(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一成分として、一般式(I)
【化１】
0004407101.tif 000022
（式中、m及びnはそれぞれ独立して0〜7を表す。）で表される化合物を1種又は2種以上を含有し、第二成分として、一般式(II)
【化２】
0004407101.tif 000023
（式中、R1は炭素原子数1〜7のアルキル基、炭素原子数2〜7のアルケニル基を、X1及びX2はそれぞれ独立して水素原子又はフッ素原子を表す。）で表される化合物を1種又は2種以上を含有し、第三成分として、一般式(III)
【化３】
0004407101.tif 000024
（式中、R2は2〜7のアルケニル基を表し、X3は水素原子又はフッ素原子を表す。）で表される化合物を1種又は2種以上を含有することを特徴とする液晶組成物。
【請求項２】
一般式(I)から選ばれる化合物を3〜25質量%含有し、一般式(II)から選ばれる化合物を3〜25質量%含有し、一般式(III)から選ばれる化合物を3〜30質量%含有する請求項1記載の液晶組成物。
【請求項３】
ネマチック相-等方性液体相転移温度が75℃〜130℃であり、屈折率異方性(Δn)が0.12〜0.24である請求項1又は2記載の液晶組成物。
【請求項４】
第四成分として、一般式(IV)
【化４】
0004407101.tif 000025
（式中、R6は炭素原子数1〜7のアルキル基、炭素原子数2〜7のアルケニル基を表し、R7は炭素原子数1〜7のアルコキシル基又はアルキル基を表す。）で表される化合物を1種又は2種以上を含有し、その含有率が3〜15質量%である請求項3記載の液晶組成物。
【請求項５】
請求項1〜4のいずれかに記載の液晶組成物を用いた液晶表示素子。
【請求項６】
ツイスト角が180〜270°である請求項5記載の液晶表示素子。
【請求項７】
急峻性γが(i)
【数１】
0004407101.tif 000026
（但し、Vsatは、セル厚d(μm)のSTN-LCDを構成した時の25℃での飽和電圧(V)、すなわち、透過率が10%のときの駆動電圧である。セル厚d(μm)は、Δn・d=0.90の関係式により決定。印加駆動波形は100Hz矩形波。Vthは、セル厚d(μm)のSTN液晶表示素子(STN-LCD)を構成したときの25℃での閾値電圧(V)、すなわち、透過率が90%のときの駆動電圧である。セル厚d(μm)は、Δn・d=0.90の関係式により決定。印加駆動波形は100Hz矩形波。）で表される条件式を満たす請求項6記載の液晶表示素子。
【請求項８】
閾値電圧Vthが(ii)
【数２】
0004407101.tif 000027
（但し、Vthはセル厚d(μm)のSTN液晶表示素子(STN-LCD)を構成したときの25℃での閾値電圧(V)、すなわち、透過率が90%のときの駆動電圧である。セル厚d(μm)は、Δn・d=0.90の関係式により決定。印加駆動波形は100Hz矩形波。）で表される条件式を満たす請求項6又は7記載の液晶表示素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低い閾値電圧と急峻な電気-光学特性を同時に併せ持つ液晶組成物及びこれを用いた液晶表示素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示素子の中でも、スーパーツイステッドネマチック液晶表示素子（以下、STN-LCDと言う。）は、幅広い用途の表示装置として使用されており、用途展開に伴い様々な特性が要求されている。
【０００３】
特に、携帯情報端末においてはバッテリーの交換又は充電を必要としないで長時間使用できることが非常に重要な特徴であり、これに対しては、STN-LCDの駆動電圧を低減すること、すなわち、液晶組成物の閾値電圧Vthを低減することが効果的な改善方法の一つである。また、文字だけではなく画像などの多くの情報を表示するための時分割駆動においては、より急峻な電気-光学特性が求められている。このような要望に対して、今日まで様々な改善方法が提案されてきたが、未だ不十分であり、低い閾値電圧と急峻な電気-光学特性を同時に実現した液晶組成物及びこれを用いた液晶表示素子が求められている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、低い閾値電圧と急峻な電気-光学特性を同時に併せ持つ液晶組成物及びこれを用いた液晶表示素子を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するために、一般式(I)、一般式(II)及び一般式(III)から選ばれる化合物を同時に使用することで、閾値電圧が低く、なおかつ、電気-光学特性が驚くべきほど改善されることを見出し本発明に至った。
【０００６】
すなわち、本発明は、第一成分として一般式(I)
【化５】
0004407101.tif 000002
（式中、m及びnはそれぞれ独立して0〜7を表す。）で表される化合物を1種又は2種以上を含有し、第二成分として、一般式(II)
【０００７】
【化６】
0004407101.tif 000003
（式中、R1は炭素原子数1〜7のアルキル基、炭素原子数2〜7のアルケニル基を、X1及びX2はそれぞれ独立して水素原子又はフッ素原子を表す。）で表される化合物を1種又は2種以上を含有し、第三成分として、一般式(III)
【０００８】
【化７】
0004407101.tif 000004
（式中、R2は2〜7のアルケニル基を表し、X3は水素原子又はフッ素原子を表す。）で表される化合物を1種又は2種以上を含有することを特徴とする液晶組成物及びこれを用いた液晶表示素子である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
【００１０】
（一般式(I)で表される化合物）
一般式(I)で表される化合物（以下、化合物(I)と言う。）は、nが0又は2である式(I-a)〜(I-d)
【化８】
0004407101.tif 000005
で表される化合物が好ましい。
【００１１】
また、液晶組成物中で、化合物(I)の含有量は3〜25質量%であることが好ましく、5〜15質量%であることが特に好ましい。更に具体的には、式(I-a)又は式(I-b)で表される化合物を5〜15質量%含有することが好ましく、式(I-a)で表される化合物のみを5〜15質量%含有することが特に好ましい。
【００１２】
（一般式(II)で表される化合物）
液晶組成物は、更に、一般式(II)から選ばれる化合物を含有することを特徴とするが、R1は炭素原子数2〜4のアルキル基であることが特に好ましい。また、X1及びX2はそれぞれ独立して水素原子又はフッ素原子を表すが、
X1=X2=H
又は
X1=F、X2=H
が好ましい。
また、液晶組成物中で、化合物(III)の含有量は3〜25質量%であることが好ましく、3〜10質量%であることが特に好ましい。
【００１３】
（一般式(III)で表される化合物）
液晶組成物は、更に、一般式(III)から選ばれる化合物を含有することを特徴とするが、R2は炭素原子数2〜5のアルケニル基が特に好ましい。更に具体的には、式(III-a)又は(III-b)が好ましい。
【化９】
0004407101.tif 000006
また、液晶組成物中で、化合物(II)の含有量は3〜30質量%であることが好ましく、10〜30質量%であることがより好ましく、20〜30質量%であることが特に好ましい。
【００１４】
（液晶組成物の物性値について）
本発明の液晶表示素子に使用する液晶組成物のネマチック相−等方性液体相転移温度（以下、Tniと言う。）は、STN-LCDのコントラストを高くするためには低い方が望ましいが、Tniを低くし過ぎると高い温度の雰囲気下で表示が消えてしまうなどの諸問題が生じるため、75℃〜130℃であることが好ましく、80℃〜120℃であることがより好ましく、85℃〜110℃であることが特に好ましい。屈折率異方性(Δn)は、0.12〜0.24であることが好ましいが、0.13〜0.18がより好ましく、0.13〜0.16が特に好ましい。
【００１５】
（一般式(IV)で表される化合物）
本発明の液晶組成物は、更に、一般式(IV)
【化１０】
0004407101.tif 000007
（式中、R6は炭素原子数1〜7のアルキル基、炭素原子数2〜7のアルケニル基を表し、R7は炭素原子数1〜7のアルコキシル基を表す。）で表される化合物を1種又は2種以上を含有し、その含有率が3〜15質量%であることを特徴とするが、R6は炭素原子数2〜5のアルキル基がより好ましく、R7は炭素原子数1〜5のアルコキシル基がより好ましい。
また、液晶組成物中で、化合物(IV)の含有率は、3〜10質量%であることがより好ましい。
【００１６】
本発明の液晶組成物は、更に、一般式(V)
【化１１】
0004407101.tif 000008
（式中、R8、R9はそれぞれ独立してフッ素置換されていてもよい炭素原子数1〜7のアルキル基、炭素原子数2〜7のアルケニル基、炭素原子数3〜7のアルケニルオキシ基を表し、Z1は単結合、-CH2-CH2-又は-CH=CH-を表し、Aは1,4-フェニレン基又はトランス−1,4−シクロヘキシレン基を表し、qは0又は1を表す。）で表される化合物（以下、化合物(V)と言う。）を含有することが好ましく、急峻性γをより改善することができる。この液晶組成物は、化合物(V)を1種又は2種以上を含有するが、1〜8種含有することが好ましく、1〜4種含有することがより好ましい。また、その含有量は、5〜40質量%が好ましいが、5〜30質量%がより好ましく、5〜20質量%が特に好ましい。
【００１７】
化合物(V)の好ましい例は、一般式(V-a)
【化１２】
0004407101.tif 000009
（式中、R10及びR11は、R8と同じ意味を有する。）で表される化合物（以下、化合物(V-a)と言う。）である。
【００１８】
また、化合物(V)の別の好ましい例は、一般式(V-b)
【化１３】
0004407101.tif 000010
（式中、R12及びR13は、R8と同じ意味を有する。）で表される化合物（以下、化合物(V-b)と言う。）である。
化合物(V-a)又は化合物(V-b)を使用することは、急峻な電気-光学特性を得るために効果的であり、特に、化合物(V-b)を使用することが好ましい。
【００１９】
R8及びR9は、炭素原子数1〜5のアルキル基又は炭素原子数2〜5のアルケニル基であることがより好ましい。更に具体的には、アルケニル基は、式(a)〜(e)の構造が好ましく、
【化１４】
0004407101.tif 000011
（構造式は右端で環に連結しているものとする。）その中でも(b)、(d)が特に好ましい。
【００２０】
更に、本発明の液晶組成物は、一般式(VI)
【化１５】
0004407101.tif 000012
（式中、R14及びR15は、炭素原子数1〜7のアルキル基又はアルコキシル基、炭素原子数2〜7のアルケニル基又は炭素原子数3〜7のアルケニルオキシ基を表し、B及びDは、それぞれ独立的に1,4-フェニレン基、2又は3-フルオロ-1,4-フェニレン基、2,3-ジフルオロ-1,4-フェニレン基、3,5-ジフルオロ-1,4-フェニレン基、2,6-ジフルオロ-1,4-フェニレン基、2又は3-メチル-1,4-フェニレン基、2,3-ジメチル-1,4-フェニレン基、3,5-ジメチル-1,4-フェニレン基、2,6-ジメチル-1,4-フェニレン基又はトランス-1,4-シクロヘキシレン基を表し、r及びsは、それぞれ独立的に0又は1を表し、Z2及びZ3は、それぞれ独立的に単結合、-CH2-CH2-、-CH=CH-、-COO-又は-OCO-を表し、X4、X5、X6及びX7は、それぞれ独立的にH又はFを表す。）で表される化合物（以下、化合物(VI)と言う。）を含有し、液晶組成物中における化合物(VI)の含有量は、5〜60質量%が好ましいが、5〜40質量%がより好ましく、10〜30質量%が特に好ましい。
【００２１】
一般式(VI) の好ましい例は、(VI-a)〜(VI-m)で表される化合物（以下、化合物(VI-a)〜(VI-m)と言う。）である。
【００２２】
【化１６】
0004407101.tif 000013
【００２３】
更に、本発明の液晶組成物は、一般式(VII)
【化１７】
0004407101.tif 000014
（式中、R16及びR17は、炭素原子数1〜7のアルキル基又はアルコキシル基、炭素原子数2〜7のアルケニル基又は炭素原子数3〜7のアルケニルオキシ基を表し、Eは、1,4-フェニレン基、2又は3-フルオロ-1,4-フェニレン基、2,3-ジフルオロ-1,4-フェニレン基、3,5-ジフルオロ-1,4-フェニレン基、2,6-ジフルオロ-1,4-フェニレン基、2又は3-メチル-1,4-フェニレン基、2,3-ジメチル-1,4-フェニレン基、3,5-ジメチル-1,4-フェニレン基、2,6-ジメチル-1,4-フェニレン基又はトランス-1,4-シクロヘキシレン基を表し、Z4は、単結合、-CH2-CH2-、-CH=CH-、-COO-又は-OCO-を表す。）で表される化合物を含有することが好ましく、液晶組成物中における化合物(VII)の含有量は、3〜20質量%が好ましいが、急峻性γなどの諸特性とバランスをとるためには、3〜15質量%が更に好ましく、3〜10質量%が特に好ましい。
【００２４】
化合物(VII)の好ましい例は、一般式(VII-a)又は(VII-b)（以下、化合物(VII-a)及び(VII-b)と言う。）である。
【化１８】
0004407101.tif 000015
化合物(I)、化合物(II)及び化合物(III)を含有することを特徴とする本発明の液晶組成物は、化合物(IV)〜(VII)を同時に含有することが、より優れた本発明の効果を得るために、特に好ましい。
【００２５】
本発明の効果を得るために、特に好ましい液晶組成物（以下、液晶組成物Gと言う。）は、式(I-a)で表される化合物を5〜15質量%と、一般式(II)で表される化合物を3〜10質量%と、一般式(III-a)で表される化合物を20〜30質量%と、一般式(IV)で表される化合物を3〜10質量%と、化合物(V-a)又は(V-b)を5〜20質量%と、化合物(VI-a)又は(VI-d)を10〜30質量%と、化合物(VII-a)を3〜10質量%とを含有する。この液晶組成物Gは、低い閾値電圧と急峻な電気-光学特性を同時に併せ持っており、これを用いた液晶表示素子は駆動電圧が低いため、バッテリーの交換又は充電を必要としないで長時間の使用が可能となり、また、高いコントラストを有しているため、表示品位が非常に優れているという特徴を有する。
【００２６】
本発明に使用する液晶組成物は、一般式(I)〜(VII)で表される化合物以外に、通常のネマチック液晶、スメクチック液晶、コレステリック液晶、カイラル剤などを使用することができる。なお、カイラル剤の代表的なものとしては、コレステリルノナネイト、C-15、CB-15、S-811などがある。
【００２７】
本発明の液晶組成物を用いた液晶表示素子は、スーパーツイステッドネマチック(STN)液晶表示素子にした場合、ツイスト角は180°〜270°が好ましく、220°〜260°がより好ましく、230°〜250°が特に好ましい。
【００２８】
本発明のSTN-LCDは、従来のSTN-LCDと比較して急峻性γが驚くべきほどに改善されている。このため、本発明のSTN-LCDは高いコントラストを有する。具体的には、条件式(i)
【数３】
0004407101.tif 000016
（但し、Vsatは、セル厚d(μm)のSTN-LCDを構成した時の25℃での飽和電圧(V)、すなわち、透過率が10%のときの駆動電圧である。セル厚d(μm)は、Δn・d=0.90の関係式により決定。印加駆動波形は100Hz矩形波。Vthは、セル厚d(μm)のSTN液晶表示素子(STN-LCD)を構成したときの25℃での閾値電圧(V)、すなわち、透過率が90%のときの駆動電圧である。セル厚d(μm)は、Δn・d=0.90の関係式により決定。印加駆動波形は100Hz矩形波。）で表される急峻性γを満たしており、高いコントラストであることを特徴とするSTN-LCDを作製することができる。
【００２９】
更に、本発明のSTN-LCDは低い閾値電圧を有しているという特徴がある。具体的には、条件式(ii)
【数４】
0004407101.tif 000017
（但し、Vthはセル厚d(μm)のSTN液晶表示素子(STN-LCD)を構成したときの25℃での閾値電圧(V)、すなわち、透過率が90%のときの駆動電圧である。セル厚d(μm)は、Δn・d=0.90の関係式により決定。印加駆動波形は100Hz矩形波。）で表される閾値電圧Vthを満たすSTN-LCDを作製することができ、より好ましくは1.45V以下、特に好ましくは1.40V以下の閾値電圧を有するSTN-LCDを作成することができる。すなわち、駆動電圧が低いため、携帯情報端末に求められている長時間の使用に対する改善効果が非常に大きい。
【００３０】
以上のことから、本発明のSTN-LCDは高いコントラストと低い駆動電圧を同時に実現しており、携帯情報端末に求められている1/32〜1/480Duty、より好適には1/64〜1/240Dutyの時分割駆動において非常に優れた表示特性を有している。
【００３１】
なお、本発明のSTN-LCDは透過型、半透過型、反射型などのいずれの表示方式であってもよい。
【００３２】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を詳述するが、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、以下の実施例及び比較例の組成物における「%」は『質量%』を意味する。
【００３３】
実施例中、測定した特性は以下の通りである。
Tni  ：ネマチック相-等方性液体相転移温度（℃）
T-n  ：固体相又はスメクチック相−ネマチック相転移温度（℃）
Δn  ：25℃での屈折率異方性
Vth  ：セル厚d(μm)のSTN液晶表示素子(STN-LCD)を構成したときの25℃での閾値電圧(V)、すなわち、透過率が90%のときの駆動電圧である。セル厚d(μm)は、Δn・d=0.90の関係式により決定。印加駆動波形は100Hz矩形波。
Vsat ：セル厚d(μm)のSTN-LCDを構成した時の25℃での飽和電圧(V)、すなわち、透過率が10%のときの駆動電圧である。セル厚d(μm)は、Δn・d=0.90の関係式により決定。印加駆動波形は100Hz矩形波。
γ   ：25℃における急峻性        γ=Vsat/Vth
STN-LCDの作製は、以下のように行った。ネマチック液晶組成物にカイラル剤「S-811」(メルク社製)を添加して混合液晶を調製し、対向する平面透明電極上に「サンエバー150」(日産化学社製)の有機膜をラビングして配向膜を形成したツイスト角240°のSTN-LCDに注入した。なお、カイラル剤は、カイラル剤の添加による混合液晶の固有らせんピッチPと表示用セルのセル厚dが、d/P=0.50となるように添加した。
【００３４】
化合物の記載に下記の略号を使用する。
0004407101.tif 000018
【化１９】
0004407101.tif 000019
【００３５】
例えば、以下に表すように略号を用いる。
【化２０】
0004407101.tif 000020
【００３６】
(実施例1、実施例2、比較例1及び比較例2)
液晶組成物No.1(実施例1)、No.2(実施例2)、液晶組成物M1(比較例1)、M2(比較例2)を調製した。また、これらの液晶組成物を使用したSTN-LCDを作製した。表1には、これらの液晶組成物の組成比と液晶組成物を使用したSTN-LCDの特性測定値を示す。
【００３７】
【表１】
0004407101.tif 000021
【００３８】
液晶組成物No.1(実施例1)及び液晶組成物No.2(実施例2)は、本発明の組み合わせである一般式(I)、(II)及び(III)のほか、更に一般式(IV)〜(VII)などを含有している。液晶組成物M1(比較例1)と特性測定値を比較すると、実施例1及び実施例2のSTN-LCDは、比較例1よりも急峻性γが大幅に改善されており、先に述べた条件式(i)及び(ii)を満たしている。すなわち、急峻な電気-光学特性（高いコントラスト）と低い閾値電圧（低い駆動電圧）とを同時に満たしている。
【００３９】
比較例2は、急峻性γが条件式(i)を満たしているものの、低電圧化が不十分で条件式(ii)を満たしていない。一般に低電圧化を行うと急峻性γは悪化する傾向にあり、低電圧かつ高コントラストを実現することは困難である。
【００４０】
比較例3は、低い閾値電圧は実現されているが、急峻性γの改善が不十分であり高いコントラストを有するSTN-LCDを作成することは困難である。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は、低い閾値電圧と急峻な電気-光学特性を同時に併せ持つ液晶組成物を提供することにより、表示品位が大幅に改善されたSTN-LCDを得ることができる。したがって、本発明のSTN-LCDはコントラストが高く、なおかつ、駆動電圧も低いという非常に優れた特徴を有している。