JP2017040896A - 電子ペーパー用カラーディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子ペーパー用ディスプレイにおいて、カラーイメージを表示するのが難しい。本発明により電子ペーパー用カラーディスプレイを実現する。
【解決手段】 本発明の電子ペーパー用ディスプレイはイオン液体を用いる。具体的には第１の基板１と、第２の基板９との間にイオン液体７を挿入し、両基板間に所定の電圧を印加し、イオン液体７を画素部全体に拡散あるいは一箇所に凝集させることにより、画素をオン、オフ状態とする。この時このイオン液体７に色素を混合させることにより、カラー表示を可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、カラーディスプレイ装置に関するものであり、特に電子書籍、デジタルサイネージ等に用いられる電子ペーパー用カラーディスプレイ装置に関する。

電子ペーパーに用いられる表示デバイスとして、電気泳動、エレクトロウエッティング、コレステリック液晶等が用いられている。
図３（ａ），（ｂ）は電気泳動を用いた電子ペーパーの原理図を示したものである。
セルには透明なカプセル１０３中に正（＋）に帯電した白１０４と負（−）に帯電した黒１０５の顔料粒子がオイル１０６と共に収められている。このカプセルは電極１０７の上に隙間なく敷き詰められている。電極１０７と対向するように透明電極１０２をこのカプセル上に形成する。この２枚の電極１０７、１０２の間に電圧を印加することにより電極間に電界が発生し、白色及び黒色の顔料はオイル中を泳動する。 結果、選ばれた色の顔料粒子がカプセルの表示面側に集まり、白黒の表示が行なわれる。 左図では表面側の電極１０２に負の電圧が印加されたため、正（＋）に帯電した白の粒子１０４が表面に集まり白を表示し、右の図ではその反対に黒の粒子１０５が表面に集まり黒を表示している。
この白黒表示は微小な電極によって作られる各画素に電圧を印加することで１画面の表示を行う。またカプセル中の顔料粒子は電界がないと簡単には動かないため、電圧を切った後も表示は維持され、印刷物のように読み取ることができる。
この電気泳動法を用いた表示ではカラー表示を行うことが難しい。カラー表示を行うためには各画素に異なる色の顔料粒子を白色の顔料に置き換える方法等が必要であるが、製造方法が複雑でコスト高になる。

第４図（ａ），（ｂ）はエレクトロウエッティングの原理を示したものである。電極２１３表面には疎水性を持つフッ素樹脂層２１２を積層しその上にカラー油膜層２１１、水分層２１０を積層して封止する。電圧を印加しない状態では左図に示すようにフッ素樹脂層２１２表面は疎水性を示し、カラー油膜層２１１が水分層２１０とフッ素樹脂層２１２の間で連続した膜を形成する。電極に電圧を印加すると表面状態が変化し、水分層２１０がフッ素樹脂層表面２１２に接触すると同時にカラー油膜層２１１は表面張力により隅のほうへ移動する。すなわち電圧のオンオフにより、カラー油膜層２１１が隅に移動し、画素が透明となるオン状態（ｂ）とカラー油膜層２１１が画素全面を覆い画素が色づいたオフ状態（ａ）を切り替えることが可能となる。
この方法ではカラー化は可能であるが、表面状態の安定性等が課題である。また水を含めた液体の封入方法も一般の電子ペーパーとして用いる時の課題となる。

電子ペーパーは近年、電子書籍用ディスプレイに用いられ、開発が活発化している。特に大型の広告、表示板用としてフレキシブルかつカラー化の期待が大きい。

ＷＯ９８／０３８９６ ＷＯ２０１２／０３９４７１

従来の電子ペーパー用ディスプレイにおいて、カラー化は大きな課題であった。カラー化のためには、素子構造、作製工程が複雑になり、コスト高となる。また安定し、再現性に優れた素子の実現が解決しようとする課題である。

本発明ではイオン液体を用いカラーディスプレイ装置を実現する。具体的には
共通電極及び絶縁膜を表面に形成した第１の基板と、複数の画素に対応した複数の画素電極を形成した第２の基板と、前記複数の画素の各画素の周囲に設けられ前記画素前記第１の基板と前記第２の基板の間隔を保持する第１のスペーサーと、前記第１の基板上に形成され第１の基板と前記第２の基板の間にあって前記第１のスペーサーの高さより低く画素よりも狭い幅を持つ第２のスペーサーとからなり、
前記第２のスペーサーの前記第２の基板に対向する表面は光を反射もしくは散乱する材料からなり、前記共通電極と個別電極に電圧を印加しない状態で画素領域のうち前記第２のスペーサーで占有されないスペースにイオン液体を充填し、前記第２のスペーサーと前記第２の基板の間のスペースに懸濁液を充填することを特徴とするカラーディスプレイであり、各画素には赤、青、緑のうちいずれかのカラー色素を含前記イオン液体が充填され、懸濁液は黒色の色素を含むことを特徴とする電子ペーパー用カラーディスプレイ装置である。
さらに、別の構成としては
共通電極及び絶縁膜を表面に形成した第１の基板と、複数の画素に対応した複数の画素電極を形成した第２の基板と、前記複数の画素の各画素の周囲に設けられ前記画素前記第１の基板と前記第２の基板の間隔を保持する第１のスペーサーと、前記第１の基板上に形成され第１の基板と前記第２の基板の間にあって前記第１のスペーサーの高さより低く画素よりも狭い幅を持つ第２のスペーサーとからなり、第２のスペーサーは光を透過する材料からなり、前記共通電極と個別電極に電圧を印加しない状態で画素領域のうち前記第２のスペーサーで占有されないスペースに所定の色素を混入したイオン液体を、前記第２のスペーサーと前記第２の基板の間のスペースに透明な液体を充填したカラーディスプレイにおいて、シアン（Ｃ）の色素を含むイオン液を封入した第１のカラーディスプレイパネルとマジェンダ（Ｍ）の色素を含むイオン液を封入したと第２のカラーディスプレイとイエロー（Ｙ）の色素を含むイオン液を封入したと第３のカラーディスプレイを積層し、光の入射方向と該積層したカラーディスプレイを挟んで反対の位置に光を反射もしくは散乱板を設けることを特徴とする電子ペーパー用カラーディスプレイ装置である。

本発明によれば、いろいろな色素を含むイオン液体を用いることにより、フルカラーディスプレイが実現できる。イオン液に含まれるイオン成分を電界によりコントロールすることにより、安定して動作し、優れた色再現性が得られる。

本発明の基本概念を示す断面図 本発明の動作を示す平面図 従来の電気泳動素子を示す図 従来のエレクトロウエッティングの原理を示す図 本発明の用いた第１の実施例の反射型カラーディスプレイ装置 本発明の用いた第２の実施例の反射型カラーディスプレイ装置を説明する断面図

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

本発明を用いた一実施例として、１枚の基板上に赤、青、緑の画素を形成した反射型カラーディスプレイデバイスを用いて説明する。

図１（ａ）、（ｂ）本発明の基本概念を示したものである。第１の基板１上に共通電極２、絶縁膜３を形成する。一方の第２の基板９上には透明な画素電極８が形成されている。第１の基板１と第２の基板９を共通電極２及び画素電極８が内側に向かい合うようにして貼りあわせる。この時、２つの基板の間の一定の間隔で保持するため第１のスペーサー４を挟んで固定する。この２枚の基板及びスペーサーで囲まれた画素空間には、第２の基板９とその表面が一定の間隔ｄ１になるような高さを持ち少なくとも１つの第１のスペーサー４と一定の距離ｄ２を保持するような第２のスペーサー５が第１の基板上に作製されている。また、共通電極２と画素電極８に電圧が印加されない状態で、第１のスペーサー４と第２のスペーサー５の間には赤、緑もしくは青の色素を含むイオン液体６が充填され、第２のスペーサー５と第２の基板９間のスペースには黒色の懸濁液７が充填されている。このような素子に光１０が入射した場合を考える。まず電圧を印加しない状態では、画素領域には黒色の懸濁液７が広がっており、画素は黒状態となる。一方共通電極２と画素電極８に電圧が印加されると、イオン液体６は電界に引かれて画素部に広がる。画素部に広がったイオン液体６’は電界に沿って正電荷層２０−２と負電荷層２０−３に分かれ、電気２重層を形成する。

これはイオン液体６が表面張力よりも電界によるイオン液６が移動する力が大きくなった場合に生じる。すなわちイオン液体６が表面張力に逆らって画素全体に広がることにより発生する表面エネルギーの損失をΔγとし、電気２重層を形成することによる静電エネルギーの増加をＵとすると、表面エネルギーの損失よりも静電エネルギーの増加が大きい場合、すなわちΔγ＜Ｕの条件でイオン液６は画素へ広がることとなる。さらに共通電極２と画素電極８の電圧を０にすると表面張力によりイオン液体はもとの状態に戻り、画素電極表面は懸濁液７でおおわれる。印加電圧の有無により画素のオン状態（イオン液体が画素に広がる状態）とオフ状態（懸濁液が画素に広がる状態）を切り替えることができる。
この画素に光１０が入射した場合、オフ状態では光１０は黒色の懸濁液に吸収され、画素は黒となる。画素がオン状態の場合光１０’は所定の色に着色されたイオン液体中を進み、第２のスペーサー５の表面で反射散乱され出射する。従ってオン状態では画素は赤、緑もしくは青となる。電圧をオンとオフ状態の中間に設定することによりイオン液体の広がる面積を連続的に変化することができ、フルカラーでの表示も可能となる。

図２（ａ）、（ｂ）は上記の画素のオンオフの状態を画素の平面方向から示したものである。電圧オフ状態はスペーサー４に囲まれた画素領域は黒色の懸濁液７に覆われ黒色を示す。一方電圧を印加すると懸濁液は色素を含むイオン液体６’に置き換わり、イオン液体に含まれる色素の色、赤、緑あるいは青となる。

図５は電子ペーパー用カラーディスプレイ装置の構成を示す図である。赤の色素を含むイオン液体を封入した画素３０−１、緑の色素を含むイオン液体を封入した画素３０−２、青の色素を含むイオン液体を封入した画素３０−３、をマトリックス状に配置させる。各画素は薄膜トランジスタ３１に接続され、薄膜トランジスタのゲート極とソース電極はゲート配線３２及びソース配線３３に接続されている。ゲート配線及びソース配線にゲート電圧およびソース信号を順次印加することにより各画素に電圧を印加し色情報を表示させることができる。

図６は第２の実施例を示す図である。動作原理は第１の実施例と同じでイオン液体が電圧により画素に広がる現象を利用する。 第１のディスプレイパネル４０はイオン液体４６としてシアンフィルターを形成する色素を含む。第２のディスプレイパネル５０はイオン液体５６としてイエローフィルターを形成する色素を含む。また第３のディスプレイパネル６０はイオン液体６６としてマジェンダフィルターを形成する色素を含む。また第１の実施例で用いた懸濁液４７、５７，６７は本実施例では透明な液体を用い、第２のスペーサー４５，５５，６５も透明で表面で散乱反射のないものを用いる。第１、第２、第３のカラーディスプレイパネルを積層し光入射側と３層の積層パネルを挟んで反対側に白色の反射散乱板７０を設置し、電子ペーパー用カラーディスプレイ装置を構成する。
光１０が本実施例であるカラーディスプレイに入射すると光はシアンフィルター、イエローフィルター、マジェンダフィルターを通って反射散乱板で反射散乱され、全面に出射される。電圧が印加された場合、イオン液体は画素に広がりカラーフィルターの働きをして、電圧をかけない状態では透明液体が画素部に広がり光はそのまま透過する。電圧が画素のオンとオフの間にある場合には一部がフィルターとなり、連続的にフィルターの透過率を変化させることができる。

（作用及び効果）
本実施例において、イオン液体を用いることにより安定でかつカラー表示可能な反射型カラーディスプレイを得ることができる。
フィルターを使わなくてもフルカラー化が可能であり、安価で作製が可能となる。

１、９ 基板
２、８ 電極
３ 誘電体
４、５ スペーサー
６、６′ イオン液体
７、７′ 懸濁液
１０、１０′ 光線
３０−１、３０−２、３０−３ 画素
３１ 薄膜トランジスタ
３２ ゲート配線
３３ ソース配線
４５，５５，６５ 透光板
４６、５６、６６ イオン液体
４７、５７，６７ 透光性液体
７０ 反射板

Claims (2)

1. 共通電極及び絶縁膜を表面に形成した第１の基板と、複数の画素に対応した複数の画素電極を形成した第２の基板と、前記複数の画素の各画素の周囲に設けられ前記画素前記第１の基板と前記第２の基板の間隔を保持する第１のスペーサーと、前記第１の基板上に形成され第１の基板と前記第２の基板の間にあって前記第１のスペーサーの高さより低く画素よりも狭い幅を持つ第２のスペーサーとからなり、
   前記第２のスペーサーの前記第２の基板に対向する表面は光を反射もしくは散乱する材料からなり、前記共通電極と個別電極に電圧を印加しない状態で画素領域のうち前記第２のスペーサーで占有されないスペースにイオン液体を充填し、前記第２のスペーサーと前記第２の基板の間のスペースに懸濁液を充填することを特徴とするカラーディスプレイであり、各画素には赤、青、緑のうちいずれかのカラー色素を含前記イオン液体が充填され、懸濁液は黒色の色素を含むことを特徴とする電子ペーパー用カラーディスプレイ装置
2. 共通電極及び絶縁膜を表面に形成した第１の基板と、複数の画素に対応した複数の画素電極を形成した第２の基板と、前記複数の画素の各画素の周囲に設けられ前記画素前記第１の基板と前記第２の基板の間隔を保持する第１のスペーサーと、前記第１の基板上に形成され第１の基板と前記第２の基板の間にあって前記第１のスペーサーの高さより低く画素よりも狭い幅を持つ第２のスペーサーとからなり、第２のスペーサーは光を透過する材料からなり、前記共通電極と個別電極に電圧を印加しない状態で画素領域のうち前記第２のスペーサーで占有されないスペースに所定の色素を混入したイオン液体を、前記第２のスペーサーと前記第２の基板の間のスペースに透明な液体を充填したカラーディスプレイにおいて、シアン（Ｃ）の色素を含むイオン液を封入した第１のカラーディスプレイパネルとマジェンダ（Ｍ）の色素を含むイオン液を封入したと第２のカラーディスプレイとイエロー（Ｙ）の色素を含むイオン液を封入したと第３のカラーディスプレイを積層し、光の入射方向と該積層したカラーディスプレイを挟んで反対の位置に光を反射もしくは散乱板を設けることを特徴とする電子ペーパー用カラーディスプレイ装置