JP2005234541A - 表示素子および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電圧を印加することにより光学的異方性が変化する媒質を用いた表示素子において、表示素子の透過率の低下、輝度ムラを防ぎ、高速応答性能を実現させる。
【解決手段】 透明な一対の基板間に、電界を印加することにより光学的異方性が変化する媒質が封入されている表示素子であって、上記基板の一方の媒質と接する表面に、上記電界を印加するための信号電極１４・対向電極１５を有しており、信号電極１４と対向電極１５とが絶縁層を介して重なっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高速応答で広視野、高品位の表示性能を持つ表示素子に関するものである。

液晶表示素子は、各種表示素子のなかでも薄型で軽量かつ消費電力が小さいといった利点を有している。このため、テレビやモニター等の画像表示装置や、ワープロ、パーソナルコンピュータ等のＯＡ（Office Automation）機器、ビデオカメラ、デジタルカメラ、携帯電話等の情報端末などに備えられる画像表示装置に広く用いられている。

液晶表示素子の液晶表示方式としては、従来、例えば、ネマティック液晶を用いたツイステッドネマティック（ＴＮ）モ−ドや、強誘電性液晶（ＦＬＣ）あるいは反強誘電性液晶（ＡＦＬＣ）を用いた表示モード、高分子分散型液晶表示モ−ド等が知られている。

これらの液晶表示方式のうち、例えば、ＴＮモードの液晶表示素子は、従来から実用化されている。しかしながら、ＴＮモードを用いた液晶表示素子には、応答が遅い、視野角が狭い等の欠点があり、これら欠点は、ＣＲＴ（cathode ray tube）を凌駕する上で大きな妨げとなっている。

また、ＦＬＣあるいはＡＦＬＣを用いた表示モ−ドは、応答が速く、視野角が広いといった利点を有してはいるものの、耐ショック性、温度特性等の面で大きな欠点があり、広く実用化されるまでには至っていない。

さらに、光散乱を利用する高分子分散型液晶表示モ−ドは、偏光板を必要とせず、高輝度表示が可能であるが、本質的に位相板による視角制御ができない上、応答特性の面で課題を有しており、ＴＮモードに対する優位性は少ない。

これら表示方式は、何れも、液晶分子が一定方向に整列した状態にあり、液晶分子に対する角度によって見え方が異なるため、視角制限がある。また、これら表示方式は、何れも、電界印加による液晶分子の回転を利用するものであり、液晶分子が整列したまま揃って回転するため、応答に時間を要する。なお、ＦＬＣやＡＦＬＣを用いた表示モードの場合、応答速度や視野角の面では有利であるが、外力による非可逆的な配向破壊が問題となる。

一方、電界印加による液晶分子の回転を利用するこれらの表示方式に対して、二次の電気光学効果を利用した電子分極による表示方式が提案されている。

電気光学効果とは、物質の屈折率が外部電界によって変化する現象である。電気光学効果には、電界の一次に比例する効果と二次に比例する効果とがあり、それぞれポッケルス効果、カー効果と呼ばれている。特に、二次の電気光学効果であるカー効果は、高速の光シャッターへの応用が早くから進められており、特殊な計測機器において実用化されている。

カー効果は、１８７５年にJ. Kerr（カー）によって発見されたものであり、これまでに、カー効果を示す材料としては、ニトロベンゼンや二硫化炭素等の有機液体が知られている。これら材料は、例えば、前記した光シャッター、光変調素子、偏光素子、あるいは、電力ケーブル等の高電界強度測定等に利用されている。

その後、液晶材料が大きなカー定数を有することが示され、光変調素子、偏光素子、さらには光集積回路応用に向けての基礎検討が行われ、前記ニトロベンゼンの２００倍を越えるカー定数を示す液晶化合物も報告されている。

このような状況において、カー効果の表示装置への応用が検討され始めている。カー効果は、電界の二次に比例するため、電界の一次に比例するポッケルス効果と比較して、相対的に低電圧駆動を見込むことができる上、本質的に、数マイクロ秒〜数ミリ秒の応答特性を示すため、高速応答表示装置への応用が期待される。

例えば、特許文献１には、カー効果を用いた表示装置として、少なくとも一方が透明な一対の基板と、該一対の基板間に挟持された等方相状態の有極性分子を含む媒体と、上記一対の基板のうち少なくとも一方の基板の外側に配設された偏光板と、上記媒体に電界を印加するための電界印加手段とを備えた表示装置が開示されている。
特開２００１−２４９３６３号公報（公開日２００１年９月１４日） 特開平１１−１８３９３７号公報（公開日１９９９年７月９日） 斉藤 一弥、徂徠 道夫,「光学的に等方性である珍しいサーモトロピック液晶の熱力学」,液晶,第５巻,第１号,ｐ.２０−２７,２００１年 山本 潤,「液晶マイクロエマルション」,液晶,第４巻,第３号,ｐ.２４８−２５４,２０００年 白石 幸英、外４名,「液晶分子で保護したパラジウムナノ粒子−調製とゲスト-ホストモード液晶表示素子への応用」,高分子論文集,Ｖｏｌ.５９,Ｎｏ.１２,ｐ.７５３−７５９,２００２年１２月 「Handbook of Liquid Crystals」, Vol.1, p.484-485, Wiley-VCH ,1998 米谷 慎,「分子シミュレーションでナノ構造液晶相を探る」,液晶,第７巻,第３号,ｐ.２３８−２４５,２００３年 「Handbook of Liquid Crystals」, Vol.2B, p.887-900, Wiley-VCH,1998 Appl. Phys. Lett., Vol.69, １９９６年６月１０日、p1044 Adv. Func. Mater., Vol.13, No.4, 2003年4月, p313-317 Nature Materials, Vol.1, 2002年9月, p.64 Eric Grelet、外３名「Structural Investigations on Smectic Blue Phases」,PHYSICAL REVIEW LETTERS, The American Physical Society,23 APRIL 2001,VOLUME 86,NUMBER 17,p.3791-3794

しかしながら、電界印加により光学的異方性が変化する媒質を用いた表示素子に、一般的な液晶表示素子に用いるのと同様のスイッチング素子を設けて駆動した場合、表示素子の透過率の低下、輝度ムラが生じ、また、表示素子による画像表示の応答が、スイッチング素子による信号電圧に対して遅くなるという問題がある。なお、信号電圧とは、表示素子を駆動するためにスイッチング素子により表示素子に書き込まれる電圧を意味している。

上記駆動は、具体的には、表示素子に、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）等からなるスイッチング素子を設け、スイッチング素子が導通状態になったときに、電圧波形発生器が出力していた電圧を表示素子に印加して、表示素子の充電を行っている。そして、スイッチング素子が非導通になると、充電された電荷が表示素子に保持されたままになる。

つまり、理想的には、電圧波形発生器により電圧が発生されている際にスイッチング素子が導通状態となると、表示素子の充電が開始され、スイッチング素子が非導通状態とされても、表示素子に充電された電荷は一定に保持された状態となるはずである。

しかしながら、電界印加により光学的異方性が変化する媒質では、スイッチング素子が非導通状態とされても、表示素子に充電された電荷は一定に保持されない。この原因は、電界印加により光学的異方性が変化する媒質が不純物イオンを取り込みやすいためである。媒質の不純物イオン濃度が高いと媒質の比抵抗が低くなり、スイッチ素子を介して画素容量に充電した後、スイッチ素子をオフしても充電された電荷が減少し、画素の電圧が低下してしまう。このことが、輝度の低下を引き起こし、また、比抵抗は画面内で不均一に低下するので、画面に輝度ムラを生じる。

さらに、別の問題として、電界印加により光学的異方性が変化する媒質を用いた表示素子に一般的なスイッチング素子を設けて駆動した場合では、一定の信号電圧を表示素子に書き込んでも、表示素子における実際の透過率応答波形が段階的に上昇する。これは、ここで用いられる媒質が、電圧の上昇に伴いより高い秩序性にて配向し、その結果画素容量が増大することを原因としている。つまり、電圧印加を行っている間に画素容量が増大していくので、電圧印加時に算出された電圧では、画素に目標となる電圧値を与えることができなくなるのである。

したがって、結果的に、表示素子の信号電圧に対する表示応答時間は１フレーム以上の長さとなり、動画表示において残像が見えるというように、表示品位が低下する。

本発明では、各画素にスイッチング素子を設けて駆動した場合にも高速応答にて高品位の画像を得られる表示装置を提供することを目的とする。

本発明の表示素子は、少なくとも一方が透明な一対の基板間に、電界を印加することにより光学的異方性の程度が変化する媒質が封入されている表示素子であって、画素電極と対向電極とが絶縁層を介して重なっている領域を有することを特徴としている。

従来の液晶表示素子では、液晶分子の配向方向の変化を利用していたため、液晶固有の粘度が表示応答速度に大きく影響していた。これに対して、上記の構成における表示素子は、媒質における光学的異方性の変化を用いて表示を行う。したがって、上記の構成の表示素子は、従来の液晶表示素子のように、液晶固有の粘度が表示応答速度に大きく影響するといった問題がないので、高速応答の表示性能を本来的に有している。

しかし、上記の構成の表示素子は、電圧上昇に伴い容量が単調増加し、この場合、すぐに（例えば１フレームで）印加されるべき所望の電圧に電圧が届かず、このことが動画表示において残像が残るなどの問題の原因となる。そこで、このような表示素子に、画素電極と対向電極とが絶縁層を介して重なっている領域を形成することで、表示素子の容量と並列な関係となる補助容量が形成されるので、表示素子の容量変化の割合を軽減できる。つまり、印加電圧の変化によって容量値が変化しない補助容量が表示素子の容量と等価回路において並列に形成されていることで、表示素子全体の容量の変化の割合が相対的に小さくなる。したがって、上記のような動画の残像が残るというような問題が発生しない。

すなわち、上記構成によれば、従来の液晶表示素子よりも高速の応答性能を有している表示素子に対して、その高速応答性能を失わないような表示装置となる。したがって、媒質における光学的異方性の変化を用いて表示を行う表示素子の高速応答をより的確に実現できるという効果を奏する。

また、上記構成の媒質は不純物イオン濃度が増大しやすく、これにより媒質の比抵抗が低くなってしまう。このことが、輝度の低下を引き起こし、また、比抵抗は画面内で不均一に低下するので、画面に輝度ムラを生じる。しかし、上記の構成のように補助容量を形成していれば、補助容量から媒質へ不足した電荷を供給することが可能になるので見かけ上、媒質の比抵抗が低くならず、媒質へ適切に電圧を印加することが可能になり輝度の低下および輝度ムラが防がれる。

さらに、上記画素電極および上記対向電極が、上記媒質に電界を印加することが好ましい。これによって、表示素子の開口率を低下させることなく、より大きな補助容量を形成できる。

また、本発明の表示素子は、少なくとも一方が透明な一対の基板間に、電界を印加することにより光学的異方性が変化する媒質が封入されている表示素子であって、上記表示素子の容量と並列な関係となる補助容量が形成されていることを特徴としてもよい。

また、本発明の表示素子は、第１の電極と第２の電極とに電圧を印加することで、電界を形成することが好ましく、さらに、上記基板の一方における他方の基板に対向する表面に、上記電界を印加するための第１の電極と第２の電極とを有していることが好ましい。この構成により、上記誘電性物質層に電界を印加することができ、上記媒質における光学的異方性を変化させることができる。

また、第１の電極または第２の電極に、電気的接続のオン・オフの切り替えを行うスイッチング素子が接続されていることが好ましい。このような構成の表示素子では、特に、電界を印加することにより光学的異方性が変化する媒質を用いた場合の、上述した弊害がおきやすいため、補助容量を形成することの効果が高い。

上記構成の表示素子で上述した弊害がおきやすい理由を以下に説明する。上記構成の表示素子では、媒質により形成される画素の容量をＣｐ、抵抗をＲｐとしたとき、スイッチング素子のオン・オフの切り替えにより、画素に充電された電荷が、時定数Ｃｐ×Ｒｐで放電されてしまう。したがって、Ｒｐの値が低いと画素の電圧低下が大きく起こり、表示不良を引き起こす。

ここで、補助容量を画素に並列に形成した時を考える。補助容量の容量をＣｓとする。補助容量は比抵抗の大きい物質（不純物の少ない無機薄膜、有機薄膜）を用いて形成することが可能なため、画素のＲｐよりはずっと大きく、無視できる値（理想的には無限大）である。よって、補助容量を付加した時の前述の時定数は（Ｃｐ＋Ｃｓ）×Ｒｐとなり、Ｃｓの分だけ時定数を増大させることが出来る。このため、放電の時間が長くなり、電圧低下を抑制することが可能になり、表示不良を改善できることになる。

また、本発明の表示素子は、少なくとも上記第１および第２の電極の一方に重ねて補助電極を形成することが好ましい。ここで、補助電極とは、上記補助容量を形成するために新たに配される電極を意味している。

このような構成とすることで、表示素子に電界を印加するための電極を利用して補助容量を形成することができ、構造の簡素化、製造方法の簡略化につながる。また、元々ある電極に重ねて補助電極を形成するため、表示素子のうちの光が通る部分を減らすことがなく（開口率を下げない）、表示の明るさを保てる。

また、上記補助電極は、第１の電極あるいは第２の電極の形成範囲内に収まるように重ねて形成されていてもよい。これによれば、表示素子に電界を印加するための電極の範囲内で補助容量を形成できるため、表示素子のうちの光が通る部分を全く減らすことがなく、表示の明るさを保てる。

また、上記補助電極は、上記第１および第２の電極のうちの当該補助電極と重なっていない方の電極と接続していてもよい。これによれば、上記１および第２の電極に対する配線のみで、表示素子の容量と補助容量とを形成でき、構造の簡素化、製造方法の簡略化につながる。

また、本発明の表示装置は、上記補助電極が、基板表面における第１および第２の電極より基板側に形成されていることを特徴としている。上記構成によれば、補助電極が、媒質に電界を印加する電極より外側に設けられるので、表示素子の表示品位に影響を与えることなく補助容量を形成できる。

また、電界を印加していないときの表示素子の容量値を１とした場合に、上記補助容量の値が１以上であることが好ましく、２以上であることがさらに好ましい。

補助容量の値を上記のようにすることで、上述したような、表示素子の透過率の低下、輝度ムラ、応答速度の低下を良好に防ぐことができる。

また、上記媒質は、カー効果を示すものであってもよい。
また、上記媒質は、液晶性物質を含有していてもよい。
また、上記媒質は、有極性分子を含有していてもよい。
また、上記媒質は、電界印加により配向秩序度が変化する物質からなるものでもよい
また、上記媒質は、電界印加により屈折率が変化する物質からなるものであってもよい。

また、上記媒質は、キュービック対称性を示す秩序構造を有するものであってもよい。
また、上記媒質は、キュービック相またはスメクチックＤ相を示す分子からなるものであってもよい。
また、上記媒質は、液晶マイクロエマルションからなるものであってもよい。また、上記媒質が、ミセル相、逆ミセル相、スポンジ相、キュービック相のいずれかを示すリオトロピック液晶からなるものであってもよい。
また、上記媒質は、ミセル相、逆ミセル相、スポンジ相、キュービック相のいずれかを示す液晶微粒子分散系からなるものであってもよい。
また、上記媒質は、デンドリマーからなるものであってもよい。
また、上記媒質は、コレステリックブルー相を示す分子からなるものであってもよい。
また、上記媒質は、スメクチックブルー相を示す分子からなるものであってもよい。

上記記載の各物質は、電界を印加することによって光学的異方性が変化する。したがって、これらの物質を、本発明の表示素子における誘電性液体層に封入する媒質として用いることができる。

また、上記媒質は、電界無印加時に光学的異方性を示し、電圧を印加することによって光学的等方性を示すものであってもよい。

また、本発明の表示装置は、以上のような表示素子を有することを特徴としている。このような表示素子は、表示素子が補助容量を形成しているため、上述した効果を奏する。

本発明によれば、電圧を印加することにより光学的異方性が変化する媒質を用いた表示素子に対して、表示素子の容量と並列な関係となる補助容量を形成するので、表示素子の透過率を良好に保ち、輝度ムラを防ぐという効果を奏し、また、該媒質における光学的異方性の変化により表示を行う表示素子の高速応答をより的確に実現できるという効果を奏する。

〔実施例１〕
本発明の実施の一形態について図に基づいて説明する。

図２（ａ）および図２（ｂ）は、本実施の形態にかかる表示素子（本表示素子）の概略構成を示す断面図である。

本表示素子は、対向する２枚の基板（基板１および２）間に、光学変調層である誘電性物質層３が挟持されてなる。また、基板１における基板２との対向面には、誘電性物質層３に電界を印加するための電界印加手段である櫛形電極（第１の電極・第２の電極）４・５が互いに対向配置されている。さらに、基板１および２における、両基板の対向面とは反対側の面には、それぞれ偏光板６および７が備えられている。

なお、図１（ａ）は櫛形電極４・５間に電圧が印加されていない状態（電圧無印加状態（ＯＦＦ状態））を表しており、図１（ｂ）は櫛形電極４・５間に電圧が印加されている状態（電圧印加状態（ＯＮ状態））を表している。

基板１および２は、ガラス基板で構成されている。ただし、基板１および２の材質はこれに限るものではなく、基板１および２のうち、少なくとも一方が透明な基板であればよい。なお、本表示素子における両基板間の間隔、すなわち誘電性物質層３の厚みは１０μｍである。ただし、両基板間の間隔はこれに限定されるものではなく、任意に設定すればよい。

図３は、櫛形電極４・５の配置および偏光板６・７の吸収軸方向を説明するための説明図である。この図に示すように、本表示素子では、櫛歯状に形成された櫛形電極４および５が対向配置されている。なお、櫛型電極４・５は、線幅５μｍ、電極間距離（電極間隔）５μｍで形成されているが、これに限らず、例えば、基板１と基板２との間のギャップに応じて任意に設定することができる。また、櫛形電極４・５の材料としては、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）等の透明電極材料、アルミニウム等の金属電極材料等、電極材料として従来公知の各種材料を用いることができる。

また、図３に示すように、両基板にそれぞれ設けられた偏光板６・７は、互いの吸収軸が直交するとともに、各偏光板における吸収軸と櫛形電極４・５における櫛歯部分の電極伸長方向とが約４５度の角度をなすように備えられている。このため、各偏光板における吸収軸は、櫛形電極４・５の電界印加方向に対して、約４５度の角度をなす。

液晶表示素子における誘電性物質層３には、下記の構造式を有する化合物が封入されている。なお、この化合物は、３３．３℃未満でネマチック相を示し、それ以上の温度では等方相を示す。

この液晶表示素子を、図示しない外部加温装置によってネマチック相−等方相の相転移直上近傍の温度（相転移温度よりもわずかに高い温度、たとえば＋０．１Ｋ）に保ち、電圧印加を行うことにより、透過率を変化させることができる。

なお、両基板１・２の対向面上に、ラビング処理が施された配向膜を、必要に応じて形成してもよい。この場合、基板１側に形成される配向膜は、櫛形電極４・５を覆うように形成してもよい。

次に、本表示素子の表示原理について図４を用いて説明する。
図４（ａ）および図４（ｂ）は、上述した構成を有する、本発明の液晶表示素子の一例である液晶表示素子２０の概略構成を示す説明図である。

なお、図４（ａ）は、ネマチック相−等方相の相転移直上近傍の温度に保った液晶表示素子２０における、電圧無印加状態での液晶分子の配向状態を示す説明図である。また、図４（ｂ）は、ネマチック相−等方相の相転移直上近傍の温度に保った液晶表示素子２０における、電圧印加状態での液晶分子の配向状態を示す説明図である。

図４（ａ）に示すように、電圧無印加状態では、上記化合物からなる誘電性物質層３ａは等方相であるため、光学的に等方であり、液晶表示素子２０の表示状態は黒表示となる。一方、電圧印加時には図４（ｂ）に示すように、電界が印加されている領域において、電界方向に上記化合物の分子の長軸方向が配向し、複屈折が発現するので、透過率を変調できる。

図４（ｃ）は、液晶表示素子２０をネマチック相−等方相の相転移直上近傍の温度に保ち、印加する電圧を変化させた場合の電圧透過率曲線である。この図に示すように、液晶表示素子２０の透過率は、印加する電圧に応じて変化する。

ここで、非特許文献４によると、電界印加により発生する複屈折は、
△ｎ＝λＢＥ^２
で記述できる。なお、λは光の波長、Ｂはカー定数、Ｅは印加電界強度である。

そして、このカー定数Ｂは
Ｂ∝（Ｔ−Ｔｎｉ）^−１
に比例する。

したがって、転移点（Ｔｎｉ）近傍では弱い電界強度で駆動できていたとしても、温度（Ｔ）が上昇するとともに急激に必要な電界強度が増大する。このため、相転移直上の温度では、約１００Ｖ以下の電圧で、透過率を十分に変調させることができるが、相転移温度から十分遠い温度（相転移温度よりも十分に高い温度）では透過率を変調させるために必要な電圧が大きくなる。

なお、上記の説明では、基板面に平行な方向に電圧を印加する方式の液晶表示素子２０について説明したが、他の方式でも同様である。例えば、図５（ａ）および５（ｂ）に示す液晶表示素子３０のように、基板面法線方向に電圧を印加する場合でも、高精度な温度制御が必要である。

液晶表示素子３０では、液晶表示素子２０における櫛形電極４および５に代えて、透明電極４ａおよび５ａが、基板１および２の対向面にそれぞれ備えられている。つまり、液晶表示素子３０は、液晶表示素子２０と同様、電気光学効果を用いた液晶表示素子の一例である。

この液晶表示素子３０を、誘電性物質層３ａに封入した媒質の相転移温度直上近傍の温度に保つと、電圧無印加時には、図５（ａ）に示すように、誘電性物質層３ａは等方相となり、電圧印加時には、図５（ｂ）に示すように、液晶分子の長軸方向が電界に垂直な方向に配向する。

このような構成の液晶表示素子３０においても、液晶表示素子２０の場合と同様に、相転移温度よりも十分に高い温度では、透過率を変調させるために必要な電圧が大きくなり、高速応答性が得られない。また、透過性の低下、輝度ムラが生じる。

この場合も、横電界方式の表示素子２０と同様に、補助容量を設けることで効果的に表示品位を良好にできる。

次に、本表示素子および従来の液晶表示素子における、表示原理の相違点について、さらに詳しく説明する。

図６は、本表示素子および従来の液晶表示素子における、表示原理の違いを説明するための説明図であり、電圧印加時および電圧無印加時における屈折率楕円体の形状および方向を模式的に表したものである。なお、図６では、従来の液晶表示素子として、ＴＮ方式、ＶＡ（Vertical Alignment、垂直配向）方式、ＩＰＳ（In Plane Switchig、面内応答）方式を用いた方式の液晶表示素子における表示原理を示している。

この図に示すように、ＴＮ方式の液晶表示素子は、対向する基板間に液晶層が挟持されており、両基板上にそれぞれ透明電極（電極）が備えられた構成である。そして、電圧無印加時には、液晶層における液晶分子の長軸方向がらせん状に捻られて配向しているが、電圧印加時には、液晶分子の長軸方向が電界方向に沿って配向する。この場合における平均的な屈折率楕円体は、図６に示すように、電圧無印加時には長軸方向が基板面に平行な方向を向いており、電圧印加時には長軸方向が基板面法線方向を向く。すなわち、電圧無印加時と電圧印加時とで、屈折率楕円体の形は変わらずに、その方向が変化する（屈折率楕円体が回転する）。

また、ＶＡ方式の液晶表示素子は、ＴＮ方式と同様、対向する基板間に液晶層が挟持されており、両基板上にそれぞれ透明電極（電極）が備えられた構成である。ただし、ＶＡ方式の液晶表示素子では、電圧無印加時には、液晶層における液晶分子の長軸方向が、基板面に対して略垂直な方向に配向しているが、電圧印加時には、液晶分子の長軸方向が電界に垂直な方向に配向する。この場合における平均的な屈折率楕円体は、図６に示すように、電圧無印加時には長軸方向が基板面法線を向いており、電圧印加時には長軸方向が基板面に平行な方向を向く。すなわち、電圧無印加時と電圧印加時とで、屈折率楕円体の形は変わらずに、その方向が変化する。

また、ＩＰＳ方式の液晶表示素子は、１つの基板上に対向する１対の電極が備えられており、両電極間の領域に液晶層が形成される構成である。そして、電圧印加によって液晶分子の配向方向を変化させ、電圧無印加時と電圧印加字とで、異なる表示状態を実現できるようになっている。したがって、ＩＰＳ方式の液晶表示素子でも、図６に示すように、電圧無印加時と電圧印加時とで、屈折率楕円体の形は変わらずに、その方向が変化する。

このように、従来の液晶表示素子では、電圧無印加時でも液晶分子が何らかの方向に配向しており、電圧を印加することによってその配向方向を変化させて表示（透過率の変調）を行っている。すなわち、屈折率楕円体の形は変化しないが、屈折率楕円体の方向が電圧印加によって回転（変化）することを利用して表示を行っている。つまり、従来の液晶表示素子では、液晶分子の配向秩序度は一定であり、配向方向を変化させることによって表示を行っている。

これに対して、本表示素子では、図６に示すように、電圧無印加時には屈折率楕円体が球状となる。すなわち、電圧無印加時には等方的（配向秩序度＝０）である。そして、電圧を印加することによって異方性（配向秩序度＞０）が発現する。すなわち、本表示素子では、電圧無印加時には屈折率楕円体の形が等方的（ｎｘ＝ｎｙ＝ｎｚ）であり、電圧印加によって屈折率楕円体の形に異方性（ｎｘ＞ｎｙ）が発現する。ここで、ｎｘ，ｎｙ，ｎｚは、それぞれ、基板面に平行であって両電極の対向方向に平行な方向、基板面に平行であって両電極の対向方向に直交する方向、基板面に垂直な方向に対する、屈折率を表している。

このように、本表示素子では、光学異方性は一定（電圧印加方向は変化しない）であり、可視光以上における配向秩序度を変調させることによって表示を行っている。すなわち、本表示素子では、媒質そのものの異方性（または配向秩序）が変化する。したがって、本表示素子と従来の液晶表示素子とでは、表示原理が大きく異なっている。

つまり、本表示素子では、電圧印加により屈折率楕円体の形状が変化することで、上記媒質の光学異方性の程度が変化するのである。したがって、本表示素子の屈折率楕円体の長軸の方向は、電界方向に対して平行または垂直となる。

一方、従来の液晶表示素子では、屈折率楕円体の長軸を回転させて表示を行っていたので、屈折率楕円体の長軸の方向は、電界方向に対して平行または垂直に限られない。

続いて、以上のような表示素子を用いた表示装置の構成について説明する。図７に示すように、本実施形態の表示装置２１は、上述した本表示素子を有する画素がマトリクス状に配置された表示パネル２２と、表示パネル２２のデータ信号線ＳＬ１〜ＳＬｎを駆動するソースドライバ２３と、表示パネルの走査信号線ＧＬ１〜ＧＬｍを駆動するゲートドライバ２４と、コントローラ２５と、ソースドライバ２３およびゲートドライバ２４へ表示パネルにて表示を行うための電圧を供給する電源回路２６とを含んでいる。

さらに、表示装置２１は、外部装置から入力される映像信号を１フレーム分蓄積するフレームメモリ２７と、外部装置から入力される現在のフレームの映像信号（現フレーム映像信号、今回の映像信号）、および現在のフレームの１つ前のフレームの映像信号（前フレーム映像信号、前回の映像信号）に基づいて、現フレーム映像信号を補正した補正後映像信号をコントローラ２５に出力する映像信号補正処理部２８とを備えている。なお、フレームとは、外部装置から入力される映像信号の伝送単位のことである。また、映像信号補正処理部２８が行う映像信号の補正処理に関しては後述する。

コントローラ２５は、デジタル化された表示データ信号（例えば、赤、緑、青に対応するＲＧＢの各映像信号）、およびソースドライバの動作を制御するためのソースドライバ制御信号をソースドライバ２３に出力するとともに、ゲートドライバの動作を制御するためのゲートドライバ制御信号をゲートドライバ２４へに出力している。ソースドライバ制御信号としては、水平同期信号、スタートパルス信号およびソースドライバ用のクロック信号等がある。一方、ゲートドライバ制御信号としては、垂直同期信号やゲートドライバ用のクロック信号等がある。また、コントローラ２５は、映像信号補正処理部２８から入力される補正後映像信号に基づき、ソースドライバ２３へ入力する表示データ信号を決定する。

また、上記表示パネル２２は、複数のデータ信号線ＳＬ１〜ＳＬｎと、各データ信号線ＳＬ１〜ＳＬｎに、それぞれ交差する複数の走査信号線ＧＬ１〜ＧＬｍを備えており、データ信号線および走査信号線の組み合わせ毎に、画素２９…が設けられている。そして、各画素２９は、図８に示すように、後述する構成の表示素子３１と、スイッチング素子３２とを備えている。

スイッチング素子３２は、ＴＦＴであり、ゲートが走査信号線ＧＬｊへ、ドレインがデータ信号線ＳＬｉに接続されている。さらに、スイッチング素子３２のソースは、並列に接続された表示素子の容量３１と補助容量３３とに接続されている。また、表示素子の容量３１および補助容量３３の他端は、全画素に共通の共通電極線に接続されている。

上記各画素２９において、走査信号線ＧＬｊが選択されると、スイッチング素子３２が導通し、コントローラ５から入力される表示データ信号に基づき決定される信号電圧が、ソースドライバ２３によりデータ信号線ＳＬｉを介して表示素子の容量３１・補助容量３３へ印加される。一方、当該走査信号線ＧＬｊの選択期間が終了して、スイッチング素子３２が遮断されている間、理想的には、表示素子３１は遮断時の電圧を保持し続ける。

ここで、表示素子３１の透過率あるいは反射率は、スイッチング素子３２により印加される信号電圧によって変化する。したがって、走査信号線ＧＬｊを選択し、各画素２９への表示データ信号に応じた信号電圧を、ソースドライバ２３からデータ信号線ＳＬｉへ印加すれば、各画素２９の表示状態を、映像データに合わせて変化させることができる。

次に、補助容量３３を形成するための構成を説明する。また、本実施の形態では、表示素子に図７に示すように配線および電極を行うことで、上記補助容量を形成している。なお、図１は上記データ信号線ＳＬｉおよび走査信号線ＧＬｉの組み合わせで形成される画素２９ｉにおける、配線および電極を表している。この電極の配置は図３の櫛型電極４・５の別の実施例である。

図１では、基板１上に、スイッチング素子３２のソースに接続された櫛型状の信号電極（第１の電極；上記した櫛型電極の一方）１４を形成している。なお、この信号電極１４は、画素電極の一部としてもとらえることができる。

信号電極１４の形状は、スイッチング素子３２から走査信号線ＧＬｍと略平行に伸びた部分１４ａと、この部分からデータ信号線ＳＬｎと略平行に分岐した２つの分岐部１４ｂと、信号電極の２つの分岐部を略垂直につなぐ補助容量部（補助電極）１４ｃとからなる。そして、走査信号線ＧＬｊとその次のラインの走査信号線ＧＬｋとの間に平行して対向電極線（第２の電極；上記した櫛型電極の他方）１６を走らせ、この対向電極線１６とつながった対向電極１５を、上記櫛型状の信号電極１４に噛みあうように形成する。すなわち、対向電極１５は、上記対向電極線１６から略垂直に、信号電極の２つの分岐部１４ｂの間に延びている。これにより、信号電極の分岐部１４ｂと対向電極１５との間に電界を形成でき、図３の櫛型電極として機能する。

なお、対向電極線１６（あるいは対向電極１５）・走査信号線ＧＬと、データ信号線ＳＬ（あるいは信号電極１４）とは、絶縁膜１７を介して重なっているので導通することはない。このとき、対向電極１５、対向電極線１６、および走査信号線ＧＬを含む第１層上に、絶縁膜１７を積層し（ＴＦＴのゲート絶縁膜と同じ層とするのが好ましい）、その上に信号電極１４およびデータ信号線ＳＬを含む第２層を積層すればよい。

ここで、信号電極１４の補助容量部１４ｃは、対向電極線１６に重なるように形成されている。これにより、補助容量部１４ｃが形成されている部分の表示素子の断面（図１のＡ−Ａ'断面）が図９に示すように、絶縁膜１７を挟んで信号電極１４の一部と対向電極１５とが重なる。これにより、図８のような、表示素子の容量と並列な関係の補助容量が発生する。このように、補助容量３３を形成することで、電界を印加することによって光学的異方性が変化する媒質からなる表示素子での輝度ムラ、透過率低下、および動画時の残像が防止できる。

この理由について以下に詳細に説明する。図１０に示す等価回路のような、補助容量を形成しない表示素子を用いた場合、つまり図１１に示すような補助容量部１４ｃが形成されていない表示素子を用いた場合、この表示素子をマトリクス状に配置した表示画面では、透過率の低下、輝度ムラが多数発生する、動画表示時に残像が見られる、といった弊害が起こる。

上記透過率の低下、輝度ムラの原因は、電圧印加により異方性が変化する媒質の特性にある。すなわち、このような媒質は、媒質に大きな分極を有しており、大きな分極を有する媒質は不純物イオンが取り込まれやすくなる。さらには、この表示原理では従来の液晶表示素子より駆動電圧を大きくする必要があるが、これにより媒質自体が劣化しやすくなる。このことも、媒質中の不純物イオン濃度が増大させることとなる。媒質の不純物イオン濃度が高いと、媒質の比抵抗が低くなり、スイッチ素子３２を介して画素容量に充電した後、スイッチ素子３２をオフしたあと、充電された電荷が減少し、画素の電圧が低下してしまう。このことが、輝度の低下を引き起こし、また、比抵抗は画面内で不均一に低下するので、画面に輝度ムラを生じる。

また、動画表示時に生じる残像も、本表示素子の媒質の性質に起因する。すなわち、本表示素子では、電圧の上昇に伴い媒質がより高い秩序性にて配向し、その結果容量が大きくなる。つまり、本実施形態の表示素子は、電圧上昇に伴い容量が単調増加する。この場合、電圧印加後すぐに目標電圧に届かない（電圧が不足する）という問題が発生する。

例えば、電圧０．０Ｖ・容量０．３２５ｎＦの状態から、電圧４０．０Ｖ・容量０．５９０ｎＦの状態に表示素子を応答させるとする。なお、以下の説明では、０．０Ｖ＝Ｖ０，０．３２５ｎＦ＝Ｃ０，４０．０Ｖ＝Ｖ１，０．５９０ｎＦ＝Ｃ１として記載する。

電圧がＶ０の状態の時に、表示素子へ書き込まれる信号電圧が到達させるべき電圧をＶ１とすれば、電圧Ｖ１を印加した瞬間に表示素子に充電される電荷をＱ０１とすると、
Ｑ０１＝Ｃ０・Ｖ１（＝１３．０（ｎＣ））
である。

一方、電圧がＶ１で容量がＣ１の状態において充電されているべき電荷量Ｑ１は、
Ｑ１＝Ｃ１・Ｖ１（＝２３．６（ｎＣ））
である。

ここで、Ｃ０＜Ｃ１であることから、明らかに、
Ｑ０１＜Ｑ１
となり、充電すべき電荷量が不足することが分かる。つまり、表示素子に電圧を印加している間に表示素子の容量が上がるので、目標の電圧に到達しなくなってしまうのである。

この問題を解決するためには、電圧上昇に伴って容量ができるだけ変化しないようにすればよい。言い換えれば、オフ（黒）の時の表示素子の容量をＣｏｆｆ、オン（白）の時の表示素子の容量Ｃｏｎとすれば、Ｃｏｎ／Ｃｏｆｆを１に近づければよい。

上述した補助容量３３を形成された表示素子では、表示素子の容量変化の割合を軽減できる。これは、補助容量が、電極間に絶縁膜を挟んだだけで媒質を挟んでいないため、電圧によって容量値が変化しないからであり、この変化しない補助容量３３が画素容量と等価回路において並列に形成されているので、表示素子全体の容量の変化の割合が相対的に低くなるのである。つまり、補助容量をＣｓとすれば、上記した表示素子全体の容量変化の割合は（Ｃｏｎ＋Ｃｓ）／（Ｃｏｆｆ＋Ｃｓ）となり、確実に、
（Ｃｏｎ＋Ｃｓ）／（Ｃｏｆｆ＋Ｃｓ）＜Ｃｏｎ／Ｃｏｆｆ
とすることが出来る。極論すれば、Ｃｓを無限大とすることで、左辺は１（つまりが表示素子全体の容量が変化しない）になる。

なお、補助容量の形成方法は、図１のような電極の配置により形成されるものに限られるものではなく、例えば、マトリクス状の画面を形成する場合には図１２のような構造とすることも有効である。すなわち、対向電極線１６から対向電極１５の補助容量部１５’を伸ばして、信号電極の分岐部１４ｂ（データ信号線と平行な部分）の下にも這わせて形成し（点線）、第２の補助容量を形成してもよい。これにより、図１２のＢ−Ｂ'断面も図１３のように絶縁膜１７を挟んで信号電極１４と対向電極の補助容量部１５'とが重なるように形成されている。

また、補助容量用の電極に別の配線を配置して、媒質に電界を与える電極とは独立に補助容量用の電極を形成してもよい。

また、補助容量のための電極は、以上のように、媒質に対して電界を与えるために元々設置されていた電極に重ねて形成することが好ましい。これによって、表示素子の開口率を低下させることなく、より大きな補助容量を形成できる。ここで、上記開口率とは、表示素子における光が透過する面積をＡ、表示素子全体の面積をＢとしたときのＡ／Ｂの値を意味し、開口率が低下すると画面が暗くなる。補助容量は、一般的には、媒質に電圧印加する電極とは別に、対向電極や走査信号線を形成する層（遮光性物質）と、ゲート絶縁膜を形成する層と、データ信号線を形成する層（遮光性物質）を積層して形成されるので、この新たな電極分だけ光が透過しない部分が増え、開口率が低下する。これに対して、本実施の形態では、媒質に電圧印加する電極に、重ねて電極を形成して、媒質に電圧印加する電極と補助容量を形成するための電極と兼用しているので、光が透過しない部分が小さくなり、開口率を低下させない。さらに、媒質に電界を印加する電極の範囲に収まるように形成することで、光が透過しない部分が最小限となり、開口率が最大となる。

また、このように、媒質に対して電界を与える電極に補助容量形成用の電極を重ねて形成する場合は、断面図が図８のように信号電極が対向電極を覆うようにすることで、信号電極が対向電極をシールドし、対向電極の補助容量部が表示に影響を与えないようにできる。

また、表示素子によっては、補助容量を形成するために、電極を設けるのでなく、補助容量電極線を配置するだけでよい場合がある。例えば、図５に示す液晶表示素子３０のように、基板面法線方向に電圧を印加する場合では、図１５に示すように、対向電極４５と画素電極４４とが誘電性物質層４３を介した別の面に形成されるので、画素電極４４が比較的広い面積にて形成される。具体的には、図１４のように、信号線ＳＬと走査線ＧＬとで区切られた画素域全体に、透明電極（典型的にはＩＴＯ）である画素電極４４が形成されている構成のものがある。このような表示素子の場合は、図１４、あるいは図１４の表示素子のＣ−Ｃ’の断面図である図１５に示されるように、画素電極４４の誘電性物質層４３に接する面とは反対側の面の一部に対向するように、補助容量電極線４６を任意の形状にて配置すればよい。これにより、画素電極４４の一部と補助容量電極線４６との間に補助容量が発生する。なお、補助容量電極線４６は、対向電極４５と同電位なので、実質的に対向電極とみなせる。

補助容量電極線４６は、走査信号線ＧＬを形成する層に形成することが望ましく、これによれば、補助容量電極線４６のための製造プロセスを追加する必要がない。さらに、図１４に示されるように、走査線間に走査線と平行に配置されば補助容量電極線４６の製造が簡単になる。

なお、補助容量電極線４６は画素電極４４と絶縁されていることが必要であるので、絶縁膜４７を介して画素電極４４と対向していることが好ましい。さらに、補助容量電極線４６は、表示領域外で、対向基板側に形成された対向電極４５（典型的にはＩＴＯからなる）に接続させて、対向電極４５と同電位を保っていることが望ましい。

次に、図１の構成にて、補助容量を形成した表示素子を用いて、実際の画像品質を観察した。

実験は単一画素の評価セルに、ＦＥＴによるスイッチング素子を設け、図１のように電極を配置することで、補助容量を並列に形成した。そして、電圧印加オフ時の画素容量を１とした場合の、補助容量値を０，０．１，０．４，０．５，１．０，２．０，５．０として、表示品位を観察した。なお、補助容量０の条件は、補助容量を形成しないという条件であり、本発明の比較例となっている。補助容量は市販のコンデンサーを適用して調整した。

表示品位は輝度ムラと応答特性とに着目して、以下の方法で評価した。結果を表１に示す。

輝度ムラ：１つの条件について、５つの評価セルに電圧印加を行い、輝度を輝度計（トプコン社ＢＭ−５）により測定した。その５つの評価セルの間の輝度バラツキを評価し、○（良好）、△（改善効果有り）、×（不良）にて結果を表したのが表１である。この評価は、５つの評価セルの間の輝度バラツキが±５０％以内、すなわちそれぞれの測定値が５つの測定値の平均値の０．５倍から１．５倍の範囲内に収まる場合に△とし、輝度バラツキが±１０％以内、すなわちそれぞれの測定値が５つの測定値の平均値の０．９倍から１．１倍の範囲内に収まる場合に、○とした。

応答特性：電圧印加オフ状態から電圧印加オン状態に変化させたときの、誘電製物質層の透過率の応答波形を測定した。そして、応答完了（所定の透過率を得る）までの時間に基づいて、応答特性を○（良好）、△（改善効果有り）、×（不良）にて評価した結果を表１に示す。この評価は、２フレームの走査で応答完了した場合に△とし、１フレームの走査で応答が完了した場合に○とした。

表１によれば、輝度ムラに関しては、０．４以上の容量の補助容量を設けることで改善され、補助容量が１以上で、つまり、補助容量値が画素容量値の１倍以上で、輝度ムラが抑制されて、良好な表示品位を保てることが分かる。一方、応答特性については、補助容量が１以上で改善され、２以上（補助容量が画素容量の２倍以上）で良好になり、動画表示時の残像が抑制される事がわかる。

したがって、輝度ムラがなく、応答特性に優れた表示素子を得るためには、画素容量の１倍以上の容量の補助容量を形成することが好ましく、２倍以上の容量の補助容量を形成することがより好ましい。

また、本発明に係る表示素子を適用できる電極の配置関係は、図１の構成に限定されるものではない。以下、本発明に係る表示素子を適用可能な電極の配置関係を、図１９および図２０を用いて説明する。

図１９に示すように、本発明に係る表示素子は、信号電極１４と対向電極１５とによって互いに９０度の角度をなす電界が印加される少なくとも２つのドメインＤ_Ｍ・Ｄ_Ｍ’が形成されるように、信号電極１４および対向電極１５が、それぞれ屈曲角９０度でジグザグ状に折れ曲がっている構成を有していてもよい。

なお、図１９に示す配置関係の電極を適用した表示素子もまた、基板１・２の外側に偏光板６・７が設けられ、これら偏光板６・７は、互いの吸収軸、つまり、偏光板吸収軸方向が直交するように形成されている。そして、各偏光板６・７における吸収軸は、信号電極１４および対向電極１５による電界印加方向に対して、４５度の角度をなすように形成されている。

なお、図１９に示す電極構造においては、データ信号線ＳＬｉと対向電極１５との間に、大きな非表示領域が存在することがわかる。そこで、図２０に示すように、データ信号線ＳＬｉを、直線とせず、対向電極１５の折れ曲がりと平行になるように形成したところ、上記非表示領域は大幅に減少した。

なお、本表示素子では、誘電性物質層３に封入する媒質として、化学式１に示される化合物を用いたが、これに限るものではない。誘電性物質層３に封入する媒質は、物性上は液体ではなく、電界を印加することによって配向秩序度が変化する、すなわち、電界印加によって光学的異方性が変化する媒質であればよい。具体的には、カー効果またはポッケルス効果を示す物質あってもよい。また、媒質は、液体、気体、固体を問わない。

例えば、電界無印加時には光学的等方性を示し、電界印加により光学的異方性が発現する媒質を用いることができる。すなわち、電界無印加時には光学波長以下の秩序を有しており、光学波長領域において透明な物質であって、電界印加によって配向秩序が変化して光学異方性が発現する媒質を用いることができる。

あるいは、電界無印加時に光学的異方性を有し、電界印加により光学的異方性が消失して光学波長以下の秩序構造となり、光学的等方性を示す媒質を用いてもよい。

したがって、例えば、キュービック相を示す分子からなる媒質を用いてもよく、あるいは、キュービック相以外の秩序構造を有する分子からなる媒質を用いてもよい。また、例えば、コポリマー、両親媒性分子、デンドリマー分子、液晶などからなる媒質を用いてもよい。

また、非特許文献７に記載のように、媒質にゲル化剤（非特許文献８）を加えて、より高速応答性、高コントラストの表示素子を実現してもよい。また、非特許文献９に示すように、媒質の高分子を固定化して、広範囲の温度領域で安定してブルーフェーズを示すようにしてもよい。

なお、上記媒質としては、液晶性物質を含有することが望ましい。この液晶性物質は、単体で液晶性を示すものであってもよいし、複数の物質が混合されることにより液晶性を示すものであってもよいし、これらの物質に他の非液晶性物質が混入されていてもよい。

たとえば、特許文献１に記載してあるような液晶性物質そのものを適用したり、それに溶媒を添加したものを、媒質に含ませられる液晶性物質として適用できる。また、特許文献２に記載してあるような、液晶性物質を小区域に分割したものを適用することもできる。

いずれにしても、媒質としては、電圧無印加時に光学的に等方であり、電圧印加時に光学変調を誘起する物質であることが望ましい。典型的には、電圧印加に伴い分子または分子集合体（クラスター）の配向秩序性が向上する物質が媒質として好ましい。

また、媒質としては、カー効果を示す物質が望ましい。たとえば、PLZT（ジルコン酸鉛とチタン酸鉛との固溶体にランタンを添加した金属酸化物）などがあげられる。また、媒質は、有極性分子を含有することが望ましく、たとえば、ニトロベンゼンなどが媒質として好適である。

以下に、本表示素子の誘電性物質層３に用いることができる媒質のいくつかの例を、以下に媒質例として示す。

〔媒質例１〕キュービック相
本表示素子の誘電性物質層３に封入する媒質として、キュービック相を示す分子からなる媒質を適用できる。

キュービック相としては、例えば、ＢＡＢＨ８がある。このＢＡＢＨ８は、１３６．７℃以上１６１℃以下の広い温度範囲でキュービック相を示し、この広い温度範囲（約２４Ｋ）において安定した電圧透過率曲線が得られるので、本表示素子では温度制御が極めて容易となる。

また、ＢＡＢＨ８がキュービック相を示す上記の温度領域において、ＢＡＢＨ８からなる誘電性物質層３に電界を印加すれば、分子自身に誘電異方性が存在するため、分子が電界方向に向こうとして微小領域の構造（結晶のような格子）に歪が生じる。すなわち、電界印加によって誘電性物質層３に光学異方性が発現する。

したがって、ＢＡＢＨ８を本表示素子の誘電性物質層３に封入する媒質として適用できる。なお、ＢＡＢＨ８に限らず、キュービック相を示す物質であれば、電圧印加時と電圧無印加時とで光学的異方性が変化するので、本表示素子の誘電性物質層３に封入する媒質として適用できる。

〔媒質例１〕スメクチックＤ相（ＳｍＤ）
本表示素子の誘電性物質層３に封入する媒質として、液晶相の一つであるスメクチックＤ相（ＳｍＤ）を示す分子からなる媒質を適用できる。

スメクチックＤ相を示す液晶性物質としては、例えば、ＡＮＢＣ１６がある。なお、ＡＮＢＣ１６については、非特許文献１（ｐ.２１,図１構造１（ｎ＝１６））や、非特許文献６（ｐ.８８８,Ｔａｂｌｅ１,化合物(compound no.)１,化合物１ａ,化合物１ａ−１）に記載されている。これらの分子構造を、以下に列挙する。

4’n-alkoxy-3’-nitro-biphenyl-4-carboxylic acids X=NO2
n-15 Cr 127 SmC 187 Cub 198 SmA 204 I
この液晶性物質（ＡＮＢＣ１６）は、１７１．０℃〜１９７．２℃の温度範囲において、スメクチックＤ相を示す。スメクチックＤ相は、複数の分子がジャングルジム（登録商標）のような三次元的格子を形成しており、その格子定数が光学波長以下である。すなわち、スメクチックＤ相は、分子の配列がキュービック対称性を示す秩序構造を有する。このため、スメクチックＤ相は、光学的には等方性を示す。

また、ＡＮＢＣ１６がスメクチックＤ相を示す上記の温度領域において、ＡＮＢＣ１６からなる誘電性物質層３に電界を印加すれば、分子自身に誘電異方性が存在するため、分子が電界方向に向こうとして格子構造に歪が生じる。すなわち、誘電性物質層３に光学異方性が発現する。

したがって、ＡＮＢＣ１６を本表示素子の誘電性物質層３に封入する媒質として適用できる。なお、ＡＮＢＣ１６に限らず、スメクチックＤ相を示す物質であれば、電圧印加時と電圧無印加時とで光学的異方性が変化するので、本表示素子の誘電性物質層３に封入する媒質として適用できる。

〔媒質例２〕液晶マイクロエマルション
本表示素子の誘電性物質層３に封入する媒質として、液晶マイクロエマルションを適用できる。ここで、液晶マイクロエマルションとは、山本らによって名づけられた、Ｏ／Ｗ型マイクロエマルション（油の中に水を界面活性剤で水滴の形で溶解させた系で、油が連続相となる）の油分子をサーモトロピック液晶分子で置換したシステム（混合系）の総称である（非特許文献２参照）。

液晶マイクロエマルションの具体例として、例えば、非特許文献２に記載されている、ネマチック液晶相を示すサーモトロピック液晶（温度転移形液晶）であるPentylcyanobiphenyl（５ＣＢ）と、逆ミセル相を示すリオトロピック液晶（lyotropic liquid crystal,濃度転移形液晶、ライオトロピック液晶）であるDidodecyl ammonium bromide（ＤＤＡＢ）の水溶液との混合系がある。この混合系は、図１６および図１７のような模式図で表される構造を有している。

また、この混合系は、典型的には逆ミセルの直径が５０Å程度、逆ミセル間の距離が２００Å程度である。これらのスケールは光学波長より一桁程度小さい。また、逆ミセルが三次元空間的にランダムに存在しており、各逆ミセルを中心に５ＣＢが放射状に配向している。したがって、上記の混合系は、光学的には等方性を示す。

そして、上記の混合系からなる媒質に電界を印加すれば、５ＣＢに誘電異方性が存在するため、分子自身が電界方向に向こうとする。すなわち、逆ミセルを中心に放射状に配向していたため光学的に等方であった系に、配向異方性が発現し、光学異方性が発現する。したがって、上記の混合系を本表示素子の誘電性物質層３に封入する媒質として適用できる。なお、上記の混合系に限らず、電圧無印加と電圧印加時とで光学的異方性が変化する液晶マイクロエマルションであれば、本表示素子の誘電性物質層３に封入する媒質として適用できる。

〔媒質例３〕リオトロピック液晶相
本表示素子の誘電性物質層３に封入する媒質として、特定の相を有するリオトロピック液晶（ライオトロピック液晶）を適用できる。ここで、リオトロピック液晶とは、一般に液晶を形成する主たる分子が、他の性質を持つ溶媒（水や有機溶剤など）に溶けているような他成分系の液晶を意味するものとする。また、上記の特定の相とは、電界印加時と電圧無印加時とで、光学的等方性が変化する相である。このような特定の相としては、例えば、非特許文献７に記載されているミセル相、スポンジ相、キュービック相、逆ミセル相がある。図１８に、リオトロピック液晶相の分類図を示す。

両親媒性物質である界面活性剤には、ミセル相を発現する物質がある。例えば、イオン性界面活性剤である硫酸ドデシルナトリウムの水溶液やパルチミン酸カリウムの水溶液などは球状ミセルを形成する。また、非イオン性界面活性剤であるポリオキシエチレンノニルフェニルエーテルと水との混合液では、ノニルフェニル基が疎水基として働き、オキシエチレン鎖が親水基として働くことにより、ミセルを形成する。他にも、スチレン−エチレンオキシドブロック共重合体の水溶液でもミセルを形成する。

例えば、球状ミセルは、分子が空間的全方位にパッキングして（分子集合体を形成して）球状を示す。また、球状ミセルのサイズは、光学波長以下であるため、光学波長領域では異方性を示さず等方的に見える。しかしながら、このような球状ミセルに電界を印加すれば、球状ミセルが歪むため異方性を発現する。よって、球状ミセル相を示すリオトロピック液晶を、本表示素子の誘電性液体層３に封入する媒質として適用できる。なお、球状ミセル相に限らず、他の形状のミセル相、すなわち、紐状ミセル相、楕円状ミセル相、棒状ミセル相などを示すリオトロピック液晶を誘電性液体層３に封入しても、略同様の効果を得ることができる。

また、濃度、温度、界面活性剤の条件によっては、親水基と疎水基が入れ替わった逆ミセルが形成されることが一般に知られている。このような逆ミセルは、光学的にはミセルと同様の効果を示す。したがって、逆ミセル相を示すリオトロピック液晶を、誘電性液体層３に封入する媒質として適用することにより、ミセル相を示すリオトロピック液晶を用いた場合と同等の効果を奏する。なお、媒質例２で説明した液晶マイクロエマルションは、逆ミセル相（逆ミセル構造）を示すリオトロピック液晶の一例である。

また、非イオン性界面活性剤ペンタエチレングリコール−ドデシルエーテル（Pentaethylenglychol-dodecylether、Ｃ_１２Ｅ_５）の水溶液には、図１８に示したような、スポンジ相やキュービック相を示す濃度および温度領域が存在する。このようなスポンジ相やキュービック相は、光学波長以下の秩序を有しているので、光学波長領域では透明な物質である。すなわち、これらの相からなる媒質は、光学的には等方性を示す。そして、これらの相からなる媒質に電圧を印加すると、秩序構造に歪が生じて光学異方性が発現する。したがって、スポンジ相やキュービック相を示すリオトロピック液晶も、本表示素子の誘電性物質層３に封入する媒質として適用できる。

〔媒質例４〕液晶微粒子分散系
本表示素子の誘電性物質層３に封入する媒質として、ミセル相、スポンジ相、キュービック相、逆ミセル相などの、電界印加時と電圧無印加時とで光学的等方性が変化する相を示す液晶微粒子分散系を適用できる。ここで、液晶微粒子分散系とは、溶媒（液晶）中に微粒子を混在させた混合系である（非特許文献３参照）。

このような液晶微粒子分散系としては、例えば、非イオン性界面活性剤ペンタエチレングリコール−ドデシルエーテル（Pentaethylenglychol-dodecylether、Ｃ_１２Ｅ_５）の水溶液に、表面を硫酸基で修飾した直径１００Å程度のラテックス粒子を混在させた、液晶微粒子分散系がある。この液晶微粒子分散系では、スポンジ相が発現する。したがって、上記媒質例３の場合と同様、上記の液晶微粒子分散系を、本表示素子の誘電性物質層３に封入する媒質として適用できる。

なお、上記のラッテックス粒子を媒質例２の液晶マイクロエマルションにおけるＤＤＡＢと置き換えることによって、媒質例２の液晶マイクロエマルションと同様な配向構造を得ることもできる。

〔媒質例５〕デンドリマー
本表示素子の誘電性物質層３に封入する媒質として、デンドリマー（デンドリマー分子）を適用できる。ここで、デンドリマーとは、モノマー単位ごとに枝分かれのある三次元状の高分岐ポリマーである。

デンドリマーは、枝分かれが多いために、ある程度以上の分子量になると球状構造となる。この球状構造は、光学波長以下の秩序を有しているので、光学波長領域では透明な物質であり、電圧印加によって配向秩序が変化して光学異方性が発現する。したがって、デンドリマーを、本表示素子の誘電性物質層３に封入する媒質として適用できる。

また、上記媒質例２の液晶マイクロエマルションにおけるＤＤＡＢを、デンドリマー物質に置き換えることにより、上記媒質例２の液晶マイクロエマルションと同様な配向構造を得ることができ、本表示素子の誘電性物質層３に封入する媒質として適用できる。

〔媒質例６〕コレステリックブルー相
本表示素子の誘電性物質層３に封入する媒質として、コレステリックブルー相を示す分子からなる媒質を適用できる。なお、図１８には、コレステリックブルー相の概略構造が示されている。

図１８に示したように、コレステリックブルー相は、高い対称性の構造を有している。また、コレステリックブルー相は、光学波長以下の秩序を有しているので、光学波長領域では概ね透明な物質であり、電圧印加によって配向秩序が変化して光学異方性が発現する。すなわち、コレステリックブルー相は、おおむね光学的に等方性を示し、電界印加によって液晶分子が電界方向に向こうとするために格子が歪み、異方性を発現する。よって、コレステリックブルー相を示す分子からなる媒質を、本表示素子の誘電性物質層３に封入する媒質として適用できる。

なお、コレステリックブルー相を示す物質としては、例えば、ＪＣ１０４１（混合液晶、チッソ社製）を４８．２％、５ＣＢ（4-cyano-4’-pentyl biphenyl、ネマチック液晶）を４７．４％、ＺＬＩ−４５７２（カイラルドーパント、メルク社製）を４．４％混合した物質がある。この物質は、３３０．７Ｋから３３１．８Ｋの温度範囲で、コレステリックブルー相を示す。

〔媒質例７〕スメクチックブルー（ＢＰ_Ｓｍ）相
本表示素子の誘電性物質層３に封入する媒質として、スメクチックブルー（ＢＰ_Ｓｍ）相を示す分子からなる媒質（非特許文献５）を適用できる。なお、図１８には、スメクチックブルー相の概略構造が示されている。

図１８に示したように、スメクチックブルー相は、コレステリックブルー相と同様、高い対称性の構造を有している。また、光学波長以下の秩序を有しているので、光学波長領域では概ね透明な物質であり、電圧印加によって配向秩序が変化して光学異方性が発現する。すなわち、スメクチックブルー相は、おおむね光学的に等方性を示し、電界印加によって液晶分子が電界方向に向こうとするために格子が歪み、異方性を発現する。よって、スメクチックブルー相を示す分子からなる媒質を、本表示素子の誘電性物質層３に封入する媒質として適用できる。

なお、スメクチックブルー相を示す物質としては、例えば、非特許文献１０に記載されているＦＨ／ＦＨ／ＨＨ−１４ＢＴＭＨＣがある。この物質は、７４．４℃〜７３．２℃でＢＰ_Ｓｍ３相、７３．２℃〜７２．３℃でＢＰ_Ｓｍ２相、７２．３℃〜７２．１℃でＢＰ_Ｓｍ１相を示す。

〔実施例２〕
本表示素子において、誘電性物質層３に封入する物質を、透明な誘電性物質である4’-n-alkoxy-3’-nitrobiphenyl-4-carboxylic acids (ANBC-22)とした。

なお、基板１および２には、ガラス基板を用いた。また、両基板間の間隔は、ビーズをあらかじめ散布しておくことにより、４μｍになるように調整した。すなわち、誘電性物質層３の厚さを４μｍとした。

櫛形電極４・５は、ＩＴＯからなる透明電極とした。また、両基板の内側（対向面）には、ラビング処理を施したポリイミドからなる配向膜を形成した。ラビング方向はスメクチックＣ相において明状態となる方向が望ましく、典型的には偏向板軸方向と４５度の角度をなしていることが望ましい。なお、基板１側の配向膜については、櫛形電極４・５を覆うように形成した。

偏光板６・７は、図２に示したように、互いの吸収軸が直交するとともに、各偏光板における吸収軸と櫛形電極４・５における櫛歯部分の電極伸長方向とが約４５度の角度をなすように、それぞれ基板１および２の外側（対向面の反対側）に設けた。

このようにして得られた表示素子は、スメクチックＣ相―キュービック相相転移温度よりも低温側の温度では、スメクチックＣ相となる。なお、スメクチックＣ相は、電圧無印加状態において光学的異方性を示す。

そして、この表示素子を、外部加温装置によりスメクチックＣ相−キュービック相の相転移近傍の温度（相相転移温度の低温側１０Ｋ程度まで）に保ち、電圧印加（５０Ｖ程度の交流電場（０より大きく数百ｋＨｚまで））を行ったところ、透過率を変化させることができた。すなわち、電圧無印加時に光学的異方性を示すスメクチックＣ相（明状態）に、電圧を印加することにより、等方的なキュービック相（暗状態）に変化させることができた。
なお、各偏光板の吸収軸と櫛形電極がなす角度は４５度に限らず、０〜９０度のあらゆる角度で表示を行うことが出来た。なぜなら、明状態は電界無印加時で実現しており、ラビング方向と偏向板吸収軸方向の関係だけで達成できる。また、暗状態は電界印加による媒質の光学的等方相への電界誘起相転移で実現しているために、各偏向板吸収軸が互いに直交してさえばよく、櫛型電極方向との関係によらない。
したがって、配向処理は必ずしも必要ではなく、アモルファス配向状態（ランダム配向状態）でも表示を行うことが出来た。

また、基板１および２に、それぞれ電極を設け、基板面法線方向の電界を発生させても、ほぼ同様の結果が得られた。すなわち、電界方向は基板面水平方向だけでなく、基板面法線方向でもほぼ同様な結果が得られた。

このように、本表示素子の誘電性物質層３に封入する媒質として、電界無印加時に光学的異方性を有し、電界印加により光学的異方性が消失して光学的等方性を示す媒質を用いてもよい。

なお、本表示素子における誘電性物質層３に用いられる媒質は、正の誘電異方性を有するものであっても、負の誘電異方性を有するものであってもよい。負の誘電異方性を有する媒質としては、以下に示す化学式のものが挙げられる。

正の誘電率異方性を有する媒質を用いた場合には、基板におおむね平行な電界にて駆動する必要があるが、負の誘電異方性を有する媒質を適用した場合にはその限りではない。例えば、基板に斜めの電界によっても駆動可能であり、垂直な電界によっても駆動可能である。この場合には、対向する一対の基板（基板１および２）の双方に電極を備え、両基板に備えられた電極間に電界を印加することによって、誘電性物質層３に電界を印加することになる。

また、電界を基板面平行方向に印加する場合であっても、あるいは、基板面垂直方向または基板面に対して斜め方向に印加する場合であっても、電極の形状、材質、電極の数、および配置位置等は適宜変更すればよい。例えば、透明電極を用いて基板面に対して垂直に電界を印加すれば、開口率の点で有利である。

なお、本発明は以下のような構成としてもよい。

少なくとも一方が透明な一対の基板間に、電界無印加時には光学的に等方である媒質を挟持し、スイッチング素子を介して電界印加により駆動される表示素子において、画素容量に（等価回路上）並列に配設された補助容量を有する第１の表示素子。

第１の表示素子において、一方の基板に第１の電極と、第２の電極が形成されており、第１と第２の電極間で基板におおむね平行な電界が形成されたときに、前記媒質に光学的異方性が発現する表示素子であり、少なくとも前記第１または第２の電極の一方の下に補助容量が形成されていることを特徴とする第２の表示素子。

第２の表示素子において、前記第１の電極はスイッチング素子に接続されており、前記第１の電極の下に補助容量が形成されていることを特徴とする第３の表示素子。

第１または第２の表示素子において、前記補助容量が、画素がオフ時の画素容量の少なくとも１倍以上である、ことを特徴とする表示素子。

第１または第２の表示素子において、前記補助容量が、画素がオフ時の画素容量の少なくとも２倍以上である、ことを特徴とする表示素子。

また、本発明の表示素子は、上記第１の電極および第２の電極が、上記基板の一方における他方の基板と対向する表面に形成されていてもよい。

また、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態として開示した技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施の形態についても、本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明によれば、電圧を印加することにより光学的異方性が変化する媒質を用いた表示素子が本来的に有している高速応答性能を確実に実現させることができ、また透過率の低下、輝度ムラも防がれるので、該表示素子が組み込まれたディスプレイ、たとえば、テレビ・ワープロ・パーソナルコンピュータ・ビデオカメラ・デジタルカメラ・携帯電話等の情報端末に備えられるディスプレイの表示応答速度を確実に向上させることができ、透過率の低下や輝度ムラを防止できる。また、本発明の表示素子は、上記したように、高速応答特性を有しているので、大画面表示や動画表示にも適している。

本発明の表示素子における、電極の配置を説明するための図面である。 （ａ）は電圧無印加状態における本発明の表示素子の断面図であり、（ｂ）は電圧印加状態における本発明の表示素子の断面図である。 本発明の表示素子における、櫛形電極および偏光板の配置を説明するための説明図である。 （ａ）は電圧無印加状態における従来の液晶表示素子の断面図であり、（ｂ）は電圧印加状態における従来の液晶表示素子の断面図であり、（ｃ）は従来の液晶表示素子における電圧透過率曲線を示すグラフである。 （ａ）は電圧無印加状態における従来の液晶表示素子の断面図であり、（ｂ）は電圧印加状態における従来の液晶表示素子の断面図である。 本表示素子および従来の液晶表示素子における、表示原理の違いを説明するための説明図である。 本発明の一実施形態に係る表示素子を用いる表示装置の構成を示すブロック図である。 本発明の表示素子における、等価回路図を示す図面である。 図１の表示素子におけるＡ−Ａ’断面の断面図である。 従来の表示素子における、等価回路図を示す図面である。 比較例の表示素子における、電極の配置を説明するための図面である。 本発明の他の実施形態の表示素子における、電極の配置を説明するための図面である。 図１１の表示素子におけるＢ−Ｂ’断面の断面図である。 本発明のさらに他の実施形態の表示素子における、電極の配置を説明するための図面である。 図１４の表示素子におけるＣ−Ｃ’断面の断面図である。 液晶マイクロエマルションの構造を示す模式図である。 液晶マイクロエマルションの構造を示す模式図である。 リオトロピック液晶相の分類図である。 本発明の表示素子を適用可能な電極の配置関係の例を示す図である。 本発明の表示素子を適用可能な電極の配置関係の例を示す図である。

符号の説明

１ 基板
２ 基板
３ 誘電性物質層
４ 櫛形電極（第１の電極）
５ 櫛形電極（第２の電極）
１４ 信号電極（第１の電極、補助電極）
１４ａ 平行部（第１の電極）
１４ｂ 分岐部（第１の電極）
１４ｃ 補助容量部（第２の電極）
１５ 対向電極（第２の電極）
１５’ 補助容量部（補助電極）
１６ 対向電極線（第２の電極）
３３ 補助容量
４４ 画素電極（第１の電極）
４６ 補助容量電極線（補助電極）

Claims (27)

1. 少なくとも一方が透明な一対の基板間に、電界を印加することにより光学的異方性の程度が変化する媒質が封入されている表示素子であって、
   画素電極と対向電極とが絶縁層を介して重なっている領域を有することを特徴とする表示素子。
2. 上記画素電極および上記対向電極が、上記媒質に電界を印加することを特徴とする請求項１記載の表示素子。
3. 少なくとも一方が透明な一対の基板間に、電界を印加することにより光学的異方性の程度が変化する媒質が封入されている表示素子であって、
   上記表示素子の容量と並列な関係となる補助容量が形成されていることを特徴とする表示素子。
4. さらに、第１の電極と第２の電極とを有し、第１の電極と第２の電極とに電圧を印加することによって上記電界を発生させていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の表示素子。
5. 上記第１の電極または第２の電極の一方に、電気的接続のオン・オフの切り替えを行うスイッチング素子が接続されていることを特徴とする請求項４に記載の表示素子。
6. 上記第１の電極と第２の電極とが、上記基板の一方における他方の基板と対向する表面に形成されていることを特徴とする請求項４または５に記載の表示素子。
7. 少なくとも上記第１または第２の電極の一方に重ねて補助電極を形成することで、上記補助容量を形成することを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１項に記載の表示素子。
8. 上記補助電極が、上記少なくとも第１または第２の電極の一方の形成範囲内に収まるように、重ねて形成されていることを特徴とする請求項７に記載の表示素子。
9. 上記補助電極が、上記第１および第２の電極のうちの当該補助電極と重なっていない方の電極と接続していることを特徴とする請求項４ないし８のいずれか１項に記載の表示装置。
10. 上記補助電極が、基板表面における第１および第２の電極より基板側に形成されていることを特徴とする請求項４ないし９のいずれか１項に記載の表示素子。
11. 電界を印加していないときの表示素子の容量値を１とした場合に、上記補助容量の値が１以上であることを特徴とする請求項３ないし１０のいずれか１項に記載の表示素子。
12. 電界を印加していないときの表示素子の容量値を１とした場合に、上記補助容量の値が２以上であることを特徴とする請求項３ないし１０のいずれか１項に記載の表示素子。
13. 上記媒質が、カー効果を示すことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の表示素子。
14. 上記媒質が、液晶性物質を含有することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の表示素子。
15. 上記媒質が、有極性分子を含有することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の表示素子。
16. 上記媒質が、電界印加により配向秩序度が変化する物質からなることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の表示素子。
17. 上記媒質が、電界印加により屈折率が変化する物質からなることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の表示素子。
18. 上記媒質が、キュービック対称性を示す秩序構造を有することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の表示素子。
19. 上記媒質が、キュービック相またはスメクチックＤ相を示す分子からなることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の表示素子。
20. 上記媒質が、液晶マイクロエマルションからなることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の表示素子。
21. 上記媒質が、ミセル相、逆ミセル相、スポンジ相、キュービック相のいずれかを示すリオトロピック液晶からなることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の表示素子。
22. 上記媒質が、ミセル相、逆ミセル相、スポンジ相、キュービック相のいずれかを示す液晶微粒子分散系からなることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の表示素子。
23. 上記媒質が、デンドリマーからなることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の表示素子。
24. 上記媒質１が、コレステリックブルー相を示す分子からなることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の表示素子。
25. 上記媒質が、スメクチックブルー相を示す分子からなることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の表示素子。
26. 上記媒質が、電界無印加時に光学的異方性を示し、
    電界を印加することによって光学的等方性を示すことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の表示素子。
27. 上記請求項１から２６のいずれか１項に記載の表示素子を有することを特徴とする表示装置。

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