JP2007047581A - 複合電気光学材料および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 明るい反射型による画像表示と、画像の保持特性とを同時に達成する。
【解決手段】 本発明の複合電気光学材料３０は、表示面Ｓに、液晶材料３３が占有する領域と、非液晶材料（支持材料）３１が占有する領域とを備える。この構成により、屈折率の異なる領域を共存させることによって十分な散乱を起こさせることが可能な屈折率分布の空間構造を実現することができる。これにより、偏光板を必要とすることなく明るい反射型表示素子を構成することができる。また、液晶材料３３が占有する領域を支持材料３１が占有する領域内に分布配置することで、表示面Ｓにおける液晶材料３３の全体積の分散が可能となる。これにより、液晶材料間の配向の相互作用を大幅に低減し、双安定化状態を容易に実現可能するとともに各安定状態の保持性を高めることが可能となる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、双安定性を有し、特に反射型表示動作に適する複合電気光学材料およびこれを備えた表示装置に関する。

（従来技術１）
液晶を利用した表示装置として代表的なものに、例えば図１１Ａ，Ｂに概略的に示すＴＮ（twisted nematic）液晶表示装置がある。このＴＮ液晶表示装置は、内面に透明電極を有する一対の透明基板１ａ，１ｂの間に挟まれたネマティック液晶層２をクロスニコル配置の２枚の偏光板３ａ，３ｂの間に配置した構成を有している。

そして、図１１Ａに示すように電場がかからないときには液晶の配向分布はねじれた配置をとり、図示しない背面光源を出て一方の偏光板３ｂを透過した光は他方の偏光板３ａに達するまでにその偏光面が９０度回転し他方の偏光板３ａを透過するので、明るい表示状態となる。一方、図１１Ｂに示すように２枚の透明基板１ａ，１ｂ間に外部電源４から電圧を印加した場合には、液晶は電場の方向にその長軸を揃えた配置をとるので偏光面の回転は起こらず、光は偏光板３ａで吸収されて暗い表示状態として観察される。

従来の液晶表示装置は、上述したように透過光の偏光面を切り替えることによって、光のシャッター機能を実現している。また、印加電場による液晶配向の拘束は電場の持続時間中に限られ、電場が除かれれば液晶は無電場時の配向様態に戻る。このように電場の状態それぞれに対応して液晶の安定な状態がそれぞれ一通り存在するような系は、単安定な系と呼ばれる。

ところで、ＴＮ液晶表示装置には次のような２つの不都合が知られている。すなわち、
（１）偏光板を使用するので光の利用効率が低く、明るい背面光源（バックライト）が必要になる。また、反射型として利用する場合には表示が暗い。
（２）単安定系であるため、電源を切ると表示が保持されず、静止画を表示し続けるにも電圧を印加し続ける必要がある。

（従来技術２）
上記第１の欠点を克服し、偏光板やバックライトなしに反射型で明るい表示装置を実現する方法として、高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ：Polymer Dispersed Liquid Crystal）や高分子ネットワーク液晶（ＰＮＬＣ：Polymer Network Liquid Crystal）がある（例えば下記特許文献１，２参照）。

ＰＤＬＣまたはＰＮＬＣはいずれも、図１２に模式的に示すように、内面に透明電極５ａ，５ｂを有する一対の透明基板６ａ，６ｂ間に、高分子フィルム７中の分散した空隙内に液晶の液滴８を充填させた材料層を挟み込んだセル構造を有している。液晶の液滴８のドメインは屈折率の異方性を有し、分子長軸方向に偏光した光に対してｎ_// 、長軸に垂直方向の偏光に対してｎ_⊥の屈折率を示す。この液晶を含む高分子フィルム７の屈折率ｎ_Fの値をｎ_F＝ｎ_⊥になるように選んでおく。

上下の基板６ａ，６ｂ間に電場を加えないときには、液晶の液滴８の配向は図１２Ａに示すようにランダムであり、図１２Ａ下方に示す液滴８の屈折率楕円体８Ｐは高分子フィルム７の屈折率楕円体７に対してさまざまな向きにその光学主軸を向けて傾いている。従って、高分子フィルム７と液晶の液滴８との屈折率は一致していないので、この複合媒質に正面の基板６ａ側から入射する外光は散乱され、観察者の目には白濁した表示状態として観察される。

一方、上下の基板６ａ，６ｂ間に電場を与えると、液晶の液滴８の配向は図１２Ｂに示すように電場方向に揃い、これに伴ってその屈折率楕円体８Ｐの主軸も基板６ａ，６ｂに垂直方向に揃う。このとき、正面の基板６ａ側から入射する外光は、液晶の屈折率としてｎ_⊥を感じる。先に述べたように、ｎ_F＝ｎ_⊥に設計されているので、この光に対して高分子フィルム７と液晶の液滴８の複合材料は均一な屈折率をもつ媒質であって、光が散乱されることはない。すなわち、この材料は透明な状態にある。表示素子として用いる場合には基板６ｂ側の裏面に黒色層９を設けることにより、黒色表示状態を実現できる。

上記従来技術２において説明したＰＤＬＣあるいはＰＮＬＣ表示装置は、バックライトを用いず明るい環境で視認性のよい表示を実現することには成功したが、ＴＮ液晶表示装置について指摘された上記第２の欠点である静止画の保持機能は持ち合わせていない。静止画保持機能は、特に電源の容量が限られる携帯機器、車載機器等での要求が高く、次に示すような実現法が提案されている。

（従来技術３）
ネマティック液晶セルを構成する基板表面に高さと周期が１μｍ程度の凹凸構造（周期的な溝構造など）を設けることにより、電場が印加されていない場合に安定に存在する液晶の配向様態が２通り存在するようになし得ることが知られている（下記特許文献３〜６参照）。

図１３Ａ，Ｂに下記特許文献３に記載のセル構造を示す。液晶層１０は上下の基板１１ａ，１１ｂ間に挟まれており、下側の基板１１ｂには第１電極構造１２と隆起部１３とが形成され、隆起部１３の上には第２電極構造１４が配置されている。隆起部１３は、液晶層１０の下部を部分的に収容する溝を形成している。図１３Ａに示す安定状態では、下側基板１１ｂ付近で液晶分子１５は紙面に垂直方向に向いており、上側基板１１ａ付近では基板に垂直方向に向いている。また、図１３Ｂに示す安定状態では、液晶分子１５は紙面に平行な方向に向いている。

図１３Ａ，Ｂに示す液晶分子１５の２通りの配向様態は、セルの基板面に設けられた第１，第２電極構造１２，１４間に印加される電場パルスによって切り替えられる。隆起部１３による凹凸構造で、パルスが終了し電場が除かれた後も、液晶の配向様態は安定に存続する。このことを指して「系がメモリ性をもつ」または「双安定である」という。

また、同様にネマティック液晶を用いて双安定化する方法の一つとして、液晶層の界面に弱い界面アンカリングを用いる方法が報告されている（非特許文献１参照）。

しかしながら、上記従来技術３で説明した液晶の双安定性を利用した表示装置においては、光シャッター機能の実現に偏光の切替えを利用しているので、偏光板と組み合わせて用いる必要があり、バックライトの必要性がある点と明るい場所での低い視認性が問題となる。

そこで、反射型でありかつ液晶の双安定を実現する方式に、次に示す構造のものが提案されている（下記特許文献７参照）。

（従来技術４）
下記特許文献７には、偏光板を必要としない反射型動作に適した散乱型液晶表示装置であって、双安定性を兼備したセル構造が提案されている。双安定の実現機構としては、上述のような器壁から液晶への作用を利用しており、同時に２つの安定状態における光散乱性の違いを表示状態の切替えに用いている。

下記特許文献４に記載のセル構造を図１４Ａ，Ｂに示す。図において１７ａ，１７ｂは基板、１８ａ，１８ｂは電極、１９は液晶、２０は下側基板１８ｂ表面に形成された凹凸構造部である。図示の例においては、基板１７ａ，１７ｂの間にネマティック液晶１９を満たせてセルを構成し、基板間に与える電場によって、凹凸構造部２０上の液晶の配向様態を切り替えている。

下側基板１７ｂの凹凸構造部２０上に位置する液晶は、電場を除いた状態では基板面に対して概ね平行な様態と概ね垂直な様態との２通りをとり双安定である。しかし、凹凸構造部２０の無い領域の液晶は単安定であり、無電場状態の配向様態は一通り（図の例では基板面にほぼ垂直）に決まっている。

従って、双安定領域の配向様態が単安定領域の配向様態と共通の場合（図１４Ａの例）には、基板１７ａ，１７ｂ間の液晶１９は場所に依存なく均質であり、ここを透過する光は散乱を受けない。一方、双安定領域の配向様態が単安定領域と異なっている場合（図１４Ｂの例）には、ＰＤＬＣやＰＮＬＣの場合と同じように基板１７ａ，１７ｂ間の液晶１９に屈折率の揺らぎがあるので、光は散乱される。このようにして、セル全体として、光を透過するか散乱するかの２通りの状態をもつ双安定表示素子が実現されるとしている。

特開２００４−３０２４０２号公報 特開２００１−１５４２１９号公報 特開２００１−５１２８９号公報 特開２００３−６６４９２号公報 特開２００１−２９６５６３号公報 特表２００４−５０５２９７号公報 特表２００３−５１５７８８号公報 R.Barberi, M.Giocondo, and G.Durand, Applied Physics Letters Vol.60, p.1085 (1992)

しかしながら、上記従来技術４の双安定表示素子においては、本発明者らがセル基板間隔を１０μｍとして行った実験の結果によれば、光の散乱が期待される表示状態での配向様態が図１４Ｂの通りにはならず、十分な散乱が得られないことが判明した。

すなわち、図１５に概念的に示すように、凹凸構造部２０により明瞭に異なる２通りの配向様態が安定化されるのは、下側基板１７ｂの表面付近に限られる。従って、それよりさらに上方の上側基板１７ａ寄りでは、液晶の配向が、隣接する単安定領域の配向に倣おうとするため、液晶の大部分の体積は無電場環境下でつねに同じ配向様態にあり、十分な光散乱性を生じさせるに至らないと結論付けられた。

例えば、周期が１μｍ程度の凹凸溝によって２状態の安定化を図る場合、両状態間で液晶の向きの変化が顕著に起こる領域は、基板からの高さが凹凸溝の周期と同程度の１μｍ程度の高さまでと考えられる。ＰＤＬＣで知られているように、散乱によって３０％以上の反射率を得るためには数μｍ以上の層厚が必要なので、これでは十分な散乱に導かれないことは明らかである。

凹凸溝の深さと周期をともに大きくすれば、配向変化の大きい領域をより上方まで延ばすことができることが弾性エネルギーのシミュレーションから示されるが、寸法の拡大とともに液晶配向分布の曲率が小さくなるので単位体積あたりの弾性エネルギーも小さくなり、外乱に耐えて一方の状態に安定に保つことが困難になる。すなわち、安定に表示状態を保持する観点からは不利な結果につながる。以上のような理由から、凹凸構造を大きくすることは採用されていない。

以上述べてきたように、明るい反射型動作または画像の保持特性とを実現するこれまでの試みを４つの従来技術に代表させて総括したが、両方の要求を同時に満たすものは実現されていないことがわかる。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、明るい反射型による表示と画像の保持特性とを同時に達成することができる複合電気光学材料および表示装置を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明の複合電気光学材料は、表示面を有し、無電場状態で光散乱性状態と光透過性状態とを選択的にとり得る双安定性の複合電気光学材料であって、上記表示面に、電気光学材料が占有する第１の領域と、非電気光学材料が占有する第２の領域とを備えたことを特徴とする。

この構成により、屈折率の異なる領域を共存させることによって十分な散乱を起こさせることが可能な屈折率分布の空間構造を実現することができる。これにより、偏光板を必要とすることなく明るい反射型表示素子を構成することができる。

また、電気光学材料が占有する領域を非電気光学材料が占有する領域内に分布配置することで、表示面における電気光学材料の全体積の分散が可能となる。これにより、電気光学材料間の配向の相互作用を大幅に低減し、双安定化状態を容易に実現可能するとともに各安定状態の保持性を高めることが可能となる。

電気光学材料は、電場を受けることで屈折率が変化する材料全般をいい、特に、液晶材料が好適に適用される。非電気光学材料としては、液晶が光散乱性配向分布をとるときに当該液晶と大きな屈折率差を生じさせることができ、かつ、液晶が光透過性配向分布をとるときに当該液晶と同等の屈折率をもつ材料、特に透明な合成樹脂材料が好適である。

本発明に係る複合電気光学材料は、非電気光学材料からなる層に複数の孔や溝等を分布形成し、これらの孔や溝に電気光学材料が充填された複合材料で構成することができる。孔の形状は特に限定されず、円形や三角、四角等の多角形状でもよい。また、本発明に係る複合電気光学材料は、電気光学材料からなる層に非電気光学材料からなる柱状体が島状に複数分散配置された構成であってもよい。

なお、本発明の複合電気光学材料を少なくとも一方に電極を有する一対の基板で挟み込むことで、双安定の反射型表示装置を構成することができる。

本発明によれば、偏光板を必要とせずに明るい反射型表示が可能となると同時に、双安定状態を容易に実現し画像の保持特性を得ることができる。

以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して説明する。以下の各実施の形態では、電気光学材料として液晶材料を例に挙げて説明する。また、本発明は以下の実施の形態に限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態による複合電気光学材料の概略構成を示す要部斜視図である。

図１に示すように、本実施の形態の複合電気光学材料３０は、板状の支持材料３１と、この支持材料３１に形成された複数の孔（図の例では貫通孔）３２と、これら複数の孔３２に各々充填された液晶材料３３とを含む複合材料で構成されている。従って、この複合電気光学材料３０は、画像を形成する表示面Ｓにおいて、液晶材料３３の占有領域が支持材料３１内に複数分散配置された構成を有している。

まず、この複合電気光学材料３０の光学的性質について以下説明する。

この例では、支持材料３１が屈折率１．５１のＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）で形成されており、液晶材料３３はネマティック液晶からなり、液晶分子長軸方向の屈折率ｎ_//が１．７５、液晶分子短軸方向の屈折率ｎ_⊥が１．５１であるとする。また、液晶の誘電率は、液晶分子長軸方向の誘電率をε_// 、液晶分子短軸方向の誘電率をε_⊥とすると、ε_// ＞ε_⊥（すなわち、Δε＞０）であるとする。さらに、孔３２の形状は、円筒形状とする。

液晶材料３３のダイレクタ（液晶分子の配向（長軸方向）の向き）が円筒（孔）３２の軸に平行に揃っている状態では、この軸に沿って円筒３２に入射する平面波に対する屈折率は偏光面に依らずｎ_⊥＝１．５１である。従って、非液晶材料である支持材料３１の領域も含めて全ての領域で屈折率が均一であるから、表示面Ｓから見て、この複合電気光学材料３０では散乱が生じず透明に見えることになる。

一方、液晶材料３３のダイレクタが円筒３２の軸に平行に揃っていない場合には、円筒３２の軸に沿って入射する光に対する液晶の屈折率は、ｎ_//＝１．７５とｎ_⊥＝１．５１の間の何らかの値を示し、もはや支持材料３１と同じ屈折率ではなくなる。従って、光の散乱が生じる。この屈折率の相違の大きさは、ＰＤＬＣにおいて生じているものと同等であるから、この複合電気光学材料３０を適切な厚さにすることで十分な散乱強度が得られることになる。

次に、ここに示した光散乱の大きいまたは小さい配向様態を、それぞれ双安定な状態のひとつとして得る原理について説明する。

図２および図３は、円筒形状の孔３２内部における液晶材料３３の配向様態を示しており、液晶分子の長軸が平均的に向いている方向を線分（ダイレクタ）Ｄを用いて描かれている。

まったく自由なネマティック液晶は、その全域でどちらか任意の方向に配向を平行に揃えようとする。双安定性を実現するためには、周囲から液晶の配向になんらかの拘束力を加えることが必要である。それは、液晶が占め得る領域の形状や器壁に対する濡れ性、あるいは、器壁に対して分子軸を特定の方向に向きやすく束縛すること（アンカリング）によって実現される。

まず、円筒３２内の液晶が側壁や上下の底面からその向きに対する束縛を受けない場合には、液晶が全域で向きを揃える。例えば図２Ａの配向様態においては弾性エネルギーが最低で、もっとも安定である。しかし、円筒３２の側壁に接する液晶分子を壁面に対して垂直に立てるようなアンカリング３２Ａを導入すると、図２Ｂのようになり、液晶のダイレクタＤが円筒３２の軸に完全に平行には揃っていない配向様態が安定となる。

なお、図２Ｂにおいて、円筒領域の外側に描いた短い線分（アンカリング３２Ａ）の方向が、その壁面の内側で液晶分子が束縛される方向を示している。図３Ａ，Ｂにおいても同様とする。

同じアンカリングのもとで、図２Ｂに示したダイレクタＤの配向様態を上下反転した配向様態も同様に最低エネルギー状態として実現するので、系は双安定である。なお、図２Ｂとそれを上下反転した配向様態は、どちらも光を完全に透過するわけでもなく、また強く散乱するわけでもないので、これら２つの配向様態を別箇の表示状態として利用するか否かは、用途に応じて決定される。

円筒３２の壁面や上下の底面のアンカリング処理は、後に詳述するように様々な化学処理によって液晶分子に対する束縛の強度や方向を制御できるので、液晶に対する制御の自由度は大きい。そこで、アンカリング処理を施す場所を様々に変えてみると、例えば図３Ａ，Ｂに示すように、円筒３２側面の上下両端付近と上下底面（表示セルを構成する場合は基板の電極形成面）にそれぞれ垂直アンカリング処理３２Ａ１，３２Ａ２，３２Ａ３，３２Ａ４を施した場合には、図３Ａと図３Ｂとで光の散乱強度が顕著に異なる２通りの配向様態が安定となり、表示材料に適した双安定が達成されることがわかる。なお、図示の例において、垂直アンカリング力は（３２Ａ１部分）＜（３２Ａ２部分）の関係になっている。

すなわち、図３Ａの配向様態では、円筒３２の軸方向にダイレクタＤが向いた領域の体積は小さく、液晶材料３３の占める領域（第１の領域）とその周囲の非液晶材料の占める領域（第２の領域）とで屈折率は異なり、両者の混合媒質は顕著な光散乱を生じさせる。一方、図３Ｂの配向様態では、液晶のダイレクタＤは大半が概ね円筒３２の軸に平行に揃っており、円筒３２の軸に沿って入射する平面波に対し液晶領域の屈折率はほぼｎ_⊥であり、周囲の非液晶材料（支持材料３１）の屈折率に近いので光を透過する。

以上、層状の支持材料３１に形成された円筒形の孔３２にネマティック液晶材料３３を充填した試料の場合を例にとって、光を透過する状態と光を散乱する状態との両方が安定に存在する複合電気光学材料３０の光学的性質について説明した。

次に、光を透過する状態と散乱する状態とを、外部から複合電気光学材料３０に印加する電場によって切り替える方法を説明する。

図４Ａ，Ｂは、上記構成の複合電気光学材料３０を利用した液晶表示装置３５の概略断面図である。液晶表示装置３５は、一対の透明基板３６ａ、３６ｂと、これら一対の透明基板３６ａ，３６ｂに挟まれた複合電気光学材料３０と、透明基板３６ａ，３６ｂの内面側にそれぞれ形成された透明電極３７ａ，３７ｂと、透明基板３６ｂの外面側に設けられた黒色層３８とを備えている。

図４Ａ，Ｂに示す液晶表示装置３５は、一対の透明基板３６ａ，３６ｂ間に本発明に係る複合電気光学材料３０を挟み込んで表示セルを構成したもので、両側の透明基板３６ａ，３６ｂ上の電極３７ａ，３７ｂ間に正または負の電圧パルスを印加することによって、複合電気光学材料３０の円筒形状の孔３２に充填された液晶材料３３の配向状態を図４Ａ，Ｂに示したように制御することができる。また、電圧パルスの印加を終了した後も、図４Ａ，Ｂに示した液晶材料３３の配向状態をそれぞれ保持することができる。

液晶材料３３の配向状態を図４Ａと図４Ｂとの間で切り替えるための電圧は、パルス電源３９とスイッチ４０とを有する駆動回路４１によって供給される。駆動回路４１は、透明電極３７ａ，３７ｂ間に接続されている。なお、この駆動回路４１は基板３６ａ，３６ｂに一体形成されていてもよいし、基板３６ａ，３６ｂに後付けで設置されてもよい。

図４Ａに示した液晶材料３３の配向状態は、図３Ａに示した無電場安定状態１に対応している。この安定状態において、液晶材料３３のダイレクタは基板法線方向と垂直な成分が少なく、正面側の基板３６ａ側から入射する光を散乱させる光散乱性配向分布をもつ。この場合、観察者の目には表示面Ｓが白濁表示として認識される。

一方、図４Ｂに示した液晶材料３３の配向状態は、図３Ｂに示した無電場安定状態２に対応している。この安定状態において、液晶材料３３のダイレクタのほとんどは基板法線方向に平行に配向し、入射光を透過させる光透過性配向分布をもつ。この場合、透過光は黒色層３８で吸収され、観察者の目には表示面Ｓが黒表示として認識される。

図３Ａ，Ｂのダイレクタ分布図の右上隅の部分を注意深く観察するとわかるが、図３Ｂの配向様態では、右上隅のダイレクタ方向を結ぶと下方に凸の曲線が得られる。このように液晶のダイレクタ分布が湾曲している場合には、それに伴って曲率中心の方向に決まった極性を持つ撓電分極が生じる。従って、駆動回路４１によって印加する電場の極性によって、この分極に決まったトルクを与え、配向様態を決まった方向へ変化させることができる。このおかげで、逆極性パルスの印加によって図３Ａに示した配向様態と図３Ｂに示した配向様態の間の遷移を生じさせることができる。

孔３２に閉じ込められた液晶の２安定状態の詳細は以下のように考えることができる。

孔に閉じ込められた液晶は、孔内壁と上下面（基板表面）からの束縛力（アンカリング力）と液晶の弾性的なエネルギーの影響とを受け、これらの総和のエネルギーにおいて安定状態が図３Ａ，Ｂに示したように２通り存在する。その安定な２状態間を撓電効果による分極反転を利用して極性を持ったパルスで相互に反転させることができる。図３Ａでは液晶のダイレクタＤが基板面の法線から傾いているので、非液晶材料（支持材料３１）の屈折率と液晶材料の屈折率とが一致せず、入射光に散乱が生じて白濁化する。一方、図３Ａの状態から孔３２の軸方向へ極性パルスを印加すると、図３Ｂに示したように液晶内部の撓電効果の分極により液晶が電場方向（Δｎ＞０の場合）に配列するが、電圧を取り除いた後も液晶が電場方向に揃った状態を保持する。図３Ｂでは、液晶のダイレクタＤが基板面の法線方向と一致しているので、非液晶材料の屈折率と液晶材料の屈折率とが一致し、透明状態となる。

このように、本実施の形態では、複合電気光学材料３０を液晶材料３３と非液晶材料である支持材料３１との複合材料で形成し、液晶材料３３の占有する領域を支持材料３１の面内複数箇所に分散させることで、液晶材料３３の充填空間を支持材料３１からなる隔壁で細かく仕切り、液晶材料３３の双安定化を実現し易くしている。

以上の例では、図１に示した支持材料３１の孔３２の形状、アンカリング処理、液晶材料３３の選択にしたがって、液晶を充填した円筒孔の軸方向、すなわち表示セルの厚さ方向の電場により表示状態間の遷移が駆動される様子を説明したが、状態切替えの目的で複合電気光学材料３０に印加される電場の方向はセルの厚さ方向には限定されない。適切にパターン形成された電極によって、例えば、下側基板と上側基板の間で基板法線に対して斜め方向への電場印加も可能であるし、あるいは片側の基板上にある間隔を空けて形成された電極間に概ね基板面に平行な電場を印加することもできる。更に、これに加えて対向基板上の電極も利用した３面の電極を利用して液晶配列状態を反転させることもできる。

電圧の印加方向は、それによって駆動しようとする分極がどちら方向にできているかに合わせて選択するものであるから、複合電気光学材料の中で（例えば孔形状を設計することによって）液晶にどのような分極をもつ配向様態をとらせるかによって幾通りもの可能性がある。孔３２を基板法線方向に対して斜めに形成するのも、その一例である。

孔３２の形状は円柱状に限らず、三角柱状や四角柱状、六角柱状（ハニカム）などの多角形構造でもよい。丸形状に比べて多角形状は、孔内壁に垂直配向処理を施した場合、基板面に対しての面内配向を形成しやすいことが分かっている。

背面基板３６ｂと対向基板３６ａに挟まれた第３の面による液晶材料と非液晶材料の複合材料の断面（表示面Ｓ）において、液晶が占める領域の断面積（面積）の比が、
０．１＜（液晶領域）／（非液晶領域）＜１０
であることが好ましい。より好ましくは、
０．３＜（液晶領域）／（非液晶領域）＜３
である。さらに好ましくは、
０．５＜（液晶領域）／（非液晶領域）＜２
である。この比が０．１以下の場合、液晶の割合が少なく、非液晶と液晶の界面が少なく、光散乱が弱くなり白濁状態が薄い傾向にある。また、上記比が１０以上の場合は非液晶の比率が少ないので、欠陥なく均一に孔構造を作製しにくい場合が生じる。

また、液晶が充填される孔が多角形状である場合、丸形状である場合に比べて、面内の孔密度を高くしやすいので、光の散乱性能の点では優れる。また、孔サイズを意図的に段階的かつエリア毎に区分して配置することにより、ある電圧により反転するエリアを変化させることもできるので、これを用いて階調を持たせることも可能である。

孔の高さは、３μｍ以上５０μｍ以下の範囲にあることが好ましい。３μｍより低い場合は十分な光散乱性が得られず、５０μｍより高い場合は、駆動電圧が高くなりすぎ汎用駆動用ＩＣが使用できず、デバイスコストが増加してしまう傾向がある。

光散乱性の観点からは、孔密度が高く、孔の高さ（深さ）は高い方が好ましいが、駆動電圧、配向処理法の観点からは孔高さは低い方が好ましく、これらパラメータにより適宜調整することができる。好ましくは１０μｍ以上４０μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３０μｍである。また、孔の底面の差し渡し（底面径）に対する高さの比は、
（高さ）／（底面径）＞１
であることが好ましい。

液晶を充填する孔形状が円筒形でなく、図５Ａに示すように孔３２’が円錐台形や角錐台形の錐体形状など径が軸に沿って一様でない構造には特有の利点がある。まず、軸方向に印加される電場の極性に依存して決まった向きに液晶の配向様態が切り替えられるためには、その配向様態は軸の反転に関して非対称でなければならない。ところが、孔が円錐台や角錐台の形状をもつ場合には、液晶が充填される領域の構造自体が軸の反転に関して非対称であるので、配向処理剤の非対称な塗布などによらず、その形状によって確実に非対称配向様態の実現が期待されるからである。エッチングで孔を形成する場合に生じるテーパー形状も、この目的で積極的に利用することができる。なお、図５Ｂに示すように、円筒形状の孔３２と円錐台形状の孔３２’を組み合わせて用いることも可能である。

また、孔３２が支持材料３１を貫通しないような形態も、場合によっては有用である。エッチング後の孔の底がすり鉢状に形成され、その内部の液晶が支持材料と異なる屈折率を持つ場合には、このすり鉢状の界面はレンズの表面のように働く。すなわち、セルのほぼ正面から入射する光に対して、異なる屈折率をもつ境界面が傾斜して位置するため、垂直に入射する場合に比べて屈折による光の偏向が顕著になり、結果として散乱が効果的に生じるという利点がある。

更に、孔３２が非貫通孔である場合、支持材料３１の表裏双方の面に互いにオーバーラップしないように分散して形成されていてもよい。

次に、以上のように構成される複合電気光学材料３０の製造方法について説明する。

本実施の形態の形態の複合電気光学材料３０は、円筒形状の孔３２が複数形成されることで、支持材料３１の層内に複数の柱状空間を備えている。この柱状空間を有する支持材料層の形成方法としては、トラックエッチ法、フォトリソグラフィー法、レーザー加工法、ＬＩＧＡ（Lithography Galvanic forming）法、ＴＩＥＧＡ（Teflon Include Etching and Galvanic forming）法、インプリントなどの金型成形法などを用いることができる。

トラックエッチ法とは、アクセレータで加速した重イオン（例えばＡｒなど）を基板上または独立したポリマー膜に照射して欠陥を形成し、その後アルカリ溶液などに浸漬して欠陥を中心に溶解させて孔パターンを形成する。孔径は、浸漬時間やアルカリ溶液の濃度などにより調整することができる。なお、重イオンの照射後、ポリマーのＴｇ（ガラス転移温度）以上に加熱した後、フォトマスクを介してＵＶ（紫外線）露光することで孔パターンを形成することもできる。

フォトリソグラフィー法では、(１)ポリマーフィルムをＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法によりエッチングする、(２)レジスト材料そのものをパターニングする、などの方法がある。(１)の方法では、ポリマーフィルム上にＲＩＥのマスクとしてのメタル膜パターンを形成して、酸素などのガスを用いてＲＩＥ加工することができる。また、(２)の方法では、液体レジスト、ドライフィルムレジストのどちらも使用できるが、作製パターンにより選択できる。レジスト材料は表示装置の画像性能に影響を及ぼさない程度に呈色していてもよいが、透明であることが望ましい。例えば、化薬マイクロケム株式会社製のＳＵ−８などを好ましく用いることができる。

ＬＩＧＡおよびＴＩＥＧＡプロセスは、放射光を用いた微細加工技術で、非常に高アスペクトの加工が可能であるので、孔高さが高く、孔径が小さいパターンの形成に向いている。ＬＩＧＡではＰＭＭＡ膜やレジスト材料を直接加工して、これ自身を表示材料として用いてもよいが、加工したＰＭＭＡやレジスト材料に電鋳、モールドすることにより金型を作製して、この金型を用いて孔パターンを作製してもよい。量産性という観点では、金型を用いる方法が好ましい。金型の作製方法は、前述のＬＩＧＡプロセス、Ｓｉ（シリコン）のフォトリソグラフィー加工、機械切削などの方法を用いることができる。

支持材料３１は、液晶材料３３との屈折率整合が必要である。例えば、図１に示した構造でΔεが正の液晶材料を用いた場合、液晶の常光屈折率（ｎ_⊥）と支持材料の屈折率を整合することが必要である。これらの屈折率差はできるだけ小さくゼロに近いことが望ましいが、好ましくは０．１以下、より好ましくは０．０５以下である。

支持材料３１の材質としては、上記の加工方法と関連するが、透明なプラスチック材料を好ましく用いることができる。例えば、ポリエステル樹脂、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ノルボルネン樹脂、ＵＶ硬化樹脂、などの透明樹脂を用いることができる。

液晶材料３３は特に限定されるものではないが、光散乱性の観点からできるだけ複屈折（Δｎ＝ｎ_//−ｎ_⊥）が大きいことが望ましい。例えば次のような液晶材料を用いることができる。

液晶の種類としては、例えば、ノンキラル棒状液晶（ネマチック）、キラル棒状液晶、円盤状（ディスコチック）液晶、金属錯体液晶、エキゾチック液晶、高分子液晶などがある。液晶化合物は、環と連結基と末端基を有する。環、連結基、末端基を変化させることで、屈折率差（Δｎ）、粘度、誘電率差（Δε）、弾性定数Ｋ₃₃／Ｋ₁₁を変化させることができる。通常、環としては、六員環を用いる。六員環としては、ベンゼン環、シクロヘキサン環、シクロヘキセン環、ピリミジン環、ジオキサン環、ピリジン環などを用いることができる。そのなかでも、ベンゼン環、ピリミジン環、ピリジン環、シクロヘキサン環、シクロヘキセン環を主骨格に持つものが望ましい。また、１分子内の環の個数は、２個以上が好ましい。連結基としては、エステル基、エチニレン基（アセチレン）、エチレン基、エテニレン基、メチルエーテル基、ジアセチレン基、アゾメチレン基（フッフ塩基）、アゾ基、アゾキシ基などが用いられる。そのなかでも、エステル基、エチニレン基、エチレン基、アゾ基がより好ましい。さらに、末端基には、シアノ基、フルオロ基、アルキル基、酸素原子を含む基等を用いることができる。これらの環、連結基、末端基を持った液晶化合物を単一または複数混合して用いる。

次に、例えば図４Ａに模式的に示した本実施の形態の表示装置３５の製造方法について説明する。

透明基板３６ａ，３６ｂとしては、ガラス基板、プラスチック基板を用いることができる。ガラス基板としては青板ガラス、無アルカリガラス、プラスチック基板としてはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）などを用いることができる。基板からの溶出イオン防止や水蒸気透過抑制を目的として、ＳｉＯ₂やＳｉＮなどのバリア膜を形成してもよい。

まず、透明基板３６ａ，３６ｂ上に、透明電極３７ａ，３７ｂの電極パターンを形成する。電極材料としては透明材料が好ましく、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）などを用いることができるが、透過率と比抵抗の観点からＩＴＯが最適である。ここでは、上下基板の電極としてＩＴＯを用いる場合に限らず、下側基板３６ｂには非透明電極を用いることもできる。例えば、金、銀、銅、タングステン、モリブデン、アルミニウムなどの単体金属やこれらを含んだ合金を用いることができる。電極のパターニング法も特に限定はされないが、フォトリソ法、スクリーン印刷法、インクジェット法などを使用できる。

パターニングされた電極の上に、液晶配向用の材料を形成することができる。配向膜材料としては、ポリイミド、ポリビニルアルコール、ＳｉＯ膜、長鎖アルキルシラン化合物、臭化セチルアンモニウム、塩化Ｎ，Ｎ−ジメチル−Ｎ−オクタデシル−３−トリメトキシプロピルアンモニウム（ＤＭＯＡＰ）、メトキシシンナマート基を持つ化合物からなるもの等を用いることができる。

続いて、上述の支持材料３１を基板３６ｂ（又は３６ａ）上に形成する。あるいは、フリースタンディング（自己支持性）の支持材料３１を準備する。この支持材料３１の表面にも、液晶配向制御を目的に表面修飾処理を行ってもよい。

次に、液晶材料３３を支持材料３１の孔３２へ充填する。充填方法としては、支持材料３１に真空中または減圧下で液晶を滴下、対向基板と貼り合わせる方式や、あらかじめ対向基板と貼り合わせ真空中で毛細管現象を利用して注入する方法などが使用できる。さらに、液晶注入口を封口する。

なお、液晶注入時の液晶配列欠陥解消や配向状態の均一化を目的として液晶注入したセルを加熱することもできる。さらに、電場や磁場を印加しながら昇温および／または降温することも、液晶配向状態制御という点では好ましい。

最後に、フレキシブルケーブル、駆動回路４１を実装することで、表示装置３５が完成となる。

以上述べたように、本実施の形態によれば、無電場状態で光透過性配向分布と光散乱性配向分布とを得ることができるため、バッテリレスで静止画像を表示することが可能となる。これにより、携帯電話等の携帯機器の表示パネルや広告板、電子書籍等の幅広い分野で応用が可能となる。

また、本実施の形態によれば、偏光板を必要とすることなく画像の明暗を形成することができるため、外光ないしは室内光のもとで明るく自然で視認容易な画像を表示させることができる。また、セルのギャップ長（基板３６ａ，３６ｂの対向距離）に依存する偏光面回転を利用していないので、ギャップ長の変化を生じるような使用条件にも耐えられる。例えば表面を押されたり、可撓性基板が採用された場合には基板を曲げられても、表示状態が変わって見えることがない利点を持っている。

さらに、生産工程の面においては、偏光板の貼り合わせが不要なため、工程が簡略化される。また、ギャップの調整に寛容度が高いので、プラスチックフィルムを基板としたロール供給および巻取り方式の工程にも適性が高い。

（第２の実施の形態）
続いて、本発明の第２の実施の形態について説明する。図６および図７Ａ，Ｂは本発明の第２の実施の形態による複合電気光学材料５０の概略構成を示しており、図６は複合電気光学材料５０をその表示面側から見た要部平面図、図７Ａ，Ｂはこの複合電気光学材料５０を備えた表示装置の要部断面図である。

本実施の形態の複合電気光学材料５０は、非液晶材料からなる支持材料（例えばＰＭＭＡ）５１とこの支持材料５１に収容された液晶材料５３との複合材料からなる。この例では、支持材料５１は、底部５１Ａとこの底部５１Ａ上の複数箇所に突設された柱状体５１Ｂとを備え、柱状体５１Ｂが液晶材料５３からなる層の厚さ方向に突出形成されることで液晶層内に島状に分散配置されている（図６において柱状体５１Ｂは斜線部にて図示）。従って、液晶材料５３は、この柱状体５１Ｂの周囲を囲むように分布し、かつ隣接する柱状体５１Ｂの間を介して他の領域の液晶材料５３と連絡する（図６参照）。柱状体５１Ｂと液晶材料５３とは、上述の第１の実施の形態と同様に、屈折率整合がとられている。

液晶材料５３が占有する領域の境界面となる柱状体５１Ｂの側面には、液晶分子を柱状体５１Ｂの側面に対して垂直方向に配向させる配向処理が施されることで、液晶分子を基板３６ａ，３６ｂの面内で束縛するアンカリング力を発現させ、図７Ａ，Ｂに示す２つの安定化状態を創出させる。図７Ａは、光散乱性配向分布状態を示し、図７Ｂは光透過性配向分布状態を示している。

図７Ａに示した配向様態では、液晶のダイレクタはほぼ基板３６ａ，３６ｂの面内に向いており、セルに垂直入射する光に対しては柱状体５１Ｂの部分と異なった屈折率を示すので光を散乱し白濁して見える。一方、図７Ｂに示した配向様態では、ダイレクタはほぼ基板３６ａ，３６ｂに垂直に揃い、垂直入射光に対して液晶材料５３と柱状体５１Ｂの屈折率はぼぼ等しくなって、透明状態が実現する。

このような配向様態の切替えは、円筒孔等の孔に垂直配向処理を施して液晶を充填した構造では、特に孔径が小さい場合に、実現しなくなるおそれがある。これは、小径の孔の中の液晶に対しては、向かい合って近接した側壁からの垂直アンカリングの影響を強く受けるため、図７Ａの安定状態が図７Ｂの安定状態に卓越するためである。一方、図６においてＲ１，Ｒ２で示した液晶領域はそれぞれ４本の柱状体５１Ｂで囲まれており、全周にわたって連続したものではない。このため、これら柱状体５１Ｂの側壁に垂直配向処理を施した場合、基板面に平行な方向にダイレクタを束縛する作用は、上記孔の中の場合に比べて弱くなる。従って、ダイレクタを基板に垂直に立てた配向様態のエネルギーも著しく高まることはなく、双安定が実現される。

なお、柱状体５１Ｂの側面に施す配向処理は、上述の例に限られない。例えば、液晶のダイレクタが柱状体５１Ｂの側壁面に平行に倣い、たとえれば島の周囲を回遊する魚群に似た分布をとっていても、光を散乱する状態となる。凹凸基板の表面に垂直配向処理を施さない場合に、このような配向様態が実現しやすくなると考えられる。

本実施の形態のように、支持材料の占有する領域を液晶材料の層内に個々独立して分散配置させた柱状体５１Ｂで形成することにより、以下の利点が得られる。

第１に、双安定性を期待される領域内の液晶に対して、側方からの束縛が比較的小さくなるように柱状体５１Ｂの形状によって調節できるので、双安定の２状態間の遷移障壁エネルギーの大きさを調節したり、遷移閾値電圧の値を調節して双安定状態を設計する自由度が広がる利点がある。

第２に、液晶と非液晶との複合材料層中における両成分の体積比の選択範囲が広がる利点がある。すなわち、上述の第１の実施の形態のように、シート状の非液晶材料にリソグラフィの最小加工寸法に近い径の孔を開けて液晶を充填する場合には、液晶の体積割合を複合材料全体の半分以上にするのは比較的困難である。一方、最小加工寸法程度の径の柱を残す場合には、液晶の体積割合を全体の半分以上にするのは容易である。従って、とくに白濁状態の散乱性を向上させ明るい表示材料を得るための屈折率分布の設計自由度が広がる。

第３に、非液晶材料に凹凸パターンを形成する上で有利である。すなわち、柱を残して他の部分を溶解除去する工程において、新鮮な溶解液ないし洗浄液が基板に沿って柱の間を流れることができるので、液が流れにくい狭い孔の中の不要材を溶かす場合に比べて、残滓なく流し去ることができる。

第４に、注入口からセル内のいたるところまで柱の間に流路が連続しているため、セルを構成する両側の基板を貼り合わせた後にも、液晶の注入充填を行うことが可能になる。また、この流路のおかげで、大面積のセルにおいても比較的短時間で充填を完了できる。

非液晶材料に形成される柱状ないし島状の突起（柱状体５１Ｂ）の寸法は、次のような範囲が望ましい。

まず、光学的な要請から、屈折率が異なる液晶との複合体として光を効率よく散乱するためには、光の波長の数倍以下の構造を持つことが望ましい。特に、後方散乱を増し表示材料として反射率を高めるためには、１μｍ程度の構造があることが望ましい。一方、力学的には、十μｍ以上のギャップ長程度の高さの突起を強固に維持するために、基板面内方向にある程度の広がりを持つことが望ましい。

従って、突起の形状は、短径が数μｍ以下で長径はそれより大きな形状に設計することも効果的である。表示材料として十分な反射率を得るためにギャップ長は数十μｍを超える場合もあるので、柱状構造の長径も５０μｍ程度まで大きく設計する場合がある。こうして、基板面内方向の突起の差し渡し寸法は、典型的には、１μｍ以上５０μｍ以下の範囲が好ましい。

また、突起の高さはギャップ長の半分以上におよぶことが望ましい。ギャップ長の半分以上の厚さにわたって突起を含まない液晶層が存在すると、液晶領域内の相互作用を適切に分断することができなくなり、光の散乱に寄与しない体積割合が大きくなるからである。

さらに、この例に限らず、液晶の配向様態の切替えが生じる電圧が異なる２種またはそれ以上の種類の領域を表示画素の中に設けると、印加電圧パルスによって、一方の領域だけが光を散乱する状態と、両方の領域が散乱に寄与する状態とを得ることができる。これは階調表示の実現に適している。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図８および図９は本発明の第３の実施の形態による複合電気光学材料６０の概略構成を示しており、図８は複合電気光学材料６０の要部拡大斜視図、図９は当該複合電気光学材料６０を備えた表示装置６５の要部断面図である。

本実施の形態の複合電気光学材料６０は、支持材料（例えばＰＭＭＡ）６１と、この支持材料の表面に等ピッチで形成された複数本の溝６２と、この溝６２内に充填された液晶材料６３とを備えた複合材料で構成されている。すなわち、本実施の形態では、液晶材料の充填空間を円筒形状とした上述の第１の実施の形態に代えて、液晶材料の充填空間を溝６２の内部空間としている。

溝６２は、支持材料６１の幅方向に等ピッチで配列する例に限られず、溝６２をある一定の長さに形成し、この長さ方向にも等ピッチで溝６２を配列させてもよい。また、溝の長さ方向は全て一様である場合に限らず、ランダム性があってもよい。さらに、溝幅や深さも特に制限されない。

溝６２は、支持材料６１の表面を凹状に加工する場合のほか、支持材料上にレジスト材料を塗布し露光・現像処理を経て塀状の突起を形成する等して形成することができる。

本実施の形態のように、液晶材料６３の充填空間を溝６２の内部空間とした場合、以下の利点がある。

第１に、孔の中に液晶を入れた場合（第１実施形態）や液晶中に柱が散在する場合（第２実施形態）と比べると、双安定性を期待される領域内の液晶に接する側壁の割合が異なるので、双安定状態を設計する自由度が広がるという利点がある。

第２に、これも柱状構造の場合と同様の理由で、液晶と非液晶との複合材料層中における両成分の体積比の選択範囲を広げ、最小加工寸法程度の厚さの壁を残す場合には、特に白濁状態の散乱性を向上させ明るい表示材料を得やすくなる利点がある。

第３に、非液晶材料に凹凸パターンを形成する上で有利である。すなわち、溝部分を新鮮な溶解液ないし洗浄液が基板に沿って溝の内部を流れることができるので、狭い孔の中の不要材を溶かす場合に比べて残滓なく流し去ることができる。

第４に、液晶注入の際に溝構造が液晶に連続した流路を提供するので、注入充填が容易で、大面積のセルにおいても比較的短時間で充填を完了できる。

非液晶材料に形成される溝状の凹部ないし塀状の突起の寸法は、次のような範囲が望ましい。

まず、屈折率が異なる液晶との複合体として光を効率よく散乱するために、溝あるいは塀の厚さは光の波長の数倍以下の構造をもつことが望ましい。特に、後方散乱を増し表示材料として反射率を高めるためには、１μｍ程度の厚さであることが望ましいが、厚さを薄くすることは構造の力学的強さを犠牲にするため、実用上は２μｍ以上が用いやすい。しかし、液晶が充填される領域の幅が大きくなると散乱が弱まるので、１５μｍ以下が望ましい。溝状構造の長さに制限はないが、表示素子の典型的な画素サイズである３００μｍ程度が適当な上限と考えられる。幅と長さの上限から、底面積の上限は４５００μｍ²であることが好ましい。

比較的長い溝が等間隔で規則的に配列した場合には、反射が特定の方向に強く認められることがあるので、表示材料として均一な明るさと光沢を損なわないように、溝の長さは１００μｍ程度までに抑えることがより好ましい。均一光沢を得るためには、溝の間隔や方向にゆらぎを持たせたパターンにすることも可能である。

また、溝の深さないし塀の高さは、ギャップ長の半分以上におよぶことが望ましい。ギャップ長の半分以上の厚さにわたって突起を含まない液晶層が存在すると、液晶領域内の相互作用を適切に分断することができなくなり、光の散乱に寄与しない体積割合が大きくなるからである。液晶が満たされる廊下状領域の幅が廊下の高さよりも広くなっていると、基板上の単位面積あたりに収められる廊下の数が小さく抑えられ、強い散乱を得るのに不利である。従って、
（廊下の高さ）／（廊下の幅）＞１
が望ましい。

（第４の実施の形態）
図１０Ａ，Ｂは上述の各実施の形態で説明した複合電気光学材料を用いた表示装置の表示マトリクスの概念図である。ここで、図１０Ａはアクティブマトリクス型を示し、７１はデータ線、７２は走査線、７３はＴＦＴ（Thin Film Transistor）、７４は画素である。また、図１０Ｂはパッシブマトリクス型を示しており、８１はｙ方向電極線、８２はｘ方向電極線、８３は画素である。

図では、表示セルの基板内面の透明電極に挟まれた複合電気光学材料を画素ごとに分離した形態で描いているが、連続した基板上に形成した透明電極の短冊状（ストライプ状）のパターンによって、連続した板状の本発明の複合電気光学材料を挟んで表示装置が構成されることは言うまでもない。このとき、１画素当たりに相当する面積の複合電気光学材料表面（表示面）に、液晶材料で占有される領域が複数含まれる分布密度で、当該複合電気光学材料が構成されているものとする。

複合電気光学材料自体が表示状態の双安定性を有し、状態間の遷移に必要な電圧閾値が有限の大きさをもつ本発明の場合には、図１０Ａに示すような画素と配線の接続を薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）７３によってＯＮ／ＯＦＦするアクティブマトリクス方式によらなくても、図１０Ｂに示すようなパッシブ（単純）マトリクス方式によって、選択した画素の書込み（駆動）ができるという利点がある。

以下、本発明のいくつかの実施例について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

以下の各実施例では、本発明に係る複合電気光学材料を前面および背面の一対の基板間に挟んで表示セルを構成した。そして、複合電気光学材料の光散乱性配向分布状態における光反射率と、光透過性配向分布状態における光透過率とをそれぞれ測定した。

複合電気光学材料の駆動方法としては、前面基板と背面基板の電極パターン間に５０Ｖ（0-peak）の矩形状のパルス（パルス幅５ｍｓ）を印加した。

反射率は、拡散照明光を試料表面に入射し反射した光を積分球つき素子で受光する光学系において測定した（測定器：ライトレックス社製ＳＰ６２）。試料には電圧を印加しない状態で測定した。測定直径は１３．５ｍｍφである。標準白色板が基準の反射率となるように校正し、試料表面での正反射光が受光素子に入射しないように光トラップを設けた。

透過率は、波長６７０ｎｍの半導体レーザーを光源に用い、３ｍＷの直線偏光平行光をスポットサイズ１ｍｍ×３ｍｍで試料面に垂直な方向から３°傾けて入射させ、試料背面側の立体角０．０１ステラジアンの範囲内の透過光および散乱光をレンズで集光してフォトダイオードに導いて測定した。試料を置かず光源からの直接光を受けた場合の光電流を基準（透過率１００％）とした。透過率測定の際には、試料を透過率の高い方の安定状態に遷移させた後、試料に電圧を印加しない状態で用いた。ただし、後述する比較例のポリマーネットワーク液晶を用いたセルでは、電圧５０Ｖを印加した状態で測定した。

（実施例１）
まず、背面側の基板を作製した。ＩＴＯ膜付き２５ｍｍ角ガラス基板にドライフィルムレジストをラミネートし、フォトマスクを介してＵＶ露光、現像した後、塩酸と硝酸からなる混合酸でＩＴＯ膜をエッチングした。最後にドライフィルムレジストを剥離、水洗して線幅１００μｍ／スペース５０μｍの１５０μｍピッチのストライプ状ＩＴＯパターンを作製した。ＩＴＯパターン付きガラス基板にデシルトリメトキシシランの垂直配向処理を行った。以上と同様にして、対向基板（前面基板）も作製した。

次に、トラックエッチ法にて作製した孔径５μｍ、厚み１５μｍのポリカーボネート製フィルム（屈折率１．５９）を背面基板に配置し、ディスペンサにてＵＶ硬化性シール剤を塗布した。しかる後、ストライプ状のＩＴＯパターンが直交するように背面基板と対向基板の位置合わせを行い、ＵＶ照射することでいわゆる空セル（液晶未充填のセル）を作製した。さらに真空注入法にて、ｎ_//＝１．７、ｎ_⊥＝１．５の液晶材料を注入し、さらに注入口を封口剤にて封止してセルを作製した。最後に、液晶のＮＩ点（ネマチック・等方相転移温度）よりも１０℃高い温度で１時間保持した後、ゆっくり降温した。

電圧を印加しない状態では、作製後のセルは白濁していた。反射率は３０％であった。背面基板をアース電位、対向基板に負極として−５０Ｖのパルスを印加したところ、セルは白濁状態から透明状態に変化した。パルス電圧印加を停止した後も、この透明状態は保持され、電圧印加を停止してから（パルス立ち下がりから）１０分経過後でも同様に透明な状態を保持した。この状態での透過率は７４％であった。

次に、背面基板を正極、対向基板をアース電位として正極に５０Ｖのパルスを印加すると、セルは白濁状態に変化した。そして、電圧印加を停止してから１０分経過後においても同様に白濁状態を保持した。さらに、決まった極性のパルス電場によるセルの白濁状態と透明状態の切替えは、この後何度も可逆に繰り返すことができた。

（実施例２）
使用した非液晶材料（ポリカーボネート製フィルム）の孔径を１０μｍ、厚みを１０μｍとした以外は、上述の実施例１と同様にしてセルを作製した。実験の結果、実施例１と同様に白濁状態と透明状態とを電圧により変化させることができ、電圧印加を停止後もその状態を保持することができた。なお、白濁状態での反射率は２６％、透明状態での透過率は７９％であった。

（実施例３）
非液晶材料の孔を、液体レジスト（化薬マイクロケム社製ＳＵ−８）を用いたフォトリソグラフィー法にて作製し、非液晶材料の厚みを５０μｍにした以外は実施例１と同様にセルを作製した。使用した液体レジストの屈折率は１．５７である。実施例１と同様に、白濁状態と透明状態とを電圧により変化させることができ、電圧印加を停止後もその状態を保持することができた。実施例１と同様に、白濁状態と透明状態とを電圧により変化させることができ、電圧印加を停止後もその状態を保持することができた。なお、白濁状態での反射率は２４％、透明状態での透過率は６０％であった。

（実施例４）
非液晶材料の孔を、精密金型にＵＶ硬化樹脂を流し込みＵＶ照射し成形する金型成形法を用いて形成し、非液晶材料の厚みを３０μｍとした以外は実施例１と同様にしてセルを作製した。使用したＵＶ硬化樹脂の屈折率は１．５１である。実施例１と同様に、白濁状態と透明状態を電圧により変化させることができ、電圧印加を停止後もその状態を保持することができた。なお、白濁状態での反射率は３８％、透明状態での透過率は７１％であった。

（実施例５）
非液晶材料の孔を、精密金型にＵＶ硬化樹脂を流し込みＵＶ照射し成形する金型成形法を用いて形成し、非液晶材料の厚みを１０μｍとし、さらに垂直配向処理を施した後、この孔空きフィルムを５枚重ねて非液晶材料とした以外は、実施例４と同様にしてセルを作製した。使用したＵＶ硬化樹脂の屈折率は１．５１である。実施例４と同様に、白濁状態と透明状態を電圧により変化させることができ、電圧印加を停止後もその状態を保持することができた。なお、白濁状態での反射率は５０％、透明状態での透過率は６５％であった。

複数枚の孔空きフィルムを積層した場合、同じ厚みの１枚のフィルムを用いた場合に比べて、１つの孔の高さ（深さ）を低くできるので、液晶の配列状態を反転させるときの電圧を低くしやすかったり、単位体積あたり孔密度を高くできるので、光反射性能の点で優れる。

（実施例６）
ＩＴＯ透明電極のパターン上に屈折率１．４９、厚さ２２μｍの透明アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）厚膜を堆積し、この厚膜から長径３．５μｍ、短径２μｍ、高さ２０μｍの楕円柱状突起を約１．７８×１０⁴個／ｍｍ²の数密度で形成した後、柱状突起表面に垂直配向処理を施した。両基板を対向させ互いに押し当てて、２つの開口部を残して周囲をシール剤で封止した後、開口部からｎ_// ＝１．７、ｎ_⊥＝１．５の液晶を注入した。液晶が満たされた領域の厚さは、柱状突起の高さで規定されている。注入口を封じた後、液晶のＮＩ転移温度より１０℃高い温度に１時間保持し、室温に戻してセルを完成させた。

電場を印加しない状態では、このセルは白濁を示し、標準白色板を基準として５０％の反射率を示した。両基板間にプラス３０Ｖの矩形単一パルスを印加すると、セルは透明に見えるようになった。このときセル正面から入射する光に対する透過率は７３％で、パルス印加から１０分後に測定した透過率もこの値にあり、外部電場が除かれた状態でも透明な表示状態が安定に保たれていることがわかった。

次に、逆極性パルスの単一矩形パルスを印加すると、セルは白濁状態に戻り、その後電場印加のない環境で１０分間状態が保持されていることが確認された。更に、決まった極性のパルス電場によるセルの白濁状態と透明状態の切替えは、この後何度も可逆に繰り返すことができた。

図６を参照して説明したように、領域Ｒ２に比べて、領域Ｒ１内では、液晶が周囲の柱５１Ｂの側面から受ける束縛が体積あたりで小さくなっている。このため、領域Ｒ１内の液晶の配向様態は、領域Ｒ２内の液晶の配向様態に比べて小さい電場で切り替えが可能であると予測された。マイナス３０Ｖのパルスによって表示セルを白濁化させた後、偏光顕微鏡下で領域Ｒ１と領域Ｒ２の配向様態を観察しながら、印加するプラス電圧パルスの電圧をしだいに高めたところ、領域Ｒ１では１３Ｖで切替えが生じ、領域Ｒ２では２５Ｖになってようやく切替えが生じた。

このように、配向様態の切替えが生じる電圧が異なるような２種またはそれ以上の種類の領域を表示画素の中に設けると、印加電圧パルスによって、一方の領域だけが光を散乱する状態と、両方の領域が散乱に寄与する状態とを得ることができる。これは階調表示の実現に適している。

（実施例７）
ＩＴＯ透明電極のパターン上に屈折率１．４９、厚さ３０μｍの透明アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）厚膜を堆積し、この厚膜に幅５μｍ、高さ２５μｍで長さ１００μｍの溝を周期１００μｍで形成した。対向基板としてＩＴＯストライプ電極つきの平坦なガラス基板を用意し、これには垂直配向処理を施した。両基板を対向させ互いに押し当てて、２つの開口部を残して周囲をシール剤で封止した後、開口部からｎ_// ＝１．７、ｎ_⊥＝１．５の液晶を注入してセルを完成させた。液晶が満たされた領域の厚さは、溝の深さで規定されている。

この試料において、白濁状態と透明状態を示す双安定性が示され、極性の異なるパルス電場を印加することによって状態が可逆に入れ替わることが確認された。白濁状態での反射率は、標準白色板を基準にして２８％、また透過状態での透過率は８０％であった。

正面から見た透明状態に対応する液晶の配向様態では、液晶のダイレクタは基板の法線方向に概ね揃った配向様態をとっていると考えられる。一方、白濁して見える状態では、液晶はダイレクタが基板法線から基板面内方向へ傾いた向きをとっている領域の体積割合が大きいと考えられる。この場合、液晶ダイレクタが溝幅方向を向いている配向様態か、あるいは溝の長手方向に揃っている配向様態であるのかは、溝の側壁から液晶へのアンカリング作用の性質や、液晶の弾性係数のほか、溝幅などの幾何学的形状によって決まることである。本実施例においては、この配向様態の決定にまでは立ち入らなかった。

（比較例）
ＩＴＯパターン付き基板は実施例１と同じものを使用し、複合材料として、液晶と紫外線硬化樹脂の相溶物質に紫外線を照射してポリマーネットワーク液晶を形成してセルを完成させた。作製後のセルは白濁（反射率５０％）していた。パルス電圧印加により透明化（透過率６０％）したが、電圧印加を停止すると、作製直後のセルと同様に白濁状態に即座に変化した。すなわち、双安定性はなかった。

本発明の第１の実施の形態による複合電気光学材料３０の構成を示す概略斜視図である。 微小孔内における液晶材料の配向様態を説明する図である。 上記複合電気光学材料３０を構成する液晶材料の無電場状態における２つの安定化状態の配向様態を説明する図である。 複合電気光学材料３０を用いた表示装置３５の概略断面図である。 本発明に係る複合電気光学材料の構成の変形例を説明する概略断面図である。 本発明の第２の実施の形態による複合電気光学材料５０の要部拡大平面図である。 複合電気光学材料５０の双安定化状態を示す要部断面図である。 本発明の第３の実施の形態による複合電気光学材料６０の構成を示す概略平面図である。 複合電気光学材料６０を用いた表示装置６５の概略断面図である。 本発明に係る表示装置の１画素ごとのマトリクス図である。 本発明の従来技術１として説明するＴＮ液晶表示装置の概略図である。 本発明の従来技術２として説明するＰＤＬＣ液晶表示装置の概略断面図である。 本発明の従来技術３として説明する双安定型液晶表示装置の概略断面図である。 本発明の従来技術４として説明する双安定型液晶表示装置の概略断面図である。 従来技術の問題点を説明する図である。

符号の説明

３０，５０，６０…複合電気光学材料、３１，６１…支持材料、３２…孔、３３，５３，６３…液晶材料、３５，６５…表示装置、３６ａ，３６ｂ…基板、３７ａ，３７ｂ…透明電極、３８…黒色層、４１…駆動回路、５１Ｂ…柱状体、６２…溝、Ｓ…表示面。

Claims (13)

1. 表示面を有し、無電場状態で光散乱性状態と光透過性状態とを選択的にとり得る双安定性の複合電気光学材料であって、
   前記表示面に、電気光学材料が占有する第１の領域と、非電気光学材料が占有する第２の領域とを備えた
   ことを特徴とする複合電気光学材料。
2. 前記第１の領域と前記第２の領域とのうち、一方の領域は、他方の領域内に分散配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の複合電気光学材料。
3. 前記第１の領域は、前記非電気光学材料からなる層に複数形成された孔の内部空間である
   ことを特徴とする請求項１に記載の複合電気光学材料。
4. 前記第１の領域は、前記非電気光学材料からなる層に複数形成された溝の内部空間である
   ことを特徴とする請求項１に記載の複合電気光学材料。
5. 前記第２の領域は、前記電気光学材料からなる層に分散配置された複数の島領域である
   ことを特徴とする請求項１に記載の複合電気光学材料。
6. 前記非電気光学材料は、前記電気光学材料が光透過性状態をとったときの屈折率と略同等の屈折率を有する電気絶縁性材料である
   ことを特徴とする請求項１に記載の複合電気光学材料。
7. 前記非電気光学材料は、透明な合成樹脂材料である
   ことを特徴とする請求項６に記載の複合電気光学材料。
8. 前記第１の領域と前記第２の領域との境界面には、前記電気光学材料の分子配向を制御する配向層が設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の複合電気光学材料。
9. 前記表示面内において、前記第１の領域と前記第２の領域との面積比が、
   ０．１＜（第１の領域）／（第２の領域）＜１０
   の範囲である
   ことを特徴とする請求項１に記載の複合電気光学材料。
10. 少なくとも一方側に電極が形成された一対の基板と、これら一対の基板に挟まれた複合電気光学材料とを備えた表示装置において、
    前記複合電気光学材料は、表示面を有し、無電場状態で光散乱性状態と光透過性状態とを選択的にとり得る双安定性を有するとともに、
    前記表示面に、電気光学材料が占有する第１の領域と、非電気光学材料が占有する第２の領域とを備えた
    ことを特徴とする表示装置。
11. 前記電極には、前記電気光学材料の光散乱性状態および光透過性状態を切り替えるための電圧を印加する駆動回路が接続されている
    ことを特徴とする請求項１０に記載の表示装置。
12. 前記基板には、前記電気光学材料の配向を制御する処理が施されている
    ことを特徴とする請求項１０に記載の表示装置。
13. 前記複合電気光学材料は、一画素あたり前記第１の領域が複数存在する分布密度で形成されている
    ことを特徴とする請求項１０に記載の表示装置。
    
    
    

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