JPS6255967A - 光・電場応答性素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光及び電場を作用させることにより、可逆的に
機能し得る光・電場応答性素子に関する。

〔従来の技術〕

最近、高分子鎖にイオン解離しうる残基を有する高分子
ゲルに関する研究が急速に進みつつある。

その成果は、現象理論、厄用の多岐にわたりつつあり、
今後新しい機能素材として実用面でも重きをなすものと
期待される。

光エネルギーを用いることにより合成高分子の形態が変
化する場合があることは知られている。

例えば現代化学１９８１年７月号第１８頁以下にスピロ
ピラン型とメロシアニン型との間で可逆的に光異性化反
応をするスピロベンゾピランあるいはシス型とトランス
型との間で同様な異性化反応をするアゾベンゼン（スチ
ルベン）を含む高分子を合成し、その溶液に光を照射す
ると粘度が変化することが紹介されている。

しかし、従来提案されている例では、その変化の度合い
は極めて小さく、この光に応答する変化を粘度変化以外
の他の特性に利用する為にも変化量の格段の増大が望ま
れた。

一方膨潤したヒドロゲルに数ボルトの電圧を印加、切断
を繰シ返すことにより、収縮ｇ膨潤を起しうることは、
知られている〔サンエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）第２１８
巻、第４６７頁１９８２年〕。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明者らは、光に応答して、大きな％注文化を起しう
る系について鋭意検討の結果、光照射及び印加電圧を必
須条件とし、両者を同時に作用させることによシ、初め
て短時間に極めて顕著に形状変形を引き起しうる全く新
規な光・電場厄答機構をともなう高分子ゲルがあること
を見出し本発明に到達した。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者らの研究によれば、光照射によシイオン′ＩＮ
離しうる残基を有する光吸収性高分子ゲルを用い、電圧
印加を行ないつつ光照射することによシ、電圧印加のみ
では見かけ上何ら変化のみられない系においても、両者
の併合作用により明敏な応答変形が生起しうろことが見
出された。

即ち本発明は光照射によシイオンＭ離し得る残基を有す
る高分子ゲルよりなる成形物、該高分子ゲルに電場を与
えるためのｔ極及び該高分子ゲルに光照射するための光
入射装置からなる光・電場応答性素子である。該光・電
場応答性素子を用いることによシ、該ゲルよりなる成形
物を電圧印加状■にて、光照射、非照射を繰シ返すこと
により、或は該ゲルよりなる成形物を光照射下、電圧印
加、解除を繰シ返すことにより、該成形物は可逆的に形
状変化を伴なう１位が生じ、侵能素子として作動するこ
とができる。

本発明でいう前記高分子ゲルとしては、光照射によるイ
オン解離の際、一方のイオンは高分子に担持結合した荷
電イオンであシ、他方の対イオンは移動性に富む低分子
可動イオンを生ｂ’５　Ｌ、うる系が好ましい。

上記ゲルのイオン解離は光（ｈν）照り・ｒによりイオ
ン解離する残基が高分子の主鎖或は側鎖に位置される例
示によシ例えば次の一般式で表現される。

ここでＡ＋は高分子に担持結合した荷電イオンであり他
方Ｂ−は移動性に富む低分子可動イオンである。なお、
Ａがアニオンであ５Ｂがカチオンを生成する系であって
もよい。

この種の光応答性高分子ゲルは一般に非電場下、光照射
のみによっても遅速ながら単純膨潤能力を、有すること
は知られている〔マクロモレキュラー・ケぐカル・ラピ
ッド・コミュニケーション（Ｍａｋｒｏｍｏｌ、　Ｃｈ
ｅｍ、、　Ｒａｐｉｄ　Ｃｏｍｍｕｎ、　）第５巻、第
８２９〜８３２頁、１９８４年〕。しかるに本発明に従
えば光と電場の相乗効果によシ応答速度が著しく増大し
、さらに形態変化も生起される。

本発明において用いられる高分子ゲルとしては光照射に
よりイオン解離する残基を有する高分子ゲルなら何でも
用いられる。例えば下記一般式（１）で示される構成単
位を有する架橋型あるいは非架橋型吸水性樹脂よりなる
高分子ゲルがその一例として例示される。

＋ｃＨ２−Ｃ”） 蒼 上記高分子ゲルは上記一般式（１）に対応するビニル系
単量体を親水性付与単量体及び必要にょシ架橋性単量体
と共重合することにょシ容易に得られろ。

用いられる親水性付与単量体は該一般式（１）に対応す
るビニル単量体と共重合し、親水性共重合体を与えるも
のであれば何でもよく、例えば（メタ）アクリルアミド
、（メタ）アクリル酸、ヒドロキシエチル（メタ）アク
リレート、マレインＩｎｓビニルピロリドン、ビニルピ
リジン等のようにそれ自身で親水性の高い共重合体を与
えるものの他、酢酸ビニル等のように得られた共重合体
を処理することによシ、例えばビニルアルコール単位に
父性することにより親水性の高い共重合体を与えるビニ
ル系単敷体を包含する。架橋性単を体の導入が望まれる
場合は通常の吸水ゲルの製造方法をそのまま採用するこ
とができ、反応性の異なる多官能性単量体あるいはＮ−
ヒドロキシメチルアクリルアミド、Ｎ−アルコキシメチ
ルアクリルアミド等の架橋前駆単量体を用いて一度可溶
性共重合体を合成し、その後に熱、光、放射線により架
橋重合体とする方法を用いることもできるが、好ましく
はＮ、Ｎ／−メチレンビス（メタ）アクリルアミド、ビ
スヒドロキシエチル（メタ）アクリレート、ジビニルベ
ンゼン、多価アルコールから誘導される多官能オレフィ
ン等ビニル基を一分子中２個以上有する単量体を共重合
することにより導入するのがよい。

本系において用いられる前記一般式（Ｉ）の構造単位を
与える単量体、すなわち次式（ｎ）ＣＨ２＝ＣＹ （式中Ｘ、　Ｙおよび２は前記の定義のとおり。）で示
される単量体は、例えばＰｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ
ｓｆａｈｉｇｅＭａｌａｃｈｉｔｇｒｉｉｎｄｅｒｉｖ
ａｔｅ　Ｊａｈｒｇ、　９３．　Ｐ１８９９（１９６０
）に開示される方法に準じて容易に合成される。ここで
前記式（１１）においてＨｌ、Ｒ２がアルキルアミノ基
である単量体が好ましく用いられる１、またＸがシアノ
基である方が水膨潤比において高倍率の光応答性が祷ら
れるので好ましい。なお、Ｙはメチルでもよいが水素原
子であるのが好ましい。また２としては次の基が例示さ
れる。

光″＃ｉｉ場併合作用による機敏な屈曲等の変形効果を
有効にひき起すべくその膨潤度を必要に応じ、規則制（
財）するには架橋基の導入あるいは膨潤媒体の補給を断
つ即ち、適度の膨潤ゲル物を膨潤媒体と非混和性媒体と
の混合媒体中に包含させればよい０ 又、混合媒体系を含め低膨潤媒体の利用もありうるが、
この場合イオン解雁度に悪影響を及ぼさないよう配慮が
必要である。

以下に本発明の素子の基本構成及び作用の一例を図面し
てて説明する。

第１図は本発明の素子の概念を示す平面図である。光照
射によりイオン解離し得る残基を有する水膨潤性高分子
ゲルよすするひも状成形物１が水性媒体２にて満たされ
たセル３中に保持される。

該セル３の上下面には電圧印加により該ゲルに電場を与
えるための電極４及び４′が載置されている。

図面には示していないが、セル３の前方には紫外線ラン
プがあり、該紫外線ランプの照射下で電極されるように
ひも状成形物は変形し、機能素子として働く。

上記の例かでは成形？ｌはひも状のものを示したが、フ
ィルム状、シート状、棹状、珠場寺任意のイー 形態が使用できる。ゲルの応答速度をｌめるためには、
該成形物は電場方向に対する厚みかうすい方がよい。そ
の厚みは通常ＩＱ＋ｗ以下、好ましくは１箇以下である
のがよい。また、上記の例示では液体として水性媒体を
例示したが、使用するゲルの性質によりアルコール等の
任意の訪電性の液体が用いられる。

本発明において用いられる光入射装置としては光がゲル
に作用するならば任意の位置に任意の装置を用いること
ができる。また光源として、ゲルの種類に応じて、紫外
、可視、近赤外光等に適宜の波長領域のものを選択すれ
ばよい。

上述の光・電場応答性素子はそのままで、或は任意の他
の部材との組み合せで、光スィッチ、光記録材、形状記
憶材、表示材等の、或は人工筋肉、人工関節等具体的な
、より高次の各種機能素子として利用される。

例えば該高分子ゲルよりなる薄膜を任意の支持体に担持
し、電場をかけつつレーザー光により焦点の絞ら九た光
を照射し、局部的な薄膜の変形を生起させた後、凍結成
はゲルが応答しない波長での紫外線硬化によシ該変形を
記憶させることにより、光記憶媒体としての使用ができ
、凍結を赤外光等の任意の加熱手段で解除することによ
り該記憶は消去することができる０ また、形状変化に対応し、任意の電気素子を複合化させ
ることによりオン−オフ若しくは双方向スイッチを作成
することができる０ゲルを績維状にし多数束ねたのち、
電場を印加しつつ、任意の位置の繊維に光を照射するこ
とにより人工筋肉、人工関節等への応用も容易に理解さ
れよう。

第２図〜第４図にさらに本発明の素子の別の例を示す。

上述のゲルよりなるポリマーフィルム１８を元入力面側
の透明基板（例えばガラス）１２と反対面側基板（例え
ばセラミック）２０でサンドイッチ状に積層封止し１８
の両側に生じる間隙１７を高誘電性の液体で満した基本
構造から成立つ。以下、図中１１はこの局部ユニットに
加えられる光入力の端子（例えばクラッド層付き光ファ
イノ（−の末端）、１３は透明な電界入力付加用の導電
層電極（例えばインジウム錫酸化物）、１４は絶縁性薄
膜（例えばシリコン酸化物）、１５はスイッチングの接
触端子を構成する導電性薄膜（例えば　　１ｋｌ蒸着層
）、１６は本局部ユニットの間隙と境界　。

を保持するためのスペーサー綱目状物（例えばプラスチ
ック成形物のメツシュ）、１９は電界入力付加用の導電
層（例えば金属蒸着膜）である。第３図は第２図の構成
をより単線化した例であってスペーサー１６を絶縁性薄
膜で両面コートされた導電性シート状物（例えば金属の
パンチング多孔板）２１に代替することによって電界入
力付加電極を兼ねさせ、１３．１４．１９を省略した場
合を示したものであり、且つ必要によっては接触端子膜
１５の最上層を透明導電付材ｆＰ＋１３’で構成するこ
とが出来る。尚、１１の断面で規定される各局部ユニッ
トの受光面積に対し、２１又は１６で規定される１８の
自白開口面積は充分に大きく、且つ１５又は１３′で規
定される接触端子面積は充分に小さくなければならない
。

、　第２図、第３図に示す局部ユニットは、光入力端子
１１、スイッチング接触端子１５又は１３’、。

電界付訓導ＫＪ＊１３及び１９．並びにスペーサー１６
又は２１を、対応する配置関係にある適当なパターンで
平面内に集積配置することにより、二次元的な光電変換
集積素子に組立てることが容易に可能である。例えば１
３．１９を互いに直交するストライプのパターンで形成
すれば、二次元的に同時入射される光入力に対し作動す
る局部ユニットの座標（アドレス）とその出力の極性を
電界によって指定することが可能であり、例えば撮像素
子に於ける画像のスキャニングが可能となる。

一方１５．１３’を互いに直交するストライプのパター
ンで形成すれば、入射された光入力の座標をＸ、Ｙ各輸
上の電気信号として請み出すことが可能となる。第３図
のユニットを用いた後者の構成模式図を第４図に示す。

以下に更に具体的な実施例により本発明の実例を示す。

実施例１ アクリルアミド２．５０　ｆ　％　ビスアクリルアミド
０．２５ｒ％　ｐ−ビニル−α、α−ビス〔ｐ−（ジメ
チルアミノ）フェニル〕−フェニルアセトニトリル０．
５０ｒ、アゾビスイソブチロニトリル８０■をジメチル
スルホキシドに溶解し、この溶液を窒素雰囲気下、キャ
ピラリーに封じ込め、６０℃にて１時間重合することに
よりひも状の水膨（−性の架橋重合体をえた。このひも
状ゲルを電極間に第１Ａ図の如く水平に水セル中に置く
。１０　ＶＡの電場をかけ光を照射していない場合のゲ
ルは全く応答せず何らゲルに変形は認められない。ここ
へ紫外光を照射すると、直ちに変形をはじめ数秒で屈曲
することが認められた（第１Ｂ図）。光照射下、電場を
かけない場合は、このような変形は認められなかった。

変形後電場をＱ　Ｖ／ｃｍにすると元の形・状（第１Ａ
図）に回復した。この場合逆の方向に電場をかけること
により、更に速やかに原形に回復し、更には第１Ｃ図の
如く逆方向に変形した。

実施例２ 実施例１に準じてフィルム状のゲル成形物を得た。該フ
ィルム状成形物を用いて第２因及び第３図に示す装置を
試作し、各々光照射或は電場をかけることによりポリ゛
７−フィルムが上下に変形し元力人と寛解入力の組合せ
からオン−オフ若しくは双方向スイッチング出刃を電気
信号として得ることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の素子を示す模式図である。図
中１及び）８はゲル状成形物、４．４’、１３．１９は
電場を与えるだめの電極、２１は電場を与えるための１
極を兼ねたスペーサー及び１１は光入力１子である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）光照射によりイオン解離し得る残基を有する高分子
   ゲルよりなる成形物を液体中に封入したセル、該高分子
   ゲルに電場を与えるための電極及び該高分子ゲルに光を
   照射するための光入射装置からなる光・電場応答性素子
   。