JP2007133187A - 反射型調光体 - Google Patents

Abstract

【課題】吸収熱の再放射や散乱透過光を抑制しうるという熱負荷の緩和だけでなく、透過率を任意に制御でき、大面積化しても略瞬時に透過率を制御可能であり、プライバシー保護窓材としても利用可能な反射型調光体を提供する。
【解決手段】相対向する一対の透明電極２Ａ、２Ｂと、これら透明電極２Ａ、２Ｂ間に挟持された光学機能層３と、透明電極２Ａ、２Ｂ間に電場を印加する一方その電場を解除する電場制御手段２０と、を備え、光学機能層３は、複数の凹部３Ｃを表面に有する透明表面凹凸層３Ａと、各凹部３Ｃ内に充填された液晶材料と、から反射型調光体１１が構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電場を印加・解除することにより光の反射状態と透過状態とに切り替え可能な反射型調光体に関する。

従来の調光体としては、エレクトロクロミック（ＥＣ）材料を用いたものや、液晶を用いたものなどが知られている。

ＥＣ材料を用いた調光体としては、特許文献１のように、一対の透明電極にＥＣ物質層と電解質とを挟持した構造を有するものが挙げられ、透明電極を介して電流を流すことによりＥＣ物質に酸化還元反応を起こさせて光吸収の変化を生じさせる。

また、液晶を用いた調光体としては、特許文献２のように、マイクロカプセルに液晶を封入して樹脂マトリクス中に分散させ、その上下面から透明電極を介して電場を印加するものが挙げられる。この調光体は、液晶分子がマイクロカプセル壁に沿って配向され、電場を印加していない状態では各カプセル内の液晶分子の光軸方向がランダムであるため、透過光を散乱させて不透明となる。他方、電場を印加して液晶分子の配向方向を電場方向に揃えると、透過光は殆ど散乱しなくなり、透明に変化する。
特公平６−９３０６７号公報 特公平３−５２８４３号公報

ところで、ＥＣ材料を用いた調光体は、光吸収の変化を生じさせて透過光を制御している。したがって、自動車の窓材として用いた場合には、吸収光により調光体自体の温度が上昇し、放射熱として車室内に再放射されるため、断熱性に限界があった。また、電流駆動方式の調光体であるため、大面積化する際には内部抵抗による損失が生じ、応答速度が大幅に低下するという問題がある。

また、マイクロカプセルに液晶を封入した調光体は、電場を印加していない不透明の状態でも散乱光の多くは依然として調光体を透過するため、自動車の窓材として用いた場合には、車室内への直射光侵入の緩和能力に乏しいという問題がある。

特に、調光体を自動車の窓材として利用するにあたっては、吸収熱の車室内への再放射や散乱透過光を抑制する手段が強く望まれている。また、調光体は熱負荷の緩和だけでなく、透過率を任意に制御しうるプライバシー保護窓材としての利用も望まれており、そのためには大面積化しても略瞬時に透過率を制御可能なことが要請されている。

本発明は、吸収熱の再放射や散乱透過光を抑制しうるという熱負荷の緩和だけでなく、透過率を任意に制御することができ、大面積化しても略瞬時に透過率を制御可能であり、プライバシー保護窓材としても利用可能な反射型調光体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る反射型調光体は、相対向する一対の透明電極と、これら透明電極間に挟持された光学機能層と、前記透明電極間に電場を印加する一方その電場を解除する電場制御手段と、を備え、前記光学機能層は、複数の凹部を表面に有する透明表面凹凸層と、各凹部内に充填された液晶材料と、からなることを特徴とする。

以上のように構成された反射型調光体によれば、電場制御手段により電場を印加・解除して、透明電極間に挟持された光学機能層を構成する透明表面凹凸層の各凹部内に充填した液晶の配向を変化させることにより、調光体を光の反射状態と透過状態とに変化させることができる。したがって、自動車の窓材として用いた場合に、吸収熱の再放射や散乱透過光を抑制しうるという熱負荷の緩和だけでなく、透過率を任意に制御することもでき、大面積化しても略瞬時に透過率を制御可能であり、プライバシー保護窓材としても利用可能である。

以下、本発明に係る反射型調光体の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る反射型調光体を模式的に示す断面図である。図２は図１のＡ部を示し、電場を印加しない状態の拡大断面図であり、図３は図１のＡ部を示し、電場を印加した状態の拡大断面図である。図４は、液晶材料の屈折率異方性を説明する図である。

図１に示すように、本発明に係る反射型調光体１１は、相対向する一対の透明電極２Ａ、２Ｂと、これらの透明電極２Ａ、２Ｂ間に挟持された光学機能層３と、上記透明電極２Ａ、２Ｂ間に電場を印加する一方その電場を解除することができる電場制御手段２０と、を備えている。

透明電極２Ａ、２Ｂは、相対向する一対の透明基材１Ａ、１Ｂの対向面側にそれぞれ支持されている。すなわち、透明基材１Ａ、１Ｂは、光学機能層３を挟持する透明電極２Ａ、２Ｂをさらにその外側から挟持しており、透明電極２Ａ、２Ｂおよび光学機能層３の両端部にはシール材４を介設している。

電場制御手段２０は、電源５、スイッチ６および可変抵抗７を備えた閉回路２１によって構成されている。この電場制御手段２０は、可変抵抗７の抵抗値を変化させることにより電圧を調整することができ、スイッチ６をオン／オフすることにより上記透明電極２Ａ、２Ｂ間に電場を印加したり、その電場を解除したりすることができる。

図２および図３に示すように、光学機能層３は、複数の凹部３Ｃを表面に有する透明表面凹凸層３Ｂと、各凹部３Ｃ内に充填された液晶材料３Ａと、から構成されている。この透明表面凹凸層３Ｂの凹部の断面形状は、開口側へ向けて（図２および図３では上方へ向けて）開口径もしくは開口幅が順次拡大している。

上記スイッチ６がオフされ、上記透明電極２Ａ、２Ｂ間に電場が印加されていない状態では、図２のように液晶材料３Ａはランダムに配向しており、液晶材料３Ａを充填した凹部３Ｃの屈折率は、図４に示す液晶材料３Ａの正常光屈折率ｎ_０と異常光屈折率ｎ_ｅの略平均の屈折率ｎ_ａ＝（ｎ_０＋２ｎ_ｅ）／３で略均一になっているとみなすことができる。このとき、平均屈折率ｎ_ａを透明表面凹凸層３Ｂの屈折率ｎ_ｂと近似させれば、調光体を透明にすることができる。

他方、図３に示すように、上記スイッチ６がオンされ、上記透明電極２Ａ、２Ｂ間の液晶材料３Ａに十分な大きさの電場Ｅが印加されると、液晶材料３Ａは誘電異方性に応じて配向する。すなわち、誘電異方性が負の場合には電場Ｅに垂直方向に配向し、誘電異方性が正の場合には図３のように電場Ｅに沿って配向する。

この配向した状態では、透明表面凹凸層３Ｂの凹部３Ｃの屈折率は一様となるが、凹部３Ｃの断面形状が開口側へ向けて順次拡大しているため、透明表面凹凸層３Ｂとその凹部３Ｃ内の液晶材料３Ａとからなる光学機能層３の全体の屈折率は、凹部３Ｃの底から開口側へ向けて徐々に屈折率が変化することになる。液晶材料３Ａの正常光屈折率ｎ_０と異常屈折率ｎ_ｅの関係がｎ_０＜ｎ_ｅで誘電異方性が正の場合、もしくはｎ_０＞ｎ_ｅで誘電異方性が負の場合には、光学機能層３は開口側へ近づくほど屈折率が大きくなる。逆に、ｎ_０＜ｎ_ｅで誘電異方性が負の場合、もしくはｎ_０＞ｎ_ｅで誘電異方性が正の場合には、光学機能層３は開口側へ近づくほど屈折率が小さくなる。すなわち、電場Ｅを印加したときに高反射状態とするためには、光学機能層３の開口側へ近づくほど屈折率が大きくなるように考慮して、液晶材料を選択することが必要である。

透明表面凹凸層３Ｂの凹部３Ｃの断面形状は、開口側へ向けて順次開口径もしくは開口幅が拡大している形状であればよく、特定の形状に限定されるものではない。使用する液晶材料の屈折率ｎ_０、ｎ_ｅの値にもよるが、光学機能層３の厚さ方向の屈折率変化を極力大きくすることが好ましく、凹部３Ｃの断面形状が円錐状の場合には凹部斜面の厚さ方向に対する傾斜角を４５°以下に設定することが好ましい。また、該凹部３Ｃ内の液晶材料３Ａのマクロ屈折率が透明表面凹凸層３Ｂの屈折率と差が生じる場合、すなわち、反射状態で可視光の散乱によって不透明とならないようにするためには、凹部３Ｃの開口部の大きさは、８００ｎｍ以下に設定することが必要である。

透明表面凹凸層３Ｂは、たとえば、透明樹脂や無機ゾル−ゲル膜の表面にナノオーダーの加工がなされた金型で転写するナノインプリント技術などを用いて作製することができる。このような金型は、フォトリソグラフィ技術やアルミニウムの陽極酸化膜などで作製することができる。

液晶材料３Ａとしては、スメクチック液晶やコレステリック液晶などの各種の液晶材料を用いることができるが、特にネマチック液晶は分子間の引力が小さく、液晶に電場を印加した際に分子の配向を容易に変えることができるので、本発明に係る反射型調光体に特に好適である。

また、液晶の配向制御は電圧駆動方式であり、極めて短時間で制御可能であるため、プライバシー保護窓材としても利用可能である。さらに、上述したように、可変抵抗７を閉回路２１中に介設し、液晶材料３Ａに印加される電圧を調整すれば、液晶材料３Ａの配向状態を制御することができ、上記光学機能層３の厚さ方向における屈折率変化を制御することができるため、調光体の透過率を最大値と最低値との間で任意に設定することができる。

透明電極２Ａ、２Ｂとしては、バンドギャップが紫外域にある透明半導体膜を利用することができ、酸化スズをドープした酸化インジウム（ＩＴＯ）、酸化アルミニウムや酸化ガリウムを添加した酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化アンチモンやフッ素をドープした酸化スズ（ＳｎＯ）などが最も好適に用いられる。ＩＴＯを用いる場合には、抵抗を比較的小さくでき、かつ可視光域での光吸収が殆ど問題にならないレベルの膜厚に設定すればよく、１００〜１５０ｎｍ程度の膜厚で用いることが最も好ましい。

本発明に係る反射型調光体１０の自動車への適用例としては、ウィンドシールド、サイドウィンドウ、バックウィンドウ、およびサンルーフなどの窓材や、前照灯の配向制御を目的としてヘッドランプレンズなどに応用することが考えられるが、これらに用途が限定されるものではない。

厚さ方向に屈折率が連続的に変化する不均質膜の光学特性の計算手法は種々提案されているが、代表的な手法の一つに多層膜近似によるものがある。これは、不均質膜の厚さ方向に細分して、各細分化された各部分を屈折率が均質な一つの薄膜とみなし、それらが多層膜として堆積されたものと仮定して反射率や透過率などの光学特性を計算する手法である（参考文献：薄膜ハンドブック、日本学術振興会薄膜１３１委員会、オーム社、ｐ．７９８、１９８３）。

この計算手法を本発明に係る反射型調光体に適用すると、図５に示すような計算モデルとなる。すなわち、透明基材１Ａを通過してきた入射光８は透明電極２Ａ、屈折率の異なる薄膜群３’、透明電極２Ｂのそれぞれで干渉して反射光９を生じる。残りは透過光１０となって透明基材１Ｂの中を進行していく。このとき、反射光９の入射光８に対する強度比を反射率Ｒと定義すると、Ｒは下記式（１）〜式（８）によって表される。

式（１）〜式（８）において、各記号の意味は以下の通りである。
ｒ：振幅反射率
Ｙ：透明基材１Ａ、１Ｂ、透明電極２Ａ、２Ｂ、薄膜群３’からなる全体の光学アドミッタンス
ｎ_ｓ、ｎ_ｓ’、ｎ_ｅ：透明基材１Ａ、透明基材１Ｂ、透明電極２Ａおよび透明電極２Ｂの屈折率
ｈ_ｃ：透明電極２Ａおよび透明電極２Ｂの膜厚
ｎ_ｊ：薄膜群３’の上からｊ番目の薄膜の屈折率
ｈ_ｊ：薄膜群３’の上からｊ番目の薄膜の膜厚
Ｍ_ｃ、Ｍ_ｃ’、Ｍ_ｆ、Ｍ_ｓ’：透明基材１Ａ、透明基材１Ｂ、薄膜群３’、透明基材１Ｂの特性マトリックス
δ_ｃ：透明電極２Ａおよび透明電極２Ｂの位相膜厚
δ_ｊ：薄膜群３’の上からｊ番目の薄膜の位相膜厚
λ：入射光８の真空中での波長
なお、式を簡単にするため、光が透明基材１Ａから透明電極２Ａへ垂直に入射する場合を仮定し、各構成部材として光吸収のない材料を用いた場合において定式化している。また、透明電極２Ａ、２Ｂは同一部材で、膜厚も同一と仮定している。ただし、これらの制限は限定的なものではなく、斜め入射、吸収性部材および両透明電極の膜厚の相異などがあっても基本的に成立するものである。

このように本実施形態の反射型調光体１１によれば、相対向する一対の透明電極間２Ａ、２Ｂに、複数の凹部３Ｃを表面に有する透明表面凹凸層３Ｂと、各凹部３Ｃ内に充填された液晶材料と、からなる光学機能層３を挟持しおり、上記凹部３Ｃの断面形状は開口側へ向けて順次拡大している。そして、液晶材料３Ａの２軸における屈折率の平均と透明表面凹凸層３Ｂの屈折率を近似させ、電場制御手段２０によって透明電極２Ａ、２Ｂ間に電場を印加・解除して、透明表面凹凸層３Ｂの各凹部３Ｃ内に充填した液晶の配向を変化させることにより、調光体１１を光の透過状態（透明状態）と反射状態（反射鏡状態）とに切り替えることができる。したがって、自動車の窓材として用いた場合に、吸収熱の再放射や散乱透過光を抑制しうるという熱負荷の緩和だけでなく、透過率を任意に制御することができ、大面積化しても略瞬時に透過率を制御可能であり、プライバシー保護窓材としても利用可能である。

以下に、本発明に係る反射型調光体の実施例を説明するが、本発明はこれらの実施例に限るものではない。

図６は、本実施例に適用する透明表面凹凸層の構造を示す平面図である。図７は、図６のＢ−Ｂ線断面図である。

調光体の全体構成は、図１に示したような構造を採用している。透明表面凹凸層３Ｂの表面凹凸構造は、図６および図７に示すように、透明樹脂平板に円錐状の凹部３Ｃを縦横に整列させて配置したものを想定し、円錐状凹部３Ｃの上面開口部の大きさをｄ、深さをｈとした。本実施例では、ｄ＝１００ｎｍの一定とし、深さｈをパラメータとして、分光反射スペクトルを上記式（１）〜式（８）および下記式（９）〜式（１１）により計算し、評価した。

透明基材１Ａ、１Ｂには、透明なソーダライムガラス（屈折率ｎ_ｓ＝１．５２）を用いた。また、透明電極２Ａ、２Ｂには、錫をドープした酸化インジウム（ＩＴＯ、屈折率ｎ_ｃ＝２．１０）を用い、膜厚を１００ｎｍとした。透明表面凹凸層３Ｂの凹部３Ｃに充填される液晶材料３Ａには、電場を印加すると長軸方向が電場方向を向くポジ型の４−シアノ−４’−ペンチルビフェニルを用いた。この液晶材料３Ａの屈折率（２０℃、Ｄ光）は、短軸方向でｎ_０＝１．５４、長軸方向でｎ_ｅ＝１．７２であり、ランダムに分散したときの平均屈折率ｎ_ａ＝１．６６である。

透明表面凹凸層３Ｂの素材は、Ｅｓｓｉｌｏｒ Ｓｔｙｌｉｓ １．６７（商品名、Ｅｓｓｉｌｏｒ社製、屈折率ｎ_ｂ＝１．６７）とした。

なお、本計算においては、図５の薄膜群３’の分割数ｍ＝１０とし、当分割するものとした。したがって、ｈ_ｊ＝ｈ／ｍ（１≦ｊ≦ｍ）となり、第ｊ番目の薄膜の平均屈折率ｎ_ｊは液晶材料３Ａと表面凹凸層３Ｂとの体積分率による屈折率平均から下式で表される。

図８は、実施例１〜４の反射スペクトルの計算結果を示す図である。

〔実施例１〕
実施例１では、ｈ＝３００ｎｍとした。図８に示すように、可視光全域において、１１％〜３７％の反射率を示した。

〔実施例２〕
実施例２では、ｈ＝４００ｎｍとした。図８に示すように、可視光全域において１４％以上の反射率を示し、特に５００ｎｍ以下の領域では６８％以上の高反射率を示した。

〔実施例３〕
実施例３では、ｈ＝５００ｎｍとした。図８に示すように、可視光全域において１８％以上の反射率を示し、特に６００ｎｍ以下の領域では５６％以上の高反射率を示した。

〔実施例４〕
実施例４では、ｈ＝６００ｎｍとした。図８に示すように、可視光全域において１８％以上の反射率を示し、特に７００ｎｍ以下の領域では５８％以上の高反射率を示した。

〔実施例５〕
実施例５では、ｈ＝７００ｎｍとした。図８に示すように、可視光全域において６９％以上の高反射率を示した。

本発明に係る反射型調光体は、自動車の窓材や自動車のヘッドランプレンズ、建築物の窓材などに適用可能であり、プライバシー保護窓材としても利用可能である。

本発明に係る反射型調光体を模式的に示す断面図である。 図１のＡ部を示し、電場を印加しない状態の拡大断面図である。 図１のＡ部を示し、電場を印加した状態の拡大断面図である。 液晶材料の屈折率異方性を説明する図である。 本発明に係る反射型調光体の反射率の計算モデルを示す図である。 本実施例に適用する透明表面凹凸層の構造を示す平面図である。 図６のＢ−Ｂ線断面図である。 実施例１〜５の反射スペクトルの計算結果を示す図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ 透明基材、
２Ａ、２Ｂ 透明電極、
３ 光学機能層、
３Ａ 液晶材料、
３Ｂ 透明表面凹凸層、
３Ｃ 凹部、
３’ 薄膜群、
４ シール材、
５ 電源、
６ スイッチ、
７ 可変抵抗、
８ 入射光、
９ 反射光、
１０ 透過光、
１１ 反射型調光体、
２０ 電場制御手段、
２１ 閉回路。

Claims (4)

1. 相対向する一対の透明電極と、これら透明電極間に挟持された光学機能層と、前記透明電極間に電場を印加する一方その電場を解除する電場制御手段と、を備え、
   前記光学機能層は、複数の凹部を表面に有する透明表面凹凸層と、各凹部内に充填された液晶材料と、からなることを特徴とする反射型調光体。
2. 前記透明表面凹凸層の凹部の断面形状は、開口側へ向けて順次拡大していることを特徴とする請求項１に記載の反射型調光体。
3. 前記液晶材料がネマチック液晶材料であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の反射型調光体。
4. 自動車用窓材として形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の反射型調光体。

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