(57)【要約】【課題】簡素な構成でありながら、応答速度が高く、かつ、透過光強度の安定した制御が可能な液体光学素子を提供する。【解決手段】液体光学素子１０は、対向して配置される下部基板１１および上部基板１８と、下部基板１１に選択的に設けられた下部電極１２と、下部基板１１および下部電極１２を覆う疎水性絶縁膜１３と、この疎水性絶縁膜１３に立設しセル領域Ｚを画定する隔壁１４と、上部基板１８に形成された上部電極１７と、疎水性絶縁膜１３と上部電極１７との間に充填された無極性液体１５および極性液体１６とを備える。下部電極１２は、セル領域Ｚの一部に対応した領域に開口１２Ｋを有する。下部電極１２と上部電極１７との間に電圧が印加されると、疎水性絶縁膜１３の表面には、下部電極１２に対応した領域のみに電荷が蓄積され、開口１２Ｋに対応した領域に無極性液体１５が素早く移動する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜と
前記絶縁膜上に立設され、この絶縁膜上の領域を取り囲む壁構造体と、
前記絶縁膜の、前記壁構造体が設けられた側と反対側に前記絶縁膜に接して設けられた第１の電極と、
前記第１の電極の、前記絶縁膜の側に対向配置された第２の電極と、
前記絶縁膜と前記第２の電極との間に封入されて互いに分離された状態を保つ、一方が透明で他方が不透明の極性液体および無極性液体と
を備え、
前記第１および第２の電極の少なくとも一方が、前記壁構造体により囲まれた領域に対応する領域に開口または切り欠きを有する
ことを特徴とする液体光学素子。
【請求項２】
前記絶縁膜は、無電界下において前記無極性液体に親和性を示すことを特徴とする請求項１記載の液体光学素子。
【請求項３】
前記開口が、前記壁構造体により取り囲まれた領域に対応する領域の、前記第１の電極の中央部に設けられていることを特徴とする請求項１記載の液体光学素子。
【請求項４】
前記切り欠きが、前記壁構造体により取り囲まれた領域に対応する領域の、前記第１の電極の角隅部に設けられていることを特徴とする請求項１記載の液体光学素子。
【請求項５】
前記第１および第２の電極間に印加される電圧を制御する駆動素子を備え、
前記駆動素子が、前記開口または切り欠きに対応した位置に設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の液体光学素子。
【請求項６】
前記第１および第２の電極のうちの少なくとも一方が、前記開口または切り欠きを中心として、同心状の複数の電極に分割されている
ことを特徴とする請求項１記載の液体光学素子。
【請求項７】
前記極性液体が透明であり、前記無極性液体が不透明であることを特徴とする請求項１記載の液体光学素子。
【請求項８】
前記極性液体が不透明であり、前記無極性液体が透明であって、かつ、
前記第１および第２の電極の間に電圧を印加したときに前記極性液体が前記絶縁膜および前記第２の電極の双方に接することを特徴とする請求項１記載の液体光学素子。
【請求項９】
前記隔壁の壁面は、親水性を呈することを特徴とする請求項１記載の液体光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対の電極間に無極性液体および極性液体を備え、一対の電極間に電圧を印加することで透過光量が変化する液体光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、静電的な濡れ性を制御することで液体の変形および変位を発生させ、その現象により所望の効果を得るエレクトロウェッティング技術が知られており、様々な分野での応用が検討されている。
【０００３】
例えば、表示装置における光学シャッタとしてエレクトロウェッティング技術を用い、光の取り出し効率や応答速度を向上させることが検討されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特表２００７−５００８７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的に、このようなエレクトロウェッティング技術を用いた液体光学素子では、疎水性の絶縁膜に覆われた一対の電極間に、極性液体（例えば水）と無極性液体（例えばシリコンオイル）とを挟み、それらに電圧を印加することで極性液体および無極性液体を変形させ、透過光量（透過光の強度）を制御するようにしている。しかしながら、変形前後の液体の形状が不安定であり、駆動電圧に対する透過光量がヒステリシスを発現するうえ、電圧印加の操作に対する液体の変形の応答速度にばらつきが生じやすい。また、応答速度の向上にも限界があった。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡素な構成でありながら、応答速度が高く、かつ、透過光強度の安定した制御が可能な液体光学素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の液体光学素子は、以下の（１）〜（６）の各構成要件を全て備えるようにしたものである。
（１）絶縁膜。
（２）絶縁膜上に立設され、この絶縁膜上の領域を取り囲む壁構造体。
（３）絶縁膜の、壁構造体が設けられた側と反対側に絶縁膜に接して設けられた第１の電極。
（４）第１の電極の、絶縁膜の側に対向配置された第２の電極。
（５）絶縁膜と第２の電極との間に封入されて互いに分離された状態を保つ、一方が透明で他方が不透明の極性液体および無極性液体。
ここで、第１および第２の電極の少なくとも一方が、壁構造体により囲まれた領域に対応する領域に開口または切り欠きを有している。
【０００７】
本発明の液体光学素子では、第１および第２の電極間に電圧を印加すると、壁構造体により囲まれた領域の一部を占める開口または切り欠きに対応する領域以外の領域では、電荷の発生により絶縁膜の極性液体に対する疎水性が弱まり、極性液体が浸入することとなる。その結果、開口または切り欠きに対応する領域に無極性液体が集まるようになる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の液体光学素子によれば、第１および第２の電極の少なくとも一方が、壁構造体により囲まれた領域に対応する領域に開口または切り欠きを有するようにしたので、駆動時において、無極性液体をその開口または切り欠きに対応する領域に再現性良く集めることができる。そのため、変形前後の無極性液体の形状が安定化し、駆動電圧に対する透過光の強度のヒステリシスの発現を抑制することができるうえ、電圧印加の操作に対する無極性液体の変形の応答速度を高く安定化することもできる。したがって、応答性に優れ、かつ、安定した光量制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明における一実施の形態としての液体光学素子１０の全体構成を表す断面図である。液体光学素子１０は、制御部２０と接続され、静電的な濡れ性を制御することで内包する極性液体１６（後出）の変形および変位を発生させ、その現象によって自らを透過する透過光の光量を制御する、いわゆるエレクトロウェッティング素子である。液体光学素子１０は、複数のセル領域Ｚがアレイ状に配置されたものである。なお、図１では３つのセル領域Ｚを表しているが、その数はこれに限定されない。図２（Ａ）に、図１に示した液体光学素子１０のうちの任意のセル領域Ｚを拡大して表す。さらに、図２（Ｂ）に、図２（Ａ）に対応した平面構成を表す。図２（Ｂ）に示したように、各セル領域Ｚは、例えば正方形をなしている。なお、図２（Ｂ）では、後述する疎水性絶縁膜１３、無極性液体１５、極性液体１６、上部電極１７、上部基板１８、側壁１９などの各構成要素についての図示を省略している。
【００１１】
液体光学素子１０は、下部基板１１と、この下部基板１１に選択的に設けられた下部電極１２と、下部基板１１および下部電極１２を覆う疎水性絶縁膜１３と、隔壁１４と、無極性液体１５と、極性液体１６と、上部電極１７と、上部基板１８と、側壁１９とを有している。一方、制御部２０は、電源２１と、スイッチ部２２とを有している。
【００１２】
下部基板１１および上部基板１８は、側壁１９によって支持されて対向するように配置され、例えばガラスや透明なプラスチックなど、可視光を透過する透明な絶縁材料によって構成される。
【００１３】
下部電極１２および上部電極１７は、例えば酸化インジウム錫（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの透明な導電材料によって構成される。下部電極１２および上部電極１７は制御部２０と接続されている。下部電極１２には、セル領域Ｚごとに開口１２Ｋが設けられている。開口１２Ｋは、例えばセル領域Ｚと相似形（ここでは正方形）をなしており、その中心位置がセル領域Ｚの中心位置と一致していることが望ましい。
【００１４】
疎水性絶縁膜１３は、極性液体１６に対して疎水性（撥水性）を示す、より厳密には無電界下において無極性液体１５に親和性を示すと共に、電気的絶縁性に優れた性質を有する材料によって構成される。具体的には、フッ素系の高分子であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が挙げられる。但し、下部電極１２と上部電極１７との電気的絶縁性をより高めることを目的として、下部電極１２と疎水性絶縁膜１３との間に例えばスピン・オン・グラス（ＳＯＧ）などからなる他の絶縁膜を設けるようにしてもよい。
【００１５】
隔壁１４は、光が透過する単位領域となるセル領域Ｚを画定するものであり、疎水性絶縁膜１３に立設するように設けられている。隔壁１４によって区画されたセル領域Ｚには、無極性液体１５が保持されている。すなわち、無極性液体１５は、隔壁１４によって隣り合う他のセル領域Ｚへ移動（流出）しないようになっている。隔壁１４は、極性液体１６に対して親水性を示すと共に、無極性液体１５および極性液体１６に溶解等しない材料、例えば、エポキシ系樹脂やアクリル系樹脂などによって構成されることが望ましい。あるいは、隔壁１４の表面が、上記材料からなる被膜によって覆われたものとすることが望ましい。そうすることで、無極性液体１５の形状を安定化できるうえ、無極性液体１５の流出をより確実に回避することができるからである。
【００１６】
無極性液体１５は、ほとんど極性を有さず、かつ、電気絶縁性を示す液体材料であり、例えばデカン、ドデカン、ヘキサデカンもしくはウンデカンなどの炭化水素系材料のほか、シリコンオイルなどが好適である。この無極性液体１５に対して電圧を印加した場合、その直接の影響が疎水性絶縁膜１３に対する濡れ性に及ぶことはほとんどない。この無極性液体１５は、下部電極１２と上部電極１７との間に電圧を印加しない場合において、各セル領域Ｚにおける疎水性絶縁膜１３の表面を全て覆う程度に十分な容量を有していることが望ましい。
【００１７】
一方、極性液体１６は、極性を有する液体材料であり、例えば水のほか、塩化カリウムや塩化ナトリウムなどの電解質を溶解させた水溶液が好適である。この極性液体１６に電圧を印加すると、疎水性絶縁膜１３に対する濡れ性（極性液体１６と疎水性絶縁膜１３との接触角）が比較的大きく変化する。
【００１８】
このように疎水性絶縁膜１３と上部電極１７との間に封入された無極性液体１５および極性液体１６は、互いに混在することなく分離し、２つの層を形成する。また、本実施の形態では、極性液体１６は透明である一方、無極性液体１５は所定の波長光（例えば可視光）を吸収する顔料や染料によって着色されて不透明となっている。
【００１９】
側壁１９は、下部基板１１および上部基板１８と共に無極性液体１５および極性液体１６を密封するものであり、例えば下部基板１１および上部基板１８と同種の材料により構成される。
【００２０】
制御部２０は、液体光学素子１０に対する駆動制御をおこなうものである。制御部２０には、スイッチ２１と電源２２とが設けられている。スイッチ２１は、その一方の端子が金属配線によって上部電極１７と接続され、他方の端子が金属配線によって電源２２を介して下部電極１２と接続されている。スイッチ２１は、両端子の間を電気的に接続する投入状態と、両端子の間を電気的に切断する切断状態との２つの状態が選択可能なものである。電源２２は、電圧の大きさを所定範囲内で変化させることができ、かつ、任意に設定可能なものである。したがって、制御部２０は、スイッチ２１の操作（投入状態および切断状態を選択する操作）と、電源２２の電圧制御とにより、下部電極１２と上部電極１７との間に所定の電圧を印加することができるようになっている。
【００２１】
次に、図３を参照して、上記のように構成された液体光学素子１０の動作について説明する。
【００２２】
まず、制御部２０においてスイッチ２１を切断状態とし、下部電極１２と上部電極１７との間に電圧を印加しない場合には、例えば図３（Ａ）に示したように、無極性液体１５が各セル領域Ｚの全体を覆うように広がった状態となる。そのため、着色された無極性液体１５によって、例えば下部基板１１の側から照射された外部からの光Ｌが遮断され、反対側には光Ｌが漏れない状態となる。一方、制御部２０においてスイッチ２１を投入状態とし、下部電極１２と上部電極１７との間に電圧を印加した場合には、例えば図３（Ｂ）に示したように、極性液体１６が疎水性絶縁膜１３と接触するようになり、無極性液体１５が各セル領域Ｚのうち、下部電極１２の開口１２Ｋに相当する領域αに集まった状態となる。そのため、例えば下部基板１１の側から照射された外部からの光Ｌのうち、領域αに入射する一部（光Ｌ１）が無極性液体１５によって進行を遮断される一方、領域βに入射する残りの部分（光Ｌ２）は反対側（上部基板１８側）に透過することとなる。このような無極性液体１５の挙動は、電圧印加により、極性液体１６と疎水性絶縁膜１３との濡れ性が変化することに起因する。詳細には、下部電極１２と上部電極１７との間に電圧を印加した場合、疎水性絶縁膜１３の表面のうちの積層方向において下部電極１２と対応する領域βに電荷が蓄積されるので、その電荷が蓄積される領域（電荷発生領域）βでは電荷のクーロン力によって極性を有する極性液体１６が疎水性絶縁膜１３へ引き寄せられる。すなわち、領域βでは、疎水性絶縁膜１３に対する極性液体１６の濡れ性（接触角）が変化する（極性液体１６に対する疎水性が弱まる）。そのため、無極性液体１５は、極性液体１６によって電荷発生領域βから排除されるように移動（変形）し、結果として電荷不発生領域である下部電極１２の開口１２Ｋに相当する領域αに集まることとなる。
【００２３】
ところが、背景技術において例示した特許文献１の構造では、図２８（Ａ）および図２８（Ｂ）に示したように下部電極１１２がセル領域Ｚの全面に亘って広がっているので、下部電極１１２と上部電極１７との間に電圧を印加するとセル領域Ｚにおける疎水性絶縁膜１３の全面に亘って電荷が蓄積されることとなり、変形した無極性液体１１５の集まる位置が一箇所に定まらず、その形状も不安定となる。さらに、場合によっては、図２８（Ｃ）に示したように無極性液体１１５が複数の箇所に分散することもあり得る。したがって、こうした場合には、電圧印加操作に対する応答（無極性液体１１５の変形）の遅延を招くうえ、印加電圧と透過率との関係におけるヒステリシスの発現により透過光量が不安定となるので好ましくない。
【００２４】
これに対し、本実施の形態では、無極性液体１５が常に一定の箇所（下部電極１２の開口１２Ｋに相当する領域α）に集まるように移動するので、電圧変化に対しより短い経路での変形となり、高い応答性が得られることとなる。そのうえ、上記したようなヒステリシスの発現も抑制される。
【００２５】
なお、図３（Ｂ）では、最大の透過率（最大の開口率）が得られる状態を表しているが、印加電圧を調整することで無極性液体１５の大きさを制御し、任意の透過光強度を得ることも可能である。その場合、無極性液体１５は領域αを中心として寸法が増減することとなる。
【００２６】
このように、本実施の形態の液体光学素子１０では、疎水性絶縁膜１３に覆われた下部電極１２の一部に開口１２Ｋを設け、セル領域Ｚに、電圧印加時において疎水性絶縁膜１３の表面に電荷が蓄積される領域βと電荷が蓄積されない領域αとを形成するようにしたので、簡素な構成でありながら、高い応答速度を発揮し、かつ、透過光強度の安定した制御が可能となる。特に、開口１２Ｋの中心位置をセル領域Ｚの中心位置と一致させ、電荷不発生領域（領域α）をセル領域Ｚの中央に設けるようにしたので、電圧印加時における無極性液体１５の平均の移動距離が最短となり、応答速度をよりいっそう向上させることができる。
【００２７】
次に、液体光学素子１０の製造方法について、図４に表したフローチャートと共に図５〜図１０に表した断面模式図を参照して説明する。
説明する。
【００２８】
まず、図５に示したようにガラスやプラスチックなどの透明な絶縁材料からなる下部基板１１を用意し、その下部基板１１の上に、ＩＴＯなどを用いて、複数の開口１２Ｋを有する下部電極１２を形成する（ステップＳ１０１）。具体的には、下部基板１１を全面に亘ってＩＴＯ膜で覆ったのち、例えばフォトリソグラフィ法によりＩＴＯ膜のパターニングを行うことで、セル領域Ｚごとに開口１２Ｋを形成するようにする。同様にして、図６に示したように上部基板１８の上に上部電極１７を形成する（ステップＳ１０２）。但し、上部電極１７には開口を設ける必要はない。
【００２９】
続いて、下部電極１２を形成した下部基板１１を洗浄したのち、スピンコーティング法やディップコーティング法などの湿式法、あるいは蒸着法などの乾式法により、図７に示したように下部基板１１および下部電極１２を覆うように疎水性絶縁膜１３を形成する（ステップＳ１０３）。この際、疎水性絶縁膜１３の表面が平坦になるような厚みとすることが望ましい。そののち、必要に応じて、疎水性絶縁膜１３の表面処理（紫外線オゾン処理や酸素プラズマアッシング処理）や、疎水性絶縁膜１３の表面への界面活性剤の塗布を行うようにしてもよい。
【００３０】
疎水性絶縁膜１３を形成したのち、図８に示したように、その上に立設するように隔壁１４を形成する（ステップＳ１０４）。具体的には、例えばスピンコーティング法により、黒色の顔料もしくは色素を含有する樹脂を、疎水性絶縁膜１３の上に均一に塗布したのち、図２（Ｂ）に示したパターン形状となるようにパターニングする。なお、図示しないが、隔壁１４は、入射光を遮断し、ブラックマトリクスとして機能する下層部分と、透明な樹脂からなる上層部分との２層構造としてもよい。隔壁１４を形成したのち、必要に応じて、その表面処理（紫外線オゾン処理や酸素プラズマアッシング処理）を行うようにしてもよい。また、隔壁１４の表面に、極性液体１６に対して親水性を示す被膜を塗布するようにしてもよい。
【００３１】
続いて図９に示したように、無極性液体１５を、隔壁１４で仕切られた各セル領域Ｚにおける疎水性絶縁膜１３の表面に塗布する（ステップＳ１０５）。さらに、図１０に示したように、ステップＳ１０２で作製した上部電極１７を形成した上部基板１８を洗浄したのち、下部基板１１と上部基板１８とが一定の間隔となるように側壁１９を介して対向配置する。そののち、疎水性絶縁膜１３、側壁１９、上部電極１７で囲まれた空間に所定の注入口（図示せず）から極性液体１６を充填し、注入口を封止する（ステップＳ１０６）。以上の手順により、応答性に優れた液体光学素子１０を簡便に製造することができる。
【００３２】
（第１の変形例）
図１１（Ａ）は、本実施の形態における第１の変形例としての液体光学素子１０Ａを表すものであり、図２（Ｂ）に対応する平面構成を示している。この液体光学素子１０Ａは、下部電極１２の開口１２Ｋが円形をなしていることを除き、他は図２などに示した液体光学素子１０と同様の構成を有している。
【００３３】
液体光学素子１０Ａでは、開口１２Ｋの形状を円形としたので、下部電極１２と上部電極１７との間に電圧を印加すると、開口１２Ｋに対応した領域（電荷不発生領域）に無極性液体１５が集まることとなる。この場合、無極性液体１５の表面張力のばらつきが低減され、より安定して自らの形状を保持することができると考えられる。このため、正方形の開口１２Ｋを有する液体光学素子１０と比較すると、ヒステリシスがより低減されるうえ、応答速度のさらなる向上も見込まれる。
【００３４】
（第２の変形例）
図１１（Ｂ）は、本実施の形態における第２の変形例としての液体光学素子１０Ｂを表すものであり、図２（Ｂ）に対応する平面構成を示している。この液体光学素子１０Ｂは、下部電極１２の開口１２Ｋおよびセル領域Ｚが共に円形をなしていることを除き、他は図２などに示した液体光学素子１と同様の構成を有している。
【００３５】
液体光学素子１０Ｂでは、開口１２Ｋの形状を円形とすると共に、それを取り囲む隔壁１４をも円形としたので、下部電極１２と上部電極１７との間に電圧を印加すると、応答速度のさらなる向上およびヒステリシスのさらなる低減が期待できる。
【００３６】
（第３の変形例）
図１１（Ｃ）は、本実施の形態における第３の変形例としての液体光学素子１０Ｂを表すものであり、図２（Ｂ）に対応する平面構成を示している。この液体光学素子１０Ｂは、下部電極１２の開口１２Ｋが円形をなすと共にセル領域Ｚが六角形をなしていることを除き、他は図２などに示した液体光学素子１０と同様の構成を有している。
【００３７】
液体光学素子１０Ｃでは、開口１２Ｋの形状を円形とすると共に、それを取り囲む隔壁１４を六角形としたので、下部電極１２と上部電極１７との間に電圧を印加すると、液体光学素子１０Ａと比べて応答速度の向上およびヒステリシスの低減がよりいっそう期待できるうえ、液体光学素子１０Ｂと比べて、アレイ状に並ぶセル領域Ｚ同士の隙間が生じないので、開口率が向上する。
【００３８】
次に、上記した本実施の形態における液体光学素子１０の具体的な利用例について説明する。
【００３９】
図１２は、本実施の形態における液体光学素子１０に類似した液体光学素子４０（後述）を搭載した画像表示装置３０の概略構成を表すブロック図である。
【００４０】
画像表示装置３０は、画像表示がなされる画像表示部３１と、画像表示のための光を画像表示部３１に向けて照射する光源部３２と、画像表示部３１の駆動制御を行う駆動部３３とを備えており、光源部３２から射出された光が画像表示部３１を透過して視聴者に届くように構成された透過型のディスプレイである。
【００４１】
光源部３２は、いわゆるバックライトと称される画像表示のための光を発する機構であり、例えば、熱陰極管や冷陰極管、あるいは発光ダイオード等を有するものである。
【００４２】
駆動部３３は、外部から供給される画像情報（例えば映像信号）Ｊに基づいて画像表示部３１の動作を制御する機構である。
【００４３】
画像表示部３１は、複数のセル領域Ｚがアレイ状に配置された液体光学素子４０（図１２には示さず）を含むものであり、光源部３２と対向して配置されている。画像表示部３１は、駆動部３３からの制御信号Ｓに基づいて、光源部３２からの入射光の透過量を制御する（射出光の強度を制御する）ことにより映像表示を行うようになっている。
【００４４】
図１３に、液体光学素子４０の断面構成を表し、図１４に液体光学素子４０の平面構成を表わす。ここで、図１３は、図１４に示したXIII−XIII切断線に沿った断面に対応している。なお、図１４では、セル領域Ｚが３行×３列で配置された様子を示しているが、その数はこれに限定されるものではない。液体光学素子４０は、基本的には図１などの液体光学素子１０と同様の構成である。但し、下部電極１２が複数に分割されてセル領域Ｚごとに配置され、互いに絶縁されている。また、液体光学素子４０の下部基板１１には、複数の駆動素子（薄膜トランジスタなど）４１がセル領域Ｚごとに設けられていると共に、それらの駆動素子４１を個別に駆動させるための、駆動部３３と接続された図示しない信号線対（例えばゲート線およびデータ線）が設けられている。さらに、下部電極１２は駆動素子４１の一端と接続されると共に、上部電極１７は一定の電位に保たれている。すなわち、下部電極１２と上部電極１７との間にセル領域Ｚごとに電圧を印加することで、セル領域Ｒごとに光源部３２からの入射光の透過量を制御することができるようになっている。なお、駆動素子４１や信号線対は、液体光学素子４０の下部基板１１とは別の基板に設け、画像表示部３１に組み込むようにしてもよい。さらに、極性液体１６は透明である一方、無極性液体１５は黒色の顔料や染料によって着色されている。ここで、光源部３２からの入射光が例えば下部基板１１の側から入射するように、画像表示部３１と光源部３２との配置がなされている。
【００４５】
このような液体光学素子４０を含む画像表示装置３０では、駆動部３３に所定の画像情報Ｊを入力し、駆動部３３から制御信号Ｓを画像表示部３１に送信することで、セル領域Ｚごとに電圧の印加が行われる。例えば図１５に示したように、３つのセル領域Ｚ１〜Ｚ３のうちセル領域Ｚ１，Ｚ３に対応する上部電極１７および下部電極１２の間にのみ電圧を印加し、無極性液体１５を変形させることで、光源部３２から光Ｌを照射するとセル領域Ｚ１，Ｚ３（のうちの領域β）のみから透過光Ｌoutを取り出すことができる。その結
果、例えば光源部３２が白色光を射出する場合、セル領域Ｚ１，Ｚ３に対応する部分が白色として表現され、一方、セル領域Ｚ２に対応する部分が黒色として表現される。したがって、液体光学素子４０全体として２値画像が表示されることとなる。ここで、極性液体１６および無極性液体１５の挙動は、液体光学素子１０と同様であるので説明を省略する。
【００４６】
また、画像表示装置３０では、上部電極１７と下部電極１２との間に印加する電圧の大きさを任意もしくは多段階に制御するなどして、各セル領域Ｚの透過光の強度を任意もしくは多段階に制御することで階調表現を行うこともできる。
【００４７】
さらに、各セル領域Ｚにおける無極性液体１５を、黒色ではなく、それぞれ赤色（Ｒ），緑色（Ｇ）または青色（Ｂ）のいずれかに着色し、光源部３２からの入射光のうち、それぞれ同色の色のみを透過するようにすることで、カラー画像を画像表示部３１に表示させることもできる。あるいは、例えば上部基板１８と上部電極１７との間にカラーフィルタを設けることでカラー画像の表示をおこなうようにしてもよい。
【００４８】
本実施の形態の画像表示装置３０では、液体光学素子４０において、各セル領域Ｚに、電圧印加時において疎水性絶縁膜１３の表面に電荷が蓄積される領域βと電荷が蓄積されない領域αとを形成するようにしたので、簡素な構成でありながら、高い応答速度を発揮し、かつ、透過光強度の高精度な制御が可能となる。したがって、より高精細な階調表現が可能となる。
【００４９】
（第４の変形例）
ここで、本実施の形態における第４の変形例として、画像表示装置３０に適用可能な液体光学素子４０Ａについて説明する。図１６は、液体光学素子４０Ａの平面構成を表している。図１６に示したように、液体光学素子４０Ａは、駆動素子４１をセル領域Ｚの隅に配置すると共に、それと対応する位置に下部電極１２の切り欠き１２Ｋ１を設けるようにしたものである。この液体光学素子４０Ａでは、図１３に示した液体光学素子４０（セル領域Ｚの中央に開口１２Ｋを設けるようにしたもの）と比べて応答速度の点で不利であるが、入射光が駆動素子４１の影響を受けることなく、すなわち減衰したり一部が散乱したりすることなく透過光として射出されることとなる。したがって、液体光学素子４０と比べて開口率を向上させることができるうえ、透過率の安定性も見込まれる。よって、この液体光学素子４０Ａを用いた画像表示装置３０によれば、高輝度な画像表示が可能となり、かつ、よりいっそう高精細な階調表現が可能となる。
【００５０】
さらに、図１７に示した第５の変形例としての液体光学素子４０Ｂを画像表示部３１に用いるようにしてもよい。液体光学素子４０Ｂは、輪郭に曲線部を含む（矩形ではなく扇形の）切り欠き１２Ｋ２を有する点が図１６の液体光学素子４０Ａと異なっている。こうすることで、液体光学素子４０Ａよりも応答速度に優れるものとなる。
【実施例】
【００５１】
以下、本発明の具体的な実施例について説明する。
【００５２】
実施例１−１〜１−４として、図１〜図３に示した液体光学素子１０を、それぞれ表１（後出）に示したように開口占有率、すなわち、セル領域Ｚの面積に対する開口１２Ｋの面積の比（開口１２Ｋの面積／セル領域Ｚの面積）を変えて作製した。ここでは、セル領域Ｚおよび開口１２Ｋの双方を正方形とし、それらを互いの中心位置が一致するように作製した。下部基板１１および上部基板１８としてガラス基板を用い、下部電極１２および上部電極１７として、ＩＴＯを用いた。また、疎水性絶縁膜１３は、テフロンＡＦ（デュポン社製）を用いて形成し、隔壁１４は、ブラックレジスト（新日鐵化学社製、アルカリ現像型ブラックレジストインキ  ＮＳＢＫ）を用いて形成した。さらに、無極性液体１５としてカーボンブラックをドデカンに分散したものを用い、極性液体１６として水を用いた。また、隔壁１４の幅は全て５μｍとし、下部電極１２と上部電極１７との間隔は１００μｍとした。
【００５３】
また、実施例１−５〜１−８として、図１１（Ａ）に示した液体光学素子１０Ａを、それぞれ表１に示したように開口占有率（セル領域全体のうち、開口が占める領域の割合）を変えて作製した。他の条件はそれぞれ実施例１−１〜１−４と同様にした。
【００５４】
さらに、実施例１−９〜１−１１として、セル領域Ｚの寸法を変更した（小さくした）ことを除き、他はそれぞれ実施例１−５〜１−７と同様にして液体光学素子１０Ａを作製した。
【００５５】
さらに、実施例１−１２〜１−１４として、セル領域Ｚの形状を矩形（長方形）とすると共に開口１２Ｋの形状を円形としたことを除き、他はそれぞれ実施例１−１〜１−３と同様にして液体光学素子を作製した。
【００５６】
実施例１−１〜１−１４に対応する比較例１−１〜１−３として、下部電極１２に開口を設けなかったことを除き、他は実施例１−１〜１−８，１−９〜１−１１，１−１２〜１−１４とそれぞれ同様にして液体光学素子を作製した。
【００５７】
上記各実施例および比較例について、透過率の印加電圧依存性について調査し、応答時間ＴON，ＴOFF、および透過率のヒステリシスＶhysを算出した。その結果を表１ならび図１８〜図２１にまとめて示す。応答時間ＴONは、無極性液体１５の変形により透過率が１０％から９０％まで上昇するのに要する時間であり、応答時間ＴOFFは、無極性液体１５の変形により透過率が９０％から１０％まで低下するのに要する時間である。また、ヒステリシスＶhysは、図２９に示した透過率と印加電圧との関係を表す透過率−電圧曲線において、同じ透過率を示す２点間の電圧の差分を意味する。なお、図２９は、比較例１−１に対応する透過率−電圧曲線である。図２９において、横軸が印加電圧（任意単位）を表し、縦軸が透過率（％）を表す。
【００５８】
【表１】
2009211047.tif 000003
【００５９】
表１において、セル領域Ｚの寸法、応答時間ＴONおよびヒステリシスＶhysは、いずれも比較例１を基準として規格化した値を示す。また、応答時間ＴOFFは、比較例１における応答時間ＴONを基準とした値を示す。
【００６０】
表１および図１８〜図２１に示したように、セル領域Ｚの寸法が同一であれば、本実施例のように下部電極１２に開口１２Ｋを設けることで、開口を持たない比較例と同等以下の応答時間ＴON，ＴOFFとしつつ、ヒステリシスＶhysを低減可能であることが確認できた。特に、実施例１−１〜１−４（図１８）と、実施例１−５〜１−８（図１９）との比較から、開口１２Ｋの形状が正方形よりも円形であるほうが、応答時間ＴON，ＴOFFおよびヒステリシスＶhysの低減により効果的である。また、実施例１−１〜１−４（図１８）と、実施例１−１２〜１−１４（図２１）との比較から、開口１２Ｋの形状が長方形よりも正方形であるほうが、より好ましいといえる。さらに、開口占有率が大きいほど応答時間ＴON，ＴOFFおよびヒステリシスＶhysが低減される傾向にあるが、２０％以上となると、応答時間ＴON，ＴOFFについてはほぼ一定になると思われる。また、開口占有率が極端に大きくなると開口率が低下することとなるので、その点では開口占有率を最小限度にとどめることが望ましい。また、開口占有率が１０％未満では、応答時間ＴON，ＴOFFおよびヒステリシスＶhysの改善効果が現れにくい。こうしたことから、開口１２Ｋは円形、もしくは円形に近い形状とし、１０％以上２０％以下の開口占有率とすることがより望ましいと考えられる。
【００６１】
次に、実施例２−１〜２−４として、図１６に示した液体光学素子４０Ａを、それぞれ表２（後出）に示したように切り欠き占有率（セル領域全体のうち、切り欠きが占める領域の割合）を変えて作製した。ここでは、セル領域Ｚおよび切り欠き１２Ｋ１の双方を正方形とし、切り欠き１２Ｋ１をセル領域Ｚの隅に配置するように作製した。他の条件については実施例１−１と同様にした。
【００６２】
また、実施例２−５〜２−８として、図１７に示した液体光学素子４０Ｂを、それぞれ表２に示したように切り欠き占有率を変えて作製した。他の条件はそれぞれ実施例２−１〜２−４と同様にした。
【００６３】
さらに、実施例２−９〜２−１２として、セル領域Ｚの寸法を変更した（小さくした）ことを除き、他はそれぞれ実施例２−５〜２−８と同様にして液体光学素子４０Ｂを作製した。
【００６４】
さらに、実施例２−１３，２−１４として、セル領域Ｚの形状を矩形（長方形）とすると共に切り欠き１２Ｋ１の形状を正方形（実施例２−１３）または長方形（実施例２−１４）としたことを除き、他はそれぞれ実施例２−１など同様にして液体光学素子を作製した。切り欠き占有率は、いずれも２．５％とした。但し、実施例２−１４では、切り欠き１２Ｋ１における縦方向の寸法と横方向の寸法との比率を１：３とした。
【００６５】
上記実施例２−１〜２−１４についても、実施例１−１〜１−１４と同様にして、透過率の印加電圧依存性について調査し、応答時間ＴON，ＴOFF、および透過率のヒステリシスＶhysを算出した。その結果を表２ならび図２２〜図２５にまとめて示す。
【００６６】
【表２】
2009211047.tif 000004
【００６７】
表２において、セル領域Ｚの寸法、応答時間ＴONおよびヒステリシスＶhysは、いずれも比較例１を基準として規格化した値を示す。また、応答時間ＴOFFは、比較例１における応答時間ＴONを基準とした値を示す。
【００６８】
表２および図２２〜図２５に示したように、セル領域Ｚの寸法が同一であれば、本実施例のように下部電極１２に切り欠き１２Ｋ１を設けることで、開口や切り欠きを持たない比較例と同等以下の応答時間ＴON，ＴOFFとしつつ、ヒステリシスＶhysを低減可能であることが確認できた。特に、実施例２−１〜２−４（図２２）と、実施例２−５〜２−８（図２３）との比較から、切り欠きの形状が正方形よりも扇形であるほうが、応答時間ＴON，ＴOFFおよびヒステリシスＶhysの低減により効果的である。また、実施例２−１３と実施例２−１４（いずれも図２５）との比較から、切り欠き１２Ｋ１の形状が長方形よりも正方形であるほうが、より好ましいといえる。さらに、切り欠き占有率が大きいほど応答時間ＴON，ＴOFFおよびヒステリシスＶhysが低減される傾向にあることが確認できた。また、開口１２Ｋをセル領域Ｚの中央部に設けた実施例１−１〜１−１４と異なり、切り欠き占有率が５％であっても、応答時間ＴON，ＴOFFおよびヒステリシスＶhysの改善効果が明確に現れた。
【００６９】
以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、１つのセル領域に対応する下部電極を１つ配置するようにしたが、分割された複数の下部電極を配置するようにしてもよい。具体的には、図２６（Ａ）に示した液体光学素子１０Ｄのように、開口１２Ｋを取り囲むように同心状に配置され、かつ互いに絶縁された複数の電極パターン１２Ａ〜１２Ｃを下部電極として構成するようにしてもよい。あるいは、図２６（Ｂ）に示した液体光学素子１０Ｅのように、セル領域Ｚの隅に切り欠き１２Ｋ２を設け、切り欠き１２Ｋ２から遠ざかるように任意の距離ごとに区切られた複数の電極パターン１２Ａ〜１２Ｃを配置するようにしてもよい。こうした場合、各電極パターン１２Ａ〜１２Ｃに対して個別に通電するようにすれば、例えば電極パターン１２Ａ→電極パターン１２Ｂ→電極パターン１２Ｃの順に電圧を印加することで、透過光の強度についての多段階の調整を、より高精度に行うことができる。したがって、このような複数に分割された下部電極を有する液体光学素子を画像表示装置の画像表示部に用いれば、より高精細な階調表現を行うことができるものと期待される。
【００７０】
さらに、図２７に示したように、無極性液体１５が、下部電極１２と上部電極１７との間に電圧を印加した際、開口１２Ｋに対応した領域αにおいて疎水性絶縁膜１３および上部電極１７の双方と接するようになっていてもよい。その場合、例えば、無極性液体１５を透明とし、極性液体１６をカーボンブラックなどで着色して遮光体とすれば、電圧を印加しない場合には光Ｌを遮断する（図２７（Ａ））一方、所定の電圧を印加した際に光Ｌを領域αにおいて透過させる（図２７（Ｂ））ことができる光学シャッタとして利用することができる。
【００７１】
また、上記実施の形態では、液体光学素子を画像表示装置に適用した場合について説明したが、本発明の用途はこれに限定されるものではない。例えば光学絞りなど、他のデバイスにも応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る液体光学素子の全体構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した液体光学素子の要部構成を表す断面図および平面図である。
【図３】図１に示した液体光学素子の動作を説明するための概略図である。
【図４】図１に示した液体光学素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】図１の液体光学素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図６】図５に続く工程を説明するための断面模式図である。
【図７】図６に続く工程を説明するための断面模式図である。
【図８】図７に続く工程を説明するための断面模式図である。
【図９】図８に続く工程を説明するための断面模式図である。
【図１０】図９に続く工程を説明するための断面模式図である。
【図１１】本発明の一実施の形態に係る液体光学素子の第１〜第３の変形例を表す模式図である。
【図１２】本発明の一実施の形態に係る液体光学素子を有する画像表示装置の全体構成を表すブロック図である。
【図１３】図１２に示した画像表示装置に搭載される液体光学素子の全体構成を表す断面図である。
【図１４】図１３に示した液体光学素子の平面構成を表す概略図である。
【図１５】図１３に示した液体光学素子の動作を説明するための概略図である。
【図１６】本発明の一実施の形態に係る液体光学素子の第４の変形例を表す平面図である。
【図１７】本発明の一実施の形態に係る液体光学素子の第５の変形例を表す平面図である。
【図１８】本発明の実施例１−１〜１−４における開口占有率と応答時間およびヒステリシスとの関係の一例を表す特性図である。
【図１９】本発明の実施例１−５〜１−８における開口占有率と応答時間およびヒステリシスとの関係の一例を表す特性図である。
【図２０】本発明の実施例１−９〜１−１１における開口占有率と応答時間およびヒステリシスとの関係の一例を表す特性図である。
【図２１】本発明の実施例１−１２〜１−１４における開口占有率と応答時間およびヒステリシスとの関係の一例を表す特性図である。
【図２２】本発明の実施例２−１〜２−４における切り欠き占有率と応答時間およびヒステリシスとの関係の一例を表す特性図である。
【図２３】本発明の実施例２−５〜２−８における切り欠き占有率と応答時間およびヒステリシスとの関係の一例を表す特性図である。
【図２４】本発明の実施例２−９〜２−１２における切り欠き占有率と応答時間およびヒステリシスとの関係の一例を表す特性図である。
【図２５】本発明の実施例２−１３，２−１４における切り欠き占有率と応答時間およびヒステリシスとの関係の一例を表す特性図である。
【図２６】本発明の一実施の形態に係る液体光学素子の第７および第８の変形例を表す平面図である。
【図２７】本発明の一実施の形態に係る液体光学素子の第９の変形例を表す平面図である。
【図２８】従来の液体光学素子の動作を説明するための概略図である。
【図２９】比較例としての液体光学素子における透過率−電圧曲線である。
【符号の説明】
【００７３】
１０，４０…液体光学素子、１１…下部基板、１２…下部電極、１３…疎水性絶縁膜、１４…隔壁、１５…無極性液体、１６…極性液体、１７…上部電極、１８…上部基板、１９…側壁、２０…制御部、２１…スイッチ、２２…電源、３０…画像表示装置、３１…画像表示部、３２…光源部、３３…駆動部、Ｚ…セル領域。
【図１】
2009211047.tif 000005
【図２】
2009211047.tif 000006
【図３】
2009211047.tif 000007
【図４】
2009211047.tif 000008
【図５】
2009211047.tif 000009
【図６】
2009211047.tif 000010
【図７】
2009211047.tif 000011
【図８】
2009211047.tif 000012
【図９】
2009211047.tif 000013
【図１０】
2009211047.tif 000014
【図１１】
2009211047.tif 000015
【図１２】
2009211047.tif 000016
【図１３】
2009211047.tif 000017
【図１４】
2009211047.tif 000018
【図１５】
2009211047.tif 000019
【図１６】
2009211047.tif 000020
【図１７】
2009211047.tif 000021
【図１８】
2009211047.tif 000022
【図１９】
2009211047.tif 000023
【図２０】
2009211047.tif 000024
【図２１】
2009211047.tif 000025
【図２２】
2009211047.tif 000026
【図２３】
2009211047.tif 000027
【図２４】
2009211047.tif 000028
【図２５】
2009211047.tif 000029
【図２６】
2009211047.tif 000030
【図２７】
2009211047.tif 000031
【図２８】
2009211047.tif 000032
【図２９】
2009211047.tif 000033
【手続補正書】
【提出日】平成21年3月31日(2009.3.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜と
前記絶縁膜上に立設され、この絶縁膜上の領域を取り囲む壁構造体と、
前記絶縁膜の、前記壁構造体が設けられた側と反対側に前記絶縁膜に接して設けられた第１の電極と、
前記絶縁膜の、前記第１の電極が設けられた側と反対側に、前記第１の電極と対向して配置された第２の電極と、
前記絶縁膜と前記第２の電極との間に封入されて互いに分離された状態を保つ、一方が透明で他方が不透明の極性液体および無極性液体と
を備え、
前記第１および第２の電極の少なくとも一方が、前記壁構造体により囲まれた領域に対応する領域に開口または切り欠きを有する
液体光学素子。
【請求項２】
前記絶縁膜は、無電界下において前記無極性液体に親和性を示す請求項１記載の液体光学素子。
【請求項３】
前記開口が、前記壁構造体により取り囲まれた領域に対応する領域の、前記第１の電極の中央部に設けられている請求項１記載の液体光学素子。
【請求項４】
前記切り欠きが、前記壁構造体により取り囲まれた領域に対応する領域の、前記第１の電極の角隅部に設けられている請求項１記載の液体光学素子。
【請求項５】
前記第１および第２の電極間に印加される電圧を制御する駆動素子を備え、
前記駆動素子が、前記開口または切り欠きに対応した位置に設けられている
請求項１記載の液体光学素子。
【請求項６】
前記第１および第２の電極のうちの少なくとも一方が、前記開口または切り欠きを中心として、同心状の複数の電極に分割されている
請求項１記載の液体光学素子。
【請求項７】
前記極性液体が透明であり、前記無極性液体が不透明である請求項１記載の液体光学素子。
【請求項８】
前記極性液体が不透明であり、前記無極性液体が透明であって、かつ、
前記第１および第２の電極の間に電圧を印加したときに前記極性液体が前記絶縁膜および前記第２の電極の双方に接する請求項１記載の液体光学素子。
【請求項９】
前記壁構造体の壁面は、親水性を呈する請求項１記載の液体光学素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明の液体光学素子は、以下の（１）〜（５）の各構成要件を全て備えるようにしたものである。
（１）絶縁膜。
（２）絶縁膜上に立設され、この絶縁膜上の領域を取り囲む壁構造体。
（３）絶縁膜の、壁構造体が設けられた側と反対側に絶縁膜に接して設けられた第１の電極。
（４）絶縁膜の、第１の電極が設けられた側と反対側に、第１の電極と対向して配置された第２の電極。
（５）絶縁膜と第２の電極との間に封入されて互いに分離された状態を保つ、一方が透明で他方が不透明の極性液体および無極性液体。
ここで、第１および第２の電極の少なくとも一方が、壁構造体により囲まれた領域に対応する領域に開口または切り欠きを有している。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
液体光学素子１０は、下部基板１１と、この下部基板１１に選択的に設けられた下部電極１２と、下部基板１１および下部電極１２を覆う疎水性絶縁膜１３と、隔壁１４と、無極性液体１５と、極性液体１６と、上部電極１７と、上部基板１８と、側壁１９とを有している。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
（第３の変形例）
図１１（Ｃ）は、本実施の形態における第３の変形例としての液体光学素子１０Ｃを表すものであり、図２（Ｂ）に対応する平面構成を示している。この液体光学素子１０Ｃは、下部電極１２の開口１２Ｋが円形をなすと共にセル領域Ｚが六角形をなしていることを除き、他は図２などに示した液体光学素子１０と同様の構成を有している。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５６】
実施例１−１〜１−１４に対応する比較例１〜３として、下部電極１２に開口を設けなかったことを除き、他は実施例１−１〜１−８，１−９〜１−１１，１−１２〜１−１４とそれぞれ同様にして液体光学素子を作製した。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
上記各実施例および比較例について、透過率の印加電圧依存性について調査し、応答時間ＴON，ＴOFF、および透過率のヒステリシスＶhysを算出した。その結果を表１ならび図１８〜図２１にまとめて示す。応答時間ＴONは、無極性液体１５の変形により透過率が１０％から９０％まで上昇するのに要する時間であり、応答時間ＴOFFは、無極性液体１５
の変形により透過率が９０％から１０％まで低下するのに要する時間である。また、ヒステリシスＶhysは、図２９に示した透過率と印加電圧との関係を表す透過率−電圧曲線に
おいて、同じ透過率を示す２点間の電圧の差分を意味する。なお、図２９は、比較例１に対応する透過率−電圧曲線である。図２９において、横軸が印加電圧（任意単位）を表し、縦軸が透過率（％）を表す。
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2009211047.tif 000034
【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２８】
2009211047.tif 000035
【手続補正９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２９】
2009211047.tif 000036