JP6675715B2 - 液晶表示素子 - Google Patents
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例えば、特許文献1には、K3(ベンド弾性定数)が36.7pNと、比較的大きい組成物が開示されている。
<第一実施形態>
本発明の第一実施形態について図1を用いて説明する。
図1に示すように、本実施形態の液晶表示素子10は、第一の基板15と、第二の基板15’と、第一の基板15と第二の基板15’の間に挟持された液晶組成物層5を有する。第一の基板15と第二の基板15’は、それぞれ液晶組成物層5を制御する透明電極3,3’を有し、液晶組成物層5を構成する液晶組成物中の少なくとも一種の液晶化合物のベント弾性定数K33が20pN以上である。
本実施形態の液晶表示素子が、TNモードの場合には、第一の基板15が有する透明電極3は、共通電極であり、第二の基板15’が有する透明電極3’は画素電極である。 第一の基板15としては、カラーフィルター基板が好適に用いられ、第二の基板15’としては、TFTアレイ基板が好適に用いられる。
基板上へ電極を形成する際には、蒸着、スパッタリング、ファトリソグラフィ等、通常の方法を採用することができる。
更に、配向膜4,4’をラビング処理することにより、液晶分子6の配向方向が制御される。
本実施形態の液晶表示素子が、TN、IPS、VAモードの場合には、角度90°を形成すること(クロスニコルであること)がより好ましい。
本実施形態の液晶表示素子が、STNモードの場合には、角度45°を形成することがより好ましい。
本発明の第二実施形態について図2を用いて説明する。
図2に示すように、本実施形態の液晶表示素子20は、第一の基板25と、第二の基板25’と、第一の基板25と第二の基板25’の間に挟持された液晶組成物層5を有する。第二の基板25’は、液晶組成物層5を制御する透明電極23を有し、液晶組成物層5を構成する液晶組成物中の少なくとも一種の液晶化合物のベント弾性定数が20pN以上である。本実施形態において第一実施形態と同じ構成には、同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施形態の液晶表示素子が、IPSモードの場合には、第二の基板25’は、共通電極と画素電極とからなる透明電極23(櫛歯電極23)を有する。第二の基板25’としては、TFTアレイ基板が好適に用いられる。
更に、配向膜4,4をラビング処理することにより、液晶分子6の配向方向が制御される。
液晶組成物層5は、例えば、それぞれの液晶配向層が対向するように配置された2枚の基板(第一の基板15及び第二の基板15’、又は、第一の基板25及び第二の基板25’)の間に一定の間隙(セルギャップ)を保った状態で周辺部を、シール剤を用いて貼り合わせ、基板表面およびシール剤により区画されたセルギャップ内に液晶組成物を注入充填した後、注入孔を封止することにより、形成される。液晶組成物層5の形成において、用いた液晶組成物が等方相を形成する温度まで加熱した後、室温まで徐冷することにより、注入時の流動配向を除去することが好ましい。
第一の実施形態及び第二の実施形態(以下、本実施形態という)において、液晶組成物層5を構成する液晶組成物中の少なくとも一種の液晶化合物(以下、ゲスト化合物という。)のベンド弾性定数K33が20pN以上である。前記液晶組成物は、ホスト組成物とゲスト化合物からなる。
また、ゲスト化合物として、液晶相を示さないが潜在的に液晶性を示すもの(例えば融点を低下することにより隠れている液晶相が発現する)も好ましく用いる事ができ、隠れている液晶相がネマチック相である場合がより好ましい。
さらに、潜在的な液晶性が確認できない場合でも、ホスト組成物に添加した時に相溶性がよく、ホスト液晶の液晶性を著しく低下しない場合には、ゲスト化合物に液晶性があるとみなすことができるので、その場合も好ましく用いられる。
該ゲスト化合物は、下記一般式(1)で表される構造を有することが好ましい。
A1、A2、A3及びA4はそれぞれ独立して下記の構造
X1、X2、及びX3はそれぞれ独立して単結合、−CH=CH−、−CF=CF−、−C≡C−、−N=N−、−CH=N−N=CH−、−CH2CH2−、−CF2CF2−、−(CH2)4−、−COO−、−OCO−、−OCH2−、−CH2O−、−OCF2−、−CF2O−、−CO−N(Ra)−、−N(Ra)−CO−、−CH=CH−CO−O−又は−O−CO−CH=CH−を表し、−CO−N(Ra)−又は−N(Ra)−CO−におけるRa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、
n及びmはそれぞれ独立して0又は1を表す。)
分岐鎖状のアルキル基としては、具体的には、イソプロピル基、イソブチル基、tert−ブチル基、sec−ブチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、tert−ヘプチル基、イソトリデシル基、イソヘキサデシル基等が挙げられる。
R1及びR2におけるアルキル基は、強い分子間相互作用を有するものが、分子が並列にならぶ傾向を強くし、その結果としてベンド変形を起きにくくさせ、ベンド弾性定数K33を大きくするために好ましい。強い分子間相互作用を生じるためにはアルキル基が極性基を有することが好ましい。アルキル基中の極性基の存在は、分子中のコア部分とのミクロな相分離効果も生むことが期待されるので、その結果、分子が並列にならぶ傾向を助長するという面でも好ましい。
ここで、前記−CO−N(Ra)−及び前記−N(Ra)−CO−におけるRa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す。具体的には、−CO−N(CH3)−、−CO−N(CH2CH3)−、−CO−N(CH2CH2CH3)−、−CO−N(CH2CH2CH2CH3)−、−CO−N(CH2(CH3))−、−CO−N(CH(CH3)2)−、−CO−N(C(CH3)3)−、−CO−N(CH2CH2(CH3)CH3)−、−N(CH3)−CO−、−N(CH2CH3)−CO−、−N(CH2CH2CH3)−CO−、−N(CH2CH2CH2CH3)−CO−、−N(CH2(CH3))−CO−、−N(CH(CH3)2)−CO−、−N(C(CH3)3)−CO−、−N(CH2CH2(CH3)CH3)−CO−を表す。これらの基におけるアルキル基中の1つ以上のCH2基は−CH=CH−又は−C≡C−で置換されていてもよく、該アルキル基中の1つ以上の水素原子はハロゲンで置換されていてもよい。
また、R1及びR2は、それぞれ独立して、アルキル基中の1つ以上の水素原子がCN基又は水酸基で置換されていることが好ましく、水酸基で置換されていることがより好ましい。
前記一般式(1)において、A1、A2、A3及びA4は、それぞれ独立して下記の構造を表す。
尚、以下の構造において左端は、前記一般式(1)におけるA1、A2、A3及びA4の左端に対応し、右端は、前記一般式(1)におけるA1、A2、A3及びA4の右端に対応する。
ここで、前記−CO−N(Ra)−及び前記−N(Ra)−CO−におけるRaは上記と同様である。
ベンド変形をおこしにくくしてベンド弾性定数K33を大きくするために、これらの中でも、X1、X2、及びX3としては、コアの剛直性を保つ構造のものが好ましい。コアの剛直性を保つものとしては、X1、X2、及びX3として、長さが短いためA1、A2、A3及びA4の立体障害により剛直になるもの、同一炭素上にフッ素原子を2つ含むためにX1、X2、及びX3の部分の立体障害で剛直になるもの、X1、X2、及びX3が2重結合、あるいは3重結合を有するため運動性に障害が発生して剛直になるもの、がより好ましい。具体的には、単結合、−CH=CH−、−CF=CF−、−C≡C−、−N=N−、−OCF2−、又は−CF2O−、が特に好ましい。
上述したように、一般式(1)で表されるゲスト化合物のベンド弾性定数K33は、20pN以上である。本実施形態においては、K33が非常に大きい成分をゲスト化合物(添加剤)として用いることで、成分添加前の液晶組成物(ホスト組成物)の諸特性を変えることなく、K33を大きくすることができる。
本実施形態において、液晶組成物層5を構成する液晶組成物がネマチック液晶相を示すことが好ましい。
該液晶組成物を構成するホスト組成物としては、例えば、ジシアノベンゼン系液晶化合物、ピリダジン系液晶化合物、シッフベース系液晶化合物、アゾキシ系液晶化合物、ナフタレン系液晶化合物、ビフェニル系液晶化合物、フェニルシクロヘキサン系液晶化合物、シアノベンゼン系液晶化合物、ジフルオロベンゼン系液晶化合物、トリフルオロベンゼン系液晶化合物、トリフルオロメチルベンゼン系液晶化合物、トリフルオロメトキシベンゼン系液晶化合物、ピリミジン系液晶化合物等が用いられる。
係るホスト組成物としては、例えばジシアノベンゼン系液晶化合物、ピリダジン系液晶化合物、シッフベース系液晶化合物、アゾキシ系液晶化合物、ナフタレン系液晶化合物、ビフェニル系液晶化合物、フェニルシクロヘキサン系液晶化合物等が用いられる。
n型の液晶組成物として具体的には、以下の一般式(LC1)から一般式(LC4)で表される化合物群から選ばれる1種以上の化合物を含有することが好ましい。
A1及びA2はそれぞれ独立して下記の構造が好ましく、
上記液晶組成物は、更に一般式(LC5)
R1及びR2は、それぞれ独立して、炭素数1〜7のアルキル基、炭素数1〜7のアルコキシ基、炭素数2〜7のアルケニル基が好ましく、
B1〜B3はそれぞれ独立して下記の構造が好ましく、
一般式(LC1)は、下記一般式(LC1−1)から一般式(LC1−7)
一般式(LC2)は、下記一般式(LC2)−1から一般式(LC2)−13、及び下記一般式(LC2−14)から一般式(LC2−15)
一般式(LC3)は下記一般式(LC3)−1から一般式(LC3)−6であり、一般式(LC4)は下記一般式(LC4)−1から一般式(LC4)−4
係るホスト組成物としては、例えばシアノベンゼン系液晶化合物、ジフルオロベンゼン系液晶化合物、トリフルオロベンゼン系液晶化合物、トリフルオロメチルベンゼン系液晶化合物、トリフルオロメトキシベンゼン系液晶化合物、ピリミジン系液晶化合物、ナフタレン系液晶化合物、ビフェニル系液晶化合物、フェニルシクロヘキサン系液晶化合物等が用いられる。
このような化合物として具体的には、Δεの比較的大きい一般式(IIIa)、又は一般式(IIIb)で表される化合物を含有することが好ましい。
前記(d)において、この基中に存在する1個のメチレン基又は隣接していない2個以上のメチレン基は−O−又は−S−に置き換えられてもよい。
前記(e)において、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。
前記(d)、(e)、及び(f)における基は、それぞれシアノ基、フッ素原子又は塩素原子で置換されていてもよい。
K1及びK2はそれぞれ独立して、単結合、−CH2CH2−、−(CH2)4−、−OCH2−、−CH2O−、−OCF2−、−CF2O−、−OCO−、−COO−又は−C≡C−を表す。
X1、X3、X4、X5、及びX6はそれぞれ独立して、水素原子又はフッ素原子を表し、
X2は、水素原子、フッ素原子、塩素原子、シアノ基、トリフルオロメチル基、フルオロメトキシ基、ジフルオロメトキシ基、トリフルオロメトキシ基、2,2,2−トリフルオロエチル基、又はR1と同じ意味を表す。pは、0、1又は2を表す。)
K1及びK2は、−COO−、−OCO−、−CH2CH2−、−CH=CH−、−C≡C−、−(CH2)4−、又は単結合を表すことが好ましく、−CH2CH2−、−C≡C−、又は単結合を表すことがより好ましく、−CH2CH2−又は単結合を表すことが特に好ましい。K1又はK2が複数存在する場合、少なくとも一つは単結合であることが好ましい。
pは、0又は1を表すことが好ましい。
X2は、フッ素原子、シアノ基、トリフルオロメチル基、フルオロメトキシ基、ジフルオロメトキシ基又はトリフルオロメトキシ基を表すことが好ましく、フッ素原子を表すことがより好ましい。
前記一般式(IIIa)及び一般式(IIIb)の中でも、一般式(IIIa)が好ましく、具体的には以下の一般式(IIIa−1)で表される構造がより好ましい。
一般式(IIIb)は、具体的な構造として以下の一般式
このような化合物として具体的には、Δεの絶対値の小さい一般式(II)
(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個のメチレン基又は隣接していない2個以上のメチレン基は−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、ピペリジン−1,4−ジイル基、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−ジイル基からなる群より選ばれる基を表す。
前記(a)、(b)、及び(c)における基は、それぞれシアノ基、フッ素原子又は塩素原子で置換されていてもよい。
oは0、1又は2を表し、
L1、L2及びL3はそれぞれ独立的に単結合、−CH2CH2−、−(CH2)4(CH2)4−、−OCH2−、−CH2O−、−COO−、−OCO−、−OCF2−、−CF2O−、−CH=N−N=CH−、−CH=CH−、−CF=CF−、又は−C≡C−を表す。
L2及びB3が複数存在する場合は、それらは同一でもよく、異なっていてもよい。)で表される化合物が好ましい。
L1及びL2は、−COO−、−OCO−、−CH2CH2−、−CH=CH−、−C≡C−、−(CH2)4−、又は単結合を表すことが好ましく、−CH2CH2−、−CH=CH−、−C≡C−、又は単結合を表すことがより好ましく、−CH2CH2−、又は単結合を表すことが特に好ましい。L1又はL2が複数存在する場合、少なくとも一つは単結合を表すことが好ましい。
oは、0又は1を表すことが好ましい。
B1、B2、及びB3はそれぞれ独立して、トランス−1,4−シクロへキシレン基、1,4−フェニレン基、3−フルオロ−1,4−フェニレン基、又は3,5−ジフルオロ−1,4−フェニレン基を表すことが好ましく、トランス−1,4−シクロへキシレン基又は1,4-フェニレン基を表すことより好ましく、B1、B2及びB3の内、少なくとも一つはトランス−1,4−シクロへキシレン基を表すことが好ましい。
一般式(II)は具体的な構造として、以下の一般式(IIa)から一般式(IIg)で表される化合物が好ましい。
一般式(IIe)は、さらに具体的な構造として、以下の一般式(IIe−1)〜一般式(IIe−3)で表される化合物が好ましい。
本発明に用いられる液晶組成物における一般式(II)で表される化合物の含有率は、10〜80質量%の範囲であることが好ましく、10〜60質量%の範囲であることがより好ましい。
R3、R4、R6及びR8がアルケニル基を表す場合、以下に示す構造が好ましい。
中でも、ビニル基及び3−ブテニル基がより好ましく、ビニル基が特に好ましい。
特開2009−249406号公報記載の製造方法に従い、下記化合物1の製造を行った。
化合物1の弾性定数(K33,K11)を、静電容量法を用いて測定した。水平配向処理を施したセルの中にネマチック相状態の化合物1を注入し、静電容量の印加電圧依存性を測定した。フレデリクス転移電圧と誘電率の異方性よりK11を算出し、カーブフィッティングによりK33/K11の値を求め、これらの値からK33を算出した。結果を図3に示す。その結果、化合物1は、T’において、890pNと、非常に大きなK33の値を示すことが確認された。尚、化合物1のネマチック液晶中にサイボタクチッククラスターが生成していることをX線回折測定の小角領域に回折ピークが発現することで確認した。
(液晶組成物の作製)
下記式で表されるシアノビフェニル系ネマチック液晶(7CB)に化合物1を2.6質量%、7.6質量%添加してそれぞれネマチック液晶組成物を作製した。
作製した各液晶組成物のK33を36℃で測定したところ、化合物1を2.6質量%添加した組成物のK33は14pN、7.6質量%添加した組成物のK33は27pNと大きく、少量の化合物1の添加で大きなK33の値を有する液晶組成物が得られた。
水平配向及びラビングにより液晶分子が一軸配向するように処理をしたセル(セル厚5.6ミクロン)を用い、液晶の配向軸がクロスニコルの偏光板から45度傾く向きにセットし、36℃で応答時間を評価した。まず、5Vの電圧を印加し暗状態を得た。その後、電圧をオフして液晶分子が初期の一軸配向状態に戻るのに要する応答時間(t0%−90%)を透過光量の変化を測定することで評価した。化合物1を2.6質量%添加した組成物の応答時間は180ms、化合物1を7.6質量%添加した組成物の応答時間は80msであり、K33の大きな化合物1を添加し、組成物のK33を大きくすることが応答時間の短縮に有効であることが確認された。
前述のネマチック液晶化合物7CBのK33を36℃で測定したところ5pNと小さい値であった。液晶組成物として7CBを用い、化合物1を添加しない以外は実施例1と同様にして液晶表示素子を作製し、実施例と同様の方法で応答時間を測定したところ、300msと応答は遅かった。
(液晶組成物の作製)
下記組成を有するネマチック液晶組成物(A−1)を作製した。
作製したネマチック液晶組成物(A−2)の25℃でのK33を東洋テクニカ製EC−1により測定したところ、20pNと大きく、少量の化合物1の添加で大きなK33の値が得られた。
本液晶組成物を使用した液晶表示素子の応答速度(τd、4.5V→1Vで測定)を、テストセル(日産化学工業製・SE−5300、セル厚は3.5μm)を用いて測定温度は25℃で測定したところ、5.5msと短かった。K33の大きな化合物1を添加し、組成物のK33を大きくすることが応答時間の短縮に有効であることがわかる。
液晶組成物(A−1)を用い、化合物1を添加しない以外は実施例2と同様にしてK33を測定したところ13pNであり、応答時間は7.8msであった。
(液晶組成物の作製)
下記組成を有するネマチック液晶組成物(B−1)を作製した。
液晶組成物(A−1)のかわりに液晶組成物(B−1)を用いること以外は比較例2と同様にしてK33を測定したところ14pNであり、応答時間は8.5msであった。
Claims (6)
- 第一の基板と、第二の基板と、前記第一の基板と前記第二の基板の間に挟持された液晶組成物層を有する液晶表示素子であって、
前記第一の基板と前記第二の基板の少なくとも一方は、前記液晶組成物層を制御する電極を有し、前記液晶組成物層を構成する液晶組成物中の少なくとも一種の液晶化合物のベンド弾性定数K33が20pN以上であり、且つ、該液晶化合物はネマチック液晶中にサイボタクチッククラスターを示し、
前記液晶化合物が下記式
で表される化合物群から選ばれる1種以上の化合物を含有し、
前記液晶組成物層を構成する液晶組成物のベンド弾性定数K33が20pN以上である、ことを特徴とする液晶表示素子。 - 複数の画素を有し、前記画素のそれぞれは、独立的に制御可能であって、前記画素は一対の画素電極と共通電極を有し、前記第一の基板は共通電極を有し、第二の基板は画素電極を有し、前記液晶組成物層中の液晶分子の長軸が前記基板面に実質的に垂直に配向しているか又は実質的に水平に配向している請求項1に記載の液晶表示素子。
- 複数の画素を有し、前記画素のそれぞれは、独立的に制御可能であって、前記画素は一対の画素電極と共通電極を有し、両電極が前記第一の基板と前記第二の両基板の少なくとも一方の基板に設けられ、前記液晶組成物層中の液晶分子の長軸が前記基板面に実質的に水平に配向している請求項1に記載の液晶表示素子。
- 前記液晶組成物層を構成する液晶組成物がネマチック液晶相を示す請求項1から3のいずれか一項に記載の液晶表示素子。
- 前記液晶組成物を構成する液晶組成物の誘電率異方性が正である請求項4に記載の液晶表示素子。
- 前記液晶組成物を構成する液晶組成物の誘電率異方性が負である請求項4に記載の液晶表示素子。
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