フラットパネルディスプレイ概論（4）電子ペーパー
Introduction to Flat Panel Display (4) Electronic Paper
Ukai Display Device Institute 代表

工学博士

鵜飼育弘

YASUHIRO UKAI Ph.D.
Ukai Display Device Institute1．はじめに電子書籍市場では、動画カラー表示が可能なTFTLCDを搭載した端末と、静止画モノクロ表示の電子ペーパー端末が話題になっている。ここでは、電子ペーパーの種類を概説し、この中で実用化されているデバイスについて詳述する。また、電子ペーパーの技術課題としてのカラー化およびフレキシブル化についても述べる。

2．電子ペーパーの種類

図1 電子ペーパーの方式

電子ペーパーの定義は明確ではないが、紙とディスプレイの長所を両立したデバイスを目指すもので商品化と研究開発が活発に行われている。紙のような感覚で利用できる、柔らかい素材の極薄のディスプレイがターゲットである。紙のような10分の数ミリ程度の厚さで、データの表示や消去が何回も繰り返し行える未来のデバイスが考えられている。
蛍光灯や太陽光などの光を反射させて画面を表示する反射型の電子ペーパーは、バックライトを用いたTFTLCDと比べ、直射日光下でも画面が見やすい。画面内容を変化させる時にだけ電力を消費するため消費電力も小さく、電源を切っても表示を維持でき、しかも軽いなど

図2 粒子移動型ディスプレイの構造と動作原理の特長をもつ。

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図１に代表的な電子ペーパーの方式を示す。電気泳動

電荷を帯びた着色粒子が分散している。ここで電極に電ディスプレイ
（EPD: Electrophoretic Display）
では、図２に示圧を加えると、荷電粒子はその極性と電界方向によってすように１粒子型（図2（a））と2粒子型（図2（ｂ））
が実用化さ溶液の中を電気泳動し、溶液色と粒子色が表示できる。

れている。1粒子型は、元松下電器の太田氏が開発した

実用化は米SiPixが、ギャップを保ち粒子の偏りを防ぐ壁

当時の構造で、電極に挟まれた着色溶液の中に1種類のを印刷技術で基板上に作製し、ロール・ツー・ロール（R2R）

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フラットパネルディスプレイ概論（4）電子ペーパーで製造している。2粒子型は米E Inkが実用化しているが、開発したのはCopyteleである。EPDは粒子が液体中を泳動するが、電子粉流体（図2（ｃ））
は溶液を用いないで気体を用いており、ブリジストンが商品化している。これらの方式を称して粒子移動型ディスプレイと呼ばれている。
コレステリック液晶（Ch-LC : Cholesteric Liquid Crystal）
は、液晶ディスプレイとして広く用いられているネマチック液晶と異なり、メモリ性を有することで電子ペーパー用として図3 エレクトロウェッティングの構造と動作原理商品化されている。コレステリック液晶とはネマチック液晶の中でねじれ構造を持ち、光の波長レベルの短いねじ分を封止した構造を採る。平衡状態では通常、カラー油れピッチを持つ液晶の呼び名である。その極端に短いね膜層は水分とフッ素樹脂層の間で連続した膜を形成する

じれピッチにより、初期の配向状態を安定化すると、その（図3（a））
。この状態が系のエネルギー状態の中で最も低配向状態に駆動電圧によるヒステリシスを持つため、電圧いレベルに対応することによる。通常の画素サイズでは、を印加しなくてもある配向状態を保つことができる。ま

表面張力は重力の大きさの1000倍を超える。その結果、た、ねじれ構造により円偏光を反射するブラッグ反射特性油膜はすべての方向で安定する。電極に電圧を印加し、を持っている。このため、ねじれピッチを可視光の波長程絶縁層の上で電位差を生じるようにすれば、水分は動い度にすることで特定の色を反射する特性反射が利用でて疎水性表面に接触し、系のエネルギーレベルは低下す

き、偏光板を用いなくても高いコントラストを持つカラー表る。その結果、カラー油膜も移動する（図3（ｂ））。

示が可能となる。電子ペーパーへの応用は後述する。

油膜が側面方向にどこまで移動するかは、静電力と表双安定ネマチック液晶（Bistable Nematics LCD）
は、仏面張力の間のバランスによって決まる。画素が十分小さくNemopticsが開発した。このデバイスの構造は、ネマチッ

人の目で光応答が平均化される場合、上方向から見たとク液晶を2μmより薄い厚みで基板に挟み、上部基板は一きの光学特性は、色の付いたオフ状態と透明のオン状態般的なポリアミド配向層を有するが、下部基板には特殊なの間で連続的に切り替えることができる。この方式は、カ配向層を設けている。この特殊な配向層により、液晶のラー油膜層を除いて本質的に透明である。したがってこ方向が電界に関わらず保持され、電界を印加すると液晶の方式は、透過型、反射型、半透過型ディスプレイとして用全体が捩れた構造となり、光を散乱して白色表示となる。

いることができる。これにより、2色表示を実現する。さらまた、画素メモリ液晶（Pixel Memory LCD）
は、反射型に、C（シアン）、M（マゼンダ）、Y（イエロー）のそれぞれに着LCDの各画素にメモリを搭載して画像を保持することで色した油を積層してフルカラー表示を実現できる。但し、低消費電力を実現している。

メモリ性もしくは双安定性は有していない。

エレクトロクロミック・ディスプレイ
（ECD : ElectrochromicMEMS（Micro-Electro Mechanical Systems：微小電気Display）
は、エレクトロクロイズムの原理を用いるディスプレ機械素子）
方式のディスプレイは、米Qualcommが商品化イである。エレクトロクロイズムとは、電気化学的な酸化還した。このデバイスは、見る角度によって蝶の羽の色が変元によって引き起こされる物質の色調、色彩の可逆的なわる原理を応用した反射型のディスプレイである。MEMS変化であり、この変化は酸化還元に伴う物質の電子状態技術を使い、光を反射させる波長を干渉させることで発変化に起因する。多色発色の可能性、低電圧駆動、メモ色させている。具体的には、R（赤）、G（緑）、B（青）のピクリ性などの特長が示されている。

セルあたりの空気層の厚さを電圧で変えることで、光のエレクトロウェッティング（Electrowetting：電気濡れ効果）反射をコントロールしている。外光を反射させて発色するは、液体を封止し、それを移動させることにより表示するディのでバックライトが不要となり、消費電力を抑えられるのがスプレイ方式でオランダLiquavistaが開発を進めている。

大きな特長である。

このデバイスは図3に示すように、基板上に反射膜と透明図1に示したデバイス中から、現在実用化されている代電極、フッ素樹脂層を積層し、その上にカラー油膜層と水表的な粒子移動型とコレステリック液晶による電子ペーパー

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の構造と動作原理を説明する。

3．実用化されている電子ペーパー
3.1 マイクロカプセル型EPDを用いた電子ペーパー
マイクロカプセル型EPDの表示原理を図4に示す。負に帯電した黒色微粒子と正に帯電した白色微粒子が透明の溶液内に混在している。この溶液が、透明有機膜の球

図5 電子粉流体を用いた電子ペーパーの表示原理状カプセルに閉じ込められ、さらに平面電極の間に挟まれている。画像の書き換え時には、外部から両電極間に電界を与え、黒色と白色の微粒子の浮沈を制御する。図では背面板の電極に正の電位、前面板の電極に負の電位を与えると、白色が浮き上がり、逆ならば黒色が浮き上がる。透明電極を持つ前面板側から浮き上がった微粒子の色が見えることになる。

図6 コレステリック液晶を用いたカラー電子ペーパーの表示原理
図4 マイクロカプセル型電気泳動方式の表示原理

その特長は、以下に示す通りである。①紙と同じく反射型の表示で、180度近い視野角、新聞紙より高いコントラスト、暗い室内や直射日光の室外など照明条件に左右されない視認性を持つ。②一度表示された画像の保持には基本的に電力が不要なので、一般的な読む用途においては、通常の反射型LCDに比べて1/10程度の電力消費となる。③ガラス基板でなく樹脂基材の前面板を用い、偏光板が不要なシンプルな構成であるため、LCDの約半分の薄さと軽さのパネル表示部を実現する。

図7 カラー表示方式

TFT-EPDの実用化は、2004年に市販された電子ペーパーである。これは、6型SVGA（800×600）のa-Si TFTアレ

子粉流体が封入されている。一方は黒色で正に帯電する

イ上にマイクロカプセル製EPDを貼り合わせたものである。

ように材料設計がなされており、もう片方は白色で負に帯3.2 電子粉流体を用いた電子ペーパー電するように設計がなされている。基板間のギャップを保

図5に電子粉流体を用いた電子ペーパーの表示原理を示す。パターニングされた透明電極の間に2種類の電4

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つためにリブが配置されており、これによりセルが形成されている。

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いま、上部電極を負となるように電極間に電圧を掛けれの不便さを考えると、表１に示すような課題が明確になる。

ば、相対的に正に帯電している黒粒子が引き寄せられ図

現状は、ステージ1のレベルをクリア出来るところに来てい（5 a）のように黒表示ができる。逆に、上部電極を正となるる。しかし、ガラス基板を用いたものは壊れやすい点が課

ように電圧を印加すれば、図5（b）のように粒子が反対側題である。ステージ2のカラー化も進展しているもののまに移動し、今度は白表示となる。このデバイスの応答時間だ改善の余地が大いにある。残る大きな課題はフレキシは0.2msとLCDに比べて早く、しかも粒子が飛翔する電圧ブル化であるが、この技術を完成させるには材料・プロセには明確なしきい値を有し、これによりTFTを用いないパッス・生産等の技術革新を三位一体で進める必要がある。

シブ駆動が適用できる。粒子は自身の帯電に起因する

表1 電子ペーパー機能の進展と課題鏡像力により電極に付着し続けることが可能で、表示を保持するための電圧供給を必要としない。さらに、表示は粒子の色そのものを見ることから視野角依存性は殆どなく、また紙のような白さを再現できる。
3.3 コレステリック液晶方式カラー電子ペーパー
図6に示すようにカラー電子ペーパーの断面は、赤・緑・青の液晶層の他に透明フィルム、透明電極、電極、封止剤、光吸収層から構成されている。このデバイスには、液晶材料としてコレステリック液晶を用いている。コレステリッ
ク液晶は、特定の波長（光）のみを反射する性質がある。
太陽光や蛍光灯の光が液晶に入ってくると、赤色、緑色、青色の決められた波長を反射し、フルカラーを表示でき4.1 カラー化る。全ての色を反射する場合、光の3原色で私達の目にカラー表示法としては、図7に示すように加法混色法とは白に見え、反射しない場合は一番下の層の光吸収層減法混色法が知られている。加法混色法は、R、G、Bの3の黒が見える。

原色を平面上に微細に配置し、網膜上で色彩の混合をコレステリック液晶は、双安定性（メモリ性）を備えてお行うものである。この方法は、CRTやLCDおよびPDPなどり、液晶に印加する電界強度の調整により特定の波長の多くのフラットディスプレイに用いられている。一方、減法混

光を反射するプレーナ状態、光を透過するフォーカルコニッ

色法は、白色光の光源から吸収効果により不要な可視ク状態、またはそれらの中間的な状態をとることができる。

光スペクトルを取り除いて、所望の光スペクトルを得る方法

一旦プレーナ状態、フォーカルコニック状態、またはそれらである。そのため、C、M、Yの3原色から構成される。このの中間的な状態になると、電圧無印加状態においても安方式は、カラー印刷で用いられているもので、ディスプレイ定してその状態を維持できる。このメモリ性により、書換に適用するにはC、M、Yの3原色の素子を積層して用いえ時のみ電力を必要とする超低消費電力を実現している。1画素で3色の組み合わせによるフルカラーが可能とる。また、一度表示したものに対し、表示中は電圧をかけなる。この場合、減法混色は加法混色に比べて原理的ないので、画面がちらついたりすることがなく、目が疲れなに3倍の明るさを実現できる。しかし、デバイスの構造は、い。従来の液晶に必要だった、偏光板、反射板、カラー・積層構造が必要なことから複雑となることや、斜め方向かフィルタ、バックライトがなくなり、薄くて軽く、明るい液晶がらの視差により画素間の混色が問題となる。

実現した。

図8に表示媒体のコントラストと反射率の関係を示す。
電子ペーパーのカラー化には、ここで述べたカラー・
フィル

4．電子ペーパーのカラー化とフレキシブル化

タを用いる方法や、コレステリック液晶のようにR、G、Bを積層する方法等が実用化されている。カラー・フィルタに、R、紙の読みやすさや扱いやすさと比べ、現状のフラットG、Bに加えてW（白）のサブピクセルを設けることで、白状ディスプレイとしての代表的なTFT-LCDで文章を読む際態の反射率を22〜25%まで改善できる。しかし、図からTHE CHEMICAL TIMES 2011 No.2
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図8 表示媒体のコントラストと反射率の関係分かるように、カラー・フィルタで実現した白表示はカラー・感、質感、光沢など感覚的な領域まで表現する能力を持

フィルタを使わないモノクロの白表示よりも必ず反射率がっており、電子ペーパーがこの領域に達するのはかなり先低下する。のことになりそうである。なお、
このデバイス実現にあたっ

電子ペーパーによるカラー表示のターゲットは、印刷物であるグラビア印刷のコントラスト比30：1及び反射率80%である。
4.2 フレキシブル化ては、フレキシブル性を念頭に置けば自ずと用いられる材料は、有機材料に集約されるであろう。
なお、フレキシブルディスプレイは、次回で取り上げる予定である。

昨年に発売予定だった有機半導体駆動のフレキシブ
ル電子ペーパーは残念ながら日の目を見ない状態となっ5．おわりにた。しかし、各社の開発に拍車が掛っており実用化は目前に差し掛かっている。
最近、TFT-LCDを用いた電子書籍端末も市場に出て端末が、モノクロ静止画表示の電子ペーパー端末を駆逐いる。これらの表示は、透過型であり長時間の読書にはする」との話を聞く。しかし、カラーグラビア雑誌をスクロール『ぎらつき感』による目の疲労や機器の重さの課題がある。

してみたい人は部屋の中で液晶端末を使い、小説など書

電子ペーパーは、基本的に反射型であり、限りなく印刷物籍を持ちいつでもどこでも読みたい読書家は電子ペーパに近い表示（背景が白で完全拡散反射）であることからーを使うことを薦めたい。

目の疲労が少ない。

昨年末に市販された電子ペーパー端末を購入し、実私の見解では、電子ペーパーのフレキシブル化とフレキ際に使っているが、目の疲労には明らかに差異があるこ

シブルディスプレイは異なるもので、あくまでも電子ペーパとが分かった。また、
ここでは述べなかったが、電子ペーーは「紙の代替」を目指すべきと考える。そもそも、ディスプパーにとって入力デバイスの選択も重要であり、目的に応レイはコンテンツをいかに忠実に再現し、人に感動を与えじたタッチパネルとディスプレイの組み合わせを十分検討られるかが重要である。一方、電子ペーパーは、コンテンする必要がある。

ツそのものが重要で、デバイスには感動を与える役目は存在しない。ただ、紙における現在の印刷技術は、触6「カラー動画表示が可能な透過型TFT-LCDを用いた

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