JP2007133187A - Reflection dimmer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電場を印加・解除することにより光の反射状態と透過状態とに切り替え可能な反射型調光体に関する。 The present invention relates to a reflective dimmer that can be switched between a light reflection state and a light transmission state by applying and releasing an electric field.
従来の調光体としては、エレクトロクロミック(EC)材料を用いたものや、液晶を用いたものなどが知られている。 As a conventional dimmer, one using an electrochromic (EC) material or one using liquid crystal is known.
EC材料を用いた調光体としては、特許文献1のように、一対の透明電極にEC物質層と電解質とを挟持した構造を有するものが挙げられ、透明電極を介して電流を流すことによりEC物質に酸化還元反応を起こさせて光吸収の変化を生じさせる。
Examples of the light control body using the EC material include those having a structure in which an EC substance layer and an electrolyte are sandwiched between a pair of transparent electrodes, as in
また、液晶を用いた調光体としては、特許文献2のように、マイクロカプセルに液晶を封入して樹脂マトリクス中に分散させ、その上下面から透明電極を介して電場を印加するものが挙げられる。この調光体は、液晶分子がマイクロカプセル壁に沿って配向され、電場を印加していない状態では各カプセル内の液晶分子の光軸方向がランダムであるため、透過光を散乱させて不透明となる。他方、電場を印加して液晶分子の配向方向を電場方向に揃えると、透過光は殆ど散乱しなくなり、透明に変化する。
ところで、EC材料を用いた調光体は、光吸収の変化を生じさせて透過光を制御している。したがって、自動車の窓材として用いた場合には、吸収光により調光体自体の温度が上昇し、放射熱として車室内に再放射されるため、断熱性に限界があった。また、電流駆動方式の調光体であるため、大面積化する際には内部抵抗による損失が生じ、応答速度が大幅に低下するという問題がある。 By the way, the light control body using EC material controls the transmitted light by causing a change in light absorption. Therefore, when used as a window material for automobiles, the temperature of the light control body itself rises due to absorbed light and is re-radiated into the passenger compartment as radiant heat, so there is a limit to heat insulation. In addition, since it is a current-driven dimmer, there is a problem that when the area is increased, a loss due to internal resistance occurs, and the response speed is greatly reduced.
また、マイクロカプセルに液晶を封入した調光体は、電場を印加していない不透明の状態でも散乱光の多くは依然として調光体を透過するため、自動車の窓材として用いた場合には、車室内への直射光侵入の緩和能力に乏しいという問題がある。 In addition, a light control body in which liquid crystal is sealed in a microcapsule still transmits most of the scattered light through the light control body even in an opaque state where no electric field is applied. There is a problem that the ability to mitigate direct light penetration into the room is poor.
特に、調光体を自動車の窓材として利用するにあたっては、吸収熱の車室内への再放射や散乱透過光を抑制する手段が強く望まれている。また、調光体は熱負荷の緩和だけでなく、透過率を任意に制御しうるプライバシー保護窓材としての利用も望まれており、そのためには大面積化しても略瞬時に透過率を制御可能なことが要請されている。 In particular, when the light control body is used as a window material for automobiles, means for suppressing re-radiation of absorbed heat into the passenger compartment and scattered transmitted light is strongly desired. In addition to reducing the thermal load, the dimmer is also required to be used as a privacy protection window material that can arbitrarily control the transmittance. For this purpose, the transmittance can be controlled almost instantaneously even if the area is increased. It is requested to be possible.
本発明は、吸収熱の再放射や散乱透過光を抑制しうるという熱負荷の緩和だけでなく、透過率を任意に制御することができ、大面積化しても略瞬時に透過率を制御可能であり、プライバシー保護窓材としても利用可能な反射型調光体を提供することを目的とする。 The present invention not only relieves the heat load of absorbing absorbed heat and can suppress scattered transmitted light, but also can arbitrarily control the transmittance, and can control the transmittance almost instantaneously even when the area is increased. It is an object of the present invention to provide a reflective dimmer that can also be used as a privacy protection window material.
上記目的を達成するための本発明に係る反射型調光体は、相対向する一対の透明電極と、これら透明電極間に挟持された光学機能層と、前記透明電極間に電場を印加する一方その電場を解除する電場制御手段と、を備え、前記光学機能層は、複数の凹部を表面に有する透明表面凹凸層と、各凹部内に充填された液晶材料と、からなることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a reflective dimmer according to the present invention includes a pair of opposing transparent electrodes, an optical functional layer sandwiched between the transparent electrodes, and an electric field applied between the transparent electrodes. Electric field control means for releasing the electric field, wherein the optical functional layer is composed of a transparent surface uneven layer having a plurality of recesses on the surface, and a liquid crystal material filled in each recess. .
以上のように構成された反射型調光体によれば、電場制御手段により電場を印加・解除して、透明電極間に挟持された光学機能層を構成する透明表面凹凸層の各凹部内に充填した液晶の配向を変化させることにより、調光体を光の反射状態と透過状態とに変化させることができる。したがって、自動車の窓材として用いた場合に、吸収熱の再放射や散乱透過光を抑制しうるという熱負荷の緩和だけでなく、透過率を任意に制御することもでき、大面積化しても略瞬時に透過率を制御可能であり、プライバシー保護窓材としても利用可能である。 According to the reflective dimmer configured as described above, the electric field is applied / released by the electric field control means, and is formed in each concave portion of the transparent surface uneven layer constituting the optical functional layer sandwiched between the transparent electrodes. By changing the orientation of the filled liquid crystal, the dimmer can be changed between a light reflection state and a light transmission state. Therefore, when used as a window material for automobiles, not only the thermal load can be suppressed, but also the transmittance can be controlled arbitrarily, and the transmittance can be arbitrarily controlled. The transmittance can be controlled almost instantaneously, and it can also be used as a privacy protection window material.
以下、本発明に係る反射型調光体の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of a reflective dimmer according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る反射型調光体を模式的に示す断面図である。図2は図1のA部を示し、電場を印加しない状態の拡大断面図であり、図3は図1のA部を示し、電場を印加した状態の拡大断面図である。図4は、液晶材料の屈折率異方性を説明する図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a reflective dimmer according to the present invention. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a portion A of FIG. 1 without applying an electric field, and FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing a portion A of FIG. 1 with an electric field applied. FIG. 4 is a diagram for explaining the refractive index anisotropy of the liquid crystal material.
図1に示すように、本発明に係る反射型調光体11は、相対向する一対の透明電極2A、2Bと、これらの透明電極2A、2B間に挟持された光学機能層3と、上記透明電極2A、2B間に電場を印加する一方その電場を解除することができる電場制御手段20と、を備えている。
As shown in FIG. 1, the
透明電極2A、2Bは、相対向する一対の透明基材1A、1Bの対向面側にそれぞれ支持されている。すなわち、透明基材1A、1Bは、光学機能層3を挟持する透明電極2A、2Bをさらにその外側から挟持しており、透明電極2A、2Bおよび光学機能層3の両端部にはシール材4を介設している。
The
電場制御手段20は、電源5、スイッチ6および可変抵抗7を備えた閉回路21によって構成されている。この電場制御手段20は、可変抵抗7の抵抗値を変化させることにより電圧を調整することができ、スイッチ6をオン/オフすることにより上記透明電極2A、2B間に電場を印加したり、その電場を解除したりすることができる。
The electric field control means 20 is constituted by a closed circuit 21 having a power source 5, a switch 6 and a variable resistor 7. The electric field control means 20 can adjust the voltage by changing the resistance value of the variable resistor 7, and can apply an electric field between the
図2および図3に示すように、光学機能層3は、複数の凹部3Cを表面に有する透明表面凹凸層3Bと、各凹部3C内に充填された液晶材料3Aと、から構成されている。この透明表面凹凸層3Bの凹部の断面形状は、開口側へ向けて(図2および図3では上方へ向けて)開口径もしくは開口幅が順次拡大している。
As shown in FIGS. 2 and 3, the optical
上記スイッチ6がオフされ、上記透明電極2A、2B間に電場が印加されていない状態では、図2のように液晶材料3Aはランダムに配向しており、液晶材料3Aを充填した凹部3Cの屈折率は、図4に示す液晶材料3Aの正常光屈折率n0と異常光屈折率neの略平均の屈折率na=(n0+2ne)/3で略均一になっているとみなすことができる。このとき、平均屈折率naを透明表面凹凸層3Bの屈折率nbと近似させれば、調光体を透明にすることができる。
When the switch 6 is turned off and no electric field is applied between the
他方、図3に示すように、上記スイッチ6がオンされ、上記透明電極2A、2B間の液晶材料3Aに十分な大きさの電場Eが印加されると、液晶材料3Aは誘電異方性に応じて配向する。すなわち、誘電異方性が負の場合には電場Eに垂直方向に配向し、誘電異方性が正の場合には図3のように電場Eに沿って配向する。
On the other hand, as shown in FIG. 3, when the switch 6 is turned on and a sufficiently large electric field E is applied to the
この配向した状態では、透明表面凹凸層3Bの凹部3Cの屈折率は一様となるが、凹部3Cの断面形状が開口側へ向けて順次拡大しているため、透明表面凹凸層3Bとその凹部3C内の液晶材料3Aとからなる光学機能層3の全体の屈折率は、凹部3Cの底から開口側へ向けて徐々に屈折率が変化することになる。液晶材料3Aの正常光屈折率n0と異常屈折率neの関係がn0<neで誘電異方性が正の場合、もしくはn0>neで誘電異方性が負の場合には、光学機能層3は開口側へ近づくほど屈折率が大きくなる。逆に、n0<neで誘電異方性が負の場合、もしくはn0>neで誘電異方性が正の場合には、光学機能層3は開口側へ近づくほど屈折率が小さくなる。すなわち、電場Eを印加したときに高反射状態とするためには、光学機能層3の開口側へ近づくほど屈折率が大きくなるように考慮して、液晶材料を選択することが必要である。
In this oriented state, the refractive index of the recess 3C of the transparent surface
透明表面凹凸層3Bの凹部3Cの断面形状は、開口側へ向けて順次開口径もしくは開口幅が拡大している形状であればよく、特定の形状に限定されるものではない。使用する液晶材料の屈折率n0、neの値にもよるが、光学機能層3の厚さ方向の屈折率変化を極力大きくすることが好ましく、凹部3Cの断面形状が円錐状の場合には凹部斜面の厚さ方向に対する傾斜角を45°以下に設定することが好ましい。また、該凹部3C内の液晶材料3Aのマクロ屈折率が透明表面凹凸層3Bの屈折率と差が生じる場合、すなわち、反射状態で可視光の散乱によって不透明とならないようにするためには、凹部3Cの開口部の大きさは、800nm以下に設定することが必要である。
The cross-sectional shape of the concave portion 3C of the transparent
透明表面凹凸層3Bは、たとえば、透明樹脂や無機ゾル−ゲル膜の表面にナノオーダーの加工がなされた金型で転写するナノインプリント技術などを用いて作製することができる。このような金型は、フォトリソグラフィ技術やアルミニウムの陽極酸化膜などで作製することができる。
The transparent
液晶材料3Aとしては、スメクチック液晶やコレステリック液晶などの各種の液晶材料を用いることができるが、特にネマチック液晶は分子間の引力が小さく、液晶に電場を印加した際に分子の配向を容易に変えることができるので、本発明に係る反射型調光体に特に好適である。
As the
また、液晶の配向制御は電圧駆動方式であり、極めて短時間で制御可能であるため、プライバシー保護窓材としても利用可能である。さらに、上述したように、可変抵抗7を閉回路21中に介設し、液晶材料3Aに印加される電圧を調整すれば、液晶材料3Aの配向状態を制御することができ、上記光学機能層3の厚さ方向における屈折率変化を制御することができるため、調光体の透過率を最大値と最低値との間で任意に設定することができる。
In addition, the liquid crystal alignment control is a voltage drive method and can be controlled in an extremely short time, and therefore can be used as a privacy protection window material. Furthermore, as described above, if the variable resistor 7 is interposed in the closed circuit 21 and the voltage applied to the
透明電極2A、2Bとしては、バンドギャップが紫外域にある透明半導体膜を利用することができ、酸化スズをドープした酸化インジウム(ITO)、酸化アルミニウムや酸化ガリウムを添加した酸化亜鉛(ZnO)、酸化アンチモンやフッ素をドープした酸化スズ(SnO)などが最も好適に用いられる。ITOを用いる場合には、抵抗を比較的小さくでき、かつ可視光域での光吸収が殆ど問題にならないレベルの膜厚に設定すればよく、100〜150nm程度の膜厚で用いることが最も好ましい。
As the
本発明に係る反射型調光体10の自動車への適用例としては、ウィンドシールド、サイドウィンドウ、バックウィンドウ、およびサンルーフなどの窓材や、前照灯の配向制御を目的としてヘッドランプレンズなどに応用することが考えられるが、これらに用途が限定されるものではない。
Examples of the application of the
厚さ方向に屈折率が連続的に変化する不均質膜の光学特性の計算手法は種々提案されているが、代表的な手法の一つに多層膜近似によるものがある。これは、不均質膜の厚さ方向に細分して、各細分化された各部分を屈折率が均質な一つの薄膜とみなし、それらが多層膜として堆積されたものと仮定して反射率や透過率などの光学特性を計算する手法である(参考文献:薄膜ハンドブック、日本学術振興会薄膜131委員会、オーム社、p.798、1983)。 Various methods for calculating the optical characteristics of inhomogeneous films whose refractive index continuously changes in the thickness direction have been proposed. One of the representative techniques is based on multilayer film approximation. This is done by subdividing the inhomogeneous film in the thickness direction and regarding each subdivided portion as a single thin film having a uniform refractive index, assuming that they are deposited as a multilayer film, This is a method for calculating optical characteristics such as transmittance (reference: thin film handbook, Japan Society for the Promotion of Science, Thin Film 131 Committee, Ohmsha, p. 798, 1983).
この計算手法を本発明に係る反射型調光体に適用すると、図5に示すような計算モデルとなる。すなわち、透明基材1Aを通過してきた入射光8は透明電極2A、屈折率の異なる薄膜群3’、透明電極2Bのそれぞれで干渉して反射光9を生じる。残りは透過光10となって透明基材1Bの中を進行していく。このとき、反射光9の入射光8に対する強度比を反射率Rと定義すると、Rは下記式(1)〜式(8)によって表される。
When this calculation method is applied to the reflective dimmer according to the present invention, a calculation model as shown in FIG. 5 is obtained. That is, the
式(1)〜式(8)において、各記号の意味は以下の通りである。
r:振幅反射率
Y:透明基材1A、1B、透明電極2A、2B、薄膜群3’からなる全体の光学アドミッタンス
ns、ns’、ne:透明基材1A、透明基材1B、透明電極2Aおよび透明電極2Bの屈折率
hc:透明電極2Aおよび透明電極2Bの膜厚
nj:薄膜群3’の上からj番目の薄膜の屈折率
hj:薄膜群3’の上からj番目の薄膜の膜厚
Mc、Mc’、Mf、Ms’:透明基材1A、透明基材1B、薄膜群3’、透明基材1Bの特性マトリックス
δc:透明電極2Aおよび透明電極2Bの位相膜厚
δj:薄膜群3’の上からj番目の薄膜の位相膜厚
λ:入射光8の真空中での波長
なお、式を簡単にするため、光が透明基材1Aから透明電極2Aへ垂直に入射する場合を仮定し、各構成部材として光吸収のない材料を用いた場合において定式化している。また、透明電極2A、2Bは同一部材で、膜厚も同一と仮定している。ただし、これらの制限は限定的なものではなく、斜め入射、吸収性部材および両透明電極の膜厚の相異などがあっても基本的に成立するものである。
In the formulas (1) to (8), the meaning of each symbol is as follows.
r: Amplitude reflectance Y:
このように本実施形態の反射型調光体11によれば、相対向する一対の透明電極間2A、2Bに、複数の凹部3Cを表面に有する透明表面凹凸層3Bと、各凹部3C内に充填された液晶材料と、からなる光学機能層3を挟持しおり、上記凹部3Cの断面形状は開口側へ向けて順次拡大している。そして、液晶材料3Aの2軸における屈折率の平均と透明表面凹凸層3Bの屈折率を近似させ、電場制御手段20によって透明電極2A、2B間に電場を印加・解除して、透明表面凹凸層3Bの各凹部3C内に充填した液晶の配向を変化させることにより、調光体11を光の透過状態(透明状態)と反射状態(反射鏡状態)とに切り替えることができる。したがって、自動車の窓材として用いた場合に、吸収熱の再放射や散乱透過光を抑制しうるという熱負荷の緩和だけでなく、透過率を任意に制御することができ、大面積化しても略瞬時に透過率を制御可能であり、プライバシー保護窓材としても利用可能である。
Thus, according to the
以下に、本発明に係る反射型調光体の実施例を説明するが、本発明はこれらの実施例に限るものではない。 Examples of the reflective dimmer according to the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.
図6は、本実施例に適用する透明表面凹凸層の構造を示す平面図である。図7は、図6のB−B線断面図である。 FIG. 6 is a plan view showing the structure of the transparent surface uneven layer applied to this embodiment. 7 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
調光体の全体構成は、図1に示したような構造を採用している。透明表面凹凸層3Bの表面凹凸構造は、図6および図7に示すように、透明樹脂平板に円錐状の凹部3Cを縦横に整列させて配置したものを想定し、円錐状凹部3Cの上面開口部の大きさをd、深さをhとした。本実施例では、d=100nmの一定とし、深さhをパラメータとして、分光反射スペクトルを上記式(1)〜式(8)および下記式(9)〜式(11)により計算し、評価した。
The whole structure of the light control body employs a structure as shown in FIG. As shown in FIGS. 6 and 7, the surface uneven structure of the transparent surface
透明基材1A、1Bには、透明なソーダライムガラス(屈折率ns=1.52)を用いた。また、透明電極2A、2Bには、錫をドープした酸化インジウム(ITO、屈折率nc=2.10)を用い、膜厚を100nmとした。透明表面凹凸層3Bの凹部3Cに充填される液晶材料3Aには、電場を印加すると長軸方向が電場方向を向くポジ型の4−シアノ−4’−ペンチルビフェニルを用いた。この液晶材料3Aの屈折率(20℃、D光)は、短軸方向でn0=1.54、長軸方向でne=1.72であり、ランダムに分散したときの平均屈折率na=1.66である。
Transparent soda lime glass (refractive index n s = 1.52) was used for the
透明表面凹凸層3Bの素材は、Essilor Stylis 1.67(商品名、Essilor社製、屈折率nb=1.67)とした。
Transparent surface
なお、本計算においては、図5の薄膜群3’の分割数m=10とし、当分割するものとした。したがって、hj=h/m(1≦j≦m)となり、第j番目の薄膜の平均屈折率njは液晶材料3Aと表面凹凸層3Bとの体積分率による屈折率平均から下式で表される。
In this calculation, the division number m = 10 of the
図8は、実施例1〜4の反射スペクトルの計算結果を示す図である。 FIG. 8 is a diagram illustrating calculation results of reflection spectra of Examples 1 to 4.
〔実施例1〕
実施例1では、h=300nmとした。図8に示すように、可視光全域において、11%〜37%の反射率を示した。
[Example 1]
In Example 1, h = 300 nm. As shown in FIG. 8, the reflectivity was 11% to 37% in the entire visible light range.
〔実施例2〕
実施例2では、h=400nmとした。図8に示すように、可視光全域において14%以上の反射率を示し、特に500nm以下の領域では68%以上の高反射率を示した。
[Example 2]
In Example 2, h = 400 nm. As shown in FIG. 8, the reflectance was 14% or more in the entire visible light region, and particularly the high reflectance of 68% or more was shown in the region of 500 nm or less.
〔実施例3〕
実施例3では、h=500nmとした。図8に示すように、可視光全域において18%以上の反射率を示し、特に600nm以下の領域では56%以上の高反射率を示した。
Example 3
In Example 3, h = 500 nm. As shown in FIG. 8, the reflectance was 18% or more in the entire visible light region, and particularly high in the region of 600 nm or less was 56% or more.
〔実施例4〕
実施例4では、h=600nmとした。図8に示すように、可視光全域において18%以上の反射率を示し、特に700nm以下の領域では58%以上の高反射率を示した。
Example 4
In Example 4, h = 600 nm. As shown in FIG. 8, the reflectance was 18% or more in the entire visible light region, and in particular, the high reflectance of 58% or more was shown in the region of 700 nm or less.
〔実施例5〕
実施例5では、h=700nmとした。図8に示すように、可視光全域において69%以上の高反射率を示した。
Example 5
In Example 5, h = 700 nm. As shown in FIG. 8, the high reflectance of 69% or more was shown in the entire visible light region.
本発明に係る反射型調光体は、自動車の窓材や自動車のヘッドランプレンズ、建築物の窓材などに適用可能であり、プライバシー保護窓材としても利用可能である。 The reflective dimmer according to the present invention can be applied to window materials for automobiles, headlamp lenses for automobiles, window materials for buildings, and the like, and can also be used as privacy protection window materials.
1A、1B 透明基材、
2A、2B 透明電極、
3 光学機能層、
3A 液晶材料、
3B 透明表面凹凸層、
3C 凹部、
3’ 薄膜群、
4 シール材、
5 電源、
6 スイッチ、
7 可変抵抗、
8 入射光、
9 反射光、
10 透過光、
11 反射型調光体、
20 電場制御手段、
21 閉回路。
1A, 1B transparent substrate,
2A, 2B transparent electrode,
3 optical functional layers,
3A liquid crystal material,
3B transparent surface uneven layer,
3C recess,
3 'thin film group,
4 Sealing material,
5 Power supply,
6 switches,
7 Variable resistance,
8 Incident light,
9 Reflected light,
10 Transmitted light,
11 reflective dimmer,
20 Electric field control means,
21 Closed circuit.
Claims (4)
前記光学機能層は、複数の凹部を表面に有する透明表面凹凸層と、各凹部内に充填された液晶材料と、からなることを特徴とする反射型調光体。 A pair of transparent electrodes facing each other, an optical functional layer sandwiched between these transparent electrodes, and an electric field control means for releasing the electric field while applying an electric field between the transparent electrodes,
The optical functional layer is composed of a transparent surface uneven layer having a plurality of recesses on the surface, and a liquid crystal material filled in each recess.
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