本発明の実施の一形態について図1〜図11に基づいて説明すれば、以下の通りである。
図1(a)は、電圧無印加状態(OFF状態)における本実施の形態にかかる表示素子の要部の概略構成を模式的に示す断面図であり、図1(b)は電圧印加状態(ON状態)における本実施の形態にかかる表示素子の要部の概略構成を模式的に示す断面図である。
図1(a)・(b)に示すように、本実施の形態の表示素子は、互いに対向して配置された、少なくとも一方が透明な一対の基板(以下、画素基板11および対向基板12と記す)を備え、これら一対の基板間に、光学変調層として、電界の印加により光学変調する媒質(以下、媒質Aと記す)からなる媒質層3が挟持されている構成を有している。また、上記一対の基板の外側、つまり、上記画素基板11および対向基板12の互いの対向面とは反対側の面には、偏光板6・7がそれぞれ設けられている構成を有している。
上記画素基板11および対向基板12は、図1(a)・(b)に示すように、例えばガラス基板等の透明な基板1・2をそれぞれ備えている。また、上記画素基板11における基板1の上記基板2との対向面、つまり、上記対向基板12との対向面には、図1(b)に示すように上記基板1に略平行な電界(横向きの電界)を上記媒質層3に印加するための電界印加手段である電極4・5が互いに対向配置されている。
上記電極4・5は、例えばITO(インジウム錫酸化物)等の透明電極材料からなり、本実施の形態では、例えば線幅5μm、電極間距離(電極間隔)5μmに設定されている。但し、上記線幅および電極間距離は単なる一例であり、これに限定されるものではない。電極4・5の一例としては、上記媒質層3を印加するとともに、媒質層3の媒質Aを光学変調させることが可能であれば、特に限定されるものではないが、例えば、上記基板1に略平行な電界(横向きの電界)を上記媒質層3に印加する電極が挙げられる。
以下、電極4・5の電極構造の一例を図2を参照にして説明する。図2は、本発明の実施の表示素子における電極4・5の構造と偏光板吸収軸との関係を説明する図である。
電極4・5は、櫛歯部分4a・5aが楔型形状を有し、かつ、互いに噛み合う方向に対向配置された櫛形電極である。「楔形形状」とは、櫛歯部分4a・5aが、所定の角度(鋸歯角度α)で折れ曲がった形状のことをいう。また、櫛歯部分4a・5aは、図2に示すように、楔型形状複数有した形状でもよい。このように、楔型形状を複数有する形状の一例としては、鋸歯形状が挙げられる。
ここでいう「櫛形電極」とは、複数の電極(櫛歯部分)4aが、1つの電極(櫛根部分)4bから、その長手方向に対して所定の方向に伸長した電極のことをいう。また、「鋸歯形状」とは、図2に示すように、櫛歯部分が、櫛根部分4bの長手方向に対して遠ざかる方向に、鋸歯角度αで交互に折れ曲がりながら伸長した形状のことをいう。
図2に示すように、電極4は、櫛根部分4bと櫛歯部分4aとからなる。櫛歯部分4aは、櫛根部分4bの長手方向に対して遠ざかる方向に、交互に折れ曲がりながら伸長している。また、櫛歯部分4aは、鋸歯成分4c及び鋸歯成分4dが構成する鋸歯単位4eが連続して伸長した構成になっている。この鋸歯単位4eは、鋸歯成分4cと鋸歯成分4dとが鋸歯角度αの角度をなすように折れ曲がった構成である。そして、電極4の櫛歯部分4aにおいては、櫛根部分4bの長手方向に対して遠ざかる方向に、等間隔で交互に折れ曲がりながら伸長した構成になっている。
また、電極5における櫛歯部分5aも、電極4における櫛歯部分4aと同様に、鋸歯成分5c及び鋸歯成分5dが構成する鋸歯単位5eが連続して伸長した構成になっており、鋸歯単位5eにおける鋸歯成分5cと鋸歯成分5dとが、鋸歯角度αの角度をなすように折れ曲がった構成である。
また、図2に示すように、電極4と電極5とは、それぞれの櫛歯部分4aと櫛歯部分5aとが噛み合うように対向配置されている。すなわち、電極4と電極5とは、櫛歯部分4aにおける鋸歯成分4c及び鋸歯成分4dが、各々櫛歯部分5aにおける鋸歯成分5c及び鋸歯成分5dと平行になるように、対向配置されている。それゆえ、電極4・5に電圧を印加すると、電界印加方向が互いに異なる2つの電界が形成される。すなわち、鋸歯成分4cと鋸歯成分5cとの間の電界(図2の電界印加方向45c)、及び、鋸歯成分4dと鋸歯成分5dとの間の電界(図2の電界印加方向45d)が形成される。
また、上記の鋸歯単位4e、及び、鋸歯単位5eは、その形状から、「く」の字型形状を有しているとも言える。それゆえ、上記「鋸歯形状」は、鋸歯単位に相当する「く」の字成分が、櫛根部分の長手方向に対して遠ざかる方向に伸長した形状であるともいえる。また、「櫛歯部分が鋸歯形状」とは、櫛歯部分が「く」の字型形状を有するジグザグ線の形状であるともいえる。
また、上記の鋸歯単位4e、及び、鋸歯単位5eは、その形状から、「v」の字の形状を有しているとも言える。それゆえ、上記「鋸歯形状」は、鋸歯単位に相当する「v」の字成分が、櫛根部分の長手方向に対して遠ざかる方向に伸長した形状であるともいえる。また、「櫛歯部分が鋸歯形状」とは、櫛歯部分が「v」の字型形状を有するジグザグ線の形状であるともいえる。
また、図2に示すように、電界印加方向45cと電界印加方向45dとは互いに垂直である。このため、媒質Aの光学異方性の方向が互いに直交する(90度の角度をなす)媒質ドメインが存在し、表示素子において、各媒質ドメインにおける斜め視角の色つき現象を互いに補償しあうことが可能になる。
また、本実施の形態では、図1・2に示すように、両基板1・2にそれぞれ設けられた偏光板6・7は、互いに偏光板吸収軸方向が直交するように配置されているとともに、各偏光板6・7における偏光板吸収軸6a・7aは、電極4・5により形成される、上述の2方向の電界印加方向45c・45dに対して45度の角度をなしている。
このように、基板1に設けられた電極4・5は、その電界印加方向が、少なくとも2方向になるように設けられている。電界印加方向が少なくとも2方向存在することで、媒質層3で、媒質Aの光学的異方性の方向が異なる媒質ドメインが存在する。このため、上記表示素子において視野角特性が向上するという効果を奏する。また、上記少なくとも2方向の電界印加方向が互いに垂直になるように、電極4・5がもうけられている場合、媒質Aの光学異方性の方向が互いに直交する(90度の角度をなす)媒質ドメインが存在する。このため、表示素子において、各媒質ドメインにおける斜め視角の色つき現象を互いに補償しあうことが可能になる。したがって、透過率を損なうことなく、視野角特性をより向上させることができる表示素子を実現できる。また、媒質Aの光学異方性の方向が互いに直交し、かつ、上記偏光板6・7の偏光板吸収軸6a・7aとの角度が45度の角度をなすように配置されている場合、斜め視角の色付き現象の補償度が増し、視野角特性をさらに向上させる表示素子を実現できる。
また、本実施の形態の表示素子において、媒質層3は、図1(b)に示すように電界印加方向に配向秩序度が上昇することにより光学的異方性が発現し、透過率が変化するシャッタ型の表示素子として機能し得る。したがって、互いに直交する偏光板吸収軸方向に対して、その異方性方向は、45度の角度をなす時に最大透過率を与える。なお、媒質Aの各媒質ドメインの光学的異方性が発現する方位が、偏光板吸収軸にそれぞれ±θ(度)の角度に存在するとしたときの透過率(P)は、P(%)=Sin2 (2θ)より見積もられる。それゆえ、上記θが45度の時の透過率を100%とすれば、ほぼ90%以上であれば人間の目には最大輝度を有していると感じられることから、上記θは、35度<θ<55度であれば、人間の目には最大輝度を有していると感じられる。すなわち、本実施の形態に示すように、電界が例えば基板1に略平行に印加される表示素子では、偏光板吸収軸方向、換言すれば、水平配向処理における配向処理方向(ラビング方向)が、電極4・5による電界印加方向に対して、45度±10度未満、より好適には45度±5度未満、最も好適には45度の角度をなすことで、透過率を最大化することが可能になる。また、上記θが、35度<θ<55度であれば、上述の色付き現象の補償に対して、互いの媒質ドメインの領域における輝度が10%程度の差が生じ、人間の目には最大輝度を有していると感じられる。すなわち、本実施の形態に示すように、電界が例えば基板1に略平行に印加される表示素子では、各電界印加方向45c・45dの電界印加により発生する光学的異方性の方向と、上記偏光板6・7の吸収軸6a・7aとがなす角度がそれぞれ約45度(45度±10度未満の範囲内、好適には45度±5度の範囲内、最も好適には45度)であり、かつ、各電界印加方向45c・45dの電界印加により発生する光学的異方性の方向が互いに約90度(90度±20度未満の範囲内、好適には90度±10度の範囲内、最も好適には90度)の角度をなすことが望ましい。
上記表示素子は、例えば、上記櫛形電極4・5が設けられた基板1と、基板2とを、図示しないシール剤により、必要に応じて、例えば図示しないプラスチックビーズやガラスファイバースペーサ等のスペーサを介して貼り合わせ、その空隙に、前記媒質Aを封入することにより形成される。
本実施の形態の表示素子における媒質Aは、液晶性物質とカイラル剤と非液晶性物質とを含んでなることを特徴としている。
本実施の形態に用いられる上記液晶性物質は、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である。物質中に外部から電界Ejを加えると、電気変位Dij=εij・Ej を生じるが、そのとき、誘電率(εij)にもわずかな変化が見られる。光の周波数では屈折率(n)の自乗は誘電率と等価であるから、上記液晶性物質は、電界の印加により、屈折率が変化する物質と言うこともできる。
このように、本実施の形態の表示素子は、物質の屈折率が外部電界によって変化する現象(電気光学効果)を利用して表示を行うものであり、電界印加により分子(分子の配向方向)が揃って回転することを利用した液晶表示素子とは異なり、光学的異方性の方向は殆ど変化せず、その光学的異方性の程度の変化(主に、電子分極や配向分極)により表示を行うようになっている。
上記液晶性物質としては、ポッケルス効果またはカー効果を示す物質等、電界無印加時に光学的には等方(巨視的に見て等方であればよい)であり、電界印加により光学的異方性が発現する物質であってもよく、電界無印加時に光学的異方性を有し、電界印加により異方性が消失し、光学的に等方性(巨視的に見て等方であればよい)を示す物質であってもよい。典型的には、電界無印加時には光学的に等方(巨視的に見て等方であればよい)であり、電界印加により光学変調(特に電界印加により複屈折が上昇することが望ましい)を発現する媒質である。
ポッケルス効果、カー効果(それ自身は、等方相状態で観察される)は、それぞれ、電界の一次または二次に比例する電気光学効果であり、電圧無印加状態では、等方相であるため光学的に等方的であるが、電圧印加状態では、電界が印加されている領域において、電界方向に化合物の分子の長軸方向が配向し、複屈折が発現することにより透過率を変調することができる。例えば、カー効果を示す物質を用いた表示方式の場合、電界を印加して1つの分子内での電子の偏りを制御することにより、ランダムに配列した個々の分子が各々別個に回転して向きを変えることから、応答速度が非常に速く、また、分子が無秩序に配列していることから、視角制限がないという利点がある。なお、上記液晶性物質のうち、大まかに見て電界の一次または二次に比例しているものは、ポッケルス効果またはカー効果を示す物質として扱うことができる。
ポッケルス効果を示す物質としては、例えば、ヘキサミン等の有機固体材料等が挙げられるが、特に限定されるものではない。上記液晶性物質としては、ポッケルス効果を示す各種有機材料、無機材料を用いることができる。
また、カー効果を示す物質としては、下記構造式(1)〜(7)で示される液晶性物質等が挙げられるが、特に限定されるものではない。
構造式(1)で示される液晶性物質は、3OCB(4‐シアノ‐4’‐n‐プロピルオキシビフェニル)、構造式(2)で示される液晶性物質は、5OCB(4‐シアノ‐4’‐n‐ペンチルオキシビフェニル)、構造式(3)で示される液晶性物質は、7OCB(4‐シアノ‐4’‐n‐ヘプチルオキシビフェニル)、構造式(4)で示される液晶性物質は、5CB(4‐シアノ‐4’‐n‐ペンチルビフェニル)、構造式(5)で示される液晶性物質は、3HPFF(1,2‐ジフルオロ‐4‐[トランス‐4‐(トランス‐4‐n‐プロピルシクロヘキシル)シクロヘキシル]ベンゼン)、構造式(6)で示される液晶性物質は、5HPFF(1,2‐ジフルオロ‐4‐[トランス‐4‐(トランス‐4‐n‐ペンチルシクロヘキシル)シクロヘキシル]ベンゼン)、構造式(7)で示される液晶性物質は、7HPFF(1,2‐ジフルオロ‐4‐[トランス‐4‐(トランス‐4‐n‐ヘプチルシクロヘキシル)シクロヘキシル]ベンゼン)である。
カー効果は、入射光に対して透明な媒質中で観測される。このため、カー効果を示す物質は、透明媒質として用いられる。通常、液晶性物質は、温度上昇に伴って、短距離秩序を持った液晶相から、分子レベルでランダムな配向を有する等方相に移行する。つまり、液晶性物質のカー効果は、ネマチック相ではなく、液晶相−等方相温度以上の等方相状態の液体に見られる現象であり、上記液晶性物質は、透明な誘電性液体として使用される。
液晶性物質等の誘電性液体は、加熱による使用環境温度(加熱温度)が高いほど、等方相状態となる。よって、上記媒質として液晶性物質等の誘電性液体を使用する場合には、該誘電性液体を透明、すなわち可視光に対して透明な液体状態で使用するために、例えば、(1)媒質層3の周辺に、図示しないヒータ等の加熱手段を設け、該加熱手段により上記誘電性液体をその透明点以上に加熱して用いてもよいし、(2)バックライトからの熱輻射や、バックライトおよび/または周辺駆動回路からの熱伝導(この場合、上記バックライトや周辺駆動回路が加熱手段として機能する)等により、上記誘電性液体をその透明点以上に加熱して用いてもよい。また、(3)上記基板1・2の少なくとも一方に、ヒータとしてシート状ヒータ(加熱手段)を貼合し、所定の温度に加熱して用いてもよい。さらに、上記誘電性液体を透明状態で用いるために、透明点が、上記表示素子の使用温度範囲下限よりも低い材料を用いてもよい。
上記液晶性物質は、液晶性物質を含んでいることが望ましく、上記液晶性物質として液晶性物質を使用する場合には、該液晶性物質は、巨視的には等方相を示す透明な液体であるが、微視的には一定の方向に配列した短距離秩序を有する分子集団であるクラスタを含んでいることが望ましい。なお、上記液晶性物質は可視光に対して透明な状態で使用されることから、上記クラスタも、可視光に対して透明(光学的に等方)な状態で用いられる。
このために、上記表示素子は、上述したように、ヒータ等の加熱手段を用いて温度制御を行ってもよいし、特許文献2に記載されているように、媒質層3を、高分子材料等を用いて小区域に分割して用いてもよく、上記液晶性物質の直径を例えば0.1μm以下とする等、上記液晶性物質を、光の波長よりも小さな径を有する微小ドロップレットとし、光の散乱を抑制することにより透明状態とするか、あるいは、使用環境温度(室温)にて透明な等方相を示す液晶性化合物を使用する等してもよい。上記液晶性物質の直径、さらにはクラスタの径(長径)が0.1μm以下、つまり、光の波長(入射光波長)よりも小さい場合の光の散乱は無視することができる。このため、例えば上記クラスタの径が0.1μm以下であれば、上記クラスタもまた可視光に対して透明である。
なお、上記液晶性物質は、上述したようにポッケルス効果またはカー効果を示す物質に限定されない。このため、上記液晶性物質は、分子の配列が、光の波長以下(例えばナノスケール)のスケールのキュービック対称性を有する秩序構造を有し、光学的には等方的に見えるキュービック相(非特許文献2、4、7参照)を有していてもよい。キュービック相は上記液晶性物質として使用することができる液晶性物質の液晶相の一つであり、キュービック相を示す液晶性物質としては、例えば、下記構造式(8)
で示されるBABH8等が挙げられる。このような液晶性物質に電界を印加すれば、微細構造に歪みが与えられ、光学変調を誘起させることが可能となる。
BABH8は、136.7℃以上、161℃以下の温度範囲では、光の波長以下のスケールのキュービック対称性を有する秩序構造からなるキュービック相を示す。該BABH8は、光の波長以下の秩序構造を有し、上記温度範囲において、電圧無印加時に光学的等方性を示すことで、直交ニコル下において良好な黒表示を行うことができる。
一方、上記BABH8の温度を、例えば上記した加熱手段等を用いて136.7℃以上、161℃以下に制御しながら、電極4・5(櫛形電極)間に電圧を印加すると、キュービック対称性を有する構造(秩序構造)に歪みが生じる。すなわち、上記BABH8は、上記の温度範囲において、電圧無印加状態では等方的であり、電圧印加により異方性が発現する。
これにより、上記媒質層3において複屈折が発生するので、上記表示素子は、良好な白表示を行うことができる。なお、複屈折が発生する方向は一定であり、その大きさが電圧印加によって変化する。また、電極4・5(櫛形電極)間に印加する電圧と透過率との関係を示す電圧透過率曲線は、136.7℃以上、161℃以下の温度範囲、すなわち、約20Kという広い温度範囲において安定した曲線となる。このため、上記BABH8を上記液晶性物質として使用した場合、温度制御を極めて容易に行うことができる。すなわち、上記BABH8からなる媒質層3は、熱的に安定な相であるため、急激な温度依存性が発現せず、温度制御が極めて容易である。
また、上記液晶性物質としては、液晶分子が光の波長以下のサイズで放射状に配向した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実現することも可能であり、その手法としては非特許文献3に記載の液晶マイクロエマルションや非特許文献5に記載の液晶・微粒子分散系(溶媒(液晶)中に微粒子を混在させた混合系、以下、単に液晶微粒子分散系と記す)の手法を応用することも可能である。これらに電界を印加すれば、放射状配向の集合体に歪みが与えられ、光学変調を誘起させることが可能である。
なお、これら液晶性物質は、何れも、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。さらには、非特許文献1に記載されているような高分子・液晶分散系の物質を適用することもできる。また、非特許文献9に記載されているようなゲル化剤を添加してもよい。
また、上記液晶性物質としては、有極性分子を含有することが望ましく、例えばニトロベンゼン等が液晶性物質として好適である。なお、ニトロベンゼンもカー効果を示す媒質の一種である。
以下に、上記液晶性物質として用いることができる物質もしくは該物質の形態の一例を示すが、本発明は以下の例示にのみ限定されるものではない。
〔スメクチックD相(SmD)〕
スメクチックD相(SmD)は、上記液晶性物質として使用することができる液晶性物質の液晶相の一つであり、図6及び図7に示すように、三次元格子構造を有し、その格子定数が光の波長以下である。すなわち、スメクチックD相はキュービック対称性を有する。このため、スメクチックD相は、光学的には等方性を示す。
スメクチックD相を示す液晶性物質としては、例えば、非特許文献2もしくは非特許文献4に記載の下記一般式(9)・(10)
で表されるANBC16等が挙げられる。なお、上記一般式(9)・(10)において、mは任意の整数、具体的には、一般式(9)においてはm=16、一般式(10)においてはm=15を示し、Xは−NO2 基を示す。
上記ANBC16は、171.0℃〜197.2℃の温度範囲において、スメクチックD相が発現する。スメクチックD相は、複数の分子がジャングルジム(商標登録)のような三次元的格子を形成しており、その格子定数は光学波長以下である。すなわち、スメクチックD相は、キュービック対称性を有する。このため、スメクチックD相は、光学的に等方性を示す。
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に電界を印加すれば、ANBC16の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、ANBC16に光学的異方性が発現する。なお、ANBC16に限らず、スメクチックD相を示す物質であれば、本実施の形態の表示素子の液晶性物質として適用することができる。
〔液晶マイクロエマルション〕
液晶マイクロエマルションとは、非特許文献3において提案された、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。
液晶マイクロエマルションの具体例としては、例えば、非特許文献3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であるペンチルシアノビフェニル(5CB)と、逆ミセル相を示すリオトロピック(ライオトロピック)液晶であるジドデシルアンモニウムブロマイド(DDAB)の水溶液との混合系がある。この混合系は、図8および図9に示す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の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、この混合系は、光学的には等方性を示す。
そして、こ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、光学的異方性が発現する。なお、上記の混合系に限らず、電圧無印加時には光学的に等方性を示し、電圧印加によって光学的異方性が発現する液晶マイクロエマルションであれば、本実施の形態の表示素子の液晶性物質として適用することができる。
〔リオトロピック液晶〕
リオトロピック(ライオトロピック)液晶とは、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。また、上記の特定の相とは、電界無印加時に光学的に等方性を示す相である。このような特定の相としては、例えば、非特許文献5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10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等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(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、光の波長以下であるため、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、球状ミセル相を有するリオトロピック液晶もまた、本実施の形態の表示素子の液晶性物質として適用することができる。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、棒状ミセル相等を液晶性物質として使用しても、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、親水基と疎水基と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、逆ミセル相を液晶性物質として適用することにより、ミセル相を用いた場合と同等の効果を奏する。なお、前述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)を有する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であるペンタエチレングリコール−ドデシルエーテルの水溶液には、図10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、光の波長以下の秩序を有しているので透明な物質である。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、配向秩序が変化して光学的異方性が発現する。したがって、スポンジ相やキュービック相を有するリオトロピック液晶もまた、本実施の形態の表示素子の液晶性物質として適用することができる。
〔液晶微粒子分散系〕
また、液晶性物質は、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、液晶微粒子分散系であってもよい。上記液晶微粒子分散系ではスポンジ相が発現するが、本実施の形態において用いられる液晶性物質としては、前述したミセル相、キュービック相、逆ミセル相等を発現する液晶微粒子分散系であってもよい。なお、上記ラテックス粒子に代えて上記DDABを使用することによって、前述した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。
〔デンドリマー〕
デンドリマーとは、モノマー単位毎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、光の波長以下の秩序を有しているので透明な物質であり、電圧印加によって配向秩序が変化して光学的異方性が発現する。したがって、デンドリマーもまた、本実施の形態の表示素子の液晶性物質として適用することができる。また、前述した液晶マイクロエマルションにおいてDDABに代えて上記デンドリマーを使用することにより、前述した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る。このようにして得られた媒質もまた、上記液晶性物質として適用することができる。
〔コレステリックブルー相〕
また、液晶性物質として、コレステリックブルー相を適用することができる。なお、図11には、コレステリックブルー相の概略構成が示されている。
図11に示すように、コレステリックブルー相は、螺旋軸が3次元的に周期構造を形成しており、その構造は、高い対称性を有していることが知られている(例えば、非特許文献6・7参照)。コレステリックブルー相は、光の波長以下の秩序を有しているのでほぼ透明な物質であり、電圧印加によって配向秩序が変化して光学的異方性が発現する。すなわち、コレステリックブルー相は、光学的に概ね等方性を示し、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。
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」(商品名、チッソ社製混合液晶)を48.2重量%、「5CB」(4−シアノ−4’−ペンチルビフェニル、ネマチック液晶)を47.4重量%、「ZLI−4572」(商品名、メルク社製カイラルドーパント)を4.4重量%の割合で混合してなる組成物が知られている。該組成物は、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。
〔スメクチックブルー相〕
また、液晶性物質として、スメクチックブルー相を適用することができる。なお、図11には、コレステリックブルー相の概略構成が示されている。
図11に示すように、スメクチックブルー(BPSm)相は、コステリックブルー相と同様、高い対称性の構造を有し(例えば、非特許文献6、7参照)、光の波長以下の秩序を有しているのでほぼ透明な物質であり、電圧印加によって配向秩序が変化して光学的異方性が発現する。すなわち、スメクチックブルー相は、光学的に概ね等方性を示し、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。
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6に記載されているFH/FH/HH−14BTMHC等が挙げられる。該物質は、74.4℃〜73.2℃でBPSm3相、73.2℃〜72.3℃でBPSm2相、72.3℃〜72.1℃でBPSm1相を示す。BPSm相は、非特許文献7に示すように、高い対称性の構造を有するため、概ね光学的等方性が示される。また、物質FH/FH/HH−14BTMHCに電界を印加すると、液晶分子が電界方向に向こうとすることにより格子が歪み、同物質は異方性を発現する。よって、同物質は、本実施の形態の表示素子の液晶性物質として使用することができる。
以上のように、本実施の形態の表示素子において液晶性物質として使用することができる物質は、電界の印加により光学的異方性(屈折率、配向秩序度)が変化するものでありさえすれば、ポッケルス効果またはカー効果を示す物質であってもよく、キュービック相、スメクチックD相、コレステリックブルー相、スメクチックブルー相の何れかを示す分子からなるものであってもよく、ミセル相、逆ミセル相、スポンジ相、キュービック相の何れかを示すリオトロピック液晶もしくは液晶微粒子分散系であってもよい。また、上記液晶性物質は、液晶マイクロエマルションやデンドリマー(デンドリマー分子)、両親媒性分子、コポリマー、もしくは、上記以外の有極性分子等であってもよい。
また、上記液晶性物質は、電圧印加時または電圧無印加時に光の波長以下の秩序構造(配向秩序)を有することが好ましい。秩序構造が光の波長以下であれば、光学的に等方性を示す。従って、電圧印加時または電圧無印加時に秩序構造が光の波長以下となる液晶性物質を用いることにより、電圧無印加時と電圧印加時とにおける表示状態を確実に異ならせることができる。
上記媒質Aには、非液晶物質と、等方相−液晶相相転移温度が異なる2種類以上の液晶性物質とが含まれている。そして、上記媒質は、上記各液晶性物質の等方相−液晶相相転移温度よりも低い温度で光学的等方性を有する。それゆえ、媒質は、等方相―液晶相相転移がブロードになり、電場による影響が少なくなる。したがって、本発明によれば、等方相−液晶相相転移直後での電界印加に必要な駆動電圧が大きく変化することがない表示素子を実現できる。
上記「各液晶性物質の等方相−液晶相相転移温度よりも低い温度」とは、具体的には、等方相−液晶相相転移温度よりも僅かに低い温度、例えば−0.1Kの温度のことをいう。
また、上記液晶性物質としては、上記のように等方相−液晶相相転移温度がブロードになるような液晶性物質であれば、特に限定されない。例えば、上記液晶性物質における各種分子量分布が200〜500のものを用いることが好ましい。分子量分布が200よりも低い場合、等方相−液晶相相転移温度が室温より低くなり、また液晶相を示しにくくなるので実用上好ましくない。また、分子量分布が500よりも高い場合、等方相−液晶相相転移温度が100℃より高くなり、また液晶相を示しにくくなるので実用上好ましくない。
また、上記液晶性物質における各種等方相−液晶相相転移温度の分布が20℃以上のものを用いることが好ましい。等方相−液晶相相転移温度が20℃よりも低い場合、室温程度の温度でも、液晶性物質が気化し易いので、上記媒質Aを調製後、液晶性物質揮発による媒質Aの成分変化が起こり易く好ましくない。
また、上記液晶性物質には、フッ素系液晶やシアノ系液晶が含まれていることが好ましい。フッ素系やシアノ系液晶のように双極子モーメントの大きい化学構造が含まれていることで、液晶性物質に双極子−双極子相互作用を及ぼし、このために、等方相−液晶相相転移温度がブロードなる。
以下、本実施の形態では、上記液晶性物質として、上記構造式(1)〜(3)で示される液晶性物質、すなわち、3OCB、5OCB、及び、7OCBをそれぞれ等量混合したものにフッ素系混合液晶JC‐1041XX(チッソ社製)17重量%混合したものを使用するものとするが、上記液晶性物質としては、これに限定されるものではなく、上述した条件に適合していれば、各種物質そのもの、または、各種物質の混合物を適用することができる。
また、本実施の形態の表示素子では、上記媒質Aは、上記液晶性物質に加えて、カイラル剤を含んでなる。カイラル剤は、液晶性物質において隣接する分子と互いにねじれ構造をとる。そして、液晶性物質中の分子間の相互作用のエネルギーが低くなり、液晶性物質は、自発的にねじれ構造をとり、構造が安定化する。それゆえ、カイラル剤を含む媒質Aは、等方相‐液晶相相転移温度近傍では、急激な構造変化が起きにくく、光学的等方性を有する液晶相が発現し、相転移温度を低下させるという効果を奏する。このようなカイラル剤としては、例えば、ZLI‐4572(メルク社製)、C15(メルク社製)、CN(メルク社製)、または、CB15(メルク社製)などが挙げられる。また、本実施の形態の表示素子では、上記液晶性物質が、カイラル性を示していてもよい。
また、本実施の形態の表示素子では、上記媒質Aは、さらに、非液晶性物質を含んでなる。非液晶性物質は、上記液晶性物質への混合において、相溶性に劣る。そして、上記非液晶性物質は、液晶性物質の構成分子間の相互の束縛を弱めることができるので、液晶性物質の配向変化を容易になり、電界印加に必要な駆動電圧をより低減することができる。このような非液晶性物質としては、液晶性物質の構成分子間の相互の束縛を弱める物質であれば、特に限定されないが、例えば、極性溶媒、例としてアルコール類、また無極性物質も挙げられる。
中でも、無極性物質は、液晶性物質との混合において、相溶性が僅かに劣る。それゆえ、媒質A中の混合物質内でのパッキングにおいて、双極子相互作用等の影響を比較的受けにくいため液晶性物質の構成分子の相互の束縛を弱める。したがって、液晶性物質分子の配向変化がより起こり易くなり、駆動電圧が下がるという効果を奏する。このような無極性物質としては、液晶性物質の構成分子の相互の束縛を弱める物質であれば、特に限定されないが、例えば、n−ドデカン、n−オクタン、n−デカン等の直鎖アルカンやベンゼン、エーテル等が挙げられる
また、上記媒質Aにおけるカイラル剤の濃度は、媒質Aにおいて、液晶性物質の構造を安定化させることが可能な濃度であれば、特に限定されないが、例えば、1〜15重量%が好ましく、3〜10重量%が特に好ましい。しかしながら、上記媒質Aにおけるカイラル剤の濃度は、カイラル剤の種類、表示素子の構成、または、設計等に応じて適宜設定することができる。
また、上記媒質Aにおける無極性物質の濃度は、媒質Aにおいて、液晶性物質の構成分子の相互の束縛を弱めることが可能な濃度であれば、特に限定されないが、例えば、0.5〜10重量%が好ましく、1〜6重量%が特に好ましい。しかしながら、上記媒質Aにおける無極性物質の濃度は、無極性物質の種類、表示素子の構成、または、設計等に応じて適宜設定することができる。
本実施の形態によれば、上記電極4・5としてITOを使用し、線幅5μm、電極間距離5μm、媒質層3の層厚(すなわち基板1・2間の距離)を5μmとし、媒質Aとして上記媒質懇望物を使用した。そして、外部加温装置(加熱手段)により上記媒質混合物をネマチック等方相の相転移直上近傍の温度(相転移温度よりも僅かに高い温度、例えば+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た。なお、上記媒質Aは、54℃未満の温度でネマチック相、それ以上の温度で等方相を示す。
次に、本実施の形態の表示素子における表示原理について、図3(a)・(b)、図4、及び、図5(a)〜(g)を参照にして以下に説明する。
なお、以下の説明では、主に、上記表示素子として透過型の表示素子を使用し、電界無印加時に光学的にはほぼ等方、好適には等方であり、電界印加により光学異方性を用いる場合を例に挙げて説明する。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではない。
図3(a)は、電界無印加状態(OFF状態)における本実施の形態の表示素子の構成を模式的に示す要部平面図であり、図3(b)は、電界印加状態(ON状態)における本実施の形態の表示素子の構成を模式的に示す要部平面図である。なお、図3(a)・(b)は、上記表示素子における1画素中の構成を示すものとし、説明の便宜上、対向基板21の構成については図示を省略する。
さらに、図4は、図1(a)・(b)に示す表示素子における印加電圧と透過率との関係を示すグラフである。また、図5(a)〜(g)は、電界の印加による光学的異方性の変化を利用して表示を行う表示素子と従来の液晶表示素子との表示原理の違いを、電圧無印加時(OFF状態)および電圧印加時(ON状態)における媒質の平均的な屈折率楕円体の形状(屈折率楕円体の切り口の形状にて示す)およびその主軸方向にて模式的に示す断面図であり、図5(a)〜(g)は、順に、電界の印加による光学的異方性の変化を利用して表示を行う表示素子の電圧無印加時(OFF状態)の断面図、該表示素子の電圧印加時(ON状態)の断面図、TN(Twisted Nematic)方式の液晶表示素子の電圧無印加時の断面図、該TN方式の液晶表示素子の電圧印加時の断面図、VA(Vertical Alignment)方式の液晶表示素子の電圧無印加時の断面図、該VA方式の液晶表示素子の電圧印加時の断面図、IPS(In Plane Switching)方式の液晶表示素子の電圧無印加時の断面図、該IPS方式の液晶表示素子の電圧印加時の断面図を示す。
物質中の屈折率は、一般には等方的でなく方向によって異なっている。この屈折率の異方性は、基板面に平行な方向(基板面内方向)でかつ両電極4・5の対向方向、基板面に垂直な方向(基板法線方向)、基板面に平行な方向(基板面内方向)でかつ両電極4・5の対向方向に垂直な方向を、それぞれx,y,z方向とすると、任意の直交座標系(X1 ,X2 ,X3 )を用いて下記関係式(1)
(nji=nij、i,j=1,2,3)
で表される楕円体(屈折率楕円体)で示される(例えば非特許文献12参照)。ここで、上記関係式(1)を楕円体の主軸方向の座標系(Y1 ,Y2 ,Y3 )を使用して書き直すと、下記関係式(2)
で示される。n1 ,n2 ,n3 (以下、nx,ny,nzと記す)は主屈折率と称され、楕円体における三本の主軸の長さの半分に相当する。原点からY3 =0の面と垂直な方向に進行する光波を考えると、この光波はY1 とY2 との方向に偏光成分を有し、各成分の屈折率はそれぞれnx,nyである。一般に、任意の方向に進行する光に対しては原点を通り、光波の進行方向に垂直な面が、屈折率楕円体の切り口と考えられ、この楕円の主軸方向が光波の偏光の成分方向であり、主軸の長さの半分がその方向の屈折率に相当する。
まず、電界の印加による光学的異方性の変化を利用して表示を行う表示素子と従来の液晶表示素子との表示原理の相違について、従来の液晶表示素子として、TN方式、VA方式、IPS方式を例に挙げて説明する。
図5(c)・(d)に示すように、TN方式の液晶表示素子は、対向配置された一対の基板101・102間に液晶層105が挟持され、上記両基板101・102上にそれぞれ透明電極103・104(電極)が設けられている構成を有し、電圧無印加時には、液晶層105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、上記液晶分子の長軸方向が電界方向に沿って配向するようになっている。この場合における平均的な屈折率楕円体105aは、電圧無印加時には、図5(c)に示すように、その主軸方向(長軸方向)が基板面に平行な方向(基板面内方向)を向き、電圧印加時には、図5(d)に示すように、その主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105aの形状は変わらずに、その主軸方向が変化する(屈折率楕円体105aが回転する)。
VA方式の液晶表示素子は、図5(e)・(f)に示すように、対向配置された一対の基板201・202間に液晶層205が挟持され、上記両基板201・202上にそれぞれ透明電極(電極)203・204が備えられている構成を有し、電圧無印加時には、液晶層205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、上記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205aは、図5(e)に示すように、電圧無印加時には、その主軸方向(長軸方向)が基板面法線方向を向き、図5(f)に示すように、電圧印加時にはその主軸方向が基板面に平行な方向(基板面内方向)を向く。すなわち、VA方式の液晶表示素子の場合にも、TN方式の液晶表示素子と同様、電圧無印加時と電圧印加時とで、屈折率楕円体205aの形状は変わらずに、その主軸方向が変化する(屈折率楕円体205aが回転する)。
また、IPS方式の液晶表示素子は、図5(f)・(g)に示すように、同一の基板301上に、1対の電極302・303が対向配置された構成を有し、図示しない対向基板との間に挟持された液晶層に、上記電極302・303により電圧が印加されることで、上記液晶層における液晶分子の配向方向(屈折率楕円体305aの主軸方向(長軸方向))を変化させ、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ようになっている。すなわち、IPS方式の液晶表示素子の場合にも、TN方式およびVA方式の液晶表示素子と同様、図5(f)に示す電圧無印加時と図5(g)に示す電圧印加時とで、屈折率楕円体305aの形状は変わらずに、その主軸方向が変化する(屈折率楕円体305aが回転する)。
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、屈折率楕円体の形状は変化しないが、屈折率楕円体の主軸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(透過率の変調)を行っている。
これに対し、本実施の形態の表示素子も含め、電界の印加による光学的異方性の変化を利用して表示を行う表示素子は、図5(a)・(b)に示すように、電圧無印加時における屈折率楕円体3aの形状は球状、すなわち、光学的に等方(nx=ny=nz、配向秩序度=0)であり、電圧を印加することによって異方性(nx>ny、配向秩序度>0)が発現するようになっている。なお、上記nx,ny,nzは、それぞれ、基板面に平行な方向(基板面内方向)でかつ両電極4・5の対向方向の主屈折率、基板面に垂直な方向(基板法線方向)の主屈折率、基板面に平行な方向(基板面内方向)でかつ両電極4・5の対向方向に垂直な方向の主屈折率を表している。
このように、本実施の形態の表示素子は、光学的異方性の方向は一定(電圧印加方向は変化しない)で例えば配向秩序度を変調させることによって表示を行うものであり、従来の液晶表示素子とは表示原理が大きく異なっている。
本実施の形態の表示素子は、図3(a)に示すように、電極4・5に電圧を印加していない状態では、基板1・2間に封入される媒質A(媒質層3)が等方相を示し、光学的にも等方となるので、黒表示になる。
一方、図3(b)に示すように、電極4・5に電圧を印加すると、上記媒質Aの各分子が、その長軸方向が上記電極4・5間に形成される電界に沿うように配向されるので、複屈折現象が発現する。この複屈折現象により、電極4・5間の電圧に応じて表示素子の透過率を変調することが可能になる。
なお、相転移温度(転移点)から十分遠い温度においては表示素子の透過率を変調させるために必要な電圧は大きくなるが、転移点のすぐ直上の温度では0〜100V前後の電圧で、十分に透過率を変調させることが可能になる。
例えば、非特許文献4および非特許文献8によれば、電界方向の屈折率と、電界方向に垂直な方向の屈折率とを、それぞれn//、n⊥とすると、複屈折変化(Δn=n//−n⊥)と、外部電界、すなわち電界E(V/m)との関係は、下記関係式(3)
Δn=λ・Bk ・E2 …(3)
で表される。なお、λは真空中での入射光の波長(m)、Bk はカー定数(m/V2 )、Eは印加電界強度(V/m)である。
カー定数Bは、温度(T)の上昇とともに1/(T−Tni)に比例する関数で減少することが知られている。このため、カー定数Bは、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、転移点から十分遠い温度(転移点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が、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。
さらに、電界の印加により光学的異方性が発現する媒質Aを表示媒質に用いた表示素子を備えた表示装置において電源の投入を行ったとき、周囲温度が低い場合には、上記媒質Aが本来駆動されるべき温度に達しておらず、媒質Aの物理的な状態が、素子駆動時に本来有しているべき状態とは異なっていることがあることが挙げられる。例えば、上記媒質Aがネマチック−等方相の相転移温度直上の等方相状態で、本来駆動しなければならない場合(なお、逆の場合もあり得る)、電源投入時に、上記相転移温度よりも低温のネマチック状態になっていることがある。この場合、電界無印加状態では本来等方状態により黒表示を達成しなければならないときに、無電界印加でも光学的異方性を有するネマチックでは、その光学的異方性により光を透過させてしまうことになる。したがって、このような場合には、良好な黒表示ができなくなり、コントラストが低下してしまう。もちろん、ヒータや光源(バックライト)により表示素子を過熱し、良好な表示を得ることができるが、瞬時に温度を上昇させ、また安定化させることは容易なことではない。
そこで、本実施の形態において、基板1・2におけるそれぞれの対向面上には、ラビング処理が施された図示しない誘電体薄膜(配向膜)が必要に応じて形成されていてもよい。上記一対の基板1・2のうち少なくとも一方の基板の内側に上記誘電体薄膜が形成されていることで、上記配向の秩序の度合いを向上させることができ、より大きな電気光学効果、例えばより大きなカー効果を得ることができる。
上記誘電性薄膜としては、それぞれ、有機薄膜であってもよいし、無機薄膜であってもよく、上記配向効果を得ることができさえすれば、特に限定されるものではないが、上記誘電体薄膜を有機薄膜により形成した場合、良好な配向効果を示すことから、上記誘電性薄膜としては有機薄膜を用いることがより望ましい。このような有機薄膜の中でもポリイミドは安定性、信頼性が高く、極めて優れた配向効果を示すことから、上記誘電性薄膜材料にポリイミドを使用することで、より良好な表示性能を示す表示素子を提供することができる。
上記誘電体薄膜は、上記一対の基板1・2のうち少なくとも一方の基板の内側、例えば、上記基板1上に、上記櫛形電極4・5を覆うように形成すればよく、その膜厚は特に限定されない。また、上記基板1上に設けられた誘電性薄膜と、基板2上に設けられた誘電性薄膜とは、例えば、上記櫛形電極4・5の櫛歯部分4a・5aに沿って互いに逆方向にラビング処理が施される。
また、本実施の形態の表示素子では、例えば、電源投入時に周囲温度が上記転移点よりも低く、媒質Aが、本来駆動されるべき温度に達していない場合、析出したネマチック液晶相は、上記配向膜における配向(処理)方向、この場合は、偏光板吸収軸方向に配向するために、上記ネマチック液晶相、つまり、物理的状態が本来の駆動時の状態と異なる媒質による光学的な寄与は無い。この結果、ヒータおよびバックライトにより表示素子の温度が上昇するまでの間においても良好な黒表示を実現することができる。
すなわち、本実施の形態によれば、たとえ電圧無印加時に光学異方性が発現したとしても、上記画素基板11および対向基板12における互いの対向表面に、一方の偏光板吸収軸と平行または直交する方向の水平配向処理を施し、その光学異方性の方向、つまり、配向方向を、上記偏光板吸収軸と平行または直交する方向にしておくことで、その光学的寄与を消失させることができる。つまり、本実施の形態において、上記画素基板11における対向基板12の対向面表面に水平配向処理が施されていることで、基板界面の媒質A、厳密には該媒質Aを構成する分子は、素子駆動温度未満の温度で、上記配向処理における配向(処理)方向に沿って配向する。
また、本実施の形態の表示素子によれば、所望の駆動温度領域に達したとしても、基板界面に吸着した分子による黒表示時の光の漏れは観測されず、高いコントラストを実現することができた。この結果、コントラストが低下することがなく、高速応答性、視野角特性に優れた表示素子を得ることができる。
以下、本実施の形態では、上記媒質Aとして、上記構造式(1)〜(3)で示される液晶性物質、すなわち、3OCB、5OCB、及び、7OCBをそれぞれ等量混合したものに、フッ素系混合液晶JC‐1041XX(チッソ社製)を17重量%、カイラル剤ZLI‐4572(メルク社製)を3重量%、n‐ドデカンを2重量%添加したものを用いた。上記媒質Aとしては、これに限定されるものではなく、液晶性物質として上述した各種物質そのもの、または、各種物質の混合物を適用し、これにカイラル剤及び無極性物質を添加したものでもよい。
上記表示素子において、外部加温装置(加熱手段)により上記媒質混合物をネマチック等方相の相転移直上近傍の温度(相転移温度よりも僅かに高い温度、例えば+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た。また、電圧印加を行った場合、最大透過率を得られる印加電圧は、46Vであった。なお、このとき、媒質Aの等方相‐液晶相相転移温度は、54℃であった。すなわち、上記媒質Aは、54℃未満の温度でネマチック相、それ以上の温度で等方相を示す。
ここで、比較のために、上述した構成を有する表示素子において、媒質Aとして、上記構造式(2)及び(4)で示される液晶性物質、すなわち、5OCB、及び、5CBをそれぞれ、10重量%、90重量%混合したものに、エチルアルコールを0.1重量%添加したものを用いた(以下、比較例とする)。このとき、媒質Aの等方相‐液晶相相転移温度は、59℃であった。また、この表示素子において、外部加温装置(加熱手段)により上記媒質混合物をネマチック等方相の相転移直上近傍の温度(相転移温度よりも僅かに高い温度、例えば+0.1K)に保ち、電圧印加を行った結果、最大透過率を得られる印加電圧は、53Vであった。また、比較例の表示素子では、液晶性物質の相転移温度よりも低い温度では、電圧無印加時に媒質Aは、光学的等方性を示していなかった。それゆえ、比較例の表示素子では、欠陥構造由来と考えられる光漏れが生じていた。また、等方相‐液晶相間の相転移を境にして駆動電圧が大きく変化していた。
このように本実施の形態の表示素子では、比較例の表示素子とは異なり、等方相−液晶相相転移温度はやや低く、最大透過率が得られる印加電圧が小さかった。また、本実施の形態の表示素子は、等方相−液晶相相転移近傍で駆動電圧が大きく変化しなかった。つまり、本実施の形態の表示素子では、比較例の表示素子とは異なり、相転移温度の低下だけでなく同時に駆動電圧の低下が実現できた。
また、比較例の表示素子では、等方相−低温側液晶相の相転移温度を境にして、特に相転移温度より温度が高くなるにつれて駆動電圧が上昇していた。一方、本実施の形態の表示素子では、等方相直下の低温相が光学的等方性を示していた。すなわち、液晶性物質の相転移温度よりも低い温度では、電圧無印加時に媒質Aは、光学的等方性を示していた。さらに、等方相−低温側液晶相の相転移温度を境に配向変化に必要な駆動電圧が大きく変わらない。このことは、相転移近傍において電場から受ける影響に対して温度依存性が小さいことを意味している。さらに言うなら、電場の2乗で変化するカー効果による屈性率の変化に対して、安定性が比較例よりも高いことを示している。
これは、本実施の形態の表示素子の媒質A中に、3OCB、5OCB、7OCB、及び、フッ素系混合液晶JC‐1041XXが混合することにより、それぞれ単体での等方相−液晶相への相転移が混合物では重なったようになり相転移がブロードになったと考えられる。その結果、構造変化も急激には起こらず、光学的に等方な液晶相が発現した。
一般に低分子に比べて高分子の相転移点は明確ではない。これは高分子などでは分子量分布があり、その分布に対応した様々な相転移温度の重なり合わせが高分子全体の相転移温度になるため、不明確になる。本実施の形態においても、同様な効果により相転移点が明瞭でなくなった。
本実施の形態では、媒質Aはカイラル剤を含んでなるので、液晶性物質中で隣接する分子と互いにねじれ構造をとれば、分子間相互作用のエネルギーは低くなる。したがって、カイラル剤は、自発的にねじれ構造をとる。すなわち、本実施の形態では、あらかじめブロードになった相転移を、カイラル剤導入によりねじれ構造を発現させて、その構造を安定化させ、より相転移がブロードになる。このため、駆動電圧をより小さくできたと考えられる。
また、媒質Aはさらに無極性物質であるドデカンを含んでなる。無極性物質は、液晶性物質への混合において、相溶性が僅かに劣る。それゆえ、媒質Aの混合物内でのパッキングにおいて、系をよりソフトにして構成分子の相互の束縛を弱める作用がある。したがって、配向変化をより容易にし、その結果駆動電圧がより低くなるように影響を与えていると考えられる。本実施の形態では、等方相−液晶相相転移での電場に対する変化が殆ど無い程度に小さくして、その上で非液晶性物質を添加することにより光学変調に必要な電圧の上昇を抑えることが出来ていると考えられる。