JPS588779A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、液晶自体の電気光学効果を利用した液晶表示
装置において、応答時間、特に低温における応答時間の
速い液晶組成物と使用した液晶表示装置に関する。

液晶は、その分子配列状態によりネマチック、コレステ
リック及びスメクチック液晶の５種類に分類される。こ
のうち、ネマナツク液晶は、定常状態ですべての分子が
その長軸方向へ互いに平行である配列をなしている。そ
して、液晶表示素子の容器壁に配向処理膜を設けること
により、ネマチック液晶分子の長軸が容器壁に対し平行
、若しくは垂直な配列状態にすることが可能である。平
行な場合、その配列はホモジニアスと呼ばれ、垂直な場
合、その配列Ｖ（ホメオトロピックと呼ばれている。ま
た、ホモジニアス配列で、２枚の上下電極基板の一方を
角度９０度廻して、ねじれたホモジニアス配列の場合、
ツイスト配列と呼ｉＩ［れる。この液晶表示素子の外側
に２枚の偏光板を設置し、電圧を印加すると３液晶分子
が誘電異方性に基づいて電場方向に分子が配列する。ま
た電圧を切れば再び元のツイスト配列になる。この時の
、光の偏光を利用して表示するのがＴＮ型表示であり、
腕時計、電卓等に使用されている。

一方、コレステリック液晶は、分子長軸方向を互いに平
行にして配列しているが、この長軸方向に極めて薄い層
を形成し、各層は分子の長軸方向が全体的にみて層を垂
直に貫く軸を中心に順次回転Ｉ７ているようならせん構
造をとる。

このようなコレステリック液晶に電圧を印加した場合、
電界方向にそろうホメオトロピック配列のネマチック状
態になる性質を有している。

液晶表示素子の容器壁を平行配向処理若Ｌ　＜は垂直配
向処理をすることによシ（あるいは配向処理を施すこと
なく）、コレステリック状態からネマチック状態へ、若
しくはネマチック状態からコレステリック状態への転移
を起こし、白濁状態と透明状態を利用して、相転移型表
示を行うことができる。

また、ネマチック液晶及びコレステリック液晶に多色性
色素を溶解させて色表示する、ゲスト・ホスト型カラー
表示がある。

ＴＮ型表示、相転移型表示及びゲスト・ホスト型カラー
表示装置の表示性能は重要であシ、構成材料及び表示方
法等に関与している。表示性能のうち１表示応答時間（
１電界を印加してから表示されるまで、及び電界を切っ
てから表示が消えるまでの時間）は、すべての液晶表示
装置で重要な特性となっている。特に低温側での応答時
間を改良することは、液晶表示装置全体に対する重要な
課題である。その改良として、液晶材料に対する期待も
大きく、液晶材料による応答特性の改良が重視される。

各種液晶材料の応答時間を比較し評価する場合、液晶材
料が液晶相を示す温度範囲は重要な要因であることを考
慮する必要がおる。すなわち、ある２つの液晶材料にお
いて、１つは低温側で液晶温度範囲の広い液晶材料（例
えば−１５℃〜＋３０℃）と、他方は高温側で液晶温度
範囲の広い液晶材料（例えば＋１５℃〜＋７０℃）の両
者液晶材料の応答時間を比較評価する場合、応答時間の
測定温度が同じ（例えば＋２０℃）であっても、両者液
晶材料の正当な応答時間を評価しているとは言い難い。

なぜならば、一方は液晶温度範囲の上限温度（液晶から
液体に相転移する温度）付近で測定しておシ、他方は液
晶温度範囲の下限温度（結晶から液晶に相転移する温度
）付近で測定しているためである。そこで、液晶材料の
応答時間を測定評価する場合、液晶材料のパラメータと
して粘度を取上げ、応答時間と粘度の関係について評価
する方法がこれまでにもなされている。

一般にＴＮ型液晶表示の場合、応答時間は、Ｂ、　Ｐ、
レインズらによシ次式のように定義されている［　ｖ、
シェークマン（Ｆｊ、Ｊａｋｅｍａｎ　）　、　’Ｂ、
Ｐ、レインズ（Ｅ、Ｐ、Ｒａｙｎｅｓ　）　　［液晶に
おける電気光学応答時間Ｊ　（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔ
ｉｃ　Ｒｅ５ｐｏｎｓｅ　Ｔｉｍｅｓｉｎ　Ｌｉｑｕｉ
（Ｉ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ　）　、　　フイジクス　レタ
ース（Ｐｈｙａｉｃｓ、Ｌａｔｔｅｒｅ　）第３９Ａ巻
第１号、４月６９〜７ｏ頁（１９７２）参照〕。

ｔｏｎ−η／（ａｏ１１△、　、　Ｈ２１ｑ２　）ｔｏ
ｆｆ−η／　Ｋａ　ｑ　２ 式中、ｔｏｎは電界を印加した時の応答時間。

ｔｏｆｆ　　は電界を切った時の応答時間、ηに液晶材
料の粘度ｈ　’Ｏは真空の誘電率、△ａは誘電異方性、
Ｅは電界強度（−Ｖ／ｄ）で、■は印加電圧、ｄは液晶
層の厚さｋＫｉｉ液晶材料の弾性定数、すなわち Ｋ　＝　ｋｎ　＋　（ｋｓｍ　　　２　ｋｌｌ　４　　
）〔ここで、ｋｌｌ　　はスプレィ（５ｐｌａｙ　）　
、　ｋ２ｚはねじれ（ｔｗｉｓｔ　）　、　ｋｓｓは曲
がｐ　（ｂｅｎｄ　）　　の弾性定数である］、ｑはπ
／ｄである。

したがって、ＴＮ型液晶表示あるいけ他の相転移型液晶
表示及びゲスト・ホスト型液晶表示等において、応答時
間は液晶層の厚さｄ及び印加電圧■汲び液晶材料の粘度
η等によって定められる。しかしｄを極端に薄くすると
表示品質のコントラスト及び素子作製技術に問題がある
ためｄを薄くするには限界がある。また印加する電圧は
表示装置によシ駆動条件が異なり低消費電力、駆動回路
の耐圧性等を考慮すると低電圧で駆動する傾向にある。

それ故、液晶表示装置の応答時間を速くするには、液晶
材料に対する依存性が多大である。液晶材料によって応
答時間を改良すること、特に低湛領処ソ応答時間を速く
するには、液晶材料自体の物性値である粘度茫小さくす
ることである。これまでにも、応答時間を速くするため
低粘度液晶材料として。

の液晶（ここでＸは側鎖基を示す）が開発され。

市販されている。

そこで、これまでに市販され、粘度が種々異なる液晶材
料を用い、粘度とＴＩＪ素子での応答時間を測定し、そ
の関係を示したのが第１図である。

すなわち、第１図は、各種の混合液晶材料について、粘
度（ｃｐ）（横軸）と応答時間（ｍｓ）（縦軸）との関
係を示すグラフである。

応答時間における印加電圧は、しきい値電圧の２倍の電
圧を印加した。応答時間は、電圧を印加した場合、透過
光強度が０〜９０ｑｂまで変化した時間Ｉｔ。ｎとして
、絹”１図では○印で示した。また、電圧を切った場合
、透過光強度が１００〜１０チまで変化した時間をｔ　
　としｆｆ て、第１図でＦｉｕ印で示した。液晶層の厚さは、いず
れも１０μｍである。

晶材料の粘度が小さいほど、又は測定温度が高いほど、
応答時間が速くなる傾向にある。しかし、詳細にみると
必ずしも粘度が決まれは応答時間が定まるものでなく、
粘度もある幅をもって応答時間？決めている。液晶材料
の粘度について述べると、第１図に示した液晶材料の粘
度は一般的な回転粘度計で測定した値でありニュートン
の粘性法則を定式化して得られた粘度である。しかし、
液晶素子内では、液晶分子が規則性に従って配列してい
るため、必ずしも、この粘度と全く一致するとは言い難
い。すなわち、液晶素子内での電圧印加に伴う液晶材料
の粘度は非ニユートン粘性あるいは、配列に従って粘度
が３次元のテンンル量となって関与していると考えられ
る。このことから、応答時間に対する液晶材料の粘度は
、第１図に示されるように、ある幅をもっていると思わ
れる。また、応答時間に液晶材料が関与するのは粘度以
外に、液晶材料の誘電異方性や弾性定数等も関与してい
ると考えられる。

応答時間に影響する液晶材料の物性である粘度を、更に
詳細にみると液晶分子の動きやすさである。液晶分子の
動きやすさは、温度に対し顕著であり、液体から液晶、
液晶から結晶と。

低温になるに従って分子は動き離くなシ、それに伴って
他の諸物性も異なってくる。この温度に対する分子の動
きやすさは、何らかの温度が基準となっているものと考
えられる。

一般に高分子材料の場合、諸物性を論するのにガラス転
移温度ケ用いて議論することが多い。

そこで本発明者等は液晶分子の動きやすさも、やはり液
晶材料のガラス転移温度が基準になっているものと考え
、液晶材料のガラス転移温度を測定し、ガラス転移温度
と応答時間の関係を検討した。

そして、その両者には相関々係があることを見出して、
本発明を完成した。

本発明を概説すれば、本発明は、液晶２用いた液晶表示
装置において、低応答性の液晶材料に、−９０℃以下の
ガラス転移温度を持つ、液晶及び／又は非液晶物質を添
加した液晶組成物を使用することを特徴とする、液晶表
示装置に関する。

高分子材料のガラス転移温度は、各方面で検討され、測
定されているが、液晶材料についてガラス転移温度を測
定しているｆｌｉは全く見当らない。

液晶材料の場合、一般に相転移温度を測定する装置とし
て示差熱分析法（ＤＴＡ　）及び示差走査熱量測定法（
Ｄ８０）が利用されている。

これらの方法によれは相転移温度で生ずる吸熱、発熱現
象を測定することによって相転移温度を正確に測定する
ことができる。しかし、実用的な液晶材料は液晶温度範
囲を低温側から高温側まで幅広くするため３〜４成分以
上の混合液晶材料にしておυ、そのため液晶材料のカラ
ス転移温度も低温領域となっている。そのため、従来の
ＤＴＡ及びＤＳＯ装置では、低温側の測定に対し空気中
の水分が試料に付着したりして、正確ガ測定をすること
が困難である。そこで本発明者等は、低温領域まで冷却
することができる液体窒素等の冷媒を用い、しかも、真
空系中で熱測定が可能な装置２作製し、液晶材料のガラ
ス転移温度を測定した。測定方法は、まず温度を上昇さ
せ液晶材料を液体にする。その後。

液体窒素で過冷却にし、液体窒素の温度になるまで放置
し、液晶材料をガラス状態にする。その後、１°に７分
の昇温速度で昇温しでゆくと、液晶材料のカラス転移温
度が観測できる。

従来用いられているネマチック液晶材料を、分子構造的
に分類すると、第１表のとおシになる。

卯、１表　（その１） 第１表　（その２） 上記第１表において、Ｒはアルキル基又はアルコキシ基
を示し、Ｘけニトロ基、シアン基又はハロゲン原子を示
す。

実際に表示装置として使用される液晶材料は、液晶温度
範囲を広くし、且つ実用特性を満足させるため、第１表
中の液晶材料を、３〜４成分以上混合した、混合液晶材
料として用いるのが現状である。

本発明に関する。後記の測定例、比較例及び実施例に示
した液晶材料は、第１表中の液晶材料２４〜６成分混合
したものであシ、混合液晶材料として、下記の隘１〜１
１＆１５０５種類を用いた。

陽１の混合液晶材料は、トランス−４−プロピル（４′
−エトキシフェニル）シクロヘキサンを２０重量部、ト
ランス−４−プロピル（４′−シアノフェニル）シクロ
ヘキサンｋ　２０　Ｍ　滑部、トランス−４−プロピル
（４′−ブトキシフェニル）シクロヘキサンｋ　１０　
Ｍ置部、　　）　チフス−４−ペンチル（４′−シアノ
フェニル）シクロヘキサンを３０重量部、トランス−４
−ベンチ゛ル（４′−エチルビフェニル）シクロヘキサ
ンを’　Ｓ　ＴＬ　８１部−４−（）　ランス−４−ペ
ンチルシクロヘキシル）４′−トランス−４−プロピル
シクロヘキシルビフェニルを５重量部、混合したもので
ある。隘２の混合液晶材料は、トランス−４−７’ロピ
ル（４′−シアノフェニル）シクロヘキサンを２０重量
部、トランス−４−ペンチル（４′−シアノフェニル）
シクロヘキサンを３０重量部、トランス−４−プロピル
（４′−ペントキシ）シクロヘキサン１ｔ１５重量部、
トランス−４−ペンチル（４′−エテルビフェニル）シ
クロヘキサンを１５重量部、トランス−４−ペンチル（
４′−シアノビフェニル）シクロヘキサンを１０重量部
、４−ペンチルー４１−シアノターフェニルを１０重着
部、混合したものである。隘３の混合液晶材料は、トラ
ンス−４−プロピル（４′−シアノフェニル）シクロヘ
キサンを３０重量部、トランス−４−ペンチル（４′−
シアノフェニル）シクロヘキサン１ｒ：３５　重量ＮＳ
　。

トランス−４−へブチル（４′−シアノビフニル）シク
ロヘキサンを２５重量部、トランス−４−ペンチル（４
′−シアノビフェニル）シクロヘキサンを１０重計部、
混合したものである。隘４の混合液晶材料Ｆｉ、４−ペ
ンチル−４′−シアノビフェニルを５０重量部、４−へ
ブチル−ｃ−シアノビフェニルｉ３０重ｉ　部、４−ペ
ントキシ−４′−シアノビフエニルを１５重量部、４−
ペンチルー４′−シアノターフェニルをｓ　Ｍ　針部、
混合したものである。陽５の液晶材利け３４−ペンチル
ー４′−シアノビフェニルを４０重針部、４−ペントキ
シ−４′−シアノビフェニルを２５重ｉｔ部、４−ペン
チル（４′−シアノフェニル）ピリミジンを５重量部、
４−ヘプチル（４′−シアノフェニル）ピリミジンＬｒ
：１０重量部、４−ブチル（４′−シアノビフェニル）
ピリ４９フ４１０重駄部、４−ペンチルー４′−シアノ
ターフェニル１ｃ１０重琶部、混合したものである。

上記のｈ１１〜ＮＱ５までの混合液晶材料について応答
時間を測定し、その結果を測定し１］１〜５に示す。

測定例１〜５ 透明電極付ガラス基板の表面に配向処理膜として有機系
高分子樹脂を塗布、硬化し、ラビングした上下２枚の基
板をギャップ１０μｍになるようにガラスファイバーを
設け、接着硬化した液晶中素子を作製する。この全素子
にｒ＋１〜隘５の混合液晶材料を封入し、各温度での応
答時間を測定し、その結果を第２図のｌ！１１〜−５に
示す。

すなわち、第２図は、測定例１〜５における混合液晶材
料１’！＋１〜−５について、測定温度Ｔｏｂ８（℃）
（横軸）と、応答時間ｔｏｎ　（８）　＜縦軸）との関
係を示すグラフである。第２図において、○印は陽１１
△印はＩＩ＆Ｉ２．目印はＩＩ＆１３゜■印は隘４．蛙
印はＮｎ５の各液晶材利についての結果を表す。

第２図から明らかなように２測定温度と応答時間との関
係は、各液晶材料によって、応答時間が顕著に異なる。

そこで、これら隘１〜−５の混合液晶材料について、既
述の装置、方法によりガラス転移温度を測定した。次に
、このガラス転移温）ｎ’Ｔｇを基準とし、これと、前
記の応答時間を測定した温度Ｔ　　との温度幅を６１ｇ
　としくすなわｂｓ ち６１ｇ””　Ｔｏｂｓ　　”ｇ　）、　とのΔ’＋１
　　と応答時間との関係を調べた。

その結果を、以下の比較例１〜５に示す。すなわち、比
較例１〜５は、本発明において、低応答性の液晶材料に
相当する例であり、そのような液晶材利についてのガラ
ス転移温度Ｔｇ、そして６１ｇ　　と応答時間との関係
の測定結果を示すものである。

なお、との６１ｇ　と応答時間の関係については、第３
図に示す。

すなわち柁６図は、ＩＩ＆１１〜ｌＩ＆ｒ　５の各混合
液晶材料について、温度幅△Ｔｇ　　（横軸）と応答時
間ｔｏｎ（Ｓ）　（縦軸）との関係を示すグラフである
。第６図において、○印、Δ印、目印、■印及び９′西
印は、第２図と同じく、隨１〜陽５に対応する。

比較例１ ｈｓ　１の混合液晶材料について測定した結果、Ｔｇは
、−８２，５℃であり、ΔＴｇとｔｏｎの関係は、第３
図の○印であった。

比較例２ １１に２の混合液晶材料について測定した結果、’ｒｇ
は、−７５℃であシ、Δ’ｒｇ　とｔ。ｎの関係は、第
３図のΔ印であった。

比較例Ｓ 陽３の混合液晶材料について測定した結果、Ｔｇ　は、
−６９℃であり、６１ｇとｔ。ｎの関係に、第３図の目
印であった。

比較例４ 隘４の混合液晶材料について測定した結果。

’ｒｇ　は、−６７℃であり、６１ｇとｔ。ｎの関係は
、第３図の■印であった。

比較例５ 隘５の混合液晶材料について測定１７だ結果、Ｔｇ　Ｆ
′ｉ、−５９℃であり、ΔＴｇとｔ。ｎの関係は、第５
図の０印であった。

第３図から明らかなように、液晶材料の応答時間は、液
晶材料のガラス転移温度が基準となっている。すなわち
ガラス転移温度Ｔｇから応答時間の測定温度Ｔ　　まで
の温度幅ΔＴｇがｂａ 同じであるならば、いずれの混合液晶材料を用いても、
その応答時間は、いずれも同じである。

このことから、液晶表示装置の応答時間を改良し２速く
することは、混合液晶材料のガラス転移温度’ｒｇ　　
を低くすること、すなわち、第３図でΔ’ｒｇの温度幅
を広くすることが重要である。

混合液晶材料のガラス転移温度Ｔｇ　を低下させるには
、Ｔｇ　　の低い液晶及び／又は非液晶物質を添加すれ
ばよいことが判明した。

これら、Ｔｇ　の低い液晶及び非液晶物質の例を第２表
に示す。

第２表に示す各物質は、論文「ガラス性結晶の発見」分
子構造総合討論会講演要旨集２Ｂ−１９，１０月（１９
７６）に記載されている。

なお１本発明においては、Ｔｇ　の低い物質であれば、
第２表に示した物質以外の物質でも差支えない。

第　　２　　表 以下、実施例１〜３に従って本発明と例証する。

実施例１ 測定例１〜５で用いた混合液晶材料のうち。

ｌＩ＆１１の混合液晶材料に、ガラス転移温度を低くす
るため第２表の番号１１０物質を１０重量部添加した。

この混合液晶材料のガラス転移温度を測定した結果Ｔｇ
−−８８℃であυ、応答時間は２０℃測定で０．０４秒
であった。このことは、添加前の翫１の液晶材料よシガ
ラス転移温度が５．５℃低くなシ、応答時間も２０℃で
ｆ１０１秒速くなり改良される。

実施例２゜ 測定例１〜５で用いた混合液晶材料のうち。

歯２の混合液晶材料に、ガラス転移温度を低くするため
第２表の番号１４の物質を２０重置部添加した。この混
合液晶材料のガラス転移温度は’ｔ’ｇ−−８１℃であ
シ、応答時間は２０℃で０．０５秒であった。このこと
は、添加前の庵２の液晶材＃＋ヨリガラス転移温度が６
℃低くな）、応答時間も２０℃でｎ、０１秒速くなシ改
良される。

実施例３ 測定例１〜５で用いた混合液晶材料のうち、へ３の混合
液晶材料に、ガラス転移温度を低くするため、第２表の
番号１３の物質を１０重量部添加した。この混合液晶材
料のガラス転移温度はＴｇ−−７５℃であシ、応答時間
は２０℃で［１０８秒であった。このことは、添加前の
賜３の液晶材料よりＴｇが４℃低くなシ、応答時間が２
０℃で００１秒速くなシ、改良される。

上述のように、ある液晶材料に、それよシもガラス転移
温度の低い非液晶物質及び／又は液晶物質を添加するこ
とによシ、混合液晶材料のガラス転移温度が低くなシ、
応答時間を改良することができる。

また、測定例１〜５で示したｌｌ＆１１〜ｆｌｋ＋５の
混合液晶材料並びに従来の混合液晶材料多数についてガ
ラス転移温度を測定した結果、賜１の混合液晶材料がＴ
ｇ＝−８２，５℃であシ、これが現在実用化されている
液晶材料で最も低い数値である。

しかして、液晶表示装置の応答時間が最も重要視される
のは低温領域であり、低温領域の保障温度として、要望
されるのは一３０℃が限度であると考えられる。すなわ
ち−５０℃の温度において秒表示が可能となるのは、応
答時間でα５秒以内で点滅する必要がある。第３図から
判断すると、０．５秒以下の応答時間を得るには、△Ｔ
ｇ　が６０℃以上の温度幅であればよいことがわかる。

−３０℃の測定温度でΔＴｇが６０℃以上となるＫＦｉ
、混合液晶材料のガラス転移温度Ｔｇ　がＴｇ＝−９０
℃以下であればよい。

このことから、液晶表示装置で、低温側、特に−３０℃
での応答時間を可能とするには、混合液晶材料のガラス
転移温度Ｔｇ　１−９０℃以下にすることが必要である
。それ故、現状よりも更に応答時間、の速い混合液晶材
料を得るには、ガラス転移温度’ｒｇ　が−９０℃以下
の非液晶物質及び／又は液晶物質を添加し、混合液晶材
料としてのガラス転移温度Ｔｇ　を−９０℃以下にする
ことであり、それに伴って応答時間が改良される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、各種の混合液晶材料について、粘度（ｃｐ）
と、応答時間ｔ。ｎ及びｔ。ｆｆ（ｍ８）との関係を示
すグラフである。第２図は、測定例１〜５におりる混合
液晶材料歯１〜−５について。 測定温度Ｔ。ｂＢ（℃）と、応答時間ｔ。ｎ（Ｓ）との
関係を示すグラフである。第３図は、比較例１〜５にお
はる混合液晶材料歯１〜陥５について、温度幅ΔＴｇ　
　と、応答時間ｔ。ｎ（Ｓ）との関係を示すグラフであ
る。 特許出Ｆｆ１人　　株式会社日立製作所代理人　中　本
　　宏 第　／　図 粘慮’ｌ　　（ｃｐ） 第２図 ０　　　２０　　　４０　　　６０ 邸則　定　５星度　Ｔ。ｂｓ（°Ｃ） 第　３　図 的（的＝腿−Ｔｉ　）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　液晶を用いた液晶表示装置において、低応答性の
   液晶材料に、−９０℃以下のガラス転移温度を持つ、液
   晶及び／又は非液晶物質を添加した液晶組成物を使用す
   ることを特徴とする。液晶表示装置。 ２、　使用する液晶組成物が、−９０℃以下のガラス転
   移温度を持つものである。特許請求の範囲第１項に記載
   の液晶表示装置。