JP2007183524A - 偏光光学素子及びそれを用いた液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶表示装置に適用した際に高いコントラストを有する表示を実現できると共に、大型化が可能で且つ光利用効率に優れた偏光光学素子を提供する。
【解決手段】入射する方向と偏光状態に応じて光の反射率および透過率が変化する偏光光学素子であり、微細金属格子構造を備え、その金属格子表面が表面処理により金属化合物の皮膜となっている。金属格子の周期は光の波長よりも短く設定されており、更に好ましくは、金属化合物部分に、染料、顔料、異種の金属微粒子または異種の金属化合物等を含有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、偏光光学素子、およびそれを用いた液晶表示装置に関する。

液晶表示装置は、バックライトからの光を偏光子により直線偏光とし、これを液晶層への電圧の印加に応じて旋光させ、検光子により選択透過することで変調して白黒表示を行うものである。現在ではカラーフィルターを用いてカラー表示も実現されている。

ここで、現在最も広く用いられている偏光子は、延伸されたＰＶＡ（ポリビニルアルコール）フィルムを、光の吸収異方性を有する化合物（ヨウ素や二色性色素など）で染色した二色性偏光子である。

この偏光子は、二色性色素の吸収軸に平行な偏光成分を吸収し、吸収軸と直交する偏光成分を透過することで、偏光子を透過した光を直線偏光のみにする。したがって、このような二色性偏光子は吸収型であり、自然光に対する透過率は原理的に５０％以下となり、光の利用効率が低いという課題があった。

このような二色性偏光子の光吸収による損失を防ぐ目的で、特定方向の直線偏光を反射し、他方の偏光を透過する反射型偏光子が開発され、実用化に至っている。

この反射型偏光子は、例えば、微細金属格子（ワイヤーグリッド）による偏光子が挙げられる（例えば特許文献１）。この偏光子は、直径が光の波長より十分小さい金属線を平行に並べた構成を有しており、金属線と平行な偏光成分（ＴＥ偏光）を反射し、金属線と直交する偏光成分（ＴＭ偏光）を透過する偏光特性を有する。

反射型偏光子を液晶表示装置に用いると、バックライトからの無偏光は、ＴＭ偏光のみが反射型偏光子を透過し、液晶層に入射して表示に利用される。

一方、ＴＥ偏光は反射型偏光子で反射してバックライト側に戻される。このＴＥ偏光は、バックライト筐体内部などで拡散反射することで無偏光となり、再び反射型偏光子に入射するというサイクルを繰り返す。このため、バックライトの光の大部分をＴＭ偏光にして、液晶層に入射させることができるため、光利用効率が格段に向上する。
しかしながら、液晶表示装置で暗表示を行う場合、表示装置外から表示装置に入射する光（周辺光）のうちＴＥ偏光成分が、この反射型偏光子で反射されるため、表示のコントラストが低下してしまう。

このために、特許文献２には、微細金属格子（ワイヤーグリッド）と光吸収型微細格子とを組み合わせて使用する技術が開示されている。
特開平９−９０１２２号公報 特開２００５−３７９００号公報

しかしながら、特許文献２に記載の技術では、部材数や工程数が多く且つ複雑で、対角が２０インチ以上の大型液晶表示装置に利用できるサイズまでの実用化は困難であるという問題があった。

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、その主な目的は、液晶表示装置に適用した際に高いコントラストを有する表示を実現できると共に、大型化が可能で且つ光利用効率に優れた偏光光学素子を提供することである。

本発明の偏光光学素子は、第１と第２の主平面を有する平板型の偏光光学素子であって、前記第１の主平面上に所定方向に並ぶ金属の微細格子が形成され、前記微細格子の表面が、当該微細格子を形成する金属表面を表面処理により金属化合物からなる皮膜となっており、前記第１主平面側から入射する光に対しては、前記所定方向と平行な方向の偏光を吸収し、前記所定方向と直交する方向の偏光を透過し、前記第２上平面側から入射する光に対しては、前記所定方向と平行な方向の偏光を反射し、前記所定方向と直交する方向の偏光を透過する、ようになっている。

また、本発明の別の形態の偏光光学素子は、第１と第２の主平面を有する平板型の偏光光学素子であって、前記第１の主平面上に、所定方向の長さ寸法が光の波長以上で、前記所定方向と直交する方向の長さ寸法が光の波長未満の複数の単位構造体が、前記所定方向に向きを揃えて分散配置され、前記単位構造体の表面が金属で被覆され、目つ前記第１主平面と相対する側の当該金属表面が表面処理により金属化合物となっており、前記第１主平面側から入射する光に対しては、前記所定方向と平行な方向の偏光を吸収し、前記所定方向と直交する方向の偏光を透過し、前記第２主平面側から入射する光に対しては、前記所定方向と平行な方向の偏光を反射し、前記所定方向と直交する方向の偏光を透過する、ようになっている。

なお、上記の偏光光学素子においては、前記第１主平面上に前記金属を覆う透明層をさらに備え、前記透明層の表面が略平坦にすることもできる。この場合、前記透明層を粘着性を有する透明樹脂（所謂粘着剤）としてもよい。

また、前記所定方向と平行な方向の偏光の、前記第１主平面側から入射した際の光吸収性を向上させるために、上記の偏光光学素子においては、前記金属がアルミニウムであり、前記表面処理が陽極酸化処理であり、前記金属化合物を陽極酸化皮膜（所謂アラマイト皮膜）とすることもできる。

また、前記所定方向と平行な方向の偏光の、前記第１主平面側から入射した際の光吸収性を向上させるために、上記の偏光光学素子においては、前記金属化合物に染料を含浸したり、前記金属化合物に顔料を含有したり、前記金属化合物に、前記金属とは異なる金属または金属化合物を電気化学的に析出させてもよい。

本発明の液晶表示装置は、上記いずれかの偏光光学素子を用いている。
具体的には、本発明の液晶表示装置は、第１基板と、第２基板に挟持された液晶層を有する液晶パネルと、第２基板側から液晶層を照明するバックライトユニットとを備え、前記液晶層に電圧を印加することにより表示を行なう液晶表示装置において、前記第２基板と前記バックライトユニットの間に、請求項１から８のいずれかに記載の偏光光学素子を、前記第１主平面側を前記第２基板側に向けて設け、前記偏光光学素子が、前記第１主平面側から入射する光に対しては、前記所定方向と平行な方向の偏光を吸収し、前記所定方向と直交する方向の偏光を透過し、前記第２主平面側から入射する光に対しては、前記所定方向と平行な方向の偏光を反射し、前記所定方向と直交する方向の偏光を透過する、ようになっている。

また、本発明の別の形態の液晶表示装置は、第１基板と、第２基板に挟持された液晶層を有する液晶パネルと、第２基板側から液晶層を照明するバックライトユニットとを備え、前記液晶層に電圧を印加することにより表示を行なう液晶表示装置において、前記液晶層と前記第２基板の間に、請求項１から８のいずれかに記載の偏光光学素子を、前記第１主平面側を前記液晶層側に向けて設け、前記偏光光学素子が、前記第１主平面側から入射する光に対しては、前記所定方向と平行な方向の偏光を吸収し、前記所定方向と直交する方向の偏光を透過し、前記第２主平面側から入射する光に対しては、前記所定方向と平行な方向の偏光を反射し、前記所定方向と直交する方向の偏光を透過する、ようになっている。

本発明によると、大型化が可能で且つ光利用効率に優れた偏光光学素子を提供できる。また、本発明の偏光光学素子を液晶表示装置に適用すると、高いコントラストを有する表示を実現できる。

本発明にかかる偏光光学素子は、基板上に、直径（又は幅）が可視光の波長より十分小さい金属線を平行に並べた微細金属格子（ワイヤーグリッド）構造をしており、さらに、基板と接していない側の金属線表面を表面処理することにより、金属化合物の皮膜が形成されている。微細金属格子構造を構成する平行に並べた金属線の間隔は、可視光の波長未満であり、２００ｎｍ以下が好ましい。

表面処理としては、溶液に浸漬する浸漬処理法や陽極酸化法、リン酸塩化法などの化合物化成法などの所謂化成処理のほか、プラズマ処理により、金属表面を酸化、水酸化、窒化、フッ化しても良い。

さらに好ましくは、微細金属格子をアルミニウムで作製し、これを陽極酸化処理（アルマイト処理）することで陽極酸化皮膜を、各々の微細金属格子表面に形成し、陽極酸化皮膜が多孔質層であることを利用して、それを染色、あるいは孔の中に微粒子を含有した構造となっている。この微粒子としては顔料や、アルミニウムとは異なる金属（例えばニッケル、銀、鉄など）或いは水酸化アルミニウムや窒化アルミニウムのような金属化合物などが考えられる。

さらに好ましくは、表面処理した微細金属格子を形成した基板の表面全体に、微細金属格子を覆う透明層をさらに設けることによって、基板の表面を平坦化してもよい。透明層は、例えば誘電体材料から形成される。これにより、微細金属格子表面の損傷を防止する保護膜として機能するので、偏光光学素子の光学特性の劣化を抑制できる。更に、前記透明層を略平坦な表面を有する偏光光学素子が構成できるので、偏光光学素子の上に電極や配向膜などの膜を形成しやすくなる。

さらに別の形態としては、前記透明層を粘着剤とすることで、他の平板状素子とラミネート処理により容易に貼付し易くすることも出来る。この透明層としてはアクリル系樹脂などのような、透明性、強度、塗工性に優れた樹脂をコーティングするなどして形成できる。

上記のような構造のため、本発明の偏光光学素子は、偏光子へ光が入射する面及びその偏光に応じて光の反射率且つ透過率を変化させることができる。すなわち、基板側から偏光子に入射する光のうち、金属線と平行な方向に振動する偏光（ＴＥ偏光）は反射されるが、それと垂直な方向の偏光（ＴＭ偏光）は、その大部分が透過する。

一方、基板とは反対側から偏光子に入射する光は、ＴＥ偏光は吸収されるが、ＴＭ偏光は、その大部分が透過する。

したがって、本発明の偏光光学素子を液晶表示装置に適用すると、バックライトからの光のうち、ＴＭ偏光を透過し、ＴＥ偏光は反射して再利用することができ、光の利用効率が格段に向上する。

また、外部から液晶表示装置に入射した光のうち、ＴＭ偏光は透過し、ＴＥ偏光は吸収されるため再び反射して外部に戻る光が存在せず、表示のコントラストを向上できる

さらに、基板上には微細金属細線構造を成型し、それを表面処理すれば作製可能であり、従来のような２種類以上の微細格子構造を精度よく作製する必要がないため、工程上の難易度が低く、対角２０インチ以上の大型の素子が可能となる。

上記では、微細格子形状を例に説明したが、格子状である必要はなく、金属が異方性を示す構造を有していれば良い。例えば、所定方向に光の波長以上の長さを有し、所定方向と直交する方向に光の波長よりも十分に短い幅を有する単位構造から構成されていても良い。例えばカーボンナノファイバーやカーボンナノチューブの表面に金属めっきを施したものが、無秩序な位置に分散して配置され、それらが同一方向に偏向して配列している構造でもよい。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図面を通じて同様の部材には同一の参照符号を付している。

（実施形態１）
本発明による偏光光学素子の実施形態１を図１に示す。本実施形態の偏光光学素子１は、基板２を備えており、該基板２の一方の表面２ａには、微細金属格子構造３が形成されている。この微細金属格子構造３の表面は、表面処理により金属化合物皮膜４となっている。
基板２は、例えば光学的に透明なガラスや樹脂フィルム（例えばＰＥＴ、ＰＣ、ＰＭＭＡフィルム）から形成される。微細金属格子構造３は、例えば、光反射性の高い銀の細線（高さ：３００ｎｍ）から形成され、その線幅、間隔および平均格子ピッチは、それぞれ例えば５０ｎｍ、１００ｎｍおよび１５０ｎｍに設定される。

金属化合物皮膜４は、細線表層部に形成された酸化銀で、高さ３００ｎｍの銀細線の上部１５０ｎｍが処理されている。ここで、銀細線の表面上のみに別の物質を堆積するのではなく、銀表面そのものを改質するため、基本的にその細線全体の高さは変わらない。

微細金属格子構造３を覆う保護層５は、例えば透過性を有する光硬化性樹脂から形成されている。保護層５の厚さは、基板に入射する光が薄膜干渉しないように例えば１μｍ以上程度と十分大きいことが好ましい。

このように保護層５を設けると、微細金属格子構造２の劣化や損傷が防止できるので、寿命の長い偏光光学素子を得ることができる。

本発明の偏光光学素子１は、以下のような工程を用いて作製することができる。
▲１▼ガラスや透明樹脂フィルムなどの基板上に金属（例えば銀）を蒸着する。
▲２▼フォトリソグラフィの手法を用いて金属蒸着層上にフォトレジストで細線パターンを作成する。
▲３▼フォトレジストパターンのない、金属が剥き出しとなっている部分をエッチング処理する。
▲４▼フォトレジストを除去する。
▲５▼表面処理して、金属細線パターン表面を酸化する。
▲６▼アクリル系樹脂コート剤を表面にコーティングする。

ここで、フォトリソグラフィ法による細線パターンの作製方法としては、ホログラフィーによる干渉フォトリソグラフィ法や電子線リソグラフィ法、或いは電子ビームやレーザービームによる直接描画法によるパターニングを行ってもよい。さらには、ナノインプリント法を用いることもできる。

また、金属のエッチング処理法としては、Ａｒイオンを用いたイオンビームエッチングなどのドライエッチング法のほか、溶液を用いたウェットエッチング法を用いることも可能である。

本実施形態では、微細金属格子構造３は光反射性を有する金属であればよく、その材料としては、銀の他、アルミニウム、ニッケル、白金およびこれらの合金などを用いることができる。

微細金属格子構造３の平均格子ピッチは、可視光線の波長よりも十分に小さければよく、好ましくは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。格子ピッチは、均一である必要はなく、分布を有していてもよい。

本実施形態の偏光光学素子は、基本的に唯一つの２００ｎｍ以下という非常に微細な細線構造から成り、基板上に微細金属格子を作製する回数が１回のみである。細線構造を形成する金属層も、真空蒸着法等により基板上に厚みを制御して形成するだけであるため、従来技術より作製が容易で、材料数、工程数が少なくて済む。このため、対角２０インチ以上の大画面サイズの偏光光学素子も低コストにて容易に作ることが可能となる。

次に、上記方法により作製された偏光光学素子１の光学特性を測定した結果を説明する。
偏光光学素子１の基板２側から波長５３２ｎｍの光を入射すると、入射した光のうち、ＴＥ波の反射率は８２％であり、ＴＭ波の透過率は８０％であった。一方、微細金属格子構造３側から光を入射すると、ＴＥ波の反射率は２７％であり、ＴＭ波の透過率は８０％であった。

この結果から、本実施形態の偏光光学素子に波長が５３２ｎｍの光を入射すると、基板側から入射したＴＥ波の大部分は微細金属格子構造３で反射されるが、微細金属格子構造３側から入射したＴＥ波の大部分は酸化皮膜４によって吸収されることがわかる。

また、いずれの側から入射するかにかかわらず、入射光のＴＭ波の大部分は、偏光子１を透過することもわかる。

（実施形態２）
本発明による偏光光学素子６の実施形態２を図２に示す。本実施形態の偏光光学素子６は、基板７と、基板７の一方の表面に形成されたアルミニウムからなる微細格子構造８からなり、微細格子構造８の表面は、陽極酸化処理（アルマイト処理）により多孔質構造の酸化アルミニウム皮膜（所謂アルマイト皮膜）９となっており、この酸化アルミニウム皮膜９が着色された構造となっている。

基板７は、例えば光学的に透明なガラスや樹脂フィルム（例えばＰＥＴ、ＰＣ、ＰＭＭＡフィルム）から形成される。アルミニウムからなる微細格子構造８は、例えば、高さ３００ｎｍで、その線幅、間隔および平均格子ピッチは、それぞれ例えば５０ｎｍ、１００ｎｍおよび１５０ｎｍに設定される。

多孔質構造の酸化アルミニウム皮膜９は、高さ３００ｎｍのアルミニウム細線の上部１５０ｎｍが処理されたものである。ここで、アルミニウム細線の表面上のみに別の物質を堆積するのではなく、アルミニウム表面そのものを改質するため、基本的にその細線全体の高さは変わらない。ただし、実際には、アルミニウムから酸化アルミニウム皮膜となる際に若干高さは増す。

また、多孔質構造の酸化アルミニウム皮膜９は、この孔の中に染料（例えばヨウ素）、顔料（例えばカーボンナノ粒子）、電気化学的に析出した異種金属（例えばニッケル）微粒子や水酸化アルミニウムのような金属化合物などを浸透させて着色を施している。このように着色することで、微細金属格子構造３側から入射するＴＥ光に対する反射率を下げることができる。

微細格子構造８を覆う保護層１０は、それぞれ、例えば透過性を有する光硬化性樹脂から形成されている。保護層１０の厚さは、基板に入射する光が薄膜干渉しないように例えば１μｍ程度と十分大きいことが好ましい。

このように保護層１０を設けると、微細格子構造８及び９の劣化や損傷が防止できるので、寿命の長い偏光光学素子を得ることができる。

本発明の偏光光学素子は、以下のような工程を用いて作製することができる。
▲１▼ガラスや透明樹脂フィルムなどの基板７上にアルミニウムを蒸着する。
▲２▼フォトリソグラフィの手法を用いて蒸着層上にフォトレジストで細線パターンを作成する。
▲３▼フォトレジストパターンのない、アルミニウムが剥き出しとなっている部分をエッチング処理する。
▲４▼フォトレジストを除去する。
▲５▼アルマイト処理して、アルミニウム細線パターン表面を酸化する。
▲６▼染料が混入した溶液中に浸漬して、酸化アルミニウム層に着色する。
▲７▼アクリル系樹脂コート剤を表面にコーティングする。

ここで、フォトリソグラフィ法による細線パターンの作製方法としては、ホログラフィーによる干渉フォトリソグラフィ法や電子線リソグラフィ法、或いは電子ビームやレーザービームによる直接描画法によるパターニングを行ってもよい。さらには、ナノインプリント法を用いることもできる。

また、アルミニウムのエッチング処理法としては、Ａｒイオンを用いたイオンビームエッチングなどのドライエッチング法のほか、酸性溶液（リン酸、硝酸、酢酸の混合溶液等）やアルカリ溶液（水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等）を用いたウェットエッチング法を用いることも可能である。

着色方法としては、染料のほか、カーボンナノ粒子などの微細顔料を分散混入した溶液中に浸漬して、カーボンナノ粒子を微細孔内に含有させても良い。

または、電気化学的に異なる金属（例えばニッケル）微粒子や水酸化ナトリウムなどの金属化合物を酸化アルミニウム層に析出することで、着色することもできる。

微細格子構造８の平均格子ピッチは、可視光線の波長よりも十分に小さければよく、好ましくは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。格子ピッチは、均一である必要はなく、分布を有していてもよい。

本実施形態の偏光光学素子６は、基本的に唯一つの２００ｎｍ以下という非常に微細な細線構造から成り、基板上に微細金属格子を作製する回数が１回のみである。細線構造を形成するアルミニウム層も、真空蒸着法等により基板上に厚みを制御して形成するだけであるため、従来技術より作製が容易で、材料数、工程数が少なくて済む。このため、対角２０インチ以上の大画面サイズの偏光光学素子も低コストにて容易に作ることが可能となる。

次に、上記方法により作製された偏光光学素子６の光学特性を測定した結果を説明する。
偏光光学素子１の基板２側から波長５３２ｎｍの光を入射すると、入射した光のうち、ＴＥ波の反射率は８２％であり、ＴＭ波の透過率は８０％であった。一方、微細金属格子構造３側から光を入射すると、ＴＥ波の反射率は１０％であり、ＴＭ波の透過率は８０％であった。

この結果から、本実施形態の偏光光学素子１に波長が５３２ｎｍの光を入射すると、基板２側から入射したＴＥ波の大部分は微細金属格子構造３で反射されるが、微細金属格子構造３側から入射したＴＥ波の大部分は陽極酸化皮膜４によって吸収されることがわかる。

また、いずれの側から入射するかにかかわらず、入射光のＴＭ波の大部分は、偏光子１を透過することもわかる。

（実施形態３）
本発明による偏光光学素子の実施形態３を図３に示す。図３（Ａ）は、本発明の偏光光学素子を上面から見た概略模式図、図３（Ｂ）は断面の概略模式図を示す。本実施形態の偏光光学素子４０は、基板４１の一方の表面に複数の単位構造体４２が分散配置されている。この単位構造体４２は、カーボンナノチューブ４２ａをアルミニウム４２ｂで被覆したもので、カーボンナノチューブ４２ａは、所定方向（図３の矢印Ｋ方向）に偏向した構造となっている。また、このカーボンナノチューブ４２ａの空気暴露された側の面は、陽極酸化処理（アルマイト処理）により、多孔質構造の酸化アルミニウム皮膜（所謂アルマイト皮膜）４２ｃとなっており、更に、この酸化アルミニウム皮膜４２ｃを着色した構造となっている。

基板４１は、例えば光学的に透明なガラスや樹脂フィルム（例えばＰＥＴ、ＰＣ、ＰＭＭＡフィルム）から形成される。アルミニウム４２ｂで覆われたカーボンナノチューブ４２ａは、例えば、所定方向（矢印Ｋ方向）の平均長さ寸法は２μｍ、該所定方向と直交する方向の平均長さ寸法（平均直径）は５０ｎｍで、溶融アルミめっきにより表面全体が１００ｎｍ程度アルミニウムで覆われている。その配置間隔は無秩序（ランダム）でよいが、隣り合うカーボンナノチューブ４２ａ間の間隔は５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。

多孔質構造の酸化アルミニウム皮膜４２ｃは、カーボンナノチューブの片側の面に形成されている厚み１００ｎｍのアルミニウム全てが処理されたものである。ここで、カーボンナノチューブを覆っているアルミニウムの表面上に別の物質を堆積するのではなく、アルミニウム表面そのものを改質するため、基本的にそのカーボンナノチューブ全体の直径は変わらない。ただし、実際には、アルミニウムから酸化アルミニウム皮膜となる際に若干径は増す。

また、多孔質構造の酸化アルミニウム皮膜４２ｃは、この孔の中に染料（例えばヨウ素）、顔料（例えばカーボンナノ粒子）、電気化学的に析出した異種金属（例えばニッケル）微粒子や水酸化アルミニウムのような金属化合物などを浸透させて着色を施している。このように着色することで、カーボンナノチューブ４２ａ側から入射するＴＥ光に対する反射率を下げることができる。

カーボンナノチューブが分散配置された表面全体を覆う保護層４３は、それぞれ、例えば透過性を有する光硬化性樹脂から形成されている。保護層４３の厚さは、基板に入射する光が薄膜干渉しないように例えば１μｍ程度と十分大きいことが好ましい。

このように保護層４３を設けると、カーボンナノチューブ分散面の劣化や損傷が防止できるので、寿命の長い偏光光学素子を得ることができる。

本発明の偏光光学素子は、以下のような工程を用いて作製することができる。
▲１▼カーボンナノチューブに溶融アルミめっき法によりアルミニウムをチューブ表面に形成する。
▲２▼アルコール溶液中に▲１▼のアルミニウム被覆したカーボンナノチューブを分散する。
▲３▼ガラスや透明樹脂フィルムなどの基板上に▲２▼の分散液を塗工する。
▲４▼磁力によりカーボンナノチューブの向きを揃えてから乾燥し、基材上にカーボンナノチューブを固着させる。
▲５▼アルマイト処理して、基材と固着していない側のカーボンナノチューブ表面のアルミニウムを酸化する。
▲６▼染料が混入した溶液中に浸漬して、酸化アルミニウム層に着色する。
▲７▼アクリル系樹脂コート剤を表面にコーティングする。

ここで、着色方法としては、染料のほか、カーボンナノ粒子などの微細顔料を分散混入した溶液中に浸漬して、カーボンナノ粒子を微細孔内に含有させても良い。または、電気化学的に異なる金属（例えばニッケル）微粒子や水酸化ナトリウムなどの金属化合物を酸化アルミニウム層に析出することで、着色することもできる。

なお、偏光光学素子４０は、所定方向（矢印Ｋ方向）に可視光の波長以上の長さを有し、所定方向と直交する方向に可視光の波長よりも十分に短い幅を有する単位構造体が一定方向に偏向して配置されれば良く、単位構造体として本実施形態で用いたカーボンナノチューブ以外にも、針状の形状を有し、金属被覆できる物質であれば選択可能で、例えば針状酸化チタンや針状酸化亜鉛などでも作製可能である。なお、単位構造体の所定方向の長さは好ましくは１０００ｎｍ以上、所定方向と直交する方向の長さは１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。

本実施形態の偏光光学素子４０は、基本的に針状の単位構造体を一方向に偏向配置した構造から成るため、従来技術より作製が容易で、材料数、工程数が少なくて済む。このため、対角２０インチ以上の大画面サイズの偏光光学素子も低コストにて容易に作ることが可能となる。

（実施形態４）
本発明による実施形態４は、実施形態２の偏光光学素子６を下側（バックライト側）偏光板として備えた液晶表示装置である。

以下、実施形態２の偏光光学素子を用いた液晶表示装置１１の構成を図４を用いて説明する。なお、図４は本発明の液晶表示装置１１の断面を概略的に示す模式図である。

図４に示すように、第１基板１２と第２基板１３（共にガラス）に狭持された液晶層１４があり、両基板の液晶層側表面には液晶層１４に電圧を印加するための透明電極（図示せず）が設けられている。より詳しくは、透明電極と液晶層１４との間には、液晶分子を配向させるための配向膜（図示せず）が設けられており、配向方向に応じたラビング処理が為され、液晶層を構成する液晶分子は、そのラビング方向に応じて捩れた配置をとっている。

第２基板１３側には、その下部にバックライトユニット１６が設けられており、液晶層１４を照明するように光が図中上方向に出射する。

第２基板１３のバックライト側表面には、実施形態２の偏光光学素子６が、その保護層１０を粘着剤として、貼付されている。

第１基板１２の観察者側には、吸収偏光板１５が設けられている。吸収偏光板１５は、その透過軸が第２基板１３に貼付された偏光光学素子６の透過軸と直交するように貼り合わされている。

ここで、図４に示す液晶表示装置１１の表示原理を説明する。図５（Ａ）および図５（Ｂ）はそれぞれ、液晶層１４に電場を印加していない時の明状態、および電場を印加した時に暗状態が実現される表示装置の原理を説明するための模式図である。

まず、図５（Ａ）を参照しながら、電場無印加時に明状態が実現される原理について説明する。
バックライト１６からはあらゆる偏光状態の光が液晶層１４に入射する。入射光のうち、第２基板１３側の偏光光学素子６の透過軸と一致するＴＭ偏光１７は、偏光光学素子６を透過し、液晶層１４で９０度旋光される。その後、観察者側の吸収偏光板１５も透過して観察者側に出射するので、明状態が得られる。

一方、バックライトユニット１６から出射された光のうち、ＴＥ偏光１８は、偏光光学素子６とバックライトユニット１６の内部に配置された散乱反射層等によって繰り返し反射される。反射の際、偏光方向は乱され、無偏光となってリサイクルされる。

一方、表示とは関係のない外部からの周辺光が液晶表示装置１１に入射すると、入射光のうち第１基板１２側の吸収偏光板１５の透過軸と一致する偏光１９は、吸収偏光板１５を透過し、液晶層１４で９０度旋光される。その後、第２基板１３側の偏光光学素子６を透過し、バックライトユニット１６内の散乱反射層等で反射される。反射の際、無偏光となり表示に利用される。

また、外部から入射する光のうち、偏光１９と直交する偏光２０は、第１基板１２側の吸収偏光板１５で吸収されるので、表示には寄与しない。

次に、図５（Ｂ）を参照しながら、電場印加時に暗状態が実現される原理について説明する。
光源であるバックライトユニット１６から入射する光のうち、第２基板１３側の偏光光学素子６の透過軸と一致するＴＭ偏光１７は、偏光光学素子６を透過するが、電場印加時の液晶層１４では入射光の偏光状態が保持されるため、観察者側の吸収偏光板１５で吸収されて暗状態が得られる。バックライトユニット１６から出射された光のうち、ＴＭ偏光１７と直交するＴＥ偏光１８は、偏光光学素子６で反射されるため、これも暗状態が得られる。

一方、表示とは関係のない外部からの周辺光が液晶表示装置１１に入射すると、第１基板１２側の吸収偏光板１５の透過軸と一致する偏光１９は、吸収偏光版１５および液晶層１４を透過し、第２基板１３側の偏光光学素子６で吸収される。そのため、観察者側に光が戻ることがなく、高コントラストを保持できる。また、外部から入射する光のうち、偏光１９と直交する偏光２０は、第１基板１２側の吸収偏光板１５で吸収されるため、これも高コントラストを保持できる。

上記に述べたように、実施形態２の偏光光学素子６を液晶表示装置の下側偏光板として用いると、表示のコントラストを維持できると共に、バックライトユニット１６から出射される光を概ね全て１つの偏光方向に変換して有効に利用できるため、明るく、高コントラストな表示が得られる。

本実施形態では、実施形態２の偏光光学素子６を、液晶表示装置の第２基板１３に貼付することにより、液晶表示装置を構成しているが、本発明の液晶表示装置はこれに限定されない。
例えば、偏光光学素子６の保護層１０に粘着性がなく、それをそのまま従来の液晶表示装置の第２基板１３とバックライト１６との間に配置することもできる。このとき、表示のコントラストを更に高めるために、従来の２色性偏光子を、本発明の偏光光学素子６と第２基板１３との間に配置しても良い。

（実施形態５）
本発明による実施形態５は、実施形態２の偏光光学素子６において、その基板を液晶パネルを構成する下側（バックライト側）基板と兼用し、これを下側（バックライト側）偏光板として機能させる液晶表示装置である。

以下、実施形態５の液晶表示装置３０の構成を図６を用いて説明する。なお、図６は本発明の液晶表示装置３０の断面を概略的に示す模式図である。

図５に示すように、第１基板２１と第２基板２２（共にガラス）に狭持された液晶層２３があり、第２基板２２の液晶層２３側表面上には、微細金属格子構造２６が形成されており、微細金属格子構造２６の表面は、表面処理により金属化合物の皮膜２７となっており、この金属化合物の皮膜２７が着色された構造となっている。

更に第２基板２２上全体にわたって、微細金属格子構造２６及び２７を覆うように透明樹脂が保護層２５として形成されている。

第１基板２１の液晶層２３側表面および保護層２５の液晶層２３側表面には、液晶層２３に電圧を印加するための透明電極（図示せず）が設けられている。より詳しくは、透明電極と液晶層２３との間には、液晶分子を配向させるための配向膜（図示せず）が設けられており、配向方向に応じたラビング処理が為され、液晶層を構成する液晶分子は、そのラビング方向に応じて捩れた配置をとっている。

第２基板２２側には、その下部にバックライトユニット２８が設けられており、液晶層２３を照明するように光が図中上方向に出射する。

第１基板２１の観察者側には、吸収偏光板２４が設けられている。吸収偏光板２４は、その透過軸が第２基板２２上に作製された偏光光学素子２９の透過軸と直交するように貼り合わされている。

ここで、図６に示す液晶表示装置３０の表示原理を説明する。図７（Ａ）および図７（Ｂ）はそれぞれ、液晶層２３に電場を印加していない時の明状態、および電場を印加した時に暗状態が実現される表示装置の原理を説明するための模式図である。

まず、図７（Ａ）を参照しながら、電場無印加時に明状態が実現される原理について説明する。
このとき、バックライト２８からはあらゆる偏光状態の光が液晶層２３に入射する。入射光のうち、第２基板２２側の偏光光学素子２９の透過軸と一致するＴＭ偏光３１は、偏光光学素子２９を透過し、液晶層２３で９０度旋光される。その後、観察者側の吸収偏光板２４も透過して観察者側に出射するので、明状態が得られる。

一方、バックライトユニット２８から出射された光のうち、ＴＥ偏光３２は、偏光光学素子２９とバックライトユニット２８の内部に配置された散乱反射層等によって繰り返し反射される。反射の際、偏光方向は乱され、無偏光となってリサイクルされる。

一方、表示とは関係のない外部からの周辺光が液晶表示装置３０に入射すると、入射光のうち第１基板２１側の吸収偏光板２４の透過軸と一致する偏光３３は、吸収偏光板２４を透過し、液晶層２３で９０度旋光される。その後、第２基板２２側の偏光光学素子２９を透過し、バックライトユニット２８内の散乱反射層等で反射される。反射の際、無偏光となり表示に利用される。

また、外部から入射する光のうち、偏光３３と直交する偏光３４は、第１基板２１側の吸収偏光板２４で吸収されるので、表示には寄与しない。

次に、図７（Ｂ）を参照しながら、電場印加時に暗状態が実現される原理について説明する。
光源であるバックライトユニット２８から入射する光のうち、第２基板２２側の偏光光学素子２９の透過軸と一致するＴＭ偏光３１は、偏光光学素子２９を透過するが、電場印加時の液晶層２３では入射光の偏光状態が保持されるため、観察者側の吸収偏光板２４で吸収されて暗状態が得られる。バックライトユニット２８から出射された光のうち、ＴＭ偏光３１と直交するＴＥ偏光３２は、偏光光学素子２９で反射されるため、これも暗状態が得られる。

一方、表示とは関係のない外部からの周辺光が液晶表示装置３０に入射すると、第１基板２１側の吸収偏光板２４の透過軸と一致する偏光３３は、吸収偏光版２４および液晶層２３を透過し、第２基板２２側の偏光光学素子２９で吸収される。そのため、観察者側に光が戻ることがなく、高コントラストを保持できる。また、外部から入射する光のうち、偏光３３と直交する偏光３４は、第１基板２１側の吸収偏光板２４で吸収されるため、これも高コントラストを保持できる。

上記に述べたように、本発明の液晶表示装置３０では、表示のコントラストを維持できると共に、バックライトユニット２８から出射される光を概ね全て１つの偏光方向に変換して有効に利用できるため、明るく、高コントラストな表示が得られる。

なお、実施形態４，５では、実施形態２の偏光光学素子６を用いた場合を例に説明したが、実施形態２の偏光光学素子６の代わりに、実施形態１の偏光光学素子１或いは実施形態３の偏光光学素子４０を用いてもよい。

液晶表示装置に適用した際、高いコントラストを有する表示を実現でき、かつ大型で光利用効率に優れた偏光光学素子を提供できる。本発明の偏光光学素子は、透過型、半透過型、投影型の液晶表示装置の偏光板として好適に適用される。

本発明の実施形態１の偏光光学素子の構造を説明する鳥観模式図である。 本発明の実施形態２の偏光光学素子の構造を説明する鳥観模式図である。 本発明の実施形態３の偏光光学素子の構造を説明するための（Ａ）は上面から見た概略模式図、（Ｂ）は断面の概略模式図である。 本発明の実施形態４の液晶表示装置の構造を説明する断面模式図である。 本発明の実施形態４の液晶表示装置の作用を説明する断面模式図である。 本発明の実施形態５の液晶表示装置の構造を説明する断面模式図である。 本発明の実施形態５の液晶表示装置の作用を説明する断面模式図である。

符号の説明

１ 偏光光学素子
２ 基板
２ａ 基板の表面
３ 微細金属格子の１単位
４ 表面処理された微細金属格子の１単位表面
５ 保護層
６ 偏光光学素子
７ 基板
８ アルミニウムからなる微細格子の１単位
９ アルマイト処理された酸化アルミニウム
１０ 保護層
１１ 液晶表示装置
１２ 第１基板
１３ 第２基板
１４ 液晶層
１５ 吸収型の２色性偏光子
１６ バックライトユニット
１７ バックライトから出射するＴＭ偏光
１８ バックライトから出射するＴＥ偏光
１９ 周辺から入射する偏光ＴＥ偏光
２０ 周辺から入射する偏光ＴＭ偏光
２１ 第１基板
２２ 第２基板
２３ 液晶層
２４ 吸収型の２色性偏光子
２５ 保護層
２６ 微細金属格子の１単位
２７ 表面処理された微細金属格子の１単位表面
２８ バックライトユニット
２９ 偏光光学素子
３０ 液晶表示装置
３１ バックライトから出射するＴＭ偏光
３２ バックライトから出射するＴＥ偏光
３３ 周辺から入射する偏光ＴＥ偏光
３４ 周辺から入射する偏光ＴＭ偏光
４０ 偏光光学素子
４１ 基板
４２ 単位構造体
４２ａ カーボンナノチューブ
４２ｂ アルミニウム
４２ｃ 酸化アルミニウム皮膜
４３ 保護層

Claims (11)

1. 第１と第２の主平面を有する平板型の偏光光学素子であって、
   前記第１の主平面上に所定方向に並ぶ金属の微細格子が形成され、
   前記微細格子の表面が、当該微細格子を形成する金属表面を表面処理により金属化合物からなる皮膜となっており、
   前記第１主平面側から入射する光に対しては、前記所定方向と平行な方向の偏光を吸収し、前記所定方向と直交する方向の偏光を透過し、
   前記第２主平面側から入射する光に対しては、前記所定方向と平行な方向の偏光を反射し、前記所定方向と直交する方向の偏光を透過する、ことを特徴とする偏光光学素子。
2. 第１と第２の主平面を有する平板型の偏光光学素子であって、
   前記第１の主平面上に、所定方向の長さ寸法が光の波長以上で、前記所定方向と直交する方向の長さ寸法が光の波長未満の複数の単位構造体が、前記所定方向に向きを揃えて分散配置され、
   前記単位構造体の表面が金属で被覆され、且つ前記第１主平面と相対する側の当該金属表面が表面処理により金属化合物となっており、
   前記第１主平面側から入射する光に対しては、前記所定方向と平行な方向の偏光を吸収し、前記所定方向と直交する方向の偏光を透過し、
   前記第２主平面側から入射する光に対しては、前記所定方向と平行な方向の偏光を反射し、前記所定方向と直交する方向の偏光を透過する、ことを特徴とする偏光光学素子。
3. 前記第１主平面上に前記金属を覆う透明層をさらに備え、前記透明層の表面が略平坦である、ことを特徴とする請求項１または２に記載の偏光光学素子。
4. 前記透明層が粘着性を有する透明樹脂である、ことを特徴とする請求項３に記載の偏光光学素子。
5. 前記金属がアルミニウムであり、前記表面処理が陽極酸化処理であり、前記金属化合物が陽極酸化皮膜である、ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の偏光光学素子。
6. 前記金属化合物に染料を含浸した、ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の偏光光学素子。
7. 前記金属化合物に顔料を含有した、ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の偏光光学素子。
8. 前記金属化合物に、前記金属とは異なる金属または金属化合物を電気化学的に析出させた、ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の偏光光学素子。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の偏光光学素子を用いた液晶表示装置。
10. 第１基板と、第２基板に挟持された液晶層を有する液晶パネルと、第２基板側から液晶層を照明するバックライトユニットとを備え、前記液晶層に電圧を印加することにより表示を行なう液晶表示装置において、
    前記第２基板と前記バックライトユニットの間に、請求項１から８のいずれかに記載の偏光光学素子を、前記第１主平面側を前記第２基板側に向けて設け、
    前記偏光光学素子が、
    前記第１主平面側から入射する光に対しては、前記所定方向と平行な方向の偏光を吸収し、前記所定方向と直交する方向の偏光を透過し、
    前記第２主平面側から入射する光に対しては、前記所定方向と平行な方向の偏光を反射し、前記所定方向と直交する方向の偏光を透過する、ことを特徴をする液晶表示装置。
11. 第１基板と、第２基板に挟持された液晶層を有する液晶パネルと、第２基板側から液晶層を照明するバックライトユニットとを備え、前記液晶層に電圧を印加することにより表示を行なう液晶表示装置において、
    前記液晶層と前記第２基板の間に、請求項１から８のいずれかに記載の偏光光学素子を、前記第１主平面側を前記液晶層側に向けて設け、
    前記偏光光学素子が、
    前記第１主平面側から入射する光に対しては、前記所定方向と平行な方向の偏光を吸収し、前記所定方向と直交する万向の偏光を透過し、
    前記第２主平面側から入射する光に対しては、前記所定方向と平行な方向の偏光を反射し、前記所定方向と直交する方向の偏光を透過する、ことを特徴とする液晶表示装置。

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