JP5428164B2 - ネマチック液晶組成物 - Google Patents

Description

本願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及び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形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）。

よりきれいな動画表示が求められる今日、応答速度を高速化するために低粘性化された液晶組成物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得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。

今日まで数多くのビシクロヘキサン化合物及びこれを用いた液晶組成物が紹介（特許文献8及び9参照）され、液晶組成物の粘度低減、すなわち、応答速度の改善に寄与してきたが更なる改善が必要な事は周知の事実である。また、これらのビシクロヘキサン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)が高くなり、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。

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とこれを用いた液晶組成物の具体例が開示されている(特許文献3参照)。

また、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とこれを用いた液晶組成物の具体例が開示されている(特許文献4及び5参照)。しかしながら、これらの液晶組成物の粘性は十分に低いものではなかった。

更に、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6及び7参照）が開示されている。

しかしながら、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。

以上のことから、液晶相温度範囲が広く、粘性が低い、誘電率異方性が負の液晶組成物を得ることは困難であり、これらの課題を解決することができる液晶組成物の開発が望まれていた。

特開平２−２３３６２６号公報 特公表４−５０１５７５号公報 特開２００７−３９６４２（ZAB/ZAC優先権出願） 特開２００６−２３３１８２（アルキルZBA優先権出願） 特開２００７−３９６３９（アルケニルZBA優先権出願） 特開昭６０−１９９８４０号 特開平２−４７２５号 特開昭５９−７０６２４（チッソ株式会社） 特開昭６０−１６９４０（メルク・パテント）

解決しようとする課題は、液晶相温度範囲が広く、粘性が低い、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、及び、これを使用した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。

本願発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、三つの特徴的構造を有する液晶化合物を含有する液晶組成物の有用性を見出し本願発明の完成に至った。
本願発明は、第一成分として一般式(1)

（式中、R¹は炭素数1〜15のアルキル基または炭素数2〜15のアルケニル基を表し、mは0または1を表す。）及び一般式(2)

（式中、R²は炭素数1〜15のアルキル基または炭素数2〜15のアルケニル基を表す。）で表される化合物群から選ばれる化合物を含有し、第二成分として、式(3)

で表される化合物を含有し、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これを用いた液晶表示素子に関する。

本願発明の液晶化合物の組み合わせによって、粘性がより低く、液晶相温度範囲が広く、広い範囲で屈折率異方性を調整でき、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。この液晶組成物を用いることにより、応答速度が速く、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、透過モード、反射モードまたは半透過モード等の液晶ディスプレイとして非常に有用である。

本願発明における液晶組成物は、一般式(1)及び一般式(2)で表される化合物群から選ばれる化合物と式(3)で表される化合物を含有することを特徴とするが、その含有量は一般式(1)及び一般式(2)で表される化合物群から選ばれる化合物を5〜60%含有し、式(3)で表される化合物を5〜25%含有することが好ましいが、一般式(1)及び一般式(2)で表される化合物群から選ばれる化合物を20〜60％含有し、式(3)で表される化合物を10〜20％含有することが特に好ましい。

一般式(1)において、R¹は炭素数1〜15のアルキル基または炭素数2〜15のアルケニル基を表すが、炭素数1〜7のアルキル基または炭素数2〜7のアルケニル基がより好ましく、炭素数2〜5のアルキル基が特に好ましい。

一般式(2)において、R²は炭素数1〜15のアルキル基または炭素数2〜15のアルケニル基を表すが、炭素数1〜7のアルキル基または炭素数2〜7のアルケニル基がより好ましく、炭素数2〜5のアルケニル基が特に好ましい。

本願発明の液晶組成物の物性値を調整するために、一般式(4)及び一般式(5)

（式中、R³及びR⁴はそれぞれ独立して炭素数1〜10のアルキル基、アルコキシル基または炭素数2〜10のアルケニル基を表し、R⁵及びR⁶はそれぞれ独立して炭素数1〜10のアルキル基またはアルコキシル基を表し、A〜Eはそれぞれ独立的してトランス-1,4-シクロへキシレン基または1,4-フェニレン基を表すが、これらの基中の水素原子はそれぞれ独立して-CH3、-Fまたは-Clで置換されていても良く、L¹〜L⁴はそれぞれ独立して単結合、-CH₂CH₂-、-(CH₂)₄-、-CH=CH-、-COO-、-OCH₂-、-CH₂O-、-OCF₂-または-CF₂O-を表し、n及びoはそれぞれ独立して0〜2を表し、X¹〜X²はそれぞれ独立して水素原子、-Fまたは-Clを表す。）で表される化合物群から選ばれる1種または2種以上の化合物を含有しても良い。但し、該化合物群から一般式(2)及び式(3)で表される化合物は除かれる。

一般式(4)及び一般式(5)で表される化合物群から選ばれる化合物を含有する場合、1種〜15種が好ましく、1種〜5種がより好ましい。

一般式(4)及び一般式(5)で表される化合物群から選ばれる化合物を含有する場合、5〜40％含有することが好ましく、5〜25％含有することが特に好ましい。

一般式(5)において、X¹〜X²はそれぞれ独立して-H、-Fまたは-Clを表すが、-Hまたは-Fがより好ましく、X¹=X²=-Fが特に好ましい。

更に詳述すると、一般式(4)の具体的な構造として以下の化合物が好ましい。

（式中R⁷及びR⁸はそれぞれ独立して、炭素数1〜5のアルキル基またはアルコキシル基、炭素数2〜5のアルケニル基またはアルケニルオキシ基を表し、フェニル基中の水素原子は-Fで置換されていても良い。）

一般式(5)の具体的な構造として以下の化合物が好ましい。

（式中R⁹及びR¹¹は炭素数1〜5のアルキル基、R¹⁰は炭素数1〜5のアルキル基またはアルコキシル基を表す。）

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。

本願発明において、ネマチック相-等方性液体相転移温度（T_N-I）は68〜120℃であるが、70〜105℃がより好ましく、75〜95℃が特に好ましい。固体相またはスメクチック相−ネマチック相転移温度（T_→N）は-80〜-20℃であるが、-30℃以下であることがより好ましく、-40℃以下であることが特に好ましい。25℃における屈折率異方性（Δｎ）は0.05〜0.15であるが、0.07〜0.13であることがより好ましく、0.08〜0.11であることが特に好ましい。25℃における誘電率異方性（Δε）は-1.5〜-8.0であるが、-1.5〜-6.0であることがより好ましく、-1.5〜-5.5であることが特に好ましい。

本願発明のネマチック液晶組成物は液晶表示素子に有用であるが、アクティブマトリクス駆動用液晶表示素子に特に有用であり、透過モード、反射モード及び半透過モード用液晶表示素子に用いることができる。

以下、例を挙げて本願発明を更に詳述するが、本願発明はこれらによって限定されるものではない。また、「％」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 ：固体相またはスメクチック相-ネマチック相転移温度(℃)を液晶相下限温度とする。
Δε ：25℃における誘電率異方性
Δn ：25℃における屈折率異方性
η ：20℃における粘性
VHR ：60℃における保持率(%)
(セル厚3.5μmのVA-LCDに注入し、5V印加、フレームタイム16.7ms、パルス幅64μsで測定したときの測定電圧と初期印加電圧との比を％で表した値。)

化合物の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-
-O1- -OCH₂-
-On -OC_nH_2n+1
ndm- C_nH_2n+1-C=C-(CH₂)_m-1-

本願発明の実施例1(No.1)と比較例1(R1)及び比較例2(R2)の組成と物性値を表1に示す。

本願発明の液晶組成物である実施例1(No.1)は、比較例1(R1)及び比較例2(R2)と比較してT_→Nが十分に低く、ηが大幅に低減されており、その他の物性値は同等かそれ以上の値を示した。一方、特許文献3記載の液晶組成物である比較例1(R1)は本願発明の必須成分である一般式(2)を含まず、また、比較例2(R2)は本願発明の必須成分である一般式(1)を含まず、ηが高い、T_→Nが高い等の課題を残すものであった。以上のことから、本願発明の液晶組成物である実施例1(No.1)はT_→Nが低いため低温安定性に優れ、液晶相温度範囲が広く、なおかつ、応答速度に関わる粘度ηが非常に低いことがわかる。

本願発明の実施例2(No.2)、実施例3(No.3)及び比較例3(R3)の組成と物性値を表2に示す。

本願発明の液晶組成物である実施例2(No.2)及び実施例3(No.3)は、比較例3(R3)と比較してT_→Nが十分に低く、ηが大幅に低減されていた。以上のことから、本願発明の液晶組成物である実施例2(No.2)及び実施例3(No.3)はT_→Nが低いため低温安定性に優れ、液晶相温度範囲が広く、なおかつ、応答速度に関わる粘度ηが非常に低いことがわかる。

本願発明の実施例4(No.4)の組成と物性値を表3に示す。

本願発明の液晶組成物である実施例4(No.4)は、T_→Nが低く、ηも低いことが確認された。以上のことから、本願発明の液晶組成物である実施例4(No.4)は低温安定性に優れ、液晶相温度範囲が広く、粘度ηが非常に低いことがわかる。

Claims (7)

1. 第一成分として一般式（１）
   

   

   （式中、Ｒ^１は炭素数１〜１５のアルキル基を表し、ｍは０または１を表す。）及び一般式（２）
   

   

   （式中、Ｒ^２は炭素数１〜１５のアルキル基または炭素数２〜１５のアルケニル基を表す。）で表される化合物群から選ばれる化合物を含有し、
   第二成分として、式（３）
   

   

   で表される化合物を含有し、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。
2. 一般式（１）において、Ｒ^１が炭素数２〜５のアルキル基であることを特徴とする請求項１記載のネマチック液晶組成物。
3. 一般式（２）において、Ｒ^２が炭素数２〜５のアルケニル基であることを特徴とする請求項１または２記載のネマチック液晶組成物。
4. 前記一般式（１）および前記一般式（２）で表される化合物群からなる群から化合物は５〜６０質量％含有する、請求項１〜３のいずれか１項にネマチック液晶組成物。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のネマチック組成物を用いた液晶表示素子。
6. 請求項１から４のいずれか１項に記載のネマチック組成物を用いたアクティブマトリックス駆動用液晶表示素子。
7. 請求項１から３のいずれか１項に記載のネマチック組成物を用いたＶＡモード、ＩＰＳモードまたはＥＣＢモード用液晶表示素子。