JP2018105920A - 電気光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エレクトロクロミック材料を用いる装置において良好な白色状態を実現する。
【解決手段】一面側に第１電極１５を有する第１基板１１と、一面側に第２電極１６を有し第１基板と対向配置される第２基板１２と、エレクトロデポジション材料を含有しており第１電極と第２電極との間に配置される電解質層を含み、第１電極は、電解質層と接する一面側に凹凸形状を有しており、当該凹凸形状の表面粗さＲａと平均長さＲＳｍの比であるＲａ／ＲＳｍの値が０．０１８以上である、電気光学装置である。
【選択図】図３

Description

本発明は、エレクトロクロミック材料を用いて構成される電気光学装置に関する。

国際公開第２０１２／１１８１８８号パンフレット（特許文献１）には、一対の基板と、一対の基板の対向する面に形成され、一方がナノオーダーの凹凸のある透明電極である一対の電極と、一対の電極の間に矜持され、電解質、銀を含むエレクトロクロミック材料及びメディエータを含む電解質層と、を有する調光素子が開示されている。この調光素子は、一対の電極の間に電圧を印加すると、一方の電極ではエレクトロクロミック材料中の銀イオンが還元されて銀として析出して膜を形成し、電圧を解除すると析出した銀は再び銀イオンとして溶解する。この場合に、銀が平滑な電極上に形成されたとすれば外観上は鏡面状態となり、銀が粒子修飾電極上に形成されたとすれば光の乱反射により外観上は暗状態（黒状態）となる。このため、一対の電極の片方を平滑に、もう片方を粒子修飾電極にすれば、電圧の極性によって鏡面状態と暗状態を切り替えることができる。また、電圧を解除したときには基板間が透明な状態（光が透過する状態）となる。

上記した調光素子は、外観上得られる状態としては鏡面状態、暗状態または透明状態の何れかであるため、例えばこの調光素子を用いてプロジェクタによって投影される画像を表示するためのスクリーンを構成しようとした場合には、鏡面状態を利用することになる。しかし、鏡面状態を利用すると、画像を構成する光の入射角と反射角が等しい方向にのみ強い反射が生じるため、視野角が狭くなるという不都合がある。このため、良好な白色状態を実現することが望まれる。

国際公開第２０１２／１１８１８８号パンフレット

本発明に係る具体的態様は、エレクトロクロミック材料を用いる装置において良好な白色状態を実現することが可能な技術を提供することを目的の１つとする。

本発明に係る一態様の電気光学装置は、（ａ）一面側に第１電極を有する第１基板と、（ｂ）一面側に第２電極を有し、前記第１基板と対向配置される第２基板と、（ｃ）エレクトロデポジション材料を含有しており、前記第１電極と前記第２電極との間に配置される電解質層を含み、（ｄ）前記第１電極は、前記電解質層と接する一面側に凹凸形状を有しており、当該凹凸形状の表面粗さＲａと平均長さＲＳｍの比であるＲａ／ＲＳｍの値が０．０１８以上である、電気光学装置である。

上記構成によれば、エレクトロクロミック材料を用いる装置において、入射光の散乱による良好な白色状態を実現することが可能になる。

図１は、一実施形態の電気光学装置の構成を示す模式的な断面図である。 図２は、第１電極の構成を詳細に説明するための模式的な断面図である。 図３は、電気光学装置の動作原理を説明するための模式的な断面図である。 図４は、実施例の電気光学装置の各サンプルにおける表面処理状態の観察画像を示す図である。 図５は、実施例の電気光学装置のスクリーン特性を示す図である。 図６は、実施例の電気光学装置の相対反射輝度と表面粗さの関係を示す図である。 図７は、実施例の電気光学装置の相対反射輝度とＲａ／ＲＳｍ（ＲａとＲＳｍの比）との関係を示す図である。 図８は、表面凹凸のサイズと散乱効率の関係を示す図である。

図１は、一実施形態の電気光学装置の構成を示す模式的な断面図である。図１に示す電気光学装置は、例えばプロジェクタによって投影される画像を表示するためのスクリーンとして用いられるものであり、第１基板１１、第２基板１２、電解質層１３、シール材１４、駆動装置２０を含んで構成されている。第１基板１１と第２基板１２とは、互いの一面側を向かい合わせて配置されている。

第１基板１１は、例えば透光性を有する硬質の基板（例えばガラス基板）である。この第１基板１１の一面側には、そのほぼ全面にわたって微細な凹凸形状を有する第１電極１５が設けられている。同様に、第２基板１２は、例えば透光性を有する硬質の基板（例えばガラス基板）である。この第２基板１２の一面側には、そのほぼ全面にわたって平坦な第２電極１６が設けられている。

電解質層１３は、エレクトロデポジション材料を含む電解液を用いて構成されており、第１基板１１と第２基板１２の各一面側の間に配置されている。詳細には、電解質層１３を構成する電解液は、エレクトロクロミック材料、メディエータ、支持電解質、溶媒、ゲル化用ポリマーなどを含んで構成される。

電解質層１３を構成する材料の一例として、エレクトロクロミック材料にはＡｇＢｒを３５０ｍＭ用い、メディエータにはＣｕＣｌ_２を３０ｍＭ用い、支持電解質にはＬｉＢｒを７００ｍＭ用い、溶媒にはトリグライムを用いることができる。

なお、銀化合物は上記に限定されず、塩化銀、酸化銀、臭化銀、ヨウ化銀、硝酸銀などを用いることができる。銀化合物の濃度は、例えば５ｍＭ以上５００ｍＭ以下であることが好ましいがこれに限定されない。

支持電解質は、発色材料の酸化還元反応等を促進するものであれば特に限定されず、例えばリチウム塩（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。支持電解質の濃度は、例えば１０ｍＭ以上１Ｍ以下であることが好ましいがこれに限定されない。

溶媒は、発色材料等を安定的に保持することができるものであって、第１基板１１、第２基板１２の構成材料と屈折率ｎが近いか同程度であれば特に限定されない。屈折率が同程度であることが望ましいのは、電気光学装置を透明状態とする場合において界面での反射が極力生じないようにして透明性を高めるためである。例えば、各基板の屈折率が１．５２の無アルカリガラスであるとすると、溶媒とガラスとの屈折率差が±０．１５であれば界面反射を１％以下にでき、屈折率差が±０．１０であれば界面反射を０．５％以下にできる。このような溶媒としては炭酸プロピレン等の極性溶媒、極性のない有機溶媒、さらには、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、トリグライム（ｎ＝１．４３２）、炭酸プロピレン（ｎ＝１．４１９）、ジメチルスルホキシド（ｎ＝１．４７９）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ｎ＝１．４３１）、テトラヒドロフラン（ｎ＝１．４０９）、γ−ブチロラクトン（ｎ＝１．４３６）等を用いることができる。

シール材１４は、第１基板１１と第２基板１２の各一面側の間において、基板同士が重なる領域を囲んで設けられており、電解質層１３を封止する。シール材１４としては、例えばＵＶ硬化型のシール材、ＵＶ・熱硬化型のシール材、熱硬化型のシール材を用いることができる。

本実施形態では、シール材１４にはギャップ材（例えば直径５０μｍ）が添加されており、このギャップ材によって第１基板１１と第２基板１２の相互間距離（セル厚）を確保する。なお、第１基板１１、第２基板１２として大面積のものを用いる場合には、セル厚のムラを低減するために基板面内にギャップ材を分散配置することが好ましい。

駆動装置２０は、第１電極１５および第２電極１６と接続されており、これらを介して電解質層１３へ駆動電圧を供給する。

図２は、第１電極の構成を詳細に説明するための模式的な断面図である。第１電極１５の構成としてはいくつかの態様が考えられる。図２（Ａ）に示す態様の第１電極１５は、第１基板１１の一面側に形成された多数の微細な凹部２１の表面形状に沿って設けられた導電膜２２を含んで構成されている。図示のように導電膜２２は、凹部２１の表面形状に沿って設けられ、第１基板１１の一面側において多数の凹部２４からなる凹凸形状を有する。図２（Ｂ）に示す態様の第１電極１５は、第１基板１１の一面側に設けられた導電膜２３を有しており、導電膜２３はその一面側に微細な多数の凹部２４からなる凹凸形状を有する。これらの何れの態様によっても微細な凹凸形状を有する第１電極１５が得られる。

図２（Ｃ）は、第１電極の凹凸形状について詳細に説明するための模式的な断面図である。第１電極１５の導電膜２２（または２３）の表面における凹凸は、例えば図示のように凹部２４の深さＬと幅Ｗによって定義することができる。凹部２４の深さＬは、例えば４００ｎｍ程度であり、凹部２４の幅Ｗは、例えば数μｍである。なお、凹部２４の形状モデルとしては図示のような半球状を考えるが、実際には半球状に近いランダム形状になると考えられ、その深さや幅も一定ではなくある一定範囲においてバラツキを有し得る。

図３は、電気光学装置の動作原理を説明するための模式的な断面図である。図３（Ａ）には、白色状態を実現する際の動作原理を示す。第１電極１５と第２電極１６の間に、第１電極１５側が相対的に低電位となるようにして直流電圧を印加することで、金属核が発生して成長し、図示のように第１電極１５の凹部２４上に金属膜３０が析出する。ここで析出する金属膜３０は、図示のように各凹部２４を含んで構成される微小な凹凸形状に沿うようにして形成された緻密な膜となる。このときの凹凸形状が可視光の波長サイズ以上であれば入射光は散乱されるので、外観上は白色状態となる。

また、図３（Ｂ）には、鏡面状態を実現する際の動作原理を示す。第１電極１５と第２電極１６の間に、第２電極１６側が相対的に低電位となるようにして直流電圧を印加することで、金属核が発生して成長し、図示のように第２電極１６の表面上に平坦な金属膜３０が析出する。このときの平坦な金属膜への入射光は正反射されるので、外観上は鏡面状態となる。なお、第１電極１５と第２電極１６の間に電圧を印加しない状態（電圧無印加状態）においては、金属膜が析出しないため、外観上は透明状態となる。

すなわち本実施形態の電気光学装置は、第１電極１５と第２電極１６の間への電圧印加の状態に応じて、外観上、白色状態（光散乱状態）、鏡面状態（光反射状態）および透明状態（光透過状態）の各状態を得ることができる。

次に、本実施形態の電気光学装置の製造方法について説明する。ここでは、第１基板１１の一面側の多数の微細な凹部２１に設けられた導電膜２２を含んで第１電極１５が構成されている場合（図２（Ａ）参照）について、その好適な製造方法の一例を説明する。

無アルカリガラス基板などの透明基板の一面に、例えばブラスト処理を施すことにより、透明基板の一面側に微細な凹凸形状を形成する。これにより、一面側に微細な凹凸形状を有する第１基板１１が得られる。このとき、ブラスト処理の諸条件を適宜設定することで、第１基板１１の凹凸形状の粗さ具合を制御することができる。ブラスト処理を用いる場合に、その諸条件としては、投射材（砥粒）の粒径、投射材の材質、投射圧力、投射角度、処理時の基板距離、処理時間などが挙げられる。なお、ブラスト処理に変えてウェットエッチング処理などを用いてもよい。ウェットエッチング処理の諸条件としては、薬液組成、濃度、処理時間などが挙げられる。

次に、第１基板１１の凹凸形状を有する面に導電膜を形成する。例えば、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）からなる透明導電膜（ＩＴＯ膜）をスパッタ法によって成膜する。これにより、第１基板１１の一面側に設けられた多数の微細な凹部２１に設けられた導電膜２２によって構成される第１電極１５が得られる。導電膜２２としてのＩＴＯ膜のシート抵抗は例えば５Ω／sq.程度であり、膜厚は数百ｎｍである。

また、無アルカリガラス基板などの透明基板をもう１つ用意し、その一面に導電膜を形成する。例えば、ＩＴＯ膜をスパッタ法によって成膜する。これにより、一面側に第２電極１６を有する第２基板１２が得られる。導電膜としてのＩＴＯ膜のシート抵抗は例えば５Ω／sq.程度であり、膜厚は数百ｎｍである。

なお、透明導電膜としては可視光領域での光透過性が高ければ特に限定されず、例えばＺｎＯ膜、Ｇａ_２Ｏ_５膜、グラフェン膜などを用いることもできる。また、透明導電膜の形成方法についても特に限定はなく、例えば真空蒸着法、イオンプレーティング法、スピンコーティング法など種々考えられる。

次に、一方の基板、例えば第１基板１１の一面側にギャップ材を添加されたシール材料を塗布する。シール材料としては、例えば紫外線硬化型、熱硬化型、紫外線硬化と熱硬化の混合型など種々のものを用いることができる。

また、他方の第２基板１２の一面側にギャップ材を散布する。このときの散布量は１〜３個／ｍｍ^２とするのが経験上好ましいがこれに限られない。なお、ギャップ材に代えて、リブなどの突起体を基板上に形成することでギャップコントロールを行ってもよい。この場合、突起体のアスペクト比はなるべく高いことが好ましい。

次に、第１基板１１と第２基板１２の間にエレクトロデポジション材料を含む電解液を封入する。この工程は、例えば、ワンドロップフィリング法（ＯＤＦ法）によって行うことができる。具体的には、第１基板１１の一面側のシール材料に囲まれた領域内に電解液を滴下した後、この第１基板１１の一面と第２基板１２の一面を向かい合わせて両者を貼り合わせる。そして、紫外線および／または熱を与えることによってシール材料を硬化させる。これにより、シール材１４と、これによって周囲を封止された電解質層１３が得られる。なお、第１基板１１と第２基板１２を先に貼り合わせた後に両者間へ真空注入法によって電解液を注入してもよいし、その他の方法を用いてもよい。

以上のようにして、本実施形態の電気光学装置を製造することができる。なお、第１電極１５が第１基板１１の一面側に設けられた導電膜２３の一面に多数の微細な凹部２４を設けて構成されている場合（図２（Ｂ）参照）についても、第１電極１５を得る工程を除いて上記と同様の製造方法を用いることができる。なお、第１電極１５を得る工程については、例えば、第１基板１１の一面上にスパッタ法など適宜の成膜法によって導電膜２３を形成し、その導電膜２３の一面をブラスト処理やエッチング処理によって加工することによって多数の凹部２４を形成すればよい。

（実施例）
電気光学装置の実施例として、いくつかのサンプルを作製した。
各サンプルの電解質層１３の層厚は５０μｍとした。電解質としては、溶媒をトリグライムとし、エレクトロクロミック材としてＡｇＢｒを３５０ｍＭ添加し、支持電解質としてＬｉＢｒを７００ｍＭ加え、メディエータとしてＣｕＣｌ_２を３０ｍＭ加えた。また、第１電極１５、第２電極１６としてはそれぞれシート抵抗５Ω／sq.のＩＴＯ膜を用いた。

第１電極１５の表面の凹凸形状については、ブラスト条件を変えることで以下のように表面状態、具体的には平均粗さ（算術平均粗さ）Ｒａ、平均長さＲＳｍ、平均深さＲｃがそれぞれ異なるサンプルを作製した。ここでいう平均粗さ（算術平均粗さ）Ｒａ、平均長さＲＳｍ、平均深さＲｃのそれぞれはＪＩＳ規格（JIS B 0601:2001）により定義されるものに対応している。

サンプル１： Ｒａ＝０．１２μｍ、ＲＳｍ＝２０．０μｍ、Ｒｃ＝０．４３μｍ
サンプル２： Ｒａ＝０．４９μｍ、ＲＳｍ＝１８．５μｍ、Ｒｃ＝１．７７μｍ
サンプル３： Ｒａ＝０．５４μｍ、ＲＳｍ＝２５．２μｍ、Ｒｃ＝１．９３μｍ

図４は、実施例の電気光学装置の各サンプルにおける表面処理状態の観察画像を示す図である。詳細には、図４（Ａ）は上記サンプル１の観察画像、図４（Ｂ）は上記サンプル２の観察画像である。なお、サンプル３の観察画像は省略する。図示のように、サンプル１は、表面粗さＲａが０．１２μｍ、表面に形成される各凹部２４の径が概ね２〜５μｍである。サンプル２は、表面粗さＲａが０．４９μｍ、表面に形成される各凹部２４の径が概ね３〜７μｍである。

次に、各サンプルの視野角特性について説明する。一般的に、スクリーンの視野角の特性は、被測定物の基板面の法線方向を基準として５°傾いた角度における反射輝度に対する、各角度での反射輝度の角度依存性により評価される。スクリーンに投影した映像を視認できる範囲は視野範囲角度と呼ばれ、相対反射輝度が１／２の値となる角度をいう。スクリーンとして用いるには、視野範囲角度が６０°以上であることが好ましい。各サンプルについて、各角度での反射輝度を５°〜６０°の範囲で５°毎に測定した。

図５は、実施例の電気光学装置のスクリーン特性を示す図である。サンプル１では視野範囲角度が１０°程度となるが、サンプル２、３では視野範囲角度が少なくとも６０°以上であり、十分なスクリーン特性を有することが分かる。サンプル２、３のそれぞれの表面粗さＲａは０．２５μｍ以上である。一般的にＲａが波長の１／２以上であると散乱が強まると言われており、このことと一致した結果が得られていることが分かる。

図６は、実施例の電気光学装置の相対反射輝度と表面粗さの関係を示す図である。表面粗さＲａが０．４μｍよりも大きくなると視野範囲角度は大きくなる傾向にあるが、必ずしも表面粗さＲａに対して６０°での相対反射輝度は単調に増加していない。これは、第１電極１５の表面凹凸の密度に関係すると考えられる。表面凹凸は平均長さＲＳｍの間隔で存在しているが、Ｒａに対してＲＳｍが大きくなると表面凹凸の密度が低くなり散乱は小さくなる。

図７は、実施例の電気光学装置の相対反射輝度とＲａ／ＲＳｍ（ＲａとＲＳｍの比）との関係を示す図である。図示のように、Ｒａ／ＲＳｍが大きくなるほど６０°での相対反射輝度は大きくなることが分かる。各プロットに基づいて得た近似曲線によれば、６０°での相対反射輝度を０．５以上とするためには、Ｒａ／ＲＳｍの値が少なくとも０．０１８以上であればよいことが分かる。

図８は、表面凹凸のサイズと散乱効率の関係を示す図である。表面凹凸による散乱は凹凸高さによってもその散乱効率が異なる。銀膜からなる第１電極１５の表面凹凸を球で近似した場合、各サイズの凹凸部１個に対する散乱効率は図示の通りとなる。Ｍｉｅ散乱理論により散乱断面積を求め、散乱効率は散乱断面積と凹凸部１個の投影断面積の比により求めた。散乱断面積が投影断面積よりも大きくなる場合の散乱効率は１とした。図８より、散乱効率は表面凹凸のサイズが１０μｍになると可視光領域で０．５程度となる。すなわち５０％は正反射成分となり、鏡面反射に近い反射特性となる。したがって、表面凹凸の平均深さＲｃはこれよりも小さい必要があり、１０μｍ以下にするとよいことが分かる。また、一般的に表面凹凸のサイズが入射光の波長の１／１０以下になると散乱は生じないため、これよりも大きなサイズにするとよいことが分かる。視野範囲角度が６０°以上であるサンプル２、３の平均深さＲｃはそれぞれ１．７７μｍ、１．９３μｍであり、計算によって求めた散乱効率の高い表面凹凸のサイズとよく一致している。

以上のような実施形態並びに実施例によれば、エレクトロクロミック材料を用いる電気光学装置において入射光の散乱による良好な白色状態を実現することが可能となる。

なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。例えば、上記した説明では本発明に係る電気光学装置の好適な用途の一例としてスクリーンを挙げていたが、用途はこれに限定されるものではない。

１１：第１基板
１２：第２基板
１３：電解質層
１４：シール材
１５：第１電極
１６：第２電極
２０：駆動装置
２１、２４：凹部
２２、２３：導電膜
３０：金属膜

Claims (5)

1. 一面側に第１電極を有する第１基板と、
   一面側に第２電極を有し、前記第１基板と対向配置される第２基板と、
   エレクトロデポジション材料を含有しており、前記第１電極と前記第２電極との間に配置される電解質層と、
   を含み、
   前記第１電極は、前記電解質層と接する一面側に凹凸形状を有しており、当該凹凸形状の表面粗さＲａと平均長さＲＳｍの比であるＲａ／ＲＳｍの値が０．０１８以上である、
   電気光学装置。
2. 前記凹凸形状の前記表面粗さＲａが可視光波長の１／２以上である、
   請求項１に記載の電気光学装置。
3. 前記凹凸形状の前記表面粗さＲａが０．４μｍより大きい、
   請求項１又は２に記載の電気光学装置。
4. 前記凹凸形状の平均深さＲｃが１０μｍ以下である、
   請求項１〜３の何れか１項に記載の電気光学装置。
5. 前記第１基板及び前記第２基板の各々の屈折率が１．４２以上１．５５以下であり、
   前記電解質層に含まれる溶媒の屈折率と前記第１基板及び前記第２基板の各々の屈折率との差が±０．１５以内である、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気光学装置。