JP4659417B2 - 電気泳動表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電気泳動表示装置に関する。
近年、情報機器の発達に伴い、低消費電力且つ薄型の表示装置のニーズが増しており、これらのニーズに合わせた表示装置の研究、開発が盛んに行われている。
特に、ウエアラブルPCや電子手帳等の用途から屋外で使用されることが多く、低消費電力かつ省スペースであることが望まれるため、例えば液晶ディスプレイ等の薄型ディスプレイによる表示機能と座標入力処理を一体化し、ディスプレイに表示された内容をペン或いは指で押圧操作することにより直接的に入力できる物が製品化されている。
しかし、多くの液晶はいわゆるメモリ性が無い為、表示期間中は液晶に対して電圧印加を行い続ける必要がある。一方で、メモリ性を有する液晶においては、ウエアラブルPCのようにさまざまな環境における使用を想定した場合の、信頼性を確保することが難しく実用化には至っていない。
そこで、メモリ性を有する、薄型軽量ディスプレイ方式の一つとして、電気泳動表示装置がある。この電気泳動表示装置は、所定間隙を開けた状態に配置された一対の基板と、その基板間隙に注入された絶縁性液体と、絶縁性液体に分散された多数の帯電泳動粒子と、絶縁性液体に近接するように配置された一対の電極と、これら電極を覆うように絶縁層とを備えた電気泳動表示素子を備えている(特許文献1参照)。
図7は、このような従来の電気泳動表示素子の構成の一例を示すものであり、(a)に示すように分散媒である絶縁性液体103に分散された多数の帯電泳動粒子104を広い面積に配置した場合と、(b)に示すように帯電泳動粒子104を狭い面積に集積させた場合との色の違いを利用して種々の表示を行うようになっている。なお、図中、105は画素電極、106は共通電極であり、この共通電極106は画素を仕切るように配置され、これらの電極105,106はそれぞれ絶縁膜107,108で覆われている。
そして、このようなメモリ性を活用した、例えばアクティブマトリックス形式の電気泳動表示装置の駆動方法としては、リセット期間と書込み動作期間を備え、画像を表示する際には、まずリセット期間において泳動粒子を所定の位置に揃えるために、各画素電極にリセット電圧を書込むようにしている。
次に、書込み動作期間において、一定電圧を画像データの指示する階調値に応じた期間だけ、或は一定期間に画像データの指示する階調値に応じた電圧だけ、各画素電極に印加電圧を印加し、この後、各画素電極に共通電極電圧を書込むようにしている。これにより、画素容量に蓄積された電荷を放電し、表示画像を保持するようにしている(特許文献2又は3参照)。
特許第3421494号公報 特開2002−116733号公報 特開2002−116734号公報
ところで、図8の(a)は図7の電気泳動表示装置の等価回路を表したものであり、Rep,Cepは分散液層の抵抗と容量を、R1,R2、C1,C2はそれぞれ絶縁層部分の抵抗と容量を表している。一般的には、分散液には帯電粒子とカウンターイオンが含まれるのでRepは小さく、また絶縁膜の膜厚が薄いことからRep<R1、Rep<R2、Cep<C1,Cep<C2の関係にある。
ここで、例えば第1電極と第2電極との間に、図8の(b)の波形を印加した場合、時間t1において印加電圧VwがCepとC1,C2の容量に応じて分圧されるが、この際Cep<C1,Cep<C2の関係にあるため、ほとんどの電圧は分散液層にかかる。しかし、この後、Rep<R1,Rep<R2の関係により、絶縁膜や分散液の物性値に依存した時定数にて抵抗分圧し、分散液部分に印加される電圧が減少する。なお、このとき、減少した電圧は絶縁層部分に印加されている。
次に、時間t2で印加電圧を0Vにすると、分散液層に印加される電圧が、約−Vw変化し、この結果、分散液層に印加される電圧はマイナスとなる。ここで、このようにして生じる電圧を残留DCと呼び、この残留DCの量は各層の抵抗、容量及び電圧印加期間に依存する。そして、帯電泳動粒子が泳動して最終的に表示される階調は、駆動開始から残留DCが緩和するまでの分散液に加わる電圧波形によって決定される。
ところが、このような従来の電気泳動表示装置では、分散液には帯電した粒子とイオンが存在し、それらの量は温度等により変動しやすく、また分散液の抵抗Repも変化しやすいことから、分散液に印加される電圧波形や残留DCが変動しやすく、このため所望の階調表示を得ることができず、安定した表示状態が得られないという問題があった。
本発明は、間隔を空けて配置された第1及び第2基板と、前記間隔を一定に保持し、かつ前記間隔を仕切って画素を画定する隔壁と、前記間隔に配置された絶縁性液体及び複数の帯電泳動粒子とからなる分散液と、前記第1基板に沿って画素に配置された第1電極と、前記隔壁に配置された第2電極とを備え電気泳動表示装置であって、前記第1電極の前記分散液側の面に配置された絶縁層と、前記隔壁と前記絶縁層を覆う界面部材と、を有し、前記界面部材は、前記絶縁層と前記分散液との間に配置された第1界面部材と、前記第1界面部材と離間して前記第2電極と前記分散液との間に配置された第2界面部材と、前記第1界面部材と前記第2界面部材とを連結するように配置された第3界面部材と、を有し、前記第3界面部材の体積抵抗率が前記分散液の体積抵抗率よりも小さく、前記絶縁層の体積抵抗率が前記第1界面部材の体積抵抗率よりも大きいことを特徴とするものである。
本発明によれば、分散液層の抵抗よりも低い抵抗の界面部材が分散液層に対して並列に接続されることになるので、分散液層の抵抗の変動による残留DCの変動が発生せず、安定した表示状態を得ることができる。さらに、残留DCが発生しても、電気泳動粒子の応答が電気泳動粒子の帯電極性から決まる電圧応答特性と逆であるという駆動を行うことにより、所望の階調表示を得ることができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る電気泳動表示素子の概略構成を示す図であり、図1において、1は第1基板、2は第1基板1に対し間隙を空けて配置された第2基板、Gは画素である。ここで、第2基板2は、例えば透明ガラスや透明フィルムなどの光透過性板で構成されている。なお、第1基板1は必ずしも透明である必要はなく、フィルム基板や金属基板等で構成してもよい。
また、第1基板上には第1電極5が形成されている。また、第1基板1と第2基板2との間には、第1基板1と第2基板2との間隙を一定に保持し、かつ間隙を仕切って画素Gを画定する隔壁6が設けられており、この隔壁6の表面には第2電極7が形成されている。ここで、第1電極5としては、ITO膜だけではなく、Al膜等の金属膜を用いても良く、第2電極7としても、第1電極と同様、ITO膜だけではなく、Al膜等の金属膜を用いても良い。
なお、隔壁6の厚さ、即ち電極間距離は通常5μm〜1mm程度であり、隔壁6としては一般に使用されているレジスト材料或いは、熱可塑性材料、紫外線硬化材料などを使用できる。
また、第1電極5の表面には絶縁膜9が形成されている。なお、このような絶縁膜9としては、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリイミド、アクリル酸エステル共重合、酸化ケイ素、またはアクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂などの材料を使用できる。さらに、これらに酸化チタン、酸化亜鉛、酸化アルミニウムなどの無機酸化物顔料、染料または顔料を混ぜ合わせて着色化、光散乱化させてもよい。ここで、絶縁膜9の体積抵抗率(ρ1)としては、1011Ωcm以上が望ましく、本実施の形態では1015Ωcmとした。
さらに、これら隔壁6と絶縁膜9を覆うように界面部材8が設けられている。なお、このような界面部材8としては、光透過性の材料で、ポリシラン、ポリシロキサン、ポリアセチレンなどの有機膜、もしくはそれの複合体、共重合体、または、カーボン含有膜、インジウム−スズ酸化物(ITO)などの無機膜、またはシリコンなどの半導体膜、または導電性のフィラ(充填物)、例えば金属粉、カーボン粒子等をエポキシ樹脂、ポリプロピレン樹脂等に配合して得る導電性樹脂膜を使用できる。
さらに界面部材8としては、これらの膜の積層膜でもよい。ここで、界面部材8の体積抵抗率は10Ωcm〜1012Ωcm、膜厚は1nm〜200nmが望ましく、本実施の形態では界面部材8の体積抵抗率を1010Ωcmとした。
一方、第1及び第2基板1,2、隔壁6との間に形成される密封空間には、電気泳動分散液3が封入されている。ここで、この電気泳動分散液(以下、分散液という)3は、分散媒と、この分散媒に分散されている帯電した電気泳動粒子4とからなるものである。なお、このような分散媒としては、水、メタノール、エタノール、アセトン、ヘキサン、トルエン、長鎖アルキル基を有するベンゼン類等の芳香族炭化水素等又は、その他の種々の油類等の単独又はこれらの混合物に界面活性剤等を配合したものを用いることができる。
また、電気泳動分散液3に含まれる電気泳動粒子4は、分散媒中で電位差による電気泳動により移動する性質を有する有機あるいは無機の粒子であり、このような電気泳動粒子4としては、例えばアニリンブラック、カーボンブラック等の黒色顔料、二酸化チタン、三酸化アンチモン等の白色顔料、アゾ系顔料、その他着色顔料等の1種又は2種以上を用いることができる。
さらに、これらの顔料には、必要に応じ、電解質、界面活性剤、樹脂、ゴム、油等の粒子からなる荷電制御剤、チタン系カップリング剤、アルミニウム系カップリング剤、シラン系カップリング剤等の分散剤、潤滑剤、安定化剤等を添加することができる。なお、本実施の形態における電気泳動分散液3の体積抵抗率は1012Ωcmであった。
ところで、本実施の形態において、界面部材8は、分散液3の層(以下、分散液層という)と第1電極5との間に位置する第1界面部材8aと、分散液層と第2電極7との間に位置する第2界面部材8bと、二つの電極の間に位置し、第1界面部材8aと第2界面部材8bとを連結するように形成された第3界面部材8cとから構成されている。ここで、この第3界面部材8cは、二つの電極の隙間に位置し、これらを分離する絶縁膜9と分散液層との界面に形成されている。
なお、図1においては、界面部材8を一体膜として形成しているが、本発明の本質上これに限定されるものではない。さらに、第1電極5と第2電極7との間には、後述のような駆動電圧を発生する駆動電圧発生装置が接続されている。
ところで、図2は、このような構成の電気泳動表示素子における画素の等価回路であり、図2において、点Aは第1電極5、点Bは第2電極7を、C1,C2,Ci,CLはそれぞれ、第1界面部材8a、第2界面部材8b、絶縁膜9、分散液層の容量、R1,R2,Ri,RL,R3はそれぞれ、第1界面部材8a、第2界面部材8b、絶縁膜9、分散液層、第3界面部材8cの抵抗を表している。
ここで、本実施の形態においては、分散液層の体積抵抗率をρLC、第1界面部材8aの体積抵抗率をρ、第2界面部材8bの体積抵抗率をρ、第1電極5と第1界面部材8aの間に形成された絶縁膜9の体積抵抗率をρi、第3界面部材8cの体積抵抗率をρとすると、この第3界面部材8cの体積抵抗率ρが分散液層の体積抵抗率(ρLC)よりも小さく(ρLC>ρ3)、且つ、絶縁膜9の体積抵抗率(ρi)が第1界面部材8aの体積抵抗率(ρ1)よりも大きく(ρ>ρ)なるように構成している。
そして、このように構成した場合、図2に示すように、分散液層の抵抗RLよりも低い抵抗R3の第3界面部材8cが分散液層に対して並列に接続されることになり、この結果、分散液層の抵抗の変動による残留DCの変動がなくなる。
ところで、このように構成した場合、残留DCが形成される時定数も短くなるので、駆動時に発生する残留DCの量が大きくなり、階調表示が困難となる。そこで、本実施の形態においては、リセット期間よりも残留DCの形成時定数を短く設定している。
そして、このように残留DCの形成時定数を設定することにより、リセット期間中にリセット電圧と同等量の残留DCを形成でき、その後の書込み電圧を印加する時には、形成された大きな残留DCが分散液層に印加されるようになるので、非常に小さい書込み電圧でも泳動粒子をリセット状態と逆の表示状態にすることができる。
一方、書込み電圧が大きい場合には、書込み期間中にも大きな残留DCが形成され、書込み終了後、印加電圧を0Vにした時にリセット電圧と同極性の残留DCが発生するので、中間状態の粒子分布が形成される。
このように、書込み終了後に発生する残留DC量は書込み電圧値で調整できるので、残留DCを利用した階調書込みが可能となる。つまり、本発明の構成により非常に大きな残留DCが発生しても、泳動粒子の応答が、粒子の帯電極性から決まる電圧応答特性と逆であるという駆動を行うことで、所望の階調表示を得ることができる。
次に、このように構成される電気泳動表示素子の表示動作について説明する。なお、以下の説明では、電気泳動粒子は正に帯電している場合を例に挙げるが、負に帯電している場合でも同様に説明できる。
図3は駆動波形である。なお、第2電極の電位は0Vとする。また、図3の(a)、(b)、(c)は、それぞれ、第1電極印加電圧、分散液層にかかる電圧、光学応答を表す。さらに、リセット期間よりも残留DCの形成時定数を短く設定している。
時間t1でリセット電圧Vrを印加し、電気泳動粒子4を黒表示状態にリセットする。その後、時間t2にかけて分散液層に電圧がかからなくなり、この結果、分散液層には残留DCが約Vr形成される。時間t2では、書込み電圧Vw1を印加するが、このとき書込み電圧Vw1にはリセット期間中に形成された残留DCが上乗せされるので、分散液層には大きな電圧Vr+Vw1が印加され、光学状態は白状態へ変化する。
このように、リセット期間中にリセット電圧と同等量の残留DCを形成することにより、書込み電圧を印加すると、形成された残留DCが分散液層に印加されるようになるので、書込み電圧が非常に小さい場合でも電気泳動粒子をリセット状態と逆の表示状態にすることができる。
その後、時間t3にかけて分散液層にかかる電圧が減少してVw1となったところで、印加電圧を0Vにすると電位変動−Vw1を受けて、分散液層にかかる電圧も0Vとなり白状態を維持する。
次に、時間t4でリセット電圧Vrを印加してリセットし、この後、時間t5からt6に示すように大きな書込み電圧Vw2を印加すると、書込み期間中にも大きな残留DCが形成される。このとき、前述の通り表示状態は白となるが、書込み終了後、印加電圧を0Vにした時、リセット電圧と同極性の残留DCが発生するので、白よりも暗い光学状態の粒子分布が形成される。
さらに、時間t8からt9に示すように書込み電圧Vw3をより大きくした場合には、非常に大きな残留DCが発生し、書込み終了後の光学状態が黒まで達する。このように、書込み終了後に発生する残留DC量は書込み電圧値で調整できるので、残留DCを利用した階調書込みが可能である。
このように、第1界面部材8aと第2界面部材8bとを第3界面部材8cにより連結し、この第3界面部材8cの体積抵抗率を分散液層の体積抵抗率よりも小さくし、且つ、絶縁膜9の体積抵抗率を第1界面部材8aの体積抵抗率よりも大きくすることにより、分散液層の抵抗よりも低い抵抗の第3界面部材8cが分散液層に対して並列に接続されることになるので、分散液層の抵抗の変動による残留DCの変動をなくすことができ、安定した表示状態を得ることができる。
また、このように構成することにより、非常に大きな残留DCが発生しても、電気泳動粒子4の応答が、電気泳動粒子4の帯電極性から決まる電圧応答特性と逆であるという駆動を行うことで、所望の階調表示を得ることができる。
図4は、本実施の形態に係る電気泳動表示素子を電気泳動表示パネルとして用いた電気泳動表示装置のシステム構成を示すブロック図であり、同図において41はパネルコントローラ、43はソースドライバ、42はゲートドライバ、44は電気泳動表示パネルである。
ここで、パネルコントローラ41は、入力される画像データに基づいて、フィールド同期信号、水平同期信号、データ取り込みクロックなどの制御信号、および表示データを生成し、ソースドライバ43、ゲートドライバ42に転送するものであり、ソースドライバ43、ゲートドライバ42は、パネルコントローラ41より受信した制御信号、表示データに従って電気泳動表示パネル44に駆動電圧を出力するものである。そして、電気泳動表示パネル44は、この駆動電圧に応じ表示を行うようになっている。
なお、この電気泳動表示パネル44は、第1基板上に一定間隔で配線された不図示の複数のデータライン群と、複数のデータライン群に立体交差して第1基板上に一定間隔で配置された不図示の走査ライン群及び補助容量線群と、複数のデータライン及び走査ラインとの各交差部に対応して一定間隔で配置された複数の画素Gが設けられている。
図5は、電気泳動表示パネル44の一画素における等価回路を示す図であり、画素45の第1電極5は、アクティブマトリクス駆動表示用のスイッチング素子である薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor:以下TFTという)46のドレイン電極に接続され、第2電極7は電圧Vcomである共通電極49に接続されている。なお、全画素の第2電極は共通電極49に接続される。また、走査ラインであるゲートライン47はTFT46のゲート電極、データラインであるソースライン48はTFT46のソース電極に接続される。なお、TFTはn型トランジスタとした。
ドレイン電極には補助容量50が補助容量線51との間に形成されており、全画素の補助容量は、電圧Vcsの補助容量線51に接続される。
以下、具体的な駆動方法について説明する。
図6に電気泳動表示パネル44のある一画素に対する駆動波形を示す。ここで、図6の(a)はゲートドライバ42から入力されるゲート信号(走査信号パルス)、図6の(b)はソースドライバ43から第1電極5に入力される情報信号パルス、図6の(c)は第1電極電位波形と分散液層にかかる電圧、図6の(d)は光学応答を示している。
ここで、駆動期間は、リセット期間、書込み期間の2つの期間で構成されている。なお、以下、リセット期間が2フィールド、書込み期間が1フィールドで構成される場合について説明するが、それ以外のフィールド数で構成される場合でも同様の効果があり、問題はない。
まず、リセット期間の第1フィールドにおいて、ゲートパルスに同期して、ソースドライバ43よりリセットパルスVr1が印加され、第1電極に電圧Vr1が書込まれる。その後のフィールド期間中は電圧が保持される。
ところが、ソースドライバ43は情報信号を与えた後0Vとなるため、画素TFTのソース・ドレイン間に電位差が生じ、画素TFTのソース・ドレイン間にオフ電流が流れ、第1電極電位が低下する。ここで、この電位降下量は、補助容量、TFTオフ抵抗と電圧保持期間に依存し、大きな補助容量を形成しておくことで電位降下量を抑えることが出来るが、付加可能な補助容量には限界があるので、通常、完全に0にすることはできない。
しかし、本構成では、絶縁層の抵抗が2つの界面部材間を接続する第3界面部材の抵抗よりも十分大きいので、分散液層にかかる電圧は抵抗分圧により減少し、残留DCが蓄積される。このため、光学応答は黒状態へと変化する。
次に、リセット期間の第2フィールドでは、再度、第1電極に電圧Vr1が書込まれる。そして、これに伴い第1フィールドで生じた電位降下量に相当する電位変動が起こるので、分散液層にかかる電圧も変動する。その後は第1フィールドと同様に第1電極電位は降下し、分散液層にかかる電圧はほぼ0Vとなり、残留DCがVrほど形成される。
書込み期間においては、第1電極に電圧Vw1が書込まれる。このとき、リセット期間中に形成された残留DCが上乗せされるので、分散液層には大きな電圧Vr+Vw1が印加され、光学応答は白状態へ変化する。その後、第1電極電位は画素TFTのソース・ドレイン間のリーク電流により低下し、分散液層にかかる電圧は絶縁膜と界面部材間の抵抗分圧により減少する。
第1電極電位と分散液層にかかる電圧とがほぼ等しくなった時に、第1電極に印加電圧0Vを書き込むと、電位変動を受けて分散液層にかかる電圧も0Vとなり白状態を維持する。ここで、書込み電圧を大きくすると、書込み期間中に大きな残留DCが形成され、印加電圧を0Vにした時にリセット電圧と同極性の残留DCが発生するので、白よりも暗い光学状態の粒子分布が形成される。
従って、書込み電圧を調整することで残留DCを利用した階調書込みが可能となる。このような構成であっても、分散液層の抵抗よりも低い抵抗の層が分散液層に対して並列に接続されるので、分散液層の抵抗の変動による残留DCの変動はなく、安定した表示状態が得られる。
本発明の実施の形態に係る電気泳動表示素子の概略構成を示す図。 上記電気泳動表示素子における画素の等価回路を示す図。 上記電気泳動表示素子の駆動波形を示す図。 上記電気泳動表示素子を表示パネルとして用いた電気泳動表示装置のシステム構成を示すブロック図。 上記電気泳動表示パネルの一画素における等価回路を示す図。 上記電気泳動表示パネルの一画素の駆動波形を示す図。 従来の電気泳動表示素子の一画素の断面図。 上記従来の電気泳動表示素子の等価回路と駆動波形を示す図。
符号の説明
1 第1基板
2 第2基板
3 電気泳動分散液
4 電気泳動粒子
5 第1電極
6 隔壁
7 第2電極
8 界面部材
8a 第1界面部材
8b 第2界面部材
8c 第3界面部材
9 絶縁膜
G 画素
ρLC 分散液層の体積抵抗率
ρ 第3界面部材の体積抵抗率
ρi 絶縁膜の体積抵抗率
ρ 第1界面部材の体積抵抗率

Claims (1)

  1. 間隔を空けて配置された第1及び第2基板と、前記間隔を一定に保持し、かつ前記間隔を仕切って画素を画定する隔壁と、前記間隔に配置された絶縁性液体及び複数の帯電泳動粒子とからなる分散液と、前記第1基板に沿って画素に配置された第1電極と、前記隔壁に配置された第2電極とを備え電気泳動表示装置であって、
    前記第1電極の前記分散液側の面に配置された絶縁層と、
    前記隔壁と前記絶縁層を覆う界面部材と、を有し、
    前記界面部材は、前記絶縁層と前記分散液との間に配置された第1界面部材と、前記第1界面部材と離間して前記第2電極と前記分散液との間に配置された第2界面部材と、前記第1界面部材と前記第2界面部材とを連結するように配置された第3界面部材と、を有し、
    前記第3界面部材の体積抵抗率が前記分散液の体積抵抗率よりも小さく、
    前記絶縁層の体積抵抗率が前記第1界面部材の体積抵抗率よりも大きいことを特徴とする電気泳動表示装置。
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