JP4572426B2 - OPTICAL DEVICE, ITS DRIVING METHOD, AND IMAGING DEVICE - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する分野】
本発明は、光学装置及びその駆動方法並びに撮像装置に関し、例えば数字表示、文字表示又はX−Yマトリックス表示などを行なうための表示装置とか、あるいは可視光域(波長:400〜700nm)において光透過率又は光反射率を制御できる光学フィルタ等に好ましく適用される、光学装置及びその駆動方法並びに撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、ECD(エレクトロクロミック表示素子)は、電圧駆動型の例えばデジタル時計などの表示装置に適用されている。
【0003】
このECDは非発光型の表示素子であり、電気化学的調光素子として反射光や透過光による表示を行なうので、長時間観察しても目の疲労感が少ない等の利点を有する。
【0004】
そのEC材料としては、たとえば特開昭59−24879号公報に開示されているように、有機分子系のピオロゲン分子誘導体が知られており、これを用いたECDは液体型ECDとして可逆的に着色/消色状態をつくりだすことができる。
【0005】
しかしながら、このようなビオロゲン分子誘導体などのEC材料を用いたECDは、応答速度や遮蔽度の点で不十分であった。しかも、光量調節デバイスとしては、可視光領域において光透過率を制御できることが要求されるのに、上記のようなEC材料では充分な特性は得られなかった。
【0006】
このような事情から、本発明者らは先にECDに替わり得る光学装置(電気化学的調光素子)として、金属塩の析出/溶解現象を利用した調光素子に着目し、銀の析出/溶解を用いた電気光学装置の検討を行なった。その結果、応答速度や遮蔽度において、EC材料より優れた特性を有する光学装置を得ることができた。
【0007】
この光学装置に用いる電解液は、可視光域において吸収を持たない銀(錯)塩溶液である。そして、この銀塩溶液は電圧の駆動制御により銀の析出/溶解が可能な可逆的めっき浴、すなわちRED(Reversible Electro-Deposition)の材料を用いており、透明電極に銀を付着させて着色(たとえば反射光による)し、この付着膜は可視光域においてほぼ均等な光遮蔽を行なうことができる。しかも、非シアン系の銀塩溶液なので、従来のシアン系めっきに見られる作業環境の安全性や廃液処理に関する問題は生じない。
【0008】
このように、銀塩から銀を透明電極上に析出/溶解させる可逆的な系を用いることにより、すなわち、可逆的なめっき材料であるRED(Reversible Electro-Deposition)材料を用いることによって、低消費電力で非発光型の、可視光域に好適な光学フィルタなどの光学装置を提供することができる。
【0009】
以下、この種の光学装置のセル構造を図面に基づいて説明する。
【0010】
まず、図11及び図12に示す光学装置では、一対の透明ガラス基板24、25が一定間隔を置いて表示窓として配置されている。図11(A)に示すように、各基板24、25の内面にはITO(Indium tin oxide :酸化インジウムに錫をドープして得られたもの)からなる作用電極22、23が対向して設けられ、この作用電極22、23間に銀塩溶液21が配されている。そして、基板24と25との間の全周にスペーサーを兼ねて銀板からなる対極26が設けられている。
【0011】
銀塩溶液21は、例えば臭化銀をジメチルスルホキシド(DMSO)に溶解させたものである。
【0012】
このような構成において、対極26を陽極、作用電極22、23を陰極として、それらの間に所定時間だけ直流の駆動電圧を印加すると、
Ag+ +e- →Ag
なる酸化還元反応が陰極側の銀塩に生じて、このAg析出物により作用電極22と23がそれまでの透明から着色状態に移行する。図11(B)は、この時の作用を示す原理図である。
【0013】
このように、作用電極22、23上にAgを析出させると、表示窓からそのAg析出物による特定の色(例えば、反射光)を観察することができる。この着色によるフィルター作用、即ち可視光の透過率(又は着色の濃淡)は、電圧の大きさ又はその印加時間とともに変化する。従って、それらを制御することによって、このセルを透過率可変表示素子又は光学フィルターとして機能させることができる。
【0014】
一方、この着色状態にある時、対極26と作用電極22、23との間に上記とは逆の方向に直流電圧を印加すると、Agが析出している作用電極22、23が今度は陽極側となり、そこで
Ag→Ag+ +e-
なる反応が起こって、作用電極22、23上に析出していたAgが銀塩溶液21中に溶解する。これにより、着色状態だった作用電極22、23がもとの透明状態に復帰する。
【0015】
次に、図13及び図14は別の例の光学装置を示すものである。
【0016】
この例では、図13の断面図に示すように、セルを構成する一対の透明ガラス基板4、5が一定の間隔を置いて配置され、各基板4、5の内面に、各一対のITOからなる作用電極2a、2b、2c、2d、2e及び3a、3b、3c、3d、3eが夫々互いに対向して設けられている。これらの作用電極2a〜2e及び3a〜3eの外周部には、銀板からなる対極7a、7bが設けられ、基板4と5はスペーサー6により所定間隔に保持され、その間に銀塩溶液1が封入されている。
【0017】
図14の平面図に示すように、作用電極2a〜2e及び3a〜3e及び対極7a、7bは同心円状のパターンに形成されている。各電極2aと3a、2bと3b、2cと3c、2dと3d、2eと3e、7aと7bは、夫々、駆動電源8a、8b、8c、8d、8e、8fに、クロム細線等からなる配線9a、9b、9c、9d、9e、9fを介して接続されている。
【0018】
このような構成では、互いに対向する作用電極2aと3a、2bと3b、2cと3c、2dと3d、2eと3eに所定の電位(V1、V2、V3、V4、V5とする。V6は対極7a、7bにおける基準電位。)を与えることによって、陰極である各電極上に銀塩溶液1から銀を析出させ、着色することができる。この着色によるフィルター作用、即ち可視光の透過率(又は着色の濃淡)は、電圧の大きさ又はその印加時間とともに変化する。
【0019】
そこで、V1=V2=V3=V4=V5とすれば、セルを全域に亘って一様に着色させることができ、且つ、電圧又はその印加時間に応じて濃度の程度を一様に変化させることができる。また、例えば|V1|>|V2|>|V3|>|V4|>|V5|とすれば、中心部から周辺へ行くに従い着色濃度が小さくなる(換言すれば、透過率が大きくなる。)。逆に|V1|<|V2|<|V3|<|V4|<|V5|とすれば、中心部から周辺へ行くにしたがい透過率が小さくなる。このような構成は、テレビカメラ等のCCD(電荷結合素子)用の光学絞りとして有用であり、CCDの集積度の向上に充分に対応できる。
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したようなこれまでの電気化学的光学装置は、作用電極の表面に銀などの金属を析出(電析)させた後、外部回路を短絡してそのまま放置しておくと、電析させた金属が電解液中に再び溶解して析出膜が薄くなるため、透過率が上昇してしまう現象が起こっていた。また金属を析出(電析)させた後、外部回路を開放して放置しておいても、溶解の速度は若干遅くなるものの、やはり同様に電析させた金属が電解液中に再溶解して、透過率が徐々に上昇することが起こっていた。このような現象が生じると、たとえばCCDカメラでは安定した調光ができず、画像がぼやけるなどの不具合が生じる。
【0021】
一方、CCD(Charge coupled device)カメラの光量調整には、これまで機械的な光量絞りが用いられてきた。しかしながら、CCDカメラの小型化が進むに従い、前記の機械的な光量絞りでは、絞り領域が小さくなるにつれて、反対にそれを駆動させる周囲の機械構成が大がかりとなり、システム全体としての小型化には限界があった。また、CCDの小型化が進むにつれ、前記の機械的な光量絞りでは光の回折の影響で像がぼやけるなど、種々の問題が生じてきた。
【0022】
本発明は上記事情を改善するためになされたもので、その目的は金属等の物質の析出/溶解現象を調光に利用した電気化学的光学装置において、金属等の物質を電析した後、その電析物質が電解液中へ再び溶解することから生じる透過率の上昇(又は反射率の減少)を効果的に抑制し、前記画像のぼやけ等の不具合が起こらないように改良した光学装置及びその駆動方法、並びに上記光学装置を光量調節に適用することによって、システムの小型化、像のぼやけ防止などを実現した撮像装置を提供することにある。
【0023】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の光学装置は、作用電極と、対極と、これらの電極間に配された電解液とからなり、電気化学的に調光を行なう光学装置において、前記作用電極に所定の物質を電析させた後にこの電析物質の溶解分を補充するための通電手段を設けたことを特徴とする。
【0024】
また、本発明の駆動方法は、作用電極と、対極と、これらの電極間に配された電解液とからなり、電気化学的に調光を行なう光学装置の駆動方法において、前記作用電極に所定の物質を電析させた後にこの電析物質の溶解分を補充するための通電を行うことを特徴とする。
【0025】
また本発明の撮像装置は、上記光学装置が、光路中に光量調節用として設けられていることを特徴とする。
【0026】
本発明の光学装置及びその駆動方法によれば、電気化学的に調光を行なう前記光学装置において、その作用電極に所定の物質、たとえば銀などの金属を電析させた後に、この電析物質の溶解分を補充するための通電を行うので、溶解による電析膜の薄膜化は効果的に抑制され、光透過率等の光学物性の変化を抑制し、その結果、CCDカメラ等にあっては十分な遮光を実現することができる。
【0027】
また、本発明の撮像装置によれば、それに取付けた前記光学装置が電解の印加によって光量を調節できるため、これまでの機械的な光量絞りと違って大がかりな機械構成を必要とせず、実質的に光路の有効範囲の大きさまで小型化することができ、また光量を印加電界の大きさで制御して回析を防止し、像のぼやけ等も効果的に防止することができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
本発明においては、電析物質の溶解分を補充するために通電する電源回路は、前記作用電極と前記対極との間に接続されていることが好ましい。
【0029】
そして、前記電解液の温度を検知するセンサーと、その温度情報に基づいて前記通電手段によって通電する電流又は印加する電圧をコントロールする制御回路とを設けることが好ましい。
【0030】
なお、本発明に用いる前記作用電極には、透過率が可視領域において70%以上の透明又は半透明電極が好ましく用いられ、また、前記電解溶液としては、銀塩溶液が好ましい。さらに本発明に用いる電解液としては、この銀塩溶液に限られない。
【0031】
以下、好ましい実施の形態に基づいて、本発明をさらに具体的に説明する。
【0032】
本発明の好ましい実施形態の光学装置は、互いに対向して配された一対の透明又は半透明基板と、これらの基板の対向面に配された少なくとも一対の作用電極と、この作用電極に接して配された銀塩を含む電解溶液と、この電解溶液に接して配された対極とを具備し、且つ電解液の温度を検知するセンサーと、還元電流を上記作用電極に通電する電源回路と、上記センサからの温度情報に基づいて上記電源回路による還元電流をコントロールする制御回路と、上記作用電極と対極を接続する駆動電源とを設けたものである。
【0033】
その一例として、図1(A)に示すような光学装置を挙げることができる(なお、参照電極は図示せず。)。
【0034】
すなわち、図1(A)に示す実施形態の光学装置は、表示窓としてガラス基板4と5がスペーサ6を介して対向配置され、これらのガラス基板4、5の内面にITOからなる作用電極54と対極52とがそれぞれ対向配置されている。そして、ガラス基板4、5とスペーサ6との間には電解液として銀塩溶液1が封入されている。
【0035】
また、対極52と作用電極54は駆動電源回路50に接続されており、この駆動電源回路50は還元電流電源回路51と破線又は実線のように切換え自在に配設され、この還元電流電源回路51は制御回路55および温度センサ53と接続されている。そして、温度センサ53のプローブ53aの一端は、スペーサ6を貫通して銀塩溶液1に接触している。
【0036】
上述した構成において、駆動電源回路50及び還元電流電源回路51としては、温度センサ53からの温度情報に基づいて、所望の電流を出力できる性能が必要であり、その具体例を挙げると、たとえば図1(B)に示すような抵抗r1 、r2 、r3 を並列に配して電流に切換可能に接続した構成とか、あるいは同図(C)に示す如く可変抵抗を電源に接続したものがあるが、これらに限定する必要はない。
【0037】
また、制御回路55としては、たとえばPID制御装置の回路を挙げることができる。
【0038】
また、温度センサ53としては、電解液の温度情報を制御回路55に伝える機能が要求され、一般的には電解液の温度変化を電気信号の形で制御回路55に伝達できるもの、たとえばサーミスタが好ましい。
【0039】
温度センサ53のプローブ53aの配置の仕方としては、図示の如く、その先端が電解液に触れている方が、より正確に液温を知る上で好ましいが、特にそこに限定する必要はない。たとえば、プローブ53aに耐食性等の問題がある場合は、電解液近傍の装置内部の部位、たとえばスペーサ6の内部にプローブ53aの先端を留めておいてもよい。このようにしても、実用上、殆ど問題は起こらない。
【0040】
また、プローブ53aの材料については、一般に耐食性のよいステンレス(SUS304)で充分である。しかし、特殊な、もしくは特別な事情でより高度の耐食性が要求される場合には、ステンレスに替えてより化学的に安定な材料、たとえば金や白金を用いるとよい。あるいは、ステンレスや他の金属材料の表面に上記の貴金属又はそれ以外の化学的安定性に富む材料を、コーティングしてもよい。
【0041】
上述した温度検知器53で検知した電解液の温度情報は、制御回路55に伝達される。この実施の形態では、この制御回路55は、温度センサ53からの温度情報に基づいて次の2つの出力電流をそれぞれ調整することができるようになっている。すなわち、1つは駆動電源回路50の出力電流、もう1つは還元電流電源回路51の出力電流である。
【0042】
すなわち、光学装置の駆動時には、温度センサ53からの電解液の温度情報に基づいて、制御回路55により駆動電源回路50の出力電流値を調整し、これによって作用電極54に電析する金属の量を調整し(原理は図11(B)を参照)、光学装置の遮光度を所望の値に保持する。
【0043】
このような動作は、還元電流を供給する電源回路51についても同様に行われ、この場合は還元電流の調整によって電析金属の溶解分を補充して常に一定の電析量を保持できる。
【0044】
これについて述べると、駆動時に金属を電析した作用電極は、既述したように外部回路を短絡もしくは開放しておくと、その電析金属が電解液中に再び溶解し、析出膜が薄くなり、透過率が徐々に上昇してくる。
【0045】
そこで、この実施の形態では、駆動電源回路50を還元電流電源回路51に切換える。そして、温度センサ53から送られてくる電解液の温度情報に基づき、制御回路55により還元電流電源回路51の出力電流を調整し、電析金属の溶解分を補充すべく還元電流を通電(還元方向へ電流を流す)するのである。還元電流を流して電析金属を補充するのに通電させる電源51は、定電流、定電圧、ユニポーラパルス、バイポーラパルスなど、各種の波形が用いられるが、中でも定電流電源が好ましく使用される。
【0046】
電析金属がすべて自然溶解するのに要する時間は、駆動電源回路50による金属の電析または溶解の制御時間(数秒)に比べて相当長い(数分から数十分)場合が多いため、還元電流電源回路51が例えば定電流源であると、該還元電流電源回路51に通電する電流値は、駆動電源回路50で通電する電流値に比べて相当微小(数分の一から数千分の一程度)となる。但し、例えば、パルスで還元電流を通電する場合は、瞬間的に駆動電源よりも多く電流が流れることがあるが、本発明ではそれを排除するものではない。
【0047】
光学装置の遮蔽度を一定にするための還元電流値は、上述したように電解液の温度によって異なる。すなわち、銀などの金属の溶解速度は温度が高くなるにつれ速くなるので、銀等の電析物質を補充するには、温度が低いときより大きな電流値が必要である。そのため、電解液の温度を温度センサ53で検知し、その温度情報に応じた電流値を通電すればよい。
【0048】
なお、光学装置を駆動させるには、作用電極54の面上の電解液内に溶解している金属を析出させることによって遮光し、析出した金属を溶解させることによって光を透過させるようにする。
【0049】
このとき作用電極54に金属を析出させるためには、この作用電極54を陰極となるように分極し、電源から電子が供給されるように還元方向に電流を通電すればよい。
【0050】
反対に、作用電極54の表面上の析出金属を溶解させるには、この作用電極54が陽極となるように分極し、電源に電子を送り出すように酸化方向に電流を通電すればよい。
【0051】
一定時間に所定の遮光度にまで金属を析出させるのに必要な還元電流値は、温度によって異なる。即ち、温度の上昇に伴い金属の析出速度は速くなるので、一定の時間に所定の遮光度にするための還元電流値は小さくてすむ。逆に温度が低ければ、金属の析出速度が遅いので、同じ条件の遮光度を実現するのに、大きな還元電流値が必要である。また、同様のことは、析出した金属を溶解させるのに必要な酸化電流値に関しても言える。
【0052】
この還元電流値または酸化電流値は、作用電極54を構成する透明導電膜の種類や膜質、または電解液の構成等によっても異なる。したがって各々の場合に応じて電流の制御を臨機応変に行なうことが大事である。
【0053】
こうして、この実施の形態によれば、電析後、電析金属の溶解による透過率の上昇を効果的に抑制することができる。
【0054】
なお、上述した実施形態では、駆動電源回路50と還元電流電源回路51は制御回路55と温度センサ53の組み合せを共用しているが、本発明ではそれらの組み合せを個別に用いるように構成してもよい。つまり、駆動電源回路50と還元電流電源回路51を互いに切換える方式とする代わりに、それぞれ別個に作動する方式を採用しても、発明の効果に変わりはない。
【0055】
さらに、本発明では、還元電流電源回路51の設置を省き、その機能を駆動電源回路50が兼ねるようにしてもよい。
【0056】
本発明の光学装置においての作用電極54として用いられる透明電極の形成には、インジウムに錫をドープした酸化物(ITOと称する)や酸化錫が使用される。
【0057】
インジウムと錫の構成元素比は任意であるが、In/Snで0〜9であることが好ましく、さらには0〜1.5であることが好ましい。
【0058】
また、ITOの上に、酸化錫の層をたとえば1〜50nmと薄く形成した2層構造の透明電極も使用することが可能である。この電極は、透明導電膜の表面が酸化錫で被覆されているため、この電極表面上に析出させた金属膜の状態は、酸化錫単体の薄膜上に電析させた金属と類似したものとなり、したがって金属膜の着色は小さく抑えられ、優れた分光特性を得ることが可能となる。
【0059】
また、このように、酸化錫の層を非常に薄く形成させると、膜全体としても抵抗は小さく抑えることが可能である。したがって光学装置を駆動させたとき、透明電極の分極を小さく抑えることができる。
【0060】
上記の各種の透明電極の形成には、金属又はその酸化物をターゲットとし、減圧又は常圧中で直流電圧若しくは直流電圧に交流電圧を印加してこの金属又はその酸化物の薄膜を成膜するスパッタリング法、金属またはその酸化物を溶融させて蒸気化して成膜する蒸着法、所望の金属を含むガスを気化させ、直流電圧若しくは直流電圧に交流電圧を印加して化学的に活性化させ、被対象物に所望の金属を含む膜を形成する化学的気相成長法(CVD)など、種々の気相成膜法が好ましく用いられる。
【0061】
前記スパッタリングで使用するターゲットには、成膜成分元素を含む化合物の単結晶又は多結晶体を使用する。ターゲット内の元素組成比によって、成膜の組成が制御可能である。たとえばITOに酸化錫を混入した多結晶体では、混入させる酸化錫の量を変えることによって、膜の組成を制御することができる。
【0062】
また前記ターゲットは、膜の抵抗値を低減させる等の理由により、フッ素やアンチモンといった異種元素を若干量混入させたものを使用してもよい。
【0063】
スパッタリング法による成膜時には、反応槽内の温度は適切に調整する。成膜時の膜の結晶性と非晶質性との臨界温度は、膜内のIn/Sn比にも依存するため、その温度は、所望のIn/Sn比に応じた適切な温度に調整するのが望ましい。
【0064】
スパッタリング法は、反応槽内をいったん脱気し、不活性ガスとして主にアルゴンを槽内に導入しながら行なう。成膜する膜のシート抵抗値などの諸物性値の仕様により、必要に応じて若干量の酸素を混入させてもよい。
【0065】
また、透明電極を化学的又は物理的に修飾すれば、透明電極への銀の析出電位を下げ、銀の析出を容易とし、透明電極や溶液自身が電気的に受ける損傷を軽減させることができる。
【0066】
この場合の化学的修飾法として、錫溶液及びパラジウム溶液の二液処理法によるパラジウム等によって透明電極の表面処理(化学めっき)を行なうのが好ましい。即ち、パラジウムによる透明電極の表面活性化処理として、透明導電膜の単独基板上にパラジウム核を析出させることによりITO電極表面上の活性を高める。
【0067】
この場合、錫溶液としては、塩化錫(SnCl2 )0.10〜1.0gを濃度0.010〜0.10%で、1lのHClに溶解させたもの、パラジウム溶液としては、塩化パラジウム(PdCl2 )0.10〜1.0gを濃度0.010〜0.10%で、1lのHClに溶解させたものが使用可能である。
【0068】
また、物理的修飾法としては、銀より貴な金属等を透明電極上へ蒸着する方法が採用可能である。
【0069】
次に、対極52としては、電析金属とは異種の金属で構成し、その上に電析金属を析出溶解させることもできる。例えば、銀塩を含む電解液を使用した場合には、白金、金、パラジウムのような銀よりもイオン化傾向の小さい金属で構成し−その上に銀を電析させることが可能である。
【0070】
また、対極52を積層構造にし、第1層を白金、パラジウムまたは金で構成し、その表面上に銀を電析させれば、電極の電位を安定化させることが可能となる。
【0071】
すなわち、対極52の最表面に、銀よりも貴な電位を示し、且つ銀の析出/溶解反応を円滑に進行させる金属又は金属酸化物を用いれば、安定でしかも駆動時の対極の分極(分極電位)を小さく抑えることが可能であり、消費電力の低減のみならず副反応の抑制も実現できる。
【0072】
ただし、白金やパラジウムなどの白金族金属の薄膜は、ガラスなどの絶縁基板に対して密着性が低い。したがって、上記の金属をガラスなどの絶縁基板上に形成させる場合には、白金もしくはパラジウムを含む層を第1層とし、これと絶縁基板との間に、良導体で且つ膜付きの良いチタン、クロム、タングステンなどの金属やITO、酸化錫などの金属酸化物を、第2層として介在させるのがよい。
【0073】
即ち、工程としては絶縁基板上に第2層を形成してから、第1層を形成すればよい。この場合、条件によっては第2層が電解液に対して化学的に不安定になったり、電解液との間に副反応をおこす場合もあるので、第2層が電解液と直接接しないように第2層を覆い尽くす構造とするのが望ましい。
【0074】
前記の第1層または第2層は、蒸着法、スパッタリング法等の気相成膜法やめっき法によって形成することができる。
【0075】
即ち、第1層または第2層の金属または金属酸化物は、金属または金属酸化物を減圧中で気化させて所定の表面に成膜させる蒸着法や、金属または金属酸化物をターゲットとして減圧又は常圧中で、交流電圧若しくは交流電圧に直流電圧を加えて印加することによって、所定の表面に所望の金属または金属酸化物を成膜させるスパッタリング法等が好ましく用いられる。前記の蒸着法には高真空中で抵抗加熱によって金属または金属酸化物を気化させる方法や、ターゲット金属または金属酸化物に電子線照射を施すことによって蒸気化させる方法(EB蒸着)などがあり、いずれの手法によっても本発明の効果に変わりはない。
【0076】
なお、二酸化珪素などの絶縁基板上に白金やパラジウムなどを成膜する場合には、両者間の密着性が良好なので第2層の介在は任意とすることができる。
【0077】
また白金、パラジウム、金などの金属層の形成は上記気相成膜法以外の方法でも可能である。たとえば、これらの金属を予め所定の形状に成形加工し、この成形物を基板表面の対応する凹部に埋め込むか又は嵌合するようにしてもよい。このような方法には、適宜接着材を用いて成形物を凹部に固定することができるので、基板上に配置し易いという利点もある。しかしながら、図15に示すように透明基板5上の対極52の隅は形状的に鋭利な角を有する場合が多くなるので、そこに電界集中が生じ、そのために対極52上に不活性な粒子状の銀Aが析出し易い。この不活性な銀粒子Aは銀塩溶液63中に浮遊するので、光学装置の透明度を低下させたり、電極間を短絡させたりすることが起こりうる。したがって、金属層の形成には通常、気相成膜法が用いられる。
【0078】
白金やパラジウム、金は銀より貴な金属であるため、浸漬したときに生じる自然電位は、銀に対して高い電位を示す。例えば25℃の水溶液中における標準電極電位は、白金の場合1.188Vであり、パラジウムは0.915V、金は1.50Vである。銀の標準電極電位は0.7991Vであるので(化学便覧参照)、銀に対して白金は0.389Vだけ貴な電位を示し、パラジウムは0.116V、金は0.70Vだけ貴な電位を示すことになる。また、ジメチルスルホキシド(DMSO)/アセトニトリル(AN)=55/45混合比の非水溶媒においても、銀に対する白金若しくはパラジウムの相対電位は、それぞれ水溶液中における電位に近い貴な電位を示すことが確認できる。
【0079】
対極52として、これらの金属をそのまま使用しても光学装置の性能を発揮させる上で全く支障はないが、光学装置駆動時の対極の分極値をより小さく抑えるためには、上記金属上に予めより卑なる異種金属元素の層を形成させておくのがよい。例えば、銀塩溶液を使用する場合に、白金若しくはパラジウム上に銀の層を形成させておけば、この電極を上記溶液に浸漬したときに示す電位は銀とほぼ同じとすることができ、銀の析出/溶解反応に可逆性の優れた対極を得ることができる。
【0080】
前記の異種金属元素の層は、既述した気相成膜法や、電解メッキによって形成することが可能であり、いずれの方法によっても対極としての特性には変わりはない。
【0081】
また、対極52は導電性粒子を含む混合物層で構成することも可能である。この導電性粒子は少なくとも1種の炭素材料からなること、そしてこの導電性粒子を結着するためのバインダーは天然ゴム系、セルロース系、フェノール系、ウレタン系及びエポキシ系からなる群より選ばれた少なくとも1種の樹脂材料で構成されていることが好ましい。
【0082】
前記導電性粒子に用いる炭素材料としては、グラファイト(黒鉛)、易黒鉛化炭素(ソフトカーボン)、難黒鉛化炭素(ハードカーボン)、カーボンブラック、活性炭等がある。
【0083】
なお、易黒鉛化炭素とは、2800〜3000℃程度で熱処理された時に黒鉛化する炭素材料であり、難黒鉛化炭素とは、3000℃程度で熱処理されても黒鉛化しない炭素材料である。
【0084】
易黒鉛化炭素は、例えば、石炭やピッチを、窒素気流中、昇温速度毎分1〜20℃、到達温度900〜1300℃、到達温度での保持時間0〜5時間程度の条件で焼成することにより生成される。ピッチは、コールタール、エチレンボトム油、原油等の高温熱分解で得られるタール類、アスファルト等により蒸留(真空蒸留、常圧蒸留、スチーム蒸留等)、熱重縮合、抽出、化学重縮合等の操作により得られるもの、或いは、木材乾留時に生成するピッチ等である。
【0085】
また、この易黒鉛化炭素は、たとえばポリ塩化ビニル樹脂、ポリビニルアセテート、ポリビニルブチラート、3,5−ジメチルフェノール樹脂等の高分子化合物原料を、窒素気流中、300〜700℃で炭化した後、上記と同じ条件で焼成しても生成される。
【0086】
更に、この易黒鉛化炭素は、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、トリフェニレン、ピレン、ペリレン、ペンタフェン、ペンタセン等の縮合多環炭化水素化合物及びその誘導体(例えば、それらのカルボン酸、カルボン酸無水物、カルボン酸イミド等)、更に、上記各化合物の混合物、アセナフチレン、インドール、イソインドール、キノリン、イソキノリン、キノキサリン、フタラジン、カルバゾール、アクリジン、フェナジン、フェナントリジン等の縮合複素環化合物及びその誘導体を、上述と同様に炭化及び焼成しても生成される。
【0087】
一方、難黒鉛化炭素は、例えば、フルフリルアルコール又はフルフラールのホモポリマーやコポリマーよりなるフラン樹脂を、易黒鉛化炭素の場合と同様の条件で炭化及び焼成して生成される。
【0088】
この難黒鉛化炭素は、特定のH/C原子比(例えば、0.6〜0.8)を有する石油ピッチに、酸素を含む官能基を導入(いわゆる酸素架橋)した有機材料からも生成される。例えば、難黒鉛化炭素材料は、H/C原子比が0.6〜0.8のフェノール樹脂、アクリル樹脂、ハロゲン化ビニル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂、共役系樹脂、セルロース及びその誘導体等の有機高分子系化合物や、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、トリフェニレン、ピレン、ペリレン、ペンタフェン、ペンタセン等の縮合多環炭化水素化合物及びその誘導体(例えば、それらのカルボン酸、カルボン酸無水物、カルボン酸イミド等)、更に、上記各化合物の混合物を主成分とする各種ピッチ、アセナフチレン、インドール、イソインドール、キノリン、イソキノリン、キノキサリン、フタラジン、カルバゾール、アクリジン、フェナジン、フェナントリジン等の縮合複素環化合物及びその誘導体を、上述と同様の条件で炭化及び焼成して生成される。
【0089】
なお、以上に説明した易黒鉛化炭素及び難黒鉛化炭素は前記出発原料又は前駆体にリン化合物を添加した後、前記と同様の炭化及び焼成を行っても生成することができる。
【0090】
また、対極52の形成に用いる導電性粒子をグラファイトで構成する場合、天然黒鉛以外にも、例えば、易黒鉛化炭素を前駆体として、これを2000℃以上の高温で熱処理して得られる人造黒鉛を用いることができる。
【0091】
下表に、グラファイト、ソフトカーボン、ハードカーボン及び活性炭の特性を比較して示す。
【0092】
対極52の形成に際し、上述した導電性粒子と混合して用いるバインダーは、銀塩溶液に耐性を有するものであればよく、例えば、天然ゴム系、セルロース系、フェノール系、ウレタン系又はエポキシ系の樹脂を用いることができる。このバインダーと導電性粒子の混合比は、重量比で、約80:20〜約99:1の範囲であるのが好ましく、約90:10〜約99:1の範囲であるのがより好ましい。この混合比が80:20より少ないと、得られる膜の強度が弱くなり過ぎるおそれがあり、一方、混合比が99:1より多いと、相対的に導電性粒子が少なくなり過ぎて、必要な導電性が得られなくなるおそれがある。
【0093】
対極52は、炭素材料を主とする導電性粒子と前記バインダーとからなっているのがよいが、対極52の一部がこれらの混合物で形成されていてもよい。
【0094】
前記導電性粒子とバインダーの混合物を構成する導電性粒子には、少なくとも1種炭素材料が含まれていることが好ましいが、他の成分、たとえば銀、銅、ニッケルなどの金属又はその合金、あるいは化合物が、夫々単独、或いは、混合状態で含まれていてよい。このなかでも特に銀粒子は、対極52の電位を安定させる効果を有するために、好ましい。
【0095】
前記のように、導電性粒子をバインダーに含有させたもので対極52を構成すると、コストの低減をはじめ、透過率の向上、電極間の短絡防止を実現することができる。しかし、光学装置の駆動電圧に起因すると考えられるが、導電性粒子をバインダーに含有させた対極の構成では、駆動中に対極54内に銀が取り込まれて銀板と異なる電位を示したり、対極52が化学的に不安定になる(銀が析出し、対極54の組成が変わる)ために、駆動制御が困難になることがある。
【0096】
ところが、前記の銀粒子などを多極52の一部として形成すれば、電極の電位が安定化するのである。
【0097】
対極52の電位が銀電極の電位よりも50mV以上、正又は負に異なっている場合に、前記金属を銀とし、電極内に銀粒子を混合させると効果的である。対極52が銀電位よりも|50mV|以上異なっていると、銀の析出、溶解が生じ難くなるため、上記した銀成膜層の使用によって電極の電位を銀電極と同等若しくは銀の析出、溶解を生じ易い電位にすることができる。
【0098】
この場合、前記銀粒子が、同粒子以外の導電性粒子と前記バインダーとからなる成分に対し、0.01倍〜100倍の重量比で添加されていることが、対極52の電位の安定化と混合物の調製のし易さからみて望ましく、この添加量は更に0.05〜10倍とするのがよい。
【0099】
具体的には、前記銀粒子が、同粒子以外の導電性粒子と前記バインダーとからなるペーストの固形分の0.01倍〜100倍(更には0.05〜10倍)の重量比で添加されるのがよい。
【0100】
また前記導電性粒子の粒径は、数μm〜数10μmであるのが好ましく、粒径がこの範囲より小さ過ぎても大き過ぎても、導電性粒子をバインダー中に均一に分散させることが困難になり、その結果、膜の電気抵抗が高くなりすぎるおそれがある。
【0101】
対極52の下地層として第3層を構成する集電体には、電子伝導性を有し、かつ電気化学的に安定な材料が用いられる。本発明に用いられる電解液に対して使用できる集電体材料の代表例としては、周期律表の4A族、6A族、8族および1B族から選ばれた少なくとも1種の金属材料及びこれらの合金、またはITOなどの金属酸化物を用いることができる。
【0102】
また、カーボンペーストなどの導電性粒子層を用いた対極においては、該導電性粒子層と前記集電体との密着性を上げるために、その間に高分子層を介在させてもよい。このような高分子層は、集電体から導電性粒子層への電荷移動を円滑に行なわせるために、導電性高分子で構成するのがよい。そのような導電性高分子層の形成には、キャスト法や蒸着法など種々の方法が用いられるが、中にも電気化学重合法が好ましい。
【0103】
電気化学重合法は、モノマー分子を含有する溶液中に被形成物を浸漬し、この被形成物に通電することによってモノマー分子を重合させ、被形成物の表面に導電性高分子膜を形成させる手法である。
【0104】
電気学重合法によって形成される導電性高分子の種類には、モノマーをアニリンとするポリアニリン、モノマーをピロールとするポリピロール、同じくモノマーをチオフェンとするポリチオフェンなどがある。
【0105】
また、アニリン、ピロール、チオフェンなどは化学修飾が容易であるため、種々の誘導体が存在し、それに伴い誘導体高分子が存在する。例えば、ポリアニリンでは、誘導体のN−アルキルアニリン、N,N−ジメチルアニリン、1−アミノピレン、σ−フェニレンジアミンなどの重合体、ポリピロールでは、誘導体のN−メチルピロールなどの重合体、ポリチオフェンでは、チオフェンの3および4位をアルキル基、アルコキシル基、アリル基などで置換したポリチオフェン誘導体がある。
【0106】
電気化学重合法による高分子の合成は、図7に示すような専用セル46によって行うのがよい。重合を行うには、できれば空気中の酸素を取り除くために、絶縁蓋45を介して不活性ガスを導入できるコック44を備えたものがよい。通常、高分子を重合するものを正極48として、負極47に適切な電極材料を用いる。なお、同図において、電源41に対し電流計42が陽極側に直列に接続され、電圧計43は並列に接続されている。
【0107】
不活性ガスを吹き込んで脱酸素した溶媒49に、重合するモノマーを適切な濃度で溶存させ、両極間に適切な電圧をかけると、正極48上に所望の重合体が生成される。
【0108】
例えば、アニリンを電気化学重合する場合には、塩酸、硫酸、過塩素酸、テトラフルオロホウ酸などの水溶液(pH<2)に、アニリンを約0.2〜1mol/l溶かし、ITOを正極として、銀を参照電極として、0.7〜1.0Vの定電位または定電流の通電により酸化を行うと、ITO上にポリアニリンがフィルム上に生成する。
【0109】
また、ピロールを電気化学重合する場合には、例えばアセトニトリルを溶媒とし、ピロールの濃度が0.05〜0.1mol/lとし、ITOを正極、白金を負極とし、両極間に約3.5Vの電圧をかけると、ITO上にポリピロールが生成する。
【0110】
さらに、チオフェンを電気化学重合する場合には、溶媒はアセトニトリルの他に、ベンゾニトリル、テトラヒドロフラン、塩化メチレンなどがよく使われ、負極には白金、ニッケル、グラファイトなどが使用できる。正極にITOとして電圧をかけると、ITO上にポリチオフェンが生成する。
【0111】
通常、電気化学重合を行うには、十分な電流値の通電を行うために、電解質を溶存させる。例えば、ポリアニリンの電気化学重合では、塩酸などを加えてpH1程度の酸性とし、またポリピロールやポリチオフェンを電気化学重合させる場合には、本発明の光学装置の中で使用する電解液に含まれる臭化銀などの銀塩の他に、ヨウ化リチウムや過塩素酸リチウムといったリチウム塩などが電解質として用いられる。このような電気化学重合では、重合と同時に電解質のアニオンがドーパントとして取り込まれるため、導電性の高い重合体膜が得られる。
【0112】
電気化学重合を行う条件は、モノマーの種類や溶媒や駆動法により異なるが、良好な膜を得るために、例えば定電流のポリアニリンの重合の場合には、3mA/cm2 以下、より好ましくは0.5mA/cm2 であるのが望ましい。
【0113】
電気化学重合では、場合により共重合が不可能であることも可能であることもある。例えばピロールとチオフェンの共重合は、二種のモノマーの酸化電位が異なるため不可能であるが、2,2’−チエニルピロールや2,5−ジ(2−チエニル)−ピロールなどの誘導体をモノマーとすれば、酸化電位が近くなるため、チオフェンとピロールが1:1あるいは2:1の交互共重合体を合成することが可能である。
【0114】
こうして対極部分に電気化学重合を行って第2層を形成し、さらにその上に導電性粒子を含む層を第1層として塗布または印刷すれば好ましい対極を得ることができる。
【0115】
この第1層の厚さは数μm〜数十μm、第2層の厚さは50〜500nm、第3層の厚さは100〜400nmであるのがよい。第3層は、ガラス、繊維強化プラスチック(FRP)等の絶縁基板(厚さは例えば1mm程度)上に設けられ、ITO、銅、銀、金、白金、SUS等からなっていてよい。
【0116】
このように、対極52を導電性粒子とバインダーの混合物層、高分子層及び下地の集電体の層とで積層構造とすれば、従来のように銀板等の金属板で構成した場合に比し、銀粒子が浮遊することなく、安定した特性を有する光学装置を提供することができる。
【0117】
ところで、参照極を設けることは、作用電極及び対極の安定した制御を行うのに有効である。すなわち、参照電極は電解液中で作用電極、対極の電位を高精度に制御でき、また作用電極、対極との電位差が所定の範囲に保たれるようリミッタ等で外部電源を制御すれば、作用電極又は対極の過剰な分極を防止でき、光学装置の劣化を抑制することが可能である。
【0118】
この参照極としては、前記対極と同様の材料構成のものを使用することができる。すなわち、白金などの遷移金属やITOなどの酸化物といった集電体上に、炭素材料などの導電性粒子とバインダーの混合物を塗布又は印刷したもの、若しくは白金などの遷移金属やその表面上に電析金属(例えば、銀)を析出させたものなどが、参照極に使用することができる。但し、参照極では銀等の金属の析出・溶解反応を積極的に行なわせないため、例えば炭素材料とバインダーの混合物に担持させる銀等の金属の量は、対極よりも少なくてよい。
【0119】
また、参照極の集電体に用いる金属としては、対極52に用いる前記金属等の他に、タンタル、ニオブなども使用することができる。タンタル及びニオブは、比抵抗が他のものと比較して大であり、対極では分極が大きくなるため使用しないが、参照極は電位の監視のため微小な電流しか流れず、参照極の電位はほとんど変化しないので、これらの金属も参照極の集電体として使用することができる。
【0120】
次に、銀塩溶液1としては、臭化銀、塩化銀、ヨウ化銀等のハロゲン化銀を水又は非水溶媒に溶解させた溶液を用いることができる。この時、非水溶媒としては、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジエチルホルムアミド(DEF)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAA)、N−メチルプロピオン酸アミド(MPA)、N−メチルピロリドン(MP)、プロピレンカーボネート(PC)、アセトニトリル(AN)、2−メトキシエタノール(MEOH)、2−エトキシエタノール(EEOH)等を用いることができる。
【0121】
また、銀塩溶液1中のハロゲン化銀の濃度は、0.03〜2.0mol/lであるのが好ましく、0.05〜2.0mol/lであるのがより好ましい。
【0122】
また、銀塩溶液1の導電性を上げるとともに、ハロゲン化銀の溶解のために、臭素その他のハロゲンを供給可能な支持塩(支持電解質)を添加するのが好ましい。例えば、ハロゲン化ナトリウム、ハロゲン化カリウム、ハロゲン化カルシウム、ハロゲン化四級アンモニウム塩等をこの目的に用い得る。このような支持塩は、ハロゲン化銀の1/2〜五倍程度の濃度範囲で添加させるのが好ましい。
【0123】
次に、上述した本発明に基づく光学装置76(例えば図14の如き電極パターンを有するもの)をCCD(Charge coupled device)カメラに組み込んだ実施の形態について、図2を参照しながら説明する。
【0124】
図2に示すCCDカメラ70において、一点鎖線で示す光軸に沿って、1群レンズ71、2群レンズ(ズーム用)72、3群レンズ73、4群レンズ(フォーカス用)74およびCCDパッケージ75が適宜の間隔をおいてこの順に配設されており、CCDパッケージ75には赤外カットフィルタ75a、液晶光学ローパスフィルタ系75b、CCD撮像素子75cが収納されている。2群レンズ72と3群レンズ73との間には、3群レンズ73寄りに既述した本発明に基づく光学装置76が光量調節(光量絞り)のために同じ光路上に取付けられている。
なおフォーカス用の4群レンズ74は、リニアモータ77により光路に沿って3群レンズ73とCCDパッケージ75との間を移動可能に配設され、またズーム用の2群レンズ72は、光路に沿って1群レンズ71と光学装置76との間を移動可能に配設されている。
【0125】
この実施の形態によると、2群レンズ72と3群レンズ73の間にセットされた本発明に基づく光学装置76は、既述したように電界の印加によって光量を調節できるので、これまでの機械的な光量絞り機構と根本的に違って、絞りを駆動させる機械構成を必要としないため、システムが小型化でき、実質的に光路の有効範囲の大きさまで小型化できる。したがって、CCDカメラの小型化を達成することが可能である。また、パターン化された電極への印加電圧の大きさによって光量を適切に制御できるので、従来のような回折現象を防止し、撮像素子へ十分な光量を入射させ、像のぼやけをなくせる。
【0126】
次に、別の好ましい実施の形態について、比較の例と対比させながら説明する。
【0127】
図3に示す光学装置は、図13で説明したのとほぼ同様の光学フィルター(電気化学的調光素子)に本発明を適用したものである。
【0128】
この実施の形態では、図示の如く、セルを構成する一対の透明電極(例えば、ガラス基板)4、5が一定の間隔を置いて配置され、各基板4、5の対向面に、各一対の作用電極2a、2b、2c、2d、2e及び3a、3b、3c、3d、3eが夫々互いに対向して設けられている。基板4と5は、スペーサ6により所定間隔に保持され、その間に銀塩溶液1が封入されている。
【0129】
そして、そのセルの外部には、図示はしないが作用電極と対極の間に通電させるための駆動電源回路及び還元電流電源回路と、セルの電解液の温度を検知する温度センサと還元電流電源回路及び駆動電源回路を制御する制御回路が設けられている。
【0130】
さらにこの実施の形態では、作用電極2a〜2e及び3a〜3eの外周部に対極17aと17b及び参照電極27a、27bが設けられている。これらの対極17a、17bは基板4、5上にITO膜をスパッタ法により約200nmの厚さに成膜して集電体の層を形成したものである。なお、作用電極2a〜2e及び3a〜3e並びに対極17a、17bの平面形状は、図14に示したものと実質的に同一である。
【0131】
この実施の形態における貼り合せセルの作用電極2a〜2e及び3a〜3eと対極17a、17bは、図4乃至図6に示す製造工程により製造することができる。
【0132】
なお、作用電極及び対極とは別に、素子の駆動を制御するためにこれらの電極の電位を監視するための参照電極27a、27bを設けることも可能である。その場合の製造方法は、下記の対極の製造方法に準拠する。
【0133】
まず、(a)に示す基板31上にインジウムと錫の元素組成比が約9(In:Sn=9:1)の透明導電膜33をスパッタリング法により、約200nmの厚さに成膜する。スパッタリングは、酸化錫を5重量%含むITOの多結晶体をターゲトとして行う。
【0134】
しかる後に、酸化錫の薄膜を、上記ITO膜の上に、同じくスパッタリング法により、厚さ約5nmに成膜し、透明導電膜33を形成する。このときは酸化錫の多結晶体をターゲットとする。
【0135】
次に、上記透明導電膜の上にクロム膜32を同じくスパッタリング法により、約200nmの厚さに形成する((b))。この基板上にレジスト34をスピンコートにより塗布した((c))後に、マスクにより所望のパターンに露光/現像する((d))。
【0136】
しかる後にクロム層32の一部にエッチングを施し、さらに透明電極膜33の酸化錫の層をイオンミリング(プラズマ雰囲気中で基板に高周波バイアスを印加してイオンを衝突させ、その物理的な作用によりエッチングすること)によりエッチングし、塩酸と硝酸の混酸によりITO膜のエッチングを施す((e))。
以降残ったレジストを剥離し、所望の平面形状の作用電極2A及び対極17A、また必要に応じて参照電極27Aを形成する((f))。
【0137】
次に、再びレジスト34を塗布し((g))、異なるマスクにより露光/幻想を行い((h))、再度クロムのエッチングを行い、作用電極2A上には引き出し電極35を形成し、対極17A及び参照極27Aからはクロムをすべて除去する((i))。
【0138】
レジスト34を再度剥離した((j))後、二酸化珪素36をスパッタリング法により成膜し、各電極の表面が全面覆われるようにする((k))。
【0139】
しかる後に、図3及び図13には全部を記していないが、作用電極2A以外の部分で光を透過させないために、遮光用にブラックレジスト37をスピンコートで塗布する((l))。さらに別のフォトマスクにより露光/現像を行い、作用電極2A、対極17A及び参照極27Aを露出させて所望の基板を得た((m))。
【0140】
そして電極部分でブラックレジストに覆われていない表面上の二酸化珪素を、フッ酸とフッ化アンモニウムの混合液によりエッチングし、電極部分のITO表面を露出させる((n))。
【0141】
その後に、対極17A及び参照極27Aに、炭素材料とセルロース系のバインダーからなり、炭素重量と同重量の銀粉(粒系1〜3μm)を分散させたペーストのスクリーン印刷を施し、これらの電極を形成する((o))。
【0142】
以上の製造工程を経、所望のパターニングを施して得られた基板を用い、図3に示すように、作用電極2a〜2e及び3a〜3e並びに対極17a、17bを対向するように配置し、スペーサを介して貼り合せ、内部に銀塩溶液1を封入した上、駆動電源回路、還元電流電源回路、制御回路及び温度センサを取付けて、本発明の光学装置を得た。
【0143】
銀塩溶液1には、臭化銀500mM、ヨウ化ナトリウム750mMをジメチルスルホキシド(DMSO)/ジメチルアセトアミド(DMAc)=50/50の混合溶媒に溶解させたものを使用した。
【0144】
図8乃至図10に実施例及び比較例の平均透過率変化を示す。なお、図8は22℃、図9は40℃、図10は60℃の場合である。作用電極に銀を電析させ、しかる後に、所定の還元電流を通電した場合を実施例、通電しない場合を比較例とした。平均透過率の測定は、3600秒(1時間)行った。
【0145】
図8では22℃の結果を示しているが、比較例では、還元電流を通電しないため、電析させた銀が徐々に溶解し、その結果、透過率が上昇する。これに対して、実施例では、6μAの還元電流を通電するため、溶解する銀を補うことができ、透過率の上昇は大幅に抑えられる。
【0146】
40℃では、温度が高いため、電析させた銀の自然溶解も速く、透過率は約2000秒で20%から全透過(100%)になるが、還元電流を通電させた実施例では、透過率は小さな変化に抑えられる。この場合、銀の自然溶解が速いため、還元電流も10μAとなり、22℃のときよりも大きな電流を要する(図9)。
【0147】
さらに、60℃になると、電析させた銀の自然溶解はいっそう速くなり、還元電流を通電しないとき(比較例)は、透過率は約1200秒で20%から全透過(100%)になる。これに対して、還元電流を通電させたとき(実施例)は22℃や40℃の場合よりも大きいが、透過率の変化は小さく抑えられる。この時の還元電流は18μAとなった(図10)。
【0148】
以上のように、還元電流を通電することによって、透過率の上昇は効果的に抑制されるが、その電流値は温度によって異なる。したがって、温度センサにより、液温を監視し、その温度に適した還元電流を通電するようにする。
【0149】
これらの結果から、実施例では、電析した銀の自然溶出に伴う透過率の上昇を小さくすることができ、優れた特性を有する光学装置を提供することが可能である。
【0150】
なお、この実施形態においては、次のようにして電界集中の問題を解決することができる。すなわち、前記対極17a、17bの形成にペースト状材料を抑制または塗布を利用すると、ペースト状材料の流動性及び表面張力により、対極の端縁部の角が丸められ、実質的に角の存在しない対極17a、17bが形成される。したがって、図15で説明したような電界集中が緩和され、その結果、銀塩溶液1から析出した銀の粒子はより大きく形成されるようなことはない。すなわち、銀の粒子が銀塩溶液中に浮遊して作用電極消色時の透明度を低下させたり、電極間を短絡させるような現象は、未然に防止される。
【0151】
以上、本発明を好ましい実施の形態に従い説明したが、前述した実施の形態は、本発明の技術的思想に基づき種々に変形が可能である。
【0152】
例えば、図2に示した電極パターンは、同心円状に限らず、ストライプ状、格子状等種々に変更が可能である。また各分割電極毎に異なるセルを設けることもできる。
【0153】
また、本発明の光学装置は、前述した光透過型に限らず、反射型にも適用できるし、公知のほかのフィルター材(例えば、有機系のエレクトロクロミック材、液晶、エレクトロルミネッセンス材等)と組み合わせて用いることも可能である。
【0154】
更に、本発明の光学装置は、CCDの光学絞りをはじめ、各種光学系、例えば、電子写真複写機の光通信機器等の光量調節用としても広く適用が可能である。
更に、本発明の光学装置は、光学フィルター以外に、キャラクターやイメージを表示する各種の画像表示素子に適用することができる。
【0155】
【発明の効果】
本発明の光学装置及びその駆動方法においては、作用電極に所定の物質を電析させた後にこの電析金属の溶解分を補充するため通電を行うので、透過率の上昇等の光学物性の変化、すなわち遮蔽度の低下(又は反射率の低下)を効果的に抑制することができる。
【0156】
また、本発明の撮像装置によれば、電界の印加によって光量を調節できる上記光学装置を光量絞りに適用するため、これまでの機械的な光量絞りと異なって大がかりな機械構成を必要とせず、実質的に光路の有効範囲にまで小型化することが可能となり、しかも光量を印加電界の大きさで制御して回析を防止し、像のぼやけを効果的に防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)は本発明の実施の形態による、電気化学的調光タイプの光学装置の構成図、(B)及び(C)は同装置に用いる還元電流電源回路の例を示す構成図である。
【図2】本発明の実施の形態の光学装置をCCDカメラの光絞りに適用した撮像装置の縦断面図である。
【図3】本発明の別の実施の形態による、光学装置の概略構成図である(電気系統は省く)。
【図4】同、光学装置の製造工程を示すフロー図である。
【図5】同、光学装置の製造工程(図4から続く)を示すフロー図である。
【図6】同、光学装置の製造工程(図5から続く)を示すフロー図である。
【図7】電気化学重合装置の概略構成図である。
【図8】液温が22℃のときの、透明電極に銀を電析させた後の、実施例及び比較例の透過率変化を示す図である。
【図9】液温が40℃のときの、透明電極に銀を電析させた後の、実施例及び比較例の透過率変化を示す図である。
【図10】液温が60℃のときの、透明電極に銀を電析させた後の、実施例及び比較例の透過率変化を示す図である。
【図11】従来の同種光学装置を示すもので、(A)は断面、(B)は作用原理図である。
【図12】同、光学装置の斜視図である。
【図13】従来の同種光学装置の他例を示す断面図である。
【図14】同、平面図である。
【図15】対極に銀板を用いた従来の光学装置における銀粒子の析出/成長/脱落現象を示す概念図である。
【符号の説明】
1、21…銀塩溶液、
2a〜2e、3a〜3e、22、23、54…作用電極、
4、5、24、25…透明基板、6、26…スペーサ、
17a、17b、52…対極、27a、27b…参照電極、41…直流電源、
46…セル、47…陰極、48…陽極、50…駆動電源回路、
51…還元電流電源回路、53…温度センサ、55…制御回路
70…CCDカメラ、71…1群レンズ、72…2群レンズ、
73…3群レンズ、74…4群レンズ、75…CCDパッケージ、
76…電気化学的光学装置[0001]
[Field of the Invention]
The present invention relates to an optical device, a driving method thereof, and an imaging device, for example, a display device for performing numerical display, character display, XY matrix display, or the like, or light transmission in a visible light region (wavelength: 400 to 700 nm). The present invention relates to an optical device, a driving method thereof, and an imaging device that are preferably applied to an optical filter or the like that can control the rate or light reflectance.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an ECD (electrochromic display element) is applied to a voltage-driven display device such as a digital timepiece.
[0003]
This ECD is a non-light-emitting display element, and displays as reflected light or transmitted light as an electrochemical light control element, and thus has an advantage such as less eye fatigue even when observed for a long time.
[0004]
As the EC material, for example, as disclosed in JP-A-59-24879, an organic molecular piorogen molecule derivative is known, and an ECD using this is reversibly colored as a liquid ECD. / Can create a decolored state.
[0005]
However, ECD using EC materials such as viologen molecule derivatives is insufficient in terms of response speed and shielding degree. Moreover, the light quantity adjusting device is required to be able to control the light transmittance in the visible light region, but sufficient characteristics cannot be obtained with the EC material as described above.
[0006]
Under these circumstances, the present inventors have focused attention on a dimming element utilizing the precipitation / dissolution phenomenon of a metal salt as an optical device (electrochemical dimming element) that can be replaced with ECD. An electro-optical device using dissolution was studied. As a result, an optical device having characteristics superior to those of EC materials in response speed and shielding degree could be obtained.
[0007]
The electrolytic solution used in this optical device is a silver (complex) salt solution that does not absorb in the visible light region. The silver salt solution uses a reversible plating bath capable of depositing / dissolving silver by voltage drive control, that is, a RED (Reversible Electro-Deposition) material, and is colored by attaching silver to a transparent electrode ( For example, by the reflected light), this adhesion film can perform substantially uniform light shielding in the visible light region. Moreover, since it is a non-cyanide silver salt solution, there are no problems associated with the safety of the working environment and waste liquid treatment that are observed in conventional cyan plating.
[0008]
Thus, by using a reversible system for depositing / dissolving silver from a silver salt on a transparent electrode, that is, by using a RED (Reversible Electro-Deposition) material which is a reversible plating material, low consumption is achieved. An optical device such as an optical filter that is non-light-emitting and that is suitable for the visible light region can be provided.
[0009]
The cell structure of this type of optical device will be described below with reference to the drawings.
[0010]
First, in the optical device shown in FIGS. 11 and 12, a pair of
[0011]
The
[0012]
In such a configuration, when the
Ag++ E-→ Ag
The resulting redox reaction occurs in the silver salt on the cathode side, and the working
[0013]
As described above, when Ag is deposited on the working
[0014]
On the other hand, when a DC voltage is applied in the opposite direction between the
Ag → Ag++ E-
The following reaction occurs, and Ag deposited on the working
[0015]
Next, FIGS. 13 and 14 show another example of the optical apparatus.
[0016]
In this example, as shown in the cross-sectional view of FIG. 13, a pair of
[0017]
As shown in the plan view of FIG. 14, the working
[0018]
In such a configuration, the working
[0019]
Therefore, if V1 = V2 = V3 = V4 = V5, the cell can be uniformly colored over the entire area, and the degree of concentration can be changed uniformly according to the voltage or its application time. Can do. For example, if | V1 |> | V2 |> | V3 |> | V4 |> | V5 |, the coloring density decreases from the center to the periphery (in other words, the transmittance increases). . Conversely, if | V1 | <| V2 | <| V3 | <| V4 | <| V5 |, the transmittance decreases from the center to the periphery. Such a configuration is useful as an optical diaphragm for a CCD (Charge Coupled Device) such as a TV camera, and can sufficiently cope with an improvement in the degree of integration of the CCD.
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional electrochemical optical apparatus as described above deposits a metal such as silver on the surface of the working electrode and then short-circuits the external circuit to leave it as it is. Since the deposited metal was dissolved again in the electrolytic solution and the deposited film became thin, a phenomenon occurred in which the transmittance increased. Also, after depositing (depositing) the metal, if the external circuit is left open and allowed to stand, the dissolution rate will be slightly slower, but the deposited metal will be dissolved again in the electrolyte. As a result, the transmittance gradually increased. When such a phenomenon occurs, for example, a CCD camera cannot perform stable light control, and a problem such as an image blurring occurs.
[0021]
On the other hand, a mechanical light amount diaphragm has been used to adjust the light amount of a CCD (Charge coupled device) camera. However, as the CCD camera is further downsized, the mechanical light amount diaphragm described above has a larger mechanical structure around it to drive it as the aperture area becomes smaller, which limits the downsizing of the entire system. was there. Further, as the miniaturization of the CCD has progressed, various problems have arisen, such as the image blurring due to the diffraction of light in the mechanical light quantity diaphragm.
[0022]
The present invention has been made in order to improve the above circumstances, and its purpose is to deposit a substance such as a metal in an electrochemical optical device utilizing the precipitation / dissolution phenomenon of the substance such as a metal for light control, An optical device improved so as to effectively suppress an increase in transmittance (or a decrease in reflectance) caused by re-dissolution of the electrodeposited material in the electrolytic solution, and to prevent problems such as blurring of the image; An object of the present invention is to provide an imaging apparatus that realizes downsizing of the system, prevention of blurring of an image, and the like by applying the driving method and the optical device to the light amount adjustment.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
That is, the optical device of the present invention comprises a working electrode, a counter electrode, and an electrolytic solution disposed between these electrodes. In the optical device that performs electrochemical light control, a predetermined substance is applied to the working electrode. It is characterized by providing an energizing means for replenishing the dissolved portion of the electrodeposited material after electrodeposition.
[0024]
The driving method of the present invention is a method for driving an optical device that includes a working electrode, a counter electrode, and an electrolytic solution disposed between the electrodes, and performs electrochemical light control. It is characterized in that after the material is electrodeposited, energization is performed to replenish the dissolved portion of the electrodeposited material.
[0025]
The image pickup apparatus of the present invention is characterized in that the optical device is provided for adjusting the amount of light in the optical path.
[0026]
According to the optical device and the driving method thereof of the present invention, in the optical device that performs dimming electrochemically, after depositing a predetermined substance, for example, a metal such as silver, on the working electrode, the electrodeposited substance As a result, the thinning of the electrodeposited film due to dissolution is effectively suppressed, and changes in optical properties such as light transmittance are suppressed. Can achieve sufficient light shielding.
[0027]
Further, according to the imaging apparatus of the present invention, the optical device attached thereto can adjust the amount of light by applying electrolysis, so that it does not require a large-scale mechanical configuration unlike conventional mechanical light amount diaphragms. In addition, it is possible to reduce the size to the effective range of the optical path, and to control the amount of light by the magnitude of the applied electric field to prevent diffraction and effectively prevent image blurring.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, it is preferable that the power supply circuit that is energized to replenish the dissolved portion of the electrodeposited material is connected between the working electrode and the counter electrode.
[0029]
And it is preferable to provide the sensor which detects the temperature of the said electrolyte solution, and the control circuit which controls the electric current energized by the said electricity supply means or the applied voltage based on the temperature information.
[0030]
The working electrode used in the present invention is preferably a transparent or translucent electrode having a transmittance of 70% or more in the visible region, and the electrolytic solution is preferably a silver salt solution. Furthermore, the electrolytic solution used in the present invention is not limited to this silver salt solution.
[0031]
Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on preferred embodiments.
[0032]
An optical device according to a preferred embodiment of the present invention includes a pair of transparent or semi-transparent substrates disposed to face each other, at least a pair of working electrodes disposed on opposite surfaces of these substrates, and in contact with the working electrodes. An electrolysis solution containing a silver salt arranged, a counter electrode arranged in contact with the electrolysis solution, and a sensor for detecting the temperature of the electrolysis solution; a power supply circuit for passing a reduction current to the working electrode; A control circuit for controlling a reduction current by the power supply circuit based on temperature information from the sensor and a drive power supply for connecting the working electrode and a counter electrode are provided.
[0033]
As an example, an optical device as shown in FIG. 1A can be given (a reference electrode is not shown).
[0034]
That is, in the optical device of the embodiment shown in FIG. 1A, the
[0035]
Further, the
[0036]
In the configuration described above, the drive
[0037]
Moreover, as the
[0038]
Further, the
[0039]
As shown in the figure, the
[0040]
As a material for the
[0041]
The temperature information of the electrolytic solution detected by the
[0042]
That is, when the optical device is driven, the output current value of the drive
[0043]
Such an operation is similarly performed for the power supply circuit 51 that supplies the reduction current. In this case, the dissolved amount of the deposited metal can be supplemented by adjusting the reduction current to always maintain a constant amount of electrodeposition.
[0044]
In this regard, the working electrode on which the metal is electrodeposited at the time of driving, when the external circuit is short-circuited or opened as described above, the electrodeposited metal is dissolved again in the electrolyte and the deposited film becomes thin. The transmittance increases gradually.
[0045]
Therefore, in this embodiment, the drive
[0046]
The time required for all the deposited metal to spontaneously dissolve is often considerably longer (several minutes to several tens of minutes) than the control time (several seconds) of electrodeposition or dissolution of the metal by the drive
[0047]
The reduction current value for making the shielding degree of the optical device constant varies depending on the temperature of the electrolytic solution as described above. That is, since the dissolution rate of a metal such as silver increases as the temperature increases, a larger current value is required to replenish the electrodeposited material such as silver than when the temperature is low. Therefore, what is necessary is just to detect the temperature of electrolyte solution with the
[0048]
In order to drive the optical device, light is shielded by depositing dissolved metal in the electrolyte on the surface of the working electrode 54, and light is transmitted by dissolving the deposited metal.
[0049]
At this time, in order to deposit the metal on the working electrode 54, the working electrode 54 may be polarized to become a cathode, and a current may be passed in the reduction direction so that electrons are supplied from the power source.
[0050]
On the other hand, in order to dissolve the deposited metal on the surface of the working electrode 54, the working electrode 54 may be polarized so as to be an anode, and an electric current may be passed in the oxidation direction so as to send electrons to the power source.
[0051]
The reduction current value required to deposit the metal to a predetermined light shielding degree in a certain time varies depending on the temperature. That is, as the temperature rises, the deposition rate of the metal increases, so that the reduction current value for obtaining a predetermined light shielding degree for a certain time can be reduced. On the other hand, if the temperature is low, the metal deposition rate is slow, so that a large reduction current value is required to realize the light shielding degree under the same conditions. The same applies to the oxidation current value necessary for dissolving the deposited metal.
[0052]
This reduction current value or oxidation current value also varies depending on the type and quality of the transparent conductive film constituting the working electrode 54, the structure of the electrolytic solution, and the like. Therefore, it is important to control the current flexibly according to each case.
[0053]
Thus, according to this embodiment, it is possible to effectively suppress an increase in transmittance due to dissolution of the deposited metal after electrodeposition.
[0054]
In the above-described embodiment, the drive
[0055]
Further, in the present invention, the reduction power supply circuit 51 may be omitted, and the drive
[0056]
In the formation of the transparent electrode used as the working electrode 54 in the optical device of the present invention, an oxide in which tin is doped with indium (referred to as ITO) or tin oxide is used.
[0057]
The constituent element ratio of indium and tin is arbitrary, but In / Sn is preferably 0 to 9, and more preferably 0 to 1.5.
[0058]
It is also possible to use a transparent electrode having a two-layer structure in which a tin oxide layer is formed as thin as 1 to 50 nm on ITO, for example. Since the surface of the transparent conductive film of this electrode is coated with tin oxide, the state of the metal film deposited on the electrode surface is similar to the metal electrodeposited on the thin film of tin oxide alone. Therefore, the coloring of the metal film is suppressed to be small, and excellent spectral characteristics can be obtained.
[0059]
In addition, when the tin oxide layer is formed very thin as described above, the resistance of the entire film can be kept small. Therefore, when the optical device is driven, the polarization of the transparent electrode can be kept small.
[0060]
In forming the various transparent electrodes, a metal or an oxide thereof is used as a target, and a thin film of the metal or an oxide thereof is formed by applying an AC voltage to the DC voltage or DC voltage under reduced pressure or normal pressure. Sputtering method, vapor deposition method in which a metal or its oxide is melted and vaporized to form a film, vaporizing a gas containing a desired metal, and applying a DC voltage or an AC voltage to a DC voltage to chemically activate it, Various vapor deposition methods such as chemical vapor deposition (CVD) for forming a film containing a desired metal on an object are preferably used.
[0061]
As a target used in the sputtering, a single crystal or polycrystal of a compound containing a film forming component element is used. The composition of the film formation can be controlled by the elemental composition ratio in the target. For example, in a polycrystal obtained by mixing tin oxide with ITO, the composition of the film can be controlled by changing the amount of tin oxide to be mixed.
[0062]
The target may be a target in which a small amount of a different element such as fluorine or antimony is mixed for reasons such as reducing the resistance value of the film.
[0063]
During film formation by sputtering, the temperature in the reaction vessel is adjusted appropriately. The critical temperature between the crystallinity and the amorphousness of the film during film formation depends on the In / Sn ratio in the film, so the temperature is adjusted to an appropriate temperature according to the desired In / Sn ratio. It is desirable to do.
[0064]
The sputtering method is performed while the inside of the reaction vessel is once evacuated and argon is mainly introduced into the vessel as an inert gas. Depending on the specifications of various physical properties such as the sheet resistance value of the film to be formed, a slight amount of oxygen may be mixed as required.
[0065]
In addition, if the transparent electrode is chemically or physically modified, the silver deposition potential on the transparent electrode can be lowered, the silver can be easily deposited, and damage to the transparent electrode and the solution itself can be reduced. .
[0066]
As a chemical modification method in this case, the surface treatment (chemical plating) of the transparent electrode is preferably performed by palladium or the like by a two-solution treatment method of a tin solution and a palladium solution. That is, as the surface activation treatment of the transparent electrode with palladium, the activity on the ITO electrode surface is enhanced by depositing palladium nuclei on the single substrate of the transparent conductive film.
[0067]
In this case, as the tin solution, tin chloride (SnCl2) A solution prepared by dissolving 0.10 to 1.0 g in 1 l HCl at a concentration of 0.010 to 0.10%. As a palladium solution, palladium chloride (PdCl2) A solution prepared by dissolving 0.10 to 1.0 g in 1 l HCl at a concentration of 0.010 to 0.10% can be used.
[0068]
In addition, as a physical modification method, a method of depositing a metal or the like nobler than silver on a transparent electrode can be employed.
[0069]
Next, the
[0070]
Further, if the
[0071]
That is, the use of a metal or metal oxide that exhibits a potential more noble than silver on the outermost surface of the
[0072]
However, a platinum group metal thin film such as platinum or palladium has low adhesion to an insulating substrate such as glass. Therefore, when the above metal is formed on an insulating substrate such as glass, a layer containing platinum or palladium is used as the first layer, and between this and the insulating substrate, titanium, chromium, which is a good conductor and has a film. It is preferable to interpose a metal such as tungsten or a metal oxide such as ITO or tin oxide as the second layer.
[0073]
That is, as a process, the first layer may be formed after the second layer is formed on the insulating substrate. In this case, depending on conditions, the second layer may become chemically unstable with respect to the electrolytic solution or may cause a side reaction with the electrolytic solution, so that the second layer is not in direct contact with the electrolytic solution. It is desirable to have a structure that covers the second layer.
[0074]
The first layer or the second layer can be formed by a vapor deposition method such as an evaporation method or a sputtering method, or a plating method.
[0075]
That is, the metal or metal oxide of the first layer or the second layer can be vapor-deposited by vaporizing the metal or metal oxide in a reduced pressure to form a film on a predetermined surface, or reduced in pressure or by using the metal or metal oxide as a target. A sputtering method for forming a desired metal or metal oxide film on a predetermined surface by applying a DC voltage to an AC voltage or an AC voltage under normal pressure is preferably used. The vapor deposition method includes a method of vaporizing a metal or metal oxide by resistance heating in a high vacuum, a method of vaporizing by irradiating a target metal or metal oxide with an electron beam (EB vapor deposition), and the like. Either method does not change the effect of the present invention.
[0076]
In the case where a film of platinum, palladium, or the like is formed on an insulating substrate such as silicon dioxide, the adhesion between the two is good, so that the second layer can be interposed arbitrarily.
[0077]
Further, formation of a metal layer such as platinum, palladium, or gold can be performed by a method other than the vapor phase film forming method. For example, these metals may be molded into a predetermined shape in advance, and the molded product may be embedded or fitted in a corresponding recess on the substrate surface. Such a method also has an advantage that it can be easily placed on the substrate because the molded product can be fixed to the recess using an adhesive as appropriate. However, as shown in FIG. 15, the corners of the
[0078]
Since platinum, palladium, and gold are noble metals than silver, the natural potential generated when immersed is higher than that of silver. For example, the standard electrode potential in an aqueous solution at 25 ° C. is 1.188 V for platinum, 0.915 V for palladium, and 1.50 V for gold. Since the standard electrode potential of silver is 0.7991V (see Chemical Handbook), platinum shows a noble potential of 0.389V with respect to silver, palladium has a noble potential of 0.116V, and gold has a noble potential of 0.70V. Will show. In addition, even in a non-aqueous solvent having a dimethyl sulfoxide (DMSO) / acetonitrile (AN) = 55/45 mixing ratio, it was confirmed that the relative potential of platinum or palladium with respect to silver shows a noble potential close to that in an aqueous solution. it can.
[0079]
Even if these metals are used as they are as the
[0080]
The layer of the dissimilar metal element can be formed by the above-described vapor deposition method or electrolytic plating, and the characteristics as a counter electrode are not changed by any method.
[0081]
Moreover, the
[0082]
Examples of the carbon material used for the conductive particles include graphite (graphite), graphitizable carbon (soft carbon), non-graphitizable carbon (hard carbon), carbon black, activated carbon, and the like.
[0083]
Note that graphitizable carbon is a carbon material that is graphitized when heat-treated at about 2800 to 3000 ° C., and non-graphitizable carbon is a carbon material that is not graphitized even when heat-treated at about 3000 ° C.
[0084]
Graphitizable carbon, for example, is fired in a nitrogen stream under conditions of a temperature rise rate of 1 to 20 ° C. per minute, an ultimate temperature of 900 to 1300 ° C., and a retention time of about 0 to 5 hours at the ultimate temperature. Is generated. Pitch is produced by distillation using high-temperature pyrolysis of coal tar, ethylene bottom oil, crude oil, etc., asphalt, etc. (vacuum distillation, atmospheric distillation, steam distillation, etc.), thermal polycondensation, extraction, chemical polycondensation, etc. The pitch obtained by the operation or the pitch generated during the dry distillation of wood.
[0085]
In addition, this graphitizable carbon is obtained by carbonizing a polymer compound raw material such as polyvinyl chloride resin, polyvinyl acetate, polyvinyl butyrate, 3,5-dimethylphenol resin at 300 to 700 ° C. in a nitrogen stream, Even if baked under the same conditions as above, it is produced.
[0086]
Further, this graphitizable carbon is a condensed polycyclic hydrocarbon compound such as naphthalene, phenanthrene, anthracene, triphenylene, pyrene, perylene, pentaphen, pentacene, and derivatives thereof (for example, carboxylic acids, carboxylic anhydrides, carboxylic acids thereof). Imide, etc.), and mixtures of the above compounds, acenaphthylene, indole, isoindole, quinoline, isoquinoline, quinoxaline, phthalazine, carbazole, acridine, phenazine, phenanthridine, and the like, and their derivatives as described above It is also produced by carbonizing and baking.
[0087]
On the other hand, non-graphitizable carbon is produced, for example, by carbonizing and firing a furan resin made of furfuryl alcohol or furfural homopolymer or copolymer under the same conditions as those for graphitizable carbon.
[0088]
This non-graphitizable carbon is also generated from an organic material in which a functional group containing oxygen is introduced into a petroleum pitch having a specific H / C atomic ratio (for example, 0.6 to 0.8) (so-called oxygen crosslinking). The For example, non-graphitizable carbon materials include phenol resin, acrylic resin, halogenated vinyl resin, polyimide resin, polyamideimide resin, polyamide resin, conjugated resin, cellulose having an H / C atomic ratio of 0.6 to 0.8. Organic polymer compounds such as derivatives thereof, condensed polycyclic hydrocarbon compounds such as naphthalene, phenanthrene, anthracene, triphenylene, pyrene, perylene, pentaphen, pentacene, and derivatives thereof (for example, carboxylic acids, carboxylic anhydrides, Carboxylic acid imides, etc.), and various condensed heterocyclic rings such as various pitches, acenaphthylene, indole, isoindole, quinoline, isoquinoline, quinoxaline, phthalazine, carbazole, acridine, phenazine, phenanthridine, etc., mainly composed of a mixture of the above-mentioned compounds Compound and its inducement The body is produced by carbonizing and firing under the same conditions as described above.
[0089]
The graphitizable carbon and non-graphitizable carbon described above can also be produced by adding a phosphorus compound to the starting material or precursor and then performing carbonization and firing in the same manner as described above.
[0090]
Further, when the conductive particles used for forming the
[0091]
The table below compares the characteristics of graphite, soft carbon, hard carbon and activated carbon.
[0092]
In forming the
[0093]
The
[0094]
The conductive particles constituting the mixture of the conductive particles and the binder preferably contain at least one kind of carbon material, but other components such as metals such as silver, copper and nickel or alloys thereof, or Each compound may be contained alone or in a mixed state. Among these, silver particles are particularly preferable because they have an effect of stabilizing the potential of the
[0095]
As described above, when the
[0096]
However, if the silver particles or the like are formed as part of the
[0097]
When the potential of the
[0098]
In this case, the potential of the
[0099]
Specifically, the silver particles are added at a weight ratio of 0.01 to 100 times (more preferably 0.05 to 10 times) the solid content of the paste composed of conductive particles other than the particles and the binder. It is good to be done.
[0100]
The conductive particles preferably have a particle size of several μm to several tens of μm. If the particle size is too small or too large, it is difficult to uniformly disperse the conductive particles in the binder. As a result, the electrical resistance of the film may be too high.
[0101]
For the current collector constituting the third layer as the base layer of the
[0102]
In the counter electrode using a conductive particle layer such as a carbon paste, a polymer layer may be interposed between the conductive particle layer and the current collector in order to improve the adhesion. Such a polymer layer is preferably composed of a conductive polymer in order to smoothly perform charge transfer from the current collector to the conductive particle layer. Various methods such as a casting method and a vapor deposition method are used for the formation of such a conductive polymer layer, and an electrochemical polymerization method is preferable among them.
[0103]
In the electrochemical polymerization method, an object is immersed in a solution containing monomer molecules, and the monomer molecules are polymerized by energizing the object to form a conductive polymer film on the surface of the object. It is a technique.
[0104]
Examples of the conductive polymer formed by the electropolymerization method include polyaniline whose monomer is aniline, polypyrrole whose monomer is pyrrole, and polythiophene whose monomer is thiophene.
[0105]
In addition, aniline, pyrrole, thiophene, and the like are easily chemically modified, and therefore various derivatives exist, and accordingly, derivative polymers exist. For example, polyaniline is a derivative N-alkylaniline, N, N-dimethylaniline, 1-aminopyrene, σ-phenylenediamine and other polymers, polypyrrole is a derivative N-methylpyrrole and other polymers, and polythiophene is thiophene. There are polythiophene derivatives in which the 3 and 4 positions are substituted with an alkyl group, an alkoxyl group, an allyl group or the like.
[0106]
The synthesis of the polymer by the electrochemical polymerization method is preferably performed by a
[0107]
When a monomer to be polymerized is dissolved in an appropriate concentration in a solvent 49 that has been deoxygenated by blowing an inert gas and an appropriate voltage is applied between the two electrodes, a desired polymer is produced on the
[0108]
For example, when electrochemically polymerizing aniline, aniline is dissolved in an aqueous solution (pH <2) such as hydrochloric acid, sulfuric acid, perchloric acid, and tetrafluoroboric acid, and ITO is used as a positive electrode. When silver is used as a reference electrode and oxidation is performed by applying a constant potential or a constant current of 0.7 to 1.0 V, polyaniline is formed on the ITO film.
[0109]
In the case of electrochemical polymerization of pyrrole, for example, acetonitrile is used as a solvent, the concentration of pyrrole is 0.05 to 0.1 mol / l, ITO is used as a positive electrode, platinum is used as a negative electrode, and about 3.5 V between both electrodes. When voltage is applied, polypyrrole is formed on the ITO.
[0110]
Furthermore, when electrochemically polymerizing thiophene, benzonitrile, tetrahydrofuran, methylene chloride and the like are often used in addition to acetonitrile, and platinum, nickel, graphite and the like can be used for the negative electrode. When a voltage is applied to the positive electrode as ITO, polythiophene is generated on the ITO.
[0111]
Usually, in order to perform electrochemical polymerization, an electrolyte is dissolved in order to energize with a sufficient current value. For example, in the electrochemical polymerization of polyaniline, hydrochloric acid or the like is added to make it acidic to about
[0112]
The conditions for electrochemical polymerization vary depending on the type of monomer, solvent and driving method, but in order to obtain a good film, for example, in the case of polymerization of polyaniline with a constant current, 3 mA / cm.2Or less, more preferably 0.5 mA / cm2It is desirable that
[0113]
In electrochemical polymerization, in some cases, copolymerization may or may not be possible. For example, copolymerization of pyrrole and thiophene is impossible because the oxidation potentials of the two types of monomers are different, but derivatives such as 2,2′-thienylpyrrole and 2,5-di (2-thienyl) -pyrrole are monomers. Then, since the oxidation potential is close, it is possible to synthesize an alternating copolymer of 1: 1 or 2: 1 of thiophene and pyrrole.
[0114]
In this way, a preferred counter electrode can be obtained by performing electrochemical polymerization on the counter electrode portion to form the second layer, and further applying or printing a layer containing conductive particles thereon as the first layer.
[0115]
It is preferable that the thickness of the first layer is several μm to several tens of μm, the thickness of the second layer is 50 to 500 nm, and the thickness of the third layer is 100 to 400 nm. The third layer is provided on an insulating substrate (thickness is about 1 mm, for example) such as glass or fiber reinforced plastic (FRP), and may be made of ITO, copper, silver, gold, platinum, SUS, or the like.
[0116]
In this way, when the
[0117]
By the way, providing the reference electrode is effective for stable control of the working electrode and the counter electrode. In other words, the reference electrode can control the potential of the working electrode and the counter electrode with high accuracy in the electrolytic solution, and if the external power source is controlled with a limiter or the like so that the potential difference between the working electrode and the counter electrode is maintained within a predetermined range, Excessive polarization of the electrode or the counter electrode can be prevented, and deterioration of the optical device can be suppressed.
[0118]
As this reference electrode, a material having the same material structure as that of the counter electrode can be used. In other words, a current collector such as a transition metal such as platinum or an oxide such as ITO is coated or printed with a mixture of conductive particles such as a carbon material and a binder, or a transition metal such as platinum or a current on the surface thereof. An electrodeposited metal (for example, silver) can be used for the reference electrode. However, since the reference electrode does not actively precipitate and dissolve the metal such as silver, the amount of metal such as silver supported on the mixture of the carbon material and the binder may be smaller than that of the counter electrode.
[0119]
In addition to the metal used for the
[0120]
Next, as the
[0121]
Moreover, it is preferable that it is 0.03-2.0 mol / l, and, as for the density | concentration of the silver halide in the
[0122]
Further, it is preferable to add a supporting salt (supporting electrolyte) capable of supplying bromine or other halogens in order to increase the conductivity of the
[0123]
Next, an embodiment in which the above-described optical device 76 according to the present invention (for example, one having an electrode pattern as shown in FIG. 14) is incorporated in a CCD (Charge coupled device) camera will be described with reference to FIG.
[0124]
In the CCD camera 70 shown in FIG. 2, a first group lens 71, a second group lens (for zooming) 72, a third group lens 73, a fourth group lens (for focusing) 74, and a CCD package 75 along the optical axis indicated by the alternate long and short dash line. Are arranged in this order at appropriate intervals, and an infrared cut filter 75a, a liquid crystal optical low-pass filter system 75b, and a CCD image sensor 75c are accommodated in the CCD package 75. Between the second group lens 72 and the third group lens 73, the optical device 76 according to the present invention described above near the third group lens 73 is mounted on the same optical path for light amount adjustment (light amount diaphragm).
The focusing fourth group lens 74 is arranged to be movable between the third group lens 73 and the CCD package 75 along the optical path by a linear motor 77, and the zoom second group lens 72 is arranged along the optical path. The first group lens 71 and the optical device 76 are movably disposed.
[0125]
According to this embodiment, the optical device 76 according to the present invention set between the second group lens 72 and the third group lens 73 can adjust the amount of light by applying an electric field as described above. Unlike a typical light quantity diaphragm mechanism, since a mechanical configuration for driving the diaphragm is not required, the system can be miniaturized, and the size can be substantially reduced to the size of the effective range of the optical path. Therefore, it is possible to reduce the size of the CCD camera. In addition, since the amount of light can be appropriately controlled according to the magnitude of the voltage applied to the patterned electrodes, the conventional diffraction phenomenon can be prevented, and a sufficient amount of light can be incident on the image sensor to eliminate image blurring.
[0126]
Next, another preferred embodiment will be described in comparison with a comparative example.
[0127]
The optical device shown in FIG. 3 is obtained by applying the present invention to an optical filter (electrochemical light control device) that is almost the same as that described in FIG.
[0128]
In this embodiment, as shown in the figure, a pair of transparent electrodes (for example, glass substrates) 4 and 5 constituting a cell are arranged at a predetermined interval, and each pair of
[0129]
And outside the cell, although not shown, a drive power supply circuit and a reduction current power supply circuit for energizing between the working electrode and the counter electrode, a temperature sensor and a reduction current power supply circuit for detecting the temperature of the electrolyte in the cell And a control circuit for controlling the drive power supply circuit.
[0130]
Furthermore, in this embodiment,
[0131]
The working
[0132]
In addition to the working electrode and the counter electrode, it is also possible to provide
[0133]
First, a transparent
[0134]
Thereafter, a thin film of tin oxide is formed on the ITO film to a thickness of about 5 nm by the same sputtering method to form a transparent
[0135]
Next, a
[0136]
Thereafter, a part of the
Thereafter, the remaining resist is peeled off to form a working
[0137]
Next, a resist 34 is applied again ((g)), exposure / illusion is performed with a different mask ((h)), chrome is etched again, and an
[0138]
After the resist 34 is peeled off again ((j)), a
[0139]
Thereafter, although not shown in FIG. 3 and FIG. 13, a black resist 37 is applied by spin coating for light shielding in order to prevent light from being transmitted through portions other than the working
[0140]
Then, silicon dioxide on the surface of the electrode portion not covered with the black resist is etched with a mixed solution of hydrofluoric acid and ammonium fluoride to expose the ITO surface of the electrode portion ((n)).
[0141]
Thereafter, the
[0142]
As shown in FIG. 3, the working
[0143]
As the
[0144]
FIGS. 8 to 10 show changes in average transmittance of the examples and comparative examples. 8 shows the case at 22 ° C., FIG. 9 shows the case at 40 ° C., and FIG. 10 shows the case at 60 ° C. The case where silver was electrodeposited on the working electrode and then a predetermined reduction current was applied was used as an example, and the case where no current was supplied was used as a comparative example. The average transmittance was measured for 3600 seconds (1 hour).
[0145]
Although FIG. 8 shows the result at 22 ° C., in the comparative example, since no reduction current is passed, the deposited silver gradually dissolves, and as a result, the transmittance increases. On the other hand, in the embodiment, a reducing current of 6 μA is applied, so that the dissolved silver can be supplemented, and the increase in transmittance can be greatly suppressed.
[0146]
At 40 ° C., the temperature is high, so the spontaneous dissolution of the deposited silver is fast, and the transmittance changes from 20% to total transmission (100%) in about 2000 seconds. The transmittance can be suppressed to a small change. In this case, since the spontaneous dissolution of silver is fast, the reduction current is also 10 μA, which requires a larger current than at 22 ° C. (FIG. 9).
[0147]
Furthermore, when the temperature reaches 60 ° C., the spontaneous dissolution of the deposited silver becomes even faster, and when no reduction current is passed (comparative example), the transmittance changes from 20% to total transmission (100%) in about 1200 seconds. . On the other hand, when the reduction current is applied (Example), the change in transmittance is suppressed to be small although it is larger than the case of 22 ° C. or 40 ° C. The reduction current at this time was 18 μA (FIG. 10).
[0148]
As described above, the increase in the transmittance is effectively suppressed by energizing the reduction current, but the current value varies depending on the temperature. Therefore, the liquid temperature is monitored by the temperature sensor, and a reduction current suitable for the temperature is applied.
[0149]
From these results, in the Examples, it is possible to reduce an increase in transmittance due to spontaneous elution of electrodeposited silver, and it is possible to provide an optical device having excellent characteristics.
[0150]
In this embodiment, the electric field concentration problem can be solved as follows. That is, when the paste-like material is suppressed or applied to form the
[0151]
Although the present invention has been described above according to the preferred embodiment, the above-described embodiment can be variously modified based on the technical idea of the present invention.
[0152]
For example, the electrode pattern shown in FIG. 2 is not limited to a concentric shape, but can be variously changed such as a stripe shape and a lattice shape. Different cells may be provided for each divided electrode.
[0153]
The optical device of the present invention can be applied not only to the light transmission type described above but also to a reflection type, and other known filter materials (for example, organic electrochromic materials, liquid crystals, electroluminescence materials, etc.) It is also possible to use in combination.
[0154]
Furthermore, the optical apparatus of the present invention can be widely applied to various optical systems such as an optical diaphragm of a CCD, for example, for light quantity adjustment in an optical communication device of an electrophotographic copying machine.
Furthermore, the optical device of the present invention can be applied to various image display elements that display characters and images in addition to the optical filter.
[0155]
【The invention's effect】
In the optical device and the driving method thereof according to the present invention, since a predetermined substance is electrodeposited on the working electrode and then energized to replenish the dissolved metal, the change in optical properties such as an increase in transmittance. That is, a decrease in the degree of shielding (or a decrease in reflectance) can be effectively suppressed.
[0156]
Further, according to the imaging apparatus of the present invention, since the optical device that can adjust the light amount by applying an electric field is applied to the light amount diaphragm, it does not require a large mechanical configuration unlike conventional mechanical light amount diaphragms, It is possible to reduce the size substantially to the effective range of the optical path, and to control the amount of light by the magnitude of the applied electric field to prevent diffraction and to effectively prevent image blurring.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a configuration diagram of an optical device of electrochemical dimming type according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 1B and 1C are diagrams showing an example of a reduction current power supply circuit used in the device. FIG.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of an imaging apparatus in which the optical apparatus according to the embodiment of the present invention is applied to an optical aperture of a CCD camera.
FIG. 3 is a schematic structural diagram of an optical device according to another embodiment of the present invention (the electric system is omitted).
FIG. 4 is a flowchart showing the manufacturing process of the optical device.
FIG. 5 is a flowchart showing manufacturing steps of the optical device (continuing from FIG. 4).
FIG. 6 is a flowchart showing manufacturing steps of the optical device (continuing from FIG. 5).
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of an electrochemical polymerization apparatus.
FIG. 8 is a graph showing a change in transmittance in Examples and Comparative Examples after silver is electrodeposited on a transparent electrode when the liquid temperature is 22 ° C.
FIG. 9 is a diagram showing a change in transmittance in Examples and Comparative Examples after silver is electrodeposited on a transparent electrode when the liquid temperature is 40 ° C.
FIG. 10 is a diagram showing a change in transmittance in Examples and Comparative Examples after silver is electrodeposited on a transparent electrode when the liquid temperature is 60 ° C.
11A and 11B show a conventional optical device of the same type, in which FIG. 11A is a cross section and FIG.
FIG. 12 is a perspective view of the optical device.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing another example of a conventional optical device of the same type.
FIG. 14 is a plan view of the same.
FIG. 15 is a conceptual diagram showing the precipitation / growth / drop-off phenomenon of silver particles in a conventional optical device using a silver plate as a counter electrode.
[Explanation of symbols]
1, 21 ... Silver salt solution,
2a-2e, 3a-3e, 22, 23, 54 ... working electrode,
4, 5, 24, 25 ... transparent substrate, 6, 26 ... spacer,
17a, 17b, 52 ... counter electrode, 27a, 27b ... reference electrode, 41 ... DC power supply,
46 ... cell, 47 ... cathode, 48 ... anode, 50 ... drive power supply circuit,
51 ... Reduction current power supply circuit, 53 ... Temperature sensor, 55 ... Control circuit
70 ... CCD camera, 71 ... 1 group lens, 72 ... 2 group lens,
73 ... 3 group lens, 74 ... 4 group lens, 75 ... CCD package,
76. Electrochemical optical device
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