(57)【要約】本発明は、エレクトロウェッティング・モジュールに係る。該モジュールは、インターフェイスによって分けられた第１の流体及び第２の流体を有する流体室と、インタフェースの位置及び／又は形状を変更するよう流体のうち少なくとも一方に力を及ぼす手段とを有する。第２の流体に、第１の流体とは不溶性又は不混和性であり溶解又は混合された化合物を与えることによって、及び／又は、第１の流体は、第２の流体とは不溶性又は不混和性である溶解又は混合された化合物を有し、−２０℃を下回るまで夫々の流体の凝固点を下げるのには十分な量であり、モジュールの性能は、モジュールが低温で使用され得るよう改善され得る。
2006525547.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エレクトロウェッティング・モジュールであって、
少なくとも、第１の導電性及び／又は極性の流体からなる第１の物体、及び、第２の非導電性及び／又は非極性の流体からなる第２の物体を有し、前記２つの物体がインタフェースによって分けられている、流体室と、
前記インタフェースの位置及び／又は形状を変更するよう前記物体のうち少なくとも一方に力を及ぼす手段と、
を有し、
前記第２の流体は、前記第１の流体には不溶性又は不混和性である溶解又は混合化合物を有し、及び／又は、前記第１の流体は、前記第２の流体には不溶性又は不混和性である溶解又は混合化合物を有し、前記化合物の量は、前記夫々の流体の凝固点を−２０℃を下回るまで下げるには十分である、ことを特徴とする、
エレクトロウェッティング・モジュール。
【請求項２】
前記溶解化合物の量は、前記夫々の流体の前記凝固点を−３０℃、望ましくは−４０℃を下回るまで下げるには十分である、
請求項１記載のエレクトロウェッティング・モジュール。
【請求項３】
前記流体中の前記溶解化合物の前記濃度は、少なくとも４Ｍ、望ましくは６Ｍである、
請求項１記載のエレクトロウェッティング・モジュール。
【請求項４】
前記流体の第１の物体に溶解又は混合される前記化合物は、５０ｕを下回る、望ましくは４０ｕを下回る原子量を有する陽イオンを有する無機塩類である、
請求項１記載のエレクトロウェッティング・モジュール。
【請求項５】
前記無機塩類は、塩素塩類、望ましくは塩化リチウム、塩化アンモニウム又は塩化ナトリウムであり、より望ましくは塩化リチウムである、
請求項４記載のエレクトロウェッティング・モジュール。
【請求項６】
前記第１の流体に溶解又は混合される前記化合物は、有機化合物であり、望ましくはメタノール、エタノール、及びエチレン・グリコールの中から選択される、
請求項１記載のエレクトロウェッティング・モジュール。
【請求項７】
前記第２の流体に溶解又は混合される前記化合物は、四臭化炭素、ジブロモベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン、ナフタリン、及びビフェニルから選択される、
請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のエレクトロウェッティング・モジュール。
【請求項８】
光学部品として構成される請求項１乃至７のうちいずれか一項記載のモジュールであって、
前記第１及び前記第２の流体は、異なる屈折率を有し、
前記第１の流体に加えられた前記化合物は、屈折率の差異を有して効果を高める、
モジュール。
【請求項９】
前記第１の流体は、電気伝導性及び／又は極性であり、前記第２の流体は、非電気伝導性及び／又は非極性であり、前記モジュールは、前記メニスカス形状のインタフェースの前記位置及び／又は形状を変更するよう電気力を及ぼす手段を備えられる、
請求項８記載のモジュール。
【請求項１０】
前記屈折率における相違は、０．０１から０．３、望ましくは０．１から０．２であり、前記物体のうちのいずれかの前記屈折率は、１．４より大きく、望ましくは１．５より大きい、
請求項８記載のモジュール。
【請求項１１】
前記第１及び前記第２の流体は、略同様の濃度を示す、
請求項８記載のモジュール。
【請求項１２】
前記インタフェースの前記位置及び／又は形状を変更するよう圧力を及ぼす手段を有する、
請求項８記載のモジュール。要約。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトロウェッティング・モジュールに係る。該エレクトロウェッティング・モジュールは、少なくとも第１の導電性及び／又は極性の流体からなる第１の物体、及び、第２の非導電性及び／又は非極性の流体からなる第２の物体を有し、前述の物体はインタフェースによって分離される流体室と、インタフェースの位置及び／又は形状を変更するよう物体のうち少なくとも一方に力を及ぼす手段と、を有する。
【背景技術】
【０００２】
ウェッティング技術は、多量の流体を所定の経路に沿って操作することを可能にすると観察される。かかる技術をもって、前述の量の表面張力は、局所的に変えられ（通常は低減され）、かかる量がその最も低い表面張力の方向に流れるようにされる。
【０００３】
更に、流体は、いかなる力にも応答して形状を変え、流れることが可能である気体、蒸気、液体、及び固体と液体の混合体を有しする物質であることが観察される。
【０００４】
一定の流体による表面の「湿潤性」という用語は、前述の流体が前述の特定の表面を湿らせ得る容易性の兆候を与え、例えば、前述の表面の性質及び／又は前述の表面にわたる電位に依存し得る。表面が特定の流体によって「高湿潤性」を有する場合、これは、前述の表面と接触する前述の流体の液滴が、比較的広い接触範囲、及び通常は約９０°より小さい比較的小さい接触角を有する、多少拡張された形状を有することを示す。「低湿潤性」は、前述の表面と接触する液滴が、比較的狭い接触範囲、及び通常は約９０°を超える比較的大きな接触角を有する、多少縮小された形状を有することを示す。
【０００５】
「湿潤」という用語は、特定の流体の液滴等のボリュームの表面張力が局所的に変化され、特定の表面に対して前述の流体の湿潤の性質に影響を与えるようにする全ての技術を網羅するよう理解される。
【０００６】
湿潤性現象が活用されるモジュールにおいて、２つの流体が所望の特性を有することが必要である。該特性とは、可能な限り近い濃度、低い融点、適合された粘着性、よいエレクトロウェッティングの性質、無毒、及び、光モジュールの場合は一定の所定の相違を有する屈折率、等である。
【０００７】
かかる光モジュールの例は、エレクトロウェッティング・レンズとも称されるエレクトロウェッティングをベースとするレンズであり、その焦点距離は変更され得る。エレクトロウェッティング・レンズにおいて、２つの流体の間のインターフェイスは、メニスカスである。かかるモジュールにおいて、第１の流体は電気伝導性及び／又は極性の流体であり、第２の流体は非電気伝導性及び／又は非極性の流体である。第１の液体は、塩水等であり、第２の液体は、例えば、デカン及びシリコンオイル等の有機非極性の水不混和性の液体である。エレクトロウェッティング・光モジュールは、電気力を及ぼす手段を備えられ、該手段を用いてメニスカスの形状及び／又は位置が形成され得る。エレクトロウェッティング・光モジュールの他の例は、ズームレンズ、ダイヤフラム、回折格子、フィルタ、及びビーム偏光器である。これらのモジュールの実施例は、ＰＣＴ特許出願番号ＩＢ０３／００２２２（特許文献１）、欧州特許第０２０７８９３０９．２号明細書（特許文献２）、欧州特許第０２０８０３８７．０号明細書（特許文献３）、欧州特許第０２０８００６０．３号明細書（特許文献４）に説明される。エレクトロウェッティング・光モジュールは、非常に小型であり、従って、光ディスク走査機器、ａ／ｏ携帯電話に対するミニカメラ、ディスプレイ等装置において、多くの有利性を伴って使用され得る。
【０００８】
光エレクトロウェッティング・モジュールでは、モジュールが使用され得る温度の範囲が、使用される流体の凝固点に大きく依存する。０℃をかなり下回る温度、望ましくは約−２０℃でも動作する光エレクトロウェッティング・モジュールへの需要が高まっている。更に、格納温度は、−４０℃ほど低いべきである。筐体への損傷を防ぐよう、液体は、望ましくはかかる温度を上回っては凝固するべきではない。
【０００９】
既知の水溶液、及びいくつかの非導電性流体は、かかる要求に応えるものではない。
【００１０】
よって、流体の凝固点を約−２０℃を下回って下げることの問題は、解決されていないままである。
【特許文献１】ＰＣＴ特許出願番号ＩＢ０３／００２２２
【特許文献２】欧州特許第０２０７８９３０９．２号明細書
【特許文献３】欧州特許第０２０８０３８７．０号明細書
【特許文献４】欧州特許第０２０８００６０．３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、エレクトロウェッティング・モジュールを与えることを目的とする。該モジュールは、冒頭で定義付けられた通り、光モジュールとして使用される場合、広範囲に亘って屈折力を変化させることができ、低温でもまだ使用され得る。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
エレクトロウェッティング・モジュールは、第２の流体が第１の流体には不溶性又は不混和性である溶解又は混合化合物を有し、及び／又は、第１の流体が第２の流体には不溶性又は不混和性である溶解又は混合化合物を有し、前述の化合物の量は、夫々の流体の凝固点を−２０℃を下回るまで下げるには十分である、ことを特徴とする。凝固点は、望ましくは−３０℃を下回るまで下げられる。更により望ましい凝固点は、全ての環境状況での装置の格納を可能にするよう、−４０℃まで下げられるべきである。以下に説明されるが、実験によって、４Ｍの濃縮を有する溶液は、最も適切な液体の融点をー２０Ｃまで下げるよう要求される。
【００１３】
塩水を構成する第１の流体を有するエレクトロウェッティング・レンズは、例えば、B.  Berge及びJ.  Peseux著、「Eur.  Phys.  J.E3,  159-163」、２０００年によって開示されることが言及される。前述の流体は、更に具体的には、水において数パーセントのＮａ２ＳＯ４で構成される。それにもかかわらず、かかる溶解塩の量は低すぎるため凝固点を大きく下げることができない。
【００１４】
５０ｕを下回る、望ましくは４０ｕを下回る原子量を有する陽イオンを有する無機塩は、本発明のエレクトロウェッティング・モジュールの導電性流体における使用に非常に適している。これは、かかる化合物が、濃度及び溶解の屈折率が依然として低い値を有するという追加的な利点を有するためである。望ましい化合物は、塩素塩、より具体的には塩化リチウムである。
【００１５】
塩化ナトリウムの１０ｗｔ％の溶液をエレクトロウェッティング・レンズにおいて導電性液体として使うことは特開２００１−０１３３０６Ａ号公報より既知である、ことが観察される。かかる塩の量は、１．８３Ｍの溶液に対応する。即ち、かかる溶液では、−６．５Ｃまでの凝固点降下を得ることが可能であるのみである。
【００１６】
第２の非極性流体において、前述の物体の凝固点を下げるよう使用されるべき望ましい混合物は、請求項７に記載される。
【００１７】
上述されたモジュールは、光学部品として構成され得、第１及び第２の流体は、異なる屈折率を有する。かかる光モジュールでは、第１の導電性流体に追加された塩は、屈折率の差異を有し、効果を持続する。
【００１８】
かかるモジュールでは、第１の流体は、電気伝導性及び／又は極性であり得、第２の流体は、非電気伝導性及び／又は非極性であり得、モジュールは、メニスカス形状のインターフェイスの位置及び／又は形状を変えるよう電気力又は機械力を及ぼす手段を備えられ得る。
【００１９】
屈折率の差異は、０．０１乃至０．３であり、望ましくは０．１乃至０．２である。即ち、流体のうちいずれか一方の屈折率は、１．４より大きく、望ましくは１．５より大きい。
【００２０】
望ましくは、第１及び第２の流体は、略同様の濃度を示す。
【００２１】
モジュールはまた、インターフェイスの位置及び／又は形状を変えるよう圧力を及ぼす手段を備えられ得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明のこれらの及び他の面は、以下に説明される実施例を参照して非制限的な例を使って明らかに且つ解説され、添付の図面中で図解される。
【００２３】
図１は、可変焦点レンズを構成するエレクトロウェッティング・モジュールを図示する。構成要素は、導管を形成し、２つの流体を有する流体室８を形成するよう透明な前方構成要素４と透明な後方構成要素６とを用いて密閉された、第１の円筒電極２を有する。電極２は、管の内壁に塗付された導電被膜であり得る。
【００２４】
エレクトロウェッティング・モジュールのかかる実施例では、２つの流体は、現今ではシリコンオイル又はアルカン等である電気絶縁性の第１の液体Ａと、現今では食塩水を有する水等である電気伝導性の第２の液体Ｂとの形状の、不混和性の２つの液体から構成される。第１の流体Ａは、第２の流体Ｂより高い屈折率を有する。
【００２５】
第１の電極２は、内径が典型的には１ｍｍ乃至２０ｍｍの円筒形である。かかる電極は、金属材料で形成され、パリレン等で形成された絶縁層１０によって被覆される。絶縁層は、５０ｎｍ乃至１００μｍの厚さを有する。絶縁層は、流体接触層１２で被覆され、流体室の円筒壁を有するメニスカス１４の接触角におけるヒステリシス、即ち流体Ａと流体Ｂとの間のインターフェイスを低減する。流体接触層は、望ましくは、ＤｕＰｏｎｔ（登録商標）社が製造するＴｅｆｌｏｎ（登録商標）ＡＦ１６００等の無定形炭素から形成される。流体接触層１２は、５ｎｍ乃至５０μｍの厚さを有する。１つの層が、絶縁性の特性及び疎水性の特性のいずれをも有して使用されることも可能である。
【００２６】
第２の電極１６は、かかる場合は後方構成要素６に近接する流体室の一側に配置される。第２の電極は、少なくとも一部分が流体室にあるよう配置され、電極は第２の流体Ｂに作用し得るようにされる。
【００２７】
２つの流体Ａ及びＢは、不混和性であり、メニスカス１４によって分けられた２つの流体に分けられる傾向があるようにされる。第１及び第２の電極の間に電圧が印加されない際は、流体接触層１２は、第２の流体Ｂに対してより第１の流体Ａに対して、より高い湿潤性を有する。図１は、かかるレンズの構成、即ちエレクトロウェッティング・レンズの非動作状態を図示する。かかる構成において、流体Ｂで測定されたメニスカスと流体接触層１２との間の初期接触角θは、９０°より大きい。第１の流体Ａの屈折率は、第２の流体Ｂの屈折率より大きいため、本願ではメニスカス・レンズと称されるメニスカスによって形成されたレンズは、かかる構成において負の電力を有する。
【００２８】
エレクトロウェッティングのために、第２の流体Ｂの湿潤性は、第１の電極と第２の電極との間の電圧の印加のもとで変化し、接触角を変更する傾向がある。図２は、源１７からのかかる電圧がレンズに与えられる場合、即ちレンズが動作状態にある場合のレンズ構成を図示する。かかる場合、電圧は比較的高く、例えば１５０Ｖ乃至２５０Ｖであり、電極の本体に対して、メニスカスは凸面の形状を有する。メニスカスと流体接触層１２との間の最大接触角は、例えば６０°のオーダである。流体Ａの屈折率は、流体Ｂより大きいため、かかる構成におけるメニスカス・レンズ１は、正の電力を有し、レンズから一定の距離ｄで焦点１８に入射ビームｂの焦点を合わせる。
【００２９】
可変焦点レンズの構成についての更なる詳細に関しては、特許文献１が参照される。ズームレンズは、より高い屈折率の液体とより低い屈折率の流体との間に少なくとも２つの独立して制御可能なインターフェイスを有し、欧州特許第０２０７９４７３．１号明細書（ＰＨＮＬ０２１０９５）に説明される。
【００３０】
実際には、エレクトロウェッティング・モジュールの伝導性液体の凝固点を下げ、モジュールが例えば−２０℃の温度でまだ動くようにされる必要がある。
【００３１】
当然のことながら、モジュールのエレクトロウェッティングの特性は、かかる低温で保持されるべきである。
【００３２】
液体の凝固点を下げる既知の方法は、液体中に塩を溶解することである。理論上の凝固点降下は、キログラム液体あたりモル単位のイオンでの所定の量の塩によって達成され、以下の式、
ΔＴｆ＝Ｋｆｃｍ
より略確定され得る。ΔＴｆは凝固点での変化であり、Ｋｆは凝固点降下定数であり、ｃｍは、溶液のイオンのモル濃度である。
【００３３】
塩の高い濃度が凝固点の十分な降下をもたらすのに必要であることは、かかる式から得られる。それにもかかわらず、液体中に過多の塩を溶かすことによって液体の濃度は過度に上昇し、結果として、伝導性及び非伝導性の液体の間の所望された密度の適合が常には充たされ得ない。
【００３４】
更に、液体に塩を溶解することは、屈折率の変化に上昇を与え得る。伝導性液体の屈折率が塩の添加で上昇する際は、かかる液体と非伝導性液体との間の屈折率は減少し（非伝導性液体が伝導性液体より高い屈折率を有する場合）、エレクトロウェッティング・レンズの屈折力の範囲に所望しない減少をもたらす。
【００３５】
エレクトロウェッティング・レンズにおいて、レンズの屈折力は、以下の式、
【００３６】
【数１】
2006525547.tif 000003
に見られ得る通り、メニスカスの曲率と、伝導性と非伝導性の液体との間の屈折率の差異とに依存する。
【００３７】
Ｓは、メニスカスレンズの屈折力、ｒはメニスカスの曲率半径、ｎ２は非伝導性液体の屈折率、ｎ１は伝導性液体の屈折率である。
【００３８】
エレクトロウェッティング・レンズに現今使用される非伝導性液体（例えばアルカン又はシリコンオイル）は、現今使用される伝導性液体の屈折率（例えば水、ｎ＝１．３３）の屈折率より極僅かに大きい屈折率（ｎ＝１．３７−１．４３）を有する。
【００３９】
本発明によれば、望ましくは無機塩である化合物の量は、約−２０℃まで第２の伝導性流体の凝固点を下げるのには十分であり、前述の第１の伝導性流体に加えられる。前述の塩は、望ましくは、５０ｕを下回る低分子量を有する陽イオンを有する。
【００４０】
かかる測定は、伝導性液体に対する屈折率及び濃度を低く保ち、一方で、高透過性、他の液体又は流体との不混和性等の液体に対する他の要求項目、及びエレクトロウェッティングのよい動作が、満たされ得る。
【００４１】
−２０℃の凝固点を得るためのいくつかの液体及びその凝固点降下定数は、以下の表１に与えられる。
【００４２】
【表１】
2006525547.tif 000004
表１では、−２０℃を下回る凝固点融点を得るよう溶液におけるイオンのモル濃度ｃｍがある。各塩分子は、少なくとも２つのイオンに上昇を与えるため、液体に溶解された塩の所望される量は、少なくとも２つの要因によってｃｍより小さい。例えばＬｉＣｌは、導電性液体において無機塩を使用され、５．４ＭのＬｉＣｌの溶液が水の凝固点を−２０℃に下げるよう与えられる。
【００４３】
実験より、エレクトロウェッティング・モジュールに使用される最も適切な流体に対して、４Ｍの濃度を有する溶液は、凝固点を−２０℃に下げるよう要求されるという結果になる。ここでは無機塩が言及されたが、エチルグリコル、エタノール、又はメタノール等の有機化合物が使用され得る。また、実験によって、有機材料の４Ｍの分子は、凝固点を−２０℃に下げるよう要求されることが示される。
【００４４】
光学構成要素、より具体的にはレンズの流体の凝固点を下げるよう、アルコール、グリセリン、シリコン、鉱物油を使用することが米国特許第２００３／００９５３３６Ａ号明細書、段落番号［００６３］より既知であることが観察される。かかるレンズは、しかしながら、エレクトロウェッティングに基づかない。即ち、説明は、いかなる濃度、及び使用されるべき化合物の一定の濃度の有利性についても更に言及しない。
【００４５】
前述された通り、無機塩を構成する陽イオンは、望ましくは４０ｕを下回る低分子量を有することが望ましい。
【００４６】
本発明に使用されるべき化合物の望ましい群は、ＬｉＣｌ，ＮＨ４ＣＬ  ｅｎ  ＮａＣｌで構成され、なかでもＬｉＣｌは、最も望ましい化合物であり、導電性溶媒として水と共に使用される。フッ化塩もまた、所望の凝固点降下を与える場合は使用され得る。
【００４７】
化合物の他の望ましい群は、ギ酸アンモニウム又はギ酸リチウム等の、ギ酸塩を有する塩又は陽イオンとしての酢酸塩で構成される。
【００４８】
更には、第２の非極性流体の凝固点もまた下げる必要があり得る。かかる流体に使用されるべき望ましい化合物は、四臭化炭素、トリクロロベンゼン、ナフタリン、及びビフェニルである。
【００４９】
エレクトロウェッティング・光モジュールで反転レンズを活用する際、導電性液体は、非導電性液体より高い屈折率を有する。かかる場合、導電性液体の屈折率における上昇が所望される。これが達成されるのは、塩の陽イオンが、Ｃｓ２ＷＯ４等のように高分子量、即ち４０ｕより高い高分子量を有し、水溶液が、ｎ＝１．４８２の屈折率を有する際である。ｎ＝１．３７のシリコンオイル等の低屈折率を有する非導電性液体と組み合わされた際、光エレクトロウェッティング・モジュールが作られ得、大きな光パワーを有する。
【００５０】
導電性液体の反転レンズにおける非導電性液体との濃度の適合を可能にするよう、導電性液体がより低い濃度を有する化合物と混合されるべきであることが要求され、通常はシリコンオイルである非導電性液体の濃度と適合するようにされる。
【００５１】
説明は、光エレクトロウェッティング・モジュールの一例としてエレクトロウェッティング・レンズに制限されてきたが、本発明はかかるレンズに制限されるものでは決してない。本発明は、可変焦点レンズ、ズームレンズ、ダイヤフラム、フィルタ、及びビーム偏光器等のいかなる光エレクトロウェッティング・モジュールにも使用され得るが、ポンプ及びモータとして機械的なエレクトロウェッティング・モジュールにも使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】非作動状態にある既知のエレクトロウェッティング・レンズを、光軸を介する断面図で図示する。
【図２】作動状態にあるかかるレンズを図示する。
【図１】
2006525547.tif 000005
【図２】
2006525547.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成17年11月8日(2005.11.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１２】
前記インタフェースの前記位置及び／又は形状を変更するよう圧力を及ぼす手段を有する、
請求項８記載のモジュール。
【国際調査報告】
2006525547.tif 000007
2006525547.tif 000008
2006525547.tif 000009