(57)【要約】【課題】　ピクセルの構造が簡単で、光結晶のカラー領域別の高い反射率を用いて高い光効率および高い色対比の比率を有するディスプレイ可能なバンドギャップ調節を用いた光調節装置および光結晶ディスプレイ装置を提供する。【解決手段】　バンドギャップ調節を用いた光結晶ディスプレイ装置は、電場に応じて変化する屈折率を有する物質を含み、それぞれ互いに異なった周波数領域でフォトニックバンドギャップを有する複数の光結晶、および光結晶にそれぞれ任意の電場を独立して印加できるように光結晶の両面にそれぞれ形成された透明電極を備え、光結晶のフォトニックバンドギャップの大きさは、光結晶にそれぞれ対応する透明電極にそれぞれ印加される電圧によって調節される。【選択図】　　　図４
2004062206.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　電場に応じて屈折率が変化する物質を含み、特定の周波数領域でフォトニックバンドギャップを有する光結晶と、
　前記光結晶の両面に配され、電圧が印加される少なくとも１つの上部透明電極および下部透明電極とを備え、
　前記光結晶のフォトニックバンドギャップの大きさは、前記上部および下部透明電極の間に印加される電圧によって調節されることを特徴とするバンドギャップ調節を用いた光調節装置。
【請求項２】
　前記光結晶に印加された電場に基づいて前記光結晶から特定の周波数領域で反射される可視光の反射量を調節可能であることを特徴とする請求項１に記載のバンドギャップ調節を用いた光調節装置。
【請求項３】
　前記光結晶に印加された電場に基づいて前記光結晶から特定の周波数領域で透過される可視光の透過量を調節可能であることを特徴とする請求項１に記載のバンドギャップ調節を用いた光調節装置。
【請求項４】
　前記上部および下部透明電極がそれぞれコーティングされた上部透明基板および下部透明基板をさらに含み、
　前記上部および下部透明基板は、前記光結晶に電場を印加することができ、前記光結晶の前記上部面および前記下部面にそれぞれ付着されていることを特徴とする請求項１に記載の光調節装置。
【請求項５】
　電場に応じて屈折率が変化する物質を含み、互いに異なった周波数領域でフォトニックバンドギャップを有する複数の光結晶と、
　前記光結晶にそれぞれ所定の電場を独立して印加できるように前記光結晶の両面にそれぞれ形成された複数の透明電極とを備え、
　前記光結晶のフォトニックバンドギャップの大きさは、複数の前記透明電極のうちのいずれか１つに対応して印加される電圧によって調節されることを特徴とするバンドギャップ調節を用いた光結晶ディスプレイ装置。
【請求項６】
　前記光結晶が、二次元平面状に配列されていることを特徴とする請求項５に記載のバンドギャップ調節を用いた光結晶ディスプレイ装置。
【請求項７】
　前記光結晶が垂直に配列されていることを特徴とする請求項５に記載のバンドギャップ調節を用いた光結晶ディスプレイ装置。
【請求項８】
　前記光結晶に印加された電場に基づいて前記光結晶からそれぞれ特定の周波数領域で反射される可視光の反射量を調節可能であることを特徴とする請求項５に記載のバンドギャップ調節を用いた光結晶ディスプレイ装置。
【請求項９】
　前記光結晶に印加された電場に基づいて前記光結晶からそれぞれ特定の周波数領域で透過される可視光の透過量を調節可能であることを特徴とする請求項５に記載のバンドギャップ調節を用いた光結晶ディスプレイ装置。
【請求項１０】
　前記光結晶のそれぞれに所定の電場を独立して印加可能な透明電極パターンがコーティングされた複数の透明基板をさらに含み、
　前記透明基板は、前記各光結晶の両面に付着されていることを特徴とする請求項５に記載のバンドギャップ調節を用いた光結晶ディスプレイ装置。
【請求項１１】
　前記光結晶との間の電気的・空間的分離のために前記光結晶の間に設けられた複数の絶縁スペーサをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載のバンドギャップ調節を用いた光結晶ディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、ディスプレイ装置に関し、より詳しくは、電場を調節して光結晶を構成する物質間の屈折率の差を調節することによってフォトニックバンドギャップの大きさを調節する、バンドギャップ調節を用いた光調節装置および光結晶ディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
　光結晶は、屈折率または誘電率が互いに異なった２つ以上の物質が格子状に規則的に配列されていることを特徴とする。フォトニックバンドギャップは、このような互いに異なった屈折率を有する物質の規則的な配列によって形成される。フォトニックバンドギャップの特徴の１つは、特定の周波数または波長を有する電磁波の光結晶内への伝播を防ぐことにある。
【０００３】
　光結晶のフォトニックバンドギャップが可視光領域に形成されており、光結晶に入射する光の周波数または波長がフォトニックバンドギャップに相当する場合、理論的に９９％以上の入射光が光結晶から反射される。反対に、フォトニックバンドギャップ以外の周波数または波長を有する入射光は、ほとんど光結晶を透過する。
　このように、フォトニックバンドギャップの大きさは、光結晶を構成する物質の屈折率の差によって主に決定されるため、このような物質の屈折率を用いてフォトニックバンドギャップを調節する研究が進行されつつある。
【０００４】
　しかし、未だ、光結晶のフォトニックバンドギャップの調節を用いたディスプレイ装置は開発されていない現状である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
　本発明の技術的課題は、ピクセルの構造が簡単で、光結晶のカラー領域別の高い反射率を用いて高い光効率および高い色対比の比率を有するディスプレイ可能なバンドギャップ調節を用いた光調節装置および光結晶ディスプレイ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
　上記の技術的課題を解決するため、本発明は、電場に応じて屈折率が変化する物質を含み、特定の周波数領域でフォトニックバンドギャップを有する光結晶、および前記光結晶の両面に配され、電圧が印加される少なくとも１つの上部透明電極および下部透明電極を備え、前記光結晶のフォトニックバンドギャップの大きさは、前記上部および下部透明電極の間に印加される電圧によって調節されることを特徴とする。
【０００７】
　また、本発明は、上記の他の技術的課題を解決するため、電場に応じて屈折率が変化する物質を含み、互いに異なった周波数領域でフォトニックバンドギャップを有する複数の光結晶、および前記光結晶にそれぞれ所定の電場を独立して印加できるように前記光結晶の両面にそれぞれ形成された複数の透明電極を備え、前記光結晶のフォトニックバンドギャップの大きさは、複数の前記透明電極のうちのいずれか１つに対応して印加される電圧によって調節されることを特徴とする。
【０００８】
　前記光結晶は、二次元平面状に配列されているのが好ましい。
　また、前記光結晶は、垂直に配列されているのが好ましい。
　そして、前記光結晶に印加された電圧に基づいて前記光結晶からそれぞれの特定の周波数領域で反射される可視光の反射量を調節することができる。
　前記光結晶に印加された電圧に基づいて前記光結晶からそれぞれの特定の周波数領域で透過される可視光の透過量を調節することができる。
【０００９】
　前記光結晶との間の電気的・空間的分離のため、前記光結晶または前記単位ピクセルの間に絶縁スペーサが設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
　本発明は、光結晶のカラー領域別の高い反射率を用いることにより、高い光効率および高い色対比の比率を有するディスプレイが可能となる。
　三次元光結晶を用いる場合、入射光の入射方向または偏光方向に関係なく特定カラーの反射量または透過量を調節することができるため、広い視野角を有するディスプレイが可能となる。
【００１１】
　フォトニックバンドギャップを有するためには、約５層程度の反復的な構造が必要となり、１層の厚さが数百ｎｍであるため、単位ピクセルの大きさを最小数μｍ程度に小さくすることができる。
　また、単位ピクセルの構造が簡単で、外部光を用いる場合、電力消耗が少なく、軽くて薄い光結晶ディスプレイ装置を提供することができる。
【００１２】
　外部光が強いほど反射光と透過光が強くなるため、屋外視認性が良好であるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
　以下、添付の図面を参照して本発明についてより詳しく説明する。
　図１は、ポリスチレンコロイド粒子がｆｃｃ（ｆａｃｅ ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ）構造で積層され形成されたオパール構造の三次元構造を示している。
　多くのコロイド粒子は、ほぼ１００ｎｍ〜５００ｎｍの直径を有する。図１において使用されるポリスチレンコロイド粒子の粒径は、２００ｎｍであり、屈折率は、約１．６である。
【００１４】
　光結晶のフォトニックバンドギャップは、光結晶の格子構造の形態、単位格子の大きさ、構成物質の屈折率の差によって決められる。
　光結晶のフォトニックバンドギャップが形成される周波数は、次の関係式「ｆ〜ｃ／２ａ」を満足する。ここで、ｆは周波数、ｃは真空における光速、ａは光結晶の単位格子の大きさである。また、フォトニックバンドギャップの大きさは、光結晶を構成する物質間の屈折率の差によって主に決められる。
【００１５】
　図２は、図１の光結晶が有するフォトニックバンドギャップにおいて特定の方向に反射される光の反射率を光の波長別に示したグラフである。
　フォトニックバンドギャップは、オパール構造の光結晶の空いた空間、即ち、コロイド粒子間を電気−光学（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ）物質で満たした後、電気−光学物質とコロイド粒子との屈折率の差を調節することによって形成される。
【００１６】
　電気−光学物質とコロイド物質との屈折率の差は、外部から電場を印加することによって調節される。
　具体的には、電気−光学物質とコロイド粒子との屈折率の差が特定値の未満となるように電場を印加すると、フォトニックバンドギャップは形成されない。その反面、特定値以上となるように電場を印加すると、フォトニックバンドギャップは形成される。このとき、バンドギャップの大きさは、屈折率の差に比例する。
【００１７】
　従って、図１のようにフォトニックバンドギャップを有する光結晶の空いた空間を強誘電液晶を満たした後、光結晶に電場を印加してフォトニックバンドギャップの大きさを調節することによって、図２に示された反射領域の幅を調節することができる。
　図３ａ乃至図３ｃは、本発明の実施例に係るバンドギャップ調節を用いた光調節装置の動作を示した図である。
【００１８】
　同図に示されたように、本発明の実施例に係るバンドギャップ調節を用いた光調節装置は、光結晶１０１、上部透明基板１０２、下部透明基板１０３、電圧を供給する電源１０４およびそれぞれ上部および下部透明基板１０２、１０４にコーティングされた上部透明電極１１４および下部透明電極１１５を備えている。
　光結晶１０１は、電場に応じて屈折率が変化する電気−光学物質と電場に応じて屈折率が変化しない１つ以上の物質（例えば、ポリスチレンコロイド粒子）とで構成される。これによって、光結晶１０１のフォトニックバンドギャップの大きさは、電場によって調節することができる。
【００１９】
　また、光結晶１０１は、周波数領域の所定の大きさΔｆ（所定の周波数ｆＬから所定の周波数ｆＨまで：Δｆ（＝ｆＨ−ｆＬ））のフォトニックバンドギャップを有し得る格子構造の形態および単位格子の大きさを有する。
　なお、光結晶１０１は、電場に応じて屈折率が変化する１つの物質と電場に応じて屈折率が変化しない１つ以上の物質との間の屈折率の差変化によって周波数領域の所定の大きさであるΔｆのフォトニックバンドギャップを有し得る。
【００２０】
　光結晶１０１の上部面および下部面には、上部透明基板１０２と下部透明基板１０３が配置される。上部および下部透明電極１１４、１１５が光結晶１０１に電場を印加し得るように上部および下部透明基板１０２、１０３には、上部および下部透明電極１１４、１１５がコーティングされる。電場は、電源１０４から上部および下部透明電極１１４、１１５の間に印加される電圧よって形成される。
【００２１】
　光結晶１０１のフォトニックバンドギャップの大きさは、電源１０４から上部および下部基板１０２、１０３の間に印加される電圧によって調節される。
　図３ａは、上部透明基板１０２と下部透明基板１０３との間に特定の電圧Ｖ１が印加されることを示す。
　特定の電圧Ｖ１は、電場によって屈折率が変化する物質とその他の物質との屈折率の差異値（Δｒ１）がフォトニックバンドギャップを形成し得る特定値より小さくなるように印加される電圧である。即ち、特定の電圧（Ｖ１）は、フォトニックバンドギャップの大きさが零（Δｆ（Ｖ１）＝０）となるように印加される電圧であって、これによって光結晶１０１は、反射領域を有することができなくなる。
【００２２】
　このとき、それぞれｆ１（１０５）、ｆ２（１０６）、ｆ３（１０７）の周波数を有する可視光が光結晶１０１に入射される場合、各入射光は、光結晶１０１を透過するようになる。
　図３ｂは、上部および下部透明電極１１４、１１５の間に特定の電圧Ｖ２が印加されることを示す。特定の電圧Ｖ２は、電場によって屈折率が変化する物質とその他の物質との屈折率の差異値（Δｒ２）がフォトニックバンドギャップを形成し得る特定値より大きくなるように印加される電圧である。このとき、特定のフォトニックバンドギャップの大きさΔｆ（Ｖ２）＝（ｆＨ（Ｖ２）−ｆＬ（Ｖ２））を有する。
【００２３】
　入射光のうち、フォトニックバンドギャップに相当する光１０８、即ち、周波数ｆ２を有し、ｆＬ（Ｖ２）＜ｆ２＜ｆＨ（Ｖ２）の条件を満たす光１０８は、光結晶１０１で反射される。また、ｆＬ（Ｖ２）より小さな周波数ｆ１を有する光１０９とｆＨ（Ｖ２）より大きい周波数ｆ３を有する光１１０は、光結晶１０１を透過する。
　図３ｃは、上部および下部透明電極１１４、１１５の間に特定の電圧Ｖ３が印加されることを示す。特定の電圧Ｖ３は、電場に応じて屈折率が変化する物質とその他の物質との屈折率の差異値（Δｒ３）が屈折率の差異値（Δｒ２）より大きくなるように印加される電圧である。このとき、フォトニックバンドギャップの大きさは、Δｆ（Ｖ３）＝（ｆＨ（Ｖ３）−ｆＬ（Ｖ３））となる。
【００２４】
　なお、入射光の各周波数ｆ１（１１１）、ｆ２（１１２）およびｆ３（１１３）の全部がｆＬ（Ｖ３）より大きくｆＨ（Ｖ３）より小さい条件では、フォトニックバンドギャップに相当するそれぞれの入射光は、光結晶１０１で反射される。
　図４は、本発明の実施例に係る反射型カラー光結晶ディスプレイのための平面状単位ピクセルの構造を示す。
【００２５】
　同図４に示されたように、反射型カラー光結晶ディスプレイは、２つ以上のカラーの組合わせによって所定のカラーを具現する。
　単位ピクセルは、格子構造の形態または単位格子の大きさを互いに異にする２つ以上の光結晶２０１、２０２、２０３からなる。本発明では、一例として３つの光結晶を示している。格子構造の形態または単位格子の大きさが異なる理由は、複数の光結晶２０１、２０２、２０３が互いに異なったカラーの可視光周波数領域でフォトニックバンドギャップを有するためである。
【００２６】
　また、光結晶２０１、２０２、２０３のそれぞれは、電場に応じて屈折率が変化する１つの物質と電場に応じて屈折率が変化しない１つ以上の物質とで構成される。
　入射光のうち、第１の特定カラーの周波数領域Δｖ１でフォトニックバンドギャップを有し得る第１の光結晶２０１、第２の特定カラーの周波数領域Δｖ２でフォトニックバンドギャップを有し得る第２の光結晶２０２および第３の特定カラーの周波数領域Δｖ３でフォトニックバンドギャップを有し得る第３の光結晶２０３などは、図４のように二次元平面状に配列され、１つの単位ピクセルを構成する。
【００２７】
　これらの光結晶２０１、２０２、２０３の上部および下部のそれぞれには、透明電極がコーティングされた上部および下部透明基板２０４、２０５を備えている。また、上部透明基板２０４には、透明電極２０８〜２１０がコーティングされ、下部透明電極２０５には、透明電極２１１〜２１３がコーティングされる。透明電極２０８〜２１３は、光結晶２０１、２０２、２０３に独立して所定の電場を印加するためにコーティングされる。
【００２８】
　電場は、電源２０６から各光結晶２０１、２０２、２０３の上部および下部透明電極の間２０８と２１１、２０９と２１２、２１０と２１３に印加される電圧によってそれぞれ独立して形成される。
　絶縁スペーサ２０７は、各光結晶２０１、２０２、２０３および単位ピクセルを電気的、空間的に分離する。各光結晶２０１、２０２、２０３は、各光結晶２０１、２０２、２０３の上下部透明電極２０８と２１１、２０９と２１２、２１０と２１３に印加される所定の電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３によってそれぞれ互いに異なったカラーのΔｖ１、Δｖ２、Δｖ３の周波数領域内においてそれぞれΔｆ１（Ｖ１）、Δｆ２（Ｖ２）、Δｆ３（Ｖ３）の大きさを有するフォトニックバンドギャップを有する。
【００２９】
　また、これらは、各電圧の大きさに応じてそれぞれ最小「０」から最大Δｖ１、Δｖ２、Δｖ３まで変化し得る。また、単位ピクセルで反射される光のカラーと明るさは、各光結晶２０１、２０２、２０３で反射される互いに異なったカラーの光の反射量によって調節することができる。これは、各フォトニックバンドギャップの大きさに応じて各光結晶２０１、２０２、２０３で反射される光の反射量が決定されるためである。
【００３０】
　図５は、本発明の実施例に係る反射型および透過型カラー光結晶ディスプレイ装置の垂直積層状ピクセル構造を示した断面図である。
　単位ピクセルは、それぞれ互いに異なったカラーの可視光周波数領域でフォトニックバンドギャップを有するように、格子構造の形態または単位格子の大きさが互いに異なった２つ以上の光結晶３０１、３０２、３０３で構成される。本発明では、一例として３つの光結晶３０１、３０２、３０３を示している。
【００３１】
　全ての光結晶３０１、３０２、３０３は、電場に応じて屈折率が変化する１つの物質と電場に応じて屈折率が変化しない１つ以上の物質とで構成される。
　入射光のうち、第１の特定カラーの周波数領域Δｖ１でフォトニックバンドギャップを有し得る第１の光結晶３０１、第２の特定カラーの周波数領域Δｖ２でフォトニックバンドギャップを有し得る第２の光結晶３０２、第３の特定カラーの周波数領域Δｖ３でフォトニックバンドギャップを有し得る第３の光結晶３０３は、図５のように垂直に積層され、１つの単位ピクセルを構成する。
【００３２】
　各光結晶３０１、３０２、３０３の間には、透明電極３１０〜３１５がそれぞれコーティングされた透明基板３０４、３０５、３０６、３０７を備えている。透明電極３１０〜３１５は、光結晶３０１、３０２、３０３にそれぞれ独立して所定の電場を印加するため、透明基板３０４、３０５、３０６、３０７の上にコーティングされる。電場は、電源３０８から各光結晶３０１、３０２、３０３の上下部透明電極の間３１０と３１１、３１２と３１３、３１４と３１５に印加される電圧によってそれぞれ独立して形成される。
【００３３】
　単位ピクセルが二次元平面状に配列される場合、各単位ピクセルを構成する光結晶３０１、３０２、３０３は、絶縁スペーサ３０９によって電気的・空間的に分離される。
　各光結晶３０１、３０２、３０３は、それぞれの光結晶３０１、３０２、３０３の上下部透明電極３１０と３１１、３１２と３１３、３１４と３１５に印加される所定の電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３によって互いに異なったカラーのΔｖ１、Δｖ２、Δｖ３の周波数領域内でそれぞれΔｆ１（Ｖ１）、Δｆ２（Ｖ２）、Δｆ３（Ｖ３）の大きさを有するフォトニックバンドギャップを有する。また、これらは、各電圧の大きさに応じてそれぞれ最小「０」から最大Δｖ１、Δｖ２、Δｖ３まで変化し得る。
【００３４】
　単位ピクセルで反射される光のカラーと明るさは、各光結晶３０１、３０２、３０３で反射される互いに異なったカラーの光の反射量によって調節される。なお、各光結晶３０１、３０２、３０３で反射される互いに異なったカラーの光の反射量は、各フォトニックバンドギャップの大きさによって決められる。
　また、単位ピクセルを透過する光のカラーと明るさは、各光結晶３０１、３０２、３０３で透過される互いに異なったカラーの光の透過量によって調節される。なお、各光結晶３０１、３０２、３０３を透過する互いに異なったカラーの光の透過量は、それぞれΔｖ１−Δｆ１（Ｖ１）、Δｖ２−Δｆ２（Ｖ２）、Δｖ３−Δｆ３（Ｖ３）の周波数領域によって決められる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
　本発明は、ピクセルの構造が簡単で、光結晶のカラー領域別の高い反射率を用いて高い光効率および高い色対比の比率を有するディスプレイ可能なバンドギャップ調節を用いた光調節装置および光結晶ディスプレイ装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】直径２００ｎｍのポリスチレン（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ）コロイド粒子が積層され形成されたオパール構造の光結晶のＳＥＭ写真である。
【図２】図１の光結晶においてフォトニックバンドギャップによって反射される光の波長による反射率を示したグラフである。
【図３Ａ】本発明の好適な実施例に係るバンドギャップ調節を用いた光調節装置の動作を示した図である。
【図３Ｂ】本発明の好適な実施例に係るバンドギャップ調節を用いた光調節装置の動作を示した図である。
【図３Ｃ】本発明の好適な実施例に係るバンドギャップ調節を用いた光調節装置の動作を示した図である。
【図４】本発明の好適な実施例に係る２つ以上のカラーの組合わせで任意のカラーを具現することのできる反射型カラー光結晶ディスプレイのための平面状単位ピクセルの構造を示した図である。
【図５】本発明の好適な実施例に係る反射型および透過型カラー光結晶ディスプレイ装置の垂直積層状ピクセル構造を示した断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
　１０１、２０１、２０２、２０３、３０１、３０２、３０３　　光結晶
　１０２、２０４　　上部透明基板
　１０３、２０５　　下部透明基板
　１１４　　上部透明電極
　１１５　　下部透明電極
　３０４、３０５、３０６、３０７　　透明基板
　２０８〜２１３、３１０〜３１５　　透明電極
【図１】
2004062206.tif 000003
【図２】
2004062206.tif 000004
【図３Ａ】
2004062206.tif 000005
【図３Ｂ】
2004062206.tif 000006
【図３Ｃ】
2004062206.tif 000007
【図４】
2004062206.tif 000008
【図５】
2004062206.tif 000009