CN113260896A - 电位移材料、使用其的光学元件、微透镜阵列、及光学元件的制作方法 - Google Patents

Abstract

提供一种降低了驱动电压的电位移材料及其应用技术。将在凝胶状的高分子材料中添加有25℃下的负离子的迁移数为0.4以上的离子液体或25℃下的负离子的迁移数为0.2以上的离子型表面活性剂的电位移材料配置在第一电极与第二电极之间以制作光学元件。在该光学元件中，用于使电位移材料变形的施加电压的等级被降低，通过施加被降低的电压，从而在第一电极或第二电极的表面上形成光散射体。

Description

电位移材料、使用其的光学元件、微透镜阵列、及光学元件的 制作方法

技术领域

本发明涉及一种电位移材料、使用其的光学元件、微透镜阵列、及光学元件的制作方法。

背景技术

微型透镜阵列(MLA)被用于光学显微镜、小型投影仪等高解析度成像领域。近来，MLA还被应用于用于观看VR(虚拟现实)内容的HMD(头戴式显示器)，并且针对用于对微小的光学元件进行主动控制的技术的期待很高。

另一方面，提出了应用于人工肌肉致动器的高分子柔性致动器(例如参见专利文献1)、应用于定位装置的高分子凝胶的致动器(例如参见专利文献2)。前者的高分子柔性致动器由包含1～50重量份的聚氯乙烯、50～150重量份的塑化剂、1～30重量份的离子液体的凝胶构成。

<现有技术文献>

<专利文献>

专利文献1：日本发明专利第5392669号

专利文献2：日本特开2014-23266

发明内容

<本发明要解决的问题>

如果能够通过施加电压来对光学元件的形状进行可逆的控制，则应该能够利用简易的结构来对光学特性进行调整。在此情况下，希望针对光学元件所施加的驱动电压较低。

本发明的目的在于提供一种降低了驱动电压的电位移材料及其应用技术。

<用于解决问题的手段>

在本发明中，为了降低电位移材料的驱动电压，向用于构成电位移材料的高分子材料中添加满足预定条件的离子液体或离子型表面活性剂。

在第一方案中，电位移材料包括：凝胶状的高分子材料；以及25℃下的负离子的迁移数为0.4以上的离子液体。

在第二方案中，电位移材料包括：凝胶状的高分子材料；以及25℃下的负离子的迁移数为0.2以上的离子型表面活性剂。

<发明的效果>

通过上述构成和方法，实现了一种降低了驱动电压的电位移材料及其应用技术。

附图说明

图1是用于对实施方式的光学元件的动作原理进行说明的图。

图2是示出光学元件的变形例的图。

图3是示出当添加各种离子液体时的电位移材料的电压响应特性的图。

图4是示出离子液体的物理性质和凝胶的位移状态的图。

图5是示出离子液体的添加量与聚合物凝胶的位移之间的关系的图。

图6是按照离子液体的各添加量来示出通过施加电压而形成的光散射体的评价结果的图。

图7是示出离子液体对电极劣化的影响的图。

图8是示出当添加各种离子型表面活性剂时的电位移材料的电压响应特性的图。

图9是示出离子型表面活性剂的¹H-NMR自扩散系数的测定结果的图。

图10是离子型表面活性剂的¹H-NMR谱。

图11是示出实施方式的光学元件的针对微透镜阵列的应用示例的图。

具体实施方式

图1是用于对使用实施方式的电位移材料11的光学元件10的基本构成和动作进行说明的图。实施方式的电位移材料11是向凝胶状的高分子材料(聚合物凝胶)中添加有满足预定条件的离子液体或离子型表面活性剂的电位移材料。在图1的示例中，电位移材料11被配置在电极12与电极13之间，并且因电压的施加而位移从而在电极13的表面上形成光散射体15。

光散射体15具有凸形状。在本说明书和权利要求书中所说的“凸形状”的情况是指变形的聚合物凝胶的至少一部分从电极13的表面13s(零平面)向层叠方向上的上方突出的状态，并不限定于如图1所示仅由凸面形成的形状。

如图2(A)及图2(B)示出的变形例所示，即使就凸形的光散射体的中央附近凹陷成凹状的形状而言，作为光散射体15整体来看，也从电极13的开口14突出，并且具有光散射效果。“凸形状”不仅包括如图2(A)所示的光散射体15A的顶点略微凹陷的状态，也包括如图2(B)所示的光散射体15B的中央部位于电极13的表面13s下方的情况。

作为高分子材料，可以使用聚氯乙烯(PVC：polyvinyl chloride)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氨酯(PU)、聚苯乙烯(PSt)、聚乙酸乙烯酯(PVAc)、聚乙烯醇(PVA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯腈(PAN)、硅橡胶(SR)等。在优选的构成示例中，使用相对于所使用的波长透明的高分子或树脂材料。在实施方式中，作为一个示例，使用因电场的作用而位移较大、且易于处理的PVC。

通过向聚合物凝胶中添加满足预定条件的离子液体或离子型表面活性剂，从而能够降低电位移材料11的驱动电压。换言之，通过添加离子液体或离子型表面活性剂，从而能够提高电位移材料11的变形效率。

离子液体是由阳离子(带正电荷的离子)和阴离子(带负电荷的离子)构成的盐，并且在25℃下为液体。预定条件之一是离子液体在25℃下具有特定值以上的阴离子(负离子)迁移数。关于该条件的具体内容将在后面说明。

离子型表面活性剂是包含阳离子和阴离子中的至少一者、并且在分子内具有亲水基和疏水基两者的物质。预定条件之一是离子型表面活性剂在25℃下具有特定值以上的阴离子(负离子)迁移数。关于该条件的具体内容也将在后面说明。

在优选的构成示例中，离子液体相对于高分子材料的重量比为0.2wt％以上且1.5wt％以下，更优选为0.3wt％以上且1.0wt％以下。当将高分子材料的重量设为1(或100％)时，通过混合该重量比的离子液体，从而能够降低电位移材料11的驱动电压。关于其依据将在后面说明。

在使用离子型表面活性剂的情况下，离子型表面活性剂相对于高分子材料的重量比为0.1wt％以上且1.5wt％以下。当将高分子材料的重量设为1(或100％)时，通过混合该重量比的离子型表面活性剂，从而能够降低电位移材料11的驱动电压。

可以向聚合物凝胶中添加适当的塑化剂，也可以使其溶解在溶剂中。在使用塑化剂的情况下，可以使用己二酸二丁酯(DBA：dibutyl adipate)、己二酸二乙酯(DEA：diethyladipate)、癸二酸二乙酯(DES：diethyl sebacate)、邻苯二甲酸二辛酯(DOP：dioctylphthalate)、邻苯二甲酸二乙酯(DEP：diethyl phthalate)等。作为溶剂，可以使用四氢呋喃(THF)等醚系的溶剂。

电极12和电极13只要是具有导电性的材料便无特别限制。在由金属形成电极12和电极13中的至少一者的情况下，可以使用铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)、镍(Ni)、铬(Cr)、铜(Cu)、钛(Ti)、钽(Ta)、铟(In)、钯(Pd)、锂(Li)、铌(Nb)、及其合金等。可以由ITO(Indium TinOxide：氧化铟锡)等透明的氧化物半导体材料形成电极12和电极13中的至少一者，也可以使用导电聚合物、导电碳等。

通过将电位移材料11夹在电极12与电极13之间并施加电压从而对使用了电位移材料11的光学元件10进行驱动。在图1和图2的示例中，电极12是阴极，电极13是阳极。电极13被构成为通过电压的施加而使电位移材料11的一部分能够从电极13的表面13s突出，并且在图1及图2的示例中，在电极13上形成有微米级(micron order)的开口14。

也可以在电极13上设置能够随着电位移材料11的位移而变形的光透射性的非导电区域，来代替开口14。另外，可以使用利用导电膜对树脂等的绝缘片的两面和开口内进行涂布者，来代替将电极13构成为单层的导电层。

图1(A)示出了未施加电压的状态。电极12和电极13与电位移材料11的层进行面接触，并且电位移材料11在表面为平坦的状态下位于开口14的内部。此时的电位移材料11的表面位置在高度方向(层叠方向)上低于电极13的表面13s。

如图1(B)、图2(A)及图2(B)所示，当在电极12和电极13之间施加电压时，电子从作为阴极的电极12被注入电位移材料11。另一方面，成为阳极的电极13的开口14的侧壁带正电。包含电子的电位移材料11被吸引至电极13的开口14的端面。

此时，由于在离子液体中存在显示出预定迁移数的阴离子(负离子)，使得电位移材料11被更有效地吸引至开口14的端面。同样地，由于在离子型表面活性剂中存在显示出预定迁移数的阴离子(负离子)，使得电位移材料11被更有效地吸引至开口14的端面。由于凝胶的弹性，使得电位移材料11从细小的开口14隆起，并且从电极13的表面13s突出而形成光散射体15。

电位移材料11的变形基于电压响应特性，但是利用了凝胶的弹性。电位移材料11在施加电压的情况下从开口14隆起，并且成为超出电极13的表面13s的位置的突起。如果电位移材料11的组成均匀，则通过施加相同等级的电压，从而能够形成相对于开口14的中心大致对称的突起状的光散射体15(包括光散射体15A和15B)。

电位移材料11的变形是可逆的，并且能够通过停止施加电压来返回图1(B)所示的初始状态。另外，可以根据所施加的电压的等级来调整光散射体15的高度。

电极13的开口14的形状可以为圆形、椭圆形、多边形等，并且可以根据目的来确定。开口14的直径可以根据光学元件10的用途适当地设定，例如小于1mm，优选为50～300μm。如果开口14的直径为1mm以上，则难以在施加电压的情况下利用凝胶的弹性使电位移材料从开口14突出。通过将开口的直径设为50～300μm，从而能够提高聚合物凝胶相对于施加电压的变形效率，并且能够形成相对于中心大致对称地突出的光散射体15。

光学元件10的制作工序如下。混合凝胶状的高分子材料和满足预定条件的离子液体或离子型表面活性剂以准备电位移材料11。可以向高分子材料中适当地组合塑化剂。利用铸造法等在电极12上涂布该电位移材料11。在电位移材料11的层之上配置形成有开口14的图案的电极13。在电位移材料11包含溶剂的情况下，可以在涂布后并在通过自然干燥使溶剂蒸发后，设置电极13。通过在电极12与电极13之间施加预定的电压，从而在电极13的表面上形成光散射体15。

电位移材料11的厚度可以根据开口14的尺寸、要形成的光散射体15的高度、要使用的电极12、13的厚度等适当地确定，作为一个示例，为1mm以下，优选为0.1mm～0.5mm。当电位移材料11的厚度为0.1mm以下时，尽管多少有些难以处理，但是最终还是要兼顾与电极13的开口尺寸的平衡，因此在制作具有大量的微小透镜的微透镜阵列片的情况下，电位移材料11的厚度也有可能为0.1mm以下。

(离子液体的添加)

图3示出了当添加各种离子液体时的电位移材料11的电压响应特性。准备使重量平均分子量为230000的PVC溶解于四氢呋喃(THF)的溶剂中的聚合物凝胶，并添加各种离子液体以制作多个种类的样本。将各样本如图1所示夹在一对电极之间，并且通过改变施加电压来对峰高的电压依存性进行测定。作为参考例，使用未添加离子液体的聚合物凝胶来同样地对峰高的电压依存性进行测定。在此，峰高是指距电极13的表面13s的高度h为最高的部分的值。

更具体来说，在作为下部电极的电极12上涂布厚度为300μm的样本和参考例的聚合物凝胶。在聚合物凝胶上，作为上部的电极13，配置形成有直径为100μm的孔的厚度为20μm的金属薄膜。使施加至电极12与电极13之间的电压在0V至400V之间变化，并且对从电极13突出的光散射体15的峰高h进行测定。

线A表示作为离子液体添加了1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(EMI-BF4)的样本A的峰高的电压依存性。EMI-BF4相对于PVC的重量比为0.5wt％。EMI是阳离子，BF4是阴离子。

线B表示作为离子液体添加了1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(OMI-BF4)的样本B的峰高的电压依存性。OMI-BF4相对于PVC的重量比为0.5wt％。OMI是阳离子，BF4是阴离子。

线C表示作为离子液体添加了1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐(EMI-DCA)的样本C的峰高的电压依存性。EMI-DCA相对于PVC的重量比为0.5wt％。EMI是阳离子，DCA(C2N3)是阴离子。

线D表示作为离子液体添加了四丁基膦四氟硼酸盐(TBP-BF4)的样本D的峰高的电压依存性。TBP-BF4相对于PVC的重量比为0.1wt％。TBP是阳离子，BF4是阴离子。

线E表示作为离子液体添加了四丁基膦四氟硼酸盐(TBP-BF4)的样本E的峰高的电压依存性。离子液体的种类与样本D相同，但是TBP-BF4相对于PVC的重量比为0.5wt％。TBP是阳离子，BF4是阴离子。

线F表示作为离子液体添加了1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(EMI-TFSI)的样本F的峰高的电压依存性。EMI-TFSI相对于PVC的重量比为0.5wt％。EMI是阳离子，TFSI是阴离子。

线G表示作为离子液体添加了四丁基鏻甲磺酸(TBP-MES)的样本G的峰高的电压依存性。TBP-MES相对于PVC的重量比为0.5wt％。TBP是阳离子，MES是阴离子。

线W表示作为参考例的未添加离子液体的样本W的PVC聚合物凝胶的峰高的电压依存性。

从图3的测定结果可以看出，即使在未添加离子液体的情况下，通过使用发生电介质极化的聚合物凝胶，也会因施加电压而使聚合物凝胶变形。在未添加离子液体的样本W中，如果超过一定电压，则光散射体15的高度会相对于施加电压大致线性地增大。然而，为了使样本W从电极13的表面13s突出至20μm的高度，需要400V的电压。

相比之下，关于作为离子液体添加了0.5wt％的EMI-BF4的样本A和添加了0.5wt％的OMI-BF4的样本B，在施加100V以下的电压的情况下，能够将电位移材料11驱动至20μm以上的高度。特别地，关于样本A，在施加50V的电压的情况下使其位移至20μm的高度，在施加200V的电压的情况下使其移位至略小于40μm的高度。关于样本B，在施加100V的电压的情况下也使其位移至25μm的高度，在施加200V的电压的情况下也使其移位至30μm的高度。

与未添加离子液体的样本W相比，添加了0.5wt％的EMI-DCA的样本C通过大约一半的施加电压(210～220V)能够获得相同的20μm的峰高，并且变形效率得到大幅地提高。

关于添加了0.1wt％的TBP-BF4的样本D，虽然通过施加50V的电压能够使光散射体15从电极13的表面13s突出，但是即使提高电压，峰高也保持小于10μm，并且在50V至400V的范围内峰高的变化较小。在样本D中，难以通过电压控制来对光散射体15的高度精确地进行调整。

关于添加了0.5wt％的TBP-BF4的样本E、添加了0.5wt％的EMI-TFSI的样本F、以及添加了0.5wt％的TBP-MES的样本G，即使施加400V的电压，也无法使光散射体15从电极13的表面13s突出。

根据图3中的测定结果可以认为，离子液体的种类(即物理性质)和添加量中的至少一者与电位移材料11的驱动电压的降低相关。

<聚合物凝胶的位移与离子液体的物理性质之间的关系>

图4是示出聚合物凝胶的位移与离子液体的物理性质之间的关系的图。作为离子液体，除了图3的样本A～G以外，还对添加了1-乙基-3-甲基咪唑氟磺酰亚胺盐(EMI-FSI)的样本H的物理性质也一并进行了测定。

在添加了各种离子液体的样本A～H中，位移为正者表示通过电压的施加使聚合物凝胶从电极13的表面13s突出而形成了光散射体15。位移为负者表示即使施加电压也未使聚合物凝胶从电极13的表面13s突出。

作为各离子液体的物理性质，对导电率、电位窗的尺寸、25℃下的负离子的扩散系数和迁移数进行了测定。由于在所使用的离子液体中也存在25℃下为固体者，因此针对将其加热至80℃而熔融的离子液体，对80℃下的负离子的扩散系数和迁移数进行测定。

首先对上述参数中的导电率进行分析。样本C与样本A、B相比导电率小了2位，但是添加了样本C的聚合物凝胶进行了正位移。相比之下，样本H的导电率远大于样本C，但是聚合物凝胶未进行正位移。可以认为，离子液体的导电率与聚合物凝胶的变形效率不直接相关。

电位窗是在图1的系统中保持电化学稳定性的电位区域。电位窗越大(数值越大)，则系统电化学稳定的范围越大。尽管样本A和样本F的电位窗具有相同的面积，但是样本A的聚合物凝胶进行了正位移，而样本F的聚合物凝胶未获得正位移。可以认为，离子液体的电位窗的面积也与聚合物凝胶的变形效率不直接相关。

接着，对25℃下的阴离子(负离子)的扩散系数和迁移数进行分析。使用固体NMR(Varian公司制的VNMR System)作为测定设备对离子性液体中所含的正负离子的扩散系数进行测定。在测定步骤中，向毛细管中注入离子液体，并将其安装在设备中。在预定温度(在此情况下为25℃和80℃)下对相对于磁场变化的信号强度进行测量，并根据Stokes-Einstein公式对正负离子的扩散系数进行计算。

负离子的迁移数表示当电流流过离子液体时阴离子所负担的电流相对于全部电流的比例。作为负离子的迁移数，计算上述求出的负离子的扩散系数相对于负离子的扩散系数和正离子的扩散系数的总和之比(Danion/(Dcation+Danion))。

样本A、B、C、F、H中所使用的离子液体在25℃下为液体，并且根据使用脉冲磁场梯度NMR设备得到的测定结果，计算出各离子液体的负离子的扩散系数和迁移数。在获得了正位移的样本A、B、C中，25℃下的离子液体的负离子的迁移数均为0.4以上。相比之下，未获得正位移的样本F和H中所使用的离子液体的25℃下的负离子的迁移数小于0.4。由此可以认为，室温下的负离子的迁移数对聚合物凝胶的变形效率产生了影响。

需要说明的是，关于在获得了正位移的样本D中所添加的离子液体TBP-BF4，由于其在所使用的液相色谱仪的可加热温度(80℃)下未熔融，因此无法对扩散系数进行测定。

关于未获得正位移的样本G中所添加的离子液体TBP-MES，由于其在25℃下也为固体，因此无法对扩散系数进行测定。由于在将该离子液体加热至80℃后发生了熔融，因此对负离子的扩散系数和迁移数进行计算，迁移数为0.6。

由图4的结果可以看出，作为添加至电位移材料11的离子液体的特性，25℃下的负离子的迁移数优选为0.4以上。

从图3及图4可以推测出，离子液体的阴离子的尺寸(分子量)越小，则越有助于聚合物凝胶的变形效率。另一方面，可以认为，离子液体的阳离子的尺寸对于变形效率并无显著贡献。然而，由于样本D的变形效率不足，因此阳离子的种类有可能会对阴极的劣化产生影响。对此后面将参照图7进行说明。

需要说明的是，虽然在样本G中所使用的离子液体的阴离子尺寸和阳离子尺寸均为中等程度，但是由于该离子液体在25℃下为固体，因此可以认为即使通过搅拌使其分散在聚合物凝胶中，其对于凝胶的变形效率也不会产生显著贡献。

如上所述，除了BF4-和DCA以外，还可以使用离子尺寸较小的Cl-和Br-作为阴离子。另外，通过选择不会对阴极的劣化产生影响的阳离子，从而能够使用各种离子液体。例如，可以使用Li-BF4-作为离子液体。

＜离子液体的添加量与聚合物凝胶的位移之间的关系＞

图5是示出离子液体的添加量与聚合物凝胶的位移之间的关系的图。横轴是离子液体相对于聚合物凝胶的高分子材料的含量(wt％)，纵轴是位移的峰高。

作为高分子材料，使用分子量为230000的PVC，作为离子液体，使用样本A的EMI-BF4。使EMI-BF4的添加量在0wt％至5.0wt％的范围内变化。另外，将施加电压变为0V、50V、100V、200V、400V。

与所施加的电压的等级无关地，在离子液体的添加量为0.2wt％～1.5wt％的范围内，均获得正位移。另外，在0.3wt％～1.0wt％的范围内，位移变为最大。通过在该范围内添加离子液体，从而能够在100V以下的电压的施加下，在电极13的表面上形成光散射体15。当离子液体的添加量为5.0wt％时，会发生即使断开电压变形也不会返回原状的记忆现象。

从图5可以看出，离子液体相对于高分子的重量比率优选为0.2wt％～1.5wt％，更优选为0.3wt％～1.0wt％。其也与图3的结果一致。

图6是按照离子液体的各添加量来示出通过向电位移材料施加电压而形成的光散射体的光扩散分布的评价结果的图。使用EMI-BF4作为离子液体，并利用改变了EMI-BF4的添加量的电位移材料11来制造图1的光学元件10。电位移材料11包括PVC作为高分子，并且包括己二酸二丁酯(DBA)作为塑化剂。DBA相对于PVC和DBA的总量的含量比为83wt％。

由厚度为150μm的ITO来形成作为阴极的电极12，并且向夹在电极12与电极13之间的电位移材料11施加电压以形成光散射体15。在由ITO形成的电极12的一侧配置激光器，并在形成有光散射体15的一侧配置屏幕。使红色平行光的激光从电极12的背面侧入射至光学元件10，并对屏幕上的光扩散状态进行观察。

屏幕在光散射体15的光射出侧被配置在比光散射体15的焦点更远的位置。在屏幕上对在光散射体15的焦点处被暂且聚光后的光扩散进行观察。其原因在于，光学元件10的光散射体15的直径小至100μm，且高度小至约0～40μm，并且其焦点位置非常靠近光学元件10，难以用肉眼进行观察。通过对超过光散射体15的焦点的位置处的光扩散进行观察，从而能够对聚光状态进行评价。

在未添加离子液体的样本(表示为“w/o IL”)中，即使施加200V的电压也不会形成从电极13的表面突出的光散射体15。从光学元件10的背面入射的红色平行光未被聚光，仍以平行光的方式穿过光学元件10，并与施加电压的等级无关地，在屏幕上形成相同尺寸的光斑。

在添加了0.05wt％的EMI-BF4的样本中，通过施加100V的电压，使得聚合物凝胶在电极13的表面上略微膨胀，但是聚光功能不足，并且在屏幕位置处维持大致平行光的光斑。在施加200V的电压的情况下，形成峰高为约10μm的(曲率较缓的)光散射体15。在光散射体15的焦点位置处被暂且聚光的光扩散并展开，并且在屏幕上未出现光斑。

在添加了0.5wt％的EMI-BF4的样本中，通过施加50V的电压，从而在电极13的表面上形成光散射体15，并且在屏幕位置处观察到聚光后开始扩散的光。在施加100V的电压和200V的电压的情况下，在电极13的表面上形成峰高大于施加50V电压时的光散射体15，即曲率较陡的光散射体15。从光学元件的背面入射的光被聚光后大幅地扩散，并且在屏幕位置处未观察到光斑。该些评价结果与图5的测定结果一致。

从图6的光扩散分布可以确认出，通过对施加电压进行调整，从而能够使光散射体15的焦点距离可变。实施方式的光学元件10可以用作焦点可变透镜或形状可变透镜。

＜离子液体(阳离子)对阴极劣化的影响＞

图7是示出离子液体对阴极劣化的影响的图。作为测试用的样本，将添加有各种离子液体的PVC凝胶涂布在金属基板上，并将ITO电极作为相对的电极配置在PVC凝胶上。

涂布的PVC凝胶的种类为样本A(包含0.5wt％的EMI-BF4)、样本B(包含0.5wt％的OMI-BF4)、样本C(包含0.5wt％的EMI-DCA)、样本D(包含0.1wt％的TBP-BF4)、样本H(包含0.5wt％的EMI-FSI)、以及样本G(包含0.5wt％的TBP-MES)的6个种类。其中，在图3中获得正位移的样本为样本A～D。关于样本D，由于在将其离子液体的重量比例设为与其他样本相同的0.5wt％的情况下未获得位移，因此其为将添加量减少至0.1wt％的样本。

以金属基板作为正极，以ITO作为负极，一边改变对PVC凝胶所施加的电压等级，一边从ITO侧对电极的表面状态进行观察。

在不存在位移效果的样本G中，在施加50V的较低电压的情况下观察到ITO(阴极)的劣化。另外，在样本D中也观察到因施加电压而引起的ITO电极的劣化。可以认为其原因在于，阳离子对ITO电极的劣化产生了影响。相比之下，在位移效果较高的样本A～C中，即使提高施加电压也未观察到ITO电极的劣化。

从图3～图7的考察可以看出，通过添加25℃下的负离子的迁移数为0.4以上的离子液体，从而与未添加离子液体的聚合物凝胶相比，能够以较低的施加电压来获得较大的变形。特别地，如样本A和样本B那样，如果使用阴离子尺寸较小的离子液体，则在100V以下的电压范围内，能够较大地改变峰高，并且易于对光散射体15进行控制。即，能够根据施加电压的等级使光散射体15出现，并对其高度进行调整。在该些样本中，当对光学元件10进行驱动时，对于阴极的不利影响也较少。

(离子型表面活性剂的添加)

图8示出了当添加各种离子型表面活性剂时的电位移材料11的电压响应特性。准备使重量平均分子量为230000的PVC溶解于四氢呋喃(THF)的溶剂中的聚合物凝胶，并添加各种离子型表面活性剂以制作多个种类的样本。将各样本如图1所示夹在一对电极之间，并且通过改变施加电压来对峰高的电压依存性进行测定。作为参考例，使用未添加离子型表面活性剂的聚合物凝胶来同样地对峰高的电压依存性进行测定。在此，峰高是指距电极13的表面13s的高度h为最高的部分的值。

更具体来说，在作为下部电极的电极12上涂布厚度为300μm的样本和参考例的聚合物凝胶。在聚合物凝胶上，作为上部的电极13，配置形成有直径为100μm的孔的厚度为30μm的金属薄膜。使施加至电极12与电极13之间的电压在0V至400V之间变化，并且对从电极13突出的光散射体15的峰高h进行测定。

线K表示作为离子型表面活性剂添加了磷酸系的表面活性剂，具体来说，添加了脂肪族磷酸酯的样本K的峰高的电压依存性。脂肪族磷酸酯相对于PVC的重量比为1.0wt％。

线L表示作为离子型表面活性剂添加了磺酸系的表面活性剂，具体来说，添加了月桂基磺酸钠的样本L的峰高的电压依存性。月桂基磺酸钠相对于PVC的重量比为1.0wt％。

线M表示作为离子型表面活性剂添加了羧酸系的表面活性剂，具体来说，添加了聚氧乙烯月桂基醚醋酸钠的样本M的峰高的电压依存性。聚氧乙烯月桂基醚醋酸钠相对于PVC的重量比为1.0wt％。

线N表示作为离子型表面活性剂添加了硼酸系的表面活性剂，具体来说，添加了硼酸十四烷基酯(硼酸酯)的样本N的峰高的电压依存性。硼酸酯相对于PVC的重量比为1.0wt％。

线W’表示作为参考例的未添加离子型表面活性剂的样本W’的PVC聚合物凝胶的峰高的电压依存性。

从图8的测定结果可以看出，即使在未添加离子型表面活性剂的情况下，通过使塑化剂或聚合物带有负电荷并施加电压，从而也会使聚合物凝胶变形。在未添加离子型表面活性剂的样本W’中，如果超过一定电压，则光散射体15的高度会相对于施加电压大致线性地增大。然而，为了使样本W’从电极13的表面13s突出至20μm的高度，需要400V的电压。

相比之下，对于作为离子型表面活性剂添加了1.0wt％的脂肪族磷酸酯的样本K和添加了1.0wt％的月桂基磺酸钠的样本L，在施加300V以下的电压的情况下，能够将电位移材料11驱动至20μm以上的高度。特别地，对于样本K，在施加250V的电压的情况下使其位移至20μm的高度。对于样本M和样本N，与未添加离子型表面活性剂的样本W’相比，在施加相同的电压的情况下的变形效率也较高。

需要说明的是，在向聚合物凝胶中添加非离子型的表面活性剂时，仅表现出与未添加离子型表面活性剂的样本W’同等程度的电压响应性。

图9示出了在样本K中所使用的磷酸酯(商品名：ADEKA COL PS440E)的¹H-NMR自扩散系数的测定结果。如上所述，作为负离子的迁移数，计算负离子的自扩散系数Danion相对于负离子的自扩散系数Danion和正离子的自扩散系数Dcation的总和之比(Danion/(Dcation+Danion))。

正离子的自扩散系数为3.2×10^-12，负离子的自扩散系数为1.0×10^-12。根据图10的¹H-NMR谱的峰1求出正离子的自扩散系数。负离子的自扩散系数为图10的¹H-NMR谱的峰2～7的平均值。

基于该值所计算出的负离子的迁移数为0.23。从图8～图10的结果可以看出，当离子型表面活性剂的负离子的迁移数为2.0以上时，聚合物凝胶沿着形成在电极13上的开口14的侧面有效地变形。

<针对微透镜阵列的应用示例>

图11是应用了实施方式的电位移材料11的微透镜阵列100的示意图。微透镜阵列100在电极13的表面13s上具有多个光散射体15的排列。

微透镜阵列100具有在一对电极12和电极13之间夹持有电位移材料11的三层的层叠构造。在电位移材料11中，如上所述，在凝胶状的高分子材料(聚合物凝胶)中添加有预定的离子液体或离子型表面活性剂。所添加的离子液体使用25℃下的负离子的迁移数为0.4以上的离子液体。离子液体的添加量优选相对于高分子材料的重量为0.2wt％～1.5wt％，更优选为0.3wt％～1.0wt％。在添加离子型表面活性剂的情况下，使用25℃下的负离子的迁移数为0.2以上的离子型表面活性剂。离子型表面活性剂的添加量优选相对于高分子材料的重量为0.1wt％～1.5wt％。

作为高分子材料，可以使用PVC、PMMA、PU、PSt、PVAc、PVA、PC、PET、PAN、SR等聚合物凝胶。可以在聚合物凝胶中添加DBA、DEA、DES、DOP、DEP等塑化剂。

通过在电极12与电极13之间施加电压，从而能够在作为阳极的电极13的表面13s上形成光散射体15的排列。施加电压为200V以下，并且可以根据所添加的离子液体的种类，在施加100V以下的电压的情况下形成20μm以上的高度的光散射体15的排列。

作为一个示例，光散射体15的直径为100μm，中心之间的间距为150μm，相邻两个光散射体15的间隔为50μm。微透镜阵列100是利用形成在膜状的电极13上的微米级的开口和聚合物凝胶的电压位移特性而形成，并且在电极13的表面13s上排列有均匀的凸形状的光散射体15。

可以根据在电极12与电极13之间所施加的电压的等级，使光散射体15的排列出现、和/或对光散射体15的高度进行调整。

在微透镜阵列中，也可以使用利用导电膜对形成有预定的开口的树脂等的绝缘片的两面和开口内进行涂布者，来代替由单层的导电层来构成电极13。或者，可以在电极13上设置能够随着电位移材料11的位移而变形的光透射性的非导电区域，来代替开口。

微透镜阵列100的光散射体15的排列不限于矩阵排列，也可以是相互不同的排列。或者，可以将电极13的开口14的形状设为六边形以进行细密的配置。

以上基于特定的实施例对本发明进行了说明，但是本发明不限于上述的实施例。例如，图1的光学元件10和图11的微透镜阵列100可以扩展为在两个表面上具有光散射体15的结构。将作为阴极的电极12用作共同电极，在电极12的两个表面上配置电位移材料11，并由作为阳极的电极13对其进行夹持，从而通过施加电压而在光学元件或微透镜阵列片的两个表面上产生光散射体15。通过将配置在中间的电极12设为透明电极，从而能够形成两侧为凸的透镜单元。作为微透镜阵列100的光散射体，可以使用图2(A)的形状的光散射体15A或图2(B)的形状的光散射体15B。

实施方式的微透镜阵列100可以应用于摄像装置或照明装置。通过将微透镜阵列100的光散射体15与CCD(charge coupled device：电荷耦合元件)、CMOS(complementarymetal oxide semiconductor：互补金氧半导体)传感器等的多个摄像元件的排列相对应地配置，从而能够实现高解析度、高精度的摄像装置。

在将微透镜阵列100应用于照明装置的情况下，通过将微透镜阵列100配置在LED灯等光源的输出侧的整个表面上，从而能够对光扩散进行控制，并在较高地保持亮度的状态下将扩散光转换成平行光。此外，通过将实施方式的光学元件10或微透镜阵列100配置在微小的发光元件或多个发光元件的排列的输出面附近，从而还能够应用于显微镜用、工业用等的照明装置。

微透镜阵列100形成为1mm以下的薄形状，并且可以使阳极和阴极均透明化，因此除了可以应用于超薄型摄像头、头戴式显示器(HMD)、微型透镜阵列(MLA)片等以外，还可以应用于内视镜系统等医疗领域。具有单一的光散射体15的光学元件10也可以在于医疗、影像形成的领域中应用于光扩散片、透镜片等。

实施方式的光学元件和微透镜阵列能够在不使用复杂的机构的情况下，以降低了的驱动电压来产生具有各种取向分布的光散射体。

本申请以于2018年12月26日向日本特许厅提交的日本发明专利申请第2018-243600号作为要求优先权的基础，并在此包括其全部内容。

符号说明

10 光学元件

11 电位移材料

12 电极(第一电极)

13 电极(第二电极)

14 开口

15、15A、15B 光散射体

100 微透镜阵列

Claims (9)

1.一种电位移材料，包括：

凝胶状的高分子材料；以及

25℃下的负离子的迁移数为0.4以上的离子液体。

2.根据权利要求1所述的电位移材料，其中，

所述离子液体相对于所述高分子材料的重量比率为0.2wt％以上且1.5wt％以下。

3.根据权利要求1或2所述的电位移材料，其中，

所述离子液体的熔点为25℃。

4.一种电位移材料，包括：

凝胶状的高分子材料；以及

25℃下的负离子的迁移数为0.2以上的离子型表面活性剂。

5.一种光学元件，具有：

第一电极；

第二电极；以及

根据权利要求1至4中任一项所述的电位移材料，配置在所述第一电极与所述第二电极之间，

其中，当在所述第一电极与所述第二电极之间施加电压时，所述电位移材料在所述第一电极或所述第二电极的表面上形成光散射体。

6.根据权利要求5所述的光学元件，其中，

形成有所述光散射体的电极为阳极。

7.根据权利要求5或6所述的光学元件，其中，

所述第一电极和所述第二电极中的至少一者为透明电极。

8.一种微透镜阵列，具有：

第一电极；

第二电极；以及

根据权利要求1至4中任一项所述的电位移材料，配置在所述第一电极与所述第二电极之间，

其中，在电压的施加下，在所述第一电极和所述第二电极中的任意一者的电极表面上具有多个光散射体的排列。

9.一种光学元件的制作方法，包括以下工序：

向凝胶状的高分子材料中添加25℃下的负离子的迁移数为0.4以上的离子液体、或25℃下的负离子的迁移数为0.2以上的离子型表面活性剂，以准备电位移材料；

在第一电极之上配置所述电位移材料以形成电位移层；

在所述电位移层之上配置第二电极；以及

在所述第一电极与所述第二电极之间施加电压以使所述电位移层变形，从而在所述第二电极的表面上形成光散射体。

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