液晶表示装置

【課題】液晶表示装置（ＬＣＤ）は、低温環境下において液晶粘度が高くなるために、そのレスポンスが極めて遅くなるという問題がある。そこで低温環境下で液晶表示装置の応答速度を向上させる。
【解決手段】液晶層に赤外波長の光を吸収するナノメートルサイズの金属粒子が、Ａｕ、Ａｇ／Ｐｄ合金、Ｔｌであり、赤外波長の光を吸収するナノメートルサイズの金属粒子を前記液晶層を主に構成する液晶材料に対して、０．０２ｗｔ％〜１．０ｗｔ％の範囲で添加された液晶セルと、赤外波長の光を照射する装置とを含む液晶表示装置を提供する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶表示装置に関し、特に低温環境下での使用に適した液晶表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置（ＬＣＤ）は、低温環境下において液晶粘度が高くなるために、そのレスポンスが極めて遅くなるという問題がある。レスポンスが遅いと動画像にボケが生じたり、前の画像が残ってしまったりし、表示品位を著しく損なう。特に車載、戸外表示板、携帯電話、携帯テレビなどに用いられる液晶表示装置において、低温環境下での応答速度の向上が望まれている。
【０００３】
その対策として、特開２００４−９３８４１号公報には、ガラス基板上に設けた平面発熱源により、液晶セル全体を加熱するパネルヒータを採用した液晶表示装置が提案されている。また、特開２００５−２４８６６号公報には、熱源として赤外線ＬＥＤを採用し、ライトガイドでセル全面に対して照射を行う液晶表示装置が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−９３８４１号公報
【特許文献２】特開２００５−２４８６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特開２００４−９３８４１号公報に記載の提案では、本来加熱すべき液晶層を直接加熱することが出来ず、ガラス基板や偏光板を介して加熱を行うため、熱効率が低い。従って、電力の限られた携帯機器においては採用が難しい。
【０００６】
特開２００５−２４８６６号公報に記載の提案では、照射された赤外線の吸収は主に偏光板で行われると考えられ、加熱すべき液晶層については液晶材料自身の赤外線吸収特性に依存するため、熱効率が低いと考えられる。
【０００７】
本発明の目的は、低温環境下での応答速度を向上させた液晶表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一観点によれば、液晶層に赤外波長の光を吸収するナノメートルサイズの金属粒子が添加された液晶セルと、赤外波長の光を照射する装置とを含む液晶表示装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
低温環境下において、液晶表示装置の応答速度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１に、実施例による液晶表示装置の概略断面図を示す。本発明の実施例による液晶表示装置は、主に液晶表示部１０１と、ライトユニット１０２（ここではバックライトユニット）で構成される。ライトユニット１０２の光源は、例えば通常のバックライトで用いるＬＥＤと、近赤外線を照射するＩＲ（赤外）ＬＥＤとで構成される。液晶表示部１０１とライトユニット１０２との間に拡散板１０３を設ける。
【００１１】
通常のＬＣＤは液晶をガラス基板で挟む。ガラス基板の、波長３μｍ程度以上の赤外線透過率は低い。赤外線を用いて液晶層を加熱する場合、ガラス基板では吸収されず、液晶層で吸収されることが望ましい。
【００１２】
発明者らは、ガラス基板での吸収を低減するために波長３μｍ以下の赤外線を用い、さらに、液晶表示部の液晶にナノメートルサイズの金属粒子を添加して、約３μｍ以下の近赤外線を液晶層で吸収させ、液晶表示部の応答速度の向上を図ることを意図した。近赤外線を照射することにより、ガラス基板を透過した近赤外線が、液晶層に直接吸収され、その吸収された光のエネルギーによって液晶層を加熱することが狙いである。従って、ライトユニット１０２には、少なくとも１種類の近赤外発光装置が含まれる。一般的な近赤外線発光装置としては、波長７８０ｎｍ〜９６０ｎｍの近赤外ＬＥＤ（発光層：ＧａＡｓ系化合物半導体等）が用いられる。
【００１３】
（実施例１）
図２に、液晶表示部１０１の断面図を示し、その作成方法について説明する。実施例１では液晶セルがＳＴＮ（スーパーツイステッドネマチック）液晶セルであるイエローモードポジの液晶表示部１０１の態様を述べる。
【００１４】
２つのガラス基板１Ａ、１Ｂの各々の上に透明であるＩＴＯ膜をＣＶＤ、蒸着、スパッタなどにより形成し、フォトリソグラフィーにて所望のＩＴＯ電極パターン２および外部取出し配線２ｌを形成する。ＩＴＯ電極パターン２が付いたガラス基板上にフレキソ印刷にて絶縁膜４を形成する。この絶縁膜４は必須では無いが、上下基板間の短絡防止のため形成することが望ましい。絶縁膜形成方法としてフレキソ印刷の他に、メタルマスクを用い、蒸着やスパッタなどの方法を行っても良い。
【００１５】
次に、絶縁膜４の上に絶縁膜４とほぼ同じパターンの配向膜５をフレキソ印刷等で形成する。ＳＴＮ−ＬＣＤの場合、プレチルト角（基板平面からの液晶分子の傾き角）は２°〜８°が望ましい。実施例１ではＳＥ−６１０（日産化学製）を用いる。
【００１６】
次にラビング処理を施す。ラビングは布を巻いた円筒状のロールを高速に回転させ、配向膜５上を擦る工程である。実施例１では、上下基板間の液晶３の捩れ角が２４０°（左捩れ）になるよう処理を行う。
【００１７】
シール材６を所定のパターンにスクリーン印刷する。シール材６の形成にはスクリーン印刷の代わりにディスペンサを用いても良い。シール材には熱硬化性のＥＳ−７５００（三井化学製）を用いるが、光硬化性のものや、光・熱併用型シール材でも良い。このシール材６には直径６μｍの大きさのグラスファイバーを数％含んでいる。
【００１８】
導通材７を所定の位置に印刷する。ここではシール材ＥＳ−７５００に６．５μｍのＡｕ鍍金を施したスチレンボールを数％含んだものを導通材７として所定の位置にスクリーン印刷する。
【００１９】
シール材パターン６及び導通材パターン７は上側の基板１Ｂにのみ形成し、下側の基板１Ａにはギャップコントロール材を乾式散布法にて散布する。ギャップコントロール材には６μｍのプラスチックボールを用いるが、シリカから成る真絲球を用いても良い。
【００２０】
２つの基板１Ａ、１Ｂを、配向膜５が内側になるよう所定の位置で重ね合わせセル化し、プレスした状態で熱処理によりシール材６を硬化する。
【００２１】
次にスクライバー装置によりガラス基板に傷をつけ、ブレイキングにより所定の大きさ、形に分割して空セルを作成する。
【００２２】
上記の空セルに毛細管現象を利用した注入法でナノメートルサイズの金属粒子含有液晶３を注入し、その後エンドシール材で注入口を封止する。その後ガラス基板の面取りと洗浄を行い、液晶セル１０１ｃを作成する。
【００２３】
注入するナノメートルサイズの金属粒子含有液晶３について説明する。一般的なＳＴＮ用液晶ＬＣ４（大日本インキ化学工業社製、複屈折率Δｎ：０．１１８、誘電率異方性Δε：９．２）に三菱マテリアル製のナノメートルサイズのロッド形状（短手方向１０〜２０ｎｍ、長手方向５０〜１００ｎｍ）のＡｕ（金）粒子を０．５ｗｔ％添加し、ナノメートルサイズの金属粒子含有液晶ＬＣ４＋Ａｕを調製する。
【００２４】
この液晶セル１０１ｃについて、分光透過率を測定した。
【００２５】
図３Ａに、測定系を示す。図示のように、液晶セル１０１ｃの下（背面）基板側に分光機能付き投光機９、上（前面）基板側に検光機１０を配置する。電圧無印加時における液晶表示部１０１通過前の投光機９からの光強度を１００％とした場合の検光機１０で検出される光の強度を透過率（％）として測定した。
【００２６】
図４に、可視領域〜近赤外領域の分光透過率を示す。比較のために、Ａｕ粒子を添加していない液晶ＬＣ４のみを注入した液晶セルの分光透過率も示す。図４に示すように、ＬＣ４にＡｕ粒子を添加した液晶層を有する液晶セルの方が、近赤外領域の透過率が低い。このデータから、Ａｕ粒子含有液晶が近赤外線を吸収していることが分かる。また、波長が７８０ｎｍ以下の可視域（実施例１はイエローモードであるから特に黄色領域に注目する）の透過率については双方とも透過率がほとんど変わらないことから、Ａｕ粒子を添加することによる、液晶の黄色視域における透過率への影響はほとんど無いと考えられる。
【００２７】
次に、液晶セルに偏光板８をクロスニコル配置で貼り付けＳＴＮモードの液晶表示部１０１を完成する。
【００２８】
完成した液晶表示部１０１の低温（−２０℃、−３０℃）下でのレスポンス特性（１／６４Ｄｕｔｙ駆動、最適電圧にて）を測定した。
【００２９】
図３Ｂに測定系を示す。測定にはＬＣＤ−５０００（大塚電子製）を用いた。まず、電圧を印加しつつ、投光機９から発せられ、液晶表示部１０１を通過した光を検光機１０にて測定し、電圧−コントラスト特性の測定を行った。その特性から最大コントラストを得られる最適電圧を求め、背面側から液晶表示部の液晶層に向けて近赤外線を照射しつつ、最適電圧でのレスポンス特性の測定を低温下で行った。レスポンスの測定は、近赤外線照射前（照射時間０）と照射後１分、３分、５分後にそれぞれ行い、比較した。
【００３０】
図５Ａ、図５Ｂに、ＬＣ４＋Ａｕを注入した液晶表示部の応答時間の表を示す。それぞれの表において、照射時間とは、近赤外線を照射した時間のことである。ここでは近赤外線の照射に５０ｍｗ（波長９４０ｎｍ）のＬＥＤを用いた。セルとＬＥＤとの距離は約５０ｍｍであった。それぞれの表において、近赤外線の照射時間に対する応答時間（Ｒｉｓｅ＋Ｄｅｃａｙ）を比較する。図５Ａ、図５Ｂに示すように、ＬＣ４＋Ａｕの液晶を用いた液晶表示部は、近赤外線を照射しない場合に比べ、近赤外線を照射した場合に応答時間が減少している。照射時間を３分、５分と長くした場合の応答時間については１分の場合とほとんど変わらず、応答時間はＬＥＤを照射しない場合に比べて少なくとも約８％短縮している。従って、照射時間は１分程度で十分に応答時間減少の効果を発揮するといえる。なお、図５Ａ、図５Ｂそれぞれの表に対応する液晶セルは互いに独立に作成されたものであり、セルの最適化は行っていないため、互いの表の応答時間に関しては比較できない。発明者らは、ナノメートルサイズのＡｕ粒子を液晶に添加することによって、液晶層のＡｕ粒子が近赤外線を吸収し、吸収した近赤外線のエネルギーが熱エネルギーとなって液晶層を加熱し、液晶の応答時間を短縮させたと考察した。
（実施例２）
実施例２では、垂直配向型ＬＣＤの場合の態様を説明する。一般的な垂直配向ＬＣＤ用液晶Ｍ４（メルク社製、Δｎ：０．０９４、Δε：−３．３）に宇部興産製のＡｇとＰｄの合金であるナノメートルサイズのＡｇ／Ｐｄ合金粒子（２ｎｍ−１０ｎｍ程度の大きさ）を０．１ｗｔ％添加し、ナノメートルサイズの金属粒子含有液晶Ｍ４＋Ａｇ／Ｐｄを調製する。
【００３１】
このナノメートルサイズの金属粒子含有液晶Ｍ４＋Ａｇ／Ｐｄを用いて垂直配向ＬＣＤを作成した。垂直配向ＬＣＤの作成方法は実施例１の場合とほぼ同様である。配向膜５にはＳＥ−１２１１（日産化学製）を用いる。配向膜５のラビングは上下基板でアンチパラレルとなるように行う。均一なモノドメイン配向を得るためには、例えば特開２００５−２３４２５４号公報に記載の方法を用いると良い。なお、配向膜の配向処理の方法はラビングに限らない。光配向法、イオンビーム配向法、プラズマビーム配向法、斜め蒸着法等を用いても良い。シール材にはＥＳ−７５００（三井化学製）に３．９ミクロンの大きさのグラスファイバー数％を含んだものを用いる。導通材にはＥＳ−７５００に４．４μｍのＡｕボールを数％含んだものを用いる。ギャップ材には３．７５μｍのプラスチックボールを用いるがシリカから成る真絲球でも良い。
【００３２】
図６に、この状態での液晶セルの可視領域〜近赤外領域での分光透過率を示す。分光透過率は実施例１と同様に図３Ａに示した測定系にて測定した。図６には、比較のためＡｇ／Ｐｄ合金粒子を添加していない液晶材料ＬＣ４のみを注入した場合の分光透過率と、液晶材料Ｍ４のみを注入した場合の分光透過率を併せて示す。図示のように、Ｍ４にＡｇ／Ｐｄ合金粒子を添加した液晶を注入したセルの方が近赤外領域での透過率が低い。図６においてＭ４とＭ４＋Ａｇ／Ｐｄの違いは０．１ｗｔ％のＡｇ／Ｐｄ合金粒子が添加されているかいないかのみであるから、Ａｇ／Ｐｄ合金粒子が近赤外領域の光を吸収していることが分かる。
【００３３】
また、可視領域では、３種類の液晶セルの透過率はほぼ同様であり、Ｍ４＋Ａｇ／Ｐｄは他の液晶とほぼ同等の可視光を透過することが分かる。なお、図６において透過率曲線が波打っているが、これはセル厚に応じた干渉が見られるためである。
【００３４】
こうして作成した液晶セルの上下に偏光板をクロスニコル配置、ラビング方向に対して４５°で貼り付け、ノーマリブラックの垂直配向型液晶表示部を作成する。なお、偏光板に視角補償板をつけても良い。
【００３５】
このセルの低温（−３０°）下でのレスポンス特性（１／４Ｄｕｔｙ駆動、最適電圧にて）を測定した。測定系は図３Ｂに示したのと同様で、実施例１と同様の方法で測定した。
【００３６】
図７に、応答時間の表を示す。近赤外線照射のためのＬＥＤは実施例１と同様である。図示の表によれば、近赤外線を照射することにより応答時間が少なくとも約１４％短縮していることが分かる。本実施例においては、照射時間が１分と３分とでは応答時間が同等であるが、５分の場合には１分の場合よりもさらに応答時間が短縮している。実験結果が示すように、垂直配向ＬＣＤにおいても、ナノメートルサイズの金属粒子を添加することにより応答時間短縮の効果が得られる。
【００３７】
（添加するナノメートルサイズの金属粒子の他の例）
なお、全てのナノメートルサイズの金属粒子が実施形態として適用できるわけではない。ここでは、適用できる他の金属としてＴｌを挙げる。
【００３８】
図８に、垂直配向ＬＣＤの液晶Ｍ４にＴｌを０．１ｗｔ％添加した場合の−３０°下における応答時間を示す。垂直配向ＬＣＤの作成要領は実施例２と同様である。測定方法は実施例１と同様である。図示のように、近赤外線を照射すると応答時間が少なくとも約１０％短縮している。近赤外線の照射時間が１分より長い場合でも応答時間は１分の場合とほとんど変わらない事から、照射時間は１分程度で十分であるといえる。
【００３９】
その他のナノメートルサイズの金属粒子として希土類金属（Ｓｃ、Ｙ）や遷移金属（Ｎｉ等）が挙げられる。液晶への分散性が良いからである。
【００４０】
これまでに説明したナノメートルサイズの金属粒子の添加量は、０．１ｗｔ％〜０．５ｗｔ％であった。０．１ｗｔ％で十分応答時間短縮効果が発揮されていることから、添加量の下限は０．０２ｗｔ％程度まで良いと考えられる。また、添加量が多すぎると液晶の性質に変化があると考えられるので、添加量の上限は１．０ｗｔ％程度が良いであろう。
【００４１】
また、そのサイズは１ｎｍ〜１００ｎｍが好ましい。１ｎｍ以下では赤外線吸収効果が低いと考えられる。また１００ｎｍ以上では液晶への長期安定分散が困難と考えられるからである。
【００４２】
上記のように、液晶表示部の液晶にナノメートルサイズの金属粒子を添加して、約３μｍ以下の近赤外線を液晶層に照射させることにより、液晶表示部の応答時間が少なくとも８％短縮する。
【００４３】
図９に、応用例として考えられる液晶表示装置を示す。図９に示した液晶表示装置は道路の戸外表示板である。戸外表示板は、低温環境下においても素早く表示を行う必要がある。例えば速度規制を超えている自動車に対して、速度超過をセンサで感知した後、「スピード落とせ」などの表示を行いたい場合、液晶の動作が遅いと、表示を行う前に車が通り過ぎてしまうからである。本発明を適用すれば、液晶の動作速度が速くなり、寒冷地においても良好な表示機能が維持できるであろう。
【００４４】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。
【００４５】
図１０Ａ、図１０Ｂに、ライトユニット１０２の他の形態を示す。図１０Ａに示すように、ライトユニット１０２として、サイドライトユニット（冷陰極管等を用いる）１０２の光を横方向から導光板１０３ｂに照射し、液晶表示部１０１のある上方向に光を導光させる形態でも良い。また、図１０Ｂに示すように、液晶表示部１０１の前面から導光板１０３ｂにてライトユニット１０２（導光板の横に配置する。冷陰極管等を用いる）からの光を曲げて照射し、背面に反射板１０４を置き、光を反射させて液晶表示部１０１に照射させるフロントライトユニットの形態でも良い。
【００４６】
また、液晶もしくはナノメートルサイズの金属粒子含有液晶の液晶セルへの注入法は、真空注入法や滴下注入法でも良い。真空注入法を用いる場合、注入口は１つで良い。滴下注入法の場合は注入口を設けず、上下基板を貼り合わせる前に液晶もしくはナノメートルサイズの金属粒子含有液晶の滴下注入を行う。
【００４７】
また、赤外線光源光は、偏光スプリッタなどを利用して偏光板透過軸と平行な直線偏光とすることで、偏光板での吸収による熱効率の低下を抑制できるであろう。
【００４８】
その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、液晶表示装置の概略断面図である。
【図２】図２は、液晶表示部の断面図である。
【図３】図３Ａ及び図３Ｂは、測定系の概略図である。
【図４】図４は、波長に対する分光透過率のグラフである。
【図５】図５Ａ、図５Ｂは、液晶表示部の応答時間の表である。
【図６】図６は、波長に対する分光透過率のグラフである。
【図７】図７は、液晶表示部の応答時間の表である。
【図８】図８は、液晶表示部の応答時間の表である。
【図９】図９は、液晶表示装置を適用した戸外表示板である。
【図１０】図１０Ａおよび図１０Ｂは、ライトユニットの例である。
【符号の説明】
【００５０】
１Ａ、１Ｂ基板
２電極
２ｌ配線
３液晶
４絶縁膜
５配向膜
６シール材
７導通材
８偏光板
９投光機
１０検光機
１０１液晶表示部
１０１ｃ液晶セル
１０２ライトユニット
１０３拡散板
１０３ｂ導光板

【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶層に赤外波長の光を吸収するナノメートルサイズの金属粒子が添加された液晶セルと、
赤外波長の光を照射する装置と
を含む液晶表示装置。
【請求項２】
前記ナノメートルサイズの金属粒子が、Ａｕ、Ａｇ／Ｐｄ合金、Ｔｌのいずれかである請求項１記載の液晶表示装置。
【請求項３】
前記前記ナノメートルサイズの金属粒子が、前記液晶層を主に構成する液晶材料に対して、０．０２ｗｔ％〜１．０ｗｔ％の範囲で添加された請求項１または２記載の液晶表示装置。

【図１】