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JP2004279680A - Display element - Google Patents

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JP2004279680A
JP2004279680A JP2003070341A JP2003070341A JP2004279680A JP 2004279680 A JP2004279680 A JP 2004279680A JP 2003070341 A JP2003070341 A JP 2003070341A JP 2003070341 A JP2003070341 A JP 2003070341A JP 2004279680 A JP2004279680 A JP 2004279680A
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Application number
JP2003070341A
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Japanese (ja)
Inventor
Hideki Uchida
秀樹 内田
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Publication date
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Priority to EP04718749A priority patent/EP1605302A4/en
Priority to PCT/JP2004/003044 priority patent/WO2004081645A1/en
Priority to TW093106713A priority patent/TWI304491B/en
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  • Electrochromic Elements, Electrophoresis, Or Variable Reflection Or Absorption Elements (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a display device by using a material which can transit from a metal reflection state to a transmission state and vice versa. <P>SOLUTION: The display device contains a plurality of pixels. Each of the plurality of pixels is equipped with: a first layer 1 containing a first material of which the optical characteristics changes in accordance with the concentration of a specified element; and a second layer containing a second material which can occlude the specified element. The second material is provided with a second layer 2 which can release or absorb the specified element upon voltage application and a pair of electrodes 3a and 3b to apply voltage to the second layer. The device is constructed so that the reflectance of the first layer 1 changes corresponding to the voltage. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光の反射率や透過率を制御できる表示素子に関している。
【0002】
【従来の技術】
イットリウム(Y)やランタン(La)などの金属薄膜が水素と結合することにより、可視光を透過し得る水素化物に変化する現象が報告されている(特許文献1、非特許文献1)。この現象は可逆的であるため、雰囲気中の水素圧力を調節することにより、薄膜を金属光沢状態と透明状態との間で変化させることが可能である。
【0003】
上記薄膜の光学特性を変化させ、金属光沢を示す状態と透明な状態とを切り替えることができれば、光の反射率/透過率を自由に調節できる調光ミラーを実現することができる。調光ミラーを例えば建物や自動車の窓ガラスとして使用すれば、太陽光を必要に応じて遮断(反射)し、または透過させることができる。
【0004】
このような調光ミラーは、例えば、イットリウム薄膜の上にパラジウム層を形成した構造を有している。パラジウムは、イットリウム薄膜の表面酸化を防止する機能と、雰囲気中の水素分子を効率的に水素原子に変化させ、イットリウムに供給する機能とを有している。イットリウムが水素原子と化学的に結合すると、YHまたはYHが形成される。YHは金属であるが、YHは半導体であり、その禁制帯幅が可視光のエネルギよりも大きいため、透明である。
【0005】
また、室温においてもYH⇔YHの状態変化が迅速(数秒程度)で生じるため、雰囲気中の水素含有量に応じて反射(金属光沢)状態と透明状態との間でスイッチングを行うことが可能である。
【0006】
このように金属光沢⇔透明の遷移が可能な他の材料として、例えば、MgNi薄膜が非特許文献2に開示されている。
【0007】
【特許文献1】
米国特許第5635729号明細書
【非特許文献1】
Huibert、他6名、ネイチャー(Nature)、(英国)、1996年3月、第380巻、p.231−234
【非特許文献2】
応用物理学会講演会2001春31−a−ZS−14
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術によれば、薄膜の光学的状態を変化させるには、薄膜を水素雰囲気へ暴露することにより、薄膜に含まれる金属光沢⇔透明の遷移が可能な材料を水素化することが必要である。具体的には、薄膜と接する雰囲気ガス中の水素量(水素分圧)を制御することが必要になる。このような水素量の制御は薄膜の全面で行われるので、薄膜全面の光学的状態が変化する。
【0009】
このため、上記従来技術では、調光ミラーなどの薄膜全面の光学的状態を変化させる用途に適用することを前提としており、表示装置に適用することは提案されていない。表示装置に適用するには、薄膜を複数の画素に区画化し、画素ごとに光学的状態を制御する必要がある。しかし、画素ごとに雰囲気ガスの水素量を制御することは困難であり、実用的ではない。
【0010】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、金属反射状態と透過状態との間で遷移が可能な材料を用いて表示素子を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の表示素子は、複数の画素を含む表示素子であって、前記複数の画素のそれぞれは、特定元素の濃度に応じて光学的特性が変化する第1材料を含む第1層と、前記特定元素を含有し得る第2材料を含む第2層であって、前記第2材料は電圧を印加されると前記特定元素を放出または吸収する第2層と、前記第2層に前記電圧を印加するための一対の電極を備え、前記電圧に応答して前記第1層の光反射率が変化することを特徴とし、そのことにより前記目的が達成される。
【0012】
ある好ましい実施形態において、前記第1材料は、前記特定元素の濃度に応じて光反射状態と光透過状態との間を遷移し得る。
【0013】
ある好ましい実施形態において、前記第1材料が光反射状態のとき、前記第1層は光を拡散反射する。
【0014】
ある好ましい実施形態において、前記第1材料が粒子である。
【0015】
ある好ましい実施形態において、前記第1層の上面または下面の少なくとも一方は凹凸を有している。
【0016】
ある好ましい実施形態において、前記第1層は着色粒子をさらに含んでおり、前記第1材料は前記着色粒子に吸着している。
【0017】
ある好ましい実施形態において、前記第1層は、光を拡散反射する状態と光を透過する状態との間を遷移し、前記第2層は、光透過性を有しており、前記第1層および前記第2層を透過した光を吸収する光吸収層を更に備えている。
【0018】
ある好ましい実施形態において、前記第1層は、光を拡散反射する状態と光を透過する状態との間を遷移し、前記第2層は可視光吸収性を有しており、前記第2層は、前記第1層の光入射面とは反対側に配置されている。
【0019】
前記第2層は、前記第1層の光入射側に配置され、カラーフィルタとして機能してもよい。
【0020】
前記特定元素は水素であり、前記第2層は、水素貯蔵材料を含んでいてもよい。
【0021】
前記第2材料は、電子の授受により、前記特定元素の放出または吸収を行うことが好ましい。
【0022】
前記第1層は導電性を有しており、前記一対の電極の一方として機能してもよい。
【0023】
本発明の表示素子は反射型表示素子であってもよい。
【0024】
本発明の表示素子は、バックライトをさらに有することもできる。
【0025】
前記第1層は、光をミラー反射する状態と光を透過する状態との間を遷移し、バックライトをさらに有してもよい。
【0026】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の表示素子において、表示に利用する調光原理を説明する。
【0027】
図1(a)〜(c)は、本発明の表示素子の調光原理を説明するための模式的な断面図である。本発明の表示素子は複数の画素を有しており、各画素は調光層M1および変換層M2の積層構造を備えている。画素ごとに調光層M1の光反射率を変化させることにより、表示を行う。
【0028】
図1(a)に示す調光層M1は、特定元素の濃度に応じて光学的特性が変化する調光材料を含んでいる。調光材料の好ましい例は、前述したY、La、MgNi合金であり、調光層1は、例えばこれらの調光材料の薄膜である。Y、La、MgNi合金などの材料は、水素濃度に応じて金属−半導体(または絶縁体)状態間の遷移を行う。
【0029】
変換層M2は、水素などの特定元素を含有し得る材料(本明細書では「変換材料」と称する。)を含んでいる。変換材料は、電荷(電子や正孔)の注入または光照射などの外部刺激に応じて、上記の特定元素(例えば水素)を放出または吸収する。
【0030】
図1(a)に示されている調光層M1および変換層M2は、いずれも、水素を吸収/放出する能力を有するとともに、電荷(電子または正孔)およびイオンを移動させることができる電気伝導性を有している。
【0031】
以下、電荷の注入/放出により、水素イオンが変換層M2から調光層M1へ、あるいは調光層M1から変換層M2へ移動するメカニズムを説明する。このメカニズムの特徴点は、調光層M1の光学的特性を変化させる特定元素(水素)のイオンを、電気化学的な反応によってではなく、電荷の移動を媒介として移動させる点にある。
【0032】
図2(a)は、図1の構造に含まれる調光層M1および変換層M2の初期状態を示している。この初期状態では、水素を実質的に貯蔵していない調光層M1と、あらかじめ水素を貯蔵した変換層M2との間で平衡状態が形成されている。調光層M1には充分な濃度の水素が存在していないため、調光層M1は金属状態にあり、金属光沢を示している。
【0033】
次に、図2(b)に示すように、調光層M1の側に負電位を与えるとともに、変換層M2の側に正電位を与える。このとき、調光層M1には負の電極(不図示)から電子が注入され、調光層M1は電子リッチな状態となる。一方、変換層M2には正孔が注入される(電子が引き抜かれる)。変換層M2に注入された正孔は、変換層M2の内部を調光層M1に向かって移動してゆく。このような正孔の移動過程で、更に継続して変換層M2に正孔が注入されると、変換層M2は正孔リッチな状態となる。このため、変換層M2では、水素イオンを放出しやすい状態となる一方、調光層M1では、変換層M2から水素イオンを受け取り、保持する量が増える。
【0034】
このため、調光層M1と変換層M2との間で成立していた水素の平衡状態が崩れ、調光層M1が水素をより多く保持しやすい状態となり、変換層M2から放出された水素イオンが調光層M1に移動することになる。こうして、図2(c)に示すように、新しい平衡状態が形成される。この状態では、調光層M1に移動した水素と調光材料とが結合して、調光層M1が透明になる。
【0035】
以上の反応を記述すると、M1+M2(H)→M1(H)+M2となる。ここで、M1(H)およびM2(H)は、それぞれ、調光層M1に水素が保持されている状態、および変換層M2に水素が保持されている状態を示している。
【0036】
以上の説明から明らかなように、調光層M1と変換層M2との間では水素イオンの受け渡しが行なわれるだけで、他のイオンの関与する反応は生じていない。また、図2(c)の状態で印加電圧の極性を反転すると、逆方向に反応が進行するため、図2(a)に示す元の平衡状態に復帰する。
【0037】
図1(a)に示す構造の代わりに、図1(b)に示す調光層M1および変換層M2を含む積層構造を有していてもよい。図1(b)の調光層M1は、特定元素の濃度に応じて光学的特性が変化する調光材料の粒子m1(以下、「調光粒子」ということがある)を含んでいる。調光材料の好ましい例は、前述したY、La、MgNi合金である。調光層M1は、例えばバインダー樹脂を含んでおり、上記調光粒子m1はバインダー樹脂に分散している。また、調光層M1は、変換層M2から水素イオンもしくは水素を運ぶための電解質性の材料(導電性高分子など)も含んでいる。変換層M2は、図1(a)を参照して説明した変換層M2と実質的に同様である。
【0038】
図1(b)に示す構造を用いると、調光層M1および変換層M2の初期状態(図2(a))では、調光層M1には充分な濃度の水素が存在していないため、調光層M1に分散している各調光粒子m1は金属状態にあり、光をミラー反射する。このように各調光粒子m1が調光層M1に入射する光をランダムな方向に反射するので、調光層M1全体としては光を拡散反射する。これにより、白色の反射光が得られる。水素イオンが調光層M1に移動して新しい平衡状態が形成されると(図2(c))、調光層M1に移動した水素と調光粒子m1とが結合して、各調光粒子m1が透明になる。
【0039】
あるいは、図1(c)に示す調光層M1および変換層M2を含む積層構造を用いることもできる。図1(c)の調光層M1は、黒色粒子などの着色粒子m2をさらに含んでおり、調光粒子m1が着色粒子m2に吸着している点で図1(b)の調光層M1と異なっている。図1(c)の変換層M2は、図1(a)を参照して説明した変換層M2と実質的に同様である。
【0040】
図1(b)に示す構造を用いると、初期状態(図2(a))では、図1(b)の構造と同様に、着色粒子m2に吸着した各調光粒子m1は金属状態にあり、光をミラー反射する。このように各調光粒子m1が調光層M1に入射する光をランダムな方向に反射するので、調光層M1全体としては光を拡散反射する。これにより、白色の反射光が得られる。水素イオンが調光層M1に移動して新しい平衡状態が形成されると(図2(c))、調光層M1に移動した水素と調光粒子m1とが結合して、各調光粒子m1が透明になる。その結果、調光層M1は例えば黒色などの着色粒子m2の色を示す。このように、調光層M1は拡散反射状態と着色状態(吸収状態ともいう)とを遷移するので、この構造では、変換層M2が透明である必要がない。
【0041】
本発明では、図2(a)〜(c)に示すような電荷の注入により水素イオンが調光層M1と変換層M2との間を移動するメカニズムを利用しているが、本発明はこれに限定されない。本発明の表示素子は、例えば電気化学的な反応により、水素イオンが変換層M2と調光層M1との間を移動するメカニズムを利用することもできる。この場合は、調光層M1と変換層M2との間に固体電解質の層をさらに設けてもよいし、図1(b)または(c)の調光層M1に含まれるバインダー樹脂を固体電解質として用いてもよい。あるいは、本発明の表示素子は、変換層M2を備えていなくても良い。この場合は、調光層M1がさらに変換材料を含んでおり、調光層M1内部で、水素イオンを調光粒子m1と変換材料との間で移動させてもよい。
【0042】
何れのメカニズムを利用する場合でも、変換材料に印加される電圧に応じて、調光層M1の水素イオンの濃度が変化するので、調光層M1の光学的特性は、図1(a)〜(c)に示すように変化する。
【0043】
なお、上記のうちでは、電荷の注入により水素イオンを移動させるメカニズムを利用することが好ましい。電荷(電子や正孔)の移動によって水素の平衡状態を変化させることにより水素を駆動する場合は、水素イオン以外の他のイオンを反応に関与させる必要がない。このため、複数種のイオンが関与する電気化学的な反応によるメカニズムを利用する場合と比べて応答速度が高いという利点がある。また、電気化学的な反応が生じないため、正極側で水素ガスが発生する可能性も低く、電子素子としての安定した動作が可能になる。
【0044】
このように、本発明の表示素子は、変換材料を含む変換層M2に電圧を印加することにより、調光層M1の水素含有量を変化させることができる。従って、本発明の表示素子は、雰囲気の水素分圧を制御する必要がある従来技術の調光素子と比べて実用的である。また、従来技術では、水素分圧の制御は調光層M1の全面で行われるので、調光層M1の光学的特性は調光層M1全面で変化する。これに対して、本発明では、上記メカニズムを利用するので、調光層M1の画素ごとに印加電圧を制御することにより、画素ごとに光学的特性を変化させることができる。
【0045】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【0046】
(実施形態1)
まず、図を参照しながら、本発明による表示素子の実施形態を説明する。図3は、本実施形態の表示素子における一画素の模式的な断面図を示し、図4は、本実施形態の表示素子の平面図を示す。ここでは、反射型フルカラー表示素子を例に説明するが、本発明はこれに限定されない。例えば、白黒表示素子でもよいし、投射型表示素子でもよい。
【0047】
本実施形態の表示素子は、基板1の上に順次積層された光吸収層5、電極3b、変換層2、調光層1、電極3aおよびカラーフィルタ6を有している。図4に示すように、電極3bは平行に延びる複数のパターンを有し、電極3aは、電極3bと垂直な方向に延びる複数のパターンを有している。一対の電極3a、3bには適切な電圧が印加され得るが、適宜、電極3aと電極3bとを単純に短絡させることも可能である。カラーフィルタ6は、電極3aと略平行に伸びる複数のパターンを有している。これらのパターンのうち、典型的には各画素につきR(赤)、G(緑)、B(青)の3つのパターンが形成されている。
【0048】
なお、基板4に対する変換層2および調光層1の積層順序は、図示されているものに限定されず、基板4に近い側に変換層2を配置し、その上に調光層1を形成してもよい。また、基板4がガラス基板などの透明な基板であれば、光吸収層5を基板4の背面に設けてもよい。また、光吸収層5が導電性を有する場合、光吸収層5は電極3aと電極3bとの間のどこに設けてもよい。あるいは、導電性を有する光吸収層5を、電極3bと一体的に、または電極3bの代わりに用いることも可能である。
【0049】
本実施形態における調光層1は、水素濃度に応じて光学的特性が変化する調光材料(例えばイットリウム)を含んでいる。本実施形態では、調光層1として、図1(a)に示すように調光材料を用いて形成された膜(例えばイットリウム膜)である。調光層1は1層でもよいし、多層構造を有していてもよい。
【0050】
変換層2は、水素を含有し得る変換材料を含んでいる。この変換材料は電極3aとの間で電子の授受を行うことにより、水素のイオン(H)を放出/吸収を行うことができる。
【0051】
図示する例では、マトリクス状に形成された電極3aおよび3bによって、任意の画素の変換層2に電圧を印加できる。ある画素において、電極3aに正の電位を与え、電極3bに負の電位を与えると、あらかじめ充分な量の水素を含有している変換層2の変換材料から水素イオンが放出される。放出された水素イオンは、積層構造中に形成された電界中を移動し、調光層1に達した後、調光材料にドープされる。このような水素の放出および移動のメカニズムは、前述したとおりである。調光層1における調光材料は、水素と結合することにより、水素金属化合物を形成する。この結果、当初は金属状態にあった調光材料は、可視光を透過する半導体または絶縁体に変化する。
【0052】
上述したような調光層1および変換層2の状態の変化を、図5(a)に示す。調光層1の調光材料が金属状態のとき、表示素子に入射する光は調光層1で反射され、カラーフィルタ6を透過する。従って、カラーフィルタ6を透過した光が視認される。調光材料が半導体または絶縁体になると調光層1が透明になるので、表示素子に入射する光は調光層1を透過し、光吸収層5に吸収される。そのため、黒色が視認される。
【0053】
次に、本実施形態の表示素子の製造方法を説明する。
【0054】
まず、基板4を用意する。基板4は、基板4上に形成される積層構造を支持できればよく、ガラス基板、プラスチック基板、金属基板などを用いることができる。基板4は透明である必要はない。
【0055】
基板1の上に光吸収層5を形成する。光吸収層5は、可視光域の全域で光を吸収するもの(黒)であってもよいし、可視光域の一部の光を吸収するもの(他の色)であってもよい。光吸収層5の形成は、例えばカーボンブラック系黒色材料を含む黒色樹脂をスピンコート法で基板1上に塗布することによって行う。
【0056】
この後、光吸収層5の上に電極を形成する。例えば、ITO(Indium Tin Oxide)を用いて、厚さ150nmの膜をスパッタ法で形成する。この膜を、幅が100μm(画素の幅に対応する)の複数のパターンにパターニングする。これらのパターンは互いに略平行であり、隣接するパターンの間隔は10μmとする。
【0057】
電極3b上に、透明な変換層2を形成する。変換層2に含まれる変換材料は、定常状態で水素の原子またはイオンを貯蔵し保持することができ、外部刺激に応じて、水素貯蔵量(保持量)を変化させる。このような水素を貯蔵できる材料としては、LaNi、MnNi、CaNi・TiMn1.5、ZrMn1.5、ZrMn、TiNi、TiFe、MgNiなどの合金を用いることができる。また、カーボンナノチューブ(CNT)やNiOOHを用いることもできる。なお、NiOOHを用いる場合には、電気化学的なメカニズムを利用して、水素を変換層2−調光層1の間で移動させることになるので、例えば変換層2と調光層1との間に電解質層を設けることが好ましい。
【0058】
変換層2は、水素貯蔵材料のほかに電気導電性材料を含んでいてもよい。電気導電性材料が変換層2に含まれていると、調光層1との間で水素イオンのやりとりを迅速に行うことができる。電気伝導性材料としては、液体または固体電解質のようにイオン伝導を行うことが出来る材料、電荷(電子または正孔)を伝導させる導電性高分子や電荷移動錯体を用いることができる。また、変換層2には、上記の水素貯蔵材料や電気伝導性材料以外とは別に必要に応じてバインダー樹脂などの結合材料を加えても良い。
【0059】
電極3a、3bから注入された電荷は、調光層1および変換層2においてそれぞれ電荷のやり取りを行う。一方の電極から注入された電荷が、そのまま他方の電極に移動してしまう場合もあるので、調光層1と変換層2との間に、イオン交換膜などのセパレータの役割を有する層(セパレート層)を配置してもよい。セパレート層は、層内でイオンは移動できるが、電荷が移動し難い材料を用いて形成することが望ましい。そのような材料は、例えばイオン交換体、多孔質絶縁物、イオン導電性高分子材料などである。セパレータ層を設けると、一方の電極から注入された電荷が他方の電極に突き抜けることが抑制される。そのため、調光層1および変換層2において、注入された電荷のうち水素イオンとのやり取りに用いられる電荷の割合が高くなるので、効率よくやり取りを行うことができる。
【0060】
本実施形態では、次のようにして変換層2を形成する。AB5型Mm水素貯蔵合金であるNi合金の超微粒子(分散中心半径10nm)と、導電性高分子材料P1(電子、正孔両電荷を輸送できる材料)、及びバインダー樹脂としてアクリル系樹脂で屈折率がガラスとほぼ同等のものをブレンドしたものを用いる。これらの材料を溶媒に溶解させた溶液を用意し、スピンコート法や印刷法によって塗布することにより、例えば厚さが500nmの変換層2を形成することができる。このような変換層2の形成は、インクジェット法やその他の薄膜堆積技術用いて行っても良い。
【0061】
次いで、調光層1を、蒸着法、スパッタ法などによって形成する。調光層1は、例えば厚さ50nmのイットリウム膜である。
【0062】
この後、電極3aとカラーフィルタ6とを順次形成する。電極3aは透明である。電極3aは、ITOを用いて、電極3bの形成方法と同様の方法で形成できる。ただし、電極3aのパターンは、図4に示すように、電極3bのパターンの延びる方向と略垂直方向に延びるように形成する。パターンの幅および隣接するパターンの間隔は、例えばそれぞれ100μmおよび10μmである。カラーフィルタ6は、例えば公知の材料を用いて、印刷法などの公知の方法で形成する。カラーフィルタ6は、図4に示すように、例えば電極3bのパターンの幅と同じ幅を有する複数のパターンを有する。このようにして、表示素子が得られる。
【0063】
この表示素子の電極3a、3bに電圧を印加することにより、変換層2の内部で電荷およびイオンの授受が行われる結果、前述したメカニズムにより、変換層2と調光層1との間で水素の移動を引き起こすことができる。このため、例えば、初期状態で水素がドープされていない調光層1と、あらかじめ水素を貯蔵した変換層2とを用い、図1に示すような電圧を印加すると、水素イオンが正極側から負極側に移動して、調光層1にドープされる。すなわち、正極側では水素放出反応が進行し、負極側では水素と金属との結合反応が進行して、水素金属化合物が形成される。これに対して、逆方向の電圧を印加すると、逆方向に水素の移動が生じるため、印加電圧の極性を交替することにより、調光層1の光学的状態を金属光沢−透明の間で可逆的に切り替えることができる。
【0064】
変換層2に貯蔵された水素の移動だけを考えると、電極3aと電極3bと積層構造の外部で短絡させてもよい。このような短絡は、二次電池における放電と同様の現象であり、積層構造の内部状態を初期状態に復帰させることができる。
【0065】
変換層2と調光層1が水素を保持する能力を持つため、電圧の印加を行わないとき(外部の回路を開放しているとき)、水素の移動が生じず、調光層1の光学的状態が保持される(調光層のメモリ機能)。このため、水素保持能力に優れた材料を選択すれば、電力を消費することなく調光状態を長期間保持することができる。
【0066】
上記の例とは逆に、あらかじめ水素をドープした調光層1と、水素を貯蔵していない状態の変換層2とを用いてもよい。その場合は、調光層1に正電位を、変換層2に負電位を与えることにより、調光層1から変換層2に水素を移動させ、それによって調光層1における調光材料の光学的状態を変化させても良い。
【0067】
本実施形態では、水素のドーピング量によって調光材料の光反射率/光透過率を制御することができるため、電極に印加する電圧や印加時間(デューティ比など)を調節することにより、調光層1の光反射率/光透過率を制御することができる。水素保持能力に基づくメモリ性を利用すれば、適切な光反射率/光透過率を保持することも容易である。
【0068】
このような水素の貯蔵/放出を適切に制御する際には、水素平衡圧−組成等温線(以下、「PTC特性曲線」と称する。)に注目する必要がある。PTC特性曲線は、図4に示すように、水素の貯蔵量と水素平衡圧力との関係を示す。図6のグラフでは、横軸が水素貯蔵量を示し、縦軸が水素平行圧力を示している。
【0069】
PTC特性曲線が横軸に対して概平行な部分(以下、「プラトー領域」と称する。)では、一定の平衡圧力内のもとで水素の貯蔵量が変化しえるため、水素平衡圧力を一定にした状態で水素の吸収/放出を可逆的に行うことができる。このため、本実施形態の表示素子は、PTC特性曲線のプラトー領域でスイッチング動作を行う。
【0070】
変換層2および調光層1は略同様のPTC特性を示すことが望ましい。より具体的には、図4に示すように、変換層2および調光層1のPTC特性曲線におけるプラトー領域の「水素貯蔵量」の範囲が重なり合い、かつ、「水素平衡圧力」のレベルがほぼ等しいことが望ましい。同等の水素平衡圧力を示すことによって、調光層1および変換層2の間で水素の授受をスムーズに行うことができる。調光層1および変換層2の間で、水素平衡圧力差が大きくなると、それぞれの層で水素の吸放出が生じても、2つの層の間で水素のやりとりを行うことができなくなってしまうからである。
【0071】
また、変換層2におけるPTC特性曲線のプラトー領域の水素貯蔵量範囲(幅)は、調光層1におけるPTC特性曲線のプラトー領域の水素貯蔵量範囲(幅)を含む大きさを有していることが更に好ましい。本実施形態の表示素子では、調光層1の水素ドーピング量によって調光層1の光透過率を制御するため、変換層2における水素貯蔵量の変化の幅が調光層1の状態変化に必要な水素ドーピング量の変化の幅よりも少ないと、調光層1の光学的状態を充分に変化させることができなくなるからである。
【0072】
再び、図3を参照する。図3に示す表示素子は、変換層2が透明である場合、金属反射状態と透明状態との間でスイッチングを行うことができる。透明度の高い状態を形成するには、基板4および電極3a、3bだけではなく、変換層2を可視光域の全範囲で透過率の高い(吸収の無い)材料から形成する必要がある。しかし、水素貯蔵材料などの変換材料は、金属または着色した材料である場合が多く、このような変換材料の層から透明性の高い変換層2を形成することは難しい。このため、変換材料の微粒子を透明な材料と混合することによって変換層2を形成することが好ましい。具体的には、光の波長以下の粒径を持つナノ粒子を変換材料から形成し、このナノ粒子を透明性に優れたバインダー樹脂で結合することができる。このようにして作製される変換層2は、透明性および水素貯蔵能力の両方を発揮することができるだけではなく、変換材料がナノ粒子化することにより、その表面積が増加するため、水素の吸放出効率も上昇することも期待される。変換材料による水素の吸放出効率が上昇すると、調光動作の応答速度が向上するので好ましい。超微粒子状態の変換材料としては、カーボン系材料(CNT、フラーレンなど)やカリウム−黒鉛層間化合物などを用いることもできる。
【0073】
調光層1は、金属反射状態において、入射する光を拡散反射することが好ましい。調光層1が光を拡散反射すると、表示素子は白を良好に表示する。
【0074】
調光層1が金属反射状態において光を拡散反射するためには、例えば調光層1の表面に微細な凸部および/または凹部が存在していてもよいし(図5(b))、調光層1が図1(b)に示すような調光粒子を含んでいてもよい(図5(c))。
【0075】
まず、表面に微細な凸部および/または凹部を有する調光層1について、詳しく説明する。
【0076】
表面に微細な凸部および/または凹部を有する調光層1は、例えば以下のように形成できる。図5(b)に示すように、凸部を有する基板4上に、電極3a、変換層2、調光層1、および電極3bを、この順序で積層する。調光層1は例えばイットリウム膜である。これにより、調光層1の表面に微細な凸部を形成できる。調光層1の表面に微細な凸部が存在していると、調光層1が金属反射状態にあるとき、反射光は散乱して白色として認識されるため、調光層1の表面は白色に見える。一方、調光層1が透明な状態にあるときには、変換層2によって光が吸収されるため、黒または他の色に見える。
【0077】
図5(b)に示す例では、基板の表面が微細な凸部を有しているため、変換層2および調光層1の全体の平坦性が基板の凹凸を反映した形状を有している。言い換えると、調光層1の上面(光反射側の面)だけではなく、底面も下地の凹凸を反映した形状を有している。しかし、下地である変換層2は凹凸構造を有している必要性は無いため、基板表面および変換層2は平坦に形成した上で、調光層1の上面のみに微細な凹部および/また凸部を形成するようにしてもよい。
【0078】
このように、イットリウム膜などの金属膜は平坦であれば光をミラー反射するが、金属膜の表面に凹凸を設けることにより、光を拡散反射する調光層1となる。これにより、白色の表示が可能な表示素子を提供できる。このような表示素子は、図3に示す構成を有するカラー表示素子に限らず、カラーフィルタ6を設けない白黒表示素子であってもよい。白黒表示素子に適用すれば、白表示をより良好に行うことができるので有利である。
【0079】
次に、調光粒子を含む調光層1について詳しく説明する。
【0080】
調光粒子を含む調光層1および変換層2を図5(c)に示す。図5(c)に示す調光層1では、水素濃度に応じて光学的特性が変化する調光材料を用いて形成された微粒子11(例えばイットリウム、ランタン、以下「調光微粒子」という)がバインダー樹脂に分散している。調光層1に含まれる調光微粒子11の平均粒径は例えば1μmである。バインダー樹脂として、例えばガラスとほぼ同等の屈折率を有するアクリル系樹脂を用いる。また、調光層1は、さらに、調光微粒子11と変換層2との間で水素イオンおよび電荷のやりとりを行うための電気導電性材料を含んでいる。電気伝導性材料としては、液体または固体電解質のようにイオン伝導を行うことが出来る材料、電荷(電子または正孔)を伝導させる導電性高分子(例えばP2)や電荷移動錯体を用いることができる。
【0081】
調光粒子を含む調光層1は、例えば以下のように形成する。バインダー樹脂の溶液に上記の調光微粒子11を分散させ、さらに電気導電性材料を溶解させた塗布溶液を用意する。この塗布溶液を、例えばスピンコート法によって変換層2上に塗布することによって形成できる。調光層1の厚さは例えば3μm程度である。調光層1の形成を、インクジェット法やその他の薄膜堆積技術用いて行っても良い。なお、好ましい調光層1の厚さは、1.5μm以上50μm以下である。1.5μm未満であれば、高い反射率を有する調光層1が得られなかったり、調光層1に用いる調光微粒子11の粒径が制限されたりする。一方、50μmを超えると、調光層1の導電性が低くなる可能性がある。
【0082】
調光層1に調光微粒子11が分散していると、図1(b)を参照して説明したように、各調光微粒子11が金属状態のとき、各調光微粒子11は調光層1に入射する光をランダムな方向に反射するので、調光層1全体としては光を拡散反射することができる。
【0083】
調光層1が拡散反射すること他に、調光材料を粒子化することにより以下のメリットが得られる。調光材料からなる薄膜を調光層1として用いる場合と比べて、調光材料の表面積を大きくすることができる。従って、調光材料と水素との反応効率が向上し、より高速なスイッチングが可能になる。また、調光材料の表面積が大きくなるので、調光層1に含まれる調光材料の状態をより確実に制御することができる。その結果、調光層の拡散反射状態と透明状態との反射率の差を拡大できる。
【0084】
調光微粒子11が光を反射するためには、各調光微粒子11は可視光波長よりも大きな粒径を持つことが望ましい。従って、調光微粒子11の粒径は、好ましくは400nm以上である。より好ましくは800nm以上である。800nm以上であれば、可視光が調光微粒子11を透過することをより確実に防止できるので、調光層1の光の反射率を高めることができる。一方、調光粒子m1の粒径は、調光層1の厚さよりも小さいことが好ましい。粒径が調光層1の厚さよりも大きいと、上述したような調光材料を粒子化するメリットが得られない。より好ましくは、調光微粒子11の粒径は30μm以下である。粒径が30μm以下であれば、調光材料と水素との反応効率を充分に高くすることができ、かつ調光層に入射する光を確実に拡散反射させることができる。さらに好ましくは、粒径は3μm以下である。調光材料の粒径が例えば1μmのとき、調光層1の厚さを3μm程度とすることが好ましい。
【0085】
本実施形態の表示素子において、調光層1と変換層2との間における電荷やイオンのやりとりを行うため、調光層1と変換層2との間に導電性高分子P1の膜を配置することが好ましい。電荷移動性をもつ高分子膜に加えて、電解質材料を用いて形成された層を配置しても良い。あるいは、電荷移動性をもつ高分子材料と電解質材料とを含む層を配置しても良い。電解質材料を含む層(電解質膜)を配置すると、水素イオンの移動が電解質膜を介して起こりやすいので、特性を向上させることも可能である。導電性高分子P1は、導電性を付与するためのイオンがドーピングされているため、電解質膜としての機能も併せ持っている。なお、上述したように調光粒子を含む調光層1を用いる場合は、調光層1のバインダー樹脂を上記高分子膜または電解質膜として機能させることもできる。
【0086】
図示する例では、変換層2や調光層1はそれぞれ1層であるが、変換層2および/または調光層1は必要に応じて多層構造を有していてもよい。また、2層の変換層2を、調光層1を挟み込むように配置すると、調光層1の上面および下面で水素の吸放出が行なわれるため、表示素子のスイッチング速度を高くできる。
【0087】
また、図3に示す表示素子は単純マトリクス構造を有しているが、画素ごとにアクティブ素子を有するアクティブマトリクス駆動の表示素子であってもよい。さらに、図3に示す表示素子は、カラーフィルタ6を備えたカラー表示素子であるが、白黒表示素子であってもよい。白黒表示素子は、基本的には図3に示す構成と同様の構成を有するが、カラーフィルタ6を有していない点で異なる。
【0088】
本実施形態の表示素子は、従来の液晶表示素子と比べて、非常に明るい(輝度の高い)白を表示することができる。また、コントラスト比を大きくできる。その理由を以下に説明する。
【0089】
液晶表示素子は、液晶分子の電圧印加に伴う配列変化を可視化するために偏向板を備えている。そのため、液晶素子に入射してくる光のうち、表示に用いられる光の割合は最大でも50%にとどまる。従って、特に白が暗くなり、表示が視認され難いという問題がある。これに対し、本実施形態の表示素子は、偏光板を設ける必要がない。そのため、調光層1で金属反射(または金属拡散反射)された光を、カラーフィルタ6を通して直接見るので、明るい白が表示できる。一方、調光層1が光透過状態のとき、光吸収層5の色を直接見ることになるので、非常に高品位の黒表が得られる。その結果、表示のコントラスト比を大きくできる。
【0090】
本実施形態の表示素子はメモリ性を有するので、いったん書き込んだ情報は電源を切っても保持される。そのため、書き換えの必要なときのみ電圧を印加すればよいので、消費電力を低減できる。
【0091】
さらに、本実施形態の表示素子は、基板上に各層を順次積層するだけで製造できる。従って、液晶表示素子のように、2枚の基板を貼り合わせ、それらの間に液晶材料を注入する工程がないので、製造プロセスが簡易である。また、本実施形態の表示素子は液晶層を有していないので、液晶表示素子よりも薄く、かつ軽くできる。
【0092】
本実施形態の表示素子は、各種表示装置に適用できる。例えば、本実施形態の表示素子は高いメモリ性を有するので、電子ペーパーや電子ブックなどに適用することもできる。
【0093】
(実施形態2)
以下、図7を参照しながら、本発明による表示素子の第2の実施形態を説明する。図7に示すように、本実施形態の表示素子は、変換層2が光吸収層としての機能を有しており、そのため基板4と電極3bとの間に光吸収層を有していない点が、上記の実施形態1の表示素子と異なる。
【0094】
本実施形態の表示素子は、可視光を吸収する変換層2を備えている。このような変換層2は、例えば、黒色のCNTから形成することができる。なお、変換層2が着色している場合、あるいは、変換層2が透明であっても、その中に顔料や着色樹脂が混入されている場合は、金属拡散反射状態と着色状態との間でのスイッチングが可能になる。
【0095】
光吸収性を有する変換層2は、水素貯蔵材料として機能するカリウム−黒鉛層間化合物および導電性高分子材料P1(電子、正孔両電荷を輸送できる材料)を、バインダー樹脂として機能するアクリル系樹脂と混合したもの(ブレンド樹脂)から形成することもできる。ブレンド樹脂は溶液化できため、変換層2は、スピンコートによって形成され得る。変換層2の厚さは、例えば500nm程度に設定され得る。なお、変換層2が光を充分に吸収できない場合には、変換層2にさらに黒色樹脂を加えてもよい。
【0096】
調光層1は、例えば実施形態1で用いた調光層1と同様である。すなわち厚さが50nm程度のイットリウム膜であってもよいし、イットリウム粒子などの調光材料の粒子を有する膜であってもよい。また、表面に微小な凹部および/または凸部を有していてもよい。
【0097】
調光層1と変換層2との間における電荷やイオンのやりとりを行うため、調光層1と変換層2との間に導電性高分子P1の膜を配置することが好ましい。電荷移動性をもつ高分子膜に加えて、電解質材料を用いて形成された層を配置しても良い。あるいは、電荷移動性をもつ高分子材料と電解質材料とを含む層を配置しても良い。電解質材料を含む層(電解質膜)を配置すると、電解質膜を介して水素イオンが移動するので、特性を向上させることも可能である。導電性高分子P1は、導電性を付与するためのイオンがドーピングされているため、電解質膜としての機能も併せ持っている。なお、調光材料の粒子を含む調光層1の場合には、バインダー樹脂を上記高分子膜または電解質膜として機能させることもできる。
【0098】
電極3aは、実施形態1と同様に透明な電極であるが、電極3bおよび基板4は透明である必要はない。
【0099】
本実施形態の表示素子に対して、変換層2が正極側、調光層1が負極側になるように電極3a、3bに電圧を印加すると、図8(a)〜(c)に示すように、表示素子の光入射面側が金属(拡散)反射状態から黒(光吸収)状態に変化する。
【0100】
調光層1が調光材料の膜である場合には、図8(a)に示すように、初期状態で金属反射を示していた表示素子の光入射面側が、電圧の印加により、徐々に黒(光吸収)状態に変化してゆく。これは、調光層1が透明になるに連れて、黒色の変換層2が視認されるためである。
【0101】
調光層1は、図8(a)および(b)に示すように、金属反射状態において、光を拡散反射することが好ましい。図8(b)に示すように、調光層1の表面に微小な凸部があれば、初期状態で金属拡散反射を示していた表示素子の光入射面側が、電圧の印加により、徐々に黒(光吸収)状態に変化してゆく。また、図8(c)に示すように、調光層1が調光材料の粒子(調光微粒子)を含む場合には、初期状態で金属拡散反射を示していた表示素子の光入射面側が、電圧の印加により、徐々に黒(光吸収)状態に変化してゆく。これは、調光層1に含まれる調光微粒子が透明になるに連れて、黒色の変換層2が視認されるようになるためである。
【0102】
図8(a)〜(c)の何れの場合でも、電源を切ってもこの状態は保持される。また、電極3aと電極3bとの間をショートさせ、あるいは電極3a、3bに対して極性を反転させた電圧を印加すると、表示素子の光入射側面が金属(拡散)光沢を示すように変化する。
【0103】
なお、図8(b)および(c)に示すような、金属反射状態において光を拡散反射する調光層1を含む表示素子は、明るく良好な白が表示できる。このような表示素子は白黒表示素子であってもよい。図9は、本実施形態の白黒表示素子を示す断面図である。図9に示すように、白黒表示素子は、基本的な構成は図7に示す構成と同様であるが、カラーフィルタ6を有していない点で異なる。
【0104】
本実施形態によれば、光吸収層を別個に設ける必要がないので、製造プロセスをさらに簡易にできる。また、実施形態1の表示素子では、表示素子に入射する光は、光吸収状態において、調光層1、変換層2および電極3層を通過して光吸収層5に吸収される。これに対し、本実施形態の表示素子では、表示素子に入射する光は、光吸収状態において、調光層1のみを通過して変換層2に吸収されるので、層の界面などで生じる反射光も低減され、黒表示の品位を向上できる。そのため、表示のコントラスト比が高くなる。
【0105】
(実施形態3)
次に、図10を参照しながら、本発明による表示素子の第3の実施形態を説明する。本実施形態の表示素子は、実施形態1の表示素子と同様の構成を有するが、以下の点で異なっている。実施形態1では、電極3a上にカラーフィルタ6を有しているが、本実施形態では、変換層2がカラーフィルタの機能を有しており、カラーフィルタを電極3a上に設ける必要がない。
【0106】
図10に示す構成では、基板4に近い側に調光層1が設けられ、その上に変換層2が形成されているが、基板4に近い側に変換層2を配置し、その上に調光層1を形成してもよい。また、基板4がガラス基板などの透明な基板であれば、光吸収層5を基板4の背面に設けてもよい。
【0107】
カラーフィルタとして機能できる変換層2は、例えば以下のように形成される。実施形態1の透明な変換層1に用いた材料と同じ材料に、RGBのそれぞれの着色顔料を混入することにより、RGBのそれぞれの分散溶液を用意する。これらの分散溶液を、インクジェット法により、調光層1上に画素のパターンに対応するように塗布する。これにより、変換層2が形成される。塗布方法は、インクジェット法の他に、スクリーン印刷法やロール印刷法などの公知の他の印刷方法であってもよい。
【0108】
本実施形態の表示素子は、実施形態1と同様の表示特性を有する。本実施形態によれば、カラーフィルタを別個に設ける必要がないので、製造プロセスを簡易にできる。
【0109】
(実施形態4)
次に、図11を参照しながら、本発明による表示素子の第4の実施形態を説明する。本実施形態の表示素子における調光層1は、以下に説明するように、前述の他の実施形態の表示素子における調光層1と異なっている。そのほかの構成は、実施形態1と同様である。本実施形態の表示素子は、図3に示す表示素子ように光吸収層5を設けたり、図7に示す表示素子のように光吸収性を有する変換層2を用いたりすることなく、金属拡散反射(白色)状態と光吸収(黒または着色)状態の間でスイッチングを行うことが可能である。
【0110】
図12は、本実施形態の表示素子における調光層1および変換層2を示す断面図である。図12に示すように、調光層1は、図5(c)の調光層1に含まれる調光微粒子と同様の調光微粒子(イットリウム微粒子など)11を含んでいる。調光微粒子11は、例えばカーボン系の黒色粒子などの着色粒子10に吸着している。調光微粒子11を着色粒子10の表面に確実に吸着させるために、調光粒子11の粒径が着色粒子10の粒径よりも小さいことが好ましい。なお、調光微粒子の好ましい粒径は、図5(c)を参照して説明した好ましい粒径と同じである。
【0111】
このような調光層1は、例えば以下のようにして形成できる。バインダー樹脂の溶液中で、粒径5μmの黒色粒子と、それより小さい粒径(例えば1μm)を有する調光微粒子とを混合することにより、黒色粒子の表面を覆うように調光微粒子を吸着させる。得られた溶液に導電性高分子材料P2をさらにブレンドした後、スピンコート法により電極3bの上に塗布する。得られた調光層1の厚さは、例えば10μmである。黒色粒子が分散されているため、調光層1の厚さは他の実施形態の調光層1の厚さよりも大きい。しかし、カーボン系黒色微粒子および調光微粒子は何れも高い導電性を示すので、調光層1全体は十分な導電性を有する。
【0112】
本実施形態の表示素子に対して、変換層2が正極側、調光層1が負極側になるように電極3a、3bに電圧を印加すると、図12に示すように、初期状態で金属拡散反射を示していた表示素子の光入射面側が徐々に黒状態に変化してゆく。これは、黒色粒子に吸着している調光微粒子が透明になるに連れて、黒色粒子が視認されるようになるためである。電源を切ってもこの状態は保持される。また、電極3aと電極3bとの間をショートさせ、あるいは電極3a、3bに対して極性を反転させた電圧を印加すると、表示素子の光入射側面が金属拡散光沢を示すように変化する。
【0113】
本実施形態では、変換層2は透明であったり、黒色であったりする必要はないので、変換層2に用いる材料の選択の余地が大きい。また、電極3bは透明である必要はないので、金属電極であってもよい。
【0114】
本実施形態の表示素子は、実施形態1の表示素子と同様の表示特性を有する。
【0115】
本実施形態の表示素子によれば、調光層1に含まれる調光微粒子が金属反射状態にあるとき、反射光は散乱して白色として認識されるため、調光層1の表面は白色に見える。一方、調光微粒子が透明な状態にあるときには、黒色粒子などの着色粒子によって光が吸収されるため、調光層1の表面は黒または他の色に見える。このように、調光層1自体が、金属拡散状態と光吸収(着色)状態との間を遷移する。従って、本実施形態では、光吸収層などの光吸収性を有する層を別個に設ける必要がないので、製造プロセスを簡易にできる。
【0116】
(実施形態5)
図13を参照しながら、本発明による表示素子の第5の実施形態を説明する。
【0117】
本実施形態の表示素子は、実施形態4と同様の構成を有するが、図13に示すように、変換層2がカラーフィルタの機能を有する点が異なる。
【0118】
調光層1は、実施形態4における調光層1と同様である。すなわち、調光微粒子を含んでおり、調光微粒子は黒色粒子に吸着している。調光層1は、実施形態4における調光層1の形成方法と同様の方法で形成できる。
【0119】
カラーフィルタの機能を有する変換層2は、例えば実施形態3における変換層2と同様である。変換層2は、調光層1の上に、実施形態3における変換層2の形成方法と同様の方法で形成できる。
【0120】
本実施形態によれば、調光層1が光吸収性を有するので、光吸収層などの光吸収性を有する層を別個に設ける必要がなく、また、変換層2がカラーフィルタとしても機能するので、カラーフィルタを別個に設ける必要がないので、製造プロセスを大幅に簡易化できる。さらに、実施形態1の表示素子と比べて、入射光や反射光が通過する層の数が低減されるので、白状態における光の吸収や黒状態における光の反射が低減され、その結果、表示のコントラスト比が向上する。
【0121】
(実施形態6)
図14を参照しながら、本発明による表示素子の第6の実施形態を説明する。
【0122】
本実施形態の表示素子は、実施形態4と同様の構成を有するが、図14に示すように、基板4の背面にバックライト8を設置している点が異なる。本実施形態の表示素子は、バックライト8をON/OFFすることにより、透過型表示素子⇔反射型表示素子の切り替えを行うことができる。
【0123】
変換層2は透明であり、例えば実施形態1における変換層2と同様である。変換層2は、電極3bの上に、実施形態1における変換層2の形成方法と同様の方法で形成できる。
【0124】
本実施形態の表示素子における調光層1は、実施形態4における調光層1と同様である。すなわち、調光微粒子を含んでおり、調光微粒子は黒色粒子に吸着している。調光層1は、変換層2の上に、実施形態4における調光層1の形成方法と同様の方法で形成できる。
【0125】
基板4に対する変換層2および調光層1の積層順序は、図示するものに限定されず、基板4に近い側に調光層1を配置し、その上に変換層2を形成してもよい。この場合は、変換層2がカラーフィルタの機能を有することもできる。そのような変換層2は、例えば実施形態5における変換層2と同様である。このような構成にすると、カラーフィルタ6を無くすことができるので有利である。
【0126】
本実施形態では、電極3a、3bおよび基板4は透明である。例えば、電極3a、3bはITO電極であり、基板4はガラス基板である。
【0127】
バックライト8は、液晶表示装置などに用いられる公知のバックライトであってよい。
【0128】
本実施形態の表示素子は、外光があるときは反射型表示素子として用いることができる。すなわち、基板4の上方から充分な光が入射してくるときは、実施形態4と同様に反射光による表示を行うことができる。一方、外光が少なく、反射型表示素子として用いることが困難なときは、バックライト8を点灯することにより、透過型表示素子として用いることができる。バックライト8から調光層1に入射する光は、画素の調光層1が光吸収(黒)状態であれば、調光層1に吸収されるので、その画素は黒を表示する。画素の調光層1が金属拡散反射状態に変化すると、バックライト8から調光層1に入射する光は調光層1の調光微粒子によって散乱される。散乱された光は、基板4の上方から取り出すことができる。そのため、その画素は白を表示する。
【0129】
このように、本実施形態によれば、外光の環境に応じて、透過型、反射型の何れの表示素子としても用いることができるので、マルチシーンで視認性のよい表示素子を実現できる。
【0130】
(実施形態7)
図15(a)および(b)を参照しながら、本発明による表示素子の第7の実施形態を説明する。本実施形態の表示素子は、実施形態6と同様の構成を有するが、以下の点が異なる。実施形態6では、調光層1として、着色粒子に吸着した調光粒子を含む膜を用いているが、本実施形態では、調光材料の膜を調光層1として用いている。本実施形態の表示素子は、バックライト8をON/OFFすることにより、透過型表示素子⇔反射型表示素子の切り替えを行うことができる。
【0131】
図15(a)および(b)に示す表示素子における調光層1は、金属反射状態において光をミラー反射するものであればよい。例えば図1(a)に示すようなイットリウム膜などの金属膜である。この金属膜は典型的には略平坦である。
【0132】
本実施形態の表示素子は、外光があるときは、図15(a)に示すように、反射型表示素子として用いることができる。すなわち、基板4の上方から充分な光が入射してくるときは、実施形態6と同様に反射光による表示を行うことができる。画素の調光層1が光を透過する状態であれば、入射光は調光層1や他の層を通過して、透明な基板4の背面にある消灯中のバックライト8に吸収されるので、その画素は黒を表示する。画素の調光層1が光を反射する状態であれば、入射光は調光層1で反射されるので、その画素は白を表示する。一方、外光が少なく、反射型表示素子として用いることが困難なときは、バックライト8を点灯することにより、図15(b)に示すような透過型表示素子として用いることができる。バックライト8から調光層1に入射する光は、画素の調光層1がミラー反射状態であれば、調光層1で反射されて、バックライト8に戻される。そのため、その画素は黒を表示する。画素の調光層1が光を透過する状態に変化すると、バックライト8から調光層1に入射する光を、そのまま基板4の上方から取り出すことができる。そのため、その画素の表示は白になる。
【0133】
本実施形態では、上記のように、表示しようとする画素および非表示の画素のそれぞれの調光層1の状態は、反射型表示素子として用いる場合と透過型表示素子として用いる場合と異なる。従って、反射型表示素子⇔透過型表示素子の切り替えに伴って、各画素の調光層1の状態を反転させることが好ましい。
【0134】
なお、基板に対する変換層2および調光層1の積層順序は、図示する例と逆転していてもよい。
【0135】
このように、本実施形態によれば、外光の環境に応じて、透過型、反射型の何れの表示素子としても用いることができるので、マルチシーンで視認性のよい表示素子を実現できる。
【0136】
(実施形態8)
図16を参照しながら、本発明による表示素子の第7の実施形態を説明する。本実施形態の表示素子が他の実施形態の表示素子と異なる点は、図16に示すように、調光層1それ自体が電極の一方を兼ねている点である。
【0137】
調光層1がイットリウム膜などの金属膜である場合、調光層1は電極として機能し得る。また、調光層1が調光材料の粒子(調光微粒子)を含む膜であっても、調光層1のバインダー樹脂が導電性材料を含んでいれば、調光層1を電極として用いることができる。調光層1を変換層2の基板4側に配置すると、調光層1を電極3bとして機能させることができる。また、図13に示すように、調光層1を変換層2の上に配置すると、調光層1を電極3aとして機能させることができる。
【0138】
調光層1を電極として機能させるためには、調光材料から形成された膜をパターニングする必要がある。調光材料として、実施形態1で用いた調光材料と同様の材料を用いることができる。本実施形態では、調光層1は以下のように形成する。まず、変換層2の上に、スパッタ法などにより金属膜を形成する。この金属膜を、マスク蒸着によるパターニング、ウェット・ドライパターニングプロセスなどによりパターニングする。これにより、調光層1が得られる。調光層1は、電極として機能するために十分な導電性を有する。
【0139】
代わりに、調光微粒子を含む調光層1を形成してもよい。この場合は、バインダー樹脂、調光微粒子、導電性材料などの必要な材料を含む溶液を用意し、この溶液を公知の印刷法を用いて変換層2の上に塗布することによって、パターニングされた調光層1を形成できる。
【0140】
本実施形態では、変換層2は、実施形態2における変換層2と同様の光吸収性を有する変換層2を用いている。代わりに、実施形態1に置ける変換層2と同様の透明な変換層2を用いてもよい。その場合は、調光層1と基板4との間のどこかに光吸収層5を配置するとよい。
【0141】
本実施形態の表示素子は、図16に示す構成の表示素子に限らない。この他に、前述した他の実施形態における表示素子に対し、調光層1を電極の一方として機能させてもよい。例えば、図14に示す透過型表示素子において、電極3aを設けずに、調光層1を電極として機能させることができる(図17)。
【0142】
本実施形態によれば、調光層1が電極を兼ねることにより、表示素子の製造工程数を低減することができる。
【0143】
【発明の効果】
本発明によれば、金属反射状態と透過状態との間で遷移が可能な材料を用いて表示素子を提供することができる。本発明の表示素子は、液晶表示素子のように偏光板を有していないので、高明度で高コントラスト比の表示が可能である。
【0144】
本発明の表示素子は、アクティブマトリクス駆動または単純マトリクス駆動の各種表示装置(フルカラー、白黒表示装置を含む)に適用できる。また、本発明の表示素子は、反射型、透過型、および投射型の何れの表示装置にも適用できる。特に、本発明の表示素子を用いると、反射型表示装置としても透過型表示装置としても機能できる表示装置を構成することができるので有利である。また、本発明の表示素子は高いメモリ性を有するので、電子ブックや電子ペーパーに適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)〜(c)は、本発明による表示素子の調光原理を模式的に示す断面図である。
【図2】本発明の表示素子の動作原理を示す図である。
【図3】本発明による表示素子の第1の実施形態を示す断面図である。
【図4】本発明による表示素子の第1の実施形態を示す平面図である。
【図5】(a)〜(c)は、本発明による表示素子の第1の実施形態における調光層および変換層を示す断面図である。
【図6】調光層および変化層の水素平衡圧−組成等温線(PTC特性曲線)を示すグラフである。
【図7】本発明による表示素子の第2の実施形態を示す断面図である。
【図8】(a)〜(c)は、本発明による表示素子の第2の実施形態における調光層および変換層を示す断面図である。
【図9】本発明による表示素子の第2の実施形態を示す断面図である。
【図10】本発明による表示素子の第3の実施形態を示す断面図である。
【図11】本発明による表示素子の第4の実施形態を示す断面図である。
【図12】本発明による表示素子の第4の実施形態における調光層および変換層を示す断面図である。
【図13】本発明による表示素子の第5の実施形態を示す断面図である。
【図14】本発明による表示素子の第6の実施形態を示す断面図である。
【図15】(a)および(b)は、本発明による表示素子の第7の実施形態を示す断面図である。
【図16】本発明による表示素子の第8の実施形態を示す断面図である。
【図17】本発明による表示素子の第8の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
M1 調光層
M2 変換層
m1 調光微粒子
m2 着色粒子
1 調光層
2 変換層
3a 上層の電極
3b 下層の電極
4 基板
5 吸収層
6 カラーフィルタ
8 バックライト
10 着色粒子
11 調光微粒子
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a display device capable of controlling light reflectance and transmittance.
[0002]
[Prior art]
A phenomenon has been reported in which a metal thin film such as yttrium (Y) or lanthanum (La) combines with hydrogen to change to a hydride that can transmit visible light (Patent Document 1, Non-Patent Document 1). Since this phenomenon is reversible, it is possible to change the thin film between the metallic luster state and the transparent state by adjusting the hydrogen pressure in the atmosphere.
[0003]
If the optical characteristics of the thin film can be changed to switch between a state showing metallic luster and a transparent state, a light control mirror capable of freely adjusting the reflectance / transmittance of light can be realized. If the light control mirror is used, for example, as a window glass of a building or an automobile, sunlight can be blocked (reflected) or transmitted as necessary.
[0004]
Such a light control mirror has, for example, a structure in which a palladium layer is formed on an yttrium thin film. Palladium has a function of preventing surface oxidation of the yttrium thin film and a function of efficiently converting hydrogen molecules in the atmosphere to hydrogen atoms and supplying the same to yttrium. When yttrium chemically bonds to a hydrogen atom, YH 2 Or YH 3 Is formed. YH 2 Is a metal, but YH 3 Is a semiconductor and is transparent because its forbidden bandwidth is larger than the energy of visible light.
[0005]
Further, even at room temperature, YH 2 ⇔YH 3 Changes quickly (about several seconds), and it is possible to switch between a reflective (metallic luster) state and a transparent state according to the hydrogen content in the atmosphere.
[0006]
As another material capable of making the transition from metallic luster to transparent, for example, Mg 2 Non-Patent Document 2 discloses a Ni thin film.
[0007]
[Patent Document 1]
U.S. Pat. No. 5,635,729
[Non-patent document 1]
Hubert, et al., Nature, (UK), March 1996, Volume 380, p. 231-234
[Non-patent document 2]
The Japan Society of Applied Physics 2001 Spring 31-a-ZS-14
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
According to the above prior art, in order to change the optical state of a thin film, it is necessary to hydrogenate a material capable of transitioning from a metallic luster to a transparent material contained in the thin film by exposing the thin film to a hydrogen atmosphere. It is. Specifically, it is necessary to control the amount of hydrogen (hydrogen partial pressure) in the atmosphere gas in contact with the thin film. Since such control of the amount of hydrogen is performed on the entire surface of the thin film, the optical state of the entire thin film changes.
[0009]
For this reason, the above-mentioned prior art is premised on application to an application that changes the optical state of the entire thin film, such as a light control mirror, and is not proposed to be applied to a display device. For application to a display device, it is necessary to partition the thin film into a plurality of pixels and control the optical state for each pixel. However, it is difficult to control the amount of hydrogen in the atmospheric gas for each pixel, which is not practical.
[0010]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a display element using a material that can transition between a metal reflection state and a transmission state.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The display element of the present invention is a display element including a plurality of pixels, wherein each of the plurality of pixels includes a first layer including a first material whose optical characteristics change according to a concentration of a specific element; A second layer including a second material that may contain a specific element, wherein the second material emits or absorbs the specific element when a voltage is applied, and the second layer applies the voltage to the second layer. It is characterized by comprising a pair of electrodes for application, wherein the light reflectance of the first layer changes in response to the voltage, thereby achieving the object.
[0012]
In a preferred embodiment, the first material may transition between a light reflection state and a light transmission state according to the concentration of the specific element.
[0013]
In a preferred embodiment, when the first material is in a light reflecting state, the first layer diffusely reflects light.
[0014]
In a preferred embodiment, the first material is a particle.
[0015]
In a preferred embodiment, at least one of an upper surface and a lower surface of the first layer has irregularities.
[0016]
In a preferred embodiment, the first layer further includes colored particles, and the first material is adsorbed on the colored particles.
[0017]
In a preferred embodiment, the first layer transitions between a state in which light is diffusely reflected and a state in which light is transmitted, and the second layer has a light-transmitting property. And a light absorbing layer that absorbs light transmitted through the second layer.
[0018]
In a preferred embodiment, the first layer transitions between a state in which light is diffusely reflected and a state in which light is transmitted, the second layer has visible light absorption, and the second layer has Are arranged on the side opposite to the light incident surface of the first layer.
[0019]
The second layer may be disposed on the light incident side of the first layer and function as a color filter.
[0020]
The specific element may be hydrogen, and the second layer may include a hydrogen storage material.
[0021]
It is preferable that the second material emits or absorbs the specific element by transferring electrons.
[0022]
The first layer may have conductivity and function as one of the pair of electrodes.
[0023]
The display element of the present invention may be a reflective display element.
[0024]
The display element of the present invention can further have a backlight.
[0025]
The first layer may transition between a state in which light is mirror-reflected and a state in which light is transmitted, and may further include a backlight.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, the light control principle used for display in the display element of the present invention will be described.
[0027]
FIGS. 1A to 1C are schematic cross-sectional views illustrating the dimming principle of the display device of the present invention. The display element of the present invention has a plurality of pixels, and each pixel has a laminated structure of a light control layer M1 and a conversion layer M2. Display is performed by changing the light reflectance of the light control layer M1 for each pixel.
[0028]
The light control layer M1 shown in FIG. 1A includes a light control material whose optical characteristics change according to the concentration of a specific element. Preferred examples of the light modulating material include Y, La, and Mg described above. 2 The light control layer 1 is a thin film of such a light control material, for example. Y, La, Mg 2 Materials such as Ni alloys transition between a metal-semiconductor (or insulator) state depending on the hydrogen concentration.
[0029]
The conversion layer M2 includes a material (hereinafter, referred to as a “conversion material”) that can contain a specific element such as hydrogen. The conversion material emits or absorbs the specific element (for example, hydrogen) in response to an external stimulus such as injection of charge (electrons or holes) or light irradiation.
[0030]
Both the dimming layer M1 and the conversion layer M2 shown in FIG. 1A have an ability to absorb / release hydrogen, and are capable of moving charges (electrons or holes) and ions. It has conductivity.
[0031]
Hereinafter, the mechanism by which hydrogen ions move from the conversion layer M2 to the light control layer M1 or from the light control layer M1 to the conversion layer M2 by charge injection / release will be described. The feature of this mechanism is that ions of a specific element (hydrogen) that changes the optical characteristics of the light control layer M1 are moved not by an electrochemical reaction but by a charge transfer.
[0032]
FIG. 2A shows an initial state of the light control layer M1 and the conversion layer M2 included in the structure of FIG. In this initial state, an equilibrium state is formed between the light control layer M1 that does not substantially store hydrogen and the conversion layer M2 that stores hydrogen in advance. Since there is no sufficient concentration of hydrogen in the light control layer M1, the light control layer M1 is in a metal state and has a metallic luster.
[0033]
Next, as shown in FIG. 2B, a negative potential is applied to the light control layer M1 and a positive potential is applied to the conversion layer M2. At this time, electrons are injected into the light control layer M1 from a negative electrode (not shown), and the light control layer M1 is in an electron-rich state. On the other hand, holes are injected into the conversion layer M2 (electrons are extracted). The holes injected into the conversion layer M2 move inside the conversion layer M2 toward the light control layer M1. If holes are further continuously injected into the conversion layer M2 in such a hole movement process, the conversion layer M2 becomes a hole-rich state. Thus, the conversion layer M2 is in a state where hydrogen ions are easily released, while the light control layer M1 receives and retains hydrogen ions from the conversion layer M2.
[0034]
For this reason, the equilibrium state of hydrogen established between the light control layer M1 and the conversion layer M2 is broken, and the light control layer M1 is more likely to hold hydrogen, and the hydrogen ions released from the conversion layer M2 Moves to the light control layer M1. Thus, a new equilibrium state is formed as shown in FIG. In this state, the hydrogen transferred to the light control layer M1 and the light control material are combined, and the light control layer M1 becomes transparent.
[0035]
Describing the above reaction, M1 + M2 (H) → M1 (H) + M2. Here, M1 (H) and M2 (H) indicate a state where hydrogen is held in the light control layer M1 and a state where hydrogen is held in the conversion layer M2, respectively.
[0036]
As is clear from the above description, only the transfer of hydrogen ions is performed between the light control layer M1 and the conversion layer M2, and no reaction involving other ions occurs. When the polarity of the applied voltage is reversed in the state shown in FIG. 2C, the reaction proceeds in the opposite direction, and the state returns to the original equilibrium state shown in FIG. 2A.
[0037]
Instead of the structure shown in FIG. 1A, a laminated structure including the light control layer M1 and the conversion layer M2 shown in FIG. 1B may be provided. The light modulating layer M1 in FIG. 1B includes particles m1 of a light modulating material whose optical characteristics change according to the concentration of a specific element (hereinafter, may be referred to as “light modulating particles”). Preferred examples of the light modulating material include Y, La, and Mg described above. 2 It is a Ni alloy. The light control layer M1 contains, for example, a binder resin, and the light control particles m1 are dispersed in the binder resin. The light control layer M1 also includes an electrolytic material (such as a conductive polymer) for transporting hydrogen ions or hydrogen from the conversion layer M2. The conversion layer M2 is substantially the same as the conversion layer M2 described with reference to FIG.
[0038]
When the structure shown in FIG. 1B is used, in the initial state of the light control layer M1 and the conversion layer M2 (FIG. 2A), there is no sufficient concentration of hydrogen in the light control layer M1. Each of the light control particles m1 dispersed in the light control layer M1 is in a metal state and mirror-reflects light. As described above, each of the light control particles m1 reflects light incident on the light control layer M1 in a random direction, and thus the light control layer M1 as a whole diffusely reflects light. Thereby, white reflected light is obtained. When the hydrogen ions move to the light control layer M1 and a new equilibrium state is formed (FIG. 2C), the hydrogen transferred to the light control layer M1 and the light control particles m1 combine to form each light control particle. m1 becomes transparent.
[0039]
Alternatively, a laminated structure including the light control layer M1 and the conversion layer M2 shown in FIG. 1C can be used. The light control layer M1 in FIG. 1C further includes colored particles m2 such as black particles, and the light control layer M1 in FIG. Is different from The conversion layer M2 in FIG. 1C is substantially the same as the conversion layer M2 described with reference to FIG.
[0040]
When the structure shown in FIG. 1B is used, in the initial state (FIG. 2A), similarly to the structure of FIG. 1B, each light modulating particle m1 adsorbed on the colored particles m2 is in a metal state. Mirrors the light. As described above, each of the light control particles m1 reflects light incident on the light control layer M1 in a random direction, and thus the light control layer M1 as a whole diffusely reflects light. Thereby, white reflected light is obtained. When the hydrogen ions move to the light control layer M1 and a new equilibrium state is formed (FIG. 2C), the hydrogen transferred to the light control layer M1 and the light control particles m1 combine to form each light control particle. m1 becomes transparent. As a result, the light control layer M1 shows the color of the colored particles m2, for example, black. As described above, since the light control layer M1 transitions between the diffuse reflection state and the colored state (also referred to as an absorption state), in this structure, the conversion layer M2 does not need to be transparent.
[0041]
In the present invention, a mechanism in which hydrogen ions move between the light control layer M1 and the conversion layer M2 by charge injection as shown in FIGS. 2A to 2C is used. It is not limited to. The display element of the present invention can also use a mechanism in which hydrogen ions move between the conversion layer M2 and the light control layer M1 by, for example, an electrochemical reaction. In this case, a solid electrolyte layer may be further provided between the light control layer M1 and the conversion layer M2, or the binder resin contained in the light control layer M1 of FIG. May be used. Alternatively, the display element of the present invention may not include the conversion layer M2. In this case, the light control layer M1 may further include a conversion material, and hydrogen ions may be moved between the light control particles m1 and the conversion material inside the light control layer M1.
[0042]
Regardless of which mechanism is used, the concentration of hydrogen ions in the light control layer M1 changes according to the voltage applied to the conversion material. It changes as shown in (c).
[0043]
Note that among the above, it is preferable to use a mechanism for moving hydrogen ions by injection of electric charge. In the case where hydrogen is driven by changing the equilibrium state of hydrogen by transferring charges (electrons or holes), it is not necessary to involve other ions other than hydrogen ions in the reaction. For this reason, there is an advantage that the response speed is higher than in the case where a mechanism based on an electrochemical reaction involving a plurality of types of ions is used. In addition, since no electrochemical reaction occurs, the possibility that hydrogen gas is generated on the positive electrode side is low, and stable operation as an electronic element can be achieved.
[0044]
Thus, the display element of the present invention can change the hydrogen content of the light control layer M1 by applying a voltage to the conversion layer M2 containing the conversion material. Therefore, the display device of the present invention is more practical than the dimming device of the prior art, which needs to control the partial pressure of hydrogen in the atmosphere. Further, in the related art, since the control of the hydrogen partial pressure is performed on the entire surface of the light control layer M1, the optical characteristics of the light control layer M1 change over the entire surface of the light control layer M1. On the other hand, in the present invention, since the above mechanism is used, the optical characteristics can be changed for each pixel by controlling the applied voltage for each pixel of the light control layer M1.
[0045]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0046]
(Embodiment 1)
First, an embodiment of a display element according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of one pixel in the display element of the present embodiment, and FIG. 4 is a plan view of the display element of the present embodiment. Here, a reflection type full-color display element will be described as an example, but the present invention is not limited to this. For example, a black-and-white display element or a projection display element may be used.
[0047]
The display element of the present embodiment has a light absorption layer 5, an electrode 3b, a conversion layer 2, a light control layer 1, an electrode 3a, and a color filter 6, which are sequentially stacked on a substrate 1. As shown in FIG. 4, the electrode 3b has a plurality of patterns extending in parallel, and the electrode 3a has a plurality of patterns extending in a direction perpendicular to the electrode 3b. An appropriate voltage can be applied to the pair of electrodes 3a and 3b, but it is also possible to simply short-circuit the electrodes 3a and 3b as appropriate. The color filter 6 has a plurality of patterns extending substantially parallel to the electrode 3a. Of these patterns, typically, three patterns of R (red), G (green), and B (blue) are formed for each pixel.
[0048]
The order of laminating the conversion layer 2 and the light control layer 1 on the substrate 4 is not limited to the illustrated one. The conversion layer 2 is arranged on the side close to the substrate 4 and the light control layer 1 is formed thereon. May be. If the substrate 4 is a transparent substrate such as a glass substrate, the light absorbing layer 5 may be provided on the back surface of the substrate 4. When the light absorbing layer 5 has conductivity, the light absorbing layer 5 may be provided anywhere between the electrode 3a and the electrode 3b. Alternatively, the light absorbing layer 5 having conductivity can be used integrally with the electrode 3b or instead of the electrode 3b.
[0049]
The light control layer 1 in the present embodiment includes a light control material (e.g., yttrium) whose optical characteristics change according to the hydrogen concentration. In the present embodiment, the light control layer 1 is a film (for example, an yttrium film) formed using a light control material as shown in FIG. The light control layer 1 may be a single layer or may have a multilayer structure.
[0050]
Conversion layer 2 contains a conversion material that can contain hydrogen. This conversion material exchanges electrons with the electrode 3a to form hydrogen ions (H + ) Can be released / absorbed.
[0051]
In the illustrated example, a voltage can be applied to the conversion layer 2 of an arbitrary pixel by the electrodes 3a and 3b formed in a matrix. In a certain pixel, when a positive potential is applied to the electrode 3a and a negative potential is applied to the electrode 3b, hydrogen ions are released from the conversion material of the conversion layer 2 containing a sufficient amount of hydrogen in advance. The released hydrogen ions move in the electric field formed in the stacked structure, reach the light control layer 1, and are doped into the light control material. The mechanism of such hydrogen release and transfer is as described above. The light modulating material in the light modulating layer 1 combines with hydrogen to form a hydrogen metal compound. As a result, the light modulating material that was initially in a metallic state changes to a semiconductor or an insulator that transmits visible light.
[0052]
FIG. 5A shows a change in the state of the light control layer 1 and the conversion layer 2 as described above. When the light control material of the light control layer 1 is in a metal state, light incident on the display element is reflected by the light control layer 1 and passes through the color filter 6. Therefore, the light transmitted through the color filter 6 is visually recognized. When the light modulating material is a semiconductor or an insulator, the light modulating layer 1 becomes transparent, so that light incident on the display element passes through the light modulating layer 1 and is absorbed by the light absorbing layer 5. Therefore, black is visually recognized.
[0053]
Next, a method for manufacturing the display element of the present embodiment will be described.
[0054]
First, the substrate 4 is prepared. The substrate 4 only needs to be able to support the laminated structure formed on the substrate 4, and a glass substrate, a plastic substrate, a metal substrate, or the like can be used. Substrate 4 need not be transparent.
[0055]
The light absorption layer 5 is formed on the substrate 1. The light absorbing layer 5 may be a layer that absorbs light in the entire visible light region (black) or a layer that absorbs a part of light in the visible light region (other colors). The light absorbing layer 5 is formed by applying a black resin containing a carbon black-based black material on the substrate 1 by a spin coating method, for example.
[0056]
Thereafter, an electrode is formed on the light absorption layer 5. For example, a film with a thickness of 150 nm is formed by a sputtering method using ITO (Indium Tin Oxide). This film is patterned into a plurality of patterns having a width of 100 μm (corresponding to the width of the pixel). These patterns are substantially parallel to each other, and the interval between adjacent patterns is 10 μm.
[0057]
The transparent conversion layer 2 is formed on the electrode 3b. The conversion material contained in the conversion layer 2 can store and hold hydrogen atoms or ions in a steady state, and changes the hydrogen storage amount (retention amount) according to an external stimulus. Materials that can store such hydrogen include LaNi. 5 , MnNi 5 , CaNi 5 ・ TiMn 1.5 , ZrMn1.5, ZrMn 2 , TiNi, TiFe, Mg 2 An alloy such as Ni can be used. Further, carbon nanotubes (CNT) or NiOOH can also be used. When NiOOH is used, hydrogen is transferred between the conversion layer 2 and the light control layer 1 by utilizing an electrochemical mechanism. It is preferable to provide an electrolyte layer between them.
[0058]
Conversion layer 2 may include an electrically conductive material in addition to the hydrogen storage material. When an electrically conductive material is included in the conversion layer 2, exchange of hydrogen ions with the light control layer 1 can be performed quickly. As the electrically conductive material, a material capable of conducting ions, such as a liquid or solid electrolyte, a conductive polymer that conducts electric charges (electrons or holes), or a charge transfer complex can be used. The conversion layer 2 may further include a binder material such as a binder resin, if necessary, in addition to the hydrogen storage material and the electrically conductive material.
[0059]
The charges injected from the electrodes 3a and 3b exchange charges in the light control layer 1 and the conversion layer 2, respectively. Since the charge injected from one electrode may move to the other electrode as it is, a layer having a role of a separator such as an ion exchange membrane (separate) is provided between the light control layer 1 and the conversion layer 2. Layer). The separate layer is desirably formed using a material to which ions can move in the layer but to which electric charge is unlikely to move. Such a material is, for example, an ion exchanger, a porous insulator, an ion conductive polymer material, or the like. When the separator layer is provided, the charge injected from one electrode is suppressed from penetrating to the other electrode. Therefore, in the light control layer 1 and the conversion layer 2, the ratio of the charge used for exchanging with the hydrogen ions in the injected electric charge is increased, so that the exchanging can be performed efficiently.
[0060]
In the present embodiment, the conversion layer 2 is formed as follows. Ultra fine particles of Ni alloy which is AB5 type Mm hydrogen storage alloy (dispersion center radius 10 nm), conductive polymer material P1 (material capable of transporting both electron and hole charges), and refractive index of acrylic resin as binder resin Used is a blend of glass and glass. By preparing a solution in which these materials are dissolved in a solvent and applying the solution by a spin coating method or a printing method, the conversion layer 2 having a thickness of, for example, 500 nm can be formed. The formation of such a conversion layer 2 may be performed using an inkjet method or other thin film deposition techniques.
[0061]
Next, the light control layer 1 is formed by a vapor deposition method, a sputtering method, or the like. The light control layer 1 is, for example, a 50 nm-thick yttrium film.
[0062]
Thereafter, the electrodes 3a and the color filters 6 are sequentially formed. The electrode 3a is transparent. The electrode 3a can be formed using ITO by a method similar to the method of forming the electrode 3b. However, the pattern of the electrode 3a is formed so as to extend in a direction substantially perpendicular to the direction in which the pattern of the electrode 3b extends, as shown in FIG. The width of the pattern and the interval between adjacent patterns are, for example, 100 μm and 10 μm, respectively. The color filter 6 is formed by a known method such as a printing method using a known material, for example. As shown in FIG. 4, the color filter 6 has a plurality of patterns having the same width as the width of the pattern of the electrode 3b, for example. Thus, a display element is obtained.
[0063]
By applying a voltage to the electrodes 3a and 3b of the display element, charges and ions are exchanged inside the conversion layer 2, and as a result, hydrogen is transferred between the conversion layer 2 and the light control layer 1 by the mechanism described above. Can cause movement. For this reason, for example, when a voltage as shown in FIG. 1 is applied using the light control layer 1 in which the hydrogen is not doped in the initial state and the conversion layer 2 in which hydrogen is stored in advance, hydrogen ions are supplied from the positive electrode side to the negative electrode. Then, the light control layer 1 is doped. That is, a hydrogen release reaction proceeds on the positive electrode side, and a bonding reaction between hydrogen and a metal proceeds on the negative electrode side, thereby forming a hydrogen metal compound. On the other hand, when a voltage in the opposite direction is applied, hydrogen moves in the opposite direction. Therefore, by changing the polarity of the applied voltage, the optical state of the light control layer 1 is reversibly switched between metallic luster and transparent. Can be switched.
[0064]
Considering only the movement of hydrogen stored in the conversion layer 2, the electrodes 3a and 3b may be short-circuited outside the laminated structure. Such a short circuit is a phenomenon similar to the discharge in the secondary battery, and can return the internal state of the laminated structure to the initial state.
[0065]
Since the conversion layer 2 and the light control layer 1 have the ability to retain hydrogen, when no voltage is applied (when an external circuit is open), no movement of hydrogen occurs and the optical control of the light control layer 1 is performed. (The memory function of the light control layer). For this reason, if a material having excellent hydrogen retention ability is selected, the dimming state can be maintained for a long time without consuming power.
[0066]
Contrary to the above example, a light control layer 1 doped with hydrogen in advance and a conversion layer 2 in which hydrogen is not stored may be used. In that case, by applying a positive potential to the light control layer 1 and a negative potential to the conversion layer 2, hydrogen is transferred from the light control layer 1 to the conversion layer 2, whereby the optical control of the light control material in the light control layer 1 is performed. The target state may be changed.
[0067]
In the present embodiment, since the light reflectance / light transmittance of the light control material can be controlled by the doping amount of hydrogen, the light control is performed by adjusting the voltage applied to the electrodes and the application time (duty ratio, etc.). The light reflectance / light transmittance of the layer 1 can be controlled. If the memory property based on the hydrogen retention ability is used, it is easy to maintain an appropriate light reflectance / light transmittance.
[0068]
When appropriately controlling the storage / release of such hydrogen, attention must be paid to the hydrogen equilibrium pressure-composition isotherm (hereinafter, referred to as "PTC characteristic curve"). As shown in FIG. 4, the PTC characteristic curve shows the relationship between the hydrogen storage amount and the hydrogen equilibrium pressure. In the graph of FIG. 6, the horizontal axis represents the hydrogen storage amount, and the vertical axis represents the hydrogen parallel pressure.
[0069]
In a portion where the PTC characteristic curve is substantially parallel to the horizontal axis (hereinafter referred to as a “plateau region”), the hydrogen storage pressure can be changed under a certain equilibrium pressure, so that the hydrogen equilibrium pressure is kept constant. In this state, the absorption / release of hydrogen can be performed reversibly. For this reason, the display element of the present embodiment performs the switching operation in the plateau region of the PTC characteristic curve.
[0070]
It is desirable that the conversion layer 2 and the light control layer 1 show substantially the same PTC characteristics. More specifically, as shown in FIG. 4, the ranges of the “hydrogen storage amount” in the plateau region in the PTC characteristic curves of the conversion layer 2 and the light control layer 1 overlap, and the level of the “hydrogen equilibrium pressure” is almost equal. Desirably equal. By showing the same hydrogen equilibrium pressure, the transfer of hydrogen between the light control layer 1 and the conversion layer 2 can be performed smoothly. If the hydrogen equilibrium pressure difference between the light control layer 1 and the conversion layer 2 becomes large, it becomes impossible to exchange hydrogen between the two layers even if hydrogen absorption and desorption occur in each layer. Because.
[0071]
The hydrogen storage amount range (width) of the plateau region of the PTC characteristic curve in the conversion layer 2 has a size including the hydrogen storage amount range (width) of the plateau region of the PTC characteristic curve in the light control layer 1. Is more preferable. In the display element of the present embodiment, since the light transmittance of the light control layer 1 is controlled by the hydrogen doping amount of the light control layer 1, the range of the change in the hydrogen storage amount in the conversion layer 2 is changed to the state change of the light control layer 1. If the required amount of change in the hydrogen doping amount is smaller than the required range, the optical state of the light control layer 1 cannot be sufficiently changed.
[0072]
FIG. 3 is referred to again. When the conversion layer 2 is transparent, the display element shown in FIG. 3 can perform switching between the metal reflection state and the transparent state. In order to form a state with high transparency, it is necessary to form not only the substrate 4 and the electrodes 3a and 3b, but also the conversion layer 2 from a material having a high transmittance (no absorption) in the entire visible light range. However, a conversion material such as a hydrogen storage material is often a metal or a colored material, and it is difficult to form a highly transparent conversion layer 2 from such a conversion material layer. Therefore, it is preferable to form the conversion layer 2 by mixing fine particles of the conversion material with a transparent material. Specifically, nanoparticles having a particle size equal to or smaller than the wavelength of light can be formed from the conversion material, and the nanoparticles can be bound with a binder resin having excellent transparency. The conversion layer 2 thus produced not only can exhibit both transparency and hydrogen storage capacity, but also has a surface area increased by converting the conversion material into nanoparticles, so that hydrogen absorption and desorption can be achieved. Efficiency is also expected to increase. It is preferable that the efficiency of hydrogen absorption and desorption by the conversion material be increased because the response speed of the dimming operation is improved. As the conversion material in an ultrafine particle state, a carbon-based material (CNT, fullerene, or the like), a potassium-graphite intercalation compound, or the like can also be used.
[0073]
It is preferable that the light control layer 1 diffusely reflect incident light in a metal reflection state. When the light control layer 1 diffusely reflects light, the display element displays white well.
[0074]
In order for the light control layer 1 to diffusely reflect light in the metal reflection state, for example, fine projections and / or recesses may be present on the surface of the light control layer 1 (FIG. 5B), The light control layer 1 may include light control particles as shown in FIG. 1B (FIG. 5C).
[0075]
First, the light modulating layer 1 having fine convex portions and / or concave portions on the surface will be described in detail.
[0076]
The light modulating layer 1 having fine projections and / or depressions on the surface can be formed, for example, as follows. As shown in FIG. 5B, an electrode 3a, a conversion layer 2, a dimming layer 1, and an electrode 3b are laminated in this order on a substrate 4 having a convex portion. The light control layer 1 is, for example, an yttrium film. Thereby, fine projections can be formed on the surface of the light control layer 1. If there are fine projections on the surface of the light control layer 1, when the light control layer 1 is in a metal reflection state, the reflected light is scattered and recognized as white, so that the surface of the light control layer 1 Appears white. On the other hand, when the light control layer 1 is in a transparent state, the light is absorbed by the conversion layer 2 and thus looks like black or another color.
[0077]
In the example shown in FIG. 5B, since the surface of the substrate has fine projections, the entire flatness of the conversion layer 2 and the light control layer 1 has a shape reflecting the unevenness of the substrate. I have. In other words, not only the top surface (the surface on the light reflection side) but also the bottom surface of the light control layer 1 has a shape reflecting the irregularities of the base. However, since the conversion layer 2 serving as the base does not need to have a concavo-convex structure, the substrate surface and the conversion layer 2 are formed flat, and fine concave portions and / or You may make it form a convex part.
[0078]
As described above, if the metal film such as the yttrium film is flat, the light is mirror-reflected. However, by providing unevenness on the surface of the metal film, the light control layer 1 diffusely reflects the light. Thus, a display element capable of displaying white can be provided. Such a display element is not limited to the color display element having the configuration shown in FIG. 3, and may be a black and white display element without the color filter 6. When applied to a black-and-white display element, white display can be performed more favorably, which is advantageous.
[0079]
Next, the light control layer 1 including the light control particles will be described in detail.
[0080]
FIG. 5C shows the light control layer 1 and the conversion layer 2 including the light control particles. In the light control layer 1 shown in FIG. 5C, fine particles 11 (for example, yttrium, lanthanum, hereinafter referred to as “light control fine particles”) formed using a light control material whose optical characteristics change according to the hydrogen concentration are included. Dispersed in binder resin. The average particle size of the light control fine particles 11 included in the light control layer 1 is, for example, 1 μm. As the binder resin, for example, an acrylic resin having a refractive index substantially equal to that of glass is used. The light control layer 1 further includes an electrically conductive material for exchanging hydrogen ions and charges between the light control fine particles 11 and the conversion layer 2. As the electrically conductive material, a material capable of conducting ions, such as a liquid or solid electrolyte, a conductive polymer (for example, P2) that conducts electric charges (electrons or holes), or a charge transfer complex can be used. .
[0081]
The light control layer 1 including the light control particles is formed, for example, as follows. The light control fine particles 11 are dispersed in a binder resin solution, and a coating solution in which an electrically conductive material is further dissolved is prepared. The coating solution can be formed by applying the coating solution on the conversion layer 2 by, for example, a spin coating method. The thickness of the light control layer 1 is, for example, about 3 μm. The light modulating layer 1 may be formed by using an ink jet method or another thin film deposition technique. The preferred thickness of the light control layer 1 is 1.5 μm or more and 50 μm or less. If it is less than 1.5 μm, the light control layer 1 having a high reflectance cannot be obtained, or the particle size of the light control fine particles 11 used for the light control layer 1 is limited. On the other hand, if it exceeds 50 μm, the conductivity of the light control layer 1 may be reduced.
[0082]
When the light control fine particles 11 are dispersed in the light control layer 1, as described with reference to FIG. 1B, when each light control fine particle 11 is in the metal state, each light control fine particle 11 is in the light control layer. Since light incident on the light control layer 1 is reflected in random directions, the light control layer 1 as a whole can diffusely reflect light.
[0083]
In addition to the light control layer 1 being diffusely reflected, the following advantages can be obtained by forming the light control material into particles. The surface area of the light modulating material can be increased as compared with the case where a thin film made of the light modulating material is used as the light modulating layer 1. Therefore, the efficiency of the reaction between the light modulating material and hydrogen is improved, and higher-speed switching is possible. Further, since the surface area of the light control material is increased, the state of the light control material included in the light control layer 1 can be controlled more reliably. As a result, the difference in reflectance between the diffuse reflection state and the transparent state of the light control layer can be increased.
[0084]
In order for the light control fine particles 11 to reflect light, it is desirable that each light control fine particle 11 has a particle size larger than the wavelength of visible light. Therefore, the particle size of the light control fine particles 11 is preferably 400 nm or more. It is more preferably at least 800 nm. When the thickness is 800 nm or more, transmission of visible light through the light control fine particles 11 can be more reliably prevented, so that the light reflectance of the light control layer 1 can be increased. On the other hand, the particle size of the light control particles m1 is preferably smaller than the thickness of the light control layer 1. If the particle diameter is larger than the thickness of the light control layer 1, the advantage of forming the light control material into particles as described above cannot be obtained. More preferably, the particle size of the light control fine particles 11 is 30 μm or less. When the particle size is 30 μm or less, the reaction efficiency between the light modulating material and hydrogen can be sufficiently increased, and the light incident on the light modulating layer can be surely diffusely reflected. More preferably, the particle size is 3 μm or less. When the particle size of the light control material is, for example, 1 μm, it is preferable that the thickness of the light control layer 1 be about 3 μm.
[0085]
In the display element of the present embodiment, a film of the conductive polymer P1 is disposed between the light control layer 1 and the conversion layer 2 to exchange charges and ions between the light control layer 1 and the conversion layer 2. Is preferred. A layer formed using an electrolyte material may be provided in addition to the charge transfer polymer film. Alternatively, a layer containing a polymer material having charge transfer properties and an electrolyte material may be provided. When a layer containing an electrolyte material (electrolyte membrane) is provided, the movement of hydrogen ions is likely to occur via the electrolyte membrane, so that the characteristics can be improved. Since the conductive polymer P1 is doped with ions for imparting conductivity, the conductive polymer P1 also has a function as an electrolyte membrane. When the light control layer 1 containing light control particles is used as described above, the binder resin of the light control layer 1 can also function as the polymer film or the electrolyte film.
[0086]
In the illustrated example, each of the conversion layer 2 and the light control layer 1 is a single layer, but the conversion layer 2 and / or the light control layer 1 may have a multilayer structure as necessary. Further, when the two conversion layers 2 are arranged so as to sandwich the light control layer 1, hydrogen is absorbed and released on the upper surface and the lower surface of the light control layer 1, so that the switching speed of the display element can be increased.
[0087]
Further, the display element shown in FIG. 3 has a simple matrix structure, but may be an active matrix drive display element having an active element for each pixel. Further, the display device shown in FIG. 3 is a color display device having the color filter 6, but may be a monochrome display device. The black-and-white display element has a configuration basically similar to the configuration shown in FIG. 3, but differs in that it does not have the color filter 6.
[0088]
The display element of the present embodiment can display very bright (high luminance) white as compared with a conventional liquid crystal display element. Further, the contrast ratio can be increased. The reason will be described below.
[0089]
The liquid crystal display device includes a deflecting plate in order to visualize a change in alignment of the liquid crystal molecules caused by applying a voltage. Therefore, of the light incident on the liquid crystal element, the proportion of light used for display is at most 50%. Therefore, there is a problem that white is particularly dark and the display is hard to be visually recognized. On the other hand, the display element of the present embodiment does not require a polarizing plate. Therefore, since the light reflected by the metal (or diffusely reflected by the metal) in the light control layer 1 is directly viewed through the color filter 6, bright white can be displayed. On the other hand, when the light control layer 1 is in the light transmitting state, the color of the light absorbing layer 5 is directly seen, so that a very high-quality black table can be obtained. As a result, the display contrast ratio can be increased.
[0090]
Since the display element of this embodiment has a memory property, the information once written is retained even when the power is turned off. Therefore, since a voltage needs to be applied only when rewriting is necessary, power consumption can be reduced.
[0091]
Further, the display element of the present embodiment can be manufactured only by sequentially laminating each layer on the substrate. Accordingly, there is no step of bonding two substrates and injecting a liquid crystal material between them, as in a liquid crystal display element, so that the manufacturing process is simple. Further, since the display element of the present embodiment does not have a liquid crystal layer, it can be thinner and lighter than the liquid crystal display element.
[0092]
The display element of the present embodiment can be applied to various display devices. For example, since the display element of this embodiment has high memory properties, it can be applied to electronic paper, an electronic book, and the like.
[0093]
(Embodiment 2)
Hereinafter, a second embodiment of the display device according to the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 7, the display element of the present embodiment has a point that the conversion layer 2 has a function as a light absorption layer, and thus does not have a light absorption layer between the substrate 4 and the electrode 3b. However, this is different from the display element of the first embodiment.
[0094]
The display element of the present embodiment includes a conversion layer 2 that absorbs visible light. Such a conversion layer 2 can be formed, for example, from black CNT. When the conversion layer 2 is colored, or when the conversion layer 2 is transparent and a pigment or a colored resin is mixed therein, the state between the metal diffuse reflection state and the colored state is changed. Switching becomes possible.
[0095]
The light-absorbing conversion layer 2 is made of a potassium-graphite intercalation compound that functions as a hydrogen storage material and a conductive polymer material P1 (a material that can transport both electrons and holes) and an acrylic resin that functions as a binder resin. (Blend resin). Since the blended resin can be made into a solution, the conversion layer 2 can be formed by spin coating. The thickness of the conversion layer 2 can be set to, for example, about 500 nm. When the conversion layer 2 cannot absorb light sufficiently, a black resin may be further added to the conversion layer 2.
[0096]
The light control layer 1 is, for example, the same as the light control layer 1 used in the first embodiment. That is, an yttrium film having a thickness of about 50 nm may be used, or a film having particles of a light control material such as yttrium particles may be used. Further, the surface may have minute concave portions and / or convex portions.
[0097]
In order to exchange charges and ions between the light control layer 1 and the conversion layer 2, it is preferable to arrange a film of the conductive polymer P1 between the light control layer 1 and the conversion layer 2. A layer formed using an electrolyte material may be provided in addition to the charge transfer polymer film. Alternatively, a layer containing a polymer material having charge transfer properties and an electrolyte material may be provided. When a layer containing an electrolyte material (electrolyte membrane) is provided, hydrogen ions move through the electrolyte membrane, so that characteristics can be improved. Since the conductive polymer P1 is doped with ions for imparting conductivity, the conductive polymer P1 also has a function as an electrolyte membrane. In the case of the light control layer 1 containing particles of the light control material, the binder resin can also function as the polymer film or the electrolyte film.
[0098]
The electrode 3a is a transparent electrode as in the first embodiment, but the electrode 3b and the substrate 4 need not be transparent.
[0099]
When a voltage is applied to the electrodes 3a and 3b so that the conversion layer 2 is on the positive electrode side and the dimming layer 1 is on the negative electrode side with respect to the display element of the present embodiment, as shown in FIGS. Then, the light incident surface side of the display element changes from a metal (diffuse) reflection state to a black (light absorption) state.
[0100]
When the light modulating layer 1 is a film made of a light modulating material, as shown in FIG. 8A, the light incident surface side of the display element, which showed metal reflection in the initial state, is gradually applied by applying a voltage. It changes to a black (light absorbing) state. This is because the black conversion layer 2 is visually recognized as the light control layer 1 becomes transparent.
[0101]
As shown in FIGS. 8A and 8B, the light modulating layer 1 preferably diffuses and reflects light in a metal reflection state. As shown in FIG. 8 (b), if there are minute projections on the surface of the light control layer 1, the light incident surface side of the display element, which showed metal diffuse reflection in the initial state, is gradually applied by applying a voltage. It changes to a black (light absorbing) state. Further, as shown in FIG. 8C, when the light control layer 1 includes particles of the light control material (light control fine particles), the light incident surface side of the display element, which showed the metal diffuse reflection in the initial state, has , And gradually changes to a black (light absorbing) state by application of a voltage. This is because as the light control fine particles included in the light control layer 1 become transparent, the black conversion layer 2 becomes visible.
[0102]
8A to 8C, this state is maintained even when the power is turned off. Further, when the electrodes 3a and 3b are short-circuited or a voltage whose polarity is inverted is applied to the electrodes 3a and 3b, the light incident side surface of the display element changes so as to show metallic (diffused) luster. .
[0103]
A display element including the light control layer 1 that diffuses and reflects light in a metal reflection state as shown in FIGS. 8B and 8C can display bright and good white. Such a display element may be a black and white display element. FIG. 9 is a cross-sectional view showing the monochrome display element of the present embodiment. As shown in FIG. 9, the black-and-white display element has a basic configuration similar to that shown in FIG. 7, but differs in that it does not have a color filter 6.
[0104]
According to the present embodiment, there is no need to separately provide a light absorbing layer, so that the manufacturing process can be further simplified. In the display element of the first embodiment, light incident on the display element passes through the light control layer 1, the conversion layer 2, and the electrode 3 layer and is absorbed by the light absorption layer 5 in a light absorbing state. On the other hand, in the display element of the present embodiment, the light incident on the display element passes through only the light control layer 1 and is absorbed by the conversion layer 2 in the light absorbing state, so that the reflection generated at the interface of the layers and the like. Light is also reduced, and the quality of black display can be improved. Therefore, the contrast ratio of the display increases.
[0105]
(Embodiment 3)
Next, a third embodiment of the display element according to the present invention will be described with reference to FIG. The display element of the present embodiment has the same configuration as the display element of the first embodiment, but differs in the following points. In the first embodiment, the color filter 6 is provided on the electrode 3a. However, in the present embodiment, the conversion layer 2 has a color filter function, and it is not necessary to provide the color filter on the electrode 3a.
[0106]
In the configuration shown in FIG. 10, the light control layer 1 is provided on the side close to the substrate 4 and the conversion layer 2 is formed thereon, but the conversion layer 2 is arranged on the side close to the substrate 4 and The light control layer 1 may be formed. If the substrate 4 is a transparent substrate such as a glass substrate, the light absorbing layer 5 may be provided on the back surface of the substrate 4.
[0107]
The conversion layer 2 that can function as a color filter is formed, for example, as follows. Each of the RGB color pigments is mixed with the same material as the material used for the transparent conversion layer 1 of the first embodiment to prepare each of the RGB dispersion solutions. These dispersion solutions are applied on the light control layer 1 by an inkjet method so as to correspond to the pattern of the pixels. Thereby, the conversion layer 2 is formed. The coating method may be another known printing method such as a screen printing method or a roll printing method, in addition to the inkjet method.
[0108]
The display element of the present embodiment has the same display characteristics as the first embodiment. According to the present embodiment, there is no need to separately provide a color filter, so that the manufacturing process can be simplified.
[0109]
(Embodiment 4)
Next, a fourth embodiment of the display element according to the present invention will be described with reference to FIG. As described below, the light control layer 1 in the display element of this embodiment is different from the light control layer 1 in the display elements of the other embodiments described above. Other configurations are the same as in the first embodiment. The display element of the present embodiment does not have the light absorbing layer 5 as in the display element shown in FIG. 3 or the metal diffusion without using the light absorbing conversion layer 2 as in the display element shown in FIG. It is possible to switch between a reflective (white) state and a light absorbing (black or colored) state.
[0110]
FIG. 12 is a cross-sectional view showing the light control layer 1 and the conversion layer 2 in the display element of the present embodiment. As shown in FIG. 12, the light control layer 1 includes light control fine particles (such as yttrium fine particles) 11 similar to the light control fine particles included in the light control layer 1 of FIG. 5C. The light modulating fine particles 11 are adsorbed on the colored particles 10 such as, for example, carbon black particles. In order to surely adsorb the light control fine particles 11 to the surface of the color particles 10, it is preferable that the particle size of the light control particles 11 is smaller than the particle size of the color particles 10. The preferred particle size of the light control fine particles is the same as the preferred particle size described with reference to FIG.
[0111]
Such a light control layer 1 can be formed, for example, as follows. By mixing black particles having a particle size of 5 μm and light control particles having a smaller particle size (for example, 1 μm) in a binder resin solution, the light control particles are adsorbed so as to cover the surface of the black particles. . After the conductive polymer material P2 is further blended into the obtained solution, it is applied on the electrode 3b by a spin coating method. The thickness of the obtained light control layer 1 is, for example, 10 μm. Since the black particles are dispersed, the thickness of the light control layer 1 is larger than the thickness of the light control layer 1 of other embodiments. However, since both the carbon black fine particles and the light control fine particles show high conductivity, the entire light control layer 1 has sufficient conductivity.
[0112]
When a voltage is applied to the electrodes 3a and 3b so that the conversion layer 2 is on the positive electrode side and the dimming layer 1 is on the negative electrode side with respect to the display element of this embodiment, as shown in FIG. The light incident surface side of the display element that has shown reflection gradually changes to a black state. This is because the black particles become visible as the light modulating fine particles adsorbed on the black particles become transparent. This state is maintained even when the power is turned off. When the electrodes 3a and 3b are short-circuited or a voltage whose polarity is inverted is applied to the electrodes 3a and 3b, the light incident side surface of the display element changes so as to show a metal diffuse gloss.
[0113]
In the present embodiment, since the conversion layer 2 does not need to be transparent or black, there is much room for selection of a material used for the conversion layer 2. The electrode 3b does not need to be transparent, and may be a metal electrode.
[0114]
The display element of the present embodiment has the same display characteristics as the display element of the first embodiment.
[0115]
According to the display element of the present embodiment, when the light control fine particles included in the light control layer 1 are in a metal reflection state, the reflected light is scattered and recognized as white, so that the surface of the light control layer 1 becomes white. appear. On the other hand, when the light control fine particles are in a transparent state, light is absorbed by colored particles such as black particles, so that the surface of the light control layer 1 looks black or another color. Thus, the light control layer 1 itself transitions between the metal diffusion state and the light absorption (coloring) state. Therefore, in this embodiment, it is not necessary to separately provide a layer having a light absorbing property such as a light absorbing layer, so that the manufacturing process can be simplified.
[0116]
(Embodiment 5)
A fifth embodiment of the display element according to the present invention will be described with reference to FIG.
[0117]
The display element of this embodiment has the same configuration as that of the fourth embodiment, but differs in that the conversion layer 2 has a function of a color filter as shown in FIG.
[0118]
The light control layer 1 is the same as the light control layer 1 in the fourth embodiment. That is, the light control fine particles are included, and the light control fine particles are adsorbed to the black particles. The light control layer 1 can be formed by the same method as the method of forming the light control layer 1 in the fourth embodiment.
[0119]
The conversion layer 2 having a color filter function is, for example, the same as the conversion layer 2 in the third embodiment. The conversion layer 2 can be formed on the light control layer 1 by a method similar to the method of forming the conversion layer 2 in the third embodiment.
[0120]
According to this embodiment, since the light modulating layer 1 has a light absorbing property, it is not necessary to separately provide a layer having a light absorbing property such as a light absorbing layer, and the conversion layer 2 also functions as a color filter. Therefore, since it is not necessary to separately provide a color filter, the manufacturing process can be greatly simplified. Further, as compared with the display element of the first embodiment, the number of layers through which incident light and reflected light pass is reduced, so that light absorption in a white state and reflection of light in a black state are reduced. Is improved.
[0121]
(Embodiment 6)
With reference to FIG. 14, a sixth embodiment of the display device according to the present invention will be described.
[0122]
The display element of this embodiment has the same configuration as that of the fourth embodiment, except that a backlight 8 is provided on the back surface of the substrate 4 as shown in FIG. The display element of the present embodiment can switch between the transmissive display element and the reflective display element by turning on / off the backlight 8.
[0123]
The conversion layer 2 is transparent, for example, the same as the conversion layer 2 in the first embodiment. The conversion layer 2 can be formed on the electrode 3b by the same method as the method for forming the conversion layer 2 in the first embodiment.
[0124]
The light control layer 1 in the display element of the present embodiment is the same as the light control layer 1 in the fourth embodiment. That is, the light control fine particles are included, and the light control fine particles are adsorbed to the black particles. The light control layer 1 can be formed on the conversion layer 2 by the same method as the method of forming the light control layer 1 in the fourth embodiment.
[0125]
The stacking order of the conversion layer 2 and the light control layer 1 on the substrate 4 is not limited to the illustrated one, and the light control layer 1 may be disposed on the side closer to the substrate 4 and the conversion layer 2 may be formed thereon. . In this case, the conversion layer 2 may have a function of a color filter. Such a conversion layer 2 is, for example, the same as the conversion layer 2 in the fifth embodiment. Such a configuration is advantageous because the color filter 6 can be eliminated.
[0126]
In the present embodiment, the electrodes 3a, 3b and the substrate 4 are transparent. For example, the electrodes 3a and 3b are ITO electrodes, and the substrate 4 is a glass substrate.
[0127]
The backlight 8 may be a known backlight used for a liquid crystal display device or the like.
[0128]
The display element of the present embodiment can be used as a reflective display element when there is external light. That is, when sufficient light is incident from above the substrate 4, display by reflected light can be performed as in the fourth embodiment. On the other hand, when there is little external light and it is difficult to use the device as a reflective display device, the backlight 8 is turned on, so that the device can be used as a transmissive display device. Light incident on the light control layer 1 from the backlight 8 is absorbed by the light control layer 1 if the light control layer 1 of the pixel is in a light absorbing (black) state, so that the pixel displays black. When the light control layer 1 of the pixel changes to the metal diffuse reflection state, light incident on the light control layer 1 from the backlight 8 is scattered by the light control fine particles of the light control layer 1. The scattered light can be extracted from above the substrate 4. Therefore, the pixel displays white.
[0129]
As described above, according to the present embodiment, it can be used as either a transmissive display element or a reflective display element depending on the environment of external light, so that a display element with good visibility in a multi-scene can be realized.
[0130]
(Embodiment 7)
Referring to FIGS. 15A and 15B, a seventh embodiment of the display device according to the present invention will be described. The display element of this embodiment has the same configuration as that of the sixth embodiment, but differs in the following points. In the sixth embodiment, a film including light control particles adsorbed on colored particles is used as the light control layer 1, but in the present embodiment, a film of a light control material is used as the light control layer 1. The display element of the present embodiment can switch between the transmissive display element and the reflective display element by turning on / off the backlight 8.
[0131]
The light control layer 1 in the display element shown in FIGS. 15A and 15B may be any as long as it reflects light in a mirror in a metal reflection state. For example, a metal film such as an yttrium film as shown in FIG. This metal film is typically substantially flat.
[0132]
When there is external light, the display element of this embodiment can be used as a reflective display element as shown in FIG. That is, when sufficient light is incident from above the substrate 4, display by reflected light can be performed as in the sixth embodiment. If the light control layer 1 of the pixel is in a state of transmitting light, the incident light passes through the light control layer 1 and other layers and is absorbed by the turned-off backlight 8 on the back surface of the transparent substrate 4. Therefore, the pixel displays black. If the light control layer 1 of the pixel is in a state of reflecting light, the incident light is reflected by the light control layer 1, so that the pixel displays white. On the other hand, when there is little external light and it is difficult to use the device as a reflective display device, the backlight 8 is turned on, so that the device can be used as a transmissive display device as shown in FIG. Light incident on the light control layer 1 from the backlight 8 is reflected by the light control layer 1 and returned to the backlight 8 if the light control layer 1 of the pixel is in a mirror reflection state. Therefore, the pixel displays black. When the light control layer 1 of the pixel changes to a state of transmitting light, light incident on the light control layer 1 from the backlight 8 can be directly extracted from above the substrate 4. Therefore, the display of the pixel becomes white.
[0133]
In the present embodiment, as described above, the states of the light control layer 1 of the pixel to be displayed and the non-display pixel are different between the case where the light control layer 1 is used as a reflective display element and the case where the light control layer 1 is used as a transmissive display element. Therefore, it is preferable to invert the state of the light control layer 1 of each pixel with the switching between the reflective display element and the transmissive display element.
[0134]
Note that the order of lamination of the conversion layer 2 and the light control layer 1 with respect to the substrate may be reversed from that in the illustrated example.
[0135]
As described above, according to the present embodiment, it can be used as either a transmissive display element or a reflective display element depending on the environment of external light, so that a display element with good visibility in a multi-scene can be realized.
[0136]
(Embodiment 8)
A seventh embodiment of the display device according to the present invention will be described with reference to FIG. The display element of the present embodiment differs from the display elements of the other embodiments in that the light modulating layer 1 itself also serves as one of the electrodes, as shown in FIG.
[0137]
When the light control layer 1 is a metal film such as an yttrium film, the light control layer 1 can function as an electrode. Even if the light control layer 1 is a film containing particles of the light control material (light control fine particles), the light control layer 1 is used as an electrode if the binder resin of the light control layer 1 contains a conductive material. be able to. When the light control layer 1 is arranged on the substrate 4 side of the conversion layer 2, the light control layer 1 can function as the electrode 3b. Further, as shown in FIG. 13, when the light control layer 1 is disposed on the conversion layer 2, the light control layer 1 can function as the electrode 3a.
[0138]
In order for the light control layer 1 to function as an electrode, it is necessary to pattern a film formed from the light control material. As the light control material, the same material as the light control material used in the first embodiment can be used. In the present embodiment, the light control layer 1 is formed as follows. First, a metal film is formed on the conversion layer 2 by a sputtering method or the like. This metal film is patterned by a mask evaporation patterning, a wet / dry patterning process, or the like. Thereby, the light control layer 1 is obtained. The light control layer 1 has sufficient conductivity to function as an electrode.
[0139]
Alternatively, the light control layer 1 including light control fine particles may be formed. In this case, a solution containing necessary materials such as a binder resin, light control fine particles, and a conductive material was prepared, and the solution was patterned on the conversion layer 2 by using a known printing method. The light control layer 1 can be formed.
[0140]
In the present embodiment, a conversion layer 2 having the same light absorption as the conversion layer 2 in the second embodiment is used. Instead, a transparent conversion layer 2 similar to the conversion layer 2 in the first embodiment may be used. In that case, the light absorption layer 5 may be arranged somewhere between the light control layer 1 and the substrate 4.
[0141]
The display element of the present embodiment is not limited to the display element having the configuration shown in FIG. In addition, the light control layer 1 may function as one of the electrodes in the display element according to the other embodiments described above. For example, in the transmissive display element shown in FIG. 14, the light control layer 1 can function as an electrode without providing the electrode 3a (FIG. 17).
[0142]
According to the present embodiment, since the light control layer 1 also functions as an electrode, the number of manufacturing steps of the display element can be reduced.
[0143]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a display element using a material that can transition between a metal reflection state and a transmission state. Since the display element of the present invention does not have a polarizing plate unlike a liquid crystal display element, it is possible to display with high brightness and a high contrast ratio.
[0144]
The display element of the present invention can be applied to various types of display devices of active matrix drive or simple matrix drive (including full-color and monochrome display devices). Further, the display element of the present invention can be applied to any of a reflection type, a transmission type, and a projection type display device. In particular, the use of the display element of the present invention is advantageous because a display device which can function as both a reflective display device and a transmissive display device can be formed. Further, since the display element of the present invention has high memory properties, it can be applied to electronic books and electronic paper.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1C are cross-sectional views schematically showing the light control principle of a display device according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating the operation principle of the display element of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing a first embodiment of a display element according to the present invention.
FIG. 4 is a plan view showing a first embodiment of a display element according to the present invention.
FIGS. 5A to 5C are cross-sectional views showing a light control layer and a conversion layer in the first embodiment of the display element according to the present invention.
FIG. 6 is a graph showing a hydrogen equilibrium pressure-composition isotherm (PTC characteristic curve) of the light control layer and the variable layer.
FIG. 7 is a sectional view showing a second embodiment of the display element according to the present invention.
FIGS. 8A to 8C are cross-sectional views showing a dimming layer and a conversion layer in a display device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a sectional view showing a second embodiment of the display element according to the present invention.
FIG. 10 is a sectional view showing a third embodiment of the display element according to the present invention.
FIG. 11 is a sectional view showing a fourth embodiment of the display element according to the present invention.
FIG. 12 is a sectional view showing a light control layer and a conversion layer in a fourth embodiment of the display element according to the present invention.
FIG. 13 is a sectional view showing a fifth embodiment of the display element according to the present invention.
FIG. 14 is a sectional view showing a sixth embodiment of the display element according to the present invention.
FIGS. 15A and 15B are cross-sectional views showing a seventh embodiment of the display element according to the present invention.
FIG. 16 is a sectional view showing an eighth embodiment of the display element according to the present invention.
FIG. 17 is a sectional view showing an eighth embodiment of the display element according to the present invention.
[Explanation of symbols]
M1 light control layer
M2 conversion layer
m1 light control fine particles
m2 colored particles
1 Light control layer
2 Conversion layer
3a Upper electrode
3b Lower electrode
4 Substrate
5 Absorption layer
6 Color filters
8 Backlight
10 Colored particles
11 Light control fine particles

Claims (15)

複数の画素を含む表示素子であって、前記複数の画素のそれぞれは、
特定元素の濃度に応じて光学的特性が変化する第1材料を含む第1層と、
前記特定元素を含有し得る第2材料を含む第2層であって、前記第2材料は電圧を印加されると前記特定元素を放出または吸収する第2層と、
前記第2層に前記電圧を印加するための一対の電極を備え、
前記電圧に応答して前記第1層の光反射率が変化する、表示素子。
A display element including a plurality of pixels, wherein each of the plurality of pixels is
A first layer including a first material whose optical characteristics change according to the concentration of the specific element;
A second layer containing a second material that may contain the specific element, wherein the second material emits or absorbs the specific element when a voltage is applied;
A pair of electrodes for applying the voltage to the second layer,
A display element, wherein a light reflectance of the first layer changes in response to the voltage.
前記第1材料は、前記特定元素の濃度に応じて光反射状態と光透過状態との間を遷移し得る、請求項1に記載の表示素子。The display element according to claim 1, wherein the first material can transition between a light reflection state and a light transmission state according to the concentration of the specific element. 前記第1材料が光反射状態のとき、前記第1層は光を拡散反射する、請求項2に記載の表示素子。The display element according to claim 2, wherein the first layer diffusely reflects light when the first material is in a light reflecting state. 前記第1材料が粒子である、請求項3に記載の表示素子。The display device according to claim 3, wherein the first material is a particle. 前記第1層の上面または下面の少なくとも一方は凹凸を有している、請求項3または4に記載の表示素子。The display device according to claim 3, wherein at least one of an upper surface and a lower surface of the first layer has irregularities. 前記第1層は着色粒子をさらに含んでおり、前記第1材料は前記着色粒子に吸着している、請求項4に記載の表示素子。The display element according to claim 4, wherein the first layer further includes colored particles, and the first material is adsorbed on the colored particles. 前記第1層は、光を拡散反射する状態と光を透過する状態との間を遷移し、前記第2層は、光透過性を有しており、
前記第1層および前記第2層を透過した光を吸収する光吸収層を更に備えている、請求項3から5のいずれかに記載の表示素子。
The first layer transitions between a state in which light is diffusely reflected and a state in which light is transmitted, and the second layer has light transmittance,
The display device according to claim 3, further comprising a light absorption layer that absorbs light transmitted through the first layer and the second layer.
前記第1層は、光を拡散反射する状態と光を透過する状態との間を遷移し、前記第2層は可視光吸収性を有しており、
前記第2層は、前記第1層の光入射面とは反対側に配置されている請求項3から5のいずれかに記載の表示素子。
The first layer transitions between a state in which light is diffusely reflected and a state in which light is transmitted, and the second layer has visible light absorption,
The display element according to claim 3, wherein the second layer is disposed on a side of the first layer opposite to a light incident surface.
前記第2層は、前記第1層の光入射側に配置され、カラーフィルタとして機能する、請求項1から7のいずれかに記載の表示素子。The display element according to claim 1, wherein the second layer is disposed on a light incident side of the first layer and functions as a color filter. 前記特定元素は水素であり、前記第2層は、水素貯蔵材料を含んでいる、請求項1から9のいずれかに記載の表示素子。The display element according to claim 1, wherein the specific element is hydrogen, and the second layer includes a hydrogen storage material. 前記第2材料は、電子の授受により、前記特定元素の放出または吸収を行う請求項1から10のいずれかに記載の表示素子。The display element according to claim 1, wherein the second material emits or absorbs the specific element by exchanging electrons. 前記第1層は導電性を有しており、前記一対の電極の一方として機能する請求項1から11のいずれかに記載の表示素子。The display element according to claim 1, wherein the first layer has conductivity, and functions as one of the pair of electrodes. 反射型表示素子である、請求項1から12のいずれかに記載の表示素子。13. The display device according to claim 1, which is a reflective display device. バックライトをさらに有する、請求項6に記載の表示素子。The display device according to claim 6, further comprising a backlight. 前記第1層は、光をミラー反射する状態と光を透過する状態との間を遷移し、バックライトをさらに有する、請求項1から4のいずれかに記載の表示素子。The display element according to claim 1, wherein the first layer transitions between a state in which light is mirror-reflected and a state in which light is transmitted, and further includes a backlight.
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