JP5816193B2 - エレクトロウェッティング、電気流体、および電気泳動技術用着色流体 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2009年12月18日出願の米国仮特許出願第61/287,933号の利益を主張し、その開示は、参照することにより全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、概して、エレクトロウェッティングの分野、より具体的には、エレクトロウェッティング、電気流体、または電気泳動デバイス用着色流体、ならびにエレクトロウェッティング、電気流体、および電気泳動デバイスに関する。

2種の非混和性流体間の界面張力は、電位により制御することができる。この基本原理は、画像材料を電場または電子伝達に供することにより画像材料の光学的状態が変調または変化する、日々成長し続ける広範な電気光学変調ディスプレイの群、例えばエレクトロウェッティング、電気泳動またはエレクトロクロミックデバイスにおいて使用されている。

エレクトロウェッティングは、高い輝度およびコントラスト比、広い視野角、ならびに速い切替速度の望ましい組合せに一部起因して、様々な光学用途のための魅力的な変調スキームとなっている。さらに、エレクトロウェッティングディスプレイはフロントまたはバックライトを必要としないため、その消費電力は比較的低い。例えば、エレクトロウェッティングは、光ファイバの光スイッチ、カメラおよび誘導システムの光シャッターまたはフィルタ、光ピックアップデバイス、光導波路材料、ならびにビデオ表示画素を提供するために使用されている。用語「エレクトロウェッティング」は、液体の疎水性表面との接触角に対する電場の効果を説明するものである。電場により、液体は、最初に液体をはじいていた表面上に広がり、または表面を濡らし、デバイスのスペクトル特性に変化をもたらす。電場が取り除かれると、接触角が増加し、スペクトル特性が初期状態に戻る領域に液体が収縮する。

初期のエレクトロウェッティングシステムは、水、および水と他の極性溶媒との混合物を使用していた。しかしながら、水の物理的特性、例えばより高温および凝固点での膨張等が、そのようなデバイスへの応用を制限している。水の使用に関連した問題を克服するために、グリコール、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジアセトンアルコール、シクロヘキサノン、酢酸ブチル、酢酸プロピル、γ-ブチロラクトン、エチルヘキサノール、およびイオン流体等の他の溶媒が、水の代替として提案されている。一般に使用されている非極性溶媒は、デカン、ドデカン、およびテトラデカン等のアルカン、フルオロアルカン、芳香族および部分水素化芳香族炭化水素、ヘテロ環式芳香族化合物、高級アルコールおよびカルボン酸、ならびにシリコーン油を含む。

着色非混和性流体は、電気流体およびエレクトロウェッティングデバイスの不可欠な部分であり、その用途においては視覚的情報および効果の再現が必要である。従来のエレクトロウェッティングデバイスは、典型的には、絶縁性フッ素ポリマー上に膜を形成する着色油を有する。この着色油膜は、目に見える色をデバイスに付与する。油膜の上に位置する水層と、絶縁性フッ素ポリマーの下の電極との間に電圧が印加されると、水が表面を電気的に濡らす(electrowet)ため、油膜が分裂する。分裂した油膜は、もはやデバイスに色を提供しない。電圧が取り除かれると、油が優先的に絶縁性フッ素ポリマーを濡らし、油膜が再形成され、再び色が明確となる。

一般に、着色剤は、染料または顔料であってもよい。染料は、塗布媒体に可溶である。すなわち、染料は、分子レベルまたは比較的小さいクラスタ(会合体)、例えば二量体、三量体、四量体等にまで溶媒に分散する。顔料は、本質的に塗布媒体に不溶であり、特定の分散液の形態で存在する。歴史的には、染料は、インクジェット用インク、カラーフィルタおよびエレクトロウェッティングデバイス等の様々なデジタル用途の最適な着色剤であった。この事実は、多種多様な製品が、鮮やかで強烈な一連の色、溶液の低い粘度、優れた透明性および着色流体の安定性を実証していることを考えると、理解に難くない。しかしながら、染料は、不良な耐光性および耐候性を含む、ある特定の欠点を有する。他の欠点は、特に精製された形態の場合の高コスト、非極性溶媒に対する不十分な溶解度、低い耐ブリード性、および/または不透明性の欠如を含む。染料が着色薬剤として使用されている用途においては、望ましい耐光性ならびに耐溶媒および耐ブリード性に起因して、近年有機顔料が実用化されてきている。一方、顔料は、透明性が比較的低く、顔料分散液の安定化が常に深刻な問題となっている。

Balaji Rajら、「Ion and Liquid Dependent Dielectric Failure in Electrowetting Systems」、Langmuir|3b2|ver.9|13/8/09

水および他の溶媒、ならびに着色剤の使用に関連した問題に対する取り組みがなされているものの、様々なエレクトロウェッティング、電気流体、および電気泳動デバイス用の改善された着色流体の明確な必要性が依然として残されている。

したがって、例えば、デバイスコンポーネントに対する悪影響が最小限または存在せず、デバイス性能を向上させることができ、好ましい期間にわたって所望の機能を維持することができる、エレクトロウェッティング、電気流体、または電気泳動デバイス用の改善された着色流体を提供することが有益である。

本発明の実施形態は、エレクトロウェッティング、電気流体、または電気泳動デバイス用着色流体を提供する。

一実施形態において、着色流体は、少なくとも1種の極性または非極性溶媒と、溶媒中の少なくとも1種のオリゴマーおよび/またはポリマー染料とを含む。オリゴマー染料は、1つまたは複数のオリゴマー鎖に結合した少なくとも1種の発色団を有し、ポリマー染料は、1つまたは複数のオリゴマーおよび/またはポリマー鎖に結合した少なくとも1種の発色団を有する。染料はまた、400から100,000の分子量、25℃で少なくとも5重量%の溶媒に対する溶解度、および25℃で0.5cPから2,000cPの動的粘度を有する。溶媒が極性溶媒である場合、着色流体は、約0.1μS/cmから3000μS/cmの伝導率、25℃で15ダイン/cmから90ダイン/cmの表面張力、ならびに、2.0Å未満の半径を有する単原子イオンおよび1.45Å未満の半径を有する多原子イオンの、500ppm未満の総含有量を有する。溶媒が非極性溶媒である場合、着色流体は、5×10^-3μS/cm未満の伝導率、および25℃で10ダイン/cmから40ダイン/cmの表面張力を有する。着色流体は、任意選択で顔料を含んでもよい。着色流体は、着色極性および/または着色非極性流体を特徴付ける。

別の実施形態において、エレクトロウェッティングまたは電気流体デバイスは、着色極性および/または着色非極性流体を含む。別の実施形態において、電気泳動デバイスは、着色非極性流体を含む。さらに別の実施形態において、ディスプレイ用画素は、着色極性および/または着色非極性流体を含む。

さらに別の実施形態において、ディスプレイ用画素の表示状態を変化させるための方法が提供される。この方法は、着色極性および/または着色非極性流体を含む画素の貯蔵部に、複数の電極を介して電位差を印加し、着色流体を移動させる、またはその形状を変化させることにより、画素の表示状態の変化を生成するステップを含む。

ディスプレイ技術におけるそのような着色流体の使用は、耐久性の改善を提供し、染料および顔料の選択を通して、より高レベルの色度およびより高いコントラスト比を達成する能力を提供する。着色流体はまた、速い切替速度、低い消費電力、およびより高いデバイス耐久性を提供することができる。

ディスプレイにおけるエレクトロウェッティングデバイスとしての使用のための代表的な画素を示す。 ディスプレイにおけるエレクトロウェッティングデバイスとしての使用のための代表的な画素を示す。 ディスプレイにおけるエレクトロウェッティングデバイスとしての使用のための代表的な画素を示す。 ディスプレイにおけるエレクトロウェッティングデバイスとしての使用のための代表的な画素を示す。 ディスプレイにおけるエレクトロウェッティングデバイスとしての使用のための代表的な画素を示す。 ディスプレイにおけるエレクトロウェッティングデバイスとしての使用のための代表的な画素を示す。 ディスプレイにおけるエレクトロウェッティングデバイスとしての使用のための代表的な画素を示す。 ディスプレイにおけるエレクトロウェッティングデバイスとしての使用のための代表的な画素を示す。 ディスプレイにおけるエレクトロウェッティングデバイスとしての使用のための代表的な画素を示す。

本明細書において使用される専門用語は、特定の実施形態の説明のみを目的とし、本発明の限定を意図しない。本明細書において使用される場合、文脈上異なる意味が明示されていない限り、単数形「a」、「an」および「the」は複数形もまた含むことが意図される。さらに、本明細書において使用される場合、用語「含む(comprises)」および/または「含む(comprising)」は、示された特徴、整数、ステップ、動作、要素、および/または成分の存在を指定するが、1つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、成分、および/またはそれらの群の存在または追加を除外しない。さらに、用語「含む(includes)」、「有する(having)」、「有する(has)」、「有する(with)」、「構成される(composed)」、「含む(comprised)」またはそれらの変化形が、発明を実施するための形態または特許請求の範囲において使用される限り、そのような用語は、用語「含む(comprising)」と同様に包含的であることが意図される。

本発明は、エレクトロウェッティング、電気流体、または電気泳動デバイス用着色流体に関する。エレクトロウェッティングおよび電気流体デバイスは、典型的には、疎水性誘電体および電極で構成され、他の親水性表面を含んでもよい。一般に、基板および接続された特徴は、少なくとも一方が着色された極性流体および非極性流体に暴露され、それらの流体は互いに混和または乳化可能ではない。電気泳動デバイスは、典型的には、荷電粒子を含む着色非極性流体のみを含む。本発明のデバイスにおいて使用される極性および/または非極性流体は、オリゴマーおよび/またはポリマー染料を含有してもよく、特定の電気伝導率、ならびに望ましい粘度、凝固点および沸点特性の属性を有することができ、また、誘電体基板およびデバイスの他のコンポーネントに対し悪影響を示し得る、性能を劣化させるイオンを低減または排除することができる。オリゴマーおよび/またはポリマー染料は、1つの相から他の相へ拡散すべきではなく、またはデバイスの表面を汚染するべきではない。

本発明の実施形態によれば、エレクトロウェッティングまたは電気流体デバイスとの使用のための着色流体は、一般に、少なくとも1種の極性溶媒と、溶媒中の少なくとも1種のオリゴマーおよび/またはポリマー染料と、任意選択で、有機もしくは無機顔料、または化学修飾法によりイオン性、非イオン性もしくはポリマー基を顔料表面に共有結合させることによって調製された表面改質顔料と、同様に任意選択で、界面活性剤、共力剤、電気伝導率制御のための添加剤、分散剤、殺生物剤、消泡剤および当業者に知られた他の機能性添加剤とを含んでもよい。着色流体は、着色極性流体を特徴付ける。

別の実施形態において、エレクトロウェッティング、電気流体、または電気泳動デバイスとの使用のための着色流体は、一般に、少なくとも1種の非極性溶媒と、溶媒中の少なくとも1種のオリゴマーおよび/またはポリマー染料と、任意選択で、有機もしくは無機顔料、または化学修飾法により非イオン性の低分子量もしくはオリゴマーもしくはポリマー基を顔料表面に共有結合させることによって調製された表面改質顔料と、同様に任意選択で、界面活性剤、共力剤、分散剤、当業者に知られた他の添加剤、またはそれらの任意の組合せとを含んでもよい。着色流体は、着色非極性流体を特徴付ける。

本発明の極性溶媒は、個別の溶媒または2種以上の溶媒の任意の組合せであってもよい。極性溶媒の制限されない例には、水、グリコール、ポリグリコール、アルコール、ポリオール、エーテル、エステル、ケトン、ケタール、ラクトン、ラクタム、ピロリドンおよびポリビニルピロリドン、ピロリジン、カーボネート、スルホン、スルホキシド、アミン、アミド、イミン、ニトリル、カルボン酸、アセタール、カルバメート、尿素、アルデヒド、ハロゲン化、チオもしくはニトロ化合物、イオン流体、またはそれらの任意の混合物が含まれる。

極性溶媒は、25℃で10を超える誘電率を示してもよい。別の例において、誘電率は、25℃で30を超える。

極性溶媒の動的粘度は、25℃で2000cP未満であってもよい。別の例において、動的粘度は、25℃で0.1cPから2000cPである。さらに別の例において、動的粘度は、25℃で0.1cPから500cPである。

また、極性溶媒は、30Vの直流または交流に対する20〜80%の範囲のエレクトロウェッティング相対感度(electrowetting relative response、EWRR)を示してもよい。EWRRは、本明細書において、以下の式に従い定義される。
EWRR=(Θ₀-Θ_V)×100/Θ₀、%
式中、Θ₀は、0Vの電圧での初期接触角であり、Θ_Vは、30Vの電圧での最終接触角である。接触角測定の好適な手順は、参照することによりその全内容が本明細書に組み込まれる、Balaji Rajら、「Ion and Liquid Dependent Dielectric Failure in Electrowetting Systems」、Langmuir|3b2|ver.9|13/8/09に記載されており、また以下の試験手順の項でさらに詳細に説明される。

本発明の非極性溶媒は、任意の液体または2種以上の液体の組合せであってもよい。非極性溶媒の制限されない例には、非置換直鎖および分岐鎖アルカンならびにその誘導体、例えばハロゲン化アルカン、置換および非置換芳香族炭化水素ならびに部分水素化芳香族炭化水素、脂肪アルコールおよびカルボン酸、エステルおよびアミド、またはそれらの任意の混合物が含まれる。デバイス内の非極性流体は、極性流体と非混和性であってもよく、この液体に溶解した成分は、極性流体に移動しなくてもよい。

非極性溶媒は、25℃で10未満の誘電率を示してもよい。別の例において、誘電率は、25℃で5未満である。

非極性溶媒の動的粘度は、25℃で2000cP未満であってもよい。別の例において、動的粘度は、25℃で0.1cPから2000cPである。さらに別の例において、動的粘度は、25℃で0.1cPから500cPである。

本明細書の目的において、オリゴマー染料は、共有またはイオン結合により、直接または連結基を介して1つまたは複数のオリゴマー鎖に結合した、少なくとも1種の発色団を含み、400から5,000の範囲の総分子量を有する化合物として定義される。ポリマー染料は、共有またはイオン結合により、直接または連結基を介して1つまたは複数のオリゴマーおよび/またはポリマー鎖に結合した、少なくとも1種の発色団を含み、5,000から100,000の範囲の総分子量を有する化合物として定義される。

一実施形態において、本発明のオリゴマーおよびポリマー染料は、以下の一般式の1つまたは複数により定義することができる。
(1)Q[X-(Y)_l]_m
(2)(Q-X)_p-Z-(X-Y)_q
(3)(Q-X)_P(X-Y)_qZ-Y-Z(X-Y)_q(X-Q)_p
(4)(Q-X)_P(X-Y)_qZ-L-Z(X-Y)_q(X-Q)_p
(5)Q-X-Y-X-Q
(6)Z(X-Y-X-Q)_p
(7)[(Y)_lX]_mQ-X-Y-X-Q[X(Y)_l]_m
(8)X-Q-X-Y-[X-Q-X-Y]_k-X-Q-X-Y
(9)Y(-X-Q)[Y(-X-Q)]_kY(-X-Q)Y
(10)Q[X₁ ^-Y₁ ⁺]_m
(11)Q[X₂ ⁺Y₂ ^-]_m
(12)[Y₁ ⁺X₁ ^-]_mQ-X-Y-X-Q[X₁ ^-Y₁ ⁺]_m
(13)[Y₂ ^-X₂ ⁺]_mQ-X-Y-X-Q[X₂ ⁺Y₂ ^-]_m
(14)Z{X-Y-X-Q[X₁ ^-Y₁ ⁺]_m}_p
(15)Z{X-Y-X-Q[X₂ ⁺Y₂ ^-]_m}_p

Qは、アゾまたはアゾ縮合化合物、金属錯体、ベンズイミダゾロン、アゾメチン、メチン、例えばシアニン、アザカルボシアニン、エナミン、ヘミシアニン、ストレプトシアニン、スチリル、ゼロメチン、モノ-、ジ-、トリ-、およびテトラアザメチン;カラテノイド、アリールメタン、例えばジアリールメタンおよびトリアリールメタン;キサンテン、チオキサンテン、フラバノイド、スチルベン、クマリン、アクリデン、フルオレン、フルオロン、ベンゾジフラノン、ホルマザン、ピラゾール、チアゾール、アジン、ジアジン、オキサジン、ジオキサジン、トリフェノジオキサジン、フェナジン、チアジン、オキサゾン、インダミン、ニトロソ、ニトロ、キノン、例えばヒドロキノン、ナフトキノン、およびアントラキノン;ローダミン、フタロシアニン、ニュートロシアニン、ジアザヘミシアニン、ポルフィリン、ペリノン、ペリレン、ピロニン、ジケトピロロピロール、インジゴ、インジゴイド、チオインジゴ、インドフェノール、ナフタルイミド、イソインドリン、イソインドリノン、イミノイソインドリン、イミノイソインドリノン、キナクリドン、フラバントロン、インダントロン、アントラピリミジン、キノフタロン、イソビオラントロン、ピラントロン、ならびにそれらの任意の組合せから選択され得る発色団を表す。Qはまた、任意の酸染料、直接染料、反応染料、媒染染料、油溶性染料、天然染料、分散染料、塩基性(カチオン性)染料、硫化染料、蛍光染料、食用色素、蛍光増白剤、または建染染料、または顔料の残基を表し得る。

より高い耐光性およびより高いモル吸光係数を示す発色団がより望ましい。

Xは、R、RC(O)O、ROC(O)、RC(O)NR₁、RNR₁C(O)、SO₂NR₁、SO₂、RO、RS、RNR₁、=N-、RNHC(O)NR₁、RNHC(O)O、ROC(O)NH、RC(O)OCH₂CH(OH)CH₂、ROCH₂CH(OH)CH₂、またはRNR₁CH₂CH(OH)CH₂であり、Rは、単結合、アルキル、アリール、アルキルアリール、またはヘテロ環であり、R₁は、H、アルキル、アリール、またはアルキルアリールである。

Yは、任意のポリビニル、ポリビニリデン、ポリジエン、ポリアルキレン、ポリ無水物、ポリアルキレングリコール、ポリアルコール、ポリエステル、ポリエポキシ、ポリウレタン、ポリアミン、ポリイミン、ポリアミド、ポリイミド、ポリ尿素、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリスルホン、ポリアルデヒド、ポリケトン、またはそれらの任意のランダム、ブロックもしくはグラフトコポリマーから選択されるオリゴマーまたはポリマーである。

Zは、1,3,5-および1,2,4-トリアジン、ベンゼン-1,3,5-トリカルボン酸、ベンゼン-1,2,4-トリカルボン酸、ベンゼン-2,3,5,6-テトラカルボン酸、グリセロール、ペンタエリスリトール、ジメチロールプロピオン酸、クエン酸、イソクエン酸、プロパン-1,2,3-トリカルボン酸、粘液酸、リンゴ酸、酒石酸、2,4-ジヒドロキシ安息香酸、1,3,5-トリアミノベンゼン、1,3,5-トリヒドロキシベンゼン、没食子酸、2-アミノ-1,3-プロパンジオール、またはトリエタノールアミンの基を表す。

Lは、単結合、二官能性連結基、例えば脂肪族、脂環式、芳香族またはヘテロ環式ジオール、ジアミン、ジカルボン酸もしくはそれらのハロゲン化物、ジエポキシ、ジイソシアネート、またはジスルホクロリドの残基、あるいはそれらの任意の組合せである。

X₁ ^-は、発色団Qのアニオン基、例えばスルホン酸基、ホスホン酸基、またはカルボン酸基を表し、X₂ ⁺は、発色団Qのカチオン基、例えばアンモニウム基、ホスホニウム基、スルホニウム基を表す。

Y₁ ⁺は、オリゴマーまたはポリマーYのカチオン基、例えばアンモニウム基、ホスホニウム基、またはスルホニウム基を表し、Y₂ ^-は、オリゴマーまたはポリマーYのアニオン基、例えばスルホン酸基、ホスホン酸基、またはカルボン酸基を表す。

lは、1〜2であり、mは、1〜8であり、pおよびqは、1〜4であり、p+qは、5未満であり、kは、0〜500である。

一例において、染料は、一般式(1)Q[X-(Y)_l]_m(式中、Qは、銅フタロシアニン、ベンズイミダゾロン、ジオキサジン、ペリレン、ジケトピロロピロール、キナクリドン、またはアントラキノン顔料の残基であってもよく、Xは、SO₂NR(式中、Rは、Hである)またはRC(O)O(式中、Rは、単結合である)であり、lは、1であり、mは、1〜3であり、Yは、300〜3000の分子量を有するポリエトキシル化またはポリアルキレンオリゴマー鎖である)で定義されるオリゴマー染料である。別の例において、染料は、蛍光染料である。

本発明のオリゴマーおよびポリマー染料は、モノマーおよびオリゴマーを、例えば以下の出発化合物:
Q-[X₁]_m
(式中、X₁は、RNHR₁; RCOOH; RCOCl; ROH、RSH、RSO₂Cl; RSO₃H; RHal; ROC(O)R₁Hal; RNHCOR₁Hal; R₁CH=CH₂; RNCO; RCHO、エポキシ、アミド、イミド、カルボン酸無水物、およびそれらの任意の組合せを表し、Q、R、およびR₁は、上に定義される通りであり、Halは、F、Cl、Br、またはIを表す)
と反応させることにより合成することができる。

本発明の染料の合成に好適な反応性モノマーおよびオリゴマーは、1種または複数種のビニル、ヒドロキシル、カルボキシル、無水物、ハロゲン、メルカプト、アルコキシ、エポキシ、イソシアナート、アミド、イミド、スルホン酸、ホスホン酸、1級、2級、3級もしくは4級アミノ基、またはそれらの任意の組合せを含有してもよい。

本発明のオリゴマーおよびポリマー染料は、伝導率およびイオン含有量に関する上に指定した条件が満たされる限り、合成直後に、追加的な精製を行うことなく、流体の配色に、および顔料分散剤として使用することができる。しかしながら、精製された染料は、全体的により良好な流体性能およびより望ましい長期のデバイス性能を提供する。任意の適切な技術が、オリゴマーおよびポリマー染料の精製に好適である。制限されない例には、クロマトグラフィー分離、溶媒置換による溶液からの沈殿、抽出、昇華、遠心分離、蒸留、再結晶化、分別結晶、限外濾過、逆浸透、またはそれらの任意の組合せが含まれる。

極性および非極性溶媒に対する溶解度に関して、本発明の染料は、少なくとも5重量%の溶媒に対する溶解度を示す。別の例において、溶解度は、10重量%を超える。さらに別の例において、溶解度は、20重量%を超える。

オリゴマーおよびポリマー染料はまた、追加的な官能基を含有してもよい。これらの官能基の制限されない例は、アルキル、アリール、アルキルアリール、ハロゲン、ニトロ、ニトロソ、シアノ、チオ、アミノ、アルキルアミノ、ヒドロキシル、カルボン酸、アルデヒド、無水物、アミド、スルホンアミド、カルボン酸およびスルホン酸の塩、またはそれらの任意の組合せである。

着色極性流体とともに利用されるオリゴマーおよびポリマー染料は、極性基を含有してもよいが、非イオン性極性基は電場の影響をより受けにくいため、非イオン性極性基がより望ましいことが理解される。

着色非極性流体とともに利用されるオリゴマーおよびポリマー染料は、流体の伝導率を5×10^-3μS/cmより高く増加させ得るいかなる基、イオン/対イオン、または不純物も含まないべきである。より高い伝導率は、流体およびデバイス性能に悪影響を及ぼし得る。

着色極性または非極性流体中のオリゴマーおよび/またはポリマー染料の含有量は、流体の総重量を基準として、約0.01重量%から約50重量%の範囲内であってもよい。0.01重量%を下回る染料濃度は、所望の色の強さを提供しない可能性があり、50重量%を超える染料濃度は、非常に暗い色および不十分なレオロジー挙動をもたらす可能性がある。一例において、極性または非極性流体中のオリゴマーおよび/またはポリマー染料の含有量は、約1重量%から約30重量%の範囲である。

極性および非極性流体中に含めることができる顔料は、アゾおよびアゾ縮合化合物、金属錯体、ベンズイミダゾロン、アゾメチン、メタン、アントラキノン、フタロシアニン、ペリノン、ペリレン、ジケトピロロピロール、インジゴ、チオインジゴ、ジオキサジン、イソインドリン、イソインドリノン、イミノイソインドリン、イミノイソインドリノン、キナクリドン、フラバントロン、インダントロン、アントラピリミジン、ナフタルイミド、キノフタロン、イソビオラントロン、ピラントロン顔料、もしくはカーボンブラック、またはそれらの任意の組合せおよび固溶体に属する任意の有機顔料を含み得る。

顔料は、金属酸化物、混合金属酸化物、アンチモンイエロー、クロム酸鉛、硫酸クロム酸鉛、モリブデン酸鉛、ウルトラマリンブルー、コバルトブルー、マンガンブルー、酸化クロムグリーン、水和酸化クロムグリーン、コバルトグリーン、金属硫化物、硫セレン化カドミウム、亜鉛フェライト、バナジウム酸ビスマス、またはそれらの誘導体等の任意の無機顔料であってもよい。

顔料はまた、任意の既知の体質顔料、例えばカーボネート、サルフェート、ホスフェートであってもよく、合成または鉱物性であってもよい。

顔料はまた、ポリスチレン、ポリアミド、ポリスルホン、またはポリスルフィド等の分散ポリマーであってもよい。顔料はまた、有機、無機顔料および体質顔料の任意の混合物、ならびにそれらの固溶体であってもよい。さらに、顔料は、任意のカプセル化された有機もしくは無機顔料または体質顔料、あるいは、無機核が有機シェルで、または有機核が無機シェルで被覆されたシェル型顔料であってもよい。

顔料は、化学修飾法によりイオン性、非イオン性またはポリマー基を顔料表面に共有結合させることによって調製された表面改質顔料であってもよい。改質基の制限されない例は、カルボキシ基、スルホン酸基、リン酸基、ヒドロキシル基、ポリアルキレングリコール基、ポリアルキレン基、ポリアミド基、およびポリエステル基、またはそれらの任意の組合せである。

顔料粒子は、動的光散乱粒径分析による、約10nmから約5μmの範囲の平均重量直径を有してもよい。別の例において、粒径は、20〜300nmの範囲である。

極性または非極性流体の顔料含有量は、着色流体の総重量を基準として、0重量%から50重量%の範囲であってもよい。一例において、顔料含有量は、着色流体の総重量を基準として、約0.1wt%から50wt%の範囲である。別の例において、顔料含有量は、着色流体の総重量を基準として、約1wt%から約20wt%の範囲である。0.1wt%を下回る顔料濃度は、通常、カラーコントリビューションを提供せず、50wt%を超える濃度は、電気的な濡れが効果的でない。

着色流体中に含めることができる界面活性剤は、任意のアニオン性、カチオン性、カチオン/アニオン性、両性イオン性(両性)、非イオン性界面活性剤、またはそれらの組合せであってもよい。界面活性剤は、より良好な染料溶解度、流体中の顔料粒子のコロイド安定化、界面張力の低下とそれによるエレクトロウェッティングをもたらすために必要な電圧の低下、および/または流体の伝導率の増加のために使用され得る。

着色流体は、流体中の顔料の0重量%から10重量%の界面活性剤を含んでもよい。

着色流体中に含めることができる共力剤は、スルホン酸、スルホン酸の金属塩、スルホン酸と1級、2級、3級、および4級アミンとの塩;スルホンアミド、フタルイミドメチル、アリールメチル、アルキルアミン、カルボン酸、カルボン酸の塩、アミドおよびエステル; アゾのカルボニル、アミドメチル、アルキルアミノメチル、アリールアルキルオキシ、フェニルチオおよびフェニルアミノ誘導体、金属錯体、ベンズイミダゾロン、アゾメチン、メタン、アントラキノン、フタロシアニン、ペリノン、ペリレン、ジケトピロロピロール、インジゴ、チオインジゴ、ジオキサジン、イソインドリン、イソインドリノン、イミノイソインドリン、イミノイソインドリノン、キナクリドン、フラバントロン、インダントロン、アントラピリミジン、キノフタロン、イソビオラントロン、ピラントロン顔料またはそれらの任意の混合物であってもよい。共力剤はまた、任意の市販または改質された直接染料、酸性染料、カチオン染料、反応染料、建染染料、硫化染料、および分散染料またはそれらの任意の組合せであってもよい。共力剤は、流体中の顔料粒子を安定化させるため、レオロジー特性を改善するため、および/または流体の伝導率を増加させるために、顔料表面改質に使用されてもよい。

着色流体は、流体中の顔料の0重量%から30重量%の共力剤を含んでもよい。

着色流体中に含めることができる分散剤は、ブロック、ランダム、櫛型ポリマーもしくはコポリマーであるアニオン性、カチオン性、および両性イオン性(両性)、非イオン性ポリマー、またはそれらの組合せのクラスから選択され得る。

任意選択で共力剤とともに使用されてもよい分散剤は、流体中の顔料の安定化に役立つ。着色流体は、流体中の顔料の0重量%から200重量%の分散剤を含んでもよい。

一実施形態において、エレクトロウェッティングまたは電気流体デバイスは、透明非極性流体と、オリゴマーおよび/またはポリマー染料で着色された着色極性流体とを含む。別の実施形態において、エレクトロウェッティングまたは電気流体デバイスは、透明極性流体と、オリゴマーおよび/またはポリマー染料で着色された着色非極性流体とを含む。さらに別の実施形態において、エレクトロウェッティングまたは電気流体デバイスは、他方の流体中に拡散することがないオリゴマーおよび/またはポリマー染料でそれぞれ着色された着色極性および着色非極性流体を含む。

さらに別の実施形態において、着色流体は、少なくとも1種の極性または非極性溶媒と、溶媒中の少なくとも1種のオリゴマーおよび/またはポリマー染料と、オリゴマーおよび/またはポリマー染料により安定化された少なくとも1種の顔料とを含み、顔料は、10〜200nmの範囲の平均重量直径を有する。別の例において、顔料は、20〜100nmの範囲の平均重量直径を有する。

別の実施形態において、複数の着色流体が互いに組み合わされてもよい。例えば、極性溶媒と、極性溶媒中のポリマーおよび/またはオリゴマー染料とを有する着色流体が、非極性溶媒と、非極性溶媒中のポリマーおよび/またはオリゴマー染料とを有する着色流体と組み合わされてもよく、それぞれの着色流体は、上述のような追加的な任意選択の成分を含む。

着色極性流体は、3000μS/cm以下の電気伝導率を有してもよい。別の例において、着色極性流体は、約0.1μS/cmから3000μS/cmの範囲の電気伝導率を有してもよい。別の例において、着色極性流体は、約5μS/cmから3000μS/cmまでの電気伝導率を有する。さらに別の例において、着色極性流体は、約5μS/cmから約500μS/cmまでの電気伝導率を有する。さらに別の例において、着色極性流体は、約10μS/cmから約300μS/cmまでの電気伝導率を有する。伝導率が低すぎる場合、適切なデバイス機能のためにより高い電圧を印加する必要がある。伝導率が高すぎる場合、絶縁破壊の確率が増加する。

必要に応じて、伝導率は、適切な塩の添加により容易に調節することができるが、以下でさらに説明される、誘電体の理論的動作電圧の3倍までの印加電圧における、流体を使用しているデバイス内の誘電体の電気的破壊を防止するために、任意の存在する2.0Å未満の半径を有する単原子イオンおよび1.45Å未満の多原子イオンの総濃度は、全体で500ppmを超えるべきではない。一例において、特定イオン種の含有量は、全体で300ppmを超えるべきではない。さらに別の例において、特定イオン種の含有量は、全体で100ppmを超えるべきではない。

さらに、着色極性流体は、25℃で約15ダイン/cmから約90ダイン/cmの表面張力を有する。別の例において、表面張力は、25℃で約25ダイン/cmから約75ダイン/cmである。

着色非極性流体の伝導率は、より高い伝導率が流体およびデバイス性能に有害となり得る場合、約5×10^-3μS/cmの値を超えるべきではない。

着色流体は、-40℃から80℃の温度範囲において安定性を示し得る。一例において、安定性は、少なくとも4週間持続する。

着色流体の動的粘度は、25℃で0.5cPから2,000cPであってもよい。別の例において、動的粘度は、25℃で0.1cPから500cPである。さらに別の例において、動的粘度は、25℃で0.5cPから100cPである。

極性流体と非極性流体との間の界面張力は、約2ダイン/cmから約70ダイン/cmであってもよい。別の例において、極性流体と非極性流体との間の界面張力は、約5ダイン/cmから約55ダイン/cmであってもよい。界面張力が低すぎる場合、極性流体および非極性流体の混合が生じ、高すぎる場合、エレクトロウェッティング応答に必要な電圧がより高くなる。

非極性溶媒を有する着色流体は、極性溶媒を有する着色流体と混和性であるべきではなく、またそれと安定なエマルジョンを形成するべきではない。そのために、非極性溶媒は、極性溶媒との約10%未満の交差溶解度(cross-solubility)レベルを有するべきである。一例において、交差溶解度は、約1%未満である。さらに、着色極性流体の成分は、着色非極性流体に移動するべきではなく、または、着色非極性流体の成分は、着色極性流体に移動するべきではない。

着色流体の調製において、成分は、500〜12,000RPMの範囲の回転速度の高速撹拌器を備えた槽内で混合され得る。次いで、混合物は、回転ボールミル、振動ミル、撹拌横型もしくは縦型メディアミル、バスケットミル、ロータ/ステータ型機械、または磨砕機等であるがそれらに限定されない既知の粉砕機器を利用して粉砕され得る。混合物は、バッチ操作により、または再循環および/もしくは別個の経路を用いて粉砕され得る。任意の既知の種類およびサイズのメディア、例えば、15μmから約10cmの範囲のサイズのガラス、セラミック、砂、ポリマー、および金属メディアを使用することができる。典型的なミルは、Eiger社、Netzsch社、Buhler社、Premier社、Hockmeyer社、Chicago Boiler社、Drais社、Union Process社等により製造されたミルを含む。あるいは、着色流体は、バッチプロセス機器、例えば回転ボールミルまたは撹拌ボールミルで生成されてもよい。前者は、Paul-O-Abbe社により提供されているものに代表され、後者は、Union Process社により供給されているものに代表される。いずれにおいても、メディアサイズは、上述のようなサイズの範囲であってもよく、メディア形状は、円形、規則的形状、不規則的形状、またはそれらの混合であってもよい。着色流体はまた、せん断機構を備えた任意の高エネルギー分散機、例えばIKA Works社製、Baker-Perkins社製、シグマブレードミキサー等で調製されてもよい。着色流体は、任意選択で、粗大顔料粒子、破損したメディア、または汚染物質を除去するために、濾過または/および遠心分離されてもよい。また、当技術分野において知られた他の調製方法が使用されてもよい。

着色流体の粘度は、Brookfield Viscometer LVDV-II+Proを用い、T=25℃、回転速度30RPM、およびスピンドル数18で測定する。粒径分布は、Nanotrac(商標)250、NPA250(Microtrac, Inc.製)およびMicrotrac(商標)UPA(Microtrac, Inc.製)を使用して決定する。着色流体の界面張力は、液滴張力計(drop tensiometer)IFT Tracker(商標)(Teclis社製)を使用して測定する。張力計は、液滴形状分析を使用して表面張力または界面張力を計算し、液滴形状は、表面張力の力および液滴に作用する重力により決定される。垂滴または上昇液滴の構成が使用されるが、構成は、流体の比重および光学特性により決定した。誘電率は、Scientifica 870 Liquid Dielectric Constant Meter(Princeton Instruments社製)を使用して、25℃で測定する。

着色流体の電気伝導率は、所望の範囲の伝導率を測定することができる伝導率計、例えばVWRモデル番号23226、Oakton(登録商標)Acorn Con 6、およびLiquid Conductivity Picosiemens/Metre、Model L40(Wolfson Electronics社製)を使用して、25℃で測定した。

電圧を印加した疎水性誘電体および電極基板上の接触角の変化を評価することにより、エレクトロウェッティング能力について着色流体を試験した。インジウムスズ酸化物(ITO)コーティングガラスを、周囲環境としてParylene C誘電体およびCytonix Fluoropel 1601V疎水性フッ素ポリマーの組合せで被覆した。あるいは、誘電体層は、Al₂O₃およびAsahi Cytop CTL-809M疎水性フッ素ポリマーから構成されてもよい。基板のITO層に一点で接続された導線は、接地電極として機能した。基板を透明非極性溶媒中に浸漬し、極性流体を有する着色流体の一滴を表面上に載せる。タングステン製針状プローブ(cat whisker probe)を介して2Vの増分の直流または交流を液滴に供給し、VCA Optimaソフトウェアプログラム(AST Products社製)を使用して、各電圧での液滴の接触角を記録および計算した。電圧の印加時に接触角が減少し、最終接触角が90℃未満となった場合、流体はエレクトロウェッティング可能であるとみなした。参照することによりその全内容が本明細書に組み込まれる、Balaji Rajら、「Ion and Liquid Dependent Dielectric Failure in Electrowetting Systems」、Langmuir|3b2|ver.9|13/8/09を参照されたい。さらに、着色極性流体は、流体伝導率が25μS/cm未満でない限り、伝導率調整を行わずに測定した。

また、絶縁破壊とも呼ばれる絶縁破損をもたらす傾向についても、着色流体を試験した。絶縁破損または破壊の確率は、誘電体層内へ、または/および誘電体層を通して移動し得る小イオン種が着色流体中に存在する場合、大きく増加する可能性がある。SnO₂:In₂O₃コーティングガラスを薄い誘電体層で被覆したが、これは、Asahi Cytopフッ素ポリマーと合わせたAl₂O₃、またはFluoropelフッ素ポリマーと合わせたParyleneであってもよい。試験する流体の1μLの液滴を基板上に載せ、タングステン製プローブを液滴内に設置した。-99Vから99Vの直流(DC)電圧掃引を完了させながら電流を測定した。絶縁破損は、1μAを超える電流または急激な電流の増加により示された。参照することによりその全内容が本明細書に組み込まれる、Balaji Rajら、「Ion and Liquid Dependent Dielectric Failure in Electrowetting Systems」、Langmuir|3b2|ver.9|13/8/09を参照されたい。本発明の目的で、所望の誘電体の理論的動作電圧の3倍までの印加電圧において絶縁破壊が生じなかった場合、流体は試験に合格したとみなした。再現性のために、各溶液に対して3滴から5滴の液滴を試験した。いくつかの例において、各溶液の最悪の結果が示された。

誘電体の理論的動作電圧は、7ダイン/cmのIFT値、75度のエレクトロウェッティング角、および180度のヤング角(Young's angle)を用いて、以下の式で計算した。

式中、V₀は、動作電圧であり、Θ_Vは、エレクトロウェッティング角であり、Θ_Yは、ヤング角であり、γ_NPは、極性流体と非極性流体との間の界面張力であり、ε₀は、誘電率であり、ε_rは、相対誘電率であり、dは、誘電体の厚さである。着色流体は、これにより計算されるような所望の誘電体の理論的動作電圧の3倍までの印加電圧において特定の方法で試験された際に、絶縁破壊をもたらすべきではない。

誘導結合プラズマ分光法(ICP)を用いた元素分析により、イオン含有量を測定した。金属含有量について、濃硝酸への分解、次いで脱イオン水への5%酸濃度までの希釈により試料を調製した。次いで試料を、Thermo Scientific iCAP 6000 ICP-OES機器に導入し、非イオン種の金属、半金属、ならびにリン、硫黄およびセレン等の非金属を含む全元素含有量を同定および定量した。ナトリウム、マグネシウム、カルシウム、鉄、アルミニウム、およびカリウムを含むがそれらに限定されないそのような元素の含有量がICPで決定される場合、全元素含有量の上限は、合計により確定される。本明細書において定義されるイオン含有量は、元素分析よりも低いことが知られており、したがって、イオン含有量の上限が確定される。さらに、全ハロゲン(臭素、塩素)含有量を、酸化により決定した。全ハロゲンを決定するために、試料をSchoniger酸化フラスコ内で酸化し、発生したハロゲンをアルカリ溶液中に吸収させた。次いで、ハロゲンをこの溶液から析出させ、重量測定法で決定した。多原子イオンは、イオン種に特異的な一般的分析技術により測定することができる。これらの分析技術は、pH、滴定法、比色法、分光法、重量法、または/および質量分析法を含むが、それらに限定されない。

(実施例)
以下の例は、本発明の詳細を例示するものであり、本発明の精神および範囲を限定することを意図しない。別段に指定されない限り、%および部は、常に重量%および重量部を示す。

(実施例1)
非極性流体用の黄色オリゴマー染料
2-(4-カルボキシフェニルアゾ)アセト酢酸アニリド43部およびオルト-クロロトルエン238部を、窒素パージ下で混合した。次いで、塩化チオニル20部およびジメチルホルムアミド1.5部を添加した。反応混合物を3時間かけて90℃に加熱し、この温度で1時間維持した。過剰の塩化チオニルを蒸留により除去し、次いで、ポリイソブチルアミンKerocom PIBA03(BASF社から入手可能)385部を添加し、真空を適用しながら90℃で3時間撹拌した。この段階で、温度を120℃に上げて5時間維持し、次いで真空下で溶媒を蒸留した。室温に冷却した後、粘稠性の黄色い流体を排出した。オリゴマー染料は、4-[(E)-(2,4-ジオキソペンタン-3-イル)ジアゼニル]-N-ポリイソブチルベンズアミド(mw=1700)と同定されたが、これは式(1)Q[X-(Y)_l]_m(式中、Qは、モノアゾ顔料残基であり、Xは、CONHであり、lは、1であり、mは、1であり、Yは、ポリイソブチルアミンである)に対応する。テトラデカンに対するオリゴマー染料の溶解度は、少なくとも20重量%であった。

(実施例2)
非極性流体用の赤色オリゴマー染料
ポリイソブチルアミンKerocom PIBA03(BASF社製)176部、キニザリン12.5部、およびロイコキニザリン12.3部を窒素流下で20分間混合し、70℃まで加熱し、70℃で2時間撹拌した。次いで、温度を130℃まで上げ、混合物を130℃で2時間および150℃で4時間窒素流なしで撹拌した。この時点で、出発材料の粒子は検出されず、反応物質の色は橙色から暗赤色に変化した。高温流体を反応器から排出した。オリゴマー染料は、1-ヒドロキシ-4-(ポリイソブチルアミノ)アントラセン-9,10-ジオン(mw=1700)と同定されたが、これは式(1)Q[X-(Y)_l]_m(式中、Qは、アントラキノン残基であり、Xは、NHであり、lは、1であり、mは、1であり、Yは、ポリイソブチルアミンである)に対応する。オリゴマー染料の収率は約200部であり、オリゴマー染料は、40重量%までのテトラデカンに対する溶解度を示した。

(実施例3)
非極性流体用の赤色オリゴマー染料
四口フラスコ内に、3,4,9,10-ペリレンテトラカルボン酸二無水物10部、酢酸亜鉛二水和物1.1部、ポリイソブチルアミンKerocom PIBA03(BASF社製)85部、およびN-メチルピロリドン100部を投入した。反応混合物を窒素流下で220℃に加熱し、この温度で16時間撹拌した。冷却後に粘稠性の暗赤色液体を反応器から排出し、水700部に導入した。濾過により生成物を回収し、水、次いでイソプロパノールで洗浄し、真空下で85℃で乾燥させた。オリゴマー染料は、ペリレンテトラカルボン酸-ビス-(ポリイソブチル)-イミド(mw=1700)と同定されたが、これは式(1)Q[X-(Y)_l]_m(式中、Qは、ペリレン顔料残基であり、Xは、=N-であり、lは、1であり、mは、2であり、Yは、ポリイソブチルアミンである)に対応する。テトラデカンに対する実施例のオリゴマー染料の溶解度は、少なくとも20重量%であった。

(実施例4)
非極性流体用の青色オリゴマー染料
35%の水系プレスケーキの形態において約1.2個の基の置換レベルを有する、35%の新しく調製した銅フタロシアニンスルホニルクロリドの水性プレスケーキ80部を、ポリイソブチルアミンKerocom PIBA03(BASF社製)85部、イソプロパノール100部、氷水100部、および炭酸ナトリウム15部の5℃の混合物に徐々に添加し、2時間撹拌した。反応混合物を50℃に加熱し、2時間撹拌し、温度を80℃に上げ、混合物をこの温度で3時間保持した。反応生成物を濾過し、水、次いでイソプロパノールで洗浄すると、非常に粘稠性の暗青色の物質が得られた。オリゴマー染料は、N-(ポリイソブチル)-銅フタロシアニンスルホンアミド(mw=1700)と同定されたが、これは式(1)Q[X-(Y)_l]_m(式中、Qは、フタロシアニン顔料残基であり、Xは、SO₂NHであり、lは、1であり、mは、1〜2であり、Yは、ポリイソブチルアミンである)に対応する。テトラデカンに対する実施例のオリゴマー染料の溶解度は、少なくとも20重量%である。

実施例1〜4のオリゴマー染料を、カラムクロマトグラフィーを用いて精製した。クロロホルム/2-ヘプタノン70/30部の混合物を溶離液として、またシリカゲル60を固定相として利用した。分離後、溶媒を蒸発させ、真空下で24時間80℃でオリゴマー染料を乾燥させ、次いでテトラデカンに溶解すると、10%の溶液が得られ、これを、上述のようにエレクトロウェッティング性能および絶縁破壊について試験した。実施例1〜4のオリゴマー染料は、十分なエレクトロウェッティング性能を示し、-99Vから99Vの直流(DC)電圧掃引で絶縁破壊を生じなかった。

(実施例5)
極性流体用の黄色オリゴマー染料
2-(4-カルボキシフェニルアゾ)アセト酢酸アニリド43部およびオルト-クロロトルエン238部を、窒素パージ下で混合した。次いで、塩化チオニル20部およびジメチルホルムアミド1.5部を添加した。反応混合物を3時間かけて90℃に加熱し、この温度で1時間維持した。過剰の塩化チオニルを蒸留により除去し、次いで、Surfonamine B-200(Huntsman社製)400部を添加し、真空を適用しながら90℃で3時間撹拌した。この段階で、温度を120℃に上げて5時間維持し、次いで真空下で溶媒を蒸留した。室温に冷却した後、粘稠性の黄色い流体を排出した。オリゴマー染料は、4-[(E)-(2,4-ジオキソペンタン-3-イル)ジアゼニル]-N-ポリエーテルベンズアミド(mw=2000)と同定されたが、これは式(1)Q[X-(Y)_l]_m(式中、Qは、モノアゾ顔料残基であり、Xは、CONHであり、lは、1であり、mは、1であり、Yは、ポリエトキシル化プロポキシル化オリゴマー鎖である)に対応する。γ-ブチロラクトンに対する実施例のオリゴマー染料の溶解度は、少なくとも20重量%であった。

(実施例6)
極性流体用の黄色オリゴマー染料
2-(4-カルボキシフェニルアゾ)アセト酢酸アニリド43部およびオルト-クロロトルエン238部を、窒素パージ下で混合した。次いで、塩化チオニル20部およびジメチルホルムアミド1.5部を添加した。反応混合物を3時間かけて90℃に加熱し、この温度で1時間維持した。過剰の塩化チオニルを蒸留により除去し、次いで、Surfonamine L-100(Huntsman社製)200部を添加し、真空を適用しながら90℃で3時間撹拌した。この段階で、温度を120℃に上げて5時間維持し、次いで真空下で溶媒を蒸留した。室温に冷却した後、粘稠性の黄色い流体を排出した。オリゴマー染料は、4-[(E)-(2,4-ジオキソペンタン-3-イル)ジアゼニル]-N-ポリエーテルベンズアミド(mw=1000)と同定されたが、これは式(1)Q[X-(Y)_l]_m(式中、Qは、モノアゾ顔料残基であり、Xは、CONHであり、lは、1であり、mは、1であり、Yは、ポリエトキシル化プロポキシル化オリゴマー鎖である)に対応する。プロピレングリコールに対する実施例のオリゴマー染料の溶解度は、少なくとも20重量%であった。

(実施例7)
極性流体用の黄色オリゴマー染料
2-(4-カルボキシフェニルアゾ)アセト酢酸アニリド43部およびオルト-クロロトルエン238部を、窒素パージ下で混合した。次いで、塩化チオニル20部およびジメチルホルムアミド1.5部を添加した。反応混合物を3時間かけて90℃に加熱し、この温度で1時間維持した。過剰の塩化チオニルを蒸留により除去し、次いで、Surfonamine L-207(Huntsman社製)400部を添加し、真空を適用しながら90℃で3時間撹拌した。この段階で、温度を120℃に上げて5時間維持し、次いで真空下で溶媒を蒸留した。室温に冷却した後、粘稠性の黄色い流体を排出した。オリゴマー染料は、4-[(E)-(2,4-ジオキソペンタン-3-イル)ジアゼニル]-N-ポリエーテルベンズアミド(mw=2000)と同定されたが、これは式(1)Q[X-(Y)_l]_m(式中、Qは、モノアゾ顔料残基であり、Xは、CONHであり、lは、1であり、mは、1であり、Yは、ポリエトキシル化プロポキシル化オリゴマー鎖である)に対応する。80部/20部のプロピレングリコール/水の混合物に対する実施例のオリゴマー染料の溶解度は、少なくとも20重量%であった。

(実施例8)
極性流体用の赤色オリゴマー染料
四口フラスコ内に、3,4,9,10-ペリレンテトラカルボン酸二無水物10部、酢酸亜鉛二水和物1.1部、Surfonamine B-200(Huntsman社製)90部、およびN-メチルピロリドン100部を投入した。反応混合物を窒素流下で220℃に加熱し、この温度で16時間撹拌した。冷却後に粘稠性の暗赤色液体を反応器から排出し、水700部に導入した。濾過により生成物を回収し、水、次いで水およびイソプロパノールの混合物で洗浄し、真空下で85℃で乾燥させた。オリゴマー染料は、ペリレンテトラカルボン酸-ビス-(ポリエーテル)-イミド(mw=2000)と同定されたが、これは式(1)Q[X-(Y)_l]_m(式中、Qは、ペリレン顔料残基であり、Xは、=N-であり、lは、1であり、mは、2であり、Yは、ポリエトキシル化プロポキシル化オリゴマー鎖である)に対応する。プロピレンカーボネートに対する実施例のオリゴマー染料の溶解度は、少なくとも20重量%であった。

(実施例9)
極性流体用の青色オリゴマー染料
35%の水系プレスケーキの形態において約1.2個の基の置換レベルを有する、35%の新しく調製した銅フタロシアニンスルホニルクロリドの水性プレスケーキ80部を、Surfonamine B-200(Huntsman社製)95部、イソプロパノール100部、氷水100部、および炭酸ナトリウム15部の5℃の混合物に徐々に添加し、2時間撹拌した。反応混合物を50℃に加熱し、2時間撹拌し、温度を80℃に上げ、混合物をこの温度で3時間保持した。反応生成物を濾過し、水、次いで水およびイソプロパノールの混合物で洗浄すると、粘稠性の暗青色の物質が得られた。オリゴマー染料は、N-(ポリエーテル)-銅フタロシアニンスルホンアミド(mw=2000)と同定されたが、これは式(1)Q[X-(Y)_l]_m(式中、Qは、フタロシアニン顔料残基であり、Xは、SO₂NHであり、lは、1であり、mは、1〜2であり、Yは、ポリエトキシル化プロポキシル化オリゴマー鎖である)に対応する。γ-ブチロラクトンに対する実施例のオリゴマー染料の溶解度は、少なくとも20重量%であった。

(実施例10)
青色オリゴマー染料で安定化された青色着色非極性流体
C. I. Pigment Blue 15:3(Sun Chemical社製)5部、実施例4のオリゴマー染料1.5部、およびテトラデカン93.5部を予混合し、次いでEigerミル内で0.8mmセラミックメディアとともに1時間粉砕した。平均粒径は150nmであり、流体伝導率は4.4×10^-5μS/cmであった。流体は、十分なエレクトロウェッティング性能を示し、-99Vから99Vの直流(DC)電圧掃引で絶縁破壊を生じなかった。

(実施例11)
青色オリゴマー染料で安定化された青色着色極性流体
C. I. Pigment Blue 15:3(Sun Chemical社製)5部、実施例9のオリゴマー染料1.5部、およびγ-ブチロラクトン93.5部を予混合し、次いでEigerミル内で0.8mmセラミックメディアとともに1時間粉砕した。平均粒径は135nmであり、流体伝導率は8.5μS/cmであった。流体は、十分なエレクトロウェッティング性能を示し、-99Vから99Vの直流(DC)電圧掃引で絶縁破壊を生じなかった。

本発明の着色流体の様々な実施形態を使用して、エレクトロウェッティング、電気流体、および/または電気泳動の原理により動作する電子ディスプレイ、カラーフィルタ、インクジェット用インク、液体トナー、および現像剤に配色を供給することができる。特定の一実施形態において、本発明の実施形態の着色流体は、画像を形成するためにエレクトロウェッティングの原理に従い動作するディスプレイにおいて使用され得る。一般に、エレクトロウェッティングデバイスは、非混和性の極性流体および非極性流体で充填された複数の個々の画素を含有する。各画素に印加される、またはそこから取り除かれる電圧が、極性流体の移動をもたらし、それにより、例えば着色状態から非着色または透明状態に画素の外観または状態を変化させる。

ディスプレイにおけるエレクトロウェッティングデバイスとしての使用のための代表的な画素10を、本発明の実施形態として図1A、1Bに示す。少なくとも1種の極性溶媒と、本発明の実施形態の1つに一致する少なくとも1種のオリゴマーおよび/またはポリマー染料とを含む極性流体12、ならびに非極性流体14が、貯蔵部16の内側に密閉されている。貯蔵部16は、第1の電極18と第2の電極20との間に配置される。電極18、20のそれぞれは、フッ素ポリマー等の絶縁体で構成されるそれぞれの疎水性コーティング22、24でコーティングされている。積層型構成の流体12、14、電極18、20、およびコーティング22、24は、基板26、28により支持される。電圧源30は、電極18、20間に接続され、画素10が表示状態を変化させるよう処理され得るように、さらにディスプレイの画素の制御回路(図示せず)と接続される。

基板26に光が供給され、流体12、14、電極18、20、コーティング22、24、および基板28の積層を通して、画素10の外部の環境に方向付けられる。図1Aに示されるように、電圧源30により電極18、20に印加される電圧の存在下で、極性流体12は、疎水性コーティング22上に膜を形成し、画素10が膜の配色に関連した視覚的外観を有するようになる。例えば、極性流体12が赤色である場合、赤の波長の光が画素10から観察される。疎水性コーティング22の領域上の極性流体12の表面積の増加により、画素10を通過する光の中で極性流体12の色が現れる。図1Bに示されるように、電位差が取り除かれると、極性流体12は、その形状を変化させ、それにより疎水性コーティング22の表面に対するその接触角を変化させることで応答する。図1Bの表示状態においては、より少ない光が極性流体12を通過し、それと比較してより多くの光が非極性流体14を通過するため、極性流体12の視覚的配色はより不明確である。極性流体12の配色を有さない非極性流体14は、図1B中の電極18、20に電圧がない場合、疎水性コーティング22の表面積のほとんどを優先的に濡らす。非極性流体14は、非着色または透明であってもよい。図1A、1Bに示される画素10のこれらの2つの対照的な表示状態は、画素10と同様の他の画素(図示せず)の対照的な表示状態と併せて、画像を生成するためにディスプレイにより使用され得る。画素10の電極18、20間に再び電位差が印加されると、極性膜12は、図1Bの表示状態から図1Aの表示状態に戻る。

画素10は、様々な代替構造を有することができ、図1A、1Bに示される構造は変動し得ることが、当業者に理解される。代替の実施形態において、画素10は、印加された電位差により極性流体12が図1Aの場合のような膜を形成し、印加された電位差を取り除くことにより図1Bにおける増加した接触角の状態が生成されるように構成されてもよい。あるいは、極性流体12は、電位差により、極性流体12が観察者から見えずに隠される画素10内の位置に移動してもよい。

同様の参照番号が図1A、1B中の同様の特徴を示す図2Aおよび2Bを参照すると、少なくとも1種の非極性溶媒と、本発明の実施形態の1つに一致する少なくとも1種のオリゴマーおよび/またはポリマー染料とを含む非極性流体14は、黒等の配色を有してもよく、画像を形成するために極性流体12と共に表示画素10において使用され得る。一実施形態において、黒色非極性流体14は、図2Aに示されるように、疎水性コーティング22上に膜を形成し、黒等の暗い画像領域を形成する。図2Bの場合のように、電位差が印加されると、極性流体12が疎水性コーティング22を濡らし、非極性流体14は、例えば減少した表面積を特徴とする液滴を形成するように移動する。その結果、非極性流体14の色は、画素10の小さな可視領域に制限され、画素10の外観は、主として、非着色または透明である極性流体12の配色を反映する。図2A、2Bに示される画素10のこれらの2つの対照的な表示状態は、画素10と同様の他の画素(図示せず)の対照的な表示状態と併せて、画像を生成するためにディスプレイにより使用され得る。

同様の参照番号が図1A、1B中の同様の特徴を示す、本発明の実施形態による図3A〜Cを参照すると、本発明の実施形態の極性流体12は、ディスプレイの画素40において使用されてもよく、極性流体12の液滴が画素40内で非可視位置(図3A)から可視位置(図3C)に移動する。基板26、28と同様の基板が存在するが、明確性のために図において省略されている。非可視位置と可視位置との間の極性流体12の遷移は、図3Bにおいて明らかである。画素40の電極18は、2つの別個の電極18a、18bに分割される。電極18aは、極性流体12が隠されて観察者に見えない画素40の一部に位置し、電極18bは、極性流体12が極性流体12への光の通過により観察者に見える画素40の一部に位置する。

電極18b、20間に印加される電位差を切り替えることにより、極性流体12は、非可視位置(図2A)から可視位置(図3B)に移動する。可視位置において、光は極性流体12を通過し、極性流体12の配色を反映する波長を得る。特徴的な配色を得た後、光は、疎水性コーティング24および電極20を通過し、画素40を出て観察者に達する。極性流体12は、電極18a、20への電位差の印加により、可視位置(図3C)から非可視位置(図3A)に戻り、再び初期表示状態を確立する。

図3A、3Cに示される画素40のこれらの2つの対照的な表示状態は、画素40と同様の他の画素(図示せず)の対照的な表示状態と併せて、画像を生成するためにディスプレイにより使用され得る。代替の実施形態において、画素40の非極性流体14は、極性流体12の配色に加えて着色されてもよい。本明細書に記載の極性流体12の実施形態は、画像コントラストを改善するために画素40等のデバイス画素において使用され得る。

本発明の実施形態に一致する組成物を有する着色非極性流体はまた、ディスプレイ用の電気泳動デバイスにおいて使用することができる。同様の参照番号が図1A、1B中の同様の特徴を示す、本発明の実施形態による図4A、4Bを参照すると、非極性流体14は、単一粒子型電気泳動ディスプレイ(single particle type electrophoretic display)の画素50の対比色として使用され得る。具体的には、荷電粒子52がある体積の非極性流体14中に懸濁され、画素50は、非極性流体14の配色の外観を有する。電圧源30からの電圧により電極18、20間に電位差が印加されると、荷電粒子52は、図4Bに示されるように、電極18、20の少なくとも一方、この場合電極20に向けて静電的に引き付けられる。着色非極性流体14のバルク内における荷電粒子52の再分配の結果、画素50の視覚的外観は、表示状態の変化により荷電粒子52の配色を反映するように変化する。図4A、4Bに示される画素10のこれらの2つの対照的な表示状態は、画素50と同様の他の画素(図示せず)の対照的な表示状態と併せて、画像を生成するためにディスプレイにより使用され得る。あるいは、非極性流体14中の染料が適切に帯電した場合、着色非極性流体14は、二粒子型ディスプレイ(dual particle type display)において対比色となってもよい。

したがって、従来の染料と比較した、特に非極性溶媒に対するより高い溶解度によって、オリゴマーまたはポリマー染料の使用は、望ましい色の濃さおよび飽和度を提供し、デバイス内のより薄い着色層の構築、およびより高いコントラスト比を達成する能力を可能とする。また、オリゴマーおよびポリマー染料は、そのより高い分子量のために、より低い温度、例えば-40℃未満において、溶液中で結晶化をより生じにくいだけでなく、一方の流体から他方の流体により拡散しにくく、それにより、改善されたデバイス信頼性を提供する。さらに、オリゴマーおよびポリマー染料は、可溶化基が好ましくは非イオン性であることを考えると、小イオンの含有量または流体の伝導率を増加させることなく、改善された溶解度を提供する。これらの特性は、既存の染料に勝る改善された性能を提供し、エレクトロウェッティング、電気泳動、および電気流体クロマトフォアデバイス用の着色極性および非極性流体の分散および安定化剤としての望ましい実用性を有する。

様々な実施形態の説明により本発明を例示し、またこれらの実施形態を極めて詳細に説明したが、出願人は、添付の特許請求の範囲をそのような詳細に制限またはいずれの様式でも限定することを意図しない。追加的な利点および修正が、当業者に容易に明らかとなる。したがって、本発明は、そのより広い態様において、示され説明された特定の詳細、代表的装置および方法、ならびに例示的な例に限定されない。ゆえに、出願人の全般的な発明概念の精神または範囲から逸脱しない範囲で、そのような詳細からの逸脱が生じ得る。

10 画素
12 極性流体
14 非極性流体
16 貯蔵部
18 第1の電極
18a 電極
18b 電極
20 第2の電極
22 疎水性コーティング
24 疎水性コーティング
26 基板
28 基板
30 電圧源
40 画素
50 画素
52 荷電粒子

Claims (21)

1. 少なくとも1種の極性または非極性溶媒と、溶媒中の少なくとも1種のオリゴマーおよび/またはポリマー染料とを含む着色流体であって、オリゴマー染料が、1つまたは複数のオリゴマー鎖に結合した少なくとも1種の発色団を有し、ポリマー染料が、1つまたは複数のオリゴマーおよび/またはポリマー鎖に結合した少なくとも1種の発色団を有し、染料が、400から100,000の分子量、25℃で少なくとも5重量%の溶媒に対する溶解度、および25℃で0.5cPから2,000cPの動的粘度をさらに有し、
   溶媒が極性溶媒である場合には、着色流体は、0.1μS/cmから3000μS/cmの伝導率、25℃で15ダイン/cmから90ダイン/cmの表面張力、ならびに、2.0Å未満の半径を有する単原子イオンおよび1.45Å未満の半径を有する多原子イオンの、500ppm未満の総含有量を有し、溶媒が非極性溶媒である場合には、着色流体は、5×10^-3μS/cm未満の伝導率、および25℃で10ダイン/cmから40ダイン/cmの表面張力を有する、着色流体。
2. 前記オリゴマーまたはポリマー染料が、以下の式:
   (1)Q[X-(Y)_l]_m
   (2)(Q-X)_p-Z-(X-Y)_q
   (3)(Q-X)_P(X-Y)_qZ-Y-Z(X-Y)_q(X-Q)_p
   (4)(Q-X)_P(X-Y)_qZ-L-Z(X-Y)_q(X-Q)_p
   (5)Q-X-Y-X-Q
   (6)Z(X-Y-X-Q)_p
   (7)[(Y)_lX]_mQ-X-Y-X-Q[X(Y)_l]_m
   (8)X-Q-X-Y-[X-Q-X-Y]_k-X-Q-X-Y
   (9)Y(-X-Q)[Y(-X-Q)]_kY(-X-Q)Y
   (10)Q[X₁ ^-Y₁ ⁺]_m
   (11)Q[X₂ ⁺Y₂ ^-]_m
   (12)[Y₁ ⁺X₁ ^-]_mQ-X-Y-X-Q[X₁ ^-Y₁ ⁺]_m
   (13)[Y₂ ^-X₂ ⁺]_mQ-X-Y-X-Q[X₂ ⁺Y₂ ^-]_m
   (14)Z{X-Y-X-Q[X₁ ^-Y₁ ⁺]_m}_p
   (15)Z{X-Y-X-Q[X₂ ⁺Y₂ ^-]_m}_p
   (式中、
   Qは、発色団であり、
   Xは、R、RC(O)O、ROC(O)、RC(O)NR₁、RNR₁C(O)、SO₂NR₁、SO₂、RO、RS、RNR₁、=N-、RNHC(O)NR₁、RNHC(O)O、ROC(O)NH、RC(O)OCH₂CH(OH)CH₂、ROCH₂CH(OH)CH₂、またはRNR₁CH₂CH(OH)CH₂であり、Rは、単結合、アルキル、アリール、アルキルアリール、またはヘテロ環であり、R₁は、H、アルキル、アリール、またはアルキルアリールであり、
   Yは、ポリビニル、ポリビニリデン、ポリジエン、ポリ無水物、ポリアルキレングリコール、ポリエステル、ポリエポキシ、ポリウレタン、ポリアミド、ポリイミド、ポリ尿素、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリスルホン、ポリアルデヒド、ポリケトン、またはそれらのランダムもしくはブロックコポリマーから選択されるオリゴマーまたはポリマーであり、
   Zは、1,3,5-および1,2,4-トリアジン、ベンゼン-1,3,5-トリカルボン酸、ベンゼン-1,2,4-トリカルボン酸、ベンゼン-2,3,5,6-テトラカルボン酸、グリセロール、ペンタエリスリトール、ジメチロールプロピオン酸、クエン酸、イソクエン酸、プロパン-1,2,3-トリカルボン酸、粘液酸、リンゴ酸、酒石酸、2,4-ジヒドロキシ安息香酸、1,3,5-トリアミノベンゼン、1,3,5-トリヒドロキシベンゼン、没食子酸、2-アミノ-1,3-プロパンジオール、またはトリエタノールアミンの基であり、
   Lは、単結合または二官能性連結基であり、
   X₁ ^-は、発色団のアニオン基であり、
   X₂ ⁺は、発色団のカチオン基であり、
   Y₁ ⁺は、オリゴマーまたはポリマーのカチオン基であり、
   Y₂ ^-は、オリゴマーまたはポリマーのアニオン基であり、
   lは、1〜2であり、mは、1〜8であり、pおよびqは、1〜4であり、p+qは、5未満であり、kは、0〜500である)
   の少なくとも1つにより定義される、請求項1に記載の着色流体。
3. 前記溶媒が、極性溶媒である、請求項1に記載の着色流体。
4. 前記極性溶媒が、10を超える誘電率、25ダイン/cmから90ダイン/cmの表面張力、25℃で0.1cPから2,000cPの動的粘度、および30Vの直流または交流に対する20〜80%の範囲のエレクトロウェッティング相対感度(EWRR)を有する、請求項3に記載の着色流体。
5. 前記極性溶媒が、水、グリコール、ポリグリコール、アルコール、ポリオール、エーテル、エステル、ケタール、ラクトン、ケトン、ラクタム、ピロリドンおよびポリビニルピロリドン類、ピロリジン類、カーボネート、尿素類、スルホン、スルホキシド、アミン、イミン、アミド、ニトリル、カルボン酸、アセタール、カルバメート、アルデヒド、ハロゲン化、チオもしくはニトロ化合物、イオン流体、またはそれらの任意の混合物から選択される、請求項3に記載の着色流体。
6. 前記極性溶媒が、水、1,2-プロピレングリコール、1,3-プロピレングリコール、1,4-ブチレングリコール、プロピレンカーボネート、β-プロピオラクトン、β-バレロラクトン、γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン、またはそれらの任意の組合せである、請求項3に記載の着色流体。
7. 前記溶媒が、非極性溶媒である、請求項2に記載の着色流体。
8. 前記非極性溶媒が、10未満の誘電率、25℃で0.1cPから2,000cPの動的粘度、および10ダイン/cmから40ダイン/cmの表面張力を有する、請求項7に記載の着色流体。
9. 前記非極性溶媒が、直鎖もしくは分岐鎖脂肪族もしくは芳香族炭化水素、部分水素化芳香族炭化水素、脂環式もしくは芳香族ヘテロ環式化合物、またはハロゲン、ニトロ、ニトロソ、もしくはシアノ基を含有するそれらの誘導体、脂肪アルコールおよびカルボン酸、エステル、アミド、またはそれらの任意の混合物から選択される、請求項7に記載の着色流体。
10. 前記非極性溶媒が、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカン、テトラデカン、テトラリン、またはデカリンである、請求項7に記載の着色流体。
11. 前記オリゴマーおよび/またはポリマー染料が、流体の0.01重量%から50重量%の量で存在し、前記極性または非極性溶媒が、流体の50重量%から99.99重量%の量で存在する、請求項1に記載の着色流体。
12. 顔料をさらに含む、請求項1に記載の着色流体。
13. 前記顔料が、10nmから200nmの粒径を有する、請求項12に記載の着色流体。
14. 前記オリゴマーおよび/またはポリマー染料が、流体の0.01重量%から40重量%の量で存在し、前記顔料が、流体の0.01重量%から30重量%の量で存在し、前記極性または非極性溶媒が、流体の40重量%から99.98重量%の量で存在する、請求項12に記載の着色流体。
15. 前記染料が、蛍光染料である、請求項1に記載の着色流体。
16. 請求項1〜15のいずれか一項に記載の着色流体を含む、エレクトロウェッティングまたは電気流体デバイス。
17. 透明な極性または非極性流体をさらに含む、請求項16に記載のデバイス。
18. 前記着色流体が、着色極性流体を特徴付ける極性溶媒を含み、非極性溶媒を含むことにより着色非極性流体を特徴付ける、請求項1に記載の別の着色流体をさらに含む、請求項16に記載のデバイス。
19. 非極性溶媒を含むことにより非極性流体を特徴付ける、請求項1に記載の着色流体を含む電気泳動デバイス。
20. 請求項1〜15のいずれか一項に記載の着色流体を含む、ディスプレイ用画素。
21. ディスプレイ用画素の表示状態を変化させるための方法であって、
    請求項1〜15のいずれか一項に記載の着色流体を含む画素の貯蔵部に、複数の電極を介して電位差を印加し、着色流体を移動させる、またはその形状を変化させることにより、画素の表示状態の変化を生成するステップを含む方法。

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