JP2007058218A - 駆動特性が安定化された電気湿潤装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極性溶媒を含むことにより電解液の粘度が上昇され駆動電圧を印加した場合に上記液体の駆動特性が安定化され、高温及び低温信頼性を確保すること。
【解決手段】本発明は電気湿潤現象を利用した装置において、水３０−８９％、塩０．０１−３０重量％及び双極子モーメントを有する極性溶媒１０−６０重量％で構成される電解液を含む駆動特性が安定化された電気湿潤装置。
【選択図】図４

Description

本発明は電気湿潤装置に関することとして、より具体的には駆動特性を安定化させるため、伝導性液体に極性溶媒を含み粘度が増加された上記液体を使用する電気湿潤装置に関する。

電気湿潤（ｅｌｅｃｔｒｏｗｅｔｔｉｎｇ）とは、界面に存在する電荷を調節して界面の張力が変化する現象を示すこととして、特に、界面に作用する電位差が高いよう界面に薄い絶縁膜（ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）が存在する場合を意味する。

このような現象を利用して電気湿潤装置を構成するためには、微小液体及び液体内の微小粒子を制御することが出来るため、最近、電気湿潤現象を利用した多くの製品が研究されつつある。電気湿潤現象を利用した適用分野には、液体レンズ、マイクロポンプ、ディスプレイ装置、光学装置、ＭＥＭＳ分野などが挙げられるが、特に、Ａｕｔｏ−Ｆｏｃｕｓのための液体レンズは既存レンズの駆動方式と比べ、小さいサイズ、低い消費電力、そして速い応答速度などの様々な長所がある。

このような電気湿潤装置を具現するためには、駆動性能、光学性能、再現性、安定性、信頼性などを考慮すべきであるが、特に、電圧印加時液体の界面が震えたり揺れたりする問題（ｕｎｓｔａｂｌｅ ｍｏｖｉｎｇ）無く安定的な形状を維持してこそ所望の目的を成すことが出来る。

このような現象を利用して電気湿潤装置を構成するためには、基本的に一つまたはそれ以上の液体が必要で、特に、電気的な特性を有し実質的な駆動役割をする伝導性液体（以下、‘電解液’と称する）の特性が最も重要であると言える。一般的にこのような電解液は、純粋な水に電気的な性質を付加するため塩、例えばＮａ_２ＳＯ_４、ＬｉＣｌなどを添加して使用している。図２のような電解液を使用して一般的な電気湿潤システムを構成した場合、電圧印加時電解液が動作する姿を図式化したものである。

しかし、従来の電気湿潤現象は未だに明確に究明されていない状態で、固体／液体、液体／気体相の間の界面エネルギーの変化がないことを前提に設定して研究及び開発されてきた。従って、電位差による単純な制御のみが可能であった。

図１は、従来技術による電気湿潤現象を利用したシステムの構成を示す模式的断面図である。一般的な固体平板上の接触角と表面エネルギーの関係式は次の式（１）と表すＹｏｕｎｇの式で説明される。

上記式（１）において、γ_ＳＬは固体／液体界面エネルギーで、γ_ＳＧは固体／気体界面エネルギーで、γ_ＬＧは液体／気体界面エネルギーで、θは接触角を示す。

電極の間の電解液が存在する時、電圧印加による熱力学的数式は一般的に下記式（２）と表すＬｉｐｐｍａｎｎの式で説明される。

上記式（１）及び（２）から下記式（３）と表すＬｉｐｐｍａｎｎ−Ｙｏｕｎｇの式が導き出される。

上記式において、θは電圧印加時の接触角で、θ_０は最初の接触角で、ｃは電気容量を示し、Ｖは印加された電圧を示す。

上記Ｌｉｐｐｍａｎｎ−Ｙｏｕｎｇ式を変形すると下記式（４）で表すことが出来る。

上記式（４）において、θは電圧印加時の接触角で、θ_０は最初の接触角で、εは電極の間の誘電率を示し、ｄは絶縁膜の厚さを表し、Ｖは印加された電圧を表し、γ_１は界面エネルギーを示す。

電解質内に存在する電荷は、化学的特性によって境界へ移動しようとする特性を有し、この際、外部から電気場を印加すると、このような特性はさらに強まり、特に、境界が重なるＴＣＬ（Ｔｒｉｐｌｅ Ｃｏｎｔａｃｔ Ｌｉｎｅ）では電荷の濃度が非常に増加する。このような現象は、電荷の間に存在する反発力を増加させ、これは液滴の縁において表面張力が低くなる結果を引き起こすこととなる。

図２は一般的に純粋な水に電気的性質を付加するための塩を添加した電解液を使用した電気湿潤システムを構成した場合、電圧印加時電解液が駆動する姿を図式化した図面である。電気湿潤システム内の絶縁膜がコーティングされている電極上に電解液滴を落とした後、電圧をかけると、電解液内の電荷の移動により図２のような電解液滴が絶縁膜の表面上に広がる現象が発生することとなる。

この際、重要なことは電圧をかけて液体が駆動する時、不安定な震えや揺れが無く安定された動作をすべきであるが、一般的な電解液、即ち純粋な水に電気的特性を付与するため少量の塩を添加した場合には粘度が低いため不安定な駆動（ｕｎｓｔａｂｌｅ ｍｏｖｉｎｇ）特性を示す。

本発明はこのような電気湿潤装置を構成する液体において、極性溶媒を利用して電解液の粘度を調節することにより、駆動電圧印加時、流体の駆動特性を安定化させることを目的とする。また、極性溶媒を利用して電解液の密度と表面張力を調節し、氷点を低めたり沸点を高め、高温及び低温において信頼性を確保することを目的とする。

本発明では、電気湿潤現象を利用した装置において、水３０−８９重量％、塩０．０１−３０重量％及び極性溶媒１０−６０重量％からなる電解液を含む電気湿潤装置が提供される。

本発明によると、通常の電解液に極性溶媒を使用して電気湿潤装置の粘度を調節することにより、電圧印加時発生する界面の不安定な揺れ現象を解決することが出来る効果を付与し、電解液に含まれる極性溶媒が界面活性剤の役割をすることにより駆動電圧を低めることもでき、また、上記電解液に含まれる極性溶媒の選択によって高温または低温信頼性を確保することが出来る効果も得られる。

以下、本発明をより具体的に説明する。
本発明では電気湿潤装置の液体駆動時に不安定な震えや揺れ（ｕｎｓｔａｂｌｅ ｍｏｖｉｎｇ）問題を解決するため電解液に極性溶媒を添加して粘度を増加させることにより、電解液の駆動特性を安定化することであって、電気湿潤現象を利用した装置のうち代表的な液体レンズを中心に記述する。

図３は電気湿潤現象を利用した可変焦点液体レンズの実施形態を示す。可変焦点のための液体レンズは、電極で形成された下部平板上に一定な厚さを有する絶縁層が位置し、上記絶縁層上に絶縁性を有するオイルや液体（以下、‘絶縁液’と称する）が位置し、その周辺を導電性を有する電解液で取り囲むことにより液体レンズを構成することとなる。この際、導電性の液体と接する上部平板には電極が形成されている。このような場合、上下部平板の電極に一定な電圧を印加すると、電解液の表面張力が変化すると共に形状が変わることにより、相対的にレンズの役割をする絶縁液の曲率を変化させ、これを通過する光の焦点距離が変わることとなる。

上記電解液は一般的な導電性を有する液体として、水を使用し、電解液の総重量に対して３０−８９重量％を含むことが出来る。

電解液には上記水の表面エネルギーを低め、流変学的性質を改善するため塩を使用することが出来る。上記塩は本発明の技術分野において一般的に使用されるものにすることができ、具体的に、例えばＬｉＣｌ、ＮＨ_４Ｃｌ、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＮａＮＯ_３、ＫＮＯ_３、ＣａＣｌ_２、ＫＢｒ、ＭｇＳＯ_４、ＣｕＳＯ_４、Ｋ_２ＳＯ_４等が挙げられる。

このような塩は、電解液の総重量に対して０．０１乃至３０重量％の範囲で含まれ得る。一般的に塩は、電気伝導度を考慮して極少量を添加することが好ましい。

本発明の電解液は、上記水及び塩を含む一般的な電解液に双極子モーメントを有する極性溶媒を含む。このような極性溶媒は、電解液の粘度を高めることにより、電圧を印加した場合に不安定な震えや揺れが無く安定された駆動を示すようにするため使用される。

一般的に極性溶媒は、その特性上、水に対する溶解度が高くオイルと混ざらないため、液体レンズの電解液を構成するに適合である。上記極性溶媒のうち特に−ＯＨ基を有するアルコール系列の極性溶媒を使用することが好ましい。これらアルコール系列の極性溶媒は、無彩色で透明性が高いためレンズとして好適に使用されることができ、また、多様な範囲の物性を有しており電解液のその他の物性を制御するにも有用である。また、このような極性溶媒は界面活性剤としての役割もする。このような界面活性機能により駆動電圧の減少効果を期待することができ、尚、電解液と絶縁液との間の混ざり現象を抑える役割をすることが出来る。

本発明において使用され得る上記アルコール系列の極性溶媒としては、これに限定はされないが、具体的に、例えばメタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１，２−プロパンジオール、１，３−プロパンジオール、１，２，３−プロパントリオール、１−ブタノール、２−ブタノール、１，２−ブタンジオール、１，３−ブタンジオール、１，４−ブタンジオール、１−ペンタノール、１，５―ペンタンジオール、ヘキサノール、ヘプタノール及びオクタノールからなる群から選択された少なくとも一つの極性溶媒であり得る。上記極性溶媒のうちより好ましいのは、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１，２−プロパンジオール、１，２，３−プロパントリオール、２−ブタノール、１，３−ブタンジオール、１，４−ブタンジオール及び１，５―ペンタンジオールで構成される群から選択された少なくとも一つであり、これらの物性は次の表１の通りである。

このような極性溶媒は、電解液の総重量に対して１０乃至６０重量％で使用することが出来る。電気湿潤現象を利用する装置において、電解液の粘度が３−５０ｃＰの間で安定された駆動特性を示し、それ以上の粘度では、かえって電気湿潤現象を抑えることが出来るため好ましくない。

より具体的には、液体レンズの場合には電解液と絶縁液で構成され、上記絶縁液は一定な粘度を有しているため、電解液の動きに対する緩衝役割をすることが出来る。従って、駆動特性を安定化させるに必要な適正粘度は３−２０ｃＰ範囲として、大気中で空気と接する一般的な電気湿潤装置よりは電解液駆動時の不安定な震えや揺れが少ない。しかし、液体レンズでのような絶縁液を含まない他の電気湿潤現象を利用する装置、例えば、マイクロポンプ、ディスプレイ装置、光学装置、ＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ）等ではより高い粘度で駆動特性が安定化される。従って、この場合、適正粘度は３乃至５０ｃＰで充分安定した駆動特性を得ることが出来る。

電気湿潤装置において、電圧印加時、電解液の駆動特性を安定化させるため要求される上記範囲の粘度を得るためには、極性溶媒によって電解液の組成が相違であることが出来る。

具体的には、極性溶媒が１，２−プロパンジオールの場合には、水４０−６０重量％、塩５−１０重量％及び極性溶媒３０−５０重量％を含む時粘度が５−１０ｃＰの値を有し、極性溶媒が１，５−ペンタンジオールの場合には、水３０−７０重量％、塩５−２０重量％及び極性溶媒２０−６０重量％を含む時に粘度が５−２０ｃＰの値を有する。また、極性溶媒が１ｐ４−ブタンジオールの場合には、水５０−８０重量％、塩５−１５重量％及び極性溶媒１０−４０重量％を含む時粘度３−８ｃＰの範囲を有し、極性溶媒がエタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１，２，３−プロパントリオール、２−ブタノール及び１，３−ブタンジオールで構成された群から少なくとも一つの溶媒を混合して粘度３−５０ｃＰの電解液を製造することが出来る。

さらに、液体レンズのような電気湿潤装置において、該当電解液にそれぞれ異なる特性が要求される場合がある。例えば、該当電解液の密度や表面張力を装置の特性に合わせて調節したり、安定された動作性を維持するための高温または低温信頼性を要求したりする場合がある。このような場合にも該当極性溶媒を使用して電解液の物性を調節することが出来る。

例えば、低温信頼性条件（−４０℃、４８時間以上）及び／または高温信頼性条件（＋８５℃、９６時間以上）を満足させようとする場合には、各極性溶媒の沸点及び氷点を考慮して適切な極性溶媒、これに限定はされないが、例えば１，２−プロパンジオール、１，４−ブタンジオールまたは１，５―ペンタンジオール等を本発明の含量範囲内で、水と塩で構成された電解液に使用することにより、所望の効果を得ることが出来る。

電気湿潤現象を利用する装置として、電解液と絶縁液で構成される場合に、上記絶縁液は一般的にオイルまたはオイルと有機溶媒の混合物を含む。上記絶縁液は一般的にＳｉ−オイル及び有機添加物が含まれる。上記絶縁液は、組成比は本発明が属する分野において通常使用される範囲の含量で構成され得る。

上記電気湿潤現象を利用する装置としては、液体レンズ、マイクロポンプ、ディスプレイ装置、光学装置、ＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ）等が挙げられる。
［実施例］

以下、本発明を実施例によってさらに具体的に説明する。本実施例は本発明の一具現例に過ぎず、本発明をこれに限定するのではない。以下の実施例は、電気湿潤装置のうち液体レンズに対することであって、本発明が属する技術分野において、当業者であればこれを他の電気湿潤装置にも適用できることが分かる。

純粋な水６０重量％、ＬｉＣｌ１０重量％及び１，２−プロパンジオール３０重量％を混合して粘度６．１の透明な電解液を製造し、常用化されたシリコンオイルに１，６−ジブロモへキサンを混合して粘度１１．８の絶縁液を製造した。

電解液と絶縁液で構成された液体を入れるためのセルは上部と下部で構成され、上部は透明な物質で構成され、その内部は金属膜でコーティングされており、金属膜を通じ電解液に電圧を印加することが出来るよう構成される。下部は上部と同一な材質からなっており、液体と接する内部は高分子絶縁膜材質でコーティングされており、絶縁膜の下には金属材質の膜がコーティングされている。

上記製造された電解液と絶縁液を上記レンズのセルに入れ、液体レンズ装置を製造した。

このように製造された液体レンズに３０Ｖ及び５０Ｖの電圧を印加した。各電圧印加時、液体の駆動姿に対する干渉縞写真（各々ａ、ｂ）を撮影した。その結果を図４に表した。

図４に示された通り、極性溶媒を使用して粘度を上昇させた電解液で構成された液体レンズに電圧を印加しても、不安定な震えや揺れが無く安定された駆動特性を有することが分かる。
［比較例］

純粋な水９０重量％及びＬｉＣｌ１０重量％を含む粘度１．９の透明な電解液を製造し、常用化されたシリコンオイルに１，６−ジブロモへキサンを混合して粘度１１．８の絶縁液を製造した。

上記実施例１と同一の方法で液体レンズを製造した。
上記製造された液体レンズの印加電圧がない場合（ａ）及び３０Ｖの電圧を印加した場合の液体の駆動姿に対する干渉縞写真を撮影した。その結果を図５に示した。

図６は３０Ｖの電圧を印加した場合において、極性溶媒を含まない電解液と極性溶媒を含む改善された電解液を使用した液体レンズの駆動姿を比較するための写真である。

その反面、図５に示した通り、外部から電圧が印加されない一般的な状態における駆動姿を撮影した写真での干渉縞は液体の界面が震えや揺れがなく安定された姿を示すが、液体駆動のため外部から３０Ｖの電圧を印加した場合（ｂ）に示された通り、両液体の間の界面曲率が変化するが、電解液の低い粘度のため駆動時に周辺部位が揺れる現象が発生することが分かる。

一般的に液体レンズを駆動するためには、４０−１００Ｖ以上の高い電圧を印加すべきであるが、このような高電圧が印加される場合には、このような不安定な現象がさらに増してレンズとしての役割が出来なくなる。

本発明の電解液と一般的な電解液に対して、電圧印加時駆動特性を図示した図６から、本発明による極性溶媒を使用して粘度を上昇させた電解液を使用した場合が、一般的な電解液を使用した場合に比べ非常に優れた駆動安定性を有することが明確に分かる。

図４、５及び図６において示される干渉縞は、液体間の界面の高さを示す一種の等高線である。

従来技術による電気湿潤現象を利用したシステムの構成を示す模式的断面図である。 従来技術による電解液を使用した一般的な電気湿潤システムを構成した場合において、電圧印加時電解液が駆動する姿の模式的断面図である。 電気湿潤装置の一つである液体レンズの電圧印加時内部の液体が駆動する姿を図式化した図面である。 本発明の実施例による電解液を使用した液体レンズにおいて、駆動電圧印加時液体の駆動姿を撮影した干渉縞写真として、（ａ）は３０Ｖの駆動電圧を印加した場合で、（ｂ）は５０Ｖの駆動電圧を印加した場合である。 従来技術の比較例１による電解液を使用した液体レンズの電圧印加時液体の駆動姿を撮影した干渉縞写真として、（ａ）は駆動電圧を印加していない場合で、（ｂ）は３０Ｖの駆動電圧を印加した場合である。 ３０Ｖの駆動電圧を印加した場合において、（ａ）従来技術による 電解液の駆動特性と、（ｂ）本発明による駆動特性を比較した干渉縞写真である。

Claims (5)

1. 電気湿潤現象を利用した装置において、水３０−８９重量％、塩０．０１−３０重量％及び極性溶媒１０−６０重量％からなる電解液を含む駆動特性が安定化された電気湿潤装置。
2. 前記電解液の粘度が３−５０ｃＰであることを特徴とする請求項１に記載の駆動特性が安定化された電気湿潤装置。
3. 絶縁液をさらに含み、前記電解液の粘度は３−２０ｃＰであることを特徴とする請求項１に記載の駆動特性が安定化された電気湿潤装置。
4. 前記極性溶媒は双極子モーメントを有するアルコール系列の極性溶媒であることを特徴とする請求項１に記載の駆動特性が安定化された電気湿潤装置。
5. 前記アルコール系列の極性溶媒はメタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１，２−プロパンジオール、１，３−プロパンジオール、１，２，３−プロパントリオール、１−ブタノール、２−ブタノール、１，２−ブタンジオール、１，３−ブタンジオール、１，４−ブタンジオール、１−ペンタノール、１，５―ペンタンジオール、ヘキサノール、ヘプタノール及びオクタノールからなる群から選択された少なくとも一つの極性溶媒であることを特徴とする請求項４に記載の駆動特性が安定化された電気湿潤装置。