JP2768365B2

JP2768365B2 - 液晶組成物

Info

Publication number: JP2768365B2
Application number: JP1161149A
Authority: JP
Inventors: 昭宏望月; 光章廣瀬; 秀雄浜; 正勝中塚
Original assignee: Mitsui Chemicals Inc; Fujitsu Ltd
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc; Fujitsu Ltd
Priority date: 1989-06-24
Filing date: 1989-06-24
Publication date: 1998-06-25
Anticipated expiration: 2013-06-25
Also published as: KR910000995A; DE69005925D1; DE69005925T2; EP0405868A3; EP0405868A2; EP0405868B1; JPH0326785A; KR930011164B1; US5169556A

Description

【発明の詳細な説明】〔概要〕液晶組成物に関し、広い動作温度範囲、特に低温領域
においても有効に動作しかつ高いメモリ安定性、配向均
一性等の特性を得る目的で、従来の液晶に加え更に所定
構造の強誘電性液晶を数種類、所定量配合した液晶組成
物として構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は液晶組成物に関し、更に詳しくは従来液晶に
更に所定のナフタレン構造を有する液晶を所定割合で配
合することにより高コントラスト、配向良好、メモリ安
定性および高速応答を達成しうるようにした液晶組成物
に関する。

〔従来技術および発明が解決しようとする課題〕

従来、ワードプロセッサ、ラップトップコンピュータ
等の表示素子として、液晶表示素子は、平板型、低消費
電力であることから広く用いられている。特にスーパー
ツイステッドネマティック（STN）型液晶表示は640×40
0ドット等の比較的表示容量が大きなディスプレイに適
用できることからパーソナルコンピュータ等にも広く用
いられている。

しかし、液晶ディスプレイの表示容量が増加し、より
機能の高いワードプロセッサ、パーソナルコンピュータ
への適用が図られるに伴い、従来のSTNでは表示スピー
ド、表示背景色、視野角などの点で適用が困難になって
きている。

そこで、従来の液晶ディスプレイのこれらの欠点を解
消する表示方式として強誘電性液晶表示（Ferroelectri
c Liquid Crystal Display）FLCDが提案された（N.A.Cl
ark and S.T.Lagerwall,J.Applied Physics Letters 3
6,899（1980））。FLCDは、液晶分子の持つ分極の方向
が一方向にそろうため自発分極を示し、この自発分極が
印加電界の極性反転により反転するため強誘電性を示
す。従って、駆動の方法としては、まず、プラスあるい
はマイナスの極性のパルス状電界を印加し、液晶分子の
自発分極の向きをそろえておき、分極の向きがそろった
後は、液晶の強誘電性、すなわち自発分極の方向を変え
ない液晶のメモリ効果により表示内容を保持し、逆極性
の電界印加によって、はじめて自発分極の向きを変える
性質を利用して行う。従って、FLCDでは、液晶のメモリ
効果を安定に保つことが必要条件となるが、従来の強誘
電性液晶では、安定駆動に必要な十分メモリ効果が得ら
れないか、たとえ得られたとしても、応答時間が長く、
FLCDの特長を十分発揮することができなかった。

そのため、FLCDの特長の一つである高速応答が可能
で、なおかつ十分な安定なメモリ効果を有する液晶材料
の開発が求められている。

従来のFLCDは、エステル系化合物、フェニルピリミジ
ン系化合物を主体とする混合物が主として用いられてい
るが、いずれの組成物も十分安定なメモリ効果が得られ
ていない。これは主として個々の液晶分子と基板界面と
のクローン相互作用がうまく適合しないため、マイクロ
ドメインが発生したり、ある程度配向したとしても、ジ
グザグ欠陥が多数発生してしまうからである。

このような状況において本発明者らは、液晶分子のコ
アユニット部にナフタレン環を有するナフタレン系液晶
を用いることにより高速で、安定なメモリ効果を有する
FLCDが可能となることを提案した（特願昭62-25831
1）。ナフタレン系液晶は従来のFLCDと異なりジグザグ
欠陥の発生が見られず、均一性に優れた液晶配向を可能
とする材料であり、従来の材料に比べ際立って良好なメ
モリ性を有する材料である。

しかし、ナフタレン系液晶は一般に粘度が高く、特に
15℃以下の温度では粘度の増加が著しく、その結果とし
て低温領域（＜10℃）での応答時間が急激に長くなると
いう欠陥を持つ。

そこで、本発明者らは、低温領域で比較的低粘度を保
つ従来の液晶の特徴を残し、なおかつナフタレン系液晶
の持つ良好な配向性、安定なメモリ性を持つ液晶材料を
検討した。まず、従来の低粘度フェニルピリミジン系混
合液晶とナフタレン系液晶の混合を検討した。これまで
の検討により一般にフェニルピリミジン系液晶とナフタ
レン系液晶とは相溶性が低く、混合により強誘電相を示
す温度範囲が著しく狭くなることがわかっている。そこ
で、低粘度の従来液晶をベースとし、強誘電相温度範囲
を広く保つ範囲で、種々のナフタレン系液晶を混合し、
安定なメモリ性を付与することを試みた。その結果、同
じナフタレン系液晶でも分子構造の差異によって、従来
液晶との相溶性に著しい差があることの知見を得、次の
液晶組成物とする場合には、本発明の初期の効果が得ら
れることの知見を得て本発明を完成した。

〔課題を解決するための手段、発明の作用および効果〕

上記課題を解決するため、本発明の液晶組成物は、次の（Ｉ）〜（IV）の群：（Ｉ）群（式中、R₁は炭素数６〜16のアルキル又はアルコキシ
基を表わし、R₂はC₁〜C₆アルコキシ基で置換されていて
もよい光学活性炭素を少くとも１個有する炭素数４〜13
のアルキル基を表わす）で表わされる化合物５〜60重量％、（II）群（式中、R₁は炭素数６〜16のアルキル又はアルコキシ
基を表わし、R₂は光学活性炭素を少なくとも１個有する
炭素数４〜13のアルキル又はアルコキシ基を表わす）で表わされる化合物５〜60重量％、（III）群（式中、R₁は炭素数６〜16のアルキル又はアルコキシ
基を表わし、R₂は光学活性炭素を少なくとも１個有する
炭素数４〜13のアルキル又はアルコキシ基を表わす）で表される化合物５〜60重量％、および（IV）群（前記各式中、R₃およびR₄は、共に炭素数６〜16のア
ルキル基を表わし、R₂は炭素数４〜13の少なくとも１つ
の光学活性炭素を有するアルキル基を表わす。なお、光
学活性炭素原子に結合する元素としてハロゲン元素も含
む）で表わされる少なくとも１種の化合物５〜70重量％を
含むことを特徴とする。

更に別の発明の液晶組成物においては、前記（Ｉ）〜
（IV）群の化合物に加え、更に次の（Ｖ）群：（Ｖ）群化合物（式中、R₁は炭素数６〜16のアルキル又はアルコキシ
基を表わし、R₂は光学活性炭素を少なくとも１個有する
炭素数４〜13のアルキル基を表わす。）に属する化合物
を少なくとも１種を５〜40重量％含むことを特徴とす
る。

すなわち、この発明の液晶組成物は、（Ｖ）群の化合
物について自発分極拡大の効果が大であることの知見を
得て完成したものであり、この液晶組成物は、（Ｉ）〜
（IV）の化合物に配合することにより液晶の全体の粘度
を高めない範囲で液晶の応答速度を一層高める効果を有
する。

このような本発明の液晶組成物に関して、液晶が作る
層構造の面から説明をつけ加えるなお、前記（Ｉ）〜（Ｖ）群の全ての化合物における
R₁,R₃およびR₄の基は直鎖でも又は分枝鎖を有していて
もよい。

一般に強誘電性液晶を用いたディスプレイでは、理想
的にはClark等が報告しているように、液晶が作る層構
造が、基板に対し垂直になっている（第１図参照、図
中、１は基板、２は層構造をそれぞれ示す）。このよう
な構造はブックシェルフ構造とよばれ、かかる構造の液
晶を用いたディスプレイでは高コントラスト、秀れた配
向性メモリ安定性および高速応答性が可能となる。

しかし、従来の強誘電性液晶では、実際には第２図
（図中、１は基板、２は層構造を示す）に示すように層
が『く』の字に曲がっていることが知られている。
『く』の字に曲がっている構造（シェブロン構造）で
は、強誘電性液晶の本来の電気−光学スイッチングが起
こらず、また、層構造そのものが、不安定となるためデ
ィスプレイデバイスへの実用化の観点から著しい問題と
なっている。すなわち、シェブロン構造では、層が曲が
っているので、個々の液晶分子の分極が相殺され、マク
ロな自発分極が小さくなり、応答が遅くなる。また、個
々の分子の向きが異なるため、メモリ状態での分極が不
安定化し、メモリ性が低下する。さらに『く』の字の層
折れ曲がり部分がお互いに接する部分（第２図参照）で
は、液晶分子配向の境界で光りの進行状態が変化するた
め、ディスクリネーションと呼ばれるドメインウォール
が発生する。このディスクリネーション部分は表示とし
ては、表示欠陥（ジグサグ欠陥）となるので、コントラ
ストが低下するという問題を生ずる。

従って、強誘電性液晶本来の表示を行うためには、層
が基板に垂直となる構造（ブックシェルフ構造）とする
ことが不可欠であると言える。本発明は、ブックシェル
フ構造を造ることができる液晶材料組成物に係わるもの
である。

本発明液晶組成物は、前記の４つの液晶群に属する液
晶化合物の混合物で構成される。

液晶群（Ｉ）は、ブックシェルフ構造を造る本質的な
液晶である。

（II）も、ブックシェルフ構造を造る本質的な液晶で
あり、液晶相温度範囲が比較的高温側に広いことを特長
とする液晶である。

（III）も、ブックシェルフ構造を造る本質的な液晶
であり、粘度が比較的低いことを特長とする液晶であ
る。

（IV）は、（Ｉ），（II），（III）群から構成され
る液晶と共に用い、専ら液晶温度範囲（動作温度範囲）
を広げる役目を果たすものである。

すなわち、本発明の液晶組成物の効果であるブックシ
ェルフ構造を造り、高コントラスト、安定なメモリ性を
得るためには、液晶群（Ｉ），（II），（III）群の液
晶化合物は、必須材料であり、（IV）群の液晶化合物
は、任意成分である。

しかし、本発明の本発明液晶組成物においては、ブッ
クシェルフ構造を造る本質的材料である（Ｉ），（I
I），（III）群の液晶化合物を、実用的見地から液晶材
料に要求される諸特性を満たすために、（IV）群の液晶
化合物を用いるものである。すなわち、本来は、
（Ｉ），（II），（III）群の液晶化合物のみで組成物
を構成することが、ブックシェルフ構造を安定化するこ
とに効果がもっとも大きいが、実用的見地から、液晶粘
度、動作温度範囲等の条件を満たし、液晶ディスプレイ
として、十分な性能を出すために、（IV）群の化合物が
使われる。

一般には、（Ｉ）群の化合物がもっともブックシェル
フ構造を与えやすいものである。従って、基本的には、
（Ｉ）群の化合物をできるかぎり多用したい。しかし、
一般にナフタレン系液晶は、粘度が高いため、（IV）群
化合物を混合し実用的に適用可能な組成物としている。
また、（II）群の化合物は、特に、動作温度範囲を高温
側に広げる際に有効な材料である。（III）群の化合物
は、ナフタレン系液晶の中では粘度が低く、粘度を大き
く低下させたい時など有効な材料である。実用的には、
（Ｉ），（II），（III）群の化合物を混合し、ある程
度の粘度低下を図ることができるため、（Ｉ），（I
I），（III），（IV）群のすべて、または、一部を混合
して用いることも可能ではある。

（Ｉ），（II），（III）群の液晶化合物は、粘度、
動作温度範囲が実用的なレベルである範囲でできるかぎ
り多用することが有効であり、各群の化合物ともに５〜
60wt％、残りを第（IV）群の化合物とするのがよい。す
なわち、一般に（Ｉ）〜（III）群化合物は粘度が高い
ため60wt％を越えて用いると応答時間が著しく長くなり
実用的でない。また、5wt％に満たない混合量ではブッ
クシェルフ構造構築の効果が十分得られない。

また、（IV）群の液晶は（Ｉ）〜（III）群液晶又は
（Ｉ）〜（III）群および、（Ｖ）群液晶と共に用い、
液晶相温度範囲を広げる役目を果たすものである。従っ
て、液晶相温度範囲により、（IV）群液晶の混合比率
は、変わる性質のものである。一般には−10℃〜＋60℃
程度の温度範囲が要求されるため、（Ｉ）〜（III）
群、（Ｉ）〜（III）および（Ｖ）群の液晶の特性に合
わせ５〜70wt％が必要となる。すなわち、5wt％未満で
は温度範囲拡大、特に低温側での拡大の効果がなく、70
wt％を越えてしまうとブックシェルフ構造を維持できな
くなる。

（Ｖ）群液晶は主として十分な自発分極を得ることを
目的とし５〜40wt％の範囲で用いられる。この場合、5w
t％未満では自発分極拡大の効果が得られず40wt％を越
えるとブックシェルフ構造の維持が困難となる。

以下、更に本発明を実施例により説明する。

〔実施例〕

実施例１次に示す（Ｉ）〜（IV）群に属する化合物を以下に記
載する割合で配合し液晶組成物を得た（以下組成１とい
う。なお、下記に示す式において＊印は光学活性炭素で
あることを表す）。

組成１実施例２次に示す（Ｉ）〜（IV）群に属する化合物を以下に記
載する割合で配合し液晶組成物（以下、組成２という）
を得た。

組成２実施例３次に示す（Ｉ）〜（IV）群に属する化合物を以下に示
す割合で配合し、液晶組成物（以下、組成３という）を
得た。

組成３実施例４次に示す（Ｉ）〜（Ｖ）群に属する化合物を以下に示
す割合で配合し液晶組成物（以下組成４という）を得
た。

組成４実施例５次に示す（Ｉ）〜（Ｖ）群に属する化合物を以下に示
す割合で配合し液晶組成物（以下組成５という）を得
た。

組成５比較例１および２本発明の液晶組成物を構成する群の一部を欠いている
液晶組成物を比較のため作成した。比較例１は以下に示
すように（II）群の化合物を欠いている液晶組成物（以
下、組成６という）である。

組成６更に比較例２は以下に示すように（II）群および（II
I）群の化合物をそれぞれ欠いている液晶組成物（以
下、組成７という）である。

組成７実施例６評価用パネル各実施例および比較例の液晶組成物に関し、次の評価
用パネルを用いて表示特性を評価した。大きさ50×60mm
²、厚さ1.1mmの透明電極付ガラス基板を用い、PVA（ポ
リビニルアルコール）を液晶配向膜とした。PVA膜はラ
ビングを行い、パネルギャップは2.0μｍとした。この
パネルに表１の各液晶組成物を封入し、電気−光学応答
特性を評価した。

評価内容（１）各評価パネルを、クロスニコルにした状態で顕微
鏡観察した。この観察により液晶分子配向の均一性を比
較した。すなわち、ジグザグ状欠陥の有無、および場所
による光透過光量の変化を比較した。

また、メモリの安定性の評価（メモリ保持率）を次の
ようにして行った。長さ400μｓ、波高値15Vのパルス波
を各パネルに印加し、0.5秒後の透過光量を、パルス印
加時の透過光量と比較した。比較は、パルス印加時の透
過率を100％とした時、0.5秒後の透過率が何パーセント
であるかによって行った。すなわち、0.5秒後の光透過
率が高いほどメモリ安定性が高いことになる。

さらに、コントラスト比の評価を、メモリ時、すなわ
ちパルス波印加後0.5秒たった時の「ON」状態、「OFF」
状態の透過率比で行った。

（２）強誘電性液晶の動作温度範囲についての評価強誘電性液晶表示においては、STN液晶表示と異な
り、液晶状態を示す温度のみならず、自発分極の反転が
可能な温度範囲が重要である。すなわち、自発分極の反
転が十分に起こらないとコントラスト、メモリが十分に
ならず、表示素子としての特性が損われてしまうからで
ある。

従って、実用的な強誘電性液晶の動作温度範囲が液晶
組成物の重要な評価の要素となる。本実施例では下記の
条件で測定した。

60×50mm²、厚さ1.1mmの透明導電膜付ガラス基板に、
PVAを塗布し、ラビングを施した。粒径1.6μｍのSiO₂球
をスペーサとして各液晶組成物を封入しパネルを作製し
た。なお、でき上がりのパネルギャップは2.0〜2.2μｍ
であった。

このパネルを恒温槽に入れ、He-Neレーザを光源とし
て電気−光学特性を測定した。駆動は400μｓ長のパル
ス波を0.5秒ごと＋側、−側に入れて行った。なお、波
高値は15Vである（±15V）。駆動時、電気−光学応答が
コントラスト比5:1以上とれる温度範囲を動作温度範囲
とした。

また、粘度の測定は、25℃において、三角波法により
求めた。

以上の各評価項目についての実験結果を第１表に示
す。

なお、比較例７の液晶組成物は粘度は低い。これは、
温度範囲が狭く、25℃ではスメクティックＡ相に近い温
度なので低くなっているものである。実用的液晶組成物
としては、少なくとも10-40℃の動作温度範囲で、25℃
における粘度が400〜550mPa・ｓのものが望ましい。

実施例１、２および４の液晶組成物はいずれもこの条
件を満たしている。また、本発明の液晶組成物は、第１
表の結果から明らかなように比較例のものに較べ、コン
トラスト比、メモリ保持率更には動作温度範囲の全ての
面にわたって秀れた特性を示していることが判明する。

実施例７次に本発明の液晶組成物がブックシェルフ構造を確か
にとっているどうかについて検討した。

一般に強誘電性液晶の層構造は層間隔が数十Åである
ため、通常のＸ線回折で、その構造を見ることができ
る。透過Ｘ線回折により、層間隔に対応したＸ線ピーク
が得られるため、第１図のブックシェルフ構造ではBrag
g角に対応した角度からＸ線が入射した時のみピークが
得られる。従って、ブックシェルフ構造ではシングルピ
ークとなる。

一方、第２図のシェブロン構造では「く」の字に曲が
っている層のの両方に対応するBragg角でピークが得られるため、ダ
ブルピークとなる。

ちなみに、従来の液晶では文献（Japanese Journal o
f Applied Physics Vol.27 No.11,pp.L1993-L1995 Yuki
o Ouchi et al）に示されている通りダブルピークとな
る。（第３図に文献からの例を示す）一方、組成１の液晶組成物については、そのＸ線回折
図（第４図）から明らかなようにシングルピークが得ら
れている。従って、本発明の液晶組成物は確かにブック
シェルフ構造をとっていることがわかる。なお、第３図
および第４図中、αはＸ線入射方向に対する液晶セルの
回転角であり、液晶層の基板に対する傾き角に対応す
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、従来の液晶に加え更に
所定構造を有する強誘電性液晶を所定量配合した液晶組
成物となるように構成したものであるから、組成物の構
造としてブックシェルフ構造をとることができると共に
低温領域においても比較的低粘度を示し動作可能である
と共に液晶全体としても秀れた配向均一性、および高い
メモリ安定性を奏する効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ブックシェルフ構造を有する液晶の模式図で
あり、第２図は、シェブロン構造を有する液晶の模式図であ
り、第３図は、従来液晶のＸ線回折図であり、第４図は、本発明の液晶組成物のＸ線回折図である。１……基板、２……層構造。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者浜秀雄神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (72)発明者中塚正勝神奈川県横浜市栄区飯島町2882番地 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C09K 19/46 C09K 19/32

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】次の（Ｉ）〜（IV）の群：（Ｉ）群（式中、Ｒは炭素数６〜16のアルキル又はアルコキシ基
を表わし、R₂はC₁〜C₆アルコキシ基で置換されていても
よい光学活性炭素を少なくとも１個有する炭素数４〜13
のアルキル基を表わす）で表わされる化合物５〜60重量％、（II）群（式中、R₁は炭素数６〜16のアルキル又はアルコキシ基
を表わし、R₂は光学活性炭素を少なくとも１個有する炭
素数４〜13のアルキル又はアルコキシ基を表わす）で表わされる化合物５〜60重量％、（III）群（式中、R₁は炭素数６〜16のアルキル又はアルコキシ基
を表わし、R₂は光学活性炭素を少なくとも１個有する炭
素数４〜13のアルキル又はアルコキシ基を表わす）で表わされる化合物５〜60重量％、および（IV）群（前記各式中、R₃およびR₄は、共に炭素数６〜16のアル
キル基を表わし、R₂は炭素数４〜13の少なくとも１つの
光学活性炭素を有するアルキル基を表わす。なお、光学
活性炭素原子に結合する元素としてハロゲン元素も含
む）で表わされる少なくとも１種の化合物５〜70重量％を含
んでなる液晶組成物。
【請求項２】前記（Ｉ）〜（IV）群の化合物に加え、更
に次の（Ｖ）群：（Ｖ）群化合物（式中、R₁は炭素数６〜16のアルキル又はアルコキシ基
を表わし、R₂は光学活性炭素を少なくとも１個有する炭
素数４〜13のアルキル基を表わす。）に属する化合物を
少なくとも１種を５〜40重量％含んでなる液晶組成物。