JP2016127286A - 多層可変素子及び表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低い駆動電圧及び向上した曲げ性能を有する可変素子及びこれを含む表示装置を提供する。
【解決手段】本発明の多層可変素子は、電気活性ポリマーを含む可変層と、下部電極及び上部電極を含む複数の単位可変素子と、複数の単位可変素子間に配置される補助可変層とを備え、補助可変層は、可変層に含まれる電気活性ポリマーと相違した補助活性ポリマーを含む。補助可変層が複数の単位可変素子間に配置されることにより、可変素子の駆動変位が向上し、駆動電圧が減少される。
【選択図】図１

Description

本発明は、多層可変素子及びこれを含む表示装置に関し、より詳細には、曲げ性能が向上した多層可変素子及びこれを含む表示装置に関する。

近年、液晶表示装置及び有機発光表示装置をはじめとする様々なディスプレイ装置を簡便に使用しようとするユーザ達の要求にしたがい、ディスプレイ装置をタッチして入力するタッチ方式の表示装置の使用が一般化されている。これにより、ユーザに直接的かつ様々なタッチフィードバック（ｆｅｅｄｂａｃｋ）を提供するために、可変素子（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｂｌｅ ｄｅｖｉｃｅ）を活用する研究が続いている。また、近来に活発に開発されているフレキシブル（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）表示装置とともに、可変素子を用いて直接的かつ様々な表示装置の動きのための研究も共に進められている。

一般に、従来の表示装置は、可変素子として、偏心モータ（Ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ Ｒｏｔａｔｉｎｇ Ｍａｓｓ；ＥＲＭ）、線形共振モータ（ＬＲＡ）のような振動モータを使用した。前記振動モータは、表示装置の全体を鳴らすように考案されており、振動力を増加させるためには、質量体の大きさを増加させなければならないという問題があり、振動の程度を調節するための周波数変調が難しく、応答速度が非常に遅く、フレキシブル表示装置に使用するのに適切でないという短所があった。

このような問題を改善するために、可変素子材料として、形状記憶合金（Ｓｈａｐｅ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｌｌｏｙ；ＳＭＡ）及び圧電性セラミックス（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ａｃｔｉｖｅ Ｃｅｒａｍｉｃｓ；ＥＡＣ）が開発されてきたが、形状記憶合金（ＳＭＡ）は、反応速度が遅く、寿命が短く、不透明であり、圧電性セラミックスは、割れやすいため、表示装置、特に、フレキシブル表示装置に適用するのに困難があった。

これにより、最近、電気活性ポリマー（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｌｙｍｅｒ；ＥＡＰ）を用いた可変素子の技術が多くの人々の関心を引いている。電気活性ポリマー（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｌｙｍｅｒ；ＥＡＰ）とは、電気的刺激によって変形され得るポリマーであって、電気的刺激によって繰り返し膨脹、収縮、及び曲げ（ｂｅｎｄｉｎｇ）ることができるポリマーを意味する。様々な種類の電気活性ポリマーのうち、強誘電性ポリマー（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｌｙｍｅｒ）と誘電性エラストマー（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ）とが主に使用されている。例えば、強誘電性ポリマーには、ＰＶＤＦ（Ｐｏｌｙ ＶｉｎｙｌｉＤｅｎｅ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）またはＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）（Ｐｏｌｙ（ＶｉｎｙｌｉＤｅｎｅ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）−ＴｒｉＦｌｕｒｏｒＥｔｙｌｅｎｅ）が挙げられ、誘電性エラストマーには、シリコン系重合体、ウレタン系重合体、またはアクリル系重合体などが挙げられる。このような電気活性ポリマーを可変層として含む可変素子を製造し、可変素子をフレキシブル表示パネルに付着して、ディスプレイの曲げを多彩に実現しようとする研究がなされている。

しかし、前述した電気活性ポリマーを含む可変層を１つのみ使用する可変素子は、十分な駆動変位を実現し難いという短所がある。また、駆動変位を向上させるために、可変層の厚さを増加させる場合、その厚さのため、曲げ性能に限界があり、駆動電圧が高くてモバイルディスプレイなどのように電圧が相対的に低い表示装置にそのまま使用され難いという問題がある。

本発明の目的は、低い駆動電圧及び向上した曲げ性能を有する可変素子及びこれを含む表示装置を提供することである。本発明の他の目的は、駆動変位が大きく向上し得る可変素子を提供することである。

本発明の発明者らは、可変素子の曲げ性能を向上させつつ駆動電圧を低めるために、可変素子を多層に積層する技術を研究した。複数の可変層を含む多層可変素子は、１つの可変層のみを含む可変素子に比べて、同じ厚さでさらに大きい駆動変位を実現できるという長所がある。

特に、多層可変素子を製造するために、誘電性エラストマーを使用する場合、キャスティングソリューション方法を利用して電極と可変層を容易に交互に積層することができる。しかし、誘電性エラストマーのみを用いた多層可変素子は、誘電率において限界が存在し、十分な駆動変位を実現し難いという問題があった。

これにより、本発明の発明者らは、多層可変素子の曲げ性能を向上させつつ駆動電圧を低めるために、互いに相違した種類の電気活性ポリマーが交互に積層されて可変層として使用される新しい構造の多層可変素子を発明した。

これにより、本発明が解決しようとする課題は、特定電気活性ポリマーを含む複数の単位可変素子間に、単位可変素子で使用した電気活性ポリマーと異なる種類の電気活性ポリマーを含む補助可変層を配置することにより、駆動変位が大きく向上し得る多層可変素子及びこれを含む表示装置を提供することにある。

また、本発明が解決しようとする他の課題は、高い誘電率を有する可変層と補助可変層とを組み合わせることにより、低い駆動電圧を有する多層可変素子及びこれを含む表示装置を提供することにある。

また、本発明が解決しようとする他の課題は、単位可変素子間に配置されて、接着層の役割を果たすとともに、高い誘電率を有する補助可変層を用いる多層可変素子及びこれを含む表示装置を提供することにある。

本発明の課題は、以上で言及した課題に制限されず、言及されていないさらに他の課題は、下記の記載から当業者に明確に理解され得るであろう。

前述したような課題を達成するために、本発明に係る多層可変素子が提供される。多層可変素子は、電気活性ポリマーを含む可変層、第１の電極または第１の下部電極及び第２の電極または第１の上部電極を各々含む複数の単位可変素子を備える。複数の単位可変素子間に補助可変層が配置され、補助可変層は、電気活性ポリマーと相違した補助電気活性ポリマーを含む。補助可変層が複数の単位可変素子間に配置されることにより、多層可変素子の駆動変位が向上し、駆動電圧が減少される。本発明によれば、単位可変素子の可変層のうちのいくつかは、互いに異なる電気活性ポリマーを含むことができる。ここで、補助可変層の電気活性ポリマーは、隣り合う単位可変素子の電気活性ポリマーと相違することができる。また、全ての単位可変素子の電気活性ポリマーは同一であり得る。

電気活性ポリマーは、ポリフッ化ビニリデン（ｐｏｌｙ ｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅｆｌｕｏｒｉｄｅ、ＰＶＤＦ）系ポリマーであり、補助電気活性ポリマーは、誘電性エラストマーであり得る

ポリフッ化ビニリデン系ポリマーは、ポリフッ化ビニリデンホモポリマーまたはポリフッ化ビニリデンコポリマーであり得る。

可変層は、延伸されるか、ポーリング（ｐｏｌｌｉｎｇ）されたものであり得る。

誘電性エラストマーは、ポリジメチルシロキサン（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌ ｓｉｌｏｘａｎｅ；ＰＤＭＳ）であり得る。

補助可変層は、高誘電性フィラーをさらに含むことができる。

高誘電性フィラーは、圧電性セラミックス、炭素ナノ粒子、金属ナノ粒子、及び導電性ポリマーからなる群より選ばれる１種以上であり得る。

圧電性セラミックスは、チタン酸バリウム（ｂａｒｉｕｍ ｔｉｔａｎａｔｅ、ＢａＴｉＯ_３）及びチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる群より選ばれる１種以上であり得る。

誘電性エラストマーに対する高誘電性フィラーの重量比は、９９：１〜５０：５０であり得る。

補助可変層は、１ｋＨｚで測定した比誘電率が５以上であり得る。

補助可変層は、接着力が１５００ｇｆ／ｉｎｃｈ以上であり得る。

補助可変層は、厚さが１〜３００μｍであり得る。

補助可変層は、可変層と同一の方向に収縮または膨脹することができる。

本発明によれば、表示装置は、表示パネル、タッチパネル及び多層可変素子を有する。多層可変素子は、第１の電極または第１の下部電極、第２の電極または第２の上部電極及び電気活性ポリマーを備え、第１の電極及び第２の電極間に配置された可変層を各々含む複数の単位可変素子を備えることができる。さらに、補助可変層が複数の単位可変素子間に配置されることができる。補助可変層は、可変層に含まれる電気活性ポリマーと相違した補助電気活性ポリマーを含むことができる。可変素子が変形されることにより、表示装置も様々な形態に変形されて、表示装置は、様々な形状に変形された出力を提供することができる。

表示パネルまたはタッチパネルは、フレキシブル基板を含むことができる。多層可変素子は、表示パネルの下に、例えば、表示パネル及び下部カバー間に提供されることができる。すなわち、表示装置が発光するとき、言い替えれば、表示装置が前面に発光する場合、多層可変素子は、表示パネルの後に提供されることができる。

その他の実施形態の具体的な事項は、詳細な説明及び図面に含まれている。

本発明は、互いに相違した種類の電気活性ポリマーを交互に配置させることにより、多層可変素子の曲げ性能を顕著に向上させることができる。

また、本発明は、従来の誘電性エラストマーのみを積層させた多層可変素子に比べて高い誘電率を有する可変層と補助可変層とを配置させることにより、多層可変素子の駆動電圧を低めることができる。

また、本発明は、単位可変素子間に配置されて接着層の役割を果たし、従来の接着層より誘電率が顕著に高い補助可変層を含む多層可変素子を提供することができる。

本発明による効果は、以上で例示した内容により制限されず、さらに様々な効果が本明細書内に含まれている。

本発明の一実施形態に係る多層可変素子の構造を説明するための概略的な断面図である。 本発明の他の実施形態に係る多層可変素子の構造を説明するための概略的な断面図である。 本発明の一実施形態に係る多層可変素子を含む表示装置の構造を説明するための概略的な分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係る多層可変素子を含む表示装置の変形形態を説明するための例示的な状態図である。 本発明の種々の実施形態に係る表示装置が有利に活用され得る実例を示す図である。

本発明の利点及び特徴、そして、それらを達成する方法は、添付される図面とともに詳細に後述されている実施形態を参照すれば、明らかになるであろう。しかし、本発明は、以下において開示される実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる様々な形で実現されるはずであり、単に、本実施形態は、本発明の開示が完全なようにし、本発明の属する技術分野における通常の知識を有した者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、請求項の範疇により定義されるだけである。

本発明の実施形態を説明するための図面に開示された形状、大きさ、比率、角度、個数などは、例示的なものであるから、本発明が図示された事項に限定されるものではない。明細書全体にわたって同一参照符号は、同一構成要素を表す。また、本発明を説明するにおいて、関連した公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を不要に濁す恐れがあると判断される場合、その詳細な説明を省略する。本明細書上で言及された「含む」、「有する」、「なされる」などが使用される場合、「〜のみ」が使用されない限り、他の部分が追加され得る。構成要素を単数で表現した場合に、特に明示的な記載事項がない限り、複数を含む場合を含む。

構成要素を解析するにおいて、別の明示的な記載がなくても、誤差範囲を含むものと解析する。

位置関係に対する説明の場合、例えば、「〜上に」、「〜上部に」、「〜下部に」、「〜側に」などで２つの部分の位置関係が説明される場合、「すぐ」または「直接」が使用されない限り、２つの部分間に１つ以上の他の部分が位置することもできる。

素子または層が他の素子または層「上（ｏｎ）」として表されるものは、他の素子のすぐ上にまたは中間に他の層または他の素子を介在した場合を全て含む。

例え、第１、第２などが様々な構成要素を述べるために使用されるが、これらの構成要素は、これらの用語により制限されない。これらの用語は、単に１つの構成要素を他の構成要素と区別するために使用するものである。したがって、以下において言及される第１の構成要素は、本発明の技術的思想内で第２の構成要素であり得る。

明細書全体にわたって同一参照符号は、同一構成要素を表す。

図面に示された各構成の大きさ及び厚さは、説明の便宜のために図示されたものであり、本発明が、図示された構成の大きさ及び厚さに必ず限定されるものではない。

本発明の種々の実施形態の各々の特徴が部分的にまたは全体的に互いに結合または組み合わせ可能であり、技術的に様々な連動及び駆動が可能であり、各実施形態が互いに対して独立的に実施可能であり得るし、相関関係により、共に実施可能であり得る。

本明細書において可変層は、電圧が印加されることにより収縮、膨脹、または曲げを実現して形状が変形され得る層を意味する。

以下、添付された図面を参照して本発明の種々の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る多層可変素子の構造を説明するための概略的な断面図である。図１に示すように、本発明の一実施形態に係る多層可変素子１００は、第１の可変層１１２、第１の電極１１１、すなわち第１の下部電極１１１及び第２の電極１１３、すなわち第１の上部電極１１３を含む第１の可変素子１１０、第１の可変素子１１０の上に配置される補助可変層１２０、及び補助可変層１２０上に配置され、第２の可変層１３２、第１の電極１３１、すなわち第２の下部電極１３１及び第２の電極１３３、すなわち第２の上部電極１３３を含む第２の可変素子１３０を備える。ここで、「上部」及び「下部」という用語は、重力方向によって第２の可変素子１３０下に配置された第１の可変素子１１０を有する多層可変素子１００の方向を表す。

第１の可変素子１１０は、多層可変素子１００を構成する単位可変素子であって、第１の下部電極１１１及び第１の上部電極１１３に加えられる電圧により、変形されて振動または曲げを実現する。図１に示されたように、第１の可変素子１１０は、電気活性ポリマーを含む第１の可変層１１２、第１の下部電極１１１、及び第１の上部電極１１３を備える。

第１の可変層１１２は、第１の下部電極１１１及び第１の上部電極１１３間に配置され、電気的な刺激によって変形される電気活性層の役割を果たす。第１の可変層１１２は、電気的な刺激によって変形されるポリマー材料である電気活性ポリマーを含む。例えば、第１の可変層１１２は、シリコン系、ウレタン系、アクリル系などの誘電性エラストマー（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｌａｓｔｏｍｅｒ）またはポリフッ化ビニリデン系ポリマーなどの強誘電性ポリマー（ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｌｙｍｅｒ）からなることができる。第１の可変層１１２が誘電性エラストマーからなる場合、第１の可変層１１２に電圧が印加されることによって発生する静電気的引力（Ｃｏｕｌｏｍｂｉｃ Ｆｏｒｃｅ）により誘電性エラストマーが収縮及び膨脹されて可変素子１００が変形され得る。また、第１の可変層１１２が強誘電性ポリマーからなる場合、第１の可変層１１２に電圧を印加することにより第１の可変層１１２の内部の双極子（ｄｉｐｏｌｅ）の整列方向が変更されて可変素子１００が変形され得る。

本発明において第１の可変層１１２を構成する電気活性ポリマーは、自然状態で分極状態を維持している強誘電性ポリマーであるポリフッ化ビニリデン系ポリマーであり得る。ポリフッ化ビニリデン系ポリマーは、一般的に誘電性エラストマーに比べて誘電率及び駆動変位が大きく、ポリフッ化ビニリデン系ポリマーの分極方向を用いて多層可変素子の変形を容易に制御できるという長所がある。以下では、第１の可変層１１２がポリフッ化ビニリデン系ポリマーを含むことと想定して説明する。

ポリフッ化ビニリデン系ポリマーは、ポリマーの主鎖にポリフッ化ビニリデン繰り返し単位を含むポリマーを意味し、例えば、ポリフッ化ビニリデンホモポリマー（ｈｏｍｏ−ｐｏｌｙｍｅｒ）またはポリフッ化ビニリデンコポリマー（ｃｏ−ｐｏｌｙｍｅｒ）であり得る。例えば、第１の可変層１１２は、フィルム形に製造されたものであり得る。

ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のような誘電性エラストマーを可変層として使用する場合、可変層は、溶液を基材上に塗布して乾燥させるソリューションキャスティング方式で形成されることができる。誘電性エラストマーを用いて多層可変素子を製造しなければならない場合、電極と可変層とを交互に積層させることにより多層可変素子を製造することができる。誘電性エラストマーの場合、フィルム形に製造する必要無しで簡単なソリューションキャスティング方式でも誘電率を有することができるためである。

しかし、ソリューションキャスティング方式を使用する場合、ポリフッ化ビニリデン系ポリマーは、高い誘電率を有することができない。しかし、ＰＶＤＦ系ポリマーを使用した可変層の誘電率は、延伸工程またはポーリング工程により確保されることができる。このような延伸工程またはポーリング工程のために、ポリフッ化ビニリデン系ポリマーは、共押出法などを利用して別のフィルム形に製造されなければならない。具体的に、フィルム形のポリフッ化ビニリデン系ポリマーは、延伸工程またはポーリング（ｐｏｌｌｉｎｇ）を介して分極方向が一定に形成されることによって誘電率を有するようになる。すなわち、第１の可変層１１２に使用されるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）系ポリマーは、フィルム形に製造されて延伸工程またはポーリング（ｐｏｌｌｉｎｇ）工程が加えられたフィルムであり得る。このとき、延伸工程は、加熱状態で重合体の鎖を引っ張って配向させる工程を表し、ポーリング工程は、ポリマーに高い直流電圧を印加して特定の電荷を有する原子を一方向に配列させる工程を表す。例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）系ポリマーに延伸工程またはポーリング工程が加えられる場合、フルオロ（Ｆ）原子が所望の位置に配列され得るようになる。延伸工程またはポーリング工程によって、第１の可変層１１２は、強い分極効果を取得できるようになる。より具体的に、ポリフッ化ビニリデンホモポリマーであるＰＶＤＦ（Ｐｏｌｙ ＶｉｎｙｌｉＤｅｎｅ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）は、延伸及びポーリングされて可変層として使用され、ポリフッ化ビニリデンコポリマーであるＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）（Ｐｏｌｙ（ＶｉｎｙｌｉＤｅｎｅ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）−ＴｒｉＦｌｕｒｏｒＥｔｙｌｅｎｅは、ポーリングされて可変層として使用されることができる。このように、高い誘電率を取得するために、ポリフッ化ビニリデン系ポリマーを含む可変層は、フィルム形に製造されることが好ましい。

第１の可変層１１２の厚さは、第１の可変素子１１０として動作するのに必要な消費電力及び駆動電圧と、第１の可変素子１１０として正常な動作ができるか否かを考慮して当業者により自由に選択されることができる。好ましくは、第１の可変層１１２の厚さは、１０μｍ〜３００μｍであり得るし、より好ましくは、第１の可変層１１２の厚さは、５０μｍ〜１５０μｍであり得る。ここで、第１の可変層１１２の厚さが１０μｍより小さい場合、第１の可変素子１１０が正常に動作できるのに必要な十分な電圧が印加され得ない。これにより、第１の可変素子１１０が正常に動作できない。また、第１の可変層１１２の厚さが３００μｍより大きい場合、第１の可変素子１１０の駆動のために過度な駆動電圧が要求され、これにより、消費電力が過度に増加され得る。

第１の可変層１１２は、第１の下部電極１１１及び第１の上部電極１１３により印加された電場により膨脹または収縮することができる。このとき、第１の可変層１１２の膨脹または収縮可否は、第１の可変層１１２の分極方向及び第１の可変層１１２に印加される電場の方向によって決定されることができる。

第１の可変層１１２の分極方向について説明すれば、第１の可変層１１２に使用されるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）系ポリマーは、原子等の配列状態によって分極方向が決定され得る。すなわち、電気陰性度が大きいフルオロ（Ｆ）原子等の配列状態によって分極方向が決定される。例えば、フルオロ（Ｆ）原子が下部に配置され、電子を少なく保有している水素（Ｈ）原子が上部に配置されるように第１の可変層１１２を配置させると、第１の可変層１１２の分極方向は上部方向、すなわち、第２の可変素子１３０方向になることができる。

第１の可変層１１２は、第１の可変層１１２の分極方向及び第１の可変層１１２に印加される電場の方向によって収縮または膨脹することができる。例えば、第１の可変層１１２の分極方向と第１の可変層１１２に印加される電場の方向とが相違すれば、第１の可変層１１２が膨脹し、第１の可変層１１２の分極方向と第１の可変層１１２に印加される電場の方向とが同一であれば、第１の可変層１１２が収縮される。このような第１の可変層１１２の収縮または膨脹は、可変素子が表示パネルまたはその他の基板等と接触することによりデバイスの曲げ効果をもたらす。

第１の下部電極１１１及び第１の上部電極１１３は、第１の可変層１１２の変形を導くように電場を印加する役割をする。第１の下部電極１１１は、第１の可変層１１２の下面に配置され、第１の上部電極１１３は、第１の可変層１１２の上面に配置される。

第１の下部電極１１１及び第１の上部電極１１３は、導電性物質で形成されることができ、これに制限されるものではないが、例えば、第１の下部電極１１１及び第１の上部電極１１３は、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、チタニウム（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム−銅合金（Ａｌ−Ｃｕ ａｌｌｏｙ）などのような金属物質で形成されるか、またはＰＥＤＯＴ［Ｐｏｌｙ（３，４−ＥｔｈｙｌｅｎｅＤｉＯｘｙＴｈｉｏｐｈｅｎｅ）］：ＰＳＳ［Ｐｏｌｙ（４−ＳｔｙｒｅｎｅＳｕｌｆｏｎｉｃ ａｃｉｄ）］、ポリピロール（ｐｏｌｙｐｙｒｒｏｌｅ）、ポリアニリン（ｐｏｌｙａｎｉｌｉｎｅ）などのような導電性ポリマーで形成されることができる。第１の下部電極１１１及び第１の上部電極１１３は、互いに同じ物質からなることができ、互いに異なる物質からなることもできる。

また、第１の下部電極１１１及び第１の上部電極１１３は、可変層１１２を含む多層可変素子１００の円滑な繰り返し的な駆動及び変形に適した軟質（ｓｏｆｔ）電極からなることができる。このような軟質電極としては、炭素導電性グリース（ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｇｒｅａｓｅ）、カーボンブラック（Ｃａｒｂｏｎ Ｂｌａｃｋ）、または炭素ナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏ Ｔｕｂｅ；ＣＮＴ）に弾性体を混合して製造された電極が使用され得る。

第１の下部電極１１１及び第１の上部電極１１３の厚さが増加するほど、一定の厚さを有する多層可変素子１００に含まれる可変層の個数は減るようになる。可変層の個数が増加するほど、多層可変素子１００の駆動変位も増加するという点を考慮するとき、より多い数の可変層を一定の厚さの多層可変素子に配置するために、第１の下部電極１１１及び第１の上部電極１１３は、なるべく薄い厚さで形成されることが好ましい。これに制限されるものではないが、例えば、第１の下部電極１１１及び第１の上部電極１１３は、厚さが２００ｎｍ以下であることが好ましく、１００ｎｍ以下であることがさらに好ましい。

第１の下部電極１１１及び第１の上部電極１１３は、様々な方式で第１の可変層１１２の一面に配置されることができる。例えば、第１の下部電極１１１及び第１の上部電極１１３は、スパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、プリンティング（ｐｒｉｎｔｉｎｇ）、スリットコーティング（ｓｌｉｔ ｃｏａｔｉｎｇ）などのような方式で第１の可変層１１２の両面に配置されることができる。特に、第１の下部電極１１１及び第１の上部電極１１３が同じ物質で配置される場合、第１の下部電極１１１及び第１の上部電極１１３は、同じ工程で同時に配置されることができる。

第１の下部電極１１１及び第１の上部電極１１３は、外部から電圧が印加されて電場を形成する。ここで、第１の可変層１１２に電場を形成するために、第１の下部電極１１１と第１の上部電極１１３には互いに相違した大きさの電圧が印加されるか、互いに反対の電気的性質を有する電圧が印加され得る。例えば、第１の下部電極１１１に正（＋）の電圧が印加される場合、第１の上部電極１１３には負（−）の電圧または接地電圧が印加され、第１の下部電極１１１に負（−）の電圧が印加される場合、第１の上部電極１１３には正（＋）の電圧または接地電圧が印加され得る。ここで、第１の下部電極１１１に印加される電圧の電気的性質と第１の上部電極１１３に印加される電圧の電気的性質とが互いに反対に変更されることにより、電場の方向も共に変更される。

第１の下部電極１１１及び第１の上部電極１１３には交流電圧ＡＣが印加され得るし、直流電圧ＤＣが印加され得る。第１の上部電極１１１及び第１の下部電極１１３に交流電圧ＡＣを印加する場合、第１の可変素子１１０は周期的に変位されることができ、振動する効果を出すことができ、第１の上部電極１１１及び第１の下部電極１１３に直流電圧ＤＣを印加する場合、第１の可変素子１１０は、曲げられた状態を維持することができる。
補助可変層１２０は、第１の可変素子１１０及び第２の可変素子１３０間に配置されて、第１の可変層１１２及び第２の可変層１３２とともに、電気的な刺激によって変形される補助的な電気活性層の役割を果たす。本発明の補助可変層１２０は、隣接する単位可変素子の可変層を構成する電気活性ポリマーと相違した種類の補助電気活性ポリマーを含む。これに制限されるものではないが、補助可変層１２０を構成する補助電気活性ポリマーは、シリコン系、ウレタン系、アクリル系などの誘電性エラストマーまたはポリフッ化ビニリデン系ポリマーなどの強誘電性ポリマーからなることができる。

例えば、第１の可変素子１１０及び第２の可変素子１３０が誘電性エラストマーを含む場合、補助可変層１２０は、強誘電性ポリマーを含むことができ、第１の可変素子１１０及び第２の可変素子１３０が強誘電性ポリマーを含む場合、補助可変層１２０は、誘電性エラストマーを含むことができる。このように、第１の可変素子１１０及び第２の可変素子１３０と補助可変層１２０とが互いに相違した電気活性ポリマーを含むことにより、従来の誘電性エラストマーのみを使用して製造された多層可変素子に比べて駆動変位が向上し、駆動電圧が低い多層可変素子を実現することができる。

特に、第１の可変素子１１０及び第２の可変素子１３０が電気活性ポリマーとしてポリフッ化ビニリデン系ポリマーを含む場合、補助可変層１２０は、補助電気活性ポリマーとして誘電性エラストマーと高誘電性フィラーとを含むことがさらに好ましい。補助可変層１２０が誘電性エラストマーだけでなく、高誘電性フィラーをさらに含むことにより、従来の誘電性エラストマーに比べて高い誘電率を有し、これにより、多層可変素子の駆動変位を向上させることができるためである。以下では、補助可変層１２０が誘電性エラストマー及び高誘電性フィラーを含むことと想定して説明する。

補助可変層１２０は、第１の可変素子１１０と第２の可変素子１３０とを互いに接着させる役割を果たす。上述したように、誘電性エラストマーのみを可変層として使用して多層可変素子を製造する場合、ソリューションキャスティング方法を利用して電極と可変層とを交互に積層することができるが、ポリフッ化ビニリデンホモポリマーのような強誘電性ポリマーを使用して多層可変素子を製造する場合、延伸またはポーリング工程を経なければならないため、誘電性エラストマーのように電極上にソリューションキャスティング方法でポリフッ化ビニリデン系ホモポリマーが直ちに積層され得ない。したがって、ポリフッ化ビニリデン系ポリマーを使用して多層可変素子を製造するためには、延伸またはポーリング工程を経たポリフッ化ビニリデン系ポリマーフィルムの両面に電極が積層された単位可変素子が設けられなければならず、それぞれの単位可変素子を積層するために、単位可変素子間に接着層が配置されなければならない。しかし、アクリル系接着剤、ポリビニールアルコール系接着剤、ポリウレタン系接着剤などのような従来の光学接着剤は誘電率が低く、光学接着剤の厚さのため、多層可変素子の性能が低下するという短所があった。しかし、上述したように、誘電性エラストマー及び高誘電性フィラーを含む補助可変層を用いることにより、強誘電性ポリマーを含む多層可変素子の性能を向上させることができる。したがって、第１の可変素子１１０と第２の可変素子１３０との間に配置される補助可変層１２０は、電気活性層の役割だけでなく、接着層の役割も果たすことができる高誘電性接着層である。

補助可変層１２０に含まれる誘電性エラストマーは、本発明の属する技術分野で通常的に使用されるものであり得るし、これに制限されるものではないが、アクリル系重合体、ウレタン系重合体、及びシリコン系重合体からなる群より選ばれる１種以上であるものであり得る。特に、本発明の誘電性エラストマーは、十分な接着力を提供し、広い温度範囲で動作できるという長所を有するシリコン系重合体、例えば、ポリジメチルシロキサン（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌ ｓｉｌｏｘａｎｅ；ＰＤＭＳ）であることが好ましい。

誘電性エラストマーは、小さい駆動電圧で大きい変形を得るために、極性が大きい、すなわち、誘電率（ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）が大きい化合物であることが好ましい。例えば、１ｋＨｚで測定した比誘電率が２．５以上であることがさらに好ましい。

誘電性エラストマーは、多層可変素子１００に要求される機械的物性に鑑みるとき、重量平均分子量が１０，０００ｇ／ｍｏｌ以上の重合体であり得る。

次に、本発明の高誘電性フィラーは、誘電性エラストマーと混合されて補助可変層１２０の誘電率を向上させることができる材料であって、これに制限されるものではないが、圧電性セラミックス、炭素ナノ粒子、金属ナノ粒子、及び導電性ポリマーからなる群より選ばれる１種以上を含むことが好ましい。

圧電性セラミックスは、これに制限されるものではないが、鉛（Ｐｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、バリウム（Ｂａ）などの金属原子を含む圧電性金属酸化物を含むことが好ましい。例えば、圧電性セラミックスは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３、ＰＺＴ）またはチタン酸バリウム（ｂａｒｉｕｍ ｔｉｔａｎａｔｅ、ＢａＴｉＯ_３）からなるペロブスカイト型酸化物であり得る。

炭素ナノ粒子は、これに制限されるものではないが、単一壁炭素ナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）、二重壁炭素ナノチューブ（ＤＷＣＮＴ）、多重壁炭素ナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、グラファイト（ｇｒａｐｈｉｔｅ）、カーボンブラック（ｃａｒｂｏｎ ｂｌａｃｋ）、カーボンファイバ（ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ）、及びフラーレン（ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ）からなる群より選ばれる１種以上を含むことが好ましい。特に、単一壁炭素ナノチューブの場合、低周波数領域で補助可変層１２０の誘電率を大きく向上させるという点でさらに好ましい。

金属ナノ粒子は、これに制限されるものではないが、金（Ａｕ）または銀（Ａｇ）を含むナノワイヤ、ナノロッド、ナノポア、またはナノチューブであり得る。

導電性ポリマーは、これに制限されるものではないが、ポリフルオレン（ｐｏｌｙｆｌｕｏｒｅｎｅ）、ポリフェニレン（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ）、ポリピレン（ｐｏｌｙｐｙｒｅｎｅ）、ポリアズレン（ｐｏｌｙａｚｕｌｅｎｅ）、ポリナフタレン（ｐｏｌｙｎａｐｈｔｈａｌｅｎｅ）、ポリアセチレン（ｐｏｌｙａｃｅｔｙｌｅｎｅ、ＰＡＣ）、ポリ−ｐ−フェニレンビニレン（ｐｏｌｙ（ｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｖｉｎｙｌｅｎｅ、ＰＰＶ）、ポリピロール（ｐｏｌｙｐｙｒｒｏｌｅ、ＰＰＹ）、ポリカルバゾール（ｐｏｌｙｃａｒｂａｚｏｌｅ）、ポリインドール（ｐｏｌｙｉｎｄｏｌｅ）、ポリアゼピン（ｐｏｌｙａｚｅｐｉｎｅ）、ポリチエニレンビニレン（ｐｏｌｙ（ｔｈｉｅｎｙｌｅｎｅ ｖｉｎｙｌｅｎｅ）、ＰｏｌｙＴｈｉｅｎｙｌｅｎｅ Ｖｉｎｙｌｅｎｅポリアニリン（ｐｏｌｙａｎｉｌｉｎｅ、ＰＡＮＩ）、ポリチオフェン（ｐｏｌｙ（ｔｈｉｏｐｈｅｎｅ））、ポリ（ｐ−フェニレンスルフィド（ｐｏｌｙ（ｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｉｄｅ、ＰＰＳ）、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン（ｐｏｌｙ（３，４−ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙ ｔｈｉｏｐｈｅｎｅ、ＰＥＤＯＴ）、ポリスチレンスルホン酸（ｐｏｌｙ（ｓｔｙｒｅｎｅ ｓｕｌｆｏｎａｔｅ、ＰＳＳ）でドーピングされたポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）−テトラメタクリレート（ＰＥＤＯＴ−ＴＭＡ）、及びポリフラン（ｐｏｌｙｆｕｒａｎ）からなる群より選ばれる１種以上を含むことが好ましい。

導電性ポリマーは、電気伝導度が１０^−６Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましく、１０^−２Ｓ／ｃｍ以上であることがさらに好ましい。導電性ポリマーの電気伝導度が１０^−６Ｓ／ｃｍ以上である場合、誘電性エラストマーとの作用により補助可変層１２０の誘電率が向上し得る。

本発明による補助可変層１２０において、誘電性エラストマー及び高誘電性フィラーの重量比は、９９：１〜５０：５０であることが好ましく、９０：１０〜６０：４０であることがさらに好ましい。高誘電性フィラーの含量が１％より小さい場合、補助可変層１２０の誘電率があまり向上せず、補助可変層１２０がさらに他の可変層として役割をするのは難しい。また、高誘電性フィラーの含量が５０％より大きい場合、誘電率上昇効果が飽和されるか、却って低下する現象が生じる。そのうえ、粒子形態に存在する高誘電性フィラーの含量が増加することにより、補助可変層１２０の接着力を低下させるという問題が生じ得る。

補助可変層１２０は、１ｋＨｚで測定した誘電率が５．０以上であることが好ましく、７．０以上であることがさらに好ましい。誘電性エラストマーとして最も広く使用されるポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）の場合、一般的に、約２．５〜３．０程度の誘電率を有するが、本発明のような高誘電性フィラーを使用する場合、誘電率が７．０以上に向上し、より好ましくは、９．０以上に向上することができる。

補助可変層１２０は、引張強度計を用いて測定した接着力が１５００ｇｆ／ｉｎｃｈ（すなわち、５７９Ｎ／ｍ）以上であることが好ましく、１８００ｇｆ／ｉｎｃｈ（すなわち、６９５Ｎ／ｍ）以上であることがさらに好ましい。補助可変層１２０の接着力が１８００ｇｆ／ｉｎｃｈ以上である場合、多層可変素子１００が変形される場合にも、単位可変素子１１０、１３０間の接着状態が維持され得る。

補助可変層１２０は、厚さが１μｍ〜３００μｍであることが好ましく、１０μｍ〜１５０μｍであることがさらに好ましい。補助可変層１２０の厚さが１μｍより小さい場合、十分な接着力を確保し難く、多層可変素子１００の駆動変位の向上効果も少ない。また、補助可変層１２０の厚さが３００μｍより大きい場合、多層可変素子１００の厚さが増加することにより、駆動変位が却って低下することができ、多層可変素子１００の重さも大きく増加することができる。

補助可変層１２０は、第１の可変素子１１０及び第２の可変素子１３０間に配置される。したがって、補助可変層１２０の下面または第１の面は、第１の可変素子１１０の第２の電極１１３（いわゆる、第１の上部電極１１３）と接触され、補助可変層１２０の上面または第２の面は、第２の可変素子１３０の第１の電極１３１（いわゆる、第２の下部電極１３１）と接触される。すなわち、第１の可変素子１１０の第１の上部電極１１３と第２の可変素子１３０の第２の下部電極１３１との間に発生する電場により静電気的引力（Ｃｏｕｌｏｍｂｉｃ Ｆｏｒｃｅ）が発生して、誘電性エラストマー及び高誘電性フィラーを含む補助可変層１２０にマクスウェルストレス（Ｍａｘｗｅｌｌ Ｓｔｒｅｓｓ）が加えられる。このとき、マクスウェルストレスの大きさを表現する式は、次式（１）のとおりである。

（ε_０：真空誘電率、ε_ｒ：比誘電率、Ｅ：電場、Ｖ：電圧、ｔ：可変層の厚さ）

ここで、マクスウェルストレスは、補助可変層１２０が厚さ方向に収縮し、長さ方向に膨脹しようとする力を意味する。式（１）を参照すれば、マクスウェルストレスの大きさ（Ｐ）は、可変層の比誘電率ε_ｒ、電場Ｅ、及び電圧Ｖの大きさに比例する。マクスウェルストレスの大きさが増加すれば、補助可変層１２０は、さらに大きい変位を有するか、さらに大きく変形される。

補助可変層１２０は、誘電率が高い。式（１）において確認できるように、マクスウェルストレスが誘電率に比例するという点を考慮するとき、高い誘電率を有する補助可変層１２０は、さらに他の電気活性層としての役割を果たすことができる。

言い替えれば、多層可変素子１００を構成する第１の可変層１１２及び第２の可変層１３２だけでなく、補助可変層１２０も可変素子に形成された電極により収縮及び膨脹することができる。

このとき、第１の可変素子１１０の第１の下部電極１１１及び第１の上部電極１１３と、第２の可変素子１３０の第２の下部電極１３１及び第２の上部電極１３３とには、互いに相違した大きさの電圧が印加されるか、互いに反対の電気的性質を有する電圧が印加される。例えば、正（＋）の電圧と負（−）の電圧とが交差されて単位可変素子１１０、１３０の電極１１１、１１３、１３１、１３３に印加される。例えば、第１の可変素子１１０の第１の下部電極１１１には正（＋）の電圧が、第１の可変素子１１０の第１の上部電極１１３には負（−）の電圧が、第２の可変素子１３０の第２の下部電極１３１にはさらに正（＋）の電圧が、第２の可変素子１３０の第２の上部電極１３３にはさらに負（−）の電圧が印加される。この場合、補助可変層１２０は、第１の可変素子１１０の第１の上部電極１１３に印加された負（−）の電圧と第２の可変素子１３０の第２の下部電極１３１に印加された正（＋）の電圧により発生した静電気的引力により変位できるようになる。

これに制限されるものではないが、補助可変層１２０は、第１の可変層１１２及び第２の可変層１３２と同一の方向に収縮または膨脹することが好ましい。なぜなら、多層可変素子１００は、表示パネルなどの基板と接合されて、デバイス全体の曲げを実現することが一般的であり、このような場合、第１の可変層１１２及び第２の可変層１３２と補助可変層１２０との収縮または膨脹方向を同一にすることがデバイスの曲げ性能を極大化させることができるためである。このとき、上述したように、ポリフッ化ビニリデン系ポリマーは、分極方向と印加される電場方向によって収縮または膨脹を調節できるので、例えば、補助可変層１２０に電場が印加されて長さ方向に膨脹する場合、第１の可変層１１２及び第２の可変層１３２の分極方向と印加される電場方向とを相違するように設定することにより、補助可変層１２０と第１の可変層１１２及び第２の可変層１３２とを同時に長さ方向に膨脹させることができる。

一方、補助可変層１２０上に第２の可変素子１３０が配置される。第２の可変素子１３０は、多層可変素子１００を構成する単位可変素子であって、第２の下部電極１３１、及び第２の上部電極１３３に加えられる電圧により、変形されて振動または曲げを実現する。

第２の可変素子１３０を構成する第２の可変層１３２、第２の下部電極１３１、及び第２の上部電極１３３の各々は、第１の可変素子１１０を構成する第１の可変層１１２、第１の下部電極１１１、及び第１の上部電極１３３の各々と互いに同様に構成されることができる。

第２の可変素子１３０のそれぞれの具体的な構成及び効果は、第１の可変素子１１０と同様であるから、具体的な説明を省略する。

一実施形態に係る多層可変素子１００は、可変層としてポリフッ化ビニリデン系ポリマーを含む単位可変素子１１０、１３０間に誘電性エラストマー及び高誘電性フィラーを含む補助可変層１２０が配置され得る。

ポリフッ化ビニリデン系ポリマーを可変層として使用する可変素子を多層構造で形成するためには接着層が必要であった。従来に使用された接着層は低い誘電率を有し、特に、１ｋＨｚで測定したＯＣＡ（ｏｐｔｉｃａｌ ｃｌｅａｒ ａｄｈｅｓｉｖｅ）の誘電率は３．０以下であった。このように、従来の接着層は低い誘電率を有するため、接着の目的としてのみ使用が可能であった。このような接着層は、可変素子の厚さを向上させ、結果として、可変素子の駆動変位の向上を妨害する結果を招いた。

しかし、補助可変層１２０は、誘電性エラストマーに基づいた誘電率に優れた接着層であるから、接着剤としての役割をするだけでなく、補助可変層１２０の両面に接触した電極により発生する静電気的引力によってさらに他の可変層の役割を果たすようになる。
したがって、補助可変層１２０は、第１の可変素子１１０と第２の可変素子１３０との間に介在された状態で、第１の可変素子１１０と第２の可変素子１３０とが変形されるとき、共に変形されることができる。結果として、本発明の一実施形態に係る多層可変素子１００では、誘電性エラストマーに比べて高い誘電率を有するポリフッ化ビニリデン系ポリマーを使用するとともに、従来の接着剤の代りに、誘電率の高い補助可変層１２０を用いるので、多層可変素子１００の駆動変位が大きく向上し得る。さらに、多層可変素子１００の全体誘電率が向上するので、多層可変素子１００の駆動電圧が低下し得る。

図２は、本発明の他の実施形態に係る多層可変素子２００を説明するための概略的な断面図である。図２に示すように、本発明の他の実施形態に係る多層可変素子２００は、第１の可変層２１２、第１の下部電極２１１及び第１の上部電極２１３を備える第１の可変素子２１０、第１の可変素子１１０上に配置される第１の補助可変層２２０、第１の補助可変層２２０上に配置され、第２の可変層２３２、第２の下部電極２３１、及び第２の上部電極２３３を備える第２の可変素子２３０、第２の可変素子２３０上に配置される第２の補助可変層２４０、及び第２の補助可変層２４０上に配置され、第３の可変層２５２、第３の下部電極２５１、及び第３の上部電極２５３を備える第３の可変素子２５０を備える。

図２の多層可変素子２００は、図１の多層可変素子１００とは異なり、３個の単位可変素子を積層させた構造を有するという点で相違点がある。すなわち、本発明の他の実施形態に係る多層可変素子２００は、２個以上の単位可変素子を含むことができ、各単位可変素子２１０、２３０、２５０間には、別の補助可変層２２０、２４０が配置されている。

図２の多層可変素子２００において、各単位可変素子２１０、２３０、２５０に含まれる第１の可変層２１２、第２の可変層２３２、及び第３の可変層２５２と、第１の補助可変層２２０及び第２の補助可変層２４０とは互いに相違した種類の電気活性ポリマーを含む。

このとき、図２の多層可変素子２００は、図１の多層可変素子１００に第３の可変素子２５０及び第２の補助可変層２４０をさらに含む構成のみが異なり、他の構成は実質的に同様であるから、重複する説明を省略する。

図２の多層可変素子２００において、第２の可変素子２３０上に第２の補助可変層２４０が配置される。第２の補助可変層２４０は、第１の補助可変層２２０と同様に、隣接する単位可変素子の可変層と相違した種類の電気活性ポリマーを含む。第２の補助可変層２４０の構成は、図１の補助可変層１２０と同様であり得る。

第３の可変素子２５０は、第２の補助可変層２４０上に配置される。第３の可変素子２５０の構成は、第１の可変素子２１０及び第２の可変素子２３０と同様であり得る。

図２の多層可変素子２００において、第１の可変素子２１０の第１の下部電極２１１及び第１の上部電極２１３、第２の可変素子２３０の第２の下部電極２３１及び第２の上部電極２３３、及び第３の可変素子２５０の第３の下部電極２５１及び第３の上部電極２５３には、互いに異なる電気的性質の電圧が交差して印加される。この場合、第１の補助可変層２２０及び第２の補助可変層２４０は、両面に接触した電極から発生する電場によって変形される。

つまり、多層可変素子２００は、それぞれの単位可変素子２１０、２３０、２５０と第１の補助可変層２２０及び第２の補助可変層２４０とが印加された電圧により共に変形され、これにより、誘電性エラストマーのみで製造された多層可変素子または誘電率の低い従来の接着層を含む多層可変素子に比べて大きい駆動変位を有するようになる。

以下では、実施例によって本発明をさらに詳しく説明する。しかし、以下の実施例は、本発明の例示のためのものであり、下記の実施例によって本発明の範囲が限定されるものではない。

本発明の効果について説明するために、可変層及び補助可変層（接着層）の構成を異にして実施例１及び比較例１〜３の多層可変素子を製造した。

実施例１

ポリフッ化ビニリデンホモポリマー（Ｈｏｍｏ−ＰＶＤＦ）を延伸した後、ラミネーション（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）して８０μｍ厚さの第１の可変層及び第２の可変層を用意し、それぞれの可変層の両面に金属電極（炭素導電性グリース）を蒸着することにより、下部電極／可変層／上部電極の構造を有する第１の可変素子及び第２の可変素子を製造した。その後、誘電性エラストマーとしてポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）と高誘電性フィラーとしてチタン酸バリウム（ＴＥＭで測定された粒径：１２０ｎｍ）とを溶媒であるヘキサンに入れて混合した溶液を製造した。このとき、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）とチタン酸バリウムとの重量比は、６０：４０であった。第１の可変素子の上部電極上に製造された溶液をコーティングして５０μｍ厚さの補助可変層（接着層）を形成した後、第２の可変素子を接合して実施例１の多層可変素子を製造した。

比較例１

ポリフッ化ビニリデンホモポリマー（Ｈｏｍｏ−ＰＶＤＦ）を使用する代わりに、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のみを含む第１の可変層及び第２の可変層を形成する点を除いては、実施例１と同じ方法で比較例１の多層可変素子を製造した。

比較例２

ポリフッ化ビニリデンホモポリマー（Ｈｏｍｏ−ＰＶＤＦ）を使用する代わりに、誘電性エラストマーとしてポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）と高誘電性フィラーとしてチタン酸バリウム（ＴＥＭで測定された粒径：１２０ｎｍ）とを溶媒であるヘキサンに各々６０：４０の重量比で入れて混合した溶液を基材上に塗布して乾燥させ、厚さが８０μｍである第１の可変層及び第２の可変層を得た後、製造された可変層の両面に金属電極（炭素導電性グリース）を蒸着することにより、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）と高誘電フィラーとを含む第１の可変素子及び第２の可変素子を製造した点を除いては、実施例１と同じ方法で補助可変層及び比較例２の多層可変素子を製造した。

比較例３

実施例１で製造したポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）及びチタン酸バリウム混合溶液の代りに、従来のアクリル系ＯＣＡ接着剤を用いて補助可変層（接着層）を形成した点を除いては、実施例１と同じ方法で比較例３の多層可変素子を製造した。

製造された実施例１及び比較例１〜３の多層可変素子の性質及び駆動変位の程度を確認するために、下記のような実験を進めた。

実験例１−補助可変層の誘電率測定

実施例１及び比較例１〜３によって製造された多層可変素子の補助可変層の誘電率は、ＬＣＲメートル（４２８４Ａ）を用いて周波数１ｋＨｚでの静電容量を測定し、下記の式（２）を利用して計算して測定した。測定結果を、下記の表１に表した。

実験例２−補助可変層の接着力測定

実施例１及び比較例１〜３によって製造された多層可変素子の補助可変層の接着力は、引張強度計（Ｔｉｎｉｕｓ Ｏｌｓｅｎ社、Ｈ５ＫＴ ＵＴＭ）を用いて測定した。測定結果は、下記の表１に表した。

実験例３−可変素子の駆動変位測定

実施例１及び比較例１〜３によって製造された多層可変素子の駆動変位を測定するために、レーザ装置（Ｋｅｙｅｎｅｃｅ社、ＬＫ−Ｇ８０）を用いて２．４ｋＶｐｐの条件下で各々最大曲率半径と最小曲率半径とを測定した後、曲率変化値を計算することにより曲げ性能を確認した。測定結果を、下記の表１に表した。

表１を介して確認したように、互いに相違した種類の電気活性ポリマーが交互に積層された実施例１の多層可変素子は、顕著に優れた駆動変位を有することが確認できた。特に、実施例１と比較例１とを比較してみると、従来の誘電性エラストマーのみで積層された構造を有する多層可変素子は、駆動変位が顕著に小さいことが確認できた。

また、実施例１と比較例２とを比較してみると、実施例１の多層可変素子は、第１の可変層、第２の可変層、及び補助可変層が共に誘電性エラストマーと高誘電性フィラーとを含む比較例２の多層可変素子に比べて、同じ電圧で曲率変化が顕著に大きいことが確認できた。すなわち、実施例１の多層可変素子は、単純に高誘電率を有するエラストマーを多層に積層して形成された多層可変素子に比べて性能が極めて向上することが分かる。

一方、実施例１と比較例３とを比較してみると、実施例１の補助可変層の誘電率は、従来の接着剤を使用した比較例３の補助可変層の誘電率に比べて、顕著に向上することが確認でき、これによって、多層可変素子の駆動電圧が低くなることが分かる。より具体的に、実施例１の多層可変素子は、比較例３の多層可変素子に比べて同じ電圧で曲率変化が２倍程度大きいことが確認できた。すなわち、補助可変層の優れた誘電率により、多層可変素子の曲げ程度が大きく向上することが分かる。

このように、ポリフッ化ビニリデン系ポリマーを含む第１の可変素子及び第２の可変素子を接着するための、誘電性エラストマー及び高誘電性フィラーを含む補助可変層は、従来の光学接着剤に比べて誘電率が顕著に高い。これにより、本発明の補助可変層は、単純な接着剤としての役割だけでなく、さらに他の可変層の役割を果たすことができる。したがって、本発明の補助可変層を第１の可変素子及び第２の可変素子を接着するための接着層として採用する場合、多層可変素子の曲げ、すなわち、駆動変位が大きく向上し、駆動電圧が低くなることができる。

このように、強誘電性ポリマーのうち、ポリフッ化ビニリデン系ポリマーを含む可変層を用いた単位可変素子を本発明の補助可変層として接着させて多層可変素子を製造する場合、駆動変位が最大である多層可変素子を得ることができる。

図３は、本発明の一実施形態に係る多層可変素子を含む表示装置３００の構造を説明するための概略的な分解斜視図である。図３に示すように、本発明の一実施形態に係る表示装置３００は、下部カバー３１０、多層可変素子１００、表示パネル３２０、タッチパネル３３０及び上部カバー３４０を備える。

下部カバー３１０は、多層可変素子１００、表示パネル３２０及びタッチパネル３３０の下部を覆うように多層可変素子１００の下に配置される。下部カバー３１０は、表示装置３００の内部の構成を外部の衝撃及び異物質や水分の浸透から保護する。下部カバー３１０は、多層可変素子１００の形状変化によって共に変形され得る物質からなることができる。例えば、下部カバー３１０は、軟性を有するプラスチックのような物質からなることができるが、これに制限されない。

多層可変素子１００は、表示パネル３２０の下部に配置されることができる。具体的に、多層可変素子１００は、表示パネル３２０の表面に直接接触されるように配置されることができ、表示パネル３２０の表面と多層可変素子１００の表面との間に接着剤を用いて配置されることもできる。接着剤としては、これに制限されるものではないが、ＯＣＡ（ｏｐｔｉｃａｌ ｃｌｅａｒ ａｄｈｅｓｉｖｅ）またはＯＣＲ（ｏｐｔｉｃａｌ ｃｌｅａｒ ｒｅｓｉｎ）が使用され得るが、これに制限されるものではない。多層可変素子１００は、下部カバー３１０上に配置されることができる。

図３に示された多層可変素子１００は、第１の可変素子１１０、第２の可変素子１３０、及び第１の可変素子１１０と第２の可変素子１３０との間に配置される補助可変層１２０を備える。すなわち、多層可変素子１００は、図１または図２に示された多層可変素子１００、２００と同様な構成を有することができる。

補助可変層１２０は、隣接する単位可変素子の可変層１１２、１３２に含まれた電気活性ポリマーと相違した種類の補助電気活性ポリマーを含む。補助可変層１２０は、誘電率に優れ、第１の可変素子１１０と第２の可変素子１３０とを接着させる役割だけでなく、さらに他の可変層の役割を果たすことができる。したがって、補助可変層１２０を採用する場合、多層可変素子１００の曲げ能力がさらに向上し、駆動電圧が低下し得る。

多層可変素子１００は、表示パネル３２０と電気的に連結されることができる。例えば、表示パネル３２０に配置されたＦＰＣＢ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）と多層可変素子１００の電極が配線により互いに電気的に連結されることもできる。

表示パネル３２０は、表示装置３００で映像を表示するための表示素子が配置されたパネルを意味する。表示パネル３２０として、例えば、有機発光表示パネル、液晶表示パネル、電気泳動表示パネルなどのような様々な表示パネルが使用され得る。好ましくは、表示パネル３２０は、有機発光表示装置であり得る。有機発光表示装置は、有機発光層に電流を流すことにより、有機発光層を発光させる表示装置であり、有機発光層を使用して特定波長の光を発光する。有機発光表示装置は、少なくともカソード、有機発光層、アノードを含む。表示パネル３２０の下に配置された可変素子１００は、フレキシビリティを有して変形され得るので、有機発光表示装置もフレキシビリティを有して変形され得るように構成されることができる。すなわち、有機発光表示装置は、フレキシビリティを有するフレキシブル（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）有機発光表示装置であって、フレキシブル基板を含む。フレキシブル有機発光表示装置は、外部から加えられる力により様々な方向及び角度に変形されることができる。以下では、説明の便宜のために、表示パネル３２０は、フレキシブル有機発光表示装置で構成されたことと想定して説明する。

表示パネル３２０の下に配置された多層可変素子１００は、軟性を有して変形され得るので、有機発光表示装置も軟性を有して変形され得るように構成されることができる。すなわち、有機発光表示装置は、軟性を有するフレキシブル（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）有機発光表示装置であって、フレキシブル基板を含む。フレキシブル有機発光表示装置は、外部から加えられる力により様々な方向及び角度に変形されることができる。

表示パネル３２０上にはタッチパネル３３０が配置される。タッチパネル３３０は、表示装置３００に対するユーザのタッチ入力を感知し、タッチ座標を提供する機能を果たすパネルを意味する。

タッチパネル３３０は、配置される位置によって区分されることができる。例えば、表示パネル３２０の上部表面に付着するアッド−オン（Ａｄｄ−Ｏｎ）方式、表示パネル３２０上に蒸着させるオン−セル（Ｏｎ−Ｃｅｌｌ）方式、及び表示パネル３２０の内部に形成したイン−セル（Ｉｎ−Ｃｅｌｌ）方式などがある。また、タッチパネル３３０は、作動方式によって区分されることもできる。例えば、静電容量方式、抵抗膜方式、超音波方式、赤外線方式などが使用され得るが、好ましくは、静電容量方式のタッチパネルがタッチパネル３３０として使用され得る。

また、タッチパネル３３０は、多層可変素子１００と電気的に連結されることができる。具体的に、タッチパネル３３０は、多層可変素子１００の電極などと電気的に連結されて、タッチパネル３３０で入力された様々なタッチ信号または電圧が多層可変素子１００に伝達され得る。また、タッチパネル３３０は、多層可変素子１００とともに変形され得るように、フレキシビリティを有することができる。

上部カバー３４０は、多層可変素子１００、表示パネル３２０、及びタッチパネル３３０の上部を覆うようにタッチパネル３３０上に配置される。上部カバー３４０は、下部カバー３１０と同様な機能をすることができる。また、上部カバー３４０も、下部カバー３２０と同様に、同じ物質からなることができる。特に、多層可変素子１００により様々な形状に変形され得るタッチパネル３３０及び表示パネル３２０とともに変形され得るように、上部カバー３４０も軟性を有する物質からなることができる。例えば、上部カバー３４０は、軟性を有するプラスチックのような物質からなることができるが、これに制限されない。

表示装置３００は、多層可変素子１００に電圧が印加されることにより多層可変素子１００とともに変形される。すなわち、多層可変素子１００と接合された表示パネル３２０とタッチパネル３３０も多層可変素子１００を構成する第１の可変素子１１０、第２の可変素子１３０、及び補助可変層１２０の変形によって共に変形され、表示装置３００も変形されることができる。

本発明の一実施形態に係る表示装置３００では、多層可変素子１００、表示パネル３２０、及びタッチパネル３３０が１つで結合され、多層可変素子１００により表示装置３００が様々な形状に変形され得る。多層可変素子１００の変形による表示装置３００が変形される様子に対しては、図４を参照して後述する。

図４は、本発明の一実施形態に係る多層可変素子を含む表示装置の様々な変形形態を説明するための例示的な状態図である。図４では、説明の便宜のために、表示装置４００がスマートフォンであることと想定して説明する。

図４に示すように、表示装置４００の一部が上部または下部に曲げ（ｂｅｎｄｉｎｇ）られることができる。具体的に、表示装置４００において表示画面４１０の下部に多層可変素子が固定されており、多層可変素子の駆動により多層可変素子及び表示装置４００の全体が変形される。すなわち、多層可変素子の一部が上部または下部に曲げられることにより、表示装置４００の一部も上部または下部に曲げられることができる。ここで、多層可変素子の一部が一定の周期で上部または下部に曲げられることにより、表示装置４００の一部も上部または下部に曲げられることができる。また、多層可変素子の一部が上部または下部に曲げられた状態で維持されることにより、表示装置４００の一部も上部または下部に曲げられた状態で維持されることができる。

例えば、表示装置４００に入力されるユーザのタッチ入力に対応する出力として表示装置４００の一部が上部または下部に曲げられることができる。すなわち、表示装置４００においてメッセージを受信したり、表示装置４００に音声通話がかかってくる場合、これに対する出力として表示装置４００の一部が上部または下部に曲げられることができる。

表示装置４００で曲げられる部分、曲げられる方向、曲げられる時間、及び曲げられる方向が変わる周期などは、表示装置４００を介して様々に設定されることができる。すなわち、多層可変素子による表示装置４００の形状の変化は、ユーザにより様々に設定されることができ、上記に提示された例示的な形状の変化に制限されない。

本発明の一実施形態に係る多層可変素子を含む表示装置４００では、様々な入力に対応して、入力によって相違するように多層可変素子が変形される。具体的に、変形される部分、変形される方向、変形が持続する時間、及び変形される方向が変わる周期などは、表示装置４００に印加される入力毎に相違するように設定されることができる。これにより、多層可変素子により表示装置４００が様々な形状に変形されて、ユーザに様々な種類の出力が提供され得る。

図５は、本発明の種々の実施形態に係る表示装置が有利に活用され得る実例を示す図である。

図５（ａ）は、本発明の一実施形態に係る多層可変素子を含む電子新聞５００の例示的な外観図である。図５（ａ）に示すように、電子新聞５００は、表示パネル５１０と、表示パネル５１０の下部に合着された多層可変素子とを備える。

本発明の一実施形態に係る多層可変素子を含む電子新聞５００において、多層可変素子により実際に紙新聞を見ることと類似した感じが提供され得る。電子新聞５００の表示パネル５１０を介してページをめくる信号を入力すれば、信号が入力された部分の多層可変素子が変形され得る。これにより、多層可変素子が変形されながら電子新聞５００の一部が一時的に曲げられて、紙新聞のようにページをめくる感じが提供され得る。

また、本発明の一実施形態に係る多層可変素子を含む電子新聞５００において、新しい記事がアップロードされて表示される場合、電子新聞５００の一部が変形されて記事がアップロードされたという事実が提供される。例えば、新しいヘッドラインを有する記事がアップロードされた場合、記事がアップロードされた部分の多層可変素子が変形されて、記事のアップロード事実が直ちに表示される。

図５（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る多層可変素子を含む時計６００の例示的な図である。図５（ｂ）に示すように、時計６００は、表示パネル６１０と、表示パネル６１０の下部に合着された多層可変素子とを備える。ここで、説明の便宜のために、時計６００は、スマートウォッチ（ｓｍａｒｔ ｗａｔｃｈ）と想定して説明する。

本発明の一実施形態に係る多層可変素子を含む時計６００において、多層可変素子により時計６００の様々な機能が実現され得る。時計６００の表示パネル６１０を介して一般的な時間情報が表示される。また、時計６００の表示パネル６１０を介して天気、ニュースなどが表示され得る。また、時計６００は、簡単な通話機能を含むことができ、時計６００を付けているユーザの心拍数を判断することもできる。ここで、毎時定刻を知らせたり、指定されたアラーム時間を知らせるために、時計６００の内部の多層可変素子が収縮され得る。これにより、ユーザの手首を引き締めて時間情報が提供され得る。また、新しい天気情報やニュースが表示される場合にも、時計６００の内部の多層可変素子が収縮されるか、電話が受信される場合、時計６００の表示パネル６１０の一部に突出部が形成されて情報が提供され得る。また、時計６００の一部を介して測定されたユーザの心拍数が危険水準である場合、時計６００の内部の多層可変素子が収縮されるか、形状が変わってユーザに警告知らせが提供され得る。

図５（ｃ）は、本発明の一実施形態に係る多層可変素子を含むカーテン（ｃｕｒｔａｉｎ）の例示的な図である。図５（ｃ）に示すように、カーテン７００は、表示パネル７１０と、表示パネル７１０の下部に合着された多層可変素子とを備える。

本発明の一実施形態に係る多層可変素子を含むカーテン７００において、可変素子により外部環境に関する情報が様々な方式で表現され得る。具体的に、カーテン７００の表示パネル７１０を介して外部の天気が決められた画面で表示され得るし、カーテン７００の形態が変更されて具体的な天気の状態が表現され得る。例えば、曇った天気に風が吹く場合、カーテン７００の表示パネル７１０を介して雲が表示され、風が吹く方向及び風の速度によって多層可変素子によりカーテン７００の一部が曲げられ、曲げられる部分の面積も相違するようになることができる。すなわち、風の方向によって実際にカーテンが折れるか、揺れることができる方向がカーテン７００の曲げ方向として表現されることができ、強い風であるほど、カーテン７００が曲げられる部分の面積が増加し得る。また、ガラス窓を介して入射される照度量が一定照度量以下になると、カーテン７００が自動に上部に巻き上がるか、左側または右側方向に折れることもできる。

以上、添付された図面を参照して本発明の実施形態をさらに詳細に説明したが、本発明は必ずこのような実施形態に局限されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で様々に変形実施されることができる。したがって、本発明に開示された実施形態は、本発明の技術思想を限定するためのものでなく、説明するためのものであり、このような実施形態によって本発明の技術思想の範囲が限定されるものではない。本発明の保護範囲は、下記の請求の範囲によって解析されなければならず、それと同等な範囲内にある全ての技術思想は、本発明の権利範囲に含まれるものと解析されなければならないであろう。

Claims (15)

1. 第１の電極、第２の電極及び前記第１の電極と前記第２の電極との間の可変層を各々備え、順次積層された少なくとも２個の単位可変素子と、
   隣り合う単位可変素子間に各々配置された少なくとも１つの補助可変層と、
   を備え、
   前記可変層及び前記少なくとも１つの補助可変層は、電気活性ポリマーを含み、
   前記少なくとも１つの補助可変層の電気活性ポリマーは、前記可変層の電気活性ポリマーと相違した
   ことを特徴とする多層可変素子。
2. 前記電気活性ポリマーは、誘電性エラストマー及び強誘電性ポリマーのうち、少なくとも１つを含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の多層可変素子。
3. 前記少なくとも１つの補助可変層は、電気活性ポリマーとして誘電性エラストマーを含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の多層可変素子。
4. 前記少なくとも２個の単位可変素子の可変層は、同じ電気活性ポリマーを含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の多層可変素子。
5. 前記可変層の電気活性ポリマーは、ポリフッ化ビニリデン（ｐｏｌｙ ｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅｆｌｕｏｒｉｄｅ、ＰＶＤＦ）系ポリマーを含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の多層可変素子。
6. 前記少なくとも１つの補助可変層は、高誘電性フィラーを含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の多層可変素子。
7. 前記少なくとも１つの補助可変層は、圧電性セラミックス、炭素ナノ粒子、金属ナノ粒子、導電性ポリマー、チタン酸バリウム（ｂａｒｉｕｍ ｔｉｔａｎａｔｅ、ＢａＴｉＯ_３）及びチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む前記高誘電性フィラーを含む
   ことを特徴とする請求項６に記載の多層可変素子。
8. 前記少なくとも１つの補助可変層は、前記誘電性エラストマーに対する高誘電性フィラーの重量比が９９：１〜５０：５０である
   ことを特徴とする請求項６に記載の多層可変素子。
9. 前記少なくとも１つの補助可変層の電気活性ポリマーは、ポリジメチルシロキサン（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌ ｓｉｌｏｘａｎｅ；ＰＤＭＳ）を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の多層可変素子。
10. 前記少なくとも１つの補助可変層は、隣接した単位可変素子を互いに接着させる
    ことを特徴とする請求項１に記載の多層可変素子。
11. 前記少なくとも１つの補助可変層は、厚さが１〜３００μｍである
    ことを特徴とする請求項１に記載の多層可変素子。
12. 前記少なくとも１つの補助可変層及び前記少なくとも２個の単位可変素子の可変層は、同じ方向に収縮または膨脹するように構成された
    ことを特徴とする請求項１に記載の多層可変素子。
13. 前記少なくとも１つの補助可変層は、１ｋＨｚで測定した比誘電率（ｒｅｌａｔｉｖｅ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）が５以上である
    ことを特徴とする請求項１に記載の多層可変素子。
14. 表示パネル及び多層可変素子を備える表示装置において、
    前記多層可変素子は、
    第１の電極、第２の電極及び前記第１の電極と前記第２の電極との間の可変層を各々備え、順次積層された少なくとも２個の単位可変素子と、
    隣り合う単位可変素子間に各々配置された少なくとも１つの補助可変層と、
    を備え、
    前記可変層及び前記少なくとも１つの補助可変層は、電気活性ポリマーを含み、
    前記少なくとも１つの補助可変層の電気活性ポリマーは、前記可変層の電気活性ポリマーと相違したことを特徴とする表示装置。
15. タッチパネルをさらに備え、
    前記表示パネルは、フレキシブル基板を備える
    ことを特徴とする請求項１４に記載の表示装置。

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