(57)【要約】【課題】良好な応答速度特性が得られ動画表示に好適な光機能素子、該光機能素子からなるカラー表示素子及び該カラー表示素子を用いた平面型表示装置を提供する。【解決手段】屈折率が可変である強誘電体膜と該強誘電体膜と屈折率の異なる透明薄膜とが積層された構造を有する透過波長制御層２と、前記強誘電体膜の屈折率を変化させる屈折率制御手段３とを備え、屈折率制御手段３が透過波長制御層２の少なくとも一部の強誘電体膜の屈折率を変化させることにより、入射光のうち特定波長領域の光についての透過・遮蔽を制御するとともに、少なくとも可視光波長領域の前記特定波長領域以外の光を透過する。【選択図】図２
2007310081.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率が可変である強誘電体膜と該強誘電体膜と屈折率の異なる透明薄膜とが積層された構造を有する透過波長制御層と、前記強誘電体膜の屈折率を変化させる屈折率制御手段とを備え、
前記屈折率制御手段が前記透過波長制御層の少なくとも一部の強誘電体膜の屈折率を変化させることにより、入射光のうち特定波長領域の光についての透過・遮蔽を制御するとともに、少なくとも可視光波長領域の前記特定波長領域以外の光を透過することを特徴とする光機能素子。
【請求項２】
前記強誘電体膜は、電気光学材料からなることを特徴とする請求項１に記載の光機能素子。
【請求項３】
前記強誘電体膜は、少なくともトリゴナル結晶系ＬｉＮｂＯ3、トリゴナル結晶系ＬｉＴａＯ３、ペロブスカイト結晶系ＢａＮａＮｂ５Ｏ１５、ＰｂＬａＺｒＴｉ酸化物、ＰｂＬａＬｉＺｒＴｉ酸化物、ＰｂＺｒＴｉ酸化物、ＫＴｉＯＰＯ４、ＫＮｂＯ３のいずれかを含むことを特徴とする請求項１に記載の光機能素子。
【請求項４】
前記透明薄膜は導電性を有する透明導電膜であって、該透明導電膜が前記強誘電体膜それぞれの両面に設けられており、
前記屈折率制御手段は、前記透明導電膜を介して前記強誘電体膜に電圧を印加して該強誘電体膜の屈折率を変化させるものであることを特徴とする請求項１に記載の光機能素子。
【請求項５】
前記透明導電膜は、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＣｄＩｎ２Ｏ４、Ｃｄ２ＳｎＯ４、Ｚｎ２ＳｎＯ４、Ｓｎが添加されたＩｎ２Ｏ３、ＳｂまたはＦが添加されたＳｎＯ２、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌのいずれかが添加されたＺｎＯのいずれかを少なくとも含んでなることを特徴とする請求項４に記載の光機能素子。
【請求項６】
前記屈折率制御手段は、直流電圧若しくは交流電圧、または直流電圧と交流電圧が混合された電圧を印加することを特徴とする請求項４に記載の光機能素子。
【請求項７】
前記特定波長領域の光は、赤色、緑色、青色のいずれかの波長領域の光であることを特徴とする請求項１に記載の光機能素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一に記載の光機能素子であって前記特定波長領域が異なる複数の光機能素子からなり、該光機能素子それぞれの透過波長制御層が光入射方向に積層されていることを特徴とするカラー表示素子。
【請求項９】
前記複数の光機能素子は、前記特定波長領域の光を赤色の波長領域の光とした前記光機能素子と、前記特定波長領域の光を緑色の波長領域の光とした前記光機能素子と、前記特定波長領域の光を青色の波長領域の光とした前記光機能素子であることを特徴とする請求項８に記載のカラー表示素子。
【請求項１０】
請求項８または９に記載のカラー表示素子が１画素単位として平面上に配列されてなる表示モジュールと、前記表示モジュールの背面側に設けられ、該表示モジュールに光を照射するバックライトモジュールとを備えることを特徴とする平面型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光機能素子、カラー表示素子及び平面型表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
テレビジョン受像機やパーソナルコンピュータをはじめとした情報端末機器等の表示装置は、薄型化、軽量化、大画面化、高精細表示化の要求に答えるため、重量、厚み、表示サイズに限界のあるブラウン管（ＣＲＴ）からフラットパネル表示装置（平面型表示装置）への移行する開発が盛んに行われている。このうち、情報端末機器のフラットパネル表示装置としては液晶ディスプレイが広く普及しており、高輝度化、大型化が昨今研究及び開発が行われている。
【０００３】
液晶ディスプレイは液晶を利用した表示装置であり、透明電極を具備した２枚のガラス板の間に液晶材料を封入し、電圧をかけることによって液晶分子の向きを変え、光の透過率を増減させることで像を表示する構造になっている。液晶自体は発光せず、明るいところでは反射光を、暗いところでは背後に仕込んだ蛍光燈(バックライト)の光を使って表示を行う。この液晶ディスプレイはＣＲＴディスプレイやプラズマ・ディスプレイ・パネル(ＰＤＰ)など他の表示装置に比べて薄くて軽いので、携帯用コンピュータや省スペースデスクトップパソコンによく使われている。
【０００４】
このような液晶ディスプレイには、画素を選択しその画素の液晶セルの偏光面を変化させる方式として、ＳＴＮ方式やＤＳＴＮ方式などの単純マトリクス方式と、薄膜トランジスタを使ったアクティブマトリクス方式がある。単純マトリクス方式は、縦と横に導体線を配置し、その交点に液晶セルを配するもので、選択は縦と横の導体線で行い、交点の液晶セルには縦と横の導体線から電圧を印加して偏光面を変化させる。この方式は構成が簡単で安価だが、導体交点の電界が隣接する交点に影響しクロストークを発生させるという問題がある。一方、アクティブマトリクス方式は前記縦横の導体線の交点に薄膜トランジスタを配し、その出力段に液晶セルを結合したものである。選択は薄膜トランジスタのゲートで行い、薄膜トランジスタによって液晶セルに電圧を印加し偏光面を変化させる。この方式は薄膜トランジスタを設けるためコストは高くなるが、各交点の電界が完全に分離されるのでクロストークが回避でき表示品位が高い。液晶ディスプレイはブラウン管やプラズマ・ディスプレイに比べて薄く、軽量であるためパーソナルコンピュータなどの情報機器の表示装置に広く使われてきた。近年では、３２インチ以上の大型液晶ディスプレイの製造技術が進展し、テレビ分野にその用途が急速に拡大している。
【０００５】
図１は、ＴＮ型液晶ディスプレイの原理図である。
図１（ａ）に示すように、偏光フィルターを上下に配し、その間に、透明電極を具備した２枚のガラス板を設け、このガラス板の間に液晶材料を封入した液晶セルを作り、光を図中上端からこの液晶セルに入射させる。また、上下の偏光フィルターは偏光方向が直交するように９０度配置されており、透明電極の上には表面に細い溝が多数配された配向膜と呼ばれる膜が設けられている。また、棒状の液晶分子は配向膜の溝に沿って配列するため、上下配向膜をその溝の向きが９０度の直交する関係になるように配すると液晶分子も図１（ａ）に示すように、上から下方向に向かって順次９０度にねじれた状態に配列する。
【０００６】
ここで、上下の透明電極が同電位のとき（図１（ａ））は、図中上から入射し上側の偏光フィルターを通った光は液晶分子と同じ向きに回転して下側の偏光フィルターに到達する。このとき上下の偏光フィルターは９０度配置になっているので、光は下の偏光フィルターを通過する（白表示の状態）。
【０００７】
つぎに、透明電極に電圧を印加すると（図１（ｂ））、ガラス間の電界によって液晶分子の配列が変化しガラス間の複屈折状態が変わる。その結果、図中上端から入射した光は該電圧の有無によって、偏光面の回転が変化し下の偏光フィルターを通過する光強度が変化する。図１（ｂ）は透明電極に十分大きい電圧をかけて液晶分子を垂直にした場合である。このときは、上から入った光は液晶中を直進し、偏光面が回転しない。従って、光は下部の偏光フィルターを通過できない（黒表示の状態）。
【０００８】
液晶ディスプレイは、この光強度変化を画像情報の変調に利用するものである。なお、液晶自体は発光しないので光は前記したように外部の光を使う。この外部光源には、液晶ディスプレイ本体背面に冷陰極管やＬＥＤのバックライト発光源を具備した透過型と外光を液晶ディスプレイの面に当てる反射型がある。また、カラー画像を表示するには、三つの液晶セル（サブ画素）を一つの画素として各サブ画素に赤、緑、青のカラーフィルターを設け三つのサブ画素から出る光の加法混色によって色情報を表示する。
【０００９】
このような液晶の特徴を生かして、平面型表示装置及び平面型表示装置の製造方法が数多く提案されている（非特許文献１参照。）が、液晶ディスプレイは、薄く、軽量であり、大画面にも適用できるなど様々な利点を有する一方、表示原理に起因する技術課題もある。以下にその課題を列挙する。
【００１０】
（１）応答速度が遅い
液晶ディスプレイの応答時間は、ブラウン管やプラズマ・ディスプレイに比べて遅い。動画表示をする場合、画像が尾を引き流れる現象が起こり、動画が主な表示対象であるテレビでは画質劣化の大きな原因となっている。液晶の応答速度が遅い原因は主に、液晶の粘度および層の厚みのため液晶分子の配向変化が印加波形に十分追従できないためである。
【００１１】
（２）ホールド型表示によるボケ
液晶ディスプレイは、画面が常に点灯状態にあり，消えることがなく、１フレーム期間（１６．７ ｍｓ）に同じ画像が表示され続けられるホールド型表示である。この表示画面に対し，見る人は表示された物体が動いていると判断し、次のフレームの物体の進行方向へ視点を移動させる。このため、実際の表示位置と視点位置とにずれが生じ，このずれが網膜に蓄積されボケとなって観察される。ブラウン管の点順次やプラズマ・ディスプレイの線順次方式はこのボケが原理的にほとんどない。
【００１２】
（３）視野角が狭い
ブラウン管やプラズマ・ディスプレイに比べて液晶ディスプレイは視野角が狭い。これは、液晶ディスプレイが液晶分子の配向による複屈折性を光の強度変調に用いていることが原因である。液晶分子の配向による複屈折性は光の方向によって変わるため、見る方向によって光の強度変調が異なり、視野角依存性が発生する。テレビ用途の液晶ディスプレイの開発では、視野角を広げることが大きな技術課題となっている。
【００１３】
（４）暗所コントラストが低い
明表示の輝度を暗表示の輝度で割った値をコントラストという。暗室で測定されるコントラストを「暗所コントラスト」といい、通常の照明が点灯した室内で測定したコントラストを「明所コントラスト」という。これらは表示品位の重要な指標の一つである。コントラストが低い表示装置では、白黒の表示が不明瞭になるだけではなく、カラー表示の色純度が低下する。
【００１４】
液晶ディスプレイは、暗所コントラストが低く完全な黒を表示することが難しい。これは、バックライトの光を液晶セルが完全に遮蔽しきれないためである。その原因には、偏光フィルターの偏光度が１００％ではないこと、液晶層やカラーフィルターによって偏光が不完全になることなどがある。その結果、視野角によっては、黒であっても光が漏れて見え、ダイナミックレンジの低い映像となる場合がある。これは液晶ディスプレイを映像用途に用いる場合の大きな技術問題となっている。
【００１５】
一方、明所コントラストは、透過型液晶ディスプレイの方がブラウン管やＰＤＰに比べてむしろ高い。明所コントラストでは、表示された輝度に加えて周囲の照明が表示面で反射された光も同時に測定する。明所コントラストは「通常、ディスプレイを見る条件」に近い。液晶ディスプレイの表示面の反射率は、ＰＤＰやブラウン管の表示面より低く、明所コントラストが高くなる。これは、ブラウン管やＰＤＰでは白色で反射率の高い蛍光体が表示表面付近にあるのに対し、液晶ディスプレイでは光を吸収するカラーフィルターや偏光板が表示面にあるためである。
【００１６】
現在の液晶パネルの暗所コントラストは５００〜１０００程度であって、暗い室内で画像を見る場合にはコントラストが問題になる。一方、明るい室内で使用する用途ではほとんど問題にならない。
【００１７】
（５）消費電力が大きい
透過型液晶ディスプレイでは、バックライト光の９０％以上が偏光フィルターやカラーフィルターによって吸収されてしまうため、バックライトを除いた液晶素子の透過率は５〜１０％でしかない。このため、同一サイズ、同輝度のプラズマ・ディスプレイに比べて消費電力が高くなる。バックライトを具備しない反射型液晶ディスプレイは低消費電力用途の表示素子として広く使われている。液晶ディスプレイは交流駆動であって、表示内容を書き換えない静止画であっても、表示を維持するには充放電のための電力が必要である。このため、表示を持続しなければならい電子ブックなどの用途には消費電力が問題になる。このような用途に対して電気泳動ディスプレイなどの持続型ディスプレイの開発が進められている。
【００１８】
（６）画素の欠陥を完全になくすことができない
液晶ディスプレイは極めて微細な構造をしている。現在最も広く使われているアクティブマトリクス方式では、画素数の三倍という膨大な数の薄膜トランジスタがガラス基板上に形成されている。トランジスタは異物混入に極めて弱い電子素子であるため数オングストローム程度の塵であっても動作不良を起こす。画素に関連した薄膜トランジスタを含む電子回路に異常があるとその画素は正常に機能しない。このため、画素欠陥が発生する。現状では、液晶ディスプレイ1面辺り２〜３個程度の画素欠陥を容認しないと液晶ディスプレイのコストは１０倍にも上昇するといわれており、事実上、画素欠陥をなくすことができない。
【００１９】
（７）解像度の限界
画素単位の表示であるため解像度を上げるには、薄膜トランジスタを含む画素セルそのものを物理的に小さくしなければならない。前記したようにカラー表示は三つの画素セル（サブ画素）に赤、緑、青のカラーフィルターを配して加法混色によって行う。これはブラウン管やプラズマ・ディスプレイなどの現在ある電子表示装置と同じ方法である。すなわち、一画素は三つのサブ画素によって構成されており、微細加工技術を駆使して画素を小さくしても、カラーを表示する一画素を作るにはその１/３のサブ画素をつくらなければならない。
【００２０】
以上のような問題点に対し、前記（１）の応答速度が遅いことについては、（ａ）液晶材料の低粘度化、（ｂ）液晶層厚の低減、（ｃ）表示駆動波形をオーバーシュートさせるオーバードライブ方式などによって改善が図られ、（２）のホールド型表示によるボケについては、（ｄ）表示フレーム間への黒表示の挿入や（ｅ）バックライトの明滅などによって対策が図られてきた。しかしながら、応答速度の改善やボケの低減は見られるもののブラウン管やプラズマ・ディスプレイの特性には達していない。また、（３）の視野角については、ＩＰＳ（インプレインスイッチング）方式や、ＶＡ（垂直配向）方式によって対策が採られている。これらは、液晶分子の配向の組み合わせを工夫して、複屈折性が見る人の方向にできるだけ依存しないようにする方法である。液晶性分子を用いた位相差フィルムを偏光フィルターと液晶層との間に配置して視野角を拡大する工夫もなされている。しかしながら、これについてもブラウン管やプラズマ・ディスプレイの特性には達していない。また、（４）の暗所コントラストが低いことについては偏光板と液晶層、カラーフィルターの特性改善が図られているが、十分な改善が得られていない。さらに、（６）の画素の欠陥を完全になくすことができないことや（７）の解像度の限界については、もっぱら、微細加工技術と製造技術の進展に頼るしか方法がなく、（５）の消費電力については、偏光板を通すことによって５０％の光が損失となる原理的なことがあり、あまり進展がないのが現状である。
【００２１】
これに対して、液晶による偏光面の回転と偏光板の組み合わせによる光強度制御とは原理の異なった新しい光強度制御方法の提案があり、例えば、三次元のフォトニック結晶を用いた高速光制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。これは、光制御の機能を持つ基本構造が基板上に形成した三次元構造となっているものである。三次元の微細構造を形成するプロセスは非常に複雑で高い精度も必要であり、特にディスプレイの用途では、前述したように画素数に相当する莫大な数の構造を形成しなければならない。さらに、形成する面積もＬＳＩを作る場合に比べて桁違いに大きい。従って、極めて安定した構造とプロセスでなければ実用性がなく、前記（６）の画素の欠陥を完全になくすことや（７）の解像度を上げることに対応できない。
このようなことを考慮すると、前記問題を解決できる、極めて安定した構造を持ち、極めて安定した簡便なプロセスによって形成できる光機能素子、カラー表示素子及び平面型表示装置が望まれていることがわかる。
【００２２】
【特許文献１】特開２００４−６２２０６号公報
【非特許文献１】「液晶のしくみがわかる本」（著者名：竹添秀男、出版社：技術評論社）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
本発明は、以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであり、良好な応答速度特性が得られ動画表示に好適な光機能素子、該光機能素子からなるカラー表示素子及び該カラー表示素子を用いた平面型表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
前記課題を解決するために提供する請求項１の発明は、屈折率が可変である強誘電体膜と該強誘電体膜と屈折率の異なる透明薄膜とが積層された構造を有する透過波長制御層と、前記強誘電体膜の屈折率を変化させる屈折率制御手段とを備え、前記屈折率制御手段が前記透過波長制御層の少なくとも一部の強誘電体膜の屈折率を変化させることにより、入射光のうち特定波長領域の光についての透過・遮蔽を制御するとともに、少なくとも可視光波長領域の前記特定波長領域以外の光を透過することを特徴とする光機能素子である。
【００２５】
また前記課題を解決するために提供する請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記強誘電体膜は、電気光学材料からなることを特徴とする光機能素子である。
【００２６】
また前記課題を解決するために提供する請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記強誘電体膜は、少なくともトリゴナル結晶系ＬｉＮｂＯ3、トリゴナル結晶系ＬｉＴａＯ３、ペロブスカイト結晶系ＢａＮａＮｂ５Ｏ１５、ＰｂＬａＺｒＴｉ酸化物、ＰｂＬａＬｉＺｒＴｉ酸化物、ＰｂＺｒＴｉ酸化物、ＫＴｉＯＰＯ４、ＫＮｂＯ３のいずれかを含むことを特徴とする光機能素子である。
【００２７】
また前記課題を解決するために提供する請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記透明薄膜は導電性を有する透明導電膜であって、該透明導電膜が前記強誘電体膜それぞれの両面に設けられており、前記屈折率制御手段は、前記透明導電膜を介して前記強誘電体膜に電圧を印加して該強誘電体膜の屈折率を変化させるものであることを特徴とする光機能素子である。
【００２８】
また前記課題を解決するために提供する請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記透明導電膜は、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＣｄＩｎ２Ｏ４、Ｃｄ２ＳｎＯ４、Ｚｎ２ＳｎＯ４、Ｓｎが添加されたＩｎ２Ｏ３、ＳｂまたはＦが添加されたＳｎＯ２、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌのいずれかが添加されたＺｎＯのいずれかを少なくとも含んでなることを特徴とする光機能素子である。
【００２９】
また前記課題を解決するために提供する請求項６の発明は、請求項４の発明において、前記屈折率制御手段は、直流電圧若しくは交流電圧、または直流電圧と交流電圧が混合された電圧を印加することを特徴とする光機能素子である。
【００３０】
また前記課題を解決するために提供する請求項７の発明は、請求項１の発明において、前記特定波長領域の光は、赤色、緑色、青色のいずれかの波長領域の光であることを特徴とする光機能素子である。
【００３１】
前記課題を解決するために提供する請求項８の発明は、請求項１〜７のいずれか一に記載の光機能素子であって前記特定波長領域が異なる複数の光機能素子からなり、該光機能素子それぞれの透過波長制御層が光入射方向に積層されていることを特徴とするカラー表示素子である。
【００３２】
また前記課題を解決するために提供する請求項９の発明は、請求項８の発明において、前記複数の光機能素子は、前記特定波長領域の光を赤色の波長領域の光とした前記光機能素子と、前記特定波長領域の光を緑色の波長領域の光とした前記光機能素子と、前記特定波長領域の光を青色の波長領域の光とした前記光機能素子であることを特徴とするカラー表示素子である。
【００３３】
前記課題を解決するために提供する請求項１０の発明は、請求項８または９に記載のカラー表示素子が１画素単位として平面上に配列されてなる表示モジュールと、前記表示モジュールの背面側に設けられ、該表示モジュールに光を照射するバックライトモジュールとを備えることを特徴とする平面型表示装置である。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の光機能素子によれば、動画表示に好適な高速の応答速度を得ることができる。すなわち、本発明の光機能素子は、透過波長制御層において、例えば強誘電体膜の電気光学材料に電圧を印加することにより、その構成要素（強誘電体膜）の屈折率を変化させフォトニックバンド波長を変化させることで特定波長の光の透過率を制御し、つぎの２つの状態のいずれかに高速で移行させて特定波長領域での光の透過・遮蔽動作を高速で行うことを可能ならしめるものである。
（１）特定波長領域の光の透過状態；透過波長制御層が特定波長Ｂを含む波長領域（波長領域Ａ）の光を透過する状態。
（２）特定波長領域の光の遮蔽状態；透過波長制御層がフォトニックバンド波長のシフトにより前記波長領域Ｂの光は透過せず、該波長領域Ｂ以外の波長領域Ａ´の光を透過する状態。
【００３５】
また本発明のカラー表示素子によれば、動画のカラー表示に好適な高速の応答速度を得ることができる。すなわち、本発明のカラー表示素子は、積層された光機能素子ごとでそれぞれの光機能素子固有の特定波長の光について、前記光の透過・遮蔽動作を高速で行うことにより、高速のカラー表示を可能ならしめるものである。
【００３６】
また本発明の平面型表示装置は、このカラー表示素子と光源との積層構造とすることで、動画表示に優れたものとすることができ、表示装置としての小型化を達成することも可能である。具体的にはつぎのような効果がある。
（１）カラーフィルターを要しない平面型表示装置（平面ディスプレイ）が構成できる。
（２）１つのカラー表示素子（１画素）で全色を表示できる平面型表示装置が構成できる。
（３）従来の３倍の画素密度の平面型表示装置が実現できる。
（４）電気光学効果などの屈折率変化を利用しているため、液晶に比べ高速なスイッチングスピードが得られ、動画特性に優れた平面型表示装置が構成できる。
（５）線順次駆動が可能で、ホールド型駆動のようなボケが少なくできる。
（６）画素ごとにＴＦＴが必要なく、廉価で、画素欠陥の少ない平面型表示装置ができる。
（７）光機能素子の層数を増やすことによって、入射光の透過阻止域の阻止度を上げることができ、黒レベルの極めて低い良質な画像を持った平面型表示装置を構成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下に、本発明に係る光機能素子の構成について説明する。
図２は、本発明に係る光機能素子の構成を示す断面概略図である。
図２に示すように、光機能素子Ａは、透明基板１上に屈折率が可変である強誘電体膜と該強誘電体膜と屈折率の異なる透明薄膜とが積層された構造を有する透過波長制御層２と、前記強誘電体膜の屈折率を変化させる屈折率制御手段３とを備え、屈折率制御手段３が透過波長制御層２の少なくとも一部の強誘電体膜の屈折率を変化させることにより、入射光のうち特定波長領域の光についての透過・遮蔽を制御するとともに、少なくとも可視光波長領域の前記特定波長領域以外の光を透過するものである。
【００３８】
図３に、本発明の光機能素子のより具体的な構成例を示す。図３は光機能素子の断面構成図である。
光機能素子１０は、透明基板１１上に、屈折率が可変である強誘電体膜１２ａと強誘電体膜１２ａと屈折率の異なる透明導電膜１２ｂとが交互に積層され強誘電体膜１２ａそれぞれの両面に透明導電膜１２ｂが配置されている透過波長制御層１２が設けられており、屈折率制御手段の一態様として透明導電膜１２ｂそれぞれは電源１３に電気的に接続され、透過波長制御層１２の少なくとも一部の強誘電体膜１２ａに電圧が印加できるようになっている。
【００３９】
ここで、透明基板１１は可視光領域で吸収のない透明な支持基板がよく、後述するように透過波長制御層１２を形成する際に行われる熱処理に耐えられる程度の耐熱性が必要である。例えば石英基板が好適である。
【００４０】
透過波長制御層１２は、電源１３から透明導電膜１２ｂに電圧を印加していない状態で入射光に対して可視光波長領域のある特定波長領域を含む波長領域で透過性を有するものであり、電源１３から透明導電膜１２ｂに電圧を印加して該透明導電膜１２ｂで挟まれた強誘電体膜１２ａの屈折率を変化させることにより前記特定波長領域で反射特性を示すようにすることで該特定波長領域の光の透過を阻止（遮蔽）する機能を有している。詳しくは、透過波長制御層１２の透過特性として、電源１３からの電圧印加前は特定波長領域の波長領域を含み（透過）、電圧印加後はその特定波長領域を含まない（透過を阻止する）ようになっている。また、より詳しくは透過波長制御層１２の透過波長領域は、電圧印加前は後述する平面型表示装置において画像表示のために用いられる赤色、緑色、青色の三原波長領域のいずれかの特定波長領域を含み、電圧印加後は前記特定波長領域を含まないようになっている。
【００４１】
なお、赤色、緑色、青色の三原波長領域とは、例えば赤色の波長領域が５５０〜７００ｎｍであり、緑色の波長領域が４８０〜５６０ｎｍであり、青色の波長領域が３７０〜４７０ｎｍである。
【００４２】
また、このような透過波長制御層１２の透過特性は、目標の透過・反射特性に基づいて屈折率の異なる光学膜を組み合わせた光学多層膜を設計するという考え方で設定するものであり、ダイクロイックミラーのような選択波長型反射膜で用いられるような従来公知の設計技術を応用すればよい。すなわち、目標の特定波長領域の光に対して透過・遮蔽が可能となるように、印加される電圧を考慮しながら、強誘電体膜１２ａ、透明導電膜１２ｂそれぞれの構成材料（屈折率）、厚さ並びに積層数などを設定する。
【００４３】
透過波長制御層１２を構成する強誘電体膜１２ａは、電気光学材料からなるものであり、例えば少なくともトリゴナル結晶系ＬｉＮｂＯ3（２．２８６／２．４５６）、トリゴナル結晶系ＬｉＴａＯ３ （２．１７６／２．３４８）、ペロブスカイト結晶系ＢａＮａＮｂ５Ｏ１５（２．３２２／２．５２４）、ＰｂＬａＺｒＴｉ酸化物（２．２５４６／２．４６５２）、ＰｂＬａＬｉＺｒＴｉ酸化物（２．２６５４／２．４８７９）、ＰｂＺｒＴｉ酸化物（２．２８７４／２．５２４）、ＫＴｉＯＰＯ４（１．７７８０／１．９５４２）、ＫＮｂＯ３（２．３５２３／２．５３２５）、ｎｉｔｒｏ−ａｎｉｌｉｎｅ（１．６４９／１．６９８）いずれかを含むことが好ましい。これらの材料からなる強誘電体膜１２ａは例えば従来公知のスパッタリング法、蒸着法により形成するとよい。なお、括弧内は波長５６０ｎｍにおける屈折率を示しており、１つめの屈折率が電圧印加前（波長シフト前）、２つめの屈折率が電圧印加後（波長シフト後）の例を示している。
【００４４】
透明導電膜１２ｂは、Ｉｎ２Ｏ３(２．０１５)、ＳｎＯ２(２．０３５)、ＺｎＯ(１．９５３)、ＣｄＯ(２．４９２)、ＣｄＩｎ２Ｏ４(２．１２５)、Ｃｄ２ＳｎＯ４(２．１５５)、Ｚｎ２ＳｎＯ４(２．１４５)、Ｓｎが添加されたＩｎ２Ｏ３(２．１２０)、ＳｂまたはＦが添加されたＳｎＯ２(２．１７５)、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌのいずれかが添加されたＺｎＯ(１．９７３)のいずれかを少なくとも含んでなることが好ましい。これらの材料からなる透明導電膜１２ｂは例えば従来公知のスパッタリング法により形成するとよい。あるいは、ポリエチレンジオキシチオフェン(１．４９８)などの有機導電体を塗布により形成してもよい。なお、括弧内は波長５６０ｎｍにおける屈折率を示している。
【００４５】
屈折率制御手段を構成する電源１３は、強誘電体膜１２ａそれぞれに電圧が印加されるように透明導電膜１２ｂと電気的に接続されており、該強誘電体膜１２ａに所定の電圧を印加して屈折率を変化させ透過波長制御層１２が前記特定波長領域で反射特性を示すようにすることで該特定波長領域の光の透過を阻止（遮蔽）する。なお、透過波長制御層１２のすべての強誘電体膜１２ａに電圧を印加するようにしてもよいし、一部の強誘電体膜１２ａに電圧を印加するようにしてもよい。
【００４６】
また、電源１３は、透明導電膜１２ｂを介して強誘電体膜１２ａに直流電圧若しくは交流電圧、または直流電圧と交流電圧が混合された電圧を印加するようになっている。
【００４７】
次に、本発明に係る光機能素子の製造方法について説明する。ここでは、図３に示した光機能素子１０を製造する手順について以下に説明する。
（Ｓ１１）透明基板１１上に透明導電膜１２ｂを形成する。
（Ｓ１２）透明導電膜１２ｂを結晶化させるための熱処理を行う。このとき、透明導電膜１２ｂからの酸素の離脱を抑制するために酸素濃度が１８％以上の雰囲気中で加熱処理することが好ましく、酸素濃度１００％のときが最も好ましい。また、加熱温度としては６００〜８００℃の範囲内がよい。
（Ｓ１３）ステップＳ１１の透明導電膜１２ｂ上に強誘電体膜１２ａを形成する。
（Ｓ１４）ステップＳ１３の強誘電体膜１２ａ上に透明導電膜１２ｂを形成する。
（Ｓ１５）強誘電体膜１２ａ及び透明導電膜１２ｂを結晶化させるための熱処理を行う。このとき、強誘電体膜１２ａ及び透明導電膜１２ｂからの酸素の離脱を抑制するために酸素濃度が１８％以上の雰囲気中で加熱処理することが好ましく、酸素濃度１００％のときが最も好ましい。また、加熱温度としては６００〜８００℃の範囲内がよい。結晶化を促進させるためには６００℃以上が必要であり、強誘電体膜１２ａ、透明導電膜１２ｂ間の拡散を抑制するためには８００℃以下であることが必要である。
（Ｓ１６）最表層の透明導電膜１２ｂ上に、ステップＳ１３，Ｓ１４の処理を所定回数行い、所望の積層数の透過波長制御層１２を得る。
（Ｓ１７）透過波長制御層１２の所定の透明導電膜１２ｂと電源１３とを接続して、光機能素子１０を完成する。
【００４８】
なお、ステップＳ１２，Ｓ１５の熱処理は、透明導電膜１２ｂ／強誘電体膜１２ａ／透明導電膜１２ｂを所定の積層数だけ積層した後に行ってもよいが、透明導電膜１２ｂを予め結晶化させた後にその上に形成される強誘電体膜の結晶性が更によくなる。これは透明導電膜１２ｂの結晶が強誘電体膜１２ａの結晶化点となるために結晶性が向上するものと考えられる。したがって、ステップＳ１３及びＳ１４の成膜工程と、ステップＳ１４の熱処理工程とは交互に行うことが好ましい。
【００４９】
図４に、本発明の光機能素子の動作例を示す。ここでは、光機能素子の構成を図２に示す光機能素子１０とし、強誘電体膜１２ａをＰｂＬａＺｒＴｉ酸化物（ＰＬＺＴ）からなる層（ＰＬＺＴ層）、透明導電膜１２ｂをＳｎが添加されたＩｎ２Ｏ３（ＩＴＯ）からなる層（ＩＴＯ層）として、それぞれ層の厚さを８０〜１００ｎｍの範囲内で適宜設定し、定法のスパッタリング法で合計２１層となるように形成した後、結晶化のための熱処理を行ったものを前提としている。
【００５０】
ＩＴＯ層とＰＬＺＴ層の厚みを適切にすると、各層の光の多重干渉効果によって、ＩＴＯ層に電圧を印加しないときには、図４（ａ）に示すように波長λ１からλ２の間に透過域を有する波長特性が得られる。この透過域は可視光波長領域であり、例えば３８０ｎｍから７８０ｎｍとすることができる。
【００５１】
透過波長制御層１２のうちＩＴＯ層の一部を適切に選択し、選択したＩＴＯ層に電源１３から適切な電圧を印加すると、図４（ａ）の波長特性から、図４（ｂ）に示すような、中心波長がλｐ-Ｒで幅がλｒｌからλｒｈである赤色光の透過を阻止する阻止域を有する波長特性に変化させることができる。
【００５２】
以上のような光機能素子を用いると、該光機能素子に電圧印加なしの状態で図５の可視光範囲を持つ光を入射させると、光機能素子からは入射光の波長成分のままの透過光が出射される。ついで、前記の電圧印加操作を行うと、光機能素子から出射される透過光は赤の波長成分がほとんど無く、緑と青の波長成分を持つ光となる。このとき、赤の光の波長成分の一部も透過するが、該赤の阻止域を適切にすることによって色度を調整することができる。
【００５３】
また同様に、透過波長制御層１２のうちＩＴＯ層の一部を適切に選択し、選択したＩＴＯ層に適切な電圧を印加すると、図４（ａ）の波長特性から、中心波長がλｐ-Ｇで幅がλｇｌからλｇｈである緑色光の透過を阻止する阻止域を有する波長特性に変化させることができる（例えば、図７（ｃ））。このような光機能素子において、図５の可視光範囲を持つ光を入射させ、前記の電圧印加操作を行うと、光機能素子から出射される透過光は緑の波長成分がほとんど無く、赤と青の波長成分を持つ光となる。このとき、緑の光の波長成分の一部も透過するが、該緑の阻止域を適切にすることによって色度を調整することができる。
【００５４】
また同様に、透過波長制御層１２のうちＩＴＯ層の一部を適切に選択し、選択したＩＴＯ層に適切な電圧を印加すると、図４（ａ）の波長特性から、中心波長がλｐ-Ｂで幅がλｂｌからλｂｈである青色光の透過を阻止する阻止域を有する波長特性に変化させることができる（例えば、図７（ｂ））。このような光機能素子において、図５の可視光範囲を持つ光を入射させ、前記の電圧印加操作を行うと、光機能素子から出射される透過光は青の波長成分がほとんど無く、赤と緑の波長成分を持つ光となる。このとき、青の光の波長成分の一部も透過するが、該青の阻止域を適切にすることによって色度を調整することができる。
【００５５】
つぎに、本発明に係るカラー表示素子について説明する。
本発明のカラー表示素子は、前述した本発明の光機能素子であって透過・遮蔽の制御対象となる特定波長領域の異なる複数の光機能素子からなり、該光機能素子それぞれの透過波長制御層が光入射方向に積層されているものである。
【００５６】
図６に、本発明のカラー表示素子の構成例を示す。
カラー表示素子２０は、前記特定波長領域の光を赤色の波長領域の光とし透過波長制御層１２Ｒと電源１３Ｒからなる前記光機能素子と、前記特定波長領域の光を緑色の波長領域の光とし透過波長制御層１２Ｇと電源１３Ｇからなる前記光機能素子と、前記特定波長領域の光を青色の波長領域の光とし透過波長制御層１２Ｂと電源１３Ｂからなる前記光機能素子からなり、透過波長制御層１２Ｒ、透過波長制御層１２Ｇ、透過波長制御層１２Ｂが透明基板１１上に光入射方向に積層されているものである。なお、透過波長制御層１２Ｒ、透過波長制御層１２Ｇ、透過波長制御層１２Ｂの積層の順番は図６で示す順番に限定されるものではなく、任意の順番で積層可能である。
【００５７】
また、透過波長制御層１２Ｒ、透過波長制御層１２Ｇ、透過波長制御層１２Ｂそれぞれの透明導電膜に電圧を印加する前の波長特性（透過特性）は全く同じにする必要はなく、例えば図４（ａ）における透過域である波長λ１からλ２でおよそ５０％以上の透過率をもっていれば良い。また、透過波長制御層１２Ｒ、透過波長制御層１２Ｇ、透過波長制御層１２Ｂそれぞれの透過率曲線において透過域の部分が全く平坦である必要もなく、透過域の幅（λ２−λ１）、および透過域の透過率曲線の形も多少異なっていても良く、カラー表示素子２０の透過光の所望の色度範囲と所望の透過率によって決めることができる。したがって、透過波長制御層１２Ｒ、透過波長制御層１２Ｇ、透過波長制御層１２Ｂそれぞれの強誘電体膜１２ａ、透明導電膜１２ｂの層数と厚さも前記観点から任意に決めることができる。
【００５８】
このようなカラー表示素子２０は、まず前述の光機能素子の製造手順にしたがって、前記特定波長領域の光を赤色の波長領域の光とした場合の光機能素子を作製し、ついで同じ光機能素子の製造手順にしたがって、透過波長制御層１２Ｒ上に前記特定波長領域の光を緑色の波長領域の光とした場合の光機能素子を作製し、ついで同じ光機能素子の製造手順にしたがって、透過波長制御層１２Ｒ上に前記特定波長領域の光を青色の波長領域の光とした場合の光機能素子を作製して得る。
【００５９】
なお、透過波長制御層１２Ｒと透過波長制御層１２Ｇの間、透過波長制御層１２Ｇと透過波長制御層１２Ｂの間にＳｉＯ２などの透明膜を中間層として設けてもよい。
【００６０】
図７〜図１０に、本発明のカラー表示素子の動作原理を示す。図７，図８，図９，図１０ともに図中横軸を波長として、（ａ）にカラー表示素子としての透過光の波長特性、（ｂ）に透過波長制御層１２Ｂとしての透過光の波長特性、（ｃ）に透過波長制御層１２Ｇとしての透過光の波長特性、（ｄ）に透過波長制御層１２Ｒとしての透過光の波長特性を示している。またここでは、各光機能素子の構成を図２に示す光機能素子１０とし、透過波長制御層１２Ｒ、透過波長制御層１２Ｇ、透過波長制御層１２Ｂそれぞれを構成する強誘電体膜１２ａをＰｂＬａＺｒＴｉ酸化物（ＰＬＺＴ）からなる層（ＰＬＺＴ層）、透明導電膜１２ｂをＳｎが添加されたＩｎ２Ｏ３（ＩＴＯ）からなる層（ＩＴＯ層）として、それぞれ層の厚さを８０〜１００ｎｍの範囲内で適宜設定し、定法のスパッタリング法で積層形成した後、結晶化のための熱処理を行ったものを前提としている。
【００６１】
まず、図６のカラー表示素子の下部から図５に示す波長範囲を持つ光を入射させ、例えば、赤の光機能素子である透過波長制御層１２ＲのＩＴＯ層に電圧を印加せず、青と緑の機能素子である透過波長制御層１２Ｇ，透過波長制御層１２ＢのＩＴＯ層の一部を適切に選択し、適切な電圧を印加すると、図７に示すように、入射光は透過波長制御層１２Ｒを通過し（図７（ｄ））、透過波長制御層１２Ｇによって、緑の波長成分の大部分が阻止され（図７（ｃ））、透過波長制御層１２Ｂによって、青の波長成分の大部分が阻止される（図７（ｂ））。その結果、赤色の光がカラー表示素子２０から出射されることとなる（図７（ａ））。
【００６２】
また同様に、カラー表示素子２０から緑色の出射光を得るには、図８に示すように、透過波長制御層１２ＧのＩＴＯ層には電圧を印加せず、透過波長制御層１２Ｒ及び透過波長制御層１２ＢのＩＴＯ層を適切に選択して、適切な電圧を印加するとよい。すなわち、入射光は透過波長制御層１２Ｒによって、赤の波長成分の大部分が阻止され（図８（ｄ））、その透過した光は透過波長制御層１２Ｇをほぼそのまま透過し（図８（ｃ））、ついでその透過した光は透過波長制御層１２Ｂによって、青の波長成分の大部分が阻止される（図８（ｂ））。その結果、緑色の光がカラー表示素子２０から出射されることとなる（図８（ａ））。
【００６３】
また、カラー表示素子２０から青色の出射光を得るには、図９に示すように、透過波長制御層１２ＢのＩＴＯ層には電圧を印加せず、透過波長制御層１２Ｒ及び透過波長制御層１２ＧのＩＴＯ層を適切に選択して、適切な電圧を印加するとよい。
【００６４】
さらに、透過波長制御層１２Ｒ、透過波長制御層１２Ｇ、透過波長制御層１２ＢそれぞれのＩＴＯ層を適切に選択し、適切な電圧を印加すれば、前記の各光機能素子の機能から、任意の色度を持つ光をカラー表示素子２０から出射させることができる。例えば、図１０に示すように、透過波長制御層１２ＲのＩＴＯ層を適切に選択して、適切に電圧を印加し、波長特性として赤の波長成分を５０％阻止するようにし（図１０（ｄ））、透過波長制御層１２Ｇ及び透過波長制御層１２ＢのＩＴＯ層には電圧を印加せずにその透過した光をほぼそのまま透過させるようにする（図１０（ｂ）,（ｃ））と、カラー表示素子２０の出射光は図１０（ａ）に示すような波長特性となって、やや赤みがかった青緑色が出射される。
以上のように、本発明のカラー表示素子によれば１つのカラー表示素子を１画素として全色を表示できる機能を持つことができる。
【００６５】
なお、ここでは強誘電体膜１２ａ、透明導電膜１２ｂについてそれぞれＰＬＺＴ層、ＩＴＯ層と例示したが、これらの材料に限定されることなく本発明の主旨を逸脱しない範囲で、有機、無機材料を問わず、その種類、構造、条件等は適宜変更可能である。例えば、強誘電体膜１２ａに電圧を印加することで屈折率が可変な材料としてｎｉｔｒｏ−ａｎｉｌｉｎｅ、透明導電膜１２ｂにポリエチレンジオキシチオフェンなどを用いることも可能である。
【００６６】
つぎに、本発明に係る平面型表示装置について説明する。
図１１は、本発明の平面型表示装置の構成を示す断面図である。
平面型表示装置１００は、前述した本発明のカラー表示素子２０が１画素単位として平面上に配列されてなる表示モジュール１０１と、表示モジュール１０１の背面側に設けられ、表示モジュール１０１に光を照射するバックライトモジュール１０２とを備えることを特徴とするものである。
【００６７】
ここで、表示モジュール１０１は、図１２に示すように、１画素単位である本発明のカラー表示素子２０を縦横方向に所望の画素数に相当する数を形成したものである。例えば、ハイビジョン相当のディスプレイを作るには縦に１０８０個、横に１９２０個のカラー表示素子２０を形成する。また、横方向のラインを画素選択ラインとし、縦方向のラインをデータラインとなっている。縦方向のデータラインでは、１データラインが透過波長制御層１２Ｒ、透過波長制御層１２Ｇ、透過波長制御層１２Ｂそれぞれに対応して設けられた３本の素子ラインから構成されており、一つの素子ラインは、光機能素子の透明導電膜につながっており透明導電膜の層数に相当するライン数で構成されている。なお、データラインの構成方法は前記に限定する必要はなく、シリアル転送方式を用いて透明導電膜に電圧を時分割で印加する方法など自由に構成でき、それに応じてライン数を決めればよい。
【００６８】
バックライトモジュール１０２は、従来の液晶ディスプレイで用いられるバックライトモジュールと同じものでよい。また、光源としては赤色、緑色、青色それぞれの波長領域について狭帯域の光が得られるものがよく、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ(Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ)）やレーザー発振器などを用いるとよい。このときの光源の波長領域としては、例えば赤色についてはピーク波長６３０ｎｍ、半値幅２０ｎｍ、緑色についてはピーク波長５２０ｎｍ、半値幅２０ｎｍ、青色についてはピーク波長４７０ｎｍ、半値幅２０ｎｍである。
【００６９】
本発明の平面型表示装置１００では、入力される動画データに応じて、前記１画素単位のカラー表示素子２０ごとに透過波長制御層１２Ｒ、透過波長制御層１２Ｇ、透過波長制御層１２Ｂが制御されることになる。すなわち、動画データに応じて、横方向のある画素選択ラインが選択され、それと同期して縦方向のデータラインに動画データの１つである画像データに応じた信号が加えられ、それに応じて、透過波長制御層１２Ｒ、透過波長制御層１２Ｇ、透過波長制御層１２Ｂそれぞれの透明導電膜に適切な電圧が印加されることにより、図７〜図１０に示したような、カラー表示素子２０の動作の制御が行われて１画素で全色を表示できるカラー画像を表示することができる。また、このような線順次駆動に対応してカラー表示素子２０の透過波長制御層１２Ｒ、透過波長制御層１２Ｇ、透過波長制御層１２Ｂでの光の透過・遮蔽動作が高速で行われることから、動画表示に優れたものとすることができる。
【００７０】
なお、前記平面型表示装置１００の構成のうち、１つのカラー表示素子２０を１画素単位とすることに代えて、カラー表示素子２０を一つのサブ画素に対応させ、３個のカラー表示素子を平面的に並べて１画素とし、これを縦横に所望の画素数に相当する数を形成するようにしてもよい。この構成によっても、横方向のある画素選択ラインを選択し、それと同期して縦方向のデータラインに画像データに応じた信号を加え、それに応じて、各透明導電膜に適切な電圧を印加すれば、１画素で全色を表示できるカラー画像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】ＴＮ型ＬＣＤディスプレイの構成を示す概略図である。
【図２】本発明に係る光機能素子の構成を示す概略図である。
【図３】本発明の光機能素子の詳細な構成を示す断面図である。
【図４】本発明の光機能素子の駆動原理に関する説明図である。
【図５】入射光の波長特性を示す図である。
【図６】本発明に係るカラー表示素子の構成を示す概略図である。
【図７】本発明のカラー表示素子の駆動原理に関する説明図（１）である。
【図８】本発明のカラー表示素子の駆動原理に関する説明図（２）である。
【図９】本発明のカラー表示素子の駆動原理に関する説明図（３）である。
【図１０】本発明のカラー表示素子の駆動原理に関する説明図（４）である。
【図１１】本発明に係る平面型表示装置の構成を示す概略図である。
【図１２】本発明の平面型表示装置の表示モジュールの構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００７２】
１，１１…透明基板、２，１２，１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ…透過波長制御層、１０，Ａ…光機能素子、１２ａ…強誘電体膜、１２ｂ…透明導電膜、３，１３，１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂ…屈折率制御手段（電源）、２０…カラー表示素子、１０１…表示モジュール、１０２…バックライトモジュール、１００…平面型表示装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2007310081.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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