JP6461643B2 - 光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、エレクトロデポジション素子を利用した光学装置に関する。

たとえば特許文献１には、液晶素子を利用した車両用のサンバイザが開示されている。また、特許文献２には、いわゆるエレクトロデポジション素子が開示されている。

エレクトロデポジション素子は、主に、対向配置される一対の透明電極と、その一対の透明電極に挟持され、銀を含むエレクトロデポジション材料を含有する電解質層と、を有する。電解質層はほぼ透明であり、定常時（電圧無印加時）、エレクトロデポジション素子は透明状態となる。一対の透明電極間に電圧を印加すると、酸化・還元反応により、電解質層のエレクトロデポジション材料（銀）が、電極上に析出・堆積する。比較的平坦な電極の表面に析出・堆積するエレクトロデポジション材料は鏡面を構成し、エレクトロデポジション素子は鏡面（高光反射）状態となる。

特開２０１２−１４８６７５号公報 特開２０１２−１８１３８９号公報

本発明の主な目的は、エレクトロデポジション素子を利用した光学装置、具体的には、車両用のサンバイザやプライバシーガラス（スモークガラス）などに応用することができる光学装置を提供することにある。

本発明の主な観点によれば、対向配置される第１および第２の透明基板と、前記第１の透明基板の、前記第２の透明基板との対向面に配置される第１の透明電極と、前記第１の透明電極の表面に配置され、導電性および透光性を有する微粒子が堆積してなる第１の装飾電極であって、その表面は前記第１の透明電極の表面よりも粗くなっており、該第１の透明電極を露出する領域を囲むようにパターニングされた領域を含む第１の装飾電極と、前記第２の透明基板の、前記第１の透明基板との対向面に配置される第２の透明電極と、前記第１および第２の透明基板の間隙に充填され、銀を含むエレクトロデポジション材料を含有する電解質層と、を含む光学装置、が提供される。

エレクトロデポジション素子を利用した車両用のサンバイザ等を実現することができる。

図１Ａは、エレクトロデポジション素子の基本的な構造を示す断面図であり、図１Ｂおよび図１Ｃは、当該エレクトロデポジション素子の光透過率および光反射率の波長依存性を示すグラフである。 図２Ａ〜図２Ｃは、実施例によるエレクトロデポジション素子の構造を示す断面図および平面図である。 および、 図３Ａ〜図３Ｆは、実施例によるエレクトロデポジション素子の各種光学状態を示す平面図である。 図４Ａおよび図４Ｂは、車両用サンバイザとして利用したときの実施例によるエレクトロデポジション素子を示す模式図である。

以下、参考例によるエレクトロデポジション素子（ＥＤ素子）を参照して、ＥＤ素子の基本的な動作について説明する。

図１Ａは、参考例によるＥＤ素子１０１を示す断面図である。ＥＤ素子１０１は、主に、対向配置される下側および上側基板１０ｒ，２０ｒと、下側および上側基板１０ｒ，２０ｒに挟持されるシール枠部材４０および電解質層（電解液）５０と、を備える。

下側基板１０ｒは、支持基板１１の表面全面に、透明電極１２ｒおよび装飾電極１３ｒが順次積層する構造を有する。また、上側基板２０ｒは、支持基板２１の表面全面に、透明電極２２ｒが積層する構造を有する。透明電極１２ｒ（ないし装飾電極１３ｒ）および透明電極２２ｒは、相互に対向するように配置されている。

支持基板１１，２１には、透光性を有する基板が用いられ、たとえば、青板ガラスなどのプレート基板や、ポリカーボネートなどにより構成されるフィルム基板などが用いられる。透明電極１２ｒ，２２ｒは、たとえばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）やインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）など、透光性および導電性を有する部材により構成される。

装飾電極１３ｒは、ナノメートルサイズの微粒子が堆積することにより構成される。装飾電極１３ｒの表面は、微細な凹凸形状を有しており、少なくとも透明電極１２ｒ，２２ｒの表面よりも粗くなっている。装飾電極１３ｒを構成する微粒子は、透光性および導電性を有する部材、たとえばＩＴＯ等を含む。

シール枠部材４０は、樹脂などで構成され、下側ないし上側基板１０ｒ，２０ｒ面内において、下側および上側基板１０ｒ，２０ｒの周縁に沿って閉じた形状で設けられている。電解質層５０は、溶媒中にエレクトロデポジション（ＥＤ）材料（たとえば銀）が溶解しているものであり、下側および上側基板１０ｒ，２０ｒ、ならびに、シール枠部材４０により画定される空間５０ａに充填されている。なお、電源６０が、透明電極１２ｒ，２２ｒに接続されており、透明電極１２ｒ，２２ｒ（ないし装飾電極１３ｒ）を介して、電解質層５０に種々の電圧を印加することができる。

図１Ｂおよび図１Ｃは、定常時（電圧無印加時）若しくは電圧印加時におけるＥＤ素子１０１の光透過スペクトルおよび光反射スペクトルを示すグラフである。図１Ｂおよび図１Ｃにおいて、横軸は、ＥＤ素子に入射される光の波長（ｎｍ）を示し、縦軸は、それぞれ入射光の波長に対する透過率（％）および反射率（％）を示す。

なお、図１Ｂにおいて、スペクトルＴｏｆｆは、定常時（電圧無印加時）におけるＥＤ素子の光透過スペクトルである。スペクトルＴｏｎｕは、下側基板１０ｒ（透明電極１２ｒ）に対して上側基板２０ｒ（透明電極２２ｒ）に負電圧（−２．５Ｖ）を印加したとき（下側基板１０ｒを基準にしたときに上側基板２０ｒに負電圧を印加したとき）のＥＤ素子の光透過スペクトルである。スペクトルＴｏｎｌは、上側基板２０ｒ（透明電極２２ｒ）に対して下側基板１０ｒ（透明電極１２ｒ）に負電圧（−２．５Ｖ）を印加したとき（下側基板１０ｒを基準にしたときに上側基板２０ｒに正電圧を印加したとき）のＥＤ素子の光透過スペクトルである。

また、図１Ｃにおいて、スペクトルＲｏｆｆは、定常時（電圧無印加時）におけるＥＤ素子の光反射スペクトルである。スペクトルＲｏｎｕは、下側基板１０ｒ（透明電極１２ｒ）に対して上側基板２０ｒ（透明電極２２ｒ）に負電圧（−２．５Ｖ）を印加したとき（下側基板１０ｒを基準にしたときに上側基板２０ｒに負電圧を印加したとき）のＥＤ素子の光反射スペクトルである。スペクトルＲｏｎｌは、上側基板２０ｒ（透明電極２２ｒ）に対して下側基板１０ｒ（透明電極１２ｒ）に負電圧（−２．５Ｖ）を印加したとき（下側基板１０ｒを基準にしたときに上側基板２０ｒに正電圧を印加したとき）のＥＤ素子の光反射スペクトルである。

図１ＢのスペクトルＴｏｆｆに示されるように、定常時、ＥＤ素子の光透過率は極めて高く、ＥＤ素子は高光透過状態（透明状態）を実現する。これは、電解質層が概ね透明なためである。なお、電解質層の溶媒の種類を変更する、または、電解質層の厚みを薄くする（下側基板と上側基板との間隔を狭くする）、等により、定常時における光透過スペクトルをよりフラットに近づけることができる。

また、図１ＣのスペクトルＲｏｎｕに示されるように、下側基板に対して上側基板に負電圧を印加すると、ＥＤ素子の光反射率は極めて高くなり、ＥＤ素子は高光反射状態（鏡面状態）を実現する。これは、電解質層中のＥＤ材料（たとえば銀）が、電圧印加により、比較的平坦な上側基板の透明電極表面に析出し、その析出したＥＤ材料が鏡面を構成するためである。

なお、電圧印加を停止すると、透明電極表面に析出したＥＤ材料は、再度、電解質層（溶媒）中に溶解して、透明電極表面から消失する。これによりＥＤ素子は再度高光透過状態を実現する。

さらに、図１ＢのスペクトルＴｏｎｌおよび図１ＣのスペクトルＲｏｎｌに示されるように、上側基板に対して下側基板に負電圧を印加すると、ＥＤ素子の光透過率および光反射率は極めて低くなり、ＥＤ素子は光吸収状態（遮光状態）を実現する。これは、電解質層中のＥＤ材料（たとえば銀）が、電圧印加により、比較的凸凹な下側基板の装飾電極表面に析出するためであり、その析出したＥＤ材料に光が入射するとプラズモン吸収（ないし乱反射）が起こるためである。

なお、電圧印加を停止すると、装飾電極表面に析出したＥＤ材料は、再度、電解質層（溶媒）中に溶解して、装飾電極表面から消失する。これによりＥＤ素子は再度高光透過状態を実現する。

以上のように、ＥＤ材料が平坦な面（つまり透明電極表面）に析出すると、そのＥＤ材料が析出する領域は鏡面（光反射）領域となり、ＥＤ材料が凸凹な面（つまり装飾電極表面）に析出すると、そのＥＤ材料が析出する領域は遮光（光吸収）領域となる。ＥＤ素子１０１は、少なくとも、透明状態（光透過状態），鏡面状態（光反射状態）および遮光状態（光吸収状態）の３つの状態を実現し得る。

図２Ａは、実施例によるＥＤ素子１００を示す断面図である。実施例によるＥＤ素子１００は、主に、参考例によるＥＤ素子１０１の透明電極および装飾電極の配置や形状等を変更したものである。実施例によるＥＤ素子１００は、たとえば車両用のバニティミラー付きサンバイザに利用することができる。

ＥＤ素子１００は、主に、対向配置される下側および上側基板１０，２０と、下側および上側基板１０，２０に挟持されるシール枠部材４０および電解質層（電解液）５０と、を備える。また、下側および上側基板１０，２０は、それぞれ、支持基板１１，２１、透明電極１２，２２および装飾電極１３，２３を含む構成である。

図２Ｂおよび図２Ｃは、それぞれ下側基板１０および上側基板２０を示す平面図である。以下、図２Ａ〜図２Ｃを参照しながら、ＥＤ素子１００の製造方法および基本構造について説明する。なお、図２Ｂにおいて、装飾電極１３は斜線模様で示されており、透明電極１２の輪郭（分割領域各々の輪郭）は破線で示されている。また、図２Ｃにおいて、装飾電極２３は斜線模様で示されており、透明電極２２の輪郭（外郭）は破線で示されている。

まず、下側基板１０を作製する。青板ガラスなどの支持基板１１を準備する。

支持基板１１の表面全面に、スパッタリング法や真空蒸着法などにより、透明電極１２を形成する。透明電極１２は、たとえばＩＴＯなどにより形成される。続いて、フォトリソグラフィ法などを用いて、透明電極１２を相互に離隔する複数の領域（パターン電極）に分割する。

ここで、図２Ｂに示すように、透明電極１２は、たとえば３行３列のマトリクス状に分割される。すなわち、透明電極１２は、上段左側領域（第１のパターン電極）１２ａ，上段中央領域（第２のパターン電極）１２ｂ，上段右側領域（第３のパターン電極）１２ｃ，中段左側領域（第４のパターン電極）１２ｄ，中段中央領域（第５のパターン電極）１２ｅ，中段右側領域（第６のパターン電極）１２ｆ，下段左側領域（第７のパターン電極）１２ｇ，下段中央領域（第８のパターン電極）１２ｈ，下段右側領域（第９のパターン電極）１２ｉに分割される。

続いて、透明電極１２の表面全面に、たとえば粒径が１００ｎｍ以下のＩＴＯ微粒子が堆積してなる装飾電極１３を形成する。具体的には、ＩＴＯ微粒子分散液（ＳＩＧＭＡ−ＡＬＤＲＩＣＨ社製７００４６０）を、スピンコート法などを用いて、透明電極１２表面に塗布し、その後、２５０℃で６０分間焼成する。なお、装飾電極１３を構成する微粒子の好適な粒径は、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。また、装飾電極１３は、透明電極１２の各分割領域に対応するように、分割（パターニング）して形成してもかまわない。

以上により、下側基板１０が完成する。なお、透明電極１２を形成する際に、電源６０に接続するためのパッドや、当該パッドと分割された電極（領域）を接続するための引き出し配線などを同時に形成してもかまわない。

次に、上側基板２０を作製する。下側基板１０と同様の工程で、支持基板２１の表面全面に透明基板２２を形成する。

続いて、透明電極２２の表面に、装飾電極２３を形成する。具体的には、ＩＴＯ微粒子分散液を、フレキソ印刷法やインクジェット法などを用いて、透明電極２２表面に塗布し、その後、２５０℃で６０分間焼成する。

ここで、図２Ｃに示すように、装飾電極２３は、中央領域において、透明電極２２が露出するようにパターニングされる。装飾電極２３において、透明電極２２を覆う領域を周縁領域２３ａと呼び、透明電極２２を露出する領域を中央領域２３ｂと呼ぶこととする。

以上により、上側基板２０が完成する。なお、透明電極２２を形成する際に、電源６０に接続するためのパッドなどを同時に形成してもかまわない。また、透明電極２２は、装飾電極２３の平面形状に対応するように、複数の領域に分割（パターニング）されていてもかまわない。

次に、下側または上側基板１０，２０、たとえば下側基板１０に、粒径が数十μｍ〜数百μｍ、たとえば５０μｍであるギャップコントロール剤を散布する。ギャップコントロール剤の密度は、たとえば１〜３個／ｍｍ^２程度である。なお、ギャップコントロール剤を散布するかわりに、柱状の突起体（リブ）を形成してもかまわない。また、ギャップコントロール剤は、上側基板２０に散布してもかまわない。

続いて、下側または上側基板１０，２０、たとえば下側基板１０に、シール枠部材４０を形成する。シール枠部材４０は、たとえば、矩形枠状の全体的平面形状を有し、紫外線硬化性樹脂により構成される。なお、シール枠部材４０は、熱硬化性樹脂により構成されていてもかまわない。

次に、電解液（電解質層）５０を準備する。電解液５０は、たとえば、ＥＤ材料（ＡｇＮＯ_３等）、電解質（ＴＢＡＢｒ等）、メディエータ（ＣｕＣｌ_２等）、電解質の浄化剤（ＬｉＢｒ等）、溶媒（ＤＭＳＯ：ｄｉｍｅｔｈｙｌ―ｓｕｌｆｏｘｉｄｅ 等）などにより構成される。なお、さらにゲル化用ポリマ（ＰＶＢ：ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ―ｂｕｔｙｒａｌ等）などを添加して、ゲル状（ゼリー状）にしてもよい。実施例においては、溶媒であるＤＭＳＯ中に、ＥＤ材料としてＡｇＮＯ_３を５０ｍＭ、支持電解質としてＬｉＢｒを２５０ｍＭ、メディエータとしてＣｕＣｌ_２を１０ｍＭ、ゲル化用ポリマとして１０ｗｔ％のＰＶＢを添加したものを用いた。

ＥＤ材料は、ＡｇＮＯ_３以外にも、たとえば銀を含むＡｇＣｌＯ_４やＡｇＢｒなどを用いることができる。ここで、ＥＤ材料とは、透明電極（ないし装飾電極）の表面において、酸化還元反応などにより、その一部が析出・堆積、または、消失する材料をいう。

支持電解質は、ＥＤ材料の酸化還元反応等を促進するものであれば限定されない。たとえば、リチウム塩（ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４等）、カリウム塩（ＫＣｌ、ＫＢｒ、ＫＩ等）、ナトリウム塩（ＮａＣｌ、ＮａＢｒ、ＮａＩ等）を好適に用いることができる。

メディエータは、銅を含むＣｕＣｌ_２以外にも、たとえば銅を含むＣｕＳＯ_４やＣｕＢｒ_２などを用いることができる。ここで、メディエータとは、銀よりも電気化学的に低いエネルギで酸化・還元する材料をいう。

溶媒は、ＥＤ材料等を安定的に保持することができるものであれば限定されない。たとえば、水や炭酸プロピレン等の極性溶媒、極性のない有機溶媒、更にはイオン性液体、イオン導電性高分子、高分子電解質等を用いることができる。具体的には、ＤＭＳＯの他、炭酸プロピレン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、ポリビニル硫酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリアクリル酸等を好適に用いることができる。

次に、準備した電解液５０を、ディスペンサなどを用いて、下側基板１０のシール枠部材４０内側に滴下する。そして、透明電極１２，２２（ないし装飾電極１３，２３）が相対するように、上側基板２０を、電解液５０を滴下した下側基板１０に貼合する。なお、下側および上側基板１０，２０の貼合は、大気中、真空中ないし窒素雰囲気中で行うことができる。その後、シール枠部材４０に紫外線を照射して、シール枠部材４０を硬化させる。

最後に、透明電極１２，２２を、電源６０と接続する。なお、下側基板１０の透明電極１２において、パターン電極１２ａ〜１２ｉは、それぞれ独立に電源に接続されているものとし、また、それぞれ独立に電圧制御することができるものとする。以上により、ＥＤ素子１００が完成する。

図３Ａ〜図３Ｆは、ＥＤ素子１００の各種光学状態を示す平面図である。実施例によるＥＤ素子１００を、車両用、特に運転席用のバニティミラー付きサンバイザに利用する場合を想定する。

図３Ａに、定常状態（電圧無印加時）におけるＥＤ素子１００を示す。ＥＤ素子１００は、全体として、透明状態（高光透過状態）を実現する。ＥＤ素子１００が透明状態であるため、運転者は、運転中、ＥＤ素子１００を通して、良好に前方を視認することができる。

図３Ｂに、下側基板に対して上側基板に、たとえば−２．５Ｖの電圧を印加したときのＥＤ素子１００を示す。このとき、上側基板２０の透明電極２２表面および装飾電極２３表面に、電解質層５０中のＥＤ材料（銀）が析出する（図２Ａおよび図２Ｃ参照）。このため、ＥＤ素子１００は、上側基板２０の第１の領域２３ａ（装飾電極２３が透明電極２２を被覆する領域，図２Ｃ参照）に対応する領域１００ａ（斑点模様で示す）で遮光状態を実現し、第２の領域２３ｂ（透明電極２２が露出する領域，図２Ｃ参照）に対応する領域１００ｂ（斜線模様で示す）で鏡面状態を実現する。運転者は、停車中などに、ＥＤ素子１００の領域１００ｂを、バニティミラーとして利用することができる。

図３Ｃに、上側基板に対して下側基板の全体（つまりパターン電極１２ａ〜１２ｉ）に、たとえば−２．５Ｖの電圧を印加したときのＥＤ素子１００を示す。このとき、上側基板１０の装飾電極１３表面に、全面的に、電解質層５０中のＥＤ材料（銀）が析出する（図２Ａおよび図２Ｂ参照）。このため、ＥＤ素子１００は、全面的に遮光状態を実現する。なお、図中において、遮光領域を斑点模様で示している。

図３Ｄおよび図３Ｅに、上側基板に対して下側基板の一部に、負電圧を印加したときのＥＤ素子１００を示す。

下側基板１０のパターン電極１２ｃ，１２ｆ，１２ｉに、たとえば−２．５Ｖの電圧を印加した場合、装飾電極１３の、パターン電極１２ｃ，１２ｆ，１２ｉに対応する領域のみに、ＥＤ材料（銀）が析出する（図２Ｂ参照）。その結果、図３Ｄに示すように、ＥＤ素子１００の右側領域１００ｃを遮光状態（斑点模様で示す）にすることができる。なお、右側領域１００ｃ以外の領域は、透明状態である。

また、下側基板１０のパターン電極１２ａ，１２ｂ，１２ｃに、たとえば−２．５Ｖの電圧を印加した場合、装飾電極１３の、パターン電極１２ａ，１２ｂ，１２ｃに対応する領域のみに、ＥＤ材料（銀）が析出する（図２Ｂ参照）。その結果、図３Ｅに示すように、ＥＤ素子１００の上段領域１００ｄを遮光状態（斑点模様で示す）にすることができる。なお、右側領域１００ｄ以外の領域は、透明状態である。

図３Ｃ〜図３Ｅに示すように、照明や光源（太陽等）の位置・条件等に応じて、ＥＤ素子１００の遮光領域を切り替えることにより、運転者は、適切に眩耀を防いで、より快適に運転することができる。

図３Ｆに、上側基板に対して下側基板の一部に、たとえば−２．５Ｖおよび−２．２Ｖの電圧を印加したときのＥＤ素子１００を示す。具体的には、下側基板１０のパターン電極１２ａ，１２ｂ，１２ｃに−２．５Ｖの電圧を印加し、パターン電極１２ｄ，１２ｅ，１２ｆに−２．２Ｖの電圧を印加する（図２Ｂ参照）。

このとき、ＥＤ素子１００の、パターン電極１２ａ，１２ｂ，１２ｃに対応する領域（上段領域１００ｄ）で、光透過率が約５％となる（相対的に高密度の斑点模様で示す）。また、ＥＤ素子１００の、パターン電極１２ｄ，１２ｅ，１２ｆに対応する領域（中段領域１００ｅ）で、光透過率が約３５％〜４５％となる（相対的に低密度の斑点模様で示す）。

図３Ｆに示すように、下側基板１０に印加する負電圧の値を調整することにより、ＥＤ素子１００に、光透過率が異なる領域を設けることができる。たとえば、ＥＤ素子１００の一端側から他端側に向かって光透過率を変化させる、つまりグラデーションを設けることができる。付言すれば、上側基板２０に印加する負電圧の値を調整することにより、ＥＤ素子１００の鏡面領域１００ｂ（図３Ｂ参照）をハーフミラーにすることも可能であろう。

図４Ａおよび図４Ｂに、ＥＤ素子１００を実際に車両用サンバイザに利用したときの様子を示す。図４Ａおよび図４Ｂ各々の左側に運転者から見える様子を示し、右側に運転者を側方から見たときの様子を示す。

ＥＤ素子１００は、図４Ａに示すように、一般的な車両用サンバイザの代替として利用することができる。つまり、通常の車両用サンバイザと同様の位置に、同様の設置方法で、取り付けることができる。また、図４Ｂに示すように、フロントガラスＦＧに組み込んで、または、貼り付けて設けてもよいであろう。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、下側基板には、装飾電極を設けなくてもかまわない。この場合、下側基板全体に負電圧を印加すれば、ＥＤ素子の全面を鏡面領域（バニティミラー）にすることができる。

また、ＥＤ素子の全体的な形状や、透明電極ないし装飾電極のパターンなどを変更すれば、車両用のサンバイザの他にも、たとえば車両用のプライバシーガラス（いわゆるスモークフィルム）などにも応用することができるであろう。その他にも、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０…下側基板、１１…下側支持基板、１２…下側透明電極、１３…下側装飾電極、２０…上側基板、２１…上側支持基板、２２…上側透明電極、２３…上側装飾電極、４０…シール枠部材、５０…電解質層（電解液）、６０…電源、１００…エレクトロデポジション素子（実施例）、１０１…エレクトロデポジション素子（参考例）。

Claims (4)

1. 対向配置される第１及び第２の透明基板と、
   前記第１の透明基板の、前記第２の透明基板との対向面に配置される第１の透明電極と、
   前記第１の透明電極の表面に配置され、導電性および透光性を有する微粒子が堆積してなる第１の装飾電極であって、その表面は前記第１の透明電極の表面よりも粗くなっており、該第１の透明電極を露出する領域を囲むようにパターニングされた領域を含む第１の装飾電極と、
   前記第２の透明基板の、前記第１の透明基板との対向面に配置される第２の透明電極と、
   前記第１及び第２の透明電極の間隙に充填され、銀を含むエレクトロデポジション材料を含有する電解質層と、
   を含む光学装置。
2. さらに、前記第２の透明電極の表面に全面的に配置され、導電性および透光性を有する微粒子が堆積してなる第２の装飾電極と、を含む請求項１記載の光学装置。
3. 前記第２の透明電極は、相互に離隔する複数のパターン電極を含む請求項１または２記載の光学装置。
4. さらに、前記第１および第２の透明電極に接続する電源であって、該第２の透明電極の複数のパターン電極各々に、異なる電圧を印加することができる電源と、を含む請求項３記載の光学装置。