JP4662677B2 - ツイストボールを用いたディスプレイ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、２色の回転すなわちツイストするツイストボールが誘電体液で満たされた空洞の中に収容されて、パネル状の扁平（フラット）な用紙形状の厚さの非常に薄い部材の中に多数個設けられ、空洞中のツイストボールの回転（ツイスト）によってフラットな部材の透明な外表面側に一定の表示を行う、ツイストボールを用いたディスプレイ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ツイストボール・フラットパネルディスプレイ装置、例えば、２色ボールを使用するジャイリコン・エレクトリック・ペーパーは、米国特許第４，１２６，８５４号や同第４，１４３，１０３号に開示されており、周知である。それらの特許に係る装置においては、電極間の母体内部の２色ボールが電荷ディレクタ溶液(charge director solution)との化学的相互作用によってダイポール成分をもつ静電荷を獲得するので、電圧を印加することによって配向され、画像可視素子を形成することができる。
【０００３】
似たような構想に沿っているが、電荷ディレクタを必要としない別の機構が提案されている。たとえば、２個の半導体半球間に接触電位差が提唱されている。そのほかに、電気材料を使用して永久ダイポールを形成するさらに別の提案もなされている。
【０００４】
広範な実験によって、化学的手段のために未だ性能が低いことと、それらの構想に方法論が欠如していることが判った。また、望ましい結果をもたらし、かつ最新の製造技術に適合させるには、可能な材料の組合せが不足しているように思われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
永久分極(permanent polarization)に基づく方法は、矛盾する要求の根本的な問題を抱えている。摩擦電荷を除去し、かつ一定の潤滑性を与えるために、２色ボールは液体に浸さなければならない。摩擦電気の除去は、この液体の残留イオン成分による中和によって達成される。たとえ不純物のためだけであっても、それらのイオン成分は必ず生じるし、またそれらの中和の効果は累積する。矛盾する要求は、ボールに組み入れることが可能である永久分極をもそれらの中和イオンが中和してしまうことが原因である。したがって、一定の時間が経過すると、永久ダイポールを含むボールは誘電体液からイオンを獲得し、それらのイオンは永久ダイポールに束縛されるので、その正味のダイポールが減少する。
【０００６】
ディスプレイ装置の受動的アドレス指定には、スレッショルド機構が必要である。簡単な行列アドレス指定を用いてディスプレイ装置をランダムにアドレス指定するには、一定の印加電圧で応答し、その半分の電圧では応答しない手段が必要である。経験的に、既存のツイストボールディスプレイ装置には明確に定義されたスレッショルド機構は存在しないように思われる。さらに、化学的手段によるダイポールの研究はどのようにして得ることができるかを指示していない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ダイポールを生成する動的な機構を使用することによって、上述の問題を解決する。誘電体液に低濃度の電荷ディレクタが溶解される、そのあと、この電荷ディレクタは少しだけイオン化して弱イオン化液を作る。電界が印加されると、反対符号の移動イオンが空洞の両側の壁面に向かって移動し、かなり高い濃度の空間電荷の比較的小さいクラウドが形成される。それらの電荷のクラウドすなわちパケットは、この予備電荷電界が印加されている間存続する。電界の極性が逆になり、電界の大きさが十分の状態で、パケットは前の予備電荷の方向とは反対の方向に空洞を横断する。
【０００８】
一方のイオンパケットは正イオンでできており、他方のイオンパケットは負イオンでできている。一般に、異なる極性のイオンはそれらの化学構造の差が原因で異なる移動度を有する。実際には、正イオンは全部が同じタイプでないし、負イオンも同様である。しかし、同じ符号のイオンの間の移動度の分布は反対符号のイオンの分布とは違うであろう。したがって、正イオンの一定の大きな部分と負イオンの一定の大きな部分は違う移動度を有する。本発明は、この正味の移動度の差を利用している。
【０００９】
予備帯電サイクルの後、印加電界を逆にすると、より高い移動度を有するイオンはより低い移動度のイオンより迅速に空洞を横断する。そのあと、それらのより遅いイオンは空洞内を移動するだけのイオンとして残る。高い濃度のイオンパケットが原因で、その近くの電界にかなり大きい摂動が生じる。パケットが存在しない場合よりもパケットの前方および横面において、電界が強い。これによって、空洞の一部分に回転する電界成分が与えられる。
【００１０】
ボールの一方の側は、他方の側より高い導電率および／または誘電定数をもつ材料から作られている。したがって、この側すなわち半球は誘起によって他方の側よりも多く分極可能である。その結果、この半球はより遅いイオンの通過空間電荷パケットと反応する。パケットが通過すると、画像電荷が形成し始めて、高度に分極可能な側が空洞を横断するイオンパケットに追従する。したがって、高度に分極可能な部分がより遅いイオンに追従するために、ボールが回転する。
【００１１】
横断が終了すると、各イオンパケットはパケットとして、しかし予備帯電の時とは反対の壁に再び保持される。空洞壁は誘電体液よりも多少高い誘電定数をもつカプセル材料で作られている。したがって、各パケット内のイオンは誘起された画像によって空洞壁へ吸引される。次のサイクルのときイオンの動きを逆にするため既知の所定の電界を印加する必要があるので、誘電定数の差とイオンの化学種を適当に選択することによって、この吸引力の大きさを制御することが可能である。したがって、このイオン吸引の準安定状態を制御して、印加する書込み用電圧の有用なスレッショルドを与えることができる。
【００１２】
このツイストボール・フラットパネルディスプレイ装置は、先行技術たとえば米国特許第４，１２６，８５４号に開示されているやり方で組み立てられる。従って、ツイストボールディスプレイ装置のパネルは透明な基板と電極との間にサンドイッチされているので、ディスプレイ装置に当る入射光のため、選択的な電圧パターンの印加によってパネルに形成された画像表示を見ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に添付図面を参照して、以上のおよびその他の本発明の特徴を詳しく説明する。図１は、たとえば、米国特許第５，２６２，０９８号に記載それているある種の固体材料から作られた２色ボール１を示す。ボール１は合成ワックス（Polywax 1000）で作られており、２つの半球は異なっている。白半球はチタンべース顔料（duPont R900）を含んでいるのに対し、黒半球は化学添加剤（5126）のほか、導電性の黒色金属酸化物顔料(Ferro 6331)を含んでいる。白側は測定不能な低い導電率を示すが、黒側の導電率は約２ＧΩ−Ｍであるように、材料の濃度が選択される。各側の正味誘電定数は似ており、それぞれ、約４０ｐＦ／Ｍである。したがって、黒側の電気的時定数（抵抗率と誘電定数の積）は、約１ｓｅｃである。
【００１４】
カプセル４の空洞５には、誘電体液たとえばIsopar Vが入っている。この液には、すべての内在する移動イオンが電極６に印加された適度な電圧（１００Ｖ）の影響の下で空洞５の壁に向かって分離することができるほどの低い濃度で、電荷ディレクタ（たとえば、QUAT）が溶解している。図２は、上記の電圧を印加したときの状態を示す。正イオン２と負イオン３は分離し、自己の符号とは反対の最も近い空洞壁に向かって移動し、それらのイオンは印加電界によってぎっしり詰ったパケット状態でそこに保持される。
【００１５】
図３に示すように、電極６に逆電圧（＋Ｖ）が印加されると、イオンはドリフトし始める。負イオンとして示したより高い移動度をもつイオンは、正イオンとして示したより低い移動度のイオンより迅速に移動する。したがって、空洞が、壁に向かって移動中の正味移動空間電荷を含んでいる時間が存在する。それらが移動すると、より遅いイオンがそれらの近くで電界を摂動する。クラウドの後方の電界は必ず印加電界より低減するのに対し、その前方の電界は増大する。さらに、横方向電界も存在する。この横方向電界は、２色ボール１の黒側に画像電荷を誘起する。正イオンの速度と黒半球の電気的時定数のために、空間電荷クラウドと誘起電荷の間に時間的および空間的な遅れが存在する。この遅れている画像はダイポール８として示してある。
【００１６】
この回転ボールすなわち粒子はそれぞれ異方性を有しており、その異方性のために、ボールすなわち粒子の黒側が電気的に反応して、ダイポールモーメントと電界とが一直線に並ぶ向きへボールすなわち粒子を回転させる。本発明の場合、ダイポールモーメントは、ボールすなわち粒子プラス周囲イオンのダイポールモーメントである。
【００１７】
ダイポール８と空間電荷クラウド２との相互作用は吸引力の１つである。まさに静電誘導モータと同様に、回転電界成分は黒側に空間電荷クラウド２の動きに追従するよう影響を及ぼすことができる。吸引力の回転成分は動的である。すなわち、その回転成分はその存在が空間電荷クラウド２の動きによって決まる。もしイオンが停止するならば、遅れているダイポールが追いつくので、回転トルクは起こらないであろう。
【００１８】
図４に示すように、反対側の空洞壁に達すると、空間電荷クラウド２は抑止される。空間電荷クラウドのそれ以上の動きは不可能であり、回転はほとんど停止する。黒側は実質上正の空間電荷が行った側へ回転している。
【００１９】
再び図３を参照すると，正イオンクラウド２と下部電極７の間の電界は、空洞５内のどこよりも強く、それは運動が進むにつれてより強くなるであろう。同様に、空洞２より上の電界はより弱い。したがって、空洞内部には、さらに別の回転メカニズムを生み出すことができる非一様な電界が存在する。もしボール１の黒側の誘電定数が白側および空洞内部の誘電体液の両方より高ければ、すなわち黒側に一定の有限の導電率（白側または誘電体液にはない）が存在すれば、誘電泳動力（dielectrophoretic force）が存在するであろう。この力は静的な力であり、ボールの非対称性に由来する。非一様な電界は、増大する電界のほうへより高い誘電率の物質を引っ張るやり方で、非対称物体の上に画像電荷を誘起するであろう。この周知のメカニズムは、図４に示すように、ボールの回転を終わらせる役目を果たすことができる。イオン空間電荷クラウドは、その移動の終了近くに速度を落し、動的な分極力の効果は減少する。この時点で、上記のより弱い静的な誘電泳動力が取って代わり、回転を終わらせることができる。
【００２０】
最後に、図４において、カプセル材料４は、誘電体液５（ε₅）もより高い誘電率（ε₄）を持つように選択される。イオンクラウド２と３は、それらの移動の終わりに、対応する電極に誘起された電荷からのほかに、カプセル材料４内部の電荷からも画像をベースとする力（image force）を受けるであろう。この力はそれらのイオンが準安定的に落ち着くポテンシャル井戸を生成する。
【００２１】
書込みサイクルの時にイオンを解放するため、次に電極６へ印加する電圧は、この画像をベースとする力に打ち勝つ十分な大きさすなわちスレッショルドの電圧でなければならない。これは、印加電圧のための電圧スレッショルド（それ以下では、イオンは移動することができず、ボールを回転させることができない）を生成するので、好都合な状態である。
【００２２】
それらの効果をある程度量的に見積もることができる。図５を参照して説明すると、典型的な寸法Ｌ（たいていボール表面と空洞壁間の距離）をもつ大きさ＋Ｑの空間電荷クラウド２は強さＥの印加電界の中を移動していることがわかるであろう。黒半球内の大きさ−ｑの誘起ダイポール電荷はその動きが距離ｄだけ遅れている。
【００２３】
空間電荷クラウド２は次式で表される速度νで移動する。
ν＝μＥ （１）
ここで、μは構成イオンの移動度であり、Ｅは印加電界である。実際には、この速度は誘電体液の移動によって修正されるであろうが、概算のために、近似的に上式で示されるであろう。
【００２４】
簡単な静電気学によれば、ｑは次式で表される。
ｑ＝Ｑ（１−ｅ^{- Δ t/r}） （２）
ここで、rは導電性半球の材料の電気的時定数であり、Δｔは一定の特性時間であり、その時間を過ぎると、黒半球のどれかの部分が空間電荷クラウド２の影響下に入る。この特性時間は、おおよそクラウドの寸法をクラウドの速度で割った値である。したがって、ｑは次式で表される。
ｑ＝Ｑ（１−ｅ^{-L/( μ Er)}） （３）
【００２５】
一方、誘起電荷の位置は空間電荷クラウドから距離ｄ（おおよそクラウドの速度×材料の時定数に等しい）だけ遅れている。距離ｄは。したがって、d＝μＥｒである。この遅れにより、空間電荷クラウド２とその誘起電荷との間の吸引力は、ボールの表面に沿った成分を持つ。２つの電荷の間の中心線に沿った吸引力Ｆ_cは次式で表される。
Ｆ_c＝Ｑｑ／４πεｒ² （４）
ここで、ｒは離間距離であり、この場合はおおよそＬである。ボールの表面に沿った吸引力の成分Ｆ_iは、この中心から出ている力に法線に対する角の正弦を乗じたものである。すなわち、次式で表される。
Ｆ_i＝（Ｑｑ／４πεＬ² ）ｄ／Ｌ （５）
トルクＴは、この力にモーメントアーム（Ｄ／２、Ｄはボールの直径）を乗じたものである。したがって、トルクＴは次式で表される。
Ｔ＝（Ｑ²／４πε）（Ｄ／２L³）μＥｒ（１−ｅ^{-L/( μ Er)}） （６）
【００２６】
このトルクＴは、液体の粘性抵抗（回転速度ωに比例する）に打ち勝たなければならない。したがって、
Ｔ＝ω８πη（ａ³ｂ³／（ｂ³−ａ³））≒ω８πη（Ｄ⁴／４８Ｌ） （７）
ここで、bは空洞の半径、aはボールの半径であり、近似式は差ｂ−ａが小さい場合である。
【００２７】
回転角θを求めるために、それらの式を等しいとみなし、時間について積分すると、θは、
θ＝（４８Ｌ／Ｄ⁴）（１／８πη）（Ｑ²／４πε）（Ｄ／２Ｌ³）μＥｒ×（^{1-e-L/( μ Er)}Ｄ／μＥ （８）
である。
ここで，時間間隔はおおよそＤ／μＥ、すなわちボール直径をわたるイオンの通過時間である。これは次式のように簡単化される。
θ＝（４８／３２π）（Ｑ²／Ｄ²Ｌ²）（ｒ／ηω）（１−ｅ^{-L/( μ Er)}）（９）
【００２８】
θが十分に大きい間、回転が起きるであろう。イオンの移動度は、遅れ角ばかりでなく、回転時間（しかし、正反対のやり方で）にも影響を及ぼす。したがって、回転角はもっぱら誘起電荷の大きさを通して移動度によって影響を受ける。誘起電荷を大きくするために、次の条件を保証しなければならない。
ｒ≦Ｌ／μＥ （１０）
【００２９】
しかし、もしｒの選択が小さ過ぎることによって、誘起電荷が大きくなり過ぎれば、不十分な遅れのため回転は小さくなる。理論的に、
ｒ（ｑ−ｅ^{-L/( μ Er)}） （１１）
は、ｒを適当に選択することにより可能な限り大きくされる。したがって、最適な装置は、次式のｒを持つであろう。
ｒ≒Ｌ／μＥ （１２）
【００３０】
この機構の有効性は、空間電荷クラウドがボール表面、したがってその画像に近接していることに基づいている。他方、ボールの非対称性が原因で起きる静的な力は、より大きな差があるとき画像が原因で生じる。角度φだけ回転した半球に作用する電気的な圧力(electric pressure)は、ほぼ次式に等しいトルクＴを引き起こす。
Ｔ＝（Ｑ²／１６πε）（φ／Ｄ） （１３）
トルクＴは、小さいθの場合、大きなＤ／Ｌ比のために、可能などんなφの値でも、上式の動的な誘起トルクに比べて非常に小さい。しかし、その動きの終り近くで、動的な力が小さくなり、上の概算した静的なトルクがボールの回転を終わらせる程度に大きくなる。
【００３１】
回転が終了すると、空間電荷クラウドは空洞壁の近くにぎっしり詰った状態になるであろう。定数ε₅の誘電体液の中で、定数ε₄の誘電体の上に位置している電荷ｑ０、半径ｈのイオンは、電界の強さと同等なその画像への吸引力Ｅattを受けるであろう。
Ｅatt＝（ｑ０／４πε₀）（１／４ｈ²）（ε₄−ε₅）／（ε₄＋ε₅）（１４）
上式から、空洞材料の誘電定数を選択することによって束縛電界を調整できることがわかる。
【００３２】
以上の説明は発明の単なる例示であることを理解されたい。この分野の専門家は発明の範囲の中で種々の代替物や修正物を考案することができる。したがって、本発明は特許請求の範囲に含まれるそのようなすべての代替物や修正物および均等物を包含しているものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】電圧を印加する前の不動作状態の２色ボール１、空洞５、カプセル化材料４、電極６と７、正イオン２、および負イオン３を示す略図である。
【図２】予備電荷をを印加した間の同じ物質を示す略図である。
【図３】書込みサイクルの間の同じ物質と誘起したダイポールを示す略図である。
【図４】書込みサイクルの後の次の状態を示す略図である。
【図５】ボール１の導電性半球の表面と、特性寸法Ｌの空間電荷クラウド２の拡大図である。
【符号の説明】
１ ２色ボール
２ 正イオン
３ 負イオン
４ カプセル化材料
５ 空洞
６、７ 電極
８ 誘起ダイポール

Claims (2)

1. アドレス指定可能なディスプレイ装置であって、
   （ａ）誘電体液で満たされた空洞を有し、前記空洞の壁が前記誘電体液より高い誘電定数を有する光透過性支持体と、
   （ｂ）前記空洞に回転可能に収容されて、２つの半球部分で成り、該半球部分には相互に異なる色と異方性の材料が収容された２色ボールと、
   （ｃ）前記光透過性支持体の各表面に１個ずつあって少なくとも１つは光透過性である、１対の平行な電極とを備え、
   （ｄ）前記２色ボールの前記異方性材料の各々は、異なる導電率を有し、前記半球部分の一方は、該一方の半球部分にダイポールモーメントを誘起する異方性材料を有し、
   （ｅ）前記誘電体液が、前記電極の間に電界が印加された状態の下で、反対極性の電荷をもつ移動イオンを形成する、低い濃度のイオン化可能な電荷ディレクタ物質を含んでおり、前記移動イオンは、前記誘電体液の中で、反対極性の電極に隣接する空洞壁へ向かって移動するものであり、
   該移動イオンは、比較的に高い濃度の空間電荷を有する比較的に小さいクラウドを形成し、反対の極性のクラウド同士は相互に異なる移動度を有するものであり、該クラウドは、電界の極性が逆になり電界の大きさが十分の状態で、前の予備電荷の方向とは反対の方向に前記空洞を横断するものであり、
   該移動イオンは、前記ダイポールモーメントを誘起して、前記電極の間で極性が入れ替わる度に、前記２色ボールの前記一方の半球部分が反対極性の電極と向き合うように、前記２色ボールを回転させ、
   前記電荷ディレクタ物質がＱＵＡＴにより構成される、
   ことを特徴とするアドレス指定可能なディスプレイ装置。
2. 請求項１に記載のディスプレイ装置において、前記２色ボールを一方の電極の吸引力から解放し、他方の電極と向き合うように回転させるために、所定の強さの電界を電極に印加することを特徴とするディスプレイ装置。

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