(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の基板に液晶を狭持した構造を有し、少なくとも配向制御層、透明電極及び偏光板を備えた液晶表示素子において、前記の液晶としてハロゲンによって置換されていても良い1,4-ビシクロ[2.2.2]オクチレン基を有する式(IV)
【化１】
0005002867.tif 000023
(式中Rは、炭素数1〜15のアルキル基または炭素数2〜15のアルケニル基で有りこの基を非置換であるか、あるいは置換基として少なくとも1個のハロゲンを有しており、そしてこれらの基中に存在する1個または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い。環A、B、Cはそれぞれ独立して、基中に存在する1個のCH2基または隣接していない2個以上のCH2基は-O-及びまたは-S-に置き換えられてもよいトランス-1,4-シクロへキシレン基、基中に存在する1個のCH基または隣接していない2個以上のCH基は-N=に置き換えられてもよい1,4-フェニレン基、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-ジイルもしくは1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン-2,6-ジイルを表し、これらはシアノ基またはハロゲンで置換されていても良い。Z1及びZ2はそれぞれ独立して-COO-、-OCO-、-CH2O-、-OCH2-、-CH2CH2-、-CH=CH-、-C≡C-、-CH2CH2CH2CH2-、-CH=CH-CH2CH2-、-CH2CH2-CH=CH-もしくは単結合を表し、X1、X2は環Cが1,4-フェニレン基、ナフタレン-2,6-ジイル、1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン-2,6-ジイルから選ばれる基の場合は、それぞれ独立して水素原子、塩素原子もしくはフッ素原子であり、その他の基の場合は水素原子を表す。l,m,nはそれぞれ独立して0、1もしくは2を表し、なおかつl+m+n≧1であり、Yはフッ素原子、塩素原子、トリフルオロメチル基、トリフルオロメトキシ基、ジフルオロメトキシ基もしくはフルオロメトキシ基を表す。ただし、上記の説明において環Cがナフタレン-2,6-ジイル、1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン-2,6-ジイルの場合において、
【化１】
0005002867.tif 000024
は、
【化１】
0005002867.tif 000025
を表す。）で表される化合物を含有する液晶組成物を用いたことを特徴とする電気光学素子。
【請求項２】
液晶として、1,4-ビシクロ[2.2.2]オクチレン基を有する化合物を含有する液晶組成物を用いたことを特徴とする請求項1記載の電気光学素子。
【請求項３】
一般式(X)
【化１】
0005002867.tif 000026
(式中、R1及びR2はそれぞれ独立的に、炭素数1〜15のアルキル基もしくはアルコキシル基または炭素数2〜15のアルケニル基を表し、環Dは1,4-フェニレン基もしくはトランス-1,4-シクロヘキシレン基を表し、oは0もしくは1を表す。)の化合物を含有する液晶組成物を用いたことを特徴とする請求項1又は2記載の電気光学素子。
【請求項４】
一般式(XI)
【化１】
0005002867.tif 000027
(式中、R3は炭素数1〜15のアルキル基もしくはアルコキシル基または炭素数2〜15のアルケニル基を表し、Lは-CH2CH2-もしくは単結合を表し、環E、環Fはそれぞれ独立して1,4-フェニレン基もしくはトランス-1,4-シクロヘキシレン基を表し、X7及びX8はそれぞれ独立してHもしくはFを表し、Y3はF、-CF3、-OCF3、-CNもしくは-OCHF2を表す。)の化合物を含有する液晶組成物を用いたことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の電気光学素子。
【請求項５】
電気光学素子がスーパーツイステッド用液晶表示素子(STN-LCD)又はアクティブ駆動用液晶表示素子(AM-LCD)である請求項1〜4の何れかに記載の液晶表示素子。
【請求項６】
液晶組成物が、60℃以上のネマチックーアイソトロピック転移点(Tni)、3以上の誘電率異方性、0.07から0.20の複屈折を有する請求項1〜5の何れかに記載の電気光学素子又は液晶表示素子。
【請求項７】
液晶組成物が2成分以上の1,4-ビシクロ[2.2.2]オクチレン基を有する化合物を含む請求項1〜6の何れかに記載の電気光学素子又は液晶表示素子。
【請求項８】
電気光学素子が反射型液晶表示素子である請求項1〜4の何れかに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、1,4-ビシクロ[2.2.2]オクチレン基を有する化合物を含有する液晶組成物を用いた電気光学素子に関し、特にSTN-LCDおよびAM-LCDに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示素子は、電卓のディスプレイとして登場して以来、コンピューターの開発と歩みを同じくして、TN(Twisted Nematic)モードでは達成できなかった大表示容量化をSTN(Supertwisted Nematic)モードにより果たし、コンピューターと人とのインターフェースとして広く普及してきた。また、各画素に薄膜トランジスタをつけたアクティブマトリクス液晶表示素子(AM-LCD)は、CRTにも代替できる高画質を備え、フラット化・省エネルギー化の後押しを受けて、もっとも将来性のあるディスプレイとして期待されている。
AM-LCDではコントラストを上げるために、各画素に薄膜トランジスタ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。
【０００３】
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、特にこれらの用途に使用されるSTN-LCD及びAM-LCDには、戸外での使用にも耐える特性が求められている。このため、高温でのコントラストに優れ、低温での結晶析出やスメクチック相の発現が見られず、UV光・太陽光暴露下に放置されても、コントラストの低下や表示不良がみられない特性が強く求められていたが、従来の液晶組成物及びこれらを使用した液晶表示素子は必ずしもこれらを満足するものではなかった。特にAM-LCDでは、高温で周囲の汚染の影響を受けやすくなるため、高抵抗を維持することが難しくなる。このため上記の要請と同時に、高温での高い電圧保持率を持つ安定な液晶組成物が求められていた。
すなわち、高いネマチックーアイソトロピック転移温度、低いクリスタル(若しくはスメクチック)転移温度、高速応答を可能とする低粘性、かつ高温での高い保持率を同時に満足する液晶組成物および液晶表示素子はなかった。
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いるのが現状である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記の液晶光学素子に求められる種々の特性を満足し、かつ、広いネマティック温度範囲、低い粘性を有し、高い保持率を高温度まで維持できる液晶組成物を使用したSTN-LCD及びAM-LCDを提供する、もしくは従来より上記の欠点を改善し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】
以下詳細に本発明を説明する。
本発明は、一対の基板に液晶を狭持した構造を有し、少なくとも配向制御層、透明電極及び偏光板を備えた液晶表示素子において、前記の液晶としてハロゲンによって置換されていても良い1,4-ビシクロ[2.2.2]オクチレン基を有する化合物を含有する液晶組成物を用いたことを特徴とする電気光学素子を提供する。
【０００６】
1,4-ビシクロ[2.2.2]オクチレン基、式(I)
【０００７】
【化３】
0005002867.tif 000002
を有する化合物は、従来液晶化合物の構造としてよく用いられていたトランス-1,4-シクロヘキシレン基(II)もしくは1,4-フェニレン基(III)
【０００８】
【化４】
0005002867.tif 000003
等の構造に比べ、ネマチックーアイソトロピック転移温度(Tni)が高く、融点もしくはスメクチックーネマチック転移温度(TN)が低くなる傾向があるため、液晶温度範囲が広がる等の優れた特性を有している。本発明は、STN-LCD及びAM-LCDに関し最適の液晶組成物の検討を鋭意行った結果、式(I)の構造を持つ化合物を含有する液晶組成物を用いた電気光学素子が、上記の課題を解決する手段若しくは上記の従来の電気光学素子が持つ問題点を軽減できることを見いだすに至った。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴は、1,4-ビシクロ[2.2.2]オクチレン基を有する化合物を含有する液晶組成物を用いた電気光学素子であって、特にSTN-LCD及びAM-LCDに関する。1,4-ビシクロ[2.2.2]オクチレン基を有する化合物は、その他の構造部を選択する事により広い用途分野に適合した化合物とすることできるが、これを含有する組成物は広いネマチック温度範囲、光・熱に対する安定性、高い保持率などの電気光学素子、特にSTN-LCD及びAM-LCDに好ましい特徴を持つため非常に有用である。
【００１０】
本発明において、1,4-ビシクロ[2.2.2]オクチレン基を有する化合物の含有率は5%以上が好ましく、10%以上がより好ましく、その成分数は、1以上が好ましく、2以上がより好ましい。この化合物の分子量は150〜600の範囲が好ましく、500以下がより好ましく、この化合物の式(I)以外の環数は0〜3が好ましく、0〜2がより好ましく、1〜2が特に好ましい。また、1,4-ビシクロ[2.2.2]オクチレン基を有する化合物が更に式(V)、(VI)
【００１１】
【化５】
0005002867.tif 000004
(式中U7、U8、U9、U10はそれぞれ独立的に水素原子、フッ素原子もしくは塩素原子を表す。)の構造を有することが好ましく、化合物の末端に芳香環を含むことが好ましく、この芳香環がフッ素原子によって置換されていることがより好ましく、シアノ基によって置換されていることもより好ましい、
本発明の液晶組成物の全成分数は特に制限はないが、8種以上が好ましく、10種以上がより好ましく、15種以上が特に好ましく、Tniは60℃以上であるが、65℃以上が好ましく、70℃以上がより好ましい、誘電率異方性は3以上であるが、3.5以上が好ましい、複屈折は0.07〜0.20の範囲であるが、0.07〜0.18が好ましい。
【００１２】
1,4-ビシクロ[2.2.2]オクチレン基を有する化合物の好ましい化合物は、式(IV)として表すことができる。
【００１３】
【化６】
0005002867.tif 000005
(式中Rは、炭素数1〜15のアルキル基または炭素数2〜15のアルケニル基で有りこの基を非置換であるか、あるいは置換基として少なくとも1個のハロゲンを有しており、そしてこれらの基中に存在する1個または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い。環A、B、Cはそれぞれ独立して、基中に存在する1個のCH2基または隣接していない2個以上のCH2基は-O-及びまたは-S-に置き換えられてもよいトランス-1,4-シクロへキシレン基、基中に存在する1個のCH基または隣接していない2個以上のCH基は-N=に置き換えられてもよい1,4-フェニレン基、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-ジイルもしくは1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン-2,6-ジイルを表し、これらはシアノ基またはハロゲンで置換されていても良い。Z1及びZ2はそれぞれ独立して-COO-、-OCO-、-CH2O-、-OCH2-、-CH2CH2-、-CH=CH-、-C≡C-、-CH2CH2CH2CH2-、-CH=CH-CH2CH2-、-CH2CH2-CH=CH-もしくは単結合を表し、X1、X2は環Cが1,4-フェニレン基、ナフタレン-2,6-ジイル、1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン-2,6-ジイルから選ばれる基の場合は、それぞれ独立して水素原子、塩素原子もしくはフッ素原子であり、その他の基の場合は水素原子を表す。l,m,nはそれぞれ独立して0、1もしくは2を表し、なおかつl+m+n≧1であり、YはRと同じ意味かフッ素原子、塩素原子、トリフルオロメチル基、トリフルオロメトキシ基、ジフルオロメトキシ基もしくはフルオロメトキシ基を表す。)ただし、上記の説明において環Cがナフタレン-2,6-ジイル、1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン-2,6-ジイルの場合において、
【００１４】
【化７】
0005002867.tif 000006
は、
【化８】
0005002867.tif 000007
を表す。さらに詳述すると、1,4-ビシクロ[2.2.2]オクチレン基を有する好ましい化合物は、式(IV)において以下の化合物である。
【００１５】
【化９】
0005002867.tif 000008
【００１６】
【化１０】
0005002867.tif 000009
【００１７】
【化１１】
0005002867.tif 000010
(式中R'及びRはそれぞれ独立的に式(IV)と同じ意味を表す。)RもしくはR'がアルケニル基の場合次の(a)〜(e)の構造が特に好ましい。
【００１８】
【化１２】
0005002867.tif 000011
(構造式は右端で環に連結しているものとする。)
本発明の別の実施形態として一般式(X)
【００１９】
【化１３】
0005002867.tif 000012
(式中、R1及びR2はそれぞれ独立的に、炭素数1〜15のアルキル基もしくはアルコキシル基または炭素数2〜15のアルケニル基を表し、環Dは1,4-フェニレン基もしくはトランス-1,4-シクロヘキシレン基を表し、oは0もしくは1を表す。)の化合物を含有する液晶組成物を用いたことを特徴とするが、一般式(X)として一般式(Xa)もしくは／及び一般式(Xb)
【００２０】
【化１４】
0005002867.tif 000013
(式中、R1a、R2a、R1b及びR2bはそれぞれ独立的に炭素原子数1〜8のアルキル基もしくは炭素原子数2〜8のアルケニル基を表す。)を含有することがより好ましく、アルケニル基の場合(a)〜(e)の構造が特に好ましい。一般式(X)を1種もしくは2種以上含有するが、2種以上含有することが好ましく、含有量は2%〜70%含有することが好ましく、10%〜60%含有することがより好ましい。
【００２１】
本発明の別の実施形態として一般式(XI)
【化１５】
0005002867.tif 000014
(式中、R3は炭素数1〜15のアルキル基もしくはアルコキシル基または炭素数2〜15のアルケニル基を表し、Lは-CH2CH2-もしくは単結合を表し、環E、環Fはそれぞれ独立して1,4-フェニレン基もしくはトランス-1,4-シクロヘキシレン基を表し、X7及びX8はそれぞれ独立してHもしくはFを表し、Y3はF、-CF3、-OCF3、-CNもしくは-OCHF2を表す。)の化合物を含有することが好ましいが、一般式(XI)として一般式(XIa)〜一般式(XIg)
【００２２】
【化１６】
0005002867.tif 000015
(式中、R3、X7、X8及びY3は一般式(XI)と同じ意味を表す。)から選択される1種又は2種以上の化合物を含有することがより好ましい。R3は炭素原子数1〜8のアルキル基もしくは炭素原子数2〜8のアルケニル基を表すことがより好ましく、アルケニル基においては(a)〜(e)の構造が特に好ましい。
【００２３】
本発明の液晶表示素子はスーパーツイステッド用液晶表示素子(STN-LCD)又はアクティブ駆動用液晶表示素子(AM-LCD)として有用であり、反射型液晶表示素子として使用することも好ましい。
実施例に述べる通り、これらの化合物群を添加した液晶組成物のネマチック相−等方性液体相転移温度は、式(I)の構造を有さない類似の化合物を用いた場合より高く、固体相−ネマチック相転移温度が低く低温での安定性も優れている。液晶表示素子は温度変化の大きい屋外での使用も多くこのような場合に本発明の液晶表示素子は極めて有用となる。
【００２４】
【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。
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          ：セル厚6μmのTN-LCDを構成した時のしきい値電圧(V)
Δε            ：誘電異方性
Δn            ：複屈折
η            ：20℃での粘度(mPa s)
【００２５】
(実施例1及び比較例1)
AM-LCD用ネマチック液晶組成物No.1(実施例1)
【化１７】
0005002867.tif 000016
AM-LCD用ネマチック液晶組成物No.2(比較例1)
【００２６】
【化１８】
0005002867.tif 000017
を調製し、AM-LCD液晶表示素子を作成し諸特性を測定した結果を表1に示す。
【００２７】
【表１】
0005002867.tif 000018
表1に示すように、No.1のAM用液晶表示素子は、比較例1の表示素子に比べネマチック相−等方性液体相転移温度が極めて高く、広い温度範囲において液晶表示素子として動作することがわかる。この表示素子の温度−コントラスト特性図を図2に示す。このグラフより、実施例1の表示素子は比較例1に比べ室温において3程度のコントラストの差が、75℃において10以上にも拡大することを示している。また、実施例1の表示素子は焼き付き、表示ムラの観測も見られず、高い電圧保持率を示し、AM液晶表示素子として優れた特性を示した。
【００２８】
(実施例2及び比較例2)
以下の組成物(B)に
【化１９】
0005002867.tif 000019
式(I)の構造を有する化合物として組成物(A)
【００２９】
【化２０】
0005002867.tif 000020
を(B)に10%添加して組成物No.3を作成した。また、比較例として組成物(a)
【００３０】
【化２１】
0005002867.tif 000021
を(B)に10%添加して組成物を作成し比較例2とした。この組成物(No.3)と、比較例2の物性値及び、表示素子を作成した場合の物性値を表4に示す。
【００３１】
【表２】
0005002867.tif 000022
表2に示すように、No.3の液晶組成物もまた、比較例2と比べ良好な液晶温度範囲を有することがわかる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明における、液晶材料の組み合わせの液晶相温度範囲が広く、低い結晶転移温度の液晶組成物によって、高温でのコントラストに優れ、低温での結晶析出の見られない液晶表示素子が得られた。この液晶ディスプレイはSTN-LCDおよびAM-LCDの何れの場合においても非常に実用的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電気光学素子の構造の一例
【図２】実施例1及び比較例1における温度−コントラスト特性図
【符号の説明】
1  偏光板
2  基板
3  透明電極もしくはアクティブ素子を伴う透明電極
4  配向膜
5  液晶
【図１】
0005002867.tif 000028
【図２】
0005002867.tif 000029