JPH11506843A - 光変調装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光変調装置および方法を開示する。装置は電解層に接触している光学的に透明な作用電極（１４）と、電解層に接触している対向電極（１６）とを含んでいる。対向電極は作用電極および透過光の光路に対して横方向に配置されている。方法は光学的濃度を上げ、光の透過を下げる、電解層からの金属の可逆性エレクトロクリスタライゼーションを含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】 光変調装置および方法 発明の背景 （１）発明の分野 本発明は総括的に投影および／または表示のための光変調の分野に関し、詳細 にいえば、投影表示装置および／またはバックライト表示装置における光の透過 を変調するためにエレクトロクロミック材料を利用した電気光学装置および方法 に関する。 （２）関連する技術の説明 英数字、グラフィックス、およびその他の光情報の表示のために反射光の量ま たは透過光の量のいずれかを変化させる薄い光変調装置は当分野において知られ ている。これらの光変調装置の中には、電気化学的酸化還元により色ないし光学 的濃度を可逆的に変化させるエレクトロクロミックプロセスを利用しているもの がある。使用されるエレクトロクロミック材料は還元状態に比較して、酸化状態 において異なる色ないし光学的濃度を有しており、電流を印加することにより、 酸化状態と還元状態の間で可逆的な変換を行う。 このようなエレクトロクロミック光変調装置およびプロセス の一つが、参照することにより本明細書の一部となる米国特許第５０８０４７０ 号に開示されている。開示されている装置はエレクトロクロミック材料を含有し ている電解層の一方面に接触して付着された第一の導電性で、光学的に透明な電 極層を含んでいる。第二の対向電極層は電解層の他方の面に接触している。「書 込み」フェーズは二つの電解層の間に電流を印加することによって達成され、第 一の電解層がカソードとして働く。これにより電解層と第一の電極層の間の界面 におけるエレクトロクロミック材料の還元とエレクトロクリスタライゼーション （electrocrystallization）が生じて、界面領域の光学的濃度が高くなる。「消 去」フェーズにおいては、電流が逆にされて、陽極酸化によりエレクトロクロミ ック材料が溶解して、界面領域を光学的に透明な状態に戻すようになる。発明の概要 本発明者は透明である必要のない対向電極を使用して透過光を変調する新規な 装置および方法の発明に成功したものである。本発明によればこの光変調装置は 作用電極として働く光学的に透明な電極と、作用電極に対して横方向に配置され 、対向電極として働く第二の電極と、作用電極および対向電極の両方に接 触している電解層とを備えている。それ故、対向電極は透過光の光路に対して横 になっており、このため透明である必要がない。作用電極および電解層は、これ らの接触表面によって形成される界面領域が光透過表示装置またはバックライト 表示装置の所望のパターンになるように構成されている。 電解層は（ａ）水と、（ｂ）電流を印加した際に水溶液から可逆析出すること のできる金属の塩と、（ｃ）水増粘ポリマ樹脂と、（ｄ）中性塩とを含んでいる 。対向電極に関して作用電極にマイナス電圧を印加すると、電流が電解層と作用 電極の界面を通って流れて、金属イオンのエレクトロクリスタライゼーションを 生じ、これにより界面領域の光学的濃度が増加する。金属塩がカソード半電池反 応において透明な作用電極に析出すると、電気化学反応をアノード半電池反応と 釣り合わせることが必要となる。それ故、システムは対向電極における可逆半電 池反応に関与できる種を必要とする。電解層に溶解することのできる適当な反応 種は臭化物塩またはヨウ化物塩である。このようなハロゲン塩の半電池反応がハ ロゲンガスを発生するため、対向電極としてガス吸収アノード、たとえば炭素を 用いるのが好ましい。あるいは、アノード反応種をアノード上に、たとえ ばヒドロキノンのコーティングとして設けることができる。 本発明の他の実施の形態においては、光変調装置を作成する方法が提供される 。この方法は電解層を光学的に透明な作用電極と界面で接触させ、第二の対向電 極を電解層と界面で接触させることを含んでおり、対向電極は作用電極に対して 横方向に配置されている。 本発明によって達成されることが判明したいくつかの利点としては、従来入手 可能であった装置よりも簡単に、かつ低コストで製造することのできる、光変調 装置が提供されること、導電性が向上した結果として書込みモードと消去モード の間の切り替えがより迅速な装置が提供されること、ならびにこのような装置を 製造し、使用する方法が提供されることが挙げられる。図面の簡単な説明 第１図は「消去」すなわち「オフ」モードにおける光変調セルの上面（Ａ）お よび側面（Ｂ）を示す図である。 第２図は電流を印加した際の「書込み」すなわち「オン」モードにおける光変 調セルの上面（Ａ）および側面（Ｂ）を示す図である。 第３図は「書込み」モードを維持している光変調セルの上面 （Ａ）および側面（Ｂ）を示す図である。 第４図は「書込み」モード中に印加されたものと反対の方向へ電流を印加した 際の「消去」モードにおける光変調セルの上面（Ａ）および側面（Ｂ）を示す図 である。 第５図は本発明のいくつかの光変調セルによって構成された７セグメント表示 装置の図である。 第６図は第５図の表示装置の構成過程における基板上の複数の導電性線を示す 図である。 第７図は作用電極と対向電極が配置された後の、第６図の基板を示す図である 。 第８図は第５図の８−８線に沿って取った断面図である。好ましい実施の形態の説明 本発明にしたがって構成された光変調セル１を第１図ないし第４図に示す。セ ル内には、光学的に透明な作用電極３が電極の上面において電解層２と接触して 配置されている。電極３の底面は基板５に接触している。作用電極３に対して横 方向に、かつ電解層２と接触して、対向電極４が配置されており、この電極もそ の底面において基板５と接触している。基板５は、たとえばガラスの剛性層と、 たとえばポリエステルまたはポリイ ミドフィルムの可撓性層とを含んでおり、支持構造体として設けられている。し かしながら、他の適当な非導電体を基板に使用することができるし、また本発明 の用途においては、基板を省略することもできる。 いくつかの好ましい実施の形態における電解層２は数ミクロンから数十ミクロ ンの範囲の厚さを有しており、比較的粘稠度の高い混合物で構成されている。米 国特許第５０８０４７０号に開示されているように、電解混合物は水と、水増粘 ポリマ樹脂と、中性塩も含有している水溶液からカソード析出できる金属の水溶 性塩とを含んでいる。 「書込み」モードは第２Ｂ図に示すように電流をもたらすことによって確立さ れる。マイナス電圧が対向電極４に関して作用電極３に印加され、この電圧が対 向電極４から電解層２を介して、作用電極３へ電流を流す。この電流は金属の電 気的析出を引き起こし、作用電極３と対向電極２の間の界面領域６の光学的濃度 を高める。書込みモードにおける光学的濃度は、第３図に示すように、電圧の除 去後も維持される。 「消去」モードは第４図に示すように電流をもたらすことによって確立される 。電流は作用電極３から電解層２を介して、 対向電極４へ流れる。それ故、消去モードにおける電流は、「書込み」モードに おける電流の方向と反対の方向へ流れる。これは対向電極４に関してプラスの電 圧を透明な作用電極３に印加することによって達成される。その結果、電着金属 のアノード酸化によって、金属が水性電解層に溶解し、これによって「書込み」 モード中に増加した、界面領域６の光学的濃度を下げる。これにより、光変調セ ル１は第１図に示した「オフ」状態へ戻される。「書込み」モードおよび「消去 」モードを発生させるために光変調セル１に印加される電圧は、セルの全体的な 伝導度にもよるが、数分の一ボルトから数ボルトの範囲である。しかしながら、 通常、好ましい電圧は三ボルト末満である。 「書込み」モードと「消去」モードの間のサイクルは第１図ないし第４図に表 すようにして達成されるものであるが、本発明を使用して、電流の量と方向、な らびに電流が印加される時間の長さに応じて光の透過度を変化させることもでき る。それ故、セルを光学的に不透明ではなく、光学的に半透明なものとし、セル に入射する光の希望する部分だけを透過させるようにすることもできる。その後 、付加的な電流を印加して、界面領域６の光学的濃度をさらに高めるか、電流を 反対方向に印加し て、光学的濃度を下げるかのいずれかによって、透過光をさらに変調することが できる。 電解層中に存在している金属はエレクトロクリスタライゼーションによってカ ソード析出させ、その後アノード酸化させてから、溶解できるものである。金属 塩が電解層中に、典型的には約１ないし約５０重量部の量で存在している。適切 な金属としては、たとえば、亜鉛、カドミウム、鉛、銀、銅、鉄、コバルト、ニ ッケル、スズ、インジウム、ビスマス、ガリウム、水銀、およびこれらの合金が ある。好ましい実施の形態で使用される金属はビスマスである。適切な金属の上 記のリストは単なる例であり、当分野の技術者には、上記の基準を満たすもので ある限り、その他の適当な金属およびその合金を使用できることが理解できよう 。 電解層は、たとえば溶液またはコロイド懸濁液であることが典型的なものであ る水増粘ポリマ樹脂を含んでいる。このポリマは電解層中に、典型的には約１な いし約５０重量部の量で存在している。適切なポリマは水溶性ポリオキシアルケ ン、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、セルロースエーテル、およ びこれらの混合物である。ポリマ樹脂は通常、約 １００００ないし約１０００００００の間の分子量を有している。好ましい実施 の形態において、水溶性樹脂はヒドロキシエチルセルロースである。 作用電極における半電池反応が金属、たとえばビスマスのカソード還元である から、対向電極において対応するアノード半電池反応が必要である。有用なアノ ード半電池反応としては、臭化物アニオンの臭素への酸化、暗緑色染料形態のポ リアニリンのペルニグラニリンへの酸化、および可溶性ヒドロキノンのキノンへ の酸化などがある。臭素を用いた実施の形態においては、炭素などのガス吸収物 質を対向電極として使用するのが好ましい。酸化反応によってガスが発生しない 他の場合には、酸化可能種、たとえばヒドロキノンまたはポリアニリンが電極コ ーティングとして存在することができる。 電解層は電解層の他の成分と化学的に反応しない水溶性染料などの他の物質を 含有していることもできる。このような染料は透過光に望まれる任意の色を与え ることができる。 作用電極は導電性および実質的な光学的透明度という特性を有する物質を含ん でいる。作用電極はこれらの特性を達成するのに適当な厚さを有しており、通常 は、約１ミクロンないし約 １００ミクロンの厚さを有している。透明作用電極は金や、アンチモンドープス ズ酸化物（ＡＴＯ）、リンドープスズ酸化物（ＦＴＯ）、またはスズドープイン ジューム酸化物（ＩＴＯ）などの導電性金属酸化物を含むことができる。 対向電極は導電体の薄い層またはシートを含んでいる。対向電極に適切な物質 としては、炭素、ポリアニリンやポリリロールなどの本質的に導電性のポリマ、 銅、銀、ニッケルまたはこれらの合金または混合物などの金属などがある。この ような物質は薄い層として、あるいは結合剤に分散された粒子として対向電極を 形成することができる。対向電極の物質はアノード反応の腐食効果に対して安定 しているように選択すべきである。これに関して、好ましい対向電極はＩＴＯ、 ＡＴＯまたは炭素を含んでいる。 電解層はシルクスクリーン印刷、エアギャップ、螺旋ワイヤバー、スクレーパ 、押出し成形、および浸積などを含む当分野で知られている厚膜技法のいずれか によって調製または貼付される。貼付はガラスプレートやプラスチック材料のシ ートなどの任意適当な透明基板に対するものであり、その後、基板および電解層 を透明作用電極および対向電極に界面接触させる。あ るいは、透明作用電極および対向電力を貼付が行われる基板および電解層に最初 に付着させる。利用時に、透明基板は光変調装置の背面として働く。 たとえば基板上への印刷を含む当分野で知られている任意の技法によって、透 明作用電極を基板上へ付着させることができる。あるいは、作用電極を化学的蒸 着または物理的蒸着によって貼付することができる。透明作用電極は光の透過に 所望のパターン形状となっている。たとえば装置の基板へ単一の連続表面を付着 させた後、選択的エッチングを行って、所望のパターンを作成する方法、あるい はマスキング装置を利用して、作用電極の所望のパターンを単一のステップで基 板に貼付する方法などの当分野で知られている任意の方法によって、パターンを 作成することができる。 シルクスクリーン印刷、エアギャップ、螺旋ワイヤバー、スクレーパ、押出し 成形、および浸積などを含む当分野で知られている厚膜技法のいずれかによって 、対向電極を基板に付着させることができる。あるいは、対向電極を金属または グラファイト、あるいは炭素または金属の粒子が充填されたプラスチック材料の 薄いシートを含むものとし、これを基板に直接貼付す ることもできる。 好ましい実施の形態において、作用電極および対向電極は基板上に設けられた プリント導電体によって電圧源または電流源へ電気的に結合される。大型の電極 の場合には、金属導体の薄い網を作用電極の下、ならびに対向電極の下に配置し て、電極全体に一様な電流分布を与えるようにすることができる。 さらに、対向電極をカバーし、光路内にある透明作用電極以外のあらゆるもの をマスクする不透明なマスクとともに、本発明の光変調装置を利用することがで きる。このようなマスクを使用した場合、マスクが対向電極と作用電極を電圧源 または電流源に電気的に結合するために使用される不透明なプリント導体をもカ バーすることが好ましい。 本発明を上記で総括的に説明してきたが、好ましい実施の形態の下記の実施例 は本発明の多くの用途の一つを説明するために提供されるものである。好ましい実施の形態の例 以下の例は本発明によるいくつかの光変調装置によって構成された７セグメン ト表示装置に関するものである。第５図に示すように、パネル１０は七つのセグ メント１２Ａ−１２Ｇの特 定の組合せを光が透過することによって、０から９までの十個の数字のうち任意 のものを選択的に示すことができる。以下で詳細に説明するように、各セグメン ト１２Ａ−１２Ｇは光の透過を制御する光変調セルを構成している。それ故、た とえば、セグメント１２Ｄ−１２Ｇと関連付けられた各セルが「書込み」モード となっていて、これによりこれらのセグメントを光学的に不透明なものとしてお り、またセグメント１２Ａ−１２Ｃに関連付けられた各セルが「消去」ないし「 オフ」モードとなっていて、これによりこれらを通っての光の透過を可能として いる場合、数字７が表示されることとなる。 実動例の表示パネル１０を構成するには、複数の導体１４Ａ−１４Ｇと１６Ａ −１６Ｇを、第６図に示すように、ガラスまたはマイラの基板１８に印刷ないし 配置する。第７図に示すように、導体１４Ａ−１４Ｇの位置は作用電極２０Ａ− ２０Ｇ以降の配置位置と対応しており、導体１６Ａ−１６Ｇの位置は対向電極２ ２Ａ−２２Ｂ以降の配置位置と対応している。導体１４Ａ−１４Ｇと１６Ａ−１ ６Ｂにはコネクタ２４が、複数の導体２６によって結合されている。すべての導 体とコネクタ２４は作用電極と対向電極を電圧源ないし電流源に結合するた めに利用される。導体の印刷または配置は当分野で知られている各種の方法のい ずれかによって達成することができる。 導体が基板１８上に印刷されたら、電解質との腐食性の接触を防止することが 必要であれば、誘電シール、たとえば任意の非導電ポリマないし樹脂を導体２６ 上に貼付することができる。その後、作用電極２０Ａ−２０Ｆおよび対向電極２ ２Ａ−２２Ｂを、第７図に示すように、これらに関連付けられた導体上に貼付ま たは付着することができる。 第７図および第８図に示すように、薄い非導電シール層２８を作用電極および 対向電極の周囲に貼付して、シール層２８の頂部表面が電極の頂部表面と同一面 となるようにする。その後、電解層３０を任意の厚膜技法によって電極の頂部表 面に貼付する。シール層２８を設けることにより、電解層３０が電極の側面に接 触することが防止され、結果として、電解層中の金属が書込みモード中に作用電 極の側面に付着することが防止される。 付加的なシール層３２を次いで、電解層３０上に貼付する。シール層３２は電 解層３０をパネル１０の頂部外表面に接触することのある物体から絶縁し、電解 層に含まれている水溶液が蒸発するのを防止する。最後に、光学的に不透明なマ スキング 層３４をパネル１０の頂部表面に貼付して、対向電極２２Ａ−２２Ｂと導体をマ スクし、透過する光のすべてをセグメント１２Ａ−１２Ｇを通して導くことがで きる。マスクセグメント１２Ａ−１２Ｇが作用電極２０Ａ−２０Ｇよりも若干小 さくて、導体１４Ａ−１４Ｇによる透過光への影響をマスクすることができる。 選択された作用電極を通して適切な電流を印加すると、パネルの対応するセグ メントが「オフ」すなわち透明モードから「オン」すなわち不透明モードヘ切り 替わって、希望する英数字を表示する。 上記に鑑み、本発明のいくつかの目的が達成され、かつ他の有利な結果が達成 されたことを理解すべきである。本発明の範囲を逸脱することなく、各種の変更 を上述の方法および構成に行うことができるため、上記の説明に含まれるすべて の事項は例示的なものと解釈すべきであり、限定的な意味で解釈すべきではない 。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，Ｓ Ｄ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（１）水と、電流を印加した際に水溶液から可逆析出することのできる金属 の塩と、水増粘ポリマ樹脂と、中性塩とを含んでいる電解層と、 （２）電解層に接触している光学的に透明な電極と、 （３）電解層と接触しており、光学的に透明な電極に対して横方向に配置され た第二の電極と、 （４）前記第二の電極と接触しているアノード酸化可能な種と を含んでいる光変調装置。 ２．金属が亜鉛、カドミウム、鉛、銀、銅、鉄、コバルト、ニッケル、スズ、イ ンジウム、ビスマス、ガリウム、水銀、およびこれらの合金からなる群から選択 される請求の範囲第１項に記載の光変調装置。 ３．水増粘ポリマ樹脂がポリオキシアルケン、ポリビニルピロリドン、ポリビニ ルアルコール、セルロースエーテル、およびこれらの混合物からなる群から選択 される請求の範囲第２項に記載の光変調装置。 ４．前記水増粘ポリマ樹脂がヒドロキシエチルセルロースである請求の範囲第３ 項に記載の光変調装置。 ５．前記の光学的に透明な電極がスズドープインジューム酸化物、リンドープス ズ酸化物またはアンチモンドープスズ酸化物を含んでいる請求の範囲第４項に記 載の光変調装置。 ６．第二の電極が炭素または金属酸化物を含んでいる請求の範囲第５項に記載の 光変調装置。 ７．（ａ）（１）光学的に透明な電極および光学的に透明な電極に対して横方向 に配置された第二の電極、 （２）前記電極に接触しており、これらの電極の間に界面を提供する、水と、 電流を印加した際に水溶液から可逆析出することのできる金属の塩と、水増粘ポ リマ樹脂と、中性塩とを含んでいる電解層、および （３）前記第二の電極と接触しているアノード酸化可能な種を 透明な基板上に設けるステップと、 （ｂ）電流を前記第二の電極から前記電解層を介して前記の光学的に透明な電 極に通して、前記透明電極と前記電極の間の界面領域における光学的濃度を高め るステップと を含んでいる光変調方法。 ８．電流を前記の光学的に透明な電極から前記電解層を介して前記第二の電極に 通して、前記界面領域の光学的濃度を下げるステップをさらに含んでいる請求の 範囲第７項に記載の方法。 ９．エレクトロクロミック光変調装置において、少なくとも一つの透明電極と該 透明電極に隣接する少なくとも一つの対向電極とを含んでいる電極層と、前記電 極層に接触している電解層とを含んでおり、前記電解層が電着可能金属を溶液の 形で含んでおり、前記電極間に電流を印加した場合に、前記透明電極に対する光 学的濃度が変化する装置。