(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶組成物が、
Ａ群：＋1.5より大きい誘電率異方性を有する化合物群と、
Ｂ群：−1.5〜＋1.5の誘電率異方性を有する化合物群
とから成り、Ａ群の化合物群の第一成分として一般式(1)
【化１】
0004355993.tif 000022
(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、Z1は、-COO-、-OCO-、-CH2O-、-OCH2-、-CF2O-、-OCF2-、-CH2CH2-、-CF2CF2-、-CH=CH-、-(CH2)4-、-CH=CH-CH2CH2-、-CH2CH2-CH=CH- 又は単結合であり、Y1は-OCH2F、-OCHF2、-OCF3又は-CF3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2〜30質量%含有し、第二成分として一般式(2)
【化２】
0004355993.tif 000023
(式中R2は、一般式(1)のR1の定義と同じであり、X1、X2はそれぞれ独立してH、F又はClであり、Z2は、一般式(1)のZ1の定義と同じであり、lは1又は2であり、Q1は単結合であり、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5〜30質量%含有し、第三成分として一般式(3)
【化３】
0004355993.tif 000024
(式中R3は、一般式(1)のR1の定義と同じであり、X3、X4はそれぞれ独立してH、F又はClであり、Z3は、一般式(1)のZ1の定義と同じであり、mは1又は2であり、Q2は一般式(2)のQ1の定義と同じであり、Y3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5〜50質量%含有することを特徴とする液晶組成物。
【請求項２】
ネマチック-アイソトロピック転移温度が75℃〜120℃であり、クリスタル又はスメクチック-ネマチック転移温度(℃)が-80℃〜-10℃であり、屈折率の異方性が0.05〜0.07であり、誘電率の異方性が4.5〜8.0であることを特徴とする請求項１記載の液晶組成物。
【請求項３】
前記Ａ群の第四成分として一般式(4)
【化４】
0004355993.tif 000025
(式中R4は、一般式(1)のR1の定義と同じであり、Z4は、一般式(1)のZ1の定義と同じであり、nは1又は2であり、Y4は一般式(1)のY1の定義と同じでる。)で表される化合物から選ばれる化合物を1種又は2種以上を含有する請求項1又は2に記載の液晶組成物。
【請求項４】
前記Ｂ群の化合物として一般式(5)
【化５】
0004355993.tif 000026
(式中R5及びR6は、一般式(1)のR1の定義と同じであり、Z5は、一般式(1)のZ1の定義と同じであり、oは1又は2である。)で表される化合物から選ばれる化合物を1種もしくは2種以上を含有する請求項1〜3のいずれかに記載の液晶組成物。
【請求項５】
前記Ａ群の第五成分として一般式(6)
【化６】
0004355993.tif 000027
(式中R7は、一般式(1)のR1の定義と同じであり、Z6は、-CH2O-、-OCH2-、-CF2O-、-OCF2-、-CH2CH2-、-CF2CF2-、-CH=CH-、-(CH2)4-、-CH=CH-CH2CH2-、-CH2CH2-CH=CH- 又は単結合であり、Z7は、-COO-、-OCO-、-CH2O-、-OCH2-、-CF2O-、-OCF2-、-CH2CH2-、-CF2CF2-、-CH=CH-、-(CH2)4-、-CH=CH-CH2CH2-、-CH2CH2-CH=CH- 又は単結合であり、pは0、1又は2であり、X5はH又はFである。)で表される化合物から選ばれる化合物を1種もしくは2種以上を含有する請求項1〜4のいずれかに記載の液晶組成物。
【請求項６】
一般式(1)の化合物として、Z1が単結合である一般式(7)
【化７】
0004355993.tif 000028
(式中R8は、一般式(1)のR1の定義と同じであり、Y5は一般式(1)のY1の定義と同じである。)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1〜5のいずれかに記載の液晶組成物。
【請求項７】
請求項1〜6のいずれかに記載の液晶組成物を用いたアクティブマトリクス型液晶表示素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気光学的表示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装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ツイステッドネマチック液晶表示素子(TN-LCD)やスーパーツイステッドネマチック液晶表示素子(STN-LCD)においては、液晶の屈折率異方性(Δn)と液晶媒体の厚さ(d)との積であるリターデーション(R；R=Δn・d)をある一定値(TN-LCDでは0.4〜0.45に設定する場合が多い。)に設定する。
【０００３】
反射型または半透過型LCDでは、光が液晶媒体に入射し、背面の反射板で反射して再度液晶媒体中を通過するため、透過型LCDと比較して実質の光路長が2倍になるため、同じリタデーション値にするためには、液晶媒体のΔnを半分程度に小さくする必要がある。
【０００４】
低Δn液晶組成物は、Δn値の小さいシクロヘキサン環のみで構成されたビシクロヘキサン誘導体等の含有率を大きくすることで得ることができる。しかし、これらの化合物はスメクチック性が高く、ビシクロヘキサン系化合物の含有率を大きくした場合、ネマチック相下限温度(T-n)を低くすることが困難であり、広いネマチック温度範囲を有する液晶組成物を得ることが困難であった。また、Δnの小さい化合物は一般的にはΔεが小さく、低電圧駆動が可能なΔεが大きく、かつΔnの低い液晶組成物を得ることは困難であった。
【０００５】
たとえば、特開2001-354963号には、シクロヘキシルデカヒドロナフタレン化合物とトリ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、Δεが十分に大きくなく、しきい値電圧が高い等の問題点を抱えており、低電圧駆動の要請に最適な液晶組成物は提供されていなかった。
【０００６】
【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、小さい屈折率異方性Δn(Δn=0.05〜0.07)及び大きな誘電率異方性Δε(Δε=4.5〜8.0)を同時に有する液晶組成物を提供すること、またこの液晶組成物を使用した液晶表示素子を提供することにある。
【０００７】
【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た結果、一般式(1)で表される化合物と、一般式(2)で表される化合物と、一般式(3)で表される化合物をそれぞれ特定量組み合わせることにより、極めて小さい屈折率異方性と、大きな誘電率異方性を有する液晶組成物が得られることを見いだし本発明に至った。
【０００８】
すなわち本発明は、液晶組成物が、
Ａ群：＋1.5より大きい誘電率異方性を有する化合物群と、
Ｂ群：−1.5〜＋1.5の誘電率異方性を有する化合物群
とから成り、Ａ群の化合物群の第一成分として一般式(1)
【０００９】
【化８】
0004355993.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、Z1は、-COO-、-OCO-、-CH2O-、-OCH2-、-CF2O-、-OCF2-、-CH2CH2-、-CF2CF2-、-CH=CH-、-(CH2)4-、-CH=CH-CH2CH2-、-CH2CH2-CH=CH- 又は単結合であり、Y1は-OCH2F、-OCHF2、-OCF3又は-CF3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2〜30質量%含有し、第二成分として一般式(2)
【００１０】
【化９】
0004355993.tif 000003
(式中R2は、一般式(1)のR1の定義と同じであり、X1、X2はそれぞれ独立してH、F又はClであり、Z2は、一般式(1)のZ1の定義と同じであり、lは1又は2であり、Q1は単結合であり、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5〜30質量%含有し、第三成分として一般式(3)
【００１１】
【化１０】
0004355993.tif 000004
【００１２】
(式中R3は、一般式(1)のR1の定義と同じであり、X3、X4はそれぞれ独立してH、F又はClであり、Z3は、一般式(1)のZ1の定義と同じであり、mは1又は2であり、Q2は一般式(2)のQ1の定義と同じであり、Y3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5〜50質量%含有することを特徴とする液晶組成物を提供する。
【００１３】
また、本発明は、上記液晶組成物を使用した、マトリクス状に配置された画素部にスイッチング素子が設けられているアクティブマトリクス型液晶表示素子を提供する。
【００１４】
【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、極めて小さな屈折率異方性Δnを有し、さらに駆動電圧の低下にも効果がある。しかしながらネマチック相下限温度を低減する効果は比較的小さい。一方、一般式(2)で表される化合物(以下、化合物(2)という。)および 一般式(3)で表される化合物(以下、化合物(3)という。)は、比較的小さなΔnを有する化合物であり、駆動電圧の低下に大きな効果がある。さらにシクロヘキサン環やベンゼン環のみからなる化合物と比べて、ネマチック相下限温度を低減する効果を有するため、スメクチック性を発現させやすい化合物(1)や後述の一般式(4)または一般式(5)で表される化合物を多量に含有しても低いネマチック相下限温度を維持することができる。
【００１５】
本発明の液晶組成物は、化合物(1)と化合物(2)と化合物(3)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)および化合物(3)はお互いの欠点を補うことにより、組成物として、極めて小さなΔnと低いネマチック相下限温度範囲を有し、反射型または半透過型LCD用液晶組成物として非常に有用である。
【００１６】
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、式中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。
【化１１】
0004355993.tif 000005
(式は右端で環に結合するものとする。)
また、一般式(1)中、Z1は、単結合が好ましく、Y1はFが好ましい。
【００１７】
化合物(1)として好ましい化合物として、化合物(7)を挙げることができる。
【化１２】
0004355993.tif 000006
【００１８】
さらに好ましい化合物として以下の化合物群を挙げることができる。
【化１３】
0004355993.tif 000007
一般式(1)から選ばれる化合物の含有量は、5質量%〜30質量%が好ましく、10質量%〜20質量%が特に好ましい。
【００１９】
化合物(7)のR8がデカヒドロナフタレン環側に直結した一般式(8)
【化１４】
0004355993.tif 000008
で表される化合物(以下、化合物(8)という。) は、化合物(7)と比較して液晶性が悪くなる傾向がある。この傾向は炭素数が多くなるほど顕著である。さらに粘性においても化合物(8)の粘性は化合物(7)と比較して高く、炭素数が多くなるほど顕著である。これは炭素数が多くなると化合物(8)はデカヒドロナフタレン骨格がより中央へ位置することになるが、本発明の化合物(7)ではデカヒドロナフタレン骨格がより末端に位置することになり、液晶分子の排除体積効果が液晶の特性に影響を及ぼしていると思われる。このため化合物(7)の方がより良好な結果を示したと言える。
【００２０】
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。
式中X1、X2はそれぞれ独立してH、F又はClであり、X1、X2のうち少なくとも1個はFであることが好ましい。Q1は単結合が好ましい。Y2はFが好ましい。
【００２１】
化合物(2)として好ましい化合物として、以下の化合物群を挙げることができる。
【化１５】
0004355993.tif 000009
一般式(2)から選ばれる化合物の含有量は、5質量%〜20質量%が好ましく、10質量%〜20質量%が特に好ましい。
【００２２】
化合物(3)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(3)中、R3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。
式中X3、X4はそれぞれ独立してH、F又はClであり、X3、X4のうち少なくとも1個はFであることが好ましい。Q2は単結合が好ましい。Y3はFが好ましい。
【００２３】
化合物(3)として好ましい化合物として、以下の化合物群を挙げることができる。
【化１６】
0004355993.tif 000010
【００２４】
一般式(3)から選ばれる化合物の含有量は、5質量%〜40質量%が好ましく、10質量%〜40質量%が特に好ましい。
【００２５】
本発明は、デカヒドロナフタレン環を有する化合物(1)および化合物(3)とテトラヒドロナフタレン環を有する化合物(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小さいΔnを同時に可能とするものである。
【００２６】
Δnを小さくすることは、レタデーションを一定にしたままで、セル厚を厚くできるため、パネルの量産性の向上に寄与でき有用である。本発明の液晶組成物のΔnは0.05〜0.07が好ましく、更に好ましくは0.05〜0.060である。
【００２７】
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-アイソトロピック転移温度は75℃〜120℃が好ましく、クリスタル又はスメクチック-ネマチック転移温度(℃)は-80℃〜-10℃が好ましいが、さらに好ましくはネマチック-アイソトロピック転移温度が80℃〜120℃であり、クリスタル又はスメクチック-ネマチック転移温度(℃)が-80℃〜-20℃である。
【００２８】
更に、化合物(1)、化合物(2)及び化合物(3)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液晶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。
【００２９】
一般式(4)
【化１７】
0004355993.tif 000011
(式中R4は、一般式(1)のR1の定義と同じであり、Z4は、一般式(1)のZ1の定義と同じであり、nは1又は2であり、Y4は一般式(1)のY1の定義と同じでる。)で表される化合物(以下、化合物(4)という。)は、化合物(1)と同様極めて小さな屈折率異方性Δnを有し、さらに駆動電圧の低下にも効果がある。化合物(1)、化合物(2)及び化合物(3)からなる組成物に化合物(4)を加えることにより、さらに小さなΔｎを有する組成物を得ることができる。
化合物(4)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、式中R4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。
また、一般式(4)中、Z4は、-COO-、-OCO-、-(CH2)4-、-CH=CH-CH2CH2-、-CH2CH2-CH=CH- 又は単結合が好ましく、nは1が好ましい。
【００３０】
化合物(4)として好ましい化合物として、以下の化合物群を挙げることができる。
【化１８】
0004355993.tif 000012
化合物(4)から選ばれる化合物の含有量は、5質量%〜20質量%が好ましく、5質量%〜15質量%が特に好ましい。
【００３１】
一般式(5)
【化１９】
0004355993.tif 000013
(式中R5及びR6は、一般式(1)のR1の定義と同じであり、Z5は、一般式(1)のZ1の定義と同じであり、oは1又は2である。)で表される化合物(以下、化合物(5)と言う。)の含有率の合計が20質量%以上の場合、通常化合物(5)に起因するスメクチック相安定性が高くなり、得られた液晶組成物のネマチック相温度範囲が狭くなるが、本発明の液晶組成物では低いネマチック相下限温度を維持することができる。化合物(5)の含有率の合計は、5〜25質量%であることが好ましく、10〜20質量%であることが特に好ましい。また、式中R5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。
また、前記のアルケニル基の部分構造のなかでは、(a)、(b)、(c)及び(d)が特に好ましい。  一般式(5)中、Z5は、単結合が好ましく、oは1が好ましい。
【００３２】
本発明の液晶組成物は、さらに一般式(6)
【００３３】
0004355993.tif 000014
(式中R7は、一般式(1)のR1の定義と同じであり、Z6は、-CH2O-、-OCH2-、-CF2O-、-OCF2-、-CH2CH2-、-CF2CF2-、-CH=CH-、-(CH2)4-、-CH=CH-CH2CH2-、-CH2CH2-CH=CH- 又は単結合であり、Z7は、-COO-、-OCO-、-CH2O-、-OCH2-、-CF2O-、-OCF2-、-CH2CH2-、-CF2CF2-、-CH=CH-、-(CH2)4-、-CH=CH-CH2CH2-、-CH2CH2-CH=CH- 又は単結合であり、pは0、1又は2であり、X5はH又はFである。)で表される化合物(以下、化合物(6)という。)を含有していることが好ましく、この化合物は大きなΔεを有し、駆動電圧の低下に効果がある。
【００３４】
化合物(6)として好ましい化合物として、以下の化合物群を挙げることができる。
【化２０】
0004355993.tif 000015
【００３５】
一般式(6)から選ばれる化合物の含有量は、5質量%〜40質量%が好ましく、10質量%〜35質量%が特に好ましい。
本発明の液晶組成物は、従来の液晶組成物と比較して極めて小さいΔnと大きなΔεを両立させるものであり、携帯電話等に使用される反射型または半透過型LCD用液晶組成物として非常に有用なものである。
【００３６】
【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。
実施例中、測定した特性は以下の通りである。
【００３７】
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)
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)
化合物の記載に下記の略号を使用する。
0004355993.tif 000016
【００３８】
【化２１】
0004355993.tif 000017
例えば、以下に示すように略号を用いる。
【化２２】
0004355993.tif 000018
【００３９】
（実施例1〜4）
ネマチック組成物No.1〜No.4を調整し、この組成物の諸特性を測定した結果を表1に、ネマチック組成物No.5〜No.8を調整し、この組成物の諸特性を測定した結果を表2に示す。
【００４０】
【表１】
0004355993.tif 000019
【００４１】
【表２】
0004355993.tif 000020
【００４２】
（比較例1〜5）
特開2001-354963号記載のネマチック組成物No.9〜No.13を調整し、この組成物の諸特性を測定した結果を表3に示す。
【００４３】
【表３】
0004355993.tif 000021
【００４４】
実施例1〜4の液晶組成物No.1〜No.4と比較例1〜5の液晶組成物No.9〜No.13を比較すると、Δnが約0.06で同程度であるが、Δεは実施例が4.5〜4.8であるのに対し、比較例は3.8〜4.2である。この結果は本発明の液晶組成物が低電圧駆動に有効であることを示している。実施例5〜8の液晶組成物No.5〜No.8はΔεが5.5〜7.35で、実施例1〜4よりもさらに大きなΔεを有しており、より低電圧駆動に有効である。
【００４５】
上記の実施例1〜8及び比較例1〜5の液晶組成物のΔnとΔεを図1にプロットした。比較例に比べて実施例1〜4が同程度のΔnで大きなΔεを示すことが明らかである。
【００４６】
また実施例1〜8の液晶組成物のネマチック相下限温度(T-n)はいずれも-20℃以下であり、低温時の動作も良好であった。さらに実施例1〜8の液晶組成物の保持率(HR)は、測定温度80℃で99%以上の高い保持率を示し、80℃での恒温槽に500時間放置後の保持率も95%を達成しており、アクティブマトリクス型液晶表示素子用として有用なものであった。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の液晶組成物は、極めて小さい屈折率異方性Δnと、大きな誘電率異方性Δεを有し、AM-LCD方式で駆動される液晶表示素子用組成物として有用であり、高い電圧保持率を有するAM-LCD駆動液晶表示素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ΔnとΔεの関係
【図１】
0004355993.tif 000029