JPH1150054A

JPH1150054A - フェリ誘電性液晶組成物

Info

Publication number: JPH1150054A
Application number: JP9211885A
Authority: JP
Inventors: Hironori Motoyama; 裕規本山; Tomoyuki Yui; 知之油井; Masahiro Kino; 正博城野; Hiroshi Mineta; 浩嶺田
Original assignee: Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Current assignee: Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Priority date: 1997-08-06
Filing date: 1997-08-06
Publication date: 1999-02-23

Abstract

(57)【要約】【課題】ヒステリシスを減少させたフェリ誘電性液晶
組成物を提供する。【解決手段】下記一般式(1) で示されるフェニルエス
テル化合物を下記一般式(2) で示されるフェリ誘電性液
晶に添加してなるフェリ誘電性液晶組成物。【化１】（式(1) 中、ｍは 5〜12、ｎは 1〜4 、ｐは１〜８の整
数、Ｘ、Ｙは水素原子又はフッ素原子、ただし同時にフ
ッ素原子である事はないを表し、式(2) 中、ｒは炭素数
６〜12の直鎖アルキル基、ＺはＨ原子またはＦ原子、ｑ
は５〜７の整数、ｓは２、４の整数である。）【効果】新規なフェニルエステル化合物を含むフェリ
誘電性液晶組成物はヒステリシスが大幅に減少し、かつ
配向性に優れている。そのため表示品質の高いフェリ誘
電性液晶表示素子を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、新規なフェニルエステ
ル化合物とそれを含有するフェリ誘電性液晶組成物に関
し、これは各画素毎に駆動するアクティブマトリクス型
の液晶表示素子に好適に使用される。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示素子（ＬＣＤ）は、従来のブラ
ウン管ディスプレイに代わるフラットパネルディスプレ
イとして、既にポータブル機器を中心に普及しつつあ
る。最近のパーソナルコンピュータやワードプロセッサ
の機能拡大、および処理情報の大量化にともない、ＬＣ
Ｄにもより高い機能、すなわち、大表示容量化、フルカ
ラー表示、広視野角、高速応答、高コントラスト化等が
要求されている。

【０００３】この様な要求に応える液晶表示方式（液晶
駆動方式）として、画面の各画素毎に薄膜トランジスタ
（ＴＦＴ）あるいはダイオード（ＭＩＭ）を形成し、各
画素毎に独立して液晶を駆動する方式であるアクディブ
マトリクス（ＡＭ）表示素子が提案実施されている。こ
の表示方式は、製造歩留まりが低いため低コスト化が困
難である、大画面化が困難であるなどの問題はあるが、
表示品質の高さにより従来主流であったＳＴＮ表示方式
を凌駕し、ＣＲＴに迫る勢いになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなＡＭ表示素子において、液晶材料としてＴＮ（ツイ
ステッドネマチック）液晶を用いているため、次のよう
な問題が生じている。 (1) ＴＮ液晶はネマチック液晶であり、応答速度が一般
的に遅く（数十ｍｓ）、動画表示を行うとき良好な画質
が得られない。 (2) 液晶分子のねじれ状態（ツイスト配向）を利用して
表示するため、視野角が狭い。特に階調表示を行うと、
視野角が急激に狭くなる。すなわち、ディスプレイを見
る角度によって、コントラスト比、色などが変わってし
まう。

【０００５】これらの問題を解決するため、ＴＮ液晶に
代えて、強誘電性液晶や反強誘電性液晶を採用したＡＭ
パネルの提案も近年行われているが（特開平5-249502、
同5-150257、同6-95080 等）、これらの液晶にも次のよ
うな問題点があり実用化の壁は厚いのが現状である。

【０００６】(A) 強誘電性液晶は自発分極を有している
が、自発分極が常に存在するため画面の焼き付きが起こ
りやすく駆動が困難となる。また、強誘電性液晶は表面
安定化型モードで表示する場合、黒、白の２値表示しか
できないため、階調表示は極めて困難である。階調表示
を行うとするときには特別な工夫が必要（例えば、単安
定を使用した強誘電性液晶素子；KeiichiNITO et.al, S
ID'94、Preprint, p48)であり、高度な実用化技術の開
発が必要とされる。

【０００７】(B) 反強誘電性液晶は、永久自発分極が存
在しないため上記(A) で述べられている焼き付の問題は
回避されている。ＡＭ駆動においては、少なくとも10Ｖ
以下で駆動する液晶材料が必要である。しかし、反強誘
電性液晶は一般にしきい値電圧が大きく、低電圧駆動は
困難である。また、光学応答に履歴（ヒステリシス）が
あるため階調表示が困難であるなどの問題を有してい
る。本発明の目的は、以上のような問題点を解決できる
ＡＭ駆動に適した新しい材料を提供することにあるが、
この新しい材料としてフェリ誘電相を有する液晶が考え
られる。

【０００８】フェリ誘電相 (SCγ* 相）を有する液晶化
合物は、1989年、 4-(1-メチルヘプチロキシカルボニ
ル）フェニル＝4-(4'-オクチルオキシビフェニル）カル
ボキシレート (略称 MHPOBC)において初めて発見された
（Japanese Journal of Applied Physics, Vol.29, No.
1, 1990, pp.L131-137）。

【０００９】MHPOBCの構造式ならびに相転移温度（℃）
を次に示した。構造式 : C8H17-O-Ph-Ph-COO-Ph-COO-C*H(CH3)-C6H13 但し、Phは1,4-フェニレン基、C*は不斉炭素を表す。相系列 : I(147)SA(122)SCα*(121)SC*(119)SCγ*(11
8)SCA*(65)SIA*(30)Cr 但し、I は等方相、SAはスメクチックＡ相、SCα* はカ
イラルスメクチックＣα相、SC* はカイラルスメクチッ
クＣ相（強誘電相）、SCγ* はカイラルスメクチックＣ
γ相（フェリ誘電相）、SCA*はカイラルスメクチックＣ
Ａ相（反強誘電相）、SIA*はカイラルスメクチックＩＡ
相、Crは結晶相を示す。

【００１０】フェリ誘電性液晶を説明するために、図１
にフェリ誘電相における分子配列状態を、図２にフェリ
誘電相の三角波に対する光学応答を示した。フェリ誘電
相では図１の FI(+)（印加電圧が正の場合）あるいはFI
(-)(印加電圧が負の場合）の分子配列をしている。電場
のない状態では、 FI(+)とFI(-) とは等価であるので共
存している。従って、平均的な光軸は層法線方向とな
り、図１に示した偏光板の条件下では暗状態となる。こ
の状態は、図２において電圧０で透過光強度が０のとこ
ろに相当する。

【００１１】また、 FI(+)およびFI(-) は、分子配列状
態から明らかなようにそれぞれ自発分極を有するが、こ
れらの共存状態では自発分極を打ち消し合うため、平均
的な自発分極は零となる。このことから、フェリ誘電性
液晶は、反強誘電性液晶と同様に強誘電性液晶に見られ
る焼き付き現象から逃れられる。

【００１２】フェリ誘電性液晶に電圧を印加していく
と、強誘電状態に達するよりも低い電圧で、消光位を持
つ領域（ドメイン）が現れる。この領域は、強誘電状態
ほどではないが、法線方向より傾いた方向に光軸を有し
ていることを示している。この中間的な状態が FI(+)ま
たはFI(-) と考えられる。なお、この場合、図２におい
て、電圧 0Ｖと 4Ｖの間で連続的な透過光強度の変化で
はなく、階段上の透過光強度が観測されるはずである。
しかし、図２では連続的な透過光強度が観測された。こ
れは FI(+)→FO(+) 、または FI(-)→FO(-) へのしきい
値電圧が明確でないことによると考えられる。本発明で
は、以上説明した中間状態が必ず観測される液晶相をフ
ェリ誘電相と、該フェリ誘電相がその相系列中で最も広
い液晶化合物をフェリ誘電性液晶と呼ぶ。

【００１３】さらに、印加電圧を高くすると、電場の向
きに応じ安定な状態である強誘電相FO(+) またはFO(-)
に相転移する。すなわち、図２において透過光強度が飽
和状態（左右の平坦部）となったものが FO(+)またはFO
(-) である。この強誘電状態 FO(+)またはFO(-) では、
フェリ誘電状態 FI(+)またはFI(-)より更に大きな自発
分極が発現することが図１より分かる。以上のように、
フェリ誘電相では、 FI(+)とFI(-) の共存状態を暗、強
誘電状態 FO(+)およびFO(-) を明として使用できる。

【００１４】従来の強誘電性液晶は、FO(+) 、FO(-) 間
のスイッチングであったのに対し、フェリ誘電性液晶で
は FO(+)、 FI(+)、FI(-) および FO(-)の４状態間でス
イッチングをするという大きな特徴を有している。ま
た、その表示原理はいずれも液晶の複屈折性を利用した
ものであり、視角依存性の小さな表示素子の作製が可能
である。

【００１５】フェリ誘電相は図２に示されているよう
に、一般的にフェリ誘電状態から強誘電状態へ変化する
電圧と、強誘電状態からフェリ誘電状態へ変化する電圧
の差が小さい、即ちヒステリシスの幅が非常にせまい傾
向が強く、Ｖ字形の光学応答性を示すのが特徴で、ＡＭ
駆動及びＡＭ駆動における階調表示に適した性質を持っ
ている。また、フェリ誘電性液晶の電圧による変化に於
て、フェリ誘電状態から強誘電状態へ変化する電圧であ
るしきい値電圧は、反強誘電性液晶に比べてはるかに小
さい傾向を有し、フェリ誘電性液晶はＡＭ駆動に適して
いるといえる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現在ま
でに合成されたフェリ誘電性液晶の数は極めて少なく、
更に従来知られていたフェリ誘電性液晶単体は、ＡＭ駆
動素子への応用を考えたとき、次のような問題点があっ
た。まず、フェリ誘電性液晶は、電圧に対する光学応答
においてヒステリシスの幅は極めて小さいが、完全にな
くなってはいない。そのため階調表示に問題が生じてき
ており、出来るだけヒステリシスの幅を無くすことが求
められている。次に、フェリ誘電性液晶は配向性がそれ
ほど優れていない。そのため現在のネマチック液晶を用
いたアクティブマトリックス駆動表示素子に比べて、コ
ントラストの点で劣っている。本発明は、これらの点を
改善することにあり、フェリ誘電性液晶のヒステリシス
を小さくし、かつ配向性を改善する添加物及びこれを含
有するＡＭ駆動に好適に使用されるそれを含むフェリ誘
電性液晶組成物に関する。

【００１７】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、下
記一般式(1) で示されるフェニルエステル化合物を下記
一般式(2) で示されるフェリ誘電性液晶に添加してなる
フェリ誘電性液晶組成物である。一般式(2) においてｒ
が９であるフェリ誘電性液晶を用いるのが、配向性に優
れたフェリ誘電性液晶組成物を与えるので望ましい。一
般式(1) であらわされるフェニルエステル化合物の添加
量が組成物の１〜50モル％が好ましく、より好ましくは
１〜30モル％である。フェリ誘電性液晶液晶組成物とし
ては、該フェリ誘電相の高温側の転移温度が40℃以上
で、低温側の転移温度が 0℃以下であり、該フェリ誘電
相よりも高温側にスメクチックＡ相を有することが好ま
しい。

【００１８】

【化２】（式(1) 中、ｍは 5〜12、ｎは 1、ｐは１または２、
Ｘ、ＹはＨ原子又は一方がＨ原子で他方がＦ原子であ
り、式(2) 中、ｒは炭素数６〜12の直鎖アルキル基、Ｚ
はＨ原子またはＦ原子、ｑは５〜７の整数、ｓは２、４
の整数である。）

【００１９】そして、本発明のフェリ誘電性液晶液晶組
成物は、各画素毎に薄膜トランジスタあるいはダイオー
ド等の非線形能動素子を設置した基板間に狭持して、ア
クティブマトリクス液晶表示素子とされ、それは非線形
能動素子を用いた液晶の電圧による駆動を２つのフェリ
誘電状態と２つの強誘電状態、及びその中間状態へのス
イッチングにて行われる。

【００２０】本発明におけるフェニルエステル化合物
は、本発明者らの先の出願（特願平08-278013 号によっ
て容易に製造できる。その製造法を一般式(1) において
m＝6,n＝1, p＝1, X＝H, Y＝H である化合物について
示せば、次の通りである。 (1) HO-Ph-COOH + C₆H₁₃COCl → C₆H₁₃COO-Ph-COOH (2) C₆H₁₃COO-Ph-COOH +SOCl₂ → C₆H₁₃COO-Ph-COCl (3) C₆H₁₃COO-Ph-COCl + CF₃CH₂OH → C₆H₁₃COO-Ph-COOCH₂CF₃ 式中、Phは1,4-フェニレン基を示す。(1) はp-ヒドロキ
シ安息香酸とヘプタン酸クロライドとの反応である。
(2) はエステル(1) と塩化チオニルの反応である。(3)
は酸クロライド(2) とトリフルオロエタノールとの反応
による目的物の生成である。

【００２１】本発明におけるフェリ誘電性液晶は、本発
明者らの特願平8-91235 号によって容易に製造できる。
その製造法の概略を一般式(2) において p=3, q=2 であ
る化合物について示せば、次の通りである。 (1) AcO-Ph(3X)-COOH + SOCl₂ → AcO-Ph(3X)-COCl (2) (1) + CF₃C*H(OH)(CH₂)₃OC₂H₅ → AcO-Ph(3X)-COO-C*H(CF₃)(CH₂)₃OC₂H₅ (3) (2) + (Ph-CH₂NH₂) → HO-Ph(3X)-COO-C*H(CF₃)(CH₂)₃OC₂H₅ (4) R-O-Ph-Ph-COOH + SOCl₂ → R-O-Ph-Ph-COCl (5) (3) + (4) → 目的フェリ誘電性液晶式中、AcO はアセチル基、Phは1,4-フェニレン基、Ph(3
X)はフェニレン基の水酸基残基を基準に３位置へＦ置換
していてもよい1,4-フェニレン基、C*は不斉炭素を示
す。

【００２２】上記製造法を簡単に説明すると次の通りで
ある。(1) はフッ素置換あるいは無置換のp-アセトキシ
安息香酸の塩化チオニルによる塩素化反応である。(2)
は塩化物(1) と光学活性アルコールとの反応によるエス
テルの生成である。(3) はエステル(2) の脱アセチル化
である。(4) は 4'-アルキルオキシビフェニル−4-カル
ボン酸の塩素化である。(5) はフェノール(3) と塩化物
(4) との反応による液晶の製造である。

【００２３】

【発明の効果】本発明は、新規なフェニルエステル化合
物を含むフェリ誘電性液晶組成物を提供する。そして、
本発明により提供された新規なフェリ誘電性液晶組成物
は、ヒステリシスが大幅に減少し、かつ配向性に優れて
いる。そのため表示品質の高いフェリ誘電性液晶表示素
子を実現できる。

【００２４】

【実施例】次に、実施例及び比較例を掲げて本発明を更
に具体的に説明するが、本発明はもちろんこれに限定さ
れるものではない。実施例１〜４下記式で示されるフェ
リ誘電性液晶(2A)に、次のフェニルエステル化合物 (1A
〜1C) をそれぞれ20モル％添加して、フェリ誘電性液晶
組成物を得た。相系列、ヒステリシス、配向性を測定し
た結果を表１に示した。

【００２５】 1A ；C₆H₁₃-COO-Ph-COO-CH₂CF₃ (実施例1) 1B ；C₉H₁₉-COO-Ph(3F)-COO-CH₂CF₃ (実施例2) 1C ；C₉H₁₉-COO-Ph(2F)-COO-CH₂CF₃ (実施例3) 1D ；C₉H₁₉-COO-Ph-COO-CH₂C₂F₅ (実施例4) 2A ；C₉H₁₉-O-Ph-Ph-COO-Ph(3F)-COO-C*H(CF₃)(CH₂)₃OC
₂H₅ 式中のPhは1,4-フェニレン基、フェニレン基の水酸基残
基を基準にPh(2F)は2-位置にフッ素置換した1,4-フェニ
レン基、Ph(3F)は3-位置にフッ素置換した1,4-フェニレ
ン基をそれぞれ示し、C*は不斉炭素である。

【００２６】相の同定を、テクスチャー観察、コノスコ
ープ像の観察及びDSC(示差走差熱量計）の測定により行
なった。コノスコープ像の観察はフェリ誘電相の同定に
有力な手段である。コノスコープ像の観察は文献(J. Ap
pl. Phys. 31, 793, (1992))に従って行った。

【００２７】ヒステリシスなどは次の手順で測定した。
絶縁膜(SiO₂,膜厚50nm) 、ITO 電極付きのガラス基板を
ポリイミドコ−ティング後（膜厚約80nm）、一対のガラ
ス基板の片方のみをラビング処理した。粒径 1.6μｍの
スペーサを介し、一対のガラス基板を貼り合わせテスト
セルとした。セル厚は２μｍであった。液晶が等方相と
なる温度まで加熱し、毛細管現象によりテストセル中に
前記液晶を注入した。その後、１℃／分の速度で徐冷し
液晶を平行配向させた。次に、25℃において、テストセ
ルに、±10V, 50mHzの３角波電圧を印加し、駆動を行い
ヒステリシスを観測した。

【００２８】25℃において、空セルを直交する偏光板間
におき、光の透過光量を求め、この透過光量を０％とし
た。次にテストセルをおき、強誘電状態の透過光量を求
め、この透過光量を 100％とした。25℃において、この
テストセルに印加電圧 0の状態において、光の透過光量
を求め、この光漏れの値により、配向性の優劣の評価と
した。また、比較のために、フェリ誘電性液晶(2A)につ
いて、測定温度を40℃とする他は上記と同様にして特性
評価した。結果を表１に示した。

【００２９】比較例１〜５実施例１で使用したフェリ誘電性液晶(2A)に、下記のフ
ェニルエステル化合物(1E〜1H) をそれぞれ20モル％添
加して、フェリ誘電性液晶組成物を得た。相系列、ヒス
テリシス、配向性を実施例1 と同様にして測定した結果
を表１に示した。比較例１〜５で得られた液晶組成物
は、融点が室温近辺にあるもの、スメクチックＡ相を持
たないものなどの欠点を有し、実用上問題であった。

【００３０】 1E ；C₉H₁₉-COO-Ph-COO-CH₂C₃F₇ (比較例1) 1F ；C₉H₁₉-COO-Ph-COO-CH₂C₇F₁₅ (比較例2) 1G ；C₉H₁₉-COO-Ph-COO-CH₂C₉F₁₉ (比較例3) 1H ；C₉H₁₉-COO-Ph-COO-CH₂CH₂C₆F₁₃ (比較例4) 1K ；C₉H₁₉-COO-Ph(3F)-COO-CH₂CH₂CH₂CF₃ （比較例5) 式中のPhは1,4-フェニレン基、Ph(3F)はフェニル基の水
酸基残基を基準に3-位置にフッ素置換した1,4-フェニレ
ン基を示す。

【００３１】

【表１】光漏れ測定温度相系列 (％) (℃) 実施例１ Cr(<-20)SCγ*(77)SA(86)I 1.2 30 実施例２ Cr(<-20)SCγ*(68)SA(82)I 1.1 30 実施例３ Cr(<-20)SCγ*(66)SA(79)I 2.8 30 実施例４ Cr(<-20)SCγ*(76)SA(82)I 2.7 30 比較例１ Cr(<-10)SCγ*(77)I 比較例２ Cr(15)SCγ*(101)SA(103)I 比較例３ Cr(22)SCγ*(89)SA(91)I 比較例４ Cr(<-15)SCγ*(85)I 比較例５ Cr(<-10)SCγ*(80)I 液晶２Ａ Cr(34)SCγ*(101)SA(103)I 3.0 40 上記相系列中の () 内の数値は転移温度 (℃) 、Crは結
晶相、SCγ* はカイラルスメクチックＣγ相（フェリ誘
電相）、SAはスメクチックＡ相、Ｉは等方相をそれぞれ
示す。

【図面の簡単な説明】

【図１】フェリ誘電相における分子配列状態を示す。FI
(+), FI(-)はフェリ誘電状態、FO(+), FO(-)は強誘電状
態を表す。

【図２】フェリ誘電相における三角波に対する光学応答
の例である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者嶺田浩茨城県つくば市和台22番地三菱瓦斯化学株式会社総合研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下記一般式(1) で示されるフェニルエス
テル化合物を下記一般式(2) で示されるフェリ誘電性液
晶に添加してなるフェリ誘電性液晶組成物。【化１】（式(1) 中、ｍは 5〜12、ｎは 1、ｐは１または２、
Ｘ、ＹはＨ原子又は一方がＨ原子で他方がＦ原子であ
り、式(2) 中、ｒは炭素数６〜12の直鎖アルキル基、Ｚ
はＨ原子またはＦ原子、ｑは５〜７の整数、ｓは２、４
の整数である。）
【請求項２】該一般式(2) において、ｒが９である請
求項１記載のフェリ誘電性液晶組成物。
【請求項３】該一般式(1) で示されるフェニルエステ
ル化合物の添加量が組成物の１〜50モル％である請求項
１記載のフェリ誘電性液晶組成物。
【請求項４】該一般式(1) で示されるフェニルエステ
ル化合物の添加量が組成物の１〜30モル％である請求項
１記載のフェリ誘電性液晶組成物。
【請求項５】該フェリ誘電相の高温側の転移温度が40
℃以上で、低温側の転移温度が 0℃以下であり、該フェ
リ誘電相よりも高温側にスメクチックＡ相を有する請求
項１記載のフェリ誘電性液晶組成物。
【請求項６】請求項１記載のフェリ誘電性液晶組成物
を、各画素毎に薄膜トランジスタあるいはダイオード等
の非線形能動素子を設置した基板間に狭持することを特
徴とするアクティブマトリクス液晶表示素子
【請求項７】非線形能動素子を用いた液晶の電圧によ
る駆動を２つのフェリ誘電状態の共存状態、２つの強誘
電状態及びそれらの中間状態へのスイッチングにて行う
請求項６記載のアクテイブマトリックス液晶表示素子。