JP2012063765A - 電子ペーパー表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は電子ペーパー表示装置に関する。
【解決手段】本発明の一実施形態は、複数の隔壁により形成された複数のセル空間を含む基板と、基板の上下面に形成される上部電極及び下部電極と、上記セルに搭載され、光学的及び電気的異方性を有するように形成された電子ペーパー表示素子とを含み、電子ペーパー表示素子に加わるトークを制御して階調を表現する電子ペーパー表示装置が提供される。
【選択図】図２

Description

本発明は電子ペーパー表示装置に関し、より詳細には電子ペーパー表示装置に搭載された表示素子に加わるトークを調節して階調を表現することができる電子ペーパー表示装置に関する。

新しいパラダイムが求められる情報社会に相応し、情報伝達及び共有方式において大きな変換が求められる。これを満たすために、柔軟なディスプレイで、曲げられるという長所を有する電子ペーパーの技術開発が加速化されており、電子ペーパーの技術開発は商業的な開発段階に入っている。

電子ペーパーは既存の平面ディスプレイパネルより生産単価が低廉で、停止画面のように背景照明や持続的な再充電を必要とせず、非常に少ないエネルギーでも駆動できてエネルギー効率も非常に優れる。また、電子ペーパーは非常に鮮明で、視野角が広く、電源がなくても文字が完全に消えないメモリー機能も有している。

このような長所のため、電子ペーパーはペーパーのような面と動くイラストレーションを有する電子書籍、自ら更新する新聞、移動電話のための再使用可能なペーパーディスプレイ、廃棄可能なＴＶスクリーン及び電子壁紙など、実に広大な分野に応用されることができ、巨大な潜在市場を有している。

電子ペーパーを具現するための技術的接近方式は、大きく４つに分けられ、相互反対の電荷と異なる色相を有する上下半球で構成された球形粒子を電界を利用して回転させるツイストボール方式、オイルに混合された有色帯電粒子をマイクロカプセルまたはマイクロカップの中に閉じ込めたり、帯電粒子そのままを電場の印加に応答させる電気泳動方式、帯電された粉流体を利用するＱＲ−ＬＰＤ（Ｑｕｉｃｋ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ−Ｌｉｑｕｉｒｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｄｉｓｐｌａｙ）方式、コレステリック液晶分子の選択的反射特性を利用するコレステリック液晶ディスプレイ方式などがある。

その中でもツイストボールを用いた方式は、半球が黒色のツイストボールがエラストマー（ｅｌａｓｔｏｍｅｒ）のような材料で作られる２つの平行な透光性シート（以下、エラストマーマトリックス（ｅｌａｓｔｏｍｅｒ ｍａｔｒｉｘ）という）の間に複数配列されている構成が一般的である。

ツイストボールは光学的、電気的異方性を有する。即ち、白色半球と黒色半球にそれぞれ異なる量の電荷、あるいは異なる極性の電荷が形成されており、これにより永久双極子が形成される。また、ツイストボールはエラストマーマトリックスで回転できるように液体でコーティングされている。

即ち、ツイストボールを用いた電子ペーパーは、エラストマーマトリックスに電場を加えて選択的にツイストボールを回転させることで、所望する画像を表示することができる。

従来の電気泳動などを利用した従来技術に比べて、このようなツイストボールは黒／白の反転を形成する他に、階調（Ｇｒａｙ ｓｃａｌｅ）を表現する上で困難がある。

本発明の目的は、ツイストボール方式の電子ペーパー表示装置において、黒／白の反転の他に、階調を表現することができる電子ペーパー表示装置を提供することである。

本発明は、複数の隔壁により形成された複数のセル空間を含む基板と、基板の上下面に形成される上部電極及び下部電極と、上記セルに搭載され、光学的及び電気的異方性を有するように形成された電子ペーパー表示素子とを含み、電子ペーパー表示素子に加わるトークを制御して階調を表現する電子ペーパー表示装置を提供する。

上記電子ペーパー表示素子に加わるトークを制御するために、上記上部電極及び上記下部電極に印加される電圧の大きさを調節することができる。

上記電圧の大きさを調節するために、パルス変調方式で電圧を調節することができる。

上記パルス変調方式は、パルス幅変調（ＰＷＭ；Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ M o dｕｒａｔｉｏｎ）方式を用いることができる。

上記電子ペーパー表示素子に加わるトークを調節するために、電圧が印加される時間を調節することができる。

上記電子ペーパー表示素子に加わるトークを調節するために、電子ペーパー表示素子の帯電電荷及び帯電電荷量を調節することができる。

上記電子ペーパー表示素子に加わるトークを調節するために、上記電子ペーパー表示素子の質量、上記表示素子のサイズ、セルのサイズ、及び上記セルの照度からなる群のうち１つ以上を調節することができる。

上記下部電極には１つの薄膜トランジスタが形成されることができる。

上記セルはマイクロカップであることができ、上記表示素子はツイストボールであることができる。

本発明によると、ツイストボール方式の電子ペーパー表示装置において、黒／白の反転の他に、階調を表現することができる電子ペーパー表示装置が提供される。

本発明の一実施形態による電子ペーパー表示装置を概略的に示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態による電子ペーパー表示素子の回転電圧を示すグラフである。 本発明の一実施形態による電子ペーパー表示装置において、回転電圧による電子ペーパー表示素子の回転を示す断面図である。 本発明の一実施形態による電子ペーパー表示装置において、回転電圧による電子ペーパー表示素子の回転を示す断面図である。 本発明の一実施形態による電子ペーパー表示装置において、回転電圧による電子ペーパー表示素子の回転を示す断面図である。 図３ａから図３ｃに示された本発明の一実施形態による電子ペーパー表示素子の回転電圧を示すグラフである。

以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。但し、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲は以下で説明する実施形態に限定されない。

また、本発明の実施形態は当業界で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における要素の形状及び大きさなどは、より明確な説明のために誇張されることがあり、図面上に同じ符号で示される要素は同じ要素である。

以下では図１〜図４を参照し、本発明の実施形態による電子ペーパー表示装置について説明する。

図１は本発明の一実施形態による電子ペーパー表示装置を概略的に示す分解斜視図であり、図２は本発明の一実施形態による電子ペーパー表示素子の回転電圧を示すグラフであり、図３ａ〜図３ｃは本発明の一実施形態による電子ペーパー表示装置において、回転電圧による電子ペーパー表示素子の回転を示す断面図であり、図４は図３ａ〜図３ｃに示された本発明の一実施形態による電子ペーパー表示素子（以下、「回転ボール」と想定して説明する）の回転電圧を示すグラフである。

図１を参照すると、本発明の一実施形態による電子ペーパー表示装置１は複数の隔壁により形成された複数のセルｈ空間を含む基板１１０と、上記基板の上下面に形成される上部電極１５０及び下部電極１４０とを含み、上記セルｈには光学的及び電気的異方性を有するように形成され、異なる回転電圧を有する回転ボール１０が搭載される。

上記上部電極１５０及び下部電極１４０は本発明の技術分野で通常用いられる電極材料を使用することができる。例えば、ポリチオフェンまたはポリアニリンのような導電性ポリマー、銀やニッケルのような金属粒子、上記金属粒子を含むポリマーフィルム、インジウムティンオキサイド（ＩＴＯ；Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）などを使用することができる。

また、下部電極１４０は回転ボール１０が独立的に駆動できるようにする電界印加部またはマトリックスアドレス電極で構成されることができる。そして、上記下部電極１４０には各セルｈに配置された回転ボール１０が独立的に駆動できるようにする駆動素子である、例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ；Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が形成されることができる。

本発明の一実施形態によると、１つの薄膜トランジスタが下部電極に形成されることができる。セルのそれぞれに異なる薄膜トランジスタを形成して独立的に駆動させることで、階調を表現することもできるが、本発明の一実施形態によると、それぞれ異なる回転電圧を有する電子ペーパー表示素子を備え、１つの薄膜トランジスタで電圧の大きさを調節し、電子ペーパー表示素子の階調を表すことができる。

上記基板１１０は柔軟性のある樹脂からなることができ、これに制限されないが、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、環型オレフイン高分子（ＣＯＣ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ、ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）またはポリウレタンアクリレート（ＰＵＡ、ｐｏｌｙ ｕｒｅｔｈａｎｅ ａｃｒｙｌａｔｅ）などがあり、これらを１種以上混合して使用することができる。

上記基板１１０は上記上部電極１５０と下部電極１４０の間に配置され、上記上部電極１５０と上記下部電極１４０の間の空間を分割する複数の隔壁と上記隔壁により形成されたセルｈ空間を含む。これに制限されないが、上記セルはマイクロカップであることができる。

本発明の一実施形態によると、セルｈ空間はそれぞれ回転ボールを収容する。本発明の一実施形態によると、上記回転ボールはツイストボールであることができる。また、上記セルｈ空間には上記回転ボールが容易に回転できるように誘電液（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｉｑｕｉｄ）が充填されることができる。また、異なる色を表す複数の回転ボールを収容している隣り合う複数のセルｈ空間は画素領域を形成する。

本発明の一実施形態による回転ボール１０は異なる色に着色され、異なる帯電特性を示す２つの表示領域１０ａ、１０ｂを含む。

本発明の一実施形態によると、これに制限されないが、上記２つの表示領域ののうち第１表示領域１０ａは白色及び黒色のうち何れか１つに着色され、第２表示領域１０ｂは赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の組み合わせ、あるいはシアン（Ｃ）、黄色（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）の組み合わせのうち何れか１つの色に着色され、第１表示領域１０ａが陽電荷に帯電されると、第２表示領域１０ｂは陰電荷に帯電される。

これにより、上記回転ボール１０は第１表示領域１０ａ及び第２表示領域１０ｂに帯電された電荷によって永久双極子を形成する。

また、上記回転ボール１０に上部電極１５０及び下部電極１４０により電場が形成されると、上記双極子は電場の大きさ及び方向に従ってトークが発生し回転する。

回転ボールに加わるトークは上部電極と下部電極により形成された電場の影響を受ける。

上記回転ボールは電場内で電気力を受け、上記電気力は双極子の双極子モーメントと電場の大きさ及び方向に比例する力である。この電気力は回転ボールにトークとして作用し、回転ボールを電場の方向に従って回転させる。これにより、２つの第１表示領域１０ａ及び第２表示領域１０ｂに着色された色相により色を表示する。

より具体的に説明すると、回転ボールの内部に帯電された電荷に及ぶ影響を考慮すると、回転ボール全体に加わる電場は一定であるため、回転ボール全体に加わるトークは回転ボールの内部に帯電された電荷に加わるトークの和に該当する。即ち、回転ボール全体に加わるトークは回転ボールの内部に形成される双極子モーメントｐに比例するようになる。

言い換えれば、回転ボールの回転は、上部電極と下部電極の電圧差によって形成される電場と回転ボールの内部の双極子モーメントにより影響を受ける。即ち、回転ボールの第１表示領域及び第２表示領域に帯電された電荷及び電荷量の影響を受ける。

一方、回転ボールに加わるトークに影響を及ぼす実質的な力は、電気力と回転ボールに加わる摩擦力の合力により決まる。

回転ボールに加わる実質的な力は、電場により形成された電気力と回転ボールに加わる摩擦力Ｆ＿の影響を受ける。

電気力は回転ボールに加わる摩擦力により相殺され、上記摩擦力は摩擦係数μと回転ボールのセルの表面に加える垂直抗力Ｎとその他の様々な要因により発生することができる。

上記摩擦係数μは回転ボールの表面粗さ、回転ボールが入っているセルの照度により決まり、垂直抗力Ｎは回転ボールの質量により決まる。また、回転ボールの密度が一定の場合、回転ボールの半径、即ち、回転ボールのサイズにより上記垂直抗力Ｎが決まることができる。

言い換えれば、回転ボールに加わる力はセルの照度、回転ボールの質量及び回転ボールのサイズにより決まることができ、これによって、回転ボールの回転を調節することができる。

図２は、一定の電圧を加えた時回転ボールが動く時間を示す電圧−時間グラフである。

図２を参照すると、回転ボールに、回転電圧を回転駆動時間だけ加えると、回転ボールが回転することが分かる。回転ボールに、一定時間である回転駆動時間の間電圧を印加すると、回転ボールは回転し、電圧の大きさが大きくなるほど、回転ボールに電圧を印加する回転駆動時間が減少する。

即ち、回転ボールは回転電圧以上の電圧を回転駆動時間以上の時間だけ印加すると、回転する。

一方、回転ボールの回転電圧において、回転折れ曲がり電圧Ｖｏ以上の電圧を印加した場合は、電圧の大きさが大きくなっても電圧を印加する回転駆動時間が略一定になることが分かる。

従って、回転ボールの回転折れ曲がり電圧Ｖｏ以上の電場を印加した場合、回転折れ曲がり電圧での回転駆動時間位の間電圧を印加すると、回転ボールは常に回転する。

即ち、回転折れ曲がり電圧Ｖｏの異なる回転ボールをセルに搭載して電圧を印加すると、印加された電圧に比べて、各回転ボールの回転折れ曲がり電圧Ｖｏの小さい回転ボールだけが回転する。

本発明の一実施形態によると、回転折れ曲がり電圧Ｖｏが同一の表示素子において、電圧を調節して表示素子の回転を調節することができる。また、表示素子の質量、サイズ、帯電電荷及び帯電電荷量、セルのサイズ、またはセルの照度を調節したり、回転折れ曲がり電圧Ｖｏを調節することで、同じ電圧でも回転する粒子と回転しない粒子に区分することができる。

従って、回転折れ曲がり電圧Ｖｏの異なる表示素子を電子ペーパー表示素子に搭載して電圧を調節し、各表示素子に及ぶトークを調節することができるため、電子ペーパー表示装置の所望する階調を表現することができる。

また、回転折れ曲がり電圧Ｖｏの異なる表示素子を電子ペーパー表示素子に搭載して電圧が印加される時間を調節し、各表示素子に及ぶトークを調節することができるため、電子ペーパー表示装置の所望する階調を表現することもできる。

また、回転ボールの電圧の大きさを調節する他にも、パルス変調方式で回転ボールの電圧を調節することもできる。この場合、回転ボールの電圧の大きさを調節したのと同じ効果が得られるように電源のパルスを変調することができる。

上記パルス変調方式としては、これに制限されないが、パルス幅変調（ＰＷＭ；Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ M o dｕｒａｔｉｏｎ）方式を用いることができる。パルス幅を、得ようとする電圧の大きさに合わせて調節し、回転ボールの回転を制御することができる。

図３ａ〜３ｂは本発明の一実施形態による電子ペーパー表示装置を示す断面図であり、図４は図３ａ〜図３ｂの電子ペーパー表示素子１０、２０の回転電圧を示すための電圧−時間グラフである。

本発明の一実施形態による電子ペーパー表示装置は上部電極１５０及び下部電極１４０を含み、上記上部電極１５０と下部電極１４０の間に形成された基板１１０と上記基板内部に形成された複数のセルを含む。

上記セルには様々な大きさ、質量及び双極子モーメントを有する回転ボール１０、２０、３０、４０、５０が搭載されている。

即ち、上記回転ボールは様々なサイズであることができ、回転ボールのサイズが同じでも質量が異なってもよく、回転ボールのサイズ及び質量が同じでも回転ボールの双極子モーメント、即ち、第１表示領域１０ａと第２表示領域１０ｂに帯電された電荷及び電荷量が異なってもよい。

また、回転ボールのサイズ、質量及び双極子モーメントが同じでもセルの照度を異ならせて、他の摩擦力が回転ボールに加わるように調節することができる。

図３ａ及び図４を参照すると、本発明の一実施形態によると、上部電極１５０及び下部電極１４０に回転ボール１０、２０の回転電圧以下の電圧であるＶ１をｔ０時間だけ印加すると、回転ボール１０、２０が回転しないことが分かる。

この場合、回転ボール１０、２０は回転せず、本発明の一実施形態によると、黒色を示すことができる。

図３ｂを参照すると、回転ボール１０の回転折れ曲がり電圧より大きい電圧を印加し、回転ボール２０の回転折れ曲がり電圧より小さな電圧をｔ０時間だけ印加した場合、回転ボール１０は回転して白色を示すが、回転ボール２０は回転せず黒色を示すことになる。

また、黒色及び白色の他にも灰色を表すことができ、特に、電圧を調節して灰色の明暗を調節することができる。即ち、多様な灰色を表現することができる。これによって、電子ペーパー表示素子の電圧特性を利用して電子ペーパー表示素子の階調（ｇｒａｙ ｓｃａｌｅ）を表現することができるようになる。

本発明の一実施形態では、電子ペーパー表示素子により表現される色を黒色と白色を例に挙げて説明したが、これに限定されず、様々なカラーを表現することができ、これらの明暗を調節することができる。

本発明の一実施形態によると、電子ペーパー表示装置の下部電極に各セルごとに薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成しなくとも、１つの薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のみを形成し電圧の大きさを調節することで、電子ペーパー表示装置の階調を表現することができる。

一方、図３ｂを参照すると、回転ボール１０と回転ボール２０はそのサイズと回転折れ曲がり電圧を異ならせて、異なる条件下で回転するようにした。

また、回転ボール２０と回転ボール５０を比較すると、回転ボールのサイズが同じでも、回転ボールの質量、セルの照度または回転ボールの帯電電荷及び帯電電荷量を異ならせて、異なる回転折れ曲がり電圧を有させることができる。

これによって、サイズが同じでも回転ボール２０は回転するが、回転ボール５０は回転しないようにすることができる。

図３ｃを参照すると、全ての回転ボール１０、２０、３０、４０、５０に全ての回転ボール１０、２０、３０、４０、５０の回転折れ曲がり電圧より大きい電圧を印加し、全ての回転ボール１０、２０、３０、４０、５０を回転させることができる。これにより、全ての回転ボールが回転し電子ペーパー表示装置は白色を示すことができる。

本発明の一実施形態によると、回転折れ曲がり電圧以上の電圧を印加するように電圧の大きさを調節することができる上、電圧の印加時間を調節して回転ボールの回転を制御することもできる。

また、電圧の大きさを調節するためにパルス変調方式を用いることができ、特に、パルス幅変調方式を用いて電圧の大きさを調節し、所望する回転ボールを回転させることができる。

本発明の一実施形態によると、電子ペーパー表示装置の所望する多様な位置に、多様な回転折れ曲がり電圧を有する回転ボールを分散させることができる。これにより、所定の電圧を印加した場合、その電圧より小さい回転折れ曲がり電圧を有する回転ボールのみを回転させることができる。即ち、電圧を調節して所望する程度の階調を表現することができる。

本発明の一実施形態によると、特に、ツイストボールが単層（ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）で用いられる電子ペーパー表示装置に適用されて階調を表現することができる。ツイストボールは単層で表現することができるため、応答速度が早く、ツイストボールの駆動電圧が低い。

これにより、本発明はツイストボールを使用する電子ペーパー表示装置に適用されるため、所望する程度の階調を早い応答速度で表現することができ、低い駆動電圧を使用して電子ペーパー表示装置の階調を表現することができる。

Claims (10)

1. 複数の隔壁により形成された複数のセル空間を含む基板と、
   前記基板の上下面に形成される上部電極及び下部電極と、
   前記セルに搭載され、光学的及び電気的異方性を有するように形成された電子ペーパー表示素子とを含み、
   前記電子ペーパー表示素子に加わるトークを制御して階調を表現する電子ペーパー表示装置。
2. 前記電子ペーパー表示素子に加わるトークを制御するために、
   前記上部電極及び前記下部電極に印加される電圧の大きさを調節する、請求項１に記載の電子ペーパー表示装置。
3. 前記電圧の大きさを制御するために、パルス変調方式で電圧を調節する、請求項２に記載の電子ペーパー表示装置。
4. 前記パルス変調方式はパルス幅変調方式を用いる、請求項３に記載の電子ペーパー表示装置。
5. 前記電子ペーパー表示素子に加わるトークを調節するために、
   前記電圧が印加される時間を調節する、請求項２に記載の電子ペーパー表示装置。
6. 前記電子ペーパー表示素子に加わるトークを調節するために、
   前記電子ペーパー表示素子の帯電電荷及び帯電電荷量を調節する、請求項１に記載の電子ペーパー表示装置。
7. 前記電子ペーパー表示素子に加わるトークを調節するために、
   前記電子ペーパー表示素子の質量、前記電子ペーパー表示素子のサイズ、セルのサイズ、及び前記セルの照度からなる群のうち１つ以上を調節する、請求項１に記載の電子ペーパー表示装置。
8. 前記下部電極には１つの薄膜トランジスタが形成される、請求項１に記載の電子ペーパー表示装置。
9. 前記セルはマイクロカップである、請求項１に記載の電子ペーパー表示装置。
10. 前記電子ペーパー表示素子はツイストボールである、請求項１に記載の電子ペーパー表示装置。

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