JPH11224066A

JPH11224066A - 着色ボール及び表示装置及び着色ボールの製造方法及び表示装置の製造方法

Info

Publication number: JPH11224066A
Application number: JP10025523A
Authority: JP
Inventors: Etsuro Kishi; 悦朗貴志; Takayuki Yagi; 隆行八木; Tsutomu Ikeda; 勉池田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-02-06
Filing date: 1998-02-06
Publication date: 1999-08-17
Also published as: EP0935230A2; US6072621A; EP0935230A3

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の表示装置では、ボール材料として、
強誘電体材料を用いる場合、材料コストが高いのみでな
く、微小ボールへの成形は汎用的なプロセスとして確立
されておらず、切断・研磨加工などの製造コストも高価
である、という問題がある。【解決手段】本発明は、前記課題を解決するために以
下の表示装置を採用した。光学的特性の異なる２つの表
面を備えた着色ボールと、キャビティ内に該着色ボール
を保持する光透過シートと、を備え、該着色ボールを回
転させることにより表示を行う表示装置において、前記
着色ボールは、常誘電体材料を有しており、且つ、帯電
状態が異なる２つの表面によって形成される自発分極を
有しており、該２つの帯電状態のうち少なくとも１つ
は、常誘電体材料へ電荷を注入するエレクトレット化処
理によって供給される、構成をとる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学的特性の異な
る２つの表面を備えた着色ボール及び着色ボールを回転
させることにより表示を行う表示装置及び着色ボールの
製造方法及び表示装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、情報機器の発達に伴い、低消費電
力且つ薄型の表示装置のニーズが増しており、これらニ
ーズに合わせた表示装置の研究、開発が盛んに行われて
いる。中でも液晶表示装置は、液晶分子の配列を電気的
に制御し液晶の光学的特性を変化させる事ができ、上記
のニーズに対応できる表示装置として活発な開発が行わ
れ商品化さてれいる。しかしながら、現在の液晶表示装
置には、画面を見る角度や、反射光により、画面上の文
字が見ずらく、また光源のちらつき・低輝度等から生じ
る視覚へ負担が、未だ十分に解決されていない。この
為、視覚への負担の少ない新たな表示装置の研究が盛ん
に検討されている。

【０００３】新たな表示装置として、 N. K. Sheridon
等により電界駆動による微小ボールの回転を利用した表
示装置が提案されている（"A Twisting Ball Displa
y"，Proc. of the SID，第18巻3/4号、289−293 頁，19
77年、米国特許4126854号、同4143103号、同5389945
号、特開昭64-42683号）。この表示装置は、微小なボー
ルを用い、該ボールは一方の半球面が白色で、他方の半
球面が黒色となっていおり、前記微小なボールを支持体
に形成したキャビティ内に配し、各キャビティ内に高抵
抗な液体を充填して、この液体中でボールが自由に回転
できるようにしたものである。代表的な微小ボールの径
としては５０〜２００μｍ程度である。

【０００４】半球の着色方法としては、前述したSherid
on等により、ガラスボールにＴｉＯ２を高濃度に含有さ
せガラスボールを白色化し、この白色ガラスボールの半
球面に真空蒸着法を用いて絶縁性の黒色層を形成する方
法が提案されている。また、斎藤等（"A Newly Develop
ed Electrical Twisting Ball Display", Proc. of the
SID, p249-253, 1982）も同様な方法により二色ボール
を形成しており、白色化したガラスボールの半球面に真
空蒸着法を用いてＭｇＦ２とＳｂ２Ｓ３を同時蒸着し黒
色層を成膜して色分けしている。ガラスボールの白色化
に際しては、ＬｉＯ２とＴｉＯ２とＳｉＯ２の３成分か
らなるガラスを用いて、熱処理を行い光散乱が起こるよ
うに成分分離し、異なる成分からなる表面状態を形成す
ることにより作製する。

【０００５】図４（ａ）に従来例における代表的な微小
ボール４０１の構成を示す。誘電体である微小ボール表
面は、少なくとも１つの半球上に、誘電体膜（絶縁体
膜）、半導体膜または導電体膜が形成されており、両半
球の表面が異なる材料４０２（黒色）、４０３（白色）
で構成されている。液体４０４中においては、ボールの
黒色半球の帯電状態４０５と白色半球の帯電状態４０７
がお互いに異なる結果、微小ボール全体が一種の双極子
４０９として機能する。この微小ボールに外部電界を与
える事によってボールの白色又は黒色の半球面を観察す
る側にむけるよう回転を制御することができ、目的とす
る表示ができる。

【０００６】このような機械式の表示方法は、電気的擾
乱ノイズに対して極めて安定であり、メモリ性を有する
為に表示中に電力を必要としない。さらに、ボール表面
の自然光の反射・散乱を利用して表示する為に液晶装置
・ブラウン管でみられるような光源のちらつき等にて起
こる眼精疲労を抑えることができる理想的な表示装置で
ある。

【０００７】Sheridonらによれば、微小ボールの帯電状
態はζ（ゼータ）電位によって決定されている。以下図
４（ｂ）をもちいてζ電位について更に説明する。図４
（ｂ）の縦軸Φはボール表面４０２と液体４０４との界
面近傍の電位を示し、横軸ｄはボール表面４０２からの
距離を示す。図に示すように固液界面にはボール表面に
特異吸着したイオン４０５を含む表面電荷と、表面電荷
に対向して分布するイオン拡散層４０６からなる電気二
重層が形成されている。ζ電位は、厳密にはボールと連
動して動く液体層と外側液体層の界面（界面動電位測定
におけるスベリ面）における電位として定義されるが、
近似的にはイオンの特異吸着層であるＳｔｅｒｎ層４１
０の最表面電位φｓとみなしてよい。

【０００８】つまり、前述のSheridonや斎藤らの従来例
における微小ボールの帯電状態はζ電位、即ち液体中に
含まれるイオンが固体表面に特異吸着し発現する電位に
よって決定されている、と考えられる。ところが一般
に、イオンの吸着状態は固体表面の電子状態、官能基の
種類、密度などの物性に加えて、液体の物性、液体中の
不純物イオンの濃度、不純物イオンの種類等によって影
響をうけてしまう。したがって従来例における微小ボー
ルの帯電状態は液体側の変化、代表的には液体中のイオ
ン濃度変化、イオン種の変化に敏感であり、温度変化、
製造プロセスにおける不純物混入、または経時的な変化
によって大きく変動することが問題であった。ディスプ
レイ特性の熱的、プロセス的、経時的な安定性を実現す
るためには、微小ボールの帯電状態の安定性を高めるこ
とが課題であった。

【０００９】帯電状態の安定化に加えて、帯電量の増大
も大きな課題である。従来例においては、液体中イオン
の吸着による微小ボールの帯電量は液体中のイオン濃度
に比例して大きくなるが、液体中のイオン濃度を増やし
過ぎると電圧印加時にイオン分極による反電場が増大し
特性に悪影響を与えるため、帯電量は自ずと制限される
という問題がある。液体中のイオン濃度を増やすことな
く更に帯電量を増大させることによって、応答速度増加
・駆動電圧低下などディスプレイ基本特性を向上させる
ことが課題であった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上のような課題を解
決するために、特開平７−１６８２１０では、微小ボー
ル５１の材料を強誘電体として、電気双極子モーメント
をバルクの性質として付与することによって安定で大き
な帯電を実現することが開示されている。具体的な手段
として、強誘電体材料を微小ボールとして成形した後、
高電界下で分極処理を行ない、微小ボール全体に存在す
る分極ドメイン５２を一様な方向に配向させる方法が開
示されている（図５）。

【００１１】ＰＺＴ等の強誘電体材料を用いる場合、材
料コストが高いのみでなく、微小ボールへ５１の成形は
汎用的なプロセスとして確立されておらず、切断・研磨
加工などの製造コストも高価である、という問題があ
る。

【００１２】また、特性的な面に関しても、実用的な強
誘電体材料の相転移温度(キューリー)は１００℃〜１２
０℃付近にあるものが多く、８０〜１００℃といった高
温環境下では、分極反転電圧が急激に低下するため、駆
動電圧または摩擦静電気等によって分極状態が不安定に
なるという問題がある。

【００１３】

【課題を解決する為の手段】かかる問題を解決するため
に、本発明においては着色ボールの帯電電荷が、液体中
からボール表面へのイオン吸着によって供給されるので
はなく、着色ボールの表面領域またはボール表面に形成
された薄膜に対して、外部から電荷を注入するエレクト
レット化処理を行うことによって供給される、構成をと
る。

【００１４】以下に詳しく、本発明の構成を説明する。

【００１５】本発明の表示装置は、光学的特性の異なる
２つの表面を備えた着色ボールと、キャビティ内に該着
色ボールを保持する光透過シートと、を備え、該着色ボ
ールを回転させることにより表示を行う表示装置におい
て、前記着色ボールは、常誘電体材料を有しており、且
つ、帯電状態が異なる２つの表面によって形成される自
発分極を有しており、該２つの帯電状態のうち少なくと
も１つは、常誘電体材料へ電荷を注入するエレクトレッ
ト化処理によって供給される、構成をとる。

【００１６】好ましくは、上記構成に加えて、前記２つ
の帯電状態の両方が、常誘電体材料へ電荷を注入するエ
レクトレット化処理によって供給される、構成をとる。

【００１７】好ましくは、上記構成に加えて、前記２つ
の帯電状態のうち一方が、常誘電体材料へ電荷を注入す
るエレクトレット化処理によって供給される、構成をと
る。

【００１８】好ましくは、上記構成に加えて、前記常誘
電体材料への電荷注入は、コロナ放電により行われる、
構成をとる。

【００１９】好ましくは、上記構成に加えて、前記着色
ボールは、常誘電体材料からなるボール表面の一部に着
色層が被覆された構造を成し、前記２つの帯電電荷状態
は、該常誘電体材料からなるボールへの電荷注入によっ
て形成された自発分極によって供給される、構成をと
る。

【００２０】好ましくは、上記構成に加えて、前記着色
ボールは、ボール表面の一部に着色された常誘電体材料
が被覆された構造を成し、前記２つの帯電電荷状態は、
該着色された常誘電体材料への電荷注入によって形成さ
れた自発分極によって供給される、構成をとる。

【００２１】好ましくは、上記構成に加えて、前記キャ
ビティ内は、透明な絶縁性液体で満たされている、構成
をとる。

【００２２】好ましくは、上記構成に加えて、前記絶縁
性液体は、アルミナ、シリカの超微粒子からなる有極性
イオン吸着剤を含む、構成をとる。

【００２３】好ましくは、上記構成に加えて、前記キャ
ビティ内は、真空状態又は気体で満たされている、構成
をとる。

【００２４】本発明の製造方法は、光学的特性の異なる
２つの表面を備えた着色ボールの製造方法において、常
誘電体材料へ電荷を注入するエレクトレット化処理によ
って、表面が異なる２つの帯電電荷状態を有するボール
を形成する工程と、を有する、構成をとる。

【００２５】本発明の製造方法は、光学的特性の異なる
２つの表面を備えた着色ボールの製造方法において、前
記表面が異なる２つの帯電電荷状態を有するボールに一
定方向の電界をかけて該ボールを一定方向に保持した状
態で、該異なる２つの帯電電荷状態の少なくともどちら
か一方の表面に着色層を形成する工程と、を有する、構
成をとる。

【００２６】本発明の製造方法は、光学的特性の異なる
２つの表面を備えた着色ボールと、キャビティ内に該着
色ボールを保持する光透過シートと、を備え、該着色ボ
ールを回転させることにより表示を行う表示装置の製造
方法において、常誘電体材料へ電荷を注入するエレクト
レット化処理によって、表面が異なる２つの帯電電荷状
態を有するボールを形成する工程と、を有する、構成を
とる。

【００２７】本発明の製造方法は、光学的特性の異なる
２つの表面を備えた着色ボールと、キャビティ内に該着
色ボールを保持する光透過シートと、を備え、該着色ボ
ールを回転させることにより表示を行う表示装置の製造
方法において、該表面が異なる２つの帯電電荷状態を有
するボールに一定方向の電界をかけて該ボールを一定方
向に保持した状態で、該異なる２つの帯電電荷状態の少
なくともどちらか一方の表面に着色層を形成する工程
と、を有する、構成をとる。

【００２８】

【発明の実施の形態】より具体的に、本発明の実施態様
の表示装置を図６を用いて説明する。

【００２９】図６（ａ）では、着色ボール６０１本体の
微小ボール６０２表面領域に対して、コロナ放電等によ
って外部から電荷を注入するエレクトレット化処理を施
し、微小ボール６０２表面領域に自発分極６０７を形成
している。

【００３０】図６（ｂ）では、微小ボール６０２表面に
形成された薄膜６０３、６０４に対して、コロナ放電等
によって外部から電荷を注入するエレクトレット化処理
を施し、着色ボール６０１に自発分極を形成している。

【００３１】図６（ｃ）では、着色ボール６０１本体の
微小ボール６０２表面領域及び微小ボール６０２表面に
形成された薄膜６０３に対して、コロナ放電等によって
外部から電荷を注入するエレクトレット化処理を施し、
着色ボール６０１に自発分極６０７を形成している。

【００３２】上記図６の構成をとると、外部からの着色
ボール６０１への空間電荷６０５、６０６（６０５を正
電荷、６０６を負電荷とする。）となるイオン・電子の
注入量を制御することができるので、反電場を抑制した
環境下で、着色ボール６０１の帯電量を増大させること
ができ、着色ボール６０１が回転する応答速度を高める
ことができる効果を有する。

【００３３】また、本発明では、図６（ｂ）を用いて説
明すると、薄膜６０３と薄膜６０４のうちどちらか一方
の薄膜に電荷を注入するエレクトレット化処理を施す形
態をとっても良い。

【００３４】本実施態様の対象となるエレクトレット材
料としては、ガラス等の無機材料を含む常誘電体全般が
挙げられるが、量産性、コスト面からは有機ポリマー材
料が好適である。テフロン等のフッ素系樹脂、等、特に
性能の面で優れている。

【００３５】また、本実施態様に要求されるプロセス、
コスト等の観点を考慮するとポリエチレン、ポリプロピ
レン、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリ
塩化ビニル、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド
等の常誘電体材料が挙げられる。

【００３６】また、上記の如く、本実施態様において、
ボール材料または薄膜材料として汎用的なポリマー材料
等の常誘電体材料を使用した場合、材料コストが安く、
また、ボール形成についても、乳化重合法・懸濁重合法
などの低コスト汎用プロセスが使える一方で、ガラスボ
ール・ジルコニアボール等の安価に入手可能な無機材料
ボールにポリマー薄膜を形成することも可能であるため
プロセスコストも低く抑えることができる効果を有す
る。

【００３７】以下、図１（ａ）をもちいて本実施態様の
特徴であるエレクトレット化処理による着色ボールの構
成をさらに詳しく説明する。誘電体よりなる微小ボール
１０１の表面には上半球に黒色の着色層１０５、下半球
に白色の着色層１０６がそれぞれ形成されている。微小
ボール１０１のエレクトレット化処理によってボール内
部には外部から注入されたイオン・電子等による空間電
荷１０２、１０３が形成される。その結果、着色ボール
本体には自発分極１１０が発現し、着色ボール自体が一
種の双極子１１０として機能する。

【００３８】本構成において着色ボールに発現する帯電
状態を図１（ｂ）によって更に詳しく説明する。図１
（ｂ）の縦軸Φは微小ボール本体１０１、着色層１０５
および絶縁性液体１０７からなる着色ボール表面近傍の
電位を示し、横軸ｄは着色ボール表面からの距離を示
す。着色ボール本体の表面近傍はエレクトレット化処理
による空間電荷１０２の発生によって帯電しており、φ
ｓで示される表面電位が発現している。

【００３９】透明な絶縁性液体１０７中にはアルミナ、
シリカ等の有極性イオン吸着剤が添加されている。その
ため液体中のイオン濃度は低く抑えられており、体積抵
抗率として１Ｅ＋１１〜１Ｅ＋１４Ω・ｃｍ程度の高い
絶縁性を維持している。したがって、着色ボール表面へ
の絶縁性液体１０７からのイオン吸着による帯電電荷量
は、エレクトレット化処理によって供給される帯電電荷
量にたいして無視できるレベルである。

【００４０】以上述べたように、本実施態様による着色
ボールの帯電状態は、絶縁性液体１０７中のイオン吸着
によってではなく微小ボール１０１のコロナ放電等によ
って外部から電荷を注入するエレクトレット化処理のみ
によって決定されるため、絶縁性液体１０７中イオン濃
度を低レベルに維持し反電場を抑制した環境下で、ボー
ル材料・エレクトレット化処理条件の最適化によって帯
電荷量を増大させることが可能である。

【００４１】（エレクトレット化処理）以下、本発明の
特徴に関わるエレクトレット化処理について説明する。
エレクトレット（電石）とは、マグネット（磁石）との
類似性に命名の由来があり、半永久的に分極電荷を凍結
・保持し外部に電界を形成する物質であって、日本の江
口によって世界で初めて報告された（Phys.-Math.Soc.J
apan,ser.3,vol.2,no.7,1920）。エレクトレット化処理
は、殆どの誘電体に対して可能であるが、各種有機ポリ
マーフィルムが代表的であり、現在までに有機ポリマー
エレクトレットフィルムを振動子としたマイクロホン、
ヘッドホン等の音響素子、有機ポリマーエレクトレット
繊維による静電フィルター、クリーナーなどが広く実用
化されている。

【００４２】エレクトレットの成因は、分極の形成とそ
の凍結にある。本実施態様では、凍結可能な分極として
は、誘電体内に含まれるイオンの微視的或いは巨視的変
位とによる空間電荷形成、極性基等によって構成される
分子内永久双極子の外部電界による異方性配向、コロナ
放電または高エネルギー線照射等による電荷注入によ
り、空間電荷形成を行う。

【００４３】イオン電荷分離による空間電荷または双極
子配向による分極電荷は外部電界印加電極とは異なる極
性のヘテロ電荷を発生し、コロナ放電等の外部電極から
の電荷注入による空間電荷は同じ極性のホモ電荷とな
る。エレクトレット処理後の表面電位測定によれば、エ
レクトレット処理後、長期間安定に存在する電荷はホモ
電荷であることが知られており、エレクトレット処理に
よる凍結電荷は外部から注入された空間電荷に由来する
ものが支配的であると考えられている。熱刺激電流（Ｔ
ＳＣ）による測定によれば、誘電体内部、特に表面近傍
に存在する結晶粒界等の不整合部分に存在する電子、ホ
ール、イオンの深いトラップ等が空間電荷凍結の原因に
なっていると考えられている。

【００４４】外部から電荷を注入してエレクトレットを
形成するには種々の方法がある。代表的な方法として１．誘電体を軟化温度、または溶融温度近傍まで加熱
し、高電界ＤＣを印加しながら冷却する方法（サーモ・
エレクトレット法）、２．誘電体表面にコロナ放電させるか、絶縁破壊電圧に
近い高電界ＤＣ（〜１０⁶Ｖ/ｃｍ）を室温で印加する方
法（エレクトロ・エレクトレット法）、３．絶縁体に真
空中で高エネルギー放射線（電子線、γ線）を照射する
方法（ラジオ・エレクトレット法）、４．光照射中に高
電圧ＤＣを印加する方法（フォト・エレクトレット）、
等があげられる。

【００４５】（本実施態様の製造方法）本実施態様の更
なる特徴は、着色ボールのエレクトレット化処理プロセ
スにある。２色に塗り分けられた着色ボールを各着色半
球が正しく表示面を向くように駆動するためには、着色
ボールの着色領域と帯電領域とを一致させる必要があ
る。しかしながら、すでに２色に塗り分けられた全ての
着色ボールを一つずつ同一方向に配列させ、しかる後
に、エレクトレット化処理を行なうことは量産を考慮し
た場合に事実上不可能に近い。そこで本発明において
は、微小ボールを保持する手段を設け、保持した状態に
おいてエレクトレット化処理と着色処理とを連続的に一
括して行なうことが可能なプロセスによって着色領域と
帯電領域とを一致させることを特徴としている。

【００４６】着色ボールを保持する手段としては、例え
ば、電極が形成された基板上にゲル状シートを着色ボー
ルの半径に相当する厚みで形成し、着色ボールを散布す
ることによって、着色ボールが半球程度埋設され、この
状態でゲル状シートを硬化し着色ボールを固定・保持す
る方法が挙げられる。上部に配置した電極と、予めゲル
シートの下に配置した電極間に高電圧を印加することに
よって着色ボールのエレクトレット化処理を行い、しか
る後に上部電極を取り除き、真空蒸着法・キャスティン
グ法・ディッピング法等の方法によって露出半球を着色
処理し、最後に微小ボールを埋設シートから回収するこ
とによって、着色領域と帯電領域とが一致した着色ボー
ルを形成することが可能となる。

【００４７】また、本実施態様におけるエレクトレット
化処理プロセスの別バリエーションとして、まず、着色
ボールをエレクトレット化処理した後、エレクトレット
化処理のなされた着色ボールを一様電界によって配列・
保持し、その状態で着色処理を行なうプロセスによって
着色領域と帯電領域とを一致させることも可能である。
エレクトレット化処理の方法としては、着色ボールを２
枚の金属電極板で挟持・固定した状態で高電界を印加す
る、コロナ放電、電子ビーム、イオンビームによって外
部の電荷を注入する等の方法の他に、着色ボール形成時
に同時にエレクトレット化処理を行なう方法も考えられ
る。例えば、溶融ポリマーをノズルから射出して着色ボ
ールを形成する場合に、ノズル先端から溶融状態で射出
された着色ボールに高電界を印加する装置を設け冷却・
硬化前にエレクトレット化処理を行なう方法が挙げられ
る。

【００４８】着色微小ボール表面に形成されたポリマー
薄膜をエレクトレット処理する場合には、ポリマー薄膜
に顔料を混合し着色層と兼用するのが望ましい。また、
処理の順番はエレクトレット化→着色に限定されるもの
ではなく、着色→エレクトレット化の順番で処理を行な
ってもよい。この場合、着色層が同時にエレクトレット
化されることが望ましい。

【００４９】本実施態様においては、着色ボールを格納
・支持するキャビティ内が高絶縁性の液体で充填されて
おり、かかる液体の比抵抗が少なくとも１０Ｅ＋１０Ω
・ｃｍ以上、好ましくは、１０Ｅ＋１２Ω・ｃｍ以上で
あることを特徴とする。

【００５０】液体の高絶縁性を実現する手段としては、
例えば、アルミナ、シリカ等の超微粒子からなる有極性
イオン吸着剤を潤滑溶液中および／またはボール支持構
造材中に数％添加するのが有効である。ボール外側を気
体で充填するか、真空状態にすることも本発明の実施形
態として可能である。

【００５１】（本実施態様の表示原理）次に、本発明の
表示装置の駆動原理の一例を説明する。

【００５２】図１（ａ）の着色ボールを用いた本実施態
様の表示装置を示す図７を用いて説明する。

【００５３】本実施態様の表示装置は、黒色層１０５及
び白色層１０６が夫々半球表面に形成された着色ボール
１１と、該着色ボール１１を回転自在に支持する支持体
５と、着色ボール１１が自在に回転できる為のキャビテ
ィ７とで構成された表示媒体と、、該着色ボール１１を
回転し所望の着色層側を表示させる為の電極６、６’と
電源８より構成される駆動手段よりなる。また、該キャ
ビテイ７は透明な絶縁性液体で満たされている。

【００５４】微小ボール１０１表面は、外部からの電荷
注入によるエレクトレット化処理により、図７に示すよ
うに黒色層１０５近傍は正電荷１０２が発現し、白色層
１０６近傍は、負電荷１０３が発現する。着色ボール１
１の各領域で帯電特性が異なることとなり、着色ボール
１１に双極子モーメント１１０を持つようになる。この
着色ボール１１に電場を印加すると着色ボール１１には
その極方向を電界方向に揃えようとするトルクが働き、
着色ボール１１は、いずれかの半球面を一方向に揃え
る。

【００５５】図７のように、白色層１０６近傍がマイナ
ス帯電し、黒色層１０５近傍がプラス帯電しているとす
ると電源８にてプラスが印加された電極６’に白色層１
０６側が、マイナスが印加された電極６に黒色層１０５
がくる。これにより図面上部より本実施態様の表示装置
を観察すると、自然光が黒色層１０５に反射して黒色が
見える。電界の方向を逆転すれば、着色ボール１１は反
転し、白色層１０６側を観察側に向け、自然光が白色層
１０６に反射して白色が見える。

【００５６】図７では、セル（画素要素）１０が１つし
かない形態が記載されている。もちろん、本実施態様で
は、セル（画素要素）１０を複数有する表示装置の形態
をとっても良い。

【００５７】微小ボール１０１の寸法としては、ボール
の直径が表示装置としての一画素以下の大きさとなるよ
う、５００μｍ以下のものが好ましい。特に、２００μ
ｍ以下のものが好ましい。

【００５８】キャビティ７の寸法としては、着色ボール
１１の並進をなるべく防止し、メモリ性を有するため、
着色ボールより少し大きいぐらいが好ましい。

【００５９】着色層１０５、１０６は、反射光の色、反
射強度の差を用いることにより観察側からみて異なる色
相を表示できればよい。微小ボール１０１表面上に着色
層を被覆することにより、反射光の色、反射強度等の光
学的特性の異なる２つの表面を作り出している。

【００６０】また、着色層１０５、１０６としては、透
明な絶縁性液体中で安定で、機械的強度が強く、ボール
表面への固着性の良い材料であることがより好ましい。
更に、着色層の色は、白色及び黒色に限られることな
く、イエロー、マゼンタ、シアン等でも良い。

【００６１】また、本実施態様では、キャビティ７内を
透明な絶縁性液体でなく、真空、気体で充填しても良
い。なぜなら、本実施態様では、着色ボール表面の帯電
電荷が、透明な絶縁性液体から着色ボール１１表面への
イオン吸着によって供給されるのではないためである。
真空でも気体でも着色ボール１１の回転を円滑に行える
ものであれば良い。

【００６２】また、着色ボール１１を駆動するに用いる
電極９、９’としては、観察側からみて、微小ボールの
表面に形成した着色層を観察できるよう、光透過である
ことが必要である。この為、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、Ｚｎ
Ｏ、ＩＴＯ等の透明導電膜を用いる。

【００６３】支持体５（光透過シート）としては、着色
ボール１１の着色層を表示する為に、光学的に透明であ
ることが必要であり、ポリエチレン、ポリスチレン、等
の硬質の樹脂やシリコーンゴム、ガラス等を用いる。

【００６４】本実施態様の表示装置は、キャラクタ、グ
ラフィック、ビデオ等の画像情報を表示する受光型表示
装置に適用できる。また、紙のように見れ、紙のように
動かせ、画像を書き込め、画像を複写でき、画像を読み
込め、画像を消去できるペーパーディスプレイにも適用
できる。

【００６５】

【実施例】以下、実施例にしたがって、本発明について
更に詳細に説明する。

【００６６】（実施例１）本実施例では、着色ボールを
保持しエレクトレット化処理と着色処理を連続して一括
に行なう場合について説明する。エレクトレット化処理
は、高熱化で高電界印加を行なうサーモ・エレクトレッ
ト法によって行なった。

【００６７】以下、図２をもちいて、本実施例における
着色ボールの形成方法を説明する。本実施例では、酸化
チタン等の白色顔料が分散された常誘電体材料である白
色ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）ボール２０１
（平均粒径５０μｍ）を用いた。Ａｌ下部電極２０６が
形成されたガラス基板２０５上に、ＰＶＡペーストをバ
ーコート法によりＰＭＭＡボール２０１の半径と略同等
の厚みに塗布し、この塗布膜上にＰＭＭＡボール２０１
を散布し、熱処理を施し塗布膜を熱硬化することにより
半球が埋め込まれたＰＶＡシート２０７を形成し、ＰＭ
ＭＡボール２０１を固定・保持した。

【００６８】ＰＶＡシート２０７と、シート上２０〜２
００μｍの空隙を挟んで配置された上部金属電極２０９
を、温度制御槽２１１内に格納し、ＰＭＭＡの融点（１
６０℃）より１〜１０℃低い温度で保温した。この状態
で高圧電源２１０によって、予めＰＶＡシート２０７の
下に配置したＡｌ下部電極２０６と上部金属電極２０９
間に０．５ｋ〜５ｋＶの電圧（上部金属電極２０９側マ
イナス）を５分間印加した後、電圧を印加したまま徐々
に冷却することによってエレクトレット化処理をおこな
った。融点直下の高温状態で高電界を印加することによ
って、ＰＭＭＡボール２０１中に上下各電極からのイオ
ン・電子の注入による空間電荷２０２、２０３（２０２
は正電荷、２０３は負電荷とする）が発生し、その後、
電界保持状態で除冷することによってこの空間電荷が凍
結されたエレクトレット化された微小ボール２０１が形
成された（図２（ａ））。

【００６９】引き続いて、上部電極２０９を取り除き、
ＰＶＡシート２０７に保持されたままのエレクトレット
化された微小ボール２０１の露出半球表面にカーボン層
２１２をＣＶＤ法により１００ｎｍ成膜し、黒色着色層
２１２を形成した（図２（ｂ））。最後に、加熱水中で
ＰＶＡシート２０７を溶解、除去することにより、着色
ボールを回収し、着色領域と帯電領域とがほぼ一致した
着色ボールが形成された（図２（ｃ））。

【００７０】この着色ボールを、前述したSheridon等と
同様な方法で、エラストマー中に混合し、これをシート
状に成形硬化し、このエラストマーシートをシリコーン
オイルに浸漬して膨潤させることにより各着色ボールの
周囲にキャビティを形成し、シート状の表示装置を作製
した。具体的には、2液型シリコーンゴム（ダウコーニ
ング社製シルポット184）中に着色ボールを分散させ
た。

【００７１】次に、ガラス基板上でこの分散系を厚さ約
100 μmの膜状に伸ばし、該シリコーンゴムを100 ℃、1
時間の条件で加熱硬化させた。

【００７２】次に、着色ボール分散硬化ゴムシートをガ
ラス基板より剥離し、粘度1 csのシリコーンオイル（東
芝シリコーン社製）中に24時間浸漬して該ゴムシートを
膨潤させ、着色ボールの周囲にキャビティ（隙間5−10
μm）を形成させた。次に、前記ゴムシートをITO電極膜
付きガラス基板で挟持させて、表示装置を作製した。

【００７３】上記表示装置に±５０ Vの電界を印加する
と、着色ボールがキャビティ内で回転することにより、
電界の極性に応じて観察側に黒色半球面、又は白色半球
面が現れた。応答速度は5〜20ms以下であった。この
際、コントラスト比は約6：1であった。また、視野角特
性は±85°以上であった。観察側に印加した電界の
（＋）側が来ると白色半球面が、電界の極性を変えると
黒色半球面があらわれ、また応答速度についても従来例
による特性の１／３〜１／１０であったことから、期待
どうりの極性及び荷電量の帯電状態が実現されているこ
とが確認された。さらに温度変化、経時変化等に対して
特性が安定していることが確認され、本発明による効果
が期待どうり発現していることが確かめられた。

【００７４】（実施例２）本実施例では、まず、エレク
トレット化処理を行なったのちに、着色処理を行なう場
合について説明する。エレクトレット化処理は、室温下
での高電界印加によるコロナ放電によって電荷を注入す
るエレクトロ・エレクトレット法によって行なった。

【００７５】以下、図３をもちいて、本実施例における
着色ボールの形成方法を説明する。本実施例ではカーボ
ンブラック、アニリンブラック等の黒色顔料が分散され
た常誘電体材料からなる黒色ポリエチレン（ＰＥ）ボー
ル３０１（平均粒径５０μｍ）を用いた。導電性粘着層
３０５が形成されたガラス基板３０４上にＰＥボール３
０１を散布し、ＰＥボール３０１を固定・保持した。

【００７６】ガラス基板３０４上に１００〜１０００μ
ｍの空隙を挟んで配置されたナイフエッジ状電極３０６
と導電性粘着層３０５間に高圧電源３０８によって２ｋ
〜２０ｋＶの電圧（エッジ電極３０６側マイナス）を印
加し、電極間にコロナ放電３０７を発生させた。ガラス
基板３０４を不図示の横方向変位駆動機構によって図示
の矢印の方向に１m/minの一定速度で往復変位させるこ
とによってＰＥボール３０１上でコロナ放電３０７を均
一に照射し、エレクトレット化処理を行なった。エッジ
電極３０６側には、ＰＥボール３０１表面には、エッジ
電極３０６と同極性のホモ電荷（負電荷）３０３が、ま
た、導電性粘着層３０５側でもミクロに発生するコロナ
放電等によって、ＰＥボール３０１表面には、ホモ電荷
（正電荷）３０２がそれぞれ注入され、エレクトレット
ボールが形成された（図３（ａ））。

【００７７】エレクトレット化されたＰＥボール３０１
を導電性粘着層３０５から回収・洗浄した後、約１〜５
ｍｍの深さの純水３１０で満たされた水槽３１１中に投
入した。微小なＰＥボール３０１は、その比重及び表面
エネルギーが最適化されており、水槽３１１の水面上に
ほぼ半球だけ露出した状態で保持された。

【００７８】次に、高圧電源３１４によって水槽底部に
設けられた下部平板電極３１２と水槽上部１００〜５０
０μｍに配置された上部平板電極３１３との間に１００
〜５００Ｖの電圧を印加することによって（上部平板電
極３１３プラス）、予めエレクトレット化された微小な
ＰＥボール３０１の双極子モーメントが電界印加方向に
揃った状態で均一に配向させた（図３（ｂ））。この状
態で、硫酸ニッケル、酢酸ナトリウム、クエン酸ナトリ
ウム、次亜燐酸ナトリウム等からなるメッキ溶液を純水
液中に適当量導入し、水溶液中に浸漬されたボール半球
面にのみ白色の金属ニッケル膜３０９を化学メッキした
後、着色ボールを回収・洗浄することによって、着色領
域と帯電領域とがほぼ一致した着色ボールが形成された
（図３（ｃ））。

【００７９】尚、微小なＰＥボール３０１は、メッキ溶
液上でちょうどボール半球が露出するように、その比重
及び表面エネルギーを予め調整した。

【００８０】この微小ボールを実施例１と同様な方法で
セル化し表示装置を作製し評価したところ、実施例１と
ほぼ同等の特性が得られ、期待どうりの極性及び荷電量
の帯電状態が実現されていることが確認された。さらに
温度変化、経時変化等に対して特性が安定していること
が確認され、本発明による効果が期待どうり発現してい
ることが確かめられた。

【００８１】（実施例３）図８は本実施例１を利用した
表示装置の一例の概略構成を示すものである。図８
（ａ）は平面図、図８（ｂ）はａ−ａ′線で切断した断
面図である。先ず、透明な下部ＩＴＯ電極２１０２で全
面を被覆された厚さ１００μｍのＰＥＴフィルム２１０
１上に、実施例１で述べた着色ボール２１０３を分散さ
せて成るゴムシート２１０４を厚さ１００μｍに形成し
た。係るシート上に、所望の形状にパターニングされた
透明な上部ＩＴＯ電極２１０６を有する厚さ１００μｍ
のＰＥＴフィルム２１０５を、上部ＩＴＯ電極２１０６
が前記ゴムシート２１０４と対向する向きに圧着した。
上部ＩＴＯ電極２１０６の形状・サイズは、所望の解像
度に合わせて選択する必要があるが、本実施例では簡単
にするため、従来公知の７セグメント・タイプを用い
た。各セル内には、複数の着色ボール２１０３が分散さ
れている。各上部電極２１０６とパルス発生器２１０７
を接続し、波高値１００Ｖ、パルス幅５０ｍｓの矩形波
を全電極に印加して、全面を白色状態とした。次に、上
部ＩＴＯ電極２１０６の内、任意のものをスイッチ２１
０８で選択した上で、先程とは逆極性のパルスを印加し
たところ、選択した上部ＩＴＯ電極に相当する個所のみ
着色ボール２１０３が回転し黒色化し、セグメント形状
の組み合わせを利用した表示（数字やアルファベットの
一部）が可能であることを確認した。また、係る黒色表
示セグメントに先程のパルスとは逆極性のパルス（最初
のパルスと同極性）を印加したところ、黒色表示が再度
白色表示に戻ることを確認した。

【００８２】（実施例４）実施例３で用いた７セグメン
ト・タイプの構成に変えて、下部電極２１１２、上部電
極２１１３をストライプ状のＩＴＯ電極で構成した。ス
トライプ状のＩＴＯ電極幅及びその電極間の間隔は、４
０μｍとした。下部電極２１１２と上部電極２１１３と
は互いに直交するように配置した表示装置を作成した。
下部電極２１１２と上部電極２１１３の各交点には、複
数の着色ボール２１０３が配置されている。係る表示装
置の概略構成を図９に示す。全下部電極２１１２と全上
部電極２１１３に不図示のパルス発生器を用いて波高値
１００Ｖ、パルス幅５０ｍｓの矩形波を加えて、全面を
白色状態とした。次に任意の下部電極２１１２と上部電
極２１１３とを選び、係る電極間に上記パルス発生器を
用いて逆極性のパルスを印加したところ、両電極が交差
する領域において、着色ボール２１０３が回転して、黒
色化した。すなわちパルス印加する電極の組み合わせを
選択することにより、所望の領域を黒色表示できること
を確かめた。また、さらに黒色表示をもたらすパルスと
は逆極性のパルスを印加することにより、黒色表示部分
が再度白色表示に戻ることを確認した。

【００８３】

【発明の効果】以上、説明したように、着色ボールが回
転することにより表示を行う表示装置において、着色ボ
ールの帯電状態が、液体中からボール表面へのイオン吸
着によって決定されるのではなく、着色ボール本体の電
荷注入によるエレクトレット化処理または着色ボール表
面に形成された薄膜の電荷注入によるエレクトレット化
処理によって着色ボール本体に形成される自発分極によ
って決定される構成をとるので、帯電電荷量が増大し、
応答速度アップ、駆動電圧低下などディスプレイの基本
特性が向上した。

【００８４】また、着色ボールの材料として、常誘電体
材料を用いるので、低コストな材料、プロセスを用いて
ディスプレイ特性の熱的、プロセス的、経時的な安定性
が向上した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における着色ボールのエレクトレット化
処理による分極発生の説明図。

【図２】本発明における着色ボールの製造方法の概略
図。

【図３】本発明における着色ボールの製造方法の概略
図。

【図４】従来例における微小ボール表面のζ（ゼータ）
電位発生の説明図。

【図５】従来例における微小ボールの断面図。

【図６】本発明における着色ボールのエレクトレット化
処理による分極発生の説明図。

【図７】本発明の表示装置の表示原理を示す図。

【図８】本実施例３の表示装置を示す図。

【図９】本実施例４の表示装置を示す図。

【符号の説明】

１０１微小ボール１０２空間電荷１０３空間電荷１０５黒色層１０６白色層１０７液体１０８分極電荷１０９分極電荷１１０双極子モーメント２０１微小ボール２０２空間電荷２０３空間電荷２０５ガラス基板２０６下部電極２０７ＰＶＡシート２０９上部電極２１０高圧電源２１１温度制御槽２１２黒色層３０１微小ボール３０２ホモ電荷３０３ホモ電荷３０４ガラス基板３０５導電性粘着層３０６ナイフエッジ電極３０７コロナ放電３０８高圧電源３０９金属ニッケル膜３１０純水３１１水槽３１２下部電極３１３上部電極３１４高圧電源６０１着色ボール６０２微小ボール６０３黒色層６０４白色層６０５空間電荷（正電荷）６０６空間電荷（負電荷）６０７双極子モーメント５支持体６、６’ 電極７キャビティ８電源９、９’ 基板１０セル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光学的特性の異なる２つの表面を備えた
着色ボールと、キャビティ内に該着色ボールを保持する
光透過シートと、を備え、該着色ボールを回転させるこ
とにより表示を行う表示装置において、前記着色ボールは、常誘電体材料を有しており、且つ、
帯電状態が異なる２つの表面によって形成される自発分
極を有しており、該２つの帯電状態のうち少なくとも１
つは、常誘電体材料へ電荷を注入するエレクトレット化
処理によって供給されることを特徴とする表示装置。
【請求項２】前記２つの帯電状態の両方が、常誘電体
材料へ電荷を注入するエレクトレット化処理によって供
給される請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】前記２つの帯電状態のうち一方が、常誘
電体材料へ電荷を注入するエレクトレット化処理によっ
て供給される請求項１に記載の表示装置。
【請求項４】前記常誘電体材料への電荷注入は、コロ
ナ放電により行われる請求項１〜３に記載の表示装置。
【請求項５】前記着色ボールは、常誘電体材料からな
るボール表面の一部に着色層が被覆された構造を成し、前記２つの帯電状態は、該常誘電体材料からなるボール
への電荷注入を行うエレクトレット化処理によって供給
される請求項１〜４に記載の表示装置。
【請求項６】前記着色ボールは、ボール表面の一部に
着色された常誘電体材料が被覆された構造を成し、前記２つの帯電状態は、該着色された常誘電体材料への
電荷注入を行うエレクトレット化処理によって供給され
る請求項１〜４に記載の表示装置。
【請求項７】前記キャビティ内は、透明な絶縁性液体
で満たされている請求項１〜６に記載の表示装置。
【請求項８】前記絶縁性液体は、アルミナ、シリカの
超微粒子からなる有極性イオン吸着剤を含む請求項７に
記載の表示装置。
【請求項９】前記キャビティ内は、真空状態又は気体
で満たされている請求項１〜６に記載の表示装置。
【請求項１０】請求項１〜６のいずれかに記載の表示
装置に用いられることを特徴とする着色ボール。
【請求項１１】光学的特性の異なる２つの表面を備え
た着色ボールの製造方法において、常誘電体材料へ電荷を注入するエレクトレット化処理に
よって、表面が異なる２つの帯電状態を有するボールを
形成する工程と、を有する着色ボールの製造方法。
【請求項１２】光学的特性の異なる２つの表面を備え
た着色ボールの製造方法において、前記表面が異なる２つの帯電状態を有するボールに一定
方向の電界をかけて該ボールを一定方向に保持した状態
で、該異なる２つの帯電状態の少なくともどちらか一方
の表面に着色層を形成する工程と、を有する請求項１１
に記載の着色ボールの製造方法。
【請求項１３】光学的特性の異なる２つの表面を備え
た着色ボールと、キャビティ内に該着色ボールを保持す
る光透過シートと、を備え、該着色ボールを回転させる
ことにより表示を行う表示装置の製造方法において、常誘電体材料へ電荷を注入するエレクトレット化処理に
よって、表面が異なる２つの帯電電荷状態を有するボー
ルを形成する工程と、を有することを特徴とする表示装
置の製造方法。
【請求項１４】光学的特性の異なる２つの表面を備え
た着色ボールと、キャビティ内に該着色ボールを保持す
る光透過シートと、を備え、該着色ボールを回転させる
ことにより表示を行う表示装置の製造方法において、該表面が異なる２つの帯電状態を有するボールに一定方
向の電界をかけて該ボールを一定方向に保持した状態
で、該異なる２つの帯電状態の少なくともどちらか一方
の表面に着色層を形成する工程と、を有する請求項１３
に記載の表示装置の製造方法。