JP2001288470A - 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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Abstract
しながら、特に、ネマチック相の上限温度が高く、ネマ
チック相の下限温度が低く、かつ屈折率異方性値の小さ
い液晶組成物を提供する。 【解決手段】式(I−1)または(I−2)で表される
化合物の少なくとも1種からなる成分I、式(II−1)
〜(II−2)等で表される化合物少なくとも1種からな
る成分II、ならびに式(III−1)〜(III−2)等で表
される化合物少なくとも1種からなる成分III、を含有
する液晶組成物。 (式中、Z1〜Z4は、単結合、−CH2CH2−等を
示し、X1、X2は、F、OCHF2、OCF3等を、
Y1、Y2は、HまたはFを示す。)
Description
成物に関する。更に詳しくは、アクティブマトリックス
液晶表示素子(AM−LCD)用の液晶組成物、および
この液晶組成物を用いた液晶表示素子に関する。
子として、バックライトを使用した透過型AM−LCD
が、コンピュータ端末やカーナビゲーションシステム等
様々な分野で実用化されている。しかし、このバックラ
イトは消費電力が大きいという欠点を有しており、透過
型AM−LCDを搭載したデジタルスチルカメラやデジ
タルビデオカメラは、長時間使用することができないと
いう不都合が生じている。
を使用しない反射型のAM−LCDが開発された。反射
型のAM-LCDは、S.−T.Wu、C.−S.Wu、C.
−L.Kuo等によりSID97 Digest/64
3頁に報告されているように、光が液晶層を2回通過す
るので、液晶層の厚み(d)と液晶の屈折率異方性値
(Δn)の積(Δn・d)を小さく設定しなければなら
ない。具体的には、従来の透過型TNタイプのAM−L
CDに使用する液晶に要求されるΔnがおよそ0.07
5〜0.120程度であったのに対して、反射型TNタ
イプのAM−LCDの場合、液晶に要求されるΔnは
0.075以下である。
組成物に求められる特性としては、従来の透過型のAM
−LCD用液晶組成物の場合と同様に、下記(1)〜
(4)が挙げられる。 (1)LCDのコントラストを良くするために、高い比
抵抗値と高い電圧保持率(VHR)を有すること。 (2)LCDの屋外での使用を可能とするために、ネマ
チック相を示す温度範囲が広いこと(ネマチック相を示
す上限温度が高く、ネマチック相を示す下限温度が低い
こと)。 (3)LCDの消費電力を小さくするために、しきい値
電圧(Vth)が低いこと。 (4)LCDの応答速度を速くするために粘度(η)が
小さいこと。である。
性化合物または液晶組成物を開示した文献としては、例
えば、特開平11−29771号公報、特開平10−2
45559号公報、特開平9−255956号公報及び
特開平9−249881号公報を挙げることができる。
しかし、これらの開示されている液晶組成物は、Δnが
大きかったり、Δnが比較的小さくてもネマチック相を
示す下限温度が高かったり、電圧保持率が低いという欠
点を有しているため、反射型TNタイプのAM−LCD
に用いるには不十分であった。このように、AM−LC
D用液晶組成物は、種々の目的に応じて鋭意検討されて
いるものの、常に新たな改良を要求されているのが現状
である。
述べたAM−LCD用液晶組成物に求められる一般的な
特性を満たしながら、特に、ネマチック相の上限温度が
高く、ネマチック相の下限温度が低く、かつ屈折率異方
性値の小さい液晶組成物を提供することにある。
課題を解決すべく鋭意検討した結果、式(I−1)また
は(I−2)で表される化合物群から選択された少なく
とも1種の化合物からなる成分I、式(II−1)〜(II
−8) で表される化合物群から選択された少なくとも
1種の化合物からなる成分II、ならびに式(III−1)
〜(III−5)で表される化合物群から選択された少な
くとも1種の化合物からなる成分IIIを含有する液晶組
成物により、所期の目的を達成できることを見いだし、
本発明を完成するに至った。
(2)および(3)項に示される。(1)式(I−1)
または(I−2)で表される化合物群から選択された少
なくとも1種の化合物からなる成分I、式(II−1)〜
(II−8)で表される化合物群から選択された少なくと
も1種の化合物からなる成分II、ならびに式(III−
1)〜(III−5)で表される化合物群から選択された
少なくとも1種の化合物からなる成分III、を含有する
ことを特徴とする液晶組成物。
原子数1〜10のアルキル基、アルコキシ基、アルコキ
シメチル基または炭素原子数2〜10のアルケニル基を
示し;R3は炭素原子数1〜10のアルキル基、アルコ
キシ基、アルコキシメチル基、炭素原子数2〜10のア
ルケニル基または−COO−R6を示し;R6は炭素原子
数1〜10のアルキル基を示し;R4は炭素原子数1〜
10のアルキル基、アルコキシ基または炭素原子数2〜
10のアルケニル基を示し;R5は炭素原子数1〜10
のアルキル基、アルコキシ基、アルコキシメチル基また
は炭素原子数2〜10のアルケニル基を示す。Z1およ
びZ4は各々独立して単結合または−CH2CH2−を示
し;Z2およびZ3は各々独立して単結合、−CH2CH2
−または−CH=CH−を示し;X1はF、Cl、OC
HF2、OCF3を示し;X2はF、OCHF2、OCF3
を示し;Y1およびY2は各々独立してHまたはFを示
し;QはHまたはFを示す)
Iの含有量が3〜30重量%、成分IIの含有量が5〜8
0重量%、成分IIIの含有量が3〜70重量%であるこ
とを特徴とする前記(1)項に記載の液晶組成物。
上であり、ネマチック相の下限温度が−20℃以下であ
り、かつ、屈折率異方性値が0.075以下であること
を特徴とする前記(1)または(2)項のいづれか1項
に記載の液晶組成物。本発明の液晶表示素子は次の
(4)項に示される。
項に記載の液晶組成物を用いた液晶表示素子。
Iは、式(I−1)または(I−2)で表される化合物
からなる。式(I−1)で表される化合物は、屈折率異
方性値(Δn)がほぼ0の値を有し、透明点(Tc)が
およそ10〜30℃の範囲、また、誘電率異方性値(Δ
ε)がほぼ0の値を有し、熱安定性、化学的安定性およ
び相溶性に優れている。また、式(I−2)で表される
化合物は、Δnがおよそ0.06〜0.07の範囲、T
cがおよそ140〜160℃の範囲、また、Δεがほぼ
0の値を有し、熱安定性、化学的安定性および相溶性に
優れている。これより成分Iは高信頼性を要求されるT
FT用液晶組成物において特に高いTcを維持しながら
Δnを小さくする役割を担う。しかしながら、これらの
化合物だけで、組成物を調整すると、組成物のネマチッ
ク相を示す温度範囲が狭くなりすぎるのに加えて、しき
い値電圧が上がりすぎるため好ましくない。
(II−1)〜(II−8)で表される化合物からなる。式
(II−1)〜(II−8)で表される化合物は、Tcがお
よそ−50〜160℃の範囲、Δεがおよそ5〜20の
範囲、Δnがおよそ0.03〜0.12の範囲の値を有
し、熱安定性、化学的安定性および相溶性に優れてい
る。これより成分IIは高信頼性を要求されるTFT用液
晶組成物において特に、しきい値電圧を下げる役割を担
う。しかしながら、これらの化合物だけで、組成物を調
整すると、組成物の相溶性が悪くなってしまうことに加
えて、Δnおよび粘度が大きくなってしまうので好まし
くない。成分IIの好ましい化合物として以下の化合物を
挙げることができる。式中のR 1は前記の定義と同じ意
味を表す。
式(III−1)〜(III−5)で表される化合物からな
る。式(III−1)および(III−2)で表される化合物
は、Tcがおよそ0〜60℃の範囲、Δεがほぼ0であ
り、Δnがおよそ0.03〜0.07の範囲の値を有
し、また、特に粘度が低く、熱安定性、化学的安定性お
よび相溶性に優れている。また、式(III−3)〜(III
−5)で表される化合物は、Tcがおよそ140〜26
0℃の範囲、Δεがほぼ0であり、Δnがおよそ0.1
2〜0.16の範囲の値を有し、熱安定性、化学的安定
性および相溶性に優れている。これより、成分IIIは組
成物のTcを上げるとともに粘度を小さくする役割を担
う。しかしながら、これらの化合物だけで組成物を調製
すると、しきい値電圧が上がりすぎてしまうことがあり
好ましくない。成分IIIの好ましい化合物として以下の
化合物を挙げることができる。式中のR1およびR3〜R
6は前記の定義と同じ意味を表す。
成分IIIを任意に組み合わせることによって、小さいΔ
n、小さい粘度、および広いネマチック相を有するAM
−LCD用の液晶組成物を調製することができる。すな
わち、Tcがおよそ70〜100℃の範囲にあり、Δn
がおよそ0.05〜0.075の範囲にあり、しきい値
電圧がおよそ1.0〜2.5Vの範囲にあり、かつ低粘
度で広いネマチック相範囲と高い電圧保持率を有する液
晶組成物を得ることができる。
量について説明する。成分Iの含有量は液晶組成物全量
に対して3〜30重量%が好ましく、5〜28重量%が
更に好ましい。3重量%未満であると、液晶組成物のΔ
nが大きくなることがあり好ましくない。また、30重
量%を超えると、液晶組成物の低温での相溶性が悪くな
ってしまうことがあり好ましくない。
量は、液晶組成物全量に対して5〜80重量%が好まし
く、10〜80重量%が更に好ましい。5重量%未満で
あると、液晶組成物のしきい値電圧が上がりすぎるため
好ましくない。また、80重量%を超えると、液晶組成
物の粘性が大きくなるのに加えてΔnが大きくなること
があり好ましくない。
有量は、液晶組成物全量に対して3〜70重量%が好ま
しく、5〜70重量%が更に好ましい。3重量%未満で
あると、液晶組成物の低温での相溶性が悪くなってしま
うことがあり好ましくない。70重量%を超えると、液
晶組成物のしきい値電圧が上がってしまうことがあり好
ましくない。
特性値について詳細に説明する。ネマチック相の上限温
度が70℃より低く、ネマチック相の下限温度が−20
℃より高い液晶組成物を使用したディスプレイは、使用
する環境温度に制限がある。特に、屋外で使用する場合
には、表示できなくなり、ディスプレイとしての機能を
果たせなくなる恐れがある。このため、液晶組成物のネ
マチック相範囲は、ネマチック相を示す上限温度を70
℃以上、下限温度を−20℃以下にすることが望まし
い。
Δnが0.075より大きい液晶組成物を使用した場
合、反射型のAM−LCDでは、白色の表示が黄色味を
帯びてしまうことがある。このため、液晶組成物の屈折
率異方性値は0.075以下であることが好ましい。
物は、それぞれ下記の公報に記載された方法で合成する
ことができる。式(I−2)で表される化合物の合成法
は、特開昭54−106454号公報に記載されてい
る。式(II−2)、(II−4)、(II−5)、(II−
6)、(II−7)で表される化合物の例として、各々該
当する(II−2−3)、(II−4−7)、(II−5−
5)、(II−6−3)、(II−7−3)の化合物の合成
法は特開平2−233626号公報に記載されている。
また、式(II−7)で表される化合物の一例として、
(II−7−1)の化合物の合成法は、特開昭56−13
5445号公報に記載されている。式(II−8)で表さ
れる化合物の一例として、(II−8−3)の化合物の合
成法は、特開平10−204016号公報に記載されて
いる。
して、(III−1−1)の化合物の合成法は、特開昭5
9−70624号公報または特開昭60−16940号
公報に記載されている。式(III−3)で表される化合
物の一例として、(III−3−1)の化合物の合成法
は、特開昭57−165328号公報に記載されてい
る。式(III−4)で表される化合物の一例として、(I
II−4−1)の化合物の合成法は、特公昭62−465
27号公報に記載されている。このように、本願発明の
組成物を構成する成分の各々の化合物は先行技術によっ
て、合成して得られるものである。
慣用な方法、例えば、種々の化合物を混合し高い温度で
互いに溶解させる方法で調製することができる。本発明
の液晶組成物には、液晶分子のらせん構造を誘起して必
要なねじれ角を調整する目的で、コレステリックノナノ
エート等のキラルドープ剤を添加して使用してもよい。
また、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の2色性色素を添加してゲストホス
トモードの液晶組成物としても使用できる。さらに、ポ
リマー分散型液晶表示素子、複屈折制御モードおよび動
的散乱モードの液晶組成物としても使用することができ
る。あるいは、イン・プレイン・スイッチング方式の液
晶組成物としても使用することができる。
が、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。なお、比較例及び実施例においては、組成比を示す
%は全て重量%であり、化合物は表1に示した定義に基
づき記号で表記した。また、液晶組成物の特性データに
おいては、ネマチック相を示す上限温度、すなわち透明
点をTc、ネマチック相を示す下限温度をTL、25℃
における屈折率異方性値をΔn、25℃における誘電率
異方性値をΔε、20℃における粘度をη20、25℃と
80℃における電圧保持率をそれぞれVHR(25℃)
とVHR(80℃)で表した。なお、TLは、0℃、−
10℃、−20℃、−30℃、−40℃の各々のフリー
ザー中に30日間放置した後の液晶相で判断した。例え
ば、一つの液晶組成物について、−20℃でネマチック
状態をとり、−30℃で結晶化した場合には、その液晶
組成物のTLは、<−20℃と表現した。Δnは、58
9nmの波長を有する光源ランプを使用して測定した。
Vthは、セル厚が(0.4 / Δn)μm、ツイスト
角が80°のセルを用い、ノーマリーホワイトモード
で、周波数が32Hzの矩形波を印加し、セルを通過す
る光の透過率が90%になったときに印加されている電
圧の値を測定した。25℃と80℃における電圧保持率
(VHR)の測定は、TNセルを作製し(配向膜はチッ
ソ社製のPIA-5210を使用)、保持時間を16.6msecと
して面積法に基づいて実施した。
較的小さいΔnを有する液晶組成物を開示している特開
平11−29771号公報、特開平10−245559
号公報、特開平9−255956号公報及び特開平9−
249881号公報の中で、特開平11−29771号
公報の実施例20と実施例10、特開平9−25595
6号公報の実施例1に開示された液晶組成物を比較例と
した。
成物の中で、最もΔnの小さい実施例20に記載の液晶
組成物を当方で調製し、物性値を測定した。 2−HHB(F,F)−F 8.0% 3−HHB(F,F)−F 10.0% 5−HHB(F,F)−F 5.0% 2−HHB−OCF3 9.0% 3−HHB−OCF3 8.0% 4−HHB−OCF3 3.0% 5−HHB−OCF3 3.0% 2−HB(F,F)−CN 3.0% 3−HB(F,F)−CN 3.0% 5−HB(F,F)−CN 8.0% 2−HHEB(F,F)−F 5.0% 3−HHEB(F,F)−F 12.0% 5−HHEB(F,F)−F 5.0% 5−HH−V 18.0% からなる液晶組成物を調製した。この組成物の特性を次
に示す。 TC=75.5℃ TL<−20℃ Δn=0.074 VHR(25℃)=93.7% VHR(80℃)=68.2% この液晶組成物は、Δnは比較的小さいが、CN化合物
を含有しているため、特に高温(80℃)での電圧保持
率が低い。
成物の中で、Δnが小さく、かつCN化合物を含有して
いない実施例10に記載の液晶組成物を当方で調製し、
物性値を測定した。 2−HHB−OCF3 5.0% 3−HHB−OCF3 7.0% 4−HHB−OCF3 4.0% 5−HHB−OCF3 5.0% 2−HHB(F,F)−F 10.0% 3−HHB(F,F)−F 9.0% 5−HHB(F,F)−F 7.0% 2−HB(F)B(F,F)−F 4.0% 3−HB(F)B(F,F)−F 4.0% 5−HB(F)B(F,F)−F 4.0% 2−HHEB(F,F)−F 5.0% 3−HHEB(F,F)−F 12.0% 5−HHEB(F,F)−F 5.0% 7−HB−F 8.0% 3−HH−4 6.0% 5−HH−V 5.0% からなる液晶組成物を調製した。この組成物の特性を次
に示す。 TC=77.2℃ TL<−10℃ Δn=0.076 η20=22.6mPa・s Vth=1.47V VHR(25℃)=98.6% VHR(80℃)=98.1% この液晶組成物は、TL点が高く、また、組成物の中
に、ビフェニル骨格を有する3環の化合物を含有してい
るために、同等のTCとVthを有する本発明の組成物
と比較してΔnが大きい。
成物の中で、Δnが小さく、かつCN化合物を含有して
いない実施例1に記載の液晶組成物を当方で調製し、物
性値を測定した。 7−HB−F 12.8% 2−HHB(F,F)−OCHF2 14.9% 3−HHB(F,F)−OCHF2 13.8% 5−HHB(F,F)−OCHF2 15.9% 2−HHB(F)−OCF3 17.0% 3−HHB(F)−OCF3 12.8% 5−HHB(F)−OCF3 12.8% からなる液晶組成物を調製した。この組成物の特性を次
に示す。 TC=85.2℃ TL< −10℃ Δn=0.080 Vth=1.29V この液晶組成物は、TL点が高く、また、Δnが大き
い。
に示す。 TC=83.0℃ TL<−20℃ Δn=0.059 η20=21.7mPa・s Vth=1.50V VHR(25℃)=98.7% VHR(80℃)=98.1% この液晶組成物は、VHRが高く、TC点が高く、TL点
が低く、Δnが小さい。
に示す。 TC=72.9℃ TL<−20℃ Δn=0.061 η20=16.7mPa・s Vth=1.78V VHR(25℃)=99.0% VHR(80℃)=98.6% この液晶組成物は、VHRが高く、TC点が高く、TL点
が低く、Δnが小さい。
に示す。 TC=86.7℃ TL<−20℃ Δn=0.071 η20=21.4mPa・s Vth=1.46V VHR(25℃)=99.1% VHR(80℃)=98.5% この液晶組成物は、VHRが高く、TC点が高く、TL点
が低く、Δnが小さい。
に示す。 TC=86.1℃ TL<−20℃ Δn=0.060 η20=18.2mPa・s Vth=2.18V VHR(25℃)=99.3% VHR(80℃)=98.7%
に示す。 TC=81.2℃ TL<−20℃ Δn=0.063 η20=16.2mPa・s Vth=1.79V VHR(25℃)=99.0% VHR(80℃)=98.6%
に示す。 TC=83.7℃ TL<−20℃ Δn=0.065 η20=23.2mPa・s Vth=1.42V VHR(25℃)=98.8% VHR(80℃)=98.3%
に示す。 TC=84.3℃ TL<−20℃ Δn=0.065 η20=17.9mPa・s Vth=1.62V VHR(25℃)=99.0% VHR(80℃)=98.5%
に示す。 TC=82.4℃ TL<−20℃ Δn=0.053 η20=14.6mPa・s Vth=2.47V VHR(25℃)=99.0% VHR(80℃)=98.8%
に示す。 TC=87.0℃ TL<−20℃ Δn=0.057 η20=17.5mPa・s Vth=1.91V VHR(25℃)=99.0% VHR(80℃)=98.5%
に示す。 TC=94.1℃ TL<−20℃ Δn=0.059 η20=21.7mPa・s Vth=2.10V VHR(25℃)=99.0% VHR(80℃)=98.6%
に示す。 TC=81.4℃ TL<−20℃ Δn=0.064 η20=22.4mPa・s Vth=1.48V
に示す。 TC=93.1℃ TL<−20℃ Δn=0.066 η20=19.9mPa・s Vth=1.74V
に示す。 TC=83.1℃ TL<−20℃ Δn=0.068 η20=19.5mPa・s Vth=1.62V VHR(25℃)=98.8% VHR(80℃)=98.3%
に示す。 TC=74.8℃ TL<−20℃ Δn=0.063 η20=17.4mPa・s Vth=1.87V VHR(25℃)=99.0% VHR(80℃)=98.5%
に示す。 TC=87.0℃ TL<−20℃ Δn=0.067 η20=18.2mPa・s Vth=1.64V
に示す。 TC=70.5℃ TL<−20℃ Δn=0.062 η20=25.8mPa・s Vth=1.32V
に示す。 TC=92.2℃ TL<−20℃ Δn=0.059 η20=21.3mPa・s Vth=1.91V
に示す。 TC=79.8℃ TL<−20℃ Δn=0.069 η20=24.0mPa・s Vth=1.28V
に示す。 TC=87.4℃ TL<−20℃ Δn=0.062 η20=18.9mPa・s Vth=2.24V VHR(25℃)=99.0% VHR(80℃)=98.6%
に示す。 TC=92.1℃ TL<−20℃ Δn=0.065 η20=19.7mPa・s Vth=1.99V
れる一般的な特性を満たしながら、特に、ネマチック相
の上限温度が高く、ネマチック相の下限温度が低く、屈
折率異方性値の小さい液晶組成物を提供することができ
た。
Claims (4)
- 【請求項1】式(I−1)または(I−2)で表される
化合物群から選択された少なくとも1種の化合物からな
る成分I、式(II−1)〜(II−8)で表される化合物
群から選択された少なくとも1種の化合物からなる成分
II、ならびに式(III−1)〜(III−5)で表される化
合物群から選択された少なくとも1種の化合物からなる
成分IIIを含有することを特徴とする液晶組成物。 【化1】 【化2】 【化3】 (式中、R1およびR2は各々独立して炭素原子数1〜1
0のアルキル基、アルコキシ基、アルコキシメチル基ま
たは炭素原子数2〜10のアルケニル基を示し;R3は
炭素原子数1〜10のアルキル基、アルコキシ基、アル
コキシメチル基、炭素原子数2〜10のアルケニル基ま
たは−COO−R6を示し;R6は炭素原子数1〜10の
アルキル基を示し;R4は炭素原子数1〜10のアルキ
ル基、アルコキシ基または炭素原子数2〜10のアルケ
ニル基を示し;R5は炭素原子数1〜10のアルキル
基、アルコキシ基、アルコキシメチル基または炭素原子
数2〜10のアルケニル基を示す。Z1およびZ4は各々
独立して単結合または−CH2CH2−を示し;Z2およ
びZ3は各々独立して単結合、−CH2CH2−または−
CH=CH−を示し;X1はF、Cl、OCHF2、OC
F3を示し;X2はF、OCHF2、OCF3を示し;Y1
およびY2は各々独立してHまたはFを示し;QはHま
たはFを示す) - 【請求項2】液晶組成物の全重量に対して、成分Iの含
有量が3〜30重量%、成分IIの含有量が5〜80重量
%、成分IIIの含有量が3〜70重量%であることを特
徴とする請求項1に記載の液晶組成物。 - 【請求項3】ネマチック相の上限温度が70℃以上であ
り、ネマチック相の下限温度が−20℃以下であり、か
つ、屈折率異方性値が0.075以下であることを特徴
とする請求項1または2に記載の液晶組成物。 - 【請求項4】請求項1〜3のいずれか1項に記載の液晶
組成物を用いた液晶表示素子。
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