(57)【要約】      （修正有）【課題】広い温度範囲において高速応答の液晶表示装置を提供する。【解決手段】液晶層３０は、主骨格に２つの６員環の化合物を含み、一方の６員環がベンゼン環であり他方の６員環がシクロヘキサン環である一般式（１）2009185175.tif 000009（式中Ｒ及びＲ’は炭素原子数が２〜５のアルキル基又はアルケニル基を表し、ＲとＲ’とが同一の場合を含む。）で表される化合物Ａ、及び、２つの６員環がともにシクロヘキサン環であるビシクロへキサン骨格の一般式（２）2009185175.tif 000010（式中のＲ及びＲ’は炭素原子数が２〜５のアルキル基又はアルケニル基を表し、ＲとＲ’とが同一の場合を含む。）で表される化合物Ｂの少なくとも一方を含む液晶組成物によって形成されている。【選択図】図２
2009185175.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の基板間に液晶層を保持した構成のＯＣＢモードを適用した液晶表示装置であって、
前記液晶層は、主骨格に２つの６員環の化合物を含み、一方の６員環がベンゼン環であり他方の６員環がシクロヘキサン環である一般式（１）
【化１】
2009185175.tif 000007
（式中のＲ及びＲ’は炭素原子数が２〜５のアルキル基またはアルケニル基を表し、ＲとＲ’とが同一の場合を含む。）で表される化合物Ａ、及び、２つの６員環がともにシクロヘキサン環である一般式（２）
【化２】
2009185175.tif 000008
（式中のＲ及びＲ’は炭素原子数が２〜５のアルキル基またはアルケニル基を表し、ＲとＲ’とが同一の場合を含む。）
で表される化合物Ｂの少なくとも一方を含む液晶組成物によって形成されたことを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】
前記液晶層は、上記一般式（１）で表される化合物Ａ及び上記一般式（２）で表される化合物Ｂを１０〜２３重量％含有することを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項３】
前記液晶層は、上記一般式（２）で表される化合物を８〜１７重量％含有することを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液晶表示装置に係り、特に、広視野角及び高速応答の実現が可能な光学的補償ベンド（ＯＣＢ；Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  Ｂｅｎｄ）配向技術を用いた液晶表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置は、軽量、薄型、低消費電力などの特徴を生かして、各種分野に適用されている。このような液晶表示装置は、一対の基板間に液晶層を保持した構成であり、画素電極と対向電極との間の電界によって液晶層を通過する光に対する変調率を制御し、画像を表示するものである。
【０００３】
ツイステッド・ネマティック（ＴＮ；Ｔｗｉｓｔｅｄ  Ｎｅｍａｔｉｃ）モードや、スーパー・ツイステッド・ネマティック（ＳＴＮ）モードの液晶表示装置において、誘電率異方性Δεや粘性が比較的小さいことと併せて、屈折率異方性Δｎが大きい液晶材料への要求に対して、例えば、特許文献１に記載されたような化合物を含有する液晶組成物が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−２２６８５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、視野角及び応答速度を改善可能な液晶表示装置として、ＯＣＢモードを適用した液晶表示装置が注目されている。このようなＯＣＢモードの液晶表示装置は、一対の基板間に所定の電圧を印加した状態でベンド配向した液晶分子を含む液晶層を保持した構成である。このようなＯＣＢモードは、ＴＮモードなどと比較して応答速度の高速化が可能であり、さらに液晶分子の配向状態により液晶層を通過する光の複屈折の影響を光学的に自己補償できるため視野角の拡大が可能であるという利点がある。
【０００５】
このようなＯＣＢモードの液晶表示装置においては、光学補償の観点から屈折率異方性Δｎが大きく、駆動の観点から誘電率異方性Δεも大きい液晶材料を適用することが望ましい。このため、結果的には、粘度が非常に高い液晶材料を適用する場合が多い。
【０００６】
この粘度は、液晶材料の物性値の中でも、応答時間に最も影響を及ぼすものである。また、粘度の温度依存性は非常に大きく、特に低温側では指数関数的に増大する傾向にある。このため、折角、モードとして高速応答のＯＣＢモードを採用しても、応答時間が遅くなり、ＯＣＢモードとしての優位性が得られなくなるおそれがある。
【０００７】
この発明の目的は、広い温度範囲において高速応答の液晶表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の態様による液晶表示装置は、
一対の基板間に液晶層を保持した構成のＯＣＢモードを適用した液晶表示装置であって、
前記液晶層は、主骨格に２つの６員環の化合物を含み、一方の６員環がベンゼン環であり他方の６員環がシクロヘキサン環である一般式（１）
【化３】
2009185175.tif 000003
【０００９】
（式中のＲ及びＲ’は炭素原子数が２〜５のアルキル基またはアルケニル基を表し、ＲとＲ’とが同一の場合を含む。）で表される化合物Ａ、及び、２つの６員環がともにシクロヘキサン環である一般式（２）
【化４】
2009185175.tif 000004
【００１０】
（式中のＲ及びＲ’は炭素原子数が２〜５のアルキル基またはアルケニル基を表し、ＲとＲ’とが同一の場合を含む。）
で表される化合物Ｂの少なくとも一方を含む液晶組成物によって形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、広い温度範囲において高速応答の液晶表示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、この発明の一実施の形態に係る液晶表示装置について図面を参照して説明する。なお、液晶表示装置としては、１画素がバックライト光を選択的に透過することによって画像を表示する透過部のみによって構成された透過型液晶表示装置、１画素が外光（あるいはフロントライトユニットから放射されたフロントライト光）を選択的に反射することによって画像を表示する反射部のみによって構成された反射型液晶表示装置、及び、１画素内に反射部と透過部とを有する半透過型液晶表示装置が挙げられ、いずれもこの発明の範疇であるが、ここでは、特に、ＯＣＢモードを適用した透過型液晶表示装置を例に説明する。
【００１３】
図１及び図２に示すように、透過型液晶表示装置は、ＯＣＢモードを適用した液晶表示パネル１と、液晶表示パネル１を照明するバックライトＢＬと、液晶表示パネル１とバックライトＢＬとの間に配置された第１光学補償素子ＯＤ１と、液晶表示パネル１の観察面側に配置された第２光学補償素子ＯＤ２と、を備えている。
【００１４】
液晶表示パネル１は、一対の基板すなわちアレイ基板（第１基板）１０と対向基板（第２基板）２０との間に液晶層３０を保持した構成であり、画像を表示するアクティブエリアＤＡを備えている。このアクティブエリアＤＡは、マトリクス状に配置された複数の画素ＰＸによって構成されている。
【００１５】
アレイ基板１０は、例えばガラス基板などの光透過性を有する絶縁基板１１を用いて形成されている。このアレイ基板１０は、絶縁基板１１の一方の主面（すなわち液晶層３０と対向する面）に、各画素ＰＸの駆動に必要な各種信号を供給するための信号供給線を備えている。
【００１６】
すなわち、アレイ基板１０は、信号供給線として、画素ＰＸの行方向に沿って配置された複数の走査線Ｙ（Ｙ１〜Ｙｍ）及び複数の補助容量線Ｃ（Ｃ１〜Ｃｍ）、画素ＰＸの列方向に沿って配置されたＮ本の信号線Ｘ（Ｘ１〜Ｘｎ）、各画素ＰＸに配置されたスイッチング素子１２などを備えている。さらに、アレイ基板１０は、各スイッチング素子１２に接続された画素電極１３などを備えている。走査線Ｙのそれぞれは、駆動信号（走査信号）を供給するゲートドライバＹＤに接続されている。信号線Ｘのそれぞれは、駆動信号（映像信号）を供給するソースドライバＸＤに接続されている。
【００１７】
スイッチング素子１２は、例えば薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＴＦＴ）によって構成されている。このスイッチング素子１２は、各画素ＰＸに対応して走査線Ｙ及び信号線Ｘの交差部に配置されている。スイッチング素子１２のゲートは、対応する走査線Ｙに接続されている（あるいは走査線Ｙと一体的に形成されている）。スイッチング素子１２のソースは、対応する信号線Ｘに接続されている（あるいは信号線Ｘと一体的に形成されている）。スイッチング素子１２のドレインは、画素電極１３に電気的に接続されている。
【００１８】
画素電極１３は、スイッチング素子１２を覆う絶縁膜１４上に配置されており、絶縁膜１４に形成されたコンタクトホール１４Ｈを介してスイッチング素子１２のドレインと電気的に接続されている。この画素電極１３は、透過型液晶表示装置においては、インジウム・ティン・オキサイド（ＩＴＯ）やインジウム・ジンク・オキサイド（ＩＺＯ）などの光透過性を有する導電材料によって形成される。なお、反射型液晶表示装置においては、画素電極１３は、アルミニウム（Ａｌ）などの光反射性を有する導電材料によって形成される。
【００１９】
このような画素電極１３の表面（つまり、絶縁基板１１の電極面）は、液晶層３０に含まれる液晶分子３１の配向を制御するための第１配向膜１５によって覆われている。
【００２０】
対向基板２０は、例えばガラス基板などの光透過性を有する絶縁基板２１を用いて形成されている。この対向基板２０は、絶縁基板２１の一方の主面（すなわち液晶層３０と対向する面）に、複数の画素ＰＸの画素電極１３に対向するように配置された対向電極２２などを備えている。対向電極２２は、例えばＩＴＯなどの光透過性を有する導電材料によって形成されている。
【００２１】
このような対向電極２２の表面（つまり、絶縁基板２１の電極面）は、液晶層３０に含まれる液晶分子の配向を制御するための第２配向膜２３によって覆われている。
【００２２】
上述したような構成のアレイ基板１０と対向基板２０とは、画素電極１３と対向電極２２とを対向させた状態で配設され、これらの間にスペーサ（例えば、一方の基板に一体的に形成された柱状スペーサ）を介して所定のセルギャップを形成する。これらのアレイ基板１０及び対向基板２０は、アクティブエリアＤＡを囲むように配置されたシール材によって貼り合わせられている。液晶層３０は、これらのアレイ基板１０と対向基板２０との間のセルギャップに封入された液晶組成物によって形成されている。
【００２３】
液晶層３０は、正の誘電率異方性を有するとともに光学的に正の一軸性を有する液晶分子３１を含む液晶組成物によって構成されている。この液晶層３０においては、液晶層３０に所定の電圧（転移電圧）を印加した所定の表示状態において、液晶分子３１は、図２に示すように、アレイ基板１０と対向基板２０との間でベンド配向している。
【００２４】
カラー表示タイプの液晶表示装置では、液晶表示パネル１は、複数種類の画素、例えば赤（Ｒ）を表示する赤色画素、緑（Ｇ）を表示する緑色画素、青（Ｂ）を表示する青色画素を有している。すなわち、赤色画素は、赤色の主波長の光を透過する赤色カラーフィルタを備えている。緑色画素は、緑色の主波長の光を透過する緑色カラーフィルタを備えている。青色画素は、青色の主波長の光を透過する青色カラーフィルタを備えている。これらのカラーフィルタは、アレイ基板１０または対向基板２０の主面に配置される。
【００２５】
各画素ＰＸは、各々画素電極１３及び対向電極２２間に液晶容量ＣＬＣを有している。複数の補助容量線Ｃ（Ｃ１〜Ｃｍ）は、各々対応行の画素電極１３に容量結合して補助容量Ｃｓを構成する。
【００２６】
第１光学補償素子ＯＤ１及び第２光学補償素子ＯＤ２は、上述したような液晶表示パネル１における液晶層３０に電圧を印加した所定の表示状態において、液晶層３０のリタデーションを光学的に補償する機能を有しており、偏光板及び位相差板などを備えて構成されている。第１光学補償素子ＯＤ１は、アレイ基板１０を構成する絶縁基板１１の他方の主面（すなわちバックライトＢＬと対向する面）に配置されている。また、第２光学補償素子ＯＤ２は、対向基板２０を構成する絶縁基板２１の他方の主面（すなわち観察側の面）に配置されている。
【００２７】
このＯＣＢモードの液晶表示パネル１においては、液晶層３０を保持する第１配向膜１５及び第２配向膜２３は、互いに平行な方向にラビング処理されている。このような配向膜の作用により、電源投入以前の段階では、液晶層３０に含まれる液晶分子３１は、スプレイ配向している。このスプレイ配向は、液晶分子３１がほとんど寝ている状態に相当する。
【００２８】
そして、電源投入後、表示動作以前の段階において、初期化処理が行われる。この初期化処理は、液晶層３０に対して転移電圧を印加するものであり、この転移電圧に対応した比較的強い電界により液晶分子３１の配向状態をスプレイ配向からベンド配向に転移させる。液晶分子３１の配向状態は、表示動作中、ベンド配向に維持されている。
【００２９】
表示動作において、液晶層３０に白画像（最高輝度に対応した階調レベルの画像）を表示するための白表示電圧が印加された際には、液晶層３０のミッドプレーン付近の液晶分子３１が基板に略垂直に立ち上がっているのに対して基板近傍の液晶分子３１が比較的寝ている状態となる。また、液晶層３０に黒画像（最低輝度に対応した階調レベルの画像）を表示するための黒表示電圧が印加された際には、液晶層３０のミッドプレーン付近の液晶分子３１のみならず、基板近傍の液晶分子３１も基板に対して略垂直に立ち上がった状態となる。
【００３０】
このようなＯＣＢモードの液晶表示パネル１においては、液晶分子３１の配向状態は、スプレイ配向のエネルギーとベンド配向のエネルギーとが拮抗するレベル以下の電圧印加状態や電圧無印加状態が長期間続く場合に、再びベンド配向からスプレイ配向に逆転移してしまう。
【００３１】
このため、ＯＣＢモードの液晶表示パネル１では、この逆転移を防止するために、黒挿入駆動の方式がとられている。黒挿入駆動では、例えば逆転移防止電圧及び映像信号に対応した電圧がフレーム周期で交互に駆動電圧として液晶層３０に印加され、ベンド配向を維持する。ノーマリホワイトモードにおいては、逆転移防止電圧が黒表示電圧に相当するため、黒挿入駆動と呼ばれる。
【００３２】
ところで、液晶層３０を形成する液晶組成物の応答時間τは理論上以下の式で与えられる。
【００３３】
τｏｎ＝γ１・ｄ２／（ε０・｜Δε｜・（Ｖｏｎ２−Ｖｔｈ２））
τｏｆｆ＝γ１・ｄ２／（π２・Ｋ）
但し、τｏｎは画素電極に駆動電圧Ｖｏｎを印加したときの応答時間（立ち上がり時間）であり、τｏｆｆは電圧をきったときの応答時間（立ち下がり時間）である。また、式中のγ１は粘度であり、ｄはセルギャップであり、ε０は真空中での誘電率であり、Ｖｔｈはしきい値電圧であり、Ｋは弾性定数である。
【００３４】
上記した理論式から明らかなように、応答時間τは、粘度γ１に比例して長くなる。このため、ＯＣＢモードの液晶層として屈折率異方性Δｎ及び誘電率異方性Δεの条件を満たしつつ低粘度の液晶組成物の出現が望まれていた。特に、携帯端末機器や車載器への用途の高まりから、２０℃前後の室温環境のみならず、低温（例えばマイナス２０℃）環境においても十分な応答時間を確保することが望まれている。
【００３５】
図３には、マイナス２０℃での液晶組成物の粘度γ１と応答時間との関係が図示されている。動画表示の応答時間として許容される８０ｍｓ以下を実現するためには、粘度γ１は、概ね４５００ｎＰａ・ｓ以下とする必要があることがわかる。
【００３６】
そこで、発明者は、シクロヘキサン環を導入することによって粘度が低下することに着目した。
【００３７】
本実施形態においては、液晶層３０は、主骨格に２つの６員環の化合物を含み、一方の６員環がベンゼン環であり他方の６員環がシクロヘキサン環である一般式（１）
【化５】
2009185175.tif 000005
【００３８】
（式中のＲ及びＲ’は炭素原子数が２〜５のアルキル基またはアルケニル基を表し、ＲとＲ’とが同一の場合を含む。）で表される化合物Ａ、及び、２つの６員環がともにシクロヘキサン環であるビシクロへキサン骨格の一般式（２）
【化６】
2009185175.tif 000006
【００３９】
（式中のＲ及びＲ’は炭素原子数が２〜５のアルキル基またはアルケニル基を表し、ＲとＲ’とが同一の場合を含む。）
で表される化合物Ｂの少なくとも一方を含む液晶組成物によって形成されている。
【００４０】
応答時間τの理論式において、液晶物性値である誘電異方性Δεと弾性定数Ｋも温度依存性を有しているが、粘度γ１の温度依存性は桁が変わるほど大きい。その結果、低温環境では応答時間τに対する粘度γ１の寄与率が高くなるため、できるだけ粘度γ１を小さくできる材料を適用する必要がある。
【００４１】
上述した一般式（１）で表される化合物Ａ及び一般式（２）で表される化合物Ｂの少なくとも一方を含む液晶組成物は、低温環境においても粘度γ１の上昇が抑えられ、結果として、室温や高温環境だけでなく低温環境においても高速応答のＯＣＢモードの液晶表示装置を提供できる。
【００４２】
液晶組成物中の化合物Ａ及び化合物Ｂの含有率（重量％）とマイナス２０℃での液晶組成物の粘度γ１との関係について測定した。図４にその結果を示す。主骨格に含まれる２つの６員環の化合物のうち少なくとも一方がシクロヘキサン環である２環化合物の含有率を１０重量％以上とすることにより、マイナス２０℃の低温環境において、粘度γ１を４５００ｎＰａ・ｓ以下とすることが可能であることが見出された。これにより、低温環境下においても応答時間を８０ｍｓ以下とすることが可能となる。
【００４３】
一方で、ＯＣＢモードにおいて、粘度γ１が極端に低い液晶組成物に対しては駆動電圧が高くなる傾向にある。特に、２環化合物の含有率が２３重量％を超えると、誘電率異方性Δεが小さくなりすぎてしまい、駆動電圧が高くなり、耐圧上好ましくない。したがって、液晶組成物における２環化合物の含有率は１０〜２３重量％の範囲に設定することが望ましい。
【００４４】
また、液晶組成物中の化合物Ｂの含有率（重量％）について着目し、マイナス２０℃での液晶組成物の粘度γ１との関係について測定した。図５にその結果を示す。主骨格がビシクロヘキサン骨格の化合物Ｂの含有率を８重量％以上とすることにより、マイナス２０℃の低温環境において、粘度γ１を４５００ｎＰａ・ｓ以下とすることが可能であることが見出された。これにより、低温環境下においても応答時間を８０ｍｓ以下とすることが可能となる。
【００４５】
一方で、化合物Ｂの含有率が１７重量％を超えると、誘電率異方性Δεが小さくなりすぎてしまい、駆動電圧が高くなり、耐圧上好ましくない。したがって、液晶組成物における化合物Ｂの含有率は８〜１７重量％の範囲に設定することが望ましい。
【００４６】
なお、上述した化合物Ａ及び化合物Ｂは揮発性が高いため、真空中でセルギャップに液晶組成物を注入する際に化合物Ａ及び化合物Ｂの含有率が減少する可能性が高い。このため、真空度を制御し、揮発しても液晶層中の化合物Ａ及び化合物Ｂの含有率が所定量になる様に、注入前の液晶組成物内の化合物Ａ及び化合物Ｂの含有率を高めに設定するなどの工夫をすることが望ましい。また、比較的低真空度で注入可能な滴下方式を採用するも望ましい。
【００４７】
なお、この発明は、上記実施形態そのものに限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、この発明の一実施の形態に係る液晶表示装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】図２は、図１に示した液晶表示装置に適用可能なＯＣＢモードの液晶表示パネルの構成を概略的に示す断面図である。
【図３】図３は、マイナス２０℃での液晶組成物の粘度γ１と応答時間との関係を示す図である。
【図４】図４は、液晶組成物中の２環化合物の含有率（重量％）とマイナス２０℃での液晶組成物の粘度γ１との関係を示す図である。
【図５】図５は、液晶組成物中のビシクロヘキサン骨格の化合物Ｂの含有率（重量％）とマイナス２０℃での液晶組成物の粘度γ１との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
ＤＳＰ…アクティブエリア  ＰＸ…表示画素  １…液晶表示パネル  １０…アレイ基板  １１…絶縁基板  １３…画素電極  １５…第１配向膜  ２０…対向基板  ２１…絶縁基板  ２２…対向電極  ２３…第２配向膜  ３０…液晶層  ３１…液晶分子  ＯＤ１…第１光学補償素子  ＯＤ２…第２光学補償素子  ＢＬ…バックライト
【図１】
2009185175.tif 000011
【図２】
2009185175.tif 000012
【図３】
2009185175.tif 000013
【図４】
2009185175.tif 000014
【図５】
2009185175.tif 000015