JP2009531721A - Ｔｉｒ変調反射型ディスプレイにおけるイオン電気泳動 - Google Patents

Abstract

それぞれに非反射性領域（８２）を囲む反射性領域（８０）を有する複数の透明な半ビード（６０）を有する反射型ディスプレイ。光吸収性の静電的に帯電したイオンが半ビードに隣接して維持される電気泳動媒質（２０）中に溶解されている。媒質を横断して印加される電圧が、多くのイオンを半ビードに隣接するエバネセント波領域中に移動させ、ここでイオンが光を吸収し、反射性領域における全反射を減衰させる。エバネセント波領域中のイオンは、全反射を受けずに非反射性領域を通過することになる光をも吸収する。媒質を横断して印加される対向電圧は、多くのイオンを半ビードから移動させて、光が反射性領域において全反射を受けることができるようにする。ディスプレイの輝度は、非反射性領域を通過する光を半ビードを介して背面電極に後方反射させるための反射性領域（１０８；１１０，１１２）を有する背面電極（４８）を提供することによって増強できる。

Description

本発明は、そのすべてを参照により本出願に組み入れる米国特許第５，９９９，３０７号明細書、第６，０６４，７８４号明細書、第６，２１５，９２０号明細書、第６，８６５，０１１号明細書、第６，８８５，４９６号明細書および第６，８９１，６５８号明細書に記載されたタイプの広視野角反射型ディスプレイにおける高輝度の実現に関する。

図１Ａは、米国特許第６，８８５，４９６号および第６，８９１，６５８号に記載されるようなタイプの先行技術の反射（すなわち前部照明）電気泳動的にフラストレートした全反射変調（electrophoretically frustrated total internal reflection（ＴＩＲ）modulated）ディスプレイ１０の一部を示した図である。ディスプレイ１０は、高屈折率（
たとえば、η_２＞〜１．７５）高分子材料１６の内方側表面に多数の高屈折率（たとえば、η_１＞〜１．９０）透過性の球形または略球形のビード１４を部分的に埋め込むことによって形成された透過性の外方シート１２を有する。前記外方シート１２は、平坦な外方表示面１７を有し、視聴者Ｖは、観察方向角度範囲Ｙを介して画面を観察する。「内方側」および「外方」を両方向矢印Ｚで示す。ビード１４は互いに接近して充填されて、ビード１４の１つの径とほぼ等しい厚みを有する、内方側に突出する単層１８を形成する。ビード１４のそれぞれが、自身のすぐ隣にあるすべてのビードと接触していることが理想である。隣接するビードの間には最小限の介在隙間が残る（隙間なしであるのが理想的）。（関連出願の参照）
本出願は、２００６年４月１９日に出願の米国仮特許出願番号６０／７４５，１０６の利益を主張する。

電気泳動媒質２０は、該媒質２０を下シート２４によって規定される貯留部２２内に閉じこめることによって、材料１６から内方側に突出するビードの部分に隣接するように維持される。ミネソタ州セントポールの３Ｍから入手可能なＦｌｕｏｒｉｎｅｒｔ（商標名）ペルフルオロ化炭化水素液体（η_３〜１．２７）などの不活性で低屈折率（すなわち約１．３５未満）で低粘度の絶縁液体は、適切な電気泳動媒質である。他の液体または水も電気泳動媒質２０として使用することができる。このようにして、ビードと液体のＴＩＲ接触面が形成される。媒質２０は、例えば、顔料、染料等で散乱性／吸収性にされたシリカやラテックス粒子などの、光散乱性や吸収性の粒子２６の微細に分散した状態のサスペンションを含む。シート２４の光学的特性はさほど重要でなく、シート２４は電気泳動媒質２０と粒子２６とを閉じる貯留部を形成し、背面電極４８の支持体の役割をしさえすればよい。

周知であるように、異なる屈折率を有する２つの媒質間のＴＩＲ接触面は、臨界角θｃによって特徴づけられる。θｃを下回る角度で前記接触面に入射する光線は、前記接触面を通って透過する。θｃを上回る角度で接触面に入射する光線は、接触面にて全反射する。小さい臨界角は、全反射が起こることのできる大きな角度範囲が得られることから、ＴＩＲ接触面では好適である。

電気泳動作用がない状態では、図１Ａの点線２８の右側に示すように、シート１２およびビード１４を通過する光線の大部分が、ビード１４の内方表面にて全反射を受ける。例えば、入射光線３０，３２は、材料１６およびビード１４で反射を介して屈折される。光線は、光線３０の場合では地点３４，３６にて、光線３２の場合には地点３８，４０で示すように、ビードと液体のＴＩＲ接触面にて２回またはそれ以上の回数で全反射を受ける
。全反射した光線は、ビード１４および材料１６を介して屈折して、それぞれ光線４２，４４として出射して、各反射性領域または画素において「白色」の外観が得られる。

ビード１４の内方に突出する表面部とシート２４の外方表面とに、例えば、蒸着によって施すことができる電極４６，４８（点線で示す）を介して電圧を媒質２０全体にわたって印加することができる。電極４６は、ビードと液体のＴＩＲ接触面において光線との干渉を最小限に抑えるために透明であり、十分に薄い。背面電極４８は透明でなくてもよい。点線２８の左側に示すように、電圧を電極４６と４８の間に印加するように電圧源５０を作動して、電気泳動媒質２０を活性化すると、懸濁粒子２６は、エバネセント波が比較的強い領域に（すなわち、内方に突出するビード１４の内方表面から０．２５マイクロメートル以内でまたはより近くに）電気泳動的に移動される。上述したように電気泳動的に移動された粒子２６は、光を散乱または吸収して、ビードと液体のＴＩＲ接触面における有効屈折率の虚部およびおそらくは実部に変更をもたらすことにより、全反射が減衰（フラストレート）または変調される。これを光線５２，５４によって示す。光線５２，５４は、それぞれ、符号“５６”および“５８”にて示すように、ビードと液体のＴＩＲ接触面にて薄い（〜０．５μｍ）エバネセント波領域の内方側で粒子２６に当たると、散乱および／または吸収され、それにより、各全反射減衰非反射性吸収領域または画素において「暗」外観を生じる。粒子２６は、ビードと液体のＴＩＲ接触面との全反射能力を回復して各「暗」非反射性吸収領域または画素を「白色」反射性領域または画素に変換するために電圧源５０を適切に作動させることによって、エバネセント波領域の外側に移動されるだけでよい。

上述のように、電極４６，４８を介して媒質２０全体にわたって印加される電圧を制御することによって、外方シート１２の正味光学的特性を制御することができる。電極は、シート１２の個別の領域または画素全体にわたって媒質２０の電気泳動的駆動を制御して画像を形成するように、セグメント化されることができる。

図２は、拡大横断面において、球形ビード１４の１つの内方の半球または「半ビード部」６０を示す。半ビード６０は、規格化半径ｒ＝１と屈折率η_１とを有する。半ビード６０の中心Ｃから径方向の距離ａにて半ビード６０に（材料１６を介して）垂直に入射する光線６２は、放射軸６６に対して角度θ_１にて半ビード６０の内方表面に当たる。理論上理想的に論じるために、材料１６は、半ビード６０と同じ屈折率を有し（すなわちη_１＝η_２）、光線６２は屈折なしに材料１６から半ビード６０内に進むと想定する。光線６２は、半ビード６０の内方表面にて屈折されて、放射軸６６に対して角度θ_２にて光線６４として電気泳動媒質２０内に進む。

ここで、半ビード６０の中心Ｃから次式の距離

にて半ビード６０に（材料１６を介して）垂直に入射する入射光線６８を検討する。光線６８は、（放射軸７０に対する）臨界角θｃ、つまり全反射が起こる最小所要角度にて半ビード６０の内方表面に当たる。その結果、光線６８は、光線７２として全反射され、再び臨界角θｃで半ビード６０の内表面に当たる。これにより、光線７４として全反射され
、再び臨界角θｃにて半ビード６０の内方表面に当たる。光線７４は、光線７６として全反射され、該光線７６は、半ビード６０を垂直に通過して、ビード１４の埋没部分および材料１６に入る。このようにして光線６８は、入射光６８と略反対方向に、光線７６として反射される。

半ビード６０の中心Ｃからａ≧ａ_ｃの距離で半ビード６０に入射するすべての光線は、光源に向かって反射される（ただし正確には逆反射されるのではない）が、このことは、光源が視聴者の頭上かつわずかに後方にある場合に反射が高められ、反射光が分散特性を有し、反射ディスプレイ用途において望ましい白外観が得られることを意味する。図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃは、半ビード６０反射モードのうちの３つを示す。これらおよび他のモードは共存するが、各モードは個々に検討することが有用である。

図３Ａにおいて、距離ａ_ｃ＜ａ≦ａ_１の範囲で入射する光線は２回全反射し（２ＴＩＲモード）、反射光線は、入射光線の方向とは反対の方向を中心にした比較的広い円弧φ_１内で発散する。図３Ｂにおいて、距離ａ_１＜ａ≦ａ_２の範囲で入射する光線は３回全反射し（３ＴＩＲモード）、反射光線は、入射光線の反対方向を中心にしたより狭い円弧φ_２＜φ_１内で発散する。図３Ｃにおいて、距離ａ_２＜ａ≦ａ_３の範囲で入射する光線は４回全反射し（４ＴＩＲモード）、反射光線は、この場合も入射光線の反対方向を中心にしたさらに狭い円弧φ３＜φ２内で発散する。このように、半ビード６０は、「半再帰反射（ｓｅｍｉ−ｒｅｔｒｏ−ｒｅｆｌｅｃｖｔｉｖｅ）」の部分的分散反射特性を有し、ディスプレイ１０が紙と同様の分散外観を有する。

ディスプレイ１０はまた、主要光源が視聴者の背後で小さい角度範囲内にある場合には、紙に比べて比較的高い見かけの輝度を有する。このことは、視聴者Ｖがディスプレイ１０を見ることのできる広い角度範囲α、および視聴者Ｖの場所に対する照明源Ｓの角度偏差である角度βを描いた図１Ｂにおいてさらに説明する。ディスプレイ１０の高い見かけの輝度は、βが大きすぎないかぎり維持される。法線入射において、半ビード６０の反射率Ｒ（すなわち、全反射によって反射する半ビード６０への入射光線の割合）は、次式

によって与えられる。式中、η_１は、半ビード６０の屈折率であり、η_３は全反射が起こる半ビード６０の表面に隣接する媒質の屈折率である。したがって、半ビード６０がポリカーボネートなどの低屈折率材料からなる場合（η_１〜１．５９）、および隣接する媒質がＦｌｕｏｒｉｎｅｒｔ（η_３〜１．２７）である場合、約３６％の反射率Ｒが得られる。一方、半ビード６０が高屈折率ナノ複合材料からなる場合（η_１〜１．９２）、約５６％の反射率Ｒが得られる。照明源Ｓ（図１Ｂ）が視聴者Ｖの頭の後ろにある場合、ディスプレイ１０の見かけの輝度は、以下に説明するように、前記半再帰反射特性によってさらに増強される。

図４Ａ〜４Ｇに示すように、半ビード６０の反射率が入射角の広い範囲に亘って維持されることにより、ディスプレイ０の広視野角特性とその見かけの輝度が高められる。例えば、図４Ａは、垂直入射から、すなわち垂直方向からの偏位が０°の入射方向から見た半ビード６０を示している。この場合、半ビード６０のａ≧ａ_ｃとなる部分８０は環形に見
える。環は、この部分が前述のように入射光線を全反射によって反射する半ビード６０の領域であることから白く描かれている。環は円形領域８２を囲み、この円形領域は、半ビード６０のうち入射光線が吸収されて全反射を受けない非反射性領域であることから黒く描かれている。図４Ｂ〜４Ｇは、垂直方向からの偏位がそれぞれ１５°、３０°、４５°、６０°、７５°および９０°の入射角度から見た半ビード６０を示したものである。図４Ｂ〜４Ｇを図４Ａと比較すると、ａ≧ａ_ｃである半ビード６０の反射部分８０の観察領域は、入射角の増大に伴って徐々にしか減少しないことが分かる。近い視射入射角（ｇｌａｎｃｉｎｇ ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ ａｎｇｌｅｓ）（たとえば、図４Ｆ）においてさえ、視聴者は反射部分８０の相当の部分を見ることができ、これによりディスプレイ１０には高い見かけの輝度が維持される幅広い視野角が与えられる。

ディスプレイ１０は時間が経つにつれ、望ましくない粒子のクラスタリングを示すことがある。より特定すると、粒子２６は、電気泳動媒質２０内で緩い凝集体を形成して、電気泳動媒質２０の周囲領域が比較的少量の懸濁粒子２６しか含まなくなるような傾向にある。このような吸収性粒子２６のクラスタリングは、ディスプレイ１０の画質と全体性能の長期的な劣化をもたらすことにもなる。以下に説明するように、粒子２６を利用せずに、ディスプレイ１０における全反射を電気泳動的にフラストレートさせて、ディスプレイ１０が粒子凝集によって引き起こされる欠点を受けにくくすることができる。

上記の関連技術およびそれに関連する種々の制限事項の上述した種々の例は、例示的なものであり、排他的なものではないことを意図する。関連技術の他の制限事項は、本明細書を読み、図面を精査することによって当業者には明らかとなるであろう。

例示的な実施形態を図面の参照図において示す。本明細書で開示する実施形態および図面は、制限的なものではなく例示的なものであるとみなるべきことを意図する。
以下の説明を通して、具体的な詳細は、当業者がより徹底的に理解することができるように定めるものである。しかしながら、周知の要素は、開示を不必要に曖昧にすることを避けるために、詳細な図示または説明を省略する。したがって、明細書と図面は、限定的ではなく例示的な意味をもつとみなすべきである。

図５Ａ、５Ｂに概略的に示すように、色素分子などのように、目に見えないほど小さく光吸収性の水溶性分子が、水などの、不活性で、低屈折率（約１．３５未満）、低粘度の液体電気泳動媒質２０に溶解される。かかる分子は溶解されると、静電的に帯電したイオンに解離する。したがって、媒質２０は、適当な電界を印加することによって、前記ビードと液体のＴＩＲ接触面において、エバネセント波領域内外へ電気泳動的に移動させることのできる、多数の光吸収性の静電的に帯電したイオンを含んでいる。

さらに特定すると、分子は溶解されると少なくとも１つの静電的に正に帯電したイオン種と少なくとも１つの静電的に負に帯電したイオン種とに解離し、この場合の正電荷の数と負電荷の数は等しく、媒質２０全体として静電的に中性の荷電を有する。典型的には、一方のイオン種のみが光吸収性であり、他方のイオン種は溶解分子の全電荷のバランスをとる対イオンである。当業者には、分子のそのイオン構成要素への解離には、構成要素の化学的性質が変化しないことから、化学反応を伴わないことがわかるであろう。

電圧源５０を作動させて電極４６，４８間に第1の電圧を印加することによって、電気
泳動媒質２０が活性化されると、媒質２０中に溶解した多数の光吸収性イオンが、半ビード６０の内方側に対して電極４６に隣接した領域９０内に電気泳動的に移動されて密集される。同時に、媒質２０中に溶解した光吸収性イオンが、電極４８に隣接する領域９２外に電位泳動的に移動される。領域９２外に移動するイオンは、領域９０内には移動せずに
、領域９０，９２間の媒質２０内に残る。

図５Ａは、領域９０が十分に多数の光吸収性イオンを含み、半ビード６０の内方表面を実質的に覆う「密集領域」である非反射状態を示す。当業者には、領域９０の厚みが、イオンのタイプとそれらの媒質２０中での濃度に依存するが、領域９０は典型的にはエバネセント波領域よりもはるかに薄いことがわかるであろう。したがって、領域９０はエバネセント波領域内にあることになり、領域９０内の光吸収性イオンは、上述のように全反射を減衰（フラストレート）または変調することによって、反射性環状領域８０への入射光である光線（たとえば、光線１１４）を吸収するとともに、全反射を受けないためにビード１４を通過することになる光線（たとえば、光線１１６） も吸収する。図２に関連し
て先に説明したように、多くの入射光線が各半ビード６０と数回相互作用して、実質的な被覆が許容レベルの光吸収を与えるために、光吸収性の静電的に帯電したイオンは半ビード６０の内方表面を完全に覆う必要はない。図５Ａの非反射状態において、領域９２は、比較的少数の光吸収性の静電的に帯電したイオンしか含まない「空乏領域」である。この空乏領域は、非反射状態において、光吸収性の静電的に帯電したイオンの供給源として機能する以外の、何ら有意な光学的機能も有しない。

図５Ｂに示す反射状態において、電圧源５０を作動させて、第１の電圧とは反対の極性を有する第２の電圧を電極４６，４８間に印加する。その結果、光吸収性の静電的に帯電したイオンが、反射状態においては比較的少数の光吸収性の静電的に帯電したイオンしか含まない空乏領域となる領域９０外へ電気泳動的に移動される。同時に、媒質２０内に浮遊する多数の光吸収性イオンが、反射状態においては、電極４８の外表面を実質的に覆う十分に多数の光吸収性イオンを含む密集領域となる電極４８に隣接する領域９２内へ電気泳動的に移動されて密集される。領域９０外へ移動する光吸収性イオンは、領域９２内へは移動せずに、領域９０，９２間の媒質２０中に残る。

図５Bの反射状態において、領域９０内の比較的少数の光吸収性イオンは、半ビード６
０の反射環状領域８０の１つに入射する光線（たとえば光線１１４）が、前述のように全反射を受けることができるようにする。半ビード６０を通過する光線（たとえば、光線１１６） は、領域９２内の比較的多数の光吸収性イオンによって吸収される。

全反射減衰は、図５Ａの非反射状態において、媒質２０中に溶解された分子の吸収断面を増加させることによって、増大させることができる。より特定的には、溶解された分子は下記の式に従って、吸収断面Ａｃを有する静電的に帯電した光吸収性イオンに解離する。

（式中、Ｉ_０は、長さｘの経路に沿って媒質２０を通過する光の初期強度であり、ｎは媒質中の光吸収性イオンの数密度（単位ｍ^−３）であり、Ａｃは、ｍ^−２の単位で表されており、Ｉは結果として得られる光強度である）。このように、Ａｃの任意の増加（すなわち、より大きなＡｃ特性を有する分子を選択することによる）が、所与の経路長ｘおよび所与のイオン数密度ｎに対して、結果として得られる光強度Ｉを減少させることがわかる。分子の吸収断面は、分子の寸法と関係するものの、厳密に依存することはない。したがって、より大きな色素分子は、必ずではないにせよ通常はより小さい色素分子よりも大きな吸収断面を有する。一例として、多くのモノマー単位と単一の電荷を有するポリマー色
素分子を媒質２０中に溶解してもよい。そのような各分子は、長さが１０ｎｍまでであればよいが、これは１０ｎｍがエバネセント波領域の厚み（〜０．５μｍ）よりも実質的に小さいためである。分子は比較的小さいので、エバネセント波領域内に迅速かつ容易に分散されて、全反射を減衰し、これが反射型ディスプレイなどのあらゆる全反射変調型装置に対する有用な特徴となる。

電極４６，４８の表面において電気分解または他の電気化学的反応が起こるのを防止することが有利であるが、これはそうした反応が光吸収性イオンの静電的帯電特性を変えたり、電極４６，４８に不可逆的化学変化を与えうるためである。このことは、電極４６，４８を蒸着酸化物被膜などの絶縁材料からなる薄い（すなわち、＜１０μｍ）層によって被覆することによって、あるいは、電圧源５０を電気化学的反応が起こらないような十分に低い電圧（すなわち、＜１Ｖ）を印加するように構成することによって実現することができる。

非反射状態においては、電極４６，４８の有効面積を増加させることによりそれらの静電容量を増加させて、結果的に、印加される電界に応じて電極間に移動する電荷量を増加させることによって、全反射減衰を増大させることができる。このことは、図６に示すように、電極４８，４８を、「透明導電性カーボンナノチューブフィルム」（Ｚ．Ｗｕら、Ｓｃｉｅｎｃｅ第３０５巻、第５６６８号、１２７３〜１２７６頁）に記載されるようなカーボンナノチューブフィルムなどの、透明な導電性のナノ構造性またはナノ多孔性材料の薄い（すなわち、＜２５０ｎｍ）層９４，９６によって被覆するか、または、参照により本願に組み入れる米国特許第５，８６６，２０４号、第６，２０６，０６５号、および第６，２４８，４２２号にＲｏｂｂｉｅらによって記載される視射角蒸着（ＧＬＡＤ）技術によって作製される多孔性透明導電被膜によって被覆することによって実現される。

ナノ構造性またはナノ多孔性層９４，９６は、同じ寸法の非ナノ構造性または非ナノ多孔性層に比べて、数百倍も大きな有効表面積を与えることができる。ナノ構造性またはナノ多孔性の層９４，９６の表面の特徴は、光の波長（〜５００ｎｍ）よりもはるかに小さい約１〜１００ｎｍの寸法によって特徴づけられる。結果として、ナノ構造性またはナノ多孔性の層９４，９６は、光線の全反射を妨げることはない。ナノ構造性またはナノ多孔性の層９４，９６が横断方向（すなわち、平坦な外方表示面１７に実質的に垂直な方向）に導電性であるものの、それらは高い側方導電性（すなわち、平坦な外方表示面１７に実質的に平行な方向）を有する必要はない。これは、電極４６，４８が高い側方導電性を有するからである。しかしながら、ナノ構造性またはナノ多孔性の層９４，９６が十分な側方導電性を有していれば、電極４６，４８は必要ない。

図１Ａに示す球形ビード１４の１つずつの内方側「半ビード」部分に対応する半球の列の反射率の概算値は、個々の半ビードの反射率に半ビードの充填効率係数ｆを乗じることによって得ることができる。密に充填された構造の充填効率係数ｆの計算には、当業者によって周知の簡単な幾何学技術の適用を伴う。図７に示す六方最密充填（ＨＣＰ）構造は、ビードが均一寸法を有すると仮定すると、充填効率ｆ∝π／（６・ｔａｎ３０°）〜９０．７%をもたらす。

六方最密充填構造は、半球に対して最も高い充填密度をもたらすが、半ビードを規則的配列に充填する必要もないし、半ビードが均一な寸法である必要もない。約１〜５０μｍの範囲内の径を有する不均一寸法の半ビードのランダム分布は、約８０%の充填密度を有
し、六方最密充填配列と実質的に同様の光学的様相を有する。いくつかの反射型ディスプレイへの応用に対しては、このようなランダムに分布した配置が製造のためにより実用的かもしれず、そのことから、充填密度の低下による反射率の幾分の減少は許容される。しかしながら、以下の説明においては簡略化のために、均一寸法の半ビードからなる図７の
六方最密充填配置に焦点をあて、屈折率比η_１／η_３＝１．５を与える材料を使用するものと想定する。これらの因子は、本開示の範囲を限定するものとみなすべきではない。

上述の「半再帰反射（ｓｅｍｉ−ｒｅｔｒｏ−ｒｅｆｌｅｃｖｔｉｖｅ）」特性は反射型ディスプレイにおいては重要であるが、これは、光源Ｓが視聴者Ｖの上方かつ背後に位置する典型的な観察条件において、反射光の相当の部分が視聴者Ｖに向けて戻されるためである。これにより、見かけの反射率は、

の値を、約１．５の「半再帰反射増強因数（ｓｅｍｉ−ｒｅｔｒｏ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｆａｃｔｏｒ）」だけ超えることになる（「微小半球における全反射を用いた高反射率広視野角反射型ディスプレイ」、Ｍｏｓｓｍａｎ，Ｍ．Ａ．ら、情報ディスプレイ学会（Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）、第２３回国際ディスプレイ研究会議、２３３〜２３６頁、２００３年９月１５〜１８日、アリゾナ州フェニックスを参照のこと）。たとえば、屈折率比η_１／η_３が１．５である系において、等式（１）に従って求められる５５％の平均表面反射率Ｒは、上述の半再帰反射観察条件下において約８５％に増強される。

個々の半ビード６０は、径が２〜５０μｍの範囲にある目に見えないほど小さいものであってもよく、図７に示すように、それらを列に充填して、多数の小さい隣接する反射環状領域８０のために高度に反射性に見える表示面を作製することもできる。全反射が起こりうるこれらの領域８０において、粒子２６（図１Ａ）と光吸収性イオン（図５Ａ，５B
）のいずれも、ビード１４の内方側の半球形部分に接触していない場合には、入射光の反射を妨げることはない。しかしながら、全反射が起こらない領域８２および８４において、粒子２６（または光吸収性イオン）は、たとえ粒子（またはイオン）がエバネセント波領域外へ移動されてビード１４の内方側の半球形部分と光学的に接触しない場合であっても、入射光線を吸収することがある。屈折率比η_１／η_３は、各反射環状領域８０の寸法を増加させて、上記のような吸収損失を低減するために、増加させることができる。非反射性領域８２，８４は、ディスプレイ１０の全表面反射率Ｒを累積的に減少させる。ディスプレイ１０は反射型ディスプレイであるので、このような減少を最小限に抑えることが望ましい。

このことは、図８Ａまたは図８Ｂにそれぞれ示すパターン１００またはパターン１０２のいずれか一方を用いて、シート２４上に背面電極４８を形成することによって実現することができる。黒色領域１０４，１０６は導電性領域であり、反射性また非反射性のいずれであってもよい。白色領域１０８，１１０，１１２は反射性領域であり、一方の領域１０８，１１０，１１２と、他方の領域１０４，１０６との間にいかなる導電性もないということを前提に、導電性または非導電性のいずれであってもよい。

反射性領域１０８，１１０は、それぞれ環状の形状を有することが好ましく、半ビード６０のうちの１つの非反射性の環状領域８２のうちの１つの径よりも大きいか同じ（好ましくは同じ）径を有する。パターン１００の領域１０４は、半ビード６０の領域８０，８４の全体寸法および形状と実質的に同様の全体寸法および形状を有している。

領域１０４，１０６の光学特性は、シート２４の場合と同様にさほど重要ではない。し
かしながら、シート２４上に反射性の外側面を設け、その上に領域１０４（または１０６）を形成し、シート２４の反射性の外側面の残りの部分が領域１０８（または１１０，１１２）を構成するようにすると有益である。

以下に説明するように使用する場合、パターン化背面電極１００は、領域８２における光吸収による吸収損失を減少させるが、空隙領域８４における光吸収による吸収損失を減少させることはない。これに対して、以下に説明するように使用する場合、パターン化背面電極１０２は、領域８２および８４の両方における光吸収による吸収損失を減少させる。このことは、反射性領域１１２の１つずつが空隙８４の１つの寸法および形状と実質的に同様の寸法および大きさを有し、各領域１１２のその隣接反射性領域に対する相対位置が、対応する１つの間隙８４のその間隙の隣接領域８２に対する相対位置と同じとなるような、パターン１０２を形成することによって実現される。

パターン化背面電極１００（または１０２）は、単層１８に対して、各環状反射性領域１０８（または１１０）を非反射環状領域８２のうちの対応する１つと整列させ、これにより導電性領域１０４（または１０６）をも反射性領域８０と整列させるように、配置される。図９Ａおよび９Ｂは、前述のように整列されたパターン化背面電極１００を組み込み、光吸収性の静電的に帯電したイオンを組み込んだ反射型ディスプレイを示す。図９Ａに示すような非反射状態における動作は、図５Ａに関連して前述したような非反射状態動作と実質的に同様であり、さらに説明する必要はない。

図９Ｂに示す反射状態において、電圧源５０が作動されて電極４６，１０４間に適当な電圧が印加されると、光吸収性イオンは、反射状態においては比較的少数の光吸収性イオンしか含まない空乏領域となる領域９０外に電気泳動的に移動される。同時に、媒質２０中に浮遊した多数の光吸収性イオンが電気泳動的に、パターン化背面電極１００の各導電性領域１０４に（またはパターン化背面電極１００の代わりにパターン化背面電極１０２の場合には、その導電性領域１０６に）隣接する領域９２内へ移動されて密集される。領域１０４は、半ビード６０の反射環状領域８０と整列されているので、光吸収性イオンは、パターン化背面電極１００の反射性領域１０８から離れて密集される。領域９２の外方側の媒質２０中には比較的少数の光吸収性イオンしか残らず、半ビード６０の非反射環状領域８２と、パターン化背面電極１００の反射性領域１０８の間の媒質２０における光吸収を有意に減少させる。

半ビード６０のうちの１つの反射環状領域８０に入射する光線（たとえば、図９Ｂにおける光線１１４）は、前述のように全反射を受ける。比較的少ない光吸収性イオンしか領域９２外の媒質２０中には残っていないので、全反射を受けない大半の光線（たとえば、図９Ｂにおける光線１１６）が、媒質２０を通って反射性領域１０８の１つに通過することができ、したがってこれらの光線は反射される。

電気泳動媒質２０中の光吸収性イオンの濃度は、図９Ａの非反射状態において良好な光吸収を実現するのに十分なほど高く、図９Ｂの反射状態において、媒質２０中の光吸収性イオンの大半が電極４８に向かって密集されて、反射状態において領域９２外の媒質２０中に残っているイオンによって吸収される光量を減少させるのに十分なほど低いことが有益である。

半ビード単層１８が反射性領域１０８上方の適当な距離に位置する場合、透過した光線は、該光線がおよそその来た方向に返されるように、反射環状領域８０に向かって集束される。これにより、ディスプレイの半再帰反射特性がさらに強化され、感知反射率値が１００を超えることもある。赤緑青（ＲＧＢ）色フィルタアレイに付随する吸収損失がある場合でも、パターン化背面電極１００，１０２は、白色の紙上への色つきインクと同等の
輝度を有する反射画像の作成を容易にする。

当業者であれば、図６に関連して前述したようなナノ構造性またはナノ多孔性層９４，９６を、図９Ａ，９Ｂの実施形態に適用することができることを理解するであろう。当業者であれば、幅広いレンズ集約構造、半再帰反射性反射体および／または準正反射性反射体を図５Ａ，図５Ｂ、図６、または図９Ａ、図９Ｂのいずれの実施形態にも適用できることを理解するであろう。

吸収性粒子２６を光吸収性の静電的に帯電したイオンに代えることにより、上述したような粒子の凝集に起因する欠点を起こりにくくすること以外の利点が提供される。たとえば、光吸収性の静電的に帯電したイオンを組み込んだディスプレイは、反射性状態と非反射性状態の間での切り替えを、吸収性粒子２６を組み込んだ従来技術のディスプレイに比べて、より迅速に行うことができる。これは、イオンが、ほぼ同じ静電的荷電を有する粒子に比べてはるかに小さく、したがってより大きな電気泳動移動度を有するためである。光吸収性の静電的に帯電したイオンを組み込んだディスプレイもまた、吸収性粒子２６を組み込んだ従来技術のディスプレイに比べて低い電圧要件しか有しない。たとえば、光吸収性の静電的に帯電したイオンを組み込んだディスプレイは、１ボルト未満で動作させることができ、このことは、電極４６，４８の表面において電気分解または他の電気化学的反応が起こるのを防止するためにも有用である。光吸収性の静電的に帯電したイオンを組み込んだディスプレイは、吸収性粒子を組み込んだ従来技術のディスプレイの欠点である、ヒステリシス反応特性を発生しにくい。さらに、光吸収性の静電的に帯電したイオンを組み込んだディスプレイは、吸収性粒子を組み込んだ従来技術のディスプレイに比べて大きな化学純度を有するが、これは、市販の色素粒子２６または他の適切な粒子２６の化学的純度が不純物のために変動し、予測のつかない望ましくない表示挙動をもたらしうるためである。

以上、数々の例示的態様および実施形態について検討してきたが、当業者であれば、これらに対する変更、置換、追加および部分的組み合わせを理解するであろう。たとえば、光吸収性の静電的に帯電したイオンの電気泳動的移動による全反射の減衰は、半ビード化した表面だけでなく、微細構造またはナノ構造上に法線入射する光線の相当の部分が全反射を受けるという特徴を有する任意の微細構造またはナノ構造を持った表面に対して適用することができる。このようなすべての変更、置換、追加および部分的組み合わせは、本開示の真の精神と範囲に含まれる。したがって、以下の添付の請求項およびこの後に導入する請求項は、そのようなあらゆる変更、置換、追加および部分的組み合わせをその真の精神と範囲内で含むものとする。

本発明の一実施形態に従って電気泳動的に減衰または変調された従来技術の反射型ディスプレイの大きく拡大した部分断面図。 図１Ａのディスプレイの広角視野範囲と、照明源の角度範囲βを概略的に示す図。 図１Ａの装置の球形ビードの１つの半球形（半ビード）部分を大きく拡大した側面図。 入射光が２回全反射を受ける場合の、軸外距離の増加に伴う図２の半ビードへの垂直光線の半再帰反射を示す図。 入射光が３回全反射を受ける場合の、軸外距離の増加に伴う図２の半ビードへの垂直光線の半再帰反射を示す図。 入射光が４回全反射を受ける場合の、軸外距離の増加に伴う図２の半ビードへの垂直光線の半再帰反射を示す図。 垂直方向から０°ずれた視野角から見た、図２の半ビードを示す図。 垂直方向から１５°ずれた視野角から見た、図２の半ビードを示す図。 垂直方向から３０°ずれた視野角から見た、図２の半ビードを示す図。 垂直方向から４５°ずれた視野角から見た、図２の半ビードを示す図。 垂直方向から６０°ずれた視野角から見た、図２の半ビードを示す図。 垂直方向から７５°ずれた視野角から見た、図２の半ビードを示す図。 垂直方向から９０°ずれた視野角から見た、図２の半ビードを示す図。 光吸収性の静電的に帯電したイオンを組み入れた、電気泳動的に減衰された（すなわち変調された）反射型ディスプレイの一部を、縮尺通りにではなく大きく拡大して示した部分側面図。 光吸収性の静電的に帯電したイオンを組み入れた、電気泳動的に減衰された（すなわち変調された）反射型ディスプレイの一部を、縮尺通りにではなく大きく拡大して示した部分側面図。 ナノ構造性またはナノ多孔性の導電性被膜を組み入れた、電気泳動的に減衰された（すなわち変調された）反射型ディスプレイの一部を、縮尺通りにではなく大きく拡大して示した部分側面図。 六方最密充填構造に配列された球形ビードを示す、図１Ａのディスプレイの一部の断面図の上面（すなわち、垂直方向から０°ずれた視野角から見た）図。 図７の構造とともに用いる２つの代替背面電極パターンを大きく拡大して示した上面図。 図７の構造とともに用いる２つの代替背面電極パターンを大きく拡大して示した上面図。 図８Ａの背面電極パターンを有し、光吸収性の静電的に帯電したイオンを組み入れた、電気泳動的に減衰された（すなわち変調された）反射型ディスプレイの一部を、縮尺通りにではなく大きく拡大して示した部分側面図。 図８Ａの背面電極パターンを有し、光吸収性の静電的に帯電したイオンを組み入れた、電気泳動的に減衰された（すなわち変調された）反射型ディスプレイの一部を、縮尺通りにではなく大きく拡大して示した部分側面図。

Claims (22)

1. 外方表示面（１７）を有する透明シート（１２）の内方表面から内方に突出する複数の透明な半ビード（６０）であって、各々が非反射性領域（８２）を取り囲む反射性領域（８０）を有する前記複数の透明半ビード（６０）と、
   前記透明シート（１２）の内方から離間し、透明シート（１２）との間に貯留部を規定する第２のシート（２４）と、
   貯留部内の電気泳動媒質（２０）と
   を含む反射ディスプレイにおいて、
   前記媒質中にて複数の光吸収性の静電的に帯電したイオンと、
   半ビードと第２のシートとの間で媒質全体にわたって電圧を印加する電圧源（５０）とを有することを特徴とする反射型ディスプレイ。
2. 透明シート（１２）の内方側に形成された第１の電極（４６）と、
   第２のシート（２４）の外方側に形成された第２の電極（４８）と、
   第１の電極上の透明な導電性のナノ構造物（９４）と、
   第２の電極上の透明な導電性のナノ構造物（９６）と
   をさらに含む、請求項１に記載の反射型ディスプレイ。
3. イオンは、さらに少なくとも１つの静電的に正に帯電したイオンと、少なくとも１つの静電的に負に帯電したイオンと、からなることを特徴とする請求項１または２に記載の反射型ディスプレイ。
4. イオンは媒質（２０）に溶解性であることを特徴とする請求項３に記載の反射型ディスプレイ。
5. イオンは大きい吸収断面を有することを特徴とする請求項３に記載の反射型ディスプレイ。
6. 電源（５）を作動して媒質（２０）を横断して第１の電圧を印加することによって、半ビードの反射性領域（８０）において光線（１１４）の全反射を減衰させ、半ビードの非反射性領域（８２）において光線（１１６）を吸収するのに十分に多くのイオンを、半ビード（６０）の内方側表面に隣接するエバネセント波領域内に移動させ、電源（５）を作動して媒質を横断して第２の電圧を印加することによって、半ビードの反射性領域において光線の全反射を許容するのに十分多くのイオンを、エバネセント波領域外へ移動させることを特徴とする請求項３に記載の反射型ディスプレイ。
7. 半ビード（６０）の非反射性領域（８２）を介して第２のシート（２４）から光線を選択的に反射させる手段をさらに含む、請求項１に記載の反射型ディスプレイ。
8. 光線を選択的に反射させる手段は、パターン（１００，１０２）において第２のシートの外方側に形成された電極（４８）をさらに含み、該パターンは、
   （ａ）導電性領域（１０４，１０６）と、
   （ｂ）第１の複数の反射性領域（１０８，１１０）とを含み、第２のシート（２４）上の第１の複数の反射性領域の１つずつが、半ビード（６０）の非反射性領域（８２）の対応する１つと対応し、整列されることを特徴とする、請求項１または２に記載の反射型ディスプレイ。
9. 第２のシート（２４）上の第１の複数の反射性領域（１０８，１１０）の１つずつが、半ビード（６０）の非反射性領域（８２）の対応する１つの寸法および形状と実質的に同様
   の寸法および形状を有することを特徴とする、請求項８に記載の反射型ディスプレイ。
10. 導電性領域（１０４，１０６）は、半ビード（６０）の前記反射性領域（８０）の全寸法および形状と実質的に同様の全寸法および形状を有することを特徴とする請求項９に記載の反射型ディスプレイ。
11. 半ビード（６０）の１つずつが、別の１つまたはそれ以上の半ビード（６０）と隣接し、ディスプレイは、各隣接する１つまたはそれ以上の半ビード間に非反射間隙（８４）をさらに含み、
    パターン（１０２）は、第２のシート（２４）の外方側上の第２の複数の反射性領域（１１２）をさらに含み、
    第２の複数の反射性領域（１１２）の１つずつが、間隙（８４）のうちの対応する１つと対応し、整列されることを特徴とする請求項１０に記載の反射型ディスプレイ。
12. 第２の複数の反射性領域（１１２）の１つずつが、間隙（８４）のうちの対応する１つの寸法および形状と実質的に同様の寸法および形状を有することを特徴とする請求項１１に記載の反射型ディスプレイ。
13. 半ビード（６０）の非反射性領域（８２）の１つずつが第１の径を有する環状形状を有し、
    パターン（１００，１０２）の第１の複数の反射性領域（１０８、１１０）の１つずつが、第１の径と実質的に等しい第２の径を有する環状形状を有することを特徴とする請求項１０に記載の反射型ディスプレイ。
14. 半ビード（６０）の反射性領域（８０）の１つずつが環状形状を有することを特徴とする請求項１３に記載の反射型ディスプレイ。
15. 外方表示面（１７）を有する透明シート（１２）の内方表面から内方に突出する複数の透明な半ビード（６０）であって、各半ビードは非反射性領域 （８２）を囲む反射性領域
    （８０）を有することと、
    透明シート（１２）の内方から離間し、透明シート（１２）との間に貯留部を規定する第２のシート（２４）と、
    貯留部内の電気泳動媒質（２０）と
    を有する反射型ディスプレイの反射率を高める方法において、該方法は、
    複数の光吸収性の静電的に帯電したイオンを媒質中に溶解することと、
    媒質全体にわたって第１の電圧を印加して、相当数のイオンを半ビードの内方表面に隣接するエバネセント波領域内に移動させて、半ビードの反射性領域における光線（１１４）の全反射を減衰させるとともに、半ビードの非反射性領域における光線（１１６）を吸収することと、
    媒質を横断して第２の電圧を印加して、相当数のイオンをエバネセント波領域外へ移動させて、半ビードの反射性領域における光線の全反射を許容すること
    を含むことを特徴とする方法。
16. 透明シート（１２）の内方側上に第１の電極（４６）を設けることと、
    第２のシート（２４）の外方側に第２の電極（４８）を設けることと、
    第１の電極上に透明な導電性のナノ構造物（９４）を設けることと、
    第２の電極上に透明な導電性のナノ構造物（９６）を設けることと
    をさらに含む請求項１５に記載の方法。
17. パターン（１００，１０２）中に第２の電極（４８）を設けることとであって、該パター
    ンは、
    （ｉ）非反射性領域（１０４，１０６）と、
    （ｉｉ）第１の複数の反射性領域（１０８，１１０）と、
    第１の複数の反射性領域の１つずつを、半ビード（６０）の非反射性領域（８２）の対応する１つと整列させることと
    をさらに含み、
    第２の電圧を媒質（２０）全体にわたって印加することで、イオンが第１の反射性領域を覆うことなく電極の非反射性領域を実質的に覆う位置に、相当数のイオンをさらに移動させることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 透明シート（１２）を第２のシート（２４）から距離をおいて離間させることをさらに含み、該距離は、電極（４８）の第１の複数の反射性領域（１０８，１１０）の１つによって反射される入射光線が、入射光線の入射方向と実質的に反対の方向に反射されるように選択されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 第１の複数の反射性領域（１０８，１１０）の１つずつを、半ビード（６０）の非反射性領域（８２）の１つの寸法および形状と実質的に同様の寸法および形状に形成することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. 非反射性領域（１０４，１０６）を、半ビード（６０）の反射性領域（８０）の全寸法および形状と実質的に同様の全寸法および形状に形成することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
21. 半ビード（６０）の１つずつが、別の１つまたはそれ以上の半ビード（６０）と隣接し、
    各隣接する１つまたはそれ以上の半ビード（６０）間に非反射間隙（８４）が存在し、
    パターン（１０２）が第２の複数の反射性領域（１１２）をさらに含み、第２の複数の反射性領域の１つずつが、間隙（８４）のうちの１つの寸法および形状と実質的に同様の寸法および形状を有することを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
22. 半ビード（６０）の非反射性領域（８２）の１つずつが第１の径を有する環状形状を有し、方法は、第１の複数の反射性領域（１０８、１１０）の１つずつを、第１の径と実質的に等しい第２の径を有する環状形状に形成することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。

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