【０１０４】
【表１５】
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【０１０５】
実施例２に記載したようにして、配合物２３でセルを充填して透過型液晶デバイスを作製した。５０℃で保持しつつ、５Ｈｚ、１５Ｖ／μｍの方形波の適用によってその充填されたデバイスを処理して、コントラスト比５０：１を有する均一な配向の形成がもたらされた。このデバイスを次に２５℃で特性解析し、７５μ秒の電圧印加から９０％透過までの応答時間、２４ｎＣ／ｃｍ２のＰｓ、および２６．５°のチルト角を示すことがわかった。チルト角が、優れた温度非依存性を示すことがわかった（図５ａ）。２０ｍ秒のパルス間遅延をもつ、２００μ秒幅の１０Ｖ／μｍ両極性パルスで駆動したときに、優れた双安定性が観測された（図５ｂ）。
【０１０６】
実施例８：
オリゴシロキサン液晶組成物「配合物３３」を、以下の化合物を下の表に示された組成で混合することにより調製した。得られた配合物は、−３５〜５５℃の間のＳｍＣ＊範囲をもち、表８に示した相系列をもつと特徴付けられた。
【０１０７】
【表１６】
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【０１０８】
実施例２に記載したようにして、配合物３３でセルを充填することによって、透過型液晶デバイスを作製した。常温に保持しながら、３０Ｈｚ  １８Ｖ／μｍの方形波の適用によってその充填されたデバイスを処理して、均一な配向の形成がもたらされた。このデバイスは次に２５℃で特性解析し、１０Ｖ／μｍにおいて、１３２μ秒の電圧印加から９０％透過までの応答時間、４３ｎＣ／ｃｍ２のＰｓ、および３９°のチルト角を示すことがわかった。５０ｍ秒のパルス間遅延をもつ５００μ秒幅の１０Ｖ／μｍ両極性パルスで駆動したときに、良好な双安定性が観測された（図６）。
【０１０９】
チルト角の高い値に起因して、コントラスト比が３：１のかなり低い値を示すことがわかった。またこのデバイスを、スイッチングが起こらないサブ‐ＳｍＣ＊相に冷却し、次にＳｍＣ＊相に再度加熱し、ＳｍＣ＊相ではコントラスト比が４：１と測定され、したがって、ＳｍＣ＊配向の破壊がないことを示していた。
【０１１０】
実施例９：
オリゴシロキサン液晶組成「配合物２５」を、以下の化合物を下の表に示した組成で混合することにより調製した。得られた配合物は、４１〜６１℃の間のＳｍＣ＊範囲をもち、表６に示された相系列をもつと特徴付けられた。
【０１１１】
【表１７】
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【０１１２】
実施例２に記載したようにして、配合物２５でセルを充填して透過型液晶デバイスを作製した。５０℃に保持しつつ、５００Ｈｚ、１８Ｖ／μｍの方形波の適用によってその充填されたデバイスを処理して、コントラスト比５０：１を有する均一な配向の形成をもたらした。このデバイスを、次に２５℃で特性解析し、２００μ秒の電圧印加から９０％透過までの応答時間、１７ｎＣ／ｃｍ２のＰｓ、および３０°のチルト角を示すことがわかった。チルト角は優れた温度非依存性を示すことがわかった（図７）。この例は、そのチルト角が最適範囲を超えている（すなわち、幅広いチルト角によって劣る明状態の結果として、コントラスト比が低下する）にもかかわらず、配合物において高コントラスト比が達成されることを示した。チルト角は、実施例１および２で実証した技術を用いて最適範囲に調整して、この配合物に基づく適正な特性を達成することができる。
【０１１３】
実施例１０
オリゴシロキサン液晶組成「配合物２０」を、以下の化合物を下の表に示した組成で混合することによって調製した。得られた配合物は、−２７〜４９℃の間のＳｍＣ＊範囲をもち、表６に示した相系列をもつと特徴付けられた。
【０１１４】
【表１８】
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【０１１５】
ポリイミド配向層を用い、実施例２に記載したようにして、セルに配合物２０を充填することによって、透過型液晶デバイスを作製した。常温に保持しながら、３０Ｈｚ  １０Ｖ／μｍの方形波の適用により、その充填されたデバイスを処理して、コントラスト比３４：１を有する均一な配向の形成をもたらした。配向は、ＳｍＣ＊より下の相に冷却した後も適度に良く保持されていることが認められ、かつコントラスト比は、再加熱後に２９：１であることがわかった。
【０１１６】
このデバイスは、それぞれ２５℃で、６６μ秒の電圧印加から９０％透過までの応答時間、３０ｎＣ／ｃｍ２のＰｓ、および３０．５°のチルト角を示すことがわかった。１３ｍ秒のパルス間遅延をもつ１３３μ秒幅、１０Ｖ／μｍの両極性パルスでこのデバイスを駆動したとき、優れた双安定性が２５℃で観測された（図８）。この実施例は、チルト角が最適範囲を超えているけれども、配合物において速い応答時間の達成を示した。チルト角を実施例２で実証した技術を用いることによって最適範囲に調整して、この配合物に基づく適正な特性セットを達成することができる。
【０１１７】
実施例１１：
オリゴシロキサン液晶組成「配合物３１」を、以下の化合物を下の表に示した組成で混合することによって調製した。得られた配合物は、１３〜６０℃の間のＳｍＣ＊範囲をもち、表７に示した下記の相系列をもつと特徴付けられた。
【０１１８】
【表１９】
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【０１１９】
ポリイミド配向層を用い、実施例２に記述したようにして、配合物３１でセルを充填して透過型液晶デバイスを製造した。５５℃に保持しつつ、６０Ｈｚ  ２０Ｖ／μｍ方形波の適用により、その充填されたデバイスを処理して、３０分以内で均一な配向の形成をもたらした。このデバイスは次に４０℃で特性解析を行い、３００μ秒の電圧印加から９０％透過までの応答時間、４０ｎＣ／ｃｍ２のＰｓ、および４４．５°のチルト角を示すことがわかった。チルト角は優れた温度非依存性を示すことがわかった（図９）。
【０１２０】
本発明を説明する目的のために特定の代表的態様及び詳細を示したが、添付した特許請求の範囲で定義した本発明の範囲から離れることなく、様々な変更ができることは、当業者には明らかである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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