(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
室温でコレステリック相を示すカイラルネマティック液晶組成物において、
不斉炭素を有する化合物を複数種類含み、そのうちの１種類が以下の化学構造式（Ａ）を有し、他の１種類が以下の化学構造式（Ｂ）を有していること、
【化１】
0003738559.tif 000016
を特徴とする液晶組成物。
【請求項２】
室温でコレステリック相を示すカイラルネマティック液晶組成物において、
不斉炭素を有する化合物を複数種類含み、そのうちの１種類が以下の化学構造式（Ａ）を有し、他の１種類が以下の化学構造式（Ｃ）を有していること、
【化２】
0003738559.tif 000017
を特徴とする液晶組成物。
【請求項３】
室温でコレステリック相を示すカイラルネマティック液晶組成物において、
不斉炭素を有する化合物を複数種類含み、そのうちの１種類が以下の化学構造式（Ａ）を有し、他の１種類が以下の化学構造式（Ｄ）を有していること、
【化３】
0003738559.tif 000018
を特徴とする液晶組成物。
【請求項４】
室温でコレステリック相を示すカイラルネマティック液晶組成物において、
不斉炭素を有する化合物を複数種類含み、そのうちの１種類が以下の化学構造式（Ａ）を有し、他の１種類が以下の化学構造式（Ｅ）を有していること、
【化４】
0003738559.tif 000019
を特徴とする液晶組成物。
【請求項５】
請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４記載の液晶組成物を、少なくとも一方が透明な一対の基板間に、スペース保持部材と共に挟持した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、液晶組成物及び液晶表示素子、詳しくは、室温でコレステリック相を示す液晶を使用した双安定／反射型の液晶表示素子に関する。
【０００２】
【従来の技術と課題】
近年、ネマティック液晶にカイラル材を添加することにより、室温においてコレステリック相を示すようにしたカイラルネマティック液晶を用いた反射型の液晶表示素子が種々研究されている。この素子では電圧のオン、オフによって液晶をプレーナ状態とフォーカルコニック状態に切り換えて表示を行う。
【０００３】
しかしながら、今日までカイラルネマティック液晶を使用した反射型の液晶表示素子では、カイラル材の配合が難しく、プレーナ状態とフォーカルコニック状態とで十分なコントラストを得ることができず、駆動電圧が低く、色純度（刺激純度）等の特性を十分に満足したものは存在していなかった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、反射率や色純度等の特性が良好でコントラストが高く、かつ、駆動電圧を低く設定できるカイラルネマティック液晶組成物及び液晶表示素子を提供することにある。
【０００５】
【発明の構成、作用及び効果】
以上の目的を達成するため、本発明に係る液晶組成物及び液晶表示素子は、ネマティック液晶成分に加えて、カイラル材として不斉炭素を有する化合物を複数種類含み、そのうちの１種類が以下の化学構造式（Ａ）を有している。そして、以下の化学構造式（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）を有するものの少なくとも一つが前記式（Ａ）の化合物と組み合わされている。
【０００６】
【化７】
0003738559.tif 000002
【０００７】
【化５】
0003738559.tif 000003
【０００８】
カイラル材はネマティック液晶に室温でコレステリック相を示させるために添加され、添加量によって選択反射波長を調整可能である。添加量が増加すると通常駆動電圧が高くなる。本発明では、カイラル材として少なくとも２種類の化合物を組み合わせて添加することで、カイラル材が少なくて済み、駆動電圧が低下するばかりか、反射率や色純度が向上し、コントラストも向上する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る液晶組成物及び液晶表示素子の実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００１０】
（第１実施形態の構成と表示動作）
図１に本発明の第１実施形態である液晶表示素子の断面構造を示す。（Ａ）は高電圧パルスを印加したときのプレーナ状態（ＲＧＢ着色状態）を示し、（Ｂ）は低電圧パルスを印加したときのフォーカルコニック状態（透明／黒色表示状態）を示す。なお、この液晶表示素子はメモリー性を有しており、プレーナ状態及びフォーカルコニック状態はパルス電圧印加後も維持される。
【００１１】
図１において、１１，１２は透明基板で、それぞれの表面には透明電極１３，１４がマトリクス状に形成されている。電極１３上には絶縁性薄膜１５がコーティングされていることが好ましい。また、基板１２の裏面には、表示の必要性に応じて、可視光吸収層１６が設けられる。
２０はスペース保持部材としての柱状構造物、２１は室温でコレステリック相を示す液晶組成物であり、これらの材料やその組合わせについては以下の実験例によって具体的に説明する。２２は液晶組成物を液晶表示素子内部に封じ込めるためのシールである。２５はパルス電源であり、前記電極１３，１４にパルス状の所定電圧を印加する。
【００１２】
以上の構成からなる液晶表示素子においては、電源２５から電極１３，１４にパルス電圧を印加することで表示が行われる。即ち、液晶組成物がコレステリック相を示すものを用いている場合、比較的高いパルス電圧を印加することで、液晶がプレーナ状態となり、コレステリックピッチと屈折率に基づいて決まる波長の光を選択的に反射する。比較的低いパルス電圧を印加することで、液晶がフォーカルコニック状態となり、透明状態となる。なお、図１に示したように、可視光吸収層１６を設けると、フォーカルコニック状態では黒色を表示することになる。
【００１３】
本液晶表示素子ではマトリクス状の電極１３，１４が交差する領域が表示画素となる。本明細書では、液晶によって光変調が行われる領域を表示領域と称し、その周辺は光変調が行われない表示領域外となる。
【００１４】
（基板）
基板１１，１２は少なくとも一方が透明であることが必要である。透明な基板としては、ガラス以外に、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、ポリエチレンテレフタレート等のフレキシブル基板等が使用可能である。
【００１５】
（電極）
電極１３，１４としては、ＩＴＯ（Indium  Tin  Oxide）に代表される透明導電性膜、アルミニウム、シリコン等の金属電極、あるいはアモルファスシリコン、ＢＳＯ（Bismuth  Silicon  Oxide）等の光導電性膜が使用可能である。電極１３，１４をマトリクス状に形成するには、例えば、基板１１，１２上にＩＴＯ膜をスパッタリング法等で形成した後、フォトリソグラフィ法でパターニングすればよい。
【００１６】
（絶縁膜、配向膜）
絶縁性薄膜１５は酸化シリコン等の無機膜あるいはポリイミド樹脂、エポキシ樹脂等の有機膜であり、電極１３，１４間の短絡を防止したり、ガスバリア層として液晶の信頼性を向上させる機能を有する。また、電極１３，１４上には、ポリイミド樹脂に代表される配向膜を必要に応じて配してもよい。さらに、柱状構造物２０に用いる高分子体と同じ材料を絶縁膜や配向膜として使用してもよい。
【００１７】
（スペーサ）
図１には図示されないが、基板１１，１２間にスペーサを挿入してもよい。このスペーサは樹脂製又は無機酸化物製の球体であり、基板１１，１２間のギャップを均一に保持する。また、柱状構造物２０に代えて、球状スペーサのみをスペース保持部材として使用してもよい。
【００１８】
（液晶組成物）
液晶組成物はネマティック液晶を主成分とするものが使用され、以下に説明するカイラル材を適量添加することによって室温でコレステリック相を示すものが得られる。また、カイラル材の添加量の大小で選択反射波長が調整可能である。ネマティック液晶としては、液晶性トラン化合物、液晶性ピリミジン化合物、液晶性エステル化合物、又は液晶性シアノビフェニル化合物等、正の誘電率異方性を有する液晶化合物を主成分とするものが好ましい。さらに、色素を添加してもよい。
【００１９】
添付されるカイラル材としては、本実施形態では不斉炭素を有する複数種類の化合物を使用する。そのうちの１種類が前記一般構造式（Ａ）で示される化合物である。これに加えて、不斉炭素を有する化合物であって、前記式（Ａ）とは異なる種類のものが添加される。好適には、前記一般構造式（Ｂ）〜（Ｆ）で示される化合物の少なくとも一つが添加される。使用可能なカイラル材の具体例を以下に示す。以下に示す構造式（Ａ1）〜（Ａ10），（Ｂ1）〜（Ｂ10），（Ｃ1）〜（Ｃ10），（Ｄ1）〜（Ｄ10），（Ｅ1）〜（Ｅ10），（Ｆ1）〜（Ｆ9）は、それぞれ前記一般式（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ），（Ｆ）の具体例を示している。
【００２０】
【化９】
0003738559.tif 000004
【００２１】
【化１０】
0003738559.tif 000005
【００２２】
【化１１】
0003738559.tif 000006
【００２３】
【化１２】
0003738559.tif 000007
【００２４】
【化１３】
0003738559.tif 000008
【００２５】
【化１４】
0003738559.tif 000009
【００２６】
【化１５】
0003738559.tif 000010
【００２７】
【化１６】
0003738559.tif 000011
【００２８】
【化１７】
0003738559.tif 000012
【００２９】
【化１８】
0003738559.tif 000013
【００３０】
【化１９】
0003738559.tif 000014
【００３１】
【化２０】
0003738559.tif 000015
【００３２】
添加される色素としては、アゾ化合物、キノン化合物、アントラキノン化合物等あるいは２色性色素等、従来知られている各種の色素が使用可能であり、これらを複数種用いてもよい。添加量は、液晶成分とカイラル材の合計量に対して合計３ｗｔ％以下が好ましい。
【００３３】
（柱状構造物）
柱状構造物２０に関しては、まず、構造面について説明する。
柱状構造物２０は、例えば、格子配列等の所定のパターンに一定の間隔で配列された、円柱状体、四角柱状体、楕円柱状体である。所定間隔で配置されたストライプ状のものでもよい。この柱状構造物２０はランダムな配列ではなく、等間隔な配列、間隔が徐々に変化する配列、所定の配置パターンが一定の周期で繰り返される配列等、基板１１，１２の間隙を適切に保持でき、かつ、画像表示を妨げないように考慮された配列であることが好ましい。
【００３４】
柱状構造物は従来公知の各種の方法により形成すればよく、例えば、光硬化性樹脂材料を基板に塗布した後、所望のパターンの開口が形成されたマスクを介して所定波長の光を照射することにより光硬化性樹脂を重合させ、不要部分を取り除く方法、液晶組成物と光硬化性樹脂材料との混合物を一方の基板に塗布した後、他方の基板を重ねて、所望のパターンの開口が形成されたマスクを介して所定波長の光を照射することにより光硬化性樹脂を重合させ、前記混合物から相分離することにより、樹脂構造物を形成する方法などが挙げられる。
液晶表示素子とするには、柱状構造物を挟持した基板間に液晶組成物を真空注入法等によって注入すればよい。
【００３５】
（第２実施形態の構成）
図２に本発明の第２実施形態である液晶表示素子の断面構造（高電圧パルス印加時、プレーナ状態）を示す。この液晶表示素子は、図１に示した前記第１実施形態と基本的に同じものであり、表示領域内に柱状構造物を設けないようにしたものである。図２において、図１と同じ部材には同じ符号が付されている。
【００３６】
（第３実施形態の構成）
図３に本発明の第３実施形態である液晶表示素子の断面構造（高電圧パルス印加時、プレーナ状態）を示す。この液晶表示素子は、図２に示した前記第２実施形態のものに、基板１１，１２の間隙の中間部まで延びた小柱状構造物２０’を形成したものである。図３において、図２と同じ部材には同じ符号が付されている。
【００３７】
（実験例１）
液晶性トラン化合物３２ｗｔ％を主成分とするネマティック液晶８２重量部に対して、前記化学構造式（Ａ4）で示されるカイラル材４重量部及び前記化学構造式（Ｂ8）で示されるカイラル材１４重量部を添加し、選択反射波長が６８０ｎｍを示す液晶組成物を調製した。前記ネマティック液晶は屈折率異方性が０．２２１、誘電率異方性が８．２３、等方相への相転移温度が７５℃である。このように調製された液晶組成物を２枚のガラス基板間に真空封入して、図２に示す構成の液晶表示素子を作製した。１０μｍのスペーサ粒子を最初に塗布しておくことにより、ガラス基板の間隔を１０μｍに調整した。
【００３８】
このような液晶表示素子にあっては、電極間に８０Ｖのパルス電圧を５ｍｓｅｃ印加すると、プレーナ状態（赤色状態）を示し、Ｙ値は１１．７９、色純度は１８．９８％を示した。さらに、５０Ｖのパルス電圧を５ｍｓｅｃ印加すると、フォーカルコニック状態（透明状態）を示し、Ｙ値は５．０４を示し、コントラストは２．３４であった。
なお、Ｙ値（視感反射率）、色純度（刺激純度）の測定は、白色光源を有する分光測色計ＣＭ−３７００ｄ（ミノルタ社製）を用いて行った。以下の実験例、比較例でも同様である。
【００３９】
（実験例２）
液晶性トラン化合物３２ｗｔ％を主成分とするネマティック液晶８４重量部に対して、前記化学構造式（Ａ5）で示されるカイラル材４重量部及び前記化学構造式（Ｃ9）で示されるカイラル材１２重量部を添加し、選択反射波長が６８０ｎｍを示す液晶組成物を調製した。前記ネマティック液晶は屈折率異方性が０．２２１、誘電率異方性が８．２３、等方相への相転移温度が７５℃である。このように調製された液晶組成物を２枚のガラス基板間に真空封入して、図２に示す構成の液晶表示素子を作製した。１０μｍのスペーサ粒子を最初に塗布しておくことにより、ガラス基板の間隔を１０μｍに調整した。
【００４０】
このような液晶表示素子にあっては、電極間に８０Ｖのパルス電圧を５ｍｓｅｃ印加すると、プレーナ状態（赤色状態）を示し、Ｙ値は１２．１０、色純度は２１．０２％を示した。さらに、４０Ｖのパルス電圧を５ｍｓｅｃ印加すると、フォーカルコニック状態（透明状態）を示し、Ｙ値は５．１０を示し、コントラストは２．３７であった。
【００４１】
（実験例３）
液晶性トラン化合物３２ｗｔ％を主成分とするネマティック液晶８６重量部に対して、前記化学構造式（Ａ9）で示されるカイラル材４重量部及び前記化学構造式（Ｄ4）で示されるカイラル材１０重量部を添加し、選択反射波長が６８０ｎｍを示す液晶組成物を調製した。前記ネマティック液晶は屈折率異方性が０．２２１、誘電率異方性が８．２３、等方相への相転移温度が７５℃である。このように調製された液晶組成物を２枚のガラス基板間に真空封入して、図２に示す構成の液晶表示素子を作製した。１０μｍのスペーサ粒子を最初に塗布しておくことにより、ガラス基板の間隔を１０μｍに調整した。
【００４２】
このような液晶表示素子にあっては、電極間に６０Ｖのパルス電圧を５ｍｓｅｃ印加すると、プレーナ状態（赤色状態）を示し、Ｙ値は１２．３１、色純度は１９．６４％を示した。さらに、３０Ｖのパルス電圧を５ｍｓｅｃ印加すると、フォーカルコニック状態（透明状態）を示し、Ｙ値は４．９８を示し、コントラストは２．４７であった。
【００４３】
（実験例４）
液晶性トラン化合物３２ｗｔ％を主成分とするネマティック液晶８６重量部に対して、前記化学構造式（Ａ3）で示されるカイラル材４重量部及び前記化学構造式（Ｅ9）で示されるカイラル材１０重量部を添加し、選択反射波長が６８０ｎｍを示す液晶組成物を調製した。前記ネマティック液晶は屈折率異方性が０．２２１、誘電率異方性が８．２３、等方相への相転移温度が７５℃である。このように調製された液晶組成物を２枚のガラス基板間に真空封入して、図２に示す構成の液晶表示素子を作製した。１０μｍのスペーサ粒子を最初に塗布しておくことにより、ガラス基板の間隔を１０μｍに調整した。
【００４４】
このような液晶表示素子にあっては、電極間に７０Ｖのパルス電圧を５ｍｓｅｃ印加すると、プレーナ状態（赤色状態）を示し、Ｙ値は１１．５２、色純度は２２．５２％を示した。さらに、４０Ｖのパルス電圧を５ｍｓｅｃ印加すると、フォーカルコニック状態（透明状態）を示し、Ｙ値は４．８７を示し、コントラストは２．３７であった。
【００４５】
（実験例５）
液晶性トラン化合物３２ｗｔ％を主成分とするネマティック液晶８２重量部に対して、前記化学構造式（Ａ6）で示されるカイラル材５重量部及び前記化学構造式（Ｆ1）で示されるカイラル材１３重量部を添加し、選択反射波長が６８０ｎｍを示す液晶組成物を調製した。前記ネマティック液晶は屈折率異方性が０．２２１、誘電率異方性が８．２３、等方相への相転移温度が７５℃である。このように調製された液晶組成物を２枚のガラス基板間に真空封入して、図２に示す構成の液晶表示素子を作製した。１０μｍのスペーサ粒子を最初に塗布しておくことにより、ガラス基板の間隔を１０μｍに調整した。
【００４６】
このような液晶表示素子にあっては、電極間に８０Ｖのパルス電圧を５ｍｓｅｃ印加すると、プレーナ状態（赤色状態）を示し、Ｙ値は１１．０２、色純度は２０．１２％を示した。さらに、５０Ｖのパルス電圧を５ｍｓｅｃ印加すると、フォーカルコニック状態（透明状態）を示し、Ｙ値は５．１２を示し、コントラストは２．１５であった。
【００４７】
（実験例６）
液晶性ピリミジン化合物４２ｗｔ％を主成分とするネマティック液晶８０重量部に対して、前記化学構造式（Ａ9）で示されるカイラル材８重量部及び前記化学構造式（Ｃ8）で示されるカイラル材１２重量部を添加し、選択反射波長が６８０ｎｍを示す液晶組成物を調製した。前記ネマティック液晶は屈折率異方性が０．２２１、誘電率異方性が８．２３、等方相への相転移温度が９０℃である。このように調製された液晶組成物を２枚のガラス基板間に真空封入して、図２に示す構成の液晶表示素子を作製した。１０μｍのスペーサ粒子を最初に塗布しておくことにより、ガラス基板の間隔を１０μｍに調整した。
【００４８】
このような液晶表示素子にあっては、電極間に９０Ｖのパルス電圧を５ｍｓｅｃ印加すると、プレーナ状態（赤色状態）を示し、Ｙ値は１２．０５、色純度は１９．０５％を示した。さらに、６０Ｖのパルス電圧を５ｍｓｅｃ印加すると、フォーカルコニック状態（透明状態）を示し、Ｙ値は５．０４を示し、コントラストは２．３９であった。
【００４９】
（実験例７）
液晶性エステル化合物５７ｗｔ％を主成分とするネマティック液晶８２重量部に対して、前記化学構造式（Ａ5）で示されるカイラル材８重量部、前記化学構造式（Ｃ9）で示されるカイラル材７重量部及び前記化学構造式（Ｄ4）で示されるカイラル材３重量部を添加し、選択反射波長が６８０ｎｍを示す液晶組成物を調製した。前記ネマティック液晶は屈折率異方性が０．１７９、誘電率異方性が３０、等方相への相転移温度が１００℃である。このように調製された液晶組成物を２枚のガラス基板間に真空封入して、図２に示す構成の液晶表示素子を作製した。１０μｍのスペーサ粒子を最初に塗布しておくことにより、ガラス基板の間隔を１０μｍに調整した。
【００５０】
このような液晶表示素子にあっては、電極間に９０Ｖのパルス電圧を５ｍｓｅｃ印加すると、プレーナ状態（赤色状態）を示し、Ｙ値は１２．３４、色純度は２１．２２％を示した。さらに、６０Ｖのパルス電圧を５ｍｓｅｃ印加すると、フォーカルコニック状態（透明状態）を示し、Ｙ値は５．０９を示し、コントラストは２．４２であった。
【００５１】
（実験例８）
液晶性エステル化合物５７ｗｔ％を主成分とするネマティック液晶８０重量部に対して、前記化学構造式（Ａ4）で示されるカイラル材１０重量部、前記化学構造式（Ｃ4）で示されるカイラル材８重量部及び前記化学構造式（Ｆ1）で示されるカイラル材２重量部を添加し、選択反射波長が６８０ｎｍを示す液晶組成物を調製した。前記ネマティック液晶は屈折率異方性が０．１７９、誘電率異方性が３０、等方相への相転移温度が１００℃である。このように調製された液晶組成物を２枚のガラス基板間に真空封入して、図２に示す構成の液晶表示素子を作製した。１０μｍのスペーサ粒子を最初に塗布しておくことにより、ガラス基板の間隔を１０μｍに調整した。
【００５２】
このような液晶表示素子にあっては、電極間に９０Ｖのパルス電圧を５ｍｓｅｃ印加すると、プレーナ状態（赤色状態）を示し、Ｙ値は１２．２６、色純度は２２．３０％を示した。さらに、６０Ｖのパルス電圧を５ｍｓｅｃ印加すると、フォーカルコニック状態（透明状態）を示し、Ｙ値は４．８５を示し、コントラストは２．５３であった。
【００５３】
（比較例）
液晶性トラン化合物３２ｗｔ％を主成分とするネマティック液晶７６重量部に対して、前記化学構造式（Ｂ8）で示されるカイラル材１６重量部及び前記化学構造式（Ｃ9）で示されるカイラル材８重量部を添加し、選択反射波長が６８０ｎｍを示す液晶組成物を調製した。前記ネマティック液晶は屈折率異方性が０．２２１、誘電率異方性が８．２３、等方相への相転移温度が７５℃である。このように調製された液晶組成物を２枚のガラス基板間に真空封入して、図２に示す構成の液晶表示素子を作製した。１０μｍのスペーサ粒子を最初に塗布しておくことにより、ガラス基板の間隔を１０μｍに調整した。
【００５４】
このような液晶表示素子にあっては、電極間に１１０Ｖのパルス電圧を５ｍｓｅｃ印加すると、プレーナ状態（赤色状態）を示し、Ｙ値は９．９４、色純度は１７．１７％を示した。さらに、７０Ｖのパルス電圧を５ｍｓｅｃ印加すると、フォーカルコニック状態（透明状態）を示し、Ｙ値は５．６８を示し、コントラストは１．７５であった。
【００５５】
なお、本発明に係る液晶組成物及び液晶表示素子の構成は、前記実施形態、実験例に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更可能である。特に、前記実験例では赤色を選択反射する赤色表示素子について示したが、これに限られるものではなく、他の選択反射波長、例えば、緑色表示、青色表示に関しても同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る液晶表示素子の第１実施形態を示す断面図、（Ａ）はプレーナ状態を示し、（Ｂ）はフォーカルコニック状態を示す。
【図２】本発明に係る液晶表示素子の第２実施形態を示す断面図。
【図３】本発明に係る液晶表示素子の第３実施形態を示す断面図。
【符号の説明】
１１，１２…基板
１３，１４…電極
２０，２０’…柱状構造物
２１…液晶組成物
２５…電源
【図１】
0003738559.tif 000020
【図２】
0003738559.tif 000021
【図３】
0003738559.tif 000022