WO2014061492A1 - 光学装置およびそれを備えた表示装置 - Google Patents

Abstract

　光学装置（１００）は、第１基板（１０）および第２基板（２０）と、これらの間に設けられた光学層（３０）とを備える。第１基板は、第１電極（１１）および第２電極（１２）を有し、第２基板は、第３電極（２１）を有する。光学層は、媒体（３１）と、光学層に印加された電界の方向に応じて配向方向が変化する形状異方性粒子（３２）とを含む。櫛歯状電極である第１電極と第２電極とは、それぞれの枝部（１１ａ、１２ａ）が所定の間隙を介して噛合するように配置されている。第１電極の枝部の幅をｗ₁、第２電極の枝部の幅をｗ₂、所定の間隙をｇ、形状異方性粒子の長さをｌとすると、ｗ₁＜ｌ、ｗ₂＜ｌおよびｇ≦ｌ≦ｗ₁＋ｗ₂＋ｇの関係が満足される。

Description

光学装置およびそれを備えた表示装置

　本発明は、光学装置に関し、特に、形状異方性粒子を含む光学層を備えた光学装置に関する。また、本発明は、そのような光学装置を備えた表示装置に関する。

　入射光の透過率（あるいは反射率）を制御する光学装置には、高いコントラスト比と高い光利用効率とが求められる。

　電圧の印加により光の透過率を制御する光学装置として、液晶パネルがよく知られている。液晶パネルは、一対の基板と、これらの基板間に設けられた液晶層とを備える。液晶パネルでは、液晶層に印加される電圧の大きさに応じて、液晶層中の液晶分子の配向が変化し、そのことにより、液晶パネルに入射した光の透過率が変化する。液晶パネルは、非常に高いコントラスト比が得られるので、表示装置に広く用いられている。

　しかしながら、液晶パネルの多くは、偏光板を用いる方式であるので、表示に用いられる光の半分以上が偏光板で吸収されてしまう。そのため、光利用効率が低い。そこで、近年、偏光板を必要としない光学装置の開発が進められている。

　特許文献１および２には、ポリマーフレークを含む懸濁液層を備えた光学装置が開示されている。この光学装置では、懸濁液層への電場の印加によってポリマーフレークを回転させ、懸濁液層の光学特性を変化させることができる。

　また、特許文献３には、反射性粒子を含む懸濁液層を備えた半透過反射ディスプレイが開示されている。図９に、特許文献３に開示されている半透過反射ディスプレイに用いられる懸濁粒子装置８００を示す。

　懸濁粒子装置８００は、図９に示すように、金属粒子などの反射性粒子８３２を含む懸濁液層８３０を有する。懸濁液層８３０は、絶縁性基板８１０と、透明プレート８２０との間に設けられている。絶縁性基板８１０および透明プレート８２０の懸濁液層８３０側には、電極としてＩＴＯ層８１１および８２１が形成されている。

　絶縁性基板８１０および透明プレート８２０の間には、スペーサ８６０ａおよび８６０ｂが設けられている。スペーサ８６０ａおよび８６０ｂのそれぞれの側面上には、電極としてのＩＴＯ層８７０ａおよび８７０ｂが形成されている。これらのＩＴＯ層８７０ａおよび８７０ｂは、ＳｉＯ₂から形成されたパッシベーション層８８０ａ、８８０ｂ、８８０ｃおよび８８０ｄによって、絶縁性基板８１０および透明プレート８２０上のＩＴＯ層８１１および８２１と電気的に分離されている。

　ＩＴＯ層８１１および８２１の間に電圧が印加されると、反射性粒子８３２は、その長手方向が電界の方向に対して平行になるように、つまり、長手方向が基板面に対して垂直になるように配向する。これにより、懸濁液層８３０の透過率が増加する。

　一方、スペーサ８６０ａおよび８６０ｂの側面上に形成されたＩＴＯ層８７０ａおよび８７０ｂの間に電圧が印加されると、反射性粒子８３２は、その長手方向が電界の方向に対して平行になるように、つまり、長手方向が基板面に対して平行になるように配向する。これにより、懸濁液層８３０の反射率が増加（透過率は減少）する。このように、懸濁粒子装置８００では、印加電界の方向を変化させることにより、透過率および反射率を変化させることができる。

　上述した特許文献１および２の光学装置や特許文献３の懸濁粒子装置８００は、偏光板を必要としないので、液晶パネルに比べ、光利用効率を高くすることができる。

米国特許第６６６５０４２号明細書 米国特許第６８２９０７５号明細書 特表２００７－５０６１５２号公報

　しかしながら、特許文献１および２の光学装置では、電場の印加により、ポリマーフレークを基板面に平行な状態から垂直な状態、または、垂直な状態から平行な状態に変化させるが、その逆の変化は、熱分散や重力により行われる。そのため、十分な応答速度が得られず、表示装置に利用することが困難であるという問題がある。

　また、特許文献３の懸濁粒子装置８００では、電極の作成プロセスが複雑化するという問題がある。具体的には、スペーサ８６０ａおよび８６０ｂの側面上に、セル厚方向に延びるようなＩＴＯ層８７０ａおよび８７０ｂを電極として形成する必要があり、実際にそのような電極を形成することは非常に困難である。

　本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な構成で、高いコントラスト比および高い光利用効率を実現し得る光学装置およびそれを備えた表示装置を提供することにある。

　本発明の実施形態における光学装置は、互いに対向するように設けられた第１基板および第２基板と、前記第１基板および前記第２基板の間に設けられた光学層と、を備えた光学装置であって、前記第１基板は、第１電極および第２電極を有し、前記第２基板は、前記第１電極および前記第２電極に対向する第３電極を有し、前記光学層は、媒体と、前記媒体中に分散され、形状異方性を有する形状異方性粒子とを含み、前記第１電極および前記第２電極のそれぞれは、複数の枝部を有する櫛歯状電極であり、前記第１電極と前記第２電極とは、それぞれの前記複数の枝部が所定の間隙を介して噛合するように配置されており、前記形状異方性粒子は、前記光学層に印加された電界の方向に応じて配向方向が変化し、前記第１電極の前記複数の枝部のそれぞれの幅をｗ₁、前記第２電極の前記複数の枝部のそれぞれの幅をｗ₂、前記所定の間隙をｇ、前記形状異方性粒子の長さをｌとすると、ｗ₁＜ｌ、ｗ₂＜ｌおよびｇ≦ｌ≦ｗ₁＋ｗ₂＋ｇの関係が満足される。

　ある実施形態において、ｗ₁≦ｌ≦１．８ｇおよびｗ₂≦ｌ≦１．８ｇの関係が満足される。

　ある実施形態において、前記第１電極および第２電極と、前記第３電極とによって前記光学層に縦電界が生成された場合と、前記第１電極と前記第２電極とによって前記光学層に横電界が生成された場合とで、前記形状異方性粒子の配向方向が異なる。

　ある実施形態において、前記光学層に縦電界が生成された場合、前記形状異方性粒子は、前記第１基板の基板面に略垂直になるように配向し、前記光学層に横電界が生成された場合、前記形状異方性粒子は、前記第１基板の基板面に略平行になるように配向する。

　ある実施形態において、前記形状異方性粒子の誘電率ε_pと、前記媒体の誘電率ε_mとが異なる。

　ある実施形態において、前記媒体の誘電率ε_mは、前記形状異方性粒子の誘電率ε_pよりも１以上大きい。

　ある実施形態において、前記形状異方性粒子は、光反射性を有する。

　ある実施形態において、前記形状異方性粒子は、フレーク状である。

　本発明の実施形態による表示装置は、上記構成を有する光学装置を備える。

　ある実施形態において、上述した表示装置は、マトリクス状に配列された複数の画素を有し、前記第１基板は、前記複数の画素のそれぞれに、前記第１電極および前記第２電極を有する。

　ある実施形態において、上述した表示装置は、外部から入射する光を用いて反射モードで表示を行うことができる。

　ある実施形態において、前記第１基板および前記第２基板のうちの背面側に位置する方の基板は、光を吸収する光吸収層を有する。

　ある実施形態において、上述した表示装置は、前記光学装置の背面側に配置されたバックライトをさらに備え、前記バックライトから前記光学装置に照射された光を用いて透過モードで表示を行うことができる。

　本発明の実施形態によると、簡易な構成で、高いコントラスト比および高い光利用効率を実現し得る光学装置およびそれを備えた表示装置が提供される。

（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態における表示装置１１０を模式的に示す断面図であり、（ａ）は、光学層３０に縦電界が印加されている状態を示し、（ｂ）は、光学層３０に横電界が印加されている状態を示している。 櫛歯状電極である第１電極１１および第２電極１２を模式的に示す平面図である。 （ａ）は、光学層３０に印加されている電界を横電界から縦電界に変化させた直後の光学層３０の様子を示す図であり、（ｂ）は、その後十分な時間が経過した後の光学層３０の様子を示す図である。 光学層３０に横電界が印加されたときの形状異方性粒子３２の配向状態を示す平面図である。 光学層３０に縦電界が印加されたときの形状異方性粒子３２の配向状態を示す平面図である。 （ａ）は、試作した表示装置１１０の光学層３０に横電界（１Ｖの交流電圧）を印加したときの配向状態を示す顕微鏡像であり、（ｂ）は、試作した表示装置１１０の光学層３０に縦電界（１．５Ｖの交流電圧）を印加したときの配向状態を示す顕微鏡像である。 （ａ）および（ｂ）は、試作した表示装置１１０の光学層３０に縦電界（１．５Ｖの交流電圧）を印加したときの配向状態を示す顕微鏡像であり、（ａ）は、第１電極１１の枝部１１ａおよび第２電極１２の枝部１２ａが直線状である場合を示し、（ｂ）は、第１電極１１の枝部１１ａおよび第２電極１２の枝部１２ａがくの字状である場合を示している。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態における表示装置２１０を模式的に示す断面図であり、（ａ）は、光学層３０に縦電界が印加されている状態を示し、（ｂ）は、光学層３０に横電界が印加されている状態を示している。 特許文献３に開示されている懸濁粒子装置８００を模式的に示す断面図である。

　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

　（実施形態１：反射型表示装置）
　図１（ａ）および（ｂ）に、本実施形態における表示装置１１０を示す。図１（ａ）および（ｂ）は、表示装置１１０を模式的に示す断面図である。

　表示装置１１０は、外部から入射する光（周囲光）を用いて反射モードで表示を行うことができる反射型表示装置である。表示装置１１０は、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、表示パネル（光学装置）１００を備え、マトリクス状に配列された複数の画素を有する。

　表示パネル１００は、互いに対向するように設けられた第１基板１０および第２基板２０と、第１基板１０および第２基板２０の間に設けられた光学層（表示媒体層）３０とを備える。以下では、第１基板１０および第２基板２０のうちの、相対的に背面側に位置する第１基板１０を「背面側基板」と呼ぶことがあり、相対的に前面側（つまり観察者側）に位置する第２基板２０を「前面側基板」と呼ぶことがある。

　第１基板（背面側基板）１０は、第１電極１１および第２電極１２を有する。第１電極１１および第２電極１２は、複数の画素のそれぞれに設けられている。第１電極１１および第２電極１２のそれぞれは、複数の枝部１１ａ、１２ａを有する櫛歯状電極である。図２に、第１電極１１および第２電極１２の平面的な構造を示す。

　第１電極１１は、図２に示すように、幹部１１ｂと、幹部１１ｂから延びる複数の枝部１１ａとを有する。第２電極１２は、同様に、幹部１２ｂと、幹部１２ｂから延びる複数の枝部１２ａとを有する。第１電極１１と第２電極１２とは、それぞれの複数の枝部１１ａ、１２ａが所定の間隙（以下では「電極間距離」と呼ぶこともある）ｇを介して噛合するように配置されている。

　また、第１基板１０は、アクティブマトリクス基板であり、各画素に設けられたスイッチング素子（例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ））と、各種の配線（例えばＴＦＴに走査信号を供給する走査配線やＴＦＴに表示信号を供給する信号配線）とを有する（いずれもここでは不図示）。第１電極１１および第２電極１２の一方は、スイッチング素子に電気的に接続されており、スイッチング素子を介して表示信号に対応した電圧を供給される。つまり、スイッチング素子に接続されている方の櫛歯状電極には、画素ごとに異なる電圧が印加され得る。これに対し、他方の櫛歯状電極は、表示領域の周囲に形成された共通配線に電気的に接続されており、複数の画素で共通の電圧を印加される。このように、第１電極１１および第２電極１２の一方は、画素電極として機能することができ、他方は、共通電極として機能することができる。

　第１基板１０は、さらに、光を吸収する光吸収層１４を有する。光吸収層１４の材料に特に制限はない。光吸収層１４の材料としては、例えば、液晶表示装置等のカラーフィルタに含まれるブラックマトリクスの材料などに用いられる顔料を用いることができる。あるいは、光吸収層１４として、二層構造の低反射クロム膜（クロム層と酸化クロム層とが積層された構造を有する）を用いることもできる。

　第１基板１０の構成要素（上述した第１電極１１、第２電極１２および光吸収層１４など）は、絶縁性を有する基板（例えばガラス基板）１０ａによって支持されている。なお、図１（ａ）および（ｂ）では、光吸収層１４が基板１０ａの光学層３０側に設けられているが、光吸収層１４は基板１０ａの背面側に設けられていてもよい。

　第２基板（前面側基板）２０は、第１電極１１および第２電極１２に対向する第３電極２１を有する。第３電極２１は、スリットや切欠き部が形成されていない、いわゆるべた電極である。また、第３電極２１は、画素ごとに電気的に独立している必要はなく、複数の画素に共通の連続した単一の導電膜であってよい。第３電極２１は、共通電極として機能することができる。また、カラー表示を行う場合には、第２基板２０は、カラーフィルタ（不図示）をさらに有する。

　第２基板２０の構成要素（上述した第３電極２１など）は、絶縁性を有する基板（例えばガラス基板）２０ａによって支持されている。

　第１電極１１、第２電極１２および第３電極２１のそれぞれは、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）やＩＺＯ（インジウム亜鉛酸化物）などの透明導電材料から形成されている。これらの電極となる導電膜を堆積する方法に特に制限はなく、スパッタリング法、真空蒸着法、プラズマＣＶＤ法等、公知の種々の方法を用いることができる。また、櫛歯状電極である第１電極１１および第２電極１２を形成するために導電膜をパターニングする方法にも特に制限はなく、フォトリソグラフィ等の公知のパターニング方法を用いることができる。第１電極１１、第２電極１２および第３電極２１の厚さは、典型的には、１００Å～２０００Åである。

　光学層（表示媒体層）３０は、液状の媒体３１と、媒体３１中に分散され、形状異方性を有する粒子（以下では「形状異方性粒子」と呼ぶ）３２とを含む。上述した第１基板１０および第２基板２０は、表示領域を包囲するように形成されたシール部（不図示）を介して貼り合わされており、媒体３１および形状異方性粒子３２は、シール部に包囲された領域（つまり表示領域）内に封入されている。光学層３０の厚さ（セルギャップ）に特に制限はない。例えば、光学層３０の厚さは、１００μｍ程度である。

　形状異方性粒子３２は、光反射性を有する。形状異方性粒子３２は、例えばフレーク状（薄片状）である。

　形状異方性粒子３２の誘電率ε_pと、媒体３１の誘電率ε_mとは、異なっている。本実施形態では、媒体３１の誘電率ε_mは、形状異方性粒子３２の誘電率ε_pよりも大きい。

　形状異方性粒子３２は、光学層３０に印加された電界の方向に応じて配向方向が変化する。つまり、第１電極１１および第２電極１２と、第３電極２１とによって光学層３０に縦電界が生成された場合と、第１電極１１と第２電極１２とによって光学層３０に横電界が生成された場合とで、形状異方性粒子３２の配向方向が異なる。形状異方性粒子３２は、形状異方性を有しているので、形状異方性粒子３２の配向方向が変化すると、形状異方性粒子３２の基板面（第１基板１０の基板面）への投影面積も変化し、それに伴って、光学層３０の反射率が変化する。本実施形態の表示装置１１０では、そのことを利用して表示が行われる。

　以下、形状異方性粒子３２の配向方向が、印加電界の方向に応じて変化する理由をより具体的に説明する。

　表示装置１１０は、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、光学層３０に印加される電界の方向を切り替えるためのリレー回路（スイッチ回路）４１および４２と、第１電源５１および第２電源５２とをさらに備える。

　図１（ａ）に示すように、リレー回路４１および４２によって、第１電極１１および第２電極１２と、第３電極２１とが第１電源５１に接続されると、第１電極１１および第２電極１２と、第３電極２１との間に所定の電圧が印加され、光学層３０に縦電界が生成される。図１（ａ）には、電気力線に平行な線ＥＦが示されている（図１（ｂ）でも同様）。図１（ａ）からわかるように、縦電界が生成された状態では、電気力線（線ＥＦ）は、第１基板１０の基板面に対して略垂直（光学層３０の厚さ方向に略平行）である。

　これに対し、図１（ｂ）に示すように、リレー回路４１および４２によって、第１電極１１と第２電極１２とが、第２電源５２に接続されると、第１電極１１と第２電極１２との間に所定の電圧が印加され、光学層３０に横電界が生成される。図１（ｂ）からわかるように、横電界が生成された状態では、電気力線（線ＥＦ）は、第１基板１０の基板面に対して略平行（光学層３０の厚さ方向に略垂直）な成分を含む。

　光学層３０に縦電界が生成された場合、形状異方性粒子３２は、図１（ａ）に示すように、（その長手方向が）第１基板１０の基板面に略垂直になるように配向する。そのため、入射した周囲光の多くは光学層３０を透過する。つまり、光学層３０は透明状態となる。光学層３０を透過した周囲光は、光吸収層１４で吸収されるので、この状態において、黒表示を行うことができる。

　これに対し、光学層３０に横電界が生成された場合、形状異方性粒子３２は、（その長手方向が）第１基板１０の基板面に略平行になるように配向する。そのため、入射した周囲光の多くは光学層３０中の形状異方性粒子３２で反射される。つまり、光学層３０は反射状態となり、この状態において、白表示を行うことができる。なお、比較的低い電圧を印加することにより、中間調表示を行うこともできる。

　上述したような形状異方性粒子３２の配向変化は、誘電泳動力に起因している。以下、図３（ａ）および（ｂ）を参照しながら、より具体的に説明を行う。図３（ａ）および（ｂ）は、光学層３０に印加されている電界を横電界から縦電界に変化させた直後、およびその後十分な時間が経過した後の、光学層３０の様子（電荷の分布および電気力線）を示す図である。

　形状異方性粒子３２の誘電率ε_pと、媒体３１の誘電率ε_mとが異なっている場合、光学層３０への印加電界の方向が変化すると、図３（ａ）に示すように、電気力線に大きな歪みが生じる。そのため、形状異方性粒子３２は、図３（ｂ）に示すように、エネルギーが最小となるように回転する。

　一般に、媒体中に分散された粒子に働く誘電泳動力Ｆ_depは、粒子の誘電率をε_p、媒体の誘電率をε_m、粒子の半径をａ、電界の強さをＥとすると、下記式（１）で表される。なお、式（１）中のＲｅは、実部を取り出す演算子である。

　上述したように、本実施形態における表示装置１１０では、光学層３０に縦電界が生成された状態と、光学層３０に横電界が生成された状態とを切り替えることにより、表示が行われる。前者の状態から後者の状態への変化、および、後者の状態から前者の状態への変化は、いずれも印加電界の方向を変化させることにより行われるので、特許文献１および２の光学装置とは異なり、十分な応答速度を実現することができる。

　また、光学層３０に横電界を生成するための第１電極１１および第２電極１２は、第１基板１０に設けられた櫛歯状電極であり、特許文献３の懸濁粒子装置８００のＩＴＯ層とは異なり、セル厚方向に延びる電極ではない。そのため、本実施形態における表示装置１１０では、電極の作成プロセスが複雑化するという問題がない。

　なお、本願出願人は、国際公開第２０１３／１０８８９９号に、形状異方性粒子の配向方向を、印加電圧の周波数を切り替えることによって制御する表示パネル（表示装置）を開示している。参考のために、国際公開第２０１３／１０８８９９号の開示内容のすべてを本願明細書に援用する。この表示パネルでは、高周波電圧の印加により、形状異方性粒子が基板面に対して略垂直に配向し、低周波電圧または直流（ＤＣ）電圧の印加により、形状異方性粒子が基板面に対して略平行に配向する。しかしながら、この表示パネルのように、ＤＣ電圧が印加される場合、電荷の偏りに起因する表示不良が発生するおそれがある。

　これに対し、本実施形態の表示装置１１０では、通常の交流（ＡＣ）駆動（例えば６０Ｈｚ）により、光学層３０の透過状態と反射状態とを切り替えることができるので、電荷の偏りに起因する表示不良が発生することがない。

　上述したように、本実施形態の表示装置１１０（表示パネル１００）は、簡易な構成で、高いコントラスト比および高い光利用効率を実現することができる。

　また、本願発明者は、第１基板１０の電極構造と、形状異方性粒子３２の配向状態との関係を詳細に検討した結果、第１電極１１の枝部１１ａの幅ｗ₁と、第２電極１２の枝部１２ａの幅ｗ₂と、第１電極１１の枝部１１ａと第２電極１２の枝部１２ａとの間隙（電極間距離）ｇと、形状異方性粒子３２の長さ（長手方向のサイズ）ｌとが、所定の関係を満足することにより、光学層３０に横電界を印加したときに形状異方性粒子３２を安定に配向させ得ることを見出した。

　具体的には、下記式（２）、（３）および（４）が満足されることにより、図４に示すように、形状異方性粒子３２を、基板面に略平行に、第１電極１１の枝部１１ａと第２電極１２の枝部１２ａとに跨るような形で安定に配向させることができる。このことは、実験的に確認されている。なお、図４（および後述する図５）には、フレーク状（より具体的には円盤状）の形状異方性粒子３２を例示している。
　ｗ₁＜ｌ　　　　　　　　　　・・・（２）
　ｗ₂＜ｌ　　　　　　　　　　・・・（３）
　ｇ≦ｌ≦ｗ₁＋ｗ₂＋ｇ　　　・・・（４）

　式（２）および（３）が満足されない場合、つまり、形状異方性粒子３２の長さｌが、第１電極１１の枝部１１ａの幅ｗ₁や、第２電極１２の枝部１２ａの幅ｗ₂以下である場合、形状異方性粒子３２が流動したり、回転したりするという現象が発生し、配向が不安定となることがある。

　また、式（４）が満足されない場合、つまり、形状異方性粒子３２の長さｌが、電極間距離ｇよりも小さかったり、第１電極１１の枝部１１ａの幅ｗ₁、第２電極１２の枝部１２ａの幅ｗ₂および電極間距離ｇの合計よりも大きかったりする場合も、同様の現象が発生し、配向が不安定となることがある。

　また、本願発明者は、第１電極１１の枝部１１ａの幅ｗ₁と、第２電極１２の枝部１２ａの幅ｗ₂と、電極間距離ｇと、形状異方性粒子３２の長さｌとが、所定の関係を満足することにより、光学層３０に縦電界を印加したときに形状異方性粒子３２を安定に配向させ得ることを見出した。

　具体的には、下記式（５）および（６）が満足されることにより、図５に示すように、形状異方性粒子３２を、基板面に略垂直に、その厚さ方向が枝部１１ａ、１２ａの延びる方向に対して略平行となるような形で安定に配向させることができる。このことも、実験的に確認されている。
　ｗ₁≦ｌ≦１．８ｇ　　　・・・（５）
　ｗ₂≦ｌ≦１．８ｇ　　　・・・（６）

　式（５）および（６）が満足されない場合、つまり、形状異方性粒子３２の長さｌが、第１電極１１の枝部１１ａの幅ｗ₁や第２電極１２の枝部１２ａの幅ｗ₂よりも小さかったり、電極間距離ｇの１．８倍よりも大きかったりする場合、形状異方性粒子３２が所望の方向に配向しないことがある。

　形状異方性粒子３２は、上述したように印加電界の方向に応じて基板面への投影面積が変化する限り、その具体的な形状や材料には、特に制限はない。形状異方性粒子３２は、フレーク状（薄片状）であってもよいし、円柱状や楕円球状などであってもよい。高いコントラスト比を実現する観点からは、形状異方性粒子３２は、最大投影面積と最小投影面積との比が２：１以上となるような形状であることが好ましい。

　形状異方性粒子３２の材料としては、金属材料、半導体材料、誘電体材料およびこれらの複合材料を用いることができる。また、形状異方性粒子３２は、誘電体多層膜であってもよいし、コレステリック樹脂材料から形成されてもよい。なお、形状異方性粒子３２の材料として金属材料を用いる場合、形状異方性粒子３２の表面に絶縁層（誘電体層）が形成されていることが好ましい。金属単体の誘電率は虚数であるが、表面に絶縁層（例えば樹脂層や金属酸化物層）を形成することにより、金属材料から形成された形状異方性粒子３２を誘電体として扱うことができる。また、表面に絶縁層が形成されていることにより、金属材料から形成された形状異方性粒子３２同士の接触による導通や、物理的な相互作用による凝集等を防止する効果も得られる。このような形状異方性粒子３２としては、例えば金属材料がアルミニウムである場合、表面を樹脂材料（例えばアクリル樹脂）で被覆されたアルミニウムフレークや、表面にＳｉＯ₂層が形成されたアルミニウムフレーク、表面に酸化アルミニウム層が形成されたアルミニウムフレークなどを用いることができる。勿論、金属材料としてアルミニウム以外の金属材料を用いてもよい。また、形状異方性粒子３２は、着色されていてもよい。

　形状異方性粒子３２の長さｌは、上記式（２）、（３）および（４）を（好ましくは式（５）および（６）も）満足している限り、特に制限されない。典型的には、形状異方性粒子３２の長さｌは、数μｍ～数十μｍ程度（例えば約１０μｍ）である。

　形状異方性粒子３２の厚さも、特に制限されない。ただし、形状異方性粒子３２の厚さが小さいほど、透明状態における光学層３０の透過率を高くすることができるので、形状異方性粒子３２の厚さは、電極間距離ｇよりも小さい（例えば４μｍ以下）ことが好ましく、光の波長以下である（例えば０．５μｍ以下）ことがより好ましい。

　形状異方性粒子３２の比重は、１１ｇ／ｃｍ³以下であることが好ましく、３ｇ／ｃｍ³以下であることがより好ましく、媒体３１と同程度の比重であることがさらに好ましい。これは、形状異方性粒子３２の比重が媒体３１の比重と大きく異なっていると、形状異方性粒子３２が沈降または浮遊するという問題が生じ得るからである。

　媒体３１は、可視光に対して透明性が高い材料であることが好ましい。また、媒体３１の粘度は、応答特性の観点からは５ｍＰａ・ｓ以下であることが好ましく、形状異方性粒子３２の沈降を防止する観点からは０．５ｍＰａ・ｓ以下であることが好ましい。また、媒体３１の比重は、形状異方性粒子３２の比重に近いことが好ましい。媒体３１としては、例えば、炭酸プロピレン、ＮＭＰ（Ｎメチル２ピロリドン）、臭化炭化水素（テトラブロモエタン等）、フルオロカーボン、シリコーンオイルなどを用いることができる。

　また、式（１）から理解されるように、形状異方性粒子３２の誘電率ε_pと、媒体３１の誘電率ε_mとの差（│ε_p－ε_m│）が大きいほど、誘電泳動力が大きくなり、応答特性が向上する。そのため、媒体３１の誘電率ε_mは、形状異方性粒子３２の誘電率ε_pよりも１以上大きいことが好ましく、１０以上大きいことがより好ましい。形状異方性粒子３２の誘電率ε_pと、媒体３１の誘電率ε_mとの差がほぼゼロであると、形状異方性粒子３２の配向方向を変化させることが困難な場合がある。また、形状異方性粒子３２の誘電率ε_pと媒体３１の誘電率ε_mとの差が１以上であると、形状異方性粒子３２の配向方向を変化させることができ、形状異方性粒子３２の誘電率ε_pと媒体３１の誘電率ε_mとの差が５～１０程度あれば、形状異方性粒子３２の配向方向をより好適に変化させ得る。表面をアクリル樹脂で被覆されたアルミニウムフレークの誘電率は、３．６であり、炭酸プロピレンの誘電率は、６３であるので、形状異方性粒子３２として上記のアルミニウムフレークを用い、媒体３１として炭酸プロピレンを用いると、│ε_p－ε_m│は５９．４となる。

　第１電極１１の枝部１１ａの幅ｗ₁、第２電極１２の枝部１２ａの幅ｗ₂および電極間距離ｇは、上記式（２）、（３）および（４）を（好ましくは式（５）および（６）も）満足している限り、特に制限されない。

　なお、第１電極１１の枝部１１ａの幅ｗ₁と、第２電極１２の枝部１２ａの幅ｗ₂とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。第１電極１１の枝部１１ａの幅ｗ₁と、第２電極１２の枝部１２ａの幅ｗ₂とが同じである場合（つまりｗ₁＝ｗ₂＝ｗである場合）、上記式（２）、（３）および（４）の条件は、下記式（７）および（８）で表される。
　ｗ＜ｌ　　　　　　　　　　・・・（７）
　ｇ≦ｌ≦２ｗ＋ｇ　　　　　・・・（８）

　また、同様に、上記式（５）および（６）の条件は、下記式（９）で表される。
　ｗ≦ｌ≦１．８ｇ　　　・・・（９）

　また、図２には、第１電極１１の枝部１１ａおよび第２電極１２の枝部１２ａがそれぞれ一方向に（つまり直線状に）延びている構成を例示したが、第１電極１１の枝部１１ａおよび第２電極１２の枝部１２ａは、それぞれ屈曲していてもよく、例えばくの字状であってもよい。

　ここで、実際に表示装置１１０を試作した検証結果を説明する。試作に際しては、形状異方性粒子３２として、円盤状のアルミニウムフレークを用い、媒体３１として、炭酸プロピレンを用いた。用いたアルミニウムフレークの長さｌは、８μｍ～１０μｍであり、厚さは、０．１μｍである。また、アルミニウムフレークの表面に形成された樹脂層の厚さは、０．０４μｍである。光学層３０のアルミニウムフレーク含有量は、３重量％である。櫛歯状電極である第１電極１１および第２電極１２の枝部１１ａおよび１２ａの幅ｗ₁およびｗ₂は、３μｍであり、電極間距離ｇは、８μｍである。

　図６（ａ）は、試作した表示装置１１０の光学層３０に横電界（１Ｖの交流電圧）を印加したときの配向状態を示す顕微鏡像である。なお、図６（ａ）中には、第１電極１１および第２電極１２の外形が点線で示されている。図６（ａ）に示されているように、形状異方性粒子３２は、基板面に略平行に、且つ、第１電極１１の枝部１１ａと第２電極１２の枝部１２ａとに跨るように配向している（例えば図６（ａ）中の円で囲まれた領域に注目されたい）。

　図６（ｂ）は、試作した表示装置１１０の光学層３０に縦電界（１．５Ｖの交流電圧）を印加したときの配向状態を示す顕微鏡像である。図６（ｂ）に示されているように、形状異方性粒子３２は、基板面に略垂直に、且つ、その厚さ方向が枝部１１ａ、１１ｂの延びる方向に対して略平行となるように配向している（例えば図６（ｂ）中の円で囲まれた領域に注目されたい）。

　このように、縦電界による形状異方性粒子３２の配向、および、横電界による形状異方性粒子３２の配向のいずれについても、交流駆動で制御できることが確認された。また、印加電圧も約１Ｖ～１．５Ｖ程度であり、一般的な液晶表示装置よりも低い。つまり、本実施形態の表示装置１１０は、低消費電力性に優れているといえる。

　なお、配向に必要な印加電圧の大きさは、用いる媒体３１の誘電率や粘度などにも依存する。ここで例示した値は、媒体３１として炭酸プロピレンを用いた場合のものである。

　図７（ａ）および（ｂ）も、試作した表示装置１１０の光学層３０に縦電界（１．５Ｖの交流電圧）を印加したときの配向状態を示す顕微鏡像である。ただし、図７（ａ）は、第１電極１１の枝部１１ａおよび第２電極１２の枝部１２ａが直線状である場合を示しているのに対し、図７（ｂ）は、第１電極１１の枝部１１ａおよび第２電極１２の枝部１２ａがくの字状である場合を示している。

　図７（ａ）および（ｂ）のいずれの場合についても、形状異方粒子３２は、基板面に略垂直に、且つ、その厚さ方向が枝部１１ａ、１１ｂの延びる方向に対して略平行となるように配向している（例えば図７（ａ）および（ｂ）中の円で囲まれた領域に注目されたい）。

　このように、形状異方性粒子３２の配向方向が、櫛歯状電極である第１電極１１および第２電極１２の枝部１１ａ、１２ａの延びる方向とも相関関係があることが確認された。

　なお、上記の説明では、櫛歯状電極である第１電極１１および第２電極１２を有する第１基板１０が背面側に配置されている構成を例示したが、第１基板１０の配置は、これに限定されるものではない。第１基板１０は、前面側に配置されていてもよい。また、光学層３０に印加される電界の方向を切り替えるための具体的な回路構成（リレー回路および電源の個数や接続関係）は、図１（ａ）および（ｂ）に例示されているものに限定されない。

　（実施形態２：透過型表示装置）
　図８（ａ）および（ｂ）に、本実施形態における表示装置２１０を示す。図８（ａ）および（ｂ）は、表示装置２１０を模式的に示す断面図である。

　表示装置２１０は、図８（a）および（ｂ）に示すように、表示パネル２００を備え、マトリクス状に配列された複数の画素を有する。また、表示装置２１０は、表示パネル（光学装置）２００の背面側に配置されたバックライト（照明装置）２０１をさらに備え、バックライト２０１から表示パネル２００に照射された光を用いて透過モードで表示を行うことができる透過型表示装置である。

　バックライト２０１としては、表示装置用（例えば液晶表示装置用）の公知のバックライトを用いることができる。バックライト２０１は、エッジライト型であってもよいし、直下型であってもよい。バックライト２０１の光源としては、冷陰極管（ＣＣＦＬ）や、発光ダイオード（ＬＥＤ）などを用いることができる。

　本実施形態の表示装置２１０の表示パネル２００は、第１基板１０に光吸収層１４が設けられていない点において、実施形態１における表示装置１１０の表示パネル１００と異なっている。

　本実施形態の表示装置２１０においても、光学層３０に印加される電界の方向を変化させることにより、形状異方性粒子３２の配向方向を変化させる。

　光学層３０に縦電界が生成されると、図８（ａ）に示すように、形状異方性粒子３２は、（その長手方向が）第１基板１０の基板面に略垂直になるように配向する。そのため、バックライト２０１から光学層３０に入射した光の多くは光学層３０を透過する。そのため、この状態において、白表示を行うことができる。

　これに対し、光学層３０に横電界が生成されると、図８（ｂ）に示すように、形状異方性粒子３２は、（その長手方向が）第１基板１０の基板面に略平行になるように配向する。そのため、バックライト２０１から光学層３０に入射した光の多くは光学層３０中の形状異方性粒子３２で反射され、観察者側に出射しない。そのため、この状態において、黒表示を行うことができる。

　このように、本発明の実施形態による光学装置は、反射型表示装置の表示パネルとしてだけでなく、透過型表示装置の表示パネルとしても好適に用いられる。また、本発明の実施形態による光学装置は、表示パネル以外としても用いられ得る。本発明の実施形態による光学装置は、光スイッチなどの種々の光学装置であり得る。

　本発明の実施形態によると、簡易な構成で、高いコントラスト比および高い光利用効率を実現し得る光学装置が提供される。本発明の実施形態における光学装置は、表示装置用の表示パネルとして好適に用いられる。また、本発明の実施形態における光学装置は、表示パネル以外の種々の光学装置（光スイッチなど）としても用いられる。

　１０　　第１基板
　１０ａ　　基板
　１１　　第１電極（櫛歯状電極）
　１１ａ　　第１電極の枝部
　１１ｂ　　第１電極の幹部
　１２　　第２電極（櫛歯状電極）
　１２ａ　　第２電極の枝部
　１２ｂ　　第２電極の幹部
　１４　　光吸収層
　２０　　第２基板
　２０ａ　　基板
　２１　　第３電極（べた電極）
　３０　　光学層（表示媒体層）
　３１　　媒体
　３２　　形状異方性粒子
　４１、４２　　リレー回路（スイッチ回路）
　５１　　第１電源
　５２　　第２電源
　１００、２００　　表示パネル（光学装置）
　２０１　　バックライト（照明装置）
　１１０、２１０　　表示装置

Claims (13)

1. 　互いに対向するように設けられた第１基板および第２基板と、
   　前記第１基板および前記第２基板の間に設けられた光学層と、を備えた光学装置であって、
   　前記第１基板は、第１電極および第２電極を有し、
   　前記第２基板は、前記第１電極および前記第２電極に対向する第３電極を有し、
   　前記光学層は、媒体と、前記媒体中に分散され、形状異方性を有する形状異方性粒子とを含み、
   　前記第１電極および前記第２電極のそれぞれは、複数の枝部を有する櫛歯状電極であり、
   　前記第１電極と前記第２電極とは、それぞれの前記複数の枝部が所定の間隙を介して噛合するように配置されており、
   　前記形状異方性粒子は、前記光学層に印加された電界の方向に応じて配向方向が変化し、
   　前記第１電極の前記複数の枝部のそれぞれの幅をｗ₁、前記第２電極の前記複数の枝部のそれぞれの幅をｗ₂、前記所定の間隙をｇ、前記形状異方性粒子の長さをｌとすると、ｗ₁＜ｌ、ｗ₂＜ｌおよびｇ≦ｌ≦ｗ₁＋ｗ₂＋ｇの関係が満足される光学装置。
2. 　ｗ₁≦ｌ≦１．８ｇおよびｗ₂≦ｌ≦１．８ｇの関係が満足される請求項１に記載の光学装置。
3. 　前記第１電極および第２電極と、前記第３電極とによって前記光学層に縦電界が生成された場合と、前記第１電極と前記第２電極とによって前記光学層に横電界が生成された場合とで、前記形状異方性粒子の配向方向が異なる請求項１または２に記載の光学装置。
4. 　前記光学層に縦電界が生成された場合、前記形状異方性粒子は、前記第１基板の基板面に略垂直になるように配向し、
   　前記光学層に横電界が生成された場合、前記形状異方性粒子は、前記第１基板の基板面に略平行になるように配向する請求項３に記載の光学装置。
5. 　前記形状異方性粒子の誘電率ε_pと、前記媒体の誘電率ε_mとが異なる請求項１から４のいずれかに記載の光学装置。
6. 　前記媒体の誘電率ε_mは、前記形状異方性粒子の誘電率ε_pよりも１以上大きい請求項５に記載の光学装置。
7. 　前記形状異方性粒子は、光反射性を有する請求項１から６のいずれかに記載の光学装置。
8. 　前記形状異方性粒子は、フレーク状である請求項１から７のいずれかに記載の光学装置。
9. 　請求項１から８のいずれかに記載の光学装置を備えた表示装置。
10. 　マトリクス状に配列された複数の画素を有し、
    　前記第１基板は、前記複数の画素のそれぞれに、前記第１電極および前記第２電極を有する請求項９に記載の表示装置。
11. 　外部から入射する光を用いて反射モードで表示を行うことができる請求項９または１０に記載の表示装置。
12. 　前記第１基板および前記第２基板のうちの背面側に位置する方の基板は、光を吸収する光吸収層を有する請求項１１に記載の表示装置。
13. 　前記光学装置の背面側に配置されたバックライトをさらに備え、
    　前記バックライトから前記光学装置に照射された光を用いて透過モードで表示を行うことができる請求項９または１０に記載の表示装置。

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