JP5184588B2 - 液晶表示装置およびそれを備えた電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、特に、粘性の低い液晶材料から形成された液晶層を備えた液晶表示装置に関する。また、本発明は、そのような液晶表示装置を備えた電子機器にも関する。

近年、液晶表示装置において動画情報を表示するニーズが急速に高まっている。液晶表示装置で動画を高品位で表示するためには、液晶層の応答時間を短く（応答速度を速く）する必要があり、１垂直走査期間（典型的には１フレーム）内で所定の階調に到達することが要求される。

液晶表示装置の応答特性を改善する技術の１つとして、粘性の低い液晶材料を用いる手法が提案されている。粘性の低い液晶材料は、例えば特許文献１に開示されている。

特開平１０−２９２１７３号公報

しかしながら、従来の液晶表示装置では、粘性の低い液晶材料を用いると、使用中に電圧保持率が低下し、表示むらが発生してしまうという問題があった。そのため、粘性の低い液晶材料を用いた液晶表示装置は信頼性に欠け、実用化には至っていない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、粘性の低い液晶材料から形成された液晶層を備えた液晶表示装置の信頼性を向上することにある。

本発明による液晶表示装置は、照明装置と、前記照明装置から出射した光を用いて表示を行う液晶パネルとを備えた液晶表示装置であって、前記液晶パネルは、一対の基板と、前記一対の基板間に設けられた液晶層とを有し、前記液晶層は、炭素―炭素三重結合および多環基の少なくとも一方を有する分子を含む液晶材料から形成されており、前記照明装置は、表示に用いられる光のうち少なくとも青色の光を第一次的に発生させる光源を含み、そのことによって上記目的が達成される。

ある好適な実施形態において、前記液晶材料の２０℃における回転粘性率γ₁が、１２０ｍＰａ・ｓ以下である。

ある好適な実施形態において、前記液晶材料に含まれる前記分子は、下記式群

のいずれかで表される基本骨格を有する（ただし、上記式群中のｎは２以上の整数であり、上記式群中の環状骨格に含まれる水素原子は、それぞれ独立にハロゲン原子、シアノ基、イソシアノ基に置換されていてもよい）。

ある好適な実施形態において、前記液晶材料は、前記基本骨格を有する前記分子を２５質量％以上含む。

ある好適な実施形態において、前記光源が発する青色の光のスペクトルは、ピーク波長が３８０ｎｍ以上である。

ある好適な実施形態において、前記光源は、紫外領域内の光を実質的に発生させない。

ある好適な実施形態において、前記光源は発光ダイオードである。

ある好適な実施形態において、前記光源はエレクトロルミネッセンス素子である。

ある好適な実施形態において、前記光源は放電管である。

ある好適な実施形態において、前記液晶パネルは垂直配向モードで表示を行う。

ある好適な実施形態において、前記液晶パネルはインプレーンスイッチングモードで表示を行う。

ある好適な実施形態において、前記液晶パネルは、それぞれが前記照明装置から出射した光を変調することができる複数の画素領域と、前記複数の画素領域のそれぞれに設けられたスイッチング素子とをさらに有する。

本発明による電子機器は、上記の構成を有する液晶表示装置を備えている。

ある好適な実施形態において、本発明による電子機器は、テレビジョン放送を受信する回路をさらに備える。

本発明による液晶表示装置が備える照明装置は、表示に用いられる光のうち少なくとも青色の光を第一次的に発生させる光源を有しているので、液晶材料に含まれる分子の紫外光に起因した分解が抑制される。そのため、本発明によると、粘性の低い液晶材料から形成された液晶層を備えた液晶表示装置の信頼性を向上することが可能になり、長時間に亘って高品位の表示を行うことができる液晶表示装置を提供することができる。

本発明の好適な実施形態の液晶表示装置を模式的に示す断面図である。 本発明の好適な実施形態の液晶表示装置を模式的に示す断面図である。 ＶＡモードの液晶表示装置に用いられるアクティブマトリクス基板を模式的に示す上面図である。 配向膜に付与されたプレチルト方向と液晶分子の傾斜方向との関係を模式的に示す図である。 ＩＰＳモードの液晶表示装置に用いられるアクティブマトリクス基板を模式的に示す上面図である。 ＩＰＳモードの液晶表示装置に用いられるアクティブマトリクス基板を模式的に示す上面図である。 試作例の液晶表示装置に用いた青色ＬＥＤ＃１の発光スペクトルを示すグラフである。 試作例の液晶表示装置に用いた青色ＬＥＤ＃２の発光スペクトルを示すグラフである。 試作例の液晶表示装置に用いた青色ＬＥＤ＃３の発光スペクトルを示すグラフである。 試作例の液晶表示装置に用いた青色ＬＥＤ＃４の発光スペクトルを示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、比較例の液晶表示装置に用いた冷陰極管（ＣＣＦＬ）の発光スペクトルを示すグラフである。 ＶＡモードの液晶表示装置の電圧透過率曲線を示すグラフである。 ＶＡモードの液晶表示装置の電圧透過率曲線を示すグラフであり、縦軸の透過率を対数でとったグラフである。 ＴＮモードの液晶表示装置の電圧透過率曲線を示すグラフである。 ＴＮモードの液晶表示装置の電圧透過率曲線を示すグラフであり、縦軸の透過率を対数でとったグラフである。 紫外線吸収剤を含有するＴＡＣフィルムの吸収スペクトルを示すグラフである。

本願発明者は、粘性の低い液晶材料を用いた液晶表示装置において上述した問題が発生する原因を詳細に解析した。

液晶表示装置は、非発光型の表示素子であるため、照明装置を備えており、照明装置からの光を液晶パネルで変調することによって表示を行う。本願発明者は、後述するようにこの照明装置から微量な紫外光が出射していることを突き止めた。さらに、本願発明者は、粘性が低い液晶材料には、紫外光によって分解されやすい（つまり紫外光に対して不安定な）分子が含まれていることが多いことを突き止め、このような分子が照明装置からの紫外光によって分解されることによって配向の乱れや電圧保持率の低下が発生することを見出した。

一般的な液晶表示装置の照明装置には、光源として冷陰極管が用いられている。冷陰極管では、まず放電により管内に封入された水銀が励起されて紫外光を発し、その紫外光が管内に封入された蛍光体を励起して表示に用いられる可視光（典型的には赤色、緑色および青色の光を含む光）が発せられる。つまり、冷陰極管は、第一次的に紫外光を発生させ、その紫外光によって第二次的に可視光を発生させる。

水銀から発せられた紫外光は、そのすべてが蛍光体を励起するのに用いられることはなく、その一部は管外に出射して液晶パネルに到達してしまう。管外に出射する紫外光は、一般的な照度計ではほとんど検知できないほど微量であるが、長期に亘って液晶パネルに照射されることによって液晶材料中の分子の分解が進み、上述した問題を引き起こしてしまう。

近年、液晶表示装置は、テレビジョン放送の画像を映す液晶テレビに用いられるようになってきている。液晶テレビは、リビングルームなどに設置され、非常に長時間使用されることが想定される。そのため、液晶テレビには、約４万時間（１０時間／日×３６５日×１０年）程度安定した表示を行うことができるような信頼性が必要とされる。このような長時間の使用では、照明装置からの紫外光による分子の分解は大きな問題となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１に、本実施形態における液晶表示装置１００を示す。液晶表示装置１００は、照明装置１０Ａと、照明装置１０Ａから出射した光を用いて表示を行う液晶パネル２０とを備えている。照明装置１０Ａと液晶パネル２０との間には、照明装置１０Ａからの光を拡散する拡散シート３０が設けられている。

液晶パネル２０は、一対の基板（例えばガラス基板）２０ａおよび２０ｂと、これらの間に設けられた液晶層２１と、一対の基板２０ａおよび２０ｂの液晶層２１側に設けられた一対の配向膜２２ａおよび２２ｂとを有している。ここでは図示しないが、基板２０ａおよび２０ｂ上には、液晶層２１に電圧を印加するための電極が形成されている。

照明装置１０Ａは、マトリクス状に配列された複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として備えたＬＥＤアレイである。照明装置１０Ａは、具体的には、赤色ＬＥＤ１２Ｒ、緑色ＬＥＤ１２Ｇおよび青色ＬＥＤ１２Ｂを有している。

赤色ＬＥＤ１２Ｒ、緑色ＬＥＤ１２Ｇおよび青色ＬＥＤ１２Ｂは、順方向にバイアス電圧をかけたｐｎ接合において起こる電子と正孔の再結合により、それぞれ赤色の光、緑色の光、青色の光を発する。つまり、赤色ＬＥＤ１２Ｒ、緑色ＬＥＤ１２Ｇおよび青色ＬＥＤ１２Ｂは、それぞれ赤色の光、緑色の光、青色の光を第一次的に発生させ、これらの光を含む白色の光が液晶パネル２０に照射されてカラー表示に用いられる。

上述したように、液晶表示装置１００の照明装置１０Ａは、表示に用いられる光を第一次的に（つまり直接的に）発生させる光源を備えているので、応答特性を向上するために液晶層２１を粘性の低い液晶材料から形成しても、紫外光による分子の分解が起こりにくい。そのため、液晶層中の分子の分解に起因した配向の乱れや電圧保持率の低下が発生しにくく、長期間に亘って高品位の表示を行うことができる。

なお、図１には、赤色ＬＥＤ１２Ｒ、緑色ＬＥＤ１２Ｇおよび青色ＬＥＤ１２Ｂを備えた照明装置１０Ａを例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。青色ＬＥＤと、青色ＬＥＤからの光を吸収してより長い波長域の光を発する蛍光体とを備えた照明装置を用いてもよい。例えば、青色ＬＥＤおよび赤色ＬＥＤと、青色の光を吸収して緑色の光を発する緑色蛍光体とを備えた照明装置や、青色ＬＥＤと、緑色蛍光体と、青色の光を吸収して赤色の光を発する赤色蛍光体とを備えた照明装置を用いてもよい。表示に用いられる光のうち少なくとも青色の光を第一次的に発する光源を備えた照明装置を用いることによって、液晶層中の分子の分解を抑制することができる。

また、図１に示す照明装置１０Ａは、液晶パネル２０の直下にＬＥＤがマトリクス状に配列された直下型の照明装置であるが、他の方式の照明装置を用いてもよい。例えば、図２に示す照明装置１０Ｂのように、液晶パネル２０の背面側に設けた導光板１４の端面にＬＥＤ１２が配置され、ＬＥＤ１２からの光を導光板１４によって液晶パネル２０に導くサイドライト型の照明装置であってもよい。

本発明は、種々の表示モードの液晶表示装置に好適に用いることができる。例えば、ツイストネマチック（ＴＮ）モードや垂直配向（ＶＡ）モード、インプレーンスイッチング（ＩＰＳ）モードの液晶表示装置に好適に用いることができる。

ここで、ＶＡモードの液晶表示装置を説明する。図３に、ＶＡモードの液晶パネルのアクティブマトリクス基板２０ａを模式的に示す。アクティブマトリクス基板２０ａ上には、互いに略平行に延びる複数の走査配線２３と、走査配線２３に交差する方向に延びる複数の信号配線２４と、対応する走査配線２３および信号配線２４に電気的に接続されたＴＦＴ２５と、ＴＦＴ２５に電気的に接続された画素電極２６とが形成されている。ＴＦＴ２５および画素電極２６は、マトリクス状に配列された複数の画素領域のそれぞれに設けられている。アクティブマトリクス基板２０ａ上には、さらに、補助容量を構成するための補助容量配線２３’が形成されている。

図３に示すアクティブマトリクス基板２０ａの表面には、垂直配向性を有する配向膜２２ａが形成されている。配向膜２２ａには、所定の配向処理が施されており、この配向膜２２ａによって液晶分子のプレチルト角およびプレチルト方向が規定される。なお、「プレチルト角」は、配向膜表面の配向規制力によって配向が規制された液晶分子の長軸と、基板表面とのなす角度である。また、「プレチルト方向」は、配向膜表面の配向規制力によって配向が規制された液晶分子の長軸がとる方位角方向である。液晶分子のプレチルト方向は、配向膜の配向規制力によって規定されるので、本願明細書では、配向膜の配向規制力の方向をも「プレチルト方向」という用語を用いて表す。図３中の左下の画素について示すように、配向膜２２ａのプレチルト方向（図中の実線の矢印）は、画素領域内の４つの領域でそれぞれ異なっている。

アクティブマトリクス基板２０ａに対向するカラーフィルタ基板２０ｂの表面にも垂直配向性を有する配向膜２２ｂが形成されている。図３に示すように、配向膜２２ｂのプレチルト方向（図中の点線の矢印）は、画素領域内の４つの領域でそれぞれ異なっており、図３および図４に示すように、アクティブマトリクス基板２０ａ側の配向膜２２ａのプレチルト方向と反対になるように設定されている。

ＶＡモードの液晶表示装置では、液晶層２１に含まれる液晶分子２１ａは、負の誘電異方性を有しており、電圧印加時には、負の誘電異方性を有する液晶分子２１ａが略垂直な状態から傾斜する。配向膜２２ａおよび２２ｂのプレチルト方向は、上述したように設定されているので、電圧印加時には、液晶層２１は、液晶分子２１ａの配向方向がそれぞれ異なる４つの液晶ドメインを形成する。すなわち、各画素領域は、液晶分子の傾斜する方向が異なる４つの領域に配向分割されている（４分割配向）。そのため、表示の視角依存性が低減され、視野角特性が向上する。

次に、ＩＰＳモードの液晶表示装置を説明する。図５に、ＩＰＳモードの液晶パネルのアクティブマトリクス基板２０ａを模式的に示す。アクティブマトリクス基板２０ａ上には、互いに略平行に延びる複数の走査配線２３と、走査配線２３に交差する方向に延びる複数の信号配線２４と、対応する走査配線２３および信号配線２４に電気的に接続されたＴＦＴ２５と、ＴＦＴ２５に電気的に接続された画素電極２６とが形成されている。画素電極２６は、信号配線２４に略平行に延びる櫛歯状に形成されている。

アクティブマトリクス基板２０ａ上には、さらに、画素電極２６に略平行な櫛歯状に形成された共通電極２７が設けられている。共通電極２７は、走査配線２３に略平行に形成された共通配線２８から延設されている。共通配線２８は、画素電極２６と同一の導電層から形成された補助容量電極２９と絶縁膜（不図示）を介して対向し、補助容量を構成する。

図５に示すアクティブマトリクス基板２０ａの表面には、水平配向性を有する配向膜２２ａが形成されている。また、アクティブマトリクス基板２０ａに対向するカラーフィルタ基板２０ｂの表面にも水平配向性を有する配向膜２２ｂが形成されている。

ＩＰＳモードの液晶表示装置では、液晶層２１に含まれる液晶分子は、正の誘電異方性を有しており、電圧印加時には、画素電極２６と共通電極２７との間に生成される横電界（液晶層の層面に平行な電界）によって、その配向方向を変化させる。ＩＰＳモードの液晶表示装置では、液晶分子の配向方向が液晶層２１に平行な面内で変化するため、良好な視野角特性が実現される。

なお、ＩＰＳモードでは、斜め方向（基板面法線方向から傾斜した方向）から観察したときに着色現象が発生するという問題がある。具体的には、液晶分子の長軸方向から観察したときには、光が青色味がかり、液晶分子の短軸方向から観察したときには、光が黄色味がかる。つまり、液晶層を斜め（層法線方向から傾斜した方向）に通過する光の青色味化や黄色味化が発生してしまう。これは、液晶分子のリタデーションが波長分散性（波長依存性）を有しているためである。

上記の着色現象を抑制するために、図６に示すような構成を採用してもよい。図６に示すアクティブマトリクス基板２０ａは、複数回屈曲した形状（ジグザグ状）の信号配線２４と、信号配線２４に略平行となるように屈曲した形状（くの字状）の画素電極２６および共通電極２７を有している。

上述したように画素電極２６および共通電極２７が屈曲した形状を有しているので、各画素領域には、電圧印加時には、液晶分子の配向方向が異なる２つの領域が形成される。そのため、ある斜め方向から見たときに、それぞれの領域が互いに補色の関係を有する色味に光の波長域をシフトさせるので、着色現象が抑制される。

次に、紫外光に対して不安定な分子を含む、粘性の低い液晶材料を具体的に説明する。なお、液晶材料は一般に複数種類の分子（化合物）の混合物であり、液晶材料を構成する分子は必ずしも単体で液晶性を示すとは限らない。

炭素―炭素三重結合および多環基の少なくとも一方を有する分子を液晶材料に混入すると、液晶材料の粘性が低下するので、液晶表示装置の応答特性を向上することができる。炭素―炭素三重結合および多環基の少なくとも一方を有する分子は、紫外光に対する安定性が低いが、本発明によれば、このような分子の分解を抑制し、電圧保持率の低下や表示むらの発生を防止することができる。特に、２０℃における回転粘性率γ₁が１２０ｍＰａ・ｓ以下である液晶材料を用いる場合には、電圧保持率の低下や表示むらが発生しやすいので、本発明を用いる意義が大きい。なお、本願明細書では、「多環基」は、非縮合多環基および縮合多環基の両方を指す。

炭素―炭素三重結合および多環基の少なくとも一方を有する分子としては、例えば、下記式群のいずれかで表される基本骨格を有する分子が挙げられる。このような分子を液晶材料に混入することにより、液晶材料の２０℃における回転粘性率γ₁を容易に１２０ｍＰａ・ｓ以下とすることができる。なお、下記式群中のｎは２以上の整数であり、下記式群中の環状骨格に含まれる水素原子は、それぞれ独立にハロゲン原子、シアノ基、イソシアノ基に置換されていてもよい。

上記の基本骨格を有する分子を液晶材料中に２５質量％以上混入することにより、液晶材料の粘性が十分に低下し、高速応答性を得ることができる。具体的には、ほぼ１フレーム以内の応答時間を実現でき、液晶テレビに要求されるレベルの動画性能を得ることができる。

上記の基本骨格を有する分子のうち、トラン基を有する分子（下記の[化５]に示す式群で表される構造を含む分子、具体例としては、式（Ｉ）、（VI）で表される分子）は、粘性の低減効果が大きく、一方、三重結合ゆえに紫外線に対する安定が極めて低く、本発明の効果が最も顕著に現れる。

以下、さらに具体的に液晶材料およびその構成分子の例を説明する。

粘性の低い液晶材料として、例えば、下記式（Ｉ）で表される分子を含有する液晶材料を用いることができる。なお、式（Ｉ）中、ｍ、ｎは１以上の整数である。式（Ｉ）で表される分子を含有する液晶材料は、例えばＩＤＷ '00, p.77に開示されており、２０℃において１１１〜１１４ｍＰａ・ｓ程度の回転粘性率γ₁を有し得る。

また、下記式（II）で表される分子を含有する液晶材料を用いることができる。なお、式（II）中、ＡおよびＢは、それぞれ独立に、シクロヘキシレン、フェニレン、一部のＨがＦに置換されたフェニレン、または少なくとも１つのＨがＤに置換されたシクロヘキシレンであり、Ｚ₁、Ｚ₂は少なくとも一方が−Ｃ≡Ｃ−であり、Ｒ₁はアルキル、アルケニル、オキサアルキルまたはアルコキシ（好ましくはＣの数が１以上１０以下）であり、Ｘ₁、Ｘ₂、Ｘ₃はＨまたはＦである。典型的にはＸ₂がＦであり、Ｘ₁およびＸ₃の少なくとも一方がＦである。

式（II）で表される分子を含有する液晶材料は、例えば特開平１０−２９２１７３号公報に開示されており、２０℃において２８ｍＰａ・ｓ以下の回転粘性率γ₁を有し得る。式（II）で表される分子は、例えば下記式群で表される構造を含んでいる。

また、下記式（III）、（IV）および（Ｖ）で表される分子を含有する液晶材料を用いることができる。なお、式（III）、（IV）および（Ｖ）中、Ｒはアルキル、アルケニル、オキサアルキルまたはアルコキシであり、Ｘ₁、Ｘ₂、Ｘ₃およびＸ₄はそれぞれ独立にＨまたはＦであり、ＹはＦ、―ＣＦ₃、−ＯＣＦ₃、―ＯＣＨＦ₂、―ＯＣＨ₂Ｆ、またはＲである。式（III）、（IV）および（Ｖ）で表される分子を含有する液晶材料は、例えば特開２００２−３８１５４号公報に開示されている。

また、下記式（VI）で表される分子を含有する液晶材料を、ＩＰＳモードの液晶表示装置（例えば図５および図６に示したアクティブマトリクス基板２０ａを有している）に用いることができる。なお、式（VI）中、ｍ、ｎは１以上の整数である。

式（VI）で表される分子を含有する液晶材料は、例えば特開平７−３１６５５６号公報に開示されている。この公報に実施例３として開示されているように、式（VI）で表される分子と下記式（VII）で表される分子とを混合した液晶材料は、２０℃において２０ｍＰａ・ｓ程度の回転粘性率γ₁を有している。

さらに、下記式（VIII）、（IX）および（Ｘ）で表される分子を含有する液晶材料を、ＶＡモードの液晶表示装置（例えば図３に示したアクティブマトリクス基板２０ａを有している）に用いることができる。なお、式（VIII）、（IX）および（Ｘ）中、Ｘ₁〜Ｘ₆はそれぞれ独立に水素原子、ハロゲン原子、シアノ基またはイソシアノ基である。ただし、Ｘ₁、Ｘ₂およびＸ₃のうちの少なくとも１つ、Ｘ₄およびＸ₅のうちの少なくとも１つ、およびＸ₆は、水素原子でないことが好ましい。また、Ｘ₁〜Ｘ₆のうち水素原子でないものは、ハロゲン原子であることが好ましく、フッ素原子であることがさらに好ましい。

式（VIII）、（IX）および（Ｘ）で表される分子を含有する液晶材料は、例えば特開２００２−６９４４９号公報に開示されている。この公報に実施例１として開示されている液晶材料は負の誘電異方性を有しており、ＶＡモードの液晶表示装置に用いることができる。

続いて、実際に試作した液晶表示装置の信頼性を評価した結果を説明する。本願発明者は、粘性の低い液晶材料から形成された液晶層を有する液晶パネルと、表示に用いられる光を第一次的に発生させる光源を含む照明装置とを備えた液晶表示装置を実際に試作し、その信頼性を評価した。

まず、図３に示したＶＡモード用のアクティブマトリクス基板２０ａと、カラーフィルタ基板２０ｂを公知の手法で作成した。アクティブマトリクス基板２０ａおよびカラーフィルタ基板２０ｂの表面に、主骨格がポリイミドであり、垂直配向性を誘起する側鎖およびカルコン基からなる光反応性側鎖を有する配向膜材料を塗布して配向膜を形成し、この配向膜に基板面法線方向に対して傾斜した方向から偏光させた紫外光を照射した。このようにして作成したアクティブマトリクス基板とカラーフィルタ基板とを貼り合せ、これらの間隙に液晶材料を注入し、液晶パネルを作成した。液晶材料としては、ナフタレン基を有する分子を含む液晶材料を用いた。

上述の液晶パネルを複数作成し、これらの液晶パネルの背面側に、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤおよび青色ＬＥＤを有する照明装置＃１〜＃４を設けて液晶表示装置を作成した（試作例１〜４）。また、上述の液晶パネルの背面側に、冷陰極管（ＣＣＦＬ）を有する照明装置＃５を設けて液晶表示装置を作成した（比較例１）。照明装置＃１〜＃４に用いた青色ＬＥＤ＃１〜＃４の発光スペクトルを図７〜図１０に示し、照明装置＃５に用いた冷陰極管（ＣＣＦＬ）の発光スペクトルを図１１（ａ）および（ｂ）に示す。なお、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の縦軸を１０倍に拡大したグラフである。また、青色ＬＥＤ＃１〜＃４のピーク波長を表１に示す。

試作例１〜４の液晶表示装置および比較例１の液晶表示装置の経時変化を観察した。ただし、加速試験を行うために、通常の輝度の１０倍になるように光源の輝度を設定した。

試作例１〜４の液晶表示装置では、５００時間経過後でも全く変化が生じなかったが、比較例１の液晶表示装置では、５００時間経過後には配向方向（プレチルト方向）に変化が生じ始め、電圧保持率の低下も見られた。

また、比較例１の液晶表示装置では、１０００時間経過後には配向方向の変化がより大きくなり、顕著な表示むらが観察された。これに対し、試作例１〜４の液晶表示装置では、試作例１についてやや電圧保持率の低下が見られたが、試作例２〜４については全く変化が見られなかった。

比較例１の液晶表示装置における配向方向の変化や電圧保持率の低下は、照明装置＃５の冷陰極管が発する紫外光に起因している。図１１（ａ）および（ｂ）に示すように、冷陰極管の発光スペクトルには、３１３ｎｍ（ｊ線）や３６５ｎｍ（ｉ線）のピークが見られる。これらのピークは、水銀発光に特有の輝線に対応したものであり、冷陰極管の発光スペクトルに原理的に存在している。これらの輝線が、分子の劣化を引き起こし、信頼性を低下させる原因となっている。

特に、３１３ｎｍのピーク近辺の光は、液晶層中の分子の分解への寄与が大きい。この理由を以下に説明する。

炭素―炭素（Ｃ−Ｃ）結合や炭素―水素（Ｃ−Ｈ）結合、ベンゼンの吸収波長帯は３００ｎｍより短波長側にあるので、これらの結合は、水銀発光によっては切断されにくい。ところが、分子中に共役系が存在すると、吸収波長は長波長側にシフトする。また、そのシフト量は、共役系の数や長さに依存する。例えば、ベンゼンの吸収波長が２６１ｎｍであるのに対し、ナフタレンでは３１２ｎｍ、アントラセンでは３７５ｎｍというように長波長側にシフトする。

液晶表示装置の応答特性の向上に有為な粘度低減特性を有する化合物、すなわち、既に述べたようなナフタレン基やビフェニル基、炭素―炭素三重結合といった共役系を有する化合物についても、やはり吸収波長は３００ｎｍ以上へとシフトする。そのため、水銀の発する光のうちで分子の分解への影響が最も大きいのは３１３ｎｍ（ｊ線）の光であり、その次に影響の大きいのが３６５ｎｍ（ｉ線）の光ということになる。

なお、シフト量が大きく、例えば、３６５ｎｍ（ｉ線）付近に吸収ピークを有する化合物では、３６５ｎｍ（ｉ線）の光が最も影響の大きな光となるが、この場合には、吸収端が可視領域に及んで青色の光を若干吸収するため、化合物自体が黄色味を帯びてしまい、表示特性の観点から好ましくない。結局、粘性および色味の両方を最適化した液晶材料では、分子の分解に最も大きな影響を与えるのは３１３ｎｍ（ｊ線）の光であり、その次に大きな影響を与えるのが３６５ｎｍ（ｉ線）の光ということになる。

これに対し、青色ＬＥＤ＃１〜＃４は青色の光を第一次的に発生させるので、青色ＬＥＤ＃１〜＃４の発光スペクトルは、図７〜図１０に示すように、少なくとも３１３ｎｍ付近にピークを有していない。そのため、青色ＬＥＤ＃１〜＃４が発する光は、液晶層中の分子を分解しにくい。

上述したように、表示に用いられる光のうち少なくとも青色の光を第一次的に発生させる光源を含む照明装置を用いることにより、粘性の低い液晶材料から形成された液晶層を備えた液晶表示装置の信頼性が向上することが確認された。

なお、試作例１では１０００時間経過後にやや電圧保持率の低下が見られたことからもわかるように、より信頼性を向上する観点からは、光源が発する青色の光のスペクトルは、試作例２〜４の青色ＬＥＤ＃２〜＃４のようにピーク波長が３８０ｎｍ以上である（すなわち可視領域内にある）ことが好ましい。また、青色ＬＥＤ＃３および＃４のようにピーク波長が４００ｎｍ以上であることがより好ましく、青色ＬＥＤ＃４のように紫外領域内の光を実質的に発生させないことがさらに好ましい。なぜなら、有機化合物の吸収端には広がりが存在する（吸収スペクトルの裾が広い）ため、可視領域に近い領域の（すなわちｊ線やｉ線よりも高波長側の）紫外光であっても分子の分解にはわずかに寄与し、液晶テレビの使用時間（たとえば４００００時間）の間にはそのエネルギーが積算され、影響があらわれてしまうからである。

次に、図５に示したＩＰＳモード用のアクティブマトリクス基板２０ａと、カラーフィルタ基板２０ｂを公知の手法で作成した。アクティブマトリクス基板２０ａおよびカラーフィルタ基板２０ｂの表面に、水平配向性を有する（プレチルトをほとんど発生させない）配向膜材料を塗布して配向膜を形成し、基板面法線方向からこの配向膜に偏光させた紫外光を照射した。このようにして作成したアクティブマトリクス基板とカラーフィルタ基板とを貼り合せ、これらの間隙に液晶材料を注入し、液晶パネルを作成した。液晶材料としては、トラン基を有する分子を含む液晶材料を用いた。

上述の液晶パネルを複数作成し、これらの液晶パネルの背面側に、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤおよび青色ＬＥＤを有する照明装置＃１〜＃４を設けて液晶表示装置を作成した（試作例５〜８）。また、上述の液晶パネルの背面側に、冷陰極管（ＣＣＦＬ）を有する照明装置＃５を設けて液晶表示装置を作成した（比較例２）。

試作例５〜８の液晶表示装置および比較例２の液晶表示装置の経時変化を観察した。ただし、加速試験を行うために、通常の輝度の１０倍になるように光源の輝度を設定した。

試作例５〜８の液晶表示装置では、５００時間経過後でも全く変化が生じなかったが、比較例２の液晶表示装置では、５００時間経過後には配向方向（プレチルト方向）に変化が生じ始め、電圧保持率の低下も見られた。

また、比較例２の液晶表示装置では、１０００時間経過後には配向方向の変化がより大きくなり、顕著な表示むらが観察された。これに対し、試作例５〜８の液晶表示装置では、試作例５についてやや電圧保持率の低下が見られたが、試作例６〜８については全く変化が見られなかった。

上述したように、表示に用いられる光のうち少なくとも青色の光を第一次的に発生させる光源を含む照明装置を用いることにより、粘性の低い液晶材料から形成された液晶層を備えたＩＰＳモードの液晶表示装置の信頼性が向上することが確認された。

なお、本発明は、種々の表示モードの液晶表示装置に用いることができ、上述したＶＡモードやＩＰＳモードに限定されず、例えばＴＮモードの液晶表示装置にも用いることができる。

ただし、信頼性を向上する効果は、ＴＮモードにおいてよりもＶＡモードにおいての方が高かった。この理由を図１２〜図１５を参照しながら説明する。図１２および図１３は、ＶＡモードの液晶表示装置の電圧透過率曲線を示すグラフであり、図１４および図１５は、ＴＮモードの液晶表示装置の電圧透過率曲線を示すグラフである。図１２および図１３に示す５本の曲線は、上側から順に、プレチルト角が８７．９°、８８．４°、８８．９°、８９．４°および８９．９°の場合を示し、図１４および図１５に示す５本の曲線は、上側から順に、プレチルト角０．１°、０．６°、１．１°、１．６°および２．１°の場合を示している。

図１２および図１３と図１４および図１５との比較、特に、縦軸の透過率を対数にとった図１３と図１５との比較からわかるように、ＴＮモードよりもＶＡモードの方が、黒階調〜低輝度中間調（図１３および図１５中の破線で囲まれた部分）において電圧透過率曲線が急峻であり、プレチルト角の変化に対する透過率の変化量が大きい。なお、階調は透過率と指数関数的な関係を有しており、例えば２５６階調表示におけるｎ階調の透過率Ｔ_nは、Ｔ_n＝（ｎ／２５５）^2.2で表される。そのため、階調と透過率との関係を議論するには、図１３および図１５のように片対数プロットとすることが好ましい。

上述したように、プレチルト角の変化に対する透過率の変化量がＶＡモードの方が大きいため、ＶＡモードでは、液晶層中の分子の分解によってわずかにでもプレチルト角が変化すると表示むらが発生してしまう。そのため、本発明による信頼性向上の効果が高い。また、配向分割を行っている場合、プレチルト角が変化すると、各ドメイン間の境界の位置が変化し、表示のざらつきが観察されてしまうことがある。従って、配向分割を行っているＶＡモードでは、信頼性を向上する効果が特に高い。

また、本発明は、ＩＰＳモードにおいても、信頼性を向上する効果が高い。ＩＰＳモードにおいては、櫛歯状の電極を用いて横電界を発生させ、そのことによって表示を行うが、電極上には横電界が発生しないため、電極が形成されている部分は表示に寄与しない。そのため、実効的な開口率は、ＴＮモードやＶＡモードに比べると低く、典型的には、ＴＮモードやＶＡモードの半分程度である。そのため、ＴＮモードやＶＡモードと同じ輝度を得るためには、光源の明るさを約２倍にする必要があり、従来のように冷陰極管を含む照明装置を用いた場合には、液晶層中の分子の分解が起こりやすい。従って、本発明による信頼性向上の効果が高い。

さらに、ＩＰＳモードと同様に水平配向型液晶層の配向状態を横電界を用いて制御するＦＦＳ（フリンジフィールドスイッチング）モードについても、本発明による信頼性向上の効果が顕著に得られる。

本発明は、パッシブマトリクス型の液晶表示装置にもアクティブマトリクス型の液晶表示装置にも好適に用いられるが、特にアクティブマトリクス型の液晶表示装置において顕著な効果を奏する。各画素にスイッチング素子（例えばＴＦＴ）を備えたアクティブマトリクス型の液晶表示装置においては、画素容量に充電した電荷を１フレームの間保持しておく必要があるが、液晶層中の分子が紫外光によって分解されると、電圧保持率が低下し、表示品位が低下してしまう。本発明によると、このような電圧保持率の低下を抑制することができるので、アクティブマトリクス駆動を好適に行うことができる。

なお、液晶パネル２０に外部から入射する光にも紫外光は含まれているし、青色ＬＥＤが発する光にも紫外領域の光がわずかに含まれていることがある。そのため、紫外光による分子の分解をより確実に抑制するために、液晶層２１の照明装置側や観察者側に紫外光を吸収する部材を設けてもよいし、液晶層２１の照明装置側や観察者側に位置する部材を紫外光を吸収する材料から形成してもよい。

ただし、冷陰極管を含む照明装置を備えた液晶表示装置においては、たとえ紫外光を吸収する部材を設けたとしても、液晶層中の分子の分解が起こってしまう。上述した試作例および比較例の液晶表示装置には、紫外線吸収剤を含有するＴＡＣ（トリアセチルセルロース）フィルム付きの偏光板が用いられていたが、それにも関わらず比較例では分子の分解が起こっていた。これは、紫外光を吸収する部材であっても、発光の際に原理的に発生する紫外光の全てを吸収することはできないからである。

図１６に、紫外線吸収剤を含有するＴＡＣフィルムの吸収スペクトルを示す。図１６からわかるように、このＴＡＣフィルムは波長４００ｎｍ以下の光に対する吸収能を有している。しかしながら、ＯＤ（Optical Density；光学濃度）値は１〜４程度であり、紫外光を完全に吸収することはできない。そのため、照度計では微弱すぎて検知できない程度の紫外光であっても、液晶層に長時間照射されることにより、その積算エネルギーが分子を分解する程度に達してしまうと考えられる。

本実施形態では、光源としてＬＥＤを例示したが、これに限定されず、少なくとも青色の光を第一次的に発生させる光源を広く用いることができる。例えば、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子を用いることができる。なお、ＬＥＤもエレクトロルミネッセンスを利用して発光を行うため、ＥＬ素子（広義のＥＬ素子）と呼ばれることもあるが、本願明細書では、特にことわらない限り、「ＥＬ素子」は、いわゆる有機ＥＬ素子や無機ＥＬ素子などの真性ＥＬ素子を指し、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような注入型のＥＬ素子を指さないものとする。赤色ＥＬ素子、緑色ＥＬ素子および青色ＥＬ素子を備えた照明装置を用いてもよいし、青色ＥＬ素子と、青色ＥＬ素子からの光を吸収してより長い波長域の光を発する蛍光体とを含む照明装置を用いてもよい。また、赤色、緑色および青色の発光層が重ねられた白色ＥＬ素子を備えた照明装置を用いてもよい。

また、放電管であっても、紫外光を第一次的に発生させるものではなく、表示に用いられる光を第一次的に発生させる希ガスを封入したネオン管のようなものであれば用いることができる。例えば、ネオンを封入したネオン管であれば橙赤色、アルゴンを封入したアルゴン管であれば青緑色の光を第一次的に発生させることができるので、ネオン管、アルゴン管、および色のバランスを調整するための色フィルターを組み合わせれば白色光源を得られる。

本発明によると、粘性の低い液晶材料から形成された液晶層を備えた液晶表示装置の信頼性を向上することができ、長時間に亘って高品位の表示を行うことができる液晶表示装置が提供される。

本発明による液晶表示装置は、長期間に亘る使用が想定される種々の電子機器に好適に用いられる。例えば、テレビジョン放送を受信する回路を備える液晶テレビに好適に用いられる。

１０Ａ、１０Ｂ 照明装置
１２ 発光ダイオード
１２Ｒ 赤色発光ダイオード
１２Ｇ 緑色発光ダイオード
１２Ｂ 青色発光ダイオード
２０ 液晶パネル
２０ａ、２０ｂ 基板
２１ 液晶層
２１ａ 液晶分子
２２ａ、２２ｂ 配向膜
２３ 走査配線
２４ 信号配線
２５ ＴＦＴ
２６ 画素電極
２７ 共通電極
２８ 共通配線
２９ 補助容量電極
３０ 拡散シート

Claims (12)

1. 照明装置と、前記照明装置から出射した光を用いて表示を行う液晶パネルとを備えた液晶表示装置であって、
   前記液晶パネルは、一対の基板と、前記一対の基板間に設けられた液晶層とを有し、
   前記液晶層は、炭素―炭素三重結合および多環基の少なくとも一方を有する分子を含む液晶材料から形成されており、
   前記液晶パネルは、インプレーンスイッチングモードまたはフリンジフィールドスイッチングモードで表示を行い、
   前記照明装置は、表示に用いられる光のうち少なくとも青色の光を第一次的に発生させる光源を含み、
   前記光源は、紫外領域内の光を実質的に発生させない液晶表示装置。
2. 前記液晶材料の２０℃における回転粘性率γ₁が、１２０ｍＰａ・ｓ以下である請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記液晶材料に含まれる前記分子は、下記式群
   

   

   のいずれかで表される基本骨格を有する（ただし、上記式群中のｎは２以上の整数であり、上記式群中の環状骨格に含まれる水素原子は、それぞれ独立にハロゲン原子、シアノ基、イソシアノ基に置換されていてもよい）請求項１または２に記載の液晶表示装置。
4. 前記液晶材料は、前記基本骨格を有する前記分子を２５質量％以上含む請求項３に記載の液晶表示装置。
5. 前記光源が発する青色の光のスペクトルは、ピーク波長が３８０ｎｍ以上である請求項１から４のいずれかに記載の液晶表示装置。
6. 前記光源は発光ダイオードである請求項１から５のいずれかに記載の液晶表示装置。
7. 前記光源はエレクトロルミネッセンス素子である請求項１から５のいずれかに記載の液晶表示装置。
8. 前記液晶パネルは、前記一対の基板の前記液晶層側に設けられた一対の配向膜をさらに有し、
   前記一対の配向膜の少なくとも一方は、紫外光の照射によって配向規制力を付与されている請求項１から７のいずれかに記載の液晶表示装置。
9. 前記液晶パネルは、前記一対の基板の前記液晶層側に設けられた一対の配向膜をさらに有し、
   前記一対の配向膜の少なくとも一方は、主骨格がポリイミドであり光反応性側鎖を有する配向膜材料から形成されている請求項１から７のいずれかに記載の液晶表示装置。
10. 前記液晶パネルは、それぞれが前記照明装置から出射した光を変調することができる複数の画素領域と、前記複数の画素領域のそれぞれに設けられたスイッチング素子とをさらに有する、請求項１から９のいずれかに記載の液晶表示装置。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載の液晶表示装置を備える電子機器。
12. テレビジョン放送を受信する回路をさらに備える、請求項１１に記載の電子機器。

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