JP2023514278A - ＥＷｏＤアレイの高周波数ＡＣ駆動のためのラッチ付きトランジスタ駆動 - Google Patents

ＥＷｏＤアレイの高周波数ＡＣ駆動のためのラッチ付きトランジスタ駆動 Download PDF

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Abstract

１ライン毎のアクティブマトリクス駆動に代表的であるものを超えて、推進電極の切り替え周波数を増大させるために、薄膜トランジスタを含むアクティブマトリクス型誘電体エレクトロウェッティングデバイスを駆動するための方法およびシステム。ラッチ回路を使用することによって、「オン」状態と「オフ」状態との間で特異的推進（ピクセル）電極を選択的に切り替えることが可能であり、ここで「オン」状態にある推進電極は、無定形ケイ素薄膜トランジスタアレイで代表的に可能であるより遙かに高い周波数である、頂部電極に対する時間変動駆動電圧によって駆動され得る。駆動周波数が速いほど、特に、高イオン強度を有する水性液滴とともに使用される場合に、エレクトロウェッティングデバイスの性能が改善される。

Description

関連出願
本出願は、２０２０年２月１９日出願の米国仮特許出願第６２／９７８，３６７号に基づく優先権を主張する。本明細書で開示される全ての特許、出願、および刊行物は、それらの全体において参考として援用される。
背景
デジタルマイクロ流体（ＤＭＦ）デバイスは、限られた環境の中で液滴を推進し、分割し、結合させるための独立した電極を利用し、それによって、「ラボオンチップ（ｌａｂ－ｏｎ－ａ－ｃｈｉｐ）」を提供する。デジタルマイクロ流体デバイスは、広い範囲の容積（ｎＬ～μＬ）を作動するために使用されており、上記方法を、電気泳動流および／またはマイクロポンプに依拠する競合のマイクロ流体システムからさらに区別するために、代わりに誘電体エレクトロウェッティング、または「ＥＷｏＤ」ともいわれている。エレクトロウェッティングにおいて、連続またはパルス状の電気シグナルは、液滴に印加され、その接触角の切り替えをもたらす。疎水性表面をエレクトロウェッティングする能力のある液体は、代表的には、極性溶媒（例えば、水またはイオン性液体）を含み、電解質の水性溶液に関する場合のように、しばしばイオン種を特徴とする。エレクトロウェッティング技術の２０１２年の総説は、Ｗｈｅｅｌｅｒによって「Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ」， Ａｎｎｕ． Ｒｅｖ． Ａｎａｌ． Ｃｈｅｍ． ２０１２， ５：４１３－４０に提供された。その技術は、サンプル調製、アッセイ、および合成化学がサンプルおよび試薬ともにごくわずかな量で行われることを可能にする。近年では、エレクトロウェッティングを使用して、マイクロ流体セルの中での制御された液滴操作が、商業的に実行可能になっており、現在、生命科学の大企業（例えば、Ｏｘｆｏｒｄ Ｎａｎｏｐｏｒｅ）から製品が市販されている。
代表的には、ＥＷｏＤデバイスは、積み重なった電極、絶縁性誘電層、および作業表面を提供する疎水性層を含む。液滴は、作業表面上に配置され、電極は、一旦作動されると、その液滴を変形させ、印加される電圧に依存して、上記表面を濡らすかまたは脱濡れ（ｄｅ－ｗｅｔ）を生じ得る。ＥＷｏＤに関する文献報告の大部分は、いわゆる「ダイレクトドライブ（ｄｉｒｅｃｔ ｄｒｉｖｅ）」デバイス（別名「セグメント化（ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ）」デバイス）を要し、それによって、１０～数百の電極が、コントローラでダイレクトドライブされる。セグメント化デバイスは、製作しやすいが、電極数は、空間および駆動制約によって制限されている。よって、大規模並列アッセイ、反応などを、ダイレクトドライブデバイスにおいて行うことは不可能である。比較において、「アクティブマトリクス型（ａｃｔｉｖｅ ｍａｔｒｉｘ）」デバイス（別名アクティブマトリクス型ＥＷｏＤ、別名ＡＭ－ＥＷｏＤ）デバイスは、数千、数十万、またはさらには数百万ものアドレス指定可能電極（ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）を有し得る。ＡＭ－ＥＷｏＤデバイスでは、電極は、代表的には薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）によって切り替えられ、液滴の動きは、ＡＭ－ＥＷｏＤアレイが、多数の液滴を制御しかつ同時の分析プロセスを実行するための大きな自由度を可能にする汎用性デバイスとして使用され得るようにプログラム可能である。
ＡＭ－ＥＷｏＤの電極は、代表的には、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）によって切り替えられるが、電気機械式スイッチがまた、使用され得る。ＴＦＴベースの薄膜電子装置は、ＡＭディスプレイ技術において使用されるものに非常に類似する回路配置を使用することによって、電圧パルスの、ＥＷｏＤアレイへのアドレス指定を制御するために使用され得る。ＴＦＴアレイは、数千ものアドレス指定可能なピクセルを有し、それによって、液滴手順の大規模並列化を可能にすることに起因して、この適用にとって非常に好ましい。ドライバ回路は、ＡＭ－ＥＷｏＤアレイ基板上に集積され得、ＴＦＴベースの電子装置は、ＡＭ－ＥＷｏＤ適用に十分に適している。ＴＦＴは、広く種々の半導体材料を使用して作製され得る。一般的な材料はケイ素である。ケイ素ベースのＴＦＴの特徴は、ケイ素の結晶状態に依存する、すなわち、半導体層は、無定形ケイ素（ａ－Ｓｉ）、微結晶性ケイ素であり得るか、または低温多結晶シリコン（ｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ）（ＬＴＰＳ）へと鈍され得るかのいずれかである。ａ－Ｓｉに基づくＴＦＴは、生成するのに安価であるので、比較的大きな基板面積が、比較的低コストで製造され得る。より珍しい（ｅｘｏｔｉｃ）材料（例えば、金属酸化物）はまた、薄膜トランジスタアレイを製作するために使用され得るが、このようなデバイスの製作コストは、金属酸化物を取り扱う／堆積させるために必要とされる特別な装置が原因で、代表的には高い。
ＴＦＴがディスプレイピクセルを切り替えるために使用される旧来の適用において、フレームレートは、約１００Ｈｚ程度にある。しかし、ＤＣまたは低周波数ＡＣシグナルがＥＷｏＤに使用される場合、イオンは、頂部誘電層を経て拡散し得る。金属ラインおよびそれらの間の電圧に伴ってイオンが下にあるＴＦＴアレイに達する場合、ある範囲の種々の有害な電気化学的反応が起こる。１００Ｈｚで駆動されるａ－Ｓｉ ＴＦＴ ＥＷｏＤデバイスに関して、いくつかの異なる故障機序が認められている。ＥＷｏＤアレイは、低周波数駆動に関する使用に伴って遅くなる傾向にあることが報告されている。遅くなる機序は理解されていないが、それは高周波数駆動では起こらない。よって、ＡＭ－ＥＷｏＤ適用は、ディスプレイ適用において使用されるより速いフレームレートを必要とする。
アクティブマトリクス型デバイスに関しては、その駆動シグナルはしばしば、コントローラからゲートドライバおよびスキャンドライバへと出力され、それらは次に、必要とされる電流－電圧入力を提供して、アクティブマトリクス中の種々のＴＦＴをアクティブにする。しかし、例えば、画像データを受容し、必要な電流－電圧入力を出力してＴＦＴをアクティブにすることができるコントローラ－ライバーは、市販されている。薄膜トランジスタの大部分のアクティブマトリクスは、行単位（ｌｉｎｅ－ａｔ－ａ－ｔｉｍｅ）（別名、１ライン毎の（ｌｉｎｅ－ｂｙ－ｌｉｎｅ））アドレス指定での駆動であり、これは、ＬＣＤディスプレイの大部分において使用される。行単位アドレス指定は、低い電子移動度および大きなＴＦＴサイズに起因して、全ての旧来のａ－Ｓｉ ＴＦＴアレイにおいて使用される。これは、回路が、ａ－Ｓｉ ＴＦＴピクセルにおいて効果的に使用され得ないことを意味する。金属酸化物およびＬＴＰＳ ＴＦＴは、ａ－Ｓｉ ＴＦＴより遙かに高い移動度を有するが、さらにこれらは、ゲートラインおよびソースラインに対する容量負荷（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｌｏａｄｉｎｇ）に起因して、行単位アドレス指定で２００Ｈｚを遙かに上回るフレームレートに到達できない。
エレクトロウェッティング適用のためにＴＦＴアレイを駆動する代替の方法は、メモリインピクセルとして公知である。この方法は、代表的には、高性能ＬＴＰＳ ＴＦＴメモリを併せ持ち、バックプレーン上に製作された回路を駆動する。メモリインピクセル駆動は、第１のシグナルを使用して、ピクセルを「オン」状態にする。その際に、異なる集積回路が、別個の制御シグナルを受容して、上記ピクセルを「オフ」状態に動かし、従って、上記駆動シグナルを無効にするまで、駆動シグナルを上記ピクセルへと直接提供する。メモリインピクセルに対する利点は、電圧パルスが、１秒あたりに何度も長いゲートラインおよびソースラインに印加される必要がないことである。これは、顕著な電力低減を生じる。進歩したメモリインピクセル技術では、非常に高品質のＬＴＰＳ ＴＦＴが、各ピクセルでのメモリおよび発振器回路を組み込み、高周波数（１ｋＨｚ）ＥＷｏＤ操作を可能にするために使用される。しかし、発振器技術を伴うメモリインピクセルは、多くの必要とされるさらなるマスクおよび必要とされる堆積工程が原因で、製作するには非常に高価である。さらに、余分の処理工程が原因で、産出量は、ａ－Ｓｉでの通常の「単純な」ＡＭ－ＴＦＴデザインを超えて実質的に減少する。このようなプロセスは、ＡＭ－ＴＦＴパネルを使用するには適切ではない。なぜならその余分な工程に起因する低い産出量は、ピクセルの数が対角線の長さの増大とともに指数関数的に増加するにつれて、故障の機会の回数だけさらに悪化するからである。
Ｗｈｅｅｌｅ、「Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ」， Ａｎｎｕ． Ｒｅｖ． Ａｎａｌ． Ｃｈｅｍ． ２０１２， ５：４１３－４０
発明の要旨
第１の局面において、アクティブマトリクス型誘電体エレクトロウェッティング（ＡＭ－ＥＷｏＤ）システムが提供される。上記システムは、処理装置、ピクセルアレイ、複数のマトリクスゲートドライバ、複数のマトリクスソースドライバ、電源、上記ピクセルアレイに対向して配置されたトッププレーンコモン電極、およびコントローラを含む。上記アレイの各ピクセルは、ピクセル電極、ソース、ドレイン、およびゲートを含むピクセルトランジスタであって、上記ピクセルトランジスタソースは、上記ピクセル電極に操作可能に接続されたピクセルトランジスタ、ならびにマトリクスパワーレールに操作可能に接続された上記ピクセルトランジスタのドレイン、上記ピクセルトランジスタゲート、マトリクスゲートライン、マトリクスソースライン、および上記マトリクスパワーレールに操作可能に接続されたラッチ回路であって、上記ラッチ回路は、上記ピクセルトランジスタを、上記マトリクスゲートラインの状態および上記マトリクスソースラインの状態によって制御されるオン状態またはオフ状態においてラッチするように構成されたラッチ回路を含む。各マトリクスゲートドライバは、マトリクスゲートラインに操作可能に接続される。各マトリクスソースドライバは、マトリクスソースラインに操作可能に接続される。上記電源は、上記複数のマトリクスパワーレールに操作可能に接続される。上記トッププレーンコモン電極は、トッププレーンコモン電極ドライバに操作可能に接続され、かつ時間変数電圧を提供するように構成される。上記コントローラは、上記マトリクスゲートドライバ、マトリクスソースドライバ、および上記トッププレーンコモン電極ドライバに操作可能に接続され、上記コントローラは、上記処理装置からの指示を受容して、ピクセルトランジスタを、オン状態またはオフ状態においてラッチするように構成される。いくつかの実施形態において、上記ラッチ回路は、ソース、ドレイン、およびゲートを含むラッチトランジスタを含み、上記ラッチトランジスタは、上記マトリクスゲートラインおよびマトリクスソースラインに操作可能に接続される一方で、ラッチキャパシタは、上記ピクセルゲート、上記ラッチトランジスタのドレイン、および上記マトリクスパワーレールに操作可能に接続される。非排他的な実施形態において、上記ピクセルトランジスタおよび上記ラッチトランジスタは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、例えば、無定形ケイ素薄膜トランジスタ（ａ－Ｓｉ ＴＦＴ）である。別の非排他的な実施形態において、上記トッププレーンコモン電極ドライバは、少なくとも２５０Ｈｚ～大きくても５ｋＨｚ、例えば、少なくとも５００Ｈｚ～大きくても１．５ｋＨｚまたは少なくとも７５０Ｈｚ～大きくても１．２５ｋＨｚの範囲の周波数で操作するように構成される。上記トッププレーンコモン電極ドライバは、上記ラッチ駆動周波数より高いかまたはこれに等しい周波数で操作するように構成され得る。上記コントローラは、上記マトリクスゲートドライバおよびマトリクスソースドライバに操作可能に接続された第１のサブコントローラ、ならびに上記トッププレーンコモン電極ドライバに操作可能に接続された第２のサブコントローラを含み得る。
第２の局面において、アクティブマトリクス型誘電体エレクトロウェッティング（ＡＭ－ＥＷｏＤ）システムを駆動する方法が提供される。上記システムは、処理装置、ピクセルアレイ、複数のマトリクスゲートドライバ、複数のマトリクスソースドライバ、電源、上記ピクセルアレイに対向して配置されたトッププレーンコモン電極、およびコントローラを含む。上記アレイの各ピクセルは、ピクセル電極、ソース、ドレイン、およびゲートを含むピクセルトランジスタを含み、上記ピクセルトランジスタソースは、上記ピクセル電極に操作可能に接続され、上記ピクセルトランジスタドレインは、マトリクスパワーレールに操作可能に接続され、ラッチ回路は、上記ピクセルトランジスタゲート、マトリクスゲートライン、マトリクスソースライン、および上記マトリクスパワーレールに操作可能に接続され、上記ラッチ回路は、上記ピクセルトランジスタを、上記マトリクスゲートラインの状態および上記マトリクスソースラインの状態によって制御されるオン状態またはオフ状態においてラッチするように構成される。各マトリクスゲートドライバは、マトリクスゲートラインに操作可能に接続される。各マトリクスソースドライバは、マトリクスソースラインに操作可能に接続される。上記電源は、上記複数のマトリクスパワーレールに操作可能に接続される。上記トッププレーンコモン電極は、トッププレーンコモン電極ドライバに操作可能に接続され、時間変数電圧を提供するように構成される。上記コントローラは、上記マトリクスゲートドライバ、マトリクスソースドライバ、および上記トッププレーンコモン電極ドライバに操作可能に接続され、上記コントローラは、上記処理装置からの指示を受容して、ピクセルトランジスタをオン状態またはオフ状態においてラッチするように構成されている。上記方法は、上記処理装置への入力指示を受容する工程（上記入力指示は、上記ＡＭ－ＥＷｏＤによって行われるべき液滴操作に関する）、マトリクスゲートラインおよびマトリクスソースライン選択指示を、上記処理装置から上記コントローラへと出力する工程、マトリクスゲートラインシグナルを、上記コントローラからマトリクスゲートラインのドライバへ、およびマトリクスソースラインシグナルを、上記コントローラからマトリクスソースラインのドライバへ出力して、少なくとも１個のピクセルの上記ラッチ回路を切り替える工程、ならびに時間変数トップコモン電極シグナルを、上記トッププレーンコモン電極ドライバから上記トッププレーンコモン電極ドライバへと出力して、ピクセル上のラッチを駆動する工程を包含する。いくつかの実施形態において、上記ラッチ回路は、ソース、ドレイン、およびゲートを含むラッチトランジスタを含み、上記ラッチトランジスタは、上記マトリクスゲートラインよびマトリクスソースラインに操作可能に接続される一方で、ラッチキャパシタは、上記ピクセルゲート、上記ラッチトランジスタのドレイン、および上記マトリクスパワーレールに操作可能に接続される。１つの非排他的な実施形態において、上記ピクセルトランジスタおよびラッチトランジスタは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、例えば、無定形ケイ素薄膜トランジスタ（ａ－Ｓｉ ＴＦＴ）である。別の非排他的な実施形態において、上記トッププレーンコモン電極ドライバは、少なくとも２５０Ｈｚ～大きくても５ｋＨｚ、例えば、少なくとも５００Ｈｚ～大きくても１．５ｋＨｚまたは少なくとも７５０Ｈｚ～大きくても１．２５ｋＨｚの範囲の周波数で操作するように構成される。上記トッププレーンコモン電極ドライバは、上記ラッチ駆動周波数より高いかまたはこれに等しい周波数で操作するように構成され得る。上記コントローラは、上記マトリクスゲートドライバおよびマトリクスソースドライバに操作可能に接続された第１のサブコントローラ、ならびに上記トッププレーンコモン電極ドライバに操作可能に接続された第２のサブコントローラを含み得る。
図１Ａは、例示的なＥＷｏＤデバイスのセルの模式的断面である。図１Ｂは、ＤＣトッププレーンでのＥＷｏＤ操作を図示する。図１Ｃは、ＴＰＳでのＥＷｏＤ操作を図示する。図１Ｄは、ゲートライン、ソースライン、および推進電極に接続されたＴＦＴの回路図である。 図１Ａは、例示的なＥＷｏＤデバイスのセルの模式的断面である。図１Ｂは、ＤＣトッププレーンでのＥＷｏＤ操作を図示する。図１Ｃは、ＴＰＳでのＥＷｏＤ操作を図示する。図１Ｄは、ゲートライン、ソースライン、および推進電極に接続されたＴＦＴの回路図である。
図２は、ＡＭ－ＥＷｏＤ推進電極アレイによる液滴操作を制御するための例示的な駆動システムの線図である。
図３は、ピクセルトランジスタに接続され、ピクセルトランジスタは次にラッチ回路に接続される、ピクセル電極の回路図である。
図４Ａは、上記ピクセルトランジスタおよびラッチトランジスタのスイッチがオンになった状態の図３のピクセルの構成である。図４Ｂは、上記ピクセルトランジスタのスイッチがオンになりかつ上記ラッチトランジスタのスイッチがオフになった状態の構成である。図４Ｃは、上記ピクセルトランジスタのスイッチがオフになりかつ上記ラッチトランジスタのスイッチがオンになった状態の構成である。図４Ｄは、ピクセルトランジスタおよびラッチトランジスタ両方のスイッチがオフになった状態の構成である。 図４Ａは、上記ピクセルトランジスタおよびラッチトランジスタのスイッチがオンになった状態の図３のピクセルの構成である。図４Ｂは、上記ピクセルトランジスタのスイッチがオンになりかつ上記ラッチトランジスタのスイッチがオフになった状態の構成である。図４Ｃは、上記ピクセルトランジスタのスイッチがオフになりかつ上記ラッチトランジスタのスイッチがオンになった状態の構成である。図４Ｄは、ピクセルトランジスタおよびラッチトランジスタ両方のスイッチがオフになった状態の構成である。
図５Ａは、本発明を組み込むＥＷｏＤセルを図示する。
図５Ｂおよび５Ｃは、本発明のラッチ付きＴＦＴ ＥＷｏＤアレイでの液滴の動きを図示する。
定義
別段注記されなければ、以下の用語は、示される意味を有する。
１個またはこれより多くの電極への参照に伴う「作動する（ａｃｔｕａｔｅ）」とは、液滴の存在下で、上記液滴の操作を生じる上記１個またはこれより多くの電極の電気的状態に変化をもたらすことを意味する。
「液滴（ｄｒｏｐｌｅｔ）」とは、疎水性表面をエレクトロウェッティングし、キャリア流体が少なくとも部分的に境を接しているある容積の液体を意味する。例えば、液滴は、キャリア流体によって完全に囲まれていてもよいし、キャリア流体およびＥＷｏＤデバイスの１もしくはこれより多くの表面が境を接していてもよい。液滴は、広く種々の形態をとり得る；非限定的な例としては、液滴操作（例えば、合わせるまたは分割する）の間に形成されるかまたは、このような形状とＥＷｏＤデバイス１またはこれより多くの作業表面との接触の結果として形成される、概して円板形、弾丸形、切頭された球体、楕円体、球状物、部分圧縮された球体、半球状物、卵形、円筒形、および種々の形状が挙げられる。液滴は、水性組成物もしくは非水性組成物に関してそうであるように、代表的な極性流体（例えば、水）を含み得るか、または水性構成要素および非水性構成要素を含む混合物もしくはエマルジョンであり得る。液滴の具体的組成は、特に関連性がないが、ただしそれは、疎水性作業表面をエレクトロウェッティングする。種々の実施形態において、液滴は、生物学的サンプル（例えば、全血、リンパ液、血清、血漿、汗、涙液、唾液、喀痰、脳脊髄液、羊水、精液、腟排泄物、漿液、滑液、心膜液、腹腔液、胸膜液、濾出液、滲出物、嚢胞液、胆汁、尿、胃液、腸液、糞便サンプル、単一のまたは多数の細胞を含む液体、オルガネラを含む液体、流動化した組織、流動化した生物、多細胞生物を含む液体、生物学的スワブおよび生物学的洗浄物を含み得る。さらに、液滴は、１またはこれより多くの試薬（例えば、水、脱イオン水、生理食塩水溶液、酸性溶液、塩基性溶液、洗剤溶液および／または緩衝液）を含み得る。液滴内容物の他の例としては、試薬（例えば、生化学的プロトコール、核酸増幅プロトコール、アフィニティーベースのアッセイプロトコール、酵素アッセイプロトコール、遺伝子配列決定プロトコール、タンパク質配列決定プロトコール、および／または生物学的流体の分析のためのプロトコールのための試薬）が挙げられる。試薬のさらなる例としては、生化学的合成方法において使用されるもの（例えば、分子生物学および医学における適用を見出すオリゴヌクレオチドを合成するための試薬、ならびに／または１もしくはこれより多くの核酸分子）が挙げられる。オリゴヌクレオチドは、天然のまたは化学的に改変された塩基を含み得、最も一般には、アンチセンスオリゴヌクレオチド、低分子干渉治療用ＲＮＡ（ｓｍａｌｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｉｎｇ ｔｈｅｒａｐｅｕｔｉｃ ＲＮＡ）（ｓｉＲＮＡ）およびそれらの生体活性結合体、ＤＮＡ配列決定および増幅のためのプライマー、分子ハイブリダイゼーションを介して相補的ＤＮＡもしくはＲＮＡを検出するためのプローブ、遺伝子編集のための技術（例えば、ＣＲＩＳＰＲ－Ｃａｓ９）の文脈における変異および制限部位の標的化された導入のためおよび人工的遺伝子の合成のためのツールとして使用される。
「液滴操作（ｄｒｏｐｌｅｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）」とは、マイクロ流体デバイス上の１個またはこれより多くの液滴の任意の操作（ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ）を意味する。液滴操作としては、例えば、液滴を上記マイクロ流体デバイスへと装填すること；１個またはこれより多くの液滴をソース液滴から分与すること；液滴を２個もしくはこれより多くの液滴へと分割、分離または分けること；液滴を一方の位置からもう一方の位置へと任意の方向に運ぶこと；２個もしくはこれより多くの液滴を１個の液滴へと合わせるまたは組み合わせること；液滴を希釈すること；液滴を混合すること；液滴を撹拌すること；液滴を変形させること；液滴を適所に保持すること；液滴をインキュベートすること；液滴を加熱すること；液滴を蒸発させること；液滴を冷却すること；液滴を配置すること；液滴をマイクロ流体デバイスから運ぶこと；本明細書で記載される他の液滴操作；ならびに／または前述の任意の組み合わせが挙げられ得る。用語「合わせる（ｍｅｒｇｅ）」、「合わせる（ｍｅｒｇｉｎｇ）」、「組み合わせる（ｃｏｍｂｉｎｅ）」、「組み合わせる（ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ）」などは、２個もしくはこれより多くの液滴から１個の液滴を作製することを説明するために使用される。このような用語が２個もしくはこれより多くの液滴に言及して使用される場合、１個の液滴への、その２個もしくはこれより多くの液滴の組み合わせを生じるために十分である液滴操作の任意の組み合わせが使用され得ることは、理解されるべきである。例えば、「液滴Ａと液滴Ｂとを合わせる（ｍｅｒｇｉｎｇ ｄｒｏｐｌｅｔ Ａ ｗｉｔｈ ｄｒｏｐｌｅｔ Ｂ）」とは、液滴Ａを静止した液滴Ｂと接触した状態へと運ぶ、液滴Ｂを静止した液滴Ａと接触した状態へと運ぶ、または液滴ＡおよびＢを互いに接触した状態へと運ぶことによって達成され得る。用語「分割する（ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ）」、「分離する（ｓｅｐａｒａｔｉｎｇ）」および「分ける（ｄｉｖｉｄｉｎｇ）」は、その得られる液滴の容積（すなわち、その得られる液滴の容積は、同じまたは異なり得る）または得られる液滴の数（その得られる液滴の数は、２、３、４、５もしくはこれより多くのものであり得る）に関して任意の特定の結論を示唆することは意図されな。用語「混合する（ｍｉｘｉｎｇ）」とは、液滴内の１もしくはこれより多くの構成要素のより均一な分布を生じる液滴操作をいう。液滴「装填（ｌｏａｄｉｎｇ）」操作の例としては、マイクロ透析装填（ｍｉｃｒｏｄｉａｌｙｓｉｓ ｌｏａｄｉｎｇ）、圧力支援装填（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｌｏａｄｉｎｇ）、ロボット装填（ｒｏｂｏｔｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ）、受動的装填（ｐａｓｓｉｖｅ ｌｏａｄｉｎｇ）、「ピペット装填（ｐｉｐｅｔｔｅ ｌｏａｄｉｎｇ）が挙げられる。液滴操作は、電極媒介性であり得る。いくらかの場合には、液滴操作は、表面上の親水性および／もしくは疎水性領域の使用によってならび／または物理的障害物によってさらに促進される。
「ゲートドライバ（ｇａｔｅ ｄｒｉｖｅｒ）」とは、コントローラ（例えば、マイクロコントローラ集積回路（ＩＣ））からの低電力入力を受容し、ハイパワートランジスタ（例えば、ＴＦＴ）のゲートのための高電流ドライブ入力を生じる電力増幅器である。「ソースドライバ（ｓｏｕｒｃｅ ｄｒｉｖｅｒ）」とは、ハイパワートランジスタのソースのための高電流ドライブ入力を生成する電力増幅器である。「トッププレーンコモン電極ドライバ（ｔｏｐ ｐｌａｎｅ ｃｏｍｍｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｄｒｉｖｅｒ）は、ＥＷｏＤデバイスのトッププレーン電極のための高電流ドライブ入力を生成する電力増幅器である。
「核酸分子（ｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ ｍｏｌｅｃｕｌｅ）」は、１本鎖もしくは２本鎖の、センスもしくはアンチセンスのＤＮＡもしくはＲＮＡいずれかの総体的な名称である。このような分子は、３つの部分： ５－炭素糖、ホスフェート基および窒素塩基から作製されるモノマーであるヌクレオチドから構成される。上記糖がリボシルである場合、上記ポリマーは、ＲＮＡ（リボ核酸）である；上記糖が、デオキシリボースとしてリボースに由来する場合、上記ポリマーは、ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）である。核酸分子は、長さが様々であり、遺伝子検査、研究、および法医学において一般に使用される約１０～２５ヌクレオチドのオリゴヌクレオチドから、１，０００、１０，０００ヌクレオチドもしくはこれより大きい程度の配列を有する比較的長いもしくは非常に長い原核生物および真核生物の遺伝子までの範囲に及ぶ。それらのヌクレオチド残基は、全て天然に存在していても、少なくとも部分的に化学的に改変されていても（例えば、インビボ分解を遅らせる）いずれでもよい。改変は、例えば、ヌクレオシドオルガノチオホスフェート（ＰＳ）ヌクレオチド残基を導入することによって、分子骨格に対して行われ得る。核酸分子の医療的改変のために有用な別の改変は、２’糖改変である。２’位糖改変は、それらの標的結合能力を、具体的にはアンチセンスオリゴヌクレオチド治療において、増強することによって、治療用のオリゴヌクレオチドの効果を増大すると考えられる。最も一般的に使用される改変のうちの２つは、２’－Ｏ－メチルおよび２’－フルオロである。
任意の形態（例えば、動いていようが静止していようが、液滴または連続体）にある液体は、電極、アレイ、マトリクスまたは表面「上にある（ｏｎ）」、「にある（ａｔ）または「上を覆っている（ｏｖｅｒ）」と記載される場合、このような液体は、電極／アレイ／マトリクス／表面と直接接触した状態にあるか、または上記液体と上記電極／アレイ／マトリクス／表面との間に置かれる１もしくはこれより多くの層もしくはフィルムと接触した状態にあるかのいずれかであり得る。
液滴が、マイクロ流体デバイス「上にある」または「上に装填される（ｌｏａｄｅｄ ｏｎ）」と記載される場合、上記液滴は、上記デバイスを使用して、上記液滴に対して１もしくはこれより多くの液滴操作を行うことを促進する様式で、上記デバイス上に配置される、上記液滴は、上記液滴の特性または上記液滴からのシグナルの感知を促進する様式で上記デバイス上に配置される、および／または上記液滴は、液滴作動装置上で液滴操作に供されていることが理解されるべきである。
複数の項目に言及して使用される場合の「各、各々（ｅａｃｈ）」とは、集合物の中の個々の項目を特定することが意図されるが、必ずしもその集合物の中のあらゆる項目に言及するわけではない。例外は、明示的な開示または文脈が明らかに別のことを指す場合に生じ得る。
詳細な説明
１つの局面において、本発明は、ＡＭ－ＥＷｏＤアレイにおいてラッチ付きトランジスタ駆動の新規な方法を提供する。上記方法は、高周波数メモリインピクセル技術と同じ結果を達成するために、単純な設計、標準的な低移動度ａ－Ｓｉ ＴＦＴで行われ得る。無定形ケイ素ＴＦＴは、ＬＴＰＳより遙かに低いコストであり、対角線が４０インチより大きなパネルサイズを有する大きなＬＣ－ＴＶを駆動するために慣用的に使用されているので、大きな面積産出量は問題ではない。ラッチ付き駆動は、持続性ラッチ付きＴＦＴおよび高周波数（例えば、１ｋＨｚまたはさらにより高い）で上記トッププレーン電極を駆動し得るトッププレーン電極ドライバを使用することによって、より高いＥＷｏＤフレームレートに適合する。各ピクセルの電極は、ピクセルトランジスタに接続され、上記ピクセルトランジスタのゲートは、ラッチ回路に接続される。上記マトリクスゲートラインおよびソースラインをスキャンすると、各ピクセルのピクセルトランジスタゲートのスイッチが、上記マトリクスのピクセルのアレイ全体にわたって、オンまたはオフのいずれかになる。上記ラッチ回路は、上記ゲートラインおよびソースラインの新たなスキャンが、上記ピクセルトランジスタゲートをオフにするか、またはオン／オフの新たなパターンにするまで、上記ピクセルトランジスタを一定の継続期間にわたってその状態で維持する。所望のゲートパターンがラッチされた後、上記トッププレーンコモン電極は、ピクセルアレイ全体を一度に駆動するために使用される。ピクセル上でラッチされたもののみが駆動される。このようにして、より高周波数でのＴＦＴハードウェアの駆動は、余分なコストが制限されて大きく単純化される。
旧来のゲートラインアドレス指定
代表的なＡＭ－ＥＷｏＤデバイスは、ピクセルとして配置され得る規則的な形状の電極の露出されたアレイを有する薄膜トランジスタバックプレーンからなる。上記ピクセルは、アクティブマトリクスとして生業可能であり得、それによって、サンプル液滴の操作を可能にする。上記アレイは、誘電物質で通常はコーティングされ、続いて、疎水性物質でコーティングされる。代表的なＥＷｏＤデバイスの基本的操作は、図１Ａ～１Ｃの断面図に図示される。図１Ａは、液滴１０４がキャリア流体１０２によって側面で囲まれ、頂部疎水性層１０７と底部疎水性層１１０との間で挟まれる例示的な旧来のＥＷｏＤデバイスのセルの模式的断面図を示す。推進電極１０５は、直接的に、例えば、別個の制御回路によって駆動され得るか、または上記電極は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）におけるアクティブマトリクスによく似た、データ（ソース）ラインおよびゲート（選択）ラインで駆動されるように配置されたトランジスタアレイによって切り替えられ得、アクティブマトリクス（ＡＭ）型ＥＷＯＤとして公知であるものを生じる。代表的なセル間隔は、通常、約１２０μｍ～約５００μｍの範囲にある。
代表的には、誘電層１０８は、推進電極１０５、ならびに関連付けられたゲートラインおよびデータラインの上を覆って配置される。誘電層１０８は、十分に薄くかつ低電圧ＡＣ駆動と適合性の誘電率を有するべきである（例えば、ＬＣＤディスプレイ用の従来の画像コントローラから入手可能）。例えば、誘電層１０８は、２００～４００ｎｍのプラズマ蒸着窒化ケイ素でオーバーコートを頂部に施したおよそ２０～４０ｎｍ ＳｉＯ２の層を含み得る。あるいは、上記誘電層１０８は、５～５００ｎｍ厚の間、好ましくは１５０～３５０ｎｍ厚の間の原子層堆積Ａｌ２Ｏ３を含み得る。
疎水性層１０７／１１０は、フルオロポリマー（例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（フッ化エチレンプロピレン）、ＰＶＦ（ポリビニルフルオリド）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオリド）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシポリマー）、ＦＥＰ（フッ化エチレンプロピレン）、ＥＴＦＥ（ポリエチレンテトラフルオロエチレン）、およびＥＣＴＦＥ（ポリエチレンクロロトリフルオロエチレン）のうちの１つまたはこれらのブレンドから構築され得る。市販のフルオロポリマーであるＴｅｆｌｏｎ（登録商標）ＡＦ（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ， Ｍｉｌｗａｕｋｅｅ， ＷＩ）およびＦｌｕｏｒｏＰｅｌＴＭ コーティング（Ｃｙｔｏｎｉｘ（Ｂｅｌｔｓｖｉｌｌｅ， ＭＤ））は、 誘電層４０８の上を覆ってスピンコーティングされ得る。フルオロポリマーフィルムの利点は、それらが高度に不活性であり得、かつコロナ処理およびプラズマ酸化のような酸化処理への曝露後にすら、疎水性のままであり得ることである。より高い接触角を有するコーティングは、１またはこれより多くの超疎水性材料から製作され得る。超疎水性材料に対する接触角は、代表的には１５０°より大きく、液滴基部のごくわずかなパーセンテージが、表面と接触した状態にあることを意味する。このことは、水の液滴にほぼ球形の形状を付与する。ある特定のフッ化シラン、ペルフルオロアルキル、ペルフルオロポリエーテルおよびＲＦプラズマ形成超疎水性材料は、エレクトロウェッティング適用においてコーティング層としての使用が見出されており、それが表面に沿って比較的より容易に滑るようにされる。複合材のいくつかのタイプは、１つの構成要素が粗さを提供し、もう一方が、超疎水性特徴を有するコーティングを生成するように低い表面エネルギーを提供する化学的に不均質な表面によって特徴づけられる。生物模倣超疎水性コーティングは、それらの反発のために精緻なマイクロ構造またはナノ構造に依拠するが、このような構造は、剥離または洗浄によって容易に損傷を受ける傾向があることから、注意が払われるべきである。
１つの層に誘電性機能および疎水性機能の両方をもたせることが可能である一方で、このような層は、代表的には、低い誘電率が生じ、それによって、液滴の動きのために１００Ｖ超を必要とする厚い無機層（ピンホールを防止するため）を必要とする。低電圧作動を達成するために、高キャパシタンスのために薄い無機層を有し、ピンホールがなく、薄い有機疎水性層によって頂部が覆われている方が、通常はよい。この組み合わせを用いると、±１０～±５０Ｖの範囲の電圧（これは、従来のＴＦＴアレイによって供給され得る範囲にある）でエレクトロウェッティング操作をすることが可能である。
本明細書で開示される方法に言及して、ＥＷｏＤを駆動する２つの「モード」：「ＤＣトッププレーン」および「トッププレーン切り替え（ＴＰＳ）」が存在する。図１Ｂは、トッププレーン電極１０６が、０ボルトの電位に設定されるＤＣトッププレーンモードにおけるＥＷｏＤ操作を図示する。結果として、セルをわたって印加される電圧は、アクティブピクセル、すなわち、導電性の液滴が電極に引きつけられるようにトッププレーンに対して異なる電圧を有するピクセル１０１に対する電圧である。これは、ＥＷｏＤセルにおける駆動電圧を約±１５Ｖへと制限する。なぜならａ－Ｓｉ ＴＦＴにおいて、最大電圧は、高電圧操作下でのＴＦＴの電気的不安定性に起因して、約１５Ｖ～約２０Ｖの範囲にあるからである。代替のトッププレーン切り替えは、図１Ｃに示され、ここでその駆動電圧は、アクティブピクセルと位相を外して頂部電極に電力を供給することによって±３０Ｖへと効果的に倍加され、その結果、上記トッププレーン電圧は、ＴＦＴによって供給される電圧に対して付加される。
無定形ケイ素ＴＦＴプレートは通常、ピクセルあたり１個のみのトランジスタを有する。図１Ｄに図示されるように、上記トランジスタは、ゲートライン、データライン、および推進電極に接続される。ＴＦＴゲートに対して十分大きな正電圧が存在する場合、データラインとピクセルとの間に低いインピーダンスが存在するので（Ｖｇ 「オン」）、上記データラインに対する電圧は、上記ピクセルの電極に移される。ＴＦＴゲートに対して負電圧が存在する場合、上記ＴＦＴは、高いインピーダンスであり、電圧は、ピクセルストレージキャパシタ上に保存され、上記データラインに対する電圧によって影響を及ぼされない。なぜなら他のピクセルは、アドレス指定されるからである（Ｖｇ 「オフ」）。理想的には、ＴＦＴは、デジタルスイッチとして作用するべきである。実際には、ＴＦＴが「オン」設定にある場合にはある特定の量の抵抗がなお存在するので、ピクセルは、充電に時間がかかる。さらに、電圧は、ＴＦＴが「オフ」設定にある場合にＶｓからＶｐへと漏れ、クロストークを引き起こす可能性がある。ストレージキャパシタＣｓのキャパシタンスが増大すると、クロストークが低減されるが、代償としてピクセルを充電することがより困難になる。
背景において言及されるように、トランジスタを構築するための代替の薄膜材料としては、低温多結晶シリコンおよび金属酸化物材料（例えば、酸化タングステン、酸化スズ、酸化インジウム、および酸化亜鉛）が挙げられる。金属酸化物適用において、チャネル形成領域は、このような金属酸化物材料を使用して各トランジスタに関して形成され、より高い電圧のより迅速な切り替えを可能にする。このようなトランジスタは、代表的には、ゲート電極、ゲート絶縁フィルム（代表的には、ＳｉＯ２）、金属ソース電極、金属ドレイン電極、および上記ゲート絶縁フィルムの上を覆い、上記ゲート電極、ソース電極、およびドレイン電極と少なくとも部分的に重なり合う金属酸化物半導体フィルムを含む。ＬＴＰＳ材料を含む適切なアクティブマトリクスバックプレーンは、Ｓｈａｒｐ／Ｆｏｘｃｏｎｎのような製造業者から入手可能である。金属酸化物半導体を含む適切なアクティブマトリクスバックプレーンは、ＬＧおよびＢＯＥのような製造業者から入手可能である。
図２は、ＡＭ－ＥＷｏＤ推進電極アレイ２０２による液滴操作を制御するための例示的な駆動システム２００の線図である。上記ＡＭ－ＥＷｏＤ駆動システム２００は、支持プレートへと接着された集積回路の形態にあり得る。ＥＷｏＤデバイスの要素は、複数のデータラインおよび複数のゲートラインを有するマトリクスの形態で配置される。上記マトリクスの各要素は、対応する電極の電極電位を制御するために図１Ｄに図示されるタイプのＴＦＴを含み、各ＴＦＴは、上記ゲートラインのうちの１つおよび上記データラインのうちの１つに接続される。上記要素の電極は、キャパシタＣｐとして示される。ストレージキャパシタＣｓは、Ｃｐと平行に配置され、図２において別個に示されない。
示されるコントローラは、コントロールロジックおよびスイッチングロジックを含むマイクロコントローラ２０４を含む。それは、入力データライン２２から行われることになる液滴操作に関する入力データを受容する。上記マイクロコントローラは、ＥＷｏＤマトリクスの各データラインに関する出力を有し、データシグナルを提供する。データシグナルライン２０６は、各出力を、上記マトリクスのデータラインへと接続する。上記マイクロコントローラはまた、上記マトリクスの各ゲートラインのための出力を有し、ゲートライン選択シグナルを提供する。ゲートシグナルライン２０８は、各出力を上記マトリクスのゲートラインへと接続する。データラインドライバ２１０およびゲートラインドライバ２１２は、それぞれ、各データおよびゲートシグナルラインに配置される。上記図は、図中に示されるそれらデータラインおよびゲートラインに関してのみシグナルラインを示す。上記ゲートラインドライバは、単一の集積回路の中に集積され得る。同様に、上記データラインドライバは、単一の集積回路の中に集積され得る。上記集積回路は、上記マイクロコントローラとともに、完全ゲートドライバアセンブリを含み得る。上記集積回路は、上記ＡＭ－ＥＷｏＤデバイスの支持プレート上に集積され得る。上記集積回路は、ＡＭ－ＥＷｏＤデバイス駆動システム全体を含み得る。
上記データラインドライバは、液滴操作に対応するシグナルレベルを提供する。上記ゲートラインは、電極が作動されるべきゲートラインを選択するためのシグナルを提供する。データラインドライバ２１０のうちの１つの電圧のシーケンスを、図２に示す。先に考察されるように、ゲートラインに対して十分大きな正電圧が存在する場合、上記データラインとピクセルとの間に低いインピーダンスが存在するので、上記データラインに対する電圧は、上記ピクセルに移される。ＴＦＴゲートに対して負電圧が存在する場合、上記ＴＦＴは、高いインピーダンスであり、電圧は、ピクセルキャパシタ上に保存され、上記データラインに対する電圧によって影響を及ぼされない。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て動くことが意味される場合、０ Ｖは、その（非ターゲット）推進電極に印加される。液滴が推進電極に向かって動くことが意味される場合、ＡＣ電圧は、その（ターゲット）推進電極に印加される。上記図は、ｎ～ｎ＋３と表示された４列およびｎ～ｎ＋４と表示された５行を示す。
図２に図示されるように、旧来のＡＭ－ＥＷｏＤセルは、行単位アドレス指定を使用し、ここで１つのゲートラインｎは高いが、他の全ては低い。次いで、上記データラインの全てに対するシグナルは、行ｎにおけるピクセルの全てに移される。ラインタイムの最後に、ゲートラインｎのシグナルは低くなり、次のゲートラインｎ＋１は高くなるので、次のラインのデータは、行ｎ＋１のＴＦＴピクセルに移される。これが連続してスキャンされているゲートラインの全てで継続するので、マトリクス全体が駆動される。これは、携帯電話スクリーン、ラップトップスクリーンおよびＬＣＤ－ＴＶのようなほぼ全てのＡＭ－ＬＣＤにおいて使用される同じ方法であり、それによって、ＴＦＴは、液晶層にわたって、およびＡＭ－ＥＰＤ（電気泳動ディスプレイ（ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ ｄｉｓｐｌａｙ））において維持される電圧を制御する。
ＡＭ－ＴＦＴが駆動され得る速度に対する１つの制限は、各ピクセル電極が、目に見える状態変化を誘導するために十分充電されるために必要とされる時間である。理想的な駆動シグナルの場合には、最大ラインタイム（ＭＬＴ）が計算され得、これは、フレームタイム（ＦＴ）、フレームレート（ＦＲ）、およびゲートラインの数（ｎ）の関数：
フレームタイム（ＦＴ）＝１／ＦＲ、
ＭＬＴ＝ＦＴ／ｎ
である。
例えば、１００Ｈｚで駆動されるゲート５００ラインを有するＥＷｏＤのＭＬＴは、１／１００／５００＝２０μｓである。実際には、ゲートラインおよびソースラインは、ＴＦＴデザインおよび上記アレイのサイズに依存するＲＣ時定数によってさらに特徴づけられる。代表的には、ＴＦＴ切り替えを生じる上記ＲＣ時定数は、理想的なラインタイムより遅い。よって、１つのゲートラインが「オフ」および次の「オン」を切り替えられる間には、さらに２～３μｓが代表的には必要とされ、結果的に、ピクセル充電のための実時間は、所定のフレームレートに関して計算されるＭＬＴより代表的には２～３μｓ短い。代表的には、ＥＰＤおよびＬＣＤは、代表的には、６０～１２０Ｈｚの間のフレームレートで機能する。ラインタイムを予測するにあたって、例として１００Ｈｚのレートが採用され得る。さらに、ＡＭ－ＴＦＴディスプレイはしばしば、約１０００個のゲートラインを有する。これらの数字を使用すると、フレームレート １００Ｈｚは、１０ｍｓというフレームタイムを生じ、１０００個のゲートラインは、１０ｍｓ／１０００＝１０μｓの利用可能な最大ラインタイムを生じる。
異なる数のゲートラインを有するＴＦＴパネルに関するＥＷｏＤ周波数、ＴＦＴフレームレートおよびＭＬＴが、表Ｉ中に列挙される。重要なことには、上記ＴＦＴフレームレートは、ＥＷｏＤ周波数の２倍である。なぜなら完全なＥＷｏＤサイクルは、正のパルスおよび負のパルスの両方を必要とするからである。８μｓより大きいＭＬＴは太字であり、行単位アドレス指定を使用する単純なａ－Ｓｉ ＴＦＴアレイが、満足のいく性能を保持しながらそれらを駆動し得るようであることを意味する。８μｓより短いＭＬＴは、斜体であり、標準的な駆動でのａ－Ｓｉ ＴＦＴが、高いＥＷｏＤ周波数を達成しないようであることを意味する：
Figure 2023514278000002
 従って、表Ｉに示されるように、小さなアレイ（すなわち、２００スキャンライン）に関しては、上記アレイを２００Ｈｚ超で駆動することは可能であるが、２００Ｈｚ駆動すら、より大きなアレイ（例えば、５００のスキャンラインまたはこれより大きいもの）に関しては直ぐに問題外になる。たいていの場合、１０００Ｈｚで行単位アドレス指定を使用することは、単純に実行可能でない。
ラッチ付きトランジスタ駆動
上記で例証されるように、旧来の行単位アドレス指定方法では、各行は個々に駆動されるので、ゲートピリオドの数は、常にゲートラインの数に等しい。これは、上記アレイが高いフレームレートで駆動される場合に、ａ－Ｓｉ ＴＦＴでＥＷｏＤを操作するにあたって困難を生み出す。なぜなら上記ａ－Ｓｉ ＴＦＴおよびドライバは、高周波数で上記マトリクスソースラインおよびゲートラインをスキャンし、上記ピクセル電極に関して適切な充電状態に達することができないからである。しかし、エレクトロウェッティングディスプレイを、標準的な行単位駆動で代表的には可能であるより高い周波数で駆動する実質的な利益が存在する。特に、高イオン強度を有する水性溶液がエレクトロウェッティングデバイス上で駆動される場合に、故障率は、低周波数駆動に関するものより遙かに高い。持続した電位（ｖｏｌｔａｇｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌｓ）は、イオン種と上記デバイス中の種々の金属との間での電気化学現象を促進するという仮説が立てられる。上記ピクセル電極およびドライブラインを種々の誘電体および／またはポリマーシーラントで密封することは可能であるが、特に、密封層（ｓｅａｌｉｎｇ ｌａｙｅｒ）中の最も小さな欠陥が直ぐに、不可逆的なデバイス損傷の経路になることが見出される。さらに、より高周波数の駆動が、液滴プロトコールの過程の間に液滴の位置のより少ない「ずれ（“ｓｌｉｐｐａｇｅ）」を生じることが見出された。長時間継続するプロトコールのためには、液滴位置の小さなずれが、２個の混合する液滴が予定どおりに組み合わされない場合に、プロトコールの失敗を生じ得る。
上記ピクセル電極がもはや旧来の方法におけるように駆動されないＡＭ－ＥＷｏＤデバイスが、本明細書で開示される。代わりに、および図３の例示的実施形態において図示されるように、上記ピクセル電極３０は、ピクセルトランジスタ３０３に接続され、上記ピクセルトランジスタは、次に、ラッチ回路に接続され、上記コモン頂部電極３０７は、頂部電極ドライバ３０６に接続される。具体的には、上記ピクセルトランジスタ３２のソースは、ピクセル電極３０に接続され、上記ピクセルトランジスタドレイン３４は、パワーレール３６に接続される。上記ピクセルトランジスタのゲート３９は、上記ラッチ回路に接続される。この構造において、上記ラッチ回路は、ラッチトランジスタ３０１およびストレージキャパシタ３０５を含む。上記マトリクス駆動システムのマトリクスソースラインおよびマトリクスゲートライン（ぞれぞれ、３５および３８）は、旧来のアレイの様式では上記ピクセル電極を駆動しない。代わりに、マトリクスゲートライン３８は、上記ラッチトランジスタ３０１のゲート３１に接続され、上記ラッチトランジスタのソース３３は、マトリクスソースライン３５に接続される。上記ラッチトランジスタ３０１のドレイン３７は、ピクセルトランジスタゲート３９に、およびラッチキャパシタ３０５へと繋がり、その機能は、上記ピクセルトランジスタを開いたまままたは閉じたままにすることである。
上記マトリクスソースラインおよびゲートラインを適切な電圧でスキャンすることによって、上記ピクセルトランジスタ３０３およびラッチトランジスタ３０１は、独立してスイッチがオンまたはオフにされ得る。これは、上記マトリクスゲートライン３８およびマトリクスソースライン３５が再びスキャンされて、上記ピクセルトランジスタをその前の状態にするかまたはそれを変化させるまで、選択された状態（「オン」または「オフ」）にある上記ピクセルトランジスタをラッチすることを可能にする。これは、図４Ａ～４Ｄに図示され、ここで異なる電圧でマトリクスゲートラインおよびソースラインをスキャンすることによって獲得され得る多くの状態が、示される。図４Ａに示される実施形態において、マトリクスゲートライン電位Ｖｇ（＋２５Ｖ）とマトリクスソースライン電位Ｖｓ（＋２０ Ｖ）との間の差異Ｖｇｓ１は、５Ｖになる。これは、上記ラッチトランジスタのスイッチをオンにし、上記ソースラインの電圧を上記ラッチキャパシタ３０５およびピクセルトランジスタゲート３９に移し、電位Ｖｌａを＋２０Ｖにするために十分である。上記ピクセル電位Ｖｐを０Ｖに設定すると、ＶｌａとＶｐとの間の電圧差Ｖｇｓ２は、２０Ｖに等しく、これは通常、ａ－Ｓｉ ＴＦＴにおけるチャネル伝導に関する最良のＶｇｓ値である。結果として、ラッチトランジスタおよびピクセルトランジスタの両方のスイッチがオンにされる。頂部電極ドライバ３０６からの１ｋＨｚ、３０Ｖ振幅の正弦波を追加すると、ピクセル３０（別名推進電極）とコモン頂部電極３０７との間の任意の液滴は、１ｋＨｚにおいて＋３０Ｖ～－３０Ｖで駆動される。
「通常の」１ラインずつ更新する基盤（ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、例えば、ゲートラインおよびスキャンラインを使用すると、上記ラッチトランジスタ３０１に対する上記ゲートライン電位Ｖｇは、上記ラッチトランジスタがオフであるような値に変化され得る。しかし、この状態では、キャパシタ３０５は、上記ピクセルトランジスタ３０３を開いたまま保持する。これは、図４Ｂの構成によって例示され、ここでＶｇは－１４Ｖに設定され、結果的にＶｇｓ１が－３４Ｖになり、これは、上記ラッチトランジスタ３０１をオフにするためには十分に過ぎる。にもかかわらず、Ｖｌａは、＋２０Ｖで変化しないままであり、上記ピクセルトランジスタを「オン」のままである。
図４Ｂの代替として、および図４Ｃの図示されるように、Ｖｇは、＋２５Ｖで変化しないままであり得るが、ソース電圧Ｖｓは、－７Ｖに低下される。その得られたＶｇｓは、＋３２Ｖに等しく、上記ソースの電圧は、再び上記キャパシタへと移され、Ｖｌａを生じるこの時間は、－７Ｖに低下する。この状態では、上記ラッチトランジスタはオンにされるが、上記ピクセルトランジスタのスイッチは「オフ」にされる。この「オフ」状態では、上記ピクセル電極３０は、本質的に浮動的であるが、導電性液滴を経る導電性経路が原因で、液滴を横断する電位は存在せず、液滴の接触角は、液滴を横断して電界が存在する場合のように影響を及ぼされない。最後に、図４Ｄに認められるように、Ｖｓは、－７Ｖのままにされ得るが、Ｖｇは－１４Ｖに低下する。その得られたＶｇｓ１は、－７Ｖである。これは、上記ラッチトランジスタをオフにするために十分であり、同様に、それによって、上記ピクセルがリセットされる。
まとめると、各ピクセルトランジスタは独立して、上記マトリクスゲートラインおよびソースラインをスキャンすることによって、所望の状態において切り替えられかつラッチされ得る。よって、上記液滴は、液滴プロトコールに関して必要とされるとおり、ピクセル間で駆動され得る。これは、本発明のＥＷｏＤデバイス５００のセルの模式的断面である図５Ａにおいてより詳細に示される。ここで液滴５０４は、側面でキャリア流体５０２によって囲まれ、それぞれの誘電層５０８の上を覆われた頂部疎水性層５０７と底部疎水性層５１０との間で挟まれる。各推進電極５０５は、上記のように「オン」または「オフ」状態において設定され得、ここで上記駆動電位は、頂部電極５０６を介して供給される。多くの場合に、スペーサーは、上記頂部疎水性層と底部疎水性層との間に配置され、代表的には約１２０μｍ～約５００μｍの範囲にある液滴作業空間を生み出す。上記スペーサーは、任意の非導電性材料から作製され得るが、Ｔｅｆｌｏｎはしばしば、利便性および加工性から使用される。いったん上記ピクセルが選択されかつ所望のパターンに従ってスキャンされた後、上記マイクロコントローラは、上記頂部電極ドライバへとシグナルを出力して、ピクセル電極の全アレイを全て同時にアドレス指定する。ピクセルトランジスタが「オン」状態にラッチされた（これによって「ピクセル上でラッチされる」と定義される）上記ピクセルのみが駆動されるので、所望のピクセル作動パターンが、上記コモン頂部電極を１回だけ駆動することを必要とする。第１の位置と第２の位置との間で液滴を動かすためのプロセスは、図５Ｂおよび５Ｃに図示される。
大部分の液滴プロトコールにおいて、上記液滴は比較的ゆっくりと動き、従って、上記ゲートラインおよびソースラインを経るラッチ切り替えは、上記マトリクスソースラインおよびゲートラインを、本発明のこの実施形態をＴＦＴトランジスタアレイでの、および特にａ－Ｓｉ ＴＦＴでの実行に得に適したものにする特徴である、比較的低い周波数で、例えば、５０Ｈｚ～１００Ｈｚの程度でスキャンすることによって行われ得る。同時に、上記コモン頂部電極は、はるかにより高い周波数で駆動され得る。例えば、少なくとも２５０Ｈｚ～大きくても５ｋＨｚの範囲では、それによって、上記ピクセル電極が遙かにより高速にアドレス指定される。別の実施形態において、上記コモン頂部電極は、少なくとも５００Ｈｚ～大きくても１．５ｋＨｚの範囲の周波数で駆動され得る。１つの実施形態において、上記コモン頂部電極は、少なくとも７５０Ｈｚ～大きくても１．２５ｋＨｚの範囲の周波数で駆動され得る。頂部電極ドライバは、多くの供給業者（例えば、Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ）から入手可能であり、ゲル電気泳動適用のために市販されている。適切なマイクロコントローラは、Ｅ Ｉｎｋ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから購入され得る。１つの例示的デバイスでは、マイクロコントローラ２０４は、上記マトリクスゲートドライバ、電気泳動ディスプレイで行われるとおりのマトリクスソースドライバにシグナルを送る一方で、上記頂部電極ドライバは、必要とされる駆動電圧を提供する。上記頂部電極駆動は、別個のマイクロコントローラシグナルでゲート制御され得る。しかし、上記コントローラの機能が２つのサブコントローラ（上記第１のサブコントローラはマトリクスゲートおよびドースドライバにシグナルを送り、上記第２のサブコントローラは上記頂部電極ドライバにシグナルを送る）によって行われる実施形態はまた企図され、本発明のこの局面の範囲内である。
多くの変更および改変が、発明の範囲から逸脱することなく上記の発明の具体的実施形態において行われ得ることは、当業者に明らかである。従って、前述の説明全体は、例証の意味で解釈されるべきであり、限定の意味で解釈されるべきではない。

Claims (20)

  1. アクティブマトリクス型誘電体エレクトロウェッティング（ＡＭ－ＥＷｏＤ）システムであって、前記システムは、
    （ｉ）処理装置；
    （ｉｉ）ピクセルアレイであって、各ピクセルは、
    ピクセル電極；
    ソース、ドレイン、およびゲートを含むピクセルトランジスタであって、前記ピクセルトランジスタソースは、前記ピクセル電極に操作可能に接続され、前記ピクセルトランジスタドレインは、マトリクスパワーレールに操作可能に接続された、ピクセルトランジスタ；
    前記ピクセルトランジスタゲート、マトリクスゲートライン、マトリクスソースライン、および前記マトリクスパワーレールに操作可能に連結されたラッチ回路であって、
    前記ラッチ回路は、前記ピクセルトランジスタを、前記マトリクスゲートラインの状態および前記マトリクスソースラインの状態によって制御されるオン状態またはオフ状態においてラッチするように構成されたラッチ回路；
    を含む、ピクセルアレイ；
    （ｉｉｉ）複数のマトリクスゲートドライバであって、各マトリクスゲートドライバは、マトリクスゲートラインに操作可能に接続された、複数のマトリクスゲートドライバ；
    （ｉｖ）複数のマトリクスソースドライバであって、各マトリクスソースドライバは、マトリクスソースラインに操作可能に接続された、複数のマトリクスソースドライバ；
    （ｖ）前記複数のマトリクスパワーレールに操作可能に接続された電源；
    （ｖｉ）前記ピクセルアレイに対向して配置されたトッププレーンコモン電極であって、前記トッププレーンコモン電極は、トッププレーンコモン電極ドライバに操作可能に接続されかつ時間変数電圧を提供するように構成されている、トッププレーンコモン電極；ならびに
    （ｖｉｉ）前記マトリクスゲートドライバ、マトリクスソースドライバ、および前記トッププレーンコモン電極ドライバに操作可能に接続されたコントローラであって、前記コントローラは、前記処理装置からの指示を受容して、ピクセルトランジスタを、オン状態またはオフ状態においてラッチするように構成されている、コントローラ、
    を含むシステム。
  2. 前記ラッチ回路は、
    ソース、ドレイン、およびゲートを含むラッチトランジスタであって、前記ラッチトランジスタは、前記マトリクスゲートラインおよびマトリクスソースラインに操作可能に接続されたラッチトランジスタ；ならびに
    前記ピクセルゲート、前記ラッチトランジスタのドレイン、および前記マトリクスパワーレールに操作可能に接続されたラッチキャパシタ、
    を含む、請求項１に記載のＡＭ－ＥＷｏＤシステム。
  3. 前記ピクセルトランジスタおよび前記ラッチトランジスタは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）である、請求項２に記載のＡＭ－ＥＷｏＤシステム。
  4. 前記ピクセルトランジスタおよび前記ラッチトランジスタは、無定形ケイ素の層（ａ－Ｓｉ ＴＦＴ）を含む、請求項３に記載のＡＭ－ＥＷｏＤシステム。
  5. 前記ピクセルトランジスタおよび前記ラッチトランジスタは、金属酸化物半導体の層を含む、請求項３に記載のＡＭ－ＥＷｏＤシステム。
  6. 前記トッププレーンコモン電極ドライバは、２５０Ｈｚ～５ｋＨｚの間の周波数を有する時間変数電圧を提供するように構成される、請求項１に記載のＡＭ－ＥＷｏＤシステム。
  7. 前記トッププレーンコモン電極ドライバは、５００Ｈｚ～１．５ｋＨｚの間の周波数を有する時間変数電圧を提供するように構成される、請求項１に記載のＡＭ－ＥＷｏＤシステム。
  8. 前記トッププレーンコモン電極ドライバは、７５０Ｈｚ～１．２５ｋＨｚの間の周波数を有する時間変数電圧を提供するように構成される、請求項１に記載のＡＭ－ＥＷｏＤシステム。
  9. 前記トッププレーンコモン電極ドライバは、前記ラッチの駆動周波数より高いかまたはこれに等しい周波数で操作するように構成される、請求項１に記載のＡＭ－ＥＷｏＤシステム。
  10. 前記コントローラは、前記マトリクスゲートドライバおよびマトリクスソースドライバに操作可能に接続された第１のサブコントローラ、ならびに前記トッププレーンコモン電極ドライバに操作可能に接続された第２のサブコントローラを含む、請求項１に記載のＡＭ－ＥＷｏＤシステム。
  11. 前記ピクセルアレイと前記トッププレーンコモン電極との間にスペーサーをさらに含む、請求項１に記載のＡＭ－ＥＷｏＤシステム。
  12. アクティブマトリクス型誘電体エレクトロウェッティング（ＡＭ－ＥＷｏＤ）システムを駆動する方法であって、前記システムは、
    （ｉ）処理装置；
    （ｉｉ）ピクセルアレイであって、各ピクセルは、
    ピクセル電極；
    ピクセル電極；
    ソース、ドレイン、およびゲートを含むピクセルトランジスタであって、前記ピクセルトランジスタソースは、前記ピクセル電極に操作可能に接続され、前記ピクセルトランジスタドレインは、マトリクスパワーレールに操作可能に接続された、ピクセルトランジスタ；
    前記ピクセルトランジスタゲート、マトリクスゲートライン、マトリクスソースライン、および前記マトリクスパワーレールに操作可能に連結されたラッチ回路、
    であって、
    前記ラッチ回路は、前記ピクセルトランジスタを、前記マトリクスゲートラインの状態および前記マトリクスソースラインの状態によって制御されるオン状態またはオフ状態においてラッチするように構成されたラッチ回路、
    を含む、ピクセルアレイ；
    （ｉｉｉ）複数のマトリクスゲートドライバであって、各マトリクスゲートドライバは、マトリクスゲートラインに操作可能に接続された、複数のマトリクスゲートドライバ；
    （ｉｖ）複数のマトリクスソースドライバであって、各マトリクスソースドライバは、マトリクスソースラインに操作可能に接続された、複数のマトリクスソースドライバ；
    （ｖ）前記複数のマトリクスパワーレールに操作可能に接続された電源；
    （ｖｉ）前記ピクセルアレイに対向して配置されたトッププレーンコモン電極であって、前記トッププレーンコモン電極は、トッププレーンコモン電極ドライバに操作可能に接続されかつ時間変数電圧を提供するように構成されている、トッププレーンコモン電極；ならびに
    （ｖｉｉ）前記マトリクスゲートドライバ、マトリクスソースドライバ、および前記トッププレーンコモン電極ドライバに操作可能に接続されたコントローラであって、前記コントローラは、前記処理装置からの指示を受容して、ピクセルトランジスタをオン状態またはオフ状態においてラッチするように構成されている、コントローラ；
    を含み、
    前記方法は、
    前記処理装置への入力指示を受容する工程であって、前記入力指示は、前記ＡＭ－ＥＷｏＤによって行われるべき液滴操作に関する工程；
    マトリクスゲートラインおよびマトリクスソースライン選択指示を、前記処理装置から前記コントローラへと出力する工程、
    マトリクスゲートラインシグナルを、前記コントローラからマトリクスゲートラインのドライバへ、およびマトリクスソースラインシグナルを、前記コントローラからマトリクスソースラインのドライバへ出力して、少なくとも１個のピクセルの前記ラッチ回路を切り替える工程、ならびに
    時間変数トップコモン電極シグナルを、前記トッププレーンコモン電極ドライバから前記トッププレーンコモン電極ドライバへと出力して、ピクセルに対してラッチを駆動する工程、
    を包含する方法。
  13. 前記ラッチ回路は、
    ソース、ドレイン、およびゲートを含むラッチトランジスタであって、前記ラッチトランジスタは、前記マトリクスゲートラインおよびマトリクスソースラインに操作可能に接続されたラッチトランジスタ；ならびに
    前記ピクセルゲート、前記ラッチトランジスタのドレイン、および前記マトリクスパワーレールに操作可能に接続されたラッチキャパシタ、
    を含む、請求項１２に記載のＡＭ－ＥＷｏＤシステムを駆動する方法。
  14. 前記ピクセルトランジスタおよびラッチトランジスタは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）である、請求項１３に記載のＡＭ－ＥＷｏＤシステムを駆動する方法。
  15. 前記ピクセルトランジスタおよびラッチトランジスタは、無定形ケイ素薄膜トランジスタ（ａ－Ｓｉ ＴＦＴ）である、請求項１４に記載のＡＭ－ＥＷｏＤシステムを駆動する方法。
  16. 前記トッププレーンコモン電極ドライバは、２５０Ｈｚ～５ｋＨｚの間の周波数を有する時間変数電圧を提供するように構成される、請求項１２に記載のＡＭ－ＥＷｏＤシステムを駆動する方法。
  17. 前記トッププレーンコモン電極ドライバは、５００Ｈｚ～１．５ｋＨｚの間の周波数を有する時間変数電圧を提供するように構成される、請求項１２に記載のＡＭ－ＥＷｏＤシステムを駆動する方法。
  18. 前記トッププレーンコモン電極ドライバは、７５０Ｈｚ～１．２５ｋＨｚの間の周波数を有する時間変数電圧を提供するように構成される、請求項１２に記載のＡＭ－ＥＷｏＤシステムを駆動する方法。
  19. 前記トッププレーンコモン電極は、前記ラッチの駆動周波数より高いかまたはこれに等しい周波数で駆動される、請求項１２に記載のＡＭ－ＥＷｏＤシステムを駆動する方法。
  20. 前記コントローラは、前記マトリクスゲートドライバおよびマトリクスソースドライバに操作可能に接続された第１のサブコントローラ、ならびに前記トッププレーンコモン電極ドライバに操作可能に接続された第２のサブコントローラを含む、請求項１２に記載のＡＭ－ＥＷｏＤシステムを駆動する方法。
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