JP2004252444A - 表示装置 - Google Patents
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Abstract
エレクトロウエッティングを用いた表示装置を提供する。
【解決手段】 表示装置最下層を構成する第一基材、該第一基材の上に設けられ
た第一電極、該第一電極の上に設けられた絶縁層、該絶縁層の上に設けられた第
二電極、該第二電極を間隔を置いて取り囲むキャビティ仕切り、該キャビティ仕
切りの上に設けられた最上層を構成する第二基材と、該キャビティ仕切り内に封
入された着色液滴とからなる表示装置において、該着色液滴の球状復帰を促進す
るための第三電極を、前記第二電極とは絶縁された状態で該第二電極の周り、前
記第二基材内、さらに前記キャビティ仕切り内の少なくともいずれかに設け、こ
れらの電極を透明電極で構成した。
【選択図】 図3
Description
しかしながら、これらの既知の表示装置は、輝度、コントラスト比、解像度、画面サイズ、高精細化、応答性、寿命、階調表示化、製造コスト等の点でそれぞれどこかに問題があり、高輝度(1000cd/m2)で高コントラスト比(1000:1)、高精細(200ppi)、大面積(800×1200mm)のすべての要求項目を満足する医療用ディスプレーとしては、どれも適していなかった。
特開平9−311643号公報は、電子ディスプレイシートを製造するための方式を提供するもので、電子ディスプレイシートを、外部面と内部面とをそれぞれ有する第1及び第2のシートと、これらの内部面との間の密閉空間と、第1のシートが内部面上の第1の種類の電極手段と、第1の種類の電極手段の上に置かれた絶縁層と、絶縁層の上に置かれかつ密閉空間にさらされている第2の種類の電極手段とを備え、絶縁層が第1の種類の電極手段を前記第2の種類の電極手段から絶縁するように構成されかつ配置され、更に第2の種類の電極手段を被覆する密閉空間内に置かれた液体の小滴と、第1の種類の電極手段及び第2の種類の電極手段を付勢する手段とを備え、第1の種類の電極手段及び第2の種類の電極手段が付勢される場合、液体小滴が拡大されるように構成されるようにしたものである。
本発明は上記の欠点を解決するもので、着色液滴の戻りを速くして、表示応答性を良くし、したがって表示応答性を良くして動画表示を可能とする表示装置を提供することにある。
このような構成とすることによって、着色液滴の戻りが速くなり、したがって表示応答性が良くなるので、動画表示が可能となる。
このような構成とすることによって、第三電極を効果的な位置に配置できるので、着色液滴の戻りがより速くなる。
このような構成とすることによって、バックライト光が高効率で表示装置内を透過することができることとなる。
このような構成とすることによって、各電極に最適なプラス又はマイナス電位を印加できるので、着色液滴の戻りが加速される。
請求項6記載の発明は、請求項5記載の表示装置において、第二電極を、前記第一電極とは絶縁された状態で、前記第二基材及び前記キャビティ仕切り内の少なくともいずれかに設けたことを特徴とするので、着色液滴が絶縁層の面方向に沿った移動をすることが促進されることとなる。
[第1の実施の形態]
まず初めに、本発明が利用するエレクトロウエッティング現象について図1および図2に基づいて簡単に説明しておく。
エレクトロウエッテイング現象とは、電極を電解質(溶液)に浸すと電極表面と溶液との接触面で界面が形成され、この界面には電極側での金属イオンおよび自由電子と、溶液側の電解質イオンとにより、図1のように、いわゆる電気二重層EDL(electrical double layer)が形成され、そして金属−電解質の境界に電界が加わると表面張力の変化を誘発する現象をいう。 用いられる電極としては、導電性材料であれば何でもよい。例えば、Pt、Au、Ni、Alなどの金属、SnO2、In2O3、RuO2、TiO2、などの金属酸化物、Ge、Si、GaAsなどの半導体、およびグラファイト、グラッシーカーボン、ダイヤモンドのどの炭素系などが挙げられる。
(a)は外部電圧Vの印加がない場合で、この場合、電荷は金属−電解質の境界に現れて、電気二重層EDLを形成する。(b)は外部電圧が印加された場合であり、この場合、電気二重層EDLにおける電荷密度は変化をし、その結果、表面張力γと接触角は増減する。
そしてこの場合、印加された電圧(V)とその結果の表面張力(γ)との関係式は、境界における熱力学解析によって導き出されることができ、その結果はリップマンの方程式を用いて式(1)のように表わされる。
γ=γ0− 1/2cV2 ・・・(1)
ここで、γ0は電圧ゼロ(すなわち、固体の表面は電荷ゼロ)時の固体−液体境界における表面張力、
cは単位面積当たりのキャパシタンスであり、電荷層は対称なヘルムホルツ・キャパシタをモデルとして仮定している。
外部から電圧が電解質と固体の間に加えられると、電荷と双極子には状態変化が起き、境界での表面エネルギに変化が生じる(図2参照)。特に、境界に電荷があると、表面領域を拡張するのに要する仕事が電荷間の反発力で減らされるため、表面張力の低下が起きるので拡張し易くなると考えられる。
リップマンの方程式(1)は、ヤング方程式(2)の導入によって接触角θを用いて表される。
γSL=γSG−γLGcosθ ・・・(2)
cosθ=cosθ0+(1/γLG)×(1/2)cV2 ・・・(3)
ここで、θ0は境界層を横切る電界がゼロのときの接触角、
γSLは固体ー液体表面張力、
γLGは液体ーガス表面張力、
γSGは固体ーガス表面張力である。
γLGおよびγSGは印加電位に無関係な定数であると仮定する。
方程式(3)における接触角は液体と電極との間の印加電圧の関数となっている。
したがって、図2(b)のように、液体と電極との間に電圧を印加すると、接液体が拡張する。本発明はこの現象を応用するものである。
図において、10は本発明の第1の実施の形態に係る表示装置、12は表示装置10の最下層を構成する第一透明基材、14は第一透明基材12の上に設けられた第一透明電極、15は第二透明電極である。透明電極の材料としては、例えばITO(Indium Tin Oxide)が挙げられる。
16は絶縁層で、これは下層の絶縁膜16aと該絶縁膜16aの上に設けられた低表面エネルギ膜16bとから成る。低表面エネルギ膜は撥水性のよい材料でできた膜のことで、この上に載置した液体が拡がらずに球状を維持することが可能となる。低表面エネルギ−膜の材料としてはフッ素樹脂粒子を分散した材料が好ましく、フッ素樹脂粒子としては、例えばポリフッ化ビニル、PVDF、テトラフルオロエチレン(TFE)樹脂、クロロトリフルオロエチレン(CTFE)
樹脂、ETFE、CTFE−エチレン共重合体、PFA(TFE−パ−フルオロ
アルキルビニルエーテル共重合体)、FEP(TFE−ヘキサフルオロプロピレン(HFP)共重合体)、EPE(TFE−HFP−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)、等が挙げられる。
17はキャビティ仕切り、18は表示装置10の最上層を構成する第二透明基材、19は本発明により設けられた第三透明電極である。
図4は、図3の表示装置の使用状態を説明する図で、(a)はスイッチS1、S2がオフ状態における着色液滴の定常状態、(b)は黒表示状態、(c)は白表示状態をそれぞれ示している。
図4(a)において、スイッチS1、S2がオフ(開)で、着色液滴の定常状態は「液滴縮み」(球状)となっている。したがって光Lは、第一透明基材12→第一透明電極14→絶縁膜16a→低表面エネルギ膜16b→キャビティ内→第二透明基材18と透過するので、表示は「明」表示となる。
したがって光Lは、第一透明基材12→第一透明電極14→絶縁膜16a→低表面エネルギ膜16b→キャビティ内の着色液滴Wに到達して、ここで遮光されるので、表示は「暗」表示となる。
したがって、光Lは、第一透明基材12→第一透明電極14→絶縁膜16a→低表面エネルギ膜16b→キャビティ内→第二透明基材18と透過するので、表示は迅速に「明」表示に切り替わる。
図5は中間調の制御例を示すもので、第一透明電極14と第二透明電極15との間に印加する電圧を(a)は1/4E、(b)は1/2E、(c)は3/4Eとそれぞれしている。
したがって、(a)の印加電圧1/4Eにおいては液滴の広がりは多くなく、図4(b)の例まではいかないが、透過率約75%くらいの明るさとなっている。
(b)の印加電圧1/2Eにおいては液滴の広がりは半分くらいまでに広がり、透過率約50%くらいの明るさとなっている。
(c)の印加電圧3/4Eにおいては液滴の広がりはかなり進み3/4くらいまでに広がっている。透過率約25%くらいとなっている。
このように印加電圧Eを0からEの間で変えることにより、中間調の明るさを制御できるようになる。
図において、30は従来の表示装置、32は表示装置30の最下層を構成する第一透明基材、34は第一透明基材32の上に設けられた第一透明電極、35は第二透明電極、36は絶縁層で、絶縁膜36aとこの絶縁膜36aの上に設けられた低表面エネルギ膜36bとから成る。37はキャビティ仕切り、38は表示装置30の最上層を構成する第二透明基材である。
Eはマイナス側が第二透明電極35に接続され、プラス側がスイッチS1の一端に接続されている直流電源、S1は直流電源Eのプラス側と第一透明電極34の間の接続を開閉するスイッチである。Wは着色液滴である。
従来装置には当然のことながら第三透明電極(図4の19)が存在しない。
図6において、(a)はスイッチをオフにした状態で、着色液体の取る定常状態、(b)は黒表示状態、(c)は白表示状態をそれぞれ示している。
図6(a)において、スイッチS1がオフ(開)で、着色液滴の状態は「液滴縮み」(球状)となっており、したがって光Lは、第一透明基材32→第一透明電極34→絶縁膜36a→低表面エネルギ膜36b→キャビティ内→第二透明基材38と透過するので、表示は「明」表示である。
したがって光Lは、第一透明基材32→第一透明電極34→絶縁膜36a→低表面エネルギ膜36b→キャビティ内の着色液滴Wに到達して、ここで遮光されるので、表示は「暗」表示となる。
したがって、光Lは、第一透明基材32→第一透明電極34→絶縁膜36a→低表面エネルギ膜36b→キャビティ内→第二透明基材38と透過するので、表示は明表示へ戻る。
これに対して、本発明では、第三電極が着色液滴の戻りを加速するので、表示応答性がよくなることが確認できた。
図7は本発明の第2の実施の形態に係るもので、(a)は暗表示時、(b)は明表示時の各従断面図である。
図において、10は本発明の第2の実施の形態に係る表示装置であり、その構成は第1の実施の形態に係る表示装置と同じなので説明は省略する。
異なる点は、第三スイッチS3を設けて液滴復帰時にも第一透明電極を積極的に利用し、暗表示時から明表示時への移行をさらに加速させた点である。
直流電源Eのマイナス側と第一透明電極14との間に、スイッチS2と同じ動作(スイッチS1のオフ時にオンとなり、逆にオン時にオフとなる動作)をするスイッチS3を介在させている。
図7(a)では、スイッチS1がオンで、スイッチS2、S3は共にオフである。この状態は図4(b)と同一である。したがって、第一透明電極14と第二透明電極15との間に電圧が印加され、第一透明電極14がプラス、第二透明電極15がマイナス、液体表面に電荷が誘起している着色液滴Wはプラス電位の第一透明電極14に吸引されるため、着色液滴状態はキャビテイの底面いっぱいに広がり、したがって光Lは、第一透明基材12→第一透明電極14→絶縁膜16a→低表面エネルギ膜16b→キャビティ内の着色液滴Wに到達して、ここで遮光されるので、表示は「暗」表示となる。
したがって、光Lは、第一透明基材12→第一透明電極14→絶縁膜16a→低表面エネルギ膜16b→キャビティ内→第二透明基材18と透過するので、表示は迅速に「明」表示となる。
図8は本発明の第3の実施の形態に係るもので、第三透明電極の取付位置の変形例に関し、(a)はキャビティ天井の中央部の設けた例、(b)はキャビティ天井に環状に設けた例、(c)はキャビティ仕切りに設けた例をそれぞれ示している。
図8(a)〜(c)は、いずれも暗表示から明表示に急速転換するときの図を示すものである。第三透明電極19の取付位置以外の構成はすべて図3と同じであるので、これらの構成および作用については説明を省略する。
図8(a)において、第三透明電極19は面積の狭い円形透明電極であり、キャビティ天井の中央部、すなわち表示装置の最上層を構成する第二透明基材18の真ん中に設けられている。暗表示から明表示に急速転換するときは、図のように第三透明電極をプラスにすると、液体表面に電荷が誘起している着色液滴Wは第三透明電極19に吸引されるので、着色液滴Wは図8(a)の球状へと加速度的に縮むこととなる。
図8(b)において、第三透明電極19は第二透明電極15を中心とする大きな同心円の環状透明電極であり、キャビティ天井である第二透明基材18に設けられている。暗表示から明表示に急速転換するときは、図のように第三透明電極をマイナスにすると、表面に電荷が誘起している着色液滴Wは第三透明電極19に対して反発し、着色液滴Wは図8(b)の球状へと加速度的に縮むこととなる。
図8(c)において、第三透明電極19はキャビティ仕切り17に設けられている。暗表示から明表示に急速転換するときは、図のように第三透明電極をマイナスにすると、表面に電荷が誘起している着色液滴Wは第三透明電極19に対して反発し、着色液滴Wは図8(c)の球状へと加速度的に縮むこととなる。
図9は本発明の第4の実施の形態に係るもので、(a)は暗表示、(b)は明表示、(c)はその回路図である。
図において、60は本発明の第4の実施の形態に係る表示装置、12は表示装置60の最下層を構成する第一透明基材、14a、14bは第一透明基材12の上に設けられた第一電極である。第一電極14bは透明電極であるが、第一電極14aは必ずしも透明電極である必要はない(ただし、以下では纏めて第一透明電極14a、14bという)。16は絶縁層で、これは下層の絶縁膜16aと該絶縁膜16aの上に設けられた低表面エネルギ膜16bとから成る。17はキャビティ仕切り、18は表示装置60の最上層を構成する第二透明基材、19aは第二透明電極、SHは遮光用のシェードである。第一電極14aが透明電極でないときは、この遮光用のシェードSHは省略することができる。そしてWは着色液滴である。第一透明電極14a,bと第二透明電極19aとで対向する対の電極を構成し、第一透明電極14aは平面図で見てシェードSHの範囲内に、また第一透明電極14bはシェードSHの範囲外に納められている。
なお、第二透明電極19aは、第二透明基材18の内部に存在してもよく、また第二透明基材18の表面にあってもよい。
2端子切替スイッチS1の一方の端子aは第一透明電極14aに、他方の端子bは第一透明電極14bにそれぞれ接続されている。
また、2つのオン・オフスイッチS2,S3のうち、一方のスイッチS2は第一透明電極14aと第二透明電極19aとの間に接続され、他方のスイッチS3は第一透明電極14bと第二透明電極19aとの間に接続されている。
(ロ)では、スイッチS1がb側にオンで、スイッチS2がオンで、スイッチS3がオフ態である。したがって、第一透明電極14bがプラス電位、第一透明電極14aと第二透明電極19aがマイナス電位である。
図9(a)は、表示装置60の暗表示状態を説明する図で、スイッチ群はちょうど図9(c)の(ロ)の状態にある。したがって、第一透明電極14aと第二透明電極19aとで構成される対電極はマイナス、また、第一透明電極14bはプラスとなっているので、着色液滴は液体表面にマイナス電荷が誘起しているから、第一透明電極14aと第二透明電極19aから反発力を受け、第一透明電極14bから吸引力を受け、図3(a)のように、シェードSHの範囲外に速やかに移動している。したがって、バックライトは着色液滴で遮光され、暗表示となる。
明表示の場合は、第一透明電極14bと第二透明電極19aをプラス電位としてマイナス荷電誘起の黒色液滴を図(b)のように第一電極14a側に完全に吸引させることで、明表示できる。
暗表示の場合は、第一電極14aおよび第二電極19aを無電界状態とすることで吸引力を無くし、重力によって黒色液滴が絶縁層の面に一面に広がることで、黒色液滴効果により僅かの液膜厚で遮光させることができる。
このようにすれば、透明電極数および電極面積を減らすことができ、使用する電源も明表示の場合のみ使用して暗表示の場合は電源を使用しないので電源を小型化、長時間使用可とすることができる。
また、本発明は表示装置を例に説明してきたが、他に考えられる用途としては、光スイッチ、光シャッター、可変焦点レンジに用いられることができる。
これに対して、本発明に係る表示装置では、偏光板を使用しないのでその分の減光がなくなり、表示装置内の通過で5%、開口率50%(第1の実施に形態の場合)としても、100%のバックライトの光量が最終的に視覚に届くのは約47%にもなった。したがって第1の実施に形態を改良したその他の実施の形態の場合では、さらに減光は無くなることとなる。
コントラスト比については、LCDディスプレーでは暗室で約600:1であったのに対して、本発明に係る表示装置では明室でも1000:1、暗室に至っては5000:1であった。
視野角依存性(CRが10:1まで下がる所を定義。)については、LCDディスプレーでは上下左右で160度であったが、本発明に係る表示装置では視野角依存性は全くなかった。
12 第一透明基材
14 第一透明電極
15、19a 第二透明電極
16 絶縁層
16a 絶縁膜
16b 低表面エネルギ膜
17 キャビティ仕切り
18 第二透明基材
19 第三透明電極
60 本発明の第4の実施の形態に係る表示装置
E 直流電源
S1〜S4 スイッチ
W 着色液滴
Claims (6)
- 表示装置最下層を構成する第一基材、該第一基材の上に設けられた第一電極、該第一電極の上に設けられた絶縁層、該絶縁層の上に設けられた第二電極、該第二電極を間隔を置いて取り囲むキャビティ仕切り、該キャビティ仕切りの上に設けられた最上層を構成する第二基材と、該キャビティ仕切り内に封入された着色液滴とからなる表示装置において、該着色液滴の球状復帰を促進するための第三電極を設けたことを特徴とする表示装置。
- 前記第三電極を前記第二電極とは絶縁された状態で該第二電極の周り、前記第二基材内、および前記キャビティ仕切り内の少なくともいずれかに設けたことを特徴とする請求項1記載の表示装置。
- 第二電極あるいは第三電極が透明電極であることを特徴とする請求項1又は2記載の表示装置。
- 着色液滴を定常状態から変化させるための駆動源と、変化した着色液滴を定常状態に戻すための駆動源を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の表示装置。
- 表示装置最下層を構成する第一基材と、前記第一基材の上に設けられた第一電極と、前記第一電極の上に設けられた絶縁層と,前記絶縁層に対して間隙を置いて配置された最上層を構成する第二基材と、前記間隙を取り囲むように前記絶縁層と前記第二基材との間に設けられたキャビティ仕切りと、前記キャビティ仕切り内に封入された着色液滴と、を有する表示装置であって、
前記第一電極が互いに絶縁されるように複数に分割されるとともに、前記第一基材の所定領域に設けられた第一電極の極性と、前記所定領域以外に設けられた第一電極の極性とを、異なる状態とし、かつ、入れ替わり可能に構成したことを特徴とする表示装置。 - 第二電極を、前記第一電極とは絶縁された状態で、前記第二基材及び前記キャビティ仕切り内の少なくともいずれかに設けたことを特徴とする請求項5記載の表示装置。
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