液晶の教材化島根県立松江教育センター教職員研修スタッフ指導主事 Ⅰ 今若誠己はじめに昨年１月に発表された高等学校教育課程実施状況調査によると、「理科の勉強は大切か」という質問に、肯定的に答えた者の割合は全教科の中で最も低かった。これはこれまでの学習が科学的概念中心であり、日常生活との関わりについての視点が不十分であったことが一因と考える。したがって、今後は身の回りにあり人間生活を豊かにしているものを通して、科学技術の成果に気づかせることも大切にしていきたい。今年度の松江教育センターの研修講座「理科教員研究機関活用講座Ｃ」において「記録技術（コピー）と情報表示技術（液晶）」のテーマで大学の研究者による講義・実習を行った。中でも液晶は、最近大型テレビや携帯電話等で盛んに利用されて身近なものとなっており、教材として扱うのにも格好の素材であると感じた。しかし、講座内容をそのまま高等学校の授業で展開していくと生徒にとっては難解で分かりにくいものではないかと思われた。そこで本研究では、この液晶について教材研究を進め、高校生の学力レベルとカリキュラムに合わせて分かりやすく整理した「テキスト」と、講座で紹介された実験を中心に「実験書」「・実験解説書」を作り、学校の授業での展開方法とともに提案する。 Ⅱ 研究の目的液晶について教材研究を行い、高等学校の理科総合Ａにおける活用法を提案する。 Ⅲ 研究の内容１授業用テキスト授業用テキストを作るにあたり、次のことに配慮することにした。 (1) 液晶表示の原理を理解できるものにする液晶に関しては、たくさんの内容を学習することができる。しかし、全て取りあげるのではなく、私たちの日常生活において関わりの深い液晶表示技術に関連するものに絞った。 (2) 理科総合Ａでの利用を考える理科総合Ａでは、扱うべき内容に「科学技術の進歩と人間生活」がある。学習指導要領によれば「科学技術の成果と今後の課題について考察させ、科学技術と人間生活のかかわりについて探究させる」と明記されている。液晶は、その具体的な探究テーマの１つとして相応しいと考える。また、液晶表示技術を理解するための「物質の三態」や「偏光」の内容は、前者が主に化学分野で学習するのに対し後者は物理分野である。そもそもこの科目は主に物理と化学の内容が融合された科目であり、各内容を有機的に結び付けて自然を総合的にとらえる学習が求められている。 -1- よって、その点においても液晶を扱うことは適している。 (3) 科学史にふれる理科の学習において科学史を扱うことは、次のような理由で有効であると考えた。 ①科学に対する興味・関心を高めることができる。 ②先人の行った実験・観察を再現することで探究の過程を学ぶことができる。 ③科学的なものの見方や考え方を養うことができる。２ (1) 液晶の理解を深める実験生徒用実験書解説テキストをふまえ、液晶表示の原理が実感できる内容とした。また、授業で実際に行うために 50 分以内で完結でき、高等学校の実験室で生徒が行えるよう大がかりな装置や高度な技術を要しないものとした。 (2) 教師用実験解説書実験結果だけでなく、準備、所要時間、実施上の留意点、必要経費等、実際に授業において実施する上で必須と思われる内容を取りあげた。３指導展開例理科総合Ａ「科学技術の進歩と人間生活」の単元の学習では、学習指導要領解説によれば、生徒に自ら課題を見つけて探究させ、実験、実習、製作、調査、見学などの体験的活動を取り入れ、結果を報告書にまとめたり、発表させることとなっている。これに基づき、多くの教科書においては、具体的に幾つかの科学技術の成果を紹介し、そこから発展させた研究テーマを例示している。生徒は、その中から興味・関心に応じて選択できるような構成となっている。しかし、単に成果の紹介と研究テーマの例示だけでは、生徒は探究活動に対しイメージを持つことができないであろう。成果の紹介と研究テーマの例示の間に、１つ工夫が必要と考える。そこで本研究の成果物を使って液晶を学習し、ある程度深く理解する楽しさを実感することで、探究に対する見通しや意欲が湧いてくることを期待したい。以下に指導展開例を示す。科学技術の液晶の学習研究テ研究テーマ研究まとめ成果の紹介・テキスト −マのの設定・文献調査・レポート・実験書例示 (個人や班) ・実験・見学等・発表会これまでの授業 -2- Ⅳ 研究の成果１授業用テキスト液晶《状態変化》一般的な物質は、温度や圧力を変化させていくと、固体・液体・気体の三態間で状態変化を行う。例えば、液体の水は、加熱すると水蒸気（気体）になり、冷却すると氷（固体）になる。固体中では、粒子は規則的に並んで一定の位置に固定され振動している。液体中では、熱運動が激しくなり粒子は位置を自由に変えることができる。気体中では、さらに激しく空間を飛び回っている（図１）。融解蒸発凝固凝縮昇華図１物質の三態しかし、有機化合物の中でも特に硬くて細長い棒状の分子の場合、加熱又は冷却したとき、液 *1 体と固体の間に液体結晶というべき第四の状態が存在するものがある。これを液晶という。このとき各分子は、流動性を示すが、一定の方向性をもったまま動いている（図２）。矢印方向を保ちながら動く固体ネマティック液晶液体図２気体第四の状態《液晶の分類》このように、ある温度範囲で液晶状態を示す物質をサーモトロピック（温度転移形）液晶という。一方、物質を液体（溶媒）に溶かして、その濃度を適当に調節したときに液晶状態になるものもありこれをリオトロピック（濃度転移形）液晶という。図３スメクティック液晶図４コレステリック液晶さらに各液晶は、その分子配列によって３つに分類される。図２のような配列状態をネマティック液晶という。分子は比較的容易に動くことが可能で、液晶パネルに利用されている。それに対し図３のように、一定方向に向いた層状の構造になっているものがあり、これをスメクティック液晶という。濃いセッケン水などがこれにあたる。また、図４のようにねじれて（図は層状だが実際は連続的）らせん階段のような構造になってい *1 液晶とは液晶状態だけでなく液晶を示す物質も表す。 -3- るものもあり、これをコレステリック液晶という。《ネマティック液晶の性質》 ①誘電異方性液晶分子中の電子は、外から電圧をかけると正の電極の方へ移動しようとする。そのため、分子内には電気的偏りが生じる。偏りのできやすさを誘電率という。この偏りは液晶分子によって *２異なり、長軸方向に大きく生じるものを正の誘電異方性をもつという。図５のように、正の誘電異方性をもつ液晶分子に電圧を加えると、静電気力によって電界と垂直な方向に向きが変わる。＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋ − − −−−−− 図５ − − ＋＋ −−−−− 電界中の液晶分子の動き ②配向性液晶分子は、図６、図７のように一定方向の細かい溝のついた膜（配向膜）に触れると、溝に沿う形で整列する（配向）。また、図８のように溝の向きを 90 度変えた２枚の配向膜で上下に液晶を挟むと液晶分子も 90 度ねじれるように並ぶ。溝の向き図６液晶の配向図７溝の方向が同じ図８溝の方向が直交 ③光学異方性と旋光性図２∼４のように、液晶状態では分子が方向性をもっているため、向きによって光に対する性質（例えば屈折率、速度）が異なる。これを光学的異方性を持つという。また、液晶に光を通すと、分子の隙間に沿って光が通る。そのため、図８のように分子配列が 90 度ねじれている場合には、上から進んできた光も 90 度ねじれながら進む。このように光の振動面が回転することを旋光という。 *２短軸方向に生じることを負の誘電異方性といい、電界中では、分子は電界と水平方向に並ぶ。 -4- 参考液晶の存在は、1888 年にオーストリアの植物学者ライニツァーによって発見された。彼は、コレステロールの安息香酸エステルという物質を加熱しその様子を観察していたところ、145 ℃で固体から白濁した流動体（液晶）に、179 ℃で透明な液体にと、２度溶けるような不思議な挙動を示すことに気づいた。彼は、その結果をドイツの工業高校助手のレーマンに手紙で知らせた。レーマンは試料を温めながら観察できる顕微鏡を持っており、詳しく観察した結果、固体に特有の性質である複屈折効果があることを確認し、液晶（Liquid Crystal）と名付けた。実は、それまでにも同じような観察をした人は何人かいたが、彼らは不純物のせいと片付けてしまった。考えてみよう貯木場に浮かんでいる丸太の木材は、液晶状態？偏光光は横波の１種である。つまり、図９のように波の進行方向と垂直な方向に振動している。これを、進行方向から見ると、自然光では図10のように 360 度いろいろな向きにランダムに振動し *３た光の集まりである。これを偏光フィルムに通すと、図11のように１方向のみに振動している光（偏光）を取り出すことができる。図９光の振動図10 自然光図11 偏光偏光フィルムでは、１方向の光のみを通すことができるので、２枚の偏光フィルムを図 12のように 90 度回転させ重ね合わせると、光は全く通過できなくなり暗くなる。これを直交ニコルという。図12 直交ニコル液晶表示ディスプレイ（ＬＣＤ）《原理》ＬＣＤの代表的なものに、ねじれマティック（ＴＮ）液晶表示がある。これは、ネマティック液晶を透明な電気伝導性ガラス板で挟み込み、さらにその両外側を、偏光軸が直交するように偏 *３ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）の膜を横に引き延ばし、ヨウ素を吸着させると得られる。 -5- 光フィルムではさんだものである。また、ガラスの内側には、偏光軸と同じ向きに溝がついた配向膜を貼り付ける。（図13）電気伝導ガラス配向膜図13 電気スイッチＯＦＦ図14 電気スイッチＯＮ図13では、配向膜に沿って液晶分子が並ぶため、90 度ねじれた状態となっている。ここに図上部から自然光を当てると１枚目の偏光フィルムで偏光となるが、液晶内で旋光し、下部では偏光面が 90 度ねじれる。そのため、２枚目の偏光フィルムを通過する。図14では、電圧をかけている。このとき液晶分子は、正の誘電異方性により電界方向に向く。すると、１枚目の偏光フィルムを通り抜けた偏光は、そのまま２枚目にたどり着く。しかし、直交ニコルとなり、光は通過できない。つまり、電圧をかけると光が遮断され黒くなり、電圧がかかっていない状態では光が通り明るくなる。このような仕組みを１つの表示単位としている。単純なものでは時計や電卓などの数字がある。例えば、図15はセグメント方式とよばれるもので、３カ所電圧をかけることで数字の７を表示することができる。図15 セグメント方式による表示Ｒ1 Ｇ1 ＢＲＧＢＲＧＢＲＧＢＲＧＢＲＧＢ図16 カラ表示ーパネル《応用》現在では、研究がさらに進み、電圧を調整することで、光の透過率を制御し明るさも変えている。また、１つ１つの表示単位の上にカラーフィルター（赤・緑・青紫＝ＲＧＢ）をかけることでカラー表示も可能としている。例えば図16のＲ１とＧ１以外に電圧をかける。すると、そこだけ光り赤と緑の光が合わさり黄色に見え、残りの場所は黒に見える。ＲＧＢ１組を１画素とよぶ。 -6- ２液晶の理解を深める実験 (1) 生徒用実験書偏光と液晶［目的］偏光と液晶の性質について調べる。［準備］器具等偏光フィルム２枚（125mm 四方、厚さ 0.2mm）、水槽、セロファンテープ、サンプル瓶２本(30ml)、かきまぜ用ガラス棒、あるいは割りばし、電子天秤、ビーカー(300ml)、温度計、ガスバーナー、三脚、テスター電導性ガラス２枚、乾電池９Ｖ、両面テープ、みのむし付きリード線２本、薬品等ヒドロキシプロピルセルロース、ペンチルシアノビフェニル（５ＣＢ）、パラメトキシベンジリデンパラブチルアニリン（ＭＢＢＡ）［実験］＜１．偏光の性質＞１．偏光フィルムを２枚用意し、重ねて片方を回転させ変化をみる。（観１）２．水槽に水を入れ、これに光を反射させた状態で、１枚の偏光フィルムを通し水面に映った反射光を確認する。次に、偏光フィルムを回転させ変化をみる。（観２）３．１枚の偏光フィルムにセロファンテープを斜めや縦に貼る。さらにセロファンテープを何枚も重ねて貼る。次にもう１枚の偏光フィルムを重ねて１と同様に片方を回転させ観察する。（観３）［結果と考察］１．（観１）２．（観２）３．（観３） -7- ［実験］＜２．液晶の作製＞１．蒸留水 1.2 ｇと 1.4 ｇをそれぞれサンプル瓶に入れる。２．ヒドロキシプロピルセルロースを２ g ずつ取り、それぞれのサンプル瓶に加える。３．ガラス棒で気泡が入らないようにゆっくりとかきまぜて均一な濃厚溶液とする。４．しばらく放置し観察（観１）した後、蒸留水を 1.4 ｇ加えた方にはさらに蒸留水を 0.2 ｇ加える。（観２）５．液晶状態を示しているサンプル瓶を熱湯（80 ℃以上）につける。（観３）６．取り出して室温に戻し、状態の変化を観察する。（観４）７．完全に室温に戻ったら氷水に入れる。（観５）８．取り出して室温に戻し、状態の変化を観察する。（観６）［結果と考察］１．（観１∼２）の結果と考察２．（観３∼６）の結果と考察［実験］＜３．液晶セルの作製＞１．電導性ガラスの電導面を上にして両面テープを図１のように貼り付ける。２．もう１枚の電導性ガラスを図２のように貼り付ける。３．図２の上部から両面テープの厚さ分の隙間に液晶を少しずつ染み込ませる。下部にわざと隙間を少し空けたのは、空気が抜けるようにするためである。ほぼ、液晶で満たされたらテープで塞ぐ。４．９Ｖの乾電池をみのむし付きリード線で接続して（図３）変化を観察する。液晶を流し込むわざと隙間を少し空けておく図１図２［結果と考察］［感想］ -8- 図３ (2) 教師用実験解説書偏光と液晶［実験の目的］偏光と液晶の性質について調べる。実験１［所要時間］10 分［実験に要する経費］1 セット 700 円∼ ［実験上の留意点］水槽が無い場合は、黒板やガラス板でも可能。黒板を斜めから見たとき、光が当たりてかっている場所が、偏光フィルムを 90 度回転させて覗くと暗く見える。メンディングテープは不適。液晶画面にセロファンテープを何枚も貼って、その上から偏光フィルムを回転させながら観察しても面白い。［結果・考察］（観１）90 度回転させるごとに、完全に暗くなる（直交ニコル）ことが確認できる。（写真１）（観２）90 度回転させるごとに、光源が暗くなるのが確認できる。これによって反射光が偏光に近いことが確認できる。同様に海面や雪山の照り返し光も偏光のため、釣りやスキー用サングラスは偏光処理されていることに触れても良い。（観３）直交ニコルの状態では、斜めに貼った所は光が通過し、縦・横に貼ったところでは変化は見られない。また、重ねた所では紫や重ねた枚数によって様々な呈色が確認できる。直交ニコルから、90 度回転させても貼り方による違いが見られる。これは、セロファンテープが旋光性を持つ物質のためで、偏光が通過するとき、偏光面が回転するために生じる。写真１直交ニコル写真２スターラー写真３液晶セル実験２［所要時間］20 分［実験に要する経費］1 セット 100 円［実験上の留意点］ヒドロキシプロピルセルロースと水を混ぜる時、激しくまぜると気泡がたくさん生じ、色づいている様子が分かりにくくなるので注意すること。ヒドロキシプロピルセルロースは、食品添加物にも使われ危険なものではなく、実験後の処理も簡単である。呈色するまでに時間がかかることがあるので、実験１と組み合わせて行う方が効率的である。この実験は、ある濃度範囲でのみ存在するコレステリック液晶に関する実験である。らせん構 -9- 造の周期の長さ（ピッチ）に対応した波長の光が反射させることで色を示す。濃度・温度によってピッチが変化し異なる１つの色を示すが、分子配列に配向性があるため見る角度によっても示す色が異なり虹色に見える。［結果・考察］（観１∼２）約 10 分放置するとそれぞれ虹色がつき始める。しかし、蒸留水を加えていくと呈色は示さなくなり、白っぽくなる。（観３∼６）熱湯に入れると白濁し、呈色はなくなる。これを取りだし室温に戻すと再び呈色する。次に、氷水に入れると色合いは変化するが、呈色はある。実験３［所要時間］20 分［実験に要する経費］電導性ガラスは１枚約 1500 円∼、品物によって大きく異なる。液晶は、ペンチルシアノビフェニル（５ＣＢ）またはパラメトキシベンジリデンパラブチルアニリン（ＭＢＢＡ）のどちらでもよい。ただし、前者は５ｇで２∼３万円と高価であるので、後者を原料から作った方が安い。１／ 10 程度で済む。以下にその合成法について記す。［ＭＢＢＡの合成］ (1)実験器具：サンプル管瓶(30ml)、撹拌子、スターラ (2)試薬：４−ブチルアニリン（ＢＡ）、ｐ−アニスアルデヒド（４−メトキシベンズアルデヒド）（ＡＡ）、酢酸 (3)操作 ①ＡＡ 5.0 ｇとＢＡ 5.5 ｇを混合する。 ②混合液に酢酸を２滴加える。 ③スターラを用いて激しく攪拌する。（写真２） ④８時間撹拌後、硫酸マグネシウムを加え乾燥した後、ろ別すると乳白色の液晶が得られる。［実験上の留意点］両面テープで基材が紙のものは液晶を吸い込むため不適。変化が分かりにくいようであったら、液晶セルの前後を偏光フィルムではさんで観察する。ＭＢＢＡは、純度の高いものを得るには、さらに大がかりな操作を必要とする。電圧をかけて変化を確認する程度であれば、不純物である原料が多少混じって淡黄色を示していても良い。［結果・考察］５ＣＢで行った場合、乾電池を接続するとすぐに、白濁していた液晶部分が透明に変化する（写真３）。これは、また、接続を切ると少し時間をかけながらゆっくりともとに戻る。偏光フィルムではさんで観察すると、さらにはっきり変化が分かる。ＭＢＢＡは負の誘電異方性をもつため、５ＣＢより変化は分かりにくい。［参考］５ＣＢは、電卓、時計などに使われている化学的に安定な室温液晶である。ＭＢＢＡ合成の化学反応式は次のとおり CH3O-C6H4-CHO ＋ NH2-C6H4-C4H9 → CH3O-C6H4-CH ＝ N-C6H4-C4H9 ＋ - 10 - H2O Ⅴ 今後の課題今回の提案は、実際に授業実践を行い評価を受けることが不可欠である。その結果・分析によって課題を明らかにしなければいけない。また、今回実験で使用したものは、薬品・器具ともに日々進化・改良されているので、常に新しい情報を取り入れ改善していく必要がある。 Ⅵ おわりに最後に、本研究を行うにあたってご指導・ご協力いただいた大分大学工学部応用化学科の氏家誠司教授に厚くお礼を申し上げます。【参考文献・資料】氏家誠司「理科教員研修機関活用講座Ｃ資料」（2004）文部省「高等学校学習指導要領解説」（大日本図書太田次郎他「高等学校理科総合Ａ」（啓林館白石振作他「理科総合Ａ」（大日本図書 2003） 2003）長倉三郎他「新編理科総合Ａ」（東京書籍 2003）ガリレオ工房「理科ひらめき実験工房」（国土社佐藤進「液晶の世界」（産業図書 1999） 2002） 1996）荻原茂男「くわしい物理の新研究」（洛陽社苗村省平「液晶がわかる本」（工業調査会 2004） 2001）西久保靖彦「ディスプレイ技術の基本と仕組み」（香和システム 2003）竹添秀男他「液晶のしくみがわかる本」（技術評論社岩柳茂夫「液晶」（共立出版 2000） 1988） SHARP（株）http://www.sharp.co.jp/products/lcd/ （アクセス【引用文献】文部省「高等学校学習指導要領」（財務省印刷局 1999） - 11 - 2005,3）