(57)【要約】光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）のような電界駆動スイッチのための分子システム（４３０、６３０、６３０'、７３０）を提供する。当該分子システム（４３０、６３０、６３０'、７３０）は、（１）分子配座の変化、（２）バンドギャップを変化させる化学結合変化を介する拡張共役の変化、あるいは（３）分子の折り畳みあるいは伸長、のうちの１つのメカニズムによって、電界誘導のバンドギャップ変化が起きる。即ち、光学ディスプレイ（１００、２００、３００）を含む種々の光学デバイスを容易に形成するために組み合わせることのできる種々の光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）を容易に形成するために組み合わせることのできるナノメートルスケールの可逆的な光スイッチが提供される。
2005505785.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極（１０７、１０９あるいは２０１、２０３及び２０２、２０４）によって生成される電界内で構成される分子システム（４３０、６３０、６３０'、７３０）からなる電界駆動の光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）であって、前記分子システム（４３０、６３０、６３０'、７３０）が、
（１）分子配座の変化あるいは異性化、
（２）バンドギャップを変化させる化学結合変化を介した拡張共役の変化、
あるいは、
（３）分子の折り畳みあるいは伸長、
のうちの１つのメカニズムによって、電界誘導のバンドギャップ変化が起こる光スイッチ。
【請求項２】
前記電界誘導バンドギャップ変化が分子配座の変化あるいは異性化によって生じ、前記分子システム（４３０）が少なくとも１つの固定子部（４３４）及び少なくとも１つの回転子部（４３２）からなり、該回転子（４３２）が印加電界により第１の状態から第２の状態に回転し、前記第１の状態では、前記分子システムの全体にわたって拡張共役が存在し、その結果バンドギャップが比較的小さくなり、且つ前記第２の状態では、前記拡張共役が破壊され、その結果バンドギャップが比較的大きくなる請求項１に記載の光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）。
【請求項３】
前記電界誘導バンドギャップがバンドギャップを変化させる化学結合の変化を介して生じ、この場合、前記電界誘導バンドギャップ変化が、バンド局在化の増減を伴う電荷分離あるいは再結合を介した拡張共役の変化によって生じる請求項１に記載の光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）。
【請求項４】
前記分子システム（６３０）が２つの部分（６３２、６３４）からなり、第１の状態から第２の状態への変化は印加電界により生じ、該変化が、前記第１の状態から前記第２の状態に変化する際に電荷分離を伴い、それにより結果としてπ非局在化が少ない比較的バンドギャップの大きい状態となり、且つ前記変化が、前記第２の状態から前記第１の状態に変化する際に電荷の再結合を伴い、それにより結果としてπ非局在化が比較的大きい比較的バンドギャップが小さい状態になる請求項３に記載の光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）。
【請求項５】
前記電界誘導バンドギャップがバンドギャップを変化させる化学結合の変化を介して生じ、この場合、前記電界誘導バンドギャップ変化が、電荷の分離あるいは再結合、及びπ結合の破壊あるいは形成を介する拡張共役の変化によって生じる請求項３に記載の光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）。
【請求項６】
前記分子システム（６３０'）が２つの部分（６３２'、６３４'）からなり、第１の状態から第２の状態への変化が印加電界により生じ、該変化が、前記第１の状態から前記第２の状態に変化する際に電荷分離を伴い、前記第１の状態では、前記分子システム（６３０'）の全体にわたって拡張共役が存在し、その結果バンドギャップが比較的大きい状態となり、且つ前記第２の状態では、前記拡張共役が破壊され、前記分子システム内に分離した正及び負の電荷が生成され、その結果バンドギャップが比較的小さい状態になる請求項５に記載の光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）。
【請求項７】
前記電界誘導バンドギャップ変化が分子の折り畳みあるいは伸長を介して生じ、前記分子システム（７３０）が３つの部分（７３２、７３４、７３６）、即ち第２の中央部分（７３４）にそれぞれ結合している第１の部分（７３２）及び第３の部分（７３６）からなり、第１の状態から第２の状態への変化は印加電界により生じ、該変化が前記第２の部分の近傍あるいは前記第２の部分の折り畳みあるいは伸長を伴い、前記第１の状態では、前記分子システム（７３０）の全体にわたって拡張共役が存在し、その結果バンドギャップが比較的小さい状態になり、且つ前記第２の状態では、前記拡張共役が破壊され、その結果バンドギャップが比較的大きい状態になる請求項１に記載の光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）。
【請求項８】
前記分子システム（４３０、６３０、６３０'、７３０）が双安定性であり、不揮発性の構成要素をもたらす請求項１に記載の光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）。
【請求項９】
前記分子システム（４３０、６３０、６３０'、７３０）が本質的に種々の状態間で低い活性化障壁を有し、高速であるが揮発性のスイッチをもたらす請求項１に記載の光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）。
【請求項１０】
前記分子システム（４３０、６３０、６３０'、７３０）が３つ以上の切替え可能な状態を有し、それによって次第に低下するあるいは増加する電界を印加することによって前記分子システム（４３０、６３０、６３０'、７３０）の光学的特性が連続して調整されるようにし揮発性スイッチを形成するか、又は少なくとも１つの活性化障壁を有するスイッチに電圧パルスを印加することにより色が瞬時に変更されるようにする請求項１に記載の光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）。
【請求項１１】
前記分子システム（４３０、６３０、６３０'、７３０）が、透明状態と有色状態との間、又はある有色状態と別の有色状態との間で変化する請求項１に記載の光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）。
【請求項１２】
前記分子システム（４３０、６３０、６３０'、７３０）が、ある屈折率と別の屈折率との間で変化する請求項１に記載の光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）。
【請求項１３】
請求項１に記載の分子システム（４３０、６３０、６３０'、７３０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、その機能長スケールがナノメートル単位である光学デバイスに関し、より詳細には、光スイッチングをもたらす種類の分子に関する。マイクロメートル（μｍ）及びナノメートル（ｎｍ）の両スケールの電子デバイスを、本明細書における教示に従って構成することができる。
【背景技術】
【０００２】
分子エレクトロニクス分野は初期の段階にある。現在までに、電子スイッチのような分子に関して技術文献で公開されたものとしては、２つの説得力ある論証がある。Ｃ．Ｐ．ＣｏｌｌｉｅｒらによるＳｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ．２８５、ｐｐ．３９１−３９４（１９９９年７月１６日）及びＣ．Ｐ．ＣｏｌｌｉｅｒらによるＳｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ．２８９、ｐｐ．１１７２−１１７５（２０００年８月１８日）を参照されたい。しかし、本話題をとりまく科学的コミュニティ内では、多数の思い入れと関心が存在する。公表された研究においては、ロタキサン又はカテナンと呼ばれる分子を２つの金属電極間にトラップし、その分子の両端に正のバイアスをかけることによってＯＮ状態からＯＦＦ状態へ切り替えさせていた。ロタキサン及びカテナンに関しては、ＯＮ状態及びＯＦＦ状態で、その抵抗率が、それぞれ、ファクターでおよそ１００及び５と異なっていた。
【０００３】
ロタキサンに関する主な問題は、それが不可逆的なスイッチであるということであった。それは一度だけ切り替えることができるものである。従って、プログラマブル読み出し専用メモリ（ＰＲＯＭ）には利用できるが、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）類似デバイスにおいて、又はフォールトトレラント通信及び論理ネットワークのような再構成可能システムにおいては用いることができない。さらに、ロタキサンは、スイッチを切り換える前に、酸化及び／又は還元反応を起こす必要がある。このことは、スイッチを切り換えるのに、相当な量のエネルギーの消耗を要する。加えて、ロタキサン分子及び同族化合物の大きく且つ複雑な特性は、分子のスイッチング時間を遅くする可能性がある。カテナンに関する主要な問題は、ＯＮ−ＯＦＦ比が小さいこと、及びスイッチング時間が遅いということである。
【０００４】
現在では、薄膜形態において光スイッチングをもたらす広く様々な既知の発色性材料がある。これらの材料及びそれらの用途は、近年、Ｃ．Ｂ．Ｇｒｅｅｎｂｅｒｇ、Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ、Ｖｏｌ．２５１、ｐｐ．８１−９３（１９９４）、及びＲ．Ｊ．Ｍｏｒｔｉｍｅｒ、Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｒｅｖｉｅｗｓ、Ｖｏｌ．２６、ｐｐ．１４７−１５６（１９９７）によって概説されている。これらの材料は現在、サングラスの能動的な暗化、インテリジェントライト及び建物の熱管理のための窓の能動的な暗化、並びに自動車あるいは航空機のフロントガラス内面上のヘッドアップディスプレイ及び眼鏡ディスプレイのような、様々な種類の光学ディスプレイを含む種々の用途のために研究されている。
【０００５】
それらは非常に有望視されて久しいにもかかわらず、既存の種類のエレクトロクロミック材料から形成された光子ゲーティングデバイスはほとんどない。これは、それらの大部分が、ある種の液体あるいは固体電解質を通して、Ｈ＋、Ｌｉ＋あるいはＮａ＋のようなイオンの輸送を伴う酸化−還元反応を要するためである。イオンの輸送を必要とするいずれのデバイスも低速であるため、適切な電解質を見つけることが主な課題である。さらに、そのような反応は、酸素あるいは他の化学種のような周囲の夾雑物から極端に影響を受けやすく、それゆえ発色性電極の劣化が主な弱点である。
【０００６】
実際上、光通信ネットワークのためのクロスバースイッチルータのような光子スイッチング用途に関して、適切な発色性材料がないため、企業は以下のような様々な手法を用いることを余儀なくされている。（ａ）光信号を電子信号に変換し、スイッチング操作を実行して、その後、光ファイバに送出する前に光信号に戻すこと（これは現時点で最も頻繁に用いられている解決手法であるが、非常に効率が悪く、電子回路が光学システムのデータ速度に遅れずに動作させるのが難しい）、（ｂ）マイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭ）処理によって形成された可動ミラーアレイを用いて、光データパケットを切り替えること（これは、そのデバイスに関して極端に高い公差を必要とし、非常に高いコストがかかるという短所を有する）、（ｃ）インクジェット技術を用いて、バブルをチャンバ内に押し出し、光ビームを反射するためのミラーを形成すること（この手法は同じく精密に製造する必要があり、且つスイッチング時間が遅い）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、化学的な酸化及び／又は還元を回避し、第１の状態から第２の状態に適度な速度で切り替わることができ、リアルタイムあるいはビデオレートのディスプレイ用途を可能にするために可逆的であり、且つ種々の光学デバイスにおいて用いることができる分子システムが必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、光スイッチングのための分子システムが提供される。当該分子システムでは、以下のメカニズムのうちの１つを介して電界誘導バンドギャップ変化が起こる。
（１）分子配座の変化あるいは異性化、
（２）バンドギャップを変化させる化学結合変化を介する拡張共役の変化、
あるいは、
（３）分子の折り畳みあるいは伸長。
【０００９】
バンドギャップを変化させる化学結合変化を介する拡張共役の変化は、下記の方法の１つで達成することができる。
（ａ）バンド局在化の増減を伴う電荷の分離あるいは再結合
あるいは、
（ｂ）電荷の分離あるいは再結合、及びπ結合の破壊あるいは形成を介する拡張共役の変化
【００１０】
本発明は、例えば、それを容易に組み合わせることで、ディスプレイ、電子ブック、書換え可能媒体、電子レンズ、窓及びミラーのための電気制御による着色、光ファイバ通信用の光クロスバースイッチなどを形成できる光スイッチを提供する。そのような用途は他で検討されており、本発明の光スイッチがそのような用途の装置を構成するために用いられる場合を除いて、本発明には密接には関連しない。
【００１１】
本発明は、幾つかのタイプの新しいスイッチングメカニズム、即ち（１）分子のバンドギャップを変化させる、少なくとも１つの分子の回転可能部分（回転子）の電界誘導回転、（２）バンドギャップを変化させる化学結合変化を介した分子の電界誘導電荷分離あるいは再結合、（３）分子の折畳みあるいは引伸ばしを介した電界誘導バンドギャップ変化、を導入している。これらのデバイスは、一般的に、電界デバイスであると考えられ、従って、電気化学的デバイスを扱う初期の実施態様（上述の関連特許出願及び特許に記載されている）とは区別されるべきである。
【００１２】
本発明は又、光スイッチのために分子を用いる能力も導入し、そこでは、状態を変化させると、前記分子は色が変化する。本特性は、色が変化するか、あるいは透明から有色状態に変化できる材料によって可能になる広く様々なディスプレイデバイス、あるいは任意の他の用途に用いることができる。
【発明の効果】
【００１３】
このように、当該分子は、スイッチの切替えにおいて酸化も還元もされない。また、当該分子の可動部分は極めて小さく、そのため、スイッチング時間が極めて速いものと期待される。また、当該分子は、ロタキサン、カテナン、及び同族化合物よりも、はるかに単純であり、従ってより容易に且つ安価に製造できる。
【発明を実施するための手段】
【００１４】
Ａ. 定義
本明細書において用いられる用語「自己組織化」は、システム構成要素の特性によって、ある種の幾何学的パターンを自然に選択するシステムを意味する。該システムは、その構成を選択することで、そのエネルギーが少なくとも極小となる。
【００１５】
用語「一度だけ構成可能な」とは、スイッチが、酸化あるいは還元反応のような不可逆過程を介して一度だけその状態を変えることができることを意味する。そのようなスイッチは、例えば、プログラマブル読出し専用メモリ（ＰＲＯＭ）の基礎をなすことができる。
【００１６】
用語「再構成可能な」とは、スイッチが、酸化又は還元のような可逆過程を介して多数回その状態を変化させ得ることを意味する。換言すれば、該スイッチは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）のメモリビット、あるいはディスプレイのカラーピクセルのように、何度も開閉できるものである。
【００１７】
分子に適用される際の用語「双安定な」とは、エネルギー（又は活性化）障壁によって隔てられている比較的低い２つのエネルギー状態（極小）を有する分子を意味する。該分子は、ある状態から他の状態へ不可逆的に切り替えられるか（一回だけ構成可能）、又はある状態から他の状態に可逆的に切り替えられる（再構成可能）。用語「多重安定な」とは、３つ以上の低いエネルギー状態、即ち極小値を有する分子を意味する。
【００１８】
ミクロンスケールの大きさとは、寸法が１μｍから数μｍに及ぶ大きさを意味する。
【００１９】
サブミクロンスケールの大きさとは、０．０５μｍから１μｍまでの範囲にある大きさを意味する。
【００２０】
ナノメートルスケールの大きさとは、０．１ｎｍから５０ｎｍ（０．０５μｍ）までの範囲にある大きさを意味する。
【００２１】
ミクロンスケール及びサブミクロンスケールのワイヤとは、幅又は直径が０．０５μｍから１０μｍの大きさであり、高さが数１０ｎｍから１μｍまでの範囲にあり、長さが数μｍ以上であるロッド状又はリボン状の導体あるいは半導体を意味する。
【００２２】
「ＨＯＭＯ」は「最高被占分子軌道」を表すための一般的な化学的略称であり、「ＬＵＭＯ」は「最低空分子軌道」を表すための一般的な化学的略称である。ＨＯＭＯ及びＬＵＭＯは、分子内の電子伝導を招き、ＨＯＭＯ及びＬＵＭＯと、他のエネルギー的に近い分子軌道との間のエネルギー差は分子の色の原因となる。
【００２３】
光スイッチは、本発明の文脈においては、人間の可視領域内外の、例えば遠赤外線（ＩＲ）から深紫外線（ＵＶ）までの範囲の、分子の電磁特性の変化を伴う。光スイッチングには、電磁放射の吸収、反射、屈折、回折及び拡散散乱のような特性変化が含まれる。
【００２４】
用語「透明」とは、着色剤によってスペクトル成分が吸収される領域以外の、可視スペクトルにおいて定義され、着色剤内を通過する光が光学的に妨害あるいは変更されないことを意味する。例えば、分子着色剤が可視スペクトルにおいて光を吸収しない場合には、その着色剤は無色透明の透明度を有するように見えるであろう。
【００２５】
用語「全環境照明視認性」とは、本明細書においては、眼が敏感に反応する任意の環境照明条件下での視認性と定義される。
【００２６】
Ｂ．光スイッチ
光スイッチは、２００１年１０月１６日付けの同時係属中の米国特許出願第０９／９８１、１６６号にさらに詳細に記載されている。その特許出願から得られる一般的な実施例を本明細書の図１に示しており、少なくとも１つの着色剤層１０１を組み入れているディスプレイ画面１００が示されている。着色剤層１０１は、以下にさらに詳細に記載され、概して「分子着色剤」と呼ばれる、本発明による、電界によって切替え可能であり、再構成可能な染料あるいは顔料分子を用いるピクセルアレイからなる。各染料あるいは顔料分子は、電界によって、像を成す色（例えば黒色）と透明状態との間で、又は２つの異なる色（例えば赤色と緑色）間で、切り替わることができる。
【００２７】
簡単に図１ａを参照すると、着色剤層１０１は、選択された１組の分子が１つのピクセルと相互的に関連するように並べられている双安定分子から形成されたアドレス指定可能なピクセルアレイである。着色剤層１０１は、ディスプレイの意図された背景色（例えば白色）を有する背景基材１０３上にコーティングされている薄層である。基材１０３は、例えば、その層による電圧降下を最小限に抑えるとともに、良好な白色と不透明度とをもたらす高誘電性顔料（例えばチタニア）含有ポリマー結合剤から構成することができる。従って、着色剤層１０１及び基材１０３の組合せから成る層状配列は、紙上のインク層と完全に類似している。ブランク状態、即ち消去された状態では、各分子はその透明な向きに切り替えられており、「インク層」は目に見えない。背景（例えば白色ピクセル）が、着色剤層１０１分子が透明な向きに切り替えられているピクセル領域越しに見える。適切な保護を与えるために、例えば透明なプラスチックあるいはガラスからなる透明な透き通しの層が、着色剤−背景サンドイッチ構造上に設けられる。該透き通しの層１０５は、それに取り付けられ着色剤層１０１の上側に配置される、ピクセル列あるいは行を駆動するための透明電極アレイ１０７を有する。背景基材１０３は、それに取り付けられピクセル列あるいは行を駆動するための相補的な電極アレイ１０９を有する（個々のピクセルのマトリックスアドレス指定及び電界による書込みのための電極アレイ１０７、１０９の層状配列の特定の実施態様が、従来の電気工学の慣行に従って変更される場合があることは当業者であれば理解されよう）。任意選択的に、ピクセルは、当分野において知られているような薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ドライバ技術を採用することにより相互に重ね合わされる。
【００２８】
本ディスプレイ１００によって、ハードコピー印刷物と同じコントラスト及び色が可能となる。分子着色剤は、大きさ及び質量が極めて小さく、解像度及び着色剤のスイッチング時間が、電界書込み電極及び回路によってのみ制限されるようになるので理想的である。インクと同様に、着色剤層１０１は、サブミクロンないしミクロンレベルの薄層において十分な密度を有することができ、論理状態間で着色剤を切り替えるために必要とされる電界電圧を低減できる可能性があり、それにより低コストの駆動回路を利用できるようになる。
【００２９】
そのようなディスプレイに用いるのに適した再構成可能な双安定分子を以下に開示し、本明細書において特許請求する。概して、これらの分子は、π軌道電子の共役の程度によって決まる光学的特性（例えば色）を有する。色あるいは透明度を含む分子の当該光学的特性は、分子に印加される電界の極性によって変化し、電界が印加されない場合にも彩色的に安定した状態を保持する。ある分子にわたる共役の連続性を破壊することにより、その分子を、ある光学状態から別の光学状態に、例えば有色から透明に、変化させることができる。外部電界を印加するか、あるいは変化させるときに、染料あるいは顔料分子のある特定部位を他の部位に対して回転させるか、あるいは別の方法で歪ませることによって、この破壊を物理的に引き起こすことができる電気双極子を着色剤内に組み込むことができる。
【００３０】
着色剤層１０１は、好ましくは、共役の強い向きにおいて着色し（例えば、黒、シアン、マゼンタあるいは黄）、共役の弱い向きにおいて透明となる分子からなる均質層である。隣接する背景基材１０３を白色にすることにより、着色剤層１０１は、高コントラストの白黒、及びカラー画像を生成することができる。着色剤層１０１は、単一の電界切替え可能の染料あるいは顔料から構成することができるし、集団で合成色（例えば、黒色）を生成する種々の切替え可能な染料あるいは顔料の混合物から構成することができる。分子着色剤を用いることにより、生成される画像の解像度は、電極アレイ１０７、１０９によって生成される電界の分解能によってのみ制限される。分子着色剤はさらにほとんど瞬間的なスイッチング速度を有し、高速な走査の要求に対して有用である（後に図３に関して記載するように）。ある特定の場合には、分子着色剤はポリマー層内に含有させることができる。そのようなコーティングを生成するためのポリマーは周知であり、例えば、アクリレート、ウレタン等が含まれる。あるいは又、着色剤層１０１は自己組織化させることができる。
【００３１】
一実施形態では、着色剤層１０１は、マトリックスアドレス指定式の液晶フラットパネルディスプレイの代替物としてもたらされる。そのようなディスプレイの場合によく知られているように、各ピクセルは、位置決めされている電極アレイのマトリックス、例えば１０７、１０９の行及び列、によってアドレス指定される。位置決めされている電極アレイ１０７、１０９は、着色剤層１０１を狭持し、重なり合うピクセルの格子（マトリックス）を形成する従来のクロスバー電極１１１、１１３から構成されており、各ピクセルは電極が重なり合う位置においてアドレス指定される。クロスバー電極１１１、１１３は、電極行及び電極列に配列され平行に隔置されている電極ラインからなり、行電極と列電極は着色剤層１０１の相対する側に分けられている。好ましくは、第１組の透明なクロスバー電極１０７（後に詳細に記載する図２においては２０１及び２０３）は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を透明基材（例えばガラス）上に薄膜付着させることによって形成される。これらの行アドレス指定可能なピクセルクロスバー電極１０７は、従来の薄膜パターニング及びエッチング技術を用いてＩＴＯ層内に形成される。着色剤層１０１及び背景基材１０３は、従来の薄膜技術（例えば蒸着）あるいは厚膜技術（例えばシルクスクリーン、スピンコーティング等）を用いて、透明電極層上に順にコーティングされるか、あるいは配置される。さらに別のコーティング技術には、ラングミュア−ブロジェット付着及び自己組織化単層が含まれる。列アドレス指定可能なピクセルクロスバー電極１０９（図２では２０２、２０４）は、行電極１０７と同様の方法で構成することが好ましい。列アドレス指定可能なピクセルクロスバー電極１０９は、任意選択的に、個別の基材上に構成することができ、後に該基材を、従来の技術を用いて前記白色コーティングと付着させる。
【００３２】
本ディスプレイ１００、２００は、既知の液晶着色剤の場合に必要とされる偏光層をなくすことにより、紙上の印刷物のようなコントラスト、色、視野角、及び全環境照明視認性をもたらす。また、上記ディスプレイを用いることにより、電力の消耗を著しく低減できるようになる。液晶は静止画像の場合でも保持電界を必要とするのに対して、本発明の着色剤層１０１の分子では、双安定分子が用いられるときには、電界が存在しない場合でもある状態にしておくことができる。従って、本発明の双安定着色剤層１０１は、あるピクセルが変更されるときに、そのピクセルのためにのみ電界を必要とするだけである。電力及び画像の品質の改善は、装置（例えば、腕時計、計算機、携帯電話あるいは他の携帯型電子機器）、テレビモニタ及びコンピュータディスプレイに関して、より広範な視認及び照明条件下において、バッテリ寿命及びディスプレイ可読性に著しい利益をもたらすであろう。さらに、解像度が低いカラーディスプレイに関しては、着色剤層を、種々の色の双安定着色分子アレイを用いたモザイク風の有色ピクセルから構成することができる。
【００３３】
着色剤層１０１内の各着色剤分子は着色剤吸収帯の外側では透明であるので、多数の着色剤層を重ね合わせ、個別にアドレス指定して、現在市販されているものよりも高い解像度のカラーディスプレイを製造することができる。図２は、この第２の実施形態の概略図である。高解像度、フルカラーのマトリックスアドレス指定可能ディスプレイ画面２００は、交互に層を形成する透明電極、即ち行電極２０１、２０３及び列電極２０２、２０４と、それぞれ異なる色の分子アレイを有する複数の着色剤層２０５、２０７、２０９とからなる。各着色剤層内の各ピクセルは有色あるいは透明にすることができるので、所与のピクセルの色を、ディスプレイの最大アドレス解像度にて、有色層（例えば、シアン、マゼンタ、黄、黒）の任意の層あるいはその組み合わせから作ることができる。あるピクセルに関して、全ての着色剤層２０５、２０７、２０９を透明にする場合には、該ピクセルは背景基材１０３（例えば白色）を示す。そのようなディスプレイは、同じピクセル密度を有しているが、単層のモザイク色による現在のマトリックスＬＣＤ装置よりも３倍以上の解像度を有するという利点をもたらす。該ディスプレイの製造の詳細は、先に記載した同時係属中の特許出願に記載している。
【００３４】
各ピクセルに設定されることになる色は、選択された有色層に直に隣接する電極間に電圧を印加することによりアドレス指定される。例えば、黄色が最も上側の着色剤層２０５であり、マゼンタが次の着色剤層２０７であり、シアンが第３の着色剤層２０９であるものと仮定すると、黄色層内のピクセルは行電極２０１及び列電極２０２を介してアドレス指定され、マゼンタは列電極２０２及び行電極２０３を介してアドレス指定され、シアンは行電極２０３及び列電極２０４を介してアドレス指定される。各着色剤分子は電界がかけられていない場合でも安定した色であるので、この簡単な共通電極アドレス指定方式が可能になる。
【００３５】
図３は、マトリックスアドレス指定ではなく、走査アドレス指定を用いる第３の実施形態を示す。マトリックスアドレス指定ディスプレイでは、比較的大きな２次元のディスプレイ表面上にパターニングされ各々がピクセル行あるいは列をディスプレイ領域の外端に接続させているアドレスライン及び間隔の数に基づいて、現時点では解像度が制限される。この第３の実施形態では、双安定分子着色剤層１０１及び背景基材１０３層による構成物が、走査電極アレイプリントヘッドと組み合わされて、上記最初の２つの実施形態と同じ可読性に加えて、市販の出版物の解像度という利点を有する走査電極ディスプレイデバイス３００が提供される。走査電極アレイ及び駆動電子回路は静電プリンタと共通であり、その構成及びインターフェースは周知である。基本的には、双安定分子スイッチが保持電界を必要としないことを思い起こすと、走査電極アレイディスプレイデバイス３００は、一度に１つのピクセル行を印刷することにより、表示画像を変更する。従って、走査電極アレイディスプレイデバイス３００は、該アレイの両側に沿って奇数及び偶数の電極アドレスラインを交互に配置することができ、通過アレイ接続を有する多数のアドレス層を含むことができ、一度の走査中に釣り合うように重なり合う多数のアレイを互い違いに配置することができる長所により、はるかに大きな解像度をもたらす。着色剤層１０１は、同様に色モザイクでパターニングされ、極めて高解像度の走査式カラーディスプレイを製造することができる。
【００３６】
より詳細には、図３に示す第３の実施形態は、ディスプレイ画面３０２、走査電極アレイ３０４、及び画面表面の端から端まで電極アレイを正確に移動させるためのアレイトランスレーション機構３０１から構成されている。ディスプレイ画面３０２は、同様に、背景基材１０３、透明な透き通し層１０５、及び少なくとも１つの双安定分子着色剤層１０１とから構成される。着色剤層１０１には、本明細書において先に記載したように、均質な単色着色剤（例えば黒色）あるいは色モザイクが含まれる。走査電極アレイ３０４は、背景基材１０３に接触しているか、あるいはほぼ接触している線形の電極アレイあるいは同等に互い違いに配置されている電極アレイからなる。互い違いに配置されている電極アレイは、例えば、もし電極が隣接していれば生じる電極間の電界クロストークを最小限に抑えるために、且つディスプレイの解像度を高めるために用いることができる。
【００３７】
各電極は、寸法決めされ、配置され、さらに電気的にアドレス指定されており、動作時には、ピクセル列に沿った所与のピクセル位置において着色剤層１０１を横切って「Ｅ」と付された矢印によって表される適切な電界を与える。電界Ｅは、着色剤分子の色のスイッチング軸に応じて、着色剤層１０１面に垂直に、あるいはそれに平行に向けることができる。垂直な電界は、該電極アレイの反対側のコーティング面上に一般的な電極（例えばＩＴＯ層）を配置することにより生成することができる。電極アレイは又、フリンジ電界を発するように構成することができる。平行なフリンジ電界は、該アレイに隣接して該アレイに平行に一般的な電極を配置することにより生成することができる。垂直なフリンジ電界は、電極アレイ（単数又は複数）の近傍に、対称且つ隔置された平行な一般的な電極を配置することにより生成することができる。電圧は、アレイ３０４の直下に形成される支配的な電界線が、アドレス指定される着色剤分子（単数又は複数）を切り替えるのに十分な強さを有し、分割された戻りの電界線がないように調節される。別の実施形態及び走査機構に関するさらに多くの情報は、先に記載した同時係属中の特許出願において論じている。
【００３８】
Ｃ．本発明
本発明によれば、着色剤層１０１のために、いくつかの新たな種類のスイッチングのうちの１つを明白に示す分子が提供される。換言すると、本発明は、従来技術とは区別されるいくつかの新しい種類のスイッチングメカニズムを導入する。
（１）分子のバンドギャップを変化させる、分子の少なくとも１つの回転可能部位（回転子）の電界（Ｅ界）誘導回転
（２）バンドギャップを変化させる化学結合変化を介した電界誘導の分子の電荷分離あるいは再結合
（３）分子の折り畳みあるいは伸長を介した電界誘導のバンドギャップ変化
従って、従来技術の手法とは対照的に、色のスイッチングは、拡散あるいは酸化／還元反応ではなく、電界誘導の分子内変化の結果起こる。また、分子の可動部は極めて小さいので、スイッチング時間は非常に速くなるものと期待される。さらに、該分子は、ロタキサン、カテナン及び同族の化合物よりもはるかに単純であり、それゆえ製造するのが容易で、低コストである。
【００３９】
以下は、モデル分子の例と、それらの機能の簡単な説明である。
（１）分子配座の変化を介する電界誘導バンドギャップ変化（回転子／固定子方式モデル）−図４及び図５ａ〜図５ｃ
（２ａ）バンド局在化の増減を伴う電荷の分離あるいは再結合を介した拡張共役の変化によって引き起こされる電界誘導バンドギャップ変化−図６ａ
（２ｂ）電荷の分離あるいは再結合、及びπ結合の破壊あるいは形成を介する拡張共役の変化によって引き起こされる電界誘導バンドギャップの変化−図６ｂ
（３）分子の折り畳みあるいは伸長を介する電界誘導バンドギャップ変化−図７
【００４０】
以下、各モデルを、補助例を用いて説明する。しかしながら、開示される例は、本発明を図示する特定の分子システムに限定するものではなく、むしろ、上記スイッチングメカニズムの単なる例示とみなすべきである。
【００４１】
モデル（１）：分子配座の変化を介する電界誘導バンドギャップ変化（回転子／固定子方式モデル）
図４は、分子配座の変化を介する電界誘導バンドギャップ変化（回転子／固定子方式のモデル）を伴う本モデルの概略図である。図４に示すように、当該分子４３０は、回転子部４３２と固定子部４３４からなる。回転子部４３２は、印加電界によって回転する。図の左側に示す状態では、分子全体にわたって拡張共役が存在し、その結果バンドギャップが比較的小さくなり、それによって、より長い波長の（赤方偏移した）光を吸収する。図の右側に示した回転子が回転している他の状態では、拡張共役が破壊されて、その結果バンドギャップが比較的大きくなり、それによって、より短い波長の（青方偏移した）光を吸収する。図５ａ〜図５ｃは、本モデル１の別の好ましい実施形態を示す。これら後者の図を、本モデル１の例１及び２に関連して以下に説明する。
【００４２】
本モデルでは、下記要件が満たされなければならない。
（ａ）分子は、少なくとも１つの回転子部及び１つの固定子部を有していなければならない。
（ｂ）分子のある状態では、分子全体（回転子（単数又は複数）及び固定子（単数又は複数））にわたって拡張する非局在化ＨＯＭＯ及び／又はＬＵＭＯ（π状態及び／又は非結合軌道）が存在しなければならず、その他の状態では、その軌道が回転子及び固定子上に局在化している。
（ｃ）回転子と固定子との接続ユニットは、（１）非結合電子（ｐ又は他の電子）、あるいは（２）π電子、あるいは（３）π電子及び非結合電子（単数又は複数）を有する１つのσ結合あるいは少なくとも１つの原子であることができる。
（ｄ）電界による活性化時に回転子が回転する間、回転子（単数又は複数）及び固定子（単数又は複数）の非結合電子、あるいはπ電子、又はπ電子及び非結合電子（単数又は複数）を、分子の配座に依存して局在化あるいは非局在化させることができる。
（ｅ）分子の配座（単数又は複数）は、電界依存性あるいは双安定性とすることができる。
（ｆ）双安定状態（単数又は複数）は、例えば水素結合、クーロン力、ファンデルワールス力、金属イオン錯体相互安定化あるいは双極子相互安定化のような分子内あるいは分子間力によって達成することができる。
（ｇ）分子のバンドギャップは、非結合電子、あるいはπ電子、あるいはπ電子と非結合電子（単数又は複数）の非局在化の程度に依存して変化する。これが分子の光学的特性（例えば、色及び／又は屈折率等）を制御することになる。
【００４３】
以下は、本モデルの２つの例（例１及び２）である。
【００４４】
本発明の新規の２モード分子は、外部電界によって切り替え可能な能動光学デバイスである。好ましくは、着色剤分子は双安定性である。その全般的な概念は、大きい双極子モーメントを有し（例１及び２参照）且つ固定化されている分子４３０の他の２つの部分（固定子）４３４を連結する回転可能な中間部分（回転子）４３２を分子中に設計することである。印加電界の影響下、回転子４３２のベクトル双極子モーメントは、外部電界の方向に平行に配列しようとするであろう。しかしながら、分子４３０は、回転子４３２を固定子４３４に関して特定の方位で安定化させる、例えば水素結合、双極子−双極子相互作用並びに立体斥力のような分子間及び／又は分子内力が存在するように設計されている。従って、回転子４３２をその初期の方位から外して固定子４３４に関して回転させるには、大きい電界を必要とする。
【００４５】
一旦、ある特定方位に切り替えられると、分子４３０は、異なる向きに切り替えられるまで、あるいは構成変更されるまで、その方位に留まるであろう。しかしながら、分子設計の重要な要素は、回転子４３２が完全に１８０°反転するまで回転するのを妨げる立体斥力あるいは障害が存在することである。代わりに、その回転は、回転子４３２及び／又は固定子４３４上の大きい基の立体相互作用によって、初期の方位から典型的には１０°〜１７０°の光学的に有効な角度で止められる。例示のため、この角度は、本応用形態では９０°として示されている。さらに、この切替えの方位は、異なった組の分子間及び／又は分子内水素結合あるいは双極子相互作用によって安定化され、従って、印加電界が解除された後でも所定の位置に留まる。双安定あるいは多重安定着色剤分子に関しては、固定子から光学的に有効な角度だけ隔てられた２つの状態の間に回転子４３２を留めるこの能力は極めて重要である。
【００４６】
多数の状態（３以上）によって多状態（例えば多色）システムを形成できるように、上記方法を一般化して、いくつかの切替えステップをもたらすように着色剤分子を設計することができる。そのような分子によって、着色剤層の光学的特性が、電界を増減するのに応じて連続して調整されるか、又はパルス状の電界を印加することによりある状態から他の状態に瞬時に変更されるようになる。
【００４７】
さらに、着色剤分子は、高速ではあるが揮発性のスイッチングのために、活性化障壁がないか、あるいは低い場合を含むように設計することができる。この最後の状況では、双安定性は必要ではなく、分子は電界によってある状態に切り替えられ、電界を除去する際に緩和されてその元の状態に戻る（「２モード性」）。実際には、２モード着色剤分子のこれらの形態は「自己消去型」である。対照的に、双安定着色剤分子の場合、着色剤分子は電界が除去された場合でもその状態に保持されたままであり（不揮発性スイッチ）、その場合においては活性化障壁が存在するため、分子を切り替えてその以前の状態に戻すために逆の電界を印加する必要がある。
【００４８】
回転子４３２及び固定子４３４が全て同一平面上にあるとき、その分子は「より強く共役している」と呼ばれる。従って、着色剤分子の非結合電子、あるいはπ電子、あるいはπ電子及び非結合電子は、その最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）及び最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）を介して、分子４３０の大部分にわたって非局在化している。これを、該分子の「赤方偏移状態」、あるいは「光学状態Ｉ」と呼ぶ。回転子４３２が固定子４３４に関して約９０°だけ共役から回転している場合には、分子４３０の共役が破壊され、ＨＯＭＯ及びＬＵＭＯは分子のより小さな部分にわたって局在化し、「より弱く共役している」と呼ばれる。これは、分子４３０の「青方偏移状態」、あるいは「光学状態ＩＩ」である。従って、着色剤分子４３０は、２つの異なる光学状態間で可逆的に切り替わることができる。
【００４９】
理想的な場合には、回転子４３２及び固定子４３４が完全に同一平面上にあるときには、分子は完全に共役しており、回転子４３２が固定子４３４に関して９０°の角度に回転しているときには、分子は共役していないことが、当業者には理解されよう。しかしながら、熱によるゆらぎに起因して、これらの理想的な状態は完全には実現されず、それゆえ分子は、前者の場合には「より強く共役している」と呼ばれ、後者の場合には「より弱く共役している」と呼ばれる。さらに、用語「赤方偏移」あるいは「青方偏移」は、色相に対する任意の関係を表すことを意味するのではなく、ＨＯＭＯ状態とＬＵＭＯ状態間のギャップのエネルギーシフトの電磁エネルギースペクトル方向を表すことを意味する。
【００５０】
例１及び２は、分子を切り替えるための２つの異なる方位を示す。以下の例１ａは、本モデル１のための第１の一般的な分子の例を示している。
【００５１】
【化１】
2005505785.tif 000003
Ｃｏｎ１−接続基
Ｃｏｎ２−接続基
ＳＢ−固定子Ｂ
ＳＡ−固定子Ａ
Ａ−−受容体（電子求引基）
Ｄ＋−供与体（電子供与基）
【００５２】
ここで、文字Ａ−は、受容体基を表し、それは電子求引基である。それは、水素、カルボン酸あるいはその誘導体、硫酸あるいはその誘導体、リン酸あるいはその誘導体、ニトロ、ニトリル、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ）、あるいは前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基（例えば、ＯＨ、ＳＨ、ＮＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）あるいは置換炭化水素、のうちの１つとすることができる。
【００５３】
文字Ｄ＋は、供与体基を表し、それは電子供与基である。それは、水素、アミン、ＯＨ、ＳＨ、エーテル、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、あるいは少なくとも１つのヘテロ原子（例えば、Ｂ、Ｓｉ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｉ）を有する官能基のうちのいずれか１つとすることができる。供与体は、当該分子上の受容体基よりも電気的陰性が低いか、あるいは電気的陽性が高いという事実によって受容体とは区別される。
【００５４】
文字Ｃｏｎ１及びＣｏｎ２は、ある分子と他の分子との間の、又はある分子と固体基材（例えば、金属電極、無機あるいは有機基材等）との間の、接続ユニットを表す。それらは、水素（水素結合を利用する）、多価へテロ原子（即ち、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等）、あるいはこれらのヘテロ原子を含む官能基（例えば、ＮＨ、ＰＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素のうちの任意のものとすることができる。
【００５５】
文字ＳＡ及びＳＢはここでは固定子Ａ及び固定子Ｂを示すために用いられる。それらは、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）あるいは置換炭化水素とすることができる。典型的には、これらの炭化水素ユニットは、平面状態（赤方偏移状態）にあるときに、分子の拡張共役に寄与する共役環を含有する。それらの固定子ユニットにおいては、それらはブリッジング基Ｇｎ及び／又はスペーシング基Ｒｎを含むことができる。ブリッジング基（例えば、アセチレン、エチレン、アミド、イミド、イミン、アゾ等）は、典型的に、固定子を回転子に接続するか、又は２つ以上の共役環を接続し所望の発色団を得るために用いられる。あるいは又、該コネクタは、酸素原子によるエーテルブリッジのような単原子ブリッジか、又は回転子と固定子との間の直接σ結合から構成することができる。スペーシング基（例えば、フェニル、イソプロピルあるいはｔ−ブチル等）は、各回転子が所望の動作範囲にわたって回転するための空間を設けながら、分子が密集できるようにするための、適切な３次元の枠組みを設けるのに用いられる。
【００５６】
以下の例１ｂは、モデル１の実際の分子の例である。実施例１ｂでは、回転子の回転軸が、分子の正味の電流搬送軸に概ね垂直になるように設計されているが、一方、例２では、回転軸は、分子の方位軸に平行になっている。これらの設計によって、所望する結果に応じて、使用される分子膜及び電極を種々の構造にすることが可能となる。
【００５７】
【化２】
2005505785.tif 000004
【００５８】
ここで、文字Ａ−は、受容体基を表し、それは電子求引基である。それは、水素、カルボン酸あるいはその誘導体、硫酸あるいはその誘導体、リン酸あるいはその誘導体、ニトロ、ニトリル、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ）、あるいは前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基（例えば、ＯＨ、ＳＨ、ＮＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）あるいは置換炭化水素、のうちの１つとすることができる。
【００５９】
文字Ｄ＋は、供与体基を表し、それは電子供与基である。それは、水素、アミン、ＯＨ、ＳＨ、エーテル、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、あるいは少なくとも１つのヘテロ原子（例えば、Ｂ、Ｓｉ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｉ）を有する官能基、のうちの１つとすることができる。供与体は、当該分子上の受容体基よりも電気的陰性が低いか、あるいは電気的陽性が高いという事実によって、受容体とは区別される。
【００６０】
文字Ｃｏｎ１及びＣｏｎ２は、ある分子と他の分子、又はある分子と固体基材（例えば、金属電極、無機あるいは有機基材等）との間の接続ユニットを表す。それらは、水素（水素結合を利用する）、多価へテロ原子（即ち、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等）、あるいはこれらのヘテロ原子を含む官能基（例えば、ＮＨ、ＰＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素のうちの任意のものとすることができる。
【００６１】
文字Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、分子に組み込まれているスペーシング基を表す。これらスペーサーユニットの機能は、各回転子のための回転の空間を設けながら、分子が密集できるようにするための、適切な３次元の枠組みを設けることである。それらは、水素、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【００６２】
文字Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３及びＧ４は、ブリッジング基である。これらブリッジング基の機能は、所望の発色団を得るために、固定子と回転子とを接続するか、又は２つ以上の共役環を接続することである。それらは、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等）、あるいは上記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基（例えば、ＮＨあるいはＮＨＮＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。あるいは又、該コネクタは、酸素原子によるエーテルブリッジのような単原子ブリッジ、又は回転子と固定子との間の直接シグマ結合により構成することができる。
【００６３】
上記の例１ｂにおいて、垂直方向の点線は、他の分子あるいは固体基材を表す。スイッチング電界の向きは、前記垂直方向の点線に対して垂直である。そのような構成は、電気的なスイッチングのために用いられる。光学的なスイッチングの場合，結合部はなくすことができ、分子を単に２つの電極間に配置することができる。それらは又、単に、ある分子を他の分子に結合させるか、又はある分子を有機あるいは無機固体基材に結合させることもできる。図５ａを参照すると、上記の分子（例１ｂ）は、内部回転子４３２が分子４３０全体の方位軸に対して垂直になるように設計されている。この場合、外部電界は図示するように分子４３０の方位軸に沿って印加され、電極（垂直方向の破線）は紙面に対して垂直に、且つ分子４３０の方位軸に対して垂直に向けられる。図面の左から右に配向された電界の印加によって、上側の図面に描かれたような回転子４３２を下側右の図面に示す位置まで回転させることができ、またその逆も可能である。この場合、下側右の図面に描かれたような回転子４３２は、分子の他の部分と同一平面上になく、そのため、これは分子の青方偏移光学状態であり、一方、上側の図面では回転子が分子の他の部分と同一平面上にあるので、これは分子の赤方偏移光学状態である。下側左の図面に示した構造は、上側の図面（同一平面、共役）と下側右の図面（中央部分が回転、非共役）との間の回転の移行の様子を表している。
【００６４】
例１ｂに示す分子は、透明色であるか、又は青方偏移している。共役状態では、分子は有色であるか、又は赤方偏移している。
【００６５】
例１ｂに示す分子の場合、例えばラングミュア−ブロジェット法あるいは自己組織化単層を使って、単一の単層分子膜を成長させて、それによって、分子の方位軸が、分子を切り替えるのに使用される電極面に垂直になるようにする。電極は、上記のＣｏｌｌｉｅｒらによって示された方法で、又は前述の関連特許出願及び発行特許に記載された方法で、付着させることができる。別のより厚い薄膜の付着技術には、気相成長法、コンタクト法あるいはインクジェットプリンティング法、あるいはシルクスクリーン法が含まれる。
【００６６】
下記の例２ａは、本モデル１のための第２の一般的な分子の例を示している。
【００６７】
【化３】
2005505785.tif 000005
Ｃｏｎ１−接続基
Ｃｏｎ２−接続基
ＳＢ−固定子Ｂ
ＳＡ−固定子Ａ
Ａ−−受容体（電子求引基）
Ｄ＋−供与体（電子供与基）
【００６８】
ここで、文字Ａ−は、受容体基を表し、それは電子求引基である。それは、水素、カルボン酸あるいはその誘導体、硫酸あるいはその誘導体、リン酸あるいはその誘導体、ニトロ、ニトリル、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ）、あるいは前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基（例えば、ＯＨ、ＳＨ、ＮＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの１つとすることができる。
【００６９】
文字Ｄ＋は、供与体基を表し、それは電子供与基である。それは、水素、アミン、ＯＨ、ＳＨ、エーテル、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、あるいは少なくとも１つのヘテロ原子（例えば、Ｂ、Ｓｉ、Ｉ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ）を有する官能基、のうちのいずれか１つとすることができる。供与体は、当該分子上の受容体基よりも電気的陰性が低いか、あるいは電気的陽性が高いという事実によって受容体とは区別される。
【００７０】
文字Ｃｏｎ１及びＣｏｎ２は、ある分子と他の分子との間の、又はある分子と固体基材（例えば、金属電極、無機あるいは有機基材等）との間の接続ユニットを表す。それらは、水素（水素結合を利用する）、多価へテロ原子（即ち、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等）、あるいはこれらヘテロ原子を含む官能基（例えば、ＮＨ、ＰＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【００７１】
文字ＳＡ及びＳＢは、ここでは固定子Ａ及び固定子Ｂを示すために用いられる。それらは、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）あるいは置換炭化水素とすることができる。典型的には、これらの炭化水素ユニットは、平面状態（赤方偏移状態）にあるときに、分子の拡張共役に寄与する共役環を含む。それら固定子ユニットにおいては、それらはブリッジング基Ｇｎ及び／又はスペーシング基Ｒｎを含むことができる。ブリッジング基は、典型的に、固定子と回転子とを接続するか、あるいは２つ以上の共役環を接続させ所望の発色団を得るために用いられる。あるいは又、該コネクタは、酸素原子によるエーテルブリッジのような単原子ブリッジか、又は回転子と固定子との間の直接σ結合から構成することができる。スペーシング基は、各回転子が回転するための空間を設けながら、分子が密集できるようにするための適切な３次元の枠組みをもたらす。
【００７２】
下記の例２ｂは、モデル１の他の実際の分子の例である。
【００７３】
【化４】
2005505785.tif 000006
【００７４】
ここで、文字Ａ−は、受容体基を表し、それは電子求引基である。それは、水素、カルボン酸あるいはその誘導体、硫酸あるいはその誘導体、リン酸あるいはその誘導体、ニトロ、ニトリル、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ）、あるいは前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基（例えば、ＯＨ、ＳＨ、ＮＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの１つとすることができる。
【００７５】
文字Ｄ＋は、供与体基を表し、それは電子供与基である。それは、水素、アミン、ＯＨ、ＳＨ、エーテル、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、あるいは少なくとも１つのヘテロ原子（例えば、Ｂ、Ｓｉ、Ｉ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ）を有する官能基、のうちの１つとすることができる。供与体は、当該分子上の受容体基よりも電気的陰性が低いか、あるいは電気的陽性が高いという事実によって受容体とは区別される。
【００７６】
文字Ｃｏｎ１及びＣｏｎ２は、ある分子と他の分子との間の、又はある分子と固体基材（例えば、金属電極、無機あるいは有機基材等）との間の接続ユニットを表す。それらは、水素（水素結合を利用する）、多価へテロ原子（即ち、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等）、あるいはこれらのヘテロ原子を含む官能基（例えば、ＮＨ、ＰＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【００７７】
文字Ｒ１、Ｒ２及びＲ３は、分子に組み込まれているスペーシング基を表す。これらのスペーサユニットの機能は、各回転子のための回転の空間を設けながら、分子が密集できるようにするための適切な３次元の枠組みを設けることである。それらは、水素、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【００７８】
文字Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、Ｇ５、Ｇ６、Ｇ７及びＧ８は、ブリッジング基を表す。これらのブリッジング基の機能は、所望の発色団を得るために、固定子と回転子とを接続するか、又は２つ以上の共役環を接続することである。それらは、ヘテロ原子（例えば、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等）、あるいは前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基（例えば、ＮＨあるいはＮＨＮＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。あるいは又、該コネクタは、酸素原子によるエーテルブリッジのような単原子ブリッジ、又は回転子と固定子との間の直接シグマ結合から構成することができる。
【００７９】
文字Ｊ１及びＪ２は分子に組み込まれている調整基を表す。これらの調整基（例えば、ＯＨ、ＮＨＲ、ＣＯＯＨ、ＣＮ、ニトロ等）の機能は、適切な機能的効果（例えば、誘導性効果及び共鳴効果の両方）及び／又は立体効果をもたらすことである。機能的効果とは、分子のバンドギャップ（ΔＥＨＯＭＯ／ＬＵＭＯ）を調整し、分子の光学的特性だけではなく、所望の電子的特性を得ることである。立体効果とは、立体障害、分子間あるいは分子内相互作用力（例えば、水素結合、クーロン相互作用、ファンデルワールス力）を介して分子配座を調整することや、あるいは分子の方位の双安定性あるいは多重安定性をもたらすことである。それらは、水素、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｂ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ及びＩ）、前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基、炭化水素（飽和あるいは不飽和炭化水素のいずれか）あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【００８０】
上記分子（例２ｂ）は、分子全体の方位軸に平行な内部回転子を用いて設計されている。この場合、外部電界は、分子軸に垂直に印加される。電極は、分子の長軸に平行に配向され、且つ表面上、上記モデル構造の面に垂直か又は平行に配向させることができる。例えば、電界線が分子軸に対して垂直で且つ上方を指している電界を上記上側分子へ印加することによって、その図に描かれている回転子は、上記下側分子図面に示すように、ほぼ９０°回転し、エッジが現出する。この逆も可能である。この場合、下側図面に描かれたような回転子は、分子の他の部分と同一面上になく、そのため、これは分子の青方偏移光学状態、即ち光学状態ＩＩであり、一方、上側図面では、回転子が分子の他の部分と同一面上にあり、そのため、これは分子の赤方偏移光学状態、即ち光学状態Ｉである（記号Ｎ、Ｈ及びＯはそれらの通常の意味を有する）。
【００８１】
図５ａは、例１ｂ及び２ｂの分子に類似のものであるが、さらに簡単であり、中央回転子部４３２及び２つの端部固定子部４３４からなる。例１ｂ及び２ｂにおいてと同様に、回転子部４３２は、双極子を有する回転子となる置換基を設けられたベンゼン環からなる。２つの固定子部４３４の各々は、アゾ結合を介してベンゼン環に共有結合されており、且つ両方の部分とも、芳香環からなっている。
【００８２】
図５ｂは、回転子４３２及び固定子４３４が全て同一面上にある平坦な状態を示している概略図（斜視図）である。該平坦な状態では、分子４３０は完全に共役されており、色（第１のスペクトルあるいは光学状態）を明白に示し、比較的導電率が高い。環の共役を、それぞれ分子４３０の面の上及び下にあるπ軌道の雲５００ａ及び５００ｂによって示す。
【００８３】
図５ｃは、回転した状態を示す概略図（斜視図）であり、回転子４３２が固定子４３４に関して９０°回転しており、固定子は依然として同一平面上にある。該回転した状態では、分子４３０の共役が破壊されている。結果として、分子４３０は透明（第２のスペクトルあるいは光学状態）になり、比較的導電率が低くなる。
【００８４】
例２ｂの分子に関しては、分子軸が電極面に対して平行になるように薄膜を形成させる。これによって、多数の単層が重なり合った膜が生じる。分子は、固体結晶あるいは液晶を形成し、大きい固定子基は分子間相互作用あるいは支持構造への直接結合によって所定の位置に固定されるが、回転子は分子の格子内部で十分移動できるほど小さい。このタイプの構造は、電界制御式のディスプレイを形成するために用いることができるか、あるいは本明細書において先に記載したような他の用途のために用いることができる。
【００８５】
モデル（２ａ）：バンド局在化の増減を伴う電荷の分離あるいは再結合を介した拡張共役の変化によって引き起こされる電界誘導性バンドギャップ変化
図６ａは、本モデルの概略図であり、それはバンド局在化の増減を伴う電荷の分離あるいは再結合を介した拡張共役の変化によって引き起こされる電界誘導バンドギャップ変化を伴うものである。図６ａに示すように、分子６３０は、２つの部分６３２及び６３４からなる。分子６３０は、π非局在化が少なく、比較的大きいバンドギャップを示す。電界の印加によって、分子６３０内での電荷の分離が起こり、π非局在化が十分となり、バンドギャップがより小さい状態になる。電荷の再結合によって、分子６３０はその元の状態に戻る。
【００８６】
本モデルでは、下記要件が満たされなければならない。
（ａ）当該分子は、適度の誘電率ετを有し、外部電界によって容易に分極されることができなければならない。ετは２〜１０の範囲にあり、且つ分極電界は０．０１〜１０Ｖ／ｎｍの範囲にある。
（ｂ）分子の少なくとも１つの部位が、該分子全体あるいは一部にわたって移動することができる、非結合電子、あるいはπ電子、あるいはπ電子及び非結合電子を有していなければならない。
（ｃ）当該分子は、対称性あるいは非対称性とすることができる。
（ｄ）分子の誘導性双極子（単数又は複数）は、少なくとも１つの方向を向かせることができる。
（ｅ）電界誘導分極の間、電荷が部分的にあるいは完全に分離される。
（ｆ）電荷の分離あるいは再結合の状態が電界依存性あるいは双安定性であり、例えば共有結合形成、水素結合、電荷引力、クーロン力、金属錯体、あるいはルイス酸（塩基）錯体等のような分子内あるいは分子間力によって安定化させることができる。
（ｇ）分子の電荷分離あるいは再結合の過程が、σ結合及びπ結合の破壊あるいは形成を伴っても、伴わなくてもよい。
（ｈ）電界によって促進される電荷の分離あるいは再結合過程の間、分子のバンドギャップが、非結合電子、あるいはπ電子、あるいはπ電子及び非結合電子の分子内での非局在化の程度に依存して変化する。分子の光学的及び電気的な特性の両方が、それに応じて変化する。
【００８７】
結合の破壊あるいは結合の形成を伴う電荷の分離あるいは再結合を介した電界誘導バンドギャップ変化（色の変化）の一例を以下（例３）に示す。
【００８８】
【化５】
2005505785.tif 000007
【００８９】
ここで、文字Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４及びＪ５は分子に組み込まれている調整基を表す。これらの調整基（例えば、ＯＨ、ＮＨＲ、ＣＯＯＨ、ＣＮ、ニトロ等）の機能は、適切な機能的効果（例えば、誘導性効果及び共鳴効果の両方）及び／又は立体効果をもたらすことである。機能的効果とは、分子のバンドギャップ（ΔＥＨＯＭＯ／ＬＵＭＯ）を調整し、分子の所望の光学的特性だけではなくて、所望の電子的特性も得ることである。立体効果とは、立体障害、分子間あるいは分子内相互作用力（例えば、水素結合、クーロン相互作用、ファンデルワールス力）を介して分子配座を調整することや、あるいは分子の方位の双安定性あるいは多重安定性を与えることである。それらは、水素、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｂ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ及びＩ）、前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【００９０】
文字Ｇ１は、ブリッジング基である。該ブリッジング基の機能は、所望の発色団を得るために、２つ以上の共役環を接続することである。ブリッジング基は、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等）あるいは前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基（例えばＮＨ等）、炭化水素あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【００９１】
文字Ｗは、電子求引基である。この基の機能は、当該分子の無水マレイン酸基の反応を調整することであり、それは、印加された外部電界の影響下で、当該分子が円滑な電荷分離あるいは再結合（結合の破壊あるいは形成等）されるのを可能とする。該電子求引基は、カルボン酸あるいはその誘導体（例えば、エステルあるいはアミド等）、ニトロ、ニトリル、ケトン、アルデヒド、スルホン、硫酸あるいはその誘導体、ヘテロ原子（例えば、Ｆ、Ｃｌ等）あるいは少なくとも１つのヘテロ原子（例えば、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｎ、Ｏ、Ｓ等）を有する官能基、のうちの任意のものとすることができる。
【００９２】
分子−金属錯体あるいは分子−ルイス酸錯体の形成を伴う電界誘導バンドギャップ変化の一例を以下に示す（例４）。
【００９３】
【化６】
2005505785.tif 000008
【００９４】
ここで、文字Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４及びＪ５は、分子に組み込まれている調整基を表す。これらの調整基（例えば、ＯＨ、ＮＨＲ、ＣＯＯＨ、ＣＮ、ニトロ等）の機能は、適切な機能的効果（例えば、誘導性効果及び共鳴効果の両方）及び／又は立体効果をもたらすことである。機能的効果とは、分子のバンドギャップ（ΔＥＨＯＭＯ／ＬＵＭＯ）を調整し、分子の所望の光学的特性だけではなく、電子的特性も得ることである。立体効果とは、立体障害、分子間あるいは分子内相互作用力（例えば、水素結合、クーロン相互作用、ファンデルワールス力）を介して分子配座を調整することや、あるいは分子の向きの双安定性あるいは多重安定性をもたらすことである。それらは、水素、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｂ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ及びＩ）、前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【００９５】
記号Ｇ１は、ブリッジング基である。ブリッジング基の機能は、所望の発色団を得るために、２つ以上の共役環を接続することである。ブリッジング基は、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等）あるいは前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基（例えばＮＨ等）、炭化水素あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【００９６】
Ｍ＋は、遷移金属を含む金属、あるいはそれらのハロゲン錯体、あるいはＨ＋、あるいは他の種類のルイス酸（単数又は複数）である。
【００９７】
モデル（２ｂ）：電荷の分離あるいは再結合、及びπ結合の破壊あるいは形成を介した拡張共役の変化によって引き起こされる電界誘導性バンドギャップ変化
図６ｂは、本モデルの概略図であり、それは電荷の分離あるいは再結合及びπ結合の破壊あるいは形成を介した拡張共役の変化によって引き起こされる電界誘導バンドギャップの変化を伴う。図６ｂに示すように、分子６３０’は、２つの部分６３２’及び６３４’からなる。分子６３０’は、比較的小さいバンドギャップを示す。電界の印加によって、分子６３０’内のπ結合の破壊が起こり、その結果バンドギャップがより大きい状態になる。電界を反転させることで、２つの部分６３２’及び６３４’の間にπ結合が再結合され、分子６３０’がその元の状態に戻る。
【００９８】
本モデルにおいて満たさなければならない要件は、モデル２（ａ）に関して挙げたものと同じである。
【００９９】
電荷の分離（σ結合の破壊及びπ結合の形成）を介する拡張共役の変化によって引き起こされる電界誘導バンドギャップ変化の一例を以下（例５）に示す。
【０１００】
【化７】
2005505785.tif 000009
【０１０１】
ここで、文字Ｑは、２つのフェニル環間の接続ユニットを示すために用いられる。接続ユニットは、Ｓ、Ｏ、ＮＨ、ＮＲ、炭化水素あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【０１０２】
文字Ｃｏｎ１及びＣｏｎ２は、ある分子と他の分子との間の、又はある分子と固体基材（例えば、金属電極、無機あるいは有機基材等）との間の接続ユニットを表す。それらは、水素（水素結合によって）、へテロ原子（即ち、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等）、あるいは前記ヘテロ原子の少なくとも１つを含む官能基（例えば、ＮＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【０１０３】
文字Ｒ１及びＲ２は、分子に組み込まれているスペーシング基を表す。これらのスペーサユニットの機能は、各回転子のための回転の空間を設けながら、分子が密集できるようにするための適切な３次元の枠組みを設けることである。それらは、水素、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【０１０４】
文字Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３及びＪ４は分子に組み込まれている調整基を表す。これらの調整基（例えば、ＯＨ、ＮＨＲ、ＣＯＯＨ、ＣＮ、ニトロ等）の機能は、適切な機能的効果（例えば、誘導性効果及び共鳴効果の両方）及び／又は立体効果を与えることである。機能的効果とは、分子のバンドギャップ（ΔＥＨＯＭＯ／ＬＵＭＯ）を調整し、分子の所望の光学的特性だけではなくて、電子的特性も得ることである。立体効果とは、立体障害、分子間あるいは分子内相互作用力（例えば、水素結合、クーロン相互作用、ファンデルワールス力）を介して分子配座を調整し、分子の向きの双安定性あるいは多重安定性をもたらすことである。また、それらをスペーシング基として用いて適切な３次元の枠組みを設けることができ、各回転子のための回転の空間を設けながら、分子を密集させることができる。それらは、水素、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｂ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ及びＩ）、少なくとも１つの前記ヘテロ原子を有する官能基、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【０１０５】
文字Ｇ１は、ブリッジング基である。ブリッジング基の機能は、所望の発色団を得るために、固定子と回転子を接続するか、又は２つ以上の共役環を接続することである。ブリッジング基は、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等）、あるいは前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基（例えば、ＮＨ又はＮＨＮＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【０１０６】
文字Ｗは、電子求引基である。この基の機能は、当該分子のラクトン基の反応性を調整し、印加された外部電界の影響下で、分子を円滑に電荷分離あるいは再結合（結合破壊あるいは形成等）させるようにすることである。電子求引基は、カルボン酸あるいはその誘導体（例えば、エステルあるいはアミド等）、ニトロ、ニトリル、ケトン、アルデヒド、スルホン、硫酸あるいはその誘導体、ヘテロ原子（例えば、Ｆ、Ｃｌ等）、あるいは前記ヘテロ原子（例えば、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｎ、Ｏ、Ｓ等）のうちの少なくとも１つを有する官能基、炭化水素（飽和あるいは不飽和炭化水素のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【０１０７】
最も上側の分子構造は、最も下側の分子構造よりも比較的小さいバンドギャップ状態を有する。
【０１０８】
電荷の再結合及びσ結合の形成を介する拡張π結合共役の破壊によって引き起こされる電界誘導バンドギャップ変化の他の例を以下に示す（例６）。
【０１０９】
【化８】
2005505785.tif 000010
【０１１０】
ここで、文字Ｑは、２つのフェニル環間の接続ユニットを示すために用いられる。接続ユニットは、Ｓ、Ｏ、ＮＨ、ＮＲ、炭化水素あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【０１１１】
文字Ｃｏｎ１及びＣｏｎ２は、ある分子と他の分子との間の、又はある分子と固体基材（例えば、金属電極、無機あるいは有機基材等）との間の接続基である。それらは、水素、へテロ原子（即ち、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等）、あるいは前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを含む官能基（例えばＮＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【０１１２】
文字Ｒ１及びＲ２は、分子に組み込まれているスペーシング基を表す。これらのスペーサユニットの機能は、各回転子のための回転の空間を設けながら、分子が密集できるようにするための適切な３次元の枠組みを設けることである。それらは、水素、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【０１１３】
文字Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３及びＪ４は、分子に組み込まれている調整基を表す。これらの調整基（例えば、ＯＨ、ＮＨＲ、ＣＯＯＨ、ＣＮ、ニトロ等）の機能は、適切な機能的効果（例えば、誘導性効果及び共鳴効果の両方）及び／又は立体効果をもたらすことである。機能的効果とは、分子のバンドギャップ（ΔＥＨＯＭＯ／ＬＵＭＯ）を調整し、分子の所望の光学的特性だけではなくて、電子的特性も得ることである。立体効果とは、立体障害、分子間あるいは分子内相互作用力（例えば、水素結合、クーロン相互作用、ファンデルワールス力）を介して分子配座を調整して、分子の向きの双安定性あるいは多重安定性をもたらすことである。また、それらをスペーシング基として用いて適切な３次元の枠組みを設けることができ、各回転子のための回転の空間を設けながら、分子を密集させることができる。それらは、水素、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｂ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ及びＩ）、前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【０１１４】
文字Ｇ１は、ブリッジング基である。ブリッジング基の機能は、所望の発色団を得るために、固定子及び回転子を接続するか、又は２つ以上の共役環を接続することである。ブリッジング基は、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等）、あるいは前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基（例えば、ＮＨ又はＮＨＮＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【０１１５】
文字Ｗは、電子求引基である。この基の機能は、当該分子のラクトン基の反応性を調整し、印加された外部電界の影響下で、分子を円滑に電荷の分離あるいは再結合（結合の破壊あるいは形成等）させるようにすることである。電子求引基は、カルボン酸あるいはその誘導体（例えば、エステルあるいはアミド等）、ニトロ、ニトリル、ケトン、アルデヒド、スルホン、硫酸あるいはその誘導体、ヘテロ原子（例えば、Ｆ、Ｃｌ等）、あるいは前記ヘテロ原子（例えば、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｎ、Ｏ、Ｓ等）のうちの少なくとも１つを有する官能基、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【０１１６】
重ねて、最も上側の分子構造は、最も下側の分子構造よりも比較的小さいバンドギャップ状態を有する。
【０１１７】
本発明は、インクあるいは染料分子を、任意の前述のエレクトロクロミック材料あるいはクロモジェニック材料とは全く異なるメカニズムによって、外部電界を用いて切り替えることのできる能動デバイスにする。全般的な概念は、変性されたクリスタルバイオレットラクトンタイプの分子を利用することであり、そこでは、ラクトンのＣ−Ｏ結合が十分に不安定であり、印加される電界の影響下で、該結合の破壊及び形成（上記の例５及び６参照）をさせることができる。
【０１１８】
Ｃ−Ｏ結合の破壊過程において、正及び負の電荷が生成される。生じた電荷は分離し印加外部電界に対して平行に逆方向に移動する（分子の上側部分）か、あるいは結合回転（分子の下側部分）が起こる。分子の拡張双極子を有する２つの芳香環（上側及び下側部分）は完全に共役され、色（赤方偏移）が生じる（例５参照）。しかしながら、当該分子は、例えば水素結合、クーロン力、あるいは双極子−双極子相互作用及び立体斥力のような、分子間及び／又は分子内力を有するように、又は両電荷をこの特定方位に安定化させる永久外部電界によって設計されている。従って、分子をその最初の方位から外すには大きい電界を必要とする。一旦、ある特定方位に切り替えられると、その分子は、切り替えられるまで、その方位に留まることになる。
【０１１９】
逆の電界が印加されると（例６）、両電荷は、逆の外部電界の方向に再配列する傾向がある。分子の上側部分の正電荷は、非結合電子、あるいはπ電子、あるいはπ電子及び非結合電子の非局在化によって分子の側部から分子の中央部分（トリアリールメタンの位置）へ移動する。同様に、負に荷電している分子の下側部分は、Ｃ−Ｃ結合の回転により外部電界へ接近する傾向がある。分子設計の重要な要素は、ＣＯ２−と、分子の下側部分（負に荷電した部分）が完全に１８０°反転まで回転するのを妨げるＹ基との間に立体的且つ静的斥力があることである。代わりに、その回転は、下側部分と上側部分にかかる大きい基の立体相互作用によって最初の方位からほぼ９０°の角度で止められる。さらに、この９０°方位は、Ｃ−Ｏ結合の形成及び電荷の再結合によって安定化される。この過程において、トリアリールメタンの位置に四面体炭素（アイソレーター）が形成される。分子の共役が破壊され、ＨＯＭＯ及びＬＵＭＯは、もはや分子の上側部分全体にわたって非局在化していない。これは、電子によって占有された容積を縮小させる効果があり、それによってＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが増大する。この過程において、青方偏移した色あるいは透明状態が生じることになる。
【０１２０】
有色のインク及び染料分子の場合、分子の一端と中央位置との間の正電荷の移動の制限は極めて重要である。別の重要な因子は、固定子（分子の上側部分）から光学的に意味のある角度（名目上１０〜１７０°）だけ隔てられた２つの状態間で、回転子（分子の下側部分）を切り替える能力である。分子内電荷の分離が最大距離に達すると、分子の最も上側の部分が完全な共役状態となる。分子のπ電子、あるいはπ電子及び非結合電子は、その最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）及び最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）を介して、最も上側の領域全体にわたって非局在化する。その効果は、箱内の量子力学的粒子に対するそれと同一であり、その箱が分子全体の大きさであるとき、即ち軌道が非局在化されるとき、ＨＯＭＯ及びＬＵＭＯ間のギャップは比較的小さい。この場合、分子のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップは、所望の色のインクあるいは染料をもたらすように設計される。全平行構造に関するＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップは、種々の化学基（Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４及びＷ）を、当該分子の異なる芳香環上に置換させることにより調整することができる。回転子及び固定子に結合させる化学置換基（Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４及びＷ）の性質に応じて、回転子（分子の下側部分）が固定子（分子の上側部分）に関して１０〜１７０°だけ回転する場合には、増加したＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップは、全平行構造の色に関して青方偏移した色に対応するであろう。偏移が十分に大きい場合に、新しいＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが十分に大きいなら、その分子は透明になる。従って、その分子は２つの色の間で、又はある色から透明状態に切替え可能である。
【０１２１】
例５及び６は、外部印加された電界の影響下での代表的な切替可能型分子の２つの異なった状態を示している。この特定の種類の分子に関しては、例えばラングミュア−ブロジェット技術、気相成長法、あるいは電気化学的付着法を利用して、分子の方位軸が分子を切り替えるのに使用される電極の面に垂直になるように十分厚い分子膜を成長させている。他の付着技術は、分子をモノマー／オリゴマーあるいは溶媒系溶液として懸濁させ、それを基材上へ厚膜コーティング（例えば、リバースロール）、あるいはスピンコーティングし、その後、分子を配列させる電界にかけながら、その被覆物を重合（例えば、ＵＶ照射によって）あるいは乾燥させるものである。電極表面には、例えばインジウム−酸化スズのような透明導体を用いることができ、その膜は、分子軸が電極の面に平行になるよう成長させる。分子は、固体あるいは液晶を形成し、大きい固定子基は分子間相互作用あるいは支持構造への直接結合によって定位置に固定されるが、回転子は分子の格子内部で十分移動できるほど小さい。
【０１２２】
モデル（３）：分子の折畳みあるいは引伸ばしを介する電界誘導性バンドギャップ変化
図７は、本モデルの概略図であり、それは、分子の折畳みあるいは引伸ばしを介する拡張共役の変化によって引き起こされる電界誘導性バンドギャップの変化を伴うものである。図７に示すように、分子７３０は、３つの部分７３２、７３４、及び７３６からなる。分子７３０は、分子だの大部分にわたる拡張共役のため比較的小さいバンドギャップを示す。電界の印加によって、中央部分７３４の辺りでの分子の折畳みに起因して、分子７３０における共役の破壊が起こり、その結果分子の大部分にわたる非拡張共役のため、バンドギャップがより大きい状態になる。電界の反転によって分子７３０は伸長し、分子７３０はその元の状態に戻る。分子７３０の中央部分７３４を伸長及び弛緩させることは同じ効果を有する。
【０１２３】
本モデルでは、以下の要件が満たされなければならない。
（ａ）当該分子は、少なくとも２つの部分を有していなければならない。
（ｂ）いくつかの部分が、ＨＯＭＯ、ＬＵＭＯ、及び隣接軌道に含まれる非結合電子、あるいはπ電子、あるいはπ電子及び非結合電子を有していなければならない。
（ｃ）当該分子は、一方の側にあるアクセプター基と他方の側にあるドナー基に関して、対称であっても、非対称であってもよい。
（ｄ）分子の少なくとも２つの部分は、水素結合、ファンデルワールス力、クーロン引力あるいは金属錯体形成のような分子内又は分子間力によって折畳みあるいは伸長の両状態を安定化させるのに役立つ幾つかの官能基を有している。
（ｅ）分子の折畳みあるいは引伸ばしの状態は、電界によってアドレス指定できなければならない。
（ｆ）少なくとも１つの状態（おそらく、完全に伸長した状態）において、分子の非結合電子、あるいはπ電子、あるいはπ電子及び非結合電子が、十分非局在化しており、且つ分子のπ及びｐ電子が、他の状態においては、局在化しているか又は部分的にのみ非局在化している。
（ｇ）分子のバンドギャップが、印加された外部電界によって分子が折畳まれたり、あるいは引き伸ばされる間の、分子中の非結合電子、あるいはπ電子、あるいはπ電子及び非結合電子の非局在化の程度に依存して変化し、この種の変化もまた分子の導電率に影響する。
（ｈ）この特性によって、これらの種類の分子が、光あるいは電気スイッチ、ゲート、記憶装置あるいはディスプレイ用途にも適用することができる。
【０１２４】
分子の折畳みあるいは伸長を介する電界誘導性ギャップ変化の一例を以下（例７）に示す。
【０１２５】
【化９】
2005505785.tif 000011
【０１２６】
ここで、Ｒ１及びＲ２は、分子内に組み込まれているスペーシング基を表す。それらのスペーシング基は、水素、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【０１２７】
文字Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４及びＪ５は、分子に組み込まれている調整基を表す。これらの調整基（例えば、ＯＨ、ＮＨＲ、ＣＯＯＨ、ＣＮ、ニトロ等）の機能は、適切な機能的効果（例えば、誘導性効果及び共鳴効果の両方）及び／又は立体効果をもたらすことである。機能的効果とは、分子のバンドギャップ（ΔＥＨＯＭＯ／ＬＵＭＯ）を調整し、分子の所望の光学的特性だけではなくて、電子的特性も得ることである。立体効果とは、立体障害、分子間あるいは分子内相互作用力（例えば、水素結合、クーロン相互作用、ファンデルワールス力）を介して分子配座を調整して、分子の向きの双安定性あるいは多重安定性をもたらすことである。それらは又、スペーシング基としても用いることができる。それらは、水素、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｂ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ及びＩ）、前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【０１２８】
文字Ｙ及びＺは、分子間又は分子内水素結合を形成することになる官能基である。それらの官能基は、ＳＨ、ＯＨ、アミン、炭化水素、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。
【０１２９】
図面の上側の分子は、共役が分子の種々の部分に局在化することに起因して、より大きなバンドギャップを有するが、下側の分子は、分子の大部分にわたる拡張共役に起因して、より小さいバンドギャップを有する。
【０１３０】
光スイッチ（マイクロメートルあるいはナノメートル）を形成するために本明細書にて開示され、特許請求される技術は、ディスプレイ、電子ブック、書換え可能媒体、電気的に調整可能な光学レンズ、窓及びミラーのための電気制御による着色、数多くの入力チャネルのうちの１つから数多くの出力チャネルのうちの１つに信号を送るための光クロスバースイッチなどを製造するために用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３１】
本明細書に開示される電界切替え可能分子は、種々の視認ディスプレイにおいてだけではなくて、マイクロスケール、さらにはナノスケールの構成要素から構成される光学デバイスにおいて用途が見出されるものと期待される。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１】本発明に従って用いるための２色（例えば白黒）ディスプレイ画面構成の概略図（斜視透視図）
【図１ａ】図１に示すディスプレイ画面の着色剤層要素の詳細図
【図２】本発明に従って用いるためのフルカラーディスプレイ画面構成の概略図（斜視透視図）
【図３】本発明に従って用いるための２色ディスプレイ画面構成の走査アドレス指定の実施形態の概略図
【図４】分子配座の変化を介する電界誘導バンドギャップ変化を示す概略モデル（回転子／固定子方式モデル）
【図５ａ】双極子を有する中央回転子部及び２つの端部固定子部からなる分子
【図５ｂ】回転子及び固定子が全て同一面上にある平坦な状態を示している図５ａ記載の分子の概略図（斜視図）
【図５ｃ】回転子が固定子に対して９０°回転している回転状態を示している図５ａ記載の分子の概略図（斜視図）
【図６ａ】バンド局在化の増減を伴う電荷の分離あるいは再結合を介する拡張共役の変化によって引き起こされる電界誘導バンドギャップ変化を示す概略モデル
【図６ｂ】電荷の分離あるいは再結合、及びπ結合の破壊あるいは形成を介する拡張共役の変化によって引き起こされる電界誘導バンドギャップ変化を示す概略モデル
【図７】分子折り畳みあるいは伸長を介する電界誘導バンドギャップ変化を示す概略モデル
【図４】
2005505785.tif 000012
【図６ａ】
2005505785.tif 000013
【図６ｂ】
2005505785.tif 000014
【国際公開パンフレット】
2005505785.tif 000015
2005505785.tif 000016
2005505785.tif 000017
2005505785.tif 000018
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2005505785.tif 000020
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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