(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２色ボールを製造する方法であって、
第１の粘性を有するポリマーを第２の粘性を有するキャリア流体に混ぜて、第３の粘性を有する硬化可能な混合物を形成するステップと、
該混合物を第１の部分と第２の部分とに分離するステップと、
第１の色の色素を該混合物の該第１の部分に添加して、第１のスラリーを形成するステップと、
第２の色の色素を該混合物の該第２の部分に添加して、第２のスラリーを形成するステップと、
該第１及び第２のスラリーを、分離部材の両面上をその端部に向かって、該スラリーが該端部に実質的に同じ流量で到着するように流すステップと、
該第１及び第２のスラリーが隣接する領域を含む該第１及び第２のスラリーの溜まり部を、該端部の外側に形成するステップと、
該第１及び第２のスラリーを、異なった色が隣接する部分を含む複数の２色性流れとして、該溜まり部の外側に押し出すステップと、
各流れの先端を不安定にさせて液滴として飛散させるステップと、
該キャリア流体を該液滴から除去して実質的に球状ボールを形成するステップであって、該ボールの各々が異なる色の半球を備え、各球状ボールの直径が該液滴の直径よりも小さい、ステップと、
該２色ボールを収集するステップと、
を包含する、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、「エレクトリカルペーパ」ディスプレイシートに使用される直径約１２μｍの小さい２色ボールの大規模製造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
典型的なエレクトリカルペーパディスプレイは、米国特許第４，１２６，８５４号及び第４，１４３，１０３号に開示されており、それらの内容は、参照によってここに完全に援用される。一般に、そのようなディスプレイは、半球状に２色になっている（すなわち２色の）ボールが密に充填されている、厚さ数ミリメートルのエラストマー・ホスト層を含む。各々の２色ボールは、半分が白で半分が黒のように、半球ずつが対照的な色になっている。ホスト層の両面に位置する電極間に電界を印加すると、ボールは回転して、電界の極性に依存して何れか一方の半球を観察者に見せる。エレクトリカルペーパの解像度は、ホスト層に充填された２色ボールの数及びサイズに依存する。より具体的には、より小さい直径（例えば≒１２μｍ）を有するボールをよりたくさんホスト層の中に充填すれば、より高い解像度を有するエレクトリカルペーパが得られる。従って、多数のそのようなより小さい直径を有するボールを生成することが、好ましい。
【０００３】
これまでは、２色ボールの典型的な生成方法は、クロウリィらによって米国特許第５，２６２，０９８号に開示されたスピンディスク法を含んでおり、その内容は、参照によってここに完全に援用される。
【０００４】
簡単に言えば、スピンディスク法では、回転可能なスピンドルの上に搭載されたディスクの上面及び下面に、白及び黒に着色された硬化可能な液体をそれぞれ供給する。液体は、遠心力によってディスクの周辺部に動かされ、混ざることなく一緒に流れて、２色の小滴（ｇｌｏｂ）を形成する。遠心力は、「ブレークアップ（ｂｒｅａｋ−ｕｐ）」と称される工程の期間中に、２色の小滴をディスクから「飛散させる（ｂｒｅａｋ−ｓｗａｙ）」。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
理想的には、小滴のディスクからの飛散は、小さい独立した球状ボールの形態で行われ、それらのボールは実質的に同一で、適切な２色性の特性を有している（すなわち、片方の半球は黒色の色素を含有しており、他方の半球は白色の色素を含有している）。スピンディスク法は、比較的短時間に多数の２色ボールを生成することができるが、生成されたボールは、多くの割合で許容範囲外である。言い換えると、ボールはお互いに実質的に同じではなく（例えば、あるボールの直径は約１２μｍであっても、他のボールの直径は８０μｍ以上であることがある）、また／或いは、適当な２色性を有していない。
【０００６】
２色ボールは、典型的には様々なポリマー（例えばワックスや他の樹脂）から生成され、色素充填量は２５〜５０重量％（或いは１２体積％以下）であり、約５００℃〜６００℃の温度まで加熱される。ポリマー／色素の組合せは、スラリーと称される。これらの色素充填率及び温度で得られる溶融スラリーの粘性は、典型的には、約１５ｃｅｎｔｉｐｏｉｓｅ〜約２０ｃｅｎｔｉｐｏｉｓｅである。しかし、これらの粘性では、スピンディスク製造システムに投入されたスラリーのうち、許容範囲の特性を有する２色ボールとして出力されるのは、わずか約１０％である。言い換えれば、現在の方法によって製造される２色ボールの約９０％は、許容範囲外である。
【０００７】
使用可能なボールの歩留まりが低い理由の一つは、「リガメント・スナップバック（ｌｉｇａｍｅｎｔ  ｓｎａｐ−ｂａｃｋ）」である。リガメント・スナップバックは、ボールのディスクからの飛散が遅すぎるときに生じる現象である。ディスクから飛散されるべき小滴が、その代わりに、表面張力によって軸方向に引き戻される。引き戻されたこれらの小滴は、そこに存在する（ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ）１つ或いはそれ以上の小滴と結合して、それによって単一の大型の小滴を形成し、結果として大型のボールが形成される。大型ボールは、しばしば球状ではなく、不適切な２色表面特性を有している。リガメント・スナップバックを防ぐある方法は、ボールを形成するために使用されるポリマーの粘性を低くして、スラリーのディスクからの飛散が遅くなることを防ぐことである。この方法では、スラリーの粘性によって作用する力が、表面張力によって作用する力に対して、小さくなる。
【０００８】
パラフィンワックスは、約５ｃｅｎｔｉｐｏｉｓｅ〜約６ｃｅｎｔｉｐｏｉｓｅの間の粘性（すなわちスラリーを形成するために以前に使用されていたポリマーよりも低い粘性）を有しており、リガメント・スナップバックを防ぐために使用されている。しかし、パラフィンワックスは、他のポリマーに比べて比較的低融点である。更に、粘性が低いために、パラフィンワックスの中に懸濁している色素が、ボールの形成時に半球間で混ざり合う傾向にある。このため、パラフィンワックスを使用して形成したボールは、好ましい２色性を有していない。
【０００９】
粘性力は、典型的には「粘性長さ」に関連して論じられる。粘性長さは、以下の式（１）で定義される。
【００１０】
Ｌη＝９η2／Ｙρ                                        （１）
但し、ηは粘性、Ｙは表面張力、及びρは流体の質量密度である。大抵の流体は、密度が約１０3ｋｇＭ-3であり、表面張力が約０．０３ＮＭ-1である。これらの２つの特性は、多くの流体の間で驚くほど同じである。従って、多くの流体の間でのＬηの差は、主としてそれらの間での粘性の差になる。
【００１１】
ディスクから飛散するボールの各々の直径ＬｏがＬηよりもはるかに大きいと、適切な飛散が実現する。Ｌｏは、ボールの直径を示すので、同様な直径を有する２つの連続するボールの中心間の距離の尺度にもなる。飛散の特性時間τbとスナップバックの特性時間τcとを比較することによって、飛散の質の幾らか定量的な評価を行うことができる。これらの時間の比が、飛散させる力とスナップバックさせる力との間の競合の度合いを示す。これは、以下のように表現することができる。
【００１２】
τb／τc≒√（Ｌη／ＬD）                                （２）
適切な飛散は、
τb／τc≪１                                             （３）
が成立するときに起こる。関係式（３）を満たすためには、飛散に対する特性時間がスナップバック飛散に対する特性時間よりも十分に短くなければならない。言い換えれば、一つの小滴は、相対的な慣性力が次のボールに伝達されるよりも十分に前に、ディスクから飛散されなければならない。
【００１３】
ツイストボールを形成するために現在使用されているような、色素の充填率が低いスラリーに対しては、粘性長さＬηは約６０μｍである。先に述べたように、スピンディスク法によって現在製造されるボールは、約８０μｍの直径ＬＤを有している。関係式（２）から分かるように、これらの値からは、飛散時間のスナップバック時間に対する比τb／τcとして約０．８６６という値が得られる。関係式（３）は、適切な飛散条件を得るためには、そのような状態が理想的ではないことを示している。従って、現在使用されているスラリーから２色ボールを製造する場合に適切な飛散条件が実現されないことは、明らかである。
【００１４】
より精細な解像度を得るためには、より小さい直径（すなわちより小さいＬDの値）を有する２色ボールをつくることが望ましい。しかし、関係式（２）は、より小さい直径を有する２色ボールは、粘性長さが一定であれば、比τb／τcとして比較的大きな値をもたらすことを示している。比τb／τcの値が大きければ、スナップバック時間に対して、飛散時間がより長くなる。そのような結果は、関係式（３）によって示されるように望ましいものではなく、許容されるボールの数を更に少なくしてしまうであろう。更に、より小さい直径を有する２色ボールでは、適切な不透明度を確保するためには、ポリマー中の色素の充填率がより高い必要がある。色素の充填率を増すと、スラリーの粘性、ここではＬηが増加する傾向にあり、これによって、比τb／τcとしてより高い値が得られてしまう。
【００１５】
本発明は、上述の及びその他の問題点を克服する、小さな直径（すなわち≒１２μｍ）を有し且つ適切な２色性の特性を有している実質的に球状の多数の２色ボールを製造するための、新しい改良された装置及び方法を提供する。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
２色ボールは、第１の半球を有する。第１の半球は、第１の色及び第１の極性を有する第１の色素を含む。第１の色素は、２色ボールの形成時に、キャリア流体とポリマーとの混合物に添加される。第２の半球は、第２の色及び第２の極性を有する第２の色素を含む。第２の色素は、２色ボールの形成時に、キャリア流体とポリマーとの混合物に添加される。キャリア流体とポリマーとの混合物は、ポリマーのみの場合よりも低い粘性を有している。キャリア流体は、第１及び第２の半球が形成された後に、実質的に除去される。ポリマーは、２色ボールを形成する第１及び第２の色素と共に残存する。２色ボールの直径は、キャリア流体が実質的に除去された後に低減される。
【００１７】
本発明のある局面によれば、ポリマーは、キャリア流体の中に懸濁している固体粒子を含む。
【００１８】
本発明のより限定された局面によれば、キャリア流体を沸騰・蒸発させて固体ポリマー粒子を溶かすために、外部から熱が加えられる。
【００１９】
本発明の他の局面によれば、キャリア流体はその可燃焼性で焼き尽くされて、燃焼するキャリア流体から発生した熱が固体ポリマー粒子を溶かす。
【００２０】
本発明のある効果は、適切な２色性の特性を有し、より小さい直径を有する２色ボールが形成されることである。
【００２１】
本発明の他の効果は、多数の２色ボールを比較的短時間で形成できることである。
【００２２】
本発明の更に他の効果は、以下に示す好適な実施形態の詳細な記載を読み理解すれば、当業者に明らかになるであろう。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明は、様々な構成要素及び構成要素の配置、並びに様々なステップ及びステップの配置の形態をとることができる。図面は、好適な実施形態を描く目的のみのためのものであり、本発明を狭めるように解釈されるべきではない。
【００２４】
図１は、エレクトリカルペーパ式ツイストボールディスプレイで使用される半球状２色ボール１２を生成するための装置１０である。異なる２色の硬化可能なスラリー１４及び１６が、適切なディスペンサーノズル１８及び２２を介して、回転可能なスピンドル３２に搭載されたディスク２８の上面及び下面２４及び２６にそれぞれ供給される。スラリー１４及び１６は、好ましくは、白及び黒のような対照的な色であり、以下はこの例が記述される。しかし、スラリーがどの２色であっても良いことが、理解されるであろう。スラリー１４及び１６は、遠心力の影響下で、ディスク２８の各々の面の上で周辺部３４に移動される。ディスク２８の端部で、スラリーは一緒に流れ（しかし混じらない）、周辺部の隣接する２色性溜まり部３６を形成し、そこからリガメント（ｌｉｇａｍｅｎｔ）が延びる。リガメントの遠端は、液滴４２を散らす。液滴４２は、溜まり部３６を離れて直ぐに、実質的に球状のかたちを形成する。回転しているディスクを使用して液滴４２を生成すると説明されているが、ジェット或いはジェットシートの使用を含む他の液滴生成方法が実施可能であることが、理解されるであろう。
【００２５】
図２は、装置１０から形成された球状液滴４４の拡大図を示す。液滴４４は、それぞれ異なる色のスラリー１４及び１６からなる２つの半球４６及び４８を含む。スラリー１４及び１６は、キャリア流体５４の中に懸濁したポリマー粒子５２の混合物を含む。ポリマー粒子５２は、典型的には、約１５ｃｅｎｔｉｐｏｉｓｅ〜約２０ｃｅｎｔｉｐｏｉｓｅの間の粘性を有する。ポリマー粒子５２は、好ましくはワックスであるが、同様の粘性を有する樹脂も使用される。キャリア流体５４は、好ましくは水である。しかし、アルコールやその他のどの低粘性流体も使用される。それぞれ白及び黒の色素粒子５６及び５８が、ポリマー粒子とキャリア流体との混合物に添加されて、それぞれ白及び黒のスラリー１４及び１６を生成する。この実施形態では、色素粒子５６及び５８は、混合物の中に懸濁している。結果として得られるスラリー１４及び１６は、適切な２色性の特性を有する多数の液滴４２を生成するために十分な粘性を有している。球状液滴４４の直径は約８０μｍであり、所望の直径である約１２μｍよりもはるかに大きい。従って、球状液滴４４は、球状液滴４４の実質的に球状の形状及び２色性特性を保持しながら所望の直径を有する２色ボール１２を生成するように、処理される。
【００２６】
ボールのサイズを８０μｍから所望のサイズである１２μｍまで減らすために、キャリア流体５４は、好ましくは沸騰・蒸発されて、ポリマー粒子５２が溶融される。好ましくは、これら２つのプロセスが同時に実行されることができるように、キャリア流体５４の沸点はポリマー粒子５２の融点よりも高い。この方法では、キャリア流体５４を沸騰蒸発させるために十分な熱を加えれば、ポリマー粒子５２を溶融するために十分な熱が確実に加えられる。
【００２７】
再び図１を参照すれば、加熱要素６２は、液滴４４が飛行している間に（例えばスピンディスク装置１０から放出された後の最初の数ミリ秒の間に）熱６４を球状液滴４４に加える。強制ガス６６は、球状液滴４４を運んで、適切な速度で加熱要素６２を通過する。好ましくは、ガス６６は空気、窒素、或いはアルゴンであるが、他の不活性ガスもまた使用される。球状液滴４４の温度は、流体５４が完全に沸騰蒸発するまで、キャリア流体５４の沸点を超えない。流体５４が沸騰蒸発しポリマー粒子５２が溶融した後の球状液滴４４の直径（すなわち最終的な２色ボール１２の直径）は、スラリーに含まれるポリマー粒子５２並びに色素粒子５６及び５８の濃度に依存している。色素粒子５６及び５８の量に対するポリマー粒子５２の量の比は、スラリー１４及び１６の粘性長さＬηに実質的に影響することなく、調整することができる。キャリア流体５４が沸騰蒸発してポリマー粒子５２が溶融すると、最終的な２色ボール１２は収集装置６８で収集される。
【００２８】
強制ガス６６の速度は、球状液滴４４が熱６４に曝される時間の長さを制御する。もし、球状液滴４４が加熱要素６２を遅く通過し過ぎると、キャリア流体５４の沸騰蒸発後に過剰な熱が加えられることがある。この結果、ポリマー粒子５２及び／或いは色素粒子５６及び５８は、燃焼或いは分解によって破壊され得る。逆に、もし球状液滴４４が加熱要素６２を速く通過し過ぎると、十分な熱が球状液滴４４に加えられない。この状況では、キャリア流体５４は完全に沸騰蒸発せず、ポリマー粒子５２は完全に溶融しない。従って、球状液滴４４の直径は、所望のサイズにまで減じられない。
【００２９】
図３は、本実施形態の第２の実施形態にて使用される球状液滴の拡大図を示す。本実施形態の理解を容易にするために、同じ構成要素は同じ参照番号にダッシュ（′）を添えて示し、新しい構成要素は新しい参照番号で示している。第１の実施形態のように、球状液滴４４′は２つの半球４６′及び４８′を含む。しかし、本実施形態では、半球は、それぞれ異なった色の溶媒７２及び７４からできている。より具体的には、溶媒７２及び７４は、ポリマー及びキャリア流体の溶液７６と、それぞれ白及び黒の色素粒子５６′及び５８′とを含む。好ましくは、キャリア流体は３％のポリアミド樹脂粒子を溶解しており、低粘性溶液７６を生成する。しかし、他のポリマー粒子、及びキャリア流体に混合されて低粘性溶液７６を生成する液体ポリマーであっても、使用される。本実施形態では、キャリア流体は非燃焼性であることが好ましい。しかし、ｎ−ブチルアルコールのような可燃性キャリア流体も使用できる。溶液７６の中に懸濁している色素粒子５６′及び５８は、キャリア流体によって分解されない。
【００３０】
図４は、液滴４４′を生成するためのスピンディスク装置１０′である。溜まり部３６′から放出された後の最初の数ミリ秒間の球状液滴４４′の直径は、約８０μｍである。強制ガス６６′は、図１に関して先に述べたように、球状液滴４４′を運んで加熱要素６２′を通過する。加熱要素６２′は、球状液滴４４′の溶媒７２及び７４の液体部分を沸騰蒸発させる熱６４′を発生する。溶媒７２及び７４が沸騰蒸発した後の球状液滴４４′の直径（すなわち最終的な２色ボール１２′の直径）は、溶媒７２及び７４に含まれるポリマー及び色素粒子５６′及び５８′の濃度に依存している。好ましくは、濃度調節によって、約１２μｍの直径を有する２色ボール１２′を生成する。溶媒７２及び７４の液体部分が沸騰蒸発すると、最終的な２色ボール１２′は収集装置６８′で収集される。
【００３１】
図５は、本実施形態の第３の実施形態にて使用される２色ボールを生成する装置を示す。本実施形態の理解を容易にするために、同じ構成要素は同じ参照番号に２重ダッシュ（″）を添えて示し、新しい構成要素は新しい参照番号で示している。装置７８は、図１及び図２に関して先に述べたのと同じ方法で、球状液滴４４″を生成する。より具体的には、球状液滴４４″は、ポリマー粒子と色素粒子とが懸濁しているキャリア流体を備えている。本実施形態では、キャリア流体は、沸点１１８℃のｎ−ブチルアルコールであり、或いは他の燃焼性物質である。図１及び図２に関して先に述べたように、溜まり部３６″から放出された後の最初の数ミリ秒間の球状液滴４４″の直径は、約８０μｍである。
【００３２】
強制不活性ガス６６″及び点火された燃焼性燃料８２は、覆い８４を通って球状液滴４４″を運ぶ。覆い８４の中で、燃焼性キャリア流体は焼き尽くされる。燃焼プロセスの間に、火炎８６が生成されて球状液滴４４″の温度を十分に上昇させ、ポリマー粒子を溶融させて、２色ボール１２″を形成する。本実施形態のある効果は、プロセスが「自己調整的」である点である。より具体的には、燃焼性キャリアが沸騰蒸発すると、火炎（及び、従って熱源）が消える。流体が沸騰蒸発しポリマー粒子が溶融した後の球状液滴４４″の直径（すなわち最終的な２色ボール１２″の直径）は、キャリア流体に含まれるポリマー粒子及び色素粒子の濃度に依存している。好ましくは、濃度調節によって、約１２μｍの直径を有する２色ボール１２″を生成する。
【００３３】
本発明の第４の実施形態では、図３で示したものと同様な球状液滴が、図５に示した装置で生成されて処理される。異なる半球は、ポリマー及び燃焼性キャリア流体（例えばｎ−ブチルアルコール）の溶液と白及び黒の色素粒子とを含む異なる色の溶媒から形成される。球状液滴が形成されると、点火されて、図５に示される装置の覆いを通って運ばれる。この方法によって、燃焼性キャリア流体は焼く尽くされて、それによって、適切な２色性の特性及び所望の直径を有するボールを生成する。
【００３４】
上記の実施形態の何れにおいても最終的なボールのサイズが飛散時のボールのサイズには依存していない点が、理解されるべきである。更に、ポリマー及び色素の濃度が最終ボールのサイズ及び組成を決定する。
【００３５】
本発明が、好適な実施形態を参照して説明されてきた。明らかに、上記の詳細な記載を読み理解すれば、他の者によって行われるであろう。本発明は、添付の請求項或いはその均等物の範囲に含まれている限りは、全てのそのような改変及び変更を含むものとして、解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  半球状２色ボールを生成するための装置を示す図である。
【図２】  図１に示される装置から生成された球滴の拡大図である。
【図３】  本発明の第２の実施形態で生成された球滴の拡大図である。
【図４】  図３に示される球滴を生成するスピンディスク装置を示す図である。
【図５】  本発明の第３の実施形態で使用される装置を示す図である。
【符号の説明】
１０  スピンディスク装置、１２  半球状２色ボール、１４，１６  スラリー、１８，２２  ノズル、２８  ディスク、３２  スピンドル、３６  溜まり部、４２，４４  液滴、５２  ポリマー粒子、５４  キャリア流体、５６，５８  色素粒子、６２  加熱要素、６４  熱、６６  強制ガス、６８  収集装置、７２，７４  溶媒、７６  低粘性溶液、８６  火炎。
【図１】
0004143199.tif 000002
【図２】
0004143199.tif 000003
【図３】
0004143199.tif 000004
【図４】
0004143199.tif 000005
【図５】
0004143199.tif 000006