JP2013137384A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造色を安定して維持することが可能な表示装置を提供する。
【解決手段】表示装置１０は、少なくとも可視光領域の光を透過する表示電極１３と、表示基板に間隙をもって対向して配置された背面電極１４と、各電極の間に挟持されたコロイド結晶溶液１５と、各電極１３，１４を介してコロイド結晶溶液に電圧を印加する電圧印加装置２０とを備える。コロイド結晶溶液１５は、液体の分散媒１５ａの中に分散質である多数個のコロイド粒子１５ｂが所定間隔で周期的に配列されて形成されたコロイド結晶構造を備える。電圧印加装置は、脈流の直流電圧をコロイド結晶溶液１５に印加する。
【選択図】 図１

Description

本発明は表示装置に係り、詳しくは、構造色による発色機構を利用した表示装置に関するものである。

従来より、構造色による発色機構を利用した表示装置がある。
構造色とは、特定の周期構造を有する材料（周期構造体）において、ブラッグの法則に基づき特定の波長の光を干渉反射することにより得られるものである。
そして、特定の周期構造を有する材料として、コロイド粒子によるコロイド結晶が知られている。

特許文献１には、対向した２枚の電極間にコロイド結晶を挟持させ、電極間に電圧が変化しない一定電圧の直流電圧を数秒間以上連続して印加することにより、コロイド結晶の構造色を制御する技術が開示されている（段落０１１６〜０１２０参照）。
また、特許文献１には、『逆極性の電圧を電極間に印加することにより、………可逆的に表示色を変化させる』ことが記載されている（段落００６６参照）。

特許文献２には、対向した２枚の電極間にコロイド結晶を挟持させ、電極間に矩形波の交流電圧を印加し、コロイド結晶の構造色を制御する技術が開示されている。
また、特許文献２には、『本発明では所望の発色を得る事ができれば、素子電極間に印加する電圧波形には特に制限はない。ただし、プラス側の波高値とマイナス側の波高値が等しい正負対称的な電圧波形は好ましくない。この理由は、その様な波形を有する電圧が印加されると、微粒子は電極面の法線方向に振動して、前記光の選択透過機能や選択反射機能を発現できる構造体を形成できない場合があるからである。ただし、正負対称的な電圧波形は発色状態にある微粒子構造体を速やかに崩す場合には利用可能である。』ことが記載されている（段落００２５参照）。

特開２０１１−１２３２３８号公報 特開２００１−１４２０９９号公報

特許文献１の技術では、電圧が変化しない一定電圧の直流電圧を数秒間以上連続してコロイド結晶に印加するため、コロイド粒子に大きな力が印加され、コロイド粒子の規則的な配列構造が崩れて維持できず、構造色が消失するという問題がある。

特許文献２の技術では、矩形波の交流電圧をコロイド結晶に印加するため、構造色を安定して維持できないという問題がある。
尚、特許文献２には、矩形波の電圧波形を『プラス側の波高値とマイナス側の波高値が等しくない』ようにすることで、『光の選択透過機能や選択反射機能を発現できる構造体』を形成することが記載されている（請求項１５、段落００２５参照）。
しかし、矩形波の電圧波形を『プラス側の波高値とマイナス側の波高値が等しくない』ように設定したとしても、交流電圧の極性が切り替わるときにコロイド粒子の規則的な配列構造が崩れやすいため、交流電圧を印加する限り、コロイド粒子の規則的な配列構造を安定に維持することは困難である。

本発明は前記問題を解決するためになされたものであって、その目的は、構造色を安定して維持することが可能な表示装置を提供することにある。

本発明者らは前記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、下記のように本発明の各局面に想到した。

＜第１の局面＞
第１の局面は、
少なくとも可視光領域の光を透過する表示電極と、
前記表示基板に間隙をもって対向して配置された背面電極と、
前記各電極の間に挟持されたコロイド結晶溶液と、
前記各電極を介して前記コロイド結晶溶液に電圧を印加する電圧印加装置と
を備えた表示装置であって、
前記コロイド結晶溶液は、液体の分散媒の中に分散質である多数個のコロイド粒子が所定間隔で周期的に配列されて形成されたコロイド結晶構造を備え、
前記電圧印加装置は、脈流の直流電圧を前記コロイド結晶溶液に印加する表示装置である。

第１の局面では、電圧印加装置が脈流の直流電圧をコロイド結晶溶液に印加するため、コロイド粒子に徐々に力が印加され、コロイド粒子の規則的な配列構造を維持したまま、コロイド粒子間の距離を変化させることが可能になり、コロイド結晶溶液の構造色を安定して維持することができる。

＜第２の局面＞
第２の局面は、第１の局面において、前記電圧印加装置は、前記コロイド結晶溶液に対して、前記脈流の直流電圧の印加終了直後に、前記脈流の直流電圧の極性とは逆極性で電圧が変化しない一定電圧の直流電圧を所定時間だけ印加する表示装置である。
第２の局面によれば、コロイド結晶溶液の構造色を速やかに元に戻すことができる。

＜第３の局面＞
第３の局面は、第２の局面において、前記電圧印加装置は、前記コロイド結晶溶液に対して、前記脈流の直流電圧の印加終了直後に、前記脈流の直流電圧の極性とは逆極性の脈流の直流電圧を所定時間だけ印加する表示装置である。
第３の局面によれば、コロイド結晶溶液の構造色を速やかに元に戻すことができる。

＜第４の局面＞
第４の局面は、第１〜３の局面において、前記脈流の電圧波形は、間欠的なパルス状の矩形波、連続的な正弦波、間欠的なパルス状の正弦波からなるグループから選択された一つの電圧波形である表示装置である。
第４の局面によれば、第１〜３の局面の前記作用・効果を確実に得られる。

本発明を具体化した一実施形態の表示装置１０の概略構成を示す概略縦断面図。 表示装置１０の電圧印加装置２０から各電極１３，１４を介してコロイド結晶溶液１５に印加される電圧波形を示す波形図。 表示装置１０の電圧印加装置２０から各電極１３，１４を介してコロイド結晶溶液１５に印加される電圧波形の別例を示す波形図。 表示装置１０の電圧印加装置２０から各電極１３，１４を介してコロイド結晶溶液１５に印加される電圧波形の別例を示す波形図。 表示装置１０の電圧印加装置２０から各電極１３，１４を介してコロイド結晶溶液１５に印加される電圧波形の別例を示す波形図。

図１に示すように、本実施形態の表示装置１０は、表示基板１１、背面基板１２、表示電極１３、背面電極１４、コロイド結晶溶液１５（分散媒１５ａ、コロイド粒子１５ｂ）などから構成されており、電圧印加装置２０に接続されている。

表示基板１１は、少なくとも可視光領域の光を透過する透明な絶縁材料（例えば、ガラス、合成樹脂など）の板材によって形成されている。
背面基板１２は、絶縁材料（例えば、ガラス、合成樹脂など）の板材によって形成されている。
各基板１１，１２は間隙を空けて対向して配置されている。

表示基板１１の内面には表示電極１３が形成され、背面基板１２の内面には背面電極１４が形成され、各電極１３，１４はそれぞれ各基板１１，１２の対向する面に形成されている。
表示電極１３は、少なくとも可視光領域の光を透過する透明な導電材料（例えば、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)、ＦＴＯ（Fluorine doped Tin Oxide）など）の薄膜によって形成されている。
背面電極１４は、導電材料（例えば、ＩＴＯ、ＦＴＯ、その他の金属、導電性樹脂など）の薄膜によって形成されている。
電圧印加装置２０は、表示電極１３および背面電極１４に対して電気的に接続され、各電極１３，１４間に脈流の直流電圧を印加する。

各電極１３，１４間にはコロイド結晶溶液１５が充填されて挟持されている。
コロイド結晶溶液１５は、液体の分散媒１５ａ中に分散質である多数個のコロイド粒子１５ｂが所定間隔で周期的に配列されて形成されたコロイド結晶構造を備える。
本実施形態の表示装置１０では、分散媒１５ａとしてプロピレンカーボネートを用い、コロイド粒子１５ｂとしてシリカナノ粒子を用いている。

分散媒１５ａは、コロイド粒子１５ｂの表面特性に応じて定まり、分散状態では分散媒１５ａとコロイド粒子１５ｂとの親和性が高く、凝集状態では分散媒１５ａとコロイド粒子１５ｂとの親和性が低くなる特性を有する液体が用いられ、コロイド粒子１５ｂの電気泳動に必要な電位勾配を与えるために絶縁性を有することが好ましい。

コロイド結晶溶液１５のコロイド結晶構造によれば、コロイド粒子１５ｂの粒子配列の周期と同程度の波長の光をブラッグ反射し、それに起因して特定の波長の光が増幅されて、その特定の波長の光（いわゆる構造色）を発することができる。
このようなブラッグ反射による構造色の色調は、コロイド結晶構造を形成する粒子配列の周期に依存するため、粒子配列の周期を適宜設定することで所望の色調の構造色が得られる。さらに、粒子配列の周期を変化させることにより、構造色の色調も変化させることができる。
尚、コロイド粒子１５ｂの規則的な配列構造は、特に限定されないが、例えば、面心立方構造、体心立方構造、単純立方構造などにすればよく、特に面心立方構造（六方最密充填構造）が好ましい。

コロイド粒子１５ｂに応じて予め定められた電気泳動に必要な電圧範囲（泳動電圧範囲）の脈流の直流電圧が各電極１３，１４間に印加され、各電極１３，１４間に所定の電界強度以上の電界が形成されることにより、その電界強度に応じて分散媒１５ａ中をコロイド粒子１５ｂが電気泳動して移動する。
そして、分散媒１５ａ中のコロイド粒子１５ｂの移動により、コロイド粒子１５ｂ間の距離が変化して粒子配列の周期をも変化することにより、コロイド結晶溶液１５の構造色が変化する。

このとき、各電極１３，１４間に印加する脈流の直流電圧を、例えば０〜５０Ｖの電圧範囲で高くするにつれて、コロイド結晶溶液１５の構造色は、赤色→緑色→青色→無色透明の順番で変化する。
また、各電極１３，１４間に逆極性の脈流の直流電圧を印加すると、コロイド結晶溶液１５の構造色が可逆的に変化する。
これにより、分散媒１５ａ中のコロイド粒子１５ｂの電気泳動による移動と、コロイド結晶構造を形成する粒子配列の周期の変化との両立が可能であり、各電極１３，１４間に印加する脈流の直流電圧の電圧値および極性を制御することで、コロイド結晶溶液１５の構造色を自由に制御可能なことがわかる。
コロイド結晶溶液１５の構造色は、表示電極１３および表示基板１１を介して、表示基板１１の上方から視認できる。すなわち、表示基板１１の表面が表示装置１０の表示面となる。

図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、電圧印加装置２０から各電極１３，１４を介してコロイド結晶溶液１５に印加される電圧は、正極性の電圧範囲（プラス側電圧範囲：０〜VH）または負極性の電圧範囲（マイナス側電圧範囲：−VL〜０）の脈流の直流電圧であり、その脈流の電圧波形は間欠的なパルス状の矩形波である。

本発明者らは、コロイド粒子１５ｂとしてシリカナノ粒子の粒径を１７５ｎｍ、コロイド結晶溶液１５中のコロイド粒子１５ｂの濃度を４２wt％とし、分散媒１５ａとしてプロピレンカーボネートを用いた場合に、矩形波の電圧値VHを４Ｖ、矩形波のデューティ比を６７％に固定したとき、矩形波の周波数が１〜１００ｋＨｚの範囲において、コロイド結晶溶液１５の構造色を制御可能なことを実験的に見いだした。
また、コロイド結晶溶液１５を前記条件とした場合に、矩形波の電圧値VHを＋４Ｖ、矩形波の周波数を１００Ｈｚに固定したとき、矩形波のデューティ比が２０〜８０％の範囲において、コロイド結晶溶液１５の構造色を制御可能なことを実験的に見いだした。

以上のように、本実施形態の表示装置１０では、電圧印加装置２０が脈流の直流電圧をコロイド結晶溶液１５に印加するため、コロイド粒子１５ｂに徐々に力が印加され、コロイド粒子１５ｂの規則的な配列構造を維持したまま、コロイド粒子１５ｂ間の距離を変化させることが可能になり、コロイド結晶溶液１５の構造色を安定して維持できるという優れた作用・効果が得られる。

尚、特許文献２には、矩形波の交流電圧をコロイド結晶に印加することが開示されているものの、本実施形態に特有の構成（脈流の直流電圧をコロイド結晶溶液に印加する）に相当する技術内容については、一切開示されておらず示唆すらもされていない。
そして、前記のように、交流電圧を印加する限り、コロイド粒子の規則的な配列構造を安定に維持することは困難である。
従って、特許文献２に基づいて、本実施形態を想到することは、たとえ当業者といえども困難であり、また、本実施形態の前記作用・効果についても予測し得るものではない。

また、図３に示すように、脈流の直流電圧の印加終了直後に、脈流の直流電圧の極性とは逆極性で電圧が変化しない一定電圧の直流電圧を所定時間ｔだけ印加すれば、コロイド結晶溶液１５の構造色を速やかに元に戻すことができる。
図３（Ａ）は、正極性で電圧値VHの脈流の直流電圧の印加終了直後に、負極性で電圧値Vaの直流電圧を印加する例である。
図３（Ｂ）は、負極性で電圧値VLの脈流の直流電圧の印加終了直後に、正極性で電圧値Vbの直流電圧を印加する例である。

そして、図４に示すように、脈流の直流電圧の印加終了直後に、脈流の直流電圧の極性とは逆極性の脈流の直流電圧を所定時間ｔだけ印加した場合にも、コロイド結晶溶液１５の構造色を速やかに元に戻すことができる。
尚、図３および図４に示す電圧値Va，Vbおよびその印加時間ｔについては、実験的に最適値を見いだして設定すればよい。
また、図４に示す逆極性の脈流について、その周波数およびデューティ比についても、実験的に最適値を見いだして設定すればよい。

＜別の実施形態＞
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよく、その場合でも、前記実施形態と同等もしくはそれ以上の作用・効果を得ることができる。

［１］電圧印加装置２０から各電極１３，１４を介してコロイド結晶溶液１５に印加される脈流の電圧波形は、間欠的なパルス状の矩形波に限らず、どのような電圧波形でもよく、例えば、図５（Ａ）に示す連続的な正弦波、または、図５（Ｂ）に示す間欠的なパルス状の正弦波でもよい。

［２］分散媒１５ａの材料としては、プロピレンカーボネートの他に、例えば、イミダゾリウム塩系イオン液体、ピロリジニウム塩系イオン液体、ピリジニウム塩系イオン液体、アンモニウム塩系イオン液体、ホスホニウム塩系イオン液体、
スルホニウム塩系イオン液体、エチレンカーボネート、１，２−ジメトテシエタン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、アクリルモノマー、ヘキサン、シクロヘキサン、トルエン、キシレン、デカン、ヘキサデカン、ケロセン、パラフィン、イソパラフィン、シリコーンオイル、ジククロロエチレン、トリクロロエチレン、パークロロエチレン、高純度石油、エチレングリコール、アルコール類、エーテル類、エステル類、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、Ｎ−メチルピロリドン、２−ピロリドン、Ｎ−メチルホルムアミド、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、エチレンカーボネート、ベンジン、ジイソプロピルナフタレン、イソプロパノール、トリクロロトリフルオロエタン、テトラクロロエタン、ジブロモテトラフルオロエタンなどや、それらの混合物が好適に使用できる。

尚、分散媒１５ａには、必要に応じて、酸、アルカリ、塩、分散安定剤、酸化防止や紫外線吸収などを目的とした安定剤、抗菌剤、防腐剤などを添加してもよい。
また、分散媒１５ａには、帯電制御剤として、陰イオン界面活性剤、陽イオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤、フッ素系界面活性剤、シリコーン系界面活性剤、金属石鹸、アルキルリン酸エステル類、コハク酸イミド類などを添加してもよい。

［３］コロイド粒子１５ｂの材料には、粒径が約１nm〜約１０００nmであり、可視光が透過可能で、略球形になる材料であれば、どのような材料を用いてもよく、例えば、二酸化珪素、ホウ珪酸ガラス、アルミン酸カルシウム、ニオブ酸リチウム、カルサイト、二酸化チタン、チタン酸ストロンチウム、酸化アルミニウム、フッ化リチウム、フッ化マグネシウム、酸化イットリウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、セレン化亜鉛、臭ヨウ化タリウム、ダイアモンド、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタル酸、塩化ビニル、酸化ビニル、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリメタクリル酸メチルなど、珪素、ゲルマニウム、各種強誘電体（チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）など）などを用いればよい。

また、コロイド粒子１５ｂの材料には、ポリスチレン，ポリメタクリル酸メチル，二酸化珪素，二酸化チタンの内のいずれか２種以上の混合体や、これらの内の１種をコアとして他の１種以上によりコアを被覆したコアシェル構造なども用いることができる。

コロイド粒子１５ｂの製造方法には、例えば、ＵＶ（紫外線）重合法、乳化重合法、懸濁重合法、二段階鋳型重合法、化学気相反応法、電気炉加熱法、熱プラズマ法、レーザ加熱法、ガス中蒸発法、共沈法、均一沈殿法、化合物沈殿法、金属アルコキシド法、水熱合成法、ゾルゲル法、噴霧法、凍結法、硝酸塩分解法などがある。

本発明は、前記各局面および前記実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。本明細書の中で明示した論文、公開特許公報、特許公報などの内容は、その全ての内容を援用によって引用することとする。

１０…表示装置
１１…表示基板
１２…背面基板
１３…表示電極
１４…背面電極
１５…コロイド結晶溶液
１５ａ…分散媒
１５ｂ…コロイド粒子
２０…電圧印加装置

Claims (4)

1. 少なくとも可視光領域の光を透過する表示電極と、
   前記表示基板に間隙をもって対向して配置された背面電極と、
   前記各電極の間に挟持されたコロイド結晶溶液と、
   前記各電極を介して前記コロイド結晶溶液に電圧を印加する電圧印加装置と
   を備えた表示装置であって、
   前記コロイド結晶溶液は、液体の分散媒の中に分散質である多数個のコロイド粒子が所定間隔で周期的に配列されて形成されたコロイド結晶構造を備え、
   前記電圧印加装置は、脈流の直流電圧を前記コロイド結晶溶液に印加する表示装置。
2. 請求項１に記載の表示装置において、
   前記電圧印加装置は、前記コロイド結晶溶液に対して、前記脈流の直流電圧の印加終了直後に、前記脈流の直流電圧の極性とは逆極性で電圧が変化しない一定電圧の直流電圧を所定時間だけ印加する表示装置。
3. 請求項２に記載の表示装置において、
   前記電圧印加装置は、前記コロイド結晶溶液に対して、前記脈流の直流電圧の印加終了直後に、前記脈流の直流電圧の極性とは逆極性の脈流の直流電圧を所定時間だけ印加する表示装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の表示装置において、
   前記脈流の電圧波形は、間欠的なパルス状の矩形波、連続的な正弦波、間欠的なパルス状の正弦波からなるグループから選択された一つの電圧波形である表示装置。

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