JP5079220B2

JP5079220B2 - 液晶電気光学装置

Info

Publication number: JP5079220B2
Application number: JP2005134516A
Authority: JP
Inventors: 駿介小林; 友裕見山; 義人大村; 聡佐野
Original assignee: Ube Material Industries Ltd
Current assignee: Ube Material Industries Ltd
Priority date: 2005-05-02
Filing date: 2005-05-02
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2025-05-02
Also published as: JP2006309082A

Description

本発明は、偏光を利用する液晶表示モードにより画像表示を行なう液晶電気光学装置に関するものである。

画像表示装置として、液晶層を有する液晶セルからなる液晶表示装置などの液晶電気光学装置が知られている。液晶電気光学装置には種々のものが研究開発されている（非特許文献１を参照）。その液晶電気光学装置を画像表示に利用する光の観点から分類すると、液晶セルの外側に偏光板が備えられていて、その偏光板を通過した光（偏光）を利用して画像表示を行なう偏光利用型と、偏光板を必須構成要素とはしない、すなわち偏光を利用しないで画像表示を行なう偏光非利用型とに分けることができる。

偏光利用型の液晶電気光学装置に用いられる液晶表示モードとしては、電界印加時と電界非印加時の液晶材料の配向状態の違いによる液晶セルの液晶層の光の旋光性、光の干渉、あるいは光の複屈折率の違いを利用して、または液晶層に添加された二色性色素による光吸収を利用して、液晶層を通過する偏光の進行方向や波長を変えて画像表示を行なうモードが知られている。そのような液晶表示モードとしては、ＥＣＢ（Electrically Controlled Birefringence）、ＶＡＮ（Vertically Aligned Nematic）、ＨＡＮ（Hybrid Aligned Nematic）、ＩＰＳ（In-Plane Switching）、ＢＮ（Bent Nematic）、ＯＣＢ（Optically Compensated Bent）、ＴＮ（Twisted Nematic）、ＳＴＮ（Super Twisted Nematic）、ＧＨ（Guest Host）、ＢＳＮ（Bistable Nematic）、ＥＣ（Electroclinic）、及びＳＳＦＬＣ（Surface Stabilized ＦＬＣ）、ＡＦＬＣ（Anti ＦＬＣ）及びＰＳＶ−ＦＬＣ（Polymer Stabilized ＦＬＣ）などのモードが知られている。

偏光非利用型の液晶電気光学装置に用いられる液晶表示モードとしては、液晶セルの液晶層の光の散乱度を変化させることにより画像表示を行なうモードが知られている。液晶層の光の散乱度を変化させる方法としては、液晶層に微粒子を添加して、電界の印加時／非印加時での液晶と微粒子の屈折率の適合性を制御する方法が知られている。

特許文献１には、ネマチック液晶に平均粒径０．２μｍ以下の微粒子が、ネマチック液晶と微粒子との合計量に対して１〜４０質量％の範囲、好ましくは１〜１０質量％の範囲で分散されている液晶組成物からなる液晶層を有する偏光非利用型の液晶電気光学装置が開示されている。

特許文献２には、液晶材料に無機酸化物微粒子が分散されている液晶層を有する偏光非利用型の液晶電気光学装置が開示されている。この特許文献２には、無機酸化物微粒子としてチタン酸バリウムなどの高誘電率の無機酸化物の微粒子を用いることより、液晶電気光学装置の駆動電圧を低減させることができる旨の記載がある。但し、この特許文献２の実施例にて製造されている液晶電気光学装置では、無機酸化物微粒子と液晶材料とを体積比で無機酸化物微粒子／液晶材料＝１／２の割合で混合して用いている。
小林駿介，「液晶表示の原理と方式」，応用物理，応用物理学会，第６８巻、第５号（１９９９），ｐ．５６１−５６６特開平５−６１０２１号公報特開平１１−２８７９８０号公報

偏光利用型の液晶電気光学装置は、偏光非利用型の液晶電気光学装置と比べて、駆動電圧が低く、高いコントラスト比が実現可能で、更にまた表示応答速度が速いなどの利点があるため、時計や携帯電話などの電池で作動する携帯用電気機器、パーソナルコンピュータ、電子ペーパ及びテレビなどの画像表示装置に広く用いられている。
画像表示装置として用いられる液晶電気光学装置は、電力消費量の低減のために駆動電圧が低電圧であること、及び表示応答速度が速いことが望まれる。
本発明の目的は、偏光利用型の液晶電気光学装置について、駆動電圧の低減化、及び表示応答速度の高速化のために有用な技術を提供することにある。

本発明者は、偏光利用型の液晶電気光学装置の液晶セルの液晶層に、平均一次粒子径が２００ｎｍ以下の誘電体ナノ粒子を、液晶層中の液晶材料１００質量部に対して０．００１質量部以上、１質量部未満となるように分散させることによって、液晶電気光学装置の電圧保持率を向上させ、もしくは電圧保持率を高い値で維持しながら、その装置の駆動電圧を低減させ、及び表示応答速度を高速化させることが可能となることを見出した。

従って、本発明は、液晶層を有する液晶セルと、液晶セルの少なくとも一方の外側に備えられた偏光板とからなり、ＴＮモードもしくはＶＡモードにより画像表示を行なう液晶電気光学装置であって、液晶セルの液晶層に平均一次粒子径が２００ｎｍ以下の、ジルコニウム酸カルシウム及び酸化マグネシウムからなる群より選ばれる酸化物のナノ粒子である誘電体ナノ粒子が、液晶層中の液晶材料１００質量部に対して０．０１質量部以上、０．５質量部以下となるように分散されていることを特徴する液晶電気光学装置にある。

本発明の液晶電気光学装置は、従来の偏光利用型の液晶電気光学装置と比べて、電圧保持率が高く、駆動電圧が低いので消費電力が低減する。また、表示応答速度も従来の偏光利用型の液晶電気光学装置と比べて速い。従って、本発明の液晶電気光学装置は、画像表示装置として有利に利用することができる。

本発明の液晶電気光学装置は、液晶層を有する液晶セルと、液晶セルの少なくとも一方の外側に備えられた偏光板とからなり、偏光を利用する液晶表示モードにより画像表示を行なう偏光利用型の液晶電気光学装置である。液晶電気光学装置の液晶表示モードは、ＴＮモードもしくはＶＡモードである。

本発明の液晶電気光学装置は、液晶セルの液晶層に平均一次粒子径が２００ｎｍ以下の誘電体ナノ粒子が、液晶層中の液晶材料１００質量部に対して０．０１質量部以上、０．５質量部以下となるように分散されていることに主な特徴がある。液晶層に分散されている誘電体ナノ粒子は、電界の印加によって分極して、混合系全体（液晶層全体）の誘電率及びその異方性を変化させる。そして、この変化が液晶電気光学装置の駆動電圧の低減及び高速応答をもたらす。

本発明の液晶電気光学装置において液晶セルの液晶層に分散されている誘電体ナノ粒子は、平均一次粒子径が５〜１５０ｎｍの範囲にあることが好ましく、５〜１００ｎｍの範囲にあることが特に好ましい。

誘電体ナノ粒子の誘電率は、２〜２０００の範囲にあることが好ましく、２〜１０００の範囲にあることが特に好ましい。誘電体ナノ粒子は、実質的な使用温度の範囲において、誘電率の変化が少ないものであることが好ましい。誘電体ナノ粒子は、キュリー点を持たない常誘電体からなることが好ましい。

誘電体ナノ粒子の材料の例としては、ジルコニウム酸カルシウム、酸化マグネシウムを挙げることができる。

液晶セルの液晶層に含まれる誘電体ナノ粒子の量は、液晶材料１００質量部に対して０．５質量部以下であることが好ましく、かつ０．０１質量部以上であることが特に好ましい。

液晶材料に誘電体ナノ粒子を分散させる方法としては、液晶材料と誘電体ナノ粒子が分散されている粒子分散スラリーとを混合した後、粒子分散スラリーの溶媒を蒸発除去する方法を利用することができる。液晶材料と粒子分散スラリーとの混合には、攪拌装置や超音波分散装置などの通常の混合装置を用いることができる。

粒子分散スラリーは、誘電体ナノ粒子の濃度が０．０５〜２０質量％の範囲にあることが好ましい。粒子分散スラリーの溶媒は、炭素原子数が３〜５の一価アルコールを用いることが好ましい。一価アルコールの例としては、プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ブチルアルコール、イソブチルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアルコール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコール、ペンチルアルコール、イソペンチルアルコールを挙げることができる。粒子分散スラリーには、分散剤を添加してもよい。分散剤としては、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセロール、チオグリセロールなどの多価アルコールを用いることができる。

本発明の液晶電気光学装置において用いる液晶材料は、誘電率異方性が正であっても負であってもよい。液晶材料の例としては、ネマチック液晶化合物、カイラルネマチック液晶化合物、スメクテック液晶化合物、強誘電性液晶化合物、反強誘電性液晶化合物、及びこれらの液晶化合物を高分子化したものを挙げることができる。液晶材料は、棒状であっても円盤状であってもよい。

次に、添付図面の図１乃至図３を参照しながら、本発明の液晶電気光学装置を含む液晶電気光学装置を説明する。

図１は、二枚の偏光板を備えた液晶電気光学装置の一例の構成を示す断面図である。
図１において液晶電気光学装置は、液晶セル１０と液晶セルの上下両側に備えられた偏光板１１ａ、１１ｂとからなる。液晶セル１０は、下から順に透明基板１２ａ、電極層１３ａ、配向層１４ａ、誘電体ナノ粒子１５が分散されている液晶層１６、配向層１４ｂ、電極層１３ｂ、透明基板１２ｂからなる。光出射側の透明基板１２ａと偏光板１１ａとの間には、カラーフィルターや位相差板を挿入してもよい。

図１に示す液晶電気光学装置において用いられる液晶表示モードは、ＴＮモード、ＳＴＮモード、ＶＡモード、ＶＡＮモード、ＯＣＢモードまたはＰＳＶ−ＦＬＣモードであることが好ましい。

図２は、二枚の偏光板を備えた液晶電気光学装置の別の一例の構成を示す断面図である。
図２において液晶電気光学装置は、液晶セル２０と液晶セルの上下両側に備えられた偏光板２１ａ、２１ｂとからなる。液晶セル２０は、下から順に透明基板２２ａ、一対の電極層２３ａ、２３ｂ、配向層２４ａ、誘電体ナノ粒子２５が分散されている液晶層２６、配向層２４ｂ、透明基板２２ｂからなる。この液晶電気光学装置では透明基板２２ａに対して水平方向の電界を用いて液晶材料の配列状態を変化させることにより画像表示を行なう。この液晶表示モードは、ＩＰＳモードと呼ばれている。

図３は、一枚の偏光板を備えた液晶電気光学装置の一例の構成を示す断面図である。
図３において液晶電気光学装置は、液晶セル３０と液晶セルの上側に備えられた偏光板３１とからなる。液晶セル３０は、下から順に透明基板３２ａ、電極層３３ａ、配向層３４ａ、誘電体ナノ粒子３５が分散されている液晶層３６、配向層３４ｂ、電極層３３ｂ、透明基板３２ｂからなる。この液晶電気光学装置では、液晶層３６に二色性色素３７が分散されていて、液晶材料ともに二色性色素の配列を変化させて、液晶セルの光の吸収率を変化させることにより画像表示を行なう。この液晶表示モードは、ＧＨモードと呼ばれている。

本発明の液晶電気光学装置において、その駆動方式にはスタテッィク駆動方式、単純マトリックス駆動方式及びアクティブマトリックス駆動方式などの公知の駆動方式を用いることができる。また、液晶電気光学装置への電界の印加方式としては、オーバードライブ方式を利用することができる。

本発明の液晶電気光学装置は、例えば、時計や携帯電話などの電池で作動する携帯用電気機器用の小型液晶ディスプレイ、パーソナルコンピュータ、電子ペーパ及び大型テレビ用の液晶ディスプレイなどの直視型液晶表示装置として利用することができる。また、電気光学部品として、液晶プロジェクター（投写型液晶表示装置）の光学素子、光通信における光変調電気光学部品としても利用することができる。

後記の実施例および比較例にて作製した液晶電気光学装置の電圧保持率、透過率５０％時の実効駆動電圧、およびオン時応答速度（透過率９０％から１０％までのライズタイム）は次のようにして測定した。
１）電圧保持率：液晶物性評価システム６２５４型（（株）東陽テクニカ製）を用いて測定した。
２）透過率５０％時の実効駆動電圧：瞬間マルチ測光システムＬＣＤ−５２００（大塚電子（株）製）を用いて測定した。
３）オン時応答速度：液晶電気光学装置に発振器（（株）東陽テクニカ製、ＢＩＯＭＡＴＩＯＮ−２４１１Ｂ）により、実効電圧４．０Ｖ、周波数１００Ｈｚのバースト波を印加して、これに応答する透過光の出力を光検出器（浜松フォトニクス（株）製、ｍｏｄｅｌＣ３８３０）により計測し、これを二現象のデジタルオシロスコープ（横河電気（株）製、ＤＬ−１５４０）に表示させて、バースト波駆動に対する応答波形を比較することにより算出した。

［実施例１］
イソプロピルアルコール１００質量部に対して、ジルコニウム酸カルシウム（ＣａＺｒＯ₃）ナノ粒子（平均一次粒子径：９０ｎｍ）５質量部とチオグリセロール０．５質量部とをそれぞれ添加し、超音波分散処理を行なってＣａＺｒＯ₃ナノ粒子分散スラリーを調製した。

液晶材料（ペンチルシアノビフェニル、東京化成工業（株）製、垂直方向誘電率：７、水平方向誘電率：１８．８、誘電異方性：１１．８）１００質量部に、上記のＣａＺｒＯ₃ナノ粒子分散スラリーを固形分として０．０２質量部添加して、超音波分散処理を行なった後、減圧加熱処理を行なってイソプロピルアルコールを蒸発除去して、ＣａＺｒＯ₃ナノ粒子分散液晶組成物を調製した。このＣａＺｒＯ₃ナノ粒子分散液晶組成物を、ＴＮモード型液晶セル（セル厚：５μｍ）に注入して、ＴＮモード型液晶電気光学装置を作製した。
このＴＮモード型液晶電気光学装置は、電圧保持率が６８．４％、透過率５０％時の実効駆動電圧が１．２６Ｖ、オン時応答速度は１．７０ｍ秒であった。

［実施例２］
液晶材料（ペンチルシアノビフェニル）１００質量部に、ＣａＺｒＯ₃ナノ粒子分散スラリーを固形分として０．２質量部添加する以外は、実施例１と同様にして、ＴＮモード型液晶電気光学装置を作製した。
このＴＮモード型液晶電気光学装置は、電圧保持率が６９．６％、透過率５０％時の実効駆動電圧が１．２４Ｖ、オン時応答速度は１．３０ｍ秒であった。

［実施例３］
イソプロピルアルコール１００質量部に対して、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）ナノ粒子（気相合成法により得られた酸化マグネシウム、宇部マテリアルズ（株）製、平均一次粒子径：１０ｎｍ）５質量部を添加して、ビーズミル（ウルトラアペックスミルＵＡＭ０１５、寿工業（株）製、ビーズ：平均粒子径３０μｍの酸化ジルコニウム製ビーズ）による分散処理を行ってＭｇＯナノ粒子分散スラリーを調製した。

液晶材料（ペンチルシアノビフェニル）１００質量部に、上記のＭｇＯナノ粒子分散スラリーを固形分として０．０２質量部添加する以外は、実施例１と同様にしてＴＮモード型液晶電気光学装置を作製した。
このＴＮモード型液晶電気光学装置は、電圧保持率が４９．５％、透過率５０％時の実効駆動電圧が１．０８Ｖ、オン時応答速度が１．８６ｍ秒であった。

［比較例１］
液晶材料にＣａＺｒＯ₃ナノ粒子を分散しない以外は、実施例１と同様にして、ＴＮモード型液晶電気光学装置を作製した。
このＴＮモード型液晶電気光学装置は、電圧保持率が２３．９％、透過率５０％時の実効駆動電圧が１．３４Ｖ、周波数２ｋＨｚにおけるオン時応答速度が２．３０ｍ秒であった。

［実施例４］
液晶材料にメルク（株）製ＺＬＩ−４７９２（垂直方向誘電率：３．１、水平方向誘電率：８．４、誘電異方性：５．３）を用いる以外は実施例１と同様にして、ＴＮモード型液晶電気光学装置を作製した。
このＴＮモード型液晶電気光学装置は、電圧保持率が９９．６％、透過率５０％時の実効駆動電圧が１．６Ｖ、周波数１００Ｈｚにおけるオン時応答速度が７．２ｍ秒であった。

［比較例２］
液晶材料にＣａＺｒＯ₃ナノ粒子を分散しない以外は、実施例４と同様にしてＴＮモード型液晶電気光学装置を作製した。
このＴＮモード型液晶電気光学装置は、電圧保持率が９９．５％、透過率５０％時の実効駆動電圧が１．８Ｖ、オン時応答速度が８．８ｍ秒であった。

［実施例５］
液晶材料にメルク（株）製ＭＬＣ−２０３９（垂直方向誘電率：７．６、水平方向誘電率：３．５、誘電異方性：−４．１）を用い、液晶セルにＶＡモード型液晶セル（セル厚：５μｍ）を用いる以外は実施例３と同様にして、ＶＡモード型液晶電気光学装置を作製した。
このＶＡモード型液晶電気光学装置は、電圧保持率が９６．９％、透過率５０％時の実効駆動電圧が２．２Ｖ、オン時応答速度が１７．０ｍ秒であった。

［比較例３］
液晶材料にＭｇＯナノ粒子を分散しない以外は、実施例５と同様にしてＶＡモード型液晶電気光学装置を作製した。
このＶＡモード型液晶電気光学装置は、電圧保持率が９７．９％、透過率５０％時の実効駆動電圧が２．４Ｖ、オン時応答速度が２４．０ｍ秒であった。

本発明に従う液晶電気光学装置の一例の断面図である。本発明に従う液晶電気光学装置の別の一例の断面図である。本発明に従う液晶電気光学装置のさらに別の一例の断面図である。

符号の説明

１０、２０、３０液晶セル
１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ、３１偏光板
１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂ、３２ａ、３２ｂ透明基板
１３ａ、１３ｂ、２３ａ、２３ｂ、３３ａ、３３ｂ電極層
１４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ、３４ａ、３４ｂ配向層
１５、２５、３５誘電体ナノ粒子
１６、２６、３６液晶層
３７二色性色素

Claims

液晶層を有する液晶セルと、液晶セルの少なくとも一方の外側に備えられた偏光板とからなり、ＴＮモードもしくはＶＡモードにより画像表示を行なう液晶電気光学装置であって、液晶セルの液晶層に平均一次粒子径が２００ｎｍ以下の、ジルコニウム酸カルシウム及び酸化マグネシウムからなる群より選ばれる酸化物のナノ粒子である誘電体ナノ粒子が、液晶層中の液晶材料１００質量部に対して０．０１質量部以上、０．５質量部以下となるように分散されていることを特徴する液晶電気光学装置。