(57)【要約】   層の分裂又は層の移動に基づいており、且つ少なくとも２つの異なる状態を有する反射型ディスプレイデバイスであって、第１の状態において流体（５）のうちの１つ（例：オイル）が少なくとも第１の支持板（３）に隣接しており、第２の状態において別の流体（６）の少なくとも一部が第１の支持板に隣接しており、画素が、親水性の表面を有する領域（１３）によって隔てられている、反射型ディスプレイデバイスにおいて、十分な光強度を提供するため、オイル（通常は炭化水素、場合によってはシリコン或いはフルオロカーボン）に染料（場合によっては顔料）が加えられている。【選択図】  図１ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の透明な支持板（３）と第２の支持板（４）との間の空間内に、互いに混ざり合わない少なくとも１つの第１の流体（５）及び第２の流体（６）を備えている光学スイッチであって、前記第２の流体が導電性又は極性を有し、前記第１の流体が、染料を含んでいるオイルであり、前記染料の濃度が０．２Ｍ（ｍｏｌ／Ｌ）以下である、光学スイッチ。
【請求項２】
前記染料の濃度が０．１Ｍ以下である、請求項１に記載の光学スイッチ。
【請求項３】
前記染料の濃度が０．０１Ｍ以上である、請求項１に記載の光学スイッチ。
【請求項４】
前記オイルが、シリコンオイル、炭化水素オイル、フルオロカーボンオイルから成る群のうちの少なくとも１つを含んでいる、請求項１又は２に記載の光学スイッチ。
【請求項５】
複数の流体からなる流体層は、前記第１の流体の層厚が１０μｍである場合に、前記染料の消散係数ε（L・mol-1・cm-1）と前記第１の流体に溶けている前記染料の濃度Ｃ（L-1・mol）との乗算で定義される性能指数ＦｏＭが１０２ｃｍ−１以上である、請求項１又は２に記載の光学スイッチ。
【請求項６】
第１の透明な支持板と第２の支持板との間の空間内に、互いに混ざり合わない少なくとも１つの第１の流体及び第２の流体を有する画素を備えているディスプレイデバイスであって、前記第２の流体が導電性又は極性を有し、前記画素が、請求項１又は２に記載の光学スイッチを有する、ディスプレイデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の透明な支持板と第２の支持板との間の空間内に、互いに混ざり合わない少なくとも１つの第１の流体及び第２の流体を備えている光学スイッチであって、第２の流体が導電性又は極性を有する、光学スイッチに関する。
【０００２】
特に、本発明は、第１の透明な支持板と第２の支持板との間の空間内に、互いに混ざり合わない少なくとも１つの第１の流体及び第２の流体を有する画素（ピクセル）を備えているディスプレイデバイスであって、第２の流体が導電性又は極性を有する、ディスプレイデバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
光学スイッチは、シャッター用途、ダイアフラムの他、例えばディスプレイ用途における切替可能なカラーフィルタに使用することができる。流体が（着色）オイルであり、第２の流体が水である場合、（界面張力により）水の層とオイルの層とを含んでいる２層系が形成される。しかしながら、水と、第１の支持板上の電極との間に電圧を印加すると、静電気力に起因してオイルの層が脇に移動するか又は分裂する。すると水の一部がオイルの層を貫通し、画素が部分的に透明になる。
【０００４】
この原理に基づくディスプレイデバイスは、ＰＣＴ出願の国際公開第０３／００１９６号パンフレット（ＰＨ−ＮＬ０２．０１２９）に記載されている。
【０００５】
反射型ディスプレイにおいて使用されるときには、画素の光学性能は、非反射状態（オフ状態）における着色膜の光強度に依存し、十分な光強度を得るため、オイル（通常は炭化水素、場合によってはシリコン或いはフルオロカーボン）に染料（場合によっては顔料）を加える。エレクトロウェッティングディスプレイの原理を使用する場合、反射状態（オン状態）における輝度は、（下層の）基板の散乱特性と、残留オイルが占める領域の割合とに依存する。このことは、できるだけ少量のオイルを使用することによって高い輝度が得られることを意味している。しかし、コントラストも、非反射状態における着色膜の光強度及び光強度の均質性に依存するので、高いコントラストのためには、より厚いオイル層が好ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的の１つは、上述した要求条件を少なくともある程度満たすことである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的のため、本発明による光学デバイスは、染料を含んでいるオイルを備えており、染料の濃度は最大で１Ｍ（ｍｏｌ／Ｌ）である。そのようなオイルを使用することにより、上述した複数の要求条件の間で良好な妥協点を見い出すことができる。適するオイルは、例えば、無極性の染料によって着色されている、アルカンをベースとするオイルであり、例えば、Ｏｉｌ  Ｂｌｕｅ  Ｎ  （アルキルアミン置換アントラキノン）、Ｓｏｌｖｅｎｔ  Ｇｒｅｅｎ、Ｓｕｄａｎ  Ｒｅｄａｎｄ  Ｓｕｄａｎ  Ｂｌａｃｋである。染料の濃度は、良好なカラー品質を得るためには０．０１Ｍ以上とすべきである。
【０００８】
独自に溶液の特性を表すため、性能指数（ＦｏＭ）を「ＦｏＭ＝ε．Ｃ」として定義し、εは染料の消散係数、Ｃは第１の流体に溶けている染料の濃度である。第１の流体の層厚が１０μｍである場合、デバイスの性能指数（ＦｏＭ＝ε．Ｃ）は少なくとも１００であることが好ましく、少なくとも５００であることがより好ましく、少なくとも１０００であることが最も好ましい。
【０００９】
本発明の上記及びその他の態様は、以下の実施形態から明らかであり、かかる実施形態を参照してより詳細に説明する。
【００１０】
図は概略的であり、正しい縮尺では描いてない。対応する要素は、基本的には同じ参照数字によって表してある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、ディスプレイデバイス１の一部の概略的な断面図であり、本発明によるディスプレイデバイスが基づいている原理を示している。２枚の透明な基板である支持板３，４の間に、第１の流体５及び第２の流体６が入っており、これらの流体は互いに混ざり合わない。第１の流体５は、例えば、ヘキサデカンなどのアルカンであり、或いは本例におけるように着色オイルである。第２の流体は、導電性又は極性の流体であり、例えば、水或いは塩の溶液（例：水及びエチルアルコールの混合物を溶媒とするＫＣｌ溶液）である。
【００１２】
第１の状態において、外部電圧が印加されていないとき（図１ａ、オフ状態）、流体５，６は、例えばガラス或いはプラスチックの第１の透明な支持板３及び第２の透明な支持板４に隣接している。第１の支持板３には、透明電極７（例：インジウム（スズ）酸化物）と、濡れ性がより低い（疎水性の）中間層８（本例においては非晶質フルオロポリマー（ＡＦ１６００））とが設けられている。
【００１３】
配線２０，２１を介して電圧が印加されると（電圧源９）、層５が脇へ動く、或いは小さな液滴に分かれる（図１ｂ、オン状態）。これは、湾曲面が形成されたことによる静電エネルギーの得が表面エネルギーの損よりも大きいときに起こる。極めて重要な面として、電気的スイッチング手段（電圧源９）によって、連続膜５が支持板３を覆っている状態と、膜が壁２に隣接している状態との間での可逆的なスイッチングが達成されることが判明した。
【００１４】
図２は、本発明によるディスプレイデバイスの実施形態を示しており、図を明瞭にするため、個々の画素の間の壁はほとんど省略してある。この実施形態において、ピクセルの壁１３は、ピクセルの厚さ全体には延びていない。そのような壁は、オフセット印刷、又はこの技術分野において公知であるその他の印刷手法によって得ることができる。オイル膜５は非常に安定的であると考えられ、この安定性は、ピクセルサイズが小さくなるにつれて更に高まる。従って、スイッチングの間、オイルは各領域内に閉じ込められたままである。その他の参照数字は、図１における参照数字と同じ意味である。
【００１５】
ディスプレイは、図２に示したように反射板１４を追加することによって反射型として構築されている。ディスプレイのピクセルの光学性能は、本質的には、オフ状態における着色膜の光強度と、スイッチング時における反射板１４の反射率及び露出部分とに依存する。十分な光強度を得るため、オイル（通常は炭化水素、場合によってはシリコン或いはフルオロカーボン）に染料（場合によっては顔料）が加えられている。
【００１６】
しかしながら、ディスプレイのピクセルのコントラスト（ＣＲ）も、オフ状態におけるピクセルの光強度及び均質性に依存し、以下のように計算することができる。
【数１】
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この式において、「Ｒｗｈｉｔｅ」及び「Ｒｂｌａｃｋ」は、それぞれ、オン状態及びオフ状態におけるピクセルの覆われていない領域の反射率であり、「被覆率」は、オン状態においてオイルが占めている領域である。オイルの残留が約２５％である場合、白及び黒の反射率の関数として以下のコントラスト値を得ることができる。
【表１】
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【００１７】
表１のＴｆｉｌｍは、吸収層（膜）を一度通過するときに透過する光の割合に相当する。電子ペーパーの光学特性では、約１０のコントラスト比が要求される。反射光は着色膜を２回通過しなければならないため、Ｔｆｉｌｍ＝１０％（吸光度Ａ＝１）の吸収層（膜）の場合、黒の反射率Ｒｂｌａｃｋは極めて低い。更に、コントラストは暗い状態の反射率に最も強く依存し、白の反射率及び残留オイルによる被覆率への依存性はずっと低いと考えられる。
【００１８】
図３に、特定の光学活性基準（吸光度すなわち光学濃度、Ａ＝１）を満たすために要求される、性能指数（ＦｏＭ＝ε．Ｃ）とオイル膜の厚さｌとの間の関係を示す。
【００１９】
ピクセルの「オフ状態」の光学活性は、消散係数（ε）が高く、且つオイルへの溶解度が高い染料を使用することによって高めることができる。染料の吸光度（Ａ）は、ベール・ランバートの法則によって、一般には次のように濃度に関連付けられる。
【数２】
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この式において、Ｉｏは入射光強度、Ｉは透過光強度、Ｃは濃度、ｌは光路長である。従って、濃度が1リットル当たりのモル数M（ｍｏｌ／Ｌ）で表され、長さの単位がｃｍであるとき、εの単位はＭ−１ｃｍ−１である。
【００２０】
着色オイルにおける光強度に関して、適例として吸光度１（透過率１０％）を選択する。これは、ディスプレイの入射光が見る人に達する前にオイル膜を２回通過しなければならないため、着色剤（原色に基づくディスプレイの場合には赤、緑、又は青を生成し、反射された色として減法混色を使用するディスプレイの場合にはシアン、マゼンダ、又はイエローを生成する）の固有の吸収範囲において、実質的にすべて（すなわち９９％）の光が吸収されることを意味する。オイル膜の所定の厚さ（１０μｍ）、従って所定の光路長に関して、本願においては、次の性能指数（FoM）を使用して光強度を定義する。
【数３】
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この式において、εは染料の固有な消散係数であり、Ｃはオイル相に溶けている染料のモル濃度M（ｍｏｌ／Ｌ）である。
【００２１】
膜の吸光度が１（１０μｍの膜厚において９０％の吸収）である場合（これは例えば、染料濃度０．０１Ｍ、消散係数１０４〜１０５の染料を使用することによって達成することができる）、性能指数は、１００ｃｍ−１〜１０００ｃｍ−１となった。
【００２２】
例えば、デカンなどのアルカンを溶媒とする高性能Ｏｉｌ  Ｂｌｕｅ  Ｎ（アルキルアミン置換アントラキノン）の良好な溶液を得るため、以下の手順で溶解度を高めた。最初に、分散溶液又は部分溶液をソニックバスに入れ、加熱板上でしばらく攪拌した後、室温まで冷やし、例えば０．２μｍの濾過を行い、溶けていない染料を除去した。このようにして、約２２５の性能指数が得られた。
【００２３】
これに代わる方法としては、無極性の液体染料、例えばＳｕｄａｎ  Ｒｅｄ  ５００、Ｓｕｄａｎ  Ｂｌｕｅ  ６７３、及びＳｕｄａｎ  Ｙｅｌｌｏｗ  １７２（ＢＡＳＦ社）を使用する。この場合、染料の濃度をずっと高くすることができ、性能指数は、それぞれ、７５００ｃｍ−１、１５０００ｃｍ−１、３００００ｃｍ−１である。これらの染料の生成方法は、選択したアルカンにおいて所望の性能指数まで希釈するステップと、揮発性の不純物及び残留粒子を除去する純化ステップとから成る。このようにして着色オイル溶液が十分に濃縮され、膜厚さ２ミクロン未満において１０％の透過基準が満たされる。
【００２４】
本原理に基づくいくつかの変形形態が可能である。反射型デバイスについて説明したが、本発明は透過型ディスプレイデバイスにも適用される。
【００２５】
本発明は、新規な特徴のすべてにあり、特徴の組合せのすべてにある。請求項における参照数字は、請求項の保護範囲を制限するものではない。動詞「備えている」及びその活用形の使用は、請求項に記載されている以外の要素が存在することを除外するものではない。要素の前の冠詞「ａ」又は「ａｎ」の使用は、そのような要素が複数存在することを除外するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ディスプレイデバイスの一部の概略的な断面図であり、本発明によるディスプレイデバイスが基づいている原理を示している。
【図２】図1のディスプレイデバイスの一部の更なる概略的な断面図である。
【図３】特定の光学活性基準（吸光度すなわち光学濃度、Ａ＝１）を満たすために要求される、性能指数（ＦｏＭ＝ε．Ｃ）とオイル膜の厚さｌとの間の関係を示している図である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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