JP4672005B2 - エレクトロウェッティング表示素子 - Google Patents

Description

本発明は、表示素子に関し、より詳細には受動表示素子の分野に関する。

多くの会社が、ロール‐トゥ‐ロールのコーティング・テクニックを使用した容易に製造可能な表示素子を作り出そうと積極的に努めている。これらの表示素子は、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、ＰＬＥＤ、ＥＬ等のように能動、すなわち光を放射するか、あるいはＬＣＤ、ＣＬＣ、ｅ‐インク等のように受動、すなわち光の通過、反射、または屈折に影響を与えるかのいずれかとすることができる。いくつかの受動システムは双安定であり、切り替え可能かつ電力が除かれた後においても切り替えられた状態を保つことができる。これまで開示されている構成の多くは、容易にカラー機能に適合させることが可能である。

種々のエレクトロウェッティング表示素子が従来技術の中で公知になっている。

米国特許第６４７３４９２号は、毛管内において流体を転位させる流体素子デバイスを開示している。流体を毛管内の所望のレベルまで移動させるために電圧が使用される。米国特許出願公開第２００２／００８０９２０号は、Ｘ線イメージング装置とともに使用するための米国特許第６４７３４９２号を基礎とする素子のアレイを用いたフィルタ・デバイスを開示している。米国特許出願公開第２００３／００８５８５０号は、デバイスの焦点距離が変化するようにメニスカス形状を変更する電子デバイスを開示している。

米国特許第６４４９０８１号は、エレクトロウェッティング現象を基礎とする合焦素子について記述している。国際公開第ＷＯ２／００２０９９５２７号は、セルとともに流体が転位されるように２つの不混和性流体を電極とともに含む画定されたプリズム構造を伴う表示素子について述べている。

米国特許第６４７３４９２号明細書 米国特許出願公開第２００２／００８０９２０号明細書 米国特許第６４７３４９２号明細書 米国特許出願公開第２００３／００８５８５０号明細書 米国特許第６４４９０８１号明細書 国際公開第ＷＯ２／００２０９９５２７号パンフレット

液体の転位を基礎とする表示素子においては、毛管力による液体の捕獲が保証されると有利である。これは、素子を小さくすることによって達成される。したがって、現行の技術は、大きなピクセル・エリアの要件の扱いが容易でない。さらにまた現行の技術は、必然的に微細加工を、したがってロール‐トゥ‐ロール製造に移行可能でない比較的複雑な組み立て方法を必要とする構造を記述している。

本発明の目的は、これまでに企図されていないメカニズムの組み合わせに基づく新しい双安定デバイスを提供することとする。このクラスのデバイスは、以下では単色素子について記述しているが、カラーの用途に適合できる。この表示素子は、本質的に容量性であり、したがって消費電力が低く、低電圧によって切り替えられる。この素子は、それらの表面の反射率を変更する。

本発明によれば、少なくとも２つの導電性多孔質層および導電性液体を包含する表示素子が提供され、当該導電性多孔質層は誘電性かつ疎液性のカバーによって導電性液体から絶縁された複数の接続された導電性粒子を包含し、さらにこの表示素子は、少なくとも２つの多孔質層と液体をわたる電圧を個別に接続するための手段を包含し、その結果、電圧を各導電性の層に順次印加したときに液体が１つの場所から別の場所に変位し、順序を交替した電圧の印加時に限り液体がオリジナルの場所に戻る。

好ましくは少なくとも２つの導電性多孔質層に隣接して少なくとも１つの追加の層が提供され、液体は、この追加の層の材料と６０°より小さい接触角を有し、この追加の層の厚さは、導電性多孔質層のそれぞれの厚さより大きいが、それら２つの導電性多孔質層を組み合わせた厚さより小さい。

本発明は、素子の確率論的構造から大きな面積にわたる製造が単純であり、ロール‐トゥ‐ロール・テクニックを介して製造することができる。これは、毛管によって小さい液体素子を捕獲するという要件を満たす。しかしながら素子の切り替え時間は、その面積によって制限されない。また、適切にパターン化された受動または能動マトリクス・タイプのバックプレーンを介してアドレスおよびドライブも単純である。

この素子の双安定の性質は、電力が供給されて素子が別の状態に切り替えられるまで１つの状態を維持することを可能にする。

以下、添付図面を参照して本発明を説明する。

図１は、本発明に従った表示素子の概略図である。本発明は、受動表示素子に関する。

この説明および特許請求の範囲を通じて、上側という表現は、素子が眺められることになる側を定義する。下側という表現は、上側の逆の側を定義する。上側および下側は、いかなる形においても本発明に従った素子の配向を制限するものとして捉えられるべきではない。

図１に示されている素子は、４層多孔質システムを基礎としている。層６、８、１０、および１２は、順次積み重ねられて配置され、層６がトップになる。各層の間には、液体と接続するための導体１４が備えられている。この導体は、ワイヤ・フィラメントから構成できる。別の導体２０および２２が、層８および層１０にそれぞれ関連して備わっている。素子は、上側基板２４および下側基板２６によって封入される。これらの基板は、柔軟性および導電性があるとすることができる。上側基板は、透明材料によるものとする必要がある。

上側層６は、二酸化ケイ素等の複数の粒子２８を包含する。ここで当業者によって理解されることになろうが、この二酸化ケイ素は、使用可能な材料の一例に過ぎない。使用される液体の屈折率と整合することができるこのほかの任意の親液性材料を使用することができる。粒子のサイズは、３０ｎｍ〜２μｍ台となる。

液体１８は、上側層６の細孔空間内に存在する。この液体は、水とすることができるが、当業者によって理解されるとおり、液体が水であることは必須ではない。しかしながらこの液体は導電性でなければならない。導電性液体は、イオンを溶剤に追加することによって作り出すことができる。それに代えて、導電性液体をイオン液体としてもよい。上側層６内の粒子２８の屈折率は、液体１８の屈折率と実質的に同じである必要がある。粒子２８のサイズは、事実上、光の波長の分数、たとえば２００ｎｍとする必要がある。液体の屈折率が粒子のそれと実質的に類似であることから、事実上、上側層は不可視になる。

層８は、複数の粒子３０を包含する。粒子３０は、上側層６内の粒子２８と類似のサイズかそれより小さくする必要がある。これらの粒子は、着色して色ピクセルを提供してもよく、あるいは黒として黒ピクセルを提供することもできる。それに代えて、上側層６と層８との間に着色または黒粒子の中間層５０を備えてもよい。その種の実施態様を図６に示す。この中間層の粒子は、それらが着色されている点が異なるほか、材料、サイズ、形状等に関して上側層６の粒子と実質的に同一の特性を有する。その種の中間層が使用される場合には、層８の粒子がどのような色であるかは、それらが見えないことから問題とならない。別のオプションは、着色液体１８を使用することである。液体は、染料または顔料の追加によって着色することができる。導体２０は、層８に関連する。

液体１８は、粒子３０と９０°より大きな接触角を有する。粒子３０は導電性である。これらの粒子は、中実金属粒子としてもよく、それらのシェルだけを導電性としてもよい。これらの粒子がシェルを有する場合には、特定色の粒子を作り出すべくシェルの厚さを選択することができる。その説明をゾング‐ジー・ジアング（Ｚｈｏｎｇ‐ｊｉｅ Ｊｉａｎｇ）およびチュン‐ヤン・リウ（Ｃｈｕｎ‐ｙａｎ Ｌｉｕ）著「シード‐メディエイテッド・グロース・テクニックス・フォア・ザ・プレパレーション・オブ・ア・シルバー・ナノシェル・オン・ア・シリカ・スフェア（Ｓｅｅｄ‐ｍｅｄｉａｔｅｄ Ｇｒｏｗｔｈ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｓｉｌｖｅｒ Ｎａｎｏｓｈｅｌｌ ｏｎ ａ Ｓｉｌｉｃａ Ｓｐｈｅｒｅ）」ジャーナル・オブ・フィジカル・ケミストリー（Ｊ． Ｐｈｙｓ． Ｃｈｅｍ）Ｂ ２００３、１０７、ｐ１２４１１〜１２４１５に見つけることができる。

いずれのタイプの粒子が使用される場合であっても、接触角ヒステリシスが低い疎液性材料の薄い層またはカバー５４によってそれらを覆う必要がある。この疎液性材料は、絶縁体とする必要がある。適切な粒子は、疎液性かつ誘電性のメルカプタンによって包み込まれた導電性の銀の粒子となろう。当業者によって理解されることになろうが、これは一例に過ぎず、任意の導電性材料および疎液性かつ誘電性のカバーを、本発明の条件内において使用することができる。図５は、粒子についての可能コア・シェル構成を例示している。コア５６は、二酸化ケイ素等の安価な絶縁体粒子とすることができる。金属シェル３６が各コア５６を包み込む。それらのシェルに包み込まれた粒子を疎液性材料の層５４が取り囲む。層５４は、たとえば高分子から作ることができる。そのほかにも使用できる材料として、高分子電解質、フッ素重合体、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）、または無機のシェルを挙げることができる。しかしながら、本発明が、これらの材料に限定されるものと解釈されることはない。層８内の粒子３０の金属性コンポーネントは、接続される必要があり、その構造を疎液性カバー５４が完全に包み込む。

層１０は、複数の粒子３２を包含する。粒子３２は、実質的に層８の粒子３０と同じである。液体１８は、粒子３２と９０°より大きな接触角を有する。これらの粒子は導電性であり、前述同様に疎液性材料の薄いカバーを伴う。導体２２は、層１０に関連する。

もっとも下側の層１２は、複数の粒子３４を包含する。これらの粒子は、任意の親液性材料を包含することができる。粒子は、液体との接触角、サイズ等に関して実質的に層６内の粒子に類似する必要がある。粒子のサイズは、３０ｎｍ〜２μｍ台となる。

液体１８の体積は、上側層６内または下側層１２において利用可能な体積に等しいか、それより大きくなければならない。この利用可能な体積は、したがって、厚さ×面積×多孔率となる。層６、８、１０、および１２の多孔質の厚さは、それらの実際の（機械的な）厚さに材料の多孔率を乗じることによって定義することができる。この出願の説明ならびに特許請求の範囲で用いている厚さという表現は、上に定義したとおりの多孔質の厚さとして解釈される必要がある。

各層８、１０は、層６または１２のそれより小さい厚さを有する。しかしながら、組み合わされた層８および１０の厚さは、層６または１２単独のそれより大きい。

前述したとおり液体１８は、層８内の粒子３０と９０°より大きな接触角を有する。したがって、層８内の毛管圧は、上側層６から層８内に液体１８が入らないものとなる。したがって、素子に電圧の印加がない場合には、液体１８が上側層６内にとどまる。液体１８および粒子２８が類似の屈折率を有することから、上側層６は、基本的に透明または半透明になる。層８内の粒子３０は、光を散乱する。その結果、層８内の粒子３０の色を見ることができる。図６に例示されている、中間層を含む本発明の実施態様においては、中間層を形成する粒子の色を見ることができる。

図２は、素子に電圧が印加されるとどのようになるかについて例示している。印加される電圧は２ボルト台であり、最大２０Ｖまで企図されている。

電圧は、液体１８と導体２０との間に印加される。それによりエレクトロウェッティングと呼ばれる効果がもたらされる。エレクトロウェッティングについては、ブレイク（Ｂｌａｋｅ）ほかのラングミュア（Ｌａｎｇｍｕｉｒ）２０００、１６、ｐ２９２８〜２９３５に説明されている。エレクトロウェッティング効果は、液体１８の層８との接触角を小さくする。下式（１）に示す一般的なエレクトロウェッティングの式を使用することができる。
ｃｏｓ（θ）＝ｃｏｓ（θ_０）＋εε_０Ｖ^２／２ｄγ （１）

これにおいてθは電圧存在下における接触角、θ_０は電圧のないときの接触角、Ｖは電圧、εは疎液性の層の誘電体定数、ε_０は自由空間の誘電率、γは液体の表面張力、ｄは疎液性の層の厚さである。細孔システム内の毛管圧ΔＰは、下式（２）のように定義することができる。
ΔＰ＝γｃｏｓ（θ）／ａ （２）
これにおいてａは、多孔質構造内の細孔の平均半径である。ここで上側層６をＡ、層８をＢ、層１０をＣ、層１２をＤと定義すると、
ΔＰ_Ａ＜ΔＰ_Ｂであれば液体が上側層６から層８に移動し、
ΔＰ_Ａ＜ΔＰ_Ｂ＜ΔＰ_Ｃであれば液体が層８から１０に移動し、
ΔＰ_Ｂ＜ΔＰ_Ｃ＜ΔＰ_Ｄであれば液体が層１０から１２に移動する。

当業者であれば認識することになろうが、毛管圧を逆にすれば液体が逆方向に移動する。

Ｖ＝０であれば、ΔＰ_Ａが正、ΔＰ_Ｂが負になる。したがってこの毛管圧は、上側層６から層８への液体１８の移動に適さない。充分な電圧が印加され、ΔＰ_Ｂが、ΔＰ_Ａより大きくなるまで増加すると、その時点において液体１８が層８に移動することになる。

液体のメニスカスの前面が層８と１０との間の界面に到達すると、層１０がまだ疎液性であることからそこで停止する。そこで導体２０を介して印加されるより高い電圧が液体１８と導体２２との間に印加される。導体２０を介して印加される電圧は、この時点において取り除くことができる。続いて層１０が親液性に変化し、層８と１０との間における毛管圧の差が液体１８をさらに下側に引き込む。液体１８が上側層６から引っ込む。この時点で上側層は実質的に空になり、光を強く散乱して白く見える。液体は、前面のメニスカスが層１０と１２との間の界面に到達すると停止することになる。その後に続く導体２０および２２からの電圧の除去に応答して層８および１０内の毛管圧が再度変化し、液体１８が層１２内に引き込まれ、そこにとどまる。したがって、この素子が双安定であることが理解できる。素子は、電圧が取り除かれた後においても白く見えたままになる。

オリジナルの色に戻すときは、液体と導体２０および２２との間の電圧の印加を逆にする。まず、液体と導体２２との間に電圧を印加する。層１０が親液性になり、液体１８と粒子３２との間の接触角が下がる。その結果、液体１８が層１２から層１０に引き込まれる。液体が層１０を通過し、層８との界面に到達すると、より大きな電圧が液体と導体２０との間に印加され、液体と導体２２の間に印加されていた電圧が取り除かれる。導体２２および２０を介して印加される電圧における差が層１０内の毛管圧に対する層８内の毛管圧を変化させ、液体が層８に引き込まれる。この時点において、すべての液体１８が層１２からなくなる。メニスカスの前面が、層６と８との界面に達する。導体２０および２２に対する電圧供給を取り除くと、液体が上側層６内に引き込まれることになる。液体が層６を完全に満たすと、この素子に再びオリジナルの色が現れる。

図３は、本発明の第２の実施態様に従った素子を例示している。

図３に例示されている素子は、３層多孔質システムを基礎とする。

この実施態様は、多くの意味で図１に示されているものに類似している。３つの粒子の層は、図１に例示した層６、８、および１０と実質的に同じであり、したがって同じ符号が付されている。各相の間には、液体と接続するための導体１４が備わっている。この導体は、ワイヤ・フィラメントから構成できる。導体２０および２２は、前述同様に層８および１０に関連付けされている。もっとも下側の層１０の下側には絶縁層１６が配置される。この素子は、上側基板２４および下側基板２６によって封入される。上側基板は、透明材料でなければならない。

各層８、１０は、層６より小さい厚さを有する。しかしながら、組み合わされた層８および１０の厚さは、層６単独のそれより大きい。

この素子は、図１に示されている素子と基本的に同一の態様で働く。

電圧の印加がない場合には、液体が上側層６内にとどまる。したがって前述したとおり、上側層は不可視になる。その結果、図１に示した実施態様に関連して説明したとおり、層８内の粒子の色、もしくは中間層が備えられる場合にはその色が見える。液体と導体２０との間に電圧が印加されると、エレクトロウェッティング効果が液体と層８の接触角を下げる。したがって、層８内への液体の引き込みが開始され、前面のメニスカスが層８と１０との界面に到達する。より高い電圧を液体と導体２２との間に印加すると、層１０もまた親液性になり、層８と１０との間における毛管圧の差が、今度は液体１８をさらに下に引き込む。層６からすべての液体が引っ込み、層８および１０内、主として層１０内にとどまる。前述したとおり層６から液体１８を取り除くことによってその層に光学的変化がもたらされる。

導体２０および２２から電圧を取り除くと、層８および１０が疎液性に戻る。しかしながら、液体のメニスカスが層６と８との界面になく、層８および１０内において毛管圧が平衡しているため液体が層８および１０から戻ることはない。したがって、図３に示されている素子が双安定であることがわかる。

オリジナルの色に戻すときは、液体と導体２０との間に電圧を印加する。このとき層８と１０との中に現れる毛管圧内の差に起因して液体１８が、層６と８との界面にメニスカスが到達するまで上昇する。そこで電圧をオフにすると、層６と８との間の毛管圧の差が液体を上側層６内に上昇させる。液体が層６を完全に満たすと、この素子に再びオリジナルの色が現れる。

図１および２に例示した実施態様において、上側層６が、たとえばランダムな多孔質構造ではなくオパール、逆オパール等のフォトニック結晶構造を包含することもできる。この結晶構造は、回折格子として作用し、特定波長の光だけを反射する。結晶構造内のギャップが液体によって満たされると、その層のフォトニック性質が取り除かれ、その層が透明もしくは半透明になる。その結果、下側の層からの色が見える。しかしながら液体がその層から排出されると、フォトニック結晶の構造ならびに間隔寸法によって定義される波長においてその層が強く反射する。

図４は、本発明の第３の実施態様に従った素子を例示している。

図４に例示されている素子は、２層の多孔質システムを基礎とする。２つの粒子の層は、図１に例示した層８および１０と実質的に同じであり、したがって同じ符号が付されている。

前述したとおり２つの層８および１０は、複数の導体粒子を包含する。これらの粒子は、中実金属粒子もしくはそのシェルだけを導体とすることができる。いずれのタイプの粒子が使用される場合でも、前述したとおり、疎液性の電気的絶縁材料の薄い層によってそれらを包み込む必要がある。粒子サイズおよび粒子の組成は、それぞれの層８および１０内において同一とする必要がある。各層８および１０の多孔質体積および細孔サイズも同一にする必要がある。これらの層は同一の厚さを有する。

それぞれの層８および１０の端には、２つの電極３８および４０がそれぞれ備えられている。これらの電極は、各層内の粒子に対する電圧の印加を可能にする。素子のトップおよびボトムには、絶縁基板４２および４４が備わる。絶縁基板４２は透明でなければならない。これらの基板は素子をシールする。

この素子が作られるとき、静電気の使用によって導電性液体４６が層８内に押し込まれる。これは、層と液体との間に電圧を印加することによって達成され、その結果粒子表面上の液体の接触角が減少するため毛管圧が増加する。層内に吸収された液体の体積が層８の細孔内の利用可能体積と同じになると上側透明基板が置かれて、それによって素子がシールされる。

電圧を取り除くと液体４６は層８内にとどまる。液体が着色されていれば、その色が見えることになる。着色液体を使うことが好ましい。これは、オンとオフとの状態の間におけるもっとも大きな光学的コントラストを提供する。電極４０を介して層１０と液体との間に電圧を印加すると、その層が親液性になり、層８と１０との間における毛管圧の差によって液体４６が層１０内に引き込まれる。液体が完全に層１０内に吸収された後に電圧をオフにする。層８及び１０内の毛管圧に差がないことから、電圧が取り除かれた後においても液体は層１０内にとどまる。したがって、図４に例示されている素子が双安定であることがわかる。層１０内に液体がある場合にこの素子を上側から眺めると、層８内の粒子の色が見える。下側基板４４が透明であれば、下側基板４４を通してこの素子を眺めると、液体の色が見える。このように、この素子のいずれの側からも逆のイメージを見ることができる。

オリジナルの色に戻すときは、電極３８を介して層８に電圧を印加する。それによって層８が親液性になり、層８と１０との間の毛管圧における差によって液体４６が層８内に引き込まれ、そのオリジナルの色に戻すことが可能になる。

この素子は、コーティング・テクノロジを使用して作ることができる。最初に、電極のパターンを含む基板が、プリント等によって準備される。それに続き、多重単層コーティングもしくは１ないしは複数の多層コーティングを使用して多孔質の層を置く。選択するコーティング・プロセスは、一律とすることが可能であり、好ましくはあらかじめ計量される。コーティング技術において、単層または多層コーティング・プロセスを介して多孔質粒子層を製造することは周知である。続いて、これらの層が乾燥される。その後、液体のコーティングが可能になり、トップ層が親液性であることから、下側層に浸透することなく液体が上側層を満たす。最終的な封入層が、その後、コーティングまたは積層によって提供され、液体の層に接続する電極を含むことになる。

マトリクスまたは複数の素子を組み立ててディスプレイ・デバイスを形成することができる。

ディスプレイ・デバイスの素子は、液体を封入し、湿分の侵入ならびに液体の漏れを防止するために環境的にシールされる。

以上、本発明についてその好ましい実施態様を参照して詳細に説明してきた。当業者によって理解されることになろうが、本発明の範囲内において変形および修正をもたらすことはできる。

本発明に従った素子の概略図である。 素子の切り替えを例示した説明図である。 本発明に従った別の素子の概略図である。 本発明に従ったさらに別の素子の概略図である。 素子内の粒子のコア・シェル構成を例示した説明図である。 中間層を含む素子の概略図である。

Claims (6)

1. 少なくとも２つの導電性多孔質層および導電性液体を包含する表示素子であって、前記導電性多孔質層が誘電性かつ疎液性のカバーによって前記導電性液体から絶縁された複数の接続された導電性粒子を包含し、さらに前記表示素子が、前記少なくとも２つの多孔質層と前記液体とをわたる電圧を個別に接続するための手段を包含し、その結果、電圧を各導電性の層に順次印加したときに前記液体が１つの場所から別の場所に変位し、順序を交替した電圧の印加時に限り前記液体がオリジナルの場所に戻る表示素子。
2. 前記少なくとも２つの導電性多孔質層に隣接して少なくとも１つの追加の層が提供され、前記液体は、前記追加の層の材料と６０°より小さい接触角を有し、前記追加の層の厚さは、前記導電性多孔質層のそれぞれの厚さより大きいが、前記２つの導電性多孔質層を組み合わせた厚さより小さい、請求項１に記載の表示素子。
3. 前記少なくとも１つの追加の層は、複数の粒子を包含する請求項２に記載の表示素子。
4. 着色材料の中間層が前記追加の層と前記導電性多孔質層の１つの間に提供される請求項２に記載の表示素子。
5. 前記追加の層は、フォトニック結晶構造を包含する請求項２に記載の表示素子。
6. 請求項１に記載の表示素子を包含し、各層の前記材料が支持材料上にコーティングされるデバイス。

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