JP2004118001A

JP2004118001A - 表示装置

Info

Publication number: JP2004118001A
Application number: JP2002283179A
Authority: JP
Inventors: Hisahide Wakita; 脇田　尚英
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】導波路から光を取り出す効率が高い表示装置を提供する。
【解決手段】光源と導波路１と前記導波路に選択的に接することにより光を取り出す光取り出し部１５を複数具備した表示装置において前記導波路の厚みが、光取り出し部の幅の１／２以下でかつ３０ミクロン以上にする。
【選択図】　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラスチックなどからなる導波路に端部から光を入射し、画像情報に応じて導波路から光を取り出すことにより表示を行う薄型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の導波路から光を取り出すディスプレイとしては、セラミックの圧電体膜からなるアクチュエータ部に電圧を印加して、アクチュエータ部の静止と変位を行わせ、アクチュエータ部に接続する変位伝達部の光導波板への接触、離隔を制御することにより、所定部位の漏光を制御したものがある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。この方式のディスプレイは大型表示パネルとして商品化されている（例えば、非特許文献１）。特許文献１には、画素のサイズは０．３ｍｍから３ｍｍが好ましいと記載されている（段落００４４）が、導波板の厚みについては記載がなく、図面では変位伝達部の幅と同程度に描かれている（例えば、図１）。非特許文献１には、画素ピッチ２．８ｍｍに対して、アクチュエータを設けたパネルが１ｍｍ以下、導光板を含めた厚みが１５０ｍｍと記載されており、導光板の厚みは画素ピッチと比べて非常に厚いものと推察される。また、特許文献１には、光取り出し部である変位伝達部は、アクチュエータ部の変位を直接光導波板に伝達する程度の硬度が望ましく、電極層そのものやセラミックス等の材質であっても何等かまわない、と記載されている（段落００３４）。特許文献２には、透光性の抽出面を備えた光スイッチング部と、光スイッチングを駆動する駆動部を備え、駆動部は駆動力が印加されない時に光スイッチング部を導光部へ加圧する弾性体を具備することにより、抽出面を導光部へ加圧する力が安定し、均一な光量が確保できる、と記載されている。しかし、抽出面の硬さや素材に関しては全く述べられていない。また、図３ではエバネセント光の抽出面への透過率を、導光部と抽出面との距離を横軸に、入射角を５０°から８０°の場合で計算しており、距離が０．１〜０．０５μｍで透過率が５０％程度になる、と記されている。
【０００３】
また、アクチュエータとしてポリイミドのフィルムに金属電極膜を形成した静電アクチュエータを用い、ＬＥＤを光源としたものもある（例えば、非特許文献２参照）。非特許文献２では、光取り出し部の幅は０．２３ｍｍに対して、導波路の厚みは０．５ｍｍとなっている。また、導波路の表面はＩＴＯ膜で、これと接する光取り出し部の表面はポリイミドに散乱性を与える二酸化チタン粒子を混ぜた膜を電極上に形成しており、ポリイミドより硬い複合素材となっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２８７１７６号公報（第６〜第７頁、図１〜図１０）
【特許文献２】
特開平１１−２０２２２２号公報（第３〜第５頁、段落００１０、段落００２６、図２、図３）
【非特許文献１】
セラムビジョン、セラムボードのカタログ（第５頁左下欄）〔平成１４年７月２５日検索〕インターネット＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｇｋ．ｃｏ．ｊｐ／ＥＬＥ／ｐｒｏｄｕｃｔ／０７／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ＞
【非特許文献２】
Ｘ．Ｚｈｏｕ、Ｅ．Ｇｕｌａｒｉ、「Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　Ｐａｎｅｌ　Ｄｉｓｐｌａｙ　Ｕｓｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｐａｔｉａｌ　Ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ」，ＳＩＤ９８　ＤＩＧＥＳＴ，１０２２頁〜１０２５頁、１９９８年
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の導波路から光を取り出す表示装置では、光源から導波路に入射した光を取り出す効率が低く、装置の消費電力が大きくなる。また、取り出し部を導波路へ押し付ける圧力が大きくないと明るさが不十分で、かつ不均一となる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の表示装置は、光源と、前記光源の光を伝播する導波路と、前記導波路主面に選択的に接することにより前記導波路を伝播する光を導波路から取り出す光取り出し部の複数を具備する表示装置において、前記導波路の厚みが、前記光取り出し部の光伝播方向の幅に対して１／２以下であり、３０μｍ以上であることを特徴とすることにより、取り出し効率を向上させ、消費電力を低下させることができる。さらに望ましくは、導波路の厚みが、光取り出し部の光伝播方向の幅に対して１／４以下であることにより、より取り出し効率は向上する。
【０００７】
このとき、光源からの光を入射する導波路の端部近傍が、光取り出し部と対面する導波路の表示領域に対応する部分の厚みより厚くすることにより、出力光の大きな光源を用いて明るい表示が可能になる。
【０００８】
また、本発明の第２の表示装置は、光源と、前記光源の光を伝播する導波路と、前記導波路主面に選択的に接することにより前記導波路を伝播する光を導波路から取り出す光取り出し部の複数を具備する表示装置において、前記導波路の主面と光取り出し部の表面の少なくとも一方のヤング率が１０^８Ｎ／ｍ^２未満であることを特徴とすることにより、光取り出し部を導波路へ押し付ける圧力が小さくても、明るく、均一性の高い表示が実現できた。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。
【００１０】
（実施の形態１）
本実施の形態１の表示装置の斜視図を図１に示す。画面の列方向に導波路１を画素の列数分ｎ列並べ、導波路の端部に光源２を配置した。そして、光取り出し部となる静電アクチュエータ３を行方向に画素の行数分ｍ列設けて、線順次に導波路１と接触させることにより、光を取り出す。ＬＣＤやＰＤＰといった従来のフラットパネルディスプレイではＲＧＢ３色の画素をストライプ状に分離していたが、本発明の場合は、導波路１の１本にＲＧＢ３色の光を入射させた方が、導波路の数を削減できるので、より好ましい。例えば、光源２としては、ＲＧＢ３色のＬＥＤチップを１つのランプに収納し、各々の色を独立に制御できる３色ＬＥＤがよい。そして、表示画面の列方向に伸びた各々の導波路に対応する３色ＬＥＤの各色チップへの印加電圧を、静電アクチュエータ３で選択した行と交差する画素の色、輝度情報に基づいて制御することにより、任意の画像を表示することができる。
【００１１】
また、光源２としては出射光の指向性が高いものが、効率よく光を取り出すために好ましい。導波路／空気界面での全反射角は、導波路の屈折率が１．５の場合で４１．８°である。図２は導波路での光の伝播の様子を断面で表した概念図である。導波路への入射角（導波路主面法線となす角）が全反射角θｚ＝４１．８°より小さいと、点線２０のように、光は導波路から洩れてしまう。逆に、一点鎖線２１のように、全反射角より入射角が大きくなり、光が導波路に平行に近づくと、導波路／空気界面で全反射を繰り返す距離間隔ｄが非常に大きくなって、光取り出し部を飛び越してしまい、効率の低下、輝度ムラの発生を招く。かつ、特許文献１の図３にも記載されているように、エバネセント波の取り出し率が小さくなり効率が低下する。
【００１２】
これらの理由から、光源光の導波路への入射角は全反射角より大きいが、なるべく全反射角に近い角度にある、指向性の高い光源が好ましい。例えば、ＬＥＤの場合は、モールドするレンズの形状によって指向性を変えることができるので、本実施の形態１では３色ＬＥＤの、出射光角度分布の半値幅を約１０°とした。ＬＥＤ以外では、有機ＥＬパネルにマイクロレンズアレイを付ける事で指向性を上げてもよいし、半導体レーザを用いることも可能である。３色ＬＥＤを用いたのは、１本の導波路に３色の光を入射させやすくするためである。液晶やＰＤＰなどの従来のディスプレイでは、画素はＲＧＢの３原色のサブピクセル３つから構成されていたが、本発明の導波路を用いた表示装置では、列方向に伸びた導波路は必ずしも色毎に分ける必要はなく、１本の導波路に３原色を入射すれば導波路の数を減らすことができ、コスト低減の効果がある。
【００１３】
図３の本発明の表示装置の断面図のように、導波路の端面は導波路主面法線に対して約４７°斜めにカットしており、ＬＥＤランプ（光源２）の軸方向を端面に対して垂直に取り付けた。従って、ＬＥＤの出射光は主に導波路主面法線に対して半値幅で４７°±５°の範囲で導波路に入射し、屈折して、４７°±３．３°（４３．７°から５０．３°）の反射角で導波路を伝播していく。従って、およそ導波路の厚みの２倍のピッチで導波路下面に反射する。
【００１４】
本発明者は、従来構成として、非特許文献２と同様の構成で導波路から光を取り出す表示装置を作成したが、導波路の厚みが従来のように画素の幅（光の伝播方向の幅）より厚い構成では、輝度が低く、厚みを薄くするほど明るさが増すことに気が付いた。その理由は上述の、導波路／空気界面で全反射を繰り返す距離間隔ｄが、導波路の厚みｔに依存しているからであり、例えば、反射角４５°で反射する場合でｄ＝２ｔとなるので、少なくとも導波路の厚みｔを、画素の幅ｙ（光の伝播方向）の１／２以下にしなければ、反射する距離間隔ｄが画素の幅ｙより大きくなって、反射光が画素を飛び越えてしまい、取り出すことができない光線が生じる。したがって、導波路の厚みは画素の幅の１／２以下にするのが取り出し効率の点から好ましく、さらには、入射光の角度分布を考慮すると、さらに薄い方が望ましく、画素の幅の１／４以下にすると、反射角６０°以下の光をも取り出せるようになり、指向性の高いＬＥＤの光を入射すれば、入射光をほぼ完全に取り出すことができる。一方、導波路の厚みが薄すぎると、導波路で伝播できる光の角度が限定されるシングルモードに近づいて伝達できる光量が減少するし、また、薄すぎると光を入射しにくくなることから、少なくとも３０μｍ以上であることが望ましい。
【００１５】
（実施の形態２）
次に、光取り出し部となる静電アクチュエータの表面の硬さと光取り出し効率の関係について述べる。本発明者らは、静電型のアクチュエータを用いて導波路から光を取り出す実験をしたところ、導波路と接するアクチュエータの表面の硬さによって明るさやムラに大きな影響があることがわかった。図４にアクチュエータの構造を表した断面図を示す。ストライプ状の銅電極１０を幅７００μｍ、ピッチ１ｍｍで形成し、さらに二酸化珪素からなる絶縁膜１１（膜厚０．１μｍ）を成膜したガラスエポキシ樹脂からなる基板９上に、ポジレジスト樹脂で高さ５μｍ、幅５０μｍのスペーサ１２を画素周辺に形成し、スペーサ１２上に厚み３０μｍのＰＥＴフィルム１３を１６０℃で加熱したラミネータロールによりラミネートすることで、スペーサ１２上にＰＥＴフィルム１３を接着させた。あらかじめ、ＰＥＴフィルム１３上には、微細な凹凸のあるアルミの散乱反射電極１４を形成している。その上に、ストライプ状の樹脂膜（厚み２０μｍ、幅６００μｍ）をスクリーン印刷で形成して、導波路１と接触して光を取り出す光取り出し部１５とした。導波路１は屈折率１．５のアクリル樹脂で、厚みは１５０μｍである。図５は本発明の表示装置の平面図だが、ストライプ状の導波路１に対して、光取り出し部１５は直交し、導波路１の隙間には屈折率が１．３６のフッ素系樹脂からなるクラッド層１６を詰めている。基板上のスペーサ１２と直交しクラッド層１６上に位置する第２のスペーサ１７をクラッド層１６上に印刷しておき、ＰＥＴフィルム１３と接着することにより、基板９と導波路１を対向させて固定した。第２のスペーサ１７の高さは１５μｍに設定したが、光取り出し部の厚み２０μｍよりやや薄いため、光取り出し部は導波路にＰＥＴフィルムの弾性によって押し付けられることになる。一方、絶縁膜１１、散乱反射電極１４間に５０ボルトのＤＣ電圧を印加すると、絶縁膜１１、散乱反射電極１４間の距離が縮まり、光取り出し部１５と導波路１の間に隙間が空いた。また、電圧を印加しないと、導波路１と接した光取り出し部１５から、導波路１を伝播した光（矢印２２）はエバネセント波によって光取り出し部１５へ洩れ、散乱反射電極１４で散乱反射されて、導波路１の前面側で出射されていく。
【００１６】
しかし、この光取り出し部１５の樹脂膜の材質によって取り出し光の輝度には大きな差があった。樹脂膜を熱硬化型のアクリル樹脂で形成したところ、輝度は入射光の１０％以下しか取り出せず、また場所によって明るさにムラがあった。指で押さえつけて強い圧力を加えると明るさは向上したが、アクチュエータのみでは非常に暗かった。これは、エバネセント波を高い効率で取り出すには導波路１と光取り出し部１５の間隔を０．１μｍ以下にしなければならないのだが、０．１μｍ程度の非常に小さいゴミが、例えばクリーンルームに多数浮遊しており、このゴミが原因ではないかと推察した。そこで、小さなゴミが間に存在していたとしても、ゴミのない部分での距離を接近させるために、光取り出し部の樹脂層に柔らかい素材であるポリエチレン樹脂、ポリウレタンエラストマー、シリコンゲルを用いて実験を行った。すると、アクリル樹脂と比べて、ポリエチレン樹脂では３倍、ポリウレタンエラストマーの場合で６倍、シリコンゲルでは８倍の明るさが得られ、均一性も改善された。アクリル樹脂の弾性率（ヤング率）は１０^９Ｎ／ｍ^２台で、ポリエチレン樹脂は１０^７Ｎ／ｍ^２台、ポリウレタンエラストマーでは１０^６Ｎ／ｍ^２台である。シリコンゲルの場合は非常に光取り出しの面からは高い効率を示したが、柔らかすぎて一旦押すと復元に時間がかかり、通常の弾性を示さないため、使用は難しい。
【００１７】
このように、導波路と接する光取り出し部の表層部を柔らかくすることによって光取り出し効率は大きく改善された。この効果は、接触する面の少なくとも一方が柔らかければ生じるので、導波路の表面が柔らかくてもよい。従来例で使われたポリイミドはアクリルより弾性率は２倍程度高く、さらに無機材料を混ぜると硬くなる。特許文献１のようにアクチュエータとしてセラミック圧電素子を用いれば高い加圧も構成によっては可能になるので、表層部の固さを問わないのかもしれないが、低電力で動作する、力の弱いアクチュエータでは光取り出し部と導波路の接する面の少なくとも一方の弾性率が、ポリエチレン樹脂程度の弾性率より小さいことが好ましく、具体的にはヤング率で１０^８Ｎ／ｍ^２以下であることが望ましい。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によると、導波路の端面から光を導入し、アクチュエータで光を取り出す方式の表示装置において、光取り出し効率を向上させて、低消費電力化、高輝度化が可能になり、また表示の均一性が改善される。本発明により、１００インチを超えるような大画面でもモバイル向けの小型の画面でも、画面サイズによらずシート状の薄型の表示装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の表示装置の要部を示す斜視図
【図２】導波路内での光の伝播を示す断面図
【図３】本発明の表示装置の光源近傍を拡大した断面図
【図４】本発明の実施形態２の表示装置の要部を示す断面図
【図５】本発明の実施形態２の表示装置の要部を示す平面図
【符号の説明】
１　導波路
２　光源
３　静電アクチュエータ
９　基板
１０　銅電極
１１　絶縁膜
１２　スペーサ
１３　ＰＥＴフィルム
１４　散乱反射電極
１５　光取り出し部
１６　クラッド層
１７　第２のスペーサ

Claims

光源と、前記光源の光を伝播する導波路と、前記導波路主面に選択的に接することにより前記導波路を伝播する光を導波路から取り出す光取り出し部の複数を具備する表示装置において、前記導波路の厚みが、前記光取り出し部の光伝播方向の幅に対して１／２以下であり、３０μｍ以上であることを特徴とする表示装置。
導波路の厚みが、光取り出し部の光伝播方向の幅に対して１／４以下であることを特徴とする請求項１記載の表示装置。
光源からの光を入射する導波路の端部近傍が、光取り出し部と対面する導波路の表示領域に対応する部分の厚みより厚いことを特徴とする請求項１記載の表示装置。
光源と、前記光源の光を伝播する導波路と、前記導波路主面に選択的に接することにより前記導波路を伝播する光を導波路から取り出す光取り出し部の複数を具備する表示装置において、前記導波路の主面と光取り出し部の表面の少なくとも一方のヤング率が１０^８Ｎ／ｍ^２以下であることを特徴とする表示装置。