JPH08245519A - 反強誘電性液晶組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ディスプレイに充分使用できる優れた表示性
能を有する新規な反強誘電性液晶組成物の提供。 【構成】 下記一般式〔１〕 【化１】 （式中、ｍは４〜１４の整数、ｎは４〜１４の整数、Ｘ
は単結合、−Ｏ−、−ＣＯＯ−および−ＯＣＯ−よりな
る群から選らばれた基であり、それぞれのＹは水素およ
びふっ素よりなる群から独立して選らばれた基であり、
＊は不斉炭素を表わす）で示される少なくとも１種の液
晶化合物と、下記一般式〔２〕 【化２】 （式中、ｍは４〜１４の整数、ｎは４〜１４の整数、＊
は不斉炭素を表わす）で示される少なくとも１種の液晶
化合物、とを含有していることを特徴とする反強誘電性
液晶組成物。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、新規な反強誘電性液晶
組成物に関する。

【０００２】

【従来技術】液晶表示素子は、１）低電圧作動性、２）
低消費電力性、３）薄形表示、４）受光型などの優れた
特徴を有するため、現在まで、ＴＮ方式、ＳＴＮ方式、
ゲスト−ホスト（Ｇｅｓｔ−Ｈｏｓｔ）方式などが開発
され実用化されている。

【０００３】しかし、現在広く利用されているネマチッ
ク液晶を用いたものは、応答速度が数ｍｓｅｃ〜数十ｍ
ｓｅｃと遅い欠点があり、応用上種々の制約を受けてい
る。

【０００４】これらの問題を解決するため、ＳＴＮ方式
や薄層トランジスタ方式などを用いたアクティブマトリ
ックス方式などが開発されたが、ＳＴＮ型表示素子は、
表示コントラストや視野角などの表示品位は優れたもの
となったが、セルギャップやチルト角の制御に高い精度
を必要とすることや応答がやや遅いことなどが問題とな
っている。薄膜トランジスタ方式は構造が複雑で製造時
の歩留りが低く、結果的に高価につく。

【０００５】このため、応答性のすぐれた新しい液晶表
示方式の開発が要望されており、光学応答時間がμｓｅ
ｃオーダーと極めて短かい超高速デバイスが可能になる
強誘電性液晶の開発が試みられていた。

【０００６】強誘電性液晶は、１９７５年、Ｍｅｙｏｒ
等によりＤＯＢＡＭＢＣ（ｐ−デシルオキシベンジリデ
ン−ｐ−アミノ−２−メチルブチルシンナメート）が初
めて合成された（Ｌｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｄｅ Ｐｈｙ
ｓｉｑｕｅ，３６巻１９７５，Ｌ−６９）。さらに、１
９８０年、ＣｌａｒｋとＬａｇａｗａｌｌによりＤＯＢ
ＡＭＢＣのサブマイクロ秒の高速応答、メモリー特性な
ど表示デバイス上の特性が報告されて以来、強誘電性液
晶が大きな注目を集めるようになった〔Ｎ．Ａ．Ｃｌａ
ｒｋ，ｅｔａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．３
６．８９９（１９８０）〕。しかし、彼らの方式には、
実用化に向けて多くの技術的課題があり、特に室温でデ
ィスプレーに要求される実用特性を満足する強誘電性液
晶はほとんど無く、表示ディスプレーに不可欠な液晶分
子の配列制御に有効かつ実用的な方法も確立されていな
かった。

【０００７】この報告以来、液晶材料／デバイス両面か
らの様々な試みがなされ、ツイスト二状態間のスイッチ
ングを利用した表示デバイスが試作され、それを用いた
高速電気光学装置も例えば特開昭５６−１０７２１６号
などで提案されているが、高いコントラストや適正なし
きい値特性は得られていない。

【０００８】このような視点から他のスイッチング方式
についても探索され、過渡的な散乱方式が提案された。
その後、１９８８年に本発明者らによる三安定状態を有
する液晶の三状態スイッチング方式が報告された〔Ａ．
Ｄ．Ｌ．Ｃｈａｎｄａｎｉ，Ｔ．Ｈａｇｉｗａｒａ，
Ｙ．Ｓｕｚｕｋｉ ｅｔａｌ．，Ｊａｐａｎ．Ｊ．ｏｆ
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，２７，（５），Ｌ７２９−Ｌ７
３２（１９８８）〕。

【０００９】前記「三安定状態を有する」とは、第一の
電極基板と所定の間隙を隔てて配置されている第二の電
極基板との間に反強誘電性液晶が挟まれてなる液晶電気
光学装置において、前記第一及び第二の電極基板に電界
形成用の電圧が印加されるよう構成されており、図１Ａ
で示される三角波として電圧を印加したとき、前記反強
誘電性液晶が、無電界時に分子配向が第一の安定状態
〔図３（ａ）〕になり、液晶電気光学装置の透過率が第
一の安定状態（図１Ｄの１）を示し、かつ、電界印加時
に一方の電界方向に対し分子配向が前記第一の安定状態
とは異なる第二の安定状態〔図３（ｂ）〕になり液晶電
気光学装置の透過率が第２の安定状態（図１Ｄの２）を
示し、さらに他方の電界方向に対し前記第一及び第二の
安定状態とは異なる第三の分子配向安定状態〔図３
（ｃ）〕になり液晶電気光学装置の透過率が第三の安定
状態（図１Ｄの３）を示すことを意味する。なお、この
三安定状態を利用する液晶電気光学装置については、本
出願人は特願昭６３−７０２１２号として出願し、特開
平２−１５３３２２号として公開されている。

【００１０】三安定状態を示す反強誘電性液晶の特徴を
さらに詳しく説明する。クラーク／ラガウェル（Ｃｌａ
ｒｋ−Ｌａｇａｗａｌｌ）により提案された表面安定化
強誘電性液晶素子では、Ｓ＊C相において強誘電性液晶
分子が図２（ａ）および（ｂ）のように一方向に均一配
向した２つの安定状態を持ち、印加電界の方向により、
どちらか一方の状態に安定化され、電界を切ってもその
状態が保持される。

【００１１】しかしながら実際には、強誘電性液晶分子
の配向状態は、液晶分子のダイレクターが捩れたツイス
ト二状態を示したり、層がくの字に折れ曲ったシエブロ
ン構造を示す。シエブロン層構造では、スイッチング角
が小さくなり低コントラストの原因になるなど、実用化
へ向けて大きな障害になっている。一方、“反”強誘電
性液晶は三安定状態を示すＳｍＣ＊A相では、上記液晶
電気光学装置において、無電界時には、図３（ａ）に示
すごとく隣り合う層毎に分子は逆方向に傾き反平行に配
列し、液晶分子の双極子はお互に打ち消し合っている。
したがって、液晶層全体として自発分極は打ち消されて
いる。この分子配列を示す液晶相は、図１Ｄのに対応
している。

【００１２】さらに、（＋）又は（−）のしきい値より
充分大きい電圧を印加すると、図３（ｂ）および（ｃ）
に示すごとく液晶分子が同一方向に傾き、平行に配列す
る。この状態では、分子の双極子も同一方向に揃うため
自発分極が発生し、強誘電相となる。

【００１３】“反”強誘電性液晶のＳｍＣ＊A相におい
ては、無電界時の“反”強誘電相と印加電界の極性によ
る２つの強誘電相が安定になり、“反”強誘電相と２つ
の強誘電相間を直流的しきい値をもって三安定状態間を
マイクロセカンドオーダーの高速スイッチングを行うも
のである。すなわち、印加電界の極性と大きさにより液
晶の分子配列が変化して、液晶の光学軸を三状態に変化
させることができ、このような液晶の三状態を一対の偏
光板にはさみ込むことにより電気光学的表示装置として
用いることができる。交流三角波の印加電圧に対して光
透過率をプロットすると図４のようなダブル・ヒステリ
シスを示す。このダブル・ヒステリシスに、図４の
（Ａ）に示すようにバイアス電圧を印加して、さらにパ
ルス電圧を重畳することによりメモリー効果を実現でき
る特徴を有する。

【００１４】そして、“反”強誘電性液晶では、プラス
側とマイナス側の両方のヒステリシスを交互に使い画像
表示を行なうことができるため、自発分極に基づく内部
電界の蓄積による画像の残像現象を防止することができ
る。さらに、電界印加により強誘電相は層がストレッチ
され、ブックシエルフ構造となる。一方、第一安定状態
の“反”強誘電相では類似ブックシエルフ構造となる。
この電界印加による層構造スイッチングが液晶層に動的
シエアーを与えるため駆動中に配向欠陥が改善され、良
好な分子配向が実現できる。

【００１５】以上のように、“反”強誘電性液晶は、
１）高速応答が可能で、２）高いコントラストと広い視
野角および３）良好な配向特性とメモリー効果が実現で
きる、非常に有用な液晶化合物と言える。

【００１６】“反”強誘電性液晶の三安定状態を示す液
晶相については、１）Ａ．Ｄ．Ｌ．Ｃｈａｎｄａｎｉ
ｅｔａｌ.，Ｊａｐａｎ Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ.，２
８，Ｌ−１２６５（１９８９）および２）Ｈ．Ｏｒｉｈ
ａｒａ ｅｔａｌ.，Ｊａｐａｎ Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈ
ｙｓ.，２９，Ｌ−３３３（１９９０）に報告されてお
り、“反”強誘電的性質にちなみＳ＊Ｃ A相（Ａｎｔｉ
ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｍｅｃｔｉｃ Ｃ＊
相）と命名しているが本発明者らは、この液晶相が三安
定状態間のスイッチングを行なうためＳ＊(3)相（本明
細書ではＳｍＣ＊A相と表示）と定義した。

【００１７】三安定状態を示す“反”強誘電相ＳｍＣ＊
Aを相系列に有する液晶化合物は、本発明者の出願した
特開平１−３１６３６７号、特開平１−３１６３７２
号、特開平１−３１６３３９号、特開平２−２８１２８
号及び市橋等の特開平１−２１３３９０号公報があり、
また三安定状態を利用した液晶電気光学装置としては本
出願人は特開平２−４０６２５号、特開平２−１５３３
２２号、特開平２−１７３７２４号において新しい提案
を行っている。

【００１８】前述した表示装置（光学装置）に用いられ
る反強誘電性液晶に要求される材料特性は、主として
１）動作温度範囲、２）応答速度、３）ヒステリシス特
性、４）表示コントラスト等が挙げられる。３）のヒス
テリシス特性については、ヒステリシスの幅を示す目安
としてメモリーマージンを定義している。このメモリー
マージンが大きい方がディスプレイに適している。

【００１９】４）の表示コントラストについては、反強
誘電相から強誘電相へスイッチングする前駆現象として
光洩れが生じ、このような反強誘電性液晶を用いて表示
駆動させると低いコントラストしか得られない。この反
強誘電相における光洩れを定量的に評価した値を鍋底率
と呼んでいるが、この鍋底率の小さいものほど光洩れが
少なく、表示コントラストは向上する。従って、表示コ
ントラストを向上させるためには、鍋底率の改善が必要
となる。しかしながら、現在のところ鍋底率の優れた反
強誘電性液晶は得られていない。

【００２０】また、無電界でも配向欠陥などにより光洩
れが生じる。このように光洩れが生じている反強誘電相
を用いて表示駆動させると低い表示コントラストしか得
られない。スイッチングした強誘電相の光の透過強度と
無電界での反強誘電相の光の透過強度の比を配向コント
ラストと呼んでいるが、反強誘電相の光洩れが少ないほ
ど配向コントラストが高く、表示コントラストは向上す
る。従って、表示コントラストを向上させるためには、
配向コントラストの改善が必要となる。しかしながら、
現在のところ配向コントラストの優れた反強誘電性液晶
は得られていない。

【００２１】現在、開発されている反強誘電性ディスプ
レイでは、ＴＦＴディスプレイの表示性能に比較して、
高精細、高品位という点で表示品位が充分でなく、前記
の重要な駆動特性の改善方法が強く求められている。こ
れらの性能を満たすには、単一化合物の反強誘電性液晶
化合物では非常に困難であることがわかってきた。

【００２２】

【発明が解決しようとしている課題】本発明の目的は、
ディスプレイに充分使用できる優れた表示性能を有する
新規な反強誘電性液晶組成物を提供する点にある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】以上の問題を鋭意検討し
た結果、骨格構造を構成するベンゼン核の特定位置にふ
っ素置換基を有する液晶化合物を反強誘電性液晶組成物
に配合することにより、配向コントラスト、メモリーマ
ージン、鍋底率等を改善することを見出し、本発明を完
成するに至った。

【００２４】すなわち、本発明は、下記一般式〔１〕

【化３】 （式中、ｍは４〜１４の整数、ｎは４〜１４の整数、Ｘ
は単結合、−Ｏ−、−ＣＯＯ−および−ＯＣＯ−よりな
る群から選らばれた基であり、それぞれのＹは水素およ
びふっ素よりなる群から独立して選らばれた基であり、
＊は不斉炭素を表わす）で示される少なくとも１種の液
晶化合物と、下記一般式〔２〕

【化４】 （式中、ｍは４〜１４の整数、ｎは４〜１４の整数、＊
は不斉炭素を表わす）で示される少なくとも１種の液晶
化合物、とを含有していることを特徴とする反強誘電性
液晶組成物に関する。

【００２５】前記一般式〔２〕で示される液晶化合物
は、全液晶組成物中で通常１〜８０ｗｔ％、とくには５
〜５０ｗｔ％、とりわけ５〜４０ｗｔ％を占めることが
好ましい。

【００２６】本発明における電気光学特性の測定方法は
つぎのとおりである。ラビング処理したポリイミド配向
膜を透明電極基板上に有するセル厚２．０μｍの液晶セ
ルに、実施例で得られた液晶組成物を等方相において充
填し、液晶薄膜セルを作製した。作製した液晶セルを
０．１〜１．０℃／ｍｉｎ．の温度勾配で徐冷して析出
させた。この液晶セルを２枚の偏光板を直交させた、光
電子増倍管付き偏光顕微鏡に電圧０Ｖの状態で暗視野と
なるように配置した。

【００２７】液晶が反強誘電相であるときに、セルに±
４０Ｖ、１Ｈｚの三角波電圧を印加したときの光の相対
透過率を、印加した電圧に対してグラフ化すると図５の
ようになる。図に示すようにプラス電圧を印加したとき
と、マイナス電圧を印加したときとでほぼ左右対称な二
つのヒステリシスを有することが特徴である。図中に示
すように、印加するプラス電圧（マイナス電圧）を大き
くしていく（小さくしていく）過程で相対透過率が１０
％になる電圧をＶ₁、印加するプラス電圧（マイナス電
圧）を大きくしていく（小さくしていく）過程で相対透
過率が９０％になる電圧をＶ₂、さらに、印加するプラ
ス電圧（マイナス電圧）を大きくしていく（小さくして
いく）過程で相対透過率が９０％になる電圧をＶ₃と定
義することにする。また、ヒステリシスの幅をメモリー
マージンＭ₁とよび次式で定義する。

【数１】 メモリーマージンの数値が大きい方がディスプレイには
適している。

【００２８】反強誘電相の状態からプラス（あるいはマ
イナス）側に電圧を印加していく過程で、強誘電相へ転
移する前に相対透過率が徐々に大きくなる現象がある。
実際のディスプレイではＶ₃より大きくＶ₁より小さい直
流バイアス電圧を印加した状態で、パルス電圧を印加し
て駆動することになるので反強誘電状態における光洩れ
はコントラストを低下させる原因となる。この反強誘電
状態における光洩れを次のように定量的に評価すること
にした。無電圧の状態からプラス（あるいはマイナス）
側に電圧を印加していく過程における相対透過率を印加
電圧に対して二階差分して、この時の値が２になるとき
の電圧を求めた。そして相対透過率−印加電圧曲線から
相当する電圧における相対透過率を求め、これを鍋底率
として定義した。鍋底率が小さいほど光洩れが少ないこ
とを意味している。

【００２９】無電界時の反強誘電相において配向欠陥等
により光洩れが生じ、表示コントラストが低下すること
がある。偏光顕微鏡の光電子増倍管への光路を閉じ、そ
の時の光電子増倍管の出力をＩｏ、電圧０Ｖの状態（反
強誘電相）で最も暗くなるように配置し、その時の光電
子増倍管の出力をＩｄ、３０Ｈｚ、６０Ｖｐｐ（電圧不
足であれば８０Ｖｐｐまで）の矩形波電界を加え、その
時の最大の光電子増倍管の出力をＩｂと定義することに
する。スイッチングした強誘電相の光の透過強度と無電
界での反強誘電相の光の透過強度の比を配向コントラス
トとよび次式で定義する。

【数２】 配向コントラストが大きいほど、液晶の配向状態が優れ
ていることを意味している。

【００３０】

【実施例】下記に示す一般式〔Ｉ〕にそれぞれ相当する
液晶化合物群を含有する組成物を基本液晶組成物とし、
これに一般式〔２〕に相当するそれぞれの液晶化合物を
配合して、実施例１〜３の反強誘電性液晶組成物を作っ
た。

【００３１】基本液晶組成物の組成

【化５】

【００３２】実施例１

【化６】 配向コントラスト、鍋底率およびメモリーマージンのデ
ーターは図６、７、８に示す。基本液晶組成物に対する
効果は顕著であることが判る。

【００３３】実施例２

【化７】 配向コントラスト、鍋底率およびメモリーマージンのデ
ーターは図６、７、８に示す。基本液晶組成物に対する
効果は顕著であることが判る。

【００３４】実施例３

【化８】 配向コントラスト、鍋底率およびメモリーマージンのデ
ーターは図６、７、８に示す。基本液晶組成物に対する
効果は顕著であることが判る。

【００３５】実施例４

【化９】 配向コントラスト、鍋底率およびメモリーマージンのデ
ーターは図６、７、８に示す。基本液晶組成物に対する
効果は顕著であることが判る。

【００３６】実施例５

【化１０】 配向コントラスト、鍋底率およびメモリーマージンのデ
ーターは図６、７、８に示す。基本液晶組成物に対する
効果は顕著であることが判る。

【００３７】実施例６

【化１１】 図９に示すように、実施例４に較べてさらに鍋底率の改
善効果がみられた。

【００３８】以下に本発明の実施態様項を列挙する。 １． 下記一般式〔１〕

【化１２】 （式中、ｍは４〜１４の整数、ｎは４〜１４の整数、Ｘ
は単結合、−Ｏ−、−ＣＯＯ−および−ＯＣＯ−よりな
る群から選らばれた基であり、それぞれのＹは水素およ
びふっ素よりなる群から独立して選らばれた基であり、
＊は不斉炭素を表わす）で示される少なくとも１種の液
晶化合物と、下記一般式〔２〕

【化１３】 （式中、ｍは４〜１４の整数、ｎは４〜１４の整数、＊
は不斉炭素を表わす）で示される少なくとも１種の液晶
化合物、とを含有していることを特徴とする反強誘電性
液晶組成物。 ２． 前記一般式〔２〕で示される液晶化合物が全液晶
組成物中の１〜８０ｗｔ％を占めるものである前項１記
載の反強誘電性液晶組成物。 ３． 一般式〔２〕の液晶化合物において、ｍとｎが共
に偶数である前項１または２記載の反強誘電性液晶組成
物。 ４． 一般式〔２〕の液晶化合物において、ｍが奇数、
ｎが偶数である前項１または２記載の反強誘電性液晶組
成物。 ５． 一般式〔２〕の液晶化合物において、ｍが偶数、
ｎが奇数である前項１または２記載の反強誘電性液晶組
成物。 ６． 一般式〔２〕の液晶化合物としてｍが奇数、ｎが
偶数のもの、およびｍが偶数、ｎが奇数のものを併用し
た前項１または２記載の反強誘電性液晶組成物。

【００３９】

【効果】

１．本発明は、不斉炭素にＣＦ₃が結合した特定のＣＦ₃
系液晶化合物（一般式〔１〕の化合物）に、特定のＣＨ
₃系液晶化合物（一般式〔２〕の化合物）を添加するこ
とにより、配向コントラスト、メモリーマージン、鍋底
率をいちじるしく改善した反強誘電性液晶組成物を提供
することができた。 ２．一般式〔１〕のＣＦ₃系液晶化合物に、一般式
〔２〕の液晶化合物において、ｍとｎが共に偶数のもの
を配合した場合には、とくにメモリーマージンと配向コ
ントラストの向上が著しい。 ３．一般式〔１〕のＣＦ₃系液晶化合物に、一般式
〔２〕の液晶化合物において、ｍが奇数、ｎが偶数のも
のを配合した場合には、とくに鍋底率と配向コントラス
トの向上が著しい。 ４．一般式〔１〕のＣＦ₃系液晶化合物に、一般式
〔２〕の液晶化合物において、ｍが偶数、ｎが奇数のも
のを配合した場合には、とくに鍋底率の向上が著しい。 ５．一般式〔１〕のＣＦ₃系液晶化合物に、一般式
〔２〕の液晶化合物として、ｍが奇数、ｎが偶数のもの
および、ｍが偶数、ｎが奇数のものを併わせて配合した
場合には、鍋底率がさらに向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａは印加される三角波を、Ｂは市販のネマチッ
ク液晶の、Ｃは二状態液晶の、Ｄは三安定状態液晶の、
それぞれの光学応答特性を示す。

【図２】クラーク／ラガウェルにより提案された強誘電
性液晶分子の二つの安定した配向状態を示す。

【図３】Ａは、本発明の“反”強誘電性液晶分子の三つ
の安定した配向状態を示す。Ｂは、Ａの各（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）に対応した三状態スイッチングと液晶分
子配列の変化を示す。

【図４】“反”強誘電性液晶分子が印加電圧に対してダ
ブルヒステリシスを描いて光透過率が変化することを示
す印加電圧−光透過率特性図である。

【図５】三角波印加電圧に対する相対透過率のヒステリ
シス曲線のモデルを示す。

【図６】基本液晶組成物および本発明の実施例１〜５の
反強誘電性液晶組成物の温度と配向コントラストとの関
係を示すグラフである。

【図７】基本液晶組成物および実施例１〜５の反強誘電
性液晶組成物の温度と鍋底率との関係を示すグラフであ
る。

【図８】基本液晶組成物および実施例１〜５の反強誘電
性液晶組成物の温度とメモリーマージンとの関係を示す
グラフである。

【図９】実施例４と実施例６の液晶組成物の温度と鍋底
率の関係を示すグラフである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下記一般式〔１〕 【化１】 （式中、ｍは４〜１４の整数、ｎは４〜１４の整数、Ｘ
   は単結合、−Ｏ−、−ＣＯＯ−および−ＯＣＯ−よりな
   る群から選らばれた基であり、それぞれのＹは水素およ
   びふっ素よりなる群から独立して選らばれた基であり、
   ＊は不斉炭素を表わす）で示される少なくとも１種の液
   晶化合物と、下記一般式〔２〕 【化２】 （式中、ｍは４〜１４の整数、ｎは４〜１４の整数、＊
   は不斉炭素を表わす）で示される少なくとも１種の液晶
   化合物、とを含有していることを特徴とする反強誘電性
   液晶組成物。
2. 【請求項２】 前記一般式〔２〕で示される液晶化合物
   が全液晶組成物中の１〜８０ｗｔ％を占めるものである
   請求項１記載の反強誘電性液晶組成物。