JPH0718258A - 液晶組成物、及び液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐熱性、耐光性に優れた液晶組成物、及びこ
れを用いた液晶表示装置を実現すること。 【構成】 【化１】 【化２】 等で表される液晶組成物を調製する。この液晶組成物と
イミド化率が８０％以上の配向膜を基板に塗膜し、アク
ティブマトリクス型の液晶表示素子を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アクティブマトリクス
型等の液晶表示素子に係わり、特に電圧保持率を改良し
た液晶組成物、及び液晶表示素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】各画素にスイッチング素子を有するアク
ティブマトリクス型の液晶表示素子は、高コントラス
ト、高画質を特徴とする。このため液晶テレビを始めと
し、各種ＯＡ用ディスプレイ、投射型液晶ディスプレ
イ、車載用マルチディスプレイ等に応用されている。

【０００３】このようなアクティブマトリクス型の液晶
表示素子では、ＴＦＴ等のスイッチング素子を介してゲ
ート電極から駆動電圧が与えられる。ゲート電極から供
給された所定の電荷は、各画素毎に１フィールドの間保
持され、その電荷量によって画素の光透過率が制御され
る。しかしながら一般にこの電荷量は材料系を含めた液
晶パネル内のリークにより次第に減少する。このため最
悪の場合には所定の表示が維持できなくなり、画像品質
の低下を引き起こすことがあった。

【０００４】一定時間内でゲート電極を介して充電され
た電荷が保持される割合は、電圧保持率と呼ばれてお
り、使用する液晶材料（液晶組成物）、配向膜、駆動電
圧、雰囲気温度などによって影響されることが知られて
いる。（１９８８年第１５回液晶討論会予稿集３Ｂ２
１、石原ら「液晶−配向膜界面での誘電損失」）

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】液晶表示素子を投射型
液晶ディスプレイや車載用液晶ディスプレイ等に利用す
る場合、高温度雰囲気下で液晶表示素子が使用されるこ
とが多い。又液晶表示素子を高輝度光又は太陽光の下で
使用する場合、その照射光により信頼性が低下すること
がある。更にワークステーション（ＥＷＳ）等のように
表示画面の大型化に伴い、バスラインの信号遅延の問題
も発生している。このような理由により従来にも増し
て、液晶表示素子の電圧保持率を高めること（高電圧保
持特性化）が要求されてきている。

【０００６】高電圧保持特性化の取り組みは、基本的に
は使用する液晶材料の精製による高抵抗率化が主であ
る。その他には、表示素子面の温度分布の均一化や、基
板や配向膜の洗浄を含めたパネル組立プロセスの一層の
クリーン化等がある。しかしながら高温雰囲気で使用さ
れる車載用ディスプレイや、高温・高輝度光に晒される
液晶プロジェクションディスプレイ等に液晶表示素子が
利用されることを考えると、耐熱性や耐光性などの高信
頼性化の点で従来の液晶表示素子はまだ充分とはいえな
い。

【０００７】例えばパネルの組立に際しては、シール樹
脂の硬化や封口樹脂の硬化のプロセスで紫外線（ＵＶ
光）照射が多く用いられている。このときのＵＶ光の照
射により、液晶表示素子の電圧保持率に経時変化が生じ
るという問題があった。

【０００８】本発明はこのような従来の問題点に鑑みて
なされたものであって、液晶表示素子が高温度雰囲気又
は高温高湿度雰囲気の下で使用されても、パネル周辺材
料からの不純物の取り込みの少なくなる液晶組成物、及
びこの液晶組成物を用いた液晶表示素子を実現すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本願の請求項１の発明
は、炭素鎖数が１〜８の何れかである直鎖状アルキル基
をＲと表わすと、一般式（１）で表され、１種以上から
なる液晶化合物１〜１０ｗｔ％と、一般式（２）で表さ
れ、３種以上からなる液晶化合物２０〜８０ｗｔ％と、
一般式（３）で表され、３種以上からなる液晶化合物２
０〜８０ｗｔ％と、一般式（４）で表され、３種以上か
らなる液晶化合物１〜１０ｗｔ％と、一般式（５）で表
され、１種以上からなる液晶化合物１〜１０ｗｔ％と、
を有することを特徴とするものである。

【００１０】本願の請求項２の発明は、請求項１記載の
液晶組成物と、イミド化率が８０％以上である配向膜
と、を具備することを特徴とするものである。

【００１１】本願の請求項３の発明では、配向膜は、可
溶性ポリイミドであることを特徴とするものである。

【００１２】本願の請求項４の発明では、配向膜は、一
般式（６）で示される分子骨格をその高分子鎖中に含有
することを特徴とするものである。

【００１３】本願の請求項５の発明では、液晶表示素子
は、アクティブマトリックス型であることを特徴とする
ものである。

【００１４】

【作用】このような特徴を有する本願の請求項１の発明
によれば、液晶組成物は全ての液晶分子の末端にＦ原子
が結合した組成系となっている。従って液晶組成物にイ
オン性不純物の侵入、拡散が起こりにくくなる。又液晶
組成物の抵抗率は1.0 ×10¹³Ωｃｍ以上となり、充電さ
れた電荷が放電されにくく高い電圧保持率を示す。更に
は、液晶組成物の大部分がシクロヘキサン骨格となり、
ベンゼン骨格の割合が大幅に低減されるので、光との相
互作用が少なくなる。これは耐光性に優れていることを
示している。

【００１５】又本願の請求項２の発明によれば、液晶表
示素子の配向膜はイミド化率が８０％以上であるため、
配向膜表面に残存する極性基の割合は少なくなる。電圧
保持率低下のメカニズムは液晶表示素子内での抵抗成分
による電荷のリークと、配向膜−液晶層界面に形成され
る電気二重層による誘電損失とに大別される。この電気
二重層は配向膜表面に存在する極性基にイオン性不純物
や有極性分子が吸着されることによって形成される。従
ってこのように構成された液晶表示素子は、耐光性に優
れ、電気二重層形成の程度が少なく、高い電圧保持率を
有することとなる。従って表示むらの発生や表示品位の
低下の少ない高信頼性パネルを提供することができる。

【００１６】

【実施例】本発明の第１実施例における液晶組成物、及
びこの組成物を用いた液晶表示素子について説明する。
次の式（７）〜式（１７）で示される物質を用いて液晶
材料を以下の比率で混合調製し、これを液晶組成物［Ｌ
Ｃ１］とした。

【００１７】

【化７】 ３％

【化８】 １２％

【化９】 １２％

【化１０】 １３％

【化１１】 １９％

【化１２】 １０％

【化１３】 １８％

【化１４】 ２％

【化１５】 ２％

【化１６】 ４％

【化１７】 ５％

【００１８】尚、式（７）においてアルキル基を炭素数
７のアルキル基Ｃ₇ Ｈ₁₅としたが、これに限定するもの
ではなく、式（７）のシクロヘキサンと結合する炭素数
ｎ（ｎ＝１〜８）の直鎖状アルキル基Ｃ_n Ｈ_2n+1をＲと
表し、式（１）のように表示する。式（８）〜式（１
７）のアルキル基についても同様である。

【００１９】さて液晶組成物の抵抗率の測定は、６μｍ
厚の円形電極セル（配向膜なし、電極面積２cm² ）に挟
んで測定した。使用したピコアンメータ（ケースレー社
製）の測定条件は、ＤＣ1.0 Ｖ印加時の消費電流（１分
値）であり、この値を抵抗率に換算した。また耐光性試
験は、超高圧水銀灯（オーク社製，形式ＪＬ−３３０
０，５０ｍＷ／cm² ）を用いた。

【００２０】得られた液晶組成物［ＬＣ１］のネマチッ
ク−等方相転移温度は１００℃、屈折率異方性は0.080
であった。又抵抗率を測定したところ、9.5 ×10¹³Ωｃ
ｍの値が得られた。更に２ｃｃのサンプルを内径２５ｍ
ｍのガラスビンに入れ、耐光性試験（２０分）と耐熱性
試験（１５０℃、１時間）を行ない、抵抗率の経時変化
を調べた。又液晶組成物を開放状態で室内に放置し、含
水分量の経時変化を調べた。その結果を（表１）の左側
に示す。

【表１】

【００２１】次に第１実施例の液晶組成物［ＬＣ１］と
の比較を目的として、従来使用されているシアノ系液晶
材料を調製した。まず式（１８）〜（２５）を次の構造
式で示される物質とする。

【化１８】

【化１９】

【化２０】

【化２１】

【化２２】

【化２３】

【化２４】

【化２５】

【００２２】そして式（１８）〜（２５），式（８），
（９）で示される物質を夫々以下の比率で混合して組成
物として液晶組成物［ＬＣ２］とした。 式（１８） １１％ 式（１９） １４％ 式（２０） ６％ 式（２１） ９％ 式（２２） １２％ 式（２３） ６％ 式（８） １６％ 式（９） １７％ 式（２４） ５％ 式（２５） ４％

【００２３】こうして得られた液晶組成物［ＬＣ２］の
ネマチック−等方相転移温度は９５℃、屈折率異方性は
0.080 であった。次に、抵抗率を測定したところ、1.2
×10¹³Ωｃｍの値が得られた。又２ｃｃのサンプルを内
径２５ｍｍのガラスビンに入れ、耐光性試験（２０分）
と耐熱性試験（１５０℃、１時間）を行ない、抵抗率の
経時変化を調べた。更に液晶組成物を開放状態で室内に
放置し、含水分量の経時変化を調べた。その結果を（表
１）の右側に示す。

【００２４】（表１）に示すように、本実施例の液晶組
成物［ＬＣ１］は従来の液晶組成物［ＬＣ２］に比較し
て高抵抗率を有しており、かつ耐熱性、耐光性にも優れ
たものであることは明らかである。又水分の取り込みも
少なく、実用的な材料といえる。

【００２５】次に本発明の第２実施例として、液晶組成
物［ＬＣ１］を用いた液晶表示素子について説明する。
先ず表面にＩＴＯ電極を有する２枚のガラス基板上に、
第１のポリイミド塗料（日産化学製，リイミド塗料ＳＥ
−７３１１，6.0 ｗｔ％，ＮＭＰ溶液）をスピンコート
法にて塗布する。そして２２０℃、１時間の条件にて第
１のポリイミド塗料を硬化させた。その後、主視角方向
がパネル上方になるように９０度の捻れ角で塗膜をラビ
ングした後、5.0 μｍのガラスファイバーを介してこれ
らの基板を貼り合わせる。次に第１実施例で調製した液
晶組成物［ＬＣ１］１００重量部と、カイラル材として
のコレステリルノナノエート0.3 重量部とを封入し、こ
れを液晶パネル（液晶表示素子）Ａとした。

【００２６】液晶パネルＡの電圧−透過率特性を測定し
たところ、明から暗状態に10％遷移する閾値電圧は1.92
Ｖとなり、90％遷移する飽和電圧は3.09Ｖとなった。次
に、液晶パネルＡを５Ｖ、３０Ｈｚの矩型波を印加しな
がら電圧保持率を測定したところ、６０℃にて９９％の
値が得られた。更に、液晶パネルＡを８０℃の温度雰囲
気下に放置して耐熱性試験を行った。この場合の電圧保
持率（６０℃測定値）の経時変化の様子は図１の曲線Ａ
のようになる。

【００２７】次に液晶パネルＡを、従来例の液晶組成物
［ＬＣ−２］で構成される液晶パネルと比較する。第２
実施例と同一の構成の液晶セルを作製し、液晶組成物
［ＬＣ−２］１００重量部と、カイラル材としてのコレ
ステリルノナノエート0.3 重量部とを封入し、液晶パネ
ルＢとした。

【００２８】第２実施例の場合と同様にして液晶パネル
Ｂの電圧−透過率特性を測定した。その結果、閾値電圧
は2.21Ｖ、飽和電圧は3.28Ｖとなった。又液晶パネルＢ
の電圧保持率を測定したところ、９５％であった。次
に、この液晶パネルＢを８０℃の温度雰囲気下に放置し
て耐熱性試験を行った。この場合の電圧保持率（６０℃
測定値）の経時変化は図１の曲線Ｂのようになった。図
１に示すように第１及び第２実施例の液晶組成物は耐熱
性に優れており、その実用的価値は極めて大きいことが
分かる。

【００２９】次に本発明の第３実施例の液晶表示素子に
ついて説明する。表面にＩＴＯ電極を有するガラス基板
上に第１のポリイミド塗料（日産化学製，ポリイミド塗
料ＳＥ−７３１１，6.0 ｗｔ％，ＮＭＰ溶液）をスピン
コート法にて塗布する。そして１７０℃、２００℃、２
２０℃、２３０℃、２６０℃の各硬化温度にて、１時間
の条件で硬化させた。その後、主視角方向がパネル上方
になるように９０度の捻れ角で塗膜をラビングした後、
5.0 μｍのガラスファイバーを介してこれらの基板を貼
り合わせた。

【００３０】次に下記に示す液晶組成物［ＬＣ３］１０
０重量部と、カイラル材としてのコレステリルノナノエ
ート0.3 重量部とを封入し、これ等を液晶パネルＣ、
Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇとした。

【００３１】液晶組成物［ＬＣ３］は式（７）〜（１
７）に示すように液晶組成物［ＬＣ１］と同一材料を用
いている。即ち、 式（７） １０％ 式（８） １７％ 式（９） １７％ 式（１０） １７％ 式（１１） １０％ 式（１２） ５％ 式（１３） １０％ 式（１４） ２％ 式（１５） ２％ 式（１６） ４％ 式（１７） ６％

【００３２】こうして得られた液晶組成物［ＬＣ−３］
は、ネマチック−等方相転移温度が９０℃、屈折率異方
性が0.079 となった。次に、液晶パネルＣ、Ｄ、Ｅ、
Ｆ、Ｇの６０℃での電圧保持率を５Ｖ、３０Ｈｚの矩型
波を印加しながら測定した。更に、別途用意しておいた
シリコンウエハ上に成膜されたポリイミド膜のイミド化
率を測定した。それらの結果を（表２）に示す。

【表２】

【００３３】又、配向膜のイミド化率の測定は、所定の
温度でシリコンウエハ上に配向膜を成膜した後、分光光
度計（ニコレー社製ＦＴ−ＩＲ モデル７４０）にてＩ
Ｒスペクトルを観測する。そして硬化温度３００℃で生
成された硬化膜のＩＲスペクトルをイミド化率を１００
％と仮定して、1370cm^-1でのアミドＣ−Ｎ伸縮振動の吸
収強度からイミド化率を算出した。測定は何れの場合も
２５℃で行った。

【００３４】（表２）に示すように、イミド化率の高い
配向膜は優れた電圧保持率を有しており、その価値は極
めて高い。更に液晶パネルＣ〜Ｇに対し４０℃の温度雰
囲気下で耐光性試験を行った。この場合の電圧保持率
（６０℃測定値）の経時変化を図２に示す。図２からも
明かなように、第３実施例の液晶表示素子は高信頼性を
示し、その実用的価値は高い。

【００３５】次に第４実施例における液晶表示素子につ
いて説明する。表面にＩＴＯ電極を有するガラス基板上
に第２のポリイミド塗料（ＪＳＲ製，ポリイミド塗料Ａ
Ｌ−１０５１，6.0 ｗｔ％，γ−ブチロラクトン溶液）
をスピンコート法にて塗布する。そして１７０℃、１０
分の乾燥条件にて硬化させた。その後、主視角方向がパ
ネル上方になるように９０度の捻れ角で塗膜をラビング
した後、5.0 μｍのガラスファイバーを介してこれらの
基板を貼り合わせる。そして第３実施例で用いたのと全
く同一の液晶組成物［ＬＣ３］１００重量部と、カイラ
ル材としてのコレステリルノナノエート0.3 重量部とを
封入し、これを液晶パネルＨとした。

【００３６】この結果、液晶パネルＨの閾値電圧は2.03
Ｖ、飽和電圧は3.26Ｖとなった。又別途用意しておいた
シリコンウエハ上に成膜されたポリイミド膜のイミド化
率を測定したところ、９７％であった。その後、液晶パ
ネルＨを４０℃の温度雰囲気下で、耐光性試験を行っ
た。この場合の電圧保持率（６０℃測定値）の経時変化
を図３に示す。

【００３７】図３からも明らかなように、第４実施例の
液晶表示素子は優れた耐光性を示しており、その実用的
価値は極めて大きい。これは本実施例の液晶組成物は紫
外光に対する吸収が少なく、それに伴う劣化が起きにく
いことが高信頼性につながっていると思われる。図４は
液晶パネルＨの分光スペクトルである。

【００３８】また、本実施例に用いたポリイミドはγ−
ブチロラクトン等の溶媒に可溶であり、高イミド化率の
配向膜が得られるのみならず、硬化時間の短縮化を図る
ことができ、液晶表示素子の製造プロセス上極めて有利
である。又配向膜材料のイミド化率が８０％以上である
と、配向膜表面に残存する極性基の割合は少なく、電気
二重層形成の程度も少なくなり、高い電圧保持率を達成
することができる。ここでは配向膜が式（６）で示され
る分子骨格を、その高分子鎖中に含有するものとする。

【００３９】尚、測定の便宜上、スイッチング素子を有
しない単純構成のセルで液晶組成物で評価を行ったが、
これによって何等発明の内容を規定するものではない。

【００４０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、式（１）
〜（５）で示される液晶材料を調製して液晶表示素子を
構成することにより、高抵抗かつ、光との相互作用の少
ない液晶組成物、及び液晶表示素子が実現できる。この
ため電圧保持率の経時変化が少なくなり、耐熱性及び耐
光性に優れた液晶表示素子が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第２実施例と従来例の液晶表示素子において、
高温放置に対する電圧保持率の経時変化を示すグラフで
ある。

【図２】本発明の第３及び第４実施例の液晶表示素子に
おいて、耐光性試験時の電圧保持率の経時変化を表すグ
ラフである。

【図３】本発明の第４実施例の液晶表示素子において、
耐光性試験時の電圧保持率の経時変化を表すグラフであ
る。

【図４】第４実施例の液晶表示素子のＵＶスペクトルに
おける吸収度を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐谷 裕司 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 久保田 浩史 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭素鎖数が１〜８の何れかである直鎖状
   アルキル基をＲと表わすと、 一般式（１）、 【化１】 で表され、１種以上からなる液晶化合物１〜１０ｗｔ％
   と、 一般式（２）、 【化２】 で表され、３種以上からなる液晶化合物２０〜８０ｗｔ
   ％と、 一般式（３）、 【化３】 で表され、３種以上からなる液晶化合物２０〜８０ｗｔ
   ％と、 一般式（４）、 【化４】 で表され、３種以上からなる液晶化合物１〜１０ｗｔ％
   と、 一般式（５）、 【化５】 で表され、１種以上からなる液晶化合物１〜１０ｗｔ％
   と、を有することを特徴とする液晶組成物。
2. 【請求項２】 請求項１記載の液晶組成物と、 イミド化率が８０％以上である配向膜と、を具備するこ
   とを特徴とする液晶表示素子。
3. 【請求項３】 前記配向膜は、可溶性ポリイミドである
   ことを特徴とする請求項２記載の液晶表示素子。
4. 【請求項４】 前記配向膜は、一般式（６）、 【化６】 で示される分子骨格をその高分子鎖中に含有するもので
   あることを特徴とする請求項３記載の液晶表示素子。
5. 【請求項５】 前記液晶表示素子は、アクティブマトリ
   ックス型であることを特徴とする請求項２，３又は４記
   載の液晶表示素子。