JP5505566B2 - 液晶表示素子 - Google Patents

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Description

本発明は、強誘電性液晶組成物を用いた液晶表示素子に関する。
強誘電性液晶(FLC:Ferroelectric Liquid Crystal)は、自発分極を有して強誘電性を示す液晶のことであるが、分子長軸方向に垂直な方向に永久双極子モーメントを有する液晶がスメクチック相を示すと層構造が形成され、この層内の分子長軸が傾くキラルスメクチックC(以下、SmC*と省略する)相となるときに、永久双極子モーメントが全体で平均化しても打ち消されず、自発分極が発生して強誘電性を示すことが知られている。これに電圧を印加すると永久双極子モーメントは電界方向に揃うようになり、同時に分子全体が揃う。強誘電性液晶としては、SmC*相のものがディスプレイの用途に広く用いられている。強誘電性液晶は、1975年にR.B.Meyerらが分子設計し合成を行なったp-decyloxybenzylidene p’-amino 2-methylbutyl cinnamate(DOBAMBC)等のスメクチック液晶自体に光学活性(キラリティー)を付与するものであるが、光学活性化合物はそれ自体が液晶性を示さない(液晶化合物でない)ものでも光学活性化合物を添加することでSmC相を発現することができ、この場合、キラルでないスメクチックC(以下、SmCと省略する)相を示す母体液晶が一般に使用される。
SmC相は、層構造を有するスメクチック相の中でも、液晶分子の配向方向がレイヤーノーマル(層法線)に対して一定の傾き(チルト)を有する。また、層平面に対して傾く角度(方位角)は層ごとに少しずつずれることにより、分子配向に螺旋構造を生じる。
強誘電性液晶はネマチック液晶を用いた表示素子と比較して十倍以上の高速応答性が得られる特徴を有し、最初にディスプレイ用途へ考案したのは、クラーク(Clark)及びラガウォール(Lagerwall)による表面安定化強誘電性液晶(SSFLC:Surface-stabilized FLC)である。これ以降、活発に検討がなされるようになっている。
SSFLCでは、平行配向処理が施された基板を用いてレイヤーノーマルがセルの基板面と平行になるように液晶を配向し(ホモジニアス配向)、かつ液晶層の厚さを薄くすることにより、螺旋が解けるようになり、液晶分子が基板面に傾斜した配向をとりにくくなり、方位角の取り得る範囲が2通りに抑制され、表面安定化の作用により配向のメモリー性(双安定性)が発現してメモリー性を有する黒と白の二値表示のディスプレイが得られ、高速応答性を有しているが、二値表示であるため階調表示を得ることが困難で問題があった。更に、昇温した液晶を基板間に挟持した後、降温して液晶がSmC相となると、チルトが生じて層間隔が減少することにより層平面が「く」の字状に折れ曲がるシェブロン構造が現われ、ジグザグ欠陥が生じやすく高コントラスト化が難しく、ディスプレイへ応用するため配向に関する検討が盛んに行われた。(非特許文献1参照)
双安定性に起因する階調表示の困難性を解決するために、方位角の取り得る範囲を抑制しない方式として、ねじれ螺旋(あるいは変形螺旋)強誘電性液晶(DHFLC:Distorted (or Deformed) Helix FLC)も知られている(非特許文献2参照)。この方式においては、FLCの螺旋ピッチを十分に短くし、基板間の液晶層の厚みよりも小さくする。この方式によれば、電圧無印加時には螺旋軸方向に軸を有する1軸性の複屈折を有するが、電圧印加時には液晶配向の螺旋配列から徐々に外れて複屈折を変化させるため、連続的な階調表示が得られる。しかし、非特許文献2記載のDHFLCはレイヤー層が基板面に対して垂直、すなわち、レイヤーノーマル方向が基板面に対して略水平であるため、表示素子の視野角の点で問題を有していた。
また、強誘電性液晶表示素子の視野角を改善する方法として、ネマチック液晶ディスプレイで開発された技術を強誘電性液晶へ応用した例が挙げられる。ネマチック液晶を用いた場合、垂直配向方式は、基板に対して垂直な方向の電界を用いるが液晶分子の垂直配向を利用して視野角の改善を図った方式である。また、IPS(インプレインスイッチング)は、水平配向した液晶分子を基板に対して水平方向の横電界を用いて液晶分子をスイッチングさせることで視野角の改善を図った方法である。これらの垂直配向とIPSを組み合わせることにより、例えば、非特許文献3,4には、垂直配向させたDHFLCに対し、下側の基板に一対の櫛歯電極からなるインプレイン電極を配置して横電界を印加する液晶表示素子が報告されている。非特許文献5には、垂直配向させたDHFLCに横電界を印加した状態で、種々の方向から読出し(readout)のためのレーザ光を入射(light incidence)することによる光変調器が報告されている。しかしながら、強誘電性液晶を用いて、ネマチック液晶で開発されているVAモード並の高コントラストを得るためにはSmC特有の配向欠陥を無くす必要がある。そのためには、螺旋ピッチを400nm以下のショートピッチの強誘電性液晶を垂直配向させる方法があるが、この場合、キラルドーパントの濃度が高いことに起因して、融点が高くなりSmC相の温度範囲が狭くなり液晶表示素子の動作温度範囲を制限し、ショートピッチの螺旋を解くために高い電界強度が必要になるので液晶素子の駆動電圧が高くしていた。又、キラルドーパントは製造に手間がかかり、多量に添加することにより当該強誘電性液晶表示素子の効率的な生産を阻害し、経済的観点からも実用化の障害となっていた。又、SSFLCDに於いては外圧などによる素子に変形で配向が一旦乱れると復帰させることが難しくセル構造の工夫や高分子安定化等が考案されているが、大型化には至っていない。
Chenhui Wang and Philip J. Bos、"5.4: A Defect Free Bistable C1 SSFLC Display"、SID 02 Digest、2002年、p.34−36 J Funfschilling and M. Schadt、"Fast responding and highly multiplexible distorted helix ferroelectric liquid-crystal displays"、J. Appl. Phys.、1989年10月、第66巻、第8号、p.3877−3882 Ju Hyun Lee, Doo Hwan You, Jae Hong Park, Sin Doo Lee, and Chang Jae Yu、"Wide-Viewing Display Configuration of Helix-Deformed Ferroelectric Liquid Crystals"、Journal of Information display、2000年12月、第1巻、第1号、p.20−24 John W. McMurdy, James N. Eakin, and Gregory P. Crawford、"P-127: Vertically Aligned Deformed Helix Ferroelectric Liquid Crystal Configuration for Reflective Display Device"、SID 06 Digest、2006年、p.677−680 A. Parfenov、"Deformation of ferroelectric short-pitch helical liquid crystal by transverse electric field: Application for diffraction-based light modulator"、Applied Physics Letters、1998年12月、第73巻、第24号、p.3489−3491
本発明は、高速応答性を有するホメオトロピック配向の強誘電性液晶組成物を用いた液晶表示素子において、光抜けの原因になるシュリーレンテクスチャーの出現や他の配向欠陥を解消してコントラストの低下を抑制し、ネマチック液晶に於けるVAモード並の高コントラストが可能な液晶表示素子を提供する。
本発明者らは、前記問題を解決するため、カイラルドーパントの添加量を減らし螺旋ピッチを長くすることについて検討を行った。その結果、螺旋ピッチの長いSmC相を示す液晶をホメオトロピック配向させた場合に発生するネマチック液晶分子のダイレクターの振る舞いと類似のCダイレクターの揺らぎに基づくシュリーレンテクスチャーの出現とフォーカルコニックによる配向欠陥を、一定の方向へプレチルト角を付与可能な水平配向処理を組み合わせることで効果的に抑制できることを見いだし、本願発明の完成に至った。
本発明は、偏光面が互いに直交する二枚の偏光板の間に、配向膜を具備した第一の基板と、配向膜を具備した第二の基板を配置し、前記第一の基板と第二の基板間の液晶組成物層に、キラルスメクチックC相を有する強誘電性液晶組成物層を挟持し、前記第一の基板及び前記第二の基板は垂直配向膜を有しており、且つ少なくとも一方の垂直配向膜にはネマチック液晶相に於いて一定の方向へプレチルト角を付与可能な配向処理が施されており、前記強誘電性液晶組成物層が前記第一の基板と前記第二の基板のうち前記垂直配向膜に前記配向処理が施された方の基板に接する部分で液晶分子のCダイレクターが前記一定の方向へ配向しており、且つ前記第一の基板と前記第二の基板の間で液晶のダイレクターが少なくとも180°以上捩じれており、前記第一の基板又は第二の基板の少なくとも一方の基板面に略平行な電界を発生させる一対の電極構造を有し、前記電極構造により発生した電界で前記強誘電性液晶組成物層の複屈折率を変えることにより透過する光の透過率を変調することを特徴とする液晶表示素子を提供する。
本発明の液晶表示素子によれば、ホメオトロピック配向の強誘電性液晶組成物を用いた液晶表示素子において、選択反射が近赤外以上の場合にシュリーレンテクスチャーが出現してコントラスト低下の原因になるが、垂直配向膜表面にラビング配向処理等によるプレチルト角を付与するとSmC相のCダイレクターがラビング方向へ揃い、シュリーレンテクスチャーの出現を解消することが可能で、配向欠陥の無い高コントラストな表示が得られる。又、表示面を押すと配向は乱れるがSSFLCDでは不可能であった配向が復帰するので信頼性の高い液晶表示素子が得られる。
本発明の液晶表示素子の第1例を示し、(a)はOFF時、(b)はON時を示す模式図である。 本発明の液晶表示素子の第2例を示し、(a)はOFF時、(b)はON時を示す模式図である。 セル厚dに対して透過率が最大になるΔnとの関係を示すグラフである。 平面からみた屈折率分布を示す模式図である。 実施例1の液晶表示素子におけるV−T特性を示すグラフである。
以下、好適な実施の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図1に、本発明の液晶表示素子の第1例を示し、図2に、本発明の液晶表示素子の第2例を示す。いずれも、(a)はOFF時、(b)はON時を示す。
図示例の液晶表示素子は、ガラス板11,21等の透明基材に配向膜12,22を具備した一対の基板10,20を備え、これら第一の基板10と第二の基板20間の液晶組成物層31に、キラルスメクチックC相を有する強誘電性液晶組成物層を挟持した構造のセルを有する。基板10,20及び液晶組成物層31は、偏光面が互いに直交する(すなわち、クロスニコルとされた)二枚の偏光板(図示せず)の間に、配置されている。
電圧OFF時、強誘電性液晶組成物の分子長軸は螺旋を巻いていて、キラルスメクチックC相の螺旋軸は基板面に対して垂直な方向にある。また、この螺旋ピッチに依存して、所定の波長を中心とした選択反射が誘起される。この選択反射の中心波長は、組成物の平均屈折率nとSmCに於ける螺旋ピッチPとの積、n・Pで表すことができ、その中心波長は、カイラルドーパントの組成物の屈折率の他に、その種類と添加量に依存している。本発明の液晶表示素子に於いては、近赤外以上が好ましく、例えば700nmから3000nmの選択反射であることが望ましい。この時の螺旋ピッチは、組成物の平均屈折率に影響されるが約450nm〜2000nmに対応する。選択反射を可視光領域から外すことにより選択反射による着色がなくなり二枚の基板の間に挟むことにより可視光は殆ど透過せず暗視野が得られるようになり、フルカラー表示や高コントラスト化に有用である。但し、Cダイレクターが一定の方向へ揃っている場合に限る。Cダイレクターを一定方向へ揃える配向手段は、ネマチック液晶相に於いて垂直配向膜を用いて一定の方向へプレチルト角を付与するような性質の配向処理を垂直配向のSmC相に施すもので、この配向処理をしない場合はCダイレクターの向きは任意になり、熱の揺らぎに起因した振動で可視光を散乱させて偏光顕微鏡で見るとシュリーレンテクスチャーが観察されるようになる。これを表示素子にすると僅かに白濁が見え高コントラスト化を難しくしている。しかし、例えば、垂直配向膜にラビング処理を施し液晶分子のダイレクターが基板面に対して一定の方向へ傾くプレチルト角を付与させるとCダイレクターがラビング方向へ揃いシュリーレンテクスチャーが消え偏光板と同等な暗視野になり、高コントラスト化が可能になることが大きな特徴である。
なお、ネマチック液晶相に於いて垂直配向膜を用いて一定の方向へプレチルト角を付与するような性質の配向処理とは、ポリイミド等の垂直配向膜を用いて、その表面にラビング処理を施すものであって、VAモードのネマチック液晶セルに適応すると、垂直配向の液晶分子長軸にプレチルト角を付与する性質のもので、スイッチングの際に液晶分子長軸の傾く方位方向をラビング処理方向で既定するものであるが、このような性質の配向膜を垂直配向のSmC相に適用するとCダイレクターがラビング方向へ揃えられることが特長で、こういった性質の配向膜ではあれば良い。配向膜の種類としては、垂直配向を示すポリイミド配向膜や、ネマチック液晶に対してプレチルト角を付与できる垂直配向用光配向膜等を用いることができる。プレチルト角の大きさは、垂直配向のSmC相に於けるシュリーレンテクスチャーを解消してラビング配向方向へCダイレクターを揃えられるものであれば良い。
第一の基板10及び第二の基板20は垂直配向膜12,22を有しており、これら垂直配向膜12,22の少なくとも一方には一定の方向13,23へプレチルト角を付与可能な配向処理が施されている。これにより、電界を印加しないOFF時には、強誘電性液晶組成物層31が、前記配向処理が施された垂直配向膜12,22に接する部分で、液晶分子32のCダイレクターを一定の方向13,23へ配向させることができ、SmC相のCダイレクターが配向処理方向へ揃うため、カイラルドーパントの添加量を低減したことに起因する、シュリーレンテクスチャーの出現を解消することが可能で、配向欠陥の無い高コントラストな表示が得られる。
一定の方向へプレチルト角を付与可能な配向処理を、両方の垂直配向膜12,22に施すときは、第1の垂直配向膜12に配向処理を施す方向13と、第2の垂直配向膜22に配向処理を施す方向23とが異なってもよい。それぞれの配向方向13,23の差(+360°の整数倍)が、Cダイレクターの基板間での捩れ角に一致すると、両方の基板近傍で一定の方向13、23にCダイレクターを揃えやすくなるので好ましい。又、垂直配向膜12,22の何れかのみにプレチルト角を付与可能な配向処理を施しても良い。
第一の基板10又は第二の基板20の少なくとも一方の基板面には、略平行な電界を発生させる一対の電極構造24,24を有し、電極構造24,24により発生した電界で強誘電性液晶組成物層31の複屈折率を変えることにより、透過する光の透過率を変調する。図示例では、OFF時には液晶分子32のCダイレクターが螺旋構造の種々の方向を取り得ることにより(図1〜2の(a)のTop of View参照)、クロスニコルとされた二枚の偏光板のうち一方の偏光板から入射した光が他方の偏光板を透過できないため、上述したように暗視野(黒表示)となる。電極構造24,24としては、例えば櫛型電極(IPS電極)やFring Field Switching(FFS)電極が挙げられる。又、基板10及び基板20の両面に電極構造24、24を設置することもできる。
基板面上に配置された櫛型電極(IPS電極)を介して、横電界を徐々に増加させて印加すると螺旋が解けるようになり、横電界に対して垂直方向へ液晶分子長軸が揃うようになり透過率が増加していく。この時のリターデーション(Δnd、Δn:複屈折率、d:セル厚)の変化は、ネマチック液晶に於けるECBモードに類似している。そのため、透過率を最大にするには、リターデーションがλ/2に一致させる必要がある。λは透過光の波長(代表値)を表す。一般に視感度が一番大きい波長である550nm付近をλとして用いられている。
なおリターデーション(Δnd)のセルを通過したときの出射光強度Iは、(式1)で表わされる。
Figure 0005505566
式1において、Iは入射光強度を表わす。透過率は、I/Iの比により表される。式1より、Δnd=π/2のとき、透過率が最大になることが分かる。(式1)からΔnを求めるため、(式2)のように変形することができる。
Figure 0005505566
理想的には、入射光強度I=1に対して出射光強度Iが1にすれば良く、それに必要な条件は、リターデーション(Δndの積)がλ/2=275nmに等しくなるようにすれば良い。
図3のグラフはセル厚dに対して透過率が最大になるΔnとの関係を示す。従って、用いる強誘電性液晶材料のΔnに合わせてセル厚を調整すれば550nm付近に光を略損失なく透過させることができる。又、フルカラー表示にする場合は、色バランスを考慮する必要があるのでリターデーションの波長分散特性や、用いられるカラーフィルターやバックライトのスペクトルに合わせてλ/2の波長を調整しても良い。
尚、本発明に於ける液晶のΔnは、スメクチックC相に於いて電圧を印加して螺旋を解いた場合、又は表面安定化強誘電性液晶(SSFLC:Surface-stabilized FLC)にして螺旋を解いた場合に求められる分子長軸方向の屈折率n、分子短軸方向の屈折率nを用いて(式3)で求めたΔnを指す。(式3)のθ(チルト角)は、スメクチックC*相のコーン角2θの1/2の値を意味する。即ち、本液晶表示素子の電圧―透過率特性に有効なΔnは、(式3)で表され、チルト角θと上述のne、及びnに依存する。例えばチルト角θが30°の場合、本発明の液晶表示素子は、Δnに依存して透過率が最大になるようにセル厚を調整すれば良いが、液晶のnからnを引いた差Δnlcが0.13以下の小さい液晶では有効なΔnは0.0296になり、必要なセル厚は、(式2)より10μm以上になる。Δnlcが0.15以上になると有効なΔnは0.0336になり、(式2)より必要なセル厚は8.5μm以下になり好ましくなる。更に、チルト角θが35°以上になると有効なΔnは0.0447以上になり、必要なセル厚は、6.4μm以下になりより好ましくなる。即ち、液晶のΔnlcを0.15以上と大きくしてチルト角θを35°以上にすることによりセル厚を薄くすることが可能になり表示品位が向上するので一層好ましくなる。
Figure 0005505566
リターデーションの最小値は、電圧がOFF時であって基板法線方向に螺旋軸が向いて少なくとも1回以上巻いている時の値で、少なくともクロスニコルの偏光板と同等の透過率で示される暗視野にすることが好ましく、小さいほど良好な黒さになり高コントラスト化が可能になる。例えば、螺旋を巻いている状態での複屈折率Δnhelixが0〜0.007であれば、セル厚を15μm以下にすることでリターデーションは75nm以下が可能で高コントラストに必要な黒さを得ることができ、好ましい。これは、SmC相の螺旋が少なくとも360°回転していると屈折率異方性の分布が螺旋軸を中心に弧を描き、図1(a)に示すように、どの方角でも屈折率の分布が同じになり略等方的になるためである。巻く回数が増えるにつれてΔnは0に収束していき黒さを増していくことになることから、更に、Δnhelixを0.002以下にするとリターデーションが減少して透過率が下がるためより好ましくなる。
OFF時に暗視野を得るためには、強誘電性液晶の螺旋構造が1回以上の繰返し単位を有することが必要である。屈折異方性のX−Y面内分布を均一にすればクロスニコル偏光板と同等の黒が原理上得られるが、螺旋軸が基板法線方向へ向いおり螺旋ピッチが大きくなるとリターデーションが増加する場合があり、その場合は、必要に応じて二枚のクロスニコルの偏光板の間に、液晶層以外に光学位相補償フィルムを配置させることが好ましい。螺旋構造のピッチは、Cダイレクターが360°回転するごとを1周期としたときの、層に垂直な方向の長さである。液晶分子の自発分極は、液晶分子長軸に垂直な方向を向いているが、液晶分子長軸は頭と尾の方向を入れ替えて整列することもでき、頭と尾がある方向を向いている分子と、その反対方向を向いている分子とが半々に存在すると仮定すれば、Cダイレクターが180°回転する範囲だけで1回の繰返し単位とみなすことができる。したがって、第一の基板10と第二の基板20の間で液晶分子32のCダイレクターが少なくとも180°以上捩じれていることが必要である。すなわち、Cダイレクターの基板間での捩れ角は180°以上であればよい。上限は特に限定されないが、螺旋構造のピッチを長くとったときにセル厚を抑制する観点から、例えば、180〜1800°が好ましい。
一方、電圧ON時のリターデーションは、印加電圧に依存して変化する。図4に平面から見たIPS電極24の間の屈折率の大きさの分布を示す。上述したようにOFF時は円弧33を描くが、電圧を印加すると電極の横電界の作用で分子長軸に垂直な永久双極子が揃い同時に分子長軸が楕円長軸方向へ揃うようになり楕円状の屈折率分布34を描き、更に、電圧を増加させていくとIPS電極に沿って楕円の長径が大きくなりΔnが増し楕円率が増加する。この状態に直交する偏光板の何れかの偏光軸を楕円長軸に対して45°の方向へ配置すると出射光を一番高く取り出すことができるようになる。但し、上述したようにリターデーションをλ/2の値にする調整すると出射光が大きくなり好ましい。可視領域全体の透過率を大きくすることが表示の明るさや色バランスには重要なことから、表示素子の色調により275nm付近であれば良く、必要に応じて、例えば225nm〜330nm以下にすることもできる。従って、セル厚は、ON時の最大となるリターデーションを使用する強誘電性液晶組成物のΔnで除算した値で決まり、2μm〜15μmの範囲が好ましい。
本発明に用いる液晶の選択反射の範囲では、外圧などによる素子に変形で配向は乱れても螺旋の巻く力で元の配向状態へ戻ることができ高い信頼性を得られることが大きな特徴である。
液晶を配向欠陥無く基板間に充填するためには、従来の真空注入法、液晶滴下注入法(One Drop Fill)、及びフレキソ印刷法で行うことができ、少なくとも、等方相、又はネマチック相に加熱してネマチック相から除冷してスメクチック相へ相転移させることが好ましい。ディスプレイの高コントラスト化のためには配向欠陥を無くす必要があり、該強誘電性液晶組成物の相系列が少なくとも高温側から等方相、キラルネマチック相、スメクチックA相、キラルスメクチックC相(ISO−N−SmA−SmC)、又は液晶化合物のチルト角を大きくする観点からは、相系列にスメクチックA相が存在しないことが好ましく、その具体例としては、(ISO−N−SmC)であることが好ましい。この場合、ネマチック相より高温側にブルー相(BP)等の他の相を発現してもよく、等方性液体−ブルー相−キラルネマチック相−スメクチックA相−キラルスメクチックC相、等方性液体−ブルー相−キラルネマチック相−キラルスメクチックC相などの相系列を例示することができる。また、等方性液体−キラルスメクチックC相(ISO−SmC)の相系列を発現する液晶も採用可能である。
該強誘電性液晶組成物の相系列において、降温時にキラルネマチック相からスメクチックA相又はキラルスメクチックC相へ相転移する温度、又はキラルネマチック相の下限温度より2℃高い温度で、キラルネマチック相の螺旋ピッチが少なくともセル厚の5倍以上大きいことが好ましい。更に、N*相より低い温度に現れるスメクチック相へ転移する際に螺旋が解けてホメオトロピック配向状態にあることがより好ましく、これにより、液晶がキラルネマチック相であるときに、螺旋ピッチがセル厚(ギャップ)より十分に長くなるため、キラルネマチック相が螺旋構造をとることがなく、スメクチック相へ転移する手前で配向欠陥の無い良好なホメオトロピック配向が得られるようになり、より均一な配向を得ることができる。キラルネマチック相の螺旋ピッチを解いてスメクチック相へ転移させるためには、その温度幅を少なくとも10℃以上が好ましい。温度幅が狭いと螺旋が解けずスメクチック相へ転移する場合があるため、配向欠陥の原因になる。又、キラルネマチック相の螺旋を解く方法として、逆巻きの螺旋を示すピッチキャンセラーを添加して螺旋を調整することもできる。
OFF時の配向状態は、VAモードのネマチック液晶表示素子に於ける垂直の一軸配向に類似しているため、VAモードに用いられるAプレート、一軸延伸等のネガCプレートや二軸延伸のZプレート等の光学位相補償フィルムを用いてコントラストの向上や、視野角向上の目的に用いることができる。好ましい光学位相補償フィルムは多種類あるが、VAモード等に使用されている視野角改善機能とコントラスト向上機能の二種類の機能を有するものを用いることが、視野角改善とコントラスト向上ができ好ましい。コントラスト向上には、最小透過率を低くできるようにする光学位相補償フィルムを用いることが好ましい。二枚のクロスニコルの偏光板の間にある液晶層に於いて、液晶層を透過した直線偏光が楕円偏光に変化して出射される場合があるが、その場合は、液晶層から出射される楕円偏光の楕円率と同じ楕円率を有し、且つ液晶層へ入射する直線偏光の偏光軸を対称中心とした場合、液晶層から射出される楕円偏光の方位角に対して対称となる逆位相を示す光学位相補償フィルムを必要に応じて二枚のクロスニコルの偏光板の間に配置するのがより好ましい。
液晶表示素子の光源は、特に限定されるものではないが、低消費電力であることからLEDが好ましい。さらに消費電力を抑制するため、点滅制御(暗い領域の光量を下げたり消灯したりする技術)や、マルチフィールド駆動技術(駆動周波数を、動画を表示する場合と静止画を表示する場合とで区別する技術)、屋内と屋外あるいは夜間と昼間で光量のモード切り替えを行う技術、液晶表示素子のメモリー性を利用して駆動を一時停止する技術等を用いることが好ましい。また、反射型表示素子では、機器に光源を備えなくとも外部の照明(日光や室内光など)を利用できるため、好ましい。
液晶表示素子は、フィールドシーケンシャル方式等の時間分割、偏光方式、視差バリア方式、インテグラルイメージング方式等のスペース分割、分光方式やアナグリフ等の波長分割、FPSモード等により、3D表示を行うことも可能である。
低電圧駆動のため、一対の基板の両方に、一対の画素電極と共通電極を有する構成とすることもできる。低電圧で駆動するため、一対の基板の両方にIPS(In-Plane Switching)電極を設けたり、セル内部に突起した電極を持ち、セル内部での電界強度分布が低下しにくい素子であるConfined geometry(Lee,S.-D.、2009、IDW ’09-Proceeding of The 16th International Display Workshops 1、pp.111-112)を利用したり、一対の基板の両方にFFS(Fringe-Field Switching)電極を設けたりすることができる。
コントラストの向上に関しては、点滅制御(暗い領域の光量を下げたり消灯したりする技術)や、開口率が50%以上である素子、高配向性の配向膜やアンチグレア膜を用いたり、フィールドシーケンシャル方式(カラーフィルターを用いずにRGB3色のLEDを、人間の目の時間的分解能以下の短時間で順次点灯させ、色を認識させるカラー化方式)を用いることが好ましい。
高速応答性のためには、オーバードライブ機能(階調を表現する際の電圧を、立ち上がり時に高く、立ち下がり時は低くする)を用いたり、負の誘電異方性をもつスメクチック液晶を用いたりすることが好ましい。
タッチパネルの表面を覆うフィルムは、汚れによる表示品質の低下を抑制するため、撥水・撥油性、防汚性、耐指紋性を有することが好ましい。少なくとも押圧側の電極基板は、プラスチック基板や薄膜ガラス基板等のフレキシブル基板を使用することが好ましい。電極としては、グラフェン(炭素の単原子層からなるシート)や有機半導体を用いることが好ましい。
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良い。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スズオキシド(ITO)をスパッタリングすることにより得ることができる。
カラーフィルターは、例えば、顔料分散法、印刷法、電着法、又は、染色法等によって作成することができる。顔料分散法によるカラーフィルターの作成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、そして加熱又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成することができる。その他、該基板上に、有機半導体や無機半導体、又は酸化物半導体を用いた薄膜トランジスター(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。
信頼性向上やTFT駆動を目的に、強誘電性液晶組成物は不純物等を除去したり、又は比抵抗値を更に高くしたりする目的で、シリカ、アルミナ等による精製処理を施しても良い。液晶組成物の比抵抗値としては、TFTで駆動するためには、1011Ω・cm以上が好ましく、1012Ω・cm以上がより好ましく、1013Ω・cm以上がより好ましい。また、液晶組成物中に不純物として存在するカチオンの影響を防止する方法として、ポダンド、コロナンド、又はクリプタンド等のカチオン包接化合物を添加することもできる。又、TFT駆動では、画像情報を一定時間間隔で書き込み電極間に電荷をその間保持して画像を表示しているが、スイッチングさせると自発分極による分極反転電流の影響で電極間に保持されて電荷が減少するため補助容量を画素に接続することが好ましく、用いる液晶の自発分極に適した補助容量を接続することができる。
低温環境下でも液晶表示素子の性能を維持できるようにするため、強誘電性液晶組成物が低温保存安定性を有することが好ましい。液晶組成物の低温保存安定性は、0℃以下、24時間以上の環境でSmCを維持することが好ましく、より好ましくは−20℃以下、500時間以上、さらに好ましくは−30℃以下、700時間以上の環境でSmCを維持することが好ましい。
<強誘電性液晶組成物>
本発明で用いられる強誘電性液晶組成物は、ホスト液晶(母体液晶)にキラル化合物(ドーパント)を含むことができ、さらに、高分子安定化を実現するためのモノマー(重合性化合物)を任意に加えることができる。
このような強誘電性液晶組成物を用いることで、配向の安定化や、中間階調に於ける応答速度を向上させることができる。液晶が配向膜等で配向させた状態を配向欠陥無く固定化させるためには、モノマーを添加しない場合と同様に、少なくとも、ネマチック相から除冷してスメクチック相へ相転移させることが好ましく、用いる液晶セルの基板面が平坦であることがより好ましい。また、ネマチック相やスメクチック相等の液晶相中で該モノマーを網目状、又は分散した状態に重合させる必要がある。更に、相分離構造形成を避けるためには、モノマーの含有量を少なくして、液晶が配向している状態で液晶分子間に網目状高分子が形成できるよう該高分子前駆体含有量や該前駆体の組成を調整することが好ましく、さらに、光重合の場合は、UV露光時間、UV露光強度、及び温度を調整して網目状の高分子を形成させて液晶配向欠陥が無いようにすることが好ましい。
<液晶性化合物>
ホストとなる液晶性化合物としては、下記の一般式
Figure 0005505566
(式中、Rは各々独立に炭素原子数1〜18の直鎖状もしくは分岐状のアルキル基、水素原子又はフッ素原子を表し、該アルキル基中の、1つ又は2つの隣接していない−CH−基は−O−、−S−、−CO−、−CO−O−、−O−CO−、−CO−S−、−S−CO−、−O−SO−、−SO−O−、−O−CO−O−、−CH=CH−、−C≡C−、シクロプロピレン基又は−Si(CH−で置き換えられてもよく、該アルキル基中の1つ以上の水素原子はフッ素原子、塩素原子、臭素原子又はCN基で置き換えられていてもよく、
Zは各々独立に−O−、−S−、−CO−、−CO−O−、−O−CO−、−O−CO−O−、−CO−N(R)−、−N(R)−CO−、−OCH−、−CHO−、−SCH−、−CHS−、−O−SO−、−SO−O−、−CFO−、−OCF−、−CFS−、−SCF−、−CHCH−、−CFCH−、−CHCF−、−CFCF−、−CH=CH−、−CF=CH−、−CH=CF−、−CF=CF−、−C≡C−、−CH=CH−CO−O−、−O−CO−CH=CH−又は単結合を表し、−CO−N(R)−又は−N(R)−CO−におけるRは水素原子又は炭素原子数1〜4の直鎖状又は分枝状のアルキル基を表し、
Aは各々独立にフェニレン基、シクロヘキシレン基、ジオキソランジイル基、シクロヘキセニレン基、ビシクロ[2.2.2]オクチレン基、ピペリジンジイル基、ナフタレンジイル基、デカヒドロナフタレンジイル基、テトラヒドロナフタレンジイル基、又はインダンジイル基から選択される環式基を表し、前記フェニレン基、ナフタレンジイル基、テトラヒドロナフタレンジイル基、又はインダンジイル基は環内の1つ又は2つ以上の−CH=基が窒素原子で置き換えられてもよく、前記シクロヘキシレン基、ジオキソランジイル基、シクロヘキセニレン基、ビシクロ[2.2.2]オクチレン基、ピペリジンジイル基、デカヒドロナフタレンジイル基、テトラヒドロナフタレンジイル基、又はインダンジイル基は環内の1つ又は2つの隣接していない−CH−基が、−O−及び/又は−S−で置き換えられてもよく、前記環式基の1つ又はそれ以上の水素原子が、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、CN基、NO基、あるいは、1つ又は2つ以上の水素原子がフッ素原子又は塩素原子で置き換えられてもよい、炭素原子数1〜7の有するアルキル基、アルコキシ基、アルキルカルボニル基又はアルコキシカルボニル基で置き換えられていてもよく、
nは1、2、3、4又は5である。)で表される液晶性化合物が好ましい。
また、下記の一般式
Figure 0005505566
(式中、Rは各々独立に炭素原子数1〜18の直鎖状もしくは分岐状のアルキル基、水素原子又はフッ素原子を表し、該アルキル基中の、1つ又は2つの隣接していない−CH−基は−O−、−S−、−CO−、−CO−O−、−O−CO−、−CO−S−、−S−CO−、−O−SO−、−SO−O−、−O−CO−O−、−CH=CH−、−C≡C−、シクロプロピレン基又は−Si(CH−で置き換えられてもよく、該アルキル基中の1つ以上の水素原子はフッ素原子、塩素原子、臭素原子又はCN基で置き換えられていてもよく、
Zは各々独立に−O−、−S−、−CO−、−CO−O−、−O−CO−、−O−CO−O−、−CO−N(R)−、−N(R)−CO−、−OCH−、−CHO−、−SCH−、−CHS−、−O−SO−、−SO−O−、−CFO−、−OCF−、−CFS−、−SCF−、−CHCH−、−CFCH−、−CHCF−、−CFCF−、−CH=CH−、−CF=CH−、−CH=CF−、−CF=CF−、−C≡C−、−CH=CH−CO−O−、−O−CO−CH=CH−又は単結合を表し、−CO−N(R)−又は−N(R)−CO−におけるRは水素原子又は炭素原子数1〜4の直鎖状又は分枝状のアルキル基を表し、
Yは各々独立に、単結合又は炭素原子数1〜10の直鎖状もしくは分岐状のアルキレン基を表し、該アルキレン基中に存在する1つ又は2つ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各々独立に−O−、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良く、該アルキレン基中に存在する1つ又は2つ以上の水素原子は各々独立にハロゲン原子又は炭素原子数1〜9のアルキル基で置換されていてもよく、
Xは各々独立にハロゲン原子、シアノ基、メチル基、メトキシ基、−CF、又は−OCFを表し、
nは各々独立に0〜4の整数を表し、
、n、n及びnは、各々独立に0又は1を表すが、n+n+n+n=1〜4であり、
Cycloは各々独立に炭素原子数3〜10のシクロアルカンを表し、任意に二重結合を有していてもよい。)で表される液晶性化合物(LC−I)〜(LC−III)が好ましい。
ここで、Cycloはシクロヘキサン(シクロへキシレン基)であることが好ましく、例えば下記一般式
Figure 0005505566
(式中、Rは各々独立に炭素原子数1〜18の直鎖状もしくは分岐状のアルキル基、水素原子又はフッ素原子を表し、該アルキル基中の、1つ又は2つの隣接していない−CH−基は−O−、−S−、−CO−、−CO−O−、−O−CO−、−CO−S−、−S−CO−、−O−SO−、−SO−O−、−O−CO−O−、−CH=CH−、−C≡C−、シクロプロピレン基又は−Si(CH−で置き換えられてもよく、該アルキル基中の1つ以上の水素原子はフッ素原子、塩素原子、臭素原子又はCN基で置き換えられていてもよく、
Zは各々独立に−O−、−S−、−CO−、−CO−O−、−O−CO−、−O−CO−O−、−CO−N(R)−、−N(R)−CO−、−OCH−、−CHO−、−SCH−、−CHS−、−O−SO−、−SO−O−、−CFO−、−OCF−、−CFS−、−SCF−、−CHCH−、−CFCH−、−CHCF−、−CFCF−、−CH=CH−、−CF=CH−、−CH=CF−、−CF=CF−、−C≡C−、−CH=CH−CO−O−、−O−CO−CH=CH−又は単結合を表し、−CO−N(R)−又は−N(R)−CO−におけるRは水素原子又は炭素原子数1〜4の直鎖状又は分枝状のアルキル基を表し、
Yは各々独立に、単結合又は炭素原子数1〜10の直鎖状もしくは分岐状のアルキレン基を表し、該アルキレン基中に存在する1つ又は2つ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各々独立に−O−、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良く、該アルキレン基中に存在する1つ又は2つ以上の水素原子は各々独立にハロゲン原子又は炭素原子数1〜9のアルキル基で置換されていてもよく、
Xは各々独立にフッ素原子、塩素原子、臭素原子、シアノ基、メチル基、メトキシ基、CF基、又はOCF基を表し、
nは各々独立に0〜4の整数を表し、
、n、n及びnは、各々独立に0又は1を表すが、n+n+n+n=1〜4である。)で表される液晶性化合物(LC−I′)〜(LC−III′)が好ましい。
液晶性を発現するためには、環に対して1,4−置換であることが好ましい。すなわち該液晶性化合物に含まれる環式2価基が1,4−シクロへキシレン基、1,4−フェニレン基、2,5−ピリミジンジイル基などであることが好ましい。
例えば下記一般式
Figure 0005505566
(式中、R11及びR12は各々独立に炭素原子数1〜18の直鎖状もしくは分岐状のアルキル基、又はフッ素原子を表すが、R11とR12が同時にフッ素原子となることはなく、該アルキル基中の、1つ又は2つの隣接していない−CH−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−で置き換えられてもよく、該アルキル基中の1つ以上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、
11〜X22は各々独立に水素原子、フッ素原子、CF基、又はOCF基を表し、
11〜L14は各々独立に単結合、−O−、−S−、−CO−、−CHO−、−OCH−、−CFO−、−OCF−、−CO−O−、−O−CO−、−CO−S−、−S−CO−、−O−CO−O−、−CHCH−、−CH=CH−、又は−C≡C−を表し、
Yは各々独立に、単結合又は炭素原子数1〜10の直鎖状もしくは分岐状のアルキレン基を表し、該アルキレン基中に存在する1つ又は2つ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各々独立に−O−、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良く、該アルキレン基中に存在する1つ又は2つ以上の水素原子は各々独立にハロゲン原子又は炭素原子数1〜9のアルキル基で置換されていてもよく、
、b、c、dは各々独立に0又は1の整数を表すが、a+b+c+dは1、2又は3であり、aが0の場合はdは0であり、aが1の場合はcは0であり、cが1の場合はaは0であり、b=c=1の場合はa=d=0であり、
Cycloは各々独立に炭素原子数3〜10のシクロアルカンを表し、任意に二重結合を有していてもよい。)で表される液晶性化合物(LC−Ia)〜(LC−IIIa)が好ましい。
また、下記一般式
Figure 0005505566
(式中、R11及びR12は各々独立に炭素原子数1〜18の直鎖状もしくは分岐状のアルキル基、又はフッ素原子を表すが、R11とR12が同時にフッ素原子となることはなく、該アルキル基中の、1つ又は2つの隣接していない−CH−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−で置き換えられてもよく、該アルキル基中の1つ以上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、
環Aは各々1〜4つの水素原子がフッ素原子、CF基、OCF基、又はCN基、あるいはこれらの複数の基で置き換えられてもよい1,4−フェニレン基、又は、1,4−シクロヘキシレン基を表し、
環Bは1〜4つの水素原子がフッ素原子、CF基、OCF基、又はCN基、あるいはこれらの複数の基で置き換えられてもよい1,4−フェニレン基を表し、
環Cは1〜4つの水素原子がフッ素原子、CF基、OCF基、又はCN基、あるいはこれらの複数の基で置き換えられてもよい1,4−シクロヘキシレン基を表し、
Lは各々独立に単結合、−O−、−S−、−CO−、−CHO−、−OCH−、−CFO−、−OCF−、−CO−O−、−O−CO−、−CO−S−、−S−CO−、−O−CO−O−、−CHCH−、−CH=CH−、又は−C≡C−を表し、
Yは各々独立に、単結合又は炭素原子数1〜10の直鎖状もしくは分岐状のアルキレン基を表し、該アルキレン基中に存在する1つ又は2つ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各々独立に−O−、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良く、該アルキレン基中に存在する1つ又は2つ以上の水素原子は各々独立にハロゲン原子又は炭素原子数1〜9のアルキル基で置換されていてもよく、
は0、1、又は2を表し、b、及びcは0、1、又は2の整数を表し、a、b及びcの合計は1、2または3を表す。)で表される液晶性化合物(LC−IV)、
Figure 0005505566
(式中、R21及びR22は各々独立に炭素原子数1〜18の直鎖状もしくは分岐状のアルキル基、又はフッ素原子を表すが、R21とR22が同時にフッ素原子となることはなく、該アルキル基中の、1つ又は2つの隣接していない−CH−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−で置き換えられてもよく、該アルキル基中の1つ以上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、
21〜X27は各々独立に水素原子、フッ素原子、CF基、又はOCF基を表し、
21〜L24は各々独立に単結合、−O−、−S−、−CO−、−CHO−、−OCH−、−CFO−、−OCF−、−CO−O−、−O−CO−、−CO−S−、−S−CO−、−O−CO−O−、−CHCH−、−CH=CH−、又は−C≡C−を表し、
、b、c及びdは各々独立に0又は1の整数を表すが、a+b+c+dは1、2又は3であり、aが0の場合はdは0であり、aが1の場合はcは0であり、b=c=1の場合はa=d=0である。)で表される液晶性化合物(LC−V)が好ましい。
フェニルピリミジン系化合物のうち、強誘電性の発現に必要な傾いたスメクチック相を得るため、あるいは、分子の傾き角を大きくするため、もしくは融点を低下させるためには分子の環の部分に置換基として、少なくとも1つ以上のフッ素原子、CF基、あるいはOCF基が導入されることが好ましい。置換基としては形状の小さなフッ素を導入することが、液晶相を安定に保ち、また、高速応答性も保持する面で好ましい。置換基の数は1〜3が好ましい。
粘度が低く高速応答するため、環をつなぐ連結基(−Z−Y−Z−、又は−Y−L−Y−)としては、単結合、−CHO−、−OCH−、−CFO−、−OCF−、−CHCH−、−CH=CH−、又は、−C≡C−からなるより選択されることが好ましく、特に、単結合であることが好ましい。分子の局部的な分極を抑制しスイッチング挙動への悪影響を少なくする面でも単結合が好ましい。一方、層構造の安定性を保つための材料としては粘度が高い方が好ましく、その場合には、−CO−O−、−O−CO−、−CO−S−、−S−CO−からなるより選択されることが好ましく用いられ、特に、−CO−O−、−O−CO−が好ましく用いられる。
一方、融点を低下させる効果を大きくするという点では、側鎖(R、R11、R12、R21、R22)の一方または両方に水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、イソプロピル基、アルキルカルボニルオキシ基、アルキルオキシカルボニル基、アルキルオキシカルボニルオキシ基を用いることが好ましい。
Δnを大きくするのに適していて、安定な強誘電性液晶相を示し、かつ、粘度が低く高速応答に適した化合物としては、下記一般式
Figure 0005505566
(式中、R21及びR22は各々独立に炭素原子数1〜18の直鎖状もしくは分岐状のアルキル基、水素原子、又はフッ素原子を表し、
該アルキル基中の、1つ又は2つの隣接していない−CH−基は−O−、−S−、−CO−、−CO−O−、−O−CO−、−CO−S−、−S−CO−、−O−SO−、−SO−O−、−O−CO−O−、−CH=CH−、−C≡C−、シクロプロピレン基又は−Si(CH−で置き換えられてもよく、該アルキル基中の1つ以上の水素原子はフッ素原子、塩素原子、臭素原子、又はCN基で置き換えられていてもよく、
21〜X24は各々独立に水素原子、ハロゲン、シアノ基、メチル基、メトキシ基、CF基、又はOCF基を表し、
環Aはフェニレン基またはシクロヘキシレン基を示し、
Lは各々独立に単結合、−O−、−S−、−CO−、−CHO−、−OCH−、−CFO−、−OCF−、−CO−O−、−O−CO−、−CO−S−、−S−CO−、−O−CO−O−、−CHCH−、−CH=CH−、又は−C≡C−を表し、
は0、1、又は2を表し、b、及びcは0、1、又は2の整数を表し、a+b+cの合計は1又は2を表し、a=1のときc=0であり、c=1のときa=0である)で表される液晶性化合物(LC−VI)が好ましい。
上記一般式(LC−I)〜(LC−VI)におけるYは、好ましくは、各々独立に、単結合又は炭素原子数1〜7のアルキレン基(該アルキレン基中に存在する1つ又は2つ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各々独立に−O−、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良い。)であり、
より好ましくは、各々独立に、単結合又は炭素原子数1〜5のアルキレン基(該アルキレン基中に存在する1つ又は2つ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各々独立に−O−、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良い。)であり、
より好ましくは、各々独立に、単結合又は炭素原子数1〜3のアルキレン基(該アルキレン基中に存在する1つ又は2つ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各々独立に−O−、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良い。)である。
TFT駆動に適していて、安定な強誘電性液晶相を示し、かつ、粘度が低く高速応答に適した化合物としては、下記一般式
Figure 0005505566
(式中、eは0、1又は2を示し、
21〜X26は各々独立に水素原子、又はフッ素原子基を表すが、eが0のときX21〜X24の少なくとも1つはフッ素原子で、eが1のときX21〜X26の少なくとも1つはフッ素原子であり、
21及びR22は各々独立に炭素原子数1〜18の直鎖状もしくは分岐状のアルキル基を表し、該アルキル基中の、1つの−CH−基が−O−で置き換えられてもよく、
25は単結合、−CHO−、又は−OCH−を表し、
環Aはフェニレン基またはシクロヘキシレン基を表す。)で表される液晶性化合物(LC−VII)が特に好ましい。
本発明の強誘電性液晶組成物に用いられる液晶性化合物は、上記の(LC−0)、(LC−I)〜(LC−III)、(LC−IV)、(LC−V)、(LC−VI)、(LC−VII)等のいずれか1つまたは2つ以上の組み合わせで用いてもよい。
<キラル化合物>
本発明の液晶表示装置における強誘電性液晶組成物は、キラル化合物を含有してもよい。キラル化合物としては、不斉原子をもつ化合物、軸不斉をもつ化合物、面不斉をもつ化合物のいずれでもよく、該キラル化合物は重合性基を有していても、重合性基を有していなくてもよく、該キラル化合物は1種又は2種以上用いてもよい。ここで、軸不斉をもつ化合物には、アトロプ異性体を含むものとする。
これらのキラル化合物としては不斉原子をもつ化合物又は軸不斉をもつ化合物が好ましく、不斉原子をもつ化合物が特に好ましい。不斉原子をもつ化合物において、不斉原子は不斉炭素原子であると立体反転が起こりにくく好ましいが、ヘテロ原子が不斉原子となっていてもよい。不斉原子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よい。螺旋誘起力が強いことを特に要求される場合には軸不斉をもつ化合物が好ましい。
不斉原子をもつ化合物としては、側鎖部分に不斉炭素を持つ化合物、環構造部分に不斉炭素を持つ化合物及びその両方を持つ化合物が挙げられる。具体的には一般式(Ch−I)で表される化合物が挙げられる。
Figure 0005505566
100およびR101は互いに独立して、水素原子、シアノ基、NO、ハロゲン、OCN、SCN、SF、炭素原子数1〜30個のキラル又はアキラルなアルキル基、重合性基又は環構造を含むキラルな基を表すが、該アルキル基中の1個又は2個以上の隣接していないCH基は互いに独立して、−O−、−S−、−NH−、−N(CH)−、−CO−、−COO−、−OCO−、−OCO−O−、−S−CO−、−CO−S−、−CH=CH−、−CF−、−CF=CH−、−CH=CF−、−CF=CF−または−C≡C−により置換されていてもよく、該アルキル基中の1個又は2個以上の水素原子は互いに独立して、ハロゲン又はシアノ基によって置換されていてもよく、該アルキル基は直鎖状であっても、分岐していても又は環構造を含んでいてもよい。
キラルなアルキル基としては、以下の式(Ra)〜(Rk)が好ましい。
Figure 0005505566
Figure 0005505566
Figure 0005505566
及びRは、各々独立に炭素原子数1〜10の直鎖状もしくは分枝状のアルキル基、又は水素原子を表し、該アルキル基の1つ又は2つ以上の−CH−基は酸素原子又は硫黄原子が相互に直接結合しないものとして−O−、−S−、−NH−、−N(CH)−、−CO−、−CO−O−、−O−CO−、−O−CO−O−、−S−CO−、−CO−S−、−O−SO−、−SO−O−、−CH=CH−、−C≡C−、シクロプロピレン基又は−Si(CH−で置き換えられてもよく、さらにアルキル基の1つ又はそれ以上の水素原子がフッ素原子、塩素原子、臭素原子あるいはシアノ基で置き換えられていてもよく、重合性基をもっていてもよい。重合性基としては、下記の式(R−1)〜(R−15)で表される構造が好ましい。
Figure 0005505566
これらの重合性基はラジカル重合、ラジカル付加重合、カチオン重合、及びアニオン重合により硬化する。特に重合方法として紫外線重合を行う場合には、式(R−1)、式(R−2)、式(R−4)、式(R−5)、式(R−7)、式(R−11)、式(R−13)又は式(R−15)が好ましく、式(R−1)、式(R−2)、式(R−7)、式(R−11)又は式(R−13)がより好ましく、式(R−1)、式(R−2)がより好ましい。環構造を含むキラルな基において環構造は芳香族であっても脂肪族であってもよい。アルキル基が取り得る環構造としては単環構造、縮合環構造またはスピロ(spirocyclic)環構造をとることができ、また1個または2個以上のヘテロ原子を含むことができる。
また、X及びXは、ハロゲン原子(F、Cl、Br、I)、シアノ基、フェニル基(該フェニル基の1つ又は2つ以上の任意の水素原子はハロゲン原子(F、Cl、Br、I)、メチル基、メトキシ基、−CF、−OCFで置換されていてもよい。)、メチル基、メトキシ基、−CF、又は−OCFであることが好ましい。ただし、一般式(Rc)及び(Rh)において、アステリスク*を付した位置が不斉原子となるためには、XはXと異なる基が選択される。
また、nは0〜20の整数であり、nは0または1であり、
一般式(Rd)及び(Ri)におけるRは、水素原子又はメチル基が好ましく、
一般式(Re)及び(Rj)におけるQは、メチレン基、イソプロピリデン基、シクロヘキシリデン基などの二価の炭化水素基が挙げられ、
一般式(Rk)におけるkは、0〜5の整数であり、
より好ましくは、R=C,C13,C17などの炭素原子数4〜8の直鎖状もしくは分枝状のアルキル基が挙げられる。また、Xとしては、F、CF、CHが好ましい。
中でも特に、
Figure 0005505566
(式中、oは0または1であり、nは2〜12、好ましくは3〜8、より好ましくは4、5または6の整数であり、アステリスク*は、キラルな炭素原子を表す。)が好ましい。
上記一般式(Ch−I)においてR100及びR101の両方がキラルな基である、ジキラル化合物がより好ましい。ジキラル化合物としては、エステル結合をもつ化合物は自発分極を大きくするために好ましく、エーテル結合をもつ化合物はチルト角を大きくする、あるいは電圧印加時の配向を安定化するために好ましい。
100及びZ101は互いに独立して、−O−、−S−、−CO−、−COO−、−OCO−、−O−COO−、−CO−N(R)−、−N(R)−CO−、−OCH−、−CHO−、−SCH−、−CHS−、−CFO−、−OCF−、−CFS−、−SCF−、−CHCH−、−CFCH−、−CHCF−、−CFCF−、−CH=CH−、−CF=CH−、−CH=CF−、−CF=CF−、−C≡C−、−CH=CH−COO−、−OCO−CH=CH−又は単結合を表し、−CO−N(R)−又は−N(R)−CO−におけるRは水素原子又は炭素原子数1〜4の直鎖状又は分岐状のアルキル基を表すが、−CFO−、−OCF−、−CFCF−、−CF=CF−、−COO−、−OCO−、−CH−CH−、−C≡C−又は単結合であるのが好ましい。
100及びA101は互いに独立して、
(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−CH−又は隣接していない2個以上の−CH−は互いに独立して−O−又は−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−CH=又は隣接していない2個以上の−CH=は窒素原子に置き換えられてもよい。)又は
(c) 1,4−シクロヘキセニレン基、1,4−ビシクロ[2.2.2]オクチレン基、インダン−2,5−ジイル、ナフタレン−2,6−ジイル基、デカヒドロナフタレン−2,6−ジイル基及び1,2,3,4−テトラヒドロナフタレン−2,6−ジイル基(これら(c)群の基中に存在する1個の−CH−又は隣接していない2個以上の−CH−は互いに独立して−O−又は−S−に置き換えられてもよく、これら(c)群の基中に存在する1個の−CH=又は隣接していない2個以上の−CH=は窒素原子に置き換えられてもよい。)からなる群より選ばれる基を表すが、これらの全ての基は、非置換であるか、ハロゲン、シアノ基、NO又は、1個若しくは2個以上の水素原子がF若しくはClにより置換されていてもよい炭素原子数1〜7個のアルキル、アルコキシ、アルキルカルボニル若しくはアルコキシカルボニル基で一置換若しくは多置換されていてよい。
一般式(Ch−I)におけるA100及びA101は、1,4−フェニレン又はトランス−1,4−シクロヘキシレンが好ましいが、これらの環が、非置換であるか、あるいは1〜4位において、F、Cl、CNあるいは、1〜4個の炭素原子を有するアルキル、アルコキシ、アルキルカルボニルまたはアルコキシカルボニルで置換されているのが好ましい。
11は0又は1を表し、n11が0のとき、m12は0であり、かつm11は0、1、2、3、4又は5であり、n11が1のとき、m11とm12は各々独立に0、1、2、3、4または5であり、n11が0のとき、R100およびR101の少なくとも1つは、キラルなアルキル基、重合性基または環構造を含むキラルな基である。
11及びm12が0のとき、m11は1、2又は3であるのが好ましく、n11が1のとき、m11及びm12は各々独立に1、2又は3であるのが好ましい。
Dは、式(D1)〜(D8)
Figure 0005505566
(式中、ベンゼン環の任意の1つ又は2つ以上の任意の水素原子はハロゲン原子(F、Cl、Br、I)、炭素原子数1〜20のアルキル基またはアルコキシ基で置換されていてもよく、該アルキル基またはアルコキシ基の水素原子は任意にフッ素原子に置換されていてもよく、また該アルキル基またはアルコキシ基中のメチレン基は、−O−、−S−、−COO−、−OCO−、−CF−、−CF=CH−、−CH=CF−、−CF=CF−または−C≡C−により、酸素原子または硫黄原子が互いに直接結合しないように置換されていてもよい。)で表される。)で表される置換基である。
一般式(Ch−I)における部分構造、−(A100−Z100)m11−(D)n11−(Z101−A101)m12−においてn11が0である場合には、該部分構造は以下の構造が好ましい。
Figure 0005505566
Figure 0005505566
(但し、これらの式においてベンゼン環の任意の1つ又は2つ以上の任意の水素原子はハロゲン原子(F、Cl、Br、I)、メチル基、メトキシ基、−CF、−OCFで置換されていてもよく、ベンゼン環の任意の1つ又は2つ以上の炭素原子は、窒素原子に置換されていてもよく、これらの置換基および窒素原子の導入は結晶性の低下および誘電異方性の向きや大きさを制御するのに好ましい。Zの定義は式(Ch−I)におけるZ100及びZ101と同じである。)が挙げられる。信頼性の面では、ピリジン環、ピリミジン環等の複素環よりもベンゼン環やシクロヘキサン環の方が好ましい。誘電率異方性を大きくするという面では、ピリジン環、ピリミジン環等の複素環を有する化合物を使うことが良いが、その場合には化合物の持つ分極性が比較的大きく、結晶性を低下させ液晶性を安定化するために好ましく、ベンゼン環やシクロヘキサン環等の炭化水素環である場合には、化合物の持つ分極性が低い。このため、キラル化合物の分極性に応じて、適切な含有量を選択することが好ましい。
11及びm12が0のとき、一般式(Ch−I)で表される化合物の好ましい形態は、以下のようである。
Figure 0005505566
Figure 0005505566
Figure 0005505566
Figure 0005505566
Figure 0005505566
式中、R100、R101及びZ100は、一般式(Ch−I)におけるR100、R101及びZ100と同じ意味を表し、R100及びR101の少なくとも一つはキラルな基を表し、L100〜L105は各々独立に水素原子又はフッ素原子を表す。
11が1を表すとき、一般式(Ch−I)で表される化合物は環構造部分に不斉炭素を持つ構造となるが、キラルな構造Dは式(D5)が好ましい。
Dが式(D5)を表す場合の一般式(Ch−I)で表される化合物は、具体的には以下の式(D5−1)〜(D5−8)
Figure 0005505566
Figure 0005505566
(Rは各々独立して、炭素数3〜10のアルキルであり、このアルキル中の環に隣接する−CH2−は−O−で置き換えられてもよく、任意の−CH2−は、−CH=CH−で置き換えられてもよい。)で表される化合物が好ましい。
軸不斉化合物としては、以下の一般式(Ch−II)、(Ch−III)及び(Ch−IV)で表される化合物が好ましい。
Figure 0005505566
81、R82、R83及びY81は、各々独立に炭素原子数1〜30の直鎖状もしくは分枝状のアルキル基、水素原子又はフッ素原子を表し、該アルキル基の1つ又は2つ以上の−CH−基は酸素原子又は硫黄原子が相互に直接結合しないものとして−O−、−S−、−NH−、−N(CH)−、−CO−、−CO−O−、−O−CO−、−O−CO−O−、−S−CO−、−CO−S−、−O−SO−、−SO−O−、−CH=CH−、−C≡C−、シクロプロピレン基又は−Si(CH−で置き換えられてもよく、さらにアルキル基の1つ又はそれ以上の水素原子がフッ素原子、塩素原子、臭素原子あるいはCN基で置き換えられていてもよく、重合性基をもっていてもよく、前記アルキル基が縮合又はスピロ環式系を含むものでもよく、前記アルキル基が1つ又は2つ以上のヘテロ原子を含むことができる1つ又は2つ以上の芳香族又は脂肪族の環を含むものでもよく、またこれらの環はアルキル基、アルコキシ基、ハロゲンで任意に置換されていてもよく、
81、Z82、Z83、Z84及びZ85は各々独立に炭素原子数が1〜40個であるアルキレン基を表し、該アルキル基の1つ又は2つ以上のCH基は酸素原子又は硫黄原子が相互に直接結合しないものとして−O−、−S−、−NH−、−N(CH)−、−CO−、−COO−、−OCO−、−OCOO−、−S−CO−、−CO−S−、−CH=CH−、−CH=CF−、−CF=CH−、−CF=CF−、−CF−又は−C≡C−により置き換えられていてもよく、
81、X82及びX83は、各々独立に−O−、−S−、−P−、−CO−、−COO−、−OCO−、−OCOO−、−CO−NH−、−NH−CO−、−CHCH−、−OCH−、−CHO−、−SCH−、−CHS−、−CF=CF−、−CH=CH−、−OCO−CH=CH−、−C≡C−、又は単結合を表し、
81、A82及びA83は各々独立にフェニレン基、シクロヘキシレン基、ジオキソランジイル基、シクロヘキセニレン基、ビシクロ[2.2.2]オクチレン基、ピペリジンジイル基、ナフタレンジイル基、デカヒドロナフタレンジイル基、テトラヒドロナフタレンジイル基、又はインダンジイル基から選択される環式基を表し、前記フェニレン基、ナフタレンジイル基、テトラヒドロナフタレンジイル基、又はインダンジイル基は環内の1つ又は2つ以上の−CH=基が窒素原子で置き換えられてもよく、前記シクロヘキシレン基、ジオキソランジイル基、シクロヘキセニレン基、ビシクロ[2.2.2]オクチレン基、ピペリジンジイル基、デカヒドロナフタレンジイル基、テトラヒドロナフタレンジイル基、又はインダンジイル基は環内の1つ又は2つの隣接していない−CH−基が、−O−及び/又は−S−で置き換えられてもよく、前記環式基の1つ又はそれ以上の水素原子が、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、CN基、NO基、あるいは、1つ又は2つ以上の水素原子がフッ素原子又は塩素原子で置き換えられてもよい、炭素原子数1〜7の有するアルキル基、アルコキシ基、アルキルカルボニル基又はアルコキシカルボニル基で置き換えられていてもよく、
81、m82、m83はそれぞれ0又は1であり、m81+m82+m83は1、2又は3である。
CH*81、CH*82及びCH*83は以下の基を表す。
Figure 0005505566
63、R64、R65、R66、R67及びR68は、各々独立に、水素原子、アルキル基、アルコキシル基、アシルオキシ基、ハロゲン原子、ハロアルキル基、又はジアルキルアミノ基を示し、R63、R64及びR65のうちの2つが、置換基を有していてもよいメチレン鎖、又は置換基を有していてもよい、モノ又はポリメチレンジオキシ基を形成していてもよく、R66、R67及びR68のうちの2つが、置換基を有していてもよいメチレン鎖、又は置換基を有していてもよい、モノ又はポリメチレンジオキシ基を形成していてもよい。ただし、R65とR66が共に水素原子の場合は除く。
より具体的には、以下の一般式(IV−d4)、(IV−d5)、(IV−c1)及び(IV−c2)で表される化合物が好ましい。ここで軸不斉の軸は、(IV−d4)、(IV−d5)、(IV−c2)の場合、2つのナフタレン環のα位を結ぶ結合であり、(IV−c1)の場合、2つのベンゼン環を結ぶ単結合である。
Figure 0005505566
Figure 0005505566
一般式(IV−d4)及び(IV−d5)中、R71及びR72は各々独立に、水素、ハロゲン、シアノ(CN)基、イソシアネート(NCO)基、イソチオシナネート(NCS)基又は炭素数1〜20のアルキル基を表すが、このアルキル基中の任意の1つ又は2つ以上の−CH−は、−O−、−S−、−COO−、−OCO−、−CH=CH−、−CF=CF−、又は−C≡C−で置き換えられてもよく、このアルキル中の任意の水素はハロゲンで置き換えられてもよく、
71及びA72は各々独立に、芳香族性あるいは非芳香族性の3、6ないし8員環、又は、炭素原子数9以上の縮合環を表すが、これらの環の任意の水素がハロゲン、炭素原子数1〜3のアルキル基又はハロアルキル基で置き換えられてもよく、環の1つ又は2つ以上の−CH−は−O−、−S−、又は−NH−で置き換えられてもよく、環の1つ又は2つ以上の−CH=は−N=で置き換えられてもよく、
71及びZ72は各々独立に、単結合又は炭素原子数1〜8のアルキレン基を表すが、任意の−CH−は、−O−、−S−、−COO−、−OCO−、−CSO−、−OCS−、−N=N−、−CH=N−、−N=CH−、−N(O)=N−、−N=N(O)−、−CH=CH−、−CF=CF−、又は−C≡C−で置き換えられてもよく、任意の水素はハロゲンで置き換えられてもよく、
71及びX72は各々独立に単結合、−COO−、−OCO−、−CHO−、−OCH−、−CFO−、−OCF−、又は−CHCH−を表し、
71及びm72は各々独立に1〜4の整数を表す。ただし、一般式(IV−d5)におけるm71及びm72のいずれか一方は0でもよい。
は、水素原子、ハロゲン原子、または−X71−(A71−Z71)−R71と同じ意味を表す。
一般式(IV−c1)及び(IV−c2)中、X61とY61、X62とY62は、それぞれ、いずれか少なくとも一方が存在し、X61、X62、Y61、Y62は、各々独立にCH、C=O、O、N、S、P、B、Siのいずれかを表す。また、N、P、B、Siである場合は、所要の原子価を満足するように、アルキル基、アルコキシ基、アシル基等の置換基と結合されていてもよい。
61及びE62は、それぞれ独立して水素原子、アルキル基、アリール基、アリル基、ベンジル基、アルケニル基、アルキニル基、アルキルエーテル基、アルキルエステル基、アルキルケトン基、複素環基又はこれらの誘導体のいずれかを表す。
また、一般式(IV−c1)において、R61及びR62は、各々独立に、アルキル基、アルコキシル基もしくはハロゲン原子で置換されていてもよいフェニル基、シクロペンチル基、又はシクロヘキシル基を表し、
63、R64、R65、R66、R67及びR68は、各々独立に、水素原子、アルキル基、アルコキシル基、アシルオキシ基、ハロゲン原子、ハロアルキル基、又はジアルキルアミノ基を示し、R63、R64及びR65のうちの2つが、置換基を有していてもよいメチレン鎖、又は置換基を有していてもよい、モノ又はポリメチレンジオキシ基を形成していてもよく、R66、R67及びR68のうちの2つが、置換基を有していてもよいメチレン鎖、又は置換基を有していてもよい、モノ又はポリメチレンジオキシ基を形成していてもよい。ただし、R65とR66が共に水素原子の場合は除く。
螺旋誘起力が強いことを特に要求される場合には一般式(IV−d4)及び(IV−d5)、で表される化合物が特に好ましい。
軸不斉化合物は、具体的には以下の式(E−1)〜(E−3)
Figure 0005505566
(Rは独立して、炭素原子数3〜10のアルキル基であり、このアルキル基中の環に隣接する−CH2−は−O−で置き換えられてもよく、任意の−CH2−は、−CH=CH−で置き換えられてもよい。)で表される化合物が好ましい。ここで軸不斉の軸は、(E−1)、(E−2)、(E−3)の場合、2つのナフタレン環のα位を結ぶ結合である。
面不斉化合物としては、例えば下記に示すヘリセン(Helicene)誘導体
Figure 0005505566
(式中、X61とY61、X62とY62は、それぞれ、いずれか少なくとも一方が存在し、X61、X62、Y61、Y62は、各々独立にCH、C=O、O、N、S、P、B、Siのいずれかを表す。また、N、P、B、Siである場合は、所要の原子価を満足するように、アルキル基、アルコキシ基、アシル基等の置換基と結合されていてもよい。
61及びE62は、それぞれ独立して水素原子、アルキル基、アリール基、アリル基、ベンジル基、アルケニル基、アルキニル基、アルキルエーテル基、アルキルエステル基、アルキルケトン基、複素環基又はこれらの誘導体のいずれかを表す。)
が好ましい。このようなヘリセン誘導体においては、前後に重なり合う環の前後関係が自由に変換することができないため、環が右向きの螺旋構造をとる場合と左向きの螺旋構造をとる場合とが区別され、キラリティーを発現する。
<重合性化合物>
本発明の液晶表示装置における強誘電性液晶組成物は、重合性化合物を1種又は2種以上含有してもよい。重合性化合物としては、シクロヘキサン骨格やベンゼン骨格等の環構造(メソゲン性支持基)を有する重合性化合物及びメソゲン性支持基を有しない化合物を用いることができる。
メソゲン性支持基を有する重合性化合物としては、一般式(PC1)
Figure 0005505566
(式中、Pは重合性基を表し、Spは炭素原子数0〜20のスペーサー基を表し、Qは単結合、−O−、−OCH−、−CHO−、−C−、−COO−、−OCO−、−CH=CH−、−CO−、−OCOO−、−NH−、−NHCOO−、−OCONH−、−OCOCH−、−CHOCO−、−COOCH−、−CHCOO−、−CH=CH−COO−、−OCO−CH=CH−、−CH=CH−OCO−、−COO−CH=CH−、−CH=CCH−COO−、−COO−CCH=CH−、−COOC−、−OCOC−、−COCO−、−CCOO−、−C≡C−、−CFO−及び−OCF−を表し、n11、n12は各々独立に1、2又は3を表し、MGはメソゲン基又はメソゲン性支持基を表し、
10は、水素原子、ハロゲン原子、シアノ基又は炭素原子数1〜25のアルキル基を表し、該アルキル基中の1つ又は2つ以上のCH基は、酸素原子が直接隣接しないように、−O−、−S−、−NH−、−N(CH)−、−CO−、−COO−、−OCO−、−OCOO−、−SCO−、−COS−又は−C≡C−より置き換えられていても良く、あるいはR10はP−Sp−Q−(式中、P、Sp、Qはそれぞれ独立してP、Sp、Qと同じ意味を表す。)を表す。)で表される重合性化合物であるのが好ましい。
一般式(PC1)においてMGが以下の構造
Figure 0005505566
(式中、C〜Cはそれぞれ独立して1,4−フェニレン基、1,4−シクロヘキシレン基、1,4−シクロヘキセニル基、テトラヒドロピラン−2,5−ジイル基、1,3−ジオキサン−2,5−ジイル基、テトラヒドロチオピラン−2,5−ジイル基、1,4−ビシクロ(2,2,2)オクチレン基、デカヒドロナフタレン−2,6−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、ピラジン−2,5−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、2,6−ナフチレン基、フェナントレン−2,7−ジイル基、9,10−ジヒドロフェナントレン−2,7−ジイル基、1,2,3,4,4a,9,10a−オクタヒドロフェナントレン2,7−ジイル基又はフルオレン2,7−ジイル基を表し、該1,4−フェニレン基、1,2,3,4−テトラヒドロナフタレン−2,6−ジイル基、2,6−ナフチレン基、フェナントレン−2,7−ジイル基、9,10−ジヒドロフェナントレン−2,7−ジイル基、1,2,3,4,4a,9,10a−オクタヒドロフェナントレン2,7−ジイル基及びフルオレン2,7−ジイル基は置換基として1個以上のF、Cl、CF、OCF、シアノ基、炭素原子数1〜8のアルキル基、アルコキシ基、アルカノイル基、アルカノイルオキシ基、炭素原子数2〜8のアルケニル基、アルケニルオキシ基、アルケノイル基又はアルケノイルオキシ基を有していても良く、Y及びYはそれぞれ独立して−COO−、−OCO−、−CHCH−、−OCH−、−CHO−、−CH=CH−、−C≡C−、−CH=CHCOO−、−OCOCH=CH−、−CHCHCOO−、−CHCHOCO−、−COOCHCH−、−OCOCHCH−、−CONH−、−NHCO−又は単結合を表し、n13は0、1又は2を表す。)で表されるのが好ましく、
Sp及びSpがそれぞれ独立して炭素原子数1〜15のアルキレン基を表すのが好ましく、該アルキレン基に存在する1つ又は2つ以上の水素原子はそれぞれ独立してハロゲン原子、シアノ基、メチル基又はエチル基により置換されていても良く、この基中に存在する1つ又は2つ以上のCH基は酸素原子が直接隣接しないように−O−、−S−、−NH−、−N(CH)−、−CO−、−COO−、−OCO−、−OCOO−、−SCO−、−COS−又は−C≡C−により置き換えられていても良く、P及びPがそれぞれ独立して以下の式(R−1)〜一般式(R−15)
Figure 0005505566
で表される構造であるのが好ましい。これらの重合基はラジカル重合、ラジカル付加重合、カチオン重合、及びアニオン重合により硬化する。特に重合方法として紫外線重合を行う場合には、式(R−1)、式(R−2)、式(R−4)、式(R−5)、式(R−7)、式(R−11)、式(R−13)又は式(R−15)が好ましく、式(R−1)、式(R−2)、式(R−7)、式(R−11)又は式(R−13)がより好ましく、式(R−1)、式(R−2)がより好ましい。
メソゲン性支持基を有する一般式(PC1)で表される重合性化合物は、重合性基を分子内に1個有する一般式(PC1)−0を取り得る。
Figure 0005505566
式中、R11は水素原子又はメチル基を表し、6員環T、T及びTはそれぞれ独立的に、
Figure 0005505566
のいずれか(ただしmは1から4の整数を表す。)を表し、n14は0又は1の整数を表し、
、Y及びYはそれぞれ独立して単結合、−O−、−OCH−、−OCH−、−C−、−COO−、−OCO−、−CH=CH−、−CO−、−OCOO−、−NH−、−NHCOO−、−OCONH−、−OCOCH−、−CHOCO−、−COOCH−、−CHCOO−、−CH=CH−COO−、−OCO−CH=CH−、−CH=CH−OCO−、−COO−CH=CH−、−CH=CCH−COO−、−COO−CCH=CH−、−COOC−、−OCOC−、−COCO−、−CCOO−、−C≡C−、−CFO−及び−OCF−を表し、Yは単結合、−O−、−COO−、又は−OCO−を表し、
12は水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、炭素原子数1から20のアルキル基、炭素原子数1から20のアルケニル基、炭素原子数1から20のアルコキシ基、又は炭素原子数1から20の炭化水素基を表す。
メソゲン性支持基を有する一般式(PC1)で表される重合性化合物は、重合性基を分子内に2個以上有する一般式(PC1)−1又は一般式(PC1)−2を取り得る。
Figure 0005505566
式中、P、Sp、Q、P、Sp、Q及びMGは一般式(PC1)と同じ意味を表し、n及びnはそれぞれ独立して1、2又は3を表す。
一般式(PC1)−1としては、一般式(PC1)−3から一般式(PC1)−11
Figure 0005505566
Figure 0005505566
(式中、P、P、Sp、Sp、Q及びQは一般式(PC1)と同じ意味を表し、Wはそれぞれ独立してF、CF、OCF、CH、OCH、炭素原子数2〜5のアルキル基、アルコキシ基、アルケニル基、COOW、OCOW又はOCOOWを表し(式中、Wはそれぞれ独立して炭素原子数1〜10の直鎖又は分岐鎖アルキル基又は炭素原子数2〜5のアルケニル基を表す。)、n21はそれぞれ独立して1、2又は3を表し、n22はそれぞれ独立して1、2又は3を表し、nはそれぞれ独立して0、1、2、3又は4を表し、同一環上におけるn21+n及びn22+nは5以下である。)で表される化合物からなる群より選ばれる1種又は2種以上の重合性化合物であるのが好ましい。
一般式(PC1)−3から一般式(PC1)−11においてSp、Sp、Q、及びQは単結合であるのが好ましい。n21+n22は1〜3が好ましく、1又は2が好ましい。P及びPは式(R−1)又は(R−2)であるのが好ましい。WはF、CF、OCF、CH又はOCHであるのが好ましい。nは1、2、3又は4が好ましい。
具体的には次に記載する化合物が好ましい。
Figure 0005505566
また、さらに上記(PC1−3a)〜(PC1−3i)のベンゼン環の水素原子がフッ素原子に置換されていてもよい。
また、一般式(PC1)−1としては一般式(II−a)
Figure 0005505566
(式(II−a)中、R及びRはそれぞれ独立して水素原子又はメチル基を表し、
及びCはそれぞれ独立して1,4−フェニレン基、1,4−シクロへキシレン基、ピリジン−2,5−ジイル基、ピリミジン−2,5−ジイル基、ピリダジン−3,6−ジイル基、1,3−ジオキサン−2,5−ジイル基、シクロヘキセン−1,4−ジイル基、デカヒドロナフタレン−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、2,6−ナフチレン基又はインダン−2,5−ジイル基(これらの基のうち1,4−フェニレン基、1,2,3,4−テトラヒドロナフタレン−2,6−ジイル基、2,6−ナフチレン基及びインダン−2,5−ジイル基は、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。)を表し、
及びZはそれぞれ独立して単結合又は炭素原子数1から15のアルキレン基(該アルキレン基中に存在する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、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良く、該アルキレン基中に存在する1個又は2個以上の水素原子はそれぞれ独立にフッ素原子、メチル基又はエチル基で置換されていても良い。)を表し、
は、単結合、−CHCH−、−CHO−、−OCH−、−CHCHO−、−OCHCH−、−CHCHCHO−、−OCHCHCH−、−CHCHOCO−、−COOCHCH−、−CHCHCOO−、−OCOCHCH−、−CH=CH−、−C≡C−、−CFO−、−OCF−、−COO−又は−OCO−を表し、nは、0、1又は2を表す。ただし、nが2を表す場合、複数あるC及びZは同じであっても異なっていても良い。)、及び一般式(II−b)
Figure 0005505566
(式(II−b)中、R及びRはそれぞれ独立して水素原子又はメチル基を表し、
は1,4−フェニレン基、1,4−シクロへキシレン基、ピリジン−2,5−ジイル基、ピリミジン−2,5−ジイル基、ピリダジン−3,6−ジイル基、1,3−ジオキサン−2,5−ジイル基、シクロヘキセン−1,4−ジイル基、デカヒドロナフタレン−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、2,6−ナフチレン基又はインダン−2,5−ジイル基(これらの基のうち1,4−フェニレン基、1,2,3,4−テトラヒドロナフタレン−2,6−ジイル基、2,6−ナフチレン基及びインダン−2,5−ジイル基は、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。)を表し、
はベンゼン−1,2,4−トリイル基、ベンゼン−1,3,4−トリイル基、ベンゼン−1,3,5−トリイル基、シクロヘキサン−1,2,4−トリイル基、シクロヘキサン−1,3,4−トリイル基又はシクロヘキサン−1,3,5−トリイル基を表し、
及びZはそれぞれ独立して単結合又は炭素原子数1から15のアルキレン基(該アルキレン基中に存在する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、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良く、該アルキレン基中に存在する1個又は2個以上の水素原子はそれぞれ独立にフッ素原子、メチル基又はエチル基で置換されていても良い。)を表し、
は、単結合、−CHCH−、−CHO−、−OCH−、−CHCHO−、−OCHCH−、−CHCHCHO−、−OCHCHCH−、−CHCHOCO−、−COOCHCH−、−CHCHCOO−、−OCOCHCH−、−CH=CH−、−C≡C−、−CFO−、−OCF−、−COO−又は−OCO−を表し、nは、0、1又は2を表す。ただし、nが2を表す場合、複数あるC及びZは同じであっても異なっていても良い。)からなる群より選ばれる少なくとも1種又は2種以上の重合性化合物であるのも好ましい。
一般式(II−a)で表される化合物としては、一般式(II−d)及び(II−e)
Figure 0005505566
(式(II−d)及び(II−e)中、mは、0又は1を表し、
11及びY12はそれぞれ独立して単結合、−O−、−COO−又は−OCO−を表し、Y13及びY14はそれぞれ独立して−COO−又は−OCO−を表し、Y15及びY16はそれぞれ独立して−COO−又は−OCO−を表し、r及びsはそれぞれ独立して2〜14の整数を表す。式中に存在する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。)のいずれかで表される化合物を用いると、機械的強度や耐熱性に優れた光学異方体が得られるので好ましい。
一般式(II−a)で表される化合物の具体例としては、以下の式(II−1)から(II−10)で表される化合物を挙げることができる。
Figure 0005505566
式中、j及びkはそれぞれ独立的に2〜14の整数を表す。
また、一般式(II−d)及び(II−e)のいずれかで表される化合物の具体例としては、以下の式(II−11)〜(II−20)で表される化合物を挙げることができる。
Figure 0005505566
式中、j及びkはそれぞれ独立的に2〜14の整数を表す。
メソゲン性支持基を有さない重合性化合物としては、一般式(PC2)
Figure 0005505566
(式中、Pは重合性基を表し、Aは単結合又は炭素原子数1から15のアルキレン基(該アルキレン基中に存在する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、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良く、該アルキレン基中に存在する1個又は2個以上の水素原子はそれぞれ独立にフッ素原子、メチル基又はエチル基で置換されていても良い。)を表し、
、Zは単結合又は炭素原子数1から15のアルキレン基(該アルキレン基中に存在する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、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良く、該アルキレン基中に存在する1個又は2個以上の水素原子はそれぞれ独立にフッ素原子、メチル基又はエチル基で置換されていても良い。)を表し、
及びAはそれぞれ独立して水素原子又は炭素原子数1から30のアルキル基(該アルキル基中に存在する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、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良く、該アルキル基中に存在する1個又は2個以上の水素原子はそれぞれ独立にハロゲン原子又は炭素原子数1から17のアルキル基で置換されていても良い。)を表し、
及びAはそれぞれ独立して水素原子又は炭素原子数1から10のアルキル基(該アルキル基中に存在する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、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良く、該アルキル基中に存在する1個又は2個以上の水素原子はそれぞれ独立にハロゲン原子又は炭素原子数1から9のアルキル基で置換されていても良い。)を表し、kは0から40を表し、
、B及びBは、それぞれ独立して水素原子、炭素原子数1から10の直鎖もしくは分岐のアルキル基(該アルキル基中に存在する1個もしくは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、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良い)、又は−A−P(式中、Aは単結合又は炭素原子数1から15のアルキレン基(該アルキレン基中に存在する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、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良く、該アルキレン基中に存在する1個又は2個以上の水素原子はそれぞれ独立にフッ素原子、メチル基又はエチル基で置換されていても良い。)で表される基を表す。ただし、2k+1個あるB、B及びBのうち前記−A−Pで表される基となるものの個数は0〜3個である。)で表される重合性化合物であることが好ましく、一般式(PC2)で表されるものの中で、主鎖長やアルキル側鎖長の異なるものを複数含有させても良い。
一般式(PC2)で表される重合性化合物の好ましい構造として、下記一般式(PC2)−1
Figure 0005505566
(式中、Pは重合性基を表し、A12及びA18はそれぞれ独立して単結合又は炭素原子数1から15のアルキレン基(該アルキレン基中に存在する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、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良く、該アルキレン基中に存在する1個又は2個以上の水素原子はそれぞれ独立にフッ素原子、メチル基又はエチル基で置換されていても良い。)を表し、
13及びA16はそれぞれ独立して炭素原子数2から20の直鎖アルキル基(該直鎖アルキル基中に存在する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、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良い。)を表し、
14及びA17はそれぞれ独立して水素原子又は炭素原子数1から10のアルキル基(該アルキル基中に存在する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、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良く、該アルキル基中に存在する1個又は2個以上の水素原子はそれぞれ独立にハロゲン原子又は炭素原子数1から9のアルキル基で置換されていても良い。)を表し、
15は炭素原子数9から16のアルキレン基(該アルキレン基中に存在する少なくとも1個以上5個以下のメチレン基において、該メチレン基中の水素原子の一つはそれぞれ独立に炭素原子数1から10の直鎖又は分岐のアルキル基で置換されている。該アルキレン基中に存在する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、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良い。)を表す。)で表される化合物、一般式(PC2)−2
Figure 0005505566
(式中、Pは重合性基を表し、aは、6〜22の整数を表す。)で表される化合物、一般式(PC2)−3
Figure 0005505566
(式中、Pは重合性基を表し、b及びcはそれぞれ独立して1〜10の整数を表し、dは1〜10の整数を表し、eは0〜6の整数を表す。)で表される化合物、及び一般式(PC2)−4
Figure 0005505566
(式中、Pは重合性基を表し、m,n,p及びqはそれぞれ独立して1〜10の整数を表す。)で表される化合物からなる群から選ばれる1種以上が挙げられる。これらの中でも、式(PC2)−1で表される化合物を含むことが好ましい。
重合性基Pとしては、以下の式(R−1)〜(R−15)
Figure 0005505566
を取り得るが、式(R−1)、式(R−2)、式(R−4)、式(R−5)、式(R−7)、式(R−11)、式(R−13)又は式(R−15)が好ましく、式(R−1)、式(R−2)、式(R−7)、式(R−11)又は式(R−13)がより好ましく、式(R−1)、式(R−2)がより好ましい。更に、式(R−1)が重合速度がより速くなる点で特に好ましい。
12及びA18はそれぞれ独立して単結合又は炭素原子数1〜3のアルキレン基であることが好ましい。二つの重合性基間距離は、A12及びA18とA15とで独立的にそれぞれ炭素数の長さを変えて調整することができる。一般式(PC2)−1で表される化合物の特徴は、重合性官能基間の距離(架橋点間の距離)が長いことであるが、この距離があまりに長いと重合速度が極端に遅くなって相分離に悪い影響が出てくるため、重合性官能基間距離には上限がある。一方、A13及びA16の二つの側鎖間距離も主鎖の運動性に影響がある。すなわちA13及びA16の間の距離が短いと側鎖A13及びA16がお互いに干渉するようになり、運動性の低下をきたす。従って、一般式(PC2)−1で表される化合物において重合性官能基間距離はA12、A18、及びA15の和で決まるが、このうちA12とA18を長くするよりはA15を長くした方が好ましい。
一方、側鎖であるA13,A14,A16,A17においては、これらの側鎖の長さが次のような態様を有することが好ましい。
一般式(PC2)−1において、A13とA14は主鎖の同じ炭素原子に結合しているが、これらの長さが異なるとき、長いほうの側鎖をA13と呼ぶものとする(A13の長さとA14の長さが等しい場合は、いずれが一方をA13とする)。同様に、A16の長さとA17の長さが異なるとき、長いほうの側鎖をA16と呼ぶものとする(A16の長さとA17の長さが等しい場合は、いずれが一方をA16とする)。
このようなA13及びA16は、本願においてはそれぞれ独立して炭素原子数2から20の直鎖アルキル基(該直鎖アルキル基中に存在する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、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良い。)とされているが、
好ましくは、それぞれ独立して炭素原子数2から18の直鎖アルキル基(該直鎖アルキル基中に存在する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、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良い。)であり、
より好ましくは、それぞれ独立して炭素原子数3から15の直鎖アルキル基(該直鎖アルキル基中に存在する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、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良い。)である。
側鎖は主鎖に比べて運動性が高いので、これが存在することは低温での高分子鎖の運動性向上に寄与するが、前述したように二つの側鎖間で空間的な干渉が起こる状況では逆に運動性が低下する。このような側鎖間での空間的な干渉を防ぐためには側鎖間距離を長くすること、及び、側鎖長を必要な範囲内で短くすることが有効である。
さらにA14及びA17については、本願においてはそれぞれ独立に水素原子又は炭素原子数1から10のアルキル基(該アルキル基中に存在する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、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良く、該アルキル基中に存在する1個又は2個以上の水素原子はそれぞれ独立にハロゲン原子又は炭素原子数1から9のアルキル基で置換されていても良い。)とされているが、好ましくは、それぞれ独立に水素原子又は炭素原子数1から7のアルキル基(該アルキル基中に存在する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、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良い。)であり、より好ましくは、それぞれ独立に水素原子又は炭素原子数1から5のアルキル基(該アルキル基中に存在する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、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良い。)であり、さらに好ましくは、それぞれ独立に水素原子又は炭素原子数1から3のアルキル基(該アルキル基中に存在する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、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良い。)である。
このA14及びA17についても、その長さが長すぎることは側鎖間の空間的な干渉を誘起するため好ましくない。この一方でA14及びA17が短い長さを持ったアルキル鎖である場合、高い運動性を持った側鎖になり得ること、及び隣接する主鎖同士の接近を阻害する働きを有することが考えられ、高分子主鎖間の干渉を防ぐ作用があり主鎖の運動性を高めているものと考えられ、アンカリングエネルギーが低温で増加して行くことを抑制することができ、高分子安定化液晶光学素子の低温域における特性を改善する上で有効である。
二つの側鎖間に位置するA15は、側鎖間距離を変える意味からも、架橋点間距離を広げてガラス転移温度を下げる意味からも、長い方が好ましい。しかしながらA15が長すぎる場合は一般式(PC2)−1で表される化合物の分子量が大きくなりすぎ液晶組成物との相溶性が低下してくること、及び重合速度が遅くなりすぎて相分離に悪影響が出ること等の理由から自ずとその長さには上限が設定される。
よって、本願発明においてA15は、炭素原子数9から16のアルキレン基(該アルキレン基中に存在する少なくとも1個以上5個以下のメチレン基において、該メチレン基中の水素原子の一つはそれぞれ独立に炭素原子数1から10の直鎖又は分岐のアルキル基で置換されている。該アルキレン基中に存在する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、−CO−、−COO−又は−OCO−で置換されていても良い。)であることが好ましい。
すなわち、本願発明においてA15のアルキレン鎖長は炭素原子数9から16であることが好ましい。A15は構造上の特徴として、アルキレン基中の水素原子が炭素原子数1から10のアルキル基で置換された構造を有する。アルキル基の置換数は1個以上5個以下であるが、1個から3個が好ましく、2個又は3個置換されていることがより好ましい。置換するアルキル基の炭素原子数は、1個から5個が好ましく、1個から3個がより好ましい。
例えば、一般式(PC2)−1において、A14及びA17が水素である化合物は、エポキシ基を複数有する化合物と、エポキシ基と反応し得る活性水素を有するアクリル酸やメタクリル酸等の重合性化合物とを反応させ、水酸基を有する重合性化合物を合成し、次に、飽和脂肪酸と反応させることにより得ることができる。
更に、複数のエポキシ基を有する化合物と飽和脂肪酸とを反応させ、水酸基を有する化合物を合成し、次に水酸基と反応し得る基を有するアクリル酸塩化物等の重合性化合物とを反応させることにより得ることができる。
またラジカル重合性化合物が、例えば、一般式(PC2)−1のA14及びA17がアルキル基であり、A12及びA18が炭素原子数1であるメチレン基である場合は、オキセタン基を複数有する化合物と、オキセタン基と反応し得る脂肪酸塩化物や脂肪酸とを反応させ、更に、アクリル酸などの活性水素を有する重合性化合物とを反応させる方法や、オキセタン基を一つ有する化合物と、オキセタン基と反応し得る多価の脂肪酸塩化物や脂肪酸とを反応させ、更に、アクリル酸などの活性水素を有する重合性化合物とを反応させる方法等により得ることができる。
また、一般式(PC2)−1のA12及びA18が炭素原子数3であるアルキレン基(プロピレン基;−CHCHCH−)の場合は、オキセタン基の代わりにフラン基を複数有する化合物を用いることにより得ることができる。更に、一般式(PC2)−1のA12及びA18が炭素原子数4であるアルキレン基(ブチレン基;−CHCHCHCH−)の場合は、オキセタン基の代わりにピラン基を複数有する化合物を用いることにより得ることができる。
本発明の液晶表示装置における強誘電性液晶組成物に用いられる重合性化合物としては、上述のようなアキラルな物質に限らず、カイラルな物質を用いてもよい。カイラル性を示す光重合性化合物としては、例えば、下記の一般式(II−x)、又は(II−y)で表される重合性化合物を用いることができる。
Figure 0005505566
上記一般式(II−x)及び(II−y)において、Xは水素原子又はメチル基を表す。また、n10は0又は1の整数を表し、n11は、0、1又は2の整数を表す。ただし、n11が2を表す場合、複数あるT14及びY14は同じであっても異なっていても良い。
また、6員環T11,T12,T13,T14は、1,4−フェニレン基、トランス−1,4−シクロヘキシレン基等の6員環構造を有する置換基を表す。ただし、6員環T11,T12,T13は、これらの置換基にのみ限定されるものではなく、下記構造
Figure 0005505566
を有する置換基のうち、何れか一種の置換基を有していればよく、互いに同じであっても異なっていても構わない。なお、上記置換基において、mは1〜4の整数を示す。
また、一般式(II−y)におけるT15は、ベンゼン−1,2,4−トリイル基、ベンゼン−1,3,4−トリイル基、ベンゼン−1,3,5−トリイル基、シクロヘキサン−1,2,4−トリイル基、シクロヘキサン−1,3,4−トリイル基又はシクロヘキサン−1,3,5−トリイル基などの環式3価基を表す。
また、一般式(II−x)及び(II−y)におけるY11、Y12、及びY14は、それぞれ独立して、炭素原子数が1〜10である直鎖状又は分枝鎖状のアルキレン基であり、この基中に存在する1個のCH基又は隣接していない2個のCH基は、−O−、−S−、−CO−O−又は−O−CO−により置き換えられていてもよく、単結合、−CHCH−、−CHO−、−OCH−、−COO−、−OCO−、−C≡C−、−CH=CH−、−CF=CF−、−(CH−、−CHCHCHO−、−OCHCHCH−、−CH=CHCHCH−、又は−CHCHCH=CH−を含んでいてもよい。また、不斉炭素原子を含んでいてもよく、含まなくても良い。すなわち、Y11及びY12は、上記したいずれかの構造を有していれば、同じものであってもよく、異なるものであってもよい。
また、Y10及びY13は、単結合、−O−、−OCO−、−COO−を表す。
11は、不斉炭素原子を持ちかつ分枝鎖構造を含む炭素原子数3〜20のアルキレン基を表す。
12は、炭素原子数1〜20のアルキレン基を表し、不斉炭素原子を含んでいてもよく、含まなくても良い。
また、重合性化合物は下記一般式(PC1)−9で表される円盤状液晶化合物
Figure 0005505566
(式中、Rはそれぞれ独立してP−Sp−Q又は一般式(PC1−e)の置換基を表し(式中、P、Sp及びQは般式(PC1)と同じ意味を表し、R81及びR82はそれぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子又はメチル基を表し、R83は炭素原子数1〜20アルコキシ基を表し、該アルコキシ基中の少なくとも1つの水素原子は前記式(R−1)〜(R−15)で表される置換基で置換されている。)であることも好ましい。
これらの重合性化合物の使用量は、10質量%以下が好ましく、5質量%以下がより好ましく、2質量%以下が特に好ましい。
<強誘電性液晶組成物>
良好な配向を得る目的では、キラルネマチック相のピッチをなるべく長くすることが好ましく、その目的のためには、ピッチをキャンセルする添加剤であるピッチキャンセラーとして、ピッチの掌性が異なる複数のキラル化合物を組み合わせ用いて、ピッチをキャンセルすることにより長くするのがよい。その場合は、自発分極がキャンセルしないように同一の符号をもつものを選ぶか、あるいは、自発分極の符号が逆であっても、自発分極の大きなものと、小さなものの組み合わせで、差し引き十分な自発分極が得られるようにすることが好ましい。また、このようなピッチキャンセルを行わなくても十分良い配向が得られるようなキラル化合物を選ぶことも好ましい。
本発明の強誘電性液晶組成物が重合性化合物を含有する場合の重合方法としては、ラジカル重合、アニオン重合、カチオン重合等を用いることが可能であるが、ラジカル重合により重合することが好ましい。
ラジカル重合開始剤としては、熱重合開始剤、光重合開始剤を用いることができるが、光重合開始剤が好ましい。具体的には以下の化合物が好ましい。
ジエトキシアセトフェノン、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オン、ベンジルジメチルケタール、1−(4−イソプロピルフェニル)−2−ヒドロキシ−2−メチルプロパン−1−オン、4−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル−(2−ヒドロキシ−2−プロピル)ケトン、1−ヒドロキシシクロヘキシル−フェニルケトン、2−メチル−2−モルホリノ(4−チオメチルフェニル)プロパン−1−オン、2−ベンジル−2−ジメチルアミノ−1−(4−モルホリノフェニル)−ブタノン等のアセトフェノン系;
ベンゾイン、ベンゾインイソプロピルエーテル、ベンゾインイソブチルエーテル等のベンゾイン系;
2,4,6−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキサイド等のアシルホスフィンオキサイド系;
ベンジル、メチルフェニルグリオキシエステル系;
ベンゾフェノン、o−ベンゾイル安息香酸メチル、4−フェニルベンゾフェノン、4,4’−ジクロロベンゾフェノン、ヒドロキシベンゾフェノン、4−ベンゾイル−4’−メチル−ジフェニルサルファイド、アクリル化ベンゾフェノン、3,3’,4,4’−テトラ(t−ブチルパーオキシカルボニル)ベンゾフェノン、3,3’−ジメチル−4−メトキシベンゾフェノン等のベンゾフェノン系;
2−イソプロピルチオキサントン、2,4−ジメチルチオキサントン、2,4−ジエチルチオキサントン、2,4−ジクロロチオキサントン等のチオキサントン系;
ミヒラーケトン、4,4’−ジエチルアミノベンゾフェノン等のアミノベンゾフェノン系;
10−ブチル−2−クロロアクリドン、2−エチルアンスラキノン、9,10−フェナンスレンキノン、カンファーキノン等が好ましい。この中でも、ベンジルジメチルケタールが最も好ましい。
本発明においては、重合性液晶化合物(PC1)のほかに多官能液晶性モノマーを添加することもできる。この多官能液晶性モノマーとしては、重合性官能基として、アクリロイルオキシ基、メタクリロイルオキシ基、アクリルアミド基、メタクリルアミド基、エポキシ基、ビニル基、ビニルオキシ基、エチニル基、メルカプト基、マレイミド基、ClCH=CHCONH−、CH=CCl−、CHCl=CH−、RCH=CHCOO−(ここでRは塩素、フッ素、又は炭素原子数1〜18の炭化水素基を表す)が挙げられるが、これらの中でもアクリロイルオキシ基、メタクリロイルオキシ基、エポキシ基、メルカプト基、ビニルオキシ基が好ましく、メタクリロイルオキシ基又はアクリロイルオキシ基が特に好ましく、アクリロイルオキシ基が最も好ましい。
多官能液晶性モノマーの分子構造としては、2つ以上の環構造を有することを特徴とする液晶骨格、重合性官能基、さらに液晶骨格と重合性官能基を連結する柔軟性基を少なくとも2つ有するものが好ましく、3つの柔軟性基を有するものがさらに好ましい。柔軟性基としては、−(CH−(ここでnは整数を表す)で表されるようなアルキレンスペーサー基や−(Si(CH−O)−(ここでnは整数を表す)で表されるようなシロキサンスペーサー基を挙げることができ、この中ではアルキレンスペーサー基が好ましい。これらの柔軟性基と液晶骨格、もしくは重合性官能基との結合部分には、−O−、−COO−、−CO−のような結合が介在していても良い。
液晶組成物の配向を補助する(配向補助剤)等の目的として、有機粒子、無機粒子、有機無機ハイブリッド粒子等のナノ粒子を添加することもできる。有機粒子としては、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリヒドロキシアクリレート、ジビニルベンゼン等のポリマー粒子が挙げられる。無機粒子としては、チタン酸バリウム(BaTiO)、SiO、TiO、Al等の酸化物や、Au、Ag、Cu、Pd等の金属が挙げられる。有機粒子や無機粒子は、表面を他の材料でコーティングしたハイブリッド粒子であってもよく、無機粒子の表面を有機材料でコーティングした有機無機ハイブリッド粒子であってもよい。無機粒子の表面に付与する有機物が液晶性を示すと、周囲の液晶分子が配向しやすくなり、好ましい。
その他、必要に応じて酸化防止剤、紫外線吸収剤、非反応性のオリゴマーや無機充填剤、有機充填剤、重合禁止剤、消泡剤、レベリング剤、可塑剤、シランカップリング剤等を適宜添加しても良い。また、ディスコティック液晶などの二軸性化合物や、イオン及び極性化合物のトラップ材料等を含有するものとすることもできる。
二枚の偏光板がある場合は、各偏光板の偏光軸を調整して視野角やコントラトが良好になるように調整することもできる。
液晶を挟持する基板面には、配向膜を設けることができる。配向膜としては、一般的なポリイミド等の配向膜や光配向膜が使用できる。
配向膜としては、垂直配向性を有する配向膜が好ましい。
垂直配向性を有するポリイミド系の配向膜が好ましく、具体的にはアルキル長鎖もしくは脂環基が置換した酸無水物、アルキル長鎖もしくは脂環基が置換したジアミンを酸二無水物と反応させて得られるポリアミック酸、又は該ポリアミック酸を脱水開環して得られるポリイミドが挙げられる。このような嵩高い基を有するポリイミド、ポリアミド又はポリアミック酸からなる液晶配向剤を基板上で膜形成することにより、垂直配向性を有する液晶配向膜を製造することができる。
酸無水物としては、例えば次の一般式(VII−a1)〜(VII−a3)で表される化合物が挙げられる。また、ジアミンとしては、例えば次の一般式(VII−b1)〜(VII−b3)で表される化合物が挙げられる。
Figure 0005505566
Figure 0005505566
式(VII−a1)〜(VII−a3)及び(VII−b1)〜(VII−b3)中、R301、R302、R303及びR304は各々独立に炭素原子数1〜30の直鎖状もしくは分枝状のアルキル基、水素原子又はフッ素原子を表し、該アルキル基の1つ又は2つ以上の隣接していない−CH−基が−O−、−S−、−NH−、−N(CH)−、−CO−、−CO−O−、−O−CO−、−O−CO−O−、−S−CO−、−CO−S−、−O−SO−、−SO−O−、−CH=CH−、−C≡C−、シクロプロピレン基又は−Si(CH−で置き換えられてもよく、さらにアルキル基の1つ又はそれ以上の水素原子がフッ素原子、塩素原子、臭素原子あるいはCN基で置き換えられていてもよく、
301、Z302、Z305及びZ304は各々独立に−O−、−S−、−CO−、−CO−O−、−O−CO−、−O−CO−O−、−OCH−、−CHO−、−SCH−、−CHS−、−CFO−、−OCF−、−CFS−、−SCF−、−CHCH−、−CFCH−、−CHCF−、−CFCF−、−CH=CH−、−CF=CH−、−CH=CF−、−CF=CF−、−C≡C−、−CH=CH−CO−O−、−O−CO−CH=CH−又は単結合を表し、
301及びA302は各々独立にフェニレン基、シクロヘキシレン基、ジオキソランジイル基、シクロヘキセニレン基、ビシクロ[2.2.2]オクチレン基、ピペリジンジイル基、ナフタレンジイル基、デカヒドロナフタレンジイル基、テトラヒドロナフタレンジイル基、又はインダンジイル基から選択される環式基を表し、前記フェニレン基、ナフタレンジイル基、テトラヒドロナフタレンジイル基、又はインダンジイル基は環内の1つ又は2つ以上の−CH=基が窒素原子で置き換えられてもよく、前記シクロヘキシレン基、ジオキソランジイル基、シクロヘキセニレン基、ビシクロ[2.2.2]オクチレン基、ピペリジンジイル基、デカヒドロナフタレンジイル基、テトラヒドロナフタレンジイル基、又はインダンジイル基は環内の1つ又は2つの隣接していない−CH−基が、−O−及び/又は−S−で置き換えられてもよく、前記環式基の1つ又はそれ以上の水素原子が、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、CN基、NO基、あるいは、1つ又は2つ以上の水素原子がフッ素原子又は塩素原子で置き換えられてもよい、炭素原子数1〜7の有するアルキル基、アルコキシ基、アルキルカルボニル基又はアルコキシカルボニル基で置き換えられていてもよく、
301及びn302は各々独立に0又は1を表し、n303は0〜5の整数を表す。
また、一般式(VII−a2)〜(VII−a3)及び(VII−b2)〜(VII−b3)において、ステロイド骨格の−CH−基が、−O−及び/又は−S−で置き換えられてもよく、ステロイド骨格が任意の位置に1つ又は2つ以上の不飽和結合(C=C)を有していてもよい。
電界を横方向に印加する横電界型液晶表示素子においては、配向膜の好ましい態様として、式(VII−c1)及び(VII−c2)で表される構造を有するポリアミック酸又はポリイミドを液晶配向剤として用いたものであると、優れた残像特性を有し、電界無印加時の暗状態における光線透過率が低減される点で好ましい。
Figure 0005505566
式(VII−c1)中、R121は各々独立に炭素原子数1〜6のアルキル基を表し、
122は各々独立に、炭素原子数1〜6のアルキル基、ハロゲン原子、シアノ基、水酸基又はカルボキシル基を表し、
121は1〜10の整数を表し、n122は各々独立に0〜4の整数を表し、
「*」は結合手であることを表す。
式(VII−c2)中、R123は各々独立に炭素原子数1〜6のアルキル基を表し、
124は各々独立に、炭素原子数1〜6のアルキル基、ハロゲン原子、シアノ基、水酸基又はカルボキシル基を表し、
123は0〜5の整数を表し、n124は0〜4の整数を表し、n125は0〜3の整数を表し、「*」は結合手であることを表す。
分子内の少なくとも一部に式(VII−c1)で表される構造と式(VII−c2)で表される構造をともに有するポリアミック酸は、例えば式(VII−c1)で表される構造を有するテトラカルボン酸二無水物と式(VII−c2)で表される構造を有するテトラカルボン酸二無水物を、ジアミンとを反応させるか、あるいは式(VII−c1)で表される構造を有するジアミンと式(VII−c2)で表される構造を有するジアミンをテトラカルボン酸二無水物と反応させることにより得ることができる。
(VII−c1)又は式(VII−c2)で表される構造を有するテトラカルボン酸二無水物としては、具体的には、「*」で表される結合手を有する両末端のベンゼン環が、各々無水フタル酸基である化合物が挙げられる。
(VII−c1)又は式(VII−c2)で表される構造を有するジアミンとしては、具体的には、「*」で表される結合手を有する両末端のベンゼン環が、各々アニリン基である化合物が挙げられる。
また、光配向膜としては、アゾベンゼン、スチルベン、α−ヒドラゾノ−β−ケトエステル、クマリン等の構造を有し、光異性化を用いる光配向膜;アゾベンゼン、スチルベン、ベンジリデンフタルジイミド、シンナモイルの構造を有し、光幾何異性化を用いる光配向膜;スピロピラン、スピロオキサジン等の構造を有し、光開閉環反応を用いる光配向膜;シンナモイル、カルコン、クマリン、ジフェニルアセチレン等の構造を有し、光二量化を用いる光配向膜;可溶性ポリイミド、シクロブタン型ポリイミド等の構造を有し、光照射による光分解を用いる光配向膜;ビフェニルテトラカルボン酸二無水物とジアミノジフェニルエーテル(BPDA/DPE)を反応させて得られるポリイミドに光照射してなる光配向膜などが挙げられる。
光配向膜は、光配向性基を有する化合物を含有する塗膜に異方性を有する光を照射して、光配向性基を配列させ、光配向状態を固定化することにより、製造することができる。
光配向性基を有する化合物が重合性基を有する場合は、液晶配向能を付与する光照射処理の後に重合を行うことが好ましい。重合方法は光重合、熱重合のいずれでも良い。光重合の場合は、光配向剤に光重合開始剤を添加し、光照射処理後に、例えば異なる波長の光を照射することで光重合反応を行う。一方、熱重合の場合は光配向剤に熱重合開始剤を添加し、光照射処理後に加熱することで熱重合反応を行う。
光配向膜において光配向状態を固定化するためには、光架橋性高分子を用いてもよい。光架橋性高分子光配向膜としては、次に記載する化合物が挙げられる。
Figure 0005505566
(式中、R201及びR202は各々独立に炭素原子数1〜30の直鎖状もしくは分枝状のアルキル基、水素原子又はフッ素原子を表し、該アルキル基の1つ又は2つ以上の隣接していない−CH−基が−O−、−S−、−NH−、−N(CH)−、−CO−、−CO−O−、−O−CO−、−O−CO−O−、−S−CO−、−CO−S−、−O−SO−、−SO−O−、−CH=CH−、−C≡C−、シクロプロピレン基又は−Si(CH−で置き換えられてもよく、さらにアルキル基の1つ又はそれ以上の水素原子がフッ素原子、塩素原子、臭素原子あるいはCN基で置き換えられていてもよく、重合性基をもっていてもよく、前記アルキル基が縮合又はスピロ環式系を含むものでもよく、前記アルキル基が1つ又は2つ以上のヘテロ原子を含むことができる1つ又は2つ以上の芳香族又は脂肪族の環を含むものでもよく、またこれらの環はアルキル基、アルコキシ基、ハロゲンで任意に置換されていてもよく、
201及びZ202は各々独立に−O−、−S−、−CO−、−CO−O−、−O−CO−、−O−CO−O−、−CO−N(R)−、−N(R)−CO−、−OCH−、−CHO−、−SCH−、−CHS−、−CFO−、−OCF−、−CFS−、−SCF−、−CHCH−、−CFCH−、−CHCF−、−CFCF−、−CH=CH−、−CF=CH−、−CH=CF−、−CF=CF−、−C≡C−、−CH=CH−CO−O−、−O−CO−CH=CH−又は単結合を表し、−CO−N(R)−又は−N(R)−CO−におけるRは水素原子又は炭素原子数1〜4の直鎖状又は分枝状のアルキル基を表し、
201及びA202は各々独立にフェニレン基、シクロヘキシレン基、ジオキソランジイル基、シクロヘキセニレン基、ビシクロ[2.2.2]オクチレン基、ピペリジンジイル基、ナフタレンジイル基、デカヒドロナフタレンジイル基、テトラヒドロナフタレンジイル基、又はインダンジイル基から選択される環式基を表し、前記フェニレン基、ナフタレンジイル基、テトラヒドロナフタレンジイル基、又はインダンジイル基は環内の1つ又は2つ以上の−CH=基が窒素原子で置き換えられてもよく、前記シクロヘキシレン基、ジオキソランジイル基、シクロヘキセニレン基、ビシクロ[2.2.2]オクチレン基、ピペリジンジイル基、デカヒドロナフタレンジイル基、テトラヒドロナフタレンジイル基、又はインダンジイル基は環内の1つ又は2つの隣接していない−CH−基が、−O−及び/又は−S−で置き換えられてもよく、前記環式基の1つ又はそれ以上の水素原子が、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、CN基、NO基、あるいは、1つ又は2つ以上の水素原子がフッ素原子又は塩素原子で置き換えられてもよい、炭素原子数1〜7の有するアルキル基、アルコキシ基、アルキルカルボニル基又はアルコキシカルボニル基で置き換えられていてもよく、
201及びn202は各々独立に1〜3の整数を表し、
201及びP202は各々独立に、シンナモイル、クマリン、ベンジリデンフタルジイミド、カルコン、アゾベンゼン、スチルベン等の光配向性基を表し、P201は1価基、P202は2価基である。
より好ましい化合物として、シンナモイル基を有する式(VII−c)、クマリン基を有する式(VII−d)、ベンジリデンフタルジイミド基を有する式(VII−e)の化合物が挙げられる。
Figure 0005505566
式(VII−c)、(VII−d)、及び(VII−e)中、R201、R202、A201、A202、Z201、Z202、n201及びn202の定義は式(VII−a)及び(VII−b)におけるのと同じであり、
203、R204、R205、R206及びR207は各々独立にハロゲン原子(F、Cl、Br、I)、メチル基、メトキシ基、−CF、−OCF、カルボキシ基、スルホ基、ニトロ基、アミノ基、又はヒドロキシ基を表し、
203は0〜4の整数を表し、n204は0〜3の整数を表し、n205は0〜1の整数を表し、n206は0〜4の整数を表し、n207は0〜5の整数を表す。
以下、実施例をもって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。また、特に断りのない場合、「%」は「質量%」を意味する。
実施例中に示される液晶表示素子の電圧−透過率特性の略号及び意味は以下に示す通りである。
10:電圧無印加時の液晶表示素子の光透過率(T)を0%とし、印加電圧を増加させていき光透過率が増加して飽和してほとんど変化しなくなった時の光透過率(T100)を100%とした時、(T100−T)×0.1+Tで定義される光透過率に達するのに必要な印加電圧値。
90:電圧無印加時の液晶表示素子の光透過率(T)を0%とし、印加電圧を増加させていき光透過率がほとんど変化しなくなった時の光透過率(T100)を100%とした時、(T100−T)×0.9+Tで定義される光透過率に達するのに必要な印加電圧値。
電圧−透過率測定は、二枚のクロスニコルの偏光板の間にセルを置き、櫛型電極の長軸が偏光板の偏光軸に対して45°になるように配置して、周波数60Hzの矩形波で、0〜50Vo−p電圧を印加して透過光量の変化を測定した。
<実施例1>
垂直配向膜(JSR社製ポリイミド垂直配向膜JALS2096)を有する基板を2枚用意し、垂直配向膜のラビング処理を、平行配向処理と同様のアンチパラレルラビングにより、第1の基板側と第2の基板側とで反対方向となるようにラビングし、櫛型電極(ITO透明電極、電極間距離:12.5μm、電極幅:20μm)を配置した。2枚の基板を、セル厚(ギャップ)4μmとなるように対向させ、加熱による毛細管現象を利用して、下記に示す強誘電性液晶組成物LC−1を注入し、注入後は液晶セルを封止して、実施例1の液晶表示素子を製造した。
Figure 0005505566
強誘電性液晶組成物LC−1は、ISO−N−SmCの相系列であり、その相転移温度は、ISO−N間が119℃、N−SmC間が86.5℃で、N相温度幅が32.5℃である。また、NからSmCへの転移温度より2℃高い温度(88.5℃)での螺旋ピッチは87μmである。N相を示す温度90℃から2℃/minの速度で徐冷すると89℃で完全に暗視野になり垂直配向になった状態でSmCへ相転移した。室温にしても暗視野状態は維持していた。
実施例1では、櫛型電極間の光が抜ける面積を開効率とすると0.385である。リターデーションを大塚電子社製のREST−100を用いて回転検光子法でリターデーションを測定した。
電界ON時のリターデーション:140nm、OFF時のリターデーション:1.1nm、OFF時の複屈折率:0.0003、OFF時の選択反射:980nm、螺旋ピッチは約0.6μmであり、4μmのセル厚に対しては螺旋が6回以上巻いていることになる。
偏光顕微鏡で観察したところ、セルを回転させても完全な暗視野を維持し、変化が無く等方相と同等の黒さが得られており、配向欠陥による光抜けは観察されなかった。
V−T特性を測定したところ、最小透過率Tは0.03%、最大透過率T100は24%、電圧V10は4.5V、電圧V90は30.9Vであった。
なお、実施例1の構成において、IPS電極を片方の基板のみに設けた場合(Single IPS)と、一対の基板のそれぞれに設けた場合(Twin IPS)とで、V−T特性を測定した結果を、図5のグラフに示す。最小透過率Tは0.03%、最大透過率T100は24%、電圧V10は2.8V、電圧V90は24.6Vであった。
Single IPSとTwin IPSのいずれであっても、印加電圧に応じて透過率を変調することができた。また、OFF時に完全な暗視野が維持され、ON−OFFにより高コントラストが実現できた。
<実施例2>
垂直配向膜(JSR社製ポリイミド垂直配向膜JALS2096)を有する基板を2枚用意し、垂直配向膜のラビング処理を、平行配向処理と同様のアンチパラレルラビングにより、第1の基板側と第2の基板側とで反対方向となるようにラビングし、櫛型電極(ITO透明電極、電極間距離:12.5μm、電極幅:20μm)を配置した。2枚の基板を、セル厚(ギャップ)4μmとなるように対向させ、加熱による毛細管現象を利用して、下記に示す強誘電性液晶組成物LC−2を注入し、注入後は液晶セルを封止して、実施例2の液晶表示素子を製造した。
すなわち、強誘電性液晶組成物としてLC−1の代わりにLC−2を用いたこと以外は、実施例1と同様に液晶表示素子を製造した。
Figure 0005505566
強誘電性液晶組成物LC−1は、ISO−N−SmA−SmCの相系列であり、その相転移温度は、ISO−N間が112.5℃、N−SmA間が99.4℃、SmA−SmC間が92.1℃である。また、NからSmAへの転移温度より2℃高い温度(101.4℃)での螺旋ピッチは61μmである。N相を示す温度106℃から2℃/minの速度で徐冷すると101℃付近で暗視野変わり始め垂直配向になった状態でSmAへ相転移した。室温にしても暗視野状態は維持していた。
実施例2では、開効率:0.385、リターデーションの測定は実施例1と同様に行った。電界ON時のリターデーション:148nm、OFF時のリターデーション:5.9nm、OFF時の複屈折率:0.0015、OFF時の選択反射:1180nm、螺旋ピッチは約0.8μmであり、4μmのセル厚に対しては螺旋が5回巻いていることになる。
偏光顕微鏡で観察したところ、セルを回転させても完全な暗視野を維持し、変化が無く等方相と同等の黒さが得られており、配向欠陥による光抜けは観察されなかった。
V−T特性を測定したところ、最小透過率Tは0.02%、最大透過率T100は24%、電圧V10は2.4V、電圧V90は24.6Vであった。
<実施例3>
垂直配向膜(JSR社製ポリイミド垂直配向膜JALS2096)を有する基板を2枚用意し、垂直配向膜のラビング処理を、平行配向処理と同様のアンチパラレルラビングにより、第1の基板側と第2の基板側とで反対方向となるようにラビングし、櫛型電極(ITO透明電極、電極間距離:12.5μm、電極幅:20μm)を配置した。2枚の基板を、セル厚(ギャップ)14μmとなるように対向させ、加熱による毛細管現象を利用して、下記に示す強誘電性液晶組成物LC−4を注入し、注入後は液晶セルを封止して、実施例3の液晶表示素子を製造した。
Figure 0005505566
ネマチック相からスメクチックA相へ転移する相転移温度(109℃)より3℃高い温度から2℃/分の速度で徐冷して無配向欠陥のスメクチックA相を得た。更に、スメクチックA相からスメクチックC相へ相転移(67℃)させて室温まで温度を下げ偏光顕微鏡で観察すると配向欠陥が無い垂直配向のスメクチックC相であることを確認した。選択反射は、2850nmであった。クロスニコルの二枚の偏光板の間に作製したセルを置き、V−T特性を測定すると、駆動電圧V90は24V、最小透過率Tは2.9%、最大透過率T100は59%であった。これに、液晶セルと逆位相の光学位相補償フィルムが積層するようにクロスニコル偏光板の間に挿入してV−T特性を測定した。V−T特性は、駆動電圧V90は25V、最小透過率Tは0.2%、最大透過率T100は57%であった。直線偏光が液晶セルを透過する偏光度を測定すると、楕円率が0.234で方位角が147°であった。同様に光学位相補償フィルムの偏光度を測定すると、楕円率が0.245で方位角が3°であった。液晶セルと光学位相補償フィルムを重ねて測定すると、楕円率は0.066に減少して方位角が179°で入射する直線偏光軸である対称中心に近づき最小透過率が減少した。
<比較例1>
垂直配向膜(JSR社製ポリイミド垂直配向膜JALS2096)を有する基板を2枚用意し、垂直配向膜のラビング処理をしないで、櫛型電極(ITO透明電極、電極間距離:12.5μm、電極幅:20μm)を配置した。2枚の基板を、セル厚(ギャップ)4μmとなるように対向させ、加熱による毛細管現象を利用して、強誘電性液晶組成物LC−1を注入し、注入後は液晶セルを封止して、比較例1の液晶表示素子を製造した。
すなわち、ラビング処理をしないセルに注入して垂直配向セルを作製したこと以外は、実施例1と同様に液晶表示素子を製造した。
偏光顕微鏡で観察したところ、Cダイレクターに起因するシュリーレンテクスチャーが観察され、散乱に起因する光抜けのため、完全な暗視野は得られなかった。
V−T特性を測定したところ、最小透過率Tは0.8%、最大透過率T100は23%、電圧V10は2.9V、電圧V90は27.8Vであった。
比較例1では、上記実施例と比べて、最小透過率Tが著しく大きいものとなった。
<比較例2>
垂直配向膜(JSR社製ポリイミド垂直配向膜JALS2096)を有する基板を2枚用意し、垂直配向膜のラビング処理を、平行配向処理と同様のアンチパラレルラビングにより、第1の基板側と第2の基板側とで反対方向となるようにラビングし、櫛型電極(ITO透明電極、電極間距離:12.5μm、電極幅:20μm)を配置した。2枚の基板を、セル厚(ギャップ)3.5μmとなるように対向させ、加熱による毛細管現象を利用して、下記に示す強誘電性液晶組成物LC−3を注入し、注入後は液晶セルを封止して、比較例2の液晶表示素子を製造した。
すなわち、強誘電性液晶組成物としてLC−1の代わりにLC−3を用いたこと以外は、実施例1と同様に液晶表示素子を製造した。なお、下記LC−3の組成において、合計を90%としたときの比率を括弧内に示すとおり、液晶化合物の組成はLC−1と同じであり、カイラルドーパントの添加量を少なくした点が実施例1と異なっている。
Figure 0005505566
強誘電性液晶組成物LC−1は、ISO−N−SmA−SmCの相系列であり、その相転移温度は、
ISO−N間が85.5℃、N−SmA間が76.4℃、SmA−SmC間が60.3℃である。また、NからSmCへの転移温度より2℃高い温度(87.5℃)でのキラルネマチック液晶の螺旋ピッチは127μmである。
比較例2では、開効率:0.385、電界ON時のリターデーション:116nm、OFF時のリターデーション:35nm、OFF時の複屈折率:0.015、SmC相の螺旋ピッチ2.7μmであった。OFF時の選択反射は、分光測定では2700nmが測定限界であるが、螺旋ピッチから推定すると4200nm程度と推定される。
偏光顕微鏡で観察したところ、ラビング配向の方向が偏光方向に一致すると完全な暗視野になるが、セルを回転させると明視野になり、斜め45度で一番明るくなった。つまり液晶が一軸配向になっていることが判明した。これは、螺旋が解けていることが主因である。
V−T特性を測定したところ、最小透過率Tは1.5%(偏光方向)、最大透過率T100は24%(45°)、電圧V10は6.5V、電圧V90は35.4Vであった。
比較例2は、電圧OFF時でも螺旋構造が解けていて、透過率が透過する光の偏光方向に依存するため、暗視野が得られるかが不確実なものとなった。
<比較例3>
実施例3と同一のセルを用いて、液晶セルと同位相の光学位相補償フィルムを積層するようにクロスニコル偏光板の間に挿入してV−T特性を測定した。V−T特性は、駆動電圧V90は24V、最小透過率Tは9.5%、最大透過率T100は56%であった。直線偏光が液晶セルを透過する偏光度を測定すると、楕円率が0.234で方位角が174°であった。同様に光学位相補償フィルムの偏光度を測定すると、楕円率が0.245で方位角が176°であった。液晶セルと光学位相補償フィルムを重ねて測定すると、楕円率は0.515に増加して方位角が157°で入射する直線偏光軸である対称中心から外れ最小透過率が増加した。
10,20…基板、11,21…透明基材、12,22…垂直配向膜、13,23…プレチルトの配向方向、24…電極構造、31…液晶組成物層、32…液晶分子、33…円弧状の屈折率分布、34…楕円状の屈折率分布。

Claims (8)

  1. 偏光面が互いに直交する二枚の偏光板の間に、配向膜を具備した第一の基板と、配向膜を具備した第二の基板を配置し、前記第一の基板と第二の基板間の液晶組成物層に、キラルスメクチックC相を有する強誘電性液晶組成物層を挟持し、前記第一の基板及び前記第二の基板は垂直配向膜を有しており、且つ少なくとも一方の垂直配向膜にはラビング処理を施す配向処理が施されており、前記強誘電性液晶組成物層が前記第一の基板と前記第二の基板のうち前記垂直配向膜に前記配向処理が施された方の基板に接する部分で液晶分子のCダイレクターがラビング処理方向へ配向しており、且つ前記第一の基板と前記第二の基板の間で液晶のダイレクターが少なくとも180°以上捩じれており、前記第一の基板又は第二の基板の少なくとも一方の基板面に略平行な電界を発生させる一対の電極構造を有し、前記電極構造により発生した電界で前記強誘電性液晶組成物層の複屈折率を変えることにより透過する光の透過率を変調することを特徴とする液晶表示素子。
  2. 電界で変化するリターデーションの範囲が0nmから330nmの間である請求項1記載の液晶表示素子。
  3. キラルスメクチックC相の螺旋軸が基板面に対して垂直であり、且つ、前記螺旋ピッチに依存して誘起する選択反射が700nmから3000nmである請求項1又は2記載の液晶表示素子。
  4. 電界がゼロ時における複屈折率が0.007以下である請求項1〜3の何れか一項に記載の液晶表示素子。
  5. 該強誘電性液晶組成物の相系列が少なくとも高温側から等方相、キラルネマチック相、スメクチックA相、キラルスメクチックC相、又は前記相系列が少なくとも高温側から等方相、キラルネマチック相、キラルスメクチックC相である請求項1〜4の何れか一項に記載の液晶表示素子。
  6. 該強誘電性液晶組成物の相系列において、降温時にキラルネマチック相からスメクチックA相又はキラルスメクチックC相へ相転移する温度である、キラルネマチック相の下限温度より2℃高い温度で、キラルネマチック相の螺旋ピッチが50μm以上である請求項1〜5の何れか一項に記載の液晶表示素子。
  7. 光学位相補償フィルムを具備する請求項1〜6の何れか一項に記載の液晶表示素子。
  8. 液晶層から出射される楕円偏光の楕円率と同じ楕円率を有し、且つ液晶層へ入射する直線偏光の偏光軸を対称中心とした場合、液晶層から射出される楕円偏光の方位角に対して対称となる逆位相を示す光学位相補償フィルムを具備する請求項1〜7の何れか一項に記載の液晶表示素子。
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