JP4253521B2 - 表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエレクトロウエッティング現象を利用し、着色液滴のサイズを変化させることにより開口部の光量を変化させる光シャッター方式の表示装置に関するもので、特に光の利用効率がよい光シャッター方式の表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の表示装置として、液晶表示装置（ＬＣＤ）、プラズマデイスプレー（ＰＤＰ）、ゲストホストＬＣＤ、エロクトロクロミックディスプレー（ＥＣＤ）、電気泳動ディスプレー（ＥＰＤ）、有機ＥＬディスプレー（ＯＬＥＤ）等が夙に知られている。
しかしながら、これらの既知の表示装置は、輝度、コントラスト比、解像度、画面サイズ、高精細化、応答性、寿命、階調表示化、製造コスト等の点でそれぞれどこかに問題があり、高輝度（１０００ｃｄ／ｍ2）で高コントラスト比（１０００：１）、高精細（１２３ｐｐｉ）、大面積（８００×１２００ｍｍ）のすべての要求項目を満足する医療用ディスプレーとしては、どれも適していなかった。
【０００３】
この中でも特にＬＣＤが秀れているが、偏光板を用いていることから、光漏れにより黒輝度が高かったり、視野角依存性があるため、多人数での利用に問題があり、眼精疲労も生じた。また、ＰＯＰやＯＬＥＤのような自発光型の場合には十分な輝度やコントラスト比が得られず、画面全体に均一な輝度にすることが困難であったり（輝度ムラ）、全体を明るくして輝度を揃えると逆に寿命の点で問題があった。また、ＰＤＰは高精細化が困難であった。
【０００４】
一方、エレクトロウエッティング現象を利用し、着色液滴のサイズを変化させることにより開口部の光量を変化させる光シャッター方式の表示装置は、公知である。
【０００５】
そこで、エレクトロウエッティング現象について図１および図２に基づいて簡単に説明しておく。
エレクトロウエッテイング現象とは、電極を電解質（溶液）に浸すと電極表面と溶液との接触面で界面が形成され、この界面には電極側での金属イオンおよび自由電子と、溶液側の電解質イオンとにより、図１のように、いわゆる電気二重層ＥＤＬ（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ）が形成され、そして金属−電解質の境界に電界が加わると表面張力の変化を誘発する現象をいう。
用いられる電極としては、導電性材料であれば何でもよい。例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｌなどの金属、ＳｎＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、ＲｕＯ2、ＴｉＯ2、などの金属酸化物、Ｇｅ、Ｓｉ、ＧａＡｓなどの半導体、およびグラファイト、グラッシーカーボン、ダイヤモンドのどの炭素系などが挙げられる。
【０００６】
図２はこれに電圧を印加しない場合と印加した場合の変化を説明する図である。
（ａ）は外部電圧Ｅの印加がない場合で、この場合、電荷は金属−電解質の境界に現れて、電気二重層ＥＤＬを形成する。（ｂ）は外部電圧が印加された場合であり、この場合、電気二重層ＥＤＬにおける電荷密度は変化をし、その結果、表面張力γと接触角は増減する。
そしてこの場合、印加された電圧（Ｖ）とその結果の表面張力（γ）との関係式は、境界における熱力学解析によって導き出されることができ、その結果はリップマンの方程式を用いて式（１）のように表わされる。
γ＝γ0− １／２ｃＶ2 ・・・（１）
ここで、γ0 は電圧ゼロ（すなわち、固体の表面は電荷ゼロ）時の固体−液体境界における表面張力、
ｃは単位面積当たりのキャパシタンスであり、電荷層は対称なヘルムホルツ・キャパシタをモデルとして仮定している。
外部から電圧が電解質と固体の間に加えられると、電荷と双極子には状態変化が起き、境界での表面エネルギに変化が生じる（図２参照）。特に、境界に電荷があると、表面領域を拡張するのに要する仕事が電荷間の反発力で減らされるため、表面張力の低下が起きるので拡張し易くなると考えられる。
リップマンの方程式（１）は、ヤング方程式（２）の導入によって接触角θを用いて表される。
γSL＝γSG−γLGｃｏｓθ ・・・（２）
ｃｏｓθ＝ｃｏｓθ0＋（１／γLG）×（１／２）ｃＶ2 ・・・（３）
ここで、θ0は境界層を横切る電解がゼロのときの接触角、
γSLは固体ー液体表面張力、
γLGは液体ーガス表面張力、
γSGは固体ーガス表面張力である。
γLGおよびγSGは印加電位に無関係な定数であると仮定する。
方程式（３）における接触角は液体と電極との間の印加電圧の関数となっている。
したがって、図２（ｂ）のように、液体と電極との間に電圧を印加すると、接液体が拡張する。本発明はこの現象を応用するものである。
【０００７】
このようなエレクトロウエッティング現象を利用し、着色液滴のサイズを変化させることにより開口部の光量を変化させる光シャッター方式の公知の表示装置としては、例えば、特許文献１および２がある。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−３１１６４３号公報
【特許文献２】
特開平１０−３９８００号公報
【非特許文献１】
「Ｅｌｅｃｔｒｏｗｅｔｔｉｎｇ ｏｆ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ａｑｕｅｏｕｓ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｏｎ ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）」、Ｖａｌｌｅｔ，Ｂｅｒｇｅ，Ｖｏｖｅｌｌｅ、Ｐｏｌｙｍｅｒ，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ１２ ｐ．２４６５（１９９６）。
【０００９】
引用文献１および２ともにエレクトロウエッティング現象（ただし、この文献では「電気毛管現象」と記載。）を利用したディスプレイである。
特開平９−３１１６４３号公報は、電子ディスプレイシートを製造するための方式を提供するもので、電子ディスプレイシートを、外部面と内部面とをそれぞれ有する第１及び第２のシートと、これらの内部面との間の密閉空間と、第１のシートが内部面上の第１の種類の電極手段と、第１の種類の電極手段の上に置かれた絶縁層と、絶縁層の上に置かれかつ密閉空間にさらされている第２の種類の電極手段とを備え、絶縁層が第１の種類の電極手段を前記第２の種類の電極手段から絶縁するように構成されかつ配置され、更に第２の種類の電極手段を被覆する密閉空間内に置かれた液体の小滴と、第１の種類の電極手段及び第２の種類の電極手段を付勢する手段とを備え、第１の種類の電極手段及び第２の種類の電極手段が付勢される場合、液体小滴が拡大されるように構成されるようにしたものである。
【００１０】
特開平１０−３９８００号公報は、２枚のシート間の間隙の複数組の導電性着色液滴を利用する電気毛管ディスプレイシートを開示するもので、それぞれの組の着色液滴がそれぞれのシート上で対応する電極を有し、それぞれの組の着色液滴はその組内の他の着色液滴とは混和しないものであり、そしてそれぞれの着色液滴は個々の電気接続を有し、それぞれの組のそれぞれの着色液滴を選別的に起動することで、その組の少なくとも１つの着色液滴がそれぞれの組の着色液滴が共有する間隙で拡大して画像のカラー画素を形成するものである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが従来技術では、低表面エネルギー膜に絶縁性能を持たせているために、接触角をより変化させるためには、低表面エネルギー膜を薄くする必要があったが、逆に薄くすることによりリーク電流が生じてしまい、十分な絶縁性能を得ることができなかった。
すなわち、従来技術では、絶縁膜と低表面エネルギー膜をあわせた絶縁層の厚みがミクロンオーダーであったり、絶縁膜と低表面エネルギー膜を同じ材料で、一体化させて用いており、比誘電率が２．１のＰＴＦＥ系（テフロン）材料が用いられており、接触角θを数度変化させ、液滴面積を変化させるための駆動電圧は１００Ｖ以上を要しており、実用的ではなかった。
また、これらのいずれの表示装置にあっては、着色液滴の広がりが悪く、表示装置として開口率の低いものとなり、光の利用効率が悪かった。
本発明の目的は上記の欠点を解決するもので、低表面エネルギー膜と絶縁膜を分離して、低表面エネルギー膜の厚みはできるだけ薄くし、絶縁膜に比誘電率の高いものを用いることによって、効率よく接触角を変化させることができるようにし、したがって開口率の大きい、光の利用効率が良い表示装置を提供することにある。
さらに、上記表示装置に加えて、着色液滴に向かった光が着色液滴で吸収されてしまったのでこれを反射させて再利用することにより光の利用効率が良い表示装置を得るようにした。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の表示装置の発明は、表示装置最下層を構成する第一基材、該第一基材の上に設けられた第一電極、該第一電極の上に設けられた絶縁体膜と低表面エネルギー膜とから成る絶縁層、該絶縁層の上に設けられた第二電極、該第二電極を間隔を置いて取り囲むキャビティ仕切り、該キャビティ仕切りの上に設けられた最上層を構成する第二基材と、該キャビティ仕切り内に封入された着色液滴とから成り、前記着色液滴に電界を印加したことによるエレクトロウエッティング現象を利用した表示装置において、前記絶縁体膜の比誘電率が３以上で厚みが１０〜１００ｎｍであり、前記低表面エネルギー膜の厚みが１００ｎｍ以下であることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１記載の表示装置において、低表面エネルギー膜の表面エネルギーが２０ｍＮ／ｍ以下であることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の表示装置において、低表面エネルギー膜の表面粗さが５ｎｍ〜４５ｎｍであることを特徴とする。
【００１３】
このような構成により、低表面エネルギー膜と絶縁膜を分離して、低表面エネルギー膜の厚みを薄くし、絶縁膜に比誘電率の高いものを用いることで、効率よく接触角を変化させることができ、したがって開口率の大きい、光の利用効率の良い表示装置が得られるようになる。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載の表示装置において、前記第一電極と第二電極との間に印加する電圧を可変とすることにより、中間調表示可能とした特徴とする。
このような構成により、濃度０％〜１００％の階調表示をさせることが可能となる。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか１項記載の表示装置において、前記第一電極と第二電極との間に電圧が印加されない状態で前記着色液滴が第一基材に占める面積範囲の第一基材の入射光側に反射板を設けたことを特徴とする。このような構成により、上記表示装置に加えて、さらに、本来着色液滴で吸収されてしまう光を再利用することができるので、光の利用効率がいっそう良くなる表示装置が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面を用いて詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
図３は本発明の第１の実施の形態に係るもので、（ａ）は従断面図、（ｂ）は一部切り欠き平面図である。
図において、１０は本発明の第１の実施の形態に係る表示装置、１２は表示装置１０の最下層を構成する第一透明基材、１４は第一透明基材１２の上に設けられた第一透明電極、１５は第二透明電極である。透明電極の材料としては、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）が挙げられる。
１６は絶縁層で、これは下層の絶縁（誘電体）膜１６ａと該絶縁膜１６ａの上に設けられた低表面エネルギ膜１６ｂとから成る。
本発明によれば、下層絶縁体膜１６ａの比誘電率が３以上のものでその厚みが１０〜１００ｎｍのものとしている。
一方、撥水性のよい材料でできた膜である低表面エネルギ膜１６ｂを用いると、上に載置した液体が拡がらずに球状を維持することが可能となる。この低表面エネルギー膜１６ｂの厚みは１００ｎｍ以下で、その表面エネルギーが２０ｍＮ／ｍ以下で、その表面粗さは５ｎｍ〜４５ｎｍのものを使用している。
以上の数値範囲の限定の根拠は、後述する実施例によって裏付けされている。１７はキャビティ仕切り、１８は表示装置１０の最上層を構成する第二透明基材である。
第一透明電極１４は、表示装置１０の底面中央部に設けられた僅かな開口以外は表示装置１０の底面一面に敷設されている。
第二透明電極１５は低表面エネルギ膜１６ｂの上にあって、かつ図３（ｂ）から判るように、平面図的に見て第一透明電極１４の中心に位置している。
Ｅはマイナス側が第二透明電極１５に接続され、プラス側がスイッチＳ１の一通端に接続されている直流電源、Ｓ１は直流電源Ｅのプラス側と第一透明電極１４の間の接続を開閉するスイッチである。Ｗは着色液滴である。
【００１７】
ここで、誘電体膜１６ａ、低表面エネルギー膜１６ｂ、面積比、および駆動電圧Ｅについて、詳述しておく。
（誘電体膜１６ａについて）
本発明では電極１４から直接、液滴Ｗに電流が流れ込まないように、電気絶縁性を有する誘電体膜（絶縁膜）１６ａを設置する。使用する誘電体膜１６ａとしては比誘電率が３以上であれば特にその種類の制限はない。例えば「化学便覧基礎編改訂４版」II−５０２〜II５０８、丸善株式会社に記載のものを用いることができる。特に、有機化合物でも無機化合物でもかまわない。具体的には、ＰＺＴ系材料、Ａｌ２Ｏ３、Ａ１Ｎ、ＨｆＯ２、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＳｉＣなどを用いることが好ましい。
透過型の表示素子を考えた場合、その可視光透過率は５０％以上であることが好ましく、より好ましくは７０％以上であり、さらに好ましくは８０％以上であることである。
また、その厚みは１０ｎｍ〜１μｍであり、好ましくは１０ｎｍ〜５００ｎｍ以上であり、より好ましくは１０ｎｍ〜３００ｎｍであり、最も好ましくは１０〜１００ｎｍであることである。
誘電体膜１６ａの厚みが１０ｎｍ以下になると誘電体膜１６ａと低表面エネルギー膜１６ｂを介して、液滴Ｗに電流が流れ込むために好ましくない。
【００１８】
（低表面エネルギー膜１６ｂについて）
使用する低表面エネルギー膜１６ｂとしては、表面エネルギーが低ければ特に制限はないが、例えば特開平７−１８８４１６号、特開平７−２４２７７４号、特開平１０−３１４６６９号、特開平１１−２６３８６０号などに記載のものを用いることができる。具体的には、フッ素系やシリコン系の材料が好適に用いられ、具体的にはポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、パーフルオロアルキルポリオキシエチレンエタノール、酸化珪素などが好ましい。
低表面エネルギー膜１６ｂの二乗平方根粗さ（以下表面粗さ）は、０ｎｍ〜５ｎｍのものでもかまわないが、特開平１１−２６３８６０号に示されているように、より好ましくは、８ｎｍ〜４５ｎｍの範囲内にあることが、液滴Ｗの接触角を大きく保つことができるので好ましい。４５ｎｍ以上の表面粗さになると、光散乱が大きくなり、良好な透明性が得られないため好ましくない。
【００１９】
（面積比について）
図４に低表面エネルギー膜１６ｂ上に接触角θの異なる２つの同一体積の液滴Ｗａ、Ｗｂを示す。図４から分かるように、液滴Ｗｂは広がっており、液滴Ｗａは玉になっている。その結果、液滴Ｗｂは液滴Ｗａが占める表面面積Ｓ１よりも大きな表面面積Ｓ２を占めるようになる。２つの液体が異なる表面面積を占める理由は、それぞれの液体は表面と特定のエネルギー関係を持ち、所与の表面に対して特定の接触角θを生じるようになるからである。
液体と表面の間の相互作用エネルギーが低ければ低いほど、接触角θは大きくなり、占有面積Ｓは少なくなる。
本発明では、Ｓ２の状態が黒表示、Ｓ１の状態が白表示となるため、より大きなコントラストを得るためにはその面積比（Ｓ２／Ｓ１）が大きくなることが好ましい。面積比は１．２以上有ることが好ましい。面積比が１．２以下であると、一つの素子を考えた場合、最大でも開口率２０％の素子となり、光利用効率も最大でも２０％程度となり、従来の液晶表示装置と同程度の光利用効率であり、高いコントラストと高い輝度を得ることが困難である。
【００２０】
（駆動電圧Ｅについて）
本発明の素子の駆動電圧Ｅとしては、より低い駆動電圧であることが望ましいが、絶縁膜の耐圧や耐久性、安全性、さらには駆動ドライバの性能などを総合的に考慮すると、駆動電圧としては３０Ｖ以下が好ましい。より好ましくは２０Ｖ以下であり、さらに好ましくは１０Ｖ以下で駆動することである。
【００２１】
次に、図３の表示装置１０の動作について図５を使って説明する。
図５（ａ）は、図３の表示装置の使用状態を説明する図で、（ａ）はスイッチＳ１がオフ状態における着色液滴の定常状態（明表示）、（ｂ）は暗表示状態をそれぞれ示している。
図５（ａ）において、スイッチＳ１がオフ（開）で、着色液滴の定常状態は「液滴縮み」（球状）となっている。したがって第一透明基材１２側から到来した光Ｌは、第一透明基材１２→第一透明電極１４→絶縁膜１６ａ→低表面エネルギ膜１６ｂ→キャビティ内→第二透明基材１８と透過するので、表示は「明」表示となる。
【００２２】
図５（ｂ）はスイッチＳ１がオンであり、これによって第一透明電極１４と第二透明電極１５との間に電圧が印加され、第一透明電極１４がプラス、第二透明電極１５がマイナスとなる。第一透明電極１４と第二透明電極１５との間に電圧が印加されると、着色液滴Ｗは液体表面にマイナス電荷が誘起するので、着色液滴Ｗはプラス電位の第一透明電極１４に吸引されることとなり、着色液滴はキャビテイの底面いっぱいに広がる。
したがって第一透明基材１２側から到来した光Ｌは、第一透明基材１２→第一透明電極１４→絶縁膜１６ａ→低表面エネルギ膜１６ｂ→キャビティ内の着色液滴Ｗに到達して、ここで遮光されるので、表示は「暗」表示となる。
【００２３】
また、図３において、第一電極１４と第二電極１５との間に電圧Ｖ（Ｖ＝０とＥ）を印加したときの接触角θｖは、絶縁膜１６ａと低表面エネルギー膜１６ｂと合わせた絶縁層１６の膜厚をｄ、絶縁層１６の比誘電率をε、液滴Ｗとの低表面エネルギー膜１６ｂとの界面張力をγ、真空の誘電率をε０とすると、式（４）で与えられることも知られている（非特許文献１参照）。
ｃｏｓθ（Ｖ）―ｃｏｓθ（０）＝ε０×ε×ｖ２／（２ｄ×γ）・・・（４）
このように式（４）によれば、電圧Ｖの印加により接触角θが変化し、液滴Ｗの形状を制御できることが定量的に示されている。
また、電圧Ｖの印加の他に比誘電率ε、膜厚ｄによって、接触角θが変化し、液滴Ｗの形状を制御できることがわかる。
【００２４】
そこで、以上のことを勘案して各変数を変えて各種の実験を行った実施例について以下に説明する。
以下の考察では表面積比が１．２以上あれば従来の液晶表示装置と比較してメリットがあるので、表面積比が１．２以上の場合を可、１．２を下回る場合を不可とした。
表１では、誘電体材料として比誘電率εがどのような値のものがよいのかを調べた。実施例１では比誘電率ε＝８０のＴｉＯ2、実施例２ではε＝８のＺｎＯを用い、実施例３ではε＝３の材料としてＳｉＯ２膜を用い、それぞれ１００ｎｍの厚みに形成し、撥水性塗布剤を用いた。
比較例１としてε＝２．１のテフロンを用いた。
また、低表面エネルギー膜はいずれも、厚み１μｍ、表面エネルギー２０（ｍＮ／ｍ）、表面粗さ１０ｎｍとした。
駆動電圧を１０Ｖ、２０Ｖ、３０Ｖとした。
その結果を、表１に示した。
【００２５】
【表１】
表１から判ることは、実施例１では駆動電圧Ｖが１０（Ｖ）のとき、既に表面積比が３．２であり、面積比１．２以上となっているので表示装置として充分使用可能である。しかも駆動電圧Ｖを２０（Ｖ）から３０（Ｖ）へと増加するにつれて表面積比も３．４から３．９へと増えていった。
また、実施例２では、駆動電圧Ｖが１０（Ｖ）のときは表面積比は１．０であって面積比１．２を下回っているので表示装置としては使えないが、駆動電圧Ｖが２０（Ｖ）から３０（Ｖ）へと増加するにつれて表面積比は１．３から２．９へと増えてゆき、いずれも面積比１．２以上となるので表示装置としては使用可能となることが判る。
また、実施例３では、駆動電圧Ｖが１０（Ｖ）、２０（Ｖ）では表面積比は１．０なので表示装置としては使えないが、駆動電圧Ｖが３０（Ｖ）になると表面積比は１．２となるので表示装置としては使用可能となることが判る。表に載せてないが、さらに駆動電圧を４０（Ｖ）にしたら面積比は２．２となった。
【００２６】
これに対して、比較例１では駆動電圧Ｖが１０（Ｖ）、２０（Ｖ）、３０（Ｖ）と増加しても表面積は変化せず、従って面積比は１．０であった。これでは表示装置としては使用できない。
以上のことから、低表面エネルギー膜が厚み１００ｎｍ、表面エネルギー２０（ｍＮ／ｍ）、表面粗さ１０ｎｍの場合、絶縁膜の比誘電率εが３以上の材料のものが適していることが判明した。
【００２７】
実施例１として表面エネルギーγ＝１５ｍＮ／ｍ、実施例２として２０ｍＮ／ｍ、また比較例１として表面エネルギーγ＝２５ｍＮ／ｍ、比較例２として３０ｍＮ／ｍのものを用いて、駆動電圧２０Ｖ，３０Ｖのもので表面積比を調べた。誘電体材料としては、いずれも比誘電率εが３で厚みが１００ｎｍのものを用い、低表面エネルギー膜の厚みは１００ｎｍで表面粗さは１０ｎｍとした。
その結果を、表２に示した。
【００２８】
【表２】
表２から判ることは、表面エネルギーγ＝１５ｍＮ／ｍのものであれば表面積比は１．５となり表示装置として使用可能である。また、表面エネルギーγ＝２０ｍＮ／ｍのものであれば、駆動電圧Ｖが２０（Ｖ）においては表面積比が１．０と表示装置としては使用できないが、３０（Ｖ）とすると表面積比が１．２となり表示装置として使用可能である。
これに対して、表面エネルギーγ＝２５ｍＮ／ｍ以上では表面積比が１．１以下であるので表示装置としては不十分な性能である。
【００２９】
表３は表面粗さを制御した例である。
実施例１は表面粗さＲａが２０（ｎｍ）、実施例２は１０（ｎｍ）、実施例３は５（ｎｍ）のもので、比較例１は表面粗さＲａが３（ｎｍ）、比較例２は１（ｎｍ）のものである。
誘電体材料としては、いずれも比誘電率εが３で厚みが１００ｎｍのものを用い、低表面エネルギー膜の厚みは１００ｎｍで、表面エネルギーγは２０ｍＮ／ｍとし、駆動電圧は２０Ｖとした。
その結果を、表３に示した。
【００３０】
【表３】
表３から判ることは、表面粗さＲａが大きいほど、表面積比も大きくなることである。表示装置として使用可能となる表面積比は１．２以上であるから、表面粗さＲａは５以上がよいことが判る。
絶縁体および低表面エネルギー膜を含めた第二の基材表面の表面粗さが５ｎｍ以上であればよいこととなる。
一方、この表では現れないが、実験により、４５ｎｍ以上の表面粗さになると、光散乱が大きくなり、良好な透明性が得られないため好ましくないことが判った。
以上のことから、低表面エネルギー膜が厚み１００ｎｍ、表面粗さ１０ｎｍの場合、絶縁膜の比誘電率εの場合、低表面エネルギー膜の表面粗さが５ｎｍ〜４５ｎｍが適していることが判明した。
【００３１】
以上、纏めると、図３における絶縁体膜１６ａの比誘電率が３以上で厚みが１０〜１００ｎｍであり、低表面エネルギー膜１６ｂの厚みが１００ｎｍ以下で、表面エネルギーが２０ｍＮ／ｍ以下、表面粗さが５ｎｍ〜４５ｎｍとするのがよいこととなる。
【００３２】
［第２の実施の形態］
図６は本発明の第２の実施の形態に係る中間調の制御例を示す図で、第一透明電極と第二透明電極との間の印加電圧が（ａ）１／４Ｅ、（ｂ）１／２Ｅ、（ｃ）３／４Ｅの場合である。
図において、１０は本発明の第１の実施の形態に係る表示装置と同じである。今、（ａ）のようには１／４Ｅを加えた場合、液滴の広がりは広くなく、透過率約７５％くらいの明るさとなっている。
（ｂ）の印加電圧１／２Ｅにおいては液滴の広がりは半分くらいまでに広がり、透過率約５０％くらいの明るさとなっている。
（ｃ）の印加電圧３／４Ｅにおいては液滴の広がりはかなり進み３／４くらいまでに広がっている。透過率約２５％くらいとなっている。
このように印加電圧Ｅを０からＥの間で変えることにより、中間調の明るさを制御できるようになる。
この場合においても、本発明により、誘電体材料の比誘電率εが３で厚みが１００ｎｍ、低表面エネルギー膜の厚みが１００ｎｍ、表面エネルギーが２０（ｍＮ／ｍ）、表面粗さが１０ｎｍとしているので、着色液滴の広がりが広くできる。
【００３３】
［第３の実施の形態］
図７は光の利用効率をさらに改善する本発明の第３の実施の形態に係る表示装置で、（ａ）は第３の実施の形態に係る表示装置、（ｂ）は第１の実施の形態に係る表示装置である。図において、図３（すなわち、図７（ｂ））と同じ符号は同一部材を指すので説明は省略し、相違する点だけ説明する。また、電源とスイッチ関係は図を見やすくするために省略している。
１０’は本発明の第３の実施の形態に係る表示装置、１９は反射板で、第一電極１４と第二電極１５との間に電圧が印加されない状態で着色液滴Ｗが第一基材１２上に向けて光の到来する方向に投影される面積範囲の第一基材１２の入射光側に設けている。２０は光源、２１は表示装置１０’の第１透明基材１２側に設けられた光ガイドで、光源２０からの光を第１透明基材１２側に向けて平行に出射させるものである。
【００３４】
まず、この表示装置１０の動作について説明する。
（ｂ）において、光源２０から出た光は光ガイド２１の側面から光ガイド２１内に入り、そこから第１透明基材１２側に向けて平行光Ｌ１、Ｌ２となって出射する。このとき、着色液滴Ｗの脇を通過する光Ｌ１は着色液滴Ｗに遮られないため表示装置を通過するが、着色液滴Ｗに向かう光Ｌ２は着色液滴Ｗに遮られて表示装置を通過することができない。このため、開口率１００％であっても、実際は着色液滴Ｗで遮られて通過できない光Ｌ２が存在している。ところが、（ａ）の表示装置によれば、着色液滴Ｗに向かう光Ｌ２が表示装置１０’を通過できるようになる。
【００３５】
次に、この表示装置１０’の動作について説明する。
（ａ）において、光源２０から出た光は光ガイド２１の側面から光ガイド２１内に入り、そこから第１透明基材１２側に向けて平行光Ｌ１、Ｌ２となって出射する。このとき、着色液滴Ｗの脇を通過する光Ｌ１は着色液滴Ｗに遮られないため表示装置を通過する。また、着色液滴Ｗに向かう光Ｌ２は反射板１９で反射されて光ガイド２１に戻り、ここで反射して今度は着色液滴Ｗの脇を通過するようになる。
このようにすることにより、開口率１００％の場合、実際は着色液滴Ｗが存在するためこの範囲は遮光されるので開口率１００％とはならないのであるが、この部分に向かうをこの部分を回避して表示装置１０’を通過させるので、光の利用効率が１００％に近くなり、あたかも開口率１００％と同じ明るい効果が得られる。
なお、着色液滴Ｗが若干拡がった中間調の場合、同じく着色液滴Ｗに向かう光Ｌ２は反射板１９で反射されて光ガイド２１に戻り、ここで反射して今度は着色液滴Ｗの脇を通過するので、その分を加味した着色液滴Ｗの拡張制御をすることで対処できる。
【００３６】
以上は、すべての実施の形態で、液体表面に誘起する電荷がマイナスの場合について説明してきたが、着色液滴には液体表面に誘起する電荷がプラスのものもあり、その場合には第一〜第二の各電極に印加される電位は以上の説明の逆になることは言うまでもない。
また、本発明は表示装置を例に説明してきたが、他に考えられる用途としては、光スイッチ、光シャッター、可変焦点レンズに用いられることができる。
【００３７】
以上の表示装置は、バックライトを用いた透過型についての例であったが、本発明はもちろんこれに限定されるものではない。反射型や半透過型であってももちろん構わない。したがってその場合には、以上で述べていた透明電極はもちろん透明でなくても良い。
【００３８】
以上の説明のように１個の液滴を備えたキャビティを３キャビティで１単位とし、各液滴をそれぞれＹ（イエロー）、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）、あるいはＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の液体にしたり、あるいは各キャビティの光路にカラーフィルタを用いれば、カラー表示が可能となる。
【発明の効果】
以上のように、請求項１〜３記載の表示装置によれば、従来装置では得られなかった開口率の大きい、光の利用効率の良い表示装置が得られるようになる。
また、請求項４記載の表示装置によれば、濃度０％〜１００％の階調表示をさせることが可能となる。
そして、請求項５記載の表示装置によれば、上記表示装置に加えて、さらに、本来着色液滴で吸収されてしまう光を再利用することができるので、光の利用効率がいっそう良くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】エレクトロウエッテイング現象において形成される電気二重層の説明図である。
【図２】電圧を印加しない場合（ａ）と電圧を印加した場合（ｂ）の変化を説明する図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るもので、（ａ）は従断面図、（ｂ）は一部切り欠き平面図である。
【図４】低表面エネルギー膜１６ｂ上に接触角θの異なる２つの同一体積の液滴Ｗａ、Ｗｂを示す図で、（Ａ）は接触角θが大きく、（Ｂ）は接触角θが小さい場合を示している。
【図５】図３の表示装置の使用状態を説明する図で、（ａ）はスイッチＳ１がオフ状態における着色液滴の定常状態（明表示）、（ｂ）は暗表示状態をそれぞれ示している。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る中間調の制御例を示す図で、第一透明電極と第二透明電極との間の印加電圧が（ａ）１／４Ｅ、（ｂ）１／２Ｅ、（ｃ）３／４Ｅの場合である。
【図７】光の利用効率をさらに改善する本発明の第３の実施の形態に係る表示装置で、（ａ）は第３の実施の形態に係る表示装置、（ｂ）は第１の実施の形態に係る表示装置である。
【符号の説明】
１０ 本発明の第１の実施の形態に係る表示装置
１０’ 本発明の第１の実施の形態に係る表示装置
１２ 第一透明基材
１４ 第一透明電極
１５ 第二透明電極
１６ 絶縁層
１６ａ 絶縁膜
１６ｂ 低表面エネルギ膜
１７ キャビティ仕切り
１８ 第二透明基材
１９ 反射板
２０ 光源
２１ 光ガイド
Ｅ 直流電源
Ｓ１ スイッチ
Ｗ 着色液滴
【発明の属する技術分野】
本発明はエレクトロウエッティング現象を利用し、着色液滴のサイズを変化させることにより開口部の光量を変化させる光シャッター方式の表示装置に関するもので、特に光の利用効率がよい光シャッター方式の表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の表示装置として、液晶表示装置（ＬＣＤ）、プラズマデイスプレー（ＰＤＰ）、ゲストホストＬＣＤ、エロクトロクロミックディスプレー（ＥＣＤ）、電気泳動ディスプレー（ＥＰＤ）、有機ＥＬディスプレー（ＯＬＥＤ）等が夙に知られている。
しかしながら、これらの既知の表示装置は、輝度、コントラスト比、解像度、画面サイズ、高精細化、応答性、寿命、階調表示化、製造コスト等の点でそれぞれどこかに問題があり、高輝度（１０００ｃｄ／ｍ2）で高コントラスト比（１０００：１）、高精細（１２３ｐｐｉ）、大面積（８００×１２００ｍｍ）のすべての要求項目を満足する医療用ディスプレーとしては、どれも適していなかった。
【０００３】
この中でも特にＬＣＤが秀れているが、偏光板を用いていることから、光漏れにより黒輝度が高かったり、視野角依存性があるため、多人数での利用に問題があり、眼精疲労も生じた。また、ＰＯＰやＯＬＥＤのような自発光型の場合には十分な輝度やコントラスト比が得られず、画面全体に均一な輝度にすることが困難であったり（輝度ムラ）、全体を明るくして輝度を揃えると逆に寿命の点で問題があった。また、ＰＤＰは高精細化が困難であった。
【０００４】
一方、エレクトロウエッティング現象を利用し、着色液滴のサイズを変化させることにより開口部の光量を変化させる光シャッター方式の表示装置は、公知である。
【０００５】
そこで、エレクトロウエッティング現象について図１および図２に基づいて簡単に説明しておく。
エレクトロウエッテイング現象とは、電極を電解質（溶液）に浸すと電極表面と溶液との接触面で界面が形成され、この界面には電極側での金属イオンおよび自由電子と、溶液側の電解質イオンとにより、図１のように、いわゆる電気二重層ＥＤＬ（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ）が形成され、そして金属−電解質の境界に電界が加わると表面張力の変化を誘発する現象をいう。
用いられる電極としては、導電性材料であれば何でもよい。例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｌなどの金属、ＳｎＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、ＲｕＯ2、ＴｉＯ2、などの金属酸化物、Ｇｅ、Ｓｉ、ＧａＡｓなどの半導体、およびグラファイト、グラッシーカーボン、ダイヤモンドのどの炭素系などが挙げられる。
【０００６】
図２はこれに電圧を印加しない場合と印加した場合の変化を説明する図である。
（ａ）は外部電圧Ｅの印加がない場合で、この場合、電荷は金属−電解質の境界に現れて、電気二重層ＥＤＬを形成する。（ｂ）は外部電圧が印加された場合であり、この場合、電気二重層ＥＤＬにおける電荷密度は変化をし、その結果、表面張力γと接触角は増減する。
そしてこの場合、印加された電圧（Ｖ）とその結果の表面張力（γ）との関係式は、境界における熱力学解析によって導き出されることができ、その結果はリップマンの方程式を用いて式（１）のように表わされる。
γ＝γ0− １／２ｃＶ2 ・・・（１）
ここで、γ0 は電圧ゼロ（すなわち、固体の表面は電荷ゼロ）時の固体−液体境界における表面張力、
ｃは単位面積当たりのキャパシタンスであり、電荷層は対称なヘルムホルツ・キャパシタをモデルとして仮定している。
外部から電圧が電解質と固体の間に加えられると、電荷と双極子には状態変化が起き、境界での表面エネルギに変化が生じる（図２参照）。特に、境界に電荷があると、表面領域を拡張するのに要する仕事が電荷間の反発力で減らされるため、表面張力の低下が起きるので拡張し易くなると考えられる。
リップマンの方程式（１）は、ヤング方程式（２）の導入によって接触角θを用いて表される。
γSL＝γSG−γLGｃｏｓθ ・・・（２）
ｃｏｓθ＝ｃｏｓθ0＋（１／γLG）×（１／２）ｃＶ2 ・・・（３）
ここで、θ0は境界層を横切る電解がゼロのときの接触角、
γSLは固体ー液体表面張力、
γLGは液体ーガス表面張力、
γSGは固体ーガス表面張力である。
γLGおよびγSGは印加電位に無関係な定数であると仮定する。
方程式（３）における接触角は液体と電極との間の印加電圧の関数となっている。
したがって、図２（ｂ）のように、液体と電極との間に電圧を印加すると、接液体が拡張する。本発明はこの現象を応用するものである。
【０００７】
このようなエレクトロウエッティング現象を利用し、着色液滴のサイズを変化させることにより開口部の光量を変化させる光シャッター方式の公知の表示装置としては、例えば、特許文献１および２がある。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−３１１６４３号公報
【特許文献２】
特開平１０−３９８００号公報
【非特許文献１】
「Ｅｌｅｃｔｒｏｗｅｔｔｉｎｇ ｏｆ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ａｑｕｅｏｕｓ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｏｎ ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）」、Ｖａｌｌｅｔ，Ｂｅｒｇｅ，Ｖｏｖｅｌｌｅ、Ｐｏｌｙｍｅｒ，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ１２ ｐ．２４６５（１９９６）。
【０００９】
引用文献１および２ともにエレクトロウエッティング現象（ただし、この文献では「電気毛管現象」と記載。）を利用したディスプレイである。
特開平９−３１１６４３号公報は、電子ディスプレイシートを製造するための方式を提供するもので、電子ディスプレイシートを、外部面と内部面とをそれぞれ有する第１及び第２のシートと、これらの内部面との間の密閉空間と、第１のシートが内部面上の第１の種類の電極手段と、第１の種類の電極手段の上に置かれた絶縁層と、絶縁層の上に置かれかつ密閉空間にさらされている第２の種類の電極手段とを備え、絶縁層が第１の種類の電極手段を前記第２の種類の電極手段から絶縁するように構成されかつ配置され、更に第２の種類の電極手段を被覆する密閉空間内に置かれた液体の小滴と、第１の種類の電極手段及び第２の種類の電極手段を付勢する手段とを備え、第１の種類の電極手段及び第２の種類の電極手段が付勢される場合、液体小滴が拡大されるように構成されるようにしたものである。
【００１０】
特開平１０−３９８００号公報は、２枚のシート間の間隙の複数組の導電性着色液滴を利用する電気毛管ディスプレイシートを開示するもので、それぞれの組の着色液滴がそれぞれのシート上で対応する電極を有し、それぞれの組の着色液滴はその組内の他の着色液滴とは混和しないものであり、そしてそれぞれの着色液滴は個々の電気接続を有し、それぞれの組のそれぞれの着色液滴を選別的に起動することで、その組の少なくとも１つの着色液滴がそれぞれの組の着色液滴が共有する間隙で拡大して画像のカラー画素を形成するものである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが従来技術では、低表面エネルギー膜に絶縁性能を持たせているために、接触角をより変化させるためには、低表面エネルギー膜を薄くする必要があったが、逆に薄くすることによりリーク電流が生じてしまい、十分な絶縁性能を得ることができなかった。
すなわち、従来技術では、絶縁膜と低表面エネルギー膜をあわせた絶縁層の厚みがミクロンオーダーであったり、絶縁膜と低表面エネルギー膜を同じ材料で、一体化させて用いており、比誘電率が２．１のＰＴＦＥ系（テフロン）材料が用いられており、接触角θを数度変化させ、液滴面積を変化させるための駆動電圧は１００Ｖ以上を要しており、実用的ではなかった。
また、これらのいずれの表示装置にあっては、着色液滴の広がりが悪く、表示装置として開口率の低いものとなり、光の利用効率が悪かった。
本発明の目的は上記の欠点を解決するもので、低表面エネルギー膜と絶縁膜を分離して、低表面エネルギー膜の厚みはできるだけ薄くし、絶縁膜に比誘電率の高いものを用いることによって、効率よく接触角を変化させることができるようにし、したがって開口率の大きい、光の利用効率が良い表示装置を提供することにある。
さらに、上記表示装置に加えて、着色液滴に向かった光が着色液滴で吸収されてしまったのでこれを反射させて再利用することにより光の利用効率が良い表示装置を得るようにした。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の表示装置の発明は、表示装置最下層を構成する第一基材、該第一基材の上に設けられた第一電極、該第一電極の上に設けられた絶縁体膜と低表面エネルギー膜とから成る絶縁層、該絶縁層の上に設けられた第二電極、該第二電極を間隔を置いて取り囲むキャビティ仕切り、該キャビティ仕切りの上に設けられた最上層を構成する第二基材と、該キャビティ仕切り内に封入された着色液滴とから成り、前記着色液滴に電界を印加したことによるエレクトロウエッティング現象を利用した表示装置において、前記絶縁体膜の比誘電率が３以上で厚みが１０〜１００ｎｍであり、前記低表面エネルギー膜の厚みが１００ｎｍ以下であることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１記載の表示装置において、低表面エネルギー膜の表面エネルギーが２０ｍＮ／ｍ以下であることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の表示装置において、低表面エネルギー膜の表面粗さが５ｎｍ〜４５ｎｍであることを特徴とする。
【００１３】
このような構成により、低表面エネルギー膜と絶縁膜を分離して、低表面エネルギー膜の厚みを薄くし、絶縁膜に比誘電率の高いものを用いることで、効率よく接触角を変化させることができ、したがって開口率の大きい、光の利用効率の良い表示装置が得られるようになる。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載の表示装置において、前記第一電極と第二電極との間に印加する電圧を可変とすることにより、中間調表示可能とした特徴とする。
このような構成により、濃度０％〜１００％の階調表示をさせることが可能となる。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか１項記載の表示装置において、前記第一電極と第二電極との間に電圧が印加されない状態で前記着色液滴が第一基材に占める面積範囲の第一基材の入射光側に反射板を設けたことを特徴とする。このような構成により、上記表示装置に加えて、さらに、本来着色液滴で吸収されてしまう光を再利用することができるので、光の利用効率がいっそう良くなる表示装置が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面を用いて詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
図３は本発明の第１の実施の形態に係るもので、（ａ）は従断面図、（ｂ）は一部切り欠き平面図である。
図において、１０は本発明の第１の実施の形態に係る表示装置、１２は表示装置１０の最下層を構成する第一透明基材、１４は第一透明基材１２の上に設けられた第一透明電極、１５は第二透明電極である。透明電極の材料としては、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）が挙げられる。
１６は絶縁層で、これは下層の絶縁（誘電体）膜１６ａと該絶縁膜１６ａの上に設けられた低表面エネルギ膜１６ｂとから成る。
本発明によれば、下層絶縁体膜１６ａの比誘電率が３以上のものでその厚みが１０〜１００ｎｍのものとしている。
一方、撥水性のよい材料でできた膜である低表面エネルギ膜１６ｂを用いると、上に載置した液体が拡がらずに球状を維持することが可能となる。この低表面エネルギー膜１６ｂの厚みは１００ｎｍ以下で、その表面エネルギーが２０ｍＮ／ｍ以下で、その表面粗さは５ｎｍ〜４５ｎｍのものを使用している。
以上の数値範囲の限定の根拠は、後述する実施例によって裏付けされている。１７はキャビティ仕切り、１８は表示装置１０の最上層を構成する第二透明基材である。
第一透明電極１４は、表示装置１０の底面中央部に設けられた僅かな開口以外は表示装置１０の底面一面に敷設されている。
第二透明電極１５は低表面エネルギ膜１６ｂの上にあって、かつ図３（ｂ）から判るように、平面図的に見て第一透明電極１４の中心に位置している。
Ｅはマイナス側が第二透明電極１５に接続され、プラス側がスイッチＳ１の一通端に接続されている直流電源、Ｓ１は直流電源Ｅのプラス側と第一透明電極１４の間の接続を開閉するスイッチである。Ｗは着色液滴である。
【００１７】
ここで、誘電体膜１６ａ、低表面エネルギー膜１６ｂ、面積比、および駆動電圧Ｅについて、詳述しておく。
（誘電体膜１６ａについて）
本発明では電極１４から直接、液滴Ｗに電流が流れ込まないように、電気絶縁性を有する誘電体膜（絶縁膜）１６ａを設置する。使用する誘電体膜１６ａとしては比誘電率が３以上であれば特にその種類の制限はない。例えば「化学便覧基礎編改訂４版」II−５０２〜II５０８、丸善株式会社に記載のものを用いることができる。特に、有機化合物でも無機化合物でもかまわない。具体的には、ＰＺＴ系材料、Ａｌ２Ｏ３、Ａ１Ｎ、ＨｆＯ２、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＳｉＣなどを用いることが好ましい。
透過型の表示素子を考えた場合、その可視光透過率は５０％以上であることが好ましく、より好ましくは７０％以上であり、さらに好ましくは８０％以上であることである。
また、その厚みは１０ｎｍ〜１μｍであり、好ましくは１０ｎｍ〜５００ｎｍ以上であり、より好ましくは１０ｎｍ〜３００ｎｍであり、最も好ましくは１０〜１００ｎｍであることである。
誘電体膜１６ａの厚みが１０ｎｍ以下になると誘電体膜１６ａと低表面エネルギー膜１６ｂを介して、液滴Ｗに電流が流れ込むために好ましくない。
【００１８】
（低表面エネルギー膜１６ｂについて）
使用する低表面エネルギー膜１６ｂとしては、表面エネルギーが低ければ特に制限はないが、例えば特開平７−１８８４１６号、特開平７−２４２７７４号、特開平１０−３１４６６９号、特開平１１−２６３８６０号などに記載のものを用いることができる。具体的には、フッ素系やシリコン系の材料が好適に用いられ、具体的にはポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、パーフルオロアルキルポリオキシエチレンエタノール、酸化珪素などが好ましい。
低表面エネルギー膜１６ｂの二乗平方根粗さ（以下表面粗さ）は、０ｎｍ〜５ｎｍのものでもかまわないが、特開平１１−２６３８６０号に示されているように、より好ましくは、８ｎｍ〜４５ｎｍの範囲内にあることが、液滴Ｗの接触角を大きく保つことができるので好ましい。４５ｎｍ以上の表面粗さになると、光散乱が大きくなり、良好な透明性が得られないため好ましくない。
【００１９】
（面積比について）
図４に低表面エネルギー膜１６ｂ上に接触角θの異なる２つの同一体積の液滴Ｗａ、Ｗｂを示す。図４から分かるように、液滴Ｗｂは広がっており、液滴Ｗａは玉になっている。その結果、液滴Ｗｂは液滴Ｗａが占める表面面積Ｓ１よりも大きな表面面積Ｓ２を占めるようになる。２つの液体が異なる表面面積を占める理由は、それぞれの液体は表面と特定のエネルギー関係を持ち、所与の表面に対して特定の接触角θを生じるようになるからである。
液体と表面の間の相互作用エネルギーが低ければ低いほど、接触角θは大きくなり、占有面積Ｓは少なくなる。
本発明では、Ｓ２の状態が黒表示、Ｓ１の状態が白表示となるため、より大きなコントラストを得るためにはその面積比（Ｓ２／Ｓ１）が大きくなることが好ましい。面積比は１．２以上有ることが好ましい。面積比が１．２以下であると、一つの素子を考えた場合、最大でも開口率２０％の素子となり、光利用効率も最大でも２０％程度となり、従来の液晶表示装置と同程度の光利用効率であり、高いコントラストと高い輝度を得ることが困難である。
【００２０】
（駆動電圧Ｅについて）
本発明の素子の駆動電圧Ｅとしては、より低い駆動電圧であることが望ましいが、絶縁膜の耐圧や耐久性、安全性、さらには駆動ドライバの性能などを総合的に考慮すると、駆動電圧としては３０Ｖ以下が好ましい。より好ましくは２０Ｖ以下であり、さらに好ましくは１０Ｖ以下で駆動することである。
【００２１】
次に、図３の表示装置１０の動作について図５を使って説明する。
図５（ａ）は、図３の表示装置の使用状態を説明する図で、（ａ）はスイッチＳ１がオフ状態における着色液滴の定常状態（明表示）、（ｂ）は暗表示状態をそれぞれ示している。
図５（ａ）において、スイッチＳ１がオフ（開）で、着色液滴の定常状態は「液滴縮み」（球状）となっている。したがって第一透明基材１２側から到来した光Ｌは、第一透明基材１２→第一透明電極１４→絶縁膜１６ａ→低表面エネルギ膜１６ｂ→キャビティ内→第二透明基材１８と透過するので、表示は「明」表示となる。
【００２２】
図５（ｂ）はスイッチＳ１がオンであり、これによって第一透明電極１４と第二透明電極１５との間に電圧が印加され、第一透明電極１４がプラス、第二透明電極１５がマイナスとなる。第一透明電極１４と第二透明電極１５との間に電圧が印加されると、着色液滴Ｗは液体表面にマイナス電荷が誘起するので、着色液滴Ｗはプラス電位の第一透明電極１４に吸引されることとなり、着色液滴はキャビテイの底面いっぱいに広がる。
したがって第一透明基材１２側から到来した光Ｌは、第一透明基材１２→第一透明電極１４→絶縁膜１６ａ→低表面エネルギ膜１６ｂ→キャビティ内の着色液滴Ｗに到達して、ここで遮光されるので、表示は「暗」表示となる。
【００２３】
また、図３において、第一電極１４と第二電極１５との間に電圧Ｖ（Ｖ＝０とＥ）を印加したときの接触角θｖは、絶縁膜１６ａと低表面エネルギー膜１６ｂと合わせた絶縁層１６の膜厚をｄ、絶縁層１６の比誘電率をε、液滴Ｗとの低表面エネルギー膜１６ｂとの界面張力をγ、真空の誘電率をε０とすると、式（４）で与えられることも知られている（非特許文献１参照）。
ｃｏｓθ（Ｖ）―ｃｏｓθ（０）＝ε０×ε×ｖ２／（２ｄ×γ）・・・（４）
このように式（４）によれば、電圧Ｖの印加により接触角θが変化し、液滴Ｗの形状を制御できることが定量的に示されている。
また、電圧Ｖの印加の他に比誘電率ε、膜厚ｄによって、接触角θが変化し、液滴Ｗの形状を制御できることがわかる。
【００２４】
そこで、以上のことを勘案して各変数を変えて各種の実験を行った実施例について以下に説明する。
以下の考察では表面積比が１．２以上あれば従来の液晶表示装置と比較してメリットがあるので、表面積比が１．２以上の場合を可、１．２を下回る場合を不可とした。
表１では、誘電体材料として比誘電率εがどのような値のものがよいのかを調べた。実施例１では比誘電率ε＝８０のＴｉＯ2、実施例２ではε＝８のＺｎＯを用い、実施例３ではε＝３の材料としてＳｉＯ２膜を用い、それぞれ１００ｎｍの厚みに形成し、撥水性塗布剤を用いた。
比較例１としてε＝２．１のテフロンを用いた。
また、低表面エネルギー膜はいずれも、厚み１μｍ、表面エネルギー２０（ｍＮ／ｍ）、表面粗さ１０ｎｍとした。
駆動電圧を１０Ｖ、２０Ｖ、３０Ｖとした。
その結果を、表１に示した。
【００２５】
【表１】
また、実施例２では、駆動電圧Ｖが１０（Ｖ）のときは表面積比は１．０であって面積比１．２を下回っているので表示装置としては使えないが、駆動電圧Ｖが２０（Ｖ）から３０（Ｖ）へと増加するにつれて表面積比は１．３から２．９へと増えてゆき、いずれも面積比１．２以上となるので表示装置としては使用可能となることが判る。
また、実施例３では、駆動電圧Ｖが１０（Ｖ）、２０（Ｖ）では表面積比は１．０なので表示装置としては使えないが、駆動電圧Ｖが３０（Ｖ）になると表面積比は１．２となるので表示装置としては使用可能となることが判る。表に載せてないが、さらに駆動電圧を４０（Ｖ）にしたら面積比は２．２となった。
【００２６】
これに対して、比較例１では駆動電圧Ｖが１０（Ｖ）、２０（Ｖ）、３０（Ｖ）と増加しても表面積は変化せず、従って面積比は１．０であった。これでは表示装置としては使用できない。
以上のことから、低表面エネルギー膜が厚み１００ｎｍ、表面エネルギー２０（ｍＮ／ｍ）、表面粗さ１０ｎｍの場合、絶縁膜の比誘電率εが３以上の材料のものが適していることが判明した。
【００２７】
実施例１として表面エネルギーγ＝１５ｍＮ／ｍ、実施例２として２０ｍＮ／ｍ、また比較例１として表面エネルギーγ＝２５ｍＮ／ｍ、比較例２として３０ｍＮ／ｍのものを用いて、駆動電圧２０Ｖ，３０Ｖのもので表面積比を調べた。誘電体材料としては、いずれも比誘電率εが３で厚みが１００ｎｍのものを用い、低表面エネルギー膜の厚みは１００ｎｍで表面粗さは１０ｎｍとした。
その結果を、表２に示した。
【００２８】
【表２】
これに対して、表面エネルギーγ＝２５ｍＮ／ｍ以上では表面積比が１．１以下であるので表示装置としては不十分な性能である。
【００２９】
表３は表面粗さを制御した例である。
実施例１は表面粗さＲａが２０（ｎｍ）、実施例２は１０（ｎｍ）、実施例３は５（ｎｍ）のもので、比較例１は表面粗さＲａが３（ｎｍ）、比較例２は１（ｎｍ）のものである。
誘電体材料としては、いずれも比誘電率εが３で厚みが１００ｎｍのものを用い、低表面エネルギー膜の厚みは１００ｎｍで、表面エネルギーγは２０ｍＮ／ｍとし、駆動電圧は２０Ｖとした。
その結果を、表３に示した。
【００３０】
【表３】
絶縁体および低表面エネルギー膜を含めた第二の基材表面の表面粗さが５ｎｍ以上であればよいこととなる。
一方、この表では現れないが、実験により、４５ｎｍ以上の表面粗さになると、光散乱が大きくなり、良好な透明性が得られないため好ましくないことが判った。
以上のことから、低表面エネルギー膜が厚み１００ｎｍ、表面粗さ１０ｎｍの場合、絶縁膜の比誘電率εの場合、低表面エネルギー膜の表面粗さが５ｎｍ〜４５ｎｍが適していることが判明した。
【００３１】
以上、纏めると、図３における絶縁体膜１６ａの比誘電率が３以上で厚みが１０〜１００ｎｍであり、低表面エネルギー膜１６ｂの厚みが１００ｎｍ以下で、表面エネルギーが２０ｍＮ／ｍ以下、表面粗さが５ｎｍ〜４５ｎｍとするのがよいこととなる。
【００３２】
［第２の実施の形態］
図６は本発明の第２の実施の形態に係る中間調の制御例を示す図で、第一透明電極と第二透明電極との間の印加電圧が（ａ）１／４Ｅ、（ｂ）１／２Ｅ、（ｃ）３／４Ｅの場合である。
図において、１０は本発明の第１の実施の形態に係る表示装置と同じである。今、（ａ）のようには１／４Ｅを加えた場合、液滴の広がりは広くなく、透過率約７５％くらいの明るさとなっている。
（ｂ）の印加電圧１／２Ｅにおいては液滴の広がりは半分くらいまでに広がり、透過率約５０％くらいの明るさとなっている。
（ｃ）の印加電圧３／４Ｅにおいては液滴の広がりはかなり進み３／４くらいまでに広がっている。透過率約２５％くらいとなっている。
このように印加電圧Ｅを０からＥの間で変えることにより、中間調の明るさを制御できるようになる。
この場合においても、本発明により、誘電体材料の比誘電率εが３で厚みが１００ｎｍ、低表面エネルギー膜の厚みが１００ｎｍ、表面エネルギーが２０（ｍＮ／ｍ）、表面粗さが１０ｎｍとしているので、着色液滴の広がりが広くできる。
【００３３】
［第３の実施の形態］
図７は光の利用効率をさらに改善する本発明の第３の実施の形態に係る表示装置で、（ａ）は第３の実施の形態に係る表示装置、（ｂ）は第１の実施の形態に係る表示装置である。図において、図３（すなわち、図７（ｂ））と同じ符号は同一部材を指すので説明は省略し、相違する点だけ説明する。また、電源とスイッチ関係は図を見やすくするために省略している。
１０’は本発明の第３の実施の形態に係る表示装置、１９は反射板で、第一電極１４と第二電極１５との間に電圧が印加されない状態で着色液滴Ｗが第一基材１２上に向けて光の到来する方向に投影される面積範囲の第一基材１２の入射光側に設けている。２０は光源、２１は表示装置１０’の第１透明基材１２側に設けられた光ガイドで、光源２０からの光を第１透明基材１２側に向けて平行に出射させるものである。
【００３４】
まず、この表示装置１０の動作について説明する。
（ｂ）において、光源２０から出た光は光ガイド２１の側面から光ガイド２１内に入り、そこから第１透明基材１２側に向けて平行光Ｌ１、Ｌ２となって出射する。このとき、着色液滴Ｗの脇を通過する光Ｌ１は着色液滴Ｗに遮られないため表示装置を通過するが、着色液滴Ｗに向かう光Ｌ２は着色液滴Ｗに遮られて表示装置を通過することができない。このため、開口率１００％であっても、実際は着色液滴Ｗで遮られて通過できない光Ｌ２が存在している。ところが、（ａ）の表示装置によれば、着色液滴Ｗに向かう光Ｌ２が表示装置１０’を通過できるようになる。
【００３５】
次に、この表示装置１０’の動作について説明する。
（ａ）において、光源２０から出た光は光ガイド２１の側面から光ガイド２１内に入り、そこから第１透明基材１２側に向けて平行光Ｌ１、Ｌ２となって出射する。このとき、着色液滴Ｗの脇を通過する光Ｌ１は着色液滴Ｗに遮られないため表示装置を通過する。また、着色液滴Ｗに向かう光Ｌ２は反射板１９で反射されて光ガイド２１に戻り、ここで反射して今度は着色液滴Ｗの脇を通過するようになる。
このようにすることにより、開口率１００％の場合、実際は着色液滴Ｗが存在するためこの範囲は遮光されるので開口率１００％とはならないのであるが、この部分に向かうをこの部分を回避して表示装置１０’を通過させるので、光の利用効率が１００％に近くなり、あたかも開口率１００％と同じ明るい効果が得られる。
なお、着色液滴Ｗが若干拡がった中間調の場合、同じく着色液滴Ｗに向かう光Ｌ２は反射板１９で反射されて光ガイド２１に戻り、ここで反射して今度は着色液滴Ｗの脇を通過するので、その分を加味した着色液滴Ｗの拡張制御をすることで対処できる。
【００３６】
以上は、すべての実施の形態で、液体表面に誘起する電荷がマイナスの場合について説明してきたが、着色液滴には液体表面に誘起する電荷がプラスのものもあり、その場合には第一〜第二の各電極に印加される電位は以上の説明の逆になることは言うまでもない。
また、本発明は表示装置を例に説明してきたが、他に考えられる用途としては、光スイッチ、光シャッター、可変焦点レンズに用いられることができる。
【００３７】
以上の表示装置は、バックライトを用いた透過型についての例であったが、本発明はもちろんこれに限定されるものではない。反射型や半透過型であってももちろん構わない。したがってその場合には、以上で述べていた透明電極はもちろん透明でなくても良い。
【００３８】
以上の説明のように１個の液滴を備えたキャビティを３キャビティで１単位とし、各液滴をそれぞれＹ（イエロー）、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）、あるいはＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の液体にしたり、あるいは各キャビティの光路にカラーフィルタを用いれば、カラー表示が可能となる。
【発明の効果】
以上のように、請求項１〜３記載の表示装置によれば、従来装置では得られなかった開口率の大きい、光の利用効率の良い表示装置が得られるようになる。
また、請求項４記載の表示装置によれば、濃度０％〜１００％の階調表示をさせることが可能となる。
そして、請求項５記載の表示装置によれば、上記表示装置に加えて、さらに、本来着色液滴で吸収されてしまう光を再利用することができるので、光の利用効率がいっそう良くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】エレクトロウエッテイング現象において形成される電気二重層の説明図である。
【図２】電圧を印加しない場合（ａ）と電圧を印加した場合（ｂ）の変化を説明する図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るもので、（ａ）は従断面図、（ｂ）は一部切り欠き平面図である。
【図４】低表面エネルギー膜１６ｂ上に接触角θの異なる２つの同一体積の液滴Ｗａ、Ｗｂを示す図で、（Ａ）は接触角θが大きく、（Ｂ）は接触角θが小さい場合を示している。
【図５】図３の表示装置の使用状態を説明する図で、（ａ）はスイッチＳ１がオフ状態における着色液滴の定常状態（明表示）、（ｂ）は暗表示状態をそれぞれ示している。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る中間調の制御例を示す図で、第一透明電極と第二透明電極との間の印加電圧が（ａ）１／４Ｅ、（ｂ）１／２Ｅ、（ｃ）３／４Ｅの場合である。
【図７】光の利用効率をさらに改善する本発明の第３の実施の形態に係る表示装置で、（ａ）は第３の実施の形態に係る表示装置、（ｂ）は第１の実施の形態に係る表示装置である。
【符号の説明】
１０ 本発明の第１の実施の形態に係る表示装置
１０’ 本発明の第１の実施の形態に係る表示装置
１２ 第一透明基材
１４ 第一透明電極
１５ 第二透明電極
１６ 絶縁層
１６ａ 絶縁膜
１６ｂ 低表面エネルギ膜
１７ キャビティ仕切り
１８ 第二透明基材
１９ 反射板
２０ 光源
２１ 光ガイド
Ｅ 直流電源
Ｓ１ スイッチ
Ｗ 着色液滴
Claims (5)
- 表示装置最下層を構成する第一基材、該第一基材の上に設けられた第一電極、該第一電極の上に設けられた絶縁体膜と低表面エネルギー膜とから成る絶縁層、該絶縁層の上に設けられた第二電極、該第二電極を間隔を置いて取り囲むキャビティ仕切り、該キャビティ仕切りの上に設けられた最上層を構成する第二基材と、該キャビティ仕切り内に封入された着色液滴とから成り、前記着色液滴に電界を印加したことによるエレクトロウエッティング現象を利用した表示装置において、
前記絶縁体膜の比誘電率が３以上で厚みが１０〜１００ｎｍであり、かつ前記低表面エネルギー膜の厚みが１００ｎｍ以下であることを特徴とする表示装置。 - 前記低表面エネルギー膜の表面エネルギーが２０ｍＮ／ｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の表示装置。
- 前記低表面エネルギー膜の表面粗さが５ｎｍ〜４５ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２記載の表示装置。
- 前記第一電極と第二電極との間に印加する電圧を可変とすることにより、中間調表示可能とした特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の表示装置。
- 前記第一電極と第二電極との間に電圧が印加されない状態で前記着色液滴が第一基材に占める面積範囲の第一基材の入射光側に反射板を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の表示装置。
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