液体光学素子
【課題】低温特性を確保すると共に電圧保持性を向上させることができる液体光学素子を提供する。
【解決手段】撥水膜１３を有するセル電極基板１０と対向電極基板２０との間に、透明な極性液体３０および不透明な無極性液体４０が互いに分離された状態を保ち封入されている。極性液体３０は、水およびアルコールの混合液である。これにより、低温環境下に曝されても極性液体３０が凝固しにくくなり、セル電極１２と対向電極１１との間に駆動電圧を印加した際およびそののち無印加の状態に戻した際に、速やかに極性液体３０および無極性液体４０が変形および変位する。
【解決手段】撥水膜１３を有するセル電極基板１０と対向電極基板２０との間に、透明な極性液体３０および不透明な無極性液体４０が互いに分離された状態を保ち封入されている。極性液体３０は、水およびアルコールの混合液である。これにより、低温環境下に曝されても極性液体３０が凝固しにくくなり、セル電極１２と対向電極１１との間に駆動電圧を印加した際およびそののち無印加の状態に戻した際に、速やかに極性液体３０および無極性液体４０が変形および変位する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電的に塗れ性を制御するエレクトロウェッティングにより液体が変形および変位する現象を利用した液体光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、静電的に塗れ性を制御するエレクトロウェッティングにより液体が変形および変位する現象が知られている。この現象は、例えば、図９に示したように電極２１０の表面に形成された絶縁膜２１１と電極２１２との間に、導電性の液滴２１３が配置された場合において、電源２１４により電極２１０および電極２１２との間に電圧を印加すると、その電圧に応じて絶縁膜２１１の塗れ性が変化することにより生じる。すなわち、絶縁膜２１１の塗れ性が変化することにより、絶縁膜２１１に対する液滴２１３の接触角θが変化し、液滴２１３が変形および変位するものである。この場合には、絶縁膜２１１の塗れ性と絶縁膜２１１に対する液滴２１３の接触角θとの関係は、数１に示した式により説明されている。
【０００３】
（数１）
γLVｃｏｓθ＝γSV−γSL＋γEW・・・（１）
γEW＝（ｄ×σL2）／（２×ε0 ×εr ）・・・（２）
σL ＝ε0 ×εr ×Ｖ／ｄ・・・（３）
（γLVは液体と気体との界面張力を表し、γSVは固体と気体との界面張力を表し、γSLは固体と液体との界面張力を表し、γEWは電界の強さによる界面張力を表す。ε0 は真空の誘電率を表し、εr は絶縁膜１１１の誘電率を表す。また、Ｖは印加電圧の大きさを表し、ｄは電極１１０および１１２の間の距離を表す。）
【０００４】
このようなエレクトロウェッティングを利用した現象は、導電性が異なり、かつ混合しない２種類の液体を用いた場合においても生じることが知られている。この２種類の液体を用いる場合には、一般的に、絶縁膜として撥水膜が用いられ、２種類の液体として水を含む極性を有する液体と、シリコンオイルや炭化水素系の材料を含む無極性の液体とが用いられている。この撥水膜および極性が異なる２種の液体を用いる技術は、様々な分野において適用可能であるため注目されている。
【０００５】
具体的には、２種類の液体の屈折率の差を利用してズームレンズや表示装置に設けたマイクロレンズとして用いる技術が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。また、２種類の液体のうちの一方に染料等を溶解あるいは分散させて、２種類の液体における光の透過率の差を利用して表示装置に用いる技術が知られている（例えば、特許文献３，４参照）。
【特許文献１】特表２００６−５０４１３２号公報
【特許文献２】特開２００６−２６７３８６号公報
【特許文献３】特開２０００−３５６７５０号公報
【特許文献４】特表２００７−５００８７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した特許文献１〜４の技術では、低温環境においても使用可能にするために、極性を有する液体に無機塩が含まれている。このため、電極に電圧を印加した場合に、無機塩が電離して撥水膜の表面に蓄積あるいは吸着される不純物イオンとなることにより、電極間の電圧保持性が低下しやすいという問題があった。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、低温特性を確保すると共に電圧保持性を向上させることができる液体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】
【０００８】
本発明の液体光学素子は、表面に絶縁膜が形成された第１の電極と、第１の電極の絶縁膜の側に対向配置された第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に封入されて互いに分離した状態を保つ、透明な極性液体および不透明な無極性液体とを備えたものである。極性液体は水およびアルコールの混合液であり、かつ、混合液中の不純物イオン濃度は、第１の電極と第２の電極との間の電圧保持率が９０％となる濃度以下に設定される。この「電圧保持率」とは、電極間に電圧を印加した際に充電された電荷の量に対して、所定の時間を経過したのちに保持されている電荷の量の割合のことである。さらに、「不純物イオン」とは、電圧保持率を低下させる要因となる無機系あるいは有機系のイオンのことであり、例えば、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、塩化物イオン、硝酸イオン、硫酸イオン、リン酸イオン、酢酸イオン、または隔壁あるいは染料などの構成材料が分解しイオン化したものなどのことである。上記した絶縁膜は、例えば、無電界下において上記した極性液体よりも無極性液体との親和性が高いものであることが好ましい。
【０００９】
本発明の液体光学素子では、第１の電極および第２の電極の間に駆動電圧が印加されると、第１の電極の表面に形成された絶縁膜の塗れ性が静電的に変化することによって、光の透過率が高くなるように極性液体および無極性液体が変形および変位する。よって、極性液体が水およびアルコールの混合液であることにより、低温環境下に曝された場合に、極性液体が凝固しづらくなり、両電極間に駆動電圧を印加した際およびそののち無印加の状態に戻した際に、速やかに極性液体および無極性液体が変形および変位する。また、極性液体中の不純物イオン濃度が第１の電極と第２の電極との間の電圧保持率が９０％となる濃度以下であることにより、両電極間に駆動電圧を印加した場合に、絶縁膜の表面に蓄積あるいは吸着される不純物イオンの量が僅かとなるため、電圧保持率の低下が抑制される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の液体光学素子によれば、極性液体が水およびアルコールの混合液であり、かつその混合液中の不純物イオン濃度が第１の電極と第２の電極との間の電圧保持率が９０％となる濃度以下であるので、低温特性を確保すると共に電圧保持性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施の形態に係る液体光学素子の断面構成を表している。また、図２は図１に示した液体光学素子が備えた１つのセルを拡大して表しており、図３は図２に示した液体光学素子のセルの平面構成を表している。図２（Ａ）および図３（Ａ）は、駆動電圧が印加されていない状態を表し、図２（Ｂ）および図３（Ｂ）は駆動電圧が印加されている状態を表している。この液体光学素子は、図１に示したように、対向配置されたセル電極基板１０および対向電極基板２０と、セル電極基板１０と対向電極基板２０との間に封入された透明な極性液体３０および不透明な無極性液体４０とを備えて構成されている。この液体光学素子は、図２に示したセルを複数備え透光量を制御する、いわゆる透過型の液体光学素子であり、表示装置や、カメラのシャッタあるいは絞りなどに用いられるものである。
【００１３】
セル電極基板１０は、透明基板１１の対向電極基板２０の側の面に、マトリックス状に分割されて複数形成されたセル電極１２と、各セル電極１２の表面を覆うように形成された撥水膜１３と、撥水膜１３の上に各セルを囲むように形成された隔壁１４とを有して構成されている。なお、セル電極１２は本発明の「第１の電極」の一具体例に対応し、撥水膜１３は本発明の第１の電極の表面に形成された「絶縁膜」の一具体例に対応する。
【００１４】
このセル電極基板１０は、不純物イオン濃度が５０ｐｐｍ以下の純水により洗浄されたものが好ましい。極性液体４０中の不純物イオン濃度が低く抑えられるからである。
【００１５】
透明基板１１は、例えば、ガラス、シリコンまたはプラスチックなどの透明（光透過性）材料により構成されている。
【００１６】
セル電極１２は、セル電極基板１０および対向電極基板２０の間に駆動電圧を印加し、撥水膜１３の塗れ性を制御するための一方の電極である。セル電極１２は、例えば、光透過性を有する透明電極であり、例えば、酸化インジウム錫（ＩＴＯ；Indium Tin Oxide）あるいは酸化亜鉛などの透明電極材料により構成されている。
【００１７】
撥水膜１３は、セル電極基板１０および対向電極基板２０の間に印加される駆動電圧により静電的に塗れ性が変化する絶縁膜である。絶縁膜である撥水膜１３の塗れ性に応じて、撥水膜１３と極性液体３０および無極性液体４０との接触する面積が変化する。撥水膜１３は、無電界下において極性液体３０よりも無極性液体４０との親和性が高いものが好ましく、極性液体３０および無極性液体４０よりも表面の疎水性が高いものが好ましい。撥水膜１３の材料としては、例えば、ポリフッ化ビニリデンあるいはポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系ポリマーが挙げられ、具体的には、比誘電率が２程度であるテフロンＡＦ（ＡＦ１６０１Ｓ系；デュポン社製（テフロンは登録商標））や、サイトップ（旭硝子社製）などが挙げられる。なお、撥水膜１３は、絶縁性を高めるために絶縁層の上に撥水層を積層した構造のものでもよい。この場合に用いられる絶縁層の材料としては、例えば、シリカ系のものなどが挙げられる。
【００１８】
隔壁１４は、不透明であり、無極性液体４０が撥水膜１３の表面を移動する領域を制限するためのものである。隔壁１４は、各セルを囲むように各セルの間、すなわち各セル電極１２の間に沿って撥水膜１３の上に設けられている。この隔壁１４は、例えば、フォトリソ法により形成されるものであり、その材料としては、ブラックレジストなどの不透明なレジスト材料などが挙げられる。なお、隔壁１４は、各セル電極１２の間の光の透過を遮るものであれば任意であり、不透明な層の上に透明な層を積層した構造のものでもよい。この場合に用いられる透明な層の材料としては、例えば、ＳＵ８（化薬マイクロケム社製）などの透明なレジスト材料が挙げられる。
【００１９】
対向電極基板２０は、透明基板２１のセル電極基板１０側の表面に対向電極２２が形成された構成を有するものである。対向電極基板２０は、セル電極基板１０と同様に、不純物イオン濃度が５０ｐｐｍ以下の純水により洗浄されたものが好ましい。極性液体４０中の不純物イオン濃度が低く抑えられるからである。なお、対向電極基板２０は、対向電極２２の表面に撥水膜１３よりも疎水性の低い絶縁性の膜を形成したものでもよい。透明基板２１は、例えば、透明基板１１と同様の材料により構成されている。対向電極２２は、セル電極基板１０および対向電極基板２０の間に電圧を印加するためのもう一方の電極であり、例えば、セル電極１２と同様の材料により構成されている。
【００２０】
極性液体３０は、無極性液体４０と混じり合わない（すなわち、互いに分離した状態を保つ）透明な液体である。極性液体３０は、水およびアルコールの混合液であり、かつ、その混合液中の不純物イオン濃度は、セル電極１２と対向電極２２との間の電圧保持率が９０％となる濃度以下のものである。これにより、水の他にアルコールを含むため、低温環境下に曝されても凝固が抑制される。また、不純物イオン濃度が低いため、撥水膜１３の表面に蓄積あるいは吸着する不純物イオンの量を僅かにすることが可能になり、セル電極１２および対向電極２２の間に駆動電圧を繰り返し印加しても、電圧保持率の低下が抑制される。よって、低温特性が確保されると共に電圧保持性が向上する。
【００２１】
極性液体３０中の水とアルコールとの混合比は、後述する無極性液体４０中に含まれる染料あるいは顔料が極性液体３０に溶出しなければ任意である。但し、極性液体３０中のアルコールが占める割合を大きくしたほうが、極性液体３０の凝固および電圧保持率の低下をより抑制するうえ、後述するように、駆動電圧を印加していない状態（図２（Ａ）および図３（Ａ）に示した状態）における撥水膜１３に対する無極性液体４０の接触角が小さくなるため、駆動電圧を印加した場合の応答速度が速くなる。その一方で、極性液体３０中のアルコールが占める割合が大きすぎると無極性液体４０が含む染料あるいは顔料が極性液体３０に溶出するおそれがある。このため、極性液体３０中のアルコールが占める割合は１０重量％以上６０重量％以下であること、すなわち、極性液体３０中の水が占める割合が４０重量％以上９０重量％以下であることが好ましい。
【００２２】
極性液体３０は、不純物イオン濃度が５０ｐｐｍ以下の純水と、純度９９．５％以上のアルコールとの混合液であることが好ましい。電圧保持率の低下が抑制されるからである。この純水としては、例えば、比抵抗値が１８ＭΩ・ｃｍ以上のものが挙げられ、具体的には、ミリポア社製超純水製造システムにより製造される精密機器洗浄用の純水が挙げられる。また、アルコールは、不純物イオンの含有量が極微量であるものが好ましく、高い極性を有することから、低級アルコールであることが好ましい。低級アルコールとしては、例えば、メタノール（ＭｅＯＨ）、エタノール（ＥｔＯＨ）、イソプロピルアルコール（ｉＰｒＯＨ）、あるいはエチレングリコールなどが挙げられる。これらを単独で用いてもよく、複数種を混合して用いてもよい。中でも、メタノール、あるいはエタノール、またはメタノールおよびエタノールを混合したものが好ましい。メタノールを用いた場合には極性を高くすることが可能となり、エタノールを用いた場合には安全性を高めることが可能となるからである。
【００２３】
無極性液体４０は、極性液体３０と混じり合わない（すなわち、互いに分離した状態を保つ）不透明な液体であり、例えば、無極性の溶媒あるいは分散媒と、染料あるいは顔料とを含むものである。無極性な溶媒あるいは分散媒としては、例えば、オクタン（Ｃ8 Ｈ18）、デカン（Ｃ10Ｈ22）、ウンデカン（Ｃ11Ｈ24）、ドデカン（Ｃ12Ｈ26）あるいはヘキサデカン（Ｃ16Ｈ34）などの飽和炭化水素や、シリコンオイルなどが挙げられる。これらを単独で用いてもよく、複数種を混合して用いてもよい。また、顔料あるいは染料としては、例えば、カーボンブラックあるいはズダンブラックなどが挙げられる。
【００２４】
この液体光学素子では、駆動電圧を印加してない状態（図２（Ａ）および図３（Ａ）に示した状態）において撥水膜１３に対する無極性液体４０の接触角は、撥水膜１３の疎水性、ならびに極性液体３０および無極性液体４０の組成によって異なるが、その接触角は小さい（接触角の余弦値は１に近い）ほうが好ましい。駆動電圧が低くても、極性液体３０および無極性液体４０が図２（Ａ）および図３（Ａ）から、図２（Ｂ）および図３（Ｂ）に示した状態になるまでの応答時間が短縮され、その結果、応答速度が速くなるからである。
【００２５】
なお、上記した撥水膜１３に対する無極性液体４０の接触角は、例えば、図４に示す測定方法により求めることできる。すなわち、図４に示したように、極性液体３０Ａにより満たされた容器１００と、撥水膜１３Ａが形成された基板１０１とを撥水膜１３Ａの表面が下向きになるように容器１００の中に配置し、鉤型シリンジ１０２により無極性液体４０Ａを撥水膜１３Ａの表面に配置する。この場合の撥水膜１３Ａに対する無極性液体４０Ａの角度を測定することにより接触角θを求めることができる。但し、図４に示した場合における極性液体３０Ａとは極性を有する液体のことであり、無極性液体４０Ａとは極性液体３０Ａと混じり合わない液体のことである。また、図４は、無極性液体４０Ａの比重が極性液体３０Ａの比重よりも小さい場合に接触角θを求める測定方法の一例である。
【００２６】
また、上記した撥水膜１３に対する無極性液体４０の接触角は、例えば、後述する参考データにより推側することが可能である。次に、この参考データについて詳細を説明する。
【００２７】
（参考データ１−１〜１−８）
図４に示した測定方法により接触角θを求めた。その際、極性液体３０Ａとして水およびメタノール（ＭｅＯＨ）を表１に示した割合で混合した混合液と、無極性液体４０Ａとしてドデカン（Ｃ12Ｈ26）と、サイトップ（旭硝子社製）よりなる撥水膜１３Ａが形成された基板１０１とを用いて、接触角θを求めた。なお、本参考データでは、無極性液体４０Ａとして染料あるいは顔料を含まないものを用いている。
【００２８】
（参考データ１−９〜１−１３，１−１４〜１−１８）
無極性液体としてドデカンの代わりにデカン（Ｃ10Ｈ22；参考データ１−９〜１−１３）あるいはオクタン（Ｃ8 Ｈ18；参考データ１−１４〜１−１８）を用いたことを除き、参考データ１−１，１−２，１−４，１−６または１−８と同様にして接触角θを求めた。
【００２９】
（参考データ２−１，２−２）
極性液体３０Ａとして水と、エタノール（ＥｔＯＨ；参考データ２−１）あるいはイソプロピルアルコール（ｉＰｒＯＨ；参考データ２−２）との混合液を用いたことを除き、参考データ１−６と同様にして接触角θを求めた。
【００３０】
これら参考データ１−１〜１−１８について接触角θの余弦値（ｃｏｓθ）を算出したところ、表１および図５に示した結果が得られた。また、参考データ２−１および２−２について接触角θの余弦値を求めたところ、表１に示した結果が得られた。なお、図５は、極性液体中の水が占める割合（重量％）と、無極性液体の接触角θの余弦値（ｃｏｓθ）との関係を表している。図５では、参考データ１−１〜１−８と、参考データ１−９〜１−１３と、参考データ１−１４〜１−１８をそれぞれ一つのデータ系列として示している。
【００３１】
【表１】
【００３２】
表１および図５に示したように、参考データ１−１〜１−８の結果から、無極性液体４０Ａとしてドデカンを用いた場合には、極性液体３０Ａ中の水の占める割合が４０重量％以上９０重量％以下の範囲において、余弦値が０．８程度あるいはそれ以上となり良好な接触角θとなる傾向を示すことが確認された。また、参考データ１−９〜１−１３、および参考データ１−１４〜１−１８の結果から、無極性液体４０Ａとしてデカンあるいはオクタンを用いた場合においても、参考データ１−１〜１−８と同様の傾向を示すことが確認された。すなわち、無極性液体の種類に関係なく、極性液体３０Ａ中の水の占める割合が４０重量％以上９０重量％以下の範囲において、余弦値が０．８程度あるいはそれ以上となり良好な接触角θとなることが判明した。
【００３３】
また、参考データ１−６，２−１および２−２の結果から、極性液体３０Ａに混合するアルコールが低級アルコールであれば良好な接触角θとなり、そのアルコールがメタノールを含めばより良好な接触角θとなることが確認された。
【００３４】
（参考データ３−１〜３−５）
無極性液体４０Ａとしてドデカンにズダンブラックを溶解させた液体を用いたことを除き、参考データ１−４と同様に接触角θを求めた。なお、この際、参考データ３−１では、１０μｍ厚の無極性液体４０Ａの透過率が１０％となるようにドデカンにズダンブラックを溶解させた。また、参考データ３−２〜３−５では、無極性液体４０Ａ中におけるズダンブラックの濃度が参考データ３−１に対して５０％（参考データ３−２），３３．３％（参考データ３−３），１４％（参考データ３−４）あるいは２％（参考データ３−５）とした。
【００３５】
これら参考データ３−１〜３−５について接触角θの余弦値を算出したところ、表２および図６に示した結果が得られた。なお、図６は、無極性液体中のズダンブラックの相対濃度（参考データ３−１を１００％とする）と接触角θの余弦値（ｃｏｓθ）との関係を表している。
【００３６】
【表２】
【００３７】
表２および図６に示したように、無極性液体中の染料等の含有量により接触角θは変化するが、その変化量は少なく、無極性液体が染料等を含まない場合と同程度であることが確認された。
【００３８】
上記した表１，２および図５，６の結果から、本実施の形態における液体光学素子では、駆動電圧を印加してない状態において撥水膜１３に対する無極性液体４０の接触角は、無極性液体４０の組成に関係なく、極性液体３０中のアルコールが占める割合に影響を受けるものと考えられる。すなわち、撥水膜１３に対する無極性液体４０の接触角は、上記した本参考データにより推側可能であることが確認された。
【００３９】
次に、上記した液体光学素子の製造方法ついて説明する。この液体光学素子は、例えば、以下の手順により製造される。
【００４０】
まず、セル電極基板１０を作製する。すなわち、透明基板１１の表面に透明電極材料よりなる膜を形成したのち、その膜の上に感光性のレジスト材料を塗布し、フォトリソ法によって所定のパターンを形成する。そののち、混酸に浸すことによって透明電極材料よりなる膜をエッチングすることにより、マトリックス状のセル電極１２を形成する。続いて、セル電極１２が形成された透明基板１１をＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などのガラス基板などの洗浄工程にも用いられる洗剤等を用いて超音波洗浄したのち、不純物イオン濃度が５０ｐｐｍ以下の純水により洗剤を十分に除去する。そののち紫外線オゾン処理によりドライ洗浄する。続いて、スピンコート法などにより、透明基板１１上のセル電極１２を覆うように撥水膜１３を形成する。続いて、紫外線オゾン処理法や酸素プラズマアッシング法により撥水膜１３の表面を処理したのち、撥水膜１３の上に感光性のレジスト材料を塗布し、フォトリソ法によって所定のパターンの隔壁１４を形成する。続いて、不純物イオン濃度が５０ｐｐｍ以下の純水により、撥水膜１３および隔壁１４の表面の不純物イオンを除去する。最後に、紫外線オゾン処理法や酸素プラズマアッシング法により、撥水膜１３および隔壁１４の表面を処理することにより、それらの表面の撥水性を調整する。
【００４１】
また、透明基板２１の表面に透明電極材料よりなる対向電極２２を形成したのち、セル電極１２を形成したのちに行った洗浄方法と同様にして対向電極２２の表面を洗浄することにより、対向電極基板２０を作製する。
【００４２】
次に、セル電極基板１０および対向電極基板２０を所定の間隔に保つための間隙形成材（図示せず）をセル電極基板１０の外周部に配置する。この間隙形成材としては、例えばシール接着剤や、接着剤にシリカ球を混ぜたものなどが挙げられる。
【００４３】
次に、セル電極基板１０の撥水膜１３の上に無極性液体４０を塗布したのち、所定の速度で極性液体３０を流し入れる。
【００４４】
最後に、間隙形成材を介してセル電極基板１０および対向電極基板２０を貼り合わせたのちに、封止剤を用いてセル電極基板１０および対向電極基板２０の周縁部を封止する。これにより、図１〜図３に示した液体光学素子が完成する。
【００４５】
次に、図２および図３を参照して、上記した液体光学素子の動作について説明する。
【００４６】
上記した液体光学素子では、まず、駆動電圧が無印加の場合には、図２（Ａ）および図３（Ａ）に示したように無極性液体４０が撥水膜１３の全体を覆った状態となっている。このため、例えば、セル電極基板１０側から光が照射されると、不透明な無極性液体４０によって入射光は遮られる。一方、セル電極１２および対向電極２２の間に駆動電圧が印加された場合には、セル電極１２および対向電極２２の間の電位差に応じて撥水膜１３の塗れ性が変化（疎水性が低下）し、撥水膜１３の表面に対する無極性液体４０の接触角が大きくなるように、極性液体３０および無極性液体４０が移動することとなる。その結果、図２（Ｂ）および図３（Ｂ）示したように無極性液体４０が盛り上がった形状に変形した状態となる。このため、例えば、セル電極基板１０側から光が照射されると、入射光は隔壁１４と無極性液体４０との間を透過して対向電極基板２０の側に射出される。すなわち、駆動電圧に応じて撥水膜１３が無極性液体４０により覆われる面積が変化することにより、光の透過量が調整される。
【００４７】
また、本実施の形態における液体光学素子では、上記したように、極性液体３０が水およびアルコールの混合液であり、かつ極性液体３０中の不純物イオン濃度がセル電極１２と対向電極２２との間の電圧保持率が９０％となる濃度以下であることにより、低温環境下に曝された場合には、極性液体３０が凝固しづらくなると共に、駆動電圧を印加した場合には、撥水膜１３の表面に蓄積あるいは吸着される不純物イオンの量が僅かであるため、著しい電圧保持率の低下が抑制される。すなわち、この液体光学素子によれば、低温特性を確保すると共に電圧保持性を向上させることができる。
【実施例】
【００４８】
本発明の実施例について詳細に説明する。
【００４９】
（実施例１）
以下の手順により図１〜図３に示した液体光学素子を作製した。
【００５０】
まず、セル電極基板１０を作製した。すなわち、ガラスからなる透明基板１１の表面に酸化インジウム錫（ＩＴＯ）膜を形成したのち、そのＩＴＯ膜の上に感光性のレジスト材料を塗布し、フォトリソ法によって所定のパターンを形成した。そののち、混酸に浸すことによってＩＴＯ膜をエッチングすることにより、マトリックス状のセル電極１２を形成した。続いて、洗剤を用いてセル電極１２が形成された透明基板１１を超音波洗浄したのち、純水（不純物イオン濃度が５０ｐｐｍ以下）により洗剤を十分に除去した。そののち紫外線オゾン処理によりドライ洗浄した。続いて、スピンコート法により、サイトップ（旭硝子社製）からなる撥水膜１３を形成した。続いて、紫外線オゾン処理法により撥水膜１３の表面を処理したのち、撥水膜１３の上に界面活性剤を含む感光性のブラックレジスト材料を塗布し、フォトリソ法によって所定のパターンの隔壁１４を形成した。続いて、純水（不純物イオン濃度が５０ｐｐｍ以下）により、撥水膜１３および隔壁１４の表面の不純物イオンを除去した。最後に、紫外線オゾン処理法により、撥水膜１３および隔壁１４の表面を処理することにより、それらの表面の撥水性を調整した。
【００５１】
次に、対向電極基板２０を作製した。すなわち、透明基板２１の表面にＩＴＯよりなる対向電極２２を形成したのち、洗剤を用いて超音波洗浄し、そののち純水（不純物イオン濃度が５０ｐｐｍ以下）により洗剤を十分に除去した。そののち紫外線オゾン処理によりドライ洗浄した。
【００５２】
次に、極性液体３０および無極性液体４０を後述する表３に示した組成となるように調整した。すなわち、純水（不純物イオン濃度が５０ｐｐｍ以下）と、メタノール（純度９９．９％以上）とを重量比で７５：２５となるよう混合し、極性液体３０とした。また、１０μｍ厚の無極性液体４０の透過率が１０％となるようにドデカン（Ｃ12Ｈ26）にズダンブラックを溶解させて無極性液体４０とした。
【００５３】
次に、シール接着剤からなる間隙形成材をセル電極基板１０の外周部に配置したのち、撥水膜１３の上に無極性液体４０を塗布したのち、所定の速度で極性液体３０を流し入れた。
【００５４】
最後に、間隙形成材を介してセル電極基板１０および対向電極基板２０を貼り合わせたのちに、封止剤を用いてセル電極基板１０および対向電極基板２０の周縁部を封止することにより、図１〜図３に示した液体光学素子が完成した。
【００５５】
（比較例１）
純水で洗浄していないセル電極基板１０および対向電極基板２０と、極性液体３０として純水とを用いたことを除き、実施例１と同様の手順を経た。
【００５６】
（比較例２）
極性液体３０として純水を用いたことを除き、実施例１と同様の手順を経た。
【００５７】
（比較例３）
極性液体３０として塩化リチウム（ＬｉＣｌ）水溶液（０．５ｍｏｌ／ｄｍ3 ）を用いたことを除き、実施例１と同様の手順を経た。
【００５８】
上記のように作製した実施例１および比較例１の液体光学素子について、応答時間の温度依存性を調べた。具体的には、実施例１では−４０℃以上６０℃以下の範囲において、また比較例１では０℃以上６０℃以下の範囲において、１０℃間隔で温度を変化させた雰囲気中における応答時間を以下の要領により測定することにより評価した。まず、各温度雰囲気中において、セル電極基板１０を基準電位とし、２０Ｖの正極性直流電圧を駆動電圧として印加し、光の透過率が１０％から９０％になるまでの応答時間（Ｔon）を測定した。続いて、その駆動電圧を無印加の状態に戻し、光の透過率が９０％から１０％になるまでの応答時間（Ｔoff ）を測定した。
【００５９】
また、実施例１および比較例１〜３の液体光学素子について、電圧保持率を調べた。具体的には、駆動電圧の印加および無印加（ＯＮおよびＯＦＦ）の繰り返しを６０Ｈｚとして、以下の要領によりセル電極１２および対向電極２２の間にかかる電圧をモニターし、電圧保持率を求めた。まず、約８．３ｍ秒間の駆動電圧が印加された状態（ＯＮ状態）の中で、その２０％の時間（約１．６６ｍ秒）だけセル電極基板１０を基準電位として２０Ｖの正極性直流電圧を印加し、残りの８０％の時間（約６．６４ｍ秒）を開回路となるようにし、その電圧をモニターした。続いて、約８．３ｍ秒間の駆動電圧が無印加の状態（ＯＦＦ状態）の中で、その２０％の時間（約１．６６ｍ秒）だけセル電極基板１０を基準電位として０Ｖになるように直流電圧を印加し、残りの８０％の時間（約６．６４ｍ秒）開回路となるようにし、その電圧をモニターした。最後に、ＯＮ状態において、初めの２０％の時間に印加された電圧が開回路となっている時間もそのまま保持された場合の積分値を１００％として、ＯＮ状態において開回路となっている時間に保持された電圧の積分値から、電圧保持率（％）を算出した。
【００６０】
これら実施例１および比較例１の各温度雰囲気において測定した応答時間（ＴONおよびＴOFF）をまとめて図７に示す。また、実施例１および比較例１〜３のセル電極１２および対向電極２２の間にかかる電圧をモニターした結果を図８に示すと共に、その際の電圧保持率を表３に示す。
【００６１】
【表３】
【００６２】
図７に示したように、実施例１では、比較例１よりもＴonおよびＴoffの双方が短く、特に１０℃以下において実施例１と比較例１との差が顕著となった。また、実施例１では、０℃以下において温度の低下に従ってＴonおよびＴoffの双方が長くなる傾向を示したが、低温環境下であるにもかかわらず良好であった。すなわち、この液体光学素子では、極性液体３０が水とメタノールとの混合液であることにより、低温特性を確保することができることが確認された。しかも、図７と、参考データとして示した図６との結果から、極性液体３０がメタノールを含むことにより、撥水膜１３に対する無極性液体４０の接触角が、メタノールを含まない場合よりも小さくなり、応答時間が短縮されることが確認された。
【００６３】
また、図８および表３に示したように、ＯＮ状態において、実施例１では、比較例１〜３よりも開回路時の電圧が高くなり、その電圧保持率は９５％であった。特に比較例１，３では、比較例２よりも電圧保持率が著しく低くなった。一方、ＯＦＦ状態において、実施例１では、比較例１〜３よりも開回路時の電圧が低くなった。特に比較例１〜３では、駆動電圧が印加されていないにもかかわらず、開回路時に３Ｖ程度の電圧がかかっていた。この結果は、極性液体３０中に無機イオンが含まれると、撥水膜１３にその無機イオンが蓄積あるいは吸着されることにより、駆動電圧が印加されても、その電圧が保持されづらくなることを表している。すなわち、極性液体３０中の不純物イオン濃度が少ないほうが、電圧保持率が高くなるものと考えられる。
【００６４】
このことから、上記した液体光学素子では、極性液体３０が水およびアルコールの混合液であり、かつ極性液体３０中の不純物イオン濃度がセル電極１２と対向電極２２との間の電圧保持率が９０％となる濃度以下であることにより、低温特性が確保されると共に電圧保持性が向上することが確認された。
【００６５】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明の液体光学素子を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例において説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記した実施の形態および実施例では、透過型の液体光学素子について説明したが、本発明では必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、反射型ものとしてもよい。反射型とした場合には、セル電極がアルミニウムなどの光反射性を有する電極材料により構成される。
【００６６】
また、上記した実施の形態および実施例では、使用用途として表示装置やカメラのシャッタあるいは絞りを挙げたが、本発明の液体光学素子の使用用途は、必ずしもそれらの用途に限らず、他の用途であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る液体光学素子の構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した液体光学素子のセル部分を拡大して表す断面図である。
【図３】図２に示した液体光学素子のセル部分の平面図である。
【図４】撥水膜に対する無極性液体の接触角を測定する方法を表す図である。
【図５】参考データにおける極性液体中の水が占める割合と接触角との間の相関を表す図である。
【図６】参考データにおける無極性液体中の染料の濃度と接触角との間の相関を表す図である。
【図７】実施例において作製した液体光学素子における温度と応答時間との相関を表す図である。
【図８】実施例において作製した液体光学素子における時間に対する電圧の変化を表す図である。
【図９】エレクトロウェッティング現象を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０…セル電極基板、１１，２１…透明基板、１２…セル電極、１３，１３Ａ…撥水膜、１４…隔壁、２０…対向電極基板、２２…対向電極、３０，３０Ａ…極性液体、４０，４０Ａ…無極性液体、１００…容器、１１０…基板、１２０…鉤型シリンジ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電的に塗れ性を制御するエレクトロウェッティングにより液体が変形および変位する現象を利用した液体光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、静電的に塗れ性を制御するエレクトロウェッティングにより液体が変形および変位する現象が知られている。この現象は、例えば、図９に示したように電極２１０の表面に形成された絶縁膜２１１と電極２１２との間に、導電性の液滴２１３が配置された場合において、電源２１４により電極２１０および電極２１２との間に電圧を印加すると、その電圧に応じて絶縁膜２１１の塗れ性が変化することにより生じる。すなわち、絶縁膜２１１の塗れ性が変化することにより、絶縁膜２１１に対する液滴２１３の接触角θが変化し、液滴２１３が変形および変位するものである。この場合には、絶縁膜２１１の塗れ性と絶縁膜２１１に対する液滴２１３の接触角θとの関係は、数１に示した式により説明されている。
【０００３】
（数１）
γLVｃｏｓθ＝γSV−γSL＋γEW・・・（１）
γEW＝（ｄ×σL2）／（２×ε0 ×εr ）・・・（２）
σL ＝ε0 ×εr ×Ｖ／ｄ・・・（３）
（γLVは液体と気体との界面張力を表し、γSVは固体と気体との界面張力を表し、γSLは固体と液体との界面張力を表し、γEWは電界の強さによる界面張力を表す。ε0 は真空の誘電率を表し、εr は絶縁膜１１１の誘電率を表す。また、Ｖは印加電圧の大きさを表し、ｄは電極１１０および１１２の間の距離を表す。）
【０００４】
このようなエレクトロウェッティングを利用した現象は、導電性が異なり、かつ混合しない２種類の液体を用いた場合においても生じることが知られている。この２種類の液体を用いる場合には、一般的に、絶縁膜として撥水膜が用いられ、２種類の液体として水を含む極性を有する液体と、シリコンオイルや炭化水素系の材料を含む無極性の液体とが用いられている。この撥水膜および極性が異なる２種の液体を用いる技術は、様々な分野において適用可能であるため注目されている。
【０００５】
具体的には、２種類の液体の屈折率の差を利用してズームレンズや表示装置に設けたマイクロレンズとして用いる技術が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。また、２種類の液体のうちの一方に染料等を溶解あるいは分散させて、２種類の液体における光の透過率の差を利用して表示装置に用いる技術が知られている（例えば、特許文献３，４参照）。
【特許文献１】特表２００６−５０４１３２号公報
【特許文献２】特開２００６−２６７３８６号公報
【特許文献３】特開２０００−３５６７５０号公報
【特許文献４】特表２００７−５００８７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した特許文献１〜４の技術では、低温環境においても使用可能にするために、極性を有する液体に無機塩が含まれている。このため、電極に電圧を印加した場合に、無機塩が電離して撥水膜の表面に蓄積あるいは吸着される不純物イオンとなることにより、電極間の電圧保持性が低下しやすいという問題があった。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、低温特性を確保すると共に電圧保持性を向上させることができる液体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】
【０００８】
本発明の液体光学素子は、表面に絶縁膜が形成された第１の電極と、第１の電極の絶縁膜の側に対向配置された第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に封入されて互いに分離した状態を保つ、透明な極性液体および不透明な無極性液体とを備えたものである。極性液体は水およびアルコールの混合液であり、かつ、混合液中の不純物イオン濃度は、第１の電極と第２の電極との間の電圧保持率が９０％となる濃度以下に設定される。この「電圧保持率」とは、電極間に電圧を印加した際に充電された電荷の量に対して、所定の時間を経過したのちに保持されている電荷の量の割合のことである。さらに、「不純物イオン」とは、電圧保持率を低下させる要因となる無機系あるいは有機系のイオンのことであり、例えば、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、塩化物イオン、硝酸イオン、硫酸イオン、リン酸イオン、酢酸イオン、または隔壁あるいは染料などの構成材料が分解しイオン化したものなどのことである。上記した絶縁膜は、例えば、無電界下において上記した極性液体よりも無極性液体との親和性が高いものであることが好ましい。
【０００９】
本発明の液体光学素子では、第１の電極および第２の電極の間に駆動電圧が印加されると、第１の電極の表面に形成された絶縁膜の塗れ性が静電的に変化することによって、光の透過率が高くなるように極性液体および無極性液体が変形および変位する。よって、極性液体が水およびアルコールの混合液であることにより、低温環境下に曝された場合に、極性液体が凝固しづらくなり、両電極間に駆動電圧を印加した際およびそののち無印加の状態に戻した際に、速やかに極性液体および無極性液体が変形および変位する。また、極性液体中の不純物イオン濃度が第１の電極と第２の電極との間の電圧保持率が９０％となる濃度以下であることにより、両電極間に駆動電圧を印加した場合に、絶縁膜の表面に蓄積あるいは吸着される不純物イオンの量が僅かとなるため、電圧保持率の低下が抑制される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の液体光学素子によれば、極性液体が水およびアルコールの混合液であり、かつその混合液中の不純物イオン濃度が第１の電極と第２の電極との間の電圧保持率が９０％となる濃度以下であるので、低温特性を確保すると共に電圧保持性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施の形態に係る液体光学素子の断面構成を表している。また、図２は図１に示した液体光学素子が備えた１つのセルを拡大して表しており、図３は図２に示した液体光学素子のセルの平面構成を表している。図２（Ａ）および図３（Ａ）は、駆動電圧が印加されていない状態を表し、図２（Ｂ）および図３（Ｂ）は駆動電圧が印加されている状態を表している。この液体光学素子は、図１に示したように、対向配置されたセル電極基板１０および対向電極基板２０と、セル電極基板１０と対向電極基板２０との間に封入された透明な極性液体３０および不透明な無極性液体４０とを備えて構成されている。この液体光学素子は、図２に示したセルを複数備え透光量を制御する、いわゆる透過型の液体光学素子であり、表示装置や、カメラのシャッタあるいは絞りなどに用いられるものである。
【００１３】
セル電極基板１０は、透明基板１１の対向電極基板２０の側の面に、マトリックス状に分割されて複数形成されたセル電極１２と、各セル電極１２の表面を覆うように形成された撥水膜１３と、撥水膜１３の上に各セルを囲むように形成された隔壁１４とを有して構成されている。なお、セル電極１２は本発明の「第１の電極」の一具体例に対応し、撥水膜１３は本発明の第１の電極の表面に形成された「絶縁膜」の一具体例に対応する。
【００１４】
このセル電極基板１０は、不純物イオン濃度が５０ｐｐｍ以下の純水により洗浄されたものが好ましい。極性液体４０中の不純物イオン濃度が低く抑えられるからである。
【００１５】
透明基板１１は、例えば、ガラス、シリコンまたはプラスチックなどの透明（光透過性）材料により構成されている。
【００１６】
セル電極１２は、セル電極基板１０および対向電極基板２０の間に駆動電圧を印加し、撥水膜１３の塗れ性を制御するための一方の電極である。セル電極１２は、例えば、光透過性を有する透明電極であり、例えば、酸化インジウム錫（ＩＴＯ；Indium Tin Oxide）あるいは酸化亜鉛などの透明電極材料により構成されている。
【００１７】
撥水膜１３は、セル電極基板１０および対向電極基板２０の間に印加される駆動電圧により静電的に塗れ性が変化する絶縁膜である。絶縁膜である撥水膜１３の塗れ性に応じて、撥水膜１３と極性液体３０および無極性液体４０との接触する面積が変化する。撥水膜１３は、無電界下において極性液体３０よりも無極性液体４０との親和性が高いものが好ましく、極性液体３０および無極性液体４０よりも表面の疎水性が高いものが好ましい。撥水膜１３の材料としては、例えば、ポリフッ化ビニリデンあるいはポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系ポリマーが挙げられ、具体的には、比誘電率が２程度であるテフロンＡＦ（ＡＦ１６０１Ｓ系；デュポン社製（テフロンは登録商標））や、サイトップ（旭硝子社製）などが挙げられる。なお、撥水膜１３は、絶縁性を高めるために絶縁層の上に撥水層を積層した構造のものでもよい。この場合に用いられる絶縁層の材料としては、例えば、シリカ系のものなどが挙げられる。
【００１８】
隔壁１４は、不透明であり、無極性液体４０が撥水膜１３の表面を移動する領域を制限するためのものである。隔壁１４は、各セルを囲むように各セルの間、すなわち各セル電極１２の間に沿って撥水膜１３の上に設けられている。この隔壁１４は、例えば、フォトリソ法により形成されるものであり、その材料としては、ブラックレジストなどの不透明なレジスト材料などが挙げられる。なお、隔壁１４は、各セル電極１２の間の光の透過を遮るものであれば任意であり、不透明な層の上に透明な層を積層した構造のものでもよい。この場合に用いられる透明な層の材料としては、例えば、ＳＵ８（化薬マイクロケム社製）などの透明なレジスト材料が挙げられる。
【００１９】
対向電極基板２０は、透明基板２１のセル電極基板１０側の表面に対向電極２２が形成された構成を有するものである。対向電極基板２０は、セル電極基板１０と同様に、不純物イオン濃度が５０ｐｐｍ以下の純水により洗浄されたものが好ましい。極性液体４０中の不純物イオン濃度が低く抑えられるからである。なお、対向電極基板２０は、対向電極２２の表面に撥水膜１３よりも疎水性の低い絶縁性の膜を形成したものでもよい。透明基板２１は、例えば、透明基板１１と同様の材料により構成されている。対向電極２２は、セル電極基板１０および対向電極基板２０の間に電圧を印加するためのもう一方の電極であり、例えば、セル電極１２と同様の材料により構成されている。
【００２０】
極性液体３０は、無極性液体４０と混じり合わない（すなわち、互いに分離した状態を保つ）透明な液体である。極性液体３０は、水およびアルコールの混合液であり、かつ、その混合液中の不純物イオン濃度は、セル電極１２と対向電極２２との間の電圧保持率が９０％となる濃度以下のものである。これにより、水の他にアルコールを含むため、低温環境下に曝されても凝固が抑制される。また、不純物イオン濃度が低いため、撥水膜１３の表面に蓄積あるいは吸着する不純物イオンの量を僅かにすることが可能になり、セル電極１２および対向電極２２の間に駆動電圧を繰り返し印加しても、電圧保持率の低下が抑制される。よって、低温特性が確保されると共に電圧保持性が向上する。
【００２１】
極性液体３０中の水とアルコールとの混合比は、後述する無極性液体４０中に含まれる染料あるいは顔料が極性液体３０に溶出しなければ任意である。但し、極性液体３０中のアルコールが占める割合を大きくしたほうが、極性液体３０の凝固および電圧保持率の低下をより抑制するうえ、後述するように、駆動電圧を印加していない状態（図２（Ａ）および図３（Ａ）に示した状態）における撥水膜１３に対する無極性液体４０の接触角が小さくなるため、駆動電圧を印加した場合の応答速度が速くなる。その一方で、極性液体３０中のアルコールが占める割合が大きすぎると無極性液体４０が含む染料あるいは顔料が極性液体３０に溶出するおそれがある。このため、極性液体３０中のアルコールが占める割合は１０重量％以上６０重量％以下であること、すなわち、極性液体３０中の水が占める割合が４０重量％以上９０重量％以下であることが好ましい。
【００２２】
極性液体３０は、不純物イオン濃度が５０ｐｐｍ以下の純水と、純度９９．５％以上のアルコールとの混合液であることが好ましい。電圧保持率の低下が抑制されるからである。この純水としては、例えば、比抵抗値が１８ＭΩ・ｃｍ以上のものが挙げられ、具体的には、ミリポア社製超純水製造システムにより製造される精密機器洗浄用の純水が挙げられる。また、アルコールは、不純物イオンの含有量が極微量であるものが好ましく、高い極性を有することから、低級アルコールであることが好ましい。低級アルコールとしては、例えば、メタノール（ＭｅＯＨ）、エタノール（ＥｔＯＨ）、イソプロピルアルコール（ｉＰｒＯＨ）、あるいはエチレングリコールなどが挙げられる。これらを単独で用いてもよく、複数種を混合して用いてもよい。中でも、メタノール、あるいはエタノール、またはメタノールおよびエタノールを混合したものが好ましい。メタノールを用いた場合には極性を高くすることが可能となり、エタノールを用いた場合には安全性を高めることが可能となるからである。
【００２３】
無極性液体４０は、極性液体３０と混じり合わない（すなわち、互いに分離した状態を保つ）不透明な液体であり、例えば、無極性の溶媒あるいは分散媒と、染料あるいは顔料とを含むものである。無極性な溶媒あるいは分散媒としては、例えば、オクタン（Ｃ8 Ｈ18）、デカン（Ｃ10Ｈ22）、ウンデカン（Ｃ11Ｈ24）、ドデカン（Ｃ12Ｈ26）あるいはヘキサデカン（Ｃ16Ｈ34）などの飽和炭化水素や、シリコンオイルなどが挙げられる。これらを単独で用いてもよく、複数種を混合して用いてもよい。また、顔料あるいは染料としては、例えば、カーボンブラックあるいはズダンブラックなどが挙げられる。
【００２４】
この液体光学素子では、駆動電圧を印加してない状態（図２（Ａ）および図３（Ａ）に示した状態）において撥水膜１３に対する無極性液体４０の接触角は、撥水膜１３の疎水性、ならびに極性液体３０および無極性液体４０の組成によって異なるが、その接触角は小さい（接触角の余弦値は１に近い）ほうが好ましい。駆動電圧が低くても、極性液体３０および無極性液体４０が図２（Ａ）および図３（Ａ）から、図２（Ｂ）および図３（Ｂ）に示した状態になるまでの応答時間が短縮され、その結果、応答速度が速くなるからである。
【００２５】
なお、上記した撥水膜１３に対する無極性液体４０の接触角は、例えば、図４に示す測定方法により求めることできる。すなわち、図４に示したように、極性液体３０Ａにより満たされた容器１００と、撥水膜１３Ａが形成された基板１０１とを撥水膜１３Ａの表面が下向きになるように容器１００の中に配置し、鉤型シリンジ１０２により無極性液体４０Ａを撥水膜１３Ａの表面に配置する。この場合の撥水膜１３Ａに対する無極性液体４０Ａの角度を測定することにより接触角θを求めることができる。但し、図４に示した場合における極性液体３０Ａとは極性を有する液体のことであり、無極性液体４０Ａとは極性液体３０Ａと混じり合わない液体のことである。また、図４は、無極性液体４０Ａの比重が極性液体３０Ａの比重よりも小さい場合に接触角θを求める測定方法の一例である。
【００２６】
また、上記した撥水膜１３に対する無極性液体４０の接触角は、例えば、後述する参考データにより推側することが可能である。次に、この参考データについて詳細を説明する。
【００２７】
（参考データ１−１〜１−８）
図４に示した測定方法により接触角θを求めた。その際、極性液体３０Ａとして水およびメタノール（ＭｅＯＨ）を表１に示した割合で混合した混合液と、無極性液体４０Ａとしてドデカン（Ｃ12Ｈ26）と、サイトップ（旭硝子社製）よりなる撥水膜１３Ａが形成された基板１０１とを用いて、接触角θを求めた。なお、本参考データでは、無極性液体４０Ａとして染料あるいは顔料を含まないものを用いている。
【００２８】
（参考データ１−９〜１−１３，１−１４〜１−１８）
無極性液体としてドデカンの代わりにデカン（Ｃ10Ｈ22；参考データ１−９〜１−１３）あるいはオクタン（Ｃ8 Ｈ18；参考データ１−１４〜１−１８）を用いたことを除き、参考データ１−１，１−２，１−４，１−６または１−８と同様にして接触角θを求めた。
【００２９】
（参考データ２−１，２−２）
極性液体３０Ａとして水と、エタノール（ＥｔＯＨ；参考データ２−１）あるいはイソプロピルアルコール（ｉＰｒＯＨ；参考データ２−２）との混合液を用いたことを除き、参考データ１−６と同様にして接触角θを求めた。
【００３０】
これら参考データ１−１〜１−１８について接触角θの余弦値（ｃｏｓθ）を算出したところ、表１および図５に示した結果が得られた。また、参考データ２−１および２−２について接触角θの余弦値を求めたところ、表１に示した結果が得られた。なお、図５は、極性液体中の水が占める割合（重量％）と、無極性液体の接触角θの余弦値（ｃｏｓθ）との関係を表している。図５では、参考データ１−１〜１−８と、参考データ１−９〜１−１３と、参考データ１−１４〜１−１８をそれぞれ一つのデータ系列として示している。
【００３１】
【表１】
【００３２】
表１および図５に示したように、参考データ１−１〜１−８の結果から、無極性液体４０Ａとしてドデカンを用いた場合には、極性液体３０Ａ中の水の占める割合が４０重量％以上９０重量％以下の範囲において、余弦値が０．８程度あるいはそれ以上となり良好な接触角θとなる傾向を示すことが確認された。また、参考データ１−９〜１−１３、および参考データ１−１４〜１−１８の結果から、無極性液体４０Ａとしてデカンあるいはオクタンを用いた場合においても、参考データ１−１〜１−８と同様の傾向を示すことが確認された。すなわち、無極性液体の種類に関係なく、極性液体３０Ａ中の水の占める割合が４０重量％以上９０重量％以下の範囲において、余弦値が０．８程度あるいはそれ以上となり良好な接触角θとなることが判明した。
【００３３】
また、参考データ１−６，２−１および２−２の結果から、極性液体３０Ａに混合するアルコールが低級アルコールであれば良好な接触角θとなり、そのアルコールがメタノールを含めばより良好な接触角θとなることが確認された。
【００３４】
（参考データ３−１〜３−５）
無極性液体４０Ａとしてドデカンにズダンブラックを溶解させた液体を用いたことを除き、参考データ１−４と同様に接触角θを求めた。なお、この際、参考データ３−１では、１０μｍ厚の無極性液体４０Ａの透過率が１０％となるようにドデカンにズダンブラックを溶解させた。また、参考データ３−２〜３−５では、無極性液体４０Ａ中におけるズダンブラックの濃度が参考データ３−１に対して５０％（参考データ３−２），３３．３％（参考データ３−３），１４％（参考データ３−４）あるいは２％（参考データ３−５）とした。
【００３５】
これら参考データ３−１〜３−５について接触角θの余弦値を算出したところ、表２および図６に示した結果が得られた。なお、図６は、無極性液体中のズダンブラックの相対濃度（参考データ３−１を１００％とする）と接触角θの余弦値（ｃｏｓθ）との関係を表している。
【００３６】
【表２】
【００３７】
表２および図６に示したように、無極性液体中の染料等の含有量により接触角θは変化するが、その変化量は少なく、無極性液体が染料等を含まない場合と同程度であることが確認された。
【００３８】
上記した表１，２および図５，６の結果から、本実施の形態における液体光学素子では、駆動電圧を印加してない状態において撥水膜１３に対する無極性液体４０の接触角は、無極性液体４０の組成に関係なく、極性液体３０中のアルコールが占める割合に影響を受けるものと考えられる。すなわち、撥水膜１３に対する無極性液体４０の接触角は、上記した本参考データにより推側可能であることが確認された。
【００３９】
次に、上記した液体光学素子の製造方法ついて説明する。この液体光学素子は、例えば、以下の手順により製造される。
【００４０】
まず、セル電極基板１０を作製する。すなわち、透明基板１１の表面に透明電極材料よりなる膜を形成したのち、その膜の上に感光性のレジスト材料を塗布し、フォトリソ法によって所定のパターンを形成する。そののち、混酸に浸すことによって透明電極材料よりなる膜をエッチングすることにより、マトリックス状のセル電極１２を形成する。続いて、セル電極１２が形成された透明基板１１をＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などのガラス基板などの洗浄工程にも用いられる洗剤等を用いて超音波洗浄したのち、不純物イオン濃度が５０ｐｐｍ以下の純水により洗剤を十分に除去する。そののち紫外線オゾン処理によりドライ洗浄する。続いて、スピンコート法などにより、透明基板１１上のセル電極１２を覆うように撥水膜１３を形成する。続いて、紫外線オゾン処理法や酸素プラズマアッシング法により撥水膜１３の表面を処理したのち、撥水膜１３の上に感光性のレジスト材料を塗布し、フォトリソ法によって所定のパターンの隔壁１４を形成する。続いて、不純物イオン濃度が５０ｐｐｍ以下の純水により、撥水膜１３および隔壁１４の表面の不純物イオンを除去する。最後に、紫外線オゾン処理法や酸素プラズマアッシング法により、撥水膜１３および隔壁１４の表面を処理することにより、それらの表面の撥水性を調整する。
【００４１】
また、透明基板２１の表面に透明電極材料よりなる対向電極２２を形成したのち、セル電極１２を形成したのちに行った洗浄方法と同様にして対向電極２２の表面を洗浄することにより、対向電極基板２０を作製する。
【００４２】
次に、セル電極基板１０および対向電極基板２０を所定の間隔に保つための間隙形成材（図示せず）をセル電極基板１０の外周部に配置する。この間隙形成材としては、例えばシール接着剤や、接着剤にシリカ球を混ぜたものなどが挙げられる。
【００４３】
次に、セル電極基板１０の撥水膜１３の上に無極性液体４０を塗布したのち、所定の速度で極性液体３０を流し入れる。
【００４４】
最後に、間隙形成材を介してセル電極基板１０および対向電極基板２０を貼り合わせたのちに、封止剤を用いてセル電極基板１０および対向電極基板２０の周縁部を封止する。これにより、図１〜図３に示した液体光学素子が完成する。
【００４５】
次に、図２および図３を参照して、上記した液体光学素子の動作について説明する。
【００４６】
上記した液体光学素子では、まず、駆動電圧が無印加の場合には、図２（Ａ）および図３（Ａ）に示したように無極性液体４０が撥水膜１３の全体を覆った状態となっている。このため、例えば、セル電極基板１０側から光が照射されると、不透明な無極性液体４０によって入射光は遮られる。一方、セル電極１２および対向電極２２の間に駆動電圧が印加された場合には、セル電極１２および対向電極２２の間の電位差に応じて撥水膜１３の塗れ性が変化（疎水性が低下）し、撥水膜１３の表面に対する無極性液体４０の接触角が大きくなるように、極性液体３０および無極性液体４０が移動することとなる。その結果、図２（Ｂ）および図３（Ｂ）示したように無極性液体４０が盛り上がった形状に変形した状態となる。このため、例えば、セル電極基板１０側から光が照射されると、入射光は隔壁１４と無極性液体４０との間を透過して対向電極基板２０の側に射出される。すなわち、駆動電圧に応じて撥水膜１３が無極性液体４０により覆われる面積が変化することにより、光の透過量が調整される。
【００４７】
また、本実施の形態における液体光学素子では、上記したように、極性液体３０が水およびアルコールの混合液であり、かつ極性液体３０中の不純物イオン濃度がセル電極１２と対向電極２２との間の電圧保持率が９０％となる濃度以下であることにより、低温環境下に曝された場合には、極性液体３０が凝固しづらくなると共に、駆動電圧を印加した場合には、撥水膜１３の表面に蓄積あるいは吸着される不純物イオンの量が僅かであるため、著しい電圧保持率の低下が抑制される。すなわち、この液体光学素子によれば、低温特性を確保すると共に電圧保持性を向上させることができる。
【実施例】
【００４８】
本発明の実施例について詳細に説明する。
【００４９】
（実施例１）
以下の手順により図１〜図３に示した液体光学素子を作製した。
【００５０】
まず、セル電極基板１０を作製した。すなわち、ガラスからなる透明基板１１の表面に酸化インジウム錫（ＩＴＯ）膜を形成したのち、そのＩＴＯ膜の上に感光性のレジスト材料を塗布し、フォトリソ法によって所定のパターンを形成した。そののち、混酸に浸すことによってＩＴＯ膜をエッチングすることにより、マトリックス状のセル電極１２を形成した。続いて、洗剤を用いてセル電極１２が形成された透明基板１１を超音波洗浄したのち、純水（不純物イオン濃度が５０ｐｐｍ以下）により洗剤を十分に除去した。そののち紫外線オゾン処理によりドライ洗浄した。続いて、スピンコート法により、サイトップ（旭硝子社製）からなる撥水膜１３を形成した。続いて、紫外線オゾン処理法により撥水膜１３の表面を処理したのち、撥水膜１３の上に界面活性剤を含む感光性のブラックレジスト材料を塗布し、フォトリソ法によって所定のパターンの隔壁１４を形成した。続いて、純水（不純物イオン濃度が５０ｐｐｍ以下）により、撥水膜１３および隔壁１４の表面の不純物イオンを除去した。最後に、紫外線オゾン処理法により、撥水膜１３および隔壁１４の表面を処理することにより、それらの表面の撥水性を調整した。
【００５１】
次に、対向電極基板２０を作製した。すなわち、透明基板２１の表面にＩＴＯよりなる対向電極２２を形成したのち、洗剤を用いて超音波洗浄し、そののち純水（不純物イオン濃度が５０ｐｐｍ以下）により洗剤を十分に除去した。そののち紫外線オゾン処理によりドライ洗浄した。
【００５２】
次に、極性液体３０および無極性液体４０を後述する表３に示した組成となるように調整した。すなわち、純水（不純物イオン濃度が５０ｐｐｍ以下）と、メタノール（純度９９．９％以上）とを重量比で７５：２５となるよう混合し、極性液体３０とした。また、１０μｍ厚の無極性液体４０の透過率が１０％となるようにドデカン（Ｃ12Ｈ26）にズダンブラックを溶解させて無極性液体４０とした。
【００５３】
次に、シール接着剤からなる間隙形成材をセル電極基板１０の外周部に配置したのち、撥水膜１３の上に無極性液体４０を塗布したのち、所定の速度で極性液体３０を流し入れた。
【００５４】
最後に、間隙形成材を介してセル電極基板１０および対向電極基板２０を貼り合わせたのちに、封止剤を用いてセル電極基板１０および対向電極基板２０の周縁部を封止することにより、図１〜図３に示した液体光学素子が完成した。
【００５５】
（比較例１）
純水で洗浄していないセル電極基板１０および対向電極基板２０と、極性液体３０として純水とを用いたことを除き、実施例１と同様の手順を経た。
【００５６】
（比較例２）
極性液体３０として純水を用いたことを除き、実施例１と同様の手順を経た。
【００５７】
（比較例３）
極性液体３０として塩化リチウム（ＬｉＣｌ）水溶液（０．５ｍｏｌ／ｄｍ3 ）を用いたことを除き、実施例１と同様の手順を経た。
【００５８】
上記のように作製した実施例１および比較例１の液体光学素子について、応答時間の温度依存性を調べた。具体的には、実施例１では−４０℃以上６０℃以下の範囲において、また比較例１では０℃以上６０℃以下の範囲において、１０℃間隔で温度を変化させた雰囲気中における応答時間を以下の要領により測定することにより評価した。まず、各温度雰囲気中において、セル電極基板１０を基準電位とし、２０Ｖの正極性直流電圧を駆動電圧として印加し、光の透過率が１０％から９０％になるまでの応答時間（Ｔon）を測定した。続いて、その駆動電圧を無印加の状態に戻し、光の透過率が９０％から１０％になるまでの応答時間（Ｔoff ）を測定した。
【００５９】
また、実施例１および比較例１〜３の液体光学素子について、電圧保持率を調べた。具体的には、駆動電圧の印加および無印加（ＯＮおよびＯＦＦ）の繰り返しを６０Ｈｚとして、以下の要領によりセル電極１２および対向電極２２の間にかかる電圧をモニターし、電圧保持率を求めた。まず、約８．３ｍ秒間の駆動電圧が印加された状態（ＯＮ状態）の中で、その２０％の時間（約１．６６ｍ秒）だけセル電極基板１０を基準電位として２０Ｖの正極性直流電圧を印加し、残りの８０％の時間（約６．６４ｍ秒）を開回路となるようにし、その電圧をモニターした。続いて、約８．３ｍ秒間の駆動電圧が無印加の状態（ＯＦＦ状態）の中で、その２０％の時間（約１．６６ｍ秒）だけセル電極基板１０を基準電位として０Ｖになるように直流電圧を印加し、残りの８０％の時間（約６．６４ｍ秒）開回路となるようにし、その電圧をモニターした。最後に、ＯＮ状態において、初めの２０％の時間に印加された電圧が開回路となっている時間もそのまま保持された場合の積分値を１００％として、ＯＮ状態において開回路となっている時間に保持された電圧の積分値から、電圧保持率（％）を算出した。
【００６０】
これら実施例１および比較例１の各温度雰囲気において測定した応答時間（ＴONおよびＴOFF）をまとめて図７に示す。また、実施例１および比較例１〜３のセル電極１２および対向電極２２の間にかかる電圧をモニターした結果を図８に示すと共に、その際の電圧保持率を表３に示す。
【００６１】
【表３】
【００６２】
図７に示したように、実施例１では、比較例１よりもＴonおよびＴoffの双方が短く、特に１０℃以下において実施例１と比較例１との差が顕著となった。また、実施例１では、０℃以下において温度の低下に従ってＴonおよびＴoffの双方が長くなる傾向を示したが、低温環境下であるにもかかわらず良好であった。すなわち、この液体光学素子では、極性液体３０が水とメタノールとの混合液であることにより、低温特性を確保することができることが確認された。しかも、図７と、参考データとして示した図６との結果から、極性液体３０がメタノールを含むことにより、撥水膜１３に対する無極性液体４０の接触角が、メタノールを含まない場合よりも小さくなり、応答時間が短縮されることが確認された。
【００６３】
また、図８および表３に示したように、ＯＮ状態において、実施例１では、比較例１〜３よりも開回路時の電圧が高くなり、その電圧保持率は９５％であった。特に比較例１，３では、比較例２よりも電圧保持率が著しく低くなった。一方、ＯＦＦ状態において、実施例１では、比較例１〜３よりも開回路時の電圧が低くなった。特に比較例１〜３では、駆動電圧が印加されていないにもかかわらず、開回路時に３Ｖ程度の電圧がかかっていた。この結果は、極性液体３０中に無機イオンが含まれると、撥水膜１３にその無機イオンが蓄積あるいは吸着されることにより、駆動電圧が印加されても、その電圧が保持されづらくなることを表している。すなわち、極性液体３０中の不純物イオン濃度が少ないほうが、電圧保持率が高くなるものと考えられる。
【００６４】
このことから、上記した液体光学素子では、極性液体３０が水およびアルコールの混合液であり、かつ極性液体３０中の不純物イオン濃度がセル電極１２と対向電極２２との間の電圧保持率が９０％となる濃度以下であることにより、低温特性が確保されると共に電圧保持性が向上することが確認された。
【００６５】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明の液体光学素子を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例において説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記した実施の形態および実施例では、透過型の液体光学素子について説明したが、本発明では必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、反射型ものとしてもよい。反射型とした場合には、セル電極がアルミニウムなどの光反射性を有する電極材料により構成される。
【００６６】
また、上記した実施の形態および実施例では、使用用途として表示装置やカメラのシャッタあるいは絞りを挙げたが、本発明の液体光学素子の使用用途は、必ずしもそれらの用途に限らず、他の用途であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る液体光学素子の構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した液体光学素子のセル部分を拡大して表す断面図である。
【図３】図２に示した液体光学素子のセル部分の平面図である。
【図４】撥水膜に対する無極性液体の接触角を測定する方法を表す図である。
【図５】参考データにおける極性液体中の水が占める割合と接触角との間の相関を表す図である。
【図６】参考データにおける無極性液体中の染料の濃度と接触角との間の相関を表す図である。
【図７】実施例において作製した液体光学素子における温度と応答時間との相関を表す図である。
【図８】実施例において作製した液体光学素子における時間に対する電圧の変化を表す図である。
【図９】エレクトロウェッティング現象を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０…セル電極基板、１１，２１…透明基板、１２…セル電極、１３，１３Ａ…撥水膜、１４…隔壁、２０…対向電極基板、２２…対向電極、３０，３０Ａ…極性液体、４０，４０Ａ…無極性液体、１００…容器、１１０…基板、１２０…鉤型シリンジ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に絶縁膜が形成された第１の電極と、
前記第１の電極の前記絶縁膜の側に対向配置された第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に封入されて互いに分離した状態を保つ、透明な極性液体および不透明な無極性液体と
を備え、
前記極性液体は、水およびアルコールの混合液であり、かつ、
前記混合液中の不純物イオン濃度は、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧保持率が９０％となる濃度以下である
ことを特徴とする液体光学素子。
【請求項２】
前記絶縁膜が形成された状態の第１の電極および第２の電極は、不純物イオン濃度が５０ｐｐｍ以下の純水によって洗浄されたものであり、
前記極性液体は、不純物イオン濃度が５０ｐｐｍ以下の純水と純度９９．５％以上のアルコールとを混合したものである
ことを特徴とする請求項１記載の液体光学素子。
【請求項３】
前記アルコールは、エタノールを含む
ことを特徴とする請求項１記載の液体光学素子。
【請求項４】
前記アルコールは、エタノールとメタノールとを混合したものである
ことを特徴とする請求項１記載の液体光学素子。
【請求項５】
前記極性液体中のアルコールの占める割合は、１０重量％以上６０重量％以下である
ことを特徴とする請求項１記載の液体光学素子。
【請求項６】
前記絶縁膜は、無電界下において前記極性液体よりも前記無極性液体との親和性が高いものである
ことを特徴とする請求項１記載の液体光学素子。
【請求項１】
表面に絶縁膜が形成された第１の電極と、
前記第１の電極の前記絶縁膜の側に対向配置された第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に封入されて互いに分離した状態を保つ、透明な極性液体および不透明な無極性液体と
を備え、
前記極性液体は、水およびアルコールの混合液であり、かつ、
前記混合液中の不純物イオン濃度は、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧保持率が９０％となる濃度以下である
ことを特徴とする液体光学素子。
【請求項２】
前記絶縁膜が形成された状態の第１の電極および第２の電極は、不純物イオン濃度が５０ｐｐｍ以下の純水によって洗浄されたものであり、
前記極性液体は、不純物イオン濃度が５０ｐｐｍ以下の純水と純度９９．５％以上のアルコールとを混合したものである
ことを特徴とする請求項１記載の液体光学素子。
【請求項３】
前記アルコールは、エタノールを含む
ことを特徴とする請求項１記載の液体光学素子。
【請求項４】
前記アルコールは、エタノールとメタノールとを混合したものである
ことを特徴とする請求項１記載の液体光学素子。
【請求項５】
前記極性液体中のアルコールの占める割合は、１０重量％以上６０重量％以下である
ことを特徴とする請求項１記載の液体光学素子。
【請求項６】
前記絶縁膜は、無電界下において前記極性液体よりも前記無極性液体との親和性が高いものである
ことを特徴とする請求項１記載の液体光学素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−１９９０１３（Ｐ２００９−１９９０１３Ａ）
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４３３７０（Ｐ２００８−４３３７０）
【出願日】平成２０年２月２５日（２００８．２．２５）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２５日（２００８．２．２５）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]