JPH1068974A

JPH1068974A - 光学デバイス

Info

Publication number: JPH1068974A
Application number: JP9180850A
Authority: JP
Inventors: Michael Louis Steigerwald; ルイスステイガーワルドマイケル
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1996-07-09
Filing date: 1997-07-07
Publication date: 1998-03-10
Also published as: EP0818706A2; KR980010578A

Abstract

(57)【要約】【課題】オン状態からオフ状態に切り換え可能な光学
キャビティを有するデバイスを提供する。【解決手段】本発明のデバイスの状態は、オン状態か
らオフ状態に切り換え可能で、その後オン状態からオフ
状態に戻ることができる。オン状態に切り換えられたデ
バイスは、還元電位が印加されているデバイスである。
そしてオフ状態に切り換えられたデバイスは、酸化電位
が印加されているるデバイスである。本発明のデバイス
は、オン状態とオフ状態の間の高いコントラスト比を有
し、その中に光学キャビティを有する。この光学キャビ
ティは、多層構造体で複数の層の材料とその厚さの選択
は、多層構造体内の数個の面間表面から反射された光が
制御可能に干渉できるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、オン状態からオフ
状態へ切り換え可能な光学キャビティを有する切り換え
光学デバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】オン状態からオフ状態に切り換え可能な
光学デバイスは、公知である。本明細書において、オン
状態のデバイスの様子（見かけ）と、オフ状態のデバイ
スの様子（見かけ）との間に観測可能な差異が存在す
る。電子互変性ディスプレイデバイスは、このようなデ
バイスの一例である。このようなデバイスは、通常表示
電極を有し、例えば、この表示電極には三酸化タングス
テンのような遷移金属酸化物がインジウムすず酸化物の
ような導電性フィルム上に形成される。この導電性フィ
ルムは、ガラス基板上全体に形成される。

【０００３】電解質層がこの遷移金属酸化物層の上全体
に形成される。電位がセルに印加されると、この金属酸
化物と電解質の相互作用によりセルの色を変化させる。
例えば、Green, M. et al.著の "Electrochromic displ
ays," DISPLAYS pp. 166-173(October 1988) によれ
ば、三酸化タングステンは、還元電位がセルに印加され
ると、水素原子またはアルカリ金属原子が電解質から三
酸化タングステンに導入されて無色から青色に変化す
る。この変化は可逆性である、即ち、電位が反転すると
セルは透明状態に戻る。

【０００４】例えば、還元電位が印加されると、デバイ
スは、透明状態から青色に変化する場合には、このデバ
イスは、酸化電位が印加されると青色から透明状態に変
化する。説明の便宜上ある電位から逆の電位へのこの切
り換えは、オン状態からオフ状態への切り換えと称す
る。酸化電位あるいは還元電位のいずれかが、特定のデ
バイスの状態に関連しているかは、デバイスが形成され
る材料に関係している。しかし、デバイスは、逆電位が
そこに印加された場合のみ変化する。したがって、上記
のセルが青色の場合には逆電位がセルに印加されるまで
は、そのデバイスは青色を保持する。このためこのデバ
イスは、双安定状態と称する。

【０００５】電子工学デバイスのこのような材料と構造
は公知であるが、このようなデバイスは電位の印加に対
し、許容可能な応答性を示さない。特に、この種のデバ
イスをオン状態からオフ状態（あるいはその逆）に切り
換えるには時間がかかりすぎ、さらにまたパワーを消費
し過ぎる。例えば、米国特許第４，２５６，３７９号
（発明者 Greeen ）は、１秒以下の切り換え時間が好ま
しいのにもかかわらず、この明細書に開示されたデバイ
スは、約６秒から１０秒の切り換え時間が必要であると
記載している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】したがって、オン状態
からオフ状態への切り換え時の消費パワーと、切り換え
時間が従来のデバイスよりも少ない素子が必要である。
本発明の目的は、第１状態（オン状態）から第２状態
（オフ状態）に切り換え可能な光学キャビティを有する
デバイスを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のデバイスの状態
は、可逆的で、即ち本発明のデバイスは、オン状態から
オフ状態に切り換え可能でその後オン状態に戻りさらに
オフ状態に戻ることができる。本明細書においては、オ
ン状態に切り換えられたデバイスは、還元電位が印加さ
れるデバイスである。そしてオフ状態に切り換えられた
デバイスは、酸化電位が印加されるデバイスである。本
発明のデバイスは、オン状態とオフ状態の間の高いコン
トラスト比を有する。

【０００８】本発明のデバイスは、その中に光学キャビ
ティを有する。この光学キャビティは、多層構造体で複
数の層の材料とその厚さの選択は、多層構造体内の数個
の面間表面から反射された光が制御可能に干渉できるよ
うにする。この点に関しては、多層光学キャビティ内の
複数の層の材料とその厚さは、デバイスがオン状態とオ
フ状態の両方にあるときに所望の光学干渉が得られるよ
うに選択される。

【０００９】例えば二層の光学キャビティにおいては、
その材料とその厚さは、デバイスから反射された光は、
デバイスがオン状態の時には、１８０度離調しており、
デバイスがオフ状態の時には、ゼロ度だけ離調している
（即ち離調していない）よう選択される。この実施例に
おいては、反射光はオン状態においては１８０度離調し
ていて、オフ状態においてはゼロ度だけ離調している
が、本発明の利点は光学キャビティは、オン状態とオフ
状態の両方で必要な程度の干渉を与えるように製造でき
るという事実により得られる。

【００１０】この必要とされる干渉の程度は、様々なフ
ァクタ、例えば光学キャビティ内の材料層の数（即ち異
なる位相関係は４回の反射光線よりも３回の反射光線で
所望の効果が得られるよう必要とされる）と、デバイス
のオン状態とオフ状態との間の所望のコントラスト比
と、デバイスの所望の強度等に依存する。

【００１１】理想的な場合、２本の光線のみがデバイス
から反射され、これらの光線は１８０度位相がずれてい
る場合には、デバイスからは光が反射されず、デバイス
は黒く見える。反射光の位相は、入射光の波長と光学キ
ャビティ層の厚さに依存する。光学キャビティ層の材料
とその厚さは、材料の屈折率と複数の層の屈折率差と、
特定の波長の吸収度とが全て光学キャビティから反射さ
れた光の位相に影響を及ぼすために重要である。

【００１２】本発明のデバイスにおいては、光学キャビ
ティの効果はオン状態からオフ状態へ切り換え可能であ
り、そのためオン状態の光学キャビティから反射された
光はオフ状態の光学キャビティから反射された光とは異
なる強度を有する。

【００１３】電子互変性の層を組み込んだ光学キャビテ
ィの一例を図１に示す。図１は、反射層１０とこの反射
層１０の上に形成された透明導電層１２とこの透明導電
層１２の上に光互変性材料層５０の３層構造である。入
射光線１５の一部が光互変性材料層５０の表面から反射
され、そして別の一部は光互変性材料層５０を透過す
る。この反射光線は１６で示し、透過光線は１８で示
す。

【００１４】光互変性材料層５０と透明導電層１２との
間のインタフェースに入射した透過光１８は、反射され
るか（反射光は２０で示す）さらに透明導電層内に透過
する（透過光は２２で示す）。本明細書の説明を容易に
するために、光がキャビティを通過して下側に移行する
ときには透明導電層１２と光互変性材料層５０の２つの
層の間のインタフェースは、インタフェース５０／１２
と称し、光がキャビティを通過して上方に通過する場合
にはインタフェース１２／５０と称する。

【００１５】反射層１０に入射する透過光２２は、透明
導電層１２を介して完全に反射される。反射光２３は、
インタフェース１２／５０に入射し、インタフェース１
２／５０で反射されるか（図示せず）あるいは透過（光
線２６）する。この２６はその後光互変性材料層５０の
表面の裏側から入射し、この光互変性材料層５０を透過
する光は２７として表す。インタフェース５０／１２か
ら反射された反射光２０は、光互変性材料層５０の表面
の裏側に入射し、透過（光線２４）するか反射（光線２
５）される。その後この反射光線２５は、インタフェー
ス５０／１２に入射し、そこで透過するか（図示せず）
且つ反射（図示せず）される。

【００１６】本発明のデバイスにおいては、電子互変性
層と透明導電層の材料とその厚さの選択は、３本の光線
１６，２４，２７がデバイスがオン状態あるいはオフ状
態のいずれかの第１状態にある時には互いに所望の程度
破壊的に干渉し合う（打ち消し合う）ようにする。オン
状態のとオフ状態の間の所望のコントラスト比は、この
デバイスが前記第１状態以外の第２の状態にあるときに
３本の光線が建設的に相互作用する（強め合う）のが望
ましい。

【００１７】図１に示した構造体が、光学キャビティと
して機能するか否かは、電子互変性層と透明導電層の実
屈折率と反射層の関連波長における吸収率によって主に
決定される。これらの関係は、Yeh, P. 著の Optical W
aves in Layered Media, Ch.7, pp. 144-151 (1988) に
記載されている。光互変性層と透明導電層の厚さの選択
は、出力光線間に所望の位相関係を与えるよう行われ
る。

【００１８】この必要な厚さは、コンピュータモデル
化、即ち所望の波長における屈折率に基づく境界値と、
選択された材料の吸収率に対しマックスウェルの方程式
を解くことにより決定される。この所望の波長は、入射
光に依存する。例えば、この露光放射が可視光（即ち４
００ｎｍから７５０ｎｍの波長の光からなる）の場合に
は、これを決定するために選択された波長は、この範囲
内のどこかにある。

【００１９】通常、この選択された波長は、ほぼ中央に
ある。これらの層の光学厚さ（屈折率で入射光の波長を
わり算したもの）とは、この選択された波長に基づいて
決定される。通常、光学キャビティ内の各層の厚さは、
選択された波長以下である。入射光線が可視光の場合の
上記の例においては、光学キャビティ内の層の光学厚さ
は約２００ｎｍから３００ｎｍである。

【００２０】本発明のデバイスは複数の材料の層として
記載する。本発明のデバイスを基板上に形成された複数
の層として記載せずに、表示デバイスの視覚者の点から
説明する。したがって、この点に関しては第１層とは視
覚者から最も遠い層を意味し、各後続の層は、視覚者に
近付く方向に積層されるものとする。

【００２１】第１層は、ミラーと称する反射層である。
オフ状態（即ち反射光が建設的に干渉し合う状態）のデ
バイスの様子（見かけ）は、ミラーの反射率の関数であ
る。通常、このミラーは、その上に金属層が形成された
ガラス性あるいはプラスチック性の基板である。この金
属は、その反射率を考慮して選択される。即ちデバイス
が使用される環境下の観測者に対し、デバイスの様子
（見かけ）により選択される。この金属は、オン状態と
オフ状態の両方のデバイスの様子（見かけ）に影響を及
ぼす。

【００２２】例えば、銀は非常に高い揮度（very brigh
t appearance）を与える高反射率の金属である。このよ
うな金属は、有用であるがその理由はオフ状態におい
て、銀はデバイスに非常に高い揮度を与えるからであ
る。表示装置としては、オフ状態のデバイスは、ディス
プレーのバックグラウンドであり、オン状態のデバイス
は、ディスプレーのフォアグラウンドである。非常に高
い揮度を有するディスプレーは、薄暗い部屋あるいは真
夜中のような暗い環境下での使用に適している。

【００２３】しかし、この金属がクロム（銀よりも反射
率が低い金属）の場合には、この金属はオン状態ではよ
り暗いデバイスを提供する。このようなデバイスは、明
るい環境下、例えばさんさんと輝く太陽の元では有益で
ある。金属が銀とクロムの中間の反射率を有する場合に
は、バックグラウンドは、銀により与えられるバックグ
ラウンドよりは幾分暗く、且つフォアグラウンドはクロ
ムにより与えられるフォアグラウンドよりは幾分明る
い。

【００２４】定義により反射性材料は光を強く透過する
訳でもなく、また強く吸収するわけでもないので、この
金属層は不透明である、即ち非常にわずかの可視入射光
がこの金属層を透過する。したがって、この層の厚さ
は、所望の不透明性を提供する厚さに依存する。例え
ば、金属がアルミの場合にはアルミ層の厚さは、少なく
とも約１０００Ａ（以下、Ａ＝オングストロームと称す
る）が好ましい。

【００２５】この金属を従来の例えばスパッタリング等
の技法を用いて、ガラス製基板上に形成する。反射表面
は、この反射表面が鏡のようにならない程度まで粗くす
るのが好ましい。即ち入射光線の入射角が、視覚者の目
からの入射の大部分が反射される反射角に等しくならな
いようにするのがよい。表面を粗くする程度は、主に設
計的選択事項であるが、視覚者の像が視覚者に反射する
のを阻止するのがよい。通常、基板は粗くされ、金属は
その上に堆積される。

【００２６】透明導体材料層がこの反射表面上に形成さ
れる。透明導体として有益な材料は当業者に公知であ
る。例えば、このような材料の一例としては、酸化す
ず，ＩＴＯ，ドープしたすず酸化物，酸化亜鉛等であ
る。素子をオン状態からオフ状態に切り換えるのに必要
な時間は透明導電層の厚さに影響され、その結果透明導
電層は、できるだけ薄いのが好ましい。前述したよう
に、透明導体の光学厚さは入射光の波長以下であるのが
好ましい。この透明導電層の厚さは、選択された波長に
基づいて決定される。透明導電層の光学厚さは露光放射
の選択波長の１／４以下が好ましい。

【００２７】電子互変性材料層が透明導電層の表面上に
形成される。この電子互変性材料は、当業者に公知であ
り、この材料の例としては、遷移金属酸化物、例えば、
ＷＯ₃ ，ＭｏＯ₃ ，Ｖ₂Ｏ₅である。このような酸化物
は、金属原子を溶解し、特に一価金属原子、例えばアル
カリ金属，銅，銀のような原子を溶解し、そうすること
により変色する。他の金属感受性化合物は、マンガン，
パラジウム，プラチナ，レニウム，チタンの酸化物であ
る。これらの金属酸化物は、金属の溶解あるいはその中
の水素の溶解により、色の変化を示し、そしてこの色の
変化は、可逆性がある。

【００２８】電子互変性材料の屈折率と吸収係数の両方
は、デバイスが逆電位に印加された時に変化する。した
がって、電子互変性材料は、酸化状態に対応して第１の
屈折率と、第１の吸収係数を有し、還元状態に対応して
第２の屈折率と第２の吸収係数を有する。両方の状態の
この屈折率と吸収係数は、前述したようにある選択され
た波長における電子互変性材料層の厚さの決定に際し考
慮される。これらの層の厚さは、オン状態とオフ状態の
デバイスの様子（見かけ）の間の所望のコントラスト比
を得られるよう選択される。

【００２９】上記の切り換え可能な光学キャビティの材
料中に、金属を導入したり除去したりすることに応答し
て、その屈折率が可逆的に変化する電子互変性化合物を
例に説明した。しかし、前述した電子互変性材料は金属
感受性材料の一例である。これらの材料の屈折率は、そ
の中に金属が存在することにより影響される。何らかの
励起に応答して、可変性のある屈折率変化を引き起こす
他の材料は公知である。このような材料の例としては、
熱互変性材料及び光互変性材料が含まれる。本発明の切
り換え可能な光学キャビティを組み込んだデバイスを製
造するのに必要な材料の選択は、何らかの励起に応答し
て屈折率の変化を引き起こす材料に依存している。

【００３０】電子互変性材料が用いられるデバイスの一
実施例においては、このようなデバイスは電子互変性材
料の屈折率の所望の変化を引き起こす金属のリザボア
（reservoir）として機能する電解質材料を含まなけれ
ばならない。金属がデバイスに係る電位に応答して、電
子互変性材料に導入されたり、あるいはそこから除去さ
れたりする。したがって、前述の実施例における透明
（導電性）材料は透明な電極材料である。

【００３１】屈折率の変動が電位の変化に応答するもの
ではない実施例においては、光学キャビティ内の透明材
料は、電極として機能する必要はない。例えば、材料が
熱互変性材料の場合には、透明層は電極として機能する
必要はない。しかし、透明層は、光学キャビティとして
機能する２つの層の組み合わせに必要とされる。このよ
うなデバイスは、前述したパラメータに適合する必要が
ある。即ち、この透明層は、鏡面状態の基板上に形成さ
れ、屈折率の可逆的変化を引き起こす材料の層がこの透
明層の上に形成される。

【００３２】さらにまた本発明の電子互変性デバイス
は、本発明の熱電子互変性デバイスあるいは光互変性デ
バイスとは異なる別の材料層を有する。本発明の電子互
変性デバイスを次に説明する。このデバイスは、電位に
応答して光互変性層内に金属を導入する電解質層を有す
る。そのためこのデバイスは、電極と所望の機能を実行
する電解質層とを含まなければならない。これに対し、
熱互変性デバイスは、この熱互変性材料内に所望の屈折
率変化を引き起こすヒータ（加熱器）を有する。

【００３３】このようなデバイスは、電極あるいは電解
質層のいずれも必要とはしない。同様に電極と電解質
は、光互変性デバイスには必要とされない。その理由
は、光互変性材料はある波長の光に応答して屈折率を変
化させるからである。しかし、これらのデバイスの種類
にもかかわらず透明層と屈折率の変化を引き起こす層の
前記の厚さのパラメータと、これらパラメータ間の関係
は同一である。

【００３４】本発明は様々なデバイスで実行することが
できる。例えば、本発明の電子互変性ディスプレーデバ
イスにおいては、透明層は透明な電極であり、屈折率の
可逆的変化を引き起こす材料は、電子互変性材料であ
る。このようなデバイスは、以下に説明する方法で形成
できる。電解質層を電子互変性材料上に形成する。この
電解質層の材料は、電子互変性材料用に選択された材料
と、最終製品のデバイスの所望の様子（見かけ）に大き
く依存する。

【００３５】特にこの電解質は、電子互変性層内で容易
に溶解する金属を含んでいる。例えば、電子互変性材料
がＷＯ₃ の場合には、電解質はリチウムを含むのが好ま
しい。電子互変性材料と適切に相互作用する電解質は、
当業者に公知である。通常電解質内の金属は、適当な溶
剤と組み合わされた塩の形態を有している。例えば、金
属塩がリチウム過塩素酸塩の場合には、ポリピレン炭酸
塩（propylene carbonate）が適切な溶剤として選択さ
れるが、その理由は揮発性が低く必要な極性を有するか
らである。

【００３６】この層の厚さは、設計的選択事項である。
しかし、電解質が少なくとも２ミクロンの厚さを有する
のが好ましい。その理由は、このしきい値的厚さが数個
の光の波長に適合できるからである。この厚さを有する
目的は、電解質とその下の電子互変性層の境界から反射
された光と電解質とその上の電解質の層との境界から反
射された光との間の可視的干渉を有効に除去するためで
ある。

【００３７】対向する電極層がその後電解質層の上に形
成される。この対向電極層の材料と厚さは、当業者には
公知である。通常、この対向電極も遷移金属酸化物であ
る。この対向電極層は、電位がデバイスに印加されたと
きに電子互変性層内に移送されるべき金属の蓄積場所
（storage location）として機能する。この対向電極の
酸化還元効率は電子互変性層の酸化還元効率に適合する
のがよい。例えば、電子互変性材料がＷＯ₃ の場合に
は、Ｌｉ_xＶ₂Ｏ₅ のような材料が使用される。

【００３８】対向電極への接点は、対向電極上に第２の
透明導電層を形成することにより形成される。この第２
の透明導電層は、第１の透明導電層と同様な材料を選択
することにより形成される。この第２の透明導電層の厚
さは、設計的選択事項ではあるがこの第２の透明導電層
の厚さは、５００Ａから１０００Ａの間である。そして
また第２の透明導電層は、従来技術を用いて形成され
る。

【００３９】別の基板をこの第２の透明導電層上に配置
する。この基板は、視覚者と電子互変性材料との間に配
置されるので、この基板はガラスのような透明な材料で
ある。しかし、他の材料も使用することができるが、こ
れらの材料は適宜の波長で必要な透明性を有さなければ
ならない。このような基板の材料は、当業者には公知で
ある。

【００４０】本発明においては、第１の透明導電層と電
子互変性層の材料とその厚さを適宜選択してデバイスの
オン状態とオフ状態の間でデバイスに必要なコントラス
ト比を提供する。２つの層の結合厚さは、５５０から１
４００Ａの間が好ましい。そして透明導電層の厚さは３
００から６００Ａの間であり、電子互変性層の厚さは２
５０から８００Ａの厚さである。

【００４１】

【発明の実施の形態】本発明は、切り換え可能なキャビ
ティを有する光学デバイスを例に説明する。この本発明
のデバイスは、オン状態からオフ状態に切り換え可能で
ある。この光学キャビティは、デバイスのオン状態とオ
フ状態の間で所望のコントラスト比を与える。

【００４２】本発明においては、この光学キャビティ
は、様々な光学表示デバイスに組み込まれる。これらの
デバイスは、文字とテキスト表示，ＰＯＳ端末，棚のプ
ライスタグを含む。本発明一実施例においては、この光
学キャビティは電子互変性デバイスに組み込まれる。そ
の後完全なディスプレイは、このような沢山の光電子互
変性デバイスをアレイ状に組み合わせることにより形成
される。電子互変性デバイスをディスプレイ装置に組み
立てることは従来技術で可能である。この電子互変性デ
バイスは、オン状態とオフ状態の間で高いコントラスト
比を有し、従来のディスプレイ装置よりもブラック文字
とホワイトページとの間のコントラスト比に極めて類似
する。

【００４３】この実施例においては、光学キャビティは
鏡面仕上げの基板状に形成される。このデバイスを図２
に示す。この光互変性デバイスは、透明導電層１２と光
互変性材料層１４と電子互変性材料層３６と電解質層３
８と対向電極４０と透明導電層４２の連続層からなる。
これらの層は、そこに入射する可視光線を反射する基板
上に連続的に形成される。このような反射性基板の例
は、アルミ及びクロムをコーティングしたガラス製基板
である。

【００４４】層１２−４２からなる電子互変性デバイス
は、Bange, K., et al. 著の "Electrochromic Materia
ls for Optical Switching Devices," Adv. Mater. Vo
l.2 (No. 1), pp. 10-16 (1990) に記載されている。こ
れらの層に利用できる材料及びこれらの層が形成される
製造条件は、前掲の論文に開示されている。本発明にお
いては、透明導電層１２と光互変性材料層１４を形成す
るのに用いられる材料とその厚さは、適宜選択してデバ
イス内に光学キャビティを形成するようにする。

【００４５】前述したようにこの光学キャビティは、多
層構造体でそれらを構成する複数の層の厚さと材料の選
択は、隣接する層とのインタフェースからの反射光が所
望の方法で、即ちデバイスがオン状態かオフ状態にある
のに依存して建設的にあるいは破壊的に干渉し合う用に
行われる。これら所望の効果を達成するのに必要な層の
厚さは、入射光内に存在する波長の範囲内に入る光の波
長に対し、マックスウェルの式を解くことにより選択さ
れる。

【００４６】これらの層の必要な厚さは、光学キャビテ
ィに選択された材料の屈折率と吸収係数の関数である。
電子互変性材料の屈折率と吸収係数は、オン状態とオフ
状態とで異なるので（前述したように還元電位がデバイ
スに印加されるときには材料は第１の色となり、酸化電
位がデバイスに印加されるときには第２の色となる）、
電子互変性材料の厚さは、両方の状態で所望の効果を達
成するよう選択される。

【００４７】本発明のデバイスは、２つのデバイスの状
態の一方（オン状態かオフ状態かのいずれか）におい
て、光学キャビティ内の複数の材料の層の間のインタフ
ェースから反射された光同士の間で発生する所望量の破
壊的干渉が起こるような状況を提供するように透明な導
電層と対向電極の材料と厚さを選択する際に、厚い透明
導電電極と厚い電子互変性層（即ち、可視スペクトラム
内の光の波長よりも大きな厚さ）の使用を必要とするデ
バイスとは異なる。他のデバイスの状態においては、オ
ン状態とオフ状態の間で可視できるコントラスト比を与
えるために異なる量の干渉が発生する。建設的な干渉が
第２のデバイスの状態で発生するのが好ましい。

【００４８】従来技術に係るデバイスは、異なるコント
ラスト比を提供するために吸収度の差異を利用してい
る。このような従来技術のデバイスは、オン状態からオ
フ状態への変化に応答して、色が変化する材料の厚い層
を提供するために、コントラスト比を強調するものであ
る。しかし、切り換え可能な材料の層が厚くなるにつれ
てオン状態からオフ状態へデバイスを切り換えるのに必
要な時間とパワーがより長くそしてより大きくなる。

【００４９】本発明のデバイスにおいては、デバイスの
層の厚さ（特に透明な導電層と厚い電子互変性層）は、
はるかに薄くなる（即ち、可視スペクトラムの波長範囲
よりも１桁少ない）。したがって、本発明のデバイス
は、従来技術のデバイスよりも少ない時間で、そして少
ないパワーでもってオン状態からオフ状態に切り換える
ことができる。例えば、本発明のデバイスは１秒以下の
時間でオン状態からオフ状態（あるいはその逆）に切り
換えることができる。これは米国特許第４，２５６，３
７９号（発明者 Green）に記載された６秒から１０秒の
切り換え時間とは対照的である。

【００５０】実施例１本発明のデバイスの透明な電極層と電子互変性層の厚さ
は、以下のようにして決定される。人間の目に見える
（４００ｎｍから７５０ｎｍの範囲）の波長の電磁スペ
クトラムの領域内で吸収率の変化を引き起こす電子互変
性材料について説明する。ＷＯ₃ がこのような例に選択
された材料である。ＷＯ₃ の層は無色から薄い黄色に変
化する様子（見かけ）を有する。この材料がＬｉ_xＷＯ₃
（ｘは、１以下で通常０．３）に還元されると、この材
料は暗い青色になる。ＩＴＯはこの実施例の透明な導電
材料の例である。アルミが反射性材料として選択され
る。

【００５１】ＷＯ₃ 層（図１の光互変性材料層１４）と
ＩＴＯ層の所望の厚さは、以下の式を用いて計算でき
る。ｔ＝λ／４ｎここで、ｔはコーティング層の厚さで、λは入射光の波
長で、ｎはコーティング材料の層の屈折率である。

【００５２】この実施例においては、好ましいコントラ
スト比は、リチウム化ＷＯ₃ が反射防止性を有する場合
に得られる（ここでＷＯ₃ は、還元状態でリチウム化さ
れる）。そのために上記の式を解くために用いられる屈
折率は、リチウム化ＷＯ₃ のそれである（５５０ｎｍの
波長で屈折率１．５）。２つの層からなる光学キャビテ
ィが反射性基板上に形成されるので、この式はＩＴＯ層
について解く（５５０ｎｍの波長で屈折率２）。

【００５３】前述したように５５０ｎｍが入射光の波長
として選択されたが、その理由は、入射光が白色光の場
合には、入射光の可視スペクトラムのほぼ中心にあるか
らであり、また人間の目は、この波長で最も敏感だから
である。２つの屈折率の平均値を用いると、２つの層の
結合厚さの第１予測（８０ｎｍ）が得られる。これは従
来技術の類似の材料の層の結合厚さよりもはるかに小さ
なはるかに薄い結合厚さである。

【００５４】その後コンピュータモデル化技術を用いて
個々の層（図１の透明導電層１２と光互変性材料層１
４）の厚さを決定する。市販されているソフトウェア
（TF Calc. from Software Spectra, Inc.）をこの計
算に用いる。このソフトウェアは、電磁気学の古典的理
論を用いて複数の材量層を通過する光の吸収率，反射
率，透過率を計算する。またこのソフトウェアは、オフ
状態とオン状態に対しては、明度（luminosity）を計算
する。その後この２つの明度の比率を計算する。（この
比率は、図３のＷＯ₃ 層とＩＴＯ層の様々な厚さに対し
てプロットされている。）

【００５５】この比率は、オン状態の光学キャビティか
らの反射明度（この計算過程で明度は、人間の目の感受
性でもって畳み込まれた反射光の強度である）と、オフ
状態の光学キャビティからの反射明度との間に選択され
てマックスウェルの式を解く。この比率は、オン状態の
デバイスとオフ状態のデバイスとの間の高いコントラス
ト比を得るには高かった。以下のパラメータに基づい
て、このソフトウェアは、ＷＯ₃ 層とＩＴＯ層の厚さと
オン状態のデバイスとオフ状態のデバイスとの間のコン
トラスト比を提供する。上記の計算の結果として得られ
た関係を図３に示す。

【００５６】図３に示された関係から、４０ｎｍのＩＴ
Ｏ層の厚さと５０ｎｍのＷＯ₃ 層の厚さが選択された。
この厚さは、２つの誘導原理に基づいて選択された。第
１の原理は、オン状態のデバイスとオフ状態のデバイス
との間のコントラスト比はＷＯ₃ とリチウム化ＷＯ₃ と
の間のコントラスト比と少なくとも同程度に良好となる
ように選択された。

【００５７】このコントラスト比は、ＷＯ₃ 層は、入射
光の全てを吸収するような厚さ（即ち約１０００ｎｍの
厚さ）で図３の水平線で示されるようなものから選択さ
れた。したがって、ＷＯ₃ 層の選択された値は、水平線
の上以上のコントラスト比を与える厚さである。またこ
の厚さは、２つの層の全体厚さを８０ｎｍにするように
選択された。このような２つの目的の両方は、図３のピ
ーク３００に対応する厚さを選択することにより達成さ
れる（即ち、ＩＴＯ層が４０ｎｍでＷＯ₃ 層が５０ｎ
ｍ）。

【００５８】上記の光学キャビティを組み込んだデバイ
スは、基板上にフィルムを形成する従来技術により形成
できる。ガラス性基板（Corning Corp.社から市販され
ている３２０ｍｍ×４００ｍｍのガラス（Corning 705
9）プレート）を従来のサンドブラスト技術を用いて把
握した。その後このガラスを標準の洗浄手順を用いて洗
浄した。

【００５９】１０００Ａ厚さのアルミ層をその後従来の
ＲＦスパッタリングと標準のアルミ／ジルコニウムター
ゲット（約１重量％のジルコニウム）を用いて基板上に
スパッタリングして形成した。その後この基板を約１／
２インチ（１．２７ｃｍ）幅の Mylar Tape 片でマスク
した。４００Ａ厚さのＩＴＯ層を標準のスパッタリング
技術を用いて基板の表面上にその後形成した。

【００６０】５００Ａ厚さのＷＯ₃ 層をアルゴン／酸素
雰囲気中でタングステンターゲットを用いて基板上に形
成した。これに関しては、Kaneko, H., et al., 著の "
Electrochemichromism of RF Reactively Sputtered Tu
ngsten-Oxide Films", J. Appl. Physics, 53, pp. 441
6-4421 (1982) を参照のこと。その後 Mylar Mask を基
板上から取り除き、このようにして得られた構造体は、
その表面に露出したアルミのストリップと多層（ＷＯ₃
−ＩＴＯ−Ａｌ）の構造体のストリップとが交互になっ
ている。

【００６１】その後、基板は約３ｃｍ×４ｃｍのピース
に分離した。各ピースは、接点として用いられるその表
面に露出したアルミの一部を具備する。

【００６２】対向電極が前述したように、ガラス製基板
の表面上にＩＴＯ層を形成することにより形成される。
このＩＴＯ層は、その厚さが約５００Ａである。その後
このＩＴＯ層を酸素プラズマに約１０秒間曝すことによ
り洗浄する。その後バナジウム酸化物のゾルゲルの層が
標準のスピニング技術を用いてＩＴＯ表面上に形成され
た。その後この基板を１００℃で約１時間アニールし
た。このバナジウム酸化物層の厚さは、１０００Ａであ
った。このバナジウム酸化物層は、標準の電気化学技術
を用いてポリピレン炭酸塩内のＬｉＣｌＯ₄ の１Ｍ溶液
を用いてリチウムでもって負荷する。

【００６３】電気化学セルは、ＷＯ₃ −ＩＴＯ−Ａｌ構
造体（作動電極）とバナジウム酸化物製対向電極と規準
電極としてのリチウムホイル片を分子ふるいに掛けて蓄
積したドライのポリピレン炭酸塩内の１ＭのＬｉＣｌＯ
₄ のを含むビーカー中に配置することにより準備され
た。この電極は不活性雰囲気のドライボックス内で、
３．５Ｖと２Ｖ（両方とも規準電極に対し）の間で電位
が繰り返し掛けられた。

【００６４】酸化電位（３．５Ｖ）においては、作動電
極は、漂白（bleached）されたように見える。したがっ
て、デバイスのＷＯ₃ 層とＩＴＯ層は、観測者にはほと
んど見ることができず、このデバイスの一部のみがＩＴ
Ｏ層の下の粗いアルミニウムミラー内で観測される。

【００６５】還元電圧（２Ｖ）においては、作動電極
は、暗い青から黒色であった。したがって、ＷＯ₃ はＬ
ｉ_xＷＯ₃に変換された。デバイスが電位の変化に応答し
て色付きから漂白へ切り替わる時間は１秒以下であっ
た。この応答時間は、デバイスが漂白から着色に切り替
わるのと同じであった。デバイスをある状態から他の状
態に切り換えるのに必要な電荷は、約１ｍＣ／ｃｍ² で
あった。尚、特許請求の範囲に記載した参照番号は、
発明の容易なる理解のためで、権利解釈に影響を及ぼす
ものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】光学キャビティとして機能する多層構造体に入
射する光線の動きを表す図

【図２】本発明のデバイスの斜視図

【図３】本発明のデバイス用の電子互変性層の厚さと透
明導電層の厚さを選択する方法を表すグラフ

【符号の説明】

１０反射層１２透明導電層１４導電誘電体性層１５入射光線１６，２０反射光１８，２２透過光３６電子互変材料層３８電解質層４０対向電極４２透明導電層４４透明基板５０光互変性材料層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 ＭｏｕｎｔａｉｎＡｖｅｎｕｅ, ＭｕｒｒａｙＨｉｌｌ，ＮｅｗＪｅｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ.

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反射性基板（１０）と、（Ａ）この反射性基板上に形成された透明材料層（１
２）と、（Ｂ）前記透明材料層（１２）に接触して、励起に応答
して屈折率を可逆的に変化させる化合物層（５０）と、
からなり、前記（Ａ）の透明材料層（１２）と、前記
（Ｂ）の化合物層（５０）の材料とその厚さは、光学キ
ャビティを提供するよう選択され、その各層の厚さは、
入射光の波長の範囲内にある波長以下であることを特徴
とする光学デバイス。
【請求項２】前記（Ｂ）の化合物層の材料は、金属感
受性材料，熱互変性材料，光互変性材料からなるグルー
プから選択されることを特徴とする請求項１のデバイ
ス。
【請求項３】前記（Ａ）透明材料層は、透明導電層で
あり、前記（Ｂ）化合物層は、金属感受性材料層であ
り、（Ｃ）前記（Ｂ）の化合物層に接触して形成された電解
質層（３８）をさらに有し、前記電解質層（３８）は、
光学デバイスの電位の変化に応答してその色を変化させ
る金属感受性化合物内で溶解する金属を含有することを
特徴とする請求項２のデバイス。
【請求項４】（Ｄ）前記（Ｃ）の電解質層（３８）に
接触して形成された対向電極（４０）をさらに有し、前記（Ｄ）対向電極は、その中で溶解する金属感受性材
料の色を変化させる金属のリザボアを提供し、（Ｅ）前記対向電極（４０）上に形成された第２の透明
導電層（４２）と、（Ｆ）前記透明導電層（４２）上に形成された透明基板
（４４）とをさらに有することを特徴とする請求項３の
デバイス。
【請求項５】前記金属感受性材料は、電子互変性材料
であり、前記光学デバイスは、電子互変性表示デバイス
であることを特徴とする請求項４のデバイス。
【請求項６】前記第１電極層と金属含有層の厚さの選
択は、第１電位がデバイスに印加されたときに、光学キ
ャビティから反射された光に対し、建設的干渉の所望の
程度と、第２電位がデバイスに印加されたときに、光学
キャビティから反射された光に対し、破壊的干渉の所望
の程度を選択し、所望の干渉の程度を達成するのに必要
な層の材料と厚さを選択することにより行われることを
特徴とする請求項５のデバイス。
【請求項７】前記第１電位は酸化電位であり、第２電
位は還元電位であることを特徴とする請求項６のデバイ
ス。
【請求項８】前記第１電極と金属感受性化合物の組み
合わせ厚さは５５０Ａから１４００Ａであることを特徴
とする請求項７のデバイス。
【請求項９】前記第１電極は透明導電層であることを
特徴とする請求項５のデバイス。
【請求項１０】前記第１電極の光学厚さは、２００ｎ
ｍから３００ｎｍで、電子互変性層の光学厚さは、２０
０ｎｍから３００ｎｍであることを特徴とする請求項９
のデバイス。
【請求項１１】前記第１電極の厚さは、３００Ａから
６００Ａで、電子互変性層の厚さは、２５０Ａから８０
０Ａであることを特徴とする請求項９のデバイス。
【請求項１２】前記第１電極の厚さと、電子互変性層
の厚さの決定は、（１）電子互変性デバイスに入射する光の波長範囲を表
す波長を選択し、（２）２つの層の組み合わせ厚さをこの選択された波長
の関数として、この波長と選択された波長に分ける２つ
の層の屈折率の平均の関数として計算し、（３）コントラスト比と第１電極と電子互変性層の厚さ
の間の関係を決定し、（４）所望のコントラスト比を与えられる第１電極と電
子互変性層の厚さを選択することにより行われることを
特徴とする請求項１１のデバイス。