JP5002870B2

JP5002870B2 - ネマチック液晶組成物及びこれらを用いた液晶表示装置

Info

Publication number: JP5002870B2
Application number: JP2001162328A
Authority: JP
Inventors: 芳典岩下; 清文竹内
Original assignee: DIC Corp
Current assignee: DIC Corp
Priority date: 2001-05-30
Filing date: 2001-05-30
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2021-05-30
Also published as: JP2002356679A

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】
液晶表示素子の代表的なものにTN-LCD(ツイスティッド・ネマチック液晶表示素子)があり、時計、電卓、電子手帳などに使用されている。一方、OA機器の処理情報の増加に伴い、シェファー(Scheffer)等 [SID '85 Digest, p.120 1985年]、衣川等 [SID '86 Digest, p.122 1986年]によって、STN(スーパー・ツイスティッド・ネマチック)-LCDが開発され、携帯端末、電子手帳、携帯電話、ポケットコンピュータ、ワードプロセッサ、パーソナルコンピュータ、あるいはモニター表示などの高情報処理用の表示に広く普及している。STN-LCDの応答特性改善を目的にアクティブアドレッシング駆動方式 [Proc.12th IDRC p.503 1992年]やマルチラインアドレッシング駆動方式 [SID '92 Digest, p.232 1992年]が提案されている。又、より明るい表示やより高いコントラスト比を達成する目的で、カラーフィルター層の代わりに、液晶と位相差板の複屈折性を利用した反射型カラー液晶表示方式 [テレビジョン学会技術報告 vol.14 No10.p.51 1990年]や基板電極側に小さな放物面を施した反射面有した液晶表示装置が提案されている。
【０００３】
更に、その表示品質が優れていることから、アクティブ・マトリクス形液晶表示装置が携帯端末、液晶テレビ、プロジェクター、コンピューター等の市場に出されている。アクティブ・マトリクス表示方式は、画素毎にTFT(薄膜トランジスタ)あるいはMIM(メタル・インシュレータ・メタル)等が使われており、この方式には高電圧保持率であることが重要視されている。又、更に広い視角特性を得るためにIPS、OCBモードと組み合わせたTFT表示やより明るい表示を得るためにECBモードの反射型が提案されている。(以下、これらアクティブ・マトリクス表示方式の液晶表示素子を総称してTFT-LCDと呼称する。)この様な表示素子に対応するために、現在も新しい液晶化合物あるいは液晶組成物、例えば特開平2-233626号公報、特公表4-501575号公報等の提案がなされている。
【０００４】
近年、軽量薄型、低消費電力等の利点から、TFT液晶テレビの要望が高まってきている。液晶テレビに要求される特性として、高い色再現性、早い応答速度、高信頼性等が挙げられるが、最も重要な特性は応答速度である。従来のテレビに用いられてきたCRT(陰極線管：cathode ray tube)と比較して液晶ディスプレイは、応答速度が遅いため、動画を表示した場合残像が生じてしまう。これを回避するために、応答速度の極めて早い液晶材料が切望されている。
【０００５】
現在、TFT用液晶材料としては、下記の一般式で表される化合物が用いられている。
【０００６】
【化４】

【０００７】
(式中、R⁰は各構造式で各々独立的にアルキル基、アルコキシ基を表し、l⁰は0又は1を表す。)
【０００８】
応答速度と粘度との間には、相関性があるとされているため、高速応答液晶組成物を構築するには、粘度の低い一般式(A-4)、(A-5)で表される化合物を多用する方法が一般的である。しかし、これらの化合物は、一般式(A-1)、(A-2)、(A-3)で表される化合物との相溶性が低く、又、低温領域ではスメクチック相の発現によってネマチック相が狭められていた。従って、低粘度成分をある割合以上含有し低粘度でありながら、低温でのネマチック相が安定な液晶組成物を得ることは困難であった。
【０００９】
【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、低温で安定したネマチック相を維持しつつ、低粘度かつ早い応答速度を持つ液晶組成物を提供すること、又、この液晶組成物を使用した応答速度の速い即ち60Hzにおけるビデオレートである16.7msec以下の応答を有する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】
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、一般式(I-1)〜(I-8)で表される低粘性化合物と一般式(II-1)で表される化合物を一定の範囲の比率で組み合わせることで、低温で安定したネマチック相を維持しつつ、低粘度かつ早い応答速度を持つ以下の液晶組成物を見出した。
【００１１】
一般式(I-1)〜(I-8)で表される化合物は低粘度化合物であり、組成物中の成分比を多くすることにより組成物の粘度の低下、ひいては応答速度の改善が計れる。一方、これらの化合物は低温域において結晶化やスメクチック相の発現を生じ、組成物中の組成比をある割合以上にすることができなかった。しかし、グループ(II)で表される化合物を5〜40質量%同時に使用することにより、低温域における安定なネマチック相を維持しつつ、低粘度及び高速応答を実現できる。
【００１２】
即ち本発明では、一般式(I-1)〜(I-8)からなるグループ(I)から1つ又は2つ以上選ばれる化合物を50〜80質量%含有し、一般式(II-1)からなるグループ(II)から1つ又は2つ以上選ばれる化合物を5〜40質量%含有し、グループ(I)の化合物として、一般式(I-1)、(I-4)双方からそれぞれ少なくも１種の化合物を含有し、一般式(II-1)の化合物として、一般式(II-2)、(II-3) 双方からそれぞれ少なくも１種の化合物を含有することを特徴とするネマチック液晶組成物を提供する。
【００１３】
【化５】

【００１４】
(式中、Rは各構造式において各々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、C、CO又はCOOで置換されていてもよく、環Bは各々独立的に、1,4-フェニレン、2又は3-フルオロ-1,4-フェニレン、2,3-ジフルオロ-1,4-フェニレン、3,5-ジフルオロ-1,4-フェニレン、2又は3-クロロ-1,4-フェニレン、2,3-ジクロロ-1,4-フェニレン、3,5-ジクロロ-1,4-フェニレン又はトランス-1,4-シクロへキシレンを表し、Lは各構造式において各々独立的に(CH₂)₂-、-COO-、-OCO-又は単結合を表し、l¹は、0、1又は2を表し、l²は0又は1を表すが、l¹+l²は2以下であり、該l¹が2の場合は繰り返される単位は同一であってもよく、異なっていてもよく、Yは各々独立的にF、Cl、CF₃、OCF₃、OCF₂H、OCFH₂又はNCSを表し、Xは各構造式において各々独立的にF、Cl又はHを表す。)
【００１５】
【化６】

(式中、R、環B、L、X、Yは一般式(II-1)と同じ意味を持ち、l³は1又は2を表し、l⁴は0又は1を表し、該l³が2の場合は繰り返しの単位は同一でもよく、異なっていてもよい。)
【００１６】
【発明の実施の形態】
グループ(I)として一般式(I-1)〜(I-8)から少なくとも1種の化合物が選ばれるが、(I-1)、(I-4)、(I-7)の中から少なくとも1種の化合物が選ばれることが好ましく、(I-1)、(I-4)双方からそれぞれ少なくとも1種の化合物が選ばれることがより速いレスポンスを目指す観点から特に好ましい。
グループ(I)として一般式(I-1)〜(I-8)から選ばれた化合物の含有率は50〜80質量%だが、60〜80質量%が好ましく、70〜80質量%が特に好ましい。
グループ(II)として一般式(II-1)から少なくとも1種の化合物が選ばれるが、より具体的には、一般式(II-2)、(II-3)から少なくとも1種選ばれることが低温での液晶性の向上及びレスポンスの改善の観点から望ましい。
【００１７】
【化７】

【００１８】
(式中、R、環B、L、X、Yは一般式(II-1)と同じ意味を持ち、l³は1又は2を表し、l⁴は0又は1を表し、該l³が2の場合は繰り返しの単位は同一でもよく、異なっていてもよい。)
【００１９】
一般式(II-2)、(II-3)において、環Bが1,4-フェニレン又はトランス-1,4-シクロへキシレンでありLが単結合の化合物が好ましく、一般式(II-2)においてはl³が1であり一般式(II-3)においてはl⁴が0である化合物が特に好ましい。
【００２０】
上記ネマチック液晶組成物は、ツイスト角が0〜360℃であるTN-LCD、STN-LCD、IPSやOCB等を含むアクティブ・マトリクス-LCDに有用であるが、特にアクティブ・マトリクス-LCDに有用である。又、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が、応答速度が極めて速いためLCD-TV用の透過型液晶表示素子、さらにはこの素子を用いた液晶表示装置に特に有用である。
【００２１】
本発明のネマチック液晶組成物は、一般式(I-1)〜(I-8)及び(II-1)〜(II-3)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、ディスコチック液晶又はキラル剤などを含有していてもよい。
【００２２】
【実施例】
以下、実施例をあげて本発明をさらに詳細に記述するが、これらの実施例はいかなる場合も本発明を限定するものではない。
一般式(I-1)〜(II-3)中におけるシクロヘキサン環は、トランス体を表している。
以下の実施例及び比較例における「%」は全て「質量%」を表す。
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―等方性液体相転移温度(℃)
T_→ _N ：固体―、ガラス―、スメクチック―ネマチック相転移温度(℃)
Δn ： 25℃における複屈折率
Δε ： 25℃における誘電率異方性
η ： 20℃における粘度(mPa・s)
V_th ： 25℃におけるセル厚4.5μmのTN-LCDを構成したときの閾値電圧(V)
τr=τd : 25℃におけるセル厚4.5μmのTN-LCDを構成したときの立上がりの
応答時間と立下りの応答時間が同じ値になるときの応答時間(msec)
(τrは、ノーマリーホワイトモードにおいて、電圧印加から光透過率10%
まで変化する時間、τdは、電圧除去から透過率90%まで変化する時間)
TN-LCD表示素子の作製は以下のようにして行った。対向する平面透明電極上に「AL-1051」(JSR社製)の有機膜を調製し、この有機膜をラビングして配向膜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。
【００２３】
以下に実施例に用いた化合物を示す。以後一般式(I-1a)〜(III-2)の記号を以ってその化合物を表すこととする。
【００２４】
【化８】

【００２５】
【化９】

【００２６】
【化１０】

【００２７】
ネマチック液晶組成物実施例1、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とともに表1に示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
* 25℃で結晶又はスメクチック相を呈するため測定不能
【００３０】
表1に示す通り、低い粘度を持つ一般式(I-1a)、(I-1b)、(I-4a)及び(I-4b)からなる参考液晶における固体―、ガラス―、スメクチック―ネマチック相転移温度は+63℃であるため、LCD用の液晶材料としては不適当なネマチック相温度範囲しか持たない。この参考液晶に、従来の代表的な液晶化合物である(III-1)、(III-2)を添加した系(表1 比較例1)においては、固体―、ガラス―、スメクチック―ネマチック相転移温度は+30℃と低下するものの、なおLCD用の液晶材料として適当なネマチック相温度範囲を持っているとはいえない。
ここに一般式(II-1)から選ばれる化合物(II-2a)、(II-3a)を25%含有する実施例1及び2においては、固体―、ガラス―、スメクチック―ネマチック相転移温度がそれぞれ-37℃と-24℃であり低温での安定なネマチック相を維持することができた。又、実施例1及び2の液晶組成物は、低い粘度と周波数60 Hzにおける1フレームに相当する時間である16.7msec以下の高速な応答時間を得ることができた。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の組み合わせによって低温における安定なネマチック相を維持しつつ、低粘度、高速応答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応答時間が短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-1)〜(I-8)からなるグループ(I)から1つ又は2つ以上選ばれる化合物を50〜80質量%含有し、一般式(II-1)からなるグループ(II)から1つ又は2つ以上選ばれる化合物を5〜40質量%含有し、
グループ(I)の化合物として、一般式(I-1)、(I-4)双方からそれぞれ少なくも１種の化合物を含有し、
一般式(II-1)の化合物として、一般式(II-2)、(II-3)双方からそれぞれ少なくも１種の化合物を含有することを特徴とするネマチック液晶組成物。

(式中、Rは各構造式において各々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、C、CO又はCOOで置換されていてもよく、環Bは各構造式において各々独立的に、1,4-フェニレン、2又は3-フルオロ-1,4-フェニレン、2,3-ジフルオロ-1,4-フェニレン、3,5-ジフルオロ-1,4-フェニレン、2又は3-クロロ-1,4-フェニレン、2,3-ジクロロ-1,4-フェニレン、3,5-ジクロロ-1,4-フェニレン又はトランス-1,4-シクロへキシレンを表し、Lは各構造式において各々独立的に(CH₂)₂-、-COO-、-OCO-又は単結合を表し、l¹は、0、1又は2を表し、l²は0又は1を表すが、l¹+l²は2以下であり、該l¹が2の場合は繰り返される単位は同一であってもよく、異なっていてもよく、Yは各々独立的にF、Cl、CF₃、OCF₃、OCF₂H、OCFH₂又はNCSを表し、Xは各構造式において各々独立的にF、Cl又はHを表す。)

(式中、R、環B、L、X、Yは一般式(II-1)と同じ意味を持ち、l³は1又は2を表し、l⁴は0又は1を表し、該l³が2の場合は繰り返しの単位は同一でもよく、異なっていてもよい。)
グループ(I)の化合物として、一般式(I-1)の化合物及び一般式(I-4)の化合物のみを含有する、又は一般式(I-1)の化合物、一般式(I-4)の化合物、及び一般式(I-7)の化合物のみを含有する請求項1記載のネマチック液晶組成物。
前記一般式(II-2)及び(II-3)中、Ｂが各構造式において各々独立的に1,4-フェニレン、トランス-1,4-シクロへキシレン又は3-フルオロ-1,4-フェニレンを表すことを特徴とする請求項1又は2記載のネマチック液晶組成物
請求項1〜3のいずれかに記載のネマチック液晶組成物を用いたアクティブ・マトリクス、ツイスティッド・ネマチック又はスーパー・ツイスティッド・ネマチック液晶表示素子。
請求項4記載の液晶表示素子を用いた液晶テレビ。