JP2000310797A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】横電界方式のアクティブマトリクス型液晶表示
装置において、高速応答性と高コントラストが可能で、
さらに低駆動電圧を実現する。 【解決手段】スペーサを非表示領域に配置し、液晶層は
誘電率異方性Δε≦１の構成成分を４０重量％以上１０
０重量％未満含有し、液晶層と一対の基板との二つの界
面における液晶分子の配向制御方向がほぼ平行であり、
一方の偏光板の偏光軸と前記界面における液晶分子の配
向制御方向とがほぼ一致している構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示装置、特
にアクティブマトリクス型液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示装置は、基板間に挟まれた液晶
層の液晶分子に電界を加えることにより液晶分子の配向
方向を変化させ、それにより生じる液晶層の光学特性の
変化を利用して表示を行う。従来のアクティブマトリク
ス型液晶表示装置は、液晶の光旋光性を利用して表示を
行うツイスティッドネマティック（ＴＮ）表示方式に代
表されるように、液晶に印加する電界の方向が基板界面
にほぼ垂直な方向に設定されていた。一方櫛歯状の電極
を用いて、液晶に印加する電界の方向を基板に対してほ
ぼ平行な方向とし、液晶の複屈折性を利用して表示を行
う方式（横電界方式）が、例えば特公昭６３−２１９０
７号，特表平５−５０５２４７号により提案されてい
る。この横電界方式は従来のＴＮ方式に比べて広視野角
という利点があり、アクティブマトリクス型液晶表示装
置として有望な技術である。

【０００３】この横電界方式のアクティブマトリクス型
液晶表示装置用の液晶材料としては、比較的低い比抵抗
を有する液晶組成物（特開平７−３０６４１７号公
報），低駆動電圧と高速応答を両立するために、４―
(シクロヘキシルカルボニルオキシ)ベンゾニトリルを含
有する液晶組成物（特開平９−１２５０６３号公報），
フッ素を極性基として有する化合物を含有した液晶組成
物（特開平９−２５５９５６号公報，特開平１０−６７
９８８号公報），シアノ基を有する成分を含有する液晶
組成物（クレメント他、エスアイディ インターナショ
ナルシンポジウム９８，２６.３(International Sympos
ium 98、26.3))などが提案されている。

【０００４】またこの横電界方式では、液晶の応答時間
及び駆動電圧と、液晶材料の物性値とが以下の［数式
１］及び［数式２］に示す関係にあることが知られてい
る（大江昌人、近藤克己、アプライドフィジックスレタ
ーズ、６７巻、３８９５−３８９７頁、１９９５年、大
江昌人、近藤克己、アプライドフィジックスレターズ、
６９巻、６２３−６２５頁、１９９６年）。

【０００５】

【数１】 τoff ∝γ１×ｄ²／Ｋ２２ …（数１）

【０００６】

【数２】

【０００７】ここでＶthは液晶のしきい値電圧、Ｋ２２
は液晶材料のツイストの弾性定数、Δεは誘電率異方
性、Ｌは電極間隔（図１）、ｄは液晶層の厚さ（図
１）、τoff は電圧印加時から無印加時への液晶の応答
時間、γ１は液晶の回転粘性係数を示す。また光学特性
を維持するために、ｄ×Δｎをほぼ一定値とするため、
前記［数式１］及び［数式２］は［数式３］及び［数式
４］にそれぞれ変換することができる。

【０００８】

【数３】 τoff ∝γ１／（Ｋ２２×ｎ²） …（数３）

【０００９】

【数４】

【００１０】前記式から判るとおり、液晶の粘性係数γ
１が小さいほど応答時間は短くなり、Δεが大きいほど
駆動電圧は低減される。しかしながら、多くの液晶材料
は粘度とΔεがほぼ比例関係、すなわちΔεの小さい液
晶ほど粘度が低く、Δεが大きいほど粘度が高い傾向に
ある。これはΔεの大きい材料は、高極性、すなわち分
子の双極子モーメントが大きい傾向にあり、双極子モー
メントが大きな材料は、分子間での相互作用が強く、結
果として液晶全体の粘度が上昇してしまうことに原因が
ある。そのために横電界方式においては液晶の高速応答
性と低駆動電圧とがトレードオフの関係にある。すなわ
ち比較的粘度の低いΔε≦１の低極性成分、いわゆるニ
ュートラル成分を多く加えれば、粘度が低下し高速応答
が達成されるが、同時に駆動電圧が上昇してしまう。ま
たΔεの大きな高極性の液晶成分を多く添加すれば、駆
動電圧は低減できるが、粘度が上昇し液晶の応答が遅く
なってしまう。さらに駆動電圧と応答時間を支配するも
う一つのパラメータであるＫ２２の制御方法に関して
は、提案されていない。

【００１１】一方で、高コントラスト化のために、一対
の基板間隔を一定に保つためのスペーサを、非画素領域
に配置する技術も多く開発されている。例えば、特開平
１０−１７０９２８号公報，特開平９−６１８２８号公
報，特開平６−２５０１９４号公報，特開平５−５３１
２１号公報，特開平５−１７３１４７号公報、特開平８
−１６０４３３号公報，特開平８−２９２４２６号公
報，特開平７−３２５２９８号公報等に記載の方法が提
案されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】前述したとおり、これ
までの横電界方式アクティブマトリクス型液晶表示装置
用の液晶材料では、液晶の応答時間と駆動電圧がトレー
ドオフの関係、すなわち液晶のニュートラル成分の増大
による粘度低減により応答時間を短縮すると駆動電圧が
上昇し、液晶のΔεを大きくし駆動電圧を低減すると応
答時間が遅くなるという関係があり、液晶材料の低粘度
化と高Δε、すなわち高速応答と低駆動電圧との両立が
困難であるという問題があった。また液晶のツイスト弾
性定数Ｋ２２の制御方法はこれまで明らかではなかっ
た。

【００１３】さらに実験の結果、横電界方式アクティブ
マトリクス型液晶表示装置では高速応答化と高コントラ
スト化がトレードオフの関係にあることが判明した。こ
れは、液晶層中のニュートラル成分の含有量を増やし、
液晶の低粘度化による高速応答化を試みたところ、コン
トラストの低下、特に黒表示時の輝度が上昇する現象が
発生した。横電界方式アクティブマトリクス型液晶表示
装置では通常、液晶層の分子配向状態に応じて光学特性
を変える光学手段として、偏光軸がおおむね直交するよ
うに配置した偏光板が用いられている。この場合液晶層
に印加する電圧を増大させるに伴って透過率が上昇す
る、いわゆるノーマリークローズモードとなる。このノ
ーマリークローズモードの表示方式の場合、基板間隔を
一定に保つためのスペーサ周辺での液晶の配向が、基板
と液晶層との配向制御方向と異なることにより、黒表示
時にスペーサ周辺から光が漏れ、黒輝度の上昇、ひいて
はコントラストの低下をもたらしている。調査した結
果、液晶層中のニュートラル成分の含有量が増大する
と、このスペーサ周辺からの光漏れが大きくなり、黒表
示時の輝度が上昇し、結果としてコントラストが低下し
ていることが判明した。

【００１４】本発明は、このような従来発明の問題点に
鑑みなされたもので、第１の目的は、高速応答と高コン
トラストを両立した横電界方式のアクティブマトリクス
型液晶表示装置を提供することにある。本発明の第２の
目的は、高速応答と高コントラストを両立し、かつ低駆
動電圧を達成した横電界方式のアクティブマトリクス型
液晶表示装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本出願の液晶表示装置の
一つの実施態様は、スペーサによって間隔が規定された
一対の基板と、一対の基板の間に充填された液晶層と、
液晶層に電界を印加するために一対の基板の内の一方の
基板に形成された電極群と、液晶層を挟んで配置され偏
光軸が互いにほぼ直交した一対の偏光板とを備え、スペ
ーサを非表示領域に配置し、液晶層は誘電率異方性Δε
≦１の構成成分を４０重量％以上１００重量％未満含有
し、液晶層と一対の基板との二つの界面における液晶分
子の配向制御方向がほぼ平行であり、一方の偏光板の偏
光軸と前記界面における液晶分子の配向制御方向とがほ
ぼ一致しているというものである。

【００１６】本出願の液晶表示装置の別の実施態様は、
スペーサによって間隔が規定された一対の基板と、一対
の基板の間に充填された液晶層と、液晶層に電界を印加
するために一対の基板の内の一方の基板に形成された電
極群と、液晶層を挟んで配置され偏光軸が互いにほぼ直
交した一対の偏光板とを備え、液晶層の回転粘性係数γ
１と屈折率異方性Δｎとが、１×１０³ｍＰａ・ｓ≦γ
１／Δｎ²≦１.２×１０⁴ｍＰａ・ｓを満たすというも
のである。

【００１７】本出願の液晶表示装置のさらに別の実施態
様によれば、スペーサによって間隔が規定された一対の
基板と、一対の基板の間に充填された液晶層と、液晶層
に電界を印加するために一対の基板の内の一方の基板に
形成された電極群と、液晶層を挟んで配置され偏光軸が
互いにほぼ直交した一対の偏光板とを備え、スペーサは
非表示領域に配置され、液晶層は誘電率異方性Δε≦１
の構成成分を４０重量％以上１００重量％未満含有し、
前記液晶層の回転粘性係数γ１と屈折率異方性Δｎと
が、１×１０³ｍＰａ・ｓ≦γ１／Δｎ²≦１.２×１０⁴
ｍＰａ・ｓを満たし、液晶層と前記一対の基板との二つ
の界面における液晶分子の配向制御方向がほぼ平行であ
り、一方の偏光板の偏光軸と界面における液晶分子の配
向制御方向とがほぼ一致しているというものである。

【００１８】尚、ニュートラル成分の含有量は、４０重
量％以上９０重量％以下であることが好ましい。

【００１９】本出願の液晶表示装置のさらに別の実施態
様は、液晶表示装置の液晶層中に、下の化学式で表され
る構造を分子中に有している化合物を含有している。

【００２０】

【化５】

【００２１】（式中Ｘ１，Ｘ２は、ＨもしくはＦを表
す） さらには、液晶層中に、誘電率異方性Δε≦１の低極性
成分と前記式で表される高極性成分との間の中極性の成
分を含有していることを特徴とする。中極性の液晶成分
は、下記式からなる群より選ばれた構造を有する液晶成
分であっても良い。

【００２２】

【化６】

【００２３】

【化７】

【００２４】（式中Ｘ１,Ｘ２は、ＨもしくはＦを表
す。Ａはベンゼン環もしくはシクロヘキサン環を表す）

【００２５】

【発明の実施の形態】まず、本発明の前提となる横電界
方式の動作原理を図１の一例を用いて説明する。図１
は、横電界方式の液晶パネル内での液晶の動作を示す図
で、（ａ)(ｂ）は側断面図を、（ｃ），（ｄ）は平面図
を表す。なお、表示素子全体ではストライプ状の電極を
マトリクス状に形成して複数の画素を構成するが、図１
では一画素の部分を示したものである。図２に電界２０
１の方向に対する、偏光板透過軸方向１１２のなす角Φ
ｐおよび基板界面近傍での液晶分子長軸（光学軸）の配
向方向１１１のなす角ΦLCの定義を示す。

【００２６】図１（ａ）に電圧無印加時の液晶の状態
を、図１（ｃ）にその時の平面図を示す。透明な一対の
基板１０１，１０１′の内側にストライプ状の電極１０
２，１０３が形成され、その上に配向制御膜１０８が形
成されている。そして、両基板間には液晶組成物層が挟
持されている。基板間隔はスペーサ（不図示）により保
持されている。棒状の液晶分子１０６は、電界無印加時
には４５度≦｜ΦLC｜＜９０度となるように、配向制御
膜１０８により矢印で示す配向方向１１１に配向されて
いる。なお、液晶の誘電異方性は正を想定している。Φ
LC＝９０度でないのは、電界に対して液晶分子の動く方
向を一方向に規定するためである。すなわち図１中で、
液晶分子１０６が電界方向１１３に対して、かならず共
通電極１０２から画素電極１０３の方向に動くように設
定するためである。ΦLC＝９０度とすると、液晶分子１
０６が図上で左回り、右回り（時計回り）どちらの方向
にも動いてしまい、ドメインが発生し表示不良となって
しまうためである。

【００２７】次に、図１（ｂ），（ｄ）に示すように、
電極１０２，１０３に電界１１３を印加すると、右回り
に液晶分子１０６がその向きを変える。このとき液晶組
成物層の屈折率異方性と偏光板１０９，１０９′の作用
により本液晶素子の光学特性が変化し、この変化により
表示を行う。

【００２８】本発明の液晶表示装置では、一対の偏光板
を供えた横電界方式の液晶表示装置であって、前記一対
の偏光板の偏光軸が互いにほぼ直交しており、前記液晶
層と前記一対の基板との二つの界面における液晶分子の
配向制御方向がほぼ平行であり、一方の偏光版の偏光軸
と液晶分子の配向制御方向とがおおむね一致している。
図３にその配置を示す。このような配置にすると、低電
圧時に黒表示、高電圧時に白表示、すなわち電圧の上昇
に伴って輝度が上昇する、いわゆるノーマリークローズ
の表示装置となる。この配置にすることにより、より黒
表示の輝度が低く、従って高コントラストな液晶表示装
置を得ることができる。一方で一対の偏光板の偏光軸、
液晶分子の配向制御方向が全て平行な場合は、表示は可
能であるが、黒輝度が高く、コントラストが低くなって
しまう。

【００２９】また、図１における液晶１０６は、誘電異
方性が正のものを用いた場合について説明したが、負の
ものであっても構わない。その場合には初期配向状態を
ストライプ状電極の垂直方向から０度≦｜ΦLC｜＜４５
度に配向させると良い。

【００３０】図４は、本発明の第１の実施形態である液
晶表示装置の、単位画素における各種電極の平面構造及
びその断面を示した図である。ガラス基板４０１と共通
電極４０２及び走査信号電極４１４、それらの電極上の
絶縁膜４０４、さらに映像信号電極４１０及び画素電極
４０３，アモルファスシリコン４１６からなるアクティ
ブ素子である薄膜トランジスタ４１５（ＴＦＴ：Thin F
ilm Transistor)、さらにその上層の絶縁層４０４から
構成されている。なお、アクティブ素子としては、他に
薄膜ダイオードも使用可能であるが、スイッチング素子
としての動作特性により優れたＴＦＴの使用が好まし
い。

【００３１】さらに、共通電極もしくは画素電極が透明
な材質で構成されている場合は、図５〜図７に示すよう
に、電極の幅を広くしても輝度の低下が少ない。図５
中、（ａ）（ｂ）は側断面図を、（ｃ），（ｄ）は平面
図を表す。図１及び図２と同様の液晶配向方向，偏光板
透過軸方向とし、電界により液晶分子５０６がその向き
を変え、光学特性の変化により表示を行う。図６，図７
は、本発明の第２，第３の実施形態である、液晶表示装
置の単位画素における各種電極の平面構造及びその断面
を示した図である。図３に示した構成と異なる点は、共
通電極及び画素電極が、可視光を透過する透明電極、た
とえばインジウム−チン−オキサイド（ＩＴＯ）である
点である。

【００３２】本発明の液晶表示装置では、用いる液晶層
中に誘電率異方性Δε≦１の構成成分を４０重量％以上
１００重量％未満含有する。これはニュートラル成分を
多く含有させることで、液晶層の粘度を低下させ、第１
の目的の一つである高速応答を達成するためである。ニ
ュートラル成分は、本質的に液晶層の粘度を低下させる
ことができる。これは、Δε≦１の構成成分は、双極子
モーメントが小さいため、分子間力が小さいためであ
る。例えば、分子軌道計算ＭＯＰＡＣ９３（ＡＭ１）で
計算した、誘電率異方性の大きな化合物である、４−メ
チル−（４−シアノフェニル）シクロヘキサン、４−メ
チル−（４−シアノ−３，５―ジフッ素フェニル）シク
ロヘキサンの双極子モーメントが、それぞれ３.９３デ
バイ、５.４３デバイであるのに対して、Δε≦１のビ
ス（４−メチルシクロヘキサン）、ビス（４−メチルベ
ンゼン）の双極子モーメントは、それぞれ０.０３５デ
バイ，０.０２７デバイと非常に小さい。すなわちこの
計算結果からΔε≦１の化合物は、双極子モーメントが
小さく、従って分子間相互作用が小さいため、低粘度化
が可能であると説明できる。

【００３３】次に応答時間について説明する。本発明の
液晶表示装置では、電圧により液晶の配向状態をコント
ロールすることで輝度を調節し、様々な表示を行う。応
答時間とは、ある電圧から、次の電圧に切り替えたと
き、所望の輝度に到達するまでの時間のことをいう。表
示は１フレーム期間毎に書き換わるため、少なくとも１
フレーム期間以内に液晶の応答が完了しなければ、所望
の輝度に到達しない。特に動画を表示した場合、液晶の
応答遅延の影響により、画像がぼやけて見えてしまう。
ここで１フレーム期間とは、走査回路の走査周波数が６
０Ｈｚの場合は１／６０秒＝約１７ｍｓとなる。実験の
結果得られた、本発明の液晶表示装置における、ニュー
トラル成分の含有量と応答時間の関係を図８に示す。本
発明の液晶表示装置では、ニュートラル成分の含有量が
４０重量％以上で、フレーム周波数６０Ｈｚの場合の１
フレーム時間、約１７ｍｓ以下の応答時間となることが
判明した。従って本発明の液晶表示装置では、ニュート
ラル成分の含有量を４０重量％以上とした。しかしなが
ら、ニュートラル成分が１００％では、Δε＝０とな
り、液晶を電界により駆動することができなくなる。従
って液晶を駆動するために、ニュートラル成分の含有量
は１００％未満が必要であり、実用上はニュートラル成
分の含有量は９０重量％以下が好ましい。

【００３４】さらに本発明の液晶表示装置では、式１及
び式３に示したとおり、応答時間は液晶の粘度だけでな
く、セルギャップすなわち、液晶のΔｎに依存する。そ
こで本発明の液晶表示装置における、最低輝度と最大輝
度を与える電圧間での応答時間とγ１／Δｎ²の関係を
図９に示す。この図から、１７ｍｓ以下の応答時間を達
成するには、γ１／Δｎ²≦１.２×１０⁴ｍＰａ・ｓで
あればよいことが判った。このとき、γ１およびΔｎ測
定時の温度は２５℃である。さらに液晶画面上には、最
低輝度と最高輝度の表示だけでなく、その間、すなわち
中間調の画像も多く表示される。従って、中間調の応答
時間も重要である。本発明の液晶表示で用いた横電界方
式では、中間調間の応答時間が、最低−最高輝度間の応
答時間の約２倍程度である。そこで中間調間の応答時間
も１７ｍｓ以下とするためには、最低−最高輝度間の応
答時間が８ｍｓであればよく、その場合γ１／Δｎ²≦
６.０×１０³ｍＰａ・ｓであればよいことが判った。

【００３５】次に、ニュートラル成分の含有量とγ１／
Δｎ²の相関について検討した。図１０にその結果を示
す。液晶層のニュートラル成分を４０重量％以上にすれ
ば、γ１／Δｎ²≦１.２×１０⁴ｍＰａ・ｓが達成でき
ることが判った。

【００３６】本発明の液晶表示装置では、液晶層の屈折
率異方性Δｎ、厚さをｄとしたときのパラメータｄ・Δ
ｎが、 ０.２μｍ＜ｄ・Δｎ＜０.４μｍ と設定されている。横電界方式のような複屈折モードの
表示方式では、偏光軸が直交した偏光板の間に液晶を挟
んで観測される透過光強度は、sin(πｄ・Δｎ／λ）に
比例する。ここでλは光の波長である。透過光強度を最
大にするためにはｄ・Δｎをλ／２，３λ／２，５λ／
２，…とすれば良いが、透過光の波長依存性を抑えて白
色透過光を得るため、望ましくはλ／２を設定する。す
なわち視感度の高い５５０ｎｍの光を考慮すれば、ｄ・
Δｎ＝０.２７５μｍとなる。このｄ・Δｎは実用的に
は少なくとも、０.２μｍから０.４μｍの範囲内であれ
ばよい。

【００３７】本発明の液晶表示装置では、一対の基板間
に挟まれたスペーサを有する横電界方式の液晶表示装置
であって、前記一対の基板の間に挟まれたスペーサが、
非表示領域にあること特徴とする。以下この作用につい
て説明する。

【００３８】前述したとおり、液晶層中にΔε≦１の構
成成分の含有量を増加させると、液晶層の粘度が低下
し、高速応答が可能となる。しかしながらニュートラル
成分含有量の増大に伴い、コントラストが低下すること
が判明した。詳細に検討した結果、Δε≦１の構成成分
含有量の増大に伴い、黒表示時におけるスペーサ周辺の
光漏れ量が増大することが判明した。本発明の横電界方
式液晶表示装置では、前述した通り、偏光板や液晶の配
向制御方向が、低電圧時に黒表示となる、いわゆるノー
マリークローズとなるように配置されている。液晶層中
にスペーサが存在する場合、スペーサ−液晶界面で、液
晶の配向方向が一様でなく、液晶−基板界面の液晶分子
の配向制御方向と異なってしまい、その結果、黒表示時
においても、スペーサ周辺から光漏れが発生し、黒表示
の輝度上昇、すなわちコントラストが低下してしまう。
このスペーサ周辺からの光漏れによるコントラスト低下
は、特にノーマリークローズの液晶表示装置において顕
著である。本発明において、ニュートラル成分含有量を
４０重量％以上としたとき、特にコントラストの低下が
著しかった。詳細に検討した結果、コントラストの著し
い低下は、スペーサ周辺からの光漏れが著しく増大する
ことに起因していることが判明した。そこでこのスペー
サ周辺からの光漏れの原因を明らかにするために、図１
１に示す測定用セルを作製した。この測定用セルは、ス
ペーサ１１０４を挟んだガラス基板上間に、液晶層１１
０５を挟んだものである。ガラス基板１１０１にはポリ
イミド配向膜１１０８が形成されており、そのラビング
方向は互いに反平行方向である。このセル中に、 （１）ニュートラル成分：ＰＣＨ３０２（１−（４−エ
トキシフェニル）−４−プロピルシクロヘキサン）とＰ
ＣＨ３０４（１−（４−ブトキシフェニル）−４−プロ
ピルシクロヘキサン）の等量混合物（Δε＝約０） （２）Δεの大きな成分：メルク社製ＺＬＩ−１０８３
（シアノＰＣＨの３成分混合物でΔε＝約１０（なお、
ＰＣＨはフェニルシクロヘキサンを意味する））の組成
比を変えた混合液晶を注入し、偏光板のクロスニコル下
で、セルのラビング方向と一方の偏光板の偏光軸を一致
させた状態で、そのスペーサ周辺での液晶の配向を観察
した。上記（１）のＰＣＨ３０２とＰＣＨ３０４の等量
混合物を用いるのは、前述した通り前記Δε≦１の液晶
を少なくとも４０重量％以上用いることが横電界方式の
液晶表示装置において有効だからである。すなわち
（１）の液晶は、Δε≦１の液晶の一例として用いた。

【００３９】その結果、（１）の液晶５０重量％、
（２）の液晶５０重量％の混合液晶の場合、図１２
（ａ）に示すように、スペーサ１２０４の周囲に環状に
明部１２０１が観察され、明部１２０１の外側は暗部に
なっていた。また、明部１２０１には、偏光板の偏光軸
と一致する方向に十字に暗部線１２０２，１２０３が観
察された。偏光顕微鏡を用いて詳細に観察したところ、
図１３（ａ）に示すようにスペーサ１３０２の周りで液
晶分子１３０１が配向していると推察された。図１３
（ａ）では、スペーサ１３０２の周囲の一分子だけを示
しているが、実際には、図１２の明部１２０１の径方向
の長さ分にほぼ相当する、複数の分子がスペーサ表面に
配向している。明部１２０１の外側の暗部では、液晶分
子がラビング方向に平行に配向している。このため、明
部１２０１の外側では、直交している偏光板を光が通過
できないため暗部となっている。図１３（ａ）のように
スペーサ１３０２の周囲の液晶分子１３０１が配向して
いる部分は、液晶分子１３０１の配向方向と、偏光板の
偏光軸とが一致している部分のみが図１２（ａ）中の暗
部線１２０２，１２０３として観察される。液晶分子１
３０１の配向方向が偏光板の偏光軸に対して傾いている
部分は、偏光板を透過する偏光成分が生じるため図１２
（ａ）中の明部１２０１として観察される。

【００４０】また（１）の液晶４５重量％，（２）の液
晶５５重量％の混合液晶の場合、及び（１）の液晶４０
重量％，（２）の液晶６０重量％の混合液晶の場合のス
ペーサ周辺の様子を、図１２（ｂ），（ｃ）に示す。こ
れらの場合、（１）の液晶５０重量％、（２）の液晶５
０重量％の混合液晶の場合と異なり、明部１２０１中
に、偏光板の偏光軸方向とは異なる方向に暗部線１２０
５，１２０５が新たに現れた。詳細に検討した結果、液
晶分子１３０１が、図１３（ｂ），（ｃ）に示すように
スペーサ１３０２の表面に配向していると推察された。

【００４１】さらにこれらの液晶を図１に示す液晶表示
装置に注入し、コントラスト比を測定したところ、
（１）液晶：（２）液晶＝４０重量％：６０重量％，
（１）液晶：（２）液晶＝４５重量％：５５重量％，
（１）液晶：（２）液晶＝５０重量％：５０重量％の順
で、コントラスト比が２００：１，１６０：１，１０
０：１であった。すなわち、Δε≦１の液晶である
（１）液晶の含有量が増大するにつれ、コントラストが
低下した。特にニュートラル成分が５０重量％以上で
は、光漏れが大きくコントラストが大きく低下する。こ
れは、ニュートラル成分の含有量が多い場合は、前述の
ようなスペーサ表面での液晶分子が図１３（ａ）のよう
な配向状態となり、このような配向状態では、より黒表
示時のスペーサ周辺での光漏れが大きくなるためである
と説明できる。すなわち、Δε≦１の液晶成分の含有量
を増大させ、高速応答化することと、高コントラストが
トレードオフの関係となっている。

【００４２】そこで前記トレードオフを回避し、低駆動
電圧と高コントラストとを両立するために、本発明では
スペーサを表示領域（画素領域）外へ配置する。これに
より、液晶層中のニュートラル成分の含有量が増大する
ことにより、スペーサの周辺で光漏れが増大しても、表
示領域にスペーサが存在しないため、黒輝度は上昇しな
い。すなわち高コントラストを実現できる。このスペー
サを配置する非表示領域とは、電極基板上では例えば図
１において、共通電極１０２や画素電極１０３，映像信
号電極１１０上のような非光透過領域である。カラーフ
ィルタを形成した基板上では、遮光部であるブラックマ
トリクス１４１０（図１４）上が非光透過領域である。
スペーサを非画素領域に配置する方法としては、球状の
スペーサを選択的に非画素領域に配置する方法や、柱状
のスペーサを非画素領域に形成する方法等を用いる。柱
状のスペーサを形成する方法は、感光性材料とフォトリ
ソグラフィ工程により、より簡便にスペーサを所望の場
所に形成することが可能であり、この柱状のスペーサを
形成する方法がより望ましい。本発明の柱状スペーサを
用いた液晶表示装置の一例を図１４に示す。この液晶表
示装置においては、カラーフィルタ１４０５上の平坦化
膜１４０７と柱状スペーサ１４１２とを、感光性樹脂を
用い同時に形成した例である。このように、本発明で
は、液晶層中のニュートラル成分の含有量を４０重量％
以上とし、スペーサを非表示領域に配置することで、応
答時間を１フレーム期間以下とする高速応答化と、黒表
示時の輝度上昇を抑制した高コントラスト化を実現し
た。

【００４３】さらに本発明では、このようなΔε≦１の
構成成分としては、環状構造を分子中に二つ有する化合
物であり、その環状構造がベンゼン環とシクロヘキサン
環の組み合わせである化合物が挙げられる。このような
構造を有する化合物の代表的な構造を（化８）に示す。

【００４４】

【化８】

【００４５】（式中、Ｒ１及びＲ２は同一もしくは互い
に異なる、炭素数１２以下のアルキル基，アルケニル
基，アルコキシル基のいずれかである。Ｘはアルキレン
基，アルケニレン基，炭素−炭素３重結合，エーテル
基，エステル基のいずれかである。） その具体的な化合物例を（化９）に示す。

【００４６】

【化９】

【００４７】前述したとおり、このような構造を有する
化合物は、双極子モーメントがほとんど０に近く小さい
ため、分子間相互作用が小さく、従って粘度を小さくす
ることができる。

【００４８】さらに本発明では、Δε≦１の構成成分と
して、分子中に環状構造を一つしか持たない、単環構造
である化合物を用いることを特徴とする。その具体的な
化合物を（化１０）に示す。

【００４９】

【化１０】

【００５０】単環構造の化合物は二環化合物より低粘度
であり、より高速応答化を図ることができる。単環構造
としては、ベンゼン環もしくはシクロヘキサン環のみの
構造がより好ましい。また、これらの環に、アルキル
基，アルケニル基，アルコキシル基が結合していること
が好ましい。このような単環化合物は特に粘度低減に効
果が大きく、高速応答化に有利である。また単環である
ため、屈折率異方性Δｎを小さくすることが可能とな
り、横電界方式特有の視角による色度変化も低減するこ
とができる。これは横電界方式における視覚による色度
変化は、角度によりセルギャップと液晶のΔｎが変化し
てしまうことによる。したがってΔｎがもともと小さけ
れば、その変化量も小さくなるため、視覚による色度変
化が低減する。

【００５１】本発明の液晶表示装置では、液晶層中にΔ
ε≦１の構成成分を４０重量％以上含有している。その
ためΔεが低下し、駆動電圧が上昇してしまう。そこで
本発明では、第２の目的である、高速応答で高コントラ
ストを両立し、かつ低駆動電圧を達成するために、４−
シアノ−３−フルオロフェニル、４−シアノ−３，５−
ジフルオロフェニル構造を分子内に有する化合物を液晶
層中に含有させる。特に望ましくは４−シアノ−３，５
−ジフルオロフェニル構造を分子内に有する化合物であ
る。これらの化合物は、先に述べたように、高極性で双
極子モーメントは大きいものの、そのΔεも大きく、例
えばフルオロフェニル，ジフルオロフェニル構造を有す
る化合物は、Δεが２０以上〜６０程度と非常に大き
く、少量の添加で液晶層全体のΔεを大きくすることが
可能である。このような化合物の例を（化１１）に示
す。

【００５２】

【化１１】

【００５３】本発明の液晶表示装置において、上記高極
性の液晶成分と、ニュートラル成分との液晶組成物を用
い駆動電圧の低減を試みたところ、新たな問題が発生し
た。それは、液晶の相溶性に関する問題である。上記高
極性の液晶成分と、ニュートラル成分との組合せでは、
相溶性すなわち液晶相の安定性が著しく低下し、特に低
温において、結晶が析出するという問題が発生した。

【００５４】このような液晶調合における相溶性の問題
は、アイ ディー ダブリュウ ’９７ プロスィーデ
ィングス ４１〜４４頁（Y.Tanaka and S.Naemura ID
W’97 Proceedings p.41-44）に示されているように、
理想溶液の溶解の問題として取り扱い、低温での液晶成
分の析出を抑制することが検討されている。しかしなが
ら同様の試みを行った結果、理想溶液の取り扱いでは、
実際の低温安定性が再現できないことが判明した。特に
本発明のような、ニュートラル成分と高極性成分との組
合せでは、前記取り扱いでは相溶性の問題が解決できな
かった。そこで、本発明では液晶成分の分子間相互作用
を十分に考慮し、相溶性の問題を解決するために、液晶
成分の溶解度パラメータを導入した。具体的には、ポリ
マーエンジニアリング サイエンス、１９７４年、第１
４巻、１４７頁(R.F.Fedors,Polym. Eng. Sci., 1974,
Vol.14, 147)に示されている、溶解度パラメータの算出
方法を利用した。その結果、計算で予測した低温安定性
と、実際の液晶組成物での低温安定性がよく一致し、さ
らに有用な知見を得ることができた。

【００５５】すなわち、液晶の相溶性における分子間相
互作用の影響が、溶解度パラメータにより見積もること
が可能となったため、液晶成分の溶解度パラメータを考
慮することにより、液晶組成物の低温安定性を向上させ
るという指針を得ることができた。

【００５６】従って、低極性のニュートラル成分と、高
極性である４−シアノ−３−フルオロフェニル、４−シ
アノ−３，５−ジフルオロフェニル構造を分子内に有す
る成分との間の中極性の液晶成分を添加することによ
り、低温安定性を大幅に改善できることが判った。

【００５７】具体的には、ニュートラル成分である（化
９）の化合物Ａは、溶解度パラメータが約８.３と求め
られた。また高極性成分である（化１０）の化合物Ｂで
は溶解度パラメータが約１１.８と求められた。従って
その間、溶解度パラメータ８.４〜１１.７の化合物を添
加すればよい。さらに、その他のニュートラル成分は、
おおむね溶解度パラメータが９.２以下であり、本発明
で用いた高極性成分は、溶解度パラメータが１０.８以
上のため、中極性成分としては、９.３〜１０.７の溶解
度パラメータを有する成分が好ましい。その結果、より
多くの高極性成分を含有させることが可能となる。

【００５８】中極性成分としては、Δε＞０であること
がより望ましい。その結果、液晶組成物としてより大き
なΔεとなり、より低駆動電圧が可能となる。具体的に
は、モノフッ素ベンゼン，ジフッ素ベンゼン，トリフッ
素ベンゼン，モノフッ素シクロヘキシル，ジフッ素シク
ロヘキシル，トリフッ素シクロヘキシル，シアノベンゼ
ン，シアノシクロヘキシル構造を分子中に有する化合物
が使用可能である。

【００５９】液晶層中にニュートラル成分が４０重量％
以上１００重量％未満、実質的には４０重量％以上９０
重量％含有されているため、６０重量％以下、実質的に
は１０重量％以上６０重量％以下の範囲で前記中極性成
分と、高極性成分を含有させることで、低駆動電圧と、
低温安定性を大幅に改善することが可能となった。

【００６０】本発明ではさらに、電極に不透明な材質、
例えばクロムなどを用いた場合、画素電極と共通電極の
間隔Ｌと前記液晶層の屈折率異方性Δｎ，誘電率異方性
Δεとが、ＬΔｎ／√Δε≦０.５５μｍとなるように
設定し、さらに、ＬΔｎ／√Δε≦０.４μｍに設定す
る。式２及び式４から判るとおり、横電界方式では、駆
動電圧は画素電極と共通電極の間隔ＬとΔｎ，Δεに依
存する。従ってＬを小さくすればするほど駆動電圧は低
下するが、電極に不透明な材質を用いている場合、同時
に開口率の低下、すなわち輝度の低下をもたらす。従っ
て、ある程度Ｌを大きくする必要がある。実際にＬは、
２０μｍ〜５μｍ程度である。実験の結果、現行の駆動
ドライバで駆動可能な駆動電圧とするためには、ＬΔｎ
／√Δε≦０.５５μｍであることが必要であることが
判った。さらにＬΔｎ／√Δε≦０.４μｍであること
がより好ましい。

【００６１】本発明ではさらに、前記液晶層の屈折率異
方性Δｎ、誘電率異方性Δεとが、Δｎ／√Δε≦５.
５×１０^-2に設定し、さらに、Δｎ／√Δε≦２.７×
１０^-2に設定する。以下その作用について説明する。

【００６２】一方、電極に透明な材質、例えばインジウ
ム−チン−オキサイドを用いた場合、Ｌを小さくして
も、輝度の低下はほとんど無く、駆動電圧を低減でき
る。しかしながら、Ｌ＝０すなわち、図５，図７に示し
たように画素電極と共通電極を上下に重ねる構造にして
も、駆動電圧を０にできるわけではないことが実験の結
果判った。従ってＬが小さい場合については、式２及び
式４を見直す必要がある。実験的に確認したところ、Ｌ
＝０の場合、Δｎ／√Δε≦５.５×１０^-2に設定すれ
ば、現行の駆動ドライバで駆動可能な範囲の電圧となる
ことが判った。

【００６３】さらに、液晶層のΔε≧７，ツイスト弾性
定数Ｋ２２≦５.５ｐＮとすることでも、低駆動電圧化
が可能である。

【００６４】以下本発明の実施例を具体的に説明する。 ［実施例１］まず本発明の第１の実施例のアクティブマ
トリクス型液晶表示装置の製造方法を図４及び図１４を
用いて説明する。ガラス基板４０１の上に共通電極４０
２及び走査信号電極４１４を形成する。また、それらの
電極の上に絶縁膜４０４を形成し、更にその上に映像信
号電極４１０，画素電極４０３，アモルファスシリコン
４１６からなるＴＦＴ４１５が形成する。第１の実施例
では、共通電極４０２及び画素電極４０３は可視光領域
で不透明な材質であるクロムを用いている。また、共通
電極４０２と画素電極４０３の間隔は１３μｍである。
更にその上層には絶縁層４０４を形成する。また、画素
は映像信号電極４１０と平行な共通電極４０２及び画素
電極４０３によって４分割されている。この電極群を有
する基板上に、ＪＳＲ（株）製オプトマーＡＬ３０４６
を用い、配向膜４０８を形成する。配向膜形成後、膜表
面にラビング法により配向処理を行う。

【００６５】次に図１４において、このＴＦＴ４１５を
有する基板１４０１に相対向する基板１４０１′上には
カラーフィルタ１４０５及びブラックマトリクス１４１
１を形成する。カラーフィルタ１４０５の上には平坦化
膜１４０７を形成する。この際、平坦化膜１４０７に感
光性樹脂を用い、フォトリソグラフィ法により平坦化膜
１４０７形成と同時に、ブラックマトリクス１４１１上
に柱状のスペーサ１４１２を形成する。基板１４０１と
同様に配向膜１４０８を形成し，ラビング処理を行っ
た。１４０１，１４０１′両基板をラビング方向が同一
となるように対向させ、シール剤（不図示）により貼り
合わせた。本実施例での基板間隙ｄは約３.１μｍであ
った。基板間に液晶を注入後、偏光板１４０９，１４０
９′を貼り付け、図１４に示す液晶素子を作製する。偏
光板１４０９は、その偏光透過軸をラビング方向とほぼ
一致させ、もう一方の偏光板１４０９′の偏光透過軸を
それにほぼ直交させる。図３にその関係を示す。これに
より、液晶層に印加される電圧の増大に伴い、透過率が
上昇する、いわゆるノーマリクローズ特性を得ることが
できる。

【００６６】次に図１５に示すように、駆動ＬＳＩを接
続し、ＴＦＴ基板上に垂直走査回路１５０１，映像信号
駆動回路１５０２，共通電極駆動回路１５０３を接続
し，電源回路及びコントローラ１５０４から走査信号電
圧，映像信号電圧，タイミング信号を供給し、アクティ
ブマトリクス型液晶表示装置を作製した。図中、１５０
５は共通電極配線、１５０６は映像信号電極配線、１５
０７は走査信号電極配線である。本実施例の液晶表示装
置の走査周波数は６０Ｈｚである。

【００６７】図１６は、本発明の液晶表示モジュール１
６０１の各構成部品を示す分解斜視図である。１６０２
は金属板から成る枠状のシールドケース（メタルフレー
ム）、１６０３はその表示窓、１６０６は液晶表示パネ
ル、１６０５は電源回路基板、１６０７は光拡散板、１
６０８は導光体、１６０９は反射板、１６１０はバック
ライト蛍光管、１６１１はバックライトケースであり、
図に示すような上下の配置関係で各部材が積み重ねられ
てモジュール１６０１が組み立てられる。バックライト
蛍光管１６１０にはインバータ回路基板１６１２が接続
されており、バックライト蛍光管１６１０の電源となっ
ている。図中、１６１３は垂直走査回路（図１５では１
５０１）、１６０４は映像信号駆動回路（図１５では１
５０２）である。本実施例の液晶表示パネ１６０６は、
対角１５.０インチでＸＧＡ（１０２４×７６８×３ド
ット）の解像度である。

【００６８】次に比較例として、柱状スペーサではな
く、球状のスペーサを基板間に分散した液晶表示パネル
も作製した。図１７に、その液晶表示パネルの断面図を
示す。基板の作製方法は前述の液晶表示パネルと同様で
あるが、平坦化膜１７０７作製時に、柱状スペーサを形
成しなかった。基板を貼り合わせる際、基板上に球状の
スペーサ１７１１を分散した。その他の装置作製方法
は、前述の液晶表示装置と同様である。

【００６９】本実施例で用いた液晶材料は、Δε≦１の
液晶材料としてフェニルシクロヘキサン骨格の液晶化合
物を１５重量％とビシクロヘキシル骨格の液晶化合物を
２５重量％の合計４０重量％、シアノフェニル基を有す
る液晶化合物と４−シアノ−３，５−ジフッ素フェニル
基を有する液晶化合物を１５重量％、３，４，５−トリ
フッ素フェニル基を有する液晶化合物を４５重量％の液
晶組成物（Ｉ）である。この液晶組成物の物性値を測定
（２５℃）すると、γ１＝８８ｍＰａ・ｓ，Δｎ＝０.
０９４，Δε＝８.５，Ｋ２２＝５.５ｐＮであった。従
って本実施例の液晶表示装置では、γ１／Δｎ²＝１.０
×１０⁴ｍＰａ・ｓ，ｄ・Δｎは０.２９１である。ま
た、ＬΔｎ／√Δε＝０.４２＜０.５５となる。

【００７０】この液晶組成物（Ｉ）を前述の液晶表示装
置に適用したところ、最低輝度を与える電圧から最大輝
度を与える電圧に切り替えたときの液晶応答時間が、１
４ｍｓであった。従って本実施例の１フレーム期間、す
なわち１／６０＝１６.７ｍｓ以下であった。

【００７１】図１４に示す柱状スペーサを用いた液晶表
示装置と、図１７に示す球状スペーサを用いた液晶表示
装置のそれぞれのコントラスト比は、３５０：１と２０
０：１であった。球状スペーサを用いた液晶表示装置
の、スペーサ周辺の液晶配向を顕微鏡で観察したとこ
ろ、図１２（ｃ）とほぼ同じ配向状態であった。

【００７２】また、駆動ＩＣにより、最大輝度を与える
のに十分な電圧を液晶に印加することが可能であった。 ［実施例２］実施例１と同様の方法で作製した液晶表示
装置に、Δε≦１の液晶材料としてフェニルシクロヘキ
サン骨格の液晶化合物を１６重量％とビシクロヘキシル
骨格の液晶化合物を２９重量％の合計４５重量％、４−
シアノ−３−フッ素フェニル基を有する液晶化合物と４
−シアノ−３，５−ジフッ素フェニル基を有する液晶化
合物を２０重量％、３，４，５−トリフッ素フェニル基
を有する液晶化合物を３５重量％の液晶組成物（ＩＩ）
を注入した。この液晶組成物の物性値は、γ１＝７５ｍ
Ｐａ・ｓ，Δｎ＝０.０９６，Δε＝９.０であった。従
って本実施例の液晶表示装置では、γ１／Δｎ²＝８.１
４×１０³ｍＰａ・ｓ，ｄ・Δｎは０.２９８である。ま
た、ＬΔｎ／√Δε＝０.４２＜０.５５となる。

【００７３】さらに本実施例の液晶表示装置において
は、最低輝度を与える電圧から最大輝度を与える電圧に
切り替えたときの液晶応答時間が、１３ｍｓであった。
従って１フレーム期間、すなわち１／６０＝１６.７ｍ
ｓ以下であった。

【００７４】柱状スペーサを用いた液晶表示装置と球状
スペーサを用いた液晶表示装置のそれぞれのコントラス
ト比は、３４０：１と１９０：１であった。球状スペー
サを用いた液晶表示装置の、スペーサ周辺の液晶配向を
顕微鏡で観察したところ、図１２（ｂ）とほぼ同じ配向
状態であった。

【００７５】また、駆動ＩＣにより、最大輝度を与える
のに十分な電圧を液晶に印加することが可能であった。 ［実施例３］実施例１と同様の方法で作製した液晶表示
装置に、Δε≦１の液晶材料としてフェニルシクロヘキ
サン骨格の液晶化合物を１０重量％とビシクロヘキシル
骨格の液晶化合物を３０重量％、フェニルビシクロヘキ
サン骨格の液晶化合物を１０重量％の合計５０重量％、
４−シアノ−３−フッ素フェニル基を有する液晶化合物
と４−シアノ−３，５−ジフッ素フェニル基を有する液
晶化合物を２５重量％、３，４，５−トリフッ素フェニ
ル基を有する液晶化合物を２５重量％の液晶組成物（Ｉ
ＩＩ）を注入した。この液晶組成物の物性値は、γ１＝
７０ｍＰａ・ｓ，Δｎ＝０.０９６，Δε＝９.０であっ
た。従って本実施例の液晶表示装置では、γ１／Δｎ²
＝７.６×１０³ｍＰａ・ｓ，ｄ・Δｎは０.２９８であ
る。また、ＬΔｎ／√Δε＝０.４２＜０.５５となる。

【００７６】さらに本実施例の液晶表示装置において
は、最低輝度を与える電圧から最大輝度を与える電圧に
切り替えたときの液晶応答時間が、１２ｍｓであった。
従って１フレーム期間、すなわち１／６０＝１６.７ｍ
ｓ以下であった。

【００７７】柱状スペーサを用いた液晶表示装置と球状
スペーサを用いた液晶表示装置のそれぞれのコントラス
ト比は、３４０：１と１５０：１であった。球状スペー
サを用いた液晶表示装置の、スペーサ周辺の液晶配向を
顕微鏡で観察したところ、図１２（ａ）とほぼ同じ配向
状態であった。

【００７８】また、駆動ＩＣにより、最大輝度を与える
のに十分な電圧を液晶に印加することが可能であった。 ［実施例４］実施例１と同様の方法で作製した液晶表示
装置に、Δε≦１の液晶材料としてフェニルシクロヘキ
サン骨格の液晶化合物を２０重量％とビシクロヘキシル
骨格の液晶化合物を１０重量、フェニルビシクロヘキサ
ン骨格の液晶化合物を１０重量％、ジアルケニルオキシ
ベンゼン誘導体を１０重量％の合計５０重量％、４−シ
アノ−３−フッ素フェニル基を有する液晶化合物と４−
シアノ−３，５−ジフッ素フェニル基を有する液晶化合
物を２５重量％、３，４，５−トリフッ素フェニル基を
有する液晶化合物を２５重量％の液晶組成物（ＩＶ）を
注入した。この液晶組成物の物性値は、γ１＝６５ｍＰ
ａ・ｓ，Δｎ＝０.０９３，Δε＝８.５であった。従っ
て本実施例の液晶表示装置では、γ１／Δｎ²＝７.５×
１０³ｍＰａ・ｓ，ｄ・Δｎは０.２８８である。また、
ＬΔｎ／√Δε＝０.４１＜０.５５となる。

【００７９】さらに本実施例の液晶表示装置において
は、最低輝度を与える電圧から最大輝度を与える電圧に
切り替えたときの液晶応答時間が、１１ｍｓであった。
従って１フレーム期間、すなわち１／６０＝１６.７ｍ
ｓ以下であった。

【００８０】柱状スペーサを用いた液晶表示装置と球状
スペーサを用いた液晶表示装置のそれぞれのコントラス
ト比は、３５０：１と１５０：１であった。球状スペー
サを用いた液晶表示装置の、スペーサ周辺の液晶配向を
顕微鏡で観察したところ、図１２（ａ）とほぼ同じ配向
状態であった。

【００８１】また、駆動ＩＣにより、最大輝度を与える
のに十分な電圧を液晶に印加することが可能であった。 ［実施例５］実施例１と同様の方法で作製した液晶表示
装置に、Δε≦１の液晶材料としてフェニルシクロヘキ
サン骨格の液晶化合物を３０重量％とビシクロヘキシル
骨格の液晶化合物を２０重量、フェニルビシクロヘキサ
ン骨格の液晶化合物を２０重量％、ジアルケニルオキシ
ベンゼン誘導体を１０重量％の合計８０重量％、４−シ
アノ−３，５−ジフッ素フェニル基を有する液晶化合物
を１０重量％、３，４，５−トリフッ素フェニル基を有
する液晶化合物を１０重量％の液晶組成物（Ｖ）を注入
した。この液晶組成物の物性値は、γ１＝５５ｍＰａ・
ｓ，Δｎ＝０.０９６，Δε＝５.５であった。従って本
実施例の液晶表示装置では、γ１／Δｎ²＝６.０×１０
³ｍＰａ・ｓ，ｄ・Δｎは０.２９８である。また、ＬΔ
ｎ／√Δε＝０.５３＜０.５５となる。

【００８２】さらに本実施例の液晶表示装置において
は、最低輝度を与える電圧から最大輝度を与える電圧に
切り替えたときの液晶応答時間が、７ｍｓであった。従
って１フレーム期間、すなわち１／６０＝１６.７ｍｓ
以下であった。さらに中間調間の応答時間を測定したと
ころ、最も遅い中間調間応答の場合でも１６ｍｓであ
り、１フレーム期間以下の応答時間であった。

【００８３】柱状スペーサを用いた液晶表示装置と球状
スペーサを用いた液晶表示装置のそれぞれのコントラス
ト比は、３５０：１と１４０：１であった。球状スペー
サを用いた液晶表示装置の、スペーサ周辺の液晶配向を
顕微鏡で観察したところ、図１２（ａ）とほぼ同じ配向
状態であった。 ［実施例６］次に本発明の第２の実施例のアクティブマ
トリクス型液晶表示装置について図７に基づき説明す
る。実施例１に記載の液晶表示装置と大きく異なる点
は、画素電極７０３と共通電極７０２の材質が透明導電
体のＩＴＯである点である。

【００８４】ガラス基板７０１の上に共通電極７０２及
び走査信号電極７１４を形成する。また、それらの電極
の上に絶縁膜７０４を形成し、更にその上に映像信号電
極７１０，ソース電極７１７，アモルファスシリコン７
１６からなるＴＦＴ７１５を形成する。さらに絶縁層７
０４′の上層に画素電極７０３を形成する。ソース電極
と画素電極７０３は電気的に接続されている。この電極
群を有する基板上に、ＪＳＲ（株）製オプトマーＡＬ３
０４６を用い、配向膜７０８を形成する。配向膜形成
後、膜表面にラビング法により配向処理を行う。その他
の液晶表示装置の作成方法は実施例１と同様であり、柱
状スペーサを用いた液晶表示装置と、比較例として球状
スペーサを用いた液晶表示装置を作製した。なお、各電
極の基板面垂直方向の層順序は、本実施例の層順序に限
定されるものではない。

【００８５】作製した液晶表示装置に、実施例５に記載
の液晶組成物（Ｖ）を注入した。この場合、Δｎ／√Δ
ε＝４.２×１０^-2≦５.５×１０^-2となる。

【００８６】本実施例の液晶表示装置においては、最低
輝度を与える電圧から最大輝度を与える電圧に切り替え
たときの液晶応答時間が、７ｍｓであった。従って１フ
レーム期間、すなわち１／６０＝１６.７ｍｓ以下であ
った。さらに中間調間の応答時間を測定したところ、最
も遅い中間調間応答の場合でも１５ｍｓであり、１フレ
ーム期間以下の応答時間であった。

【００８７】柱状スペーサを用いた液晶表示装置と球状
スペーサを用いた液晶表示装置のそれぞれのコントラス
ト比は、３５０：１と１４０：１であった。さらに球状
スペーサを用いた液晶表示装置の、スペーサ周辺の液晶
配向を顕微鏡で観察したところ、図１２（ａ）とほぼ同
じ配向状態であった。

【００８８】また、駆動ＩＣにより、最大輝度を与える
のに十分な電圧を液晶に印加することが可能であった。 ［実施例７］実施例６と同様の方法で作製した液晶表示
装置に、Δε≦１の液晶材料としてフェニルシクロヘキ
サン骨格の液晶化合物を２５重量％とビシクロヘキシル
骨格の液晶化合物を２０重量、フェニルビシクロヘキサ
ン骨格の液晶化合物を２０重量％、ジアルケニルシクロ
ヘキサン誘導体を１０重量％、ジアルケニルオキシベン
ゼン誘導体を１０重量％の合計８５重量％、４−シアノ
−３，５−ジフッ素フェニル基を有する液晶化合物を１
０重量％、３，４，５−トリフッ素フェニル基を有する
液晶化合物を５重量％の液晶組成物（VI）を注入した。
この液晶組成物の物性値は、γ１＝４５ｍＰａ・ｓ，Δ
ｎ＝０.０９４，Δε＝４.５であった。従って本実施例
の液晶表示装置では、γ１／Δｎ²＝５.１×１０³ｍＰ
ａ・ｓ，ｄ・Δｎは０.２９１である。また、Δｎ／√
Δε＝４.４×１０^-2≦５.５×１０^-2となる。

【００８９】さらに本実施例の液晶表示装置において
は、最低輝度を与える電圧から最大輝度を与える電圧に
切り替えたときの液晶応答時間が、５ｍｓであった。従
って１フレーム期間、すなわち１／６０＝１６.７ｍｓ
以下であった。さらに中間調間の応答時間を測定したと
ころ、最も遅い中間調間応答の場合でも１１ｍｓであ
り、１フレーム期間以下の応答時間であった。

【００９０】柱状スペーサを用いた液晶表示装置と球状
スペーサを用いた液晶表示装置のそれぞれのコントラス
ト比は、３５０：１と１３５：１であった。球状スペー
サを用いた液晶表示装置の、スペーサ周辺の液晶配向を
顕微鏡で観察したところ、図１２（ａ）とほぼ同じ配向
状態であった。

【００９１】また、駆動ＩＣにより、最大輝度を与える
のに十分な電圧を液晶に印加することが可能であった。

【００９２】本発明によると、ノーマリークローズ横電
界方式の液晶表示装置において、液晶組成の調整によ
り、液晶組成中の誘電率異方性Δε≦１の構成成分を４
０重量％以上１００重量％未満とすることで、応答時間
を１フレーム期間以下の高速応答性が達成できる。さら
に液晶組成の調整により、液晶層の回転粘性係数γ１と
屈折率異方性Δｎとを、１×１０³ｍＰａ・ｓ≦γ１／
Δｎ²≦１.２×１０⁴ｍＰａ・ｓとすることでも、応答
時間を１フレーム期間以下の高速応答性が達成できる。
さらにスペーサを非表示領域に配置することで、高コン
トラストを達成できる。

【００９３】

【発明の効果】高速応答性と高コントラストが可能な液
晶表示装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の横電界方式の液晶表示装置における液
晶の動作原理を示す模式図。

【図２】本発明の液晶表示装置の、電界方向に対する液
晶分子長軸配向方向と偏光板偏光透過軸のそれぞれがな
す角を示す図。

【図３】本発明の液晶表示装置の、液晶分子の配向方向
と偏光板の偏光透過軸との関係を示す図。

【図４】本発明の液晶表示装置の、単位画素部の電極
群，絶縁膜，配向膜の配置を示す平面および断面を示す
模式図。

【図５】本発明の横電界方式の液晶表示装置における液
晶の動作原理を示す模式図。

【図６】本発明の液晶表示装置の、単位画素部の電極
群，絶縁膜，配向膜の配置を示す平面および断面を示す
模式図。

【図７】本発明の液晶表示装置の、単位画素部の電極
群，絶縁膜，配向膜の配置を示す平面および断面を示す
模式図。

【図８】本発明の横電界方式の液晶表示装置における、
液晶層中のニュートラル成分の含有量と応答時間との関
係を示す図。

【図９】本発明の横電界方式の液晶表示装置における、
液晶材料のγ１／Δｎ²と応答時間との関係を示す図。

【図１０】本発明の実施例で用いた液晶材料の、γ１／
Δｎ²とニュートラル成分の含有量との関係を示す図。

【図１１】スペーサ周辺の液晶配向状態を観察するため
の測定用セルの模式断面図。

【図１２】本発明の液晶表示装置の、液晶層中のΔε≦
１の構成成分量とスペーサ周辺での光漏れの様子をあら
わした模式図。

【図１３】スペーサ周辺での液晶分子の推定配向状態を
表した模式図。

【図１４】本発明の実施例における、柱状スペーサを用
いた液晶表示装置の画素部模式断面図。

【図１５】実施例１の液晶表示装置における回路システ
ム構成の一例を示す。

【図１６】実施例１の液晶表示装置の各構成部品を示す
分解斜視図。

【図１７】本発明の実施例における、球状スペーサを用
いた液晶表示装置の画素部模式断面図。

【符号の説明】

１０１，１０１′，４０１，５０１，５０１′，６０
１，７０１，１１０１，１４０１，１７０１，１７０
１′…基板、１０２，４０２，５０２，６０２，７０
２，１４０２，１７０２…共通電極、１０３，４０３，
５０３，６０３，７０３，１４０３…画素電極、４０
４，６０４，７０４，７０４′，１４０４，１７０４…
絶縁層、１４０５…カラーフィルタ、１０６，５０６，
１４０６，１７０６…液晶分子、１４０７，１７０７…
平坦化膜、１０８，１０８′，４０８，５０８，６０
８，７０８，１１０３，１４０８，１７０８…配向膜、
１０９，１０９′，５０９、５０９′，１１０２，１４
０９，１７０９，１７０９′…偏光板、１１０，４１
０，５１０，６１０，７１０，１４１０，１７１０…映
像信号電極、１１１，２０１，３０１，３０１′…液晶
の配向方向、２０２，３０２，３０２′…偏光板の偏光
透過軸方向、１１３，２０３，５１３…電界方向、４１
４，６１４，７１４…走査信号電極、４１５，６１５，
７１５…ＴＦＴ素子、４１６，６１６，７１６…アモル
ファスシリコン、７１７…ソース電極、１５０１，１６
１３…垂直走査回路、１５０２，１６０４…映像信号駆
動回路、１５０３…共通電極駆動回路、１５０４…電源
回路及びコントローラ、１５０５…共通電極配線、１５
０６…映像信号電極配線、１５０７…走査信号電極配
線、１１０４，１２０４，１７１１…球状スペーサ、１
１０５…液晶層、１６０１…液晶表示モジュール、１６
０２…シールドケース、１６０３…表示窓、１６０６…
液晶表示パネル、１６０７…光拡散板、１６０８…導光
体、１６０９…反射板、１６１０…バックライト蛍光
管、１６１１…バックライトケース、１６１２…インバ
ータ回路基板、１６０５…電源回路基板、１２０１…明
部、１２０２，１２０３，１２０５，１２０６…暗部
線、１４１２…柱状スペーサ、１４１１，１７０５…ブ
ラックマトリクス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒谷 康太郎 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 荒谷 介和 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 近藤 克己 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (27)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スペーサによって間隔が規定された一対の
   基板と、前記一対の基板の間に充填された液晶層と、前
   記液晶層に電界を印加するために前記一対の基板の内の
   一方の基板に形成された電極群と、前記液晶層を挟んで
   配置され偏光軸が互いにほぼ直交した一対の偏光板とを
   備える液晶表示装置であって、 前記スペーサを非表示領域に配置し、 前記液晶層は誘電率異方性Δε≦１の構成成分を４０重
   量％以上１００重量％未満含有し、前記液晶層と前記一
   対の基板との二つの界面における液晶分子の配向制御方
   向がほぼ平行であり、一方の偏光板の偏光軸と前記界面
   における液晶分子の配向制御方向とがほぼ一致している
   液晶表示装置。
2. 【請求項２】スペーサによって間隔が規定された一対の
   基板と、前記一対の基板の間に充填された液晶層と、前
   記液晶層に電界を印加するために前記一対の基板の内の
   一方の基板に形成された電極群と、前記液晶層を挟んで
   配置され偏光軸が互いにほぼ直交した一対の偏光板とを
   備える液晶表示装置であって、 前記液晶層の回転粘性係数γ１と屈折率異方性Δｎと
   が、１×１０³ｍＰａ・ｓ≦γ１／Δｎ²≦１.２×１０⁴
   ｍＰａ・ｓを満たす液晶表示装置。
3. 【請求項３】請求項２に記載の液晶表示装置において、 前記液晶層の回転粘性係数γ１と屈折率異方性Δｎと
   が、１×１０³ｍＰａ・ｓ≦γ１／Δｎ²≦６×１０³ｍ
   Ｐａ・ｓを満たす液晶表示装置。
4. 【請求項４】スペーサによって間隔が規定された一対の
   基板と、前記一対の基板の間に充填された液晶層と、前
   記液晶層に電界を印加するために前記一対の基板の内の
   一方の基板に形成された電極群と、前記液晶層を挟んで
   配置され偏光軸が互いにほぼ直交した一対の偏光板とを
   備える液晶表示装置であって、 前記スペーサを非表示領域に配置し、 前記液晶層は誘電率異方性Δε≦１の構成成分を４０重
   量％以上１００重量％未満含有し、前記液晶層の回転粘
   性係数γ１と屈折率異方性Δｎとが、１×１０ ³ｍＰａ
   ・ｓ≦γ１／Δｎ²≦１.２×１０⁴ｍＰａ・ｓを満た
   し、前記液晶層と前記一対の基板との二つの界面におけ
   る液晶分子の配向制御方向がほぼ平行であり、一方の偏
   光板の偏光軸と前記界面における液晶分子の配向制御方
   向とがほぼ一致している液晶表示装置。
5. 【請求項５】請求項４に記載の液晶表示装置において、 前記液晶層の回転粘性係数γ１と屈折率異方性Δｎと
   が、１×１０³ｍＰａ・ｓ≦γ１／Δｎ²≦６×１０³ｍ
   Ｐａ・ｓを満たす液晶表示装置。
6. 【請求項６】請求項１〜５のいずれか１項に記載の液晶
   表示装置において、 前記電極群は、画素電極、共通電極及びアクティブ素子
   を有する液晶表示装置。
7. 【請求項７】請求項６に記載の液晶表示装置において、 前記アクティブ素子は薄膜トランジスタである液晶表示
   装置。
8. 【請求項８】請求項６又は７に記載の液晶表示装置にお
   いて、 前記画素電極と共通電極の少なくとも一方が透明電極で
   構成されている液晶表示装置。
9. 【請求項９】請求項１〜８のいずれか１項に記載の液晶
   表示装置において、 前記液晶層の屈折率異方性Δｎと厚さｄとが、０.２μ
   ｍ＜ｄ・Δｎ＜０.４μｍを満たす液晶表示装置。
10. 【請求項１０】請求項１〜９のいずれか１項に記載の液
    晶表示装置において、 前記スペーサが一方の基板上に形成された構造物である
    液晶表示装置。
11. 【請求項１１】請求項１〜１０のいずれか１項に記載の
    液晶表示装置において、 前記液晶層中に含有される誘電率異方性Δε≦１の成分
    の少なくとも一つが、環状構造を分子中に二つ有する化
    合物であり、その環状構造がベンゼン環もしくはシクロ
    ヘキサン環である液晶表示装置。
12. 【請求項１２】請求項１〜１０のいずれか１項に記載の
    液晶表示装置において、 前記液晶層中に含有される誘電率異方性Δε≦１の成分
    の少なくとも一つが、環状構造を分子中に一つしか持た
    ない化合物であり、その環状構造がベンゼン環もしくは
    シクロヘキサン環である液晶表示装置。
13. 【請求項１３】請求項１２に記載の液晶表示装置におい
    て、 前記液晶層に含有される環状構造を分子中に一つしか持
    たない化合物が、下化学式で表される構造である液晶表
    示装置。 【化１】 （式中環Ａは、１，４−シクロヘキシレンもしくは１，
    ４−フェニレンである。Ｂ１及びＢ２は−ＣＯＯ−，−
    ＯＯＣ−，−ＯＣＯ−，−ＣＸ２−，＝ＣＸ−，−ＣＸ
    ＝，−Ｏ−からなる群より選ばれた基で、Ｘは水素もし
    くはハロゲン原子を示す。Ｒ１及びＲ２は炭素数１〜８
    のアルキル基でハロゲン原子により置換されていてもよ
    く、また炭素鎖中に２重結合を含んでも良い。）
14. 【請求項１４】請求項１３に記載の液晶表示装置におい
    て、 前記環状構造を分子中に一つしか持たない化合物が、環
    Ａが１，４−シクロヘキシレンであり、Ｂ１及びＢ２は
    ―ＣＸ２―，―ＣＸ＝，―Ｏ−からなる群より選ばれた
    基で、Ｒ１及びＲ２はハロゲン原子により置換されてい
    ても良いアルキル基で、その炭素数が２，４，６，８の
    いずれかである液晶表示装置。
15. 【請求項１５】請求項１４に記載の液晶表示装置におい
    て、 前記１，４−シクロヘキシレン誘導体中のＲ１及びＲ２
    が、ハロゲン原子により置換されていても良い炭素数が
    ４，６，８のアルキル鎖であり、そのｎ番目の炭素とｎ
    ＋１番目（ｎ＝２，４，６）の炭素との間に２重結合を
    有する液晶表示装置。
16. 【請求項１６】請求項１３に記載の液晶表示装置におい
    て、 前記環状構造を分子中に一つしか持たない化合物が、環
    Ａが１，４−フェニレンであり、Ｂ１及びＢ２は―ＣＸ
    ２―，―Ｏ−からなる群より選ばれた基で、Ｒ１及びＲ
    ２はハロゲン原子により置換されていても良いアルキル
    基で、その炭素数が２，４，６，８のいずれかである液
    晶表示装置。
17. 【請求項１７】請求項１６に記載の液晶表示装置におい
    て、 前記１，４−フェニレン誘導体中のＲ１及びＲ２が、ハ
    ロゲン原子により置換されていても良い炭素数が４，
    ６，８のアルキル鎖であり、そのｎ番目の炭素とｎ＋１
    番目（ｎ＝２，４，６）の炭素との間に２重結合を有す
    る液晶表示装置。
18. 【請求項１８】請求項１３に記載の液晶表示装置におい
    て、 前記液晶層に含有される環状構造を分子中に一つしか持
    たない化合物中、Ｂ１が−ＯＯＣ−、Ｂ２が−ＯＣＯ−
    である液晶表示装置。
19. 【請求項１９】請求項１〜８のいずれか１項に記載の液
    晶表示装置において、下の化学式で表される構造を分子
    中に有している化合物を前記液晶層中に含有している液
    晶表示装置。 【化２】 （式中Ｘ１，Ｘ２は、ＨもしくはＦを表す）
20. 【請求項２０】請求項１９に記載の液晶表示装置におい
    て、 前記液晶層中に、誘電率異方性Δε≦１の低極性成分と
    前記式で表される高極性成分との間の中極性の成分を含
    有している液晶表示装置。
21. 【請求項２１】請求項２０に記載の液晶表示装置におい
    て、 前記中極性の液晶成分は、下の化学式３，４からなる群
    より選ばれた構造を有する液晶成分である液晶表示装
    置。 【化３】 【化４】 （式中Ｘ１，Ｘ２は、ＨもしくはＦを表す。Ａはベンゼ
    ン環もしくはシクロヘキサン環を表す）
22. 【請求項２２】請求項１〜７のいずれか１項に記載の液
    晶表示装置において、 前記画素電極と共通電極が不透明な材質により構成され
    ており、前記画素電極と共通電極の間隔Ｌと前記液晶層
    の屈折率異方性Δｎ，誘電率異方性Δεとが、ＬΔｎ／
    √Δε≦０.５５μｍである液晶表示装置。
23. 【請求項２３】前記請求項２２に記載の液晶表示装置に
    おいて、 前記画素電極と共通電極の間隔Ｌと前記液晶層の屈折率
    異方性Δｎ，誘電率異方性Δεとが、ＬΔｎ／√Δε≦
    ０.４μｍである液晶表示装置。
24. 【請求項２４】請求項８に記載の液晶表示装置におい
    て、 前記液晶層の屈折率異方性Δｎ，誘電率異方性Δεと
    が、Δｎ／√Δε≦５.５×１０^-2である液晶表示装
    置。
25. 【請求項２５】請求項６又は７に記載の液晶表示装置に
    おいて、 前記液晶層の誘電率異方性が７以上であり、ツイスト弾
    性定数Ｋ２２が５.５ｐＮ以下である液晶表示装置。
26. 【請求項２６】請求項１〜８のいずれか１項に記載の液
    晶表示装置において、 最低輝度の階調と最大輝度の階調間の応答時間が、１フ
    レーム期間以下である液晶表示装置。
27. 【請求項２７】請求項１〜８のいずれか１項に記載の液
    晶表示装置において、 中間調間の応答時間が、１フレーム期間以下である液晶
    表示装置。