JP3984317B2 - 表示素子およびその使用方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は可視光による磁気光学効果を利用して情報を可視化する表示素子およびその使用方法に関し、特にその画像コントラストの改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、永久磁石を用いて画像表示および消去を行う磁性粒子吸引型のホワイトボードが玩具あるいは文房具として市販されている。その構造、および画像表示と画像消去の方法について、図６および図７を参照しながら説明する。
このホワイトボード１００は、図６に示されるように、透明な表側パネル１０１ｔと光反射率の高い裏側パネル１０２とが平行に配され、両パネル間のギャップに黒色ないし濃色の磁性粒子１０６が白色ないし淡色の非磁性粒子１０５と共に封入されたものである。上記ギャップは、実際にはたとえばハニカム・メッシュ状の非磁性材料からなる仕切板１０３で開口径数ミリ程度のセル１０４に空間的に分割されており、上記非磁性粒子１０５と上記磁性粒子１０６とは混合された状態で該セル１０４内に収容されている。このセル１０４が、非磁性粒子１０５と磁性粒子１０６の均一保持を可能とすると共に、次に述べる磁気ペン２００からの磁束の発散を抑えて解像度を高めることに寄与している。
【０００３】
上記ホワイトボード１００では、表側パネル１０１ｔの表面が画像の観察面Ｑとなっており、画像の形成は磁気ペン２００を用いてこの観察面Ｑ上で行う。上記磁気ペン２００は、非磁性材料からなる柄２０１の先端に直径１ｍｍ程度の棒状の永久磁石２０２が埋め込まれたものである。
このホワイトボード１００を使用する際は、まず図７に示されるように、裏側パネル１０２の全面にわたって棒状の消去用永久磁石３００を矢印Ｂ方向にスキャンさせることにより、すべての磁性粒子を１０６を裏側パネル１０２の側へ一旦吸引する。このとき、観察面Ｑは全面的に白色もしくは淡色の背景色を呈する。
【０００４】
次に、磁気ペン２００の永久磁石２０２を観察面Ｑに接触もしくは近接させた状態で磁気ペン２００を矢印Ａ方向へ動かすと、その軌跡に重なるセル１０４内では磁性粒子１０６が表側パネル１０１ｔの方向へ吸引され、軌跡が黒色または濃色の画像として観察されるようになる。
この画像を消去するには、再び上述の消去用永久磁石３００を用いて全面スキャンを行えば良い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような磁気ペン２００を用いた画像形成では、永久磁石２０２の先端部の直径と同等の細い線を描くことは原理的に不可能で、通常は線の太さが先端部の直径の２〜３倍となってしまう。これは、永久磁石の磁束がＮ極から出て一旦発散した後に収束してＳ極に戻るような閉ループを形成しているからである。したがって、磁気エネルギーの利用効率が低く、しかも背景と画像との間の高いコントラストが得られないという問題があった。
また、磁性粒子の空間的な移動を利用して画像形成を行っているので、画像の解像度の向上、薄型化、大面積化、軽量化にも限度がある。
【０００６】
そこで本発明は、上述のような従来のホワイトボードとは全く異なる原理にもとづき、磁気発生手段からの磁束の発散を抑え、かつ光の利用効率を高めることで解像度やコントラストに格段に優れる表示素子を提供し、さらにその使用方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の表示素子は、上述の目的を達成するために提案されるものであり、画像の観察面側から見て少なくとも偏光子層、磁性層、高透磁率層、光反射層をこの順序にて含む積層膜が支持体上に支持されてなり、該磁性層に生成される磁化パターンを明暗パターンとして可視化するようになされ、該高透磁率層には格子パターン化に形成された開口部が設けられた構成をとることにより、該磁性層に与えられる磁化パターンを磁気光学効果にもとづく明暗パターンとして可視化するものである。
上記の積層膜は支持体上に偏光子層側で接触支持されていても、あるいは高透磁率層側で接触支持されていても良い。
さらに、観察面の最表面には反射防止膜が設けられていても良く、また積層膜を最終的に表面保護膜で被覆しても良い。
かかる本発明の表示素子を使用する際は、観察面側から磁気発生手段を接触もしくは近接させて該磁性層に所定の磁化パターンを発生させる。また、磁化パターンの消失、すなわち初期化を行うためには、観察面側またはその反対面側から消去手段を接触もしくは近接させる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の表示素子の画像形成は、偏光子層を通過して直線偏光に変換された可視光が磁性層を通過する際に、磁化の状態に応じて透過光と光反射膜で反射された反射光とに偏光面の回転が生じ（磁気光学ファラデー効果）、この反射光が再び偏光子層を通過する際の透過率が変化する現象を利用するものである。つまり、磁化パターンを観察面側で明暗パターンとして可視化するものである。
【０００９】
このときの画像形成原理は、次のとおりである。まず、この表示素子に自然光（可視光）が入射すると、偏光子層の偏光面と一致した振動成分のみが直線偏光として取り出され、その下の磁性層に入射する。この磁性層の磁化領域では、磁性微粒子のスピンの方向が光の入射方向に対して上向きまたは下向きに揃っており、この磁化領域を通過する光は偏光面がファラデー回転角θF だけ回転されながら下地層との界面に達する。ただし、スピンの向きの上下によってファラデー回転角θF の符号は逆となるので、磁化はいずれか一方の方向にのみ与えるようにする。
この下地層の表面で反射された光は、再び磁化領域を通過する際にさらに同じ方向に同じ角度だけ偏光面の回転を受けてから、再び偏光子層に入射する。しかし、この反射光は入射光に比べて偏光面が２θF 回転しているために、該偏光子層を全く通過することができないか、あるいは一部しか通過することができない。したがって、磁化領域は観察面側からは暗部となって見える。
【００１０】
一方、非磁化領域では、磁性微粒子のスピンの方向がランダムもしくは水平（磁性層の面内方向）であり、この領域を通過する光は偏光面の回転を受けずに下地層との界面に達する。この下地層の表面で反射された光は、再び非磁化領域を通過する際にも偏光面の回転を受けないので、偏光子を透過することができる。つまり、非磁化領域は観察面側からは明部となって見える。
【００１１】
このとき、偏光面の回転角が２θF に達した場合の反射光強度がちょうどゼロとなるような設計を行うと、スピンの垂直成分の多少に依存した階調表示を行うことが可能となる。すなわち、強い磁化を受けてスピンの垂直成分の多い磁化領域ほど濃い暗部として観察され、弱い磁化を受けてスピンの垂直成分の少ない磁化領域ほど薄い暗部として観察される。
このように、本発明の表示素子は磁化領域のスピンの垂直成分の多少に応じてコントラストを得るものであるから、磁化領域ではスピンが垂直方向を向き、非磁化領域ではスピンが面内方向を向く場合にコントラストが最大となることは明らかである。つまり、磁性層として垂直磁気異方性を有する材料層を用いると、最良の表示性能を得ることができる。
【００１２】
本発明では、このような磁気光学効果による画像形成原理を応用すると共に、観察面側から見て磁性層の背面側に高透磁率層を設けているので、磁性層内を通過する磁束を収束させることができ、画像の高コントラスト化や磁気エネルギー利用の効率化を図ることができる。つまり、偏光子層、磁性層および高透磁率層の３層が、本発明の表示素子の積層膜を構成する最も基本的な要素である。ただし、この積層膜は真空薄膜形成技術または塗布により成膜される極めて薄い膜なので、実用的には支持体上に支持させた構成を採用する。
【００１３】
上記積層膜には偏光子層、磁性層および高透磁率層の３層に加え、画像の観察面側から見て少なくとも磁性層の背面側に光反射層が含まれていても良い。この光反射層は、磁性層と高透磁率層との間に設けられても良いし、高透磁率層のさらに背面側に設けられても良い。
【００１４】
ところで、本発明の表示素子はいわゆる反射型ディスプレイとして用いられるものであるから、入射光と反射光の光路に相当する材料層はすべて可視光透過率の高い材料層を用いて構成される必要がある。ここで規定される高い可視光透過率とは、可視光に対して実質的に透明であるか、もしくは実用的な視認性を達成するに十分な程度の透過率である。そこで、次に各材料層について可視光透過率を高めるための材料選択や構造上の工夫について述べる。
【００１５】
まず、可視光領域で用いられる上記偏光子層としては、まず単層構成のものとして２色性物質としてヨウ素を用いた多ハロゲン偏光フィルム、染料偏光フィルム、金属偏光フィルムが例示される。また、積層構成のものとしては、厚さ６〜８ｎｍのＧｅ（ゲルマニウム）膜と厚さ１μｍ程度のＳｉＯ2 とを交互に積層させた積層型偏光子が知られている。
【００１６】
本発明では、磁性層も常に高い可視光透過率を有している必要がある。垂直磁気異方性を有する透明磁性体としては、Ｂｉ置換鉄ガーネット、ＭｎＢｉ、ＭｎＣｕＢｉ、およびＳｒＦｅ12Ｏ19，ＢａＦｅ12Ｏ19，ＣｏＦｅ2 Ｏ4 等のフェライトを用いることができる。
なお、上記の磁性材料を用いて磁性層を形成する場合、これをＣＶＤやＰＶＤ等の気相薄膜形成法で行おうとすると、磁性層を結晶化させるために５００℃以上の成膜時加熱を要するので、支持体はガラス等の高融点材料からなるものに限られる。一方、磁性材料の微粒子を樹脂バインダと混練した組成物を塗布し、これを１００℃前後の温度で硬化させる方法であれば、支持体としてプラスチック等の低融点材料からなるものも使用できる。この場合の磁性材料の微粒子の粒径は、光の散乱を減少させ光透過率を高める観点から、おおよそ１μｍ以下とすることが好適である。また、背景色を白色に近づけるために、フッ化鉄等の白色粒子を混合しても良い。
【００１７】
高透磁率層の構成材料としては、純鉄（不純物 0.5％以下) 、硅素鋼（4 Ｓｉ−96Ｆｅ）、アルパーム（16Ａｌ−84Ｆｅ）、センダスト（85Ｆｅ−9.6 Ｓｉ−5.4 Ａｌ）、78パーマロイ（78Ｎｉ−22Ｆｅ）、スーパーマロイ（79Ｎｉ−5 Ｍｏ−16Ｆｅ）、ミューメタル（77Ｎｉ−5 Ｃｕ−2 Ｃｒ−16Ｆｅ）、パーメンジュール（50Ｃｒ−50Ｆｅ）、45−25パーミンベール（45Ｎｉ−25Ｃｏ−30Ｆｅ）、フェロクスキューブ２（Ｍｇ0.5 Ｚｎ0.5 Ｆｅ2 Ｏ4 ）、フェロクスキューブ３（Ｍｎ0.5 Ｚｎ0.5 Ｆｅ2 Ｏ4 ）、フェロクスキューブ４（Ｎｉ0.3 Ｚｎ0.7 Ｆｅ2 Ｏ4 ）を例示することができる。高透磁率層の形成は、スパッタリング、あるいは上記の材料の微粒子を含有するインクを用いたスクリーン印刷によって行うことができる。厚さの範囲は、おおよそ５０〜５００ｎｍとする。
【００１８】
ここで、上述のような材料からなる高透磁率層は、本発明の表示素子の観察面側から見て磁性層の背面側に設けられる層であるから、この層自身に高い光反射率が備わっていれば、磁性層を通過した直線偏光を効率良く反射させることができる。したがって、光反射層の併用は特に必要ではない。
しかし、光反射膜として一般に用いられるＡｌやＡｕの光反射率が９０％以上と高いのに対し、たとえばパーマロイ系の材料の光反射率はせいぜい７０％程度であるから、このような場合には光反射率の併用が有効である。
【００１９】
上記高透磁率層が観察面側から見て光反射層よりも背面側にある場合は、該高透磁率層の光学特性については特に考慮する必要はない。
一方、高透磁率層が光反射層よりも手前にある場合には、該高透磁率層の可視光透過率を高めておく必要がある。これは、高透磁率層自身による光反射を期待しない代わりに、入射する直線偏光をできるだけ光反射層へ到達させ、この光反射層を利用して高い反射光強度を得るためである。ただし、高透磁率材料そのものは透明物質ではないので、高透磁率層の可視光透過率を向上には構造上の工夫で対処する。すなわち、高透磁率材料を格子パターン状に形成することである。
【００２０】
上記格子パターンの開口の形状は、矩形、三角形、台形、菱形、六角形等、特に限定されるものではない。格子部と開口部との面積比は０．１〜０．８の範囲で透磁率の大きさに応じて選択すれば良い。格子部の面積比が上記の範囲よりも小さいと磁束の収束効果が不足し、上記の範囲よりも大きいと光反射層側への透過光量が減少してしまう。
なお、格子パターンの厚さはおおよそ０．０５〜１μｍの範囲に選択することが好ましい。
また、格子パターンの開口部は可視光透過率の高い非磁性材料層で埋め込んでおくことが好適である。このことは、磁束の局在化と表示素子の表面平坦化に寄与する。
【００２１】
本発明で用いられる積層膜は、偏光子層と高透磁率層のいずれの側で支持体に接触支持されるものであっても良い。
上記積層膜が偏光子層側で支持される場合には、支持体側が観察面となるので、該支持体が高い可視光透過率を有していること、つまり透明基板である必要がある。かかる透明基板の構成材料は、無機系と有機系に大別することができる。無機系としては、石英、サファイア、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＢｅＯ、ＺｒＯ2 、Ｙ2 Ｏ3 、ＴｈＯ2 ・ＣａＯ等のガラス材料を用いることができる。
一方、有機系としては、メタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリプロピレン、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリアリレート、ポリスルフォン、ポリエーテルスルフォン、エポキシ系樹脂、ポリ−４─メチル−１−ペンテン、フッ化ポリイミド、フッ素樹脂、フェノキシ樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ナイロン系樹脂を例示することができる。
【００２２】
上述のように積層膜が偏光子層側で支持体の一方の主面上で支持される場合、観察面となる該支持体の他方の主面上には反射防止膜を設けても良い。可視光域で透明であり、本発明で使用可能な反射防止膜の材料を以下に挙げる。なお、〔〕内の数値は屈折率ｎ、（ ）内の数値は屈折率ｎの測定波長λ（単位＝ｎｍ）である。
屈折率ｎが１．５未満の材料としては、ＣａＦ2 〔1.23-1.26(546)〕，ＮａＦ〔1.34 (550)〕，Ｎａ3 ＡｌＦ6 〔氷晶石；1.35 (550)〕，ＬｉＦ〔1.36-1.37(546)〕，ＭｇＦ2 〔1.38 (550)〕およびＳｉＯ2 〔1.46 (500)〕がある。屈折率ｎが１．５以上、おおよそ２．０までの材料としては、ＬａＦ3 〔1.59 (550)〕，ＮｄＦ3 〔1.6(550)〕，Ａｌ2 Ｏ3 〔1.62 (600)〕，ＣｅＦ3 〔1.63 (550)〕，ＰｂＦ2 〔1.75 (550)〕，ＭｇＯ〔1.75 (500)〕，ＴｈＯ2 〔1.8(550)〕，ＳｎＯ2 〔1.9(550)〕，Ｌａ2 Ｏ3 〔1.95 (550)〕およびＳｉＯ〔1.7-2.0(550)〕がある。屈折率ｎが２．０以上、３．０未満の材料としては、Ｉｎ2 Ｏ3 〔2.0(500)〕，Ｓｂ2 Ｏ3 〔2.04 (546)〕，ＴｉＯ2 〔2.2-2.7(550)〕およびＺｎＳ〔2.35 (550)〕がある。さらに、屈折率ｎが３．０以上の材料としては、Ｓｉ〔3.5 〕，Ｇｅ〔4.5 〕およびＰｂＴｅ〔5.5 〕がある。
上記反射防止膜の厚さは、おおよそ５０〜１０００ｎｍの範囲で選択することが好適である。
【００２３】
また、積層膜が偏光子層側で支持体に支持される場合には、該積層膜の高透磁率層側が表示素子の裏面となるので、この面に表面保護層を形成しても良い。この場合の表面保護層は観察面側には無いため、必ずしも高い可視光透過率を有している必要はない。
上記表面保護層の構成材料も無機系と有機系に大別することができる。無機系の材料としては、たとえばＴｉＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 、ＴａＮ、ＳｉＯｘを挙げることができ、いずれも真空蒸着、スパッタリング、イオン・プレーティング等の気相薄膜形成技術を用いて形成することができる。一方、有機系の材料としてはアクリル、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリエーテルスルフォン、ポリアミド、エポキシ等の樹脂を挙げることができ、これらは塗布により形成することができる。いずれの材料を用いた場合にも、表面保護層の厚さはおおよそ０．１〜１０μｍの範囲に選択することが好適である。
【００２４】
以上述べた場合とは逆に、積層膜が高透磁率層側にて前記支持体の一方の主面上に接触支持される場合には、材料選択を変更することが可能である。
すなわち、この場合の支持体は観察面側では無くなるので、該支持体が必ずしも高い可視光透過率を有する必要はなく、むしろ高い光反射率を有する材料を用いて構成されていても良い。
一方、この場合の偏光子層は観察面側に来るので、その表面に形成される表面保護層は、高い可視光透過率を備える必要がある。なお、この表面保護層は、反射防止層を兼ねるものであっても構わない。
【００２５】
なお、上述のいずれの構成をとる場合にも、本発明の表示素子においては、観察面から光反射層までの合計層厚（光反射層も含む）を１００μｍ以下に設定することが特に好適である。これは、磁束の広がりを抑えて高コントラストを得、また光吸収を抑えて観察面の明るさを向上させる上で有効だからである。
【００２６】
かかる本発明の表示素子を使用して記録を行うためには、観察面側から磁気発生手段を接触もしくは近接させて該磁性層に所定の磁化パターンを発生させれば良い。
上記磁気発生手段としては、微小な永久磁石やマイクロ磁気ヘッド・アレイが典型的に用いられる。
上記微小な永久磁石としては、たとえば従来の磁性粒子吸引型のホワイトボードへの画像形成用に用いられていた様な磁気ペンを用いることができる。
上記磁気ペンがアナログ画像表示を可能とするのに対し、所定の面積内に微小な磁気ヘッド（マイクロ磁気ヘッド）が配列されたマイクロ磁気ヘッド・アレイを用いれば、個々の磁気ヘッドのＯＮ／ＯＦＦに応じて所定のドット・パターンを形成することができる。つまり、デジタル画像表示が可能となる。
【００２７】
また、表示素子の初期化、すなわち新たな画像表示を行うために現在の表示を一旦消去するには、観察面側もしくはその反対面側から消去手段を接触もしくは近接させて磁化の方向を水平（面内方向）もしくはランダムに変化させれば良い。特に磁性層が垂直磁気異方性を有する場合には、磁化の方向を該磁性層の面内方向に揃えることが有効である。
最も単純な消去手段は、たとえば従来の磁性粒子吸引型のホワイトボードで用いられていた様な棒状の消去用永久磁石であり、これを磁性層の面内方向にスキャンさせることにより初期化を行うことができる。あるいは、通常の３ヘッド型のカセットテープレコーダの消去用ヘッドを用いても、磁界の方向が磁性層の面内方向とほぼ一致しているので、同様の初期化を行うことができる。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明の具体的な実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、これらの図面において符号に付した添字ｔは、可視光に対して透明もしくは十分に高い光透過率を有することが要求される層を示すものである。
【００２９】
実施例１
本実施例では、磁性層と高透磁率層との間に光反射層を備え、透明な支持体側から磁気ペン用いた画像形成を行うようになされた表示素子と、その製法ならびに使用方法について、図１を参照しながら説明する。この図の（ａ）図は、本実施例の表示素子の模式的断面図、（ｂ）図は偏光子層の拡大図である。
【００３０】
本実施例の表示素子は、図１の（ａ）図に示されるように、ポリカーボネートからなる厚さ３０μｍの支持体１ｔの一方の主面に予めＭｇＦ2 膜からなる厚さ０．１μｍの反射防止層２ｔが形成され、他方の主面に、厚さ４μｍの積層型の偏光子層３ｔ、Ｂｉ置換鉄ガーネット粉末を含有する厚さ５μｍの磁性層４ｔ、Ａｌからなる厚さ０．２μｍの光反射層５、78パーマロイからなる厚さ０．５μｍの高透磁率層６、およびアクリル樹脂からなる厚さ０．５μｍの表面保護層７が順次積層されたものである。この表示素子の観察面Ｐは、上記反射防止膜２ｔの表面であり、該反射防止膜２ｔから光反射層５までの合計層厚ｄ1 は約３９μｍである。
【００３１】
次に、上記表示素子の製造方法について説明する。
まず、支持体１ｔとなる厚さ３０μｍのポリカーボネート・フィルムの片面に、たとえば真空蒸着法によってＭｇＦ2 層（屈折率ｎ＝１．３８）を１００ｎｍの厚さに被着させ、反射防止層２ｔを形成した。
【００３２】
次に、上記ポリカーボネート・フィルムの反対側の面に偏光子層３ｔを形成した。この偏光子層３ｔは、図１の（ｂ）図に示されるように、ＳｉＯ2 膜の厚さ方向に沿って一定の間隔でＧｅ膜３３がすだれ状に配されたものであり、半導体プロセスを応用して作成した。
すなわちまず、ポリカーボネート・フィルム上にたとえばプラズマＣＶＤ法により厚さ４μｍの第１ＳｉＯ2 膜３１を成膜し、フォトリソグラフィとドライエッチングを経て高さ２μｍ、ピッチ１μｍのライン・アンド・スペース・パターンを形成した。このパターニングにより、幅１μｍの凸部３２を形成した。
次に、凹凸の形成された第１ＳｉＯ2 膜３１の全面に厚さ８ｎｍのＧｅ膜３３をスパッタリングにより成膜し、続いてＡｒガスを用いた逆スパッタリングを行って該Ｇｅ３３膜を凸部３２の側壁面にのみ残した。
さらに、この凹凸の全面に第２ＳｉＯ2 膜３４をプラズマＣＶＤ法により成膜し、化学機械研磨を行って表面を平坦化した。
以上の工程にて作成された偏光子層３ｔのＳ偏光透過率Ｔ1 は７８％、Ｐ偏光透過率Ｔ2 は６％であり、偏光度（Ｔ1 −Ｔ2 ）／（Ｔ1 ＋Ｔ2 ）は８５．７％であった。
【００３３】
次に、上記偏光子層３ｔの上に磁性層４ｔを形成した。
すなわちまず、磁性層４の原料である平均粒径６０ｎｍのＢｉ置換鉄ガーネット粉末（Ｂｉ2.0 Ｄｙ1.0 Ｆｅ3.8 Ａｌ1.2 Ｏ12）をボールミルを用いて２５時間分散させ、この後、同重量部のビニルエステル結合剤と共に混練して磁性塗料を調製した。この磁性塗料を、上記偏光子層３ｔの上に５μｍの厚さに塗布し、１００℃に加熱して結合剤を硬化させた。
この磁性層４ｔの膜面に垂直に磁界を印加して保磁力Ｈを測定したところ、６５０Ｏｅであり、垂直磁化膜であることが確認された。この垂直磁気異方性は、結合剤として用いたビニルエステル樹脂の熱収縮時の膜応力により発生したものと考えられる。また、波長５００ｎｍにおけるファラデー回転角θF は１．４°／μｍ、ヒステリシス・ループの角形比はほぼ１であり、良好な磁気光学特性を有していることがわった。
【００３４】
次に、上記磁性層４ｔの上に真空蒸着法によりＡｌを０．２μｍの厚さに成膜し、光反射層５を形成した。
次に、上記光反射層５の上にスパッタリング法により78パーマロイを０．５μｍの厚さに成膜し、高透磁率層６を形成した。
さらに、上記高透磁率層６の上にアクリル樹脂塗料を０．５μｍの厚さに塗布して表面保護層７を形成し、表示素子を完成した。この表示素子の観察面Ｐは、ほぼ白色を呈していた。
【００３５】
このようにして作成された表示素子に画像形成を行った。
ここで使用した磁気ペン４０は、樹脂等の非磁性材料からなる柄４１の先端に、直径２ｍｍ、長さ１０ｍｍの棒状のアルニコ磁石が永久磁石４２として埋め込まれたものである。
上記の磁気ペン４０を観察面Ｐに接触させながら移動させたところ、その軌跡に沿って磁性層４ｔが磁化されるために、該軌跡が黒色の画像として観察された。この画像と背景とのコントラストは、平均で約３．５であった。
【００３６】
なお、比較のために高透磁率層６を設けなかった以外は、上述の全く同様に表示素子を作成し、同様に画像形成を行ったところ、コントラストは２．４であった。したがって、本発明によりコントラストが大幅に改善されたことが明らかである。
【００３７】
実施例２
本実施例では、上述の実施例１で用いた光反射層５を省略する代わりに、光反射率のやや高い材料を用いて高透磁率層が形成された表示素子について、図２を参照しながら説明する。
【００３８】
すなわち、本実施例の表示素子は、ポリカーボネートからなる厚さ３０μｍの支持体１ｔの一方の主面に予めＭｇＦ2 膜からなる厚さ０．１μｍの反射防止層２ｔが形成され、他方の主面に、厚さ４μｍの積層型の偏光子層３ｔ、Ｂｉ置換鉄ガーネット粉末を含有する厚さ５μｍの磁性層４ｔ、アルパームからなる厚さ０．５μｍの高透磁率層１６、およびアクリル樹脂からなる厚さ０．５μｍの表面保護層７が順次積層されたものである。
上記表示素子の製造方法は、実施例１で述べた方法と同様である。
上記の磁気ペン４０を観察面Ｐに接触させながら移動させて画像を形成したところ、画像と背景とのコントラストは、平均して約２．０であった。
【００３９】
実施例３
本実施例では、光透過率の高い高透磁率層を観察面Ｐ側から見て光反射層よりも手前に配した本発明の表示素子と、マイクロ磁気ヘッド・アレイを用いた画像形成方法について、図３および図４を参照しながら説明する。
図３の（ａ）図は、本実施例の表示素子の模式的断面図、（ｂ）図は高透磁率層と磁性層とを積層順を反転して示す拡大斜視図である。
【００４０】
本実施例の表示素子は、図３の（ａ）図に示されるように、ポリカーボネートからなる厚さ３０μｍの支持体１ｔの一方の主面に予めＭｇＦ2 膜からなる厚さ０．１μｍの反射防止層２ｔが形成され、他方の主面に、厚さ４μｍの積層型の偏光子層３ｔ、Ｂｉ置換鉄ガーネット粉末を含有する厚さ５μｍの磁性層４ｔ、高い可視光透過率を有する厚さ２μｍの高透磁率層２６ｔ、Ａｌからなる厚さ０．２μｍの光反射層５、およびアクリル樹脂からなる厚さ０．５μｍの表面保護層７が順次積層されたものである。上記反射防止膜２ｔから上記光反射層５までの合計層厚ｄ2 は約４２μｍである。
【００４１】
この表示素子の製造方法は、高透磁率層２６ｔの形成工程のみが上述の実施例と異なっているので、以下、この工程について図３の（ｂ）図を参照しながら説明する。
まず、78パーマロイの微粒子を５０重量％の割合で含有するインクを用いてスクリーン印刷を行うことにより、磁性層４ｔの上に厚さ１μｍの格子パターン２６１を形成した。この格子パターン２６１は、幅２０μｍの帯状部を縦横方向に直交させたものである。換言すれば、１辺２０μｍの正方形の開口部２６２が規則的に配列されたパターンである。この格子パターン２６１の格子部と開口部２６２との面積比は０．７５である。
次に、アクリル樹脂インクを用いてスクリーン印刷を行うことにより、上記の開口部２６２を埋め込む第１非磁性層２６３ｔを形成した。さらに、表面の平面性を改善するために、アクリル塗料を全面的に塗布し、厚さ１μｍの第２非磁性層２６４ｔを形成した。
【００４２】
上述のようにして作成された表示素子に対し、マイクロ磁気ヘッド・アレイ５０を用いて画像形成を行った。
ここで上記マイクロ磁気ヘッド・アレイ５０は、図３の（ａ）図に示されるように、非磁性の基材５２の上に一定の配列パターンをもってマイクロ磁気ヘッド・ユニット５１が配されたものである。アレイの全体寸法は５×５ｍｍ、マイクロ磁気ヘッド５１の配列密度は４００ドット／インチ（６３．５μｍピッチ）である。
【００４３】
図４に、１個のマイクロ磁気ヘッド・ユニット５１の構造を示す。このヘッドは、シリコン基板５１２を用いて形成されるコアに、ギャップ材として透磁率の高いパーマロイ層５１１が埋め込まれ、このパーマロイ層５１１を取り巻くようにＡｕからなる渦巻き状（１０ターン）のコイル５１３がリソグラフィ技術を用いて形成され、ポリイミド樹脂からなる絶縁層５１４で封止されたものである。上記パーマロイ層５１１の組成は50Ｎｉ−50Ｆｅ、保持力は１Ｏｅ以下である。また、コイル５１３の電気抵抗は１．４μΩ・ｃｍ、コイル電流は０．５アンペアである。
【００４４】
上記のようなマイクロ磁気ヘッド・アレイ５０を本実施例の表示素子の観察面Ｐに密着させながら画像形成を行ったところ、形成された黒色のドットの直径は９０μｍであり、ドット画像と背景とのコントラストは、平均で約３．５であった。
なお、比較のために高透磁率層２６ｔを設けなかった以外は、上述の全く同様に表示素子を作成し、同様に画像形成を行ったところ、コントラストは１．６であった。したがって、本発明によりコントラストが大幅に改善されたことが明らかである。
【００４５】
実施例４
本実施例では、偏光子層、磁性層、光反射層、高透磁率層からなる積層膜を、実施例１とは逆向き、つまり高透磁率層側で支持体上に接触支持させた表示素子について、図５を参照しながら説明する。
【００４６】
本実施例の表示素子は、図５に示されるように、ポリカーボネートからなる厚さ３０μｍの支持体１ｔの上に、78パーマロイからなる厚さ０．５μｍの高透磁率層６、Ａｌからなる厚さ０．２μｍの光反射層５、Ｂｉ置換鉄ガーネット粉末を含有する厚さ５μｍの磁性層４ｔ、厚さ４μｍの積層型の偏光子層３ｔ、およびアクリル樹脂からなる厚さ０．５μｍの表面保護層７ｔが順次積層されたものである。なお、上記表面保護層７ｔには、屈折率と膜厚を最適化することにより反射防止膜の機能を持たせても良い。
この表示素子の観察面Ｐは、上記表面保護層７ｔの表面であり、該表面保護層７から光反射層５までの合計層厚ｄ3 は約９．５μｍである。この表示素子を構成する各材料層の形成方法は、実施例１で述べた通りである。
【００４７】
本実施例の表示素子は、最も厚みの大きい支持体１を観察面Ｐ側とは反対側に配したことにより、磁気発生手段である磁気ペン４０と磁性層４ｔとの距離、および光路が大幅に短縮された構成となっている。磁気ペン４０を観察面Ｐに接触させながら画像を形成したところ、画像と背景とのコントラストは、平均で約３．９であった。
【００４８】
なお、比較のために高透磁率層６を設けなかった以外は、上述の全く同様に表示素子を作成し、同様に画像形成を行ったところ、コントラストは２．９であった。したがって、本発明によりコントラストが大幅に改善されたことが明らかである。
【００４９】
以上、本発明の具体的な実施例を４例挙げたが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、各材料層の厚さ、構成材料、磁気発生手段の仕様等の細部については、適宜変更、選択、組み合わせが可能である。
【００５０】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明の表示素子は優れた解像度とコントラストを有する。しかも、磁気光学効果を利用して観察面上に明暗パターンを発生させるものであるため、繰り返し使用に堪え、ランニング・コストが極めて低く、軽量化、薄型化、大面積化にも有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】磁性層と高透磁率層との間に光反射層を備えた本発明の表示素子の構成例（実施例１）を磁気ペンと共に示す図であり、（ａ）図は模式的断面図、（ｂ）図はすだれ状構成を有する偏光子層の拡大図である。
【図２】図１の光反射層を省略する代わりに光反射率の大きい高透磁率層を備えた本発明の表示素子の構成例（実施例２）を磁気ペンと共に示す模式的断面図である。
【図３】光透過率の高い高透磁率層を光反射層よりも観察面側に配した本発明の表示素子の構成例（実施例３）をマイクロ磁気ヘッド・アレイと共に示す図であり、（ａ）図は模式的断面図、（ｂ）図は高透磁率層と磁性層の拡大図である。
【図４】マイクロ磁気ヘッドの要部を示す模式的断面図である。
【図５】表面保護層を画像の観察面側に配した本発明の表示素子の構成例（実施例４）を磁気ペンと共に示す模式的断面図である。
【図６】従来の磁性粒子吸引型のホワイトボードにおける画像形成状態を説明するための模式的断面図である。
【図７】従来の磁性粒子吸引型のホワイトボードにおける画像消去状態を説明するための模式的断面図である。
【符号の説明】
１，１ｔ 支持体
２ｔ 反射防止層
３ｔ 偏光子層
４ｔ 磁性層
５ 光反射層
６，６ｔ，１６，２６ｔ 高透磁率層
７，７ｔ 表面保護層
３２ 凸部
３３ Ｇｅ膜
４０ 磁気ペン
４２ 永久磁石
５０ マイクロ磁気ヘッド・アレイ
５１ マイクロ磁気ヘッド
２６１ 格子パターン
２６２ 開口部
２６３ｔ 第１非磁性層
２６４ｔ 第２非磁性層
Ｐ 観察面
ｄ1 ，ｄ2 ，ｄ3 観察面側から光反射層までの合計厚さ
【発明の属する技術分野】
本発明は可視光による磁気光学効果を利用して情報を可視化する表示素子およびその使用方法に関し、特にその画像コントラストの改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、永久磁石を用いて画像表示および消去を行う磁性粒子吸引型のホワイトボードが玩具あるいは文房具として市販されている。その構造、および画像表示と画像消去の方法について、図６および図７を参照しながら説明する。
このホワイトボード１００は、図６に示されるように、透明な表側パネル１０１ｔと光反射率の高い裏側パネル１０２とが平行に配され、両パネル間のギャップに黒色ないし濃色の磁性粒子１０６が白色ないし淡色の非磁性粒子１０５と共に封入されたものである。上記ギャップは、実際にはたとえばハニカム・メッシュ状の非磁性材料からなる仕切板１０３で開口径数ミリ程度のセル１０４に空間的に分割されており、上記非磁性粒子１０５と上記磁性粒子１０６とは混合された状態で該セル１０４内に収容されている。このセル１０４が、非磁性粒子１０５と磁性粒子１０６の均一保持を可能とすると共に、次に述べる磁気ペン２００からの磁束の発散を抑えて解像度を高めることに寄与している。
【０００３】
上記ホワイトボード１００では、表側パネル１０１ｔの表面が画像の観察面Ｑとなっており、画像の形成は磁気ペン２００を用いてこの観察面Ｑ上で行う。上記磁気ペン２００は、非磁性材料からなる柄２０１の先端に直径１ｍｍ程度の棒状の永久磁石２０２が埋め込まれたものである。
このホワイトボード１００を使用する際は、まず図７に示されるように、裏側パネル１０２の全面にわたって棒状の消去用永久磁石３００を矢印Ｂ方向にスキャンさせることにより、すべての磁性粒子を１０６を裏側パネル１０２の側へ一旦吸引する。このとき、観察面Ｑは全面的に白色もしくは淡色の背景色を呈する。
【０００４】
次に、磁気ペン２００の永久磁石２０２を観察面Ｑに接触もしくは近接させた状態で磁気ペン２００を矢印Ａ方向へ動かすと、その軌跡に重なるセル１０４内では磁性粒子１０６が表側パネル１０１ｔの方向へ吸引され、軌跡が黒色または濃色の画像として観察されるようになる。
この画像を消去するには、再び上述の消去用永久磁石３００を用いて全面スキャンを行えば良い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような磁気ペン２００を用いた画像形成では、永久磁石２０２の先端部の直径と同等の細い線を描くことは原理的に不可能で、通常は線の太さが先端部の直径の２〜３倍となってしまう。これは、永久磁石の磁束がＮ極から出て一旦発散した後に収束してＳ極に戻るような閉ループを形成しているからである。したがって、磁気エネルギーの利用効率が低く、しかも背景と画像との間の高いコントラストが得られないという問題があった。
また、磁性粒子の空間的な移動を利用して画像形成を行っているので、画像の解像度の向上、薄型化、大面積化、軽量化にも限度がある。
【０００６】
そこで本発明は、上述のような従来のホワイトボードとは全く異なる原理にもとづき、磁気発生手段からの磁束の発散を抑え、かつ光の利用効率を高めることで解像度やコントラストに格段に優れる表示素子を提供し、さらにその使用方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の表示素子は、上述の目的を達成するために提案されるものであり、画像の観察面側から見て少なくとも偏光子層、磁性層、高透磁率層、光反射層をこの順序にて含む積層膜が支持体上に支持されてなり、該磁性層に生成される磁化パターンを明暗パターンとして可視化するようになされ、該高透磁率層には格子パターン化に形成された開口部が設けられた構成をとることにより、該磁性層に与えられる磁化パターンを磁気光学効果にもとづく明暗パターンとして可視化するものである。
上記の積層膜は支持体上に偏光子層側で接触支持されていても、あるいは高透磁率層側で接触支持されていても良い。
さらに、観察面の最表面には反射防止膜が設けられていても良く、また積層膜を最終的に表面保護膜で被覆しても良い。
かかる本発明の表示素子を使用する際は、観察面側から磁気発生手段を接触もしくは近接させて該磁性層に所定の磁化パターンを発生させる。また、磁化パターンの消失、すなわち初期化を行うためには、観察面側またはその反対面側から消去手段を接触もしくは近接させる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の表示素子の画像形成は、偏光子層を通過して直線偏光に変換された可視光が磁性層を通過する際に、磁化の状態に応じて透過光と光反射膜で反射された反射光とに偏光面の回転が生じ（磁気光学ファラデー効果）、この反射光が再び偏光子層を通過する際の透過率が変化する現象を利用するものである。つまり、磁化パターンを観察面側で明暗パターンとして可視化するものである。
【０００９】
このときの画像形成原理は、次のとおりである。まず、この表示素子に自然光（可視光）が入射すると、偏光子層の偏光面と一致した振動成分のみが直線偏光として取り出され、その下の磁性層に入射する。この磁性層の磁化領域では、磁性微粒子のスピンの方向が光の入射方向に対して上向きまたは下向きに揃っており、この磁化領域を通過する光は偏光面がファラデー回転角θF だけ回転されながら下地層との界面に達する。ただし、スピンの向きの上下によってファラデー回転角θF の符号は逆となるので、磁化はいずれか一方の方向にのみ与えるようにする。
この下地層の表面で反射された光は、再び磁化領域を通過する際にさらに同じ方向に同じ角度だけ偏光面の回転を受けてから、再び偏光子層に入射する。しかし、この反射光は入射光に比べて偏光面が２θF 回転しているために、該偏光子層を全く通過することができないか、あるいは一部しか通過することができない。したがって、磁化領域は観察面側からは暗部となって見える。
【００１０】
一方、非磁化領域では、磁性微粒子のスピンの方向がランダムもしくは水平（磁性層の面内方向）であり、この領域を通過する光は偏光面の回転を受けずに下地層との界面に達する。この下地層の表面で反射された光は、再び非磁化領域を通過する際にも偏光面の回転を受けないので、偏光子を透過することができる。つまり、非磁化領域は観察面側からは明部となって見える。
【００１１】
このとき、偏光面の回転角が２θF に達した場合の反射光強度がちょうどゼロとなるような設計を行うと、スピンの垂直成分の多少に依存した階調表示を行うことが可能となる。すなわち、強い磁化を受けてスピンの垂直成分の多い磁化領域ほど濃い暗部として観察され、弱い磁化を受けてスピンの垂直成分の少ない磁化領域ほど薄い暗部として観察される。
このように、本発明の表示素子は磁化領域のスピンの垂直成分の多少に応じてコントラストを得るものであるから、磁化領域ではスピンが垂直方向を向き、非磁化領域ではスピンが面内方向を向く場合にコントラストが最大となることは明らかである。つまり、磁性層として垂直磁気異方性を有する材料層を用いると、最良の表示性能を得ることができる。
【００１２】
本発明では、このような磁気光学効果による画像形成原理を応用すると共に、観察面側から見て磁性層の背面側に高透磁率層を設けているので、磁性層内を通過する磁束を収束させることができ、画像の高コントラスト化や磁気エネルギー利用の効率化を図ることができる。つまり、偏光子層、磁性層および高透磁率層の３層が、本発明の表示素子の積層膜を構成する最も基本的な要素である。ただし、この積層膜は真空薄膜形成技術または塗布により成膜される極めて薄い膜なので、実用的には支持体上に支持させた構成を採用する。
【００１３】
上記積層膜には偏光子層、磁性層および高透磁率層の３層に加え、画像の観察面側から見て少なくとも磁性層の背面側に光反射層が含まれていても良い。この光反射層は、磁性層と高透磁率層との間に設けられても良いし、高透磁率層のさらに背面側に設けられても良い。
【００１４】
ところで、本発明の表示素子はいわゆる反射型ディスプレイとして用いられるものであるから、入射光と反射光の光路に相当する材料層はすべて可視光透過率の高い材料層を用いて構成される必要がある。ここで規定される高い可視光透過率とは、可視光に対して実質的に透明であるか、もしくは実用的な視認性を達成するに十分な程度の透過率である。そこで、次に各材料層について可視光透過率を高めるための材料選択や構造上の工夫について述べる。
【００１５】
まず、可視光領域で用いられる上記偏光子層としては、まず単層構成のものとして２色性物質としてヨウ素を用いた多ハロゲン偏光フィルム、染料偏光フィルム、金属偏光フィルムが例示される。また、積層構成のものとしては、厚さ６〜８ｎｍのＧｅ（ゲルマニウム）膜と厚さ１μｍ程度のＳｉＯ2 とを交互に積層させた積層型偏光子が知られている。
【００１６】
本発明では、磁性層も常に高い可視光透過率を有している必要がある。垂直磁気異方性を有する透明磁性体としては、Ｂｉ置換鉄ガーネット、ＭｎＢｉ、ＭｎＣｕＢｉ、およびＳｒＦｅ12Ｏ19，ＢａＦｅ12Ｏ19，ＣｏＦｅ2 Ｏ4 等のフェライトを用いることができる。
なお、上記の磁性材料を用いて磁性層を形成する場合、これをＣＶＤやＰＶＤ等の気相薄膜形成法で行おうとすると、磁性層を結晶化させるために５００℃以上の成膜時加熱を要するので、支持体はガラス等の高融点材料からなるものに限られる。一方、磁性材料の微粒子を樹脂バインダと混練した組成物を塗布し、これを１００℃前後の温度で硬化させる方法であれば、支持体としてプラスチック等の低融点材料からなるものも使用できる。この場合の磁性材料の微粒子の粒径は、光の散乱を減少させ光透過率を高める観点から、おおよそ１μｍ以下とすることが好適である。また、背景色を白色に近づけるために、フッ化鉄等の白色粒子を混合しても良い。
【００１７】
高透磁率層の構成材料としては、純鉄（不純物 0.5％以下) 、硅素鋼（4 Ｓｉ−96Ｆｅ）、アルパーム（16Ａｌ−84Ｆｅ）、センダスト（85Ｆｅ−9.6 Ｓｉ−5.4 Ａｌ）、78パーマロイ（78Ｎｉ−22Ｆｅ）、スーパーマロイ（79Ｎｉ−5 Ｍｏ−16Ｆｅ）、ミューメタル（77Ｎｉ−5 Ｃｕ−2 Ｃｒ−16Ｆｅ）、パーメンジュール（50Ｃｒ−50Ｆｅ）、45−25パーミンベール（45Ｎｉ−25Ｃｏ−30Ｆｅ）、フェロクスキューブ２（Ｍｇ0.5 Ｚｎ0.5 Ｆｅ2 Ｏ4 ）、フェロクスキューブ３（Ｍｎ0.5 Ｚｎ0.5 Ｆｅ2 Ｏ4 ）、フェロクスキューブ４（Ｎｉ0.3 Ｚｎ0.7 Ｆｅ2 Ｏ4 ）を例示することができる。高透磁率層の形成は、スパッタリング、あるいは上記の材料の微粒子を含有するインクを用いたスクリーン印刷によって行うことができる。厚さの範囲は、おおよそ５０〜５００ｎｍとする。
【００１８】
ここで、上述のような材料からなる高透磁率層は、本発明の表示素子の観察面側から見て磁性層の背面側に設けられる層であるから、この層自身に高い光反射率が備わっていれば、磁性層を通過した直線偏光を効率良く反射させることができる。したがって、光反射層の併用は特に必要ではない。
しかし、光反射膜として一般に用いられるＡｌやＡｕの光反射率が９０％以上と高いのに対し、たとえばパーマロイ系の材料の光反射率はせいぜい７０％程度であるから、このような場合には光反射率の併用が有効である。
【００１９】
上記高透磁率層が観察面側から見て光反射層よりも背面側にある場合は、該高透磁率層の光学特性については特に考慮する必要はない。
一方、高透磁率層が光反射層よりも手前にある場合には、該高透磁率層の可視光透過率を高めておく必要がある。これは、高透磁率層自身による光反射を期待しない代わりに、入射する直線偏光をできるだけ光反射層へ到達させ、この光反射層を利用して高い反射光強度を得るためである。ただし、高透磁率材料そのものは透明物質ではないので、高透磁率層の可視光透過率を向上には構造上の工夫で対処する。すなわち、高透磁率材料を格子パターン状に形成することである。
【００２０】
上記格子パターンの開口の形状は、矩形、三角形、台形、菱形、六角形等、特に限定されるものではない。格子部と開口部との面積比は０．１〜０．８の範囲で透磁率の大きさに応じて選択すれば良い。格子部の面積比が上記の範囲よりも小さいと磁束の収束効果が不足し、上記の範囲よりも大きいと光反射層側への透過光量が減少してしまう。
なお、格子パターンの厚さはおおよそ０．０５〜１μｍの範囲に選択することが好ましい。
また、格子パターンの開口部は可視光透過率の高い非磁性材料層で埋め込んでおくことが好適である。このことは、磁束の局在化と表示素子の表面平坦化に寄与する。
【００２１】
本発明で用いられる積層膜は、偏光子層と高透磁率層のいずれの側で支持体に接触支持されるものであっても良い。
上記積層膜が偏光子層側で支持される場合には、支持体側が観察面となるので、該支持体が高い可視光透過率を有していること、つまり透明基板である必要がある。かかる透明基板の構成材料は、無機系と有機系に大別することができる。無機系としては、石英、サファイア、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＢｅＯ、ＺｒＯ2 、Ｙ2 Ｏ3 、ＴｈＯ2 ・ＣａＯ等のガラス材料を用いることができる。
一方、有機系としては、メタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリプロピレン、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリアリレート、ポリスルフォン、ポリエーテルスルフォン、エポキシ系樹脂、ポリ−４─メチル−１−ペンテン、フッ化ポリイミド、フッ素樹脂、フェノキシ樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ナイロン系樹脂を例示することができる。
【００２２】
上述のように積層膜が偏光子層側で支持体の一方の主面上で支持される場合、観察面となる該支持体の他方の主面上には反射防止膜を設けても良い。可視光域で透明であり、本発明で使用可能な反射防止膜の材料を以下に挙げる。なお、〔〕内の数値は屈折率ｎ、（ ）内の数値は屈折率ｎの測定波長λ（単位＝ｎｍ）である。
屈折率ｎが１．５未満の材料としては、ＣａＦ2 〔1.23-1.26(546)〕，ＮａＦ〔1.34 (550)〕，Ｎａ3 ＡｌＦ6 〔氷晶石；1.35 (550)〕，ＬｉＦ〔1.36-1.37(546)〕，ＭｇＦ2 〔1.38 (550)〕およびＳｉＯ2 〔1.46 (500)〕がある。屈折率ｎが１．５以上、おおよそ２．０までの材料としては、ＬａＦ3 〔1.59 (550)〕，ＮｄＦ3 〔1.6(550)〕，Ａｌ2 Ｏ3 〔1.62 (600)〕，ＣｅＦ3 〔1.63 (550)〕，ＰｂＦ2 〔1.75 (550)〕，ＭｇＯ〔1.75 (500)〕，ＴｈＯ2 〔1.8(550)〕，ＳｎＯ2 〔1.9(550)〕，Ｌａ2 Ｏ3 〔1.95 (550)〕およびＳｉＯ〔1.7-2.0(550)〕がある。屈折率ｎが２．０以上、３．０未満の材料としては、Ｉｎ2 Ｏ3 〔2.0(500)〕，Ｓｂ2 Ｏ3 〔2.04 (546)〕，ＴｉＯ2 〔2.2-2.7(550)〕およびＺｎＳ〔2.35 (550)〕がある。さらに、屈折率ｎが３．０以上の材料としては、Ｓｉ〔3.5 〕，Ｇｅ〔4.5 〕およびＰｂＴｅ〔5.5 〕がある。
上記反射防止膜の厚さは、おおよそ５０〜１０００ｎｍの範囲で選択することが好適である。
【００２３】
また、積層膜が偏光子層側で支持体に支持される場合には、該積層膜の高透磁率層側が表示素子の裏面となるので、この面に表面保護層を形成しても良い。この場合の表面保護層は観察面側には無いため、必ずしも高い可視光透過率を有している必要はない。
上記表面保護層の構成材料も無機系と有機系に大別することができる。無機系の材料としては、たとえばＴｉＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 、ＴａＮ、ＳｉＯｘを挙げることができ、いずれも真空蒸着、スパッタリング、イオン・プレーティング等の気相薄膜形成技術を用いて形成することができる。一方、有機系の材料としてはアクリル、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリエーテルスルフォン、ポリアミド、エポキシ等の樹脂を挙げることができ、これらは塗布により形成することができる。いずれの材料を用いた場合にも、表面保護層の厚さはおおよそ０．１〜１０μｍの範囲に選択することが好適である。
【００２４】
以上述べた場合とは逆に、積層膜が高透磁率層側にて前記支持体の一方の主面上に接触支持される場合には、材料選択を変更することが可能である。
すなわち、この場合の支持体は観察面側では無くなるので、該支持体が必ずしも高い可視光透過率を有する必要はなく、むしろ高い光反射率を有する材料を用いて構成されていても良い。
一方、この場合の偏光子層は観察面側に来るので、その表面に形成される表面保護層は、高い可視光透過率を備える必要がある。なお、この表面保護層は、反射防止層を兼ねるものであっても構わない。
【００２５】
なお、上述のいずれの構成をとる場合にも、本発明の表示素子においては、観察面から光反射層までの合計層厚（光反射層も含む）を１００μｍ以下に設定することが特に好適である。これは、磁束の広がりを抑えて高コントラストを得、また光吸収を抑えて観察面の明るさを向上させる上で有効だからである。
【００２６】
かかる本発明の表示素子を使用して記録を行うためには、観察面側から磁気発生手段を接触もしくは近接させて該磁性層に所定の磁化パターンを発生させれば良い。
上記磁気発生手段としては、微小な永久磁石やマイクロ磁気ヘッド・アレイが典型的に用いられる。
上記微小な永久磁石としては、たとえば従来の磁性粒子吸引型のホワイトボードへの画像形成用に用いられていた様な磁気ペンを用いることができる。
上記磁気ペンがアナログ画像表示を可能とするのに対し、所定の面積内に微小な磁気ヘッド（マイクロ磁気ヘッド）が配列されたマイクロ磁気ヘッド・アレイを用いれば、個々の磁気ヘッドのＯＮ／ＯＦＦに応じて所定のドット・パターンを形成することができる。つまり、デジタル画像表示が可能となる。
【００２７】
また、表示素子の初期化、すなわち新たな画像表示を行うために現在の表示を一旦消去するには、観察面側もしくはその反対面側から消去手段を接触もしくは近接させて磁化の方向を水平（面内方向）もしくはランダムに変化させれば良い。特に磁性層が垂直磁気異方性を有する場合には、磁化の方向を該磁性層の面内方向に揃えることが有効である。
最も単純な消去手段は、たとえば従来の磁性粒子吸引型のホワイトボードで用いられていた様な棒状の消去用永久磁石であり、これを磁性層の面内方向にスキャンさせることにより初期化を行うことができる。あるいは、通常の３ヘッド型のカセットテープレコーダの消去用ヘッドを用いても、磁界の方向が磁性層の面内方向とほぼ一致しているので、同様の初期化を行うことができる。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明の具体的な実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、これらの図面において符号に付した添字ｔは、可視光に対して透明もしくは十分に高い光透過率を有することが要求される層を示すものである。
【００２９】
実施例１
本実施例では、磁性層と高透磁率層との間に光反射層を備え、透明な支持体側から磁気ペン用いた画像形成を行うようになされた表示素子と、その製法ならびに使用方法について、図１を参照しながら説明する。この図の（ａ）図は、本実施例の表示素子の模式的断面図、（ｂ）図は偏光子層の拡大図である。
【００３０】
本実施例の表示素子は、図１の（ａ）図に示されるように、ポリカーボネートからなる厚さ３０μｍの支持体１ｔの一方の主面に予めＭｇＦ2 膜からなる厚さ０．１μｍの反射防止層２ｔが形成され、他方の主面に、厚さ４μｍの積層型の偏光子層３ｔ、Ｂｉ置換鉄ガーネット粉末を含有する厚さ５μｍの磁性層４ｔ、Ａｌからなる厚さ０．２μｍの光反射層５、78パーマロイからなる厚さ０．５μｍの高透磁率層６、およびアクリル樹脂からなる厚さ０．５μｍの表面保護層７が順次積層されたものである。この表示素子の観察面Ｐは、上記反射防止膜２ｔの表面であり、該反射防止膜２ｔから光反射層５までの合計層厚ｄ1 は約３９μｍである。
【００３１】
次に、上記表示素子の製造方法について説明する。
まず、支持体１ｔとなる厚さ３０μｍのポリカーボネート・フィルムの片面に、たとえば真空蒸着法によってＭｇＦ2 層（屈折率ｎ＝１．３８）を１００ｎｍの厚さに被着させ、反射防止層２ｔを形成した。
【００３２】
次に、上記ポリカーボネート・フィルムの反対側の面に偏光子層３ｔを形成した。この偏光子層３ｔは、図１の（ｂ）図に示されるように、ＳｉＯ2 膜の厚さ方向に沿って一定の間隔でＧｅ膜３３がすだれ状に配されたものであり、半導体プロセスを応用して作成した。
すなわちまず、ポリカーボネート・フィルム上にたとえばプラズマＣＶＤ法により厚さ４μｍの第１ＳｉＯ2 膜３１を成膜し、フォトリソグラフィとドライエッチングを経て高さ２μｍ、ピッチ１μｍのライン・アンド・スペース・パターンを形成した。このパターニングにより、幅１μｍの凸部３２を形成した。
次に、凹凸の形成された第１ＳｉＯ2 膜３１の全面に厚さ８ｎｍのＧｅ膜３３をスパッタリングにより成膜し、続いてＡｒガスを用いた逆スパッタリングを行って該Ｇｅ３３膜を凸部３２の側壁面にのみ残した。
さらに、この凹凸の全面に第２ＳｉＯ2 膜３４をプラズマＣＶＤ法により成膜し、化学機械研磨を行って表面を平坦化した。
以上の工程にて作成された偏光子層３ｔのＳ偏光透過率Ｔ1 は７８％、Ｐ偏光透過率Ｔ2 は６％であり、偏光度（Ｔ1 −Ｔ2 ）／（Ｔ1 ＋Ｔ2 ）は８５．７％であった。
【００３３】
次に、上記偏光子層３ｔの上に磁性層４ｔを形成した。
すなわちまず、磁性層４の原料である平均粒径６０ｎｍのＢｉ置換鉄ガーネット粉末（Ｂｉ2.0 Ｄｙ1.0 Ｆｅ3.8 Ａｌ1.2 Ｏ12）をボールミルを用いて２５時間分散させ、この後、同重量部のビニルエステル結合剤と共に混練して磁性塗料を調製した。この磁性塗料を、上記偏光子層３ｔの上に５μｍの厚さに塗布し、１００℃に加熱して結合剤を硬化させた。
この磁性層４ｔの膜面に垂直に磁界を印加して保磁力Ｈを測定したところ、６５０Ｏｅであり、垂直磁化膜であることが確認された。この垂直磁気異方性は、結合剤として用いたビニルエステル樹脂の熱収縮時の膜応力により発生したものと考えられる。また、波長５００ｎｍにおけるファラデー回転角θF は１．４°／μｍ、ヒステリシス・ループの角形比はほぼ１であり、良好な磁気光学特性を有していることがわった。
【００３４】
次に、上記磁性層４ｔの上に真空蒸着法によりＡｌを０．２μｍの厚さに成膜し、光反射層５を形成した。
次に、上記光反射層５の上にスパッタリング法により78パーマロイを０．５μｍの厚さに成膜し、高透磁率層６を形成した。
さらに、上記高透磁率層６の上にアクリル樹脂塗料を０．５μｍの厚さに塗布して表面保護層７を形成し、表示素子を完成した。この表示素子の観察面Ｐは、ほぼ白色を呈していた。
【００３５】
このようにして作成された表示素子に画像形成を行った。
ここで使用した磁気ペン４０は、樹脂等の非磁性材料からなる柄４１の先端に、直径２ｍｍ、長さ１０ｍｍの棒状のアルニコ磁石が永久磁石４２として埋め込まれたものである。
上記の磁気ペン４０を観察面Ｐに接触させながら移動させたところ、その軌跡に沿って磁性層４ｔが磁化されるために、該軌跡が黒色の画像として観察された。この画像と背景とのコントラストは、平均で約３．５であった。
【００３６】
なお、比較のために高透磁率層６を設けなかった以外は、上述の全く同様に表示素子を作成し、同様に画像形成を行ったところ、コントラストは２．４であった。したがって、本発明によりコントラストが大幅に改善されたことが明らかである。
【００３７】
実施例２
本実施例では、上述の実施例１で用いた光反射層５を省略する代わりに、光反射率のやや高い材料を用いて高透磁率層が形成された表示素子について、図２を参照しながら説明する。
【００３８】
すなわち、本実施例の表示素子は、ポリカーボネートからなる厚さ３０μｍの支持体１ｔの一方の主面に予めＭｇＦ2 膜からなる厚さ０．１μｍの反射防止層２ｔが形成され、他方の主面に、厚さ４μｍの積層型の偏光子層３ｔ、Ｂｉ置換鉄ガーネット粉末を含有する厚さ５μｍの磁性層４ｔ、アルパームからなる厚さ０．５μｍの高透磁率層１６、およびアクリル樹脂からなる厚さ０．５μｍの表面保護層７が順次積層されたものである。
上記表示素子の製造方法は、実施例１で述べた方法と同様である。
上記の磁気ペン４０を観察面Ｐに接触させながら移動させて画像を形成したところ、画像と背景とのコントラストは、平均して約２．０であった。
【００３９】
実施例３
本実施例では、光透過率の高い高透磁率層を観察面Ｐ側から見て光反射層よりも手前に配した本発明の表示素子と、マイクロ磁気ヘッド・アレイを用いた画像形成方法について、図３および図４を参照しながら説明する。
図３の（ａ）図は、本実施例の表示素子の模式的断面図、（ｂ）図は高透磁率層と磁性層とを積層順を反転して示す拡大斜視図である。
【００４０】
本実施例の表示素子は、図３の（ａ）図に示されるように、ポリカーボネートからなる厚さ３０μｍの支持体１ｔの一方の主面に予めＭｇＦ2 膜からなる厚さ０．１μｍの反射防止層２ｔが形成され、他方の主面に、厚さ４μｍの積層型の偏光子層３ｔ、Ｂｉ置換鉄ガーネット粉末を含有する厚さ５μｍの磁性層４ｔ、高い可視光透過率を有する厚さ２μｍの高透磁率層２６ｔ、Ａｌからなる厚さ０．２μｍの光反射層５、およびアクリル樹脂からなる厚さ０．５μｍの表面保護層７が順次積層されたものである。上記反射防止膜２ｔから上記光反射層５までの合計層厚ｄ2 は約４２μｍである。
【００４１】
この表示素子の製造方法は、高透磁率層２６ｔの形成工程のみが上述の実施例と異なっているので、以下、この工程について図３の（ｂ）図を参照しながら説明する。
まず、78パーマロイの微粒子を５０重量％の割合で含有するインクを用いてスクリーン印刷を行うことにより、磁性層４ｔの上に厚さ１μｍの格子パターン２６１を形成した。この格子パターン２６１は、幅２０μｍの帯状部を縦横方向に直交させたものである。換言すれば、１辺２０μｍの正方形の開口部２６２が規則的に配列されたパターンである。この格子パターン２６１の格子部と開口部２６２との面積比は０．７５である。
次に、アクリル樹脂インクを用いてスクリーン印刷を行うことにより、上記の開口部２６２を埋め込む第１非磁性層２６３ｔを形成した。さらに、表面の平面性を改善するために、アクリル塗料を全面的に塗布し、厚さ１μｍの第２非磁性層２６４ｔを形成した。
【００４２】
上述のようにして作成された表示素子に対し、マイクロ磁気ヘッド・アレイ５０を用いて画像形成を行った。
ここで上記マイクロ磁気ヘッド・アレイ５０は、図３の（ａ）図に示されるように、非磁性の基材５２の上に一定の配列パターンをもってマイクロ磁気ヘッド・ユニット５１が配されたものである。アレイの全体寸法は５×５ｍｍ、マイクロ磁気ヘッド５１の配列密度は４００ドット／インチ（６３．５μｍピッチ）である。
【００４３】
図４に、１個のマイクロ磁気ヘッド・ユニット５１の構造を示す。このヘッドは、シリコン基板５１２を用いて形成されるコアに、ギャップ材として透磁率の高いパーマロイ層５１１が埋め込まれ、このパーマロイ層５１１を取り巻くようにＡｕからなる渦巻き状（１０ターン）のコイル５１３がリソグラフィ技術を用いて形成され、ポリイミド樹脂からなる絶縁層５１４で封止されたものである。上記パーマロイ層５１１の組成は50Ｎｉ−50Ｆｅ、保持力は１Ｏｅ以下である。また、コイル５１３の電気抵抗は１．４μΩ・ｃｍ、コイル電流は０．５アンペアである。
【００４４】
上記のようなマイクロ磁気ヘッド・アレイ５０を本実施例の表示素子の観察面Ｐに密着させながら画像形成を行ったところ、形成された黒色のドットの直径は９０μｍであり、ドット画像と背景とのコントラストは、平均で約３．５であった。
なお、比較のために高透磁率層２６ｔを設けなかった以外は、上述の全く同様に表示素子を作成し、同様に画像形成を行ったところ、コントラストは１．６であった。したがって、本発明によりコントラストが大幅に改善されたことが明らかである。
【００４５】
実施例４
本実施例では、偏光子層、磁性層、光反射層、高透磁率層からなる積層膜を、実施例１とは逆向き、つまり高透磁率層側で支持体上に接触支持させた表示素子について、図５を参照しながら説明する。
【００４６】
本実施例の表示素子は、図５に示されるように、ポリカーボネートからなる厚さ３０μｍの支持体１ｔの上に、78パーマロイからなる厚さ０．５μｍの高透磁率層６、Ａｌからなる厚さ０．２μｍの光反射層５、Ｂｉ置換鉄ガーネット粉末を含有する厚さ５μｍの磁性層４ｔ、厚さ４μｍの積層型の偏光子層３ｔ、およびアクリル樹脂からなる厚さ０．５μｍの表面保護層７ｔが順次積層されたものである。なお、上記表面保護層７ｔには、屈折率と膜厚を最適化することにより反射防止膜の機能を持たせても良い。
この表示素子の観察面Ｐは、上記表面保護層７ｔの表面であり、該表面保護層７から光反射層５までの合計層厚ｄ3 は約９．５μｍである。この表示素子を構成する各材料層の形成方法は、実施例１で述べた通りである。
【００４７】
本実施例の表示素子は、最も厚みの大きい支持体１を観察面Ｐ側とは反対側に配したことにより、磁気発生手段である磁気ペン４０と磁性層４ｔとの距離、および光路が大幅に短縮された構成となっている。磁気ペン４０を観察面Ｐに接触させながら画像を形成したところ、画像と背景とのコントラストは、平均で約３．９であった。
【００４８】
なお、比較のために高透磁率層６を設けなかった以外は、上述の全く同様に表示素子を作成し、同様に画像形成を行ったところ、コントラストは２．９であった。したがって、本発明によりコントラストが大幅に改善されたことが明らかである。
【００４９】
以上、本発明の具体的な実施例を４例挙げたが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、各材料層の厚さ、構成材料、磁気発生手段の仕様等の細部については、適宜変更、選択、組み合わせが可能である。
【００５０】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明の表示素子は優れた解像度とコントラストを有する。しかも、磁気光学効果を利用して観察面上に明暗パターンを発生させるものであるため、繰り返し使用に堪え、ランニング・コストが極めて低く、軽量化、薄型化、大面積化にも有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】磁性層と高透磁率層との間に光反射層を備えた本発明の表示素子の構成例（実施例１）を磁気ペンと共に示す図であり、（ａ）図は模式的断面図、（ｂ）図はすだれ状構成を有する偏光子層の拡大図である。
【図２】図１の光反射層を省略する代わりに光反射率の大きい高透磁率層を備えた本発明の表示素子の構成例（実施例２）を磁気ペンと共に示す模式的断面図である。
【図３】光透過率の高い高透磁率層を光反射層よりも観察面側に配した本発明の表示素子の構成例（実施例３）をマイクロ磁気ヘッド・アレイと共に示す図であり、（ａ）図は模式的断面図、（ｂ）図は高透磁率層と磁性層の拡大図である。
【図４】マイクロ磁気ヘッドの要部を示す模式的断面図である。
【図５】表面保護層を画像の観察面側に配した本発明の表示素子の構成例（実施例４）を磁気ペンと共に示す模式的断面図である。
【図６】従来の磁性粒子吸引型のホワイトボードにおける画像形成状態を説明するための模式的断面図である。
【図７】従来の磁性粒子吸引型のホワイトボードにおける画像消去状態を説明するための模式的断面図である。
【符号の説明】
１，１ｔ 支持体
２ｔ 反射防止層
３ｔ 偏光子層
４ｔ 磁性層
５ 光反射層
６，６ｔ，１６，２６ｔ 高透磁率層
７，７ｔ 表面保護層
３２ 凸部
３３ Ｇｅ膜
４０ 磁気ペン
４２ 永久磁石
５０ マイクロ磁気ヘッド・アレイ
５１ マイクロ磁気ヘッド
２６１ 格子パターン
２６２ 開口部
２６３ｔ 第１非磁性層
２６４ｔ 第２非磁性層
Ｐ 観察面
ｄ1 ，ｄ2 ，ｄ3 観察面側から光反射層までの合計厚さ
Claims (11)
- 画像の観察面側から見て少なくとも偏光子層、磁性層、高透磁率層、光反射層をこの順序にて含む積層膜が支持体上に支持されてなり、
該磁性層に生成される磁化パターンを明暗パターンとして可視化するようになされ、
該高透磁率層には格子パターンに形成された開口部が設けられている表示素子。 - 前記開口部が可視光透過率の高い非磁性材料層で埋め込まれてなる請求項１に記載の表示素子。
- 前記支持体の可視光透過率が高く、前記積層膜が前記偏光子層側にて該支持体の一方の主面上に接触支持されてなる請求項１または２に記載の表示素子。
- 前記支持体の他方の主面上に反射防止膜が設けられてなる請求項１乃至３のいずれか１項に記載の表示素子。
- 前記積層膜の高透磁率層側に表面保護層が積層されてなる請求項１乃至４のいずれか１項に記載の表示素子。
- 前記積層膜の前記偏光子層側に可視光透過率の高い表面保護層が積層されてなる請求項１乃至５のいずれか１項に記載の表示素子。
- 画像の観察面側からみて少なくとも偏光子層、磁性層、格子パターンに形成された開口部を有する高透磁率層、光反射層をこの順序にて含む積層膜が支持体上に支持されてなる表示素子に対し、
該観察面側から磁気発生手段を接触もしくは近接させて該磁性層に所定の磁化パターンを発生させる表示素子の使用方法。 - 前記磁気発生手段として微小な永久磁石を用いる請求項７記載の表示装置の使用方法。
- 前記磁気発生手段としてマイクロ磁気ヘッド・アレイを用いる請求項７記載の表示素子の使用方法。
- 前記観察面側もしくはその反対面側から消去手段を接触もしくは近接させて前記磁化パターンを消失させることにより初期化を行う請求項７記載の表示素子の使用方法。
- 前記磁性層が垂直磁気異方性を有する場合に、前記消去手段を用いて磁化の方向を該磁性層の面内方向に揃える請求項１０記載の表示素子の使用方法。
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