JP5816024B2 - 光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体の位置変化を利用して光を制御する光学装置に関する。

特表２００７−５３１９１７号公報（特許文献１）には、エレクトロウェッティング効果に基づくディスプレイデバイスが開示されている。このディスプレイデバイスは、それぞれが電極を有する２つの基板間に、互いに混ざり合わない２つの流体を配置した構造を備えており、一方の流体として導電性または極性を有するものが用いられる。このディスプレイデバイスでは、各基板の電極間に電圧を印加することにより、導電性または極性を有する流体の濡れ性を電気的に制御することができる。したがって、例えば２つの流体の一方を着色して他方を透明としておけば、各流体の移動後の状態に応じて各流体を透過する光の強度または各流体により反射される光の強度を制御することができる。２つの流体としては、一方の流体として染料を含んだオイル、他方の流体として水などが例示されている。このようなエレクトロウェッティング効果に基づくディスプレイデバイスは、反射型表示と透過型表示のいずれにも対応でき、反射型表示に用いた場合には紙媒体と同程度の反射率（５０％程度）とコントラスト比を実現可能であり、かつスイッチング速度が比較的速い（例えば１０ミリ秒以下）という長所をもっている。

ところで、上述した先行例においては、流体の位置を電気的に制御した後、その状態を保持するためには常に駆動電流を与えておく必要があった。すなわち、流体の移動後の状態に関してメモリー性がなかった。このため、例えばいわゆる電子ペーパー等の超低消費電力を求められるような用途には使いにくいという不都合を生じる。また、メモリー性がないことから、先行例の技術をドットマトリクス型の表示デバイスに適用する場合には各画素に薄膜トランジスタなどのスイッチング素子を設ける必要があり、構造の簡素化が難しいという不都合も生じる。

特表２００７−５３１９１７号公報

本発明に係る具体的態様は、エレクトロウェッティング効果を利用した光学装置においてメモリー性を実現することを目的の１つとする。

本発明に係る一態様の光学装置は、（ａ）対向配置された第１基板及び第２基板と、（ｂ）前記第１基板と前記第２基板の間に設けられた隔壁と、（ｃ）前記第１基板の一面側に設けられており、少なくとも一部が平面視において前記隔壁に囲まれた領域と重なる第１電極と、（ｄ）前記第２基板の一面側に設けられており、各々が前記隔壁に囲まれた領域を挟んで前記第１電極と対向配置された第２電極及び第３電極と、（ｅ）前記第２基板の一面側に設けられており、前記第２電極及び前記第３電極を覆う平滑層と、（ｆ）前記第１基板の一面側に設けられており、前記第１電極と前記第３電極とが重なる領域に配置された遮光層と、（ｇ）前記隔壁に囲まれた領域に配置されており、相溶しない第１流体及び第２流体を備え、（ｈ）前記第１流体は極性又は導電性を有する液状体からなり、（ｉ）前記第２流体は液晶性材料を含んだ液状体からなり、かつ二色性色素を含有する、光学装置である。

上記の構成によれば、第１電極と第２電極の間、または第１電極と第３電極の間に電圧を印加することにより第１流体と第２流体をそれぞれ移動させた後に、その状態を維持することが可能となる。すなわち、エレクトロウェッティング効果を利用した光学装置においてメモリー性を実現することが可能となる。その理由は、液晶性材料の有する比較的高い粘性によるものと考えられる。また別の理由として、液晶分子は細長い分子形状をしており分子同士が揃って並ぼうとする性質（分子配向性）を有しており、流れが止まった状態ではその位置から動きにくくなるという性質を有している。これらの性質によりメモリー性を実現したと考えられる。

上記の光学装置においては、第２流体がカイラル材を含有することが更に好ましい。二色性色素は液晶分子同様に長細い形状をしており、周囲の液晶分子の配向状態に応じ同様に配向する。液晶分子がねじられていない配向状態（カイラル材を添加していない状態）では二色性色素が並んでいる方向の偏光は効率よく着色できるが、それからずれた偏光は着色しにくい。カイラル材を添加することによって液晶分子とともに二色性色素もねじられた配向状態を与えることにより、広い範囲の偏光角度の偏光を効率よく着色できるようになる。全ての角度の偏光に着色を行う場合、原理上１８０°のねじれが必要となる。この場合、カイラル材添加量の指標となるｄ／ｐ値は０．５である。ねじれ角度を大きく設定しすぎた場合は液晶分子がフォーカルコニック配向を生じる。フォーカルコニック配向が生じると偏光の着色に関し効率が低下するため好ましくない。使用材料などにより一意には決まらないが、概ねｄ／ｐ値で２．０を超えないことが好ましい。

それにより、第１流体と第２流体の透過率、反射率、色彩あるいは輝度の差を容易に加減することが可能となる。

上記の光学装置においては、第１流体が水であることも好ましい。

それにより、低コストで安定性に優れた第１流体を得ることができる。

一実施形態の光学装置の構造を模式的に示す断面図である。 光学装置の一部の構成要素について模式的に示した平面図である。 光学装置の動作状態を説明するための模式的な断面図である。 実施例１の光学装置の観察像を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、一実施形態の光学装置の構造を模式的に示す断面図である。また、図２は、光学装置の一部の構成要素について模式的に示した平面図である。各図に示す光学装置は、第１基板（上側基板）１１、第２基板（下側基板）１２、第１電極１３、第２電極１４、第３電極１５、平滑層１６、遮光層（光吸収層）１７、隔壁１８、第１流体１９、第２流体２０を含んで構成されている。

第１基板１１と第２基板１２は、それぞれ、例えばガラス基板、プラスチック基板等の透明基板である。図示のように、上側基板１１と下側基板１２は、第２電極１４と第３電極１５のそれぞれが第１電極１３と対向するようにして、所定の間隙（例えば６μｍ程度）を設けて貼り合わされている。第１基板１１と第２基板１２の間隙は両基板間に設けられた隔壁１８によって保持される。

第１電極１３は、第１基板１１の一面側に設けられている。また、第２電極１４と第３電極１５は、第２基板１２の一面側に設けられている。これらの第１電極１３、第２電極１４並びに第３電極１５は、例えばインジウム錫酸化物膜（ＩＴＯ膜）などの透明導電膜を所定形状にパターニングすることによって形成されている。図２に示すように、第２電極１４と第３電極１５は、例えばストライプ状に形成されており、それぞれ、少なくとも一部が第１電極１３と対向するように配置されている。

平滑層１６は、第２電極１４および第３電極１５を覆うようにして第２基板１２の一面側に設けられている。この平滑層１６は、少なくとも表面側に撥水性（疎水性）を有しており、さらに好ましくは絶縁性を有する。具体的には、平滑層１６は、例えば絶縁膜とこれに積層された撥水膜を有する。絶縁膜としては、例えばポリイミド系樹脂からなる膜が好適であり、撥水膜としては、例えばポリテトラフルオロエチレン系材料からなる膜が好適である。

遮光層１７は、第１基板１１の一面側、詳細には第１電極１３の上側に設けられている。この遮光層１７は、少なくとも、平面視において隔壁１８に囲まれた領域内（図２参照）において第１電極１３と第３電極１５が重なる領域に配置されており、当該領域を遮光する。遮光層１７としては、例えば、ブラックカラーフィルタ、アルミニウム膜あるいはモリブデン膜などが好適に用いられる。

隔壁１８は、第１流体１９および第２流体２０を保持するための空間を画定するものであり、例えば図２に示すように１つの区画が平面視において略矩形状となるようにして第１基板１１と第２基板１２の間に設けられている。この隔壁１８は、例えば光硬化性樹脂を用いて形成されている。隔壁１８によって画定された１つの領域（区画）には、図２に示すように第２電極１４、第３電極１５のそれぞれの少なくとも一部が配置され、かつ第１電極１３の少なくとも一部が配置される。別言すれば、第１電極１３と第２電極１４並びに第３電極１５は、隔壁１８によって画定される１つの領域を挟んで対向配置されている。

第１流体１９は、極性または導電性を有し、かつ透光性を有する液状体であり、第１基板１１と第２基板１２の間の隔壁１８によって画定された領域に配置されている。この第１流体１９としては、例えば水（純水）が好適に用いられる。図１に示す例では、第１流体１９は第２流体２０よりも比重が低く上側（第１基板１１側）に配置されているが、これら相互の配置状態は第１電極１３、第２電極１４および第３電極１５の相互間における電圧印加状態に応じて変化する（詳細は後述する）。

第２流体２０は、上記した第１流体１９とは相溶せず、かつ着色された非極性の液状の流体であり、第１基板１１と第２基板１２の間の隔壁１８によって画定された空間内に配置されている。この第２流体２０として、本実施形態では色素２０ｂが添加された液晶性材料２０ａが用いられている。色素２０ｂとしては、例えば偏光方向に応じて光の吸収量が異なるもの（二色性色素）が好適に用いられる。液晶性材料２０ａとしては、例えば誘電率異方性が正（Δε＞０）のネマティック液晶材料が好適に用いられる。ネマティック液晶材料には液晶分子の配向にねじれを誘起するカイラル材が添加されていることがさらに好ましい。

本実施形態の光学装置は上記のような構成を備えており、次にその動作について詳細に説明する。

図３は、光学装置の動作状態を説明するための模式的な断面図である。なお、第１電極１３と第２電極１４の間、または第１電極１３と第３電極１５の間に印加する電圧の条件は電極間距離など諸条件により一概にはいえないが、例えば５０Ｖ程度の直流電圧である。

図３（Ａ）は、第１電極１３と第３電極１５の間に電圧を印加した際の光学装置の動作状態を示す。この場合には、純水等からなる第１流体１９は第１電極１３と第３電極１５に挟まれた領域へ移動し、それに伴い第２流体２０は第１電極１３と第２電極１４に挟まれた領域へ移動する。これを第１基板１１側から見ると、透光性の第１流体１９は遮光膜１７に隠れ、着色された第２流体２０は遮光膜１７には遮蔽されない状態となり、結果として観測者には黒（暗状態）として視認される。このような第１流体１９と第２流体２０の配置状態は電圧を遮断した後にも持続する。すなわち、配置状態にはメモリー性がある。このメモリー性の発現は、第２流体２０として用いた液晶性材料の粘性が比較的に高いことに起因すると推測される。

図３（Ｂ）は、第１電極１３と第２電極１４の間に電圧を印加した際の光学装置の動作状態を示す。この場合には、純水等からなる第１流体１９は第１電極１３と第２電極１４に挟まれた領域へ移動し、それに伴い第２流体２０は第１電極１３と第３電極１５に挟まれた領域へ移動する。これを第１基板１１側から見ると、透光性の第１流体１９は遮光膜１７に遮蔽されない状態となり、着色された第２流体２０は遮光膜１７には遮蔽された状態となり、結果として観測者には白（明状態）として視認される。上記と同様にこの配置状態にはメモリー性がある。

また、第１電極１３と第２電極１４の間、または第１電極１３と第３電極１５の間に電圧を印加した際に、その印加時間を制御することにより第１流体１９が移動しきらない途中で電圧を遮断すると、図３（Ｃ）に示すように、第１流体１９の一部が第１電極１３と第２電極１４の間に位置し、その他の部分は第１電極１３と第３電極１５の間に位置するような配置状態を実現できる。このとき、第２流体２０は、第１流体１９の配置状態を補完するようにして、例えば図示のように第２電極１４と第３電極１５の双方にまたがった配置状態となる。これを第１基板１１側から見ると、透光性の第１流体１９はその一部が遮光膜１７に遮蔽され、他の一部は遮蔽されない状態となり、着色された第２流体２０も部分的に遮光膜１７に遮蔽された状態となり、結果として観測者にはグレー（中間状態）として視認される。上記と同様にこの配置状態にはメモリー性がある。

以上のように本実施形態の光学装置は、電圧の印加状態および印加時間を適切に制御することにより明暗の２状態とその中間的な状態を実現することができる。例えば、表示用途に応用した場合であれば階調表示が可能となる。

本実施形態の光学装置を反射型表示装置として用いる場合であれば、着色状態と透明状態（光吸収状態）を切り替えることにより、視角依存性がなく、どこから見ても明るく自然な表示状態を実現することができる。さらに、比較的高いコントラストを実現できるので、画像の視認性に優れた表示状態を得ることができる。また、メモリー性を活かすことにより、基本的には画像書き換え時以外に電力を消費しないため、極めて消費電力の低い表示装置を実現することができる。また、液晶性材料に添加する色素の色調を適宜に選択することにより、カラー表示を実現することも可能である。

また、本実施形態の光学装置は、例えば隔壁１８によって囲まれる領域をマトリクス状に多数配置することによりドットマトリクス型の表示装置を構成することができる。この表示装置は、上記のメモリー性を利用することにより、薄膜トランジスタ等のスイッチング素子を各画素に設けることなく、１ラインずつ表示を切り替える線順次走査によって駆動することが可能である。

本実施形態の光学装置を適用した表示装置は、例えば、省電力かつ頻繁な画像書き換えを必要としない情報機器（パーソナルコンピュータ、携帯情報端末、携帯電話等）の表示部、磁気ないし電気記録されたカードの情報表示面、児童用玩具、紙や印刷物（雑誌、新聞、ポスター等）などの代替品全般、車載用機器や航空機用機器の表示部、時計の表示部、デジタルスチルカメラの表示部としての用途や、ストロボ灯具、車両用灯具、車内照明などの光学系における光制御素子としての用途、さらには一般照明器具（屋内照明、街路灯、懐中電灯等）における配光制御素子としての用途など、種々の分野における用途が考えられる。

次に、いくつかの実施例を説明する。

（実施例１）
ＩＴＯ膜付きのガラス基板を一対用意し、それぞれフォトリソグラフィ技術によってＩＴＯ膜をパターン形成することにより第１電極、第２電極および第３電極を形成した。以降では便宜上、第１電極が形成されたガラス基板を「上基板」、第２電極および第３電極が形成されたガラス基板を「下基板」と呼ぶ。

次に、上基板の所定位置に遮光膜としてのブラックカラーフィルタをパターン形成した。ＩＴＯ膜の膜厚は８０ｎｍ、ブラックカラーフィルタの膜厚は８００ｎｍ、ガラス基板の板厚は０．７ｍｍである。また、下基板には平滑層を形成した。詳細には、ポリイミド系樹脂材料をスピンコート法によって塗布した後に焼成することで絶縁膜を形成した。スピンコート条件は２０００ｒｐｍで５秒間、その後４０００ｒｐｍで１０秒間とし、焼成条件は２２０℃で６０分間とした。次いで、ポリテトラフルオロエチレン材料をスピンコート法によって塗布した後に焼成することで絶縁膜上に撥水膜を形成した。スピンコート条件は１５００ｒｐｍで１５秒間とし、焼成条件は１５０℃で３０分間とした。

次に、上基板の一面上に隔壁を形成した。ここでは、光硬化性樹脂材料を適宜の条件によってガラス基板上へ塗布して仮焼成し、その後、所定の遮光パターンを有するマスクを用いて露光し、さらに現像処理を行うことにより、樹脂材からなる隔壁が形成された。隔壁の１区画のサイズは２００μｍ×２００μｍとし、隔壁の高さは６μｍ程度とした。

次に、第１流体としての純水と第２流体としての液晶性材料を下基板の一面側に配置し、その下基板に対して上基板（隔壁付き）を重ね合わせ、各基板の周囲をエンドシール材にて封止した。各流体を配置する方法としてはインクジェット装置、ディスペンサ、マイクロピペットなどによる滴下、スピンコート法、スリットコート法、バーコート法、スリットスピンコート法、スプレーコート法など各種コーティング法を適用可能であり、また液晶表示装置の製造工程にて使用されるＯＤＦ（one drop fill）法も適用可能である。ここでは下基板の一面上にマイクロピペットによって液晶性材料を微少量滴下し、その上からスプレーコート法によって純水を散布した。スプレーコート法による純水の散布についてはその散布条件により一概にはいえないが、５秒間〜１１秒間の散布条件としたときに良好な状態に散布できた。このときの純水の散布量は概ね１ｍｍ^２あたり２０〜５０ｐｌである。第２流体としての液晶性材料には複数種類の二色性色素をそれぞれ１重量％程度ずつ混入することで黒色に着色した。液晶性材料としては、誘電率異方性Δεが正、屈折率異方性Δｎが０．０８程度、ネマティック−アイソトロピック転移温度が１１１℃のネマティック液晶材料に対してカイラルピッチが６μｍのカイラル材をｄ／ｐ＝１となる量で添加したものを用いた。

図４は、実施例１の光学装置の観察像を示す図であり、いずれも上基板側から光学素子を観察した様子を示している。なお、各流体の挙動を観察するための便宜上、遮光層を省略して光学装置を作製した。図４（Ａ）は初期状態の観察像であり、いくつかの相対的に明るい白色系の液滴部分が純水（第１流体）、それ以外に相対的に暗い部分が液晶性材料（第２流体）である。また、図中に点線で示す電極ａが第２電極、電極ｂが第３電極の配置領域を示している。なお、これらの電極配置は図４（Ｂ）〜図４（Ｅ）においても同様であるが、観察像の視認性を向上するために図４（Ａ）以外では電極の配置領域の図示を省略している。図４（Ｂ）は第１電極と第２電極（電極ａ）の間に電圧を印加した状態の観察像であり、純水の液滴部分は第１電極と第２電極の間の領域へ移動していることが分かる。この後に電圧を遮断した後の状態の観察像が図４（Ｃ）であり、電圧遮断後も純水と液晶性材料の配置が維持されていることが分かる。図４（Ｄ）は第１電極と第３電極（電極ｂ）の間に電圧を印加した状態の観察像であり、純水の液滴部分はいくつかが第１電極と第３電極の間の領域へ移動していることが分かる。この後に電圧を遮断した後の状態の観察像が図４（Ｅ）であり、電圧遮断後も純水と液晶性材料の配置が維持されていることが分かる。なお、図示を省略するが、第１電極と第２電極の間に液晶性材料が配置された状態で第２電極並びに第３電極のそれぞれと第１電極の間に電圧を印加した場合には、液晶性材料中の液晶分子がその長軸を電界方向に揃えて再配向し、これに伴って色素も再配向するので全体的に透明（明状態）になることが確認された。

（実施例２）
液晶性材料として屈折率異方性Δｎとネマティック−アイソトロピック転移温度が異なるネマティック液晶材料を用いた以外は上記した実施例１と同様の条件により実施例２の光学装置を作製した。具体的には、実施例２の光学装置の液晶性材料は、屈折率異方性Δｎが０．２９８程度、ネマティック−アイソトロピック転移温度が１３０℃である。その結果、実施例１の光学装置と同様な動作を確認できた。

（実施例３）
液晶性材料として屈折率異方性Δｎとネマティック−アイソトロピック転移温度が異なるネマティック液晶材料を用いた以外は上記した実施例１と同様の条件により実施例３の光学装置を作製した。具体的には、実施例３の光学装置の液晶性材料は、屈折率異方性Δｎが０．０６５程度、ネマティック−アイソトロピック転移温度が８６℃である。その結果、実施例１の光学装置と同様な動作を確認できた。

なお、本発明は上述した実施形態並びに各実施例の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。

例えば、上記した説明では第１流体が透光性を有し、第２流体が着色されている旨の説明を行っていたが各流体の色彩はこれに限定されない。原理的には、第１流体と第２流体は両者間に透過率、反射率、色彩あるいは輝度の差が生じる組み合わせであればよいため、例えば、双方の流体がともに着色されていてもよい。また、第２流体として液晶性材料を用いる場合に、カイラル材は省略されてもよい。

また、上記した実施形態等では遮光層を設けていたが、光学装置の用途によってはこれを省略してもよい。例えば、必要に応じて光の強度を減衰し、あるいは遮光するような光学スイッチとして本発明にかかる光学装置を用いるような場合であれば、遮光層は不要である。

また、上記した実施形態等では主に反射光を利用する場合を想定していたが、透過光を利用するように構成することも可能である。その場合には、第２基板の裏側に光源（バックライト）を配置し、この光源から出力される光の透過度を各流体の位置によって制御することが可能である。

１１：第１基板（上側基板）
１２：第２基板（下側基板）
１３：第１電極
１４：第２電極
１５：第３電極
１６：平滑層
１７：遮光層（光吸収層）
１８：隔壁
１９：第１流体
２０：第２流体
２０ａ：液晶性材料
２０ｂ：色素

Claims (3)

1. 対向配置された第１基板及び第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板の間に設けられた隔壁と、
   前記第１基板の一面側に設けられており、少なくとも一部が平面視において前記隔壁に囲まれた領域と重なる第１電極と、
   前記第２基板の一面側に設けられており、各々が前記隔壁に囲まれた領域を挟んで前記第１電極と対向配置された第２電極及び第３電極と、
   前記第２基板の一面側に設けられており、前記第２電極及び前記第３電極を覆う平滑層と、
   前記第１基板の一面側に設けられており、前記第１電極と前記第３電極とが重なる領域に配置された遮光層と、
   前記隔壁に囲まれた領域に配置されており、相溶しない第１流体及び第２流体、
   を備え、
   前記第１流体は極性又は導電性を有する液状体からなり、
   前記第２流体は液晶性材料を含んだ液状体からなり、かつ二色性色素を含有する、
   光学装置。
2. 前記第２流体がカイラル材を含有する、請求項１に記載の光学装置。
3. 請求項１又は２に記載の光学装置を用いて構成された表示装置。