JP5115831B2 - 電気泳動表示装置、コントローラ、および電子機器 - Google Patents

電気泳動表示装置、コントローラ、および電子機器 Download PDF

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本発明は、電気泳動表示装置および電子機器に関するものである。
電気泳動表示装置は、少なくとも一方が透明な一組の対向電極板間に、1つ又は複数の種類の電気泳動粒子と電気泳動分散媒とを含む電気泳動分散液を封止することにより構成される。2つの電極間に電圧を印加することにより電気泳動粒子が電気泳動分散媒中を移動し、その分布が変わることにより光学的反射特性が変化して情報の表示が可能となる。
特許文献1には、電子インクを用いたアクティブマトリクス型の電気泳動表示装置において、表示内容の変更を行う際、すべての画素電極を同じ電位にした上で、共通電極と画素電極の間に電圧を印加することにより、それまで表示していた内容を表示領域全体にわたって消去し、その後新たな表示内容を表示させることにより、駆動電圧を抑え、かつ誤書き換えを防止することができる駆動方法が開示されている。
特開2002−149115号公報
しかし、上述の駆動方法によると表示部に残像が残りやすい。この場合の残像には、画像切り替え時に発生する消去時残像と、電気泳動表示素子に繰り返し電圧を印加することによって起こる経時的残像が含まれる。
そこで、本発明の目的は、電気泳動表示装置の残像を軽減することである。
本発明の電気泳動表示装置は、複数の画素電極と、前記複数の画素電極に対向する共通電極と、前記複数の画素電極と前記共通電極との間に配置された電気泳動粒子と、を含む表示部と、前記画素電極の電位を制御することにより、前記画素電極と前記共通電極との間の電位差を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記表示部に表示される画像を第1の画像から第2の画像へ変更する間の画像消去期間において、前記第1の画像を表示している間の表示が白表示であった領域の画素電極と共通電極の間にのみ電位差を与え、前記表示部が黒表示であった領域の画素電極と共通電極の間には電位差を与えずに、前記表示部を黒表示にする第1の期間を設けるものである。
これにより、切り替え期間において、電気泳動素子に繰り返し同じ電圧が印加されて同じ階調を表示し続けることが緩和され、電気泳動粒子の電圧遮断後の保持特性の低下による残像を軽減することができる。
前記制御部は、前記画像消去期間において、前記表示部を白表示にする第2の期間をさらに設けることが望ましい。
また、前記制御部は、前記画像消去期間における、前記表示部を黒表示にするための前記電気泳動粒子の移動量と、前記表示部を白表示にするための前記電気泳動粒子の移動量が等しくなるように、前記第2の期間の長さを制御することが望ましい。
また、前記制御部は、前記画像消去期間における、前記表示部を黒表示にするための前記電気泳動粒子の移動量と、前記表示部を白表示にするための前記電気泳動粒子の移動量が等しくなるように、前記第2の期間における前記画素電極と前記共通電極の間に与える電位差を制御することが望ましい。
また、前記制御部は、前記画像消去期間において、1ミリ秒〜10ミリ秒の周期で前記表示部を交互に白表示と黒表示にする第3の期間をさらに設けることが望ましい。
これにより、分散系で電気泳動粒子がよく撹拌され、残像の軽減を図ることができる。
本発明のコントローラは、複数の画素電極と、前記複数の画素電極に対向する共通電極と、前記複数の画素電極と前記共通電極との間に配置された電気泳動粒子と、を含む表示部を備えた電気泳動表示装置を制御するコントローラであって、前記表示部に表示される画像を第1の画像から第2の画像へ変更する間の画像消去期間において、前記第1の画像を表示している間の表示が白表示であった領域の画素電極と共通電極の間にのみ電位差を与え、前記表示部が黒表示であった領域の画素電極と共通電極の間には電位差を与えずに、前記表示部を黒表示にする期間を設けるものである。
また、本発明の電子機器は、上述した電気泳動表示装置を表示部として備えるあらゆる機器を含むもので、ディスプレイ装置、テレビジョン装置、電子ブック、電子ペーパ、時計、電卓、携帯電話、携帯情報端末等を含む。また、「機器」という概念からはずれるもの、例えば可撓性のある紙状/フィルム状の物体、これら物体が貼り付けられた壁面等の不動産に属するもの、車両、飛行体、船舶等の移動体に属するものも含む。
図1は、本発明の実施の形態1による電気泳動表示装置の電気的な全体構成を示す図である。 図2は、電気泳動表示装置の各画素の構造を示す図である。 図3は、比較例の電気泳動表示装置の残像を説明する図である。 図4は、比較例の電気泳動表示装置の共通電極および画素電極へ印加する電圧の制御方法を示すタイミングチャートである。 図5は、比較例の電気泳動表示装置の表示画像変更時の動作を模式的に示した図である。 図6は、本発明の実施の形態1による電気泳動表示装置の残像を説明する図である。 図7は、本発明の実施の形態1による電気泳動表示装置の共通電極および画素電極へ印加する電圧の制御方法を示すタイミングチャートの例である。 図8は、本発明の実施の形態1による電気泳動表示装置の表示画像変更時の動作を模式的に示した図である。 図9は、消去時間に図7に示すような駆動を行ったときの画素電極にかかる電圧を詳しく説明する図である。 図10は、本発明の実施の形態1による電気泳動表示装置の共通電極および画素電極へ印加する電圧の制御方法を示すタイミングチャートの例である。 図11は、本発明の実施の形態1による電気泳動表示装置の共通電極および画素電極へ印加する電圧の制御方法を示すタイミングチャートの例である。 図12(A)〜(C)は、本発明による電子機器の例を示した図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1による電気泳動表示装置10の電気的な全体構成を示す図である。電気泳動表示パネルA(表示部)は複数の画素から構成されており、これらの画素は、後述するスイッチング素子としてのTFT(Thin Film Transistor)103や、このTFT103に接続された画素電極104を含んで構成されている。一方、素子基板100の周辺領域には、走査線駆動回路130やデータ線駆動回路140が形成されている。また、素子基板100の電気泳動表示パネルAには、図示のX方向に沿って平行に複数本の走査線101が形成されている。また、これと直交するY方向に沿って平行に複数本のデータ線102が形成されている。そして、各画素は走査線101とデータ線102との交差に対応してマトリクス状に配列されている。
電気泳動装置の周辺回路には、コントローラ(制御部)300が設けられている。このコントローラ300は画像信号処理回路およびタイミングジェネレータを含んでいる。ここで、画像信号処理回路は、画像データ及び対向電極制御信号を生成し、それぞれデータ線駆動回路140及び対向電極変調回路150に入力する。対向電極変調回路150は画素の共通電極及び保持容量の対向電極にそれぞれバイアス信号Vcom及び電源電圧Vsを供給する。例えば、正又は負の高レベルのバイアス信号Vcom(リセット信号)によって画像のリセットが設定される。リセット信号は、データ線駆動回路140が画像データを出力する前の所定期間に出力される。リセットは、分散媒中を泳動している電気泳動粒子を画素電極又は共通電極に引き寄せ、空間的な状態を初期化するために用いられる。また、タイミングジェネレータは、リセット設定や画像データが画像信号処理回路から出力されるときに、走査線駆動回路130やデータ線駆動回路140を制御するための各種タイミング信号を生成する。
図2は、電気泳動表示装置10の各画素の構造を示す図である。i行、j列目の画素(i,j)はTFT103、画素電極104及び保持容量Csを含んで構成されている。TFT103のゲート端子が走査線101に接続され、そのソース端子がデータ線102に接続されている。さらに、TFT103のドレイン端子が画素電極104及び保持容量Csに接続されている。保持容量CsはTFT103によって画素電極104に印加された電圧を保持する。画素は、画素電極104と共通電極Comとの間に電気泳動層を挟持して構成されているので、電極面積、電極間の距離、および電気泳動層の誘電率に応じた画素容量Cepdを形成している。共通電極Comは配線201を介して対向電極変調回路150に接続されている。また、保持容量Csの他方は保持容量線106に接続されている。保持容量線106は対向電極変調回路150で電源Vsに接続されている。
このような電気泳動表示装置10の駆動について、まず、リセット動作について説明する。リセットタイミングにおいて、走査線駆動回路130が全走査線101に対して選択信号を出力し、全走査線信号がアクティブになると、これら走査線101に接続される全ての画素に接続されるTFT103がオン状態となる。このときデータ線駆動回路140は、全データ線に対してハイレベル、若しくはローレベルを出力する。この信号は、全ての画素電極に対して供給される。また、対向電極変調回路150は共通電極Comに対し、全データ線にハイレベルが供給されている時はローレベルを、全データ線にローレベルが供給されている時はハイレベルの信号を供給する。このとき、全ての画素の画素電極と共通電極の間には同様の電位差が与えられるので、全画素領域に於いて電気泳動表示素子が第1の階調、若しくは第2の階調にリセットされる。
次に、画像の書き込み動作について説明する。画像書き込み動作時は、走査線駆動回路130は走査線101に順次選択信号を供給する。j番目の走査線101に選択信号が供給され選択状態となると、この走査線101に接続されたTFT103がオン状態になる。このとき、走査線選択に同期してデータ線駆動回路140から供給されるデータ信号Xi(画像信号)が画素電極104に書き込まれる。このとき、データ信号Xiの電圧レベルで保持容量Csも充電され、TFT103の遮断後も画素(画素電極と共通電極)の電荷保持を図り、電気泳動粒子による画像の維持を図る。各画素がデータ信号の電圧レベルに応じた表示を行うことによって画像が表示される。
次に、電気泳動表示装置10の動作時における表示画像変更時の詳しい動作について説明する。まず、比較例の電気泳動表示装置において、残像が発生する仕組みについて説明する。
図3は比較例の電気泳動表示装置の残像を説明する図である。図4は比較例の電気泳動表示装置のコントローラによる共通電極および画素電極へ印加する電圧の制御方法を示すタイミングチャートである。また、図5は比較例の電気泳動表示装置の表示画像変更時の動作を模式的に示した図である。
図3〜図5を用いて、消去時残像と経時的残像について説明する。
ここで、電気泳動粒子は、負に帯電した白い電気泳動粒子(第1の粒子)と、正に帯電した黒い電気泳動粒子(第2の粒子)を含むものとする。また、白を第1の階調、黒を第2の階調とする。
図3(a)の状態では、表示部に、第1の階調(白)の背景上に第2の階調(黒)で「H」の文字が表示されている。ここで「H」の文字の領域を領域a、それ以外の背景の領域を領域bとする。「H」を書き込む直前には表示部全体が白表示になっている。「H」書き込み時には、図4に示すように共通電極には第2の電圧(lowレベル)が印加される。また、領域aに対応する画素電極にのみ第1の電圧(highレベル)が印加され、背景の領域bに対応する画素電極には第2の電圧(lowレベル)が印加される。これにより、図5(a)に示すように領域aにおいてのみ正に帯電した黒い電気泳動粒子が共通電極側に移動し、「H」の文字が表示される。「H」の文字の書き込み後は、共通電極と全ての画素電極に第2の電圧(lowレベル)が印加され、表示内容が保持される。
次に、図3(b)の状態では、表示画像を変更する前に表示部全体を白表示にして画像を消去している。画像消去時には、図4に示すように共通電極に第1の電圧(highレベル)を印加し、全ての画素電極に第2の電圧(lowレベル)を印加する。これにより、図5(b)に示すように領域aで黒い電気泳動粒子が画素電極側に移動し、表示部全体が白になる。
この時、図3(b)に示すように、領域bよりも領域aの方が反射率の低い白、すなわち灰色に近い白になって残像を形成している。これは、領域aと領域bでは電気泳動粒子の初めの分布状態が異なっていたにもかかわらず、領域aと領域bに同じ電界を同じ時間印加したため、電気泳動粒子の移動量に差がでて階調に僅かな差が出たためである。
ここで、電気泳動粒子の移動量Dは、黒い電気泳動粒子の移動度をμB、白い電気泳動粒子の移動度をμW、電界強度をE、黒い電気泳動粒子を表示側(ここでは共通電極側)に移動させるための電圧印加時間をTB、白い電気泳動粒子を表示側に移動させるための電圧印加時間をTWとすると、以下の式で表すことができる。
Figure 0005115831
電気泳動粒子の移動度とは、電気泳動粒子にある強さの電界を一定時間印加したときの電気泳動粒子の移動距離である。電気泳動粒子の電界中での移動度は、電気泳動粒子の持つ電荷や、重さ、電気泳動粒子が分散している溶媒の粘度等によって決まる。
次に、図3(c)の状態では、表示部に、第1の階調(白)の背景上に第2の階調(黒)で「I」の文字が表示されている。ここで「I」の文字の領域を領域cとする。「I」書き込み時には、図4に示すように共通電極には第2の電圧(lowレベル)が印加される。また、領域cに対応する画素電極に第1の電圧(highレベル)が印加され、それ以外の領域に対応する画素電極には第2の電圧(lowレベル)が印加される。これにより、図5(c)に示すように領域cにおいてのみ正に帯電した黒い電気泳動粒子が共通電極側に移動し、「I」の文字が表示される。
この時、図3(c)に示すように、前に表示された文字「H」の部分が薄い灰色の残像として残ってしまう。このように画像切り替え時に発生する残像を消去時残像という。
「I」の文字の書き込み後は、図5(d)に示すように共通電極と全ての画素電極に第2の電圧(lowレベル)が印加され、図3(d)に示すように表示内容が保持される。 この時、図3(d)の状態では、図3(c)の状態に比べて領域bが反射率の低い白、すなわち灰色に近い白になっている。これは、電気泳動素子に繰り返し電圧を印加することによって起こる経時的残像によるものである。
電気泳動素子のある部分に繰り返し同じ電圧を印加して同じ階調を表示し続けると、電圧印加を遮断したときの電気泳動粒子の保持特性が低下する。電気泳動粒子の保持特性が低下すると、図5(d)に示すように電気泳動素子に電界をかけない時に電気泳動粒子が僅かに移動し、画像のコントラストが悪くなる場合がある。
すなわち、白を表示している領域で、白を書き込む電圧を印加し続けると、電圧をかけなくなったときに反射率の低い白、すなわち灰色に近い白になってしまう。
図5(b)の状態では、領域bに対応する電気泳動素子は、領域aに比べて白を書き込む電圧の印加が過剰である。このような電圧印加を繰り返すと、電圧印加を遮断したときの領域bの電気泳動粒子の保持特性が低下していき、図3(d)に示すように領域bに経時的残像が発生するようになる。
このような経時的残像は、数十分〜数時間おきにリフレッシュのための電圧印加を行うことにより解消されるが、頻繁なリフレッシュ動作は消費電力の増大につながるという問題がある。
次に、本発明による電気泳動表示装置10の表示画像変更時の動作について説明する。 図6は本発明の実施の形態1による電気泳動表示装置の残像を説明する図である。図7は本発明の実施の形態1による電気泳動表示装置のコントローラによる共通電極および画素電極へ印加する電圧の制御方法を示すタイミングチャートである。また、図8は本発明の実施の形態1による電気泳動表示装置の表示画像変更時の動作を模式的に示した図である。
比較例との違いは、変更前の画像(第1の画像)「H」から変更後の画像(第2の画像)「I」へ書き替える間の消去時間(切り替え期間)における制御方法である。
実施の形態1による電気泳動表示装置10では、「H」から「I」へ表示を変更する消去時間に、まず、図6(b)および図8(b)に示すように表示部全体を黒表示にする期間(第1の期間)を設け、次に図6(c)および図8(c)に示すように表示部全体を白表示にする期間(第2の期間)を設けている。
第1の期間では、図7および図8に示すように、共通電極に第2の電圧(lowレベル)が印加され、画素電極については、領域aの画素電極には第2の電圧が印加され、領域bの画素電極と領域cの画素電極には第1の電圧(highレベル)が印加されている。
ここで、全ての画素電極に第1の電圧を印加して全領域を黒表示とすることも可能である。しかしこの時、領域aについては「H」の表示期間中から黒表示されているため、消去時にさらに黒表示にするための電圧印加を行うと、黒表示のための電圧印加が過剰になってしまう。上述したように、このような電圧印加を繰り返すと、電圧印加を遮断したときの領域aの電気泳動粒子の保持特性が低下していき、経時的残像が発生するようになる。
このため、実施の形態1では、領域aでは画素電極を共通電極と同電位とし、領域bと領域cにのみ電位差が発生するように電圧を印加することで、電気泳動粒子の電圧遮断後の保持特性の低下による残像を軽減している。
第2の期間では、共通電極に第1の電圧を印加し、全画素電極に第2の電圧を印加することにより表示部全体を白表示している。これにより、「I」を表示する前に表示部をリセットする。このとき、表示部全体が黒表示から白表示へ移行するので、比較例の図3(b)に示すような残像が現れにくくなる。
また、各画素に於いて、それぞれ1回の黒書き込みと1回の白書き込みが行われるため、白と黒の書き込み回数が均等になり、特定の電気泳動素子に過剰な書き込みがされることを防止できる。ここで、表示部を黒表示にするための電気泳動粒子の移動量と、表示部を白表示にするための電気泳動粒子の移動量が等しくなるように、第2の期間の長さを制御することが好ましい。これにより、電気泳動素子にその表示を白くする、或いは黒くする為の電圧が過剰に印加され書き込み過ぎとなる事を防ぎ、電圧印加を遮断した時の電気泳動粒子の保持の低下による経時的残像を軽減することができる。以下、第2の期間の算出方法について説明する。
図9は、図2に示す画素回路を用いて、消去時間に図7に示すような駆動を行ったときの画素電極にかかる電圧を詳しく説明する図である。図中、COMは共通電極の電圧、Scan、Dataはそれぞれ走査線信号、およびデータ線信号、va、vbはそれぞれ領域aおよび領域bの画素電極の電圧、va−COM、vb−COMはそれぞれ共通電極から見た領域aおよび領域bの画素電極の電位である。
具体的には、消去時間における共通電極から見た画素電極の電位の時間積分がゼロになるように第2の期間を決定する。
ここで、TFT103のオン電流Ion、オフ電流Ioffの関係はIon>>Ioffなので、保持容量Csへの充電時間は、電荷保持時間に比べて無視できるほど小さい。ここで、Ionを一定とすると、第1の期間における画素電位vの時間積分は以下の式で表される。
Figure 0005115831
ここで、VはTFT103がオン状態の時に画素電極にかかる電圧、Cepdは画素容量、Csは保持容量である。
また、第2の期間の長さをTとすれば、第2の期間における画素電位vの時間積分は以下の式で表される。
Figure 0005115831
よって、次の式が成り立つ。
(Cs+Cepd/2Ioff)・V2−VT=0
これにより、Tは以下のように設定できる。
T=(Cs+Cepd/2Ioff)・V
なお、以上の方法で求めたTは概算値であり、計算方法としては回路シミュレータ等を使って厳密な過渡解析を行うことがより望ましい。
図10および図11は、本発明の実施の形態1による電気泳動表示装置10のコントローラ300による共通電極および画素電極へ印加する電圧の制御方法を示すタイミングチャートの他の例である。
図10の例では、消去時間において、第1の期間と第2の期間の他に全白表示を行う期間と全黒表示を行う期間を設けている。
図10に示す例のように、第1の期間と第2の期間の他に全白表示と全黒表示を行うことにより、分散媒中で白と黒の電気泳動粒子が撹拌され、均一性が保たれるので、消去時残像、および経時的残像の軽減を図ることができる。
さらに、図11の例では、消去時間において、短い時間で全白表示と全黒表示を繰り返し行う第3の期間を設けている。全白表示と全黒表示の繰り返しは、1ミリ秒〜10ミリ秒程度の周期で行うのが適当である。
図11に示す例のように、短い時間で全白表示と全黒表示を繰り返すことにより、分散媒中で電気泳動粒子がよく撹拌され、消去時残像、および経時的残像の軽減を図ることができる。
電子機器
図12は、本発明の電気泳動表示装置を適用した電子機器の具体例を説明する斜視図である。図12(A)は、電子機器の一例である電子ブックを示す斜視図である。この電子ブック1000は、ブック形状のフレーム1001と、このフレーム1001に対して回動自在に設けられた(開閉可能な)カバー1002と、操作部1003と、本発明の電気泳動表示装置によって構成された表示部1004と、を備えている。
図12(B)は、電子機器の一例である腕時計を示す斜視図である。この腕時計1100は、本発明の電気泳動表示装置によって構成された表示部1101を備えている。
図12(C)は、電子機器の一例である電子ペーパーを示す斜視図である。この電子ペーパー1200は、紙と同様の質感および柔軟性を有するリライタブルシートで構成される本体部1201と、本発明の電気泳動表示装置によって構成された表示部1202を備えている。
例えば電子ブックや電子ペーパーなどは、白地の背景上に文字を繰り返し書き込む用途が想定されるため、消去時残像や経時的残像の解消が必要とされる。
なお、本発明の電気泳動表示装置を適用可能な電子機器の範囲はこれに限定されず、帯電粒子の移動に伴う視覚上の色調の変化を利用した装置を広く含むものである。
10 電気泳動表示装置、100 素子基板、101 走査線、102 データ線、103 TFT、104 画素電極、106 保持容量線、130 走査線駆動回路、140 データ線駆動回路、150 対向電極変調回路、201 配線、300 コントローラ

Claims (6)

  1. 複数の画素電極と、前記複数の画素電極に対向する共通電極と、前記複数の画素電極と前記共通電極との間に配置された電気泳動粒子と、を含む表示部と、
    前記画素電極の電位を制御することにより、前記画素電極と前記共通電極との間の電位差を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記表示部に表示される画像を第1の画像から第2の画像へ変更する間の画像消去期間において、
    前記第1の画像を表示している間の表示が白表示であった領域の画素電極と共通電極の間にのみ電位差を与え、前記表示部が黒表示であった領域の画素電極と共通電極の間には電位差を与えずに、前記表示部を黒表示にする第1の期間と、
    前記表示部を白表示にする第2の期間と、を設けることを特徴とする電気泳動表示装置。
  2. 前記制御部は、前記画像消去期間における、前記表示部を黒表示にするための前記電気泳動粒子の移動量と、前記表示部を白表示にするための前記電気泳動粒子の移動量が等しくなるように、前記第2の期間の長さを制御することを特徴とする請求項に記載の電気泳動表示装置。
  3. 前記制御部は、前記画像消去期間における、前記表示部を黒表示にするための前記電気泳動粒子の移動量と、前記表示部を白表示にするための前記電気泳動粒子の移動量が等しくなるように、前記第2の期間における前記画素電極と前記共通電極の間に与える電位差を制御することを特徴とする請求項に記載の電気泳動表示装置。
  4. 前記制御部は、前記画像消去期間において、1ミリ秒〜10ミリ秒の周期で前記表示部を交互に白表示と黒表示にする第3の期間をさらに設けることを特徴とする請求項1から請求項のいずれかに記載の電気泳動表示装置。
  5. 複数の画素電極と、前記複数の画素電極に対向する共通電極と、前記複数の画素電極と前記共通電極との間に配置された電気泳動粒子と、を含む表示部を備えた電気泳動表示装置を制御するコントローラであって、
    前記表示部に表示される画像を第1の画像から第2の画像へ変更する間の画像消去期間において、
    前記第1の画像を表示している間の表示が白表示であった領域の画素電極と共通電極の間にのみ電位差を与え、前記表示部が黒表示であった領域の画素電極と共通電極の間には電位差を与えずに、前記表示部を黒表示にする第1の期間と、
    前記表示部を白表示にする第2の期間と、を設けることを特徴とするコントローラ。
  6. 請求項1から請求項のいずれかに記載の電気泳動表示装置を備えた電子機器。
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