JP4506098B2

JP4506098B2 - Liquid crystal composition containing a compound having a 5-membered ring lactone skeleton

Info

Publication number: JP4506098B2
Application number: JP2003123603A
Authority: JP
Inventors: 哲生楠本; 豊長島; 貞夫竹原
Original assignee: DIC Corp
Current assignee: DIC Corp
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2023-04-28
Also published as: JP2004323779A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気光学的液晶液晶表示材料として有用な、誘電率異方性が負のネマチック液晶組成物およびそれを用いた液晶表示素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示素子は、時計、電卓をはじめとしては、家庭用各種電気機器、測定機器、自動車用パネル、ワープロ、電子手帳、プリンター、コンピューター、テレビ等に用いられるようになっている。液晶表示方式としては、その代表的なものに、ＴＮ（捩れネマチック）方式やＳＴＮ（超捩れネマチック）方式、ＤＳ（動的光散乱）方式、ＧＨ（ゲスト・ホスト）方式、ＩＰＳ（インプレインスイッチング）方式、ＯＣＢ（光学補償複屈折）方式、ＥＣＢ（電圧制御複屈折）方式、ＶＡ（垂直配向）方式、ＦＬＣ（強誘電性液晶）等をあげることができる。また、駆動方式としても従来のスタティック駆動からマルチプレックス駆動が一般的になり、単純マトリックス方式、最近では、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）やＭＩＭにより駆動されるＡＭ（アクティブマトリックス）方式が主流になっている。
【０００３】
これらの表示方式において、ＩＰＳ方式、ＥＣＢ（電圧制御複屈折）方式やＶＡ（垂直配向）方式は、現在汎用のＴＮ方式やＳＴＮ方式と異なり、誘電率異方性が負の液晶材料を用いる特徴を有する。これらの中で、ＶＡ方式は高速で広視野角の要求される表示素子として、特にテレビ等への応用が現在も友期待されている。
【０００４】
これまで、液晶材料はその方式に応じて、非常に多くの化合物が設計・合成されてきたが、ＶＡ方式に必要は誘電率異方性が負の液晶材料についてはそれほど多くの化合物が知られているわけではない。実際には2,3-ジフルオロ-1,4-フェニレン基を有する化合物（特許文献１参照）に限られているのが実情である。そのため、Δεの絶対値が十分に大きくないことから低電圧駆動等の特性に問題があった。
【０００５】
一方、５員環ラクトン構造を有する液晶化合物は大きな分極率を有し、また光学活性体が合成できることから、ＦＬＣ方式への応用を目指し多くの化合物が合成されてきたが、ＶＡ方式用の誘電率異方性が負の液晶材料として検討されたことはなかった（特許文献２―６参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−３０９８５７号公報
【特許文献２】
特開昭６４−６２９９８号公報
【特許文献３】
特開昭６４−２４４３３６号公報
【特許文献４】
特開昭６５−３２３７１０号公報
【特許文献５】
特開昭６３−２１２０９３号公報
【特許文献６】
特開平７−３０９８５７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、誘電率異方性が負であって絶対値の大きい液晶組成物を提供し、さらにそれを用いたＶＡ方式用の液晶表示素子を提供することにある。
【０００８】
【発明を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、分子内に５員環ラクトン骨格を含む液晶性化合物を少なくとも１種含有し、その誘電率異方性が負であることを特徴とするネマチック液晶組成物及びこれを用いた液晶表示素子を提供する。
【０００９】
本発明の液晶組成物は、分子内に５員環ラクトン骨格を含む液晶性化合物を含有するため、分子内に５員環ラクトン骨格を含む液晶性化合物が有する負の誘電率を効率的に用いてVA等の表示方式に使用したときに低電圧駆動を可能とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
すなわち、本発明における液晶組成物は、分子内に５員環ラクトン骨格を含む液晶性化合物を少なくとも１種含有するが、一般式（I）または（II）
【化５】

で表される５員環ラクトン骨格を分子内に含む液晶性化合物を少なくとも１種含有することが好ましい。
【００１１】
さらに、分子内に５員環ラクトン骨格を含む液晶性化合物が一般式（III）
【化６】

で表される化合物であることがさらに好ましい。
【００１２】
ここで、５員環ラクトン骨格（Lact）は先に示した一般式（I）または（II）であるが、中でも（I）が好ましい。（I）の骨格では２つの不斉炭素を有しており、光学活性体となりうるが、ラセミ体が好ましい、また、（I）の骨格ではシス体とトランス体があるが、どちらかまたは混合物でもかまわないが、トランス体が好ましい。
【００１３】
R¹およびR²はおのおの独立して炭素数１〜１０の飽和または不飽和のアルキル基、アルコキシル基、アルカノイルオキシ基またはアルコキシカルボニル基を表すが、炭素数１〜１０の飽和または不飽和のアルキル基またはアルコキシル基が好ましい。
【００１４】
La〜Ldはおのおの独立して単結合、-CH₂CH₂-、-CH₂O-、-OCH₂-、-COO-、-OCO-または-C≡C-を表すが、単結合、-CH₂CH₂-、-CH₂O-、-OCH₂−が好ましい。
【００１５】
A〜Dはおのおの独立してトランス-1,4-シクロヘキシレン基、トランス-デカヒドロナフタレン-2,6-ジイル基、トランス-1,3-ジオキサン-2,5-ジイル基、１個または２個のフッ素原子で置換されてもよい1,4-フェニレン基、１個または２個のフッ素原子で置換されてもよい1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン-2,6-ジイル基または１個から３個のフッ素原子で置換されてもよいナフタレン-2,6-ジイル基を表すが、トランス-1,4-シクロヘキシレン基、トランス-デカヒドロナフタレン-2,6-ジイル基、１個または２個のフッ素原子で置換されてもよい1,4-フェニレン基が好ましく、トランス-1,4-シクロヘキシレン基、１個または２個のフッ素原子で置換されてもよい1,4-フェニレン基が特に好ましい。
n¹〜n⁴はおのおの独立して０または１を表すが、少なくともひとつは１を表すことが好ましい。
５員環ラクトン骨格を含む液晶性化合物の含有量は、液晶性が低下しない範囲でどのような含有率で含んでもよいが、１〜３０質量％の範囲が好ましく、１〜２０質量％であることがより好ましい。
【００１６】
５員環ラクトン骨格を有する化合物以外の第２成分として、一般式（IV）
【化７】

で表される化合物を少なくとも１種類含有することができる。
【００１７】
ここで、式中、R³およびR⁴はおのおの独立して炭素数１〜１０の飽和または不飽和のアルキル基またはアルコキシル基を表す。
Y¹およびY²はおのおの独立して単結合、-CH₂CH₂-または-CH₂O-を表す。
環Eおよび環Fはトランス-1,4-シクロヘキシレン基、トランス-デカヒドロナフタレン-2,6-ジイル基、１個または２個のフッ素原子で置換されてもよい1,4-フェニレン基を表し、トランス-1,4-シクロヘキシレン基、１個または２個のフッ素原子で置換されてもよい1,4-フェニレン基が好ましい。
mは０〜２の整数を表す。
【００１８】
５員環ラクトン骨格を有する化合物以外の第２成分として、一般式（V）
【化８】

で表される化合物を少なくとも１種類含有することができる。
【００１９】
ここで、式中、R⁵およびR⁶はおのおの独立して水素原子、炭素数１〜１０の飽和または不飽和のアルキル基またはアルコキシル基を表すが、炭素数１〜１０の飽和または不飽和のアルキル基またはアルコキシル基が好ましい、
Y³は単結合、-CH₂CH₂-または-CH₂O-を表す。
【００２０】
環Gおよび環Hはおのおの独立してトランス-1,4-シクロヘキシレン基、トランス-デカヒドロナフタレン-2,6-ジイル基、１または２個のフッ素原子で置換されてもよい1,4-フェニレン基を表すが、トランス-1,4-シクロヘキシレン基、１または２個のフッ素原子で置換されてもよい1,4-フェニレン基が好ましい。
【００２１】
Lは１〜３の整数を表すが、１または２が好ましい。
【００２２】
本願発明の液晶組成物は、一般式（III）で表される化合物及び一般式（IV）で表される化合物を含有することが好ましく、一般式（III）で表される化合物及び一般式（V）で表される化合物を含有することが好ましく、一般式（III）で表される化合物、一般式（IV）で表される化合物及び一般式（V）で表される化合物を含有することがより好ましい。
【００２３】
上記の化合物を含有する液晶組成物は、負の誘電率異方性を示すが、-2より小さいことが好ましく、また、上限温度70℃以上であり、下限温度が-20℃以下であることが好ましい。
【００２４】
本発明はさらに本発明の液晶組成物を使用した表示素子を提供するが、アクティブマトリックス用に使用することが好ましく、ＶＡ方式に使用することがより好ましい。
【００２５】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳述するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。液晶表示素子は、セル厚3.5μmのVA-LCD用表示セルを作製し、液晶組成物をこのセルに注入して構成した。
実施例中、測定した特性は以下の通りである。
T_N-I ：ネマチック相−等方性液体相転移温度（℃）
Δε ：誘電異方性（25℃及び1kHz）
Δn ：複屈折（20℃及び589nm）
η ：粘度（mPa・s）（20℃）
Vth ：しきい値電圧（V）（25℃）
【００２６】
（実施例１、２及び比較例１）液晶組成物の調整
以下の液晶組成物（Ｍ−１）を作成した。
【化９】

【００２７】
実施例１の液晶組成物として、（Ｍ−１）の95%と（IIIa）
【化１０】

で表される化合物5%からなる液晶組成物（Ｍ−２）を調整した。又、実施例２の液晶組成物として、
【００２８】
組成物（Ｍ−１）の95%と（IIIb）
【化１１】

で表される化合物5%からなる液晶組成物（Ｍ−３）を調整した。
さらに、（Ｍ−１）の90%と（IIIa）5%及び（IIIb）5%からなる液晶組成物（Ｍ−４）を調整した。
【００２９】
比較例として（Ｍ−１）を含めたこれらの液晶組成物の物性を測定しその結果を表１に示す。
【表１】

表１より、実施例1、2及び3は大きい負の誘電率異方性の絶対値を有することがわかる。
本発明の液晶組成物により、優れた表示品位のＶＡ型液晶表示素子を作成することができた。
【００３０】
【発明の効果】
本発明により、大きい負の誘電率異方性の絶対値を有する液晶組成物を提供することが可能となった。又、本願発明の液晶組成物はＶＡ型の液晶表示素子の低電圧化に効果的である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nematic liquid crystal composition having a negative dielectric anisotropy useful as an electro-optical liquid crystal liquid crystal display material, and a liquid crystal display device using the same.
[0002]
[Prior art]
Liquid crystal display elements are used in various electric appliances for home use, measuring instruments, automobile panels, word processors, electronic notebooks, printers, computers, televisions, as well as watches and calculators. Typical liquid crystal display methods include TN (twisted nematic) method, STN (super twisted nematic) method, DS (dynamic light scattering) method, GH (guest / host) method, IPS (in-plane switching). ) System, OCB (optical compensation birefringence) system, ECB (voltage controlled birefringence) system, VA (vertical alignment) system, FLC (ferroelectric liquid crystal), and the like. As a driving method, multiplex driving is generally used instead of conventional static driving, and a simple matrix method, and recently, an AM (active matrix) method driven by a TFT (thin film transistor) or MIM has become mainstream.
[0003]
In these display methods, the IPS method, the ECB (voltage controlled birefringence) method, and the VA (vertical alignment) method are different from the currently general-purpose TN method and STN method, and use a liquid crystal material having a negative dielectric anisotropy. Have Among these, the VA system is still expected to be applied to a television or the like as a display element that requires a high speed and a wide viewing angle.
[0004]
So far, a large number of compounds have been designed and synthesized according to the type of liquid crystal material, but so many compounds are known for liquid crystal materials with negative dielectric anisotropy necessary for the VA mode. I don't mean. Actually, it is actually limited to compounds having a 2,3-difluoro-1,4-phenylene group (see Patent Document 1). Therefore, since the absolute value of Δε is not sufficiently large, there is a problem in characteristics such as low voltage driving.
[0005]
On the other hand, since a liquid crystal compound having a 5-membered ring lactone structure has a large polarizability and an optically active substance can be synthesized, many compounds have been synthesized for application to the FLC system. It has never been studied as a liquid crystal material with negative rate anisotropy (see Patent Documents 2-6).
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 7-309857 [Patent Document 2]
JP 64-62998 [Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 64-244336 [Patent Document 4]
JP 65-323710 A [Patent Document 5]
JP 63-212093 A [Patent Document 6]
Japanese Patent Laid-Open No. 7-309857
[Problems to be solved by the invention]
The problem to be solved by the present invention is to provide a liquid crystal composition having a negative dielectric anisotropy and a large absolute value, and further providing a VA liquid crystal display device using the same.
[0008]
[Means for Solving the Invention]
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present invention contains at least one liquid crystalline compound containing a 5-membered lactone skeleton in the molecule and has a negative dielectric anisotropy. A nematic liquid crystal composition and a liquid crystal display device using the same are provided.
[0009]
Since the liquid crystal composition of the present invention contains a liquid crystalline compound having a 5-membered ring lactone skeleton in the molecule, the negative dielectric constant of the liquid crystalline compound having a 5-membered ring lactone skeleton in the molecule is efficiently used. Low voltage drive is possible when used for display methods such as VA.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
That is, the liquid crystal composition of the present invention contains at least one liquid crystalline compound containing a 5-membered lactone skeleton in the molecule, but the general formula (I) or (II)
[Chemical formula 5]

It is preferable to contain at least one liquid crystalline compound containing a 5-membered lactone skeleton represented by
[0011]
Furthermore, liquid crystalline compounds containing a 5-membered lactone skeleton in the molecule are represented by the general formula (III)
[Chemical 6]

It is further more preferable that it is a compound represented by these.
[0012]
Here, the 5-membered lactone skeleton (Lact) is the general formula (I) or (II) shown above, and (I) is particularly preferable. The skeleton of (I) has two asymmetric carbons and can be an optically active form, but a racemate is preferable, and a cis form and a trans form exist in the skeleton of (I), either or a mixture However, a trans isomer is preferable.
[0013]
R ¹ and R ² each independently represent a saturated or unsaturated alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an alkoxyl group, an alkanoyloxy group, or an alkoxycarbonyl group, but a saturated or unsaturated alkyl group having 1 to 10 carbon atoms. Group or alkoxyl group is preferred.
[0014]
La to Ld each independently represent a single bond, —CH ₂ CH ₂ —, —CH ₂ O—, —OCH ₂ —, —COO—, —OCO— or —C≡C—, CH ₂ CH ₂ —, —CH ₂ O—, and —OCH ₂ — are preferred.
[0015]
A to D are each independently trans-1,4-cyclohexylene group, trans-decahydronaphthalene-2,6-diyl group, trans-1,3-dioxane-2,5-diyl group, one or two 1,4-phenylene group optionally substituted with 1 fluorine atom, 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene-2,6-diyl group optionally substituted with 1 or 2 fluorine atoms or 1 Represents a naphthalene-2,6-diyl group which may be substituted with 3 to 3 fluorine atoms, but trans-1,4-cyclohexylene group, trans-decahydronaphthalene-2,6-diyl group, 1 Or a 1,4-phenylene group which may be substituted by two fluorine atoms, a trans-1,4-cyclohexylene group, a 1,4-phenylene group which may be substituted by one or two fluorine atoms The group is particularly preferred.
n ^{1 to} n ⁴ each independently represents 0 or 1, but preferably at least one represents 1.
The content of the liquid crystal compound containing a 5-membered ring lactone skeleton may be included in any content as long as the liquid crystallinity is not lowered, but the range of 1 to 30% by mass is preferable, and 1 to 20% by mass. It is more preferable.
[0016]
As the second component other than the compound having a 5-membered lactone skeleton, the compound represented by the general formula (IV)
[Chemical 7]

Can contain at least one compound represented by the formula:
[0017]
Here, in the formula, R ³ and R ⁴ each independently represent a saturated or unsaturated alkyl group or alkoxyl group having 1 to 10 carbon atoms.
Y ¹ and Y ² each independently represent a single bond, —CH ₂ CH ₂ — or —CH ₂ O—.
Ring E and Ring F are a trans-1,4-cyclohexylene group, a trans-decahydronaphthalene-2,6-diyl group, a 1,4-phenylene group which may be substituted with one or two fluorine atoms. A trans-1,4-cyclohexylene group and a 1,4-phenylene group optionally substituted by one or two fluorine atoms are preferred.
m represents an integer of 0-2.
[0018]
As the second component other than the compound having a 5-membered lactone skeleton, the general formula (V)
[Chemical 8]

Can contain at least one compound represented by the formula:
[0019]
Here, in the formula, R ⁵ and R ⁶ each independently represent a hydrogen atom, a saturated or unsaturated alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or an alkoxyl group, but a saturated or unsaturated group having 1 to 10 carbon atoms. An alkyl group or an alkoxyl group is preferred,
Y ³ represents a single bond, —CH ₂ CH ₂ — or —CH ₂ O—.
[0020]
Ring G and Ring H are each independently a trans-1,4-cyclohexylene group, a trans-decahydronaphthalene-2,6-diyl group, or 1,4-optionally substituted fluorine atoms. A phenylene group, which is a trans-1,4-cyclohexylene group and a 1,4-phenylene group which may be substituted with one or two fluorine atoms, is preferred.
[0021]
L represents an integer of 1 to 3, but 1 or 2 is preferable.
[0022]
The liquid crystal composition of the present invention preferably contains a compound represented by the general formula (III) and a compound represented by the general formula (IV), and the compound represented by the general formula (III) and the general formula ( It is preferable to contain the compound represented by V), and it contains the compound represented by general formula (III), the compound represented by general formula (IV), and the compound represented by general formula (V). Is more preferable.
[0023]
The liquid crystal composition containing the above compound exhibits negative dielectric anisotropy, but is preferably less than −2, and has a maximum temperature of 70 ° C. or higher and a minimum temperature of −20 ° C. or lower. Is preferred.
[0024]
The present invention further provides a display device using the liquid crystal composition of the present invention, but it is preferably used for an active matrix, and more preferably used for a VA system.
[0025]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is further explained in full detail, this invention is not limited to these Examples. The liquid crystal display element was constructed by producing a VA-LCD display cell having a cell thickness of 3.5 μm and injecting a liquid crystal composition into the cell.
In the examples, the measured characteristics are as follows.
T _NI : Nematic phase-isotropic liquid phase transition temperature (° C)
Δε: Dielectric anisotropy (25 ° C and 1kHz)
Δn: birefringence (20 ° C. and 589 nm)
η: Viscosity (mPa · s) (20 ° C)
Vth: Threshold voltage (V) (25 ° C)
[0026]
Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 Adjustment of Liquid Crystal Composition The following liquid crystal composition (M-1) was prepared.
[Chemical 9]

[0027]
As the liquid crystal composition of Example 1, 95% of (M-1) and (IIIa)
[Chemical Formula 10]

A liquid crystal composition (M-2) comprising 5% of the compound represented by the formula: Further, as the liquid crystal composition of Example 2,
[0028]
95% of composition (M-1) and (IIIb)
Embedded image

A liquid crystal composition (M-3) comprising 5% of the compound represented by the formula:
Further, a liquid crystal composition (M-4) comprising 90% of (M-1), 5% of (IIIa) and 5% of (IIIb) was prepared.
[0029]
As a comparative example, physical properties of these liquid crystal compositions including (M-1) were measured, and the results are shown in Table 1.
[Table 1]

From Table 1, it can be seen that Examples 1, 2 and 3 have a large absolute value of negative dielectric anisotropy.
With the liquid crystal composition of the present invention, it was possible to produce a VA liquid crystal display element with excellent display quality.
[0030]
【The invention's effect】
According to the present invention, a liquid crystal composition having a large absolute value of negative dielectric anisotropy can be provided. The liquid crystal composition of the present invention is effective for lowering the voltage of a VA liquid crystal display element.

Claims

General formula (III) containing a 5-membered lactone skeleton in the molecule

(Where Lact is the formula (I) or (II)

R ¹ and R ² each independently represents a saturated or unsaturated alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an alkoxyl group, an alkanoyloxy group or an alkoxycarbonyl group, and La to Ld each independently represents a single bond. _{_{, -CH 2 CH 2 -, -}} CH 2 O -, - OCH 2 -, - COO -, - OCO- or represents -C≡C-, to D are each independently trans-1,4- Silene group, trans-decahydronaphthalene-2,6-diyl group, trans-1,3-dioxane-2,5-diyl group, 1,4-phenylene optionally substituted by one or two fluorine atoms A 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene-2,6-diyl group which may be substituted with one or two fluorine atoms or a naphthalene group which may be substituted with 1 to 3 fluorine atoms 2,6-diyl group, n ^{1 to} n ⁴ each independently represents 0 or 1, but not all 0. A nematic liquid crystal composition comprising one or more liquid crystalline compounds represented by formula (1), wherein the dielectric anisotropy is less than −2.

2. The liquid crystal composition according to claim 1, wherein La to Ld are each independently a single bond, —CH ₂ CH ₂ —, —CH ₂ O—, —OCH ₂ —, or —C≡C—.

1,4-phenylene in which A to D are each independently substituted with a trans-1,4-cyclohexylene group, a trans-decahydronaphthalene-2,6-diyl group, one or two fluorine atoms The liquid crystal composition according to claim 1 or 2, which is a group.

4. The liquid crystal composition according to claim 1, wherein R ¹ and R ² are each independently a saturated or unsaturated alkyl group or alkoxyl group having 1 to 10 carbon atoms.

Lact liquid crystal composition according to any one of claims 1 to 4 is (I).

Nematic liquid crystal phase is the upper limit temperature of 70 ° C. above, the liquid crystal composition according to any one of claims 1 to 5, the lower limit temperature of -20 ° C. or less.

Formula (IV)

(Wherein R ³ and R ⁴ each independently represents a saturated or unsaturated alkyl group or alkoxyl group having 1 to 10 carbon atoms, Y ¹ and Y ² each independently represent a single bond, —CH ₂ CH ₂ -or -CH ₂ O- represents ring E and ring F substituted with trans-1,4-cyclohexylene group, trans-decahydronaphthalene-2,6-diyl group, 1 or 2 fluorine atoms is represents may also be 1,4-phenylene group, m is according to any one of claims 1 to 6, containing a compound represented by the representative.) an integer of 0 to 2 one or more Liquid crystal composition.

General formula (V)

(Wherein R ⁵ and R ⁶ each independently represent a hydrogen atom, a saturated or unsaturated alkyl or alkoxyl group having 1 to 10 carbon atoms, Y ³ represents a single bond, —CH ₂ CH ₂ — or — CH ₂ O— represents that ring G and ring H are each independently substituted with a trans-1,4-cyclohexylene group, a trans-decahydronaphthalene-2,6-diyl group, or one or two fluorine atoms. represents may also be 1,4-phenylene group, L is as defined in claim 1 containing a compound represented by the representative.) an integer from 1 to 3 one or more Liquid crystal composition.

The liquid crystal composition according to any one of claims 1 to 8 the content of the liquid crystal compound comprising a 5-membered ring lactone skeleton in its molecule is in the range of 1 to 30 wt%.

The liquid crystal display device using the liquid crystal composition according to any one of claims 1 to 9.

The liquid crystal display element according to claim 10, which is displayed in a VA mode.