JP4412424B2 - 液晶組成物の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、液晶表示素子の構成部材として有用な液晶組成物の製造方法に関する。
液晶表示素子は、時計、電卓をはじめとして、各種測定機器、自動車用パネル、ワープロ、電子手帳、プリンター、コンピューター、テレビ等に用いられるようになっている。液晶表示方式としては、その代表的なものにTN(捩れネマチック)型、STN(超捩れネマチック)型、DS(動的光散乱)型、GH(ゲスト・ホスト)型あるいは高速応答が可能なFLC(強誘電性液晶)等を挙げることができる。また駆動方式としても従来のスタティック駆動からマルチプレックス駆動が一般的になり、さらに単純マトリックス方式、最近ではアクティブマトリックス方式が実用化されている。
これらに用いられる液晶組成物は、通常2種類以上の化合物を混合して作られており、液晶組成物の物性(ネマチック相温度範囲、屈折率異方性(Δn)、誘電率異方性(Δε)、粘度、弾性定数等)や電気光学的特性(応答時間、閾値電圧、V-T曲線の急峻性等)を目的とする液晶素子の表示方式や駆動方式に応じて、種々の値に合わせるため混合比が決められているが、ほとんどの場合について熱、光、水分等に対する信頼性が高いことが必要である。また、特にアクティブマトリックス駆動方式の場合にはそれに加えて、電圧保持率(VHR)が充分に高いことが重要である。液晶組成物の信頼性、比抵抗及び電圧保持率(VHR)を高めるためには、組成物を構成する個々の液晶化合物のそれぞれについて高い信頼性と電圧保持率(VHR)が達成されている必要がある。しかしながら、信頼性、比抵抗および電圧保持率(VHR)の高い液晶化合物を使用しても、それらの混合物である液晶組成物を製造するときに品質を劣化させてしまうことがある。
液晶組成物の製造方法としては、加熱による溶解混合や、有機溶剤に液晶化合物を溶解させ混合後、有機溶剤を除去させる方法が提案されている(特許文献1参照)。しかしながら、これらに提案されている方法では、品質を劣化させてしまうことが多い。例えば加熱による溶解混合では、加熱時に酸素により液晶化合物が酸化分解してしまい液晶組成物の比抵抗や電圧保持率(VHR)を著しく低下させてしまう。更には液晶上限転移温度を低下させ、液晶組成物の物性や電気光学特性を変化させてしまうことがある。また有機溶剤に溶解させる方法では、有機溶剤の不純物やドーパントにより液晶組成物の比抵抗や電圧保持率(VHR)が著しく低下することがある。さらに有機溶剤が除去しきれず残留してしまうと同様に液晶組成物の比抵抗を低下させたり、電圧保持率を著しく低下させる原因になる。一方、減圧状態で比較的低温で加熱することによる製造方法も提案されており、低い抵抗値を有する液晶組成物の製造について開示されている(特許文献2参照)。しかしながら、当該引用文献記載の方法は比較的低い温度で製造が可能ではあるが加熱が必要であり、加熱による悪影響を完全に排除することはできず、加熱に伴う設備も必要である。
更に、当該引用文献記載の方法は減圧に伴う大がかりな装置が必要となる問題点を有している。すなわち、減圧しながら液晶化合物を溶解するためには減圧に耐える容器が必要となり、製造装置は必然的に減圧に耐えるよう大がかりなものとなる。又、減圧は一般に真空ポンプを用いることが一般的であるが、真空ポンプに用いられるオイルミストの逆流を防ぐためのトラップ、トラップを冷却するための冷却装置も付随する設備として必要である。このように、減圧下に液晶組成物を製造することは設備の肥大化を招き、増大する液晶組成物の需要に対応するために過大な投資を余儀なくされている。
以上のように、高品位な液晶組成物をより簡素な設備で、効率的に製造する方法の開発が望まれていた。
特開平5−105876号公報(5頁右欄) 特開2002−194356号公報(4頁実施例)
本願発明が解決しようとする課題は、2種以上の液晶化合物を混合してなる液晶組成物の製造において、製造される液晶組成物の信頼性が高く、効率的に製造できる方法を提供することである。
上記課題の解決について本願発明者らは鋭意検討した結果本願発明の完成に至った。本願発明は、少なくとも1種の融点が30℃より大きい2種以上の液晶化合物にマイクロ波を照射することを特徴とする液晶組成物の製造方法を提供する。
本発明の製造方法は、減圧装置、加熱装置等の大がかりな設備を要することなく、信頼性の高い高品位の液晶組成物を製造することが可能である。すなわち、比抵抗の低下を抑え、不純物の生成が少なく、物性値の変動が少ない、高い信頼性が求められている液晶組成物の製造に非常に実用的である。
以下に本発明の一例について説明する。
本願発明の製造方法は、有機溶媒等の溶剤を用いることなく、少なくとも1種の融点が30℃より大きい2種以上の液晶化合物を含む液晶化合物にマイクロ波を照射することにより、効率的に液晶組成物を製造するものである。特に、2種の融点が30℃より大きい2種以上の液晶化合物を用いた液晶組成物の製造に有効であり、5種以上の融点が30℃より大きい2種以上の液晶化合物を用いた液晶組成物の製造にさらに有効である。
融点が30℃以上の化合物の含有率は、60%以上が好ましく、70%以上がより好ましく、80%以上が特に好ましい。
液晶組成物には液晶化合物以外の添加剤を含有していても良い。添加剤としては、酸化防止剤、紫外線吸収剤、帯電防止剤、界面活性剤等が使用可能である。又、液晶性又は非液晶性の光学活性化合物を含有していても良い。液晶骨格を有さない化合物は添加量があまり多いと液晶の特性に悪影響を及ぼすため、液晶骨格を有さない化合物を添加する場合合計で5%以下の含有率が好ましく、3%以下が好ましく、1%以下が特に好ましい。
マイクロ波の照射時間は、1時間以下であることが好ましく、30分以下であることがより好ましい。マイクロ波照射時の温度はあまり高いと製造される組成物の品質が低下し、低すぎると製造に時間が掛かるため最適な温度がある。よって、40℃から、製造される液晶組成物の液晶相上限温度+50℃の範囲であることが好ましく、+30℃の範囲であることがより好ましい。
使用するマイクロ波の周波数は、300MHz以上3THz以下が好ましく、500MHz以上がより好ましい。照射強度は、100W以上が好ましく、1kW以上がより好ましい。
本願発明の製造方法は、低い温度で液晶組成物の製造が可能であるため、通常の大気雰囲気下でも高品位の液晶組成物を製造することが可能である。しかしながら、より高品位の液晶組成物を製造するために、マイクロ波の照射を密閉条件下で行うことが好ましく、不活性ガス雰囲気下で行うことがより好ましい。不活性ガスとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガス、窒素ガス等が好適に使用できる。
本願発明の製造方法は減圧手段を用いる必要はないが、製造する組成物を減圧状態においても適用することが可能である。
本願発明の製造方法で製造する液晶組成物に特に制限はないが、減圧下で製造した場合においては、揮発する比較的分子量の小さい液晶化合物を大量に含有する液晶組成物の製造が特に好ましい。
液晶化合物の分子量としては、300以下の化合物を含有することが好ましく、250以下の化合物を含有することがより好ましい。
より効率的に液晶組成物を製造するためには、構成される液晶分子の分極に偏りがあることが好ましい。具体的には、構成される液晶化合物に特定の構造又は官能基を有している場合より効率的な製造が可能となる。好ましい構造としては、液晶化合物の分子中に少なくとも一つの芳香環を有していることが好ましい。又、好ましい官能基としては、ハロゲン、シアノ基等の電子吸引性の官能基が好ましく、これらの官能基を分子中に有している化合物が好ましく、芳香環に前記電子吸引性官能基を有している化合物がより好ましい。
構成される化合物としては具体的には、一般式(I)で表される化合物が好ましい。
Figure 0004412424
(式中、R1及びR2は、それぞれ独立的にフッ素置換されていても良い炭素原子数1〜16のアルキル基、炭素原子数1〜16のアルコキシル基、炭素原子数2〜16のアルケニル基、炭素原子数3〜16のアルケニルオキシ基、フッ素原子、塩素原子又はシアノ基を表し、A、B及びCは、それぞれ独立的に1,4-フェニレン基、2又は3-フルオロ-1,4-フェニレン基、2,3-ジフルオロ-1,4-フェニレン基、3,5-ジフルオロ-1,4-フェニレン基、2又は3-クロロ-1,4-フェニレン基、2,3-ジクロロ-1,4-フェニレン基、3,5-ジクロロ-1,4-フェニレン基、2-メチル-1,4-フェニレン基、3-メチル-1,4-フェニレン基、ナフタレン-2,6-ジイル基、フェナントレン-2,7-ジイル基、フルオレン-2,7-ジイル基、トランス-1,4-シクロヘキシレン基、1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン-2,6-ジイル基、デカヒドロナフタレン-2,6-ジイル基、トランス-1,3-ジオキサン-2,5-ジイル基、ピリジン-2,5-ジイル基、ピリミジン-2,5-ジイル基、ピラジン-2,5-ジイル基またはピリダジン-2,5-ジイル基を表し、これらの基は更に1〜3のフッ素原子により置換されていてもよく、mは0、1又は2を表し、Z1及びZ2はそれぞれ独立的に単結合、-CH2CH2-、-(CH2)4-、-OCH2-、-CH2O-、-COO-、-CH=CH-、-CF=CF-、-CH=N-N=CH-又は-C≡C-を表す。但し、mが2の場合、2個のZ2及びCは、それぞれ独立に同じであっても良く、異なっていても良い。)
一般式(I)において、A、B及びCの少なくとも一つが芳香環であることが好ましく、1,4-フェニレン基、2又は3-フルオロ-1,4-フェニレン基、2,3-ジフルオロ-1,4-フェニレン基、3,5-ジフルオロ-1,4-フェニレン基、2又は3-クロロ-1,4-フェニレン基、2,3-ジクロロ-1,4-フェニレン基、3,5-ジクロロ-1,4-フェニレン基、2-メチル-1,4-フェニレン基、3-メチル-1,4-フェニレン基、ナフタレン-2,6-ジイル基、フェナントレン-2,7-ジイル基、フルオレン-2,7-ジイル基、1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン-2,6-ジイル基、ピリジン-2,5-ジイル基、ピリミジン-2,5-ジイル基、ピラジン-2,5-ジイル基またはピリダジン-2,5-ジイル基がより好ましく、1,4-フェニレン基、2又は3-フルオロ-1,4-フェニレン基、2,3-ジフルオロ-1,4-フェニレン基、3,5-ジフルオロ-1,4-フェニレン基が特に好ましい。
R1及びR2は、一方がフッ素原子、塩素原子又はシアノ基を表し、もう一方が炭素原子数1〜16のアルキル基、炭素原子数1〜16のアルコキシル基、炭素原子数2〜16のアルケニル基、炭素原子数3〜16のアルケニルオキシ基を表す化合物が好ましい。
本願発明の製造方法によってTFT用液晶組成物を製造する場合、一般式(I)で表される化合物において、R1及びR2はそれぞれ独立してフッ素原子、炭素原子数1〜16のアルキル基又は炭素原子数2〜16のアルケニル基を表す化合物が好ましい。この場合、得られた液晶組成物は高い電圧保持率を有する。
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い。また、以下の実施例及び比較例の組成物における「%」は『質量%』を意味する。
マイクロ波の照射は富士電波工機社製のマイクロ波照射装置(特注品)を用いて行った(高周波出力:6kW、発振周波数:2450MHz±50MHz)。作製した液晶組成物の分析には以下の装置を用いた。
ガスクロマトグラフィー:HEWLETT PACKARD 社製 HP6890
信頼性の確認には液晶組成物の比抵抗を測定、ガスクロマトグラフィーによる不純物の生成及び配合した化合物の分解の確認、電圧保持率や電流値、物性値の測定によって行った。
(実施例1) 液晶組成物の製造
以下の化合物により構成される、液晶組成物(STN1、液晶上限温度95.1℃)の製造を行った。
Figure 0004412424
容量150ミリリットルのセパラブルフラスコに、上記の各化合物を記載した量計量した。このセパラブルフラスコをマイクロ波発生装置にセットし、1kWの出力でマイクロ波を照射し加熱した。10分照射後、マイクロ波の照射を停止し、セパラブルフラスコを冷却しマイクロ波照射装置より取り出し、ネマチック液晶状態のSTN1を100g得た。
作製した液晶組成物の比抵抗を測定すると、1.1×1011Ωcmであった。また作製した液晶組成物をガスクロマトグラフィーで分析したところ、配合した化合物以外の物質は混入・生成しておらず、配合した化合物の分解も見られなかった。作製した液晶組成物の物性を測定したところ所望の特性が得られた。この液晶をSTNパネルに注入し電気光学的特性を測定したところ所望の特性が得られた。以上より、実施例1の液晶組成物は非常に高い信頼性を有していることが明らかである。
本願発明の製造方法は、大がかりな設備を必要とすることなく40分間で高品質の液晶組成物の製造が可能であった。
(比較例1) 減圧下における液晶組成物の製造
実施例1と同じ液晶組成物(STN1)を特開2002−194356号広報に記載されている方法に従い製造を行った。
なす型フラスコに所定の液晶化合物を計量した。このなす型フラスコをロータリーエバポレータに取り付けた。なす型フラスコを50℃のオイルバスに浸し、回転させた。ロータリーエバポレータを真空ポンプにより5分かけてゆっくりと20kPaに減圧した。オイルバスの温度を110℃に設定し5℃/minにより昇温した。液晶が液体状態に変化し透明になってから30分後、オイルバスを水浴に変え冷却した。室温まで下がった後、回転を止め、減圧を停止した。フラスコ内をチッソガスに置換することにより大気圧に戻した後、なす型フラスコをロータリーエバポレータから取り外し、ネマチック液晶状態のSTN1を100g得た。
作製した液晶組成物の比抵抗を測定すると、1.2×1011Ωcmであった。作製した液晶組成物をガスクロマトグラフィーで分析したところ、配合した化合物以外の物質は混入・生成しておらず、配合した化合物の分解も見られなかった。作製した液晶組成物の物性を測定したところ所望の特性が得られた。しかし、比較的分子量の低い化合物の若干の揮発が確認され、組成が変わってしまった。又、製造に大がかりな設備を必要とする減圧装置や加熱装置を用いる必要がある上に、長い製造時間が必要である。
(比較例2) 大気下における液晶組成物の製造
実施例1と同じ液晶組成物(STN1)を特開平5−105876号広報に記載されている方法に従い製造を行った。
なす型フラスコに所定の液晶化合物を計量した。このなす型フラスコの中に磁石式回転子をいれ、50℃のホットプレートに置き、ホットプレートの温度を5℃/minで110℃に昇温しながら回転子を回転させることにより撹拌した。液晶が液体状態に変化し透明になってから30分後ホットプレートの加熱を止め、徐々に室温に戻した。ネマチック液晶状態のSTN1を100g得た。
作製した液晶組成物の比抵抗を測定すると、1.1×10Ωcmであった。作製した液晶組成物をガスクロマトグラフィーで分析したところ、配合した化合物以外の物質が数多く出現しており、分析の結果液晶組成物を構成する液晶化合物が酸化分解していることが分かった。液晶上限点移転温度を測定すると94.0℃と低下しており、品質の劣化が大きかった。比較例2の製造方法においては製造した液晶組成物の信頼性の点で実施例に劣ることが明らかである。
(実施例2) 液晶組成物の製造
以下の化合物により構成される、液晶組成物(TFT1、液晶上限温度68.0℃)の製造を行った。
Figure 0004412424
容量150ミリリットルのセパラブルフラスコに、上記の各化合物を記載した量計量した。このセパラブルフラスコをマイクロ波発生装置にセットし、1kWの出力でマイクロ波を照射し加熱した。10分照射後、マイクロ波の照射を停止し、セパラブルフラスコを冷却しマイクロ波照射装置より取り出し、ネマチック液晶状態のTFT1を100g得た。
作製した液晶組成物の比抵抗を測定すると、1.5×1014Ωcmであった。また作製した液晶組成物をガスクロマトグラフィーで分析したところ、配合した化合物以外の物質は混入・生成しておらず、配合した化合物の分解も見られなかった。作製した液晶組成物の物性を測定したところ所望の特性が得られた。この液晶をTFTパネルに注入し電気光学的特性を測定したところ所望の特性が得られた。又、TFTパネルに用いた場合の電圧保持率も十分高いものであった。
本願発明の製造方法は、大がかりな設備を必要とすることなく40分間で高品質の液晶組成物の製造が可能であった。以上より、実施例2の液晶組成物は非常に高い信頼性を有していることが明らかである。
(比較例3) 減圧下における液晶組成物の製造
実施例2と同じ液晶組成物(TFT1)を特開2002−194356号広報に記載されている方法に従い製造を行った。
なす型フラスコに所定の液晶化合物を計量した。このなす型フラスコをロータリーエバポレータに取り付けた。なす型フラスコを50℃のオイルバスに浸し、回転させた。ロータリーエバポレータを真空ポンプにより5分かけてゆっくりと20kPaに減圧した。オイルバスの温度を85℃に設定し5℃/minにより昇温した。液晶が液体状態に変化し透明になってから30分後、オイルバスを水浴に変え冷却した。室温まで下がった後、回転を止め、減圧を停止した。フラスコ内をチッソガスに置換することにより大気圧に戻した後、なす型フラスコをロータリーエバポレータから取り外し、ネマチック液晶状態のTFT1を100g得た。
作製した液晶組成物の比抵抗を測定すると、1.2×1014Ωcmであった。作製した液晶組成物をガスクロマトグラフィーで分析したところ、配合した化合物以外の物質は混入・生成しておらず、配合した化合物の分解も見られなかった。作製した液晶組成物の物性を測定したところ所望の特性が得られた。しかし、比較的分子量の低い化合物の若干の揮発が確認され、組成が変わってしまった。又、製造に大がかりな設備を必要とする減圧装置や加熱装置を用いる必要がある上に、長い製造時間が必要である。
(比較例4) 大気下における液晶組成物の製造
実施例2と同じ液晶組成物(TFT1)を特開平5−105876号広報に記載されている方法に従い製造を行った。
なす型フラスコに所定の液晶化合物を計量した。このなす型フラスコの中に磁石式回転子をいれ、50℃のホットプレートに置き、ホットプレートの温度を5℃/minで85℃に昇温しながら回転子を回転させることにより撹拌した。液晶が液体状態に変化し透明になってから30分後ホットプレートの加熱を止め、徐々に室温に戻した。ネマチック液晶状態のTFT1を100g得た。
作製した液晶組成物の比抵抗を測定すると、1.3×1013Ωcmであった。作製した液晶組成物をガスクロマトグラフィーで分析したところ、配合した化合物以外の物質が数多く出現しており、分析の結果液晶組成物を構成する液晶化合物が酸化分解していることが分かった。液晶上限点移転温度を測定すると66.8℃と低下しており、品質の劣化が大きかった。比較例4の製造方法においては製造した液晶組成物の信頼性の点で実施例に劣ることが明らかである。
本発明の製造方法は、比抵抗の低下を抑え、不純物の生成が少なく、物性値の変動が少ない、高い信頼性が求められている液晶組成物の製造に非常に実用的である。

Claims (7)

  1. 少なくとも1種の融点が30℃より大きい2種以上の液晶化合物を、同一の容器に加えた状態で、製造される液晶組成物の液晶相上限温度+30℃以下で、有機溶媒等の溶剤を用いることなく、マイクロ波を照射することを特徴とする液晶組成物の製造方法。
  2. 請求項1記載の液晶化合物が一般式(I)
    Figure 0004412424
    (式中、R 1 及びR 2 は、それぞれ独立的にフッ素置換されていても良い炭素原子数1〜16のアルキル基、炭素原子数1〜16のアルコキシル基、炭素原子数2〜16のアルケニル基、炭素原子数3〜16のアルケニルオキシ基、フッ素原子、塩素原子又はシアノ基を表し、A、B及びCは、それぞれ独立的に1,4-フェニレン基、2又は3-フルオロ-1,4-フェニレン基、2,3-ジフルオロ-1,4-フェニレン基、3,5-ジフルオロ-1,4-フェニレン基、2又は3-クロロ-1,4-フェニレン基、2,3-ジクロロ-1,4-フェニレン基、3,5-ジクロロ-1,4-フェニレン基、2-メチル-1,4-フェニレン基、3-メチル-1,4-フェニレン基、ナフタレン-2,6-ジイル基、フェナントレン-2,7-ジイル基、フルオレン-2,7-ジイル基、トランス-1,4-シクロヘキシレン基、1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン-2,6-ジイル基、デカヒドロナフタレン-2,6-ジイル基、トランス-1,3-ジオキサン-2,5-ジイル基、ピリジン-2,5-ジイル基、ピリミジン-2,5-ジイル基、ピラジン-2,5-ジイル基またはピリダジン-2,5-ジイル基を表し、これらの基は更に1〜3のフッ素原子により置換されていてもよく、mは0、1又は2を表し、Z 1 及びZ 2 はそれぞれ独立的に単結合、-CH 2 CH 2 -、-(CH 2 ) 4 -、-OCH 2 -、-CH 2 O-、-COO-、-CH=CH-、-CF=CF-、-CH=N-N=CH-又は-C≡C-を表す。
    但し、mが2の場合、2個のZ 2 及びCは、それぞれ独立に同じであっても良く、異なっていても良い。
    但し、A、B及びCの少なくとも一つが、芳香環であり、官能基として一つ以上のハロゲン又はシアノ基を有する。)で表される化合物である液晶組成物の製造方法。
  3. 液晶化合物の内、少なくとも2種の融点が30℃より大きい請求項1記載の製造方法。
  4. マイクロ波の照射時間が1時間以下である請求項1記載の製造方法。
  5. マイクロ波の照射を減圧下に行う請求項1記載の製造方法。
  6. マイクロ波の照射を不活性ガス雰囲気化で行う請求項1記載の製造方法。
  7. 減圧状態を大気圧に戻す際に不活性ガスを用いる請求項記載の製造方法。
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