JP7122965B2 - 内部全反射型画像ディスプレイにおける双安定性強化 - Google Patents

Description

本開示は、２０１５年９月２日に出願された米国仮特許出願第６２／２１３，３４４の出願日に基づく優先権を主張するものであり、その全体が参照により援用される。

本願は、概して、反射型画像ディスプレイに関する。特に、本開示は、内部全反射型画像ディスプレイにおける双安定性の実現に関する。

内部全反射（ＴＩＲ）型画像ディスプレイにおける光変調は、低屈折率の媒体内における複数の電気泳動で移動する光吸収粒子の少なくとも１つの移動によって制御可能である。この粒子は、電気泳動媒体全体にかけられる電圧下で、凸状突起を有する高屈折率の正面シートの表面にあるエバネッセント波領域を出入りする移動が可能である。この粒子は、正電荷又は負電荷のいずれかをそれぞれ１つの光学特性を伴って有することができる。このディスプレイの第１の光学的状態は、粒子がエバネッセント波領域に入り、入射光線が可動粒子によって吸収され、ＴＩＲがフラストレート(frustrate)されることで形成され得る（「暗状態」と呼ぶ）。第２の光学的状態は、粒子がエバネッセント波領域から出て背面電極に向かうことによって、光線が内部全反射して輝状態又は明状態を形成することで現れ得る。このディスプレイは、任意に第２の複数粒子を含むことができる。この粒子は、第２の色を有し、複数の第１の粒子と反対の電荷極性を有して、第３の光学的状態をもたらし得るものである。種々の光学的状態への制御方法で画素を駆動することによって、画像を形成し、視聴者に情報を表示することができる。

この画像は、ディスプレイへの電源投入がオフになってから一定期間保持され得ると、双安定性を呈することになる。双安定性（「画像安定性」とほぼ同じ意味）があると、電池寿命が延び、動作中のエネルギー費用が低減される。双安定性によって更に、ディスプレイ寿命が延び、維持費および交換費の低減も可能である。これらは、商業用途及び単一ユーザ用途におけるＴＩＲ画像ディスプレイの採用に関するキー属性の一部である。当該技術分野において双安定性の向上が必要である。

本開示のこれら及びその他の実施形態を、以下の例示及び非限定的である図面を参照して説明し、同様の構成要素については同様の符号を付す。

本開示の一実施形態に係る、双安定性強化層(bistability enhancement layer)を有するＴＩＲ画像ディスプレイの断面図を示す。

スイッチング中の、双安定性強化層を有するＴＩＲ画像ディスプレイのグラフ表示である。

本開示の或る実施形態を実施するための例示的システムを概略的に示す。

開示する実施形態は、概して、画像双安定性を提供する方法、システム、及び装置に関する。一実施形態において、双安定性強化層を備える装置が開示される。以下に開示する実施形態は、その電源オン時に、スイッチング特性を維持しながら双安定性及び光学性能を向上させる。本開示の双安定性強化層は、その装置に電源が投入されている間、ディスプレイの速度やスイッチング性能に実質的に影響を与えることはない。

図１は、本開示の一実施形態に係る、双安定性強化層を有するＴＩＲ画像ディスプレイの断面図を示す。図１のディスプレイ１００は、外面１０４が視聴者１０６に対向した状態で、連続する透明な正面シート（「外面シート」とも呼ぶ）１０２を備える。正面シート１０２は、ポリマー又はガラスの１種以上を含み得る。更に、シート１０２は、内向き面上に複数の凸状突起１０８を備える。この凸状突起は、図１に示すように、ビーズ又は半ビーズを１つ以上備えたもの、ビーズか半ビーズの形状であるもの、又は半球状の突起であるもののいずれでもよい。凸状突起の少なくとも１つは、ポリマーを含み得る。この凸状突起は、互いに接近して配されることによって、突起の１つの直径と略同等の厚さを有し、かつ内側に突出する単一層を形成可能である。この複数の突起は、種々の大きさの突起から構成可能である。各突起は、それに直接隣接する全ての突起に接触していてよい。隣接する突起の間は、最小限の介在ギャップが存在するか、ギャップが全く存在しないかのどちらかである。例示的実施形態において、シート１０２は、約１．６を超える屈折率を有することができる。複数の凸状突起１０８を有するシート１０２は、エンボス加工、押出し、これに類似する他の方法、又はそれらの組み合わせによって製造可能である。いずれの設計であっても、それぞれの突起はＴＩＲが可能であり、ＴＩＲ型ディスプレイにおいて代替的に使用可能である。

図１のディスプレイ１００は、凸状突起のアレイ１０８の表面に透明な正面電極１１０を更に備えることができる。正面電極層１１０は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、ＢＡＹＴＲＯＮ Ｐ（商標）又は導電性ナノ粒子等の導電性ポリマー、金属ナノワイヤ、グラフェン、その他の導電性炭素同素体、あるいは、略透明なポリマーに分散するこれらの材料の組み合わせの１つ以上から構成可能である。

ディスプレイ１００は、背面支持シート１１２を更に備えることができる。シート１１２の内側表面は、背面電極層１１４を備えたものとして図示している。背面電極１１４は、電極のＴＦＴアレイ、パターン化されたダイレクトドライブアレイ、又はパッシブマトリクスアレイの１つ以上を備えることができる。任意に、１つ以上の誘電体層（不図示）を、正面電極層１１０及び背面電極層１１４の一方又は両方の上に配置することができる。この１つ以上の任意の誘電体層はそれぞれ、少なくとも８０ナノメートルの厚さを有してよい。一例示的実施形態において、当該厚さは、約８０～２００ナノメートルである。この任意の誘電体層は、ポリマー又はガラスの１種以上を含み得る。一例示的実施形態において、この誘電体層は、パリレンを含み得る。その他の実施形態において、この誘電体層は、ハロゲン化パリレンを含み得る。一例示的実施形態において、誘電体層は、ポリイミドを含み得る。その他の実施形態において、誘電体層は、極性基のない、Ｓｉ０ _２ 、フッ素重合体、ポリノルボルネン、又は炭化水素系ポリマーを含み得る。正面電極及び背面電極の一方又は両方に任意に配される誘電体層はそれぞれ、少なくとも８０ナノメートルの厚さを有することができる。一例示的実施形態において、当該厚さは、約８０～２００ナノメートルである。実施形態によっては、この誘電体層に、ピンホールを形成してもよい。

正面シート１０２及び背面シート１１２によってキャビティ１１６が形成され、このキャビティ１１６に媒体１１８を含めることができる。媒体１１８は、空気又は液体であってよい。実施形態によっては、媒体１１８を、炭化水素にすることができる。その他の実施形態において、媒体１１８を、フッ素化炭化水素又はパーフルオロ化炭化水素にすることができる。媒体１１８は、透明であってもよい。媒体１１８を、約１．４未満の屈折率を有する液体としてもよい。一例示的実施形態において、媒体１１８の屈折率は、外面シート１０２の屈折率を下回る。一例示的実施形態において、媒体１１８は、フロリナート(Fluorinert)（商標）でもよい。

図１のディスプレイ１００は、媒体１１８内に懸濁させる複数の光吸収粒子１２０を更に含むことができる。粒子１２０は、正又は負の電荷極性を有してよい。粒子は、染料、顔料、又はそれらの組み合わせでよい。この粒子は、有機材料又は無機材料の１種以上を含み得る。媒体１１８は、第２の複数粒子（図１には不図示）を更に含むことができる。この第２の複数粒子は、電荷極性を有する、僅かに帯電している、または帯電していない、のいずれでもよい。この第２の複数の粒子は、複数の第１の粒子の電荷極性とは反対の電荷極性を有する少なくとも１つの粒子を含み得る。複数の第２の粒子は、光吸収性又は光反射性の一方または両方を有してもよい。複数の第２の粒子は、染料、顔料、又はそれらの組み合わせでよい。複数の第２の粒子は、有機材料又は無機材料の１種以上を含み得る。媒体１１８はさらに、分散剤、帯電剤、界面活性剤、凝集剤、粘度調整剤、又はポリマーの１つ以上を含むことができる。

ディスプレイ１００は、バイアス電圧源（図１において不図示）を更に備えることができる。バイアス源は、キャビティ１１６内の媒体１１８全体にバイアス電圧をかけて、複数の第１の粒子１２０の少なくとも１つを電気泳動的に移動させることができる。バイアス源はさらに、任意の第２の複数の粒子の少なくとも１つを移動させることができる。バイアス源を使用することによって、正面電極１１０に、背面電極１１４に、又は電極間のキャビティ１１６内のいずれかの位置に、複数の粒子を移動させることができる。

一実施形態において、ディスプレイ１００は、双安定性強化層１２２を更に備える。この双安定性強化層は、層１１０と媒体１１８との間に位置するように、正面電極層１１０上に直接的又は間接的に配置可能である。また、層１１４と媒体１１８との間において背面電極層１１４（図１において不図示）上に、第２の双安定性強化層を追加配置してもよい。双安定性強化層１２２は、ディスプレイのスイッチング性能を維持しつつ、ディスプレイにおける双安定性を向上させ得る層である。

層１２２の表面特性を、層１２２の表面と電気泳動で移動する粒子１２０との間の引力を制御するように調整することができる。この引力を、層１２２の保持強度とも呼ぶことができる。正面電極層１１０又は背面電極層１１４の一方または両方に分子が付着又は結合すると、双安定性強化層を形成することができる。層１２２は、種々の電気陰性度を持つペンダント基を含み得る。実施形態によっては、双安定性強化層の形成に使用する一部の分子に、炭化水素を含有するペンダント基を含めることができる。実施形態によっては、この双安定性強化層は、ハロゲン化炭化水素を含み得る。このハロゲン化炭化水素は、フッ素、塩素、又は臭素原子の１つ以上を含み得る。その他の実施形態において、双安定性強化層の一部のペンダント基は、ベンジル、チオフェン、ピロール、フラーレン、アントラセン基、あるいは、広範な電子非局在化をもたらすその他の化学基の１つ以上等の、種々の電子非局在化レベルを有してもよい。その他の実施形態において、双安定性強化層の一部のペンダント基は、水素結合が可能であり、例えば、アミン、チオール、ヒドロキシル、又はカルボン酸等である。その他の実施形態において、一部の基は、第四アミン、アルコキシド等のように、イオンを含み、帯電していてもよい。本開示内に記載の双安定性強化層を形成するペンダント基は、正面電極層１１０に共有結合可能である。一例示的実施形態において、このペンダント基は、オルガノシラザン系又はオルガノシラン系の１つ以上であってもよい。その他の実施形態において、オルガノシラザン又はオルガノシランの１つ以上は、ＩＴＯ系正面電極層又は背面電極層の１つ以上に共有結合可能である。

実施形態によって、図１のディスプレイ１００は、双安定性強化層１２２としても機能可能な誘電体層を備えることができる。この誘電体層は、無機材料又は有機材料の１種以上であってよい。例えば、Ｓｉ０ _２ は、両方の材料として使用可能である。Ｓｉ０_２表面のヒドロキシ基（ＯＨ）は極性であるため、粒子１２０の表面との相互作用に用いることができる。Ｓｉ０_２表面のヒドロキシ基（ＯＨ）は、０^－Ｎａ^＋等のアルコキシド基に変換可能である。Ｓｉ０_２層の性質は、酸基又は塩基との反応によって調整可能である。

実施形態によって、この誘電体層は、化学的に活性な部分を有することができる。この部分では、その他の分子が誘電体層の表面に共有結合することによって、層１２２を形成し、表面特性を変更することができる。例えば、Ｓｉ０_２は、分子が誘電体層表面の遊離Ｓｉ－ＯＨ部分に結合するため、誘電体層として使用可能である。この誘電体層を、パリレン系ポリマーで形成することができる。特定の置換パリレンコーティングを使用してもよい。このコーティングは、分子がその表面に共有結合可能な化学的活性部分を有することができる。好ましくは、パリレン系コーティングを、ピンホールのない均一な膜を形成することから、使用可能である。一実施形態において、主鎖の繰り返し単位毎に１アミン基を有するパリレンＡを使用可能である。別の一実施形態において、ポリマーの主鎖の繰り返し単位毎に１メチレンアミン基を有するパリレンＡＭを使用可能である。別の一実施形態において、ポリマーの主鎖の繰り返し単位にホルミル基を有するパリレンＨを使用可能である。その他の実施形態において、ポリマーの主鎖に架橋性炭化水素部分を有するパリレンＸを使用可能である。

実施形態によっては、多孔質のＳｉ０ _２ 層を、正面電極層１１０又は背面電極層１１４の一方または両方の上に配置して、分子が付着する固着層として機能させることによって、粒子相互作用層とすることが可能である。この固着層を使用して分子を付着させ、典型的には電極層に対して付着できないはずの双安定性強化層を形成することができる。実施形態によっては、薄いＳｉ０ _２ 層を電極層上に塗布して、オルガノシラザン又はオルガノシラン系ペンダント基の１つ以上を付着させることができる。多孔質なＳｉ０ _２ 層は、誘電体層が不要な用途の場合、あるいは、ピンホールを有する誘電体層が必要な場合には、誘電体層として機能しなくてもよい。

その他の実施形態において、界面活性剤を媒体１１８に添加してもよい。この界面活性剤は、正面又は背面電極層の一方または両方、あるいは、任意の正面又は背面誘電体層の一方または両方に親和性を有することができる。例として、Ｃａｐｓｔｏｎｅ ＦＳ－２２、Ｃａｐｓｔｏｎｅ ＦＳ－８３、又はＣａｐｓｔｏｎｅ ＦＳ－３１００等のデュポン社製Ｃａｐｓｔｏｎｅシリーズのフッ素系界面活性剤からのフッ素系界面活性剤、あるいは、Ｍａｓｕｒｆ ＦＳ－２８００、Ｍａｓｕｒｆ ＦＳ－２９００等のパイロットケミカル社製のＭａｓｕｒｆシリーズのＳＣＴフルオロ脂肪系界面活性剤からのフッ素系界面活性剤を媒体１１８と混合させる。このフッ素系界面活性剤は、移動して上記誘電性コーティング表面をフッ素化させることができる。

その他の実施形態において、所望の反応性官能基を有する界面活性剤を、誘電性コーティング剤と組み合わせてもよい。この界面活性剤は、誘電性コーティング形成中にコーティング面に実質的に移動可能であり、誘電性コーティング硬化工程中にコーティングマトリクスに共有結合可能である。一例示的実施形態において、この界面活性剤は、フッ素、臭素、又は塩素原子の１つ以上によりハロゲン化され得る。

一実施形態において、Ｓｉ０ _２ の層を、正面電極及び背面電極の両方の上で任意の誘電体層及び双安定性強化層として使用可能である。別の一実施形態において、Ｓｉ０ _２ の層を、正面電極上のみの任意の誘電体層及び双安定性強化層として使用可能である。別の一実施形態において、Ｓｉ０ _２ の層を、背面電極上のみの任意の誘電体層及び双安定性強化層として使用可能である。

実施形態によっては、１つのＳｉ０ _２ 層を、正面電極及び背面電極の片方または両方の上にある任意の誘電体層、固着層、又はこれらの両方として使用可能である。この表面上に以下の１種以上、すなわちＮ－プロピルトリメトキシシラン（ＳＩＰ６９１８）、ヘキサデシルトリメトキシシラン（ＳＩＨ５９２５）、３，３，３－トリフルオロプロピルトリメトキシシラン（ＳＩＴ８３７２）、Ｎ－トリメトキシシリルプロピル－Ｎ，Ｎ，Ｎ－トリメチルアンモニウムクロライド（ＳＩＴ８４１５）、（トリデカフルオロ－ｌ，ｌ，２，２－テトラヒドロオクチル）トリメトキシシラン（ＳＩＴ８１７６）、オクタデシルジメチル（３－トリメトキシシリルプロピル）アンモニウムクロライド（ＳＩＯ６６２０．０）、３－（ヘプタフルオロイソプロポキシ）プロピルトリメトキシシラン（ＳＩＨ５８４２．２）、（ヘプタデカフルオロ－１，１，２，２－テトラヒドロデシル）トリメトキシシラン（ＳＩＨ５８４１．５）、又はゲレスト社製のノナフルオロヘキシルトリメトキシシラン（ＳＩＮ６５９７．７）、又はモメンティブ・パーフォーマンス・マテリアルズ社製の３－メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン（Ａ７１４）、又はその他の類似分子構造、を付着又は接合させることによって、粒子１２０をその表面に保持する双安定性強化層を作製して、ディスプレイの電源オフ時に双安定なディスプレイを作製することができる。

一例示的実施形態において、この双安定性層は、媒体１１８内の界面活性剤又は電荷制御剤、及び、粒子１２０上のコーティングの１つ以上と同様の分子構造を有してもよい。これによって、表面－粒子間の相互作用により双安定性強化を促進可能である。

一例示的用途において、ディスプレイ１００は、以下のように動作する。電源がオンになると、媒体ｌ１６全体にバイアス電圧がかけられ、これにより粒子１２０が電極層１１０、１１４の表面近傍に保持される。これを図１に示している。図１では、点線１２４より左側の粒子１２０は、電源オン時、背面電極に保持される。この電極には任意の双安定性強化層が設けられていない。これによって、ディスプレイの略安定した明状態すなわち白色状態がもたらされ、この状態を表す入射光線１２６は、反射光線１２８として視聴者に向けて内部全反射される。あるいは、粒子１２０を、電源オン時に正面電極１１０近傍に保持してＴＩＲをフラストレートし、ディスプレイの暗状態を形成することができる。

点線１２４より右側の粒子１２０は、電源オン時に、複数の凸状突起１０８及び正面電極１１０の表面近傍に保持される。ディスプレイへの電源投入がオフとなると、双安定性強化層１２２の表面－粒子間の相互作用によって、正面電極層１１０近傍の所定位置に粒子１２０を保持することができる。これが、実質的な画像維持及び双安定なディスプレイの作製に役立つ。これによって、媒体１１８内に粒子が移動することを実質的に防ぎ、ＴＩＲをフラストレートしてディスプレイの光吸収状態又は暗状態をもたらしかねないエバネッセント波領域から粒子が移動することを防ぐ。この効果は、粒子１２０に吸収される光を代表する入射光線１３０、１３２によって示されている。電源オフ時、粒子１２０は、内部全反射をフラストレートする正面電極１１０近傍の所定位置に保持されると、画像ディスプレイの暗状態がもたらされる。この双安定性層は、背面電極に粒子を保持させることによって、粒子がエバネッセント波領域に移動してＴＩＲをフラストレートすることを防ぐため、ディスプレイの明状態を高めることができる。

実施形態によっては、任意の双安定性強化層を、背面電極層１１４の表面上に追加してもよい。この双安定性強化層における表面－粒子間の相互作用によって、背面電極に位置する粒子１２０が媒体１１８内に移動し、最終的には正面電極に移動して、ＴＩＲをフラストレートして白色状態を低下させてしまうことを実質的に防ぐことができる。

図２は、双安定性強化層を有するＴＩＲ画像ディスプレイのスイッチング中のグラフ表示である。図２は駆動電圧プロファイル２００を例示しており、ｘ軸は、秒単位のバイアス駆動時間、右側のｙ軸は、背面電極にかけられる駆動電圧である。正面電極は、接地されている。プロット２０２における左側のｙ軸は、光反射率である。背面電極に対する電圧が０Ｖから＋２Ｖ、０Ｖ、－２Ｖ、更に０Ｖに戻る（これで完全な１サイクル）ように段階的に切換えながら、フッ化炭素系媒体内を正面電極と背面電極との間で粒子１２０（図１）を電気泳動させて、各サンプルの経時反射率を継続的に記録した。各電圧工程は、５秒間行われた。

５つのサンプルを、それぞれ異なる組成を持たせて試験を行った。図２において「Ｓｉ０２」と称する第１のサンプルは、正面電極及び背面電極の両方に約５０ｎｍの厚さを有するＳｉ０ _２ 誘電体の層を含む。サンプル「Ｓｉ０２」はまた、双安定性強化用粒子相互作用層としても機能する。「Ａ１７４」と称する第２のサンプルは、正面電極及び背面電極の両方に約５０ｎｍのＳｉ０_２誘電体層を含み、３－メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン層を各Ｓｉ０_２層上に設けている。「ＳＩＨ５９２５」と称する第３のサンプルは、正面電極及び背面電極の両方に約５０ｎｍのＳｉ０_２誘電体層を含み、各Ｓｉ０_２層上にヘキサデシルトリメトキシシラン層を設けている。「ＳＩＴ８３７２」と称する第４のサンプルは、正面電極及び背面電極の両方に約５０ｎｍのＳｉ０ _２ 誘電体層を含み、各Ｓｉ０ _２ 層上に３，３，３－トリフルオロプロピルトリメトキシシラン層を接合している。最後に、「ＳＩＰ６９１８」と称する第５のサンプルは、正面電極及び背面電極の両方に約５０ｎｍのＳｉ０ _２ 誘電体層を含み、各Ｓｉ０ _２ 層上にＮ－プロピルトリメトキシシラン層を接合している。

図２は、３０秒時点にて開始され５０秒時点にて終了する１つの完全駆動サイクルの光応答を示す。３０秒時点より前において、ＳＩＨ５９２５曲線（点線）及びＡ１７４曲線（破線）の反射率値は、＞５０％であり、Ｓｉ０ _２ 曲線（実線）及びＳＩＴ８３７２曲線（－Ｘ－）の反射率値は、＜１０％であった。３０秒時点で背面電極が＋２Ｖに切換えられた直後に、全ての反射率値は、＜１０％に低下した。これは、正電荷を帯びた粒子が－２Ｖのバイアス電圧がかけられたために正面電極に移動したことを示唆する。ＳＩＰ６９１８（－●－）サンプルは、安定しておらず、一時的にのみ約２０％の反射率値に至った。これは、視聴者には濃い灰色として現れた。全体としてＳＩＰ６９１８サンプルは、この試験中、低い性能を示した。

３５秒時点で背面電極が０Ｖに切換えられると、ＳＩＨ５９２５曲線及びＡ１７４曲線は、ほぼ瞬間的に＞５０％の反射率に戻った。これは、粒子が正面電極から離れて移動したことを示す。これに対し、Ｓｉ０ _２ 及びＳＩＴ８３７２の反射率値は、＜１０％の同一のレベルに留まった。これは、粒子が０Ｖでも正面電極に維持されていたことを示す。４０秒時点で背面電極が－２Ｖに切換えられると、Ｓｉ０ _２ サンプルの反射率は、＞５０％となった。これは、正電荷粒子のほぼ全てが、＋２Ｖのバイアス電圧をかけられて正面電極から離れて移動したことを示す。ＳＩＴ８３７２サンプルは、約２０％の反射率までしか戻らなかった。これは、バイアスをかけられても粒子の一部のみが正面電極から離れたことを示す。

Ｓｉ０ _２ 表面上に接合されたシラン分子の極性に基づくと、この表面の相対的電気陰性度レベルは、ＳＩＰ６９１８＜ＳＩＨ５９２５＜Ａ１７４＜Ｓｉ０ _２ ＜ＳＩＴ８３７２の順となる。電源オフ時に、正面電極上に配置された誘電体層近傍に粒子を保持するセルの性能は、極性レベルとよく相関しているように見える。ＳＩＰ６９１８を含む層では、バイアス電圧によって正面電極に十分に接近するように粒子を押し付けることはできなかった。ＳＩＨ５９２５及びＡ１７４の層を含むセルは、駆動電圧が維持された場合のみ（電源オン）、正面電極面近傍に留まった。誘電体層及び双安定性強化用粒子相互作用層として機能するＳｉ０ _２ 層のみを含むセル内の粒子は、電圧を取り払っても表面に留まった。ＳＩＴ８３７２層を有するセル内の粒子は、正面電極層上のＳＩＴ８３７２層にしっかりと保持され、２Ｖのバイアスをかけても正面電極から移動させることはできなかった。

図２のグラフデータに基づくと、粒子－表面間の相互作用の強さは、エバネッセント波領域近傍の双安定性強化層を変更することによって制御及び調整可能である。データが示唆するように、これを行うための１つの方法は、この層の極性または双安定性強化層に共有結合するペンダント基の極性を制御することとなり得る。

尚、媒体１１８内で懸濁しており、電気泳動で移動する粒子１２０の量すなわち濃度を制御することが重要である。双安定性強化用粒子相互作用層は、この粒子相互作用層に引き寄せられて２次元層を形成する粒子と相互作用する２次元の面である。濃度が高すぎると、電源オフ時に、粒子相互作用層１２２と相互作用できない粒子が、この表面から離れて漂流や拡散するため、媒体１１８内に入りかねない。結果として、粒子１２０は、キャビティ１１６内の望ましくない位置に移動し、画像品質及び長期表示性能の低下をもたらす恐れがある。粒子濃度が低すぎる場合には、必要なときに内部全反射を妨げるための十分な粒子がなく、不十分な暗状態をもたらしかねない。実施形態によっては、この粒子に、隣接する粒子に引き寄せられる表面を持たせて、双安定性強化層と相互作用する粒子の層から遠ざかる粒子の拡散を制限することができる。

粒子が、最適なディスプレイの光学性能に必要最低限の密度に保たれている場合に、本発明の付加的な効果を確認することができる。この効果も双安定性につながる可能性がある。この効果は、粒子が隣接して移動し電極層で密集したときに起こり得る。低粒子密度であるため、密集した表面層の後方のバルク材料には粒子がなくなっていく（これには相当の時間がかかる）。また、このような枯渇によって帯電エリアが露出し、これによって、ディスプレイへの電源がオフになったとき、表面に密集している粒子が再分配される速度を低下させられる。これを画像安定性につなげることができる。

図３は、本開示の一実施形態に係るディスプレイを制御するための例示的システムを示す。図３において、ディスプレイ３００は、プロセッサ３３０とメモリ３２０とを有するコントローラ３４０によって制御される。その他の制御機構及び／又は装置も、本開示の原理から逸脱することなくコントローラ３４０に備えることができる。コントローラ３４０を、ハードウェア、ソフトウェア、又はそれらの組み合わせとすることができる。例えば、コントローラ３４０を、命令（例えば、ファームウェア）でプログラミングされたプロセッサとすることができる。プロセッサ３３０は、実際のプロセッサでも仮想プロセッサでもよい。同様に、メモリ３２０は、実際のメモリ（即ちハードウェア）でも仮想メモリ（即ちソフトウェア）でもよい。

メモリ３２０は、ディスプレイ３００を駆動するためにプロセッサ３３０によって実行される命令を記憶可能である。この命令を、ディスプレイ３００を動作させるように構成することができる。一実施形態において、この命令は、電力供給３５０を介してディスプレイ３００と関連する電極（不図示）をバイアスすることを含むことができる。バイアスされると、電極は、透明な正面シートの内向き面にある複数の凸状突起の表面の近位にある領域に向かう、あるいは遠ざかる粒子の電気泳動を発生させることによって、透明な正面シートの内向き面で受けた光を吸収又は反射することができる。電極を適切にバイアスすることによって、粒子（例えば、図１における粒子１２０）は、透明な正面シートの内向き面にある複数の突起の表面近傍で、エバネッセント波領域内又はその近傍に移動して、ほぼ大半を又は選択的に入射光を吸収又は反射することができる。入射光の吸収により暗状態又は有色状態が作られる。電極を適切にバイアスすることによって、粒子（図１における粒子１２０）は、入射光を反射又は吸収するために、透明な正面シートの内向き面にある複数の突起の表面から遠ざかる方向に、エバネッセント波領域の外に移動することができる。入射光を反射することによって、輝状態が作られる。

実施形態によっては、本開示に記載の双安定性強化層を備える反射型画像ディスプレイのいずれも、少なくとも１つの側壁（「横断壁」とも呼び得る）を更に備えられる。側壁は、粒子の沈澱、漂流、及び拡散を制限することによって、ディスプレイの性能及び双安定性を向上させるものである。側壁は、粒子及び媒体を含む光変調層内に位置し得る。側壁は、正面電極、背面電極、又はその両方から全体的又は部分的に延びるものでよい。側壁は、プラスチック、金属、ガラス、又はそれらの組み合わせを含み得る。側壁は、ウェル又はコンパートメント（不図示）を形成することによって、電気泳動で移動する粒子を閉じ込めることが可能である。この側壁すなわち横断壁は、例えば正方形、三角形、五角形、六角形、又はそれらを組み合わせた形状にウェル又はコンパートメントを形成するように構成可能である。この壁は、ポリマー材料を含み、フォトリソグラフィ、エンボス加工、又は成型を含む従来の手法によってパターン化可能である。この壁は、可動粒子の閉じ込めにより、ディスプレイ性能の経時劣化につながりかねない粒子の沈澱及び移動を防ぐ一助となる。実施形態によっては、このディスプレイは、空気媒体又は液体媒体と電気泳動で移動する粒子とが存在する領域において正面電極及び背面電極が形成するギャップ全体を横切る横断壁を備えてもよい。特定の実施形態において、本開示に記載の反射型画像ディスプレイは、空気媒体又は液体媒体と電気泳動で移動する粒子とが存在する領域において正面電極及び背面電極が形成するギャップを部分的にのみ横切る部分横断壁を備えてもよい。特定の実施形態において、本開示に記載の反射型画像ディスプレイは、媒体及び電気泳動で移動する粒子が存在する領域において正面電極及び背面電極が形成するギャップを、全体に横切る横断壁と部分的に横切る部分横断壁との組み合わせを備えることができる。

実施形態によっては、本開示に記載の双安定性強化層を備える反射型画像ディスプレイのいずれも、カラーフィルタアレイ層を更に備えることができる。このカラーフィルタアレイ層は、レッド、グリーン、ブルー、シアン、マゼンタ、及びイエロー用フィルタの少なくとも１つ以上を含むことができる。

実施形態によっては、本開示に記載の双安定性強化層を備える反射型画像ディスプレイのいずれも、指向性フロントライトシステムを更に備えることができる。この指向性フロントライトシステムは、光源と、ライトガイドと、光抽出素子のアレイとを各ディスプレイの正面シートの外面上に含むことができる。この指向性ライトシステムを、正面シートの外面と視聴者との間に位置付けることができる。正面光源を、発光ダイオード（ＬＥＤ）、冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）、又は表面実装技術（ＳＭＴ）白熱灯とすることができる。ライトガイドは、光抽出素子が例えば約３０度の円錐周りの狭い角度内で正面シートに向かって直角方向に光を向けつつ、透明な外面シートの正面全体に光を向けるように構成可能である。指向性フロントライトシステムは、本開示に記載のディスプレイ構造内にある横断壁又はカラーフィルタ層、あるいはそれらの組み合わせと併用可能である。

実施形態によっては、本開示に記載の双安定性強化層を備える反射型画像ディスプレイのいずれも、少なくとも１つのエッジシールを更に備えることができる。エッジシールは、熱的又は光化学的に硬化される材料でよい。このエッジシールは、エポキシ、シリコーン、又はその他のポリマー系材料の１つ以上から構成可能である。

その他の実施形態において、本開示に記載の双安定性強化層を備える反射型画像ディスプレイのいずれも、視聴者が見る反射光を「和らげる」光拡散層を更に備えることができる。その他の実施形態において、光拡散層は、フロントライトと併用可能である。

その他の実施形態において、本開示に記載の双安定性強化層を備える反射型画像ディスプレイのいずれも、少なくとも１つのスペーサユニットを更に備えることができる。この少なくとも１つのスペーサユニットは、正面シートと背面シートの間のギャップすなわちキャビティの間隔を制御することができる。このスペーサ構造体は、円形又は楕円形ビーズ、ブロック、シリンダ、あるいは、その他の幾何学的形状の１つ以上の形状であってもよい。このスペーサ構造体は、プラスチック又はガラスの１つ以上から構成可能である。

尚、本開示に記載のディスプレイに係る発明の焦点はＴＩＲ型ディスプレイとの併用にあるが、ＴＩＲディスプレイではない反射型画像ディスプレイに本発明を適用することも可能である。このようなディスプレイでは、その正面シート上に凸状突起がない場合がある。

本開示に記載のディスプレイの実施形態では、当該ディスプレイは、例えば電子書籍リーダ、携帯用コンピュータ、タブレットコンピュータ、携帯電話、スマートカード、看板、腕時計、ウェアブル機器、棚ラベル、フラッシュドライブ、ディスプレイを備える屋外用掲示板又は屋外用看板などの用途で使用可能であるが、これに限定されるものではない。このディスプレイは、電池、太陽電池、風、発電機、電源コンセント、ＡＣ電源、ＤＣ電源、又はその他の手段の１つ以上によって電源投入可能である。

以下の例示的且つ非限定的実施形態により、本開示の種々の実施例を提供する。実施例１は、電源オフ状態において画像の維持ができる反射型画像ディスプレイ装置に関する。当該ディスプレイ装置は、複数の凸状突起を内向き面上に備えた表面を有する光学的に透明なシートと、正面電極と、背面電極と、その正面電極と背面電極との間に含有される媒体と、その媒体内で懸濁しており、電気泳動で移動する少なくとも１つの帯電粒子と、双安定性強化層と、媒体全体にバイアス電圧をかけて、正面電極と背面電極との間に電磁場を形成することにより、電気泳動で移動する少なくとも１つの粒子を移動させる電圧源と、を備える。

実施例２は、１つ以上の誘電体層を更に備える、実施例１に記載の画像ディスプレイ装置に関する。

実施例３は、上記１つ以上の誘電体層がＳｉ０ _２ である、実施例２に記載の画像ディスプレイ装置に関する。

実施例４は、双安定性強化層が少なくとも１つのオルガノシラン基を含む、実施例１に記載の画像ディスプレイ装置に関する。

実施例５は、双安定性強化層が誘電体層としても機能する、実施例１に記載の画像ディスプレイ装置に関する。

実施例６は、指向性フロントライトを更に備える、実施例１又は２に記載の画像ディスプレイ装置に関する。

実施例７は、カラーフィルタ層を更に備える、実施例１に記載の画像ディスプレイ装置に関する。

実施例８は、エッジシールを更に備える、実施例１に記載の画像ディスプレイ装置に関する。

実施例９は、スペーサ構造体を更に備える、実施例１に記載の画像ディスプレイ装置に関する。

実施例１０は、背面電極が、パターン化されたダイレクトドライブアレイ、薄膜トランジスタアレイ、又はパッシブマトリクスアレイである、実施例１に記載の画像ディスプレイ装置に関する。

実施例１１は、命令を含む、有形のコンピュータ可読式非一時的記憶媒体であって、粒子相互作用層を含む、本開示内に記載の前記ディスプレイ装置と併用可能な記憶媒体に関する。１つ以上のプロセッサによって実行されると、電極対の一対の対向電極の間に配される透明な媒体内に少なくとも１つの帯電電気泳動粒子を位置付けることと、初期バイアス電圧で電極対の各電極をバイアスすることによって電極間に電磁場を形成して、少なくとも１つの帯電した電気泳動粒子を電極対の正面電極又は背面電極に引き寄せることと、０Ｖ時又は電源オフ時に前記ディスプレイに前記画像を維持することによって、少なくとも１つの帯電した電気泳動粒子の電極対の一方の電極から第２の電極への移動を防ぐことと、を含む動作を行う。

実施例１２は、実施例１１に記載の有形のコンピュータ可読式非一時的記憶媒体に関し、各電極をバイアスする工程は、正面電極及び背面電極のそれぞれを略同一なバイアス電圧にバイアスすることを更に含む。

実施例１３は、実施例１１に記載の有形のコンピュータ可読式非一時的記憶媒体に関し、各電極をバイアスする工程は、正面電極及び背面電極のそれぞれを異なるバイアス電圧にバイアスすることを更に含む。

実施例１４は、実施例１１に記載の有形のコンピュータ可読式非一時的記憶媒体に関し、各電極をバイアスする工程は、正面電極と背面電極との間に電圧勾配を形成することを更に含む。

実施例１５は、実施例１１に記載の有形のコンピュータ可読式非一時的記憶媒体に関し、各電極をバイアスする工程は、正面電極と背面電極との間における少なくとも１つの電気泳動粒子の移動を調節することを更に含む。

本開示の原理を、本開示内に示した例示的実施形態に関連して例示してきたが、本開示の原理はこれらに限定されるものではなく、そのいかなる修正、変形、又は置換も含むものである。

Claims (13)

1. 電源オフ状態において画像の維持ができる反射型画像ディスプレイ装置であって、
   複数の凸状突起を内向き面上に備えた表面を有する光学的に透明なシートと、
   正面電極と、
   背面電極と、
   前記正面電極と前記背面電極との間に含有される媒体と、
   前記媒体内で懸濁している、電気泳動で移動する少なくとも１つの帯電粒子と、
   前記正面電極と前記媒体の間に配置される第１双安定強化層と、
   前記背面電極と前記媒体の間に配置される第２双安定強化層と、
   前記媒体全体にバイアス電圧をかけて、前記正面電極と前記背面電極との間に電磁場を形成することにより、前記電気泳動で移動する少なくとも１つの粒子を移動させる電圧源と、
   を備え、
   前記第１双安定強化層及び前記第２双安定強化層は、多孔質Ｓｉ０_２層、及び、
   Ｎ－プロピルトリメトキシシランの層、
   ヘキサデシルトリメトキシシランの層、
   ３，３，３－トリフルオロプロピルトリメトキシシランの層、
   Ｎ－トリメトキシシリルプロピル－Ｎ，Ｎ，Ｎ－トリメチルアンモニウムクロライドの層、
   （トリデカフルオロ－ｌ，ｌ，２，２－テトラヒドロオクチル）トリメトキシシランの層、
   オクタデシルジメチル（３－トリメトキシシリルプロピル）アンモニウムクロライドの層、
   ３－（ヘプタフルオロイソプロポキシ）プロピルトリメトキシシランの層、
   （ヘプタデカフルオロ－１，１，２，２－テトラヒドロデシル）トリメトキシシランの層、
   ノナフルオロヘキシルトリメトキシシランの層、及び、
   ３－メタクリロキシプロピルトリメトキシシランの層、
   からなる群の中から選択される１つを含み、
   前記第１双安定強化層及び前記第２双安定強化層は、前記電気泳動で移動する少なくとも１つの帯電粒子に対して調整された引力を作用させることによって画像の双安定性を向上させる、
   画像ディスプレイ装置。
2. 前記第１双安定性強化層及び前記第２双安定性強化層は、少なくとも１つのオルガノシラン基を含む、請求項１に記載の画像ディスプレイ装置。
3. 前記第１双安定性強化層及び前記第２双安定性強化層は、誘電体層としても機能する、請求項１又は請求項２に記載の画像ディスプレイ装置。
4. 指向性フロントライトを更に備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の画像ディスプレイ装置。
5. カラーフィルタ層を更に備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の画像ディスプレイ装置。
6. エッジシールを更に備える、請求項１から５のいずれか１項に記載の画像ディスプレイ装置。
7. スペーサ構造体を更に備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の画像ディスプレイ装置。
8. 前記背面電極は、パターン化されたダイレクトドライブアレイ、薄膜トランジスタアレイ、又はパッシブマトリクスアレイである、請求項１から７のいずれか１項に記載の画像ディスプレイ装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の画像ディスプレイを制御するために用いられる命令を含む、有形のコンピュータ可読式非一時的記憶媒体であって、前記命令は、
   電極対の一対の対向電極の間に配される透明な媒体内に少なくとも１つの帯電した電気泳動粒子を位置付けることと、
   初期バイアス電圧で前記電極対の各電極をバイアスすることによって前記電極間に電磁場を形成して、前記少なくとも１つの帯電した電気泳動粒子を前記電極対の前記正面電極及び前記背面電極に多孔質Ｓｉ０_２層をそれぞれ含む前記第１双安定性強化層及び前記第２双安定性強化層を介して引き寄せることと、
   ０Ｖ時又は電源オフ時に前記ディスプレイに前記画像を維持することによって、前記少なくとも１つの帯電した電気泳動粒子の前記電極対の一方の電極から第２の電極への移動を防ぐことと、
   を含む、有形のコンピュータ可読式非一時的記憶媒体。
10. 前記各電極をバイアスする工程は、前記正面及び前記背面電極のそれぞれを略同一なバイアス電圧にバイアスすることを更に含む、請求項９に記載の有形のコンピュータ可読式非一時的記憶媒体。
11. 前記各電極をバイアスする工程は、前記正面及び前記背面電極のそれぞれを異なるバイアス電圧にバイアスすることを更に含む、請求項９又は請求項１０に記載の有形のコンピュータ可読式非一時的記憶媒体。
12. 前記各電極をバイアスする工程は、前記正面電極と前記背面電極との間に電圧勾配を形成することを更に含む、請求項９から１１のいずれか１項に記載の有形のコンピュータ可読式非一時的記憶媒体。
13. 前記各電極をバイアスする工程は、前記正面電極と前記背面電極との間における前記少なくとも１つの電気泳動粒子の移動を調節することを更に含む、請求項９から１２のいずれか１項に記載の有形のコンピュータ可読式非一時的記憶媒体。

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