(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キラル物質とネマチック液晶との混合物を含有し、該混合物が２つの基板間に挟持され、その配向ベクトルが一方の基板に平行に配向しそして他方の基板に垂直に配向し、かつ２つの異なる波長の光を照射することにより、前記混合物のキラリティを、光学的性質が異なる２つの状態に相当するキラリティが異なる２つの安定な状態間で、可逆的に切り換えることができることを特徴とする、情報の記憶に有用なデバイス。
【請求項２】
デバイスが２つの偏光板の間に配置されている、請求項１のデバイス。
【請求項３】
情報書き込み用レーザービームをビームスプリッターにより参照光と物体光に２分割し、物体光の位相を変調器により変調し、変調された物体光と参照光を導入すると干渉してホログラムを形成し、情報が書き込まれる、請求項１のデバイス。
【請求項４】
前記情報書き込み用レーザービームの波長と異なる波長の光を照射することにより書き込まれた情報が消去される、請求項３のデバイス。
【請求項５】
ネマチック液晶が非芳香族カラミチック（棒状）分子よりなる、請求項１のデバイス。
【請求項６】
ネマチック液晶がネマチックディスコチック分子よりなる、請求項１のデバイス。
【請求項７】
キラル物質が立体的に混雑したオレフィンよりなる、請求項１のデバイス。
【請求項８】
キラル物質がキラルアゾ化合物よりなる、請求項１のデバイス。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は新規なキロ光学(chirooptical)システムおよび新規なキロ光学媒体を使用するディスプレイに関する。特に、本発明は液晶光学記憶デバイスおよびシステムに関する。
背景技術
データの記憶には、可逆性光学記憶機能を有する材料とデバイスが必要とされる。光コンピューター、音声および映像情報用の記憶システムには光学記憶を応用できる。
多くのタイプの光学記憶デバイスがあり、それらは非可逆性記憶処理を使用して一回だけ書き込み可能なものである［一回書き込み・読む取り−多数系(write-once-read-many systems=WORM systems)］。ところが、これらはコンピューター用の記憶システムに応用できないし、またそれらは可逆的でないため音声および映像情報に用途が限られている。
多くの目的には、可逆性記憶処理を使用して、多数回書き込みできる［消去再書き込み系(erasable-direct-read-after-write-systems=EDRAW systems)］、デバイスが一層有利である。このために、光学データ記憶用の材料に関する調査がEmmelius、G.PawlowskyおよびH.W.Vollmannによって「Angew.Chem.Intern.Ed.28,1445(1989)」に提示されている。ところが、光学データ記憶用の入手可能なすべての媒体は、例えば記憶密度、記憶速度、可逆性、長時間安定性に若干の欠点を有するので、新規な光学記憶材料とデバイスについての調査は意味のあることである。
概して、この種のデバイスは２枚のガラススライドの間に挟持された液晶物質の層からなっている。波長の異なる光を照射すると、アゾ化合物を含むデバイスはネマチック状態から等方性状態におよびその逆に変化する（例えば、D.Demus,G.Pelzl,F.Kuschel DD WP134-279)。
特に、そのようなデバイスにはアゾ基を含有する液晶性高分子が提案されている（H.Finkelmann,W.MeierおよびH.Scheuermann,in:Liquid Crystals.B.Bahadur編Applications and Uses,World Scientific Singapore 1992,vol.3,p.345-370）。
提案されたアゾ化合物は、大量のアゾ化合物が相当する異性体に変換されなければならないので、照射の強度と時間がきわめて高くなるという欠点を有する。それ故、切り替え時間が極めて長くなる。
また、コレステリック相の熱誘起組織変化（S.KobayashiおよびA.Mochizuki,in:Liquid Crystals.B.Bahadur編Applications and Uses,World Scientific Singapore 1992,vol.3,p.291-293）あるいはスメクチックＡ相の熱誘起組織変化（D.Coates, in:Liquid Crystals.B.Bahadur編Applications and Uses,World Scientific Singapore 1990,vol.1,p.275-303）に基づく熱−光学液晶デバイスが提案されている。
熱−電気光学ディスプレイはそれぞれ低分子ガラス状態形成性液晶（D.DemusおよびG.Pelzl,DD WP 242 624 A1）、高分子ガラス状態形成性液晶（H.Finkelmann,W.MeierおよびH.Scheuermann、in:Liquid Crystals.B.Bahadur編Applications and Uses,World Scientific Singapore 1992,vol.3,p.345-370）をガラス状態の熱界と電界の併用効果を利用している。ところが、一般に熱−光学デバイスは液晶物質を局部的に加熱するためにかなり大きなエネルギーを必要とする。
M.ZhangおよびG.B.Schuster,J.Phys.Chem.96,3063-3067(1992)には、コレステリック混合物をネマチック混合物へ変換する、キラルなビナフチル誘導体の光学ラセミ化について報告されている。反応は不可逆性であるので、ネマチックからコレステリックへもどるのは不可能であり、そしてその物質を繰り返しのデータ記憶のために使用することはできない。
可逆的なデータ記憶システムについて、ホログラフイー技術が研究されている。この応用に向って数種の物質が検討されてきた。３つのタイプの物質、すなわち無機金属化合物、光屈折性ポリマーおよび高分子液晶が報告されている。ところが、これらはすべて欠点を有している。
光学データ記憶用材料として、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、チタン酸バリウム(BaTiO3)およびビスマスシリコンオキサイド(Bi12SiO20)のような光屈折性結晶が提案され、25年間研究されている。ところが、それらは開発が困難で高価である上にそれらの性質を容易に変えることができないので、商業的に適さない。
また、いろいろな光屈折性ポリマーと高分子液晶も提案されている（吉永等の特開昭２−280116号公報、T.Todorov等のApplied Optics,23(23),4309(1984)、M.EichなどのMakromol.Chem.,Rapid Commun.,8,59および467(1987)）。光屈折効果により、それぞれが100万ビットの情報を含む100以上の完全な像またはホログラムを記憶できることが確認された。それらは容易に作製することができるので、大きな経済的利点を有する。ところが、それらは重大な欠点を有する。光に応答する速度が半導体に比べてまったく遅いと云うことである。現存するポリマーの大部分では、その物質が電気光学的に活性になるように非線形光学発色団の方向を合わせるために電界の印加が必要とされる。
生産が容易で、迅速な応答を容易にする低粘性、大きなデータ記憶容量、読み取りと書き込み情報の可逆性および安定性のようなすぐれた性質を有する新規なデータ記憶システム、デバイスおよび材料が所望されている。本発明の目的は従来技術の上記欠点を克服し、上記の所望の性質を有する新規なデータ記憶システム、デバイスおよび材料を提供することである。
発明の開示
本発明者は絶えまない努力により、適切なキラル物質(キラルドーパント)とネマチック液晶との混合物を使用し、これに２つの異なる波長の光を照射することにより、混合物のキラリティを、光学的性質が異なる２つの状態に相当するキラリティが異なる２つの安定な状態間で可逆的に切り換えることができ、情報の記憶に有用であることを見出した。
異なるキラルピッチ長により誘起される光学的性質が異なる２つの状態を利用して、多くの情報を液晶混合物に記憶することができる。システムは可逆性であり、２つの異なる波長を有する光を照射してデータの読み取りと書き込みを繰り返すことができる。２つの状態は物理化学的に安定であり、スイッチングを除いて、２つの状態の光学的性質は決して変化しない。
システム、特にデバイスは２つのガラス板またはプラスチック板の間に挟持されたキラルなネマチック液晶からなるネマチック液晶セルで構成されている。情報の記憶はネマチック温度範囲内で行うことができる。
本発明のデータ記憶システムはデータ記憶材料としてネマチック液晶を用いているので、材料の粘度は比較的低く、光照射に対して極めて早い応答を容易にする。
これらの魅力的な性質はネマチック液晶、キラルドーパント、ネマチック液晶セルおよび光照射の組み合わせにより誘起することができ、これは従来決して提案されなかった新しい方策である。
以下にさらに詳しく説明する。例えば光照射によりキラリティが異なる２つの状態間でのスイッチングを誘起する材料では、波長“Ｃ”nmの光を照射することにより形態“Ａ”を別の形態“Ｂ”に切り換えることができ、別の波長“Ｄ”nmの光により逆スイッチングが起こる。Ａ、Ｂ２つの形態間の切り替えは完了する必要はない。したがって、２つの形態はキラリティが異なる両異性体の混合物よりなっている。
キラルな化合物とそれらの混合物は液晶物質中、通常は多成分混合物中に溶解して、コレステリック液晶媒体(キラルなネマチック混合物)を形成する。コレステリック媒体は強い光学活性を示し、これは直線偏光面の分岐点となる。この物質は２つの基板面例えばガラス板またはプラスチック板の間に挿入され、ハイブリッドセルを形成することが好ましい。ハイブリッドセルでは、２つの基板面は図１に示すように液晶分子が一方の基板面に垂直で他方の面にはチルト角があってもよくあるいはなくてもよいが平行になるように配置されている。コレステリック物質を充填すると、ハイブリッドセルは光学活性を示す。偏光軸がお互いに垂直な２つの偏光板は２つの基板面の外側に配置される。
光学活性はキラルドーパントの濃度とセル厚さに依存する。ドーパントの濃度が増加しそしてセル厚さが増大すると光学活性が増大する。偏光板を適切な方向に調整すると、デバイスは暗状態を示す。波長“Ｃ”nmの光を照射した後では、デバイスは明状態を示す。明状態に波長“Ｄ”nmの光を照射するとデバイスは暗状態に復帰する。
明暗状態は長期間安定であるので、デバイスを情報記憶に使用することができる。照射は適したレーザーを用いて点様(point-wise)または走査モード(scanning mode)で行うことができる。画像の投影を照射すると全体の画像が記憶される。
また、偏光板は、デバイスが最初明状態にあり、波長“Ｄ”nmの光を照射した後には暗状態に切り換わるような別の方法で調整することができる。
また、本発明のデバイスは情報のホログラフィー記録のために使用することができる。この場合、レーザーは情報を書き込むために使用するのが好ましい。図２によれば、レーザー光は２つのビームに分割され（物体および参照光）、その１つは（物体光）変調器により変調される。本発明で述べられる液晶デバイス内では、２つのビームが干渉して情報を含むホログラムを形成する。可視スペクトルのレーザ光、好ましくは円偏光のレーザ光を使用して、情報を読み取ることができる。別の異なる波長の光を照射して情報を消去することができる。
原則として、いかなる種類の光、すなわち可視光および非可視光、偏光および非偏光をスイッチング用の照射に使用することができる。
本発明で使用されるネマチック液晶は、キラルな化合物を普通のアキラルなネマチック液晶基礎混合物にドーピングすることにより得ることができる。異なる波長を有する２種類の光を照射すると、らせんツイスト構造を誘起しそして２つの異なつた光学的性質を有する２つの安定な状態を誘起するあらゆる種類のキラルな化合物を、ネマチック液晶基礎混合物と併用して本発明に使用することができる。この場合、ドーピングに使用されるキラルな化合物は液晶性を有する必要はない。
例えば、デバイスに適したキラルな化合物は立体的に混雑した（sterically overcrowded）キラルなオレフィンである（B.L.Feringa, W.F.Jager,B.de Lange J.Am.Chem.Soc.113,5468-5470(1991);W.F.Jager,B.de Lange,B.L.Feringa Mol.Cryst.Liq.Cryst.217,133-138(1992);E.W.Meijer,B.L.Feringa Mol.Cryst.Liq.Cryst.235,169-180(1993),W.F.Jager,J.C.de Jong,B.de Lange,N.P.M.Huck,A.Meetsme and B.L.Feringa,Angew.Chem.Int.Ed.Engl.,34(1995),No.3,348-350）。これらは例えば一般式(1−1)により表すことができる。
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（式中、Ra、Rb、Rcはアルキル、アルコキシ、水素、ヒドロキシル、ニトロ、ジアルキルアミノであり、そしてX1、X2は酸素、硫黄、メチレンである）。
また、シスまたはトランス異性体として存在しうる一般式(1−2)のアゾ化合物は、それらがキラル基で置換される場合にデバイスに使用することができる。シスおよびトランス異性体はそれらの光学活性が異なっており、ネマチック液晶をコレステリック物質に変換することができる。
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（式中、Ｙ、Y′は互いに独立して、単結合、酸素、硫黄、カルボニル、エステル基、1,2−エチレン、1,2−エテニレン、1,2−エチニレン、1,4−ブチレン、メチレンオキシ、オキシメチレン、ジフルオロメチレンオキシ、置換または非置換ベンゼン、シクロヘキサン、複素環、ビフェニル、ビシクロヘキシルのような環系であり、Rdはアルキル、アルキルオキシ、アルカノイルオキシ、アルコキシアルキル、アルケニル、アルキニル、アルケニルオキシ、アルキニルオキシ、アルカジエニル、アルカジエニルオキシ、ハロアルキル、ハロアルキルオキシであり、Ｒはキラル基、好ましくは１−メチルプロピル、１−メチルブチル、１−メチルペンチル、１−メチルヘキシル、１−メチルヘプチル、１−メチルオクチル、１−メチルノニル、２−メチルブチル、２−メチルペンチル、１−エチルヘプチル、１−トリフルオロメチルヘプチルのような伸長基である）。
ネマチック液晶基礎混合物のためには、ネマチック化合物のすべての構造を使用することができる。普通、下記の化合物(2−1)〜(2−190)を有効に使用することができる。下記一般式において、R1、R2はアルキル、アルキルオキシ、アルケニル、アルキニルおよび液晶として代表的なその他の基である。
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どんな種類のネマチック液晶でも本発明に適用できるが、液晶基礎混合物は２つの状態間でスイッチングする照射光の領域において光学吸収帯をもたないことが好ましい。スイッチングは紫外光により行うのが好ましいので、特に非芳香族液晶物質が有用であり、下記一般式(2−191)〜(2−227)の化合物が好ましい。下記一般式において、R1、R2はアルキル、アルキルオキシ、ハロゲン、シアノおよび液晶として代表的なその他の基であり、ｍ、ｎは独立して０〜10である。
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これらの一般式の液晶は既に知られており、文献に記載されている。このようなタイプの化合物は近UV域では光学吸収を示さない。
基礎混合物として、ネマチックディスコチック物質(ディスコチック物質はV.Vill,Hamburg 1995によりパーソナルコンピューター用の液晶化合物の液晶データベースに掲載されている)を使用することができる。ネマチックディスコチック化合物は通常比較的高い透明温度を有するので、多成分混合物が必要である。ディスコチックネマチック物質は立体的に過密なキラルオレフィンと特に相溶する。
下記化合物(3−1)〜(3−11)は本発明に適したディスコチック物質である。下記一般式において、Reはアルキル鎖またはハロゲン原子を表し、アルキル鎖中の１個または２個のメチレン部分はＯ、Ｃ＝Ｏ、Ｓ、CH＝CH、Ｃ≡Ｃで置換することができ、そして１個または２個の水素はCNまたはハロゲン原子で置換することができる。ＺはOCO、CH2CH2、Ｃ≡Ｃ、CH2O、OCH2、CH2S、SCH2、NHCO、OCOCH2、OCOCH＝CH、CH2OCO、Ｎ＝Ｎを表す。
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【図面の簡単な説明】
図１はハイブリッドセルにおける液晶の配向ベクトルを示す。
図２は本発明のデバイスを使用するホログラフィー配置図を示す。
発明を実施するための最良の形態
実施例１
ハイブリッドセルおよび液晶混合物を使用するキロ光学デバイスの製作
室温でネマチック相を示すネマチック混合物99.9wt％（65モル％の４−ブチルシクロヘキサンカルボン酸＋35モル％の４−ヘキシルシクロヘキサンカルボン酸、透明温度＝91℃、Δn＝0.02）と一般式(1−1)(式中、Raは水素であり、Rbはジメチルアミノであり、Rcはニトロであり、X1およびX2は硫黄である)のキラル化合物0.1wt％からなるコレステリック混合物を調製した。コレステリック混合物を、図１に図示するように液晶を一方のガラスに平行に並べそして他方のガラスに垂直に並べたハイブリッドに挿入した。２つの偏光板を適切な相互の角度に調整して、暗状態を示すキロ光学セルを得た。スキーム１に示すように２つの異なる波長(435nm／暗状態、365nm／明状態)を有する光を照射して、２つの安定な繰り返し可能な状態すなわち暗状態および明状態を得た。
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実施例２
ホログラフィー記録システムの製作
図２に示すようなホログラフィー配置をとった。ここでBSはビームスプリッターを表わす。液晶セルに実施例１で得られたコレステリック混合物を充填した。波長435nmのレーザ光を２つのビームに分割し、そのうちの１つを変調器によって変調した。液晶デバイス内で、２つのビームは干渉して情報を含むホログラムを形成した。波長365nmの光を照射して、情報を消去できた。
実施例３
ハイブリッドセルとアゾ化合物を含有する液晶混合物を使用するキロ光学デバイスの製作
４−ブチルシクロヘキサンカルボン酸65モル％と４−ヘキシルシクロヘキサンカルボン酸35モル％との混合物はネマチックであり、透明温度は91℃であった。この混合物は可視または近UVスペクトル域では光を吸収しなかった。この混合物に１モル％の(Ｓ)−４−エトキシ−4′−（２−メチルブチル）アゾベンゼンを添加してコレステリック物質を得た。図１に図示するように液晶を一方のガラスに平行に並べそして他方のガラスに垂直に並べたハイブリッドセルに、混合物を挿入した。波長350nmの光を照射して、アゾ化合物のシス異性体を生成した。400〜500nmの波長域の光を照射して、トランス異性体を生成した。これらの好適な波長域のうちの１つの光を選択的に照射して、情報を登録・消去することができる。
実施例４
アゾ化合物を含む混合物を使用するホログラフィー記録システムの製作
実施例２に記載したようなホログラフィー配置をとった。液晶セルに実施例３で製造した混合物を充填した。波長350nmのレーザービームを２つのビームに分割し、そのうちの１つを変調器によって変調した。液晶デバイス内で、２つのビームは干渉して情報を含むホログラムを形成した。波長400〜500nmの波長域の光を照射して、情報を消去できた。
実施例５
ハイブリッドセルおよび液晶混合物を使用するキロ光学デバイスの製作
2,3,4,5,6−ペンタキス（２−(４−ペンチルフェニル)エチニル）−１−(11−ヒドロキシウンデシルオキシ)ベンゼン45モル％、2,3,4,5,6−ペンタキス（２−（４−ペンチルフェニル）エチニル）−１−（10−エトキシカルボニルデシルオキシ）ベンゼン40モル％および2,3,4,5,6−ペンタキス（２−(４−ペンチルフェニル)エチニル）−１−（10−ヒドロキシカルボニルデシルオキシ）ベンゼン15モル％よりなるネマチックディスコチック混合物を調製した。各化合物は文献、D.Janietz,K.PraefckeおよびD.Singer,Liq.Cryst.,13(2),247(1993)により合成した。調製したネマチックディスコチック基礎混合物99.9wt％および一般式Ｉ（Ra＝水素、Rb＝ジメチルアミノ、Rc＝ニトロ、X1＝X2＝硫黄）で表されるキラル化合物0.1wt％からなるネマチックディスコチック混合物を調製した。ネマチックディスコチック混合物を、図１に図示するように液晶を一方のガラスに平行に並べそして他方のガラスに垂直に並べたハイブリッドに挿入した。２つの偏光板を適切な相互の角度に調整して、暗状態を示すキロ光学セルを得た。２つの異なる波長を有する光を照射して、２つの安定な繰り返し可能な状態すなわち暗状態および明状態を得た。
実施例６
ネマチックディスコチック混合物を使用するホログラフィー記録システムの製作
図２に図示したようなホログラフィー配置をとった。液晶セルに実施例５で得られたディスコチック混合物を充填した。波長435nmのレーザービームを２つのビームに分割し、そのうちの１つを変調器によって変調した。液晶デバイス内で、２つのビームは干渉して情報を含むホログラムを形成した。波長365nmの光を照射して、情報を消去できた。
【図１】
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【図２】
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