JP5370895B2 - エレクトロウェッティングシステムおよび作動方法 - Google Patents

Description

本発明はエレクトロウェッティング素子を備えるエレクトロウェッティングシステムに関する。本発明は、複数個のエレクトロウェッティング素子を備えるディスプレイ装置およびシステムを作動させる方法にさらに関する。

液晶（ＬＣ）ディスプレイ素子、ドライバ段、および、素子をドライバ段の出力に接続するスイッチのシステムは、米国特許第６８７３３７８号から公知である。システムはアクティブ・マトリクス・ディスプレイ機器に使用される。蓄積キャパシタは素子に並列に接続されている。素子は、素子とディスプレイ機器の列配線との間でスイッチとして機能するトランジスタに接続されている。トランジスタが行配線から選択信号を受信するとき、素子は列配線に接続され、列配線上のデータ信号が素子に印加される。選択信号が受信されないとき、トランジスタは開き、素子および蓄積キャパシタは電圧保持状態にある。電圧保持状態の期間は素子および蓄積キャパシタの容量によって決まる。公知のシステムは二つの欠点がある。第一に、公知の素子に印加される電圧の極性は、素子中に蓄積される電荷、および／または、液晶材料中で起こる酸化還元反応に起因した劣化を防止するため、規則的に、典型的には１５Ｈｚ以上で交番される必要がある。電圧を交番させる必要性は要求される絶対電圧を２倍にする。第二に、公知のシステムは比較的短い保持状態の期間を有する。

米国特許出願第２００７／００８６０７８号公報はディスプレイ装置を制御する回路を開示する。米国特許出願第２００７／００８６０７８号公報に記載された実施形態はエレクトロウェッティングに基づく光変調アレイを含む。

本発明の目的は、直流電圧を使用しながら、システムを劣化させることなく、システムの消費電力を削減することを可能にする、より長い保持状態を有するシステムを提供することである。

本目的は、エレクトロウェッティング素子と、電圧を素子に印加するドライバ段と、エレクトロウェッティング素子をドライバ段の出力に接続するスイッチとを備え、素子は第１の流体および第２の不混和性流体を含み、流体の瞬時位置が素子に印加された電圧に依存し、電圧はスイッチが閉じているときに設定され、素子上の電圧は、スイッチが開いているとき７０ｍｓより長い保持状態の間に維持される、エレクトロウェッティングシステムによって達成される。

ＬＣ素子は電界の印加中に素子に蓄積された永久電荷に起因する性能の劣化を示す。電荷蓄積は残像および／または階調シフトに起因する画質低下を引き起こす。劣化は、ＬＣ素子に印加される電圧を規則的なサイクルで＋Ｖと−Ｖとの間で交番させることにより低減させることが可能である。サイクル周波数を１５Ｈｚより低下させるとき、電荷蓄積が起こる。この電荷蓄積は印加される電圧をオフセットさせ、その結果、サイクルの負の部分と正の部分との間に異なる光学像を生じさせる。したがって、１５Ｈｚ未満のリフレッシュレートは、人間の眼がおよそ５〜１５Ｈｚの周波数での強度変動に対して非常に感度が高いので、明瞭に視認できるフリッカを引き起こす。これらの現象がＬＣディスプレイのフレームレートを１５Ｈｚ以上に制限する。ＬＣ素子がスイッチと一緒に使用されるとき、保持時間は、素子の性能の劣化を回避するために６７ｍｓ未満でなければならない。

本発明はエレクトロウェッティング素子がＬＣ素子と異なる挙動を示すという洞察に基づいている。エレクトロウェッティング素子は電圧の印加中に電荷蓄積を示さない。したがって、劣化なしに表示状態を維持するために交流電圧が必要とされない。ある特定の表示状態が維持されなければならない全期間中にエレクトロウェッティング素子を制御するため直流電圧を使用する可能性は、７０ｍｓより長い期間に亘る保持状態の適用を可能にする。エレクトロウェッティング素子の容量および漏れ電流は、７０ｍｓより長い保持状態の間に素子に必要とされる電圧を実質的に維持するための大きさを有する。「実質的に維持」されるとは、電圧の変化が素子の表示状態に可視的な変化を引き起こさないことを指し、この電圧の変化は１０％未満の変化であり得る。素子中での流体の位置は電圧によって決定されるので、この位置は保持状態の間に維持される。このような素子の状態は、したがって、準安定状態と呼ばれる。

エレクトロウェッティング素子を含むシステムがディスプレイ機器に使用されるとき、素子の表示状態は比較的長い保持状態の間に維持される。この有利な効果は、エレクトロウェッティング素子中の流体の位置が素子に印加された電圧に追従し、表示状態が流体の位置によって決定されることに起因する。準安定状態は、直接駆動型パッシブ・マトリクス・ディスプレイからアクティブ・マトリクス・ディスプレイまで多種多様な表示モードで使用可能である。その上、準安定安定状態は、透過型、反射型、および、半透過型モードを含むすべての光学モードで使用可能である。

蓄積キャパシタなしで、エレクトロウェッティング素子は、直流電圧を使用して、システムの劣化をもたらすことなく、７０ｍｓを超える保持状態の期間を実現することが可能である。エレクトロウェッティング素子の多様な応用によって、蓄積キャパシタを必要としない長期間の保持状態を実現することができ、それによって、ディスプレイ機器の支持板の空間が節約できる。

国際出願第２００７／０４９１９６号は、アクティブ・マトリクス・ディスプレイ機器におけるエレクトロウェッティング素子の使用を開示することに留意されたい。しかし、保持状態の期間については開示されず、直流電圧を使用して保持状態を長くする有利な使用についても開示されていない。

システムの特別の実施形態では、保持状態の期間は２５０ｍｓより長い。保持状態の期間の限定要因は、素子の容量および漏れ電流と、素子内部の電荷移動とである。ＬＣ素子では、ＬＣ材料を通る漏れ電流は素子の性能に影響を与える。漏れは、電圧がセルギャップの両端間に印加されるとき、素子内部で電荷を移動させる。主な電圧降下が今度は電極とＬＣ材料との間の誘電体層の両端間に発生し、その結果、ＬＣ材料の両端間の電圧降下が縮小される。この電圧降下の縮小は、液晶素子の保持時間が大体において液晶分子の零電圧状態への緩和によって決定されるので、光学状態を変更し、その結果、保持時間を制限する。

ＬＣ素子の保持状態の期間は、素子の容量の大きさと漏れ電流との組み合わせによっても制限される。保持時間は容量を増大させることによって増大される場合がある。この容量は、素子の電極間の容量と、ディスプレイ機器の支持板に一体化された蓄積キャパシタとを含む。容量は、たとえば、蓄積キャパシタの面積を増大させること、蓄積キャパシタ中の誘電体の厚さを減少させること、または、蓄積キャパシタに使用される誘電体の誘電率を増大させることによって増大される場合がある。しかし、蓄積キャパシタの面積の増大は、トランジスタ、行の配線、および、列の配線のようなシステムのその他のコンポーネントが利用できる面積を縮小し、漏れ電流を増大させる場合がある。別の可能性として、誘電体の厚さまたは誘電率のいずれかを変更することが挙げられる。しかし、この変更は、容量を変更するだけでなく、同じ誘電体が通常は薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）および蓄積キャパシタによって使用され、同じ素子中のＴＦＴの性能に重大な影響を与えるので、好ましくない。所望の表示状態を維持するために、ＬＣ素子の保持状態は、２２０ｍｓより短くされなければならない。ＬＣ素子は、素子中での上記の電荷蓄積が、交流電圧がフリッカを生じさせることなく４．５Ｈｚに至るまでの周波数で素子に供給され得る程度まで縮小されているならば、非常に長い期間に亘ってＬＣ素子の表示状態だけを維持可能であることに留意されたい。

漏れによってエレクトロウェッティング素子に引き起こされる問題はより少ない。流体を通る電流の漏れは役割がないので、素子中に電荷の移動はない。素子は、比較的大きい容量および非常に低い漏れ電流を有する。したがって、素子は長い保持時間を有する。電荷によって引き起こされる電界はエレクトロウェッティング素子中の流体の位置を決定するので、エレクトロウェッティング素子中の流体の位置はスイッチが開いているとき長期間に亘って維持される。その結果、ディスプレイ機器で使用されるときの素子は、流体の位置によって決定される素子の表示状態を同様により長期間に亘って維持する。

上記の長期間保持状態を有するエレクトロウェッティング素子において、表示状態間の切り替えは映像内容をディスプレイに表示できるようにするために十分に高速に行われ得る。

好ましくは、ドライバ段は直流電圧を素子に印加するように構成される。ＬＣ素子によくある電荷蓄積はエレクトロウェッティング素子には起こらないので、エレクトロウェッティング素子は直流電圧を使用して制御される場合がある。直流電圧の使用は、エレクトロニクスを簡素化し、このシステムに必要とされる供給電圧を削減する。直流電圧の印加はその後の保持状態間の電圧の極性を維持することを可能にさせる。

保持状態の期間は素子に並列に接続されたキャパシタを追加することにより増大され得る。ＬＣディスプレイ素子は素子中における漏れの影響を低減するため素子と並列な蓄積キャパシタを必要とするが、エレクトロウェッティング素子は、素子中の流体の位置の変動に起因した素子の容量の変動の影響を低減するためにキャパシタを使用する場合がある。

エレクトロウェッティング素子の第１の流体が逆流するとき、素子の保持状態の期間は、好ましくは、ディスプレイに影響を与えないため、逆流の緩和時間より短い。より要求の少ない用途では、保持状態は緩和時間の２倍または３倍より短くてもよい。保持状態が緩和時間より長く持続するとき、逆流の影響は、保持状態中に１個以上の、いわゆる、リセットパルスを印加することによって低減される場合がある。逆流とは、非零電圧が素子で維持されるにもかかわらず、エレクトロウェッティング素子中の少なくとも一方の流体の位置が、その素子に零電圧が印加されているときのその素子の位置に後退する傾向がある現象である。素子の逆流緩和時間は素子が、非アクティブ状態からアクティブ状態への遷移から始まって、初期表示状態の９０％まで後退するための所要時間として定義される。光学状態または表示状態は、たとえば、素子の透過もしくは反射、または、両者の組み合わせという形で表現され得る。

システムの特別の実施形態では、ドライバ段およびスイッチは単一素子に一体化される。一体化はエレクトロニクスのコストを削減する。特別の実施形態は、直接駆動型ディスプレイ機器と、同様にパッシブ・マトリクス・ディスプレイ機器およびアクティブ・マトリクス・ディスプレイ機器に適している。別の特別の実施形態では、少なくとも１個のドライバ段またはスイッチがディスプレイ機器の基板に一体化されている。

本発明のさらなる態様は、表示コントローラと、複数個のドライバ段と、複数個のエレクトロウェッティング素子と、各エレクトロウェッティング素子をドライバ段の出力に接続する複数個のスイッチとを備え、表示コントローラが表示データを受信する入力、および、ドライバ段を制御する出力を有し、請求項１または２に記載されているように素子が印加電圧に応答し、各素子が表示データに応答して表示状態を示し、複数個の表示状態が表示を形成する、ディスプレイ装置に関する。

ディスプレイ装置における本発明によるエレクトロウェッティングシステムの使用は、低電力ディスプレイ装置をもたらす。エレクトロウェッティングシステムの使用は、表示の更新およびリフレッシュ時間が比較的長くなることを許容し、それによって、ディスプレイ装置の消費電力を低減する。フレームでアドレス指定されるディスプレイ機器に対し、本発明はフレームレートの低減を可能にする。リセットパルスが逆流効果に対抗するために使用されるとき、リセットパルスは、好ましくは、逆流緩和時間より短い間隔で印加される。ディスプレイ機器の保持状態の期間の均一性は、キャパシタが各素子に接続されるときに増大され得る。

エレクトロウェッティング素子の長期間の保持状態は流体のすべての位置に当てはまり、それによって、すべての階調で準安定状態を提供する。

本発明のさらなる態様は、エレクトロウェッティング素子と、電圧を素子に印加するドライバ段と、エレクトロウェッティング素子をドライバ段の出力に接続するスイッチとを備え、素子が第１の流体および第２の不混和性流体を含み、流体の瞬時位置が素子に印加された電圧に依存する、エレクトロウェッティングシステムを作動させる方法であって、スイッチを閉じ、それによって、電圧を設定するステップと、素子上の電圧が実質的に維持される７０ｍｓより長い保持状態の間にスイッチを開くステップと、を含む方法に関する。

この方法の特別の実施形態は２５０ｍｓより長い保持状態を有する。

素子は、スイッチを閉じるステップおよびスイッチを開くステップの２個のステップが繰り返されるならば、一連の光学状態を経ることが可能である。

本発明のさらなる特徴および利点は、例示のためだけに記載され、添付図面を参照して行われた、発明の好ましい実施形態についての以下の説明から明らかになる。

エレクトロウェッティングディスプレイ機器の実施形態の一部の略断面図である。 エレクトロウェッティングシステムを示す図である。 蓄積キャパシタを含むエレクトロウェッティングシステムを示す図である。 ドライバ段の代替的な実施形態を示す図である。 図３ａの実施形態のタイミングチャートを示す図である。 ドライバ段の代替的な実施形態を示す図である。 図４ａの実施形態のタイミングチャートを示す図である。 ドライバ段の代替的な実施形態を示す図である。 図５ａの実施形態のタイミングチャートを示す図である。 ディスプレイ駆動システムの第１の実施形態を示す図である。 ディスプレイ駆動システムの第２の実施形態を示す図である。

図１はエレクトロウェッティングディスプレイ機器１の実施形態の略断面図を示している。ディスプレイ機器は複数個のエレクトロウェッティング素子２を含み、そのうちの１個が図示されている。素子の側方の限界が２本の破線３、４によって図に示されている。エレクトロウェッティング素子は、第１の支持板５と第２の支持板６とを備える。支持板は、各エレクトロウェッティング素子の別個の部品でもよいが、支持板は、好ましくは、複数個のエレクトロウェッティング素子によって共通に共有される。支持板は、たとえば、ガラス製またはポリマー製でもよく、剛性でも可塑性でもよい。

ディスプレイ機器は、ディスプレイ機器によって形成された画像または表示を観察できる観察側７と、背面側８とを有する。第１の支持板５は観察側と向かい合い、第２の支持板６は背面側８と向かい合う。代替的な実施形態では、表示は背面側８から観察される場合がある。ディスプレイ機器は、反射型、透過型、または、半透過型でもよい。表示は、画像がセグメントから作り上げられるセグメント表示型でもよい。セグメントは同時または別々に切り替えることが可能である。各セグメントは、１個のエレクトロウェッティング素子２、または、近接した、もしくは、離れた多くのエレクトロウェッティング素子２を含む。１個のセグメントに含まれるエレクトロウェッティング素子は同時に切り替えられる。ディスプレイ機器は、さらに、アクティブ・マトリクス駆動表示型でもよく、または、パッシブ・マトリクス駆動表示型でもよい。

支持板間の空間１０は、２つの流体、すなわち、第１の流体１２および第２の流体１１で満たされる。第２の流体は第１の流体と不混和性である。第２の流体は導電性または有極性であり、水、または、水およびエチルアルコールと混合した塩化カリウムの溶液のような塩溶液でもよい。第２の流体は、好ましくは、透明であるが、有色、白色、吸収性、または、反射性でもよい。第１の流体は非導電性であり、たとえば、ヘキサデカン、または、（シリコーン）油のようなアルカンでもよい。疎水性層１３が支持板６に配置され、空間１０と向かい合うエレクトロウェッティング表面領域を作る。この層は、複数個のエレクトロウェッティング素子２に延びる連続的な層でもよく、または、図示されるように、各部分が１個のエレクトロウェッティング素子２だけに延びる断続的な層でもよい。この層は、たとえば、ＡＦ１６００または別の低表面エネルギーポリマーのようなアモルファスフルオロポリマー層でもよい。代替的に、エレクトロウェッティング素子は、第１の液体１２、電極１４、疎水性層１３、および、第１の支持板５に隣接した壁１６を用いて構成される場合がある。この構成では、第１の液体は、空間１０の背面側８ではなく、観察側７に配置される。同様に、代替的な構成では、エレクトロウェッティング素子は、光経路中に直列に２個以上の切り替え可能なフィルタを組み込むため互いの上に位置付けられ得る。切り替え可能なフィルタのさらなる一体化は、１つ以上のさらなる第１の流体を各エレクトロウェッティング素子に組み込むことによって実現可能である。層１３の疎水性特性は、第１の流体が疎水性層１３の表面に関して第２の流体より高い湿潤性を有するので、第１の流体を支持板６に優先的に接着させる。湿潤性は固体の表面に対する流体の相対的な親和性に関する。湿潤性は相対的な親和性と共に増大し、流体と固体との間に形成された接触角によって、着目中の流体の内部で測定可能である。湿潤性は、９０°より大きい角度での相対湿潤性から、接触角が０°であるときに、流体が固体の表面に膜を形成する傾向がある完全な湿潤性まで増大する。

各素子２は第２の支持板６に配置された電極９を含む。電極９は、疎水性層１３でもよい絶縁体によって流体から隔離される。一般に、電極９は、望ましい形状または形であればどのようなものでもよい。電極９は信号線１４によって電圧信号が供給される。第２の信号線１５は導電性の第２の流体１１と接触した電極に接続される。この電極は、すべての素子が流体的に第２の流体によって相互接続され、第２の流体を共用し、壁によって遮られていないとき、すべての素子に共通でもよい。エレクトロウェッティング素子２は、信号線１４と信号線１５との間に印加された電圧Ｖ_ｅによって制御される。各支持板６に接触した電極９は、支持板に印刷された配線のマトリクスによってディスプレイ駆動システムに接続される。

セグメント型のディスプレイでは、電極９は数個の素子に広がり、全部が同時に切り替えられる複数個のエレクトロウェッティング素子の画像領域を画定する場合がある。セグメントが数個のエレクトロウェッティング素子を覆うとき、信号線１４はこれらのエレクトロウェッティング素子のための共通信号線である。

第１の流体１２の側方の限界は、平面Ａ−Ｂ内のエレクトロウェッティング素子の断面に沿う壁１６によって１個のエレクトロウェッティング素子に制約される。図１に示された実施形態では、壁は疎水性層１３の限界を画定する。疎水性層が複数個の素子に延びるとき、壁は、好ましくは、層の上に配置される。ディスプレイのエレクトロウェッティング素子のさらなる詳細は特に国際特許出願第０３０７１３４６号に開示されている。

第１の流体は光学スペクトルの少なくとも一部分を吸収する。流体は、光学スペクトルの一部分を透過し、カラーフィルタを形成する場合がある。この目的のため、流体は色素粒子または染料の添加によって着色されてもよい。代替的に、第１の流体は黒色でもよく、すなわち、光学スペクトルの実質的にすべての部分を吸収してもよく、または、反射してもよい。疎水性層は透過型でも反射型でもよい。反射層は、可視スペクトル全体を反射し、層を白色に見えるようにさせ、または層の一部分を着色する場合がある。

信号線１４と信号線１５との間に印加された電圧Ｖ_ｅが非零アクティブ信号レベルＶ_ａに設定されるとき、素子はアクティブ状態に入る。静電気力は第２の流体１１をセグメント電極９の方へ移動させ、それによって、第１の流体１２を疎水性層１３の領域の少なくとも一部分から疎水性層の領域を取り囲む壁１６へ向かって押し返す。完全に押し返されたとき、第１の流体は破線１７によって概略的に示されるように液滴形状にある。この作用は、エレクトロウェッティング素子の疎水性層１３の表面から第１の流体を取り外す。素子両端間の電圧が零または零に近い値の非アクティブ信号レベルに戻されるとき、素子は、第１の流体が逆流して疎水性層１３を覆う非アクティブ状態に戻る。このようにして、第１の流体は各エレクトロウェッティング素子中に電気的に制御可能な光スイッチを形成する。

エレクトロウェッティング素子はキャパシタを形成する。第２の流体１１および電極９が極板を形成し、第１の流体１２および疎水性層１３が誘電体層を形成する。第１の流体がアクティブ状態であるとき、すなわち、形状１７を有するとき、素子の容量は、第１の流体が非アクティブ状態にあるとき、すなわち、形状１２を有するときより高い。

図２（ａ）は、キャパシタ２１として表されたエレクトロウェッティング素子と、電圧Ｖ_ｅを素子に印加するドライバ段２２と、エレクトロウェッティング素子２１をドライバ段の出力２４に接続するスイッチ２３とを備える、エレクトロウェッティングシステム２０を示している。ドライバ段２２は、表示コントローラからドライバ段の入力２５で信号を受信し、エレクトロウェッティング素子に電圧Ｖ_ｅを設定する。スイッチ２３が閉じるとき、キャパシタ２１は電圧Ｖ_ｅまで充電される。スイッチ２３を開いた後、電圧レベルは保持状態の間に維持される。この保持状態の期間は、キャパシタ２１の容量と、エレクトロウェッティング素子およびスイッチの漏れ電流とに依存する。スイッチがドライバ段中に一体化されるとき、漏れ電流は高インピーダンス状態でのドライバ段の漏れ電流である。１５０μｍ×１５０μｍの断面を有する典型的なエレクトロウェッティング素子は、非アクティブ状態にあるとき０．１ｐＦの容量を有し、アクティブ状態にあるとき０．５ｐＦの容量を有し、０．２ｐＡ未満の漏れ電流を有する。薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のような典型的な電子スイッチは、約１０^１２〜１０^１３Ω以上の開放抵抗を有する。

これらの値は７０ｍｓを超える保持状態の期間を可能にする。腕時計のディスプレイ、電子ブック、電子辞書、ＧＰＳ機器のような静的な用途に対し、典型的な期間は、消費電力の著しい削減をもたらす１００ｍｓ〜１ｓである。エレクトロウェッティング素子に対する比較的長い保持状態は、非アクティブ状態へ戻る第１の流体の遅い応答が原因ではなく、電圧が素子の両側で維持されることが原因である。通常のエレクトロウェッティング素子は双安定ではなく、準安定であるので、２つの状態のうちのいずれかにおいて、その状態を維持するために電圧が必要とされない電気泳動素子のような双安定素子と対照的に、素子の両側の電圧は表示状態を維持するために維持されるべきである。保持時間は、スイッチの開放から、表示状態がスイッチを開くときの表示状態の９０％まで低下するように素子の両側の電圧が低下する瞬間までの時間として定義される。保持状態の期間は、好ましくは、素子の光学状態に可視的な変化を生じさせないように十分に短い。要求の多い用途は、保持状態の期間が保持時間より短いことを要求する場合がある。より要求の少ない用途は、保持状態の期間が保持時間の２倍〜３倍より短いことを要求する場合がある。保持状態の終わりに、素子は電圧を再び所要レベルまで上昇させることによりリフレッシュされる。

エレクトロウェッティング素子は、電気泳動素子のように双安定ではなく、準安定であるので、アクティブ状態と非アクティブ状態との間で第１の流体および第２の流体の位置をより容易に達成する。このような状態では、素子は、スイッチが開いているときと同様に維持することができる、いわゆる、階調表示状態を有する。さらに、長い期間の保持状態を有するエレクトロウェッティング素子は、たとえば、１０または２０ｍｓのリフレッシュレートを有するビデオ画像を表示する表示状態の合間で十分に高速に切り替わり得る。

図２（ｂ）は図２（ａ）のエレクトロウェッティングシステムに類似したエレクトロウェッティングシステム２６を示している。蓄積キャパシタ２７が素子２１に並列に接続されている。保持状態の期間を決定する容量はキャパシタ２１および２７の容量である。蓄積キャパシタはどのような固定電圧線に接続されてもよい。

図２（ａ）および２（ｂ）において、スイッチ２３は、ドライバ段２２の出力２４とエレクトロウェッティング素子２１との間に別個の素子として表されている。双安定線形増幅器に関して米国特許第４１６５４９４号に開示された方法と同様の方法でスイッチおよびドライバ段を一体化することも可能である。この増幅器は、低インピーダンス増幅状態と超高出力インピーダンス状態との間で切り替えることができる。一体化されたスイッチの利点は、消費電力の削減およびより実施の低価格化である。さらに、一体化されたスイッチはディスプレイまたはＰＣＢ（印刷回路基板）上で必要とする面積が小さい。

エレクトロウェッティングセルの容量は、絶縁体層１３の厚さ、誘電率、または、材料を選択することにより、たとえば、疎水性層の誘電体層および絶縁体層を作ることにより調整される場合がある。

図１および２のエレクトロウェッティング素子はディスプレイ機器における画素として説明されるが、エレクトロウェッティング素子は、一般的な光バルブ、光学絞り、調整可能なレンズなどのような、流体の位置の維持が有利に使用可能である任意の用途で使用される。

図３Ａでは、従来技術のプッシュプル段の実施形態が示されている。素子状態は、スイッチＳ１およびＳ２の状態の組み合わせによって決定され、Ｓ１がオンであり、かつ、Ｓ２がオフであるとき、素子電圧は０であり、素子はオフ状態である。Ｓ１がオフであり、かつ、Ｓ２がオンであるとき、素子電圧は−Ｖｐに等しく、素子をオン状態に切り替える。

図３（ａ）は、キャパシタ２１によって示されたエレクトロウェッティング素子をアクティブ状態と非アクティブ状態との間で切り替えるドライバ段の代替的な実施形態を示している。電圧Ｖ_ｐは、複数個のエレクトロウェッティング素子に共通の電圧であり、図１において電極１５に印加される。Ｓ１およびＳ２はスイッチである。図３（ｂ）はスイッチのタイミングチャートを示している。時点ｔ_１において、素子は表示データに応じて非アクティブ表示状態に設定されるべきである。したがって、スイッチＳ１は閉じ、スイッチＳ２は開く（図中、それぞれ、「オン」および「オフ」として示されている）。図の一番上のトレースに示された、素子の両端間の電圧Ｖ_ｅは零であり、非アクティブ素子をもたらす。ｔ_２において、両方のスイッチが開き、電圧Ｖ_ｅは零のまま保たれる。ｔ_３において、素子の表示状態は更新されるべきであり、素子はアクティブ状態に設定される。スイッチＳ１は開き、スイッチＳ２は閉じる。素子両端間の電圧は今度は−Ｖ_ｐである。負符号は、電極１５での電圧を零として示すための慣例の結果である。ｔ_４において、スイッチＳ２が開くとき、電圧Ｖ_ｅは実質的に−Ｖ_ｐに等しく保たれる。ｔ_５において、素子はスイッチＳ２を閉じることにより非アクティブ状態に設定される。

保持状態ｔ_２−ｔ_３およびｔ_４−ｔ_５において、キャパシタ２１からみたときのインピーダンスは、開いたスイッチのために高い。素子およびスイッチの漏れ電流は低いので、電圧は素子にとどまる。素子の表示状態は、素子の準安定性により保持状態に維持される。素子は、表示状態が変更される前または保持期間が満了する前に、再びアドレス指定される必要がなく、システム全体での消費電力の激しい削減をもたらす。図３（ｂ）に示されたスイッチングのモードは、素子からみたときの、低インピーダンス・零電圧、低インピーダンス・高電圧、および、高インピーダンス・任意電圧の３種類の状態のために、トライ・ステート・スイッチングと呼ばれる。

図３（ｂ）のスイッチング手順は２個の電圧状態を有するドライバ段に使われるが、類似した手順が他の実施形態、たとえば、複数個の出力電圧を有し、振幅変調された階調に適したドライバ段、複数個のスイッチ、プッシュプルではないドライバ段、または、デジタル・アナログ変換器にも適用される。８個の出力レベルを提供する３ビットＤＡＣ（デジタル・アナログ変換器）を含むドライバ段が図４（ａ）に示されている。ＤＡＣの出力はスイッチＳ３を介してエレクトロウェッティング素子２１に接続されている。図４（ｂ）はドライバ段のタイミングチャートを示す。素子両端間の電圧Ｖ_ｅは、デジタルのＤＡＣ入力値１１１および０００にそれぞれ対応する零ボルトと−Ｖ_ｐとの間の８個のレベルを表す。時点ｔ_１においてスイッチＳ３が閉じ、デジタル入力１０１に対応する電圧Ｖ_ｅが素子に印加される。ｔ_２において、スイッチは開き、素子は、ｔ_３まで高インピーダンス保持状態に入る。ｔ_３において、表示状態はデジタル入力００１に更新され、ｔ_４において、素子は再び保持状態にある。同じ手順が任意の個数の出力電圧を有するドライバ段に適用される。

インピーダンス切り替えは、フレーム混合または空間混合を使用し、英国特許出願第０７０６２７８．９号（リセットパルスおよび断続的な供給電圧）、英国特許出願第０６２２８９８．５号（ブースター・バースト・モード）、英国特許出願第０６２２９００．９号（ＶＣＯＭ変調）に記載されているアドレス指定のような、エレクトロウェッティング素子をアドレス指定する他の方法と組み合わせることが可能である。

図５（ａ）は、インピーダンス切り替えをリセットパルスと組み合わせるドライバ段を示している。素子２１の両端間の電圧Ｖ_ｅは、２個のスイッチＳ４およびＳ５を用いて、零ボルトと−Ｖ_pボルトとの間で切り替えることが可能である。図５（ｂ）はドライバ段のタイミングチャートを示している。保持状態の終わりである時点ｔ_１において、スイッチＳ４はオンに切り替えられ、素子の両端間の電圧Ｖ_ｅを零まで低減する。短い期間の後、ｔ_２において、Ｓ４は開状態に戻り、Ｓ５が閉じ、Ｖ_ｅを−Ｖ_ｐに設定する。リセットパルスがｔ_１からｔ_２までの期間に印加される。この期間は、リセットパルスが素子の観察される表示状態に影響を与えないように、十分に短くされるべきである。素子が再充電されると、スイッチＳ５はｔ_３において再び開き、素子を保持状態に設定する。保持状態は、スイッチＳ４がｔ_５まで続く次のリセットパルスのために再び閉じるとき、ｔ_４で終わる。保持状態では、消費電力は実質的に零である。保持状態が充電期間およびリセット期間と比べて長いとき、全体的な電力削減は著しい。

図６は本発明によるエレクトロウェッティングディスプレイ駆動システムの実施形態の概略図を示している。ディスプレイ駆動システムは、いわゆる直接駆動型であり、好ましくは、図１に示された支持板６に接着させられるか、または、ディスプレイモジュールの他の場所で、たとえば、ＰＣＢ上でエレクトロニクスに一体化された集積回路の形をしていてもよい。ディスプレイ駆動システム１００は、信号線１４および共通信号線１５を用いてディスプレイ機器に接続される。各電極信号線１４は、ディスプレイ駆動システム１００からの出力を異なる電極９に一つずつ接続する。共通信号線は、電極を通って第２の導電性流体１１に接続される。１本以上の入力表示データ線１０２がさらに含まれ、ディスプレイ駆動システムは、入力表示データ線によって、任意の時点においてアクティブ状態にあるべき素子と非アクティブ状態にあるべき素子とを決定するためのデータが指示され得る。

ある電極９をアクティブ電圧信号を用いて選択的に作動させることにより、対応するエレクトロウェッティング素子が、第１の流体１２が支持板６の表面から少なくとも部分的に除去される開状態に駆動され、その他の非選択電極は、共通信号線１５に印加された共通電圧信号に等しいか、または、少なくとも実質的に等しい非アクティブ電圧信号を用いて駆動される。

図示されたコントローラの実施形態は、入力データ線１０２から表示されるべき画像に関する入力データを受信する表示コントローラ１０４、たとえば、マイクロコントローラまたはハードウェアコントローラを備える。マイクロコントローラの出力は、信号分配器およびデータ出力ラッチ１０６のデータ入力に接続される。信号分配器は、好ましくは、ドライバ段１０８を介してディスプレイ機器に接続された複数個の出力に入力データを分配する。信号分配器によって、ある素子が特定の表示状態に設定されるべきであることを示すデータ入力が、この素子に接続された出力へ送信される。分配器はシフトレジスタでもよい。入力データは、クロックに同期してシフトレジスタへ入れられ、ラッチパルスを受信し次第、シフトレジスタの内容が出力ラッチにコピーされる。出力ラッチは、ドライバ集合体１０７に接続された１個以上の出力を有する。ラッチの出力は駆動システム内部の１台以上のドライバ段１０８の入力に接続される。各ドライバ段の出力は、信号線１４および１５を経由して、対応するディスプレイ素子に接続される。上記のディスプレイ駆動システムは、直接駆動型ディスプレイ、アクティブ・マトリクス・ディスプレイ、または、パッシブ・マトリクス・ディスプレイに使用することが可能である。

各ドライバ段は、別個の素子としての、または、一体化されるかのどちらかの、図２に示されるようなスイッチを含む。スイッチは制御信号によって制御される。各ドライバ段は、この制御信号自体を生成し、電圧が分配器１０６から受信されるときにスイッチを閉じ、ある期間後に再びスイッチを開く場合がある。ドライバ段はスイッチを制御するため共通制御信号を使用してもよい。ドライバ段は分配器から制御信号を受信する場合もある。

入力データに応答して、ドライバ段は、素子のうちの１個を表示状態に設定するため電圧を出力する。スイッチが開くとき、素子は保持状態にある。

図７は、マトリクス・ディスプレイ機器２０２の画像を制御する本発明によるエレクトロウェッティングディスプレイ駆動システム２００の別の実施形態の概略図を示している。ディスプレイ機器のディスプレイ素子は、複数本の列および複数本の行を有するマトリクスの形に配置される。図には、ｎからｎ＋３までの名前が付けられた４本の列と、ｎからｎ＋４までの名前が付けられた５本の行が示されている。

ディスプレイ駆動システム２００は、いわゆるアクティブ・マトリクス型であり、好ましくは、支持板６に接着させられた集積回路の形でもよい。図示されたコントローラは、制御ロジックおよびスイッチングロジックを含むマイクロコントローラまたはハードウェアコントローラ２０４を備える。コントローラは、入力データ線１０２から表示されるべき画像に関する入力データを受信する。マイクロコントローラは、列信号を提供するディスプレイ機器の列毎の出力を有する。列信号線２０６は各出力をディスプレイ機器の列に接続する。マイクロコントローラは、行選択信号を提供するディスプレイ機器の行毎の出力を有する。行信号線２０８は各出力をディスプレイ機器の行に接続する。列ドライバ２１０および行ドライバ２１２は、それぞれ、各列信号線および各行信号線に配置される。図は、図示された列および行のための信号線だけを示している。行ドライバは単一の集積回路に一体化される場合がある。同様に、列ドライバは単一の集積回路に一体化される場合がある。集積回路は完全なドライバ集合体を含む場合がある。集積回路はディスプレイ機器の支持板６に一体化される場合がある。集積回路はディスプレイ駆動システム全体を含む場合がある。

ディスプレイ機器２０２の各素子は、１個以上のトランジスタの形をしたアクティブ素子を含む。トランジスタは薄膜トランジスタでもよい。トランジスタはスイッチとして機能する。素子の電極はキャパシタＣ_ｐとして示されている。キャパシタを接地させる線は共通信号線１５であり、キャパシタをトランジスタに接続する線は図１に示された信号線１４である。素子は、蓄積の目的のため、または、保持状態の期間、もしくは、素子に印加される電圧をディスプレイ機器の全体に亘って均一にするため、任意的なキャパシタＣ_ｓを含む場合がある。このキャパシタはＣ_ｐと並列に配置され、図７では別々に示されていない。列ドライバは、素子に対する入力データに対応する信号レベルを提供する。行ドライバは、設定されるべき素子を含む行を選択する信号を提供する。同図は、時点ｔ＝１から１０までの間の行に対する一連の選択信号を表している。列ドライバ２１０のうちの１台の電圧の系列が同図に示されている。信号レベル２１４および２１６は入力データに対応する信号レベルを示している。

素子のトランジスタが行選択信号を受信するとき、トランジスタは、トランジスタの列ドライバの信号レベルをセルの電極に伝える。トランジスタがオフに切り替えられた後、セルの両端間の電圧は、トランジスタがこの素子に対する次の行選択信号によって再びオンに切り替えられるまで、実質的に維持される。トランジスタがオフに切り替えられる間の時間は素子の保持状態である。

上記の実施形態は発明の説明に役立つ実施例として理解されるべきである。本発明のさらなる実施形態が想定される。いずれか一つの実施形態に関連して記載された特徴はどれでも単独で、または、記載されたその他の特徴と組み合わせて使用されてもよく、さらに、その他の実施形態の一つ以上の特徴、または、その他の実施形態の組み合わせの一つ以上の特徴と組み合わせて使用されてもよい。その上、上述されていない均等物および変更が、添付の特許請求の範囲に定められた発明の範囲から逸脱することなく、同様に用いられてもよい。

Claims (14)

1. エレクトロウェッティング素子と、電圧を前記素子に印加するドライバ段と、前記エレクトロウェッティング素子を前記ドライバ段の出力に接続するスイッチとを備え、
   前記エレクトロウェッティング素子が第１の流体および不混和性の第２の流体を含み、
   前記流体の瞬時位置が前記素子に印加された前記電圧に依存し、
   前記電圧がスイッチが閉じているときに決定され、
   前記スイッチが開くと、前記エレクトロウェッティング素子上の前記電圧が、７０ｍｓより長い保持状態の間、実質的に維持される大きさを有する容量を前記エレクトロウェッティング素子が有する、エレクトロウェッティングシステム。
2. 前記保持状態が２５０ｍｓより長い、請求項１に記載のエレクトロウェッティングシステム。
3. 前記ドライバ段が直流電圧を前記素子に印加するため配置されている、請求項１または２に記載のエレクトロウェッティングシステム。
4. 前記流体の前記位置が前記保持状態の間維持される、請求項１または２に記載のエレクトロウェッティングシステム。
5. 前記素子に接続されたキャパシタを備える、請求項１または２に記載のエレクトロウェッティングシステム。
6. 前記ドライバ段および前記スイッチが単一の素子中に一体化されている、請求項１または２に記載のエレクトロウェッティングシステム。
7. 表示コントローラと、複数個のドライバ段と、複数個のエレクトロウェッティング素子と、前記各エレクトロウェッティング素子を前記ドライバ段の出力に接続する複数個のスイッチとを備え、
   前記表示コントローラが表示データを受信する入力と前記ドライバ段を制御する出力とを有し、
   前記素子が請求項１または２に記載されるように印加された電圧に応答し、
   前記各素子が前記表示データに応答して表示状態を示し、
   複数個の前記表示状態が表示を形成する、
   ディスプレイ装置。
8. 前記各素子に接続されたキャパシタを備える、請求項７に記載のディスプレイ装置。
9. 前記表示状態が階調を含む、請求項７に記載のディスプレイ装置。
10. エレクトロウェッティング素子と、電圧を前記素子に印加するドライバ段と、前記エレクトロウェッティング素子を前記ドライバ段の出力に接続するスイッチとを備え、前記エレクトロウェッティング素子が第１の流体および第２の不混和性流体を含み、前記流体の瞬時位置が前記素子に印加された前記電圧に依存し、前記スイッチが開くと前記素子上の前記電圧が７０ｍｓより長い保持状態の間実質的に維持される大きさを有する容量を前記エレクトロウェッティング素子が有する、エレクトロウェッティングシステムを作動させる方法であって、
    前記スイッチを閉じ、それによって、前記電圧を設定するステップと、
    前記素子上の前記電圧が実質的に維持される７０ｍｓより長い保持状態の間に前記スイッチを開くステップと、
    を含む方法。
11. 前記保持状態が２５０ｍｓより長い、請求項１０に記載の方法。
12. 前記スイッチを閉じるステップと、前記スイッチを開くステップとが繰り返される、請求項１０または１１に記載の方法。
13. 前記保持状態の期間は、前記エレクトロウェッティング素子の表示状態の変更が必要されるときに依存する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記保持状態の期間は必要なフレームレートに依存する、請求項１２に記載の方法。

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