JP2008250178A - 液晶表示素子および液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 表示特性を維持しつつ応答特性を向上させることのできる液晶表示素子およびその液晶表示素子を用いた液晶表示装置を提供する。
【解決手段】 偏光板１０の間に、画素電極基板２０と透明電極基板３０とが設けられ、その間に、配向膜４０により挟まれるように液晶層５０が設けられている。液晶層５０は、液晶分子５０Ａと、液晶分子５０Ａにチルト角が付与する分子５０Ｂとを含んでいる。分子５０Ｂにより、液晶分子５０Ａにチルト角を付与することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液晶表示素子およびそれを備えた液晶表示装置に関する。

近年、液晶表示素子を駆動することによって映像表示を行う液晶表示装置が、薄型で軽量かつ消費電力が小さいことから、テレビやモニターなどの画像表示装置や、デジタルカメラ、携帯電話などの情報端末などに広く活用されている。このような液晶表示装置では、液晶表示素子の液晶表示方式として、ネマチック液晶を用いたツイステッドネマチック（ＴＮ；Twisted Nematic）モード、垂直配向（ＶＡ；Vertical Alignment）モード、横電界（ＩＰＳ；In Plane Switching）モード、またはフリンジフィールドスイッチング（ＦＦＳ；Fringe Field Switching）モードが知られている（特許文献１参照。）。また、その他に、強誘電性液晶あるいは反強誘電性液晶を用いた表示モードなども知られている。

図５に、一般的なＶＡモードの液晶表示素子の断面構成を示す。この液晶表示素子では駆動基板２００と対向基板３００との間に液晶層５００が封止され、液晶層５００には液晶分子５００Ａが含まれている。駆動基板２００と対向基板３００との各対向面には、電極２０２，３０２と、互いに対向しない線状突起４１０と、それらを覆う配向膜４００とが設けられている。このＶＡモードでは、電圧を印加していない状態において、液晶分子５００Ａは配向膜４００の面に対しほぼ垂直に配向するようになっている。よって、液晶分子５００Ａは、線状突起４１０近傍の領域では駆動基板２００および対向基板３００の表面に対してわずかに傾斜している（すなわち、チルト角が付与されている）一方で、それ以外の領域では駆動基板２００および対向基板３００の表面に対してほぼ垂直となる姿勢をとっている。この状態の液晶層５００に電圧が印加されると、線状突起４１０近傍の液晶分子５００Ａの傾斜が他の液晶分子５００Ａへ順次伝播し、それらの液晶分子５００Ａは駆動基板２００および対向基板３００の表面に対してほぼ水平に倒れた姿勢をとるように応答する。これにより入射する光が変調されることとなる。これは、ＶＡモードの液晶分子が負の誘電異方性、すなわち分子の長軸方向の誘電率が短軸方向に比べて小さい性質を有しているためである。

しかしながら、駆動基板２００および対向基板３００の表面に対して垂直に配向した液晶分子５００Ａが、電圧の印加に応答して倒れる速度と線状突起４１０近傍の液晶分子５００Ａが倒れる速度との間に差が生じ、電圧印加時に液晶分子５００Ａ全体の応答速度が遅くなるという問題がある。特に、黒から中間色への階調変化では、印加する電圧の変化量が小さいため、応答速度がさらに遅くなる。また、線状突起４１０間の距離を短くすることで、応答速度を速くすることが可能ではあるが、線状突起４１０の上部は、液晶表示素子の透過率に寄与しないので、突起の占める割合が増えると透過率が低下し表示特性が損なわれるという問題がある。

そこで、特許文献２では、上記のようなＶＡモードにおいて、高分子材料によって、液晶分子を基板法線から僅かに傾斜させて保持することでチルト角を付与する技術を提案している。具体的には、光重合性を有するモノマーを添加して組成した液晶層を基板間に封止したのち、電圧を印加して液晶分子にチルト角を付与した状態で露光してモノマーを重合させることにより形成する技術である。これにより、電圧を印加していない状態で、液晶分子の倒れる方向を予め定めておくことができるため、応答速度を向上させることができる。
特開平０６−１６０８７８号公報 特開２００２−３５７８３０号公報

ところが、上記特許文献２の構成では、モノマーを完全に重合させることは容易ではなく、未反応のモノマーがわずかでも残ると液晶材料の電圧保持性を悪化させ、表示特性が損なわれるおそれがある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、良好な表示特性を維持しつつ、応答特性を向上させることのできる液晶表示素子およびそれを備えた液晶表示装置を提供することにある。

本発明の第１の液晶表示素子は、対向配置された一対の基板と、この一対の基板間に設けられる電極および液晶層とを有するものであって、液晶層は、ネマチック液晶相を示す液晶分子と、この液晶分子にチルト角を付与する分子とを含む液晶材料で構成されているものである。ただし、チルト角とは、液晶分子の配向方向に対する傾斜角度をいうものとする。すなわち、液晶分子にチルト角を付与するとは、その液晶分子の配向方向に対する傾斜角度を変化させることをいう。

本発明の第２の液晶表示素子は、対向配置された一対の基板と、この一対の基板間に設けられる電極および液晶層とを有するものであって、液晶層は、ネマチック液晶相を示す液晶分子と、双極子モーメントを有する化１で表される屈曲型分子とを含む液晶材料で構成され、液晶材料は、常誘電体であるものである。

（Ａは２価の基である。Ｗ１およびＷ２は１価の基であり、それぞれは同一でもよく、異なっていてもよい。ただし、Ｗ１−Ａ−Ｗ２の結合角が１８０°未満になり得るものである。ただし、Ｗ１−Ａ−Ｗ２の結合角とは、Ｗ１−Ａ結合とＷ２−Ａ結合とによりなる角度のことであり、この結合角が１８０°未満になり得るとは、時間平均の結合角が１８０°未満になることである。）

本発明の液晶表示装置は、対向配置された一対の基板と、この一対の基板間に設けられる電極および液晶層とを有する液晶表示素子を備えるものであって、液晶層は、ネマチック液晶相を示す液晶分子と、この液晶分子にチルト角を付与する分子とを含む液晶材料で構成されているものである。

本発明の第１および第２の液晶表示素子ならびに液晶表示装置では、液晶層が液晶分子にチルト角を付与する分子、または双極子モーメントを有する化１に示した屈曲型分子を含むことにより、透過率および液晶分子の電圧保持性が損なわれることなく、液晶分子にチルト角が付与される。

本発明の第１および第２の液晶表示素子ならびに液晶表示装置によれば、液晶層が液晶分子にチルト角を付与する分子、または双極子モーメントを有する化１に示した屈曲型分子を含むようにしたので、液晶分子にチルト角が付与され、良好な表示特性を維持しつつ応答特性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る液晶表示装置に搭載される液晶表示素子の断面模式図であり、図１（Ａ）は、駆動電圧が印加されていない状態を表し、図１（Ｂ）は、駆動電圧が印加されている状態を表している。この液晶表示素子の表示モードは、いわゆる垂直配向（ＶＡ）モードである。

この液晶表示素子は、例えば、図１に示したように、互いに対向配置された一対の偏光板１０の間に互いに対向配置された画素電極基板２０および透明電極基板３０と、画素電極基板２０および透明電極基板３０のそれぞれのうちの互いに対向し合う面を覆うように設けられた配向膜４０と、画素電極基板２０と透明電極基板３０との間に配向膜４０を介して封入された液晶層５０とを備えている。すなわち、この液晶表示素子は、一対の偏光板１０の間に、画素電極基板２０と透明電極基板３０とが設けられ、画素電極基板２０と透明電極基板３０との間に、配向膜４０により挟まれるように液晶層５０が設けられた構成を有している。本実施の形態に係る液晶表示素子は、いわゆる透過型液晶表示素子である。

偏光板１０は、入射光に対して特定の偏光成分を透過させる機能を有する光学部材であり、光の振動方向を制御するものである。

画素電極基板２０は、駆動素子を含む駆動回路が形成された透明基板２１の一面に、画素電極２２が設けられた構成を有している。透明基板２１は、例えば、ガラスやプラスチックなどの透明（光透過性）材料により構成されている。

画素電極２２は、液晶層５０に電圧を印加するための一方の電極である。また、画素電極２２は、例えば、複数存在し、マトリックス状の配列パターンを形成している。すなわち、各画素電極２２には、独立して個別に電位が供給されるようになっている。画素電極２２は、例えば、光透過性を有する透明電極であり、例えば、酸化インジウム錫（ＩＴＯ；Indium Tin Oxide）などの透明電極材料により構成されている。

透明電極基板３０は、透明基板３１上に、例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のフィルタがストライプ状に設けられたカラーフィルタ（図示せず）と、有効表示領域のほぼ全面に亘って透明電極３２とが設けられた構成を有している。

透明基板３１は、例えば、ガラスやプラスチックなどの透明（光透過性）材料により構成されている。透明電極３２は、液晶層５０に電圧を印加するためのもう一方の電極であり、例えば、酸化インジウム錫などの透明電極材料により構成されている。

配向膜４０は、液晶層５０に含有される液晶分子５０Ａを所定の配向状態となるように配向させるものである。この配向膜４０は、上記したように、画素電極基板２０および透明電極基板３０のそれぞれの内側面、すなわち液晶層５０に隣接する側の面を覆っている。より具体的には、配向膜４０は、画素電極基板２０においては画素電極２２およびその周辺の基板１１を覆っていると共に、透明電極基板３０においては透明電極３２を覆っている。配向膜４０は、例えば、ポリイミド等の有機材料により構成されており、液晶分子５０Ａを基板面に対して垂直方向に配向させる垂直配向膜である。配向膜４０には、さらに、ラビング等の配向方向を規制する処理が施されていてもよい。

液晶層５０は、負の誘電異方性を有すると共にネマチック液晶相を示す液晶分子５０Ａと、この液晶分子５０Ａにチルト角を付与する分子５０Ｂとを含む液晶材料により構成されている。この液晶層５０では、図１（Ａ）に示したように駆動電圧が印加されていない状態において、液晶分子５０Ａは、画素電極基板２０および透明電極基板３０の表面に対してほぼ垂直の姿勢をとっているが、分子５０Ｂが含まれることで、分子５０Ｂ近傍の液晶分子５０Ａにチルト角が付与される。これにより、液晶分子にチルト角を付与しない場合と比較して応答時間が短縮される。よって、チルト角を付与する分子５０Ｂが含まれることで応答速度が向上し、優れた応答特性が得られる。

液晶材料は、自発分極を有しないものである（自発分極が実質的に０である）ことが好ましい。自発分極を有すると液晶材料の配向が乱れやすくなり、スイッチング性が低下しやすくなるからである。以下、具体的に説明する。自発分極を有すると液晶層内に自己電場が形成され、液晶材料中に存在するイオンがこの自己電場を中和するように液晶層内を移動することで、液晶層と基板との間に存在する絶縁層（配向膜など）に電荷が蓄積される。この状態において駆動電圧を印加しスイッチングを行うと、液晶材料の配向方向の変化に伴い分極（の向き）の反転が生じ、絶縁層に蓄積された電荷は液晶材料と絶縁層とに容量分割されることとなる。このため、駆動電圧が印加されていない状態に戻すと液晶層には逆方向の電場（以下、逆電場という。）が誘起されてしまう。この逆電場は、液晶層と絶縁層との並列回路によって決まる時定数で減衰するが、液晶材料の配向を乱し、スイッチング性を低下しやすくする原因となる。この逆電場は液晶材料の自発分極の大きさに比例することから、自発分極が０であれば逆電場による液晶材料の配向乱れが生じないのでスイッチング性を損なうことがない。なお、自発分極を測定する方法としては、焦電性を利用する方法や、Ｄ−Ｅヒステリシスを利用する方法や、分極反転電流を観測する方法などがある。

自発分極を有するものとは、例えば、電場が印加されていない状態であっても分子の永久双極子モーメントが揃っていたり個々の原子やイオンが対称的な平衡位置からずれていたりすることにより、巨視的な分極を有する物質をいう。自発分極を有し、かつ液晶相を示す物質としては、例えば、強誘電性液晶（液晶相を示す強誘電体）やフェリ誘電性液晶（液晶相を示すフェリ誘電体）が挙げられる。強誘電体とは、自発分極を有するもののうち、外部からの電場によって分極の向きを反転させることのできるものである。フェリ誘電体とは、自らを構成する分子の双極子が互いに反対向きとなるように配列（互いのモーメントを打ち消し合う向きに配列）されているが、順方向の双極子モーメントの大きさと逆方向の双極子モーメントの大きさとが異なるために巨視的な分極を有するものである。既に述べたように、これらの強誘電性液晶やフェリ誘電性液晶は、スイッチング性の低下が懸念されることから液晶層５０を構成する液晶材料として用いることは望ましくない。

一方、自発分極を有しないものとは、例えば、そのもの（物質）を分子の集合体と捉えた場合、それらの分子が双極子モーメントを有していても、それらは互いにランダムな方向を向いており全体として相殺され（打ち消され）巨視的な分極を有しないものをいう。あるいは、その物質を原子あるいは分子などが配列した固体として捉えた場合、個々の原子または分子もしくはそれらを構成するイオンなどが対称的な平衡位置にあり分極を有しないものをいう。このような自発分極を有しない物質としては、例えば常誘電体が挙げられる。常誘電体は、双極子の向きが特定方向に揃っておらず、乱雑に双極子が配列された（合計の双極子モーメントが０である）誘電体である。

なお、フェリ誘電体と同様に、分子の双極子が互いに反対向きに配列されている誘電体として反強誘電体がある。この反強誘電体は、順方向の双極子モーメントの大きさと逆方向の双極子モーメントの大きさとが互いに等しいので自発分極は有さないが、所定の閾値以上の電圧を印加して電場を発生させた場合には全ての双極子が電場方向を向くので強誘電相を示すこととなる（反強誘電相から強誘電相への相転移が生ずる）。このような反強誘電体を液晶材料として採用し、強制的に相転移させて使用する場合には、液晶層の面内方向に沿ったストライプ状のドメイン成長を伴うので、コントラスト比の劣化を招くおそれがある。したがって、反強誘電性液晶（液晶相を示す反強誘電体）は、自発分極を有しないものの、液晶層５０に用いる液晶材料としては相応しくない。

液晶分子５０Ａは、既に述べたように負の誘電異方性を有しているので、高い開口率が得られると共に、優れた応答特性が得られる。なお、誘電異方性（Δε）は、Δε＝ε１−ε２で求められる。ε１とは、液晶分子の長軸方向の誘電率であり、ε２とは、液晶分子の単軸方向の誘電率である。この誘電率εは、ε＝Ｃｐｄ／Ｓ（Ｃｐは液晶の静電容量を表す。ｄは液晶層の厚さを表す。Ｓは２枚の基板の電極の重なり部分の面積を表す。）により求めることができる。

分子５０Ｂは、双極子モーメントを有するものであり、スメクチック液晶相やネマチック液晶相などの液晶相を示すものであることが望ましく、特に、液晶分子５０Ａとの相溶性を高めるため、ネマチック液晶相を示すものが好ましい。

液晶材料中における分子５０Ｂの含有量は、０．５重量％以上５０重量％未満が好ましい。０．５重量％以上であれば十分な効果を得やすいからである。また、５０重量％未満であれば良好な透過率が得られ、分子５０Ｂが液晶相を示す場合であっても、液晶層５０の液晶材料が自発分極を生ずるおそれがないからである。

分子５０Ｂとしては、例えば、化２で表される屈曲型分子を用いることができる。

（Ａは２価の基である。Ｗ１およびＷ２は１価の基であり、それぞれは同一でもよく、異なっていてもよい。ただし、Ｗ１−Ａ−Ｗ２の結合角が１８０°未満になり得るものである。）

この屈曲型分子は、屈曲構造をとり得るので、この屈曲型分子の近傍にある液晶分子５０Ａに対してチルト角を付与しやすくなる。なお、屈曲型分子のＷ１−Ａ−Ｗ２の結合角は、９０°以上になり得るのが好ましく、特に１２０°以上１５５°未満になり得るのが好ましい。

化２に示したＡとしては、例えば、化３で表される２価の基などが挙げられる。

（Ｘは水素基（−Ｈ）、塩素基（−Ｃｌ）、臭素基（−Ｂｒ）、フッ素基（−Ｆ）、ニトロ基（−ＮＯ_２ ）またはシアノ基（−ＣＮ）である。ｎは１以上の整数である。）

また、化２に示したＷ１およびＷ２のうちの少なくとも一方は、化４で表される基でもよく、この化４に示したＢとしては、例えば、化５で表される基などが挙げられ、化４に示したＲ１としては、例えば、化６で表される基などが挙げられる。

（Ｂは環状構造を有する２価の基である。Ｒ１は炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）および窒素（Ｎ）からなる群から選択される元素により構成される２価の基である。ｎは１以上の整数である。ただし、ＢおよびＲ１は、ｎが２以上の場合、それぞれが同一でもよいし異なってもよい。Ｒ２は炭素数１以上２０以下のアルキル基またはアルコキシ基である。）

（Ｘは水素基（−Ｈ）、塩素基（−Ｃｌ）、臭素基（−Ｂｒ）、フッ素基（−Ｆ）、ニトロ基（−ＮＯ_２ ）またはシアノ基（−ＣＮ）である。）

上記した屈曲型分子の一例としては、化７または化８で表される化合物などが挙げられる。

なお、化２に示した屈曲型分子であれば、化７および化８に示した化合物に限定されないことは、言うまでもない。また、液晶分子５０Ａにチルト角を付与する分子であれば、化２に示した屈曲型分子に限定されないことも同様である。

次に、図２を参照して、上記した液晶表示素子を備える液晶表示装置の構成について説明する。図２は、図１に示した液晶表示素子を備える液晶表示装置の回路構成を表している。

液晶表示装置は、例えば、図２に示したように、表示領域６０と、表示領域６０内に設けられた複数の画素Ｇと、その表示領域６０の周囲に設けられたソースドライバ６１およびゲートドライバ６２と、ソースドライバ６１およびゲートドライバ６２を制御するタイミングコントローラ６３と、ソースドライバ６１およびゲートドライバ６２に電力を供給する電源回路６４とを含んで構成されている。

表示領域６０は、映像が表示される領域であり、複数の画素Ｇがマトリックス状に配列されることにより映像を表示可能に構成された領域である。なお、図２では、複数の画素Ｇを含む表示領域６０を示している他、４つの画素Ｇに対応する領域を別途拡大して示している。

この表示領域６０では、行方向に複数のソース線７１が配列されていると共に列方向に複数のゲート線７２が配列されており、それらのソース線７１およびゲート線７２が互いに交差する位置に画素Ｇがそれぞれ配置されている。各画素Ｇは、画素電極２２および液晶層５０と共にトランジスタ１２１およびキャパシタ１２２を含んで構成されている。各トランジスタ１２１では、ソース電極がソース線７１に接続され、ゲート電極がゲート線７２に接続され、ドレイン電極がキャパシタ１２２および画素電極２２に接続されている。各ソース線７１は、ソースドライバ６１に接続されており、そのソースドライバ６１から画像信号が供給されるようになっていると共に、各ゲート線７２は、ゲートドライバ６２に接続されており、そのゲートドライバ６２から走査信号が順次供給されるようになっている。

ソースドライバ６１およびゲートドライバ６２は、複数の画素Ｇの中から特定の画素Ｇを選択するものである。

タイミングコントローラ６３は、例えば、画像信号（例えば、赤、緑、青に対応するＲＧＢの各映像信号）と、ソースドライバ６１の動作を制御するためのソースドライバ制御信号とをソースドライバ６１に出力する。また、タイミングコントローラ６３は、例えば、ゲートドライバ６２の動作を制御するためのゲートドライバ制御信号をゲートドライバ６２に出力する。ソースドライバ制御信号としては、例えば、水平同期信号、スタートパルス信号あるいはソースドライバ用のクロック信号などが挙げられる。ゲートドライバ制御信号としては、例えば、垂直同期信号や、ゲートドライバ用のクロック信号などが挙げられる。

次に、図１および図２を参照して、液晶表示装置の動作について説明する。

この液晶表示装置では、以下の要領で画素電極２２と透明電極３２との間に駆動電圧を印加することにより、映像が表示される。具体的には、ソースドライバ６１が、タイミングコントローラ６３からのソースドライバ制御信号の入力により、同じくタイミングコントローラ６３から入力された画像信号に基づいて所定のソース線７１に個別の画像信号を供給すると共に、ゲートドライバ６２が、タイミングコントローラ６３からのゲートドライバ制御信号の入力により所定のタイミングでゲート線７２に走査信号を順次供給する。これにより、画像信号が供給されたソース線７１と走査信号が供給されたゲート線７２との交差点に位置する画素Ｇが選択され、その画素Ｇに駆動電圧が印加されることとなる。

選択された画素Ｇでは、駆動電圧が印加されると、液晶層５０に含まれる液晶分子５０Ａの配向状態が、画素電極２２と透明電極３２との間の電位差に応じて図１（Ａ）から図１（Ｂ）に示した状態へ変化する。具体的には、液晶層５０では、図１（Ａ）に示した駆動電圧の印加前の状態から、駆動電圧が印加されることで、分子５０Ｂ近傍に位置することでチルト角が付与された液晶分子５０Ａが自らの傾き方向に倒れ、かつ、その動作がその他の液晶分子５０Ａに伝播することとなる。その結果、図１（Ｂ）に示したように大部分の液晶分子５０Ａが画素電極基板２０および透明電極基板３０に対してほぼ水平（平行）となる姿勢をとるように応答する。これにより、液晶層５０の光学的特性が変化し、液晶表示素子への入射光が変調された射出光となり、その射出光に基づいて階調表現されることで、映像が表示される。なお、分子５０Ｂが液晶相を示す場合には、図１（Ｂ）に示したように、分子５０Ｂは画素電極基板２０および透明電極基板３０の表面に沿って延在する姿勢を自発的にとる。ただし、分子５０Ｂが液晶相を示さない場合であっても、液晶分子５０Ａの姿勢の変化に伴い、分子５０Ｂは画素電極基板２０および透明電極基板３０の表面に沿って延在する姿勢となる。

このように、本実施の形態の液晶表示素子および液晶表示装置によれば、液晶層５０に分子５０Ｂを含有させることで、駆動電圧を印加する前の段階において（予め）液晶分子５０Ａにチルト角を付与するようにしたので、そのような分子５０Ｂを含まない場合と比べて応答特性（応答速度）が向上する。さらに、電極表面などに線状突起を設けた場合に懸念されるような透過率の低下や、モノマーを重合させて得た高分子材料によってチルト角を付与する場合に懸念される液晶材料の電圧保持性悪化などの問題が生ずることがない。よって、良好な表示特性を維持することもできる。加えて、線状突起を設けたり、電圧を印加した状態でモノマーを重合させたりする場合と比べて製造工程も簡素化できる。

また、本実施の形態によれば、液晶材料として、自発分極をほとんど有しない、特に自発分極が実質的に０となる常誘電性液晶を用いるようにすれば、自発分極を有する強誘電性液晶などを用いた場合よりも良好なスイッチング性が得られ、応答特性の向上に有利となる。さらに、液晶材料中における分子５０Ｂの含有量を０．５重量％以上５０重量％未満の範囲内とすることで、より良好な表示特性の確保と共に、さらなる応答特性の向上が見込まれる。

また、分子５０Ｂとして、液晶相を示すもの、中でも、ネマチック液晶相またはスメクチック液晶相を示すものを用いることにより、液晶分子５０Ａとの相溶性が増すので、応答特性の向上および表示特性の維持に効果的である。

なお、上記した第１の実施の形態において、液晶層５０に含まれる液晶分子５０Ａとして、負の誘電異方性を有する液晶分子を用いたＶＡモードについて説明したが、正の誘電異方性を有する液晶分子を用いた液晶表示素子についても、液晶層５０にチルト角を付与する分子５０Ｂを含ませることにより、同様の作用、効果が得られることは言うまでもない。

次に、本発明の他の実施の形態（第２の実施の形態）を説明するが、第１の実施の形態と共通の構成要素については、同一の符号を付して説明は省略する。また、第１の実施の形態と同様の作用および効果は、適宜省略する。

［第２の実施の形態］
図３は、第２の実施の形態としての液晶表示装置に搭載される液晶表示素子の断面模式図であり、図４は、図３の平面模式図である。図３（Ａ）および図４（Ａ）は、駆動電圧が印加されていない状態を表し、図３（Ｂ）および図４（Ｂ）は駆動電圧が印加されている状態を表している。図３および図４に示した液晶表示素子の表示モードは、いわゆる横電界（ＩＰＳ）モードである。この液晶表示素子は、例えば、図３に示したように、互いに対向配置された一対の偏光板１０の間に、互いに対向配置された電極基板８０および透明基板９０を備え、電極基板８０に画素電極８２と透明電極８３とを設けた構成を有している。なお、図４には、簡便化のため、図３に示した各基板の具体的な構成については省略している。

電極基板８０は、駆動素子を含む駆動回路が形成された透明基板８１の一面に、画素電極８２と透明電極８３とが所定の間隔で平行して配置された構成を有している。透明基板８１は、例えば、ガラスやプラスチックなどの透明（光透過性）材料により構成されている。

画素電極８２および透明電極８３は、液晶層５０に電圧を印加するための電極である。画素電極８２および透明電極８３は、例えば、光透過性を有する透明電極であり、酸化インジウム錫などの透明電極材料により構成されている。

透明基板９０は、例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のフィルタがストライプ状に配置されたカラーフィルタ（図示せず）が設けられ、ガラスやプラスチックなどの透明（光透過性）材料により構成されている。

配向膜１００は、液晶層１１０に含有される液晶分子１１０Ａを所定の配向状態となるように配向させるものである。この配向膜１００は、電極基板８０および透明基板９０のそれぞれの内側面、すなわち液晶層１１０に隣接する側の面を覆っている。配向膜１００には、さらに、ラビングなどの配向方向を規制する処理が施されていてもよい。

液晶層１１０は、正の誘電異方性を有すると共にネマチック液晶相を示す液晶分子１１０Ａと、この液晶分子１１０Ａにチルト角を付与する分子１１０Ｂとを含む液晶材料により構成されている。この液晶層１１０では、図３（Ａ）および図４（Ａ）に示したように駆動電圧が印加されていない状態において、液晶分子１１０Ａは、画素電極８２および透明電極８３に対して斜め（４５°程度）であると共に、電極基板８０および透明基板９０の表面に対してほぼ水平な姿勢をとっているが、分子１１０Ｂが含まれることで、分子１１０Ｂ近傍の液晶分子１１０Ａにチルト角が付与される。これにより、液晶分子にチルト角を付与しない場合と比較して応答時間が短縮される。よって、分子１１０Ｂが含まれることで、応答速度が向上し、優れた応答特性が得られる。

液晶材料は、第１の実施の形態と同様に、自発分極をほとんど有しないのが好ましく、実質的に０であることが好ましい。また、液晶材料は、常誘電体が好ましい。チルト角を付与する分子１１０Ｂの構成は、第１の実施の形態と同様である。

この液晶表示素子を備える液晶表示装置の回路構成は、第１の実施の形態と同様である。

この液晶表示素子では、駆動電圧が印加されると、液晶層１１０に含まれる液晶分子１１０Ａの配向状態が、画素電極８２と透明電極８３との間の電位差に応じて図３（Ａ）および図４（Ａ）から図３（Ｂ）および図４（Ｂ）に示した状態へ変化する。具体的には、液晶層１１０では、図３（Ａ）および図４（Ａ）に示した駆動電圧の印加前の状態から、駆動電圧が印加されることで、分子１１０Ｂ近傍に位置することでチルト角が付与された液晶分子１１０Ａが自らの傾き方向に回転し、かつ、その動作がその他の液晶分子１１０Ａに伝播することとなる。その結果、図３（Ｂ）および図４（Ｂ）に示したように大部分の液晶分子１１０Ａが画素電極８２および透明電極８３に対してほぼ直交であると共に、電極基板８０および透明基板９０の表面に対してほぼ水平な姿勢をとるように応答する。なお、画素電極８０および透明電極９０の上に位置する液晶分子１１０Ａは駆動電圧が印加された場合でも、ほとんど動作しない。また、分子１１０Ｂが液晶相を示す場合には、図３（Ｂ）および図４（Ｂ）に示したように、分子１１０Ｂは画素電極８２および透明電極８３に対してほぼ直交し、電極基板８０および透明基板９０の表面に沿って延在する姿勢を自発的にとる。ただし、分子１１０Ｂが液晶相を示さない場合であっても、液晶分子１１０Ａの姿勢の変化に伴い、分子１１０Ｂは画素電極８２および透明電極８３に対してほぼ直交し、電極基板８０および透明基板９０の表面に沿って延在する姿勢となる。

本実施の形態の液晶表示素子および液晶表示装置によれば、液晶層１１０に分子１１０Ｂを含有させることで、駆動電圧を印加する前の段階において（予め）液晶分子１１０Ａにチルト角を付与するようにしたので、そのような分子１１０Ｂを含まない場合と比べて応答特性が向上する。よって、良好な表示特性を維持することもできる。

なお、上記した第２の実施の形態において、液晶層１１０に含まれるネマチック液晶相を示す液晶分子１１０Ａとして正の誘電異方性を有する液晶分子を用いたＩＰＳモードについて説明したが、負の誘電異方性を有する液晶分子を用いた場合においても、チルト角を付与する分子１１０Ｂを含ませることにより、同様の作用、効果が得られることは言うまでもない。

次に、本発明に関する実施例について説明する。

（実施例１）
図１に示した第１の実施の形態に係る液晶表示素子（ＶＡモード）を以下の手順により作製した。すなわち、まず、ガラス製の透明基板２１にＩＴＯよりなる画素電極２２が設けられた画素電極基板２０と、ガラス製の透明基板３１にＩＴＯよりなる透明電極３２が設けられた透明電極基板３０とを準備した。続いて、画素電極基板２０および透明電極基板３０のそれぞれに配向膜４０を形成した。続いて、配向膜４０同士が向かい合うように画素電極基板２０および透明電極基板３０を互いに対向させたのち、それらの基板間のセルギャップが４μｍとなるようにプラスチックビーズを介してシール材で封止した。続いて、負の誘電異方性を有すると共にネマチック液晶相を示す液晶分子５０ＡとしてＭＬＣ−７０２６（メルク社製）と、チルト角を付与する分子５０Ｂとして化７（１）に示した化合物とを含む液晶材料をセルギャップに封入した。この際、化７（１）に示した化合物の含有量は、液晶材料中において１重量％となるようにした。最後に、偏光板１０をその吸収軸が直交するように透明基板２１，３１の外側、すなわち配向膜４０を形成した面と透明基板２１または透明基板３１を介して対向する位置に貼り付けた。これにより、透過型の液晶表示素子を作製した。

（比較例１）
液晶材料に化７（１）に示した化合物を含まない点を除き、実施例１と同様の手順を経た。

上記した実施例１および比較例１について、応答特性を調べた。応答特性は、室温において、駆動電圧無印加状態から、閾値以上の駆動電圧を印加したときの液晶分子が傾斜し終わるまでの時間（応答時間）を測定した。

応答時間を測定した結果、実施例１では３３ｍ秒、比較例１では４０ｍ秒となった。すなわち、ＶＡモードの液晶表示素子では、液晶層５０が負の誘電異方性を有する液晶分子５０Ａにチルト角を付与する分子５０Ｂ（化２に示した屈曲型分子）を含むようにすることにより、応答特性を向上させることができることが確認された。また、化７（１）に示した化合物が液晶相を示し、スメクチック液晶相を示すことから、チルト角を付与する分子としては、液晶相を示すものが好ましく、液晶分子５０Ａとの相溶性の観点からネマチック液晶相を示すものも好ましいことが確認された。なお、上記の液晶材料は、自発分極が０であり、常誘電体であることは言うまでもない。さらに、化７（１）に示した化合物の化２に示したＷ１−Ａ−Ｗ２の結合角に相当する結合角は、９０度以上１８０°未満の範囲内、１２０°以上１５５°以下の範囲内となり得るので、上記した結合角の範囲が適正な範囲であることが確認された。

（実施例２）
次に、図３および図４に示した第２の実施の形態に係る液晶表示素子（ＩＰＳモード）を以下の手順により作製した。すなわち、まず、ガラス製の透明基板８１の一面にＩＴＯよりなる画素電極８２と、ＩＴＯよりなる透明電極８３とが設けられた電極基板８０と、ガラス製の透明基板９０とを準備した。続いて、電極基板８０および透明基板９０のそれぞれに配向膜１００を形成した。続いて、配向膜１００同士が向かい合うように電極基板８０および透明基板９０を互いに対向させたのち、それらの基板間のセルギャップが４μｍとなるようにプラスチックビーズを介してシール材で封止した。続いて、正の誘電異方性を有すると共にネマチック液晶相を示す液晶分子１１０ＡとしてＭＬＣ−１５９００（メルク社製）と、チルト角を付与する分子１１０Ｂとして化７（１）に示した化合物とを含む液晶材料をセルギャップに封入した。この際、化７（１）に示した化合物の含有量は、液晶材料中において１重量％となるようにした。最後に、偏光板１０をその吸収軸が直交するように透明基板８１，９０の外側、すなわち配向膜１００を形成した面と透明基板８１または透明基板９０を介して対向する位置に貼り付けた。これにより、透過型の液晶表示素子を作製した。

（比較例２）
液晶材料に化７（１）に示した化合物を含まない点を除き、実施例２と同様の手順を経た。

実施例２および比較例２について、上記した実施例１および比較例１と同様に応答特性を調べた。

応答時間を測定した結果、実施例２では４３ｍ秒、比較例２では５２ｍ秒となった。すなわち、ＩＰＳモードの液晶表示素子では、液晶層１１０が正の誘電異方性を有する液晶分子１１０Ａにチルト角を付与する分子１１０Ｂ（化２に示した屈曲型分子）を含むようにすることにより、応答特性を向上させることができることが確認された。化７（１）に示した化合物が液晶相を示し、スメクチック液晶相を示すことから、チルト角を付与する分子としては、液晶相を示すものが好ましく、液晶分子１１０Ａとの相溶性の観点からネマチック液晶相を示すものも好ましいことが確認された。なお、上記の液晶材料は、自発分極が０であり、常誘電体であることは言うまでもない。さらに、化７（１）に示した化合物の化２に示したＷ１−Ａ−Ｗ２の結合角に相当する結合角は、９０度以上１８０°未満の範囲内、１２０°以上１５５°以下の範囲内となり得るので、上記した結合角の範囲が適正な範囲であることは明らかである。

また、実施例１および２ならびに比較例１および２の結果から、液晶材料に含まれる液晶分子の誘電異方性が正であるか負であるかに関係なく、その液晶分子にチルト角を付与する分子を液晶材料に含んでいれば、応答特性を向上することができることが確認された。中でも、ＶＡモードの液晶表示素子において、ＩＰＳモードの液晶表示素子と比較して、応答時間が短かったことからより高い効果が得られることが確認された。

以上、いくつかの実施の形態および実施例を挙げて本発明の液晶表示素子およびそれを搭載した液晶表示装置を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例において説明した態様に限定されるものではない。

具体的には、例えば、上記実施の形態および実施例ではＶＡモードおよびＩＰＳモードの液晶表示素子としたが、本発明では必ずしもこれに限られず、ＴＮモードやＦＦＳモードなどの液晶表示素子としてもよい。

また、上記実施の形態および実施例では透過型の液晶表示素子およびそれを搭載した液晶表示装置について説明するようにしたが、本発明では必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、反射型ものとしてもよい。反射型とした場合には、画素電極がアルミニウムなどの光反射性を有する電極材料により構成される。

本発明の第１の実施の形態に係る液晶表示装置に搭載される液晶表示素子の構成を表す断面図である。 図１に示した液晶表示素子を搭載した液晶表示装置の回路構成を表す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る液晶表示装置に搭載される液晶表示素子の構成を表す断面図である。 図３に示した液晶表示素子の平面構成を表す図である。 従来の液晶表示素子を説明するための断面図である。

符号の説明

１０…偏光板、２０…画素電極基板、２１，３１，８１，９０…透明基板、２２，８２…画素電極、３０…透明電極基板、３２，８３…透明電極、４０，１００…配向膜、５０，１１０…液晶層、５０Ａ，１１０Ａ…液晶分子、５０Ｂ，１１０Ｂ…分子、６０…表示領域、６１…ソースドライバ、６２…ゲートドライバ、６３…タイミングコントローラ、６４…電源回路、７１…ソース線、７２…ゲート線。

Claims (17)

1. 対向配置された一対の基板と、前記一対の基板間に設けられる電極および液晶層とを有し、
   前記液晶層は、ネマチック液晶相を示す液晶分子と、この液晶分子にチルト角を付与する分子とを含む液晶材料で構成されている
   ことを特徴とする液晶表示素子。
2. 前記液晶材料の自発分極は、０であることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
3. 前記液晶材料は、液晶相を示し、かつ常誘電体であることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
4. 前記チルト角を付与する分子は、液晶相を示すことを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
5. 前記チルト角を付与する分子は、ネマチック液晶相を示すことを特徴とする請求項４記載の液晶表示素子。
6. 前記チルト角を付与する分子は、スメクチック液晶相を示すことを特徴とする請求項４記載の液晶表示素子。
7. 前記チルト角を付与する分子は、化１で表される屈曲型分子であることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
   （Ａは２価の基である。Ｗ１およびＷ２は１価の基である。ただし、Ｗ１−Ａ−Ｗ２の結合角が１８０°未満になり得るものである。）
8. 前記液晶分子は、負の誘電異方性を有することを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
9. 前記電極は、前記一対の基板にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
10. 前記液晶分子は、正の誘電異方性を有することを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
11. 前記電極は、前記一対の基板のいずれか一方に形成され、かつ前記基板の表面に平行な成分を有する横電界を発生することを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
12. 前記化１に示した屈曲型分子のＷ１−Ａ−Ｗ２の結合角は、９０°以上となり得ることを特徴とする請求項７記載の液晶表示素子。
13. 前記化１に示した屈曲型分子のＷ１−Ａ−Ｗ２の結合角は、１２０°以上１５５°以下となり得ることを特徴とする請求項７記載の液晶表示素子。
14. 前記チルト角を付与する分子の前記液晶材料中における含有量は、０．５重量％以上５０重量％未満であることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
15. 前記化１に示したＷ１およびＷ２のうちの少なくとも一方は、化２で表される基であることを特徴とする請求項７記載の液晶表示素子。
    （Ｂは環状構造を有する２価の基である。Ｒ１は炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）および窒素（Ｎ）からなる群から選択される元素により構成される２価の基である。ｎは１以上の整数である。Ｒ２は炭素数１以上２０以下のアルキル基またはアルコキシ基である。）
16. 対向配置された一対の基板と、前記一対の基板間に設けられる電極および液晶層とを有し、
    前記液晶層は、ネマチック液晶相を示す液晶分子と、双極子モーメントを有する化３で表される屈曲型分子とを含む液晶材料で構成され、
    前記液晶材料は、常誘電体である
    ことを特徴とする液晶表示素子。
    （Ａは２価の基である。Ｗ１およびＷ２は１価の基である。ただし、Ｗ１−Ａ−Ｗ２の結合角が１８０°未満になり得るものである。）
17. 対向配置された一対の基板と、前記一対の基板間に設けられる電極および液晶層とを有する液晶表示素子を備え、
    前記液晶層は、ネマチック液晶相を示す液晶分子と、この液晶分子にチルト角を付与する分子とを含む液晶材料で構成されている
    ことを特徴とする液晶表示装置。