(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する一対の導電膜の間に液体が満たされていると共に該液体内に板状コロイド粒子材料が含有され、該板状コロイド粒子材料が、前記一対の導電膜に対して平行な配向状態と該一対の導電膜に対して垂直な配向状態との間で配向制御される光学素子において、
前記液体として、純水が用いられ、
前記板状コロイド粒子材料として、一辺の長さが１〜１０μｍ程度であって厚さが１μｍ以下の異方性のあるものが用いられ、
前記一対の導電膜に、電圧を印加して該導電膜に対して前記板状コロイド粒子材料を起立する配向状態に変化させて、前記光学素子の透過率を低下させ、
前記一対の導電膜に電圧を印加していないときに、前記光学素子の透過率が電圧印加時よりも高透過率となる、
ことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記一対の導電膜に、該一対の導電膜に対して前記板状コロイド粒子材料を起立する配向状態に変化させるときにのみ、電圧が印加されるように設定されている、
ことを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
前記印加電圧は、５Ｖｒｍｓ以下の交流電圧であって周波数が１ｋＨｚ以上である、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子。
【請求項４】
前記板状コロイド粒子材料のアスペクト比が２以上である、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子。
【請求項５】
前記光学素子が調光素子である、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子。
【請求項６】
前記コロイド粒子材料が、Ｈ型アイレライトである、
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、調光ガラス等として用いられる光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
調光ガラス等の光学素子としては、電圧印加に基づく酸化還元反応によって、その光学的特性、たとえば、色や光の透過率などが可逆的に変化するエレクトロクロミック(ＥＣ)材料や液晶を用いた素子が広く知られている。しかしながら、ＥＣ素子は、そのメカニズムの制約から応答速度が遅く、しかも十分な耐久性が得られなかったりする。また、液晶素子は、有機材料のため寿命が短く、紫外線による劣化が著しい。このため、自動車など耐久信頼性を厳しく要求される用途に対しては、実用化が難しいという問題がある。
【０００３】
このため、液晶やエレクトロクロミックを用いない光学素子が提案されている。そのような光学素子としては、特許文献１に示すように、入射光が反射される状態(特許文献１の図４イ参照)と、入射光を吸収する状態(特許文献１の図４ロ参照)とのいずれかに切り換えるべく、一対の基板間に誘電性液体(高粘性液体)を封入し、その誘電性液体に、金属など光反射物質であってブラウン運動をしない板状粒子を分散し、その板状粒子の配向を電界の方向を調整することにより変化させるものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公昭53-14400号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記光学素子においては、当初、一対の基板により誘電性液体(高粘性液体)にせん断力を与えることにより、板状粒子を該一対の基板に平行な配向状態(入射光が反射される状態：特許文献１の図４イ参照)とした上で、以後、その配向状態から板状粒子を一対の基板に対して垂直な配向状態(光を吸収する状態：特許文献１の図４ロ参照)に変化させるときには、一対の基板内面にそれぞれ設けられる導電膜に電圧が印加されて基板に垂直方向の電界が発生され、板状粒子を一対の基板に対して垂直な配向状態から平行な配向状態に戻すときには、電圧印加方向を基板に平行な方向とされて基板に平行な方向の電界が発生される。このため、板状粒子を、一対の基板に対して垂直な配向状態から平行な配向状態とする場合においては、板状粒子を、一対の基板に平行な配向状態から垂直な配向状態にする場合に比べて、電圧を印加する間隔が長くなり、適正な配向状態とするためには、電圧を増大させて電界を高めざるを得ない。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、板状粒子の可逆的な配向変化を行うに際し、その際に用いる印加電圧を極力、低減できる光学素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために本発明(請求項１に係る発明)にあっては、
対向する一対の導電膜の間に液体が満たされていると共に該液体内に板状コロイド粒子材料が含有され、該板状コロイド粒子材料が、前記一対の導電膜に対して平行な配向状態と該一対の導電膜に対して垂直な配向状態との間で配向制御される光学素子において、
前記液体として、純水が用いられ、
前記板状コロイド粒子材料として、一辺の長さが１〜１０μｍ程度であって厚さが１μｍ以下の異方性のあるものが用いられ、
前記一対の導電膜に、電圧を印加して該導電膜に対して前記板状コロイド粒子材料を起立する配向状態に変化させる構成としてある。この請求項１の好ましい態様としては請求項２以下の記載となる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明(請求項１に係る発明)によれば、一対の導電膜に、電圧を印加して該導電膜に対して前記板状コロイド粒子材料を起立する配向状態に変化させるることから、その一対の導電膜に対して板状コロイド粒子材料を起立する配向状態に変化させるときには、短い一対の導電膜間に電圧を印加して、印加電圧を、従前同様、低い状態に維持できる一方、板状コロイド粒子材料を一対の導電膜に対して平行な配向状態に変化させるときには、電圧を印加しなくても、比較的粘性の低い純水の下で、板状コロイド粒子材料の大きさ、形状(一辺の長さが１〜１０μｍ程度であって厚さが１μｍ以下）、重量等を利用して、その板状コロイド粒子材料を、導電膜に向けて倒伏させてその導電膜に対して平行状態とすることができる。このため、一対の導電膜に対して板状コロイド粒子材料を平行な配向状態に変化させるときに、印加電圧を不要とすることができ、板状粒子である板状コロイド粒子材料の可逆的な配向変化を行うに際して、その際に用いる印加電圧を極力、低減できる。
また、板状コロイド粒子材料が比較的粘性の低い純水中で配向変化することから、一対の導電膜間に高粘性液体が用いられる場合に比して、板状コロイド粒子材料の配向変化の応答速度を高めることができる。
さらに、電圧を印加する場合(一対の導電膜に対して板状コロイド粒子材料を垂直な配向状態とするとき)であっても、一対の導電膜間に絶縁性の高い純水が満たされていることから、その電圧印加時に、電流をほとんど流さないようにすることができる。このため、消費電力を著しく低減させることができる。
【０００９】
請求項２に係る発明によれば、一対の導電膜に、該一対の導電膜に対して板状コロイド粒子材料を起立する配向状態に変化させるときにのみ、電圧が印加されるように設定されていることから、前記請求項１と同様の作用効果を具体的に得ることができる。
【００１０】
請求項３に係る発明によれば、印加電圧は、５Ｖｒｍｓ以下の交流電圧であって周波数が１ｋＨｚ以上であることから、前記板状コロイド粒子材料を、的確に、一対の導電膜に対して垂直な配向状態とすることができる。
この場合、印加電圧を、５Ｖｒｍｓ以下の交流電圧としているのは、５Ｖｒｍｓ以下の交流電圧で十分に、一対の導電膜に対して板状コロイド粒子材料を垂直な配向状態とすることができ、５Ｖｒｍｓを超える交流電圧を用いても無駄だからである。また、周波数を１ｋＨｚ以上としているのは、純水の導電性(絶縁性)が何等かの原因に基づき変化して、周波数（印加電圧）が変化したとしても、板状コロイド粒子材料が一対の導電膜に対して垂直な配向状態に変化することを確保するためである。
【００１１】
請求項４に係る発明によれば、板状コロイド粒子材料のアスペクト比が２以上であることから、異方性を高めて、電圧印加時の配向精度を高めることができる。
【００１２】
請求項５に係る発明によれば、当該光学素子が調光素子であることから、板状コロイド粒子材料の配向制御を調光に有効に利用することができる。
【００１３】
請求項６に係る発明によれば、コロイド粒子材料が層状珪酸塩であることから、そのコロイド粒子材料を用いた配向制御により、散乱光と透過光との切り換え(透過光制御)に具体的に用いることができる。
また、コロイド粒子材料が無機物(層状珪酸塩)であることから、エレクトロクロミック(ＥＣ)材料や液晶に比べて、高速応答性や高耐久性の点で優位性を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態に係る光学素子を説明する説明図。
【図２】実施形態に係る板状コロイド粒子材料の大きさを説明する説明図。
【図３】板状コロイド粒子材料が分散した状態を示す電子顕微鏡写真図。
【図４】導電膜間に電圧を印加しない状態の板状コロイド粒子材料の配向状態を説明する説明図。
【図５】導電膜間に電圧を印加した状態の板状コロイド粒子材料の配向状態を説明する説明図。
【図６】導電膜間に電圧を印加しない状態での板状コロイド粒子材料の配向状態を示す光学顕微鏡写真図。
【図７】導電膜間に電圧を印加した状態での板状コロイド粒子材料の配向状態示す光学顕微鏡写真図。
【図８】電圧印加の有無による実施形態に係る光学素子の透過率の変化を説明する説明図。
【図９】文字上に実施形態に係る光学素子を設置し、電圧を印加しないときにおける観察状態を示す写真。
【図１０】文字上に実施形態に係る光学素子を設置し、電圧を印加したときにおける観察状態を示す写真。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１において、符号１は、透過光制御を行う実施形態に係る光学素子を示す。この光学素子１は、一対の透明基板２間に調光層３が介在される構成とされている。
【００１６】
前記一対の各透明基板２としては、透明なガラス、樹脂体等が用いられている。その一対の透明基板２の間には、その周縁部において図示を略すスペーサが設けられており、これにより、一対の透明基板２間に密閉空間が区画されている。
【００１７】
前記調光層３は、図１に示すように、一対の導電膜４と、純水５と、板状コロイド粒子材料６と、から構成されている。
前記一対の各導電膜４は、前記各透明基板２の内面にそれぞれ設けられている。このため、一対の導電膜４は、一対の透明基板２間の密閉空間を利用して、一定間隔(セルギャップ)をあけた状態をもって対向配置されている。この一対の導電膜４間のセルギャップに関しては、後述の板状コロイド粒子材料６の配向制御(電圧制御)を考慮して、本実施形態においては、１０μｍ〜５０μｍ程度の範囲に設定されている。
【００１８】
前記純水５は、図１に示すように、一対の導電膜４間(一対の透明基板２が区画する密閉空間内)に充填されている。この純水５は、後述の板状コロイド粒子材料６の配向制御を考慮して、他の液体よりも低粘性で且つ絶縁性が高いことに着目して用いられており、本実施形態においては、メルクミリポワ製Ｍｉｌｌｉ-Ｑにより生成した比抵抗１８ＭΩ・ｃｍ以上の純水が用いられている。
【００１９】
前記板状コロイド粒子材料６は、配向制御が行われるものとして、図１に示すように、前記純水５中に含有されている。この板状コロイド粒子材料６は、図２に示すように、一辺を１〜１０μｍ程度の略正方形状としつつ、厚さを１μｍ以下(好ましくは、０.１μｍ〜１μｍ)としたものが用いられる。これにより、板状コロイド粒子のアスペクト比(１辺の長さ／厚み)は、各長さを適宜選択して、２以上、好ましくは１０以上(より好ましくは１０〜１００)に設定されている。アスペクト比を高めることにより、コロイド粒子により大きな分極を誘起することが可能となり、板状コロイド粒子材料６の配向性能を高めることができるからである。
ここで、板状コロイド粒子材料６の一辺を１μｍ以上としているのは、その厚みとの関係で、実際上、アスペクト比を容易に２以上とするためである。板状コロイド粒子材料６の一辺を１０μｍ以下としているのは、１０μｍを超えるものを製造することは可能であるが、１０μｍ超えるものは応答速度が遅くなること等を考慮したためである。また、板状コロイド粒子材料６の厚さを１μｍ以下としているのは、透明性を高めること等を考慮したからであり、板状コロイド粒子材料６の厚さを０.１μｍ以上としているのは、機械的強度や耐久性を向上させるためである。
【００２０】
本実施形態においては、板状コロイド粒子材料として、層状珪酸塩に代表されるＨ型アイレライトが用いられている。Ｈ型アイレライトとは、Ｎａ型アイレライトをプロトンで置換したものであり、Ｎａ型アイレライトは、シリカコロイド、水酸化ナトリウム、水の混合物から水熱反応により得られる。そして、Ｈ型アイレライトは、塩酸水溶液によるＮａ型アイレライトのイオン交換により得られる。
また本実施形態においては、Ｈ型アイレライトとＮａ型アイレライトの格子面間隔はそれぞれ、０.７７２ｎｍと１.１５７ｎｍである。精製したＨ型アイレライトの平均的サイズと形は、１辺が３.５μｍの正方形で厚みが０.１７μｍである。したがって、上記の作製法で得られた板状コロイド粒子材料のアスペクト比(１辺の長さ／厚み)は約２０である。
図３は、このような板状コロイド粒子材料６を示す顕微鏡写真である。
【００２１】
この板状コロイド粒子材料６の純水５中での濃度は、その板状コロイド粒子材料６の適正な配向制御が行えるようにすべく、セルギャップが５０μｍの場合には、全体に対して０.５〜１０重量％に設定されている。具体的には、板状コロイド粒子材料６の濃度は、セルギャップが５０μｍの場合には、全体に対して４重量％前後とされている。
【００２２】
このような板状コロイド粒子材料６は、該板状コロイド粒子材料６に電界等が及ばない通常持には、図１、図４に示すように、導電膜４に対して平行な配向状態(倒伏状態)となることになっている。これは、大きさ、形状(一辺の長さが１〜１０μｍ程度であって厚さが1μｍ以下)、重量等に基づき、板状コロイド粒子材料６が、比較的粘性の低い純水の下で、重力場に対して安定な倒伏状態を導電膜に向けてとるからである。勿論、このような現象は、一対の導電膜４が上下に配置される態様で使用される場合(図１、図４に示す状態)に限らず、一対の導電膜４が上下に起立した態様で使用される場合においても生じる。一対の導電膜４間の狭い間隔(セルギャップ)の下では、粘性が高くなって、板状コロイド粒子材料６が、一対の導電膜４間において、導電膜４に向けて倒伏された状態で維持されるからであり、また、板状コロイド粒子材料６が、一旦、倒伏された状態で、一対の導電膜４が上下に起立した態様にされたとしても、倒伏された状態で維持されるからである。
【００２３】
前記一対の導電膜４には、図５に示すように、交流電源７が接続されている。この交流電源７は、本実施形態においては、ＯＮ,ＯＦＦ制御されることになっており、交流電源７がＯＮとされたときには、交流電圧が一対の導電膜４間に印加され、この交流電圧の印加に基づき、導電膜４の並設方向(図５中、上下方向)を向く電界が付与されることになっている。これにより、各板状コロイド粒子材料６は、導電膜４に対して垂直な配向状態となる。
具体的に説明すれば、溶液中に分散したコロイド粒子に、外部から電場を与えると溶液と粒子の界面に電荷が誘起される。そこで生じる電荷量は溶媒と粒子の分極率に依存し、その相違により双極子モーメントが誘起される。粒子は、この双極子モーメントを電場の方向に向きを揃えようとするので配向する。このため、本実施形態において、一対の導電膜間に交流電圧を印加して電界を与えたときには、上述のとおり、各板状コロイド粒子材料６は、図５に示すように、導電膜４に対して垂直な配向状態となる。
【００２４】
このような場合の交流電圧としては、５Ｖｒｍｓ以下であって周波数が１ｋＨｚ以上のものが用いられる。この交流電圧は、板状コロイド粒子材料６が的確に導電膜４に対して垂直な配向状態に変化することができるようにする観点から選択されているが、５Ｖｒｍｓ以下としているのは、５Ｖｒｍｓ以下の交流電圧で十分に、一対の導電膜４に対して板状コロイド粒子材料６を垂直な配向状態とすることができ、５Ｖｒｍｓを超える交流電圧を用いても無駄だからである。また、周波数を１ｋＨｚ以上としているのは、板状コロイド粒子の分極の緩和が無視でき、安定かつより大きな分極が得られるからである。
具体的には、周波数が１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚで、数百ミリＶｒｍｓ〜２Ｖｒｍｓ程度の非常に低い交流電圧が用いられる。この程度の交流電圧でも、前述の板状コロイド粒子材料６を配向制御可能だからである。
この交流電圧は、一対の導電膜４間の間隔(セルギャップ)に大きく依存している。たとえば、セルギャップが５０μｍの場合には、板状コロイド粒子材料６の配向を制御するために電圧として、１Ｖｒｍｓ以上が必要となり、セルギャップが１０μｍの場合には、２００mＶｒｍｓ以上が必要となる。この場合、本光学素子１の消費電力は、セルギャップが５０μｍの場合に計算上約５６ｎＷ、セルギャップが１０μｍの場合に約１１ｎＷ程度と極めて低消費電力となる。
【００２５】
一方、交流電源７がＯＦＦとされたときには、交流電圧が一対の導電膜４間に印加されず、電界が発生しないことになる。このため、前述した如く、板状コロイド粒子材料６は、その大きさ、形状、重量等に基づき、重力場に対して安定な導電膜４側に倒伏して該導電膜４に対して平行な配向状態となる。
勿論、一対の導電膜４が上下に起立した態様で、その導電膜４に対して板状コロイド粒子材料６を垂直に配向させた状態で使用されていても、交流電源７をＯＦＦとすると共に、一対の導電膜４を上下方向に並設される配置とすれば、板状コロイド粒子材料６は、導電膜４に対して平行な配向状態となる。
【００２６】
このように、この光学素子１においては、交流電圧のＯＮ,ＯＦＦにより電場をＯＮ,ＯＦＦすることができ、その電場のＯＮ,ＯＦＦだけで各板状コロイド粒子材料６の配向を可逆的に制御できる。これにより、光学素子１に入射された入射光は、交流電圧のＯＮ,ＯＦＦにより、透過光又は散乱光として出射される。
しかもこの場合、交流電圧を使用するON時であっても、一対の導電膜４間の狭いセルギャップに基づき使用電圧を非常に低いものにできる。さらには、一対の導電膜４間に満たされる液体として、絶縁性の高い純水が使用されることから、ほとんど電流を流さないようにすることができ、消費電力についても極めて低いものにできる。
【００２７】
図６、図７は、光学素子１の中に配置された板状コロイド粒子材料６の状態を光学顕微鏡を用いて観察した結果を示すものである。そのうち、図６は一対の導電膜４間に交流電圧が印加されていない状態を示すものであり、図７は一対の導電膜４間に交流電圧が印加された状態を示すものである。この図６、図７の結果から、一対の導電膜４間に交流電圧が印加されていないときには(図６に示す場合)、各板状コロイド粒子材料６が導電膜４に平行な配向状態を示し、一対の導電膜４間に交流電圧が印加されているときには(図７に示す場合)、各板状コロイド粒子材料６が導電膜４に対して垂直な配向状態を示し、交流電圧のＯＮ,ＯＦＦ制御により、各板状コロイド粒子材料６の配向が可逆的に変化することが確認できた。この場合、印加交流電圧を０.７Ｖｒｍｓ、周波数を１０ｋＨｚ、一対の導電膜４間の間隔（セルギャップ）を５０μｍとした。
【００２８】
図８は、一対の導電膜４に対する電圧の印加(ＯＮ),印加無(ＯＦＦ)による光学素子１の透過率の変化を示すものである。印加電圧は２Ｖｒｍｓ、周波数は１０ｋＨｚ、導電膜と導電膜の間隔（セルギャップ）は５０μｍである。この図８は水だけ封入した素子の透過率を１として規格化してある。この図８の結果によれば、電圧の印加により透過率の３０％程度の変化が観察される。また、電圧印加に対する応答速度は１秒以下と非常に速い。この場合、より小さなセルギャップの素子を用いることで、実際に印加する電圧を数分の一まで下げることも可能である。
尚、図８において、上側に配置される矢印が電圧印加を示し、下側に配置される矢印が電圧印加無を示している。
【００２９】
図９、図１０は、文字の上に実施形態に係る光学素子１を設置して文字の見え方を観察した結果を示すものである。そのうち、図９は一対の導電膜４間に交流電圧が印加されていない状態を示すものであり、図１０は一対の導電膜４間に交流電圧が印加された状態を示すものである。この図９、図１０の結果から、電圧印加の有無に応じて文字が見えたり見えなかったりすることが分かる。この場合、印加電圧は２Ｖｒｍｓ、周波数は１０μｍｋＨｚ、導電膜４と導電膜４との間隔(セルギャップ)は５０μｍとされた。
【００３０】
したがって、このような光学素子１においては、一対の導電膜４には、該一対の導電膜４に対して板状コロイド粒子材料６を垂直な配向状態とするときにのみ、電圧が印加されることが好ましいことから、その一対の導電膜４に対して板状コロイド粒子材料６を垂直な配向状態に変化させるときには、短い一対の導電膜４間に電圧を印加して、使用印加電圧を、従前同様、低い状態に維持できる。その一方、板状コロイド粒子材料６を一対の導電膜４に対して平行な配向状態に変化させるときには、電圧を印加しなくても、比較的粘性の低い純水の下で、板状コロイド粒子材料６の大きさ、形状(一辺の長さが１〜１０μｍ程度であって厚さが１μｍ以下)、重量等を利用して、その板状コロイド粒子材料６は、導電膜４に向けて倒伏して、その導電膜４に対して平行状態となる。このため、一対の導電膜４に対して板状コロイド粒子材料６を平行な配向状態に変化させるときに、印加電圧を不要とすることができ、板状粒子である板状コロイド粒子材料６の可逆的な配向変化を行うに際して、その際に用いる印加電圧を低減できる。
【００３１】
また、板状コロイド粒子材料６が比較的粘性の低い純水５中で配向変化することから、高粘性液体の下で配向変化する場合とは異なり、板状コロイド粒子材料６の配向変化の応答速度を高めることができる。
【００３２】
さらに、電圧を印加して一対の導電膜４に対して板状コロイド粒子材料６を垂直な配向状態とするときであっても、一対の導電膜４間に絶縁性の高い純水が満たされていることから、その電圧印加時に、電流をほとんど流さないようにすることができる。このため、消費電力を著しく低減させることができる。
【００３３】
勿論この場合、配向制御される対象物が、無機物(層状珪酸塩)であるコロイド粒子材料６であることから、当該光学素子１は、エレクトロクロミック(ＥＣ)材料や液晶を用いるものに比べて、高速応答性や高耐久性の点で優位性を有する。
【００３４】
以上実施形態について説明したが本発明においては、次の態様を包含する。
（１）板状コロイド粒子材料６を、導電膜４に対して垂直な配向状態と平行な配向状態の切り換えに限らず、その両者の中間の配向状態をも、起立配向状態の一つとして、印加電圧調整等により取り得るようにすること。
（２）当該光学素子１を、入射光を透過光又は散乱光に切り換えるものとして用いるだけでなく、反射又は吸収の切り換え等、種々の態様に用いること。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の光学素子は、調光ガラス、光学フィルター、表示素子、電子ペーパー、防眩ミラー等に応用できる。
【符号の説明】
【００３６】
１  光学素子
４  導電膜
５  純水
６  板状コロイド粒子材料
７  交流電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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