(57)【要約】【課題】  温度変化に対する依存性を消滅させ、動作温度によって特性変化がなく安定して駆動が可能な液晶電気光学素子と、その温度特性安定化法を提供することである。【解決手段】  一対の平行な基板１ａ，１ｂと、基板の対向する内側面にそれぞれ設けられた透明導電膜３ａ，３ｂと、透明導電膜の対向する内側面にプレティルト角を形成して設けられた液晶分子配向膜４ａ，４ｂと、液晶分子配向膜の間に形成され、１又は複数の金属原子からなる核１２とその周囲に核と結合する液晶分子又は液晶様分子１１とを含んで構成される液晶相溶性ナノ粒子１０を添加した液晶層２と、印加電圧の振幅及び周波数のうち少なくとも周波数を変調可能な制御回路１５を有し、制御回路は液晶電気光学素子の温度上昇・下降に伴って印加電圧の周波数を増加・減少させる。【選択図】  図４
2006292970.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の平行な基板と、これらの基板の対向する内側面にそれぞれ設けられた導電膜と、これら導電膜の対向する内側面にそれぞれプレティルト角を形成して設けられた液晶分子配向膜と、これら液晶分子配向膜の間に形成され、１又は複数の金属原子からなる核とその周囲に前記核と結合する液晶分子又は液晶様分子（これら分子をligandと呼ぶ。）とを含んで構成される液晶相溶性ナノ粒子を添加した液晶層と、前記液晶層の光透過率を変化させるため、印加電圧の振幅及び周波数のうち少なくとも周波数を変調可能な制御回路とを有する液晶電気光学素子であって、前記制御回路は、前記液晶電気光学素子の温度上昇・下降に伴って前記印加電圧の周波数を増加・減少させることを特徴とする液晶電気光学素子。
【請求項２】
前記一対の基板の外側面に、印加電圧０で暗、閾値電圧以上の印加電圧で明となるように偏光板を配向、又は、印加電圧０で明、閾値電圧以上の印加電圧で暗とするように偏光板を配向することを特徴とする請求項１に記載の液晶電気光学素子。
【請求項３】
一対の平行な基板と、これらの基板の対向する内側面にそれぞれ設けられた導電膜と、これら導電膜の対向する内側面にそれぞれプレティルト角を形成して設けられた液晶分子配向膜と、これら液晶分子配向膜の間に形成され、１又は複数の金属原子からなる核とその周囲に前記核と結合する液晶分子又は液晶様分子とを含んで構成される液晶相溶性ナノ粒子を添加した液晶層とを備える液晶電気光学素子であって、この液晶電気光学素子の光透過率と印加電圧の関係における電圧Ｖの温度（Ｔ）変化率が式（１）で表現されるとおり、少なくとも閾値電圧Ｖthで略０となるように、予め印加電圧の周波数が設定されることを特徴とする液晶電気光学素子。
【数１】
2006292970.tif 000014
【請求項４】
前記核の直径は０．５ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の液晶電気光学素子。
【請求項５】
前記金属原子における金属は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属のいずれかであり、好ましくは、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｓｎ，Ｐｂのうち１又は複数種類あるいは前記のうち１種類以上の金属を合金化し、複合化した金属のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の液晶電気光学素子。
【請求項６】
液晶電気光学素子の液晶層の温度と印加電圧の周波数をパラメータに予め液晶駆動の閾値電圧を求めて、これらの関係のデータテーブル又は解析式を得ておき、液晶電気光学素子の駆動時に、設定された印加電圧を閾値電圧とするために液晶電気光学素子の液晶層の温度を検知して、この検知された液晶層の温度を前記データテーブル又は解析式に入力して、対応する印加電圧の周波数を演算し、当該周波数に前記液晶電気光学素子の印加電圧周波数を変調することを特徴とする液晶電気光学素子の温度特性安定化法。
【請求項７】
液晶電気光学素子の液晶層の温度と印加電圧の周波数をパラメータに予め液晶駆動の閾値電圧を求め、液晶層の温度変化によっても液晶駆動の閾値電圧の変化がほとんどない印加電圧の周波数を選択し、予め液晶電気光学素子の電源の印加電圧周波数として設定されることを特徴とする液晶電気光学素子の温度特性安定化法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶電気光学素子の液晶層母体中にナノ粒子を分散させることにより、温度特性を制御可能とした、また、温度特性の安定化を可能とした液晶電気光学素子とその温度特性安定化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、液晶を用いた電気光学素子は、液晶セルに液晶を充填して用いる。また、用いられる液晶によって非特許文献１に開示されるように、ネマティック液晶を使用したＴＮ型やＳＴＮ型、ＶＡＮ型（垂直配向ネマティック）あるいはＩＰＳ（面内スイッチング）型の他、強誘電性液晶を用いたものなどが実用化されている。
また、本願発明者は、先に特許文献１及び特許文献２において、液晶母体の中に有機分子で保護されたナノ粒子を添加分散させた液晶電気光学素子（以下、ＬＣ−ＥＯデバイスと称する場合がある。）を提案している。
これらの特許文献に開示されるように作製されたＬＣ−ＥＯデバイスは、母体液晶としてネマティック液晶を用いた場合、その電気光学応答は通常の印加電圧実効値応答の他、印加電圧の周波数に依存する。このような特性を、前者では振幅変調(Amplitude Modulation、以下、ＡＭと略す場合もある。）、後者では周波数変調(Frequency Modulation、以下、ＦＭと略す場合もある。)という。
金属ナノ粒子を添加した液晶電気光学素子は、ＡＭとＦＭ応答とを兼ね備えている。
また、このようなナノ粒子添加の液晶電気光学素子は、通常のネマティック液晶を用いた通常の電気光学素子より応答速度が速くなる。
ねじれたネマティック素子でも金属ナノ粒子添加により、矩形波電圧に対して時定数５５０μｓの応答成分を持ち、矩形トーンバースト波に対しても立ち上がりで３０％、立下りで５０％以上の高速化が可能である。また、オーバードライブにおいて、オーバーシュートを生じない波形の条件も明らかにされている。
【０００３】
液晶の母体とは、例えばネマティック液晶、スメクティック液晶、カイラルネマティック液晶、カイラルスメクティック液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶などからなる液晶分子、あるいは有機分子液晶または高分子液晶等からなる液晶母体を含む概念で、絶縁性の液体又は固体をいう。
液晶電気光学素子に添加するナノ粒子の材料として、常誘電体材料、強誘電体材料、半導体及び金属又はその化合物であって、好ましくはそれらの直径が１ｎｍ〜１００ｎｍのナノ粒子であり、そのようなナノ粒子を添加することにより、誘電率の値及びその周波数依存性を変えることができる。
すなわち、特許文献１及び特許文献２に開示された発明によれば、高速の電気光学応答を実現することが可能である。
【非特許文献１】液晶（応用編）  岡野光治、小林駿介  共著  培風館  １９８５年
【特許文献１】特開２００３−１４９６８３号公報
【特許文献２】特開２００４−３４７６１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載された従来の技術では、確かに、電気光学応答の高速化は可能であるものの、その液晶電気光学素子の特性は温度の上昇と共に動作電圧が上昇してしまい、温度依存性を無視することができないという課題があった。
また、特に低温での動作の応答速度が遅くなってしまうという課題があった。
【０００５】
本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、動作電圧の温度変化に対する依存性を消滅させ、動作温度によって特性変化がなく安定して駆動が可能な液晶電気光学素子と、その温度特性安定化法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明である液晶電気光学素子は、一対の平行な基板と、これらの基板の対向する内側面にそれぞれ設けられた導電膜と、これら導電膜の対向する内側面にそれぞれプレティルト角を形成して設けられた液晶分子配向膜と、これら液晶分子配向膜の間に形成され、１又は複数の金属原子からなる核とその周囲に前記核と結合する液晶分子又は液晶様分子とを含んで構成される液晶相溶性ナノ粒子を添加した液晶層と、前記液晶層の光透過率を変化させるため、印加電圧の振幅及び周波数のうち少なくとも周波数を変調可能な制御回路とを有する液晶電気光学素子であって、前記制御回路は、前記液晶電気光学素子の温度上昇・下降に伴って前記印加電圧の周波数を増加・減少させるというものである。
このように構成された液晶電気光学素子では、液晶駆動のための印加電圧の周波数を一定とした場合には、液晶電気光学素子の温度上昇に伴って、液晶電気光学素子の透過率が変化する閾値電圧も上昇するという特性と、液晶電気光学素子の温度を一定とした場合には、印加電圧の周波数の増加に伴ってその閾値電圧は下降するという特性に基づいて、液晶電気光学素子の温度上昇・下降に伴って印加電圧の周波数を増加・減少させるような変調が可能な制御回路が、これらの特性を補償するように作用するものである。
なお、液晶相溶性ナノ粒子を添加しない通常の液晶層では、液晶相溶性ナノ粒子を添加した液晶とは異なり、閾値電圧は温度上昇に伴って下降するという特性を備えている。詳細に言えば、その閾値電圧はｓ1/2に比例して下降する（液晶（基礎編）  岡野光治、小林駿介  共著  培風館  １９８５年  又は  非特許文献１  参照）。このｓはオーダーパラメータ（秩序度）である。また、閾値電圧については、図１を用いながら後で定義も含めて説明を加える。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明である液晶電気光学素子は、請求項１記載の発明において、前記一対の基板の外側面に、印加電圧０で暗、閾値電圧以上の印加電圧で明となるように偏光板を配向、又は、印加電圧０で明、閾値電圧以上の印加電圧で暗とするように偏光板を配向するものであり、その作用は、請求項１に記載の発明と同様である。
【０００８】
そして、請求項３に記載の発明である液晶電気光学素子は、一対の平行な基板と、これらの基板の対向する内側面にそれぞれ設けられた導電膜と、これら導電膜の対向する内側面にそれぞれプレティルト角を形成して設けられた液晶分子配向膜と、これら液晶分子配向膜の間に形成され、１又は複数の金属原子からなる核とその周囲に前記核と結合する液晶分子又は液晶様分子とを含んで構成される液晶相溶性ナノ粒子を添加した液晶層とを備える液晶電気光学素子であって、この液晶電気光学素子の光透過率と印加電圧の関係における電圧Ｖの温度（Ｔ）変化率が式（１）で表現されるとおり、少なくとも閾値電圧Ｖthで略０となるように、予め印加電圧の周波数が設定されるものである。
このように構成された液晶電気光学素子では、予め印加電圧の周波数を一定とした場合には、液晶電気光学素子の温度上昇に伴って閾値電圧も上昇するという特性と、液晶電気光学素子の温度を一定とした場合には、印加電圧の周波数の増加に伴って閾値電圧は下降するという特性に基づいて、液晶駆動のための温度変化によっても、少なくとも閾値電圧の変化がほとんどないような印加電圧周波数を求めておくことで、温度変化によって印加電圧の周波数を変調する必要がなく、固定した印加電圧の周波数でも上記２つの特性を補償するという作用を有する。
【０００９】
請求項４に記載の発明である液晶電気光学素子は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記核の直径は０．５ｎｍ〜１００ｎｍであるものである。
このような発明における作用は、引用するそれぞれの請求項に記載された発明の作用と同様である。
【００１０】
請求項５に記載の発明である液晶電気光学素子は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記金属原子における金属は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属のいずれかであり、好ましくは、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｓｎ，Ｐｂのうち１又は複数種類あるいは前記のうち１種類以上の金属を合金化し、複合化した金属のいずれかであるものである。
【００１１】
請求項６に記載の発明である液晶電気光学素子の温度特性安定化法は、液晶電気光学素子の液晶層の温度と印加電圧の周波数をパラメータに予め液晶駆動の閾値電圧を求めて、これらの関係のデータテーブル又は解析式を得ておき、液晶電気光学素子の駆動時に、設定された印加電圧を閾値電圧とするために液晶電気光学素子の液晶層の温度を検知して、この検知された液晶層の温度を前記データテーブル又は解析式に入力して、対応する印加電圧の周波数を演算し、当該周波数に前記液晶電気光学素子の印加電圧周波数を変調するものである。
このように構成された液晶電気光学素子の温度特性安定化法は、請求項１に記載された液晶電気光学素子を方法発明として捉えるものであり、その作用は、請求項１に記載された発明と同様である。
【００１２】
請求項７に記載の発明である液晶電気光学素子の温度特性安定化法は、液晶電気光学素子の液晶層の温度と印加電圧の周波数をパラメータに予め液晶駆動の閾値電圧を求め、液晶層の温度変化によっても液晶駆動の閾値電圧の変化がほとんどない印加電圧の周波数を選択し、予め液晶電気光学素子の電源の印加電圧周波数として設定されるものである。
このように構成された液晶電気光学素子の温度特性安定化法は、請求項３に記載された液晶電気光学素子を方法発明として捉えるものであり、その作用は、請求項３に記載された発明と同様である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の液晶電気光学素子及びその温度特性安定化法では、電気光学応答のオン−オフを印加電圧のみならずその周波数によって制御できることに加えて、制御回路が、液晶層の温度上昇に伴って閾値電圧も上昇するという特性と、印加電圧の周波数の増加に伴って閾値電圧は下降するという特性を補償し、液晶駆動の温度依存性を解消することが可能である。
【００１４】
また、請求項３に記載の液晶電気光学素子あるいは請求項７に記載の液晶電気光学素子の温度特性安定化法では液晶駆動のための電源に制御回路を備えていないが、それでも印加電圧の周波数を、予め式（１）に記載されるような条件を満足するように設定しておくことで、同様に液晶駆動の温度依存性を解消することが可能である。
【００１５】
本発明の液晶電気光学素子では、印加電圧の周波数を切り換えることによって高速スイッチングが可能である。しかも、温度変化にかかわらず動作特性を一定に制御することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明の最良の実施の形態に係る液晶電気光学素子及びその温度特性安定化法について説明する前に、本願発明のベースとなる液晶電気光学素子の基礎的な理論について説明を行なう。
最初に、液晶電気光学素子などの電子デバイスにおいて、ナノ粒子を添加分散させることによって、その物質のあらゆる物理的性質を変えることができる理論について説明する。
ある物質にナノ粒子を添加することにより、その物質は修飾（modify）されたと呼ばれるが、このような修飾により電子デバイスの特性を好ましい方向へ変えることに本願発明者らは着目し、鋭意行なった研究の結果本願発明に至ったものである。
【００１７】
本願発明者らは、一般に温度の上昇に伴って電子デバイスの特性が低減したり、あるいは低温では動作しなくなることに鑑み、その温度依存性を解消しつつ、高速にスイッチング可能なものとして本願発明をなしたのである。
液晶電気光学素子の場合では、ナノ粒子の添加は、次のように作用する。
（１）誘電率の値とその周波数依存性が変化する。
（２）有機分子で保護されたナノ粒子は液晶母体中によく分散する。
（１）の作用は、不均質誘電体に関するＭａｘｗｅｌｌ−Ｗａｇｎｅｒ（マクスウェル−ワグナー）効果によるものとして既に知られているものである。例えば、図１に、本発明の実施の形態において用いた液晶電気光学素子であるねじれたネマティック液晶ディスプレイ（ＴＮ−ＬＣＤ）の電気光学特性を示す。このＴＮ−ＬＣＤは、マトリクス液晶として４−シアノ−４´ペンチルビフェニルを用い、液晶の厚さ５μｍ、ペンチルシアノビフェニル（以下、５ＣＢと略す場合がある。）で保護されたＡｇ／Ｐｄナノ粒子を０．１ｗｔ％添加して作製した。
図１はＶ−Ｔ曲線と呼ばれ、その縦軸は、光相対透過率を示し、横軸は印加電圧を示している。測定は印加電圧の周波数をパラメータとして行なっている。図１によれば、ナノ粒子を添加した液晶電気光学素子において、明（光相対透過率＝１００）から暗（光相対透過率＝０）に変化する閾値電圧が、低周波数領域の方が高く、高周波となるほど低下していることがわかる。なお、閾値電圧の定義はＶ−Ｔ曲線で変化が始まる電圧又は明るさが１０％降下した時の電圧である。本実施例では前者をとっている。
【００１８】
本願発明者らは、このマクスウェル−ワグナー効果から、さらに、実際的な液晶電気光学素子の電気光学特性の温度依存性を制御したり安定化できることを研究より見出し、今回の発明に至ったのである。
不均質誘電体に関するマクスウェル−ワグナー効果とは、多層膜コンデンサーや母体にある異物質を含んだコンデンサーの電気容量がある周波数以下で増大する現象である。電気容量は、そのコンデンサーを構成する誘電体の誘電率εに比例する。その誘電率εは、式（２）で表される。
【００１９】
【数２】
2006292970.tif 000003
【００２０】
この式（２）は、Ｄｅｂｙｅ（デバイ）の誘電分散の式であり、τRは、誘電緩和時間、ωは印加電圧の角周波数である。ω＝０は低周波側極限（直流）を意味し、ω＝∞は高周波側極限を意味しており、その際の誘電率ε（∞）は、式（３）で表される。
【００２１】
【数３】
2006292970.tif 000004
【００２２】
また、ε（０）−ε（∞）は誘電強度又は誘電ジャンプと呼ばれ、式（４）で与えられる。
【００２３】
【数４】
2006292970.tif 000005
【００２４】
さらに、τRは、式（５）で与えられる。
【００２５】
【数５】
2006292970.tif 000006
【００２６】
これらの式において、ε1、σ1は母体液晶媒質の誘電率及び導電率であり、ε2及びσ2はナノ粒子の誘電率及び導電率であり、φ2はナノ粒子の占有体積比である。
本実施の形態における液晶電気光学素子では、Ｐｄ、Ａｇ／Ｐｄの金属ナノ粒子を用いたが、それらの直径は２ｎｍ〜５ｎｍ、ナノ粒子間の平均距離は５０ｎｍ程度で、φ2は１０-4のオーダーである。よって、式（３）乃至（５）で測定値はほぼ説明できる。
しかし、本願発明者が行なったナノ金属粒子による測定によると、上記誘電緩和時間τRは、上記の占有体積比φ2に依存する。然るに、式（５）は占有体積比φ2に依存しない。よって、これまで述べた方法では、ナノ金属粒子を含んだ系で、その占有体積比φ2まで考慮された誘電緩和時間を高い精度で求めることが困難であることが判明した。
そこで、本願発明者らは、式（３）乃至（５）に代えて、新たにナノ粒子の濃度依存を含む式を等価回路モデルを駆使して研究したのである。
この新しい理論では、以下の式が導かれる。
【００２７】
【数６】
2006292970.tif 000007
【００２８】
【数７】
2006292970.tif 000008
【００２９】
【数８】
2006292970.tif 000009
【００３０】
ここで、τ1＝ε1／σ1、τ2＝ε2／σ2、Δτ＝τ2−τ1、ａ＝（σ1／σ2）・（Δτ／τ1）である。
式（７）、（８）に示す占有体積比φ2依存性は実験値とよく合致することを確認した。
マクスウェル−ワグナー効果とは、母体媒質とナノ粒子の緩和時間（ＲＣ時定数）が異なるとき、すなわち、Δτ＝τ2−τ1≠０のときに、交流電圧のセルに印加すると、ナノ粒子の表面に式（９）で表される振動電荷Ｑ（ｔ）が発生する。
【００３１】
【数９】
2006292970.tif 000010
【００３２】
この電荷Ｑ（ｔ）が、低周波領域（ωτR≪１、すなわちω≪１／τR）のとき、誘電率の増大、すなわち電気容量の増大を生ぜしめる。一方、この電荷Ｑ（ｔ）は、高周波領域（ω≫１／τR）で消失する。高周波（ω≫１／τR）は、金属ナノ粒子の場合、金属物質、ナノ粒子の直径、濃度によって決まってくるが、Ｐｄで１００Ｈｚ、Ａｇ／Ｐｄで２，５１４Ｈｚ（０．１ｗｔ％の場合）である。
このようなマクスウェル−ワグナー効果により、誘電率異方性、Δε＝ε//−ε⊥は、高周波（ω≫１／τR）で純粋物質のΔεに、また、低周波（ω≪１／τR）で、Δεは小さくなり、それはほぼ式（１０）で近似される。また、マクスウェル−ワグナー効果が消失する周波数ｆcは、通常、ほぼｆc＝１０ｆR〜２０ｆRである。このｆRとは、緩和時間に対する緩和周波数である。従って、ｆR＝１／２πτRである。なお、式（１０）中、ε//は液晶分子の長軸方向誘電率であり、ε⊥は同じく短軸方向誘電率である。
【００３３】
【数１０】
2006292970.tif 000011
【００３４】
Ａｇ／Ｐｄではｆ1＝４５５Ｈｚ、ｆth＝４０Ｈｚ程度である。このｆ1は、実験値を基に求められる定数であり、ｆthは、周波数変調によって応答する最小側の閾値周波数である。このようなΔε（ω）特性のため、金属ナノ粒子添加ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）では、周波数変調（ＦＭ）ＬＣＤが実現し、その応答速度は速くなるのである。
本実施の形態にかかる液晶電気光学素子は、ねじれたネマティック液晶ディスプレイ（ＴＮ−ＬＣＤ）素子である。ネマティック液晶を用いたＬＣＤでは、電気光学応答効果の閾値電圧Ｖthは、式（１１）で与えられる。
【００３５】
【数１１】
2006292970.tif 000012
【００３６】
ｋiは、液晶の弾性係数であり、ＴＮ−ＬＣＤでは式（１２）で与えられる。
【００３７】
【数１２】
2006292970.tif 000013
【００３８】
式（１２）において、Ｋ11は拡がり、Ｋ33は曲がり、そしてＫ22はねじれの液晶弾性係数である。
一般に、前述のとおり通常のナノ粒子を添加していない液晶ではＫi∝ｓ2、Δε∝ｓである。そして、ｓはオーダーパラメーターである。ｓは、温度の上昇と共に減少し、ネマティック相−等方相の相転移点（温度）で０となる。すなわち、温度上昇によって、秩序度は下降するのである。よって、式（１１）を変形すれば、一般的には、ナノ粒子を添加していない液晶では閾値電圧Ｖth∝ｓ1/2となるので、温度が上昇すると、閾値電圧Ｖthは下降することになる。
【００３９】
本願発明者は、鋭意研究の結果、ネマティックＬＣＤにナノ粒子を添加することにより、閾値電圧が変化し、かつ、その閾値電圧は印加電圧の周波数に依存することを見出した。さらに、今回では閾値電圧が温度によって変化することも見出した。そこで、これらの現象を組合わせることによって、閾値電圧を制御したり安定化することができることを見出した。
ここで閾値電圧の安定化とは、式（１）に示されるように、閾値電圧Ｖthの温度変化が０となるように制御することを意味する。
【００４０】
以上説明した理論に基づいてなされた本願発明に実施の形態に係る液晶電気光学素子とその温度特性安定化法について図２乃至図６を参照しながら説明する。
図２は、本実施の形態に係る液晶電気光学素子の概略断面図である。本実施の形態では、アクティブマトリクス方式によって駆動する液晶電気光学素子を例示している。
図２において、一対の平行な基板１ａ，１ｂと、その内側面に透明導電膜３ａ，３ｂが設けられ、透明導電膜３ａ，３ｂの対向する内側面に液晶配向膜４ａ，４ｂが設けられ、これら液晶配向膜４ａ，４ｂの間に液晶層２が配置されている。
液晶層２には、液晶相溶性粒子１０が分散されている。また、基板１ａには、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）７と画素電極８（透明導電膜３ａ）が配置されている。上方の基板１ｂには液晶層２と接する側にはブラックストライプ９が配置されており、基板１ｂと液晶配向膜４ｂの間には透明導電膜３ｂ、カラーフィルタ５が配置されている。また、両基板１ａ，１ｂの外側には２枚の偏光板６ａ，６ｂが配置されている。
本実施の形態に係る液晶層２は、マトリクス液晶にナノ粒子からなる核とその周囲に設けられた液晶分子又は液晶様分子から構成される液晶相溶性粒子１０が溶解もしくは分散されて構成されている。マトリクス液晶とナノ粒子の周囲に設けられた液晶分子又は液晶様分子の誘電体異方性は、正又は負でもよいが、広範囲の周波数変調を可能とするため、相互に逆となることが好ましい。
マトリクス液晶としては、シアノビフェニル類、コレステリルエステル類、炭酸エステル類、フェニルエステル類、シッフ塩基類、ベンジジン類、アゾキシベンゼン類、キラル基を持つ強誘電性液晶、液晶高分子等を挙げることができる。
【００４１】
液晶相溶性粒子１０は、図３に示されるように１又は複数のナノ粒子からなる核１２とその周囲に設けられた液晶分子又は液晶様分子１１からなる保護層１３とから構成されている。
ここで、ナノ粒子からなる核１２の直径ｄは、０．５ｎｍ〜１００ｎｍである。
ナノ粒子は、１００ｎｍより小さな粒径の微粒子であれば、特にその種類は限定されるものではなく、金属ナノ粒子、半金属ナノ粒子、半導体ナノ粒子、無機物ナノ粒子又は有機物ナノ粒子が挙げられる。これらのナノ粒子は、１種類でも２種類以上を組合わせて用いてもよい。半金属としては、Ｂｉ、Ｔｅ等、半導体としては、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、磁性粒子としてはＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＭｎＰｔ、ＭｎＰｄ、無機物としてはＦｅ2Ｏ3、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ2、ＳｉＯ2、有機物としてはＣ60系、カーボンナノチューブ等がある。これらの中でも、広い周波数変調範囲の電気光学応答を実現することができることから金属ナノ粒子を用いることが好ましく、より好ましくは、Ａｇ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｏｓ、Ｉｒ及びＰｂから選ばれる少なくとも１種の金属原子が挙げられる。これらの金属原子の中でも、Ａｇ、Ｐｄ及びＣｕを１種単独又は混合して用いるのが好ましく、特にＡｇは、周波数変調範囲が極めて広い点で好ましく、Ａｇと他の金属原子、例えばＰｄ等の種類の組合せや濃度（単位体積当りの粒子数）を変えることにより、用途に応じた周波数変調範囲を自由に選択することができる。特に、ＡｇとＰｄの組合せが動作寿命、安定性などの点から好ましい。Ａｇ／Ｐｄ系ではＰｄの保護により、Ａｇの酸化が防止できるためである。なお、Ａｇ／Ｐｄ系では、Ａｇの電気的性質が支配的となる。
液晶分子としては、ペンチルシアノビフェニル、金属ナノ粒子としてＡｇ、液晶分子と金属のモル比として５〜５０、添加濃度としては、１ｗｔ％〜３ｗｔ％を選択する。
【００４２】
次に、基板１ａ，１ｂは、少なくとも一方が透明であることが好ましく、厚さ１ｍｍ程度のガラス又は透光性樹脂から構成される。
透明導電膜３ａ，３ｂは、可視光の透過率及び電気伝導度の高いものが好ましい。具体的には、ＩＴＯ、ＺｎＯ、Ｉｎ2Ｏ3−ＺｎＯなどの材料が用いられ、スパッタリング法などにより成膜されて形成される。
透明導電膜３ａ，３ｂは液晶素子の電極として機能するものであるが、本実施の形態に係る液晶電気光学素子をアクティブマトリクス方式により駆動させる場合には、下方の基板１ａの内側面に設けられた透明導電膜３ａは、薄膜トランジスタ７などのスイッチング素子の二次元アレイと、画素電極８とする。
さらに、上方の基板１ｂの液晶層２と接する側に配置されたブラックストライプ９は、外部光線を吸収してスクリーンからの反射光を少なくし、背面からの光はレンチキュラーレンズにより、効率良くスクリーン前面に透過させるものである。ブラックストライプ９は、例えば樹脂ブラックや比較的反射率の低いクロムなどの金属からなり、カラーフィルタ５のＲ、Ｇ、Ｂの各色素層の間（境界）を区画するように設けられている。
【００４３】
液晶配向膜４ａ，４ｂは、液晶素子の動作モードにより、プレティルト角を伴った水平配向又は垂直配向を与えるように処理されており、２枚の基板１ａ，１ｂのうち、少なくとも一方の基板に設けられればよい。液晶配向膜４ａ，４ｂは、例えばポリイミド等を塗布焼成するなど通常の公知の方法により形成される。図１では、液晶配向膜４ａ，４ｂ間のセルギャップは５μｍ程度であるが、このセルギャップを構成するスペーサ及び各セル毎に液晶を封止する封止剤は省略されている。
プレティルト角は、具体的には、液晶層２が、ねじれた（ツイステッド）ネマティック型液晶である場合は略平行配向、超ツイステッドネマティック型液晶（ねじれ角１８０°〜２７０°）である場合は５°〜７°、垂直配向型ネマティック液晶である場合は１°〜３０°、インプレーンスイッチング（ＩＰＳ）型液晶である場合は１°以下、強誘電性液晶（ＦＬＣＤ）である場合はパラレルラビング配向で１°〜３°、ベントモードネマティック型液晶である場合は６°〜７°等と設定される。
基板１ａ，１ｂの両側には偏光板６ａ，６ｂが設けられているが、反射型で用いるときは下側の基板１ａの上に光反射板を配し、偏光板は一枚でよい。
【００４４】
次に、図４乃至図６を参照しながら本発明の実施の形態に係る液晶電気光学素子についてさらに説明を加える。
図４は、本実施の形態に係る液晶電気光学素子の概略構成図である。図４において、図２に示される構成要素と同一の構成要素については同一符号を付し、その説明は省略する。本実施の形態に係る液晶電気光学素子は、液晶層２の駆動温度を検知可能な温度測定要素１６を備えており、この温度測定要素１６で検知された温度に基づく温度信号を用いて、制御回路１５で電源１４によって印加される電圧の周波数を制御する。本実施の形態においては、温度測定要素１６は液晶層２の駆動温度を検知しているが、特に液晶層２に限定するものでなくその周辺部の温度を検知してもよい。液晶電気光学素子全体でほぼ熱的に平衡状態にあり、概ね同温度となっているためである。従って、温度測定が容易な箇所に温度測定要素１６を付設するとよい。
次に、この制御回路１５によって実行される制御について、図４及び図５を参照しながら説明する。
【００４５】
図５は、ねじれたネマティック液晶を用いて実験を行なった結果であり、閾値電圧の温度依存性を、印加電圧の周波数をパラメータとして示すものである。縦軸は閾値電圧を示し、横軸はネマティック液晶素子の温度を示している。
図５に示す凡例で、ＦＭは前述のとおり周波数変調を意味しており、周波数変調を施したねじれたネマティック液晶（ＦＭ−ＴＮ−ＬＣＤ）を用いた結果を示すものであり、ＡＭは振幅変調を意味しており、振幅変調を施したねじれたネマティック液晶（ＡＭ−ＴＮ−ＬＣＤ）を用いた結果を示すものである。
この図に示される結果から、ナノ粒子を添加していないＡＭ−ＴＮ−ＬＣＤのセルでは、周波数５００Ｈｚ、１ｋＨｚの下で、温度の上昇につれて閾値電圧は低下している。これが通常の温度特性である。この温度特性は、先に式（１１）を変形すると閾値電圧Ｖth∝ｓ1/2となるので、温度が上昇すると閾値電圧Ｖthが下降することになると説明したとおりである。
一方、ナノ粒子を添加したＦＭ−ＴＮ−ＬＣＤでは周波数を下げていくと、閾値電圧は増大し、かつ温度の上昇と共に増大している。
しかしながら、図に示されるように、マクスウェル−ワグナー効果が消える周波数ｆc＝５ｋＨｚの近傍に印加電圧の周波数を選ぶと、閾値電圧はナノ粒子を添加していない場合とほぼ同じであるか、あるいは温度変化はわずかに増大している程度となっている。従って、周波数ｆをｆRとｆcの間、本実施の形態では、ほぼｆcに等しい略ｆ≒２ｆRに選ぶと、ほとんど式（１）で表現されるように閾値電圧の温度変化率、すなわち（∂Ｖth／∂Ｔ）が０となるような状態となっている。なお、前述のとおり、通常はｆc≒１０〜２０ｆRである一方、本実施の形態においては、ｆc≒２ｆRという関係を為しているが、これらの関係にとらわれることなく、ｆRとｆcの間においてその液晶電気光学素子の特性などによって適宜温度変化率が０となるような周波数を決定するとよい。すなわち、緩和周波数からマクスウェル−ワグナー効果が消失する高周波数の間で、適宜印加電圧の周波数を決定すればよいことになる。
本図においては、縦軸に閾値電圧をとってその温度変化率が０となるような電圧周波数が存在する状態を示しているが、この周波数における温度変化率０は、閾値電圧の場合に限定されるものではなく、液晶駆動に係る印加電圧の広い範囲で実現される。すなわち、閾値電圧において（∂Ｖth／∂Ｔ）＝０となるような周波数を決定することで、その周波数では液晶電気光学素子の印加電圧と光透過率の関係を示すいわゆるＶ−Ｔ曲線（このＴは温度ではなく、光透過率を意味する。）全体において、温度依存性がほとんどないような状態とすることができるのである。
ナノ粒子を添加していない場合には、温度上昇と共に閾値電圧が低下し、ナノ粒子を添加した場合には温度上昇と共に閾値電圧が上昇するので、その中間の状態として、ナノ粒子を添加しつつ、緩和周波数よりマクスウェル−ワグナー効果が消える周波数側へ印加電圧の周波数を調整しておくことで、閾値電圧の温度変化率を０とすることが可能なのである。
【００４６】
以上のような結果から、閾値電圧Ｖthにおける温度変化率を０とするためには、
（１）ナノ粒子を液晶層に添加しつつ予め緩和周波数からマクスウェル−ワグナー効果が消える周波数までの間で決定された周波数を印加電圧の周波数として選択しておく方法
（２）ナノ粒子を添加した液晶層を備え、温度変化に沿って印加電圧の周波数を変調させる方法
の２通りの方法がある。
【００４７】
例えば（１）の方法としては、前述のとおり、ｆとしてｆc＝５ｋＨｚの近傍を選択しておくことによって、閾値電圧の温度変化はほぼ０とすることが可能である。なお、マクスウェル−ワグナー効果が消える周波数ｆcとは、先に説明したとおりω≫１／τRを満足するような高周波領域の周波数を意味する。ωは角周波数であるので、ｆc≫１／２πτR（通常は、ｆc≒１０ｆR〜２０ｆR）となる。
閾値電圧の温度変化をほぼ０とする周波数は、理論的に求められる場合には理論的に求めてもよいし、図５に示されるように、印加電圧の周波数をパラメータとして液晶層の温度を測定しながら、閾値電圧を測定することによって、閾値電圧の温度変化率が０であるような周波数を求めてもよい。
【００４８】
また、（２）の方法としては、例えば閾値電圧が３Ｖの場合であれば、液晶層の温度が−５℃の場合には周波数を１００Ｈｚ程度とし、５℃に上昇した場合には２００Ｈｚ程度、さらに２５℃まで上昇した場合には５００Ｈｚ程度と変調させると、図５から温度上昇によっても閾値電圧を略３Ｖと一体に保つことが可能である。すなわち、液晶電気光学素子の温度変化にかかわらず、その駆動電源電圧を一定に保つことが可能である。このような（２）の方法であれば、（１）の方法に比べて、閾値電圧を高い自由度で選択可能である。
実際の液晶電気光学素子においては、予め図５に示されるような液晶電気光学素子の電気光学特性を求めておき、これをデータテーブルかあるいは閾値電圧毎に解析式として、図４に示される制御回路１５の一部に組み込んでおくことが好ましい。また、もちろん、理論的に求められたデータテーブルや理論式であってもよい。なお、データテーブルとは、主として複数の閾値電圧に対して、それぞれ液晶層温度に対応した印加電圧の周波数がマトリクス状に格納されているものを意味し、解析式とは主として閾値電圧毎に、液晶層温度が入力されるとその温度に対応した印加電圧周波数が演算されるような実験式、経験式あるいは理論式を意味している。
【００４９】
ここで、このようなデータテーブルあるいは実験式、経験式又は理論式を制御回路の一部に組み込んだ本実施の形態に係る液晶電気光学素子の温度特性安定化について図４、図６及び図７を参照しながら説明する。
図６は、本実施の形態に係る液晶電気光学素子の制御回路による第１の制御ステップを示すフロー図である。
図６において、ステップＳ１では、液晶電気光学素子を駆動するための電源の閾値電圧Ｖthを設定する。この電源は図４において符号１４で示されるものである。また、閾値電圧の設定は、図５に示される縦軸のいずれかの閾値電圧、例えば３Ｖなどに選択、設定される。この電源の閾値電圧の設定は、ハードウェアとしての電源側から要求される仕様を考慮しながら、液晶電気光学素子の想定される使用環境温度において、後の周波数ｆ1の設定が可能な範囲で行うことが望ましい。
ステップＳ２は、温度測定要素１６によって液晶層２、すなわち液晶電気光学素子の温度を検知し、その検知された温度に相当する信号が制御回路１５に入力される工程である。制御回路１５では、入力された信号をキーとして、制御回路１５に組み込まれた前述のデータテーブルあるいは実験式、経験式又は理論式を読み出して、入力された温度信号に対応する印加電圧の周波数ｆ1を抽出、あるいは演算する。これがステップＳ３である。
印加電圧の周波数ｆ1が演算されると、ステップＳ４に示されるように電源１４に対して、この周波数に設定する制御を実行する。
その後、ステップＳ５では、設定された周波数ｆ1において、印加電圧を０から閾値電圧Ｖthを挟んでＶ1の間で印加電圧を変調させて、スイッチングすることができる。Ｖ1とは、前述のＶ−Ｔ曲線において、液晶電気光学素子が駆動するのに必要な電圧で、高圧側で飽和している状態の電圧値を意味している。従って、印加電圧を０から閾値電圧を挟んでＶ1の間で印加電圧を変調させると、明・暗の状態にスイッチング動作させることができる。
さらに、ステップＳ２からステップＳ５までを順次繰り返し実行させて、液晶電気光学素子の温度変化に対応して印加電圧周波数をｆ1に設定する。
このように図６に示される第１の制御ステップによる制御フローでは、予め設定された閾値電圧に対して、液晶電気光学素子の温度変化に対応した閾値電圧の周波数を抽出あるいは演算した上で、印加電圧周波数に設定することで、閾値電圧自体の変動を抑制しながら、スイッチング動作のために電圧振幅を変調して、すなわち電圧を変化させて液晶電気光学素子を駆動させるというものである。このような制御フローによって、液晶電気光学素子の温度特性安定化を図るものである。
【００５０】
図７は、本実施の形態に係る液晶電気光学素子の制御回路による第２の制御ステップを示すフロー図である。この第２の制御フローでは、印加電圧周波数ｆ1を求める点では第１の制御フローと同一であるが、スイッチング動作のために周波数を変調させる点で異なる。
図７において、ステップＳ１では、液晶電気光学素子を駆動するための電源の印加電圧、すなわち動作電圧Ｖを設定する。次に、ステップＳ２で閾値電圧Ｖthを設定する。
この電源の印加電圧と閾値電圧の設定は、ハードウェアとしての電源側から要求される仕様を考慮しながら、液晶電気光学素子の想定される使用環境温度において、後の周波数ｆ1の設定が可能な範囲で行うことが望ましい。
ステップＳ３及びステップＳ４は、第１の制御フローと同様である。
印加電圧の周波数ｆ1が演算されると、ステップＳ５に示されるように電源１４に対して、この周波数ｆ1を中心として周波数ｆを変調させて、スイッチングすることができる。
さらに、ステップＳ３からステップＳ５までを順次繰り返し実行させて、液晶電気光学素子の温度変化に対応して印加電圧周波数をｆ1に設定し、その周波数を中心として周波数を変調してスイッチングするのである。
なお、本図においては動作させる印加電圧の設定をステップＳ１として記載しているが、この工程はステップＳ５の前に設けてもよい。周波数の変調時に設定されていればよいのである。
このように図７に示される第２の制御ステップによる制御フローでは、予め設定された閾値電圧に対して、液晶電気光学素子の温度変化に対応した閾値電圧の周波数を抽出あるいは演算した上で、印加電圧周波数に設定することで、閾値電圧自体の変動を抑制しながら、スイッチング動作のために周波数を変調して液晶電気光学素子を駆動させるというものである。このような制御フローによって、液晶電気光学素子の温度特性安定化を図るものである。
以上説明したとおり、このような制御回路１５を備えることによれば、液晶電気光学素子のスイッチング動作に関して、温度変化を考慮しなくともよいようなバイアスを生じさせることができる。すなわち、温度変化に対応させて閾値電圧Ｖthに対する印加電圧の周波数ｆ1を設定することで、温度変化を補償するようなバイアスを担保しつつ、液晶電気光学素子のスイッチング動作には、閾値電圧Ｖthを中心として電圧振幅を変調させたり、印加電圧周波数ｆ1を中心として周波数を変調させることで対応することが可能である。
すなわち、液晶の温度変化に対する依存性を消滅させ、動作温度によって特性変化がなく安定して駆動が可能となるのである。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
以上説明したように、本発明の請求項１乃至請求項７に記載された発明は、広く一般的な液晶電気光学素子、あるいは高速スイッチングが可能な液晶電気光学素子として、液晶ディスプレイなどに搭載可能である。さらに、駆動温度の変化に対しても安定的な動作特性を発揮するため、十分な冷却機能を備えることが困難な小型化の液晶ディスプレイなどに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態における液晶電気光学素子であるねじれたネマティック液晶ディスプレイ（ＴＮ−ＬＣＤ）の電気光学特性を示すグラフである。
【図２】本発明の実施の形態に係る液晶電気光学素子の概略断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る液晶電気光学素子の液晶相溶性粒子を示す概念図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る液晶電気光学素子の概略構成図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る液晶電気光学素子の閾値電圧の温度依存性を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態に係る液晶電気光学素子の制御回路による第１の制御ステップを示すフロー図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る液晶電気光学素子の制御回路による第２の制御ステップを示すフロー図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ａ，１ｂ…基板  ２…液晶層  ３ａ，３ｂ…透明導電膜  ４ａ，４ｂ…液晶配向膜  ５…カラーフィルタ  ６ａ，６ｂ…偏光板  ７…薄膜トランジスタ  ８…画素電極  ９…ブラックストライプ  １０…液晶相溶性粒子  １１…液晶分子又は液晶様分子  １２…ナノ粒子からなる核  １３…保護層  １４…電源  １５…制御回路  １６…温度測定要素
【図１】
2006292970.tif 000015
【図２】
2006292970.tif 000016
【図３】
2006292970.tif 000017
【図４】
2006292970.tif 000018
【図５】
2006292970.tif 000019
【図６】
2006292970.tif 000020
【図７】
2006292970.tif 000021