JP4355382B2 - 液晶媒体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、負の誘電異方性を有する極性化合物の混合物を基材とする液晶媒体およびこの液晶媒体を誘電体として含有する電気光学ディスプレイに関する。
【0002】
【従来の技術】
電気的に制御された複屈折の原理、ECB効果またはDAP効果(整列相の変形)は、1971年に初めて開示された(M.F.SchieckelおよびK.Fahrenschonによる“Deformation of nematic liquid cryatals with vertical orientation in electric fields",Appl.Phys.Lett.,19(1971),3912)。この刊行物に引き続いて、J.F.Kahnによる論文(J.Appl.Phys.,20(1972),1193)およびG.LabrunieおよびJ.Robertによる論文(J.Appl.Phys.,44(1973),4869)が発表された。
【0003】
J.RobertおよびF.Clercによる論文(SID 80 Digest Techn.Papers(1980),30)、J.Ducheneによる論文(Displays,7(1986),3)およびH.Schadによる論文(SID 82 Digest Techn.Papers(1982),244)には、ECB効果に基づく高度情報表示素子で有用であるためには、液晶媒体が高い弾性定数比値K3/K1 、大きい光学異方性値△nおよび−0.5〜−5の誘電異方性値△εを有していなければならないことが示されている。ECB効果に基づく電気光学表示素子はホメオトロピックエッジ配向を有する。
【0004】
この効果を電気光学表示素子に工業的に使用するには、多くの要件を満たしていなければならない液晶媒体が必要である。この場合、水分、空気および物理的作用、例えば熱、赤外部、可視部および紫外部光線の照射、および直流と交流電場に対する化学的耐性は特に重要である。さらにまた、工業的に使用することができる液晶媒体は適当な温度範囲における液晶中間相および低粘度が必要である。
従来開示されている液晶中間相を有する一連の化合物の中で、これら全部の要件に適合する単一の化合物は存在していない。従って、一般に、2〜25種、好ましくは3〜18種の化合物からの混合物を調製して、液晶媒体として使用することができる材料が製造されている。しかしながら、実質的に負の誘電異方性および適度の長期間安定性を有するは液晶材料は従来入手できなかったことから、液晶媒体をこの方法で製造することは容易なことではない。
【0005】
マトリックス液晶ディスプレイ(MLCディスプレイ)は公知である。各画素をそれぞれ切り換えるために使用することができる非線形素子の例にはアクティブ素子(すなわち、トランジスター)がある。この素子は、「アクティブマトリックス」と称され、2つのタイプに分類することができる:
1.基板としてのシリコンウエファー上のMOS(金属酸化物半導体)トランジスター、
2.基板としてのガラス板上の薄膜トランジスター(TFT)。
タイプ1の場合、使用される電気光学効果は通常、動的散乱効果またはゲスト−ホスト効果である。単結晶シリコンを基板材料として使用すると、ディスプレイの大きさが制限される。これは、種々の部分表示をモジュラー集合させてさえも、接合部分に問題が生じるからである。
【0006】
好適であって、さらに有望なタイプ2の場合、使用される電気光学効果は通常、TN効果である。この効果は2種の技術間で相違点を有する:すなわち化合物半導体、例えばCdSeなどからなるTFT、または多結晶形または無定形シリコンを基礎とするTFTである。後者の技術に関しては、格別の研究が世界的規模で行われている。
TFTマトリックスはディスプレイの1枚のガラス板の内側面に施され、もう1枚のガラス板の内側面は透明な対向電極を担持している。画素電極の大きさに比較して、TFTは非常に小さく、かつまた像に対する有害な効果を全く有していない。この技術はまた、各フィルター素子が切り換え可能な画素と反対に位置するようにモザイク状の赤色、緑色および青色フィルターを配列した全色コンパティブル画像ディスプレイにまで発展させることができる。
【0007】
従来開示されていたTFTディスプレイは通常、透過光内で直交偏光子を有するTNセルとして動作し、裏側から照射される。
ここで、MLCディスプレイの用語には、集積非線形素子を備えたマトリックスディスプレイのいずれもが包含される。すなわちアクティブマトリックスに加えて、またバリスターまたはダイオード(MIM=金属−絶縁体−金属)などのパッシブ素子を備えたディスプレイが包含される。
この種のMLCディスプレイは、TV用途(例えば、ポケット型テレビ受像機)に、自動車ないし航空機用の高度情報ディスプレイ用に特に適している。
【0008】
コントラストの角度依存性および応答時間に関連する問題に加えて、MLCディスプレイでは、液晶混合物の不適当な抵抗値による問題が生じる[TOGASHI,S.,SEKIGUCHI,K.,TANABE,H.,YAMAMOTO,E.,SORIMACHI,K.,TAJIMA,E.,WATANABE,H.,SHIMIZU,H.によるProc.Eurodisplay 84,1984年9月:A210〜288;Matrix LCD Controlled by Double Stage Diode Rings,141頁以降、Paris;STROMER,M.によるProc.Eurodisplay 84,1984年9月:Design of Thin Film Transistors for Matrix Addressing of Television Liquid Crystal Displays,145頁以降、Paris]。
【0009】
この抵抗値が減少するほど、MLCディスプレイのコントラストは悪化する。液晶混合物の抵抗値は一般に、MLCディスプレイの内部表面との相互作用によって、MLCディスプレイの寿命全体を減少させることから、長期間の動作期間にわたり許容される抵抗値を有していなければならないディスプレイでは、大きい(初期)抵抗値は非常に重要である。
従来開示されていたMLC−TNディスプレイの欠点は、比較的小さいコントラスト、比較的大きい視角依存性およびこれらのディスプレイにおいては階調を生じさせることが困難であることによるものである。
EP047062には、ECB効果に基づくMLCディスプレイが記載されている。この特許に記載されている液晶混合物は、エステル、エーテルまたはエチル架橋を含有する2,6−ジフルオロフェニル誘導体を基材とするものであり、紫外線にさらされた後の「電圧保持率」(HR)値は低い。従って、この混合物は投映型ティスプレイ(projection display)には使用することはできない。
従って、非常に大きい抵抗値を有し、同時に広い動作温度範囲、短い応答時間、および低いしきい値電圧を有し、かつまたこれにより各種階調を生じさせることができるMLCディスプレイに対する格別の要求が継続して存在している。
【0010】
【発明が解消しようとする課題】
本発明の課題は、前記の欠点を有していないか、あるいはその欠点が極めて少なく、同時に非常に大きい抵抗値を有する、ECB効果に基づくMLCディスプレイ、特に投映型ディスプレイを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
ここに、少なくとも1種の下記式Iで表わされる化合物および少なくとも1種の下記式IIで表わされる化合物を含有するネマティック液晶混合物をこれらの表示素子に使用すると、上記課題を解消することができることが見出された。
従って、本発明は、負の誘電異方性を有する極性化合物の混合物を基材とする液晶媒体であって、少なくとも1種の下記式Iで表わされる化合物および少なくとも1種の下記式IIで表わされる化合物を含有する液晶媒体、特にECB効果に基づくアクティブマトリックスアドレッシングを備えた電気光学ディスプレイ用の液晶媒体に関する:
【0012】
【化8】
【0013】
各式中、
R1〜R4はそれぞれ独立して、炭素原子1〜8個を有するアルキル基またはアルコキシ基であり、これらの基中に存在する1個または2個以上のCH2基は−CH=CH−により置き換えられていてもよく、
【化9】
mは、0またはlであり、そして
sは、0またはlである。
好適態様を以下に示す:
a)1種または2種以上の下記式Ia〜Ihから選択される化合物を含有する、特に少なくとも1種の式Ibおよび(または)式Idで表わされる化合物を含有する媒体:
【0014】
【化10】
【0015】
各式において、アルキルおよびアルコキシは炭素原子1〜6個を有する直鎖状基である。式Iにおける「アルケニル」の用語は、炭素原子2〜7個を有する直鎖状または分枝鎖状アルケニル基を包含する。直鎖状アルケニル基は好適である。さらにまた、好適アルケニル基は、C2〜C7−1E−アルケニル、C4〜C7−3E−アルケニル、C5〜C7 −4−アルケニル、C6〜C7−5−アルケニルおよびC7−6−アルケニル、特にC2〜C7−1E−アルケニル、C4〜C7−3E−アルケニルおよびC5〜C7−4−アルケニルである。これらの中で、好適アルケニル基は、ビニル、1E−プロペニル、1E−ブテニル、1E−ペンテニル、1E−ヘキセニル、1E−ヘプテニル、3−ブテニル、3E−ペンテニル、3E−ヘキセニル、3E−ヘプテニル、4−ペンテニル、4Z−ヘキセニル、4E−ヘキセニル、4Z−ヘプテニル、5−ヘキセニルおよび6−ヘプテニルである。5個までの炭素原子を有するアルケニル基は特に好適である。
b)1種または2種以上の下記式IIIで表わされる化合物をさらに含有する媒体:
【0016】
【化11】
式中、
R5およびR6はそれぞれ独立して、炭素原子1〜8個を有するアルキル基またはアルコキシ基であり、これらの基中に存在する1個または2個以上のCH2 基は−CH=CH−により置き換えられていてもよく、
【0017】
【化12】
そして
nは、0または1である。
【0018】
c)4種または5種以上の式Iおよび式IIから選択される化合物および少なくとも1種の式IIIで表わされる化合物から本質的になる媒体。
d)少なくとも3種の式IIで表わされる化合物を含有する媒体。
e)混合物中の式Iで表わされる化合物の割合が全体として、2〜15重量%である媒体。
f)混合物中の式IIで表わされる化合物の割合が全体として、少なくとも40重量%である媒体。
g)混合物中の式IIIで表わされる化合物の割合が全体として、5〜40重量%、好ましくは5〜30重量%である媒体。
h)少なくとも3種の下記式IIa〜IIeから選択される化合物を含有する液晶媒体、特に少なくとも1種の式IIaで表わされる化合物、少なくとも1種の式IIbで表わされる化合物、および(または)少なくとも1種の式IIcで表わされる化合物を含有する媒体:
【0019】
【化13】
【0020】
各式中、
alkylはC1 〜 6−アルキルである。
j)少なくとも3種の下記式IIIa〜IIIdから選択される化合物を含有する液晶媒体:
【0021】
【化14】
【0022】
各式中、alkylはC1 〜 6−アルキルであり、RはC1 〜 6−アルキルまたは−アルコキシ、あるいはC2 〜 6−アルケニルであり、そしてLはHまたはFである。
k)少なくとも1種の下記式から選択される化合物を含有する液晶媒体:
【0023】
【化15】
【0024】
各式中、
R7はR1について示されている意味と同一の意味を有し、そして
LはH、FまたはClである。
l)本質的に下記成分からなる液晶媒体:
1種または2種以上の式Iで表わされる化合物の2〜15重量%、
1種または2種以上の式IIで表わされる化合物の50〜85重量%、
1種または2種以上の式IIIで表わされる化合物の3〜40重量%。
本発明はまた、ECB効果に基づくアクティブマトリックスアドレッシングを備えた電気光学投映型ディスプレイであって、上記液晶媒体を誘電体として含有することを特徴とするディスプレイに関する。
【0025】
本液晶混合物は好ましくは、少なくとも80゜のネマティック相幅、60℃以上、特に70℃以上の透明点、および20℃において60mPa.s以下の粘度を有する。
本発明による液晶混合物は、約−1.5〜−5、特に約−1.8〜−4の△εを有する(ここで、△εは誘電異方性を表わす)。
本液晶混合物の複屈折率△nは一般に、0.07〜0.14であり、好ましくは0.08〜0.13であり、そして(または)誘電率ε‖は3よりも大きいか、または3に等しく、好ましくは3.2〜4.5である。
【0026】
液晶誘電体はまた、当業者に知られており、刊行物に記載されている添加剤を含有することができる。一例として、0〜15%の多色性染料を添加することができ、さらにまた導電性塩、好ましくはエチルジメチルドデシルアンモニウム4−ヘキシルオキシベンゾエート、テトラブチルアンモニウムテトラフェニルボレートまたはクラウンエーテルの錯塩を添加して、導電性を改良することができ[例えば、Haller等によるMol.Cryst.Liq.Cryst.,24巻、249〜258頁(1973)参照]、あるいは誘電異方性、粘度および(または)ネマティック相の配向を変える物質を添加することができる。このような物質は、例えばDE−A2209127、同2240864、同2321632、同2338281、同2450088、同2637430および同2853728に記載されている。
本発明による液晶媒体の式I〜IIIで表わされる成分はそれぞれ公知であるか、またはこれらの化合物の製造方法は刊行物に記載されている標準的方法に基づくことから、関連技術の当業者により従来技術から容易に誘導することができる。
【0027】
式Iで表わされる対応する化合物は、例えばEP0308438またはEP0709444に記載されている。
式IIで表わされる対応する化合物は、例えばEP0364538に記載されている。
式IIIで表わされる対応する化合物は、例えばEP0132553、DE2636684およびEP0022183に記載されている。
本発明によるディスプレイのネマティク液晶混合物は、式Iで表わされる化合物を好ましくは、2〜15%の割合で含有し、特に好ましくは、式Iで表わされる化合物を3〜10%の割合で含有する。
混合物は好ましくは、4〜20種、特に5〜15種の式I、式IIおよび式IIIで表わされる化合物を含有する。
式I〜IIIで表わされる化合物に加えて、別種の成分をまた、全体として、混合物の45%までの量で、好ましくは34%までの量で、特に10%までの量で存在させることができる。
【0028】
この別種の成分は好ましくは、ネマティックまたはネマティック相形成性物質、特にアゾキシベンゼン化合物、ベンジリデンアニリン化合物、ビフェニル化合物、ターフェニル化合物、フェニルまたはシクロヘキシルベンゾエート化合物、フェニルまたはシクロヘキシルシクロヘキサンカルボキシレート化合物、フェニルシクロヘキサン化合物、シクロヘキシルビフェニル化合物、シクロヘキシルシクロヘキサン化合物、シクロヘキシルナフタレン化合物、1,4−ビス−シクロヘキシルビフェニル化合物またはシクロヘキシルピリミジン化合物、フェニル−またはシクロヘキシル−ジオキサン化合物、ハロゲン化されていてもよいスチルベン化合物、ベンジルフェニルエーテル化合物、トラン化合物および置換ケイ皮酸化合物の群からの公知物質から選択される。
【0029】
この種の液晶媒体の成分として適する最も重要な成分は、下記式Vで表わすことができる特徴を有する:
R5 ´−L−G−E−R6 ´ V
式中、LおよびEはそれぞれ、1,4−ジ置換ベンゼンおよびシクロヘキサン環、4,4´−ジ置換ビフェニル、フェニルシクロヘキサンおよびシクロヘキシルシクロヘキサン系、2,5−ジ置換ピリミジンおよび1,3−ジオキサン環、2,6−ジ置換ナフタレン、ジ−およびテトラヒドロナフタレン、キナゾリンおよびテトラヒドロキナゾリンからなる群からの炭素環系またはヘテロ環系であり、
Gは、−CH=CH−、−N(O)=N−
−CH−CQ−、−CH=N(O)−
−C≡C−、 −CH2CH2−
−CO−O−、 −CH2−O−
−CO−S−、 −CH2−S−
−CH=N−、 −COO−Phe−COO−
またはC−C単結合であり、
【0030】
Qはハロゲン、好ましくは塩素または−CNであり、そしてR5 ´およびR6 ´はそれぞれ、18個まで、好ましくは8個までの炭素原子を有するアルキル、アルコキシ、アルカノイルオキシまたはアルコキシカルボニルオキシであり、あるいはこれらの基の一方はまた、CN、NCS、NC、NO2、OCF3、CF3、F、Cl、Br、OCNまたはOCHF2であることができる。
これらの化合物の大部分において、R5 ´およびR6 ´は相互に相違しており、これらの基の一方は通常、アルキルまたはアルコキシ基である。提案されている他の種々の置換基も慣用である。かなりのこのような物質またはその混合物は市販されている。これら全部の物質は、刊行物から公知である方法によって製造することができる。
本発明による液晶ディスプレイの構造は、例えばEP−A0240379に記載されているような通常の構造に相当する。
【0031】
【発明の実施の態様】
下記の例は本発明を説明しようとするものであって、制限するものではない。本明細書全体を通して、パーセンテージは重量によるものである;温度は全部が摂氏度で示されている。
下記の略号を使用する:
【0032】
【化16】
【0033】
上記に挙げた化合物は好適混合物成分である。
さらにまた、
△nは20℃および589nmで測定した光学異方性値を表わし、
ne は20℃および589nmで測定した異常光線屈折率を表わし、
△εは20℃における誘電異方性値を表わし、
ε‖ は分子軸に対して平行方向の誘電率値を表わし、
cp.は透明点を表わし[℃]、
νは指定温度[℃]における動粘度を表わす[mm2/秒]。
しきい値電圧の測定に使用したディスプレイは5μmの間隔でへだてている2枚の面平行外側板を有しており、この外側板の内側面上に電極層を有し、この電極層の頂上層は、液晶のホメオトロピック配向を生じさせるレシチン配向層を有するディスプレイである。
【0034】
例1
下記成分からなる混合物を調製する:
【表1】
【0035】
例2
下記成分からなる混合物を調製する:
【表2】
【0036】
例3
下記成分からなる混合物を調製する:
【表3】
【0037】
例4
下記成分からなる混合物を調製する:
【表4】
Claims (9)
- 4種または5種以上の式Iおよび式IIから選択される化合物および少なくとも1種の式IIIで表わされる化合物を含有することを特徴とする、請求項2に記載の液晶媒体。
- 少なくとも1種の式IIaで表わされる化合物および少なくとも1種の式IIbおよび(または)式IIcで表わされる化合物を含有することを特徴とする、請求項4に記載の液晶媒体。
- 下記成分からなることを特徴とする、請求項2〜6のいずれか一項に記載の液晶媒体:
1種または2種以上の式Iで表わされる化合物の2〜15%、
1種または2種以上の式IIで表わされる化合物の40〜85%、
1種または2種以上の式IIIで表わされる化合物の5〜40%。 - ECB効果に基づくアクティブマトリックスアドレッシングを備えた電気光学ディスプレイであって、請求項1〜7のいずれか一項に記載の液晶媒体を誘電体として含有することを特徴とする電気光学ディスプレイ。
- 投映型ディスプレイであることを特徴とする、請求項8に記載のディスプレイ。
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