JP2006519412A - 双安定エレクトロウェッティングセルを有するパッシブマトリックスディスプレイ - Google Patents

Abstract

エレクトロウエッティング画素（１３００）を有するディスプレイユニットが提供される。本発明の画素（１３００）は双安定画素状態又は多安定画素状態を提供し、したがってパッシブマトリックスアドレッシングを容易にする。この目的のため、各多安定状態のために追加の電極が備えられる。その結果、各画素は、１つのカウンタ電極（１３０６）を有するとともに、アドレス電極（１３０４）および保持電極（１３０５）のペアを少なくとも１つ有する。画素を活性化するために、カウンタ電極（１３０６）に対してアドレス電極（１３０４）と保持電極（１３０５）とにアドレス電位が印加され、画素を非活性化するために、電位が取り除かれる。現在の画素を保持するために、カウンタ電極（１３０６）に対して保持電極（１３０５）にのみ保持電位が印加され、現在の画素状態がアクティブであれパッシブであれ、保存され、したがって保持電位コンフィギュレーションは双安定画素状態を提供する。

Description

本発明は、エレクトロウエッティングに基づく画素、特にパッシブマトリックスアドレッシングに適した画素に関する。

エレクトロウエッティングは、本質的に、疎水性の表面に接触する極性液体のぬれの挙動を電界が修正する現象である。電界を印加することによって、表面エネルギー勾配が極性液体につくられ、その表面エネルギー勾配を使用してその液体を操作することができる。一般のアプリケーションでは、水が極性液体として使用される。

最近、エレクトロウエッティングの原理に基づいて動作するための光学エレメント（画素）が提案され実証されている。斯かる光学エレメントは、典型的には、水の一部とオイルの一部とで満たされる閉じられたセルから成る。他の液体を使用することができるかもしれず、重要な特性は、これらの液体が混ざり合わず、しかもこれらの液体の一方が極性（例えば、水）であり他方が非極性（例えば、オイル）であることである。これらの液体が混ざり合わないので、液体と液体との間には明確な界面が常に存在する。セルの内面は、一般に、疎水性の面と非疎水性の面との２つの別の面を有する。疎水性表面は、本来、水をはじき、その表面を適切に構成することによって液体と液体との間の空間的関係をあらかじめ定めておくことができる、即ち、水は疎水性表面と反対の所定の位置に押し込まれる。したがって、２つの液体の間の界面も、あらかじめ定めておくことができる。

更に、２つの電極がセルに配されており、１つは、疎水性表面の後ろに配されるアドレス電極であり、もう１つは、非疎水性表面の一部を形成しそれ故にそれら液体のうちの少なくとも１つと電気的な接触を有するカウンタ電極である。電極間に電位を与えることによって、電界が液体の中に作られる。電界は静電力を生じさせ、この静電力は、疎水性表面により働く排斥の力に重なり、それ故にそれら液体の間の空間的関係および結果として液体界面の位置も修正する。実際、液体界面は印加された電位を制御することによって制御することができる。

このメカニズムを利用し画素を制御することができる既知の幾つかの原理が存在している。第１の原理によれば、液体は異なる屈折率を有するように選択される。これは、それら液体の間のメニスカスを、電極電位によって制御することができる屈折特性を有するレンズにする。典型的には、このレンズは、凸面（光を焦合するＯＮ状態）と凹面（光を脱焦するＯＦＦ状態）との間で変化することができる。この画素の型は、以下において、レンズ型の画素と呼ばれている。

第２の原理によれば、それら液体は、異なる屈折率を有するようにする代わりに、異なる色および／または透明度のレベルを有するように選択される。基本的に、画素の色および／または輝度は、どの液体が画素の光路を占めるべきかを選択することによって制御され、他の液体は部分的又は完全にその光路から離れる。この第２の原理を使用すると、フィルタ型の画素と呼ばれる以下のものにおいては、グレースケールは追加の電極によって提供され、それ故に各追加の電極は追加のグレースケールに対応している。

レンズ原理に基づくエレクトロウエッティング画素は、特許出願ＪＰ2000-356750から既知である。更に他の型のエレクトロウエッティング画素がＷＯ０２／０９９５２７号に記載されている。

上記のどの原理によっても、画素特性を、印加された電位によって制御することができる。一部のアプリケーションが、例えばグレースケールを提供するために、可変電位を使用する場合でも、上記の原理は、特定の電位を印加して、明確なオン状態（又は、おそらく、追加の電極を有するフィルタ型の画素における飛び飛びの数のグレースケール）および明確なオフ状態を提供するために、非常に一般的に使用される。しかし、電位が取り除かれるとすぐに、界面はその初期の位置に戻る。したがって、この画素の型を有するマトリックスディスプレイは、アクティブマトリックスアドレッシングを必要とする。

エレクトロウェッティングセルに基づくアクティブマトリックスディスプレイに対して、レンズ自体の容量をメモリ素子として使用することができる。一旦特定の電位がセルに印加されると、界面は変化しない。斯かるディスプレイに対して、アクティブマトリックスプレートが必要とされ、それは製造するには比較的高価である。

パッシブアドレッシングを容易にするために、各画素は双安定状態を有さなければならない。双安定状態は、界面が以前のアドレッシング履歴に依存して１つ以上の位置に存在し得る特定の電位コンフィギュレーションである。特に、画素のマトリックスをアドレッシングするときは、画素が以前はオンであった場合はオン状態であり、以前はオフであった場合はオフ状態である電位コンフィギュレーションを有することを望む。斯かる特性は先行技術には備えられていない。

それ故に、本発明の目的は、双安定のエレクトロウエッティング画素であって、好ましくはパッシブアドレッシングを使用してアドレスされることができるエレクトロウエッティング画素を提供することにある。

この目的は請求項１および１３に規定されるような本発明により達成される。有利な実施例は、添付のサブクレームによって提供される。

極性液体と無極性液体との間の表面エネルギー勾配は、電極に印加される電位によって影響を受ける。しかし、本発明の目的において、表面エネルギー勾配が三重点、即ち液体界面とセルの内面との交差部、の近傍に印加される電位に主に依存するということが認識される。したがって、表面エネルギー勾配を操作するには、三重点の近傍の極性液体に電位を印加することで十分である。特に、対応する三重点の近くの領域に局在する電界によって所望の表面位置を維持することができ、一方、三重点から或る距離離れた場所における電界変化の影響は無視できる。言い換えると、本発明の目的において、エレクトロウエッティング現象をもたらすメカニズムが三重点の近くに局所化されることが認識される。

上の認識に基づいて、アドレス電極に隣接する追加の電極を備えることが画素の双安定状態を容易にするということが更に認識される。或る意味では、追加の電極は、画素状態を実現するための（通常の）アドレス電極とは対照的に、画素状態を維持するための保持電極として理解できる。この概念は、カウンタ電極における電位とは異なる電位をアドレス電極と保持電極とに印加することである。したがって、アクティブ状態を達成し、続いて保持電極とカウンタ電極との間のただ一つの電位によってこのアクティブ状態を保持するために、アドレス電極および保持電極は単一電極として機能する。保持電極を適切に置くことで、保持電位は本来、画素を活性化しない。したがって、画素が現在、アクティブ状態であるかパッシブ状態であるかに関わらず、保持電極とカウンタ電極との間に印加される保持電位によって、現在の状態が保持される。結果として、保持電位が印加されることは、画素の以前のアドレス状態に依存して、画素をアクティブ又はパッシブとすることができる双安定状態を構成する。

従って、本発明の１つの態様によれば、少なくとも１つのエレクトロウエッティング画素を有するディスプレイユニットが提供される。各エレクトロウエッティング画素は、
− 閉じたセル、
− 混ざり合わない極性液体および無極性液体であって、異なる光学特性を有し上記セルに含まれる極性液体および無極性液体、
− カウンタ電極、および
− アドレス電極と保持電極とを有する少なくとも１つの電極ペアであって、上記アドレス電極と上記保持電極とが、上記極性液体と上記無極性液体とのうちの１つのみに対して疎液性である面により上記極性液体と無極性液体とから分離されるような少なくとも１つの電極ペア、
を有する。

各画素において、上記アドレス電極と上記保持電極とがそれぞれの電位に整えられてそれらの液体の空間的分布を制御し、これにより多安定画素状態を規定する。

一好適実施例では、上記少なくとも１つの電極ペアが、１つのアクティブ多安定画素状態を提供するように配されている。

一好適実施例では、上記ディスプレイユニットが制御ユニットを更に有し、上記制御ユニットが、
− 各画素の上記カウンタ電極に対して上記アドレス電極と上記保持電極とに電位を印加すること、
− 各画素の上記カウンタ電極に対して上記アドレス電極と上記保持電極とに印加されるアドレス電位によって、各画素を少なくとも１つのアクティブ多安定画素状態に設定し、各画素の上記カウンタ電極に対して上記アドレス電極と上記保持電極とから電位を取り除くことによって、各画素をパッシブ多安定画素状態に設定すること、
− 各画素の各保持電極のみへの保持電位の印加により各画素の現在の多安定画素状態を保持すること、
を実行するように動作する。

一実施例によれば、上記ディスプレイユニットは複数の画素を有し、上記画素は行と列とに沿ってマトリックス配列に配される。

一実施例によれば、各画素は少なくとも１つの追加の電極ペアを有し、上記追加の電極ペアの各々は保持電極とアドレス電極とを有し、各電極ペアは多安定グレーレベルを提供する。この実施例は、追加の多安定グレーレベルを提供するという点で有利である。好ましくは、ディスプレイユニットは多数の画素を有する。

一実施例によれば、各画素内のあらゆる保持電極は、互いに電気的に相互接続される。これは、画素回路を削減できるので有利である。したがって、事実上、各画素の保持電極を１つの単一画素として制御できる。画素が行および列に沿ってマトリックス配列に配される場合、各行（又は列）に対して必要な保持電極回路が１つのみとなるように、各行（又は列）のあらゆる画素の保持電極を電気的に相互接続することも可能である。これによって、画素回路は実質的に削減され、全ての保持電極を各行（又は列）において１つの単一電極として制御できる。各行（又は列）のあらゆる画素のカウンタ電極を相互接続することも可能であり、したがって、カウンタ電極回路が削減される。

一実施例によれば、各画素の上記極性液体と上記無極性液体とが異なる屈折率を有し、これらの液体はレンズを定めており、上記レンズによって各画素状態が制御される。好ましくは、ディスプレイユニットが光ガイドを更に有し、上記光ガイドから上記セルの出口面に向けて光を合焦するように上記レンズが動作するオン状態と、上記光ガイドからの光を広げて上記出口面から離れるように上記レンズが動作するオフ状態と、の間で上記レンズを動かすように、電極が動作する。したがって、この実施例はレンズ型の画素を有するディスプレイユニットを提供する。

別の実施例によれば、各画素のこれらの液体は異なる光フィルタリング特性を有し、これらの液体の空間的分布は画素状態を定める制御可能な光フィルタを提供する。好ましくは、斯かるディスプレイの各画素のセルは、垂直の光路を定め、アドレス電極および保持電極はこの光路を実質的に横切るように配される。したがって、この実施例は、フィルタ型の画素を有するディスプレイユニットを提供する。

一つの好適な極性液体は水であり、この場合、疎液性表面は実際のところ疎水性表面である。いつの好適な無極性液体はオイルである。使用される液体がどのタイプであるかに関わらず、これらの液体の空間的分布への重力の影響を打ち消すようにほぼ同じ密度の液体を選択することが好ましい。本発明の別の態様は、少なくとも１つのエレクトロウエッティング画素の双安定アドレッシングの方法を提供し、各エレクトロウエッティング画素は、アドレス電極と、保持電極と、カウンタ電極とを有し、上記カウンタ電極に対し上記アドレス電極とカウンタ電極とに電位を印加することによって、アクティブ状態が設定され、上記カウンタ電極に対し上記アドレス電極と上記保持電極とから電位を取り除くことによって、パッシブ状態が設定される。

上記方法は、上記カウンタ電極に対して上記保持電極に電位を印加し、上記カウンタ電極に対して上記アドレス電極から電位を取り除くことによって、現在の状態を保持するステップを更に有する。

一実施例によれば、表示装置の複数の画素はピクチャフレームの間にアドレスされ、上記方法が、連続する以下のステップを有する。
− 各画素をアクティブ状態に設定するステップ、
− 複数の上記画素の一部をパッシブ状態に設定するステップ、および
− 各画素をその現在の状態に保持するステップ。

上記複数の画素は行および列を有するマトリックス配列に配される場合、上記複数の画素は、好ましくは一度に１つの行がアドレスされる。

本発明は、更に詳細に記載されるだろう。以下の記載において、用語「パッシブ状態」は、電位が電極に印加されない場合の画素の状態、即ち、グランド状態に言及している。これは、液体分布それ故に液体界面の位置が電極に印加される電位に応答して変化する「アクティブ状態」とは反対である。更に、以下で電位を議論するとき、言及される電位は、カウンタ電極における電位に対して相対的な電位である。例えば、保持電極に印加される電位は、事実上、保持電極とカウンタ電極との間に印加される電位差であり、電極から電位を取り除くと、その電極はカウンタ電極と同じ電位にされる。もちろん、カウンタ電極は、それ自体、他のどの構造に対しても特定の電位を有するかもしれない。

親液性（liquid-loving）および疎液性（liquid-hating）という用語は、液体によってぬれる表面の傾向を記述するものである。親水性および疎水性は、液体が水である特別な場合を述べている。以下の実施例では、オイルおよび水が無極性液体および極性液体として使用される。したがって、疎水性および親水性という用語が使用される。しかし、代わりに、極性および非極性と疎液性／親液性作用との必要な組合せをそれぞれ提供する液体と表面との如何なる組合せも、使用することができる。

更に、本発明に関する全ての画素は同じ本発明の概念に基づくものであるが、以下の記載は２つの部分に分割される。第１の部分は液体界面がレンズとして機能する画素（ここではタイプ１の画素として示される）に関し、第２の部分は液体が光フィルタとして機能する画素（ここではタイプ２の画素として示される）に関する。

タイプ１（レンズ型）
２つの従来のタイプ１のエレクトロウエッティングレンズ１００の概略図が図１に示されている。各レンズ１００は、混ざり合わず且つ透明な２つの液体１０２、１０３が設けられる閉じたセル１０１を有する。第１の液体１０２は極性（例えば、水）、第２の液体は無極性（例えば、オイル）である。これら液体の屈折率は異なるように選択され、一方、それらの密度は重力の影響を避けるためにほぼ同じものである。セルは典型的には円柱形である。セル１０１の内側には、２つのシリンドリカル電極（極性液体１０２に接触する第１の電極１０４、及び疎水性コーティング１０６によって極性液体１０２から隔離される第２の電極１０５）が存在している。それらの界面において、液体は、２つの電極１０４、１０５の間に印加される電位によって制御可能であるレンズ１０７を規定する。
１． 電極間に電位差が印加されない場合、極性液体１０２は疎水性コーティング１０６との接触面積を最小にする。したがって、レンズはパッシブ状態（左図）である。この特定の実施例では、レンズ１０７は凹型である。
２． ２つの電極の間に電位が印加される場合、接触面積は変化する。極性液体および電極はコンデンサを形成し、システムにとって極性液体と疎水性コーティングとの間の接触面積が増加することが有利である。それ故に、このアクティブ状態において、十分に大きい電位差が印加される場合、レンズは凹型又は凸型にもなりにくい。

したがって、エレクトロウエッティングにより、電極１０４と１０５との間に単一電位を印加することによって、レンズ１０７は自由に凸型から凹型、及びその逆に変化する。実際は、数十ボルト程度の電位差を使用すれば十分であり、正確な電位は疎水性コーティングの厚さに依存する。電位差の極性は重要ではない。

もちろん、レンズ操作の度合いは、印加される電位レベルに依存する。しかし、記載を簡潔にするために、３つの電位０、＋、および＋＋のみを考える。ここで、＋は０より大きい電位を示し、＋＋はさらに大きい電位を示す。以下の議論において、電位の絶対値は、記載されたメカニズムおよび原理にとって重要ではない。

図２は、エレクトロウエッティングに基づく画素２０１、２０２であって、或るディスプレイ構造に配された画素２０１、２０２を示す。ディスプレイ構造は、コリメートされたバックライト２０３と、上記の型のエレクトロウエッティングレンズ２０５、２０６と、出口の瞳孔２０８が画素の位置を既定するフロントカバーとを有する。カバー２０４は、光がバックライトからレンズを通じて出口の瞳孔２０８にダイレクトに進むことができないように、各画素のレンズの中央をふさいでいる。レンズが十分にウィーク（weak）、即ち負である場合、それは光を出口の瞳孔には合焦しない（レンズ２０６参照）。しかし、レンズが十分に正の場合（レンズ２０５参照）、光は出口の瞳孔２０８に合焦され、したがって光が放出する。

図３は本発明のエレクトロウエッティングレンズを示し、このレンズは双安定駆動コンフィギュレーションを提供する。この双安定レンズ３００には、従来技術の２つの電極の代わりに、３つの電極、即ち、カウンタ電極３０４、アドレス電極３０５、および保持電極３０６が存在する（図１と比較）。カウンタ電極３０４は極性液体３０２（例えば、水）に接触し、アドレス電極および保持電極３０５、３０６は疎水性コーティング３０７によって分離され、図示されているように位置する。後述するように、極性液体３０２から疎水的に分離される２つの電極の使用は、ディスプレイの行の選択、および正しい情報でその行における画素を個々にアドレッシングすることを容易にする。

３つの電極を有するエレクトロウエッティングレンズの双安定性は、図４を基準にして記載され、図４は８つの異なる電位コンフィギュレーションを示す（状態ａ−ｈ）。

第１に、３つの全ての電極に電位０が印加され且つ界面が凹面である状態ｂを考える。保持電極における電位が＋又は＋＋に変化する場合、その状態はそれぞれｃ又はｄに変化するが、極性液体は保持電極の影響を受けないので、界面は凹面のままである。一方、保持電極とアドレス電極とに電位＋が同時に印加される場合、レンズは状態ｅに変化しおよび界面は凸面に変化する。この変化は可逆性であり、保持電極とアドレス電極との電位が再び０に変化する場合、レンズは状態ｂに戻り界面は再び凹面になる。

第２に、カウンタ電極とアドレス電極とに電位０が印加され、保持電極に電位＋が印加され、界面が最初は凸面である状態ｆを考える。保持電極に印加される電位が＋＋に増加する場合、状態ｆからｇに変化し、界面には何も起こらない。状態ｇから開始して保持電極とアドレス電極との電位を＋に増加する場合、界面はやはり変化しない（状態ｈ）。

第３に、３つの全ての電極に電位＋が印加され且つ界面が凹面である状態ａを考える。保持電極とアドレス電極とに印加される電位が同時に０に切り替わる場合、何も変化しない（状態ｂ）。しかし、切替えが、界面が形を変える時間尺度に対して連続的且つゆっくりと行われる場合、界面は凸面になるかもしれないし凹面のままかもしれない。

これまでは、議論された全ての遷移は可逆性である。しかし、カウンタ電極とアドレス電極とに電位０が印加され、保持電極に電位＋が印加され、界面が凹面である状態ｆを考える。保持電極の電位が０に変化する場合、界面は凸面になる（状態ｂ）。保持電極の電位を再度＋に増加した場合、界面は凸面のままである（状態ｃ）。状態ｃと同じ電位コンフィギュレーションは状態ｆにおいて印加され、一方、界面は凹面又は凸面のいずれかであるので、このコンフィギュレーションは双安定である。同じ不可逆遷移は、状態ｆから開始してカウンタ電極とアドレス電極とに印加される電位を＋に増加しそれ故に状態ａで終了するときに生じる。実際、電極の間の相対的な電位差のみが問題であるので、状態ａおよびｂは本質的に同じである。

界面を凸面又は凹面のいずれかにすることができる電位設定が存在するので、セルは双安定と呼ばれる。例として、状態ｆおよびｃ、並びに状態ｇおよびｄがある。

図５は、パッシブマトリックスディスプレイ用の回路を概略的に示す。カウンタ電極およびアドレス電極は行電極（１および２）として使用され、保持電極（３）が列電極として使用される。以下の例では、状態ｃおよびｆ（状態ｃおよびｆは、それぞれ凸面の界面および凹面の界面を有するが、同じ電位が印加される）が画素の双安定の「オン」状態および「オフ」状態として使用される。アドレッシングの間、選択されない行の意図しない遷移を避けるために、状態ｄ、ｇおよびｈが使用される。

本発明のパッシブマトリックスディスプレイの選択およびアドレッシングは、図６のスキームにより説明される。
１． 各フレームの開始時において、全ての画素は、凸の界面を有する（状態ｆ）。
２． 電位＋又は＋＋を保持電極に印加することにより、それぞれ列上に凹および凸（「オン」および「オフ」）の情報を持たせる。既にアドレスされている行は、保持電極における電位変化によっては変化しない。先に説明され且つ図４に示されるように、界面は凸面又は凹面のままである（それは、状態ｃからｄに、又は状態ｆからｇに、単に変化するだけである）。
３． 行電位（カウンタ電極およびアドレス電極）を＋に変化することにより行を選択する。保持電極上に＋を有するセルは、凸から凹に変化し、保持電極上に＋＋を有するセルは、凸面のままであろう（セルは、状態ｆからａに、又は状態ｇからｈに変化する）。
４． 行電位を＋から０に変化することによって行の選択を解除する。図４に示すように、これは界面を変化させない。
５． 次の行のために、ステップ２に進む。全ての行が処理されると、バックライトがついて光を発生する。
６． （サブ）フレームの終了時において、ディスプレイはアドレス電極と保持電極とを電位＋にするとともにカウンタ電極を電位０にすることによってリセットされる。したがって、全てのレンズは状態ｅに変化する。ステップ１に戻って次のフレームがアドレスされる。

グレースケールは、任意の通常のサブフィールド方法によって発生させることができる。

上記のタイプのエレクトロウェッティングレンズに基づくパッシブマトリックスディスプレイは比較的製造しやすい。数個の部品を要するだけであり、その処理は比較的簡単である。

可能な構成が図７に示されている。４つのプレート７０１、７０２、７０３、７０４がある。上部プレート７０１および下部プレート７０４は、透明でなければならない。第２のプレート７０２および第３のプレート７０３上に、アドレス電極７０６および保持電極７０５が被着される。下部プレート上に、透明基材又はカウンタ電極７０７が被着される（例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）で作られる）。セルはインクジェットプリンタによって充填でき、インクジェットプリンタはセルを正確な量の極性液体と非極性液体で充填できる。

光をブロックする、即ちレンズの光遮蔽効果を向上させるための追加の手段を、上部ガラスプレート７０１および下部ガラスプレート７０４上に備えることができる。加えて、下部ガラスプレートはバックライトの一部とすることもできるだろう。

図８は、図７に示すのと同じタイプの画素を示す。ピクチャ８０１は画素マトリックスの水平ライン（即ち、行）に沿う断面であり、ピクチャ８０２は同じ画素マトリックスの垂直ライン（列）に沿う断面である。したがって、画素の各々は、疎水性コーティング８０３と、各特定の行における全ての画素に共通のカウンタ電極８０６と、アドレス電極８０５および保持電極８０４とを有する。

タイプ２（フィルタ型）
このタイプのディスプレイでは、液体は異なる透明度レベルおよび／または異なる色を有し、したがって液体は制御可能な光フィルタとして機能している。フィルタ型の画素は、特に電子ペーパーの用途に適している。

液体としてオイルおよび水が使用されている場合、水は高い透明度を有するので透明であり、オイルはかなり低い透明度を有するので、着色しているであろう。エレクトロウエッティング効果によって、画素の光路をブロックするオイルの量を制御することができる。オイルで光路全体を覆うことは画素を暗くし、一方、光路からオイルを完全に除去することは画素を明るくする。

図９は、透明な水９０１およびダークオイル９０２で満たされるタイプ２の従来の反射画素９００を示す。図において、オイルは画素セル９０３の一方の側部に移動し、したがって画素を明るくする。画素の後ろ側には、反射体９０４が配されている。図１０は、図９に示す画素と同様のものであるが反射体の代わりにバックライト装置１００４を有する先行技術の透過画素を示す。もちろん、このタイプの画素を使用して半透過型画素を製造することも可能である。赤の画素、緑の画素、および青の画素を備えるために、対応する色を有するオイルを使用することができ、あるいは、カラーフィルタと組み合わせて、ダーク色素を使用することができる。後者の場合、拡散型白反射プレートがセルの後ろに置かれる。オイルが側部に引っ張られる場合、画素は周辺光を反射する。オイルが引っ張られない場合、オイル層は周辺光を吸収する。

タイプ２の従来技術のエレクトロウエッティング画素の動作が、図１１を基準にして記載される。したがって、画素１１００は、第１の電極１１０２および第２の電極１１０３を持つセル１１０１を有し、第１の電極１１０２および第２の電極１１０３は、それぞれセルの上部および下部に配されている。第１の電極は透明な水１１０４に接触し、第２の電極は疎水性コーティングの後ろに隠されており、ダークオイル１１０５に接触している。

電極１１０２、１１０３の間に電位差が印加されていない場合、水は疎水性コーティングとの接触面積を最小にする。したがって、コーティング全体がオイルによって覆われる。

２つの電極の間に電位差を印加する場合、接触面積が変化する。水と第２の電極はコンデンサを形成し、水と疎水性コーティングとの間の接触面積を増やすことはシステムにとってより好ましい。したがって、水は疎水性コーティングに接触し、オイルはシステムの角の方へと離される。
図１２は、疎水性コーティングの後ろにカウンタ電極（図示せず）に加えて３つの電極を有するフィルタタイプの画素の上面を示しており、オン状態１２０４と、オフ状態１２０１と、２つのグレーレベル状態１２０２とを示している。この特定の実施例では、印加される電位は−２８Ｖであり、画素エレメントのサイズは５ｍｍ×５ｍｍである。

エレクトロウエッティングにより、オイルによって覆われる下部電極の面積は、単一電位を印加することによって調節可能である。実際問題として、数十ボルトの電位差を使用すれば十分である。電位差の極性は重要ではない。

図１３に示すように、本発明の双安定エレクトロウエッティング画素１３００では、疎水性コーティングの後ろに追加の電極が配される。したがって、画素は、極性液体１３０１（例えば水）と無極性液体１３０２（例えばオイル）とで満たされるセル１３０３を有する。画素は、カウンタ電極１３０６と、アドレス電極１３０４と、保持電極１３０５とを更に有し、後ろ２つの電極１３０４、１３０５は疎水性コーティング１３０７で覆われている。以下の記載では、３つの電位レベル、０、＋、および＋＋のみが使用されるが、異なる電位を３つの電極に印加することができる。＋は、０より大きい電位を示し、＋＋は更に高い電位を示す。電位の絶対値は、記載されたメカニズムおよび原理にとって重要ではない。

画素９００と同様に、画素１３００は２つの状態を備えている。オイル１３０２は画素に渡って広がるか、又は画素の側部に引っ張られるかである。画素の基本原理によれば、アドレス電極１３０４と保持電極１３０５とに電位を同時に印加することによって、或る意味では、それら電極を単一電極として使用するとによって、アドレッシングが行われる。従来技術の画素と比較したときの違いは、画素のアドレスされた状態（アクティブ状態であってもパッシブ状態であっても）が保持電極１３０５に印加される電位のみによって安定に保つことができることである。根底にある考えは、上記のタイプ１の画素と同じである。即ち、水−オイルの界面が疎水性表面と衝突する三重点は、オイル又は水によって完全に覆われる電極の電位の変動によって影響を受けない（又は、少なくともかなり影響を受けない）。

３つの電極を有するタイプ２のエレクトロウエッティングセルの双安定性が、図１５を基準にして記載される。

第１に、３つの全ての電極に電位０を印加した状況、即ち状態ｂを考える。この場合、オイルは広がる（暗状態）。アドレス電極を＋又は＋＋に変更する場合、極性液体は電極３の影響を受けないので画素は暗いままである（状態ｃおよびｄ）。一方、アドレス電極と保持電極とに電位＋を印加した場合、画素は明状態ｅに変化する（オイルは画素の側部に集められる）。この変化は可逆性であり、アドレス電極と保持電極との電位が０に戻ると、画素は状態ｂに戻り、したがって再び暗くなる。

第２に、カウンタ電極と保持電極とに電位０が印加され且つアドレス電極に電位＋が印加され、オイルが画素の側部に集められた状況を考える（状態ｆ）。アドレス電極に印加される電位が＋＋に増加する場合、やはり何も起こらない（状態ｇ）。状態ｇから開始してカウンタ電極と保持電極との電位を＋に増加させる場合、やはり界面は変化しない（状態ｈ）。

第３に、３つの全ての電極に電位＋が印加される状況を考える。この状況に対しては、暗状態を得る（状態ａ）。カウンタ電極と保持電極とに印加される電位を０に同時に切り替える場合、界面は変化しない（状態ｃ）。（これを、界面が形状を変える時間尺度と比較して遅く且つ順に行う場合、最後の状態がどの状態であるのか、即ち、明るいのか暗いのかは分からない）。

これまでは、議論された全ての遷移は可逆性である。しかし、カウンタ電極とアドレス電極とに電位０が印加され且つ保持電極に電位＋が印加され、オイルが側部に集められる状態ｆを考えてみる。保持電極の電位を０に変化させた場合、オイルは広がる（状態ｂ）。保持電極の電位を＋に再び増加する場合、オイルは広がったままである（状態ｃ）。

同じ不可逆遷移は、状態ｆから開始してカウンタ電極とアドレス電極とに印加される電位を＋に増加するときに生じる（状態ａ）。

結論として、「側部に集められるオイル」（明）から「画素に渡って広げられるオイル」（暗）への遷移およびその逆の遷移をもたらす、ごく小数の電位変化が存在する。これらの変化の幾つかは、不可逆性である。これらの不可逆変化は、以下に更に説明されるように、画素の強固な双安定性を容易にする。したがって、動作の履歴に依存して画素を明るく又は暗くのどちらかとすることができる電位設定が存在するので、セルは双安定と呼ばれる。この例が、状態ｆおよびｃと、状態ｇおよびｄである。

以下では、双安定状態ｆおよびｃ（オイルは側部に集められるか又は画素に渡って広げられるかのどちらかであるが、同じ電位が印加されている）は、画素の「オン」状態および「オフ」状態として使用される。アドレッシングの間、アドレッシングにおいて選択されない行の遷移を避けるために、状態ｄ、ｇおよびｈが使用される。

図５は、上記の画素を使用したパッシブマトリックスディスプレイ用の画素回路の一例を示す。カウンタ電極および保持電極は行電極であり、アドレス電極は列電極である。

行の選択およびアドレッシングは、図１６に示されるスキームによって説明される。

１フレームの開始時において、全ての画素は「オン」、即ち、オイルは側部に集められる（状態ｆ）。

ＯＮアドレッシング又はオフアドレッシング用の電位＋又は＋＋を印加することによって、１つの行に対する列（アドレス電極）に、「オン」又は「オフ」情報を与える。すでにアドレスされた行の画素は、アドレス電極３のこの電位変化によっては変化しない。先に説明され且つ図１５に示されたように、オイルの分布は同じままである（画素は状態ｃからｄ、又は状態ｆからｇに変化する）。

行電位（カウンタ電極および保持電極）を＋に変化することによって行を選択する。そのアドレス電極に電位＋を有する画素はＯＮからＯＦＦに変化し、そのアドレス電極に電位＋＋が印加された画素はＯＮのままである（画素は、状態ｆからａ、又は状態ｇからｈに変化する）。

行は、その行電位が＋から０に変化することによって選択が解除される。図１５に示すように、これはオイルの分布を変えない。

次の行のために、ステップ２に進む。全ての行が処理されると、バックライトが発光し、光を発生することができる（透過モード用）。反射型ディスプレイでは、全ての画素を「オン」状態から開始すると、ビデオアプリケーションに対してコントラストが低下する。しかし、電子ペーパのようなアプリケーションでは、ディスプレイはたまにしかアドレスされず、これは問題にならない。

（サブ）フレームの終了時において、電極２および３に電位＋を与え且つ電極１に電位０を与えることによって（したがって、全てのセルは、状態ｅに変化する）ディスプレイはリセットされる。

疎水性コーティングの下のアドレス電極と保持電極との数を増やすことによって、双安定性の概念は、２つ以上の状態に拡張でき、したがって、多安定グレーレベルを提供する。原理的には、各多安定グレーレベルに対して１つのアドレス電極と１つの保持電極とが必要である。図１４は多安定画素１４００を示し、この多安定画素１４００は、１つのカウンタ電極１４０１と、３つのアドレス電極１４１１、１４１２、１４１３と、３つの保持電極１４２１、１４２２、１４２３とを有し、したがって、３つの多安定グレーレベルを提供する。アドレス電極および保持電極は、連続する電極ペア（１４１１および１４２１、１４１２および１４２２、１４１３および１４２３）を形成し、各電極ペアは１つのアドレス電極と１つの保持電極とからなり、１つの多安定グレーレベル状態（例えば、パッシブ状態０に加えて、グレーレベル状態１、２又は３）を提供する。斯かる画素をアドレスするために、特定のグレーレベルをアドレスするときに、対応する電極ペア、および、より低いグレーレベル状態に対応する追加の電極ペアに、電位を印加する。例えば、グレーレベル２をアドレスするために、グレーレベル１および２に対応する電極ペアにアドレス電位が印加される。パッシブ状態は、電極から電位を取り除くことによってもちろん達成される。一旦画素がアドレスされると、あらゆる保持電極に保持電位を印加しアドレス電極から電位を取り除くことによって、画素を多安定状態に設定することができる。これをすることにより、画素はその現在の状態を保持する。種々の多安定画素状態の間の如何なるクロストークも消去するために、保持電極とアドレス電極との連続的なセットアップが必要とされる。一実施例によれば、保持画素は電気的に相互接続され、したがって簡略化されたアドレッシングを提供する。特定の画素コンフィギュレーションに依存して、アドレス電極と保持電極との間で異なるサイズにすることも可能である。

したがって、追加の電極を有する画素は、（「オン」および「オフ」のみの代わりに）グレースケールでのパッシブマトリックスアドレッシングが可能である。しかし、グレースケールを、サブフィールド方法によって、又はサブフィールド技術と追加の電極との組合せによって、発生させることもできる。

追加のグレーレベルは、もちろん、レンズ型の画素にも備えることができる。斯かる場合、異なるグレーレベルは、レンズの凹又は凸の種々の度合い、即ち、十分に合焦される又はあまり合焦されない光に対応する。当業者は、ここに言及されていない他のタイプのエレクトロウエッティング画素で本発明の概念が実現できることも認識する。

エレクトロウエッティングに基づくパッシブマトリックスディスプレイは、製造が容易である。可能な構成は、次の通りである。３つのプレートがある。下部プレートおよび上部プレートは、透明でなければならない。下部プレート上に、保持電極およびアドレス電極が被着される。これらの電極は互いに交差しており、したがって、短絡回路を避けるために絶縁層が必要である。中間プレートは、液体が配されている各セル（画素）に対して１つの孔を含む。透明である上部プレート（例えば、ＩＴＯ）上に、カウンタ電極が被着される。セルは、インクジェットプリンタによって埋めることができる。斯かるインクジェットプリンタは、正確な量の極性液体と無極性液体とによりセルを埋めることができる。加えて、下部ガラスプレートは、用途に依存して（透明又は反射）、バックライト又は反射体の一部とすることもできるだろう。

本発明のフィルタ型の画素ディスプレイは、比較的製造が容易であり、タイプ１として言及されたレンズ調節ディスプレイよりも容易である。これは、全ての電極がディスプレイマトリックスと同じ面にあるという事実による。含まれる構成要素は数個しかなく、その処理は比較的単純である。さらに、タイプ１の画素とは異なり、バックライトの品質の制限がない、即ち、光はコリメートされる必要はない。

要約すると、エレクトロルミネセント画素を有するディスプレイユニットが提供される。本発明の画素は、双安定状態又は多安定状態を提供し、したがってパッシブマトリックスアドレッシングを容易にする。この目的のために、各多安定状態に対して追加の電極が準備される。その結果、各画素は、１つのカウンタ電極を有するとともに、アドレス電極および保持電極のペアを少なくとも１つ有する。画素を活性化するために、カウンタ電極に対してアドレス電極と保持電極とにアドレス電位が印加され、画素を非活性化するために、電位が取り除かれる。現在の画素状態を保持するために、カウンタ電極に対して保持電極にのみ保持電位が印加され、現在の画素状態は、それがアクティブであれパッシブであれ、保存され、したがって保持電位コンフィギュレーションは双安定画素状態を提供する。

パッシブ状態（左）およびアクティブ状態（右）におけるレンズ型エレクトロウエッティング画素を示す。 図１に示されるタイプのエレクトロウエッティング画素を有するディスプレイを概略的に示す。 カウンタ電極、保持電極、およびアドレッシング電極を有するレンズ型エレクトロウエッティング画素を示す。 ３つの電極を有するレンズ型エレクトロウエッティング画素の可能な状態を示す。 本発明のエレクトロウエッティング画素を使用したパッシブマトリックスディスプレイ用の電極回路部を示す。 レンズ型の画素を有するディスプレイのピクチャフレームをアドレッシングするための可能なステップを示す。 レンズ型の画素に対する可能な構成を示す。 レンズ型の画素に対する可能な構成を示す。 反射光フィルタ型エレクトロウエッティング画素を示す。 透過光フィルタ型エレクトロウエッティング画素を示す。 パッシブ（左）光フィルタタイプの画素およびアクティブ（右）光フィルタタイプの画素を示す。 オン状態、オフ状態、およびグレー状態を示す、疎水性コーティングの後ろの３つの電極を有するフィルタ型の画素を示す。 アドレス電極、保持電極、およびカウンタ電極を有するアクティブ光フィルタ型エレクトロウエッティング画素を示す。 一連のアドレス電極および保持電極とカウンタ電極とを有するパッシブ光フィルタ型エレクトロウエッティング画素を示す。 ３つの電極を有する光フィルタ型エレクトロウエッティング画素の可能な状態を示す。 光フィルタ型エレクトロウエッティング画素を有するディスプレイのピクチャフレームをアドレッシングするための可能なステップを示す。

Claims (14)

1. 少なくとも１つのエレクトロウエッティング画素を有するディスプレイユニットであって、
   前記エレクトロウエッティング画素が、
   − 閉じたセル、
   − 混ざり合わない極性液体および無極性液体であって、異なる光学特性を有し前記セルに含まれる極性液体および無極性液体、
   − カウンタ電極、および
   − アドレス電極と保持電極とを有する少なくとも１つの電極ペアであって、前記アドレス電極と前記保持電極とが、前記極性液体と前記無極性液体とのうちの１つのみに対して疎液性である面により前記極性液体と無極性液体とから分離されるような少なくとも１つの電極ペア、
   を有し、
   前記アドレス電極と前記保持電極とがそれぞれの電位に整えられて前記極性液体と前記無極性液体との空間的分布を制御し、これにより多安定画素状態を規定する、ディスプレイユニット。
2. 前記少なくとも１つの電極ペアが、１つのアクティブ多安定画素状態を提供するように配されている、請求項１によるディスプレイユニット。
3. 前記ディスプレイユニットが制御ユニットを更に有し、前記制御ユニットが、
   − 各画素の前記カウンタ電極に対して前記アドレス電極と前記保持電極とに電位を印加すること、
   − 各画素の前記カウンタ電極に対して前記アドレス電極と前記保持電極とに印加されるアドレス電位によって、各画素を少なくとも１つのアクティブ多安定画素状態に設定し、各画素の前記カウンタ電極に対して前記アドレス電極と前記保持電極とから電位を取り除くことによって、各画素をパッシブ多安定画素状態に設定すること、
   − 各画素の各保持電極のみへの保持電位の印加により各画素の現在の多安定画素状態を保持すること、
   を実行するように動作する、請求項１によるディスプレイユニット。
4. 前記ディスプレイユニットは複数の画素を有し、前記画素は行と列とに沿ってマトリックス配列に配される、請求項１によるディスプレイユニット。
5. 前記各画素は少なくとも１つの追加の電極ペアを有し、前記追加の電極ペアの各々は保持電極とアドレス電極とを有し、
   前記各画素の前記アドレス電極と前記保持電極とが、前記アドレス電極どうしが互いに前記保持電極によって空間的に分離するとともに前記保持電極どうしが互いに前記アドレス電極によって空間的に分離するように、連続的に配され、
   前記各追加の電極ペアは多安定画素状態を提供する、請求項１によるディスプレイユニット。
6. 前記各画素内の前記保持電極は、互いに電気的に相互接続される、請求項５によるディスプレイユニット。
7. 同一の行に沿って配される前記各画素内のどの保持電極も、互いに電気的に接続される、請求項４によるディスプレイユニット。
8. 同一の行に沿って配される前記各画素内のどのカウンタ電極も、互いに電気的に接続される、請求項４によるディスプレイユニット。
9. 前記各画素の前記極性液体と前記無極性液体とが異なる屈折率を有し、これらの液体はレンズを定めており、
   前記レンズによって各画素状態が制御される、請求項１によるディスプレイユニット。
10. 前記ディスプレイユニットが光ガイドを更に有し、
    前記光ガイドから前記セルの出口面に向けて光を合焦するように前記レンズが動作するオン状態と、前記光ガイドからの光を広げて前記出口面から離れるように前記レンズが動作するオフ状態と、の間で前記レンズを動かすように、前記カウンタ電極、前記アドレス電極、および前記保持電極が動作する、請求項９によるディスプレイユニット。
11. 前記極性液体及び無極性液体は、異なる光フィルタリング特性を有し、
    前記極性液体及び無極性液体の空間的分布は画素状態を定める制御可能な光フィルタを提供する、請求項１によるディスプレイユニット。
12. 少なくとも１つのエレクトロウエッティング画素の双安定アドレッシングの方法であって、前記各エレクトロウエッティング画素は、アドレス電極と、保持電極と、カウンタ電極とを有し、前記カウンタ電極に対し前記アドレス電極と前記保持電極とに電位を印加することによって、アクティブ状態が設定され、前記カウンタ電極に対し前記アドレス電極と前記保持電極とから電位を取り除くことによって、パッシブ状態が設定され、
    前記方法が、
    前記カウンタ電極に対して前記保持電極に電位を印加し、前記カウンタ電極に対して前記アドレス電極から電位を取り除くことによって、現在の状態を保持するステップを有する、双送安定アドレッシングの方法。
13. 表示装置の複数の画素はピクチャフレームの間にアドレスされ、前記方法が、連続する以下のステップ、
    − 各画素をアクティブ状態に設定するステップ、
    − 複数の前記画素の一部をパッシブ状態に設定するステップ、および
    − 各画素をその現在の状態に保持するステップ、
    を有する、請求項１３による双安定状態アドレッシングの方法。
14. 前記複数の画素は行および列を有するマトリックスに配され、前記複数の画素は、一度に１つの行がアドレスされる、請求項１３による双安定アドレッシングの方法。
    

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