JP2007211149A

JP2007211149A - 液晶材料および液晶表示装置

Info

Publication number: JP2007211149A
Application number: JP2006033239A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Toko; 康夫都甲
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2006-02-10
Filing date: 2006-02-10
Publication date: 2007-08-23
Also published as: TWI433913B; TW200736371A

Abstract

【課題】
新規なナノ粒子を利用した液晶材料、およびその液晶材料を用いた液晶表示装置を提供する。
【解決手段】
液晶材料は、液晶母材と、液晶母材に添加された金属酸化物のナノ粒子と、を含む。液晶表示装置は、対向配置された一対の透明基板と、透明基板の対向面上に形成された透明電極と、透明電極を覆って、透明基板の対向面上に形成された配向膜と、対向基板の配向膜間に挟持された、液晶母材と、液晶母材に添加された金属酸化物のナノ粒子と、を含む液晶材料層とを含む液晶表示素子と、透明電極に接続され、デューティー駆動信号を供給する駆動回路と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、液晶材料および液晶表示装置に関し、とくに動作速度を改善できる液晶材料および液晶表示装置に関する。

フラットパネル表示装置として、液晶表示装置は種々優れた点を有する。但し、液晶表示装置の応答速度は、プラズマパネルなどと比べて、遅いのが弱点とされている。

一般的な液晶表示装置は，液晶分子の配向を電界で変化させて表示を制御する。液晶表示装置の動作速度は，電界を印加しないオフ状態から電界を印加したオン状態とし、液晶分子が実効的に配向変化し終わるまでの立ち上がり応答速度と、オン状態からオフ状態とし、液晶分子が実効的に配向変化し終わるまでの立下り応答速度によって決まる。立ち上がり応答速度は、印加電圧波形の形状などによって改善できることが知られている。立下り応答速度は，液晶材料の特性の影響を受けることが知られている。立ち下がり特性を改善することは、容易でなく、液晶表示装置の最大の弱点とされてきた。

液晶に２色性色素をゲストとして添加した，ゲストホスト型液晶表示装置が知られている。２色性色素の向きによって、表示の色を変化させる。

特開２００１−３３７３５１号は、ゲストホスト型液晶はオン時とオフ時の光透過率の差が小さいことを指摘し、ネマチック液晶に２色性色素と共にナノ粒子を添加することを提案している。ナノ粒子は例えば、カーボン数が２４〜９６のカーボンナノチューブで構成する。オン時に、ナノ粒子が２色性色素の配列を散乱させ、光吸収を増大させると説明されている。

特開２００４−３４７６１８号は、液晶母材に直径１ｎｍ〜１００ｎｍの金属ナノ粒子を添加し、印加電界の周波数を低周波から高周波に切り換えることにより電気光学応答をオンにし、高周波から低周波に切り換えることにより電気光学応答をオフにする液晶表示装置を提案する。電気光学応答の周波数変調範囲は、例えば２０ヘルツ〜１００キロヘルツである。ナノ粒子の金属材料は、例えばＡｇ，Ｐｄ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｓｎ，Ｐｂである。

特開２００１−３３７３５１号公報特開２００４−３４７６１８号公報

ナノ粒子は、様々な分野で利用され、種々の効果を生み出している。上述の提案で用いられているナノ粒子は、カーボンおよび金属で形成されているが、ナノ粒子は種々の材料で形成されている。ナノ粒子によって生じる現象は未だ十分解明されていない。

本発明の目的は、新規なナノ粒子を利用した液晶材料、およびその液晶材料を用いた液晶表示装置を提供することである。

本発明の１観点によれば、
液晶母材と、
前記液晶母材に添加された金属酸化物のナノ粒子と、
を含む液晶材料
が提供される。

本発明の他の観点によれば、
対向配置された一対の透明基板と、前記透明基板の対向面上に形成された透明電極と、前記透明電極を覆って、前記透明基板上に形成された配向膜と、前記対向基板の配向膜間に挟持され、液晶母材と、前記液晶母材に添加された金属酸化物のナノ粒子と、を含む液晶材料とを含む液晶表示素子と、
前記透明電極に接続され、デューティー駆動信号を供給する駆動回路と、
を有する液晶表示装置
が提供される。

液晶母材に、金属酸化物のナノ粒子を添加すると、少なくとも液晶の立下り応答速度が改善されることが判った。

以下、本発明者が行った実験に沿って説明する。

紫外線カット用塗料などに用いる金属酸化物のナノ粒子が市販されている。本発明者は、金属酸化物のナノ粒子として、シーアイ化成製のＳ１（Ｓはサンプルを指す）：ＩＴＯ，Ｓ２：Ａｌ２Ｏ３（アルミナ），Ｓ３：コバルトブルー、Ｓ４：ＣｅＯ２，Ｓ５：Ｆｅ２Ｏ３，Ｓ６：Ｆｅ３Ｏ４，Ｓ７：ＭｇＯ，Ｓ８：ＴｉＯ２（チタニア），Ｓ９：Ｙ２Ｏ３、および三菱マテリアル製のＳ１Ａ：ＩＴＯ，触媒化成製のＳ８Ｂ：ＴｉＯ２を入手した。ナノ粒子の直径はいずれも３０ｎｍ程度であるが、粒径分布を有する。ナノ粒子の材料としては９種類であるが、ＩＴＯとＴｉＯ２のナノ粒子はそれぞれ２種類あるので、ナノ粒子の種類は１１種である。これらの金属酸化物のナノ粒子を、処理することなく、ネマチック液晶に直接混ぜ、超音波などで分散させた液晶材料を作成した。これらの液晶材料を用いて、ツイステッドネマチック（ＴＮ）液晶表示セルを作成した。

図１Ａ，１Ｂは、液晶表示セルの構成を概略的に示す平面図、および断面図である。一対の透明基板１１Ａ，１１Ｂの対向表面上に透明セグメント電極ＳＥＧ，および透明コモン電極ＣＯＭ１，ＣＯＭ２がインジウムー錫―酸化物（ＩＴＯ）で形成され、透明電極を覆って透明基板上に配向膜１３Ａ，１３Ｂが塗布され、直交方向にラビング処理されている。透明基板１１Ａ，１１Ｂの外側表面上に一対の偏光子Ｐ１，Ｐ２が設けられている。両透明基板間はシール材１５でシールされ、セルギャップ４μｍに調整されている。セルギャップに上記１１種類の金属酸化物ナノ粒子を０．１ｗｔ％ずつ添加した誘電率異方性Δε＞０のネマチック液晶を充填した。さらに比較用に、ナノ粒子を添加しない（従来技術による）比較サンプルＣ０も作成した。

セグメント電極ＳＥＧとコモン電極ＣＯＭ１，ＣＯＭ２との間には駆動回路ＤＲＩが接続されている。これらのサンプルの各電極に電圧波形を印加して応答速度の測定を行った。

図１Ｃは、セグメント電極ＳＥＧ，コモン電極ＣＯＭ１，ＣＯＭ２に印加された電圧波形、及びセグメント電極ＳＥＧとコモン電極ＣＯＭ１が対向する部分の液晶層，セグメント電極ＳＥＧとコモン電極ＣＯＭ２蛾対向する部分の液晶層に印加された電圧波形を示す。ＳＥＧ−ＣＯＭ１（ＳＥＧ−ＣＯＭ２）は、セグメント電極ＳＥＧとコモン電極ＣＯＭ１（ＣＯＭ２）間に印加される電圧を示す。１／２デューティー、フレーム周波数１ｋＨｚで液晶セルを駆動した。

電圧印加による１０％から９０％の立ち上がり時間ＲｉｓｅＴｉｍｅ，印加電圧解除による９０％から１０％への立ち下がり時間ＤｅｃａｙＴｉｍｅ，電圧オンの瞬間から９０％までの立ち上がり時間Ｔ０ＲｉｓｅＴｉｍｅ，電圧オフの瞬間から１０％までの立ち下がり時間Ｔ０ＤｅｃａｙＴｉｍｅを測定した。

図２は、測定結果を示すテーブル１である。比較用サンプルＣ０を基準としてみると、立ち上がり応答速度（ＲｉｓｅＴｉｍｅ，Ｔ０ＲｉｓｅＴｉｍｅ）は、良くなるものも悪くなるものもある。立ち下がり応答速度（ＤｅｃａｙＴｉｍｅ，Ｔ０ＤｅｃａｙＴｉｍｅ）は、金属酸化物のナノ粒子を添加した全サンプルＳ１〜Ｓ９で改善されている。特にＳ７（ＭｇＯ），Ｓ９（Ｙ２Ｏ３）における立下り応答速度の高速化が著しい。

テーブル１の測定を行なったサンプルはナノ粒子の添加量が０．１ｗｔ％であったが、次に、金属酸化物ナノ粒子の添加量を０．０２ｗｔ％、１．０ｗｔ％と変化させた時の応答速度の変化をＹ２Ｏ３ナノ粒子で調べた。

図３Ａ，３Ｂは、添加量０．１ｗｔ％のときの測定値と併せ、添加量０．０２ｗｔ％、１．０ｗｔ％の測定結果を示すテーブル２およびグラフである。添加量を０．０２ｗｔ％に減少すると、応答速度の改善効果がやや弱まる。添加量を１．０ｗｔ％と増加させてもあまり効果は認められない。比較サンプルＣ０を併せて考慮する時、立ち下がり特性（ＤｅｃａｙＴｉｍｅ，Ｔ０ＤｅｃａｙＴｉｍｅ）は、０ｗｔ％〜０．０２ｗｔ％、０．０２ｗｔ％〜０．１ｗｔ％の範囲では金属酸化物のナノ粒子の添加により明らかな改善が示されている。添加量０．１ｗｔ％〜１．０ｗｔ％の範囲では図３Ｂに示されるように特性が安定している。金属酸化物のナノ粒子添加量を０．１ｗｔ％より増加しても応答特性の変化は少ない。なお、液晶に混合したナノ粒子は、添加量０．０２ｗｔ％の場合でも半分程度は凝集していた。全量を均一に分散できれば、添加量を半分にしても同等の効果を期待できるであろう。

これらの結果から、液晶母材に金属酸化物のナノ粒子を０．０２ｗｔ％〜１．０ｗｔ％添加すると、液晶材料の立下り応答特性が改善されることが期待される。但し、過剰に金属酸化物のナノ粒子を添加する必要はないので、液晶母材に金属酸化物のナノ粒子を０．０２ｗｔ％〜０．５ｗｔ％添加するのが好ましいであろう。より好ましくは金属酸化物のナノ粒子の添加量は、０．１ｗｔ％以下であろう。

使用したナノ粒子の直径は３０ｎｍ程度であったが、使用できる金属酸化物のナノ粒子の直径は１ｎｍ〜１００ｎｍ程度であろう。特に、１０ｎｍ〜５０ｎｍが好ましいであろう。

さらに、対向電極間にゲートパルス（５Ｖ、４０μｓｅｃ）を印加し、保持時間（１６．６ｍｓｅｃ）における電圧保持率を測定した。比較サンプルとして金属酸化物ナノ粒子を添加しないものＣ０の他、バルクの性質が良導電体である金属（Ａｕ）のナノ粒子を添加したサンプルＣ１も作成し、測定した。

図４は、サンプルＳ１（ＩＴＯ），Ｓ８（ＴｉＯ２），Ｓ８Ｂ（ＴｉＯ２）、Ｃ０（ナノ粒子なし）、Ｃ１（Ａｕ）の電圧保持率を示すテーブル３である。Ｃ０，Ｓ８，Ｓ８Ｂで９９％以上の保持率が測定されている。良導電体Ａｕのナノ粒子を添加したサンプルＣ１では、４．２４％まで下がっている。導電体であるＩＴＯのナノ粒子を添加したサンプルＳ１では、サンプルＣ１よりは高いものの、１５．０３％まで下がっている。電圧保持率の観点からは、バルクが導電体材料のナノ粒子を用いるのは好ましくないと考えられる。即ち、電圧保持特性も考慮する場合、絶縁性金属酸化物のナノ粒子を液晶母材に添加するのが好ましいであろう。

以上、限られた例に従って説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、アルミナと酸化コバルトの混合物と考えられるコバルトブルーでアルミナより改善された応答速度が得られているのは、酸化コバルトのナノ粒子を添加したときのよりよい改善を示唆する。またＹ２Ｏ３で特に優れた改善が認められたが、類似の性質を示す、遷移金属酸化物を用いた時、類似の応答速度の改善が期待できよう。ＴＮ液晶の場合を説明したが、スーパーツイステッドネマチック（ＳＴＮ），ゲストホスト（ＧＨ），コレステリック（Ｃｈ＊）モードの液晶表示装置も動作原理が同一であるので、同様の効果が期待できよう。単純マトリックス電極の他、セグメント電極、アクティブマトリクス電極を用いても、改善が期待できよう。その他、種々の改良、置換、組合わせなどが可能なことは当業者に自明であろう。

図１Ａ，１Ｂ、１Ｃは、実験に用いた液晶表示セルの構成を概略的に示す平面図、断面図、および印加電圧の波形を示すグラフである。図２は、金属酸化物ナノ粒子を添加した液晶の応答速度の測定結果を示すテーブル１である。図３Ａ，３Ｂは、Ｙ２Ｏ３ナノ粒子の添加量を変化させたときの応答速度の測定結果を示すテーブルおよびグラフである。図４は、サンプルＳ１（ＩＴＯ），Ｓ８（ＴｉＯ２），Ｓ８Ｂ（ＴｉＯ２）、Ｃ０（ナノ粒子なし）、Ｃ１（Ａｕ）の電圧保持率を示すテーブルである。

符号の説明

１１透明基板、
１２透明電極、
１３配向膜、
１５シール材、
１７液晶材、
Ｐ偏光子、
ＤＲＩ駆動回路、
ＣＯＭコモン電極、
ＳＥＧセグメント電極、

Claims

液晶母材と、
前記液晶母材に添加された金属酸化物のナノ粒子と、
を含む液晶材料。
前記金属酸化物は、インジウム−錫−酸化物（ＩＴＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化コバルト、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３，Ｆｅ３Ｏ４）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、遷移金属酸化物のいずれかを含む請求項１記載の液晶材料。
前記金属酸化物は、絶縁性金属酸化物である請求項２記載の液晶材料。
前記ナノ粒子の添加量が、０．０２ｗｔ％〜０．５ｗｔ％の範囲である請求項２または３記載の液晶材料。
前記ナノ粒子の添加量が、０．１ｗｔ％以下である請求項４記載の液晶材料。
対向配置された一対の透明基板と、前記透明基板の対向面上に形成された透明電極と、前記透明電極を覆って、前記透明基板の対向面上に形成された配向膜と、前記対向基板の配向膜間に挟持された請求項１〜５のいずれか１項記載の液晶材料とを含む液晶表示素子と、
前記透明電極に接続され、デューティー駆動信号を供給する駆動回路と、
を有する液晶表示装置。
前記液晶表示素子が、ツイステッドネマチック、スーパーツイステッドネマチック、ゲストホスト、コレステリック（Ｃｈ＊）のいずれかの表示モードで動作する請求項６記載の液晶表示装置。