(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般式(1)で示される分子の重量が液晶成分の重量比６０％以上であり、かつ一般式(1),(2),(3)のいずれかで示される少なくとも３つ以上の分子を含み、これらの分子の総重量が液晶成分の重量比９０％以上の割合で含有されていることを特徴とするノーマリーホワイト表示用液晶材料。
【化１】
0003625862.tif 000010
（式中、Ｒは直鎖アルキル基（CnH2n+1（ｎ＝３，４，５，６又は７））、Ａは−CH2CH2−又は単結合（−）、Ｂは−CH2CH2−又は単結合（−）を表す。）
【請求項２】
ネマティック−アイソトロピック転移温度は、５５〜７５℃の範囲内であることを特徴とする請求項１記載の液晶材料。
【請求項３】
請求項１記載の液晶材料を有することを特徴とする液晶表示パネル。
【請求項４】
前記液晶材料を挟む２つの層の間での前記液晶材料の液晶ツイスト角は、９５〜１１０度の範囲内とし、前記２つの層の外側に設けた１対の偏光板の透過軸の相互角度を前記ツイスト角とは異なる角度とすることを特徴とする請求項３記載の液晶表示パネル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、液晶材料及び液晶表示パネルに関し、より詳しくは、末端にフッ素原子が３つ結合された液晶分子を有する液晶材料及びその液晶材料を用いたＴＮ型の液晶表示パネルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＴＮ型の液晶表示パネルは、現在、各分野で使用されている。特に、能動素子を有するＴＮ型の液晶表示パネルは、ＣＲＴ並みの表示特性が得られるために、液晶テレビ、パソコン等への応用が盛んである。能動素子として、例えば画素電位を制御する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のようなものがある。
【０００３】
また、液晶表示パネルは、低消費電力であるという特徴を生かして、ラップトップ型、ノート型のパソコンなどの携帯用機器に利用されることも多い。その携帯用機器では、電池による使用時間を延ばすために可能な限り液晶表示パネルの消費電力を小さく抑えることが要求され、その１つとしてパネルの駆動電圧を低減するために種々の検討がなされている。
【０００４】
液晶表示パネルの駆動電圧を低減する一つの方法として、低電圧で駆動できる液晶材料の開発が盛んに行われている。
低電圧駆動用の液晶材料としては、例えば、末端に極性基としてフッ素（−Ｆ）や  −ＯＣＦ３を１又は２個含む分子を主成分とした液晶材料が用いられている。しかしながら、それらの液晶材料を用いた液晶表示パネルの駆動には５Ｖ程度の書込み電圧が必要であり、その液晶表示パネルを電池で駆動すると電池交換が必要になるまでの時間が短いのが現状である。
【０００５】
最近、液晶材料を低電圧化するために、液晶を構成する分子の末端の極性基の数を増して誘電率異方性Δεを増加した液晶分子が実用化されつつある。これは末端のベンゼン環に−Ｆを３つ結合した分子を含むものであり、次のような一般式で表される。
【０００６】
【化２】
0003625862.tif 000002
【０００７】
これらの一般式において、Ｒは直鎖アルキル基（  Ｃｎ  Ｈ２ｎ＋１  （ｎ＝３，４，５，６又は７））、Ａは−ＣＨ２ＣＨ２−又は単結合（−）、Ｂは−ＣＨ２ＣＨ２−又は単結合（−）を表す。
そのような分子を含む液晶として例えば表１、表２に示すような液晶材料がある。
【０００８】
【表１】
0003625862.tif 000003
【０００９】
【表２】
0003625862.tif 000004
【００１０】
表１で示した液晶は、従来の液晶成分に一般式（１）  〜（３）  の分子を混入させたものであり、表１中（７）  〜（１０）がそれらの分子に該当する。また、表２で示した液晶は、一般式（１）  〜（３）  の分子を主成分としたものである。なお、表１及び２の液晶成分にはさらにカイラル材が添加されるが、それらの表中の重量（ｗｔ）％の値はカイラル材を考慮していない数字である。
【００１１】
これら表１及び表２の２つの液晶材料によれば、誘電率異方性Δεが７〜９程度まで大きくなり、液晶駆動電圧は約３Ｖまで低減した。
しかしながら一般式（１）  〜（３）  のいずれか１つを含む液晶材料においても２．５Ｖ程度での低電圧駆動が可能な液晶材料はいままで実現されていない。例えば表２の液晶材料にあっても誘電率異方性Δεは８．７であり、３Ｖ駆動が限界である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、液晶表示パネルの低消費電力化を図るためには液晶駆動電圧が３Ｖ程度ではではまだ十分ではなく、それよりも低い電圧、例えば２．５Ｖ程度又はそれより低い電圧で駆動できる液晶材料が要求される。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、駆動電圧を更に低減できる液晶材料及び液晶表示パネルを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、一般式(1)で示される分子の重量が液晶成分の重量比６０％以上であり、かつ一般式(1),(2),(3)のいずれかで示される少なくとも３つ以上の分子を含み、これらの分子の総重量が液晶成分の重量比９０％以上の割合で含有されていることを特徴とするノーマリーホワイト表示用液晶材料によって解決する。
【００１４】
ただし、一般式において、Ｒは直鎖アルキル基（  Ｃｎ  Ｈ２ｎ＋１  （ｎ＝３，４，５，６又は７））、Ａは−ＣＨ２ＣＨ２−又は単結合（−）、Ｂは−ＣＨ２ＣＨ２−又は単結合（−）を表している。
【００１５】
【化３】
0003625862.tif 000005
【００１６】
更に、前記液晶材料において、前記液晶材料のネマティック−アイソトロピック転移温度は、５５〜７５℃の範囲内であることを特徴とする。
または、図１に例示するように、上記液晶材料を有することを特徴とする液晶表示パネルによって解決する。
更に、前記液晶表示パネルは、前記液晶材料を挟む２つの層の間での前記液晶材料の液晶ツイスト角は、９５〜１１０度の範囲内とし、前記２つの層の外側に設けた１対の偏光板の透過軸の相互角度を前記ツイスト角とは異なる角度とすることを特徴とする。
【００１７】
【作  用】
本発明によれば、一般式(1)で示される分子の重量が液晶成分の重量比６０％以上であり、かつ一般式(1),(2),(3)のいずれかで示される少なくとも３つ以上の分子を含み、これらの分子の総重量が液晶成分の重量比９０％以上の割合で含有されているノーマリーホワイト表示用液晶材料を使用している。
この液晶材料によれば、液晶表示パネルの駆動電圧が２．５Ｖ程度にまで低下した。
【００１８】
この液晶材料と、一般式（１）  〜（３）  で示される分子の総重量が液晶成分の重量比９０％以上の割合で含有され、かつ一般式（１）  で示される分子の重量を液晶分子の重量比６０％以下で含有する別な液晶材料とを比較すると、誘電率異方性Δεの値は殆ど変わらない。従って、本発明により閾値電圧が低下したのは、誘電率異方性Δεの影響ではなく、液晶材料の弾性率が小さくなったからと考えられる。
【００１９】
また、液晶のＮ−Ｉ転移温度は一般に７５〜１１０℃であるが、本発明では５５〜７５℃とすることにより液晶表示パネルの駆動電圧を更に２．５Ｖ以下にまで低下させることができた。
さらに、本発明に使用する液晶材料のツイスト角を、一般に選択されるる９０度ではなく、９５〜１１０度まで大きくしたところ、駆動電圧はさらに小さくなることが実験的に確認された。
【００２０】
液晶表示パネルの駆動電圧が高くなる１つの原因は、液晶材料を挟む層の表面に最も近い液晶分子が印加電圧に対してなかなか反応しないためである。液晶分子のツイスト面を９５〜１１０度、偏光板を液晶分子のツイスト面とは異なる角度に配置することにより、入射光を液晶分子の配向方向とはずれた方向から入射することになり、応答の遅い液晶分子による影響を低減することができたと思われる。
【００２１】
【実施例】
そこで、以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
本発明は、一般式(1)で示される分子の重量が液晶成分の重量比６０％以上であり、かつ一般式(1),(2),(3)のいずれかで示される少なくとも３つ以上の分子を含み、これらの分子の総重量が液晶成分の重量比９０％以上の割合で含有されているノーマリーホワイト表示用液晶材料を使用することを特徴とする。
【００２２】
一般式（１）  、（２）  又は（３）  は、末端のベンゼン環にＦが３つ結合された分子である。
【００２３】
【化４】
0003625862.tif 000006
【００２４】
一般式（１）  〜（３）  において、Ｒは直鎖アルキル基（  Ｃｎ  Ｈ２ｎ＋１  （ｎ＝３，４，５，６又は７））を表し、ＡとＢは、それぞれ独立に−ＣＨ２ＣＨ２−又は単結合（−）を表している。また、一般式（４）  はベンゼン環を示し、一般式（５）  はシクロヘキサン（Ｃ６Ｈ１２  ）を示している。
【００２５】
【化５】
0003625862.tif 000007
【００２６】
そこで、本発明者等は、より一層の低電圧化を実現するため、一般式（１）  〜（３）  を主成分（例えば液晶成分の９０ｗｔ％以上）とする液晶材料において、特定の液晶成分の割合を変えて実験を行った。そして、一般式（１）  の成分を全体の６０ｗｔ％以上とすることにより、従来にない値まで液晶表示パネルの駆動電圧を低電圧化することができた。
【００２７】
低電圧化した理由として、次のことが考えられる。
一般式（１）  〜（３）  で表される分子のみから液晶成分を構成するという条件で、一般式（１）  の分子の割合が６０ｗｔ％以下の公知の液晶材料と、一般式（１）  の分子の割合が６０ｗｔ％以上の液晶とを比較する。公知の液晶材料と本発明の液晶材料について、それらの誘電率異方性Δεについて大きな違いはない。したがって、液晶表示パネルの駆動電圧が低下した原因は、液晶成分の弾性率の低下によるものと考えられる。
【００２８】
（実施例１）
画素数６４０×４００のＴＦＴ駆動液晶表示パネルを作製した。その部分断面は図１のようである。
図１において、第一の透明基板１の上には、ＴＦＴ２、ドレインバスライン３、透明な画素電極４、ゲートバスライン（不図示）等が形成され、また、少なくとも画素電極４の上には第一の配向膜５が形成されている。ＴＦＴ２は、例えばスタガー型構造を有し、画素電極４に接続されるソース電極２ｓと、ドレインバスライン３に接続されるドレイン電極２ｄと、ソース電極２ｓ及びドレイン電極２ｄの一部に接続される動作半導体層２ａと、動作半導体層２ａの上にゲート絶縁層２ｂを介して形成されたゲート電極２ｇとを有している。また、第一の透明基板１のＴＦＴを有しない側の面には第一の偏光フィルム６が形成されている。
【００２９】
第二の透明基板７の上には、光透過性の対向電極８と第二の配向膜９が順に形成される。第二の透明基板７は、第二の配向膜９が第一の配向膜５と向かい合う状態で第一の透明基板１に対向される。
なお、第一及び第二の透明基板１，７はガラス、石英などから構成される。
第一及び第二の配向膜５，９の間のギャップには、表３に示す成分の液晶材料１１を封入した。使用した液晶のＮ−Ｉ転移温度は５９℃であった。この場合、複数種の液晶分子を使用しているのは、温度特性を調整するためである。
【００３０】
【表３】
0003625862.tif 000008
【００３１】
なお、表３と後述する表４において、一般式（１）  で示される液晶分子は▲１▼及び▲２▼で、一般式（２）  で示される液晶分子は▲３▼〜▲８▼で、一般式（３）  で示される液晶分子は▲９▼である。
また、液晶材料にはカイラル材が混入され、液晶分子が約９０μｍのピッチで角度が９０度程度螺旋状に変化するようにカイラル材の量が調整されている。カイラル材の添加量は、液晶材料の約０．１５ｗｔ％である。
【００３２】
以上のような構成の液晶表示パネルはノーマリーホワイトであり、その書込み電圧に対する輝度を測定し、印加電圧と相対透過率の関係を調べたところ図２に示す特性が得られた。印加電圧は画素電極４と対向電極８の間の電圧であり、また相対透過率は、印加電圧を０Vとした場合を１００％とした場合の透過率である。透過率が１％となる電圧を飽和電圧Vsatとすると、本実施例で示した液晶材料を使用した液晶表示パネルの飽和電圧Ｖsatは、２．４６Ｖとなって２．５Ｖよりも僅かであるが小さくなった。なお、飽和電圧Ｖsatは、コントラストが１００となる電圧である。
【００３３】
【表４】
0003625862.tif 000009
【００３４】
一方、一般式（１）  の分子を６０ｗｔ％以下の量で含む液晶材料を表４に示すように４種類用意した。そして、それらの液晶材料を図１に示す第一及び第二の基板１，７の間に封入して飽和電圧Ｖｓａｔ  を測定した。なお、比較例（１）  〜（４）  のカイラルピッチは約９０μｍである。
実験結果によれば、比較例（１）  の飽和電圧Ｖｓａｔ  は２．７３Ｖ、比較例（２）  の飽和電圧Ｖｓａｔ  は２．７１Ｖ、比較例（３）  の飽和電圧Ｖｓａｔ  は２．６３Ｖ、比較例（４）  の飽和電圧Ｖｓａｔ  は２．６１Ｖとなった。
【００３５】
参考に比較例（１）  と比較例（４）  の液晶分子を使用した場合の印加電圧と相対透過率の関係を示す測定結果を図３、図４に示しておく。
以上の実験結果から分かるように、一般式（１）  の分子が６０ｗｔ％よりも小さい場合には、飽和電圧Ｖｓａｔ  が２．６〜２．８Ｖの範囲内となり、２．５Ｖまでは小さくならなかった。これに対して、一般式（１）  の分子を６０ｗｔ％以上にすることにより、飽和電圧Ｖｓａｔ  が２．５Ｖ又はそれより小さくなった。
【００３６】
なお、本実施例では、液晶材料のＮ−Ｉ転移温度が５９℃となるような表３に示す材料を使用したが、本発明において一般式（１）  〜（３）  で示す分子の割合を変えてＮ−Ｉ転移温度が５５〜７５℃である液晶材料を使用したところ、飽和電圧Ｖｓａｔ  が２．５Ｖよりも大きくなることはなかった。これは、Ｎ−Ｉ転移温度が下がることにより液晶の弾性率が下がり、これにより飽和電圧が低下したからと考えられる。
（実施例２）
本実施例でも、図１と同じ構成を有するＴＦＴ駆動型の液晶表示パネルを作製した。ただし、第一の配向膜５と第二の配向膜９のそれぞれのラビング方向は第１実施例と異ならせ、ツイスト角が１００度となるようにラビングした。また、第一及び第二の配向膜５，９の間に封入する液晶材料１１も第１実施例の表３と同じ材料を使用した。
【００３７】
ただし、ツイスト角を広げると、逆ツイスト領域が発生し易くなるので、逆ツイストを抑制するために、液晶材料に添加するカイラル材の量を調整してカイラルピッチを約６０μｍとした。
第一及び第二の基板１，７にそれぞれ形成される偏光フィルム６，１０の透過軸は、コントラストを確保するために互いに直交する向きに配置される。第一の配向膜５と第二の配向膜９のそれぞれのラビング方向は相対的に１００度であるので、偏光フィルムの透過軸は図５に示すように配置される。即ち、第一の基板１における第一の配向膜６のラビング方向と偏光フィルム６の透過軸を相対的に５度ずらした。また、第二の基板７における第二の配向膜９のラビング方向と偏光フィルム１０の透過軸を相対的に５度ずらした。
【００３８】
そして、印加電圧と相対透過率との関係を調べたところ、図６に示すような特性が得られ、その飽和電圧Ｖｓａｔ  は２．２５Ｖとなって、実施例１よりも飽和電圧Ｖｓａｔ  がさらに小さくなった。これは次のような原理によると思われる。
液晶表示パネルの駆動電圧が高くなる１つの原因は、液晶材料を挟む第一及び第二の配向膜５の表面に最も近い部分に存在する液晶分子が印加電圧によりその傾斜角をなかなか変えないためである。液晶分子のツイスト角を９５〜１１０度とし、かつ、１対の偏光フィルム６，１０の透過軸の相対角を液晶分子のツイスト角とは異なる値に配置する。これにより、液晶表示パネルの入射光を液晶分子の配向方向とはずれた方向から入射することになり、これにより応答の遅い液晶分子による影響を低減することができたと思われる。
【００３９】
従って、ツイスト角を９５〜１１０度まで広げることにより、飽和電圧は２．５Ｖよりも低下して２．５Ｖ駆動の電圧マージンが広がる。
【００４０】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、上記した一般式(1)で示される分子の重量が液晶成分の重量比６０％以上であり、かつ一般式(1),(2),(3)のいずれかで示される少なくとも３つ以上の分子を含み、これらの分子の総重量が液晶成分の重量比９０％以上の割合で含有されているノーマリーホワイト表示用液晶材料を使用している。この液晶材料を使用することにより液晶表示パネルの駆動電圧を低減することができた。
【００４１】
また、液晶のＮＩ転移温度は、発明に使用する液晶材料によれば５５〜７５℃となり、液晶表示パネルの駆動電圧を２．５Ｖ以下まで低下できた。
さらに、本発明に使用するツイスト角を、一般に使用する９０度ではなく、９５〜１１０度まで拡大したところ、駆動電圧はさらに小さくできた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る液晶表示パネルの一部を示す概要構成図である。
【図２】本発明の第１実施例に係る液晶表示パネルの印加電圧と相対透過率の関係を示す特性図である。
【図３】本発明と異なる表４の比較例（１）  の液晶材料を使用した液晶表示パネルの印加電圧と相対透過率の関係を示す特性図である。
【図４】本発明と異なる表４の比較例（４）  液晶材料を使用した液晶表示パネルの印加電圧と相対透過率の関係を示す特性図である。
【図５】本発明の第２実施例に係る液晶表示パネルのラビング方向と偏光パネルの光軸の相対的な方向を示す図である。
【図６】本発明の第２実施例に係る液晶表示パネルの印加電圧と相対透過率の関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１、７    透明基板
２    ＴＦＴ
３    ドレインバスライン
４    画素電極
５、９    配向膜
６、１０    偏光パネル
【図１】
0003625862.tif 000011
【図２】
0003625862.tif 000012
【図３】
0003625862.tif 000013
【図４】
0003625862.tif 000014
【図５】
0003625862.tif 000015
【図６】
0003625862.tif 000016