(57)【要約】【課題】簡素な製造工程と製造装置で製造することができる表示装置を提供することを目的とする。【解決手段】下側基板１を挟んで両面に積層された表電極３及び裏電極４と、表電極３と上側基板２との間に封止された媒体７中に懸濁された複数の粒子８と、表電極３と裏電極４との間に交番電界を印加する電源９と、交番電界の周波数を決定するためのプログラムを保存した記憶部であるメモリ１１と、プログラムを基に電源９が出力する交番電界の周波数を決定する制御部１０と、を備え、表電極３及び裏電極４は電界集中部を形成し、制御部１０が交番電界の周波数を変化させることによって、複数の粒子８の分布を変化させることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁層を挟んで両面に積層された第１の電極及び第２の電極と、
前記第１の電極と第１の電極に対向して設けられた封止層との間に封止された液体中に懸濁された複数の粒子状物質と、
前記第１の電極と第２の電極との間に交番電界を印加する電源と、
前記交番電界の周波数を決定するためのプログラムを保存した記憶部と、
前記プログラムを基に前記電源が出力する交番電界の周波数を決定する制御部と、を備え、
前記第１の電極及び第２の電極は電界集中部を形成し、前記制御部が前記交番電界の周波数を変化させることによって、前記複数の粒子状物質の分布を変化させることを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記第１の電極及び第２の電極は、前記第１の電極と第２の電極及び絶縁層が積層された第１の領域と、前記第２の電極及び絶縁層のみが積層された第２の領域とを備えるように配置され、前記第１の領域において前記絶縁層と前記第１の電極との間に、前記第１の電極と前記封止層間距離が狭くなるような段差を設けたことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記第１の電極及び第２の電極は、前記第１の電極と第２の電極及び絶縁層が積層された第１の領域と、前記第２の電極及び絶縁層のみが積層された第２の領域とを備えるように配置され、前記第２の領域において前記絶縁層に溝を設けたことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項４】
前記第１の電極に貫通孔を設けて、前記貫通孔の周囲に電界集中部を形成することを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ペーパーなどに用いられる反射型の表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子ペーパーなどに用いられる表示装置の動作原理として交番電界を用いる誘電泳動方式が検討されている。誘電泳動方式は不均一電界とその電界によって分極した粒子の分極電荷が相互作用することで泳動が生じるもので、印加する交流電界の周波数を変化させることで不均一電界に対して引力と斥力を発生できるようになるなど、直流を用いた電気泳動にはない特徴がある。
【０００３】
誘電泳動を利用した表示装置に関しては特許文献１に詳細が開示されている。特許文献１記載の技術では、粒子の帯電を利用する電気泳動と誘電泳動が両方利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０７６２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
誘電泳動方式は交番電界を使うことで不均一電界に対して引力と斥力を発生できるようになるなど、直流を用いた電気泳動にはない特徴を持っているが、電極パターンを形成した二枚の基板で粒子を懸濁した液体を挟み込むため、電極間に所定の距離が必要となる。その結果、表示装置の薄型化と軽量化が困難となり、さらに厚いことによって屈曲耐性に課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような課題を解決するために、本発明おける表示装置は、絶縁層を挟んで両面に積層された第１の電極及び第２の電極と、前記第１の電極と第１の電極に対向して設けられた封止層との間に封止された液体中に懸濁された複数の粒子状物質と、前記第１の電極と第２の電極との間に交番電界を印加する電源と、前記交番電界の周波数を決定するためのプログラムを保存した記憶部と、前記プログラムを基に前記電源が出力する交番電界の周波数を決定する制御部と、を備え、前記第１の電極及び第２の電極は電界集中部を形成し、前記制御部が前記交番電界の周波数を変化させることによって、前記複数の粒子状物質の分布を変化させることを特徴とした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の実施により、薄くて軽く、また屈曲耐性の高い表示装置を提供することが可能となる。また、簡素な製造工程と製造装置で製造可能な表示装置を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】（ａ）画素の横断面の模式図、（ｂ）視認方向から見た表示装置上面の模式図、（ｃ）電極及び電界集中部の配置を説明するために視認方向から見た表示装置上面図から粒子と媒体をのぞいた状態の模式図
【図２】電源の制御手順を説明するための図
【図３】（ａ）本実施の形態におけるＲｅ［Ｋ］の値を表す図、（ｂ）粒子の配置状態とそのときに印加される交番電界の周波数を表す図
【図４】（ａ）通電前の画素の断面図、（ｂ）通電前の画素の上面図、（ｃ）正の誘電泳動力を発生する周波数の交番電界を印加し、一定時間が経過した後の画素の断面図、（ｄ）正の誘電泳動力を発生する周波数の交番電界を印加し、一定時間が経過した後の画素の上面図、（ｅ）負の誘電泳動力が発生する周波数の交番電界を印加し、一定時間が経過した後の画素の断面図、（ｆ）負の誘電泳動力が発生する周波数の交番電界を印加し、一定時間が経過した後の画素の上面図
【図５】（ａ）本発明の表示装置の断面図の一部を示す模式図、（ｂ）本発明の表示装置の断面図の一部のさらに一部を拡大したものの模式図
【図６】（ａ）裏電極を単純な帯状から変更した例における裏電極の形状を示す図、（ｂ）裏電極を単純な帯状から変更した例における表電極の形状を示す図
【図７】（ａ）裏電極を単純な帯状から変更した別の例における裏電極の形状を示す図、（ｂ）裏電極を単純な帯状から変更した別の例における表電極の形状を示す図
【図８】（ａ）表電極を単純な帯状から変更した例における表電極の上面図、（ｂ）表電極を単純な帯状から変更した例における電極を含む部分の断面図
【図９】（ａ）表電極を単純な帯状から変更した別の例における表電極の上面図、（ｂ）表電極を単純な帯状から変更した別の例における電極を含む部分の断面図
【図１０】下側基板の形状を変更することで電界集中部の状態を変更した例における一部拡大図
【図１１】下側基板の形状を変更することで電界集中部の状態を変更した別の例における一部拡大図
【図１２】（ａ）支持基板上に裏電極、絶縁膜、表電極を構成した例の上面図、（ｂ）支持基板上に裏電極、絶縁膜、表電極を構成した例の断面図
【図１３】複数のセルとマトリクス電極を備えた表示装置を示す図
【図１４】複数のセルとマトリクス電極を備えた表示装置における画像形成過程を示す図
【図１５】本発明の表示装置を搭載した電子ペーパーの斜視図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、絶縁層を挟んで両面に積層された第１の電極及び第２の電極と、前記第１の電極と第１の電極に対向して設けられた封止層との間に封止された液体中に懸濁された複数の粒子状物質と、前記第１の電極と第２の電極との間に交番電界を印加する電源と、前記交番電界の周波数を決定するためのプログラムを保存した記憶部と、前記プログラムを基に前記電源が出力する交番電界の周波数を決定する制御部と、を備え、前記第１の電極及び第２の電極は電界集中部を形成し、前記制御部が前記交番電界の周波数を変化させることによって、前記複数の粒子状物質の分布を変化させることを特徴とする表示装置であって、薄くて軽く、また屈曲耐性の高い表示装置を提供することが可能となる。また、簡素な製造工程と製造装置で製造可能な表示装置を実現することが可能となる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、前記第１の電極及び第２の電極は、前記第１の電極と第２の電極及び絶縁層が積層された第１の領域と、前記第２の電極及び絶縁層のみが積層された第２の領域とを備えるように配置され、前記第１の領域において前記絶縁層と前記第１の電極との間に、前記第１の電極と前記封止層間距離が狭くなるような段差を設けたことを特徴とする請求項１に記載の表示装置であって、電界集中部が段差に相当する高さだけ高さ方向上側に広がり、より効率よく電界集中部を利用することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、前記第１の電極及び第２の電極は、前記第１の電極と第２の電極及び絶縁層が積層された第１の領域と、前記第２の電極及び絶縁層のみが積層された第２の領域とを備えるように配置され、前記第２の領域において前記絶縁層に溝を設けたことを特徴とする請求項１に記載の表示装置であって、電界集中部が溝に相当する高さだけ高さ方向下側に広がり、より効率よく電界集中部を利用することができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、前記第１の電極に貫通孔を設けて、前記貫通孔の周囲に電界集中部を形成することを特徴とする請求項１に記載の表示装置であって、弱電界部の面積が大きくなって中央部に位置する粒子状物質が電界集中部から離れるに従い、電界集中部までの移動距離が長くなり、また誘電泳動力の作用も弱くなっていくが、新たな貫通孔を設けて電界集中部を適切に配置し、弱電界部と電界集中部との間の距離を短くすることで誘電泳動力が弱くなることを防止し、粒子状物質を効率よく移動させることができる。
（実施の形態１）
本発明の実施の一例を示すにあたり、本発明を正確に理解するための語句の説明を行う。
【００１３】
まず、電界集中部について説明する。本願でいうところの電界集中部とは、不均一電界によって電位勾配が大きくなっている部分のことである。これは電気力線が他の部分に比較してより集中し、密に存在している部分といい換えることもできる。
【００１４】
電界集中部の例として挙げられるのは帯電体の表面近傍、電位の異なる二枚の互いに合同な並行平板の端部、二枚の互いに面積と電位の異なる並行平板帯電体などである。
【００１５】
上記の例以外にも、電界集中部をより積極的に形成するには電極や帯電体に鋭利な角を設けることが有効である。これは例えば電極や帯電体が球状であればその表面に突起を設けて金平糖のような形状にすると、その突起の先端には他の部分に比べてより強く電気力線が集中するようになり電位の勾配が他の部位よりも大きくなる。これはエッジ効果としてよく知られているものである。
【００１６】
電界集中部の別の形態は、誘電率の大きな物質が誘電体の小さな物質で囲まれ、かつその一部が他の部分よりも小さな断面積を有するような場合である。このときこの断面積が小さな部分は電界集中部となる。これより誘電率の高い部分に分布しようとする電気力線が面積の小さな部位で絞られるように集められるからである。このような電気力線の状態は非並行で不均一なものであり、その密度が高くなるに従って電位の勾配も大きくなるため、この部位は電界集中部であるといえる。このような電界集中部の具体的な形状の例は特許文献１にも示されている。
【００１７】
このように、電界集中部は電気力線が不均一かつ周辺に比べて密度高く存在する電位勾配の大きな部位として定めることができる。電界集中部は周りと電位の異なる部位があれば存在し、電極のように電源と電気的に接続されていることを必須とするものでもない。例えば、電界の中に保持された導体あるいは誘電体には電界によって自由電子の偏りや分極による電荷が誘起されるが、電荷が集中する部分はすなわち電気力線が集中する部分であって、これも本願でいうところの電界集中部であるといえる。
【００１８】
次に、誘電泳動現象について説明する。
【００１９】
誘電泳動現象は誘電体が不均一電界中で分極して双極子となり、その双極子が分極をもたらした不均一電界から力を受ける現象である。誘電泳動は１９５１年にＩＢＭ社のＨ．Ａ．Ｐｏｈｌによって報告された。誘電泳動の詳細は例えば参考文献１や参考文献２に記載されている（参考文献１：Ｈ．Ａ．Ｐｏｈｌ，  “Ｔｈｅ  Ｍｏｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｕｓｐｅｎｓｏｉｄｓ  ｉｎ  Ｄｉｖｅｒｇｅｎｔ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｆｉｅｌｄｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２２（７），８６９−８７１  （１９５１）、参考文献２：“ＡＣ  Ｅｌｅｃｔｒｏｋｉｎｅｔｉｃｓ：ｃｏｌｌｏｉｄｅｓ  ａｎｄ  ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ”，Ｈｙｗｅｌ  Ｍｏｒｇａｎ  ｅｔ．ａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｔｕｄｉｅｓ  Ｐｒｅｓｓ  ＬＴＤ．）。
【００２０】
誘電泳動理論の数学的な背景を以下に説明する。
【００２１】
比誘電率εmの媒体中に懸濁された比誘電率εp、半径ｒの球形粒子に作用する誘電泳動による力、すなわち誘電泳動力ＦDEPは次の（式１）及び（式２）で表される。
【００２２】
ＦDEP  ＝  ２πｒ3εmＲｅ［Ｋｅ］∇｜Ｅ｜2  ・・・（式１）
Ｋｅ  ＝  （ε*m−ε*p）／（ε*m＋２ε*p）  ・・・（式２）
ここで、Ｅは電界ベクトル、添え字＊は値が複素数であることを示している。そして、Ｒｅ［Ｋｅ］は、（式２）であらわされる複素数からなる式の実部をとった値であることを示している。
【００２３】
式からわかることは、誘電泳動力ＦDEPが粒子の大きさ、媒体の比誘電率、Ｒｅ［Ｋｅ］で示された項に比例するということである。ここでＲｅ［Ｋｅ］は（式２）に示されているように複素誘電率を用いて表現された式であるということで、直感的な理解が難しいものである。複素誘電率ε＊で表されるそれぞれの項の完全表現は、ε−σ／ωｊであり、誘電率εのほかに導電率σ及び角周波数ωを含んでいる。なおｊは虚数単位である。この完全表現からわかるように複素誘電率ε＊は媒体及び粒子の導電率の影響を受け、また系に印加される交番電界の周波数にも依存して変化する量である。このＲｅ［Ｋｅ］値の変化が印加される交番電界の周波数に依存するというのが誘電泳動の大きな特徴の一つである。
【００２４】
さて、誘電泳動力ＦDEPは電界Ｅの影響も受け、その寄与は非線形である。電界Ｅはベクトル量であり、その強さとともに電界が張り出す方向も考慮するべきことを示している。そしてこの電界Ｅの二乗は演算子ナブラが作用することで３次元方向での電界の変化、すなわち電位の勾配とその方向を示し、総じてその場における電界の不均一さの度合いを示す量となっている。本願ではこの項が大きくなる領域を電界集中部としている。
【００２５】
以上の各項が掛け合わされることで誘電泳動力ＦDEPが表現されている。従って、誘電泳動力ＦDEPは、粒子の大きさと、媒体の比誘電率と電位勾配の強さに比例して強くなる力であるといえる。そして、電位勾配がベクトル表現されていることから、誘電泳動力ＦDEPもベクトルとなる。これは誘電泳動力が０でない値をとるとき、粒子に働く力には方向があるということを示しており、誘電泳動力が正の値をとる時、粒子は電界がより強く不均一となっている電界集中部へ向かって移動する力を受け、負の値の時は逆方向の力、すなわち電界集中部から離れ、より電界変化が弱く均一になっている方向へ移動する力を受ける。誘電泳動力ＦDEPが正負どちらの値となるかはＲｅ［Ｋｅ］の正負によって決まるが、前述したようにＲｅ［Ｋｅ］は複素数を含んでおり、印加される交番電界の周波数の他、媒体及び粒子の誘電率、導電率の影響を受けるものである。
【００２６】
以上説明したように、誘電泳動は電気泳動とは異なる現象である。誘電泳動現象の根本は粒子の分極であり、電気泳動の根本を成す粒子の帯電ではない。従って誘電泳動現象は粒子が正負どちらに帯電していようとも、また帯電していなくとも発生する。以上が誘電泳動現象の説明である。
【００２７】
以下に図１から図１５を用いて本発明の実施の形態の詳細説明を行う。
【００２８】
図１は本発明の表示装置の実施の形態における画素横断面及び上面を説明するための概念図である。図１（ａ）は画素の横断面の模式図を、図１（ｂ）は視認方向から見た表示装置上面の模式図を、そして図１（ｃ）は電極及び電界集中部の配置を説明するために視認方向から見た表示装置上面図から粒子と媒体をのぞいた状態の模式図を表している。本実施の形態では本発明の説明を簡潔に行うために、複数あることを妨げないセルのうち、ひとつについての構成及びその動作について説明する。
【００２９】
図１において、１は下側基板、２は封止層である上側基板、３は表電極、４は裏電極、５は隔壁、６はセル、７は媒体、８は粒子、９は電源、１０は制御部、１１はメモリ、１２は視認方向を表す矢印、１３は本発明の表示装置全体、１４は電極交差部分、１５は電界集中部、１６は弱電界部である。
【００３０】
本実施の形態では下側基板１には均一な厚さ２０μｍのＰＥＴフィルムを、そして上側基板２には厚さ０．７ｍｍのガラス基板を用いている。下側基板１は後述するように薄い方が好ましく、本実施の形態ではＰＥＴフィルムを用いている。下側基板１はＰＥＴフィルムの他、ポリイミドフィルムを始めとするプラスチックフィルム、薄いガラスやセラミックスの板を用いることができ、取り扱いを容易にするためにさらに別の基板で支持されることを妨げない。また、少なくとも上側基板２は形成される画像を視認することができる程度に透明なものである必要がある。
【００３１】
表電極３と裏電極４はいずれも銅であって、下側基板１の表裏両面に互いに直交するように複数配置されている。表電極３と裏電極４の膜厚は４ミクロン、幅は２００ミクロンである。そして視認方向１２から見たときに表電極３と裏電極４の重なり合う部分が電極交差部分１４である。電極交差部分１４の本実施の形態では電極交差部分１４は一辺が１００μｍの正方形の領域となる。図１（ｂ）における電極交差部分１４の左右端部には表電極３と裏電極４の間に通電がなされることにより電界集中部１５が形成される。表電極３や裏電極４のパターンはフォトリソグラフィやインクジェットを用いた方法で容易に形成可能である。
【００３２】
ここで、表電極３と裏電極４は銅の他、導電性の物質であればどのようなものであっても使用可能であり、例えばアルミや金などの金属の他、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳやカーボンナノチューブのような導電性有機物、ＺｎＯやＩＴＯなどの導電性酸化物を使用することができ、表電極３と裏電極４で材質が異なることを妨げるものではない。特に、下側基盤１として透明なＰＥＴフィルムを用い、透明導電膜であるＺｎＯやＩＴＯを表電極３と裏電極４に用いた場合には、電極及び基板を介して背面が透過するため、特異な視認性を付与することが可能となる。
【００３３】
本実施の形態では表電極３の表面にポリイミドを用いた図示しない厚さ１００ｎｍ程度のコーティングを施している。コーティングを施すことで電極表面の酸化防止、粒子８の固着防止などの効果が得られる。
【００３４】
表電極３と裏電極４は電源９と電気的に接続されている。ここでいう電気的接続とは電源９が印加する交番電界が表電極３及び裏電極４に電位変化を与えるように接続されているということであり、必ずしも導電体によって断線なく直流的な接続されていることを意味するものではない。例えばコンデンサのような構成を介して交流的な接続がなされていれば十分である。
【００３５】
隔壁５はドライフィルムやレジストなどの感光性樹脂にフォトリソグラフィプロセスを適用するなどして形成されたものであり、図２（ｂ）に示されているように格子状構造をなして各セル６を分割している。隔壁５と下側基板１及び上側基板２によって囲まれた空間がセル６である。隔壁５は絶縁体であることが好ましく、さらに好ましくはプラスチックのような比誘電率の小さな物質で構成されていることが望ましい。なぜならば、比誘電率の小さな物質内部には電気力線が進入し難いため電気力線を各セル６内に閉じ込めることができるからである。
【００３６】
本実施の形態においては隔壁５の高さは約３０μｍ、幅約２０μｍ、そして上面から見たときに一辺２３０μｍの正方形の開口を形成している。もちろん画素の形状は正方形に制限されるものではなく、どのようなものであってもよい。
【００３７】
本実施の形態における媒体７は水であって、セル６を満たしている。ただし、ここで用いられている水は注意深く不純物や溶解している電解質を取り除いた純度の高い水であって、その導電率は高々数μＳ／ｃｍと極めて低い値である。すでに述べたように、誘電泳動力は媒体７の導電率の影響を受けるので、媒体７の導電率は注意深く制御される必要がある。
【００３８】
本実施の形態における粒子８は直径２μｍの球状中実体であってアクリル樹脂でできている。このような粒子８は塗料の質感改善材などとして工業的に製造されており、樹脂ビーズと呼ばれている。
【００３９】
もちろん本発明を実施可能な粒子８はこれにとどまるものではない。例えば形状でいえば、球状、回転楕円体、棒状、薄片状、繊維状、その他これらが組み合わさったような異形のものであってよく、またその構造は中実、中空、多孔体などであってもよい。そして材質では、アクリルやスチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、フッ素系樹脂、ラテックス、シリコンゴムなどの樹脂系、シリカ、チタニア、ジルコニア、チタン酸バリウムなどの無機粒子８及びこれらの複合物、すなわち無機粒子８の表面を樹脂でコーティングしたようなものであってもよい。さらに、これら粒子８の表面は化学修飾されていてもよく、また表面を粗にするなどの物理的な処理がなされていてもよい。なお、セル６内に保持された粒子８の量は、粒子８がセル６底面を埋め尽くすに十分なものとなっている。
【００４０】
さて、媒体７に粒子８を分散する際、添加剤を用いることで媒体７と粒子８の比重を調整して粒子８の沈降を防いだり、媒体７の粘度をあげたりチクソトロピー性を付与することでブラウン運動による粒子８の拡散を抑制したりすることも好ましいものである。このような添加剤の例として、蔗糖やマンニトールなどの糖類、非イオン系の界面活性剤、有機オリゴマー、アエロジルを始めとする無機ナノ粒子８などを挙げることができる。
【００４１】
本実施の形態における電源９は１００Ｈｚから１０ＭＨｚまでの任意の周波数範囲を含む交流を出力して表電極３と裏電極４の間に交番電界を形成することができるものであって、その出力波形は正弦波である。出力電圧も任意に設定可能であって、最大値は正弦波の振幅が１００Ｖである。この電源９は本実施の形態を実施するために十分な電源として選択されたものであって、本発明を実施するための周波数範囲や波形、振幅の最大値などはこの範囲に制限されるものではない。例えば出力波形は複数の異なる正弦波の合成波であることを妨げるものではない。ただし、いかなる波形の交番電界を用いる場合であっても、表電極３と裏電極４の間で周期的な電界の方向の反転を伴うようなものである。そして、交番電界の周波数は一秒間に電界の方向が反転した回数で定義される。
【００４２】
電源９は制御部１０によって制御される。制御部１０は、詳細は図示しないが、ＣＰＵを含み、予め作成されてメモリ１１内に保存された制御プログラムや表示装置１３のスクリーンが表示すべき画像などのデータを解釈して電源９を適切に制御することによってセル６内に発生する電界を制御している。なお、スクリーンに映し出したい所望の画像は表示装置１３のメモリ１１に記憶されるだけでなく、表示装置外部より直接入力することも可能である。メモリ１１内に保存された制御プログラムには多数のセル６が配置された表示装置のスクリーンに映し出したい所望の画像、その画像を映し出すためのそれぞれのセル６の粒子８の配置状況、その粒子８の配置状況にそれぞれのセル内の粒子８を配置するために電源９が出力すべき交番電界の周波数を求める表または演算式が示されている。この表、または演算式とは、例えば、プログラム内に記載された、所望の配置状況と交番電界の周波数を対応させた表、または所望の配置状況に粒子８を配置させる交番電界の周波数を導き出す演算式によって求められる。
【００４３】
さて、この実施の形態の表示装置の動作について次に説明する。
【００４４】
図２は電源の制御手順を説明するための図を表している。Ｓ１において、メモリ１１内に保存されているプログラムによって、制御部１０は、所望の画像を映し出すためのそれぞれのセル６内の粒子８の配置状態を決定する。続いてＳ２において、制御部１０の図示しないＣＰＵはメモリ１１内のプログラムにアクセスして、Ｓ１で決定された粒子８の配置状態とするための電源９が出力する交番電界に関わるデータを読み取って解釈する。なお、データには電源９が出力する交番電界の周波数を求める対応表、演算式などだけでなく、振幅、波形、出力の持続時間、持続時間内で周波数や振幅、波形などが経過時間につれて変化する場合はその変化に関わる情報、さらには使用者の操作やその他外部から与えられる制御因子に応じて電源９の動作を変更する場合はそれに関わる情報などが含まれている。例えば、本発明の表示装置が、使用者が押下するボタンに応じていくつかの表示情報を切り替えるようなものである場合、押下されたボタンが制御因子であり、ＣＰＵはメモリ１１内のデータから押下されたボタンに対応した部分を解釈して適切な表示をおこなう、といった動作をする。
【００４５】
そして、制御部１０はデータに含まれている制御内容を解釈すると、Ｓ３において決定された周波数など、正しくそれが反映されるように電源９を設定する。そして、Ｓ４において制御部１０は電源９を通電させ、所定の粒子配置に粒子８を移動する。
【００４６】
このようにして行われる制御により、誘電泳動が行われる際の様子は以下のようなものである。図３（ａ）はすでに説明した本実施の形態におけるＲｅ［Ｋ］の値を表す図であって曲線は誘電泳動力の強さと方向の変化を表すＲｅ［Ｋ］の値、ｆ０は誘電泳動力がゼロになる周波数、ｆ１とｆ２はそれぞれ５ｋＨｚと２００ｋＨｚを表す。そして図３（ｂ）は粒子の配置状態とそのときに印加される交番電界の周波数を示す図、図４（ａ）〜（ｆ）は異なる周波数の交番電界を用いて誘電泳動を行った際の様子を説明するための図である。メモリ１１には図３（ａ）、（ｂ）のような粒子の配置状態とそのときに印加される交番電界の周波数との対応をグラフまたは表にして記憶させてもよいし、図３（ａ）のグラフを算出する（式２）のような演算式を記憶させてもよい。図４（ａ）は通電前の画素の断面図、図４（ｂ）は同上面図、図４（ｃ）は正の誘電泳動力を発生する周波数の交番電界を印加し、一定時間が経過した後の画素の断面図、図４（ｄ）は同上面図、図４（ｅ）は負の誘電泳動力が発生する周波数の交番電界を印加し、一定時間が経過した後の画素の断面図、図４（ｆ）は同上面図である。
【００４７】
図３においてＲｅ［Ｋ］の値がゼロとなるｆ０は１０ｋＨｚと１００ｋＨｚの間にあり、この間で誘電泳動力は正から負の値に変化している。そして周波数５ｋＨｚをあらわすｆ１において誘電泳動力は正であるので、粒子は電界集中部へ引き寄せられる。一方周波数２００ｋＨｚをあらわすｆ２では誘電泳動力は負であり、粒子は電界集中部からの斥力を受ける。
【００４８】
さて、画素に通電を行う前、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、粒子８は媒体７内に均等に分散している。この状態から電源９より周波数は５ｋＨｚ、振幅２０Ｖの正弦波を印加すると、セル６内には粒子８に対する正の誘電泳動力が発生する。このとき、交番電界が印加されると直ちに媒体７内の粒子８は電界集中部１５方向に移動を始める。そして１秒以内に定常状態に達し図３（ｃ）のような粒子配置状態となる。この粒子配置状態は粒子８の実質的に全量が電界集中部１５近傍に集まった状態である。このような粒子配置状態を視認方向１２から見ると、図４（ｄ）に示したようになり、視認者には表電極３が視認される。本実施の形態では表電極３は銅電極であるので、金属銅の表面が視認されることになる。もちろんこのとき銅電極ではなく、任意の色を視認させることは容易である。すでに述べたように誘電泳動では交流電界が用いられるため、電極表面に絶縁膜が形成されていても動作に支障がない。よって、例えば銅電極の上に黒色に着色した絶縁膜を形成することで図４（ｄ）の状態で黒色を視認させることができる。また、表電極３を透明電極とし、下側基板１を着色しておけば、下側基板１の色を視認させることも可能である。さらに、下側基板１を透明なフィルムとし、表電極３及び裏電極４をＩＴＯなどの透明電極で形成すれば、視認者は表示装置のスクリーンを通して裏面を視認することすら可能である。このとき、スクリーンの背面に着色版や画像を配置すれば、図４（ｄ）の状態で背面に配置されている着色版や画像を視認することができるということである。
【００４９】
次に、印加する交番電界を周波数は２００ｋＨｚに変更すると、粒子８は直ちに移動を始め１秒以内に図４（ｅ）に示した粒子配置状態になる。これは周波数を変更したことで電界集中部１５近傍に粒子８に対する強い負の誘電泳動力が発生したためである。負の誘電泳動力は粒子８を電界集中部１５から遠ざけ、電界集中がより弱い部分、すなわち弱電界部１６に移動させる。本実施の形態における弱電界部１６は、電界集中部１５から離れており、かつ等電位面であるために電界集中が電界集中部１５に比較して弱くなっている表電極３上である。このときの粒子配置状態を上面から、すなわち視認方向１２から視認した場合の画素の様子を示したものが図４（ｆ）である。図４（ｆ）では粒子８は表電極３に張り付いて薄く広がっているため、視認者には粒子８の色が視認されることになる。本実施の形態における粒子８はアクリルであって特別な着色は行われていないが、粒子８が小さく、また媒体７である水との屈折率の違いから光をよく散乱し白色として視認されるものである。
【００５０】
このように、異なる周波数の交番電界を印加して粒子８の配置状態を変更することで、視認方向１２から見たときの視認状態を変化させることで表示を行うというのが本実施の形態の表示装置の動作である。
【００５１】
次に、なぜ図１（ｂ）の電極交差部分１４の左右端に電界集中部１５が形成されるのかについて図５を用いて説明する。図５（ａ）は本発明の表示装置の断面図の一部を、そして図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ部を拡大したものの模式図である。図５（ｂ）において、符号１７は表電極３の端部に生じる電界集中部１５付近に形成される電界集中部１５を形成する電気力線、１８は下側基板１を介して表電極３から裏電極４に向かって形成される下側基板１内部の電気力線、そして１９は表電極３から無限遠に向かって形成される表電極３表面の電気力線である。
【００５２】
電源９によって表電極３と裏電極４の間に電位差が生じると、前述した電気力線１７、１８、１９が発生する。このとき、電極交差部分１４のうち弱電界部１６の裏面部分では表電極３から下側基板１を介して裏電極４に至る下側基板１内部の電気力線１８が形成される。下側基板１は厚みが均一なＰＥＴフィルムであるので、表電極３と裏電極４は互いに平行になり、下側基板１内部にも平行電界が形成される。そして、表電極３の表面かつ電界集中部１５から離れた部位には、表電極３表面に端を発して無限遠に向かって伸びる表電極３表面の電気力線１９が形成される。表電極３表面は等電位面となっており、表電極３表面の電気力線１９は巨視的に見ると無限遠に向かって次第に広がるように伸びているが、表電極３表面近傍ではほとんど曲率は０であり、実質的には平行電界が形成されている。一方で、電界集中部１５付近ではエッジ効果によって表電極３の端部に電界の集中が生じ、かつ裏電極４との間の電位差によって電気力線が大きく曲げられるために、強い不均一電界が生じている。
【００５３】
このように、セル６内の電気力線は電界集中部１５付近の電界集中部１５を形成する電気力線１７と表電極３の端部から離れた部分に生じる表電極３表面の電気力線１９の二つに大きく分けて考えることができ、電界集中部１５を形成する電気力線１７がより不均一である。従って、この様な電極構成で正の誘電泳動を行うと、粒子８は電界集中部１５近傍に集まり、また負の誘電泳動を行うと、より電界の不均一の程度が低い弱電界部１６に集まるのである。
【００５４】
本実施の形態では複数考えられる表電極３と裏電極４の形状の中から最も単純なものを例示したが、ここで本発明を実施可能なその他の表電極３と裏電極４の電極形状についていくつかの例を挙げて説明する。
【００５５】
図６及び図７は裏電極４を単純な帯状から変更したものである。図６は電極交差部分１４に位置する裏電極４の幅を狭めたもので、図６（ａ）の塗りつぶし部分は裏電極４の形状を、図６（ｂ）の塗りつぶし部分は表電極３の形状をそれぞれ表している。図７は同様に電極交差部分１４の中央部の裏電極４を除去したものであり、図７（ａ）の塗りつぶし部分は裏電極４の形状を、図７（ｂ）の塗りつぶし部分は表電極３の形状をそれぞれ表している。いずれにおいても電極交差部分１４の形状及び面積が図１（ｃ）の電極交差部分１４から変化しており、図６では形状が正方形からＩの字型に、そして図７ではロの字型になり、ともに電極交差部分１４の面積は減少している。図６の電極構成においては、電界集中部１５及び弱電界部１６の位置と作用効果は図１で示した電極構成の場合と同じである。しかしながら、図６の電極構成では基板内部の電気力線１８が形成される部分の面積が減少するため、電極交差部分１４に形成される静電容量が減少し、結果として前述した粒子８の移動による画像形成に影響を与えることなく、表示装置を駆動する際の消費電力を減少させることができるという効果がある。
【００５６】
図８は表電極３の形状を変更するものの例である。図８（ａ）は上面図、そして図８（ｂ）は（ａ）のα−βで切断したときの断面図である。図８（ａ）において、表電極３には新たな開口部２０が設けられている。開口部２０は裏電極４の端部に位置するように設けられており、開口部２０から下側基板１を介して裏電極４の端部が覗いている。開口部２０の端部からは図８（ｂ）に示したように電界集中部を形成する電気力線１７が形成される。従ってこの開口部２０近傍は新たな電界集中部１５となる。前述した実施の形態では電界集中部１５は表電極３の左右端にのみ存在していたが、図８のような電極形状とすることにより、電界集中部１５を増やしたり、位置を変更したりすることが可能である。このとき、開口部２０と裏電極４の少なくとも一部が重なっているような位置であれば、開口部２０を設ける位置に制限はない。
【００５７】
このような開口部２０を設ける効果は、例えばセル６の大きさが大きくなり、弱電界部１６の面積が大きくなったときにも粒子８を効率よく移動させることができることである。弱電界部１６の面積が大きくなって中央部に位置する粒子８が電界集中部１５から離れるに従い、電界集中部１５までの移動距離が長くなり、また誘電泳動力の作用も弱くなっていく。しかし、新たな開口部２０を設けて電界集中部１５を適切に配置し、弱電界部１６と電界集中部１５との間の距離を短くすることですることで誘電泳動力が弱くなることを防止し、粒子８を効率よく移動させることができる。
【００５８】
表電極３の形状を変更するさらなる例が図９である。図９（ａ）は上面図、そして図９（ｂ）は（ａ）のα−βで切断したときの断面図である。図９（ａ）において表電極３と裏電極４の幅はセル６の幅と同じ、すなわち実施の形態を例でいえば幅が２３０μｍとなっており、さらに複数の新たな開口部２１が設けられている。表電極３と裏電極４の幅がともに２３０μｍとなったことで、図１の電界集中部１５に相当する部分は存在し得なくなり、開口部２１の全面から裏電極４が覗いていることになる。このとき、開口部２１の端部にはエッジ効果によって電界が集中するため、図９（ｂ）に示したように開口部２１の辺すべてが電界集中部１５となる。つまり図９（ａ）に２２で示した範囲がすべて電界集中部１５となるということである。そしてこのとき弱電界部１６は電界集中部２２の外側にある隔壁５内面近傍ということになる。このような構成をとっても画像形成は可能である。ただし、実施の形態で説明したものと、電界集中部２２と弱電界部１６の位置関係が逆転するため、図４で説明した動作のロジックは逆になる。すなわち、電源９より周波数は５ｋＨｚ、振幅２０Ｖの正弦波を印加すると、媒体７内の粒子８は電界集中部１５方向に移動を始める。粒子８は電界集中部１５に渡って広がっているため、視認者には粒子８の色が視認されることになる。次に、印加する交番電界を周波数は２００ｋＨｚに変更すると、電界集中部１５近傍に粒子８に対する強い負の誘電泳動力が発生し、弱電界部１６に移動する。
【００５９】
従って、視認者には表電極３が視認される。
【００６０】
表電極３及び裏電極４の形状ではなく、下側基板１の形状を変更することで電界集中部２２の状態を変更した例が図１０及び図１１である。図１０及び図１１はいずれも図５（ａ）のＢで示したセル６の一部を拡大して表示しているものである。
【００６１】
図１０において２３は下側基板１に設けられた段差である。表電極３は段差２３の上に乗っており、表電極３からは電気力線が伸びている。表電極３端部から伸びる電気力線は電界集中部２４を構成する。図４（ｂ）のような場合に比較して、電界集中部をより効率よく利用できる形状となっている。また、段差２３は下側基板１と同じ材料で一体形成されていてもよいが、下側基板１より誘電率が低い材料で形成することで、電界集中部２４の電界強度をより強くすることもできる。段差２３の高さは使用する粒子８と同等か数倍程度が適当であり、一例として本実施の形態の粒子径２μｍの場合は段差２３の高さは２μｍから２０μ程度が適当である。段差を高くしすぎると表電極３と裏電極４の距離が離れすぎてしまい、電界が弱くなる。また、上側基板２とのギャップが小さくなると粒子の自由な動きが妨げられてしまう恐れもある。
【００６２】
次に、図１１において２５は下側基板１に設けられた凹部である。凹部２５は隔壁５と表電極３の間に形成されておりその形状はかまぼこ状で、最深部は約５μｍ窪んでいる。このような構成をとることにより、図１０の構成と同様に実質的に段差を設けたのと同等の効果を得ることができ、電界集中部２６の領域を高さ方向下側へ広げることが可能である。この様な凹部２５を形成するには、表、裏電極３、４形成後に下側基板１をエッチングすればよく、段差２３を設けるよりもプロセスが簡便になるという利点がある。
【００６３】
さて、実施の形態においてはフィルムで構成された下側基板１の両面に電極を形成したが、本発明の実施はこれにとどまるものでもない。例えば、電界集中をより強め、低い電圧でも効率よく誘電泳動を行うためには、下側基板１は薄い方がよいので、例えばガラス板などを支持基板とし、この上にまず裏電極４を形成し、次いでスピンコートやスパッタリングなどの薄膜形成方法によって非常に薄い絶縁膜を形成してこれを実施の形態で説明した下側基板１として機能させ、さらに表電極３を形成するといった構成をとってもよい。このような構成の例を図１２に示す。図１２において、３０は支持基板、３１は裏電極、３２は絶縁膜、３３は表電極、そして３４が電極交差部分である。すでに説明した図１の下側基板１に相当するのが絶縁膜３２である。この例では支持基板３０としてガラス基板を用い、裏電極３１として支持基板３０にスパッタリングで形成されたＩＴＯ薄膜を、絶縁膜としてスピンコートで作成した厚さ１μｍのポリイミド膜を、そして表電極３３として真空蒸着で形成した厚さ２００ｎｍの金薄膜を用いている。このような構成もまた本発明の範囲に入るものである。
【００６４】
ここまでに説明したいくつかの電極形状や段差、凹部などの形状は一例であって、同等の思想に基き、同様の効果を得ることができる他の例も本発明に含まれるものである。またこれらを組み合わせて利用することも好適である。
【００６５】
以上説明したように、本発明の表示装置では、下側基板１の両面に表電極３及び裏電極４が形成されている。そしてこの様な電極構成でも誘電泳動によって粒子８を移動させ画像形成が可能である。この様な電極構成を取ることによる効果は、表示装置を軽く、薄く形成することが可能になるということである。表示装置を薄く形成することで屈曲時の上側基板下側基板間の応力差が小さくなるため屈曲耐性が高くなり、より小さな半径に曲げることが可能になる。また本発明の電極構成を取ることで、製造工程及び製造装置を簡素化することもできる。例えばパッシブマトリクス方式の液晶表示装置や、電気泳動表示装置、従来構成の誘電泳動表示装置のように、上下の基板にそれぞれ電極が形成されている表示装置を製造する場合と比較すると、これらの表示装置では、上下の電極の位置を厳密に配置させる必要があるので、制度の高い製造装置が必要となる。それに対して本発明の電極配置では電極が一枚の基板の両面に形成されるため、上部基盤は単純に覆いをするだけでよく、製造装置は簡易な物となる。また、電極形成のプロセスにおいても、本発明の電極配置であれば、一枚の基板に対して電極を形成すればよいので簡便である。さらに、駆動のための配線を引き出したり、制御用の電子部品を搭載するような場合も、一方の基板だけに処理を施せばよく、ここでも装置や工程を簡易なものとすることができる。
【００６６】
またここまでの説明では単一のセル６の動作についてのみ言及し複数のセルの集合体からなる表示装置や、またカラー表示については説明を割愛したが、例えば隣り合う３つの画素にそれぞれＲＧＢの背景色を配置し粒子８を白色としたり、また背景色を白色として分散する粒子８をＲＧＢに着色するなどすることで、３つの画素を一組の画素としたカラー表現を実現することは容易である。
【００６７】
ここで、複数のセルを用いた画像形成を行う際の動作の一例について説明する。図１３はｎ×ｍ個のセルとこれらセルの中からひとつを選択して制御を行うためのマトリクス電極を備えた表示装置１３を示す図である。図１３において、符号５０はｎ本の行電極から一本を選択して電源９との接続を行う行シフトレジスタ、５１はｍ本の列電極から一本を選択して電源９との接続を行う列シフトレジスタ、５２は行電極、５３は列電極、５４は行電極と列電極の交点である。図示されない複数のセル６は複数ある交点５４にそれぞれ配置されており、行電極５２は表電極３に、そして列電極５３は裏電極４にそれぞれ接続されている。このような構成はいわゆる単純マトリクスと呼ばれるものであり、表示装置の駆動を行うための構成として一般的なものである。
【００６８】
複数ある行電極５２には上から順に１，２，３・・・ｎと電極番号が割り振られている。これはｍ本ある列電極５３についても同様である。そして、たとえば行シフトレジスタ５０が５番の行電極５２を選択し、列シフトレジスタ５１が５番の列電極５３を選択するとこれらの電極が電源９に接続される。電源９から電圧が印加されると、電界は符号５４で示した交点で最も強くなり、この位置に配置されているセル６において誘電泳動が生じることになる。二つのシフトレジスタは後述するように制御部１０と協調してｎ×ｍ個あるセルを順次選択しながら通電を行い、画像形成をするものである。図１４は複数のセルとマトリクス電極を備えた表示装置における画像形成過程を示す図である。以降の説明では前述した５番の行電極５２と５番の列電極５３の交点５４を単にセル（行番号，列番号）、すなわちセル（５，５）と表現する。
【００６９】
さて、複数あるセルを使い、一枚の画像が形成されるまでの制御手順を説明したものが図１４である。まず、Ｓ１において制御部１０は、メモリ１１内に保存されているプログラムにしたがって、表示すべき画像を決定する。次にＳ２において制御部１０は、画像を映し出すためにセル（１，１）からセル（ｎ，ｍ）までのｎ×ｍ個のセルがとるべき粒子８の配置状態をそれぞれ決定し、それらの値をメモリ１１に保存する。そしてＳ３において選択するセルの初期値を設定し、Ｓ４でシフトレジスタを制御して最初に電圧を印加するセル（１，１）と電源９とを接続する。次いで制御部１０は、Ｓ５において、Ｓ２でメモリ１１に保持したセル（１，１）に印加すべき周波数を電源９に設定する。そしてＳ６において、制御部１０は電源９を制御して通電を行い、粒子８を移動させる。これでセル（１，１）の粒子移動が完了する。その後制御部は次のセルを選択するための手順としてＳ７において条件判断を行う。Ｓ７において制御部１０は、ｂの値、すなわち列番号がｍ、すなわち最終列まで到達しているかどうかを判断する。この段階はセル（１，１）を書き込んだところであるので、条件は満たされない。そこで制御部１０はｂの値に１を加える。そしてＳ４に戻る。Ｓ４において制御部１０は、再びセル（ａ，ｂ）を選択するが、このときｂの値は２となっているため、今回はセル（１，２）を選択することになる。以下同様の動作を繰り返してｍ列までの粒子配置を完了すると、Ｓ７の条件判断は満たされ、Ｓ８の条件判断に移る。ここまでａの値は１のままであり、条件判断は満たされないので、ａに１を加え、ｂを１として再びＳ４に戻る。この動作により、次回はセル（２，１）が選択される。以降、ｂがｍになるごとにａに１が加えられる動作を繰り返す。これはすなわち図１３の交点５４を１行ずつ１列からｍ列に向かってスキャンしていく動作になる。このようにしてセル（ｎ，ｍ）までの全ての交点５４に対して粒子の移動が行われると、ｂはｍに、そしてａはｎになるため、条件判断Ｓ７およびＳ８をどちらも満たしてＳ１で決定した画像の形成が終了する。以上が複数のセルを含む表示装置の画像形成の手順の一例である。
【００７０】
なお、この例では、単純マトリクスによる制御の例を説明したが、アクティブマトリクス方式、セグメント方式など、他の方法を用いても画像の形成は可能である。いずれの場合においても複数のセルのうちのひとつを選択し、そこに適切な周波数の電界を印加して粒子の移動を行うという基本的な制御の考え方は同じである。いずれの方法を用いても本発明を実施することが可能である。
【００７１】
最後に、図１５を用いて本発明の表示装置を搭載した電子ペーパー６０について説明する。図１５は本発明の表示装置を搭載した電子ペーパーの斜視図である。図１５において、６０は電子ペーパー全体、６１は筐体、６２はスクリーン、６３は操作ボタンである。筐体６１の内部には、詳細は図示しないが、本発明の交番電界を印加させるための電源と、交番電界の周波数などを決定するためのプログラムを保存した記憶部と、プログラムを基に前記電源が出力する交番電界の周波数などを決定する制御部が内包されている。また、スクリーン６２には、これも詳細は図示しないが、多数のセル６が整然と配置されており、それぞれのセル６は個別に制御可能な状態で図示しない電源に接続されている。そして、これら多数のセル６は図示しない記憶部に保存されたプログラムを元に図示しない制御部によって決定された周波数によって駆動され、スクリーン６２全体として協調した動作を行うことで視認可能な画像を表示し、また使用者が操作ボタン６３を操作することにより、表示する画像を変更したりする。
【００７２】
電子ペーパー６０は、図１（ａ）の上側基板２を例えば可撓性材料によって構成したスクリーン６２と、スクリーン６２と同等の柔軟性を有する筐体６１などから構成し、使用しないときは丸めておくような使い方をすることも可能である。
【００７３】
また電子ペーパー６０を、スクリーン６２と制御部などを含む筐体６１に分離することで、スクリーン６２単体の使い勝手は紙に近いものとなり、例えば、１ｍｍ以下の厚さに構成することもできる。このようにすると、軽量で持ち易く、例えば、薄手のペーパフォルダによって持ち歩き、必要な場面で取り出して使用することができるような使い勝手に優れた別の態様を実現することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
以上説明した表示装置は、簡素な製造工程と製造装置で製造することができ、電子ペーパーとして電子書籍端末や、電子黒板、情報ボード、あるいは価格表示用のタグなどに利用が可能である。また、カラー表示を行う場合には、さらにデジタルフォトフレームやデジタルサイネージ端末として利用が可能である。
【符号の説明】
【００７５】
１    下側基板
２    上側基板
３    表電極
４    裏電極
５    隔壁
６    セル
７    媒体
８    粒子
９    電源
１０    制御部
１１    メモリ
１２    視認方向を示す矢印
１３    表示装置
１４    電極交差部分
１５    電界集中部
１６    弱電界部
１７    電界集中部を形成する電気力線
１８    基板内部の電気力線
１９    表電極表面の電気力線
２０    開口部
２１    開口部
２２    電界集中部
２３    段差
２４    電界集中部
２５    凹部
２６    電界集中部
３０    支持基板
３１    裏電極
３２    絶縁膜
３３    表電極
３４    電極交差部分
５０    行シフトレジスタ
５１    列シフトレジスタ
５２    行電極
５３    列電極
５４    交点
６０    電子ペーパー
６１    筐体
６２    スクリーン
６３    操作ボタン
【図１】
2011164444.tif 000003
【図２】
2011164444.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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