(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下2枚の基板間に封入された液晶にベンド配向を形成させ、さらに位相差補償フィルムを組み合わせた構造を有する液晶表示素子に使用される液晶組成物において、第一成分として一般式(1)
【化１】
0004306190.tif 000011
[式中R1は、炭素数1〜15のアルキル基又は炭素数2〜15のアルケニル基であり、この基は非置換であるか、あるいは置換基として少なくとも1個のハロゲン基を有しており、そしてこれらの基中に存在する1個又は2個以上のCH2基はそれぞれ独立してO原子が相互に直接結合しないものとして-O-により置き換えられても良く、mは0であり、X1、X2、X3、X4はそれぞれ独立してH、F又はClであり、Q1は-OCH2-、-OCF2-、-OCHF-、-CF2-又は単結合であり、Y1はF又はClである。]で表される化合物から選ばれる化合物を1種又は2種以上を含有し、第二成分として一般式(2)
【化２】
0004306190.tif 000012
(式中R2は、一般式(1)のR1の定義と同じであり、X5〜X10はそれぞれ独立してH、F又はClであり、X5〜X10のうち少なくとも3個はF又はClであり、Q2は一般式(1)のQ1の定義と同じであり、Y2はF又はClである。)で表される化合物から選ばれる化合物を1種又は2種以上を含有し、且つネマチック相上限温度が75℃以上であり、ネマチック下限温度が-10℃以下であり、屈折率の異方性が0.13〜0.35であることを特徴とする液晶組成物。
【請求項２】
一般式(1)の化合物を2〜50質量%含有し、一般式(2)の化合物を2〜30質量%含有する請求項1記載の液晶組成物。
【請求項３】
一般式(1)の化合物として、Q1が単結合であり、X2、X4、Y1がFである一般式(3)
【化３】
0004306190.tif 000013
(式中R3は、一般式(1)のR1の定義と同じであり、nは0であり、X11、X12はそれぞれ独立してH又はFである。)から選ばれる1種もしくは2種以上の化合物を含有する請求項1又は2に記載の液晶組成物。
【請求項４】
液晶組成物の曲がり(K33)と広がり(K11)の弾性定数の比K33/K11が0.8〜1.5である請求項1〜3のいずれかに記載の液晶組成物。
【請求項５】
上下2枚の基板間に封入された液晶にベンド配向を形成させ、さらに位相差補償フィルムを組み合わせた構造を有する液晶表示素子であって、前記液晶が請求項1〜3のいずれかに記載の液晶組成物であることを特徴とする液晶表示素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶にベンド配向を形成させ位相差補償フィルムを組み合わせた構造を有する液晶表示素子用材料として有用なネマチック液晶組成物及び、これを用いた液晶表示素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
TN(Twisted Nematic)液晶表示素子(LCD)や、STN(Supertwisted Nematic)−LCDのように、ねじり構造(twist)を持った液晶表示素子は、このねじり構造のためいずれも視野角が狭く、上下左右から視角をもって観察すると画像の反転やコントラストの低下などの不具合を有していた。
【０００３】
この問題を解決するために、TN方式の液晶表示素子に位相差フィルムをつけたり、配向分割法を組み合わせた方式が提案されたが、視野角の改善を十分でなかったり、製造が困難など未解決点が多く残っていた。
【０００４】
最近、視野角改善及び高速応答対応の目的で、液晶がベンド構造を持ったセルに位相差フィルムを組み合わせたOCB(Optically Compensated Birefringence mode)モードが提案されている[特開平7-84254号公報, SID93DIGEST, p277]。
この駆動方式としてはパッシブ駆動方式も可能だが、各画素に薄膜トランジスタ(TFT)やダイオードのスイッチング素子をつけて、画素に電圧を供給するAM-LCD方式を用いると、コントラストを上げることができる。
【０００５】
AM-LCDはTN・STNのパッシブ駆動方式とは異なり、スイッチング素子を通して、各画素に数十msec毎に電荷を供給することにより駆動する。このため、電荷が供給されてから数十msec後の次の書き込み時間までの間は、与えられた電荷を完全に保持できないと、表示の悪化をきたすことになる。電荷が逃げると電極間の電位が下がり、透過光強度が変化してコントラストが低下してしまう。このため、AM-LCDでは、高い電圧保持特性が求められる。高い電圧保持特性を得るため、AM-LCD用液晶組成物は、高比抵抗を維持しやすい材料を取捨選択して使用する必要がある。
【０００６】
また、OCBモードのベンドセルでは、無印加の状態では安定構造であるスプレイ配向している。このスプレイ配向が電圧印加によりベンド配向に変化する。表示をするには、まず初期状態としてこのベンド配向を確保する必要がある。従来からスプレイ配向からベンド配向への転移時間を短くするために様々な方法が提案されているが、必ずも十分なものがなかった。たとえば、チルト角を高めるとコントラストが低下してしまい、転移のために大きな電圧を印加することは駆動電圧の増加を招いていた。転移時間の低減策としては、弾性定数比K33/K11(K33:曲がり、K11:広がりの弾性定数)を小さくすることが安定したベンド構造を取りやすくなるため、液晶組成物のK33/K11が小さくなるための化合物の選択が重要である。
【０００７】
更に、近年携帯を目的としたノート型コンピューターの需要が高まり、屋外で動画対応表示の使用を可能とする、広い使用温度範囲、低消費電力(長時間のバッテリー駆動が可能)及び速い応答速度(動画に対応)への要請が強まっている。低消費電力には低電圧で駆動できるしきい値電圧の低い液晶組成物が求められている。
【０００８】
低消費電力化のためには、駆動電圧を低くする(液晶の閾値値電圧を低くする)ことが有効である。しかし、閾値電圧を低くするためには、誘電率異方性(Δε)を大きくする必要がある。Δεが大きと、一般には粘性が増大し、レスポンスが悪化する。また、周囲の汚染の影響を受けやすくなるため、AM-LCDに要求される高い電圧保持率を維持することが難しくなるという問題があった。
【０００９】
従来の液晶組成物は、これらの要請に必ずしも応えることができず、高温での電圧保持率の低下によるコントラスト低下、低温での結晶析出やスメクチック相の発現、動画に追随できないための尾引現象が見られた。
【００１０】
たとえば、WO9403558号には、トリフルオロ化合物とジフルオロ化合物とを用いた液晶組成物の例が開示されているが、液晶温度範囲が狭かったり、しきい値電圧が高い等多くの問題点を抱えており、視角の広いOCB液晶表示素子の要請に最適な液晶組成物は提供されていなかった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、AM-LCD方式で駆動されるOCB液晶表示素子に求められる高い電圧保持率を有し、広い液晶温度範囲と低い粘性と大きいΔnを有し、OCB液晶特有のスプレイ配向からベンド配向への転移時間の短縮が図られた液晶組成物を提供することにある。また、その液晶組成物を使用したAM-LCD方式で駆動されるOCB液晶表示素子を提供することにある。
【００１２】
【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、種々の液晶化合物を用いた液晶組成物を検討し、OCB液晶ディスプレイでの特性の評価を行った結果、
上記のOCB用液晶組成物には、
(1) AM-LCD方式に好適な高い電圧保持率
(2) 屋外でも使用できる広いネマチック液晶相温度範囲
(3) スプレイ配向−ベンド配向転移時間が短いための低い弾性定数比K33/K11
(4) 高速レスポンスを可能にする大きいΔn
が必要であり、これらを満たす液晶組成物として下記の液晶組成物を見いだして本発明に至った。
【００１３】
すなわち本発明は、上下2枚の基板間に封入された液晶にベンド配向を形成させ、さらに位相差補償フィルムを組み合わせた構造を有する液晶表示素子に使用される液晶組成物において、第一成分として一般式(1)
【００１４】
【化４】
0004306190.tif 000002
(式中R1は、炭素数1〜15のアルキル基又は炭素数2〜15のアルケニル基であり、この基は非置換であるか、あるいは置換基として少なくとも1個のハロゲン基を有しており、そしてこれらの基中に存在する1個又は2個以上のCH2基はそれぞれ独立してO原子が相互に直接結合しないものとして-O-、-S-、-CO-、-COO-、-OCO-、-OCO-O-により置き換えられても良く、環A1は
(a) トランス-1,4-シクロへキシレン基(この基中に存在する1個のCH2基又は隣接していない2個以上のCH2基は -O- 及び／又は -S- に置き換えられてもよい)
(b) 1,4-フェニレン基(この基中に存在する1個のCH2基又は隣接していない2個以上のCH2基は -N- に置き換えられてもよい)
(c) 1,4-シクロヘキセニレン、1,4-ビシクロ(2.2.2)オクチレン、ピペリジン-1,4-ジイル、ナフタレン-2,6-ジイル、デカヒドロナフタレン-2,6-ジイル及び1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン-2,6-ジイル
からなる群より選ばれる基であり、上記の基(a)、基(b)、基(c)はCN又はハロゲンで置換されていてもよく、Z1は、-COO-、-OCO-、-CH2O-、-OCH2-、-CH2CH2-、-CH=CH-、-C≡C-、-(CH2)4-、-CH=CH-CH2CH2-、-CH2CH2-CH=CH-又は単結合であり、mは0、1又は2であり、X1、X2、X3、X4はそれぞれ独立してH、F又はClであり、Q1は-OCH2-、-OCF2-、-OCHF-、-CF2-又は単結合であり、Y1はF又はClである。)で表される化合物から選ばれる化合物を1種又は2種以上を含有し、第二成分として一般式(2)
【００１５】
【化５】
0004306190.tif 000003
(式中R2は、一般式(1)のR1の定義と同じであり、X5〜X10はそれぞれ独立してH、F又はClであり、X5〜X10のうち少なくとも3個はF又はClであり、Q2は一般式(1)のQ1の定義と同じであり、Y2はF又はClである。)で表される化合物から選ばれる化合物を1種又は2種以上を含有し、且つネマチック相上限温度が75℃以上であり、ネマチック相下限温度が-10℃以下であり、屈折率の異方性(Δn)が0.13〜0.35範囲である液晶組成物を提供する。
【００１６】
また、本発明は、上記液晶組成物を使用した、上下2枚の基板間に封入された液晶にベンド配向を形成させ、さらに位相差補償フィルムを組み合わせた構造を有する液晶表示素子を提供する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
一般式(1)で表される化合物(以下、化合物(1)という。)は、駆動電圧の低下とネマチック液晶温度範囲の拡大には非常に大きな効果がある。一方、一般式(2)で表される化合物(以下、化合物(2)という。)は、大きいΔnを有する化合物であり、駆動電圧の低下にも比較的有効である、しかし、液晶組成物中に添加することにより、ネマチック相下限温度を上昇させる問題点があった。
【００１８】
本発明の液晶組成物は、化合物(1)と化合物(2)のそれぞれの化合物から1種又は2種以上選ばれる化合物を含有する組成物である。化合物(1)と化合物(2)はお互いの欠点を補うことにより、組成物として、大きいΔn、低い粘性と低いネマチック相下限温度範囲を有し、OCB用液晶表示素子用の液晶組成物として使用した際に、保持率が高いためAM-LCD駆動に適しており、低い弾性定数比K33/K11(K33:曲がり、K11:広がりの弾性定数)を有するために、初期状態での安定したベンド構造を取りやすくなり、OCB用液晶組成物として非常に有用である。
【００１９】
本発明の液晶組成物は、化合物(1)から選ばれる化合物を1種〜5種の範囲で含有することが好ましく、1種〜3種の範囲で含有することが特に好ましい。また、一般式(1)において、R1は、炭素数1〜8のアルキル基又は炭素数2〜8のアルケニル基が好ましく、炭素数1〜5のアルキル基又は式(a)〜(e)のアルケニル基が特に好ましい。
【００２０】
【化６】
0004306190.tif 000004
(構造式は右端で環に連結しているものとする。)
環A1はトランス-1,4-シクロへキシレン基又は1,4-フェニレン基が好ましい。Z1は、単結合が好ましい。mは0又は1が好ましい。X1、X2、X3及びX4は低電圧を重視する場合には、少なくとも3個はFであることが好ましい。Q1は単結合が好ましい。Y1はFが好ましい。
【００２１】
化合物(1)として好ましい化合物として、一般式(3)を挙げることができる。
【化７】
0004306190.tif 000005
(式中、R3は、X11及びX12はそれぞれ独立してH又はFを表す。)一般式(3)においてX11及びX12は少なくとも一つはFであることが好ましく、X11及びX12の両方がFであることが更に好ましい。
化合物(1)から選ばれる化合物の含有量は、2質量%〜50質量%が好ましく、10質量%〜40質量%が特に好ましい。
【００２２】
化合物(2)から選ばれる化合物は1種〜5種の範囲で含有することが好ましく、1種〜3種の範囲で含有することが特に好ましい。また一般式(2)中、R2は炭素数1〜8のアルキル基又は炭素数2〜8のアルケニル基が好ましく、炭素数1〜5のアルキル基又は式(a)〜(e)のアルケニル基が特に好ましい。
又、X5〜X10はそれぞれ独立してH、F又はClであり、X5〜X10のうち少なくとも3個はFであることが好ましい。Q2は単結合が好ましい。Y2はFが好ましい。
【００２３】
一般式(2)から選ばれる化合物の含有量は、2質量%〜30質量%が好ましく、10質量%〜20質量%が特に好ましい。
【００２４】
本発明は、ナフタレン環を有する化合物(1)とトラン構造を有する化合物(2)といったΔnが異なり、環構造も異なる2種の化合物を組み合わせることにより、低いネマチック相下限温度と大きいΔnを同時に可能とするものである。
Δnを大きくすることは、レタデーションを一定にしたままで、セル厚を薄くできるため、また小さな分子の動きにより大きい光学的変化を起こせるため応答速度の改善を図ることができ、有用である。本発明の液晶組成物のΔnは、好ましくは0.16〜0.30であり、更に好ましくは0.20〜0.28である。
【００２５】
ネマチック液晶相温度範囲の拡大は、最近要望の高まっている携帯端末ディスプレイ用として有用である。本発明による組成物は、特に、ネマチック相が結晶やスメクチックに転移するネマチック相下限温度に対して拡大効果があるため、本発明の液晶組成物を使用したOCB液晶表示素子は、戸外の低温の環境でも高いコントラストでの動作が可能となる。本発明のネマチック相上限温度が75℃以上であり、ネマチック下限温度が-10℃以下であるが、好ましくはネマチック相上限温度が90℃以上であり、ネマチック下限温度が-20℃以下である。
【００２６】
更に、化合物(1)及び化合物(2)は電流値の増加を抑制する効果を持つため、AM-LCD駆動方式によるOCB液晶素子にさらに好ましく、本発明の液晶組成物を使用したOCB表示素子は戸外の過酷な熱・太陽光・UV光の環境においても、安定で電流値増加などによる表示不良を起こしにくい。
【００２７】
OCBモードのベンドセルでは、弾性定数比K33/K11(K33:曲がり、K11:広がりの弾性定数)を小さくすることが安定したベンド構造を取りやすく有効である。本発明の化合物(1)と化合物(2)を組み合わせることにより、より小さな弾性定数比K33/K11を可能とする。本発明の液晶組成物の曲がり(K33)と広がり(K11)の弾性定数の比K33/K11は好ましくは0.8から1.5であるが、更に好ましくは0.8〜1.2である。
【００２８】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳述するが、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。
【００２９】
実施例中、測定した特性は以下の通りである。
Tni :ネマチック相上限温度；ネマチック-アイソトロピック転移温度(℃)
T-n :ネマチック相下限温度；クリスタル又はスメクチック-ネマチック転移温度(℃)
Δε:25℃での誘電率異方性 (-)
Δn :25℃での複屈折率(-)
η  :20℃での粘度(mPa・s)
K11 :広がりの弾性定数(pN)
K33 :曲がりの弾性定数 (pN)
K33/K11:弾性定数比(-)
HR  :80℃での保持率(%)(セル厚6μmのTN-LCDに注入し、5V印加、フレームタイム20ms、パルス幅64μsで測定したときの測定電圧と初期印加電圧との比を%で表した値)
d   :OCB液晶表示素子のセル厚(μm)
Vcr :スプレー配向からベンド配向に転移する電圧(V)
τ  :OCB液晶表示素子の応答速度(msec)
OCB液晶表示素子はSID'93Digest, p277-280に記載の方法で作製した。
【００３０】
化合物の記載に下記の略号を使用する。
0004306190.tif 000006
【００３１】
【化８】
0004306190.tif 000007
例えば、以下に示すように略号を用いる。
【００３２】
【化９】
0004306190.tif 000008
【００３３】
（実施例1・比較例1）
ネマチック組成物No.1を調整し、この組成物の諸特性を測定した結果を比較例1と共に表1に示す。
【００３４】
【表１】
0004306190.tif 000009
実施例1は比較例1と比較して、ネマチック温度範囲が拡大していることがわかる。しかもネマチック相上限温度(Tni)だけでなく、ネマチック相下限温度(T-n)に対しても格段に改善されている。駆動電圧を低くするためには、誘電率異方性Δεを大きくする材料が必要であるが、誘電率異方性が大きい系では一般に粘性が増大し、レスポンスが悪化する。実施例1は比較例1よりも大きい誘電率異方性を有しているにもかかわらず低粘性であり、OCB液晶表示素子での応答速度も実施例1の応答速度は(5.8msec)、比較例1の応答速度(8.6msec)と比較して高速であることがわかる。実施例1の弾性定数比（K33/K11）は比較例１よりも小さく、スプレー配向からベンド配向に転移する電圧も比較例1よりも低かった。上記の実施例1で得られた液晶組成物の保持率は、測定温度80℃で99%以上の高い保持率を示した。また-20℃から80℃の広い温度範囲で良好なコントラストを示した。
【００３５】
（実施例2、3及び比較例2）
ネマチック組成物No.2、No.3を調整し、この組成物の諸特性を測定した結果を比較例2と共に表2に示す。
【００３６】
【表２】
0004306190.tif 000010
実施例2は比較例2と比較してネマチック相下限温度に対して拡大効果があることがわかる。また実施例2は比較例2と同等のΔεを有しているにもかかわらず低粘性であり、実施例2の液晶組成物を使用したOCB液晶表示素子の応答速度(2.6msec)は、比較例2の応答速度(3.0msec)と比較して高速に応答した。
【００３７】
実施例3は従来達成出来なかったΔn=0.28で広いネマチック温度領域を達成し、大きな誘電率異方性を達成している。応答速度も2.5msecであり、コントラストも高い値を示した。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の液晶組成物は、化合物(1)と化合物(2)を含有し、Tniが75℃以上であり、T-nが-10℃以下がであり、Δｎが0.13〜0.35であり、OCB用液晶組成物として有用であり、短いスプレイ配向−ベンド配向転移時間、広い動作温度範囲、高い電圧保持率を有するAM-LCD駆動OCB液晶表示素子を提供することができる。