JP5305061B2 - 液晶組成物及び強誘電性液晶組成物 - Google Patents

Description

本願発明は、強誘電性液晶ディスプレイの構成部材として有用な液晶組成物及び強誘電性液晶組成物に関する。

クラークとラガーウォールらによって提案された表面安定化強誘電性液晶表示素子は、（１）高速応答であること、（２）メモリー性を有すること、（３）視野角が広いこと、（４）パッシブ駆動が可能であること、などの特性を示すことから、次世代の表示素子として注目されている。

強誘電性液晶になり得る液晶相は、チルト系のキラルスメクティック液晶相であるが、実用的には粘性の点で有利なキラルスメクティックＣ相（以下、ＳｍＣ^＊と略す。）が最も広く用いられている。強誘電性液晶表示素子の動作温度、保存温度はＳｍＣ^＊相の温度範囲によって制限される。幅広い温度範囲でＳｍＣ^＊相を発現させるために、スメクチックＣ相を発現する非キラル化合物からなるベース液晶に、光学活性物質を添加する方法が、一般的な方法として知られている。

ベース液晶として用いられる非キラル化合物としては、フェニルピリミジン系の化合物が有用である。特に、下記一般式（I）で表される化合物は、フェニルピリミジン系の化合物としては比較的粘性が低く高速応答に適することから、当該化合物を数種混合した組成物（以下、ＰＹベースと略す。）はベース液晶として汎用されている。

（式中、Ｒ_１及びＲ_２は直鎖状アルキル基を表す。）
フェニルピリミジン系化合物を用いたＰＹベース液晶は、比較的低粘度である反面、融点が通常０℃以上と高い問題を有している。

ＰＹベース液晶の低融点化を達成する技術として、ＰＹベース液晶に下記分岐メチル基を側鎖に有するピリミジン系化合物を添加する方法が開示されている（特許文献１及び２参照。）。

しかし、当該引用文献記載の組成物においては、ピリミジン系化合物における分岐側鎖において、メチル基の置換位置が最適化されていない問題があった。そのため、当該引用文献記載の液晶組成物は融点が５℃程度と高く、強誘電性液晶ディスプレイの実用化には不十分なものであった。そのため、強誘電性液晶組成物のベース液晶として用いる低融点の液晶組成物の開発が望まれていた。

特開昭６４−７９１６０号公報 特開平２−２０４４８４号公報

本発明が解決しようとする課題は、強誘電性液晶組成物に用いる融点の低いベース液晶組成物及び、融点の低い強誘電性液晶組成物を提供することである。

上記課題を解決するため、本願発明者らはＰＹベース液晶に対して、種々の分岐メチル基を側鎖に有するピリミジン系化合物を添加した液晶組成物の検討を行い、特定の分岐側鎖を有するピリミジン系化合物の添加により、融点を効果的に低減することを見出し本願発明の完成に至った。

本願発明は、一般式（I）及び一般式（II）

（式中、Ｒ_１及びＲ_２はそれぞれ独立して炭素原子数１〜１５の直鎖状アルキル基を表し、Ｒ_３は炭素原子数６、７又は８の直鎖状アルキル基を表す。）で表される化合物を含有する液晶組成物を提供し、該液晶組成物及び光学活性化合物を含有する強誘電性液晶組成物を提供し、併せて該強誘電性液晶組成物を用いた強誘電性液晶表示素子を提供する。

本発明の液晶組成物及び強誘電性液晶組成物は融点が低い特徴を有することから、低温保存時に結晶の析出を効果的に防ぐことが可能である。本願発明の強誘電性液晶組成物は、強誘電性液晶ディスプレイの構成部材として極めて有用である。

本願発明の液晶組成物は、一般式（I）及び一般式（II）で表される化合物により構成されるが、一般式（I）において、Ｒ_１及びＲ_２はそれぞれ独立して炭素原子数１〜１５の直鎖状アルキル基を表すが、炭素原子数３〜１２の直鎖状アルキル基が好ましく、炭素原子数５〜１０の直鎖状アルキル基がより好ましい。
一般式（II）において、Ｒ_３は炭素原子数６、７又は８の直鎖状アルキル基を表すが、炭素原子数７又は８の直鎖状アルキル基が好ましい。

一般式（I）で表される化合物の含有量は、４０〜９０％が好ましく、５０〜８０％がより好ましく、一般式（I）で表される化合物を２種以上含有することが好ましい。
一般式（II）で表される化合物の含有量は、１０〜６０％が好ましく、２０〜５０％がより好ましく、一般式（II）で表される化合物を２種以上含有することが好ましい。

一般式（II）で表される化合物を２種含有する場合、Ｒ_３の炭素原子数が７である化合物及び８である化合物の組み合わせが好ましい。

本願発明の強誘電性液晶組成物は、一般式（I）、一般式（II）で表される化合物及び光学活性化合物を含有するが、
光学活性化合物としては不斉原子を持つ化合物、又は軸不斉を持つ化合物を用いることができ、不斉炭素を持つ化合物、又は炭素−炭素結合を軸不斉とする化合物を用いることが好ましく、不斉炭素原子を持つ化合物がより好ましい。

不斉炭素を有する光学活性化合物において、不斉炭素は鎖状構造の一部に導入されていても、環状構造の一部に導入されていても良く、不斉炭素上にフッ素原子、メチル基又はＣＦ_３基が導入されている化合物が好ましい。
光学活性化合物として具体的には一般式（III）

（式中、Ｒ_４１及びＲ_４２は、各々独立に炭素原子数１〜１８の直鎖状又は分岐状のアルキル基を表し、該アルキル基中の、１つ又は２つの隣接していない−ＣＨ_２−基は−Ｏ−、−Ｓ−、−ＣＯ−、−ＣＯ−Ｏ−、−Ｏ−ＣＯ−、−ＣＯ−Ｓ−、−Ｓ−ＣＯ−、−Ｏ−ＣＯ−Ｏ−、−ＣＨ＝ＣＨ−、−Ｃ≡Ｃ−、シクロプロピレン基又は−Ｓｉ（ＣＨ_３）_２−で置き換えられてもよく、該アルキル基中の水素原子はフッ素原子又はＣＮ基で置き換えられていてもよく、

Ａ_４、Ｂ_４及びＣ_４は各々独立に、１，４−フェニレン基、ピラジン−２，５−ジイル基、ピリダジン−３，６−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、トランス−１，４−シクロへキシレン基、１，３，４−チアジアゾール−２，５−ジイル基、１，３−ジオキサン−２，５−ジイル基、１，３−ジチアン−２，５−ジイル基、１，３−チアゾール−２，４−ジイル、１，３−チアゾール−２，５−ジイル、チオフェン−２，４−ジイル基、チオフェン−２，５−ジイル基、ピペラジン−１，４−ジイル基、ピペラジン−２，５−ジイル基又はナフタレン−２，６−ジイル基を表すが、該１，４−フェニレン基及びナフタレン−２，５−ジイル基中の水素原子はフッ素原子、ＣＦ_３基、ＯＣＦ_３基、ＣＮ基、ＣＨ_３基、又はＯＣＨ_３基に置換されていてもよく、該トランス−１，４−シクロへキシレン基中の水素原子はＣＮ基又はＣＨ_３基で置換されていてもよい、
ａ_４、ｂ_４、及びｃ_４は各々独立に０又は１を表し、＊は不斉炭素を表し、
Ｌ_４１、及びＬ_４２は各々独立に単結合、−Ｏ−、−Ｓ−、−ＣＯ−、−ＣＨ_２Ｏ−、−ＯＣＨ_２−、−ＣＦ_２Ｏ−、−ＯＣＦ_２−、−ＣＯ−Ｏ−、−Ｏ−ＣＯ−、−ＣＯ−Ｓ−、−Ｓ−ＣＯ−、−Ｏ−ＣＯ−Ｏ−、−ＣＨ_２ＣＨ_２−、−ＣＨ＝ＣＨ−又は−Ｃ≡Ｃ−を表し、
Ｌ_４３は、一般式（III-b）、一般式（III-c）又は一般式（III-d）

（式中、ｄ_４、ｅ_４、及びｆ_４は、各々独立に０以上７以下の整数を表す。）で表される構造の何れかを表し、Ｙはフッ素原子又はメチル基を表す。）で表される化合物が好ましい。
更に、一般式（III-a）

又は、一般式（III-e）

（式中、Ｒ_４１、Ｒ_４２、Ａ_４、Ｂ_４、Ｃ_４、ａ_４、ｂ_４、、ｃ_４、Ｌ_４１、Ｌ_４２、Ｌ_４３及び＊は、一般式（III）と同じ意味を表す。）で表される化合物がより好ましい。
一般式（III）、一般式（III-a）又は一般式（III-e）において、より具体的には環構造として以下に記載される構造を有する化合物が好ましい。

これらの構造の中で、特に好ましい構造は、下記の構造である。

不斉炭素原子を有する側鎖として具体的には下記構造を有する化合物がより好ましい。

（式中、ｓは１〜４の整数を表し、ｒは１〜１０の整数を表し、Ｑ_３は炭素原子数３〜１０のアルキル基を表し、Ｑ_４は炭素原子数２〜１０のアルキル基を表し、Ｑ_５は炭素原子数１〜１０のアルキル基を表し、Ｑ_６は炭素原子数１〜４のアルキル基を表し、＊は不斉炭素を表す。）
一般式（III-a）で表される化合物として更に具体的には下記構造の化合物が特に好ましく用いられる。

（式中、R₁は炭素原子数１〜１０のアルキル基を表し、nは１〜１０のメチレン基の数を表し、＊は不斉炭素を表す。）
本発明のSC＊ 液晶組成物は、等方性液体状態からの冷却時においてＮ＊ 相、次いでSA相を経てSC＊ 相へと相転移するが、その際Ｎ＊ 相からSA相への相転移温度（以下Ｎ＊ −SA点という。）から、該Ｎ＊ −SA点の１度高温側までにおけるＮ＊ 相に出現する螺旋のピッチが３μｍ以上であるSC＊ 液晶組成物がより好ましく、該螺旋のピッチが10μｍ以上であり、Ｎ＊ −SA点に近づくにつれて該螺旋のピッチが発散的に大きくなるSC＊ 液晶組成物が好ましい。ハーフV用途では、SmA相は不要となるので、等方相、Ｎ＊相、ＳｍＣ＊と相転移することが好ましい。

単一の光学活性化合物を添加してSC＊ 液晶組成物とした際にＮ＊相に出現する螺旋の捩れ方向が同一の光学活性化合物から成る組成物を用いた場合、光学活性化合物の濃度が実用的な範囲では、上記螺旋のピッチが更に短かくなる傾向にあるので、上記の好ましい範囲にある螺旋のピッチを有するSC＊ 液晶組成物は得がたい。そこで、上記の好ましい範囲に螺旋のピッチを調製するために、母体液晶に添加してSC＊ 液晶組成物とした際にＮ＊ 相に出現する螺旋の向きが互いに相反する光学活性化合物を添加することが望ましい。さらに好ましくは、螺旋の向きが互いに相反する光学活性物質を添加しなくても、単一の光学活性化合物において、螺旋のピッチがＮ＊ 相において発散する化合物を添加することが好ましい。

本発明のSC＊ 液晶組成物のＮ＊ 相を示す温度範囲は、１度以上３０度未満の範囲が好ましい。Ｎ＊ 相を示す温度範囲が、１度未満である場合、降温時にすみやかにSA相に相転移するため、Ｎ＊ 相で液晶分子を充分に配向しにくくなる傾向にあるので好ましくない。また、Ｎ ＊ 相を示す温度範囲が３０度以上である場合、SC＊ 液晶組成物の透明点が高温になり、セルに液晶材料を充填する工程等における作業性に悪影響を及ぼす傾向にあるので好ましくない。

本発明で使用する光学活性化合物としては、一定量の母体液晶に添加することによって、ある程度以上の自発分極（以下、Ps と省略する。）を誘起することが必要である。SC＊ 液晶組成物としては、そのPs の値が、特に室温付近で１〜３０nC/cm²の範囲になるように光学活性化合物の添加量を調整すればよい。しかしながら、光学活性化合物が誘起するP sの値が小さい場合には、その添加量が母体液晶に対して多くなり、これに伴なってSC＊ 液晶組成物の粘性が大きくなり、その結果、高速応答性が得られなくなる傾向にあるので好ましくない。従って、本発明で使用する光学活性化合物としては、SC母体液晶に１０重量％添加した場合に２０nC/cm²以上のPs を誘起できるものが好ましく、５重量％添加した場合に１０nC/cm²以上のPs を誘起できるものが特に好ましい。高速応答性を必要とする場合は、Psの値が室温付近で１００nC/cm²となることが好ましい。

本発明の組成物を液晶セルの中に入れることとにより、液晶表示素子を作製することが可能である。液晶セルの２枚の基板はガラス、プラスチックの如き柔軟性をもつ透明な材料を用いることができ、一方はシリコン等の不透明な材料でもよい。透明電極層を有する透明基板は、例えば、ガラス板等の透明基板上にインジウムチンオキサイド(ＩＴＯ)をスパッタリングすることにより得ることができる。

強誘電性液晶を用いた液晶表示素子は、フィールドシーケンシャル駆動方法を利用することにより、カラーフィルターを使用しなくてもカラー表示が可能となるが、カラーフィルターを使用した表示方法を利用してもよい。カラーフィルターは、例えば、顔料分散法、印刷法、電着法、または染色法によって作製することができる。顔料分散法によるカラーフィルターの作製方法を一例に説明すると、カラーフィルター用の硬化性着色組成物を、該透明基板上に塗布し、パターニング処理を施し、そして加熱または光照射により硬化させる。この工程を、赤、緑、青の3色についてそれぞれ行うことで、カラーフィルター用の画素部を作製することができる。その他、該基板上に、ＴＦＴ、薄膜ダイオード、金属絶縁体金属比抵抗素子等の能動素子を設けた画素電極を設置してもよい。

前記基板を、透明電極層が内側となるように対向させる。その際、スペーサーを介して、基板の間隔を調整してもよい。このときは、得られる調光層の厚さが１〜１００μmとなるように調整するのが好ましい。２〜１０μmが更に好ましく、偏向板を使用する場合は、コントラストが最大になるように液晶の屈折率異方性Δnとセル厚dとの積を調整することが好ましい。また、２枚の偏向板がある場合は、各偏向板の偏向軸を調整して視野角やコントラストが良好になるように調整することもできる。更に、視野角を広げるための位相差フィルムも使用することができる。スペーサーとしては、例えば、ガラス粒子、プラスチック粒子、アルミナ粒子、フォトレジスト材料等が挙げられる。その後、UV硬化型、UV-熱併用硬化型のシール材を、液晶注入口を設けた形で該基板に印刷し、該基板同士を貼り合わせ、シール材を硬化させる。

２枚の基板間に本発明の液晶組成物を狭持させる方法には、通常の真空注入法、ＯＤＦ法などを用いることができる。液晶の注入速度が遅い場合は、加熱しながら真空注入あるいは、ＯＤＦ法を行うこともできる。加熱したときの液晶相は、流動性の高いＮ＊となることが好ましい。

以下、実施例により本発明の液晶組成物について更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
本実施例において相転移温度の測定は、温度調節ステージを備えた偏光顕微鏡および示差走査熱量計（ＤＳＣ）を併用して行った。また、組成物中における「％」はすべて「重量％」を表すものとする。

（実施例１〜３）
アルキル鎖およびアルコキシ鎖が異なる３種類のフェニルピリミジン化合物を表１に記載する含有量で混合してＰＹベース液晶を得た。この液晶組成物の融点は９℃となった。
ＰＹベース液晶７５％と、表１中のＮｏ．４、５、６の化合物をそれぞれ２５％からなる実施例１〜３のベース液晶を得た。ＰＹベース液晶の融点が９℃であったのに対して、本発明のベース液晶の融点は、マイナス５℃（実施例１）、マイナス１２℃（実施例２）、マイナス６℃（実施例３）となった。したがって、実施例１〜３のベース液晶は、ＰＹベース液晶と比較して低い融点を有することが明らかである。
（比較例１〜２）
ＰＹベース液晶７５％と、表１中のＮｏ．７、８の化合物をそれぞれ２５％からなる比較例１〜２のベース液晶を得た。融点は、それぞれ３℃（比較例１）、マイナス１℃（比較例２）となった。側鎖の分岐位置の異なる化合物を用いた比較例のベース液晶は実施例のベース液晶と比較して融点が高いことが明らかである。

（実施例４）
ＰＹベースと表１に記載のＮｏ．５及び６の化合物、Ｎｏ．９のキラル化合物を表１に記載の割合で混合し実施例４の強誘電性液晶組成物を作製した。実施例４の強誘電性液晶組成物の融点は−１４℃となり、キラル化合物を添加した強誘電性液晶組成物においても、低融点を維持した。
表１に、以上の実施例および比較例をまとめた。

Claims (8)

1. 一般式（I）及び一般式（II）
   

   

   （式中、Ｒ_１及びＲ_２はそれぞれ独立して炭素原子数１〜１５の直鎖状アルキル基を表し、Ｒ_３は炭素原子数６、７又は８の直鎖状アルキル基を表す。）で表される化合物を含有する液晶組成物。
2. 一般式（II）で表される化合物を２種以上含有する請求項１記載の液晶組成物。
3. 一般式（II）において、Ｒ_３の炭素原子数が７である化合物及び８である化合物を含有する請求項２記載の液晶組成物。
4. 一般式（II）で表される化合物の含有量が１０〜６０％である請求項１〜３の何れかに記載の液晶組成物。
5. 一般式（II）で表される化合物の含有量が２０〜５０％である請求項１〜３の何れかに記載の液晶組成物。
6. 請求項１から５の何れかに記載の液晶組成物及び光学活性化合物を含有する強誘電性液晶組成物。
7. 光学活性化合物が一般式（III）
   

   

   （式中、Ｒ_４１及びＲ_４２は、各々独立に炭素原子数１〜１８の直鎖状又は分岐状のアルキル基を表し、該アルキル基中の、１つ又は２つの隣接していない−ＣＨ_２−基は−Ｏ−、−Ｓ−、−ＣＯ−、−ＣＯ−Ｏ−、−Ｏ−ＣＯ−、−ＣＯ−Ｓ−、−Ｓ−ＣＯ−、−Ｏ−ＣＯ−Ｏ−、−ＣＨ＝ＣＨ−、−Ｃ≡Ｃ−、シクロプロピレン基又は−Ｓｉ（ＣＨ_３）_２−で置き換えられてもよく、該アルキル基中の水素原子はフッ素原子又はＣＮ基で置き換えられていてもよく、
   Ａ_４、Ｂ_４及びＣ_４は各々独立に、１，４−フェニレン基、ピラジン−２，５−ジイル基、ピリダジン−３，６−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、トランス−１，４−シクロへキシレン基、１，３，４−チアジアゾール−２，５−ジイル基、１，３−ジオキサン−２，５−ジイル基、１，３−ジチアン−２，５−ジイル基、１，３−チアゾール−２，４−ジイル、１，３−チアゾール−２，５−ジイル、チオフェン−２，４−ジイル基、チオフェン−２，５−ジイル基、ピペラジン−１，４−ジイル基、ピペラジン−２，５−ジイル基又はナフタレン−２，６−ジイル基を表すが、該１，４−フェニレン基及びナフタレン−２，５−ジイル基中の水素原子はフッ素原子、ＣＦ_３基、ＯＣＦ_３基、ＣＮ基、ＣＨ_３基、又はＯＣＨ_３基に置換されていてもよく、該トランス−１，４−シクロへキシレン基中の水素原子はＣＮ基又はＣＨ_３基で置換されていてもよい、
   ａ_４、ｂ_４、及びｃ_４は各々独立に０又は１を表し、＊は不斉炭素を表し、
   Ｌ_４１、及びＬ_４２は各々独立に単結合、−Ｏ−、−Ｓ−、−ＣＯ−、−ＣＨ_２Ｏ−、−ＯＣＨ_２−、−ＣＦ_２Ｏ−、−ＯＣＦ_２−、−ＣＯ−Ｏ−、−Ｏ−ＣＯ−、−ＣＯ−Ｓ−、−Ｓ−ＣＯ−、−Ｏ−ＣＯ−Ｏ−、−ＣＨ_２ＣＨ_２−、−ＣＨ＝ＣＨ−又は−Ｃ≡Ｃ−を表し、
   Ｌ_４３は、一般式（III-b）、一般式（III-c）又は一般式（III-d）
   

   

   （式中、ｄ_４、ｅ_４、及びｆ_４は、各々独立に０以上７以下の整数を表す。）で表される構造の何れかを表し、Ｙはフッ素原子又はメチル基を表す。）で表される化合物を表す請求項６記載の強誘電性液晶組成物。
8. 請求項６または７記載の強誘電性液晶組成物を用いた強誘電性液晶表示素子。