JP2006194934A - Liquid transfer device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は液体移動装置に関し、例えば、液体を電極間で移動させて表示を行なう表示装置などの液体移動装置に関する。 The present invention relates to a liquid moving apparatus, for example, a liquid moving apparatus such as a display apparatus that performs display by moving a liquid between electrodes.
例えば、液体を電極間で移動させて表示を行なう従来の表示装置には、1画素を構成する容器内に着色液体(誘電体)および気泡を封入し、容器の一方側の外面に互いに対向して設けられた一対の第1の電極に電圧が印加されると、静電力により、着色液体を容器内の一方側に移動させるとともに、気泡を容器内の他方側に移動させ、容器の他方側の外面に互いに対向して設けられた一対の第2の電極に電圧が印加されると、静電力により、着色液体を容器内の他方側に移動させるとともに、気泡を容器内の一方側に移動させ、容器の一方側のみを視認可能な画素とすることにより、表示を行なうようにしたものがある(例えば、特許文献1参照)。 For example, in a conventional display device that performs display by moving a liquid between electrodes, a colored liquid (dielectric material) and bubbles are sealed in a container constituting one pixel, and face each other on the outer surface on one side of the container. When a voltage is applied to the pair of first electrodes provided, the colored liquid is moved to one side in the container by the electrostatic force, and the bubbles are moved to the other side in the container. When a voltage is applied to a pair of second electrodes provided opposite to each other on the outer surface, the colored liquid is moved to the other side in the container and the bubbles are moved to one side in the container by electrostatic force In some cases, display is performed by making only one side of the container a visible pixel (see, for example, Patent Document 1).
ところで、液体と固体表面(容器内壁面)間の現象は、簡単には液体の固体表面への濡れの程度を表すいわゆる「静的な濡れ」の理論から説明される。すなわち、濡れ性つまり親水性、撥水性の程度を表す接触角に関して、図11に示すように、固体の表面エネルギーをγS、固体と液体間の界面エネルギーをγLS、液体の表面エネルギーをγL、接触角をθとすると、次のヤングの式(1)が成り立つ。
γS=γLS+γLcosθ……(1)
液滴の濡れ(乾き)はこの式が満たされる状態でバランスして、定常状態に達するとされる。
By the way, the phenomenon between the liquid and the solid surface (the inner wall surface of the container) can be simply explained by the so-called “static wetting” theory representing the degree of wetting of the liquid onto the solid surface. That is, regarding the contact angle representing the degree of wettability, that is, hydrophilicity and water repellency, as shown in FIG. 11, the surface energy of the solid is γ S , the interface energy between the solid and the liquid is γ LS , and the surface energy of the liquid is γ When L and the contact angle are θ, the following Young's formula (1) is established.
γ S = γ LS + γ L cos θ …… (1)
The wetting (drying) of the droplets is balanced in a state where this equation is satisfied, and a steady state is reached.
しかしながら、液体を理想的でない固体表面(容器内壁面)上で移動させる場合には、上記「静的な濡れ」の理論だけでは説明できない付着力(摩擦力)が発生し、動きにくい現象があることを考慮しなければならない(例えば、非特許文献1参照)。 However, when a liquid is moved on a non-ideal solid surface (the inner wall surface of the container), an adhesion force (frictional force) that cannot be explained only by the above-mentioned “static wetting” theory is generated, and there is a phenomenon that it is difficult to move. This must be taken into account (for example, see Non-Patent Document 1).
理想的でない固体表面Sでは、図11の固体表面S上の液滴Lに上部からさらに液を追加していくと、液滴Lが膨らんでいくが、接触線(固体、気体、液体の三重線)はすぐには動きださずに、接触角θがヤングの式で与えられるものより大きくなり、接触角θがある角度(前進角θA)以上になって、ようやく接触線が移動し始める。一方、固体表面S上の液滴Lの上部から液を吸い出していくと、液滴Lがしぼんでいくが、接触線はすぐには動きださずに、接触角θがヤングの式で与えられるものより小さくなり、接触角θがある角度(後退角θR)以下になって、ようやく接触線が移動し始める。
このように、実際の表面で観測される接触角は、どのようにして系が用意されたかによっている。このような現象を接触角履歴(ヒステリシス)と呼ぶ。
In the non-ideal solid surface S, when liquid is further added to the droplet L on the solid surface S in FIG. 11 from above, the droplet L swells, but the contact line (solid, gas, liquid triplet) The line does not move immediately, but the contact angle θ becomes larger than that given by Young's formula, and the contact line finally moves when the contact angle θ exceeds a certain angle (advance angle θ A ). start. On the other hand, when the liquid is sucked out from the upper part of the droplet L on the solid surface S, the droplet L is deflated, but the contact line does not move immediately, and the contact angle θ is given by Young's formula. The contact line finally begins to move when the contact angle θ becomes less than a certain angle (retraction angle θ R ).
Thus, the contact angle observed on the actual surface depends on how the system was prepared. Such a phenomenon is called a contact angle history (hysteresis).
この結果、図12に示すように、例えば、固体表面Sを傾斜させていった場合には、ある角度(転落角)までは動き出さないという現象が観測される。少しの傾斜では、液滴Lの固体表面Sに対する付着力(摩擦力)が重力に打ち勝ち、液滴Lは移動せず、転落角以上に傾斜させると、重力が上記付着力(摩擦力)に打ち勝ち、液滴Lが移動し始める。 As a result, as shown in FIG. 12, for example, when the solid surface S is inclined, a phenomenon is observed in which the solid surface S does not start moving up to a certain angle (falling angle). With a slight inclination, the adhesion force (frictional force) of the droplet L to the solid surface S overcomes the gravity, and the droplet L does not move. When the inclination is inclined more than the falling angle, the gravity becomes the adhesion force (frictional force). It overcomes and the droplet L begins to move.
また、図13に示すような垂直な毛管に留まる液体柱のモデルでは、
2γL(cosθ1−cosθ2)/R=ρgH……(2)
が成り立つ。ここで、ρは液体の密度、gは重力加速度、Rは管の半径、Hは液柱の高さである。
釣り合いが実現するためには、上側の接触線は後退しないように耐える必要があるので、
θ1>θR(cosθ1<cosθR)が成立する。同様に、下側の接触線は前進しないように耐える必要があるので、θ2<θA(cosθ2>cosθA)が成立する。つまり、
2γL(cosθR−cosθA)/R>ρgH……(3)
の場合に、釣り合いが実現し、液体は重力によっても落ちていかない。もし、履歴がない場合つまり、前進角と後退角が等しい場合には釣り合いは起こりえない。(理想的な「良い」界面では前進角と後退角の角度差は小さい(〜<5度)。また、凸凹した面や汚い面では、この差は大きくなりえる(50度程度)。
Also, in the liquid column model that stays in the vertical capillary as shown in FIG.
2γ L (cosθ 1 −cosθ 2 ) / R = ρgH (2)
Holds. Here, ρ is the density of the liquid, g is the acceleration of gravity, R is the radius of the tube, and H is the height of the liquid column.
In order for the balance to be realized, the upper contact line needs to withstand not to retreat,
θ 1 > θ R (cos θ 1 <cos θ R ) is satisfied. Similarly, since the lower contact line needs to endure not to move forward, θ 2 <θ A (cos θ 2 > cos θ A ) is established. That means
2γ L (cos θ R −cos θ A ) / R> ρgH (3)
In this case, the balance is realized and the liquid does not fall off due to gravity. If there is no history, that is, if the advance angle and the receding angle are equal, no balance can occur. (An ideal “good” interface has a small angle difference between the advance angle and the recede angle (˜ <5 degrees). This difference can be large (on the order of 50 degrees) on uneven or dirty surfaces.
したがって、実際の固体表面S上で液体を移動させようとする場合、外力をある程度以上加えなければ、液体を上記付着力(摩擦力)に打ち勝って移動させることができない。 Therefore, when trying to move the liquid on the actual solid surface S, the liquid cannot be moved over the adhesion force (friction force) unless an external force is applied to some extent.
ところで、上記従来の表示装置では、容器の一方側の表面側とは反対側を白色で不透明とし、容器内の一方側に気泡があるとき、白色表示とし、容器内の一方側に着色液体があるとき、着色液体の色自体による色表示としているので、着色液体を容器内の一方側から他方側にまたはその逆方向にその容器内壁面に対し、固体−気体−液体の接触角履歴現象に起因する付着力(摩擦力)に抗して移動させなければならず、着色液体を移動させるのに必要とされる力が大きくなり、消費電力が大きくなってしまうという問題がある。 By the way, in the above conventional display device, the side opposite to the surface side on one side of the container is white and opaque, and when there are bubbles on one side in the container, white display is given, and the colored liquid is on one side in the container In some cases, since the color display of the colored liquid itself is used, the colored liquid is changed from one side of the container to the other side or in the opposite direction against the inner wall surface of the container due to the solid-gas-liquid contact angle history phenomenon. There is a problem in that the force required to move the colored liquid is increased and the power consumption is increased because it must be moved against the resulting adhesive force (frictional force).
そこで、この発明は、液体を移動させるのに必要とされる力を少なくして、消費電力を低減することができる液体移動装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a liquid moving device that can reduce power consumption by reducing the force required to move the liquid.
この発明は、上記目的を達成するため、液体移動路内に、第1の液体および該第1の液体と混ざり合わない少なくとも1種類以上の第2の液体を充填し、前記液体移動路の内壁面を前記第1の液体または前記第2の液体により濡らすことで、前記第1の液体の前記液体移動路の内壁面に対する接触角履歴現象に起因する付着力が生じないようにした状態で、液体移動手段により、前記液体移動路内で少なくとも前記第1の液体を移動させることを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, according to the present invention, the liquid movement path is filled with the first liquid and at least one second liquid that does not mix with the first liquid. With the wall surface wetted by the first liquid or the second liquid, the adhesive force due to the contact angle history phenomenon of the first liquid with respect to the inner wall surface of the liquid movement path is not generated. The liquid moving means moves at least the first liquid in the liquid moving path.
この発明によれば、液体移動路内に、第1の液体および該第1の液体と混ざり合わない第2の液体を充填し、前記液体移動路の内壁面を前記第1の液体または第2の液体により、第1の液体の液体移動路の内壁面に対する接触角履歴現象に起因する付着力(摩擦力)が生じないようにしているので、第1の液体を移動させるのに必要とされる力は比較的小さくてよい。 According to the present invention, the liquid moving path is filled with the first liquid and the second liquid that does not mix with the first liquid, and the inner wall surface of the liquid moving path is filled with the first liquid or the second liquid. This liquid is prevented from causing an adhesion force (friction force) due to a contact angle history phenomenon with respect to the inner wall surface of the liquid movement path of the first liquid, so that it is necessary to move the first liquid. The force to be applied may be relatively small.
(第1実施形態)
図1はこの発明の第1実施形態としての表示装置の1画素部分の白色表示状態を示す断面図である。この表示装置は、画素単位に区切られた空間を形成する空間形成体1、空間形成体1内の1画素に対応する空間を2つの空間21、22に区切る中間層形成体11、2つの空間21、22のうちのいずれか一方の空間内に設けられた第1の液体23、他方の空間内に設けられた第2の液体24などを備えている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a sectional view showing a white display state of one pixel portion of a display device as a first embodiment of the present invention. This display device includes a space forming body 1 that forms a space divided in units of pixels, an intermediate
空間形成体1は、ガラスや樹脂などの無色透明な材料からなる表面側透明板(基板)2および裏面側(透明)板(基板)3を備えている。表面側透明板2の内面にはITOなどからなる第1の電極板4が設けられ、その内面には酸化シリコンなどからなる絶縁膜5が設けられている。裏面側(透明)板3の内面にはITOなどからなる第2の電極板6が設けられ、その内面には酸化シリコンなどからなる絶縁膜7が設けられている。
The space forming body 1 includes a front side transparent plate (substrate) 2 and a back side (transparent) plate (substrate) 3 made of a colorless and transparent material such as glass or resin. A
中間層形成体11は、銅箔などからなる第3の電極板12の表裏両面に表面側絶縁膜13および裏面側絶縁膜14が設けられ、それらの左右両側に第1、第2の液体移動用孔15、16が設けられた構造となっている。この場合、表面側絶縁膜13は、白色の樹脂によって形成されている。裏面側絶縁膜14は、同様の樹脂によって形成してもよい。第1、第2の液体移動用孔15、16の形状は、円形状、正方形状、長方形状などのいずれであってもよい。
The intermediate
そして、表面側透明板2下の絶縁膜5と裏面側(透明)板3上の絶縁膜7とは、その間の周囲に配置されたエポキシ系樹脂などからなる方形枠状の側壁17(表面側側壁17a、裏面側側壁17b)を介して、互いに貼り合わされている。この状態では、第1〜第3の電極板4、6、12は、互いに平行となるように配置されている。また、第1、第2の電極板4、6は、第1の液体移動用孔15の上下の部分に対応する領域には設けられているが、第2の液体移動用孔16の上下の部分に対応する領域には設けられていない。
The
そして、空間形成体1は、主として、表面側透明板2下の絶縁膜5、裏面側(透明)板3上の絶縁膜7および側壁17(表面側側壁17a、裏面側側壁17b)によって囲まれた空間によって画素単位に区切られた空間を形成する構造となっており、この空間形成体1の1画素に対応する空間は、両透明板2、3間に設けられた、第1、第2の液体移動用孔15、16を有する中間層形成体11によって2つの空間21、22に区切られている。
The space forming body 1 is mainly surrounded by the
すなわち、表面側透明板2下の絶縁膜5、中間層形成体11上の表面側絶縁膜13および表面側側壁17aによって囲まれた空間によって表面側空間21が形成され、裏面側(透明)板3上の絶縁膜7、中間層形成体11下の裏面側絶縁膜14および裏面側側壁17bによって囲まれた空間によって裏面側空間22が形成され、両空間21、22は第1、第2の液体移動用孔15、16を介して連通されている。
That is, a surface-
この場合、表面側空間21の容積と裏面側空間22の容積とはほぼ同じとなっている。そして、後述するように、図1に示す白色表示状態では、裏面側空間22内および第1、第2の液体移動用孔15、16内に着色した液状誘電体からなる第1の液体23が満たされ、表面側空間21内に無色透明な液状誘電体からなる第2の液体24が満たされている。ここで、両空間21、22および両液体移動用孔15、16は、両液体23、24が移動する液体移動路を構成している。
In this case, the volume of the front
第1、第2の液体23、24は互いに混ざり合わないものからなっている。また、第2の液体24は、後述する電界による力の差がでるように、誘電率が第1の液体よりも低くいものからなっている。
The first and
例えば、第1の液体23として水(比誘電率約78(25℃))を用い、第2の液体24としてシリコーンオイル(比誘電率2〜3程度)を用いるようにしてもよい。また、第1の気体23としてエタノール(比誘電率約25)を用い、第2の液体24としてフロリナート(米国3M社製、比誘電率1.7〜2.0程度)などからなるフッ素系不活性液体を用いるようにしてもよい。後述するように、電界による力としては、第2の液体に相当する部分が空気(または真空)(比誘電率1)の場合とほぼ同様に働くことになる。なお、シリコーンオイルの表面張力は16〜22mN/mであり、水の表面張力約73mN/m(20℃)より低く、フロリナートの表面張力も9〜18mN/mであり、エタノールの表面張力約22mN/m(20℃)より低い。つまり、上記の組み合わせの場合、後述のように、電界による力の影響を考えなければ、両空間21、22および両液体移動用孔15、16の内壁面(つまり、上記液体移動路の内壁面)には表面張力のより低い第2の液体24が側壁10の内壁面に付着し安定となる。
For example, water (relative dielectric constant of about 78 (25 ° C.)) may be used as the
また、第1の液体23を着色するための色材は、第2の液体24に溶けず、第1の液体23のみに溶けるものであり、水性顔料インキや水性染料インキである。第1、第2の液体23、24として水およびシリコーンオイルを用いる場合には、例えば、水に水性顔料インキを溶かす。第1、第2の液体23、24としてエタノールおよびフロリナートを用いる場合には、例えば、エタノールに水性染料インキ(例えばフルオレセインナトリウム)を溶かす。この第1実施形態では、第1、第2の液体23、24として水およびシリコーンオイルを用い、水に例えば黒色の水性顔料インキを溶かした場合について述べる。
Further, the coloring material for coloring the
次に、この表示装置における電界による力での動作について説明する。誘電体である第1の液体23、第2の液体24は、電界がかかると分極する。分極した液体にかかっている電界が一様でない(空間的に変化している)ところでは、液体はその分極の向きと電界成分の偏微分との関係に応じて電界から力を受ける。液体の各部分が受ける力の大きさと向きは、液体の各部分の分極を双極子モーメントで近似し、各双極子モーメントの成分とそれぞれの双極子の位置での電界成分の偏微分とから考察することができる。
Next, an operation with force by an electric field in this display device will be described. The
双極子が受ける力Fは、双極子モーメントをP、電界をEとしたとき、次の式(4)から求められる。ただし、P、E、Fはベクトル、▽はナブラである。
F=(P・▽)E……(4)
The force F received by the dipole can be obtained from the following equation (4), where P is the dipole moment and E is the electric field. However, P, E, and F are vectors, and ▽ is Nabula.
F = (P ・ ▽) E …… (4)
この双極子が受ける力Fは、電界強度の2乗の勾配の大きいところで大きくなる。このため、空間12内に適切な電界(電位の変化)を作り出すことで、液体を移動させる動力が得られる。この場合、誘電率の大きい第1の液体23が誘電率の小さい第2の液体24より大きく分極するので、第1の液体23に働く力が大きくなる。(これは後述するように系のエネルギーからも考察できる。)
The force F received by this dipole increases when the gradient of the square of the electric field strength is large. For this reason, by generating an appropriate electric field (change in potential) in the
つまり、図1に示す状態において、第2の電極板6と第3の電極板12に0Vの電圧を印加し、第1の電極板4に例えば10Vの正電圧が印加されると(第1の条件)、電界による力が発生する。この力は、第1、第2の液体23、24の両者に働くが、差分として、そのうちの誘電率の高い方の第1の液体23に加わると考えてよい。また、この力は、第1、第2の電極板4、6と対向する領域に設けられた第1の液体移動用孔15内の第1の液体23に上向きの強い力として加わり、第1、第2の電極板4、6と対向しない領域に設けられた第2の液体移動用孔16内の第1の液体23に上向きの弱い力として加わる。液体移動用孔15付近の電界が液体移動用孔16付近の電界より大きいからである。つまり、液体移動用孔15と液体移動用孔16付近の電極形状配置を図1のようにすることにより、差し引きの力で液体が循環するような構造としている。
In other words, in the state shown in FIG. 1, when a voltage of 0 V is applied to the
これにより、結果的に液体に対して時計回りの向きの力が発生する。裏面側空間22内および第2の液体移動用孔16内にある第1の液体23は第1の液体移動用孔15を介して表面側空間21内に移動し、図2に示すように、表面側空間21内および第1、第2の液体移動用孔15、16内に第1の液体23が満たされ、これに伴い、表面側空間21内にある第2の液体24は第2の液体移動用孔16を介して裏面側空間22内に移動し、裏面側空間22内に第2の液体24が満たされた状態で安定する。
As a result, a clockwise force is generated with respect to the liquid. The first liquid 23 in the back
これは次のように、仮想仕事の原理より、系の電界のエネルギーを考察することからも説明することができる。
仮想仕事ΔW+電界のエネルギーの変化量ΔUE=電源からのエネルギーの補給
……(5)
で、電界のエネルギーUEは、電界シミュレーションにより求まる電位分布より、
UE=∫E・DdV/2=∫εE2dV/2=∫D2dV/2ε……(6)
で計算できる。(ここで、Eは電界、Dは電束密度、εは誘電率である。)
電源により、電極の電位が一定の場合、電源からエネルギーの補給は仮想仕事による電界のエネルギーの増加の2倍となることに注意すると、
仮想仕事ΔW=電場のエネルギーの変化量ΔUE……(7)
の関係が成り立ち、電界のエネルギーが増大するように液体は移動しようとする。
第1の条件の電圧のもとで、図1の状態の電界のエネルギーと図2の状態の電界のエネルギーを電界シミュレーションにより比較すると、図2の状態の方が大きいことがわかる。つまり、電界の強い部分に誘電率の高い物質、ここでは第1の液体23が埋まるような状態で安定となる。
This can be explained by considering the energy of the electric field of the system from the principle of virtual work as follows.
Virtual work ΔW + electric field energy change ΔU E = Replenishment of energy from the power supply ...... (5)
The electric field energy U E is obtained from the potential distribution obtained by electric field simulation.
U E = ∫E · DdV / 2 = ∫εE 2 dV / 2 = ∫D 2 dV / 2ε (6)
It can be calculated with (Here, E is the electric field, D is the electric flux density, and ε is the dielectric constant.)
Note that if the electrode potential is constant due to the power supply, the replenishment of energy from the power supply will be twice the increase in electric field energy due to virtual work.
Virtual work ΔW = Electric field energy change ΔU E (7)
Thus, the liquid tries to move so that the energy of the electric field increases.
When the energy of the electric field in the state of FIG. 1 and the energy of the electric field in the state of FIG. 2 are compared by electric field simulation under the voltage of the first condition, it can be seen that the state of FIG. That is, it becomes stable in a state where a material having a high dielectric constant, in this case, the
一方、図2に示す状態において、第1の電極板4と第3の電極板12に0Vの電圧を印加し、第2の電極板6に例えば10Vの正電圧と10Vの電圧が印加されると(第2の条件)、電界による力が発生するが、この場合も、この力は、第1、第2の液体23、24のうちの誘電率の高い方の第1の液体23に主として、差分としての力が加わると考えてよい。また、この力は、第1、第2の電極板4、6と対向する領域に設けられた第1の液体移動用孔15内の第1の液体23に下向きの強い力として加わり、第1、第2の電極板4、6と対向しない領域に設けられた第2の液体移動用孔16内の第1の液体23に下向きの弱い力として加わる。
On the other hand, in the state shown in FIG. 2, a voltage of 0V is applied to the
これにより、結果的に液体に対して反時計回り向きの力が発生する。表面側空間21内および第2の液体移動用孔16内にある第1の液体23は第1の液体移動用孔15を介して裏面側空間22内に移動し、図1に示すように、裏面側空間22内および第1、第2の液体移動用孔15、16内に第1の液体23が満たされ、これに伴い、裏面側空間22内にある第2の液体24は第2の液体移動用孔16を介して表面側空間21内に移動し、表面側空間21内に第2の液体24が満たされる。(図1に第1の条件の電圧をかけた場合の現象と上下反転のものとなる。)
As a result, a counterclockwise force is generated on the liquid. The first liquid 23 in the front
そして、図1に示す状態では、表面側空間21内に無色透明な第2の液体24があるため、中間層形成体11の白色の表面側絶縁膜13が画素表面側から目視され、白色表示となる。この場合、表面側側壁17aは白色の材料によって形成してもよい。一方、図2に示す状態では、表面側空間21内に黒色に着色した第1の液体23があるため、黒色表示となる。
In the state shown in FIG. 1, since the colorless and transparent second liquid 24 is present in the
ところで、この表示装置では、図1に示す状態において、裏面側空間22内および第1、第2の液体移動用孔15、16内は第1の液体23で満たされ、表面側空間21内は第2の液体24で満たされているので、両空間21、23および両液体移動用孔15、16の内壁面のすべてが両液体23、24によって濡らされた状態となっている。また、図2に示す状態においても、同様に、両空間21、23および両液体移動用孔15、16の内壁面のすべてが両液体23、24によって濡らされた状態となっている。
By the way, in this display device, in the state shown in FIG. 1, the
したがって、両液体23、24を図1に示す状態から図2に示す状態に両液体移動用孔15、16を介して時計回り方向に移動させるとき、またその逆回り方向に移動させるとき、両液体23、24は、両空間21、23および両液体移動用孔15、16の内壁面のすべてを濡らした状態を維持しながら移動する。この結果、両液体23、24により、両液体23、24の両空間21、23および両液体移動用孔15、16の内壁面に対し、固体−気体−液体の接触角履歴現象に起因する付着力(摩擦力)は発生せず、両液体23、24を移動させるのに必要とされる力は比較的小さくてよく、ひいては消費電力を低減することができる。
Therefore, when both the
ここで、この表示装置の一部の寸法の一例について説明すると、全体としての平面形状つまり1画素を構成する部分の平面形状が正方形でその一辺の長さは500μm程度であり、表面側透明板2の絶縁層5と中間層形成体11の表面側絶縁膜13との間隔および裏面側(透明)板3上の絶縁膜7と中間層形成体11の裏面側絶縁膜14との間隔は数十〜数μm程度と、薄型化することができる。
この程度のマイクロメートルオーダーの系の場合は体積力である重力の影響は小さくなり、表面力である上記表面エネルギーに関する力の影響が大きくなる。
Here, an example of the size of a part of the display device will be described. The planar shape as a whole, that is, the planar shape of the portion constituting one pixel is square and the length of one side is about 500 μm, and the surface side transparent plate The distance between the insulating
In the case of a system of the order of micrometer, the influence of gravity, which is a body force, is reduced, and the influence of the force relating to the surface energy, which is a surface force, is increased.
ところで、図1および図2では、表示装置として、1画素の部分について記載しており、このような構成としてもよいが、実際には、複数の画素はマトリクス状に配置されている。この場合、側壁17は、空間形成体1の空間を画素単位に区切るための隔壁となる。この例では、第3の電極板12は、白色表示と黒色表示のいずれの場合も0Vの電圧が印加されるため、べた状の共通電極としてもよい。この場合、側壁17は表面側側壁17aと裏面側側壁17bとに分離された構成となる。
By the way, in FIG. 1 and FIG. 2, a single pixel portion is described as a display device, and such a configuration may be used, but actually, a plurality of pixels are arranged in a matrix. In this case, the
第1、第2の電極板4、6は、0Vの電圧と例えば10Vの正電圧とが選択的に印加されるため、例えばアクティブマトリクス型液晶表示装置の画素電極のように、各画素に対応して島状に分離されている。そして、薄膜トランジスタなどのスイッチング素子を用いて、第1、第2の電極板4、6に0Vの電圧と10Vの正電圧を選択的に印加するようにしてもよい。また、電界による力は電界強度の2乗に比例するため、10Vの正電圧の代わりに、−10Vの負電圧を印加するようにしてもよい。
Since the first and
また、第1、第2の電極板4、6の大きさは、側壁17によって囲まれた表示領域よりもやや広い面積として側壁17に食い込むような面積としてもよく、また表示領域にぴったりと当て嵌まる面積としてもよく、さらに表示領域よりもやや狭い面積としてもよい。また、表示領域(画素)の平面形状は、正方形に限らず、長方形などの他の形状であってもよい。
The size of the first and
なお、例えば、図2に示す黒色表示状態において、第1〜第3の電極板4、6、12への電圧の印加を停止した場合には、図3に示すように、第1の液体23よりも第2の液体24の表面張力が低い場合、濡れ性の高い第2の液体24が表面側空間21および第1、第2の液体移動用孔15、16の内壁面に極めて薄く付着する。そして、図3に示す状態において、第1〜第3の電極板4、6、12に例えば黒色表示状態とするための上記のような第1の条件の電圧を印加すると、電界による力が第2の液体24の濡れ性に十分に打ち勝つ場合、図2に示すような黒色表示状態となる。実際は両者の力のバランスにより、図2と図3の間の状態になる。
For example, in the black display state shown in FIG. 2, when the application of voltage to the first to
ここで、図2に示す黒色表示状態において、仮に、表面側空間21の内壁面のどこかに無色透明な第2の液体24が極めて薄く付着して残存しても、黒色表示に何ら支障はない。また、図1に示す白色表示状態において、仮に、裏面側空間22の内壁面のどこかに無色透明な第2の液体24が極めて薄く付着して残存しても、白色表示に何ら支障はない。
Here, in the black display state shown in FIG. 2, even if the colorless and transparent second liquid 24 remains extremely thinly deposited somewhere on the inner wall surface of the
なお、上記第1の実施形態では第1の液体と第2の液体の2種類の液体を用いる例で説明したが、3種類以上の液体を用いることも可能である。 In the first embodiment, the example using two types of liquids, the first liquid and the second liquid, has been described. However, three or more types of liquids may be used.
(第2実施形態)
図4はこの発明の第2実施形態としての表示装置の1画素部分の白色表示状態を示す断面図である。この表示装置において、図1に示す表示装置と異なる点は、第2の液体24に空気25を含ませた点である。この場合、第2の条件で電圧のかけられた図4に示す白色表示状態では、空気25の比誘電率(約1.0)は第1の液体23の誘電率よりも低いので、電界強度の低い表面側空間21に存在することになる。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a sectional view showing a white display state of one pixel portion of a display device as a second embodiment of the present invention. This display device is different from the display device shown in FIG. 1 in that
この場合、液体として、表面張力が低く、壁面に対して完全な濡れ
γS>γLS+γL……(8)
が実現される特性を持つものを用いるのが望ましい。第1の液体23よりも第2の液体24の表面張力が低い場合、第2の液体24がその濡れ性により表面側空間21の内壁面全体に付着し、その中に空気25が封入される状態となる。
In this case, as a liquid, the surface tension is low and the surface is completely wet. Γ S > γ LS + γ L (8)
It is desirable to use one having characteristics that realize When the surface tension of the
この表示装置では、例えば、図4に示す白色表示状態において、第1〜第3の電極板4、6、12に黒色表示状態とするための上記のような第1の条件の電圧を印加すると、裏面側空間22内および第2の液体移動用孔16内にある第1の液体23は第1の液体移動用孔15を介して表面側空間21内に移動し、図5に示すように、表面側空間21内および第1、第2の液体移動用孔15、16内に第1の液体23が満たされ、これに伴い、表面側空間21内にある空気25を含む第2の液体24は第2の液体移動用孔16を介して裏面側空間22内に移動し、第2の液体24がその濡れ性により裏面側空間22の内壁面全体に付着し、その中に空気25が封入される状態となる。
In this display device, for example, in the white display state shown in FIG. 4, when the voltage of the first condition as described above for applying the black display state to the first to
なお、例えば、図5に示す黒色表示状態において、第1〜第3の電極板4、6、12への電圧の印加を停止した場合には、図6に示すように、第1の液体23よりも濡れ性の高い第2の液体24が表面側空間21および第1、第2の液体移動用孔15、16の内壁面に極めて薄く付着する。そして、図6に示す状態において、第1〜第3の電極板4、6、12に例えば黒色表示状態とするための上記のような第1の条件の電圧を印加すると、電界による力が第2の液体24の濡れ性に十分に打ち勝つ場合、図5に示す黒色表示状態となる。実際は両者の力のバランスにより、図5と図6の間の状態になる。
なお、この第2の実施形態において、第1の液体23、第2の液体24以外に空気25を含ませたが、空気である必要はなく、例えば窒素などの不活性気体でもよい。
For example, in the black display state shown in FIG. 5, when the application of voltage to the first to
In the second embodiment, the
(第3実施形態)
図7はこの発明の第3実施形態としての表示装置の1画素部分の白色表示状態を示す断面図である。この表示装置において、図1に示す表示装置と異なる点は、第1の電極板を2つの第1の電極板4a、4bに分割し、且つ、第2の電極板も2つの第2の電極板6a、6bに分割した点である。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a white display state of one pixel portion of a display device as a third embodiment of the present invention. This display device is different from the display device shown in FIG. 1 in that the first electrode plate is divided into two
この表示装置では、図7に示す白色表示状態において、第3の電極板12に0Vの電圧が印加された状態で、2つの第1の電極板4a、4bに例えば10Vの正電圧が印加され、且つ、2つの第2の電極板6a、6bに0Vの電圧が印加されると、図8に示すように、誘電率の高い第1の液体23が表面側空間21に移動し、上記第1実施形態の場合と同様に、黒色表示状態となる。
In this display device, in the white display state shown in FIG. 7, a positive voltage of 10 V, for example, is applied to the two
一方、図8に示す黒色表示状態において、第3の電極板12に0Vの電圧が印加された状態で、2つの第1の電極板4a、4bに0Vの電圧が印加され、且つ、2つの第2の電極板6a、6bに例えば10Vの正電圧が印加されると、図7に示すように、誘電率の高い第1の液体23が裏面側空間22に移動し、上記第1実施形態の場合と同様に、白色表示状態となる。
On the other hand, in the black display state shown in FIG. 8, a voltage of 0 V is applied to the two
ところで、この表示装置では、中間調の灰色表示を行うことができる。例えば、図7に示す白色表示状態から中間調の灰色表示状態とする場合には、第3の電極板12に0Vの電圧が印加された状態で、左側の第1の電極板4a、左側の第2の電極板6aに例えば10Vの正電圧を印加し、且つ、右側の第1の電極板4b、右側の第2の極板6bは電圧が印加されないオープン状態にする(第3の条件)。
By the way, this display device can perform halftone gray display. For example, in the case of changing from the white display state shown in FIG. 7 to the halftone gray display state, the
すると、左半分の部分の電界強度が右半分の部分よりも大きくなるので、図9に示すように、裏面側空間22内および第2の液体移動用孔16内にある第1の液体23の約半分は第1の液体移動用孔15を介して表面側空間21内の左半分(左側の第1の電極板4aの下部に対応する部分)に移動し、両空間21、22内の左半分および第1の液体移動用孔15内に第1の液体23が満たされ、これに伴い、表面側空間21内にある第2の液体24の約半分は第2の液体移動用孔16を介して裏面側空間22内の右半分(右側の第2の電極板6bの上部に対応する部分)に移動し、両空間21、22内の右半分および第2の液体移動用孔16内に第2の液体24が満たされ、左側が黒色、右側が白色となり、中間調の灰色表示として認識される。
Then, since the electric field strength of the left half portion becomes larger than that of the right half portion, as shown in FIG. 9, the first liquid 23 in the back
一方、図8に示す黒色表示状態から中間調の灰色表示状態とする場合にも、上記第3の条件で電圧を印加すればよい。 On the other hand, in the case of changing from the black display state shown in FIG. 8 to the halftone gray display state, the voltage may be applied under the third condition.
すると、同じく図9に示すように、左半分の部分の電界強度が右半分の部分よりも大きくなるので、表面側空間21内および第2の液体移動用孔16内にある第1の液体23の約半分は第1の液体移動用孔15を介して裏面側空間22内の左半分(左側の第2の電極板6aの上部に対応する部分)に移動し、両空間21、22内の左半分および第1の液体移動用孔15内に第1の液体23が満たされ、これに伴い、裏面側空間22内にある第2の液体24の約半分は第2の液体移動用孔16を介して表面側空間21内の右半分(右側の第1の電極板4bの下部に対応する部分)に移動し、両空間21、22内の右半分および第2の液体移動用孔16内に第2の液体24が満たされ、左側が黒色、右側が白色となり、中間調の灰色表示として認識される。(図7に第3の条件の電圧をかけた場合の現象と上下反転のものとなる。)
ここでは、左半分の部分の電界強度が右半分の部分よりも大きくなるように電圧を印加したが、逆に右半分の部分の電界強度が左半分の部分よりも大きくなるように電圧を印加し、右半分を黒色、左半分を白色となるようにしてもよい。
Then, as shown in FIG. 9 also, the electric field strength of the left half portion is larger than that of the right half portion, so that the first liquid 23 in the surface-
Here, the voltage was applied so that the electric field strength of the left half portion was larger than that of the right half portion, but conversely, the voltage was applied so that the electric field strength of the right half portion was larger than that of the left half portion. The right half may be black and the left half white.
なお、例えば、図1に示す表示装置において、第1の液体23の色は黒色以外の青色、赤色などであってもよい。また、例えば、図1に示す表示装置において、第1、第2の液体23、24の色を互いに異なる色としてもよく、例えば、第1の液体23の色を青色とし、第2の液体24の色を赤色としてもよい。この場合、第2の液体24を着色するための色材は、水などからなる第1の液体23に溶けず、シリコーンオイルなどからなる第2の液体24のみに溶けるものであり、油性顔料インキや油性染料インキである。
For example, in the display device shown in FIG. 1, the color of the
また、例えば、図1に示す表示装置において、第1、第2の液体23、24の色を互いに異なる色とし、且つ、中間層形成体の表面側絶縁膜12をさらに異なる色とし、表面側空間21内の液層の厚さを表面側絶縁膜12の色がある程度見えるように薄くし、第1、第2の液体23、24の各色と表面側絶縁膜12の色との混色による2色表示としてもよい。
Further, for example, in the display device shown in FIG. 1, the first and
また、例えば、図1に示す表示装置において、第1、第2の液体移動用孔15、16を設ける位置は中間層形成体11の左右両側でなく、そのやや内側としてもよく、また第1の液体移動用孔15は複数であってもよく、また第2の液体移動用孔16も複数であってもよい。第1、第2の液体移動用孔15、16を複数とする場合には、大きさや形状は同じであってもよく、異なっていてもよい。さらに、液体移動用孔15と液体移動用孔16は同一であってもよい。
Further, for example, in the display device shown in FIG. 1, the first and second
また、上記実施形態では、各電極板4、6、12に直流電圧をかける場合について説明したが、交流電圧をかけるようにしてもよい。例えば、第1の液体23を表面側空間21へ移動させる場合、第1の電極板4には第3の電極板12と逆相で、第2の電極板6には第3の電極板12と同相で、3つの電極板4、6、12に対して10Vと0Vを一定周期で切り換えてかけるようにしてもよい。なお、電極板の数は3つに限定されるものではなく、第1、第2の液体23、24を電界の強さの違いにより移動させるものであれば、それ以上の電極板数あるいはそれ以下の電極板数であってもよい。(液体移動用孔や電極の形状、配置を含めて、電界シミュレーションを行い、最適な設計を行えばよい。)
Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where a DC voltage was applied to each
(第4実施形態)
図10はこの発明の第4実施形態としての液体移動装置の要部の概略断面図である。この液体移動装置は、例えば、微小化学分析システム(μTAS)の一部を構成するものであり、微小流路32を有する微小流路構成体31を備えている。微小流路構成体31の一方の所定の箇所には供給流路構成体33の一端部が微小流路32内にある程度突出するように設けられている。微小流路構成体31の他方の所定の箇所には排出流路構成体34の一端部が微小流路32内にある程度突出するように設けられている。
(Fourth embodiment)
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a main part of a liquid moving device as a fourth embodiment of the present invention. This liquid transfer device is, for example, part of a microchemical analysis system (μTAS) and includes a
微小流路構成体31の外部には、互いに対向する一対で1組の電極板35、36が複数組微小流路32に沿って等間隔に設けられている。この場合、供給流路構成体33および排出流路構成体34に対応する部分においては、一方の電極板35のみを図示しているが、これは図示の都合上であり、互いに対向する一対の電極板35、36は供給流路構成体33および排出流路構成体34の各一端部両側に配置されている。排出流路構成体34の外部には、互いに対向する一対の電極板37、38が設けられている。
A pair of
そして、供給流路構成体33内には液状誘電体からなる着目する第1の液体39が充填されている。微小流路構成体31の微小流路32の内壁面全体には液状誘電体からなる補助の第2の液体40がその濡れ性により付着し、その他に空気41が封入されている。この場合、第1、第2の液体39、40は、基本的には、上記第2の実施形態の場合と同様であるが、着色する必要はない。
The supply
次に、この液体移動装置の動作について説明する。まず、供給流路構成体33の一端部両側に配置された第1番目の一対の電極板35、36に例えば0Vの電圧と10Vの正電圧が一定時間印加されると、供給流路構成体33の一端部内にある誘電率の高い第1の液体39が一定量だけ供給流路構成体33の微小流路32内の第2の液体40内の第1番目の一対の電極板35、36に対応する位置に引き寄せられて移動する。
Next, the operation of the liquid moving device will be described. First, when, for example, a voltage of 0 V and a positive voltage of 10 V are applied to the first pair of
次に、第1番目の一対の電極板35、36に隣接する第2番目の一対の電極板35、36に例えば0Vの電圧と10Vの正電圧が一定時間印加されると、第2の液体40内において、第1番目の一対の電極板35、36に対応する位置にある第1の液体39が、図10において点線で示すように、第2番目の一対の電極板35、36に対応する位置に引き寄せられて移動する。
Next, when a voltage of 0 V and a positive voltage of 10 V, for example, are applied to the second pair of
このようにして、当該第1の液体39は、第2の液体40内を間歇的に移動して、排出流路構成体34の一端部両側に配置された第n番目の一対の電極板35、36に対応する位置に移動する。次に、排出流路構成体34の外部に設けられた一対の電極板37、38に例えば0Vの電圧と10Vの正電圧が一定時間印加されると、第2の液体40内の第n番目の一対の電極板35、36に対応する位置にある第1の液体39が、図10において一点鎖線で示すように、排出流路構成体34内の一対の電極板37、38に対応する位置に引き寄せられて移動する。
In this way, the first liquid 39 moves intermittently in the
このように、この液体移動装置では、微小流路構成体31の微小流路32の内壁面全体にその濡れ性により付着した第2の液体40内を第1の液体39が移動し、第1の液体39の微小流路32の内壁面に対する固体−気体−液体の接触角履歴現象に起因する付着力(摩擦力)が発生せず、第1の液体39を移動させるのに必要とされる力は比較的小さくてよく、ひいては消費電力を低減することができる。
ここでは、微小流路構成体31の微小流路32内に第2の液体40が充満していない例で示したが、第1の実施形態のように、第2の液体40を充満させ、その中で着目する第1の液体39を移動させるようにしてもよい。
Thus, in this liquid moving device, the first liquid 39 moves in the second liquid 40 attached to the entire inner wall surface of the
Here, an example is shown in which the
なお、一対の電極板35、36(一対の電極板37、38を含む)の代わりに、電磁石またはコイルを用い、磁界による力により第1の液体39を移動させるようにしてもよい。この場合、第2の液体40は透磁率が第1の液体39よりも低いものからなっている。磁界を用いる場合、上記の電界のエネルギーが磁界のエネルギーに対応し、透磁率の高い第1の液体39が磁界強度の強い部分に移動して安定となる。したがって、図10と同様に、磁界による力により第1の液体39を移動させることができる。
また、微小流路構成体31の微小流路32内に第2の液体40を充満させ、その中で第1の液体39を移動させるようにしてもよい。
Instead of the pair of
Further, the
さらに、ここでは、液体移動手段として、電界または磁界による力を利用する例を示したが、空気圧等の他の力を利用して移動させるようにしてもよい。 Furthermore, although the example using the force by an electric field or a magnetic field was shown here as a liquid moving means, you may make it move using other forces, such as an air pressure.
1 空間形成体
2 表面側透明板
3 裏面側(透明)板
4 第1の電極板
4a 左側の第1の電極板
4b 右側の第1の電極板
5 絶縁膜
6 第2の電極板
6a 左側の第2の電極板
6b 右側の第2の電極板
7 絶縁膜
11 中間層形成体
12 第3の電極板
13 表面側絶縁膜
14 裏面側絶縁膜
15 第1の液体移動用孔
16 第2の液体移動用孔
17 側壁
17a 表面側側壁
17b 裏面側側壁
21 表面側空間
22 裏面側空間
23 第1の液体
24 第2の液体
25 空気
31 微小流路構成体
32 微小流路
33 供給流路構成体
34 排出流路構成体
35〜38 一対の電極板
39 第1の液体
40 第2の液体
41 空気
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
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