JP2005532599A - 光スイッチング用途のための、中央部が回転する分子に基づく電界駆動型発色性材料 - Google Patents

Abstract

光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）のような電界駆動スイッチのための分子システム（４３０）を提供する。当該分子システム（４３０）は、２つの固定部（固定子）（４３４）の間に接続されている回転部（回転子）（４３２）を伴う回転子／固定子構成の分子システムに基づく、分子配座の変化を介する電界誘導バンドギャップ変化を呈する。従って、光学ディスプレイ（１００、２００、３００）を含む種々の光学デバイスを容易に形成するために組み合わせることのできる種々の光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）が提供される。

Description

本発明は、概して、その機能長スケールがナノメートル単位である光学デバイスに関し、より詳細には、光スイッチングをもたらす種類の分子に関する。マイクロメートル及びナノメートルの両スケールの光学デバイスを、本明細書における教示に従って構成することができる。

関連出願の相互参照
本願は、２０００年１２月１４日付けの第０９／７３８，７９３号の一部継続出願である２００１年１月１２日付けの第０９／７５９，４３８号の一部継続出願である２００１年３月２９日付けの第０９／８２３，１９５号の一部継続出願である２００１年４月２７日付けの第０９／８４４，８６２号の一部継続出願である。

本願はさらに、２０００年１２月１４日付けの第０９／７３８，７９３号の一部継続出願である２００１年１月１２日付けの第０９／７５９，４３８号の一部継続出願である２００１年３月２９日付けの第０９／８２３，１９５号の一部継続出願である２００１年４月３０日付けの第０９／８４６，１３５号の一部継続出願である。

本願は、色をはじめとする、分子の光学特性の変化によって特徴付けられる、或る状態から異なる状態への切替えをもたらす種類の分子を対象にする点で、上記出願よりも優れている。色の切替えの事例では、本発明はインクあるいは染料分子を、外部電界により切り替え可能なアクティブ光電子デバイスに変える。

本願は、電子スイッチング、ゲーティング及びメモリ用途のための、電界により駆動する回転子を備えた双安定分子メカニカルデバイスを対象にするところの、２００１年１月１２日付けの特許出願第０９／７５９，４３８号に関連する。その出願において開示した種類の分子が、本願の光スイッチングデバイスにおいて有用であることが見出された。

分子エレクトロニクス分野は初期の段階にある。現在までに、電子スイッチのような分子に関して技術文献で公開されたものとしては、２つの説得力ある論証がある。Ｃ．Ｐ．ＣｏｌｌｉｅｒらによるＳｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ．２８５、ｐｐ．３９１−３９４（１９９９年７月１６日）及びＣ．Ｐ．ＣｏｌｌｉｅｒらによるＳｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ．２８９、ｐｐ．１１７２−１１７５（２０００年８月１８日）を参照されたい。しかし、本話題をとりまく科学的コミュニティ内では、多数の思い入れと関心が存在する。公表された研究においては、ロタキサン又はカテナンと呼ばれる分子を２つの金属電極間にトラップし、その分子の両端に正のバイアスをかけることによってＯＮ状態からＯＦＦ状態へ切り替えさせていた。ロタキサン及びカテナンに関しては、ＯＮ状態及びＯＦＦ状態で、その抵抗率が、それぞれ、ファクターでおよそ１００及び５と異なっていた。

ロタキサンに関する主な問題は、それが不可逆的なスイッチであるということであった。それは一度だけ切り替えることができるものである。従って、プログラマブル読み出し専用メモリ（ＰＲＯＭ）には利用できるが、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）類似デバイスにおいて、又はフォールトトレラント通信及び論理ネットワークのような再構成可能システムにおいては用いることができない。さらに、ロタキサンは、スイッチを切り換える前に、酸化及び／又は還元反応を起こす必要がある。このことは、スイッチを切り換えるのに、相当な量のエネルギーの消耗を要する。加えて、ロタキサン分子及び同族化合物の大きく且つ複雑な特性は、分子のスイッチング時間を遅くする可能性がある。カテナンに関する主要な問題は、ＯＮ−ＯＦＦ比が小さいこと、及びスイッチング時間が遅いということである。

現在では、薄膜形態において光スイッチングをもたらす広く様々な既知の発色性材料がある。これらの材料及びそれらの用途は、近年、Ｃ．Ｂ．Ｇｒｅｅｎｂｅｒｇによる、Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ、Ｖｏｌ．２５１、ｐｐ．８１−９３（１９９４）、及びＲ．Ｊ．Ｍｏｒｔｉｍｅｒによる、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｒｅｖｉｅｗｓ、Ｖｏｌ．２６、ｐｐ．１４７−１５６（１９９７）、及びＳ．Ａ．Ａｇｎｉｈｏｔｒｙによる、Ｂｕｌｌｅｔｉｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｖｏｌ．１２，ｐｐ．７０７−７１２（１９９６）によって概説されている。これらの材料は現在、サングラスの能動的な暗化、インテリジェントライト及び建物の熱管理のための窓の能動的な暗化、並びに自動車あるいは航空機のフロントガラス内面上のヘッドアップディスプレイ及び眼鏡ディスプレイのような、様々な種類の光学ディスプレイを含む種々の用途のために研究されている。

それらは非常に有望視されて久しいにもかかわらず、既存の種類のエレクトロクロミック材料から形成された光子ゲーティングデバイスはほとんどない。これは、それらの大部分が、ある種の液体あるいは固体電解質を通して、Ｈ^＋、Ｌｉ^＋あるいはＮａ^＋のようなイオンの輸送を伴う酸化−還元反応を要するためである。イオンの輸送を必要とするいずれのデバイスも低速であるため、適切な電解質を見つけることが主な課題である。さらに、そのような反応は、酸素あるいは他の化学種のような周囲の夾雑物から極端に影響を受けやすく、それゆえ発色性電極の劣化が主な弱点である。

実際上、光通信ネットワークのためのクロスバースイッチルータのような光子スイッチング用途に関して、適切な発色性材料がないため、企業は以下のような様々な手法を用いることを余儀なくされている。（ａ）光信号を電子信号に変換し、スイッチング操作を実行して、その後、光ファイバに送出する前に光信号に戻すこと（これは現時点で最も頻繁に用いられている解決手法であるが、非常に効率が悪く、電子回路が光学システムのデータ速度に遅れずに動作させるのが難しい）、（ｂ）マイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭ）処理によって形成された可動ミラーアレイを用いて、光データパケットを切り替えること（これは、そのデバイスに関して極端に高い公差を必要とし、非常に高いコストがかかるという短所を有する）、（ｃ）インクジェット技術を用いて、バブルをチャンバ内に押し出し、光ビームを反射するためのミラーを形成すること（この手法は同じく精密に製造する必要があり、且つスイッチング時間が遅い）。

従って、化学的な酸化及び／又は還元を回避し、第１の状態から第２の状態に適度に速く切り替わることができ、さらに種々の光学デバイスにおいて用いることができる分子システムが必要とされる。

本明細書において開示する実施形態によれば、光スイッチングのための分子システムが提供される。当該分子システムは、分子配座の変化あるいは異性化を介して起こる電界誘導バンドギャップ変化を呈する。バンドギャップを変化させる化学結合変化を介する拡張共役の変化は、１つの回転部（回転子）と、その間に回転子が結合している２つの固定部（固定子）とを有する分子システムを設けることによって達成される。

本発明は、例えば、それを容易に組み合わせることで、ディスプレイ、電子ブック、書換え可能媒体、電子レンズ、窓及びミラーのための電気制御による着色、光ファイバ通信用の光クロスバースイッチなどを形成できる光スイッチを提供する。そのような用途は他で検討されており、本発明の光スイッチがそのような用途の装置を構成するために用いられる場合を除いて、本発明には密接には関連しない。

双安定分子は明らかに高い切替え速度を示す。当該分子は、熱の変動に起因する切替えに対して、概ね安定している。当該分子は、光スイッチのために有用であり、状態が変化すると、当該分子は変色する。この特性は、変色する、又は透明から有色状態へと変化し得る材料によって可能になる多種多様なディスプレイ装置あるいは任意の他の用途に用いることができる。

このように、当該分子は、スイッチを切り替える際に酸化も還元もされない。また、当該分子の可動部分は極めて小さいため、切替え時間は非常に速いはずである。当該分子はまた、ロタキサン、カテナン及び関連する化合物よりもはるかに単純であり、それ故より容易に且つ安価に製造できる。

定義
本明細書において用いられる用語「自己組織化」は、システム構成要素の特性によって、ある種の幾何学的パターンを自然に選択するシステムを意味する。該システムは、その構成を選択することで、そのエネルギーが少なくとも極小となる。

用語「一度だけ構成可能な」とは、スイッチが、酸化あるいは還元反応のような不可逆過程を介して一度だけその状態を変えることができることを意味する。そのようなスイッチは、例えば、プログラマブル読出し専用メモリ（ＰＲＯＭ）の基礎をなすことができる。

用語「再構成可能な」とは、スイッチが、酸化又は還元のような可逆過程を介して多数回その状態を変化させ得ることを意味する。換言すれば、該スイッチは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）のメモリビット、あるいはディスプレイのカラーピクセルのように、何度も開閉できるものである。

分子に適用される際の用語「双安定な」とは、エネルギー（又は活性化）障壁によって隔てられている比較的低い２つのエネルギー状態を有する分子を意味する。該分子は、ある状態から他の状態へ不可逆的に切り替えられるか（一回だけ構成可能）、又はある状態から他の状態に可逆的に切り替えられる（再構成可能）。

ミクロンスケールの大きさとは、寸法が１マイクロメートル〜数マイクロメートルの範囲にある大きさを意味する。

サブミクロンスケールの大きさとは、０．０５マイクロメートル〜１マイクロメートルの範囲にある大きさを意味する。

ナノメートルスケールの大きさとは、０．１ナノメートル〜５０ナノメートル（０．０５マイクロメートル）の範囲にある大きさを意味する。

ミクロンスケール及びサブミクロンスケールのワイヤとは、幅又は直径が０．０５μｍから１０μｍの大きさであり、高さが数１０ｎｍから１μｍまでの範囲にあり、長さが数μｍ以上であるロッド状又はリボン状の導体あるいは半導体を意味する。

「ＨＯＭＯ」は「最高被占分子軌道」を表すための一般的な化学的略称であり、「ＬＵＭＯ」は「最低空分子軌道」を表すための一般的な化学的略称である。ＨＯＭＯ及びＬＵＭＯは、分子内の電子伝導を招き、ＨＯＭＯ及びＬＵＭＯと、他のエネルギー的に近い分子軌道との間のエネルギー差は分子の色の原因となる。

光スイッチは、本発明の文脈においては、人間の可視領域内外の、例えば遠赤外線（ＩＲ）から深紫外線（ＵＶ）までの範囲の、分子の電磁特性の変化を伴う。光スイッチングには、電磁放射の吸収、反射、屈折、回折及び拡散散乱のような特性変化が含まれる。

用語「透明」とは、着色剤によってスペクトル成分が吸収される領域以外の、可視スペクトルにおいて定義され、着色剤内を通過する光が光学的に妨害あるいは変更されないことを意味する。例えば、分子着色剤が可視スペクトルにおいて光を吸収しない場合には、その着色剤は無色透明の透明度を有するように見えるであろう。

用語「全環境照明視認性」とは、本明細書においては、眼が敏感に反応する任意の環境照明条件下での視認性と定義される。

光スイッチ
光スイッチは、２００１年１０月１６日付けの同時係属中の米国特許出願第０９／９８１、１６６号にさらに詳細に記載されている。その特許出願から得られる一般的な実施例を本明細書の図１に示しており、少なくとも１つの着色剤層１０１を組み入れているディスプレイ画面１００が示されている。着色剤層１０１は、以下にさらに詳細に記載され、概して「分子着色剤」と呼ばれる、本発明による、電界によって切替え可能であり、再構成可能な染料あるいは顔料分子を用いるピクセルアレイからなる。各染料あるいは顔料分子は、電界によって、像を成す色（例えば黒色）と透明状態との間で、又は２つの異なる色（例えば赤色と緑色）間で、切り替わることができる。

簡単に図１ａを参照すると、着色剤層１０１は、選択された１組の分子が１つのピクセルと相互的に関連するように並べられている双安定分子から形成されたアドレス指定可能なピクセルアレイである。着色剤層１０１は、ディスプレイの意図された背景色（例えば白色）を有する背景基材１０３上にコーティングされている薄層である。基材１０３は、例えば、その層による電圧降下を最小限に抑えるとともに、良好な白色と不透明度とをもたらす高誘電性顔料（例えばチタニア）含有ポリマー結合剤から構成することができる。従って、着色剤層１０１及び基材１０３の組合せから成る層状配列は、紙上のインク層と完全に類似している。ブランク状態、即ち消去された状態では、各分子はその透明な向きに切り替えられており、「インク層」は目に見えない。背景（例えば白色ピクセル）が、着色剤層１０１分子が透明な向きに切り替えられているピクセル領域越しに見える。適切な保護を与えるために、例えば透明なプラスチックあるいはガラスからなる透明な透き通しの層が、着色剤−背景サンドイッチ構造上に設けられる。該透き通しの層１０５は、それに取り付けられ着色剤層１０１の上側に配置される、ピクセル列あるいは行を駆動するための透明電極アレイ１０７を有する。背景基材１０３は、それに取り付けられピクセル列あるいは行を駆動するための相補的な電極アレイ１０９を有する（個々のピクセルのマトリックスアドレス指定及び電界による書込みのための電極アレイ１０７、１０９の層状配列の特定の実施態様が、従来の電気工学の慣行に従って変更される場合があることは当業者であれば理解されよう）。任意選択的に、ピクセルは、当分野において知られているような薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ドライバ技術を採用することにより相互に重ね合わされる。

本ディスプレイ１００によって、ハードコピー印刷物と同じコントラスト及び色が可能となる。分子着色剤は、大きさ及び質量が極めて小さく、解像度及び着色剤のスイッチング時間が、電界書込み電極及び回路によってのみ制限されるようになるので理想的である。インクと同様に、着色剤層１０１は、サブミクロンないしミクロンレベルの薄層において十分な密度を有することができ、論理状態間で着色剤を切り替えるために必要とされる電界電圧を低減できる可能性があり、それにより低コストの駆動回路を利用できるようになる。

そのようなディスプレイに用いるのに適した再構成可能な双安定分子を以下に開示し、本明細書において特許請求する。概して、これらの分子は、π軌道電子の共役の程度によって決まる光学的特性（例えば色）を有する。色あるいは透明度を含む分子の当該光学的特性は、分子に印加される電界の極性によって変化し、電界が印加されない場合にも彩色的に安定した状態を保持する。ある分子にわたる共役の連続性を破壊することにより、その分子を、ある光学状態から別の光学状態に、例えば有色から透明に、変化させることができる。外部電界を印加するか、あるいは変化させるときに、染料あるいは顔料分子のある特定部位を他の部位に対して回転させるか、あるいは別の方法で歪ませることによって、この破壊を物理的に引き起こすことができる電気双極子を着色剤内に組み込むことができる。

着色剤層１０１は、好ましくは、共役の強い向きにおいて着色し（例えば、黒、シアン、マゼンタあるいは黄）、共役の弱い向きにおいて透明となる分子からなる均質層である。隣接する背景基材１０３を白色にすることにより、着色剤層１０１は、高コントラストの白黒、及びカラー画像を生成することができる。着色剤層１０１は、単一の電界切替え可能の染料あるいは顔料から構成することができるし、集団で合成色（例えば、黒色）を生成する種々の切替え可能な染料あるいは顔料の混合物から構成することができる。分子着色剤を用いることにより、生成される画像の解像度は、電極アレイ１０７、１０９によって生成される電界の分解能によってのみ制限される。分子着色剤はさらにほとんど瞬間的なスイッチング速度を有し、高速な走査の要求に対して有用である（後に図３に関して記載するように）。ある特定の場合には、分子着色剤はポリマー層内に含有させることができる。そのようなコーティングを生成するためのポリマーは周知であり、例えば、アクリレート、ウレタン等が含まれる。あるいは又、着色剤層１０１は自己組織化させることができる。

一実施形態では、着色剤層１０１は、マトリックスアドレス指定式の液晶フラットパネルディスプレイの代替物としてもたらされる。そのようなディスプレイの場合によく知られているように、各ピクセルは、位置決めされている電極アレイのマトリックス、例えば１０７、１０９の行及び列、によってアドレス指定される。位置決めされている電極アレイ１０７、１０９は、着色剤層１０１を狭持し、重なり合うピクセルの格子（マトリックス）を形成する従来のクロスバー電極１１１、１１３から構成されており、各ピクセルは電極が重なり合う位置においてアドレス指定される。クロスバー電極１１１、１１３は、電極行及び電極列に配列され平行に隔置されている電極ラインからなり、行電極と列電極は着色剤層１０１の相対する側に分けられている。好ましくは、第１組の透明なクロスバー電極１０７（後に詳細に記載する図２においては２０１及び２０３）は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を透明基材（例えばガラス）上に薄膜付着させることによって形成される。これらの行アドレス指定可能なピクセルクロスバー電極１０７は、従来の薄膜パターニング及びエッチング技術を用いてＩＴＯ層内に形成される。着色剤層１０１及び背景基材１０３は、従来の薄膜技術（例えば蒸着）あるいは厚膜技術（例えばシルクスクリーン、スピンコーティング等）を用いて、透明電極層上に順にコーティングされるか、あるいは配置される。さらに別のコーティング技術には、ラングミュア−ブロジェット付着及び自己組織化単層が含まれる。列アドレス指定可能なピクセルクロスバー電極１０９（図２では２０２、２０４）は、行電極１０７と同様の方法で構成することが好ましい。列アドレス指定可能なピクセルクロスバー電極１０９は、任意選択的に、個別の基材上に構成することができ、後に該基材を、従来の技術を用いて前記白色コーティングと付着させる。

本ディスプレイ１００、２００は、既知の液晶着色剤の場合に必要とされる偏光層をなくすことにより、紙上の印刷物のようなコントラスト、色、視野角、及び全環境照明視認性をもたらす。また、上記ディスプレイを用いることにより、電力の消耗を著しく低減できるようになる。液晶は静止画像の場合でも保持電界を必要とするのに対して、本発明の着色剤層１０１の分子では、双安定分子が用いられるときには、電界が存在しない場合でもある状態にしておくことができる。従って、本発明の双安定着色剤層１０１は、あるピクセルが変更されるときに、そのピクセルのためにのみ電界を必要とするだけである。電力及び画像の品質の改善は、装置（例えば、腕時計、計算機、携帯電話あるいは他の携帯型電子機器）、テレビモニタ及びコンピュータディスプレイに関して、より広範な視認及び照明条件下において、バッテリ寿命及びディスプレイ可読性に著しい利益をもたらすであろう。さらに、解像度が低いカラーディスプレイに関しては、着色剤層を、種々の色の双安定着色分子アレイを用いたモザイク風の有色ピクセルから構成することができる。

着色剤層１０１内の各着色剤分子は着色剤吸収帯の外側では透明であるので、多数の着色剤層を重ね合わせ、個別にアドレス指定して、現在市販されているものよりも高い解像度のカラーディスプレイを製造することができる。図２は、この第２の実施形態の概略図である。高解像度、フルカラーのマトリックスアドレス指定可能ディスプレイ画面２００は、交互に層を形成する透明電極、即ち行電極２０１、２０３及び列電極２０２、２０４と、それぞれ異なる色の分子アレイを有する複数の着色剤層２０５、２０７、２０９とからなる。各着色剤層内の各ピクセルは有色あるいは透明にすることができるので、所与のピクセルの色を、ディスプレイの最大アドレス解像度にて、有色層（例えば、シアン、マゼンタ、黄、黒）の任意の層あるいはその組み合わせから作ることができる。あるピクセルに関して、全ての着色剤層２０５、２０７、２０９を透明にする場合には、該ピクセルは背景基材１０３（例えば白色）を示す。そのようなディスプレイは、同じピクセル密度を有しているが、単層のモザイク色による現在のマトリックスＬＣＤ装置よりも３倍以上の解像度を有するという利点をもたらす。該ディスプレイの製造の詳細は、先に記載した同時係属中の特許出願に記載している。

各ピクセルに設定されることになる色は、選択された有色層に直に隣接する電極間に電圧を印加することによりアドレス指定される。例えば、黄色が最も上側の着色剤層２０５であり、マゼンタが次の着色剤層２０７であり、シアンが第３の着色剤層２０９であるものと仮定すると、黄色層内のピクセルは行電極２０１及び列電極２０２を介してアドレス指定され、マゼンタは列電極２０２及び行電極２０３を介してアドレス指定され、シアンは行電極２０３及び列電極２０４を介してアドレス指定される。各着色剤分子は電界がかけられていない場合でも安定した色であるので、この簡単な共通電極アドレス指定方式が可能になる。

図３は、マトリックスアドレス指定ではなく、走査アドレス指定を用いる第３の実施形態を示す。マトリックスアドレス指定ディスプレイでは、比較的大きな２次元のディスプレイ表面上にパターニングされ各々がピクセル行あるいは列をディスプレイ領域の外端に接続させているアドレスライン及び間隔の数に基づいて、現時点では解像度が制限される。この第３の実施形態では、双安定分子着色剤層１０１及び背景基材１０３層による構成物が、走査電極アレイプリントヘッドと組み合わされて、上記最初の２つの実施形態と同じ可読性に加えて、市販の出版物の解像度という利点を有する走査電極ディスプレイデバイス３００が提供される。走査電極アレイ及び駆動電子回路は静電プリンタと共通であり、その構成及びインターフェースは周知である。基本的には、双安定分子スイッチが保持電界を必要としないことを思い起こすと、走査電極アレイディスプレイデバイス３００は、一度に１つのピクセル行を印刷することにより、表示画像を変更する。従って、走査電極アレイディスプレイデバイス３００は、該アレイの両側に沿って奇数及び偶数の電極アドレスラインを交互に配置することができ、通過アレイ接続を有する多数のアドレス層を含むことができ、一度の走査中に釣り合うように重なり合う多数のアレイを互い違いに配置することができる長所により、はるかに大きな解像度をもたらす。着色剤層１０１は、同様に色モザイクでパターニングされ、極めて高解像度の走査式カラーディスプレイを製造することができる。

より詳細には、図３に示す第３の実施形態は、ディスプレイ画面３０２、走査電極アレイ３０４、及び画面表面の端から端まで電極アレイを正確に移動させるためのアレイトランスレーション機構３０１から構成されている。ディスプレイ画面３０２は、同様に、背景基材１０３、透明な透き通し層１０５、及び少なくとも１つの双安定分子着色剤層１０１とから構成される。着色剤層１０１には、本明細書において先に記載したように、均質な単色着色剤（例えば黒色）あるいは色モザイクが含まれる。走査電極アレイ３０４は、背景基材１０３に接触しているか、あるいはほぼ接触している線形の電極アレイあるいは同等に互い違いに配置されている電極アレイからなる。互い違いに配置されている電極アレイは、例えば、もし電極が隣接していれば生じる電極間の電界クロストークを最小限に抑えるために、且つディスプレイの解像度を高めるために用いることができる。

各電極は、寸法決めされ、配置され、さらに電気的にアドレス指定されており、動作時には、ピクセル列に沿った所与のピクセル位置において着色剤層１０１を横切って「Ｅ」と付された矢印によって表される適切な電界を与える。電界Ｅは、着色剤分子の色のスイッチング軸に応じて、着色剤層１０１面に垂直に、あるいはそれに平行に向けることができる。垂直な電界は、該電極アレイの反対側のコーティング面上に一般的な電極（例えばＩＴＯ層）を配置することにより生成することができる。電極アレイは又、フリンジ電界を発するように構成することができる。平行なフリンジ電界は、該アレイに隣接して該アレイに平行に一般的な電極を配置することにより生成することができる。垂直なフリンジ電界は、電極アレイ（単数又は複数）の近傍に、対称且つ隔置された平行な一般的な電極を配置することにより生成することができる。電圧は、アレイ３０４の直下に形成される支配的な電界線が、アドレス指定される着色剤分子（単数又は複数）を切り替えるのに十分な強さを有し、分割された戻りの電界線がないように調節される。別の実施形態及び走査機構に関するさらに多くの情報は、先に記載した同時係属中の特許出願において論じている。

本発明の実施形態
本明細書において開示する実施形態によれば、２つの固定子部に対して１つの回転子部が切り替わることを明白に示す分子を、着色剤層１０１のために提供する。その全般的な概念は、大きい双極子モーメントを有し（例１及び２参照）且つ固定化されている分子の他の２つの部分（固定子）を連結する回転可能な中間部分（回転子）を分子中に設計することである。印加電界の影響下、回転子のベクトル双極子モーメントは、外部電界の方向に平行に配列しようとするであろう。しかしながら、分子は、回転子を固定子に関して特定の方位で安定化させる、例えば水素結合、双極子−双極子相互作用並びに立体斥力のような分子間及び／又は分子内力が存在するように設計されている。従って、適用電界の向きが回転子の双極子の方向と逆である場合には、回転子をその初期の方位から外して固定子に対して回転させるには、大きい電界を必要とする。一旦、ある特定方位に切り替えられると、分子は、異なる向きに切り替えられるまで、その方位に留まるであろう。しかしながら、分子設計の重要な要素は、回転子が完全に１８０°反転するまで回転するのを妨げる立体斥力が存在することである。代わりに、その回転は、回転子４３２及び／又は固定子４３４上の大きい基の立体相互作用によって、初期の方位から約９０°の角度で止められる。さらに、この９０°の向きは、異なる組の分子間及び／又は分子内水素結合あるいは双極子相互作用によって安定化され、従って、適用電界が解除された後であも所定の位置に保持される。スイッチ分子の場合、固定子から約９０°だけ隔てられた２つの状態の間に回転子を保持するこの能力は非常に重要である。

理想的な場合には、回転子と固定子とが完全に同一平面上にある向きの場合に、分子は完全に共役している。したがって、分子のｐ、π電子は、その最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）及び最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）を介して、分子全体にわたって非局在化している（光学状態Ｉ）。回転子が固定子に対して９０°だけ回転している場合には、分子の共役は破壊され、ＨＯＭＯ及びＬＵＭＯはもはや分子全体にわたって非局在化しない（光学状態ＩＩ）。こうして、分子は２つの光学状態間で可逆的に切り替わることができる。

この固定子−回転子−固定子モデルでは、下記要件が満たされなければならない。
（ａ）分子は、１つ回転子部と２つの固定子部とを有していなければならない。
（ｂ）分子の或る状態では、分子全体（回転子及び固定子）の大部分にわたって延在する非局在化ＨＯＭＯ及び／又はＬＵＭＯ（π状態及び／又は非結合軌道）が存在しなければならず、その他の状態では、その軌道が回転子及び固定子上に局在化している。
（ｃ）回転子と各固定子との間の接続ユニットには、（１）非結合電子（ｐあるいは他の電子）、あるいは（２）π電子、あるいは（３）π電子及び非結合電子（複数も可）を有する１つのσ結合あるいは少なくとも１つの原子を用いることができる。
（ｄ）電界による活性化時に回転子が回転する間、回転子及び固定子の非結合電子、あるいはπ電子、又はπ電子及び非結合電子を、分子の配座に依存して局在化あるいは非局在化させることができる。
（ｅ）分子の配座（複数も可）は、電界依存性あるいは双安定性とすることができる。
（ｆ）双安定状態（複数も可）は、水素結合、クーロン力、ファンデルワールス力、金属イオン錯体相互安定化あるいは双極子相互安定化のような分子内あるいは分子間力によって達成することができる。
（ｇ）分子のバンドギャップは、分子の、非結合電子、あるいはπ電子、あるいはπ電子及び非結合電子の非局在化の程度に応じて変化する。これが分子の光学特性（例えば、色及び／又は屈折率等）を制御することになる。

以下は、本モデルの２つの例（例１及び２）である。

本発明の新規の２モード分子は、外部電界によって切り替え可能な能動光学デバイスである。好ましくは、着色剤分子は双安定性である。その全般的な概念は、大きい双極子モーメントを有し（例１及び２参照）且つ固定化されている分子４３０の他の２つの部分（固定子）４３４を連結する回転可能な中間部分（回転子）４３２を分子中に設計することである。印加電界の影響下、回転子４３２のベクトル双極子モーメントは、外部電界の方向に平行に配列しようとするであろう。しかしながら、分子４３０は、回転子４３２を固定子４３４に関して特定の方位で安定化させる、例えば水素結合、双極子−双極子相互作用並びに立体斥力のような分子間及び／又は分子内力が存在するように設計されている。従って、回転子４３２をその初期の方位から外して固定子４３４に関して回転させるには、大きい電界を必要とする。

一旦、ある特定方位に切り替えられると、分子４３０は、異なる向きに切り替えられるまで、あるいは構成変更されるまで、その方位に留まるであろう。しかしながら、分子設計の重要な要素は、回転子４３２が完全に１８０°反転するまで回転するのを妨げる立体斥力あるいは障害が存在することである。代わりに、その回転は、回転子４３２及び／又は固定子４３４上の大きい基の立体相互作用によって、初期の方位から典型的には１０°〜１７０°の光学的に有効な角度で止められる。例示のため、この角度は、本応用形態では９０°として示されている。さらに、この切替えの方位は、異なった組の分子間及び／又は分子内水素結合あるいは双極子相互作用によって安定化され、従って、印加電界が解除された後でも所定の位置に留まる。双安定あるいは多重安定着色剤分子に関しては、固定子から光学的に有効な角度だけ隔てられた２つの状態の間に回転子４３２を留めるこの能力は極めて重要である。

多数の状態（３以上）によって多状態（例えば多色）システムを形成できるように、上記方法を一般化して、いくつかの切替えステップをもたらすように着色剤分子を設計することができる。そのような分子によって、着色剤層の光学的特性が、電界を増減するのに応じて連続して調整されるか、又はパルス状の電界を印加することによりある状態から他の状態に瞬時に変更されるようになる。

さらに、着色剤分子は、高速ではあるが揮発性のスイッチングのために、活性化障壁がないか、あるいは低い場合を含むように設計することができる。この最後の状況では、双安定性は必要ではなく、分子は電界によってある状態に切り替えられ、電界を除去する際に緩和されてその元の状態に戻る（「２モード性」）。実際には、２モード着色剤分子のこれらの形態は「自己消去型」である。対照的に、双安定着色剤分子の場合、着色剤分子は電界が除去された場合でもその状態に保持されたままであり（不揮発性スイッチ）、その場合においては活性化障壁が存在するため、分子を切り替えてその以前の状態に戻すために逆の電界を印加する必要がある。

回転子４３２及び固定子４３４が全て同一平面上にあるとき、その分子は「より強く共役している」と呼ばれる。従って、着色剤分子の非結合電子、あるいはπ電子、あるいはπ電子及び非結合電子は、その最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）及び最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）を介して、分子４３０の大部分にわたって非局在化している。これを、該分子の「赤方偏移状態」、あるいは「光学状態Ｉ」と呼ぶ。回転子４３２が固定子４３４に関して約９０°だけ共役から回転している場合には、分子４３０の共役が破壊され、ＨＯＭＯ及びＬＵＭＯは分子のより小さな部分にわたって局在化し、「より弱く共役している」と呼ばれる。これは、分子４３０の「青方偏移状態」、あるいは「光学状態ＩＩ」である。従って、着色剤分子４３０は、２つの異なる光学状態間で可逆的に切り替わることができる。

理想的な場合には、回転子４３２及び固定子４３４が完全に同一平面上にあるときには、分子は完全に共役しており、回転子４３２が固定子４３４に関して９０°の角度に回転しているときには、分子は共役していないことが、当業者には理解されよう。しかしながら、熱によるゆらぎに起因して、これらの理想的な状態は完全には実現されず、それゆえ分子は、前者の場合には「より強く共役している」と呼ばれ、後者の場合には「より弱く共役している」と呼ばれる。さらに、用語「赤方偏移」あるいは「青方偏移」は、色相に対する任意の関係を表すことを意味するのではなく、ＨＯＭＯ状態とＬＵＭＯ状態間のギャップのエネルギーシフトの電磁エネルギースペクトル方向を表すことを意味する。

例１及び２は、分子を切り替えるための２つの異なる方位を示す。例１では、回転子の回転軸は分子の正味の電流搬送（current-carrying）軸に概ね垂直になるように設計されており、一方、例２では、回転軸は、分子の方位軸に平行になっている。これらの設計によって、所望する結果に応じて、使用される分子膜及び電極を種々の形状にすることが可能となる。概略的な分子構造及び実際の分子構造の両方を各例に示している。例１ａ及び２ａは、分子を切り替えるための２つの異なる方位を示すための概略的分子構造であり、例１ｂ及び２ｂは、２つの実際の分子構造である。

最初に例１を参照すると、これは、本発明の双安定分子メカニカルデバイスの第１の実施形態を示している。以下の例１ａは、固定子−回転子−固定子モデルのための概略的な分子の例を示している。

式中、文字Ａは、受容体基を表し、それは電子求引基である。それは、水素、カルボン酸あるいはその誘導体、硫酸あるいはその誘導体、リン酸あるいはその誘導体、ニトロ、ニトリル、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ）、あるいは前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基（例えば、ＯＨ、ＳＨ、ＮＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）あるいは置換炭化水素、のうちの１つとすることができる。

文字Ｄは、供与体基を表し、それは電子供与基である。それは、水素、アミン、ＯＨ、ＳＨ、エーテル、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、あるいは少なくとも１つのヘテロ原子（例えば、Ｂ、Ｓｉ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｉ）を有する官能基のうちのいずれか１つとすることができる。供与体は、当該分子上の受容体基よりも電気的陰性が低いか、あるいは電気的陽性が高いという事実によって受容体とは区別される。

文字Ｃｏｎ_１及びＣｏｎ_２は、ある分子と他の分子との間の、又はある分子と固体基材（例えば、金属電極、無機あるいは有機基材等）との間の、接続ユニットを表す。それらは、水素（水素結合を利用する）、多価へテロ原子（即ち、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等）、あるいはこれらのヘテロ原子を含む官能基（例えば、ＮＨ、ＰＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素のうちの任意のものとすることができる。

文字Ｇ_１、Ｇ_２、Ｇ_３及びＧ_４は、ブリッジング基である。これらブリッジング基の機能は、所望の発色団を得るために、固定子と回転子とを接続するか、又は２つ以上の共役環を接続することである。それらは、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等）、あるいは上記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基（例えば、ＮＨあるいはＮＨＮＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。あるいは又、該コネクタは、酸素原子によるエーテルブリッジのような単原子ブリッジ、又は回転子と固定子との間の直接シグマ結合により構成することができる。

ここでは文字Ｑは、２つのフェニル環間の接続ユニットを示すために用いられる。接続ユニットは、Ｓ、Ｏ、ＮＨ、ＮＲ、炭化水素あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。

これ以降の図において、用語「ｂｌｕｅ」は、簡略化のために「ｂｌｕ」に短縮する。

上記の例１ａでは、垂直方向の太線は、他の分子あるいは固体基材を表す。切替え電界の向きは、前記垂直方向の破線に対して垂直である。そのような構成は電気的なスイッチングのために用いられ、光学的な切替えの場合には、結合部はなくすことができ、分子を単に２つの電極間に配置することができる。それらは又、単に、ある分子を他の分子に結合させるか、又はある分子を有機あるいは無機基材に結合させることもできる。

以下の例１ｂは、上記固定子−回転子−固定子モデルの実際の分子の例である。

上記分子（例１ｂ）では、内部回転子４３２が分子４３０全体の方位軸あるいは電流搬送軸に対して垂直になるように設計されている。この場合、外部電界は、図示するように、分子４３０の方位軸に沿って適用され、電極（垂直方向の太線）は紙面に垂直且つ分子４３０の方位軸に垂直に向けられる。図において左から右に向けられる電界を適用することにより、左上の図に示すような回転子４３２は、下の図に示される位置まで回転するようになり、その逆も起こる。この場合に、下の図に示すような回転子４３２は、分子の残りの部分と同一平面上にはないため、これは分子の青方偏移光学状態であるのに対し、左上の図では回転子が分子の残りの部分と概ね同一平面上にあるので、これは分子の赤方偏移状態である。右上の図に示す構造は、左上の図（同一平面、共役が発達）と下の図（中央部が回転、共役が未発達）との間の回転の遷移状態を示す。

例１ｂに示す分子は、非共役状態において色彩的に透明であるか、又は青方偏移している。共役状態では、分子は有色であるか、又は赤方偏移している。

例１ｂに示す種類の分子の場合、例えばラングミュア−ブロジェット法あるいは自己組織化単層を使って、単一の単層分子膜を成長させて、それによって、分子の方位軸が、分子を切り替えるのに使用される電極面に垂直になるようにする。電極は、上記のＣｏｌｌｉｅｒらによって示された方法で、又は前述の関連特許出願及び発行特許に記載された方法で、付着させることができる。別のより厚い薄膜の付着技術には、気相成長法、コンタクト法あるいはインクジェットプリンティング法、あるいはシルクスクリーン法が含まれる。

次に例２を参照すると、これは、本発明の双安定分子メカニカルデバイスの第２の実施形態を示している。以下の例２ａは、固定子−回転子−固定子モデルのための分子の第２の概略的な例を示している。

式中、文字Ａは、受容体基を表し、それは電子求引基である。それは、水素、カルボン酸あるいはその誘導体、硫酸あるいはその誘導体、リン酸あるいはその誘導体、ニトロ、ニトリル、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ）、あるいは前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基（例えば、ＯＨ、ＳＨ、ＮＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの１つとすることができる。

文字Ｄは、供与体基を表し、それは電子供与基である。それは、水素、アミン、ＯＨ、ＳＨ、エーテル、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、あるいは少なくとも１つのヘテロ原子（例えば、Ｂ、Ｓｉ、Ｉ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ）を有する官能基、のうちのいずれか１つとすることができる。供与体は、当該分子上の受容体基よりも電気的陰性が低いか、あるいは電気的陽性が高いという事実によって受容体とは区別される。

文字Ｃｏｎ_１及びＣｏｎ_２は、ある分子と他の分子との間の、又はある分子と固体基材（例えば、金属電極、無機あるいは有機基材等）との間の接続ユニットを表す。それらは、水素（水素結合を利用する）、多価へテロ原子（即ち、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等）、あるいはこれらヘテロ原子を含む官能基（例えば、ＮＨ、ＰＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの１つとすることができる。

文字Ｒ_１、Ｒ_２及びＲ_３は、分子に組み込まれているスペーシング基を表す。これらのスペーサユニットの機能は、各回転子のための回転の空間を設けながら、分子が密集できるようにするための適切な３次元の枠組みを設けることである。それらは、水素、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。

文字Ｇ_１、Ｇ_２、Ｇ_３、Ｇ_４、Ｇ_５、Ｇ_６、Ｇ_７及びＧ_８は、ブリッジング基を表す。これらのブリッジング基の機能は、所望の発色団を得るために、固定子と回転子とを接続するか、又は２つ以上の共役環を接続することである。それらは、ヘテロ原子（例えば、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等）、あるいは前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基（例えば、ＮＨあるいはＮＨＮＨ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）、あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。あるいは又、該コネクタは、酸素原子によるエーテルブリッジのような単原子ブリッジ、又は回転子と固定子との間の直接シグマ結合から構成することができる。

文字Ｊ_１及びＪ_２は分子に組み込まれている調整基を表す。これらの調整基（例えば、ＯＨ、ＮＨＲ、ＣＯＯＨ、ＣＮ、ニトロ等）の機能は、適切な機能的効果（例えば、誘導性効果及び共鳴効果の両方）及び／又は立体効果をもたらすことである。機能的効果とは、分子のバンドギャップ（ΔＥ_{ＨＯＭＯ／ＬＵＭＯ}）を調整し、分子の光学的特性だけではなく、所望の電子的特性を得ることである。立体効果とは、立体障害、分子間あるいは分子内相互作用力（例えば、水素結合、クーロン相互作用、ファンデルワールス力）を介して分子配座を調整することや、あるいは分子の方位の双安定性あるいは多重安定性をもたらすことである。それらは、水素、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ、Ｂ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ及びＩ）、前記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する官能基、炭化水素（飽和あるいは不飽和炭化水素のいずれか）あるいは置換炭化水素、のうちの任意のものとすることができる。

以下の例２ｂは、上記固定子−回転子−固定子構成の実際の分子の例である。

上記分子（例２ｂ）は、分子全体の方位軸に平行な内部回転子を用いて設計されている。この場合、外部電界は、分子軸に垂直に印加される。電極は、分子の長軸に平行に配向され、且つ表面上、上記モデル構造の面に垂直か又は平行に配向させることができる。例えば、電界線が分子軸に対して垂直で且つ上方を指している電界を上記上側分子へ印加することによって、その図に描かれている回転子は、上記下側分子図面に示すように、ほぼ９０°回転し、エッジが現出する。この逆も可能である。この場合、下側図面に描かれたような回転子は、分子の他の部分と同一面上になく、そのため、これは分子の青方偏移光学状態、即ち光学状態ＩＩであり、一方、上側図面では、回転子が分子の他の部分と同一面上にあり、そのため、これは分子の赤方偏移光学状態、即ち光学状態Ｉである。図において、文字Ｅ、Ｇ及びＪは、分子の幾何学的構造を調整するために種々の化学ユニットを利用できる部位を示しており、他の化学基を回転子及び固定子として用いることもできる。文字Ｃ、Ｎ、Ｈ及びＯは、それらの通常の意味を有する。文字Ｅ、Ｇ及びＪは、水素、ヘテロ原子（例えば、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等）、炭化水素（飽和あるいは不飽和のいずれか）あるいは上記ヘテロ原子のうちの少なくとも１つを有する置換炭化水素のうちの任意のものとすることができる。

例２の分子に関しては、分子軸が電極面に対して平行になるように薄膜を形成させる。これによって、多数の単層が重なり合った膜が生じる。分子は、固体結晶あるいは液晶を形成し、大きい固定子基は分子間相互作用あるいは支持構造への直接結合によって所定の位置に固定されるが、回転子は分子の格子内部で十分移動できるほど小さい。このタイプの構造は、電界制御式のディスプレイを形成するために用いることができるか、あるいは本明細書において先に記載したような他の用途のために用いることができる。

例１及び２は分子を切り替えるための２つの異なる方位を示している。しかしながら、示した例は、本発明を例示した特定の分子システムに限定するものと見なされるべきではなく、本明細書に開示し、特許請求する切替えメカニズムの単なる例示にすぎない。

光スイッチ（マイクロメートルあるいはナノメートル）を形成するために本明細書にて開示され、特許請求される技術は、ディスプレイ、電子ブック、書換え可能媒体、電気的に調整可能な光学レンズ、窓及びミラーのための電気制御による着色、数多くの入力チャネルのうちの１つから数多くの出力チャネルのうちの１つに信号を送るための光クロスバースイッチなどを製造するために用いることができる。

本明細書に開示される電界切替え可能分子は、種々の視認ディスプレイにおいてだけではなくて、マイクロスケール、さらにはナノスケールの構成要素から構成される光学デバイスにおいて用途が見出されるものと期待される。

本発明に従って用いるための２色（例えば白黒）ディスプレイ画面構成の概略図（斜視透視図） 図１に示すディスプレイ画面の着色剤層要素の詳細図 本発明に従って用いるためのフルカラーディスプレイ画面構成の概略図（斜視透視図） 本発明に従って用いるための２色ディスプレイ画面構成の走査アドレス指定の実施形態の概略図 分子配座の変化を介する電界誘導バンドギャップ変化を示す概略モデル（回転子／固定子方式モデル）

Claims (10)

1. 一対の電極（１０７、１０９、又は２０１、２０３、及び２０２、２０４）によって生成される電界内で構成される分子システム（４３０）を含んで成る電界駆動型光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）であって、前記分子システム（４３０）が、２つの固定子部（４３４）の間に接続されている１つの回転子部（４３２）を有し、前記回転子部（４３２）が、前記電界の適用時に、前記固定子部（４３４）に対して少なくとも２つの状態間で回転し、それによって前記分子システム（４３０）内にバンドギャップ変化を誘起し、第１の状態では、前記分子システム（４３０）の少なくとも大部分にわたって拡張共役が存在し、その結果バンドギャップが相対的に小さくなり、第２の状態では、前記拡張共役が破壊され、その結果バンドギャップが相対的に大きくなる、電界駆動型光スイッチ。
2. 前記分子システム（４３０）が或る方位軸を有し、且つ前記方位軸に対して平行に適用される外部電界によって、前記回転子部（４３２）が前記方位軸に対して垂直に配向する、請求項１に記載の光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）。
3. 前記分子システム（４３０）が或る方位軸を有し、且つ前記方位軸に対して垂直に適用される外部電界によって、前記回転子部（４３２）が前記方位軸に対して平行に配向する、請求項１に記載の光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）。
4. 前記分子システム（４３０）が双安定性であり、不揮発性構成要素をもたらす、請求項１に記載の光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）。
5. 前記分子システム（４３０）が、高速であるが揮発性のスイッチをもたらすべく、異なる状態間において低い活性化障壁を有する、請求項１に記載の光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）。
6. 前記分子システム（４３０）が３つ以上の切替え可能な状態を有し、それによって次第に低下するあるいは増加する電界を適用することによって前記分子システム（４３０）の光学特性が連続して調整されるようにし揮発性スイッチを形成するか、又は少なくとも１つの活性化障壁を有するスイッチに電圧パルスを適用することにより色及び／又は屈折率が瞬時に変更されるようにする、請求項１に記載の光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）。
7. 前記分子システム（４３０）が、透明状態と有色状態との間で変化する、請求項１に記載の光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）。
8. 前記分子システム（４３０）が、或る有色状態と別の有色状態との間で変化する、請求項１に記載の光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）。
9. 前記分子システム（４３０）が、或る屈折率と別の屈折率との間で変化する、請求項１に記載の光スイッチ（１０１、２０５、２０７、２０９）。
10. 請求項１に記載の分子システム（４３０）。

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