JP5386363B2 - ネマチック液晶組成物及びバイステイブルネマチック液晶表示素子 - Google Patents
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Description
液晶組成物にフレデリック(Freedericksz)転移電圧以上の電界を印加すると、液晶組成物の配向方向が変化し、液晶組成物の持つ複屈折性により光学的変化が生じ、さらに偏光板を用いることにより表示素子として機能する。
(1)外部電場を印加し、情報表示をさせた後、電場を切ると表示も消える。
(2)配向膜は液晶分子を配向膜に対して水平に配向させる働きを持ち、かつ液晶分子に対し非常に強いアンカリング力を有する。そのため、電場を印加している状態でも配向膜近傍の液晶分子は電場方向には並ばず、ほぼ配向膜に対して水平方向を維持する。
(3)電場が切られた場合、電場印加前の状態に戻る。
この2つの状態がエネルギー的に等しくなるよう、液晶組成物の自然ピッチP0はセル厚の4倍となるよう調製されている。電圧無印加時は、上記2状態がエネルギー的に最小値となり、安定な配向状態を維持する。高電圧を印加すると、少なくとも一方の基板上(詳しくは配向膜上)でアンカリング破壊が起こり、液晶分子はほぼホメオトロピック配向(H)となる。この配向状態(H)は遷移状態にあり、2つの安定状態(T0、T180)のうちいずれか一方へスイッチングできる。電圧をゆっくり切ると弾性カップリング効果によりT0状態へ、電圧をすばやく切ると流体力学的カップリングによりT180状態へと変化させることができる。
2)配向膜のアンカリングは液晶材料がアンカリングによって安定な状態になるよう、あまり弱すぎてもいけない。テクスチャーを維持するため、アンカリングによるトルクは、安定状態におけるバルク液晶による配向膜上の液晶の弾性的なトルクより大きい必要がある。
5)“クラシックLCD”より薄いセル厚を用いるため、良好なコントラストを得るためには、高い屈折率異方性(0.14〜0.20)が必要である。一方、一枚の偏光板を用いる反射型モードの場合は、光学距離(セル厚に相当する数値)が2倍となるため、Δn・dを一定にするためには、Δnが0.06〜0.14程度と小さい液晶組成物が必要となる。上述のような液晶材料、配向膜を用いた、アンカリングの破壊を用いるバイステイブルディスプレイでは、アンカリング破壊電圧はセル厚に比例する、すなわち、小さいセル厚では低い電圧となる。
アンカリングの破壊による駆動されるバイステイブルディスプレイおいては、極角アンカリング破壊が重要であり、我々はこの現象について注目する。
極角アンカリングエネルギーWZは配向膜の化学的性質、及びネマチック液晶材料に強く依存する。大部分の固体の配向膜では、極角アンカリングエネルギーは方位角アンカリングエネルギーより1〜2ケタ高い。液晶組成物のダイレクターの向きが容易軸からずれると、界面エネルギーは0ではなくなり、弾性定数に由来したエネルギーも持つようになる。この界面エネルギーは、バルク液晶の弾性エネルギーとアンカリングエネルギーとの比である外挿長と関連付けられる。極角アンカリングの外挿長LZは、LZ=K33/WZで表される。ここでK33は曲げ弾性定数である。LZ<15nmの場合は「強い極角アンカリング」、LZ>25nmの場合は「弱い極角アンカリング」と考えられる。
配向膜の性質は、極角アンカリングエネルギーに大きく影響する。“クラシック”LCDに用いられているポリイミド配向膜は、ほとんどのネマチック液晶材料に対して強い極角アンカリングエネルギーを示す。例えば市販のポリイミド配向膜(SE140、日産化学社製)は、ペンチルシアノビフェニル(5CB)に対しLZ=7nmであり、極角アンカリングは強い。
Z6は、−CH2CH2−、−COO−、−OCO−、−CH2O−、−OCH2−、−CF2O−、−OCF2−、又は単結合を表し、
Z7は、−CH2CH2−、−CH=CH−、−COO−、−OCO−、−CH2O−、−OCH2−、−CF2O−、−OCF2−、又は単結合を表し、
Z8は、−COO−、−OCO−、−CH2O−、−OCH2−、−CF2O−、−OCF2−、−C≡C−、又は単結合を表し、
Z9及びZ10はそれぞれ独立して、−CH2CH2−、−COO−、−OCO−、又は単結合を表し、
Y7からY14はそれぞれ独立して、水素原子、メチル基、フッ素原子、又は塩素原子を表し、
環T2及びT3はそれぞれ独立して、1,4−フェニレン基又は1,4−シクロヘキシレン基(これらの基のうち1,4−フェニレン基は、非置換であるか又は置換基としてフッ素原子、塩素原子、メチル基、トリフルオロメチル基若しくはトリフルオロメトキシ基を1個若しくは2個以上有することができる。)を表す。)で表される化合物群Bから選ばれる1又は2以上の化合物を5〜50質量%含有するネマチック液晶組成物であり、
・液晶組成物のネマチック−アイソトロピック転移温度(TN−I)が50℃以上であり、
・液晶組成物がネマチック相を示す温度範囲(ΔTN)が50℃以上であり、
・20℃における誘電異方性が8×10−11F/m以上であり、
・20℃における屈折率異方性Δnと厚さdとの積(Δn・d)が140nmであって少なくとも一方の基板が弱い極角アンカリング力を有する2枚のバイステイブルネマチック液晶表示素子用基板の間に支持されたときのアンカリング破壊電圧Uλ/4が25V以下であることを、同時に得るように決定されていることを特徴とするネマチック液晶組成物を提供する。
また、一方の基板が弱い極角アンカリング力を有し、もう片方の基板に反射層を有する2枚の基板の間に液晶組成物が支持され、偏光板を1枚使用する反射型のバイステイブルネマチック液晶表示素子において、低駆動電圧が可能な液晶組成物を得ることができる。
本発明の液晶組成物中、上記化合物群Aに属する一般式(A1)から(A5)の化合物は、末端に極性基を有する化合物であり、アンカリング破壊を引き起こすために重要な化合物である。またΔnの小さな液晶化合物でもあり、低Δnの液晶組成物を得るのに有用な化合物でもある。一般式(A1)から(A5)で表される化合物は少なくとも一つ含有することが必須であるが、2つ以上含有することが、低駆動電圧化、動作温度範囲拡大に対してより効果的である。
X1としては、シアノ基、フッ素原子、又はトリフルオロメトキシ基が好ましい。
Z1としては、−COO−、−OCO−、−CF2O−、−OCF2−、又は単結合が好ましい。
Z2としては、−CH2CH2−、−CH=CH−、又は単結合が好ましい。
Z3としては、−COO−、−OCO−、−CF2O−、−OCF2−、又は単結合が好ましい。
Z4及びZ5としては、単結合が好ましい。
Y1、Y2、Y3及びY4はそれぞれ独立して、水素原子又はフッ素原子が好ましい。
環T1としては、1,4−シクロヘキシレン基が好ましい。
一般式(A1)においては、X1がシアノ基であり、Z1が単結合であり、Y1及びY2がそれぞれ独立して水素原子又はフッ素原子であることが好ましい。
一般式(A2)においては、X1がシアノ基、トリフルオロメトキシ基(−OCF3)又はフッ素原子であり、Z1が−COO−、−OCO−、−CH2CH2−、−CF2O−、−OCF2−、又は単結合であり、Y1及びY2がそれぞれ独立して水素原子又はフッ素原子であることが好ましい。
一般式(A3)においては、X1がシアノ基又はフッ素原子であり、Z2が−CH2CH2−、−CH=CH−、又は単結合であり、Y1及びY2がそれぞれ独立して水素原子又はフッ素原子であることが好ましい。
一般式(A4)においては、X1がシアノ基又はフッ素原子であり、Z1が単結合であり、Z3が−COO−、−OCO−、−CF2O−、−OCF2−、又は単結合であり、Y1及びY2がそれぞれ独立して水素原子又はフッ素原子であることが好ましい。
一般式(A5)においては、pが0であり、X1がシアノ基又はフッ素原子であり、Z2及びZ4がそれぞれ単結合を表し、Y1及びY2がそれぞれ独立して水素原子又はフッ素原子であることが好ましい。
また、液晶組成物が、一般式(A1)から(A5)で表される化合物群Aから選ばれる1又は2以上の化合物を25質量%以上含有することが好ましい。
一般式(A1)から(A5)で表される化合物群Aのうち、誘電異方性が3.5×10×10−10F/m以上である化合物の含有量が25質量%以下であることが好ましい。
R2及びR3としては、炭素原子数1から6のアルキル基又は炭素原子数2から6のアルケニル基(該アルキル基又はアルケニル基中に存在する1個又は2個以上のメチレン基は、酸素原子が相互に直接結合しないものとしてそれぞれ独立に酸素原子、−COO−又は−OCO−で置換されていても良い。)が好ましく、炭素原子数1から6のアルキル基又は炭素原子数2から6のアルケニル基がより好ましい。
Z7としては、−COO−、−OCO−、−CH2CH2−、又は単結合が好ましい。
Z8としては、−COO−、−OCO−、−C≡C−、又は単結合が好ましい。
Z9及びZ10としては、−COO−、−OCO−、−CH2CH2−、又は単結合が好ましい。
環T2及びT3としては、1,4−シクロヘキシレン基が好ましい。
Y7からY14としては、水素原子又はフッ素原子が好ましい。
また、液晶組成物が、一般式(B1)から(B10)で表される化合物群Bから選ばれる1又は2以上の化合物を5〜40質量%含有することがより好ましい。
また、液晶表示素子が幅広い駆動温度範囲を実現するためには、液晶組成物がネマチック相を示す温度範囲(ΔTN)自身も幅広いことが必須である。このため、上限温度TN−I(ネマチック−アイソトロピック転移温度)と下限温度TX−N(ネマチック相から、より高次の液晶相又はガラス状態又は結晶状態に転移する転移温度)との差で定義される温度範囲ΔTNが、50℃以上であることが好ましく、70℃以上であることがより好ましく、80℃以上であることが更により好ましい。
また、液晶組成物がネマチック相を示す下限温度TX−Nは、0℃以下が好ましく、−10℃以下がより好ましく、−20℃以下が更により好ましい。
a)少なくとも一方の基板が弱い極角アンカリング力を有する2枚の基板の間に液晶組成物が挟み込まれ、該2枚の基板間の液晶組成物へ電界を印加し得るように、前記基板が互いに対向する内側の表面上に電極を備えており、少なくとも一方の基板及び電極が光学的に透明であり、
b)液晶組成物を配向し、電界の不在下で安定又は準安定な少なくとも2つの択一的な異なるテクスチャーを形成し得る処理が施され、前記テクスチャーのうち、一方が捩れていないが、又は−90°から+90°の範囲で捩れており、他方のテクスチャーは、180°に近い角度で捩れを有し、
c)20℃における積d・Δn(ただしdは液晶組成物層の厚さ、Δnは液晶組成物の屈折率異方性を表す。)が、λ0/4(ただしλ0は表示素子の有効スペクトル帯の中心波長を表す。)に近づくように設計され、
d)2枚の基板のうち、少なくとも一方の基板でアンカリングを破壊することにより、上記の異なるテクスチャー間を切り替えることができ、電界が除かれた後もいずれかのテクスチャーに保持することができる、バイステイブルネマチック液晶表示素子(例えばネモプティック社のBiNem(登録商標)ディスプレイ、図1参照)に有用である。
本発明では、液晶表示素子の基板間に支持される液晶組成物として、上述した本発明の液晶組成物を用いているので、動作温度範囲の広いバイステイブルネマチック液晶表示素子を得ることができる。
e)一方の基板が弱い極角アンカリング力を有し、もう一方の基板に反射層を有する2枚の基板の間に液晶組成物が挟み込まれ、該2枚の基板間の液晶組成物へ電界を印加し得るように、前記基板が互いに対向する内側の表面上に電極を備えており、少なくとも弱い極角アンカリング力を有する側の一方の基板及び電極が光学的に透明であり、
f)液晶組成物を配向し、電界の不在下で安定又は準安定な少なくとも2つの択一的な異なるテクスチャーを形成し得る処理が施され、前記テクスチャーのうち、一方が捩れていないが、又は−90°から+90°の範囲で捩れており、他方のテクスチャーは、180°に近い角度で捩れを有し、
g)20℃における積d・Δn(ただしdは液晶組成物層の厚さ、Δnは液晶組成物の屈折率異方性を表す。)が、λ0/4(ただしλ0は表示素子の有効スペクトル帯の中心波長を表す。)に近づくように設計され、
h)2枚の基板のうち、少なくとも一方の基板でアンカリングを破壊することにより、上記の異なるテクスチャー間を切り替えることができ、電界が除かれた後もいずれかのテクスチャーに保持することができる、1枚偏光板を用いる反射型バイステイブルネマチック液晶表示素子に有用である。
本発明のバイステイブルネマチック液晶表示素子において、セルは、20℃における屈折率異方性Δnと厚さdとの積(Δn・d)が120〜200nmであることが好ましく、140〜200nmであることがより好ましい。20℃におけるΔnは使用する液晶組成物によって決まるので、スペーサーによって基板間のギャップを調整することにより、所望のΔn・dを得ることができる。
TX−N:固体相又はスメクチック相−ネマチック相転移温度
Δε:20℃における誘電異方性
Δn:20℃における屈折率異方性
液晶組成物を支持する基板として2枚のITO付ガラス基板を用意し、一方のITO付ガラス基板には、高チルトの強い極角アンカリング力を得るため、SiO2(厚さ107nm)を蒸着し、もう一方には、弱い極角アンカリング力を得るため、式(G)
工程2:150℃、1.5時間の条件でアニーリングする。
工程3:100ワットの水銀灯を用いて、2時間紫外線照射(λ=254nm)する。
工程4:150℃、30分の条件でアニーリングする。
工程5:織物ベルベットを被覆したローラーによりブラッシング処理(ラビング)して、方位角アンカリングを誘起させる。
実施例1における液晶組成物(H)を、以下に示す液晶組成物(I)に変えて、同様の評価を行った。
実施例1における液晶組成物(H)を、以下に示す液晶組成物(J)に変えて、同様の評価を行った。
実施例1における液晶組成物(H)を、以下に示す液晶組成物(K)に変えて、同様の評価を行った。
実施例1における液晶組成物(H)を、以下に示す液晶組成物(L)に変えて、同様の評価を行った。
実施例1における液晶組成物(H)を、以下に示す液晶組成物(M)に変えて、同様の評価を行った。
実施例1における液晶組成物(H)を、以下に示す液晶組成物(N)に変えて、同様の評価を行った。
実施例1における液晶組成物(H)を、以下に示す液晶組成物(P)に変えて、同様の評価を行った。
実施例1における液晶組成物(H)を、以下に示す液晶組成物(Q)に変えて、同様の評価を行った。
実施例1における液晶組成物(H)を、以下に示す液晶組成物(R)に変えて、同様の評価を行った。
実施例1における液晶組成物(H)を、以下に示す液晶組成物(S)に変えて、同様の評価を行った。
Claims (12)
- 一般式(A1)から(A5)
一般式(B1)から(B10)
前記ネマチック液晶組成物に使用される前記化合物の相対的な比率が、前記組成物に関して下記の物理的特性、すなわち、
・液晶組成物のネマチック−アイソトロピック転移温度(TN−I)が50℃以上であり、
・液晶組成物がネマチック相を示す温度範囲(ΔTN)が50℃以上であり、
・20℃における誘電異方性が8×10−11F/m以上であり、
・20℃における屈折率異方性Δnと厚さdとの積(Δn・d)が140nmであって少なくとも一方の基板が弱い極角アンカリング力を有する2枚のバイステイブルネマチック液晶表示素子用基板の間に支持されたときのアンカリング破壊電圧Uλ/4が25V以下であることを、
同時に得るように決定されているネマチック液晶組成物がセルを形成する2枚の基板の間に支持され、これら基板の内側の面に配向膜及び電極構造を備えており、
前記少なくとも一方の基板の配向膜は、20℃における屈折率異方性Δnと厚さdとの積(Δn・d)が140nmである厚さdを有するセルにおいてアンカリング破壊電圧U λ/4 が25V以下となることとして定義される弱い極角アンカリング力を有し、前記弱い極角アンカリング力によって前記液晶組成物が少なくとも2つの異なる安定状態をとることができ、
前記電極構造に適当な電気信号が印加されたときに少なくとも2つの異なる安定状態の間のスイッチングが達成されるバイステイブルネマチック液晶表示素子。 - 前記20℃における誘電異方性が1.3×10−10〜3.0×10−10F/mである請求項1に記載のバイステイブルネマチック液晶表示素子。
- 前記ネマチック液晶組成物が前記化合物群Aから選ばれる2以上の化合物を含有する請求項1に記載のバイステイブルネマチック液晶表示素子。
- 一般式(A1)において、X1がシアノ基を表し、Z1が単結合を表し、Y1及びY2がそれぞれ独立して水素原子又はフッ素原子を表し、
一般式(A2)において、X1がシアノ基、トリフルオロメトキシ基又はフッ素原子を表し、Z1が−COO−、−OCO−、−CH2CH2−、−CF2O−、−OCF2−、又は単結合を表し、Y1及びY2がそれぞれ独立して水素原子又はフッ素原子を表し、
一般式(A3)において、X1がシアノ基又はフッ素原子を表し、Z2が−CH2CH2−、−CH=CH−、又は単結合を表し、Y1及びY2がそれぞれ独立して水素原子又はフッ素原子を表し、
一般式(A4)において、X1がシアノ基又はフッ素原子を表し、Z1が単結合を表し、Z3が−COO−、−OCO−、−CF2O−、−OCF2−、又は単結合を表し、Y1及びY2がそれぞれ独立して水素原子又はフッ素原子を表し、
一般式(A5)において、pが0であり、X1がシアノ基又はフッ素原子を表し、Z2及びZ4がそれぞれ単結合を表し、Y1及びY2がそれぞれ独立して水素原子又はフッ素原子を表す請求項1に記載のバイステイブルネマチック液晶表示素子。 - 前記ネマチック液晶組成物が一般式(A1)で表される化合物を5質量%以上含有し、一般式(A1)において、X1がシアノ基であり、Z1が単結合であり、Y1及びY2がそれぞれフッ素原子である請求項1に記載のバイステイブルネマチック液晶表示素子。
- 20℃における屈折率異方性Δnが0.06〜0.13である請求項1に記載のバイステイブルネマチック液晶表示素子。
- 20℃における屈折率異方性Δnが0.06〜0.13であり、前記20℃における誘電異方性が1.3×10−10〜3.0×10−10F/mである請求項1に記載のバイステイブルネマチック液晶表示素子。
- 20℃における屈折率異方性Δnが0.06〜0.13であり、1枚偏光板モードに使用される請求項1から4のいずれか一項に記載のバイステイブルネマチック液晶表示素子。
- 前記バイステイブルネマチック液晶表示素子がアンカリング破壊型である請求項8に記載のバイステイブルネマチック液晶表示素子。
- 前記少なくとも2つの異なる安定状態として、液晶組成物中の分子が互いに少なくとも±20°の範囲で略平行に配列されて均一又はわずかにねじれた第1の安定テクスチャーと、前記2枚の基板間で180±20°でねじれたテクスチャーをとる第2の安定テクスチャーとを有し、
前記電極構造に適当な電気信号が印加されたときに前記第1の安定テクスチャーと第2の安定テクスチャーとの間のスイッチングが達成される請求項8に記載のバイステイブルネマチック液晶表示素子。 - 前記2つの安定テクスチャー間のスイッチングは、少なくとも1つの基板の極角アンカリングの破壊によって達成される請求項10に記載のバイステイブルネマチック液晶表示素子。
- 前記2つの基板の配向膜によるアンカリングは、両方ともモノステイブルである請求項8に記載のバイステイブルネマチック液晶表示素子。
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