JP4815671B2 - 液晶組成物 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電気光学的液晶表示材料として有用なネマチック液晶組成物及び、これを用いた液晶表示素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
液晶表示装置(LCD)は、電卓のディスプレイとして登場して以来、コンピューターの開発と歩みを同じくして、TN-LCD(捻れネマチック液晶表示装置)から、STN-LCDへと表示容量の拡大に対応してきた。STN-LCDは、シェファー(Scheffer)等[SID '85 Digest, 120頁(1985年)]、あるいは衣川等[SID '86 Digest, 122頁(1986年)]によって開発され、ワードプロセッサ、パーソナルコンピュータなどの高情報処理用の表示に広く普及しはじめている。最近、STN-LCDでの応答特性を改善する目的でアクティブ・アドレッシング駆動方式が提案されている。(Proc.12th International Display Research Conference p.503 1992年)また、携帯用端末表示(Personal Digital Assistance)ではより広い温度域で良好な表示特性が要求されている。この様な液晶材料として粘性が低く、駆動電圧が低くなおかつ広い温度範囲に対して一定値を保持することや、あるいは種々の時分割に対応した周波数範囲で駆動電圧が変動しないことが要求されている。しかし、表示素子に組み込んだときの応答速度やコントラストなどはまだ十分とは言えず、現在も新しい液晶化合物あるいは液晶組成物の提案がなされている。
【0003】
上述のようにTN-LCDやSTN-LCDの重要な特性改善課題の一つにコントラストの向上がある。LCDの急速な用途拡大に伴い、室内で使用されるだけでなく、コンピューターの携帯端末ディスプレイ、車載用計器、屋外使用計測機のディスプレイのように、温度条件の過酷な屋外で使用されることが増加してきた。そのため、LCDが置かれる環境の温度変化による表示コントラストの低下、低温における応答速度の低下による表示品位の悪化が問題になってきている。また、屋外での使用では高い信頼性も求められるようになってきた。
【0004】
周囲の温度変化によるLCD表示品位の低下の原因は、様々な要因が上げられるが、ネマティック液晶の弾性定数・誘電率などの温度変化と添加したカイラル物質の固有ピッチの温度変化に起因する閾値電圧Vthの温度変化を抑えるため、カイラル物質の固有ピッチの温度変化を制御することにより閾値電圧の温度依存性を改善する提案(特開昭55-38869公報)はすでに知られており、母体液晶とカイラル物質の組み合わせによりその効果が変化する事や、カイラル量を増やすことによりレスポンス等の表示特性に悪影響を及ぼすことが問題になっていた。
しかし、ネマティック液晶の粘度の温度変化によるレスポンス等の表示特性の悪影響に対する改善策は知られていない。
【0005】
粘性を下げる材料として、式(A)
【0006】
【化10】
【0007】
で表される材料が既に知られている。しかし、粘度の低減効果、その温度依存性の低減は十分とは言えなかった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、閾値電圧、急峻性等の液晶諸特性を低下させることなく、粘度の温度依存性の小さい液晶組成物を提供することにあり、またこの液晶組成物を使用した応答速度が速くコントラストの高い液晶表示素子を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、種々の液晶化合物を用いた液晶組成物を検討した結果以下の液晶組成物を見いだした。
【0010】
発明1、第一成分として一般式(I)
【0011】
【化11】
【0012】
(式中、R1、R2は炭素原子数0〜5のアルキル基を表し、s、tはそれぞれ独立的に0、1、2もしくは3を表す。)から選ばれる化合物を1種もしくは2種以上を含有し、第二成分として一般式(II)、及び(III)
【0013】
【化12】
【0014】
(式中、R3、R4及びR5はそれぞれ独立的にフッ素置換されていても良い炭素原子数1〜16のアルキル基またはアルコキシル基、炭素原子数2〜16のアルケニル基、炭素原子数3〜16のアルケニルオキシ基、または炭素原子数1〜10のアルコキシル基で置換された炭素原子数1〜12のアルキル基を表し、環A、環B及び環Cはそれぞれ独立的にフッ素原子により置換されていてもよい1,4−フェニレン基、2−メチル−1,4−フェニレン基、3−メチル−1,4−フェニレン基、トランス−1,4−シクロヘキシレン基、トランス−1,3−ジオキサン−2,5−ジイル基、ピリジン−2,5−ジイル基、ピリミジン−2,5−ジイル基、ピラジン−2,5−ジイル基またはピリダジン−2,5−ジイル基を表し、mは0、1もしくは2を表し、Z1 及びZ2はそれぞれ独立的に単結合、−CH2CH2−、−(CH2)4−、−OCH2−、−CH2O−、−CH=CH−、−COO−または−C≡C−を表し、X1、X2 は、フッ素原子を表し、X3、X4は、水素原子、またはフッ素原子を表す。ただしm=0、環A及び環Bが1,4−フェニレン基、Z1が−C≡C−の場合、R4及びR5は同時にアルケニル基ではない。)それぞれから選ばれる化合物を1種もしくは2種以上を含有することを特徴とする液晶組成物に関する。
【0015】
発明2、一般式(I)の化合物の含有率が2〜40質量%の範囲で、なお且つ第二成分として一般式(II)の化合物を1種もしくは2種以上を含有しその含有率が2〜60質量%の範囲であることを特徴とする発明1記載の液晶組成物に関する。
【0016】
発明3、一般式(I)の化合物を1種もしくは2種以上を含有し、その含有率が2〜40質量%の範囲で、さらに一般式(II)もしくは一般式(III)の化合物の中から選んだ1種もしくは2種以上を含有し、選んだ化合物の含有率がそれぞれ2〜95質量%の範囲であることを特徴とする発明1または2記載の液晶組成物に関する。
【0017】
発明4、一般式(III)の化合物として、環Aおよび環Bがトランス-1,4-シクロヘキシレン基であり、Z1、Z2が単結合の一般式(III-a)
【0018】
【化13】
【0019】
(式中、R6、R7はR4、R5と同じ意味を表し、環Dは1,4-フェニレン基またはトランス-1,4-シクロヘキシレン基を表し、nは0もしくは1を表す。)から選ばれる1種もしくは2種以上の化合物を含有することを特徴とする発明1〜3のいずれかに記載の液晶組成物に関する。
【0020】
発明5、一般式(III-a)の化合物を1種もしくは2種以上を含有し、その含有率が2〜60質量%の範囲であることを特徴とする発明1〜4のいずれかに記載の液晶組成物に関する。
【0021】
発明6、一般式(III-b)
【0022】
【化14】
【0023】
(式中、R8、R9はそれぞれ独立的炭素原子数1〜8のアルキル基または炭素原子数2〜8のアルケニル基を表す。)から選ばれる1種もしくは2種以上の化合物を含有し、その含有率が2〜40質量%の範囲で、さらに一般式(III-c)
【0024】
【化15】
【0025】
(式中、R10、R11はそれぞれ独立的に炭素原子数1〜8のアルキル基または炭素原子数2〜8のアルケニル基を表す。)から選ばれる1種もしくは2種以上の化合物を含有しその含有率が2〜40質量%の範囲であることを特徴とする発明1〜5のいずれかに記載の液晶組成物に関する。
【0026】
発明7、一般式(I)が、一般式(Ia)
【0027】
【化16】
【0028】
(式中、R12、R13は炭素原子数0〜5のアルキル基を表す。)から選ばれる1種もしくは2種以上の化合物を含有し、その含有率が2〜40質量%であり、且つ一般式(II) の化合物として、一般式(IIa)
【0029】
【化17】
【0030】
(式中、R14は炭素原子数1〜8のアルキル基または炭素原子数2〜8のアルケニル基を表す。)から選ばれる1種もしくは2種以上の化合物を含有し、その含有率が2〜60質量%であり、且つ一般式(III)の化合物として、一般式(III-b)
【0031】
【化18】
【0032】
(式中、R15、R16はそれぞれ独立的炭素原子数1〜8のアルキル基または炭素原子数2〜8のアルケニル基を表す。)から選ばれる1種もしくは2種以上の化合物を含有し、その含有率が2〜40質量%の範囲で、さらに一般式(III-c)
【0033】
【化19】
【0034】
(式中、R17、R18はそれぞれ独立的に炭素原子数1〜8のアルキル基または炭素原子数2〜8のアルケニル基を表す。)から選ばれる1種もしくは2種以上の化合物を含有しその含有率が2〜40質量%の範囲であることを特徴とする発明1〜6のいずれかに記載の液晶組成物に関する。
【0035】
発明8、発明1〜7のいずれかに記載の液晶組成物を用いた液晶表示素子に関する。
【0037】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一例について説明する。
【0038】
発明1において、第一成分として一般式(I)から選ばれる化合物を1種もしくは2種以上を含有するが、1種もしくは2種が好ましい。また、式中、R1、R2は炭素原子数0〜5のアルキル基を表すが、炭素原子数0もしくは1のアルキル基が特に好ましい。またs、tはそれぞれ独立的に0、1、2もしくは3を表すが、s=2、t=2の場合が特に好ましい。さらに、第二成分として一般式(II)、(III)から選ばれる化合物を1種もしくは2種以上を含有するが、3種以上が好ましく、3種〜20種がさらに好ましく、5種〜15種が特に好ましく、その中に一般式(II)の化合物を少なくとも1種以上含むことがより好ましい。この液晶組成物はネマチック相上限温度が75℃以上であることを特徴とするが、80℃以上が好ましく、85℃以上が特に好ましい。また、Δnは0.07〜0.30の範囲であることを特徴とするが、0.08〜0.24が好ましい。R3、R4及びR5はそれぞれ独立的にフッ素置換されていても良い炭素原子数1〜16のアルキル基またはアルコキシル基、炭素原子数2〜16のアルケニル基、炭素原子数3〜16のアルケニルオキシ基、または炭素原子数1〜10のアルコキシル基で置換された炭素原子数1〜12のアルキル基を表すが、炭素原子数1〜16のアルキル基、炭素原子数2〜16のアルケニル基が好ましく、炭素原子数1〜8のアルキル基、炭素原子数2〜8のアルケニル基がより好ましく、1〜5のアルキル基もしくはアルケニル基として式(a)〜(e)が特に好ましい。
【0039】
【化20】
【0040】
(構造式は右端で環に連結しているものとする。)
環A、環B及び環Cはそれぞれ独立的にフッ素原子により置換されていてもよい1,4-フェニレン基、2-メチル-1,4-フェニレン基、3-メチル-1,4-フェニレン基、ナフタレン-2,6-ジイル基、フェナントレン-2,7-ジイル基、フルオレン-2,7-ジイル基、トランス-1,4-シクロヘキシレン基、1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン-2,6-ジイル基、デカヒドロナフタレン-2,6-ジイル基、トランス-1,3-ジオキサン-2,5-ジイル基、ピリジン-2,5-ジイル基、ピリミジン-2,5-ジイル基、ピラジン-2,5-ジイル基またはピリダジン-2,5-ジイル基を表すが、1,4-フェニレン基、トランス-1,4-シクロヘキシレン基が好ましく、環A、環Bにおいてはトランス-1,4-シクロヘキシレン基がより好ましく、環Cにおいては1,4-フェニレン基がより好ましい。mは0、1もしくは2を表すが、0もしくは1が好ましい。Z1及びZ2はそれぞれ独立的に単結合、-CH2CH2-、-(CH2)4-、-OCH2-、-CH2O-、-CH=CH-、-COO-または-C≡C-を表すが、Z1においては単結合もしくは-CH2CH2-が好ましく、単結合がより好ましい。Z2においては単結合もしくは-C≡C-が好ましく、単結合がより好ましい。X1、X2、X3、X4は水素原子、フッ素原子または塩素原子を表すが、水素原子、フッ素原子が好ましく、フッ素原子が特に好ましい。X1、X2の少なくとも一方がフッ素原子であることが好ましく、同時にフッ素原子であることも好ましい。
【0041】
【化21】
【0042】
発明2において、一般式(I)の含有率は2〜40質量%であるが、2〜25質量%が好ましく、2〜20質量%が特に好ましく、一般式(II)の含有率は2〜60質量%であるが、5〜60質量%が好ましく、10〜60質量%が特に好ましい。
【0043】
発明3において、一般式(I)の含有率は2〜40質量%であるが、2〜25質量%が好ましく、2〜20質量%が特に好ましく、一般式(II)もしくは一般式(III)の含有率は2〜95質量%であるが、10〜85質量%が好ましく、20〜80質量%が特に好ましい。
【0044】
発明5において、一般式(I)の化合物を1種もしくは2種含有し、その含有率が2〜25質量%が好ましく、2〜20質量%が特に好ましく、一般式(II)の化合物を2種以上含有しその含有率が2〜50質量%であることが好ましく、5〜40質量%が特に好ましく、一般式(III-a)の化合物を2種以上含有しその含有率が2〜50質量%であることが好ましく、5〜40質量%が特に好ましい。
【0045】
発明6において、一般式(III-b)から選ばれる1種もしくは2種以上の化合物を含有しその含有率は2〜25質量%が好ましい。さらに一般式(III-c)から選ばれる1種もしくは2種以上の化合物を含有しその含有率が2〜40質量%の範囲であるが、5〜40質量%が好ましく5〜30質量%であることがより好ましい。式中R8、R9、R10、R1 1はそれぞれ独立的に炭素原子数1〜8のアルキル基または炭素原子数2〜8のアルケニル基を表すが、1〜5のアルキル基もしくはアルケニル基として式(a)〜(e)が特に好ましい。
【0046】
発明7において、一般式(Ia)の含有率は2〜25質量%が好ましく、2〜20質量%が特に好ましい。式中、R12、R13は炭素原子数0〜5のアルキル基を表すが、炭素原子数は0もしくは1のアルキル基が特に好ましい。一般式(II-a)の化合物を1〜10種含有しその含有率が2〜35質量%の範囲であることが好ましく、1〜5種を含有しその含有率が2〜30質量%の範囲であることがより好ましい。式中、R14は炭素原子数1〜8のアルキル基または炭素原子数2〜8のアルケニル基を表すが、1〜5のアルキル基もしくはアルケニル基として式(a)〜(e)が特に好ましい。一般式(III-b)から選ばれる1種もしくは2種以上の化合物を含有し、その含有率が2〜40質量%の範囲が良いが2〜25質量%が好ましい。さらに一般式(III-c)から選ばれる1種もしくは2種以上の化合物を含有しその含有率は5〜40質量%が好ましく5〜30質量%であることがより好ましい。式中R15、R16、R17、R18はそれぞれ独立的に炭素原子数1〜8のアルキル基または炭素原子数2〜8のアルケニル基を表すが、1〜5のアルキル基もしくはアルケニル基として式(a)〜(e)が特に好ましい。
【0047】
上記ネマチック液晶組成物はTN-LCDやSTN-LCDに有用であるがSTN-LCDに特に有用である。また、透過型あるいは反射型の液晶表示素子に用いることができる。本発明の液晶組成物は、上記の化合物以外に、通常のネマチック液晶、スメクチック液晶、コレステリック液晶などを含有していてもよい。
【0048】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳述するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。また、以下の実施例及び比較例の組成物における「%」は『質量%』を意味する。
【0049】
実施例中、測定した特性は以下の通りである。
TN-I :ネマチック相−等方性液体相転移温度(℃)
T→N :固体相又はスメクチック相−ネマチック相転移温度(℃)
Vth :セル厚6μmのTN-LCDを構成した時のしきい値電圧(V)
Δn :複屈折率
η :粘度(mPa・s)
dη/dT:-20℃から20℃における粘度の温度依存性(mPa・s/℃)
【0050】
【数1】
【0051】
【0052】
STN-LCD表示素子の作成は以下のように行った。ネマチック液晶組成物にカイラル物質「S-811」(メルク社製)を添加して混合液晶を調製し、対向する平面透明電極上に「サンエバー610」(日産化学社製)の有機膜をラビングして配向膜を形成したツイスト角240°のSTN-LCD表示用セルに注入した。なお、カイラル物質はカイラル物質の添加による混合液晶の固有らせんピッチPと表示用セルのセル厚dが、Δn・d=0.85、d/P=0.50となるように添加した。
【0053】
化合物の記載に下記の略号を使用する。
【0054】
【化22】
【0055】
例えば、以下に示すように略号を用いる。
【0056】
【化23】
【0057】
(実施例1、実施例2、比較例1)
ネマチック液晶組成物No.1、No.2を調製し、この組成物の諸特性を測定した結果を比較例1と共に表1に示す。
【0058】
【表1】
【0059】
比較例1中の4-Ph-T-Ph-02および5-Ph-T-Ph-01を一般式(I)の化合物である0d3-Ph-T-Ph-0d3に置換することにより、更に比較例1中の3-Ph-VO-Ph1-CNおよび4-Ph-VO-Ph1-CNを一般式(II-a)の化合物である5-Ph-VO-Ph3-CNに置換することにより、更に比較例1中の3-Cy-Cy-Ph-1を一般式(III-c)の化合物である0d1-Cy-Cy-Ph-1および0d3-Cy-Cy-Ph-1に置換することにより、それぞれ実施例1、2を作製した。結果、20℃および-20で低い粘度を得ることができ、レスポンスτは、室温域(25℃)においても、低温域(-20℃)においても改善されていることがわかる。同時に急峻性γも1.053より、1.045、1.046と急峻となっている。また実施例1、2の-20℃から20℃における粘度の温度依存性dη/dTは比較例1のそれよりも小さく、低温域での粘性の改善効果が大きいためレスポンスも4800msecより、3400msec、2850msecと改善されている。
【0060】
【発明の効果】
本発明の液晶材料の組み合わせによって、粘度が低く、かつ、急峻性の良い液晶組成物が得られた。また、この組成物を液晶表示素子として用いた場合、レスポンスが速く、コントラストの高い優れたものであった。この液晶ディスプレイはSTNおよびTN-LCDとして非常に有用である。
Claims (8)
- 第一成分として一般式(I)
- 一般式(I)の化合物の含有率が2〜40質量%の範囲で、なお且つ第二成分として一般式(II)の化合物を1種もしくは2種以上を含有しその含有率が2〜60質量%の範囲であることを特徴とする請求項1記載の液晶組成物。
- 一般式(I)の化合物を1種もしくは2種以上を含有し、その含有率が2〜40質量%の範囲で、さらに一般式(II)もしくは一般式(III)の化合物の中から選んだ1種もしくは2種以上を含有し、選んだ化合物の含有率がそれぞれ2〜95質量%の範囲であることを特徴とする請求項1または2記載の液晶組成物。
- 一般式(III−a)の化合物を1種もしくは2種以上を含有し、その含有率が2〜60質量%の範囲であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の液晶組成物。
- 一般式(I)が、一般式(Ia)
- 請求項1〜7のいずれか一項に記載の液晶組成物を用いた液晶表示素子。
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