JP4655314B2 - 液晶媒体及び該液晶媒体を含有する液晶表示素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は正の誘電異方性を有するナフタレン誘導体を含有する液晶媒体に関し、およびこの媒体を含有するディスプレイに関する。
【0002】
【従来の技術】
液晶表示素子は、電卓のディスプレイとして登場して以来、コンピューターの開発と歩みを同じくして、TN (Twisted Nematic)モードからSTN (Supertwisted Nematic)モードへと表示容量を増やし、コンピューターと人とのインターフェースとして広く普及してきた。特に、各画素に薄膜トランジスタをつけたアクティブマトリクス液晶表示素子(AM-LCD)は、CRTにも代替できる高画質を備え、フラット化・省エネルギー化の後押しを受けて、もっとも将来性のあるディスプレイとして期待されている。
【0003】
AM-LCDではコントラストを上げるために、各画素に薄膜トランジスタやダイオードのスイッチング素子をつけて、画素に電圧を供給する。
【0004】
AM-LCDはTN・STNのパッシブ駆動方式とは異なり、スイッチング素子を通して、各画素に数十msec毎に電荷を供給することにより駆動する。このため、電荷が供給されてから数十msec後の次の書き込み時間までの間は、与えられた電荷を完全に保持できないと、表示の悪化をきたすことになる。電荷が逃げると電極間の電位が下がり、透過光強度が変化してコントラストが低下してしまう。このため、AM-LCDでは、高い電圧保持特性が求められる。高い電圧保持特性を得るため、AM-LCD用液晶組成物は、高比抵抗を維持しやすい材料を取捨選択して使用する必要がある。
【0005】
近年携帯を目的としたノート型コンピューターの需要が高まり、屋外での使用を可能とする広い使用温度範囲や長時間のバッテリー駆動を可能とする低消費電力の要請が強まっている。低消費電力には低電圧で駆動できるしきい値電圧の低い液晶組成物が求められている。しきい値電圧を低くするためには、誘電率異方性Δεを大きくする材料が必要であるが、誘電率異方性が大きい系では、粘性が増大し、レスポンスが悪化することに加え、周囲の汚染の影響を受けやすくなるため、高抵抗を維持することが難しくなるという問題があった。このため、AM-LCD用組成物には、
(1) 高い電圧保持率
(2) 屋外でも使用できる広い液晶温度範囲
(3) 高温条件でも使用できる安定性
(4) 低いしきい値電圧
(5) 色づきを防ぎ、広い視角で最適なコントラストを得るために、調節可能なΔn
が求められている。
【0006】
従来の液晶組成物は、これらの要請に必ずしも応えることができず、高温での電圧保持率の低下によるコントラスト低下、低温での結晶析出やスメクチック相の発現が見られた。また、屋外の高温やUV光・太陽光暴露下に放置されると、保持率低下や表示不良がみられた。
【0007】
すなわち、高いネマチック-アイソトロピック転移温度、低いクリスタル(若しくはスメクチック)転移温度、低電圧駆動可能な低いしきい値電圧、高速応答を可能とする低粘性、かつ高温での高い保持率を同時に満足する液晶組成物及び液晶表示素子はなかった。
【0008】
たとえば、WO9403558号には、トリフルオロ化合物とジフルオロ化合物とを用いた液晶組成物の例が開示されているが、液晶温度範囲が狭かったり、しきい値電圧が高い等多くの問題点を抱えているのが現状である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、電気光学表示素子、特に上記のアクティブマトリクス駆動を行うAM-LCDに求められる種々の特性を満足し、かつ、しきい値電圧が低く、広いネマティック温度範囲、低い粘性を有し、高速応答性が優れ、高い保持率を高温度まで維持できる液晶組成物及びこれを使用した液晶表示素子を提供する、若しくは従来より上記の欠点を改善した液晶組成物・液晶表示素子を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
以下詳細に本発明を説明する。
【0011】
本発明の第1は、正の誘電異方性を有する極性化合物の混合物を基礎とする液晶媒体であって、式(1)
【0012】
【化6】
【0013】
[式中Rは、炭素数1〜15のアルキル基または炭素数2〜15のアルケニル基で有りこの基を非置換であるか、あるいは置換基として少なくとも1個のハロゲンを有しており、そしてこれらの基中に存在する1個または2個以上のCH2基はそれぞれ独立してO原子が相互に直接結合しないものとして -O-、-S-、-CO-、-COO-、-OCO-、-OCO-O-により置き換えられても良い。
環A及び環Bはそれぞれ相互に独立して、
(a) トランス-1,4-シクロへキシレン基(この基中に存在する1個のCH2基または隣接していない2個以上のCH2基は -O- 及びまたは -S- に置き換えられてもよい)
(b) 1,4-フェニレン基(この基中に存在する1個のCH2基または隣接していない2個以上のCH2基は -N- に置き換えられてもよい)
(c) 1,4-シクロヘキセニレン、1,4-ビシクロ(2.2.2)オクチレン、ピペリジン-1,4-ジイル、ナフタレン-2,6-ジイル、デカヒドロナフタレン-2,6-ジイル及び1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン-2,6-ジイル
からなる群より選ばれる基であり、上記の基(a)、基(b)、基(c)はCNまたはハロゲンで置換されていてもよい。
Z1及びZ2はそれぞれ独立して、-COO-、-OCO-、-CH2O-、-OCH2-、-CH2CH2-、-CH=CH-、-C≡C-、-(CH2)4-、-CH=CH-CH2CH2-、-CH2CH2-CH=CH- または単結合である。
X1〜X6はそれぞれ独立してHまたはFであり、
m、nは0、1または2であり、
Y1は、-F、-CF3、-OCF3、-OCHF2、-OCH2F、-CN、Rと同じ定義または式(2)であり、
【0014】
【化7】
【0015】
(式中X7及びX8はそれぞれ独立してH、FまたはClであり、
Q1は-OCH2-、-OCF2-、-OCHF-、-CF2-または単結合であり、
Y2はF、ClまたはCNである。)]
の1種またはそれ以上の化合物及び式(3)
【0016】
【化8】
【0017】
(式中Rは互いに独立して式(1)でのRの定義と同じであり、
環C及び環Dはそれぞれ相互に独立して、
(d) トランス-1,4-シクロへキシレン基(この基中に存在する1個のCH2基または隣接していない2個以上のCH2基は -O- 及びまたは -S- に置き換えられてもよい)
(e) 1,4-フェニレン基(この基中に存在する1個のCH2基または隣接していない2個以上のCH2基は -N- に置き換えられてもよい)
(f) 1,4-シクロヘキセニレン、1,4-ビシクロ(2.2.2)オクチレン、ピペリジン-1,4-ジイル、デカヒドロナフタレン-2,6-ジイル及び1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン-2,6-ジイル
からなる群より選ばれる基であり、上記の基(d)、基(e)、基(f)はCNまたはハロゲンで置換されていても良い。
Z3、Z4はそれぞれ相互に独立して式(1)でのZ1、Z2と同じ定義である。
X9、X10はそれぞれ独立してHまたはFであり、
pは、0、1または2であり、
Y3は、FまたはClであり、
Q2は、単結合、-CF2-、-OCF2- または -OCHF- である。)
の1種またはそれ以上の化合物を含有することを特徴とする液晶媒体に関する。
【0018】
本発明の第2は、少なくとも2種以上の式(1)の化合物を含むことを特徴とする本発明第1記載の液晶媒体に関する。
【0019】
本発明の第3は、少なくとも2種以上の式(3)の化合物を含むことを特徴とする本発明第1記載の液晶媒体に関する。
【0020】
本発明の第4は、式(3)の化合物として、下記の式(3-1)〜(3-6)から選んだ、少なくとも1種の化合物を含むことを特徴とする本発明第1、第2または第3記載の液晶媒体に関する。
【0021】
【化9】
【0022】
(式中Rは、互いに独立して式(3)のRと同じ定義であり、Zはそれぞれ独立して、-CH2CH2-、-CH=CH-、-C≡C-、-(CH2)4-または単結合である。)
本発明の第5は、式(3)の化合物として、式(3-1)〜(3-6)から選んだ、少なくとも2種以上の化合物を含むことを特徴とする本発明第1、第2、第3または第4記載の液晶媒体に関する。
【0023】
本発明の第6は、式(1)の化合物として、下記の式(1-1)〜(1-9)から選んだ、少なくとも1種の化合物を含むことを特徴とする本発明第1、第2、第3、第4または第5記載の液晶媒体に関する。
【0024】
【化10】
【0025】
(式中Rは式(1)のRと同じ定義であり、Y4はそれぞれ独立して-F、-CF3、-OCF3、-OCHF2、-OCH2F、-CNまたはRであり、Xa〜Xnはそれぞれ独立してHまたはFである。
【0026】
式(1-1)〜(1-9)のそれぞれにおいて、RとY4を入れ換えて表される化合物も含む。)
【0027】
本発明の第7は、本発明第1記載の液晶媒体であって、少なくとも 65℃のネマチック-アイソトロピック転移温度、-20℃より低いネマチック-クリスタル(若しくはスメクティック)転移温度を有し、かつ 25℃での光学異方性が 0.07から0.20にあり、25℃での誘電率異方性が3以上であり、20℃での粘度が 35mPa・s以下であることを特徴とする本発明第1、第2、第3、第4、第5または第6記載の液晶媒体に関する。
【0028】
本発明の第8は、本発明第1、第2、第3、第4、第5、第6または第7記載の液晶媒体を含むことを特徴とする電気光学表示素子に関する。
【0029】
本発明の液晶媒体に用いられる一般式(3)の化合物はWO91/03450や特開平2-233626に記載の化合物であって、フルオロ系の化学的に安定性の高い液晶化合物である。しかしこれらの化合物だけでは、得られる組成物は析出やスメクチック発現等の問題があった。また、式(1)記載の化合物は、Δnが比較的大きく化学的に安定な低粘性化合物である。本発明は、アクティブ用液晶媒体の組成検討を鋭意行った結果、これらの化合物を組み合わせることにより、本願発明が可能となった。
【0030】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴は、式(1)で表される化合物より少なくとも1種及び式(3)で表される化合物より少なくとも1種からなる液晶媒体である。式(1)、式(2)及び式(3)で表される化合物としては、Rは炭素数1〜10のアルキル基、若しくは炭素数2〜10のアルケニル基が好ましく、環C、環Dはトランス-1,4-シクロヘキシレン基、1,4-フェニレン基、デカヒドロナフタレン-2,6-ジイル基、1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン-2,6-ジイル基が好ましく、X1、X2、X9及びX10はいずれかがFであることが好ましく、さらに好ましいのは両方ともFである。m、n及びpは0または1が好ましい。Y1は-F、-CF3、-OCF3、-OCHF2、-OCH2F、式(2)であることが好ましい。Y2、Y3はFであることが好ましく、Q1、Q2は単結合、-OCHF-、-OCF2- 、-CF2-が好ましい。また連結基Z3、Z4は、単結合、-CH2CH2-、-(CH2)4-、-C≡C-であることが好ましく、単結合が特に好ましい。式(3)の化合物は10%以上含有することが好ましく、さらに好ましくは15%以上含有することが好ましい。式(3)の化合物の中では、式(3-1)〜(3-6)の化合物が特に好ましく、式(3-1)〜(3-6)の化合物の中から2種以上使用することがさらに好ましい、さらに好ましくは式(3-1)〜(3-6)の連結基Zは単結合が好ましい。式(1)の化合物は10%以上含有することが好ましく、さらに好ましくは15%以上含有することが好ましい。式(1)の化合物としては、環A、環Bはトランス-1,4-シクロヘキシレン基、1,4-フェニレン基が好ましく、トランス-1,4-シクロヘキシレン基が特に好ましい。また、連結基Z1、Z2は単結合、-CH2CH2-が好ましく、特に単結合が好ましい。式(1-1)〜(1-9)で表される化合物がさらに好ましく、式(1-1)〜(1-9)の中から2種以上使用することがさらに好ましい。全成分数は10成分以上にすることが好ましい。Rがアルケニル基である場合炭素数は2〜5であることが好ましく、特に下記の構造が好ましい。
【0031】
【化11】
【0032】
(上記それぞれの構造において、右端は環に接合している。)
式(1)と式(3)の好ましい組み合わせとしては、
式(3)化合物
【0033】
【化12】
【0034】
と式(1)の化合物
【0035】
【化13】
【0036】
の組み合わせが好ましい。
【0037】
【実施例】
以下、実施例をあ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。
【0038】
実施例中、測定した特性は以下の通りである。
【0039】
Tni :ネマチック−アイソトロピック転移温度(℃)
T-n :クリスタル又はスメクチック−ネマチック転移温度(℃)
Vth :セル厚6μmのTN-LCDに注入した時のしきい値電圧(V)
(電圧無印加時の輝度から10%輝度が低下したときの電圧)
△ε:25℃での誘電率異方性 (-)
△n:25℃での複屈折率(-)
η:20℃での粘度(mPa・s)
HR:80℃での保持率(%)(セル厚6μmのTN-LCDに注入し、5V印加、フレームタイム20ms、パルス幅64μsで測定したときの測定電圧と初期印加電圧との比を%で表した値)
常法に従い、下記の組成比の組成物をそれぞれ作製し、特性を測定した。
特性測定結果を下記の表1に示す。
【0040】
(実施例1)
【0041】
【化14】
【0042】
(実施例2)
【0043】
【化15】
【0044】
(比較例1)
【0045】
【化16】
【0046】
(比較例2)
【0047】
【化17】
【0048】
(実施例3)
【0049】
【化18】
【0050】
(比較例3)
【0051】
【化19】
【0052】
(実施例4)
【0053】
【化20】
【0054】
(比較例4) (WO9403558号 実施例4 より)
【0055】
【化21】
【0056】
【表1】
表1に示すように実施例1〜4は比較例1〜4に比べTni−T-n間のネマチック転移温度範囲が拡大する効果を得られた。また、比較例4に示すようにWO9403558号公報−実施例4にて開示されている組成物は、液晶温度範囲が狭く、Δnが小さい等問題が多かった。しかし、本発明の液晶材料を用いることによりそれらの特性の改善ができた。
【0057】
【発明の効果】
本発明の液晶材料の組み合わせにより、AM-LCDに求められる種々の特性を満足し、かつ、しきい値電圧が低く、広いネマティック温度範囲、低い粘性を有し、高速応答性が優れ、高い保持率を高温度まで維持できる液晶組成物およびこれを使用した液晶表示素子を提供することができた。
Claims (6)
- 正の誘電異方性を有する極性化合物の混合物を基礎とする液晶媒体であって、式(1−2)、(1−3)又は(1−7)
Y4はそれぞれ独立して-F、-CF3、-OCF3、-OCHF2、-OCH2F、-CNまたはRであり、Xa〜Xjはそれぞれ独立してHまたはFである。
式(1−2)、(1−3)又は(1−7)のそれぞれにおいて、RとY4を入れ換えて表される化合物も含む。]
で表される化合物群から選択される2つ以上の化合物群において、各々1種以上の化合物、及び式(3)
環C及び環Dはそれぞれ相互に独立して、
(d) トランス-1,4-シクロへキシレン基(この基中に存在する1個のCH2基または隣接していない2個以上のCH2基は -O- に置き換えられてもよい)
(e) 1,4-フェニレン基
(f) 1,4-ビシクロ(2.2.2)オクチレン
からなる群より選ばれる基であり、上記の基(d)、基(e)、基(f)はハロゲンで置換されていても良い。
Z3、Z4はそれぞれ相互に独立して-COO-、-OCO-、-CH2O-、-OCH2-、-CH2CH2-、-CH=CH-、-C≡C-、-(CH2)4-、-CH=CH-CH2CH2-、-CH2CH2-CH=CH- または単結合である。
X9、X10はそれぞれ独立してHまたはFであり、
pは、0、1または2であり、
Y3は、FまたはClであり、
Q2は、単結合、-CF2-、-OCF2- または -OCHF- である。)
の1種またはそれ以上の化合物を含有することを特徴とする液晶媒体。 - 少なくとも2種以上の式(3)の化合物を含むことを特徴とする請求項1記載の液晶媒体。
- 式(3)の化合物として、式(3-1)〜(3-6)から選んだ、少なくとも2種以上の化合物を含むことを特徴とする請求項3記載の液晶媒体。
- 請求項1記載の液晶媒体であって、少なくとも 65℃のネマチック-アイソトロピック転移温度、-20℃より低いネマチック-クリスタル(若しくはスメクティック)転移温度を有し、かつ 25℃での光学異方性が 0.07から0.20にあり、25℃での誘電率異方性が3以上であり、20℃での粘度が 35mPa・s以下であることを特徴とする請求項1、2、3又は4のいずれか1項に記載の液晶媒体。
- 請求項1、2、3、4又は5のいずれか1項に記載の液晶媒体を含むことを特徴とする電気光学表示素子。
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