JP3965719B2 - 液晶組成物および液晶表示素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、負の誘電率異方性を有するネマチック液晶組成物およびその液晶組成物を用いた液晶表示素子に関する。さらに詳しくはアクティブマトリックス液晶表示素子用の負の誘電率異方性を有する液晶組成物およびその組成物を用いた液晶表示素子に関する。
【0002】
【背景技術】
液晶表示素子(LCD)は、CRT(ブラウン管)に比べて、低消費電力、小型化、軽量化が可能であるために、ツイストネマチック(TN)方式、スーパーツイストネマチック(STN)方式、薄膜トランジスター(TFT)方式等の種々のLCDが実用化されてきた。中でも(TFT)方式等のアクティブマトリックスLCD(AM−LCD)はカラー化、高精細化が進みフラットディスプレイの本命として注目をあびている。
このAM−LCD用液晶組成物に求められている特性として、
1)LCDの高コントラストを維持するために、電圧保持率(VHR)が高いこと。
2)ネマチック液晶相を示す温度範囲が大きいこと。
3)セル厚に応じて、適当な屈折率異方性(Δn)を取り得ること。
4)駆動回路に応じて、適当なしきい値電圧を取り得ること。
を挙げることができる。
AM−LCDの動作方式としては、上下の電極基盤間における液晶分子の配向を90゜ツイストさせたTN表示方式が主流であったが、視野角が狭いため大画面に適用しにくいという欠点があった。そこで視野角を改善する方法として、
a)電圧無印加時に液晶相はホモジニアス配向状態を示し、電圧印加時に面内で液晶分子が45〜90゜回転するIPS表示方式(R. Kiefer,B. Weber,F. WindscheidおよびG. Baurによる"In-Plane Switching of Nematic Liquid Crystals"、JAPAN DISPLAY '92・P.547) や、
b)電圧無印加時に液晶相はホメオトロピック配向状態を示し、電圧印加時に水平一方向の配向状態に変化する表示方式(特開平2−176625号公報)等が提案されている。
これらの表示方式は広視野角化を実現できる他に高速応答や高コントラストを特徴としていて、また、誘電率異方性(△ε)が負の液晶組成物を適用することができるという大きな特徴を有している。
これらの動作方式は、複屈折モード(Electrically Controlled Birefringence Mode)を利用しているため、最適なコントラストを得るには、屈折率異方性(Δn)とセル厚(d)の積Δn・dをある一定の値(例えばΔn・d=〜0.275μm等TN表示方式に比べ約半分の値)に設定する必要がある。したがって実用的なセル厚3〜6μmに適用させるためには、Δnの値として0.05〜0.10程度、とりわけ0.06〜0.09程度の小さな値が要求されている。また、応答時間(以下τと略記することがある)は液晶組成物の粘度(以下ηと略記することがある)に比例するため、小さなηを有する液晶組成物が要求されている。
このような背景に伴って、特開平6−228037号公報には、Δεが負の新規な化合物およびその化合物を用いた組成物が開示されている。しかし、ここに開示されている組成物はΔεの値が正であり、△nの値は大きすぎるという欠点を有している。また、シアノ基を有した化合物が含まれており、電圧保持率(VHR)の値が小さくなりAM−LCDに適用できないという欠点を有している。このように液晶組成物は種々の目的に応じて鋭意検討されてはいるものの、常に新規な改良を要求されているのが現状である。
【0003】
【発明が解決しょうとする課題】
本発明の目的は、上記AM−LCD用液晶組成物に求められる種々の特性を満たしながら、また広視野角化を実現できるような上記a)およびb)の表示方式に適用できるような、比較的小さな△nの値を持ち、かつ負の誘電率異方性を有する液晶組成物を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、これらの課題を解決すべく種々の液晶化合物を用いた組成物を鋭意検討した結果、一般式(I)で表される化合物と一般式(II)で表される化合物とを含有する液晶組成物により、所期の目的を達成できることを見いだした。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の第1は、第1成分として、一般式(I)で表される化合物群から選択される少なくとも1種類の化合物を含有し、第2成分として、一般式(II)で表される化合物群から選択される少なくとも1種類の化合物を含有することを特徴とする液晶組成物である。
【0005】
【化1】
【0006】
(式中、R1、R2、R3、およびR4はそれぞれ独立して炭素数1〜10のアルキル基を示し、YはHまたはFを示し、pおよびqはそれぞれ独立して1〜5の整数を示し、またこれらの化合物を構成する各原子はその同位体で置換されていてもよい。)
本発明の第2は、液晶組成物の全重量に対して、第1成分が3〜30重量%、第2成分が3〜50重量%であることを特徴とする上記第1項に記載の液晶組成物である。
本発明の第3は、第1成分として、一般式(I)で表される化合物群から選択される少なくとも1種類の化合物を含有し、第2成分として、一般式(II)で表される化合物群から選択される少なくとも1種類の化合物を含有し、さらに第3成分として一般式(III−1)〜(III−6)で表される化合物群から選択される少なくとも1種類の化合物を含有することを特徴とする上記第1〜2項のいづれかに記載の液晶組成物である。
【0007】
【化2】
【0008】
(式中、R5およびR6はそれぞれ独立して炭素数1〜10のアルキル基を示し、ただしこのアルキル基中の相隣接しない任意のメチレン基(CH2)は酸素原子(O)で置換されてもよく、YはHまたはFを示し、またこれらの化合物を構成する各原子はその同位体で置換されてもよい。)
本発明の第4は、液晶組成物の全重量に対して、第1成分が3〜30重量%、第2成分が3〜50重量%、第3成分が97重量%以下であることを特徴とする上記第3項に記載の液晶組成物である。
本発明の第5は、上記第1〜4項のいづれかに記載の液晶組成物を用いた液晶表示素子である。
以下、本発明の液晶組成物を構成する化合物について説明する。
【0009】
一般式(I)で表される化合物は、誘電率異方性(Δε)がおおよそ−4〜−1の範囲にあり、また、透明点(Tc)がおおよそ80〜140℃の範囲にあり、熱安定性および化学的安定性に優れているので、特に高信頼性を要求されるTFT用液晶組成物のしきい値電圧および粘度を小さくする役割を担う。しかしながら、屈折率異方性(△n)がおおよそ0.07〜0.10の範囲にあるために、これらの化合物だけで組成物を調整すると、組成物の△nがやや小さくなり好ましくない。
一方、一般式(II)で表される化合物は、誘電率異方性(Δε)がおおよそ−6〜−2の範囲にあり、また、透明点(Tc)がおおよそ70〜120℃の範囲にあり、熱安定性および化学的安定性に優れているので、液晶組成物のしきい値電圧をさらに小さくする役割を担う。しかしながら、屈折率異方性(△n)がおおよそ0.13〜0.18の範囲にあるために、これらの化合物だけで組成物を調整すると、組成物の△nがやや大きくなり好ましくない。
一般式(I)で表される化合物数種と一般式(II)で表される化合物の数種を適当に組み合わせることによって、本発明の目的である、特にセル厚に応じて好適な△nの値を持ち、また負の誘電率異方性を有するAM−LCD用液晶組成物が調整できる。
本発明の液晶組成物において、第1成分の含有量は3〜30重量%が好ましい。さらに好ましくは5〜25重量%である。第1成分の含有量が3重量%未満であると、液晶組成物のΔnが大きくなってしまうことがあり好ましくなく、また30重量%を超えると、液晶組成物の低温における相溶性が悪くなる場合や、液晶組成物のΔnが小さくなってしまう場合があり好ましくない。
本発明の液晶組成物において、第2成分の含有量は3〜50重量%が好ましい。さらに好ましくは5〜45重量%である。第2成分の含有量が3重量%未満であると、液晶組成物のΔnが小さくなってしまうことがあり好ましくなく、また50重量%を超えると、液晶組成物の低温における相溶性が悪くなる場合や、液晶組成物のΔnが大きくなってしまう場合があり好ましくない。
【0010】
一般式(III−1)および(III−2)で表される化合物は、液晶組成物の粘度を下げる役割を担う。ただし、多量に使用すると液晶組成物のしきい値電圧が高くなり、また透明点が低くなりすぎる場合がある。一般式(III−3)〜(III−6)で表される化合物は、透明点を高くする役割を担う。ただし、多量に使用すると液晶組成物のしきい値電圧が高くなり、また低温における相溶性が悪くなる場合がある。
本発明の液晶組成物において、第3成分の含有量は24〜97重量%が好ましい。さらに好ましくは30〜90重量%である。第3成分の含有量が24重量%未満であれば、液晶組成物の低温における相溶性が悪くなってしまうことがあり好ましくなく、また97重量%を超えると、液晶組成物のしきい値電圧が大きくなり、液晶組成物のΔnが小さくなってしまう場合があり好ましくない。
本発明の液晶組成物は、それ自体慣用な方法で調整される。一般には、種々の成分を高い温度で互いに溶解させる方法がとられる。
また、本発明の液晶組成物に、メロシアニン系、スチリル系、アゾ系、アゾメチン系、アゾキシ系、キノフタロン系、アントラキノン系およびテトラジン系等の二色性色素を添加して、ゲストホスト(GH)モード用の液晶組成物としても使用できる。あるいは、ネマチック液晶をマイクロカプセル化して作製したNCAPや液晶中に三次元網目状高分子を作製したポリマーネットワーク液晶表示素子(PNLCD)に代表されるポリマー分散型液晶表示素子(PDLCD)用の液晶組成物としても使用できる。さらに、カイラル化合物を添加した液晶組成物としても使用できる。その他、複屈折制御(ECB)モードや動的散乱(DS)モード用の液晶組成物としても使用できる。
【0011】
【実施例】
以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。比較例、および実施例の組成比は全て重量%で示されており、化合物は表1に示した定義に基づき、記号で表した。
【0012】
【表1】
【0013】
液晶組成物の特性データは、透明点(TNI)、ネマチック相転移温度の下限値(TSN)、20℃における粘度(η20)、25℃における屈折率異方性(Δn)、20℃におけるしきい値電圧(Vth)、25℃における電圧保持率(VHR)で表した。なお、電圧保持率(VHR)は特開平5−331464号公報に記載されている方法(面積法)に基ずいて測定し、ネマチック相転移温度の下限値(TSN)は、0℃、−10℃、−20℃、−30℃、−40℃の各々のフリーザー中に30日間放置した後の液晶相で判断した。
【0014】
比較例1
特開平6−228037号公報の実施例26に開示されている下記の組成物を調整した(組成物A)。
3−HBB(2F,3F)−1O1 10.0%
ZLI−1132 90.0%
TNI=75(℃)
TSN<−20℃
η20=29.0(mPa・s)
Δn=0.139
Vth=1.79(V)
VHR=71.3%
この液晶組成物は、電圧保持率が低く、AM−LCDに適しない。
【0015】
実施例1
3−HHB(2F,3F)−1O1 12.0%
5−HHB(2F,3F)−1O1 14.0%
3−HBB(2F,3F)−1O1 9.0%
5−HBB(2F,3F)−1O1 9.0%
3−HBB(2F)−1O1 25.0%
3−HH−4 10.0%
3−HH−2 5.0%
3−HH−O1 5.0%
3−HH−O3 6.0%
5−HH−O1 5.0%
TNI=85.3(℃)
TSN<−30℃
Δn=0.102
Δε=−3.2
η20=31.7(mPa・s)
VHR=99.1%
この液晶組成物は、△nの値が好適であり、25℃での電圧保持率の値も高かった。
【0016】
実施例2
3−HHB(2F,3F)−1O1 14.0%
5−HHB(2F,3F)−1O1 15.0%
3−HBB(2F,3F)−1O1 12.0%
5−HBB(2F,3F)−1O1 11.0%
3−HBB(2F)−1O1 24.0%
3−HH−4 6.0%
3−HH−2 5.0%
3−HH−O1 4.0%
3−HH−O3 5.0%
5−HH−O1 4.0%
TNI=91.0(℃)
TSN<−30℃
Δn=0.149
Δε=−3.2
η20=35.9(mPa・s)
VHR=99.1%
この液晶組成物は、△nの値が好適であり、25℃での電圧保持率の値も高かった。
【0017】
実施例3
3−HHB(2F,3F)−1O1 12.0%
5−HHB(2F,3F)−1O1 13.0%
3−HBB(2F,3F)−1O1 10.0%
5−HBB(2F,3F)−1O1 10.0%
3−HBB(2F)−1O1 4.0%
5−HBB(2F)−1O1 4.0%
3−HHEH−3 5.0%
3−HHEH−5 5.0%
4−HHEH−3 5.0%
3−HH−4 5.0%
3−HH−5 5.0%
3−HH−O1 6.0%
3−HH−O3 6.0%
3−HB−O1 5.0%
3−HB−O2 5.0%
TNI=70.1(℃)
TSN<−20℃
Δn=0.074
Δε=−2.2
η20=30.5(mPa・s)
VHR=98.5%
この液晶組成物は、△nの値が好適であり、25℃での電圧保持率の値も高かった。
【0018】
実施例4
3−HHB(2F,3F)−1O1 14.0%
5−HHB(2F,3F)−1O1 15.0%
3−HBB(2F,3F)−1O1 12.0%
5−HBB(2F,3F)−1O1 11.0%
3−HBB(2F)−1O1 24.0%
3−HH−4 6.0%
3−HH−5 5.0%
3−HH−O1 4.0%
3−HH−O3 5.0%
5−HH−O1 4.0%
TNI=91.1(℃)
TSN<−20℃
Δn=0.105
Δε=−3.2
η20=35.9(mPa・s)
VHR=99.3%
この液晶組成物は、△nの値が好適であり、25℃での電圧保持率の値も高かった。
【0019】
実施例5
3−HHB(2F,3F)−1O1 14.0%
5−HHB(2F,3F)−1O1 15.0%
3−HBB(2F,3F)−1O1 12.0%
5−HBB(2F,3F)−1O1 11.0%
3−HBB(2F)−1O1 14.0%
5−HBB(2F)−1O1 10.0%
3−HH−4 6.0%
3−HH−5 5.0%
3−HH−O1 4.0%
3−HH−O3 5.0%
5−HH−O1 4.0%
TNI=89.5(℃)
TSN<−30℃
Δn=0.104
Δε−3.0
η20=37.1(mPa・s)
VHR=99.0%
この液晶組成物は、△nの値が好適であり、25℃での電圧保持率の値も高かった。
【0020】
実施例6
3−HHB(2F,3F)−1O1 12.0%
5−HHB(2F,3F)−1O1 8.0%
3−HBB(2F,3F)−1O1 10.0%
5−HBB(2F,3F)−1O1 8.0%
3−HBB(2F)−1O1 5.0%
5−HBB(2F)−1O1 5.0%
3−HHB−O2 10.0%
3−HBB−2 11.0%
5−HB−3 13.0%
3−HB−O2 10.0%
3−HB(F)BH−3 4.0%
5−HB(F)BH−3 4.0%
TNI=102.2(℃)
TSN<−20℃
Δn=0.120
Δε=−3.0
η20=28.8(mPa・s)
VHR=99.3%
この液晶組成物は、△nの値が好適であり、25℃での電圧保持率の値も高かった。
【0021】
実施例7
3−HHB(2F,3F)−1O1 12.0%
5−HHB(2F,3F)−1O1 13.0%
3−HBB(2F,3F)−1O1 10.0%
5−HBB(2F,3F)−1O1 10.0%
3−HBB(2F)−1O1 4.0%
5−HBB(2F)−1O1 4.0%
3−HHEH−3 5.0%
3−HHEH−5 5.0%
3−HHB−1 5.0%
3−HH−4 5.0%
3−HH−5 5.0%
3−HH−O1 6.0%
3−HH−O3 6.0%
3−HB−O1 5.0%
3−HB−O2 5.0%
TNI=74.1(℃)
TSN<−20℃
Δn=0.075
Δε=−2.8
η20=28.5(mPa・s)
VHR=98.5%
この液晶組成物は、△nの値が好適であり、25℃での電圧保持率の値も高かった。
【0022】
実施例8
3−HHB(2F,3F)−1O1 12.0%
5−HHB(2F,3F)−1O1 8.0%
3−HBB(2F,3F)−1O1 10.0%
5−HBB(2F,3F)−1O1 8.0%
3−HBB(2F)−1O1 5.0%
5−HBB(2F)−1O1 5.0%
3−HHB−O2 10.0%
3−HBB−2 11.0%
5−HB−3 13.0%
3−HB−O2 10.0%
3−HB(F)BH−3 4.0%
1O1−HBBH−5 4.0%
TNI=103.4(℃)
TSN<−20℃
Δn=0.117
Δε=−3.2
η20=29.2(mPa・s)
VHR=99.3%
この液晶組成物は、△nの値が好適であり、25℃での電圧保持率の値も高かった。
【0023】
実施例9
3−HHB(2F,3F)−1O1 5.0%
3−HBB(2F)−1O1 3.0%
3−HH−2 6.0%
3−HH−4 6.0%
5−HH−O1 5.0%
3−HB−O2 10.0%
3−HB−O4 10.0%
3−HHB−3 6.0%
3−HHB−O1 8.0%
3−HHB−O2 8.0%
3−HBB−2 10.0%
3−HHEH−3 5.0%
3−HHEH−5 5.0%
4−HHEH−3 5.0%
3−HB(F)BH−3 4.0%
5−HB(F)BH−3 4.0%
TNI=86.7(℃)
TSN<−20℃
Δn=0.086
Δε=−0.3
η20=15.6(mPa・s)
VHR=98.8%
この液晶組成物は、△nの値が好適であり、25℃での電圧保持率の値も高かった。
【0025】
実施例11
3−HHB(2F,3F)−1O1 12.0%
5−HHB(2F,3F)−1O1 14.0%
3−HBB(2F,3F)−1O1 9.0%
5−HBB(2F,3F)−1O1 9.0%
3−HBB(2F)−1O1 25.0%
3−HH−4 5.0%
3−HH−5 10.0%
3−HB−O4 5.0%
3−HHB−1 5.0%
3−HHB−O1 6.0%
TNI=98.8(℃)
TSN<−20℃
Δn=0.112
Δε=−2.0
η20=29.3(mPa・s)
VHR=99.3%
この液晶組成物は、△nの値が好適であり、25℃での電圧保持率の値も高かった。
【0026】
実施例12
3−HHB(2F,3F)−1O1 12.0%
5−HHB(2F,3F)−1O1 8.0%
3−HBB(2F,3F)−1O1 10.0%
5−HBB(2F,3F)−1O1 8.0%
3−HBB(2F)−1O1 5.0%
5−HBB(2F)−1O1 5.0%
3−HH−4 5.0%
3−HH−O3 5.0%
5−HB−3 13.0%
3−HHB−1 10.0%
3−HHB−3 11.0%
3−HB(F)BH−3 4.0%
5−HB(F)BH−3 4.0%
TNI=104.4(℃)
TSN<−20℃
Δn=0.114
Δε=−1.6
η20=27.5(mPa・s)
VHR=99.1%
この液晶組成物は、△nの値が好適であり、25℃での電圧保持率の値も高かった。
【0027】
【発明の効果】
比較例および実施例で示したように、本発明によって、AM−LCD用液晶組成物に求められる種々の特性を満たしながら、特にセル厚に応じて好適な△nの値を持ちかつ負の誘電率異方性を有する液晶組成物を提供できた。
Claims (2)
- 第1成分として、一般式(I)で表される化合物群から選択される少なくとも1種類の化合物を含有し、第2成分として、一般式(II)で表される化合物群から選択される少なくとも1種類の化合物を含有し、さらに第3成分として一般式(III−1)〜(III−6)で表される化合物群から選択される少なくとも1種類の化合物を含有し、液晶組成物の全重量に対して、第1成分が3〜30重量%、第2成分が3〜50重量%、第3成分が30〜90重量%であることを特徴とする液晶組成物。
- 請求項(1)に記載の液晶組成物を用いた液晶表示素子
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