JP4853945B2

JP4853945B2 - 表示装置の製造方法

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Publication number: JP4853945B2
Application number: JP2006047529A
Authority: JP
Inventors: 彰齋藤
Original assignee: 彰齋藤
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2006-02-23
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2026-02-23
Also published as: JP2007225935A

Description

本発明は、表示装置の製造方法に関し、さらに詳細には、構造色を用いた表示装置の製造方法に関する。

なお、「構造色」とは、それ自体には色がないものであるが、光の波長あるいはそれ以下の微細構造をもつことにより、光の反射、干渉、屈折、回折、散乱などの作用が関係して当該構造が呈する発色を意味する。

本明細書においては、こうした構造色を発色する構造を備えた発色体を「構造色発色体」と適宜に称することとする。

なお、構造色発色体としては、例えば、特許文献１として提示する本願発明者等の発明に係る特開２００３−５３８７５号公報に開示されたものや、特許文献２として提示する本願発明者等の発明に係る特開２００５−１５３１９２号公報に開示されたものがある。

また、本発明における表示装置は、例えば、電子情報通信におけるディスプレイたる画像表示装置として用いたり、あるいは、所謂、電子ペーパー（電子ペーパーは、１０分の数ミリ程度の厚さしかなく、電気的な手段でデータの表示・消去が可能なディスプレイである。）やポスターのような紙媒体などに代えて用いることができるものである。

一般に、電子情報通信における主要なディスプレイは、ブラウン管（以下、「ＣＲＴ」（ＣＲＴ：ＣａｔｈｏｄｅＲａｙＴｕｂｅ）と称する。）を用いたディスプレイ（以下、「ＣＲＴディスプレイ」と称する。）と液晶を用いたディスプレイ（以下、「液晶ディスプレイ」と称する。）とに大別される。

しかしながら、ＣＲＴディスプレイは、ブラウン管を用いるという構造から原理的に薄くすることができないため、小型化・省スペース化には不利があるという問題点があった。

一方、液晶ディスプレイに関しては、液晶はそれ自体では発光せずにシャッターの役割を果たすだけであるため、その構造上バックライトが必要であり、製造コストの上昇を招来するという問題点があった。

また、液晶ディスプレイをカラー化する場合には、カラーフィルタを用いるので光利用効率が著しく低下するという問題点があった（カラーフィルタを用いる場合には、光がカラーフィルタを透過する際に、その２／３程度が吸収されてしまうものであった。）。

さらに、発光源については、ＣＲＴディスプレイにおいては電子ビーム源であり、液晶ディスプレイにおいてバックライトであるが、これら電子ビーム源あるいはバックライトはともに消費電力の抑制には限界があるという問題点があった。

なお、消費電力を鑑みると、近年脚光を浴びているプラズマディスプレイではその抑制はより一層困難であり、消費電力の増大を避けることができないという問題点があった。
特開２００３−５３８７５号公報特開２００５−１５３１９２号公報

本発明は、従来の技術の有する上記したような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小型化・省スペース化を図ることが可能な表示装置の製造方法を提供しようとするものである。

また、本発明の目的とするところは、製造コストの上昇を抑制することが可能な表示装置の製造方法を提供しようとするものである。

さらに、本発明の目的とするところは、光利用効率に優れた表示装置の製造方法を提供しようとするものである。

さらにまた、本発明の目的とするところは、消費電力を抑制することが可能な表示装置の製造方法を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明による表示装置の製造方法は、発色体として構造色発色体を用いるようにしたものである。

即ち、本発明による表示装置は、従来の表示装置とは異なり、発色体として蛍光体やカラーフィルタを用いることなしに、外部からの入射光の干渉などにより構造色を発色する構造色発色体を用いるようにしたものであり、その構造色発色体としては、特許文献２に開示された構成を備えた構造色発色体を用いるようにしたものである。

このため、本発明による表示装置は、従来のＣＲＴディスプレイとは異なり電子ビーム源も蛍光体も必要としないので構成要素が少なく簡便である。

また、本発明による表示装置は、液晶ディスプレイとは異なりカラーフィルタによる光の吸収がないので光利用効率が高く、消費電力を抑制することができるようになる。即ち、本発明による表示装置のように、発色体として構造色発光体を用いる場合には、構造色発光体の発光の源は外部光の反射であり、液晶ディスプレイにおけるようなカラーフィルタによる光の吸収が介在しないため、バックライトを著しく省略することができる（例えば、暗い場所を除き、通常の室内照明がある場所ならばバックライトは不要である。）。

さらに、本発明による表示装置は、構造色発色体として特許文献２に開示された構成を備えた構造色発色体を用いるものであるため、上記したようにカラーフィルタによる吸収がないばかりではなく、高反射率を有する点においても光利用効率を向上することができ、このため消費電力も一層抑制することができるようになる。

さらにまた、構造色発色体を用いた本発明による表示装置においては、干渉色でありながら混色を生じずに単色が保証されるようになり、かつ、広い角度で単一の色を発色することができる。

また、構造色発色体を用いた本発明による表示装置においては、構造色発色体自体は蝶の鱗粉同様に軽く薄くコンパクトであることから、全体構成を極めて小型化することができ、従来の表示装置と比較すると大幅な省スペース化を図ることができる。即ち、構造発色体自体の厚さは、例えば、１μｍ程度まで薄くすることが可能であり、きわめてコンパクトにすることができる。

さらに、本発明による表示装置は、発色体として構造色発色体を用いているため、化学変化による経時劣化がないという優れた特性も備えている。

なお、特許文献１や特許文献２に開示された構造色発色体を除く従来の構造色発色体（以下、単に「従来の構造色発色体」と適宜に称する。）においては、構造色発色体を見る人間（以下、「観者」と適宜に称する。）が当該構造色発色体を見る際の角度によって色が変わる、即ち、視野角依存性があるということが指摘されていた。

なぜならば、色素を用いずに発色する構造色発色体においては、その発色が光の干渉や散乱などによるため、シャボン玉と同様に原理的に虹色干渉を生じることになるからである。

こうした理由から、従来の構造色発色体はディスプレイには全く適さないものと認識されてきた。つまり、従来の構造色発色体を表示装置に応用するに際しては、上記した通り干渉による不具合（視野角依存性および異なる色の混ざり合い）が障碍となるものであった。

ところが、自然に存在する構造色発色体の一例であるモルフォ蝶の鱗粉については、青色の発色が高い反射率を持ちつつ、しかも干渉の原理に矛盾して視野角依存性がなく、観者がどこから見ても青く視認できるという特性を備えている。

このモルフォ蝶の鱗粉における構造色の発色の原理は、図１に示すように、本願発明者等によって科学的に解明されるとともに実験的に証明され（「Ａ．Ｓａｉｔｏ，Ｓ．Ｙｏｓｈｉｏｋａ，Ｓ．Ｋｉｎｏｓｈｉｔａ，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥＶｏｌ．５５２６Ｂ，（２００４）１８８−１９４．」（以下、「論文１」と適宜に称する。）、特許文献１ならびに特許文献２として特許出願されている。なお、図１（Ａ）における「ＳＥＭＳｉｄｅＶｉｅｗ」は、実際のモルフォ蝶の翅の一部領域の横断面の走査型電子顕微鏡写真を示し、図１（Ａ）における「ＳＥＭＴｏｐＶｉｅｗ」は、実際のモルフォ蝶の翅の一部領域の平面視における走査型電子顕微鏡写真を示している。また、図１（Ｃ）は、図１（Ｅ）におけるガラス（Ｇｌａｓｓ）基板のへいめん視における走査型電子顕微鏡写真を示している。また、図１（Ｅ）の左側に位置する図は、図１（Ｅ）に示す構造色発色体による青色発色を示す説明図である。

即ち、本願発明者等の研究は、モルフォ蝶の鱗粉の青色発色が多層膜干渉によるものであることを明らかにするとともに、モルフォ蝶の鱗粉が、
（１）高い反射率
（２）広い視野角での色不変性
（３）干渉防止
の全てを満たす理由は、モルフォ蝶の鱗粉が
（１）微細構造による回折広がり（広い視野角）
（２）微細構造の高い密度と１次元異方性による高反射率
（３）乱雑さによる虹色干渉防止
という特性を備えていることに由来するものであることを明らかにした（図１（Ａ）（Ｂ）参照）。

こうしたモルフォ蝶の鱗粉の特性を利用した構造色発色体の作製の原理および手法が論文１、特許文献１ならびに特許文献２に示されている。

上記した特許文献２に開示されたモルフォ蝶の鱗粉の特性を利用した構造色発色体の作製の手法は、モルフォ蝶の鱗粉を模擬するものであり、電子ビームリソグラフィとエッチングとにより基板表面に微細な凹凸を高密度かつ乱雑に形成し（図１（Ｃ））、当該凹凸を形成された基板表面に高い屈折率を有する高屈折率層と低い屈折率を有する低屈折率層と交互に積層することにより（図１（Ｄ））、構造色発色体を形成するものである（図１（Ｅ））。

こうした論文１、特許文献１ならびに特許文献２に示された構造色発色体の作製の要諦は、基板上に高い屈折率を有する高屈折率層と低い屈折率を有する低屈折率層とを交互に積層して多層膜成膜を行う際に、「広い視野角の回折を生じる微細構造」を「高密度」かつ「乱雑」に配列することにある。これにより、モルフォ蝶の鱗粉と同様な特性を備えた所望の色の発色を実現することができる。

つまり、論文１、特許文献１ならびに特許文献２に示された構造色発色体の作製の手法を用いることにより、
（１）高い反射率
（２）広い視野角での色不変性
（３）干渉防止
の全てを満たす構造色発色体を実現することができた。

従って、論文１、特許文献１あるいは特許文献２に開示された構造色発色体を用いることにより、従来の色素や単純な多層膜干渉では得られなかったモルフォ蝶の色合いと同様な発色が実現されるようになった。

また、本発明のうち請求項１に記載の発明は、発色体として構造色発色体を備えた表示装置の製造方法において、基板の表面に赤色を発色する第１の構造色発色体と緑色を発色する第２の構造色発色体と青色を発色する第３の構造色発色体とをそれぞれ作製するための凸部および凹部であって、Ｘ方向の幅が７８０ｎｍ以下でＹ方向に比べて均一、Ｙ方向の長さが不定、Ｚ方向の高さまたは深さが１０ｎｍ以上の多数の平面視方形の凸部または凹部を、ＸＹ方向に配列して形成する第１のステップと、上記第１のステップで上記表面に凸部および凹部を形成された基板を用いて、ナノインプリント技術により該凸部および凹部を複数の樹脂板にインプリントして複製し、上記複製した複数枚の樹脂板を貼り合わせて基板パターンを作製する第２のステップと、上記第１の構造色発色体と上記第２の構造色発色体と上記第３の構造色発色体とにそれぞれ対応する高い屈折率を有する高屈折率層と低い屈折率を有する低屈折率層とをＺ方向に交互に積層して形成した多層膜構造を備えた積層体を形成するためのマスクを用いて、多層膜蒸着により上記基板パターンにおける上記第１の構造色発色体と上記第２の構造色発色体と上記第３の構造色発色体とをそれぞれ構成する上記凸部または凹部に倣うように上記積層体を形成し、上記第１の構造色発色体と上記第２の構造色発色体と上記第３の構造色発色体とをそれぞれ形成する第３のステップとを有するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、さらに、上記第３のステップにより形成された上記第１の構造色発色体と上記第２の構造色発色体と上記第３の構造色発色体とに対して選択的に外部照明を照射させる液晶パネルを配置する第４のステップを有するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１または２のいずれか１項に記載の発明において、上記凸部または凹部は、Ｘ方向に互いに同一の幅を有するとともに、Ｙ方向に該幅よりも長くかつ該幅の２倍以下の偏差をもつ統計分布をなす長さを有するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２または３のいずれか１項に記載の発明において、上記高屈折率層の厚さは３０〜１２０ｎｍであり、上記低屈折率層の厚さは６０〜３００ｎｍであるようにしたものである。

本発明によれば、小型化・省スペース化を図ることが可能となり、また、製造コストの上昇を抑制することが可能となり、また、光利用効率を向上することができ、また、消費電力を抑制することが可能となるという優れた効果が奏される。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による表示装置の製造方法の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。

ここで、表示装置においては、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）および青色（Ｂ）を発色することが必要であるが、赤色と緑色と青色とをそれぞれ発色する構造色発色体は、特許文献２に開示された構造色発色体の作製方法により作製する。なお、所望の発色を得るには、基板上に形成される高い屈折率を有する高屈折率層と低い屈折率を有する低屈折率層とを、所望の発色に合わせて適宜に設計すればよい。以下、本発明による表示装置に用いる構造色発色体の作製の手法について説明する。

本発明による表示装置に用いる構造色発色体を製作する工程は、以下の２工程で構成される。

第１工程：表面に微細凹凸パターンを備えた基板の加工（図１（Ｃ）参照）
第２工程：第１工程で基板表面に作製した微細凹凸パターン上への高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層した多層膜の成膜（図１（Ｄ）参照）。

ここで、上記した第１工程による微細凹凸パターンは、図１（Ｂ）に示されているように、「高い光利用効率」と「干渉による混色の防止」と「広い有効角」との全てに影響する。また、上記した第２工程による多層膜の成膜は、発色の波長を決める部分であり、従来の構造色発色体における多層膜と同様に形成すればよい。

ここで、上記した第１工程および第２工程よりなる本発明による表示装置に用いる構造色発色体を製作する手法について、図２（ａ）（ｂ）（図２（ａ）は第１工程および第２工程の説明図であり、また、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＢ矢視（平面視）方向における基板表面の走査型電子顕微鏡写真である。）を参照しながら説明する。

まず、第１工程においては、基板１０の表面に、Ｘ方向の幅ｄが７８０ｎｍ以下でＹ方向に比べて均一であり、Ｙ方向の長さが不定であり、Ｚ方向の高さまたは深さが１０ｎｍ以上の平面視方形の凸部または凹部を、ＸＹ方向に多数配列して形成する。即ち、第１工程においては、多数の長方形がＸＹ２次元面内に乱数配置された擬１次元的パターンが形成されることになる。

なお、基板１０としては、積層体１２（後述する。）を所定の配列で固定できるものであればよく、特に限定されものではない。例えば、積層体１２が無機質誘電体薄膜（後述する。）からなる場合には、基板１０をガラス基板とすることにより構造色発色体２０（後述する。）を完全に固体無機材料で構成することができるようになる。

こうした基板１０は、具体的には、所定の厚さ（例えば、厚さ１．１ｍｍ）の石英ガラス基板やＳｉ基板を用いることができる。

こうした第１工程における処理は、例えば、基板１０の表面を電子ビームフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて凹凸に加工することにより行えばよい。この凹凸は、Ｘ方向に一様な幅ｄを備えるとともに、Ｙ方向はｄを下限とするばらつきを有するように形成する。従って、平面視ではＸ方向の長さがｄで種々のアスペクト比を有する縦長の四辺形がＹ方向を向いて多数配列していることになる。図２（ａ）において、幅が２ｄをなす凹凸が存在するのは、この断面において隣接する凸部同士あるいは凹部同士が連なっていることを示している。この凸部同士あるいは凹部同士の連なりは３個以上でもよいことは勿論であり、その際には、基板１０には幅が３ｄ以上をなす凹凸が存在することになる。

なお、凸部ならびに凹部のＹ方向長さおよび配列は電子ビーム描画にて制御することができ、凸部ならびに凹部の高さ（深さ）はエッチング時間等のエッチング条件にて制御することができる。第１工程で用いるエッチングは、ドライエッチングが好ましい。

次に、第２工程においては、凸部ならびに凹部が形成された基板１０の表面に倣うように、厚さｔ１の高い屈折率を有する高屈折率層１２ａと厚さｔ２の低い屈折率を有する低屈折率層１２ｂとをＺ方向に交互に成膜して、高屈折率層１２ａと低屈折率層１２ｂとがＺ方向に交互に積層された積層体１２を形成する。

こうした第２工程における処理は、例えば、高屈折率層１２ａと低屈折率層１２ｂとを交互に電子ビーム蒸着し、最上層を高屈折率層１２ａとすればよい。

ここで、高屈折率層１２ａと低屈折率層１２ｂとが基板１０の表面に倣うように積層されるとは、積層体１２のうち基板１０の凸部（または凹部）上に設けられた部分は、その最上面も凸部（または凹部）になることを意味する。

こうして形成された構造色発色体２０は、高屈折率層１２ａと低屈折率層１２ｂとが交互に積層された積層体１２を有するので、入射光が積層体１２の各層の高屈折率層１２ａで反射し、その反射光のうち高屈折率層１２ａおよび低屈折率層１２ｂの各屈折率および厚さによって定まる特定波長の光が、干渉によって強められたり打ち消し合ったりする。即ち、高屈折率層１２ａの屈折率をｎ１、厚さをｔ１、低屈折率層１２ｂの屈折率をｎ２、厚さをｔ２とするとき
波長λ＝２（ｎ１×ｔ１＋ｎ２×ｔ２）・・・式１
で定まる波長λの光が選択的に強められる。

従って、高屈折率層１２ａの屈折率ｎ１および厚さｔ１ならびに低屈折率層１２ｂの屈折率をｎ２および厚さをｔ２を、赤色、緑色または青色の波長をそれぞれ選択的に強めるように設定すれば、構造色発色体２０として、赤色を発色する構造色発色体、緑色を発色する構造色発色体または青色を発色する構造色発色体をそれぞれ作製することができる。

しかも、積層体１２の最上面のＸ方向の凹凸の間隔が７８０ｎｍ以下（例えば、３００ｎｍである。）、即ち、大部分の可視光の波長より小さく、かつ、Ｙ方向に比べて均一に形成されているので、強められた反射光が回折効果によって空間的に広がるとともに、光波動場の膜内への侵入を制限する効果により高い反射率が得られることになる。

また、２次元全方位の乱反射による反射率低下を防止するために、構造色発色体２０の上記した多数の凸部ならびに凹部は、Ｘ方向に互いに同一の幅ｄとし、Ｙ方向長さがＸ方向の幅ｄより大きくかつＸ方向幅ｄの２倍以下の偏差をもつ統計分布をなすように設計することにより、配列に一次元の規則性をもたせるのが好ましい。具体的には、Ｙ方向の長さは、例えば、２．０μｍを中心とする標準偏差０．５μｍの正規分布をなすように乱数で決定すればよい
こうした一次元異方性により、反射光が２次元全方位の乱反射により散乱することを防ぎ、反射率低下を防止するとともに反射光を空間的に集中して反射強度を高くすることができるようになる。

また、構造色発色体２０の上記した多数の凸部または凹部の高さまたは深さが１０ｎｍよりも小さいと、積層体１２の最上面のレベルが近似的に同じになって回折効果による光の広がりが得られないので、構造色発色体２０の凸部または凹部のＺ方向の寸法（高さまたは深さ）を１０ｎｍ以上、例えば、３４０ｎｍとする。なお、構造色発色体２０の凸部または凹部のＺ方向の寸法（高さまたは深さ）の上限は限定されないが、例えば、１μｍ以下とすることが好ましい。

次に、屈折率と波長との関係を示す式１で定まる波長が可視光の範囲となるように、積層体１２を構成する高屈折率層１２ａの厚さｔ１を、例えば、３０〜１２０ｎｍ（例えば、５０ｎｍである。）に設定し、積層体１２を構成する低屈折率層１２ｂの厚さｔ２を、例えば、６０〜３００ｎｍ（例えば、８０ｎｍである。）に設定するのが好ましい。

また、積層体１２を構成する高屈折率層１２ａと低屈折率層１２ｂとの各層の光学距離を同等にするために、高屈折率層１２ａの厚さｔ１よりも低屈折率層１２ｂの厚さｔ２を厚くするように設定することが好ましい。

ここで、高屈折率層１２ａならびに低屈折率層１２ｂを構成する材料としては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＳｉＯ、ＳｎＯ_２、Ｓｂ_２Ｏ_３、ＰｂＣｌ_２、ＰｂＯ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＴｉＯ、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２、ＣｅＯ_２、ＣｅＦ_３、ＺｎＳ、ＭｇＯ、ＮａＦ、ＭｇＦ_２などの無機質誘電体薄膜のうちから選択した１種以上からなるものを用いることができ、このように積層体１２を無機質で構成することにより耐熱性および耐光性を向上することができ、また、屈折率の範囲も広げることができる。

上記した各材料のなかで屈折率比を大きくして反射率を高めるためには、高屈折率層１２ａとして、例えば、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＨｆＯ_２、ＺｎＳ、ＣｅＯ_２、ＰｂＯ、Ｓｂ_２Ｏ_３などを用い、一方、低屈折率層１２ｂとして、例えば、ＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２などを用いるような組み合わせが好ましい。

また、高屈折率層１２ａならびに低屈折率層１２ｂを構成する材料としては、例えば、ＰＭＭＡ、ＣＲ−３９、ＭＭＡ、ポリアリルメタクリレート、ポリジアリルフタレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリビニルナフタレンなどの合成樹脂のうちから選ばれる１種以上であってもよい。

さらに、基板１０と積層体１２との間に光吸収体を形成してもよく、このようにすると、特定波長の光のみを吸収することができるので、色合いを変化させることができる。

さらにまた、その光吸収体をアルミニウム、金、銅、クロムなどからなる金属薄膜により構成すると、反射光に光沢を加えることができるようになる。

次に、上記した構成を備えた構造色発色体２０を青色を発色する構造色発色体として構成する際に、構造色発色体２０の凸部または凹部に関しては、例えば、Ｘ方向の幅ｄを青色の波長よりも小さい３００ｎｍとして、Ｙ方向長さがＸ方向の幅ｄより大きくかつＸ方向の幅ｄの２倍以下の偏差をもつ統計分布のもとに、短辺３００ｎｍの異方性を持った長方形を乱雑に配置するようにし、凸部または凹部のＺ方向の寸法（高さまたは深さ）は青色の光が垂直入反射を妨げられて広い角度で散るような深さである１１０ｎｍとする。

図３は本願発明者等による反射率の角度分布測定の結果を示すグラフであり、垂直入射光に対する各波長の反射率の角度依存性を示している。なお、図３において、左図は従来より周知の従来の連続多層膜に関する測定結果を示し、中央図はモルフォ蝶の翅に関する測定結果を示し、右図は上記した本発明による青色を発色する構造色発色体２０に関する測定結果を示している。また、図３における縦軸は、左図、中央図および右図において共通である。

従来より周知の従来の連続多層膜（図３の左図）との比較すると、モルフォ蝶の翅（図３の中央図）ならびに本発明による青色を発色する構造色発色体２０（図３の右図）においては、垂直方向に対して±３０〜４０°程度青色が変わらないという特徴が示されている。

即ち、本発明による青色を発色する構造色発色体は、モルフォ蝶の翅と同様な特性、即ち、広い角度範囲で青く輝き、高い反射率をもち、１次元異方性をもち、色が混ざらないという特性を備えている。

次に、図４（ａ）（ｂ）を参照しながら、基板１０の表面に形成する凸部と凹部とのパターンについて検討するために行った実験結果について説明する。

図４（ａ）の左図は、基板表面に完全に１次元（縞状）で幅のランダムな凹凸（以下、「１次元型」と適宜に称する。）を形成した場合の走査型顕微鏡写真を示し、図４（ａ）の右図は、基板表面に２次元（ピクセル状）でランダムな凹凸（以下、「２次元型」と適宜に称する。）を形成した場合の走査型顕微鏡写真を示し、図４（ａ）の中央図は、基板表面に上記した構造色発色体２０において採用した１軸方向に長い方形で配列のランダムな凹凸（以下、「モルフォ型」と適宜に称する。）を形成した場合の走査型顕微鏡写真を示しており、これら３種類の凹凸を形成するようにして多層膜を成膜した構造色発色体を作製し、フラッシュなしとフラッシュありとで撮影した。図４（ｂ）上図はフラッシュなしの撮影結果を示し、図４（ｂ）下図はフラッシュありの撮影結果を示している。

図４（ａ）（ｂ）に示されているように、２次元型では全体に光が散って強度が極端に弱く、また、１次元型では干渉の虹色が残ってしまう上に光の角度依存性が急峻すぎ、少し角度がずれると反射率が急減する。この傾向は、フラッシュのような強い光を照射すると顕著に観察される。一方、モルフォ型では、青色の広い角度依存性と高い反射率が再現できた。

また詳細な説明は省略するが、広い角度で高反射率の青色を生じる条件は、パターン間隔、深さともに１００ｎｍレベルで影響していた。なお、論文１に示すように、本願発明者等は光ファイバによる反射率プロファイルの角度依存性の測定を行っており、その結果も上記の結果に対応している（論文１参照）。

なお、上記においては、構造色発色体２０として青色を発色する構造色発色体を中心に説明したが、構造色発色体２０として赤色を発色する構造色発色体および緑色を発色する構造色発色体をそれぞれ作製するに際しては、上記において説明した青色を発色する構造色発色体を規定するパラメータを長波長（赤色、緑色）に変換して設計すればよい。

こうした設計を行うことにより、青色を発色する構造色発色体３０（図５の右図参照）に加えて、赤色を発色する構造色発色体４０（図５の左図参照）および緑色を発色する構造色発色体５０（図５の中央図参照）を作製することができる。

具体的には、青色を発色する構造色発色体３０は、例えば、高屈折率層がＴｉＯ_２（約５０ｎｍ厚）、低屈折率層がＳｉＯ_２（約７５ｎｍ厚）であり、これら高屈折率層と低屈折率層とを各６層程度積層して積層体を構成すればよい。また、基板の表面に形成する凸部と凹部とについては、例えば、Ｚ方向の高低差約１１０ｎｍ、平面視における長方形は幅ｄが３００ｎｍであり３００ｎｍ×２μｍ（なお、長辺は乱雑さを含み、標準偏差０．５μｍ程度である。）の大きさを持つようにすればよい。

また、赤色を発色する構造色発色体４０は、例えば、高屈折率層がＴｉＯ_２（約８０ｎｍ厚）、低屈折率層がＳｉＯ_２（約１１０ｎｍ厚）であり、これら高屈折率層と低屈折率層とを各６層程度積層して積層体を構成すればよい。また、基板の表面に形成する凸部と凹部とについては、例えば、Ｚ方向の高低差約１６０ｎｍ、平面視における長方形は幅ｄが４５０ｎｍであり４５０ｎｍ×３μｍ（なお、長辺は乱雑さを含み、標準偏差０．７μｍ程度である。）の大きさを持つようにすればよい。

また、緑色を発色する構造色発色体５００は、例えば、高屈折率層がＴａ_２Ｏ_５（約６５ｎｍ厚）、低屈折率層がＳｉＯ_２（約９０ｎｍ厚）であり、これら高屈折率層と低屈折率層とを各８層程度積層して積層体を構成すればよい。また、基板の表面に形成する凸部と凹部とについては、例えば、Ｚ方向の高低差約１３０ｎｍ、平面視における長方形は幅ｄが３８０ｎｍであり３８０ｎｍ×２．５μｍ（なお、長辺は乱雑さを含み、標準偏差０．６μｍ程度である。）の大きさを持つようにすればよい。

そして、本発明による表示装置は、上記した青色を発色する構造色発色体（以下、「青色発色構造色発色体」と適宜に称する。）３０と赤色を発色する構造色発色体（以下、「赤色発色構造色発色体」と適宜に称する。）４０と緑色を発色する構造色発色体（以下、「緑色発色構造色発色体」と適宜に称する。）５０とをそれぞれ小さな画素にして配列することにより作製する。

即ち、図６に示すように、青色発色構造色発色体３０により青色画素３２を構成し、赤色発色構造色発色体４０により赤色画素４２を構成し、緑色発色構造色発色体５０により緑色画素５２を構成し、それぞれ構成された青色画素３２、赤色画素４２および緑色画素５２を適宜に配列することにより表示装置６０が作製される。

なお、青色画素３２、赤色画素４２および緑色画素５２の配列については、画像が変化しないポスターのような表示装置の場合には、当該画像を描画するように青色画素３２、赤色画素４２および緑色画素５２を配列すればよい。

一方、電子情報通信におけるディスプレイのように静止画や動画を表示する表示装置の場合には、従来より公知の液晶ディスプレイのカラーフィルタと同様に青色画素３２、赤色画素４２および緑色画素５２を配列し、従来より公知の液晶ディスプレイと同様に液晶パネルをオンオフ動作させればよい。

次に、表示装置６０を作製するには、青色画素３２、赤色画素４２および緑色画素５２を広い面積で並べる必要があるが、図７および図８を参照しながらこの手法について説明する。

即ち、本発明による表示装置の製造方法においては、石英ガラスまたはＳｉなどより構成される基板１０の所定の大きさ（例えば、１〜２００ｍｍである。）を備えた表面１０ａに、青色発色構造色発色体３０と赤色発色構造色発色体４０と緑色発色構造色発色体５０とをそれぞれ作製するための凸部および凹部をそれぞれ形成する（図７のステップ１）。この際に、青色発色構造色発色体３０と赤色発色構造色発色体４０と緑色発色構造色発色体５０とによりそれぞれ構成されることになる青色画素３２と赤色画素４２と緑色画素５２とが、表示装置により静止画や動画を表示させる場合には液晶ディスプレイの各画素の配列と同様となるように配列し、また、表示装置により変化しないある特定の画像のみを表示させる場合には当該画像を形成するように配列する。

なお、青色画素３２、赤色画素４２ならびに緑色画素５２の各ドットサイズは、光学特性が保てる程度に大きく、かつ、解像度が良いためには小さい方が望ましい。具体的には、直径１０μｍ以上であることが好ましく、屋外の大画面用の表示装置の場合には１ｍｍ程度でもよく、最大１０ｍｍ程度がよい。

次に、ステップ１で表面１０ａに凸部および凹部を形成された基板１０を用いて、ナノインプリント技術により当該凸部および凹部を複数の樹脂板７２にインプリントして複製し（図８参照）、これら複数枚（例えば、１０〜３００枚である。）の樹脂板７２をＸＹ平面において貼り合わせて基板パターン７０を作製する（図７のステップ２）。なお、基板パターン７０は、作製する表示装置の大きさに合わせて形成すればよく、例えば、腕時計ほどの大きさである１５ｍｍ×２０ｍｍから大型ディスプレイの３ｍ×４ｍなどのように適宜の大きさに設定する。

また、上記したナノインプリントにおいては、樹脂板７２の材料として、例えば、ＰＭＭＡ、ポリカーボネート、ポリ乳酸、光硬化性樹脂あるいは熱硬化性樹脂などを用いる。また、樹脂板７２の厚さは、基板１０の表面１０ａに形成された凸部および凹部を複製できる程度に厚ければよく、例えば、１μｍ以上あればよい。なお、樹脂の均一性や硬化の効率、ナノインプリント後における積層体１２を構成する高屈折率層１２ａと低屈折率層１２ｂとの成膜の利便性を考慮すると、厚さは１ｍｍ以内であることが好ましい。

次に、青色発色構造色発色体３０と赤色発色構造色発色体４０と緑色発色構造色発色体５０とにそれぞれ対応する積層体１２を形成するための各マスク８０を用いて、多層膜蒸着により基板パターンにおける青色発色構造色発色体３０と赤色発色構造色発色体４０と緑色発色構造色発色体５０とをそれぞれ構成する基板１０の表面１０ａ上に積層体１２を形成し（図７のステップ３）、表示装置の表示部９０を形成する（図７のステップ４）。

ここで、マスク８０は、青色発色構造色発色体３０を作製する際に用いるものと、赤色発色構造色発色体４０を作製する際に用いるものと、緑色発色構造色発色体５０を作製する際に用いるものとの３種類を準備しておく。そして、これらの各マスク８０には、青色発色構造色発色体３０と赤色発色構造色発色体４０と緑色発色構造色発色体５０とのそれぞれの積層体１２のみをそれぞれ形成するための蒸着物質が通過可能な貫通孔のみがそれぞれ形成されており、対応するマスク８０を用いて貫通孔から蒸着物質を貫通させて、基板パターンの表面１０ａに成膜して積層体１２を形成する。

従って、このステップ３は、基板パターンに青色発色構造色発色体３０と赤色発色構造色発色体４０と緑色発色構造色発色体５０とを形成するために、マスク８０を代えながら３回多層膜蒸着処理を行うことになる。

画像が変化しないポスターのような表示装置は、上記したステップ１〜ステップ４の処理により製造することができる。

一方、静止画や動画を表示させる表示装置は、表示部９０の青色発色構造色発色体３０、赤色発色構造色発色体４０ならびに緑色発色構造色発色体５０によりそれぞれ形成される青色画素３２、赤色画素４２ならびに緑色画素５２の配列に対応する配列を備え、オンオフ制御によりこれら青色画素３２、赤色画素４２ならびに緑色画素５２の配列に対して外部照明を選択的に照射させる液晶パネル１００と、液晶パネル１００のオンオフを制御するパーソナルコンピューターなどの制御手段（図示せず。）を配置し、液晶パネル１００のオンオフを制御して外部照明の青色画素３２、赤色画素４２ならびに緑色画素５２への照射を適宜に遮断することにより、静止画または動画を得ることができる（図７のステップ５）。即ち、表示部９０により静止画や動画を表示する場合には、表示部９０の青色画素３２、赤色画素４２ならびに緑色画素５２の配列に対応した配列を備えた液晶パネルのオンオフを制御することで、カラーテレビジョンと同じ原理で画像を形成することができる。

なお、図７の最下図は、表示部９０と液晶パネル１００とにより得られる動画の一例を示している。

以上において説明した本発明による表示装置は、以下の（１）〜（３）に示すような特長を備えるものである。

（１）高反射率（６０％以上）であるため、カラーであっても光利用効率が高い。

（２）干渉に基づきながら広い角度で色が変わらず（即ち、視野角依存性がなく）、有効角が広い。

（３）干渉に基づきながら異なる色の虹色干渉がなく、鮮明な赤色、緑色および青色を得られる。

また、本発明による表示装置は、外部光の反射による発色を利用するため、消費電力が低いという特長も備えている。即ち、およそ日中に限らず室内でも明るいところであるならば「定常バックライト光源」を低減でき、消費電力を節約することができるからである。現行のカラー液晶ディスプレイにおいては、光フィルタを使用するため吸収が大きく、光利用効率が低い問題は深刻である。本発明による表示装置は、光吸収の根源であるカラーフィルタを用いなくてよい。

さらに、本発明による表示装置が用いる構造色発色体は、薄くかつ軽量であり、厚さは１μｍのオーダーまで薄くすることができ、装置全体のコンパクト化を図ることができる。

さらにまた、本発明による表示装置が用いる構造色発色体は、色あせ（経時劣化）がない。即ち、構造色発色体は、化学変化が主因の色あせとは無縁であり、およそ構造さえ保持されていれば発色は保たれる。このため長時間直射日光にさらされるポスターなどに本発明による表示装置を用いると、極めて効果的である。

また、本発明による表示装置が用いる構造色発色体は色素を用いないため、省素材化を図ることができるとともにエコロジカルであり、環境対策にとって有利である。

さらに、本発明による表示装置の製造方法によれば、高いスループットで表示装置を製造することができるようになる。

なお、上記した実施の形態においては示した各種の数値は例示に過ぎないものであり、設計に応じて適宜に変更してもよいことは勿論である。

本発明は、電子情報通信におけるディスプレイたる画像表示装置として用いたり、あるいは、電子ペーパーまたはポスターのような紙媒体などに代えて用いることができるものである。

図１は、モルフォ蝶の鱗粉における構造色の発色の原理の説明図および当該鱗粉を模擬した構造色発色体の説明図である。図２は、本発明による表示装置の製造方法の説明図であり、図２（ａ）は、第１工程および第２工程の説明図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＢ矢視（平面視）方向における基板表面の走査型電子顕微鏡写真である。図３は、本願発明者等による反射率の角度分布測定の結果を示すグラフであり、垂直入射光に対する各波長の反射率の角度依存性を示している。図４は、基板の主面に形成する凸部と凹部とのパターンに関する実験結果の説明図であり、図４（ａ）の左図は完全に１次元（縞状）で幅のランダムな凹凸を形成した場合の走査型顕微鏡写真を示し、図４（ａ）の右図は２次元（ピクセル状）でランダムな凹凸を形成した場合の走査型顕微鏡写真を示し、図４（ａ）の中央図は本発明による構造色発色体において採用した１軸方向に長い方形で配列のランダムな凹凸を形成した場合の走査型顕微鏡写真を示し、図４（ｂ）上図はフラッシュなしの撮影結果を示し、図４（ｂ）下図はフラッシュありの撮影結果を示す。図５は、本発明による構造色発色体を示す説明図であり、図５の左図は赤色を発色する構造色発色体を示し、図５の中央図は緑色を発色する構造色発色体を示し、図５の右図は青色を発色する構造色発色体を示す。図６は、本発明による表示装置の製造方法の概念説明図である。図７は、本発明による表示装置の製造方法の説明図である。図８は、本発明による表示装置の製造方法におけるナノインプリント技術の説明図である。

符号の説明

１０基板
１０ａ表面
１２積層体
１２ａ高屈折率層
１２ｂ低屈折率層
２０構造色発色体
３０青色発色構造色発色体
３２青色画素
４０赤色発色構造色発色体
４２赤色画素
５０緑色発色構造色発色体
５２緑色画素
６０表示装置
７０基板パターン
７２樹脂板
８０マスク
９０表示部
１００液晶パネル

Claims

発色体として構造色発色体を備えた表示装置の製造方法において、
基板の表面に赤色を発色する第１の構造色発色体と緑色を発色する第２の構造色発色体と青色を発色する第３の構造色発色体とをそれぞれ作製するための凸部および凹部であって、Ｘ方向の幅が７８０ｎｍ以下でＹ方向に比べて均一、Ｙ方向の長さが不定、Ｚ方向の高さまたは深さが１０ｎｍ以上の多数の平面視方形の凸部または凹部を、ＸＹ方向に配列して形成する第１のステップと、
前記第１のステップで前記表面に凸部および凹部を形成された基板を用いて、ナノインプリント技術により該凸部および凹部を複数の樹脂板にインプリントして複製し、前記複製した複数枚の樹脂板を貼り合わせて基板パターンを作製する第２のステップと、
前記第１の構造色発色体と前記第２の構造色発色体と前記第３の構造色発色体とにそれぞれ対応する高い屈折率を有する高屈折率層と低い屈折率を有する低屈折率層とをＺ方向に交互に積層して形成した多層膜構造を備えた積層体を形成するためのマスクを用いて、多層膜蒸着により前記基板パターンにおける前記第１の構造色発色体と前記第２の構造色発色体と前記第３の構造色発色体とをそれぞれ構成する前記凸部または凹部に倣うように前記積層体を形成し、前記第１の構造色発色体と前記第２の構造色発色体と前記第３の構造色発色体とをそれぞれ形成する第３のステップと
を有することを特徴とする表示装置の製造方法。
請求項１に記載の表示装置の製造方法において、さらに、
前記第３のステップにより形成された前記第１の構造色発色体と前記第２の構造色発色体と前記第３の構造色発色体とに対して選択的に外部照明を照射させる液晶パネルを配置する第４のステップ
を有することを特徴とする表示装置の製造方法。
請求項１または２のいずれか１項に記載の表示装置の製造方法において、
前記凸部または凹部は、Ｘ方向に互いに同一の幅を有するとともに、Ｙ方向に該幅よりも長くかつ該幅の２倍以下の偏差をもつ統計分布をなす長さを有する
ことを特徴とする表示装置の製造方法。
請求項１、２または３のいずれか１項に記載の表示装置の製造方法において、
前記高屈折率層の厚さは３０〜１２０ｎｍであり、
前記低屈折率層の厚さは６０〜３００ｎｍである
ことを特徴とする表示装置の製造方法。