(57)【要約】【課題】ＭＦＰＤのディスプレイを始め、各種の表示手段の厚いセル厚であっても高速に制度よく、微粒子位置を制御可能にできるようにした表示装置およびその駆動方法を提供する。【解決手段】透明な上基板５と下基板３の間に誘電性の流体（分散媒）とその流体に分散された白色もしくは着色された微粒子とをはさみ、上基板５上には上電極６、下基板３上には下電極７と吸収層もしくは透過層がそれぞれ配置され、さらに少なくとも片側の基板上に前記上電極６もしくは下電極７とは電気的に絶縁された形で補助電極８が形成されることを特徴とする表示装置およびその駆動方法。【選択図】　　　　図１
2004109612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な上基板と下基板の間に誘電性の流体（分散媒）とその流体に分散された白色もしくは着色された微粒子とをはさみ、上基板上には上電極、下基板上には下電極と吸収層または反射層もしくは透過層がそれぞれ配置され、さらに少なくとも片側の基板上に前記上電極もしくは下電極とは電気的に絶縁された形で補助電極が形成されることを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記微粒子は、前記各電極に印加する電圧によりその位置が制御され、その位置により表示を切り替えることを特徴とする請求項１記載の表示装置。
【請求項３】
前記補助電極は画素に相当する表示部分の中央付近に形成されることを特徴とする請求項１記載の表示装置。
【請求項４】
前記分散媒は液晶性を有する有機材料であることを特徴とする請求項１記載の表示装置。
【請求項５】
上基板と下基板の間の距離に相当するセル厚が１００ミクロン以上であることを特徴とする請求項１記載の表示装置。
【請求項６】
請求項１の表示装置を備えると共に、前記上電極、下電極に直流もしくは直流成分を含んだ単極性交流電圧を印加するタイミングと同期させもしくはわずかにずらしたタイミングで前記直流とは逆極性の直流もしくは直流成分を含んだ単極性交流電圧を補助電極に印加することを特徴とする表示装置の駆動方法。
【請求項７】
微粒子は上電極、下電極及び補助電極に印加される電圧により横方向に移動することを特徴とする請求項６記載の表示装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は媒質として働く液晶などの誘電性流体に光制御媒体として働く微粒子を分散させて電気制御により各種画像を得られるようにした表示装置およびその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、互いに平行に配設され、互いに対向する内面もしくは同一内面側に少なくとも一対の電極を備えた二枚の基板と、これらの基板の間に封入された液晶性材料層とからなり、前記液晶性材料層には液晶性材料層の厚みよりも小さな外径を有する不溶性の光制御媒体が均一に分散混入されており、上記した電極間に電界を加えることにより、前記光制御媒体が移動して、光制御媒体が密に分散する領域と、疎に分散する領域を形成して透過率差を生じさせて光制御を行うことを特徴とする光学スイッチング装置が知られる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、流体中の粒子を移動させて光学的表示を行う光学スイッチング装置において、簡易な構成で高い表示コントラストが得られるようにする光学スイッチング装置が知られる（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
そして、透明な第１の基板と、第１の基板に対して所定のギャップを介して対向配置された第２の基板と、両基板間に狭持された分散媒と、分散媒中に分散する多数の微粒子と、第１の基板の一表面上に形成された複数の電極と、第１の基板と前記第２の基板との対向面のうち少なくともいずれか一方の表面であって、隣接する電極のいずれか一方の電極の近傍の第１の領域または第１の領域とほぼ対向する第２の基板表面の第２の領域のうち少なくともいずれか一方に形成され、微粒子を収容することができる複数の収容部とを含む表示装置とその製造方法が知られる（例えば、特許文献３参照。）。
【０００５】
本出願人は、かねてより液晶などの誘電性流体に微粒子を分散させ、かつ上下基板上に電極を配置したディスプレイであって、微粒子の動きを横方向に制御しその微粒子の位置で表示を切り替える流動性微粒子ディスプレイ（ＭｏｂｉｌｅＦｉｎｅ　Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｄｉｓｐｌａｙ、以下、ＭＦＰＤという。）を提案し開発を行ってきた。このＭＦＰＤは、明るく高ＣＲの反射表示をすることができ、表示切り替え後は、電界を切っても、その表示状態を長時間保持するという表示のメモリー性を有しているという特徴を持ち、特に、電子の紙即ち電子ペーパーに適している。
【０００６】
ここに先願の特願２００１−２８９７２４号のＭＦＰＤの断面構造を図９に示す。図面において垂直もしくは水平に配向された液晶１中に微粒子２を分散させておく。この微粒子２は光制御媒体として、また液晶１は媒質として働く。そして、一般には、微粒子２としてはＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｎＯ等の各種金属酸化物やその中空体、スチレンボール等の有機物及びそれらの着色物等を用いることができる。図５では微粒子２として白色微粒子や着色微粒子を用いた場合であり、下基板３上に光吸収層４を設けている。なお、黒色微粒子や着色微粒子の場合、下基板３上に反射層（図示せず）を設けても良い。したがって、前者の場合、ノーマリーブラック表示、後者はノーマリーホワイト表示になる。なお、上基板５の内側には上電極６が、また光吸収層４の内側には下電極７が設けられている。
【０００７】
微粒子２の光制御媒体を移動させる媒質として例えば液晶性有機材料の液晶１等の絶縁性の流動性材料を用いるが液晶１としては、誘電率異方性が正もしくは負の材料いずれでも良い。液晶１に誘電率異方性により微粒子２の挙動に影響を与え、大まかに言うと誘電率異方性の絶対値が大きい方が微粒子２の移動速度が速い傾向がある。液晶１中に分散させる微粒子２の添加量は１から５０ｗｔ％程度、望ましくは１０から３０ｗｔ％程度が良く、微粒子２の粒径は０．５から１００μｍ程度、望ましくは２から２０μｍ程度がよい。ガラス、プラスチックなどの透明上下基板５，３上に形成する上下電極６，７は、ＩＴＯのような透明電極でもＡｌ、Ｍｏ等の不透明電極でも良い。セル厚Ａは２から３００μｍ程度、望ましくは２０から１００μｍ程度がよいとされている。
【０００８】
つぎに、基本的な電極配置における微粒子２の挙動を図１０に示す。
【０００９】
図１０（ａ）は、上電極６を陽極、下電極７を陰極として用いて電界を形成したときの媒質の液晶１の流動方向および微粒子２の移動方向を概略的に示しており、上電極６と下電極７との間に直流電圧または単極性矩形パルス（数十Ｈｚ〜数十ｋＨｚ）を印加して電界を形成すると、図中に矢印Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ２で示す方向に媒質の液晶１が流動し、これらの方向に微粒子２が移動する。
【００１０】
媒質１および微粒子２は、基本的に陽極から電気的引力を受け、陰極から電気的斥力を受けたように振る舞う。
【００１１】
つぎに図１０（ｂ）は、上電極６を陰極、下電極７を陽極として用いて電界を形成したときの媒質の液晶１の流動方向および微粒子２の移動方向を概略的に示しており、同図に示すように、上電極６と下電極７との間に電界を形成すると、図中に矢印Ａ５〜Ａ８、Ｂ５〜Ｂ６で示す方向に媒質の液晶１が流動し、これらの方向に微粒子２が移動する。
【００１２】
媒質１および微粒子２は、基本的に、陽極から電気的斥力を受け、陰極から電気的引力を受けたように振る舞う。
【００１３】
図１０（ａ）および（ｂ）のいずれの場合でも、媒質１を電界に従って流動させると、微粒子２の多くは、平面視上、面内方向に移動する。微粒子２を容器の厚さ方向に電気泳動させる場合に比べ、低い電圧で微粒子２をより高速に移動させることが可能である。
【００１４】
つぎに、上述の微粒子２の挙動に基づいて、表示原理を図１１に示す。ノーマリーホワイトの場合は、微粒子（白）２が集まった所では微粒子２の散乱反射により白表示が得られ（図１１（ａ）参照）、微粒子２が移動して無くなったところでは、液晶１が透明なので下基板３上の光吸収層４により外光が吸収され、黒く見える（図１１（ｂ）参照）。
【００１５】
さらに、表示特性を図１２に示す。視角によらず明るい白表示と暗い黒表示が得られている事がわかる。
【００１６】
図１３（ａ）に、白表示の際の表示装置の様子を拡大して示し、図１３（ｂ）に、黒表示の際の表示装置の様子を拡大して示す。これらの図に示した表示装置は、上電極６のパターンおよび下電極７のパターンそれぞれでの電極ピッチを３００μｍ、上下電極６，７の線幅を１５０μｍとし、各電極６，７をモリブデンで形成したときのものである。
【００１７】
【特許文献１】
特開２００１−３１８６２９号公報
【特許文献２】
特開２００２−２４４１６４号公報
【特許文献３】
特開２００２−１６２６４９号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし乍ら、このようなＭＦＰＤにあっては、白表示特性を得るためにディスプレイのセル厚を厚くすると上下電極間の横電界を用いている本ディスプレイでは電極中央付近の微粒子を十分に制御できず表示の切り替えを所望通りに行えないという問題があった。
【００１９】
本発明は叙上の点に着目して成されたものでこのようなＭＦＰＤのディスプレイを始め、各種の表示手段の厚いセル厚であっても高速に制度よく、微粒子位置を制御可能にできるようにした表示装置およびその駆動方法を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は下記の構成により上記課題を解決するものである。
【００２１】
（１）透明な上基板と下基板の間に誘電性の流体（分散媒）とその流体に分散された白色もしくは着色された微粒子とをはさみ、上基板上には上電極、下基板上には下電極と吸収層または反射層もしくは透過層がそれぞれ配置され、さらに少なくとも片側の基板上に前記上電極もしくは下電極とは電気的に絶縁された形で補助電極が形成されることを特徴とする表示装置。
【００２２】
（２）前記微粒子は、前記各電極に印加する電圧によりその位置が制御され、その位置により表示を切り替えることを特徴とする前記（１）記載の表示装置。
【００２３】
（３）前記補助電極は画素に相当する表示部分の中央付近に形成されることを特徴とする前記（１）記載の表示装置。
【００２４】
（４）前記分散媒は液晶性を有する有機材料であることを特徴とする前記（１）記載の表示装置。
【００２５】
（５）上基板と下基板の間の距離に相当するセル厚が１００ミクロン以上であることを特徴とする前記（１）記載の表示装置。
【００２６】
（６）前記（１）の表示装置を備えると共に、前記上電極、下電極に直流もしくは直流成分を含んだ単極性交流電圧を印加するタイミングと同期させもしくはわずかにずらしたタイミングで前記直流とは逆極性の直流もしくは直流成分を含んだ単極性交流電圧を補助電極に印加することを特徴とする表示装置の駆動方法。
【００２７】
（７）微粒子は上電極、下電極及び補助電極に印加される電圧により横方向に移動することを特徴とする前記（６）記載の表示装置の駆動方法。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施の形態について図面と共に説明する。
【００２９】
図１は、本発明の一実施の形態を示す表示装置の上下電極および補助電極のパターン構成を平面から見た拡大構造図、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線を断面で見た表示装置の拡大模式図である。
【００３０】
そして、この表示装置は図９に示す従来例と同様に垂直もしくは水平に配向された液晶１中に微粒子２を分散させて置き、微粒子２は光制御媒体として、また液晶１は媒質として働く。
【００３１】
さらに図面では、格子状の上電極６と板状の下電極７を上下基板５，３上に直接または光吸収層４を介して配設してあるが、この実施の形態では上基板５側に補助電極８を絶縁膜９を介して形成している。この補助電極８は下基板３側に形成してもよいが、その場合、上下電極６，７の位置も逆になり上電極６が微粒子２を隠す不透明電極にならないため別途微粒子２を隠すためのパターンを上基板５上に形成する必要があるため製造面からは上基板５側が望ましい。
【００３２】
前記絶縁膜９としてアクリル系絶縁性有機膜を用いたが、その他の有機絶縁膜やＳｉＯ２、ＳｉＮｘ等の無機絶縁膜及びそれらの組み合わせでもよい。
【００３３】
微粒子２としてはＴｉＯ２と有機物の混合系を用いた。図示では微粒子２として白色微粒子や着色微粒子を用いた場合であり、下基板３上に光吸収層４を設けている。黒色微粒子や着色微粒子の場合、下基板３上に反射層を設けても良い。前者の場合ノーマリーブラック表示、後者はノーマリーホワイト表示になる。
【００３４】
微粒子２の光制御媒体を移動させる媒質として例えば液晶１等の絶縁性の流動性材料を用いる。液晶１としては誘電率異方性が正もしくは負の材料いずれでも良い。液晶１に誘電率異方性により微粒子２の挙動に影響を与え、大まかに言うと誘電率異方性の絶対値が大きい方が微粒子２の移動速度が速い傾向がある。ここでは液晶１としてＲＤＰ−００３３３（大日本インキ製）を用いた。液晶１中に分散させる微粒子２の添加量は１から５０ｗｔ％程度、望ましくは１０から３０ｗｔ％程度が良い。ここでは微粒子２を２０ｗｔ％添加した。微粒子２の粒径は０．５から１００μｍ程度、望ましくは２から２０μｍ程度がよい。ここでは６μｍ粒子を用いた。ガラス、プラスチックなどの透明上下基板５，３上に形成する電極はＩＴＯのような透明電極でもＡｌ、Ｍｏ等の不透明電極でも良い。ここでは上電極６としてＭｏ、下電極７と補助電極８としてＩＴＯを用いた。
【００３５】
ここでＭＦＰＤのセル厚Ａに対する白表示の明るさの変化を図３に示す（微粒子添加量２０ｗｔ％）。図３より新聞紙の明るさ（反射率：約４０％）以上となるのは、セル厚Ａが１００μｍ以上の場合であり、明るさの面から望ましくは１００μｍ以上がよいことがわかる。
【００３６】
ところが従来のＭＦＰＤでは上下電極間の横電界を用いて微粒子２を制御しており、図５におけるＡ（セル厚）／Ｂ（画素サイズの１／２）比が１以下になると、すなわち画素サイズ２００μｍのセルでセル厚Ａが１００μｍ以上になると、画素中央部の微粒子２は全く動かなくなる。その様子を図７の写真（セル厚２００μｍのセル写真）に示す。ここでは透過で写真撮影しているため微粒子２がある部分が黒く、微粒子２のない部分が白く見える（白黒反転）。
【００３７】
このようにセル厚Ａを厚くしてもＡ／Ｂ比が１以上になるため画素サイズを大きくする必要があるが、画素サイズを大きくすれば、当然のこととして解像度が低くなり、また駆動電圧を高くしなければならないという問題があった。また反射率を犠牲にしてセル厚Ａを薄くした場合において画素中央部の微粒子２を制御できるものの中央部から画素周辺部に微粒子が移動するのに要する時間がかかるため、切り替えに数秒以上も時間がかかるという問題があった。
【００３８】
これに対し、本発明に係る補助電極を備えたＭＦＰＤの電圧印加に対する微粒子２の挙動を図８の写真（セル厚２００μｍのセル写真）に示す。ここでも透過で写真撮影しているため微粒子２がある部分が黒く、微粒子２のない部分が白く見える。電圧は上電極６に＋７０Ｖもしくは−７０Ｖ、下電極７に０Ｖ、補助電極８に上電極６と極性逆の電圧を印加した。この写真からわかるように微粒子２は完全に制御されており、画素中央部などの微粒子２が動かなくなるといった現象は見られず、逆に、さらに非常に高速に微粒子２が移動することが確認できた。
【００３９】
本発明に係るＭＦＰＤのレスポンス特性を図４に示す。この図から分るように、非常に高速にスイッチングしており応答時間は２００ｍｓｅｃ（０．２ｓｅｃ）以下であることがわかる。
【００４０】
また、図６に示す写真から分るように、表示切替操作が立ち上がりから２００ｍｓｅｃ以内にセル厚Ａが１５０μｍ、１９０μｍ、２５０μｍと変化させても微粒子２の制御は可能であり、最大４５０μｍまで確認できた。
【００４１】
本発明のＭＦＰＤにおける微粒子２の位置は下電極７を接地した状態で上電極６に印加する電圧の極性を変えることにより制御できるが、その点は従来のＭＦＰＤも同様である。本発明では上電極６に印加する電圧に対し同期させるかもしくはわずかにずらせた状態で同期させる形で補助電極８に電圧を印加する。その動作原理ははっきりしていないが、以下のように考えられる。たとえば白表示即ち画素上に微粒子が分散している状態から黒表示即ち画素外（上電極６の下）に微粒子２が集められている状態に表示を変える場合、補助電極８と下電極７間の電圧差により微粒子２は下電極７側に集められる（縦方向の移動）。次に、下電極７と上電極６の電圧差により微粒子２は上電極６側に集められる（横方向の移動）。上記現象が同時進行して画素上に分散していた微粒子２は画素外（上電極６の下）に微粒子２が集められる。これが本発明における微粒子２の動作原理と仮定できる。
【００４２】
この考えを検証するため、まず補助電極８と下電極７間に所定の電圧を印加し、その後、下電極７と上電極６間に所定の電圧を印加したところ三電極に所定の電圧を同時に印加した時と同様に微粒子２を制御できることを確認した。一方まず上電極６と下電極７間に所定の電圧を印加し、その後、下電極７と補助電極８間に所定の電圧を印加したところ従来のＭＦＰＤと同様に中央部の微粒子２が動かなかったことも上記仮定を裏付けしている。上記仮定によれば検証実験のように補助電極８−下電極７間に印加する電圧と下電極７−上電極６間に印加する電圧を少しずらした方が効率よく微粒子２を移動できるはずであり、好ましいといえる。但し、駆動上同期させた方が製造容易であり、かつ同期させた駆動条件でも図４のように従来のＭＦＰＤに比べ表示性能、応答性能とも著しく改善できていることを確認しており、タイミングをずらす駆動方法は必須ではない。
【００４３】
この実施の形態では補助電極８として下電極７と同じパターン・大きさ（画素電極と同じ大きさ）のものを用いたが異なるパターン・大きさ、例えば画素中央部のみの小さなパターン等でもよい。補助電極８は透明なＩＴＯ電極であるが、ＩＴＯとガラスとの屈折率差により外部光が反射されるため補助電極８は小さいことが望ましい。その場合、特に黒レベルが改善され図４のコントラスト（１２程度）はさらに向上できる。
【００４４】
この実施の形態における構造により、４５０ミクロンのＭＦＰＤにおいても微粒子２を所望の状態に制御できることを確認している。このときの白表示の反射率は６０％以上でありコピー紙（反射率７０％程度）に近い明るい表示と高コントラストを実現できる。
【００４５】
電極パターンは格子状の上電極６とべタに近い幅広い格子状の下電極７及び補助電極８の場合について示したがそれに限らない。例えば上電極６は円周状、蜂の巣状、ストライプ状等でもよく、下電極７や補助電極８はベタ状、円状、多角形、ストライプ状等でもよい。
【００４６】
なお、微粒子２、媒質（液晶１）、電極等その他の構成材料は上記実施の形態に限らず、例えば媒質は、液晶性を有さない液体でも良い。
【００４７】
補助電極８は上基板５上に形成する場合について述べたが、下基板３上もしくは両基板５，３上に形成してもよい。また補助電極８を形成する位置は絶縁膜９を介して上電極６もしくは下電極７の上でも下でもかまわない。
【００４８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によりセル厚、画素サイズ（Ａ／Ｂ比）によらず、しかも微粒子の位置を所望の位置に制御できるためディスプレイのセル条件によらず高いコントラストを得ることができ、図４からも現状でコントラスト１２を確認しており特に、セル厚を厚くするとディスプレイの反射率も現状で反射率６０％を確認しており著しく向上できると共に殊に単位面積あたりの白微粒子の密度を高くできるため新聞紙（新聞紙の反射率４０％程度）より明るく、コピー紙（コピー紙の反射率７０％程度）に近い明るさと、新聞紙（新聞紙のコントラストは５程度）及びコピー紙（コピー紙のコントラストは７から８程度）以上の高コントラストの反射型ディスプレイを実現できる。
【００４９】
また本発明により微粒子の位置を効率よく移動でき、そのためレスポンスが改善され従来数秒かかっていた表示切り替えが２００ｍｓｅｃ以下で行え高速応答を実現できるものであって２００ｍｓｅｃはＳＴＮ−ＬＣＤと同等であり、アニメなどの動画表示も可能になる。
【００５０】
しかも本発明はディスプレイ全般、児童用玩具等、紙・印刷物（雑誌、新聞、ポスターなど）の代替品全般（電子の紙）、カメラの絞り、ストロボの光量調整、印画紙用書き込み光源等の光学部品全般などその応用技術ないし産業分野は、きわめて広範である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る一実施の形態を示す表示装置であって上下基板、液晶および微粒子を取除いて上下電極および補助電極のパターン構造を示す平面から見た拡大構造図
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線を断面で見た拡大模式図
【図３】セル厚と反射率との関係を示すグラフ
【図４】本発明のレスポンス特性を示すもので電圧の印加時間とコントラスト比および反射率（％）との関係を示すグラフ
【図５】セル厚ＡとＢ（画面サイズの１／２）との相対関係を示す縦断説明図
【図６】本発明に係る表示切替の状態を写真で示すものでセル厚と色調との関係を示す一連の写真
【図７】拡大写真
【図８】拡大写真
【図９】従来例の拡大断面模式図
【図１０】（ａ）は、図９に示した表示装置に所定の電圧を印加したときにおける微粒子分散層中の媒質および微粒子の流動方向ないし移動方向を説明するための模式図であり、（ｂ）は、同装置に他の電圧を形成したときにおける微粒子分散層中の媒質および微粒子の流動方向ないし移動方向を説明するための模式図
【図１１】（ａ），（ｂ）　微粒子の表示原理を示す拡大断面模式図
【図１２】白表示と黒表示とを行ったときの反射率と視角との関係を示すグラフ
【図１３】（ａ）は、図９に示した表示装置によって白表示を行った際の顕微鏡写真の写しであり、（ｂ）は、同装置によって黒表示を行った際の顕微鏡写真の写し
【符号の説明】
１　液晶（媒質）
２　微粒子（光制御媒体）
３　下基板
４　光吸収層
５　上基板
６　上電極
７　下電極
８　補助電極
９　絶縁膜
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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