JPH0717906B2 - ネマチツク液晶組成物 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は表示装置用ネマチツク液晶組成物、特に電界効
果モードに於てダイナミツク駆動特性が良好なるネマチ
ツク液晶組成物に関する。

〔従来の技術〕

従来、表示装置用ネマチツク液晶組成物は、例えば特開
昭54−83694号公報などに示されているように、一般式 （R,R′は各々任意の炭素数の直鎖アルキル基を示す）
で表わされる化合物（以後本文中に於てECHと略記す
る）などのNn液晶をベースにして、これらに一般式 （Ｒ″は任意の炭素数の直鎖アルキル基を示す）で表わ
される化合物（以後本文中に於てＰ−Ｅと略記する）な
どのNp液晶を添加し閾電圧を低下せしめる。但しNp液晶
の添加量が多くなると後述の急峻性などの電気光学特性
が低下するので必要以上にNp液晶を添加することは得策
でない。更に上記Nn液晶及びNp液晶に加えて一般式 （Ｒは任意の炭素数の直鎖アルキル基を示す）で表わ
される化合物などを添加する事により透明点を高くし液
晶温度範囲を広くしている。

〔本発明が解決しようとする問題点〕

今日ネマチツク液晶組成物に要求される特性の条件は 電圧−透過率曲線の閾電圧付近の立ち上がりが急峻
であること（以後本文中に於て急峻性と略記する） 電圧の変化に対して透過率の応答速度が早いこと 室温を中心として広い温度範囲で駆動できること、
即ち広いネマチツク液晶範囲を持つこと 化学的に安定で耐湿性・耐光性に優れること 駆動電圧（または閾電圧）が自由に選べること などがある。

単純マトリクス表示体に於てダイナミツク駆動をした
時、駆動回路によつて選択電極部または非選択電極部の
液晶に印加される実効電圧を各々Von,Voffとし、走査電
極の本数をｎ本とすれば、比Von/Voffは なる関係があり、ｎが多くなるにつれて比Von/Voffも小
さくなつて行く。

一方、液晶表示装置の一つであるツイスト・ネマチツク
・モードの液晶セルを直交偏光子間に置き、第１図に示
す電気光学特性測定装置を用いて該セル４の透過率を光
電増倍管で観察しながら駆動回路６により該セル４に印
加する実効電圧を変えて行くと第２図に示される如き電
圧−透過率曲線が得られる。電圧を上げて行き透過率が
変化し始める実効電圧を閾電圧Vth（本明細書中に於て
は透過率を10％だけ変化させるのに必要な実効電圧値を
Vthとする）、更に電圧を上げて行き透過率が飽和する
電圧をVsat（本明細書に於ては透過率を90％変化させる
のに必要な実効電圧値をVsatとする）とすると、非選択
電極部では印加される実効電圧Voffが閾電圧Vthより小
さければ、即ち、 VoffVth ……（２） であれば電圧が印加されていない時と比較してその透過
率は変化せず全く選択されなく、選択電極部では印加さ
れる実効電圧Vonが飽和電圧Vsatより大きければ、即ち VonVsat ……（３） であれば透過率は十分変化し選択された事になる従つて
（３）式を（２）式で割れば となり、この関係式が成り立つ時非選択電極と選択電極
の透過率の差が十分となる。更に（１）式と（４）式か
ら となる。走査線の本数ｎが多くなるにつれ右辺は小さく
なり１に近づいて行く。このため選択電極と非選択電極
で十分なコントラストを得るにはVsat/Vthも１に近い方
が有利となる。即ち第２図の電圧−透過率曲線の閾電圧
から飽和電圧にかけての曲線の勾配が急峻な程、コント
ラストを一定（または良くした上に）走査線本数を増や
す事ができる。以上が条件が必要となる理由である。
しかし従来、電気光学特性に於ける温度依存性の除去が
重要視されていた為条件そのものを改良する具体的方
策が示されておらず問題である。これに対して温度依存
性はICが安価になつた現在温度補償回路を駆動回路に組
み込む事により容易に取り除く事が出来るようになつ
た。

他の問題点として応答速度がある。

静止画像を表示する場合応答速度はそれ程問題とならな
い。しかしコンピユータ端末やワード・プロセツサーな
どの様に画像を頻繁に切り換える必要のある場合、高速
応答性が要求されるようになる。テレビ画像などの動画
を表示する場合更に速い応答性が要求されるのは言うま
でもない。

本発明は以上の問題点を解決するもので、その目的とす
るところは表示装置用のネマチツク液晶組成物の急峻性
を改良しダイナミツク駆動特性を向上させ、かつネマチ
ツク液晶温度範囲を広くし動作温度範囲を広げ、更に化
学的に安定なネマチツク液晶組成物を提供する事にあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕 本発明のネマチック液晶組成物は、一般式が下記Ａで表
される化合物の少なくとも一種と、一般式が下記Ｂで表
される化合物の少なくとも一種と、一般式が下記Ｃで表
される化合物の少なくとも１種と、一般式が下記Ｄで表
される化合物の少なくとも１種とからなることを特徴と
する。

Ａ・・・ Ｂ・・・ Ｃ・・・ Ｄ・・・ 但し、 R₁及びR₂は炭素数１〜10の直鎖アルキル基 R₃及びR₄は炭素数１〜12の直鎖アルキル基 R₅は炭素数１〜10の直鎖アルキル基 R₆は炭素数１〜12の直鎖アルキル基 R₇及びR₈は炭素数１〜10の直鎖アルキル基 R₉及びR₁₀は炭素数１〜９の直鎖アルキル基 を表す。

一般式Ａで表わされる化合物（以後本文中に於て化合物
Ａと略記する）は応答速度を速くするために有効なNn液
晶であり７重量％未満では効果が小さくその含有量は多
い程良い。しかし透明点が比較的低いため化合物Ａの含
有量が62重量％を越えるとネマチツク液晶組成物の透明
点も低くなり、ひいてはネマチツク液晶組成物のネマチ
ツク液晶範囲を狭くするため好ましくない。従つて化合
物Ａの含有量は７重量％〜62重量％が望ましい。

一般式Ｂで表わされる化合物（以後本文中に於て化合物
Ｂと略記する）は急峻性を向上させるために有効なNn液
晶であり10重量％以下では効果が小さくその含有量は多
い程良い。しかし57.5重量％を越えると共晶組成からの
ズレが大きくなり過ぎて凝固点降下の効果が得られず低
温に於て析出するようになる。従つて化合物Ｂの含有量
は10重量％〜60重量％が望ましく、より望ましくは20重
量％〜57.5重量％である。

一般式Ｃで表わされる化合物（以後本文中に於て化合物
Ｃと略記する）はNp液晶でありその含有量の多少により
閾電圧を低くまたは高くできる。閾電圧が低ければそれ
に比例して液晶駆動用回路の最大定格出力電圧も低くて
済み、安価なICが使えるため有利となる。しかしＰ−Ｅ
液晶を含有量を多くしすぎると急峻性などの電気光学特
性の性能を低下させ、透明点を低くし液晶温度範囲を狭
くするなどの好ましくない影響が出る可能性があるので
この含有量は過度にしない方が良い。即ち５重量％から
30重量％が望ましく、より望ましくは８重量％〜22.5重
量％が望ましい。

一般式Ｄで表わされる化合物（以後本文中に於て化合物
Ｄと略記する）はネマチツク液晶組成物の透明点を高く
するのに有効である。しかし５重量％未満では効果が小
さくその含有量は多い程良い。しかし30重量％を越える
と低温でスメクチツク相が出現し好ましくない。従つて
化合物Ｄの含有量は３〜30重量％が望ましく、より望ま
しくは５〜25重量％であり、最も望ましくは５重量％〜
12.3重量％である。

〔実施例〕

以下、本発明について実施例に基づき詳細に説明する。

尚、液晶組成物の特性の測定は次の如く行つた。第１図
は電気光学特性に対する測定系を表わしたものである。
測定セル４はガラス製基板の片面に蒸着などの操作によ
り酸化錫などの透明電極を設け、更にその面を有機薄膜
で覆い配向処理を施した上、スペーサーの役割を兼ねた
ナイロン・フイルム製の枠を間に挾んで液晶を封入した
時液晶層が所望の厚みとなるように二枚の該ガラス基板
を対向させて固定したものであり、該セルの両面には各
々一枚づつの偏光板を電圧が印加されていない時光が透
過し、電圧が印加された時光が遮断されるように偏光軸
の向きを調整して貼付けてある。尚、本文中に於てガラ
ス基板とガラス基板の間隔（即ち液晶層の厚さ）をセル
厚と略記する。白色光源１から出た光線２はレンズ及び
フィルター系３を通りセル４に垂直方向から入射し、後
方に設けられた検出器でその透過光強度が測定される。
この時セル４には駆動回路６によって任意の実効電圧を
持つ周波数１キロ・ヘルツの交流矩形電圧が印加されて
いる。第１図の測定系を用いて液晶セルの光透過率を測
定した実効電圧−相対透過率曲線が第２図である。第２
図に於て透過率は通常の印加電圧範囲で最も明るくなつ
た時及び最も暗くなつた時の透過率を各々100％及び０
％として表わし印加電圧を透過率100％の電圧から始め
て徐々に上げて行き透過率が10％だけ変化した時の実効
値電圧を閾電圧Vthまた更に印加電圧を上げて透過率が1
00％の時から90％変化した時の実効値電圧を飽和電圧Vs
atと各々定める。この時、実効電圧−相対透過率曲線の
閾電圧付近の立ち上がり（即ち急峻性）は下式に於ける
β値として定められる。

点燈時（マトリクス・セルに於て選択された時）の実効
電圧（Vonと表わす）がVsatに等しく、非点燈時（非選
択時）の実効値電圧（Voffと表わす）がVthに等しい電
気信号が印加された時各々相対透過率が90％及び10％と
なり、画素の点燈及び非点燈が認識される事となる。更
に言えばVonがVsatよりやや大きく、VoffがVthよりやや
小さければ各々の透過率は90％以上と10％以下となる。
この時Von/Voff＞Vsat/Vth＝βである。これとは逆にVo
nがVsatより小さく、VoffがVthより大きければ各々の透
過率は90％以下と10％以上となり視認性が悪くなつてし
まう。即ちVon/Voff＜Vsat/Vth＝βなる信号電圧が印加
された場合視認性が悪くなるのである。この様にβ値が
電気信号の実効電圧比Von/Voffより小さければ視認性の
良い画素表示が得られ、同じ画像表示を得るのにβ値が
小さい程Von/Voff比も小さく済む。単純マトリクス表示
体では走査線本数を多くする程Von/Voffが小さくなるた
めβ値も小さい（１に近づく）事が必要である。以上β
値はVon/Voffが許容される最小値を示すためマルチプレ
ツクス特性の指標となる。

印加電圧の変化に対する応答速度は次の通りとする。印
加する実効電圧を瞬間的にVthからVsatへ切り換えた時
定常状態での各々の実効電圧に対する透過率どうしの差
の90％だけ透過率が変化するのに要する時間（即ち透過
率が90％から18％へ変化するのに要する時間）をミリ秒
単位でTon表わし、同様にVsatからVthへ実効電圧を瞬間
的に切り換えた時定常状態での各々の実効電圧に対する
透過率同志の差の90％だけ透過率が変化するのに要する
時間（透過率が10％から82％へ変化するのに要する時
間）をミリ秒単位でToffと表わす。TonとToffを足した
Ｔ（ミリ秒単位）を以て応答速度の指標とする。

尚、一般に印加電圧を０から任意の電圧υ（Ｖ）へ瞬間
的に切り換えてから透過率が０の状態から90％へ変化す
るのに要する時間をton、印加電圧をυから０へ瞬間的
に切り換えてから透過率が100％の状態から10％変化す
るのに要する時間をtoffとすると下記の式で表わされる
事が知られている。（参考文献:M.Schadt,日本学術振興
会情報科学用有機材料第142委員会Ａ部会（液晶グルー
プ）第11回研究会資料、1978年）。

（ここでηはバルク粘度、ε_０は真空誘電率、Δεは相
対誘導率の異方性、Ｅは電場、ＫはK₁₁＋K₃₃−2K₂₂）/4
なる弾性定数項、ｄはセル厚を各々表わしη，Δεおよ
びＫは液晶組成物に個有である）。従つてton及びtoff
は共にd²に比例して長くなる。

本実施例で定義したＴなる応答速度もセル厚と密接な関
係があり、定性的ではあるがセル厚が薄いとＴは短か
く、セル厚が厚いと長い傾向を見出した。これらの関係
は当業者ならば納得するに難くない。従つて同じ液晶組
成物を用いて液晶表示体を作つた場合セル厚を薄くする
程応答速度を速くする事ができる。

一方、急峻性βはセル厚ｄ（μ）と屈折率異方性△ｎの
積であるΔｎ・ｄが0.8付近の時最も小さくなる（最良
となる）事が見出されている（参考文献：山崎淑夫、竹
下裕、永田光夫、宮地幸夫、Proceedings of the 3rd I
nternational Display Research Conference“JAPANDIS
PLAY '83"、320頁;1983年、SID）。従つてコントラス
トを重視する場合セル厚ｄを△ｎ・ｄが0.8付近に成る
様に液晶表示体を作るのが最も得策であり、液晶組成物
の急峻性の比較もこのセル厚で行うのが最も妥当である
と考えられる。応答時間も先に記した如くセル厚と関係
するため液晶組成物の応答時間を比較するには適当な厚
みで測定する事が必要である。

以上を鑑み、本実施例では急峻性，応答速度及び閾電圧
の測定は全て急峻性βが最小となるセル厚のセルを用い
て測定した。

測定温度は全て摂氏20度とした。

また配向の均一性を高めるため本発明のネマチツク液晶
組成物に微量のコレステリツク物質を添加したものをセ
ルに封入した。

〔実施例−１〕 本発明による実施例−１の組成及び特性を第１表に示
す。但し本実施例は化合物Ｃとして一般式 （式中R₅は炭素数１〜10個の直鎖アルキル基を示す）で
表わされる化合物（以後本文中に於てＰ−Ｅと略記す
る）を含有して成る事を特徴としている。

また、比較例として一般式 （式中R,R′は各々任意の炭素数の直鎖アルキル基を示
す）で表わされ化合物（以後本文中に於てECHと略記す
る）及びＰ−Ｅを含有して成るネマチツク液晶組成物の
組成及び特性を第２表に示す。

表に於て高温液晶性、低温液晶性とは各々、室温を摂氏
20度と想定し、これを標準としてそれより30度高い温度
及び30度低い温度（即ち摂氏50度及び摂氏マイナス10
度）に於て液晶が安定にネマチツク相を示すか否かを表
わし、ネマチツク相が安定なら○印、摂氏50度に於て等
方性液体なら文字Ｉ、摂氏マイナス10度に於てスメチツ
ク相ならSm、析出する場合は×印で示す。以後、全て表
中に於ては上記の表現を用いる。

比較例−１及び比較例−２の閾電圧は各々3.04V及び1.7
8Vであり1.2V以上の差がある。しかし急峻性を表わすβ
値はどちらも1.29で全く同じである。これに対して実施
例−１の閾電圧は2.40Vであり比較例−1,2の中間である
が、β値は1.22と１に近く成つており非常に良好であ
る。即ち単純マトリクス電極を用いた液晶パネルに於て
透過率を選択電極で10％以下（暗状態）に、非選択電極
で90％以上（明状態）に各々するためには、比較例では
走査電極の数は15本以下しか駆動できないのに対して実
施例−１では25本以上駆動する事ができる。

応答時間も比較例がいづれも340ミリ秒以上であるのに
対して実施例−１は244ミリ秒であり極めて速い。摂氏5
0度に於ける高温液晶性及び摂氏マイナス10度に於ける
低温液晶性は十分安定であり、通常の表示体に用いるの
には十分広いネマチツク液晶温度範囲を有している。

以上、比較例が閾電圧の如何によらずβ値が1.29である
のに対して、本発明による実施例−１は1.22と極めて良
好である。また応答速度も極めて速く、ネマチツク液晶
温度範囲も十分である。

尚、本実施例は本発明に於ける実施例中化合物Ｂを最も
多く含有するものであり、その含有量は57.4重量％であ
る。また化合物Ｄの含有量も最も多く12.3重量％であ
る。

〔実施例−2,3,4,5,6〕 これ以後、各実施例中で用いる化合物群を第３表〜第９
表に示す。

第３表〜第６表に示す化合物群は化合物Ａのみから成る
化合物部であり、以後本文中に於てＡ−1,A−2,A−3,A
−４と略記する。

第７表〜第９表に示す化合物群は化合物Ｂのみから成る
化合物群であり、以後本文中に於てＢ−1,B−2,B−３と
略記する。

実施例−２〜６の組成及び特性を第10表に示す。

実施例−２〜６は化合物Ａを20〜62重量％含有し、化合
物Ｂを55〜20重量％含有し、化合物Ｃを20〜８重量％含
有し、化合物Ｄを５〜10重量％含有している。

閾電圧は1.93V〜2.79Vの範囲にあり種々の駆動回路に対
して出力電圧に応じた閾電圧を選択できる。

β値は1.23〜1.24であり良好である。応答時間も234〜3
01ミリ秒と速い。ネマチツク液晶温度範囲も十分であ
る。

尚、実施例−２は化合物Ｄの含有量が５重量％であり本
発明による実施例中最も少ない。

実施例5,6は各々化合物Ｃの含有量が８重量％であり実
施中最も少ない。

実施例６は化合物Ａの含有量が62重量％であり実施例中
最も多い。

実施例−６は化合物Ｂの含有量が20重量％であり、実施
例−7,8とともに実施例中最も少ないものの一つであ
る。

〔実施例−7,8〕 化合物ＣとしてＰ−Ｅの他に一般式 （式中R₆は炭素数１〜12の直鎖アルキル基を示す。）で
表わされる化合物（以後本文中に於てＰ−Ｂと略記す
る）も用いる事が出来る。化合物ＣとしてＰ−Ｂを用い
た具体例である実施例−７の組成及び特性を第11表に示
す。実施例−７はＰ−Ｅを用いた実施例−６と比較して
閾電圧をやや低くできた上、急峻性が良い。特に応答時
間は39ミリ秒短かくする事ができる。高温液晶性及び低
温液晶性のいづれも十分である。以上のように、化合物
ＣとしてＰ−Ｂを用いればＰ−Ｅを用いた場合より更に
特性を良くする事ができる。

Ｐ−ＥとＰ−Ｂは同時に用いる事ができる。この具体例
が実施例−８であり、その組成及び特性を第11表に示
す。閾電圧及び応答時間は実施例−５と実施例−７の中
間であるが、β値が1.23であり急峻性が優れている。ネ
マチツク液晶範囲も十分である。Ｐ−Ｅ及びＰ−Ｂを同
時に用いれば化合物Ｃの成分数を増やせる（実施例−５
及び実施例−７では化合物Ｃは２成分であるのに対し
て、実施例−８では４成分である）ため、一成分当りの
含有量を比較的少なくしたまま、化合物Ｃの含有量を増
やせるため、低温での析出を押える事ができ有利であ
る。

〔実施例−9,10,11,12,13,14〕 本発明によるネマチツク液晶組成物に添加して良なる効
果をもたらす化合物は一般式 （R₁₁は炭素数１〜10の直鎖アルキル基を示す）で表わ
される化合物（以後本文中に於いて化合物Ｅと略記す
る）、一般式 （R₁₂は炭素数１〜10個の直鎖アルキル基を示す）で表
わされる化合物（以後本文中に於いて化合物Ｆと略記す
る）、一般式 （R₁₃及びR₁₄は各々炭素数１〜12個の直鎖アルキル基を
示す）で表わされる化合物（以後本文中に於いて化合物
Ｇと略記する）及び一般式 （式中R₁₅及びR₁₆は炭素数１〜８個の直鎖アルキル基を
示す）で表わされる化合物（以後本文中に於いて化合物
Ｈと略記する）である。これらの化合物を実際に本発明
によるネマチツク液晶組成物に添加したものが実施例−
９〜14であり、これらの組成及び特性を第12表に示す。

実施例−９及び10は化合物Ｅを５及び10重量％添加した
例である。閾電圧は約2.5〜2.3Vであり、応答速度もＴ
が272〜329ミリ秒であり比較例よりやや良い程度であ
る。

しかしβ値は1.22〜1.23であり極めて優秀である。また
ネマチツク液晶温度範囲は極めて広く室温を摂氏20度と
してその上下50度の範囲（即ち摂氏マイナス30度〜摂氏
プラス70度）でネマチツク相が安定である。即ち本発明
によるネマチツク液晶組成物に急峻性や応答速度などの
電気光学特性が優れているばかりでなく、過酷な温度条
件下でも安定である事を示す具体例である。

実施例−11は化合物Ｆを添加した例である。閾電圧は2.
08Vを低く、急峻性もβ値が1.23と極めて優れており、
反応速度もＴが206ミリ秒と極めて速く、Ｅ−Ｆが添加
剤として優れている事が示されている。

実施例−12及び13は各々化合物Ｇまたは化合物Ｈを添加
した例であり、特性は比較例と比べて全て良い。

これらの添加剤を同時に２種以上用いる事も有効であ
り、これを示す例が実施例−14である。実施例−14は化
合物Ｅ及び化合物Ｈを同時に用いた例であり、閾電圧は
2.23Vと比較的低く、応答速度もかなり速い。

β値は1.22であり急峻性は極めて優れている。高温液晶
性及び低温液晶性も十分である。

以上により本発明によるネマチツク液晶組成物に化合物
E,化合物F,化合物Ｇ及び化合物Ｈなどの化合物を単成分
又は多種同時の添加が有効である事は明らかである。そ
の添加量は合計で10重量％以下が望ましい。

尚、実施例−10,12,14は本発明に於ける実施例中、化合
物Ａの含有量が最も少ないものであり、その含有量は７
重量％である。また、実施例−11は本発明に於ける実施
例中、化合物Ｃの含有量が最も多いものであり、その含
有量は22.5重量％である。

以上のように、本発明のネマチック液晶組成物に、前記
化合物Ｅ、化合物Ｆ、化合物Ｇ、化合物Ｈのような種々
の添加物を添加すると、ダイナミック特性を更に向上さ
せることができる。

〔発明の効果〕 以上述べたように、本発明のネマチック液晶組成物は、
一般式が前記Ａで表される化合物の少なくとも一種と、
一般式が前記Ｂで表される化合物の少なくとも一種と、
一般式が前記Ｃで表される化合物の少なくとも１種と、
一般式が前記Ｄで表される化合物の少なくとも１種とか
らなることにより、温度範囲が広く、急峻性に優れ、応
答速度が速く、閾電圧も適当であるというダイナミック
特性に優れたものである。

従って、本発明のネマチック液晶組成物は、例えば、ツ
イストネマチックモードの表示装置を始めとし、ゲスト
・ホストモードの液晶装置にホスト液晶として用いるこ
となどができ、この場合、優れた表示コントラストを得
るのに多大の効果をもたらす。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例に於て用いた測定装置を表わすハード
図、第２図は該測定装置を用いて一般的に得られる相対
透過率−実効電圧の変化を示した図。 １……光源、２……光線 ３……レンズ及びフイルター系 ４……セル ５……受光部（光電増培管）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯島 千代明 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 株式会 社諏訪精工舎内 (72)発明者 和田 啓志 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 株式会 社諏訪精工舎内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一般式が下記Ａで表される化合物の少なく
   とも一種と、一般式が下記Ｂで表される化合物の少なく
   とも一種と、一般式が下記Ｃで表される化合物の少なく
   とも１種と、一般式が下記Ｄで表される化合物の少なく
   とも１種とからなることを特徴とするネマチック液晶組
   成物。 Ａ・・・ Ｂ・・・ Ｃ・・・ Ｄ・・・ 但し、 R₁及びR₂は炭素数１〜10の直鎖アルキル基 R₃及びR₄は炭素数１〜12の直鎖アルキル基 R₅は炭素数１〜10の直鎖アルキル基 R₆は炭素数１〜12の直鎖アルキル基 R₇及びR₈は炭素数１〜10の直鎖アルキル基 R₉及びR₁₀は炭素数１〜９の直鎖アルキル基 を表す。