JP2020106836A - 電気変位材料、これを用いた光学素子、マイクロレンズアレイ、及び光学素子の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動電圧が低減された電気変位材料と、その応用技術を提供する。【解決手段】ゲル状の高分子材料に、２５℃での負イオンの輸率が０．４以上であるイオン液体、または２５℃での負イオンの輸率が０．２以上のイオン性界面活性剤が添加された電気変位材料を、第１の電極と第２の電極の間に配置して光学素子を作製する。この光学素子では、電気変位材料を変形させる印加電圧のレベルが低減され、低減された電圧の印加によって、第１の電極または前記第２の電極の表面に光散乱体が形成される。【選択図】図３

Description

本発明は、電気変位材料と、これを用いた光学素子、マイクロレンズアレイ、及び光学素子の作製方法に関する。

光学顕微鏡、小型プロジェクタなどの高解像イメージングの分野で、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）が用いられている。最近では、ＶＲ（バーチャルリアリティ）コンテンツを視聴するＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）にもＭＬＡが適用されており、微小な光学素子をアクティブに制御する技術への要望が高い。

一方、人工筋肉アクチュエータに適用される高分子柔軟アクチュエータや（たとえば、特許文献１参照）、位置決め装置に適用される高分子ゲルのアクチュエータ（たとえば、特許文献２参照）が提案されている。前者の高分子柔軟アクチュエータは、ポリ塩化ビニルを１〜５０重量部、可塑剤を５０〜１５０重量部、イオン液体を１〜３０重量部を含むゲルで構成されている。

特許第５３９２６６９号 特開２０１４−２３２６６

電圧の印加により光学素子の形状を可逆的に制御できるならば、簡易な構成で光学特性を調整することができるはずである。その場合、光学素子に印加される駆動電圧は、低いほうが望ましい。

本発明は、駆動電圧が低減された電気変位材料と、その応用技術を提供することを目的とする。

本発明では、電気変位材料の駆動電圧を低減するために、電気変位材料を構成する高分子材料に、所定の条件を満たすイオン液体またはイオン性界面活性剤を添加する。

第１の態様では、電気変位材料は、
ゲル状の高分子材料と、
２５℃での負イオンの輸率が０．４以上であるイオン液体と、
を含む。

第２の態様では、電気変位材料は、
ゲル状の高分子材料と、
２５℃での負イオンの輸率が０．２以上であるイオン性界面活性剤と、
を含む。

上記の構成と手法により、駆動電圧が低減された電気変位材料と、その応用技術が実現される。

実施形態の光学素子の動作原理を説明する図である。 光学素子の変形例を示す図である。 種々のイオン液体を添加したときの電気変位材料の電圧応答特性を示す図である。 イオン液体の物性とゲルの変位状態を示す図である。 イオン液体の添加量とポリマーゲルの変位の関係を示す図である。 電圧印加により形成された光散乱体の評価結果をイオン液体の添加量ごとに示す図である。 イオン液体の電極劣化への影響を示す図である。 種々のイオン性界面活性剤を添加したときの電気変位材料の電圧応答特性を示す図である。 イオン性界面活性剤の^１Ｈ−ＮＭＲ自己拡散係数の測定結果を示す図である。 イオン性界面活性剤の^１Ｈ−ＮＭＲスペクトルである。 実施形態の光学素子のマイクロレンズアレイへの適用例を示す図である。

図１は、実施形態の電気変位材料１１を用いた光学素子１０の基本構成と動作を説明する図である。実施形態の電気変位材料１１は、ゲル状の高分子材料（ポリマーゲル）に所定の条件を満たすイオン液体、またはイオン性界面活性剤が添加されたものである。図１の例では、電気変位材料１１は電極１２と電極１３の間に配置され、電圧の印加により変位して電極１３の表面に光散乱体１５を形成する。

光散乱体１５は、凸形状を有する。本明細書及び特許請求の範囲で「凸形状」という場合は、変形したポリマーゲルの少なくとも一部が電極１３の表面１３ｓ（ゼロ面）から積層方向の上方に突出した状態を意味し、図１のように凸面のみで形成される形状に限られるものではない。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示す変形例のように、凸形の光散乱体の中央付近が凹状にくぼんだ形状も、光散乱体１５全体としてみたときに電極１３の開口１４から突出しており、光散乱効果を有する。図２（Ａ）のように、光散乱体１５Ａの頂点がわずかにくぼんだ状態だけではなく、図２（Ｂ）のように、光散乱体１５Ｂの中央部が電極１３の表面１３ｓよりも下方にある場合も、「凸形状」に含まれる。

高分子材料として、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ：polyvinyl chloride）、ポリメタクリル酸メチル（PMMA）、ポリウレタン（PU）、ポリスチレン（PSt）、ポリ酢酸ビニル（PVAc）、ポリビニルアルコール（PVA）、ポリカーボネート（PC）、ポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリアクリロニトリル（PAN）、シリコーンゴム（SR）等を用いることができる。好ましい構成例では、使用波長に対して透明な高分子または樹脂材料が用いられる。実施形態では、一例として、電場の作用による変位が大きく、取扱いが容易なＰＶＣを用いる。

ポリマーゲルに、所定の条件を満たすイオン液体、またはイオン性界面活性剤を添加することで、電気変位材料１１の駆動電圧を低減することができる。別の言い方をすると、イオン液体またはイオン性界面活性剤の添加により、電気変位材料１１の変形効率を高めることができる。

イオン液体は、カチオン（正の電荷を帯びたイオン）とアニオン（負の電荷を帯びたイオン）で構成される塩であり、２５℃で液体のものをいう。所定の条件のひとつは、イオン液体が、２５℃で一定値以上のアニオン（負イオン）輸率をもつことである。この条件の詳細については、後述する。

イオン性界面活性剤は、カチオンとアニオンの少なくとも一方を含み、分子内に親水基と疎水基の双方を持つ物質である。所定の条件のひとつは、イオン性界面活性剤が２５℃で一定値以上のアニオン（負イオン）輸率を持つことである。この条件の詳細についても後述する。

好ましい構成例では、高分子材料に対するイオン液体の重量割合は、０．２ wt%以上、１．５ wt%以下であり、より好ましくは、０．３ wt%以上、１．０ wt%以下である。高分子材料の重量を１（または１００％）としたときに、この重量割合のイオン液体を混合することで、電気変位材料１１の駆動電圧を低減することができる。この根拠については後述する。

イオン性界面活性剤を用いる場合は、高分子材料に対するイオン性界面活性剤の重量割合は、０．１ wt％以上、１．５ wt％以下である。高分子材料の重量を１（または１００％）としたときに、この重量割合のイオン性界面活性剤を混合することで、電気変位材料１１の駆動電圧を低減することができる。

ポリマーゲルに適切な可塑剤を添加してもよいし、溶媒に溶解させてもよい。可塑剤を用いる場合は、アジピン酸ジブチル（ＤＢＡ：dibutyl adipate）、アジピン酸ジエチル（ＤＥＡ：diethyl adipate）、セバシン酸ジエチル（ＤＥＳ：diethyl sebacate）、フタル酸ジオクチル（ＤＯＰ：dioctyl phthalate）、フタル酸ジエチル（ＤＥＰ：diethyl phthalate）等を用いることができる。溶媒としては、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）等のエーテル系の溶媒を用いることができる。

電極１２と電極１３は、導電性を有する材料であれば、特に制限はない。電極１２と電極１３の少なくとも一方を金属で形成する場合は、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、インジウム（Ｉｎ）、パラジウム（Ｐｄ）、リチウム（Ｌｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、これらの合金などを用いることができる。電極１２と電極１３の少なくとも一方をＩＴＯ（Indium Tin Oxide：酸化インジウムスズ）等の透明な酸化物半導体材料で形成してもよいし、導電性ポリマー、導電性カーボン等を用いてもよい。

電気変位材料１１を用いた光学素子１０は、電極１２と電極１３の間に電気変位材料１１を挟み込んで電圧を印加することで駆動される。図１及び図２の例では、電極１２が陰極、電極１３は陽極となる。電極１３は、電圧の印加によって電気変位材料１１の一部が電極１３の表面１３ｓから突出することのできる構成となっており、図１及び図２の例では、電極１３にミクロンオーダーの開口１４が形成されている。

開口１４に替えて、電気変位材料１１の変位に追従して変形することのできる光透過性の非導電領域を電極１３に設けてもよい。また、電極１３を単層の導電層として構成する替わりに、樹脂等の絶縁シートの両面と開口内を導電膜でコーティングしたものを用いてもよい。

図１（Ａ）は、電圧が印加されていない状態を示す。電極１２と電極１３は、電気変位材料１１の層と面接触しており、電気変位材料１１は、表面がフラットな状態で開口１４の内部にある。このときの電気変位材料１１の表面位置は、高さ方向（積層方向）で電極１３の表面１３ｓよりも低い。

図１（Ｂ）、図２（Ａ）、及び図２（Ｂ）のように、電極１２と電極１３の間に電圧が印加されると、陰極である電極１２から電気変位材料１１に電子が注入される。一方、陽極となる電極１３の開口１４の側壁は、プラスに帯電する。電子を含む電気変位材料１１は電極１３の開口１４の端面に引き付けられる。

このとき、イオン液体中に所定の輸率を示すアニオン（負イオン）が存在することにより、電気変位材料１１は開口１４の端面に、より効率的に引き付けられる。同様に、イオン性界面活性剤中に所定の輸率を示すアニオン(負イオン)が存在することにより、電気変位材料１１は、開口１４の端面により効率的に引き付けられる。ゲルの弾性により、微細な開口１４から電気変位材料１１が隆起し、電極１３の表面１３ｓから突出して光散乱体１５を形成する。

電気変位材料１１の変形は、電圧応答特性に基づくものであるが、ゲルの弾性を利用している。電気変位材料１１は、電圧印加の下で、開口１４から隆起して、電極１３の表面１３ｓの位置を超える突起となる。電気変位材料１１の組成が均一であれば、同じレベルの電圧を印加することで、開口１４の中心に対してほぼ対称な突起状の光散乱体１５（光散乱体１５Ａ及び１５Ｂを含む）を形成することができる。

電気変位材料１１の変形は可逆的であり、電圧の印加を停止することで、図１（Ｂ）の初期状態に戻すことができる。また、印加する電圧のレベルに応じて、光散乱体１５の高さを調整することができる。

電極１３の開口１４の形状は、円、楕円、多角形等、目的に応じて決定することができる。開口１４の径は、光学素子１０の用途に応じて適宜設定することができ、たとえば、１ｍｍ未満、好ましくは５０〜３００μｍである。開口１４の径が１ｍｍ以上になると、電圧印加の下でゲルの弾性を利用して電気変位材料を開口１４から突出させることが困難になる。開口の径を５０〜３００μｍとすることで、印加電圧に対するポリマーゲルの変形効率を高めて、中心に対してほぼ対称に突出する光散乱体１５を形成することができる。

光学素子１０の作製手順は以下のとおりである。ゲル状の高分子材料と、所定の条件を満たすイオン液体、またはイオン性界面活性剤を混合して電気変位材料１１を用意する。高分子材料に適宜、可塑剤を組み合わせてもよい。この電気変位材料１１を電極１２の上に、キャスト法等によって塗布する。電気変位材料１１の層の上に、開口１４のパターンが形成された電極１３を配置する。電気変位材料１１が溶媒を含む場合は、塗布後、自然乾燥により溶媒を蒸発させた後に、電極１３を配置してもよい。電極１２と電極１３の間に所定の電圧を印加することで、電極１３の表面に光散乱体１５を形成する。

電気変位材料１１の厚さは、開口１４のサイズ、形成したい光散乱体１５の高さ、用いる電極１２，１３の厚さ等に応じて適宜決定されるが、一例として、１ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍである。電気変位材料１１の厚さが０．１ｍｍ以下のときは多少はハンドリングしにくくなるが、あくまでも電極１３の開口サイズとの兼ね合いがあるので、微細な多数のレンズを有するマイクロレンズアレイシートを作製する場合は、電気変位材料１１の厚さが０．１ｍｍ以下になる場合もあり得る。

（イオン液体の添加）
図３は、種々のイオン液体を添加したときの電気変位材料１１の電圧応答特性を示す。重量平均分子量が２３００００のＰＶＣをテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）の溶媒に溶解させたたポリマーゲルを準備し、種々のイオン液体を添加して複数種類のサンプルを作製する。各サンプルを図１のように一対の電極間に挟み込み、印加電圧を変えてピーク高さの電圧依存性を測定する。参照例として、イオン液体が添加されていないポリマーゲルを用いて、同じくピーク高さの電圧依存性を測定する。ここで、ピーク高さというときは、電極１３の表面１３ｓからの高さｈが最も高い部分の値をいう。

より具体的には、下部電極となる電極１２の上に、サンプルと参照例のポリマーゲルを厚さ３００μｍに塗布する。ポリマーゲルの上に、上部の電極１３として、直径１００μｍのホールが形成された厚さ２０μｍの金属薄膜を配置する。電極１２と電極１３の間に印加する電圧を０Ｖから４００Ｖの間で変化させて、電極１３から突出する光散乱体１５のピーク高さｈを測定する。

ラインＡは、イオン液体として１−エチル−３−メチルイミダゾリウム＝テトラフルオロボラート（ＥＭＩ-ＢＦ4）を添加したサンプルＡのピーク高さの電圧依存性を示す。ＰＶＣに対するＥＭＩ−ＢＦ4の重量割合は０．５ wt%である。ＥＭＩはカチオン、ＢＦ4はアニオンである。

ラインＢは、イオン液体として１−オクチル−３−メチルイミダゾリウム＝テトラフルオロボラート（ＯＭＩ-ＢＦ4）を添加したサンプルＢのピーク高さの電圧依存性を示す。ＰＶＣに対するＯＭＩ−ＢＦ4の重量割合は０．５ wt%である。ＯＭＩはカチオン、ＢＦ4はアニオンである。

ラインＣは、イオン液体として１−エチル−３−メチルイミダゾリウム＝ジシアナミド（ＥＭＩ-ＤＣＡ）を添加したサンプルＣのピーク高さの電圧依存性を示す。ＰＶＣに対するＥＭＩ−ＤＣＡの重量割合は、０．５ wt%である。ＥＭＩはカチオン、ＤＣＡ（Ｃ2Ｎ3）はアニオンである。

ラインＤは、イオン液体としてテトラブチルホスホニウム=テトラフルオロボラート（ＴＢＰ−ＢＦ4）を添加したサンプルＤのピーク高さの電圧依存性を示す。ＰＶＣに対するＴＢＰ−ＢＦ4の重量割合は、０．１ wt%である。ＴＢＰはカチオン、ＢＦ4はアニオンである。

ラインＥは、イオン液体としてテトラブチルホスホニウム=テトラフルオロボラート（ＴＢＰ−ＢＦ4）を添加したサンプルＥのピーク高さの電圧依存性を示す。イオン液体の種類はサンプルＤと同じであるが、ＰＶＣに対するＴＢＰ−ＢＦ4の重量割合は０．５ wt%である。ＴＢＰはカチオン、ＢＦ4はアニオンである。

ラインＦは、イオン液体として１−エチル−３−メチルイミダゾリウム＝トリフルオロメタンスルフォンイミド（ＥＭＩ−ＴＦＳＩ）を添加したサンプルＦのピーク高さの電圧依存性を示す。ＰＶＣに対するＥＭＩ−ＴＦＳＩの重量割合は０．５ wt%である。ＥＭＩはカチオン、ＴＦＳＩはアニオンである。

ラインＧは、イオン液体としてテトラブチルホスホニウム＝メタンスルホン酸（ＴＢＰ−ＭＥＳ）を添加したサンプルＧのピーク高さの電圧依存性を示す。ＰＶＣに対するＴＢＰ−ＭＥＳの重量割合は、０．５ wt%である。ＴＢＰはカチオン、ＭＥＳはアニオンである。

ラインＷは、参照例としてイオン液体が添加されていないサンプルＷのＰＶＣポリマーゲルのピーク高さの電圧依存性を示す。

図３の測定結果から、イオン液体を添加しない場合でも、誘電分極が生じるポリマーゲルを用いることで、電圧印加によりポリマーゲルが変形する。イオン液体を添加していないサンプルＷでは、一定電圧を超えると、印加電圧に対してほぼリニアに光散乱体１５の高さが増大している。しかし、サンプルＷを電極１３の表面１３ｓから２０μｍの高さに突出させるには、４００Ｖの電圧が必要である。

これに対し、イオン液体としてＥＭＩ−ＢＦ4を０．５ wt%添加したサンプルＡと、ＯＭＩ−ＢＦ4を０．５ wt%添加したサンプルＢは、１００Ｖ以下の電圧印加で、電気変位材料１１を２０μｍ以上の高さに駆動することができる。特に、サンプルＡは、５０Ｖの電圧印加で２０μｍの高さ、２００Ｖの電圧印加で、４０μｍ弱の高さに変位する。サンプルＢも、１００Ｖの電圧印加で２５μｍの高さ、２００Ｖの電圧印加で３０μｍの高さに変位する。

ＥＭＩ−ＤＣＡを０．５ wt%添加したサンプルＣは、イオン液体を添加しないサンプルＷと比較して、約半分の印加電圧（２１０〜２２０Ｖ）で同じ２０μｍのピーク高さを得ることができ、変形効率を大きく向上している。

ＴＢＰ−ＢＦ4を０．１ wt%添加したサンプルＤは、５０Ｖの電圧印加で電極１３の表面１３ｓから光散乱体１５を突出させることができるが、電圧を高くしても、ピーク高さは１０μｍ未満のままであり、５０Ｖから４００Ｖの範囲でピーク高さの変化が小さい。サンプルＤでは、電圧制御により光散乱体１５の高さを精度良く調整することが難しい。

ＴＢＰ−ＢＦ4を０．５ wt%添加したサンプルＥ、ＥＭＩ−ＴＦＳＩを０．５ wt%添加したサンプルＦ、及びＴＢＰ−ＭＥＳを０．５ wt%添加したサンプルＧは、４００Ｖの電圧を印加しても、電極１３の表面１３ｓから光散乱体１５を突出させることができない。

図３の測定結果から、イオン液体の種類（すなわち物性）と添加量の少なくとも一方が電気変位材料１１の駆動電圧の低減に関与していると考えられる。

＜ポリマーゲルの変位とイオン液体の物性の関係＞
図４は、ポリマーゲルの変位とイオン液体の物性の関係を示す図である。イオン液体として、図３のサンプルＡ〜Ｇに加えて、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム＝フルオロスルホニルイミド（ＥＭＩ−ＦＳＩ）を添加したサンプルＨの物性も併せて測定する。

各種のイオン液体を添加したサンプルＡ〜Ｈで、変位がプラスのものは、電圧の印加によりポリマーゲルが電極１３の表面１３ｓから突出して光散乱体１５が形成されたものを示す。変位がマイナスのものは、電圧を印加しても電極１３の表面１３ｓからポリマーゲルが突出しないものである。

各イオン液体の物性として、導電率、電位窓のサイズ、２５℃での負イオンの拡散係数と輸率を測定する。用いたイオン液体の中には、２５℃で固体のものもあるため、８０℃に加熱して溶融したものについては、８０℃での負イオンの拡散係数と輸率を測定する。

上述のパラメータのうち、まず導電率について検討する。サンプルＣは、サンプルＡ，Ｂと比較して導電率が２桁小さいが、サンプルＣを添加したポリマーゲルはプラスに変位している。これに対し、サンプルＨは、サンプルＣよりもはるかに導電率が大きいが、ポリマーゲルはプラスに変位していない。イオン液体の導電率は、ポリマーゲルの変形効率に直接関係しないと考えられる。

電位窓は、図１の系で電気化学的に安定性が保たれる電位領域のことである。電位窓が広いほど（数値が大きいほど）、系が電気化学的に安定する範囲が広い。サンプルＡとサンプルＦの電位窓は同じ広さであるにもかかわらず、サンプルＡのポリマーゲルはプラスに変位し、サンプルＦのポリマーゲルは、プラスの変位が得られていない。イオン液体の電位窓の広さも、ポリマーゲルの変形効率に直接関係しないと考えられる。

次に、２５℃でのアニオン（負イオン）の拡散係数と輸率について検討する。イオン液体に含まれる正負イオンの拡散係数は、測定機器として、固体ＮＭＲ（Varian社製のVNMR System）を用いて測定する。測定手順は、キャピラリーにイオン液体を注入し、装置にセットする。所定温度（この場合は２５℃と８０℃）で磁場の変化に対するシグナル強度を計測し、Stokes-Einsteinの式から正負イオンの拡散係数を算出する。

負イオンの輸率は、イオン液体に電流を流した際に、全電流に対するアニオンが担う電流の割合を表わす。負イオンの輸率は、上記で求めた負イオンの拡散係数と正イオンの拡散係数の総和に対する負イオンの拡散係数の比（Ｄanion／（Ｄcation＋Ｄanion））として計算される。

サンプルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｆ、Ｈに用いられたイオン液体は、２５℃で液体であり、パルス磁場勾配ＮＭＲ装置を用いた測定結果から、各イオン液体の負イオンの拡散係数と輸率を算出した。プラスの変位が得られたサンプルＡ、Ｂ，Ｃで、２５℃でのイオン液体の負イオンの輸率は、いずれも０．４以上である。これに対し、プラスの変位が得られないサンプルＦとＨで用いられたイオン液体の２５℃での負イオンの輸率は０．４よりも小さい。ここから、室温での負イオンの輸率がポリマーゲルの変形効率に影響していると考えられる。

なお、プラスの変位が得られたサンプルＤに添加されたイオン液体ＴＢＰ−ＢＦ4は、用いた液体クロマトグラフの加熱可能温度（８０℃）では溶融しないため、拡散係数を測定することができなかった。

プラスの変位が得られないサンプルＧに添加されたイオン液体ＴＢＰ−ＭＥＳも２５℃で固体であるため、拡散係数を測定することができない。このイオン液体を８０℃に加熱したところ、溶融したので負イオンの拡散係数と輸率を計算したところ、輸率は０．６であった。

図４の結果から、電気変位材料１１に添加されるイオン液体の特性として、２５℃での負イオンの輸率が０．４以上のものが望ましいとわかる。

図３及び図４から、イオン液体のアニオンのサイズ（分子量）が小さいほうが、ポリマーゲルの変形効率に寄与することが推定される。一方、イオン液体のカチオンのサイズは、変形効率にはそれほど寄与していないと考えられる。しかし、サンプルＤの変形効率が十分でないことから、カチオンの種類によっては、陰極の劣化に影響している可能性がある。これについては、図７を参照して後述する。

なお、サンプルＧで用いられたイオン液体のアニオンサイズもカチオンサイズも中程度であるが、イオン液体が２５℃で固体であるため、攪拌によってポリマーゲル中に分散されても、ゲルの変形効率にはそれほど寄与していないものと考えられる。

以上から、ＢＦ4―及びＤＣＡ以外にも、アニオンとしてイオンサイズが比較的小さいＣｌ−やＢｒ―を用いることができる。また、カチオンとして、陰極の劣化に影響しないものを選択することで、種々のイオン液体を用いることができる。たとえば、Ｌｉ−ＢＦ4―をイオン液体として用い得る。

＜イオン液体の添加量とポリマーゲルの変位の関係＞
図５は、イオン液体の添加量とポリマーゲルの変位の関係を示す図である。横軸は、ポリマーゲルの高分子材料に対するイオン液体の含有量（wt%）、縦軸が変位のピーク高さである。

高分子材料として、分子量が２３００００のＰＶＣを用い、イオン液体としてサンプルＡのＥＭＩ−ＢＦ4を用いる。ＥＭＩ−ＢＦ4の添加量を０ wt%から５．０ wt%の範囲で変化させる。また、印加電圧を０Ｖ、５０Ｖ、１００Ｖ、２００Ｖ、４００Ｖと変える。

印加する電圧のレベルに拠らず、イオン液体の添加量が、０．２ wt%〜１．５ wt%の範囲でプラスの変位が得られる。また、０．３ wt%〜１．０ wt%の範囲で、変位が最大になる。この範囲のイオン液体の添加により、１００Ｖ以下の電圧印加で、電極１３の表面に光散乱体１５を形成することができる。イオン液体の添加量が５．０ wt%のときは、電圧をオフにしても変形が戻らないメモリー現象が発生する。

図５から、高分子に対するイオン液体の重量比率は、０．２ wt%〜１．５ wt%が望ましく、より好ましくは、０．３ wt%〜１．０ wt%であることがわかる。これは、図３の結果とも一致する。

図６は、電気変位材料への電圧印加により形成される光散乱体の光拡散分布の評価結果を、イオン液体の添加量ごとに示す図である。イオン液体としてＥＭＩ−ＢＦ4を用い、ＥＭＩ−ＢＦ4の添加量を変えた電気変位材料１１で、図１の光学素子１０を作製する。電気変位材料１１は、高分子としてＰＶＣを含み、可塑剤としてアジピン酸ジブチル（ＤＢＡ）を含む。ＰＶＣとＤＢＡの総量に対するＤＢＡの含有割合は８３ wt%である。

陰極となる電極１２を、厚さ１５０μｍのＩＴＯで形成し、電極１２と電極１３の間に挟んだ電気変位材料１１に電圧を印加して光散乱体１５を形成する。ＩＴＯで形成される電極１２の側にレーザを配置し、光散乱体１５が形成される側にスクリーンを配置する。電極１２の裏面側から、赤色平行光のレーザ光を光学素子１０に入射して、スクリーンでの光拡散状態を観察する。

スクリーンは、光散乱体１５の光出射側で、光散乱体１５の焦点よりも遠い位置に配置されている。光散乱体１５の焦点で一度集光された後の光拡散を、スクリーン上で観察する。光学素子１０の光散乱体１５の径は１００μｍ、高さは０〜４０μｍ程度と小さく、その焦点位置は光学素子１０のきわめて近傍にあり、肉眼での観察が困難だからである。光散乱体１５の焦点を超えた位置での光拡散を観察することで、集光状態を評価することができる。

イオン液体が添加されていないサンプル（「w/o IL」と表記）では、２００Ｖの電圧を印加しても電極１３の表面から突出する光散乱体１５が形成されない。光学素子１０の裏面から入射された赤色平行光は、集光されずに平行光のまま光学素子１０を透過し、印加電圧のレベルにかかわらず、スクリーン上に同じサイズのスポットが形成されている。

ＥＭＩ−ＢＦ4が０．０５ wt%添加されたサンプルでは、１００Ｖの電圧印加により、電極１３の表面でポリマーゲルがわずかに膨らむが、集光機能が不十分であり、スクリーン位置でほぼ平行光のスポットが維持されている。２００Ｖの電圧印加で、ピーク高さが１０μｍ程度の（曲率の緩やかな）光散乱体１５が形成される。いったん光散乱体１５の焦点位置で集光された光は、拡散して広がり、スクリーン上にスポットは現れない。

ＥＭＩ−ＢＦ4が０．５ wt%添加されたサンプルでは、５０Ｖの電圧印加により、電極１３の表面に光散乱体１５が形成され、集光後に拡散し始めた光がスクリーン位置で観察される。１００Ｖの電圧と２００Ｖの電圧印加では、５０Ｖ印加時よりもピーク高さが大きい、すなわち曲率が急な光散乱体１５が電極１３の表面に形成される。光学素子の裏側から入射した光は、集光された後に大きく拡散し、スクリーン位置でスポットは観察されない。これらの評価結果は、図５の測定結果と一致する。

図６の光拡散分布から、印加電圧を調整することにより、光散乱体１５の焦点距離を可変にできることが確認される。実施形態の光学素子１０は、可変焦点レンズ、または可変形状レンズとして用いることができる。

＜イオン液体（カチオン）の陰極劣化への影響＞
図７は、イオン液体の陰極劣化への影響を示す図である。試験用のサンプルとして、金属基板上に、種々のイオン液体を添加したＰＶＣゲルを塗布し、ＰＶＣゲルの上に対向電極としてＩＴＯ電極を配置する。

塗布するＰＶＣゲルの種類は、サンプルＡ（０．５ wt%のＥＭＩ−ＢＦ4を含む）、サンプルＢ（０．５ wt%のＯＭＩ−ＢＦ4を含む）、サンプルＣ（０．５ wt%のＥＭＩ−ＤＣＡを含む）、サンプルＤ（０．１ wt%のＴＢＰ−ＢＦ4を含む）、サンプルＨ（０．５ wt%のＥＭＩ−ＦＳＩを含む）、及びサンプルＧ（０．５ wt%のＴＢＰ−ＭＥＳを含む）の６種類である。このうち、図３でプラスの変位が得られたのは、サンプルＡ〜Ｄである。サンプルＤは、イオン液体の重量割合を他のサンプルと同じ０．５wt%にした場合、変位が得られないので、添加量を０．１ wt%に減らしたサンプルである。

金属基板を正極、ＩＴＯを負極として、ＰＶＣゲルに印加する電圧レベルを変えながらＩＴＯ側から電極の表面状態を観察する。

変位効果がなかったサンプルＧは、５０Ｖという低い印加電圧でＩＴＯ（陰極）の劣化が観察される。また、サンプルＤでも電圧印加によるＩＴＯ電極の劣化が観察される。これは、カチオンがＩＴＯ電極の劣化に影響しているためと考えられる。これに対し、変位効果の高いサンプルＡ〜Ｃでは、印加電圧を上げてもＩＴＯ電極の劣化は観察されていない。

図３〜図７の考察から、２５℃で負イオンの輸率が０．４以上のイオン液体を添加することで、イオン液体を添加しないポリマーゲルと比較して、低い印加電圧で大きな変形を得ることができる。特に、サンプルＡとサンプルＢのように、アニオンサイズが小さいイオン液体を用いると、１００Ｖ以下の電圧範囲で、ピーク高さを大きく変えることができ、光散乱体１５の制御が容易である。すなわち、印加電圧のレベルに応じて、光散乱体１５を出現させ、その高さを調整することができる。これらのサンプルでは、光学素子１０の駆動時に、陰極に対する悪影響も少ない。

（イオン性界面活性剤の添加）
図８は、種々のイオン性界面活性剤を添加したときの電気変位材料１１の電圧応答特性を示す。重量平均分子量が２３００００のＰＶＣをテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）の溶媒に溶解させたたポリマーゲルを準備し、種々のイオン性界面活性剤を添加して複数種類のサンプルを作製する。各サンプルを図１のように一対の電極間に挟み込み、印加電圧を変えてピーク高さの電圧依存性を測定する。参照例として、イオン性界面活性剤が添加されていないポリマーゲルを用いて、同じくピーク高さの電圧依存性を測定する。ここで、ピーク高さというときは、電極１３の表面１３ｓからの高さｈが最も高い部分の値をいう。

より具体的には、下部電極となる電極１２の上に、サンプルと参照例のポリマーゲルを厚さ３００μｍに塗布する。ポリマーゲルの上に、上部の電極１３として、直径１００μｍのホールが形成された厚さ３０μｍの金属薄膜を配置する。電極１２と電極１３の間に印加する電圧を０Ｖから４００Ｖの間で変化させて、電極１３から突出する光散乱体１５のピーク高さｈを測定する。

ラインＫは、イオン性界面活性剤としてリン酸系の界面活性剤、具体的には、脂肪族リン酸エステルを添加したサンプルＫのピーク高さの電圧依存性を示す。ＰＶＣに対する脂肪族リン酸エステルの重量割合は１．０ wt%である。

ラインＬは、イオン性界面活性剤としてスルホン酸系の界面活性剤、具体的には、ラウリルスルホン酸ナトリウムを添加したサンプルＬのピーク高さの電圧依存性を示す。ＰＶＣに対するラウリルスルホン酸ナトリウムの重量割合は１．０ wt%である。

ラインＭは、イオン性界面活性剤としてカルボン酸系の界面活性剤、具体的には、ポリオキシエチレンラウリルエーテル酢酸ナトリウムを添加したサンプルＭのピーク高さの電圧依存性を示す。ＰＶＣに対するポリオキシエチレンラウリルエーテル酢酸ナトリウムの重量割合は１．０ wt%である。

ラインＮは、イオン性界面活性剤としてホウ酸系の界面活性剤、具体的には、テトラデシルボレート（ホウ酸エステル）を添加したサンプルＮのピーク高さの電圧依存性を示す。ＰＶＣに対するホウ酸エステルの重量割合は１．０ wt%である。

ラインＷ'は、参照例としてイオン性界面活性剤が添加されていないサンプルＷ'のＰＶＣポリマーゲルのピーク高さの電圧依存性を示す。

図８の測定結果から、イオン性界面活性剤を添加しない場合でも可塑剤もしくはポリマーが負電荷を帯び電圧印加によりポリマーゲルが変形する。イオン性界面活性剤を添加していないポリマーゲルのサンプルＷ'では、一定電圧を超えると、印加電圧に対してほぼリニアに光散乱体１５の高さが増大している。しかし、サンプルＷ'を電極１３の表面１３ｓから２０μｍの高さに突出させるには、４００Ｖの電圧が必要である。

これに対し、イオン性界面活性剤液体として脂肪族リン酸エステルを１．０ wt%添加したサンプルＫと、ラウリルスルホン酸ナトリウムを１．０ wt%添加したサンプルＬは、３００Ｖ以下の電圧印加で、電気変位材料１１を２０μｍ以上の高さに駆動することができる。特に、サンプルＫは、２５０Ｖの電圧印加で２０μｍの高さに変位する。サンプルＭとサンプルＮも、イオン性界面活性剤が添加されていないサンプルＷ'と比較して、同じ印加電圧での変形効率が高い。

なお、非イオン性の界面活性剤をポリマーゲルに添加したときは、イオン性界面活性剤を添加しないサンプルＷ'と同程度の電圧応答性しか示さない。

図９は、サンプルＫで用いたリン酸エステル（商品名：アデカコールＰＳ４４０Ｅ）の^１Ｈ−ＮＭＲ自己拡散係数の測定結果を示す。上述のように、負イオンの輸率は、負イオンの自己拡散係数Ｄanionと正イオンの自己拡散係数Ｄcationの総和に対する負イオンの自己拡散係数の比（Ｄanion／（Ｄcation＋Ｄanion））として計算される。

正イオンの自己拡散係数は３．２×１０^-12、負イオンの自己拡散係数は、１．０×１０^-12である。正イオンの自己拡散係数は、図１０の^１Ｈ−ＮＭＲスペクトルのピーク１から求められる。負イオンの自己拡散係数は、図１０の^１Ｈ−ＮＭＲスペクトルのピーク２〜７の平均である。

この値に基づいて計算される負イオンの輸率は、０．２３である。図８〜１０の結果から、イオン性界面活性剤の負イオンの輸率が２．０以上であるときに、ポリマーゲルは電極１３に形成された開口１４の側面に沿って効果的に変形すると考えられる。

＜マイクロレンズアレイへの適用例＞
図１１は、実施形態の電気変位材料１１を適用したマイクロレンズアレイ１００の模式図である。マイクロレンズアレイ１００は、電極１３の表面１３ｓに複数の光散乱体１５の配列を有する。

マイクロレンズアレイ１００は、一対の電極１２と電極１３の間に、電気変位材料１１が挟持された三層の積層構造を有する。電気変位材料１１は、上述したように、ゲル状の高分子材料（ポリマーゲル）に、所定のイオン液体、またはイオン性界面活性剤が添加されている。添加されるイオン液体は、２５℃で負イオンの輸率が０．４以上のものを用いる。イオン液体の添加量は、高分子材料の重量に対して、０．２ wt%〜１．５ wt%であることが望ましく、より好ましくは、０．３ wt%〜１．０ wt%である。イオン性界面活性剤を添加する場合は、２５℃で負イオンの輸率が０．２以上のものを用いる。イオン性界面活性剤の添加量は、高分子材料の重量に対して、０．１ wt%〜１．５ wt%であることが望ましい。

高分子材料として、ＰＶＣ、ＰＭＭＡ、ＰＵ、ＰＳｔ、ＰＶＡｃ、ＰＶＡ、ＰＣ、ＰＥＴ、ＰＡＮ、ＳＲ等のポリマーゲルを用いることができる。ポリマーゲルに、ＤＢＡ、ＤＥＡ、ＤＥＳ、ＤＯＰ、ＤＥＰ等の可塑剤を添加してもよい。

電極１２と電極１３の間に電圧を印加することで、陽極となる電極１３の表面１３ｓに光散乱体１５の配列を形成することができる。印加電圧は２００Ｖ以下であり、添加するイオン液体の種類によっては、１００Ｖ以下の電圧印加で２０μｍ以上の高さの光散乱体１５の配列を形成することができる。

一例として、光散乱体１５の径は１００μｍ、中心間のピッチは１５０μｍ、隣接する２つの光散乱体１５の間隔は５０μｍである。マイクロレンズアレイ１００は、フィルム状の電極１３に形成されたミクロンオーダーの開口とポリマーゲルの電圧変位特性を利用して形成されており、電極１３の表面１３ｓに、均一な凸形状の光散乱体１５が配列されている。

電極１２と電極１３の間に印加される電圧のレベルに応じて、光散乱体１５の配列を出現させ、及び／または光散乱体１５の高さを調整することができる。

マイクロレンズアレイにおいても、電極１３を単層の導電層で構成する替わりに、所定の開口が形成された樹脂等の絶縁シートの両面と開口内を導電膜でコーティングしたものを用いてもよい。あるいは、開口に替えて、電気変位材料１１の変位に追従して変形することのできる光透過性の非導電領域を電極１３に設けてもよい。

マイクロレンズアレイ１００の光散乱体１５の配列はマトリクス配列に限定されず、互い違いの配列にしてもよい。あるいは、電極１３の開口１４の形状を六角形にして細密配置にしてもよい。

以上、特定の実施例に基づいて本発明を説明してきたが、本発明は上述した実施例に限定されない。たとえば、図１の光学素子１０と、図１１のマイクロレンズアレイ１００は、両面に光散乱体１５を有する構成に拡張することが可能である。陰極である電極１２を共通電極として用い、電極１２の両面に電気変位材料１１を配置し、陽極となる２つの電極１３で挟むことで、電圧印加により、光学素子またはマイクロレンズアレイシートの両面に光散乱体１５を発生させることができる。中間に配置される電極１２を透明電極にすることで、両側が凸のレンズユニットを形成することができる。マイクロアレイ１００の光散乱体として、図２（Ａ）の形状の光散乱体１５Ａ、または図２（Ｂ）の形状の光散乱体１５Ｂを用いてもよい。

実施形態のマイクロレンズアレイ１００は、撮像装置や照明装置に適用可能である。マイクロレンズアレイ１００の光散乱体１５を、ＣＣＤ（charge coupled device）、ＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）センサなどの複数の撮像素子の配列に対応して配置することで、高解像、高精度の撮像装置を実現することができる。

マイクロレンズアレイ１００を照明装置に適用する場合は、ＬＥＤランプ等の光源の出力側の全面にマイクロレンズアレイ１００を配置することで、光拡散を制御して、輝度を高く保った状態で拡散光を平行光に変換することができる。さらに、微細な発光素子、または複数の発光素子の配列の出力面の近傍に実施形態の光学素子１０、またはマイクロレンズアレイ１００を配置することで、顕微鏡用、産業用等の照明装置に適用することもできる。

マイクロレンズアレイ１００は、１ｍｍ以下の薄型に形成され、陽極、陰極ともに透明化することができるので、超薄型カメラ、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）シート等への適用のほか、内視鏡システム等の医療の分野にも適用可能である。単一の光散乱体１５を有する光学素子１０も、医療、画像形成の分野で光拡散シート、レンズシート等に適用することができる。

実施形態の光学素子とマイクロレンズアレイは、複雑な機構を用いずに、低減された駆動電圧で、様々な配向分布をもつ光散乱体を発生させることができる。

１０ 光学素子
１１ 電気変位材料
１２ 電極（第１の電極）
１３ 電極（第２の電極）
１４ 開口
１５，１５Ａ、１５Ｂ 光散乱体
１００ マイクロレンズアレイ

Claims (9)

1. ゲル状の高分子材料と、
   ２５℃での負イオンの輸率が０．４以上であるイオン液体と、
   を含むことを特徴とする電気変位材料。
2. 前記高分子材料に対する前記イオン液体の重量比率は０．２wt%以上、１．５ wt%以下であることを特徴とする請求項１に記載の電気変位材料。
3. 前記イオン液体の融点は２５℃であることを特徴とする請求項１または２に記載の電気変位材料。
4. ゲル状の高分子材料と、
   ２５℃での負イオンの輸率が０．２以上であるイオン性界面活性剤と、
   を含むことを特徴とする電気変位材料。
5. 第１の電極と、
   第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極の間に配置される請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気変位材料と、
   を有し、前記第１の電極と前記第２の電極の間に電圧が印加されたきに、前記電気変位材料が前記第１の電極または前記第２の電極の表面に光散乱体を形成することを特徴とする光学素子。
6. 前記光散乱体が形成される電極は陽極であることを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
7. 前記第１の電極と前記第２の電極の少なくとも一方は、透明電極であることを特徴とする請求項５または６に記載の光学素子。
8. 第１の電極と、
   第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極の間に配置される請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気変位材料と、
   を有し、電圧印加の下で前記第１の電極と前記第２の電極のいずれか一方の電極表面に複数の光散乱体の配列を有することを特徴とするマイクロレンズアレイ。
9. ゲル状の高分子材料に、２５℃での負イオンの輸率が０．４以上であるイオン液体、または２５℃での負イオンの輸率が０．２以上のイオン性界面活性剤を添加して電気変位材料を準備し、
   第１の電極の上に前記電気変位材料を配置して電気変位層を形成し、
   前記電気変位層の上に第２の電極を配置し、
   前記第１の電極と前記第２の電極の間に電圧を印加して前記電気変位層を変形させて、前記第２の電極の表面に光散乱体を形成する、
   工程を含む光学素子の作製方法。