②

液晶中に金属粉末を混合させたフレークディスプレイの提案

2023 年度プロジェクトリサーチ

No.2 プロジェクトリサーチ

活動報告書

アドバイザー：宮戸祐治教授
メンバー：田中瑞貴, 西塚直之, 藤塚厳, 藤友雄也, 久保貴仁, 森田希望, 杉野智之

役割
会計担当 ：田中瑞貴
光触媒：西塚直之、久保貴仁

無機 EL：藤塚厳

単分子膜：藤友雄也

層状物質 ：田中瑞貴
量子ドット：森田希望
液体金属 ：杉野智之
液晶：全員

1

概要
液晶セルを作製することによって液晶ディスプレイに対する理解を深める。また、今回使用した液晶がノーマリーホワイトであるため液晶中に金属粉末を混入することによってより純度の高い黒いディスプレイを作製する。
目的
この活動の目的は、山本研究室の 6 研究テーマ（無機 EL、光触媒、単分子膜、層状物質、量子ドット、液体金属）ごとに、R-Gap 期間にさらに研究発展につなげる。また、液晶ディスプレイデバ
イスと各研究テーマを絡めることで、今後、応用展開の可能性を探るというものである
計画
この活動の計画は、まず液晶セルを作製し、液晶にそれぞれ個別研究テーマの要素を絡め、照度計を用いて液晶の評価をおこなう。液晶の知識や個別研究テーマそれぞれの理解を深めることでこれからの研究に活かしていくというモノである。
調査方法
この活動の調査方法は、最初に液晶について学習し、補助金で購入したものを用いて液晶を作成する。その後一人ひとりが自身の研究テーマの応用方法を考え、最後に応用実験を行った。
自作の液晶セルの作製方法は、簡単に説明すると ITO 基板 2 枚を配向膜成膜のため、PVA 水溶液調製を行ったのちにはけを用いてラビングし、5 秒間ラビング方向に流水にかざし、洗浄する。 その後に 100℃設定のホットプレート上に約 5 分置き、乾燥させる。次に乾燥させた ITO 基板を間に5mm×2cm のアルミホイルを挟んで重ね合わせ、クリップで固定し、端をアセトンで配向膜を拭き取り、除去する。そして液晶を注入し、偏向板を両面に貼り付けるというものである。
液晶を応用した研究は、研究テーマごと山本研究室の 6 研究テーマ（無機 EL、光触媒、単分子膜、層状物質、量子ドット、液体金属）ごとに分かれて行った。
活動経過
この活動の活動経過は以下の通りである。
2022 年 5 月

活動開始

2022 年 6 月中旬

液晶セルの学習・作製

2022 年 7 月下旬

液晶セルの作製終了・応用実験開始

2022 年 11 月上旬

応用実験終了2022 年 11 月下旬

プロジェクトリサーチ活動終了

成果・結果等
この活動の成果は、主に液晶セルを作製したこと、液晶についての知識をつけたこと、液晶を応用した自身の研究テーマの実験を行ったことの三つである。
一つ目の自作の液晶セルを作製したことについて、液晶について学習した後に、実際に手を動かして作製したことにより、より深く作製方法が身につけられたと考える。
二つ目の液晶についての知識をつけたことについて、これまで知らなかった液晶を学ぶことによって自身の知識が多くなったのとともに、その学んだ知識を将来仕事などで生かせれると考える。
三つ目の液晶を応用した自身の研究テーマの実験を行ったことについて、学んだことをどう自身
2

の研究テーマに応用するか考えることによって、発想力、思考力や想像力が向上したと考える。

この活動の結果は、まず液晶について、作製した液晶セルは以下の図１、２の通りである。
電圧をかけていないときが図１、かけたときが図２である。

図１ OFF

図２ ON

このように電圧をかけていないときに光を透過し、かけたときに光を透過しないので、液晶セルの作製に成功したといえる。
液晶を応用した研究について、一人ずつ示す。
＜田中瑞貴＞
層状物質を絡めて実験を行った。
結果は以下の通りである。
実験方法

3

実験結果

モリブデン（密度）：10.28 g/cm^3アルミ（密度）：2.7g/cm^3
酸化モリブデン（密度）：4.69g/cm^3酸化アルミ（密度）：3.95g/cm^3液晶
1:10
1:15
1:20
1:25
1:40
1:80
1:10

電圧を 1V ずつ上げたグラフ
・液晶に混合する金属の割合が減るほど何も混合されていない液晶の動きに近くなっていった。
・酸化モリブデンの密度が高いため液晶の動きが阻害されノーマリーホワイトから遠くなっていったと考えられる。
・酸化モリブデンの粒子の形状が丸いこともあり、混合率が高くなると液晶分子の動きを少し妨げた4と考えられる。
＜西塚直之>
光触媒である AgVO3 を液晶中に混入し、光触媒の分解作用によって液晶中の物質を分解することで液晶ディスプレイにどのような影響を与えるのか検証した。
作製方法は以下の通りである。

液晶に AgVO3 を入れる

スパチュラでかき混ぜる

80℃のホットプレートで基板を 1 分間温める

配向膜を拭きとる

導電テープを貼る

液晶を注入する

偏光フィルターを貼る

AgVO3 粉末なし

AgVO3 粉末あり

実験結果は以下の通りである。

AgVO3 の SEM 画像

5120
照射なし

1分

5分

10分

20分

30分

45分

60分

120分

Transmittance [%]1008060180分

40200051015202530Voltage [V]
図 1 ソーラーシュミレータによる透過率
液晶のみ120Transmittance [%]1008060

照射なし1分5分

10分

20分

30分

45分

60分

120分

180分

4020005101520Voltage [V]
図 2 ソーラーシュミレータ照射時間別透過率
液晶：AgVO3=10：1
62530

Transmittance [%]

120

照射なし
1分
5分
10分
20分
30分
45分
60分
120分
180分

100806040200051015202530

Voltage [V]
図 3 ソーラーシュミレータ照射時間別透過率
液晶：AgVO3=100：1

Transmittance [%]

120
照射なし

1分

5分

10分

8020分

30分

60

45分

60分

120分

180分

10040200051015202530

Voltage [V]
図 4 ソーラーシュミレータ照射時間別透過率
液晶：AgVO3=1000：1
図１と図２を比較すると、どちらも閾値電圧は照射時間が長くなるにつれて高くなった。図 1 と図 3 を比較すると、照射時間が 45 分、60 分、120 分、180 分の時に極端な閾値電圧が観測できた。
10 分の時では 3~4V 付近で閾値電圧が確認できた。それ以外の照射時間では 5~10V の間で閾値電圧が確認できた。しかし、全体として安定性のない液晶となった。図 1 と図 4 を比較すると、どちらも閾値電圧が照射時間が長くなるにつれて高くなった。さらに、AgVO3 を混合して液晶の閾値電圧は 7~10V であったが、AgVO3 を混合すると、5~11V になった。これらの結果より AgVO37を混合物としたフレークディスプレイとディスプレイを比較すると、光触媒効果によって照射時間による閾値電圧が変化した。
＜森田希望＞
作製した液晶セルに量子ドットを混合させて他の金属粉末を混合させたときなどと比べ、液晶ディスプレイにどのような違いが生じるのか実験を行った。
結果は以下の通りである。
液晶セルの作成手順及び測定方法

図 1:液晶と金属粉末の混合による透過率の変化
8図 2:閾値電圧の始めと終わりの比較図~結果~
図 2 を見ると閾値電圧の始まりは 3~8V に多く分布している。そのため電圧が高くなるほど透過率が低下していることが分かる。また、金属粉末を混合させたものは閾値電圧がより高い傾向にある。つまり液晶のみの結果より金属粉末を混合させた方が、透過率が下がりきるまでより高い電圧がかかったと言える。
~考察~
液晶のみを入れたものと金属粉末を入れたものでは、金属粉末を混合させた方が、閾値電圧が高くなっていることから、金属粉末が液晶の配向に影響を与えていることが推察される。QDs(量子ドット)を混合させたものは、閾値電圧が比較的高く透過率の低下が緩やかであり、透過度合が変化しづらく光を遮断しにくい影響を与えていると考えられる。

9

＜久保貴仁＞
・実験概要
液晶の原理や性質を理解し、液晶セルの性質を調べる実験を行った。
作製した液晶セルに酸化銀と酸化銅をそれぞれ混合させて実験を行った。
作製した液晶セルの透過率を測定し考察を行った。
・液晶セルに混合した金属の詳細
酸化銅色：赤褐色

粒径：3 μm
密度：6.04 g/cm3
バンドギャップ : 2.1 eV
酸化銀
色：黒色

粒径：2 ～ 3 μm
密度：7.14 g/cm3
バンドギャップ : 1.46 eV・実験手順

10・実験結果
下記のグラフは酸化銀と酸化銅のそれぞれの液晶セルの透過率とその時にかけた電圧の関係、液晶セルに混合した金属の割合と初期閾値電圧の関係、液晶セルに混合した金属の割合と液晶セルの透過率の最低値の関係を示す。

透過率 [%]

1009080706050403020100

混入なし
1%
2%
3%
4%
5%
6%
7%
8%
9%

0246810

電圧 [v]

121416182089

図 1.酸化銅の透過率と電圧のグラフ

5閾値電圧 [V]43210123456酸化銅の割合 [%]図 2.酸化銅の割合と初期閾値電圧117454035
透過率 [%]

3025201510500123456789161820

酸化銅の割合 [%]透過率 [%]

図 3.酸化銅の割合と透過率の最低値

1009080706050403020100混入なし
1%5%024681012

電圧 [V]
図 4.酸化銀の透過率と電圧のグラフ

121465
閾値電圧[V]

4321001234545酸化銀の割合 [%]図 5.酸化銀の割合と初期閾値電圧30

透過率 [%]

2520151050012酸化銀の割合 [％]3

図 6.酸化銀の割合と透過率の最低値

・結果と考察初期閾値電圧は 5 V (0 %, 1 %, 2 %), 3 V (3 % ~ 7 %), 2 V (8 %, 9 %)と酸化銅の割合が増えるにつれ下がっていった。また、酸化銀も同様に液晶に対して混入させる粉末の割合を増加させることで閾値電圧が下がっていった。次に透過率が飽和するまでに必要とする電圧は、酸化銅,酸化銀を混入させた液晶のどちらでも上昇した。また、液晶に酸化銅,酸化銀を混入させると電圧印加時に透過率が上昇した。
13酸化銅粉末,酸化銀粉末は液晶中に混合させると液晶の動作を阻害することが分かった。
＜藤塚厳＞
・実験概要
金属粉末を混合した液晶（無期 EL をバックライトとして活用）を作成した。また、無期 EL と液晶に印加する電圧と透過率の関係の評価を行った。
・実験方法

・評価方法

・評価結果

14・結果
評価結果より、電圧を印加すると液晶が立ち上がり、 光を透過しなくなるため印加する電圧をあげると輝度が下がる。図 1 より、金属粉末を添加した液晶の方が、 輝度が低くなることが確認された。 金属粉末を添加した液晶に比べ、Normal 液晶は電圧を上昇させていくと急激に輝度が低下することが確認された。図 2 より、ZnO を添加した液晶の方が液晶の電圧変化による輝度の変化が緩やかであることが確認できた。液晶に 17V 印加時の輝度は ZnS を添加した液晶の方が ZnO と比べ低いことが確認できた。
・考察
金属粉末を混合させた液晶のほうが、輝度が下がったため、金属粉末が液晶の動きを阻害していると考えた。ZnO を添加した液晶の方が液晶の電圧変化による輝度の変化が緩やかなことより、液晶に電圧がかかる速度が小さくなったと考えた。

15

＜杉野智之＞
・実験概要
液晶に液体金属であるガリウムの粉末を混入させ、混入量と撹拌時間による透過率の変化を調べた。
・実権方法
1.

2.

3.

4.

1. アセトンで配向膜を除去
2. 導電テープの貼り付け
3. 液晶中にガリウム粉末を液晶に対し 0.1%、1%の比率で混入させ、それぞれ撹拌時間を 0 秒、1 秒、10 秒、100 秒、1000 秒と増加させる
4. ホットプレート上で導電テープを貼り付けたセルにガリウムを混入させた液晶を注入
・評価方法
液晶を注入したセルを偏光板で挟み込み、バックライトを照射し、セルに電圧をかけていった。
・実験結果
以下にセルにかける電圧を上昇させていった際の透過率の推移と、閾値電圧と透過率が最低値まで低下した際の電圧値のプロットを示す。これを見る限り、ガリウム粉末を混入させた液晶は全体的に、透過率の最低値と閾値電圧がともに低くなった。

図 ：透過率図 2：透過率(Ga_1%)

図 4：Ga_1% 電圧値プロット

図 3：Ga_0.1% 電圧値プロット

16

・考察
液晶単体の時より、ガリウム粉末を混入させた際の透過率の最低値が低いことから、ガリウムが光の遮断の補助をしていることが考えられる。
ガリウムを 0.1%混入し 1000 秒撹拌した際を除き、閾値電圧が撹拌時間の増加に従い下がる傾向がある。このことからガリウムを 0.1%混入し 1000 秒撹拌時の液晶にはガリウムが入らなかった、あるいは撹拌時間が最も長いためガリウム粉末がさらに細かくなり、光の遮断の補助という点での効果が薄くなったのではないかと考察した。
ガリウムを 1%混入させると 100 秒撹拌を除いて、液晶単体よりも低い透過率を示した。ガリウム
0.1%と比べると低い透過率が出やすいと考えられる。
＜藤友雄也＞
・実験概要
液晶に TiO2、Al2O3 の粉末をそれぞれ混入させ、混入量による透過率の変化を調べた。
・実験方法

・評価方法
液晶を注入したセルを偏光板で挟み込み、バックライトを照射し、セルに電圧をかけていった。
17

・実験結果液晶に金属粒子を混入させることによって、液晶のみの試料より透過率を下げることができた
Al2O3 を混入した液晶は電圧 2～4V で透過率が急峻に変化することが確認できた
TiO2 を混入した液晶は純粋な液晶と同じ波形になったが、透過率が全体的に低くなった

図１. 電圧と透過率の関係
515049照度値 [lux]

484746454443420.250.50.75

混入した粉末の質量比 [wt%]
図 2.

金属粒子混入量による電圧印加前後のノーマリホワイト照度値
181