CN108628051B - 光学元件 - Google Patents

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Abstract

提供一种光学元件，在元件面内具有均匀的光学特性。该光学元件具有：第1基板，具有透光性；第2基板，与第1基板相对；第1电极，配置在第1基板上，具有透光性；第2电极，配置在第2基板上，部分地设置有绝缘区域；密封框部件，被夹持在第1和第2电极之间，具有框状的形状；电解质层，被填充在由第1和第2基板以及密封框部件划定的空间内；第1连接电极，设置在第1基板的第2基板侧，且设置在密封框部件的外侧；当从第1和第2基板的法线方向观察时，在被密封框部件所包围的区域内，与第1连接电极接近的单位区域所包含的绝缘区域的比例高于位于密封框部件的中央的单位区域所包含的绝缘区域的比例。

Description

光学元件
技术领域
本发明涉及能够切换至少两种光学状态的光学元件。
背景技术
提出了能够切换光学状态的光学元件的提案。
专利文献1中公开了所谓的电沉积元件。电沉积元件主要具有相对配置的一对透明电极、以及被该一对透明电极夹持且含有包含银的电沉积材料的电解质层。电沉积元件的平面尺寸一般为10mm2左右。
电解质层几乎是透明的，在稳定时(未施加电压时)，电沉积元件呈透明状态。在对一对透明电极之间施加电压时，通过电化学反应(氧化·还原反应)，电解质层的电沉积材料(银)会在电极上析出·堆积。在比较平坦的电极的表面析出·堆积的电沉积材料构成镜面，电沉积元件呈镜面(高光反射)状态。
专利文献2中公开了所谓的电化学发光元件。具有一对基板和被透明电极夹持的包括电化学发光材料的层。通过由施加电压产生的阳离子自由基和阴离子自由基的激励与失活产生发光。
专利文献3公开了所谓的电致变色元件。具有一对基板和被透明电极夹持的包含电致变色材料的层。通过施加电压，电致变色材料通过电化学反应而使分子结构变化，产生变色。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2012-181389号公报
专利文献2:日本特开2007-134143号公报
专利文献3:日本特开2004-170613号公报
发明内容
发明要解决的问题
本发明的主要目的在于提供一种在元件面内具有均匀的光学特性的光学元件。
用于解决问题的手段
根据本发明的主要观点，提供一种光学元件，该光学元件具有：第1基板，其具有透光性；第2基板，其与所述第1基板相对；第1电极，其配置在所述第1基板的所述第2基板侧的面上，具有透光性；第2电极，其配置在所述第2基板的所述第1基板侧的面上，部分地设置有绝缘区域；密封框部件，其被夹持在所述第1电极和第2电极之间，当从所述第1电极和第2基板的法线方向观察时具有框状的形状；电解质层，其被填充在由所述第1基板和第2基板以及所述密封框部件所划定的空间内，通过在所述第1电极和第2电极的表面可能引起的电化学反应，从而光学状态发生变化；第1连接电极，其设置在所述第1基板的所述第2基板侧，且设置在所述密封框部件的外侧，与所述第1电极连接，其电阻率比所述第1电极低；以及第2连接电极，其设置在所述第2基板的所述第1基板侧，且设置在所述密封框部件的外侧，与所述第2电极连接，当从所述第1基板和第2基板的法线方向观察时，在被所述密封框部件所包围的区域内，与所述第1连接电极接近的单位区域所包含的所述绝缘区域的比例比位于所述密封框部件的中央的单位区域所包含的所述绝缘区域的比例高。
发明效果
能够得到在元件面内具有均匀的光学特性的光学元件。
附图说明
图1A～图1C是示出参考例的电沉积元件的俯视图和剖视图。
图2A～图2C是示出第1实施例的电沉积元件的俯视图和剖视图。
图3A～图3C是示出第2实施例的电沉积元件的俯视图和剖视图。
图4是示出第3实施例的电沉积元件的俯视图。
图5A和图5B是示出第4实施例的电沉积元件的剖视图。
标号说明
10…下侧基板、11…下侧支撑基板、12…下侧透明电极、13…绝缘部件(条状)、14…金属电极、15…绝缘部件(点状)、16…孔、20…上侧基板、21…上侧支撑基板、22…上侧透明电极、23…装饰电极、51…电解质层(电解液)、70…密封框部件、101…电沉积元件(第1实施例)、102…电沉积元件(第2实施例)、103…电沉积元件(第3实施例)、104…电沉积元件(第4实施例)、110…电沉积元件(参考例)。
具体实施方式
首先，对参考例的电沉积元件(ED元件)的基本的结构进行说明。
图1A～图1C是示出参考例的ED元件110的俯视图和剖视图。图1A所示的IBC－IBC剖面与图1B和图1C所示的剖视图对应。另外，图中所示的各结构部件的相对尺寸、位置关系与实际不同。
如图1A所示，ED元件110主要具有相对配置的下侧和上侧基板10、20、以及夹持在下侧和上侧基板10、20之间的电解质层(电解液)51和密封框部件70。在图中，利用虚线表示下侧基板10的被上侧基板20遮挡的部分以及密封框部件70的轮廓。
另外，在下侧和上侧基板10、20各自的相对面，设置有与外部电源连接的电源连接电极12p、22p。在图中，利用虚线表示设置在上侧基板20的电源连接电极22p的轮廓。电源连接电极12p、22p一般为在密封框部件70的外侧夹着电解质层51而相互相对地配置。
在下侧和上侧基板10、20相互重叠的区域中，在其周缘设置有密封框部件70。在由下侧和上侧基板10、20以及密封框部件70所划定的空间内，填充电解液51。被密封框部件70包围且被电解液51所填充的区域为能够切换光学状态的切换区域As，其面积例如为12000mm2(纵150mm×横80mm)。
如图1B所示，下侧基板10具有在支持基板11的整个表面层叠透明电极12的结构。此外，上侧基板20具有在支持基板21的整个表面层叠透明电极22的结构。透明电极12、22相互对向地配置。
对支持基板11、21使用玻璃基板等具有透光性的基板。透明电极12、22例如使用氧化铟锡(ITO)和/或氧化铟锌(IZO)等具有透光性和导电性的部件。在此，作为下侧和上侧基板10、20，使用带有5Ω/□ITO的钠钙玻璃基板。
在下侧电极12的表面，且在密封框部件70的外侧设置有与外部电源(例如，其正极端子或接地端子)连接的电极12p。此外，在上侧电极22的表面，且在密封框部件70的外侧，也设置有与外部电源(例如，其负极端子)连接的电极22p。电源连接电极12p、22p使用电阻率低于(电导率高于)ITO等透明电极的例如银等金属部件。
在设置于下侧基板10的电极中，将设置有电源连接电极12p的区域称为低电阻区域12r，将其它的区域，特别是与电解质层51接触的区域(与切换区域As对应的区域)称为主要区域12m。同样地，在设置于上侧基板20的电极中，将设置有电源连接电极22p的区域称为低电阻区域22r，将其它区域，特别是与电解质层51接触的区域(与切换区域As对应的区域)称为主要区域22m。
密封框部件70由树脂部件等构成，在下侧或上侧基板10、20面内，沿着下侧和上侧基板10、20的周缘设置为封闭的形状(见图1A)。通过密封框部件70和未图示的间隙控制剂来规定下侧和上侧基板10、20的间隔(单元间隙)。下侧和上侧基板10、20的间隔例如为100μm左右。
电解质层(电解液)51是电沉积(ED)材料(例如银)溶解在溶剂中而形成的，被充填在由下侧和上侧基板10、20以及密封框部件70划定的空间内。电解质层51大致透明，在稳定时(未施加电压时)，ED元件110作为整体实现透光状态。
电解质层(电解液)51由溶剂、ED材料、支撑盐(支持塩)、中介物等构成。例如，使用在作为溶剂的DMSO(Dimethyl-sulfoxide,二甲亚砜)中添加350mM的AgBr作为ED材料、添加1750mM的LiCl作为支撑盐、添加30mM的TaCl5作为中介物而得到的电解质层。
如图1C所示，以下侧电极12的电位为基准，当对上侧电极22施加负电位(例如，-4V)时，通过电极12、22表面的氧化还原反应，电解质层51中的ED材料(银)在上侧电极12表面析出·堆积，形成光反射膜51d。此时，ED元件110(切换区域As)实现光反射状态。
另外，当停止电压施加时，在电极表面析出·堆积的ED材料(光反射膜51d)再次溶解在电解质层(电解液)51中，从电极表面消失。电解质层51能够切换为透明状态和ED材料析出状态。伴随于此，ED元件110能够将其光学状态切换为透光状态(未施加电压时)和光反射状态(施加电压时)。
在参考例中，堆积在上侧电极22表面的光反射膜51d的膜厚不均匀。具体来说，在接近电源连接电极12p、22p的切换区域As的两端，光反射膜51d的膜厚相对较厚，在切换区域As的中央，光反射膜51d的膜厚相对较薄。因此，在光反射状态下，在接近电源连接电极12p、22p的切换区域As的两端，光反射率相对较高，在切换区域As的中央，光反射率相对较低。
该膜厚的不均匀性是由电解质层51中的电流密度的分布(偏差)引起的。在电极12、22由ITO等电阻率高的(电导率低的)部件构成，且横切电源连接电极12p、22p之间的方向上的电极12、22的主要区域12m、22m的宽度(切换区域As或电解质层51的宽度)较宽(例如，大于等于30mm)时，该电流密度的分布(偏差)更为显著。
在电极12、22的电阻率高(电导率低)，其主要区域12m、22m的宽度较宽的情况下，电解质层51中的电流密度在接近电流供给源的区域中相对较高，在远离电流供给源的区域中相对较低。由于ED材料的析出量(堆积膜的膜厚)与电解质层中的电流密度成比例，因此在接近电流供给源、即电源连接电极12p、22p的切换区域As的两端，光反射膜51d的膜厚较厚，在切换区域As的中央光反射膜51d的膜厚较薄。
当光反射膜51d的膜厚根据位置而变化时，元件面内的光学特性(光反射率)也根据位置而变化。一般来说，在光学元件中优选其光学特性在元件面内均匀。
图2A和图2B是示出第1实施例的ED元件101的俯视图和剖视图。图2A所示的IIB－IIB剖面与图2B所示的剖视图对应。
第1实施例的ED元件101具有基本上与参考例的ED元件110(见图1)同样的结构。在第1实施例中，在下侧电极12的主要区域12m设置有绝缘部件13。
如图2A所示，绝缘部件13沿着电源连接电极12p、22p延伸，在与其延伸方向垂直的方向(元件的横向或宽度方向)排列配置有多个。另外，在图中，利用虚线表示绝缘部件13的轮廓。此外，为了避免复杂，省略了密封框部件的图示。
绝缘部件13的宽度为50μm左右。绝缘部件13在接近电源连接电极12p、22p的切换区域As的两端被密集配置，在切换区域As的中央被稀疏配置。绝缘部件13的间隔在最窄的地方为约30μm，在最宽的地方为约6mm。
如图2B所示，绝缘部件13被设置在没有析出·堆积ED材料的电极的表面，在此为下侧电极12的表面。期望绝缘部件13的折射率与电解质层51的折射率相同，优选在电解质层51的折射率的±0.15的范围内。绝缘部件13例如可以使用SiO2。如果使用这种绝缘部件13，则难以视觉确认到配置有绝缘部件13的情况。
在切换区域As中，将更接近与使ED材料析出·堆积的电极，此处为上侧电极22连接的电源连接电极22p的区域定义为第1单位区域A1。此外，将远离与上侧电极22连接的电源连接电极22p的区域定义为第2单位区域A2。将位于第1和第2单位区域的中间的区域定义为第3单位区域。
此时，绝缘部件13在第1单位区域A1中所占的比例高于绝缘部件13在第3单位区域A3中所占的比例。此外，绝缘部件13在第2单位区域A2中所占的比例也高于绝缘部件13在第3单位区域A3中所占的比例。另外，绝缘部件13在第1和第2单位区域A1、A2中所占的比例几乎相等。
绝缘部件13抑制在电极12、22之间、或电解质层51中流过的电流。在切换区域As中，在电流密度相对较高的区域中，密集配置绝缘部件13，在电流密度相对较低的区域中稀疏配置绝缘部件13。由此，由于电解质层中的电流密度被均匀化，因此伴随于此，ED材料的堆积膜(光反射膜51d，参照图1C)的膜厚也被均匀化。
图2C示出了设置了堆积膜51d时的剖视图。堆积膜在从法线方向观察时的与绝缘部件13不重叠的区域和与绝缘部件13重叠的区域中被连续设置。这是由于虽然在电极12的与绝缘部件重叠的部分中不会产生流向电解质层51的电流，但绝缘部件13的周边部的电流会影响到朝向电极22斜向扩展的区域，因此在与绝缘部件13重叠的区域也产生堆积膜。
另外，如果绝缘部件13的宽度太大，则在电解质层51中可能发现完全没有流过电流的区域。即，可能在上侧电极22中发现未形成ED材料的堆积膜的区域。因此，绝缘部件13的宽度优选小于等于1mm。
图3A和图3B是示出第2实施例的ED元件102的俯视图和剖视图。图3A所示的IIIB－IIIB剖面与图3B所示的剖视图对应。
第2实施例的ED元件102具有基本上与第1实施例的ED元件101(见图2)同样的结构。在第2实施例中，代替将下侧电极设为透明电极，而一般将下侧电极设为电导率高于ITO等透明电极的金属电极14。伴随于此，在第2实施例中，绝缘部件13的配置(疏密的模式)与第1实施例不同。
如图3A所示，绝缘部件13在接近电源连接电极22p的区域中被密集配置，在远离电源连接电极22p的区域被稀疏配置。随着远离电源连接电极22p，绝缘部件13在单位区域中所占的比例逐渐下降。
下侧电极即金属电极14例如可以使用光反射率高的银等。在该情况下，在稳定时(未施加电压时)，ED元件102作为整体实现光反射状态。
如图3B所示，能够在上侧电极22的表面设置装饰电极23。装饰电极23例如通过堆积纳米大小的微粒而构成。装饰电极23的表面具有微小的凹凸形状，至少比透明电极22的表面粗糙。构成装饰电极23的微粒包括具有透光性和导电性的部件、例如ITO等。
以下侧电极14的电位为基准，当对上侧电极22施加负电位时，在装饰电极23的表面形成ED材料的堆积膜。由于装饰电极23的表面具有纳米级的凹凸，因此堆积膜也同样具有纳米级的微小的凹凸。具有微小的凹凸的堆积膜通过等离子体吸收而大致吸收可见光。此时，ED元件102(切换区域As)实现光吸收状态(黑色状态)。ED元件102能够将其光学状态切换为光反射状态(未施加电压时)和光吸收状态(施加电压时)。
在使ED材料析出·堆积的电极22(或装饰电极23)的电导率相对较低，不使ED材料析出·堆积的电极14的电导率相对较高的情况下，电解质层51中的电流密度在接近上侧电极22的电流供给源(电源连接电极22p)的区域(第1单位区域A1)中相对较高，在远离电流供给源的区域(第2单位区域A2)中相对较低。
在ED元件102中，绝缘部件13在第1单位区域A1中所占的比例高于绝缘部件13在第3单位区域A3中所占的比例。此外，绝缘部件13在第3单位区域A3中所占的比例高于绝缘部件13在第2单位区域A2中所占的比例。即，随着远离ED材料所堆积的上侧电极22(装饰电极23)的电源连接电极22p，绝缘部件13在单位区域中所占的比例逐渐下降。
在切换区域As中，在电流密度相对较高的区域(第1单位区域A1)密集配置绝缘部件13，在电流密度相对较低的区域(第2单位区域A2)稀疏配置绝缘部件13。由此，电解质层中的电流密度被均匀化，伴随于此，ED材料的堆积膜(光反射膜51d，参照图1C)的膜厚也被均匀化。
另外，电解质层中的电流密度的分布模式可能会根据电极的电导率或单元间隙等产生变化。优选根据电解质层中的电流密度或堆积膜的膜厚等的测量结果、或这些的计算机模拟来决定绝缘部件的配置(疎密模式)。
图3C示出设置了堆积膜51d时的剖视图。堆积膜在从法线方向观察时的与绝缘部件13不重叠的区域和与绝缘部件13重叠的区域被连续设置。这是由于虽然在与电极14的绝缘部件重叠的部分中不会产生流向电解质层51的电流，但绝缘部件13的周边部的电流会影响到朝向装饰电极23斜向扩展的区域，因此在与绝缘部件13重叠的区域也产生堆积膜。
图4是示出第3实施例的ED元件103的俯视图。第3实施例的ED元件103具有基本上与第1实施例的ED元件101(见图2)同样的结构。在第3实施例中，绝缘部件15的平面形状不是条状，而是点状。
绝缘部件15的平面形状例如为直径(或宽度)约为50μm的点状。即使绝缘部件15是这样的形状，也是在电流密度相对较高的区域密集配置绝缘部件15，在电流密度相对较低的区域稀疏配置绝缘部件15，从而能够使ED材料的堆积膜的膜厚均匀化。
图5A是示出第4实施例的ED元件104的剖视图。第4实施例的ED元件104具有基本上与第3实施例的ED元件103(见图4)同样的结构。对于第4实施例的ED元件104，代替在电极表面设置绝缘部件，而在下侧电极12设置点状的孔16(或槽)。
代替绝缘部件，而在下侧电极12设置孔16，也能够抑制电解质层51中的电流密度。因此，在电流密度相对较高的区域密集设置孔16，在电流密度相对较低的区域稀疏设置孔16，从而能够使ED材料的堆积膜的膜厚均匀化。
图5B示出设置了堆积膜51d时的剖视图。堆积膜在从法线方向观察时的与孔16不重叠的区域和与孔16重叠的区域被连续设置。这是由于虽然在电极12的孔16的部分不会产生流向电解质层51的电流，但孔16的周边部的电流会影响到朝向电极22斜向扩展的区域，因此在与孔13重叠的区域也产生堆积膜。
以上对用于实施本发明的方式进行了说明，但本发明不限于此。例如在电解质层中，能够将ED材料置换为电致变色材料(例如，二乙酰苯等)、电化学发光材料(例如，9，10－二苯基蒽等)，来制造电致变色(EC)元件、电化学发光(ECL)元件。
在不存在图1那样的绝缘部件13或图5那样的孔16的结构的情况下，EC元件或ECL元件也同样地，会在电源连接电极附近反应强烈，产生发色不均匀、发光不均匀。在这种在电解质层中可能产生电流密度的分布(偏差)的元件中，通过疏密设置绝缘部件和/或孔等的绝缘区域，从而能够实现电流密度的均匀化。其结果是能够在EC元件中实现元件面内的色调的均匀化，能够在ECL元件中实现元件面内的发光强度的均匀化。EC元件或ECL元件也同样地，在从法线方向观察时的存在绝缘部件13或孔16的区域中，选择通过斜向电场而产生发光、发色这样的绝缘部件13或孔16的大小。
除此之外，能够进行各种变更、改良、组合等，这对于本领域的技术人员来说是显而易见的。

Claims (9)

1.一种光学元件，该光学元件具有：
第1基板，其具有透光性；
第2基板，其与所述第1基板相对；
第1电极，其配置在所述第1基板的所述第2基板侧的面上，具有透光性；
第2电极，其配置在所述第2基板的所述第1基板侧的面上，部分地设置有绝缘区域；
密封框部件，其被夹持在所述第1电极和第2电极之间，当从所述第1电极和第2基板的法线方向观察时具有框状的形状；
电解质层，其被填充在由所述第1基板和第2基板以及所述密封框部件所划定的空间内，由于在所述第1电极和第2电极的表面可能引起的电化学反应，所述电解质层的光学状态发生变化；
第1连接电极，其设置在所述第1基板的所述第2基板侧且所述密封框部件的外侧，与所述第1电极连接，其电阻率比所述第1电极低；以及
第2连接电极，其设置在所述第2基板的所述第1基板侧且所述密封框部件的外侧，与所述第2电极连接，
当在所述第1电极与所述第2电极之间施加电压时，所述电解质层的电沉积材料在所述第1电极的表面析出/堆积，形成光反射膜，当不施加所述电压时，在所述第1电极的表面析出/堆积的所述电沉积材料溶解在所述电解质层中，所述光反射膜消失，从而所述光学状态在透光状态和光反射状态间切换，
当从所述第1基板和第2基板的法线方向观察时，在被所述密封框部件所包围的区域内，与所述第1连接电极接近的单位区域所包含的所述绝缘区域的比例比位于所述密封框部件的中央的单位区域所包含的所述绝缘区域的比例高，
所述第2电极包括设置在所述第2基板的表面的导电层、以及设置在所述导电层的表面而构成所述绝缘区域的绝缘部件。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，
当从所述第1基板和第2基板的法线方向观察时，
所述第1连接电极和第2连接电极夹着所述密封框部件和所述电解质层被彼此相对地配置，
在被所述密封框部件所包围的区域内，当在横切所述第1连接电极和第2连接电极的假想直线上设定了相对地接近所述第1连接电极的第1单位区域、相对地远离所述第1连接电极的第2单位区域以及位于所述第1单位区域和第2单位区域的中间的第3单位区域时，所述第1单位区域所包含的所述绝缘区域的比例比所述第3单位区域所包含的所述绝缘区域的比例高。
3.根据权利要求2所述的光学元件，其中，
所述第2单位区域所包含的所述绝缘区域的比例比所述第3单位区域所包含的所述绝缘区域的比例高。
4.根据权利要求3所述的光学元件，其中，
所述第2电极包括具有透光性的部件。
5.根据权利要求2所述的光学元件，其中，
所述第2单位区域所包含的所述绝缘区域的比例比所述第3单位区域所包含的所述绝缘区域的比例低。
6.根据权利要求5所述的光学元件，其中，
所述第2电极包括具有光反射性的金属部件。
7.根据权利要求1所述的光学元件，其中，
所述绝缘部件与所述电解质层的折射率差小于0.15。
8.根据权利要求1至6中的任一项所述的光学元件，其中，
设置于所述第2电极的绝缘区域的宽度小于等于1mm。
9.一种光学元件，该光学元件具有：
第1基板，其具有透光性；
第2基板，其与所述第1基板相对；
第1电极，其配置在所述第1基板的所述第2基板侧的面上，具有透光性；
第2电极，其配置在所述第2基板的所述第1基板侧的面上，部分地设置有绝缘区域；
密封框部件，其被夹持在所述第1电极和第2电极之间，当从所述第1电极和第2基板的法线方向观察时具有框状的形状；
电解质层，其被填充在由所述第1基板和第2基板以及所述密封框部件所划定的空间内，由于在所述第1电极和第2电极的表面可能引起的电化学反应，所述电解质层的光学状态发生变化；
第1连接电极，其设置在所述第1基板的所述第2基板侧且所述密封框部件的外侧，与所述第1电极连接，其电阻率比所述第1电极低；以及
第2连接电极，其设置在所述第2基板的所述第1基板侧且所述密封框部件的外侧，与所述第2电极连接，
当在所述第1电极与所述第2电极之间施加电压时，所述电解质层的电沉积材料在所述第1电极的表面析出/堆积，形成光反射膜，当不施加所述电压时，在所述第1电极的表面析出/堆积的所述电沉积材料溶解在所述电解质层中，所述光反射膜消失，从而所述光学状态在透光状态和光反射状态间切换，
当从所述第1基板和第2基板的法线方向观察时，在被所述密封框部件所包围的区域内，与所述第1连接电极接近的单位区域所包含的所述绝缘区域的比例比位于所述密封框部件的中央的单位区域所包含的所述绝缘区域的比例高，
所述第2电极包括设置有孔部的导电层，其中所述孔部构成所述绝缘区域。
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