JP2010503013A - エレクトロウェッティング効果に基づく電子装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、エレクトロウェッティングセルの配列を含む電子装置に関する。各セルは、互いに混合しない第１の液体及び第２の液体を含む。電極装置を使って、第１の液体と第２の液体との間の境界の位置を制御する。電極装置は、第１の電極及び第２の電極を含む。各セルは、第１の電極にセル駆動電圧を印加するための第１のスイッチング素子、及び、第２の電極に同じセル駆動電圧を同時に印加するための第２のスイッチング素子を、含む。セルの回路を、単一の電極とそれに付随するスイッチング素子に要求される制御線の他には、いかなる追加の制御線も必要としないように作れる。しかし、２つのスイッチング素子を使うことにより、各電極に印加する最終的な信号を、異なる容量効果の結果として、異なるものにできる。このことにより、制御電圧に反応して、液体の境界が動く方法を、制御できる。

Description

本発明は、エレクトロウェッティング効果を使う電子装置に関する。本発明は、流体の光学的な性質を制御するための、静電力の電気的な制御に関する。エレクトロウェッティング効果を使う、表示装置及び制御可能レンズが提案されている。

既知のエレクトロウェッティング表示装置は、セルの配列を含む。セルの各々は、着色した油の層で満たされる。図１は、１つのセル１０の横断面（上の図）及び平面図（下の図）を示す。各セル１０は、表示の画素を形成する。各セル１０は、隣接するセルから、セル壁１２によって区切られている。セル壁１２の内側に、そのセルの着色した油１４を含む。

セル壁は、格子の形をしている。この格子を、疎水性の絶縁層１６に取り付ける。疎水性の絶縁層１６は、セルの基部となっている。セルの上方には、伝導性の水１８の層がある。このことは、全てのセルに共通である。電気的な接触を、伝導性の水に対して、透明な共通電極２０によって行う。各セルの内部には、個別の画素電極２２がある。個別の画素電極２２により、各セルの基部に、電圧を各個に印加できる。

伝導性の水１８は、実際は、イオン化した伝導性の塩溶液である。油は、絶縁性のシリコーン油又はアルカンである。この油は、染料又は色素で着色されている。水と油は混ざらない。

表示のセルがあるのは、下部基盤２４とガラスの上板２６の間である。絶縁パッシベーション層２８があるのは、基盤２４と画素電極２２の間である。セルの各々は、パッシベーション層２８の中に含まれる制御ＴＦＴ（薄膜トランジスター）を持つ。これらのＴＦＴは、アクティブマトリックス配列を形成する。行電極と列電極もある。行電極と列電極により、駆動用の集積回路と接続できる。列電極２９を図１に示す。

外部から印加される電圧が何も無い場合は、油は、画素セルの基部の疎水性の絶縁層１６に拡散している。このことが、「閉じた」と呼ばれる状態を定義する。閉じた状態では、セルの光学的な反射率と透過率は両方とも低い。

十分な大きさの電圧が、特定のセルの画素電極２２と、共通電極２０の間に印加されると、油はセルの１つの端又は隅に退き、セル壁に沿った方向に垂直に積み上がる。詳しく言うと、セルに外部電場を印加すると、水―油―疎水性絶縁層のシステムのエネルギーバランスが調節される。その結果、水が、疎水性だった絶縁層になじむようになり、油を押しのける。

図１は、セルの閉じた状態を示している。図２は、同じセルが開いた状態を示す。

水が、疎水性だった層に接触するようになると、油は、図２に示すように移動する。典型的には、油は、セルの隅の領域に移動する。既存のシステムでは、しかし、図２の「開いた」状態になった場合に、セルのどの隅に油が移るかを制御できない。

(WO/2003/071346) DISPLAY DEVICE, FEENSTRA et al., 24.01.2003.

セルが開いた状態になった場合に、どの隅に油が移るかを制御できるのが望ましい。これには２つの理由がある。１つめの問題が起こるのは、表示の大きな領域が開いて、濃淡が均一な状態に駆動された場合である。例えば、情報に基づく画像の表示における、均一の背景のような場合である。既存の表示装置では、エレクトロウェッティング表示装置の多くのセルは、実際は、開いた場合には、油が１つの特定の隅に移るように見える。しかし、セルが開く度に、この隅が常に同じ隅であるとは限らない。また、同じ表示装置でも、領域が異なれば、同じ隅とは限らない。周知の通り、人の目は、直線に沿って存在する輝度の変化に極めて敏感である。何十個かの画素の区画の内部の画素は、しばしば、同じ隅に開くのが見られる。しかし、観察者の目は、均一な背景の内部の、これらの小さな区画の間の直線の境界に、極めて敏感である。従って、これらの直線の境界は、不自然な表示に見えてしまい、目に煩わしい。人が感じる表示の品質を落としてしまう。

２つめに、同じくらい重要な問題は、次の通りである。エレクトロウェッティング表示装置を使うことを正当化する、魅力的な特徴の１つは、高い輝度の、高い効率の多色表示装置ができることである。エレクトロウェッティング表示装置は、いわゆる減法混色の染料（シアン、マゼンタ、イエロー）を油に入れて動作するからである。減法混色のフィルタリングを使うことにより、高い輝度で白色を表示出力できる。この場合は、全ての画素が開いた状態になる。この代わりに、ＬＣＤ装置で使うようなパターン化した色フィルター使って、異なる色の異なる画素を定義すると、白色の画像は、約１／３の光の効率でしか表示されない。

減法混色のフィルタリングを使う多色表示装置は、積層型の表示装置の形態で提案されている。即ち、３つに分かれた層の各々に、異なる色の染料を使い、この３つの層を積み重ねる。理論的には、理想的な減法混色（即ち、平坦な透過バンド及び垂直なストップバンドの端）では、結果の色は、セルのどの隅に油が移るかには、依存しないはずである。しかし、現実には、ストップバンドの端は垂直ではなく重なり、色はスペクトル的に純粋になどならない。これにより、どの色がどう物理的に重なるかに依存する、色ずれが生じる。これが２つめの問題である。

例えば、表示装置が均一な赤色に駆動された場合でも、場所によって、色が変わって見えるようになる。これでは見る人に受け入れてもらえない。

加えて、近い距離では、人の目は、各画素の異なる色を分解することもある。このことにより、油の端で、虹のような効果を生じることになる。従って、個々のセル及びセルの配列全域に渡る、再現可能な色域は、３つの層の各々の層の油が、各色の層で同じ隅に開くことを確実にすることによってのみ、達成できる。

例えば、重なった画素が、力Ｐ_０の白色光で、画素の全領域に渡って照らされていると仮定する。また、シアン、マゼンタ、イエローの３つが重なったセルの各々に、電圧が印加されて、各セルが開いたと仮定する。ここでの目的は、最も明るい白色の出力を得ることである。ただし、油は、例えば、全開口の１／３まで退くものとする。

油の位置が全て重なれば、シアン、マゼンタ、イエローの成分が直接に互いの上に重なることになる。この３つの減法混色の染料を合成した結果は黒になる。従って、結果は、セルの１／３が黒、セルの２／３が白となる。また、セルを透過する力は２／３Ｐ_０となる。よって、人の目で空間的に平均すれば、灰がかった白に見える。

別の状況では、シアンとマゼンタを開口の１／３で互いに重ねて、イエローを別の１／３にして、白を残りの１／３にすることができる。シアンをマゼンタの上に重ねる減法混色フィルタリングにより、セルの開口の１／３から、Ｐ_０／３の力で、ブルーを生じる。これを、Ｐ_０／３の力のイエローに加えると、Ｐ_０／３の力の白となる。これを更にＰ_０／３の力の白に加えると、結果は２／３Ｐ_０の灰がかった白となる。これが意味するのは、正しい全体的な出力が得られたということである。しかし、こうなるのは、理想的にスペクトル的に合致するシアン、マゼンタ、イエローの染料の場合のみである。現実の染料では、結果は違ってしまう。現実の染料では、透過スペクトルは重なり、端は垂直では無いからである。

従って、セルの配列を重ねるシステムで、厳密に色を再現する唯一の道は、セルの内部で油がどこに開くかの制御を含む必要がある。本発明は、この問題に関する。

画素が開く形状の制御を行うために本出願人が考えた（例えば特許文献１に別に開示している）１つのあり得たかもしれない機構は、画素の内側の電場を局所的に強める手段を含むことができる。この電場が油を後退させる原因となるからである。こうすることによって、油を、セルの特定の隅に向かわせることができる。この型の制御は、例えば、疎水性の絶縁層の厚さを薄くすることによって、局所的に（つまりセルの内側で）実装できる。従って、セルに電圧が印加されると、電場が僅かに他より強い領域が生じることになるので、セルはその領域が最初に開く傾向を持つようになる。

典型的には正方形である画素のセルの、縁に近い３つの領域の誘電性の絶縁体を、僅かに他より薄くする。こうすることによって、実際に、絶縁層が他の縁よりも厚い第４の縁に油が集まってセルが開きやすいようにできる。しかし、この方法には実用上の欠点がある。即ち、セルの内部の画素電極の金属配線層を、大きな段差で、非平面状に作る必要がある。こうすると、余分な処理プロセスが必要になる。また、セルを形成するプロセスもより複雑にする必要がある。段差を覆う問題を避けるように誘電性の絶縁層を形成する必要があるからである。この方法により、更に、疎水層も非平面状となる。従って、セル壁のような、その後の工程のパターン作りも複雑になる。加えて、１つのセルの内部で異なる光路長があると、光学的な干渉効果を生じる可能性がある。従って、知覚される画像の質が落ちてしまう。

セルの開き方を制御するために使えたかもしれない、本出願人が考えた別の方法は（これは開示していない）、画素電極から、ある領域（例えば１つの隅）を除くことである。セルのこの領域の電場は、他より弱くなるので、油がこの隅に集まりやすくなるはずであった。しかし、これが意味するのは、電極を除いた領域では、電場の制御をできないということである。また、シミュレーションを行った結果、この方法では、再現可能な結果が得られない場合があると判った。

本発明によれば、セルの配列を含む電子装置を提供する。セルの各々は次を含む：
互いに混合しない第１の液体及び第２の液体；
疎水層；及び
第１の液体と第２の液体との間の境界の位置を制御するために、疎水層に制御電圧を印加するための電極装置；
ここで、電極装置は、第１の電極及び第２の電極を含み、かつ、
セルの各々は、第１の電極にセル駆動電圧を印加するための第１のスイッチング素子、及び、第２の電極に同じセル駆動電圧を同時に印加するための第２のスイッチング素子を、含む。

本発明のセルの設計では、各セルは２つの電極領域を持つ。この２つの電極領域は、同じ電圧によって制御される。しかし、この２つの電極領域の各々は、それぞれ専用のスイッチング素子を持つ。このことが意味するのは、セルの回路を、単一の電極とそれに付随するスイッチング素子に要求される制御線の他には、いかなる追加の制御線も必要としないように作れるということである。しかし、２つのスイッチング素子を使うことにより、各電極に印加する最終的な信号を、異なる容量効果の結果として、異なるものにできる。

これらの異なる信号によって、次に、疎水層を制御できるようになる。即ち、２つの電極によって、疎水層を個別に制御できる。そして、このことを使って、印加される電圧に反応して、液体の境界が動く方法を、制御できる。

本発明は、従って、単純な方法を提供する。即ち、セルが開くように駆動される都度、液体の境界が、セルの同じ隅に、再現性をもって移ることを、保証できる方法である。

本発明の装置は、製造のための追加のプロセスの工程を必要としない。本発明の装置は、新たなプロセスの開発を必要としない。

好適には、スイッチング素子を使うアドレッシング即ち選択の終わりに起こるキックバック電圧は、セルの各々の２つのスイッチング素子について、異なる。こうすることによって、本発明では、キックバックの周知の効果を利用する。キックバックは、普通は、アクティブマトリックス表示装置においては、問題であると思われている。

本発明の装置のセルでは、ＴＦＴと画素電極との１つの組を主に使って、最終電圧Ｖ１で所望の通りに開くようにセルを開くことができる。ＴＦＴと画素電極とのもう１つの組は、最終電圧Ｖ２を持てる。ここで、｜Ｖ２｜ ＞ ｜Ｖ１｜である。従って、ＴＦＴと画素電極とのもう１つの組を使って、セルを開くことと、２つの液体の片方を、電場がより高いこの領域から退くように方向づけることの、双方を行える。これにより、セルが開く場合に、液体を、特定の隅（Ｖ１のみが印加されている領域）に押しやることができる。

セルの各々は、好適には、第１の電極と蓄電器電極との間の第１の容量蓄電器、及び、第２の電極と蓄電器電極との間の第２の容量蓄電器を、更に含む。

従って、異なるキックバック電圧を得ることができる。このことは、異なるスイッチング素子を提供すること、又は、異なる容量蓄電器を提供することの、何れかによる。

例えば、第１の容量蓄電器に対する第１のスイッチング素子の寄生容量の比は、好適には、第２の容量蓄電器に対する第２のスイッチング素子の対応する寄生容量の比とは、異なる。

各スイッチング素子は、薄膜トランジスターを含んでもよい。寄生容量は、従って、ソースとドレインとの間の容量を含むことができる。

異なるキックバック電圧を得るには、次のように設計すればよい。即ち、各トランジスターが、実質的に同じソース-ドレイン間容量を持ち、かつ、第１の容量蓄電器の容量が第２の容量蓄電器の容量とは異なるように設計する。容量蓄電器の容量の差を得るには、第１の電極は第１の領域を持ち、かつ、第２の電極は、第１の領域より広い第２の領域を持てばよい。

１つの例として、セルは、実質的に四辺形である。セルは、セル壁で区切られる。第１の電極は、外側電極を含む。外側電極は、四辺形の４辺のうちの３つの辺に接する。第２の電極は、内側電極を含む。内側電極は、四辺形の隅の位置で、隣接する２つの辺に接する。この設計を使えば、液体の境界を、信頼性をもって、セルの選んだ１つの隅に向けることができる。

第１の電極及び第２の電極は、好適には、同じ平面にある。この装置の画素電極の領域は、従って、平面層を使える。このことが意味するのは、後続のプロセスは、本発明の実装によって影響を受けないということである。例えば、標準的な追加の技法（例えば内部拡散反射面を使うこと）も、引き続き適用できる。

本発明による装置は、表示装置を含むことができる。この場合、各セルは表示画素を含む。

反射型表示装置の場合は、画素の設計を本発明により変更しても、輝度には何の影響も無い。透過型の画素の設計の場合は、本発明により変更された画素の領域は、透過度が僅かに下がり、従って輝度も僅かに下がることになる。２つのＴＦＴが１つの画素で必要になるからである。これに対して、従来技術では、１つの画素には１つのＴＦＴだけがある。しかし、この僅かな弱点を、次の事実で埋め合わせることができる。即ち、画素の、より小さな負荷容量を駆動するので、より小さなＴＦＴで十分である。従って、面積の損失は、取るに足りない。

各セルは、透明な液体及び着色した液体を含むことができる。着色した液体は、減法混色のフィルタリングを提供する。表示装置を、従って、３つの表示器の重なりとして構成できる。１つの表示器は、マゼンタに着色した液体を含むセルを持つ。もう１つの表示器は、シアンに着色した液体を含むセルを持つ。更にもう１つの表示器は、イエローに着色した液体を含むセルを持つ。

本発明は、セルの配列を含む電子装置を操作する方法も提供する。セルの各々は、互いに混合しない第１の液体及び第２の液体、並びに疎水層を含む。この方法は、セルの各々について、次の工程を含む：
第１の液体と第２の液体との間の境界の位置を制御するために、第１の電極及び第２の電極を使って、セル駆動電圧を疎水層に印加する工程、ここで、同じ駆動電圧が、第１の電極及び第２の電極に、同時に、各々のスイッチング素子によって、印加される。

エレクトロウェッティング表示装置の既知の表示画素を示す。上が横断図である。下が平面図である。この画素は第１の表示状態にある。 図１の既知の表示画素を示す。この画素は第２の表示状態にある。 図１及び図２の画素の、制御電圧に対する反応を示す。 図１及び図２の画素の回路図である。 図１及び図２の画素のためのマスクのレイアウトを示す。 本発明の表示装置の画素の回路図である。 図６の回路の動作を説明する時間図である。 図６の画素のためのマスクのレイアウトを示す。 図６の画素のためのマスクのレイアウトを示す。容量蓄電器の接続を含んでいる。 本発明の画素のレイアウトの第２の例のためのマスクのレイアウトを示す。 本発明の画素のレイアウトのための電極のレイアウトの更なる例を３つ図式的に示す。 本発明による多色表示装置を示す。

本発明の例を添付の図面を参照して次に詳細に記載する。

本発明は、電子装置に関する。電子装置は、エレクトロウェッティングセルの配列を含む。各セルは、第１の電極及び第２の電極を持つ。第１の電極及び第２の電極に、同じセル駆動電圧を、同時に印加する。この際に、異なるスイッチング素子を使う。２つのスイッチング素子を使うことにより、各電極に印加する最終的な信号を、異なる容量効果の結果として、異なるものにできる。

本発明を理解するために、画素回路の振る舞いを最初に議論する。

前述の通り、画素の導線と共通電極の導線との間の電圧の変化は、セルの光学的な透過状態を変化させる。このことを図３に図式的に示す。図３によれば、セルが開くことは、通常はヒステリシスに支配されることが判る。

透過率の濃淡値をセルに与えるためには、セルをまず完全に開く必要がある。その後、その特定の透過率の値まで、セルを閉じて行く。セルを、反射型の動作をするように設計してもよい。この場合、光源は、図１の上の図を基準にすれば、上方から来る。この場合、画素の導線は、通常、反射する（典型的には金属の）導線から出来ている。代わりに、セルを、透過型の動作をするように設計してもよい。この場合、画素の導線は、通常、透明な（典型的には酸化インジウム錫）の導線から出来ている。従って、セルの内部に反射面が無い場合は、光源は、図１の上の図を基準にすれば、下方から来ることができる。又は、基盤の下の、セルの外部の反射面を使う場合は、光源は、上方から来ることができる。

本発明は、透過型と反射型の双方の表示装置に応用できる。また、本発明は、双方の組み合わせである、いわゆるトランスフレクティブ（半透過型、透過反射型）表示装置にも応用できる。

アクティブマトリックスＴＦＴは、そのゲートの終端を、行信号で制御する。ＴＦＴを使って、特定の画素を選択する。そして、その画素の電極を、列電圧に設定する。ある画素がアドレスされた場合（即ち選択された場合）、ゲートに印加された電圧は、ＴＦＴを導通状態にする。従って、ＴＦＴの経路を通って、画素電極が列電圧に接続される。後続の保持状態では、ＴＦＴは非導通状態になり、ＴＦＴの経路は列電圧に対して高抵抗を示す。容量蓄電器を使って、画素の電圧を所望の電圧の高さに保つ。従って、従来のアクティブマトリックスの考え方を、エレクトロウェッティング表示器のセルにも使える。

前述の基礎的な説明では、周知のキックバックの効果を無視した。キックバックの効果は、ゲート電圧がオフ状態に戻った時に、画素電極にオフセット電圧を加えるように働く。要するに、キックバックは、行電極と画素電極の間の容量（Ｃ_ｇｓ）によって生ずる。従って、Ｃ_ｇｓは、画素の接地への合計容量（Ｃ_{ｐｉｘｎｅｔ}）と電気的に直列に繋がる。この容量は、従って、行信号へ電圧を駆動する効果を生ずる。キックバック電圧Ｖ_ｋｂの大きさは次の式１で求められる。

Ｖ_ｋｂ＝Ｖ_ａ・Ｃ_ｇｓ／（Ｃ_ｇｓ＋Ｃ_{ｐｉｘｎｅｔ}） （式１）
式１で、Ｖ_ａは、ゲートパルスの過渡電圧の最大振幅である。Ｃ_{ｐｉｘｎｅｔ}は、画素と接地電位の間の合計容量である。Ｃ_{ｐｉｘｎｅｔ}は、容量蓄電器の容量（Ｃ_{ｓｔｏｒｅ}）とエレクトロウェッティングセルの容量（Ｃ_ｃｅｌｌ）を含む。これらのパラメーターを、図４に示す。図４は、１つのセルについての回路を示している。

図５は、既知のセルの設計の平面図を示す。図５は、単一のＴＦＴ５０及び画素電極２２を示す。図５では、ＴＦＴ５０は、行導線５４からの分岐５２の上に位置する。分岐５２がゲートとなる。しかし、ＴＦＴを、行導線自体の上に置くこともできる。列導線５６は、ＴＦＴのドレインに接続する。ＴＦＴのソースは、ビア５８を通って、下の画素電極２２に接続する。容量蓄電器は、画素電極の下にある。従って、図５には示していない。

キックバックは、周知の寄生効果である。設計者は、普通、キックバックを最小化したい。キックバックを最小化するために、行電極と画素電極の間の結合容量（Ｃ_ｇｓ）に対して、容量蓄電器の値を増やす。普通は、非晶質シリコンＴＦＴで使う、ｎチャンネルのエンハンスメントモードのＴＦＴについては、ＴＦＴを導通させるゲート電圧は、正の値である。また、キックバック電圧は、ＴＦＴが非導通状態になった直後に現れるから、Ｖ_ａは負の値である。

キックバック電圧Ｖ_ｋｂは、典型的には、１〜２Ｖ程度である。

キックバック電圧の効果のこのような分析は、液晶表示器（ＬＣＤ）の分野では、よく行うことである。ＬＣＤは、普通、フレーム反転駆動信号で動作する。フレーム反転駆動信号は、各フレームで、画素電圧の極性を反転させる。しかし、キックバック電圧の極性は、常に同じである。従って、ＬＣＤのキックバックは、画面のちらつきの原因となる。キックバックの効果は、アクティブマトリックスＬＣＤでは軽くなる。これは、キックバック電圧に等しい固定オフセットバイアスを、共通電極に印加することによる。

他方、エレクトロウェッティング表示装置は、通常、同じ極性の電圧で駆動される。これは、前述の通り、重なる層の内部の寄生帯電効果のせいである。この場合、キックバックの効果は、それほど大きな問題としては目に見えない。キックバックの効果は、単に、図３において、電圧軸に沿う電圧曲線に対するセルの透過度（又は反射度）が、ずれるだけだからである。

本発明は、キックバックの効果を使って、各セルの内部の油の動きを制御する。従って、キックバックを、本発明の方法及び装置では、良い効果のために使う。

エレクトロウェッティングセルを開かせるには、負の電圧を画素電極に印加し、共通電極を０Ｖに接続する。従って、このような構成では、通常は負となるキックバック電圧は、セルの開き具合を増やすように働く。このことは重要である。なぜならば、現在、エレクトロウェッティングセルを開かせるために必要な高い電圧（典型的には―３０Ｖ）は、最もよく使われる列駆動用ＩＣの、典型的な電圧駆動能力から、外れてしまうからである。駆動用ＩＣの出力電圧を、その能力より上げることは、望ましくない。

図６に、本発明の画素回路を示す。本発明の画素回路は、１つの画素の内部に、次を含む。即ち、２つの画素電極６０ａ及び６０ｂ、２つの容量蓄電器６２ａ及び６２ｂ、並びに２つのＴＦＴ６４ａ及び６４ｂである。２つのＴＦＴは、同じゲート線で選択される。２つの画素電極のデータ電圧は、同じ列電圧線を使って設定される。

図７に、選択状態の間の電圧及び保持状態の間の電圧を、図式的に示す。

図７の上のグラフは、画素の特定の行についての、列（データ）電圧７０及び行電圧７２を示す。行走査時間の間、行電圧に高いパルスを与えて、両方の選択用ＴＦＴを導通状態にする。この時、２つの画素電極は、この特定の時間に印加されている、同じ列電圧であるＶ_ｎに設定されることになる。

図７の下のグラフに、２つの画素電極についての画素電極電圧を示す。その行のある特定の画素について、７６は第１の画素電極の電圧であり、７８は第２の画素電極の電圧である。列電圧の波形７０を、下の図に繰り返している。これにより、次を示している。即ち、この画素を選択している間、電極の電圧７６及び７８は、その瞬間の列データ電圧（Ｖ_ｎで示す）に駆動されている。

この画素回路は、２つの画素電極について、異なる値のキックバック電圧が生じるように設計されている。２つのキックバック電圧を、Ｖ_ｋｂ１及びＶ_ｋｂ２で示す。このことが意味するのは次のことである。即ち、ゲート電圧が、非導通状態（即ち、図に示す保持状態）に戻る時に、２つの画素電極の各々に、異なる電圧が生じるということである。

このことにより、次のことを保証する。即ち、油膜が開く時に、油膜は、より高い画素電極電圧がかかっている領域から、逃れる。これにより、実効的に、より高い画素電極電圧がかかっている領域から、より低い画素電極電圧がかかっている領域に、油を移動させる。

このようにして、セルの内側の電場の制御をおこなう。セルの内側は２つの領域に分かれている。１つの領域を主に使って、セルを特定の度合いに開かせる。もう１つの領域を使って、油をこの特定の領域から退かせる。このために、この領域により高い電圧をかける。すると、油は、電場がより弱い領域の方に移る。

例えば、油を退かせる領域は、セルの縁の周りに位置できる。ただし、油を移動させる先の位置は除く。

前述のキックバックについての式１では、Ｖ_ａは、画素の内部の２つのＴＦＴの各々について等しい。Ｖ_ａは、単なるゲート電圧の最大振幅だからである。典型的には、Ｃ_ｇｓ＜＜Ｃ_{ｐｉｘｎｅｔ}である。合計セル容量であるＣ_{ｐｉｘｎｅｔ}に対する最大の寄与は、普通、画素の容量蓄電器の容量（Ｃ_{ｓｔｏｒｅ}）と、画素セルの容量（Ｃ_ｃｅｌｌ）である。通常は、Ｃ_{ｓｔｏｒｅ}は、Ｃ_ｃｅｌｌより遥かに大きい。

このような状況において、前述のキックバックについての式１は、次の２つの個別の画素電極についての式で近似される（式２は欠番である）。

Ｖ_ｋｂ１＝Ｖ_ａ・Ｃ_ｇｓ１／Ｃ_{ｓｔｏｒｅ１} （式３）
Ｖ_ｋｂ２＝Ｖ_ａ・Ｃ_ｇｓ２／Ｃ_{ｓｔｏｒｅ２} （式４）
２つの画素電極についてのキックバック電圧を違う値にするには、２つの画素電極について、Ｃ_ｇｓ／Ｃ_{ｓｔｏｒｅ}の割合を変えればよい。

この両者の間でＣ_ｇｓの値を変えることを考える。Ｃ_ｇｓは、ＴＦＴのゲートとソースの間の容量である。ソースは画素電極に接続すると定義される。すると、Ｃ_ｇｓは、次の式で与えられる。

Ｃ_ｇｓ＝ε_０・ε_ｄｉｅｌ・Ａ_{ｏｖｅｒｌａｐ}／ｔ_ｄｉｅｌ （式５）
ここで、ε_０は、自由空間の誘電率である。ε_ｄｉｅｌは、ＴＦＴゲートの誘電体の合計誘電率である。ε_ｄｉｅｌは、半導体材料から小さな寄与を受ける。Ａ_{ｏｖｅｒｌａｐ}は、ソースの接点がゲートの接点と重なる面積である。ｔ_ｄｉｅｌは、ゲートの誘電体の厚さである。ｔ_ｄｉｅｌは、半導体材料から小さな寄与を受ける。セルの設計によっては、Ｃ_ｇｓに含まれる項は他にもある。行の選択線が画素電極に近いからである。しかし、Ｃ_ｇｓを変える原理は同じである。現実的に、Ｃ_ｇｓの中で一番変えやすいパラメーターは、普通はＡ_{ｏｖｅｒｌａｐ}である。Ａ_{ｏｖｅｒｌａｐ}を変えるには、２つのＴＦＴのうち、１つのＴＦＴで、ゲートとソースが重なる領域の面積を少し変えればよい。そうするためには、ＴＦＴのチャンネルの幅又はチャンネルの長さの寸法を変えればよい。また、双方のＴＦＴの寸法を同じに保ったままでも、マスクの設計で、ゲートとソースの接点が重なる領域を調整すれば、Ａ_{ｏｖｅｒｌａｐ}が変わる。

しかし、実際は、プロセスの都合で、配列の中の全てのＴＦＴを同じに保つことが望ましい。すると、このことが意味するのは、全てのＴＦＴが、ゲートとソースの間の容量であるＣ_ｇｓに同じ値を持つということである。この場合、キックバック電圧に差をつけるためには、ただ、容量蓄電器の大きさ（Ｃ_{ｓｔｏｒｅ}）を変えればよい。容量蓄電器は、セルの内部の２つの画素電極の各々の下に、普通の方法で位置している。容量蓄電器として使える面積は、普通は、画素の電極の面積に比例する。従って、これにより、設計規則は極めて簡単になる。即ち、両方のＴＦＴを、各セルの内部で、同一に保つ。しかし、画素電極を、従って容量蓄電器を、異なる面積で作る。容量蓄電器の容量は、画素電極の面積に比例すると仮定すれば、油は、小さい方の画素の電極の領域から追い出される。より小さい方の容量蓄電器は、より大きなキックバック電圧を生じるからである。

このことを実現するために、電極のパターンを、たくさん設計できる。

図８は、１つの好適な実装を示す。図８では、第１の電極６０ａは、画素の金属の細い帯として定義される。第１の電極６０ａは、正方形の画素の周囲を囲んでいるが、１つの隅を除いている。画素は正方形である必要は無い。しかし、この細い帯が、画素の面積の小さい方の部分を占め、従って小さい方の容量蓄電器に対応し、かつ、ＴＦＴの大きさが同じである（即ち、ゲートとソースの間の容量であるＣ_ｇｓが同じである）ならば、油は、細い帯６０ａがある３つの隅から退き、４つめの隅に移ることになる。

図８では、２つのＴＦＴは、行導線５４のそれ自体の上に位置する。従って、２つのＴＦＴは、同じゲート接続を共有する。２つのＴＦＴは、ドレインに、同じ列の接続を共有する。列の接続は、列導線５６からの分岐５７として定義される。２つのＴＦＴを、同じセルの内部に配置する場合に、透過型の設計のときは、セルの開口をより邪魔しないようにするためには、２つのＴＦＴを、行の配線に沿って配置すればよい。こうすれば、表示の輝度を僅かにでも落とすことを、最小化できる。反射型の設計の場合は、画素の電極は、典型的には、いずれにせよＴＦＴを覆う。従って、２つのＴＦＴを使う結果として、輝度が落ちることは無い。

前述の同じ議論は、２つのＴＦＴが同じ列の接続を共有することも正当化する。

図８では、２つの別々の画素電極を示している。即ち、第１の電極６０ａは、セルの周辺の多くの部分に位置する。この画素電極６０ａは、セルの内部の２つの容量蓄電器のうちの、小さい方の容量蓄電器に接続する。この「周辺」電極は、従って、２つのキックバック電圧のうちの、大きい方のキックバック電圧を受ける。セルが開いた時に、大きい方のキックバック電圧は、油を第２の電極６０ｂのほうに押しやる。セルが完全に開いた場合には、油は第２の電極６０ｂがある右下の隅で盛り上がることになる。

しかし、図８に示した電極の形状は、ありうる設計の１つの例に過ぎない。画素電極は、図８では影をつけて示している。画素電極は、反射型の設計の場合は光を反射する金属であり、透過型の設計の場合は透明な伝導体である。

２つの容量蓄電器は、図８には示していない。２つの容量蓄電器は、通常の方法で作られる。２つの容量蓄電器は、画素電極の下に位置する。２つの容量蓄電器は、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）又はアルミニウムの何れかの板でできた、平面蓄電器である。要するに、２つの容量蓄電器は、次のようにして作られる。まず、画素電極（又は画素電極に接続する金属層）と、共通の容量蓄電器の配線との間に重なりを作る。次に、２つの伝導層を、容量蓄電器の誘電体層によって、物理的に分ける。この主題の変奏は当業者には周知である。これは「ゲート上の容量蓄電器」として知られている接続を含む。ゲート上の容量蓄電器では、画素電極と、その上又は下の画素のゲートの配線との間に、重なりを作る。

図９に、容量蓄電器を作る１つの方法の平面図を示す。容量蓄電器の共通電極９０は、行の向きに走っている導線の配列として提供される。第１の画素電極６０ａが、共通電極９０と重なるのは、第１の領域９２においてである。第１の領域９２は、小さい方の蓄電器の領域を定義している。また、第２の画素電極６０ｂが、共通電極９０と重なるのは、第２の領域９４においてである。第２の領域９４は、大きい方の蓄電器の領域を定義している。

図９に示す例では、図８に示した透過型セルの例の場合と違って、画素電極の全ての面積が、蓄電器の容量に寄与しているわけではない。しかし、図８の例と同様に、図９のレイアウトは、式３及び式４のキックバック電圧が、２つの画素電極について異なるように、設計されている。キックバック電圧が異なるようになるのは、容量蓄電器を、誘電体の厚さは同じでも、蓄電器の板の面積が違うように作るからである。容量蓄電器の容量は、もちろん、セルの光学的効果の保持要求を満たすようにもする必要がある。

２つの容量蓄電器の間で、誘電体の厚さを変えることも可能である。しかし、そうすると、追加のプロセスが必要となる。

異なる画素電極の構成と異なるＴＦＴの構成もまた、使うことができる。

図１０は、変形例を示す。図１０では、２つのＴＦＴは、列電極５６の近くに位置する。２つのＴＦＴは、行電極５４からの同じゲート分岐を共有する。これにより、ＴＦＴへの配線が占めるセルの面積を最小化する。このような非透明な要素が占めるいかなる領域も、透過型の表示器においては、表示の輝度を下げる原因となる。

図１１は、３つの更なる画素電極のレイアウトを示す。これらは、前述したのと同じ方法で働く。

図１２は、本発明による多色表示装置を示す。本発明による多色表示装置は、３つの個別の表示パネル１２０、１２２、及び１２４を含む。３つの個別の表示パネル１２０、１２２、及び１２４を、整列して重ねている。各表示パネルは、油の層が画素セルの同じ隅に集まるように設計されている。これにより、色の出力を改善する。１つのパネルはシアンの油を使う。もう１つのパネルはマゼンタの油を使う。更にもう１つのパネルはイエローの油を使う。

本発明を、１つの画素の内部で２つの電極に接続される２つのＴＦＴの例を参照して、記述した。しかし、応用が要求するのであれば、本発明の概念を、もちろん、１つの画素の内部で２より多い画素電極を使うことによって液体の境界の移動を制御することにも、適用できる。

本発明を表示装置に関して記述した。しかし、エレクトロウェッティングレンズの分野における応用があってもよい。エレクトロウェッティングレンズも、水の容器の内部の油の液滴を制御することによって動作する。

本発明により、平面基盤を使えるようになる。従って、本発明により、内部拡散反射面（ＩＤＲ）を使えるようにもなる。ＩＤＲを使って、視覚的な見え方を改善できる。

使う液体の材料及び製造プロセスについては詳述しなかった。これらは、本発明によって変わるわけでは無いからである。また、これらの実装の詳細は当業者には明らかだからである。本発明を、電極のパターンを変えることによって、また、第２の画素ＴＦＴを導入することによって、実装できる。第２の画素ＴＦＴは、第１の画素ＴＦＴに必要な、同じ層とプロセスを使う。

多くの他の変更は、当業者には明らかになる。

Claims (19)

1. セルの配列を含む電子装置、ここで、前記セルの各々は：
   互いに混合しない第１の液体及び第２の液体；
   疎水層；及び
   前記第１の液体と前記第２の液体との間の境界の位置を制御するために、前記疎水層に制御電圧を印加するための電極装置；
   を含み、前記電極装置は、第１の電極及び第２の電極を含み、かつ、前記セルの各々は、前記第１の電極にセル駆動電圧を印加するための第１のスイッチング素子、及び、前記第２の電極に同一の前記セル駆動電圧を同時に印加するための第２のスイッチング素子を、含む。
2. 前記セルの各々は、前記第１の電極と蓄電器電極との間の第１の容量蓄電器、及び、前記第２の電極と前記蓄電器電極との間の第２の容量蓄電器を、更に含む、請求項１に請求の装置。
3. 前記第１の容量蓄電器に対する前記第１のスイッチング素子の寄生容量の比は、前記第２の容量蓄電器に対する前記第２のスイッチング素子の対応する寄生容量の比とは、異なる、請求項２に請求の装置。
4. 前記スイッチング素子の各々は、薄膜トランジスターを含み、かつ、前記寄生容量は、ソースとドレインとの間の容量を含む、請求項３に請求の装置。
5. 前記トランジスターの各々は、実質的に同一の、ソースとドレインとの間の容量を持ち、かつ、前記第１の容量蓄電器の容量は、前記第２の容量蓄電器の容量とは異なる、請求項４に請求の装置。
6. 前記第１の電極は第１の領域を持ち、かつ、前記第２の電極は、前記第１の領域より広い第２の領域を持つ、前項までの何れか１項に請求の装置。
7. 前記セルは、実質的に四辺形の形状を持ち、前記セルは、セル壁によって区切られ、前記第１の電極は、外側電極を含み、前記外側電極は、前記四辺形の４辺のうちの３つの辺に接し、前記第２の電極は、内側電極を含み、前記内側電極は、前記四辺形の隅の位置で、隣接する２つの辺に接する、前項までの何れか１項に請求の装置。
8. 前記第２の電極は、前記セルの中央の領域を占める、請求項７に請求の装置。
9. 前記第１の電極及び前記第２の電極は、同じ平面にある、前項までの何れか１項に請求の装置。
10. 前記第１の液体は水に基づき、かつ、前記第２の液体は油に基づく、前項までの何れか１項に請求の装置。
11. セルの、行及び列の配列を含む、前項までの何れか１項に請求の装置、ここで、前記配列は、行を選択する行導線及び列を選択する列導線を備え、前記セルの各々の前記スイッチング素子は、双方とも、それぞれ同一の前記行導線に接続され、前記セルの各々の前記スイッチング素子は、双方とも、それぞれ同一の前記行導線によってスイッチされ、かつ、前記列導線の電圧を、前記電極装置の前記電極の各々にスイッチするために、前記セルの各々の前記スイッチング素子は、双方とも、それぞれ同一の前記列導線に接続される。
12. 前記スイッチング素子を使う前記選択の終わりに起こるキックバック電圧は、前記セルの各々の２つの前記スイッチング素子について異なる、前項までの何れか１項に請求の装置。
13. 前記電極の各々は、前記疎水層の、前記セルの前記第１の液体及び前記第２の液体とは、反対側に提供される、前項までの何れか１項に請求の装置。
14. 表示装置を含む、前項までの何れか１項に請求の電子装置、ここで、前記セルの各々は、表示画素を含む。
15. 前記セルの各々は、透明な液体及び着色した液体を含む、請求項１４に請求の表示装置、ここで、前記着色した液体は、減法混色のフィルタリングを提供する。
16. ３つの表示器の重なりを含む、請求項１５に請求の表示装置、ここで、１つの表示器は、マゼンタに着色した液体を含むセルを持ち、もう１つの表示器は、シアンに着色した液体を含むセルを持ち、更にもう１つの表示器は、イエローに着色した液体を含むセルを持つ。
17. セルの配列を含む電子装置を操作する方法、ここで、前記セルの各々は、互いに混合しない第１の液体及び第２の液体、並びに疎水層を含み、前記方法は、前記セルの各々について：
    前記第１の液体と前記第２の液体との間の境界の位置を制御するために、第１の電極及び第２の電極を使って、セル駆動電圧を前記疎水層に印加する工程、ここで、同一の前記駆動電圧が、前記第１の電極及び前記第２の電極に、同時に、各々のスイッチング素子によって、印加される；
    を含む。
18. キックバック電圧を生じさせる工程を更に含む、請求項１７に請求の方法、ここで前記キックバック電圧は、前記スイッチング素子を使う選択の終わりに生じ、かつ、前記キックバック電圧は、前記セルの各々の２つの前記スイッチング素子について異なる。
19. 表示装置を駆動するための、請求項１７又は１８に請求の方法、ここで、前記セルの各々は、表示画素を含む。

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