JPH06214262A

JPH06214262A - 光散乱方法

Info

Publication number: JPH06214262A
Application number: JP5019463A
Authority: JP
Inventors: Toyohisa Fujita; 豊久藤田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-11-27
Filing date: 1993-01-13
Publication date: 1994-08-05

Abstract

(57)【要約】【目的】電界を印加、或いはその強さを調整すること
によって光の透過を制御する。【構成】誘電性を有する超微粒子を電気絶縁性油中に
分散させた電界応答性流体からなる薄膜を、印加する電
界により光の透過を制御するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電界を印加、或いはそ
の強さを調整することによって光の透過を制御すること
ができる光散乱方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電界の印加により光の透過が
制御される薄膜としては、液晶が広く知られている。こ
の液晶は電界を印加しない状態においては濁った状態を
維持し、電界を印加した状態において光を透過させる性
質を有し、多種の機器における表示装置に利用されてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記液
晶は分子配向させるために透視角が狭く、見づらいとい
う欠点を有している。また、液晶物質には毒性を有する
ものが多いために封止手段を強固なものとする必要もあ
り、また、その廃棄についても充分な配慮を必要とする
ものであった。さらに、多くの時間に際して光を透過さ
せて少ない時間にのみ光の透過を抑制しようとする場合
には、電界を印加する時間が印加しない時間に比べて著
しく長くなるので、電力の消費量が多大となる。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記に鑑み提案
されたもので、誘電性を有する超微粒子を電気絶縁性油
中に分散させた電界応答性流体（以下、ＥＲ流体とい
う）からなる薄膜を、印加する電界により光の透過を制
御するようにしたことを特徴とする光散乱方法に関する
ものである。

【０００５】本発明に使用するＥＲ流体は、以下の方法
により作製することができる。尚、誘電性を有する超微
粒子として非晶質或いは正方晶のチタン酸バリウムの超
微粒子を選定して以下説明を行うが、言うまでもなく誘
電性を有するものであれば特にその成分を限定するもの
ではない。まず、非晶質或いは正方晶のチタン酸バリウ
ムの超微粒子を調製する第１の方法としては、バリウム
イオンが存在するアルカリ溶液、例えば水酸化バリウム
水溶液中に、チタニウムアルコキシド、例えばチタニウ
ムイソプロポキシドを添加し、加水分解することにより
調製する方法をあげることができる。尚、この加水分解
反応は下記化１の反応と考えられる。

【０００６】

【化１】

【０００７】上記方法においてバリウムとチタンとのモ
ル比が１：１であるチタン酸バリウムを３１３〜３５３
Ｋの反応温度で調製したところ、調製されたチタン酸バ
リウムの平均粒径は５〜２０ｎｍであり、反応温度が低
下するにつれて粒径は減少し、また、３３３Ｋ以上で反
応させたチタン酸バリウムの超微粒子はＸ線回折により
立方晶系であることが確認され、強誘電性を示さなかっ
た。さらに、３３３Ｋ以下で反応させたチタン酸バリウ
ムの超微粒子は非晶質となるが、充分に高い誘電率を示
さなかった。

【０００８】また、非晶質或いは正方晶のチタン酸バリ
ウムの超微粒子を調製する第２の方法としては、チタニ
ウムアルコキシドとバリウムアルコキシド、例えばチタ
ニウムイソプロポキシドとバリウムイソプロポキシドの
混合溶液を窒素雰囲気中で加熱し、蒸留水を添加するこ
とにより調製する方法があげられる。

【０００９】上記方法において、バリウムとチタンとの
モル比が１：１であるチタン酸バリウムを３５０Ｋの反
応温度で調製し、さらにこのチタン酸バリウムを空気雰
囲気中１０７３Ｋで５分間焼結した。はじめに調製した
チタン酸バリウムは約２０ｎｍの粒径であったが、立方
晶系で強誘電性を示さず、これを１０７３Ｋで５分間焼
結したチタン酸バリウムは立方晶系から正方晶系に変化
したが、１ｋＨｚでの誘電率に変化は観察されず、８０
ｎｍの粒径となった。上記のようにバリウムとチタンと
のモル比が１：１であるチタン酸バリウムは、第１の方
法で調製しても第２の方法で調製しても、２０ｎｍ以下
の粒径で、且つ高い誘電率を有する超微粒子にはならな
い。

【００１０】次に、前記第１の方法或いは第２の方法に
よりチタンの割合がバリウムの割合より大としてチタン
酸バリウムを調製したところ、得られたチタン酸バリウ
ムはＸ線的に非晶質で平均粒径が５〜１０ｎｍの超微粒
子であった。特に、チタンの割合がバリウムの割合より
僅かに大きなチタン酸バリウムは高い誘電率を示した。
また、チタンの割合を増加していくとバリウムとチタン
とのモル比が１：１０までのチタン酸バリウムが充分に
高い誘電率を示すことが見出された。

【００１１】一方、バリウムの割合がチタンの割合より
大として反応させて作製したチタン酸バリウムは、前記
バリウムとチタンとのモル比が１：１のチタン酸バリウ
ムと同様に低い誘電率しか示さなかった。

【００１２】上記のようにチタン酸バリウムはその組成
においてバリウムの割合がチタンの割合より大きいか或
いはそのモル比が１：１の場合は低い誘電率しか示さな
いが、バリウムとチタンとのモル比においてチタンの方
が大でバリウムに対して１０倍を越えない範囲、例えば
１：１．０１〜１：１０の範囲において高い誘電率を示
す。

【００１３】以上説明したように、前記第１の方法或い
は第２の方法を用いてバリウムとチタンとのモル比にお
いてチタンの方が大でバリウムに対して１０倍を越えな
い範囲のチタン酸バリウムを調製すると、ナノサイズで
且つ高い誘電率を有する超微粒子を得ることができる。

【００１４】このように調製された非晶質或いは正方晶
のチタン酸バリウムの超微粒子を電気絶縁性油中に分散
させるのであるが、その手段としては例えば超微粒子を
界面活性剤で被覆して分散させる方法がある。即ち、前
記超微粒子をオレイン酸ナトリウム、アルキルアンモニ
ウムアセテート、アルキルスルホコハク酸塩、ｎ−アシ
ルアミノ酸とその塩、ｎ−アルキルトリメチレンジアミ
ン誘導体、ポリオキシエチレンアルキルエーテルリン酸
塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル酢酸塩、アル
キルリン酸塩、アルカリ酢酸塩等の界面活性剤で被覆
し、ケロシン、アルキルナフタレン、ポリ−α−オレフ
ィン、シリコンオイル、エステル類、エーテル類、その
他の石油系溶剤、鉱物油、植物油のような電気絶縁性油
中に超音波或いはホモジナイザーで攪拌することにより
安定に分散させることができ、電界に対して敏感なＥＲ
流体を作製することができる。尤も上記電気絶縁性油
は、電界に対する応答速度、回復速度を考慮して低粘度
のものを使用することが好ましい。

【００１５】上記ＥＲ流体は、非晶質或いは正方晶のチ
タン酸バリウムの超微粒子の特性に準じてある温度で増
加する特性を有する。また、上記チタン酸バリウムのバ
リウムの５〜１０％をストロンチウム、カルシウム、マ
グネシウムの一種以上に置換することにより、常温でも
高い誘電率を示すＥＲ流体を作製することができる。

【００１６】本発明者等は上記ＥＲ流体の光学特性につ
いて鋭意研究の末、このＥＲ流体に電界を作用させた場
合に電気力線方向にクラスタを生ずることに着目し、前
記ＥＲ流体を薄膜にして印加する電界により光の透過を
制御することができることを見出したものである。

【００１７】例えば本発明の光散乱方法を家屋の調光窓
に適用した場合、電源をＯＮで光を遮断し、ＯＦＦで光
を透過させ、しかも印加する電界の強度を調整すること
により光の透過量を制御することができるので、例えば
電界を印加させることなく室内に太陽光を引き込むこと
もできるし、夏季等には電界を印加させて光の透過量を
遮断、或いは軽減させることもできる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を示す。

【００１９】［ＥＲ流体の調製］試薬Ａ（イソプロパノ
ール中の０．３〜０．４ｍｏｌ／ｌのチタニウムイソプ
ロポキシド）を、試薬Ｂ（加熱した蒸留水中の０．２〜
０．４ｍｏｌ／ｌの水酸化バリウム）に添加し、３２０
Ｋに加熱することにより、チタン酸バリウムを調製し
た。また、前記試薬Ａと試薬Ｃ（窒素雰囲気中、約３５
０Ｋでイソプロパノール中に金属バリウムを溶解して得
られた０．３〜０．４ｍｏｌ／ｌのバリウムイソプロポ
キシド）との混合溶液を窒素雰囲気中で３５０Ｋで加熱
し、蒸留水を添加してチタン酸バリウムを調製し、酸で
炭酸カルシウムを除去洗浄した。こうして調製されたチ
タン酸バリウムの微粒子の平均粒径を、比重瓶による測
定から密度を約５０００ｋｇ／ｍ³ としてＢＥＴ法によ
る比表面積の測定結果を用いて求めたところ、５〜１０
ｎｍであった。

【００２０】［クラスタの発生確認実験］得られたチタ
ン酸バリウムの超微粒子を界面活性剤（ポリオキシエチ
レン（６）アルキルエーテル酢酸ナトリウム塩）で被覆
した後、電気絶縁性油であるアルキルナフタレン或いは
ケロシンに分散させたＥＲ流体を２本の直径約０．２ｍ
ｍの銅線をスペーサとして２枚の薄いガラス板の間に充
填し、１ｋＶ／ｍｍの交流電界を作用させたところ、電
界を作用させないと光学顕微鏡では何も観察されなかっ
たが、電界を作用させることにより電気力線方向に多数
の幅のある長いクラスタが観察され、粒子は太さ約１０
０ｎｍの集合体を形成し、電界方向に並んでいた。

【００２１】［光透過実験］当該実験に使用した薄膜の
断面及び動作状態を図１に示した。ＩＴＯ透明導電性薄
膜を被覆した２枚のガラス電極管を種々の厚さのシート
状スペーサで距離を保ち、このスペーサ間に前記ＥＲ流
体を充填して薄膜とし、この薄膜と垂直に光を入射し、
交流或いは直流電界の印加、無印加による透過率を観察
した。図１下半に示すように薄膜は電界を印加させない
場合には光を透過させるが、電界を印加すると大きな散
乱が生じ、光を透過しにくくする性質を有するものであ
った。尚、光の透過率の測定は、光電分光光度計内に薄
膜を光の方向と垂直に配置して行った。

【００２２】上記ＥＲ流体中に分散しているチタン酸バ
リウムの直径は、可視光の波長に比べて充分に小さいの
でＲａｙｌｅｉｇｈ散乱が生ずると考えられる。光散乱
に関与するコロイド系の体積をＶ、粒子濃度をｃとして
ＥＲ流体中の粒子による散乱光強度Ｉ（θ）は入射光強
度をＩ₀ として下記の数１で示される。

【００２３】

【数１】

【００２４】上記化１中で、θは散乱角、ｄは粒子の半
径、ｒは散乱中心から観測点までの距離、λは入射波
長、ｍは粒子の屈折率と電気絶縁性油の屈折率との比で
ある。粒子の全体積を一定とするとｃＶはｄ^-3に比例す
るから、Ｉ（θ）はｄ³ に比例することになる。チタン
酸バリウム粒子がアルキルナフタレン或いはケロシンに
分散している場合はｍ≒１．６である。チタン酸バリウ
ム粒子のｄは小なのでＥＲ流体を薄膜にして可視光を垂
直に入射するとｃＶを適当にとれば光は透過する。しか
し、薄膜に電界を作用させると、電界方向に粒子が集合
して多数の幅のある細長いクラスタを生じ、見掛け上ｄ
は大となり前記化１から明らかなように光は散乱し、薄
膜を透過しにくくなると考えられる。

【００２５】［電界強度変化における透過率の測定］図
２は前記アルキルナフタレンベースのＥＲ流体（超微粒
子濃度７．６％）を２５μｍの薄膜にして印加させる電
界強度を変化させ、この状態における５００ｎｍ、７０
０ｎｍの光の透過率を測定した結果を示したものであ
る。尚、ＥＲ流体中のチタン酸バリウムの重量濃度は
７．６％のものを使用した。

【００２６】図２より明らかなように、電圧を増加させ
ていくと０．４ｋＶ／ｍｍの電界強度即ち１０Ｖまでに
透過率は急激に減少し、２０Ｖ以上では殆ど変化しなく
なった。また、５００ｎｍの光は７００ｎｍに比して電
界の印加で殆ど透過しなくなった。そして、セルの厚さ
をさらに薄くするとより低い電圧での応答が可能と考え
られた。

【００２７】［光の波長変化における透過率の測定］図
３は前記アルキルナフタレンベースのＥＲ流体（超微粒
子濃度７．６％）を２５μｍ、５０μｍの薄膜にし、透
過させる光の波長を変化させ、この状態における光の透
過率を測定した結果を示したものである。尚、測定は１
ｋＶ／ｍｍの電界を印加させた場合と印加させない場合
と両方行った。

【００２８】前記化１から推定されるように、そして図
３より明らかなように波長の短い光ほど著しく散乱さ
れ、波長が低下するにつれて透過率は低下した。また、
４００〜５５０ｎｍで電圧のＯＮとＯＦＦによる高いコ
ントラスト比が得られた。

【００２９】［光の入射角度変化における透過率の測
定］図４は前記アルキルナフタレンベースのＥＲ流体
（超微粒子濃度７．６％）を２５μｍ薄膜にし、透過さ
せる５００ｎｍの光を入射角度を変化させ、この状態に
おける光の透過率を測定した結果を示したものである。
尚、測定は１ｋＶ／ｍｍの電界を印加させた場合と印加
させない場合と両方行った。

【００３０】図４より明らかなように、光の入射角度が
垂直に入射する９０°から低くなるにしたがって、電源
をＯＮにした場合の透過率が増加した。この場合、セル
の厚さは２５μｍを使用しているが、入射角度が８０〜
９０°までは透過率の変化は小であった。

【００３１】［ＥＲ流体の薄膜の厚さ変化における透過
率の測定］図５は薄膜のセルの厚さを変化させ、アルキ
ルナフタレンベースでチタン酸バリウムの超微粒子濃度
が７．６％、３．６％のＥＲ流体をセルに充填し、この
状態における５００ｎｍの光の透過率を示したものであ
る。尚、測定は０．４ｋＶ／ｍｍの電界を印加させた場
合と印加させない場合と両方行った。

【００３２】図５より明らかなように、縦軸に透過率の
対数を示しているがほぼ直線の関係となり透過率はセル
の厚さと共に減少し、減衰係数は粒子濃度が大きくなる
ほど大となった。

【００３３】［応答速度の測定］図６はアルキルナフタ
レン（粘度０．０６５Ｐａｓ）またはケロシンベース
（粘度０．００６Ｐａｓ）のＥＲ流体（超微粒子濃度７
％）を２５μｍ薄膜にし、印加させる電界の強度を変化
させ、５００ｎｍの光の透過率が減少して一定になるま
での応答時間をオシロスコープにより測定した結果を示
したものである。

【００３４】図６より明らかなように、透過率は０．８
ｋＶ／ｍｍで殆ど変化しなくなったが、応答速度はさら
に電界強度が上昇するにつれて速くなった。また、電気
絶縁性油の粘度により応答時間は著しく影響を受け、ケ
ロシンを溶媒とした場合はアルキルナフタレンベースに
比べて粘度が１０分の１と低いために、応答速度は１０
倍速くなった。

【００３５】［回復時間の測定］図７は薄膜に電界を作
用させた後、作用させない状態の透過率まで回復する時
間に対するＥＲ流体の粘度の影響を薄膜セルの厚さを変
化させて測定した結果を示したものである。尚、ＥＲ流
体はアルキルナフタレン（粘度０．０６５Ｐａｓ）また
はケロシンベース（粘度０．００６Ｐａｓ）で、超微粒
子濃度が７％の２種を用い、５００ｎｍの光を透過させ
て行った。

【００３６】図７より明らかなように、応答速度と同様
に回復速度はＥＲ流体の粘度のオーダーに比例して増大
した。また、回復時間はケロシンベースのＥＲ流体で約
０．５秒、アルキルナフタレンベースのＥＲ流体で約５
秒であった。尚、時間τの間に粒子が一定方向に動いた
平均の距離をｈ（クラスタの間隔の半分と考えられる）
とすると、理想溶液では半径ｄの球形粒子の拡散係数
は、下記数２となる。

【００３７】

【数２】

【００３８】上記数２中で、ｋはボルツマン定数、Ｔは
絶対温度、ηは溶媒の粘度である。回復時間よりクラス
タの間隔は約１００ｎｍと推定され、回復時間は粘度に
ほぼ比例した。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明の光散乱方法
は、電界を印加、或いはその強さを調整することによっ
て光の透過を制御することができる。したがって、工業
的には例えば光シャッタへの適用が考えられる。

【００４０】また、液晶を用いた場合と比して、電源を
ＯＮで光を遮断し、ＯＦＦで光を透過させるので、多く
の時間に際して光を透過させて少ない時間にのみ光の透
過を抑制しようとする場合には、電界を印加する時間が
印加しない時間に比べて著しく短くなるので、電力の消
費量は極めて軽微なものとなる。

【００４１】さらに、本発明の光散乱方法は、ＡＣ電源
のみでなくある程度のＤＣ電源が使用することができ、
液晶と同様の用途に用いた場合には散乱の角度依存性が
少ないので視覚角度が広範で極めて見易く、ＥＲ流体に
は毒性もないので取扱性やその廃棄についても特別な配
慮を必要としない等種々の利点を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】光透過実験の状態を示す断面図である。

【図２】電界強度変化における透過率の測定結果を示す
グラフである。

【図３】光の波長変化における透過率の測定結果を示す
グラフである。

【図４】光の入射角度変化における透過率の測定結果を
示すグラフである。

【図５】ＥＲ流体の薄膜の厚さ変化における透過率の測
定結果を示すグラフである。

【図６】応答速度の測定結果を示すグラフである。

【図７】回復時間の測定結果を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘電性を有する超微粒子を電気絶縁性油
中に分散させた電界応答性流体からなる薄膜を、印加す
る電界により光の透過を制御するようにしたことを特徴
とする光散乱方法。