JP2022176429A - エレクトロクロミック素子、及び、眼鏡用レンズ - Google Patents
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Abstract
【課題】クラックが発生しない電極層を有するエレクトロクロミック素子、及び、それを用いた眼鏡用レンズを提供することを目的とする。【解決手段】本発明のエレクトロクロミック素子は、電極層と、エレクトロクロミック層と、を有するエレクトロクロミック素子であって、前記電極層は、アモルファスからなる透明電極層であることが好ましい。【選択図】図１
Description
本発明は、電気により発消色を可逆的に制御可能なエレクトロクロミック素子、及び、それを用いた眼鏡用レンズに関する。
電圧の印加により可逆的に酸化還元反応を起こして、可逆的に色を変化させるエレクトロクロミズム現象を利用したエレクトロクロミック素子は、例えば、眼鏡用レンズとして用いられる。エレクトロクロミック素子は、基板の表面に、電極層やエレクトロクロミック層を有する積層構造で形成される。
特許文献１に記載するように、電極層には、ＩＴＯ等からなる透明電極層が一般的に使用される。エレクトロクロミック（ＥＣ）素子を眼鏡レンズに組込む場合、所定の度数を付与した処方レンズを作製するためには、凸面と凹面が概略球面を成すように素子の形状を整える必要がある。最初から球面形状の素子を作製するのは困難であるため、通常は平面状のＥＣ素子を作製した後に、球面形状に加工する。
しかしながら、球面加工の際、ＩＴＯからなる透明電極にクラックが発生する問題が生じた。クラックは、素子の機能を阻害するか、長期信頼性を低下させる要因となる。
本発明は、以上の課題を解決するためのものであり、クラックの発生を抑制可能な電極層を有するエレクトロクロミック素子、及び、それを用いた眼鏡用レンズを提供することを目的とする。
本発明におけるエレクトロクロミック素子は電極層と、エレクトロクロミック層と、を有するエレクトロクロミック素子であって、前記電極層は、アモルファスからなる透明電極層であることを特徴とする。
本発明では、前記電極層は、ＩＺＯを含む透明電極層であることが好ましい。
本発明では、前記電極層は、導電性高分子材料を含む透明電極層であることが好ましい。
本発明におけるエレクトロクロミック素子は、電極層と、エレクトロクロミック層と、を有するエレクトロクロミック素子であって、前記電極層は、導電性繊維を含むことを特徴とする。
本発明では、前記導電性繊維は、カーボンナノチューブ、或いは金属ナノワイヤであることが好ましい。
本発明では、前記電極層は、透明電極層に前記導電性繊維を含む構成にできる。
本発明では、前記エレクトロクロミック素子を、曲面形状で形成できる。
本発明における眼鏡用レンズは、上記のいずれかに記載のエレクトロクロミック素子を有することを特徴とする。
本発明のエレクトロクロミック素子、及びそれを用いた眼鏡用レンズによれば、電極層の材質を改良したことで、クラックの発生を抑制できる。
以下、本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施の形態」という。）について詳細に説明する。まずは、エレクトロクロミック素子１０の全体構造について説明する。
＜エレクトロクロミック素子の全体構造＞
エレクトロクロミック（ＥＣ）素子は、両極に電圧を印加することにより可逆的に酸化還元反応を起こして、可逆的に色を変化させるエレクトロクロミズム現象を利用した素子である。例えば、エレクトロクロミック素子は、眼鏡用レンズとして用いることができ、明るい場所では、サングラスとして、暗い場所では、クリアレンズとして機能させることができる。スイッチ操作や、自動で、最適な明るさに調整することを可能とする。
エレクトロクロミック（ＥＣ）素子は、両極に電圧を印加することにより可逆的に酸化還元反応を起こして、可逆的に色を変化させるエレクトロクロミズム現象を利用した素子である。例えば、エレクトロクロミック素子は、眼鏡用レンズとして用いることができ、明るい場所では、サングラスとして、暗い場所では、クリアレンズとして機能させることができる。スイッチ操作や、自動で、最適な明るさに調整することを可能とする。
図１は、エレクトロクロミック素子１０の断面模式図である。エレクトロクロミック素子１０は、一対の第１の基板１及び第２の基板２と、各基板１、２の内側に配置された第１の電極層４及び第２の電極層５と、各電極層４、５の間に設けられたエレクトロクロミック層６と、を有する。更に、エレクトロクロミック層６は、第１の電極層４側に配置された還元層７と、第２の電極層５側に配置された酸化層８と、還元層７と酸化層８の間に設けられた電解質層９と、を有して構成される。
図１に示すように、第１の基板１及び第２の基板２の両端部は、エレクトロクロミック層６よりも外側に延出しており、各基板１、２の間であって、エレクトロクロミック層６の周囲にシール層１４が設けられている。シール層１４は、既存の絶縁樹脂材であり、シール層１４により、基板１、２の間が接着される。
エレクトロクロミック素子１０は、フィルム状であり、例えば、図示しないレンズ基材の表面に、図１のエレクトロクロミックフィルムが接着された眼鏡用レンズを構成できる。或いは、第１の基板１及び第２の基板２をレンズ基材として、図１に示すエレクトロクロミック素子１０にて眼鏡用レンズを構成することもできる。
エレクトロクロミック素子１０を構成する基板１、２は、例えば、フィルム或いはシート状であり、透明であること、透過率が高いことが求められる。基板１、２は、例えば、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の成形可能な樹脂基板やガラス基板などである。基板１、２は、ポリカーボネート樹脂で形成されることが、透明性且つ高透過率を得ることができ且つ、製造コストの面で有利である。
エレクトロクロミック層６を構成する還元層７は、還元反応に伴って発色する層である。還元層７には、既存の還元型エレクトロクロミック化合物を用いることができる。有機物、無機物の別を問わず、限定されるものではないが、例えば、アゾベンゼン系、アントラキノン系、ジアリールエテン系、ジヒドロプレン系、ジピリジン系、スチリル系、スチリルスピロピラン系、スピロオキサジン系、スピロチオピラン系、チオインジゴ系、テトラチアフルバレン系、テレフタル酸系、トリフェニルメタン系、トリフェニルアミン系、ナフトピラン系、ビオロゲン系、ピラゾリン系、フェナジン系、フェニレンジアミン系、フェノキサジン系、フェノチアジン系、フタロシアニン系、フルオラン系、フルギド系、ベンゾピラン系、メタロセン系、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化イリジウム、酸化チタンなどが挙げられる。
エレクトロクロミック層６を構成する酸化層８は、酸化反応に伴って発色する層である。酸化層８には、既存の酸化型エレクトロクロミック化合物を用いることができる。有機物、無機物の別を問わず、限定されるものではないが、例えば、トリアリールアミンを有するラジカル重合性化合物を含む組成物、プルシアンブルー型錯体、酸化ニッケル、酸化イリジウムなどから選択することができる。
エレクトロクロミック層６を構成する電解質層９は、電子的な絶縁性とイオン導電性を備えており、また、透明であることが好ましい。電解質層９は固体電解質や、ゲル状、液体状などであってもよい。高いイオン導電性を維持するためにはゲル状であることが好ましい。限定するものではないが、例えば、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩等の無機イオン塩、４級アンモニウム塩や酸類等の既存の電解質材料を用いることができる。
図２は、球面形状に成型されたエレクトロクロミック素子の断面模式図である。本実施の形態のエレクトロクロミック素子１０は、例えば、眼鏡レンズに適用することができる。このとき、エレクトロクロミック素子を球面形状の素子に加工しなければいけないが、最初から球面形状の素子を作製するのは困難であるため、一般的には、図１に示す平面状のエレクトロクロミック素子１０を作製した後に、加熱しながら所定の金型に押しつける等の処理を行って、エレクトロクロミック素子１０を球面形状に成型するなどの方法がとられる。
＜エレクトロクロミック素子における従来の課題について＞
ところで、エレクトロクロミック素子１０の電極層４、５には、透明性や導電性等の観点から、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ；Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）が一般的に使用される。
ところで、エレクトロクロミック素子１０の電極層４、５には、透明性や導電性等の観点から、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ；Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）が一般的に使用される。
従来より、一般的に適用されるＩＴＯ膜は、結晶性であるがゆえ、エレクトロクロミック素子１０を三次元曲面に加工した際にクラックが生じやすい。
エレクトロクロミック素子１０は、上記したように、例えば、眼鏡レンズに適用でき、エレクトロクロミック素子１０は三次元曲面に折り曲げられるが、このとき、エレクトロクロミック素子１０の略全面に形成されたＩＴＯ膜にクラックが生じることがあった。すなわち、図３に示すように、電極層４、５がＩＴＯからなるエレクトロクロミック素子を眼鏡１００のレンズ１０１に適用したとき、レンズ１０１の内面にクラック１０２による損傷が発現する場合があった。クラック１０２は目視可能な大きなものから、顕微鏡で観察しないと分からない微小なマイクロクラックまで様々な症状があるが、いずれも素子の機能を阻害するか、長期信頼性を低下させる要因となった。
＜第１の実施の形態の電極層について＞
本実施の形態の電極層について説明する。まず、図１に示すように、各電極層４、５は、夫々、各基板１、２に接しており、或いは反射抑制層などの機能層を介して基板表面に配置される。
本実施の形態の電極層について説明する。まず、図１に示すように、各電極層４、５は、夫々、各基板１、２に接しており、或いは反射抑制層などの機能層を介して基板表面に配置される。
電極層４、５に求められる特性としては、透明であること、透過率が高いこと、及び伝導性に優れていることを挙げることができる。上記のように、ＩＴＯ膜では、クラックが生じることがあるため、ＩＴＯに代えて、平面形状から球状形状にフォーミングしてもクラックが生じない電極材料を使用することが望ましい。
そこで、本発明者らは、鋭意研究した結果、電極層４、５の材料として、導電性のアモルファス（非晶質）材料を用い、電極層４、５を、アモルファスからなる透明電極層で形成するに至った。
導電性のアモルファス材料は、無機材料及び有機材料のどちらであってもよく、或いはハイブリッド材であってもよい。無機材料としては、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛；Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）が好ましく適用できる。また、有機材料としては、材質を限定するものではないが、ポリ（３,４－エチレンジオキシチオフェン）／ポリスチレンスルホン酸（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）系、ポリアセチレン系、ポリピロール系、ポリアニリン系、ポリチオフェン系、ポリ（ｐ－フェニレン）系、ポリフルオレン系、ポリ（ｐ－フェニレンビニレン）系、ポリチエニレンビニレン系、ポリアセン系、グラフェン系の導電性高分子材料などを用いるのが好ましい。上記の電極材料は、ある程度の柔軟性を有し、ランダムな積層分布とすることも可能であり、局所的な断線に対して冗長性を持たせることが可能となる。従って、これら材料を、エレクトロクロミック素子１０の各電極層４、５に用いることで、エレクトロクロミック素子１０を三次元曲面にフォーミングした際に、各電極層４、５にクラックを抑制することができる。
第１の実施の形態において、第１の電極層４及び第２の電極層５は、特に、ＩＺＯを用いるのが好ましい。ＩＺＯは、透明電極膜用材料として、常温成膜での低抵抗性、高透過率性、アモルファス安定で優れた表面平滑性、耐折り曲げ性、優れたエッチング特性を有している。また、ＩＺＯは、ノジュールの発生が少なくアーキングが極めて生じにくいため、パーティクルを抑制することができる。以下、ＩＺＯを用いた電極について、従来のＩＴＯを用いた電極と比較し、透明電極としての基本特性に優れていることを説明する。
［ＩＴＯとＩＺＯとの特性比較］
ＩＺＯは、ＩＴＯと比較し、高い導電特性を有している。例えば、ＩＴＯ及びＩＺＯのアニーリング温度（℃）に対して、比抵抗（ｍΩ・ｃｍ）を比較した場合で説明する。この場合、比抵抗において、ＩＺＯは、アニーリング温度が約０～２００℃の範囲において、ＩＴＯと比較して低い比抵抗を維持することができる。具体的には、ＩＺＯの比抵抗は、０．５（ｍΩ・ｃｍ）以下であり、好ましくは、０．４（ｍΩ・ｃｍ）以下である。このように、ＩＺＯは、室温成膜時または低温アニーリング時において、ＩＴＯと比較して比抵抗が低く、優れた導電特性を有している。
ＩＺＯは、ＩＴＯと比較し、高い導電特性を有している。例えば、ＩＴＯ及びＩＺＯのアニーリング温度（℃）に対して、比抵抗（ｍΩ・ｃｍ）を比較した場合で説明する。この場合、比抵抗において、ＩＺＯは、アニーリング温度が約０～２００℃の範囲において、ＩＴＯと比較して低い比抵抗を維持することができる。具体的には、ＩＺＯの比抵抗は、０．５（ｍΩ・ｃｍ）以下であり、好ましくは、０．４（ｍΩ・ｃｍ）以下である。このように、ＩＺＯは、室温成膜時または低温アニーリング時において、ＩＴＯと比較して比抵抗が低く、優れた導電特性を有している。
ＩＺＯは、ＩＴＯと比較し、優れた光学特性を有している。例えば、波長４００ｎｍ～７８０ｎｍの範囲の可視光域において、ＩＺＯの透過率はＩＴＯよりも高いことがわかっている。具体的には、ＩＺＯの透過率は、アニール温度が０℃～１８０℃の範囲で、約８０％以上であり、好ましくは、８３％以上であり、より好ましくは８５％以上であり、更に好ましくは８７％以上であり、最も好ましくは９０％以上である。このように、ＩＺＯは、室温成膜時または低温アニーリング時において、ＩＴＯと比較して高い透過性を有している。
ＩＺＯは、ＩＴＯと比較し、優れた耐折り曲げ特性を有している。例えば、ＩＺＯフィルム及びＩＴＯフィルム（基材は透明ポリイミド）を、傾き角度が変化可能な台上に設置し、各フィルムの両端が近づく方向に台の傾き角度（１０～９０度）を変化させながら、各フィルムを折り曲げる。ＩＺＯは、ＩＴＯよりも、曲げ回数に対する抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ０）は低く、優れた耐折り曲げ特性を有することがわかっている。すなわち、ＩＴＯは、ＩＺＯよりも折り曲げによりクラックが生じやすいことがわかっている。抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ０）は、曲げ回数がゼロのときの抵抗値Ｒ０に対する抵抗変化量ΔＲの率で示すことができる。ＩＺＯ（アニールなし）の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ０）は、折り曲げ回数が３００００回以内において、０．０３％以下であり、好ましくは、０．０２％以下であり、より好ましくは０．０１％以下である。このように、ＩＺＯは、ＩＴＯと比較して高い耐折り曲げ特性を有している。
以上のことから、ＩＺＯは、ＩＴＯと比べて、低抵抗で優れた導電特性と高い透過率を有している。さらに、優れた耐折り曲げ特性を有しており、アモルファス安定性も良く、ＩＴＯと比較してクラックが発生しにくい。従って、ＩＺＯを、エレクトロクロミック素子１０の各電極層４、５として用いると、エレクトロクロミック素子１０を図１の平面構造から図２の球面構造に成形する際のクラックが抑制されて不良が生じにくい。
＜第２の実施の形態の電極層について＞
第２の実施の形態において、一対の第１の電極層４及び第２の電極層５は、多数の導電性繊維からなる。すなわち、第２の実施の形態における透明電極層は、導電性繊維の単層構造で形成される。導電性繊維は、限定しないが、サブミクロン程度の繊維（チューブまたはワイヤ）であり、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ)、あるいは金属ナノワイヤ材料を用いることが好ましい。金属ナノワイヤ材料は、限定しないが、銀（Ａｇ）ナノワイヤを用いることが好ましい。また、これら材料を複合して用いることが好ましく、特にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ)と銀（Ａｇ）ナノワイヤを複合して用いることが好ましい。これら材料を電極層に用いることで、局所的な断線に対して冗長性を持たせることができ、素子の全面で均一な給電が保たれる。
第２の実施の形態において、一対の第１の電極層４及び第２の電極層５は、多数の導電性繊維からなる。すなわち、第２の実施の形態における透明電極層は、導電性繊維の単層構造で形成される。導電性繊維は、限定しないが、サブミクロン程度の繊維（チューブまたはワイヤ）であり、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ)、あるいは金属ナノワイヤ材料を用いることが好ましい。金属ナノワイヤ材料は、限定しないが、銀（Ａｇ）ナノワイヤを用いることが好ましい。また、これら材料を複合して用いることが好ましく、特にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ)と銀（Ａｇ）ナノワイヤを複合して用いることが好ましい。これら材料を電極層に用いることで、局所的な断線に対して冗長性を持たせることができ、素子の全面で均一な給電が保たれる。
本実施の形態では、導電性繊維を網目状のマトリクスで形成することで、電極層４、５の透明性を確保することができるととともに、導電経路の安定性を確保できる。
＜第３の実施の形態の電極層について＞
第３の実施の形態の電極層は、第２の実施の形態とは異なって、透明電極層に、導電性繊維を含む構成である。例えば、図４Ａ及び図４Ｂで示すように、電極層４、５は、基板１、２の表面（内面）に形成された透明電極層１５の表面に、多数の導電性繊維１３を積層した構成である。図４Ｂで示すように、導電性繊維１３が、透明電極層１５の表面において、全面に均一に網の目状のマトリクスを形成している。なお、導電性繊維１３は、透明電極層１５内に混在していてもよい。
第３の実施の形態の電極層は、第２の実施の形態とは異なって、透明電極層に、導電性繊維を含む構成である。例えば、図４Ａ及び図４Ｂで示すように、電極層４、５は、基板１、２の表面（内面）に形成された透明電極層１５の表面に、多数の導電性繊維１３を積層した構成である。図４Ｂで示すように、導電性繊維１３が、透明電極層１５の表面において、全面に均一に網の目状のマトリクスを形成している。なお、導電性繊維１３は、透明電極層１５内に混在していてもよい。
ここで、図４Ａ及び図４Ｂに示す透明電極層１５は、ＩＴＯであってもよく、或いは、第１の実施の形態における導電性のアモルファス材料からなる透明電極層であってもよい。例えば、第３の実施の形態において、透明電極層１５はＩＴＯであり、導電性繊維１３は、特にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ)と銀（Ａｇ）ナノワイヤを複合して用いることが好ましい。
図４Ａ及び図４Ｂに示す電極構造とすることで、電極層４及び５に断線が発生しても、例えば、透明電極層１５がＩＴＯであり、ＩＴＯ膜にクラックが生じても導電性繊維よる冗長性が発現し、その部分を導通させることにより素子の全面で均一な給電が保たれる。
なお、第３の実施の形態における導電性繊維１３を、図１、図２に示す第１の電極層４と還元層７との間の第１の界面１１、及び、第２の電極層５と酸化層８との間の第２の界面１２に介在させることが可能である。これにより、各電極層４、５とエレクトロクロミック層６とが接するため、安定したエレクトロクロミック現象を得ることができ、優れた応答性を維持することができる。
＜用途＞
本実施の形態のエレクトロクロミック素子の用途を限定するものではないが、調光眼鏡レンズに好ましく適用することができる。眼鏡用レンズでは、図２に示す三次元曲面に加工したエレクトロクロミック素子１０を用いる。エレクトロクロミック素子１０は例えば、エレクトロクロミックフィルムであり、第２の基板２側にレンズ基材がモールドされた眼鏡レンズを用いることができる。
本実施の形態のエレクトロクロミック素子の用途を限定するものではないが、調光眼鏡レンズに好ましく適用することができる。眼鏡用レンズでは、図２に示す三次元曲面に加工したエレクトロクロミック素子１０を用いる。エレクトロクロミック素子１０は例えば、エレクトロクロミックフィルムであり、第２の基板２側にレンズ基材がモールドされた眼鏡レンズを用いることができる。
図５は、本発明の実施形態におけるエレクトロクロミック素子を用いた眼鏡２００の斜視図である。本発明の実施形態における、エレクトロクロミック素子を３次元的に球面または曲面形状にフォーミングし、眼鏡用レンズ２０１として用いることで、クラックが発生しない眼鏡２００を製造することができる。
本実施の形態のエレクトロクロミック素子を眼鏡用レンズ以外に適用してもよい。例えば、エレクトロクロミック調光装置や、防眩ミラーなどである。
本発明のエレクトロクロミック素子、及びそれを用いた眼鏡用レンズによれば、局所的な断線に対して冗長性を持たせることが可能となり、クラックの発生を抑制し、ＥＣ素子の全面で均一な給電が保つことができる。
１ 第１の基板
２ 第２の基板
３ エレクトロクロミックフィルム
４ 第１の電極層
５ 第２の電極層
６ エレクトロクロミック層
７ 還元層
８ 酸化層
９ 電解質層
１０ エレクトロクロミック素子
１１ 第１の界面
１２ 第２の界面
１３ 導電性繊維
１４ シール層
１５ 透明電極層
１００、２００ 眼鏡
１０１、２０１ レンズ
１０２ クラック
２ 第２の基板
３ エレクトロクロミックフィルム
４ 第１の電極層
５ 第２の電極層
６ エレクトロクロミック層
７ 還元層
８ 酸化層
９ 電解質層
１０ エレクトロクロミック素子
１１ 第１の界面
１２ 第２の界面
１３ 導電性繊維
１４ シール層
１５ 透明電極層
１００、２００ 眼鏡
１０１、２０１ レンズ
１０２ クラック
Claims (8)
- 電極層と、エレクトロクロミック層と、を有するエレクトロクロミック素子であって、
前記電極層は、アモルファスからなる透明電極層であることを特徴とするエレクトロクロミック素子。 - 前記電極層は、ＩＺＯを含む透明電極層であることを特徴とする請求項１に記載のエレクトロクロミック素子。
- 前記電極層は、導電性高分子材料を含む透明電極層であることを特徴とする請求項１に記載のエレクトロクロミック素子。
- 電極層と、エレクトロクロミック層と、を有するエレクトロクロミック素子であって、
前記電極層は、導電性繊維を含むことを特徴とするエレクトロクロミック素子。 - 前記導電性繊維は、カーボンナノチューブ、或いは金属ナノワイヤであることを特徴とする請求項４に記載のエレクトロクロミック素子。
- 前記電極層は、透明電極層に前記導電性繊維を含むことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のエレクトロクロミック素子。
- 前記エレクトロクロミック素子は、曲面形状で形成されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のエレクトロクロミック素子。
- 請求項７に記載のエレクトロクロミック素子を有することを特徴とする眼鏡用レンズ。
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