以下、本発明の実施形態について図面を� ��照して説明する。

 図1は本発明の実施形態によるエレクトロ ウェッティングデバイス10の概略構成を示す� ��断面図である。本実施形態のエレクトロウ� ��ッティングデバイス10は、密閉性の液室18の 内部に導電性の第1の液体11と絶縁性の第2の� �体12が収容されてなり、これら第1の液体11と 第2の液体12の界面13Aでレンズ面を形成するレ ンズ素子13を備えている。このエレクトロウ� ��ッティングデバイス10は、例えば照明光学� �やカメラのストロボ装置などに用いられ、� �該エレクトロウェッティングデバイス10を透 過する光Lの焦点距離を任意に変化させる可� �焦点レンズ素子として構成されている。

 第1の液体11としては、導電性を有する透� ��な液体が用いられ、例えば、水、電解液(塩 化カリウムや塩化ナトリウム、塩化リチウム 等の電解質の水溶液)、分子量の小さなメチ� �アルコール、エチルアルコール等のアルコ� �ル類、常温溶融塩(イオン性液体)などの有極 性液体を用いることができる。

 第2の液体12としては、絶縁性を有する透� ��な液体が用いられ、例えば、デカン、ドデ� ��ン、ヘキサデカンもしくはウンデカン等の� ��化水素系の材料、シリコーンオイル、フッ� ��系の材料などの無極性溶媒を用いることが� ��きる。本実施形態において、第2の液体12の� ��面張力は、第1の液体11の表面張力よりも小� ��いものが用いられているが、勿論これに限� ��れない。

 第1,第2の液体11,12は、互いに異なる屈折� �を有するとともに、互いに混和することな� �存在できる材料が選ばれる。具体的に、本� �施形態では、第1の液体11として塩化リチウ� �水溶液(濃度3.66wt%、屈折率1.34)が用いられ、� ��2の液体12としてシリコーンオイル(GE東芝シ� ��コーン社製TSF437、屈折率1.49)が用いられる� �また、第1,第2の液体11,12は互いに同等の比重 をもつことが好ましい。なお必要に応じて、 第1,第2の液体11,12は着色されていてもよい。

 次に、液室18は、一対の基材としての透� �基板14と蓋体15とを互いに貼り合わせて構成� ��れた容器の内部に形成されている。

 透明基板14及び蓋体15は、光学的に透明な 絶縁性基材からなり、例えば、プラスチック 材料の射出成形体、ガラス材料、各種セラミ ック材料等で構成される。プラスチック材料 としては、ポリカーボネート(PC)、ポリエチ� �ンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタ レート(PEN)、ポリエーテルサルフォン(PES)、� �リオレフィン(PO)等の透明高分子材料を好適� ��用いることができる。

 本実施形態では、透明基板14の液室18側表 面部にレンズ素子13を収容する凹所14Aが形成� ��れている。なお、透明基板14の表面形状は� �意に形成でき、上記の例に限られず平坦面� �してもよい。

 透明基板14の液室18側の表面には、電極層16� ��形成されている。電極層16は透明電極材料� �構成され、本実施形態ではZnからなる群より 選ばれる少なくとも2種類以上の金属酸化物� �スパッタ膜で構成されている。具体的に、� �極層16は、AZO(ZnO-Al ₂ O ₃ )のスパッタ膜で構成されるが、これに限ら� �ず、例えば、ITO(インジウム-スズ酸化物)、GZ O(ZnO-Ga ₂ O ₃ )、SZO(ZnO-SiO ₂ )等が挙げられる。

 また、電極層16の上には、本発明に係る� �縁層17が形成されている。図2は絶縁層17の構 造を示す電極層16周辺の断面図である。絶縁� ��17は、電極層16の上に形成された絶縁性無機 結晶材料からなる第1の絶縁膜17aと、この第1� ��絶縁膜17aの上に形成された絶縁性無機非晶� ��材料からなる第2の絶縁膜17bの積層構造を有 している。

 第1,第2の絶縁膜17a,17bはいずれもスパッタ 法、真空蒸着法等の真空薄膜形成技術によっ て形成された透明酸化物からなる。第1の絶� �膜17aはそれ自体で結晶性の絶縁膜であり、� �2の絶縁膜17bはそれ自体で非晶質の絶縁膜か� ��なる。第2の絶縁膜17bは、結晶性の第1の絶� �膜17aの表面の凹凸を吸収するために設けら� �ている。

 第1の絶縁膜17aとしては、例えば、ZnO、Al ₂ O ₃ 、MgO、HfO ₂ 、ZrO ₂ 、Fe ₂ O ₃ 、TiO ₂ 等の高誘電率膜が好適に用いられる。一方、 第2の絶縁膜17bとしては、例えば、ZnAlO、SiO ₂ 、SiNx等が好適に用いられる。

 本実施形態では、第1の絶縁膜17aはZnO、第 2の絶縁膜17bはZnAlOからなる。第1の絶縁膜17a� �第2の絶縁膜17bが互いに同一の金属元素を含� ��酸化物で構成することにより、両者間の親� ��性を高めて密着性の向上を図ることができ� ��。また、電極層16の構成材料(AZO)がこれら絶 縁膜17a,17bと同一の金属元素を含むことから� �電極層16と第1の絶縁膜17a間の相互の密着性� �向上させるとともに、第1の絶縁膜17aの結晶� ��向性を高めて高誘電率化を図ることができ� ��。なお、電極層16、絶縁層17の形成方法の詳 細については後述する。

 第1,第2の絶縁膜17a,17bの膜厚は特に制限さ れないが、本実施形態では、第2の絶縁膜17b� �膜厚は第1の絶縁膜17aの膜厚と同等又はそれ� ��下の厚さで形成されている。第1の絶縁膜17a は、結晶性に起因して第2の絶縁膜17bよりも� �電率が高く、絶縁層17の誘電率を支配的に決 定するからである。また、第2の絶縁膜17bは� �1の絶縁膜17aの表面平坦性を緩和できる程度� ��厚さで十分だからである。なお、絶縁層17� �表面は撥水性を有することが好ましく、こ� �ような観点から第2の絶縁膜17bの構成材料が� ��定され、あるいは、第2の絶縁膜17bの表面に 撥水処理が施される。

 絶縁層17は、電極層16の形成領域の全域に わたって形成されることにより、電極層16と� ��電性の第1の液体11との間の電気的短絡を防� ��している。絶縁層17は、電極部材19を介して 蓋体15と対向している。電極部材19は、液室18 の外部から第1の液体11へ電圧を印加するため のものであるとともに、透明基材14と蓋体15� �の間を封止する機能を有している。

 以上のように構成される本実施形態のエ� ��クトロウェッティングデバイス10において� �、電極層16と電極部材19(第1の液体11)との間� �駆動電圧を印加する電圧供給源Vが設けられ� ��いる。第1の液体11と第2の液体12の界面13Aの� ��状は、球面あるいは非球面であり、その曲� ��は電圧供給源Vから供給される駆動電圧の大 きさに応じて変化する。そして、界面13Aは、 第1の液体11と第2の液体12の屈折率差に応じた レンズパワーをもつレンズ面を構成するので 、駆動電圧の大きさを調整することで、蓋体 15側から透明基板14側へ入射する光Lの焦点距� ��を変化させることが可能となる。

 図3A,Bにレンズ素子13の駆動原理を示す。� ��3Aは第1の液体11と電極層16の間に駆動電圧を 印加していない場合の絶縁層17/第1の液体11/� �2の液体12の各界面の張力の状態を示し、図3B は第1の液体11と電極層16の間に所定の駆動電� ��を印加した場合のそれを示している。

 レンズ素子13の内部では、絶縁層17/第1の� ��体11/第2の液体12において3つの界面張力が発 生している。すなわち、絶縁層17と第1の液体 11の間の張力(SW)、第2の液体12と第1の液体11の 間の張力(OW)、絶縁層17と第2の液体12の間の張 力(SO)であり、ここではそれぞれをγsw、γow、 γsoと表す。

 駆動電圧を印加していない場合には、3つの 界面張力と、絶縁層17と第2の液体12の接触角� ��(θ)の間には、いわゆるYoung-Laplaceの方程式� �ら次式の関係が成り立ち、これに基づいて� �面13Aの形状が決まる。
  cosθ=(γsw-γso)/γow

 駆動電圧を印加した場合には、エレクトロ� ��ェッティング効果により界面13Aの形状が変� ��する。すなわち、電圧印加により絶縁層17� �第1の液体11の界面には電荷が発生し、それ� �よって絶縁層17と第2の液体12の間の張力(SO)� �向に次式に示す圧力Fが加わるようになる。
  F=1/2(ε・ε0/d)V ²
(ここで、εは絶縁層の誘電率、ε0は真空誘電 率、dは絶縁層の厚さ、Vは印加電圧を表す。)

 したがって、3つの界面張力と、絶縁層17と� ��2の液体12の接触角度(θ)の間には次式のよう な関係が成り立ち、電圧を印加しない場合に 比べて接触角度θは増加して界面13Aの形状が� ��化する。また、その変化の程度は電圧を変� ��させることによって制御可能である。
  cosθ=(γsw-γso)/γow-1/2(ε・ε0/d)V ²  ……(1)

 以上のように、レンズ素子13は、互いに� �折率の異なる第1,第2の液体11,12の界面13Aの形 状が変化することによって、焦点距離を変化 させることが可能であるとともに、その焦点 距離は印加電圧により制御可能なものとなる 。

 一方、(1)式より、絶縁層17の誘電率(ε)が� ��きいほど、あるいは絶縁層17の膜厚が小さ� �ほど、同じ駆動電圧(V)でもレンズ素子13の界 面13Aの形状を大きく変化させることが可能と なる。従って、レンズ素子13の駆動電圧の低� ��を図るためには、絶縁層17の誘電率を高く� �るか、その膜厚を小さくする必要がある。

 そこで本実施形態では、絶縁層17(第1,第2� ��絶縁膜17a,17b)を無機材料で形成しているの� �、ポリパラキシリレンやPTFE(ポリテトラフル オロエチレン)などの有機系材料に比べて、� �さい膜厚で大きな誘電率が得られる。これ� �より、低い駆動電圧でレンズ素子13の大きな 形状変化を生じさせることができるので、エ レクトロウェティングデバイス10の駆動電圧� ��低減を図ることが可能となる。

 また、本実施形態によれば、絶縁層17を� �機結晶材料からなる第1の絶縁膜17aと無機非� ��質材料からなる第2の絶縁膜17bの積層構造で 構成しているので、第1の絶縁膜17aの表面粗� �を第2の絶縁膜17bでカバーして、絶縁層17の� �面平坦性を高めることができる。これによ� �、絶縁層17の膜厚を均一化できるとともに、 絶縁層17の耐圧特性を向上させることが可能� ��なる。

 図4は、走査型プローブ顕微鏡(セイコー� �ンスツルメンツ社製「SPA400」)を用いて行っ� ��電極層16、第1の絶縁膜17a、第2の絶縁膜17bの 各層における表面観察結果の一例を示してい る。ここで、図4Aは、シリコン基板上に電極� ��としてAZO膜を100nm成膜した場合を示してお� �、表面粗さ(Ra)は1.7nmであった。図4Bは、AZO膜 の上に第1の絶縁膜17aとしてZnO膜を50nm形成し� ��ときの状態を示しており、表面粗さ(Ra)は3.3 nmであった。図4Cは、ZnO膜に第2の絶縁膜17bと� ��てZnAlO膜を50nm形成したときの状態を示して� ��り、表面粗さ(Ra)は1.7nmであった。

 図4の結果から明らかなように、結晶性絶 縁膜(ZnO)の上に非晶質絶縁膜(ZnAlO)を形成した 積層構造で絶縁層を構成することによって、 絶縁層表面の平坦性を高められることがわか る。

 また、図5は、絶縁層を無機結晶材料のみ で形成した単層構造のサンプルと、無機結晶 材料層の上に無機非晶質材料層を形成した積 層構造のサンプルの各々の耐圧特性を比較し た一実験結果を示している。ここで、単層構 造のサンプルは、ガラス基板上に電極層とし てAZO膜を100nm、その上に無機結晶材料としてZ nO膜を114nm形成したものを用いた。一方、積� �構造のサンプルは、ガラス基板上に電極層� �してAZO膜を100nm、その上に無機結晶材料とし てZnO膜を50nm、無機非晶質材料としてZnAlO膜を 50nm形成したものを用いた。

 図5の結果より、単層構造のサンプルの場 合の耐圧強度は0.26MV/cmであったのに対し、本 発明の積層構造のサンプルの場合の耐圧強度 は3.05MV/cmであり、耐圧強度の著しい向上が認 められた。

 次に、本実施形態のエレクトロウェッテ� ��ングデバイス10における透明基板14に対する 電極層16及び絶縁層17の形成方法について説� �する。

 本実施形態におけるエレクトロウェッテ� ��ングデバイス10を構成する電極層16及び絶縁 層17は、透明基板14の表面への連続成膜によ� �て形成される。これら電極層16及び絶縁層17� ��成膜方法としてはスパッタ法や真空蒸着法� ��の真空薄膜形成技術が用いられ、特に本実� ��形態ではスパッタ法が用いられている。図6 にスパッタ装置の構成の一例を示す。

 図6に示すスパッタ装置20は、直流方式の� ��パッタ装置であり、チャンバー21内に基板(� ��明基板)14を保持する基板ホルダー22とター� �ット23を保持するターゲットホルダー24とが� ��向配置されており、基板14とターゲット23と の間に電圧が印加されるようになっている。 詳しくは、基板14は基板ホルダー22を経由し� �グランドに接地され、ターゲット23はターゲ ットホルダー24を経由して直流電源25につな� �っており、基板14のアース電位に対してター ゲット23には直流電源25から所定のマイナス� �圧が印加される。

 また、スパッタ装置20は、チャンバー21内の 排気系として排気ポンプ26を有している。さ� ��に、ガス供給系として、Arガスボンベ27、O ₂ ガスボンベ28、及び、それぞれのガスボンベ2 7,28からガスを途中で混合しこの混合したガ� �をチャンバー21内へ導くガス配管29を有して� ��る。混合ガスは、ガス配管29に設けられたAr ガス流量コントローラ27a、O ₂ ガス流量コントローラ28aによってそれぞれの 流量比及び混合ガスとしての流量がコントロ ールされ、プロセスガス導入口29aからチャン バー21内へ導入されるようになっている。

 このスパッタ装置20により基板14上に電極層 16を成膜するに当たっては、まず、基板ホル� ��ー22に基板14をセットするとともに、ターゲ ットホルダー24にターゲット23をセットする� �ここで、ターゲット23は、電極層16の構成材� ��によって選択され、本実施形態では、ZnOにA l ₂ O ₃ が含有されてなるターゲット(AZOターゲット)� ��用いられる。ターゲット23のAl ₂ O ₃ 含有量は、10wt%以下が好ましい。

 次に、チャンバー21内を排気ポンプ26によっ て真空排気し、所定の真空度(例えば0.1~1Pa)に 維持しながら、反応性ガスであるO ₂ ガス及びArガスを所定量混合した混合ガスを� ��ロセスガス導入口29aからチャンバー21内に� �入する。ここで、混合ガスの流量(sccm)の比(� ��応性ガス流量比(O ₂ /Ar))は、成膜される透明膜が所定の抵抗値以� ��となり導電性をもつように調整される(例え ば、AZOターゲットの場合、0.2%)。あるいは、� ��ャンバー21内にO ₂ ガスは導入せず、Arガスのみを導入するよう� ��してもよい。

 次いで、直流電源25よりターゲット23と基板 14間に直流電圧を印加し、雰囲気ガス(O ₂ +Ar、またはAr)についてグロー放電させプラズ マPを形成する。直流電源25から電力(例えば� �0.1~7.8W/cm ² )を投入してスパッタリングを開始し、基板14 上にターゲット組成に基づいた電極層16を形� ��する。

 以上のようにして、基板14上に透明な電� �層16が形成される。続いて、電極層16の上に� ��縁層17が成膜される。絶縁層17の成膜は、第 1の絶縁膜17aの成膜工程と、第2の絶縁膜17bの� ��膜工程とを経て行われる。これら第1,第2の� ��縁膜17a,17bの成膜は、図6に示したスパッタ� �置20と同様のスパッタ装置によって行われる 。

 この場合、第1の絶縁膜17aの成膜には、ター ゲット23としてZn金属ターゲットが用いられ� �プロセスガスの酸素ガス流量比(O ₂ /(O ₂ +Ar))を例えば40%以上に調整する。以上の反応� ��スパッタリングによって、電極層16上に結� �性のZnO膜からなる第1の絶縁膜17aが成膜され� ��。

 一方、第2の絶縁膜17bの成膜には、ターゲッ ト23としてZnにAlをドープした合金ターゲット が用いられ、プロセスガスの酸素ガス流量比 (O ₂ /(O ₂ +Ar))を例えば40%以上に調整する。以上の反応� ��スパッタリングによって、第1の絶縁膜17aの 上に非晶質のAlZnO膜からなる第2の絶縁膜17bが 成膜される。

 なお、上述の例の場合、第1の絶縁膜17aの 成膜工程と、第2の絶縁膜17bの成膜工程とは� �それぞれ別々のチャンバー内で実施される� �とになるが、この場合、複数のスパッタ室� �隣接配置されたインライン式連続スパッタ� �置や複数の真空処理室がクラスター状に配� �された枚葉式真空処理装置など、真空雰囲� �を壊さずに基板を搬送することが可能な真� �装置が好適に用いられる。また、同一チャ� �バー内に複数のターゲットを配置して、成� �工程に応じてターゲットを使い分ける方法� �採用することも可能である。

 以上のようにして、透明基板14上に電極� �及び、第1,第2の絶縁膜17a,17bの積層構造から� ��る絶縁層17が順に成膜される。本実施形態� �エレクトロウェッティングデバイスの製造� �法によれば、表面平坦性に優れた高誘電率� �絶縁層を形成できるので、信頼性の高い低� �圧駆動のエレクトロウェッティングデバイ� �を安定して製造することができる。

 以上、本発明の実施形態について説明し� ��が、本発明はこれに限定されることはなく� ��本発明の技術的思想に基づいて種々の変形� ��可能である。

 例えば以上の実施形態では、単一のレン� ��素子を具備するエレクトロウェッティング� ��バイスを例に挙げて説明したが、上記レン� ��素子がアレイ状に複数配置されたエレクト� ��ウェッティングデバイスの絶縁層構造にも� ��本発明は適用可能である。

 また、可変焦点レンズ用途のエレクトロ� ��ェッティングデバイスに限らず、配光制御� ��の他の光学用途や、液体の表面張力の変化� ��利用してワークを位置決め搬送するステー� ��装置等の各種アクチュエータ用途のエレク� ��ロウェッティングデバイスに対しても、本� ��明は適用可能である。