JP3900779B2

JP3900779B2 - Liquid crystal display

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Publication number: JP3900779B2
Application number: JP2000046710A
Authority: JP
Inventors: 博之香川; 新太郎武田; 康太郎荒谷; 介和荒谷; 克己近藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-02-25
Filing date: 2000-02-18
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2020-02-18
Also published as: JP2000310797A

Description

【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６３−２１９０７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１０−６７９８８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 Symposium 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γ１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５−５３１２１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γ１と屈折率異方性Δｎとが、１×１０³ｍＰａ・ｓ≦γ１／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≦１.２×１０⁴ｍＰａ・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２０１の方向に対する、偏光板透過軸方向１１２のなす角Φｐ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１０２，１０３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。ΦLC＝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
１０６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 Film 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６０Ｈｚ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・Δｎ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１１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１１０５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ＰＣＨ３０４（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１３０１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５０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１２０５，１２０５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２００：１，１６０：１，１００：１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Δε≦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 IDW
’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１４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４０２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１４１１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１４０９，１４０９′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、１５０５は共通電極配線、１５０６は映像信号電極配線、１５０７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１６０１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、１６０８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１５０１）、１６０４は映像信号駆動回路（図１５では１５０２）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、１４ｍｓ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２００：１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＝７５ｍＰａ・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＝８.１４×１０³ｍＰａ・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＝１６.７ｍｓ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（ＩＩＩ）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＝１６.７ｍｓ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＝６５ｍＰａ・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＝１６.７ｍｓ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＝６.０×１０³ｍＰａ・ｓ，ｄ・Δｎは０.２９８である。また、ＬΔｎ／√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７１６からなるＴＦＴ７１５を形成する。さらに絶縁層７０４′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ＡＬ３０４６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／√Δε＝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，Δｎ＝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＝５.１×１０³ｍＰａ・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４０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′，６０１，７０１，１１０１，１４０１，１７０１，１７０１′…基板、１０２，４０２，５０２，６０２，７０２，１４０２，１７０２…共通電極、１０３，４０３，５０３，６０３，７０３，１４０３…画素電極、４０４，６０４，７０４，７０４′，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′，４０８，５０８，６０８，７０８，１１０３，１４０８，１７０８…配向膜、１０９，１０９′，５０９、５０９′，１１０２，１４０９，１７０９，１７０９′…偏光板、１１０，４１０，５１０，６１０，７１０，１４１０，１７１０…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、４１４，６１４，７１４…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、１５０１，１６１３…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、１５０６…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、１１０５…液晶層、１６０１…液晶表示モジュール、１６０２…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。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid crystal display device, and more particularly to an active matrix liquid crystal display device.
[0002]
[Prior art]
In a liquid crystal display device, an electric field is applied to liquid crystal molecules in a liquid crystal layer sandwiched between substrates to change the orientation direction of the liquid crystal molecules, and display is performed by using the change in optical characteristics of the liquid crystal layer. In the conventional active matrix liquid crystal display device, the direction of the electric field applied to the liquid crystal is almost perpendicular to the substrate interface, as represented by a twisted nematic (TN) display method that performs display using the optical rotation of the liquid crystal. It was set in a different direction. On the other hand, there is a method (transverse electric field method) in which a comb-like electrode is used and the direction of the electric field applied to the liquid crystal is substantially parallel to the substrate, and display is performed using the birefringence of the liquid crystal. This is proposed by Kosho 63-21907 and JP-T 5-505247. This lateral electric field method has an advantage of a wide viewing angle as compared with the conventional TN method, and is a promising technology as an active matrix liquid crystal display device.
[0003]
As a liquid crystal material for this horizontal electric field type active matrix liquid crystal display device, a liquid crystal composition having a relatively low specific resistance (Japanese Patent Laid-Open No. 7-306417), in order to achieve both a low driving voltage and a high-speed response, A liquid crystal composition containing 4- (cyclohexylcarbonyloxy) benzonitrile (Japanese Patent Laid-Open No. 9-125063), a liquid crystal composition containing a compound having fluorine as a polar group (Japanese Patent Laid-Open No. 9-255958, Japanese Patent Laid-Open No. 10). -67988), liquid crystal compositions containing a component having a cyano group (Clement et al., International Symposium 98, 26.3)) and the like have been proposed.
[0004]
Further, in this lateral electric field method, it is known that the response time and driving voltage of the liquid crystal and the physical property value of the liquid crystal material have the relationship shown in the following [Equation 1] and [Equation 2] (Masato Oe, Katsumi Kondo, Applied Physics Letters, 67, 3895-3897, 1995, Masato Oe, Katsumi Kondo, Applied Physics Letters, 69, 623-625, 1996).
[0005]
[Expression 1]
τoff ∝γ1 × d ² / K22 (Equation 1)
[0006]
[Expression 2]

[0007]
Where Vth is the threshold voltage of the liquid crystal, K22 is the elastic constant of twist of the liquid crystal material, Δε is the dielectric anisotropy, L is the electrode spacing (FIG. 1), d is the thickness of the liquid crystal layer (FIG. 1), τoff is the response time of the liquid crystal from the time of voltage application to no voltage application, and γ1 is the rotational viscosity coefficient of the liquid crystal. Further, in order to maintain the optical characteristics, d × Δn is set to a substantially constant value, so that [Formula 1] and [Formula 2] can be converted into [Formula 3] and [Formula 4], respectively.
[0008]
[Equation 3]
τoff ∝γ1 / (K22 × n ² ) (Equation 3)
[0009]
[Expression 4]

[0010]
As can be seen from the above equation, the smaller the viscosity coefficient γ1 of the liquid crystal, the shorter the response time, and the larger the Δε, the lower the drive voltage. However, in many liquid crystal materials, the viscosity and Δε are approximately proportional to each other, that is, the liquid crystal having a smaller Δε has a lower viscosity, and the larger the Δε, the higher the viscosity. This is because a material with a large Δε tends to have a high polarity, that is, a large dipole moment of the molecule, and a material with a large dipole moment has a strong interaction between molecules, resulting in an increase in the viscosity of the entire liquid crystal. There is a cause in that. Therefore, in the horizontal electric field method, there is a trade-off relationship between high-speed response of liquid crystal and low driving voltage. That is, if a relatively low viscosity component of Δε ≦ 1 having a relatively low viscosity, that is, a so-called neutral component, is added, the viscosity is lowered and a high-speed response is achieved, but at the same time, the driving voltage is increased. If a large amount of highly polar liquid crystal component having a large Δε is added, the driving voltage can be reduced, but the viscosity increases and the response of the liquid crystal becomes slow. Further, no control method for K22, which is another parameter governing the drive voltage and response time, has been proposed.
[0011]
On the other hand, in order to increase the contrast, many techniques for arranging spacers in a non-pixel region to maintain a constant distance between a pair of substrates have been developed. For example, JP-A-10-170928, JP-A-9-61828, JP-A-6-250194, JP-A-5-53121, JP-A-5-173147, JP-A-8-160433, Methods described in JP-A-8-292426, JP-A-7-325298, and the like have been proposed.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the liquid crystal materials for the conventional horizontal electric field type active matrix liquid crystal display devices have a trade-off relationship between the response time of the liquid crystal and the driving voltage, that is, the response time is shortened by reducing the viscosity due to an increase in the neutral component of the liquid crystal. Then, the drive voltage rises, and there is a relationship that the response time becomes slow when the Δε of the liquid crystal is increased and the drive voltage is reduced, and it is difficult to achieve both low viscosity of the liquid crystal material and high Δε, that is, high-speed response and low drive voltage. There was a problem of being. Further, the control method of the twist elastic constant K22 of the liquid crystal has not been clarified so far.
[0013]
Further, as a result of experiments, it has been found that there is a trade-off between high-speed response and high contrast in a horizontal electric field type active matrix liquid crystal display device. This is because when the content of the neutral component in the liquid crystal layer is increased and a high-speed response is attempted by reducing the viscosity of the liquid crystal, a phenomenon occurs in which the contrast decreases, particularly the brightness increases during black display. In a horizontal electric field type active matrix liquid crystal display device, a polarizing plate is generally used as an optical means for changing optical characteristics in accordance with the molecular alignment state of a liquid crystal layer so that the polarization axes are substantially orthogonal. In this case, a so-called normally closed mode in which the transmittance increases as the voltage applied to the liquid crystal layer is increased. In this normally closed mode display method, the alignment of the liquid crystal around the spacer to keep the substrate spacing constant is different from the alignment control direction between the substrate and the liquid crystal layer. Leakage, black brightness increase, and thus contrast decrease. As a result of investigation, it has been found that when the content of the neutral component in the liquid crystal layer increases, light leakage from the periphery of the spacer increases, the luminance at the time of black display increases, and as a result, the contrast decreases.
[0014]
The present invention has been made in view of such problems of the conventional invention, and a first object thereof is to provide a lateral electric field type active matrix liquid crystal display device that achieves both high-speed response and high contrast. A second object of the present invention is to provide a lateral electric field type active matrix liquid crystal display device which achieves both high-speed response and high contrast and achieves a low driving voltage.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
One embodiment of the liquid crystal display device of the present application includes a pair of substrates spaced by a spacer, a liquid crystal layer filled between the pair of substrates, and a pair of substrates for applying an electric field to the liquid crystal layer. Electrode group formed on one of the substrates, and a pair of polarizing plates arranged across the liquid crystal layer and having polarization axes substantially orthogonal to each other, a spacer is arranged in the non-display region, and the liquid crystal layer has a dielectric constant The composition component of anisotropy Δε ≦ 1 is contained in an amount of 40 wt% or more and less than 100 wt%, and the alignment control directions of the liquid crystal molecules at the two interfaces between the liquid crystal layer and the pair of substrates are substantially parallel. That is, the polarization axis and the alignment control direction of the liquid crystal molecules at the interface substantially coincide.
[0016]
Another embodiment of the liquid crystal display device of the present application includes a pair of substrates spaced by spacers, a liquid crystal layer filled between the pair of substrates, and a pair of substrates for applying an electric field to the liquid crystal layer An electrode group formed on one of the substrates, and a pair of polarizing plates arranged with the liquid crystal layer sandwiched therebetween and having polarization axes substantially orthogonal to each other, the rotational viscosity coefficient γ1 of the liquid crystal layer and the refractive index anisotropy Δn. And 1 × 10 ^Three mPa · s ≦ γ1 / Δn ² ≦ 1.2 × 10 ^Four It satisfies mPa · s.
[0017]
According to still another embodiment of the liquid crystal display device of the present application, in order to apply an electric field to the liquid crystal layer, the pair of substrates having a space defined by the spacer, the liquid crystal layer filled between the pair of substrates An electrode group formed on one of the pair of substrates, and a pair of polarizing plates arranged with the liquid crystal layer sandwiched therebetween and having polarization axes substantially orthogonal to each other, and the spacer is disposed in the non-display region, and the liquid crystal layer Contains 40% by weight or more and less than 100% by weight of a component having a dielectric anisotropy Δε ≦ 1, and the liquid crystal layer has a rotational viscosity coefficient γ1 and a refractive index anisotropy Δn of 1 × 10. ^Three mPa · s ≦ γ1 / Δn ² ≦ 1.2 × 10 ^Four The alignment control direction of the liquid crystal molecules at the two interfaces between the liquid crystal layer and the pair of substrates is substantially parallel, and the polarization axis of one polarizing plate and the alignment control direction of the liquid crystal molecules at the interface are approximately It is a match.
[0018]
In addition, it is preferable that content of a neutral component is 40 to 90 weight%.
[0019]
In still another embodiment of the liquid crystal display device of the present application, the liquid crystal layer of the liquid crystal display device contains a compound having a structure represented by the following chemical formula in the molecule.
[0020]
[Chemical formula 5]

[0021]
(Wherein X1 and X2 represent H or F)
Furthermore, the liquid crystal layer is characterized by containing a medium polarity component between a low polarity component having a dielectric anisotropy Δε ≦ 1 and a high polarity component represented by the above formula. The medium polar liquid crystal component may be a liquid crystal component having a structure selected from the group consisting of the following formulae.
[0022]
[Chemical 6]

[0023]
[Chemical 7]

[0024]
(Wherein X1 and X2 represent H or F. A represents a benzene ring or a cyclohexane ring)
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, the principle of operation of the horizontal electric field method, which is the premise of the present invention, will be described using an example of FIG. FIGS. 1A and 1B are diagrams showing the operation of liquid crystal in a horizontal electric field type liquid crystal panel. FIGS. 1A and 1B are side sectional views, and FIGS. 1C and 1D are plan views. Note that the display element as a whole forms a plurality of pixels by forming striped electrodes in a matrix, but FIG. 1 shows a portion of one pixel. FIG. 2 shows the definition of the angle Φp formed by the polarizing plate transmission axis direction 112 and the angle ΦLC formed by the alignment direction 111 of the liquid crystal molecule long axis (optical axis) in the vicinity of the substrate interface with respect to the direction of the electric field 201.
[0026]
FIG. 1A shows the state of the liquid crystal when no voltage is applied, and FIG. 1C shows a plan view at that time.

Striped electrodes

102 and 103 are formed inside a pair of transparent substrates 101 and 101 ', and an alignment control film 108 is formed thereon. A liquid crystal composition layer is sandwiched between both substrates. The distance between the substrates is held by a spacer (not shown). The rod-like liquid crystal molecules 106 are aligned in the alignment direction 111 indicated by the arrow by the alignment control film 108 so that 45 degrees ≦ | ΦLC | <90 degrees when no electric field is applied. Note that the dielectric anisotropy of the liquid crystal is assumed to be positive. The reason why ΦLC is not 90 degrees is to define the moving direction of the liquid crystal molecules in one direction with respect to the electric field. That is, in FIG. 1, the liquid crystal molecules 106 are set to move in the direction from the common electrode 102 to the pixel electrode 103 with respect to the electric field direction 113. When ΦLC = 90 degrees, liquid crystal molecules
This is because 106 moves in the counterclockwise and clockwise (clockwise) directions in the figure, and a domain is generated, resulting in a display failure.
[0027]
Next, as shown in FIGS. 1B and 1D, when an electric field 113 is applied to the

electrodes

102 and 103, the liquid crystal molecules 106 change their directions clockwise. At this time, the optical characteristics of the liquid crystal element change due to the refractive index anisotropy of the liquid crystal composition layer and the action of the polarizing plates 109 and 109 ', and display is performed by this change.
[0028]
The liquid crystal display device of the present invention is a horizontal electric field type liquid crystal display device provided with a pair of polarizing plates, wherein the polarization axes of the pair of polarizing plates are substantially orthogonal to each other, and the liquid crystal layer and the pair of substrates The alignment control direction of the liquid crystal molecules at the two interfaces is substantially parallel, and the polarization axis of one polarizing plate and the alignment control direction of the liquid crystal molecules are approximately the same. FIG. 3 shows the arrangement. With such an arrangement, a black display at a low voltage and a white display at a high voltage, that is, a so-called normally closed display device in which the luminance increases as the voltage increases. With this arrangement, it is possible to obtain a liquid crystal display device with lower black display luminance and thus higher contrast. On the other hand, when the polarization axes of the pair of polarizing plates and the alignment control direction of the liquid crystal molecules are all parallel, display is possible, but the black luminance is high and the contrast is low.
[0029]
Further, although the case where the liquid crystal 106 in FIG. 1 has a positive dielectric anisotropy is described, it may be a negative one. In that case, the initial alignment state is preferably aligned at 0 degree ≦ | ΦLC | <45 degrees from the vertical direction of the stripe electrode.
[0030]
FIG. 4 is a diagram showing a planar structure of various electrodes in a unit pixel and a cross section thereof in the liquid crystal display device according to the first embodiment of the present invention. A thin film transistor (TFT) which is an active element including a glass substrate 401, a common electrode 402, a scanning signal electrode 414, an insulating film 404 on these electrodes, a video signal electrode 410, a pixel electrode 403, and amorphous silicon 416. In addition, the upper insulating layer 404 is formed. In addition, a thin film diode can be used as the active element, but it is preferable to use a TFT excellent in operating characteristics as a switching element.
[0031]
Further, when the common electrode or the pixel electrode is made of a transparent material, as shown in FIGS. In FIG. 5, (a) and (b) are side sectional views, and (c) and (d) are plan views. A liquid crystal alignment direction and a polarizing plate transmission axis direction are the same as those in FIGS. 1 and 2, and the liquid crystal molecules 506 are changed in direction by an electric field, and display is performed by a change in optical characteristics. FIG. 6 and FIG. 7 are diagrams showing a planar structure and cross sections of various electrodes in a unit pixel of a liquid crystal display device according to the second and third embodiments of the present invention. The difference from the configuration shown in FIG. 3 is that the common electrode and the pixel electrode are transparent electrodes that transmit visible light, such as indium-tin-oxide (ITO).
[0032]
In the liquid crystal display device of the present invention, the liquid crystal layer to be used contains 40% by weight or more and less than 100% by weight of a component having a dielectric anisotropy Δε ≦ 1. This is because, by containing a large amount of neutral components, the viscosity of the liquid crystal layer is lowered and a high-speed response, which is one of the first purposes, is achieved. The neutral component can essentially reduce the viscosity of the liquid crystal layer. This is because the component of Δε ≦ 1 has a small dipole moment and thus a small intermolecular force. For example, 4-methyl- (4-cyanophenyl) cyclohexane, 4-methyl- (4-cyano-3,5-diis, which is a compound having a large dielectric anisotropy calculated by molecular orbital calculation MOPAC93 (AM1). The dipole moment of fluorine phenyl) cyclohexane is 3.93 debye and 5.43 debye, respectively, whereas the dipole moment of bis (4-methylcyclohexane) and bis (4-methylbenzene) with Δε ≦ 1 Are very small, 0.035 debity and 0.027 debye, respectively. That is, from this calculation result, it can be explained that the compound of Δε ≦ 1 has a small dipole moment and therefore a small intermolecular interaction, and therefore can be reduced in viscosity.
[0033]
Next, the response time will be described. In the liquid crystal display device of the present invention, the luminance is adjusted by controlling the alignment state of the liquid crystal by voltage, and various displays are performed. The response time is a time required to reach a desired luminance when switching from a certain voltage to the next voltage. Since the display is rewritten every frame period, the desired luminance is not reached unless the response of the liquid crystal is completed within at least one frame period. In particular, when a moving image is displayed, the image appears blurred due to the response delay of the liquid crystal. Here, one frame period is 1/60 seconds = about 17 ms when the scanning frequency of the scanning circuit is 60 Hz. FIG. 8 shows the relationship between the content of the neutral component and the response time in the liquid crystal display device of the present invention obtained as a result of the experiment. In the liquid crystal display device of the present invention, it has been found that the response time is about 17 ms or less for one frame time when the content of the neutral component is 40% by weight or more and the frame frequency is 60 Hz. Therefore, in the liquid crystal display device of the present invention, the content of the neutral component is set to 40% by weight or more. However, when the neutral component is 100%, Δε = 0, and the liquid crystal cannot be driven by an electric field. Therefore, in order to drive the liquid crystal, the content of the neutral component is required to be less than 100%, and in practice, the content of the neutral component is preferably 90% by weight or less.
[0034]
Furthermore, in the liquid crystal display device of the present invention, the response time depends not only on the viscosity of the liquid crystal but also on the cell gap, that is, Δn of the liquid crystal, as shown in equations 1 and 3. Therefore, in the liquid crystal display device of the present invention, the response time between the voltages giving the minimum luminance and the maximum luminance and γ1 / Δn. ² The relationship is shown in FIG. From this figure, to achieve a response time of 17 ms or less, γ1 / Δn ² ≦ 1.2 × 10 ^Four It was found that mPa · s is sufficient. At this time, the temperature at the time of measuring γ1 and Δn is 25 ° C. Further, not only the lowest luminance and the highest luminance are displayed on the liquid crystal screen, but also many images in the middle, that is, halftones are displayed. Therefore, the halftone response time is also important. In the horizontal electric field method used in the liquid crystal display of the present invention, the response time between halftones is about twice the response time between the lowest and highest luminance. Therefore, in order to set the response time between halftones to 17 ms or less, the response time between the lowest and highest luminances may be 8 ms. In that case, γ1 / Δn ² ≦ 6.0 × 10 ^Three It was found that mPa · s is sufficient.
[0035]
Next, the neutral component content and γ1 / Δn ² The correlation was examined. FIG. 10 shows the result. If the neutral component of the liquid crystal layer is 40% by weight or more, γ1 / Δn ² ≦ 1.2 × 10 ^Four It was found that mPa · s can be achieved.
[0036]
In the liquid crystal display device of the present invention, the parameter d · Δn when the refractive index anisotropy Δn and the thickness of the liquid crystal layer is d is
0.2 μm <d · Δn <0.4 μm
Is set. In a birefringence mode display method such as a transverse electric field method, the transmitted light intensity observed with a liquid crystal sandwiched between polarizing plates having orthogonal polarization axes is proportional to sin (πd · Δn / λ). Here, λ is the wavelength of light. In order to maximize the transmitted light intensity, d · Δn may be set to λ / 2, 3λ / 2, 5λ / 2, ..., but it is desirable to obtain white transmitted light while suppressing the wavelength dependency of the transmitted light. Sets λ / 2. That is, if light with high visibility of 550 nm is taken into consideration, d · Δn = 0.275 μm. This d · Δn may be practically at least in the range of 0.2 μm to 0.4 μm.
[0037]
The liquid crystal display device of the present invention is a horizontal electric field type liquid crystal display device having a spacer sandwiched between a pair of substrates, wherein the spacer sandwiched between the pair of substrates is in a non-display region. And This operation will be described below.
[0038]
As described above, when the content of the component of Δε ≦ 1 is increased in the liquid crystal layer, the viscosity of the liquid crystal layer is lowered, and high-speed response is possible. However, it has been found that the contrast decreases as the neutral component content increases. As a result of detailed studies, it has been found that the amount of light leakage around the spacer during black display increases with an increase in the component content of Δε ≦ 1. In the lateral electric field type liquid crystal display device of the present invention, as described above, the orientation control direction of the polarizing plate and the liquid crystal is arranged so as to be a black display at a low voltage, that is, so-called normally closed. When a spacer is present in the liquid crystal layer, the alignment direction of the liquid crystal is not uniform at the spacer-liquid crystal interface, which is different from the alignment control direction of the liquid crystal molecules at the liquid crystal-substrate interface. As a result, light leaks from the periphery of the spacer, increasing the luminance of black display, that is, reducing the contrast. The decrease in contrast due to light leakage from the periphery of the spacer is particularly remarkable in a normally closed liquid crystal display device. In the present invention, when the neutral component content is 40% by weight or more, the contrast is particularly lowered. As a result of detailed examination, it has been found that the significant decrease in contrast is caused by a significant increase in light leakage from the periphery of the spacer. Therefore, in order to clarify the cause of light leakage from the periphery of the spacer, a measurement cell shown in FIG. 11 was produced. In this measuring cell, a liquid crystal layer 1105 is sandwiched between glass substrates sandwiching a spacer 1104. A polyimide alignment film 1108 is formed on the glass substrate 1101 and the rubbing directions thereof are antiparallel to each other. In this cell,
(1) Neutral component: PCH302 (1- (4-ethoxyphenyl) -4-propylcyclohexane) and PCH304 (1- (4-butoxyphenyl) -4-propylcyclohexane) equivalent mixture (Δε = about 0)
(2) Large component of Δε: A mixed liquid crystal having a composition ratio of ZLI-1083 manufactured by Merck Co., Ltd. (Δε = about 10 (PCH means phenylcyclohexane) in a cyano PCH three-component mixture) was injected, Under the crossed Nicols of the polarizing plate, the alignment of the liquid crystal around the spacer was observed in a state where the rubbing direction of the cell and the polarization axis of one polarizing plate were matched. The reason why the equivalent mixture of PCH302 and PCH304 of (1) is used is that, as described above, it is effective in a horizontal electric field type liquid crystal display device to use at least 40% by weight or more of the liquid crystal of Δε ≦ 1. That is, the liquid crystal (1) was used as an example of a liquid crystal with Δε ≦ 1.
[0039]
As a result, in the case of the mixed liquid crystal of 50% by weight of the liquid crystal of (1) and 50% by weight of the liquid crystal of (2), a bright portion 1201 is observed around the spacer 1204 as shown in FIG. The outside of the bright part 1201 was a dark part. In the bright part 1201,

dark part lines

1202 and 1203 were observed in a cross shape in a direction coinciding with the polarization axis of the polarizing plate. When observed in detail using a polarizing microscope, it was assumed that the liquid crystal molecules 1301 were aligned around the spacer 1302 as shown in FIG. In FIG. 13A, only one molecule around the spacer 1302 is shown. Actually, however, a plurality of molecules substantially corresponding to the length in the radial direction of the bright portion 1201 in FIG. Oriented. In the dark part outside the bright part 1201, the liquid crystal molecules are aligned parallel to the rubbing direction. For this reason, outside the bright part 1201, since light cannot pass through the orthogonal polarizing plate, it is a dark part. As shown in FIG. 13A, the portion where the liquid crystal molecules 1301 around the spacer 1302 are aligned is only the portion where the alignment direction of the liquid crystal molecules 1301 coincides with the polarization axis of the polarizing plate. ) Are observed as

dark part lines

1202 and 1203. A portion where the alignment direction of the liquid crystal molecules 1301 is inclined with respect to the polarization axis of the polarizing plate is observed as a bright portion 1201 in FIG.
[0040]
Also, the periphery of the spacer in the case of (1) 45% by weight liquid crystal, (2) 55% liquid crystal mixed liquid crystal, and (1) 40% by weight liquid crystal, and (2) 60% liquid crystal mixed liquid crystal This is shown in FIGS. 12B and 12C. In these cases, unlike the case of the mixed liquid crystal of 50% by weight of the liquid crystal of (1) and 50% by weight of the liquid crystal of (2), the dark part line 1205 is placed in the bright part 1201 in a direction different from the polarization axis direction of the polarizing plate. 1205 newly appeared. As a result of detailed examination, it was presumed that the liquid crystal molecules 1301 were aligned on the surface of the spacer 1302 as shown in FIGS.
[0041]
Further, when these liquid crystals were injected into the liquid crystal display device shown in FIG. 1 and the contrast ratio was measured, (1) liquid crystal: (2) liquid crystal = 40 wt%: 60 wt%, (1) liquid crystal: (2) liquid crystal = 45 wt%: 55 wt%, (1) liquid crystal: (2) liquid crystal = 50 wt%: 50 wt%, and the contrast ratio was 200: 1, 160: 1, 100: 1. That is, the contrast decreased as the content of (1) liquid crystal, which is a liquid crystal of Δε ≦ 1, increased. In particular, when the neutral component is 50% by weight or more, light leakage is large and the contrast is greatly reduced. This is because when the content of the neutral component is large, the liquid crystal molecules on the spacer surface as described above are aligned as shown in FIG. 13 (a). It can be explained that this is because the light leakage at the center increases. That is, there is a trade-off between increasing the content of the liquid crystal component of Δε ≦ 1 and increasing the response speed and high contrast.
[0042]
Therefore, in order to avoid the trade-off and achieve both a low driving voltage and a high contrast, spacers are arranged outside the display area (pixel area) in the present invention. Thereby, even if light leakage increases around the spacer due to an increase in the content of the neutral component in the liquid crystal layer, the black luminance does not increase because the spacer does not exist in the display region. That is, high contrast can be realized. The non-display region in which the spacer is disposed is a non-light transmission region on the electrode substrate, for example, on the common electrode 102, the pixel electrode 103, and the video signal electrode 110 in FIG. On the substrate on which the color filter is formed, the non-light transmission region is on the black matrix 1410 (FIG. 14) which is a light shielding portion. As a method for disposing the spacer in the non-pixel region, a method of selectively disposing a spherical spacer in the non-pixel region, a method of forming a columnar spacer in the non-pixel region, or the like is used. As a method for forming the columnar spacer, it is possible to more easily form the spacer at a desired place by a photosensitive material and a photolithography process, and a method of forming this columnar spacer is more preferable. An example of a liquid crystal display device using the columnar spacer of the present invention is shown in FIG. This liquid crystal display device is an example in which a planarizing film 1407 and a columnar spacer 1412 on a color filter 1405 are formed simultaneously using a photosensitive resin. As described above, in the present invention, the neutral component content in the liquid crystal layer is set to 40% by weight or more, and the spacers are arranged in the non-display region, so that the response time can be shortened to one frame period or less and the black response can be achieved. High contrast was achieved by suppressing an increase in brightness during display.
[0043]
Furthermore, in the present invention, examples of such a component of Δε ≦ 1 include a compound having two cyclic structures in the molecule, and a compound in which the cyclic structure is a combination of a benzene ring and a cyclohexane ring. A typical structure of a compound having such a structure is shown in (Chemical Formula 8).
[0044]
[Chemical 8]

[0045]
(Wherein R1 and R2 are the same or different and are any of alkyl groups, alkenyl groups, and alkoxyl groups having 12 or less carbon atoms. X is an alkylene group, alkenylene group, carbon-carbon triple bond, ether group, Any of ester groups.)
Specific compound examples thereof are shown in (Chemical Formula 9).
[0046]
[Chemical 9]

[0047]
As described above, the compound having such a structure has a small dipole moment of almost 0, and therefore has a small intermolecular interaction, and thus can reduce the viscosity.
[0048]
Furthermore, the present invention is characterized in that a compound having a single ring structure having only one cyclic structure in the molecule is used as a constituent component of Δε ≦ 1. The specific compound is shown in (Chemical Formula 10).
[0049]
[Chemical Formula 10]

[0050]
A compound having a monocyclic structure has a lower viscosity than that of a bicyclic compound, and can achieve a faster response. As the monocyclic structure, a structure having only a benzene ring or a cyclohexane ring is more preferable. In addition, an alkyl group, an alkenyl group, or an alkoxyl group is preferably bonded to these rings. Such a monocyclic compound is particularly effective in reducing the viscosity, and is advantageous for achieving high-speed response. Further, since it is a single ring, the refractive index anisotropy Δn can be reduced, and the chromaticity change due to the viewing angle peculiar to the transverse electric field method can be reduced. This is because the visual chromaticity change in the horizontal electric field method changes the cell gap and Δn of the liquid crystal depending on the angle. Therefore, if Δn is originally small, the amount of change is also small, so that the chromaticity change by vision is reduced.
[0051]
In the liquid crystal display device of the present invention, the liquid crystal layer contains a component of Δε ≦ 1 by 40% by weight or more. Therefore, Δε decreases and the drive voltage increases. Therefore, in the present invention, in order to achieve a second object, a high-speed response and a high contrast, and a low driving voltage, 4-cyano-3-fluorophenyl, 4-cyano-3,5-difluorophenyl. A compound having a structure in the molecule is contained in the liquid crystal layer. Particularly desirable is a compound having a 4-cyano-3,5-difluorophenyl structure in the molecule. As described above, these compounds have high polarity and a large dipole moment, but also have a large Δε. For example, a compound having a fluorophenyl or difluorophenyl structure has a very large Δε of about 20 to 60. It is possible to increase Δε of the entire liquid crystal layer by adding a small amount. Examples of such compounds are shown in (Chemical Formula 11).
[0052]
Embedded image

[0053]
In the liquid crystal display device of the present invention, when an attempt was made to reduce the drive voltage using the liquid crystal composition of the above-described highly polar liquid crystal component and neutral component, a new problem occurred. That is a problem with the compatibility of liquid crystals. In the combination of the above high-polarity liquid crystal component and the neutral component, the compatibility, that is, the stability of the liquid crystal phase is remarkably lowered, and there is a problem that crystals are precipitated particularly at a low temperature.
[0054]
The compatibility problem in such liquid crystal formulations is that of IDW '97 Proseeings 41-44 (Y. Tanaka and S. Naemura IDW).
As described in '97 Proceedings p.41-44), it is treated as a problem of dissolution of an ideal solution, and it is studied to suppress precipitation of liquid crystal components at low temperatures. However, as a result of a similar attempt, it has been found that the actual low-temperature stability cannot be reproduced by handling the ideal solution. In particular, in the combination of a neutral component and a highly polar component as in the present invention, the compatibility problem cannot be solved by the above handling. Accordingly, in the present invention, the solubility parameter of the liquid crystal component is introduced in order to sufficiently consider the intermolecular interaction of the liquid crystal component and solve the compatibility problem. Specifically, the calculation method of the solubility parameter shown in Polymer Engineering Science, 1974, Vol. 14, p. 147 (RFFedors, Polym. Eng. Sci., 1974, Vol. 14, 147) was used. . As a result, the low temperature stability predicted by the calculation and the low temperature stability of the actual liquid crystal composition were in good agreement, and more useful knowledge could be obtained.
[0055]
In other words, the influence of intermolecular interaction on the compatibility of liquid crystals can be estimated by the solubility parameter. Therefore, a guideline for improving the low-temperature stability of the liquid crystal composition by considering the solubility parameter of the liquid crystal component is provided. I was able to get it.
[0056]
Therefore, a medium polarity liquid crystal component between a low polarity neutral component and a component having a high polarity 4-cyano-3-fluorophenyl or 4-cyano-3,5-difluorophenyl structure in the molecule is added. By doing so, it was found that the low temperature stability can be greatly improved.
[0057]
Specifically, the neutral component (compound 9) of Compound A was determined to have a solubility parameter of about 8.3. The solubility parameter of Compound B, which is a highly polar component (Chemical Formula 10), was determined to be about 11.8. Accordingly, during this time, a compound having a solubility parameter of 8.4 to 11.7 may be added. Further, the other neutral components generally have a solubility parameter of 9.2 or less, and the high polarity component used in the present invention has a solubility parameter of 10.8 or more. Components having a solubility parameter of .7 are preferred. As a result, it becomes possible to contain more highly polar components.
[0058]
The medium polarity component is more preferably Δε> 0. As a result, the liquid crystal composition has a larger Δε, and a lower driving voltage is possible. Specifically, a compound having a monofluorobenzene, difluorobenzene, trifluorinated benzene, monofluorinated cyclohexyl, difluorocyclohexyl, trifluorinated cyclohexyl, cyanobenzene, or cyanocyclohexyl in the molecule can be used.
[0059]
Since the neutral component is contained in the liquid crystal layer in an amount of 40 wt% or more and less than 100 wt%, substantially 40 wt% or more and 90 wt%, 60 wt% or less, substantially 10 wt% or more and 60 wt% or less. By including the medium polarity component and the high polarity component in the range, it becomes possible to significantly improve the low driving voltage and the low temperature stability.
[0060]
In the present invention, when an opaque material such as chromium is used for the electrode, the distance L between the pixel electrode and the common electrode, the refractive index anisotropy Δn of the liquid crystal layer, and the dielectric anisotropy Δε are expressed as LΔn / √Δε ≦ 0.55 μm is set, and further, LΔn / √Δε ≦ 0.4 μm is set. As can be seen from Equations 2 and 4, in the lateral electric field method, the drive voltage depends on the distance L between the pixel electrode and the common electrode, and Δn and Δε. Accordingly, the drive voltage decreases as L decreases, but when an opaque material is used for the electrode, the aperture ratio decreases, that is, the luminance decreases. Therefore, it is necessary to increase L to some extent. Actually, L is about 20 μm to 5 μm. As a result of the experiment, it was found that LΔn / √Δε ≦ 0.55 μm is necessary to obtain a drive voltage that can be driven by the current drive driver. Furthermore, it is more preferable that LΔn / √Δε ≦ 0.4 μm.
[0061]
In the present invention, furthermore, the refractive index anisotropy Δn and the dielectric anisotropy Δε of the liquid crystal layer satisfy Δn / √Δε ≦ 5.5 × 10. ^-2 And Δn / √Δε ≦ 2.7 × 10 ^-2 Set to. The operation will be described below.
[0062]
On the other hand, when a transparent material such as indium-tin-oxide is used for the electrode, even if L is made small, there is almost no decrease in luminance, and the drive voltage can be reduced. However, as a result of experiments, it was found that L = 0, that is, even if the pixel electrode and the common electrode are vertically stacked as shown in FIGS. 5 and 7, the drive voltage cannot be reduced to zero. Therefore, when L is small, it is necessary to review Equation 2 and Equation 4. When experimentally confirmed, when L = 0, Δn / √Δε ≦ 5.5 × 10 ^-2 It was found that the voltage could be driven by the current drive driver.
[0063]
Further, the drive voltage can be lowered by setting Δε ≧ 7 and twist elastic constant K22 ≦ 5.5 pN of the liquid crystal layer.
[0064]
Examples of the present invention will be specifically described below.
[Example 1]
First, a method of manufacturing the active matrix type liquid crystal display device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. A common electrode 402 and a scanning signal electrode 414 are formed on the glass substrate 401. Further, an insulating film 404 is formed on these electrodes, and further, a TFT 415 including a video signal electrode 410, a pixel electrode 403, and amorphous silicon 416 is formed thereon. In the first embodiment, the common electrode 402 and the pixel electrode 403 are made of chromium, which is an opaque material in the visible light region. The interval between the common electrode 402 and the pixel electrode 403 is 13 μm. Further, an insulating layer 404 is formed thereon. Further, the pixel is divided into four by a common electrode 402 and a pixel electrode 403 that are parallel to the video signal electrode 410. An alignment film 408 is formed on a substrate having this electrode group using an optomer AL3046 manufactured by JSR Corporation. After the alignment film is formed, an alignment process is performed on the film surface by a rubbing method.
[0065]
Next, in FIG. 14, a color filter 1405 and a black matrix 1411 are formed on a substrate 1401 ′ opposite to the substrate 1401 having the TFT 415. A planarization film 1407 is formed over the color filter 1405. At this time, a photosensitive resin is used for the planarization film 1407, and columnar spacers 1412 are formed on the black matrix 1411 simultaneously with the formation of the planarization film 1407 by photolithography. An alignment film 1408 was formed in the same manner as the substrate 1401 and rubbed. Both

substrates

1401 and 1401 ′ were opposed to each other so that the rubbing directions were the same, and were bonded together with a sealant (not shown). In this example, the substrate gap d was about 3.1 μm. After injecting liquid crystal between the substrates,

polarizing plates

1409 and 1409 ′ are attached to manufacture the liquid crystal element shown in FIG. The polarizing plate 1409 has its polarization transmission axis substantially coincident with the rubbing direction, and the polarization transmission axis of the other polarizing plate 1409 ′ is substantially orthogonal thereto. FIG. 3 shows the relationship. Thereby, a so-called normally closed characteristic in which the transmittance increases with an increase in the voltage applied to the liquid crystal layer can be obtained.
[0066]
Next, as shown in FIG. 15, a driving LSI is connected, a vertical scanning circuit 1501, a video signal driving circuit 1502, and a common electrode driving circuit 1503 are connected on the TFT substrate, and a scanning signal voltage and video are supplied from the power supply circuit and controller 1504. An active matrix liquid crystal display device was manufactured by supplying a signal voltage and a timing signal. In the figure, 1505 is a common electrode wiring, 1506 is a video signal electrode wiring, and 1507 is a scanning signal electrode wiring. The scanning frequency of the liquid crystal display device of this embodiment is 60 Hz.
[0067]
FIG. 16 is an exploded perspective view showing each component of the liquid crystal display module 1601 of the present invention. 1602 is a frame-shaped shield case (metal frame) made of a metal plate, 1603 is its display window, 1606 is a liquid crystal display panel, 1605 is a power circuit board, 1607 is a light diffusing plate, 1608 is a light guide, and 1609 is a reflector. , 1610 is a backlight fluorescent tube, and 1611 is a backlight case. The module 1601 is assembled by stacking the members in the vertical arrangement as shown in the figure. An inverter circuit board 1612 is connected to the backlight fluorescent tube 1610 and serves as a power source for the backlight fluorescent tube 1610. In the figure, 1613 is a vertical scanning circuit (1501 in FIG. 15), and 1604 is a video signal driving circuit (1502 in FIG. 15). The liquid crystal display panel 1606 of this embodiment has a resolution of XGA (1024 × 768 × 3 dots) with a diagonal of 15.0 inches.
[0068]
Next, as a comparative example, a liquid crystal display panel in which spherical spacers were dispersed between substrates instead of columnar spacers was also produced. FIG. 17 shows a cross-sectional view of the liquid crystal display panel. The method for manufacturing the substrate is the same as that of the liquid crystal display panel described above, but the columnar spacers were not formed when the planarizing film 1707 was manufactured. When the substrates were bonded together, spherical spacers 1711 were dispersed on the substrate. Other device manufacturing methods are the same as those of the liquid crystal display device described above.
[0069]
The liquid crystal material used in this example is a liquid crystal material having a cyanophenyl group, 15% by weight of a liquid crystal compound having a phenylcyclohexane skeleton and 25% by weight of a liquid crystal compound having a bicyclohexyl skeleton as Δε ≦ 1. A liquid crystal composition (I) comprising 15% by weight of a compound and a liquid crystal compound having 4-cyano-3,5-difluorophenyl group and 45% by weight of a liquid crystal compound having 3,4,5-trifluorophenyl group. . When the physical properties of this liquid crystal composition were measured (25 ° C.), γ1 = 88 mPa · s, Δn = 0.094, Δε = 8.5, K22 = 5.5 pN. Therefore, in the liquid crystal display device of this embodiment, γ1 / Δn ² = 1.0 × 10 ^Four mPa · s, d · Δn is 0.291. Further, LΔn / √Δε = 0.42 <0.55.
[0070]
When this liquid crystal composition (I) was applied to the liquid crystal display device described above, the liquid crystal response time when the voltage giving the lowest luminance was switched to the voltage giving the highest luminance was 14 ms. Therefore, one frame period of this embodiment, that is, 1/60 = 16.7 ms or less.
[0071]
The contrast ratios of the liquid crystal display device using the columnar spacers shown in FIG. 14 and the liquid crystal display device using the spherical spacers shown in FIG. 17 were 350: 1 and 200: 1, respectively. When the liquid crystal alignment around the spacer of the liquid crystal display device using the spherical spacer was observed with a microscope, the alignment was almost the same as in FIG.
[0072]
In addition, a voltage sufficient to give the maximum luminance can be applied to the liquid crystal by the driving IC.
[Example 2]
In a liquid crystal display device manufactured by the same method as in Example 1, a liquid crystal material having Δε ≦ 1 is 16% by weight of a liquid crystal compound having a phenylcyclohexane skeleton and 29% by weight of a liquid crystal compound having a bicyclohexyl skeleton. 20% by weight of a liquid crystal compound having a cyano-3-fluorophenyl group and a liquid crystal compound having a 4-cyano-3,5-difluorophenyl group, and 35% of a liquid crystal compound having a 3,4,5-trifluorine phenyl group A liquid crystal composition (II) by weight% was injected. The physical properties of this liquid crystal composition were γ1 = 75 mPa · s, Δn = 0.096, and Δε = 9.0. Therefore, in the liquid crystal display device of this embodiment, γ1 / Δn ² = 8.14 × 10 ^Three mPa · s, d · Δn is 0.298. Further, LΔn / √Δε = 0.42 <0.55.
[0073]
Furthermore, in the liquid crystal display device of this example, the liquid crystal response time when the voltage giving the minimum luminance was switched to the voltage giving the maximum luminance was 13 ms. Therefore, it was 1 frame period, that is, 1/60 = 16.7 ms or less.
[0074]
The contrast ratios of the liquid crystal display device using columnar spacers and the liquid crystal display device using spherical spacers were 340: 1 and 190: 1, respectively. When the liquid crystal alignment around the spacer of the liquid crystal display device using the spherical spacer was observed with a microscope, the alignment was almost the same as in FIG.
[0075]
In addition, a voltage sufficient to give the maximum luminance can be applied to the liquid crystal by the driving IC.
[Example 3]
In a liquid crystal display device manufactured by the same method as in Example 1, as a liquid crystal material of Δε ≦ 1, 10% by weight of a liquid crystal compound having a phenylcyclohexane skeleton, 30% by weight of a liquid crystal compound having a bicyclohexyl skeleton, and a liquid crystal having a phenylbicyclohexane skeleton 10% by weight of the compound, 50% by weight in total, 25% by weight of the liquid crystal compound having 4-cyano-3-fluorophenyl group and the liquid crystal compound having 4-cyano-3,5-difluorophenyl group, 3,4, A liquid crystal compound having a 5-trifluorine phenyl group was injected with 25% by weight of a liquid crystal composition (III). The physical properties of this liquid crystal composition were γ1 = 70 mPa · s, Δn = 0.096, and Δε = 9.0. Therefore, in the liquid crystal display device of this embodiment, γ1 / Δn ² = 7.6 × 10 ^Three mPa · s, d · Δn is 0.298. Further, LΔn / √Δε = 0.42 <0.55.
[0076]
Furthermore, in the liquid crystal display device of this example, the liquid crystal response time when switching from the voltage giving the lowest luminance to the voltage giving the highest luminance was 12 ms. Therefore, it was 1 frame period, that is, 1/60 = 16.7 ms or less.
[0077]
The contrast ratios of the liquid crystal display device using columnar spacers and the liquid crystal display device using spherical spacers were 340: 1 and 150: 1, respectively. When the liquid crystal display around the spacer of the liquid crystal display device using the spherical spacer was observed with a microscope, the alignment was almost the same as in FIG.
[0078]
In addition, a voltage sufficient to give the maximum luminance can be applied to the liquid crystal by the driving IC.
[Example 4]
A liquid crystal display device manufactured by the same method as in Example 1 was used. As a liquid crystal material satisfying Δε ≦ 1, 20% by weight of a liquid crystal compound having a phenylcyclohexane skeleton, 10% by weight of a liquid crystal compound having a bicyclohexyl skeleton, and a liquid crystal compound having a phenylbicyclohexane skeleton 10% by weight, dialkenyloxybenzene derivative 10% by weight in total 50% by weight, liquid crystal compound having 4-cyano-3-fluorophenyl group and liquid crystal compound having 4-cyano-3,5-difluorophenyl group 25% by weight of a liquid crystal compound having a 3,4,5-trifluorophenyl group and 25% by weight of a liquid crystal composition (IV) was injected. The physical properties of this liquid crystal composition were γ1 = 65 mPa · s, Δn = 0.093, and Δε = 8.5. Therefore, in the liquid crystal display device of this embodiment, γ1 / Δn ² = 7.5 × 10 ^Three mPa · s, d · Δn is 0.288. Further, LΔn / √Δε = 0.41 <0.55.
[0079]
Furthermore, in the liquid crystal display device of this example, the liquid crystal response time when the voltage giving the minimum luminance was switched to the voltage giving the maximum luminance was 11 ms. Therefore, it was 1 frame period, that is, 1/60 = 16.7 ms or less.
[0080]
The contrast ratios of the liquid crystal display device using columnar spacers and the liquid crystal display device using spherical spacers were 350: 1 and 150: 1, respectively. When the liquid crystal display around the spacer of the liquid crystal display device using the spherical spacer was observed with a microscope, the alignment was almost the same as in FIG.
[0081]
In addition, a voltage sufficient to give the maximum luminance can be applied to the liquid crystal by the driving IC.
[Example 5]
A liquid crystal display device manufactured by the same method as in Example 1 was prepared. As a liquid crystal material of Δε ≦ 1, 30% by weight of a liquid crystal compound having a phenylcyclohexane skeleton and 20% by weight of a liquid crystal compound having a bicyclohexyl skeleton were used. 20% by weight, dialkenyloxybenzene derivative 10% by weight, total 80% by weight, liquid crystal compound having 4-cyano-3,5-difluorophenyl group, 10% by weight, 3,4,5-trifluorophenyl A liquid crystal composition (V) containing 10% by weight of a liquid crystal compound having a group was injected. The physical properties of this liquid crystal composition were γ1 = 55 mPa · s, Δn = 0.096, and Δε = 5.5. Therefore, in the liquid crystal display device of this embodiment, γ1 / Δn ² = 6.0 × 10 ^Three mPa · s, d · Δn is 0.298. LΔn / √Δε = 0.53 <0.55.
[0082]
Furthermore, in the liquid crystal display device of this example, the liquid crystal response time when the voltage giving the minimum luminance was switched to the voltage giving the maximum luminance was 7 ms. Therefore, it was 1 frame period, that is, 1/60 = 16.7 ms or less. Further, when the response time between halftones was measured, it was 16 ms even in the case of the slowest halftone response, which was a response time of one frame period or less.
[0083]
The contrast ratios of the liquid crystal display device using columnar spacers and the liquid crystal display device using spherical spacers were 350: 1 and 140: 1, respectively. When the liquid crystal display around the spacer of the liquid crystal display device using the spherical spacer was observed with a microscope, the alignment was almost the same as in FIG.
[Example 6]
Next, an active matrix liquid crystal display device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. A significant difference from the liquid crystal display device described in Embodiment 1 is that the material of the pixel electrode 703 and the common electrode 702 is ITO, which is a transparent conductor.
[0084]
A common electrode 702 and a scanning signal electrode 714 are formed on the glass substrate 701. Further, an insulating film 704 is formed on these electrodes, and a TFT 715 made of a video signal electrode 710, a source electrode 717, and amorphous silicon 716 is further formed thereon. Further, a pixel electrode 703 is formed on the insulating layer 704 ′. The source electrode and the pixel electrode 703 are electrically connected. An alignment film 708 is formed on the substrate having this electrode group by using Optomer AL3046 manufactured by JSR Corporation. After the alignment film is formed, an alignment process is performed on the film surface by a rubbing method. The other liquid crystal display device was produced in the same manner as in Example 1, and a liquid crystal display device using columnar spacers and a liquid crystal display device using spherical spacers as comparative examples were produced. Note that the layer order of each electrode in the direction perpendicular to the substrate surface is not limited to the layer order of this embodiment.
[0085]
The liquid crystal composition (V) described in Example 5 was injected into the manufactured liquid crystal display device. In this case, Δn / √Δε = 4.2 × 10 ^-2 ≦ 5.5 × 10 ^-2 It becomes.
[0086]
In the liquid crystal display device of this example, the liquid crystal response time when switching from the voltage giving the lowest luminance to the voltage giving the highest luminance was 7 ms. Therefore, it was 1 frame period, that is, 1/60 = 16.7 ms or less. Further, when the response time between halftones was measured, it was 15 ms even in the case of the slowest halftone response, which was a response time of one frame period or less.
[0087]
The contrast ratios of the liquid crystal display device using columnar spacers and the liquid crystal display device using spherical spacers were 350: 1 and 140: 1, respectively. Further, when the liquid crystal alignment around the spacer of the liquid crystal display device using the spherical spacer was observed with a microscope, the alignment was almost the same as in FIG.
[0088]
In addition, a voltage sufficient to give the maximum luminance can be applied to the liquid crystal by the driving IC.
[Example 7]
In a liquid crystal display device manufactured by the same method as in Example 6, as a liquid crystal material of Δε ≦ 1, 25% by weight of a liquid crystal compound having a phenylcyclohexane skeleton, 20% by weight of a liquid crystal compound having a bicyclohexyl skeleton, and a liquid crystal compound having a phenylbicyclohexane skeleton 20% by weight, dialkenylcyclohexane derivative 10% by weight, dialkenyloxybenzene derivative 10% by weight, total 85% by weight, liquid crystal compound having 4-cyano-3,5-difluorophenyl group 10% by weight, A liquid crystal compound having a 3,4,5-trifluorinated phenyl group was injected with 5% by weight of the liquid crystal composition (VI). The physical properties of this liquid crystal composition were γ1 = 45 mPa · s, Δn = 0.94, and Δε = 4.5. Therefore, in the liquid crystal display device of this embodiment, γ1 / Δn ² = 5.1 × 10 ^Three mPa · s, d · Δn is 0.291. Δn / √Δε = 4.4 × 10 ^-2 ≦ 5.5 × 10 ^-2 It becomes.
[0089]
Further, in the liquid crystal display device of this example, the liquid crystal response time when switching from the voltage giving the lowest luminance to the voltage giving the highest luminance was 5 ms. Therefore, it was 1 frame period, that is, 1/60 = 16.7 ms or less. Further, when the response time between halftones was measured, even the slowest halftone response was 11 ms, which was a response time of one frame period or less.
[0090]
The contrast ratios of the liquid crystal display device using columnar spacers and the liquid crystal display device using spherical spacers were 350: 1 and 135: 1, respectively. When the liquid crystal display around the spacer of the liquid crystal display device using the spherical spacer was observed with a microscope, the alignment was almost the same as in FIG.
[0091]
In addition, a voltage sufficient to give the maximum luminance can be applied to the liquid crystal by the driving IC.
[0092]
According to the present invention, in a normally closed lateral electric field type liquid crystal display device, the component of the dielectric anisotropy Δε ≦ 1 in the liquid crystal composition is adjusted to 40 wt% or more and less than 100 wt% by adjusting the liquid crystal composition. Thus, high-speed response with a response time of one frame period or less can be achieved. Further, by adjusting the liquid crystal composition, the rotational viscosity coefficient γ1 and the refractive index anisotropy Δn of the liquid crystal layer are set to 1 × 10. ^Three mPa · s ≦ γ1 / Δn ² ≦ 1.2 × 10 ^Four Even with mPa · s, high-speed response with a response time of one frame period or less can be achieved. Furthermore, high contrast can be achieved by arranging the spacers in the non-display area.
[0093]
【The invention's effect】
A liquid crystal display device capable of high-speed response and high contrast can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an operation principle of liquid crystal in a horizontal electric field type liquid crystal display device of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing angles formed by a liquid crystal molecule major axis alignment direction and a polarizing plate transmission axis with respect to an electric field direction in the liquid crystal display device of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the orientation direction of liquid crystal molecules and the polarization transmission axis of a polarizing plate in the liquid crystal display device of the present invention.
4A and 4B are schematic views showing a plane and a cross section showing the arrangement of an electrode group, an insulating film, and an alignment film in a unit pixel portion of the liquid crystal display device of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view showing an operation principle of liquid crystal in a horizontal electric field type liquid crystal display device of the present invention.
6 is a schematic view showing a plane and a cross section showing the arrangement of an electrode group, an insulating film, and an alignment film in a unit pixel portion of the liquid crystal display device of the present invention. FIG.
7A and 7B are schematic views showing a plane and a cross section showing the arrangement of an electrode group, an insulating film, and an alignment film in a unit pixel portion of the liquid crystal display device of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the content of neutral components in the liquid crystal layer and the response time in the horizontal electric field mode liquid crystal display device of the present invention.
FIG. 9 shows the liquid crystal material γ1 / Δn in the horizontal electric field mode liquid crystal display device of the present invention. ² The figure which shows the relationship between response time.
FIG. 10 shows γ1 / Δn of the liquid crystal material used in the example of the present invention. ² The figure which shows the relationship between the content of and a neutral component.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a measuring cell for observing a liquid crystal alignment state around a spacer.
FIG. 12 is a schematic diagram showing a component amount of Δε ≦ 1 in a liquid crystal layer and a state of light leakage around a spacer in the liquid crystal display device of the present invention.
FIG. 13 is a schematic diagram showing an estimated alignment state of liquid crystal molecules around a spacer.
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of a pixel portion of a liquid crystal display device using columnar spacers in an example of the present invention.
FIG. 15 illustrates an example of a circuit system configuration in the liquid crystal display device according to the first embodiment.
16 is an exploded perspective view showing each component of the liquid crystal display device according to Embodiment 1. FIG.
FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of a pixel portion of a liquid crystal display device using a spherical spacer in an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
101, 101 ', 401, 501, 501', 601, 701, 1101, 1401, 1701, 1701 '... substrate, 102, 402, 502, 602, 702, 1402, 1702 ... common electrode, 103, 403, 503 603, 703, 1403 ... pixel electrode, 404, 604, 704, 704 ', 1404, 1704 ... insulating layer, 1405 ... color filter, 106, 506, 1406, 1706 ... liquid crystal molecule, 1407, 1707 ... flattening film, 108 , 108 ′, 408, 508, 608, 708, 1103, 1408, 1708... Orientation film, 109, 109 ′, 509, 509 ′, 1102, 1409, 1709, 1709 ′ ... polarizing plate, 110, 410, 510, 610 , 710, 1410, 1710... Video signal electrodes, 111, 201, 01, 301 '... orientation direction of liquid crystal, 202, 302, 302' ... polarization transmission axis direction of polarizing plate, 113, 203, 513 ... electric field direction, 414, 614, 714 ... scanning signal electrode, 415, 615, 715 ... TFT elements, 416, 616, 716 ... amorphous silicon, 717 ... source electrode, 1501, 1613 ... vertical scanning circuit, 1502, 1604 ... video signal driving circuit, 1503 ... common electrode driving circuit, 1504 ... power supply circuit and controller, 1505 ... Common electrode wiring, 1506 ... Video signal electrode wiring, 1507 ... Scanning signal electrode wiring, 1104, 1204, 1711 ... Spherical spacer, 1105 ... Liquid crystal layer, 1601 ... Liquid crystal display module, 1602 ... Shield case, 1603 ... Display window, 1606 ... Liquid crystal display panel, 1607 ... Light diffusion plate, 1608 ... Light body, 1609 ... reflector, 1610 ... backlight fluorescent tube, 1611 ... backlight case, 1612 ... inverter circuit board, 1605 ... power circuit board, 1201 ... bright part, 1202, 1203, 1205, 1206 ... dark part line, 1412 ... columnar spacers, 1411, 1705 ... black matrix.

Claims

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うち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、かつ下の化学式からなる群より選ばれた構造を有する液晶成分を含む液晶表示装置。

（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）A pair of substrates spaced by spacers;
A liquid crystal layer filled between the pair of substrates;
In order to apply an electric field to the liquid crystal layer, an electrode group formed on one of the pair of substrates and a pair of polarizing plates arranged with the liquid crystal layer interposed therebetween and having polarization axes substantially orthogonal to each other are provided. A liquid crystal display device,
Placing the spacer in a non-display area;
The liquid crystal layer includes a liquid crystal component containing a constituent having a dielectric anisotropy | Δε | ≦ 1 of 40 wt% or more and less than 100 wt% and having a structure selected from the group consisting of the following chemical formulas: .

(Wherein X1 and X2 represent H or F. A represents a benzene ring or a cyclohexane ring)

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≦１.２×１０⁴ｍＰａ・ｓを満たす請求項１に記載の液晶表示装置。The liquid crystal display according to claim 1, wherein the rotational viscosity coefficient γ1 and refractive index anisotropy Δn of the liquid crystal layer satisfy 1 × 10 ³ mPa · s ≦ γ1 / Δn ² ≦ 1.2 × 10 ⁴ mPa · s. apparatus.

請求項１，２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。The liquid crystal display device according to any one of claims 1 and 2,
A liquid crystal display device, wherein the spacer is a structure formed on one substrate.

請求項１，２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,誘電率異方性Δεとが、Δｎ／√Δε≦５.５×１０^-2の関係を満たす液晶表示装置。The liquid crystal display device according to any one of claims 1 and 2,
A liquid crystal display device wherein the refractive index anisotropy Δn and the dielectric anisotropy Δε of the liquid crystal layer satisfy a relationship of Δn / √Δε ≦ 5.5 × 10 ⁻² .