JP4872147B2 - 液晶組成物及び液晶表示素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は電気光学的液晶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素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置(LCD)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-LCD(捻れネマチック液晶表示装置)から、STN-LCDへと表示容量の拡大に対応してきた。STN-LCDは、シェファー(Scheffer)等[SID'85 Digest, 120頁(1985年)]、あるいは衣川等[SID'86 Digest, 122頁(1986年)]によって開発され、ワードプロセッサ、パーソナルコンピュータなどの高情報処理用の表示に広く普及しはじめている。最近、STN-LCDでの応答特性を改善する目的でアクティブ・アドレッシング駆動方式が提案されている。(Proc.12th International Display Research Conference p.503 1992年)また、携帯用端末表示(Personal Digital Assistance)ではより広い温度域で良好な表示特性が要求されている。この様な液晶材料として粘性が低く、駆動電圧が低くなおかつ広い温度範囲に対して一定値を保持することや、あるいは種々の時分割に対応した周波数範囲で駆動電圧が変動しないことが要求されている。しかし、表示素子に組み込んだときの応答速度やコントラストなどはまだ十分とは言えず、現在も新しい液晶化合物あるいは液晶組成物の提案がなされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
LCDの急速な用途拡大に伴い、室内で使用されるだけでなく、コンピューターの携帯端末ディスプレイ、車載用計器、屋外使用計測機のディスプレイのように、温度条件の過酷な屋外で使用されることが増加してきた。LCDが置かれる環境の温度変化による表示コントラストの低下が問題になってきている。この周囲の温度変化によるLCD表示品位の低下の原因は、閾値電圧Vthの温度依存性に起因するところが大きい。閾値電圧Vthの温度変化の原因としては、ネマチック液晶の弾性定数・誘電率などの温度変化と添加したカイラル物質の固有ピッチの温度変化が考えられる。カイラル物質の固有ピッチの温度変化を制御することにより、閾値電圧の温度依存性を改善する提案は既に行われている(特開昭55-38869公報)。しかし、母体液晶とカイラル物質の組み合わせにより、その効果が変化する事や、カイラル量を増やすことにより、レスポンス等の表示特性に悪影響を及ぼすことが問題になっていた。また、液晶中に含まれるイオン性物質の易動度の温度変化により電流値が増加するため、液晶にかかる実効値電圧がイオンにより消費され、コントラストが低下する現象が起こっているため、電流値の抑制がコントラストの改善には重要な因子となる。
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、駆動電圧の温度依存性を改善し、コントラストが高く、レスポンスも速く、また上述の現在の液晶組成物が持つ問題点を軽減でき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液晶表示素子を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、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以下の液晶組成物を見いだした。
【０００６】
発明1．第一成分として一般式(I)
【化４】
(式中、R1は炭素原子数1〜16のアルキル基またはアルコキシル基、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、または炭素原子数1〜10のアルコキシル基で置換された炭素原子数1〜12のアルキル基を表す。但し、R1がアルケニルである場合、R1中に存在する二重結合はベンゼン環から必ず1つ以上の炭素原子を隔てている。)から選ばれる化合物を1種もしくは2種以上を含有し、
【０００７】
第二成分として一般式(II)
【化５】
(式中、R2、R3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のアルキル基またはアルコキシル基、炭素原子数3〜16のアルケニル基を表す。但しR2、R3がアルケニルである場合、R2、R3中に存在する二重結合はベンゼン環から必ず1つ以上の炭素原子を隔てている。)から選ばれる化合物を1種もしくは2種以上を含有し、なおかつネマチック相上限温度が75℃以上であり、屈折率の異方性(Δn)が0.07〜0.18の範囲であることを特徴とする液晶組成物。
【０００８】
発明2．第三成分として一般式(III)
【化６】
(式中、R4、R5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のアルキル基またはアルコキシル基、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、または炭素原子数1〜10のアルコキシル基で置換された炭素原子数1〜12のアルキル基を表し、環A、環B及び環Cはそれぞれ独立的にフッ素原子により置換されていてもよい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、lは0、1もしくは2を表し、Z1、Z2は単結合、-CH2CH2-、-(CH2)4-、-OCH2-、-CH2O-または-C≡C-表す。)から選ばれる化合物を1種もしくは2種以上を含有することを特徴とする本発明1記載の液晶組成物。
【０００９】
発明3．本発明1または2記載の液晶組成物を用いた液晶表示素子。
発明4．本発明1または2記載の液晶組成物を用いたねじれ角が180°〜270°であることを特徴とする超捩れネマチック(STN)液晶表示素子。
【００１０】
発明1において、第一成分として一般式(I)から選ばれる化合物を1種もしくは2種以上を含有するが、1種もしくは2種が好ましい。また、式中R1は炭素原子数1〜16のアルキル基またはアルコキシル基、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、または炭素原子数1〜10のアルコキシル基で置換された炭素原子数1〜12のアルキル基を表すが、炭素原子数1〜16のアルキル基、炭素原子数2〜16のアルケニル基が好ましく、炭素原子数1〜8のアルキル基、炭素原子数2〜8のアルケニル基がより好ましく、1〜5のアルキル基もしくはアルケニル基としてRCH2=CH2-(CH2)o（R=H、CH3-、CH3CH2CH2-、o=0、2）が特に好ましい。第一成分の含有量は、3質量%〜20質量%が好ましく、更に好ましくは5質量%〜10質量%である。第二成分として一般式(II)から選ばれる化合物を1種もしくは2種以上を含有するが、１種含まれることが好ましい。第二成分の含有量は、5質量%〜30質量%が好ましく、更に好ましくは10質量%〜20質量%である。
この液晶組成物はネマチック相上限温度が75℃以上であることを特徴とするが、80℃以上が好ましく、85℃以上が特に好ましい。また、Δnは0.07〜0.18の範囲であることを特徴とするが、0.08〜0.17が好ましい。
【００１１】
R2、R3、R4、R5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のアルキル基またはアルコキシル基、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、または炭素原子数1〜10のアルコキシル基で置換された炭素原子数1〜12のアルキル基を表すが、炭素原子数1〜16のアルキル基、炭素原子数2〜16のアルケニル基が好ましく、炭素原子数1〜8のアルキル基、炭素原子数2〜8のアルケニル基がより好ましく、1〜5のアルキル基もしくはアルケニル基としてRCH2=CH2-(CH2)o（R=H、CH3-、CH3CH2CH2-、o=0、2）が特に好ましい。環A、環B及び環Cはそれぞれ独立的にフッ素原子により置換されていてもよい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-ジイル基を表すが、1,4-フェニレン基、トランス-1,4-シクロヘキシレン基が好ましく、環A、Bにおいてはトランス-1,4-シクロヘキシレン基がより好ましく、環Cにおいては1,4-フェニレン基が好ましい。lは0、1もしくは2を表すが、0もしくは1が好ましい。Z1、Z2はそれぞれ独立的に単結合、-CH2CH2-、-(CH2)4-、-OCH2-、-CH2O-または-C≡C-表すが、単結合もしくは-CH2CH2-が好ましく、単結合がより好ましい。
【００１２】
発明2において、第三成分として一般式(III)から選ばれる化合物を1種もしくは2種以上を含有するが、3種〜20種が好ましく、5種〜15種が特に好ましい。第三成分の含有率は5質量%〜90質量%であるが、30質量%〜80質量%が好ましく、40質量%〜70質量%が特に好ましい。
【００１３】
上記ネマチック液晶組成物はTN-LCDやSTN-LCDに有用であるがSTN-LCDに特に有用である。また、透過型あるいは反射型の液晶表示素子に用いることができる。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、通常のネマチック液晶、スメクチック液晶、コレステリック液晶などを含有していてもよい。
【００１４】
【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。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。
【００１５】
実施例中、測定した特性は以下の通りである。
TN-I ：ネマチック相−等方性液体相転移温度（℃）
T→N ：固体相又はスメクチック相−ネマチック相転移温度（℃）
Vth ：セル厚6μmのTN-LCDを構成した時の閾値電圧（V）
Δε ：誘電異方性
Δn ：複屈折率
η ：20℃での粘度(mPa・s)
Ir ：240°ツイストのSTN-LCDに液晶組成物を真空注入し、80℃、100時間加熱後の電流値(μA/cm2)
CR ：240°ツイストのSTN-LCDに液晶組成物を真空注入し、1/200デューティ、1/16バイアスの駆動波形で駆動したときのコントラスト
τ ：STN-LCDに注入したときの25℃におけるレスポンス(msec)
(立ち上がり時間と立ち下がり時間の平均値)
dV／dT：閾値電圧の温度依存性
【００１６】
STN-LCD表示素子の作成は以下のように行った。ネマチック液晶組成物にカイラル物質「S-811」(メルク社製)を添加して混合液晶を調製し、対向する平面透明電極上に「サンエバー610」(日産化学社製)の有機膜をラビングして配向膜を形成したツイスト角240°のSTN-LCD表示用セルに注入した。なお、カイラル物質はカイラル物質の添加による混合液晶の固有らせんピッチPと表示用セルのセル厚dが、Δn・d=0.85、d/P=0.50となるように添加した。
【００１７】
化合物の記載に下記の略号を使用する。
【化７】
例えば、以下に示すように略号を用いる。
【化８】
【００１８】
（実施例1、2・比較例1）
ネマチック液晶組成物No.1、No.2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と共に表1に示す。
【表１】
【００１９】
比較例1の3-Cy-Ph-CNを5-Ma-Ph3-CNに置換することにより、閾値電圧の温度依存性dV／dTが-20℃〜25℃の低温領域でも、25℃〜50℃の高温領域でも改善されていることがわかる。さらに、25℃でのレスポンスτも200msecから182msec、161msecと格段に改善されている。
以上の結果から本願発明による液晶組成物は、良好な閾値電圧の温度依存性と高速応答を有することがわかる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の液晶材料の組み合わせによって、温度依存性が良く、かつ、応答速度が速い誘電率異方性の高い液晶組成物が得られた。また、この組成物を液晶表示素子として用いた場合、閾値電圧が低く優れたものであった。この液晶ディスプレイはSTNおよびTN-LCDとして非常に有用である。
【産業上の利用分野】
本発明は電気光学的液晶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素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置(LCD)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-LCD(捻れネマチック液晶表示装置)から、STN-LCDへと表示容量の拡大に対応してきた。STN-LCDは、シェファー(Scheffer)等[SID'85 Digest, 120頁(1985年)]、あるいは衣川等[SID'86 Digest, 122頁(1986年)]によって開発され、ワードプロセッサ、パーソナルコンピュータなどの高情報処理用の表示に広く普及しはじめている。最近、STN-LCDでの応答特性を改善する目的でアクティブ・アドレッシング駆動方式が提案されている。(Proc.12th International Display Research Conference p.503 1992年)また、携帯用端末表示(Personal Digital Assistance)ではより広い温度域で良好な表示特性が要求されている。この様な液晶材料として粘性が低く、駆動電圧が低くなおかつ広い温度範囲に対して一定値を保持することや、あるいは種々の時分割に対応した周波数範囲で駆動電圧が変動しないことが要求されている。しかし、表示素子に組み込んだときの応答速度やコントラストなどはまだ十分とは言えず、現在も新しい液晶化合物あるいは液晶組成物の提案がなされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
LCDの急速な用途拡大に伴い、室内で使用されるだけでなく、コンピューターの携帯端末ディスプレイ、車載用計器、屋外使用計測機のディスプレイのように、温度条件の過酷な屋外で使用されることが増加してきた。LCDが置かれる環境の温度変化による表示コントラストの低下が問題になってきている。この周囲の温度変化によるLCD表示品位の低下の原因は、閾値電圧Vthの温度依存性に起因するところが大きい。閾値電圧Vthの温度変化の原因としては、ネマチック液晶の弾性定数・誘電率などの温度変化と添加したカイラル物質の固有ピッチの温度変化が考えられる。カイラル物質の固有ピッチの温度変化を制御することにより、閾値電圧の温度依存性を改善する提案は既に行われている(特開昭55-38869公報)。しかし、母体液晶とカイラル物質の組み合わせにより、その効果が変化する事や、カイラル量を増やすことにより、レスポンス等の表示特性に悪影響を及ぼすことが問題になっていた。また、液晶中に含まれるイオン性物質の易動度の温度変化により電流値が増加するため、液晶にかかる実効値電圧がイオンにより消費され、コントラストが低下する現象が起こっているため、電流値の抑制がコントラストの改善には重要な因子となる。
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、駆動電圧の温度依存性を改善し、コントラストが高く、レスポンスも速く、また上述の現在の液晶組成物が持つ問題点を軽減でき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液晶表示素子を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、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以下の液晶組成物を見いだした。
【０００６】
発明1．第一成分として一般式(I)
【化４】
【０００７】
第二成分として一般式(II)
【化５】
【０００８】
発明2．第三成分として一般式(III)
【化６】
【０００９】
発明3．本発明1または2記載の液晶組成物を用いた液晶表示素子。
発明4．本発明1または2記載の液晶組成物を用いたねじれ角が180°〜270°であることを特徴とする超捩れネマチック(STN)液晶表示素子。
【００１０】
発明1において、第一成分として一般式(I)から選ばれる化合物を1種もしくは2種以上を含有するが、1種もしくは2種が好ましい。また、式中R1は炭素原子数1〜16のアルキル基またはアルコキシル基、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、または炭素原子数1〜10のアルコキシル基で置換された炭素原子数1〜12のアルキル基を表すが、炭素原子数1〜16のアルキル基、炭素原子数2〜16のアルケニル基が好ましく、炭素原子数1〜8のアルキル基、炭素原子数2〜8のアルケニル基がより好ましく、1〜5のアルキル基もしくはアルケニル基としてRCH2=CH2-(CH2)o（R=H、CH3-、CH3CH2CH2-、o=0、2）が特に好ましい。第一成分の含有量は、3質量%〜20質量%が好ましく、更に好ましくは5質量%〜10質量%である。第二成分として一般式(II)から選ばれる化合物を1種もしくは2種以上を含有するが、１種含まれることが好ましい。第二成分の含有量は、5質量%〜30質量%が好ましく、更に好ましくは10質量%〜20質量%である。
この液晶組成物はネマチック相上限温度が75℃以上であることを特徴とするが、80℃以上が好ましく、85℃以上が特に好ましい。また、Δnは0.07〜0.18の範囲であることを特徴とするが、0.08〜0.17が好ましい。
【００１１】
R2、R3、R4、R5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のアルキル基またはアルコキシル基、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、または炭素原子数1〜10のアルコキシル基で置換された炭素原子数1〜12のアルキル基を表すが、炭素原子数1〜16のアルキル基、炭素原子数2〜16のアルケニル基が好ましく、炭素原子数1〜8のアルキル基、炭素原子数2〜8のアルケニル基がより好ましく、1〜5のアルキル基もしくはアルケニル基としてRCH2=CH2-(CH2)o（R=H、CH3-、CH3CH2CH2-、o=0、2）が特に好ましい。環A、環B及び環Cはそれぞれ独立的にフッ素原子により置換されていてもよい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-ジイル基を表すが、1,4-フェニレン基、トランス-1,4-シクロヘキシレン基が好ましく、環A、Bにおいてはトランス-1,4-シクロヘキシレン基がより好ましく、環Cにおいては1,4-フェニレン基が好ましい。lは0、1もしくは2を表すが、0もしくは1が好ましい。Z1、Z2はそれぞれ独立的に単結合、-CH2CH2-、-(CH2)4-、-OCH2-、-CH2O-または-C≡C-表すが、単結合もしくは-CH2CH2-が好ましく、単結合がより好ましい。
【００１２】
発明2において、第三成分として一般式(III)から選ばれる化合物を1種もしくは2種以上を含有するが、3種〜20種が好ましく、5種〜15種が特に好ましい。第三成分の含有率は5質量%〜90質量%であるが、30質量%〜80質量%が好ましく、40質量%〜70質量%が特に好ましい。
【００１３】
上記ネマチック液晶組成物はTN-LCDやSTN-LCDに有用であるがSTN-LCDに特に有用である。また、透過型あるいは反射型の液晶表示素子に用いることができる。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、通常のネマチック液晶、スメクチック液晶、コレステリック液晶などを含有していてもよい。
【００１４】
【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。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。
【００１５】
実施例中、測定した特性は以下の通りである。
TN-I ：ネマチック相−等方性液体相転移温度（℃）
T→N ：固体相又はスメクチック相−ネマチック相転移温度（℃）
Vth ：セル厚6μmのTN-LCDを構成した時の閾値電圧（V）
Δε ：誘電異方性
Δn ：複屈折率
η ：20℃での粘度(mPa・s)
Ir ：240°ツイストのSTN-LCDに液晶組成物を真空注入し、80℃、100時間加熱後の電流値(μA/cm2)
CR ：240°ツイストのSTN-LCDに液晶組成物を真空注入し、1/200デューティ、1/16バイアスの駆動波形で駆動したときのコントラスト
τ ：STN-LCDに注入したときの25℃におけるレスポンス(msec)
(立ち上がり時間と立ち下がり時間の平均値)
dV／dT：閾値電圧の温度依存性
【００１６】
STN-LCD表示素子の作成は以下のように行った。ネマチック液晶組成物にカイラル物質「S-811」(メルク社製)を添加して混合液晶を調製し、対向する平面透明電極上に「サンエバー610」(日産化学社製)の有機膜をラビングして配向膜を形成したツイスト角240°のSTN-LCD表示用セルに注入した。なお、カイラル物質はカイラル物質の添加による混合液晶の固有らせんピッチPと表示用セルのセル厚dが、Δn・d=0.85、d/P=0.50となるように添加した。
【００１７】
化合物の記載に下記の略号を使用する。
【化８】
（実施例1、2・比較例1）
ネマチック液晶組成物No.1、No.2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と共に表1に示す。
【表１】
比較例1の3-Cy-Ph-CNを5-Ma-Ph3-CNに置換することにより、閾値電圧の温度依存性dV／dTが-20℃〜25℃の低温領域でも、25℃〜50℃の高温領域でも改善されていることがわかる。さらに、25℃でのレスポンスτも200msecから182msec、161msecと格段に改善されている。
以上の結果から本願発明による液晶組成物は、良好な閾値電圧の温度依存性と高速応答を有することがわかる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の液晶材料の組み合わせによって、温度依存性が良く、かつ、応答速度が速い誘電率異方性の高い液晶組成物が得られた。また、この組成物を液晶表示素子として用いた場合、閾値電圧が低く優れたものであった。この液晶ディスプレイはSTNおよびTN-LCDとして非常に有用である。
Claims (4)
- 第一成分として一般式(I)
- 一般式（I）において、R 1 が炭素原子数1〜8のアルキル基または炭素原子数2〜8のアルケニル基を表し、一般式（II）において、R 2 、R 3 が炭素原子数1〜8のアルキル基または炭素原子数3〜8のアルケニル基を表し、R 4 、R 5 はそれぞれ独立的に炭素原子数1〜8のアルキル基または炭素原子数2〜8のアルケニル基を表し、Z 1 、Z 2 が単結合を表す請求項１記載の液晶組成物。
- 請求項1又は2記載の液晶組成物を用いた液晶表示素子。
- 請求項1又は2記載の液晶組成物を用いたねじれ角が180°〜270°であることを特徴とする超捩れネマチック(STN)液晶表示素子。
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