JP2003064367A

JP2003064367A - 液晶表示素子

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Publication number: JP2003064367A
Application number: JP2001259565A
Authority: JP
Inventors: Kunihiko Kotani; 邦彦小谷
Original assignee: Dainippon Ink and Chemicals Co Ltd
Current assignee: DIC Corp
Priority date: 2001-08-29
Filing date: 2001-08-29
Publication date: 2003-03-05
Anticipated expiration: 2021-08-29
Also published as: JP4876348B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】時分割数1/4DUTY以上でも良好なコントラス
トを有し、低温域において応答速度が速く、使用温度範
囲の広いTN-LCDを提供する。【解決手段】一般式I の化合物5〜20質量%、一般式II の化合物10〜30質量%、一般式III の化合物10〜40質量%、一般式IV の化合物5〜20質量%を含有する液晶材料を使用したツイ
ストネマチック液晶表示素子。（R₁，R₂，R₆およびR₇は
Ｃ1〜16のアルキル基を、R₃はＣ1〜16のアルコキシル基
を、R₄はＣ2〜16のアルケニル基を表す。）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電気光学素子として
有用なツイストネマチック(TN)液晶表示素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示素子(LCD)は、電卓のディスプ
レイとして登場して以来、コンピューターの開発と歩み
を同じくして、TN-LCDから、STN-LCDへと表示容量の拡
大に対応してきた。STN-LCDは、シェファー(Scheffer)
等［SID '85 Digest, 120頁(1985年)］、あるいは衣川
等［SID '86 Digest, 122頁(1986年)］によって開発さ
れ、ワードプロセッサ、パーソナルコンピュータなどの
高情報処理用の表示に広く普及しはじめている。

【０００３】LCDは、急速な用途拡大に伴い、コンピュ
ーターの携帯端末ディスプレイなどのように室内で使用
されるだけでなく、携帯電話や車載用計器、屋外使用計
測機などのように、温度条件の過酷な屋外で使用される
ことが増加してきた。そのため、LCDが置かれる環境の
温度変化による表示コントラストの低下や、低温での応
答速度の低下が原因である表示品位の低下が問題になっ
てきている。車載用LCDに対しては、低温から高温まで
の広い温度範囲での良好な表示品位が要求されている。

【０００４】周囲の温度変化によるLCDの表示品位の低
下の原因には、次のような要因が上げられる。すなわ
ち、液晶材料の弾性定数や誘電率などの温度変化、カイ
ラル物質の添加によって誘起された固有ピッチの温度変
化、複屈折異方性△ｎの温度変化である。STN-LCDで
は、△ｎの温度変化によってパネルの背景色が大きく変
化するため、周囲の温度変化が大きい用途には、TN-LCD
が有用である。TN-LCDはSTN-LCD程の高密度表示はでき
ないが、簡単な漢字表示などには適している。

【０００５】TN-LCDやSTN-LCDは電圧平均化法を用いた
時分割駆動により動作される。電圧平均化法による時分
割駆動では、表示部の印加電圧V_ONと非表示部の印加電
圧V_OF _Fの最適値が時分割数により決まり、V_OFF/V_ONの値
は時分割数が高くなるほど小さくなる。1/4DUTY程度の
時分割数では、簡単な漢字表示が可能であるが、複雑な
表示を行うには1/8DUTY程度の時分割数での駆動が要求
される。ノーマリーブラック方式では、表示OFFの電圧
をV_OFF、表示がONの電圧をV_ONとすると、各時分割駆動
（最適BIAS駆動）でのV_OFF/V_ON値は、次のように決ま
る。1/2DUTY、1/2BIASではV_OFF/V_ON=2.236。1/3DUTY、1
/3BIASではV_OFF/V_ON=1.915。1/4DUTY、1/3BIASではV_OFF
/V_ON=1.732。1/8DUTY、1/4BIASではV_OFF/V_ON=1.446。し
たがってそれぞれの時分割駆動において良好な表示品位
で駆動させるためには、LCDの輝度90%での印加電圧（Vs
at）と輝度10%での印加電圧(Vth)の比である急峻性γ=V
sat/Vthを上記V_OFF/V_ONより小さくすることが必要であ
る。この急峻性γを小さくするには、液晶組材料の弾性
定数比K33/K11を小さくすることが有用であることが知
られている。また、液晶組成物の誘電率異方性△εを小
さくすることが有用であることも知られている。しか
し、△εを小さくすると駆動電圧が高くなるため、その
適用には限界がある。

【０００６】特開昭54-83694号公報には、液晶材料の組
成およびその組成比を変化させて急峻性を小さくしよう
とする提案が知られている。しかしこの方法では、液晶
組成物の粘度が高くなり、応答速度が遅くなるという大
きな欠点があった。このため、車載用計器や屋外使用計
測機のディスプレイのように、低温域での速い応答速度
が求められている用途では、急峻性が小さく、低温での
応答速度が速く、かつ使用温度範囲が広い、1/4DUTY以
上の時分割駆動良好な表示特性を有するTN-LCDが依然と
して求められていた。

【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、1/4DUTY以上の時分割数においても良好な
コントラストを有し、低温域において応答速度の速く、
使用温度範囲の広いTN-LCDを提供することにある。

【０００８】

【課題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、次に述べるTN-LCDを提供する。すなわ
ち、液晶配向制御層と透明電極を有する一対の基板と、
該基板に狭持された液晶材料と、少なくとも一方の前記
基板に設けた偏光板とから構成される液晶表示素子にお
いて、（１）前記液晶材料が第一成分として一般式(I)

【０００９】

【化５】

【００１０】(式中、R₁は炭素原子数1〜16のアルキル基
を表す。)で表される化合物を5〜20質量%含有し、第二
成分として一般式(II)

【００１１】

【化６】

【００１２】(式中、R₂は炭素数1〜16のアルキル基を表
し、R₃は炭素原子数1〜16のアルコキシル基を表す。)で
表される化合物を10〜30質量%含有し、第三成分として
一般式(III)

【００１３】

【化７】

【００１４】(式中、R₄は炭素原子数2〜16のアルケニル
基を表し、R₅は炭素原子数1〜16のアルキル基を表す。)
で表される化合物を10〜40質量%含有し、第四成分とし
て一般式(IV)

【００１５】

【化８】

【００１６】(式中、R₆、R₇は炭素原子数1〜16のアルキ
ル基を表す。)で表される化合物を5〜20質量%含有し、
（２）液晶材料のネマチック相−等方性液体相転移温度
が95〜130℃であり、スメクチック相または固体相-ネマ
チック相転移温度が-60〜-20℃であり、25℃における屈
折率の異方性(Δn)が0.07〜0.12であり、20℃における
粘度が30mPa・s以下であることを特徴とするツイスト角
が80〜110°のツイストネマチック液晶表示素子であ
る。一般式(I)で表される化合物(以下、化合物(I)とい
う)5〜20質量%と一般式(II)で表される化合物(以下、化
合物(II)という)10〜30質量%とを混合した液晶材料は、
弾性定数比K33/K11が小さく、急峻性が小さい。これに
一般式(III)で表される化合物(以下、化合物(III)とい
う)10〜40質量%と、一般式(IV)で表される化合物(以
下、化合物(IV)という)5〜20質量%をさらに加えること
により、液晶温度範囲を広くし、応答速度(特に低温に
おける応答速度)を改善することが出来る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に本発明を具体的に説明す
る。化合物(I)は、含有量が多いとスメクチック相また
は固体相-ネマチック相転移温度が高くなり液晶温度範
囲が狭くなる。これを抑制するためには式中のR₁は、炭
素原子数1〜10が好ましく、2〜7がより好ましい。また
化合物(I)の液晶材料中の含有率は、7〜15質量%が好ま
しい。

【００１８】化合物(II)のR₂は炭素原子数1〜10のアル
キル基が好ましく、さらには、2〜7のアルケニルが好ま
しい。R₃は炭素原子数1〜10のアルコキシル基が好まし
く、さらには2〜7が好ましい。また化合物(II)の液晶材
料中の含有率は20〜30質量%がさらに好ましい。これ以
上含有すると、粘度が高くなり応答速度が遅くなる。ま
た、含有率が10質量%以下では急峻性を改善する効果が
薄い。

【００１９】化合物(III)のR₄は、アルケニル基が好ま
しく、更に式(a)〜(e)で表されるアルケニル基が特に好
ましい。

【００２０】

【化９】

【００２１】(構造式は右端で環に連結しているものと
する。) これらの中でも(c)（n=1,r=1）および(d)（n=0,r=1）で
表されるアルケニル基が特に好ましい。R₄がアルケニル
基である化合物(III)は、R₄がアルキル基である化合物
(III)と比較し、粘度が低くなり応答速度の改善に効果
的である。R₅は炭素原子数1〜10のアルキル基が好まし
く、さらには炭素原子数1〜5が好ましい。また化合物(I
II)の含有率は15〜30質量%がさらに好ましい。

【００２２】ネマチック-等方性液体相転移温度を上げ
るためには、3〜4個のシクロヘキサン環またはフェニル
環で構成される長分子化合物が使用される。しかし、こ
れらの化合物は、固体相又はスメクチック相−ネマチッ
ク相転移温度を上げてしまい、ネマチック液晶温度範囲
を狭めることが多い。化合物(IV)は、化合物(I)、化合
物(II)および化合物(III)に加えることにより、ネマチ
ック-等方性液体相転移温度を上げるが、固体相又はス
メクチック相−ネマチック相転移温度を上げず、結晶析
出もしにくいため、車載用等のTN液晶材料には極めて有
用である。化合物(IV)のR₆およびR₇は炭素原子数が1〜1
0のアルキル基が好ましく、さらに好ましくは炭素原子
数が2〜7のアルキル基である。また、R₆とR₇の炭素原子
数の和は、8以下であることが望ましい。また化合物(I
V)の液晶材料中の含有率は7〜18質量%がさらに好まし
い。また化合物(I)、(II)、(III)及び(IV)の合計は、50
質量%から100質量%が好ましい。本発明のTN-LCDの液晶
使用温度範囲は、-20℃〜80℃がこの好ましい。より好
ましくは、-30℃〜85℃である。本発明のTN-LCDの25℃
における急峻性γ

【００２３】

【数２】 (但し、Vsatは輝度90%における印加電圧であり、Vthは
輝度10%における印加電圧を表す)は1.44以下であり、か
つ-30℃での応答速度τ_-30℃が4000ｍｓ以下であること
が好ましい。急峻性γが1.44以下であると、1/4DUTY以
上の時分割駆動においても良好なコントラストを得るこ
とができ、-30℃での応答速度が4000msec以下であれ
ば、車載用計器や屋外使用計測機のディスプレイとして
好ましい。

【００２４】

【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。また、以下の実施例及び比較例の組成物における
「%」は『質量%』を意味する。

【００２５】実施例中、測定した特性は以下の通りであ
る。 T_NI ：ネマチック相−等方性液体相転移温度(℃) T_-N ：固体相又はスメクチック相−ネマチック相転
移温度(℃) Vth ：90°ツイストセル中に液晶材料を注入し、25℃
で1kHz矩形波の電圧を印加したときの、輝度90%での印
加電圧(V) Vsat ：90°ツイストセル中に液晶材料を注入し、25℃
で1kHz矩形波の電圧を印加したときの、輝度10%での印
加電圧(V) γ ：VsatとVthの比 Δn ：25℃における複屈折率 η ：20℃での液晶材料の粘度(mPa・s) τ_25℃：25℃におけるレスポンス(msec) (1/4Duty,1/3Biasで駆動した時の立ち上がり時間と立ち
下がり時間を足した値) τ_-30℃：-30℃におけるレスポンス(msec) (1/4duty 1/3baisで駆動したときの立ち上がり時間と立
下り時間を足した値) TN-LCD表示素子の作成は以下のように行った。ネマチッ
ク液晶組成物にカイラル物質「S-811」(メルク社製)を
添加して混合液晶を調製し、対向する平面透明電極上に
有機膜をラビングして配向膜を形成したツイスト角90°
のTN-LCDに注入した。なお、カイラル物質はカイラル物
質の添加による混合液晶の固有らせんピッチが10〜50μ
mになるように添加した。

【００２６】化合物の記載に下記の略号を使用する。 -末端のn(数字) : -C_nH_2n+1 ndm- : C_nH_2n+1-CH=CH-(CH₂)_m-1- -T- : -C≡C- -ndm : -(C_nH_2n+1-CH=CH-(CH₂)_m-1) -F : -F -O- : -O- -VO- : -COO- -CN- : -C≡N -OV- : -00C−

【００２７】

【化１０】

【００２８】例えば、以下に表すように略号を用いる。

【００２９】

【化１１】

【００３０】(実施例１、比較例１〜３)液晶材料(1)(実
施例1)、液晶材料A(比較例1)、液晶材料B(比較例2)、液
晶材料C(比較例3)を調整した。また、これらの液晶材料
を使用したTN-LCDを作製した。これらの液晶材料の組成
と組成比を、TN-LCDの特性測定値と合わせて表1に示
す。

【００３１】

【表１】

【００３２】液晶材料(1)：化合物(I)＋化合物(II)＋化合物(III)＋化合物(IV) 液晶材料Ａ：化合物(II) ＋化合物(IV) 液晶材料Ｂ：化合物(IV) 液晶材料Ｃ：化合物(I) ＋化合物(IV) 比較例1に記載の液晶材料Aは、化合物(II)と化合物(IV)
を含有した液晶材料である。これを使用したTN-LCDの急
峻性γは1.420と良好であるが、粘度が高いため応答速
度が遅い。特に-30℃での応答速度は著しく遅い。

【００３３】比較例2に記載の液晶材料Bは、化合物
(I)、化合物(II)および化合物(III)を含有せず、化合物
(IV)を含有した液晶材料である。これを使用したTN-LCD
の急峻性γは1.478と悪く、時分割数を上げて1/4DUTY駆
動を行うと、コントラストが低下し、表示品位が著しく
低下した。

【００３４】比較例3に記載の液晶材料Cは、化合物(I)
と化合物(IV)を含有した液晶材料である。化合物(I)は
弾性定数の小さな液晶化合物として知られている。しか
し化合物(II)を同時に含有しないため、この液晶材料を
使用したTN-LCDの急峻性γ=1.449であり、一応の改善は
みられるものの、1/4DUTY以上の時分割数では、十分な
値は得られなかった。

【００３５】実施例は、化合物(I)、化合物(II)、化合
物(III)、化合物(IV)を特定の組成範囲内で使用したこ
とにより、-49℃から106℃までの非常に幅広いネマチッ
ク温度範囲を有する。このため、この液晶材料を使用し
たTN-LCDは広い温度範囲で使用でき、かつ-30℃におい
ても3410msの応答を有し、かつ急峻性γが1.414と驚く
ほど小さい値を示した。このため、得られたTN-LCDは、
1/4DUTY駆動や1/8DUTY駆動でも、良好なコントラストを
有した。

【００３６】

【発明の効果】本発明は、急峻性γが小さく、低温での
応答速度の速い、広い使用温度範囲を有するTN-LCDを提
供する。従って、本発明のTN-LCDは、1/4DUTY以上に時
分割数を上げても、高いコントラストを有し、低温域に
おいて応答速度の速く使用温度範囲で高いコントラスト
を有する。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液晶配向制御層と透明電極を有する一対
の基板と、該基板に狭持された液晶材料と、少なくとも
一方の前記基板に設けた偏光板とから構成され、ツイス
ト角が80〜110°のツイストネマチック液晶表示素子に
おいて、（１）前記液晶材料が第一成分として一般式
(I) 【化１】 (式中、R₁は炭素原子数1〜16のアルキル基を表す。)で
表わされる化合物を5〜20質量%含有し、第二成分として
一般式(II) 【化２】 (式中、R₂は炭素数1〜16のアルキル基を表し、R₃は炭素
原子数1〜16のアルコキシル基を表す。)で表わされる化
合物を10〜30質量%含有し、第三成分として一般式(III) 【化３】 (式中、R₄は炭素原子数2〜16のアルケニル基を表し、R₅
は炭素原子数1〜16のアルキル基を表す。)で表わされる
化合物を10〜40質量%含有し、第四成分として一般式(I
V) 【化４】 (式中、R₆、R₇は炭素原子数1〜16のアルキル基を表
す。)で表される化合物を5〜20質量%含有し、（２）液
晶材料のネマチック相−等方性液体相転移温度が95〜13
0℃であり、スメクチック相または固体相-ネマチック相
転移温度が-60〜-20℃であり、25℃における屈折率の異
方性(Δn)が0.07〜0.12であり、20℃における粘度が30m
Pa・s以下であることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】液晶表示素子の２５℃における急峻性γ 【数１】 (但し、Vsatは輝度90%における印加電圧であり、Vthは
輝度10%における印加電圧を表す)が1.44以下であり、か
つ-30℃での応答速度τ_-30℃が4000ｍｓ以下であること
を特徴とする請求項１記載のツイストネマチック液晶表
示素子。