JP6110725B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、帯電した粉体の移動によって画像を繰り返し表示、消去できる画像表示装置に関するものである。

現在、最も普及している画像表示装置（ディスプレイ）である液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）は、電力を消費して自ら光を放つ画像表示装置であり、原理的に消費電力が大きい。そこで、これに代わる外光を利用した画像表示装置として電気泳動方式、電子粉流体方式、エレクトロクロミック方式、ポリマーネットワーク液晶方式、エレクトロウェッティング方式などの技術を用いた外光反射型画像表示装置が提案されている。これらは、ＬＣＤと比較して圧倒的に消費電力が低く、一般的な印刷物に近い広視野角を持ち、画像を保持できるメモリ機能を有している等のメリットがあるため、次世代の有望なディスプレイとして電子書籍リーダー、電子印刷物、電子ペーパー、大型サイネージ等への展開が期待されている。

図７は、反射型画像表示装置の一例として、特許文献１に示された電子粉流体方式を用いた静電画像表示装置の構造を示す説明図である。静電画像表示装置７００は、基板７１、７２間に２種以上の色の異なる粒子７３、７４を封入し、クーロン力により粒子７３、７４を移動させ、画像を表示する。

最初に粒子を帯電させる方法としては、摩擦帯電方式を用いている。摩擦帯電方式とは、異なる２種類の粒子を擦り合わせることにより、一方から他方へ電子が移動し、電位差を生じさせる静電気現象を利用した方式である。粒子の帯電が弱くなったところで、再度粒子を擦り合わせるリフレッシュ動作を行うことで、帯電レベルを一定以上に保つことができる。

粒子７３、７４は、各粒子の粒子径分布のスパンを大きく、かつ各粒子間の粒子径分布のスパンを狭くしている。このように、粒子の粒径分布、粒径などを最適に組み合わせることにより、基板表面に付与された電荷に応じて粒子の移動が連続的に起きるように閾値をなくし、精度のよい中間色や中間コントラストを得ることができる。

特開２００３−９１０２３号公報（平成１５年３月２８日公開）

しかしながら、上記特許文献に示された静電画像表示装置においては、摩擦帯電方式を用いているため、粒子の帯電を起こすために粒子を擦り合わせるリフレッシュ動作を繰り返していると、粒子同士の摩擦あるいは衝突により、粒子の変形、陥没、破損などが生じ、粒子の劣化が早まり、装置の寿命が短くなる。さらに、粒子の帯電密度においても、その粒子間もしくは粒子内においてバラツキが生じやすく、駆動性能の悪化要因となっていた。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、摩擦帯電方式の本質的な課題であった粒子の劣化による短寿命化を解消し、長時間繰り返し安定して画像を表示できる画像表示装置を実現することにある。

本発明に係る画像表示装置は、帯電した粉体を電界により移動させ、画像を表示する画像表示装置であって、前記粉体は、相対向して配置された透明電極と電子放出素子の間に封入されており、前記電子放出素子から放出された電子により前記粉体を帯電させることを特徴とする。

また、前記粉体は、少なくとも２種類であることを特徴としてもよい。

また、前記電子放出素子は、相対向する２枚の電極間に半導電層を設けたことを特徴としてもよい。

また、前記画像表示装置は、電源を備え、前記電源は前記電子放出素子の表面電極と前記透明電極の間に所望の電圧を印可することを特徴としてもよい。

また、前記電源は、前記電子放出素子の稼働中は、前記電子放出素子の表面電極と前記透明電極間に交流電圧を引加し、前記粉体による表示動作中は、前記電子放出素子の表面電極と前記透明電極の間に直流電圧を印加することを特徴としてもよい。

本発明によれば、粒子の劣化による短寿命化を解消し、長時間繰り返し安定して画像を表示できる画像表示装置を実現することが可能となる。

実施形態１に係る画像表示装置１００の平面図である。 実施形態１に係る画像表示装置１００の断面図である。 透明電極１に５００Ｖの直流電圧を印加した場合の画像表示装置１００の模式図である。 透明電極１に１０００Ｖの直流電圧を印加した場合の画像表示装置１００の模式図である。 透明電極１に−５００Ｖの直流電圧を印加した場合の画像表示装置１００の模式図である。 実施形態４に係る画像表示装置２００の動作を説明する図である。 従来技術における静電画像表示装置の概略図である。

以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付してある。なお、以下の実施形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

＜実施形態１＞
図１は、実施形態１に係る画像表示装置１００の平面図であり、図２は、断面図である。なお、図１においては電源を省略している。画像表示装置１００は、透明電極１、電子放出素子２、粉体３、スペーサ４、電源５１、５２より成る。

透明電極１は、一般的に装置外側から粉体の色が確認できる透明基板及び導電性透明材料より成る。透明電極１の材料としては、可視光の透過率が高くかつ耐熱性に優れたものが望ましい。例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム等の金属化合物、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン等の導電性高分子類より成り、電極厚みは、導電性が確保でき、光透過性に支障がなければ良く、５〜５００ｎｍが望ましい。本実施形態では、膜厚１５０ｎｍのＩＴＯをガラス基板に成膜したものを用いた。

電子放出素子２は、相対向する２枚の電極間に半導電層を有し、これら電極間に電圧を印加することにより電子を放出するものである。図２に示すように、本実施形態の電子放出素子２は、基板電極となる第１電極２１と、表面電極となる第２電極２２と、第１電極
２１と第２電極２２の間に設けられた半導電層２３とを有している。また、電子放出素子２は、第１電極２１と第２電極２２の間に電圧を印加する電源５１を備え、電源５１のマイナス極に第１電極２１が電気的に接続され、電源５１のプラス極に第２電極２２が電気的に接続されている。そして、第１電極２１と第２電極２２の間に電圧を印加することにより、第２電極２２から電子ｅ−を放出し、粉体３をマイナスに帯電させる。本実施形態では、第１電極２１として厚み０．５ｍｍのＡｌ基板、第２電極２２として厚み５０ｎｍのＡｕＰｄ膜を用いた。

半導電層２３は、導電性微粒子、絶縁性微粒子、樹脂のいずれかもしくはこれらを組み合わせたものが用いられる。中でも、導電性微粒子と樹脂を組み合わせたものが好ましい。この組み合わせによれば、電子ｅ⁻の放出効率が高いため、低い電圧で効率よく電子ｅ⁻を放出することができる。本実施形態では、Ａｇナノ粒子とシリコーン樹脂の複合材（厚さ１．５μｍ）を用いた。

粉体３は、例えば球形で比重の小さい粒子が好適である。粒径としては１００ｎｍ〜１ｍｍの範囲で適宜調整可能である。粉体３の形状は球形に限られることはなく、これ以外の形状でも構わない。材料としては、酸化チタン、カーボンブラック、アルミニウム粉、ガラス、石英等の無機系粒子、ウレタン系、ナイロン系、シリコーン系等の有機ポリマー粒子等があげられる。これらの粒子は顔料や染料により着色されたものであってもよい。また、色や粒径の異なる複数種の粉体を組み合わせて用いてもよい。例えば、図２に示すように、Ａ色を示す粉体３１、Ｂ色を示す粉体３２のような組み合わせを行う。このように、複数種の粉体を組み合わせることで、コントラストに優れた画像を表示することができる。本実施形態では、粒径５０μｍと１２０のμｍのスチレン／アクリル樹脂粒子を用いた。

スペーサ４は、透明電極１と電子放出素子２との間に配置され、粉体の余分な移動を阻止し、耐久繰り返し性、メモリ保持性を向上させるとともに、空間を一定に保ち、補強し、装置の強度を高める。スペーサ４に用いられる材料としては、表示面に影響が少ない透明材料が適している。本実施形態では、直径１ｍｍのガラス管を用いた。

電源５２は、透明電極１と第２電極２２間に電圧を印加するものである。電子放出素子２から放出された電子ｅ⁻により、粉体３はマイナスに帯電し、このマイナスに帯電した粉体３を移動させることで画像が表示される。具体的には、電源５２によって透明電極１と第２電極２２間に直流電圧を印加し、直流電圧の極性をスイッチング（切り替え）、あるいは電圧の強弱を制御することにより、所望の画像が表示される。

ここで、粉体３１、３２に働く力について説明する。粉体に働く力は主に５つあり、外部電界によるクーロン力、電気鏡像力、ファンデルワールス力、その他付着力、重力である。その他付着力には、液架橋力、電極表面のコンタミの帯電に由来するクーロン力などが含まれる。これら５つの力を電極からの脱離力と付着力に分けると、脱離力となるものは外部電界によるクーロン力のみであり、付着力となるものは電気鏡像力、ファンデルワールス力、その他付着力の３つあり、重力はどちらにもなり得る。本実施形態において、重力は付着力と比べて十分に小さいため無視できる。

このとき、すでに帯電させた粉体がある場合、付着力となる電気鏡像力、ファンデルワールス力、その他付着力の３つの力は、電圧に依存しない一定の付着力を有する。しかしながら、脱離力となる外部電界によるクーロン力は印可電圧に依存するため可変となる。本実施形態では、一定の付着力に対し脱離力が可変であることと、脱離力が帯電量に比例することを動作原理として用いている。

次に、上記画像表示装置１００の具体的な表示方法について説明する。

まず、電子放出素子２を駆動し、電子ｅ⁻を放出することにより、粉体３１、３２を帯電させる。具体的には、第２電極２２に対し第１電極２１に−１５Ｖの直流電圧を印加し、透明電極１に対し第２電極２２に１００Ｖの直流電圧を印加する。

透明電極１、電子放出素子２及びスペーサ４により形成された閉空間において、電子放出素子２より放出された電子ｅ⁻が粉体３１、３２をマイナスに帯電させる。ここで、電源５２によって透明電極１に電圧を印可することで、閉空間内に均一な外部電界を発生させ、電子放出素子２から放出された電子ｅ⁻にエネルギーを与えることができる。よって、効率的に粉体３１、３２を帯電させることができ、またその帯電量の大小を制御することも可能となる。さらに、摩擦による帯電ではないため、粉体の変形や破損などの恐れがない。

次に、画像表示の動作について説明する。マイナスに帯電した粉体３１、３２を透明電極１、電子放出素子２及びスペーサ４により形成された閉空間内の対向する電極の方向に移動させることで、画像の表示切り替えを行う。粉体の移動は、電極からの脱離力が付着力を上回ったときに起きる。透明電極１に印可される電圧に対して、付着力は一定であるが、脱離力は比例するため、ある閾値電圧に達したところで粉体３１、３２は脱離し、移動する。このとき、脱離力は粉体の帯電量に比例するため、粒径の小さい方がより大きな閾値電圧が必要となる。ここで仮に粉体３１の移動には、電源５２により５００Ｖを超える電圧印加が必要である場合、粉体３１より粒径のより大きい粉体３２は、５００Ｖ以下の電圧であっても粉体移動が可能である。

図３は、電源５２により透明電極１に５００Ｖの直流電圧を印加した場合の画像表示装置１００の模式図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は断面図である。なお、図３（ａ）においては電源を省略している。

透明電極１には５００Ｖの電圧がかかっているため、マイナスに帯電した粉体３２は透明電極１に引き寄せられて着弾し、図３（ａ）に示すように画像表示面には粉体３２のＢ色が表示される。このとき、粉体３１は移動に十分な外部電界が発生していないため、現状のままであり、透明電極１には着弾せず、Ａ色は表示されない。

図４は、電源５２により透明電極１に１０００Ｖの直流電圧を印加した場合の画像表示装置１００の模式図であり、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は断面図である。なお、図４（ａ）においては電源を省略している。

透明電極１は、粉体３１の移動に十分な電界が発生しているため、マイナスに帯電した粉体３１は、図４（ｂ）に示すように、透明電極１に引き寄せられて粉体３２の下面に着弾する。ここで、既に粉体３２が透明電極１に着弾しているため、表示面の表示は粉体３２のＢ色が表示されたままである。ここで、電源５２による印加電圧を変化させることにより、画像の表示切り替えが行われる。

図５は、電源５２により透明電極１に−５００Ｖの直流電圧を印加した場合の画像表示装置１００の模式図であり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は断面図である。なお、図５（ａ）においては電源を省略している。

透明電極１は−５００Ｖの電圧がかかっているため、マイナスに帯電した粉体３１、３２のうち、粒径の大きい粉体３２は、透明電極１から反発して離れ、電子放出素子２の表面に着弾する。一方粉体３１は粒径が小さいので、透明電極１と反発するには至らないため、透明電極１から離れず、留まったままとなる。よって、図５（ａ）に示すように画像表示面には粉体３１のＡ色が表示される。

次に、再度Ｂ色を表示させるためには、電源５２により透明電極に−１０００Ｖの直流電圧を印加し、一旦、粉体３１も電子放出素子２に着弾させた後、再び図３に示すように透明電極に５００Ｖの直流電圧を印加する。すなわちＡ色とＢ色の表示切り替えを行う場合は、粉体の大きさに応じて、透明電極１の極性及び印加電圧の大きさを変化させることで実現される。

＜実施形態２＞
次に、実施形態２について説明する。本実施形態では、粉体の帯電密度のばらつきを軽減し、よりむらなく帯電させる方法について説明する。

まず、電子放出素子２を駆動し、電子ｅ⁻を放出することにより、粉体３１、３２を帯電させる。具体的には、第２電極２２に対し第１電極２１に−１５Ｖの直流電圧を印加し、透明電極１に対し第２電極２２に１００Ｖの交流電圧を印加する。

電子放出素子２より放出された電子ｅ⁻は、通常一方向にしか進まないところ、電源５２により交流電圧を印加することで、透明電極１、電子放出素子２及びスペーサ４により形成された閉空間において交流電界が発生し、放出された電子ｅ⁻は閉空間内を飛び交うので、粉体がいずれの位置にあっても、電子ｅ⁻が届き、むらなく均一に帯電させることができる。さらに、摩擦による帯電ではないため、粉体の変形や破損などの恐れもない。

＜実施形態３＞
次に、実施形態３について説明する。本実施形態では、粉体３の大きさは同じであって、材料が異なる例について説明する。

本実施形態においては、粉体として粒径０．５ｍｍのガラス粒子とアクリル粒子を用いる。ガラスは、誘電率が５程度であり、アクリル粒子は誘電率が３程度である。このように誘電率の異なる材料を用いることにより、粒子表面の飽和帯電密度が異なるため、等しい粒径であっても帯電量は異なる。ゆえに、電源５２の印加電圧の大小により実施形態１と同様の独立制御が可能となる。

なお、上記各実施形態において、粉体の種類について、粒径、材料を２種類として説明したが、これに限らず、画像表示装置の仕様により適宜設定すればよい。

以上説明したとおり、本発明によれば、粒子の劣化による短寿命化を解消し、長時間繰り返し安定して画像を表示できる画像表示装置を実現することが可能となる。

＜実施形態４＞
次に実施形態４について説明する。本実施形態では、粉体として１種類のものを用い、また光源を用いた例について説明する。

図６は、実施形態４に係る画像表示装置２００の動作を説明する図である。本実施形態においては、粉体３３としてＣ色を示す粒径０．５ｍｍの着色ガラス粒子を用いる。また、透明電極１の端部には光源６を備える。本実施形態では、光源６を透明電極１の一端部のみに設けているが、これに限らず、透明電極の端部全周囲に設けても構わないし一部に設けても構わない。本実施形態では、実施形態１と同様の方法で粉体３３の帯電、及び粉体の移動を行えるが、粉体を１種類のみ用いるため画像の表示切り替え方法が異なる。以下、画像表示の動作について説明する。

まず、上記実施形態１と同様に、電子放出素子２を駆動し、電子ｅ⁻を放出することにより粉体３３を帯電させる。具体的には、第２電極２２に対し第１電極２１に−１５Ｖの直流電圧を印加し、透明電極１に対し第２電極２２に１００Ｖの直流電圧を印加することで、粉体３３をマイナスに帯電させる。

次に、図６（ａ）に示すように、電源５２により透明電極１に５００Ｖの直流電圧を印加し、
マイナスに帯電した粉体３３を透明電極１に着弾させる。このとき、光源６から発せられた光は透明電極１内を反射しながら進み、粉体３３が透明電極１に着弾している部分は、光が散乱され、表示面にはＣ色が表示される。

ここで、図６（ｂ）に示すように、電源５２により透明電極１に−５００Ｖの直流電圧を印加する。マイナスに帯電した粉体３３は、透明電極１から反発して離れ、電子放出素子２の表面に着弾する。粉体３３は、透明電極１から離れており光散乱は起こらないため、表示面は黒色表示となる。

従来の摩擦帯電方式は、異なる２種類の粒子を擦り合わせることにより、一方から他方へ電子が移動し、電位差を生じさせる静電気現象を利用した方式であるため、粒子の帯電には少なくとも２種類の粒子が必要となるが、本発明によれば、電子放出素子２から放出された電子により粉体を帯電させているので、実施形態４に示すように１種類の粉体のみであっても、帯電させ、画像表示が可能となる。さらに、摩擦による帯電ではないため、粉体の変形や破損などの恐れがない。

以上説明したように、本発明によれば、摩擦帯電方式の本質的な課題であった粒子の劣化による短寿命化を解消し、長時間繰り返し安定して画像を表示できる画像表示装置を実現することが可能となる。

本発明に係る画像表示装置は、電子書籍リーダー、電子印刷物、電子ペーパー、大型サイネージ等に好適に利用することが出来る。

１ 透明電極
２ 電子放出素子
２１ 第１電極
２２ 第２電極
２３ 半導電層
３、３１、３２、３３ 粉体
４ スペーサ
５１、 ５２ 電源
６ 光源
１００、２００ 画像表示装置

Claims (5)

1. 帯電した粉体を電界により移動させ、画像を表示する画像表示装置であって、
   前記粉体は、相対向して配置された透明電極と電子放出素子の間に封入されており、
   前記電子放出素子から放出された電子により前記粉体を帯電させることを特徴とする画像表示装置。
2. 前記粉体は、少なくとも２種類であることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
3. 前記電子放出素子は、相対向する２枚の電極間に半導電層を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の画像表示装置。
4. 前記画像表示装置は、電源を備え、
   前記電子放出素子の前記相対向する２枚の電極は前記透明電極と相対向しており、前記相対向する２枚の電極であって前記透明電極に近接する側の電極を表面電極とし、
   前記電源は前記電子放出素子の前記表面電極と前記透明電極の間に所望の電圧を印可することを特徴とする請求項３に記載の画像表示装置。
5. 前記電源は、前記電子放出素子の稼働中は、前記電子放出素子の前記表面電極と前記透明電極間に交流電圧を引加し、
   前記粉体による表示動作中は、前記電子放出素子の前記表面電極と前記透明電極の間に直流電圧を印加することを特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。