JP2006201300A - 表示素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 液晶マイクロレンズを用いた表示素子を提供する。
【解決手段】 本発明の表示素子１００は、表示媒体層１と、表示媒体層１の観察者側に配置された第１基板２と、表示媒体層１を介して第１基板２に対向するように配置された第２基板３とを含んでいる。本発明の表示素子１００は複数の絵素をさらに含む。絵素は、表示媒体層１に電圧を印加するための複数の電極５ａ、５ｂと、第２基板３の表示媒体層１側に形成された光吸収層６および光拡散層７とを有している。表示媒体層１に印加する電圧に応じて、第１基板２側から入射する光を光吸収層６に集光して黒表示が行われる状態と、第１基板２側から入射する光を光拡散層７に集光して白表示が行われる状態とに切り替えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶マイクロレンズを備えた表示素子に関する。

液晶は物理的異方性と流動性とを兼ね備えているため、外部から電界や磁界などの刺激を加えることによって液晶分子の配向は容易に変化する。したがって、液晶材料に印加する電圧に応じて液晶層の屈折率を変えることができる。

このような液晶の性質を利用したものとして液晶レンズが知られている。液晶レンズを用いれば、例えば、液晶材料に印加する電圧をＯＦＦからＯＮに切り替えることによってレンズ機能を発現させることができるので、レンズの焦点距離などを電気的に変えることが可能である。

特許文献１には、電極のそれぞれにホール部が形成されたホール電極を有する液晶マイクロレンズが開示されている。以下、特許文献１の図１および図２を用いて、この液晶レンズの動作原理を説明する。

特許文献１の図１（ａ）および図１（ｂ）に示されているように、ホール電極は、液晶層を介して互いに対向するように配置された基板のそれぞれに、互いに対向するように配置されている。ホール電極間に電圧を印加すると、ホール部の中心を通過する光軸に対してほぼ対称に不均一電界が発生する。ホール部に挟まれた液晶分子は、この不均一電界に沿って配向するため、液晶分子の立ち上がり角度（傾き）は、ホール部の中心から周囲に向かって連続的に変化する（図１（ｃ）を参照）。その結果、屈折率が凸レンズ状に連続的に変化する屈折率分布を生じ、レンズ効果（集光効果）が発現される（図２（ｂ）を参照）。

一方、電圧を印加しないときは、図２（ａ）に示すように液晶層の屈折率は一定であり、レンズ効果は得られない。液晶分子としては、例えば、ネマチック液晶や紫外線硬化型液晶（ＵＶキュアラブル液晶）が用いられる。

特許文献１に記載された液晶マイクロレンズによれば、電圧に応じて、光軸に平行な方向にレンズの焦点距離を変えることはできるが、光軸に直交する面内で入射した光束の焦点位置を変えることはできない。

一方、特許文献２には、特許文献１に記載されたホール電極を複数の領域に分割した分割電極が開示されている。具体的には、特許文献２の図２および図６には、それぞれ、ホール部に連結されたスリットによってホール電極を２つの領域および４つの領域に分割した電極が示されている。特許文献２によれば、レンズの焦点距離を変えることができるだけでなく、入射した光束の焦点位置を変えることもできる。

以下、特許文献２の図３（ａ）から（ｃ）を参照しながら、この液晶レンズの動作原理を説明する。ここでは、ホール電極を２つの領域に分割した電極を用い、液晶材料としてネマチック液晶を用いている。

まず、電極間に電圧を印加しない状態では、特許文献２の図３（ａ）に示されているように、液晶層に存在するすべての液晶分子は、基板に平行に配列したままであり、屈折率は一定である。そのため、屈折率分布は生じず、レンズ効果は得られない。この状態は、前述した特許文献１の図２（ａ）と同じである。

これに対し、ホール電極を構成する２つの領域に同じ電圧を印加した状態では、特許文献２の図３（ｂ）に示されているように、ホール部に挟まれた液晶層の屈折率はホール部の中心から周囲に向かって連続的に変化し、レンズ効果（集光効果）が得られる。この状態は、前述した特許文献１の図２（ｂ）と同じであり、屈折率分布の中心はホール部の中心に存在する。

一方、ホール電極を構成する２つの領域のそれぞれに異なる電圧を印加した状態では、屈折率分布の中心は、ホール部の中心から、低い電圧が印加された領域側へずれてしまう（特許文献２の図３（ｃ）を参照）。これは、電圧の大きさに応じて液晶分子の立ち上がり角度が変化して屈折率の差が生じるためであり、ホール部に挟まれた液晶分子の立ち上がり角度は、低い電圧が印加された領域側よりも高い電圧が印加された領域側で大きくなる。したがって、ホール電極を分割した分割電極を用いれば、光軸に直交する面内で焦点位置を変えることができる。
特開平１０―２３９６７６号公報 特開平１１−１０９３０４号公報 特開２００１−１９４６３６号公報

前述したように、特許文献２には、光束の焦点位置を変えることが可能な液晶レンズは開示されているが、液晶レンズを利用した液晶表示素子は開示されていない。

本発明の目的は、液晶レンズを利用した新規な表示素子を提供することにある。

本発明の表示素子は、表示媒体層と、前記表示媒体層の観察者側に配置された第１基板と、前記表示媒体層を介して前記第１基板に対向するように配置された第２基板と、複数の絵素とを含む表示素子であって、前記絵素は、前記表示媒体層に電圧を印加するための複数の電極と、前記第２基板の前記表示媒体層側に形成された光吸収層および光拡散層とを有し、前記表示媒体層に印加する電圧に応じて、前記第１基板側から入射する光を前記光吸収層に集光して黒表示が行われる状態と、前記第１基板側から入射する光を前記光拡散層に集光して白表示が行われる状態とに切り替えることができることを特徴としている。

ある好ましい実施形態では、前記絵素中に占める前記光拡散層と前記光吸収層との面積比率は約１：１である。

ある好ましい実施形態では、前記光拡散層の表面は凹凸を有している。

ある好ましい実施形態では、前記絵素は、前記第１基板の前記表示媒体層側に設けられた対向電極と、前記第２基板の前記表示媒体層側に設けられた絵素電極とを含み、前記対向電極および前記絵素電極は、それぞれ、電気的に互いに独立な複数のサブ対向電極および複数のサブ絵素電極をさらに含む。

ある好ましい実施形態では、前記対向電極および前記絵素電極は、それぞれ、第１ホール部および第２ホール部を有し、且つ、前記第２ホール部に連結されたスリットによって前記複数のサブ対向電極および前記複数のサブ絵素電極に分割されている。

ある好ましい実施形態では、前記第１ホール部および第２ホール部は、それぞれ、３０μｍ以上５００μｍ以下の直径を有している。

ある好ましい実施形態では、前記絵素電極は金属から構成されている。

ある好ましい実施形態では、前記表示媒体層は液晶層である。

本発明の電子機器は、上記のいずれかに記載の表示素子を備えている。

本発明の表示素子は液晶レンズを利用し、光吸収層および光拡散層を用いて黒表示および白表示を行うことができる。本発明によれば、偏光板を設ける必要がないため、光の利用効率が高く、表示のコントラスト比が大きい表示素子を提供することができる。さらに本発明の表示素子は、テレビやゲーム等に用いられているアクティブマトリクス液晶表示素子と同等もしくはそれ以上の応答速度を実現することができる。

本発明の表示素子は、反射型表示装置に好適に用いられるが、透過型表示装置に適用することも可能である。

本発明の表示素子は液晶レンズを利用し、電圧に応じて、黒表示が行われる状態と白表示が行われる状態とに切り替えている。詳細には、基板から入射する光を光吸収層に集光させることによって黒表示を行う状態と、基板から入射する光を光拡散層に集光させることによって白表示を行う状態とを実現している。

以下、図１から図３を参照しながら、本発明による表示素子の実施形態を説明する。以下では、反射型表示装置について本実施形態を説明する。本実施形態では、基板から入射する光を光吸収層に集光させて集光スポットを形成することによって黒表示を行い、基板から入射する光を光吸収層および光拡散層に入射させることによって白表示を行なっている。ここでは、特許文献２に記載された分割電極であって、ホール電極を２つの領域に分割した電極を用いることによってレンズ作用を発現している。

まず、図１、図２（ａ）および図２（ｂ）を用いて、本実施形態による表示素子の構成を説明する。

図１は、本実施形態の表示素子における一画素の模式的な断面図である。本実施形態の液晶表示素子１００は、液晶層１と、液晶層１の観察者側に配置された第１基板２と、液晶層１を介して第１基板２に対向するように配置された第２基板３とを備えている。

第１基板２の観察者側にはカラーフィルタ９が形成されている。カラーフィルタ９は、赤（Ｒ）カラーフィルタ、緑（Ｇ）カラーフィルタ、および青（Ｂ）カラーフィルタを含み、これらはストライプ状に配列されている。

本実施形態の表示素子１００は、複数の絵素４をさらに含んでいる。図１に示すように、絵素４は、カラーフィルタ９のそれぞれに対応して、Ｒで表される絵素４ａ、Ｇで表される絵素４ｂ、およびＢで表される絵素４ｃを含み、これら３つの絵素によって１画素が構成される。

絵素４ａ、４ｂ、および４ｃは、それぞれ、液晶層１に電圧を印加するための一対の電極５ａ、５ｂと、液晶層１の液晶分子を配向させる配向膜８ａ、８ｂとを含んでいる。電極５ａ（対向電極）は、第１基板２の液晶層１側の表面に設けられ、電極５ｂ（絵素電極）は、第２基板３の液晶層１側の表面に設けられている。本実施形態では、電極５ａは対向電極として作用し、電極５ｂは絵素電極として作用する。ここでは、液晶材料としてネマチック液晶を使用している。偏光板は設けていない。

図２（ａ）は対向電極５ａの上面図であり、図２（ｂ）は絵素電極５ｂの上面図である。

図２（ａ）および（ｂ）に示すように、対向電極５ａおよび絵素電極５ｂは、それぞれ、レンズ部分となる領域に、液晶層１を介して互いに対向するように第１ホール部１１および第２ホール部１２を有している。第１ホール部１１および第２ホール部１２の形状や大きさは、電圧を印加してから液晶分子が立ち上がってレンズ作用を発揮するまでの応答時間が短くなるよう、液晶層１の厚さや液晶材料などとの関係で適切に制御されていることが好ましい。例えば、第１ホール部１１および第２ホール部１２の形状がほぼ円形の場合、第１ホール部１１および第２ホール部１２は、それぞれ、３０μｍ以上５００μｍ以下の直径を有していることが好ましく、５０μｍ以上９０μｍ以下の直径を有していることがより好ましい。

対向電極５ａは、第１ホール部１１に連結されたスリットによって４つのサブ対向電極５ａ１から５ａ４に分割されている（図２（ａ）を参照）。同様に、絵素電極５ｂは、第２ホール部１２に連結されたスリットによって４つのサブ絵素電極５ｂ１から５ｂ４に分割されている（図２（ｂ）を参照）。

サブ対向電極５ａ１から５ａ４とサブ絵素電極５ｂ１から５ｂ４とは、それぞれ、液晶層１を介して互いに対向するように配置されており、いずれも、電気的に互いに独立である。したがって、互いに対向するように配置されたサブ対向電極とサブ絵素電極との間に、それぞれ、異なる電圧を印加することができる。特許文献３に詳述されているように、サブ対向電極とサブ絵素電極との間に印加される電圧を等しくすると、屈折率分布の中心はホール部の中心と一致するが、サブ対向電極とサブ絵素電極との間に印加される電圧の大きさを変えると、屈折率分布の中心は、ホール部の中心から、低い電圧が印加された方へ移動する。その結果、光軸に直交する面内で光束の焦点位置を変えることができる。

本実施形態では、サブ対向電極５ａ１とサブ画素電極５ｂ１との間、およびサブ対向電極５ａ２とサブ画素電極５ｂ２との間に印加する電圧を、サブ対向電極５ａ３とサブ画素電極５ｂ３との間、およびサブ対向電極５ａ４とサブ画素電極５ｂ４との間に印加する電圧よりも小さくすることにより、光吸収層６（低い電圧が印加される領域）に光の収束点を形成することができる。これとは逆に、サブ対向電極５ａ１とサブ画素電極５ｂ１との間、およびサブ対向電極５ａ２とサブ画素電極５ｂ２との間に印加する電圧を、サブ対向電極５ａ３とサブ画素電極５ｂ３との間、およびサブ対向電極５ａ４とサブ画素電極５ｂ４との間に印加する電圧よりも大きくすると、光拡散層７（低い電圧が印加される領域）に光の収束点を形成することができる。

なお、本実施形態では、ホール電極を４つの領域に分割した分割電極を用いてレンズ作用を発現しているが、これに限定されず、例えば、２つの領域に分割した分割電極を用いてもよい。

また、本実施形態では、所望のレンズ作用を発現するため、平行度が高い（指向性が強い）光を第１基板２に入射させることが好ましい。このため、例えば、第１基板２の観察者側にフロントライトなどの照明装置を配置することが望ましい。

本実施形態では、対向電極５ａをＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）から形成し、絵素電極５ｂを金属層を用いて形成するとともに、絵素電極５ｂの表面を以下のように構成することにより、黒表示が行われる光吸収層と白表示が行われる光拡散層とを形成している。絵素電極５ｂは、反射電極として機能する。参考のため、図１には、液晶層１に印加する電圧に応じて、第１基板２側から入射する光の収束点（焦点）を光吸収層６に形成して黒表示が行われる状態と、第１基板２側から入射する光の収束点を光拡散層７に形成して白表示が行われる状態とを示している。

まず、光拡散層７に対応する絵素電極５ｂの表面（本実施形態では、サブ絵素電極５ｂ３、５ｂ４の表面）は凹凸を有していることが好ましい。具体的には、絵素電極５ｂの液晶層１側の表面に微細な凸部および／または凹部を設けることが好ましい。これにより、第１基板２側から光拡散層７に入射した光は拡散反射し、白色として認識される。

一方、光吸収層６に対応する絵素電極５ｂの表面（本実施形態では、サブ絵素電極５ｂ１、５ｂ２の表面）は着色粒子を含んでいることが好ましい。具体的には、絵素電極５ｂの液晶層１側の表面は、可視光域の全域で光を吸収するもの（黒）で被覆されているか、可視光域の一部の光を吸収するもの（他の色）で被覆されていることが好ましい。黒色粒子としては、例えば、カーボンブラック系黒色材料を含む黒色樹脂などが挙げられる。

以下、図３（ａ）および（ｂ）を用いて、本実施形態による表示素子の動作原理をくわしく説明する。

図３（ａ）および（ｂ）は、いずれも、図１に示す表示素子において、第１基板側から第２基板側に入射した光の光路を模式的に示す図である。詳細には、図３（ａ）は、光拡散層に光の収束点が形成されて白表示が行われる状態を示す図であり、図３（ｂ）は、光吸収層に光の収束点が形成されて黒表示が行われる状態を示す図である。

まず、図３（ａ）を参照する。図３（ａ）では、第１基板側から入射した光は光拡散層７に入射し、収束点が形成されるように電圧を印加している。光拡散層７に入射した光は、メタル電極の表面に形成された凹凸によって反射し、カラーフィルタ９（図１を参照）を通して白表示が行われる。本実施形態では偏光板を設けていないため、より明るい白を表示できる。

次に、図３（ｂ）を参照する。図３（ｂ）では、第１基板側から入射した光は、光吸収層６に光の収束点が形成されるように電圧を印加している。光吸収層６に光の収束点が形成されたときは光吸収層７の色（例えば、黒色）を直接見ることになり、偏光板の吸収を利用して黒を表示する場合に比べて、非常に高品位の黒表示が得られる。

図３（ｂ）において、第１基板から入射した光は、光吸収層６または光拡散層７に収束点を形成する必要は必ずしもなく、集光スポットを形成してもよい。集光スポットを形成することによっても、黒または白を良好に表示できるからである。ここで、「集光スポット」は、絵素面における光の断面プロファイルに対応し、収束点（光束の断面積が最小になる点）と一致することを要しない。

ここで、光吸収層６と光拡散層７との面積比率は、図１に示すように、約１：１となるように配置されていることが好ましい。このように光吸収層６と光拡散層７を配置すると、電圧を印加しやすく、表示のコントラスト比を最大限に高めることができる。光吸収層６と光拡散層７は、上記の面積比率を満足する限り、図１に示す配置に限定されない。例えば、図１において、光吸収層６と光拡散層７の配置を逆にしてもよい。

図１において、光吸収層６および光拡散層７は、いずれも、第２基板３の表示媒体層１側であって、同一面内に配置されているが、これに限定されない。例えば、第２基板３の表示媒体層１側の全面に光拡散層７が形成されており、光拡散層７の表示媒体層１側の一部に光吸収層６が重畳するように形成されていてもよい。この場合であっても、光拡散層７に対する光吸収層６の面積比率は、上記の好ましい態様を満足することが望まれる。

なお、本実施形態では、カラーフィルタ９を備えた並置加法混色を例示したが、これに限定されず、時間的な混色を利用してもよい。また、本実施形態の表示素子は、カラーフィルタ９を備えたカラー表示素子であるが、白黒表示素子であってもよい。白黒表示素子は、基本的には図１に示す構成と同様の構成を有するが、カラーフィルタ９を有していない点で異なる。

なお、本実施形態の表示素子は、カラーフィルタ９を備えたカラー表示素子であるが、白黒表示素子であってもよい。白黒表示素子は、基本的には図１に示す構成と同様の構成を有するが、カラーフィルタ９を有していない点で異なる。

上記では、反射型液晶装置を代表例として示したが、これに限定されず、本発明の表示素子を透過型液晶表示装置に適用することもできる。透過型液晶表示装置では、照明装置から出射した光を表示媒体層の照明装置側に配置された基板に入射させ、前述したレンズ作用により、表示媒体層を介して上記基板と対向するように配置された基板に形成された光吸収層および光拡散層を用いて黒表示および白表示を行うことができる。照明装置としては、光源としてＬＥＤを用いたバックライト装置が代表的に例示される。また、ＬＥＤに代えて、例えば蛍光管などを用いても良い。所望のレンズ作用を発現するためには、基板に入射される光の平行度が高い照明装置を用いることが望ましい。

本発明の表示素子を透過型液晶表示装置に適用する場合であっても、以下の点を除き、前述した図１と同じ表示素子が用いられる。

ここで、再び、図１を参照する。図１の表示素子は、観察者側から見て、第１基板２、液晶層１、および第２基板３がこの順序で配置されている（したがって、図1の上面は観察者側に対応する。）。一方、図１の表示素子を透過型液晶表示装置に適用する場合は、照明装置側から見て、第１基板２、液晶層１、および第２基板３がこの順序で配置される（この場合、図1の下面が観察者側に対応する。）ように構成される。さらに、カラーフィルタ９は第１基板２の観察者側ではなく第２基板３の観察者側に配置され、且つ、第２基板３に設けられた電極５ｂは透明電極とする。

したがって、図１の表示素子を透過型液晶表示装置に適用した場合、照明装置から出射した光を光吸収層６に集光させて黒表示を行う状態と、照明装置から出射した光を光拡散層７に集光させて白表示を行う状態とに切り替えることができる。ここで、光吸収層６と光拡散層７との面積比率は約１：１であることが好ましい。

本実施形態では、液晶材料として、誘電異方性が正のネマチック液晶を用いているが、これに限定されず、電傾効果を示すスメクティック液晶や、コレステリック液晶を用いてもよい。

また、表示媒体層に用いられる材料として、液晶材料のほかに、透明な固体や液体であって電場を加えたときに屈折率が変化する屈折率可変材料を用いてもよい。材料として、例えば、屈折率が電場の強さに比例するポッケルス効果を有する材料（例えば、ＢａＴｉＯ₃、ＫＨ₂ＰＯ₄（ＫＨＰ）、ＫＤ₂ＰＯ₄（ＫＤＰ）、ＬｉＮｂＯ₃、ＺnＯなど）や、屈折率が電場の２乗に比例するカー効果を有する材料（例えば、ＣＳ₂）を用いることもできる。

本発明の表示素子は各種表示装置に適用できる。特に、本発明の表示素子は、電子ペーパーや電子ブックなどの表示装置に好適に用いられる。

本発明による表示素子の実施形態における一画素の模式的な断面図である。 （ａ）は対向電極の上面図であり、（ｂ）は絵素電極の上面図である。 （ａ）は、光拡散層に光の収束点が形成されて白表示が行われる状態を模式的に示す図であり、（ｂ）は、光吸収層に光の収束点が形成されて黒表示が行われる状態を模式的に示す図である。

符号の説明

１ 液晶層
２ 第１基板
３ 第２基板
４、４ａ、４ｂ、４ｃ 絵素
５ａ 対向電極
５ａ１、５ａ２、５ａ３、５ａ４ サブ対向電極
５ｂ 絵素電極
５ｂ１、５ｂ２、５ｂ３、５ｂ４ サブ絵素電極
６ 光吸収層
７ 光拡散層
９ カラーフィルタ
１１ 第１ホール部
１２ 第２ホール部
１００ 液晶表示素子

Claims (9)

1. 表示媒体層と、
   前記表示媒体層を介して互いに対向するように配置された第１基板および第２基板と、
   複数の絵素とを含む表示素子であって、
   前記絵素は、
   前記表示媒体層に電圧を印加するための複数の電極と、
   前記第２基板の前記表示媒体層側に形成された光吸収層および光拡散層とを有し、
   前記表示媒体層に印加する電圧に応じて、前記第１基板側から入射する光を前記光吸収層に集光して黒表示が行われる状態と、前記第１基板側から入射する光を前記光拡散層に集光して白表示が行われる状態とに切り替えることができる、表示素子。
2. 前記絵素中に占める前記光拡散層と前記光吸収層との面積比率は約１：１である、請求項１に記載の表示素子。
3. 前記光拡散層の表面は凹凸を有している、請求項１または２に記載の表示素子。
4. 前記絵素は、前記第１基板の前記表示媒体層側に設けられた対向電極と、前記第２基板の前記表示媒体層側に設けられた絵素電極とを含み、
   前記対向電極および前記絵素電極は、それぞれ、電気的に互いに独立な複数のサブ対向電極および複数のサブ絵素電極をさらに含む、請求項１から３のいずれかに記載の表示素子。
5. 前記対向電極および前記絵素電極は、それぞれ、第１ホール部および第２ホール部を有し、且つ、前記第２ホール部に連結されたスリットによって前記複数のサブ対向電極および前記複数のサブ絵素電極に分割されている、請求項４に記載の表示素子。
6. 前記第１ホール部および第２ホール部は、それぞれ、３０μｍ以上５００μｍ以下の直径を有している、請求項５に記載の表示素子。
7. 前記絵素電極は反射電極である、請求項４から６のいずれかに記載の表示素子。
8. 前記表示媒体層は液晶層である、請求項１から７のいずれかに記載の表示素子。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の表示素子を備える、電子機器。

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