JP4355990B2

JP4355990B2 - ネマチック液晶組成物およびこれを用いた液晶表示素子

Info

Publication number: JP4355990B2
Application number: JP2002091273A
Authority: JP
Inventors: 芳典岩下; 清文竹内
Original assignee: DIC Corp
Current assignee: DIC Corp
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2022-03-28
Also published as: JP2003286484A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
ツイステッドネマチック液晶表示素子(TN-LCD)やスーパーツイステッドネマチック液晶表示素子(STN-LCD)においては、液晶の屈折率異方性(Δn)と液晶媒体の厚さ(d)との積であるリターデーション(R；R=Δn・d)をある一定値(TN-LCDでは0.4〜0.45に設定する場合が多い。)に設定する。
【０００３】
反射型LCDでは、光が液晶媒体に入射し、背面の反射板で反射して再度液晶媒体中を通過するため、透過型LCDと比較して実質の光路長が2倍になるため、同じリタデーション値にするためには、液晶媒体のΔnを半分程度に小さくする必要がある。
【０００４】
低Δn液晶組成物は、Δn値の小さいシクロヘキサン環のみで構成されたビシクロヘキサン誘導体等の含有率を大きくすることで得ることができる。しかし、これらの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)を低くすることが困難であり、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。また、Δnの小さい化合物は一般的にはΔεが小さく、低電圧駆動が可能なΔεが大きく、かつΔnの低い液晶組成物を得ることは困難であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、小さい屈折率異方性Δn(Δn=0.04〜0.08)と、大きな誘電率異方性Δε(Δε=3〜10)を有し、低いネマチック相下限温度を有する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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、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)で表される化合物と、一般式(II)で表される化合物と、一般式(III)で表される化合物をそれぞれ特定量組み合わせることにより、小さい屈折率異方性と、大きな誘電率異方性と、低いネマチック相下限温度を有する液晶組成物が得られることを見いだし本発明に至った。
【０００７】
【化２】

【０００８】
(各式中、R¹〜R⁴はそれぞれ独立的に炭素原子数1〜10のアルキル基又は炭素原子数2〜10のアルケニル基を表し、該アルキル基及び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、CN、CH₃、又はCF₃を有することができ、該アルキル基及び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又はCOOで置換されていてもよく、
L¹及びL²はそれぞれ独立的に単結合又は-CH₂CH₂-を表し、
p及びqはそれぞれ独立的に0又は1を表し、
Y¹及びY²はそれぞれ独立的にF，Cl，CF₃、OCF₃、OCF₂H、OCFH₂又はNCSを表し、
X¹〜X⁶はそれぞれ独立的にF、Cl又はHを表す。）
すなわち本発明は、一般式(I)で表される化合物を10〜70質量%含有し、一般式(II)で表される化合物を3〜30質量%含有し、一般式(III)で表される化合物を25〜50質量%含有し、誘電率異方性(Δε)が3〜10であり、屈折率異方性(Δn)が0.04〜0.08であるネマチック液晶組成物を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
一般式(I)で表される化合物(以下、化合物(I)と言う。)は、共役π結合長が短く、小さいΔnを有している。また、シクロヘキサン環やベンゼン環を含む化合物と比べて、ネマチック相下限温度を低減する効果を有するため、スメクチック性を有する後述の一般式(III)で表される化合物を多量に含有しても低いネマチック相下限温度を維持することができる。
【００１０】
Δεを大きくするためには、X¹及びX²の少なくとも一方がFであることが好ましく、更に好ましくはX¹及びX²の両方がFである。Y¹はF、CF₃、OCF₃、OCF₂Hが好ましく、特にF又はOCF₃が好ましい。
【００１１】
すなわち化合物(I)としては、一般式(I-a)で表される化合物が好ましい。
【００１２】
【化３】

【００１３】
(式中、R¹、p及びX^２は、式(I)におけると同じ意味を表す。)
より具体的には、下記の(I-1)〜(I-4)からなる群から少なくとも1種選ばれることが好ましく、より好ましくは2種以上選ばれることが好ましい。
【００１４】
【化４】

【００１５】
2種選ぶ場合には、(I-1)及び(I-2)から1種と、(I-3)及び(I-4)から1種とを選ぶことが好ましい。より低電圧駆動化をめざして、Δεを大きくするためには、(I-2)と(I-4)を同時に含有することが好ましい。
【００１６】
一般式(II)で表される化合物(以下、化合物(II)と言う。)は、Δnが比較的小さい化合物である。化合物(I)に比べると、Δnが大きく、Δεも大きくすることができる。このため、液晶組成物に対する所望のΔn及びΔεによって、化合物(I)と化合物(II)の比率を調整することができる。また化合物(II)のX³〜X⁶の複数をF又はClにすることにより、Δεを増大させることができるので、低電圧駆動の液晶組成物を設計する際には好ましい。
【００１７】
すなわち、化合物(II)としては、低駆動電圧のためには、一般式(II-1)
【００１８】
【化５】

【００１９】
(式中、R²、L^１、X⁴、X⁶及びqは、式(II)におけるのと同じ意味を有する。)
が好ましく、一般式(II-2)
【００２０】
【化６】

【００２１】
(式中、R²、L^１、X⁶及びqは、式(II)におけるのと同じ意味を有する。)
がさらに好ましく、一般式(II-2)においてX⁶がFが好ましい。Rが炭素数2〜5のアルキル鎖である化合物が特に好ましい。
【００２２】
一般式(III)で表される化合物(以下、化合物(III)と言う。)の含有率の合計が25質量%以下の場合、屈折率異方性Δnの値が反射型液晶ディスプレイに必要とされる値まで小さくすることが困難である。化合物(III)の含有率の合計が50質量%以上の場合、化合物(III)に起因するスメクチック相安定性が高くなり、得られた液晶組成物のネマチック相温度範囲が狭くなる。このため、化合物(III)の含有率の合計は、より低い屈折率異方性を有する液晶組成物を得るためには35〜50質量%であることが好ましく、より低い駆動電圧を有する液晶化合物を得るためには25〜35質量%であることが好ましい。
【００２３】
一般式(III)において、Rは各々独立的にフッ素置換されていてもよい炭素数2〜7のアルキル基又はアルケニル基が好ましく、炭素数2〜5のアルキル基又は式(a)〜(f)の構造がさらに好ましく、
【００２４】
【化７】

【００２５】
(構造式は右端で環に連結しているものとする。)
上記のアルケニル基の部分構造のなかでは、(a)、(b)、(e)、(f)が特に好ましい。
【００２６】
化合物(I)及び化合物(II)のそれぞれから選ばれた化合物の含有率の合計が35質量%から95質量%であることが好ましいが、低い屈性率異方性を得るためには35質量%から70質量%であることが好ましく、低い駆動電圧を得るためには50質量%から95質量%であることが好ましい。化合物(III)はスメクチック性が高く、液晶組成物中での化合物(III)の組成比が大きくなると、スメクチック相が安定となりネマチック相下限温度が上昇するという欠点があった。化合物(I)及び化合物(II)は、化合物(III)が示すスメクチック相の形成を破壊し、その結果、低温でのネマチック相が安定となる。化合物(I)及び化合物(II)からそれぞれ選ばれる化合物の含有率の合計が35質量%より少ない場合、化合物(III)から選ばれる化合物に起因するスメクチック相安定性を破壊することが難しく、得られる液晶組成物のネマチック相下限温度が高くなり、液晶温度範囲が狭くなってしまう。
【００２７】
本発明の液晶組成物のネマチック相下限温度は、-20℃以下が好ましく、-30℃以下がより好ましく、-35℃以下が特に好ましい。
【００２８】
小さい屈性率異方性を得るためには化合物(I)の含有率が30質量%から70質量%であることが好ましく、低い駆動電圧を得るためには化合物(II)の含有率が10質量%から30質量%であることが好ましい。
【００２９】
上記ネマチック液晶組成物は、Δnが0.050〜0.075以下であることが好ましく、ネマチック―等方相転移温度が85〜120℃であることがさらに好ましい。
【００３０】
上記ネマチック液晶組成物はツイスト角が0〜100°であるTN-LCDや、ツイスト角が180〜300°のSTN-LCD、更にはTN、IPSやOCB等を含むアクティブ・マトリクス-LCDに有用である。特にアクティブ・マトリクス-LCDに有用である。上記液晶表示素子の駆動電圧は2〜6Vであることが好ましい。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。
【００３１】
特に、反射型液晶表示素子に適している。デスクトップPCやノートPC用LCDと比較して、過酷な状況で使用されるPDAや携帯電話などのモバイル用の半透過型又は反射型の液晶表示素子では、低温まで下げられた低いネマチック下限温度を有する液晶組成物が要請されるため、本発明の液晶組成物は特に有用である。
【００３２】
本発明の液晶組成物は、上記一般式(I)〜(III)で表される化合物以外に、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又はキラル剤などを含有していてもよい。
【００３３】
【実施例】
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。
【００３４】
一般式(I-a)〜(V-a)中におけるシクロヘキサン環はトランス体を表す。また、デカヒドロナフタレン環はトランス,トランス体を表す。
【００３５】
以下の実施例及び比較例における「%」は全て「質量%」を表す。
【００３６】
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 : 結晶相、ガラス状態又はスメクチック相からネマチック相への相転移温度（℃）
Δn : 25℃における屈折率異方性
Δε : 25℃における誘電率異方性
V_th : 25℃におけるセル厚4.5μmのTN-LCDを構成したときのしきい値電圧
TN-LCD表示素子の作製は以下のようにして行った。
【００３７】
対向する平面透明電極上に配向膜「AL-1051」(JSR社製)を塗布し、この配向膜をラビングして90°配向状態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。
【００３８】
以下に実施例に用いた化合物を示す。以後一般式(I-a)〜(V-a)の記号を以ってその化合物を表すこととする。
【００３９】
【化８】

【００４０】
【化９】

【００４１】
【化１０】

【００４２】
【化１１】

【００４３】
【化１２】

【００４４】
【化１３】

【００４５】
本発明の液晶組成物である実施例1を調製し、この組成物の諸特性を測定した結果を比較例1とともに表1に示す。
【００４６】
【表１】

【００４７】
表1に示すように、実施例1は、本発明の液晶組成物であって、化合物(I)を合計25%含み、化合物(II)を15%含み、化合物(III)を40%含む。一方比較例1は、化合物(I)を30%含み、化合物(II)を含まず、化合物(III)を40%含む。
【００４８】
本発明の液晶組成物である実施例1は、-35℃と低いネマチック相下限温度を有し、ネマチック液晶相温度範囲も119℃(84℃−(-35℃))と広い。一方、比較例１はネマチック相下限温度が高く(-2℃)、ネマチック温度範囲も狭い(86℃)。実施例1も比較例1もそれぞれ、Δnが0.070及び0.066と、非常にΔnが小さい液晶組成物である。いずれの組成物においてもΔnを小さくするために、化合物(III)を40%含有している。比較例1ではそのため、ネマチック相下限温度が上昇したが、実施例1では化合物(I)と化合物(II)を同時に含有することにより、ネマチック相下限温度の上昇を抑制することができた。
【００４９】
実施例1では更に、低い閾値電圧Vthを示し駆動電圧が低い液晶組成物が提供された。
【００５０】
本発明の液晶組成物として実施例2及び3を調製し、この組成物の諸特性を測定した結果を表2に示す。
【００５１】
【表２】

【００５２】
一般式(I)、(II)及び(III)で表される化合物からそれぞれ選ばれる化合物を組み合わせることにより得られる組成物である、実施例2及び実施例3においては、小さいΔn及び大きなΔεを維持しつつ、ネマチック相下限温度(T_→ _N)の低い液晶組成物を得ることができた。また、実施例2及び実施例3の液晶組成物を90°ツイストのセルに注入し液晶表示素子を作製したところ、80℃においても高い電圧保持率(98%)を示し、アクティブ・マトリクス-LCD用液晶組成物として有用であることがわかった。
【００５３】
【発明の効果】
本発明の液晶組成物は、屈折率異方性や駆動電圧を低く維持しつつ低温におけるネマチック相が安定な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駆動電圧が低く優れたものであった。この液晶表示素子はアクティブ・マトリクス-LCDとして有用である。

Claims

一般式(I)で表される化合物を10〜70質量％含有し、一般式(II)で表される化合物を3〜30質量％含有し、一般式(I)で表される化合物及び一般式(II)で表される化合物の含有率の合計が35重量％から70重量％であり、一般式(III)で表される化合物を25〜50質量％含有し、式(IV-a)及び/又は式(IV-b)で表される化合物を含有し、一般式(I)、(II)及び(III)で表される化合物並びに一般式(IV-a)及び/又は（IV-ｂ）で表される化合物のみからなり、屈折率異方性が0.04〜0.08であり、誘電率異方性が3〜10であることを特徴とするネマチック液晶組成物。

（各式中、R¹〜R⁴はそれぞれ独立的に炭素原子数1〜10のアルキル基又は炭素原子数2〜10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、CN、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又はCOOで置換されていてもよく、
L¹およびL²はそれぞれ独立的に単結合又は-CH₂CH₂-を表し、
ｐおよびｑはそれぞれ独立的に0又は1を表し、
Y¹およびY²はそれぞれ独立的にF，Cl，CF₃、OCF₃、OCF₂H、OCFH₂又はNCSを表し、
X¹〜X⁶はそれぞれ独立的にF、Cl又はHを表す。）
屈折率異方性が0.050〜0.075である請求項1記載の液晶組成物。
請求項1又は2に記載の液晶組成物を用いた液晶表示素子。
ツイスト角が0°から100°である請求項３記載のツイステッドネマチック液晶表示素子。