JP5570090B2 - Ｏｃｂ液晶表示素子 - Google Patents

Description

本発明は、液晶組成物にベンド配向を形成させ位相差補償フィルムを組み合わせたOCB(Optically Compensated Birefringence)液晶表示素子に関する。

TN(Twisted Nematic)液晶表示素子(LCD)や、STN(Supertwisted Nematic)−LCDのように、ねじり構造(twist)を持った液晶表示素子は、このねじり構造のためいずれも視野角が狭く、上下左右から視角をもって観察すると画像の反転やコントラストの低下などの不具合を有していた。この問題を解決するために、TN方式の液晶表示素子に位相差フィルムをつけたり、配向分割法を組み合わせた方式が提案されたが、視野角の改善を十分でなかったり、製造が困難など未解決点も多く残っている。

視野角改善に加え、高速応答対応の目的で、液晶がベンド構造を持ったセルに位相差フィルムを組み合わせたOCB(Optically Compensated Birefringence)モードが提案されている（特許文献１、非特許文献１）。

OCBモードのベンドセルでは、電圧が無印加の状態では安定構造であるスプレイ配向しており、このスプレイ配向が電圧印加によりベンド配向に変化する。表示をするには、まず初期状態としてこのベンド配向を確保する必要がある。従来からスプレイ配向からベンド配向への転移時間を短くするために様々な方法が提案されているが、必ずしも十分なものがなかった。たとえば、チルト角を高めるとコントラストが低下してしまい、転移のために大きな電圧を印加することは駆動電圧の増加を招いていた。

転移時間の低減策としては、弾性定数比K33/K11(K33:曲がり、K11:広がりの弾性定数)を小さくすることが安定したベンド構造を取りやすくなるため、液晶組成物のK33/K11が小さくなるための化合物の選択が重要であり、好ましい化合物の具体例も開示されている（特許文献２、特許文献３）。

また転移時間の低減策としては、弾性定数比K33/K11を下げることよりもむしろ広がりの弾性定数K11を下げる方が有効であるとの報告もされている（非特許文献２）。しかしながら従来の技術では弾性定数K11を下げるためには液晶のネマチック相転移温度を下げることしか有効な手段がなく、スプレイ配向からベンド配向への転移時間を短くするために小さな弾性定数K11の液晶を使用する場合は、液晶表示素子の動作温度範囲が著しく損なわれ実用上問題であった。

更に、屋外での使用を念頭にした動画対応表示の使用を可能とする、広い使用温度範囲と低消費電力(長時間のバッテリー駆動が可能)への要請が強まっている。OCB液晶表示素子では残留リタデーションを光学的に補償するための位相差フィルムを上下に配置し、黒表示を行っている。低消費電力化にはこの黒を表示させる電圧（黒電圧）を低く設定できる液晶組成物が求められている。

黒電圧を低くするためには、液晶の誘電率異方性(Δε)を大きくするか、弾性定数K11、K33の絶対値を小さくする必要がある。Δεが大きと、周囲の汚染の影響を受けやすくなるため、AM-LCDに要求される高い電圧保持率を維持することが難しくなるという問題があり、信頼性の観点から弾性定数K11、K33の絶対値を小さくすることが望まれている。また弾性定数K11とK33を比較した場合、K11を小さくすることの方がより黒表示電圧の低減には有効である。しかしながら従来の技術では、前述同様広い液晶温度範囲を有し、かつ弾性定数K11のみを小さくすることは困難であった。

以上のことから、液晶相温度範囲が広く、広がりの弾性定数K11の小さい液晶組成物を得ることは困難であった。

特開平７−８４２５４号公報 特許第３６８２７９６号公報 特開２００４−２９２７５号公報 ＳＩＤ９３ＤＩＧＥＳＴ（２７７頁） １９９９年日本液晶学会討論会講演予稿集（２５３頁）

本発明が解決しようとする課題は、広がりの弾性定数K11の小さい液晶組成物によりスプレイ配向からベンド配向への転移時間を短くかつ黒電圧を低減させ、さらに動作温度範囲の広いOCB液晶表示素子を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、透明電極を有する2枚の基板間及び配向膜から構成されるベンド配向セルに液晶組成物を挟持し、位相差補償フィルムを組み合わせた構造を有する液晶表示素子において、該液晶組成物が一般式(1)、

(式中、B¹は
(a) トランス-1,4-シクロへキシレン基(この基中に存在する1個のCH₂基又は隣接していない2個以上のCH₂基は -O- 及び又は -S- に置き換えられてもよい)
(b) 1,4-フェニレン基(この基中に存在する1個のCH₂基又は隣接していない2個以上のCH₂基は -N- に置き換えられてもよい)
からなる群より選ばれる基であり、上記の基(a)及び基(b)はCH₃又はハロゲンで置換されていても良く、
L¹及びL²はそれぞれ独立的に単結合、-CH₂CH₂-、-(CH₂)₄-、-COO-、-OCH₂-、-CH₂O-、-OCF₂-、-CF₂O-又は-C≡C-を表し、
lは0、1又は2を表し、
Q¹は-OCH2-、-OCF2-、-OCHF-、-CF2-、又は単結合を表し、
X¹、X²及びX³はそれぞれ独立してH、F又はClを表す。)で表される化合物をを含有し、
かつ該液晶組成物のネマチック−アイソトロピック転移温度が100℃〜140℃であり、広がりの弾性定数K1を提供する。

本発明のOCB液晶表示素子は、広がりの弾性定数が小さく、ネマチック温度範囲の広い液晶組成物を用いることにより、スプレイ配向からベンド配向への転移時間が短く、動作電圧が低く、動作温度範囲が広く、非常に実用的である。

本願発明のOCB液晶表示素子に使用される液晶組成物において、一般式(1)で表される化合物を1種又は2種以上を含有するが、1種〜5種が好ましく、1種〜3種がより好ましい。

一般式(1)で表される化合物の含有率は、3〜30質量％の範囲であることが好まく、5〜20質量％の範囲であることがより好ましい。

一般式(1)において、B¹はtrans-1,4-シクロへキシレン基、1,4-フェニレン基、3-fluoro-1,4-フェニレン基又は3,5-difluoro-1,4-フェニレン基が好ましく、1,4-フェニレン基又はtrans-1,4-シクロへキシレン基がより好ましい。L¹及びL²は、単結合、-CH₂CH₂-、-(CH₂)₄-、-COO-、-OCH₂-、-CH₂O-、-OCF₂-、-CF₂O-又は-C≡C-であるが、-CH₂CH₂-、-OCF₂-、-CF₂O-又は単結合が好ましく、-CH₂CH₂-、-CF₂O-又は単結合がより好ましく、-CH₂CH₂-又は単結合が特に好ましい。

Q¹は-OCH2-、-OCF2-、-OCHF-、-CF2-、又は単結合であるが、-OCF2-、-CF2-、又は単結合が好ましく、単結合がより好ましい。X¹〜X³はそれぞれ独立してH、F又はClであるが、-H、又は-Fが好ましく、X²はFがより好ましい。

さらに詳述すると、一般式（1）の具体的な構造として以下の化合物が好ましく、化合物(1-1)又は化合物(1-2)が特に好ましい。

本発明に使用される液晶組成物において、ネマチック−アイソトロピック転移温度は100℃〜140℃であることが好ましく、100℃〜120℃であることがより好ましい。25℃における広がりの弾性定数K11が6<K11<9であることが好ましい。25℃における曲がりの弾性定数K33が8<K33<16であることが好ましく、8<K33<14であることがより好ましい。

液晶組成物の物性値を調整し、さらに低粘性化、低電圧化を達成させるために第二成分として、一般式(2)

(式中、R¹は炭素数1〜15のアルキル基又は炭素数2〜15のアルケニル基を表し、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-又は-CO-により置き換えられても良く、
B²はB¹と同じ意味を表し、
L³はL¹と同じ意味を表し、
B²及びL³が複数存在する場合はそれらは同一でも良く異なっていても良く、
mは 0、1又は2を表し、
nは0又は1を表し、
Q²は-OCH2-、-OCF2-、-OCHF-、-CF2-、又は単結合を表し、
X⁴〜X⁸はそれぞれ独立してH、F又はClを表す。) で表される化合物を含有することが好ましい。

一般式(2)で表される化合物を2種〜15種含有することが好ましく、2種〜10種がより好ましく、4種〜7種がさらに好ましい。

一般式(2)で表される化合物の含有率は、5〜60質量％の範囲であることが好ましく、30〜60質量％の範囲であることがより好ましい。また、一般式(2)において、R¹は炭素数1〜10のアルキル基、炭素数2〜10のアルケニル基、又は炭素数2〜10のアルキル基中に存在する1個のCH₂基が-O-により置き換えられた置換基が好ましく、未置換の直鎖状炭素数1〜8のアルキル基、炭素数2〜8のアルケニル基、又は炭素数2〜8のアルキル基中に存在する1個のCH₂基が-O-により置き換えられた置換基がより好ましく、アルケニル基では以下の式(a)〜(e)の構造がさらに好ましい。

(構造式は右端で環に連結しているものとする。)

B²はtrans-1,4-シクロへキシレン基、1,4-フェニレン基、3-fluoro-1,4-フェニレン基又は3,5-difluoro-1,4-フェニレン基が好ましく、1,4-フェニレン基又はtrans-1,4-シクロへキシレン基がより好ましい。L³は、単結合、-CH₂CH₂-、-(CH₂)₄-、-OCH₂-、-CH₂O-、-OCF₂-、-CF₂O-又は-C≡C-であるが、-CH₂CH₂-、-OCF₂-、-CF₂O-又は単結合が好ましく、-CH₂CH₂-、-CF₂O-又は単結合がより好ましく、-CH₂CH₂-又は単結合が特に好ましい。mは 0、1又は2を表すが、nは0又は1であるが、m+nは1又は2が好ましい。

Q²は、-OCF2-、-CF2-、又は単結合が好ましく、単結合がより好ましい。X⁴〜X⁸はそれぞれ独立して、-H、又は-Fが好ましく、X⁸はFが好ましい。

さらに詳述すると、一般式(2)は、具体的な構造として以下の一般式で表される化合物が好ましい。

（式中、R¹はそれぞれ独立して、炭素数1〜15のアルキル基又は炭素数2〜15のアルケニル基を表す。）

本発明の液晶表示素子は、特にアクティブマトリクス駆動用液晶表示素子として有用であり、反射モード又は半透過モード用液晶表示素子として用いることもできる。

本発明の液晶組成物に使用されるネマテチック液晶組成物は、上記の化合物以外に、通常のネマチック液晶、スメクチック液晶、コレステリック液晶などを含有してもよい。

以下にを挙げて本発明を更に詳述するが、本発明はこれらのに限定されるものではない。また、以下のおよび比較例の組成物における「％」は『質量％』を意味する。

T_N-I ：ネマチック相−等方性液体相転移温度(℃)を液晶相上限温度とする
Δε ：誘電率異方性
Δn ：屈折率異方性
γ1 ：回転粘性(mPa・s)
K11 :広がりの弾性定数(pN)
K33 :曲がりの弾性定数 (pN)
Vcr ：スプレイからベンドへの転移電圧(V)(セル厚5.5μmのOCBセルに液晶を注入し、電圧20V印加後電圧を下げ、スプレイとベンドが釣り合う電圧。)
t ：スプレイからベンドへの転移時間（秒）（セル厚5.5μm、電極面積0.64cm²のOCBセルに液晶を注入し、電圧8V印加したときに全電極面積がスプレイからベンドへ転移するのに要する時間。）
黒電圧 ：セル厚5.5μmのOCBセルにおいて黒表示となる電圧(V)
化合物記載に下記の略号を使用する。
末端のn(数字) C_nH_2n+1-
2 -CH₂CH₂-
On -OC_nH_2n+1
F -F
ndm- C_nH_2n+1-C=C-(CH₂)_m-1-
-T- -C≡C-

(実施例1、2) 液晶組成物の調整
以下に示すネマチック液晶組成物(No.1)及び(No.2)を調整しその物性値を測定し、その結果を表1に示す。

実施例1、2のネマチック液晶組成物(No.1)、(No.2)特性は、ネマチック相-等方性液体相転移温度（T_N-I）がそれぞれ101.3℃、102.0℃と100℃を超えているにも関わらず、広がり弾性定数K11がそれぞれ8.9pN、8.7pNと小さいものであった。セル厚5.5μmのOCBセルでのスプレイからベンドへの転移電圧がそれぞれ1.96V、1.98Vと2V以下であり、また転移時間もそれぞれ6.5秒、5.4秒と速い時間で転移を完了した。黒電圧もそれぞれ6.5V、6.4Vと低電圧で駆動できた。

(比較例1、2) 液晶組成物の調整
比較例として以下に示すネマチック液晶組成物(R1)、(R2)を調整しその物性値を測定し、その結果を表2に示す。

比較例1、比較例2は第一成分を含有しないものであり、ネマチック相-等方性液体相転移温度（T_N-I）がそれぞれ103.5℃、105.0℃と100℃を超えているため広がり弾性定数K11がそれぞれ10.6pN、10.4pNと実施例と比較して大きいものであった。セル厚5.5μmのOCBセルでのスプレイからベンドへの転移電圧がそれぞれ2.08V、2.05Vと2Vを超えており、また転移時間もそれぞれ81.6秒、55.1秒と転移を完了するのに長い時間を必要とし、実用上問題であった。黒電圧もそれぞれ6.9V、7.2Vと実施例と比較して高電圧であった。

(比較例3〜5) 液晶組成物の調整
比較例として以下に示すネマチック液晶組成物(R3)〜(R5)を調整しその物性値を測定し、その結果を表3に示す。

比較例3〜5は液晶組成物(No.2)の第一成分の化合物を第一成分類似化合物に置き換えた組成物であり、ネマチック相-等方性液体相転移温度（T_N-I）は液晶組成物(No.2)と同様それぞれ103.9℃、100.7℃、101.4℃と100℃を超えているが、広がり弾性定数K11がそれぞれ9.7pN、9.3pN、9.4pNと実施例と比較して大きいものであった。セル厚5.5μmのOCBセルでのスプレイからベンドへの転移電圧もそれぞれ2.07V、2.00V、2.03Vと液晶組成物(No.2)と比較して高く、また転移時間もそれぞれ35.0秒、21.9秒、22.4秒と転移を完了するのに長い時間を必要とし、実用上問題であった。黒電圧もそれぞれ6.7V、6.6V、6.6Vと液晶組成物(No.2)と比較して高電圧であった。

Claims (2)

1. 透明電極を有する２枚の基板間及び配向膜から構成されるベンド配向セルに液晶組成物を挟持し、位相差補償フィルムを組み合わせた構造を有する液晶表示素子において、
   該液晶組成物が一般式（１）
   

   

   （上記一般式（１）中、Ｂ^１は
   （ａ） トランス−１，４−シクロへキシレン基（この基中に存在する１個のＣＨ_２基又は隣接していない２個以上のＣＨ_２基は −Ｏ− 及び又は −Ｓ− に置き換えられてもよい）
   （ｂ） １，４−フェニレン基（この基中に存在する１個のＣＨ_２基又は隣接していない２個以上のＣＨ_２基は −Ｎ− に置き換えられてもよい）
   からなる群より選ばれる基であり、上記の基（ａ）及び基（ｂ）はＣＨ_３又はハロゲンで置換されていても良く、
   Ｌ^１及びＬ^２はそれぞれ独立的に単結合、−ＣＨ_２ＣＨ_２−、−（ＣＨ_２）_４−、−ＣＯＯ−、−ＯＣＨ_２−、−ＣＨ_２Ｏ−、−ＯＣＦ_２−、−ＣＦ_２Ｏ−又は−Ｃ≡Ｃ−を表し、
   ｌは０、１又は２を表し、
   Ｑ^１は−ＯＣＨ_２−、−ＯＣＦ_２−、−ＯＣＨＦ−、−ＣＦ_２−、又は単結合を表し、
   Ｘ^１、Ｘ^２及びＸ^３はそれぞれ独立してＨ、Ｆ又はＣｌを表す。）で表される化合物と、
   第二成分として一般式（２）
   

   

   （上記一般式（２）中、Ｒ^１は炭素数１〜１５のアルキル基又は炭素数２〜１５のアルケニル基を表し、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ＣＨ_２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−により置き換えられても良く、
   Ｂ^２はＢ^１と同じ意味を表し、
   Ｌ^３はＬ^１と同じ意味を表し、
   Ｂ^２及びＬ^３が複数存在する場合はそれらは同一でも良く異なっていても良く、
   ｍは ０、１又は２を表し、
   ｎは０又は１を表し、
   Ｑ^２は−ＯＣＨ_２−、−ＯＣＦ_２−、−ＯＣＨＦ−、−ＣＦ_２−、又は単結合を表し、
   Ｘ^４〜Ｘ^８はそれぞれ独立してＨ、Ｆ又はＣｌを表す。）で表される化合物と、
   を含有し、
   前記一般式（１）で表される化合物の含有量が３〜１８質量％の範囲であり、前記一般式（２）で表される化合物の含有量が３０〜６０質量％の範囲であり、かつ該液晶組成物のネマチック−アイソトロピック転移温度が１００℃〜１４０℃であり、広がりの弾性定数Ｋ１１が６＜Ｋ１１＜９であり、曲がりの弾性定数Ｋ３３が８＜Ｋ３３＜１６であることを特徴とする液晶表示素子。
2. 一般式（１）が一般式（１ａ）
   

   

   (式中Ｘ^３は一般式（１）におけると同じ意味を表す。)で表される、請求項１記載の液晶表示素子。