(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶と、前記液晶に含まれる添加物質とからなる液晶材料であって、前記添加物質は解離性物質及び前記解離性物質の共役塩を含み、前記解離性物質の構造が式（１）の構造であり、Ｒは、水素、アルキル基、アルコキシ基を表し、Ｘは、シクロヘキサン環基、ベンゼン環基を表し、Ａは、無水フタル酸、−ＣＯＯＨ、−ＣＯＮＨ、−ＮＨ２、−ＯＨのいずれかにより少なくとも１個所以上置換されているフェニル基を表し、ｎは１或いは２の整数を表し、前記解離性物質の共役塩は、式（２）の構造であり、Ｒは、水素、アルキル基、アルコキシ基を表し、Ｘは、シクロヘキサン環基、ベンゼン環基を表し、Ａは、無水フタル酸、−ＣＯＯ−、−ＣＯＮ−、−ＮＨ−、−Ｏ−のいずれかにより少なくとも１個所以上置換されているフェニル基を表し、ｎは１或いは２の整数を表し、Ｂはナトリウム、カリウムを表す。
【数１】
0003652997.tif 000015
【数２】
0003652997.tif 000016
【請求項２】
前記解離性物質及び前記解離性物質の共役塩は、母体液晶への添加量を前記解離性物質が１．０とするとき、前記解離性物質の共役塩がモル濃度比率で０．０１〜１００の比率で母体液晶へ添加される請求項１記載の液晶材料。
【請求項３】
前記解離性物質及び前記解離性物質の共役塩は、母体液晶への添加量を前記解離性物質が１．０とするとき、前記解離性物質の共役塩がモル濃度比率で０．１〜１０の比率で母体液晶へ添加される請求項１記載の液晶材料。
【請求項４】
前記液晶の比抵抗が、１０９Ωｃｍ〜１０１４Ωｃｍである請求項１、２又は、３記載の液晶材料。
【請求項５】
一対の基板に挟持された液晶を有し、前記一対の基板の少なくとも一方の基板が横型電界により前記液晶の向きを制御する液晶表示装置であって、前記液晶は、解離性物質及び前記解離性物質の共役塩を含み、前記解離性物質の構造が式（１）の構造であり、Ｒは、水素、アルキル基、アルコキシ基を表し、Ｘは、シクロヘキサン環基、ベンゼン環基を表し、Ａは、無水フタル酸、−ＣＯＯＨ、−ＣＯＮＨ、−ＮＨ２、−ＯＨのいずれかにより少なくとも１個所以上置換されているフェニル基を表し、ｎは１或いは２の整数を表し、前記解離性物質の共役塩は、式（２）の構造であり、Ｒは、水素、アルキル基、アルコキシ基を表し、Ｘは、シクロヘキサン環基、ベンゼン環基を表し、Ａは、無水フタル酸、−ＣＯＯ−、−ＣＯＮ−、−ＮＨ−、−Ｏ−のいずれかにより少なくとも１個所以上置換されているフェニル基を表し、ｎは１或いは２の整数を表し、Ｂはナトリウム、カリウムを表す。
【数３】
0003652997.tif 000017
【数４】
0003652997.tif 000018
【請求項６】
前記解離性物質及び前記解離性物質の共役塩は、母体液晶への添加量を前記解離性物質が１．０とするとき、前記解離性物質の共役塩がモル濃度比率で０．０１〜１００の比率で母体液晶へ添加される請求項５記載の液晶表示装置。
【請求項７】
前記解離性物質及び前記解離性物質の共役塩は、母体液晶への添加量を前記解離性物質が１．０とするとき、前記解離性物質の共役塩がモル濃度比率で０．１〜１０の比率で母体液晶へ添加される請求項５記載の液晶表示装置。
【請求項８】
前記液晶の比抵抗が、１０９Ωｃｍ〜１０１４Ωｃｍである請求項５、６又は７記載の液晶表示装置。
【請求項９】
前記一方の基板には薄膜トランジスタが設けられ、前記一対の基板のうちの他方の基板には、色層が設けられる請求項５、６、７又は８記載の液晶表示装置。
【請求項１０】
前記一方の基板及び前記他方の基板は、互いに対向する面の最上層にそれぞれ配向膜を有する請求項９記載の液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶材料及び液晶表示装置に関し、特に、液晶の抵抗を安定性良く低くすることのできる液晶材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インプレーンスイッチング（ＩＰＳ：Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）型の液晶表示装置の表示パネルは、一対の透明基板の間の所定の間隔に液晶を挟持し、基板に対して実効的に平行な電界を印加することによって液晶分子を基板面内と水平方向に回転するため、液晶に印加する電界の方向を基板表面に対してほぼ垂直にするツイストネマティック（ＴＮ：Ｔｗｉｓｔ−Ｎｅｍａｔｉｃ）型の液晶表示装置の液晶パネルと比較して、広視野角を達成できるという特徴を有している。
【０００３】
基板に対して実効的に平行な電界は、液晶を挟持する透明基板の一方に画素電極と共通電極を所定の間隔を設けて櫛歯状に配置することにより、発生させる。上記横電界を利用したＬＣＤについては、例えば、特公昭６３−２１９０７号公報により提案されている。このＩＰＳ方式を用いた液晶パネルは、非常に広い視野角を達成できる一方で、そのパネル構成がＴＮ方式を用いた液晶パネルと異なり、色層を構築した対向基板にＩＴＯ電極がないため、静電気による配向乱れが発生しやすいという問題点があった。
【０００４】
ＩＰＳ型液晶表示装置における上記配向乱れを抑制する技術が、例えば、特開平７−３０６４１７号公報に開示されている。特開平７−３０６４１７号公報を以下、従来例１と称する。
【０００５】
従来例１においては、液晶容量がＴＮ方式と比較してＩＰＳ方式は小さいため、静電気による配向乱れが生ずることが記載されている。そこで、液晶の比抵抗を下げることで静電気を防止するものである。また、液晶の比抵抗低下を達成する手段として、液晶の末端基にシアノ基あるいはトリフルオロメチル基あるいはトリフルオロメトキシ基あるいはニトロ基が少なくとも１つ導入された式（３）で表現される液晶化合物を含有させる方法が記載されている。
【０００６】
【数５】
0003652997.tif 000002
【０００７】
式（３）において、Ｘ１〜Ｘ３はフルオロ基、シアノ基、トリフルオロメチル基、トリフルオロメトキシ基、ニトロ基あるいは水素原子を表し、Ｒは置換されてもよい炭素数１から１０までのアルキル基あるいはアルコキシ基を表し、環Ａはシクロヘキサン環、ベンゼン環、ジオキサン環、ピリミジン環または［２，２，２］−ビシクロオクタン環を表し、Ｚは、単結合、エステル結合、エーテル結合またはメチレン、メチレンオキシ、エチレンを表し、ｎは１あるいは２の整数である。
【０００８】
また、次の式（４）のように、分子短軸方向にシアノ基あるいはトリフルオロメチル基あるいはトリフルオロメトキシ基あるいはニトロ基が少なくとも１つ導入された分子構造でもよいとしている。
【０００９】
【数６】
0003652997.tif 000003
【００１０】
式（４）において、Ｘ１〜Ｘ２はフルオロ基、シアノ基、トリフルオロメチル基、トリフルオロメトキシ基、ニトロ基あるいは水素原子を表し、Ｒは置換されてもよい炭素数１から１０までのアルキル基あるいはアルコキシ基を表し、環Ａはシクロヘキサン環、ベンゼン環、ジオキサン環、ピリミジン環または［２，２，２］−ビシクロオクタン環を表し、Ｚは、単結合、エステル結合、エーテル結合またはメチレン、メチレンオキシ、エチレンを表し、ｎは１あるいは２の整数である。
【００１１】
実際には、極性の高い液晶を含めば必ずしも１０13Ωｃｍ以下の比抵抗が得られるわけではなく、シアノ系液晶材料を用いても液晶比抵抗が１０13Ωｃｍ以上となって配向不良が起こってしまうことがあるため、従来例２（特開平１１−３４９９４８号公報）に、次の式（５）で表現される解離性物質を液晶中に含有させる手段が有効であることが開示されている。
【００１２】
【数７】
0003652997.tif 000004
【００１３】
式（５）において、Ｒは、水素、アルキル基、アルコキシ基を表し、Ｘは、シクロヘキサン環基、ベンゼン環基を表し、Ａは、無水フタル酸、−ＣＯＯＨ、−ＣＯＮＨ、−ＮＨ2、−ＯＨにより少なくとも１個所以上置換されているフェニル基を表し、ｎは１あるいは２の整数を表す。
【００１４】
従来例２においては、液晶中に解離性物質を添加することにより、上記の問題を解決できるとしている。ここで、解離性物質とは、酸あるいは塩基解離性物質のことであり、極性溶媒中で自ら解離してＨ+イオンを発生させるあるいは、水と反応してＯＨ-イオンを解離させる物質のことを指す。具体的には、カルボン酸（無水物を含む）、アミド、アミン、アルコールなどの物質を指し、このような物質を液晶中に添加すると液晶中のイオン濃度が上昇し、比抵抗を低下させることができる。そのため、静電気による配向不良を低下させることができる、としている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、液晶パネルを長時間駆動したり、外部温度の変化などの影響により、実際の液晶の比抵抗は、液晶パネルに封入後も一定ではない。そのため、液晶パネルに封入直後は液晶の比抵抗が静電気による配向乱れを防止するのに適当な１０13Ωｃｍ程度であっても、様々なストレスにより、液晶パネルの中の実際の比抵抗が上下し、比抵抗が上昇すれば、静電気による配向乱れを防止できなくなり、逆に比抵抗が下降し過ぎれば、電圧保持ができなくなるため、ムラ・シミが発生するという問題点を抱えていた。
【００１６】
我々は、鋭意検討の末、ムラ・シミが発生する原因を突き止め、以下からなる液晶パネル及び液晶材料を用れば、より高い信頼性を有する液晶パネルを製造できることを見出した。
【００１７】
以下に、式（５）で表される解離性物質を液晶中に添加した場合の液晶比抵抗変動のメカニズムを説明する。ここで、式（５）で表される物質について、例としてカルボン酸を含むケースについて記載する。
【００１８】
解離性物質は液晶中で、自ら解離してＨ+イオンを発生させる。ゆえに液晶中での電荷の大部分はＨ+イオンとなる。
【００１９】
また、液晶中では添加した解離性物質の一部が解離し、以下式（６）で表現される乖離平衡状態になる。
【００２０】
【数８】
0003652997.tif 000005
【００２１】
解離性物質をＢＨ、Ｈ+イオンを放出した後のイオン状態をＢ-と記載すると、解離平衡定数Ｋは式（７）に表される。また、括弧［  ］付き表現は、濃度を示す。
【００２２】
【数９】
0003652997.tif 000006
【００２３】
液晶の比抵抗値を支配する液晶中のＨ+イオン濃度［Ｈ+］は、式（８）のように表現できる。
【００２４】
【数１０】
0003652997.tif 000007
【００２５】
一方、解離平衡定数Ｋは、解離物質の種類によって大きさは異なるが、一般的に温度に依存して変動する。そのため、Ｈ+イオン濃度、すなわち液晶比抵抗も温度により変動する。
【００２６】
また、液晶を挟持する２枚の透明性絶縁基板には、液晶の初期配向を規定する配向膜が形成されており、この配向膜が液晶中の電荷すなわちＨ+イオンを吸着することにより、液晶パネル面内において、液晶比抵抗が変化する。
【００２７】
本発明の目的は、液晶の比抵抗が小さく、しかも、液晶の比抵抗の温度依存性も小さく、また液晶パネル面内で均等に静電気による配向乱れを信頼性良く防止できる液晶材料及び液晶材料を有する液晶表示装置を提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明の液晶材料は、液晶と、前記液晶に含まれる添加物質とからなる液晶材料であって、前記添加物質は解離性物質及び前記解離性物質の共役塩を含むことを特徴とし、
前記解離性物質の構造が式（１）の構造であり、Ｒは、水素、アルキル基、アルコキシ基を表し、Ｘは、シクロヘキサン環基、ベンゼン環基を表し、Ａは、無水フタル酸、−ＣＯＯＨ、−ＣＯＮＨ、−ＮＨ2、−ＯＨのいずれかにより少なくとも１個所以上置換されているフェニル基を表し、ｎは１或いは２の整数を表し、
前記解離性物質の共役塩は、式（２）の構造であり、Ｒは、水素、アルキル基、アルコキシ基を表し、Ｘは、シクロヘキサン環基、ベンゼン環基を表し、Ａは、無水フタル酸、−ＣＯＯ−、−ＣＯＮ−、−ＮＨ−、−Ｏ−のいずれかにより少なくとも１個所以上置換されているフェニル基を表し、ｎは１或いは２の整数を表し、Ｂはナトリウム、カリウムを表す、というものである。
【００２９】
【数１１】
0003652997.tif 000008
【００３０】
【数１２】
0003652997.tif 000009
【００３１】
また上記液晶材料は、前記解離性物質及び前記解離性物質の共役塩は、母体液晶への添加量を前記解離性物質が１．０とするとき、前記解離性物質の共役塩がモル濃度比率で０．０１〜１００の比率、望ましくは、０．１〜１０の比率で母体液晶へ添加される、というもので、前記液晶の比抵抗が、１０9Ωｃｍ〜１０14Ωｃｍである。
【００３２】
本発明の液晶表示装置は、一対の基板に挟持された液晶を有し、前記一対の基板の少なくとも一方の基板が横型電界により前記液晶の向きを制御する液晶表示装置であって、前記液晶は、解離性物質及び前記解離性物質の共役塩を含むことを特徴とし、前記解離性物質の構造が式（１）の構造であり、Ｒは、水素、アルキル基、アルコキシ基を表し、Ｘは、シクロヘキサン環基、ベンゼン環基を表し、Ａは、無水フタル酸、−ＣＯＯＨ、−ＣＯＮＨ、−ＮＨ2、−ＯＨのいずれかにより少なくとも１個所以上置換されているフェニル基を表し、ｎは１或いは２の整数を表し、
前記解離性物質の共役塩は、式（２）の構造であり、Ｒは、水素、アルキル基、アルコキシ基を表し、Ｘは、シクロヘキサン環基、ベンゼン環基を表し、Ａは、無水フタル酸、−ＣＯＯ−、−ＣＯＮ−、−ＮＨ−、−Ｏ−のいずれかにより少なくとも１個所以上置換されているフェニル基を表し、ｎは１或いは２の整数を表し
、Ｂはナトリウム、カリウムを表す、というものである。
【００３３】
【数１３】
0003652997.tif 000010
【００３４】
【数１４】
0003652997.tif 000011
【００３５】
また上記液晶表示装置は、前記解離性物質及び前記解離性物質の共役塩は、母体液晶への添加量を前記解離性物質が１．０とするとき、前記解離性物質の共役塩がモル濃度比率で０．０１〜１００の比率、望ましくは、０．１〜１０の比率で母体液晶へ添加される、というもので、前記液晶の比抵抗が、１０9Ωｃｍ〜１０14Ωｃｍである。
【００３６】
さらに、上記液晶表示装置は、前記一方の基板には薄膜トランジスタが設けられ、前記一対の基板のうちの他方の基板には、色層が設けられ、前記一方の基板及び前記他方の基板は、互いに対向する面の最上層にそれぞれ配向膜を有する。
【００３７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の説明に入る前に、本発明の基本をなす液晶材料の構造について記しておく。
【００３８】
発明が解決しようとする課題の項で述べた課題は、下記の手段により解決することができる。
【００３９】
すなわち、解離性物質と解離性物質の塩を一定の割合で液晶の中に混入することで、上記の課題は解決することができる。
【００４０】
例として式（５）で表される物質について、カルボン酸を含むケースを説明する。
【００４１】
解離性物質ＢＨ、解離性物質の共役塩ＢＣを液晶に添加すると、それぞれ解離性物質Ｈは、次に示す式（９）のように解離平衡をとり、解離性物質の塩ＢＣは完全解離する。
【００４２】
【数１５】
0003652997.tif 000012
【００４３】
よって、液晶の比抵抗値を支配する液晶中のＨ+イオン濃度[Ｈ+]は、次の式（１０）のように表現できる。
【００４４】
【数１６】
0003652997.tif 000013
【００４５】
ここで式（１０）における[Ｂ-]‘は、式（９）に示す２つの平衡式における[Ｂ-]の和である。Ｋは解離平衡定数であるため、温度に依存するが、式（８）の分母[Ｂ-]と式（１０）の分母[Ｂ-]‘は、
[Ｂ-]  ＜＜  [Ｂ-]‘
の関係があるため、式（１０）での水素イオン濃度は温度により殆ど変動しない。
【００４６】
このようにして、液晶パネルを製造すれば、常に液晶比抵抗が一定であるため、信頼性の高い液晶表示装置を提供することができる。
【００４７】
次に、本発明の第１の実施形態について図１、図２を参照して説明する。図１は、薄膜トランジスタを搭載する基板（ＴＦＴ基板）を、それに対向する基板側から見た模式平面図であり、図２は、液晶表示装置を、図１における切断線Ｐ−Ｐ’を含み、基板に直交する平面で切断したときの液晶表示装置の模式断面図である。図１に示されたＴＦＴ基板の製造手順を図２を参照して説明する。
【００４８】
まず、ガラス等からなる第１の透明基板９の上に、Ｃｒ材料をパターニングすることでゲート電極３と同時に共通電極４を形成する。
【００４９】
次に、ＳｉＮｘとＳｉＯ2からなる層間絶縁膜１０を第１の透明基板９の全面を覆うよう形成する。続いて、アモルファスシリコン等からなる島状半導体膜１を形成し、さらに、Ｃｒ材料をパターニングすることで同一工程にて、データ線５
、画素電極２、ソース電極６、ドレイン電極７をそれぞれ形成する。
【００５０】
最後に、バックチャネル部を保護する目的でＳｉＮｘからなるパッシベーション膜２２を第１の透明基板９の最上層に全面を覆うよう形成して、ＴＦＴ基板１００が得られる。
【００５１】
次に、ＴＦＴ基板１００に対向して配置され、透過光を着色するカラーフィルタ基板２００の製造手順を記載する。
【００５２】
まず、ガラス等からなる第２の透明基板１４の上に、遮光材料を分散した樹脂からなるブラックマトリクス１２をパターニングにより形成する。次に、Ｒ色、Ｇ色、Ｂ色の色層１３を形成する。続いて、第２の透明基板１４の全面を覆うように平坦化膜１５を形成し、反対側の裏面に導電膜１６、偏光板１７を形成してカラーフィルタ基板２００が得られる。
【００５３】
このようにして作成したＴＦＴ基板１００とカラーフィルタ基板２００のそれぞれに、オフセット印刷等による方法で、配向膜１１を印刷する。こうして得られたＴＦＴ基板１００とカラーフィルタ基板２００の配向膜をラビング方法により所定の方向に配向膜分子を並べて（ラビング方向１９）、この２枚の基板が所定の間隔を持つようにセルギャップ材を挟みこませて組み合わせ、その間隙に液晶２０を封止した。
【００５４】
ここで、本実施形態の特徴は、母体である液晶材料に、解離性物質と解離性物質の塩をモル比率で、１：０．０１〜１：１００になるよう混入したことである。ここで、用いた解離性物質を無水フタル酸、解離性物質の塩を無水フタル酸カリウムとして、それぞれ１００ｐｐｍづつ混入した。母体液晶の比抵抗値は４．１×１０13Ωｃｍであったが、無水フタル酸及び無水フタル酸カリウムを混入することで、１．４×１０11Ωｃｍとなった。
【００５５】
また、無水フタル酸及び無水フタル酸カリウムの混入前後で、液晶材料の他の物性値は変化しなかった。
【００５６】
このようにして得られた液晶パネルは、ＴＦＴ基板１００のラビング方向１９にＴＦＴ基板側の偏光板１８の吸収軸を合わせて、カラーフィルタ基板側の偏光板１７は直交させて、ノーマリーブラック配置とした。
【００５７】
この液晶パネルを６０℃で、かつ８５％の湿度環境に置き、１０００時間の全白表示を行ったが、静電気による配向不良やシミ・ムラといった問題は発生しなかった。
【００５８】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００５９】
母体液晶にベンズアミドとベンズアミドカリウムを、それぞれ１００ｐｐｍづつ混入した以外は第１の実施形態と同じである。この時の添加後の液晶の比抵抗値は９．４×１０10Ωｃｍであった。
【００６０】
また、ベンズアミドとベンズアミドカリウムの混入前後で、液晶材料の他の物性値は変化しなかった。
【００６１】
この液晶パネルを６０℃で、かつ８５％の湿度環境に置き、１０００時間の全白表示を行ったが、静電気による配向不良やシミ・ムラといった問題は発生しなかった。
【００６２】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
【００６３】
母体液晶に１−ナフトールと１−ナフトールカリウムを、それぞれ１００ｐｐｍづつ混入した以外は第１の実施形態と同じである。この時の添加後の液晶の比抵抗値は７．４×１０10Ωｃｍであった。
【００６４】
また、１−ナフトールと１−ナフトールカリウムの混入前後で、液晶材料の他の物性値は変化しなかった。
【００６５】
この液晶パネルを６０℃で、かつ８５％の湿度環境に置き、１０００時間の全白表示を行ったが、静電気による配向不良やシミ・ムラといった問題は発生しなかった。
【００６６】
以上述べてきた本発明の実施形態において、液晶材料への添加材としては、本実施形態で用いた以外の添加材でも良く、少なくとも混合塩の形で混入することで、水素イオン濃度を一定に保つ組み合わせであれば良い。
【００６７】
なお第１の実施形態〜第３の実施形態の系について、液晶に混入させる解離性物質ＢＨと解離性物質の塩ＢＣの混合比率を変化させて、表示シミ・ムラを観察した結果を下記の表に示す。[ＢＣ]は解離性物質のモル濃度を、[ＢＨ]は解離性物質の塩のモル濃度を示す。
【００６８】
【表１】
0003652997.tif 000014
【００６９】
以上の結果、解離性物質ＢＨと解離性物質の塩ＢＣの混合比率は、０．０１〜１００の混合比率で混入すると、表示シミやムラを発生させることなく、配向乱れを抑制することが可能であることがわかる。
【００７０】
また、解離性物質ＢＨと解離性物質の塩ＢＣの混合比率は、０．１〜１０の場合、特に表示シミ・ムラが良好であることがわかった。
【００７１】
以上述べてきた本発明の実施形態において、液晶材料への添加材としては、本実施形態で用いた以外の添加材でも良く、少なくとも混合塩の形で混入することで、水素イオン濃度を一定に保つ組み合わせであれば良い。
【００７２】
【発明の効果】
本発明による液晶材料は、液晶の中に解離性物質とその解離性物質の塩を含ませることにより、液晶中のイオン量を温度変化の下においても常に一定にすることができ、本発明の液晶表示装置に本発明による液晶材料を用いることにより、静電気による液晶の配向乱れや、イオンの過多集積によるムラ・シミを防止できるため、高い信頼性を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を説明するための液晶表示装置のＴＦＴ基板の模式平面図である。
【図２】本発明の実施形態を説明するための液晶表示装置の模式断面図である。
【符号の説明】
１    島状半導体膜
２    画素電極
３    ゲート電極
４    共通電極
５    データ線
６    ソース電極
７    ドレイン電極
９    第１の透明基板
１０    層間絶縁膜
１１    配向膜
１２    ブラックマトリクス
１３    色層
１４    第２の透明基板
１５    平坦化膜
１６    導電膜
１７、１８    偏光板
１９    ラビング方向
２０    液晶
２２    パッシベーション膜
１００    ＴＦＴ基板
２００    カラーフィルタ基板
【図１】
0003652997.tif 000019
【図２】
0003652997.tif 000020