JP2009540023A - 液晶媒体および液晶ディスプレイ - Google Patents

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Abstract

【課題】液晶媒体および液晶ディスプレイを提供する。
【解決手段】本発明は、1種類以上のビメソゲン性化合物、1種類以上のキラルドーパントおよび1種類以上の添加剤を含む液晶媒体と、これらの媒体を備える液晶ディスプレイ、特にフレキソエレクトリック効果を利用するディスプレイと、そのようなディスプレイの応答時間を改良する方法とに関する。
【選択図】なし

Description

本発明はビメソゲン性化合物と、1種類以上のビメソゲン性化合物、1種類以上のキラルドーパントおよび1種類以上のフッ素系界面活性剤を含む液晶媒体と、これらの媒体を備える液晶ディスプレイ、特にフレキソエレクトリック効果を利用するディスプレイと、そのようなディスプレイの応答時間を改良する方法とに関する。
液晶ディスプレイ(LCD:Liquid Crystal Display)は情報をディスプレイするために広く使用されている。用いられる電気光学的モードの例は、捩れネマチック(TN:Twisted Nematic)、超捩れネマチック(STN:Super Twisted Nematic)、光学補償ベンド(OCB:Optically Compensated Bend)および電界効果復屈折(ECB:Electrically Controlled Birefringence)モードとそれらの種々の変法であり、他も知られている。基板と液晶層にそれぞれ実質的に直角な電界を使用している全てのこれらのモードに加え、基板と液晶層にそれぞれ実質的に平行な電界を用いる電気光学的モードもあり、例えば、独国特許第4000451号(特許文献1)および欧州特許第0588568号(特許文献2)で開示され通りの、例えば、インプレーンスイッチング(IPS:In−Plane Switching)モードである。とりわけ、この電気光学的モードは、最新のデスクトップモニター用のLCDに使用されている。強誘電性液晶ディスプレイ(FLCD:Ferroelectric Liquid Crystal Display)と同じように、IPSディスプレイでは、液晶はディスプレイの面内で好ましい配向の分子軸にスイッチする。よって、スイッチングの間に複屈折変化は殆どなく、結果的に光学的効果は色彩的に中性である。
フレキソエレクトリック化合物およびフレキソエレクト−オプティック効果は、例えば、Chandrasekhar、「Liquid Crystals」、2版、Cambridge University Press(非特許文献1)、R.B.MeyerおよびJ.S.Patel、Phys.Review Lett.、1987年、58巻(15号)1538頁(非特許文献2)およびP.RudquistおよびS.T.Lagerwall、Liq.Cryst.、1997年、23巻(4号)、503頁(非特許文献3)より既知である。
均一に横たわるへリックステクスチャー(Uniformly Lying Helix texture)にあるコレステリック液晶でのフレキソエレクトリック効果を用いるディスプレイが提案されている(Phys.Rev.Lett.58巻(15号)、1538〜1540(1987年、非特許文献4)。本出願を通して、用語キラルネマチックおよびコレステリックは、他に明示的に述べられてない場合、同意語として用いられる。フレキソエレクトリック効果それ自体は、Meyer(Phys.Rev.Lett.22巻、918ff頁(1969年)、非特許文献5)より既知であり、Rudquistら(Liq.Cryst.22巻(4号)、445〜449頁(1997年)、非特許文献6)により、最近概説された。
フレキソ電気光学的効果を使用するディスプレイには準ミリ秒のスイッチング時間による利点があり、即ち、優れた視野角およびアナログスイッチングを与える面内スイッチングであり、真正グレイスケールを与える。加えて、応答時間は印加された電界よりもむしろ材料の特性に依存し、45°スイッチングには低い電界が必要とされる。「オン」および「オフ」の時間は等しい。
フレキソエレクトリック装置用の短いコレステリックピッチの液晶組成物は、欧州特許第0971016号(特許文献3)、英国特許第2356629号(特許文献4)およびColesら、J.Mater.Chem.、11巻、2709〜2716頁(2001年)(非特許文献7)から既知である。欧州特許第0971016号(特許文献3)より、高いフレキソエレクトリック係数などを有するメソゲン性エストラジオール類が教示される。
英国特許第2356629号(特許文献4)より、ビメソゲン性化合物およびフレキソエレクトリック装置でのそれらの使用が教示される。ビメソゲン類は通常のモノメソゲン類よりも幾つかの利点を示し、より高いフレキソエレクトリック係数が挙げられ、単位電界当たりのチルトは最大で従来のメソゲン類よりも一桁大きくなる。ビメソゲン類を分子設計することで、螺旋が解けることを低減させる誘電カップリングを最小とでき、一方で、より速いスイッチングおよびより低い電界を可能とするフレキソエレクトリック応答を最大とできる。
モノメソゲン類は、1ミクロン当たり典型的には5〜10ボルトの電界で典型的には5〜10°の低角にわたってスイッチする一方で、ビメソゲン類は、1ミクロン当たり3ボルトで22.5°に渡ってスイッチし、温度と殆ど独立にスイッチする。
均一に横たわるへリックス(ULH)テクスチャーにおいて、短いピッチを有するコレステリック液晶は、液晶セルの基板、例えばガラスプレートに平行な単一方向に螺旋軸を配向させる。コレステリック液晶の螺旋軸は、複屈折プレートの光軸に相当する。均一に横たわるへリックステクスチャーは、典型的には0.2μm〜1.0μmの範囲内、好ましくは1.0μm以下、特には0.5μm以下の短いピッチを有するキラルネマチック液晶を用いて、一般的に実現される。
基板上の、好ましくはそれらの内部表面の電極に、この構成において、即ち、螺旋軸に垂直に電界を印加すると、光軸がセル面内で回転する。この回転は、表面が安定化された強誘電性液晶ディスプレイ中の強誘電性液晶のダイレクターの回転と同様である。フレキソエレクトリック効果は、典型的には60μs〜100μsの範囲の速い応答時間で特徴づけられる。それは更に、優れたグレイスケール性能で特徴づけられる。
電界は、誘発されたダイレクターのスプレイ−ベンド変形と本質的にフレキソエレクトリック的に連結していると見ることができる。第一次近似において、軸の回転の角度は、電界の強度に直接的および線形的に比例する。直交する偏光板の間に、電源が入っていない状態で、一方の偏光子の吸収軸に対して光軸が22.5°の角度になるように液晶セルを置いた場合、光学的効果を最も良く観察できる。また、この22.5°の角度も、電界における、螺旋軸の理想的な回転角度であり、よって、電界を逆転させることにより光軸は45°回転し、螺旋軸、偏光子の吸収軸、電界の方向の好ましい方向の相対的配向を適切に選択することにより、1つの偏光子に平行から両方の偏光子の間の中央角に光軸をスイッチできる。光軸のスイッチングの全角度が45°である場合、最適なコントラストが達成される。その場合、光学遅延、即ち、液晶の有効複屈折率およびセルの間隔の積を波長の1/4に選択するすることにより、この配置をスイッチ可能な1/4波長板として用いることができる。本明細書中、他で明示的に述べない場合、波長は550nm、即ち、ヒトの目の感度が最も高い波長を言う。
光軸の回転角(φ)は、式(1)による良好な近似で与えられる。
tanφ = ePE/(2πK) (1)
式中、
は、コレステリック液晶の非摂動ピッチであり、
eは、スプレイ・フレキソエレクトリック係数(esplay)と、ベンド・フレキソエレクトリック係数(ebend)との平均[e=1/2(esplay+ebend)]であり、
Eは、電界の強度であり、および
Kは、スプレイ弾性定数(k11)と、ベンド弾性定数(k33)との平均[K=1/2(k11+k33)]であり、
および、ここで、比e/Kは、フレキソ−弾性比とよばれる。
この回転角(φ)は、フレキソエレクトリックスイッチング素子において、スイッチング角の半分である。
この電気光学的効果の応答時間(τ)は、式(2)により良好な近似で与えられる。
τ = [P/(2π)]・γ/K (2)
式中、
γは、へリックスの歪に伴う有効粘度係数である。
へリックスを解く臨界電界(E)が存在し、式(3)から得ることができる。
= (π/P)・[k22/(ε・Δε)]1/2 (3)
式中、
22は、捩れ弾性定数であり、
εは、真空の誘電率であり、および
Δεは、液晶の誘電異方性である。
ネマチック材料と混合されたキラルな物質は、へリカルツイストを誘発し、材料をキラルネマチック材料に変換し、それはコレステリック材料と等価である。用語キラルネマチックおよびコレステリックは、他に明示的に述べてない場合、本出願では同意語として用いるが、しかしながら、後者のコレステリックピッチの方が比較的容易に更に大きい範囲にわたって変化できるのは事実である。キラル物質により誘発されたピッチは、用いられるキラル材料の濃度に、第一次近似で反比例する。この関係の比例定数は、キラル物質のヘリカルツイスティングパワー(螺旋捩れ力)(HTP:Helical Twisiting Power)と呼ばれ、式(4)で定義される。
HTP ≡ 1/(c・P) (4)
式中、
cは、キラル化合物の濃度である。
これらのディスプレイのために、改善された性質を有する新規な液晶媒体が要求される。とりわけ、複屈折(Δn)は光学的モードのために最適化されるべきであり、即ち、光学的位相差(d・Δn)が、好ましくは式(5)を満足するようにすべきである。
sin(π・d・Δn/λ) = 1 (5)
式中、
dは、セルの間隔であり、および
λは、光の波長である。
式(4)の右辺の偏差許容範囲は、+/−3%である。
本出願において、光の波長は、他に特に特定してない場合は、一般的に550nmである。
ULHモードを用いるフレキソエレクトリックディスプレイは、面内スイッチングおよび強誘電性ディスプレイ中のように、本質的に非常に広い視野角を伴う黒および白の応答を有する。よって、カラー表現は、ほとんど観察角度に依存しない。この事実は、TN、STNおよびECBディスプレイなどの複屈折効果を活用するディスプレイに対する状況とは肯定的に対照的である。
IPSディスプレイと比較して、フレキソエレクトリックディスプレイは、それらの極端に速い応答時間で特徴付けられる一方で、FLCDと比較してグレイスケールの直接表現が可能となるため、フレキソエレクトリックディスプレイは電圧依存スイッチング角度を有し、FLCDの場合のように双安定応答を示さないので好ましい。
しかしながら、現在までのところ、単軸的に横たわるへリックステクスチャー(uniaxially lying helix texture)にあるコレステリック液晶の配向を再現性のある方法で達成するには問題があった。上記のColesら、J.Mater.Chem.、2001年、11巻、2709〜2716頁(非特許文献7)において、キラル添加剤を含有し、ブルー層を示すモノメソゲン性液晶は、単軸的に横たわるへリックステクスチャーの容易な形成を促進することが報告されている。そのような材料を少なくとも一方が面配向のための配向層と共に提供されている2枚の壁の間の液晶セルに封入すると、それがブルー層中にある際には、交流電界を材料と交差して印加すると、材料は均一に横たわるへリックステクスチャーを自発的に形成する。引続いて、電界を印加しながら、試料を冷却してコレステリック層とする。この場合、均一配向を得るために、液晶試料を剪断するなどの機械的な操作は必要ない。しかしながら、この文献は、モノメソゲン性液晶材料に基づくコレステリック液晶材料のみを開示しており、ビメソゲン性液晶には言及すらしていない。
更に、Blatchら、J.Mater.Chem.、1997年、7巻(1号)、9〜17頁(非特許文献8)によれば、スペーサー基に奇数個の原子を有するビメソゲン性液晶を含み、500nm以下の螺旋ピッチを達成するのに十分なキラル中心を更に含む液晶材料が、一般的にブルー相を示すことが報告されている。
独国特許第4000451号 欧州特許第0588568号 欧州特許第0971016号 英国特許第2356629号
Chandrasekhar、「Liquid Crystals」、2版、Cambridge University Press R.B.MeyerおよびJ.S.Patel、Phys.Review Lett.、1987年、58巻(15号)1538頁 P.RudquistおよびS.T.Lagerwall、Liq.Cryst.、1997年、23巻(4号)、503頁 Phys.Rev.Lett.58巻(15号)、1538〜1540(1987年) Meyer、Phys.Rev.Lett.22巻、918ff頁(1969年) Rudquistら、Liq.Cryst.22巻(4号)、445〜449頁(1997年) Colesら、J.Mater.Chem.、11巻、2709〜2716頁(2001年) Blatchら、J.Mater.Chem.、1997年、7巻(1号)、9〜17頁 G.P.Bryan−Brown、E.L.WoodsおよびI.C.Sage、Nature 1999年、399巻、338頁 B.Musgrave、P.LehmanおよびH.J.Coles、Liq.Cryst.、1999年、26巻(8号)1235頁
よって、速いスイッチング、即ち、コンピューターモニター、テレビジョンセットおよび同種のもののためのスクリーン、マルチメディア用途のためのディスプレイ、携帯用テレコミュニケーション装置、自動現金預け払い機および光変調器などの実用的用途ための短い応答時間を有する液晶媒体に対して大きな需要がある。それらは、広いネマチック相範囲、低い粘度、低いΔε、高いフレキソエレクトリック係数、十分に高い抵抗値、および特に、用いられるディスプレイモードに依存する特定のセル厚さに対して最適化された光学異方性Δnを有していなければならない。
G.P.Bryan−Brown、E.L.WoodsおよびI.C.Sage、Nature 1999年、399巻、338頁(非特許文献9)には、フッ化脂肪族重合体エステルである米国3M社製のフッ素系界面活性剤Fluorad430をネマチック液晶中で使用し、セル表面との相互作用を弱め、滑りやすい表面を形成することが記載されている。
しかしながら、フレキソ電気光学的効果を使用する商業的装置を上市するには、電界の低減およびスイッチ時間において、より更なる改良が必要である。例えば、B.Musgrave、P.LehmanおよびH.J.Coles、Liq.Cryst.、1999年、26巻(8号)1235頁(非特許文献10)において短い応答時間が観察されたが、70℃〜120℃の範囲の高温においてのみであり、実用的に使用できるディスプレイの通常の動作温度範囲内ではない。
驚くべきことに、1種類以上のビメソゲン類および1種類以上のキラルドーパント類の混合物にフッ素系界面活性剤を低濃度で加えることにより、フレキソエレクトリック効果を使用する本発明による液晶ディスプレイの応答時間を、約50%改良できることが見い出された。加えて、最適な変調に必要な22.5°のチルト角を誘発するのに必要な印加電界が、20%を越えて低減される。このことは、より経済的な駆動の仕組みおよびエネルギー効率のより高い装置の実現に寄与する。
透明点が好ましくなく低下するなどの悪影響は観察されない。
混合物がフッ素系界面活性剤を含む場合、追加の有益な効果は、セルに液晶混合物を充填するのに必要な時間の短縮である。
61℃において、キラルホスト混合物M1と比較した、混合物M2およびM3のフレキソ電気光学的スイッチ特性を示す図である。 61℃において、61℃におけるキラルホスト混合物1と比較した、混合物2および混合物3の応答時間を示す図である。 61℃において、キラルホスト混合物1と比較した、混合物4の応答時間を示す図である。 35℃において、キラルホスト混合物5と比較した、混合物6の応答時間を示す図である。
本発明による液晶ディスプレイは、ULHテクスチャーで配向しているキラルネマチック装置中のフレキソエレクトリック効果を使用する。それらは好ましくは、ディスプレイまたは光に対するスイッチなどの電気光学的装置中で使用されるか、または例えば光学的構成部品中で使用される。
セルのセルギャップは、好ましくは、1μm〜20μmの範囲、特に2.0μm〜10μmの範囲である。
好ましくは、本発明によるディスプレイは、アクティブマトリクス、即ち、非線形電流−電圧特性を有するアクティブ電気素子のマトリクスによりアドレスされる。これらのアクティブ素子は、好ましくは、薄膜トランジスタ(TFT)である。それらは、投影型ディスプレイだけでなく、ダイレクトビューの用途で用いることができる。しかしながら、本発明の液晶は、他の既知のアドレス手段によるディスプレイにおいても有利に用いることができる。
驚くべきことに、本質的に非対称な系を用いて交流の電界を印加することにより、キラルネマチック液晶媒体をULHテクスチャー中で配向できることを見出した。
この非対称は、以下の方法で容易に系に導入することができる。第1の好ましい実施形態においては、ディスプレイの基板の内部表面を液晶がハイブリッド配向するように処理する。これは、一方の表面がホモジニアス配向とも呼ばれる平面配向を誘発し、他の表面はホメオトロピック配向を誘発することを意味する。両者の配向では、明らかに、液晶が有限な表面チルト角を示すことができる。
本発明によるこれらのディスプレイは、先行技術のディスプレイの欠点を示さないか、少なくとも極めて小さい程度にそれらを示す。
好ましくは、本発明によるディスプレイに用いられる液晶材料は、誘発されたキラルネマチック相を有する。
液晶媒体の基礎混合物は、好ましくは、セルの面内で螺旋軸の配向を促進させるために、正の誘電異方性を有する。しかしながら、同時に、基礎混合物の誘電異方性には限界があるべきで、そうでなければ、へリックス軸の所望のフレキソエレクトリックスイッチングの代わりに、電界を印加するとへリックスが誘電的に解けてしまう望ましくないこととなってしまう。
液晶混合物の誘電異方性は、好ましくは0以上〜10以下、特に0.1以上〜5以下の範囲内である。
混合物のへリックス構造を解く電圧は、典型的には、動作温度において5μm厚のセルに対し、30V以上、好ましくは50V以上である。
液晶混合物に対するスイッチング角は、動作温度において、典型的には10V以上の電圧で、5μm厚のセルに対し、典型的には、5°以上、好ましくは少なくとも10°以上、より好ましくは少なくとも15°以上、とりわけ22.5°である。
本出願による改善された液晶ディスプレイは、以下の条件を満たす。それらは、
−1組の基板で、
−それぞれが1つ以上の電極を有し、および
−それらの少なくとも1つが液晶の平面配列のための配向層を有する、または液晶の平面配列のために別の方法で処理されているものと、
−コレステリック液晶材料で、
−好ましくは対称構造であって2個のメソゲン性単位の間のスペーサー基中に奇数個の原子を有する1種類以上のビメソゲン性化合物、および/または好ましくは非対称構造であって2個のメソゲン性単位の間のスペーサー基中に奇数個の原子を有する1種類以上のビメソゲン性化合物を含む成分Aと、
−1種類以上の化合物よりなるキラル成分である成分Bと、および
−好ましくは1種類以上のフッ素系界面活性剤からなる添加成分である成分Cとを含むものと
を備える。
好ましくは、コレステリック液晶材料は、好ましくは500nm未満、より好ましくは400nm未満、最も好ましくは300nm以下の螺旋ピッチで、均一に横たわるへリックス構造で配向している。
更に好ましくは、
−両方の基体が液晶の面配列のための配向層を有する、または液晶の面配列のために別の方法で処理されている、および/または
−成分Aは1種以上の非対称構造のビメソゲン性化合物を含む。
好ましくは、キラル成分である成分Bは1種類以上のキラル化合物よりなる。
好ましくは、ビメソゲン性成分である成分Aは、式I:
Figure 2009540023
の1種類以上の化合物を含む。
式中、
SP11およびSP12は、それぞれ互いに独立に、−O−、−CO−O−、−O−CO−、−CF−O−、−O−CF−、−C≡C−または単結合であり、好ましくは、−O−、−CO−O−、−O−CO−、−C≡C−または単結合であり、より好ましくは、−O−、−CO−O−、−O−CO−または−C≡C−であり、最も好ましくは、−O−または−C≡C−であり、
nは、2〜18の範囲内の整数であり、好ましくは、3〜17、より好ましくは、5〜13であり、
Figure 2009540023
式中、
Figure 2009540023
Figure 2009540023
11およびX12は、それぞれ互いに独立に、CN、F、Clまたは1〜4個のC原子のアルキル、アルコキシ、フッ素化アルキルまたはフッ素化アルコキシであり、好ましくは、CN、F、Clまたはアルキルであり、最も好ましくはCNまたはFであり、
11およびZ12は、それぞれ互いに独立に、−CO−O−、−O−CO−、−CH−O−、−O−CH−、−CF−O−、−O−CF−、−CH−CH−、−C≡C−、−CH(CH)−N=CH−または単結合であり、好ましくは単結合である。
好ましくは、nは奇数である。
好ましい実施形態において、ビメソゲン性成分である成分Aは、MG11およびMG12が互いに同一である式Iの1種類以上の化合物を含む。
異なる好ましい実施形態において、ビメソゲン性成分である成分Aは、MG11およびMG12が互いに異なる式Iの1種類以上の化合物を含む。
好ましくは、ビメソゲン性成分である成分Aは、式I−1〜I3の群より選択される1種類以上の化合物を含む。
Figure 2009540023
式中、
11、X12およびnは、式Iにおいて与えられるそれぞれの意味を有する。
好ましくは、キラル成分である成分Bは、式IIおよびIIIの群より選択される1種類以上の化合物を含む。
Figure 2009540023
式中、
Figure 2009540023
Figure 2009540023
21、R22、R31およびR32は、それぞれ互いに独立に、それぞれ1〜17個のC原子のアルキルまたはアルコキシ、またはそれぞれ2〜17個のC原子のアルケニル、アルケニルオキシまたはオキサアルキルであり、それら全てはフッ素化されていてもよく、好ましくは、R21およびR22は互いに同一であり、最も好ましくは、それらはn−アルキルであり、
21、Z22、Z31およびZ32は、それぞれ互いに独立に、−CO−O−、−O−CO−、−CH−O−、−O−CH−、−CH−CH−または単結合であり、
v、w、rおよびsは、それぞれ互いに独立に0または1であり、
式III中に示されるフェニル環の1個以上はフッ素化されていてもよい。
好ましくは、以下の4組のパラメーターの要素
Figure 2009540023
は、相互に互いに同一であるか、互いに鏡像であり、好ましくは、それらは互いに鏡像であり、
以下の2組のパラメーターの要素
Figure 2009540023
は、相互に互いに同一であり、
vおよびwは、互いに同一であり、
rおよびsは、互いに同一である。
本出願によるフッ素系界面活性剤は、フッ素原子によって囲まれている炭素原子鎖を含む、および殆どの場合より基本的にフッ素原子によって囲まれている炭素原子鎖よりなる化合物である。界面活性剤として、それらは両親媒性構造を有しており、即ち、異なる媒体、例えば水および油において反対の溶解性の傾向を有する基を含んでなる。それらは、好ましくは、非常に低い表面張力で特徴付けられ、5Hzの気泡周波数において、好ましくは45mN/m以下の動的表面張力、好ましくは40mN/m以下、より好ましくは35mN/m以下である。
好ましくは、添加成分である成分Cは、以下の化合物群より選択される1種類以上の化合物を含む。
フッ素系界面活性剤類、好ましくは非イオン性フッ素系界面活性剤類、最も好ましくは非イオン性重合体フッ素系界面活性剤類、およびオリゴフッ化アルコール類、好ましくは式IVである。
Figure 2009540023
式中、
pは、1〜15、好ましくは2〜12、最も好ましくは4〜10の範囲内の整数であり、
qは、0〜8、好ましくは1〜3の範囲内の整数である。
フッ素系界面活性剤類としては3つの型の化合物が挙げられ、同時に本発明によって好ましく使用されるものは、FC−430(Mnが489およびMwが1365)、FC−4430およびFC−4432であり、全て米国3M社製である。
好ましくは、添加成分である成分Cは、5Hzの気泡周波数、好ましくは10Hzの気泡周波数においてすら、45mN/m以下の動的表面張力、好ましくは40mN/m以下、より好ましくは35mN/m以下の化合物を1種類以上含む。
参考のため、上記フッ素系界面活性剤の3つの例の動的表面張力を、以下の表に示す。
Figure 2009540023
MG11およびMG12が互いに同一である式IIの特に好ましい化合物は、以下である。
Figure 2009540023
Figure 2009540023
Figure 2009540023
MG11およびMG12が互いに異なる式Iの特に好ましい化合物は、以下である。
Figure 2009540023
Figure 2009540023
式I−2の特に好ましい化合物は、以下である。
Figure 2009540023
式I−3の特に好ましい化合物は、以下である。
Figure 2009540023
この化合物の合成は、例えば、Cho、Y.博士論文、ケンブリッジ大学(2005年)中に開示されている。
式IIの特に好ましい化合物は、以下である。
Figure 2009540023
式中、R21およびR22は上の式IIで与えられる意味をそれぞれ有し、式中、1個以上のフェニル環はフッ素により置換されていてもよい。
式IVの特に好ましい化合物は、以下である。
Figure 2009540023
本発明の好ましい実施形態による改善された液晶ディスプレイは、500nm以下、好ましくは450nm以下、とりわけ好ましくは400nm以下の液晶材料のコレステリックピッチを誘発する、キラル成分(成分B)を含む。
上記の実施形態と異なる場合もある本発明の更に好ましい実施形態においては、液晶材料を配向させるために印加する交流電界は、好ましくは、螺旋を解くための臨界電界より小さい。実用上の理由で、それは好ましくは、12V/m以下で、最も好ましくは、4V/m以下である。
上記の実施形態と異なる場合もある本発明の更に好ましい実施形態においては、面配向のために処理された表面を有する液晶セルを用いる。この実施形態では、液晶材料を配向させるための好ましい開始条件は、グランジャン(Grandjean)テクスチャーである。前記の2つの実施形態とは独立したこの実施形態においては、螺旋を解くためのみの臨界電界において、配向電界強度を印加し、一定の比率で上昇、および/または徐々に上昇させる。これにより、液晶材料が本出願とりわけ本実施形態で一般に好ましい正の誘電異方性を有する場合に、真性ホメオトロピック配向が可能となる。次いで、均一に位置する良好な螺旋配向が達成されるまで、決められた時間の間、配向電界を、その最高値、好ましくは臨界電界から徐々に減少させる。この時間は好ましくは、1秒から2時間の範囲、より好ましくは1秒から600秒の範囲、最も好ましくは1秒から60秒の範囲である。適切な配向を確保するために充分な時間を与えなければならないが、生産性の理由から、その時間は可能な限り短くすべきである。
20V/(μm・min)の掃引速度が、殆どの場合で有用であることが見い出された。
液晶材料のキラルネマチック相は、好ましくは、摂氏10℃以上の範囲、好ましくは摂氏20℃以上の範囲、最も好ましくは摂氏30℃以上の範囲にわたって生じる。
電界を印加した際に本媒体のサンプルで典型的に観察されるテクスチャーの順序は、以下の通である:
Figure 2009540023
本出願において「含む」とは、全体が言及する組成物、例えば、媒体または成分の文意において、問題となっている1種類の成分または複数種類の成分または1種類の化合物または複数種類の化合物を含有することを意味し、好ましくは10%以上、最も好ましくは20%以上の全濃度である。
本文意において、「主に・・・からなる」とは、言及する全体が、80%以上、好ましくは90%以上、最も好ましくは95%以上の問題となっている1種類の成分または複数種類の成分または1種類の化合物または複数種類の化合物を含有することを意味する。
本文意において、「完全に・・・からなる」とは、言及する全体が、98%以上、好ましくは99%以上、最も好ましくは100.0%の問題となっている1種類の成分または複数種類の成分または1種類の化合物または複数種類の化合物を含有することを意味する。
また、本発明による媒体中において、上で明らかには述べられていない非メソゲン性のみならず他のメソゲン性化合物も任意におよびある場合には有利に使用できる。そのような化合物は、当該分野の専門家に既知である。
成分Aは、好ましくは、90%〜99.9%、好ましくは90%〜95%の濃度で使用される。
成分Bは、好ましくは、0.1%〜10%、好ましくは1%〜5%の全混合物の濃度で使用される。
成分Cは、好ましくは、0.01%〜8%、好ましくは0.1%〜6%、特には0.5%〜4%の全混合物の濃度で使用される。
本発明のディスプレイで用いられる媒体は、物理的性質を調整するために、更なる液晶化合物を含むことができる。そのような化合物は、専門家には既知である。本発明による媒体中での、それらの濃度は、好ましくは、0%〜99.9%である。
好ましくは、本発明で用いられる液晶媒体は、成分A、BおよびCを、全体での50%〜100%、より好ましくは70%〜100%、および最も好ましくは80%〜100%、特に90%〜100%で含有し、それらは、式I、II、IIIおよびIVの群より選択される1種類以上の化合物と、米国3M社製FC−430などの重合体フッ化脂肪族エステル類などとを、それぞれ含むか、好ましくは主になる、最も好ましくは完全になる。
本発明によって用いられる液晶媒体のΔnは、0.215以上、好ましくは0.100〜0.300の範囲である。
本発明によって用いられる液晶媒体の1kHzおよび20℃におけるΔεは、0以上、好ましくは5以上で、好ましくは12以下である。
本発明によって用いられる液晶媒体は、典型的には、100℃および150℃の間の透明点により特徴付けられる。
本発明によって用いられる液晶媒体のネマチック相は、好ましくは、20℃以下より低温まで、より好ましくは15℃以下より低温まで、最も好ましくは10℃以下より低温まで、とりわけ5℃以下より低温までにわたって存在する。
好ましくは、本発明のディスプレイで用いられる媒体のネマチック相は少なくとも−50℃〜100℃にわたって存在し、ただし、「少なくとも」とは、好ましくは下限値が未満であり上限値は超えることを意味する。
本出願において、用語「誘電的に正の化合物」はΔε>3.0の化合物を記載し、誘電的に中性の化合物は−1.5≦Δε≦3.0の化合物であり、誘電的に負の化合物はΔε<−1.5の化合物である。成分に対しても同じことが当てはまる。Δεは、1kHzおよび20℃で決定される。化合物の誘電異方性は、ネマチックホスト混合物中の個々の化合物の10%溶液の結果から決定される。これらのテスト混合物の容量は、ホメオトロピックおよびホモジニアス配向を有する両方のセルで決定される。セルの両方のタイプのセル間隔は、約10μmである。印加される電圧は1kHzの周波数の矩形波で、二乗平均平方根の値は典型的には0.5V〜1.0Vのである。しかしながら、それは、それぞれのテスト混合物の容量閾値未満であるように必ず選択される。
誘電的に正の化合物のためには混合物ZLI−4792が、誘電的に負の化合物のみならず誘電的に中性の化合物のためには混合物ZLI−3086が、それぞれホスト混合物として用いられ、両方ともドイツ国Merck社製である。化合物の誘電率は、対象の化合物を添加した際のホスト混合物のそれぞれの値の変化から決定され、対象の化合物の濃度100%に外挿する。20℃の測定温度においてネマチック相を有する化合物が、そのように測定される。他のすべても、化合物同様に処理される。
本出願中、両方に対して他に明示的に述べられてない場合、用語「閾値電圧」の用語は光学的閾値を言い、10%相対的コントラスト(V10)で与えられ、用語「飽和電圧」は光学的飽和を言い、90%相対的コントラスト(V90)で与えられる。明示的に述べられている場合にのみ、容量閾値電圧(V、フレデリクス閾値VFrとも呼ばれる)が用いられる。
本出願中で与えられるパラメーターの範囲は、他で明示的に述べてない場合、限界値を全て含むすべてである。
本出願を通して、他で明示的に述べてない場合、全ての濃度は質量パーセントで与えられ、それぞれの完全な混合物に関し、すべての温度は摂氏(セルシウス)で、および全ての温度差は摂氏で与えられる。室温および周囲温度の2つの表現は、他で明示的に述べられてない場合、両者とも20℃の温度を言う。全ての物理的性質は、「Merck Liquid Crystals、Physical Properties of Liquid Crystals」Status 1997年11月、ドイツ国メルク社に従って決定されたか決定され、他で明示的に述べられてない場合、20℃の温度に対して与えられる。フレキソエレクトリック材料の性質は、それぞれの材料の透明点以下の摂氏10℃で与えられる。光学異方性(Δn)は、589.3nmの波長で決定される。誘電異方性(Δε)は、1kHzの周波数で決定される。全ての他の電気光学的性質のみでなく、閾値電圧も英国EEV社で調製されたテストセルで決定された。Δεを決定するためのテストセルは、22μmのセル間隔を有していた。電極は、面積1.13cmおよび保護リングを有する円形ITO電極であった。配向層はホメオトロピック配向(ε)のためのレシチン、およびホモジニアス配向(ε)のための日本合成ゴム社製ポリイミドAL−1054であった。容量は、電圧0.3Vrmsの正弦波を用いて、周波数応答分析器Solatron1260で決定した。電気光学的測定に使用した光は白色光であった。用いられるセットは、商業的に入手可能な日本国大塚社の装置であった。特性電圧は垂直観察下で決定した。閾値(V10)、中間グレイ(V50)および飽和(V90)電圧は、それぞれ10%、50%および90%の相対的コントラストで決定した。
本発明による液晶媒体は、通常の濃度において更なる添加剤およびキラルドーパントを含有できる。全混合物に基づく、これらの更なる構成成分の全濃度は、0%〜10%、好ましくは、0.1%〜6%の範囲である。用いられる個々の化合物の濃度は、好ましくは、0.1%〜3%の範囲である。本出願において、これらおよび同様の添加剤の濃度は、液晶媒体の液晶成分および化合物の濃度の値および範囲に考慮しない。
本発明による本発明の液晶媒体は、幾つかの化合物、好ましくは3〜30種、より好ましくは8〜20種、最も好ましくは10〜16種の化合物からなる。
これらの化合物は従来法により混合される。一般的に、より少量で用いられる化合物の所望量を、より多量で用いられる化合物に溶解させる。温度が、より高濃度で用いられる化合物の透明点以上である場合、溶解工程の完了を観測することは特に容易である。しかしながら、他の慣用の方法、例えば同族化合物混合物または共融混合物であることができる所謂プレ混合物の使用や、構成成分が使用可能な状態の混合物自身である所謂マルチ・ボトル・システムにより媒体を調製することもできる。
本発明のセルにおける本発明による液晶媒体の配向は、セル内で互いに対向しホモジニアス配向のための配向手段を伴う主要な内部表面を処理すること、および充填されたセルへ電界を印加することで典型的に達成される。ホメオトロピック配向のための手段は、例えば、斜めに蒸着されたSiOなどの好ましい方向を有する無機層、または単一方向にラビングされたポリイミドまたはポリアミドフィルムなどの好ましい方向を有する有機層で典型的にはポリマー層である。
液晶の融点T(C,N)、スメクチック(S)からネマチック(N)相への遷移T(S,N)、および透明点T(N,I)は、摂氏で与えられる。
本出願およびとりわけ以下の例では、液晶化合物の構造は、頭文字とよばれる略記で表される。対応する構造への略記の変換は、以下の表Aにより容易に行われる。C2n+1およびC2m+1の全ての基は、それぞれnおよびm個のC原子を有する直鎖状のアルキル基である。
Figure 2009540023
本発明による液晶媒体は、好ましくは、
−表Aの式の化合物群より選択される好ましくは少なくも2種、好ましくは3種の異なる式の2種以上、好ましくは3種以上の化合物
を含有する。
以下で与えられる例は、如何なる方法によっても本発明の範囲を限定することなく、本発明を説明することを意図する。
しかしながら、それらは典型的な好ましい実施形態を説明する。更に、それらは典型的で好ましい構成成分の使用を説明し、それらの濃度を例示する。更に、それらはどの性質が達成でき、どの範囲まで改変できるのかを専門家に説明しながら、生成物および装置の物理的性質の可能な変化を示す。特にそれらは、好ましくは達成できる様々の性質の組み合わせを当業者に示す。
サンプル材料のフレキソ電気光学的チルト角および応答時間を、5μm厚で反平行にラビングされたLCセルと交差して印加された方形波電界で測定する。
LCセルを挟持する1組の交差偏光子の一方の光軸に対して、非摂動、即ち、電界が存在していないとき、LCサンプル混合物の光軸が22.5°で位置している場合(Ψ=22.5)、フレキソ電気光学的チルト角の測定にとって最大の解像度が達成される。
チルト角の測定は、従来的に、以下の工程を使用して行われる。
1.光の透過が最小(Ψ=0)となるまで、LCサンプルセルを回転する。
2.次いで、LCセルを、最も暗い状態の位置から22.5°(Ψ=22.5)回転する。光強度の方形波形応答を、オシロスコープを用いて観測し、方形波応答の中間点にカーソルで印を付ける。
3.引続いて、光強度の応答の最高部がカーソルと一致するまでLCセルを回転し、それぞれの角度を記録する。
4.次いで、光強度の応答の最低部がカーソルと一致するまでLCセルを正の方向に回転し、それぞれの角度を再び記録する。
双極性の印加された電界のため、2つの記録された角度間の相違の半分としてLCサンプル材料のフレキソ電気光学的チルト角を決定する。
ULHテクスチャーが不安定となり螺旋が解けないようにするため、印加された電界を十分に小さく保たなければならない。
<比較例1>
96.25%の9(O−GP−F)(O−PP−N)と、3.75%の(1O−PZPZ)との混合物を調製する。この混合物M1は、Cr50−N−111−Iの相順序を有する。コレステリックピッチは280nmである。次いで、混合物M1をテストセル中に充填し、それのフレキソエレクトリックチルト角、およびそれのフレキソエレクトリック応答およびスイッチ速度を調べる。
2.2V/μmの電界を印加することで、この混合物を配向させる。螺旋が解ける臨界電界Ecは、9.5V/μmである。
結果を図1および図2に示す。
<例1>
例1においては、0.7%のFC−430を比較例1の混合物M1の99.3%に加える。得られる混合物M2を、比較例1で記載されるように調べる。結果を図1および図2に示す。
図1に示される通り、比較例1の混合物M1と比較して、混合物M2の光軸のチルト角は約20%改良されている。
61℃における混合物M1の応答時間と比較して、混合物M2の応答時間は30%を超えて短縮されている。
<例2>
例1の通りFC−430を混合物M1に添加するが、ここでは2.4%の濃度である。この例の混合物M3に対する結果も、図1および2に示す。
図1に示される通り、比較例1の混合物M1と比較して、混合物M2と同様に、混合物M3の光軸のチルト角も約20%改良されている。
図2に示される通り、混合物M3の応答時間は、混合物M2よりも更に短縮されている(即ち、61℃における混合物M1の応答時間と比較して、38%を超えている)。
<例3>
この例においては、0.7%のCF(CFCH−OHを99.3%の混合物M1に加える。
この例の混合物M4の光軸チルト角は、比較例1の混合物M1とほぼ同一である。
この例の混合物M4に対する応答時間の結果を、混合物M1と比較して図3に示す。図2に示される通り、61℃における混合物M1の応答時間と比較して、混合物M4の応答時間は38%短縮されている。
<比較例2>
41%の9(GP−F)および59%の11(GP−F)の混合物を調製する。この混合物の96.59%に、3.41%の(1O−PZPZ)を加える。生じる混合物M5を、上の比較例1で記載される通り調べる。それは、Cr18°−N−56Iの相順序を有する。コレステリックピッチは286nmであった。この混合物の応答時間に対する結果を、図4に示す。
<例4>
この例においては、0.6%のFC−430を比較例2の混合物M5の99.4%に加える。
この例の混合物M6の光軸チルト角は、比較例2の混合物M5とほぼ同一である。
この例の混合物M6に対する応答時間の結果を、混合物M1と比較して図4に示す。図4に示される通り、35℃における混合物M6の応答時間と比較して、混合物M6の応答時間は20%を超えて短縮されている。

Claims (13)

  1. −1組の基板であって、
    −それぞれが1つ以上の電極を有し、および
    −それらの少なくとも1つが液晶の平面配列のための配向層を有するか、または液晶の平面配列のために別の方法で処理されている基板と、
    −コレステリック液晶材料であって、
    −1種類以上のビメソゲン性化合物を含む成分Aと、
    −1種類以上の化合物よりなるキラル成分である成分Bと、および
    −好ましくは1種類以上のフッ素系界面活性剤からなる添加成分である成分Cとを含む液晶材料と
    を備える液晶ディスプレイ。
  2. 該液晶材料の該成分Aは、対称構造であって2個のメソゲン性単位の間のスペーサー基中に奇数個の原子を有する1種類以上のビメソゲン性化合物と、および/または非対称構造の1種類以上のビメソゲン性化合物とを含むことを特徴とする請求項1に記載の液晶ディスプレイ。
  3. 該液晶材料中の該成分Cの濃度は0.01%以上であることを特徴とする請求項1および2の少なくとも一項に記載の液晶ディスプレイ。
  4. 該液晶材料の該成分Aは式I:
    Figure 2009540023
    の1種類以上の化合物を含むことを特徴とする請求項1ないし3の一項以上に記載の液晶ディスプレイ。
    (上記式中、
    SP11およびSP12は、それぞれ互いに独立に、−O−、−CO−O−、−O−CO−、−CF−O−、−O−CF−、−C≡C−または単結合であり、好ましくは、−O−、−CO−O−、−O−CO−、−C≡C−または単結合であり、より好ましくは、−O−、−CO−O−、−O−CO−または−C≡C−であり、最も好ましくは、−O−または−C≡C−であり、
    nは、2〜18の範囲内の整数であり、好ましくは、3〜17、より好ましくは、5〜13であり、
    Figure 2009540023
    式中、
    Figure 2009540023
    Figure 2009540023
    11およびX12は、それぞれ互いに独立に、CN、F、Clまたは1〜4個のC原子のアルキル、アルコキシ、フッ素化アルキルまたはフッ素化アルコキシであり、好ましくは、CN、F、Clまたはアルキルであり、最も好ましくはCNまたはFであり、
    11およびZ12は、それぞれ互いに独立に、−CO−O−、−O−CO−、−CH−O−、−O−CH−、−CF−O−、−O−CF−、−CH−CH−、−C≡C−、−CH(CH)−N=CH−または単結合であり、好ましくは単結合である。)
  5. 該液晶材料の該成分Aは、式I−1〜I3の化合物群より選択される1種類以上の化合物を含むことを特徴とする請求項1ないし4の一項以上に記載の液晶ディスプレイ。
    Figure 2009540023
    (式中、
    11、X12およびnは、式Iにおいて請求項4で与えられるそれぞれの意味を有する。)
  6. ビデオイメージをディスプレイするために使用されることを特徴とする請求項1ないし5の一項以上に記載の液晶ディスプレイ。
  7. 請求項1ないし6の一項以上に記載の液晶ディスプレイを備えることを特徴とする液晶装置。
  8. 電気光学的ディスプレイ装置であることを特徴とする請求項7に記載の液晶装置。
  9. 請求項1ないし6の一項以上に記載の液晶ディスプレイの製造方法。
  10. 請求項1ないし6の一項以上に記載の液晶ディスプレイを備える液晶装置の製造方法。
  11. 液晶装置中における請求項1ないし6の一項以上に記載の液晶ディスプレイの使用。
  12. 請求項1ないし6の一項以上中で定義される通りのコレステリック液晶材料。
  13. 請求項12に記載の液晶材料の製造方法。
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