(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ツイスティングボールディスプレイであって、
複数のキャビティ及び複数の二色ボールを有する実質的に透明なシートを有し、
前記二色ボールが前記複数のキャビティの各々に一つずつ配置され、
前記複数の二色ボールの各々は第１半球体及び第２半球体を有し、
前記二色ボールの各々が金属又は半導体材料から形成される顔料粒子を含み、
前記第１半球体と前記第２半球体は異なる顔料粒子から形成され、
前記第１半球体は第１電子仕事関数を有し、前記第２半球体は第２電子仕事関数を有し、前記複数の二色ボールの各々が有する前記第１電子仕事関数及び前記第２電子仕事関数が二色ボール上に接触電位に起因する双極子モーメントを生じ、前記複数の二色ボールの各々が適切な極性を有する電界内に置かれると前記二色ボールが回転するように、前記複数の二色ボールの各々の前記第１半球体及び前記第２半球体が構成され且つ配置されている、
ツイスティングボールディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般には二色ボールを含むツイスティングボールディスプレイシートに関し、さらに詳細には、ツイスティング二色ボールディスプレイシートで利用されるゼータ電位を使用せずにツイスティングボールを回転させるためのメカニズムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ツイスティングボールディスプレイシートは、紙の文書の属性の多くを有する薄い透明なシートから構成されている。このシートは紙に類似しており、紙のように周囲光弁(ambient light valve) 作用を有し（例えば、周囲光が明るくなると、見えやすくなる）、紙のように柔軟性があり、紙のように運搬でき、紙のようにコピーでき、紙のような記録保存性を有する。
【０００３】
図１を参照すると、従来技術のツイスティングボールディスプレイシート１０の一部の断面図が示され、このツイスティングボールディスプレイシートは複数の二色ボールＢを有し、この二色ボールは片側に黒色半球体ｂを有し、もう片側に白色半球体ｗを有する。このようなディスプレイは、米国特許第４，１２６，８５４号 "Twisting Ball Panel Display"に開示されている。
【０００４】
典型的には、二色ボールＢは、顔料粒子から成っていて、この顔料粒子はエラストマーのような材料から作られた実質的に透明なシート１２に懸濁される。各ボールＢは透明なシート１２内のキャビティ１４に配置される。このキャビティはボールＢのサイズよりもやや広いため、各ボールＢはキャビティ内を自由に回転したり移動したりすることができる。各キャビティ１４の中でボールＢに占められていない容積１６は誘電液体で充填される。
【０００５】
図１において、ディスプレイシート１０を上方、ｄで示される方向から見ると、ボールＢの白色半球体ｗのみが見えるため、ディスプレイシートは白色のディスプレイシートに見える（ディスプレイシートの背景色が白色であると仮定する）。ボールＢが回転して黒色半球体が見えるようになると、ディスプレイシートに黒いドットが形成される。ボールＢを選択的に回転させて所望の画像又はテキストを表示することができる。
【０００６】
現在、ツイスティングボールディスプレイシートのボールを回転させるために幾つかのメカニズムを利用して双極子モーメントを生じさせている。典型的には、これらのメカニズムは、半球体の表面を異なるゼータ電位を有する膜で被覆し、それを誘電液体中に分散した結果の電気的異方性に依存する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ゼータ電位と異なるメカニズムを利用してより大きな双極子モーメントを与えることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の二色ボールを利用するツイスティングボールディスプレイである。各二色ボールは二つの異なる材料から構成されていて、一方の材料は、他方の材料と異なる仕事関数を有する。二つの異なる仕事関数は双極子モーメントを生じ、適切な電界の存在下でツイスティングボールは回転する。
【０００９】
本発明の一態様によると、ツイスティングボールディスプレイであって、複数のキャビティ及び複数の二色ボールを有する実質的に透明なシートを有し、複数の二色ボールの各々は複数のキャビティの一つに配置され、複数の二色ボールの各々は第１半球体及び第２半球体を有し、第１半球体は第１電子仕事関数を有し、第２半球体は第２電子仕事関数を有し、複数の二色ボールの各々が有する第１電子仕事関数及び第２電子仕事関数が二色ボール上に双極子モーメントを生じ、複数の二色ボールの各々が適切な極性を有する電界内に置かれると二色ボールが回転するように、複数の二色ボールの各々の第１半球体及び第２半球体が構成され且つ配置されている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明では、ツイスティングボールディスプレイシートのボールを構成している材料の電子的特性を利用して、双極子モーメントを生じさせ、ツイスティングボールを回転させている。
【００１１】
図２を参照すると、本発明の二色ボール２０の拡大図が示される。半球体ｗ1 は白色顔料粒子２２を含み、半球体ｂ1 は黒色顔料粒子２４を含む。各半球体中の顔料粒子はガラス又はポリマーのようなバインダー材料によってまとめられていて、且つ二つの半球体は同じバインダー材料によって互いに接着されている。各二色ボールはディスプレイ上でピクセル又はサブピクセルを表示するので、高解像度ディスプレイを作製するためには、各二色ボールのサイズＳをピクセルのサイズと同じサイズに縮小しなければならない。現在の技術では、１０μｍ〜２０μｍの直径の二色ボールが望ましい。
【００１２】
なお、本明細書では、 "二色ボール" と "ボール" は言い換え可能に使用されている。
【００１３】
このような小さなボールから形成されているディスプレイが高コントラストを呈するためには、各ボールの各半球体に顔料粒子を高度に充填する必要がある。顔料粒子を高度に充填する一つの方法として、図３に示すように、顔料粒子と、顔料粒子を保持するのに十分なバインダー材料により半球体を形成する方法がある。図３のボール３０と図２のボール２０とを比較すると、ボール３０は白色半球体ｗ2 中により多くの白色顔料粒子３２を有し、黒色半球体ｂ2 中により多くの黒色顔料粒子３４を有する。
【００１４】
本発明では、二色ボールの構造中の顔料粒子として、金属又は半導体材料を利用することを提案する。前記材料を利用する理由は二つある。第１に、金属酸化物又は金属酸化物の混合物から成る顔料粒子にはさまざまな色がある。第２に、二色ボールの半球体が金属又は半導体材料から形成されるならば、二つの半球体は自由に移動電子を交換することができる。後者は本発明の二色ボールの回転メカニズムのベースである。
【００１５】
図４は、二つの半球体ｗ3 及びｂ3 を有する二色ボール４０を示す。図４では、半球体ｗ3 及びｂ3 の各々は電荷によって示されている。各半球体上の電荷は接触電位によって生じる。この接触電位を理解するためには、任意の材料の電気的特性である電子仕事関数について検討する必要がある。
【００１６】
電子仕事関数は材料から単一の電子を取り、それを無限距離まで運ぶのに必要なエネルギー量を表す。電気的に中性な導電性又は半導電性材料は、絶縁状態に置かれると、材料中の二点間の電位差がゼロである均一な電位状態に到達する。化学ポテンシャルが材料に一貫して均一であるため、これが可能となる。
【００１７】
しかし、互いに接触し、異なる電子仕事関数を有する二つの異なる材料は、仕事関数の差を補償するために電荷を交換し、二つの材料間に均一な電位差を確立する。この過程は、電子がより低い電子仕事関数を有する材料からより高い電子仕事関数を有する材料へ移動することによって達成される。このメカニズムは当業界では公知であり、半導体素子のあらゆるテキストに述べられている。前記の過程において、二つの接触する材料の電子仕事関数の差は "接触電位" と称される。
【００１８】
各材料中の顔料粒子の数が多くなると、より濃く着色された半球体が形成され、各半球体における電子の移動も向上する。各材料における顔料粒子の数が多くなることによって、顔料粒子間の距離が短くなる。顔料粒子間の距離が短くなることによって、電子の移動が促進され、加速する。結果的に、二つの半球体の材料の電子仕事関数が平衡に到達する時間がより短くなる。さらに、各材料の顔料粒子の数が増加すると、各半球体は構成要素である顔料粒子が集まった大きな顔料粒子のようにふるまう。
【００１９】
図４を参照すると、半球体ｗ3 の正の（＋）電荷及び半球体ｂ3 の負の（−）電荷は前記現象に基づいて生じている。半球体ｗ3 は半球体ｂ3 とは異なる材料からなり、二つの材料は異なる電子仕事関数を有する。半球体ｂ3 の材料の電子仕事関数は半球体ｗ3 の材料の電子仕事関数よりも高い。結果的に、半球体ｗ3 の電子は半球体ｂ3 に移動する。互いに接触する前の半球体は電気的に中性である。したがって、電子が二つの半球体間を移動し始めると、電子を失った半球体ｗ3 は正に帯電され、電子を受け取った半球体ｂ3 は負に帯電される。この電荷の移動によって形成された電位は接触電位と称される。
【００２０】
二つの半球体間の平衡のためには、電荷が半球体の表面に移動しなければならない。各半球体の大部分の電荷は接触面４２に沿って蓄積され、その他の電荷は外面４４及び４６に沿って蓄積する。ある距離だけ隔てられた逆極性の電荷があれば、双極子モーメントを生じる。したがって、表面４４の正（＋）の電荷及び距離Ｒだけ隔てられた表面４６の負（−）の電荷は二色ボール４０の双極子モーメントを生じる。また、接触面４２の正（＋）の電荷と負（−）の電荷も双極子モーメントを生じる。双極子モーメントは外部電界にさらされると、二色ボール４０を回転させる回転モーメントを生じる。
【００２１】
表面４４及び４６の正（＋）と負（−）の電荷の距離は、接触面４２の正（＋）と負（−）の距離よりも広い。したがって、表面４４及び４６上の電荷によって生じた双極子モーメントは接触面４２に沿った電荷によって生じた双極子モーメントよりも大きいことが予測できる。しかし、接触面に沿った電荷の数は表面４４及び４６に沿った電荷の数よりも多いため、接触面に沿った電荷によって生じた双極子モーメントは表面４４及び４６の電荷によって生じた双極子モーメントに匹敵する大きさである。
【００２２】
接触面４２上の正（＋）及び負（−）の電荷の双極子モーメントに対する寄与は以下の式で計算できる。
Ｐsurface1＝πα2 εΔＶ          （１）
ここで、αはボールの半径であり、εはボールの周囲媒体の誘電率であり、ΔＶはボールの二つの材料の電子仕事関数の差である。
【００２３】
表面４４及び４６上の正（＋）と負（−）の電荷の双極子モーメントに対する寄与は以下の式で計算できる。
Ｐsurface2＝２πα2 εΔＶ          （２）
【００２４】
したがって、接触面４２、表面４４及び４６の電荷の総合的な関係は以下の式で計算できる。
0004121614.tif 000002
【００２５】
式（１）は、双極子モーメントがボールのサイズ、二つの材料の仕事関数の差、及びボールの周囲媒体の誘電率に依存することを示す。ボールのサイズは各シートのピクセルで規定されるため、ボールのサイズは変更できない。したがって、双極子モーメントは、二色ボール及び周囲媒体（異なる液体又はガス）に用いる材料を適宜選択することによって、変えることができる。
【００２６】
半導体を使用することによって、種々の大きさの仕事関数を得、その結果、種々の大きさの双極子モーメントを得ることに対してかなりの柔軟性がもたらされる。半導体の仕事関数はドーピングによって適宜調整できる。例えば、一般的な白色顔料粒子であるTiO2の仕事関数は、化学的還元又は他の金属を拡散させることによって変更することができる。したがって、種々の半導体を選択し、ある双極子モーメントが得られるようにそれらの仕事関数を変更することができる。
【００２７】
二色ボールの構造中に使用する半導体は金属に置き換えることができる。しかし、金属の仕事関数は変えることができない。したがって、金属を使用するには、ある双極子モーメントを得るためにより的確に材料を選択することが要求される。
【００２８】
また、本発明では、各二色ボールの一方の半球体が金属であり、他方が半導体であってもよい。
【００２９】
本発明では、生じる双極子モーメントは１〜２Ｖの範囲である。これは、ゼータ電位によって生じる双極子モーメント（２５〜１００ｍＶ）と比較して非常に増大している。
【００３０】
本発明では、生じた双極子モーメントは固体物理学に存在する多量の知識に基づいていて、双極子モーメントを生成するために界面化学効果を必要としていない。
【００３１】
界面化学効果による場合は、ゼータ電位を生じるためには周囲液体が電荷を持っていることが必要となるのに対して、本発明では、周囲液体には電荷がない（不活性である）。周囲液体が電荷を持っている場合、液体中の電荷は表面電荷を中和し、ボールの双極子モーメントが失われる。したがって、本発明の前記実施の形態では、周囲液体は不活性でなければならない。
【００３２】
本発明では、周囲液体は不活性ガスに換えることができる。
【００３３】
本明細書中では、 "不活性" という用語は、 "二色ボールを溶解せず、又は二色ボールに悪影響を及ぼさず、二色ボールの電荷を中和してしまう相当量の電荷種を含まない液体又はガス" を意味することにさらに注目されたい。
【００３４】
図５には、図４の二色ボール４０を利用した本発明のツイスティングボールディスプレイシート５０の断面図が示される。図５では、ディスプレイシート５０はエラストマーのような材料から作られる実質的に透明なシート５２を含む。透明シート５２は複数の二色ボール４０を有する。各二色ボール４０は透明シート５２内のキャビティ５６に配置される。各キャビティ５６は、ボール４０が自由に回転できるように、ボール４０よりも大きくなっている。各キャビティ中のボール４０によって占められていない残りの部分５８は、不活性液体で充填されている。図６では、説明の便宜上、二色ボール４０の白色半球体ｗ4 がディスプレイシート５０の上面６０に向いていると仮定する。さらに、白色半球体ｗ4 は正（＋）の電荷を有するものとする。
【００３５】
図６には、図５のツイスティングボールディスプレイシート５０が、電界が印加された状態で示される。図６では、図５の説明で開示されたものと同じ要素は同じ参照番号で示される。各二色ボール４０に適切な電界を印加することによって、二色ボール４０が回転する。本明細書中では、 "適切な極性の電界" とは、 "ツイスティングボールを回転させる電界" を意味する。
【００３６】
例えば、図６では、電界Ｅ1 はディスプレイシート５０の上面６０の上に正（＋）の端子を有し、ディスプレイシート５０の下面６２の下に負の（−）端子を有する。図５及び図６の両方を参照すると、電界Ｅ1 を印加することによって、電界Ｅ1 内に配置される二色ボール４０ａが回転する。電界Ｅ1 の正（＋）の端子は黒色半球体ｂ4 の負の電荷を引きつけ、電界Ｅ1 の負の端子は白色半球体ｗ4 の正（＋）の電荷を引きつける。したがって、白色半球体ｗ4 は表面６２に対向し、黒色半球体ｂ4 は表面６０に対向する。
【００３７】
しかし、上面６０の上方に負（−）の端子を有し、下面の下方に正（＋）の端子を有する電荷Ｅ2 を印加することによって、電界Ｅ2 内のツイスティングボール４０ｂは回転しない。白色半球体ｗ4 の正（＋）の電荷は電界Ｅ2 の負（−）の端子に引きつけられ、黒色半球体ｂ4 の負（−）の電荷は電界Ｅ2 の正の（＋）端子に引きつけられるため、ツイスティングボール４０ｂは回転しない。したがって、電界Ｅ1 が適切な極性を有し、電界Ｅ2 は適切な極性を有していない。
【００３８】
図７には、電荷を有する液体又はガスに換えることができる本発明の別の二色ボール７０が示される。図７では、ボール７０は図４のボール４０と同じであり、図４のボール４０と同じ目的を果たす。ボール７０と図４のボール４０との唯一の違いは、ボール７０が被覆層７２を有することであり、この被覆層は周囲液体（図示せず）の電荷がボール７０の正（＋）と負（−）の表面電荷が中和されるのを妨げる。周囲材料の誘電率と同じかそれより低い誘電率を持つあらゆる材料が被覆層として使用され得る。このような材料の例はフルオロポリマーである。
【００３９】
図８には、図７の二色ボール７０を利用した本発明のツイスティングボールディスプレイシート８０が示されている。図８では、ディスプレイシート８０はエラストマーのような材料から作られた実質的に透明なシート８２を含む。透明シート８２は複数の二色ボール７０を有する。各二色ボール７０は透明シート８２内のキャビティ８６に配置される。各キャビティ８６は、ボール７０が自由に回転できるように各二色ボール７０よりもやや広い。キャビティ８６中、ボール７０に占められていない残りの部分８８は電荷を有する液体で充填される。
【００４０】
本発明に開示された実施の形態によれば、界面化学効果によってゼータ電位を生じる必要性がなくなり、より大きな双極子モーメントを提供する。
【００４１】
構造や、構成要素の組み合わせ及び配置の細部についての種々の変更は本発明の精神及び範囲から逸脱しない限り行われうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のツイスティングボールディスプレイシートの断面図を示す。
【図２】本発明の二色ボールの拡大図を示す。
【図３】図２の二色ボールの改良された一態様の拡大図を示す。
【図４】二つの半球体及び電荷を有する本発明の二色ボールの拡大図を示す。
【図５】図４の二色ボールを利用した本発明のツイスティングボールディスプレイシートを示す。
【図６】電界が印加された状態の図５のツイスティングボールディスプレイシートを示す。
【図７】本発明の別の二色ボールの拡大図を示す。
【図８】図７の二色ボールを利用した本発明のツイスティングボールディスプレイシートを示す。
【符号の説明】
２０、２０、４０、７０    二色ボール
５０、８０    ツイスティングボールディスプレイシート
ｗ1 、ｗ2 、ｗ3     白色半球体
ｂ1 、ｂ2 、ｂ3     黒色半球体
【図１】
0004121614.tif 000003
【図２】
0004121614.tif 000004
【図３】
0004121614.tif 000005
【図４】
0004121614.tif 000006
【図５】
0004121614.tif 000007
【図６】
0004121614.tif 000008
【図７】
0004121614.tif 000009
【図８】
0004121614.tif 000010