JP5202209B2 - 液晶表示素子および液晶表示素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、液晶層の液晶材料にネマティック液晶材料を用いた液晶表示素子および液晶表示素子の製造方法に関する。
液晶表示素子は、一般に、対向配置されている一対の基板と、一対の基板の対向している面のそれぞれの一方又は両方の面に形成されている透明電極と、一対の基板の対向している面のそれぞれの面に形成された配向膜と、一対の基板間に挟持された液晶層とからなる。
液晶層の液晶材料にネマティック液晶材料を用いた液晶表示素子は、テレビや携帯電話のディスプレイとして実用化されている。ネマティック液晶材料を用いた液晶表示素子の液晶表示モードとしては、ＴＮ（twisted nematic）モード、ＳＴＮ（super twisted nematic）モード、ＩＰＳ（in-plane switching）モード、ＶＡ（vertical alignment）モード及びＯＣＢ（optically compensated bend）モードなどが知られている。
ネマティック液晶材料を用いた液晶表示素子において、駆動電圧の低電圧化や応答速度の高速化のために、液晶材料に金属酸化物微粒子を分散させることが検討されている。
特許文献１には、液晶材料に金属酸化物微粒子として、平均一次粒子径が２００ｎｍ以下の誘電体微粒子を分散させた液晶表示素子が開示されている。特許文献１では、誘電体微粒子の代表的物質として、ジルコニウム酸カルシウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、酸化亜鉛、酸化チタン及びチタン酸バリウムが挙げられている。
特許文献２には、液晶材料に金属酸化物微粒子としてインジウム−錫−酸化物、酸化アルミニウム、酸化コバルト、酸化セリウム、酸化鉄、酸化マグネシウム、酸化チタンを分散させた液晶表示素子が開示されている。
特開２００６−３０９０８２号公報
特開２００７−２１１１４９号公報
液晶表示素子は、一般に発光ダイオード（ＬＥＤ）表示素子と比較して高解像度であるという利点がある。このため、液晶表示素子を駅ホームの案内板などの屋外用ディスプレイとしてＬＥＤ表示素子の代わりに利用することが検討されている。しかしながら、液晶層の液晶材料にネマティック液晶材料を用いた従来の液晶表示素子は、０℃以下の低温環境下における応答速度が不充分で、動画表示を安定して行なうのが難しいという問題がある。このため屋外で使用する液晶表示素子では、冬場でも安定した動画表示ができるように、低温環境下での応答速度の高速化が望まれる。
従って、本発明の目的は、特に０℃以下の低温環境下での応答速度が速い液晶表示素子を提供することにある。
従って、本発明の目的は、特に０℃以下の低温環境下での応答速度が速い液晶表示素子を提供することにある。
本発明者は、ネマティック液晶材料中に、表面を疎水化処理した酸化マグネシウム粒子を所定の量で分散させることによって、液晶表示素子の低温環境下における応答速度が顕著に速くなることを見出して、本発明を完成させた。
従って、本発明は、ネマティック液晶材料中に、表面を疎水化処理した、平均一次粒子径が５００ｎｍ以下の酸化マグネシウム粒子が、ネマティック液晶材料１００質量部に対して０．００１質量部以上で、かつ１質量部未満となるように分散されてなる液晶材料組成物からなる液晶層を含む液晶表示素子にある。
本発明の液晶表示素子の好ましい態様は、次の通りである。
（１）酸化マグネシウム粒子表面の疎水化処理が、疎水基を有するケイ素化合物を用いる表面処理により行なわれている。
（２）ケイ素化合物の疎水基が、炭素原子数が１〜３０の範囲にあるアルキル基である。
（３）ケイ素化合物が、下記式（Ｉ）で表されるアルキルメトキシシランである。
ＲaＳｉ（ＯＣＨ3）4-a・・・（Ｉ）
［式中、Ｒは、炭素原子数が１〜３０の範囲にあるアルキル基であり、ａは、１〜３の整数である。］
（４）酸化マグネシウム粒子の平均一次粒子径が５〜３００ｎｍの範囲にある。
（５）酸化マグネシウム粒子が気相法で製造された単結晶である。
（６）液晶表示モードが、ＴＮモード、ＳＴＮモード、ＩＰＳモード、ＶＡモード及びＯＣＢモードからなる群より選ばれるモードのいずれかである。
（７）液晶表示素子を、０℃以下の温度で駆動させる。
（８）上記液晶表示素子の駆動温度が−３０〜０℃の範囲にある。
（１）酸化マグネシウム粒子表面の疎水化処理が、疎水基を有するケイ素化合物を用いる表面処理により行なわれている。
（２）ケイ素化合物の疎水基が、炭素原子数が１〜３０の範囲にあるアルキル基である。
（３）ケイ素化合物が、下記式（Ｉ）で表されるアルキルメトキシシランである。
ＲaＳｉ（ＯＣＨ3）4-a・・・（Ｉ）
［式中、Ｒは、炭素原子数が１〜３０の範囲にあるアルキル基であり、ａは、１〜３の整数である。］
（４）酸化マグネシウム粒子の平均一次粒子径が５〜３００ｎｍの範囲にある。
（５）酸化マグネシウム粒子が気相法で製造された単結晶である。
（６）液晶表示モードが、ＴＮモード、ＳＴＮモード、ＩＰＳモード、ＶＡモード及びＯＣＢモードからなる群より選ばれるモードのいずれかである。
（７）液晶表示素子を、０℃以下の温度で駆動させる。
（８）上記液晶表示素子の駆動温度が−３０〜０℃の範囲にある。
本発明はまた、平均一次粒子径が５００ｎｍ以下の酸化マグネシウム粒子を疎水化処理した後、ネマティック液晶材料中に分散することにより、疎水性酸化マグネシウム分散ネマティック液晶組成物を調製し、該疎水性酸化マグネシウム分散ネマティック液晶組成物を、基板上に透明電極及び配向膜を有する二枚の基板に挟持させることによる上記本発明の液晶表示素子の製造方法にもある。
本発明の液晶表示素子は、０℃以下、特に−３０〜０℃の低温環境下での応答速度が速いため、温度変化の大きい屋外用のディスプレイとして有利に使用することができる。
本発明の液晶表示素子は、液晶層が、ネマティック液晶材料中に、表面を疎水化処理した酸化マグネシウム粒子が分散されてなる疎水性酸化マグネシウム分散液晶材料組成物で形成されている点に主な特徴がある。
酸化マグネシウム粒子は水に投入すると、水中に沈降したり、水と反応したりすることなく、水面に浮いた状態となる程度に疎水化されていることが好ましい。
本発明において用いる酸化マグネシウム粒子は、平均一次粒子径が５００ｎｍ以下、好ましくは５〜３００ｎｍの範囲にある微細な粒子である。平均一次粒子径が５００ｎｍよりも大きい粒子を用いた場合は、低粘性液晶では均一分散が困難で、沈降分離をおこし、また、狭ギャップセル構造では、粗大粒子はセル内に注入困難である。なお、酸化マグネシウム粒子の平均一次粒子径は、ＢＥＴ比表面積から求めたＢＥＴ径である。
酸化マグネシウム粒子は、気相法で製造された単結晶の微粒子であることが好ましい。ここで、気相法とは、金属マグネシウム蒸気と酸素含有気体とを気相で接触させることにより、金属マグネシウムを酸化して酸化マグネシウム粒子を生成する方法である。
酸化マグネシウム粒子表面の疎水化処理は、例えば、酸化マグネシウム粒子を疎水化処理材で表面処理して、粒子表面の全体もしくは一部に疎水化処理材を付着させることにより行なうことができる。
疎水化処理材としては、疎水基を有するケイ素化合物、シラン系カップリング剤、チタネート系カップリング剤、アルミニウム系カップリング剤などのカップリング剤を用いることができる。
疎水化処理材は、疎水基を有するケイ素化合物であることが好ましい。ケイ素化合物の疎水基の例としては、アルキル基、フェニル基などの炭化水素基を挙げることができる。疎水基は、炭素原子数が１〜３０の範囲、特に１〜１５の範囲にあるアルキル基であることが好ましい。
疎水基を有するケイ素化合物は、酸化マグネシウムに対して親和性もしくは反応性を有する基、もしくは加水分解により酸化マグネシウムに対して親和性もしくは反応性を有する基を生成する加水分解性基を有することが好ましい。酸化マグネシウムに対して親和性もしくは反応性を有する基の例としては、水酸基、カルボキシル基、アミノ基、カルボニル基、スルホ基を挙げることができる。加水分解性基の例としてはアルコキシ基を挙げることができる。
疎水基を有するケイ素化合物は、下記式（Ｉ）で表されるアルキルメトキシシランであることが好ましい。
ＲaＳｉ（ＯＣＨ3）4-a・・・（Ｉ）
上記（Ｉ）において、Ｒは、炭素原子数が１〜３０の範囲、特に１〜１５の範囲にあるアルキル基であり、ａは、１〜３の整数である。
本発明において用いるネマティック液晶材料は、一種もしくは二種以上のネマティック液晶性化合物からなる。ネマティック液晶性化合物には、特には制限はなく、従来の液晶表示素子に用いられている種々のものを用いることができる。ネマティック液晶材料はカイラル剤が添加されていてもよい。
ネマティック液晶性化合物としては、棒状液晶性分子またはディスコティック液晶性分子が好ましく用いられる。棒状液晶性分子の方がさらに好ましい。
棒状液晶性分子としては、アゾメチン類、アゾキシ類、シアノビフェニル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シアノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピリミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フェニルジオキサン類、トラン類及びアルケニルシクロヘキシルベンゾニトリル類が好ましく用いられる。なお、棒状液晶性分子には、金属錯体も含まれる。
棒状液晶性分子については、液晶便覧（液晶便覧編集委員会編、丸善株式会社、平成１２年１０月３０日発行）の第３章の３．４に記載がある。
棒状液晶性分子としては、アゾメチン類、アゾキシ類、シアノビフェニル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シアノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピリミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フェニルジオキサン類、トラン類及びアルケニルシクロヘキシルベンゾニトリル類が好ましく用いられる。なお、棒状液晶性分子には、金属錯体も含まれる。
棒状液晶性分子については、液晶便覧（液晶便覧編集委員会編、丸善株式会社、平成１２年１０月３０日発行）の第３章の３．４に記載がある。
疎水性酸化マグネシウム分散液晶組成物中の酸化マグネシウム粒子の量は、ネマティック液晶材料１００質量部に対して０．００１質量部以上、好ましくは０．０１質量部以上で、かつ１質量部未満、より好ましくは０．８質量部以下、さらに好ましくは０．５質量部以下となる量である。
疎水性酸化マグネシウム分散ネマティック液晶組成物は、疎水化処理した酸化マグネシウム粒子を、炭素原子数が１〜３の一価アルコールに分散させた疎水性酸化マグネシウム分散液と、ネマティック液晶材料とを混合して、次いで、疎水性酸化マグネシウム分散液のアルコール溶媒を蒸発させることにより調製することが好ましい。
本発明の液晶表示素子は、液晶層を疎水性酸化マグネシウム分散ネマティック液晶組成物で形成すること以外は、液晶層をネマティック液晶材料で形成した従来の液晶表示素子と同様の構成とすることができる。液晶層をネマティック液晶材料で形成した液晶表示素子の構成は、前記の特許文献１（特開２００６−３０９０８２号公報）及び特許文献２（特開２００７−２１１１４９号公報）に記載がある。
本発明の液晶表示素子は、ＴＮモード、ＳＴＮモード、ＩＰＳモード、ＶＡモード及びＯＣＢモードからなる群より選ばれるモードのいずれかのモードにより作動することが好ましい。
本発明の液晶表示素子は、例えば、平均一次粒子径が５００ｎｍ以下の酸化マグネシウム粒子を疎水化処理した後、ネマティック液晶材料中に分散することにより、疎水性酸化マグネシウム分散ネマティック液晶組成物を調製し、該疎水性酸化マグネシウム分散ネマティック液晶組成物を、基板上に透明電極及び配向膜を有する二枚の基板に挟持させることによって製造することができる。
［実施例１］
平均一次粒子径が２００ｎｍの酸化マグネシウム粉末（２０００Ａ、宇部マテリアルズ（株）製）０．２５ｇと、濃度０．０１３モル／Ｌのメチルトリメトキシシランが溶解しているイソプロピルアルコール溶液（水分を少量含む）１９．６４１ｇとを、メノウ乳鉢に投入して、乳棒を用いて混合した。得られた酸化マグネシウム分散液を蓋付き容器に移して、蓋を閉めた状態で液温８０℃、回転速度１５０ｒｐｍの条件で２４時間撹拌した。次いで酸化マグネシウム分散液を密閉容器の蓋を開けた状態で液温８０℃に加熱し、分散液の溶媒を蒸発除去して、酸化マグネシウム乾燥粉末を得た。
平均一次粒子径が２００ｎｍの酸化マグネシウム粉末（２０００Ａ、宇部マテリアルズ（株）製）０．２５ｇと、濃度０．０１３モル／Ｌのメチルトリメトキシシランが溶解しているイソプロピルアルコール溶液（水分を少量含む）１９．６４１ｇとを、メノウ乳鉢に投入して、乳棒を用いて混合した。得られた酸化マグネシウム分散液を蓋付き容器に移して、蓋を閉めた状態で液温８０℃、回転速度１５０ｒｐｍの条件で２４時間撹拌した。次いで酸化マグネシウム分散液を密閉容器の蓋を開けた状態で液温８０℃に加熱し、分散液の溶媒を蒸発除去して、酸化マグネシウム乾燥粉末を得た。
得られた酸化マグネシウム乾燥粉末をイオン交換水に投入して、ガラス棒を用いて数回撹拌して静置したところ、酸化マグネシウム乾燥粉末は水面に浮いた状態となったことから、酸化マグネシウム乾燥粉末は疎水性酸化マグネシウム粉末であることが確認された。また、この疎水性酸化マグネシウム粉末の表面の赤外線吸収スペクトルを、ＦＴ−ＩＲを用いて測定した。その結果、１０００〜１１１０ｃｍ-1に見られるＳｉ−Ｏ結合の赤外線吸収ピークと、１２００〜１２８０ｃｍ-1に見られるＳｉ−Ｃ結合の赤外線吸収ピークとが検出され、疎水性酸化マグネシウム粉末の表面にはメチルトリメトキシシランが付着していることが確認された。
上記のようにして得られた疎水性酸化マグネシウム粉末０．０１ｇと、ブチルアルコール３９．９９ｇとを混合して、疎水性酸化マグネシウム分散液を調製した。
ネマティック液晶材料（ＭＯ−２６、ＤＩＣ（株）製）１ｇに、上記疎水性酸化マグネシウム粉末分散液４ｇを添加して、超音波バス（周波数：１００Ｈｚ）を用いて、６０分間超音波分散処理した。分散処理後の分散液を、６０℃、０．００５ＭＰａの条件で１２０分間減圧乾燥して、溶媒を蒸発除去して、疎水性酸化マグネシウム分散ネマティック液晶組成物を得た。
ＴＮモード型液晶セル（セル厚：５μｍ、サントレーディング（株）製）に、上記で得た疎水性酸化マグネシウム分散ネマティック液晶組成物を注入して、疎水性酸化マグネシウム分散ネマティック液晶組成物からなる液晶層を含む液晶セルを備えたＴＮモード型液晶表示素子（ノーマリーホワイト）を作製した。
以上のようにして作製したＴＮモード型液晶表示素子の電圧保持率、液晶表示素子の可視光透過率を１０％に維持にするのに要する電圧値（可視光透過率１０％の実効駆動電圧値）、ライズ時間（液晶表示素子の可視光透過率が９０％から１０％になるまでに要する時間）、フォール時間（液晶表示素子の可視光透過率が１０％から９０％になるまでに要する時間）を下記の方法により測定した。その結果を表１に示す。なお、電圧保持率は室温下で測定し、可視光透過率１０％の実効駆動電圧、オン時応答速度及びオフ時応答速度は、−２０℃の温度下で測定した。
［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）を用いて測定する。
液晶物性評価システム６２５４型（（株）東陽テクニカ製）を用いて測定する。
［可視光透過率１０％の実効駆動電圧値］
瞬間マルチ測光システムＬＣＤ−５２００（大塚電子（株）製）を用いて測定する。
瞬間マルチ測光システムＬＣＤ−５２００（大塚電子（株）製）を用いて測定する。
［ライズ時間、フォール時間］
瞬間マルチ測光システムＬＣＤ−５２００（大塚電子（株）製）を用いて、液晶表示素子に、液晶表示素子の可視光透過率を測定しながら、上記で測定した可視光透過率１０％の実効駆動電圧値と同じ電圧値で、周波数１００Ｈｚのバースト波を一時的に印加して、図１に示すような可視光透過率の経時変化のグラフを得る。図１において、横軸のτr100はバースト波の印加開始時間、τr90はバースト波の印加開始後に可視光透過率が９０％となった時間、τr10はバースト波の印加開始後に可視光透過率が１０％となった時間、τf0はバースト波の印加終了時間、τf10はバースト波の印加終了後に可視光透過率が１０％となった時間、τf90はバースト波の印加終了後に可視光透過率が９０％となった時間を示す。図１のグラフから、ライズ時間をτr10−τr90から算出し、フォール時間をτf90−τf10から算出する。
瞬間マルチ測光システムＬＣＤ−５２００（大塚電子（株）製）を用いて、液晶表示素子に、液晶表示素子の可視光透過率を測定しながら、上記で測定した可視光透過率１０％の実効駆動電圧値と同じ電圧値で、周波数１００Ｈｚのバースト波を一時的に印加して、図１に示すような可視光透過率の経時変化のグラフを得る。図１において、横軸のτr100はバースト波の印加開始時間、τr90はバースト波の印加開始後に可視光透過率が９０％となった時間、τr10はバースト波の印加開始後に可視光透過率が１０％となった時間、τf0はバースト波の印加終了時間、τf10はバースト波の印加終了後に可視光透過率が１０％となった時間、τf90はバースト波の印加終了後に可視光透過率が９０％となった時間を示す。図１のグラフから、ライズ時間をτr10−τr90から算出し、フォール時間をτf90−τf10から算出する。
［比較例１］
ネマティック液晶材料に、疎水性酸化マグネシウム粉末を分散させなかったこと以外は、実施例１と同様にしてＴＮモード型液晶表示素子を作製した。作製したＴＮモード型液晶表示素子の電圧保持率、可視光透過率１０％の実効駆動電圧値、ライズ時間、フォール時間を実施例１と同様の方法により行なった。その結果を表１に示す。
ネマティック液晶材料に、疎水性酸化マグネシウム粉末を分散させなかったこと以外は、実施例１と同様にしてＴＮモード型液晶表示素子を作製した。作製したＴＮモード型液晶表示素子の電圧保持率、可視光透過率１０％の実効駆動電圧値、ライズ時間、フォール時間を実施例１と同様の方法により行なった。その結果を表１に示す。
［比較例２］
実施例１において、疎水性酸化マグネシウム粉末を疎水化処理前の酸化マグネシウム粉末に置き換えたところ、疎水化処理前の酸化マグネシウム粉末は、疎水性酸化マグネシウム粉末と比較して、液晶材料への分散性が低く、プロセス中の使用容器壁面への付着が起こり易かった。
実施例１において、疎水性酸化マグネシウム粉末を疎水化処理前の酸化マグネシウム粉末に置き換えたところ、疎水化処理前の酸化マグネシウム粉末は、疎水性酸化マグネシウム粉末と比較して、液晶材料への分散性が低く、プロセス中の使用容器壁面への付着が起こり易かった。
表１
────────────────────────────────────────
電圧保持率 可視光透過率１０％の ライズ時間 フォール時間
（％） 実効駆動電圧値（Ｖ） （ｍ秒） （ｍ秒）
────────────────────────────────────────
実施例１ ９６．３ ２．８２ ５７２ ２３０
比較例１ ９７．７ ２．７８ ７７０ ３００
────────────────────────────────────────
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電圧保持率 可視光透過率１０％の ライズ時間 フォール時間
（％） 実効駆動電圧値（Ｖ） （ｍ秒） （ｍ秒）
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実施例１ ９６．３ ２．８２ ５７２ ２３０
比較例１ ９７．７ ２．７８ ７７０ ３００
────────────────────────────────────────
表１の結果から明らかなように、ネマティック液晶材料中に、表面が疎水化処理された酸化マグネシウム微粒子が分散されている液晶材料組成物からなる液晶層を含む液晶セルを備えた液晶表示素子（実施例１）は、疎水性酸化マグネシウム微粒子が分散されていない液晶材料組成物からなる液晶層を含む液晶セルを備えた液晶表示素子（比較例１）と比較して、低温環境下のライズ時間及びフォール時間が顕著に短い、すなわち応答速度が速い。
Claims (11)
- ネマティック液晶材料中に、表面を疎水化処理した、平均一次粒子径が５００ｎｍ以下の酸化マグネシウム粒子が、ネマティック液晶材料１００質量部に対して０．００１質量部以上で、かつ１質量部未満となるように分散されてなる液晶材料組成物からなる液晶層を含む液晶表示素子。
- 酸化マグネシウム粒子表面の疎水化処理が、疎水基を有するケイ素化合物を用いる表面処理により行なわれている請求項１に記載の液晶表示素子。
- ケイ素化合物の疎水基が、炭素原子数が１〜３０の範囲にあるアルキル基である請求項２に記載の液晶表示素子。
- ケイ素化合物が、下記式（Ｉ）で表されるアルキルメトキシシランである請求項３に記載の液晶表示素子：
ＲaＳｉ（ＯＣＨ3）4-a・・・（Ｉ）
［式中、Ｒは、炭素原子数が１〜３０の範囲にあるアルキル基であり、ａは、１〜３の整数である。］ - 酸化マグネシウム粒子の平均一次粒子径が５〜３００ｎｍの範囲にある請求項１乃至４のうちのいずれかの項に記載の液晶表示素子。
- 酸化マグネシウム粒子が気相法で製造された単結晶である請求項１乃至５のうちのいずれかの項に記載の液晶表示素子。
- 液晶表示モードが、ＴＮモード、ＳＴＮモード、ＩＰＳモード、ＶＡモード及びＯＣＢモードからなる群より選ばれるモードのいずれかである請求項１乃至６のうちのいずれかの項に記載の液晶表示素子。
- 請求項１乃至７のうちのいずれかの項に記載の液晶表示素子を、０℃以下の温度で駆動させる液晶表示素子。
- 液晶表示素子の駆動温度が−３０〜０℃の範囲にある請求項８に記載の液晶表示素子。
- 平均一次粒子径が５００ｎｍ以下の酸化マグネシウム粒子を疎水化処理した後、ネマティック液晶材料中に分散することにより、疎水性酸化マグネシウム分散ネマティック液晶組成物を調製し、該疎水性酸化マグネシウム分散ネマティック液晶組成物を、基板上に透明電極及び配向膜を有する二枚の基板に挟持させることによる請求項１に記載の液晶表示素子の製造方法。
- 酸化マグネシウム粒子表面の疎水化処理が、疎水基を有するケイ素化合物を用いる表面処理により行なわれている請求項１０に記載の液晶表示素子の製造方法。
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