暮らしのなかの物理：光を知って光を使う

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きみつぐすすむ
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1 東大付属中高高 2 物理 Ⅰ レクチャー暮らしのなかの物理 : 光を知って光を使う2 佐藤勝昭工学博士東京農工大学名誉教授

2 第 1 回の復習光の波長と色について学びました白熱灯蛍光灯白色 LED の光をだすしくみの違いについて学びましたスペクトルの違いを直視分光器を使って観察しました

3 今回学ぶこと発表 : 第 1 回の講義や実験を通じてわかったこともっと知りたいことを各班の代表に発表してもらいます講義 : 1. さまざまな光ディスクの原理を知ろう 2. 液晶ディスプレイの原理を知ろう実験 ( 各班で選んで下さい ) 偏光光センサ太陽電池

4 講義資料 1 さまざまな光ディスクとその原理

5 光ディスクのポイント読み出しはレーザー光を絞ったときに回折限界で決まるスポットサイズで制限されるため波長が短いほど高密度に記録される光ストレージには読み出し ( 再生 ) 専用のもの 1 度だけ書き込み ( 記録 ) できるもの繰り返し記録再生できるものの 3 種類がある記録にはさまざまな物理現象が使われている

6 光記録の分類光ディスク再生 ( 読み出し ) 専用のもの CD, CD-ROM, DVD-ROM 記録 ( 書き込み ) 可能なもの追記型 (1 回だけ記録できるもの ) CD-R, DVD-R 書換型 ( 繰り返し消去記録できるもの ) 光相変化 CD-RW, DVD-RAM, DVD-RW, DVD+RW, BD 光磁気 : MO, GIGAMO, MD, Hi-MD, AS-MO, id-photo ホログラフィックメモリホールバーニングメモリ

7 記録密度を決めるもの光スポットサイズ d=0.6λ/na Λ は光の波長 NA はレンズの開口数 NA=nsinα CD-ROM: NA=0.6 CD-ROM: λ=780nm d=780nm DVD: λ=650nm d=650nm BD: NA=0.85 λ=405nm d=285nm α スポット径 d

8 光記録に利用する物理化学現象 CD=compact disk, DVD=digital versatile disk, BD=bluray disk CD-ROM, DVD-ROM: ROM=read only memory ピット形成 CD-R, DVD-R: R=recordable 有機色素の化学変化と基板の熱変形 CD-RW, DVD-RW, BDR: RW=rewritable アモルファスと結晶の相変化 MO, MD, GIGAMO, AS-MO, id-photo: 強磁性常磁性相転移ホログラフィックメモリ : フォトリフラクティブ効果ホールバーニングメモリ : 不均一吸収帯

9 光ディスクの特徴リムーバブル ( とりはずして持ち運べる ) 大容量高密度 BD 100Gb/in 2 : ハードディスク (500Gbit/in 2 ) に及ばない超解像短波長近接場を利用してもっと高密度にへランダムアクセス磁気テープに比し圧倒的に有利 ; カセットテープ MD, VTR DVD ハードディスクに比べるとシーク時間が長い高信頼性ハードディスクに比しヘッドの浮上量が大きい

10 CD-ROM

11 CD-ROM: 光の干渉を利用ポリカーボネート基板 :n=1.55 λ=780nm 基板中の波長 λ =503nm ピットの深さ :110nm ~ ¼ 波長反射光の位相差 π: 打ち消し

12 CD-ROM ドライブフォーカスサーボトラッキングサーボ光ピックアップ

13 CD はどうやって情報を読み出すのか? ス

14 CD-RW 光相変化ディスク結晶とアモルファスの間の相変化を利用

15 光相変化記録アモルファス / 結晶の相変化を利用書換可能型成膜初期状態のアモルファスを熱処理により結晶状態に初期化しておきレーザ光照射により融点 Tm (600 ) 以上に加熱後急冷させアモルファスとして記録消去は結晶化温度 Tcr(400 ) 以下の加熱緩冷して結晶化 High レベル :Tm 以上に加熱急冷アモルファス Low レベル :Tcr 以上に加熱緩冷結晶化 DVD-RAM: GeSbTe 系 DVD±RW: Ag-InSbTe 系

16 相変化ディスクの記録と消去融点以上から急冷 : アモルファス低反射率融点以下結晶化温度以上で徐冷 : 結晶化高反射率 /j/cdrw/rw_phase.html

17 相変化と反射率初期状態 : 結晶状態反射 : 大記録記録状態 : アモルファス状態反射 : 小消去レーザスポット記録マーク

18 アモルファスとはなにか Amorphous a は否定の接頭辞 morph は形非晶質と訳される近距離秩序はあるが結晶のような長距離秩序がない液体の原子配列が凍結した状態に近い液体の急冷により生じる準安定な状態金属合金系カルコゲナイドガラス系テトラヘドラル系酸化物ガラス系などがある金属合金系の場合 DRPHS (dense random packing of hard spheres) モデルで説明できる

19 アモルファスの特徴結晶ではないので結晶粒界がなく連続大面積を均一に作れる光の散乱が少ない結晶と違って整数比でない広範な組成比が実現 : 特性を最適化しやすい低温成膜可能なのでプラスチック基板でも OK

20 CD-R: 有機色素の利用有機色素を用いた光記録光による熱で色素が分解気体の圧力により加熱された基板が変形ピットとして働く

21 DVD ファミリー DVD-ROM DVD-R DVD-RAM DVD-RW DVD+RW 容量 (GB) 4.7 / 層 / / / /9.4 形状 disk disk cartridge disk disk マーク形成材料レーザ波長レンズ NA ピット形成 1 層 R= 層 R= / 熱変形型有機色素 R=45-85% 650/ 相変化型 GeSbTe 系 R=18-30% 相変化型 AgInSbTe 系 R=18-30% 638/ 相変化型 AgInSbTe 系 R=18-30% 最短マーク長 1 層 :0.4 2 層 :0.44 トラック幅 Wobbled pre-bit 書き換え可能回数 Land 0.74 Wobbled L/G 0.74 Wobbled pre-bit Land 0.74 HF Wobbled groove

22 BD はなぜ高密度化我が国で開発された青紫色レーザーは最近になって複数の会社から安定供給できるようになりこれを用いた光ディスクが登場した光ディスクの面密度は原理的に 1/d 2 で決まるので波長が従来の 650nm から 405nm に変わることにより原理的に 2.6 倍の高密度化が可能になった NA の大きなレンズを使用しているので絞り込める BD:0.85 DVD: 0.65 記録層が表面から 0.1mm と浅い DVD では表面から 0.6mm と深い日亜化学青紫 LD

23 BD の規格規格容量 ( 片面 1 層 ) 容量 ( 片面 2 層 ) 転送速度ディスク厚み記録層レーザー波長 23.3/25/27 GB 46.6/50/54 GB 36Mbps 1.2mm 保護層 0.1mm 記録層 1.1μm 405nm レンズ開口数 0.85 トラックピッチトラック構造映像圧縮方式 0.32μm グルーブ MPEG-2 Video

24 講義資料 2 液晶ディスプレイ

25 液晶ディスプレイ液晶を光スイッチとして使用直交偏光板ではさんだ液晶内での偏光の伝搬電界印加により液晶分子の配向を制御 TFT( 薄膜トランジスタで各画素の RGB を個別に選択制御 ): アモルファス Si から多結晶 Si へ利点 : 薄型省電力高精細度ちらつきがない欠点 : 視角依存性バックライト必要大画面に問題

26 液晶液晶は液体と固体の中間的物質 1888 年 : 液晶を発見 : ライニツァー ( オーストリアの植物学者 ) 液晶とは固体と液体の中間にある物質の状態 ( イカの墨や石鹸水など ) を指す液晶の理学は 1968 年頃フランスの物理学者 de Gennes によって確立された C O N H T

27 液晶のディスプレイへの応用ディスプレイへの応用 :1963 年ウィリアムズ (RCA 社 ), 液晶に電気的な刺激を与えると光の透過が変わることを発見 1968 年 : ハイルマイヤーら (RCA) この性質を応用した表示装置を試作液晶ディスプレイの始まりディスプレイの材料としては不安定で商用として問題あり 1973 年 : シャープより電卓 (EL-805) の表示として世界で初めて LCD を応用 1976 年 : グレイ教授 ( 英国ハル大学 ) が安定な液晶材料 ( ビフェニール系 ) を発見

28 液晶分子の配向と電界制御液晶分子の配向配向剤を塗布ラビング分子をラビング方向に配列電界による配向制御 ( 液晶分子は電気双極子 )

液晶ディスプレイの構造カラー液晶ディスプレイの構造は構成要素が層状になっている 1- 偏光フィルター : 偏光を選択する 2- ガラス基板 : 電極部からの電気がほかの部分に漏れないようにする 3- 透明電極 : 液晶ディスプレイを駆動するための電極表示の妨げにならないよう透明度の高い材料を使う 4- 配向膜 :

29 液晶ディスプレイの構造カラー液晶ディスプレイの構造は構成要素が層状になっている 1- 偏光フィルター : 偏光を選択する 2- ガラス基板 : 電極部からの電気がほかの部分に漏れないようにする 3- 透明電極 : 液晶ディスプレイを駆動するための電極表示の妨げにならないよう透明度の高い材料を使う 4- 配向膜 : 液晶の分子を一定方向に並べるための膜 5- 液晶 : ネマティック液晶 6- スペーサー : 液晶をはさむ 2 枚のガラス基板間のスペースを均一に確保 7- カラーフィルター : 白色光から R,G,B を選択シャープのホームページより lcd/tech/s2_3.html#2

30 アクティブマトリックス 1. X 電極が各画素に付いたアクティブ素子を ON/OFF する 2. ON 状態にあるアクティブ素子はそのままの電圧を保ち Y 電極と通じることができる 3. Y 電極に電圧をかけ ON 状態にある目的の画素を点灯させる

31 TFT アクティブマトリクス LCD

32 新しい液晶によるスイッチング IPS (in-plane switching) 面内でスイッチすることで視野角依存性を減らす従来型 IPS 型

33 おわりに日本は資源がなくものづくりによって国を支えてきました科学技術の力がなければ豊かな国民生活は保証できません科学技術がますますブラックボックス化して中身が見えなくなっていますもっと科学技術に向き合ってブラックボックスを開けて見る好奇心を持ってください

金色の石に魅せられて－光で探る新しい機能性材料－ Part2

金色の石に魅せられて－光で探る新しい機能性材料－ Part2 金色の石に魅せられて - 光で探る新しい機能性材料 - Part2 東京農工大学工学部佐藤勝昭 5. 光エレクトロニクス材料光ファイバ通信発光素子受光素子伝送路光増幅器アイソレータ光ストレージ媒体光磁気相変化光ピックアップディスプレイ光発電 ( 太陽電池 ) 東京農工大学工学部佐藤勝昭撮像 :CCD 素子 CMOS 素子光ファイバー通信システム光ファイバー長距離にわたって光が減衰せずにすすむ