JP5233226B2

JP5233226B2 - ネマチック液晶組成物

Info

Publication number: JP5233226B2
Application number: JP2007254127A
Authority: JP
Inventors: 芳典岩下; 豪須藤; 正太郎川上
Original assignee: DIC Corp
Current assignee: DIC Corp
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2027-09-28
Also published as: JP2009084365A

Description

本発明は電気光学的液晶表示材料として有用な誘電率異方性が負のネマチック晶組成物、これを用いた液晶表示装置に関する。

表示品質が優れていることから、アクティブマトリクス型液晶表示装置が携帯端末、液晶テレビ、プロジェクタ、コンピューター等の市場に出されている。アクティブマトリクス表示方式は、画素毎にTFT（薄膜トランジスタ）あるいはMIM（メタル・インシュレータ・メタル）等が使われており、この方式には高電圧保持率であることが重要視されている。また、更に広い視角特性を得るためにVA、IPS、OCBモードと組み合わせたTFT表示やより明るい表示を得るためにECBモードの反射型が提案されている。この様な表示素子に対応するために、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（特許文献1、特許文献2）。

ツイステッドネマチック液晶表示素子(TN-LCD)やスーパーツイステッドネマチック液晶表示素子(STN-LCD)においては、表示の応答速度を高速化させるために低粘性化された液晶組成物への要望が強くなっている。また低温領域から高温領域まで広い動作温度範囲を可能にするためにネマチック温度範囲の広い液晶組成物が要求されている。

低粘性液晶組成物は、Δn値の小さいシクロヘキサン環で構成されたビシクロヘキサン誘導体等の含有率を大きくすることで得ることができる。しかし、これらの化合物はスメクチック性が高く、ビシクロヘキサン系化合物の含有率を大きくした場合、ネマチック相下限温度(T-n)を低くすることが困難であり、広いネマチック温度範囲を有する液晶組成物を得ることが困難であった。

比較的低粘性である液晶組成物は既に知られており、好ましい化合物の具体例が開示されている(特許文献3)。またビシクロヘキサン誘導体とフェニルビシクロヘキサン系化合物を組み合わせた屈折率異方性の小さい液晶組成物も既に知られており、好ましい化合物の具体例が開示されている(特許文献4)。しかしながら、これら組成物の粘性は十分に低いものではなかった。

一方、誘電率異方性が負の液晶材料として、以下のような2,3-ジフルオロフェニレン骨格を有する液晶化合物（特許文献５及び６参照）が開示されている。

（式中、R及びR’は炭素数１から１０のアルキル基又はアルコキシ基を表す。）
しかし、当該引用文献に記載される化合物のみで構成される誘電率異方性が負の液晶組成物は、液晶テレビ等の高速応答が要求される液晶組成物においては十分に低い粘性を実現するに至っていない。
また、誘電率異方性が負の化合物が、上記のような2,3-ジフルオロフェニレン骨格を有する液晶化合物のみで構成される場合、液晶分子長軸にラテラルに導入できる極性基は2つに限られており、携帯電話等の低電圧駆動が要求される液晶組成物においては十分低い電圧を実現するに至っていない。
低電圧駆動に有利な誘電率異方性が負の化合物としてトリフルオロナフタレン系化合物が開発され、本願発明を構成する２位及び６位に酸素原子を有するトリフルオロナフタレン系の化合物についても既に開示されている（特許文献７参照）。しかしながら、当該引用文献には当該ナフタレン系化合物は、低電圧駆動及び粘性の点では有利なものの、液晶相下限温度（固体相又はスメクチック相−ネマチック相転移温度）を十分に低減することは困難であった。
又、ジフルオロクロマン系の化合物に関しての開示も既にあるが（特許文献８及び９参照）、当該化合物を用いた液晶組成物は粘性の点で不利であり、これら引用文献の開示においても本願発明の課題を解決できる具体的な組成物の開示は無い。

以上のことから、屈折率異方性、粘性等の物性値を維持したまま、液晶相下限温度が低い誘電率異方性が負のアクティブマトリクス型液晶表示素子用液晶組成物を得ることは困難であった。

特開平２−２３３６２６号公報特公表４−５０１５７５号公報特許第２８８２５７７号公報（３２頁の例２８）特開平１０−２５９３７７（１７頁の例Ａ〜Ｄ）特開昭６０−１９９８４０号特開平２−４７２５号特開２００６−２６７０８３号公報特開２００６−１９９９４１号公報特開２００６−１５１８６４号公報

本発明が解決しようとする課題は、屈折率異方性、粘性等の物性値を維持したまま、固体相又はスメクチック相−ネマチック相転移温度が低い誘電率異方性が負のアクティブマトリクス型液晶表示素子用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動作温度範囲が広いアクティブマトリクス型液晶表示素子を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、第一成分として一般式(1)及び一般式(2)

(式中、R¹〜R⁴はそれぞれ独立的に炭素数1〜15のアルキル基又は炭素数2〜15のアルケニル基を表し、
Z¹は単結合、-CH₂CH₂-、-(CH₂)₄-、-COO-、-OCH₂-、-CH₂O-、-OCF₂-又は-CF₂O-を表す。)で表される化合物からなる群から選ばれる化合物を1種もしくは2種以上含有し、第二成分として一般式(3)及び一般式(4)

(式中、R⁵〜R⁸はそれぞれ独立的に炭素数1〜15のアルキル基又は炭素数2〜15のアルケニル基を表し、
Z²は単結合、-CH₂CH₂-、-(CH₂)₄-、-COO-、-OCH₂-、-CH₂O-、-OCF₂-又は-CF₂O-を表す。)で表される化合物からなる群から選ばれる化合物を1種もしくは2種以上含有し、第三成分として構造式(5)

で表される化合物を10〜50質量%含有し、誘電率異方性が負であることを特徴とするネマチック液晶組成物及び当該液晶組成物を構成部材とする液晶表示素子を提供する。

本発明の液晶化合物の組み合わせによって、粘性が低く、固体相又はスメクチック相−ネマチック相転移温度を有し、広い範囲で屈折率異方性（Δn=0.05〜0.15）を調整でき、かつ信頼性に優れたアクティブマトリクス型液晶表示素子用液晶組成物が得られた。この組成物を用いることにより、動作温度範囲が広いアクティブマトリクス型液晶表示素子が提供され、透過又は半透過モード等の液晶ディスプレイとして非常に実用的である。

本願発明における液晶組成物において、第一成分として一般式(1)又は一般式(2)で表される化合物は1種又は2種以上選ばれることが好ましいが、構造式(1)で現される化合物と構造式(2)で表される化合物それぞれから1種又は2種以上選ばれることが好ましく、化合物(2)で表される化合物はZ¹が単結合である化合物と-CH₂-CH₂-である化合物からそれぞれ1種又は2種以上選ばれることがさらに好ましい。
また、第一成分の含有量は10〜50質量%の範囲であることが好ましいが、20〜35質量%であることがより好ましく、より高速応答を求める場合には10〜35質量%の範囲であることがより好ましく、より低電圧駆動を求める場合には35〜50質量%の範囲であることがより好ましい。

第二成分としてとして一般式(3)又は一般式(4)で表される化合物は1種又は2種以上選ばれることが好ましい。また、第二成分の含有率は3〜20質量%の範囲であることが好ましいが、より低い屈折率異方性を求める場合には10〜20質量%であることがより好ましい。

第三成分として構造式(5)で表される化合物群から選ばれる1種又は2種以上の化合物の含有率は10〜50質量％の範囲であるが、15〜45質量%の範囲であることがより好ましく20〜40質量％の範囲であることがさらに好ましい。
第四成分として一般式(6)

(式中、R⁹、R¹⁰は一般式(1)におけるR¹と同じ意味を表し、
B¹、B²はそれぞれ独立的に
(a) トランス-1,4-シクロへキシレン基(この基中に存在する1個のCH₂基又は隣接していない2個以上のCH₂基は -O- 及び又は -S- に置き換えられてもよい)
(b) 1,4-フェニレン基(この基中に存在する1個のCH₂基又は隣接していない2個以上のCH₂基は -N- に置き換えられてもよい)
からなる群より選ばれる基であり、上記の基(a)、基(b)はCH₃又はハロゲンで置換されていても良く、
Z³はそれぞれ独立的に一般式(2)におけるZ¹と同じ意味を表し、
nは1、2又は3であるが、
構造式(5)で表される化合物は除く。)で表される化合物を1種又は2種以上含有するが、n=1である化合物とn=2である化合物をそれぞれ1種又は2種以上含有することがより好ましく、2種以上含有することがさらに好ましい。
第5成分として一般式(7)

(式中、R¹¹、R¹²は一般式(1)におけるR¹と同じ意味を表し、
B³、B⁴はそれぞれ独立的に一般式(6)におけるB¹と同じ意味を表し、
Z⁴、Z⁵は一般式(6)におけるZ¹と同じ意味を表し、
k、lはそれぞれ独立的に0、1又は2であるがk+lは1又は2であり、
X¹はF、Cl、CF₃又はHである。)
で表される化合物を1種又は2種以上含有するが、2種以上含有することが好ましい。
また、R¹〜R¹²は炭素数1〜10のアルキル基又は炭素数2〜10のアルケニル基、炭素数2〜10のアルキル基中に存在する1個のCH₂基が-O-により置き換えられたものが好ましく、未置換の直鎖状炭素数1〜8のアルキル基又は炭素数2〜8のアルケニル基、炭素数2〜8のアルキル基中に存在する1個のCH₂基が-O-により置き換えられたものがより好ましく、アルケニル基では以下の式(a)〜(e)の構造が好ましく、(b)〜(d)がより好ましく、(b)又は(d)がさらに好ましい。

(構造式は右端で環に連結しているものとする。)

B¹〜B⁴はトランス-1,4-シクロへキシレン基、1,4-フェニレン基が好ましい。B¹〜B⁴は、単結合、-CH₂CH₂-、-(CH₂)₄-、-COO-、-OCH₂-、-CH₂O-、-OCF₂-、-CF₂O-又は-C≡C-であるが、-CH₂CH₂-、-OCH₂-、-CH₂O-、又は単結合が好ましく、-CH₂CH₂-、-OCH₂-、-CH₂O-又は単結合がより好ましく、-OCH₂-、-CH₂O-又は単結合が特に好ましい。

本発明において、ネマチック相-等方性液体相転移温度（T_N-I）は65℃以上であることがより好ましい。固体相又はスメクチック相−ネマチック相転移温度（T_→N）は-20℃以下であることが好ましい。25℃における誘電率異方性（Δε）が-2.0〜-8.0であることが好ましく、-2.5〜-6.0であることがより好ましい。25℃における屈折率異方性（Δｎ）が0.08〜0.13であることが好ましい。

上記ネマチック液晶組成物は、液晶表示素子に有用であり、特にアクティブマトリクス駆動用液晶表示素子に有用であり、反射モード又は半透過モード用液晶表示素子に用いることができる。

本発明のネマテチック液晶組成物は、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もよい。

以下に例を挙げて本発明を更に詳述するが、本発明はこれらに限定されるものではない。また、以下の及び比較例の組成物における「％」は『質量％』を意味する。

T_N-I ：ネマチック相−等方性液体相転移温度(℃)を液晶相上限温度とする
T_→N ：固体相又はスメクチック相−ネマチック相転移温度(℃)を液晶相下限温度
とする。
Δε ：誘電率異方性
Δn ：屈折率異方性
η ：粘性

化合物記載に下記の略号を使用する。
末端のn(数字) C_nH_2n+1-
-2- -CH₂CH₂-
-1O- -CH₂O-
-On -OC_nH_2n+1
ndm- C_nH_2n+1-C=C-(CH₂)_m-1-

以下に示すネマチック液晶組成物(No.1)〜(No.4)を調整しその物性値を測定し、その結果を表1に示す。

1〜4のネマチック液晶組成物(No.1)〜(No.4)は、ネマチック相-等方性液体相転移温度（T_N-I）、固体相又はスメクチック相−ネマチック相転移温度（T_→N）、誘電率異方性（Δε）、屈折率異方性（Δｎ）の全ての特性において所望の値を示した。また粘性も低く、パネルの応答速度も良好な値を示した。ネマチック組成物1については、構造式(5)で表される第三成分の含有量が比較的低い15質量%であったが、十分低い固体相又はスメクチック相−ネマチック相転移温度（T_→N）が得られている。ネマチック組成物3では構造式(5)で表される第三成分の含有量が、第三成分の含有量量として最も好ましい範囲内の37質量%であるが、この組成物は後述の組成物R1と比較して、T_→N、Δε、粘性全ての特性で大幅な優位を示した。また、特に駆動電圧を下げることを主目的として調整したネマチック組成物2では十分低い誘電率異方性の値が得られており、特に応答速度を上げることを主目的として調整したネマチック組成物4では十分低い粘性が得られており、応答速度も良好な値を示した。

比較例として以下に示すネマチック液晶組成物(R1)〜(R3)を調整しその物性値を測定し、その結果を表2に示す。

R1は第三成分を含まないものだが、実施例と比較して十分低い固体相又はスメクチック相−ネマチック相転移温度が得られていない。R2は第二成分を含まないものだが、実施例と比較して粘性は低いものの極めて高い固体相又はスメクチック相−ネマチック相転移温度しか得られていない。R3は第一成分を含まないものだが、極めて高い固体相又はスメクチック相−ネマチック相転移温度を示すうえに、極めて高い粘性を示している。

Claims

第一成分として一般式(1)及び一般式(2)

(式中、R¹〜R⁴はそれぞれ独立的に炭素数1〜15のアルキル基又は炭素数2〜15のアルケニル基を表し、
Z¹は単結合、-CH₂CH₂-、-(CH₂)₄-、-COO-、-OCH₂-、-CH₂O-、-OCF₂-又は-CF₂O-を表す。)で表される化合物からなる群から選ばれる化合物を1種もしくは2種以上含有し、第二成分として一般式(3)及び一般式(4)

(式中、R⁵〜R⁸はそれぞれ独立的に炭素数1〜15のアルキル基又は炭素数2〜15のアルケニル基を表し、
Z²は単結合、-CH₂CH₂-、-(CH₂)₄-、-COO-、-OCH₂-、-CH₂O-、-OCF₂-又は-CF₂O-を表す。)で表される化合物からなる群から選ばれる化合物を1種もしくは2種以上含有し、第三成分として構造式(5)

で表される化合物を10〜50質量%含有し、誘電率異方性が負であることを特徴とするネマチック液晶組成物。
一般式(1)で表される化合物及び一般式(2)で表される化合物を含有する請求項1記載の液晶組成物。
一般式(2)においてZ¹が単結合である化合物及びZ¹が-CH₂CH₂-である化合物をそれぞれ含有する請求項1又は2に記載の液晶組成物。
一般式(3)で表される化合物及び一般式(4)で表される化合物を含有する請求項1〜3のいずれかに記載の液晶組成物。
第一成分の含有量が10〜50質量%であり第二成分の含有量が3〜20質量%である請求項1〜4のいずれかに記載の液晶組成物。
第四成分として一般式(6)

(式中、R⁹、及びR¹⁰はそれぞれ独立的に炭素数1〜15のアルキル基又は炭素数2〜15のアルケニル基を表し、
B¹及びB²はそれぞれ独立的にトランス-1,4-シクロへキシレン基又はハロゲンで置換されていても良い1,4-フェニレン基を表し、
Z³は単結合、-CH₂CH₂-、-(CH₂)₄-、-COO-、-OCH₂-、-CH₂O-、-OCF₂-又は-CF₂O-を表し、
nは1、2又は3を表すが、
構造式(5)で表される化合物は除く。)で表される化合物を1種又は2種以上含有する請求項1〜5のいずれかに記載の液晶組成物。
一般式(6)においてn=1である化合物及びn=2である化合物をそれぞれ含有する請求項6記載の液晶組成物。
請求項1〜7のいずれかに記載の液晶組成物を用い、プレチルト角が80〜90°である垂直配向液晶表示素子。
請求項8に記載液晶表示素子を用いた液晶表示装置。