JP2005352415A - 表示素子および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 応答速度が速く、低駆動電圧、かつ、広温度範囲で駆動できる表示素子並びに表示装置を提供する。
【解決手段】 一対の基板５，６に挟持される誘電性物質層１に、ポジ型液晶分子９からなる液晶材料に、チタン酸バリウム微粒子１１を添加した媒質を封入する。そして、上記の液晶材料がアイソトロピック相を呈する状態で電極４ａ−４ｂ間に電圧を印加することにより、誘電性物質層１内のチタン酸バリウム微粒子１１の自発分極および液晶分子９ａを電界方向に配向させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、表示素子および表示装置に関するものであり、特に、低電圧、広温度範囲で駆動可能であり、かつ、広視野角性と高速応答性とを併せ持つ表示素子および表示装置に関するものである。

近年、液晶表示素子を用いた表示装置が広く普及している。特に、ネマティック液晶を用いた液晶表示素子は、時計や電卓等の数値セグメント型表示素子から始まり、近年では省スペースかつ低消費電力という長所を活かして、ノートブックＰＣ（personal computer）、デスクトップモニター用ディスプレイとして広く普及している。また、近年では、ＣＲＴ(Cathode Ray Tube)で独占されていたテレビ（ＴＶ）の市場においても、ＦＰＤ(Flat Panel Display)の代表格としてＬＣＤ(Liquid Crystal Display)-ＴＶは確固たる地位を築きつつある。

ところで、これらの液晶表示素子では、応答速度（応答特性）や視野角特性をさらに向上させることが望まれている。特に、ＬＣＤ−ＴＶをさらに普及させるためには、動画の表示に適した高速動画応答性能と、見る角度によって画像や画質が変化しない広視野角性能とを実現することが望まれている。

従来のＬＣＤ−ＴＶ（液晶表示装置）としては、ネマティック液晶相の液晶表示モード（ネマティック液晶モード）である、ツイステッドネマティック（ＴＮ）モードや、位相差板で光学的に補償したＴＮモード、インプレーンスイッチング（ＩＰＳ）モード、バーティカルアラインメント（ＶＡ）モード、光学補償ベンド（ＯＣＢ）モード等を用いた液晶表示装置があり、これらの一部は既に商品化され、市場に出ている。

しかしながら、これらのネマティック液晶モードは、いずれも、バルクの液晶相における液晶分子の配向方向が変化することによって得られる、光学異方性を示す方向の変化を用いた表示方式となっている。つまり、これらの表示方式では、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、見る角度、見る方位によって画質は全く同一とはならない。

また、これら表示方式は、いずれも、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。したがって、バルクの液晶相が応答するにはどうしても数十〜数百ミリ秒程度の時間を要してしまい、数ミリ秒以下への更なる高速応答化は困難である。このため、これらの液晶表示モードを用いた表示装置では、高速動画性能および広視野角性能をさらに向上させることが求められている。

ところが、ネマティック液晶モードにおいては基板界面の配向規制力を、液晶分子自体が持つ自己配向性によってセル内部のバルク全体に伝播させ、バルク全体の液晶分子を配向させるようになっている。つまり、ネマティック液晶モードでは、液晶分子自体が持つ自己配向性が伝播することによる長距離秩序(long range order)を用いて表示を行っている。しかしながら、液晶分子自体が持つ自己配向性の伝播速度を向上させることには、本質的に限界があるので、ネマティック液晶表示モードを用いている限り、ＬＣＤ−ＴＶにおいて必須となる高速応答性と広視野角性の実現は困難である。

また、ネマティック液晶相の液晶表示モードの他に、ネマティック液晶相より秩序度が高いスメクティック液晶相において強誘電性が発現した強誘電性液晶（ＦＬＣ）モード、もしくは反強誘電性液晶（ＡＦＬＣ）モードがある。これらの液晶表示モード（スメクティック液晶モード）は、本質的にマイクロ秒程度の非常に高速な応答特性を示す。しかしながら、耐衝撃性、温度特性等の課題が解決されておらず、実用化には至っていない。

また、その他の液晶表示モードとしては、散乱と透明とをスイッチングさせる高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）モードがある。このＰＤＬＣモードは、偏光板が不要であり、高輝度表示が可能であるが、散乱と透明とのコントラスト差が低く、また、駆動電圧が高い等の課題があり、実用化されていない。

一方、電界印加によるバルクにおける液晶分子の回転を利用するこれらの表示モードに対して、２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１次に比例する効果と２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、２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、光偏光素子、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、光偏光素子、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できる。

ところで、カー効果を表示素子へ応用展開するにあたっての、実用上の大きな問題の一つは、従来の液晶表示素子と比較して駆動電圧が大きいことである。この問題に対して、例えば特許文献１では、基板表面にあらかじめ配向処理を施しておき、カー効果が発現しやすいような状態を作り出す手法が提案されている。
特開２００１−２４９３６３号公報（公開日２００１年９月１４日） Olexander Buchnev, Anatoliy Glushchenko, Yurii Reznikov, Victor Reshetnyak, Olexander Tereshchenko, John West『Diluted ferroelectric suspension of Ｓｎ２Ｐ２Ｓ６nanoparticles in nematic liquid crystal』, 2003, Proceedings of SPIE, Vol.5257, Ninth International Conference on Nonlinear Optics of Liquid and Photorefractive Crystals, p.7-12 Yurii Reznikov, Olexander Buchnev, Olexander Tereshchenko, Victor Reshetnyak, Anatoliy Glushchenko, John West 「Ferroelectric nematic suspension」, 2003, APPLIED PHYSICS LETTERS, Volume 82, Number 12, p.1917-1919 Jirakorn Thisayukta, 白石幸英, 真角武憲, 見山友裕, 戸嶋直樹, 小林駿介 「Agナノ粒子添加によるFM-TNLCDの電気光学特性と高速度スウィッチング」, 2003, 日本液晶学会討論会予稿集, p.125-126 物理学辞典編集委員会編 「物理学辞典」, 1992, 培風館, p.1253 黒沢達美 「物性論−固体を中心とした−」, 1991, 裳華房, p.131

特許文献１には、基板上に配向膜を塗布してラビング等の配向処理を施すことで等方相中のカー定数を実効的に高くすることができ、結果として低電圧化が実現できることが記載されている。

しかしながら、特許文献１に開示されている方法では、配向処理が施された基板界面近傍の分子しか配向させることができず、カー効果が発現しやすくなる範囲は基板界面近傍に限られる。したがって、特許文献１の技術では、駆動電圧をわずかしか低減できず、低電圧化の効果は実使用上、決して充分ではない。また、特許文献１の技術では、表示が可能となる温度範囲もピンポイントであって、表示装置として実用化するに至るレベルではない。

上記の問題は、特許文献１の技術では、液晶層を等方相(アイソトロピック相, Isotropic相)において駆動させていることに起因している。

従来のネマティック液晶モードを用いた液晶ディスプレイは、液晶相をネマティック相(Nematic相)において駆動させている。ネマティック相においては、上記したように、基板界面に予め配向処理を施した配向膜がきっかけとなって、基板界面上の液晶分子の配向方向(極角、方位角)が規定され、それがセル内部方向に向かって液晶分子自体が持つ自己配向能力に伴って伝播し、バルクの液晶層全体が一様に配向した状態でスイッチングさせている。

これに対し、特許文献１に開示されている技術は、ネマティック相の上の相（温度上昇させたときにネマティック相の次に呈する相）である等方相(アイソトロピック相)において電界を印加し、電界強度の２次に比例する屈折率変化(カー効果)を発現させるものである。

液晶材料は、ネマティック相から温度を上げていくと、ある臨界温度(Ｔ_ｎｉ点、ネマティック−アイソトロピック相転移温度)以上になると等方相に相転移する。等方相においては、通常の液体と同じように、熱力学的揺らぎのファクター(運動エネルギー)が分子間に作用する力より大きく、分子は自由に移動・回転している。このような等方相中においては、液晶分子間に働く自己配向能力（分子間相互作用）がほとんど働かないので、基板界面に配向処理を施しても、その効果はセル内部にはあまり伝わらない。このため、多少の低電圧化は実現できても、ディスプレイとして実用化できるレベルにまでは至らない。さらに、前述の熱力学的揺らぎのファクター(運動エネルギー)は、温度が上昇すると著しく大きくなり、カー効果を発現させるための電圧は著しく上昇する。

ところで、非特許文献２、３には、ネマティック液晶にＳｎ_２Ｐ_２Ｓ_６という構造式で示される強誘電体のナノパーティクル（ナノサイズの強誘電体微粒子）を添加する構成が開示されている。より詳細には、強誘電体微粒子を液晶材料にある割合で混合することで、電圧−容量カーブの閾値を下げられること、および、強誘電体微粒子の持つ自発分極によって直流電圧を印加した状態でそれと垂直な方向に交流電圧を印加すると、強誘電的な極性反転現象が見られることが記載されている。

また、非特許文献３には、ネマティック液晶相に、表面に垂直配向処理を施した金属ナノパーティクル(銀粒子、Ａｇ)を添加することにより、添加した銀粒子によって、ネマティック液晶相の電圧−透過率特性が印加電圧の周波数に依存して変化する現象（周波数分散）が発現することが記載されている。

しかしながら、非特許文献２，３に記載されているこれらの現象には、バルクの液晶相が長距離秩序(long range order)を保ったまま、電界によって光学的に変形するというネマティック液晶相における現象しか記載されていない。また、表示素子への応用等に関しては全く開示も暗示もされていない。したがって、非特許文献２，３の技術では、ネマティック液晶モードが本質的に有している上記の課題、すなわち高速動画性能および広視野角性能が充分に得られないという課題を解決することはできない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、応答速度が速く、低駆動電圧、かつ、広温度範囲で駆動できる表示素子並びに表示装置を提供することにある。

本発明の表示素子は、上記の課題を解決するために、対向する一対の基板と、上記一対の基板に挟持された誘電性物質層と、上記誘電性物質層内に電界を生じさせる電界印加手段とを備えた表示素子であって、上記誘電性物質層は、電界無印加時に光学的等方性を示し、電界を印加することによって光学的異方性が発現する媒質を含み、かつ、上記媒質には自発分極を有する微粒子が添加されていることを特徴としている。

上記の構成によれば、上記誘電性物質層内の媒質に添加された、自発分極を有する微粒子がきっかけとなって、電圧印加時における光学的異方性の発現を促進させることができる。これにより、電圧印加時に発現する光学的異方性をより効率良く、低い電圧で発現させることができる。

また、上記微粒子は、その物質自体が自発分極を有している。この物質に固有の自発分極は、温度に対する変化が比較的小さいので、広い温度範囲において電圧印加時の光学的異方性を発現させることができる。したがって、応答速度が速く、低駆動電圧、かつ、広温度範囲で駆動できる表示素子を実現できる。

なお、上記微粒子は、強誘電体微粒子であってもよい。

また、上記微粒子は、最大粒径が１μｍ以下であることが好ましい。
上記微粒子の最大粒径は１μｍ以下の場合、当該微粒子を、上記誘電性物質内で充分に分散させることができ、かつ、微粒子に起因する光学的な欠陥(ディフェクト)の発生を抑制できる。

また、上記微粒子は、平均粒径が０．１μｍ以下であることが好ましい。
上記微粒子の粒径が大きくなりすぎると、上記誘電性物質層の厚さに対する微粒子のサイズが大きくなって、光学的な欠陥が生じ、表示品位が低下する可能性がある。このため、上記微粒子の平均粒径は、０．１μｍ以下であることが好ましい。

また、上記微粒子は、自発分極値が１μＣ／ｃｍ^２以上であることが好ましい。上記微粒子の自発分極値が１μＣ／ｃｍ^２以上であれば、当該微粒子の周囲の媒質に充分に影響を及ぼせることができ、電圧を印加した際に低電圧で効率よく光学的異方性を発現させることができる。

また、上記微粒子は、上記誘電性物質層中に均一に分散していることが好ましい。これにより、上記微粒子が周囲の媒質に影響を及ぼす領域が、上記誘電性物質層中に均一に発生し、低電圧で効率よく電圧印加時の光学的異方性を発現させることが可能となる。なお、本明細書において均一に分散しているとは、必ずしも厳密な均一性を要求するものではなく、上記誘電性物質層の全域において、同等の表示特性を視認できる程度に、ほぼ均一に分散していればよい。

また、上記誘電性物質層内における、各微粒子間の平均間隔が１μｍ以上であることが好ましい。

上記微粒子間の平均間隔が１μｍ以上であれば、上記各微粒子が周囲の媒質中の分子に影響を与えることによって、上記分子のクラスターが上記誘電性物質層中にほぼ均一に発生し、低電圧で効率よく電圧印加時の光学的異方性を発現させることができる。

また、上記誘電性物質層における上記微粒子の混合濃度は、０．０１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下であることが好ましい。

上記微粒子の添加濃度は、誘電性物質層における重量パーセント濃度（ｗｔ％）が１０ｗｔ％を超えると、微粒子同士の凝集性が激しくなる、均一な分散性が困難になる、あるいは、上記誘電性物質層の粘度が著しく高くなってハンドリングが難しくなる、などの問題が生じる。逆に、添加濃度が０．０１ｗｔ％未満になると、上記微粒子の濃度が低すぎて、周囲の媒質に与える効果が無視できる程度に小さくなってしまう。したがって、上記微粒子の添加濃度は、０．０１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下であることが好ましい。これにより、上記媒質との相溶性がよく、微粒子が分離することもなくて、かつ、電圧印加時の光学的異方性を低電圧で効率よく発現させることが可能となる。

また、上記微粒子は、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、亜硝酸ソーダのいずれかからなる構成であってもよい。

これらの微粒子は、キュリー温度(強誘電相−常誘電相間の相転移温度)が高いので、広い温度範囲において電圧印加時の光学的異方性を低電圧で効率よく発現させることができる。また、これらの微粒子は、コンデンサー用途等として非常に一般的な物質であるので、取扱いが容易である。

また、上記微粒子は、凝集性防止用のカップリング剤をコーティングされていてもよい。上記微粒子に凝集性防止用のカップリング剤をコーティングしておくことにより、微粒子同士が凝集し、実質的な粒子サイズが大きくなって光学的な欠陥が発生することを防止でき、より均一な分散性を実現できる。

また、上記媒質は、ネマティック相とアイソトロピック相とに相転移する液晶性物質であり、上記媒質がアイソトロピック相を呈することによって、上記電界無印加時における光学的等方性を示すものであってもよい。

上記の構成によれば、上記微粒子の持つ自発分極が、その周囲に存在する液晶性物質の配向状態に影響を及ぼし、上記微粒子の周囲の液晶分子が、上記自発分極の方向に配向する。すなわち、上記誘電性物質層内に上記微粒子に起因した局所的な液晶性物質の配向領域(クラスター)が形成される。これにより、電圧印加時に発現する光学的異方性をより効率良く、低い電圧で発現させることができる。また、上記微粒子の自発分極値は、温度に対して比較的フラットな特性（温度に対する自発分極値の変化が比較的小さい特性）を有しているので、より広い温度範囲で光学的異方性を発現させることができる。

また、上記媒質を構成する分子は、電界無印加時に光学波長以下の秩序構造を有し、電界を印加することによって上記秩序構造が変化して光学的異方性を示すものであってもよい。

上記の構成によれば、電圧印加によって、上記誘電性物質層に含まれる媒質を構成する分子の秩序構造に歪みを生じさせ、当該媒質に光学的異方性を発現させることができる。これにより、電圧無印加時と電圧印加時とで、異なる表示状態を実現することができる。また、上記微粒子によって、電圧印加時に発現する光学的異方性をより効率良く、低い電圧で発現させることができる。また、上記微粒子は、その物質自体が自発分極を有しており、自発分極は温度に対する変化が比較的小さいので、広い温度範囲において電圧印加時の光学的異方性を発現させることができる。したがって、応答速度が速く、低駆動電圧、かつ、広温度範囲で駆動できる表示素子を実現できる。

また、上記媒質は、誘電率異方性が正であってもよく、誘電率異方性が負であってもよい。したがって、表示素子（パネル）の設計、用途等に応じて、上記誘電性物質層に用いる媒質を選択できる。

また、上記媒質は、電界強度の２次に比例して屈折率が変化するものであってもよい。電界強度の２次に比例して屈折率が変化する効果、すなわちカー効果は、応答速度が本質的に速い。したがって、上記の構成によれば、応答速度が速く、低駆動電圧、かつ、広温度範囲で駆動できる表示素子を実現できる。

また、上記電界印加手段は、基板面内方向の電界を発生させるものであってもよく、あるいは、基板面法線方向の電界を発生させるものであってもよい。

上記の構成によれば、表示素子（パネル）の設計、用途等に応じて、上記電界印加手段の構成（電極構成）を選択できる。なお、この場合、上記電界印加手段の構成に応じて、上記誘電性物質層に用いる媒質を適宜選択すればよい。例えば、ポジ型ネマティック相を呈する液晶性物質と上記微粒子との混合系を含む上記誘電性物質層に、基板面内方向（基板面の平行な方向）の電界を発生させることで、横電界（面内電界）方式による光学的等方性−光学的異方性のスイッチングが実現できる。このような面内方式の表示素子は、広視野角特性を得やすい。また、例えば、ネガ型ネマティック相を呈する液晶性物質と上記微粒子との混合系を含む上記誘電性物質層に基板法線方向の電界を発生させることで、縦電界方式による光学的等方性−光学的異方性のスイッチングが実現できる。

また、上記誘電性物質層に、上記光学的異方性の発現を促進させるための配向補助材が形成されていてもよい。この場合、上記配向補助材によって電圧印加時の光学的異方性発現をさらに促進することができ、より一層低電圧かつ広温度範囲で光学的異方性を発現させることができる。

また、上記配向補助材は、鎖状高分子材料、網目状高分子材料、多孔質無機材料、水素結合体のいずれかからなるものであってもよい。

上記いずれかの物質からなる配向補助材を形成することで、電圧印加時における光学的異方性の発現を補助し、低電圧かつ広温度範囲で光学的異方性を発現させることができる。

また、上記媒質は、ネマティック相とアイソトロピック相とに相転移する液晶性物質であって、アイソトロピック相を呈することによって、上記電界無印加時における光学的等方性を示し、上記配向補助材は、上記媒質がネマティック相を呈している状態で形成されたものであってもよい。

上記の構成によれば、上記配向補助材を、上記媒質がネマティック相を呈している状態における分子の配向方向に沿って平均的に延びるように形成できる。これにより、上記媒質がアイソトロピック相を呈している状態で電界を印加した場合に、上記媒質を構成する分子の、ネマティック相状態における配向方向への配向を促進させることができる。したがって、電圧印加時の光学的異方性発現を補助し、低電圧かつ広温度範囲で光学的異方性を発現させることができる。

また、上記対向する基板の少なくとも一方に、上記媒質を構成する分子に配向規制力を付与する配向膜が形成されていてもよい。これにより、電圧印加時における光学的異方性の発現をさらに促進し、より一層低電圧かつ広温度範囲で光学異方性を発現させることができる。

なお、上記配向膜は、ラビング処理が施されているものであってもよい。あるいは、多数の溝が形成されてなるマイクログルーブであってもよい。

また、多数の溝が形成されてなる配向膜を用いる場合、上記多数の溝は、フォトリソグラフィープロセス、スタンプ法、マスク露光プロセスのいずれかによって形成されたものであってもよい。ここで、フォトリソグラフィープロセスとは、感光性樹脂層(フォトレジスト)塗布・露光・現像・剥離を経て膜を作製するプロセスである。また、スタンプ法(型押し法)とは、微細な所望の溝を有する金属板、プラスティック板(型)を予め作製しておき、その型で樹脂層を型押しし、熱硬化あるいはＵＶ硬化させて膜を作製するプロセスである。また、マスク露光プロセスとは、感光性樹脂層(フォトレジスト)塗布して所望のパターンを有するフォトマスクでマスクＵＶ露光した後、熱硬化させて膜を作製するプロセスである。これらの方法によって上記多数の溝を含む配向膜を形成することにより、容易かつ高精度に各溝を形成できる。

また、この場合、上記多数の溝は、上記基板面の法線方向から見て、複数方向に屈折していてもよい。上記の構成によれば、基板内における複数の領域に、異なる方向の溝を容易に形成できる。このため、電界印加時における液晶分子の配向方向を、基板面に平行な複数の方向とすることができ、マルチドメインを容易に形成できる。したがって、視野角特性を向上させることができる。

また、上記媒質に、カイラル剤が添加されていてもよい。あるいは、上記媒質は、カイラル物質であってもよい。上記媒質にカイラル剤を添加すること、あるいは、カイラル物質からなる媒質を用いることにより、上記微粒子の自発分極が周囲の上記媒質の分子に影響を及ぼす領域のサイズを大きくでき、また、上記自発分極が周囲の分子に及ぼす影響を強固にすることができる。これにより、電界印加時による光学的異方性の発現を、より低電圧かつ広温度範囲で発生させることができる。

本発明の表示装置は、上記したいずれかの表示素子を備えてなる。したがって、応答速度が速く、低駆動電圧、かつ、広温度範囲で駆動できる表示装置を実現できる。

以上のように、本発明の表示素子は、上記誘電性物質層が、電界無印加時に光学的等方性を示し、電界を印加することによって光学的異方性が発現する媒質を含み、かつ、上記媒質には自発分極を有する微粒子が添加されている。

それゆえ、上記誘電性物質層内の媒質に添加された、自発分極を有する微粒子がきっかけとなって、電圧印加時における光学的異方性の発現を促進させることができる。これにより、電圧印加時に発現する光学的異方性をより効率良く、低い電圧で発現させることができる。また、上記微粒子は、その物質自体が自発分極を有している。この物質に固有の自発分極は、温度に対する変化が比較的小さいので、広い温度範囲において電圧印加時の光学的異方性を発現させることができる。したがって、応答速度が速く、低駆動電圧、かつ、広温度範囲で駆動できる表示素子を実現できる。

本発明の表示装置は、上記したいずれかの表示素子を備えてなる。それゆえ、応答速度が速く、低駆動電圧、かつ、広温度範囲で駆動できる表示装置を実現できる。

〔実施形態１〕
本発明の一実施形態について図に基づいて説明する。本実施形態にかかる表示装置は、少なくとも一方が透明な一対の基板間に、電界の印加により屈折率が変化する液晶材料（液晶性物質）からなる媒質を挟持してなる表示素子と、この表示素子の駆動を行う駆動回路、表示素子に印加する電圧のＯＮ／ＯＦＦを行うスイッチング素子、このスイッチング素子を制御する信号を供給する信号線、表示素子に印加する電圧を供給する走査線などを備え、上記液晶材料が等方相（光学的等方性）を示す状態において電界を印加することにより、上記屈折率が電界の二次に比例して変化する二次の電気光学効果、すなわちカー効果を用いて光学的異方性を発現させ、表示を行う表示装置である。

図１（ａ）は、本実施形態に係る表示素子１００の簡略構成を示す断面図であり、電圧無印加時の状態を示している。また、図１（ｂ）は、電圧印加時における表示素子１００の状態を示している。

この図に示すように、表示素子１００は、対向する２枚の基板５および６、基板６における基板５との対向面に形成された電極４ａおよび４ｂ、基板６上に電極４ａ，４ｂを覆うように形成された配向膜３、基板５における基板６との対向面に形成された配向膜２、基板５および６（配向膜２−３間）に挟持されてなる誘電性物質層１、基板５，６における外側の面（両基板における対向面と反対側の面）に形成された偏光板（偏光素子）７，８からなる。なお、誘電性物質層１には、後述するポジ型の液晶材料（液晶性物質）Ａが封入されている。

基板（透光性基板）５，６は、表示素子１００に適度な強度を付与するものであり、可視光に対して透明なガラスからなる。

電極（ストライプ電極、櫛歯電極）４ａおよび４ｂは、金属膜種としてクロムを用いられており、両電極４ａおよび４ｂが、図１（ａ）における紙面垂直方向にストライプ状（縞状）に交互に並ぶように形成されている。より詳細には、電極４ａおよび４ｂは、それぞれ、互いに平行な複数の櫛歯状の電極部を有し、電極４ａにおける櫛歯状の各電極部と電極４ｂにおける櫛歯状の電極部とが、互いに平行となるように、交互に配置されている。なお、電極４ａおよび４ｂにおける各電極部の電極幅（ストライプ状に並ぶ方向の幅）Ｌは９μｍ、電極間隔Ｓ（電極４ａの各電極部とそれに隣接する電極４ｂの各電極部とのストライプ状に並ぶ方向の間隔）は１０μｍ、誘電性物質層１の厚さ（セル厚ｄ）は５μｍとなっている。

配向膜２，３は、従来のネマティック液晶表示モードで広く用いられているポリイミドを用い、誘電性物質層１を両基板５−６間に封入する前に、予め図１（ａ）に示す方向にラビング処理が施されている。すなわち、基板６上に形成された配向膜３には図中左から右に向かってラビング処理が施され、ガラス基板上５に形成された配向膜２には、配向膜３に施したラビング方向とは反平行（平行かつ逆方向）のラビング処理を施されている。

図２は、偏光板７，８の吸収軸方向、配向膜２，３に施したラビング処理のラビング方向、電極４ａ−４ｂ間に働く基板面内の電界方向を示している。この図に示すように、偏光板７および８は、クロスニコル（互いの吸収軸のなす角が９０°）に配置されている。また、配向膜２，３に施したラビング方向と電界方向とは互いに平行であり、かつ、ラビング方向および電界方向と、偏光板７および８の吸収軸方向とのなす角度が４５°となるように配置されている。したがって、誘電性物質層１が光学的等方性を示す場合には暗状態となり、誘電性物質層１が光学的異方性を示す場合には光が透過してくるので明状態となる。

誘電性物質層１には、図１（ａ）に示すように、液晶分子（ポジ型液晶分子）９からなる液晶材料Ａ（詳細は後述する）が封入されている。また、この液晶材料Ａには、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）微粒子１１が添加されている。

誘電性物質層１では、この図に示すように、チタン酸バリウム微粒子１１が誘電性物質層１中にほぼ均一に分散しており、その周囲において液晶分子９がクラスター１０を形成している。すなわち、チタン酸バリウム微粒子１１の自発分極Ｐｓが周囲の液晶分子に影響を及ぼすことによって、この影響が及ぶ範囲である近距離秩序領域にクラスター１０を形成している。

液晶材料Ａには、ポジ型ネマティック液晶として一般的なＰｅｎｔｙｌ ｃｙａｎｏ ｂｉｐｈｅｎｙｌ（５ＣＢ）を用いた。Ｐｅｎｔｙｌ ｃｙａｎｏ ｂｉｐｈｅｎｙｌ（５ＣＢ）の化学式を以下に示す。

この液晶材料Ａ（５ＣＢ）は、Ｔ_ｎｉ点が３５．４℃、誘電率異方性Δεが＋１１．０（２６℃，１ｋＨｚ）、屈折率異方性Δｎが０．１９６８（２５℃，λ＝５０９ｎｍ）である。ここで、Ｔ_ｎｉは、ネマティック相−アイソトロピック相転移温度である。また、誘電率異方性Δεは、液晶分子の長軸方向の誘電率と短軸方向の誘電率との差である。また、Δｎは、液晶分子の長軸方向の屈折率と短軸方向の屈折率との差である。

このように、５ＣＢは、Δεが正の値であるポジ型液晶であり、Δｎが大きく、また、Ｔ_ｎｉ点が３５．４℃とチタン酸バリウムのＴｃ＝１２０℃より大幅に低い。このため、３５．４℃から１２０℃の温度範囲で、液晶材料Ａ（５ＣＢ）の等方相中においてチタン酸バリウムの自発分極Ｐｓの効果を作用させることができる。

チタン酸バリウム微粒子１１の平均粒径は０．１μｍであり、添加濃度０．５ｗｔ％（質量パーセント）で液晶材料Ａに添加されている。

チタン酸バリウムは強誘電体として非常に一般的な物質であり、コンデンサー用途として広く使用されており、学術的にも最も詳細に解析されている強誘電体である。また、チタン酸バリウムは常温で約２６μＣ／ｃｍ^２という非常に大きい自発分極値を有している。また、キュリー温度Ｔｃ（強誘電相−常誘電相間の相転移温度）も１２０℃と、通常のネマティック液晶のネマティック−アイソトロピック相転移温度（液晶層−等方相転温度）Ｔ_ｎｉより高く、液晶材料の等方相において光学的等方性と光学的異方性とをスイッチングさせるという今回の目的に適している。また、チタン酸バリウムは、５℃〜１２０℃の温度範囲において結晶光学的に言うと［００１］方向に自発分極Ｐｓが存在する正方晶（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ）に属する（非特許文献４、５参照）。

誘電性物質層１に封入された液晶材料Ａとチタン酸バリウム微粒子１１との混合系は、室温（２５℃）でネマティック液晶相を呈しており、３５．９℃においてネマティック−アイソトロピック相転移を起こし、等方相（アイソトロピック相）に転移することを確認した。つまり、相系列、及び、相転移温度は、チタン酸バリウム微粒子１１が添加されていない液晶材料Ａが単独の系とほとんど変わらない。

先に詳述したように、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）は非常に大きい自発分極Ｐｓを有している。このため、液晶材料Ａとの混合系において、チタン酸バリウム微粒子１１は、その周囲に存在する液晶分子９に電気的な影響を及ぼして該微粒子１１に近接するある距離内で自発分極Ｐｓの方向に液晶分子９を配向させることができる。本明細書では、このチタン酸バリウム微粒子１１の自発分極Ｐｓが周囲に存在する液晶分子９に電気的な影響を及ぼす近接距離内の領域をクラスターと称する。

図１（ｃ）は、クラスター１０内の様子を模式的に示した説明図である。点線１０の内側はチタン酸バリウム微粒子１１の自発分極Ｐｓが液晶分子９の配向方向に影響を及ぼす範囲であり、この範囲内の液晶分子９が自発分極Ｐｓの方向に平行な方向を向くことによって、クラスター１０を形成している。

なお、図１（ａ）に示すように、電圧無印加時には、誘電性物質層１内においてクラスター１０を形成する各チタン酸バリウム微粒子１１の自発分極Ｐｓはランダムな方向を向いている。このため、電極４ａ−４ｂ間に電圧を印加していない状態において、誘電性物質層１をマクロに見ると光学的に等方であり（光学的等方性を示し）、表示素子１００における表示状態は暗（黒）状態となる。

一方、電極４ａ−４ｂ間に電圧を印加すると、図１（ｂ）に示すように、誘電性物質層１内においてクラスター１０を形成する各チタン酸バリウム微粒子１１の自発分極Ｐｓは、電界方向に配向する。また、各クラスター１０内の液晶分子９は、チタン酸バリウム微粒子１１の自発分極Ｐｓの影響を受けて、自発分極Ｐｓに平行な方向、すなわち電界方向に配向する。この結果、電極４ａ−４ｂ間に電圧を印加している状態において、誘電性物質層１をマクロに見ると光学的に異方であり（光学的異方性を示し）、表示素子１００における表示状態は明るい（白）状態となる。

ここで、表示素子１００における光学特性について調査した結果を説明する。この調査は、まず、表示素子１００において、誘電性物質層１の温度をネマティック−アイソトロピック相転移温度（Ｔ_ｎｉ）の１Ｋ高温側、即ち、Ｔ＝３６．９℃（ΔＴ＝Ｔ−Ｔ_ｎｉ＝１Ｋ）とし、電極４ａ−４ｂ間に電圧を印加した場合の光学的異方性について測定した。なお、表示素子１００と比較するために、誘電性物質層１にチタン酸バリウム微粒子１１を全く添加しない以外は表示素子１００と同様に作成した比較用表示素子を用意し、表示素子１００と同様の条件で測定を行った。

上記の温度下で、基板（透光性基板）６上に設けられた電極４ａ−４ｂ間に電圧を印加すると、表示素子１００では、チタン酸バリウム微粒子１１を分散（添加）していない比較用表示素子と比べて、大幅に低い電圧で誘電性物質層１中に光学的異方性が発現し、明状態が得られた。

また、明るさ（透過率）が最大になる電圧Ｖ_ｍａｘを測定したところ、表示素子１００では２０Ｖであり、比較用表示素子では４８Ｖであった。すなわち、チタン酸バリウム微粒子１１を添加することで、最大の明るさ（最大透過率）を得るための駆動電圧を１／２以下と大幅に低電圧化することができた。

次に、温度を上昇させながら、表示素子１００（本実施形態の系）、および、比較用表示素子（液晶材料Ａ単独の系）における、明るさ（透過率）が最大になる電圧Ｖ_ｍａｘを測定したところ、表１に示す結果が得られた。

この表に示すように、表示素子１００では、温度上昇に対するＶ_ｍａｘの変化は比較的小さく（比較的フラットであり）、３７℃〜８０℃の広い温度範囲において実用的な電圧で最大透過率を得ることができ、ディスプレイとして実駆動させられることがわかった。

これに対して、比較用表示素子では、温度上昇とともにＶ_ｍａｘが非実用的な電圧まで急激に上昇してしまい、ディスプレイとして用いることは到底できない結果であった。

このような、電圧印加によって等方相に光学的異方性が発現する現象は、カー効果（液晶カー効果）と呼ばれるもので、その光学的異方性Δｎは電界強度Ｅの２次に比例し、下記の式（１）で表現できることが一般に知られている。

Δｎ ＝ λＢＥ^２ （１）
ここで、Ｂはカー定数と呼ばれる比例定数であり、カー定数が大きい程、低い電圧（小さい電界強度）で等方相中に光学的異方性が発現し、また、電圧（電界強度）が同じ場合にはカー定数が大きいほど大きな光学的異方性が得られることになる。なお、λは光の波長である。カー定数Ｂは、ランダウ−ドゥジャンの現象論的解析によると、下記の式（２）に示すように、Ｔ−Ｔ_ｎｉに反比例して減少することが分かっている。

Ｂ ∝ １／（Ｔ−Ｔ_ｎｉ） （２）
図３（ａ）は、式（２）に基づく、温度Ｔとカー定数Ｂとの関係を示すグラフである。この図に示すように、液晶材料では、カー定数Ｂが温度上昇に伴って急激に減少する。このため、上記比較用表示素子のように液晶材料単独の系では、Ｖ_ｍａｘが温度上昇とともに急激に上昇する。

ところで、チタン酸バリウム等の強誘電体の自発分極Ｐｓは、ランダウ−ドゥジャンの現象論的解析によると下記の式（３）のようになることが分かっている。

Ｐｓ ∝ （Ｔｃ−Ｔ）^β， β〜０．５ （３）
図３（ｂ）は、式（３）に基づく、温度Ｔと自発分極（自発分極値）Ｐｓとの関係を示すグラフである。この図に示すように、自発分極Ｐｓは比較的、温度に対してフラットな特性（温度変化に対する自発分極Ｐｓの変化が小さいという特性）を有しており、強誘電相−常誘電相間の相転移温度であるキュリー点（Ｔｃ）付近にならないと急激に減少しない。

表示素子１００において、液晶材料Ａに添加したチタン酸バリウム微粒子１１のキュリー温度Ｔｃは、上記したように１２０℃である。このため、キュリー温度Ｔｃ以下の温度範囲で誘電性物質層１の温度を上昇（変化）させても、自発分極（自発分極値）Ｐｓを高く保つことができ、クラスター１０の大きさ、および、クラスター１０内で自発分極Ｐｓがｅ機種ｏ分子９に及ぼす影響が、温度変化によってあまり変化しない。これにより、温度上昇に伴って液晶材料Ａにおけるカー定数が低下しても、自発分極Ｐｓの配向によって各クラスター１０内の液晶分子９を配向させることができ、最大透過率を得るための電圧Ｖ_ｍａｘを広い温度範囲において低い電圧に保つことができる。すなわち、表示素子１００では、誘電性物質層１中に均一に分散しているチタン酸バリウム微粒子１１の自発分極Ｐｓが、液晶材料Ａの温度上昇におけるカー定数の減少度合いをちょうど上手く相殺して、系全体（誘電性物質層１全体）の実効的なカー定数をある程度の温度範囲で高く保つことができ、Ｖ_ｍａｘを８０℃付近までの広い温度範囲で比較的低く維持できる。

以上のように、本実施形態にかかる表示素子１００では、ポジ型液晶材料からなる液晶材料Ａにチタン酸バリウム微粒子１１を添加している。このため、チタン酸バリウム微粒子１１の自発分極Ｐｓが、その周囲の液晶分子９に電気的な影響を及ぼし、周囲の液晶分子９が自発分極Ｐｓに平行な方向に配向してクラスター１０が形成される。また、各チタン酸バリウム微粒子１１における自発電極Ｐｓの配向方向は、電圧無印加時には等方的であり、電界印加によって電界に平行な方向に配向する。これにより、電界無印加時に光学的等方性を示す液晶材料Ａとチタン酸バリウム微粒子１１との混合系に、電界を印加することによって自発分極Ｐｓおよび液晶分子９を電界方向に配向させ、光学的異方性を発現させることができる。

このため、液晶材料が単独で用いられる表示素子よりも、大幅に低い電圧で光学的異方性を発現させることができる。また、透過率が最大となる電圧であるＶ_ｍａｘについても、大幅に低電圧化することができる。

また、チタン酸バリウム微粒子１１のキュリー温度は１２０℃と高く、自発分極Ｐｓの自発分極値はキュリー温度よりもある程度低い温度では大きく変化しない。このため、クラスター１０の大きさが大幅に低下することがなく、液晶材料Ａのカー定数が温度上昇によって低下したとしても、電界印加による自発分極Ｐｓの配向によってクラスター１０内の液晶分子９を配向させることができる。このため、表示素子１００では、透過率が最大となる電圧Ｖ_ｍａｘを、広い温度範囲において低く保つことができる。

また、表示素子１００では、液晶材料Ａが等方相（アイソトロピック相）を示している状態で、電圧を印加することによって生じる電気光学効果により光学的異方性を発現させている。等方相には液晶相（ネマティック相）のような長距離秩序（long-range-order)が存在しないので、従来のネマティック液晶モードを用いた表示素子のように、液晶層全体がバルク全体として丸ごと配向変化することがない。また、液晶材料における粘性（粘度）は温度上昇とともに指数関数的に低下するので、等方相は液晶相に比べて粘度が低いサラサラした液体状態であり、外部電界のＯＮ／ＯＦＦに対して反応速度が速い。このため、等方相での電気光学効果を用いて表示を行う表示素子は、本質的に高速応答特性を有している。

したがって、本実施形態によれば、高速応答特性を備え、低電圧、かつ、広温度範囲で駆動可能な表示素子を実現できる。

また、表示素子１００は、従来のＩＰＳモードを用いた表示素子と同様、基板面内方向（基板面平行方向）に位相差を発生させるモードであるので、表示素子１００を実パネル（表示装置）に適用する際、電極構造を最適化することで、広視野角特性を得ることができる。

なお、本実施形態では、液晶材料に添加するチタン酸バリウム微粒子１１として、コンデンサー用途として実績のある平均粒径０．１μｍのチタン酸バリウム微粒子１１を用いている。これは、微粒子の製造時におけるプロセス上の問題で、現状では数十ｎｍサイズ以下の強誘電体微粒子は作製が困難なためである。ただし、チタン酸バリウム微粒子１１の粒径が大きくなると、誘電性物質層１の厚さ（セル厚ｄ）が５μｍであるため、セル厚ｄに対する微粒子サイズが大きくなって、光学的な欠陥（ディフェクト）が生じ、表示品位が低下する可能性がある。したがって、チタン酸バリウム微粒子１１（強誘電体微粒子）の粒径は、平均粒径０．１μｍ以下であることが好ましく、小さい程よい。また、チタン酸バリウム微粒子１１の最大粒径は、１μｍ以下であることが好ましい。最大粒径を１μｍ以下とすることにより、誘電性物質層１内でチタン酸バリウム微粒子１１を充分に分散させることができ、かつ、微粒子に起因する光学的な欠陥(ディフェクト)が発生しない。

また、本実施形態では、チタン酸バリウム微粒子１１の添加濃度を０．５ｗｔ％（質量パーセント）とした。チタン酸バリウム微粒子１１の添加濃度は、誘電性物質層１における重量パーセント濃度（ｗｔ％）が１０ｗｔ％を超えてくると粒子同士の凝集性が激しくなる、均一な分散性が困難になる、液晶分子との混合系である誘電性物質層１の粘度が著しく高くなってハンドリングが難しくなる、などの問題が生じる。逆に、添加濃度が０．０１ｗｔ％未満になると、チタン酸バリウム微粒子１１の濃度が低すぎて、周囲の液晶分子に与える効果が無視できる程度に小さくなってしまう。したがって、チタン酸バリウム微粒子１１の添加濃度は、０．５ｗｔ％に限るものではないが、０．０１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下であることが好ましい。

また、本実施形態では、液晶材料Ａにチタン酸バリウム微粒子１１を添加しているが、液晶材料Ａに添加する強誘電体微粒子は、これに限るものではない。キュリー温度ＴｃがＴ_ｎｉよりも高い強誘電体微粒子（自発分極を有する微粒子）であればよく、例えば、チタン酸亜鉛、亜鉛酸ソーダなどを用いることができる。

なお、これらの強誘電体微粒子を用いる場合にも、平均粒径、最大粒径、添加濃度などは、上記したチタン酸バリウム微粒子１１を用いる場合と同様の条件であることが好ましい。すなわち、平均粒径０．１μｍ以下であることが好ましく、平均粒径が小さい程よい。また、最大粒径は、１μｍ以下であることが好ましい。また、添加濃度が０．０１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下であることが好ましい。

また、いずれの強誘電体微粒子を用いる場合にも、自発分極値は１μＣ／ｃｍ^２以上であることが好ましい。自発分極値が１μＣ／ｃｍ^２以上の場合、周囲の液晶性物質に充分、影響を及ぼせることができ、電圧を印加した際に低電圧で効率よく光学的異方性を発現させることができる。また、キュリー温度ＴｃがＴ_ｎｉよりも十分に高いことが好ましい。

また、強誘電体微粒子は、誘電性物質層１内で均一に分散していて、強誘電体微粒子間の平均的な間隔は１μｍ以上であることが好ましい。強誘電体微粒子間の平均的な間隔が１μｍ以上であれば、局所的な液晶性物質のクラスターが誘電性物質層中に均一に発生し、低電圧で効率よく電圧印加時の光学的異方性を発現させることができる。

また、表示素子１００において、チタン酸バリウム微粒子（強誘電体微粒子）１１に、凝集防止用（凝集性防止用）のカップリング剤をコーティングして用いてもよい。

このようなカップリング剤としては、例えばシランカップリング剤を用いることができる。シランカップリング剤とは、一般に、Ｘ−Ｓｉ（ＯＲ）_３の化学式で表される化合物であり、分子中に２個以上の反応基を持っている。上記化学式におけるＸは、アミノ基、ビニル基、エポキシ基等の有機質と反応する基（反応基）であり、ＯＲは、メトキシ基といった加水分解可能な基（反応基）であるため、通常は結びつきにくい有機質材料と無機質材料とのバインダーとして機能する。このシランカップリング剤をメタノール等のアルコール系溶剤に０．２％〜２％程度の濃度で溶解させて、その中にチタン酸バリウム微粒子１１等の強誘電体微粒子を浸すと、ＯＲ基側が強誘電体微粒子と結合し、それと反対側にＸ基が配位して、ちょうど微粒子を包み込むようにコーティングする。ここで、シランカップリング剤の溶媒（この場合は主に液晶）と接する部位、すなわちＸ基が、溶媒に対して高い溶解性を示すような材料を用いることで、チタン酸バリウム微粒子（強誘電体微粒子）１１の分散性を向上させることができる。なお、このようなコーティングを行う場合でも、コーティングを含むチタン酸バリウム微粒子（強誘電体微粒子）１１の粒径は上記した範囲であることが好ましい。ただし、一般に、コーティング剤は、膜厚が数十オングストロームという非常に薄い膜なので、コーティング前後でチタン酸バリウム微粒子（強誘電体微粒子）１１の粒径は特に変化しない場合が多い。

また、本実施形態では、液晶材料Ａとして、ポジ型ネマティック液晶として一般的なＰｅｎｔｙｌ ｃｙａｎｏ ｂｉｐｈｅｎｙｌ（５ＣＢ）を用いているが、これに限るものではない。ただし、ネマティック−アイソトロピック相転移温度Ｔ_ｎｉが、０℃より高いことが好ましく、−２０℃よりも高いことがより好ましい。

例えば、誘電性物質層１に封入する媒質は、単一化合物で液晶性を示すものであってもよく、複数の物質の混合により液晶性を示すものでもよい。あるいは、これらに他の非液晶性物質が混入されていてもよい。

また、誘電性物質層１に封入する液晶材料（媒質）は、電圧無印加時には光学的に概ね等方であり、電圧印加により光学変調を誘起される媒質であって、誘電異方性が正の媒質であってもよい。すなわち、電圧印加に伴い分子、または分子集合体（クラスター）の配向秩序度が上昇する物質であってもよい。

また、誘電性物質層１に封入する媒質として、例えば、光学波長以下の秩序構造を有し、光学的には等方的に見える液晶材料であって、誘電異方性が正のものを適用することができる。あるいは、液晶分子が光の波長以下のサイズで放射状に配向している集合体で充填された、光学的に等方的に見えるような系を用いることもできる。これらに電界を印加することにより、分子あるいは集合体の微細構造にひずみを与え、光学変調を誘起させることができる。また、これらの媒質を用いる場合にも、配向補助材を形成しておくことによって分子の配向を促進できるので、低電圧で駆動することが可能となる。

また、表示素子１００では、基板５，６にガラス基板を用いているが、これに限るものではなく、表示素子１００に適度な強度を付与でき、少なくとも一方の基板が可視光に対して透明な材質であればよい。つまり、一方の基板側から入射した光を他方の基板から出射させて表示を行う透過型の表示素子を形成する場合には両方の基板を透明な材質とし、一方の基板側から入射した光を他方の基板側で反射させて、入射側の基板から出射させて表示を行う反射型の表示素子を形成する場合には、少なくとも一方が透明であればよい。

また、電極４ａおよび４ｂは、クロムを用いて形成されているとしたが、これに限るものではない。例えば、ＩＴＯ（錫酸化物（indium tin oxide））などの可視光に対して透明な電極材料を用いてもよく、この場合、開口率を向上させることができる。

また、表示素子１００では、配向膜２，３は、従来のネマティック液晶表示モードで広く用いられているポリイミドにラビング処理が施したものを用いているが、これに限るものではなく、液晶分子９に配向規制力を付与できるものであればよい。例えば、フォトレジストのような感光性樹脂を露光、現像するといったフォトリソグラフィープロセスによって、表面に微小な溝（ミクロな溝）を多数形成したマイクログルーブを用いてもよい。あるいは、微細な所望の溝を有する金属板、プラスティック板(型)を予め作製しておき、その型で樹脂層を型押しし、熱硬化あるいはＵＶ硬化させて膜を作製する、スタンプ法(型押し法)によって、表面にミクロな溝を多数形成したマイクログルーブを用いてもよい。あるいは、感光性樹脂層(フォトレジスト)塗布して所望のパターンを有するフォトマスクでマスクＵＶ露光した後、熱硬化させて膜を作製する、マスク露光プロセスによって、表面にミクロな溝を多数形成したマイクログルーブを用いてもよい。これらの方法によって多数のミクロな溝を含む配向膜を形成することにより、容易かつ高精度に、液晶分子９に配向規制力を付与するためのマイクログルーブを形成できる。

また、表示素子１００では、各配向膜２，３に互いに逆平行な方向のラビング処理が施されているが、これに限るものではない。また、表示素子１００では、配向膜２，３のラビング処理方向を各偏光板７，８における吸収軸方向に対して４５°としたが、これに限るものではない。

例えば、配向膜として上記したマイクログルーブを用い、マイクログルーブにおける溝の形成方向を基板面法線方向から見てジグザグ状とするなどして、基板面内方向における複数方向に配向規制力を付与するようにしてもよい。また、この場合、両基板上に設けるマイクログループの方向は、対向する基板におけるマイクログループの方向と平行であることが好ましい。なお、ラビング法では１つの基板面に対して同じ方向にしたラビング処理を施せないが、上記したマイクログルーブでは１つの基板内における複数の領域に、異なる方向の溝を容易に形成できる。このため、電界印加時における液晶分子９および強誘電体微粒子の自発分極Ｐｓの配向方向を、基板面に平行な複数の方向とすること（マルチドメインを形成すること）が容易であり、視野角特性を向上させることができる。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について図に基づいて説明する。なお、本実施形態にかかる表示装置は、実施形態１と同様、少なくとも一方が透明な一対の基板間に、電界の印加により屈折率が変化する液晶材料を含む媒質を挟持してなる表示素子と、駆動回路、スイッチング素子、信号線、走査線などを備え、上記液晶材料が光学的等方性を示す状態において電界を印加することにより、上記屈折率が電界の二次に比例して変化する二次の電気光学効果、すなわち、カー効果を用いて光学的異方性を発現させ、表示を行う表示装置である。なお、説明の便宜上、実施形態１と同様の構成及び機能を有する部材については説明を省略する。

図４は、本実施形態に係る表示素子２００の簡略構成を示す断面図であり、誘電性物質層１３に封入した液晶材料Ｂがネマティック相を示す場合（Ｔ＜Ｔ_ｎｉ）を示している。

この図に示すように、表示素子２００は、対向する２枚の基板５および６、両基板５、６における他方の基板との対向面にそれぞれ形成された電極１６，１７、基板５，６上に電極１６，１７を覆うように形成されたマイクログルーブ（配向膜）１４，１５、基板５および６（マイクログルーブ１４−１５間）に挟持されてなる誘電性物質層１３、基板５，６における外側の面に形成された偏光板（偏光素子）７，８からなる。

本実施形態では、電極１６、１７を覆うようにマイクログルーブ（配向膜）１４、１５が形成されているが、この構成に限定されるものではなく、その逆の構成であってもよい。即ち、基板５、６上にマイクログルーブ（配向膜）１４、１５を設けて、それを覆うように電極１６、１７を形成してもよい。電極１６、１７に例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）を用いたとすると、その膜厚は約２００ｎｍ（０．２μｍ）程度であり、マイクログルーブに用いる感光性樹脂層厚は数μｍ程度であるので、マイクログルーブ上に電極を設けたとしても、マイクログルーブの溝形状は電極上でも維持されて、液晶材料の配向方位を揃えるのに充分な能力を持つ。

電極（平板状透明電極、透明電極）１６，１７は、可視光に対して透明なＩＴＯ（インジウム錫酸化物）から成り、基板５および基板６の対向面におけるほぼ全面に平板状に形成されている。表示素子２００では、この電極１６と１７との間に電圧を印加することによって、基板面法線方向（上下方向）に電界を印加できるようになっている。

本実施形態では、マイクログルーブ１４，１５は、各基板の対向面に、電極１６，１７をそれぞれ覆うように形成されている。すなわち、表示素子２００では、液晶分子に配向規制力を付与する配向膜として、表示素子１００におけるラビング処理が施されたポリイミドから成る配向膜２，３の代わりに、図中矢印の方向に延在するミクロな（微小な）深さとピッチの溝を多数有するマイクログルーブ１４、１５が形成されている。

このミクロな溝を有するマイクログルーブ１４、１５は、例えば、フォトレジストのような感光性樹脂を露光、現像するといったフォトリソグラフィープロセス、あるいはスタンプ法(型押し法)、マスク露光プロセスなどによって作製することができる。

図５に、マイクログルーブ１４，１５における、各溝に垂直な断面に沿った断面図を示す。この図に示すように、マイクログルーブ１４，１５における山と山との間隔（溝のピッチ）Ｌは約５μｍ、山の高さ（溝の深さ）Δは約１μｍである。このようなスケールのマイクログルーブによって、図４に示すように、ネマティック相（Ｔ＜Ｔ_ｎｉ）状態において、液晶分子をマイクログルーブ１４，１５の溝方向に配向させることができる。また、図４に示すように、表示素子２００では、上下のマイクログルーブ（マイクログルーブ１４，１５）の溝方向が平行になっているので、誘電性物質層１３中の液晶分子全体を一方向に配向させられるようになっている。

誘電性物質層１３には、表示素子１００における誘電性物質層１とは異なり、ネガ型の液晶材料（液晶性物質）Ｂが封入されている。また、この液晶材料Ｂには、チタン酸バリウム微粒子１１が実施形態１と同一の条件で混合（添加）、分散されている。さらに、表示素子２００における誘電性物質層１３には、電界印加時における液晶分子の配向を促進させるための高分子鎖（鎖状高分子、配向補助材）２２が形成されている（詳細は後述する）。

液晶材料Ｂは、以下に示す５種類のエステル系のネガ型液晶材料を混合したものであり、Δｎ＝０．１５，Δε＝−１４，ネマティック相（液晶相）−アイソトロピック相（等方相）の相転移温度Ｔ_ｎｉ＝６２℃という物性を示す。ここで、Δｎは、液晶材料Ｂにおける液晶分子（ネガ型液晶分子）９ａの長軸方向の屈折率と短軸方向の屈折率との差である。また、Δεは、液晶分子９ａの長軸方向の誘電率と短軸方向の誘電率との差である。また、Ｔ_ｎｉは、ネマティック相−アイソトロピック相転移温度である。

なお、上記の各化学式中、Ｒ、Ｒ’はアルキル鎖を示す。

このように、表示素子２００ではΔε（誘電異方性）が負のネガ型液晶材料（液晶材料Ｂ）を誘電性物質層１３に封入しているので、誘電性物質層１３に電界を印加すると、液晶材料Ｂにおける液晶分子９ａの長軸は電界方向と垂直な方向を向く。すなわち、液晶材料Ｂの配向方向（各液晶分子９ａの長軸方向）は、電界と直交する方向となる。

図４に示したように、液晶分子９ａの長軸方向は、チタン酸バリウム微粒子（強誘電体微粒子）１１の自発分極Ｐｓの方向とおよそ垂直な方向に配向する。これは、ネガ型液晶分子の極性基（ｐｏｌａｒ ｇｒｏｕｐ）は、分子長軸に垂直な方向を向いており、この極性基の向きが自発分極と同じ方向を向くことで電気的エネルギーが下がるためである。

高分子鎖（配向補助材）２２は、光重合性モノマーが重合されたものであり、電界印加時における液晶分子９ａの配向を促進させるためのものである。図４に示すように、高分子鎖２２は、チタン酸バリウム微粒子１１が液晶分子９ａに影響を及ぼす領域（クラスター１０ａ）を包み込むように、そして、高分子鎖２２の延在方向が平均的に電界印加時における液晶分子９ａの配向方向に沿うように形成されている。

ここで、高分子鎖２２の形成方法について説明する。誘電性物質層１３に液晶材料Ｂを封入する際、液晶材料Ｂに、光重合性モノマー（重合性化合物）と、この光重合性モノマーの重合を迅速に行わせるための重合開始剤をあらかじめ添加しておく。

表示素子２００では、光重合性モノマーとして、下記の構造式からなる化合物（液晶（メタ）アクリレート）を用いた。

ここで、Ｘは水素原子またはメチル基を表す。また、ｎは０または１の整数である。また、６員環Ａ，Ｂ，Ｃは、１，４−フェニレン基、または、１，４−トランスシクロヘイシル基、あるいは、下記に示す官能基の何れかを独立的に表す。すなわち、６員環Ａ，Ｂ，Ｃは、下記の官能基のうち、それぞれ異なるものであってもよく、同じものであってもよい。なお、下記の官能基において、ｍは１〜４の整数を表す。

また、上記化合物の構造式における、Ｙ１およびＹ２は、それぞれ独立的に、単結合、―ＣＨ_２ＣＨ_２―、―ＣＨ_２Ｏ―、―ＯＣＨ_２―、―ＯＣＯ―、―ＣＯＯ―、―ＣＨ＝ＣＨ―、―Ｃ≡Ｃ―、―ＣＦ＝ＣＦ―、―（ＣＨ_２）_４―、―ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ―、―ＯＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２―、―ＣＨ＝ＣＨＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ―、―ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ＝ＣＨ―を表す。すなわち、Ｙ１およびＹ２は、上記したいずれかの構造を有していれば、同じものであってもよく、異なるものであってもよい。

また、上記化合物の構造式における、Ｙ３は、単結合、―Ｏ―、―ＯＣＯ―、―ＣＯＯ―を表す。また、Ｒは水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、炭素数１〜２０のアルキル基、アルケニル基、アルコキシル基を表す。なお、上記の化合物は、室温近傍の温度で液晶相を示すので、配向規制力を付与する能力が高く、誘電性物質層１３内に形成する高分子鎖２２として好適である。

また、表示素子２００では、上記の化合物の重合を迅速に行わせるための開始剤（重合開始剤）として、メチルエチルケトンパーオキサイドを用いている。

このように、光重合性モノマーおよび重合開始剤、チタン酸バリウム微粒子１１、液晶材料Ｂが混合された系では、チタン酸バリウム微粒子１１の自発電極Ｐｓが液晶分子９ａに影響を与えてクラスター１０ａが形成されている。このクラスター１０ａ内の液晶分子は物理的に密集しており（クラスター１０ａ内は液晶分子９ａの濃度が高く）、液晶分子９ａ同士の分子間相互作用が強く作用している。すわわち、クラスター１０ａ内では、液晶分子９ａが集団を形成して強く結びついている。このため、光重合性モノマーはクラスター１０ａ内に入り込みにくく、大部分が、クラスター１０ａ同士の間の領域に浸透する。

そして、上記の光重合性モノマーおよび重合開始剤を添加した液晶材料Ｂを誘電性物質層１３に封入した後、液晶材料Ｂがネマティック相（液晶相）を示している状態（Ｔ＜Ｔ_ｎｉ）に保ち、電極１６−１７間に電圧を印加する。この状態における表示素子２００の状況を図６に示す。この図に示すように、両電極間に生じた電界によって、チタン酸バリウム微粒子１１の自発電極Ｐｓが電界方向に平行な方向を向く。さらに、両電極間に生じた電界が各液晶分子９ａを配向させる効果、各チタン酸バリウム微粒子１１の自発電極Ｐｓが配向することによってクラスター１０ａ内の液晶分子９ａを配向させる効果、マイクログルーブ１４，１５による配向規制力、各分子間に作用する分子間相互作用（長距離秩序）などによって、誘電性物質層１３内の液晶分子９ａが、電界と垂直な方向に配向する。

そして、この状態で、誘電性物質層１３に紫外線を照射（露光）する。これにより、光重合性モノマーは上記したようにクラスター１０ａ同士の間に浸透しているので、チタン酸バリウム微粒子１１が液晶分子９ａに影響を及ぼす領域であるクラスター１０ａを包み込む（囲い込む）ように、そして、液晶分子９ａの配向方向に沿って平均的に延びるように重合（硬化、固定化）され、図４に示したような高分子鎖２２が形成される。

なお、高分子鎖２２を形成しても、誘電性物質層１３に封入されている混合系が等方相を呈し、電極１６−１７間に電圧が印加されていない状態では、各チタン酸バリウム微粒子１１における自発分極Ｐｓはランダムな方向を向く。これは、各クラスター１０ａ内ではチタン酸バリウム微粒子１１の自発分極Ｐｓによって液晶分子９ａの平均的な配向方向が規定されていても、誘電性物質層１３内の各チタン酸バリウム微粒子１１における自発分極Ｐｓの配向方向を一方向に揃える力が、電圧無印加の等方相には存在しないからである。この場合、誘電性物質層１３の温度は相転移温度Ｔ_ｎｉより高温であるので、クラスター１０ａ中に短距離秩序は存在しても、クラスター１０ａ同士は熱運動的ファクターで全くランダムに揺らいでいる。このため、誘電性物質層１３をマクロに見ると、光学的等方性を示している。そして、電極１６−１７間に電圧を印加することによって初めて、クラスター１０ａの方向が一方向（電界に平行な方向）に定まり、光学的異方性が発現する。

次に、表示素子２００の駆動方法について説明する。まず、表示素子２００における誘電性物質層１３の温度を、ネマティック−アイソトロピック相転移温度（Ｔ_ｎｉ）より数Ｋ程高い温度（Ｔ＝Ｔ_ｎｉ＋２）まで加熱して等方相に相転移させる。なお、加熱手段は表示素子２００とともに表示装置に備えられるものであってもよく、あるいは、表示素子２００に直接直接貼合されたシート状ヒータ等であってもよい。

図７は、この状態における表示素子２００の状態を示す断面図である。この図に示すように、この状態では誘電性物質層１３は光学的に等方性を示し、表示素子２００における表示状態は暗（黒）状態となる。

つまり、高分子鎖２２が存在していても、それに囲まれたクラスター１０ａ中における、チタン酸バリウム微粒子１１の自発分極Ｐｓの方向と、それに垂直な方向に配向している液晶分子９ａとが熱運動的ファクターで全くランダムな方向を向いており、誘電性物質層１３をマクロに（巨視的に）見ると光学的等方性を呈する。

なお、この状態の表示素子２００を実際に観察したところ、誘電性物質層１３には、目視上、散乱によって白濁しているような様子は見受けられなかった。この理由は、クラスター１０ａのサイズが可視光波長以下であり、また、このクラスター１０ａを囲い込んでいる高分子鎖２２同士の間隔も可視光波長以下であるので、仮にクラスター１０ａや高分子鎖２２によって散乱が起こっていたとしても、可視光波長オーダーの光はそれを感じないためである。

次に、誘電性物質層１３に封入した液晶材料Ｂが等方相を示している状態を保ちながら、両電極１６−１７間に電圧を印加する。これにより、図４に示した、液晶材料Ｂがネマティック相を呈している状態と略同様の液晶分子９ａの配向状態を実現できる。

すなわち、チタン酸バリウム微粒子１１の自発分極Ｐｓが電界に平行な方向に配向する。そして、この自発電極Ｐｓによってクラスター１０ａ内の液晶分子９ａが自発分極Ｐｓと垂直な方向に配向する効果、基板法線方向の電界によって液晶分子９ａが配向する効果、高分子鎖２２の影響（高分子鎖２２の壁によるアンカリング効果）、などによって、誘電性物質層１３内の液晶分子９ａの配向方向（配向方位）が、マイクログルーブ１４，１５の方向に揃う。

これにより、誘電性物質層１３中に光学的異方性が発現し、表示素子２００の表示状態を明状態とすることができる。また、高分子鎖２２を形成したことにより、この高分子鎖２２が、等方相状態における誘電性物質層１３に電圧を印加した場合に、液晶分子９ａを、高分子鎖２２を形成した際の液晶分子９ａの配向状態（ネマティック相時の液晶分子９ａの配向状態）となるように液晶分子９ａの配向を促進させる。

したがって、表示素子２００は、高分子鎖（配向補助材）２２の働きによって、高分子鎖２２が形成されていない場合に比べて低い電圧で駆動できる。

次に、表示素子２００における光学特性を調査した結果について説明する。なお、この調査では、マイクログルーブ１４，１５を、基板面法線方向から見てジグザグになるように形成した表示素子２００を用いた。図８は、この調査に用いた表示素子２００における、マイクログルーブ１４，１５の方向、および、偏光板７，８の吸収軸方向を示した説明図である。

この図に示すように、偏光板７，８の吸収軸は互いに直交する配置（クロスニコル）となっている。また、マイクログルーブ１４，１５は、溝の延在方向が、各偏光板の吸収軸方向に対して４５°の角度となるように形成されている。また、マイクログルーブ１４，１５の方向（溝の延在方向）は、互いに平行であり、基板法線方向から見てジグザグ状となるように形成されている。

このような構成とした理由は、マルチドメイン化によって広視野角な視角特性が期待できるからである。すなわち、表示素子２００では、電界印加時の液晶分子９ａの配向方向を、基板面に平行、かつ、異なる複数の方向とすることができ、これによって液晶分子９ａが複数方向に配向したマルチドメインを形成できるので、基板法線方向に電界を印加する構成であるにもかかわらず、広視野角特性を得られる。なお、本実施形態では、配向膜としてマイクログルーブを用いているので、ラビング法を用いる場合とは違って、簡易的にこのようなマルチドメイン化が実現できる。

この表示素子２００について、誘電性物質層１３をネマティック−アイソトロピック相転移温度（Ｔ_ｎｉ）より数Ｋ程（ここでは２Ｋ）、高い温度（Ｔ＝Ｔ_ｎｉ＋２）まで上げて液晶材料Ｂ（誘電性物質層１３に封入した液晶材料Ｂ、チタン酸バリウム微粒子１１の混合系からなる媒質）を等方相に相転移させた。

さらに、誘電性物質層１３が等方相を示している状態を保ちつつ、電極１６−１７間に電圧（上下方向の電圧）を印加した。これにより、誘電性物質層１３中に光学的異方性が発現し、明状態が得られた。また、この時の光学的異方性の方向（基板面内位相差の方向、遅相軸方向）はマイクログルーブ１４，１５の方向と同一であることが確認された。

また、電極１６−１７間に印加する電圧を変化させて、表示素子２００の明るさ（透過率）が最大になる電圧Ｖ_ｍａｘを調べたところ、４５Ｖであった。

次に、誘電性物質層１３の温度を上昇（変化）させて、温度変化に対して、最大透過率を得るための電圧Ｖ_ｍａｘがどのように変化するか調べた。その結果、Ｔ_ｎｉ点の３０Ｋ高温の温度（Ｔ＝Ｔ_ｎｉ＋３０Ｋ）において最大透過率を与える電圧Ｖ_ｍａｘは５３Ｖであった。また、Ｔ_ｎｉ＋２Ｋ〜Ｔ_ｎｉ＋３０Ｋ程度の広い温度範囲内で、温度上昇に対する最大透過率を得るための電圧Ｖ_ｍａｘの変化が非常に小さい（温度変化約３０Ｋに対してＶ_ｍａｘの変化は８Ｖ）ことがわかった。したがって、約３０Ｋの広い温度範囲において駆動電圧をほぼフラットにすることができ、広温度範囲で高速な表示素子への応用が可能である。

次に、表示素子２００と比較するために、チタン酸バリウム微粒子１１を分散（添加）していない以外は上記の測定に用いた表示素子２００と同様に作成した第２比較用表示素子について、表示素子２００と同様の測定を行った。すなわち、チタン酸バリウム微粒子１１を全く添加しない以外は、高分子鎖２２の固定化まで表示素子２００と同様に行った第２比較用表示素子について、光学特性を調べた。

この第２比較用意表示素子において、誘電性物質層１３の温度ＴをＴ_ｎｉ＋２に保ち、電極１６−１７間に電圧を印加したところ、誘電性物質層１３中に光学的異方性が発現し、明状態が得られる電圧は、表示素子２００に比べて大幅に大きい電圧であった。

また、電極１６−１７間に印加する電圧を変化させて、第２比較用表示素子の明るさ（透過率）が最大になる電圧Ｖ_ｍａｘを調べたところ、１００Ｖであった。したがって、表示素子２００では、チタン酸バリウム微粒子１１を添加して高分子安定化する（高分子鎖２２を形成する）ことで、高分子安定化のみを行った場合（第２比較用表示素子）に比べて、駆動電圧を約１／２と大幅に低電圧化できることがわかった。

このように、チタン酸バリウム微粒子１１を全く添加せず、高分子鎖２２の固定化までは行った第２比較用表示素子では、高分子鎖２２を、ネマティック相においてマイクログルーブの効果で誘電性物質層１３全体の液晶分子９ａが溝方向に並んだ状態を固定化しているので、等方相中においても電圧を印加すると、高分子鎖２２の壁の影響（壁によるアンカリング効果）を作用させることができる。このため、等方相中における液晶分子９ａの配向方位をマイクログルーブ方向に揃えることができ、光学的異方性は発現させることは可能である。しかしながら、上記したように、表示素子２００に比べて、透過率が最大となる電圧Ｖ_ｍａｘが２倍以上と高い。また、誘電性物質層１３の温度上昇に対してＶ_ｍａｘの変化が小さい（フラットになる）温度領域は全くなく、誘電性物質層１３の温度が数Ｋ上昇しただけで、Ｖ_ｍａｘが著しく増大してしまう。したがって、第２比較用表示素子の構成では、表示素子としての実用化は困難であることがわかった。

次に、高分子鎖２２の効果を調べるために、チタン酸バリウム微粒子１１を表示素子２００と同条件で添加し、高分子鎖２２を形成していない第３比較用表示素子を用意し、その光学特性を調査した。しかしながら、第３比較用表示素子では、電圧を印加しても光漏れは検出されなかった。つまり、明状態を得ることはできなかった。

これは、マイクログルーブ１４，１５のミクロな溝の効果で、基板界面付近の液晶分子９ａの配向方位は溝方向に規定できても、誘電性物質層１３中（バルク領域）の液晶分子９ａの配向方位は定まらず、結果として誘電性物質層１３全体としては明状態を実現するための光学的異方性が発現しないためである。つまり、チタン酸バリウム微粒子１１の効果によって、液晶分子９ａの配向方向を基板面内方向に規定できても、それを一方向に揃えるファクターが存在せず、液晶分子９ａが基板面内のあらゆる方向を向いてしまうからである。

以上のように、表示素子２００では、チタン酸バリウム微粒子１１が液晶分子９ａに影響を及ぼす領域（クラスター１０ａ）を包み込むように、そして、延在方向が平均的に電界印加時における液晶分子９ａの配向方向に沿うよう形成された高分子鎖２２を備えている。

これにより、クラスター１０ａ内の液晶分子９ａがチタン酸バリウム微粒子１１の自発分極Ｐｓと垂直な方向に配向する効果、マイクログルーブ１４，１５の配向規制力が基板界面付近の液晶分子９ａに作用する効果、電極１６−１７間の電界によって液晶分子９ａが配向する効果、に加えて、高分子鎖２２の影響（高分子鎖２２の壁によるアンカリング効果）が液晶分子９ａに作用し、高分子鎖２２を形成しない場合に比べて、大幅に低い電圧で最大透過率を得ることができる。

また、約３０Ｋの広い温度範囲において駆動電圧を実用的な電圧に保つことができるので、広温度範囲で高速応答特性を得られる表示素子を実現できる。

なお、本実施形態では、配向補助材として高分子鎖２２を用いたが、配向補助材はこれに限るものではない。例えば、液晶骨格と重合性官能基とを分子内に有する他の液晶（メタ）アクリレートであってもよい。なお、液晶性（メタ）アクリレートとしては、中間調表示と低電圧駆動を両立するためには、液晶骨格と重合性官能基との間にメチレンスペーサーがない単官能液晶性アクリレートであることが好ましい。すなわち、２つの６員環を有する液晶骨格を部分構造として有する環状アルコール、フェノールまたは芳香族ヒドロキシ化合物のアクリル酸またはメタクリル酸エステルである単官能（メタ）アクリレートなどが好ましい。

このような単官能（メタ）アクリレートは、（メタ）アクリロイルオキシ基と液晶骨格の間に、アルキレン基またはオキシアルキレン基などの柔軟性の連結基がない。このため、この種の単官能（メタ）アクリレートを重合させて得られる重合体の主鎖は、剛直な液晶骨格が連結基を介さずに直接統合しており、液晶骨格の熱運動が高分子主鎖により制限されるので、この主鎖によって影響を与えられる液晶分子の配向をより安定化させられる。

また、誘電性物質層２３に封入する媒質に添加する光重合性モノマーとして、エポキシアクリレートを用いてもよい。エポキシアクリレートとしては、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシアクリレート、ブロム化ビスフェノールＡ型エポキシアクリレート、フェノールノボラック型エポキシアクリレートなどを用いることができる。エポキシアクリレートは、１分子中に光照射により重合するアクリル基と加熱により重合するカルボニル基、水酸基を併せ持っている。このため、硬化法として光照射法と加熱法とを併せて用いることができる。この場合、少なくともどちらか一方の官能基が反応して重合（硬化）する可能性が高い。したがって、未反応部分がより少なくなり、十分な重合を行うことができる。

なお、この場合、必ずしも光照射法と加熱法とを併せて用いる必要はなく、いずれか一方の方法を用いてもよい。すなわち、本表示素子は、光重合性モノマーを紫外線（光）によって重合させて配向補助材を形成する方法に限らず、使用する重合性化合物の特性に合わせて、重合させる方法を適宜選択すればよい。言い換えれば、本表示素子において配向補助材を形成するために媒質に添加する重合性化合物は、光照射によって重合する光重合性モノマーに限らず、光照射以外の方法で重合する重合性モノマーであってもよい。

また、誘電性物質層１３に封入する媒質に添加する重合性モノマーとしては、このほかにも、アクリレートモノマー（例えば、アルドリッチ社製のＥＨＡ、ＴＭＨＡ）とジアクリレートモノマー（例えば、メルク社製のＲＭ２５７）との混合物などを用いることもできる。

また、上記したいずれの重合性化合物を用いる場合においても、重合性化合物の添加量は、０．０５ｗｔ％〜１０ｗｔ％の範囲内であることが好ましい。これは、硬化した部分の濃度が０．０５ｗｔ％未満では、配向補助材としての機能が低下し（配向規制力が弱く）、１０ｗｔ％より多いと、配向補助材に印加される電界の割合が大きくなって駆動電圧が増大してしまう可能性があるためである。

また、本実施形態では、配向補助材の形状についても高分子鎖（鎖状高分子）に限るものではなく、電圧印加によって分子が配向することを補助（促進）できるものであればよい。例えば、網目状高分子（網目状高分子材料）、環状高分子（環状高分子材料）などであってもよい。

また、配向補助材は、必ずしも重合性化合物から形成する必要はない。例えば、配向補助材として多孔質無機材料を用いてもよい。この場合、例えば、ゾルゲル材料（多孔質無機材料）を誘電性物質層１３に封入する媒質にあらかじめ加えておけばよい。これにより、高分子鎖２２からなる配向補助材を用いる場合と略同様の効果を得ることができる。

また、誘電性物質層１３に形成する配向補助材として、水素結合ネットワーク（水素結合体）を用いることもできる。ここで、水素結合ネットワークとは、化学結合ではなく水素結合によって形成された結合体を意味する。水素結合ネットワークを配向補助材として用いる場合でも、重合性化合物を重合させて得られる配向補助材を用いる場合と同等の効果を得られる。

また、本実施形態では、重合開始剤を添加しているが、重合開始剤は、配向補助材を重合性化合物から形成する場合であっても、必ずしも添加する必要はない。ただし、重合性化合物を、例えば光や熱により重合して高分子化させるためには、重合開始剤を添加することが好ましい。重合開始剤を添加することによって重合を迅速に行うことができる。

また、本実施形態では、重合開始剤としてメチルエチルケトンパーオキサイドを用いたが、これに限るものではない。重合開始剤としては、メチルエチルケトンパーオキサイドのほかに、例えば、ベンゾイルパーオキサイド、キュメンハイドロイドパーオキサイド、ターシャリブチルパーオクトエート、ジクミルパーオキサイドや、ベンゾイルアルキルエーテル系、アセトフェノン系、ベンゾフェノン系、キサントン系ベンゾインエーテル系、ベンジルケタール系の重合開始材などを用いることができる。なお、市販品では、例えば、メルク社製のダロキュア１１７３、１１１６、チバケミカル社製のイルガキュア１８４、３６９、６５１、９０７、日本化薬社製のカヤキュアＤＥＴＸ、ＥＰＡ、ＩＴＡ、アルドリッチ社製のＤＭＰＡＰなど（いずれも登録商標）をそのまま、あるいは適宜混合して用いることができる。

また、重合開始剤の添加量は、重合性化合物に対して１０ｗｔ％以下であることが好ましい。１０ｗｔ％より多く添加すると重合開始剤が不純物として作用し、表示素子の比抵抗が低下する可能性があるためである。

また、本実施形態では、配向補助材を形成する際に液晶相を発現させる方法として、低温にしてネマティック相を出現させたが、この方法に限るものではない。例えば、低温にせずとも、通常表示には用いない高電圧、すなわち表示素子２００の駆動電圧よりもずっと大きい電圧を印加することによって、強制的に分子を配向させ、液晶相を発現させてもよい。すなわち、液晶相を発現させるためには、温度（典型的には低温にする）、あるいは電界などの外場を与えればよい。なお、液晶相を発現させるために与える外場は、表示時の環境と異なる環境とするものであることが好ましい。

また、配向補助材を形成する際に発現させる液晶相は、ネマティック相に限るものではない。表示素子の駆動状態とは異なる外場を与えることによって、光学的異方性を示す状態であればよく、例えば、スメクティック相、結晶相などであってもよい。ただし、良好な配向補助材を形成するためには、ネマティック相やスメクティックＡ相などのように、配向に柔軟性があり、かつ、配向欠陥が生じにくいことが好ましい。したがって、本実施形態に適用する液晶材料は、外場を与えることによってネマティック相やスメクティックＡ相などを呈することが好ましい。

また、誘電性物質層１３に封入する液晶材料（媒質）は、上記した液晶材料Ｂに限るものではない。ただし、ネマティック−アイソトロピック相転移温度Ｔ_ｎｉが、０℃より高いことが好ましく、−２０℃よりも高いことがより好ましい。

例えば、誘電性物質層１３に封入する媒質は、単一化合物で液晶性を示すものであってもよく、複数の物質の混合により液晶性を示すものでもよい。あるいは、これらに他の非液晶性物質が混入されていてもよい。

また、誘電性物質層１３に封入する媒質は、電圧無印加時には光学的に概ね等方であり、電圧印加により光学変調を誘起される媒質であって、誘電異方性が負の媒質であってもよい。すなわち、電圧印加に伴い分子、または分子集合体（クラスター）の配向秩序度が上昇する物質であってもよい。

また、誘電性物質層１３に封入する媒質として、例えば、光学波長以下の秩序構造を有し、光学的には等方的に見える液晶材料であって、誘電異方性が負のものを適用することができる。あるいは、液晶分子が光の波長以下のサイズで放射状に配向している集合体で充填された、光学的に等方的に見えるような系を用いることもできる。これらに電界を印加することにより、分子あるいは集合体の微細構造にひずみを与え、光学変調を誘起させることができる。また、これらの媒質を用いる場合にも、配向補助材を形成しておくことによって分子の配向を促進できるので、低電圧で駆動することが可能となる。

また、本実施形態では、ネガ型の液晶材料（液晶性物質）を用い、基板面法線方向の電界を印加する表示素子において、配向補助材を形成する構成について説明したが、これに限るものではない。例えば、実施形態１にかかる表示素子１００のように、ポジ型の液晶材料（液晶性物質）を用い、基板面内方向の電界によって駆動する表示素子において、配向補助材を形成するようにしてもよい。この場合にも、駆動電圧を大幅に低減するとともに、広い温度範囲において駆動電圧を実用的な低い電圧に保つことができるので、広温度範囲で高速応答特性を得られる表示素子を実現できる。

また、実施形態１にかかる表示素子１００、あるいは、実施形態２にかかる表示素子２００において、誘電性物質層１または１３に封入する液晶材料に、カイラル剤を添加してもよい。

カイラル剤を添加することにより、例えば図１（ｂ），図４に示した、強誘電体微粒子の自発分極が周囲の液晶分子に影響を及ぼす領域（クラスター１０，１０ａ）のサイズを大きく、かつ、クラスター内に働く作用（自発分極が周囲の液晶分子に及ぼす影響）を強固にすることができる。つまり、強誘電体微粒子の自発分極に加えて、カイラル剤の捩れ力が自発分極周囲の液晶分子に影響を与える。その結果、強誘電体微粒子の自発分極によって液晶分子が強誘電体微粒子の周囲に引き寄せられるのと同時に、カイラル剤の捩れ力が液晶分子に作用し、より広い領域まで液晶分子が強誘電体微粒子の周囲に安定的に吸着されたクラスター（クラスター領域）を形成できる。

なお、カイラル剤の捩れ力は、液晶分子を互いに捩れさせるように（各液晶分子の長軸方向が捩れ構造をなすように配向させるように）作用するが、クラスター内の液晶分子は自発分極の影響をより強く受け、自発分極の方向に配向する。つまり、カイラル剤の捩れ力によって各液晶分子間の近距離間作用が生じ、液晶分子が強誘電体微粒子の周囲に安定的に吸着される。ここで、カイラル剤の捩れ力は、各液晶分子の長軸方向が捩れ構造をなすように配向させるように作用するが、クラスター内（近距離秩序（short-range-order）領域内）では、強誘電体微粒子の自発分極（大きい自発分極値）によって、液晶分子中の極性基が自発分極の方向に向く再配向が瞬時に起こる。その結果、クラスター内の液晶分子は、平均的に、強誘電体微粒子の自発分極の方向に配向する。

また、カイラル剤の自発的捩れピッチは、可視光の波長以下（例えば２μｍ以下）であることが好ましい。この程度のピッチに相当するクラスターが形成されても、可視光は何ら影響を受けない。したがって、光学的な悪影響を与えることなく、クラスターを強固にできる。

このように、液晶材料中に、強誘電体微粒子に加えてカイラル剤を添加することにより、光学的等方相中に、近距離秩序領域（クラスター）を効果的に形成できる。このように形成したクラスターは、温度変化に対しても比較的安定であるので、光学的等方相に電圧（電界）を印加した際に発現する２次の電気光学効果（カー効果）を、低電圧かつ広温度範囲で発生させることができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の表示素子は、液晶を用いて表示を行う表示装置全般に用いることができる。例えば、パーソナルコンピュータや携帯電話などに備えられる表示装置、あるいは、テレビ放送やビデオテープ、ＤＶＤなどの映像を表示する表示装置に適用できる。また、本発明によれば、低電圧駆動、広温度範囲かつ広視野角性、高速応答性をトレードオフなく可能にすることができるので、次世代ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ)テレビとして非常に有望である。

（ａ）は、本発明の一実施形態にかかる表示素子における、電圧無印加時の状態を模式的に示した断面図である。（ｂ）は、本発明の一実施形態にかかる表示素子における、電圧印加時の状態を模式的に示した断面図である。（ｃ）は、本発明の一実施形態にかかる表示素子における、クラスター内の状態を説明するための説明図である。 本発明の一実施形態にかかる表示素子における、基板面法線方向から見た、両偏光板の偏光軸方向、両配向膜のラビング方向、両電極間に印加される電界方向を説明するための説明図である。 （ａ）は、液晶材料（液晶性物質）のカー定数の温度依存性を示すグラフである。（ｂ）は、強誘電体における自発分極値の温度依存性を示すグラフである。 本発明の他の実施形態にかかる表示素子の、誘電性物質層がネマティック相を呈する状態、または等方相を呈する誘電性物質層に電界を印加した状態における液晶分子の配向状態を説明するための断面図である。 本発明の他の実施形態にかかる表示素子における、マイクログルーブの断面図である。 本発明の他の実施形態にかかる表示素子の製造過程における、配向補助材を形成する前の、誘電性物質層がネマティック相を呈する状態を説明するための断面図である。 本発明の他の実施形態にかかる表示素子において、誘電性物質層が等方相を呈し、かつ、電界を印加していない状態における、液晶分子の配向状態を説明するための断面図である。 本発明の他の実施形態にかかる表示素子における、マイクログルーブの方向、および偏光板の吸収軸方向を説明するための、基板面法線方向から見た平面図である。

符号の説明

１，１３ 誘電性物質層
２，３ 配向膜
４ａ，４ｂ 電極
５，６ 基板
７，８ 偏光板
９ 液晶分子
９ａ 液晶分子
１０，１０ａ クラスター
１１ チタン酸バリウム微粒子（強誘電体微粒子、微粒子）
１４，１５ マイクログルーブ(配向膜)
１６，１７ 電極（透明電極）
２２ 高分子鎖（配向補助材）
１００，２００ 表示素子
Ａ 液晶材料（液晶性物質、媒質）
Ｂ 液晶材料（液晶性物質、媒質）
Ｐｓ 自発分極

Claims (28)

1. 対向する一対の基板と、上記一対の基板に挟持された誘電性物質層と、上記誘電性物質層内に電界を生じさせる電界印加手段とを備えた表示素子であって、
   上記誘電性物質層は、電界無印加時に光学的等方性を示し、電界を印加することによって光学的異方性が発現する媒質を含み、かつ、上記媒質には自発分極を有する微粒子が添加されていることを特徴とする表示素子。
2. 上記微粒子は、強誘電体微粒子であることを特徴とする請求項１に記載の表示素子。
3. 上記微粒子は、最大粒径が１μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の表示素子。
4. 上記微粒子は、平均粒径が０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の表示素子。
5. 上記微粒子は、自発分極値が１μＣ／ｃｍ^２以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の表示素子。
6. 上記微粒子は、上記誘電性物質層中に均一に分散していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の表示素子。
7. 上記誘電性物質層内における、各微粒子間の平均間隔が、１μｍ以上であることを特徴とする請求項６に記載の表示素子。
8. 上記誘電性物質層における上記微粒子の混合濃度は、０．０１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の表示素子。
9. 上記微粒子は、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、亜硝酸ソーダのいずれかからなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の表示素子。
10. 上記微粒子は、凝集性防止用のカップリング剤をコーティングされていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の表示素子。
11. 上記媒質は、ネマティック相とアイソトロピック相とに相転移する液晶性物質であり、上記媒質がアイソトロピック相を呈することによって、上記電界無印加時における光学的等方性を示すことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の表示素子。
12. 上記媒質を構成する分子は、電界無印加時に光学波長以下の秩序構造を有し、電界を印加することによって上記秩序構造が変化して光学的異方性を示すことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の表示素子。
13. 上記媒質は、誘電率異方性が正であることを特徴とする請求項１１または１２に記載の表示素子。
14. 上記媒質は、誘電率異方性が負であることを特徴とする請求項１１または１２に記載の表示素子。
15. 上記媒質は、電界強度の２次に比例して屈折率が変化することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の表示素子。
16. 上記電界印加手段は、基板面内方向の電界を発生させることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の表示素子。
17. 上記電界印加手段は、基板面法線方向の電界を発生させることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の表示素子。
18. 上記誘電性物質層に、上記光学的異方性の発現を促進させるための配向補助材が形成されていることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に表示素子。
19. 上記配向補助材は、鎖状高分子材料、網目状高分子材料、多孔質無機材料、水素結合体のいずれかからなることを特徴とする請求項１８に記載の表示素子。
20. 上記媒質は、ネマティック相とアイソトロピック相とに相転移する液晶性物質であって、アイソトロピック相を呈することによって、上記電界無印加時における光学的等方性を示し、
    上記配向補助材は、上記媒質がネマティック相を呈している状態で形成されたものであることを特徴とする請求項１８または１９に記載の表示素子。
21. 上記対向する基板の少なくとも一方に、上記媒質を構成する分子に配向規制力を付与する配向膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜２０のいずれか１項に記載の表示素子。
22. 上記配向膜は、ラビング処理が施されていることを特徴とする請求項２１に記載の表示素子。
23. 上記配向膜は、多数の溝が形成されてなることを特徴とする請求項２１に記載の表示素子。
24. 上記多数の溝は、フォトリソグラフィープロセス、スタンプ法、マスク露光プロセスのいずれかによって形成されたものであることを特徴とする請求項２３に記載の表示素子。
25. 上記多数の溝は、上記基板面の法線方向から見て、複数方向に屈折していることを特徴とする請求項２４に記載の表示素子。
26. 上記媒質に、カイラル剤が添加されていることを特徴とする請求項１〜２５のいずれか１項に記載の表示素子。
27. 上記媒質は、カイラル物質であることを特徴とする請求項１〜２５のいずれか１項に記載の表示素子。
28. 請求項１〜２７のいずれか１項に記載の表示素子を備えてなる表示装置。

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