JP4743459B2

JP4743459B2 - 液晶媒体及び該液晶媒体を含有する液晶表示素子

Info

Publication number: JP4743459B2
Application number: JP23239799A
Authority: JP
Inventors: 博之大西; 真治小川; 直枝加藤; 晴義高津; 清文竹内
Original assignee: DIC Corp
Current assignee: DIC Corp
Priority date: 1999-08-19
Filing date: 1999-08-19
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2019-08-19
Also published as: JP2001055575A

Description

【０００１】
【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デカヒドロ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ものである。
【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良い。
m、nはそれぞれ独立して、0、1または2である。
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。
Y₁は、-F、-CF₃、-OCF₃、-OCHF₂、-OCH₂F、-CN、Rと同じ定義または式(2-1)であり、
【００１４】
【化７】

【００１５】
(式(2-1)におけるX₁及びX₂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。
また、式(2-2)におけるX_1a及びX_2aはそれぞれ独立してHまたはFであり、
ZはF、-OCH₂F、-OCHF₂、-OCF₃である。)
ただし、式(1)において、
(i) Z₁、Z₂の少なくとも一方は、-CH₂CH₂-、-(CH₂)₄-または単結合以外の基である。
(ii) Z₁、Z₂が共に、-CH₂CH₂-、-(CH₂)₄-または単結合であるとき末端基は式(2-2)以外である。
(iii) Rとデカヒドロナフタレン-2,6-ジイル基との間に環が2環以上存在する。
(iv) 単結合で連結している末端基が式(2-2)である場合、デカヒドロナフタレン-2,6-ジイル基と末端基式(2-2)の間に環が2環以上存在する。
(v) m、nが共に0であるとき、末端基は式(2-2)ではない。
からなる条件(i)〜(v)のうち少なくとも一つを満たしていなければならない。]
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、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。
X₃、X₄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。)
【００２３】
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。
【００２４】
本発明の第6は、式(1)の化合物として、下記の式(1-1)〜(1-18)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。
【００２５】
【化１０】

(式中R、R'は、互いに独立して式(1)のRと同じ定義であり、
Y₄はそれぞれ独立して-CF₃、-CN、R、式(2a)、式(2b)または式(2c)であり、
Y₅はそれぞれ独立して-F、-CF₃、-OCF₃、-OCHF₂、-OCH₂F、-CN、Rと同じ定義または式(2-1)であり、
X₁、X₂およびX_a〜X_hはそれぞれ独立してHまたはFである。
式(1-1)〜(1-18)のそれぞれにおいて、RとY₄、RとY₅を入れ換えて表される化合物も含む。)
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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が比較的小さ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。
【００２９】
【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(2-1)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、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、X₃、X₄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(2-1)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- 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。また、さらに
(i) Z₁、Z₂の少なくとも一方は、-CH₂CH₂-、-(CH₂)₄-または単結合以外の基である。
(ii) Z₁、Z₂が共に、-CH₂CH₂-、-(CH₂)₄-または単結合であるとき末端基は式(2-2)以外である。
(iii) Rとデカヒドロナフタレン-2,6-ジイル基との間に環が2環以上存在する。
(iv) 単結合で連結している末端基が式(2-2)である場合、デカヒドロナフタレン-2,6-ジイル基と末端基式(2-2)の間に環が2環以上存在する。
(v) m、nが共に0であるとき、末端基に式(2-2)は存在しない。
からなる条件(i)〜(v)のうち少なくとも一つを満たした式(1-1)〜(1-18)で表される化合物が好ましく、式(1-1)〜(1-18)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。
【００３０】
【化１１】

【００３１】
(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
【００３２】
【化１２】

【００３３】
と式(1)の化合物
【００３４】
【化１３】

【００３５】
の組み合わせが好ましい。
【００３６】
【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。
実施例中、測定した特性は以下の通りである。
【００３７】
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。
(実施例1)
【００３８】
【化１４】

【００３９】
(比較例1)
【００４０】
【化１５】

【００４１】
(実施例2)
【００４２】
【化１６】

【００４３】
【表１】

【００４４】
表1に示すように実施例1は比較例1に比べTni-T-n間のネマチック転移温度範囲を拡大する効果を得られた。実施例2では全成分数を10成分以上にし、式(1-1)〜(1-18)の化合物および式(3-1)〜(3-6)の化合物それぞれから2成分以上用いたことによりさらにTni-T-n間のネマチック転移温度範囲を拡大する効果を得られた。また、Δεの大きさと比較して低い駆動電圧を有することから、高いデューティー数に対応した高精細な表示でも使用可能という特徴を有している等、本発明の液晶材料を用いることにより特性の改善ができた。
【００４５】
【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

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)

（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)
からなる群より選ばれる基であり、上記の基(a)、基(b)はCNまたはハロゲンで置換されていても良い。
mは０または１であり、nは1または2である。
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。
Y₁は、-F、-CF₃、-OCF₃、-OCHF₂、-OCH₂F、-CN、またはRと同じ定義であり、

(式(2-2)におけるX_1a及びX_2aはそれぞれ独立してHまたはFであり、
ZはF、-OCH₂F、-OCHF₂、-OCF₃である。)
ただし、式(1)において、
(i) Z₁、Z₂の少なくとも一方は、-CH₂CH₂-、-(CH₂)₄-または単結合以外の基である。
(ii) Z₁、Z₂が共に、-CH₂CH₂-、-(CH₂)₄-または単結合であるとき末端基は式(2-2)以外である。
からなる条件(i)〜(ii)のうち少なくとも一つを満たしていなければならない。]
の1種またはそれ以上の化合物及び式(3)

(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、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。
X₃、X₄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(1)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。
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、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請求項1、2または3記載の液晶媒体。

(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。)
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４記載の液晶媒体。
式(1)の化合物として、下記の式(1-2)〜(1-18)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請求項1、2、3、4または5記載の液晶媒体。

(式中R、R’は、互いに独立して式(1)のRと同じ定義であり、
Y₄はそれぞれ独立して-CF₃、-CN、R、式(2a)、式(2b)または式(2c)であり、
Y₅はそれぞれ独立して-F、-CF₃、-OCF₃、-OCHF₂、-OCH₂F、-CN、Rと同じ定義であり、
X₁、X₂およびX_a〜X_hはそれぞれ独立してHまたはFである。
式(1-1)〜(1-18)のそれぞれにおいて、RとY₄、RとY₅を入れ換えて表される化合物も含む。)
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、4、5又は6記載の液晶媒体。
請求項1、2、3、4、5、6または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。