JP4655317B2 - 液晶組成物及び液晶表示素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【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。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の温度変化を押さえるため、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)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。
【０００５】
しかし、液晶中に含まれるイオン性物質の易動度の温度変化により電流値が増加するため、液晶にかかる実効値電圧がイオンにより消費され、コントラスト及び信頼性を低下させることに起因する改善策は知られていない。特に、その骨格中にエステル結合を有する化合物を多数含む液晶組成物で顕著であり、エステル結合を有する化合物を減らした液晶組成物が求められていた。
【０００６】
また、携帯端末ディスプレイ等に用いられる場合、その消費電力を抑えるために駆動電圧を下げることが行われているが。この様な用途に用いられるときの液晶組成物には低閾値電圧が求められる。しかし、駆動電圧を下げる材料(誘電率異方性の大きい)を組み合わせるとレスポンスに悪影響を及ぼし、この影響を避けるためには表示素子のセル厚を薄くする必要がある。セル厚を薄くするとリタデーションを一定にするためには屈折率の異方性の大きい材料を組み合わせる必要が生じる。すなわち、屈折率の異方性はビシクロヘキサン骨格<フェニルシクロヘキサン骨格<ビフェニル骨格の順であり、この順序がより好ましい液晶組成物の構成化合物となる。
【０００７】
【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、レスポンス、閾値電圧等の液晶諸特性を低下させることなく、電流値を抑制した信頼性の高い液晶組成物を提供すること、また、この液晶組成物を使用した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。
【０００８】
【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。
【０００９】
発明1 第一成分として一般式(I)
【００１０】
【化９】
【００１１】
(式中、R1は炭素原子数1〜10のアルキル基を表す。)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)、(III)
【化１０】
(式中、R2、R3、R4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、環C、環D及び環E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-ジイル基を表し、l、mはそれぞれ独立的に0、1もしくは2を表し、Z1、Z2、Z3、Z4はそれぞれ独立的に単結合、-CH2CH2-、-(CH2)4-、-OCH2-、-CH2O-または-C≡C-を表し、X2はシアノ基、フッ素原子、塩素原子、トリフルオロメトキシ基、トリフルオロメチル基、ジフルオロメトキシ基、水素原子、3,3,3-トリフルオロエトキシ基、R'または-OR'を表し、R'は炭素原子数1〜12の直鎖状アルキル基または、2〜12の直鎖状アルケニル基を表し、X1、X3は水素原子、フッ素原子または塩素原子を表す。ただし、R4がアルキル基、X2がシアノ基、環Dが1,4-フェニレン基、m=0、Z4が単結合の場合、X1、X3が同時にフッ素原子ではない。)から選ばれる化合物を1種もしくは2種以上を含有し、なおかつネマチック相上限温度が75℃以上であり、屈折率の異方性(Δn)が0.07〜0.24の範囲であることを特徴とする液晶組成物。
【００１２】
発明2 一般式(I)の化合物の含有率が5〜40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5〜95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。
【００１３】
発明3 一般式(II)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(II-a)
【００１４】
【化１１】
【００１５】
(式中、R5、R6はR2、R3と同じ意味を表し、環F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又は2記載の液晶組成物。
【００１６】
発明4 一般式(I)の含有率が5〜40質量%の範囲で、なおかつ第二成分として一般式(II-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5〜95質量%の範囲であることを特徴とする発明3記載の液晶組成物。
【００１７】
発明5 一般式(III)の化合物として、環Dがトランス-1,4-シクロヘキシレン基であり、Z3、Z4が単結合であり、m=1の一般式(III-a)
【００１８】
【化１２】
【００１９】
(式中、R7は炭素原子数1〜8のアルキル基または、2〜8のアルケニル基を表し、環G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、X5はシアノ基、フッ素原子、トリフルオロメトキシ基、ジフルオロメトキシ基を表し、X4、X6はそれぞれ独立的に水素原子またはフッ素原子を表す。)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、2、3又は4記載の液晶組成物。
【００２０】
発明6 一般式(I)の含有率が5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(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5〜95質量%の範囲であることを特徴とする発明5記載の液晶組成物。
【００２１】
発明7 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5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(II-b)
【００２２】
【化１３】
【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5〜40質量%の範囲で、さらに一般式(II-c)
【００２４】
【化１４】
【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5〜60質量%の範囲であることを特徴とする発明1〜6記載の液晶組成物。
【００２６】
発明8 発明1記載の一般式(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5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(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5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(II-b)もしくは一般式(II-c)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5〜60質量%の範囲であることを特徴とする発明1〜7記載の液晶組成物。
【００２７】
発明9 発明1記載の一般式(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5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(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5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(II-b)及び一般式(II-c)の化合物を1種もしくは2種以上を含有し、その含有率がそれぞれ5〜40質量%の範囲であることを特徴とする発明1〜8記載の液晶組成物。
【００２８】
発明10 発明1〜9記載の一般式(III)もしくは(III-a)として一般式(III-b)
【００２９】
【化１５】
【００３０】
(式中、R12は炭素原子数1〜16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5〜40質量%の範囲であることを特徴とする発明1〜9記載の液晶組成物。
【００３１】
発明11 発明1〜9記載の一般式(III)もしくは(III-a)として一般式(III-c)
【００３２】
【化１６】
【００３３】
(式中、R12は炭素原子数1〜16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5〜40質量%の範囲であることを特徴とする発明1〜9記載の液晶組成物。
【００３４】
発明12 発明1〜11のいずれかに記載の液晶組成物を用いた液晶表示素子。
【００３５】
発明13 発明1〜11のいずれかに記載の液晶組成物を用いた、ねじれ角が220°〜270°であることを特徴とする超捩れネマチック(STN)液晶表示素子。
【００３６】
【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。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は炭素原子数2〜16のアルケニル基もしくは炭素原子数3〜16のアルケニルオキシ基を表すが、炭素原子数2〜16のアルケニル基が好ましく、炭素原子数2〜8のアルケニル基がより好ましく、以下式(a)〜(e)の構造がさらに好ましく、
【００３７】
【化１７】
【００３８】
(構造式は右端で環に連結しているものとする。)その中でも(e)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2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0.07〜0.24の範囲であることを特徴とするが、0.08〜0.22が好ましい。R2、R3、R4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。環A、環B、環C、環D及び環E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、環D、環E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-フェニレン基より好ましい。l、mはそれぞれ独立的に0、1もしくは2を表すが、0もしくは1が好ましい。Z1、Z2、Z3、Z4はそれぞれ独立的に単結合、-CH2CH2-、-(CH2)4-、-OCH2-、-CH2O-または-C≡C-表すが、Z1、Z2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。Z3、Z4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。X2はシアノ基、フッ素原子、塩素原子、トリフルオロメトキシ基、トリフルオロメチル基、ジフルオロメトキシ基、水素原子、3,3,3-トリフルオロエトキシ基、R'または-OR'を表し、R'は炭素原子数1〜12の直鎖状アルキル基または、2〜12の直鎖状アルケニル基を表すが、シアノ基、フッ素原子、トリフルオロメトキシ基、ジフルオロメトキシ基が好ましく、フッ素原子、トリフルオロメトキシ基、ジフルオロメトキシ基がより好ましく、フッ素原子が特に好ましい。X1、X3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。
【００３９】
発明2において、一般式(I)の含有率は5〜40質量%であるが、5〜25質量%が好ましく、5〜20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5〜95質量%であるが、15〜85質量%が好ましく、25〜85質量%が特に好ましい。
【００４０】
発明4において、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5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(II-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5〜95質量%の範囲であるが、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5〜25質量%が好ましく、5〜20質量%が特に好ましく、一般式(II-a)の化合物を2種以上含有しその含有率が5〜95質量%であることが好ましく、15〜85質量%が好ましく、25〜85質量%が特に好ましい。
【００４１】
発明6において、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5〜40質量%の範囲で、なおかつ第二成分として一般式(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5〜95質量%の範囲であるが、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5〜25質量%が好ましく、5〜15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5〜95質量%であることが好ましく、15〜85質量%が好ましく、25〜85質量%が特に好ましい。
【００４２】
発明7において、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5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(II-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5〜40質量%の範囲であるが5〜25質量%が好ましい、さらに一般式(II-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5〜60質量%の範囲であるが、5〜50質量%が好ましく5〜40質量%であることがより好ましい。式中R8、R9、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。
【００４３】
発明8において、発明1記載の一般式(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5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(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5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(II-b)もしくは一般式(II-c)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5〜60質量%の範囲であるが、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5〜20質量%の範囲であることが好ましく、一般式(III-a)の含有率が5〜35質量%の範囲であることが好ましく、5〜25質量%の範囲であることがより好ましく、一般式(II-b)もしくは一般式(II-c)の含有率が5〜55質量%の範囲であることが好ましく、5〜45質量%の範囲であることがより好ましい。
【００４４】
発明9において、発明1記載の一般式(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5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(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5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(II-b)及び一般式(II-c)の化合物を1種もしくは2種以上を含有し、その含有率がそれぞれ5〜40質量%の範囲であるが、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5〜20質量%の範囲であることが好ましく、一般式(II-b)及び一般式(II-c)の化合物をそれぞれ1種以上含有しその含有率が5〜20質量%の範囲であり、一般式(III-a)の化合物を2種以上含有しその含有率が5〜25質量%の範囲であることが好ましい。
【００４５】
発明10において、発明1記載の一般式(III)もしくは一般式(III-a)として、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が5〜40質量%の範囲であるが、一般式(III-b)の化合物を1〜10種含有しその含有率が5〜35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5〜30質量%の範囲であることがより好ましい。式中R12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。
【００４６】
発明11において、発明1記載の一般式(III)もしくは一般式(III-a)として、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5〜40質量%の範囲であるが、一般式(III-c)の化合物を1〜10種含有しその含有率が5〜35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5〜30質量%の範囲であることがより好ましい。式中R12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。
【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、上記一般式(I)〜(III-c)で表される化合物以外に、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。
【００５０】
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度の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。
【００５１】
化合物記載に下記の略号を使用する。
(実施例1、比較例1)
ネマチック液晶組成物No.1
【００５２】
【化１８】
【００５３】
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。
【００５４】
【表１】
【００５５】
表1に示すように、実施例1の液晶組成物は、比較例1の組成物に比べ電流値を大幅に抑制しているうえにコントラストも改善している。
ここで作製したSTN-LCDを用いて、優れた表示特性を示す液晶表示装置を作成することができた。
(実施例2、比較例2)
ネマチック液晶組成物No.2を調製し(実施例2)諸特性を測定した、また比較の組成物として本発明外の組成物組成物の組成及び特性データ(比較例2)と共に表2に示した。
【００５６】
【表２】
【００５７】
表2に示すように、実施例2の液晶組成物もまた、比較例2の組成物に比べ電流値を大幅に抑制し、コントラストも改善している。
ここで作製したSTN-LCDを用いて、優れた表示特性を示す液晶表示装置を作成することができた。
【００５８】
【発明の効果】
本発明の液晶材料の組み合わせによって、電流値が抑制された誘電率異方性の高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、コントラスト及び信頼性が高く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として非常に実用的である。
【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。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の温度変化を押さえるため、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)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。
【０００５】
しかし、液晶中に含まれるイオン性物質の易動度の温度変化により電流値が増加するため、液晶にかかる実効値電圧がイオンにより消費され、コントラスト及び信頼性を低下させることに起因する改善策は知られていない。特に、その骨格中にエステル結合を有する化合物を多数含む液晶組成物で顕著であり、エステル結合を有する化合物を減らした液晶組成物が求められていた。
【０００６】
また、携帯端末ディスプレイ等に用いられる場合、その消費電力を抑えるために駆動電圧を下げることが行われているが。この様な用途に用いられるときの液晶組成物には低閾値電圧が求められる。しかし、駆動電圧を下げる材料(誘電率異方性の大きい)を組み合わせるとレスポンスに悪影響を及ぼし、この影響を避けるためには表示素子のセル厚を薄くする必要がある。セル厚を薄くするとリタデーションを一定にするためには屈折率の異方性の大きい材料を組み合わせる必要が生じる。すなわち、屈折率の異方性はビシクロヘキサン骨格<フェニルシクロヘキサン骨格<ビフェニル骨格の順であり、この順序がより好ましい液晶組成物の構成化合物となる。
【０００７】
【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、レスポンス、閾値電圧等の液晶諸特性を低下させることなく、電流値を抑制した信頼性の高い液晶組成物を提供すること、また、この液晶組成物を使用した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。
【０００８】
【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。
【０００９】
発明1 第一成分として一般式(I)
【００１０】
【化９】
(式中、R1は炭素原子数1〜10のアルキル基を表す。)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)、(III)
【化１０】
【００１２】
発明2 一般式(I)の化合物の含有率が5〜40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5〜95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。
【００１３】
発明3 一般式(II)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(II-a)
【００１４】
【化１１】
(式中、R5、R6はR2、R3と同じ意味を表し、環F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又は2記載の液晶組成物。
【００１６】
発明4 一般式(I)の含有率が5〜40質量%の範囲で、なおかつ第二成分として一般式(II-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5〜95質量%の範囲であることを特徴とする発明3記載の液晶組成物。
【００１７】
発明5 一般式(III)の化合物として、環Dがトランス-1,4-シクロヘキシレン基であり、Z3、Z4が単結合であり、m=1の一般式(III-a)
【００１８】
【化１２】
(式中、R7は炭素原子数1〜8のアルキル基または、2〜8のアルケニル基を表し、環G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、X5はシアノ基、フッ素原子、トリフルオロメトキシ基、ジフルオロメトキシ基を表し、X4、X6はそれぞれ独立的に水素原子またはフッ素原子を表す。)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、2、3又は4記載の液晶組成物。
【００２０】
発明6 一般式(I)の含有率が5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(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5〜95質量%の範囲であることを特徴とする発明5記載の液晶組成物。
【００２１】
発明7 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5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(II-b)
【００２２】
【化１３】
(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5〜40質量%の範囲で、さらに一般式(II-c)
【００２４】
【化１４】
(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5〜60質量%の範囲であることを特徴とする発明1〜6記載の液晶組成物。
【００２６】
発明8 発明1記載の一般式(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5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(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5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(II-b)もしくは一般式(II-c)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5〜60質量%の範囲であることを特徴とする発明1〜7記載の液晶組成物。
【００２７】
発明9 発明1記載の一般式(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5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(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5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(II-b)及び一般式(II-c)の化合物を1種もしくは2種以上を含有し、その含有率がそれぞれ5〜40質量%の範囲であることを特徴とする発明1〜8記載の液晶組成物。
【００２８】
発明10 発明1〜9記載の一般式(III)もしくは(III-a)として一般式(III-b)
【００２９】
【化１５】
(式中、R12は炭素原子数1〜16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5〜40質量%の範囲であることを特徴とする発明1〜9記載の液晶組成物。
【００３１】
発明11 発明1〜9記載の一般式(III)もしくは(III-a)として一般式(III-c)
【００３２】
【化１６】
(式中、R12は炭素原子数1〜16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5〜40質量%の範囲であることを特徴とする発明1〜9記載の液晶組成物。
【００３４】
発明12 発明1〜11のいずれかに記載の液晶組成物を用いた液晶表示素子。
【００３５】
発明13 発明1〜11のいずれかに記載の液晶組成物を用いた、ねじれ角が220°〜270°であることを特徴とする超捩れネマチック(STN)液晶表示素子。
【００３６】
【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。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は炭素原子数2〜16のアルケニル基もしくは炭素原子数3〜16のアルケニルオキシ基を表すが、炭素原子数2〜16のアルケニル基が好ましく、炭素原子数2〜8のアルケニル基がより好ましく、以下式(a)〜(e)の構造がさらに好ましく、
【００３７】
【化１７】
(構造式は右端で環に連結しているものとする。)その中でも(e)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2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0.07〜0.24の範囲であることを特徴とするが、0.08〜0.22が好ましい。R2、R3、R4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。環A、環B、環C、環D及び環E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、環D、環E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-フェニレン基より好ましい。l、mはそれぞれ独立的に0、1もしくは2を表すが、0もしくは1が好ましい。Z1、Z2、Z3、Z4はそれぞれ独立的に単結合、-CH2CH2-、-(CH2)4-、-OCH2-、-CH2O-または-C≡C-表すが、Z1、Z2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。Z3、Z4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。X2はシアノ基、フッ素原子、塩素原子、トリフルオロメトキシ基、トリフルオロメチル基、ジフルオロメトキシ基、水素原子、3,3,3-トリフルオロエトキシ基、R'または-OR'を表し、R'は炭素原子数1〜12の直鎖状アルキル基または、2〜12の直鎖状アルケニル基を表すが、シアノ基、フッ素原子、トリフルオロメトキシ基、ジフルオロメトキシ基が好ましく、フッ素原子、トリフルオロメトキシ基、ジフルオロメトキシ基がより好ましく、フッ素原子が特に好ましい。X1、X3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。
【００３９】
発明2において、一般式(I)の含有率は5〜40質量%であるが、5〜25質量%が好ましく、5〜20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5〜95質量%であるが、15〜85質量%が好ましく、25〜85質量%が特に好ましい。
【００４０】
発明4において、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5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(II-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5〜95質量%の範囲であるが、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5〜25質量%が好ましく、5〜20質量%が特に好ましく、一般式(II-a)の化合物を2種以上含有しその含有率が5〜95質量%であることが好ましく、15〜85質量%が好ましく、25〜85質量%が特に好ましい。
【００４１】
発明6において、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5〜40質量%の範囲で、なおかつ第二成分として一般式(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5〜95質量%の範囲であるが、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5〜25質量%が好ましく、5〜15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5〜95質量%であることが好ましく、15〜85質量%が好ましく、25〜85質量%が特に好ましい。
【００４２】
発明7において、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5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(II-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5〜40質量%の範囲であるが5〜25質量%が好ましい、さらに一般式(II-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5〜60質量%の範囲であるが、5〜50質量%が好ましく5〜40質量%であることがより好ましい。式中R8、R9、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。
【００４３】
発明8において、発明1記載の一般式(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5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(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5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(II-b)もしくは一般式(II-c)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5〜60質量%の範囲であるが、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5〜20質量%の範囲であることが好ましく、一般式(III-a)の含有率が5〜35質量%の範囲であることが好ましく、5〜25質量%の範囲であることがより好ましく、一般式(II-b)もしくは一般式(II-c)の含有率が5〜55質量%の範囲であることが好ましく、5〜45質量%の範囲であることがより好ましい。
【００４４】
発明9において、発明1記載の一般式(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5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(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5〜40質量%の範囲で、なおかつ一般式(II-b)及び一般式(II-c)の化合物を1種もしくは2種以上を含有し、その含有率がそれぞれ5〜40質量%の範囲であるが、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5〜20質量%の範囲であることが好ましく、一般式(II-b)及び一般式(II-c)の化合物をそれぞれ1種以上含有しその含有率が5〜20質量%の範囲であり、一般式(III-a)の化合物を2種以上含有しその含有率が5〜25質量%の範囲であることが好ましい。
【００４５】
発明10において、発明1記載の一般式(III)もしくは一般式(III-a)として、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が5〜40質量%の範囲であるが、一般式(III-b)の化合物を1〜10種含有しその含有率が5〜35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5〜30質量%の範囲であることがより好ましい。式中R12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。
【００４６】
発明11において、発明1記載の一般式(III)もしくは一般式(III-a)として、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5〜40質量%の範囲であるが、一般式(III-c)の化合物を1〜10種含有しその含有率が5〜35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5〜30質量%の範囲であることがより好ましい。式中R12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。
【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、上記一般式(I)〜(III-c)で表される化合物以外に、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。
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度の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。
【００５１】
化合物記載に下記の略号を使用する。
ネマチック液晶組成物No.1
【００５２】
【化１８】
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。
【００５４】
【表１】
表1に示すように、実施例1の液晶組成物は、比較例1の組成物に比べ電流値を大幅に抑制しているうえにコントラストも改善している。
ここで作製したSTN-LCDを用いて、優れた表示特性を示す液晶表示装置を作成することができた。
(実施例2、比較例2)
ネマチック液晶組成物No.2を調製し(実施例2)諸特性を測定した、また比較の組成物として本発明外の組成物組成物の組成及び特性データ(比較例2)と共に表2に示した。
【００５６】
【表２】
表2に示すように、実施例2の液晶組成物もまた、比較例2の組成物に比べ電流値を大幅に抑制し、コントラストも改善している。
ここで作製したSTN-LCDを用いて、優れた表示特性を示す液晶表示装置を作成することができた。
【００５８】
【発明の効果】
本発明の液晶材料の組み合わせによって、電流値が抑制された誘電率異方性の高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、コントラスト及び信頼性が高く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として非常に実用的である。
Claims (10)
- 第一成分として一般式(I)
- 一般式(I)の化合物の含有率が5〜40重量%の範囲で、さらに一般式(II-a)の化合物の含有率が5〜95重量%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(III)
- 一般式(III)の化合物として、環Dがトランス-1,4-シクロヘキシレン基であり、Z3、Z4が単結合であり、m=1の一般式(III-a)
- 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5〜40重量%の範囲で、なおかつ一般式(II-b)
- 請求項1記載の一般式(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5〜40重量%の範囲で、なおかつ一般式(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5〜40重量%の範囲で、なおかつ一般式(II-b)及び一般式(II-c)の化合物を1種もしくは2種以上を含有し、その含有率がそれぞれ5〜40重量%の範囲であることを特徴とする請求項5記載の液晶組成物。
- 一般式(III-a)として一般式(III-b)
- 一般式(III-a)として一般式(III-c)
- 請求項1〜８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。
- 請求項1〜８のいずれか一項に記載の液晶組成物を用いた、ねじれ角が220°〜270°であることを特徴とする超捩れネマチック(STN)液晶表示素子。
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