JP5473843B2 - 電場応答性ナノ複合流体及び調光素子 - Google Patents
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Description
(1)ポリオルガノシロキサンの分散媒に、電場を印加して電場−分極曲線でヒステリシス曲線を描く特性を有する強誘電性の酸化物粒子が分散された流体であって、前記酸化物粒子の粒径が2〜19nmであり、前記酸化物粒子とポリオルガノシロキサンとが化学結合していることを特徴とする電場応答性ナノ複合流体。
(2)前記化学結合が、M−O−R−Si結合(M:酸化物粒子を構成する金属イオンM、R:有機基)であることを特徴とする(1)記載の電場応答性ナノ複合流体。
(3)前記化学結合が、ポリオルガノシロキサンに有する水酸基が酸化物粒子と反応して形成されたものであることを特徴とする(1)又は(2)に記載の電場応答性ナノ複合流体。
(4)前記ポリオルガノシロキサンと酸化物粒子とが、ポリオルガノシロキサン/酸化物モル比で1.5以上15.0以下であることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の電場応答性ナノ複合流体。
(5)前記酸化物粒子が、BaTiO3又はその固溶系酸化物の粒子を含むことを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の電場応答性ナノ複合流体。
(6)(1)〜(5)のいずれかに記載の電場応答性ナノ複合流体を、2つの対向する透明電極間に配置し、前記電極間幅が5〜500μmであることを特徴とする調光素子。
(7)電場印加を停止した後に、前記電場応答性ナノ複合体に超音波を照射できる超音波照射機構を有することを特徴とする(6)に記載の調光素子。
また、本発明の電場応答性ナノ複合流体を利用すれば、簡単な構成で安価な調光素子を提供できる。
ABO3・・・式1
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pb,Ba,Sr,Bi,Li,Na,Ca,Cd,Mg,K,及びランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,Mg,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,Ni,Hf,及びAlからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、O:酸素元素、Aサイト元素とBサイト元素と酸素元素のモル比は1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。)
本発明の電場応答性ナノ複合流体は、酸化物を構成する金属元素の金属アルコキシドを前駆体として、前記前駆体から形成された酸化物の微粒子をオルガノポリシロキサンと反応させて調製することができる。具体的な手順の例は、以下のようである。金属アルコキシドを有機溶媒に溶解する。ここで、前記金属アルコキシドは、加熱還流する等によってダブルアルコキシド(複合アルコキシド)にするのが好ましい。また、前記有機溶媒は、金属アルコキシドを溶解できる溶媒であればよく、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、2−エトキシエタノール、2−メトキシエタノール、エチレングリコール等アルコール類、トルエン、キシレン、テトラヒドロフラン等が挙げられる。また、前記有機溶媒は、脱水して使用するのが好ましい。
BaTiO3の酸化物がポリオルガノシロキサン中に分散された電場応答性ナノ複合流体の作製手順を示す。
まず、フラスコ中にチタンイソプロポキシドTi(OiPr)4及び金属バリウムBaをモル比が1:1となるように秤量した。エタノール(EtOH)と2−エトキシエタノール(EGMEE)の混合溶媒(体積比で、EtOH:EGMEE=5:1)を0.075mol/Lとなるように、前記フラスコ内に加え、80℃で撹拌しながら18時間加熱還流を行った。これにより、前記Baは、アルコールと反応して金属アルコキシドを形成するとともに、BaとTiのダブルアルコキシドとなる。これを前駆体溶液とした。
以上の実験操作は、空気中の水分や二酸化炭素を避けるために、乾燥窒素雰囲気下で行った。
図1に、X線回折図(XRD)を示す。上述のように調製したBaTiO3ナノ粒子含有溶液中のBaTiO3ナノ粒子は、図1(a)のようにペロブスカイト相の回折ピークのみが確認でき、結晶性のBaTiO3ナノ粒子が作製できていることが分かる。これらの回折ピークからシェラー式を用いて結晶子サイズを計算したところ、5.5nmであった。BaTiO3ナノ複合流体の回折図(図1(b))では、ペロブスカイト相の回折ピークと同時に低角側にブロードな回折ピークが現れている。前記ブロードな回折ピークは、図1(c)のポリオルガノシロキサンのみに現れる回折ピークと同じものであり、ポリオルガノシロキサンに起因するものである。
ITOをコートした2枚のガラスの間に、0.1mm厚さのポリイミドテープのスペーサを用いて電場応答性ナノ複合流体を挿入した(図6)。前記ITO電極から、DC又はAC電源(WF1973、エヌエフ回路設計ブロック社製)を用いて電場を印加した。光透過率は、可視紫外分光計を用いて測定した。
以上のように、本発明の作用効果を確認した。
589nm(NaD線)の波長の光を、カルビノール側鎖を有するポリジメチルシロキサン[Me2Si(R´OH)]m(a)及びカルビノール側鎖を有するポリジメチルシロキサン[Me2Si(R´OH)]mを使用して作製されたBaTiO3ナノ複合流体(b)にそれぞれ当て続けて透過率を時間に対してプロットしていき、測定開始から100秒後に4kV/mmの電場を印加し、測定開始から400秒後に電場印加を停止し、透過率変化の時間依存性を評価した(図8)。測定開始後の透過率を100%に設定し、測定時間は1200秒とした。図8(a)に示しているように、カルビノール側鎖を有するポリジメチルシロキサン[Me2Si(R´OH)]mでは、測定開始から終了まで透過率に変化がない。しかし、図8(b)に示しているように、カルビノール側鎖を有するポリジメチルシロキサン[Me2Si(R´OH)]mを使用して作製されたBaTiO3ナノ複合流体では、電場を印加した瞬間に透過率が約80%まで急激に減少し、その後400秒での透過率である約62%まで徐々に減少し続けた。電場印加を停止すると、透過率が徐々に高くなり、電場停止後800秒には約95%の透過率になった。電場印加を停止した後の透過率の上昇は、物理的な攪拌や流体の粘度を低くすることで、より容易に透過率が高くなって元の透過率の戻りやくすることができる。さらに、電場印加停止後に電極を介して超音波を照射するとより効率的に元の透過率の戻りやすくでき、その時間を1/10にすることができた。流体の粘度を1/2に低くすることでは、元の透過率に戻る時間が1/3にできることを確認している。また、電場印加を停止した後、加温することによっても元の透過率に戻りやすくすることができ、40℃に加熱することで元の透過率に戻る時間が1/3にできることを確認した。
上記印加した電場は、直流電場であるが、交流電場を印加しても透過率が変化することを確認している。
強誘電体でない酸化物として、TiO2ナノ粒子を用いた系についても作製した。TiO2ナノ粒子は、チタンイソプロポキシドTi(OiPr)4を加水分解して作製した。Ti(OiPr)4の急激な反応による沈殿形成を避けるために、配位子となるβ−ジケトンであって強いキレート配位が可能であるアセチルアセトンacacHを用いてTi(OiPr)4の安定化を図った。ここで、前記acacHは、次のようにして脱水して精製した。200℃で12時間乾燥させたモレキュラーシーブス5AをacacHに加えて、密封系で2日間放置して水分を吸収させた。その後、上澄みを別の容器に移し、硫酸ナトリウムを加えて12時間撹拌した。その後、さらに上澄みを採取し、乾燥窒素雰囲気下で蒸留することにより無水acacHを調製した。
固相法のBaTiO3の粒子(平均粒径20nm、100nm)を、実施例1と同様のポリオルガノシロキサンに分散させた。
前記BaTiO3の粒子は、BaCO3とTiO2とを混合した後、1000℃、1時間仮焼し、粉砕・分級して調製した。
実施例1と同様の手順でBaTiO3ナノ粒子を調製し、ポリオルガノシロキサンとして官能基を有さないシリコーンオイル(両末端基がメチル基のポリジメチルシロキサン)を使用して流体を作製した。即ち、実施例1のBaTiO3ナノ粒子含有溶液中に、シリコーンオイルを添加し、実施例1と同じ手順で流体を調製した。この場合、ポリオルガノシロキサンには、BaTiO3ナノ粒子と反応して化学結合を形成する官能基を有さない。
ここで調製した流体に、実施例1と同様の方法で4kV/mmを印加したが、光透過率には変化は見られなかった。
実施例1と同様の方法で、BaTiO3以外の酸化物のナノ粒子を分散させた電場応答性ナノ複合流体を作製した。
以上の各酸化物原料を使用して、それぞれ、Ba(Ti,Zn)O3ナノ複合流体、(Ba,Sr)TiO3ナノ複合流体、SBT(SrBi2Ta2O9)ナノ複合流体、BTO(Bi4Ti3O12)ナノ複合流体を作製した。
実施例1と同様の手順でBaTiO3ナノ粒子を調製し、ポリオルガノシロキサンとして、両末端にSi−OHの水酸基(シラノール基)の官能基を有するポリジメチルシロキサン、両末端にSi−OHの水酸基(シラノール基)の官能基を有するポリジメチルジフェニルシロキサン、両末端にエポキシ基の官能基を有するポリジメチルシロキサン、側鎖にエポキシ基の官能基を有するポリジメチルシロキサンをそれぞれ使用して電場応答性ナノ複合流体を作製した。即ち、実施例1のBaTiO3ナノ粒子含有溶液中に、前記各オルガノシロキサンをそれぞれ添加し、実施例1と同じ手順で流体を調製した。前記シラノール基を有するポリジメチルシロキサンとポリジメチルジフェニルシロキサンは、前記シラノール基を介してBaTiO3ナノ粒子と配位結合している。また、前記エポキシ基を有するポリジメチルシロキサンは、エポキシ基が開環してできる水酸基がBaTiO3ナノ粒子と配位結合しているものである。
実施例1において行った電場応答性の評価に関し、ITOをコートした2枚のガラスの間に、0.1mm厚さのポリイミドテープのスペーサを用いて電場応答性ナノ複合流体を挿入した調光素子を作製したが、ここでは、スペーサの厚さを変えた調光素子を作製して評価した。3μm、5μm、50μm、500μm、600μmの各スペーサで、調光素子を作製した。5μm、50μm、及び500μmのスペーサで作製した調光素子は、0.5〜30kV/mmの電場を印加すると良好な光遮断効果(光透過率の低下)が得られた。また、電場印加停止後に超音波を照射すると元の透過率の戻る時間を1/10にすることができた。一方、3μmのスペーサで作製した調光素子は、前記電場を印加すると光透過率の低下は見られたが、光遮断効果は十分でなく、高い電場を印加すると絶縁破壊した。600μmのスペーサで作製した調光素子は、前記電場を印加すると光透過率の低下は見られたが、光遮断効果は十分でなく、高い電場を印加しても十分な光遮断効果は得られなかった。
Claims (7)
- ポリオルガノシロキサンの分散媒に、電場を印加して電場−分極曲線でヒステリシス曲線を描く特性を有する強誘電性の酸化物粒子が分散した流体であって、前記酸化物粒子の粒径が2〜19nmであり、前記酸化物粒子とポリオルガノシロキサンとが化学結合していることを特徴とする電場応答性ナノ複合流体。
- 前記化学結合が、M−O−R−Si結合(M:酸化物粒子を構成する金属イオンM、R:有機基)であることを特徴とする請求項1記載の電場応答性ナノ複合流体。
- 前記化学結合が、ポリオルガノシロキサンに有する水酸基が酸化物粒子と反応して形成されたものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の電場応答性ナノ複合流体。
- 前記ポリオルガノシロキサンと酸化物粒子とが、ポリオルガノシロキサン/酸化物モル比で1.5以上15.0以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電場応答性ナノ複合流体。
- 前記酸化物粒子が、BaTiO3又はその固溶系酸化物の粒子を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の電場応答性ナノ複合流体。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の電場応答性ナノ複合流体を、2つの対向する透明電極間に配置し、前記電極間幅が5〜500μmであることを特徴とする調光素子。
- 電場印加を停止した後に、前記電場応答性ナノ複合体に超音波を照射できる超音波照射機構を有することを特徴とする請求項6に記載の調光素子。
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