JP2022531327A

JP2022531327A - アクティブマトリクスバックプレーンと併用するための高誘電定数を有する層状構造

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Publication number: JP2022531327A
Application number: JP2021564787A
Authority: JP
Inventors: クリスティーナヴィサーニ，; スティーブンジェイ．テルファー，; コスタラダバック，; ケネスアール．クラウンス，; ティモシージェイ．オマリー，; テックピンシム，
Original assignee: イーインクコーポレイション
Priority date: 2019-05-03
Filing date: 2020-04-30
Publication date: 2022-07-06
Anticipated expiration: 2040-04-30
Also published as: US11675244B2; US20220390806A1; JP7453253B2; TW202103919A; TW202134043A; TWI755719B; JP7297380B2; KR20210135610A; US20200348576A1; CN114063360B; WO2020226985A1; EP3963396A4; US11921394B2; EP3998371A1; CN113767329A; US20230288772A1; CN114063360A; JP2023025272A; TWI760200B; KR20210134418A

Abstract

特に、電気泳動およびエレクトロウェッティング用途に関連するようなマイクロ電子デバイス内の誘電強度を制御することにおける使用のための層状誘電材料。具体的には、第１の原子層堆積（ＡＬＤ）ステップ、スパッタリングステップ、および第２のＡＬＤステップの組み合わせが、化学的に堅牢でありほぼピンホールのない層をもたらす。誘電層は、電気泳動ディスプレイの透明共通電極上に配置されるか、もしくはピクセル化されたバックプレーン電極を被覆するか、または両方であり得る。

Description

本願は、２０１９年５月３日に出願された米国仮出願第６２／８４３，０８２号の優先権を主張する。本明細書において参照される全ての特許および特許出願は、参照することによってその全体として援用される。

電気泳動ディスプレイは、通常、電気泳動材料の層と、電気泳動材料の対向する側に配置される少なくとも２つの他の層（これらの２つの層のうちの１つは、電極層である）とを備える。大部分のそのようなディスプレイでは、層は両方とも、電極層であり、電極層の一方または両方が、ディスプレイのピクセルを画定するようにパターン化される。典型的には、一方の電極層は、単一の連続電極の形態を有し、他方の電極層は、ピクセル電極のマトリクスにパターン化され、ピクセル電極の各々が、ディスプレイの１つのピクセルを画定する。ある例では、電気泳動媒体は、マイクロカプセル内にカプセル化され、マイクロカプセルは、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を備える可撓性基板上にコーティングされた結合剤、またはプラスチックフィルム（剥離性）上の同様の伝導性コーティング（最終的なディスプレイの１つの電極として作用する）中に分散され、カプセル／結合剤コーティングは、乾燥され、基板にしっかりと接着された電気泳動媒体のコヒーレント層を形成する。別個に、ピクセル電極のアレイと、ピクセル電極を駆動回路網に接続するための導体の適切な配列とを含有するバックプレーンが、調製される。最終的なディスプレイを形成するために、カプセル／結合剤層を上に有する基板は、積層接着剤を使用してバックプレーンに積層される。

積層接着剤（単数または複数）および結合剤は、電気泳動粒子が予測可能に挙動するような特定の伝導性を有するように画策される。例えば、白黒電気泳動ディスプレイでは、ディスプレイが特定のグレー状態を達成するようにアドレス指定されるとき、グレー状態は、測定される反射率が経時的にドリフトすべきではない。しかしながら、実際には、層状スタックは、コンデンサとして作用し、光学状態は、貯蔵された電気エネルギーがディスプレイスタックから放電するにつれて、若干ドリフトする。そのような変動は、多くの場合、白黒電子リーダでは、知覚可能ではないが、ディザリングされた色を使用するフルカラー電気泳動ディスプレイ等の高度な用途では、知覚される画像は、容量放電に起因して著しく変動し得る。着色顔料が容量減衰に伴って偏移するにつれて、例えば薄橙色調は、緑色色相を帯び得、これは、多くの視認者にとって直ちに顕著となる。そのような限界を回避するために、電気泳動材料のスタック内の誘電静電容量を制御するためのより良好なツールを有することが有益であり得る。さらなる利点は、ピクセル電極等の伝導性材料と、加工中に接着性層または電気泳動媒体の中に導入され得る塩等の微量材料との間の電気化学反応を低減させることであり得る。

電気泳動ディスプレイ内の電気泳動流体によって被られる電場は、駆動波形と、（ａ）ディスプレイを構成する種々の層の静電容量、および、より重要なこととして、（ｂ）これらの層間の界面の静電容量とに依存する。ディスプレイが、駆動された後に接地されると、これらのコンデンサ内に貯蔵された電荷は、帰還電流が流動する静電容量および抵抗に依存する時間定数で消耗される。この時間定数が短すぎる場合、過度に高速な放電が、荷電顔料の運動をそれらが元々駆動された方向と反対方向に引き起こし得る。この現象は、「光学キックバック」と称される。この時間定数を制御することが可能であるように、ディスプレイ内の種々の層および界面、特に、ディスプレイのイオン伝導性層と駆動電極のうちの少なくとも１つとの間の界面の静電容量を画策することが好ましいであろう。

光学的キックバックを克服するための１つの解決策は、いわゆる「ＤＣ平衡」波形を用いて電気泳動流体を駆動することである。米国特許第６，５３１，９９７号および第６，５０４，５２４号に議論されるように、ディスプレイを駆動するために使用される方法が、電気光学媒体を横断して、ゼロまたはほぼゼロの正味時間平均印加電場をもたらさない場合、問題に遭遇し、ディスプレイの作業寿命が低減させられ得る。電気光学媒体を横断してゼロ正味時間平均印加電場をもたらす駆動方法は、便宜的に、「直流平衡」または「ＤＣ平衡」と称される。ＤＣ平衡されない駆動波形は、典型的には、「ＤＣ非平衡」と称される。大部分の電気泳動ディスプレイは、動作寿命、およびキックバック等の光学効果についての懸念のため、ＤＣ平衡波形を用いて動作するように設計される。

電気泳動ディスプレイに加え、誘電静電容量の制御もまた、エレクトロウェッティングディスプレイ、およびデジタルマイクロ流体工学等のエレクトロウェッティング用途において重要である（代替として、エレクトロウェッティングオン誘電体または「ＥＷｏＤ」と称される）。ＥＷｏＤ技法は、サンプル調製、アッセイ、および合成化学作用が、微量のサンプルおよび試薬の両方を用いて実施されることを可能にする。（エレクトロウェッティング技術の２０１２年版概説が、「ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ」、Ａｎｎｕ．Ｒｅｖ．Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２０１２、５：４１３－４０においてＷｈｅｅｌｅｒによって提供されており、これは、参照することによってその全体として本明細書に援用される）。そのようなＥＷｏＤデバイスは、区画化された電極を用いて構築され得、それによって、１０～２０個の電極が、直接、電圧コントローラを用いて駆動される。代替として、ＥＷｏＤデバイスは、数千、数十万、またはさらに数百万個のアドレス指定可能電極を含むアクティブマトリクスデバイス（ＡＭ－ＥＷｏＤとして知られるアクティブマトリクスＥＷｏＤとして知られる）を組み込み得る。アクティブマトリクスでは、電極は、典型的には、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）によって制御され、液滴運動は、複数の液滴を制御し、同時分析プロセスを実行するためのかなりの自由度を可能にする汎用目的デバイスとしてＡＭ－ＥＷｏＤアレイが使用され得るように、コンピュータプログラム可能である。いくつかの事例では、ＥＷｏＤシステムの電極は、窒化ケイ素等の高誘電定数材料でコーティングされ、ピクセルにおける局所的場強度を増加させ、したがって、より優れた液滴制御を促進する。

米国特許第６，５３１，９９７号明細書米国特許第６，５０４，５２４号明細書

Ｗｈｅｅｌｅｒ，ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ，Ａｎｎｕ．Ｒｅｖ．Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，２０１２，５：４１３－４０

本願は、半導体電子機器、電気光学ディスプレイ、およびデジタルマイクロ流体デバイスを含むいくつかの用途のために使用され得る好ましい誘電層構造体を開示する。説明される誘電層は、良好な表面平滑性を有し、ピンホールが殆どなく、かつ化学反応性が低減させられた高誘電定数を達成する。

１つの事例では、本発明は、第１の層（障壁層として知られる）と、第２の層（厚い層として知られる）と、第３の層（キャッピング層として知られる）とを備える層状誘電体を含み、第２の層は、第１の層と第３の層との間に配置される。第１の層は、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムを含み、９ｎｍ～８０ｎｍの厚さを有する。第２の層は、酸化タンタルまたは酸化ハフニウムを含み、４０ｎｍ～２５０ｎｍの厚さを有する。第３の層は、酸化タンタルまたは酸化ハフニウムを含み、５ｎｍ～６０ｎｍの厚さを有する。ある実施形態では、第１の層は、Ａｌ_２Ｏ_３を備え、第２の層は、ＨｆＯ_２を備え、第３の層は、Ｔａ_２Ｏ_５を備える。別の実施形態では、第１の層は、Ａｌ_２Ｏ_３を備え、第２の層は、Ｔａ_２Ｏ_５を備え、第３の層は、ＨｆＯ_２を備える。典型的には、第１の層は、２０～４０ｎｍの厚さであり、および／または第２の層は、１００～１５０ｎｍの厚さであり、および／または第３の層は、１０～３５ｎｍの厚さである。いくつかの実施形態では、層状誘電体の誘電強度は、６ＭＶ／ｃｍを上回る。

本発明の誘電層は、基板、例えば、基板と層状誘電体との間に配置される複数の電極を含む基板上に堆積させられることができる。いくつかの実施形態では、電極は、アレイ内に配置され、各電極は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）と関連付けられる。いくつかの実施形態では、疎水性層が、第３の層上、すなわち、誘電スタックの上部に堆積させられる。いくつかの実施形態では、疎水性層は、フルオロポリマーであり、これは、１０～５０ｎｍの厚さであり、スピンコーティングまたは別のコーティング方法を用いて堆積させられることができる。

また、本明細書に説明されるものは、上記に説明されるタイプの層状誘電体を作成するための方法である。方法は、基板を提供することと、原子層堆積（ＡＬＤ）を使用して第１の層を堆積させることと、スパッタリングを使用して第２の層を堆積させることと、ＡＬＤを使用して第３の層を堆積させることとを含む。（第１の層は、基板上に堆積させられ、第２の層は、第１の層上に堆積させられ、第３の層は、第２の層上に堆積させられる）。第１のＡＬＤ層は、典型的には、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムを含み、９ｎｍ～８０ｎｍの厚さを有する。第２のスパッタリングされた層は、典型的には、酸化タンタルまたは酸化ハフニウムを含み、４０ｎｍ～２５０ｎｍの厚さを有する。第３のＡＬＤ層は、典型的には、酸化タンタルまたは酸化ハフニウムを含み、５ｎｍ～６０ｎｍの厚さを有する。いくつかの実施形態では、原子層堆積は、プラズマ支援原子層堆積を含む。いくつかの実施形態では、スパッタリングは、高周波マグネトロンスパッタリングを含む。いくつかの実施形態では、原子層堆積プロセスは、Ａｌ（ＣＨ_３）_３、Ｔａ［（Ｎ（ＣＨ_３）_２）_３ＮＣ（ＣＨ_３）_３］、またはＨｆ（Ｎ（ＣＨ_３）_２）_４の導入と、酸素プラズマの生成とを含む。いくつかの実施形態では、ＡＬＤプロセスは、１大気未満の圧力で完了される。いくつかの実施形態では、方法はさらに、疎水性材料を第３の層上にスピンコーティングすることを含む。

本明細書に説明される誘電層は、例えば、接着剤成分、結合剤、プライマ、または電気泳動媒体と、駆動電極、例えば、アクティブマトリクスバックプレーンまたは上部電極、例えば、ＰＥＴ－ＩＴＯの層との間の電気化学反応を低減させることによって、ディスプレイの寿命を改良するために、電気泳動ディスプレイにおいて使用され得る。誘電層を電気泳動ディスプレイ内に意図的に含むことは、典型的には、減少させられた光学性能を引き起こすが、ＤＣ非平衡波形を用いて駆動されるディスプレイでは、容認可能光学性能が、更新間の電極の規則的能動接地を用いて達成され得ることが見出されている。画像内のピクセルに関する全体的更新時間は、（ａ）ＤＣ平衡パルスに費やされる時間が、要求されず、（ｂ）ＤＣ平衡パルスが、意図される色と反対方向にディスプレイの光学状態をバイアスし、克服するための付加的波形時間を要求し得るため、減少させられることができる。ＤＣ非平衡波形は、残留電圧の蓄積につながるが、これは、駆動後接地の間に消耗されることができる。

そのような誘電層は、電気泳動ディスプレイ、例えば、光透過性電極と、誘電層と、電気泳動層と、背面電極とを含む電気泳動ディスプレイの中に組み込まれることができる。典型的には、電気泳動層は、第１の光散乱粒子のセットと、第１の光散乱粒子のセットと異なる光学特性を有する粒子の２つの付加的セットとを含む。いくつかの実施形態では、誘電層は、１０ｎｍの厚さ～１００ｎｍの厚さ、すなわち、２５ｎｍの厚さ～７５ｎｍの厚さである。誘電層は、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、または窒化ケイ素を備え得、誘電層は、原子層堆積とスパッタリングとの両方の組み合わせによって形成され得る。いくつかの実施形態では、電気泳動ディスプレイはまた、接着性層を備える。いくつかの実施形態では、電気泳動層は、４つのセットの荷電顔料粒子を含む。４つのセットの荷電顔料粒子は、非極性溶媒中に分散され得る。４つのセットの荷電顔料粒子は、白色、シアン色、マゼンタ色、および黄色の色、または白色、黒色、赤色、および黄色の色、または白色、青色、赤色、および黄色の色であり得る。いくつかの実施形態では、粒子のセットのうちの２つは、正に荷電させられ、粒子のセットのうちの２つは、負に荷電させられる。

本発明は、加えて、ＤＣ非平衡波形を用いて電気泳動ディスプレイを駆動する方法を含む。方法は、電気泳動ディスプレイを提供することと、電圧源を提供することと、駆動部分および接地部分の両方を含むＤＣ非平衡波形を用いて、電気泳動層を駆動することとを含む。電気泳動ディスプレイは、光透過性電極と、誘電層と、電気泳動層と、背面電極とを含む。いくつかの実施形態では、駆動部分は、第１の期間の間に行われ、接地部分は、第２の期間の間に行われ、第２の期間は、第１の期間と同じ長さまたはより長い。いくつかの実施形態では、誘電層は、１０ｎｍの厚さ～１００ｎｍの厚さ、すなわち、２５ｎｍの厚さ～７５ｎｍの厚さである。誘電層は、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、または窒化ケイ素を含み得る。いくつかの実施形態では、誘電層は、原子層堆積とスパッタリングの両方を使用して形成される。いくつかの実施形態では、電気泳動ディスプレイは、加えて、接着性層を含む。いくつかの実施形態では、電気泳動層は、非極性溶媒中に分散される少なくとも２つの荷電顔料粒子を含み、例えば、電気泳動層は、４つの荷電顔料粒子を含み得る。４つの荷電顔料粒子を伴う実施形態では、粒子は、白色、シアン色、マゼンタ色、および黄色、または白色、黒色、赤色、および黄色、または白色、青色、赤色、および黄色であり得る。

図１Ａは、カプセル化された電気泳動媒体を有する誘電層の使用を図示する。

図１Ｂは、マイクロセル内に含有される電気泳動媒体を有する誘電層の使用を図示する。

図１Ｃは、カプセル化された電気泳動媒体を有する誘電層の使用を図示する。

図１Ｄは、マイクロセル内に含有される電気泳動媒体を有する誘電層の使用を図示する。

図１Ｅは、カプセル化された電気泳動媒体を有する誘電層の使用を図示する。

図１Ｆは、マイクロセル内に含有される電気泳動媒体を有する誘電層の使用を図示する。

図２は、異なる電荷状態を隣接する電極上に提供することによる、隣接する電極間での水相液滴の移動を描写する。典型的には、誘電層および疎水性層は、ピクセル電極と液滴との間に配置される。

図３は、ＥＷｏＤデバイスがディスプレイのためのピクセル電極のアクティブマトリクスと同様に駆動されることができる方法を示す簡略化された回路図である。

図４は、基板上の誘電層の実施形態を図示する。

図５は、ピクセル電極を含む基板上の誘電層の実施形態を図示する。

図６は、誘電層を作成するためのステップを図示する。

図７は、本発明の誘電スタック内の３つの層の各々の原子間力顕微鏡検査画像を示す。

図８は、図７のＡＦＭ画像を横断した点線における線形位置の関数としての例示的高さ測定を示す。

図９Ａは、電気泳動ディスプレイ内の残留電圧応答に関するベースラインを計算するために使用されることができる第１のモデル回路を図示する。

図９Ｂは、１つ以上の誘電層を電気泳動ディスプレイに追加する利点を計算するために使用されることができる第２のモデル回路を図示する。

図１０Ａは、スタックが波形「スタック」を用いて駆動されるときの、図９Ａのモデル回路の各構成要素Ｃ１－Ｃ４に関する計算された電圧応答である。

図１０Ｂは、スタックが波形「スタック」を用いて駆動されるときの、図９Ｂのモデル回路の各構成要素Ｃ１－Ｃ５に関する計算された電圧応答である。

図１１Ａは、１００％駆動／接地デューティサイクルを用いて駆動されるときの、種々のＳｉＮｉ誘電層厚を有する試験セル上で測定された残留電圧を示す。

図１１Ｂは、５０％駆動／接地デューティサイクルを用いて駆動されるときの、種々のＳｉＮｉ誘電層厚を有する試験セル上で測定された残留電圧を示す。

図１１Ｃは、２５％駆動／接地デューティサイクルを用いて駆動されるときの、種々のＳｉＮｉ誘電層厚を有する試験セル上で測定された残留電圧を示す。

図１２は、誘電層を有する場合（遮断）または誘電層を有しない場合（非遮断）の正面電極を有する電気泳動ディスプレイ内の駆動電圧の関数として、測定された抵抗電流密度を示す。

本願は、高（ｋ＝５を上回る）誘電定数を有する層状誘電材料を作成するための構造体および方法を詳述する。本明細書に説明される層状誘電体は、例えば、電気泳動媒体と上部および底部電極との間の電場相互作用を修正するための優れた材料である。さらに、層状誘電体は、非常に少ないピンホールを有するため、結果として生じるデバイス内には、より少ない電流漏出およびより少ない不要な電気化学的性質が存在する。

高ｋ誘電材料の利点は、材料科学および電気工学の分野において評価されている。誘電定数ｋは、概して、電気エネルギーを電場内に貯蔵するための材料の能力を説明する。概して、材料の誘電定数が増加するにつれて、その材料を通過する電場の量は、減少する。したがって、高誘電定数材料は、電場を一定にし、集中させられた電場勾配を防止するために使用され、集中させられた電場勾配は、例えば、トランジスタ等の電気素子の不要な電気的切替を引き起こし得る。誘電層の連続性は、厚さまたは組成物の変動が、短絡回路および絶縁破壊のための経路を作成し得るため、非常に重要である。

電気泳動ディスプレイと併用されるとき、誘電層は、電気泳動ディスプレイの透明共通電極を被覆するか、またはピクセル化されたバックプレーン電極を被覆するか、またはその両方であるように提供される。誘電層は、２つの機能を実施する。第１に、イオンおよび電子輸送に対する障壁として作用する。イオンおよび電子輸送を低減させることは、電極界面における低減させられた電気化学的性質をもたらし、それによって、ディスプレイが駆動されるときの電極材料の劣化を緩和する。第２に、誘電層は、ディスプレイ電極および伝導性ディスプレイ層を分離するため、ディスプレイ内における残留電圧の蓄積および放電を制御するために使用され得る容量素子を提供する。これらの２つの特徴は、特に、ＤＣ非平衡波形を用いて駆動されるディスプレイにおいて重要である。

長年にわたって集中的研究および開発の対象である１つのタイプの電気光学ディスプレイは、複数の荷電粒子が電場の影響下で流体を通って移動する粒子ベースの電気泳動ディスプレイである。電気泳動ディスプレイは、液晶ディスプレイと比較して、良好な明るさおよびコントラスト、広い視認角度、状態双安定性、および低電力消費の属性を有することができる。それにもかかわらず、これらのディスプレイの長期画質に関する問題が、それらの広範な使用を妨げている。例えば、電気泳動ディスプレイを構成する粒子は、沈降する傾向にあり、これらのディスプレイにとって不適正な有効寿命をもたらす。

電気泳動ディスプレイは、通常、電気泳動材料の層と、電気泳動材料の対向する側に配置される少なくとも２つの他の層（これらの２つの層のうちの１つは、電極層である）とを備える。大部分のそのようなディスプレイでは、層は両方とも電極層であり、電極層の一方または両方は、ディスプレイのピクセルを画定するようにパターン化される。例えば、一方の電極層は、細長行電極にパターン化され、他方は、行電極に対して直角に延設される細長列電極にパターン化され得、ピクセルは、行電極および列電極の交点によって画定される。代替として、より一般には、一方の電極層は、単一の連続電極の形態を有し、他方の電極層は、ピクセル電極のマトリクスにパターン化され、ピクセル電極の各々が、ディスプレイの１つのピクセルを画定する。ディスプレイと別個であるスタイラス、印刷ヘッド、または同様の可動電極と併用するために意図される別のタイプの電気泳動ディスプレイでは、電気泳動層に隣接する層のうちの１つのみが、電極を備え、電気泳動層の反対側の層は、典型的には、可動電極が電気泳動層を損傷させることを防止するように意図される保護層である。

本明細書で使用される電気泳動媒体は、色、反射性質もしくは吸収性質、電荷密度、および電場内の移動度（ゼータ電位として測定される）が変動する荷電粒子を含む。広帯域内または選択された波長のいずれかにおける光を吸収、散乱、または反射させる粒子は、本明細書では、着色粒子または顔料粒子と称される。色素または光結晶等の光を吸収または反射させる（不溶性着色材料を意味するこの用語の厳密な意味での）顔料以外の種々の材料も、本発明の電気泳動媒体およびディスプレイにおいて使用され得る。例えば、電気泳動媒体は、流体と、流体中に分散される複数の第１の粒子および複数の第２の粒子であって、第１の粒子および第２の粒子は、反対極性の電荷を担持し、第１の粒子は、光散乱粒子であり、第２の粒子は、減法三原色のうちの１つを有する、複数の第１の粒子および複数の第２の粒子と、流体中に分散される複数の第３の粒子および複数の第４の粒子であって、第３の粒子および第４の粒子は、反対極性の電荷を担持し、第３の粒子および第４の粒子は各々、相互におよび第２の粒子からも異なる減法三原色を有し、第３の粒子および第４の粒子によって形成される凝集体を分離するために要求される電場は、任意の他の２つのタイプの粒子から形成される凝集体を分離するために要求されるものを上回る、複数の第３および複数の第４の粒子とを含み得る。

本発明の電気泳動媒体は、例えば、上記に述べられたＥＩＮＫおよびＭＩＴの特許および出願に説明されるような先行技術電気泳動媒体において使用される添加剤のいずれかを含有し得る。したがって、例えば、本発明の電気泳動媒体は、典型的には、種々の粒子上の電荷を制御するための少なくとも１つの電荷制御剤を備え、流体は、その中に約２０，０００超の平均分子量を有し、ディスプレイの双安定性を改良するために本質的に粒子上で非吸収性であるポリマーを溶解または分散させ得、これは、前述の米国特許第７，１７０，６７０号に説明される。

一実施形態では、本発明は、典型的に白色である光散乱粒子と、３つの実質的に非光散乱粒子とを使用する。当然ながら、完全光散乱粒子または完全非光散乱粒子のようなものは存在せず、光散乱粒子の最小光散乱度、および本発明の電気泳動において使用される実質的に非光散乱粒子中で許容可能な最大許容可能光散乱度は、使用される正確な顔料、それらの色、および理想的に所望される色からのある程度の逸脱を許容するユーザの能力または用途等の要因に応じて、幾分か変動し得る。顔料の散乱特性および吸収特性は、白色および暗い背景に対する適切なマトリクスまたは液体中に分散される顔料のサンプルの拡散反射率の測定によって査定され得る。そのような測定からの結果は、当技術分野において周知のいくつかのモデル、例えば、１次元Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋ処理に従って解釈され得る。本発明では、顔料と１．５５未満の屈折率の液体とを備える厚さ１μｍの層内に体積比１５％でほぼ等方的に顔料が分散される場合、少なくとも５％の黒色背景にわたって測定されると、白色顔料が５５０ｎｍにおいて拡散反射率を呈することが好ましい。黄色顔料、マゼンタ色顔料、およびシアン色顔料は、好ましくは、同一条件下で２．５％未満の黒色背景にわたって測定されると、それぞれ、６５０ｎｍ、６５０ｎｍ、および４５０ｎｍにおいて拡散反射率を呈する。（黄色顔料、マゼンタ色顔料、およびシアン色顔料の測定のために上記で選定された波長は、これらの顔料による最小限の吸収のスペクトル領域に対応する。）これらの基準を満たす着色顔料は、本明細書中で以降、「非散乱」または「実質的に非光散乱」と称される。好適な粒子の具体例は、米国特許第９，９２１，４５１号に開示され、これは、参照することによって本明細書に援用される。

４つのセットの反射性粒子、または３つもしくは４つのセットの異なる反射性粒子（すなわち、米国特許第９，９２２，６０３号および第１０，０３２，４１９号（参照することによって本明細書に援用される）に説明されるもの等）を伴う１つの吸収性粒子を含む代替粒子セットもまた、使用され得る。例えば、白色粒子は、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＺｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_３、ＢａＳＯ_４、ＰｂＳＯ_４、または同等物等の無機顔料から形成され得る一方、黒色粒子は、ＣＩｐｉｇｍｅｎｔｂｌａｃｋ２６もしくは２８または同等物（例えば、マンガンフェライト黒色スピネルまたは銅クロマイトブラックスピネル）またはカーボンブラックから形成され得る。第３の／第４の／第５のタイプの粒子は、赤色、緑色、青色、マゼンタ色、シアン色、または黄色等の色であり得る。このタイプの粒子のための顔料は、限定ではないが、ＣＩｐｉｇｍｅｎｔＰＲ２５４、ＰＲ１２２、ＰＲ１４９、ＰＧ３６、ＰＧ５８、ＰＧ７、ＰＢ２８、ＰＢ１５：３、ＰＹ１３８、ＰＹ１５０、ＰＹ１５５、またはＰＹ２０を含み得る。具体的例は、ＣｌａｒｉａｎｔＨｏｓｔａｐｅｒｍＲｅｄＤ３Ｇ７０－ＥＤＳ、ＨｏｓｔａｐｅｒｍＰｉｎｋＥ－ＥＤＳ、ＰＶＦａｓｔＲｅｄＤ３Ｇ、ＨｏｓｔａｐｅｒｍＲｅｄＤ３Ｇ７０、ＨｏｓｔａｐｅｒｍＢｌｕｅＢ２Ｇ－ＥＤＳ、ＨｏｓｔａｐｅｒｍＹｅｌｌｏｗＨ４Ｇ－ＥＤＳ、ＨｏｓｔａｐｅｒｍＧｒｅｅｎＧＮＸ、ＢＡＳＦＩｒｇａｚｉｎｅＲｅｄＬ３６３０、ＣｉｎｑｕａｓｉａＲｅｄＬ４１００ＨＤ、およびＩｒｇａｚｉｎＲｅｄＬ３６６０ＨＤ、ＳｕｎＣｈｅｍｉｃａｌＰｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅＢｌｕｅ、ＰｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅＧｒｅｅｎ、ＤｉａｒｙｌｉｄｅＹｅｌｌｏｗ、またはＤｉａｒｙｌｉｄｅＡＡＯＴＹｅｌｌｏｗを含む。

典型的電気泳動ディスプレイは、例えば、米国特許第７，１１９，７７２号に説明されるように、インパルス平衡波形（ＤＣ平衡波形として知られる）を用いて駆動される。インパルス平衡の目的は、残留電圧の蓄積を限定し、ディスプレイ電極を電気化学損傷から保護することである。しかしながら、ＤＣ平衡を提供することは、特に、例えば米国特許第１０，２７６，１０９号に開示されるもの等のカラーディスプレイの場合、波形を著しく損なわせ得る。図１に関して、米国特許第１０，２７６，１０９号に議論されるように、カラーディスプレイ波形は、典型的には、ＤＣ平衡を全体的更新波形に提供する第１相を含む。すなわち、第１相は、画像更新のために必要とされる色遷移を達成するために使用される波形の残りの組み合わせられた正味インパルスと等しくかつ反対である正味インパルスを送達する。しかしながら、波形の色レンダリング部分は、加えて、第１相の位相によって誘発される顔料の状態を克服しなければならない。結果として、顔料は、中立状態から色更新を開始するのではなく、むしろ、最初に、それらの所望の最終位置からほぼ反対方向に駆動している。結果として、総波形は、非常に長くなり得る（約数秒）。

多粒子システム、すなわち、本明細書に説明されるようなものを駆動するために、駆動方法は、典型的には、電圧をカラー電気泳動ディスプレイの第１の電極および第２の電極に印加することを含み、第１の電極は、ディスプレイの視認表面を形成し、ディスプレイは、＋ＶＨ、＋ＶＬ、０、－ＶＬ、および－ＶＨの電圧差を、それぞれ、第１の電極と第２の電極との間に印加することが可能な電圧制御手段を有し、その場合、以下となる。
＋Ｖ_Ｈ＞＋Ｖ_Ｌ＞０＞－Ｖ_Ｌ＞－Ｖ_Ｈ
駆動方法は、（ａ）電極間に、＋Ｖ_Ｈまたは－Ｖ_Ｈのいずれかであり第４の粒子を第１の電極に向かって駆動する極性の一連の第１のパルスを印加することによって、視認表面において、第４の粒子の色と、第４の粒子および第２の粒子の混合物の色とを交互に表示することであって、該一連の第１のパルスは、＋Ｖ_Ｌまたは－Ｖ_Ｌであり第１のパルスと反対極性であるがより長い持続時間である第２のパルスと交互させる、ことと、（ｂ）電極間に、＋Ｖ_Ｈまたは－Ｖ_Ｈのいずれかであり第３の粒子を第１の電極に向かって駆動する極性の一連の第３のパルスを印加することによって、視認表面において、第３の粒子の色と、第３の粒子および第２の粒子の混合物の色とを交互に表示することであって、該一連の第３のパルスは、＋Ｖ_Ｌまたは－Ｖ_Ｌであり第３のパルスと反対極性であるがより長い持続時間の第４のパルスと交互する、こととを含み得る。

誘電層が作製される材料は、有機物または無機物であり得る。好ましくは、材料は、イオンおよび電子に対して不透過性であり、高誘電強度（少なくとも約１０Ｖ／μｍ）を有するべきである。誘電層の厚さは、下記にさらに詳細に議論されるように、その誘電定数に依存する。誘電層が作製され得る材料の例は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、金属酸化物（酸化亜鉛、酸化タンタル、酸化ハフニウム、および同等物等）、および、有機材料（パリレンまたは他のポリマー化合物等）である。１つを上回る材料の組み合わせが、使用され得、誘電層は、異なる材料であり得る１つを上回る下位層を備え得る。

上記に議論されるように、誘電層は、ディスプレイを通る電気化学電流の遮断通路に加え、また、ディスプレイが駆動されるときの残留電圧の蓄積を限定することができるコンデンサとしても作用する。さらに、正しい駆動／接地領域と結合されると、電気泳動ディスプレイは、全体的色域における限界損失のみを伴って、色波形のためのはるかに高速の更新を達成することができる。

特定の誘電層が、図１Ａ－図１Ｆに示されるように、電気泳動媒体に対して種々の場所において電気泳動ディスプレイの中に組み込まれ得る。電気泳動ディスプレイ（１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６）は、典型的には、上部透明電極１１０と、電気泳動媒体１２０と、多くの場合薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いて制御されるピクセルのアクティブマトリクスのピクセル電極である底部電極１３０とを含む。電気泳動媒体１２０は、少なくとも１つの電気泳動粒子１２１を含有するが、しかしながら、第２の電気泳動粒子１２２もしくは第３の電気泳動粒子１２３またはより多くのものが、実行可能である。電気泳動媒体１２０は、典型的には、マイクロカプセル１２６またはマイクロセル１２７の壁によって、そのように区画化される。誘電層１４０は、層のいずれかに隣接して配置されることができるが、しかしながら、典型的には、電極層（１１０または１３０）に隣接する。１つ以上の誘電層１４０が、所与の電気泳動ディスプレイ（１０５、１０６）内に存在し得るが、しかしながら、１つのみの層が、より一般的である。誘電層１４０は、下記に説明されるタイプであり得る。ディスプレイスタック全体が、典型的には、基板１５０上に配置され、これは、剛性または可撓性であり得る。ディスプレイ（１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６）はまた、典型的には、保護層１６０を含み、これは、単に、上部電極１１０を損傷から保護し得るか、またはディスプレイ（１０１、１０２）全体を包囲し、水等の浸入を防止し得る。電気泳動ディスプレイ（１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６）はまた、必要に応じて、接着性層１７０と、シール層１８０とを含み得る。いくつかの実施形態では、誘電層１４０は、図１Ｃおよび図１Ｄに示されるディスプレイにおけるように、電極層（１１０、１３０）と接着性層１７０との間に配置される。いくつかの実施形態では、誘電層１４０は、図１Ｅおよび図１Ｆに示されるように、電気泳動媒体１２０の上方および下方に配置される。接着性層１７０は、随意に、誘電層１４０と電気泳動媒体との間に配置され得る。いくつかの実施形態（１０４、１０６）では、接着性層１７０は、電極層１１０への接着力を改良するために、プライマ成分を含むこともあるし、または別個のプライマ層（図１Ａ－図１Ｆに示されない）が、使用されることもある。（電気泳動ディスプレイおよび構成要素部品の構造、顔料、接着剤、電極材料等は、米国特許第６，９２２，２７６号、第７，００２，７２８号、第７，０７２，０９５号、第７，１１６，３１８号、第７，７１５，０８８号、および第７，８３９，５６４号（全て、参照することによってその全体として本明細書に援用される）等のＥＩｎｋＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって公開された多くの特許および特許出願に説明される。

本発明の誘電層はまた、エレクトロウェッティングディスプレイまたは「ラボオンチップ」マイクロ流体デバイスのために使用されるようなエレクトロウェッティングオン誘電体（ＥＷｏＤ）デバイスの中に組み込まれ得る。ＥＷｏＤデバイスの基本動作は、図２の断面図に図示される。ＥＷｏＤ２００は、油２０２と、少なくとも１つの水性液滴２０４とで充填されたセルを含む。セル間隙は、典型的には、５０～２００μｍの範囲内であるが、間隙は、より大きいこともできる。基本構成では、図２に示されるように、複数の推進電極２３０が、１つの基板上に配置され、単一の上部電極２１０が、反対表面上に配置される。セルは、加えて、油層に接触する表面上の疎水性コーティング２０７、および、推進電極２３０と疎水性コーティング２０７との間の誘電層２４０を含む。（上側基板もまた、誘電層を含み得るが、図２には示されない）。疎水性層は、液滴が表面を湿潤させることを防止する。電圧差が隣接する電極間に印加されないとき、液滴は、楕円体形状を維持し、疎水性表面（油および疎水性層）との接触を最小限にする。液滴は、表面を湿潤させないため、それらは表面を汚染させる可能性、または、他の液滴と相互作用する可能性が、より低い（その挙動が所望されるときを除く）。

誘電機能および疎水性機能の両方のために単一層を有することが可能であるが、そのような層は、典型的には、（ピンホールを防止するために）厚い無機層を要求し、厚い向き層は、結果として生じる低誘電定数を有し、それによって、液滴移動のために、１００Ｖ超を要求する。低電圧作動を達成するために、高静電容量のための薄い誘電層を有し、ピンホールがなく、薄い有機疎水性層によって冠着されることがより好ましい。この組み合わせを用いることで、従来のＴＦＴアレイによって供給され得る範囲内である＋／－１０～＋／－５０Ｖの範囲内の電圧を伴うエレクトロウェッティング動作を有することが可能である。いくつかの実施形態では、疎水性層は、フルオロポリマー、例えば、ペルフルオロポリマー、例えば、ＴＥＦＬＯＮ－ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＴＥＦＬＯＮ－ＡＦ（非晶質ポリテトラフルオロエチレンコポリマー）、ＣＹＴＯＰ（ポリ（ペルフルオロブテニルビニルエーテル）、またはＦＵＬＵＯＲＯＰＥＬ（ペルフルオロアルキルコポリマー）を備える。米国特許第９，７１４，４６３号等に説明されるような他のより新しい疎水性コーティングもまた使用され得る。典型的には、疎水性層は、スピンコーティングによって誘電層上にコーティングされるが、しかしながら、スロットコーティングもしくはダイコーティング、またはスプレーコーティング等の他の堆積方法もまた、使用され得る。

電圧差が隣接する電極間に印加されると、１つの電極上の電圧は、誘電／液滴界面における液滴中の反対電荷を誘引し、液滴は、図２に図示されるように、この電極に向かって移動する。容認可能液滴推進のために必要とされる電圧は、誘電総および疎水性層の性質に依存する。ＡＣ駆動が、種々の電気化学物質による液滴、誘電体、および電極の劣化を低減させるために使用される。ＥＷｏＤのための動作周波数は、１００Ｈｚ～１ＭＨｚの範囲内であることができるが、１ｋＨｚまたはそれを下回るより低い周波数も、限定された動作速度を有するＴＦＴと併用するために好ましい。

図２に示されるように、上部電極２１０は、単一伝導性層であり、単一導電性層は、電極上で電圧を切り替えるために使用されるＴＦＴからの容量キックバックに起因する推進電極２３０上のオフセット電圧を考慮するために、通常、ゼロボルトまたは共通電圧値（ＶＣＯＭ）に設定される（図３参照）。上部電極はまた、液体を横断して電圧を増加させるために印加される方形波を有することができる。そのような配列は、上部プレート電圧２１０がＴＦＴによって供給される電圧に対して付加的であるため、より低い推進電圧がＴＦＴ接続推進電極２３０のために使用されることを可能にする。

図３に示されるように、推進電極のアクティブマトリクスは、電気泳動ディスプレイまたは液晶ディスプレイ内のアクティブマトリクスと同様に、データラインおよびゲート（選択）ラインを用いて駆動されるように配列されることができる。ゲート（選択）ラインは、１度に１ラインずつのアドレス指定のために走査される一方、データラインは、エレクトロウェッティング動作のために推進電極に輸送されるべき電圧を搬送する。移動が必要とされない場合、または液滴が推進電極から離れるように移動するように意図される場合、０Ｖが、その（非標的）推進電極に印加される。液滴が推進電極に向かって移動するように意図される場合、ＡＣ電圧が、その（標的）推進電極に印加される。

本発明の誘電層４４０のある実施形態が、図４に示され、基板４５０上に配置される。誘電層は、第１の［障壁］層４４１と、第２の［厚い］層４４２と、第３の［キャッピング］層４４３とを含む。第１の層４４１は、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムを含み、９ｎｍ～８０ｎｍの厚さを有する。第２の層４４２は、酸化タンタルまたは酸化ハフニウムを含み、４０ｎｍ～２５０ｎｍの厚さを有する。第３の層４４３は、酸化タンタルまたは酸化ハフニウムを含み、５ｎｍ～６０ｎｍの厚さを有する。典型的には、第２の層および第３の層は、異なる材料を備え、例えば、第２の層は、主に、酸化ハフニウムを備え得る一方、第３の層は、主に、酸化タンタルを備える。代替として、第２の層は、主に、酸化タンタルを備え得る一方、第３の層は、主に、酸化ハフニウムを備える。好ましい実施形態では、第１の層は、酸化アルミニウムである。好ましい実施形態では、第１の層は、２０～４０ｎｍの厚さである一方、第２の層は、１００～１５０ｎｍの厚さであり、第３の層は、１０～３５ｎｍの厚さである。種々の層の厚さは、限定ではないが、走査電子顕微鏡検査、イオンビーム後方散乱、Ｘ線散乱、透過型電子顕微鏡検査、および偏光解析法を含む種々の技法を用いて測定されることができる。結果として生じる誘電層４４０は、平坦であり、ピンホールがなく、化学的耐性を有する。

図４に示されるような誘電層４４０は、第１の層４４１および第１の層を堆積させるために要求される条件（下記に議論される）と互換性がある任意のタイプの基板上に直接コーティングされることができる。誘電層４４０は、例えば、図５に示されるように、アクティブマトリクスのピクセル電極４３０上にコーティングされ得る。誘電層４４０は、印刷回路基板または他の微小加工された構造上にコーティングされ得る。加えて、第３の層４４３は、図２に関して上記に議論されるように、エレクトロウェッティング用途における使用のための疎水性層４０７でコーティングされ得る。誘電層４４０と疎水性層４０７とのそのような組み合わせは、合理的に薄い、すなわち、６００ｎｍ未満の厚さ、例えば、４００ｎｍ未満の厚さ、例えば、３００ｎｍ未満の厚さであることが好ましい。疎水性コーティングを伴う３層誘電スタックの下界は、６０ｎｍを上回る厚さ、例えば、１００ｎｍを上回る厚さ、例えば、１５０ｎｍを上回る厚さである。

本発明の誘電層を作製するための方法が、図６に関して説明される。初期ステップ６１０では、基板が提供され、その上に誘電スタックがコーティングされる。基板は、典型的には、コーティングに先立って、例えば、エタノールまたはイソプロピルアルコールで清浄される。基板は、下記に説明される原子層堆積（ＡＬＤ）およびスパッタリングステップの間材料が安定することを前提として、任意の材料であり得る。例えば、基板は、印刷回路基板、コーティングされたガラス、例えば、ＩＴＯコーティングされたガラス、またはガラスもしくは他の基材材料上に微小加工されたアクティブマトリクスＴＦＴバックプレーンであり得る。次のステップ６２０は、原子層堆積、典型的には、プラズマ支援ＡＬＤまたは（熱）水蒸気支援ＡＬＤを使用して、第１の層を基板上に堆積させることである。例えば、酸化アルミニウムの第１の層が、約１８０℃の基板温度および低圧（１００ｍｂａｒ未満）において、酸素プラズマと併せて、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ_３）_３）またはＴａ［（Ｎ（ＣＨ_３）_２）_３ＮＣ（ＣＨ_３）_３］を使用して加工され得る。代替として、酸化アルミニウムの層は、トリメチルアルミニウム－水プロセスを使用して堆積させられ得る。原子層堆積は、０．１ｎｍ／分を上回る率、例えば、０．２ｎｍ／分またはそれを上回る率で行われ得る。酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムの最終的な厚さは、典型的には、９ｎｍ～８０ｎｍの厚さである。これらのＡＬＤプロセスの詳細は、Ｂｅｎｔおよび共同研究者によって、「Ａｂｒｉｅｆｒｅｖｉｅｗｏｆａｔｏｍｉｃｌａｙｅｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ｆｒｏｍｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓｔｏａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」，ＭａｔｅｒｉａｌｓＴｏｄａｙ，（２０１４），ｖｏｌ．１７，Ｎｏ．５，ｐ．２３６－４６（参照することによってその全体として本明細書に援用される）において説明されている。

第１のＡＬＤ層が基板に付与されると、結果として生じるコーティングされた基板は、マグネトロンスパッタリング等のスパッタリングでコーティングされ、第２のより厚い層を第３のステップ６３０において生成する。典型的には、第２のより厚い層は、主に、酸化タンタルまたは酸化ハフニウムである。スパッタリングプロセスは、混合された酸素－アルゴン大気中で、室温で行われ、スパッタリング標的は、タンタルもしくはハフニウムの化学量論的酸化物、または金属タンタルまたは金属ハフニウムの標的である。結果として生じるスパッタリングされた酸化タンタルまたは酸化ハフニウムの層は、４０ｎｍ～２５０ｎｍの厚さを有する。マグネトロンスパッタリングが好ましいが、イオンスパッタリングまたはプラズマスパッタリング等の他の形態のスパッタリングもまた、使用され得る。スパッタリングは、０．５ｎｍ／分を上回る率、例えば、１ｎｍ／分またはそれを上回る率、例えば、２ｎｍ／分またはそれを上回る率で行われ得る。これらのプロセスの詳細は、ＫｅｌｌｙおよびＡｒｎｅｌｌによる「Ｍａｇｎｅｔｒｏｎｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ：ａｒｅｖｉｅｗｏｆｒｅｃｅｎｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」，Ｖａｃｕｕｍ５６（２０００）１５９－１７２（参照することによってその全体として本明細書に援用される）において詳述されている。スパッタリングプロセスは、典型的には、別個のスパッタリングチャンバ内で実施されるが、本発明の方法はまた、原子層堆積およびスパッタリング堆積の両方が可能な単一反応器内でも達成され得る。

スパッタリングステップ６３０が完了された後、ＡＬＤ層およびスパッタリングされた層を伴う結果として生じる基板は、第２の原子層堆積ステップ６４０を受ける。典型的には、この第２のＡＬＤステップは、プラズマ支援ＡＬＤを用いて、Ｔａ［（Ｎ（ＣＨ_３）_２）_３ＮＣ（ＣＨ_３）_３］またはＨｆ（Ｎ（ＣＨ_３）_２）_４を使用して行われ、５ｎｍ～６０ｎｍの厚さの酸化タンタルまたは酸化ハフニウムの層を生成する。第１のＡＬＤステップ６２０のように、第２のＡＬＤステップ６４０もまた、１５０～１９０℃の基板温度および低圧（１００ｍｂａｒ未満）で行われる。この第２のＡＬＤステップ６４０の完了後、高ｋスタックを伴う基板（６５０）が、生成される。最終的な高ｋコーティングは、典型的には、１００～７００ｎｍの総厚であり、６ＭＶ／ｃｍまたはそれを上回る組み合わせられた誘電強度を伴う。高ｋスタックはまた、以下の例に示されるように、著しく平滑であり、ほぼピンホールがない。

図６に明示的に示されないが、最終的な高ｋスタックは、例えば、上記に説明されるように、スピンコーティングを使用して、疎水性層でコーティングされ得る。疎水性コーティングを伴うそのような組み合わせられた高ｋスタックは、特に、エレクトロウェッティングディスプレイおよびマイクロ流体用途のため等、エレクトロウェッティング用途のために有用である。

Ａｌ_２Ｏ_３／Ｔａ_２Ｏ_５／Ａｌ_２Ｏ_３スタックの加工および評価
高ｋ誘電スタックが、図６に関して上記に説明される技法を使用して加工された。ＩＴＯコーティングされたガラス（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ）の初期基板が、約１１５分の総堆積時間および１８０℃の基板温度を伴って、Ｖｅｅｃｏ／ＣＮＴＦｉｊｉＦ２００を使用する酸素プラズマＡＬＤを使用して、２５ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３でコーティングされた。堆積させられたＡｌ_２Ｏ_３を伴う基板が、反応器から除去され、ＢｒｕｋｅｒＤｉｍｅｎｓｉｏｎＩｃｏｎ原子間力顕微鏡検査ツールを使用して撮像された。ＡＦＭ器具によって捕捉された画像が、図７の右下に示される。ＡＦＭ画像を横断した点線における例示的表面粗度測定は、図８の下のグラフに示される。予期されるように、第１のＡＬＤステップは、高さ変動性を殆ど伴わない表面を達成する。

２５ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３の堆積およびＡＦＭを用いた撮像に続いて、基板は、マグネトロンスパッタリングチャンバＫｕｒｔＬｅｓｋｅｒＬＡＢＬｉｎｅＳｐｕｔｔｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＴｏｏｌ内に設置され、７０ｎｍのＴａ_２Ｏ_５が、約３０分にわたって、酸素－アルゴン環境内で金属タンタルスパッタリング標的を使用して堆積させられた。スパッタリングが完了された後、結果として生じるコーティングされた基板は、再び、図７の右中央の画像および図８の中央のグラフに示されるように、ＡＦＭを用いて撮像された。着目すべきこととして、表面変動は、スパッタリング後、はるかに大きく、隆起が、コーティングされた表面を横断して出現し始めた。しかしながら、スパッタリングを使用して、誘電層は、前のＡＬＤステップの時間の半分未満でほぼ３倍厚く作製された。

最後に、スパッタリングステップ後、基板は、ＡＬＤ機械に戻され、それに応じて、Ａｌ_２Ｏ_３プロセスが繰り返され（但し、約７０分のみの間）、図７に示されるように、Ａｌ_２Ｏ_３／Ｔａ_２Ｏ_５／Ａｌ_２Ｏ_３スタック（すなわち、２５ｎｍの基部層と、７０ｎｍの中央層と、１５ｎｍのキャッピング層とを有する）をもたらした。結果として生じる３層スタックは、次いで、ＡＦＭを用いて撮像され、図７の右上に示される画像を生成した。再び、例示的線プロファイル（破線）が、図８における上のグラフとして示される。着目すべきこととして、スパッタリングプロセスからのある量の表面粗度は、第２のＡＬＤ層の適用で平滑化されたが、しかしながら、スパッタリングプロセスによって生成される隆起のうちのいくつかは、依然として、存在する。撮像後、結果として生じるＡｌ_２Ｏ_３／Ｔａ_２Ｏ_５／Ａｌ_２Ｏ_３スタックは、硫酸銅溶液を用いて銅を誘電層上に電鍍することによって、ピンホールに関して評価された。スタックは、電鍍後、非常にわずかのみ漏れ電流を示し、ピンホールが誘電層内に非常にわずかしか存在しないことを示唆し、これは、加えて、光顕微鏡検査（図示せず）によって検証された。

本明細書に説明されるような誘電層を伴わない場合（図９Ａ）と伴う場合（図９Ｂ）との両方の電気泳動ディスプレイの応答をモデル化することが可能である。図９Ａおよび図９Ｂに示されるように、図１Ｂにおけるように、電気泳動媒体と上部電極との間に誘電層を含む、電気泳動ディスプレイの「スタック」は、一連のＶｏｉｇｔ要素としてモデル化されることができ、すなわち、並列配列である抵抗（Ｒ）および静電容量（Ｃ）の両方を有し、それによって、スタックがある波形（図１０Ａおよび図１０Ｂにおける「スタック」）によって駆動されるときの、各構成要素の電圧応答の計算を可能にする。単純線形モデルが、実際の電気泳動ディスプレイの電気挙動の極度の単純化であることは自明であるが、それらは、特に、ディスプレイがインパルス平衡されない波形を用いて駆動されるとき、誘電層を電気泳動ディスプレイ中に組み込む利点を実証するために有益である。

ここで図９Ａおよび図９Ｂを参照すると、低誘電定数（約２）を伴う溶媒を備える典型的電気泳動流体（以降、「内相」）は、１０～２５ミクロンの範囲内の厚さの区画の中に組み込まれるとき、０．０２～５ｎＦ／ｃｍ^２の範囲内のバルク静電容量「Ｃ１」と、約１～１０ＭΩ・ｃｍ^２の抵抗「Ｒ１」とを有する。電気泳動流体とディスプレイを構成する他の層（集合的に、「外相」と称される）との間の界面における静電容量は、推定することがより困難であるが、２つのコンデンサを直列に組み合わせることによって近似され得、各々の誘電体の厚さは、各媒体（すなわち、内部および外相）内のデバイ長によって近似される。これは、約１０～１００ｎＦ／ｃｍ^２のＣ２に関する推定値を与える。境界を横断したイオンの通過に対応する界面の抵抗Ｒ２もまた、推定することが困難である。この抵抗が、高すぎる場合、ディスプレイは、完全な電気（およびおそらくは、光学）キックバック（更新が完了した後、ピクセルが前の状態に半分戻る現象）を示す。典型的ディスプレイを駆動するときの電流測定値との最良の合致を与えるＲ２の値は、外相の抵抗とほぼ同一であり、すなわち、１～１０ＭΩ・ｃｍ^２の範囲内である。外相のバルク静電容量Ｃ３は、可動イオンを含有する誘電定数約１０のポリマー材料を備えると仮定すると、約０．１～１０ｎＦ／ｃｍ^２であると推定される。外相の抵抗Ｒ３は、１～１０ＭΩ・ｃｍ^２の範囲内である。最後に、電極境界における界面静電容量Ｃ４は、ドープされたポリマー外相内のデバイ長から推定される。その伝導性は、内相のものとほぼ同一であるが、ポリマーの粘度が電気泳動溶媒のものより数桁高いので、電荷担体の移動度は、はるかに低い。結果として、イオンの濃度は、内相内より外相内においてはるかに高く、その結果、デバイ長は、はるかに短くなければならない。界面の静電容量は、２～２０μＦ／ｃｍ^２の範囲内、すなわち、システム内の任意の他の静電容量よりはるかに大きいと推定される。この界面における電気化学反応は、図９ＡにおいてＲ４として図式的に例証される「抵抗」経路を生成し得ることが可能性として考えられるが、これは、単純抵抗器ではない。この経路は、上記に説明されるように電極の最終的劣化につながり得るので、望ましくない。電気泳動ディスプレイ内の電気化学電流を緩和するための方法は、例えば、米国特許第９，７２６，９５７号（参照することによってその全体として本明細書に援用される）に詳細に議論される。

画像を生成するために要求される時間（更新時間として知られる）は、コンデンサＣ２を充電するためのＲＣ時間定数に関連し、これは、典型的には、１秒未満である。しかしながら、Ｃ４を充電するためのＲＣ時間定数は、これよりはるかに長く、典型的には、１００秒の桁であり、したがって、Ｃ４は、Ｃ２が完全に充電される時間において、部分的にのみ充電される。したがって、このモデルでは、Ｃ４を横断した電圧は、ディスプレイ内に貯蔵された「残留電圧」の近似値となる。ＤＣ平衡波形では、この残留電圧は、更新の過程の間、大部分が減少させられる。しかしながら、非ＤＣ平衡波形では、残留電圧は、減少させられず、システム上に蓄積することができる。Ｃ４を充電および放電させるためのＲＣ時間は、非常に長いため、ディスプレイを接地することによってＣ４コンデンサを完全に放電させることは、実践的ではない。さらに悪いことに、図９ＡにおけるＲ４として示される電気化学反応によるＣ４の放電の可能性が存在する場合、更新後に残留電圧によって引き起こされる非駆動ディスプレイ内の電極の低速電気化学劣化も存在し得る。そのような電気化学的性質は、不可逆的であり、性能の劣化、最終的には、ディスプレイの故障につながる。

図９Ｂは、本発明による静電容量Ｃ５を提供する追加された誘電層を収容するようにモデルが調節され得る方法を示す。抵抗要素Ｒ４は、電極界面の表現から逸失されていることが分かる。誘電層は、電極を外相から分離するので、ここでは、電子輸送の可能性が存在しない。コンデンサＣ４およびＣ５は、直列であり、したがって、残留電圧の蓄積に関するＲＣ定数は、コンデンサＣ５を欠いている図９Ａに示される場合より低い。残留電圧の蓄積および放電に関するＲＣ時間定数は、Ｃ５が含まれるときにはより短いので、残留電圧を合理的時間内で直接放電させるためにより実践的となる。そのような放電は、例えば、米国特許第１０，４７５，３９６号（参照することによってその全体として本明細書に援用される）に説明される方法および回路を用いて遂行されることができる。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、典型的色形成波形を使用して、図９Ａおよび図９Ｂのモデル回路内で種々のＶｏｉｇｔ要素を横断して計算された電圧を示す。波形「スタック」を用いた駆動後の各構成要素における平衡残留電圧が示される。（Ｖ１は、Ｒ１およびＣ１を有する構成要素１に対応する等）図１０Ａおよび図１０Ｂの曲線を比較すると、モデルは、誘電層を含むモデルシステムでは、はるかに短い放電時間、すなわち、モデル回路２（図９Ｂ）に関する３．５秒の放電およびモデル回路１（図９Ａ）の８秒の放電を用いて、同一の長期残留電圧が概ね取得されることができることを予測する。

誘電層に起因した色の色域の変化
モデル回路に図示されるように、誘電層への静電容量Ｃ５の追加は、若干、ディスプレイの結像層内の電圧を変化させ、達成され得る色の数に影響を及ぼすことが予期され得る。この電圧降下に起因して喪失される色の量は、ディスプレイの背面電極にわたって異なる厚さの窒化ケイ素層を含む４つの顔料（ＣＭＹＷ）試験セルを使用して、実験的に検証された。試験セルの詳細は、米国特許第９，９２１，４５１号（参照することによってその全体として本明細書に援用される）に見出されることができる。結果は、下記の表１に示される。
表１．試験セル内の４粒子（ＣＭＹＷ）電気泳動媒体の色域への窒化ケイ素誘電体の影響。

表１は、測定された厚さに基づく誘電体の推定された静電容量と、一連の試験波形を印加し、較正された色センサを用いて測定することによって測定されるようなディスプレイの色域とを示す。色域は、誘電体がない場合に最大であったが、窒化ケイ素が１０～５０ｎｍの範囲内であるとき、大部分の目的のために好適であった。

望ましくない電気化学的性質およびキックバックの尤度を査定するために、残留電圧蓄積が、表１の試験ディスプレイ内で測定された。残留電圧蓄積を査定するために、各ディスプレイは、一連のインパルスを用いてアドレス指定され、それによって、正の電圧パルスが、時間Ｔ＿Ｖにわたって、試験ディスプレイに印加され、その後、デバイスは、時間Ｔ＿ｇｒｏｕｎｄにわたって接地された。インパルス時間および接地時間の相対的量が、デューティサイクルとして表され得る。接地期間後、各試験ディスプレイは、時間Ｔ＿ｆｌｏａｔにわたって浮動状態にされた。Ｔ＿ｆｌｏａｔの間、ディスプレイ電極を横断した電圧が、測定された。このパターンは、複数回繰り返され、電子試験機器を用いて、試験ディスプレイ毎に記録された。

図１１Ａ－図１１Ｃは、印加された試験電圧が１ＶでありＴ＿Ｖが１秒であった種々の接地時間に関する結果を示す。図１１Ａでは、接地時間は、ゼロ、すなわち、１００％デューティサイクルであった。図１１Ｂでは、接地時間は、１秒、すなわち、５０％デューティサイクルであった。図１１Ｃでは、接地時間は、３秒、すなわち、２５％デューティサイクルであった。波形毎に、測定された残留電圧が、グラフ上に曲線として提示される。念のため、より急峻な曲線は、ＳｉＮｉ誘電層に対応する一方、より緩慢な曲線は、ＳｉＮｉ誘電層を有しない試験ディスプレイに対応する。さらに、図１１Ｂおよび図１１Ｃを見ると、最薄ＳｉＮｉ層が最高残留電圧をもたらし、最厚ＳｉＮｉ層が最低残留電圧をもたらしたという点で、測定された残留電圧レベルは、ＳｉＮｉ層の厚さに概ね対応した。着目すべきこととして、２５％デューティサイクル（駆動／接地）に関して、５０ｎｍＳｉＮｉ層および７５ｎｍＳｉＮｉ層は両方とも、１００秒以内に非遮断層を下回る残留電圧を達成した。さらに、残留電圧の放電が印加される電圧パルス間の接地によって可能にされると、最終平衡残留電圧は、最厚誘電層（すなわち、図９Ｂの最小静電容量Ｃ５）を有するモジュール内で最低となる。この結果は、正しい駆動／接地デューティサイクルが正しい誘電層と結合されると、電気泳動応答時間および全体的残留電圧の両方が同時に減少させられることができることを示唆するので、驚くべきことである。

電気泳動試験セル内の電気化学劣化の低減
電気泳動媒体（上記）の応答を改良することに加え、試験ディスプレイの寿命への追加される誘電層の影響もまた、評価された。約８”対角線の２つの試験ディスプレイが、実施例２のＣＭＹＷ４粒子電気泳動媒体を使用して調製された。制御は、商業用電子リーダに見出されるような標準的アクティブマトリクスＴＦＴバックプレーンを使用した。他の試験ディスプレイでは、ピクセル電極は、３０ｎｍの酸化タンタルでコーティングされた。酸化タンタル層の連続性は、図１２のグラフに示されるように、完璧ではなかった。酸化タンタルが、ピンホールまたは瑕疵がない場合、酸化タンタル「遮断」バックプレーンに関して、著しく少ない抵抗電流密度が存在し得ることが予期され得る。ディスプレイは、（ａ）３秒にわたって３０Ｖ、その後、（ｂ）２０ｍｓにわたって接地され、次いで、（ｃ）６秒にわたって浮動するシーケンスを使用する高度なＤＣ非平衡の方法で駆動された。この試験サイクルは、数回繰り返された。酸化タンタルコーティングの欠点にもかかわらず、４時間の駆動後、ディスプレイが横並びで比較されたとき、試験パターンにおける白色状態の「黄化」に顕著な差異があった。黄化の量における差異は、さらに４時間の駆動後、より顕著であった。したがって、高度なＤＣ非平衡の波形の存在下では、酸化タンタルコーティングされたバックプレーンを有するディスプレイは、より少ない電気化学的性質を受ける証拠を示した。

したがって、堅牢かつ非反応性の高ｋ誘電層が、形成されることができる。多数の変更および修正が、本発明の範囲から逸脱することなく、上記に説明される本発明の具体的に詳述される実施形態において行われ得ることが、当業者に明白となるであろう。故に、前述の説明の全体は、限定的意味ではなく、例証的意味で解釈されるべきである。

本発明は、加えて、ＤＣ非平衡波形を用いて電気泳動ディスプレイを駆動する方法を含む。方法は、電気泳動ディスプレイを提供することと、電圧源を提供することと、駆動部分および接地部分の両方を含むＤＣ非平衡波形を用いて、電気泳動層を駆動することとを含む。電気泳動ディスプレイは、光透過性電極と、誘電層と、電気泳動層と、背面電極とを含む。いくつかの実施形態では、駆動部分は、第１の期間の間に行われ、接地部分は、第２の期間の間に行われ、第２の期間は、第１の期間と同じ長さまたはより長い。いくつかの実施形態では、誘電層は、１０ｎｍの厚さ～１００ｎｍの厚さ、すなわち、２５ｎｍの厚さ～７５ｎｍの厚さである。誘電層は、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、または窒化ケイ素を含み得る。いくつかの実施形態では、誘電層は、原子層堆積とスパッタリングの両方を使用して形成される。いくつかの実施形態では、電気泳動ディスプレイは、加えて、接着性層を含む。いくつかの実施形態では、電気泳動層は、非極性溶媒中に分散される少なくとも２つの荷電顔料粒子を含み、例えば、電気泳動層は、４つの荷電顔料粒子を含み得る。４つの荷電顔料粒子を伴う実施形態では、粒子は、白色、シアン色、マゼンタ色、および黄色、または白色、黒色、赤色、および黄色、または白色、青色、赤色、および黄色であり得る。
本発明は、例えば以下を提供する。
（項目１）
層状誘電体であって、
酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムを含む第１の層であって、９ｎｍ～８０ｎｍの厚さを有する、第１の層と、
酸化タンタルまたは酸化ハフニウムを含む第２の層であって、４０ｎｍ～２５０ｎｍの厚さを有する、第２の層と、
酸化タンタルまたは酸化ハフニウムを含む第３の層であって、５ｎｍ～６０ｎｍの厚さを有する、第３の層と
を備え、前記第２の層は、前記第１の層と前記第３の層との間に配置される、層状誘電体。
（項目２）
前記第１の層は、Ａｌ _２Ｏ _３を備え、前記第２の層は、ＨｆＯ _２を備え、前記第３の層は、Ｔａ _２Ｏ _５を備える、項目１に記載の層状誘電体。
（項目３）
前記第１の層は、Ａｌ _２Ｏ _３を備え、前記第２の層は、Ｔａ _２Ｏ _５を備え、前記第３の層は、ＨｆＯ _２を備える、項目１に記載の層状誘電体。
（項目４）
前記第１の層は、２０～４０ｎｍの厚さである、項目１に記載の層状誘電体。
（項目５）
前記第２の層は、１００～１５０ｎｍの厚さである、項目１に記載の層状誘電体。
（項目６）
前記第３の層は、１０～３５ｎｍの厚さである、項目１に記載の層状誘電体。
（項目７）
項目１に記載の層状誘電体を含む、基板。
（項目８）
前記基板と項目１に記載の層状誘電体との間に配置される複数の電極をさらに備える、項目７に記載の基板。
（項目９）
前記電極は、アレイ内に配置され、各電極は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）と関連付けられる、項目８に記載の基板。
（項目１０）
前記第３の層上に堆積させられた疎水性層をさらに備える、項目９に記載の基板。
（項目１１）
前記疎水性層は、１０～５０ｎｍの厚さである、項目１０に記載の基板。
（項目１２）
前記層状誘電体の誘電強度は、６ＭＶ／ｃｍを上回る、項目１に記載の層状誘電体。
（項目１３）
層状誘電体を作成する方法であって、
基板を提供することと、
原子層堆積を使用して、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムを含む第１の層を堆積させることであって、前記第１の層は、９ｎｍ～８０ｎｍの厚さを有する、ことと、
スパッタリングを使用して、酸化タンタルまたは酸化ハフニウムを含む第２の層を堆積させることであって、前記第２の層は、４０ｎｍ～２５０ｎｍの厚さを有する、ことと、
原子層堆積を使用して、酸化タンタルまたは酸化ハフニウムを含む第３の層を堆積させることであって、前記第３の層は、５ｎｍ～６０ｎｍの厚さを有する、ことと
を含む、方法。
（項目１４）
電気泳動ディスプレイであって、
光透過性電極と、
誘電層と、
第１の光散乱粒子のセットと、粒子の２つの付加的なセットとを備え、前記粒子の２つの付加的なセットは、相互に、かつ前記第１の光散乱粒子のセットとも異なる光学特性を有する、電気泳動層と、
背面電極と、
を含む、電気泳動ディスプレイ。
（項目１５）
前記誘電層は、１０ｎｍの厚さ～１００ｎｍの厚さである、項目１４に記載の電気泳動ディスプレイ。
（項目１６）
前記誘電層は、２５ｎｍの厚さ～７５ｎｍの厚さである、項目１４に記載の電気泳動ディスプレイ。
（項目１７）
前記誘電層は、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、または窒化ケイ素を備える、項目１４に記載の電気泳動ディスプレイ。
（項目１８）
前記電気泳動層は、荷電顔料粒子の４つのセットを含む、項目１４に記載の電気泳動ディスプレイ。
（項目１９）
ＤＣ非平衡波形を用いて電気泳動ディスプレイを駆動する方法であって、
電気泳動ディスプレイを提供することであって、前記電気泳動ディスプレイは、
光透過性電極と、
誘電層と、
電気泳動層と、
背面電極と
を含む、ことと、
電圧源を提供することと、
駆動部分および接地部分の両方を含む、ＤＣ非平衡波形を用いて、前記電気泳動層を駆動することと
を含む、方法。
（項目２０）
前記駆動部分は、第１の期間の間行われ、前記接地部分は、第２の期間の間行われ、前記第２の期間は、前記第１の期間と同じ長さまたはより長い、項目１９に記載の方法。

Claims

層状誘電体であって、
酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムを含む第１の層であって、９ｎｍ～８０ｎｍの厚さを有する、第１の層と、
酸化タンタルまたは酸化ハフニウムを含む第２の層であって、４０ｎｍ～２５０ｎｍの厚さを有する、第２の層と、
酸化タンタルまたは酸化ハフニウムを含む第３の層であって、５ｎｍ～６０ｎｍの厚さを有する、第３の層と
を備え、前記第２の層は、前記第１の層と前記第３の層との間に配置される、層状誘電体。
前記第１の層は、Ａｌ_２Ｏ_３を備え、前記第２の層は、ＨｆＯ_２を備え、前記第３の層は、Ｔａ_２Ｏ_５を備える、請求項１に記載の層状誘電体。
前記第１の層は、Ａｌ_２Ｏ_３を備え、前記第２の層は、Ｔａ_２Ｏ_５を備え、前記第３の層は、ＨｆＯ_２を備える、請求項１に記載の層状誘電体。
前記第１の層は、２０～４０ｎｍの厚さである、請求項１に記載の層状誘電体。
前記第２の層は、１００～１５０ｎｍの厚さである、請求項１に記載の層状誘電体。
前記第３の層は、１０～３５ｎｍの厚さである、請求項１に記載の層状誘電体。
請求項１に記載の層状誘電体を含む、基板。
前記基板と請求項１に記載の層状誘電体との間に配置される複数の電極をさらに備える、請求項７に記載の基板。
前記電極は、アレイ内に配置され、各電極は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）と関連付けられる、請求項８に記載の基板。
前記第３の層上に堆積させられた疎水性層をさらに備える、請求項９に記載の基板。
前記疎水性層は、１０～５０ｎｍの厚さである、請求項１０に記載の基板。
前記層状誘電体の誘電強度は、６ＭＶ／ｃｍを上回る、請求項１に記載の層状誘電体。
層状誘電体を作成する方法であって、
基板を提供することと、
原子層堆積を使用して、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウムを含む第１の層を堆積させることであって、前記第１の層は、９ｎｍ～８０ｎｍの厚さを有する、ことと、
スパッタリングを使用して、酸化タンタルまたは酸化ハフニウムを含む第２の層を堆積させることであって、前記第２の層は、４０ｎｍ～２５０ｎｍの厚さを有する、ことと、
原子層堆積を使用して、酸化タンタルまたは酸化ハフニウムを含む第３の層を堆積させることであって、前記第３の層は、５ｎｍ～６０ｎｍの厚さを有する、ことと
を含む、方法。
電気泳動ディスプレイであって、
光透過性電極と、
誘電層と、
第１の光散乱粒子のセットと、粒子の２つの付加的なセットとを備え、前記粒子の２つの付加的なセットは、相互に、かつ前記第１の光散乱粒子のセットとも異なる光学特性を有する、電気泳動層と、
背面電極と、
を含む、電気泳動ディスプレイ。
前記誘電層は、１０ｎｍの厚さ～１００ｎｍの厚さである、請求項１４に記載の電気泳動ディスプレイ。
前記誘電層は、２５ｎｍの厚さ～７５ｎｍの厚さである、請求項１４に記載の電気泳動ディスプレイ。
前記誘電層は、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、または窒化ケイ素を備える、請求項１４に記載の電気泳動ディスプレイ。
前記電気泳動層は、荷電顔料粒子の４つのセットを含む、請求項１４に記載の電気泳動ディスプレイ。
ＤＣ非平衡波形を用いて電気泳動ディスプレイを駆動する方法であって、
電気泳動ディスプレイを提供することであって、前記電気泳動ディスプレイは、
光透過性電極と、
誘電層と、
電気泳動層と、
背面電極と
を含む、ことと、
電圧源を提供することと、
駆動部分および接地部分の両方を含む、ＤＣ非平衡波形を用いて、前記電気泳動層を駆動することと
を含む、方法。
前記駆動部分は、第１の期間の間行われ、前記接地部分は、第２の期間の間行われ、前記第２の期間は、前記第１の期間と同じ長さまたはより長い、請求項１９に記載の方法。