JP5426522B2 - エレクトロウェッティングディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、エレクトロウェッティングディスプレイに関する。

二つの混和しない媒体間の界面張力は、これら媒体に電圧を印加することによって、制御されることは、例えば、Ｌｉｐｐｍａｎｎ Ｍ．Ｇ．のＡｎｎ． Ｃｈｉｍ． Ｐｈｙｓ．、５，４９４（１８７５）などで、一世紀以上も前から知られている。また、加圧電位（Ｖ）と、その結果生じた表面張力（γ）との間の数学的関係は、リップマンの式として、
γ＝γ_０−０．５ｃＶ^２
で、表されることも、古くから知られている。ここで、電荷層が対称的なヘルムホルツキャパシタのモデルであると仮定した場合、γ_０は電荷がゼロ（固体表面に電荷がない場合）で、ｃは単位面積あたりの静電容量である。さらに、いわゆる電気浸透圧ディスプレイや電気毛管ディスプレイも、開発されてきた。こうした種類のディスプレイの全ては、電界存在下における液体の濡れ特性の変化を利用している。例えば、Ｓｈｅｒｉｄｏｎ Ｎ．Ｋ．の「Ｅｌｅｃｔｒｏｃａｐｉｌｌａｒｙ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ Ｄｉｓｐｌａｙ ａｎｄ Ｄａｔａ Ｓｔｏｒａｇｅ」、Ｘｅｒｏｘ Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ Ｊｏｕｒｎａｌ、１９７９、４、３８５−３８６や、米国特許第５，９５６，００５号、米国特許第５，８０８，５９３号、米国特許第５，７５７，３４５号、米国特許第５，７３１，７９２号、米国特許第５，６５９，３３０号、米国特許第４，５６９，５７５号、米国特許第６，６０３，４４４号、米国特許第６，４４９，０８１号、を参照。この原理を用いた様々なディスプレイが、Ｄｕｋｅ大学のＲｉｃｈａｒｄ Ｂ． Ｆａｉｒと、その共同研究者によっても、開発されてきた。例えば、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｅ．ｄｕｋｅ．ｅｄｕ／Ｒｅｓｅａｒｃｈ／ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓを参照。

最近、エレクトロウェッティング機器における電極と液体間の薄い誘電体層は、従来のエレクトロウェッティング機器に存在する電気二重層に匹敵しうることが、知られてきた。誘電体層は、界面で高電界が保たれている間、電子移動を阻止できるので、その結果、電圧が印加されると、電荷が再分布する。疎水性誘電体と水溶性液体とを使うと、初期接触角が大きくなり、エレクトロウェッティング上の接触角が大きく変化する余地が与えられる。さらに、液体と電極との間を誘電体層とすることで、界面の分極を考慮することなく、実質的に、いかなる種類の液体も使用されうる。Ｍｏｏｎ，Ｈ．らの「Ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ ｅｌｅｃｔｒｏｗｅｔｔｉｎｇ−ｏｎ−ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ」、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、２００２，９２，４０８０を参照。

オランダＥｉｎｄｈｏｖｅｎのＰｈｉｌｉｐｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓの研究者らは、エレクトロウェッティングディスプレイが、ビデオレート（ｖｉｄｅｏ ｒａｔｅ）での応用が可能なことを述べている。Ｎａｔｕｒｅ、４２５、３８３（２００３）と、国際出願 ＷＯ ２００４／０６８２０８、国際出願 ＷＯ ２００４／０２７４８９、国際出願 ＷＯ ０３／０７１３４６を参照。このディスプレイは、誘電体上をエレクトロウェッティングとしたタイプで、白色基板の一面に透明な電極を配置することをベースとしたセルを用いる。電極は、疎水性誘電体層に覆われている。セルには、さらに、着色（染色）された油と水を含む。電圧が印加されていない場合、着色された油は疎水性誘電体を濡らすので、見られる色は、着色された油の色に見える。しかしながら、透明な電極と、水と接触している第二の電極との間に、電圧が印加されると、着色された油は、その画素の小さな一部分に動き、その画素の大部分は、基板の白い色を見せる。ＣＭＹＫカラー方式は、１画素を３つのサブ画素に分けることによって、実現されうる。ここで、サブ画素は、白色基板をそれぞれ有するが、異なる色（例えば、シアンとマゼンタ）の２つの油層をそれぞれ有する。

このタイプのディスプレイは、数多くの問題を抱えている。ディスプレイは、双安定（ｂｉｓｔａｂｌｅ）でない。なぜなら、画素の小さな一部分に油を閉じ込めれるのは、電圧が印加されている間に、限られているからである。ディスプレイが画像を表示するために連続的な表示をしている場合には、これは深刻な不都合はない。しかし、ユーザーが画像を一時停止させて、個々の画面を確認したいと思うようなアプリケーションもあり、この場合、特に、これが携帯機器であれば、ディスプレイを双安定させて、電池を連続的に消耗することなく、個々の画面を確認できるようにすることは、大きな利点となるであろう。画素の小さな一部分から油が目に見えると、ディスプレイのコントラスト比が下がる。油に溶かした染料は、長期的に見れば、問題を生じうる。なぜなら、溶液中の染料は、長期にわたり、放射線に曝されると悪影響を受け、一般に染料の色あせを生じるからである。異なる色の複数の油を使用しているディスプレイにおいては、どの色も同じスピードで色あせしないため、色が時間とともにドリフトを生じ、特に問題となりうる。

本発明は、エレクトロウェッティングディスプレイの様々な改善に関するもので、これによって、上述した問題を軽減し、解消するものである。

一局面として、本発明は、
基板と、
少なくとも光の１波長を吸収し、該基板に隣接して配置された第一の流体と、
該第一の流体と混和しない光透過性第二の流体と、
該第一の流体に電界を印加する少なくとも１つの電極と、
該基板から間隔を空けて、実質的に不透明な材料から形成された隠蔽材と
を備え、
電界のない場合、該第一の流体は該基板の第一の領域を覆い、該少なくとも１つの電極によって該第一の流体に電界がかけられると、該第一の流体は、該第一の領域からより小さな第二の領域に移動し、実質上、該隠蔽材と該基板の間に閉じ込められ、その結果、該隠蔽材の該基板に対する反対側から該ディスプレイを見ている観察者から、該隠蔽材は、該第一の流体を隠蔽する、ディスプレイを提供する。

「光透過性の」という語は、ここでは、第二の流体が十分な光を伝達し、第一の流体から第二の流体への動くのを見ている観察者が、この動きを見ることができなくてはならない。（非可視波長で、機械により読み取ることを意図したディスプレイでは、「光透過性の」という語は、当然、ディスプレイが読まれる電磁波放射線の波長の透過性を意味する。光に関して以下に使われる単語も、同様に解釈されるべきである。）一般的に、光透過性の第二の流体は、透明であるが、表示される色を調整するために、第二の流体に、何らかの色をしている可能性を排除するわけではない。例えば、厳密な中立的な白よりも、わずかに青みがかった「白」を好む人は多い。そのため、例えば、以下で、図１および図２とを参照して述べるタイプのディスプレイでは、色の変化が白から黒に変わる場合、わずかな青色を分け与えて、わずかに青白い状態の白とすることが、好都合である。

便宜上、このディスプレイを本発明の「隠蔽材（ｃｏｎｃｅａｌｍｅｎｔ ｍｅｍｂｅｒ）ディスプレイ」と呼ぶ。このようなディスプレイにおいては、基板には、第一の流体に隣接した誘電体表面を備えうるし、および／または、着色層または反射層を備えうる。このようなディスプレイの好ましい形態として、該基板は実質的に平坦な表面を有し、隠蔽材は該基板の該実質的に平坦な表面と実質的に平行に拡がるが、間隔を空けている実質的に平坦なセクションを含む。

また、別の局面では、本発明は、
お互いに異なる第一の光学的特性および第二の光学的特性を有する第一の部分と第二の部分とを少なくとも有する基板と、
該第一の光学的特性および該第二の光学的特性のうちの少なくとも１つとは異なる第三の光学的特性を有し、少なくとも光の１波長を吸収する第一の流体と、
該第一の流体と混和しない光透過性の第二の流体と、
該第一の部分に隣接した第一の電極と、該第二の部分に隣接した第二の電極と
を備える、ディスプレイであって、
該第一の電極と該第二の電極への印加電圧を制御することで、該第一の流体が該基板の該第二の部分を実質的に覆い、該第一の部分を覆わないようにする第一の位置、および、該第一の流体が該基板の該第一の部分を実質的に覆い、該第二の部分を覆わないままにする第二の位置とを、該第一の流体が占めれるようにされる、ディスプレイを提供する。

便宜上、このディスプレイを本発明の「色シフトディスプレイ」と呼ぶ。このようなディスプレイにおいては、第一の流体は、第一の部分と第二の部分との双方を覆う第三の位置を占めれることもある。

色シフトディスプレイでは、基板は異なる色の部分を２より多く有しうる。例えば、基板は、第三の部分を有することもあり、第一、第二および第三の光学的特性とも異なる第三の部分を有しうるし、ディスプレイは、さらに、基板の第三の部分に隣接した第三の電極を有し、第一の電極、第二の電極および第三の電極への印加電圧を制御することで、第一の流体は、実質的に基板の第一の部分および第二の部分の少なくとも１つを覆い、第三の部分を覆わないままにする第三の位置を占めるようにされている。例えば、基板の第一、第二および第三の部分は、赤、緑および青、あるいは、黄、シアンおよびマゼンタが、任意の配列であってよい。さらに、第一、第二および第三の光学的特性とも異なり、かつ、基板の第三の部分とも異なる光学的特性を有する第四の部分を有し、ディスプレイは、さらに、基板の第四の部分に隣接した第四の電極を備え、第一、第二、第三および第四の電極への印加電圧を調整することで、第一の流体は、実質的に基板の第一、第二および第三の部分の少なくとも１つを覆い、第四の部分を覆わないままにする第四の位置を占めるようにされていることもある。例えば、基板の第一、第二、第三および第四の部分は、赤、緑、青および黒、あるいは、黄、シアン、マゼンタおよび黒が、任意の配列であってよい。

本発明の色シフトディスプレイは、典型的には、基板の第一の部分と第二の部分（存在するとすれば、および第三の部分および第四の部分）は、同一平面上にある。これらの部分は、様々な幾何学的な位置を占めうる。例えば、これらの部分は、実質的に正三角形の形状を有しうる。その代わりに、第一および第二の部分は、実質的に円の形状を有し、実質的な該実質的に円状の第一および第二の部分は、各実質的に円状の部分の直径よりも小さい幅を有する首部分で接続されていることもありうる。電極は、この首部分の上あるいは隣接して配置され得る。

また、別の側面では本発明は、
観察者がディスプレイを見る場合に介する第一の基板と、
該第一の基板と間隔を空けた第二の基板と、
ここで、該第一の基板と該第二の基板との間に延びる少なくとも１つの側壁と、該第一の基板と該第二の基板、および、該側壁が合わさって、第一の基板表面、第二の基板表面、および、少なくとも１つの側壁表面を有するチャンバーを規定し、
該チャンバー内に配置され、少なくとも光の１波長を吸収する第一の流体と、該第一の流体と混和しない、該チャンバーに配置された光透過性の第二の流体と、
該チャンバーの該第二の基板表面に隣接して配置された第一の電極と
該チャンバーの側壁表面に隣接して配置された第二の電極と、
該チャンバー内に延び、該第二の流体と電気的接触を有する第三の電極と
を備え、
該第一の電極、該第二の電極および該第三の電極への印加電圧を制御することで、該第一の流体は、該第一の流体が該チャンバーの該第二の基板表面に隣接して横たわる第一の位置と、該第一の流体が該チャンバーの１つの側壁表面に隣接して横たわる第二の位置とを占めるようにされているディスプレイを提供する。

便宜上、このディスプレイを本発明の「マイクロセルディスプレイ」と呼ぶ。このようなディスプレイにおいては、基板には、第一の流体に隣接した誘電体表面を備えうるし、および／または、着色層または反射層を備えうる。さらに、第二の基板表面とチャンバーの側壁表面との間の接合部に隣接した絶縁体ブロックであって、第三の電極が該絶縁体ブロックを通り抜ける該絶縁体ブロックを備えうる。

また、別の局面では本発明は、
流体と、
該流体による濡れに耐性のある露出表面を有する基板と、
該基板にを介して延び、該基板の露出表面に隣接して終端する少なくとも３つの導電性ビアと、
該露出表面の該導電性ビアの終端を覆うキャップ部であって、該流体によって濡れる材料から形成される該キャップ部と
を備えたディスプレイを提供する。

便宜上、このディスプレイを本発明の「導電性ビアディスプレイ」と呼ぶ。このようなディスプレイにおいては、導電性ビアは、二次元配列で、配置されうる。また、流体は水溶性であり、露出表面は疎水性であり、キャップ部は親水性材料でありうる。

また、別の局面では本発明は、
基板と、
少なくとも光の１波長を吸収し、該基板に隣接して配置された第一の流体と、
該第一の流体と混和しない光透過性の第二の流体と、
該第一の流体に電界を印加する少なくとも１つの電極と
を備える、ディスプレイであって、
電界のない場合、該第一の流体は基板の第一の領域を覆っているが、該少なくとも１つの電極から該第一の流体に電界がかけられると、該第一の流体は、該第一の領域より狭い第二の領域に移動し、ここで、該第一の流体は、色素パーティクルまたはナノパーティクルで着色されている、ディスプレイを提供する。

便宜上、このディスプレイを本発明の「色素／ナノパーティクルディスプレイ」と呼ぶ。

最後に、本発明は、
間隔を空けた、第一の電極および光透過性のある第二の電極と、
該第一の電極および該第二の電極との間に閉じ込められた第一の流体および第二の流体であって、互いに混和しない該第一の流体および該第二の流体と
を備える、ディスプレイであって、
該第一の流体および該第二の流体が、光透過性でなく、異なる色であり、
ディスプレイは、該第一の流体が該第一の電極に隣接して横たわることで、該第二の流体の色が、該第二の電極を通し、ディスプレイを見ている観察者に見えるような第一の安定状態と、該第一の流体が該第二の電極に隣接して横たわることで、該第一の流体の色が、該観察者に見えるような第二の安定状態とを有する、ディスプレイを提供する。

便宜上、このディスプレイを本発明の「二色ディスプレイ」と呼ぶ。このようなディスプレイにおいては、第一の流体は油を含み、第二の流体は水性でありうる。さらに、第一の電極と第一の流体との間と、第二の電極と第二の流体との間に、それぞれ、第一の誘電体層と第二の誘電体層を備えうる。
（項目１）
基板（１０２）と、
少なくとも光の１波長を吸収し、該基板（１０２）に隣接して配置された第一の流体（１０８）と、
該第一の流体（１０８）と混和しない光透過性の第二の流体（１１０）と、
該第一の流体（１０８）に電界を印加する少なくとも１つの電極（１０４）と
を備え、
電界のない場合、該第一の流体（１０８）は該基板（１０２）の第一の領域を覆い、該少なくとも１つの電極（１０４）によって該第一の流体（１０８）に電 界がかけられると、該第一の流体（１０２）は、該第一の領域からより小さな第二の領域に移動する、ディスプレイであって、
該ディスプレイは、
該基板（１０２）から間隔を空けて、実質的に不透明な材料から形成された隠蔽材（１１２）を備え、
該第一の流体（１０８）に電界をかけると、該第一の流体（１０８’）は、実質上、該隠蔽材（１１２）と該基板（１０２）との間に閉じ込められ、その結 果、該隠蔽材（１１２）の該基板（１０２）に対して反対側から該ディスプレイを見ている観察者から、該隠蔽材（１１２）は、該第一の流体（１０８’）を隠蔽することを特徴とする、ディスプレイ。
（項目２）
上記基板（１０２）は、上記第一の流体（１０８）に隣接した誘電体表面（１０６）を備える、項目１に記載のディスプレイ。
（項目３）
上記基板（１０２）は、着色層または反射層を備える、項目１に記載のディスプレイ
（項目４）
上記基板（１０２）は、実質的に平坦な表面を有し、上記隠蔽材（１０２）は、上記基板（１０２）の該実質的に平坦な表面と、実質的に平行に拡がり、間隔を空けている実質的に平坦なセクションを含む、項目１に記載のディスプレイ。
（項目５）
基板と、
少なくとも光の１波長を吸収し、該基板に隣接して配置された第一の流体と、
該第一の流体と混和しない光透過性の第二の流体と、
該第一の流体に電圧を印加する少なくとも１つの電極と
を備える、ディスプレイであって、
該基板は、お互いに異なる第一の光学的特性および第二の光学的特性を有する第一の部分（Ｒ；６０２）と第二の部分（Ｇ；６０４）とを少なくとも有し、
該第一の流体は、該第一の光学的特性および該第二の光学的特性のうちの少なくとも１つとは異なる第三の光学的特性を有し、
該ディスプレイは、該第一の部分（Ｒ；６０２）に隣接した第一の電極と、該第二の部分（Ｇ；６０４）に隣接した第二の電極とを備え、
該第一の電極と該第二の電極への印加電圧を制御することで、該第一の流体が該基板の該第二の部分（Ｇ；６０４）を実質的に覆い、該第一の部分 （Ｒ；６０２）を覆わないままにする第一の位置、および、該第一の流体が該基板の該第一の部分（Ｒ；６０２）を実質的に覆い、該第二の部分（Ｇ；６０４）を覆わないままにする第二の位置を占めれるようにされていることを特徴とする、ディスプレイ。
（項目６）
上記第一の流体は、上記基板の第一の部分と第二の部分（Ｇ、Ｒ）の双方を覆う第三の位置を占めれるようにされている、項目５に記載のディスプレイ。
（項目７）
上記基板は、上記第一の光学的特性、上記第二の光学的特性および上記第三の光学的特性とは異なる光学的特性を有する第三の部分（Ｂ）を有し、
上記ディスプレイは、上記基板の該第三の部分（Ｂ）に隣接した第三の電極をさらに備え、
上記第一の電極、上記第二の電極および該第三の電極への印加電圧を制御することで、上記第一の流体は第三の位置を占めるようにされ、該第一の流体は、実 質的に上記基板の上記第一の部分および上記第二の部分（Ｒ、Ｇ）の少なくとも１つを覆い、該第三の部分（Ｂ）を覆わないままにする、項目５に記載のディスプレイ。
（項目８）
上記基板は、上記第一の光学的特性、上記第二の光学的特性および上記第三の光学的特性とは異なり、かつ、上記基板の上記第三の部分（Ｂ）とも異なる光学的特性を有する第四の位置（Ｋ）を有し、
上記ディスプレイは、上記基板の該第四の部分（Ｋ）に隣接した第四の電極をさらに備え、
上記第一の電極、上記第二の電極、上記第三の電極および該第四の電極への印加電圧を制御することで、上記第一の流体は第四の位置を占めれるようにされ、 該第一の流体は、実質的に上記基板の上記第一の部分、上記第二の部分および上記第三の部分（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の少なくとも１つを覆い、該第四の部分（Ｋ）を覆わないままにする、項目７に記載のディスプレイ。
（項目９）
上記基板の上記第一の部分および上記第二の部分（Ｒ、Ｇ）は、実質的に正三角形の形状を有する、項目５に記載のディスプレイ。
（項目１０）
上記基板の上記第一の部分および上記第二の部分（６０２、６０４）は、実質的に円の形状を有し、該実質的に円状の第一の部分および第二の部分（６０２、 ６０４）は、各実質的に円状の部分（６０２、６０４）の直径よりも小さい幅を有する首部分（６０６）で接続されている、項目５に記載のディスプレイ。
（項目１１）
電極（６１２）が、上記首部分（６０６）上に配置されているか、あるいは、隣接されている、項目１０に記載のディスプレイ。
（項目１２）
観察者がディスプレイを見る場合に介する第一の基板（５０８）と、
該第一の基板（５０８）と間隔を空けた第二の基板（５０２）と、
ここで、該第一の基板と該第二の基板（５０２、５０８）との間に延びる少なくとも１つの側壁（５０４、５０６）と、該第一の基板と該第二の基板（５０２、 ５０８）、および、該側壁（５０４、５０６）が合わさって、第一の基板表面、第二の基板表面、および、少なくとも１つの側壁表面を有するチャンバーを規定し、
該チャンバー内に配置された第一の流体（５２２）と、
該第一の流体（５２２）と混和しない、該チャンバーに配置された光透過性の第二の流体（１１０）と、
該チャンバーの該第二の基板表面に隣接して配置された第一の電極（５１０）と
を備えた、ディスプレイであって、
該第一の流体（５２２）は、少なくとも光の１波長を吸収し、
第二の電極（５１４）が、該チャンバーの側壁表面に隣接して配置され、
第三の電極（５２０）が、該チャンバー内に延び、該第二の流体（１１０）と電気的接触を有し、
該第一の電極、該第二の電極および該第三の電極（５１０、５１４、５２０）への印加電圧を制御することで、該第一の流体（５２２）は、該第一の流体 （５２２）が該チャンバーの該第二の基板表面に隣接して横たわる第一の位置と、該第一の流体（５２２）が該チャンバーの１つの側壁表面に隣接して横たわる第二の位置とを占めるようにされていることを特徴とする、ディスプレイ。
（項目１３）
上記第二の基板（５０２）は、上記第一の流体（５２２）に隣接した誘電体層（５１２）を備える、項目１２に記載のディスプレイ。
（項目１４）
上記第二の基板（５０２）は、着色層または反射層を備える、項目１２に記載のディスプレイ。
（項目１５）
上記第二の基板表面と上記チャンバーの側壁表面との間の接合部に隣接した絶縁体ブロック（５１８）を、さらに備え、
上記第三の電極（５２０）が該絶縁体ブロック（５１８）を通り抜ける、項目１２に記載のディスプレイ。
（項目１６）
流体（７０８）と、
該流体（７０８）による濡れに耐性のある露出表面を有する基板（７０２）と、
該基板（７０２）を介して延び、該基板の露出表面に隣接して終端する少なくとも３つの導電性ビア（７０４）と、
該露出表面の該導電性ビア（７０４）の終端を覆うキャップ部（７０６）であって、該キャップ部（７０６）は、該流体（７０８）によって濡れる材料から形成されている、キャップ部と
を特徴とする、ディスプレイ。
（項目１７）
基板と、
少なくとも光の１波長を吸収し、該基板に隣接して配置された第一の流体と、
該第一の流体と混和しない光透過性の第二の流体と、
該第一の流体に電界を印加する少なくとも１つの電極と
を備え、
電界のない場合、該第一の流体は該基板の第一の領域を覆っているが、該少なくとも１つの電極によって該第一の流体に電界がかけられると、該第一の流体は、該第一の領域から、より小さな第二の領域に移動する、ディスプレイであって、
該第一の流体が、色素パーティクルまたはナノパーティクルで着色されていることを特徴とする、ディスプレイ。
（項目１８）
間隔を空けた、第一の電極（１０４）および光透過性のある第二の電極（１１６）と、
該第一の電極および該第二の電極（１０４、１１６）との間に閉じ込められた第一の流体（１０８）および第二の流体（１１０’）であって、互いに混和しない該第一の流体（１０８）および該第二の流体（１１０’）と
を備えた、ディスプレイであって、
該第一の流体および該第二の流体（１０８、１１０’）が、光透過性でなく、異なる色であり、
該ディスプレイは、該第一の流体（１０８）が該第一の電極（１０４）に隣接して横たわることで、該第二の流体（１１０’）の色が、該第二の電極 （１１６）を通し、該ディスプレイを見ている観察者に見えるような第一の安定状態と、該第一の流体（１０８）が該第二の電極（１１６）に隣接して横たわることで、該第一の流体（１０８）の色が、該観察者に見えるような第二の安定状態とを有することを特徴とする、ディスプレイ。
（項目１９）
上記第一の電極（１０４）と上記第一の流体（１０８）との間に配置された第一の誘電体層（１０６）、および、上記第二の電極（１１６）と上記第二の流体（１１０’）との間に配置された第二の誘電層（１１４）をさらに備える、項目１８に記載のディスプレイ。

添付図面の図１は、本発明による隠蔽材ディスプレイの模式側面図であり、第二の流体が基板の大きな第一の領域を覆っている。 図２は、図１と同様の模式側面図であるが、第二の流体が基板の小さな第二の領域に閉じ込められた状態を示している。 図３は、本発明による四色色シフトディスプレイの平面図である。 図４は、本発明による双安定な二色流体エレクトロウェッティングディスプレイの模式側面図である。 図５は、本発明によるマイクロセルディスプレイの模式側面図である。 図６は、本発明による第二の色シフトディスプレイの平面図である。 図７は、本発明による導電性ビアディスプレイの模式側面図である。

前述のように、本発明は、幾つかの異なった側面を有する。これら様々な側面は、以下に、個別に記述されるが、単一のディスプレイは、本発明の複数の側面を用いたものでありうることは、理解されるべきである。例えば、本発明のマイクロセルディスプレイは、第一の流体に、本発明の色素パーティクル／ナノパーティクルディスプレイに従う色素パーティクルまたはナノパーティクルが、着色に利用されうる。

本ディスプレイにおいて、第一の（移動）流体は、典型的には、油であり、第二の流体は水性である。分かりやすくするために、以下の記述では、第一の流体と第二の流体の代わりに、「油」と「水」の単語を用いることもあるが、これらの単語「油」と「水」は、限定的な意味で解釈してはならない。

まず、前述のように、本発明は、電圧が印加されたとき、油を隠蔽するための隠蔽材を有する隠蔽材ディスプレイを提供する。また、このようなディスプレイの作動方法も提供する。本発明の特定の隠蔽材ディスプレイは、添付図面の図１と図２に描かれている。図１に示すように、エレクトロウェッティングディスプレイ（描かれているのは、１つの単画素のみ）は、基板１０２（典型的には、白く着色されている）、透明な第一の電極１０４、および、誘電体層を備える。着色された第一の流体（油）の層が、誘電体層１０６の大きな第一の領域の上一面（全体として、描かれている）に拡がっており、透明な第二の流体（水）１１０は、油層１０８の上に横たわっている。このエレクトロウェッティングディスプレイは、さらに隠蔽材１１２を備え、その第一の部分は誘電体層１０６から離れた位置に拡がっており、その第二の部分は平面的な誘電体層１０６と平行に拡がっている。隠蔽材１１２の第二の部分の表面は、第二の電極（図示せず）を抱えている。

図１は、２つの電極間に全く電界がないときのエレクトロウェッティングディスプレイで、着色された油層１０８が、誘電体層１０６の表面に均一に拡がっている状態を示す。したがって、ここに描かれた単画素は、油の色を表示する。図２は、２つの電極間に電圧が印加されたときのエレクトロウェッティングディスプレイを示す。油層は、誘電体層１０６の表面を、もはや均一に拡がっておらず、その代わりに、コンパクトな小滴１０８’となって集結し、隠蔽材１１２の下に横たわる第二の領域を覆っている。これは、意図された方向（すなわち、隠蔽材１１２の基板１０２に対して反対側から、つまり、図１および図２の上方から）からディスプレイを見る観察者が、主として白色基板１０２を、観察者から油の小滴１０８’を隠蔽する隠蔽材１１２とともに見るためである。

画素のコントラスト比が、隠蔽材１１２（つまり、誘電体層１０６から離れた表面）の可視表面の色を変えれば、変化されることは、明らかである。例えば、この可視表面を白にすれば、画素の白色状態（図２に示すように）の輝度が上がるが、暗状態（図１に示すように）の暗さは幾分か犠牲になる。その代わりに、最大のコントラスト比が達成されうるのは、可視表面に中間的な灰色の陰影をつけることによってである。

図１と図２に示されるディスプレイには、数多くのバリエーションが可能である。例えば、第二の電極は水１１０と電気的に接触していれば、必ずしも隠蔽材の位置になくてもよい。実際、本ディスプレイの各画素が、分離した第二の電極を有する必要もない。その代わりに、本ディスプレイは、従来型のアクティブマトリックスディスプレイの電極配置と同じ電極配置、つまり（以下に記載するように、第一の流体の動きを適切に導くように成形されている共通の表面電極で、多数の画素にまたがるように拡がり、典型的には、ディスプレイ全体に拡がる）１つの共通表面電極を用いてもよいが、その代わりに、各画素に個別の第一の電極１０４を用いてもよい。また、本ディスプレイの一つの光学的状態は、基板の色を見せる必要はない。例えば、本ディスプレイが光モジュレータとして機能するために、基板が透明でもありうる。その代わりに、着色フィルターまたは反射板が、任意の適切な位置に配置されることになる。

図３は、本発明による四色色シフトディスプレイの基板の１画素の平面図である。本図から分かるように、この画素は正三角形であり、４つの正三角形のサブ画素からなり、中央のサブ画素が黒（Ｋ）で、他のサブ画素は赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）である。当然のことであるが、望むなら、赤、緑および青の代わりに、シアン、黄およびマゼンタを用いてもよい。この画素には、４つの電極（図示せず）が備えられ、正三角形画素の頂点のそれぞれ１つずつと、そして、４つ目が正三角形画素の中心にある。（望むなら、図１と図２に示したのと、同様に、電極は、画素の横たわる部分に合うように着色された隠蔽材の露出表面を有する隠蔽材に備えられうる。）画素は、黒く着色された油と組み合わさって用いられ、図１と図２で示したディスプレイと非常によく似た方式で機能する。どの電極によっても、電界がかかっていない場合、油は画素全体に均一に拡がり、こうして、全体が黒く見える。中央の電極のみを使って、電圧が印加されたら、油は中央の黒のサブ画素に集結されて、赤、緑および青のサブ画素は、露出されたままとなり、画素全体の外観は、「プロセス白（ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｈｉｔｅ）」（実際には灰色）になる。例えば、中央の電極と赤のサブ画素に接した電極の双方を使って、電圧が印加されたら、油は黒と赤のサブ画素に集結されて、インクは黒と赤のサブ画素を覆い、シアンの色が表示される。１つ、２つ、あるいは、３つの電極に電圧を印加することで、様々な色が画素に表示されることは、容易に明らかである。

また、双安定なエレクトロウェッティングディスプレイの製造も可能となる。従来技術によるエレクトロウェッティングディスプレイは、単安定でしかなかった。なぜなら、電界がかかっていない状態でのみ、安定であったため、（図２に示されるのと同様な）他の状態では、電界がかけられる限り、耐えるだけであった。しかしながら、本発明による二色流体エレクトロウェッティングディスプレイでは、２つの状態を有するようにできており、そのそれぞれが、図１に示すのと同様な状態である。このような二色流体からなる双安定なディスプレイの形式の一つの１画素を図４に示す。本ディスプレイは、基板１０２（以下に説明する理由から、着色される必要なし）、電極１０４（透明である必要なし）、および、誘電体層１０６を備える。特に指示のない限り、図１に相当する同じ整数で示す。ディスプレイは、さらに、着色された油層１０８と、油層１０８とは違う色で「着色された」水性層１１０’を備える。隠蔽材はないが、図４のディスプレイは、さらに、透明な表面誘電体層１１４と、透明な表面電極１１６を備える。実用にあたっては、ディスプレイの機械的支持と保護のために、表面基板（図示せず）を備えることが望ましい。

図１に示す条件と同等な図４に示す条件で、油層１０８が誘電体層１０６上に広く均一に拡がっているとき、（電極１１６と誘電体層１１４を介して、つまり、図４の上から、ディスプレイを見る観察者からは）画素は水性層１１０’の色を表示し、油層１０８の色を不明瞭にしている。しかしながら、電極１０４と、水性層１１０’と接触している電極（図示せず）との間に、突然、電圧を印加すると、油層１０８は、誘電体層１０６から濡れをとり、図２に示す小滴１０８’と同様の部分的に楕円形の小滴を形成し、それから、（駆動電圧が解除されるにしたがって）表面の透明な誘電体層１１４を濡らす。その結果、第二の安定状態に入り、この状態は、一般的に、油層が表面の透明な誘電体層１１４に隣接して横たわっている点を除けば、図４に示されるのと、同様である。この第二の安定状態では、画素は油層の色を表示し、水性層１１０’の色を不明瞭にする。望めば何度でも、画素をこれら２つの安定状態間でスイッチできるは、容易に明らかにされる。さらに、相当な電圧がディスプレイに印加されると、画素はこの２つの安定な状態の間をスイッチできなくてはならないので、ディスプレイは、そのスイッチングに閾値を有する。このような閾値は、より複雑なアクティブマトリックスアプローチの使用を必須とすることなく、パッシブマトリックスアプローチを使って駆動されるディスプレイを可能とするものである。

図４に示す油層１０８と水性層１１０’の着色に、染料が使われる場合、ディスプレイの長期安定性のため、２つの層の間で、これらの染料が移動しないようにすることが重要である。実用にあたっては、水性で非油性の染料も、逆に、油性で非水性の染料も様々に利用できるため、このことは大きな困難性を伴わない。しかしながら、着色剤として、染料を使うより、色素パーティクルやナノパーティクルを用いるほうが、メリットが多い。このような画素パーティクルやナノパーティクルは、コーティング付きで（例えば、米国特許公開番号第２００２／０１８５３７８号参照）、調達されうる。コーティングは、強い親水性や親油性を持たすことで、これらパーティクルが、油と水との間を移動しないようにするためである。

添付図面の図５は、図４と概ね同様の模式側面図で、図４と概ね同様の方式で作動するマイクロセルディスプレイを表している。図５は、ディスプレイの１つの単マイクロセルで、後ろ壁（第二の基板）５０２、側壁５０４と５０６、および、前壁（第一の基板）５０８を有し、ディスプレイは、この前壁を介して見られる。マイクロセルは、さらに、透明な後ろ電極５１０と、後ろ誘電体層５１２を有する。これらは、図１と図４に示された相当する整数と同様に、マイクロセルの第二の基板表面に隣接して配置される。しかしながら、マイクロセルは、また、側面（第二の）電極５１４（透明である必要なし）と、側壁表面に隣接して配置され、付随する側面誘電体層５１６とを備える。電極５１０と５１４は、絶縁体ブロック５１８によって、互いに絶縁されている。この絶縁体ブロック５１８から、第三の電極５２０が、マイクロセルを実質的に満たしている無着色の水性媒体１１０に出ている。マイクロセルは、さらに、着色された油相５２２を含む。

図５に示すマイクロセルの第一の安定状態は、図１と図４の状態と同様である。電極間に電圧が印加されていないとき、着色された油相５２２は、誘電体層５１２を濡らし、前壁５０８を介し、マイクロセルを見ている観察者は、無着色の水性媒体１１０を介し、油相５２２を見る。しかしながら、後ろ電極５１０と、第三の電極５２０との間に、突然、電圧を印加すると、油相５２２は、誘電体層５１２を濡らすのを止め、小滴を形成し、電極５２０の方向へ、動いていき、側面誘電体層５１６を濡らすところで、第二の安定状態となって、終了する。この第二の安定状態で、マイクロセルを前壁を介して見ている観察者は、後ろ電極５１０の色（着色があれば）、後ろ誘電体層５１２の色（着色があれば）、あるいは、着色されているもののいずれかの色（着色があれば）を見る（側面誘電体層５１６に隣接して横たわる油相５２２は、マイクロセルの断面積で小さな比率しか占めず、観察者からは実質上、見えない）。代替として、後ろ電極５１０と、後ろ誘電体層５１２とは、着色されていなくてもよいし、また、着色された裏板または反射板がマイクロセルの後方で、提供されてもよい。これは、マイクロセルは、いわゆる「シャッターモード」で作動できるようにするためである。米国特許番号第６，１３０，７７４号、第６，１７２，７９８号を参照。

着色された油相を用いれば、図１〜図５を参照して、上述した実施形態に加え、さらに数多くの種類のカラーのエレクトロウェッティングディスプレイが製造されうることは、高く評価すべきである。ここで、他の色を有し且つ領域において異なリ得る電極を覆うために移動する、着色された油相が使用される。同一平面状で隣接する電極間に電界が、油相が静止している電極に隣接する電極への電圧印加によって作られると、液体の滴が移動可能となることは、周知である。このような動きは、当然、逆向きとすることも可能である。色が異なり、かつ、オプションとして、大きさの異なる電極と、着色された油相とを用いることで、様々な効果が得られる。シンプルなモノクロディスプレイは、大きな白い電極と、小さな黒い電極の間で、黒い油相を動かすことで、提供される。黒い油相が白い電極を覆うとき、黒い電極と白い電極の双方とも黒く見え、黒い油相が小さな黒い電極に閉じ込められたとき、画素の全体の外観が本質的に白く見えることは、明らかである。カラーを含むより複雑な効果は、（例えば）小さな電極と実質的に同じ色を有する油相を用いる一方で、これに隣接する大きな電極は補色を用いることで、形成されうる。こうして、カラーディスプレイは、個々の画素が、以下の油／電極の組合せを有するものを利用してもよい。

赤い油／小さな赤い電極／大きなシアンの電極；
緑の油／小さな緑の電極／大きなマゼンタの電極；および、
青い油／小さな青い電極／大きな黄色い電極。

このようなディスプレイでは、図６に示すような本発明の第二の色シフトディスプレイは、非常に有用でありうる。このディスプレイは、本質的にダンベル型で、中央の実質的に四角い「首」部分６０６によって繋がれた２つの円状部分６０２と６０４を有する誘電性表面となっている。そこには、３つの独立して制御可能な電極、すなわち、円状部分の中心に位置する６０２と６０４の中心に円状の２つの電極６０８と６１０、および、首部分６０６の中心に位置する１つの四角い電極６１２がある。

図６に示すディスプレイは、以下のような方式で作動する。着色された油相が円状部分６０２に配置され、水相がその油相の上に横たわり、四角い電極６１２と円状部分６０４とに接するように拡がっていると、仮定する。油相が円状部分６０４の位置を占めるように、動かしたいと望むなら、電極６０８に電圧が印加され、こうして、この電極が親水性になり、電極６１２には電圧が印加されずに、この電極は疎水性になる。したがって、油相は、部分６０２から首部分６０６に移動する。次いで、電極６１２に電圧が印加され、その間、電極６０８に印加された電圧は維持され、電極６１０には電圧は印加されない。したがって、油相は首部分６０６から、円状部分６０４に動く。円状部分６０４にある油相の配置は、典型的には、安定であって、一度、油相が部分６０４に位置したら、電圧はどの電極にも電圧を印加する必要はない。

円状部分６０２と６０４は、図６では同じ大きさで示されているが、これら部分は、形状（例えば、一方が円状より楕円状でありうる）、大きさ、および／または、色が異なっていてもよい。さらに、円状部分の一つが、図１に示す隠蔽材１１２と同様の隠蔽材を備え、その円状部分にある油相が不明瞭になるようになっていてもよい。

図７は、本発明による導電性ビアディスプレイの模式側面図である。
本ディスプレイは、その機能性流体として、水性（典型的には着色された）媒体を使う。図７のディスプレイは、疎水性誘電体材料から形成された基板を備える。この目的のためには、例えば、ポリ（ビニリデン、フルオライド）といった極性ポリマー（ｐｏｌａｒ ｐｏｌｙｍｅｒ）中に、チタン酸バリウムといったセラミックｈｉｇｈ Ｋ（高誘電率）誘電体の入った懸濁液のように、非常にｈｉｇｈ Ｋの誘電体が好ましい。以下に記される理由から、基板７０２全体が絶縁性であれば、基板７０２の上方の露出表面（図７に示すように）の性質のみが、ディスプレイの作動に影響を与える。こうして、基板７０２は、例えば、ポリエチレンやポリ（エチレンテレフタレート）のようなｌｏｗ Ｋ材ベースの上に、ｈｉｇｈ Ｋの疎水性誘電性露出表面層を備えうる。

間隔を空けて複数のビア７０４が、基板７０２に拡がり、該ビアは基板の露出表面に接して終端となっている。各ビア７０４は、基板７０２の上方の露出表面に接する導電性ビア７０４の終端を覆う親水性コーティング形式の薄い終端キャップ部７０６で、蓋されている。図７で示されているのは、一列に並んだ３つのビア７０４のみであるが、実用的には、非常に多数のビアが用いられるし、二次元的に配列されるであろう。

滴７０８として描かれている水性の機能性流体は、基板７０２の露出表面で静止している。ビア７０４のいずれにも電圧が印加されていない状態では、滴７０８は、基板７０２の疎水性表面を濡らさないが、ビア７０４の１つのキャップ部７０６の周囲で、「丸くなる（ｂａｌｌ ｕｐ）」（これは、図７で示す状況ではない）。しかしながら、隣接し合う２つのビア（例えば、図７の中央と右のビア）に電圧を印加すると、これら両ビア間の基板７０２の表面部分は、疎水性が弱まり、その結果、滴７０８は、電圧を印加された２つのビアのキャップ部を横切って拡がり、図７に示すように、またぐような位置となる。キャップ部７０６と基板７０２の露出表面の特性が適切に選択されれば、滴７０８は、図７に示す位置で安定になる。つまり、その両電極から電圧を除去した後も、その滴は同じ位置にとどまる。なぜなら、その滴は、２つのビアのキャップ部７０６で両端を「ピン止め（ｐｉｎｎｅｄ）」されているからである。

この滴７０８を別の位置に移動させるには、電圧を、（例えば）中央と左のビア７０４に印加するとよい。これにより、これら両ビア間での基板７０２の露出表面部分の疎水性が弱まり、その結果、滴は表面の疎水性の弱い部分に流れ、図７に示す形状７０８’の位置を占める。水性流体に、さらに手の込んだ操作を行うことも、特に二次元配列のビアを用いた場合は、可能である。

既に述べたように、本発明は、エレクトロウェッティングディスプレイに、着色剤として、色素やナノパーティクルを使って、広く適用できる。エレクトロウェッティングディスプレイでは、この点に関して、油相および／または水性相に溶かした染料が使われてきた。しかし、溶液中の染料は、電磁気照射、特に、紫外線照射の長期的影響を受けやすく、染料の退色および／または脱色を招く傾向にあり、その結果、エレクトロウェッティングディスプレイの動作寿命を制限することで、よく知られている。溶解染料を色素あるいはナノパーティクルに置き換えることは、動作寿命を長くするのに有効である。さらに、色素あるいはナノパーティクルの使用は、色素あるいはナノパーティクルの表面性質の制御を、例えば、その上に荷電した基（ｇｒｏｕｐ）または荷電可能な基、あるいは、ポリマーなどを形成することで、可能とする。（例えば、米国特許公開番号第２００２／０１８５３７８号参照）

Claims (7)

1. 基板と、
   少なくとも光の１波長を吸収し、該基板に隣接して配置された第一の流体と、
   該第一の流体と混和しない光透過性の第二の流体と、
   該第一の流体に電圧を印加する少なくとも１つの電極と
   を備える、ディスプレイであって、
   該基板は、お互いに異なる第一の光学的特性および第二の光学的特性を有する第一の部分（Ｒ）と第二の部分（Ｇ）とを少なくとも有し、
   該第一の流体は、該第一の光学的特性および該第二の光学的特性のうちの少なくとも１つとは異なる第三の光学的特性を有し、
   該ディスプレイは、該基板の該第一の部分（Ｒ）に隣接した第一の電極と、該基板の該第二の部分（Ｇ）に隣接した第二の電極とを備え、
   該第一の電極と該第二の電極への印加電圧を制御することで、該第一の流体は、該第一の流体が該基板の該第二の部分（Ｇ）を実質的に覆い、該第一の部分（Ｒ）を覆わないままにする第一の位置、および、該第一の流体が該基板の該第一の部分（Ｒ）を実質的に覆い、該第二の部分（Ｇ）を覆わないままにする第二の位置を占めれるようにされていることを特徴とする、ディスプレイ。
2. 前記第一の流体は、前記基板の第一の部分と第二の部分（Ｒ、Ｇ）の双方を覆う第三の位置を占めれるようにされている、請求項１に記載のディスプレイ。
3. 前記基板は、前記第一の光学的特性、前記第二の光学的特性および前記第三の光学的特性とは異なる光学的特性を有する第三の部分（Ｂ）を有し、
   前記ディスプレイは、前記基板の該第三の部分（Ｂ）に隣接した第三の電極をさらに備え、
   前記第一の電極、前記第二の電極および該第三の電極への印加電圧を制御することで、前記第一の流体は第三の位置を占めるようにされ、該第一の流体は、実質的に前記基板の前記第一の部分および前記第二の部分（Ｒ、Ｇ）の少なくとも１つを覆い、該第三の部分（Ｂ）を覆わないままにする、請求項１に記載のディスプレイ。
4. 前記基板は、前記第一の光学的特性、前記第二の光学的特性および前記第三の光学的特性とは異なり、かつ、前記基板の前記第三の部分（Ｂ）とも異なる光学的特性を有する第四の部分（Ｋ）を有し、
   前記ディスプレイは、前記基板の該第四の部分（Ｋ）に隣接した第四の電極をさらに備え、
   前記第一の電極、前記第二の電極、前記第三の電極および該第四の電極への印加電圧を制御することで、前記第一の流体は第四の位置を占めれるようにされ、該第一の流体は、実質的に前記基板の前記第一の部分、前記第二の部分および前記第三の部分（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の少なくとも１つを覆い、該第四の部分（Ｋ）を覆わないままにする、請求項３に記載のディスプレイ。
5. 前記基板の前記第一の部分および前記第二の部分（Ｒ、Ｇ）は、実質的に正三角形の形状を有する、請求項１に記載のディスプレイ。
6. 前記基板の前記第一の部分および前記第二の部分は、実質的に円の形状を有し、該実質的に円状の第一の部分および第二の部分は、各実質的に円状の部分の直径よりも小さい幅を有する首部分で接続されている、請求項１に記載のディスプレイ。
7. 電極が、前記首部分上に配置されているか、あるいは、隣接されている、請求項６に記載のディスプレイ。