(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶配向制御層と透明電極を有する一対の基板と、該基板に狭持された液晶材料と、少なくとも一方の前記基板に設けた偏光板とから構成され、ツイスト角が80〜110°のツイストネマチック液晶表示素子において、
（１）前記液晶材料が第一成分として一般式(I)
【化１】
0004876348.tif 000012
(式中、R1は炭素原子数2〜7のアルキル基を表す。)で表わされる化合物を7〜15質量%含有し、第二成分として一般式(II)
【化２】
0004876348.tif 000013
(式中、R2は炭素数1〜10のアルキル基を表し、R3は炭素原子数2〜7のアルコキシル基を表す。)で表わされる化合物を20〜30質量%含有し、第三成分として一般式(III)
【化３】
0004876348.tif 000014
(式中、R4はCH2=CH- 又はCH2=CH-CH2-CH2- を表し、R5は炭素原子数1のアルキル基を表す。)で表わされる化合物を15〜30質量%含有し、第四成分として一般式(IV)
【化４】
0004876348.tif 000015
(式中、R6、R7は炭素原子数2〜7のアルキル基を表す。)で表される化合物を7〜18質量%含有することを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】
液晶表示素子の２５℃における急峻性γ
【数１】
0004876348.tif 000016
(但し、Vsatは輝度90%における印加電圧であり、Vthは輝度10%における印加電圧を表す)が1.44以下であり、かつ-30℃での応答速度τ-30℃が4000ｍｓ以下であることを特徴とする請求項１記載のツイストネマチック液晶表示素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気光学素子として有用なツイストネマチック(TN)液晶表示素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示素子(LCD)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-LCDから、STN-LCDへと表示容量の拡大に対応してきた。STN-LCDは、シェファー(Scheffer)等［SID '85 Digest, 120頁(1985年)］、あるいは衣川等［SID '86 Digest, 122頁(1986年)］によって開発され、ワードプロセッサ、パーソナルコンピュータなどの高情報処理用の表示に広く普及しはじめている。
【０００３】
LCDは、急速な用途拡大に伴い、コンピューターの携帯端末ディスプレイなどのように室内で使用されるだけでなく、携帯電話や車載用計器、屋外使用計測機などのように、温度条件の過酷な屋外で使用されることが増加してきた。そのため、LCDが置かれる環境の温度変化による表示コントラストの低下や、低温での応答速度の低下が原因である表示品位の低下が問題になってきている。車載用LCDに対しては、低温から高温までの広い温度範囲での良好な表示品位が要求されている。
【０００４】
周囲の温度変化によるLCDの表示品位の低下の原因には、次のような要因が上げられる。すなわち、液晶材料の弾性定数や誘電率などの温度変化、カイラル物質の添加によって誘起された固有ピッチの温度変化、複屈折異方性△ｎの温度変化である。STN-LCDでは、△ｎの温度変化によってパネルの背景色が大きく変化するため、周囲の温度変化が大きい用途には、TN-LCDが有用である。TN-LCDはSTN-LCD程の高密度表示はできないが、簡単な漢字表示などには適している。
【０００５】
TN-LCDやSTN-LCDは電圧平均化法を用いた時分割駆動により動作される。電圧平均化法による時分割駆動では、表示部の印加電圧VONと非表示部の印加電圧VOFFの最適値が時分割数により決まり、VOFF/VONの値は時分割数が高くなるほど小さくなる。1/4DUTY程度の時分割数では、簡単な漢字表示が可能であるが、複雑な表示を行うには1/8DUTY程度の時分割数での駆動が要求される。ノーマリーブラック方式では、表示OFFの電圧をVOFF、表示がONの電圧をVONとすると、各時分割駆動（最適BIAS駆動）でのVOFF/VON値は、次のように決まる。1/2DUTY、1/2BIASではVOFF/VON=2.236。1/3DUTY、1/3BIASではVOFF/VON=1.915。1/4DUTY、1/3BIASではVOFF/VON=1.732。1/8DUTY、1/4BIASではVOFF/VON=1.446。したがってそれぞれの時分割駆動において良好な表示品位で駆動させるためには、LCDの輝度90%での印加電圧（Vsat）と輝度10%での印加電圧(Vth)の比である急峻性γ=Vsat/Vthを上記VOFF/VONより小さくすることが必要である。
この急峻性γを小さくするには、液晶組材料の弾性定数比K33/K11を小さくすることが有用であることが知られている。また、液晶組成物の誘電率異方性△εを小さくすることが有用であることも知られている。しかし、△εを小さくすると駆動電圧が高くなるため、その適用には限界がある。
【０００６】
特開昭54-83694号公報には、液晶材料の組成およびその組成比を変化させて急峻性を小さくしようとする提案が知られている。しかしこの方法では、液晶組成物の粘度が高くなり、応答速度が遅くなるという大きな欠点があった。このため、車載用計器や屋外使用計測機のディスプレイのように、低温域での速い応答速度が求められている用途では、急峻性が小さく、低温での応答速度が速く、かつ使用温度範囲が広い、1/4DUTY以上の時分割駆動良好な表示特性を有するTN-LCDが依然として求められていた。
【０００７】
【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、1/4DUTY以上の時分割数においても良好なコントラストを有し、低温域において応答速度の速く、使用温度範囲の広いTN-LCDを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、次に述べるTN-LCDを提供する。
すなわち、液晶配向制御層と透明電極を有する一対の基板と、該基板に狭持された液晶材料と、少なくとも一方の前記基板に設けた偏光板とから構成される液晶表示素子において、
（１）前記液晶材料が第一成分として一般式(I)
【０００９】
【化５】
0004876348.tif 000002
【００１０】
(式中、R1は炭素原子数1〜16のアルキル基を表す。)で表される化合物を5〜20質量%含有し、第二成分として一般式(II)
【００１１】
【化６】
0004876348.tif 000003
【００１２】
(式中、R2は炭素数1〜16のアルキル基を表し、R3は炭素原子数1〜16のアルコキシル基を表す。)で表される化合物を10〜30質量%含有し、第三成分として一般式(III)
【００１３】
【化７】
0004876348.tif 000004
【００１４】
(式中、R4は炭素原子数2〜16のアルケニル基を表し、R5は炭素原子数1〜16のアルキル基を表す。)で表される化合物を10〜40質量%含有し、第四成分として一般式(IV)
【００１５】
【化８】
0004876348.tif 000005
【００１６】
(式中、R6、R7は炭素原子数1〜16のアルキル基を表す。)で表される化合物を5〜20質量%含有し、
（２）液晶材料のネマチック相−等方性液体相転移温度が95〜130℃であり、スメクチック相または固体相-ネマチック相転移温度が-60〜-20℃であり、25℃における屈折率の異方性(Δn)が0.07〜0.12であり、20℃における粘度が30mPa・s以下であることを特徴とするツイスト角が80〜110°のツイストネマチック液晶表示素子である。
一般式(I)で表される化合物(以下、化合物(I)という)5〜20質量%と一般式(II)で表される化合物(以下、化合物(II)という)10〜30質量%とを混合した液晶材料は、弾性定数比K33/K11が小さく、急峻性が小さい。これに一般式(III)で表される化合物(以下、化合物(III)という)10〜40質量%と、一般式(IV)で表される化合物(以下、化合物(IV)という)5〜20質量%をさらに加えることにより、液晶温度範囲を広くし、応答速度(特に低温における応答速度)を改善することが出来る。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を具体的に説明する。
化合物(I)は、含有量が多いとスメクチック相または固体相-ネマチック相転移温度が高くなり液晶温度範囲が狭くなる。これを抑制するためには式中のR1は、炭素原子数1〜10が好ましく、2〜7がより好ましい。また化合物(I)の液晶材料中の含有率は、7〜15質量%が好ましい。
【００１８】
化合物(II)のR2は炭素原子数1〜10のアルキル基が好ましく、さらには、2〜7のアルケニルが好ましい。R3は炭素原子数1〜10のアルコキシル基が好ましく、さらには2〜7が好ましい。また化合物(II)の液晶材料中の含有率は20〜30質量%がさらに好ましい。これ以上含有すると、粘度が高くなり応答速度が遅くなる。また、含有率が10質量%以下では急峻性を改善する効果が薄い。
【００１９】
化合物(III)のR4は、アルケニル基が好ましく、更に式(a)〜(e)で表されるアルケニル基が特に好ましい。
【００２０】
【化９】
0004876348.tif 000006
【００２１】
(構造式は右端で環に連結しているものとする。)
これらの中でも(c)（n=1,r=1）および(d)（n=0,r=1）で表されるアルケニル基が特に好ましい。R4がアルケニル基である化合物(III)は、R4がアルキル基である化合物(III)と比較し、粘度が低くなり応答速度の改善に効果的である。R5は炭素原子数1〜10のアルキル基が好ましく、さらには炭素原子数1〜5が好ましい。また化合物(III)の含有率は15〜30質量%がさらに好ましい。
【００２２】
ネマチック-等方性液体相転移温度を上げるためには、3〜4個のシクロヘキサン環またはフェニル環で構成される長分子化合物が使用される。しかし、これらの化合物は、固体相又はスメクチック相−ネマチック相転移温度を上げてしまい、ネマチック液晶温度範囲を狭めることが多い。化合物(IV)は、化合物(I)、化合物(II)および化合物(III)に加えることにより、ネマチック-等方性液体相転移温度を上げるが、固体相又はスメクチック相−ネマチック相転移温度を上げず、結晶析出もしにくいため、車載用等のTN液晶材料には極めて有用である。化合物(IV)のR6およびR7は炭素原子数が1〜10のアルキル基が好ましく、さらに好ましくは炭素原子数が2〜7のアルキル基である。また、R6とR7の炭素原子数の和は、8以下であることが望ましい。また化合物(IV)の液晶材料中の含有率は7〜18質量%がさらに好ましい。
また化合物(I)、(II)、(III)及び(IV)の合計は、50質量%から100質量%が好ましい。
本発明のTN-LCDの液晶使用温度範囲は、-20℃〜80℃がこの好ましい。より好ましくは、-30℃〜85℃である。
本発明のTN-LCDの25℃における急峻性γ
【００２３】
【数２】
0004876348.tif 000007
(但し、Vsatは輝度90%における印加電圧であり、Vthは輝度10%における印加電圧を表す)は1.44以下であり、かつ-30℃での応答速度τ-30℃が4000ｍｓ以下であることが好ましい。急峻性γが1.44以下であると、1/4DUTY以上の時分割駆動においても良好なコントラストを得ることができ、-30℃での応答速度が4000msec以下であれば、車載用計器や屋外使用計測機のディスプレイとして好ましい。
【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。
【００２５】
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   ：90°ツイストセル中に液晶材料を注入し、25℃で1kHz矩形波の電圧を印加したときの、輝度90%での印加電圧(V)
Vsat  ：90°ツイストセル中に液晶材料を注入し、25℃で1kHz矩形波の電圧を印加したときの、輝度10%での印加電圧(V)
γ    ：VsatとVthの比
Δn   ：25℃における複屈折率
η    ：20℃での液晶材料の粘度(mPa・s)
τ25℃：25℃におけるレスポンス(msec)
(1/4Duty,1/3Biasで駆動した時の立ち上がり時間と立ち下がり時間を足した値)
τ-30℃：-30℃におけるレスポンス(msec)
(1/4duty 1/3baisで駆動したときの立ち上がり時間と立下り時間を足した値)
TN-LCD表示素子の作成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物質「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有機膜をラビングして配向膜を形成したツイスト角90°のTN-LCDに注入した。なお、カイラル物質はカイラル物質の添加による混合液晶の固有らせんピッチが10〜50μmになるように添加した。
【００２６】
化合物の記載に下記の略号を使用する。
0004876348.tif 000008
【００２７】
【化１０】
0004876348.tif 000009
【００２８】
例えば、以下に表すように略号を用いる。
【００２９】
【化１１】
0004876348.tif 000010
【００３０】
(実施例１、比較例１〜３)
液晶材料(1)(実施例1)、液晶材料A(比較例1)、液晶材料B(比較例2)、液晶材料C(比較例3)を調整した。また、これらの液晶材料を使用したTN-LCDを作製した。これらの液晶材料の組成と組成比を、TN-LCDの特性測定値と合わせて表1に示す。
【００３１】
【表１】
0004876348.tif 000011
【００３２】
液晶材料(1)：化合物(I)＋化合物(II)＋化合物(III)＋化合物(IV)
液晶材料Ａ ：           化合物(II)             ＋化合物(IV)
液晶材料Ｂ ：                                    化合物(IV)
液晶材料Ｃ ：化合物(I)                         ＋化合物(IV)
比較例1に記載の液晶材料Aは、化合物(II)と化合物(IV)を含有した液晶材料である。これを使用したTN-LCDの急峻性γは1.420と良好であるが、粘度が高いため応答速度が遅い。特に-30℃での応答速度は著しく遅い。
【００３３】
比較例2に記載の液晶材料Bは、化合物(I)、化合物(II)および化合物(III)を含有せず、化合物(IV)を含有した液晶材料である。これを使用したTN-LCDの急峻性γは1.478と悪く、時分割数を上げて1/4DUTY駆動を行うと、コントラストが低下し、表示品位が著しく低下した。
【００３４】
比較例3に記載の液晶材料Cは、化合物(I)と化合物(IV)を含有した液晶材料である。化合物(I)は弾性定数の小さな液晶化合物として知られている。しかし化合物(II)を同時に含有しないため、この液晶材料を使用したTN-LCDの急峻性γ=1.449であり、一応の改善はみられるものの、1/4DUTY以上の時分割数では、十分な値は得られなかった。
【００３５】
実施例は、化合物(I)、化合物(II)、化合物(III)、化合物(IV)を特定の組成範囲内で使用したことにより、-49℃から106℃までの非常に幅広いネマチック温度範囲を有する。このため、この液晶材料を使用したTN-LCDは広い温度範囲で使用でき、かつ-30℃においても3410msの応答を有し、かつ急峻性γが1.414と驚くほど小さい値を示した。このため、得られたTN-LCDは、1/4DUTY駆動や1/8DUTY駆動でも、良好なコントラストを有した。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は、急峻性γが小さく、低温での応答速度の速い、広い使用温度範囲を有するTN-LCDを提供する。従って、本発明のTN-LCDは、1/4DUTY以上に時分割数を上げても、高いコントラストを有し、低温域において応答速度の速く使用温度範囲で高いコントラストを有する。