JPH1164896A

JPH1164896A - 調光素子および調光装置

Info

Publication number: JPH1164896A
Application number: JP22503297A
Authority: JP
Inventors: Sadaichi Suzuki; 貞一鈴木; Shimizu Sagawa; 清水佐川; Shigeru Yamamoto; 滋山本; Taketo Hikiji; 丈人曳地; Masanobu Ninomiya; 正伸二宮; Kazuo Baba; 和夫馬場
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1997-08-21
Filing date: 1997-08-21
Publication date: 1999-03-05

Abstract

(57)【要約】【課題】電圧などの外部刺激によって一画素での表示
色が変化する反射型カラー表示装置を実現できる調光素
子を提供する。【解決手段】第１誘電体層３１と第２誘電体層３２と
を交互に多層に渡って積層する。第１誘電体層３１は、
ポーラスな膜で、電圧などの外部刺激によって弾性変形
する、低屈折率のものとする。第２誘電体層３２は、弾
性変形しない、高屈折率のものとする。電極１２，２２
間に電圧を印加すると、電極１２，２２が互いに引き合
って、第１誘電体層３１が弾性変形し、多層膜３０全体
の膜厚が小さくなって、干渉反射の波長が短波長側にシ
フトする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、反射型カラー表
示装置などに用いることができる調光素子および調光装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】持ち運びのできるラップトップ型コンピ
ュータや携帯情報端末などには、表示装置として、小電
力の液晶表示装置がよく用いられ、良好な画質を得るた
めにバックライト付きのＴＦＴ駆動の液晶表示装置が多
く用いられる。しかし、バックライト付きの液晶表示装
置は、ＣＲＴなどに比べれば小電力ではあるが、バック
ライトを使用するため、なお消費電力が大きい。そこ
で、バックライトを用いずに外光を利用して表示を行う
反射型表示装置、特に反射型カラー表示装置が注目され
ている。

【０００３】反射型カラー表示装置としては多くの方式
のものが提案されているが、実用化されているのは主と
して液晶を用いたものである。

【０００４】もっとも早く実用化された反射型カラー液
晶表示装置は、ＴＮ液晶セルにカラーフィルタを組み合
わせもので、液晶セルに電圧を印加することによって液
晶セルの光透過量を増加させ、その透過光をカラーフィ
ルタによって着色する。

【０００５】また、ＥＣＢ方式は、互いに直交させた２
枚の偏光板間にホメオトロピック配向させた液晶セルを
配置して、セルに電圧を印加することによりセル中の液
晶を傾斜させ、電圧が印加されていない状態ではセルを
透過できない直線偏光の入射光を楕円偏光に変えて、セ
ルに透過させるもので、透過光量が波長に依存するた
め、色づいて見えることを利用したものである。

【０００６】また、ＧＨ（ゲストホスト）モードは、ホ
ストとなる液晶にゲストとなる２色性色素を溶解して、
電圧の印加により液晶分子の配列を変化させたとき、こ
れに引きずられて２色性色素の配列も変化することを利
用したものである。例えば、ホモジニアス配向させた液
晶に２色性色素を溶解すると、色素は基板に水平な方向
を向く。このため、色素の色が見える。電圧を印加する
と、液晶分子が基板に垂直な方向に配列され、色素も基
板に垂直な方向を向くが、２色性比のため、色づいて見
えない。したがって、カラー表示が可能となる。この方
式は、偏光板を用いずに比較的明るい表示が可能であ
り、実用化されている。

【０００７】さらに、光硬化型ポリマー中に液晶を溶か
して、レーザ光の干渉を利用して周期的にポリマー化
し、液晶リッチな領域とポリマーリッチな領域を周期的
に形成して、誘電体多層膜のような構造とした、体積ホ
ログラム型のＰＤＬＣ構造の反射型カラー表示装置も知
られている。この方式は、析出した液晶のドロップレッ
トに電圧を印加することによって、光の干渉反射を生じ
させ、または逆に生じないようにすることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＴＮ方
式やＥＣＢ方式は、偏光板を用いるため、光の透過量が
２０％程度と非常に少なく、暗い表示となる欠点があ
る。また、ＧＨ方式は、色素の２色性比が小さいため、
色再現範囲が狭く、またコントラストが３対１程度と非
常に低いという問題がある。さらに、体積ホログラム型
のＰＤＬＣ構造の反射型カラー表示装置は、一画素で表
示できる色が特定され、ＥＣＢ方式のように一画素で多
くの色を表示することはできない欠点がある。しかも、
これらの方式は、いずれも液晶を用いるので、温度に依
存しやすい欠点がある。

【０００９】そこで、この発明は、温度依存性が少ない
とともに、明るい表示が得られ、色再現範囲を広くで
き、かつ一画素で多くの色を表示できる反射型カラー表
示装置を実現することができる調光素子および調光装置
を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明では、調
光素子として、外部刺激によって弾性変形する第１誘電
体層と、これに対して屈折率の異なる第２誘電体層とを
交互に積層し、第１誘電体層と第２誘電体層との屈折率
差による光干渉によって反射を生じさせる。

【００１１】請求項２の発明では、請求項１の調光素子
において、第１誘電体層をポーラス状とする。

【００１２】請求項３の発明では、調光装置として、請
求項１または２の調光素子を対の電極で挟持し、その対
の電極間に電圧を印加することにより第１誘電体層を弾
性変形させて、干渉反射の波長を変化させる。

【００１３】請求項４の発明では、調光装置として、請
求項１または２の調光素子に圧電素子を配設し、その圧
電素子に電圧を印加することにより第１誘電体層を弾性
変形させて、干渉反射の波長を変化させる。

【００１４】

【作用】この発明では、互いに屈折率の異なる２種の誘
電体層を交互に多層に渡って積層し、２種の誘電体層間
の屈折率差によって光の干渉反射を生じさせて、色を表
示する。

【００１５】しかも、少なくとも第１誘電体層は、電圧
などの外部刺激によって弾性変形するものとし、その第
１誘電体層と第２誘電体層との多層膜に電圧などの外部
刺激を印加することにより、少なくとも第１誘電体層を
弾性変形させて、多層膜全体の膜厚を変化させ、積層周
期を変えて、干渉反射の波長を変化させる。また、第１
誘電体層および第２誘電体層の膜厚を適切に構成するこ
とによって、反射の強度を制御することができる。

【００１６】この方式では、反射率をほぼ１００％にす
ることができるので、カラーフィルタを組み合わせたＴ
Ｎ方式や、ＥＣＢ方式に比べて、非常に明るい表示が可
能となる。また、この方式では、第１誘電体層と第２誘
電体層との屈折率差が大きいほど、干渉反射のスペクト
ル幅が拡大して、明るい表示を得ることができる。しか
も、液晶を用いず、誘電体を用いるので、温度依存性が
少ない。

【００１７】外部刺激によって弾性変形する第１誘電体
層としては、高分子によるエマルジョン状態から作成し
たポーラスな膜が好適である。このポーラスな膜は、ほ
とんど空気層からなり、骨格が高分子で作られるため、
弾性に富み、電圧などの外部刺激によって容易に弾性変
形する。外部刺激を取り除けば、当初の膜厚に戻る。

【００１８】図１〜図３に、この様子を示す。これは、
電極１２，２２間に、ポーラスな膜からなる低屈折率の
第１誘電体層３１と高屈折率の第２誘電体層３２とを交
互に積層した多層膜３０を形成したもので、図１は電圧
を印加しないとき、図２は低電圧を印加したとき、図３
は高電圧を印加したときである。

【００１９】この第１誘電体層３１の単位面積あたりの
弾性常数をｋ、電圧を印加しないときの多層膜３０の膜
厚をＲとすれば、多層膜３０全体の変形量ｘないし変形
率ｘ／Ｒは、ｘ／Ｒ＝εＶ²／４πｋＲ⁵ …（１）で表される。ただし、Ｖは印加電圧、εは多層膜３０の
平均誘電率である。

【００２０】すなわち、多層膜３０全体の変形量ｘは、
印加電圧Ｖの２乗に比例し、かつ多層膜３０の平均誘電
率εに比例するとともに、第１誘電体層３１の単位面積
あたりの弾性常数ｋに反比例する。したがって、弾性常
数ｋが小さい第１誘電体層３１によれば、大きな反射ス
ペクトルの変化を期待することができる。

【００２１】図４に、印加電圧Ｖに対する多層膜３０全
体の変形率ｘ／Ｒの関係を示す。図５は、電圧を印加し
たときの反射スペクトルの変化を示し、破線は低電圧の
印加時、実線は高電圧の印加時である。これから明らか
なように、印加電圧の増大に伴って多層膜３０全体の膜
厚が小さくなるにつれて、反射ピーク波長が短波長側に
シフトする。しかも、図６に示すように、印加電圧の変
化によって反射ピーク波長は大きく変化する。そして、
この反射ピーク波長の変化が一画素での表示色の変化を
引き起こす。

【００２２】なお、弾性常数ｋは、ポーラスな膜の作成
方法や骨格材料の多少によって、変化する。

【００２３】上記の多層膜は、以下のような方法で作成
する。まず、ポリマーなどを溶剤に溶かし、その溶液
に、これと溶け合わない物質を混合し、よく撹拌するこ
とによって、コロイド溶液を作る。コロイド粒は、０．
１μｍほどの非常に小さなものが望ましく、この状態で
は、通常の可視光を散乱しないため、見た目はコロイド
溶液のように見えないこともある。

【００２４】このコロイド溶液を、透明電極を形成した
基板やポリマーシートなどに、印刷法、スピンコート
法、ディッピング法または蒸着法などによって、薄く塗
布する。その後、溶剤を揮発させて、コロイド溶液を硬
化させる。この状態でコロイド粒は膜中に一時閉じ込め
られる。

【００２５】次に、その上から、他の樹脂などを、印刷
法やスピンコート法などによって薄く塗布してから、硬
化させる。このような２種の膜の形成を交互に繰り返し
て、膜を数１０層に渡って積層する。

【００２６】次に、第１の膜のコロイド粒中に閉じ込め
られた液体を、真空乾燥や加熱乾燥などによって揮発さ
せる。この段階で、少なくとも第１の膜は、ポーラスな
膜となっており、高分子などによる骨格のみが残ってス
ポンジ状になる。この第１の膜は、電気的圧力や機械的
圧力によって弾性変形させることが可能で、第１誘電体
層となる。また、残った骨格が少ない場合には、この第
１誘電体層の屈折率は空気層のそれに近い値を示し、可
視光に対して１．１程度の屈折率を実現することも可能
である。

【００２７】一方、コロイド状でない第２の膜は、通常
１．５程度の屈折率を持つものとなり、第２誘電体層を
構成する。したがって、第１誘電体層と第２誘電体層と
の間で比較的大きな屈折率差が得られる。

【００２８】多層膜に電気的圧力を加える場合には、こ
のように作成した多層膜の上に、透明電極を形成した基
板を重ねる。すなわち、多層膜を２枚の透明電極付き基
板で挟むようにする。圧電素子などによって多層膜に機
械的圧力を加える場合には、上下に電極を設ける必要は
なく、上記のポリマーシートなどの上に、このように多
層膜を形成するだけでよい。

【００２９】このように作成した調光素子に、電圧を印
加し、または圧電素子などにより機械的圧力を加えるこ
とによって、多層膜全体の膜厚を変化させ、積層周期を
変えることができる。この場合、上下の電極間に電圧を
印加するときには、電極間の引力によって多層膜全体を
縮めることができる。そして、電圧などを印加する前の
状態で積層周期を適切に設定すれば、誘電体多層膜と同
様に任意の可視領域の波長の光を反射させることができ
る。

【００３０】また、上下の電極に同極性の電荷を注入す
ることによって、斥力のクーロン力を発生させて、多層
膜を引き延ばすことも可能であり、その場合には、注入
電荷量の増加に伴って多層膜全体の膜厚が大きくなるに
つれて、反射ピーク波長が長波長側にシフトするように
なる。

【００３１】以上のように、多層膜の積層周期を変化さ
せることによって、干渉反射の波長を変化させることが
できる。また、多層膜の設計によっては、電圧の印加に
よって反射を低減させることも可能で、この場合には、
印加電圧に応じて反射光量が変化するので、階調表示が
可能となる。

【００３２】

【発明の実施の形態】

〔第１の実施形態〕図１〜図３は、この発明の調光装置
の第１の実施形態を示す。上述したように、図１は電圧
を印加しないとき、図２は低電圧を印加したとき、図３
は高電圧を印加したときである。

【００３３】この実施形態では、ガラス基板１１上にＩ
ＴＯからなる透明電極１２を形成し、透明電極１２上に
ポリイミド膜１３を形成し、ポリイミド膜１３上に第１
誘電体層３１と第２誘電体層３２とが交互に積層された
多層膜３０を形成し、多層膜３０上にポリイミド膜２３
を形成し、ポリイミド膜２３上にＩＴＯからなる透明電
極２２を形成する。

【００３４】以下に、この調光装置の製造方法の一例を
示す。まず、ガラス基板１１上に、ＩＴＯをスパッタ法
または蒸着法で５０ｎｍ着膜し、フォトリソ工程で所定
パターンにして、透明電極１２を形成する。

【００３５】次に、この透明電極１２が形成されたガラ
ス基板１１上に、低温で硬化するポリイミドを、印刷法
またはスピナーで回転塗布し、熱工程を通して０．２μ
ｍ厚のポリイミド膜１３を形成する。これによって、Ｉ
ＴＯが複雑にパターニングされていても、ガラス基板１
１の表面を平坦化できる。また、電極間の絶縁を向上さ
せ、信頼性を上げることができる。さらに、このように
ポリイミドを塗布しておくことによって、次に塗布する
物質がガラス基板１１によってはじかれないようにな
る。

【００３６】次に、ポリビニルシンナメートを溶剤シク
ロヘキサンに１対１０の割合で溶かす。その後、純水を
ポリビニルシンナメートに対して１０対１の割合となる
ように混合し、さらに撹拌して、コロイド溶液を作成す
る。撹拌が十分でないと、コロイド粒子である水滴の径
が１μｍオーダーとなって、コロイド溶液は白濁する
が、十分撹拌することによって、０．０５μｍほどのコ
ロイド粒が形成されて、コロイド溶液は見た目には透明
となる。

【００３７】このように作成したコロイド溶液を、印刷
法で、上記のように透明電極１２が形成され、ポリイミ
ド膜１３が形成されたガラス基板１１上に塗布する。印
刷に際して、液晶表示装置の配向膜を形成する際に用い
られる配向膜印刷機を使用することによって、０．０５
μｍ程度の膜厚の形成が可能である。

【００３８】コロイド溶液の塗布厚は、最終的に溶剤が
揮発したとき、膜厚が０．１９μｍほどになる程度に調
整する。このとき、純水は０．０５〜０．２μｍ大のボ
ール状になって膜中に閉じ込められるため、膜はそれ自
身、自立し、ポリビニルシンナメートは、薄皮のように
なってボール状の水滴を覆い包む。

【００３９】次に、ポリビニルシンナメートを溶剤シク
ロヘキサンに溶かした溶液を作成する。ただし、この溶
液は水分を含まないようにする。この溶液を、上記の水
分を含んだポリビニルシンナメートの薄膜上に、印刷法
で重ね塗りする。この際、溶剤を揮発させた状態での水
分を含まないポリビニルシンナメートの膜厚が０．１９
μｍほどになるように、溶液の塗布厚を調整する。

【００４０】さらに、上記の重ね塗り工程を２０回繰り
返して、水分を含んだポリビニルシンナメート薄膜と水
分を含まないポリビニルシンナメート薄膜とが交互に積
層された多層膜を形成する。

【００４１】次に、この多層膜全体を１０時間ほどかけ
て加熱し、真空乾燥させる。これによって、水分を含ん
だポリビニルシンナメート薄膜中の水分が抜け出る。

【００４２】その結果、水分が抜けたポリビニルシンナ
メートを骨格とするポーラスな膜からなる第１誘電体層
３１と、ポリビニルシンナメート薄膜からなる第２誘電
体層３２とが、交互に積層された多層膜３０が形成され
る。多層膜３０全体の膜厚は４μｍほどになる。

【００４３】水分が抜けたポーラスな第１誘電体層３１
は、ポリビニルシンナメートが骨格として残っているた
め、弾力性のある膜となり、多層膜３０全体として、機
械的圧力や電気的引力または電気的斥力によって弾性変
形する。

【００４４】このように形成した多層膜３０上に、ポリ
イミドを塗布してポリイミド膜２３を形成し、さらにポ
リイミド膜２３上に、ＩＴＯを着膜して透明電極２２を
形成する。ＩＴＯを着膜する代わりに、透明電極付き高
分子膜で被覆し、または透明電極付きガラス基板を取り
付けてもよい。

【００４５】上記の方法で作成した調光装置では、水分
が抜けたポリビニルシンナメートを骨格とするポーラス
な第１誘電体層３１は、ほとんどが空気層となり、その
可視光に対する屈折率の平均は１．１である。一方、ポ
リビニルシンナメート自体の可視域における屈折率は
１．５である。したがって、第１誘電体層３１と第２誘
電体層３２との屈折率差は０．４という大きな値にな
り、この大きな屈折率差によって高い反射率の多重干渉
反射を生じる。

【００４６】上記の例は２０回の重ね塗りをする場合で
あるが、さらに多層に塗布することによって反射特性を
向上させることができる。

【００４７】上記の調光装置で、図２に示すように電極
１２，２２間に電圧を印加すると、電極１２，２２が互
いに引き合って、第１誘電体層３１が弾性変形し、多層
膜３０全体の膜厚が小さくなって、図１のように電圧が
印加されていないときには赤外域に存在した多層膜３０
の反射ピーク波長が、赤の領域にシフトする。さらに、
図３のように印加電圧を高くすると、反射ピーク波長は
青色方向にシフトする。ただし、印加電圧と反射ピーク
波長との関係、および反射ピークでの反射率は、多層膜
３０の設計によって任意に調整することができる。

【００４８】このように、第１の実施形態の調光装置で
は、電極１２，２２間に印加する電圧によって、反射ピ
ーク波長を変化させることができ、一画素で任意の色を
表示することができる。また、多層膜３０の設計によっ
ては、ある電圧では反射率を減少させることも可能で、
電圧による光スイッチングも可能である。

【００４９】〔第２の実施形態〕図７は、この発明の調
光装置の第２の実施形態を示し、調光素子に圧電素子を
配設し、その圧電素子によって調光素子の多層膜に機械
的圧力を加える場合である。

【００５０】この実施形態では、透明基板４１の一面上
に、上述したような方法によって、ポーラスな膜からな
る弾性変形する第１誘電体層３１と弾性変形しない第２
誘電体層３２とが交互に積層された多層膜を形成する。
上述したように、電極は必要ない。

【００５１】一方、基板４２上に、圧電素子本体５１に
対して電極５２，５３を形成した圧電素子５０を設け、
その圧電素子５０を透明基板４１上の多層膜と接触させ
るように、基板４２を連結体４３，４４によって透明基
板４１に連結する。

【００５２】そして、圧電素子５０の電極５２，５３間
に電圧を印加して、圧電素子５０を変形させ、その圧電
素子５０からの機械的圧力により、多層膜の第１誘電体
層３１を弾性変形させて、多層膜全体の膜厚を変化さ
せ、積層周期を変えて、干渉反射の波長を変化させる。

【００５３】

【発明の効果】上述したように、この発明の調光素子に
よれば、電圧などの外部刺激によって一画素での表示色
が変化する反射型カラー表示装置を実現することができ
る。また、多層膜を適切に設計することによって、電圧
の印加により反射率を減少させることができ、電圧によ
る色のオンオフや階調表示が可能となる。したがって、
この発明の調光素子を３層積層することによって、フル
カラー表示の反射型カラー表示装置を実現することもで
きる。

【００５４】また、この発明の調光素子は、フィルタと
して利用することも可能で、レーザ光などの波長が狭い
光に対しても、電圧によって透過光量を変化させること
ができ、単色光のスイッチングを行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の調光装置の第１の実施形態の電圧無
印加時の状態を示す図である。

【図２】この発明の調光装置の第１の実施形態の低電圧
印加時の状態を示す図である。

【図３】この発明の調光装置の第１の実施形態の高電圧
印加時の状態を示す図である。

【図４】この発明の調光素子における印加電圧に対する
多層膜の変形率の関係を示す図である。

【図５】この発明の調光素子における印加電圧による反
射スペクトルの変化の例を示す図である。

【図６】この発明の調光素子における印加電圧に対する
反射ピーク波長の関係の例を示す図である。

【図７】この発明の調光装置の第２の実施形態を示す図
である。

【符号の説明】

１１ガラス基板１２，２２透明電極１３，２３ポリイミド膜３０多層膜３１第１誘電体層３２第２誘電体層４１透明基板５０圧電素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者曳地丈人神奈川県足柄上郡中井町境430 グリーンテクなかい富士ゼロックス株式会社内 (72)発明者二宮正伸神奈川県足柄上郡中井町境430 グリーンテクなかい富士ゼロックス株式会社内 (72)発明者馬場和夫神奈川県足柄上郡中井町境430 グリーンテクなかい富士ゼロックス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部刺激によって弾性変形する第１誘電体
層と、これに対して屈折率の異なる第２誘電体層とが交
互に積層され、前記第１誘電体層と前記第２誘電体層と
の屈折率差による光干渉によって反射を生じることを特
徴とする調光素子。
【請求項２】請求項１の調光素子において、前記第１誘
電体層がポーラス状であることを特徴とする調光素子。
【請求項３】請求項１または２の調光素子を対の電極で
挟持し、その対の電極間に電圧を印加することにより前
記第１誘電体層を弾性変形させて、干渉反射の波長を変
化させることを特徴とする調光装置。
【請求項４】請求項１または２の調光素子に圧電素子を
配設し、その圧電素子に電圧を印加することにより前記
第１誘電体層を弾性変形させて、干渉反射の波長を変化
させることを特徴とする調光装置。