JP2006301643A - 負の誘電異方性液晶を配向させる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安定ホメオトロピック配向液晶の製造方法を提供する。
【解決手段】一定割合の正のΔ(（誘電異方性）、中性（Δ(が約０）の、または負のΔ(液晶材料をドープすることによりホメオトロピック液晶セルを配向させる方法であって、動作温度に関わりなく、ジフルオロ化合物または混合物の高コントラスト比ホメオトロピック配向が実現される。配向層、ラビング手法またはプレチルト角について特別な要件を求めることなしに、高温においてでさえも均一な配向のホメオトロピック液晶セルが得られ、かつ、例えば液晶混合物の複屈折率性および粘度といった物理特性が改善される。本方法の１実施態様においては、ホメオトロピック垂直配向ネマチック液晶（ＬＣ）セルは、高コントラストのマイクロディスプレイの製造に用いられる。
【選択図】なし

Description

本発明は液晶に関し、より詳細には、動作温度とは関係なしにジフルオロ化合物または混合物の高コントラスト比ホメオトロピック配向を作り出すべく、一定割合の正、中性または負の液晶材料を、別な負の液晶材料にドープすることにより、ホメオトロピック液晶セルを配向させることに関するものである。

垂直配向とも呼ばれる液晶のホメオトロピック配向は、例えばラップトップおよびデスクトップコンピュータ、テレビ、携帯電話、ならびにパーソナルデジタルアシスタントなどの情報表示装置に広く使用されている。配向性の良い（well-aligned）の垂直配向セルは、クロスする偏光子の間で、垂直な角度（normal angle）の入射光に対し優れたコントラスト比を示し、かつ、このコントラスト比は、入射光の波長、液晶セルギャップ、および動作温度に影響されない。縦方向の電界を利用することによって有用な垂直配向セルの電気光学効果を得るためには、負の誘電異方性液晶混合物、すなわち、Δ( ＝ (//−(( ＜０、が採用されなければならない。アクティブマトリクスディスプレイでは、高抵抗は、高電圧保持率を得、かつ画像のちらつきを回避するためのまた別の重要な要件である。高抵抗を実現するため一般にはフッ素化物が用いられ、これによって負のΔ(を得ており、そのフッ素基（fluoro group）は通常、側方位置（lateral position）にある。

複屈折率と粘度はＬＣ素子の応答時間に影響を及ぼす重要な要素である。高複屈折性を得るには、大きい負のΔ(および高い抵抗の、側方（laterally）（２，３）ジフルオロ（difluorinated）ビフェニル、ターフェニル、およびトラン液晶が最適な選択肢である。ジフルオロターフェニルＬＣの合成については非特許文献１に記載されている。しかし、ジフルオロ−トランおよびターフェニルの混合物は、ホメオトロピックセル中で配向させることが非常に難い。劣った配向性は低コントラスト比をもたらす。十分な配向性がなければ、ホメオトロピックセルの有利性は実現されない。

ホメオトロピック配向を達成させるためのいくつかの方法は、すでに開発されており、非特許文献２や非特許文献３にも記載されている。しかしながら、上述の開示された方法に従ったとしても、側方のジフルオロ化トランおよびターフェニルの混合物を配向させることには、依然難題が残る。
Ｇｒａｙ、"The synthesis and transition of some 4,4"-Dialkyl-and 4,4" Alkoxyalky1-1,1': 4',1"-terphenyls with 2,3 or 2',3'-Difluoro substituents and their biphenyl analogues"、J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2、１９８９年、 ｐ．２０４１ Ｊ．Ｌ．Ｊａｎｎｉｎｇ、"Thin film surface orientation for liquid crystals"、Appl. Phys. Lett、１９７２年８月、第２１巻、第４号、ｐｐ．１７３−１７４ Ａ．Ｍ．Ｌａｃｋｎｅｒら、"Photostable tiled-perpendicular alignment of liquid crystals for light valves"、Proc. SID、１９９０年、３１、３２１

側方ジフルオロターフェニルおよびトランは、特に、バフ研磨された（buffed）ポリイミドＬＣセルまたはスパッタされたＳｉＯ₂セル中で配向させるのが困難である。また、ドーピングされた混合物の性能指数は、ホスト材料混合物に比べて大幅に改善される。本発明の新規な方法は、約１００℃の高さにまで上昇した温度下において安定なホメオトロピック配向ＬＣセルを作り出すものである。正、負または中性の誘電異方性ＬＣ材料をドープすることにより、バフ研磨されたポリイミド配向層を用いた、優れたホメオトロピックセルが得られる。さらに、ドーピングされた液晶混合物の性能指数、ＦｏＭ ＝ Ｋ₃₃・Δｎ²／γ₁（ただし、Ｋ₃₃は曲げ弾性率、ΔｎはＬＣ複屈折率、γ₁は回転粘度）も高まる。

本発明の第１の目的は、安定ホメオトロピック配向液晶セルを製造する新規な方法を提供することにある。正、負または中性のΔ(液晶材料を混ぜ合わせることによって、側方ジフルオロターフェニルおよびトランの分子配向を実現させる。

本発明の第２の目的は、多種の液晶材料、配向層、およびラビング手法に適用可能な、ホメオトロピック液晶セルを配向させる方法を提供することにある。

本発明の第３の目的は、均一な配向、良好な暗状態（dark state）を有し、かつ、投射型ディスプレイにとってはそのアークランプによる加熱効果のためにとりわけ重要な温度に左右されることのない安定な垂直配向セルを得る方法を提供することにあり、そのＬＣＤパネルの温度は、通常、約５０℃から約６０℃の間となっている。

本発明の第４の目的は、ホメオトロピック液晶セルの配向を実現するための所望の混合物を作製する新規な方法を提供することにある。液晶材料のドーパントおよび重量パーセントを適切に選ぶことによって、例えば液晶混合物の複屈折率および粘度などの物理特性が、デバイスの要求を満たすように調整される。さらに、ドーパントの適切な選択は、応答時間の大幅な改善をももたらす。

本発明の方法は、安定ホメオトロピック配向液晶セルを製造するものである。正、負または中性の誘電異方性液晶材料を、負の誘電異方性液晶混合物にドープすることによって、ホメオトロピック配向セル中における液晶混合物の配向性が向上する。ホスト材料である負の誘電異方性液晶混合物は、側方（laterally）２,３ジフルオロ−トランまたは−ターフェニル化合物をベースとしてなるものである。選択されるドーパントの割合は、ホスト材料である負の液晶化合物／混合物の性質、およびドーパントの性質によって決まる。例えば、ターフェニル混合物はトラン混合物よりも配向させるのが難しいので、その求められるドーパントの重量パーセントはより高いものとなる。また、純粋な２,３ジフルオロ−ターフェニルの配向性を改善させるために提供される正、負または中性材料の求められる重量パーセントは全く異なっており、かつ、その割合は共融混合物の重量パーセントと同じでもない。正または中性ドーパント液晶の好ましい重量パーセントは、約５％から約１５％の間であり、好ましい実施形態における負の材料の重量パーセントは約３０％である。

また、本発明によれば、正、負または中性のΔ(液晶材料を有するいかなる構造も使用することができる。よって、例えば液晶混合物の閾値電圧、誘電異方性、複屈折率および粘度といった物理特性は、適切なドーパントの選択を通して、デバイスパフォーマンスの要求を満たすように調整される。例えば、図５および６に示されるように、該混合物の複屈折率は低複屈折率（Δｎが約０．１）の正の液晶材料をドープすることによってわずかに減少するが、性能指数（ＦｏＭ ＝ Ｋ₃₃・Δｎ²／γ₁）は、その低粘度のために、ホスト材料である負のターフェニル混合物の約１．７倍高まる。その結果、応答時間が向上する。

本発明のさらなる目的および長所は、添付の図面に示されている好ましい実施形態についての、以下の詳細な説明によって明らかとなるであろう。

本発明の方法によれば、充填される液晶の特性を変えることによって、均一な配向のホメオトロピック液晶セルが作られる。その液晶は、正、中性および負の誘電異方性液晶の組み合わせである。負の誘電異方性液晶は、混合物の主要な部分である。いくらかの正、中性または負の誘電異方性液晶を、ホスト材料である負の誘電異方性液晶にドープすることによって、極めて高いコントラスト比が実現され、かつ、室温以上の温度においても液晶の配向は依然均一なままである。

本発明の１実施態様において、ホメオトロピック垂直配向ネマチック液晶（ＬＣ）セルは高コントラストのマイクロディスプレイの製造に用いられる。正、負または中性の誘電異方性液晶材料を負の液晶混合物にドープすることにより、ホメオトロピック配向セルにおける配向の問題が取り除かれ、極めて高いコントラスト比が達成される。配向層、ラビング手法またはプレチルト角について特別な要件を求めることなしに、高温においてさえも、均一な配向のホメオトロピックＬＣセルが作り出される。さらに、ＬＣ混合物の、例えば複屈折率および粘度などの物理特性も改善される。

開示された本発明の実施形態を詳細に説明する前に、本発明はその他の実施形態も可能であるので、示された特定構成の内容の応用だけには限定されないということが理解されるべきである。また、本明細書において用いる専門用語は、説明を目的としたものであり、限定を目的としたものではない。

図１は、ターフェニルをベースとした二元混合物Ａの電圧依存透過率（voltage-dependent transmittance）の例を示すものである。混合物Ａは、側方（laterally）（２,３）ジフルオロターフェニル型の二元混合物であり、混合物Ａの組成は表１に示されている。図１において、実線および破線は、２３℃および５０℃下における混合物Ａをそれぞれ表す。

この混合物は室温において優れた暗状態（dark state）を示すが、温度が室温から変化すると、光が漏れ始める。閾値電圧は、温度が室温よりも高くなると、はっきりしなくなる（smeared）と共に低下してより低い電圧になる。

図２は、混合物ＡおよびＢの電圧依存透過率の例を示すものである。混合物Ｂの組成は表２に示されている。図２において、実線は５０℃下の混合物Ａを表し、一方、破線、点線および一点鎖線は２３℃、５０℃および１００℃下の混合物Ｂをそれぞれ表す。

混合物Ｂは例であって、混合物Ａ９０％と、例えばメルク社製混合物、ＭＬＣ−９２００−０００である正の誘電異方性ＬＣ混合物１０％とからなるものであり、約４のΔ(を有している。５０℃における混合物Ａの電圧依存透過率と比べた場合に、混合物Ｂの電圧依存透過率は、温度が透明点温度（Ｔ_c）に近付いたときでさえ、暗状態および均一な配向を保つ。

図３は、混合物Ｃの電圧依存透過率を示しており、その組成は表２に示されている。図３において、実線は５０℃下の混合物Ａを表し、一方、破線、点線および一点鎖線は２３℃、５０℃および１００℃下の混合物Ｃをそれぞれ表す。サンプルの混合物Ｃは、混合物Ａ９０％と、例えばメルク社製混合物、ＺＬＩ−３０８６である中性の誘電異方性液晶混合物１０％とからなるものであり、約０．０６のΔ(を有している。５０℃における混合物Ａの電圧依存透過率と比べた場合に、混合物Ｃの電圧依存透過率は、温度が透明点温度（Ｔ_c）に近付いたときでさえ、暗状態および均一な配向を保つ。

図４は、混合物ＤおよびＥの電圧依存透過率を示すものである。混合物ＤおよびＥの組成は表２に示されている。実線は５０℃下の混合物Ａを表し、一方、破線、点線および一点鎖線は２３℃、５０℃および１００℃下の混合物Ｄをそれぞれ表し、かつ短点線は１００℃下の混合物Ｅを表す。混合物Ｄは、混合物Ａ７０％と、例えばメルク社製混合物、ＭＬＣ−６６０８である負の誘電異方性ＬＣ混合物３０％とを含み、約−４．２のΔ(を有している。混合物Ｅは、混合物Ａ８７％と、ＭＬＣ−６６０８ １３％とからなるものである。５０℃における混合物Ａの電圧依存透過率と比べた場合に、混合物Ｄの電圧依存透過率は、温度が透明点温度（Ｔ_c）に近付いたときでさえ、暗状態および均一な配向を保つ。しかし、例えば混合物Ｅにおけるようにドーパントの重量パーセントが低すぎると、オン状態の透過性が悪くなり、コントラスト比が下がる。

図５は、混合物Ｆ、ＧおよびＨの電圧依存透過率を示すものである。実線、破線および一点鎖線は混合物Ｆ、ＧおよびＨをそれぞれ表す。混合物Ｆは側方（laterally）（２,３）ジフルオロトランベースの混合物である。混合物Ｆの組成は表３に示されている。混合物ＧおよびＨは、ＰＴＰ−２ＮＣＳをそれぞれ異なる重量パーセントでドープした混合物Ｆである。ＰＴＰ−２ＮＣＳの分子構造および混合物ＧおよびＨの組成は図４に示されている。

室温における混合物ＧおよびＨの融点（Ｔ_m）、透明点（Ｔ_c）、複屈折率（Δｎ）、性能指数（ＦｏＭ ＝ Ｋ₃₃・Δｎ²／γ₁）および誘電異方性（Δ(）は、表５に示されている。

混合物Ｆは、ジフルオロトラン型の混合物をベースとするサンプルである。混合物Ｇは、混合物Ｆ９５％と、例えばＰＴＰ−２ＮＣＳである正の誘電異方性液晶化合物５％とからなり、混合物Ｈは、混合物Ｆ９０％と、ＰＴＰ−２ＮＣＳ１０％とからなる。図５を再度参照し、２３℃における混合物Ｆの電圧依存透過率と比較すると、ＰＴＰ−２ＮＣＳを５％ドーピングすることで、暗状態の光漏れは著しく抑えられるが、混合物Ｇを表す破線によって示されるように、依然として完璧ではない。ＰＴＰ−２ＮＣＳを１０％まで増やすと（混合物Ｈ）、良好な暗状態とはっきりとした（sharp）閾値が得られる。

図６は、λ＝６３３ｎｍにおける混合物Ａ、Ｂ、ＣおよびＤの温度依存複屈折率である。混合物ＢおよびＣの複屈折率は約０．２１７であり、混合物ＤのΔｎは約０．１９である。選択したドーパントは、混合物Ａよりも低い複屈折率（室温でΔｎ＝０．０８〜０．１１）を持つため、混合物Ｂ、ＣおよびＤの複屈折率はわずかに低下する。融点（Ｔ_m）および透明点（Ｔ_c）は、ＤＳＣ（DSC;TA-100）により測定した。Δｎ、γ₁／Ｋ₃₃およびＦｏＭはλ＝６３３ｎｍで測定し、Δ(はｆ＝１ｋＨｚで測定した。

図７は、混合物Ａ、Ｂ、ＣおよびＤの温度依存性能指数（ＦｏＭ）を示すものである。室温における混合物Ｂ、ＣおよびＤのＦｏＭはそれぞれ３．５５、３．８および２．４である。混合物ＡのＦｏＭは混合物Ｄに非常に近い。選択したドーパントは、混合物Ａよりも低い粘弾性係数（visco-elastic coefficient）を持つため、混合物ＢおよびＣのＦｏＭは約２倍増加した。

本発明の重要な側面は、ノーマリーブラックホメオトロピック垂直配向ネマチック液晶セルの使用である。ホメオトロピック垂直配向ネマチック（ＶＡＮ）液晶セルは、液晶分子がセル表面とほぼ垂直な方向に配向するような液晶セル、と説明することができる。一般に、純粋な負の誘電異方性液晶混合物は、室温下、ホメオトロピック液晶セル中で配向するが、室温以上ではその配向が不均一になり、暗状態での光漏れが増加して、コントラスト比が悪くなる。

本発明の方法によれば、充填される液晶の特性を変えることによって、均一な配向のホメオトロピック液晶セルが作られる。その液晶は、正、中性および負の誘電異方性液晶の組み合わせである。負の誘電異方性液晶は、混合物の主要な部分である。いくらかの正、中性または負の誘電異方性液晶を、ホスト材料である負の誘電異方性液晶にドープすることによって、極めて高いコントラスト比が実現され、かつ、室温以上の温度においても液晶の配向は依然均一なままである。

本発明の１実施態様において、ホメオトロピック垂直配向ネマチック液晶（ＬＣ）セルは高コントラストのマイクロディスプレイの製造に用いられる。正、負または中性の誘電異方性液晶材料を負の液晶混合物にドープすることにより、ホメオトロピック配向セルにおける配向の問題が取り除かれ、極めて高いコントラスト比が達成される。配向層、ラビング手法またはプレチルト角について特別な要件を求めることなしに、高温においてさえも、均一な配向のホメオトロピックＬＣセルが作り出される。さらに、ＬＣ混合物の、例えば複屈折率および粘度などの物理特性も改善される。実施する上で考えられる特定の実施形態または変更により本発明を記述し、開示し、説明し、示したが、本発明の範囲は、これらによって限定されることを意図されておらず、またこれらによって限定されると見なされるべきでもなく、かつ、本明細書の開示により示唆され得るようなその他の変更または実施形態は、これらは添付したクレームの範囲に包含されるため、特に留保される。

クロスする偏光子間におけるホメオトロピックセル中の混合物Ａの電圧依存透過率（voltage-dependent transmittance）を示すグラフである。 クロスする偏光子間におけるホメオトロピックセルの混合物ＡおよびＢの電圧依存透過率の比較を示すグラフである。 クロスする偏光子間におけるホメオトロピックセルの混合物ＡおよびＣの電圧依存透過率の比較を示すグラフである。 クロスする偏光子間におけるホメオトロピックセルの混合物Ａ、ＤおよびＥの電圧依存透過率の比較を示すグラフである。 クロスする偏光子間におけるホメオトロピックセル中の混合物Ｆ、ＧおよびＨの電圧依存透過率の比較を示すグラフである。 混合物Ａ、Ｂ、ＣおよびＤの温度依存複屈折率（temperature-dependent birefringence）の比較を示すグラフである。 (＝６３３ｎｍにおける混合物Ａ、Ｂ、ＣおよびＤの温度依存性能指数（temperature-dependent figure-of-merit）（μｍ²／ｍｓ）の比較を示すグラフである。

Claims (9)

1. 第１の負の誘電異方性液晶材料を供給するステップと、
   前記第１の負の誘電異方性液晶ホスト材料よりも高いコントラスト比、つまり、良好な分子配向または大きい性能指数（figure-of-merit）にするために、前記第１の負の誘電異方性液晶材料中に、正、中性および第２の負の誘電異方性液 晶材料のうちの少なくとも１つを混合するステップと、
   を含む安定配向のホメオトロピック液晶セルを製造する方法。
2. 前記混合のステップが、
   前記正の誘電異方性液晶材料を供給するステップと、
   前記正の誘電異方性液晶材料を前記第１の負の誘電異方性液晶材料と混合して、前記正の誘電異方性液晶材料の濃度が約０．１重量パーセントから約９９．９重量パーセントの範囲内にある混合物を形成するステップと、
   を含む請求項１記載の方法。
3. 前記正の誘電異方性液晶材料の前記濃度が、約３重量パーセントから約２５重量パーセントの範囲内にある請求項２記載の方法。
4. 前記混合のステップが、
   前記中性の誘電異方性液晶材料を供給するステップと、
   前記中性の誘電異方性液晶材料を前記第１の負の誘電異方性液晶材料と混合して、前記中性の誘電異方性液晶材料の濃度が約０．１重量パーセントから約９９．９重量パーセントの範囲内にある混合物を形成するステップと、
   を含む請求項１記載の方法。
5. 前記中性の誘電異方性液晶材料の前記濃度が、約３重量パーセントから約２５重量パーセントの範囲内にある請求項４記載の方法。
6. 前記混合のステップが、
   前記第２の負の誘電異方性液晶材料を準備するステップと、
   前記第２の負の誘電異方性液晶材料を前記第１の負の誘電異方性液晶材料と混合して、前記第２の負の誘電異方性液晶材料の濃度が約０．１重量パーセントから約９９．９重量パーセントの範囲内にある混合物を形成するステップと、
   を含む請求項１記載の方法。
7. 前記第２の負の誘電異方性液晶材料の前記濃度が、約１０重量パーセントから約９０重量パーセントの範囲内にある請求項６記載の方法。
8. 負の誘電異方性液晶材料を供給するステップと、
   正の誘電異方性液晶材料を供給するステップと、
   中性の誘電異方性液晶材料を供給するステップと、
   前記第１の負の誘電異方性液晶ホスト材料よりも高いコントラスト比、つまり、良好な分子配向または大きい性能指数（figure-of-merit）にするために、前記正の誘電異方性液晶材料および前記中性の誘電異方性液晶材料を前記第１の負の誘電異方性液晶材料に混合するステップと、
   を含む液晶媒体を製造する方法。
9. 前記正の誘電異方性液晶材料および前記中性の誘電異方性液晶の濃度が、約０ ．１重量パーセントから約９９．９重量パーセントの範囲内にある請求項８記載の方法。

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