JP4618606B2 - 光学スイッチング装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ディスプレイ、児童用玩具、カメラの絞り、ストロボの光量調整、書き込み光源などの光の明暗を利用した光学用品に適用可能な、電気信号により光制御、光変調を行って光の明暗を調整する光学スイッチング装置に関するもので、特に、微粒子からなる光制御媒体を液晶性材料からなる媒質中に分散させた光学スイッチング素子に、電気信号を加えて光制御媒体を移動させることにより光制御を行うディスプレイ、光量調整装置等の光学スイッチング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光学スイッチング装置として、非発光型の電子ディスプレイである液晶表示装置が各種方面で利用されている。液晶表示装置は、液晶分子の配向状態の違いにより入射した光の偏光状態を制御して、明／暗の光スイッチを実施し得るもので、液晶ディスプレイの他、液晶シャッターなど各種の用途に利用されている。また、その他の電子ディスプレイとしてエレクトロクロミックディスプレイ、電気泳動ディスプレイ、ツイストボールディスプレイなどが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
液晶表示装置の多くは、一対の偏光板を液晶層の外側に配置する構成とされている。そのため、高いコントラストが得られるものの偏光板により入射光の５０％を損失するという原理的な問題がある。
偏光板を必要としない液晶表示装置として色素による吸収を利用したＰＣ−ＧＨ（相転移型ゲストホスト液晶）や液晶の散乱性を利用したＰＤ−ＬＣ（ポリマー分散型液晶）等がある。ＰＣ−ＧＨの場合には、偏光板を使用しないので明るい表示が得られるものの、コントラストが低い。コントラストを高くするために二色性色素の添加量を増すことにより改善することができるが、同時にセルの透過率が大きく低下し、暗い表示となってしまう。ＰＤ−ＬＣの場合には、基本的に黒表示を得にくいと言う問題がある。よって、これらの偏光板を使用しない液晶表示装置は高いコントラストが得られない。
【０００４】
エレクトロクロミックディスプレイは、透過表示を行いにくいものの、明るく自然な反射表示を行うことができるという特徴を有する。しかし、コントラストが低く、寿命が短いとともにレスポンスが遅いなどの問題がある。
電気泳動ディスプレイやツイストボールディスプレイは、コントラストが低く、駆動電圧が比較的高い。また、透過表示を行えないという問題もある。
【０００５】
本発明は、上記の問題点を解決する光学スイッチング装置を検討した結果、液晶性材料を用いて、コントラストが高く、透過表示と反射表示の双方が実施でき得る新規な光学スイッチング装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の態様によれば、互いに平行に配設され、互いに対向する内面を備えた二枚の基板と、前記二枚の基板の対向する内面側のそれぞれに設けられ少なくとも一対とされた、もしくは前記二枚の基板の一方の基板の内面側に設けられ少なくとも一対として設けられた電極であって、前記一対の電極は基板正面視において離間して配置された電極と、前記二枚の基板の間に封入された液晶性材料層であって、前記液晶性材料層の厚みよりも小さな外径を有する不溶性の光制御媒体が混入された液晶性材料層と、前記一対の電極間に、直流成分がのるようにオフセット電圧を加えた交流の駆動信号を加える電源装置であって、前記駆動信号を加えることにより、前記光制御媒体を移動させて、光制御媒体が密に分散する領域と、疎に分散する領域を形成して透過率差を生じさせて光制御を行う電源装置とを含む光学スイッチング装置、により上記した目的は達成される。本発明の第二の態様による光学スイッチング装置は、前記第一の態様による装置において、液晶材料に５０ｗｔ％未満の光制御媒体を分散させた液晶層である。また、本発明の第三の態様による光学スイッチング装置は、前記第二の態様による装置において、液晶材料が誘電率異方性が負であり、前記基板の内面に対して垂直配向している。
【０００７】
この第一の態様では、外部光の損失の少ない非発光型の光学スイッチング装置が提供される。
第二の態様では、明暗の差がはっきりとした光学スイッチング装置が提供され得る。
また、第三の態様では、さらに比較的低い電界で光制御媒体を移動可能な光学スイッチング装置が提供される。
【０００８】
本発明の第四の態様による光学スイッチング装置は、前記第一から第三の何れかの態様による装置において、上記二枚の基板が透光性基板であり、上記光制御媒体は、液晶材料に５０ｗｔ％未満の遮光性の微粒子である光制御媒体を分散させた液晶層である。
これにより、さらにコントラストに優れ、入射する光に対し損失の少ない高い透過率特性を示す明るい透過型の光学スイッチング装置が提供される。
本発明の第五の態様による光学スイッチング装置は、前記第一から第三の何れかの態様による装置において、上記二枚の基板は、一方の基板が透光性基板で、他方の基板が非透光性基板であり、上記光制御媒体は、前記非透光性基板と異なる色の微粒子である。
これにより、さらにコントラストに優れ、入射する光に対し損失の少ない高い反射特性を示す明るい反射型の光学スイッチング装置が提供される。
【０００９】
本発明の第六の態様による光学スイッチング装置は、前記第二から第五の何れかの態様による装置において、上記光制御媒体が液晶性材料層に５００Ｈｚ以下の周波数の電界印加による液晶材料の移動に伴って液晶性材料層内を移動することを特徴とする。
これにより、液晶材料に流動現象を効果的に引き起こして、光制御媒体の移動を行う光学スイッチング装置が提供される。
【００１０】
本発明の第七の態様では、互いに平行に配設され、互いに対向する内面を備えた二枚の基板と、前記二枚の基板の対向する内面側のそれぞれに設けられ少なくとも一対とされた、もしくは前記二枚の基板の一方の基板の内面側に設けられ少なくとも一対として設けられた電極であって、前記一対の電極は基板正面視において離間して配置された電極と、前記二枚の基板の間に封入された液晶性材料層であって、前記液晶性材料層の厚みよりも小さな外径を有する不溶性の光制御媒体が混入された液晶性材料層と、前記一対の電極間に、直流成分がのるようにオフセット電圧を加えた交流の駆動信号を加える電源装置であって、前記駆動信号を加えることにより、前記光制御媒体を移動させて、光制御媒体が密に分散する領域と、疎に分散する領域を形成して透過率差を生じさせて光制御を行う電源装置とを含む光学スイッチング装置の製造方法であって、所定形状のパターンに形成した電極層を有する一対の基板を準備する基板工程と、所定の外径の光制御媒体を、液晶性材料中に分散する液晶性材料層工程と、前記一対の基板間に、前記光制御媒体を分散させた前記液晶性材料を挟持するとともに、前記基板周辺をシールして液晶性材料を封止する封止工程とを備えた光学スイッチング装置の製造方法、本発明の第八の態様では、前記第七の態様による製造方法において、上記液晶性材料層工程は、光制御媒体を液晶性材料中に混入した後に、超音波を加えて分散させる工程、を含む製造方法により、上記した光学スイッチング装置を得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好適な実施形態を図１から図７を参照しながら、詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明による光学スイッチング装置を用いて透過表示を行う場合の一実施形態の構成を示している。
図において、光学スイッチング装置１０は、一対の透明基板１１，１２と、これらの基板の間に封入された液晶性材料層１３と、一方の基板（図示の場合、上方の基板）１１の内面に形成された電極１４と、他方の基板１２の内面に形成された電極１５と、から構成されている。
また、光学スイッチング装置１０の背面（図示の場合、他方の基板１２の下側）には、バックライト光源２０が配設され、バックライト光源２０から出射した光は、光学スイッチング装置１０を通過して観視され得るようになっている。
【００１３】
上記基板１１，１２は、例えば石英，ガラス，プラスチック等の透光性材料からなり、夫々の基板１１，１２の内面には所定のパターンに形成した電極１４，１５を備えている。
電極１４，１５はＩＴＯ等の透明電極からなり、両電極は夫々の基板内面に設けられるとともに、重なって対向しないように配設されている。また、電極１４，１５には、図示しない外部電源が接続され、液晶性材料層１３に電界を加えることができ得るようにされている。
【００１４】
上記液晶性材料層１３は、基板１１及び１２の間に挟持されると共に、周囲がシール剤１７により封止されている。内部に密閉封止された液晶性材料層１３には、微粒子とした光制御媒体１６が分散状態で混入されており、好適には２μｍから３００μｍの厚さに選定されている。液晶性材料層１３の厚さは、厚いほどコントラストを高くすることができるが、液晶材料を用いた場合においては、過度に厚くすると乱れのない液晶分子配向が得にくくなる。よって、より好ましくは１００μｍ以下とすると良い。
また、上記した基板１１，１２の内面には図示しない配向膜を形成してもよく、配向処理を施すことで、液晶性材料層１３を所定の配向状態に容易に制御することができ得る。
【００１５】
ここで、液晶性材料層１３は、例えば誘電率異方性が負のネマティック液晶が使用される。また、光制御媒体１６は、例えば粒径を５から１０μｍとしたＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｎＯ等の各種金属酸化物やスチレンボール等の有機物を用いることができる。光制御媒体１６は、液晶性材料に対し、０．１から６０ｗｔ％の範囲の適量を添加し、超音波振動等を加えて分散させることが好ましい。また、光制御媒体１６は、透過型においては黒色等を呈するものの方がコントラストが高く好ましいが、他の色の顔料等を用いるものであっても構わない。
【００１６】
なお、液晶性材料層１３の厚さを保持するために、シール剤１７中にガラス、プラスチック等からなる所定の大きさの外径を有するスペーサ１７ａが介挿されており、スペーサ１７ａは光制御媒体１６よりも大きな外径を有するものとされている。
【００１７】
本発明実施形態による光学スイッチング装置１０は、以上のように構成されており、以下のように動作する。
電極間に正もしくは負の電界を加えると、液晶性材料層１３は、電界に応じた配向変化を生じる。このとき、液晶性材料層１３に分散混合されている光制御媒体１６は、液晶性材料層１３からなる媒質中を、液晶性分子とともに移動する。これにより、液晶性材料層１３内における光制御媒体１６の分布密度が変化する。
【００１８】
従って、バックライト光源２０から放射された光は、光スイッチング装置１０に入射し、光制御媒体１６の分布密度が高い領域においては、光制御媒体１６により入射光が遮断される。また、電界の印加により光制御媒体１６の分布密度が低くなった領域においては、入射光が光制御媒体１６により遮られることがなく通過する。したがって、光制御媒体１６の有無（分布密度の高低）の違いにより、明暗のスイッチングを行うことができ得る。
【００１９】
以下、具体的な実施例に沿って説明する。
（実施例１）
約０．２μｍの厚みとしたＩＴＯ層を形成した１．１ｍｍの厚みの一対のガラス基板１１，１２を準備し、ライン状のパターニングを施して電極１４，１５を形成した。また、この表面には、高いプレチィルト角が得られるように図示しない側鎖型ポリイミド膜からなる垂直配向用の配向膜を塗布形成して、配向処理を施した。なお、配向処理としては、公知の配向処理技術を用いることができ、無配向処理、ラビング配向処理、光配向処理などを施すことができるが、ここでは、光配向処理により基板表面に対して液晶分子の配向方向が８５度のプレチィルト角を示すようにした。さらに、一方の基板の周辺部に外径１５μｍのガラススペーサ１７ａを混入したシール剤１７を塗布した。
【００２０】
また、誘電率異方性が負の液晶材料（Δε≒２．０）を用意し、これに光制御媒体１６として黒色の顔料により着色を施した粒径５〜１０ミクロンのスチレン系ボールを１０ｗｔ％添加した後に、超音波振動を加えて、均一分散させた液晶材料を準備した。
【００２１】
次に、上記した一対のガラス基板１１，１２上に、上記のようにして準備した光制御媒体１６を混入した液晶材料を滴下し、ガラス基板１１のＩＴＯ電極１４と、ガラス基板１２のＩＴＯ電極１５が、内面に位置するようにして、両ガラス基板１１，１２を貼り合せ、シール剤１７により固定した。
このとき、電極１４と電極１５とは、図１に示したように、電極層が基板法線方向において対向しないようにすると共に、両電極１４，１５間には電極層を形成していない無電極領域Ａができるように、対向する電極側の電極端１４ｅ、１５ｅ間が２００μｍの距離を隔てるように配置している。
【００２２】
以上のようにして作成した光学スイッチング装置１０は、図１に模式的に示すような構成となっており、内面にＩＴＯ透明電極１４，１５を有する一対のガラス基板１１，１２間に、黒色スチレン系ボール１６を含む液晶層１３を挟持しており、これがバックライト光源２０の上に載置されている。
液晶層１３の厚みは、シール剤１７中のガラススペーサによって１５μｍの厚みに設定しているものの、厚い領域と薄い領域との差が５μｍもあった。この液晶層の厚みムラにより、光学スイッチング装置１０の透過率ムラが懸念されたが、厚みムラのあった領域間の透過率の差は１％未満であり、透過率ムラには殆ど影響を与えなかった。
【００２３】
図２に上記のようにして作成した光学スイッチング装置１０の光スイッチング部（光制御部）の顕微鏡写真を示す。図２（ａ）は、光学スイッチング装置１０を作成した後の、液晶層１３に電界を加える前の状態を示す。図からわかるように、光制御媒体である黒色スチレン系ボール１６が全面において均一に、即ち、黒色スチレン系ボールの分布密度がどの領域においても大きな相違がない状態で分散し、且つ、密に詰まっていることがわかる。この状態における光学スイッチング装置１０の透過率は約３％であった。
【００２４】
次に、この光学スイッチング装置１０に図示しない外部電源より電界を液晶層１３に加えた。印加した電界は、直流成分がのるようにオフセット電圧を加えたプラスオフセット方形波２１である。本実施例では周波数８０Ｈｚでオフセット電圧５０Ｖ、ピークトゥピーク電圧が１００Ｖの波形を使用した。
【００２５】
このプラスオフセット方形波２１を印加したところ、２秒後には、図２（ｂ）のように２０ミクロン程度の白表示部Ｗが現れた。白表示部Ｗの透過率は９０％以上であった。
さらに同じプラスオフセット方形波を印加し続けると、その３秒後には図２（ｃ）のように白表示部Ｗが５０ミクロン以上の大きさとなった。なお、この白表示部Ｗの透過率も９０％以上であり、黒表示部Ｂの透過率は約３％であった。したがって、白表示部Ｗについては、バックライト光源２０から入射する光の９０％以上を透過する明るい表示が得られ、黒表示部Ｂとのコントラストはおおよそ３０（＝９０／３）となり、高いコントラストの表示が得られた。
【００２６】
光学スイッチング装置１０に、上部基板１１のＩＴＯ電極１４をアースとした状態で、下部基板１２のＩＴＯ電極１５に上記したプラスオフセット方形波２１を印加していると、光制御媒体である黒色スチレン系ボール１６は、媒質である液晶層１３の流れにのって移動しているように顕微鏡観察された。
【００２７】
この黒色スチレン系ボール１６の移動のメカニズムは判明していないものの、様々な挙動観察の結果、電界に対する液晶の流動現象が原因であると考えられる。
流動現象は、従来公知の液晶表示装置においても観察される。特に垂直配向をさせたＥＣＢモードの液晶表示装置において、例えば６０Ｈｚ駆動などの低周波領域（１００Ｈｚ以下程度）の信号を用いて駆動した場合においては液晶の流動現象が顕著に観察される。この低周波領域での液晶流動現象は、液晶表示装置としては欠陥となるため、一般の製品において観察されることは稀であるが、液晶表示装置の表示が波を打って流れるように観察される現象である。
上記した黒色スチレン系ボール１６が媒質である液晶層１３の流れにのって移動しているように観察される理由の一つとして、この液晶流動現象が関与しているものと推察される。液晶流動現象により、その液晶層１３に含まれる光制御媒体である黒色スチレン系ボール１６が、液晶分子の流れに伴って移動していることが関与しているものと思われる。
【００２８】
また、本実施例で用いた光制御媒体である黒色スチレン系ボール１６は極性を有する材料であり、弱いマイナスチャージを有している。このことも黒色スチレン系ボール１６の移動に関与しているのではないかと推定される。ただし本願発明者による検討によると、この微粒子の極性が移動原因の本質ではないと考えられている。なぜならば、黒色スチレン系ボール１６よりも帯電量の大きな、同様の微粒子を用いた電気泳動による微粒子移動の速度に比べて、本実施例の光学スイッチング装置１０による黒色スチレン系ボール１６の移動速度は早く、弱いマイナスチャージの黒色スチレン系ボール１６が、２秒間で約２０μｍも移動するとは考えにくいからである。
【００２９】
また、本実施例における光学スイッチング装置１０においては、図２（ｂ）および図２（ｃ）のように、無電極領域Ａの部分のみならず、ＩＴＯ電極の内側の領域においても、電極端部１４ｅから１０ミクロン程度と、わずかではあるが黒色スチレン系ボール１６が移動して白表示部Ｗ１となっていることがわかる。なお、図２（ｄ）は、図２（ｃ）の状態を模式的に示したものである。
【００３０】
この理由は、斜め電界の影響である可能性が高いと推察される。本実施例においては、上部基板に形成したＩＴＯ電極１４と下部基板に形成したＩＴＯ電極１５とは斜めの位置関係に配設されている。そのため、電極の内側に斜め電界が与えられ、その影響により白表示部Ｗ１が生じたものと思われる。
なお、斜め電界が与える影響範囲は、おおむね液晶層１３の厚みと相関があり、液晶層厚が厚いほど電極内側の深い位置、具体的には液晶層厚とほぼ同程度の位置にある光制御媒体１６が移動する傾向があった。したがって、この白表示部Ｗ１の部分も光学スイッチング部として利用するためには、透明電極を用いた方が好ましく、光学スイッチング装置１０を電子ディスプレイとして用いる場合には、透明電極とすることで表示部の開口率を高くすることができ得る。
【００３１】
なお、液晶の流動現象は水平配向においても見られるが、垂直配向ほど顕著ではないため、液晶配向は水平配向でない配向状態が好ましい。
電界を強くした場合においては、電界による影響が大きくなる傾向があるが、液晶分子の配向方向と平行でない方向に電極を配置し、電極間に電界を印加した場合には光制御媒体の移動方向は電界の強さに依存する傾向を示した。
【００３２】
また、上記した実施例においては、オフセット方形波の周波数を８０Ｈｚとしたが、特にこの条件に限られるものではない。周波数１Ｈｚ〜１ＭＨｚの場合においても黒色スチレン系ボール１６の移動が観察された。但し、あまり低周波にすると液晶に悪影響を与える恐れがあり、逆に余り周波数を高くする（おおむね５００Ｈｚ以上）と黒色スチレン系ボール１６の移動速度が徐々に遅くなる傾向を示す。
また、ピークトゥピーク電圧は１Ｖ〜３０００Ｖでもよいが、電圧が低くなるほど光制御媒体の移動速度が遅くなる傾向を示す。例えば、１０Ｖ以下でも移動することを確認できたが、黒色スチレン系ボール１６の中には移動速度が非常に遅いものや、動かないものがあったりすることがある。よって実用上は５０Ｖ以上が必要と思われる。なお、これらの条件は限定的なものではない。
【００３３】
また、図２（ｃ）の状態はオフセット方形波を加えた後に室温で放置しても、少なくとも１ヶ月以上同じ状態で保持されており、黒色スチレン系ボール１６の横方向の移動はミクロンレベルでも見られないことを確認した。従って、本光学スイッチング装置１０は、表示（光制御特性）のメモリー性を有している。
【００３４】
図３は、移動した黒色スチレン系ボール１６を元の均一分散配列状態に戻すために、逆の極性のオフセットをかけた場合の顕微鏡観察結果を示す。
図３（ａ）は、マイナスオフセット方形波２２を印加する前の状態、すなわち、図２（ｃ）の状態を示す。マイナスオフセット方形波２２として、周波数８０Ｈｚでオフセット電圧−５０Ｖ、ピークトゥピーク電圧が１００Ｖの波形を使用した。
マイナスオフセット方形波２２を印加すると、約５秒後には図３（ｂ）のように黒色スチレン系ボール１６が移動し、図２（ａ）と同じ黒表示状態に復帰した。
【００３５】
上述の実施例では、黒色スチレン系ボール１６の移動の様子を顕微鏡で観察すると、電圧印加により媒質である液晶が流動（フロー）して、その流れにのって光制御媒体である黒色スチレン系ボール１６が移動しているように見える。したがって、電界による液晶の流動現象が光制御媒体移動の主たる一因と考えられるので、液晶性材料層としては、液晶の流動現象が発生し易い垂直配向ＥＣＢモードの液晶層１３を用い、液晶分子のプレティルト角は７５度〜９０度程度のなるべく高い角度に垂直配向した方が流動現象が顕著に現れ易いので、好ましいものと思われる。
【００３６】
（実施例２）
図４に反射型ディスプレイとして用いたときの本発明実施形態による光学スイッチング装置３０を示す。ストライプ状のＩＴＯ透明電極３４を形成した透明ガラス基板３１と、ストライプ状としたＡｌ電極３５を形成した黒色樹脂基板３２を準備した。次にこれらの表面に垂直配向用の側鎖型ポリイミド膜を塗膜して図示しない配向膜を形成した。なお、配向膜にはラビング処理や光配向等の積極的な配向処理を行わなかった。
【００３７】
また、誘電率異方性が負の液晶材料（Δε≒２．０）を用意し、これに光制御媒体３６として顔料等による着色を施していない粒径０．５ミクロン（凝集後の粒径は２〜２０ミクロン）のポリスチレン中空体ボールを１０ｗｔ％添加した後に、超音波振動を加えて、均一分散させた液晶材料を準備した。
【００３８】
次に、上記した一対の基板３１、３２間に、上記のようにして準備した光制御媒体３６を均一分散させた液晶材料を挟持して、周辺部をシール剤３７により接着固定して光学スイッチング装置３０を作成した。
なお、電極３４と電極３５とは、図４に示したように、電極層が基板法線方向において対向しないようにすると共に、両電極３４，３５間には電極層を形成していない無電極領域Ａができるように、対向する電極側の電極端３４ｅ、３５ｅ間が５００μｍの距離を隔てて配置するものとしている。
また、シール剤３７中には外径が２５μｍのスペーサ３７を混入したものを用い、液晶層３３の厚みが２５μｍとなるように制御した。
【００３９】
このようにして作成した光学スイッチング装置３０において、液晶層３３の液晶分子のプレティルト角は、垂直配向膜を設けているので９０度に制御されている。また、液晶層３３の厚みは、２５ミクロンで、その厚みムラは約５ミクロンであったが、反射率のムラは１％未満であった。
【００４０】
この光学スイッチング装置３０に、先の実施例１と同じプラスオフセット方形波を印加したところ、実施例１と同じ挙動を示し、表示状態は、ちょうど図２の状態を白黒反転させた状態であった。また、電圧に対する光制御媒体３６の挙動も、実施例１の場合とほぼ同等であり、逆極性にオフセットしたマイナスオフセット方形波を印加させた場合の挙動も同一で、電極間を電界の極性に応じて光制御媒体は移動した。
【００４１】
本実施例の場合における光学スイッチング装置３０は、背面側の基板が黒色樹脂基板３２とされ、さらに、光制御媒体３６も白色材料とされている。したがって、周囲光４０が光学スイッチング装置３０の内部に入射すると、光制御媒体３６に当たった光は反射光４２となって観察者側に戻り白表示として観察され、光制御媒体の存在しない領域に入った光４１は、黒色基板３２により吸収され、黒表示として観察されることになる。
よって、実施例１の光学スイッチング装置が透過型として作用するのに対し、実施例２の光学スイッチング装置は反射型として作用する。
【００４２】
図５は、このようにして作成した光学スイッチング装置３０の反射特性についての測定結果である。測定は、大塚電子製のＬＣＤ−５０００を用い、３０°スポット光を電極付近の表示部分に入射し、法線方向より反射率を２００μｍφまでスポットを絞って測定した。リファレンスは同一測定条件で標準白色板の反射率を測定した結果を１００％として評価を実施した。また、測定は場所を変え、２カ所測定した。図５中において１回目の測定を１st（白丸）、２回目の測定を２nd（黒丸）として図示している。
１回目および２回目の測定において、実施例１と同じ周波数８０Ｈｚでオフセット電圧５０Ｖ、ピークトゥピーク電圧が１００Ｖのオフセット方形波を印加し、それぞれ図中に矢印で示すタイミングの位置においてオフセット方形波の極性を変えて、時間に対する反射率変化を測定した。実線が反射率の測定結果、破線が１回目および２回目の測定における光学スイッチング装置のコントラストの計算結果である。なお、コントラストは、ＯＦＦ時（明表示）の反射率／時間（電圧）に対する反射率変化によって、求めた。
【００４３】
図からわかるように、電圧ＯＮのタイミングから１．５〜２．０秒後に、反射率はほぼ飽和しているように見える。しかしその後もわずかずつではあるが反射率は変化し、コントラストが時間とともに向上していることがわかる。
白色のスチレン系ボール微粒子（粒径０．５μｍ）からなる光制御媒体３６が２００μｍφスポットの範囲から完全になくなる（移動する）のに８秒以上かかっているが、この点は構造や材料、液晶配向条件などの最適化により改善されるであろうことは言うまでもない。
【００４４】
図６は反射率の視角特性である。測定条件は測定方向が法線方向（０°）から５０°（極角）まで変化させた点を除いて図５の測定方法と同一の方法により測定した。図からわかるように白表示の反射率は視角を変えてもほとんど変化せず、紙のようにどこから見ても非常に明るく、黒表示の反射率も非常に暗いことがわかる。なお、参考として同じ測定装置を用いて市販の上質コピー用紙の反射率を測定したところ約６５％であった。
【００４５】
また、ＩＴＯ電極が存在する領域と、ＩＴＯ電極の存在しない領域、すなわち無電極領域Ａとを比較すると、ＩＴＯ電極部は無電極領域Ａ部に比べ黒表示が浮き上がっているように見える。そこで、コントラストの視角特性についても検討を行った。図７はその比較結果である。
図７からわかるように、無電極部Ａの表示は０度〜５０度の全極角方向に対しコントラスト３０以上の極めて優れた特性を示す。一方、ＩＴＯ部の表示は、全極角方向に対しコントラスト１０程度以上と無電極部Ａに比べれば劣るものの優れた特性を示している。なお、参考までに黒色ベタ印刷を施して測定した結果より求めた紙のコントラストは１３程度であった。このことから、これらの数値は本発明の光学スイッチング装置を反射型の電子ディスプレイとして用いた場合に、紙と同等かそれ以上のコントラストの視角特性を有する表示装置になり得ることを示唆している。本発明による反射型ディスプレイではほとんどの表示部分にＩＴＯ透明電極を配置する必要がないため、無電極領域Ａの優れた表示特性を活かすことができる。
【００４６】
上述した実施形態においては、白色もしくは黒色のスチレン系の微粒子を用いたが、他の色に着色（遮光）された微粒子を用いても良いことは明らかである。さらに光り抜けが低減するように液晶の配向を乱さないような（界面活性剤などによる）表面処理を施した微粒子を用いても良い。これらの場合には、任意の色変化を起こす光学スイッチング装置や、抜けのない均一な光学スイッチングが得られる。
また、背面側の基板３２を吸光性の特性を有する樹脂材料を用いて基板としたが、ガラス基板の内面もしくは背面に吸光性の塗膜を形成したり、黒色の光散乱板を背後に設置したりするなども当然に可能である。さらに、光制御媒体３６を逆に黒色系などの吸収性材料とし、背面基板を白色基板などの高い反射特性のものとすることも可能であろう。
【００４７】
また、ＴＦＴのようなアクティブ素子を形成しても良い。電極の配置は両基板上にパターニングされている場合について述べたが、片側の基板上に電極を配置してもよく、例えば、ＩＰＳ−ＬＣＤ（インプレーン・スイッチング液晶ディスプレイ）用ＴＦＴにて採用されているような、同一基板上にＴＦＴ電極とコモン電極を形成する構造とすることもでき得る。
【００４８】
尚、上記した実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲はこれらの態様に限られるものではなく、印加する波形は方形波に限らず、三角波や正弦波などでも良い。
また、光制御媒体の移動のための媒質としては、誘電率異方性が負の液晶材料に限らず、誘電率異方性が正の液晶を用いて、水平配向、斜め傾斜配向状態に液晶を配向制御したものとしても良く、他の液晶性材料であってもよいであろう。
【００４９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、光制御媒体の有無、すなわち、分布密度の高低により明暗の光制御を実施するので、外部光の損失の少ない非発光型の光学スイッチング装置を提供することができ得る。よって、偏光板を用いることなくコントラストに優れた明るい光学スイッチングが可能となり、電子ディスプレイ等に使用した場合には、紙に印刷した表示と同等のコントラストの表示装置を得ることができる。
また、背面側の基板と光制御媒体との吸光もしくは反射特性を対照的にすることで、反射モードで用いることができ、これにより、さらにコントラストに優れ、入射する光に対し損失の少ない高い反射特性を示す明るい反射型の光学スイッチング装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光学スイッチング装置の一実施形態説明する概略断面図である。
【図２】図１の光学スイッチング装置の顕微鏡観察結果を示す説明図である。
（ａ）は作成した後の状態を示す顕微鏡観察写真
（ｂ）は（ａ）にプラスオフセット方形波を印加した２秒後の状態を示す顕微鏡観察写真
（ｃ）は（ｂ）にプラスオフセット方形波を印加した３秒後の状態を示す顕微鏡観察写真
（ｄ）は（ｃ）の状態を模式的に記した概略平面図である。
【図３】図２の光学スイッチング装置に逆極性の電界を印加した場合の状態を示す顕微鏡観察写真である。
（ａ）は図２（ｃ）と同じ、プラスオフセット方形波を印加した後の状態を示す顕微鏡観察写真
（ｂ）は（ａ）にマイナスオフセット方形波を印加した５秒後の状態を示す顕微鏡観察写真
【図４】本発明による光学スイッチング装置の他の実施形態を説明する概略断面図である。
【図５】図４の光学スイッチング装置における反射率およびコントラストの時間変化を示すグラフである。
【図６】図４の光学スイッチング装置における反射率と視角との関係を示すグラフである。
【図７】図４の光学スイッチング装置におけるコントラストと視角との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０，３０ 光学スイッチング装置
１１，１２，３１ ガラス基板
１３，３３ 液晶性材料層
１４，１５，３４ 透明電極
１４ｅ、１５ｅ 電極端
１６，３６ 光制御媒体
１７，３７ シール剤
１７ａ，３７ａ スペーサ
２０ バックライト光源
２１ プラスオフセット方形波
２２ マイナスオフセット方形波
３２ 黒色基板
３５ 金属電極
４０ 周囲光
４１ 液晶性材料層通過光
４２ 反射光
Ａ 無電極領域
Ｗ，Ｗ１ 白表示部
Ｂ 黒表示部
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ディスプレイ、児童用玩具、カメラの絞り、ストロボの光量調整、書き込み光源などの光の明暗を利用した光学用品に適用可能な、電気信号により光制御、光変調を行って光の明暗を調整する光学スイッチング装置に関するもので、特に、微粒子からなる光制御媒体を液晶性材料からなる媒質中に分散させた光学スイッチング素子に、電気信号を加えて光制御媒体を移動させることにより光制御を行うディスプレイ、光量調整装置等の光学スイッチング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光学スイッチング装置として、非発光型の電子ディスプレイである液晶表示装置が各種方面で利用されている。液晶表示装置は、液晶分子の配向状態の違いにより入射した光の偏光状態を制御して、明／暗の光スイッチを実施し得るもので、液晶ディスプレイの他、液晶シャッターなど各種の用途に利用されている。また、その他の電子ディスプレイとしてエレクトロクロミックディスプレイ、電気泳動ディスプレイ、ツイストボールディスプレイなどが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
液晶表示装置の多くは、一対の偏光板を液晶層の外側に配置する構成とされている。そのため、高いコントラストが得られるものの偏光板により入射光の５０％を損失するという原理的な問題がある。
偏光板を必要としない液晶表示装置として色素による吸収を利用したＰＣ−ＧＨ（相転移型ゲストホスト液晶）や液晶の散乱性を利用したＰＤ−ＬＣ（ポリマー分散型液晶）等がある。ＰＣ−ＧＨの場合には、偏光板を使用しないので明るい表示が得られるものの、コントラストが低い。コントラストを高くするために二色性色素の添加量を増すことにより改善することができるが、同時にセルの透過率が大きく低下し、暗い表示となってしまう。ＰＤ−ＬＣの場合には、基本的に黒表示を得にくいと言う問題がある。よって、これらの偏光板を使用しない液晶表示装置は高いコントラストが得られない。
【０００４】
エレクトロクロミックディスプレイは、透過表示を行いにくいものの、明るく自然な反射表示を行うことができるという特徴を有する。しかし、コントラストが低く、寿命が短いとともにレスポンスが遅いなどの問題がある。
電気泳動ディスプレイやツイストボールディスプレイは、コントラストが低く、駆動電圧が比較的高い。また、透過表示を行えないという問題もある。
【０００５】
本発明は、上記の問題点を解決する光学スイッチング装置を検討した結果、液晶性材料を用いて、コントラストが高く、透過表示と反射表示の双方が実施でき得る新規な光学スイッチング装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の態様によれば、互いに平行に配設され、互いに対向する内面を備えた二枚の基板と、前記二枚の基板の対向する内面側のそれぞれに設けられ少なくとも一対とされた、もしくは前記二枚の基板の一方の基板の内面側に設けられ少なくとも一対として設けられた電極であって、前記一対の電極は基板正面視において離間して配置された電極と、前記二枚の基板の間に封入された液晶性材料層であって、前記液晶性材料層の厚みよりも小さな外径を有する不溶性の光制御媒体が混入された液晶性材料層と、前記一対の電極間に、直流成分がのるようにオフセット電圧を加えた交流の駆動信号を加える電源装置であって、前記駆動信号を加えることにより、前記光制御媒体を移動させて、光制御媒体が密に分散する領域と、疎に分散する領域を形成して透過率差を生じさせて光制御を行う電源装置とを含む光学スイッチング装置、により上記した目的は達成される。本発明の第二の態様による光学スイッチング装置は、前記第一の態様による装置において、液晶材料に５０ｗｔ％未満の光制御媒体を分散させた液晶層である。また、本発明の第三の態様による光学スイッチング装置は、前記第二の態様による装置において、液晶材料が誘電率異方性が負であり、前記基板の内面に対して垂直配向している。
【０００７】
この第一の態様では、外部光の損失の少ない非発光型の光学スイッチング装置が提供される。
第二の態様では、明暗の差がはっきりとした光学スイッチング装置が提供され得る。
また、第三の態様では、さらに比較的低い電界で光制御媒体を移動可能な光学スイッチング装置が提供される。
【０００８】
本発明の第四の態様による光学スイッチング装置は、前記第一から第三の何れかの態様による装置において、上記二枚の基板が透光性基板であり、上記光制御媒体は、液晶材料に５０ｗｔ％未満の遮光性の微粒子である光制御媒体を分散させた液晶層である。
これにより、さらにコントラストに優れ、入射する光に対し損失の少ない高い透過率特性を示す明るい透過型の光学スイッチング装置が提供される。
本発明の第五の態様による光学スイッチング装置は、前記第一から第三の何れかの態様による装置において、上記二枚の基板は、一方の基板が透光性基板で、他方の基板が非透光性基板であり、上記光制御媒体は、前記非透光性基板と異なる色の微粒子である。
これにより、さらにコントラストに優れ、入射する光に対し損失の少ない高い反射特性を示す明るい反射型の光学スイッチング装置が提供される。
【０００９】
本発明の第六の態様による光学スイッチング装置は、前記第二から第五の何れかの態様による装置において、上記光制御媒体が液晶性材料層に５００Ｈｚ以下の周波数の電界印加による液晶材料の移動に伴って液晶性材料層内を移動することを特徴とする。
これにより、液晶材料に流動現象を効果的に引き起こして、光制御媒体の移動を行う光学スイッチング装置が提供される。
【００１０】
本発明の第七の態様では、互いに平行に配設され、互いに対向する内面を備えた二枚の基板と、前記二枚の基板の対向する内面側のそれぞれに設けられ少なくとも一対とされた、もしくは前記二枚の基板の一方の基板の内面側に設けられ少なくとも一対として設けられた電極であって、前記一対の電極は基板正面視において離間して配置された電極と、前記二枚の基板の間に封入された液晶性材料層であって、前記液晶性材料層の厚みよりも小さな外径を有する不溶性の光制御媒体が混入された液晶性材料層と、前記一対の電極間に、直流成分がのるようにオフセット電圧を加えた交流の駆動信号を加える電源装置であって、前記駆動信号を加えることにより、前記光制御媒体を移動させて、光制御媒体が密に分散する領域と、疎に分散する領域を形成して透過率差を生じさせて光制御を行う電源装置とを含む光学スイッチング装置の製造方法であって、所定形状のパターンに形成した電極層を有する一対の基板を準備する基板工程と、所定の外径の光制御媒体を、液晶性材料中に分散する液晶性材料層工程と、前記一対の基板間に、前記光制御媒体を分散させた前記液晶性材料を挟持するとともに、前記基板周辺をシールして液晶性材料を封止する封止工程とを備えた光学スイッチング装置の製造方法、本発明の第八の態様では、前記第七の態様による製造方法において、上記液晶性材料層工程は、光制御媒体を液晶性材料中に混入した後に、超音波を加えて分散させる工程、を含む製造方法により、上記した光学スイッチング装置を得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好適な実施形態を図１から図７を参照しながら、詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明による光学スイッチング装置を用いて透過表示を行う場合の一実施形態の構成を示している。
図において、光学スイッチング装置１０は、一対の透明基板１１，１２と、これらの基板の間に封入された液晶性材料層１３と、一方の基板（図示の場合、上方の基板）１１の内面に形成された電極１４と、他方の基板１２の内面に形成された電極１５と、から構成されている。
また、光学スイッチング装置１０の背面（図示の場合、他方の基板１２の下側）には、バックライト光源２０が配設され、バックライト光源２０から出射した光は、光学スイッチング装置１０を通過して観視され得るようになっている。
【００１３】
上記基板１１，１２は、例えば石英，ガラス，プラスチック等の透光性材料からなり、夫々の基板１１，１２の内面には所定のパターンに形成した電極１４，１５を備えている。
電極１４，１５はＩＴＯ等の透明電極からなり、両電極は夫々の基板内面に設けられるとともに、重なって対向しないように配設されている。また、電極１４，１５には、図示しない外部電源が接続され、液晶性材料層１３に電界を加えることができ得るようにされている。
【００１４】
上記液晶性材料層１３は、基板１１及び１２の間に挟持されると共に、周囲がシール剤１７により封止されている。内部に密閉封止された液晶性材料層１３には、微粒子とした光制御媒体１６が分散状態で混入されており、好適には２μｍから３００μｍの厚さに選定されている。液晶性材料層１３の厚さは、厚いほどコントラストを高くすることができるが、液晶材料を用いた場合においては、過度に厚くすると乱れのない液晶分子配向が得にくくなる。よって、より好ましくは１００μｍ以下とすると良い。
また、上記した基板１１，１２の内面には図示しない配向膜を形成してもよく、配向処理を施すことで、液晶性材料層１３を所定の配向状態に容易に制御することができ得る。
【００１５】
ここで、液晶性材料層１３は、例えば誘電率異方性が負のネマティック液晶が使用される。また、光制御媒体１６は、例えば粒径を５から１０μｍとしたＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｎＯ等の各種金属酸化物やスチレンボール等の有機物を用いることができる。光制御媒体１６は、液晶性材料に対し、０．１から６０ｗｔ％の範囲の適量を添加し、超音波振動等を加えて分散させることが好ましい。また、光制御媒体１６は、透過型においては黒色等を呈するものの方がコントラストが高く好ましいが、他の色の顔料等を用いるものであっても構わない。
【００１６】
なお、液晶性材料層１３の厚さを保持するために、シール剤１７中にガラス、プラスチック等からなる所定の大きさの外径を有するスペーサ１７ａが介挿されており、スペーサ１７ａは光制御媒体１６よりも大きな外径を有するものとされている。
【００１７】
本発明実施形態による光学スイッチング装置１０は、以上のように構成されており、以下のように動作する。
電極間に正もしくは負の電界を加えると、液晶性材料層１３は、電界に応じた配向変化を生じる。このとき、液晶性材料層１３に分散混合されている光制御媒体１６は、液晶性材料層１３からなる媒質中を、液晶性分子とともに移動する。これにより、液晶性材料層１３内における光制御媒体１６の分布密度が変化する。
【００１８】
従って、バックライト光源２０から放射された光は、光スイッチング装置１０に入射し、光制御媒体１６の分布密度が高い領域においては、光制御媒体１６により入射光が遮断される。また、電界の印加により光制御媒体１６の分布密度が低くなった領域においては、入射光が光制御媒体１６により遮られることがなく通過する。したがって、光制御媒体１６の有無（分布密度の高低）の違いにより、明暗のスイッチングを行うことができ得る。
【００１９】
以下、具体的な実施例に沿って説明する。
（実施例１）
約０．２μｍの厚みとしたＩＴＯ層を形成した１．１ｍｍの厚みの一対のガラス基板１１，１２を準備し、ライン状のパターニングを施して電極１４，１５を形成した。また、この表面には、高いプレチィルト角が得られるように図示しない側鎖型ポリイミド膜からなる垂直配向用の配向膜を塗布形成して、配向処理を施した。なお、配向処理としては、公知の配向処理技術を用いることができ、無配向処理、ラビング配向処理、光配向処理などを施すことができるが、ここでは、光配向処理により基板表面に対して液晶分子の配向方向が８５度のプレチィルト角を示すようにした。さらに、一方の基板の周辺部に外径１５μｍのガラススペーサ１７ａを混入したシール剤１７を塗布した。
【００２０】
また、誘電率異方性が負の液晶材料（Δε≒２．０）を用意し、これに光制御媒体１６として黒色の顔料により着色を施した粒径５〜１０ミクロンのスチレン系ボールを１０ｗｔ％添加した後に、超音波振動を加えて、均一分散させた液晶材料を準備した。
【００２１】
次に、上記した一対のガラス基板１１，１２上に、上記のようにして準備した光制御媒体１６を混入した液晶材料を滴下し、ガラス基板１１のＩＴＯ電極１４と、ガラス基板１２のＩＴＯ電極１５が、内面に位置するようにして、両ガラス基板１１，１２を貼り合せ、シール剤１７により固定した。
このとき、電極１４と電極１５とは、図１に示したように、電極層が基板法線方向において対向しないようにすると共に、両電極１４，１５間には電極層を形成していない無電極領域Ａができるように、対向する電極側の電極端１４ｅ、１５ｅ間が２００μｍの距離を隔てるように配置している。
【００２２】
以上のようにして作成した光学スイッチング装置１０は、図１に模式的に示すような構成となっており、内面にＩＴＯ透明電極１４，１５を有する一対のガラス基板１１，１２間に、黒色スチレン系ボール１６を含む液晶層１３を挟持しており、これがバックライト光源２０の上に載置されている。
液晶層１３の厚みは、シール剤１７中のガラススペーサによって１５μｍの厚みに設定しているものの、厚い領域と薄い領域との差が５μｍもあった。この液晶層の厚みムラにより、光学スイッチング装置１０の透過率ムラが懸念されたが、厚みムラのあった領域間の透過率の差は１％未満であり、透過率ムラには殆ど影響を与えなかった。
【００２３】
図２に上記のようにして作成した光学スイッチング装置１０の光スイッチング部（光制御部）の顕微鏡写真を示す。図２（ａ）は、光学スイッチング装置１０を作成した後の、液晶層１３に電界を加える前の状態を示す。図からわかるように、光制御媒体である黒色スチレン系ボール１６が全面において均一に、即ち、黒色スチレン系ボールの分布密度がどの領域においても大きな相違がない状態で分散し、且つ、密に詰まっていることがわかる。この状態における光学スイッチング装置１０の透過率は約３％であった。
【００２４】
次に、この光学スイッチング装置１０に図示しない外部電源より電界を液晶層１３に加えた。印加した電界は、直流成分がのるようにオフセット電圧を加えたプラスオフセット方形波２１である。本実施例では周波数８０Ｈｚでオフセット電圧５０Ｖ、ピークトゥピーク電圧が１００Ｖの波形を使用した。
【００２５】
このプラスオフセット方形波２１を印加したところ、２秒後には、図２（ｂ）のように２０ミクロン程度の白表示部Ｗが現れた。白表示部Ｗの透過率は９０％以上であった。
さらに同じプラスオフセット方形波を印加し続けると、その３秒後には図２（ｃ）のように白表示部Ｗが５０ミクロン以上の大きさとなった。なお、この白表示部Ｗの透過率も９０％以上であり、黒表示部Ｂの透過率は約３％であった。したがって、白表示部Ｗについては、バックライト光源２０から入射する光の９０％以上を透過する明るい表示が得られ、黒表示部Ｂとのコントラストはおおよそ３０（＝９０／３）となり、高いコントラストの表示が得られた。
【００２６】
光学スイッチング装置１０に、上部基板１１のＩＴＯ電極１４をアースとした状態で、下部基板１２のＩＴＯ電極１５に上記したプラスオフセット方形波２１を印加していると、光制御媒体である黒色スチレン系ボール１６は、媒質である液晶層１３の流れにのって移動しているように顕微鏡観察された。
【００２７】
この黒色スチレン系ボール１６の移動のメカニズムは判明していないものの、様々な挙動観察の結果、電界に対する液晶の流動現象が原因であると考えられる。
流動現象は、従来公知の液晶表示装置においても観察される。特に垂直配向をさせたＥＣＢモードの液晶表示装置において、例えば６０Ｈｚ駆動などの低周波領域（１００Ｈｚ以下程度）の信号を用いて駆動した場合においては液晶の流動現象が顕著に観察される。この低周波領域での液晶流動現象は、液晶表示装置としては欠陥となるため、一般の製品において観察されることは稀であるが、液晶表示装置の表示が波を打って流れるように観察される現象である。
上記した黒色スチレン系ボール１６が媒質である液晶層１３の流れにのって移動しているように観察される理由の一つとして、この液晶流動現象が関与しているものと推察される。液晶流動現象により、その液晶層１３に含まれる光制御媒体である黒色スチレン系ボール１６が、液晶分子の流れに伴って移動していることが関与しているものと思われる。
【００２８】
また、本実施例で用いた光制御媒体である黒色スチレン系ボール１６は極性を有する材料であり、弱いマイナスチャージを有している。このことも黒色スチレン系ボール１６の移動に関与しているのではないかと推定される。ただし本願発明者による検討によると、この微粒子の極性が移動原因の本質ではないと考えられている。なぜならば、黒色スチレン系ボール１６よりも帯電量の大きな、同様の微粒子を用いた電気泳動による微粒子移動の速度に比べて、本実施例の光学スイッチング装置１０による黒色スチレン系ボール１６の移動速度は早く、弱いマイナスチャージの黒色スチレン系ボール１６が、２秒間で約２０μｍも移動するとは考えにくいからである。
【００２９】
また、本実施例における光学スイッチング装置１０においては、図２（ｂ）および図２（ｃ）のように、無電極領域Ａの部分のみならず、ＩＴＯ電極の内側の領域においても、電極端部１４ｅから１０ミクロン程度と、わずかではあるが黒色スチレン系ボール１６が移動して白表示部Ｗ１となっていることがわかる。なお、図２（ｄ）は、図２（ｃ）の状態を模式的に示したものである。
【００３０】
この理由は、斜め電界の影響である可能性が高いと推察される。本実施例においては、上部基板に形成したＩＴＯ電極１４と下部基板に形成したＩＴＯ電極１５とは斜めの位置関係に配設されている。そのため、電極の内側に斜め電界が与えられ、その影響により白表示部Ｗ１が生じたものと思われる。
なお、斜め電界が与える影響範囲は、おおむね液晶層１３の厚みと相関があり、液晶層厚が厚いほど電極内側の深い位置、具体的には液晶層厚とほぼ同程度の位置にある光制御媒体１６が移動する傾向があった。したがって、この白表示部Ｗ１の部分も光学スイッチング部として利用するためには、透明電極を用いた方が好ましく、光学スイッチング装置１０を電子ディスプレイとして用いる場合には、透明電極とすることで表示部の開口率を高くすることができ得る。
【００３１】
なお、液晶の流動現象は水平配向においても見られるが、垂直配向ほど顕著ではないため、液晶配向は水平配向でない配向状態が好ましい。
電界を強くした場合においては、電界による影響が大きくなる傾向があるが、液晶分子の配向方向と平行でない方向に電極を配置し、電極間に電界を印加した場合には光制御媒体の移動方向は電界の強さに依存する傾向を示した。
【００３２】
また、上記した実施例においては、オフセット方形波の周波数を８０Ｈｚとしたが、特にこの条件に限られるものではない。周波数１Ｈｚ〜１ＭＨｚの場合においても黒色スチレン系ボール１６の移動が観察された。但し、あまり低周波にすると液晶に悪影響を与える恐れがあり、逆に余り周波数を高くする（おおむね５００Ｈｚ以上）と黒色スチレン系ボール１６の移動速度が徐々に遅くなる傾向を示す。
また、ピークトゥピーク電圧は１Ｖ〜３０００Ｖでもよいが、電圧が低くなるほど光制御媒体の移動速度が遅くなる傾向を示す。例えば、１０Ｖ以下でも移動することを確認できたが、黒色スチレン系ボール１６の中には移動速度が非常に遅いものや、動かないものがあったりすることがある。よって実用上は５０Ｖ以上が必要と思われる。なお、これらの条件は限定的なものではない。
【００３３】
また、図２（ｃ）の状態はオフセット方形波を加えた後に室温で放置しても、少なくとも１ヶ月以上同じ状態で保持されており、黒色スチレン系ボール１６の横方向の移動はミクロンレベルでも見られないことを確認した。従って、本光学スイッチング装置１０は、表示（光制御特性）のメモリー性を有している。
【００３４】
図３は、移動した黒色スチレン系ボール１６を元の均一分散配列状態に戻すために、逆の極性のオフセットをかけた場合の顕微鏡観察結果を示す。
図３（ａ）は、マイナスオフセット方形波２２を印加する前の状態、すなわち、図２（ｃ）の状態を示す。マイナスオフセット方形波２２として、周波数８０Ｈｚでオフセット電圧−５０Ｖ、ピークトゥピーク電圧が１００Ｖの波形を使用した。
マイナスオフセット方形波２２を印加すると、約５秒後には図３（ｂ）のように黒色スチレン系ボール１６が移動し、図２（ａ）と同じ黒表示状態に復帰した。
【００３５】
上述の実施例では、黒色スチレン系ボール１６の移動の様子を顕微鏡で観察すると、電圧印加により媒質である液晶が流動（フロー）して、その流れにのって光制御媒体である黒色スチレン系ボール１６が移動しているように見える。したがって、電界による液晶の流動現象が光制御媒体移動の主たる一因と考えられるので、液晶性材料層としては、液晶の流動現象が発生し易い垂直配向ＥＣＢモードの液晶層１３を用い、液晶分子のプレティルト角は７５度〜９０度程度のなるべく高い角度に垂直配向した方が流動現象が顕著に現れ易いので、好ましいものと思われる。
【００３６】
（実施例２）
図４に反射型ディスプレイとして用いたときの本発明実施形態による光学スイッチング装置３０を示す。ストライプ状のＩＴＯ透明電極３４を形成した透明ガラス基板３１と、ストライプ状としたＡｌ電極３５を形成した黒色樹脂基板３２を準備した。次にこれらの表面に垂直配向用の側鎖型ポリイミド膜を塗膜して図示しない配向膜を形成した。なお、配向膜にはラビング処理や光配向等の積極的な配向処理を行わなかった。
【００３７】
また、誘電率異方性が負の液晶材料（Δε≒２．０）を用意し、これに光制御媒体３６として顔料等による着色を施していない粒径０．５ミクロン（凝集後の粒径は２〜２０ミクロン）のポリスチレン中空体ボールを１０ｗｔ％添加した後に、超音波振動を加えて、均一分散させた液晶材料を準備した。
【００３８】
次に、上記した一対の基板３１、３２間に、上記のようにして準備した光制御媒体３６を均一分散させた液晶材料を挟持して、周辺部をシール剤３７により接着固定して光学スイッチング装置３０を作成した。
なお、電極３４と電極３５とは、図４に示したように、電極層が基板法線方向において対向しないようにすると共に、両電極３４，３５間には電極層を形成していない無電極領域Ａができるように、対向する電極側の電極端３４ｅ、３５ｅ間が５００μｍの距離を隔てて配置するものとしている。
また、シール剤３７中には外径が２５μｍのスペーサ３７を混入したものを用い、液晶層３３の厚みが２５μｍとなるように制御した。
【００３９】
このようにして作成した光学スイッチング装置３０において、液晶層３３の液晶分子のプレティルト角は、垂直配向膜を設けているので９０度に制御されている。また、液晶層３３の厚みは、２５ミクロンで、その厚みムラは約５ミクロンであったが、反射率のムラは１％未満であった。
【００４０】
この光学スイッチング装置３０に、先の実施例１と同じプラスオフセット方形波を印加したところ、実施例１と同じ挙動を示し、表示状態は、ちょうど図２の状態を白黒反転させた状態であった。また、電圧に対する光制御媒体３６の挙動も、実施例１の場合とほぼ同等であり、逆極性にオフセットしたマイナスオフセット方形波を印加させた場合の挙動も同一で、電極間を電界の極性に応じて光制御媒体は移動した。
【００４１】
本実施例の場合における光学スイッチング装置３０は、背面側の基板が黒色樹脂基板３２とされ、さらに、光制御媒体３６も白色材料とされている。したがって、周囲光４０が光学スイッチング装置３０の内部に入射すると、光制御媒体３６に当たった光は反射光４２となって観察者側に戻り白表示として観察され、光制御媒体の存在しない領域に入った光４１は、黒色基板３２により吸収され、黒表示として観察されることになる。
よって、実施例１の光学スイッチング装置が透過型として作用するのに対し、実施例２の光学スイッチング装置は反射型として作用する。
【００４２】
図５は、このようにして作成した光学スイッチング装置３０の反射特性についての測定結果である。測定は、大塚電子製のＬＣＤ−５０００を用い、３０°スポット光を電極付近の表示部分に入射し、法線方向より反射率を２００μｍφまでスポットを絞って測定した。リファレンスは同一測定条件で標準白色板の反射率を測定した結果を１００％として評価を実施した。また、測定は場所を変え、２カ所測定した。図５中において１回目の測定を１st（白丸）、２回目の測定を２nd（黒丸）として図示している。
１回目および２回目の測定において、実施例１と同じ周波数８０Ｈｚでオフセット電圧５０Ｖ、ピークトゥピーク電圧が１００Ｖのオフセット方形波を印加し、それぞれ図中に矢印で示すタイミングの位置においてオフセット方形波の極性を変えて、時間に対する反射率変化を測定した。実線が反射率の測定結果、破線が１回目および２回目の測定における光学スイッチング装置のコントラストの計算結果である。なお、コントラストは、ＯＦＦ時（明表示）の反射率／時間（電圧）に対する反射率変化によって、求めた。
【００４３】
図からわかるように、電圧ＯＮのタイミングから１．５〜２．０秒後に、反射率はほぼ飽和しているように見える。しかしその後もわずかずつではあるが反射率は変化し、コントラストが時間とともに向上していることがわかる。
白色のスチレン系ボール微粒子（粒径０．５μｍ）からなる光制御媒体３６が２００μｍφスポットの範囲から完全になくなる（移動する）のに８秒以上かかっているが、この点は構造や材料、液晶配向条件などの最適化により改善されるであろうことは言うまでもない。
【００４４】
図６は反射率の視角特性である。測定条件は測定方向が法線方向（０°）から５０°（極角）まで変化させた点を除いて図５の測定方法と同一の方法により測定した。図からわかるように白表示の反射率は視角を変えてもほとんど変化せず、紙のようにどこから見ても非常に明るく、黒表示の反射率も非常に暗いことがわかる。なお、参考として同じ測定装置を用いて市販の上質コピー用紙の反射率を測定したところ約６５％であった。
【００４５】
また、ＩＴＯ電極が存在する領域と、ＩＴＯ電極の存在しない領域、すなわち無電極領域Ａとを比較すると、ＩＴＯ電極部は無電極領域Ａ部に比べ黒表示が浮き上がっているように見える。そこで、コントラストの視角特性についても検討を行った。図７はその比較結果である。
図７からわかるように、無電極部Ａの表示は０度〜５０度の全極角方向に対しコントラスト３０以上の極めて優れた特性を示す。一方、ＩＴＯ部の表示は、全極角方向に対しコントラスト１０程度以上と無電極部Ａに比べれば劣るものの優れた特性を示している。なお、参考までに黒色ベタ印刷を施して測定した結果より求めた紙のコントラストは１３程度であった。このことから、これらの数値は本発明の光学スイッチング装置を反射型の電子ディスプレイとして用いた場合に、紙と同等かそれ以上のコントラストの視角特性を有する表示装置になり得ることを示唆している。本発明による反射型ディスプレイではほとんどの表示部分にＩＴＯ透明電極を配置する必要がないため、無電極領域Ａの優れた表示特性を活かすことができる。
【００４６】
上述した実施形態においては、白色もしくは黒色のスチレン系の微粒子を用いたが、他の色に着色（遮光）された微粒子を用いても良いことは明らかである。さらに光り抜けが低減するように液晶の配向を乱さないような（界面活性剤などによる）表面処理を施した微粒子を用いても良い。これらの場合には、任意の色変化を起こす光学スイッチング装置や、抜けのない均一な光学スイッチングが得られる。
また、背面側の基板３２を吸光性の特性を有する樹脂材料を用いて基板としたが、ガラス基板の内面もしくは背面に吸光性の塗膜を形成したり、黒色の光散乱板を背後に設置したりするなども当然に可能である。さらに、光制御媒体３６を逆に黒色系などの吸収性材料とし、背面基板を白色基板などの高い反射特性のものとすることも可能であろう。
【００４７】
また、ＴＦＴのようなアクティブ素子を形成しても良い。電極の配置は両基板上にパターニングされている場合について述べたが、片側の基板上に電極を配置してもよく、例えば、ＩＰＳ−ＬＣＤ（インプレーン・スイッチング液晶ディスプレイ）用ＴＦＴにて採用されているような、同一基板上にＴＦＴ電極とコモン電極を形成する構造とすることもでき得る。
【００４８】
尚、上記した実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲はこれらの態様に限られるものではなく、印加する波形は方形波に限らず、三角波や正弦波などでも良い。
また、光制御媒体の移動のための媒質としては、誘電率異方性が負の液晶材料に限らず、誘電率異方性が正の液晶を用いて、水平配向、斜め傾斜配向状態に液晶を配向制御したものとしても良く、他の液晶性材料であってもよいであろう。
【００４９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、光制御媒体の有無、すなわち、分布密度の高低により明暗の光制御を実施するので、外部光の損失の少ない非発光型の光学スイッチング装置を提供することができ得る。よって、偏光板を用いることなくコントラストに優れた明るい光学スイッチングが可能となり、電子ディスプレイ等に使用した場合には、紙に印刷した表示と同等のコントラストの表示装置を得ることができる。
また、背面側の基板と光制御媒体との吸光もしくは反射特性を対照的にすることで、反射モードで用いることができ、これにより、さらにコントラストに優れ、入射する光に対し損失の少ない高い反射特性を示す明るい反射型の光学スイッチング装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光学スイッチング装置の一実施形態説明する概略断面図である。
【図２】図１の光学スイッチング装置の顕微鏡観察結果を示す説明図である。
（ａ）は作成した後の状態を示す顕微鏡観察写真
（ｂ）は（ａ）にプラスオフセット方形波を印加した２秒後の状態を示す顕微鏡観察写真
（ｃ）は（ｂ）にプラスオフセット方形波を印加した３秒後の状態を示す顕微鏡観察写真
（ｄ）は（ｃ）の状態を模式的に記した概略平面図である。
【図３】図２の光学スイッチング装置に逆極性の電界を印加した場合の状態を示す顕微鏡観察写真である。
（ａ）は図２（ｃ）と同じ、プラスオフセット方形波を印加した後の状態を示す顕微鏡観察写真
（ｂ）は（ａ）にマイナスオフセット方形波を印加した５秒後の状態を示す顕微鏡観察写真
【図４】本発明による光学スイッチング装置の他の実施形態を説明する概略断面図である。
【図５】図４の光学スイッチング装置における反射率およびコントラストの時間変化を示すグラフである。
【図６】図４の光学スイッチング装置における反射率と視角との関係を示すグラフである。
【図７】図４の光学スイッチング装置におけるコントラストと視角との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０，３０ 光学スイッチング装置
１１，１２，３１ ガラス基板
１３，３３ 液晶性材料層
１４，１５，３４ 透明電極
１４ｅ、１５ｅ 電極端
１６，３６ 光制御媒体
１７，３７ シール剤
１７ａ，３７ａ スペーサ
２０ バックライト光源
２１ プラスオフセット方形波
２２ マイナスオフセット方形波
３２ 黒色基板
３５ 金属電極
４０ 周囲光
４１ 液晶性材料層通過光
４２ 反射光
Ａ 無電極領域
Ｗ，Ｗ１ 白表示部
Ｂ 黒表示部
Claims (8)
- 互いに平行に配設され、互いに対向する内面を備えた二枚の基板と、
前記二枚の基板の対向する内面側のそれぞれに設けられ少なくとも一対とされた、もしくは前記二枚の基板の一方の基板の内面側に設けられ少なくとも一対として設けられた電極であって、前記一対の電極は基板正面視において離間して配置された電極と、
前記二枚の基板の間に封入された液晶性材料層であって、前記液晶性材料層の厚みよりも小さな外径を有する不溶性の光制御媒体が混入された液晶性材料層と、
前記一対の電極間に、直流成分がのるようにオフセット電圧を加えた交流の駆動信号を加える電源装置であって、前記駆動信号を加えることにより、前記光制御媒体を移動させて、光制御媒体が密に分散する領域と、疎に分散する領域を形成して透過率差を生じさせて光制御を行う電源装置と
を含む光学スイッチング装置。 - 前記液晶性材料層は、液晶材料に５０ｗｔ％未満の前記光制御媒体を分散させた液晶層であることを特徴とする請求項１に記載の光学スイッチング装置。
- 前記液晶材料は誘電率異方性が負であり、前記基板の内面に対して垂直配向していることを特徴とする請求項２に記載の光学スイッチング装置。
- 前記二枚の基板が透光性基板であり、前記光制御媒体は、遮光性の微粒子であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の光学スイッチング装置。
- 前記二枚の基板は、一方の基板が透光性基板で、他方の基板が非透光性基板であり、前記光制御媒体は、前記非透光性基板と異なる色の微粒子であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の光学スイッチング装置。
- 前記電源装置は５００Ｈｚ以下の周波数の前記駆動信号を印加し、前記駆動信号の印加による前記液晶材料の移動に伴って、前記光制御媒体が前記液晶性材料層内を移動することを特徴とする請求項２から請求項５の何れか１項に記載の光学スイッチング装置。
- 互いに平行に配設され、互いに対向する内面を備えた二枚の基板と、
前記二枚の基板の対向する内面側のそれぞれに設けられ少なくとも一対とされた、もしくは前記二枚の基板の一方の基板の内面側に設けられ少なくとも一対として設けられた電極であって、前記一対の電極は基板正面視において離間して配置された電極と、
前記二枚の基板の間に封入された液晶性材料層であって、前記液晶性材料層の厚みよりも小さな外径を有する不溶性の光制御媒体が混入された液晶性材料層と、
前記一対の電極間に、直流成分がのるようにオフセット電圧を加えた交流の駆動信号を加える電源装置であって、前記駆動信号を加えることにより、前記光制御媒体を移動させて、光制御媒体が密に分散する領域と、疎に分散する領域を形成して透過率差を生じさせて光制御を行う電源装置と
を含む光学スイッチング装置の製造方法であって、
所定形状のパターンに形成した電極層を有する一対の基板を準備する基板工程と、
所定の外径の光制御媒体を、液晶性材料中に分散する液晶性材料層工程と、
前記一対の基板間に、前記光制御媒体を分散させた前記液晶性材料を挟持するとともに、前記基板周辺をシールして前記液晶性材料を封止する封止工程と
を備えた光学スイッチング装置の製造方法。 - 前記液晶性材料層工程は、前記光制御媒体を前記液晶性材料中に混入した後に、超音波を加えて分散させる工程、を含むことを特徴とする請求項７に記載の光学スイッチング装置の製造方法。
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