(57)【要約】【課題】長期間にわたって安定に動作する表示装置を提供することを目的とする。【解決手段】液媒体７と媒体７中に懸濁された複数の粒子８とを間に設けられた空間内に収容するように対向して配置された作用極３及び対極４からなる電極対と、電極対に電界を印加する電源９と、複数の電極対を複数の電気的に絶縁された領域に分画するための隔壁５と、液体中の電界質成分の濃度を維持させる電解質濃度維持機構である陽イオン交換樹脂１４及び陰イオン交換樹脂１５とを備え、電極対は電界集中部を形成し、電解質濃度維持機構は、板状に形成され、複数の電極対の周囲に設けられ、隔壁５に連通孔１６を設けた。【選択図】図２
2011145434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体と前記液体中に懸濁された複数の粒子状物質とを間に設けられた空間内に収容するように対向して配置された複数の電極対と、
前記電極対に電界を印加する電源と、
前記複数の電極対を複数の電気的に絶縁された領域に分画するための隔壁と、
前記液体中の電界質成分の濃度を維持させる電解質濃度維持機構とを備え、
前記電極対は電界集中部を形成し、
前記電解質濃度維持機構は、板状に形成され、前記複数の電極対の周囲に設けられ、
前記隔壁に連通孔を設けたことを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記電解質濃度維持機構は、前記電解質成分のうち陽イオンを吸着する陽イオン交換樹脂と陰イオンを吸着する陰イオン交換樹脂とからなり、前記陽イオン交換樹脂と前記陰イオン交換樹脂とを前記電極対と平行方向に対向させて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】
前記連通孔は、隣接する複数の前記領域間全てに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項４】
前記連通孔は、前記粒子状物質の径よりも小さな幅に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項５】
前記連通孔は、前記隔壁を多孔質材料で形成することで設けた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、粒子の帯電には無関係である。誘電泳動は、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無い特徴がある。
【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】特開２００５−２４２３２０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粒子の帯電に無関係である特徴を持っているが、粒子の帯電を利用する電気泳動方式に比較して溶媒中の電解質濃度に敏感で、ほんの少しの電解質濃度変化で誘電泳動力が変化し、粒子の泳動状態が影響を受けるために表示される画像が乱れてしまうという課題がある。
【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、液体と前記液体中に懸濁された複数の粒子状物質とを間に設けられた空間内に収容するように対向して配置された複数の電極対と、前記電極対に電界を印加する電源と、前記複数の電極対を複数の電気的に絶縁された領域に分画するための隔壁と、前記液体中の電界質成分の濃度を維持させる電解質濃度維持機構とを備え、前記電極対は電界集中部を形成し、前記電解質濃度維持機構は、板状に形成され、前記複数の電極対の周囲に設けられ、前記隔壁に連通孔を設けたことを特徴とした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の実施により、長期間にわたって安定に動作する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】Ｒｅ［Ｋｅ］値と周波数の関係を説明するための図
【図２】（ａ）本発明の表示装置の実施形態における画素横断面図、（ｂ）本発明の表示装置の視認方向から見た上面図
【図３】（ａ）イオン交換の様子を説明するために図２（ａ）のＡ部を拡大した詳細説明図、（ｂ）図２（ｂ）にイオンの動きの軌跡である矢印を追記した図
【図４】表示装置における、側室及び陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂の配置の一例を示す図
【図５】電源の制御手順を説明するための図
【図６】（ａ）本発明の表示装置において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通電前の画素の断面図、（ｂ）図６（ａ）における上面図、（ｃ）本発明の表示装置において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第一の周波数の交番電界を印加して一定時間が経過した後の画素の断面図、（ｄ）図６（ｃ）の上面図、（ｅ）本発明の表示装置において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第二の周波数の交番電界を印加して一定時間が経過した後の画素の断面図、（ｆ）図６（ｅ）の上面図
【図７】導電率維持機構の有無による媒体導電率の経時変化の違いを説明するための図
【図８】媒体の導電率を純水の値である約０．０５５μＳ／ｃｍから０．５５μＳ／ｃｍまで変化させた場合のＲｅ［Ｋｅ］の値の変化を印加する交番電界の周波数に対してプロットした図
【図９】（ａ）イオン交換膜を用いた電解質濃度維持機構の表示装置の断面図、（ｂ）イオン交換膜を用いた電解質濃度維持機構の表示装置の上面図
【図１０】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、液体と前記液体中に懸濁された複数の粒子状物質とを間に設けられた空間内に収容するように対向して配置された複数の電極対と、前記電極対に電界を印加する電源と、前記複数の電極対を複数の電気的に絶縁された領域に分画するための隔壁と、前記液体中の電界質成分の濃度を維持させる電解質濃度維持機構とを備え、前記電極対は電界集中部を形成し、前記電解質濃度維持機構は、板状に形成され、前記複数の電極対の周囲に設けられ、前記隔壁に連通孔を設けたことを特徴とする表示装置であって、複数の領域間及び電解質濃度維持機構との間を連通孔を介してすべてのセルとの間に電解質成分が自由に移動でき、長期間にわたって安定に動作する表示装置を実現することが可能となる。また、前記電解質濃度維持機構の製造が非常に容易で、表示面部分である複数の電極対の周囲に設けられるので表示面になんら影響がない。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、前記電解質濃度維持機構は、前記電解質成分のうち陽イオンを吸着する陽イオン交換樹脂と陰イオンを吸着する陰イオン交換樹脂とからなり、前記陽イオン交換樹脂と前記陰イオン交換樹脂とを前記電極対と平行方向に対向させて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、容易に電解質濃度維持機構を構成し、陽イオン及び陰イオンを偏りなく吸着させることができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、前記連通孔は、隣接する複数の前記領域間全てに設けられてい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、電解質成分が電解質維持機構までより移動しやすくすることができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、前記連通孔は、前記粒子状物質の径よりも小さな幅に形成され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、粒子状物質が連通孔を通過することを確実に防止することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、前記連通孔は、前記隔壁を多孔質材料で形成することで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、容易に連通孔を形成することができる。
【実施例】
【００１４】
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。
【００１５】
まず、電界集中部について説明する。本願で言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言い換えることもできる。
【００１６】
電界集中部の第一の例として挙げられるのは帯電体の表面近傍である。
【００１７】
たとえば対極が無限遠に存在しているような等方的な環境において空間に保持された球状の帯電体があるとき、この帯電体の表面にはあらゆる方向からあるいはあらゆる方向に向けて電気力線が放射状に張り出す。このとき球状帯電体の表面から無限遠の彼方に向けて電位の勾配が生じる、このとき球状帯電体の表面は電界集中部である。
【００１８】
また互いに電位の異なる二枚の互いに合同な並行平板があるとき、平板端部から遠い平板内部の電気力線は平行になり、かつその密度も均一になるが、端部においては電位の高い帯電体の端部から空間に張り出した電気力線がより電位の低い帯電体の端部に収束する、すなわち平板端部のギャップ部分で電気力線がかまぼこ型にアーチを描くように張り出すために電気力線の分布は不均一となり電位の勾配は大きくなる。このとき、二枚の並行平板の端部が本願で言うところの電界集中部となる。
【００１９】
また二枚の互いに面積と電位の異なる並行平板帯電体では、もはや平行電界は存在しえず、より面積の大きな帯電体から張り出した電気力線がより面積の小さな帯電体に向けて収束することになる。このときより面積の小さな帯電体の表面では他方の帯電体に比較して電気力線の密度が高くなるため、この面積の小さな帯電体の表面は電界集中部となる。
【００２０】
帯電体において電界集中部をより積極的に形成するには鋭利な角を設けることが有効である。これはたとえば前述した球状帯電体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。
【００２１】
電界集中部の第二の例は、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したが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。
【００２２】
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。電界集中部は前述した帯電体のように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。たとえば、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、これも本願で言うところの電界集中部であるといえる。
【００２３】
次に、交番電界について説明する。本願で言うところの交番電界とは、一定の周期で電界の方向が反転し、その際に電流が流れる場合にはその平均値が両方向で同じになるようなものである。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。
【００２４】
次に、誘電泳動現象について説明する。
【００２５】
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。誘電泳動の詳細はたとえば参考文献１や参考文献２に記載されている（参考文献１：Ｈ．Ａ．Ｐｏｈｌ，”Ｔｈｅ  Ｍｏｔｉｏ
ｎ  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．）。
【００２６】
誘電泳動理論の数学的な背景を以下に説明する。
【００２７】
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。
【００２８】
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、（数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。
【００２９】
式からわかることとして、まず誘電泳動力ＦDEPは粒子が大きくなると強くなる。上記式では粒子が球状の場合を仮定したが、粒子が楕円体や円筒状など球形と異なる形状の場合についても理論的な解析はなされており、これらに関しても代表寸法の増加と共に誘電泳動力が増加する。
【００３０】
そして次に誘電泳動力ＦDEPは媒体の比誘電率に比例する。比誘電率が大きいということは分極しやすいということを意味する。たとえば水の様な比誘電率が大きな液体は誘電泳動現象を生じさせるのに好適なものである。
【００３１】
次の項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の他に導電率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。この括弧内の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。
【００３２】
さて、最後は電界Ｅである。ここでは電界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。
【００３３】
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。したがって、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言える。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、粒子にはいずれかの方向に力が働くということを示している。
【００３４】
ここで、項Ｒｅ［Ｋｅ］が意味するところの詳細について説明するが、前述したとおり、（式２）は媒体中に球形の粒子が分散されている系を仮定した式であって、異なる形状の粒子に対しては異なる形の式がそれぞれ導出されることを付記しておく。いずれにしても重要なことは、このＫｅを除くすべての項は正の値しかとることが無いため、誘電泳動力ＦDEPはＲｅ［Ｋｅ］値の正負によってその作用方向が反転するということである。
【００３５】
図１はＲｅ［Ｋｅ］値の変化を周波数に対してプロットしたものの一例である。なお、この図は参考文献３に掲載されていたグラフから引用したものであって、水中に懸濁された細胞に対する誘電泳動力を考察したものである（参考文献３：‘Ｄｉｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ  ｓｐｅｃｔｒａ  ｏｆ  ｓｉｎｇｌｅ  ｃｅｌｌｓ  ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ  ｂｙ  ｆｅｅｄｂａｃｋ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ’，Ｔ．Ｂ．Ｊｏｎｅｓ  ｅｔ．ａｌ．  Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ，
５７  ｐｐ１７３（１９９０））。
【００３６】
図１に示したグラフは、説明を容易にするため、不要な部分を除くと共に説明のための符号を付加している。まず符号Ａはグラフに複数あるＲｅ［Ｋｅ］の値が負である領域のうち印加される交番電界の周波数が低い側にある周波数範囲を示している。そして符号ＢはＲｅ［Ｋｅ］が正の値になっている周波数範囲を表しており、符号Ｃはグラフに複数あるＲｅ［Ｋｅ］の値が負である領域のうち印加される交番電界の周波数が高い側にある周波数範囲を示している。符号ａ、ｂ及びｃは、それぞれグラフの周波数範囲Ａ内のＲｅ［Ｋｅ］の値を示す曲線、周波数範囲Ｂ内のＲｅ［Ｋｅ］の値を示す曲線、及び周波数範囲Ｃ内のＲｅ［Ｋｅ］の値を示す曲線である。そして符号ｆ１は周波数範囲Ａと周波数範囲Ｂの境目である周波数を表し、符号ｆ２は周波数範囲Ｂと周波数範囲Ｃの境目の周波数を表している。周波数ｆ１及び周波数ｆ２においてグラフは符号Ｏで表示されたＲｅ［Ｋｅ］の値がゼロとなる軸と交差している。
【００３７】
図１から、Ｒｅ［Ｋｅ］の値は、印加される交番電界の周波数が低い周波数範囲Ａではその値が図１ａの曲線で示されるように負側にあり、（式１）の値も負となるため誘電泳動力は負となっている。周波数範囲Ａ内で印加される交番電界の周波数が増加すると負の誘電泳動力は次第に弱くなり、周波数ｆ１においてゼロとなる。そしてさらにｆ１を超えて周波数が上がるとＲｅ［Ｋｅ］の値は図１ｂの曲線で示されているように正となり、誘電泳動力は引力となる。ここで図１ｂの曲線に示されているように、Ｒｅ［Ｋｅ］の値は周波数範囲Ｂ内において印加される交番電界の周波数にしたがって次第に大きくなり、しばらく最大値を保った後に再び減少に転じている。すなわちこの周波数範囲Ｂにおいて誘電泳動は引力であり交番電界の周波数に応じて強くなったり一定であったり弱くなったりするという複雑な変化をする。そして周波数ｆ２においてＲｅ［Ｋｅ］は再びゼロとなり、印加される交番電界がｆ２より高い周波数範囲Ｃにおいては周波数が高くなると共に一定の負の値まで減少した後、周波数によらぬほぼ一定の強さの負の誘電泳動力を呈するようになる。図１の例ではｆ１は数ｋＨｚ、ｆ２は１００ＭＨｚ付近であるのがわかる。
【００３８】
ここで、正及び負の誘電泳動力の作用する方向について説明する。ＦDEPが正であるとき、粒子は電界集中部に引き寄せられるような力を受ける。そしてＦDEPが負のときは粒子は電界集中部から押しのけられるような力を受ける。したがって、電界集中部から見るとき、正の誘電泳動力は引力と、負の誘電泳動力は斥力と、それぞれ表現することができる。粒子が正の誘電泳動力を受けると、電化集中部に向かって移動し、負の誘電泳動力を受けると、電界集中部から遠ざかる方向に移動する。例えば不均一電界が面積の異なる一対の電極によって形成されているような場合、粒子は正の誘電泳動力によって面積のより小さな電極表面に集まろうとし、負の誘電泳動力を受けると、より面積の大きな電極の方に移動するか、またはこの一対の電極が形成している電界そのものから逃れるように移動する。これはこの一対の電極が形成している不均一電界そのものがマクロな視点で見ると電界集中部となっているからである。このように、誘電泳動現象は電界集中部をどのような視点で捉えるかも重要なことである。粒子が電界集中部に対してどのような動きをするかは、粒子と電界集中部との距離やサイズの比率、粒子の分極状態を決定する交番電界の周波数などによって複雑な変化をする。
【００３９】
さて、以上の説明は一例であって、対象となる系を構成する諸条件が変化すると当然Ｒｅ［Ｋｅ］値の変化の様子も変わってくる。前述したように複素誘電率の完全表現は粒子及び媒体の導電率と誘電率を含んでいるので、たとえば同じ粒子と媒体からなる系であっても媒体内のイオン濃度が変化して導電率が変わるとか、あるいは同じ大きさの粒子と同じ媒体からなる系であっても粒子を構成する材料が異なる、すなわち粒子の誘電率が異なれば、印加される交番電界の周波数に対する応答もそれぞれ異なるものとなり、図１に示したグラフの変化の傾向やＲｅ［Ｋｅ］の最大及び最小値、そして誘電泳動力がゼロとなるｆ１及びｆ２の値も変わるものである。
【００４０】
交番電界下における粒子の分極を支配する要因はいくつかに分けることができる。例えば粒子が帯電しているために粒子の表面を取り囲んでいるイオンの偏りによる分極、粒子を構成している材料分子の分子分極、さらには分子を構成している個々の原子の原子分極等である。そして、粒子が異なる材料からなる層構造を成している様な場合には、これら層間の相互作用が加わる。粒子の分極はこれら様々な階層で生じる分極の総合総和によって形成される。そして、これら各階層の分極の周波数に対する応答はそれぞれ異なるものである。すなわち、粒子を取り囲んでいるイオンは大きくて重いため電荷移動の交番電界に対する応答が最も遅い。従って交番電界の周波数が低い場合はその寄与が大きいが、周波数が高くなると、交番する電界に対してほとんど追従することができなくなり、粒子分極に対する寄与率は低下していく。周波数が高くなると、イオンに代わって、交番電界に対して高速に応答できる分子分極や原子分極が粒子の分極を支配することになる。これが粒子の材料や構造が異なると図１に例示した交番電界の周波数に対する誘電泳動力が変化する原因である。またここで、粒子の表面を取り囲んでいるイオンに言及したが、分極を支配するのはその偏りであって粒子が帯電している電荷の正負ではないことを注記しておく。粒子表面のイオンの偏りは、粒子の分極を決定する一要素であってすべてではない。つまり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、電気泳動とは根本的に異なる現象である。以上が誘電泳動現象の説明である。
【００４１】
次に電解質について説明する。電解質とは溶媒中に溶解された際に電離して陽イオンと陰イオンに分かれるような物質の総称である。代表的な電解質は食塩などの塩類である。また、酸やアルカリも溶媒中で電離するため、本発明で言うところの電解質に含まれる。一方で電解質には固体のものや高温で溶融した状態のものもあるが、これらは溶媒に溶解する性質のものではないため本発明で言うところの電解質には含まれないものである。電解質は非常に多くの種類が存在するのでここにそれらを列挙することは避けるが、電解質が存在する溶媒は純粋な溶媒に比較してその導電率が上昇するため、溶媒の導電率を上昇させるような溶質として電解質を定義するにとどめる。
【００４２】
以下に図２から５を用いて本発明の実施例の詳細説明を行う。
【００４３】
図２は本発明の表示装置の実施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２（ａ）は本発明の表示装置の実施形態における画素横断面図を、図２（ｂ）は本発明の表示装置の視認方向から見た上面図をそれぞれ表している。
【００４４】
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画素のうち、ひとつについての構成及びその動作について説明する。
【００４５】
図２において、１は下側ガラス基板、２は上側ガラス基板、３は作用極、４は対極、５は隔壁、６はセル、７は媒体、８は粒子、９は電源、１０は視認方向を表す矢印、１１は制御部、１２はメモリ、１３は本発明の表示装置全体、１４は陽イオン交換樹脂、１５は陰イオン交換樹脂、１６は連通孔、１７は側室である。
【００４６】
本実施の形態では下側ガラス基板１及び上側ガラス基板２はいずれもガラス基板を用いている。これはガラスに材質を限られるものではなく、プラスチックフィルム等を用いることももちろん可能である。ただし、少なくとも上側ガラス基板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。
【００４７】
作用極３及び対極４はいずれも電極であって電源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作用極３及び対極４に電位変化を与えればよいということであり、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。たとえばコンデンサ様の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。また電極の表面も媒体７や粒子８に必ずしも直接接触している必要は無い。作用極３及び対極４のいずれか一方、または両方の表面が絶縁性の保護膜で覆われているとしても本発明を実施するに何の問題も無い。
【００４８】
本実施形態における作用極３及び対極４はＩＴＯからなる透明電極である。セル６内の粒子８の移動の様子を外部から視認するためには少なくとも画素の一部は透明になっている必要がある。本実施の形態では視認方向１０から見たときに、上側ガラス基板２とセル６の間に対極４が配置される構造となっているため、少なくとも対極４は透明電極とする必要がある。作用極３は一辺が１００μｍ、対極４は一辺が１４０μｍの正方形であり、それらの中心はやはり正方形である画素の中心と一致している。したがって、対極４はセル６の天井面ほぼ全面を覆っていることになる。作用極３と対極４は互いに平行に配置されているが、作用極３は対極４に比較して面積が小さいためその表面全体が電界集中部となる。
【００４９】
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画素を分割している。隔壁５と下側ガラス基板１及び上側ガラス基板２で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画素内に閉じ込めることができるからである。
【００５０】
本実施形態においては隔壁５の高さは約５０μｍ、幅約２５μｍ、そして上面から見たときに一辺１５０μｍの正方形の開口を形成している。もちろん画素の形状はどのようなものであっても良いが、隔壁５の高さが高くなり、作用極３と対極４の間隔が大きくなると同じ電位勾配を発生させるために必要な電圧が大きくなってしまうことを付記しておく。
【００５１】
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。媒体７の導電率の制御は本願の根幹を成すものであり、詳細に後述する。
【００５２】
本実施の形態における粒子８は直径５μｍにピークを持つ複数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。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。たとえば形状で言えば、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、多孔体等であってもよい。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及びこれらの複合物、すなわち無機粒子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が作用極３を含むセル６底面を埋め尽くすに十分なものとなっている。
【００５３】
本実施の形態における媒体７に粒子８としてのアクリルビーズを分散すると、アクリルビーズの表面は負に帯電する。媒体７を水とした場合、アクリルだけでなく多くの樹脂が負に帯電することが知られているが、前述したように、粒子８の表面電荷は誘電泳動現象に大きな影響を与えることはない。誘電泳動現象に影響があるのは、帯電した粒子８の表面を覆う粒子帯電と対を成す電荷のいわゆるカウンターイオンである。このカウンターイオンの電界による偏りは誘電泳動力の周波数依存性に影響を及ぼすものである。
【００５４】
ところで、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って、その場合は媒体７の導電率の変化を考慮した添加剤を選択することが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などを挙げることができる。
【００５５】
本実施形態における電源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。たとえば出力波形は異なる複数の周波数の正弦波の合成波からな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、その形状は周期的なものであって、電界の方向の反転を伴い、電圧印加に際して系に電流が流れる場合にはその平均値が両方向で同じになるようなもの、すなわち交流回路で言うところのバイアス成分を含まない交番電界である。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。
【００５６】
電源９は制御部１１によって制御される。制御部１１は、詳細は図示しないが、ＣＰＵを含み、予め作成されてメモリ１２内に保存された制御プログラムや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１２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。
【００５７】
陽イオン交換樹脂１４と陰イオン交換樹脂１５は、幅５ｍｍ、厚さ１００μ、長さ９００ｍｍの帯状で、媒体７で満たされ、詳細は後述するが、すべてのセル６と連通した側室１７内に複数のセル６からなる表示素子１３の辺部を取り囲むように配置されている。陽イオン交換樹脂１４と陰イオン交換樹脂１５は、本発明における電解質濃度維持機構の一例である。陽イオン交換樹脂１４と陰イオン交換樹脂１５をこのような帯状、すなわち板状にすることで、陽イオン交換樹脂１４と陰イオン交換樹脂１５との製造が非常に容易となる。また、製造時の取り扱いも粒子状のイオン交換樹脂などに比較して格段に容易になるものである。イオン交換樹脂の表面積が低下することで、イオン交換速度の低下が生じるが、本実施の形態における隔壁５等からの電解質の溶出のようなきわめて緩慢な事象においては、イオン交換速度の低下はまったく問題にならないものである。
【００５８】
イオン交換樹脂の作用原理については詳細を省く。陽イオン交換樹脂１４は置換されるイオンを水素イオンとしたものであって、スチレンとジビニルベンゼンの共重合体を骨格とし、結合に寄与していないビニル基をスルホン酸化することで作られる、いわゆる強酸性イオン交換樹脂と呼ばれているものである。そして、陰イオン交換樹脂１５は置換されるイオンを水酸イオンとしたものであって、陽イオン交換樹脂１４と同様の骨格でスルホン酸ではなく４級アンモニウムなどの塩基性の強い官能基を導入して末端を水酸イオンとすることで作られる、強塩基性イオン交換樹脂と呼ばれているものである。陽イオン交換樹脂１４の水素イオンは金属イオンを代表とするほとんどの遊離陽イオンと交換され、遊離陽イオンが樹脂に化学吸着される代わりに媒質７である水中へ放出される。そして陰イオン交換樹脂１５の水酸イオンはフッ素イオン以外のほとんどの遊離陰イオンと交換され、遊離陰イオンが樹脂に化学吸着される代わりに媒体７である水中に放出される。陽イオン交換樹脂１４と陰イオン交換樹脂１５はいずれも前述したように高分子骨格を持っており、一般的なプラスチックと同様に自由な成型加工が可能である。本実施の形態においても陽イオン交換樹脂１４と陰イオン交換樹脂１５の形態は特に規定されるものではなく、図２に示したような板状でも、粒子状でも、膜状であっても良い。また、側室１７内の壁面に固定されている必要も無いものである。電解質濃度維持機構は陽イオンを吸着する陽イオン交換樹脂１４と陰イオンを吸着する陰イオン交換樹脂１５とからなり、陽イオン交換樹脂１４と陰イオン交換樹脂１５とを電極対と平行方向に対向させて設けことで、容易に電解質濃度維持機構を構成し、陽イオン及び陰イオンを偏りなく吸着させることができる。
【００５９】
イオン交換樹脂は塊状であっても、その骨格は３次元に架橋され高分子網目構造となっており、イオンはその網目を通り抜けてイオン交換樹脂の奥深くまで浸透するので、イオン交換樹脂の表面のみではなく全体でイオン交換が行われる。市販されているイオン交換樹脂は直径数百μｍの粒子状のものが一般的である。微小粒子を充填したカラムのように、イオン交換樹脂の見かけの表面積が大きなものほどイオン交換の速度は速い傾向にあるが、本実施の形態のようにイオン濃度の変化が緩慢な場合は、陽イオン交換樹脂１４あるいは陰イオン交換樹脂１５のような板状の、見かけの表面積が小さなものでもイオン交換速度が問題になることは無い。尚、本実施の形態の陽イオン交換樹脂１４と陰イオン交換樹脂１５は互いにほぼ等しいイオン交換等量を持っており、その値は約１ミリ等量、すなわち一価のイオン換算で１ミリモルに相当する。
【００６０】
本実施の形態における連通孔１６は隔壁５に対してエッジ形状の冶具を軽く押し当てることで形成された楔形の溝であって、その深さは乾燥時約１０μｍである。この１０μｍという値は、直径５μｍにピークを持つ複数の球状中実体である粒子８に比べて大きいが、複数のセル６間には媒質の流れは発生しないので、あるセル６中の粒子８が隣のセル６に移動してしまって表示にムラができるような事態は実質的には発生しない。また、容易に連通孔１６を形成することができる。もちろん、この部分を粒子８が通過できないような大きさに形成することも容易であり、粒子８が連通孔１６を通ってセル６間を移動することを確実に防ぐことができる。また、粒子８よりも小さい連通孔１６であっても、イオンが通過するには十分な大きさである。また、イオンの移動は濃度分布を推進力とする拡散に従うため、セル６間に媒体７の流れが無くとも、濃度の勾配があれば、より濃度の低いセル６に向かって次々と動いていくものである。このような連通孔１６を実現するためには、本実施の形態のように物理的な通路を形成する以外にも方法がある、たとえば隔壁５の一部または全部が、貫通穴を持つ多孔性の材料で形成されているような場合である。このような隔壁５を形成することは、多孔質プラスチックと呼ばれる材料を用いることで容易に実現可能である。また、連通孔１６を隣接する複数のセル６間全てに設けることで、電解質成分が電解質維持機構までより移動しやすくすることができる。
【００６１】
前述したように、本実施の形態における側室１７は下側ガラス基板１及び上側ガラス基板２の外周部に複数のセル６を取り囲むように設けられており、陽イオン交換樹脂１４と陰イオン交換樹脂１５を内包している。側室１７は媒体７で満たされているが、粒子８については含んでいても含んでいなくても良い。側室１７はすでに述べたように連通孔１６を介してすべてのセル６との間にイオンが自由に移動できるように連通している。
【００６２】
さて、この実施例の表示装置の一連の動作について次に説明するが、まず制御部１１がどのように制御を行うかを説明し、ついでその制御によって誘電泳動が行われる際の粒子８の移動の様子を説明する。
【００６３】
図５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１２内に保存されているプログラムによって、制御部１１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１１の図示しないＣＰＵはメモリ１２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、演算式等だけでなく、振幅、波形、出力の持続時間、持続時間内で周波数や振幅、波形等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１２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。
【００６４】
そして、制御部１１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。
【００６５】
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６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。図６（ａ）は通電前の画素の断面図、図６（ｂ）は同上面図、図６（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６（ｄ）は同上面図、図６（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６（ｆ）は同上面図である。
【００６６】
まず、画素に通電を行う前、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１０ｋＨｚ、振幅２０Ｖの正弦波を印加すると、セル６内には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６（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１０から見ると、図６（ｄ）に示したようになり、視認者には粒子色が視認される。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。
【００６７】
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６（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を弱電界部へと押しやるように移動させる。弱電界部は粒子８が移動可能なセル６内でもっとも電気力線が疎であり、不均一の度合いが低い部位となっている。このときの粒子配置状態を上面から、すなわち視認方向１０から視認した場合の画素の様子を示したものが図６（ｆ）である。図６（ｆ）では粒子８は隔壁５に張り付いて薄く広がっているため、視認者には画素奥に配置されている下側ガラス基板１が主に視認されることになる。本実施の形態においては、作用極３はＩＴＯからなる透明電極、そして下側ガラス基板１はガラスであるので、視認者には透明なガラス板が視認されることになる。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１０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形態の表示装置の動作である。
【００６８】
次に、なぜ電解質濃度維持機構が必要なのか、すなわち本実施の形態では電解質濃度維持機構としての陽イオン交換樹脂１４及び陰イオン交換樹脂１５が必要であるのかを説明する。
【００６９】
すでに説明したように、本実施の形態の表示装置は誘電泳動力をその動作原理としている。そして誘電泳動現象は誘電体が電界によって分極して双極子となり、その双極子が分極をもたらした電界によって力を受ける現象であって、発生する誘電泳動力の強さは媒体７の導電率に影響を受けることはすでに説明した。
【００７０】
媒体７の導電率を決定している大きな要因は媒体７内に存在する遊離イオンの量であって、これは電解質の量と同義である。本発明の要諦である電解質濃度維持機構はこのイオンの濃度、つまり電解質の濃度を一定に保つことによって媒体７の導電率を一定に保ち、誘電泳動力の発生を安定させることで表示装置を安定動作させるために存在しているものである。本実施の形態における陽イオン交換樹脂１４及び陰イオン交換樹脂１５は経時的にセル６内で生じるイオン濃度の変化をイオン交換によって吸着除去し電解質濃度を一定に保つことで電解質濃度維持機構としての作用を行っている。
【００７１】
ところで、セル６内で経時的に生じる電解質濃度変化の原因は、隔壁５や粒子８、基板等から溶出してくる微量の塩などの電解質に起因するものと考えられる。たとえば本実施の形態における隔壁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作られたものであるが、パターン形成の際には炭酸ナトリウムなどの電解質を含む水溶液が用いられるため、これが材料に吸収されるなどして形成される隔壁５内に残留する可能性がある。そして形成された隔壁５が媒体７として用いられている純水と接触することによって、これら残留塩分が微量に溶け出して電離によってイオン化し、媒体７の電解質濃度を変化させているといったことがセル６内の電解質濃度変化の原因の一例として考えられる。また、隔壁５や粒子８や基板を形成する樹脂材料中に未反応のモノマーが残留していたり、反応促進剤としての塩類が混合されているような場合には、たとえそれが表面に露出しておらず内部の奥深くに存在しているとしても、長時間かけて次第に拡散し、ついには表面から媒体７内に溶解するといったことも考えられるものである。
【００７２】
このような様々な原因によってセル６の隔壁５や粒子８などから塩などが溶出しセル６内の電解質濃度が変化する、すなわちイオン濃度が増大すると、イオンは濃度勾配にしたがって連通孔１６を介して他のセル６へと拡散していくが、このとき、互いに連通している複数のセル６及び側室１７のイオン濃度は、側室１７においてもっとも低くなっているので、複数のセル６のうちいずれにおいて電解質、すなわちイオンの濃度が上昇したとしても、それらイオンは濃度勾配に従って最終的には側室１７まで移動してくることになる。これは側室１７内には陽イオン交換樹脂１４及び陰イオン交換樹脂１５が配置され、側室１７内に拡散してきたイオンを直ちにイオン交換によって吸着するからである。イオン交換によって吸着された電解質由来のイオンの代わりに側室１７内に放出されるのは水素イオンと水酸イオンであり、これらは結合して水になるため側室１７内の導電率が純水以上に上昇することは無い。
【００７３】
ここで図３を用いて本実施の形態における導電率維持機構であるイオン交換樹脂がどのようにイオン交換を行い、導電率を一定に維持するかをさらに詳細に説明する。図３（ａ）はイオン交換の様子を説明するために図２（ａ）のＡ部を拡大した詳細説明図である。図３において、２０はイオンの動きの軌跡の例を表す矢印である。そして図３（ｂ）は図２（ｂ）にイオンの動きの軌跡である矢印２０を追記した図である。
【００７４】
さて、前述したように隔壁５から電解質が溶出するなどしてセル６内のイオン濃度が上昇すると、側室１７内のイオン濃度とセル６内のイオン濃度に差が生じ、セル６から側室１７に向けてイオン濃度が低下するような濃度勾配が発生する。この濃度勾配を駆動力としてセル６内のイオンは側室１７に向けて拡散し移動していく。この軌跡を現したのが矢印２０である。セル６内からイオンが側室１７内に移動することで、セル６内の導電率は低下し、電解質の溶出が生じる前の値に戻る。側室１７に移動したイオンは、陽イオンであれば陽イオン交換樹脂１４に、陰イオンであれば陰イオン交換樹脂１５に吸着され、それぞれ水素イオンと水酸イオンが放出され、次いでこれらが結合して水となることでイオン交換の過程が完了する。このとき、表示装置１３の複数のセル６は、連通孔１６介して互いにイオンが行き来できるので、どこの位置にあるセル６の中で電解質の溶出が生じてイオンが発生したとしても、イオンは隣接するセル６を介して側室１７に向かう濃度勾配を駆動力として最終的に側室１７まで移動してくる。このようにしてセル６内の導電率は電解質が溶出する前の値に保たれるのである。側室１７の位置は基板外周部に限定されるものでもなく、セル６とセル６の間や、裏面などでも良い。要はイオンの移動という観点ですべてのセル６が連通した状態であればいずれの位置に配置されていても良いということである。図４は表示装置における、側室及び陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂の配置の一例を示す図である。図４において２１は複数のセル６からなる表示面であり、幅約２４ｃｍ、高さ約１８ｃｍの大きさである。図４に示した例では、側室は表示面を取り囲むように配置されており、その内部には陽イオン交換樹脂１４と陰イオン交換樹脂１５が配置されている。このように陽イオン交換樹脂１４と陰イオン交換樹脂１５とを配置することによって、表示面２１の大きさ、形などになんら影響を与えずに電解質の濃度を一定に保つことによって媒体７の導電率を一定に保ち、誘電泳動力の発生を安定さことができる。
【００７５】
さて、前述したように本実施の形態の陽イオン交換樹脂１４と陰イオン交換樹脂１５は互いにほぼ等しいイオン交換等量を持っており、その値は約１ミリ等量、すなわち一価のイオン換算で１ミリモルに相当するが、このイオン交換等量は、セル６内のイオン濃度を表示装置１３が稼動する期間内を通じて一定の値に保つことが出来る十分なものであることはいうまでも無い。一般的な隔壁５の形成材料であるドライフィルムを例に取ると、これら材料からの電解質の溶出量は高々数ＰＰＭである。実施の形態において使用されている隔壁５の材料の総量は約０．６ｇである。この０．６ｇの隔壁５の材料から想定を大幅に超える１００ＰＰＭの炭酸ナトリウムが溶出したと仮定すると、炭酸ナトリウムの溶出量は６０マイクログラム、すなわち約０．５７マイクロモルとなる。炭酸ナトリウムはＮａ2ＣＯ3の化学式で表され、イオン化すると一分子の炭酸ナトリウムから２つの一価のナトリウムイオンと、ひとつの二価の炭酸イオンとなる。すなわちイオン等量としては陽イオン陰イオン共に約１．１４マイクロモルとなる。これは本実施の形態で用いている陽イオン交換樹脂１４と陰イオン交換樹脂１５のイオン交換等量である１ミリモルに比べて十分に小さい値である。したがって、陽イオン交換樹脂１４と陰イオン交換樹脂１５は、セル６内のイオン濃度を表示装置１３が稼動する期間内を通じて一定の値に保つことが出来る十分なものであると言えるのである。
【００７６】
以上説明したように、側室１７内に陽イオン交換樹脂１４及び陰イオン交換樹脂１５を配置することで、連通する複数のセル６内の電解質濃度が純粋の導電率付近の一定の値に維持され、結果として表示装置を安定して動作させることができるようになる。
【００７７】
本実施の形態では電解質濃度維持機構として作用するのは陽イオン交換樹脂１４及び陰イオン交換樹脂１５であり、維持される電解質量は媒体７として用いられている純粋な水の電離によって発生するイオン量に近い。これは導電率に換算すると０．０５５μＳ／ｃｍ〜１０μＳ／ｃｍ程度である。もちろん、この値は媒体７として水を用いた場合のものであって、異なる媒体７を用いた場合はこの限りではない。
【００７８】
さて、図７は導電率維持機構の有無による媒体７導電率の経時変化の違いを説明するための図である。図７において、３０は導電率維持機構がない場合のセル６内の導電率の経時変化の様子を表す曲線、３１は導電率維持機構がある場合のセル６内の導電率の経時変化の様子を表す曲線である。導電率維持機構がない場合は、セル６内のイオン濃度は、前述した様々な原因で媒体７に溶出してくる電解質によって上昇していき、それにつれて媒体７である水の導電率も上昇していく。イオン濃度の上昇は初期大きく、次第に緩やかなものになる。これは溶出した電解質によるイオンと、隔壁５などにイオン化せずにとどまっている電解質の間で濃度平衡が生じるためである。その結果、媒体７の導電率の経時変化は曲線３０のようになる。一方導電率維持機構がある場合は、すでに説明したように、溶出した電解質に起因するイオンは電解質濃度維持機構によって除去されるため、媒体７の導電率変化はほとんどなく、初期の値を長時間にわたって維持する。この初期の導電率の値が、本実施の形態では純粋の導電率に近いものとなる。
【００７９】
では、このような媒体７の導電率の変化が誘電泳動にどのような影響を与えるのかを説明する。
【００８０】
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。これは主に二つの理由がある。一つは媒体７の導電率が上昇すると電気二重層によって粒子８にかかる電界が弱くなるから、というもの、そして今ひとつは誘電泳動現象そのものに媒体７の導電率が影響しているから、というものである。以下にそれぞれ説明する。
【００８１】
電気二重層については詳細な説明を省くが、簡易な理解は、媒体７中のイオンが電極表面で生じる正負の電位変化をそれぞれの対電荷によって中和するというものである。電気二重層が発生すると、電極間の電位変化が電極表面で中和されてしまうため、実質的に媒体７にかかる電位変化が小さなものになってしまう。これは電気二重層が無い場合において電極間にかける電位差を小さくしたことに等しい。つまり（式１）の∇｜Ｅ｜2の項において、Ｅのスカラー量が小さくなってしまうということである。これはすなわち誘電泳動力が弱くなることを意味する。もちろんこれは逆のことも言え、媒体７がある導電率の値からより小さな導電率の値に変化すると、その媒体７中での誘電泳動力は、正であれ負であれ、強くなるものである。いずれにしても、媒体７の導電率変化によって誘電泳動現象が影響を受けるという意味では同じことである。これが一つ目の理由である。
【００８２】
今ひとつの理由は、誘電泳動現象の本質的な部分に関わっている。すでに説明した誘電泳動の理論式である（式１）及び（式２）は媒体７の導電率の項、正確には複素誘電率で表された（式２）の完全表現であるεm−σm／ωｊの中にσmとして導電率の項を含んでおり、導電率の変化が誘電泳動力の発現に影響を与えることが明らかである。この媒体７の導電率の変化が誘電泳動力ＦDEPにどのような影響を与えるかを図８を用いて説明する。図８は本実施の形態の表示装置において、媒体７の導電率を純水の値である約０．０５５μＳ／ｃｍから０．５５μＳ／ｃｍまで変化させた場合のＲｅ［Ｋｅ］の値の変化を印加する交番電界の周波数に対してプロットした図である。図８において、グラフの横軸は周波数、縦軸はＲｅ［Ｋｅ］、そして４０はＲｅ［Ｋｅ］が０すなわち誘電泳動力が０となる軸、４１は媒体７の導電率が０．０５５μＳ／ｃｍであるときのＲｅ［Ｋｅ］値の変化を表す曲線、４２は媒体７の導電率が０．２７５μＳ／ｃｍであるときのＲｅ［Ｋｅ］値の変化を表す曲線、４３は媒体７の導電率が０．５５μＳ／ｃｍであるときのＲｅ［Ｋｅ］値の変化を表す曲線、そして４４は曲線４１から４３のいずれの条件においても誘電泳動力がほぼ０になる周波数であるｆ０を示している。グラフからわかることは、負の誘電泳動力が発生するｆ０よりも高周波側、すなわちグラフの右側では曲線４１から４３はほぼ重なっており、Ｒｅ［Ｋｅ］の値がほぼ同じであることを示しているので、負の誘電泳動力は媒体７の導電率の影響を受けないということである。これに対して、正の誘電泳動、すなわちｆ０よりも低周波であるグラフの左側については媒体７の導電率が増大するにしたがってＲｅ［Ｋｅ］の値が小さくなる、つまり誘電泳動力が弱くなっている。つまり、正の誘電泳動力は媒体７の導電率の影響を受けて変化してしまうということである。
【００８３】
以上説明したように、誘電泳動力は媒体７の導電率が変化するとその影響を受けて強さが変化する。これはすなわち同一の制御を行った場合に、媒体７の導電率の違いによって誘電泳動力が異なるために粒子８の移動状態が異なるということを意味している。これは表示装置を一定時間使用し続けると、初期の表示状態と異なるものになってしまうということを意味しており、表示装置としては大きな問題となる。しかし、本発明における表示装置は電解質濃度維持機構を有しており、媒質７の導電率変化、すなわち電解質濃度の変化に起因するイオン濃度変化は、導電率濃度維持機構であるイオン交換樹脂によって一定に保たれているため、長期間にわたって安定な表示を維持することが出来るものである。
【００８４】
また、本実施の形態では陽イオン交換樹脂１４及び陰イオン交換樹脂１５を側室１７に配置し、セル６内の電解質濃度を一定に保ったが、これもあくまで一例であって、同様の作用効果を得ることができる他の形態も多数考えることができる。以下にそれらからいくつか例を挙げる。
【００８５】
まず、隔壁５や粒子８を構成する材料のうち少なくとも一部がイオン交換能を持っており、電解質濃度維持機構としての作用を兼ねるのは好適な例の一つである。前述したように、イオン交換樹脂は一般的なプラスチックと同様に成型加工が可能であり、本実施の形態における隔壁５、すなわち、高さは約５０μｍ、幅約２５μｍ、そして上面から見たときに一辺１５０μｍの正方形の開口を形成しているような構造物そのものをイオン交換樹脂でを形成することも出来るし、あるいは隔壁５の材料の一部に混合して使用することも容易である。イオン交換樹脂を隔壁５の材料に混合する場合は、単純に樹脂同士を混合しても良いが、隔壁５の材料を成している高分子そのものを作る際にモノマーの一部としてイオン交換樹脂材料を加える、また隔壁５の材料を成している高分子にイオン交換脳を持った置換基を導入するなどの方法はより望ましいものである。
【００８６】
この場合、複数のセル６の周囲を陽イオン交換樹脂１４及び陰イオン交換樹脂１５で囲む必要がないので表示装置の小型化が可能となり、さらに別部材で隔壁５を製造する必要がないので低コストで製造することができる。
【００８７】
また、粒子状にしたイオン交換樹脂を粒子８に混ぜ込んで使用することも好適である。このときイオン交換樹脂は印加される電界に対して必ずしも粒子８と同じ挙動を示すわけではないが、イオン交換樹脂の大きさ、及びその混合比率が粒子８に比較して小さければ実質的に表示状態に影響を与えることは無いものである。
【００８８】
実際、前述した１００ＰＰＭの電解質溶出が生じた場合を仮定しても、必要となるイオン交換樹脂の体積は、セル体積の２０００分の１程度と非常に少ないものとなる。イオン交換樹脂を粒子状に成型して混合することは容易であるが、粒子８よりも大きなイオン交換樹脂は、単体で視認者に視認されてしまう可能性があるため、イオン交換樹脂の大きさは粒子８を上回らないことが望ましい。イオン交換樹脂を粒子８よりも小さな粒子に成型して混合することは、粒子８の視認状態に対する影響を小さく出来るので望ましいものであるが、このときイオン交換樹脂の直径を粒子８の約１／７以下にすると、粒子８同士が接触し、密に充填されたような状況においても、粒子８同士の隙間にイオン交換樹脂が入り込むことが出来、より視認性に与える影響が小さくなるため好適である。いずれの場合においても、イオン交換樹脂の大きさに関わらず、イオン交換樹脂の形状は球体であるのが望ましいものである。イオン交換樹脂を球体とすることで、イオン交換樹脂同士、あるいはイオン交換樹脂と粒子８の接触面積を最小にすることが出来、粒子８同士の付着による凝集を防ぐことが出来るなど、物理的に粒子８の動きを妨げる可能性がもっとも低くなるものである。さらに、イオン交換樹脂の比重が粒子８と同程度であることも望ましいものである。イオン交換樹脂と粒子８の比重が近ければ、イオン交換樹脂は粒子８が誘電泳動によって移動する際に粒子８の移動に巻き込まれるようにしていっしょにスムーズに移動し、粒子８の動きを妨げることが無いものである。
【００８９】
このように粒子状にしたイオン交換樹脂を粒子８に混ぜ込んで使用することによって複数のセル６の周囲を陽イオン交換樹脂１４及び陰イオン交換樹脂１５で囲む必要がないので表示装置の小型化が可能となる。また、全てのセル６内に均等に粒子状のイオン交換樹脂を設けることができるので、セル６全体の電解質の濃度を一定に保つことによって媒体７の導電率を一定に保ち、誘電泳動力の発生を安定させることができる。
【００９０】
このように、隔壁５や粒子８を構成する材料のうち少なくとも一部がイオン交換能を持っており、電解質濃度維持機構としての作用を兼ねるような構成をとることで、溶出した電解質によるイオンは溶出したセル６内で直ちにイオン交換されるため、側室１７を廃することができ、小型化が可能となる。
【００９１】
また、イオン交換膜を用いて、電気透析を行うことでセル６内の電解質濃度を一定に保つことも好ましく、このような手法も本発明で言うところの電解質濃度維持機構に含まれるものである。電気透析法は海水の脱塩プラントなどで用いられているものと同じ機構である。
【００９２】
イオン交換膜は、イオン交換樹脂を厚さ数百ミクロンの膜状に成型したもので、陽イオン交換膜と陰イオン交換膜があり、それぞれ陽イオン交換膜は陽イオンを、陰イオン交換膜は陰イオンを選択的に透過し、反対電荷のイオンは透過しないという性質を持っている。これらイオン交換膜を用いて電解質濃度維持機構を構成することが可能である。図９はイオン交換膜を用いた電解質濃度維持機構の一例を示す図である。図９（ａ）はイオン交換膜を用いた電解質濃度維持機構の表示装置の断面図のうち、複数のセル６が形成されている表示装置の中央部分を省き、説明に必要な両端部を拡大して示したもの、図９（ｂ）はイオン交換膜を用いた電解質濃度維持機構の表示装置の上面図である。図９において５０は陽イオン交換膜、５１は陰イオン交換膜、５２は陰極、５３は陽極である。図９の表示装置は左右の端部に二つの側室１７を持っており、この二つの側室１７は独立している。陽イオン交換膜５０は側室１７とセル６の間に配置され、陰イオン交換膜５１は反対側の側室１７とセル６の間に配置されている。すなわち複数のセル６は、陽イオン交換膜と陰イオン交換膜で挟み込まれるように配置されている。左右の側室１７内にはそれぞれ陽イオン交換膜５０側に陰極５２が、陰イオン交換膜５１側に陽極５３が配置されている。このような構成で、陰極５２側がマイナス、陽極５３がプラスになるように電圧を印加すると、セル６内の陽イオンは陽イオン交換膜５０を通過して陰極５２側の側室１７に、陰イオンは陰イオン交換膜５１を通過して陽極５３側の側室１７に移動し、結果としてセル６内のイオン濃度は低下する。そして、このとき電極間に印加する電圧を増減することでセル６内のイオン濃度を制御することが出来、電圧を一定に保てばセル６内のイオン濃度を一定に保つことが出来る。以降隔壁５等から電解質が溶出し、セル６内のイオン濃度が高まった場合には、電極に印加する電圧を高めることでセル６内のイオンを側室１７内に引きずり出し、濃度を溶出前の値に戻すことが出来る。このようにすることでセル６内のイオン濃度を一定に保つことが出来るので、図９で説明した電気透析法も本発明で言うところの電解質濃度維持機構の例の一つであるといえる。
【００９３】
さらに、以下に説明するような、より単純な機構によって電解質濃度維持機構を構成することも可能である。まず、イオン透過性の隔壁５で側室とセル６を仕切る。これは不織布や多孔質膜の他イオン透過性の樹脂膜などが使用できる。そして側室内に所望の電解質濃度の媒体７を満たす。すると、セル６内のイオン濃度よりも媒体７のイオン濃度の方が高ければ、イオンは濃度勾配にしたがってセル６内に拡散して行き、セル６内のイオン濃度は高くなる。また逆に、セル６内のイオン濃度よりも媒体７のイオン濃度の方が低ければ、イオンは濃度勾配にしたがってセル６内から側室内へ拡散し、セル６内のイオン濃度は低くなる。隔壁５等から電解質が溶出してセル６内のイオン濃度が所望の値よりも高くなったときは、側室内の媒体７をより低いイオン濃度のものに入れ替えることでセル６内のイオンを拡散移動させ、セル６内のイオン濃度を電解質溶出前の値に保つことが出来る。このようにセル６内のイオン濃度を一定に保つことが出来るので、隔壁５を用いた単純な機構も本発明で言うところの電解質濃度維持機構の例の一つであるといえる。
【００９４】
本実施の形態における電解質濃度維持機構は、セル６内の電解質を純水のものと同じ状態に保つためのものであったが、媒質７と粒子８の選択によっては、これよりも高い、あるいは低い電解質濃度が誘電泳動条件を最適化する場合もあることは言うまでも無いものである。一例として、ラテックスビーズと呼ばれるゴム材料からなる粒子８を水を媒体７として誘電泳動する際は、数ｍＳ／ｃｍという純水に比較して数百倍大きな導電率となるように純水に意図的に電解質を添加したものが用いられる。
【００９５】
以上、本実施の形態では、単一のセル６の説明のみ行い、複数のセル６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言及しなかったが、たとえば隣り合う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。
【００９６】
最後に、図１０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１０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１０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９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。
【００９７】
電子ペーパー６０は、図２（ａ）のガラス基板１、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。
【００９８】
また電子ペーパー６０を、スクリーン６２と制御部等を含む筐体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、薄手のペーパー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】
【００９９】
以上説明した表示装置は、長期間にわたって安定に動作し、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。
【０１００】
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】
【０１０１】
１    下側ガラス基板
２    上側ガラス基板
３    作用極
４    対極
５    隔壁
６    セル
７    媒体
８    粒子
９    電源
１０    視認方向を表す矢印
１１    制御部
１２    メモリ
１３    表示装置
１４    陽イオン交換樹脂
１５    陰イオン交換樹脂
１６    連通孔
１７    側室
３０    導電率維持機構がない場合のセル内の導電率の経時変化
３１    導電率維持機構がある場合のセル内の導電率の経時変化
４０    誘電泳動力が０となる軸
４１    媒体の導電率が０．０５５μＳ／ｃｍであるときのＲｅ［Ｋｅ］値の変化を表す曲線
４２    媒体の導電率が０．２７５μＳ／ｃｍであるときのＲｅ［Ｋｅ］値の変化を表す曲線
４３    媒体の導電率が０．５５μＳ／ｃｍであるときのＲｅ［Ｋｅ］値の変化を表す曲線
４４    誘電泳動力がほぼ０になる周波数
【図１】
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【図２】
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【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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