JP2005239763A - ネマチック液晶組成物及びこれを用いた液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い屈折率異方性を維持しつつ、低い駆動電圧、高いネマチック−等方相転移温度と低温で安定したネマチック相を持ち、耐光性に優れた液晶組成物を得ること、また、この液晶組成物を用いた液晶表示素子さらにはこの液晶表示素子を用いた液晶表示装置を提供すること。
【解決手段】 一般式(I)で表される化合物の含有率が50から80質量%であり、一般式(II)で表される化合物の含有率が10から30質量%であり、一般式(III)で表される化合物の含有率が5から30質量%であることを特徴とする液晶組成物を構築することにより高い屈折率異方性を維持しつつ、低い駆動電圧、高いネマチック−等方相転移温度と低温で安定したネマチック相を持ち、耐光性に優れた液晶組成物を提供する。
【化１】

【選択図】 なし

Description

本発明は、電気光学的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。（以下、これらアクティブ・マトリクス表示方式の液晶表示素子を総称してTFT-LCDと呼称する）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及び特許文献2）。

近年、液晶プロジェクタの高性能化等の理由から屈折率異方性（Δn）が大きく、耐光性に優れた液晶組成物の要望が高まっている。液晶プロジェクタ用LCDは一般的に、対角数インチのポリシリコン基板上に高密度で画素を形成することにより作成されるが、さらなる高画素化による画素ピッチの縮小により、各画素間で発生する横電界の抑制が課題となっていた。これは画素ピッチに対するセルギャップ比を小さくする、つまりセルギャップを薄くすることと、駆動電圧を下げることによりある程度解決されるが、セルギャップと液晶のΔnとの積（リタデーション）をある一定の値に保たなければならないというTNモードの原理上の要請から液晶材料のΔnを高くする必要があり、駆動電圧も下げる必要がある。また、プロジェクタは比較的小さな面積のLCDに極めて大きな光量の光が照射される。このためプロジェクタ用液晶材料には高い耐光性が要求されるが、近年、プロジェクタの輝度アップという市場要請に応えるために、LCD開口率や照射光量の増大が行われ、液晶材料に対する耐光性向上の要求は高くなっている。さらに、大光量照射によりLCDの温度が上昇するため、プロジェクタ用液晶材料には高いネマチック−等方相転移温度も求められている。

高Δnの組成物を得るためには従来一般式(A)又は一般式(B)で表される化合物を用いるのが一般的であった（以下、一般式(A)で表される化合物をトラン系化合物、一般式(B)で表される化合物をフェニル系化合物とする）。（特許文献3及び特許文献4）

（式中、
Rは置換又は非置換のアルキル鎖又はアルケニル鎖を表し、
Aはシクロヘキサン環又はベンゼン環を表し、
nは0又は1を表す。）
一般式(A)及び一般式(B)で表される化合物はいずれも高いΔnの値を持つのが特長であり、プロジェクタ用途として用いられている。しかし、上述のようにプロジェクタに対する要求特性、特に耐光性に対する要求が高くなってきていることから、より耐光性に優れる液晶材料が切望されている。

特開平２−２３３６２６号公報（２頁） 特公表４−５０１５７５号公報（２頁） 特開２００１−０４０３５４号公報（２頁） 特開２００２−３５６６７９号公報（２頁）

本発明が解決しようとする課題は、高い屈折率異方性を維持しつつ、低い駆動電圧、高いネマチック−等方相転移温度と低温で安定したネマチック相を持ち、耐光性に優れた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、種々の液晶化合物を用いた液晶組成物を検討した結果、一般式(I)で表される化合物、一般式(II)で表される化合物及び一般式(III)で表される化合物を特定の混合比で組み合わせることで、高い複屈折率を維持しながら、低い駆動電圧、高いネマチック−等方相転移温度と低温における良好なネマチック相安定性を有し、耐光性に優れた液晶組成物を見出し本発明の完成に至った。

すなわち、一般式(I)で表される化合物を1種又は2種以上含有しその含有率が50から80質量%であり、一般式(II)で表される化合物を1種又は2種以上含有しその含有率が10から30質量%であり、一般式(III)で表される化合物を1種又は2種以上含有しその含有率が5から30質量%であることを特徴とする液晶組成物及びこれを用いた液晶表示素子を提供する。

（式中、
R¹からR⁴は、各々独立的に炭素原子数1から10のアルキル基又は炭素原子数2から10のアルケニル基を表し、該アルキル基又は該アルケニル基は非置換基であるか又は置換基として1個又は2個以上の-F、-Cl、-CH₃、又は-CF₃を有することができ、該アルキル基又は該アルケニル基中に存在する1個又は2個以上の-CH₂-基は、O原子が相互に直接結合しないものとして、-O-、-CO-、-COO-又はOCO-により置換されていてもよく、
Z¹からZ³は、各々独立的に-CH₂CH₂-又は単結合を表し、
A¹からA³は、各々独立的に1,4-フェニレン基、3-フルオロ-1,4-フェニレン基、3,5-ジフルオロ-1,4-フェニレン基、1,4-シクロヘキシレン基又はビシクロ[2,2,2]オクタン-1,4-ジイル基を表し、
X¹からX⁵は各々独立的に-F又はHを表し、
m¹は0又は1を表し、m²は2又は3を表し、該m²により繰り返される単位は同一であってもよく、異なっていてもよく、
Y¹は-F、-Cl、-OCF₃、-OCF₂H、-OCFH₂又は-NCSを表し、Y²は-F、-Cl、-OCF₃、-OCF₂H、-OCFH₂、-NCS、炭素原子数1から10のアルキル基又は炭素原子数2から10のアルケニル基を表し、該アルキル基又は該アルケニル基は非置換基であるか又は置換基として1個又は2個以上の-F、-Cl、-CH₃、又は-CF₃を有することができ、該アルキル基又は該アルケニル基中に存在する1個又は2個以上の-CH₂-基は、O原子が相互に直接結合しないものとして、-O-、-CO-、-COO-又はOCO-により置換されていてもよい。）

本発明の組み合わせによって、高い屈折率異方性を維持しつつ、低い駆動電圧、高いネマチック−等方相転移温度と低温で安定したネマチック相を持ち、耐光性に優れた液晶組成物が得られた。また、この液晶組成物を液晶表示素子として用いた場合、駆動温度範囲が広く耐光性に優れたものであった。

本発明において、一般式(I)、一般式(II)及び一般式(III)で表される化合物は多くの化合物を包含するものであるが以下に記載する置換基を有する場合が好ましい。
R¹からR⁴及び極性基以外の置換基を選択した場合のY²は、炭素数2から5のアルキル基、炭素数2から5のアルコキシ基又は炭素数2から5のアルケニル基が好ましく、アルケニル基の場合式(a)から式(f)で表される構造がより好ましく、

（構造式は右端で環に連結しているものとする。）
式(a)、式(b)、式(e)又は式(f)であらわさる構造が特に好ましい。

一般式(I)において、
A¹は1,4-フェニレン基又は1,4-シクロヘキシレン基を表すことが好ましく、
Z¹は単結合を表すことが好ましく、
Y²は-F、-OCF₃、-OCF₂H又は-OCFH₂を表すことが好ましく、
X³はFを表すことが好ましい。

一般式(I)で表される化合物は、具体的には下記一般式(I-1)又は一般式(I-2)で表される化合物

（式中、
R^1a、R^1b、A¹、Y^1a、Y^1b、X^1aからX^3bは、それぞれ一般式(I)のR¹、A¹、Y¹、X¹からX³と同義である。）
が好ましく、下記一般式(I-1-1)から一般式(I-1-6)及び一般式(I-2-1)から一般式(I-2-10)

（式中、R^1aは及びR^1bは各々独立的に一般式(I)におけるR¹と同義であり、該化合物中に1,4-シクロヘキシニレン基が存在する場合、該1,4-シクロヘキシレン基は各々独立的にビシクロ[2,2,2]オクタン-1,4-ジイル基で置換されていてもよい。）
で表される化合物がより好ましく、一般式(I-1-2)、一般式(I-1-4)、一般式(I-1-6)、一般式(I-2-2)、一般式(I-2-4)、一般式(I-2-6)、一般式(I-2-2)、一般式(I-2-4)、一般式(I-2-6)、一般式(I-2-8)又は一般式(I-2-10)で表される化合物が特に好ましく、一般式(I-1-2)、一般式(I-1-4)、一般式(I-2-2)、一般式(I-2-4)又は一般式(I-2-8)で表される化合物がさらに好ましい。

一般式(I)で表される化合物は２種以上含有することが好ましく、この場合一般式(I-1-1)から一般式(I-1-6)で表される化合物を含有しさらに一般式(I-2-1)から一般式(I-2-10)で表される化合物を含有することが好ましい。
一般式(I)で表される化合物の総和は50から80質量%であるが、60から80質量%であることが好ましい。

一般式(II)で表される化合物において、
Z²は少なくとも1つが単結合を表すことが好ましく、
Y²は極性基を選択した場合には-F、-OCF₃、-OCF₂H又は-OCFH₂を表すことが好ましい。
一般式(II)で表される化合物は、具体的には下記一般式(II-1)から一般式(II-6)で表される化合物

（式中、
R^2aからR^2f、Z^2aからZ^2o、Y^2aからY^2f、X^3aからX^4fはそれぞれ一般式(II)におけるR²、Z²、Y²、及びX⁴と同義であり、該化合物中の1,4-シクロヘキシニレン基はは各々独立的にビシクロ[2,2,2]オクタン-1,4-ジイル基で置換されていてもよく、該化合物中1つ又は2つ以上のの1,4-フェニレン基は3-フルオロ-1,4-フェニレン基又は3,5-ジフルオロ-1,4-フェニレン基で置換されていてもよい。）
で表される化合物が好ましいが、Y²が極性基の場合には下記一般式(II-1-1)から一般式(II-6-2)

（式中、R^2aからR^2fはそれぞれ一般式(II)のR²と同義であり、X^4aからX^4fはそれぞれ一般式(II)のX⁴と同義であり、該化合物中の1,4-シクロヘキシニレン基はは各々独立的にビシクロ[2,2,2]オクタン-1,4-ジイル基で置換されていてもよく、該化合物中1つ又は2つ以上の1,4-フェニレン基は3-フルオロ-1,4-フェニレン基又は3,5-ジフルオロ-1,4-フェニレン基で置換されていてもよい。）
で表される化合物がより好ましく、一般式(II-1-1)、一般式(II-2-1)、一般式(II-3-1)、一般式(II-4-1)、一般式(II-5-1)又は一般式(II-6-1)で表される化合物が特に好ましく、Y²が非極性基の場合には下記一般式(II-1-n1)から一般式(II-6-n2)

（式中、R^2aからR^2fはそれぞれ一般式(II)のR²と同義であり、Y^2aからY^2fは、炭素原子数1から10のアルキル基又は炭素原子数2から10のアルケニル基を表し、該アルキル基又は該アルケニル基は非置換基であるか又は置換基として1個又は2個以上の-F、-Cl、-CH₃、又は-CF₃を有することができ、該アルキル基又は該アルケニル基中に存在する1個又は2個以上の-CH₂-基は、O原子が相互に直接結合しないものとして、-O-、-CO-、-COO-又はOCO-置換されていてもよく、該化合物中の1,4-シクロヘキシニレン基はは各々独立的にビシクロ[2,2,2]オクタン-1,4-ジイル基で置換されていてもよく、該化合物中1つ又は2つ以上の1,4-フェニレン基は3-フルオロ-1,4-フェニレン基又は3,5-ジフルオロ-1,4-フェニレン基で置換されていてもよい。）
で表される化合物がより好ましく、一般式(II-1-n1)、一般式(II-2-n1)、一般式(II-3-n1)、一般式(II-4-n1)、一般式(II-5-n1)又は一般式(II-6-n1)で表される化合物が特に好ましい。

一般式(II)で表される化合物の総和は10から30質量%であるが、15から30質量%であることが好ましい。

一般式(III)で表される化合物は、具体的には下記一般式(III-1)から一般式(III-4)

（式中、R³及びR⁴はそれぞれ一般式(III)におけると同義であり、該化合物中に1,4-シクロヘキシニレン基が存在する場合、該1,4-シクロヘキシレン基は各々独立的にビシクロ[2,2,2]オクタン-1,4-ジイル基で置換されていてもよく、該化合物中右端の1,4-フェニレン基以外に1,4-フェニレン基が存在する場合、化合物中右端以外の1つ又は2つ以上の1,4-フェニレン基は3-フルオロ-1,4-フェニレン基又は3,5-ジフルオロ-1,4-フェニレン基で置換されていてもよい。）
で表される化合物が好ましく、一般式(III-1)又は一般式(III-3)で表される化合物がより好ましい。

一般式(III)で表される化合物の総和は5から30質量%であるが、10から30質量%であることが好ましく、15から25質量%であることがさらに好ましい。

本発明における一般式(I)、一般式(II)及び一般式(III)で表される化合物の含有率は、一般式(I)の含有量の下限が50質量%、一般式(II)の含有量の下限が10質量%、一般式(III)の含有量の下限が5質量%であることから合計65質量%以上であるが、70質量%以上が好ましく、80質量%以上がより好ましく、90質量%以上が特に好ましい。

本願発明のネマチック液晶組成物屈折率異方性（Δn）が大きい特徴を有するが、0.16以上が好ましく、0.17以上がより好ましく、0.18以上が特に好ましい。

ネマチック−等方相転移温度（T_NI）は100℃以上が好ましく、110℃以上がより好ましい。

誘電率異方性（Δε）は15以上が好ましく、16以上がより好ましく、17以上が特に好ましい。

上記ネマチック液晶組成物はツイスト角が0から180°であるTN-LCD、IPSやOCB等を含むアクティブ・マトリクス-LCDに有用である。また、上記液晶組成物は透過型、半透過型又は反射型の液晶表示素子に用いることができるが、屈折率異方性が高くネマチック相温度範囲が広く耐光性に優れるため、デスクトップPCやノートPC用LCDと比較して大光量照射下かつ高温な状況で使用される液晶プロジェクタ等の透過型又は反射型の液晶表示素子又はこれらの素子を用いた液晶表示装置に特に有用である。

本発明のネマチック液晶組成物は、前述の化合物以外に、他のネマチック液晶、スメクチック液晶、コレステリック液晶、ディスコチック液晶又は螺旋を誘起する化合物などを含有していてもよい。

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。

以下の実施例及び比較例における混合比率を表す「%」は全て「質量%」を表す。
実施例中、測定した特性は以下の通りである。
T_NI : ネマチック―等方相転移温度（℃）
T_→N : 結晶―、ガラス―、スメクチック―ネマチック相転移温度（℃）
Δn : 25℃における複屈折率
Δε : 25℃における誘電率異方性
V_th : 25℃におけるセル厚6.0μmのTN-LCDを構成したときのしきい値電圧
VHR（電圧保持率） ： 80℃におけるセル厚6.0μmのTN-LCDを構成し、このセルに印加時間60μs電圧5Vの矩形波電界を印加したのちの0-200ms間の電圧実効値を印加電圧値で除したもの（%）
ID（イオン密度） ： 0℃におけるセル厚6.0μmのTN-LCDを構成し、このセルに周波数0.05Hz、電圧20Vの三角波を繰り返し印加した際に出現する可動イオンに起因するピーク面積より計算される電極単位面積あたりの移動電荷量（pC・cm^-2）
電圧保持率、イオン密度測定における「初期」とは組成物をブレンドしたそのままの状態の組成物試料を指し、「曝露」とはOriginal Hanau社製光曝露装置を用いて、窒素雰囲気下密閉試験管中の組成物試料を室温で30分間処理した組成物試料を指す。

TN-LCD表示素子の作製は以下のようにして行った。対向する平面透明電極上に「AL-1051」（JSR社製）の有機膜を調製し、この有機膜をラビングして配向膜を形成したツイスト角90℃のTN-LCDセルを作製し、このセルに液晶組成物を注入してTN-LCD表示素子を作製した。

以下に実施例に用いた化合物を示す。以後式(I-a)から式(III-b)の記号を以ってその化合物を表すこととする。

（式中、1,4-シクロヘキシレン基はトランス体を表し、炭素数が3以上のアルキル鎖はノルマル体を表す。）
ネマチック液晶組成物実施例1から4を調製し、この組成物の諸特性を測定した結果を表1に示す。

表1に示す通り、一般式(I)で表される化合物の含有率が50から80質量%であり、一般式(II)で表される化合物の含有率が10から30質量%であり、一般式(III)で表される化合物の含有率が1から30質量%の液晶組成物である実施例1から4は全て0.17以上という高いΔnを維持しつつ、T_→Nが-34℃、-33℃、-46℃と十分低く、光曝露試験後の電圧保持率、イオン密度ともに初期値とほとんど変わらない良好な値を示した。

表2に示す通り、比較例1、2の場合、一般式(I)で表される化合物の含有量が49質量%と少ないため、ネマチック−等方相転移温度、屈折率異方性、低温でのネマチック相安定性は良好なものの、誘電率異方性が所望の値（15以上）に達していない。比較例3の場合、一般式(II)で表される化合物の含有量が8質量%と少ないため、所望の転移点に達していない。また、比較例4の場合、一般式(III)で表される化合物の含有量が3質量%と少ないために低温での安定なネマチック相が得られないという結果となった。

また、表3に示す通り、比較例5の場合、一般式(I)で表される化合物の含有量が80質量%を超えて85質量%であるため各化合物ごとの含有量が上昇し、その結果低温でのネマチック相が不安定となる結果となった。比較例6の場合も同様に、一般式(II)で表される化合物の含有量が32質量%と多いため、低温でのネマチック相が不安定となる結果となった。また、一般式(III)で表される化合物の含有量が30質量%を超えて32質量%である比較例7の場合、ネマチック−等方相転移温度、屈折率異方性、低温でのネマチック相の安定性は満足するものの誘電率異方性が所望の値に達していない。

Claims (6)

1. 一般式(I)で表される化合物を1種又は2種以上含有しその含有率が50から80質量%であり、一般式(II)で表される化合物を1種又は2種以上含有しその含有率が10から30質量%であり、一般式(III)で表される化合物を1種又は2種以上含有しその含有率が5から30質量%であることを特徴とする液晶組成物。
   

   

   （式中、
   R¹からR⁴は、各々独立的に炭素原子数1から10のアルキル基又は炭素原子数2から10のアルケニル基を表し、該アルキル基又は該アルケニル基は非置換基であるか又は置換基として1個又は2個以上の-F、-Cl、-CH₃、又は-CF₃を有することができ、該アルキル基又は該アルケニル基中に存在する1個又は2個以上の-CH₂-基は、O原子が相互に直接結合しないものとして、-O-、-CO-、-COO-又はOCO-により置換されていてもよく、
   Z¹からZ³は、各々独立的に-CH₂CH₂-又は単結合を表し、
   A¹からA³は、各々独立的に1,4-フェニレン基、3-フルオロ-1,4-フェニレン基、3,5-ジフルオロ-1,4-フェニレン基、1,4-シクロヘキシレン基又はビシクロ[2,2,2]オクタン-1,4-ジイル基を表し、
   X¹からX⁵は各々独立的に-F又はHを表し、
   m¹は0又は1を表し、m²は2又は3を表し、該m²により繰り返される単位は同一であってもよく、異なっていてもよく、
   Y¹は-F、-Cl、-OCF₃、-OCF₂H、-OCFH₂又は-NCSを表し、Y²は-F、-Cl、-OCF₃、-OCF₂H、-OCFH₂、-NCS、炭素原子数1から10のアルキル基又は炭素原子数2から10のアルケニル基を表し、該アルキル基又は該アルケニル基は非置換基であるか又は置換基として1個又は2個以上の-F、-Cl、-CH₃、又は-CF₃を有することができ、該アルキル基又は該アルケニル基中に存在する1個又は2個以上の-CH₂-基は、O原子が相互に直接結合しないものとして、-O-、-CO-、-COO-又はOCO-により置換されていてもよい。）
2. 一般式(I)において、m¹が0を表す化合物及びm¹が1を表す化合物を含有する請求項1に記載の液晶組成物。
3. 一般式(I)においてZ¹が単結合を表す化合物を含有する請求項1又は2記載の液晶組成物。
4. 屈折率異方性（Δn）が0.16以上であり、ネマチック−等方相転移温度（T_NI）が100℃以上であり、誘電率異方性（Δε）が15以上である請求項1から3のいずれかに記載の液晶組成物。
5. 請求項1から4のいずれかに記載の液晶組成物を用いたツイスト角が0°から180°であるツイステッドネマチック液晶表示素子。
6. 請求項5記載の液晶表示素子を用いた液晶表示装置。