JP4594378B2 - エレクトロウェッティング表示素子 - Google Patents

Description

本発明は、表示素子の分野に関し、特に、パッシブ式表示素子の分野に関する。

ロールツーロール（roll-to-roll）式コーティング技術を用いて、容易に製造することが可能な表示素子を形成するため、多くの企業において、積極的に研究開発が行われている。これらの表示素子には、アクティブ方式、すなわちLED、OLED、PLED、ELのような光を放射する方式と、パッシブ方式、すなわちLCD、CLC、イーインク等のような、光の伝達、反射もしくは屈折に影響を及ぼす方式がある。いくつかのパッシブシステムは、双安定であり、それらが切り替えられ、電力が除去された後も、その切り替え状態が持続する。前述の大部分の構成は、色機能に容易に適合させることができる。

従来技術として、各種エレクトロウェッティング表示素子が知られている。

米国特許第6473492号には、キャピラリ管内の流体を再配列させる流体素子装置が示されている。キャピラリ内の流体を移動させる場合、所望のレベルの電圧が使用される。米国特許出願第2002／0080920号には、フィルタ装置が示されており、この装置は、X線画像化装置とともに使用するため、米国特許第6473492号に記載の素子の配列を利用する。米国特許出願第2003／0085850号には、メニスカス形状を変化させることにより、装置の焦点距離を変えることが可能な静電装置が示されている。

米国特許第6449081号には、エレクトロウェッティング現象に基づいた集束素子が示されている。国際公開第WO02／002099527号には、角柱状に定形された表示素子が示されており、この素子は、電極とともに2つの非混和性流体を収容しており、セルによって、流体が再配列される。
米国特許第6473492号明細書 米国特許出願第2002／0080920号明細書 米国特許第6473492号明細書

流体の再配列を利用する表示素子では、液体を毛細管力によって捕獲することができるという利点があるが、これは、素子の小型化につながる。すなわち、既存の技術では、画素領域の大型化に対する要望に対処することは容易ではない。また、既存の従来技術では、前述の構造を得るため、必然的に微細加工が必要となり、さらには、比較的複雑な構成方法が必要となり、このため、ロールツーロール式の製造に対処することができない。

本発明の目的は、これまで考案されていなかったメカニズムの組み合わせに基づく、新しい装置を提供することである。この種類の装置は、以下に示すように、単一のカラー素子に使用される色に適合させることができる。通常の表示素子は、容量性であり、従って電力消費量が少なく、低電圧で切り替えることができる。この素子は、表面の反射率を変化させる。

本発明では、
上部層および下部層の、少なくとも2つの多孔質層を有する表示素子であって、
前記上部層には、導電性液体が収容され、前記液体は、前記上部層の材料に対して、約60゜未満の接触角を有し、
前記下部層の材料は、導電性であり、誘電体被覆材によって、前記液体から絶縁され、
前記液体は、前記下部層の材料に対して、約90゜よりも大きな接触角を有し、
前記下部層と前記液体の間に電圧を印加した際、前記液体は、前記上部層から前記下部層の方に移動し、
これにより、前記上部層に光学的な変化が生じることを特徴とする表示素子が提供される。

また、本発明では、前述の少なくとも一つの表示素子を有する表示装置が提供され、この表示装置は、各素子を回路に接続して、マトリクスディスプレイを形成する手段を含む。

本発明では、素子の確率的な構造のため、大面積のものを簡単に製造することができ、ロールツーロール方式を用いて製造することが可能となる。これは、キャピラリによって、小さな液体素子を捕獲するという要求を満足する。ただし、素子の切り替え時間は、その領域に限定されない。また、これは、適切にパターン化されたパッシブ式またはアクティブ式のマトリクス型バックプレーンを介して、簡単にアドレス処理し、駆動することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明について説明する。

図1には、本発明による表示素子の概略図を示す。本発明は、パッシブ式表示素子に関する。

明細書および特許請求の範囲において、「上部」という用語は、素子が見える側を意味する。「下部」という用語は、上部とは反対の側を意味する。上部および下部という用語は、本発明による素子の配向を限定するものと解してはならない。

素子は、2層多孔質システムをベースとするものである。図1に示す実施例では、上部層2および下部層4は、上部導体12と下部導体14の間に設置されている。上部導体12は、透明である必要がある。導体は、例えば、同じワイヤフィラメントで構成されても良く、この場合、材料は、透明である必要はない。導体は、素子の上部および底部にある必要はないことは、当業者には明らかである。必要なことは、電圧が液体10に印加されることである。導体は、素子の側にあっても良いが、他のいかなる適当な位置にあっても良い。下部層4と下部導体14の間には、絶縁層16が設置される。素子は、上部基板26と下部基板28によって取り囲まれる。基板は、絶縁性であり、液体に対して不透過性である。上部基板は、透明材料である必要がある。

上部層2は、シリカのような複数の粒子6を有する。ただしシリカは、使用材料の一例に過ぎないことは、当業者には明らかである。使用される液体の屈折率と整合する、他のいかなる親液性材料を使用しても良い。粒子寸法は、30nmから2μmのオーダーである。

液体10は、上部層2のポア空間に設置される。液体は、水であっても良いが、液体が水であることが本質的ではないことは、当業者には明らかである。ただし、液体は、導電性である必要がある。導電性液体は、溶媒にイオンを添加して調製されても良い。あるいは、導電性液体は、イオン性液体であっても良い。

上部層2内の粒子6の屈折率は、液体10の屈折率と実質的に等しくする必要がある。粒子6の寸法は、実質的に光の波長の比であり、例えば200nmである。液体の屈折率は、粒子のものと実質的に等しいため、事実上、上部層は、不可視である。視認できるのは、下部層4の色である。

下部層4は、複数の粒子8を有する。粒子8は、上部層2の粒子6と同等のまたはこれよりも小さな寸法である。粒子は、着色され着色画素が提供されても良く、または、粒子は、黒色で黒色画素が提供されても良い。あるいは、上部層2と下部層4の間には、着色されたまたは黒色の粒子の中間層30が設置されても良い。そのような実施例は、図6に示されている。中間層の粒子は、液体10に対する接触角、寸法、形状等の点で、上部層2の粒子と実質的に同じ粒子であるが、中間層の粒子が着色されている点が異なっている。そのような中間層を使用した場合、下部層の粒子は、視認されなくなるため、下部層の粒子の色が何色であるかは重要ではない。着色液体10を使用するという、別の選択肢が使用されても良い。

液体10は、粒子8に対して90゜を超える接触角を有する。粒子は、固体金属粒子であっても良く、あるいは、粒子の外側シェルだけが導電性であっても良い。粒子がシェルを有する場合、シェルの厚さは、特定の着色粒子が形成されるように選定される。これに関する説明は、Zhong-jie Jiang、Chun-yan Liuの、「シリカ球上に銀ナノシェルを調製するための種結晶介在成長技術」、J. Phys. Chem B、107、p12411-12415、2003年に示されている。電気絶縁薄膜層、または低接触角ヒステリシスを有する疎溶媒性材料の被覆材24で被覆された粒子の、いずれかの種類の粒子が使用される。適当な粒子は、疎溶媒性誘電体メルカプタンで被覆された導電性銀粒子である。これは一例に過ぎず、本発明の範囲内で、いかなる導電性材料と疎溶媒性被覆材が使用されても良いことは、当業者には明らかである。図3および4には、想定される粒子のコアシェル配置を示す。コア20は、シリカ等の安価な絶縁性粒子であっても良い。金属シェル22は、各コア20を被覆している。疎溶媒性材料の層24は、被覆粒子を取り囲んでいる。層24は、例えば高分子で構成される。高分子電解質、フッ素重合体、自己組織化モノレイヤー（SAM）または無機シェルを含む他の材料を使用しても良い。ただし、本発明は、これらの材料に限定されると解してはならない。直流動作の場合、下部層4内の粒子8の金属コア20同士が接続し、疎溶媒性電気絶縁被覆材24は、構造体を完全に取り囲む。直流動作の場合、層4の全ての粒子コアが、導体14に接続される必要がある。交流動作の場合、粒子は、個々に疎溶媒性電気絶縁シェルに覆われる。図3に示す構造は、交流および直流の両方で作動する。

液体10は、下部層の粒子8に対して、良好な高い接触角を有する。従って、キャピラリ圧力によって、液体10が上部層から下部層に流入することはない。下部層4が疎溶媒性のため、液体は、上部層2内に残留する。このため、導体12、14と液体の間に電圧を印加しないでも、液体10は、上部層2内に留まる。液体10および粒子6は、同等の屈折率を有するため、上部層は、実質的に透明または半透明に見える。下部層4の粒子8は、光を散乱する。従って、下部層内の粒子の色が視認される。図6に示すような、中間層を含む本発明の実施例では、中間層を形成する粒子の色が観察される。液体と導体12、14の間に電圧を印加すると、「エレクトロウェッティング」効果と呼ばれる現象が生じる。エレクトロウェッティング効果は、ブレーク（Blake）らの、ラングミュア2000、16、p2928-2935に示されている。印加電圧は、1Vのオーダーであり、最大20Vであると予想される。

印加電圧によって、エレクトロウェッティング効果が生じ、液体10の下部層4に対する接触角が低下する。通常のエレクトロウェッティング効果は、以下の式で表される：

ここでθは、現電圧での接触角であり、θ₀は、電圧が存在しないときの接触角、Vは、電圧、εは、疎溶媒性層の誘電率、ε₀は、自由空間の誘電率、γは、液体の表面張力、dは、疎溶媒性層の厚さである。ポアシステム内のキャピラリ圧力ΔPは、

で表される。ここでaは、多孔質構造内部の平均ポア直径である。上部層をA、下部層をBとすると、
ΔP_A＜ΔP_Bのとき、 上部層から下部層への液体の移動、
ΔP_A＞ΔP_Bのとき、 下部層から上部層への液体の移動
が生じる。

疎溶媒性底部層と親溶媒性上部層では、V＝0の場合、ΔP_Aは正となり、ΔP_Bは負となる。従ってキャピラリ圧力は、逆向きとなり、液体10は、下部層4の方に移動する。十分な電圧が印加されると、ΔP_Bは、それがΔP_Aを超えるまで増加し、その時点に至るまで、液体10は、下部層4の方に移動する。次に、液体10の空き具合の大きな上部層2は、光を強く散乱し、上部層2は、白く視認されるようになる。その後電圧が除去されると、ΔP_Bが低下し、上部層2の値を下回るようになり、液体10が上部層の方に逆流入する。上部層は、完全に空になっている必要はないが、電圧の印加時に、システムは、自己制限的となり、この状態は、それ以外では、容易に生じ得ないことが重要であることに留意する必要がある。

本発明の第2の実施例は、図5に示されている。この実施例では、上部層2は、規則性のない多孔質構造ではなく、例えばオパールまたは逆オパール構造18のような、フォトニック結晶である。フォトニック結晶構造は、極めて規則的であり、粒子寸法は、光の波長のオーダーである。結晶構造は、回折格子として作用し、特定の波長の光、すなわち特定の色のみを反射する。結晶構造内の隙間が液体10で充填されると、層2のフォトニック特性が排除され、前述のように、層は、透明または半透明となる。従って、下部層4からの色が視認される。しかしながら、前述の方法により、液体10が上部層2から排出されると、フォトニック層は、結晶構造の対称性および空間寸法によって定まる波長の光を、強く反射する。従って、今度は上部層2は、フォトニック結晶の寸法によって定まる色を反射するようになる。このようにして、着色素子が形成される。

以下、実施例により、本発明の原理を示す。

ポリ−エチレン−テレフタレート（PET）基部にインジウムスズ酸化物（ITO）のコーティングを行うことにより、ベース電極および下部電極を形成した。これを、適切な寸法に切断して使用に供した。ITO層は、上方を向くように配置して導電性表面を設置し、その上に、多孔質表示装置を形成した。

ITOベースは、フッ素重合体（フルオロペル（Fluoropel）804A、サイトニックス（Cytonix）社）でジップコーティングした。この重合体は、疎水性誘電体層として作用する。層の厚さは、約3μmであった。

下部多孔質層は、200nmの径の銀粒子を含み、この銀粒子は、オクタデシルメルカプタンの層でコーティングした。銀粒子は、窒化銀をホウ化水素ナトリウムで還元して析出させた。オクタデシルメルカプタンは、その析出直後に添加した。オクタデシルメルカプタンは、銀粒子に、撥水性の電気絶縁性コーティングを提供する。

表面に設置された20g／lのNaCl溶液の液滴で容量を測定した場合、得られたコーティングは、電圧（2Vの交流ピーク間電圧）に対して容量が変化するステップを示した。これは、下部多孔質ネットワークに、および下部多孔質ネットワークから、液滴が可逆的に引き寄せられることを意味する。

上部多孔質層は、銀粒子にコーティングされたメルカプタンの上部にコーティングされる。上部層内の粒子は、ポリスチレンビードであり、これは、コロイダルシリカ粒子でコーティングされる。米国特許第545320号および5750328号を参照のこと。粒子は、直径が650nmである。上部層は、約25％の固体、0.1％のZonylのFSN、および1.0％のゼラチンで調製した水溶液中からコーティングされる。

上部層の粒子の屈折率は、水よりも大きい。屈折率を向上させるため、装置内の液体として、80％のグリセロール溶液（20g／lのNaCl）が使用される。切り替えシステムを実際に検証した。粒子の上部層は、完全に液体に濡れ、いかなる余分な液体も除去された。この段階では、装置は、灰色の外観を呈した。次に、上部表面にニードルを設置し、その後、ニードルを交流電源に接続した。システムに交流電圧が印加されると、ニードルの先端を取り囲む領域が白く変化した。これは、この領域にある液体が、より低いレベルの方に排出され、装置が切り替えられたことを示している。印加電圧が除去されると、領域の色が変化して、元来の灰色に戻った。

素子は、コーティング技術を用いて形成される。最初に、印刷法等により、電極パターンを有する基板が調製される。次に、コーティング処理プロセス、すなわち、複数の単層コーティング法または1もしくは2以上の多層コーティング法が使用され、多孔質層が設置される。選定されたコーティング処理プロセスでは、膜厚は、計測されなくても良いが、事前に把握しておくことが好ましい。コーティング技術では、単一のまたは複数の層のコーティング処理プロセスによって、多孔質粒子層が形成されることは、よく知られている。その後、層は、乾燥される。次に、液体10が設置されると、上部層が親液性であるため、液体は、下部層には侵入されず、上部層に充填される。次に、コーティングまたは積層によって、最終被覆層が提供され、この層に収容された電極が、液体層に接続される。

素子のマトリクスまたは複数の素子が組み立てられ、表示装置が構成される。

表示装置の素子は、液体を覆い、水分の侵入、および液体の流出を抑制するため、外界に対して密閉される。

好適実施例を参照して、本発明について詳細に説明した。本発明の範囲内で、修正および変更が可能であることは、当業者には明らかであろう。

本発明による素子の概略図である。 「オン」と「オフ」の両方の状態にある素子を示す図である。 素子内の粒子のコアシェル配置を示す図である。 素子内の粒子の別のコアシェル配置を示す図である。 本発明による第2の素子の概略図である 中間層を有する素子の概略図である。

Claims (7)

1. 上部層および下部層の、少なくとも2つの多孔質層を有する表示素子であって、
   前記上部層には、導電性液体が収容され、前記液体は、前記上部層の材料に対して、約60゜未満の接触角を有し、
   前記下部層の材料は、導電性であり、誘電体被覆材によって、前記液体から絶縁され、
   前記液体は、前記下部層の材料に対して、約90゜よりも大きな接触角を有し、
   前記下部層と前記液体の間に電圧を印加した際、前記液体は、前記上部層から前記下部層の方に移動し、
   これにより、前記上部層に光学的な変化が生じることを特徴とする表示素子。
2. 前記上部層は、複数の粒子を有することを特徴とする請求項1に記載の表示素子。
3. 前記下部層は、誘電体層で被覆された複数の導電性粒子を有することを特徴とする請求項1または2に記載の表示素子。
4. 前記上部層と前記下部層の間に、着色材料の中間層が設置されることを特徴とする請求項1に記載の表示素子。
5. 前記上部層は、フォトニック結晶構造を有することを特徴とする請求項1に記載の表示素子。
6. 請求項1に記載の、少なくとも一つの表示素子を有する装置であって、
   各素子を回路に接続する手段を有し、マトリクスディスプレイを形成する装置。
7. 請求項1に記載の、少なくとも一つの表示素子を有する装置であって、
   各層の材料は、支持材料上にコーティングされることを特徴とする装置。

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