(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般式(1-1)及び一般式(1-2)
【化１】
0004348594.tif 000018
(各式中、R1及びR2は、それぞれ独立的に炭素原子数1〜10のアルキル基、炭素原子数2〜10のアルケニル基又は炭素原子数1〜10のアルコキシル基を表し、Aは(a)〜(d)から選ばれる基を表し、
【化２】
0004348594.tif 000019
Bは、トランス-1,4-シクロヘキシレン基、1,4-フェニレン基又は1個若しくは2個のフッ素原子を有する1,4-フェニレン基であり、Dは(e)〜(h)から選ばれる基を表し、
【化３】
0004348594.tif 000020
Z1及びZ2はそれぞれ独立的に単結合又は-CH2CH2-を表し、
X1〜X14はそれぞれ独立的にF、Cl又はHを表す。
Y1〜Y5はそれぞれ独立的に、F、Cl、CF3、OCF3、OCHF2又はOCH2Fを表わす。)からなる群から少なくとも1種選ばれた化合物を20〜60質量%含有し、
一般式(2)
【化４】
0004348594.tif 000021
(式中、R3及びR4は、それぞれ独立的に炭素原子数1〜10のアルキル基、炭素原子数2〜10のアルケニル基又は炭素原子数1〜10のアルコキシル基を表し、E及びGはそれぞれ独立的に、トランス-1,4-シクロヘキシレン基又は1,4-フェニレン基を表し、Z3は単結合、-CH2CH2-又は-C≡C-を表す。)で表される化合物10〜40質量%を含有し、
一般式(3a)〜(3d)
【化５】
0004348594.tif 000022
(式中、R5は炭素原子数1〜10のアルキル基、炭素原子数2〜10のアルケニル基又は炭素原子数1〜10のアルコキシル基を表す。)で表される化合物群において、一般式(3a)及び(3b)からなる群から選ばれる1種以上の化合物、及び一般式(3c)及び(3d)からなる群から選ばれる1種以上の化合物を含有し、一般式(3a)〜(3d)の含有量が20〜50質量%であり、ネマチック相−等方性液体相転移温度が75℃〜120℃であり、誘電率異方性が3〜8であり、屈折率異方性が0.075〜0.160であることを特徴とする液晶組成物。
【請求項２】
一般式(1-1)で表される化合物が、一般式(1-1a)〜(I-1g)
【化６】
0004348594.tif 000023
（各式中、R1は、炭素原子数1〜10のアルキル基、炭素原子数2〜10のアルケニル基又は炭素原子数1〜10のアルコキシル基を表す。）で表される化合物であり、一般式(1-2)で表される化合物が一般式(1-2a)〜(1-2g)
【化７】
0004348594.tif 000024
（各式中、R2は、炭素原子数1〜10のアルキル基、炭素原子数2〜10のアルケニル基又は炭素原子数1〜10のアルコキシル基を表す。）で表される化合物である請求項１記載の液晶組成物。
【請求項３】
一般式(2)で表される化合物が、一般式(2a)〜(2d)
【化８】
0004348594.tif 000025
（各式中、R3及びR4は、一般式(2)におけると同じ意味を有する。）で表される化合物である請求項１又は２記載の液晶組成物。
【請求項４】
一般式(1-1)で表される化合物を25〜60質量%含有する請求項1記載の液晶組成物。
【請求項５】
前記液晶組成物の誘電率異方性(Δε)と、90°捻れツイストセルで測定したしきい値電圧(Vth)が、式  Vth ≦−0.225 Δε＋3.12 を満たす請求項１〜４の何れかに記載の液晶組成物。
【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素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年液晶表示素子は様々な用途に用いられている。特に表示品位のより高いアクティブマトリックス方式の表示素子に対する需要が高まっている。用途の拡大に伴い、より広い温度範囲で動作可能であり、レスポンスが速く、消費電力を小さくするためにより低い電圧での駆動が要求されている。通常、液晶表示素子の低電圧化には、素子中の液晶組成物のΔεを大きくする必要がある。一方、TFT駆動液晶表示素子に代表されるアクティブマトリックス方式の表示素子では、表示品位を保つためには、高い電圧保持率が要求されている。
【０００３】
WO98／17664には、できるだけ高い電圧保持率を保ちながら、低電圧駆動に対応するため、大きい誘電率異方性(Δε)を有する液晶化合物及び液晶組成物が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、液晶組成物のΔεを大きくすると、電圧保持率が低下し、アクティブ駆動液晶表示素子においてコントラストの低下を招く。このため電圧保持率を高く維持し、低電圧駆動を行うことのできる液晶組成物が求められていた。
【０００５】
更にΔεを小さい液晶組成物を使用すると、液晶表示素子中での液晶層のキャパシタンスが小さくなるため、駆動に対する負荷が軽減される。
【０００６】
このため、従来の液晶組成物で得られる「しきい値電圧」と、液晶組成物の「Δε」との関係より、より小さいΔεで同等のしきい値電圧が達成される液晶組成物が求められている。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、所望の駆動電圧を達成するのに必要な誘電率異方性が、通常の液晶組成物より小さい液晶組成物を提供することにある。
【０００８】
【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、特定の化合物を含有する液晶組成物及びこれを用いた液晶表示素子によって上記課題が解決される事を見いだした。
【０００９】
すなわち、本発明は、一般式(1-1)及び(1-2)
【化６】
0004348594.tif 000002
(各式中、R1及びR2は、それぞれ独立的に炭素原子数1〜10のアルキル基、炭素原子数2〜10のアルケニル基又は炭素原子数1〜10のアルコキシル基を表し、Aは(a)〜(d)から選ばれる基を表し、
【００１０】
【化７】
0004348594.tif 000003
Bは、トランス-1,4-シクロヘキシレン基、1,4-フェニレン基又は1個若しくは2個のフッ素原子を有する1,4-フェニレン基であり、Dは(e)〜(h)から選ばれる基を表し、
【００１１】
【化８】
0004348594.tif 000004
Z1及びZ2はそれぞれ独立的に単結合又は-CH2CH2-を表し、
X1〜X14はそれぞれ独立的にF、Cl又はHを表す。
Y1〜Y5はそれぞれ独立的に、F、Cl、CF3、OCF3、OCHF2又はOCH2Fを表わす。)からなる群から少なくとも1種選ばれた化合物を20〜60質量%含有し、
【００１２】
一般式(2)
【化９】
0004348594.tif 000005
(式中、R3及びR4は、それぞれ独立的に炭素原子数1〜10のアルキル基、炭素原子数2〜10のアルケニル基又は炭素原子数1〜10のアルコキシル基を表し、E及びGはそれぞれ独立的に、トランス-1,4-シクロヘキシレン基又は1,4-フェニレン基を表し、Z3は単結合、-CH2CH2-又は-C≡C-を表す。)で表される化合物10〜40質量%を含有し、
【００１３】
一般式(3)
【化１０】
0004348594.tif 000006
(式中、R5は炭素原子数1〜10のアルキル基、炭素原子数2〜10のアルケニル基又は炭素原子数1〜10のアルコキシル基を表し、J、K及びLはそれぞれ独立的に、トランス-1,4-シクロヘキシレン基、1,4-フェニレン基又は1個若しくは2個のフッ素原子を有する1,4-フェニレン基であり、Z4 、Z5 及びZ6は単結合又は-CH2CH2-を表し、X15及びX16はそれぞれ独立的にF、Cl又はHを表し、Y6はF、Cl、CF3、OCF3、OCHF2又はOCH2Fを表わす。)で表される化合物20〜50質量%を含有し、ネマチック相−等方性液体相転移温度が75℃〜120℃であり、誘電率異方性が3〜8であり、屈折率異方性が0.075〜0.160である液晶組成物を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（誘電率異方性が正の化合物）
既存のΔεが正である(以下Δεが正であることをP型と言う。)フルオロ2環系液晶化合物はネマチック相−等方性液体相転移温度(Tni)が-100℃〜-20℃と低く、液晶組成物の液晶温度範囲を実用レベルにすることが困難なことから、従来はP型フルオロ3環系化合物主体の組成物となっていた。液晶表示素子の駆動電圧を低くするためには、液晶組成物のしきい値電圧を低くする必要がある。
【００１５】
しかし、Δεが同じ大きさのP型フルオロ2環系からP型フルオロ3環系へ置換すると、P型フルオロ3環系化合物主体系組成物のしきい値電圧は、Δεの割に小さくならない傾向がみられた。
【００１６】
一方、縮合環を有する一般式(1-1)及び一般式(1-2)からなる群から選ばれる化合物(以下、化合物(1)と言う。)はTniが-70℃〜40℃であり、既存のP型フルオロ2環系化合物よりもTniが高い。
【００１７】
化合物(1)と、特定のP型4環系化合物と、減粘効果の高く極性の小さい2環系化合物とを用いて、液晶組成物のTniを75〜120℃にし、屈折率異方性(Δn)を0.075〜0.160にし、Δεを3〜8にした液晶組成物は、従来の液晶組成物で得られる「しきい値電圧」と、液晶組成物の「Δε」との関係より、より小さいΔεで同等のしきい値電圧が達成されることを見いだした。
【００１８】
さらに、従来では液晶温度範囲を拡大するために用いた3環系の極性の小さい化合物の代わりに、減粘効果の大きい2環系の極性の小さい化合物を用いるため、低粘性の液晶組成物を得ることも可能になった。
【００１９】
以下に本発明を更に詳細に説明する。
(化合物(1))
化合物(1)は1〜10種含有されることが好ましく、1〜5種がさらに好ましい。化合物(1)の含有率は25〜50質量%の範囲が好ましく、30〜45質量%がより好ましい。また、一般式(1-1)で表される化合物を25〜60質量%含有することが好ましい。
【００２０】
含有率が20質量%より小さいと、しきい値電圧を低下させることが難しく、含有量が60%より大きいと、ネマチック相−等方性液体相転移温度が低く、粘度が上昇しやすくなる。
【００２１】
一般式(1-1)及び(1-2)における各基の好ましい態様として、次の基を挙げることができる。
R1及びR2は、それぞれ独立に炭素数1〜7のアルキル基が好ましく、炭素数2〜5のアルキル基が特に好ましい。
Aは、低いしきい値電圧を必要とする場合は、(a)及び(b)が好ましく、特にX3〜X5の少なくとも1つがFである(a)若しくは、X6及びX7の少なくとも1つがFである(b)が好ましい、特にX3がFである若しくはX3〜X5の少なくとも2つ以上がFである(a)及びX6及びX7の両方がFである(b)が最も好ましい。
【００２２】
小さいΔnを必要とする場合は、(b)、(c)及び(d)が好ましく、特に(d)が好ましい。
Z1及びZ2は、単結合であることが好ましい。
X1及びX2は少なくとも1つがFであることが好ましく、両方がFであることが更に好ましい。
Y1は、F又はOCF3であることが好ましく、Fが最も好ましい。
【００２３】
Bは、少なくとも1個のFで置換された1,4-フェニレン基及びトランス-1,4-シクロヘキシレン基が好ましく、小さいΔnを必要とする場合は、トランス-1,4-シクロヘキシレン基が好ましい。
Dは、低いしきい値電圧を必要とする場合は、(e)及び(f)が好ましく、特にX9〜X11の少なくとも1つがFである(e)若しくは、X12及びX13の少なくとも1つがFである(f)が好ましい、特にX9がFである若しくはX9〜X11の少なくとも2つ以上がFである(e)及び、X12及びX13の両方がFである(f)が最も好ましい。
【００２４】
化合物(1)のより好ましい形態は、一般式(1-1a)〜(I-1h)で表される化合物及び一般式(1-2a)〜(1-2g)で表される化合物である。
【００２５】
【化１１】
0004348594.tif 000007
（各式中、R1は、一般式(1-2)におけるR1と同じ意味を有する。）
【００２６】
【化１２】
0004348594.tif 000008
（各式中、R2は、一般式(1-2)におけるR2と同じ意味を有する。）
【００２７】
(化合物(2))
一般式(2)で表される化合物(以下、化合物(2)と言う。)の含有率は10〜30質量%が好ましく、15〜25質量%がより好ましい。10質量%より少ないとしきい値電圧低下の効果及び減粘効果が得られにくく、40質量%より多いと液晶組成物のネマチック相−等方性液体相転移温度が低下する。
一般式(2)における各基の好ましい態様として、次の基を挙げることができる。
R3及びR4は、それぞれ独立に炭素数1〜7のアルキル基又は炭素数2〜7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2〜5のアルケニル基がより好ましい。R3とR4の両方が炭素数2〜5のアルケニル基が特に好ましい。
E及びGはそれぞれ独立に、トランス-1,4-シクロヘキシレン基が好ましい。
Z3は、Δnを大きくするためには、単結合又は-C≡C-が好ましく、Δnを小さくするためには、単結合又は-CH2CH2-が好ましい。
【００２８】
化合物(2)のより好ましい形態は、一般式(2a)〜(2d)で表される化合物である。
【化１３】
0004348594.tif 000009
（各式中、R3及びR4は、一般式(2)におけると同じ意味を有する。）
【００２９】
化合物(2)におけるR3及びR4がアルケニル基である場合は、式(a)〜(c)
【化１４】
0004348594.tif 000010
で表されるアルケニル基が特に好ましい。
【００３０】
(化合物(3))
一般式(3)で表される化合物(以下、化合物(3)と言う。)の含有率は20〜40質量%がより好ましく、20〜30質量%がより好ましい。
R5は炭素原子数1〜5のアルキル及び炭素原子数2〜5のアルケニル基が好ましい。
J、K及びLは、Δnを小さくするためには、トランス-1,4-シクロヘキシレン基が好ましく、Δnを大きくするためには、1,4-フェニレン基が好ましい。
X15とX16の少なく一方がFであることが好ましく、両方がFであることがより好ましい。Y6はFであることが好ましい。
【００３１】
化合物(3)のより好ましい形態は、一般式(3a)〜(3d)で表される化合物である。
【化１５】
0004348594.tif 000011
（式中、R5は一般式(3)におけるR5と同じ意味を有する。）
化合物(3)を10質量%以上使用するときは、(3a)及び(3b)からなる群から1種と、(3c)及び(3d)からなる群から1種を同時に使用することが好ましい。
【００３２】
(その他の成分)
本発明の液晶組成物は、上記化合物(1)、化合物(2)及び化合物(3)以外に、他のネマチック液晶、スメクチック液晶、コレステリック液晶及び光学活性物質(キラル剤)などを含有していてもよい。
【００３３】
本発明の液晶組成物は、Δεを或る特定の値に設定した場合、従来の組成物に比べて90°捻れツイストセルで測定したしきい値電圧(Vth)を10%〜30%低くすることができる。また、逆に或るVthを達成するのに必要なΔεの値を5%〜20%減少させることができる。
【００３４】
一般的に液晶表示素子を低電圧駆動にするためには、液晶組成物のΔεを大きくする必要がある。しかしΔεを大きくすると、液晶を注入したセルの電気容量が増加し、駆動するにあたっての回路に負荷がかかり、駆動波形に対する応答が悪くなる。また、液晶材料のΔεが大きいと電圧保持率が悪化するため、Δεを小さくして駆動できることは、非常に有用である。
【００３５】
本発明の液晶組成物を使用し、6μmセル厚の90°捻れツイストセルで測定したしきい値電圧(Vth)と液晶組成物のΔεの関係が、式  Vth≦−0.225 Δε＋3.12を満たす液晶表示素子を作製することができる。
【００３６】
【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。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。
【００３７】
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(℃)
Vth     ：25℃でセル厚6.0μmのTN-液晶表示素子を構成したとき、初期状態から透過率が10%変化するのに必要な電圧(V)
Δn     ：屈折率異方性（25℃）
η      ：25℃での回転粘度（mPa・s）
90°捻れTN液晶表示素子の作製は以下のようにして行った。
【００３８】
対向する平面透明電極上に配向膜「AL-1051」(JSR社製)を塗布し、この配向膜をラビングして配向状態を形成したツイスト角90°のTN-LCDセルを作製し、このセルにカイラル化合物を添加した液晶組成物を注入してTN液晶表示素子を作製した。
【００３９】
化合物記載に下記の略号を使用する。
-n 数字 ：-CnH2n+1 (アルキル側鎖は数字。)
-On     ：-OCnH2n+1
-ndm    ：-(CnH2n+1-CH=CH-(CH2)m-1)
ndm-    ：CnH2n+1-CH=CH-(CH2)m-1-
-Od(m)n ：-O(CnH2n+1-CH=CH-(CH2)m-2)
d(m)nO- ：CnH2n+1-CH=CH-(CH2)m-2O-
連結基
-VO- ：-COO-                -T-  ：-C≡C-
-2-  ：-CH2CH2-
置換基
-CN   ：-C≡N           -F  ：-F           -OCF3    ：-OCF3
【００４０】
環
【化１６】
0004348594.tif 000012
【００４１】
(実施例1、2と比較例1、2)
本願発明の液晶組成物No.1(実施例1)、液晶組成物No.2(実施例2)と、本願発明外の液晶組成物M1(比較例1)及び液晶組成物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90°捻れのTN-LCDを作製した。それぞれの液晶組成物には、必要な捻れ(ピッチ100μm)を付与するためにカイラル化合物(コレステリックノナネート)を添加した。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TN-LCDの特性測定値を示す。下記の実施例1及び2に記載の液晶組成物は4V駆動TFT液晶表示素子用として使用することができる。
【００４２】
【表１】
0004348594.tif 000013
【００４３】
表中、(化1)は化合物(1)、(化2)は化合物(2)、(化3)は化合物(3)を示す。
【００４４】
実施例1のNo.1は、比較例1のM1よりもTniが2℃高くT→n が同等で、液晶温度範囲を若干拡大しており、Δnを0.093から0.080へと小さくし、Vthを1.73Vから1.50Vと約12%小さくしたにもかかわらず、Δεは6.7から5.7へと約15%小さくできた。
【００４５】
実施例2のNo.2は、比較例2のM2と比べて、Tni、T→n、Δn、Vth、ηとほぼ同等の物性値であるにもかかわらず、Δεは7.4から6.1へと約18%小さくできた。
【００４６】
(実施例3〜7と比較例3〜5)
本願発明の液晶組成物No.3(実施例3)、No.4(実施例4)、No.5(実施例5)、No.6(実施例6)と液晶組成物No.7(実施例7)と、本願発明外の液晶組成物M3(比較例3)、液晶組成物M4(比較例4)及び液晶組成物M5(比較例5)を調製した。それぞれの液晶組成物には、必要な捻れ(ピッチ100μm)を付与するためにカイラル化合物(コレステリックノナネート)を添加した。また、これらの液晶組成物を使用した90°捻れのTN-LCDを作製した。表2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TN-LCDの特性測定値を示す。下記の実施例3〜7に記載の5組成物は5V駆動TFT液晶表示素子用として使用することができる。
【００４７】
【表２】
0004348594.tif 000014
【００４８】
実施例3の液晶組成物No.3は、比較例4の液晶組成物M4よりもVthが2.17Vから1.95Vへと約10%小さくしたにもかかわらず、Δεは4.7から4.6と若干小さくでき、Δεを大きくすることなくしきい値電圧を小さくできた。
【００４９】
実施例4の液晶組成物No.4は、比較例3の液晶組成物M3よりもVthを1.81Vから1.62Vへ約10%と小さくしたにもかかわらず、Δεは6.4から4.8へと約25%と大幅に小さくできた。
【００５０】
実施例5の液晶組成物No.5は、比較例4の液晶組成物M4よりもVthを2.17Vから1.85Vへと約15%小さくしたにもかかわらず、Δεは4.7から4.6へと若干小さくできた。
【００５１】
実施例6の液晶組成物No.6は、比較例4の液晶組成物M4よりもVthを2.17Vから1.95Vへと約10%小さくしたにもかかわらず、Δεは4.7と同等であった。
【００５２】
実施例7の液晶組成物No.7は、比較例5の液晶組成物M5よりも、Vthを1.98Vから1.95Vへと若干小さくしたにもかかわらず、Δεは5.3から4.1へと約23%と大幅に小さくすることができた。
【００５３】
上記の実施例1〜7及び比較例1〜5のVthと液晶組成物のΔεを図1にプロットした。比較例に比べて実施例が同じΔεで比較すると低いVthを示すことが明らかである。実施例のプロットから、本発明の組成物は、式  Vth ≦−0.225 Δε＋3.12 を満たす液晶表示素子を作製することができることがわかる。
【００５４】
(実施例8、10〜13及び比較例6〜11)
本願発明の液晶組成物No.8(実施例8)、No.10(実施例10)、No.11(実施例11)、液晶組成物No.12(実施例12)、液晶組成物No.14(実施例14)及び本願発明外の液晶組成物M6(比較例6)、液晶組成物M7(比較例7)、液晶組成物M8(比較例8)、液晶組成物M9(比較例9)、液晶組成物M10(比較例10)及び液晶組成物M11(比較例11)を調製した。それぞれの液晶組成物には、必要な捻れ(ピッチ100μm)を付与するために実施例1及び2と同様にカイラル化合物(コレステリックノナネート)を添加した。また、これらの液晶組成物を使用した90°捻れのTN-LCDを作製した。表3及び表4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TN-LCDの特性測定値を示す。
【００５５】
【表３】
0004348594.tif 000015
表中、(化1)は化合物(1)、(化2)は化合物(2)、(化3)は化合物(3)を示す。
【００５６】
【表４】
0004348594.tif 000016
表中、(化1)は化合物(1)、(化2)は化合物(2)、(化3)は化合物(3)を示す。
【００５７】
【表５】
0004348594.tif 000017
表中、(化1)は化合物(1)、(化2)は化合物(2)、(化3)は化合物(3)を示す。
【００５８】
上記の実施例8〜14及び比較例6〜11のVthと液晶組成物のΔεを、実施例1〜7及び比較例1〜5を併せて図2にプロットした。比較例に比べて実施例が同じΔεで比較すると低いVthを示すことが明らかである。実施例のプロットから、本発明の組成物は、式  Vth ≦−0.225 Δε＋3.12 を満たす液晶表示素子を作製することができることがわかる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の液晶組成物は、所望の駆動電圧を達成するのに必要な誘電率異方性を通常より小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例1〜7及び比較例1〜5のVthと液晶組成物のΔεをプロットしたグラフ
【図２】実施例1〜14及び比較例1〜11のVthと液晶組成物のΔεをプロットしたグラフ
【図１】
0004348594.tif 000026
【図２】
0004348594.tif 000027