KR100898515B1 - 광스위칭 소자·광스위칭 디바이스·복수파장 광스위칭소자·복수파장 광스위칭 디바이스·컬러 광스위칭 소자·컬러광스위칭 디바이스·광 스위칭 소자 어레이·복수파장광스위칭 소자 어레이·컬러 광스위칭 소자어레이·화상표시장치·복수색 화상표시장치 및 컬러화상표시장치 - Google Patents

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Abstract

회절 격자와 광의 파장에 의한 근점이각(Anomaly) 현상을 원리적으로 이용한 종래에 없는 신규의 광스위칭 소자를 실현한다.
광스위칭소자(1)는, 두께 부분이 도파층으로 기능하고, 두께 방향의 일면은 전반사면으로 기능하고, 타면은 미세한 요철에 의한 미세주기구조가 형성되고, 상기 타면에서 입사하는 광 중, 특정 파장 성분을 공명 반사시키는 공명 반사 소자(11)와, 상기 공명 반사 소자(11)의 형상 및/또는 굴절률을 변화시켜, 공명 반사의 공명 파장을 변화시키는 구동 수단(12, 14)을 갖는다.

Description

광스위칭 소자·광스위칭 디바이스·복수파장 광스위칭 소자·복수파장 광스위칭 디바이스·컬러 광스위칭 소자·컬러 광스위칭 디바이스·광 스위칭 소자 어레이·복수파장 광스위칭 소자 어레이·컬러 광스위칭 소자 어레이·화상표시장치·복수색 화상표시장치 및 컬러 화상표시장치{photo switching component·photo switching device·multi-wavelength photo switching component·multi-wavelength photo switching device·color photo switching component·color photo switching device·photo switching component array·multi-wavelength photo switching component array·color photo switching component array·image display·multi-color display and color display}
도 1은 광스위칭 소자의 실시의 한 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 광스위칭 소자를 이용하는 광스위칭 디바이스의 실시의 한 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 컬러 광스위칭 디바이스의 실시의 한 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 공명 반사 소자에서의 공명 파장에 영향을 주는 파라메터를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 광스위칭 소자의 제조 방법의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 컬러 화상 표시 장치의 실시 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 실시예의 광스위칭 소자 어레이의 온·오프 상태에서의 분광 투과율을 나타내는 도면이다.
<부호의 설명>
　1 광스위칭소자
　11　공명반사소자
　12　구동 소자
　13　투명 기판
　14　구동 회로
　15　투명 보호층
이 발명은, 광스위칭소자·광스위칭디바이스·복수파장광스위칭소자·복수파장광스위칭디바이스·컬러광스위칭소자·컬러광스위칭디바이스·광스위칭소자어레이·복수파장광스위칭소자어레이·컬러광스위칭소자어레이·화상표시장치·복수색화상표시장치 및 컬러화상표시장치에 관한 것이다.
광의 온·오프를 행하는 광스위칭 소자와 이를 어레이 배열한 광스위칭 소자 어레이는 광통신이나 프로젝터 등의 화상표시장치 분야에서 널리 사용되고 있다.
광스위칭을 행하는 소자로는, 종래, 액정을 이용하는 것과 마이크로미러를 이용하는 것이 널리 알려져 있고, 또한 특허문헌1에는 「반사성 미러와 반투과성 미러를 이용하여 광을 제어하는 간섭형 광스위칭 디바이스」가 제안되어 있다. 이것은, 반사성 미러와 반투과성 미러의 거리를 변화시켜, 광의 간섭 효과를 이용하여 스위칭을 행하는 것이다.
그리고, 비특허문헌 1에 「대역이 좁은 반사형 파장필터」가 보고되어 있다.
[특허문헌1] 일본 특개 2002-287047
[비특허문헌1] R.Magnusson and S.S.Wang,Transmission band pass guided-mode　resonance filters, Appl. Opt. Vol. 34, No.35, 8106(1995)
본 발명은, 비특허문헌 1에 보고되어 있는 「회절 격자와 광의 파장에 의한 근점이각(Anomaly)현상」을 원리적으로 이용한, 종래에 없는 신규의 광스위칭 소자를 실현하고, 이러한 광스위칭소자를 이용하여, 새로운 광스위칭 디바이스와 화상표시장치, 컬러 화상표시장치 등을 실현하는 것을 과제로 한다.
이 발명의 광스위칭 소자는, 공명 반사 소자와, 구동 수단을 갖는다.
「공명반사소자」는, 두께 부분이 도파층으로 기능하고, 두께 방향의 일면은 전반사면으로 기능하고, 타면은 미세한 요철에 의한 미세주기구조가 형성되어, 「타면」에서 입사하는 광 중, 특정 파장 성분을 공명반사시키는 소자이다.
상기 「미세한 요철에 의한 미세주기구조」는, 요철의 주기가「사용 파장과 동등한 정도이거나 그 이하의 크기」이고, 상기 미세주기구조가 형성된 면에서 입사하는 광은, 미세주기구조에서 회절하고, 도파층으로 기능하는 두께 부분을 도파하여, 상기 일면에 이르러 전반사 하는데, 도파층 내를 전반사로 전파하는 광파의 전파 상수가 미세주기구조의 격자에 의한 격자벡터와 일치하면 강한 공명을 일으켜 강한 반사광이 된다. 이것이 「공명반사」로 알려진 현상이다.
따라서, 미세한 요철에 의한 미세주기구조는 「공명반사를 야기할 수 있는 것」이면 되고, 구체적인 형태로는 특별히 제한은 없다. 미세주기구조로는 후술하는 1차원 격자 형상의 것이나, 2차원 격자 형상의 것, 또는 동심원 형상의 것 등이 가능하고, 「요철의 단면형상」도 후술하는 「구형파 형상」의 것 외에, 삼각파 형상의 것이나 정현파 형상의 것「사다리꼴 형상의 반복」등이어도 좋다.
「공명 반사」하는 광의 파장은, 공명 반사 소자의 소재·형상에 따라 결정되고, 상기와 같이, 광원에서 방사되어「타면」에서 입사하는 광 중, 특정 파장성분(공명파장)의 광이 공명반사되는 것이다.
「구동 수단」은, 공명 반사 소자의 형상 및/또는 굴절률을 변화시켜, 공명반사의 공명파장을 변화시키는 수단이다.
예를 들어, 공명 반사 소자의 굴절률을 변화시키면, 도파층으로 기능하는 두께 부분의 「광학적두께(굴절률과 기계적 두께의 곱)」가 변화하므로, 도파층 부분 에서 정상파를 구성하는 전반사광의 파장이 변화하고, 공명파장이 시프트한다. 또한, 공명 반사 소자의 형상을 변화시키는 경우에는, 예를 들어, 미세주기구조의 격자주기를 변화시켜, 미세주기구조의 광학적 기능을 변화시킬 수 있고, 이 광학적 기능의 변화에 의해, 공명파장을 시프트시킬 수 있다. 공명파장의 시프트에는 상기 「굴절률 변화와 형상 변화를 동시에 이용하는」것도 가능하다.
청구항 1에 기재된 광스위칭 소자에서의 공명반사 소자는「기판 상에 박막형상으로 형성」되어 있을 수 있다(청구항 2).
청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 광스위칭 소자에서의 공명 반사 소자의 미세한 요철에 의한 미세주기구조는 「투명보호층으로 피복」되어 있는 것이 바람직하다(청구항 3). 투명 보호층에 의해, 미세주기구조의 미세한 요철이 외력에 의해 손상되는 것을 유효하게 방지할 수 있기 때문이다. 물론, 이 투명보호층은, 공명 반사 소자와는 굴절률이 다른 재료로 구성된다.
청구항 1, 청구항 2 또는 청구항 3에 기재된 광스위칭 소자에서의 구동 수단은 「전계, 자계, 열, 기계력 중 하나 이상」을 공명반사 소자에 작용시켜, 공명 반사 소자의 「굴절률 및／또는 형상」을 변화시키는 것일 수 있다.
전계나 자계의 작용에 의해 굴절률을 변화시키는 경우는, 공명 반사 소자의 소재로 전기광학효과와 자기광학효과를 갖는 공지 재료 중 적절한 것을 이용하면 되고, 전계나 자계의 작용에 의해 형상을 변화시키는 경우는, 공명반사 소자의 소재로 전왜소자나 자왜소자의 재료로 공지의 적절한 것을 이용하면 된다.
또한, 열의 작용에 의해서도 공명반사 소자의 굴절률 변화나 (열팽창에 의 한)형상 변화를 발생시킬 수 있고, 공명 반사 소자에 압전소자나 자왜소자에 의한 기계력을 작용시켜 형상을 변화시켜도 좋다.
일반적으로는, 공명 반사 소자의 형상이 변화하면, 밀도의 변화에 의해 굴절률이 변화하고, 반대로 굴절률의 변화에도 부피 변화 등에 의한 형상 변화를 수반하는 경우가 많다. 따라서, 공명 반사 소자에 전계, 자계, 열, 기계력 중 하나 이상을 작용시킨 경우, 굴절률 변화만, 또는 형상 변화만이 발생하는 것은 오히려 드물고, 따라서, 상기와 같이, 공명파장의 시프트에 「굴절률 변화와 형상 변화를 동시에 이용하는」것도 가능하지만, 실질적인 관점에서 보면, 구동 수단이, 전계, 자계, 열, 기계력 중 하나 이상을 공명 반사 소자에 작용시켜「공명반사 소자에서의 굴절률을 주로 변화시키도록」하거나(청구항 5), 「공명반사 소자에서의 형상을 주로 변화시키도록」 하는(청구항 6) 것이 바람직하다.
청구항4, 청구항5 또는 청구항 6에 기재된 광스위칭 소자에 있어서, 구동 수단이 공명 반사 소자에 「전계, 자계, 열, 기계력 중 하나 이상을 작용시키는 방향」은, 공명반사 소자의 두께 방향으로 직교하는 방향이어도 좋고(청구항 7), 공명 반사 소자의 두께 방향이어도 좋다(청구항 8).
전술한 청구항 1 내지 청구항 8의 광스위칭 소자는, 반사광을 온·오프시키는 반사형 광스위칭 소자로 하여도 좋지만, 투과형으로 하여도 좋다(청구항 9).
청구항 10에 기재된 광스위칭 디바이스는, 청구항1 내지 청구항 9 중 임의의 한 항에 기재된 광스위칭 소자와 광원을 갖고, 구동 수단에 의해 「공명파장을 광원의 발광 파장영역 내외로 변화시키는 것에 의해, 광스위칭 소자를 매개로 취출되 는 광을 점멸할 수 있도록」 구성된 것을 특징으로 한다.
예를 들어, 광스위칭 소자가 투과형의 것(청구항 9)이고, 구동 수단에 의한 구동이 이루어지지 않은 상태에서, 공명 파장이 「광원의 발광 파장영역」에 포함되면, 광원에서 방사되는 발광 파장영역의 광 중, 공명 파장에 가까운 파장 성분의 광(특정 파장 성분)은 공명 반사 소자에 의해 공명 반사된다.
공명 반사 소자를 구동 수단에 의해 구동하여, 공명 파장을「광원의 발광 파장영역 밖」으로 시프트시키면, 광원에서 입사하는 광은 공명 반사 소자를 투과한다.
광원의 발광 파장영역이 상기 특정 파장을 포함하는 좁은 영역의 것이면, 상기와 같이, 광원에서의 광은 실질적으로 광스위칭 소자에 의해 온·오프된다.
청구항 11에 기재된 복수파장 광 스위칭 소자는, 투과형(청구항 9)으로 「구동 수단에 의한 변화 전후의 공명 파장이 서로 다른 2이상의 광스위칭 소자」를, 광의 투과 방향으로 겹치도록 배설하여 개개의 광스위칭 소자를 독립하여 구동 가능하도록 하고, 각 광스위칭 소자가, 다른 광스위칭 소자의 「구동 수단에 의한 변화 전후의 공명 파장의 광을 투과시키도록」 구성된 것을 특징으로 한다.
예를 들어, 2개의 광스위칭 소자를 광의 투과 방향으로 겹치도록 배설한 경우에 있어, 한 쪽의 광스위칭 소자가 A색 광을 온(투과)·오프(차단)할 수 있고, 다른 쪽의 광스위칭 소자가 B색 광을 온·오프할 수 있다고 하면, 각 광스위칭 소자는「다른 광스위칭 소자의 구동 수단에 의한 변화 전후의 공명 파장의 광을 투과시키」므로, A색 광원으로부터의 A색 광과, B색 광원으로부터의 B색 광을 합성하 여, 복수색 광스위칭 소자로 입사시키도록 하면, 각 광스위칭 소자를 독립적으로 제어하는 것에 의해, 투과광을 「A색 광, B색 광, A＋B색 광의 3종」으로 바꿀 수 있고, 또한 「A, B중 어떤 색의 광도 투과시키지 않도록」할 수 있다.
청구항 11에 기재된 복수파장 광스위칭 소자에 있어서, 광의 투과 방향으로 겹치도록 배치되는 광스위칭 소자를 3이상으로 하고, 각 광스위칭 소자의 공명 파장을 「원하는 색의 광을 표시할 수 있는 값」으로 설정한 것이, 청구항 12에 기재된 컬러 광스위칭 소자이다.
청구항 13에 기재된 복수색 광스위칭 디바이스는, 청구항11에 기재된 복수파장 광스위칭 소자와, 이 복수파장 광스위칭 소자를 구성하는 투과형의 광스위칭 소자수와 동일한 개수의 광원을 갖는다.
복수개의 광원은 발광 파장영역이 서로 다르고, 각 광원은 이 광원에 대응하는 광스위칭 소자를 갖고, 이 광스위칭 소자는 「구동 수단에 의한 변화 전후의 공명 파장의 한 쪽이, 대응하는 광원의 발광 파장영역 내」에 있고, 각 광스위칭 소자의 공명 파장을, 대응하는 구동 수단에 의해 「대응하는 광원의 발광 파장영역의 내외로 변화시키는」것에 의해, 복수파장 광스위칭 소자를 매개로, 복수색의 광을 취출할 수 있도록 구성되어 있다.
청구항 14에 기재된 컬러 광스위칭 디바이스는, 청구항 12에 기재된 컬러 광스위칭 소자와, 상기 컬러 광스위칭 소자를 구성하는 투과형 광스위칭 소자와 동일한 개수의 광원을 갖고, 복수의 광원은 발광 파장영역이 서로 다르고, 또한 「이들 파장의 조합에 의해 원하는 색을 구성할 수 있도록」 조합되고, 각 광원은 이 광원 에 대응하는 광스위칭 소자를 갖고, 이 광스위칭 소자는, 구동 수단에 의한 변화 전후의 공명 파장의 한 쪽이, 대응하는 광원의 발광 파장영역 내에 있고, 각 광스위칭 소자의 공명 파장을 대응하는 구동 수단으로 「대응하는 광원의 발광 파장영역의 내외로 변화」시키는 것에 의해, 컬러 광스위칭 소자를 매개로 원하는 색의 광을 취출할 수 있도록 구성된 것이다.
상기에 설명한 광스위칭 디바이스·복수파장 광스위칭 디바이스·컬러 광스위칭 디바이스에서 이용되는 광원은, 예를 들어, 「백색 광원의 분광 스펙트럼을 적당한 필터에 의해 대역 제한한 것」을 이용할 수도 있지만, 현실적인 것으로는 LED, 특히 LD가 적합하다.
청구항 15에 기재된 광스위칭 소자 어레이는, 청구항 1 내지 청구항 9 중 임의의 한 항에 기재된 광스위칭 소자로 「동일 종류의 복수 소자」를 1차원 또는 2차원에 어레이 배열하고, 각 광스위칭 소자를 독립하여 구동 가능하도록 한 것을 특징으로 한다.
청구항 16에 기재된 화상표시장치는, 청구항 15에 기재된 광스위칭 소자 어레이와, 광원수단을 갖는다.
「광원수단」은, 광스위칭 소자 어레이를 구성하는 광스위칭 소자의, 구동 수단에 의한 변화 전후의 공명 파장의 한 쪽을 발광 파장영역에 포함하는 광을 광스위칭 소자 어레이의 각 광스위칭 소자에 조사하는 수단이다.
상기 화상표시장치에 의하면, 광스위칭 소자에 의해 온·오프할 수 있는 파장광에 의한 모노크롬의 1차원 화상 또는 2차원 화상을 표시할 수 있다.
청구항 17에 기재된 복수파장 광스위칭 소자 어레이는, 청구항 11에 기재된 복수파장 광스위칭 소자로 「동일 종류의 복수 소자」를 1차원 또는 2차원에 어레이 배열하고, 각 복수파장 광스위칭 소자를 독립하여 구동 가능하도록 한 것을 특징으로 한다.
청구항 18에 기재된 복수색 화상표시장치는, 청구항 17에 기재된 복수파장 광스위칭 소자 어레이와, 복수파장 광원수단을 갖는다.
「복수파장 광원수단」은, 복수파장 광스위칭 소자 어레이를 구성하는 각 광스위칭 소자의, 구동 수단에 의한 변화 전후의 공명 파장의 한 쪽을 발광 파장영역에 포함하는 광을 복수파장 광스위칭 소자 어레이의 각 복수파장 광스위칭 소자에 조사하는 수단이다.
상기 복수색 화상표시장치에 의하면, 복수파장 광스위칭 소자에 의해 온·오프할 수 있는 파장광에 의한 「복수색의 1차원 화상 또는 2차원 화상」을 표시할 수 있다.
청구항 19에 기재된 컬러 광스위칭 소자 어레이는, 청구항 12에 기재된 컬러 광스위칭 소자로 「동일 종류의 복수의 소자」를 1차원 또는 2차원에 어레이 배열하고, 각 컬러 광스위칭 소자를 독립하여 구동 가능하도록 한 것을 특징으로 한다.
청구항 20의 컬러 화상표시장치는, 청구항 19의 컬러 광스위칭 소자 어레이와, 컬러 광원수단을 갖는다.
「컬러 광원수단」은, 컬러 광스위칭 소자 어레이를 구성하는 각 광스위칭 소자의, 구동 수단에 의한 변화 전후의 공명 파장의 한 쪽을 발광 파장영역에 포함 하는 광을 컬러 광스위칭 소자 어레이의 각 컬러 광스위칭 소자에 조사하는 수단이다.
상기 컬러 화상표시장치에 의하면, 컬러 광스위칭 소자에 의해 온·오프할 수 있는 파장광에 의해 「컬러의 1차원 화상 또는 2차원 화상」을 표시할 수 있다.
보충하여 말하면, 청구항 15에 기재된 광스위칭 소자 어레이에서는, 청구항 1 내지 청구항 9 중 임의의 한 항에 기재된 광스위칭소자로 「동일 종류의 복수 소자」를 1차원 또는 2차원에 어레이 배열하고, 각 광스위칭 소자를 독립하여 구동 가능하도록 하는 것이지만, 이 경우, 1차원 또는 2차원에 어레이 배열되는 광스위칭 소자는, 각각이 독립한 광스위칭 소자를 어레이 배열하여 구성하여도 좋지만, 어레이 배열되는 모든 광스위칭 소자를 일체로 하여 어레이상으로 모놀리식으로 형성하여도 좋다.
또는, 복수개씩의 광스위칭 소자 그룹을 일체로하여 1차원 또는 2차원의 어레이상으로 형성하고, 이와 같은 광스위칭 소자 그룹을 2이상 조합하여 원하는 어레이 배열을 실현하도록 하여도 좋다. 이들의 경우, 각 광스위칭 소자의 공명 반사 소자를 구동하는 구동 수단도, 공명 반사 소자의 어레이와 함께 배열 형성된다.
마찬가지로, 청구항 17의 복수파장 광스위칭 소자 어레이나, 청구항19의 컬러 광스위칭 소자 어레이에 있어서도, 서로 독립된 복수파장 광스위칭 소자 또는 컬러 광스위칭 소자를 어레이 배열하여 구성하여도 좋지만, 어레이 배열되는 모든 복수파장 광스위칭 소자나 컬러 광스위칭 소자를 일체로하여 어레이상으로 형성하여도 좋다.
또는, 복수개씩의 복수파장 광스위칭 소자나 컬러 광스위칭 소자 그룹을 일체로하여 1차원 또는 2차원의 어레이상으로 형성하고, 이와 같은 그룹을 2이상 조합하여 원하는 어레이 배열을 실현하도록 하여도 좋다. 이들의 경우, 각 소자의 공명 반사 소자를 구동하는 구동 수단도, 공명 반사 소자의 어레이와 함께 배열 형성된다.
또한, 복수파장 광스위칭 소자 어레이나, 컬러 광스위칭 소자 어레이에서는, 개개의 복수파장 광스위칭 소자나 컬러 광스위칭 소자에 있어, 복수의 광스위칭 소자가 광의 투과 방향으로 겹치도록 배열되는 것이므로, 복수파장 광스위칭 소자 어레이나, 컬러 광스위칭 소자 어레이에서는, 광스위칭 소자 어레이가, 광투과 방향으로 2층이상 겹치도록 배열되게 된다.
이와 같은 구성에서, 각 층을 구성하는 광스위칭 소자 어레이를, 상기와 같이, 어레이 배열되는 모든 광스위칭 소자를 일체로하여 어레이상으로 형성하여도 좋으며, 또한, 복수개씩의 광스위칭 소자 그룹을, 일체로하여 1차원 또는 2차원의 어레이상으로 형성하고, 이와 같은 그룹을 2이상 조합하여 원하는 어레이 배열을 실현하도록 하여도 좋다.
한편, 복수파장 광스위칭 소자를 구성하는 복수 종류의 광스위칭 소자를, 광투과 방향으로 배열하는 대신에, 이들을 서로 동일 평면상으로 어레이 배열하여도 좋다. 마찬가지로 컬러 광스위칭 소자를 구성하는 복수 종류의 광스위칭 소자를, 광투과 방향으로 배열하는 대신에, 이들을 서로 동일 평면상으로 어레이 배열하여도 좋다. 즉, 이 경우, 컬러 화상의 1화소가, 평면상으로 배열되는 복수 종류의 광 스위칭 소자로 구성되게 된다.
상기와 같이, 복수파장 광스위칭 소자나 복수파장 광스위칭 소자 어레이는, 컬러 광스위칭 소자나 컬러 광스위칭 소자 어레이를 포함하는 개념이고, 복수색 화상표시장치는 컬러 화상표시장치를 포함하는 개념이다.
광스위칭 소자에서의 구동 수단은 「전계, 자계, 열, 기계력 중 하나 이상」을 공명 반사 소자에 작용시켜, 공명 반사 소자의 굴절률 및／또는 형상을 변화시키는 것이 가능하지만, 이들 중에서, 전계나 자계의 작용에 의해 굴절률을 변화시키는 것이나, 전계·자계의 작용에 의해 형상을 변화시키는 것은 응답 속도가 크고, 고속의 광스위칭이 가능하다는 점에서 바람직하다.
예를 들어, 공명 반사 소자의 재료로서, 전압의 인가로 굴절률이 크게 변화하는 「전기 광학 효과를 갖는 재료」를 이용하는 경우, 구동 전압에 대한 굴절률 변화의 응답은 매우 고속이고, 기계적인 동작이 없는 구조가 가능하다. 이 때문에, 매우 고속이면서 안정된 온·오프가 가능한 광스위칭 소자를 실현할 수 있다.
또한, 공명 반사 소자의 형상(요철에 의한 미세주기구조나 두께 부분의 형상이나 사이즈)를 변화시키는 것에 의해 광학 특성을 변화시키는 경우에는, 공명 반사 소자로서 「전압의 인가에 의해 정전기력이나 전왜효과등에 의해 형상을 바꾸는」재료를 이용할 수 있고, 정전기력이나 전왜효과에 의한 미소한 변형은, 액정 등에 비해 응답 속도를 빠르게 할 수 있고, 간단하면서 고속으로 온·오프 가능한 광스위칭 소자를 실현할 수 있다.
이하, 실시형태를 설명한다.
도 1은, 광스위칭 소자의 일 실시형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 1(a)에 있어, 부호(1)는 광스위칭 소자, 부호(11)는 공명 반사소자, 부호(12)는 구동 소자, 부호(13)는 투명 기판, 부호(14)는 구동 회로, 부호(15)는 투명 보호층, 각 화살표는 「파장(λ1)의 광」을 나타낸다.
공명 반사 소자(11)는 「투명하며 평행평판 형상」이지만, 두께 부분은 도파층으로 기능하고, 두께 방향의 일면(투명기판(13)과의 경계면)은 「전반사면」으로 기능하고, 타면은, 미세한 요철에 의한 미세주기구조를 형성하고 있다. 도파층으로 기능하는 두께 부분이란, 공명 반사 소자(11)의 「미세주기구조의 두께」를 제외한 두께이다.
공명 반사 소자(11)에서의 「미세주기구조의 단면형상」은 구형파 형상이지만, 이 단면 형상은 삼각파 형상이나 정현파 형상 등, 여러 형상이 허용된다. 설명을 간략화하기 위해, 상기 미세주기구조는 1차원적으로 도면의 좌우 방향의 요철구조로 되어 있는 것으로 한다. 또한, 이 실시 형태에서, 공명 반사소자(11)는 투명기판(13)상에 「박막 형상」으로 형성되어 있다.
투명보호층(15)은 공명 반사소자(11)와는 굴절률이 다르므로, 미세주기구조의 부분에서는, 투명보호층(15)의 재료와 공명 반사 소자(11)의 재료에 의해, 굴절률이 도면의 좌우 방향으로 미소한 요철 주기로 변화한다.
구동 소자(12)와 구동 회로(14)는 「구동 수단」을 구성하고, 구동 회로(14) 에 의해 구동 소자(12)를 구동하여, 공명 반사 소자(11)의 형상 및/또는 굴절률을 변화시켜, 공명 반사의 공명 파장을 변화시킨다.
설명 중의 실시형태에서는, 구동 수단에 의해 공명 반사 소자(11)를 구동하지 않을 때는, 공명 파장은 「파장(λ1)을 포함하는 좁은 파장영역」이다.
구동 수단에 의한 공명 반사 소자(11)의 구동을 행하지 않은 상태(오프상태)에서, 파장(λ1)(을 포함하는 좁은 파장영역)의 광을 도 1(a)의 상방에서 입사시킨다. 미세주기구조의 주기는 파장(λ1)과 같은 정도 또는 그 이하이고, 입사한 광은, 미세주기구조에 의해 회절하고, 공명 반사 소자(11)의 두께 부분(미세주기구조의 함몰부와 투명기판(13)의 거리)를 도파층으로 도파하고, 투명기판(13)과의 경계면에서 전반사하고, 도파층 내를 전반사로 전파하는 광파의 전파 상수가, 미세주기구조의 격자에 의한 격자 벡터와 일치하면, 강한 공명을 일으켜, 강한 반사광이 된다(공명반사).
다시 말하면, 광스위칭 소자(1)는, 공명반사소자(11)의 재료나 「도파층의 두께」, 「미세주기구조의 주기」, 「투명 보호층과 투명 기판의 재질」등을 조정하는 것에 의해 「구동 수단에 의해 구동을 행하지 않는 오프 상태에서의 사용 파장(λ1)의 광을 공명반사하도록」구성되어 있는 것이다.
도 1(b)에서, 실선은, 이 때의 투과율의 상태를 나타내고 있다.
구동 회로(14)에 의해 구동 소자(12)를 구동하여, 공명 반사 소자(11)의 굴절률 및/또는 형상을 변화시키면(온상태), 도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 공명 반사를 일으키는 공명 파장이, 구동 전의 파장(λ1)에서 시프트하여 파장(λ2)이 된다.
온 상태에서는, 공명 반사 소자(11)에 입사하는 파장(λ1)의 광은, 광스위칭 소자(1)를 높은 투과율로 투과한다.
도 1(a)에서, 광스위칭 소자(1)의 상부측에 있는 2개의 화살표는, 구동 수단에 의한 구동 전의 오프 상태에서 입사하는 파장(λ1)의 광이 공명반사하는 상태를 나타내고 있다. 또한, 광스위칭 소자(1)의 하부측에 있는 화살표는, 구동 수단에 의한 구동이 이루어진 온 상태에서, 공명 파장이 파장(λ2)에 시프트함에 따라, 입사하는 파장(λ1)의 광이 높은 투과율로 광스위칭 소자(1)를 투과하는 상태를 나타내고 있다.
이와 같이, 구동 수단에 의한 구동의 온·오프에 의해, 공명 파장을 파장(λ1, λ2)의 사이에서 시프트시키는 것에 의해, 파장(λ1)의 광의 투과 또는 반사를 온·오프하여 광스위칭을 행할 수 있다.
예를 들어, 투과광의 경우이면, 파장(λ1)의 광이 투과하는 상황을 「온」, 투과하지 않은 상황을 「오프」로 하면, 구동 수단에 의한 구동 상태를 「온」, 구동하지 않은 상태를 「오프」로 하여, 구동 수단에 의한 온·오프에 의해 투과광을 온·오프하는 광스위칭이 실행된다.
도 1에 따라 상기 실시 형태를 설명한 광스위칭 소자(1)는, 두께 부분이 도파층으로 기능하고, 두께 방향의 일면은 전반사면으로 기능하고, 타면은 미세한 요철에 의한 미세주기구조가 형성되고, 타면(도의 상방면)에서 입사하는 광 중, 특정 파장 성분(λ1)을 공명 반사시키는 공명 반사 소자(11)와, 이 공명 반사 소자(11)의 형상 및/또는 굴절률을 변화시켜, 공명 반사의 공명 파장을 변화시키는 구동 수 단(12, 14)을 갖는다(청구항 1).
또한, 공명 반사 소자(11)는 기판(13) 상에 박막 형상으로 형성되고(청구항2), 공명 반사 소자(11)의 미세주기구조가 투명보호층(15)으로 피복되어 있다(청구항 3).
구동 수단(12, 14)은, 전계, 자계, 열, 기계력 중 하나 이상을 공명 반사 소자(11)에 작용시켜, 공명 반사 소자(11)의 굴절률 및／또는 형상을 변화시킬 수 있지만(청구항 4), 구동 수단이, 전계, 자계, 열, 기계력 중 하나 이상을 공명 반사 소자에 작용시켜「공명 반사 소자(11)에서의 굴절률을 주로 변화시키는」 구성으로 할 수도 있고(청구항 5), 전계, 자계, 열, 기계력 중 하나 이상을 공명 반사 소자에 작용시켜「공명 반사 소자(11)에서의 형상을 주로 변화시키는」것도 가능하다.
또한, 도 1의 실시 형태에서는, 구동 수단(12, 14)이, 공명 반사 소자(11)의 두께 방향에 직교하는 방향(도면의 좌우 방향)에서 구동하도록 되어 있다. 예를 들어, 구동 방법으로 「전계, 자계, 열, 기계력 중 하나 이상을 공명 반사 소자에 작용시키는」경우이면, 이들 「전계, 자계, 열, 기계력 중 하나 이상」은, 도 1(a)의 좌우 방향에서 공명 반사 소자(11)에 작용된다(청구항 7).
또한, 도 1의 광스위칭 소자(1)는 「투과형」이다(청구항 9).
도 2는, 도 1의 광스위칭 소자(1)를 이용한 광스위칭 디바이스(청구항 10)의 일 실시형태를 개념적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2(a)에서, 부호(11)은 공명 반사 소자, 부호(20)는 구동 수단을 나타낸다. 구동 수단(20)은, 도 1에서의 구동 소자(12)와 구동 회로(14)를 같이 나타내고 있다.
광원(2)은, LD 또는 LED이고 「좁은 파장 범위의 광」을 방사한다.
도 2(b)는, 광원(2)에서의 분광 발광 강도와, 공명 반사 소자(11)의 「구동되어 있지 않은 오프 상태」에서의 분광 투과율을 나타내고 있다. 광원(2)은, 부호(2-1)로 나타낸 것과 같은 분광 발광 강도를 나타내고, 공명 반사 소자(11)는 구동 수단(20)에 의해 구동되지 않은 오프 상태에서는 부호(1-1)로 나타낸 것과 같은 분광 투과율 특성을 나타낸다.
도 2(b)에 나타낸 바와 같이, 구동 수단(20)에 의해 구동되어 있지 않은 오프 상태의 공명 반사 소자(11)의 분광 투과율(1-1)은, 광원(2)의 분광 발광 강도(2-1)의 발광 파장영역과 실질적으로 겹쳐져 있고, 따라서, 오프 상태의 공명 반사 소자(11)는, 광원(2)으로부터의 입사광의 대부분을 공명 반사시킨다. 따라서, 공명 반사 소자(11)를 투과하는 광은 극히 작다.
도 2(c)는, 공명 반사 소자(11)를 구동 수단(20)에 의해 구동하고, 공명 파장을 시프트시킨 온상태이다. 온상태에 있는 공명 반사 소자(11)의 분광 투과율(1-2)은, 광원(2)의 발광 파장영역에서는 일정하게 높은 값을 갖고 있으므로, 온상태에 있는 공명 반사 소자(11)는 광원(2)에서 입사하는 광의 실질적으로 전부를 투과시킨다.
따라서, 구동 수단(20)에 의해 공명 반사 소자(11)를 온·오프 구동하는 것에 의해, 공명 반사 소자(11)를 투과하는 광의 투과를 온·오프할 수 있다.
한편, 상기 광스위칭 디바이스에서, 공명 반사 소자(11)에 의한 반사광을 출 력광으로 한 경우이면, 상기의 온상태·오프상태에 따라, 반사 출력광은 오프상태·온상태가 된다.
도 3은, 컬러 광스위칭 디바이스(청구항 14)의 일 실시형태를 개념적으로 나타내고 있다.
도면에서, 부호(11B, 11G, 11R)는 공명 반사 소자를 나타내고 있다. 공명 반사 소자(11B)는 구동 수단(20B)에 의해 구동되고, 공명 반사 소자(11G)는 구동 수단(20G)에 의해 구동되고, 공명 반사 소자(11R)는 구동 수단(20R)에 의해 구동된다.
즉, 이들 각 공명 반사 소자와 이를 구동하는 각 구동 수단은 광스위칭 소자를 구성하고, 3개의 광스위칭 소자가 광투과 방향(도 3의 상하 방향)으로 겹치도록 배치되고, 컬러 광스위칭 소자를 구성하고 있다.
부호(10R,10G,10B)는 광원을 나타낸다. 광원(10R,10G,10B)은 서로 발광 파장영역이 다르고, 이들 발광 파장영역은 서로 겹쳐져 있지 않다. 광원(10R)은 적색광을 방사하고, 광원(10G)은 녹색광을 방사하고, 광원(10B)은 청색광을 방사한다.
광원(10R)에서 방사되는 적색광은 미러(MR)에 의해 반사되고, 색선별미러(dichroic mirror)(DMG, DMB)를 투과하고, 미러(M)에 의해 반사된다. 광원(10G)에서 방사되는 녹색광은 색선별미러(DMG)에 의해 반사되고, 색선별미러(DMB)를 투과하여, 미러(M)에 의해 반사된다. 광원(10B)에서 방사되는 청색광은 색선별미러(DMB)에 의해 반사되고 미러(M)에 의해 반사된다.
이와 같이 하여, 광원(10R, 10G, 10B)에서 방사되는 적색광·녹색광·청색광 이 단일 빔으로 합성되고, 컬러 광스위칭 소자에 입사한다.
공명 반사 소자(11B)는, 구동 수단(20B)에 의해 구동되지 않은 오프 상태에서, 입사하는 광 중 광원(10B)으로부터의 청색광을 공명 반사하고, 다른 파장의 광을 투과하도록 공명 파장이 설정되어 있다. 공명 반사 소자(11G)는, 구동 수단(20G)에 의해 구동되지 않은 오프 상태에서, 입사하는 광 중 광원(10G)으로부터의 녹색광을 공명 반사하고, 다른 파장의 광을 투과하도록 공명 파장이 설정되어 있다. 공명 반사 소자(11R)는, 구동 수단(20R)에 의해 구동되지 않은 오프 상태에서, 입사하는 광 중 광원(10R)으로부터의 적색광을 공명 반사하고, 다른 파장의 광을 투과하도록 공명 파장이 설정되어 있다.
즉, 도 3에 도시된 컬러 광스위칭 소자는, 광의 투과 방향과 겹치도록 배치되는 광스위칭 소자가 3개이고, 각 광스위칭 소자의 공명 파장(공명 파장)이, 원하는 색의 광을 표시할 수 있는 값으로 설정되어 있다.
각 구동 수단(20B, 20G, 20R)에 의해, 대응하는 공명 반사 소자(11B, 11G, 11R)를 구동하여 공명 파장을 시프트시켜 온상태로 하면, 공명 반사 소자(11B)는 광원(10B)으로부터의 청색광을 투과시키고, 공명 반사 소자(11G)는 광원(10G)으로부터의 녹색광을 투과시키고, 공명 반사 소자(11R)는 광원(10R)으로부터의 적색광을 투과시킨다. 또한, 이와 같은 상태에서, 어느 하나의 공명 반사 소자를 투과하는 광은 다른 공명 반사 소자도 투과한다.
따라서, 각 구동 수단(20B, 20G, 20R)에 의해 대응하는 공명 반사 소자(11B, 11G, 11R)를 온·오프 구동하면, 각 광스위칭 소자의 온·오프에 의해, 컬러 광스 위칭 소자를 투과하는 광은 아래와 같다. 이하에서, R은 적색광, G는 녹색광, B는 청색광을 나타낸다.
공명반사소자 구동 상태
공명반사소자(11B) 온 온 온 온 오프 오프 오프 오프
공명반사소자(11G) 온 온 오프 오프 온 온 오프 오프
공명반사소자(11R) 온 오프 온 오프 온 오프 온 오프
투과광 R+G+B B+G B+R B G+R G R 없음
투과광의 색 백색 황색 보라 청색 오렌지 녹색 적색 검정
따라서, 가시영역의 컬러광을 투과광으로 표시할 수 있다.
즉, 도 3의 컬러광 스위치 디바이스는, 컬러 광스위칭 소자와, 이 컬러 광스위칭 소자를 구성하는 투과형 광스위칭 소자(11B, 20B, 11G, 20G, 11R, 20R)의 수와 동일한 개수의 광원(10B, 10G, 10R)을 갖고, 복수의 광원은 발광 파장영역이 서로 다르고, 또한, 이들 파장의 조합에 의해 원하는 색을 구성할 수 있도록 조합되고, 각 광원은 이 광원에 대응하는 광스위칭 소자를 갖고, 이 광스위칭 소자는 구동 수단에 의한 변화 전후의 공명 파장의 한 쪽이, 대응하는 광원의 발광 파장영역 내에 있고, 각 광스위칭 소자의 공명 파장을, 대응하는 구동 수단에 의해 「대응하는 광원의 발광 파장영역의 내외로 변화시키는」것에 의해, 컬러 광스위칭 소자를 매개로, 원하는 색의 광을 취출할 수 있도록 구성된 것(청구항 14)이다.
또한, 공명 반사 소자(11B, 11G, 11R) 모두 「공명 파장이 상이한 다른 공명 반사 소자」를 이용하는 광스위칭 소자를 추가함과 동시에, 이 추가된 광스위칭 소자의 공명 파장의 광을 방사하는 광원을 추가로 부가하는 것에 의해 컬러 투과광의 색을 보다 세세하게 변화시킬 수 있다.
반대로, 도 3의 컬러 광스위칭 소자를 구성하는 3개의 광스위칭 소자 중 하나와 그 광스위칭 소자에 대응하는 광원을 제외하고, 2개의 광스위칭 소자와 2개의 광원으로 스위칭 디바이스를 구성했을 경우, 상기와 같이 컬러광을 표시할 수는 없지만, 복수색의 광을 표시할 수 있다. 즉, 이와 같은 스위칭 디바이스는 청구항13의 복수색광 스위칭 디바이스의 일례를 구성한다.
도 4는, 도 1(a)에 나타낸 광스위칭 소자의 구동 회로(14)를 제외한 부분을 나타내고 있다. 공명 반사 소자(11)의 광학 특성인 「공명 파장」은, 공명 반사 소자(11), 투명 기판(13), 투명 보호층(15)의 각 재료의 물성 요인(굴절률), 공명 반사 소자(11)의 형상 요인에 의해 정해진다. 형상 요인은, 공명 반사 소자(11)의 도면에서 상부면에 형성된 미세주기구조의 두께(t2), 도파층으로 기능하는 두께 부분의 두께(t1), 미세주기구조의 피치(∧)와 돌출부폭(W)의 비(f＝W／∧)로 정의되는 「필팩터(f)」에 의해 정해진다.
따라서, 공명 반사 소자(11), 투명 기판(13), 투명 보호층(15)의 재료가 정해지면, 상기 광학 특성(구동 수단에 의해 구동하지 않을 때의 공명 파장)은, 필팩터(f)와 두께(t1, t2)로 정해진다.
이하에는, 도 5를 참조하여, 도 4에 나타내는 것과 같이 광스위칭 소자의 기능 부분(구동 회로를 제외한 부분)의 제조 방법을 구체적인 예를 들어 설명한다.
도 5(a)에 나타낸 바와 같이, 표면을 연마·세정한 사파이어 기판(13)의 표면상에 PLZT의 박막(11A)을 스핀코팅법에 의해 형성하고, 열처리를 행한다. 이와 같이 하여 형성된 박막(11A) 상에 포토레지스트층을 형성하고, 미세한 패터닝을 행하여 「격자 형상의 포토레지스트층」을 형성한다.
형성된 「격자 형상의 포토레지스트층」을 마스크로 하여, PLZT 박막(11A)을 소정 깊이(상기 두께(t2))까지 에칭한다. 도 5(b)는 에칭된 상태를 나타낸다. 이어서, 에칭에 의해 형성된 「미세한 요철의 미세주기구조」 상에 투명보호층(15)을 형성한다. 예를 들어, 아크릴제의 자외선 경화형 수지를 미세주기구조 상에 도포하여 평탄화하고, 수지를 미세주기구조의 함몰부에 균일하게 퍼트린 후, 자외선을 조사하여 경화시킨다. 수지가, 미세주기구조의 함몰부에 들어가기 쉽게 하기 위해, 자외선 경화형 수지의 점도는 10cP이하인 것이 바람직하다.
다음으로, 구동 소자가 되는 전극(12)을 형성한다.
전극(12)을 형성하는 부분을 제외하고, 투명 보호층(15)의 표면에 포토레지스트층의 패턴을 패터닝하고, 이 포토레지스트층을 마스크로 하여, 노정(露呈)하고 있는 PLZT 박층 부분을 에칭으로 제거한다. 이 상태를 도 5(c)에 나타낸다. 투명 기판(13)의 좌우단부의 상부가 PLZT 박층을 제거한 부분이다.
보충하면, 설명 중의 제조 방법은 「단일 기판에 어레이 배열한 공명 반사 소자와 그 구동 소자를 형성하는」것을 상정하고 있고, 실제로는, 도 5의 상태가 「도의 전후좌우 방향」으로 확산을 하며 반복된다. 따라서 위에 설명한 「PLZT 박층을 제거한 부분」은 홈 형상이다.
이 상태에서, 마스크가 된 포토레지스트층을 남긴 채, 전극용 금속의 증착을 행하여 상기「PLZT 박층을 제거한 홈 형상의 부분」에 전극용 금속을 충진하여 전 극(12)을 형성하고, 그 후, 투명보호층(15) 상의 포토레지스트 패턴 부분을 제거하는 것에 의해, 도 5(d)에 나타내는 바와 같이 「광스위칭 소자의 기능 부분」이 얻어진다.
미세한 요철의 미세주기구조를 에칭으로 형성하기 위해 PLZT 박막(11A) 상에 형성되는 「격자 형상의 포토레지스트층」의 패터닝은, 스텝퍼를 이용한 「노광」, EB를 이용한 「전자빔 묘화」, 「집광빔에 의한 주사노광」등이 가능한데, 후술하는 광스위칭 소자 어레이를 「대면적의 단일판에 모놀리식으로 형성하는 경우」에 생산성이 우수한 패터닝법으로, 2광속 간섭에 의한 노광 방법(이하,「2광속 간섭 노광」이라 한다)이 적합하다.
즉, 도 5(e)에 나타낸 바와 같이, 파장(λ)의 단색광(L1, L2)을 서로 「2θ의 각」을 이루어 포토레지스트층(PR) 상에서 간섭시키면 「간섭에 의해 발생하는 격자 형상의 간섭호」의 주기(P)는 「P＝λ/(ｓｉnθ)」가 되므로, 파장(λ)에 따라 2광속을 이루는 각(2θ)을 P＝∧가 되도록 조정하는 것에 의해, 원하는 주기(∧)를 가진 격자형상의 포토레지스트층을 얻을 수 있다. 이 격자형상의 포토레지스트층을 마스크로 에칭하여, 미세주기구조를 얻는데, 미세주기구조에서의 필팩터(f)를 조정하는데는 2광속 간섭 노광 시에 노광강도를 조정하면 된다.
상기에 설명한 PLZT 박막(11A)에 형성하는 미세주기구조의 요철의 깊이(상기 두께(t2))가 작은 경우에는, 상기와 같이, 격자 형상의 포토레지스트층을 마스크로 하여 에칭하면 되지만, 상기 요철의 깊이가 깊은 경우에는, 포토레지스트층을 마스크로 하여 금속 박막을 증착하고, 포토레지스트층을 제거한 후, 박막(11A) 상에 형 성되어 있는 격자 형상의 금속 패턴을 마스크로 한 에칭을 행할 수 있다.
도 6은, 컬러 화상표시장치의 실시의 한 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 6(a)는, 컬러 광스위칭 소자 어레이의 일부를 이루는 광스위칭 소자 어레이의 하나를 설명도로 나타내고 있다. 예로 그려진 광스위칭 소자 어레이(61R)는, 단일 투명 기판에, 다수의 공명 반사 소자(610)가 2차원적으로 어레이 배열되어 형성되어 있다. 각 공명 반사 소자(610)는 구동 소자인 전극을 형성하고, 이 전극을 구동하는 구동 회로도 투명 기판 상에 공명 반사 소자와 함께 만들어져 있다. 따라서, 어레이 배열한 개개의 공명 반사 소자(610)를 독립하여 구동할 수 있다.
광스위칭 소자 어레이(61R)에 어레이 배열시켜 형성된 다수의 공명 반사 소자(610)는 「동일 종류」의 것이고, 개개의 공명 반사 소자(610)는, 도 3에 따라 설명한 공명 반사 소자(11R)와 같이, 구동 수단에 의해 구동되지 않은 「오프 상태」에서, 입사하는 광 중 적색광을 공명 반사하고, 다른 파장광을 투과시키도록 공명 파장이 설정되어 있다.
도 6(b)에서, 부호(61G, 61B)로 나타내는 광스위칭 소자 어레이는, 구조적으로는 상기 설명한 광스위칭 소자 어레이(61R)와 마찬가지의 것이다. 광스위칭 소자 어레이(61G, 61B)에는, 다수의 공명 반사 소자가 「광스위칭 소자 어레이(61R)에서의 공명 반사 소자(610)의 배열과 합동적으로 배열 형성」되어 있다.
광스위칭 소자 어레이61G에서 배열 형성되어 있는 각 공명 반사 소자는 동일 종류의 것이고, 구동 수단에 의해 구동되지 않은 오프 상태에서, 입사하는 광 중 녹색광을 공명 반사하고, 다른 파장의 광을 투과시키도록 공명 파장이 설정되어 있 다. 광스위칭 소자 어레이(61B)에서 배열 형성되어 있는 각 공명 반사 소자는 동일 종류의 것이고, 구동 수단에 의해 구동되지 않은 오프 상태에서, 입사하는 광 중 청색광을 공명 반사하고, 다른 파장의 광을 투과시키도록 공명 파장이 설정되어 있다.
광스위칭 소자 어레이(61B, 61G, 61R)는, 도와 같이, 광의 투과 방향(도의 상하 방향)으로 서로 겹치도록 배치되어 있고, 각 광스위칭 소자 어레이의 개개의 공명 반사 소자는, 다른 광스위칭 소자 어레이에서 대응하는 위치에 있는 공명 반사 소자와 「광의 투과 방향」에서 서로 겹쳐진다.
즉, 도 6(b)에 나타내는, 광스위칭 소자 어레이(61B, 61G, 61R)는, 컬러 광스위칭 소자 어레이를 구성하는데, 이 컬러 광스위칭 소자 어레이는, 기능적으로는, 도 3에 나타낸 공명 반사 소자(11B, 11G,11R)와 구동 수단(20B, 20G, 20R)으로 구성되는 광스위칭 소자를 광의 투과 방향으로 겹치도록 배치한 컬러 광스위칭 소자를 2차원으로 어레이 배열하고, 각 컬러 광스위칭 소자를 독립하여 구동 가능하도록 한 것(청구항 19)과 등가이다.
도 6(b)에서의 부호(10B, 10G, 10R)는, 컬러 광원 수단의 광원부를 구성하는 광원이고, 이 실시 형태에서는 고출력 LED가 이용되었다. 광원(10B, 10G, 10R)은, 도 3의 실시 형태에서의 것과 마찬가지의 것이다. 이들 광원(10B, 10G, 10R)에서 방사되는 청색광, 녹색광, 적색광은, 커플링 렌즈(62)에 의해 평행 광속으로 변환되고, 호모지나이저(63)에 의해 「2차원적으로, 강도 분포를 고르게 한 광속」이 되어 컬러 광스위칭 소자 어레이에 입사한다.
광스위칭 소자 어레이(61B, 61G, 61R)의 각 광스위칭 소자가 오프 상태(공명 반사 소자가 구동되어 있지 않은 상태)에서는, 광원(10B)으로부터의 청색광은 광스위칭 소자 어레이(61B)에서 공명 반사되지만, 광스위칭 소자 어레이(61G, 61R)는 투과한다. 또한, 광원(10G)으로부터의 녹색광은 광스위칭 소자 어레이(61G)에서 공명반사되지만, 광스위칭 소자 어레이(61B, 61R)는 투과하고, 광원(10R)으로부터의 적색광은 광스위칭 소자 어레이(61R)에서 공명 반사되지만, 광스위칭 소자 어레이(61G, 61B)는 투과한다.
그리고, 광스위칭 소자 어레이(61B)의 각 광스위칭 소자가 구동된 온 상태에서는, 광원(10B)으로부터의 청색광은 광스위칭 소자 어레이(61B, 61G, 61R)를 투과한다. 광스위칭 소자 어레이(61G)의 각 광스위칭 소자가 구동된 온 상태에서는, 광원(10G)으로부터의 녹색광은 광스위칭 소자어레이(61B, 61G, 61R)를 투과한다. 광스위칭 소자 어레이(61R)의 각 광스위칭 소자가 구동된 온 상태에서는, 광원(10R)으로부터의 적색광은 광스위칭 소자 어레이(61B, 61G, 61R)를 투과한다. 따라서, 컬러 광스위칭 소자 어레이를 구성하는 광스위칭 소자 어레이(61B, 61G, 61R)를, 화상 신호에 따라 제어 수단(64)으로 구동 제어하는 것에 의해 투과광에 의한 컬러 화상을 표시할 수 있다.
즉, 도 6(b)에 나타내는 컬러 화상 표시 장치는, 광스위칭 소자 어레이(61B, 61G, 61R)에 의해 구성되는 컬러 광스위칭 소자 어레이와, 이 컬러 광스위칭 소자 어레이를 구성하는 각 광스위칭 소자의, 구동 수단에 의한 변화 전후의 공명 파장의 한 쪽을 발광 파장영역에 포함하는 광을, 컬러 광스위칭 소자 어레이의 각 컬러 광스위칭 소자에 조사하는 컬러 광원 수단(10B, 10G, 10R, 62, 63)을 갖는 것(청구항 20)이다.
도 6(b)의 컬러 화상 표시 장치는, 예를 들어「뷰파인더」등으로 실시할 수 있다. 또한, 도 6(b)에 나타낸 부분에, 투사 렌즈를 부가하고, 컬러 광스위칭 소자 어레이를 투과한 컬러 화상광을, 투사 렌즈에 의해 스크린 상에 확대하여 투사하는 컬러 프로젝터로서 실시할 수도 있다. 이와 같은 프로젝터는 3장의 액정 패널을 이용하는 컬러 프로젝터에 비해, 화상 표시부가 박형이면서 콤팩트하고, 또한, 공명 반사 소자의 고속 구동이 가능한 점에서, 표시 화상의 고속 변화에 대응 가능하다.
[실시예]
이하, 구체적인 예를 설명한다.
투명 기판(13)으로 사파이어 기판(두께：0.5mm)을 사용하고, 그 표면에, 전기 광학 효과를 갖는 재료로 PLZT를 스핀코팅법으로 도포한 후 열처리하여, PLZT 박층을 형성하였다.
상기 PLZT 박층 표면에, 도 5에 따라 설명한 방법에 의해 직사각형파상의 단면 형상을 갖는 1차원 격자 형상의 미세 구조를 형성하여 공명 반사 소자(11)로 하였다. 형성된 미세 구조의 두께(t2)＝20nm, 피치(∧)=320nm, 돌출부의 폭(W)＝160nm로 하였다. 따라서, 필팩터(f)＝0.5이다.
PLZT 박층에서, 도파층으로 기능하는 부분의 두께(t1)＝90nm로 하였다. 한편, 1차원 격자형상의 미세 구조를 에칭으로 형성할 때의 마스크가 되는 포토레지 스트의 패터닝은, 도 5(e)에 의해 설명한 「2광속 간섭 노광」을 이용하였다.
포토레지스트로는 「ｉ선계 포지형 포토레지스트」를 사용하고, 노광용 광원으로 355nm의 가스레이저를 이용하였다. 투명 보호층(15)은, 상술한 것과 같이 「점도：10cP이하로 조정한 아크릴계의 자외선 경화형 수지」를 도포하고, 표면을 평탄화하여 열처리하는 것에 의해 형성하였다.
또한, 도 5에 의해 설명한 것과 같이 하여 구동 소자인 전극(12)을 형성하였다. 이와 같이 하여, 도 6(a)에 나타낸 바와 같이 「다수의 광스위칭 소자」가 단일 사파이어 기판 상에 어레이 배열하고, 각 공명 반사 소자의 전극에 구동 전압을 작용시키는 구동 회로도 각 소자마다 사파이어 기판 상에 만들어 광스위칭 소자 어레이(도 6(a)를 따라, 광스위칭 소자 어레이(61R)로 한다.)를 제작하였다. 한편, 1개의 광스위칭 소자에서 「공명 반사 소자(11)를 구동하는 전극(12)의 간격」은 4㎛로 하였다.
이와 같은 광스위칭 소자 어레이(61R)는, 광원으로 발광 파장(660nm)(최대 발광 강도에 대응하는 파장)의 적색의 고출력 LED를 이용한 경우, 사파이어 기판(13)의 굴절률은 1.76, 공명 반사 소자(11)를 이루는 PLZT의 굴절률은 2.54, 투명 보호층(15)을 이루는 아크릴계의 자외선 경화형 수지의 굴절률은 1.50이 되고, 도 7(a)에 부호(7-1R)로 나타내는 분광 투과율 곡선과 같이 「파장(660nm) 부근의 협대역」에서 공명 반사를 일으키거나 다른 파장의 광은 대략 투과한다(오프상태).
구동 소자인 전극(12) 사이에 전압을 인가하여 공명 반사 소자(11)에 전계를 작용시키면 광스위칭 소자는 온상태가 된다. 이 때, 공명 반사 소자(11)를 구성하 는 PLZT에서 도파층으로 기능하는 부분(두께(t1) 부분)과, 미세 구조 부분에서 굴절률이 변화한다.
이 굴절률 변화에 의해 공명 파장이 시프트하면, 입사광의 파장과 공명 반사 소자(11)에 의한 공명 파장이 어긋나, 파장(660nm)의 입사광은 광스위칭 소자를 투과한다.
도 7(a)에 부호(7-2R)로 나타내는 곡선은, 온 상태일 때의 공명 반사 소자에 의한 분광 투과율 곡선이다. 한편, 공명 파장의 시프트 양은, 전극(12) 사이에 인가하는 전압의 증감에 의해 조정할 수 있다.
상기와 마찬가지로 하여, 발광 파장(570nm)의 녹색광을 방사하는 고출력 LED를 광원으로 이용하는 광스위칭 소자 어레이(61G)와, 발광 파장(470nm)의 청색광을 방사하는 고출력LED를 광원으로 이용하는 광스위칭 소자 어레이(61B)를 제작하였다.
이들 광스위칭 소자 어레이(61R, 61G, 61B)는 재질적으로는 완전히 같고, 서로 다른 것은 미세 구조인 피치(∧), 필팩터(f), 두께(t1) 뿐이다. 이들 값을 각 광스위칭 소자 어레이에 대해 이하에 나타낸다.
광스위칭소자어레이 61B 61G 61R
피치(∧) 215nm 270nm 320nm
필팩터(f) 0.5 0.5 0.5
두께(t2) 20nm 20nm 20nm
두께(t1) 90nm 90nm 90nm
도 7(b)에 광스위칭 소자 어레이(61G)의 분광 투과율을 나타낸다. 도면 중, 부호(7-1G)로 나타내는 곡선은「오프 상태」에서의 분광 투과율이고, 부호(7-2G)로 나타내는 곡선은「온 상태」에서의 분광 투과율이다.
도 7(c)에 광스위칭 소자 어레이(61B)의 분광 투과율을 나타낸다. 도면 중, 부호(7-1B)로 나타내는 곡선은 「오프 상태」에서의 분광 투과율이고, 부호(7-2B)로 나타내는 곡선은 「온 상태」에서의 분광 투과율이다.
따라서, 이와 같은 광스위칭 소자 어레이(61B, 61G, 61R)와, 상기 각 고출력 LED를 광원(10B, 10G, 10R)과, 커플링 렌즈(62) 및 호모지나이저(63)를 도 6(b)와 같이 조합하는 것에 의해, 양호한 컬러 화상 표시를 실현할 수 있다. 전기 광학 효과는, 수십 GＨz이상의 고속 응답이 가능한 것이므로, 각 색 모두 충분한 광강도의 계조 제어를 행할 수 있다.
보충하면, 공명 반사 소자에서의 광학 특성을 충분히 변화시키는데 필요한 인가 전압은 「전극(12) 사이의 거리」에 의해 다르다. 전극간 거리가 짧고 화소 크기가 작아질수록 공명 파장 시프트에 필요한 인가 전압을 낮출 수 있으므로, 광스위칭 소자의 동작 소비 전력 면에서도 유리하다. 전극간 거리는, 표시되는 화상의 해상도와 소비 전력 면에서 「5㎛ 이하」로 하는 것이 바람직하다.
위에서 설명한 실시예에서는, 전극(12)을 각 화소의 양측에 가하여 전압 인가를 행하였지만, 전기 광학 재료의 선택에 의해 미세주기구조의 상하에 투명 도전성 박막을 형성하여 전극으로 할 수도 있다.
한편, 요철에 의한 미세주기구조가 1차원 격자 형상인 경우, 광원으로 LD와 같이 직선 편광을 방사하는 것을 이용할 때에는, 공명 반사 소자로의 입사광에서의 전계 진동 방향이 격자의 주기 방향(도 4의 좌우 방향)에 합치되도록, 광원과 광스위칭 소자의 위치 관계를 조정하는 것이 좋다.
광원으로 적합한 LD와 LED는, 개체 간에서 발광 파장이 「일정치 않은」것이 일반적이지만, 상술한 것과 같이, 광스위칭 소자의 「공명 파장의 시프트 양」은, 전극(12) 사이에 인가하는 전압의 증감에 의해 조정할 수 있으므로, 이것을 이용하여 「오프 상태에서의 공명 파장을 광원의 발광 파장에 합치시키도록 」할 수 있다.
또한, 광스위칭에 의한 「반사광을 빼내는 방법」으로, 입사광의 입사광축에 대해 광스위칭 소자를 여러 번 기울이면, 투과광을 그대로 직진시켜, 반사광을 효과적으로 광원 밖으로 빼내, 반사광이 광원으로 돌아오는 것을 피할 수 있다.
화소 단위에서의 광강도의 강약은, 각 화소 단위를 이루는 각 광스위칭 소자 「온 상태」의 시간의 증감에 의해 조정할 수 있다. 전기 광학 효과 등의 고속 응답 성능을 갖는 광스위칭 소자를 이용하면, 상기와 같이 광강도의 강약을 고속으로 조정하는 것은, 밝기의 계조를 늘리는 것으로 이어져 큰 이점이 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 이 발명에 의하면, 신규의 광스위칭 소자나, 이를 이용한 광스위칭 디바이스, 컬러 화상표시장치 등을 실현할 수 있다.
특히, 청구항 20의 컬러 화상표시장치에서는, 표시해야할 컬러 화상의 1화소를 구성하는 컬러 광스위칭 소자에 있어, 3종 이상의 광스위칭 소자가 광투과 방향 으로 겹치도록 배치되므로, 광투과 방향에서 본 경우, 컬러의 1화소를 「단일의 컬러 광스위칭 소자」로 구성할 수 있다.
종래, 액정 광스위칭 소자 어레이로 컬러 화상을 표시하는 경우에는, 적(R), 녹(G), 청(b)의 3장의 「액정패널(2차원의 액정 광스위칭 소자 어레이)」을 이용하고, 각 색 화상을 「크로스프리즘을 통하여 합성하여 」컬러 화상을 표시하고 있다.
또한, 반사형의 마이크로 미러의 각도를 제어하는 것에 의해 입사광의 스위칭을 행하는 마이크로 미러 어레이를 이용하는 경우, 시간에 의해 변화하는 컬러필터와 마이크로 미러의 타이밍을 맞추는 것에 의해 컬러 화상의 표시를 행하고 있다.
간섭형의 광스위칭 소자를 이용하는 컬러 화상표시에서도, 3원색의 광스위칭을 하기 위해서는, 마이크로 미러의 경우와 마찬가지로 컬러 필터를 이용하며, 각 색에 맞춰 변화시키는 이동 거리를 3종류 준비하고, 광의 온·오프를 반투과성 미러의 위치를 바꾸는 것에 의해 행한다.
액정 광스위칭 소자 어레이를 이용한 종래의 컬러 화상표시 방식으로는, 응답 속도가 고속인 것이 얻어지지 않고, 3원색의 광을 3방향에서 조사하고, 크로스프리즘으로 합성할 필요가 있으므로, 소형화, 박형화는 곤란하다.
마이크로 미러 어레이를 이용하는 컬러 화상표시의 경우도, 시분할로 각 색의 광량을 조정하기 위해, 통상의 수배, 논리적으로는 최저 3배의 고속 응답이 필요하게 된다. 또한, 컬러 필터를 사용하므로, 기계적 동작을 위한 모터 등의 스페 이스가 필요하게 되고, 필터로 다른 색을 차단하는 것에 의한 광의 이용 효율 저하도 발생한다.
간섭형의 광스위칭 소자 어레이를 이용하는 컬러 화상표시의 경우도, 액정 광스위칭 소자 어레이의 것과 마찬가지로, 3원색의 광을 3방향에서 조사하여 크로스프리즘으로 하여 합성하는 구성에서는 소형화, 박형화가 곤란하다.
이에 반해, 이 발명의 「청구항 20의 컬러 화상표시장치」는, 상기와 같이, 광투과 방향에서 본 경우, 컬러의 1화소를 단일 광스위칭 소자로 구성할 수 있으므로, 화소밀도가 높고, 또한, 한 개의 컬러 화소를 구성하게 되는 복수 종류의 광스위칭 소자를, 광투과 방향으로 근접하여 배열 가능하므로, 컬러 화상표시장치를 소형화·박형화할 수 있고, 광스위칭 소자의 스위칭 응답 속도도 크게 할 수 있으므로, 컬러 화상을 고속으로 변화시킬 수 있다.

Claims (20)

  1. 두께 부분이 도파층으로 기능하고, 두께 방향의 일면은 전반사면으로 기능하며, 타면은 미세한 요철에 의한 미세주기구조를 형성하고, 상기 타면에서 입사하는 광 중 특정 파장 성분을 공명반사시키는 공명반사 소자; 및
    상기 공명 반사 소자의 형상 또는 굴절률 중 적어도 하나를 변화시켜, 공명 반사의 공명 파장을 변화시키는 구동 수단- 상기 구동수단에 의해 구동을 행하지 않는 오프상태에서는 제1 파장의 광을 공명반사하며, 상기 구동수단에 의해 구동을 행하는 온상태에서는 상기 제1 파장과 다른 제2 파장의 광을 공명반사함 -;
    을 구비하는 투과형의 광 스위칭 소자를 2 이상 구비하며,
    상기 구동 수단에 의한 변화 전후의 공명파장이 서로 다른 상기 2 이상의 광스위칭 소자를 광의 투과 방향으로 겹치도록 배설하여 개개의 광스위칭 소자를 독립하여 구동 가능하도록 하고,
    각 광스위칭소자가, 다른 광스위칭 소자의 상기 변화 전후의 공명파장 광을 투과시키도록 구성되며,
    상기 공명파장은 근점이각 현상을 일으키는 파장인 것을 특징으로 하는 복수파장 광스위칭 소자.
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  12. 제1항에 기재된 복수파장 광스위칭 소자에 있어서,
    광의 투과 방향으로 겹치도록 배치되는 광스위칭 소자가 3 이상이고,
    각 광스위칭 소자의 공명파장이, 원하는 색의 광을 표시할 수 있는 값으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 컬러 광스위칭 소자.
  13. 제1항에 기재된 복수파장 광스위칭 소자와, 이 복수파장 광스위칭 소자를 구성하는 투과형의 광스위칭 소자수와 동일한 개수의 광원을 갖고,
    상기 복수의 광원은 발광 파장영역이 서로 다르고,
    각 광원은 상기 광원에 대응하는 광스위칭 소자를 갖고, 상기 광스위칭 소자는, 구동 수단에 의한 변화 전후의 공명 파장의 한 쪽이, 대응하는 광원의 발광 파장영역 내에 있고,
    각 광스위칭 소자의 공명파장을, 대응하는 구동 수단에 의해, 상기 대응하는 광원의 발광 파장영역의 내외로 변화시키는 것에 의해, 상기 복수파장 광스위칭 소자를 매개로, 복수색의 광을 취출할 수 있도록 구성된 복수색 광스위칭 디바이스.
  14. 제12항에 기재된 컬러 광스위칭 소자와, 이 컬러 광스위칭 소자를 구성하는 투과형의 광스위칭 소자와 동일한 개수의 광원을 갖고,
    상기 복수의 광원은, 발광 파장영역이 서로 다르고, 또한, 이들 파장의 조합에 의해 원하는 색을 구성할 수 있도록 조합되고,
    각 광원은 상기 광원에 대응하는 광스위칭 소자를 갖고, 상기 광스위칭 소자는, 구동 수단에 의한 변화 전후의 공명파장의 한 쪽이, 대응하는 광원의 발광 파장영역 내에 있고,
    각 광스위칭 소자의 공명파장을, 대응하는 구동 수단에 의해, 상기 대응하는 광원의 발광 파장영역의 내외로 변화시키는 것에 의해, 상기 컬러 광스위칭 소자를 매개로, 원하는 색의 광을 취출할 수 있도록 구성된 컬러 광스위칭 디바이스.
  15. 제1항에 기재된 복수 파장 광스위칭 소자로 동일 종류의 복수의 소자를 1차원 또는 2차원에 어레이 배열하고, 각 광스위칭 소자를 독립하여 구동 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 광스위칭 소자 어레이.
  16. 제15항에 기재된 광스위칭 소자 어레이와,
    상기 광스위칭 소자 어레이를 구성하는 광스위칭 소자의, 구동 수단에 의한 변화 전후의 공명파장의 한 쪽을 발광 파장영역에 포함하는 광을 상기 광스위칭 소자 어레이의 각 광스위칭 소자에 조사하는 광원수단을 갖는 것을 특징으로 하는 화상 표시 장치.
  17. 제1항에 기재된 복수파장 광스위칭 소자에서 동일 종류의 복수의 소자를 1차원 또는 2차원에 어레이 배열하고, 각 복수파장 광스위칭 소자를 독립하여 구동 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 복수파장 광스위칭 소자 어레이.
  18. 제17항에 기재된 복수파장 광스위칭 소자 어레이와,
    상기 복수파장 광스위칭 소자 어레이를 구성하는 각 광스위칭 소자의, 구동 수단에 의한 변화 전후의 공명파장의 한 쪽을 발광 파장영역에 포함하는 광을 상기 복수파장 광스위칭 소자 어레이의 각 복수파장 광스위칭 소자에 조사하는 복수파장 광원 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 복수색 화상 표시 장치.
  19. 제12항에 기재된 컬러 광스위칭 소자에서 동일 종류의 복수의 소자를 1차원 또는 2차원에 어레이 배열하고, 각 컬러 광스위칭 소자를 독립하여 구동 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 컬러 광스위칭 소자 어레이.
  20. 제19항에 기재된 컬러 광스위칭 소자 어레이와,
    상기 컬러 광스위칭 소자 어레이를 구성하는 각 광스위칭 소자의, 구동 수단에 의한 변화 전후의 공명파장의 한 쪽을 발광 파장영역에 포함하는 광을 상기 컬러 광스위칭 소자 어레이의 각 컬러 광스위칭 소자에 조사하는 컬러 광원 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 컬러 화상 표시 장치.
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