(57)【要約】  光学式スプリット用のフォトニック液晶導波路を使用して実現可能な、黒色を反射するための表示装置。一組の上層電極と一組の下層電極とが周期パターン状に形成されている。上記一組の下層電極の上には、電場に対応する双極子を持つ分子を含む液晶（ＬＣ）材料からなる第１誘電体層が形成されている。上記一組の上層電極と上記一組の下層電極との間には、離散する複数のプラズモン粒子を含むプラズモン層が上記第１誘電体層と接して設けられている。上記一組の上層電極と上記一組の下層電極との間に電位を印加して、電場を発生させる。上記電場に応じて、上記液晶分子に双極子の局所的配向領域と双極子の非配向領域とを形成し、上記入射光の光学スペクトルの分離に応じて、上記可視スペクトルの範囲外の光の波長を反射する。【選択図】図３
2013512459.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学スプリット用のフォトニック液晶導波路を設けた表示装置であって、
周期パターン状に形成された一組の下層電極と、
上記周期パターン状に形成された上記一組の下層電極の上に形成された一組の上層電極と、
電場の変化に応じて液晶分子の配向を変化させるような双極子を持つ液晶分子を含む液晶（ＬＣ）材料からなり、
上記一組の下層電極の上に形成された第１誘電体層と、
離散する複数のプラズモン粒子を含み、上記一組の上層電極と上記一組の下層電極との間に形成され、上記第１誘電体層と接しているプラズモン層とを備える表示装置。
【請求項２】
上記一組の上層電極と上記一組の下層電極とが、
内側の円の円周上に配置された電極であって、直径が第１直径であり、隣接する電極の中心間のピッチが第１ピッチである電極と、
外側の六角形の各頂点に配置された電極であって、直径が上記第１直径であり、隣接する電極の中心間のピッチが上記第１ピッチである電極とを含み、
互いに隣接する上記内側の円の円周上に配置された電極と上記外側の六角形の各頂点に配置された電極との間のピッチが上記第１ピッチであることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
上記一組の上層電極と上記一組の下層電極とが、外側に設けられ、複数の同心六角形の各頂点に配置された電極を更に含むことを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
【請求項４】
上記一組の上層電極と上記一組の下層電極とには、直径が上記第１直径より大きな第２直径である中心電極として使用可能なパターン欠陥が更に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
【請求項５】
上記一組の上層電極と上記一組の下層電極とが、直径が約１００ナノメートル（ｎｍ）の第１直径である電極であって、隣接する電極の中心間のピッチが約３００ｎｍの第１ピッチである電極を含み、
上記表示装置は、上記一組の上層電極と上記一組の下層電極との間に０Ｖの電位を印加した場合、約６５０ｎｍの波長の光を反射することを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項６】
上記第１誘電体層の屈折率は、上記一組の上層電極と上記一組の下層電極との間の０Ｖの電位に応じた第１屈折率であり、
上記第１誘電体層は、上記一組の上層電極および上記一組の下層電極と第１電圧とに応じた第１屈折率領域と、複数の第２屈折率領域とからなる屈折率パターンを持つことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項７】
上記屈折率パターンは、上記一組の上層電極と上記一組下層電極とのうち互いに対応する上層電極と下層電極との間の上記第１誘電体層において柱状に形成された上記第２屈折率領域を含み、
上記第１屈折率領域は、上記第２屈折率領域を囲むように上記第１誘電体層に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の表示装置。
【請求項８】
上記一組の上層電極と上記一組の下層電極との間に零電圧が印加されている場合、フルスペクトルの入射可視光を受光すると、可視光スペクトルの第１色を反射する一方、上記一組の上層電極と上記一組の下層電極との間に上記第１電圧が印加されている場合、上記可視光スペクトルのどの色も反射しないことを特徴とする請求項７に記載の表示装置。
【請求項９】
上記第１電圧を印加している場合、上記第１色が上記第２屈折率領域を透過し、
上記第１電圧を印加している場合、非第１色の色が上記第１屈折率領域を透過することを特徴とする請求項８に記載の表示装置。
【請求項１０】
上記第１誘電体層の上記屈折率パターンは、光の上記第１色を上記第２屈折率領域内をチャネリングにより通過させ、上記光の上記非第１色の色を上記第１屈折率領域をチャネリングにより通過させて、上記光の入射スペクトルを光学的に分離し、
上記光の入射スペクトルの光学的分離に応じて、ディスプレイは、可視スペクトルの帯域外の波長の光を反射することを特徴とする請求項９に記載の表示装置。
【請求項１１】
上記一組の上層電極と上記一組の下層電極とは、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）ＺｎＯと、Ａｇナノワイヤと、カーボンナノチューブとからなる一群から選択される透明材料であることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項１２】
上記プラズモン層と上記一組の上層電極との間または上記プラズモン層と上記一組の下層電極との間に形成された、非導電性の材料からなる第２誘電体層を更に備える請求項１に記載の表示装置。
【請求項１３】
光学式スプリット用のフォトニック液晶導波路を設けた表示装置において黒色を反射する反射方法であって、
周期パターン状に形成された一組の下層電極と、上記周期パターン状に形成された上記一組の下層電極の上に形成された一組の上層電極と、電場の変化に応じて液晶分子の配向を変化させるような双極子を持つ液晶分子を含む液晶（ＬＣ）材料からなり、上記一組の下層電極の上に形成する第１誘電体層と、離散する複数のプラズモン粒子を含み、上記一組の上層電極と上記一組の下層電極との間に形成され、上記第１誘電体層と接触しているプラズモン層とを備える反射型表示装置を用意し、
上記一組の上層電極に入射するフルスペクトルの可視光を受光する工程と、
１つの波長ピークを持ち、上記波長ピークのスペクトル半値全幅（ＦＷＨＭ）が上記可視光の可視スペクトルの帯域内に収まる第１原色を反射する工程と、
上記一組の上層電極と上記一組の下層電極との間に電位差を取り入れ、電場を発生させる工程と、
上記電場に応じて、上記液晶分子の双極子を局所的に配向させる工程と、
上記ＬＣ分子の双極子の局所的な配向に応じて、上記可視スペクトルの帯域外の波長の光を反射する工程とを備える反射方法。
【請求項１４】
上記表示装置を用意する工程が、上記ＬＣ分子の双極子が局所的な配向状態にないため、上記第１誘電体の屈折率を上記第１原色に関連する第１屈折率に設定する工程を含むことを特徴とする請求項１３に記載の反射方法。
【請求項１５】
上記一組の上層電極と上記一組の下層電極との間に零電圧を印加する工程と、
上記一組の上層電極と上記一組の下層電極との間に零電場を発生させる工程とを更に含む請求項１４に記載の反射方法において、
上記第１誘電体の屈折率を上記第１原色に関連する第１屈折率に設定する工程では、上記零電場が発生しているため、上記ＬＣ分子の双極子が局所的な配向状態を示さないことを特徴とする反射方法。
【請求項１６】
上記電場に応じて、上記ＬＣ分子の双極子を局所的に配向させる工程は、
上記第１誘電体の複数の局所配向領域内の上記双極子を局所的に配向させる工程であって、各局所配向領域は、上記一組の上層電極と上記一組の下層電極とのうちの対応する上層電極と下層電極との間に形成されている工程と、
上記複数の局所配向領域を囲むよう上記第１誘電体に形成されている非局所配向領域では上記ＬＣ分子の双極子の局所的な配向を発生させない工程とを備えることを特徴とする請求項１４に記載の反射方法。
【請求項１７】
上記第１誘電体の複数の局所配向領域内の上記双極子を局所的に配向させる工程では、受光した上記光に対する上記第１誘電体層の上記非局所配向領域の屈折率は上記第１屈折率であり、
上記非局所配向領域では上記ＬＣ分子の双極子の局所的な配向を発生させない工程では、受光した上記光に対する上記第１誘電体層の上記非局所配向領域の屈折率は上記第１屈折率と第２屈折率とであることを特徴とする請求項１６に記載の反射方法。
【請求項１８】
上記第１屈折率と上記第２屈折率とを同時に発生させる工程は、上記入射光の上記第１色を上記局所配向領域内をチャネリングにより通過させ、上記入射光の非第１色の色を上記非局所配向領域内をチャネリングにより通過させて、上記入射光を光学的に分離する工程を含み、
可視スペクトラルの帯域外の上記光の波長を反射する工程は、上記スペクトラルの光学的分離に応じて、上記可視スペクトラルの帯域外の上記光の波長を反射する工程を含むことを特徴とする請求項１７に記載の反射方法。
【請求項１９】
上記反射型表示装置を用意する工程は、上記一組の上層電極と上記一組の下層電極を形成し、上記一組の上層電極と上記一組の下層電極の直径は約１００ナノメートル（ｎｍ）の第１直径であり、各電極の中心間のピッチが約３００ｎｍの第１ピッチであり、
上記第１原色を反射する工程は、波長が約６５０ｎｍの光を反射することを特徴とする請求項１３に記載の反射方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子画像表示装置に関し、特に、入射光学スペクトルを分解させて“黒”色を生成する色調整可能なプラズモン表示装置と、上記色調整可能なプラズモン表示装置において上記黒色を反射する反射方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
反射型ディスプレイまたは色調整可能なデバイス技術では、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）および有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイと比較して消費電力が大幅に低くなる。主にこのような特徴から、上記反射型ディスプレイまたは上記色調整可能なデバイス技術は魅力的な技術である。ラップトップ型パソコンまたは携帯電話用の典型的なＬＣＤでは、カラー画像を描画するために内部（バックライト）照明を必要とする。しかし、大抵の動作条件下では、こうしたＬＣＤやＯＬＥＤディスプレイにおいて必要とされる上記内部照明は周囲の環境光（例えば、太陽光または室内の天井照明）と競合するので、利用可能な周井の環境光エネルギーを無駄にしてしまう。実際、これらディスプレイの操作では、上記内部照明が周辺光より明るくなるように追加の電力を必要とする。一方、反射型表示技術では、上記周辺光を有効活用することで消費電力を大幅に抑えている。
【０００３】
電気泳動方式ディスプレイ、電気湿潤方式ディスプレイ、電気変色方式ディスプレイ、および干渉系ＭＥＭｓディスプレイなどの多数の異なる反射型表示技術が開発されてきた。しかし、これらディスプレイ技術の何れについても、商業的成功を収めるうえで克服すべき不利点または課題があり、既存の技術の多くが本質的に遅い現象に依存している。例えば、電気泳動技術または電気化学技術では、粒子を液体中で長距離移動させるか、拡散させることが典型的に必要とされるが、このような操作では反応が遅くなる。他の技術では、ビデオレートで動作するために大きな電力を必要とする。例えば、多くの反射型ディスプレイでは、大量の材料または発色団をある状態から他の状態に切り替えて、画素の光学特性を適切に変化させることが求められる。映像切替速度では、各色素分子に単位電荷を供給して上記光学特性の変化に影響を及ぼすことが求められる場合、数百ｍＡ／ｃｍ２単位の電流が必要になる。したがって、反応に依存して色素分子を切り替える表示技術では、映像を表示するために、許容範囲を超える程度に高い電流が要求される。また、このことは、電気変色方式ディスプレイについても同様である。
【０００４】
上記反射型ディスプレイの第２の課題は、高品質の色を実現することである。特に、大抵の反射型ディスプレイ技術では、ひとつの材料セットから二次色（色／黒）のみしか生成できない。このため、固定色のサブ画素を並列に配置する構造を採用する場合、異なる材料セットを使用するサブ画素を少なくとも３つ使用することが求められる。しかし、これにより一部の色については最大反射光が１／３程度に制限されるので、このタイプのサブ画素ではコントラスト良く純色を生成することができない。
【０００５】
一部のディスプレイでは、長い寿命に渡る信頼性の問題を抱える。具体的には、ビデオレートの操作をほんの数年間持続させるためだけでも、光学特性を少なくとも数十億回可逆的に変化させることが求められる。しかし、所望のサイクル回数を実現することは、化学反応に基づく技術、粒子の混合および分離を行う技術、または機械を繰り返し消耗または電気的ストレスを与えるＭＥＭｓ技術を使用する反射型ディスプレイにおいて特に困難である。
【０００６】
図１は、液晶などの電気光学材料の屈折率を電気的に変調させて色調整を行ったナノプラズモンディスプレイを示す部分断面図である。装置１００の詳細については、係属中の米国出願１２／６１４，３６８号（発明の名称：“ＣＯＬＯＲ―ＴＵＮＡＢＬＥ  ＰＬＡＳＭＯＮＩＣ  ＤＥＶＩＣＥ  ＷＩＴＨ  Ａ  ＰＡＲＴＩＡＬＬＹ  ＭＯＤＵＬＡＴＥＤ  ＲＥＦＲＡＣＴＩＶＥ  ＩＮＤＥＸ”、発明者：Ｔａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．）に記載されている。液晶などの誘電体１０６材料の屈折率（ｎ）の変化は限定的であるため、この調整変調手段を使用した装置の色調整範囲も限定的である。したがって、後述のように、図１に示す上記装置は追加の色調整機構を使用している。
【０００７】
図２は、共振波長の変化と直径８０ナノメートルのＡｇナノ粒子の周囲の液晶材料の屈折率との関係をシミュレーションするグラフである。例えば、市販のうち最も複屈折性が高い複屈折液晶ですら、Δｎの値が僅か０．３であり、この場合、図２に示すシミュレーション結果において得られる調整範囲は僅か８０ｎｍである。研究所からは、Δｎの値が０．７９程度に高い液晶が報告されているが、このような材料の性能は保証されていない。他にも、こうした材料が、ナノプラズモンディスプレイへの使用に要求される適切な応答時間または閾値電圧を持たない可能性もある。
【０００８】
上述のように、液晶の上記複屈折効果により得られる屈折率の実効変化は、公称値Δｎより小さい。この結果、等方性誘電体媒体の使用を想定した場合の波長調整範囲が、予測より小さくなる。また、上記液晶媒体を貫く電場に揃えて上記液晶分子を均一に配向させた場合、上記反射光は強い角度依存性を持つことになる。商業的成功を収められる商品を実現するために、上記第１および第２の課題の両方を克服する必要がある。
【０００９】
上述のディスプレイでは、光波長の調整は、主として、液晶の上記屈折率の印加電場に応じた上記変調に基づいている。しかし、液晶の屈折率の調整範囲が限定的であるため、プラズモン共鳴が上記可視波長の帯域外であることが求められる“黒”状態を実現することは特に困難である。
【００１０】
媒体の屈折率を大幅に調整することなく反射型ディスプレイの黒色状態を実現することは有利である。
【発明の概要】
【００１１】
本発明は、光学式スプリット用の光子液晶導波路を設けた表示装置と、上記表示装置において黒色を反射する反射方法とを提供する。
【００１２】
本発明の一様態では、光学式スプリット用のフォトニック液晶導波路を設けた表示装置を提供する。上記表示装置は、周期パターン状に形成する一組の下層電極と、上記一組の下層電極の上に形成された一組の上層電極と、電場の変化に応じて液晶分子の配向を変化させるような双極子を持つ液晶分子を含む液晶（ＬＣ）材料からなり、上記一組の下層電極の上に形成する第１誘電体層と、離散する複数のプラズモン粒子を含み、上記一組の上層電極と上記一組の下層電極との間に形成され、上記第１誘電体層と接触しているプラズモン層とを備えている。
【００１３】
本発明の他の様態では、光学式スプリット用の上記フォトニック液晶導波路を設けた上記表示装置において黒色を反射する反射方法を提供する。上記反射方法は、周期パターン状に形成する一組の下層電極と、上記一組の下層電極の上に形成する一組の上層電極と、電場の変化に応じて液晶分子の配向を変化させるような双極子を持つ液晶分子を含む液晶（ＬＣ）材料からなり、上記一組の下層電極の上に形成する第１誘電体層と、離散する複数のプラズモン粒子を含み、上記一組の上層電極と上記一組の下層電極との間に形成され、上記第１誘電体層と接触しているプラズモン層とを備える反射型表示装置を用意し、上記上層電極に入射するフルスペクトルの可視光を受光する工程と、波長ピークを１つ持ち、上記波長ピークのスペクトル半値全幅（ＦＷＨＭ）が上記可視光の可視スペクトルの帯域内に収まる第１原色を反射する工程と、上記一組の上層電極と上記一組の下層電極との間に電位差を取り入れ、電場を発生させる工程と、上記電場に応じて、上記液晶分子の上記双極子を局所的に配向させる工程と、上記ＬＣ分子の双極子の局所的な配向に応じて、上記可視スペクトルの帯域外の光の波長を反射する工程とを備える反射方法である。
【００１４】
本発明の上記目的および他の目的、特徴、および利点は、添付図面を参照して、以下の発明の詳細な記載を考察することで、さらに容易に理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】液晶などの電気光学材料の屈折率を電気的に変調させて色調整を行ったナノプラズモンディスプレイを示す部分断面図である。
【図２】共振波長の変化と直径８０ナノメートルのＡｇナノ粒子の周囲の液晶材料の屈折率との関係をシミュレーションするグラフである。
【図３】光学式スプリットフォトニック液晶導波路を設けた表示装置を示す部分断面図である。
【図４Ａ】図３に示す表示装置の平面図であって、上層電極パターンの一例を示す。
【図４Ｂ】図３に示す表示装置の平面図であって、上層電極パターンの一例を示す。
【図５】図３に示す表示装置の部分断面図であって、上層電極と下層電極との間に電位を発生させた場合の該表示装置を示す。
【図６Ａ】図３に示す表示装置の動作をより詳細に示す部分断面図である。
【図６Ｂ】図３に示す表示装置の動作をより詳細に示す部分断面図である。
【図７】図３に示す表示装置の変形例を示す部分断面図である。
【図８】永久双極子または誘起双極子により発生する電界の影響下にある液晶分子を示す図である。
【図９】液晶セル内の電界を変調させて光導波路アレイを形成する工程の断面図を示す。
【図１０Ａ】図１０Ａは、図３に示す表示装置の第２変形例を示す平面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図３に示す表示装置の第２変形例を示す部分断面図である。
【図１１】光学式スプリット用のフォトニック液晶導波路を使用して実現可能な表示装置において黒色を反射する反射方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
ステンドカラーガラスの作製手段として、金属ナノ構造に起因するプラズモン共鳴により生成される全範囲の色が古くから知られている。例えば、透明なガラスに金ナノ粒子を付加すると、深紅色が得られる。特定の色を生成することが可能なのは、プラズモン共鳴の周波数が、通常、上記金属ナノ構造物のサイズ、形状、および材料組成、並びに周辺環境の誘電特性に依存するためである。よって、これら特性の１つ以上を変化させて、金属ナノ構造物の光吸収と散乱スペクトル（および色）とを変更することができる。
【００１７】
入射する光学スペクトルを分離し、屈折率の大幅な調整を要することなく反射型表示装置の黒状態を実現する方法を本明細書に開示する。先ず、液晶（ＬＣ）分子を電気的に操作して光導波路を形成する。パターン状の電極を使用した場合、電場に応じて上記ＬＣ分子が配向するので、ＬＣセルの屈折率が周期的に変化する。次に、明確に設計した電極の周期的パターンに基づいたフォトニック結晶導波路を使用する。上記フォトニック結晶導波路は、入射する光学スペクトルを画素の異なる物理的領域へ分離する。次に、印加電圧を特定の範囲値に設定した場合、上記画素はどの可視色も反射しないので、屈折率の大幅な調整を要することなく上記黒状態を示す。
【００１８】
したがって、光学式スプリット用のフォトニック液晶導波路を使用して実現可能な表示装置において黒色を反射するための反射方法を提供する。反射型表示装置は、周期パターン状に形成した一組の下層電極と、上記周期パターン状に形成した上記一組の下層電極の上に形成した一組の上層電極とを備える。上記一組の下層電極上には、双極子を電場に対応させた分子を含む液晶（ＬＣ）材料からなる第１誘電体層を形成する。また、上記一組の上層電極と上記一組の下層電極との間には、離散する複数のプラズモン粒子を含むプラズモン層を上記一組の上層電極と接触させて形成する。上記反射方法では、上記一組の上層電極に入射するフルスペクトルの可視光を受光する。そして、上記可視光の可視スペクトルのうち第１原色を反射する。なお、上記第１原色は、波長ピーク値を１つ持ち、上記波長ピーク値のスペクトル半値全幅（ＦＷＨＭ）が上記可視スペクトルの帯域内にある原色でである。その後、上記一組の上層電極と上記一組の下層電極との間の電位を印加して、電場を発生させる。上記液晶分子の双極子は上記電場に応じて局所的に配向し、この配向に応じて、上記可視スペクトルの帯域外の光の波長が反射される。
【００１９】
上記ＬＣ分子の双極子が局所的な配向を示さない領域では、上記第１誘電体の屈折率が、上記第１原色に関連する第１屈折率となる。一方、対応する上層電極と下層電極との間に形成される各局所配向領域からなる上記第１誘電体層の複数の局所配向領域では、上記電場によって双極子が局所的に配向する。同時に、上記複数の局所配向領域を囲む上記第１誘電体の非局所配向領域において、上記ＬＣ分子の双極子の非配向状態は保持される。よって、上記非局所配向領域では、上記受光した光に対する上記第１誘電体の屈折率は上記第１屈折率であり、上記局所配向領域では、上記受光した光に対する上記第１誘電体の屈折率は第２屈折率となる。上記誘電体の異なる物理的領域の屈折率を上記第１屈折率と上記第２屈折率とに設定することで、上記入射光の光学スペクトルを分離する。そして、上記入射光の光学スペクトルの分離に応じて、上記可視スペクトルの帯域外の光の波長が反射される。すなわち、フォトニック結晶導波路を形成して、入射する上記可視スペクトルを分離する。そして、上記プラズモン層が設けられた上記フォトニック結晶導波路の出口では、どの可視光も反射されない。
【００２０】
以下に、上記方法と光学式スプリット用のフォトニック液晶導波路を設けた表示装置との更なる詳細を説明する。
【００２１】
図３は、光学式スプリット用のフォトニック液晶導波路を設けた表示装置を示す部分断面図である。装置３００は、周期パターン状に形成された一組の下層電極３０２を備える。すなわち、上記一組の下層電極３０２は繰り返し構成状に形成されている。以下により詳しく説明するように、上記周期パターンの一例は、外側境界が六角形状の正三角格子である。そして、上記周期パターン状に形成された上記一組の下層電極３０２の上に一組の上層電極３０４を形成する。例えば、上記一組の上層電極３０４と上記一組の下層電極３０２とは、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）ＺｎＯ、Ａｇナノワイヤ、またはカーボンナノチューブなどの透明材料であってもよい。上記一組の下層電極３０２の上に、双極子を電界に対応させた分子を含む液晶（ＬＣ）材料からなる第１誘電体層３０６を形成する。上記一組の上層電極３０４と上記一組の下層電極３０２との間に、離散する複数のプラズモン粒子３１０を含むプラズモン層３０８を上記第１誘電体層と接触させて形成する。
【００２２】
上記プラズモン粒子３１０の構造および配列は特に限定されない。一様態では、上記プラズモン粒子３１０は、中心を基準に対称的な構造である。このような中心を基準に対称的な構造の例として、ドーム型構造およびカップ型構造が挙げられる。中心を基準に対称的な形状は、反射力と視角との間の依存性を低く抑える傾向がある。上記プラズモン粒子３１０の他の構造例として、複合シェル型、卵型、ディスク型、球体型、ロッド型、棒型、ピラミッド型、および星型が挙げられる。なお、上記複合シェル型は、誘電性の外郭構造に囲まれた金属核を含むものでもよいし、金属性の外郭構造に囲まれた誘電性の核を含むものでもよい。一様態では、上記複合シェル型の誘電体の屈折率を電場に応じて変化させてもよい。なお、図示した構造および形状によって採用可能な構造および形状の全てが網羅されているわけではなく、他の構造や形状を採用した場合でも、上記装置を実現することが可能である。また、上記プラズモン粒子３１０の構造（形状）は均一であるが、各粒子のサイズは異なる。
【００２３】
上記プラズモン層３０８内の上記プラズモン粒子３１０をランダムに配置してもよいし、対称的なアレイ状に配置してもよい。また、本分野において公知な多様な２次元アレイパターンおよび３次元アレイパターン状に上記プラズモン粒子３１０を配置してもよい。上記プラズモン粒子３１０として、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｌなどの材料、またはこれら金属の合金を使用してもよい。概して、上記プラズモン粒子３１０のサイズを１０ナノメートル（ｎｍ）から３００ナノメートル（ｎｍ）の範囲としてもよいし、各プラズモン粒子３１０間の間隔を約７００ｎｍまたはそれ未満としてもよい。
【００２４】
図４Ａおよび４Ｂは、図３に示す表示装置の平面図であって、上記上層電極の上記周期パターンの例を示す。なお、上記一組の下層電極のパターンは、上記一組の上層電極のパターンと同じパターンである。図４Ａでは、上記上層電極３０４の上記周期パターンは、内周側に設けられ、円の円周上に配置された電極３０４ａを含み、各電極３０４ａの直径は第１直径４００であり、隣接する電極３０４ａの内周間のピッチが第１ピッチ４０２である。外周側に設けられ、六角形の各頂点に配置された電極３０４ｂを含み、各電極３０４ｂの直径は上記第１直径４００であり、隣接する電極３０４ｂの内周間のピッチが上記第１ピッチ４０２である。上記円の円周上に配置された上記電極３０４ａと上記六角形の各頂点に配置された上記電極３０４ｂとのうち互いに隣接する電極３０４ａと電極３０４ｂとの間のピッチは、上記第１ピッチ４０２である。他の様態では、上記上層電極（および上記下層電極）のパターンは、外周側に設けられ、複数の同心六角形の各頂点に配置された電極を含む。図示しないが、電極を上記周期パターンの外周側に設け、複数の六角形の各頂点に配置してもよい。上記周期パターンの外周側の六角形の数は特に限定されない。
【００２５】
図４Ｂに示す上記周期パターンは、パターン欠如を含んでいること以外は、図４Ａに示す上記周期パターンと同様である。この例では、上記パターン欠如として、直径が上記第１直径４００より大きな第２直径４０４である中心電極３０４ｄを追加している。また、外周側に設けられる上記電極３０４ｂが各頂点に配置される六角形を１つのみ示しているが、上記周期パターンの外周側の六角形の数は特に限定されない。
【００２６】
例えば、上記第１直径４００を約１００ナノメートル（ｎｍ）とし、隣接する電極の中心間の上記第１ピッチ４０２を約３００ｎｍとしてもよい。この構成によると、上記上層電極と上記下層電極との間に０Ｖの電位を印加した場合、約６５０ｎｍの波長の光はディスプレイによって反射される。
【００２７】
なお、上述した周期パターン以外にも数多くの周期パターンがあり、これら他の周期パターンを採用した場合でも、上記可視スペクトルの帯域外の色（すなわち、黒色）を反射する上述の表示装置を実現する上記第１誘電体層の実効屈折率を得られることが理解されるであろう。上述の周期パターンは上記装置を説明するための例に過ぎず、上記装置は特定のパターン型に限定されない。また、上述のパターン欠陥以外の他のパターン欠陥を採用した場合でも、上述の周期パターンによるものと同様の光学式スプリット効果を奏すことが理解されるであろう。
【００２８】
図３では、上記第１誘電体層３０６の屈折率は、上記一組の上層電極３０４と上記一組の下層電極３０２との間の０Ｖの電位に応じた第１屈折率である。フルスペクトルの入射可視光を受光すると、上記表示装置３００は、上記上層電極３０４と上記下層電極３０２との間の０Ｖの電位に応じて、上記可視光のスペクトルの第１色を反射する。
【００２９】
図５は、図３に示す表示装置を示す部分断面図であって、上記上層電極と上記下層電極との間に電位を発生させた場合の上記表示装置を示す。この場合、上記第１誘電体層３０６の屈折率では、複数の第２屈折率領域５００と第１電圧および上記電極パターンに応じて形成される第１屈折率領域５０２とを含む屈折率パターンが生成される。図示するように、各第２屈折率領域５００は、上記第１誘電体層３０６において、各上層電極３０４とそれに対応する下層電極３０２との間に柱状に形成される。一方、上記第１屈折率領域５０２は、上記第１誘電体層３０６において、上記複数の第２屈折率領域５００を囲むように形成されている。上記上層電極３０４と上記下層電極３０２との間に上記第１電圧を印加している場合応、上記表示装置３００は上記可視スペクトルの如何なる色（例えば、黒色）も反射しない。
【００３０】
図６Ａおよび６Ｂは、図３に示す表示装置の動作をより詳細に示す部分断面図である。図６Ａでは、フルスペクトルの光が入射され、上記表示装置３００によって第１色（例えば赤色）が反射される一方で、可視スペクトルの上記第１色以外の光は上記表示装置３００を透過している。図６Ｂでは、上記第１電圧に応じて、上記第１色（例えば赤色）が上記第２屈折率領域５００（図５参照）を透過している。また、上記第１電圧に応じて、上記第１色以外の色（例えば、赤色以外の全色）が上記第１屈折率領域５０２を透過している。上記第１誘電体層３０６の上記屈折率パターンによって、上記入射された光のスペクトルを光学的に分離する。上記入射光のスペクトルが光学的に分離されると、上記第１色（スペクトル）の光を上記第１屈折率領域５０２内をチャネリングにより進行させ、上記第１色以外の色（スペクトル）の光を上記第２屈折領域５００をチャネリングにより進行させる。その結果、上記可視スペクトル域外の波長光は上記ディスプレイによって反射される。光学式スプリットの身近な一例としてプリズムが挙げられる。上記第２屈折率領域５００を透過する上記第１色と上記第１屈折率領域５０２を透過する上記第１色以外の色とは、反射されることなく上記プラズモン層を透過する。したがって、如何なる可視光も反射されない。“黒状態”のメカニズムは、全体の“有効屈折率”に基づくものではなく、上記電極パターンによって決定される上記第１誘電体層３０６内の屈折率の詳細な分布に基づくものである。
【００３１】
図７は、図３に示す表示装置の変形を示す部分断面図である。この様態では、プラズモン層３０８と下層電極３０２との間に、非導電性材料からなる第２誘電体層７００を形成する。上記プラズモン層３０８を第１誘電体層（図示せず）の上方に形成する場合、上記プラズモン層３０８と上層電極との間に、上記第２誘電体層７００を形成してもよい。
【００３２】
金属または他の材料内に存在する自由電子ガスの量子振動状態であるプラズモンは、光と構造物との相互作用に影響を及ぼし、上記構造物の外見色を決定する。通常、表面プラズモンに光をカップリングさせてこの現象を引き起こし、表面プラズモンポラリトンを発生させる。金属ナノ構造の色を調整することが可能である。これは、上記金属ナノ構造のプラズモン共鳴周波数が、通常、プラズモン粒子のサイズおよび形状と、プラズモン粒子間の距離と、周辺物質の誘電特性とに基づいているためである。したがって、上記特性の１以上を変化させることで、金属構造物の光吸収および散乱スペクトラム（および色）を変化させることができる。
【００３３】
科学者および技術者は液晶を多様な用途に使用することができるが、これは、外部摂動により液晶系のマクロ的性質を大幅に変化させることが可能なためである。そして、これらマクロ的性質の変化を生じさせるために、電場および磁場を使用することが可能である。上記電場および磁場の規模は、液晶分子の配列速度とともに、この業界が取り扱う重要な特性である。最後に、配向子を特定の方向に配向させるために、液晶装置において特別な表面処理を行うことができる。
【００３４】
図８は、永久双極子または誘起双極子により発生させた電界の影響下にある液晶分子を示す図である。電場に対する液晶分子の反応は、産業上利用する主要な特性である。外部場に沿って配列するという配向子の能力は、液晶分子の電気的性質に因るものである。分子の一端が正味の正電荷を持ち、他端が正味の負電荷を持つ場合、永久電気双極子が引き起こされる。上記液晶に外部電場を印加した場合、ダイポール分子は上記外部電場の方向に沿って配向する傾向がある。実線矢印は上記外部電場の電場ベクトルを示し、破線矢印は液晶分子に作用する電気力を示す。
【００３５】
分子が永久双極子を形成しない場合でも、電場により上記分子に影響を及ぼすことが可能である。場合によっては、上記電場により、上記分子の電子と陽子が僅かに再配置されて、誘起電気双極子が発生する。永久双極子ほど強くないものの、上記外部場による配向が生じる。
【００３６】
液晶材料の複屈折性の影響により、各金属ナノ粒子の有効屈折率は、実際には、２軸に沿った屈折率の平方平均となる。よって、上記液晶分子の配列に応じて異なる有効屈折率を得ることができる。仮に全液晶分子をプラズモン層と平行に配列した場合、有効屈折率は最小値ｎｏ（すなわち、通常の屈折率値）となる。一方、上記液晶分子を上記プラズモン層の表面に対して垂直に配列した場合、上記有効屈折率は、その最大値である、（（ｎｅ２＋ｎｏ２）／２）の平方根となる。この屈折率の変化が、ネマチック液晶により得られる最大値である。
【００３７】
図９は、液晶セル内の電界を変調させて光導波路アレイを形成する工程の断面図を示す。液晶分子９００は印加電場に応答するので、上記液晶セル内に光導波路を形成するように電極パターンを設計する。左側の図では、上記上層電極と上記下層電極との間に電位が発生している場合、上記液晶分子９００は上記力線に応じて配向するので、異なる領域間で異なる配向を示す。典型的に、電場が強い領域では、液晶分子が再配向する。右側の図では、領域間で異なる上記配向状態によって、各領域の有効屈折率が異なる。上記液晶材料の複屈折性により、各プラズモン粒子の有効屈折率は、実際には、２方向に沿う屈折率の平方平均である。したがって、電場に応じた液晶分子の配向によって、液晶セル内の屈折率は、周期的に変化する。
【００３８】
このように屈折率を周期的に変化させることで、光導波路と全種類の導波路アレイとを形成することが可能である。例えば、コンタクト（電極）を円形状にパターニングした場合、電圧を印加することで円筒導波路を形成することが可能である。なお、図９を明瞭にするために、上記プラズモン層は図示しない。
【００３９】
従来、上記暗状態を得るためには、表示装置のプラズモン共鳴を上記可視範囲の外にする必要があった。上記表示装置のプラズモン共鳴を上記可視範囲の外に設定することで、上記反射光は近赤外線の光または紫外線領域の光になり、不可視光となる。しかし、液晶の屈折率の調整範囲は限られているため、上述のように表示装置のプラズモン共鳴を上記可視範囲の外に置くことは、非常に困難である。図６Ａおよび６Ｂでは、光学スペクトルを異なる領域に分離して上記暗表示を実現する新たな構造を示している。図６Ａでは、上記有効指数がｎ１の場合、上記表示セルによって赤（第１）色が反射される。この状態では、赤色のプラズモン共鳴が上記指数ｎ１に対応する。図６Ｂでは、異なる波長光を異なる光学導波路に導くことで、上記赤色の光を他の波長から分離する。スペクトルを分離した場合、赤色光も他の波長も反射されない（黒表示）。そして、上記第１誘電体の屈折率ｎがｎ＝ｎ１の場合、上記プラズモン構造により赤色光が反射される。一方、ｎ＝ｎ２の場合、赤色光は反射されない。また、ｎ＝ｎ１の場合には、他の波長は反射されない。
【００４０】
この原理に基づき、スペクトルの分離を行うことで黒表示を実現するという目的を達成することの出来る多くの他の導波路アレイ設計がある。本実施形態に開示する導波路アレイ設計では、フォトニック結晶導波路が使用されている。
【００４１】
図４Ａおよび４Ｂに示した上記フォトニック結晶導波路またはファイバ（ＰＣＦ）設計は、フォトニック結晶の特性に応じた光ファイバの新たな種類を採用することにより実現可能である。中空コアに光を閉じ込める能力または従来の光ファイバでは得られなかった閉じ込め能力により、ＰＣＦは、現在、光ファイバー通信、ファイバーレーザ、非線形装置、高出力伝送、高感度ガス検出器、および他の分野に使用されている。より具体的なＰＣＦのカテゴリとして、フォトニックバンドギャップファイバ（バンドギャップ効果により光を閉じ込めるＰＣＦ）と、ホーリーファイバ（ファイバ断面の気孔を使用するＰＣＦ）と、空孔アシストファイバ（気孔を採用して変更した従来の高屈折率コアにより光をチャネリングにより進行させるＰＣＦ）と、ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）ファイバ（多層膜の同心円状の輪により形成したフォトニックバンドギャップファイバ）とがある。
【００４２】
図１０Ａは、図３に示す表示装置の第２変形を示す平面図であり、図１０Ｂは、図３に示す表示装置の第２変形を示す部分断面図である。フォトニック結晶導波路は、入射光学スペクトルの狭域部分を閉じ込めることができ、光学スペクトルのスプリットを行うために使用することができる。光のバンドギャップ構造を適切に設計した場合、第１（例えば赤色）光λ１を上記中央領域に閉じ込めて、チャネリングにより進行させることができる。また、短波長については、周辺に設けられた、カットオフ波長がλｃ＜λ１の円筒導波管の内部を伝播させることができる。接触（電極）のサイズは、〜λ１の波長スケールである。なお、上記中央電極を電極の上記周期パターンの欠陥として理解してもよい。
【００４３】
なお、“反射”は、光波または光線を説明する古典的概念であることは明らかである。ただし、構造物が光の波長と比較して大幅に小さい場合、反射という概念は適用できない。
【００４４】
上記ｎ１領域上に入射する赤色光は反射されない反面、上記ｎ１領域を透過することもなく、上記ｎ２領域へと導かれる。
【００４５】
図１１は、光学式スプリットフォトニック液晶導波路を使用した場合の表示装置において黒色を反射する方法を示すフローチャートである。説明を明確にするために、上記方法を番号付けした一連の工程として記述しているが、この番号が必ずしも上記工程の順番を決定するわけではない。上記反射方法のある様態では、上記工程を省略したり、平行して行ったり、または、一連の順番から逸れて行ってもよい。しかし、通常、上記工程を番号順に行う。よって、上記反射方法は、ステップ１１００から開始する。
【００４６】
ステップ１１０２では、周期パターン状に形成した下層電極と上記下層電極の上方に形成した上層電極とを備える反射型表示装置を用意する。上記下層電極上には第１誘電体層が形成され、上記第１誘電体層は、双極子が電場に対応している分子を含む液晶材料からなる。一様態では、ステップ１１０２では、液晶分子ＬＣの双極子を局所的に配向させず、上記第１原色に関連付けられた第１屈折率を持つ第１誘電体を用意する。上記上層電極と上記下層電極との間に、複数の分散プラズモン粒子を含むプラズモン層を形成し、上記第１誘電体層と接しさせる。ステップ１１０４では、上記上層電極に入射する全スペクトル域の可視光を受光する。ステップ１１０６では、ピーク波長がひとつであって、スペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ）が光の可視スペクトル内にある第１原色を反射する。上記反射型表示装置の上記上層電極と上記下層電極との各々が、約１００ナノメートル（ｎｍ）の第１直径を持ち、隣接する電極の中心間の距離が約３００ｎｍの電極である場合、ステップ１１０６では、約６５０ｎｍの波長光が反射される。
【００４７】
ステップ１１０６後、ステップ１１０８では、上記上層電極と上記下層電極との間に（第１）電位を印加し、電場を発生させる。ステップ１１１０では、上記電場に応じて、液晶分子の双極子を局所的に配向させる。ステップ１１１２では、上記液晶分子の双極子の局所的な配向に応じて、上記可視スペクトル域外の波長光を反射する。
【００４８】
一態様では、ステップ１１０３ａでは、上記上層電極と上記下層電極との間に０Ｖ電位を印加する。ステップ１１０３ｂでは、上記上層電極と上記下層電極との間に零電場を発生させるので、上記液晶分子の双極子の配向が引き起こされない。なお、０より大きく上記第１電圧未満の電圧を印加した場合でも、上記液晶分子の双極子は配向しない。
【００４９】
他の様態では、ステップ１１１０において上記電場に応じた上記液晶分子の双極子の配向を引き起こす工程は、サブ工程を含む。ステップ１１１０ａでは、対応する上層電極および下層電極の間に形成された上記第１誘電体層の複数の配向領域において、上記液晶分子の双極子を配向させる。そして、ステップ１１１０ｂでは、上記複数の配向領域を囲む上記第１誘電体層の非配向領域では、上記液晶分子の双極子を配向させない。なお、ステップ１１１０ａでは、上記非配向領域に入射した光に対する上記第１誘電体層の屈折率は、上記第１屈折率である。また、ステップ１１１０ｂでは、上記第１誘電体層の上記入射した光に対する屈折率は、上記配向領域に応じて、上記第１屈折率と第２屈折率とである。
【００５０】
別の言い方をすれば、ステップ１１１０ａとステップ１１１０ｂとにおいて上記第１屈折率と上記第２屈折率とを各々同時に発生させる工程は、ステップ１１０４で受光した入射光のうち、上記第１色の光を上記配向領域をチャネリングにより進行させ、上記第１色光以外の色の光を上記非配向領域をチャネリングにより進行させて、上記入射光のスペクトルを光学的に分離する工程を含んでいる。そして、ステップ１１１２において上記可視スペクトル域外の上記波長光を反射する工程では、上記入射光のスペクトルの光学式分離に応じて、上記可視スペクトル域外の波長光を反射する。
【００５１】
光学式スプリットフォトニック液晶導波路を用いて使用可能な表示装置を、その方法および使用法と共に提供する。特定の材料と構造との例を示して本発明を説明したが、本発明はこれらの例のみに限定されない。本発明の他の変形および実施形態は、当業者にとって明らかであろう。
【００５２】
本明細書の上述の説明において使用したタームならびに表現は本発明を説明するものであり、何ら制限を加えるものではない。したがって、このようなタームおよび表現の使用において、図示および説明した構成またはその一部と同等の構成を排除する意図はなく、本発明の範囲を下記のクレームのみによって規定および制限していることが認識されるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
2013512459.tif 000015
【図１１】
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【国際調査報告】
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