CN102928976A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学装置，其能够在使用电润湿效应的光学装置中实现记忆性。作为解决手段，光学装置具有：相对配置的第1基板和第2基板；设置于第1基板与第2基板之间的分隔壁；第1电极，其设置于第1基板的一面侧，至少一部分在俯视观察时与由分隔壁围起的区域重合；第2电极和第3电极，它们设置于第2基板的一面侧，分别隔着由分隔壁围起的区域与第1电极相对配置；平滑层，其设置于第2基板的一面侧，覆盖第2电极和第3电极；以及第1流体和第2流体，它们配置于由分隔壁围起的区域中，彼此不相溶。第1流体由具有极性或导电性的液状体构成，第2流体由包含液晶性材料的液状体构成。

Description

光学装置

技术领域

本发明涉及使用流体的位置变化来控制光的光学装置。

背景技术

在日本特表2007-531917号公报（专利文献1）中公开了基于电润湿效应的显示器设备。该显示器设备具有在分别具有电极的2个基板之间配置彼此不混合的2个流体的结构，使用具有导电性或极性的流体作为其中一个流体。在该显示器设备中，对各基板的电极间施加电压，从而能够电气地控制具有导电性或极性的流体的润湿性。因此，例如如果对2个流体中的一方着色而使另一方透明，则能够按照各流体移动后的状态来控制透射过各流体的光的强度或由各流体反射的光的强度。作为2个流体举例示出一个流体为包含染料的油，另一个流体是水等。基于这种电润湿效应的显示器设备能应对反射型显示与透射型显示中的任一种显示，在用于反射型显示的情况下能实现与纸介质同等程度的反射率（50%左右）和对比度比，而且还具备开关速度较快（例如10毫秒以下）的长处。

然而在上述先行例中，对流体位置进行电气控制之后，为了保持该状态，需要始终赋予驱动电流。即，关于流体移动后的状态不存在记忆性。因此，例如会在所谓的电子纸等要求超低耗电的用途中存在不易使用的不良情况。另外，由于不存在记忆性，因而在将先行例的技术应用到点矩阵型显示设备的情况下需要在各像素中设置薄膜晶体管等开关元件，还会产生难以实现结构的简化的不良情况。

专利文献1：日本特表2007-531917号公报

发明内容

本发明涉及的具体方式的目的之一在于，在使用电润湿效应的光学装置中实现记忆性。

本发明涉及的一个方式的光学装置具有：（a）相对配置的第1基板和第2基板；（b）设置于上述第1基板与上述第2基板之间的分隔壁；（c)第1电极，其设置于上述第1基板的一面侧，至少一部分在俯视观察时与由上述分隔壁围起的区域重合；（d）第2电极和第3电极，它们设置于上述第2基板的一面侧，分别隔着由上述分隔壁围起的区域与上述第1电极相对配置；（e）平滑层，其设置于上述第2基板的一面侧，覆盖上述第2电极和上述第3电极；以及（f）第1流体和第2流体，它们配置于由上述分隔壁围起的区域中，彼此不相溶，（g）上述第1流体由具有极性或导电性的液状体构成，上述第2流体由包含液晶性材料的液状体构成。

根据上述构成，对第1电极与第2电极之间或第1电极与第3电极之间施加电压，从而使第1流体和第2流体分别移动，此后能够维持该状态。即，能够在使用电润湿效应的光学装置中实现记忆性。其原因被认为是液晶性材料具备的较高的粘性导致的。而作为其他原因，液晶分子呈细长的分子形状，具有分子彼此对齐排列的性质（分子取向性），具备在流动停止的不易移动离开该位置的性质。基于这些性质被认为实现了记忆性。

上述光学装置优选第2流体含有色素（例如二色性色素）。而这种情况下，更优选第2流体含有手性材料。二色性色素与液晶分子同样地呈细长形状，按照周围液晶分子的取向状态而同样地进行取向。在液晶分子未扭曲的取向状态（未添加手性材料的状态）下，二色性色素排列的方向的偏光能够被高效地着色，而偏离该方向的偏光不易被着色。通过添加手性材料，二色性色素与液晶分子一起赋予扭曲的取向状态，从而能够高效地使较大范围的偏光角度的偏光着色。在对所有角度的偏光进行着色的情况下，原理上需要180°的扭曲。这种情况下，作为手性材料添加量的指标的d/p值为0.5。在将扭曲角度设定得过大的情况下液晶分子会产生焦锥（focal conic）取向。若产生了焦锥取向则偏光的着色的效率会降低，因而并不优选。虽然根据使用材料不同而无法唯一地确定，然而大致优选d/p值不超过2.0。

由此，能够易于加减第1流体与第2流体的透射率、反射率、色彩或亮度之差。

上述光学装置中优选第1流体是水。

由此就能获得低成本且稳定性优良的第1流体。

附图说明

图1是示意性表示一个实施方式的光学装置的结构的剖面图。

图2是示意性表示光学装置的一部分构成要素的俯视图。

图3A、3B、3C是用于说明光学装置的动作状态的示意性剖面图。

图4A、4B、4C、4D、4E是表示实施例1的光学装置的观察像的图。

标号说明

11第1基板（上侧基板）；12第2基板（下侧基板）；13第1电极；14第2电极；15第3电极；16平滑层；17遮光层（光吸收层）；18分隔壁；19第1流体；20第2流体；20a液晶性材料；20b色素。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的实施方式。

图1是示意性表示一个实施方式的光学装置的结构的剖面图。而图2是示意性表示光学装置的一部分构成要素的俯视图。各图所示的光学装置构成为具有第1基板（上侧基板）11、第2基板（下侧基板）12、第1电极13、第2电极14、第3电极15、平滑层16、遮光层（光吸收层）17、分隔壁18、第1流体19、第2流体20。

第1基板11与第2基板12分别例如为玻璃基板、塑料基板等透明基板。如图所示，上侧基板11与下侧基板12以预定的间隙（例如6μm左右）贴合起来，使得第2电极14与第3电极15分别与第1电极13相对。第1基板11与第2基板12的间隙通过设置于两基板之间的分隔壁18得以保持。

第1电极13设置于第1基板11的一面侧。而第2电极14和第3电极15设置于第2基板12的一面侧。这些第1电极13、第2电极14和第3电极15例如是通过将铟锡氧化物膜（ITO膜）等透明导电膜进行图案形成为预定形状而形成的。如图2所示，第2电极14和第3电极15例如形成为条状，配置成各自的至少一部分与第1电极13相对。

平滑层16覆盖第2电极14和第3电极15，设置于第2基板12的一面侧。该平滑层16至少在表面侧具有憎水性（疏水性），更优选具有绝缘性。具体而言，平滑层16例如具有绝缘膜和层叠于该绝缘膜上的憎水膜。作为绝缘膜优选使用例如由聚酰亚胺类树脂构成的膜，作为憎水膜优选使用例如由聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene）类材料构成的膜。

遮光层17设置于第1基板11的一面侧，具体而言是设置于第1电极13的上侧。该遮光层17至少被配置于俯视观察时在由分隔壁18围起的区域内（参见图2）第1电极13与第3电极15重合的区域，对该区域进行遮光。作为遮光层17，优选使用例如黑色滤色器、铝膜或钼膜等。

分隔壁18划分出用于保持第1流体19和第2流体20的空间，例如图2所示，1个分区在俯视观察时呈大致矩形状设置于第1基板11与第2基板12之间。该分隔壁18例如是使用光硬化性树脂形成的。在分隔壁18划分出的1个区域（分区）中如图2所示配置有第2电极14、第3电极15各自的至少一部分，而且配置有第1电极13的至少一部分。换言之，第1电极13与第2电极14及第3电极15隔着由分隔壁18划分出的1个区域相对配置。

第1流体19是具有极性或导电性且具有透光性的液状体，配置于由第1基板11与第2基板12之间的分隔壁18划分出的区域中。作为该第1流体19，优选使用例如水（纯水）。在图1所示例子中，第1流体19配置于第2流体20的上侧（第1基板11侧），而它们彼此的配置状态按照第1电极13、第2电极14和第3电极15相互之间的电压施加状态而发生变化（后面详细叙述）。

第2流体20是不与上述第1流体19相溶，而且被着色的非极性的液状流体，配置于由第1基板11与第2基板12之间的分隔壁18所划分出的空间内。作为该第2流体20，本实施方式中使用的是添加了色素20b的液晶性材料20a。作为色素20b，例如优选使用光吸收量随着偏光方向而不同的色素（二色性色素）。作为液晶性材料20a例如优选使用介电常数各向异性为正（Δε＞0）的向列液晶材料。更优选在向列液晶材料中添加有对液晶分子的取向感应起扭曲的手性材料。

本实施方式的光学装置具备上述构成，下面详细说明其动作。

图3A、3B、3C是用于说明光学装置的动作状态的示意性剖面图。关于在第1电极13与第2电极14之间或在第1电极13与第3电极15之间施加的电压的条件，基于电极间距离等诸多条件而无法一概而论，例如为50V左右的直流电压。

图3A表示向第1电极13与第3电极15之间施加电压时光学装置的动作状态。此时，由纯水等构成的第1流体19向被夹在第1电极13与第3电极15之间的区域移动，第2流体20随之向被夹在第1电极13与第2电极14之间的区域移动。从第1基板11侧对其进行观察，成为透光性的第1流体19被遮光膜17遮挡而被着色的第2流体20不被遮光膜17遮蔽的状态，其结果观测者能够视觉辨认到黑色（较暗状态）。这种第1流体19与第2流体20的配置状态在切断电压后也将持续。即，配置状态存在记忆性。该记忆性的发现被推测起因于用作第2流体20的液晶性材料的粘性较高所致。

图3B表示向第1电极13与第2电极14之间施加电压时的光学装置的动作状态。这种情况下，由纯水等构成的第1流体19向被夹在第1电极13与第2电极14之间的区域移动，第2流体20随之向被夹在第1电极13与第3电极15之间的区域移动。从第1基板11侧对其进行观察，透光性的第1流体19成为不被遮光膜17遮蔽的状态，被着色的第2流体20成为被遮光膜17遮蔽的状态，其结果观测者能够视觉辨认到白色（明亮状态）。与上述同样地该配置状态存在记忆性。

另外，在向第1电极13与第2电极14之间或第1电极13与第3电极15之间施加电压时，通过控制其施加时间，当在第1流体19移动不中断的中途切断电压时，则如图3C所示，能够实现第1流体19的一部分位于第1电极13与第2电极14之间，其他部分位于第1电极13与第3电极15之间的配置状态。此时，第2流体20将第1流体19的配置状态补充完整，例如图中所示，成为跨越第2电极14与第3电极15双方的配置状态。从第1基板11侧对其观察，透光性的第1流体19成为一部分被遮光膜17遮蔽，其他一部分未被遮蔽的状态，被着色的第2流体20也成为局部地被遮光膜17遮蔽的状态，其结果观测者能够视觉辨认到灰色（中间状态）。与上述同样地该配置状态存在记忆性。

如上，本实施方式的光学装置通过恰当地控制电压的施加状态和施加时间，能够实现明暗两种状态及中间状态。例如在用于显示用途时能进行灰度显示。

将本实施方式的光学装置用作反射型显示装置的情况下，通过切换着色状态与透明状态（光吸收状态），能够实现不存在视场角依赖性且从任何场所观察都明亮的自然的显示状态。还由于能够实现较高的对比度，因此能获得图像的视觉辨认性优良的显示状态。另外，通过有效地利用记忆性，基本上在图像改写时以外都不耗电，因此能实现耗电极低的显示装置。另外，通过恰当地选择对液晶性材料添加的色素的色调，还能实现彩色显示。

另外，本实施方式的光学装置例如矩阵状地配置许多个由分隔壁18围起的区域而能够构成点矩阵型显示装置。该显示装置利用上述记忆性，从而不必在各像素中设置薄膜晶体管等开关元件，而能够通过逐行切换显示的线依次扫描来进行驱动。

关于应用本实施方式的光学装置的显示装置例如可考虑各种领域的用途，例如作为省电且不需要频繁的图像改写的信息设备（个人计算机、便携信息终端、便携电话等）的显示部、进行了磁或电记录的卡的信息显示面、儿童用玩具、纸和印刷物（杂志、报纸、画报等）等的所有替代品、车载用设备和航空机用设备的显示部、时钟的显示部、数字照相机的显示部的用途，和作为闪光灯灯具、车辆用灯具、车内照明等光学系统的光控元件的用途以及作为一般照明器具（室内照明、路灯、手电筒等）的配光控制元件的用途等。

下面说明几个实施例。

（实施例1）

准备一对带ITO膜的玻璃基板，分别通过光刻法技术对ITO膜进行图案形成，从而形成第1电极、第2电极和第3电极。此后为了方便将形成有第1电极的玻璃基板称作“上基板”，将形成有第2电极和第3电极的玻璃基板称作“下基板”。

接着在上基板的预定位置处对作为遮光膜的黑色滤色器进行图案形成。ITO膜的膜厚为80nm、黑色滤色器的膜厚为800nm、玻璃基板的板厚为0.7mm。还在下基板上形成平滑层。具体而言是在通过旋涂法涂敷聚酰亚胺类树脂材料之后煅烧形成绝缘膜。旋涂条件是以2000rpm进行5秒的旋涂后以4000rpm进行10秒的旋涂，煅烧条件是在220℃下进行60分钟。接着通过旋涂法涂敷聚四氟乙烯类材料后进行煅烧，从而在绝缘膜上形成憎水膜。旋涂条件是以1500rpm进行15秒，煅烧条件是在150℃下进行30分钟。

接着在上基板的一个面上形成分隔壁。此时以适当的条件对玻璃基板上涂敷光硬化性树脂材料进行预备煅烧，此后使用具有预定遮光图案的掩膜进行曝光，然后进行显影处理，从而形成由树脂材料构成的分隔壁。分隔壁的1个分区的尺寸为200μm×200μm，分隔壁的厚度为6μm左右。

接着将作为第1流体的纯水与作为第2流体的液晶性材料配置于下基板的一面侧，将上基板（带分隔壁）重合于该下基板，使用端密封材料密封各基板的周围。作为配置各流体的方法，可使用喷墨装置、分配器、微量移液器等的滴落、旋涂法、狭缝涂布法、条形码法、狭缝旋涂法、喷涂法等各种涂敷法，还能使用液晶显示装置的制造工序中使用的ODF（one drop fill，滴注）法。此时在下基板的一个面上通过微量移液器滴落极少量的液晶性材料，使用喷涂法从其上方散布纯水。对于利用喷涂法进行的纯水的散布，基于其散布条件而无法一概而论，在5秒～11秒期间的散布条件时能够散布为良好状态。此时纯水的散布量大致每1mm²为20～50pl。作为第2流体的液晶性材料分别混入1重量%左右的多种二色性色素而着色为黑色。作为液晶性材料使用对介电常数各向异性Δε为正、折射率各向异性Δn为0.08左右、向列-各向同性转移温度为111℃的向列液晶材料中添加d/p=1的量的手性间距为6μm的手性材料而得到的液晶性材料。

图4A、4B、4C、4D、4E是表示实施例1的光学装置的观察像的图，都表示从上基板侧观察光学元件的情形。并且为了方便观察各流体的行动，省略遮光层制作了光学装置。图4A是初始状态的观察像，几处相对较明亮的白色类型的液滴部分为纯水（第1流体），此外相对较暗的部分为液晶性材料（第2流体）。而图中虚线所示的电极a表示第2电极的配置区域，电极b表示第3电极的配置区域。并且这些电极配置在图4B～图4E中也相同，然而为了提高观察像的视觉辨认性而在图4A以外省略了电极配置区域的图示。图4B是对第1电极与第2电极（电极a）之间施加电压的状态的观察像，可知纯水的液滴部分向第1电极与第2电极之间的区域移动。图4C为此后切断电压后的状态的观察像，可知切断电压后也维持着纯水与液晶性材料的配置。图4D是对第1电极与第3电极（电极b）之间施加电压的状态的观察像，可知纯水的几个液滴部分向第1电极与第3电极之间的区域移动。图4E为此后切断电压后的状态的观察像，可知切断电压后也维持着纯水与液晶性材料的配置。并且虽然省略了图示，然而在第1电极与第2电极之间配置了液晶性材料的状态下向第2电极与第1电极之间以及第3电极与第1电极之间施加电压的情况下，液晶性材料中的液晶分子会将其长轴向电场方向对其而重新取向，随之色素也重新取向，因此可确认到全体处于透明（明亮状态）。

（实施例2）

作为液晶性材料使用折射率各向异性Δn和向列-各向同性转移温度与上述不同的向列液晶材料，除此之外以与上述实施例1同样的条件制作实施例2的光学装置。具体而言，实施例2的光学装置的液晶性材料的折射率各向异性Δn为0.298左右、向列-各向同性转移温度为130℃。其结果能确认到与实施例1的光学装置同样的动作。

（实施例3）

作为液晶性材料使用折射率各向异性Δn和向列-各向同性转移温度与上述不同的向列液晶材料，除此之外以与上述实施例1同样的条件制作实施例3的光学装置。具体而言，实施例2的光学装置的液晶性材料的折射率各向异性Δn为0.065左右、向列-各向同性转移温度为86℃。其结果能确认到与实施例1的光学装置同样的动作。

本发明不限于上述实施方式和各实施例的内容，可以在本发明主旨的范围内进行各种变型来加以实施。

例如在上述说明中说明的是第1流体具有透光性，第2流体被着色，然而各流体的色彩不限于此。原理上只要第1流体与第2流体是在两者之间产生透射率、反射率、色彩或亮度的差的组合即可，因而例如双方流体都可以被着色。而且在使用液晶性材料作为第2流体的情况下可省略手性材料。

另外，在上述实施方式等中设置了遮光层，而基于光学装置的用途也可以将其省略。例如在将本发明涉及的光学装置用作按照需要使光强度衰减或遮光的光学开关的情况下不需要遮光层。

另外，在上述实施方式等中主要设想的是使用反射光的情况，也可以构成为使用透射光。这种情况下，在第2基板的背侧配置光源（背照灯），能够通过各流体的位置控制从该光源输出的光的透射度。

Claims (5)

1.一种光学装置，具有：

相对配置的第1基板和第2基板；

设置于上述第1基板与上述第2基板之间的分隔壁；

第1电极，其设置于上述第1基板的一面侧，至少一部分在俯视观察时与由上述分隔壁围起的区域重合；

第2电极和第3电极，它们设置于上述第2基板的一面侧，分别隔着由上述分隔壁围起的区域与上述第1电极相对配置；

平滑层，其设置于上述第2基板的一面侧，覆盖上述第2电极和上述第3电极；以及

第1流体和第2流体，它们配置于由上述分隔壁围起的区域中，彼此不相溶，

上述第1流体由具有极性或导电性的液状体构成，上述第2流体由包含液晶性材料的液状体构成。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，上述第2流体含有色素。

3.根据权利要求2所述的光学装置，其中，上述第2流体含有手性材料。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学装置，其中，上述第1流体是水。

5.一种显示装置，其使用权利要求1至4中任一项所述的光学装置构成。

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