JPH0349959B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

＜技術分野＞ 本発明は、広い温度範囲でスタテイツク駆動の
みならず、マルチプレツクス駆動も可能なツイス
テツド・ネマテイツク（TN）型液晶表示装置に
用いる誘電率異方性Δεが正の液晶組成物に関す
るものである。 ＜従来の技術＞ 液晶の光学効果を用いた表示装置は電卓、時計
その他の情報端末機器などに広く使用されている
が、その使用温度範囲は室温付近の狭い温度範囲
に限られていた。ところが近年、周囲温度変化の激
しい自動車内の各種メータ表示、信号表示、屋外用
計測器等への用途拡大にともなつて、広い液晶温
度範囲を有しかつマルチプレツクス駆動が可能な
液晶材料（広温度用液晶材料）が強く要望されるよ
うになつた。しかしながら従来の液晶では、これ
らの要求を充分に満足することはできないのが実
状である。ところでこの様な広温度用液晶材料に
ついては一般的に次に示す特性が要求される。 (1) 液晶温度が広いこと。 これは、従来の液晶材料一般に対しても要求
されることであるが、温度変化の激しいところ
に用いられる液晶材料については特に広い温度
範囲が要求される。また、液晶の各物性定数は
相転移温度付近で急激に変化する。従つて、広
い液晶温度範囲を有する液晶はそうでない液晶
に比べて、実用温度範囲における諸特性の変化
が小さいと考えられる。 (2) 閾値電圧の温度変化が小さいこと。 一般に、TN型液晶表示装置では、閾値電圧
近傍では透過率の変化が急激であるため、温度
による閾値電圧の変化がコントラスト等の特性
に多大な影響を与える。従つて、閾値電圧の温
度依存性は小さい方が望ましい。特にマルチプ
レツクス駆動の場合、この特性はコントラスト
の向上に極めて効果的である。ここで液晶セル
の法線方向に対する閾値電圧V90％の温度変化
を表わすパラメータとしてγを次式のように定
義する。 γ＝（Ｖ−10℃ 90％−Ｖ60℃ 90％）／（Ｖ25℃ 90％・70） ここでＶ−10℃ 90％，Ｖ60℃ 90％，Ｖ25℃ 90％は各々温度Ｔ
＝−10℃、60℃、25℃における閾値電圧である。
またＶ90％ は第１図に示す如く光透過率が90％に
なるときの電圧値である。上記γは−10℃から60
℃の温度範囲でのＶ90％ の１℃当りの変化率を示
す。 (3) 応答が速いこと、特に低温領域において応答
特性に迅速性を有すること。 液晶表示装置の応答特性は一般的に使用する
液晶材料の粘性ηに比例するため、応答特性の
向上には液晶材料の粘度の低減化を行う必要が
ある。また粘性の温度依存性は次式で表わされ
る。 η＝η₀exp（ΔE／kT） ここでＴは絶対温度、ｋはボルツマン定数、
ΔEは活性化エネルギー、η₀は液晶材料より定
まる定数である。上式より明らかなように、粘
性は温度が低くなるに従つて指数関数的に大き
くなり、しかもその程度は活性化エネルギー
ΔEに依存している。従つて低温領域で速い応
答特性を得るためにはη₀及びΔEが小さいもの
でなければならない。 ＜発明の目的＞ 本発明は以上の考察に基いて鋭意研究の結果な
されたものであり、液晶温度範囲が広く閾値電圧
の温度変化が小さく応答特性の良好な液晶組成物
を提供することを目的とする。 ＜構成の説明＞ 本発明の組成分は以下の化合物群（）〜
（）の各群より少なくとも１種以上選択された
化合物から成る。 〔但し、上記の化合物のアルキル基R₁〜R₁₉は
すべて直鎖状であり、Ｒ＝CnH_2o+1（ｎ＝１〜７）
で表わされる。〕 上記の化合物群（），（）は閾値電圧の温度
依存性を改善する材料、化合物群（）は高融点
材料、化合物群（）は誘電率異方性Δε（ε −
ε ⊥，ε ：液晶成分子に平行な方向の誘電率、
ε ⊥：液晶分子に垂直な方向の誘電率）≫０の閾
値電圧調整用材料（Np材料）、化合物（）は粘
度低減用材料である。以下この分類に従つて、上
記の成分を選定した経過及び技術的根拠について
説明する。 広温度用液晶材料の開発においては、まず液晶
組成物の閾値電圧の温度依存性を小さくすること
が重要な問題となる。そこで本発明者は各種の化
合物を詳細に検討した結果、一般式として で表わされるエステル系化合物が混合液晶の温度
特性の改善に極めて有効であることを見い出し
た。

【表】

【表】 例えば、第１表に示す組成物において、組成物
（）はフエニルシクロヘキサン化合物を主成分
として構成され、組成物（）は組成物（）と
ほぼ同様な成分で、更に上記成分(2)で示される化
合物を10wt％含有した構成になつている。これ
らの組成物のγ値は前者が0.41％／℃であるのに
対して後者は0.25％／℃であつた。また上記成分
(2)の代わりに上記成分(1)を用いてもさらに第１表
以外のフエニルシクロヘサキサン系結晶を用いて
も、γ値に関してはほぼ同様な傾向が得られた。
以上の結果より明らかなように、成分(1)及び成分
(2)で示される化合物は混合液晶における閾値電圧
の温度依存性の改善に極めて効果的である。但
し、これらのエステル系化合物はネマテイツク−
アイソトロピツク相転移温度（T_N1）が40〜80℃
と低く、これらの化合物の特徴を充分発揮させる
ための量を含有させると混合組成物のT_NIが大幅
に低下する。そこで、次にこれらのエステル系化
合物の特徴を損うことなく、T_NIを増加できる化
合物を検討した。その結果、上記成分(1)もしくは
成分(2)に併用させる物質として、一般式 で示される化合物が好ましいことが実質的に明ら
かになつた。すなわち、成分(3)，(4)のT_NIは150
〜200℃であり、従つてこれらの物質を添加する
ことにより、T_NIを容易に上昇させることができ
る。さらにこれらの化合物を併用させたとして
も、成分(3)あるいは(4)における前述した特徴が損
なわれることはなかつた。これらの成分(1)〜(4)で
示されるエステル系化合物の総含有量は、一般的
に10〜30wt％であり、望ましくは20wt％前後と
する。 ところで、これらのエステル化合物は、上述し
たような長所を有する反面、TN型液晶表示装置
における応答特性を遅くする。そこでこの点を改
善するために各種低粘度材料を検討した。その結
果、一般式として で表わされる化合物の粘度が極めて低いため、混
合材料の粘度の低減化に適することが明らかにな
つた。第２表に代表的な低粘度材料のη₂₀，T_NIを
例示する。ここでη₂₀は20℃における粘度である。

【表】

【表】 これから明らかなように、４−（トランス−４
−ｎ−プロピルシクロヘキシル）−エチルベンゼ
ンが最も粘度が小さい。さらに副次的効果とし
て、この材料は混合材料のスメクテイツク相の誘
起を抑制する効果のあることが実験的に確認され
た。従つて、成分(11)の低粘度材料を用いることに
より、応答特性が速く、しかもスメクテイツク−
ネマテイツク相転移温度（T_SN）を大幅に下げる
ために、極めて低い温度においてもネマテイツク
液晶相を示す混合材料が確立される。尚、本混合
材料を上記エステル系化合物が含有された混合物
に添加しても、閾値電圧に対する温度依存性の変
化は認められず、T_SN及び応答特性のみ有効に改
善された。また本化合物の含有量としてはほぼ
10wt％以上より効力を発揮するが、T_NIの観点よ
り20wt％前後の使用が好ましい。 次に高融点材料について説明する。上記成分(11)
は、混合材料の粘度を大幅に低減させる反面、第
２表に示したようにT_NIが−70℃程度と低いた
め、この添加により混合物のT_NIを大幅に低下さ
せる。そこで、この化合物の使用に際しては高融
点材料の併用が必要になつてくる。一般的に、高
融点材料は長分子であるため、粘度が高い傾向に
ある。そこで本発明者は、高T_NI材料の中で比較
的低粘度である材料を選定するために、各種液晶
材料のT_NIとη₂₀を調べた。第３表に検討した材料
の一例を第２図にはその結果を示す。

【表】

【表】 図から明らかなように各種高融点材料（T_NI＞
100℃）の中で、４−（トランス−４−ペンチルシ
クロヘキシル）−4′−エチルビフエニル、４−（４
−プロピルシクロヘキシル）−4′−メチルフエニ
ルシクロヘキサン、４−（トランス−４−ｎ−ペ
ンチルシクロヘキシル）−4′−トランス−４−ｎ
−プロピルシクロヘキシルビフエニールの各材料
は、T_NIが高く粘度は低いため、広温度用高融点
材料として適している。また、粘度の温度依存性
を検討したところ、分子内にエステル基等の極性
基を含有する化合物、分子末満にシアノ基等の極
性基を含有する化合物に比べ、極めて粘度の温度
依存性が小さいことが判明した。これらの傾向は
表３以外のアルキル基もしくはアルコキシ基を有
する材料おいてもほぼ同様であつた。ゆえに高融
点材料として一般式 で表わされる各材料を選定した。尚、これらの化
合物の総含有量は20〜35wt％であり、好ましく
は25wt％前後とする。 最後にΔε＞０とするために、Δε≫０の各種
NP材料の検討を行なつた。第４表に示す成分か
ら成る組成物に第５表に示す各種NP材料を混
合し、閾値電圧Ｖ90％ 、回復時間τdの温度依存
性を測定した。測定は厚さ10μmのTN液晶セル
を用い、セルの法線方向から行なつた。尚、回復
時間τdの定義を第３図に示す。

【表】

【表】

【表】 まず、第４図にτdの温度依存性を示す。図か
ら明らかなように、各種NP材料の中でフエニル
シクロヘキサン系化合物、ビフエニル系化合物は
比較的応答が速いため、広温度用液晶材料の構成
物質として適している。水に、第５図に閾値電圧
の温度依存性を示す。図よりＢ＜Ａ＜Ｆ＜Ｅ＜Ｃ
＜Ｄの順でγ値が小さくなることがわかる。この
ことは上記の順で閾値電圧の温度変化が小さいこ
とを示している。これらの結果に基きNp液晶と
して応答性の点より一般式 で表わされる化合物を、またＶ90％ の温度依存性
の点より一般式 で表わされる化合物を選定した。上記の３成分の
材料は、本液晶組成物の使用する目的に応じて選
択されるものである。またこれらの含有量は一般
的には15〜30wt％程度使用される。 以上のような技術的根拠に基いて上記各成分を
混合することにより優れた液晶組成物を作成する
ことができる。以下実施例について説明する。 ＜実施例＞ 本発明の実施例である液晶組成物Ａ，Ｂ，Ｃ，
Ｄの成分を第６表に示す。この表に示す組成割合
で常圧下透明液体になるまで加温・混合し、液晶
組成物を作成する。

【表】

【表】 液晶組成物Ａは−40℃から87℃の間でネマテイ
ツク相を示した。この液晶組成物Ａをあらかじめ
ツイスト配向処理を行つた厚さ約10μmのTNセ
ルに注入し、該TNセルの両面に偏光板をその光
軸が直交するように配設したものを測定用液晶セ
ルとして周波数約1KHzの交流電圧を印加し、表
示特性を測定した。この組成物Ａの特性を第７表
に示す。またこの表には比較のために従来例とし
て、ロツシエ社製広温度用液晶Nr2702を選び、
その特性も併記した。

【表】 本実施例は従来の広温度用液晶と比較して (1) 駆動電圧が低い。 (2) しきい値電圧の温度依存性が極めて小さい。 (3) 低温での応答が速い。 等の優れた特徴を有することがこの表よりわか
る。 次に液晶組成物Ｂは−40℃から82℃の間でネマ
チツク相を示す。また組成物Ｂの諸特性は第７表
に示す如くであり、従来例に比べ閾値電圧の温度
依存性、応答特性が極めて優れ、さらに低電圧に
よる駆動が可能である。 その他、第６表に示す組成物Ｃ，Ｄも同様に優
れた広温度特性を示した。 ＜発明の効果＞ 上記説明から明らかなように、本発明によれ
ば、液晶温度範囲が120℃以上と極めて広い範囲
を呈する液晶組成物を創出することが可能となつ
た。またこれらをTN型液晶表示装置に適用する
ことにより、閾値電圧の温度依存性が少ないため
に広温度範囲で高いコントラストを呈し、さらに
応答特性（特に低温での）の優れた表示装置を確
立することができる。さらに、上記液晶表示装置
においては、広温度範囲にわたつてスタテイツク
駆動は言うに及ばずマルチプレツクス駆動も可能
となり、特に後者の駆動において、従来の液晶組
成物を用いた装置との有位性が顕著に現われる。
また、本発明の液晶組成物は、TN型液晶表示に
限定されるものではなく、ゲストホスト効果型表
示、相転移型表示等への適用も可能である。 以上の様に本発明の液晶組成物を用いることに
より、電卓、時計、屋外用計測器、カーダツシユ
ボード、テレビ等温度変化の激しい各種機器にお
いて、極めて信頼性の高い表示を実行することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は液晶に印加する電圧と液晶の光透過率
の関係を示すものでＶ90％ の定義を説明する説明
図である。第２図は液晶材料のT_NIとη₂₀を示す特
性図である。第３図は液晶の回復時間τdの定義
を説明する説明図である。第４図は各種Np材料
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆにおけるτdの温間依存
性を示す説明図である。第５図は各種Np材料Ａ，
Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，ＦにおけるNp濃度とγ値の関
係を示す説明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一般式として で表わされる第１の化合物群と、 一般式として で表わされる第２の化合物群と、 一般式として で表わされる第３の化合物群と、 一般式として で表わされる第４の化合物群と、 一般式として で表わされる第５の化合物群と、 から成る各化合物群と、群より少くとも１種以上
   選択された化合物を混合し、前記第１の化合物群
   と前記第２の化合物群より選択された化合物の総
   含有量を10〜30wt％、前記第３の化合物群より
   選択された化合物の含有量を20〜35wt％、前記
   第４の化合物群より選択された化合物の含有量を
   15〜30wt％、前記第５の化合物群より選択され
   た化合物の含有量を10wt％以上に設定したこと
   を特徴とする液晶組成物。 〔但し、上記R₁〜R₁₉は全て直鎖状でありＲ＝
   CnH_2o+1（ｎ＝１〜７）で表わされる。〕