JP2885862B2 - 強誘電性液晶組成物 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は強誘電性液晶組成物に関する。さらに詳しく
は、光学活性基を有する強誘電性液晶組成物に関する。

［従来の技術］ 現在の液晶表示素子は、主にネマチック液晶組成物を
用いたTN（Twisted Nematic）型である。このTN型の液
晶表示素子は、製造工程が簡便で、消費電力が低いなど
の長所を有するので、時計、電卓、テレビ、ワードプロ
セッサ、ラップトップコンピュータなどに幅広く用いら
れている。しかし、このネマチック液晶組成物を用いた
TN型液晶表示素子には、画像表示の応答速度が遅い、表
示容量に限界があるなどの問題があり、これを解決する
ために高速応答性、メモリ性などのネマチック液晶材料
にはない性質を有する強誘電性液晶材料を用いた液晶表
示素子の開発が盛んに行なわれている（エヌ エー ク
ラーク（N.A.Clark）ら、アプライド フィジクス レ
ターズ（Appl.Phys.lett.），36,899（1980）参照）。

強誘電性液晶材料の液晶相は、一般にスメクチックC^*
（Sc^*）相またはスメクチックH^*（S_H ^*）相とよばれ、層
構造を有し、かつらせん構造を示す液晶であり、液晶分
子の長軸が層の法線に対して傾きをもっており、この傾
きの方向がらせんを描くように各層間で規則的に異なっ
ている。第５図は強誘電性液晶材料の分子配向の説明図
である。第５図において（６）は液晶分子、（７）は自
発分極、（８）は層の法線に対して液晶分子のなす角
（チルト角）θ、（９）は層間のらせんの一周期に相当
する長さ（らせんピッチ）、（10）は層境界面を示す。
分子長軸の垂直方向すなわち層に平行なある方向に一定
のしきい値以上の電圧を印加すると、液晶分子（６）は
層法線と一定角θを保ちながらコーン型の側面に沿って
回転し、自発分極（７）の方向が電界の方向を向くよう
に配列する。実際に表示素子として用いる場合には、透
明電極を有し、その上に配向処理を施したガラス基板間
に強誘電性液晶材料を挟持し、その液晶パネルのセルギ
ャップをらせんピッチ以下にすることにより、らせん構
造を解いて液晶分子を一定方向に向けた状態で用いられ
る。

この表示方法に用いる強誘電性液晶材料には以下のよ
うな特性が要求される。

室温を含む広い温度範囲（一般には−30〜60℃より広
い温度範囲）でSc^*相などの強誘電性液晶相を示すこ
と。

強誘電性液晶の電界に対する応答速度τが τ＝η/Ps・Ｅ （η：粘度、Ps:自発分極、E:電界）で表わされるの
で、大きな自発分極を持ち、かつ低粘性を示すこと。

高コントラストをうるために、22.5°または45°のチ
ルト角を有すること。

良好な配向を実現するために、強誘電性液晶相がSc^*
相のばあいには、好ましくは Ｉ → Ch → S_A → Sc^* （I:等方性相、Ch:コレステリック相、S_A：スメクチッ
クＡ相、Sc^*：スメクチックC^*相） の相系列であること。

液晶パネル内でらせんピッチを解いて良好な配向をう
るため、Ch相、Sc^*相において充分に長いらせんピッチ
をもつこと。

しかし、以上の条件を満たす単体の強誘電性液晶材料
は皆無に等しいので、種々の特性をもつ液晶材料を混合
することにより目標とする特性を達成しようとしてい
る。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、種々の特性を有する強誘電性液晶材料
の混合により目標とする特性を有する液晶組成物をえよ
うとすると、前記の５つの条件のすべてを考慮にいれな
がら調製しなければならず、このような強誘電性液晶材
料の組合わせを見出すことは非常に困難であり、また、
調製される組成物の粘性が一般に高くなるため、非カイ
ラルなフメクチックＣ相を有する液晶材料を添加する方
法がとられてきている。

しかし、一般に非カイラル成分（非カイラルなスメク
チックＣ相を有する液晶材料）の含有率が液晶組成物中
に30％（重量％、以下同様）未満のばあいには、強誘電
性液晶組成物全体としての自発分極、相系列などの特性
の変化が少ない反面、らせんピッチの増大や粘性の低下
もあまり期待できず、一方、非カイラル成分の含有率が
30％以上のばあいには強誘電性液晶組成物の粘性の低下
以上に自発分極の減少が大きくなって、応答速度が遅く
なるという問題がある。また、スメクチックＣまたはC^*
相を示す液晶材料同士を混合するばあいに、混合物がス
メクチックＣまたはC^*相を形成しうるかどうか検討する
必要があり、相溶性のよい液晶材料同士しか混合できな
いという問題もある。

すなわち、一般に、強誘電性液晶組成物を調製するに
は、分子形状、自発分極、らせんピッチの大きさ、方向
などの異なる強誘電性液晶材料同士を諸特性を考慮にい
れながら混合する必要がある。このとき、非カイラルな
スメクチックＣ相を有する液晶材料を添加すると自発分
極の極性、らせんピッチのねじれ方向、チルト角などを
変えることなく、らせんピッチを増大させ、粘性を低下
させ、強誘電性液晶相となる温度範囲を拡大させること
ができるが、自発分極の大きさは、非カイラル成分の増
加にしたがって直線的に減少し、それに伴って応答速度
も遅くなる傾向がみられる（第３図参照）。また、分子
形状の異なる液晶材料同士を混合するばあいには、２種
以上の液晶材料が共存するためスメクチックＣまたはC^*
相を形成しえないこともある。

なお、第３図は従来の強誘電性液晶組成物における非
カイラルなスメクチックＣ相を有する材料の含有割合と
自発分極および応答速度との関係を示すグラフである。

本発明は室温を含む広い温度範囲で強誘電性液晶相を
示し、配向性に優れ、低粘性で高速応答の可能な強誘電
性液晶組成物を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 前記の問題の解消を目的とする強誘電性液晶組成物も
検討されており（特開平１−101390号公報参照）、強誘
電性液晶組成物中に非カイラルなスメクチックＣ相を示
す液晶化合物または組成物を75％以上添加したとき、自
発分極の減少にともなう応答速度の遅延よりも低粘性化
による高速応答化が優先的におこるとしているが、本発
明では、非カイラルなスメクチックＣ相を有する材料と
して粘性をより低下させるエチニレン基を分子構造中に
含む液晶化合物を用いているため、非カイラル成分が75
％以下においても低粘性化が誘起され、非カイラル成分
30％以上のばあいに自発分極の減少にともなう応答速度
の遅延よりも低粘性化による高速応答化が優先的におこ
る。

本発明は、 一般式（Ｉ） （式中、R¹、R²は炭素数１〜20のアルキル基またはアル
コキシ基、Ｘは水素原子またはハロゲン原子、 Q¹は−COO−または−OCO−、Q²はエチニレン基を示す）
で表わされる非カイラルなスメクチックＣ相を示す液晶
化合物の１種以上を含む非カイラル液晶含有物を30重量
％以上含有することを特徴とする強誘電性液晶組成物 に関する。

［実施例］ 本発明の強誘電性液晶組成物には、応答速度を速く
し、強誘電性液晶相を示す温度範囲を広くするために、
一般式（Ｉ）： で表わされる非カイラルなスメクチックＣ相を示す液晶
化合物（以下、化合物（Ｉ）ともいう）の１種以上を含
む液晶含有物（以下、非カイラル液晶含有物ともいう）
が含まれている。

前記一般式（Ｉ）において、R¹、R²はそれぞれ、炭素
数１〜20、好ましくは４〜16のアルキル基またはアルコ
キシ基を示す。炭素数が20をこえると液晶性を示さなく
なり、またR¹、R²がアルキル基またはアルコキシ基以外
の基であるばあいには粘性が高くなる傾向がある。

このようなR¹、R²の具体例としては、たとえばC₄H
₉−、C₅H₁₁−、C₆H₁₃−、C₇H₁₅−、C₈H₁₇−、C₉H₁₉−、
C₁₀H₂₁−、C₁₁H₂₃−、C₁₂H₂₅−、C₁₃H₂₇−、C₁₄H₂₉−、
C₁₅H₃₁−、C₁₆H₃₃−などのアルキル基、C₈H₁₇O−、C₁₀H
₂₁O−、C₁₁H₂₃O−、C₁₂H₂₅O−、C₁₃H₂₇O−、C₁₄H₂₉O
−、C₁₅H₃₁O−、C₁₆H₃₃O−などのアルコキシ基があげら
れる。

前記Ｘは水素原子またはハロゲン原子を示し、 示し、Q¹は−COO−または−OCO−を示す。Ｘ、Ｙ、Q¹が
これら以外の基または原子のばあいには、液晶性を示し
にくくなる。

前記Q²は、エチニレン基を示す。エチニレン基は化合
物（Ｉ）のコア骨格中にあってコアの剛直性を低下さ
せ、化合物（Ｉ）の粘性を低下させる作用がある。

化合物（Ｉ）の具体例としては、たとえば などがあげられる。

化合物（Ｉ）は単独で用いてもよいが、Sc相を示す温
度範囲を広くするという点からは２種以上を併用するの
が好ましい。

このような化合物（Ｉ）は、通常０〜80℃程度の広い
温度範囲においてスメクチックＣ相を示す。

化合物（Ｉ）の割合は、非カイラル液晶含有物中30％
以上、さらには30〜70％であるのが好ましい。該割合が
30％未満では粘性が高く応答速度が遅くなる傾向があ
る。

非カイラル液晶組成物中には、Sc相を示す温度範囲を
広げる目的で、 などの、化合物（Ｉ）以外の非カイラルなスメクチック
Ｃ相を有する液晶化合物が配合されうる。

本発明の組成物に占める非カイラル液晶含有物の割合
は、30％以上、好ましくは30〜90％、さらに好ましくは
30〜70％、とくに好ましくは40〜60％である。該割合が
30％未満では応答速度の改善効果があまりあらわれな
い。また、90％をこえると粘性の低下による高速応答化
よりも自発分極の低下による応答速度の遅延が優先的に
起こる傾向がある。

本発明の組成物に配合されうる前記非カイラル液晶含
有物以外の成分としては、化合物（Ｉ）と同様のコア骨
格を有し、スメクチックC^*相を有する強誘電性液晶化合
物含有物（以下、カイラル液晶含有物ともいう）を含有
するのが前記非カイラル液晶含有物との相溶性がよく、
広い温度範囲で強誘電性液晶相を示し、応答速度が速
く、らせんピッチの大きな強誘電性液晶組成物を容易に
うることができるという点から好ましい。

前記のごとき化合物（Ｉ）と同様のコア骨格を有する
強誘電性液晶化合物の具体例としては、たとえば一般式
（II）： で表わされる強誘電性液晶化合物（以下、化合物（II）
ともいう）があげられる。

前記化合物（II）において、R³は炭素数１〜20、好ま
しくは４〜16のアルキル基またはアルコキシ基、Ｘおよ
びＹは前記と同じ、Q³は−COO−または−OCO−、Q⁴はエ
チレン基またはエチニレン基、ｍは０〜５の整数、ｎは
１〜５の整数、C^*は光学活性炭素を示す。

R³、ｍ、ｎ、Ｘ、Ｙ、Q³およびQ⁴が前記以外のものの
ばあいには、液晶性を示さなくなる傾向がある。前記R³
の具体例としては、たとえばC₆H₁₃O−、C₈H₁₇O−、C₁₀H
₂₁O−、C₁₂H₂₅O−、C₆H₁₃O−、C₈H₁₇O−、C₁₀H₂₁O−、C
₁₂H₂₅O−などがあげられる。

化合物（II）の具体例としては、たとえば などがあげられる。

化合物（II）は、単独で用いてもよいが、Sc^*相を示
す温度範囲を拡げる、自発分極、らせんピッチなどの諸
特性を調製するなどの点からは２種以上を併用するのが
好ましい。

化合物（II）の割合は、カイラル液晶含有物中10％以
上、さらには40〜80％であるのが好ましい。該割合が10
％未満では非カイラル液晶含有物と混合した際、Sc^*相
の相溶性がわるくなり、相分離を起こす可能性がある。

カイラル液晶含有物中に含有されうる前記化合物（I
I）以外の成分の具体例としては、たとえば などの強誘電性液晶化合物があげられる。

本発明の組成物には、一般式（Ｉ）で表わされるエチ
ニレン基をコア骨格中に含む非カイラルなスメクチック
Ｃ相を有する液晶化合物を構成成分とする非カイラル液
晶含有物が30％以上配合されているので、応答速度が大
きく改善される。これは、一般式（Ｉ）で表わされる液
晶化合物がコア骨格中にコアの剛直性を低下させる結合
（エチニレン基）が含まれているため、30％未満では低
粘度化による応答速度の改善は見られるものの余り大き
な効果は現れないのに対して、30％以上では非カイラル
成分の増加による自発分極の低下に伴う応答速度の遅延
よりも、一般式（Ｉ）の低粘性液晶化合物を含む非カイ
ラルスメクチックＣ液晶含有物の添加に伴う低粘性化に
よる応答速度の向上が優先的に起こるためである。この
ような本発明の液晶組成物は広い温度範囲で強誘電性液
晶相を示し、応答速度が速く、らせんピッチの大きな強
誘電性液晶組成物である。さらに、カイラル成分とし
て、化合物（Ｉ）と同一または類似のコア骨格を有する
強誘電性液晶化合物（II）を構成成分とするカイラル液
晶含有物を用いたばあいには、同系列のコア骨格を有す
る液晶化合物をカイラル成分・非カイラル成分の双方に
含んでいるため相溶性がよく、広い温度範囲で強誘電性
液晶相を示し、応答速度が速く、らせんピッチの大きな
強誘電性液晶組成物となる。

以下に本発明の強誘電性液晶組成物を、実施例により
さらに詳細に説明するが、本発明はかかる実施例に限定
されるものではない。

実施例１ 式： で表わされる化合物と式： で表わされる非カイラルなスメクチックＣ相を有する液
晶化合物とを等重量ずつ混合して非カイラル液晶含有物
（以下、含有物（Ａ）という）を調製した。含有物
（Ａ）の相転移温度、相判定を以下に示す方法によって
行なったところ、 であった。（N:ネマチック相） ついで含有物（Ａ）と式（III）： で表わされる強誘電性液晶化合物とを、含有物（Ａ）の
含有割合が０％、15％、30％、35％、60％、70％および
100％になるように混合して相転移温度、自発分極、ピ
ッチの長さおよび応答速度を以下に示す方法によって測
定した。第１図にこの混合系の25℃における自発分極
と、20V_O-P印加時の応答速度の濃度依存性を示し、第２
図に相図を示す。

第１図より、自発分極は非カイラルなスメクチックＣ
相を有する組成物（含有物（Ａ））の割合の増加に従い
ほぼ直線的に減少しているが、含有物（Ａ）の割合が約
30％未満の範囲では含有物（Ａ）の割合の増加にともな
う粘性の低下にしたがって応答速度が速くなっており、
30％以上ではさらに応答速度が速く、30〜60％では最も
速い応答速度を示し、ほぼ一定値を示していることがわ
かる。またこの組成比の範囲ではらせんピッチも50μｍ
以上と充分に長く、良好な配向性を示した。

以上の結果から、本発明に用いる非カイラルなスメク
チックＣ相を有する液晶含有物（Ａ）を強誘電性液晶化
合物（III）に、えられる組成物中の割合が30％以上に
なるように配合することにより、配向が良好で高速応答
が可能な強誘電性液晶組成物がえられることがわかる。

（相転移温度、相判定） 偏光顕微鏡観察、DSC（示差走査熱量計）により行な
う。

（応答速度） 第４図に示す構成の、セルギャップ２μｍの液晶セル
を用い、20V_O-Pの矩形波を印加したときの電圧印加時か
ら透過光量90％変化点までの時間を応答速度とした。な
お、第４図は強誘電性液晶セルの断面図であり、図にお
いて（１）は偏光板、（２）はガラス基板、（３）は透
明電極、（４）はラビング処理を施したポリイミド配向
膜、（５）は前記強誘電性液晶組成物を示す。

（自発分極） 前記液晶セルを用い、30V_O-Pのサイン波を印加し、ソ
ーヤタワー法により自発分極を測定する。

（らせんピッチ） セルギャップが100μｍである以外は前記液晶セルと
同様の構造の液晶セルを用い、転傾線の間隔よりらせん
ピッチを測定する。

実施例２ 式： で表わされる化合物と式： で表わされる強誘電性液晶化合物とをそれぞれ70％、30
％の組成比で混合してカイラル液晶含有物（以下、含有
物（Ｂ）という）を調製した。含有物（Ｂ）の相転移温
度、相判定を行なったところ、 であった。

ついで含有物（Ｂ）と実施例１の含有物（Ａ）とを混
合して実施例１と同様にして相転移温度、自発分極、ピ
ッチの長さおよび応答速度を測定したところ、実施例１
とほぼ同様に非カイラル成分が30％以上の組成比におい
て良好な結果がえられた。

以上の結果から実施例１の含有物（Ａ）を強誘電性液
晶を含有する含有物（Ｂ）に、えられる組成物中の割合
が30％以上になるように配合することにより、配向が良
好で高速応答が可能な強誘電性液晶組成物がえられるこ
とがわかる。

［発明の効果］ 以上のように本発明の強誘電性液晶組成物は、コア骨
格中にコアの剛直性を低下させる結合基であるエチニレ
ン基を有することにより低粘性を示す一般式（Ｉ）で表
わされる非カイラル液晶化合物を構成成分とする非カイ
ラルなスメクチックＣ相を有する液晶組成物を30％以上
含有するので、低粘性で、強誘電性液晶相を広い温度範
囲で示し、配向が良好で、高速応答の可能な強誘電性液
晶組成物である。さらに、スメクチックC^*相を有する強
誘電性液晶成分として化合物（Ｉ）と同一または類似の
コア骨格を有する化合物（II）を構成成分とする強誘電
性液晶材料を用いるばあいには、本発明の組成物はカイ
ラル成分と非カイラル成分が同系列のコア構造を有して
いることにより、相溶性がよく、強融電性液晶相を広い
温度範囲で示し、配向性に優れ、低粘性で高速応答の可
能な強誘電性液晶組成物となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１の強誘電性液晶組成物における非カイ
ラル成分の含有割合と自発分極および応答速度との関係
を示すグラフ、第２図は実施例１の強誘電性液晶組成物
の相図、第３図は従来の強誘電性液晶組成物における非
カイラルなスメクチックＣ相を有する化合物の含有割合
と自発分極および応答速度との関係を示すグラフ、第４
図は強誘電性液晶セルの断面図、第５図は強誘電性液晶
材料の分子配向を示す説明図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田畑 伸 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社材料研究所内 (72)発明者 増見 達生 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社材料研究所内 (72)発明者 加峯 茂行 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社材料研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−188653（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C09K 19/20,19/34

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一般式（Ｉ）： （式中、R¹、R²は炭素数１〜20のアルキル基またはアル
   コキシ基、Ｘは水素原子またはハロゲン原子、Ｙは Q¹は−COO−または−OCO−、Q²はエチニレン基を示す） で表わされる非カイラルなスメクチックＣ相を示す液晶
   化合物の１種以上を含む非カイラル液晶含有物を30重量
   ％以上含有することを特徴とする強誘電性液晶組成物。