JP3924758B2 - 発色構造体及び表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、塗料やインク・物理量センサなどに利用され、可変な波長選択的な反射又は透過特性を有し、可変な構造色を発する発色構造体及び表示装置に関する。

そのような発色構造体は、分子や固体そのものの電子的な性質により発色する色素とは異なり、それ自体には色がなく、その構造により光の反射、干渉、回折等の作用で発色し、紫外線による経時変化が少ないとともに光沢が出やすい等の利点を有するので、自動車の塗装や繊維への着色等の用途に期待されている。

このような発色構造体として、例えば、屈折率が互いに相違する２種類の高分子物質を交互に積層した構造を有するもの（例えば、特許文献１，２参照）や、ラメラを具えるもの（例えば、特許文献３参照）や、構造色を有する自然物として有名なモルフォチョウを模擬した発光体（例えば、特許文献４参照）が提案されている。

現在、反射型のカラー表示装置は、携帯電話などのモバイル機器や携帯型ゲーム器などの各種機器分野においてその用途が急速に拡大している。反射型のカラー表示装置は、バックライトを必要としないために光源用電力を低減することができ、透視型カラー表示装置に比べてバックライトのスペースや重量を節約できるなどの利点を有する。

また、反射型のカラー表示装置の場合、全体の消費電力を低減するとともに小型のバッテリーを用いることができる。これによって、反射型のカラー表示装置は、軽量薄型化が所望されている各種の機器に適しているだけでなく、機器の大きさや重量を従来のものと同一に設計する場合には大型のバッテリーを使用できるようになるために動作時間を飛躍的に拡大できるという利点を有する。

このような反射型カラー表示装置は、表示面のコントラスト特性の観点からも優れた特性を示す。すなわち、自発光型表示装置であるＣＲＴ、透過型のカラー液晶表示装置等では、日中の野外でコントラスト比が大幅に低下するが、反射型カラー液晶表示装置によれば、原理的には周囲光量に比例した表示光が得られるので、優れたコントラスト比が実現され、野外での使用にも期待しされるものであるが、現実の反射型液晶表示装置では十分な性能が得られていない。

現在広く使用されている反射型液晶装置は、１又は２枚の偏光板を利用するとともに、カラーフィルタを並置した構成を採用している。このような反射型液晶表示装置は、次のようなモードで動作する。
１．液晶層の旋光性を電界で制御することによって表示を行うツイスティッドネマチックモード（ＴＮモード）。
２．液晶層の複屈折を電界で制御することによって表示を行う複屈折モード（ＥＣＢモード）。
３．ＴＮモード及びＥＣＢモードを組み合わせたミックスモード。

従来の反射型表示装置では、偏光板及び並置したカラーフィルタの光利用効率が５０％以下と低いので、表示品質、特に明るさが不十分である。その結果、十分な反射率を達成することができず、要求されるレベルの明るい表示が困難である。

これまで、反射率を高めるために、偏光板やカラーフィルタを必要としない方式の反射型表示装置が検討されている。偏光板を用いない方式として、液晶に染料を添加したゲストホスト型液晶、高分子分散型液晶、コステリック液晶等を利用する液晶表示装置が開発されつつある。一方、カラーフィルタの並置を用いない方式として、互いに相違する色の３枚の表示パネルを積層したカラー表示装置が開発されている（例えば、特許文献５参照）。
特開平７−３４３２４号公報（図１） 特開２０００−２４６８２９号公報（図１） 特開平９−１５７９５７号公報（図１） 特開２００３−０５３８７５号公報（図１） 特開平１０−２６０４２７号公報（図１）

しかしながら、上記特許文献１〜３に記載された発色構造体は、眺める角度が変化するに従って色が変化するという不都合がある。また、特許文献４に記載された発色構造体は、眺める角度による変化を抑制しつつ高い反射効率を得ることができるが、可変発色を行うことができず、その結果、可変色彩表示を実現することができない。

本発明の目的は、眺める角度が変化するに従って色が変化するという不都合なく可変発色を行うことができる発色構造体及び表示装置を提供することである。

本発明による可変発色構造体は、
基板と、
その基板上に可視光波長より短い間隔で配置された、低ヤング率材料、電歪特性を有する材料、形状記憶効果を有する材料、磁場により引力を生じる材料、光歪特性を有する材料、音響光学効果を有する材料から選ばれる１種以上の材料からなる、屈折率が互いに相違する２以上の層の積層構造を有し、波長選択的な反射又は透過特性を有する発色体と、
該発色体の層の光学的厚さ及び発色体の間隔を、機械的、電気的、磁気的、熱的、光学的又は化学的な作用により変化させて選択波長、反射効率を制御することにより発色体の発色を制御する制御手段とを具えることを特徴とする。

本発明による可変色彩表示装置は、
基板と、
その基板上に可視光波長より短い間隔で配置された、低ヤング率材料、電歪特性を有する材料、形状記憶効果を有する材料、磁場により引力を生じる材料、光歪特性を有する材料、音響光学効果を有する材料から選ばれる１種以上の材料からなる、屈折率が互いに相違する２以上の層の積層構造を有し、波長選択的な反射又は透過特性を有する発色体と、
該発色体の層の光学的厚さ及び発色体の間隔を、機械的、電気的、磁気的、熱的、光学的又は化学的な作用により変化させて選択波長、反射効率を制御することにより発色体の発色を制御する制御手段とを具えた複数の発色構造体をアレイ状に配置したことを特徴とする。

本発明によれば、波長選択的な反射又は透過特性を有する少なくとも一つの発色体の発色を、機械的・電気的又は化学的な作用により制御するので、眺める角度が変化するに従って色が変化するという不都合なく可変発色を行うことができる。

本発明による発色構造体及び表示装置の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明の参考例である発色構造体の第１の実施の形態の非作用時を示す図であり、
図１（ｂ）は、本発明の参考例である発色構造体の第１の実施の形態の作用時を示す図である。
この発色構造体は、基板１と、基板１に設けられた発色体２と、図示しない制御部とを具え、発色体２は、屈折率ｎ１で厚さｔ１の低屈折率層３及び屈折率ｎ２（ｎ２＞ｎ１）で厚さｔ２の高屈折率層４からなる積層体５を有する。図示しない制御部は、発色体２における繰返し周期を変化させることによって選択波長すなわち発色を制御する。作動時の厚さｔ１，ｔ２は、非作動時に比べて小さくなる。

発色体２同士の間隔は、フォトニックバンドギャップ効果により高い反射効率を得るという観点から１０〜３００ｎｍにするのが好ましい。また、自然数ｍに対して、ｍ×λ＝２（ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２）を満足する選択波長λの光が、選択的に強められて反射される。

本実施の形態において、発色体２の繰返し構造は、屈折率分布の繰返し構造である。発色体２の厚さ方向の屈折率分布がｎ（ｚ）であり、繰返し周期がｔであるとすると、自然数ｍに対して、式

を満足する選択波長λの光が選択的に強められて反射される。また、自然数ｍは、反射効率を最大にするという観点から１が好適であり、製造を容易にするという観点から２又は３が好適である。

図２（ａ）は、本発明の参考例である発色構造体の第２の実施の形態の非作用時を示す図であり、
図２（ｂ）は、本発明の参考例である発色構造体の第２の実施の形態の作用時を示す図である。
この発色構造体は、基板１１と、基板１１に設けられた発色体１２と、図示しない制御部とを具え、発色体１２は、金属薄膜１３及び屈折率ｎ３で厚さｔ３の屈折率層１４からなる積層体１５を有する。作動時の厚さｔ３は、非作動時に比べて小さくなる。

この場合、自然数ｍに対して、ｍ×λ＝２（ｎ３×ｔ３）を満足する選択波長λの光が、選択的に強められて反射される。なお、波長λを、３００〜８００ｎｍの範囲で変化させるのが好ましい。また、金属薄膜１３の厚さを、透過光の強度すなわち反射効率の観点から５０ｎｍ以下にするのが好ましい。

好適には、上記制御部は、電場・磁場・振動場・圧力場・熱場又は光場を変化させるものであり、例えば、電極により電圧を印加して電場を生じさせ、コイルによって磁場を発生させ、電歪素子を用いて振動場を生じさせ、空気圧若しくは水圧により圧力場を生じさせ、又は電極により通電加熱して熱湯を生じさせる。また、永久磁石によって磁場を生じさせ又はレーザ照射によって光場を生じさせる場合には、制御部を発色体１２の近傍に配置する必要がなく、発色体１２から離間して配置することができる。

図３（ａ）は、本発明の参考例である発色構造体の第３の実施の形態の非作用時を示す図であり、
図３（ｂ）は、本発明の参考例である発色構造体の第３の実施の形態の作用時を示す図である。
この発色構造体は、基板２１と、基板２１に設けられた発色体２２と、図示しない制御部とを具え、発色体２２は、作動時と非作動時のうちのいずれか一方（図３では作動時）で図１に示すような繰返し構造が生じ、他方（図３では非作動時）では繰返し構造が生じない。

これは、例えば振動場によって屈折率分布を生じさせる場合、振動場を作用させていないときには屈折率分布すなわち繰返し構造が生じていない。この場合においても、上記制御部によって選択波長λの制御ができる。

選択波長の制御に際し、波長変化時には制御部の作用を必要とするが、ある選択波長の保持時には制御部の作用を必要としない。これは、バイステイブル又はマルチステイブルの構造を有することによって、静止画表示状態では外場からのエネルギーを必要としない低消費電力を実現するものである。

図４（ａ）は、本発明による発色構造体の実施の形態の非作用時を示す図であり、
図４（ｂ）は、本発明による発色構造体の実施の形態の作用時を示す図である。
この発色構造体は、基板３１と、基板３１に設けられた発色体３２と、図示しない制御部とを具え、発色体３２は、屈折率ｎ１で厚さｔ１の低屈折率層３３及び屈折率ｎ２（ｎ２＞ｎ１）で厚さｔ２の高屈折率層３４からなる積層体３５を有する。図示しない制御部は、発色体２における繰返し周期を変化させることによって選択波長すなわち発色を制御する。

この場合、上記制御部によって、発色体３２の平面状の配列周期が変化し、すなわち、作動時の発色体３２の幅は非作動時に比べて大きくなり、発色体の間隔は変化する。これによって、反射が強くなる選択波長λの反射効率は変わらないが、その他の波長の反射効率を変えることができ、結果的には色合いを変化させること、つまり、眺める角度が変化するに従って色が変化するという不都合なく可変発色を行うことができる。

図５（ａ）は、本発明の参考例である発色構造体の第４の実施の形態の非作用時を示す図であり、
図５（ｂ）は、本発明の参考例である発色構造体の第４の実施の形態の作用時を示す図である。
この発色構造体は、基板４１と、基板４１に設けられた発色体４２と、図示しない制御部とを具え、発色体４２は、屈折率ｎ１で厚さｔ１の低屈折率層４３及び屈折率ｎ２（ｎ２＞ｎ１）で厚さｔ２の高屈折率層４４からなる積層体４５を有し、電極４６，４７によって挟まれる。図示しない制御部は、発色体４２における繰返し周期を変化させることによって選択波長すなわち発色を制御する。作動時の厚さｔ１，ｔ２は、非作動時に比べて小さくなる。

このように電極４６，４７によって発色体４２を挟み込むことによって静電駆動型の可変色彩発色構造体を構成では、電極４６，４７のうちの少なくとも一方及び基板４１を透明にすることによって発色に及ぼされる影響を少なくすることができる。

図６は、本発明による表示装置の第１の実施の形態を示す図である。この表示装置は、硬質の基板５１と、基板５１上でアレイ状に配置された発色体５２と，図示しない制御部とを具える。発色体５２は、図１〜５のいずれか一つに図示されたものと同一構成を有する。本実施の形態では、反射型のカラー静止画像及び動画像を含む可変情報を表示することができる。

図７は、本発明による表示装置の第２の実施の形態を示す図である。この表示装置は、可撓性の基板６１と、基板６１上でアレイ状に配置された発色体６２と、図示しない制御部とを具える。発色体６２は、図１〜５のいずれか一つに図示されたものと同一構成を有する。本実施の形態では、反射型のカラー静止画像及び動画像を含む可変情報を表示することができる。

図８は、本発明による発色構造体を塗料として用いた実施の形態を示す図である。本実施の形態では、基板７１上で発色体７２をチップ状にし、表面を自己組織化単分子膜（ＳＡＭｓ）等で化学的に処理した表面処理層７３を有する。

これによって、溶媒を溶かし、塗料として用いる場合において自己組織化的に配向する。既に説明したように、離間して配置することができ、すなわち、離れた位置からの制御が可能な制御部を用いることによって、上記チップにエネルギー源を持たせることなく可変色彩発色を行うことができる。したがって、例えば車両の塗料として用いた場合には、車両の色を任意に変えることができる。

本発明を要約すると、次の通りである。
本発明は、高輝度で薄膜化が容易な微細構造を用いた反射型又は透過型のカラー静止画像及び動画像を有する可変情報を表示できる発色構造体及びそれを具える表示装置を提供する。発色構造体を用いた色表示のため、色あせるおそれがない。

本発明による表示装置では、発色構造体として、屈折率が互いに相違する２以上の層が積層された複数の発色体が可視光波長より短い間隔で基板上に２次元的に配置され、その発色体の層の光学的厚さ及び発色体の間隔を機械的、電気的、磁気的、熱的、光学的又は化学的な作用により変化させることによって発色を制御させる。すなわち、本発明は、波長選択的な反射又は透過特性を有する複数の発色体が基板上に２次元的に配置され、その発色体の層の光学的厚さ及び発色体の間隔を制御部の機械的、電気的、磁気的、熱的、光学的又は化学的な作用により変化させることによって発色を制御する反射型又は透過型の可変色彩表示素子を提供する。

かかる可変色彩表示素子の一例は、透過光抑制型であって、発色体が可視光波長以下の間隔で基板上に２次元的に配置されている。また、可変色彩表示素子の一例は、発色体の上部・下部・内部・外部（リモートパワリング）又はそれを挟み込むようにして電場・磁場・振動場・圧力場・熱場又は光場のうちの少なくとも一つを発生させる（場の発生の）制御部を有する。

発色体の一例は、制御部の作用時と非作用時のいずれかにおいて、相対的に屈折率の高い層と相対的に屈折率の低い層との積層の構造となる（音響光学素子型・コレスティック液晶）。また、発色体の他の例は、制御部の作用に応じて、互いに相違する周期構造を有する相対的に屈折率の高い層と相対的に屈折率の低い層との積層の構造となる（電圧印加による可変発色）。

発色体の他の例は、制御部の非作用時に周期構造を有する相対的に屈折率の高い層と相対的に屈折率の低い層との積層構造となり、所定の電圧印加・除去などの作用により上記周期とは異なる周期構造を有する相対的に屈折率の高い層と相対的に屈折率の低い層との積層の構造となり、かつ、その周期構造の保持に制御部の作用又はエネルギーを必要としない（バイステイブル・マルチステイブル）。

発色体を、Palyleneなどの電極間の静電引力により機械的変形を生じる低ヤング率材料（静電気力）、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などの電極間の電圧印加により機械的変形をする電歪特性を有する材料（電歪）、ＴｉＮｉなどの電極間の通電加熱により機械的変形が生じる形状記憶効果を有する材料（形状記憶合金）、Ｎｉ，Ｆｅ若しくはそれらの合金などの磁場により引力を生じる材料（磁場）、又はＰＺＬＴなどの光場により機械的変形を生じる光歪材料で構成することもできる。また、基板を、ポリイミドのような可撓性の材料で構成することもできる（フレキシブル基板）。

表示装置の一例は、可変色彩表示素子をアレイ状に配置することによって構成される（反射ディスプレイ）。表示装置の他の例は、バックライトを具える。また、可変色彩表示素子を溶媒に混ぜることによって、可変色彩発生塗料を構成することもできる。この場合、自己組織化単分子膜（ＳＡＭｓ）や表面の化学的性質を変えることにより、塗装後に複数の可変色彩素子の向きを揃えるのが好ましい（自動配向）。さらに、可変色彩表示素子を用いることによって、機械的・電気的又は化学的な変化を色彩の変化に置換する物理量センサを構成することもできる。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。

本発明の参考例である発色構造体の第１の実施の形態を示す図である。 本発明の参考例である発色構造体の第２の実施の形態を示す図である。 本発明の参考例である発色構造体の第３の実施の形態を示す図である。 本発明による発色構造体の実施の形態を示す図である。 本発明の参考例である発色構造体の第４の実施の形態を示す図である。 本発明による表示装置の第１の実施の形態を示す図である。 本発明による表示装置の第２の実施の形態を示す図である。 本発明による発色構造体を塗料として用いた実施の形態を示す図である。

符号の説明

１，１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１ 基板
２，１２，２２，３２，４２，５２，６２，７２ 発色体
３，３３，４３ 低屈折率層
４，３４，４４ 高屈折率層
５，１５，３５，４５ 積層体
１３ 金属薄膜
１４ 屈折率層
４６，４７ 電極
７３ 表面処理層

Claims (2)

1. 基板と、
   その基板上に可視光波長より短い間隔で配置された、低ヤング率材料、電歪特性を有する材料、形状記憶効果を有する材料、磁場により引力を生じる材料、光歪特性を有する材料、音響光学効果を有する材料から選ばれる１種以上の材料からなる、屈折率が互いに相違する２以上の層の積層構造を有し、波長選択的な反射又は透過特性を有する発色体と、
   該発色体の層の光学的厚さ及び発色体の間隔を、機械的、電気的、磁気的、熱的、光学的又は化学的な作用により変化させて選択波長、反射効率を制御することにより発色体の発色を制御する制御手段とを具えることを特徴とする可変発色構造体。
2. 基板と、
   その基板上に可視光波長より短い間隔で配置された、低ヤング率材料、電歪特性を有する材料、形状記憶効果を有する材料、磁場により引力を生じる材料、光歪特性を有する材料、音響光学効果を有する材料から選ばれる１種以上の材料からなる、屈折率が互いに相違する２以上の層の積層構造を有し、波長選択的な反射又は透過特性を有する発色体と、
   該発色体の層の光学的厚さ及び発色体の間隔を、機械的、電気的、磁気的、熱的、光学的又は化学的な作用により変化させて選択波長、反射効率を制御することにより発色体の発色を制御する制御手段とを具えた複数の発色構造体をアレイ状に配置したことを特徴とする可変色彩表示装置。

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