JP2006023695A - 微小電気機械システムの表示ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】平面型表示装置に適用する透過型または反射型の表示ユニット構造を提供する。
【解決手段】本発明は遮蔽電極および制御電極を有する。遮蔽電極は、低応力電極１０６および高応力電極１０８を有する。低応力電極１０６に接続された高応力電極１０８は移動可能な要素である。制御電極は高応力電極１０８の下方に位置する。電圧が制御電極に印加されると、制御電極は高応力電極１０８を引き付ける。そして、高応力電極１０８が変形すると低応力電極１０６の位置は変化する。
【選択図】図２

Description

本発明は、透過型または反射型の表示ユニット構造の微小電気機械システムに関し、特に平面型表示装置に適用する透過型または反射型の表示ユニット構造に関する。

平面型表示装置は、小型で軽量であることから、携帯型表示装置および小体積の表示装置の市場において主流となっている。そして、現在の平面型表示装置は、液晶表示装置（liquid crystal display：ＬＣＤ）が主流となっている。

従来、ほとんどの液晶表示装置は、液晶分子を電界中でツイスト或いは再配列することにより、各液晶分子のオンおよびオフの制御を行っていた。しかし、従来の液晶表示装置は、偏光を利用して液晶分子をツイストしていたために、薄膜トランジスタの液晶表示装置の視野角が狭かった。そのため、斜めから液晶表示装置を見たときに、コントラストが低下し、更には画像が反転することもあった。そのため、小さい視野角の問題を解決するために、広視野角を有するモニターを製作する様々な方法が提案されている。そのうちの一つとしては、二つ以上の配向膜を各液晶表示装置中の画素電極上において異なる方向に配置する配向方法がある。

しかしながら、前述の方法は製造工程が複雑であった。また例えば、前述の配向方法においては、配向にラビングのステップが二つ必要となり、画素電極を二つの部分に分けるために複数の工程ステップが必要となり、工程の困難度も高かった。最近、ＯＣＢ（optically compensated bend）液晶分子の使用による、従来のねじれネマティック液晶分子を代替する液晶表示装置が形成されている。液晶分子の光学補償は、液晶分子の複屈折を補償して広視野角を得ることができるため、様々な方向の配向工程を行う必要がない。

しかし、ＯＣＢ液晶表示装置では、外部電場がないときは液晶分子が斜めとなり、外部の高電圧があるときは、液晶分子が曲がる。そのため、ＯＣＢ液晶表示装置を使用する場合、はじめに斜めモードだったものを外部の高電圧により曲げモードに変更する必要があった。しかし、このステップは、時間がかかるため、高速反応を達成することができなかった。

つまり、問題は液晶分子自体の性質にあり、液晶分子をスイッチとして使用して光の透過を制御する場合、上述の問題を避けることは難しかった。

本発明の第１の目的は、透過型表示ユニットとして使用し、従来の液晶分子を代替して、平面型表示装置を透過する光を制御するスイッチにすることができる微小電気機械システム（micro electro mechanical system：ＭＥＭＳ）を提供することにある。

本発明の第２の目的は、透過型表示ユニットとして使用し、バックライト光源の前に設置して、光の透過およびその透過量を制御し、更には様々な透過型表示ユニットを制御してグレースケールを発生させる微小電気機械システムを提供することにある。

本発明の第３の目的は、反射型表示ユニットとして使用し、反射素子の前に設置して反射素子を遮蔽し、入射光の反射と反射された入射光の量とを制御し、更には様々な反射型表示ユニットを制御してグレースケールを発生させる微小電気機械システムを提供することにある。

本発明の第４の目的は、反射型表示ユニットとして使用し、光反射膜あるいは光吸収膜として使用して入射光の反射を制御する微小電気機械システムを提供することにある。

上述の目的を達成するために、本発明は透過型表示ユニットとして使用する微小電気機械システムを提供する。微小電気機械システムは上部電極および下部電極を備え、上部電極は遮蔽電極であり、下部電極は制御電極である。上部電極および下部電極は、透明基板上に設けられる。上部電極は異なる応力を有する二種類の材料からなる。その材料の一方は遮蔽電極として使用される低応力構造であり、他方は低応力構造の一側に接続された高応力構造である。高応力構造は、実質的な軸または仮想的な軸に沿って低応力構造を回転させる。そのため、これはその下方にある光源にレベルの異なる遮蔽効果を発生させる。下部電極は、高（低）応力構造の下方に位置する。異なる電圧を下部電極へ印加すると、高応力構造は様々に変形して、低応力構造を駆動して回転させ、様々なレベルの遮蔽効果を得ることができる。一般に、下部電極の材料は、金属、シリサイド、ドープトポリシリコンおよび金属酸化物などの導体または半導体材料か、インジウムスズ酸化物、酸化インジウムおよび酸化錫などの透明導電性材料である。上部電極の高応力構造は、例えばクロム、クロム合金、ニッケル、チタン或いはそれらの組み合わせからなる。上部電極の低応力構造は、銀、アルミニウム、銅、モリブデン、シリコン或いはそれらの組み合わせからなる金属または半導体金属である。光吸収材料は、低応力材料の低面上に形成することもできる。低応力材料が光源を遮蔽するとき、光吸収材料は光を吸収して漏光を減少させる。この光吸収材料は、例えば、黒色樹脂、クロム或いは酸化クロムなどといった低反射率の金属または金属酸化物である。

下部電極に印加されていた電圧が除かれると、高応力構造が曲げ状態に回復して低応力構造が起き上がるため、その下にある光源が完全に透過される。本発明が提供する透過型表示ユニットは、従来の液晶分子のように偏光の使用に制限されないため、視野角は制限されない。また、本発明は従来の液晶分子と異なり、液晶分子の上下に設けられた二つの偏光子から発生される偏光を使用する必要がないため、偏光子は上方或いは下方に設置する必要がなく、光の使用効率を大幅に向上することができる。

高応力構造の位置を使用してグレースケールの変化を制御して白黒平面型表示装置を製作することができる以外に、カラーフィルタを光源と透過型表示ユニットとの間に設けるか、透過型表示ユニットの上方に設けて平面型マルチカラー表示装置を製作することもできる。

上述したことから分かるように、本発明が提供する透過型表示ユニットは、従来の液晶表示装置において発生していた視野角が制限される問題を解決し、高い輝度を提供することができる。また、本発明が提供する透過型表示ユニットは、従来の液晶分子を代替して白黒またはカラーの平面型表示装置を製作することもできる。

上述の目的を達成するために、本発明は反射型表示ユニットとして使用する微小電気機械システムを提供する。微小電気機械システムは上部電極および下部電極を備え、上部電極は遮蔽電極であり、下部電極は制御電極である。上部電極および下部電極は基板上に設けられる。基板は、例えば透明基板、光吸収基板あるいは光反射基板であり、一般には透明基板がよく使用される。上部電極は、撓み部および遮蔽部を備える。これら撓み部および遮蔽部は、例えば、異なる応力を有する二つの構造をなすような異なった材料か、同じ材料から形成される。もし異なる応力を有する二つの構造から形成される場合、その一方は低応力構造であり、他方は低応力構造の一側に接続された高応力構造である。高応力構造は、実質的な軸または仮想的な軸に沿って低応力構造を回転させて、光反射層の下方にレベルの異なる遮蔽効果を発生させる。もし同じ材料で形成する場合には、高応力材料を使用する。下部電極は、高（低）応力構造の下方に設けられる。異なる電圧を下部電極へ印加すると、高応力構造は様々に変形して、低応力構造を駆動して回転させ、様々なレベルの遮蔽効果を発生させる。一般に、下部電極の材料は、金属、シリサイド、ドープトポリシリコンまたは金属酸化物などの導体或いは半導体材料か、インジウムスズ酸化物、酸化インジウムまたは酸化錫などの透明導電性材料である。上部電極の高応力構造は、例えばクロム、クロム合金、ニッケル、チタン或いはそれらの組み合わせからなる。上部電極の低応力構造は、銀、アルミニウム、銅、モリブデン、シリコン或いはそれらの組み合わせからなる金属または半導体材料である。光吸収材料は、低応力材料の表面上に形成することもできる。低応力材料が光反射層を遮蔽するとき、光吸収材料は光を吸収して漏光を減少させることができる。光吸収材料は、例えば黒色樹脂やクロムおよび酸化クロムなどといった低反射率の金属又は金属酸化物である。

下部電極に印加されている電圧が除かれると、高応力構造が曲げ状態に回復して低応力構造が起き上がり、その下方にある光反射層が入射光を反射する。

高応力構造の位置を利用することによりグレースケールの変化を制御して白黒平面型表示装置を製作する以外に、カラーフィルタを光源と反射型表示ユニットとの間に設けるか、反射型表示ユニットの上方に設けてカラー平面型表示装置を製作することもできる。

光反射層の形成には、光反射層を利用する以外に上部電極を利用してもよい。微小電気機械システムは、光吸収層上に形成される。上部電極の低応力構造の表面は、反射面が形成される。電圧が印加されると、高応力構造が変形して、低応力構造を駆動して回転させ、光吸収層を低応力構造で遮蔽する。入射光は、低応力構造の金属か、上部面上に形成された付加の光反射層により反射される。下部電極に印加されていた電圧が除かれると、高応力構造が曲げ状態に回復して低応力構造が起き上がるため、その下にある光吸収層が入射光を吸収する。低応力構造の下表面上には光吸収材料を更に形成してもよい。低応力構造が起き上がると、光吸収材料は光を吸収して、背面反射による漏光の効果が低下する。光吸収材料は、光吸収層の材料と同様或いは異なってもよい。光吸収材料は、樹脂、低反射率を有する金属または低反射率を有する金属酸化物である。

透明基板の下方に光反射層または光吸収層を設置する理由は、透明基板が有する可視光線を反射および吸収する能力が弱いためである。従って、光反射層／透明基板または光吸収層／透明基板の構造を、光反射型基板または光吸収型基板により代替することにより、反射型表示ユニットの組み合わせ構造を単純化することができる。

本発明が提供する反射型表示ユニットは、従来の液晶分子のように偏光の使用に限定するわけではないので、視野角が制限されない。また、本発明が提供する従来の液晶分子と異なり、液晶分子の上下にある二つの偏光子から発生される偏光を使用する必要がないため、偏光子は上方あるいは下方に設置することが必要なく、光の使用効率は大幅に向上する。

本発明が提供する微小電気機械システムの表示ユニットを明確にするため、本発明の透過型表示ユニットの構造を以下の好適な実施形態において詳しく説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の一実施形態による微小電気機械システムの表示ユニットを示す斜視図である。微小電気機械システム１００の表示ユニットは、上部電極１０２および下部電極１０４を有し、上部電極１０２および下部電極１０４は透明基板（図示せず）上に設けられる。上部電極１０２は、異なる応力を有する二種類の材料からなる。その一方は遮蔽性電極として使用される低応力構造１０６であり、他方は低応力構造１０６の一側に接続された高応力構造１０８である。高応力構造１０８は、実質的な軸または仮想的な軸（図示せず）に沿って低応力構造１０６を回転させる。これは下部電極１０４の下方にある光源（図示せず）にレベルの異なる遮蔽効果を発生させる。下部電極１０４は、高応力構造１０８の下方に位置する。異なる電圧を下部電極１０４へ印加すると、高応力構造１０８は様々に変形して、低応力構造１０６を駆動して回転させ、レベルの異なる遮蔽効果を発生させる。点線は、下部電極１０４へ電圧が印加された後の上部電極１０２の位置を示す。

（第２実施形態）
図２は、本発明の一実施形態による微小電気機械システムの表示ユニットを示す断面図である。下部電極１０４は、透明基板１１０上に位置する。誘電体層１１２は、下部電極１０４と透明基板１１０との間に位置する。誘電体層１１４は、絶縁層として下部電極１０４上に位置する。光透過領域１１６は、下部電極１０４の左側に位置する。透過型表示ユニットに使用された場合、透明基板１１０の下方に設置された光源（図示せず）からの光が、この領域を透過してビューアは見ることができる。

上部電極１０２は誘電体層１１４上に位置する。上部電極１０２は、低応力構造１０６および高応力構造１０８を有し、高応力構造１０８は低応力構造１０６の一側に接続される。高応力構造１０８は下部電極１０４の上方に位置し、低応力構造１０６は光透過領域１１６の上方に位置する。

下部電極１０４に電圧が印加されないとき、高応力により高応力構造１０８は曲がり、低応力構造１０６は高応力構造１０８により起き上がる。電圧が下部電極１０４および上部電極１０２に印加されると、下部電極１０４の引力により高応力構造１０８は下方に回転し、低応力構造１０６を矢印１２２に示す方向に駆動して回転させる。下部電極１０４および上部電極１０２に印加する電圧により、上部電極１０２の変位置を制御するが、これは下部電極１０４の下方に位置する光源（図示せず）にレベルの異なる遮蔽効果を発生させる。例えば、上部電極１０２が図２の実線で示す場所に位置するとき、低応力構造１０６は光透過領域１１６を僅かに遮蔽して、距離Ｄを有する開口を形成する。また、上部電極１０２が、図２の点線で示される場所に設けられると、低応力構造１０６は光透過領域１１６の一部を遮蔽して、距離ｄを有する開口を形成する。上部電極１０２が、図２の点線１２０で示す場所に位置するとき、低応力構造１０６は光透過領域１１６を完全に遮蔽して、下部電極１０４の下方にある光は光透過領域１１６を透過することができない。開口のサイズは、下部電極１０４および上部電極１０２に印加する電圧により制御することができる。また、光透過領域１１６を透過する光量が制御されることによりグレースケールが形成される。

下部電極１０４は制御電極であり、下部電極１０４の材料は、金属、シリサイド、ドープトポリシリコンおよび金属酸化物などの導電性材料か、インジウムスズ酸化物、酸化インジウムおよび酸化錫などの透明導電性材料である。下部電極１０４が金属、シリサイドあるいはドープトポリシリコンからなる場合、それらの材料は不透明であるため、下部電極１０４が遮蔽層として使用されて漏光を防ぐことができるという付加された長所を備えることができる。

（第３実施形態）
図３は、本発明の透過型表示ユニットをマルチカラー平面型表示装置に応用した状態を示す模式図である。透過型表示ユニットを有する透明基板１１０を、バックライト光源１３０とカラーフィルタ１４０との間に設置する。透過型表示ユニットを有する透明基板１１０は、従来の液晶分子を代替して平面型表示装置を透過する光を制御するスイッチにすることができる。図４は、本発明が開示する透過型表示ユニットをマルチカラー平面型表示装置に応用した状態のもう一つの実施形態を示す模式図である。カラーフィルタ１４０は、透過型表示ユニットを有する透明基板１１０とバックライト光源１３０との間に設置される。透過型表示ユニットを有する透明基板１１０は、依然として従来の液晶分子を代替して平面型表示装置を透過する光を制御するスイッチにすることができる。透過型表示ユニットを有する透明基板１１０の上方あるいは下方に偏光子を追加する必要はない。これは実質的にバックライト光源１３０の光利用率を高めることができる。また、光は全方位に透過するため、バックライト光源１３０の反対側にいるビューアが見る視野角は制限されない。

（第４実施形態）
図５は、本発明の一実施形態による反射型表示ユニットを示す断面図である。微小電気機械システム１００の表示ユニットを有する透明基板１１０は、光反射板１５０上に設置される。微小電気機械システム１００の表示ユニットを有する透明基板１１０は、従来の液晶分子を代替して平面型表示装置を透過する光を制御するスイッチにすることができる。下部電極１０４および上部電極１０２に電圧が印加されていないとき、高応力構造１０８は曲がり、低応力構造１０６は高応力構造１０８により起き上がる。入射光１６０は、光反射板１５０により反射される。電圧が下部電極１０４および上部電極１０２に印加されると、下部電極１０４の引力により高応力構造１０８は下方に回転し、低応力構造１０６を駆動して下方に位置する光反射板１５０を遮蔽する。低応力構造１０６は更に光吸収膜（図示せず）を備えて入射光を吸収するため、ビューアからは光が見えない。

透明基板１１０および光反射板１５０の構造は、光反射基板（図示せず）により代替することができる。

（第５実施形態）
図６は、本発明による反射型表示ユニットのもう一つの実施形態を示す断面図である。微小電気機械システム１００の表示ユニットを有する透明基板１１０は、光吸収板１７０上に設置される。微小電気機械システム１００の表示ユニットを有する透明基板１１０は、従来の液晶分子を代替して平面型表示装置を透過する光を制御するスイッチにすることができる。下部電極１０４および上部電極１０２に電圧が印加されていないとき、高応力構造１０８は曲がり、低応力構造１０６は高応力構造１０８により起き上がる。入射光１６０が光吸収板１７０により吸収されるため、ビューアからは光が見えない。電圧が下部電極１０４および上部電極１０２に印加されると、下部電極１０４の引力により高応力構造１０８は下方に回転し、低応力構造１０６を駆動して下方に位置する光吸収板１７０を遮蔽する。低応力構造１０６は更に光反射膜（図示せず）を備えて入射光を反射するため、ビューアから光が見える。

透明基板１１０および光吸収板１７０の構造は、光吸収基板（図示せず）により代替することができる。

同様に、第４実施形態および第５実施形態における反射型表示ユニットは、カラーフィルタと結合してカラー平面型表示装置を形成することもできる。反射型表示ユニット１００を有する透明基板１１０は、従来の液晶分子を代替して平面型表示装置を透過する光を制御するスイッチにすることができる。また、反射型表示ユニットを有する透明基板１１０の上方あるいは下方に偏光子を追加する必要はない。これは実質的に入射光の光利用率を高めることができる。また、光が全方位に透過するため、ビューアが見る視野角は制限されない。

本発明では好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではなく、当該技術に熟知するものなら誰でも、本発明の主旨と領域を脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って本発明の保護の範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

本発明の一実施形態による微小電気機械システムの表示ユニットを示す斜視図である。 本発明の一実施形態による微小電気機械システムの表示ユニットを示す断面図である。 本実施形態の透過型表示ユニットをマルチカラー平面型表示装置に応用した状態を示す模式図である。 本実施形態の透過型表示ユニットをマルチカラー平面型表示装置に応用した状態を示す模式図である。 本発明の一実施形態による反射型表示ユニットを示す断面図である。 本発明の一実施形態による反射型表示ユニットを示す断面図である。

符号の説明

１００…微小電気機械システム、１０２…上部電極、１０４…下部電極、１０６…低応力構造、１０８…高応力構造、１１０…透明基板、１１２・１１４…誘電体層、１１６…光透過領域、１１８・１２０…点線、１２２…矢印、１３０…バックライト光源、１４０…カラーフィルタ、１５０…光反射板、１６０…入射光、１７０…光吸収板。

Claims (20)

1. 撓み部および前記撓み部の少なくとも一側に接続された遮蔽部を有する上部電極と、
   前記撓み部の下方に設けられた下部電極とを備えて基板上に設けられた微小電気機械システムの表示ユニットであって、
   前記撓み部は、電圧が印加された前記下部電極へ吸引されて変形されることにより、前記上部電極の位置が変化することを特徴とする微小電気機械システムの表示ユニット。
2. 前記撓み部は、高応力材料からなることを特徴とする請求項１記載の微小電気機械システムの表示ユニット。
3. 前記撓み部は、前記遮蔽部と同じ材料からなることを特徴とする請求項２記載の微小電気機械システムの表示ユニット。
4. 前記撓み部は、前記遮蔽部と異なる材料からなることを特徴とする請求項２記載の微小電気機械システムの表示ユニット。
5. 前記遮蔽部は、低応力材料からなることを特徴とする請求項２記載の微小電気機械システムの表示ユニット。
6. 前記上部電極と前記下部電極との間に設けられて、前記上部電極と前記下部電極とを絶縁する誘電体層を備えることを特徴とする請求項１記載の微小電気機械システムの表示ユニット。
7. 前記基板は、透明基板であることを特徴とする請求項１記載の微小電気機械システムの表示ユニット。
8. 前記透明基板の下方にバックライト光源を備えることを特徴とする請求項７記載の微小電気機械システムの表示ユニット。
9. 前記透明基板の下方に光反射板を備えることを特徴とする請求項７記載の微小電気機械システムの表示ユニット。
10. 前記透明基板の下方に光吸収板を備えることを特徴とする請求項７記載の微小電気機械システムの表示ユニット。
11. 前記下部電極の材料は、金属、シリサイド、ドープトポリシリコンおよび金属酸化物からなるグループから選択することを特徴とする請求項１記載の微小電気機械システムの表示ユニット。
12. 前記金属酸化物は、インジウムスズ酸化物、酸化インジウムおよび酸化錫からなるグループから選択することを特徴とする請求項１１記載の微小電気機械システムの表示ユニット。
13. 前記高応力材料は、クロム、ニッケル、モリブデンおよびチタンからなるグループから選択することを特徴とする請求項２記載の微小電気機械システムの表示ユニット。
14. 前記低応力材料は、銀、アルミニウム、銅、モリブデンおよびシリコンからなるグループから選択することを特徴とする請求項５記載の微小電気機械システムの表示ユニット。
15. 前記上部電極の下面上に形成された光吸収材料を備えることを特徴とする請求項１記載の微小電気機械システムの表示ユニット。
16. 前記光吸収材料は、樹脂、低反射率を有する金属または低反射率を有する金属酸化物であることを特徴とする請求項１５記載の微小電気機械システムの表示ユニット。
17. 前記基板は、光吸収基板であることを特徴とする請求項１記載の微小電気機械システムの表示ユニット。
18. 前記上部電極の表面上に光反射層が設けられることを特徴とする請求項９または請求項１７記載の微小電気機械システムの表示ユニット。
19. 前記基板は、光反射基板であることを特徴とする請求項１記載の微小電気機械システムの表示ユニット。
20. 前記上部電極の表面上に光吸収層が設けられることを特徴とする請求項１０または請求項１９記載の微小電気機械システムの表示ユニット。

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