JPH09241643A - 液晶組成物および液晶表示素子 - Google Patents
液晶組成物および液晶表示素子Info
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- JPH09241643A JPH09241643A JP8081096A JP8081096A JPH09241643A JP H09241643 A JPH09241643 A JP H09241643A JP 8081096 A JP8081096 A JP 8081096A JP 8081096 A JP8081096 A JP 8081096A JP H09241643 A JPH09241643 A JP H09241643A
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Abstract
に優れたAM−LCD用ネマチック液晶組成物。 【解決手段】 第一成分(式(1−1)又は式(1−
2)の化合物)及び第二成分(式(2)、(3)、
(4)又は(5)の化合物)を含有する液晶組成物。後
記の式中の、R1及びR2は独立に炭素数1〜10のアル
キル基を、A、B及びCは独立に側位のHがFで置換さ
れてもよい1,4−フェニレンを、R3は炭素数1〜1
0のアルキル基を、X1はF、Cl、CF3、OCF3、
又はOCHF2を、Y1及びY2は独立にH又はFを、Z1
は単結合、−C2H4−又は−C4H8−を、Z2は−C2H
4−、−C4H8−又は−COO−をそれぞれ示す。 【化1】
Description
液晶組成物およびその液晶組成物を用いた液晶表示素子
に関する。さらに詳しくはアクティブマトリックス型液
晶表示素子用の液晶組成物、およびその組成物を用いた
液晶表示素子に関する。
(CRT)に比べて、低消費電力で、小型化、軽量化が
可能であるために、ツイストネマチック(TN)方式、
スーパーツイストネマチック(STN)方式、薄膜トラ
ンジスター(TFT)方式等の種々のLCDが実用化さ
れてきた。それらの中で薄膜トランジスター(TFT)
等のアクティブマトリックス型表示素子(以下AM−L
CDと略記することがある)は、そのカラー化および高
精細化が進み、フラットディスプレイの本命として注目
をあびている。このAM−LCD用液晶組成物に求めら
れている特性として、(1)LCDの高コントラストを
維持するために、電圧保持率(以下においてV.H.
R.と略記することがある)が高いこと、(2)使用す
る環境条件に応じて、ネマチック液晶相範囲が大きいこ
と、(3)セル厚に応じて、適当な屈折率異方性(以下
Δnと略記することがある)を取り得ること、(4)駆
動回路に応じて、適当に小さいしきい値電圧を取り得る
こと、を挙げることができる。近年、LCDの動画への
対応が強く要求され、種々検討されてきた。AM−LC
Dの動作方式としては一対の基盤の内表面における液晶
分子の配向を90゜にツイストさせたTN表示方式を採
用している。このTN表示方式においては、電圧を印加
しない時の液晶セルの干渉による着色を防ぎ、最適なコ
ントラストを得るために、液晶材料の屈折率異方性(Δ
n)とセル厚(d)μmとの積Δn・dをある一定の値
(例えばΔn・d=0.5μm等)に設定する必要があ
る。このような制限のもとで、現在実用化されているA
M−LCD用の液晶組成物のΔnは、ファーストミニマ
ムトランスミッションを利用する表示用の液晶材料で
は、0.07〜0.11程度、とりわけ0.08〜0.
10が主体となっている。また最近では、セル厚を薄く
して高速応答を図る目的の素子も検討され、さらに高い
△nを示す液晶材料も要求されるようになってきた。さ
らに、屋外での使用を目的としたディスプレイの開発も
要求されるようになってきた。屋外での使用に耐え得る
には、使用環境の温度範囲を越えた広い温度領域にわた
ってネマチック相を呈する材料が要求される。液晶組成
物のネマチック領域を広くするためには、透明点が高
く、かつ他の液晶化合物との相溶性の良い液晶化合物を
導入せねばならない。一般に、透明点を高くするには透
明点の高い、化学構造的には六員環を数多く有する、化
合物を使用すれば良いが、この場合には、低温域におけ
る相溶性に問題が生じる傾向があり、同時に得られる液
晶組成物の粘度も大きくなるためにその使用には制限が
ある。このような観点から現在実用化されているAM−
LCD用液晶組成物は、そのネマチック相転移温度の上
限値(透明点:TNI)が80℃以上であり、ネマチック
相転移温度の下限値(多くの場合は融点(TC)にな
る)が−20℃以下であり、20℃における粘度が35
mPa・s以下である物が主体をなしている。また、特
にAM−LCDにおいては、高いコントラストを保つた
めに電圧保持率の高いこと、あるいは比抵抗値の大きい
ことといった、いわゆる信頼性の高い液晶組成物が求め
られている。
晶材料について、EP0084974号公報、DE39
21836号公報および特開昭58−134046号公
報に開示がある。これらの公報は、いずれも本願発明の
第一成分として示される化合物と化合物末端にCN基を
有する化合物で構成された組成物のが例示されている。
化合物の末端にCN基を有する化合物で構成された液晶
組成物には、その比抵抗が低下するという、すなわち、
使用温度における電圧保持率が低いという、欠点があ
る。そのため、これらの組成物はAM−LCD用として
は欠点が多すぎるといえる。また、EP0084974
号公報、DE3921836号公報および特開昭58−
134046号公報には、本願発明の目的とする液晶材
料の特徴を発現させるために必要な液晶組成物の構成成
分および混合比については何等開示がない。このように
液晶組成物は諸々の目的に応じて鋭意検討されてはいる
ものの、常に新規な改良を要求されているのが現状であ
る。
温度に対する電圧保持率を高く維持しながら、特に低温
相溶性に優れてネマチック相範囲が広く、かつ屈折率異
方性が高い、および/または粘度の低い、AM−LCD
用の液晶組成物を提供することにある。
(1−2)
立に炭素数1〜10のアルキル基を示し、A、Bおよび
Cは、それぞれ独立に側位のHがFで置換されていても
よい1,4−フェニレンを示す)で表される化合物を少
なくとも一つ含有し、第二成分として、一般式(2)、
(3)、(4)または(5)
10のアルキル基を示し、X1はF、Cl、CF3、OC
F3またはOCHF2を示し、Y1およびY2は独立にHま
たはFを示し、Z1は単結合、−C2H4−または−C4H
8−を示し、Z2は−C2H4−、−C4H8−または−CO
O−を示す)で表される化合物からなる群から選択され
た少なくとも一つの化合物を含有することを特徴とする
液晶組成物に関する。本発明の態様の一部は、以下の
(2)ないし(5)の各項に示される。 (2)前項において、液晶組成物の全重量に対して、第
一成分の混合割合が3〜40%、第二成分の混合割合が
50〜97%である液晶組成物。 (3)前記の(1)または(2)において、第一および
第二の成分の外に、一般式(6)
基を示し、Z3は−C2H4−または単結合を示し、X2は
FまたはClを示し、Y3およびY4は独立にHまたはF
を示す)で表される化合物の群から選択された少なくと
も一つの化合物をさらに含有することを特徴とする、液
晶組成物。 (4)前記の(1)ないし(3)のいずれか一項におい
て、付加成分として、一般式(7)または一般式(8)
10のアルキル基を示し、Z4は単結合または−C2H4
−を示す)で表される化合物からなる群から選択された
少なくとも一つの化合物をさらに含有することを特徴と
する、液晶組成物。 (5)前記の(1)ないし(4)のいずれか一項におい
て、付加成分として、一般式(9)または一般式(1
0)
立に炭素数1〜10のアルキル基、アルコキシ基または
オキサアルキル基を示し、Z7は単結合、−CH=CH
−または−C≡C−を示し、Dはトランス−1,4−シ
クロヘキシレンまたは1,4−フェニレンを示し、Eは
トランス−1,4−シクロヘキシレンまたは側位の一つ
のHがFで置換されていてもよい1,4−フェニレンを
示し、nは0または1を示す)で表される化合物からな
る群から選択された少なくとも一つの化合物をさらに含
有することを特徴とする、液晶組成物。本発明の第二
は、上記の(1)ないし(5)のいずれかに記載される
液晶組成物を用いる液晶表示素子に関する。以下に本発
明の組成物の各成分について説明する。本発明におい
て、第一成分の一般式(1−1)または一般式(1−
2)で表される化合物としては、以下の式の化合物が好
ましく用いられる。
数1〜10のアルキル基を示す。一般式(1−1)およ
び一般式(1−2)の化合物は、熱的安定性および化学
的安定性に優れ、得られる組成物の、ネマチック領域の
調整、△nの調整および/または粘度の調整の目的で使
用される。本発明において、第二成分の一般式(2)、
(3)、(4)または(5)で表される化合物として
は、以下の各式で示される化合物が好ましく用いられ
る。
のアルキル基を示し、X1はF、Cl、CF3、OC
F3、またはOCHF2をそれぞれ示す。これらの化合物
の中では、前記の式(2−1)、(2−2)、(2−
3)、(2−4)、(2−5)、(2−6)、(2−
7)、(2−9)、(3−1)、(3−2)、(3−
3)、(3−4)、(3−5)、(3−6)、(4−
1)、(4−2)、(4−3)、(4−5)、(4−
6)、(5−1)、および(5−3)の化合物が本発明
において特に好ましく用いられる。第二成分の一般式
(2)、(3)、(4)または(5)で表される化合物
は、誘電率異方性が正の化合物であり、熱的安定性およ
び化学的安定性において非常に優れている。このため
に、特に電圧保持率の高い、すなわち比抵抗の大きいと
いう特性が要求されるAM−LCD用の液晶組成物を調
製する場合には、これらの化合物は重要な役割を持って
いる。第二成分の化合物は、主として得られる組成物の
透明点およびネマチック領域の調整、駆動電圧の調整、
および/またはΔnを調整する目的で使用される。本発
明において付加成分を用いる場合、一般式(6)で表さ
れる化合物としては、以下の各式の化合物が好ましく用
いられる。
のアルキル基を示す。一般式(6)で表される化合物
は、誘電率異方性が正の化合物であり、熱的安定性およ
び化学的安定性に優れ、主として得られる液晶組成物の
駆動電圧の調整および/または粘度を調整する目的で使
用される。本発明において、一般式(7)または一般式
(8)で表される化合物としては、以下の各式の化合物
が好ましく用いられる。
のアルキル基を示す。これらの化合物の中では、式(7
−1)または(7−2)で表される化合物が特に好まし
い。一般式(7)および(8)の化合物は、誘電率異方
性が正の化合物であり、熱的安定性および化学的安定性
に優れ、主として透明点およびネマチック領域を調整す
る目的で使用される。本発明において、付加的な成分と
して用いられる、一般式(9)または一般式(10)で
表される化合物としては、以下の各式の化合物が好まし
く用いられる。
ぞれ独立に炭素数1〜10のアルキル基を示す。前記の
各式の化合物の中では、式(9−1)、(9−3)、
(9−5)、(10−1)、(10−2)、(10−
4)、(10−7)、(10−8)、(10−9)、
(10−10)および(10−11)の化合物が本発明
において特に好ましく用いられる。一般式(9)で表さ
れる化合物は誘電率異方性が負であるか、または弱い正
値である、二個の六員環を持つ化合物であり、主として
得られる液晶組成物の粘度低下および/またはΔnを調
整する目的で使用される。また、一般式(10)で表さ
れる化合物は誘電率異方性が負であるか、または弱い正
値である、三個ないし四個の六員環を有する化合物であ
る。この化合物は主として得られる液晶組成物の透明点
を高くすることによって、そのネマッチク領域を広げる
目的、および/またはΔnを調整する目的で使用され
る。本発明において第一成分の混合割合は、液晶組成物
の全重量に対して好ましくは3〜40%である。より好
ましい混合割合は5〜20%である。第一成分の混合割
合が3%より少ないと、本願発明の主題である透明点お
よび△nを高くする効果が得られにくい。また、混合割
合が40%を越えると得られる液晶組成物の粘度が大き
くなることがある。本発明における第二成分の混合割合
は、液晶組成物の全重量に対して好ましくは50〜97
%であり、より好ましくは60〜95%である。第二成
分の混合割合が50%より少ないと得られる組成物のネ
マチック領域が狭くなる可能性があり、また、しきい値
電圧の低下が充分でないことがある。第二成分の混合割
合が97%を越えると透明点を高くする効果が得られな
いことがある。
用する場合、その混合割合は得られる組成物の重量に対
して30%以下が好ましい。より好ましい混合割合は2
0%以下である。一般式(6)の化合物の混合割合が3
0%を越えると得られる組成物の透明点を高くする効果
が不充分になることがある。一般式(7)または一般式
(8)で表される化合物を付加成分として使用する場
合、その混合割合は得られる組成物の重量に対して20
%以下が好ましい。より好ましい混合割合は15%以下
である。一般式(7)および(8)の化合物の混合割合
が20%を越えると得られる液晶組成物の粘度が大きく
なることがある。一般式(9)または一般式(10)で
表される化合物を付加成分として使用する場合、その混
合割合は得られる組成物の重量に対して30%以下が好
ましい。より好ましい混合割合は20%以下である。一
般式(9)および(10)の化合物の混合割合が30%
を越えると得られる液晶組成物のしきい値電圧の低下が
不充分になることがある。本発明の組成物には、前記し
た一般式で表される化合物以外の化合物を本発明の目的
を損なわない範囲で混合して使用することができる。本
発明の液晶組成物は、それ自体慣用な方法で調製され
る。一般には、種々の成分化合物を高い温度で溶解し、
均一な組成物とする方法がとられている。また、本発明
の液晶材料は、適当な添加物により意図する用途に応じ
た改良がなされる。このような添加物は当業者によくし
られており、文献等に詳細に記載されている。最も一般
的な添加物としては、液晶のらせん構造を誘起してその
ねじれ角を調整し、逆ねじれ(reverse twist)を防ぐ
ためのカイラルドーパント(chiral dopant)がある。
また、本発明の液晶組成物は、メロシアニン系、スチリ
ル系、アゾ系、アゾメチン系、アゾキシ系、キノフタロ
ン系、アントラキノン系およびテトラジン系等の二色性
色素を添加してゲストホスト(GH)モード用の液晶材
料としても使用できる。あるいはまた、ネマチック液晶
をマイクロカプセル化して作製したNCAPや液晶中に
三次元網目状高分子を作製したポリマーネットワーク液
晶表示素子(PNLCD)に代表されるポリマー分散型
液晶表示素子(PDLCD)用の液晶材料としても使用
できる。そのほか、複屈折制御(ECB)モードや動的
散乱(DS)モード用の液晶組成物としても使用でき
る。
ないし(キ)に示す。 (ア)第一成分として、前記の式(1−1−1)、(1
−1−2)または(1−2−1)で表される化合物の群
から選ばれた少なくとも一つの化合物を、第二成分とし
て、前記の式(2−1)、(2−2)、(2−3)、
(2−4)、(2−5)、(2−6)、(2−9)、
(3−1)、(3−2)、(3−3)、(3−4)、
(3−5)、(3−6)、(4−1)、(4−2)、
(4−3)、(4−5)、(4−6)、(5−1)また
は(5−3)で表される化合物の群から選ばれた少なく
とも一つの化合物を、組成物の重量に対してそれぞれ、
5〜20%および60〜95%含有する液晶組成物。 (イ)第一および第二の成分の外に、前記の式(6−
1)、(6−2)、(6−3)、(6−4)または(6
−5)で表される化合物の群から選ばれた少なくとも一
つの化合物を組成物の重量に対して20%以下の割合で
さらに含有する、前記(ア)項の液晶組成物。 (ウ)第一および第二の成分の外に、前記の式(7−
1)または(7−2)で表される化合物の群から選ばれ
た少なくとも一つの化合物を組成物の重量に対して15
%以下の割合でさらに含有する、前記(ア)項の液晶組
成物。 (エ)第一および第二の成分の外に、前記の式(9−
1)、(9−3)、(9−5)、(10−1)、(10
−2)、(10−7)、(10−9)、(10−10)
または(10−11)で表される化合物の群から選ばれ
た少なくとも一つの化合物を組成物の重量に対して20
%以下の割合でさらに含有する、前記(ア)項の液晶組
成物。 (オ)第一および第二の成分の外に、前記の式(6−
1)、(6−2)、(6−3)、(6−4)または(6
−5)で表される化合物の群から選ばれた少なくとも一
つの化合物を組成物の重量に対して20%以下の割合で
含有し、さらに前記の式(7−1)または(7−2)で
表される化合物の群から選ばれた少なくとも一つの化合
物を組成物の重量に対して15%以下の割合で含有す
る、前記(ア)項に記載の液晶組成物。 (カ)第一および第二の成分の外に、前記の式(6−
1)、(6−2)、(6−3)、(6−4)または(6
−5)で表される化合物の群から選ばれた少なくとも一
つの化合物を組成物の重量に対して20%以下の割合で
含有し、さらに前記の式(9−1)、(9−3)、(9
−5)、(10−1)、(10−2)、(10−7)、
(10−9)、(10−10)または(10−11)で
表される化合物の群から選ばれた少なくとも一つの化合
物を組成物の重量に対して20%以下の割合で含有す
る、前記(ア)項に記載の液晶組成物。 (キ)第一および第二の成分の外に、前記の式(6−
1)、(6−2)、(6−3)、(6−4)または(6
−5)で表される化合物の群から選ばれた少なくとも一
つの化合物を組成物の重量に対して20%以下の割合で
含有し、前記の式(7−1)または(7−2)で表され
る化合物の群から選ばれた少なくとも一つの化合物を組
成物の重量に対して15%以下の割合で含有し、さらに
前記の式(9−1)、(9−3)、(9−5)、(10
−1)、(10−2)、(10−7)、(10−9)、
(10−10)または(10−11)で表される化合物
の群から選ばれた少なくとも一つの化合物を組成物の重
量に対して20%以下の割合で含有する、前記(ア)項
に記載の液晶組成物。
詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定され
るものではない。また、これらの例における組成比はす
べて重量%で示される。なお、実施例および比較例にお
いて成分化合物は、表1に示した定義に基づき、記号で
表した。
(TNI)、共融点(TC)、20℃における粘度
(η20)、25℃における屈折率異方性(Δn)、25
℃における誘電率異方性(Δε)、25℃におけるしき
い値電圧(Vth)、および25℃における電圧保持率を
求めた。電圧保持率(V.H.R.)の測定は、日本電
子機械工業会規格EIAJ ED−2521Aで規定さ
れる液晶材料及び配向膜の電圧保持率測定法に準じて面
積法にて行った。すなわち、試料の液晶組成物をポリイ
ミド系配向膜を設けたセル厚6μmのTNセルに封入し
て作成した液晶素子に、波高値±5V、パルス幅60μ
sのパルス電圧を、周期30Hzの交流電圧として印加
したときの、該液晶素子の電極間電圧波形を陰極線オシ
ロスコープで観測する。単位周期における観測電圧の絶
対値の積算値(面積)の、該印加電圧と周期との積(面
積)に対する割合を百分率で表し、電圧保持率とする。
なお、組成物の共融点(TC)は、0℃、−10℃、−
20℃、−30℃の各々のフリーザー中に試料を30日
間放置した後に観察し、結晶相の析出しない最低のフリ
ーザーの温度により表した。すなわち、−10℃のフリ
ーザー中では結晶せずに−20℃、−30℃で結晶の析
出した試料についてはTCは−10℃より低い(<−1
0℃)と表示した。
物を調製した。 5−HBBB−2 5.0% 3−HB−C 26.6% 5−HB−C 40.8% 7−HB−C 27.6% この組成物の特性値は TNI=61.5℃ TC <0℃ η20=24.8mPa・s Δn=0.126 Vth=1.62V V.H.R.=94.3% であった。この液晶組成物は、電圧保持率が低く、また
融点が高く(低温相溶性が悪く)、ネマチック相範囲が
狭い。また透明点が約60℃という割には粘度が大きく
実用性に欠けている。
の組成物を調製した。 2O1−HBB−1 15.0% 3−HB−C 25.5% 5−HB−C 34.0% 7−HB−C 25.5% この組成物の特性値は TNI=60.7℃ TC <0℃ η20=24.8mPa・s Δn=0.128 Vth=1.66V V.H.R.=95.1% であった。この液晶組成物は、電圧保持率が低く、また
低温相溶性が悪く、ネマチック相範囲が狭い。また透明
点が約60℃という割には粘度が大きく実用性に欠けて
いるといえる。
晶組成物を調製した。 5−HBB(F)B−3 10.0% ZLI−1565(メルク社製) 90.0% この組成物の特性値は TNI=117.0℃ TC <−20℃ η20=17.6mPa・s Δn=0.163 △ε=7.9 Vth=2.63V V.H.R.=95.6% であった。この液晶組成物は、ネマチック相範囲は広
く、粘度が小さいが、電圧保持率が低く実用性に欠けて
いるといえる。
チック相範囲が広く、また電圧保持率が高い。また透明
点が約100℃という割には粘度が低く、実用性に富ん
でいるといえる。
発明によって、使用温度に対する電圧保持率を高く維持
しながら、特に低温相溶性に優れネマチック相範囲が広
く、且つ屈折率異方性が高い、および/または粘度の低
いAM−LCD用液晶組成物を提供できる。
Claims (6)
- 【請求項1】 第一成分として、一般式(1−1)また
は一般式(1−2) 【化1】 (これらの式において、R1およびR2は独立に炭素数1
〜10のアルキル基を示し、A、BおよびCはそれぞれ
独立に側位のHがFで置換されていてもよい1,4−フ
ェニレンを示す。)で表される化合物の群から選ばれた
少なくとも一つの化合物を含有し、第二成分として、一
般式(2)、(3)、(4)または(5) 【化2】 (これらの式において、R3は炭素数1〜10のアルキ
ル基を示し、X1はF、Cl、CF3、OCF3またはO
CHF2を示し、Y1およびY2は独立にHまたはFを示
し、Z1は単結合、−C2H4−または−C4H8−を示
し、Z2は−C2H4−、−C4H8−または−COO−を
示す。)で表される化合物からなる群から選択された少
なくとも一つの化合物を含有することを特徴とする液晶
組成物。 - 【請求項2】 請求項1において、第一成分および第二
成分の混合割合が液晶組成物の全重量の、それぞれ3〜
40%および50〜97%であることを特徴とする液晶
組成物。 - 【請求項3】 一般式(6) 【化3】 (式中、R4は炭素数1〜10のアルキル基を示し、Z3
は−C2H4−または単結合を示し、X2はFまたはCl
を示し、Y3およびY4はそれぞれ独立にHまたはFを示
す。)で表される化合物の群から選択された少なくとも
一つの化合物をさらに含有することを特徴とする、請求
項1または請求項2に記載の液晶組成物。 - 【請求項4】 一般式(7)または一般式(8) 【化4】 (これらの式において、R5は炭素数1〜10のアルキ
ル基を示し、Z4は単結合または−C2H4−を示す。)
で表される化合物からなる群から選択された少なくとも
一つの化合物を、さらに含有することを特徴とする請求
項1〜3のいずれか一項に記載の液晶組成物。 - 【請求項5】 一般式(9)または一般式(10) 【化5】 (これらの式において、R6およびR7は独立に炭素数1
〜10のアルキル基、アルコキシ基またはオキサアルキ
ル基を示し、Z7は単結合、−CH=CH−または−C
≡C−を示し、Dはトランス−1,4−シクロヘキシレ
ンまたは1,4−フェニレンを示し、Eはトランス−
1,4−シクロヘキシレンまたは側位の一つのHがFで
置換されていてもよい1,4−フェニレンを示し、nは
0または1を示す。)で表される化合物からなる群から
選択された少なくとも一つの化合物をさらに含有するこ
とを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の液
晶組成物。 - 【請求項6】 請求項1〜5のいずれか一項に記載の液
晶組成物を含有することを特徴とする液晶表示素子。
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