JP2005284215A - Display element - Google Patents

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Tomoko Maruyama
朋子 丸山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a color display device which has superior visibility and light resistance and can be used outdoors for a long time. <P>SOLUTION: A display element is constituted by arranging a composite film including metal fine particles and a matrix structure surrounding the metal fine particles on at least one of substrates where a couple of electrodes are arranged. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ナノサイズの金属微粒子を利用した静止画書き換えに関するものである。   The present invention relates to still image rewriting using nano-sized metal fine particles.

近年、パソコンやモバイル等の情報機器の発達、ネットワーク環境の充実によって、オフィスは勿論、家庭、さらにはアウトドア環境でも情報機器の表示装置を利用することが多くなった。また、特にオフィスでは情報機器を介して入手した膨大な量の情報を、一旦紙に出力し、暫くしてから破棄するといった動作が頻繁に行われ、紙の消費量が増加の一途を辿っている。同時に、液晶・CRT等の発光ディスプレイ画面を長時間に渡り正視することを強いられるために生じるストレスが指摘されている。   In recent years, with the development of information devices such as personal computers and mobile devices and the enhancement of the network environment, display devices for information devices have been increasingly used not only in offices but also in homes and outdoors. Also, especially in offices, a huge amount of information obtained via information equipment is output once on paper, and then discarded after a while, and the consumption of paper continues to increase. Yes. At the same time, stress caused by being forced to look at a light-emitting display screen such as a liquid crystal display or CRT for a long time has been pointed out.

現代社会において、紙の消費量増加による環境破壊を防ぎ、長時間正視してもストレスの少ない視認性の良い、可搬性に優れた低消費電力表示書き換え装置の普及が求められており、近年、電子ペーパー、ペーパーライクディスプレイ、リライタブルペーパー、といった新しい表示装置の研究開発が盛んである。最も代表的な表示方式としては、電気泳動によるモノクロの書き換えを行うものが挙げられ、反射光による紙のような視視認性の表示が行える。しかしながら、電気泳動方式では一般にメモリ性がなく、表示を保持するためにメモリ素子や長時間使用可能なバッテリが必要である。また、所望のカラー表示を行うためにRGBカラーフィルタを積層すると反射光の利用効率が低く、明るいカラー表示が難しいという課題がある。また、カラー粒子を用いて表示する方法もあるが、一般に染料や顔料は耐光性が充分でなく、例えば戸外で長時間直射日光に晒して使用すると退色するといった場合がある。また、溶媒液を着色することで所望のカラー表示を行う方法もあるが、この場合も樹脂粒子に溶媒中の染料が染み込みコントラストが低下するといった場合がある。   In the modern society, the spread of low power consumption display rewriting devices that prevent environmental destruction due to an increase in paper consumption, have low visibility even when viewed for a long time, and have good visibility and excellent portability. Research and development of new display devices such as electronic paper, paper-like display, and rewritable paper are thriving. As the most typical display method, there is a method of performing monochrome rewriting by electrophoresis, and visual visibility such as paper by reflected light can be displayed. However, the electrophoretic method generally does not have a memory property, and a memory element and a battery that can be used for a long time are required to maintain display. In addition, when RGB color filters are stacked in order to perform a desired color display, there is a problem in that the use efficiency of reflected light is low and bright color display is difficult. In addition, there is a method of displaying using color particles, but generally dyes and pigments are not sufficiently light-resistant, and for example, they may fade when exposed to direct sunlight for a long time outdoors. In addition, there is a method of performing a desired color display by coloring the solvent liquid, but in this case also, the dye in the solvent may permeate into the resin particles and the contrast may be lowered.

情報機器からの紙による出力を低減し、反射型でストレス無く長時間見ることのできる視認性を有し、低電圧駆動による書き換えが可能で且つメモリ性を有した低消費電力を実現し、長時間アウトドアで使用しても退色しない、全く新しいカラー表示方式が求められている。   Reduces paper output from information equipment, has a reflective type that can be viewed for a long time without stress, realizes low power consumption that can be rewritten by low-voltage drive, and has memory characteristics. There is a need for a completely new color display system that will not fade even when used outdoors for hours.

一般に、コピーやプリンターに用いられる様々な染料や顔料といった色材以外にも、吸収による鮮やかな着色をするものに、金属微粒子がある。   Generally, in addition to various color materials such as various dyes and pigments used in copying and printers, there are metal fine particles that are vividly colored by absorption.

金属は通常バルクでは金属光沢を示すものであるが、ナノサイズの微粒子になると特定の波長の電磁波を吸収して着色する現象(プラズモン吸収)が良く知られている(例えば非特許文献1参照)。この現象は古くからステンドグラス等の着色に用いられてきたもので、自然光の吸収と透過による濁りの無いクリアな色を示し、また、直射日光に晒されて長時間放置してもほとんど退色しない、という優れた着色特性を有する。   The metal usually shows metallic luster in the bulk, but when it becomes nano-sized fine particles, the phenomenon of absorbing and coloring electromagnetic waves of a specific wavelength (plasmon absorption) is well known (see Non-Patent Document 1, for example). . This phenomenon has been used for coloring stained glass etc. for a long time, shows a clear color without turbidity due to absorption and transmission of natural light, and hardly fades even if left exposed to direct sunlight for a long time. Have excellent coloring properties.

このナノサイズの金属微粒子の色は、主に粒子の材質、形状、大きさによって大きく影響を受ける。例えば、Auは530nm近傍に吸収ピークを有する赤いAuコロイドが有名であり、Agは420nm近傍に吸収ピークを有する黄色いAgコロイドが有名である。また、非特許文献2によれば,同じAgからなる微粒子であっても、例えば球形状であっても直径が大きくなると、吸収ピークが徐々に長波長側にシフトするといった大きさによる色の変化と、TEMの断面像で球・五角形・三角形という形状の異なる場合にも、吸収ピークが変化することが観察されており、Agのみでも可視光ほぼ全域に渡って吸収変化が可能であることが示されている。   The color of the nano-sized fine metal particles is greatly influenced mainly by the material, shape and size of the particles. For example, Au is famous for a red Au colloid having an absorption peak in the vicinity of 530 nm, and Ag is famous for a yellow Ag colloid having an absorption peak in the vicinity of 420 nm. Further, according to Non-Patent Document 2, even if the particles are the same Ag, even if they are spherical, for example, when the diameter increases, the color changes depending on the magnitude such that the absorption peak gradually shifts to the longer wavelength side. In addition, even when the TEM cross-sectional images have different shapes such as spheres, pentagons, and triangles, it has been observed that the absorption peak changes, and even with Ag alone, it is possible to change the absorption over almost the entire visible light. It is shown.

一方、金属微粒子は、10nm以下、特に1nm程度の超微粒子の状態ではその材質によらず『黒化』するという現象が知られている(例えば、非特許文献3)。金属微粒子が可視光域の特定の色を発色するのは、1nm以上200nm以下の範囲で良く知られている。   On the other hand, it is known that the metal fine particles “blacken” regardless of the material in the state of ultrafine particles of 10 nm or less, particularly about 1 nm (for example, Non-Patent Document 3). It is well known that metal fine particles develop a specific color in the visible light range in the range of 1 nm to 200 nm.

また、これらの金属微粒子のプラズモン吸収による発色状態は粒子の凝集により変化することが非特許文献4で報告されている。
『超微粒子とは何か』川村清著(丸善) J.J.Mock他、J.Chem.Phys.,Vol.116,No.15,15April 2002 『超微粒子技術入門』一ノ瀬昇他著(オーム社) U.Kreibig and L.Genzel、Surface Science 156(1985)678−700
Further, Non-Patent Document 4 reports that the color development state of these metal fine particles due to plasmon absorption changes due to aggregation of particles.
“What are ultrafine particles?” By Kiyoshi Kawamura (Maruzen) J. et al. J. et al. Mock et al. Chem. Phys. , Vol. 116, no. 15,15April 2002 “Introduction to Ultrafine Particle Technology” by Noboru Ichinose and others (Ohm) U. Kreibig and L. Genzel, Surface Science 156 (1985) 678-700.

本発明は、金属微粒子を用いた発色を利用した、全く新しい表示方式によって、自然光の吸収・透過によるストレスの無い視認性に優れたカラー表示が行え、耐光性に優れアウトドアでの長時間使用可能なカラー表示を提供することを目的とする。   The present invention is a completely new display method that utilizes color development using metal fine particles, and can display colors with excellent visibility without stress due to absorption and transmission of natural light, and has excellent light resistance and can be used outdoors for a long time. An object is to provide a simple color display.

本発明者は、金属微粒子を用いた発色を電気的に書き換えるべく、鋭意研究を重ねた結果、金属微粒子をマトリクス構造体で包囲し複合膜を形成した後、電界を印加して色変調させる方法を見出した。即ち、
<1>一対の電極を配置した基板間の、少なくとも一方の基板上に、金属微粒子と、該金属微粒子を包囲するマトリクス構造体と、を含む複合膜を配置してなる、表示素子である。
<2>金属微粒子の化学状態を電圧印加によって変化させることにより色変調する、表示素子である。
<3>該金属微粒子の粒径は、1nm以上200nm以下である、上記表示素子である。
<4>該金属微粒子は微粒子からなる該マトリクス構造体により周囲を包囲されている、上記表示素子である。
<5>該複合膜は、電解液を含浸してなる、上記記載の表示素子である。
<6>該マトリクス構造体は少なくとも半導体微粒子を含有する、上記記載の表示素子である。
<7>該マトリクス構造体には少なくとも酸化チタンを含む、上記記載の表示素子である。
<8>該金属微粒子はAg、Au、Cuのうち、少なくとも1種類を含有する、上記記載の表示素子である。
<9>該金属微粒子は主にAgからなる、上記記載の表示素子である。
<10>該金属微粒子と該マトリクス構造体を予め混合した後、該基板上に膜を形成することを特徴とする、上記記載の表示素子の製造方法である。
The present inventor has conducted extensive research to electrically rewrite the color development using metal fine particles, and as a result, the metal fine particles are surrounded by a matrix structure to form a composite film, and then an electric field is applied to perform color modulation. I found. That is,
<1> A display element in which a composite film including metal fine particles and a matrix structure surrounding the metal fine particles is disposed on at least one substrate between a pair of electrodes.
<2> A display element that performs color modulation by changing the chemical state of metal fine particles by applying a voltage.
<3> In the above display element, the metal fine particles have a particle size of 1 nm or more and 200 nm or less.
<4> In the display element, the metal fine particles are surrounded by the matrix structure made of fine particles.
<5> The composite film according to the above, wherein the composite film is impregnated with an electrolytic solution.
<6> The display element as described above, wherein the matrix structure contains at least semiconductor fine particles.
<7> The display element according to above, wherein the matrix structure includes at least titanium oxide.
<8> The display element according to the above, wherein the metal fine particle contains at least one of Ag, Au, and Cu.
<9> The display element as described above, wherein the metal fine particles are mainly composed of Ag.
<10> The method for producing a display element as described above, wherein the metal fine particles and the matrix structure are mixed in advance, and then a film is formed on the substrate.

本発明は、従来のCRTやLCD、EL等のディスプレイと全く異なる、視認性の良い色表示を提供することが可能である。すなわち本発明によれば、金属微粒子による自然光の吸収及び透過による視認性の良い色表示を提供することが可能である。また、本発明は、表示保持性を有し、耐光性・耐久性に優れた視認性の良い色表示を提供することが可能である。   The present invention can provide a highly visible color display that is completely different from conventional displays such as a CRT, LCD, and EL. That is, according to the present invention, it is possible to provide a color display with good visibility due to absorption and transmission of natural light by the metal fine particles. In addition, the present invention can provide a color display that has display holding properties, excellent light resistance and durability, and good visibility.

本発明の複合膜は、主にはナノサイズの金属微粒子とそれを緻密に囲むマトリクス構造材から成り、該マトリクス構造体を介して該金属微粒子及びその周囲に電界を印加することにより、色変調表示するためのものである。   The composite film of the present invention is mainly composed of nano-sized metal fine particles and a matrix structure material densely surrounding the metal fine particles, and color modulation is performed by applying an electric field to the metal fine particles and the surroundings through the matrix structure. It is for display.

本発明において、該マトリクス構造体の材質は上述の金属微粒子を包囲し個々の金属微粒子を独立分散せしめるために用いられるものであれば良い。電界印加による粒子の移動やそれに伴う凝集を妨げ、良好な色再現を実現するためには、該金属微粒子はマトリクス構造体に固定されていることが好ましい。また、上述したように、発色は金属微粒子の形状とサイズに大きく影響されることから種々の環境下での粒子の変形を防ぐためにもマトリクス構造材で包囲されていることが好ましい。   In the present invention, any material may be used for the matrix structure as long as it is used to surround the metal fine particles and to disperse the individual metal fine particles independently. In order to prevent the movement of particles due to the application of an electric field and the accompanying aggregation, and realize good color reproduction, the metal fine particles are preferably fixed to the matrix structure. Further, as described above, since the color development is greatly influenced by the shape and size of the metal fine particles, it is preferably surrounded by a matrix structure material in order to prevent deformation of the particles in various environments.

ナノサイズの金属微粒子を充分に包囲固定する方法として、その最小単位体積が金属微粒子と同程度かあるいはそれより小さい単位を有する材料を、最終的に光や熱などで固化して用いる方法が好ましい。例えば、金属酸化物をマトリクス構造体として用いる場合には、一次粒径が包囲する金属微粒子と同程度かあるいはそれより小さい粒子からなる材料を焼結して用いる方法が好ましく用いることができる。   As a method for sufficiently surrounding and fixing the nano-sized metal fine particles, a method in which a material having a unit whose minimum unit volume is equal to or smaller than that of the metal fine particles is finally solidified with light or heat is preferable. . For example, when a metal oxide is used as the matrix structure, a method of sintering and using a material composed of particles having a primary particle size comparable to or smaller than the surrounding metal fine particles can be preferably used.

該マトリクス構造体を介して該金属微粒子及びその周囲に電界を印加することが可能であれば材質は特に限定されないが、TiO2、SiO2、ZnO2等の半導体や金属酸化物等の無機酸化物、樹脂、あるいは無機有機微粒子の混合物等、の微粒子及び微粒子含有組成物が好ましく用いられる。特に後述する様に、背景色として白色、乳白色、透明等の色調を容易に作成することのできるものが好ましく用いられる。   The material is not particularly limited as long as an electric field can be applied to the fine metal particles and the periphery thereof through the matrix structure, but semiconductors such as TiO2, SiO2, and ZnO2, inorganic oxides such as metal oxides, and resins Alternatively, fine particle and fine particle-containing compositions such as a mixture of inorganic and organic fine particles are preferably used. In particular, as described later, those capable of easily creating a color tone such as white, milky white, and transparent as the background color are preferably used.

また、焼結した膜が多孔質であったり、一対の電極への複合膜のコンタクトが不十分な場合に、複合膜に電解質を加える方法も好ましく用いられる。最も簡便なものとしては、液体電解質が挙げられる。液体電解質は、耐電圧が高く信頼性に優れたものであれば特に限定されないが、一般のイオン性水溶液の他には、希硫酸、過塩素酸又は過塩素酸リチウムを溶解させたエチレンカーボネート、プロピオンカーボネート溶液等も好ましく用いられる。又、ナノサイズの空孔内に充填するには向かないが、複合膜が配置されていない電極層と複該合膜間の電気的接続を良好にするためには、固体電解質も好ましく用いることができる。   Further, a method of adding an electrolyte to the composite membrane when the sintered membrane is porous or the composite membrane has insufficient contact with the pair of electrodes is also preferably used. The simplest is a liquid electrolyte. The liquid electrolyte is not particularly limited as long as it has a high withstand voltage and excellent reliability, but besides a general ionic aqueous solution, ethylene carbonate in which dilute sulfuric acid, perchloric acid or lithium perchlorate is dissolved, A propion carbonate solution or the like is also preferably used. In addition, solid electrolytes are also preferably used in order to improve the electrical connection between the electrode layer on which the composite film is not arranged and the composite film, although it is not suitable for filling in the nano-sized pores. Can do.

本発明における、素子構成について図を用いて説明する。図1は本発明の複合膜を基体上に形成した状態を示す断面模式図である。   The element structure in the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a state in which the composite film of the present invention is formed on a substrate.

基体1はガラス、ステンレス、ポリイミドフィルムなどが適宜用いられるが、上述の複合膜を作製する工程に要する温度によって適宜選択される。紙面のような白色の媒質の上に所望の色を表示する場合には、図1(a)の構成では基体1が白色、又は基体1の電極配置側が白色、図1(b)の構成では基板1上に白色層6を形成する、図1(c)の構成では電極2上に白色層6を形成する、などして用いれば良い。白色層6は、酸化チタン、酸化亜鉛、アルミナ等の無機酸化物をそのまま用いる以外に、これらを白色顔料としてバインダーと混合して用いる等の方法が好ましい。   As the substrate 1, glass, stainless steel, polyimide film or the like is appropriately used, and is appropriately selected depending on the temperature required for the above-described composite film production step. When displaying a desired color on a white medium such as paper, in the configuration of FIG. 1A, the substrate 1 is white, or the electrode arrangement side of the substrate 1 is white, and in the configuration of FIG. The white layer 6 may be formed on the substrate 1, or the white layer 6 may be formed on the electrode 2 in the configuration of FIG. For the white layer 6, in addition to using inorganic oxides such as titanium oxide, zinc oxide, and alumina as they are, a method of mixing these with a binder as a white pigment is preferable.

素子構成図1(a)及び(b)において電極2の後方の構造材によって白色を形成する場合には電極2は透明電極とすることが必要であり、ITOや酸化スズ等の透明電極が好ましく用いられる。一方、図1(c)の様に電極2の前方に白色層6を別途配置する場合には、電極2は金属、カーボン等の非透明な材質も用いることができる。   1A and 1B, when white is formed by the structural material behind the electrode 2, the electrode 2 must be a transparent electrode, and a transparent electrode such as ITO or tin oxide is preferable. Used. On the other hand, when the white layer 6 is separately disposed in front of the electrode 2 as shown in FIG. 1C, the electrode 2 may be made of a non-transparent material such as metal or carbon.

複合膜5は、主には金属微粒子3とマトリクス構造体4から成り、複合膜中で金属微粒子5は各粒子が独立分散配置されており、マトリクス構造体4に微細に包囲されている。   The composite film 5 is mainly composed of the metal fine particles 3 and the matrix structure 4. In the composite film, the metal fine particles 5 are individually dispersed and arranged, and are finely surrounded by the matrix structure 4.

金属微粒子3による着色は、上述したように金属の材質・形状・サイズ(大きさ)及び微粒子の配置状態によって大きく影響を受けることから、複合膜5中の金属微粒子3はその後の工程及び保存環境及び電圧印加によって微粒子の変形や凝集が生じないために、該金属微粒子が自由に動くことが不可能な程度に閉所に閉じ込められていることが望ましい。   As described above, the coloration by the metal fine particles 3 is greatly affected by the metal material, shape, size (size) and the arrangement state of the fine particles, so that the metal fine particles 3 in the composite film 5 are processed and stored in subsequent steps. In addition, it is desirable that the metal fine particles are confined in a closed area so that the fine metal particles cannot freely move because the fine particles are not deformed or aggregated by voltage application.

例えば、金属酸化物微粒子の一次粒子径が該金属微粒子5と同等かそれより小さいものを用いる、あるいはさらにモノマー等のバインダーを混入して使用するといった方法で、複合膜5中の金属微粒子3はその周囲をほぼ全面的に包囲することが可能である。   For example, the metal fine particles 3 in the composite film 5 can be obtained by using a metal oxide fine particle having a primary particle diameter equal to or smaller than that of the metal fine particles 5 or further using a binder such as a monomer. It is possible to surround the entire area almost entirely.

また、複合膜5中のマトリクス構造体材料に包囲された金属微粒子の様子は素子の破断面を走査型電子顕微鏡(SEM)、電界放射型走査電子顕微鏡(FE−SEM)、透過型電子顕微鏡(TEM)等で構造分析を行い観察し調べることができる。   In addition, the appearance of the metal fine particles surrounded by the matrix structure material in the composite film 5 is obtained by scanning the fracture surface of the element with a scanning electron microscope (SEM), a field emission scanning electron microscope (FE-SEM), a transmission electron microscope ( (TEM) and the like can be observed and examined by structural analysis.

次に図2に、複合膜5に電圧を印加して色変調を行うための素子構成の1例を示す。一対の基体1、1´上に各々電極2、2´を配置し一対の電極対とし、電極対に挟まれるように複合膜5を配置する。上述した様に、表示媒体を白くする場合には、例えば図示した方向から表示素子を目視する場合には、基体1の電極2側に白色層を設ける、あるいは電極2上に白色層(不図示)を設ける等の構成にすればよい。また、複合膜5中には金属粒子3が移動することの出来ない微細な多孔質構造を有していても良い。多孔質構造を有している場合、金属微粒子近傍に充分な電圧を印加するために、該多孔質構造を電解質で充填することも好ましく用いられる。   Next, FIG. 2 shows an example of an element configuration for applying a voltage to the composite film 5 to perform color modulation. The electrodes 2 and 2 'are respectively disposed on the pair of substrates 1 and 1' to form a pair of electrodes, and the composite film 5 is disposed so as to be sandwiched between the electrode pairs. As described above, when making the display medium white, for example, when viewing the display element from the illustrated direction, a white layer is provided on the electrode 2 side of the substrate 1 or a white layer (not shown) is formed on the electrode 2. ) May be provided. Further, the composite film 5 may have a fine porous structure in which the metal particles 3 cannot move. When it has a porous structure, in order to apply a sufficient voltage in the vicinity of the metal fine particles, it is also preferably used to fill the porous structure with an electrolyte.

次に図3に、複合膜5に電圧を印加して色変調を行うための素子構成の別の1例を示す。一対の基体1、1´に、図2の構成と同様に一対の電極2、2´を配置する。いずれかの基体に複合膜5を形成し、他方の電極との間に電解質を充填することで該複合膜を介して該金属微粒子近傍に充分な電圧を印加することができる。上述した様に、表示媒体を白くする場合には、目視する方向に応じて適宜不図示の白色層を設ければよい。   Next, FIG. 3 shows another example of an element configuration for applying a voltage to the composite film 5 to perform color modulation. A pair of electrodes 2 and 2 'are arranged on the pair of bases 1 and 1' in the same manner as in the configuration of FIG. By forming the composite film 5 on one of the substrates and filling the electrolyte with the other electrode, a sufficient voltage can be applied to the vicinity of the metal fine particles through the composite film. As described above, when the display medium is whitened, a white layer (not shown) may be provided as appropriate according to the viewing direction.

次に図4に、複合膜5に電圧を印加して色変調を行うための素子構成の別の1例を示す。一対の基体1、1´に、図2の構成と同様に一対の電極2、2´を配置する。いずれかの基体に複合膜5を形成し、他方の電極上に対向層8を配置する。電極2、2´が電解質溶液に暴露されて劣化する場合には対向層8を設ける方法が好ましく用いられる。また、対向層8は前述の白色層を兼ねても良い。図4(a)は、対向層8及び複合膜5を介して電極層2、2´間に電圧を印加する際、充分に金属微粒子3近傍に電圧が印加される様に、電解質層7を介して印加される場合の素子構成を示したものである。また、図4(b)は、複合膜と電極2´間に対向層8を配置した場合の素子構成を示したものである。   Next, FIG. 4 shows another example of an element configuration for applying a voltage to the composite film 5 to perform color modulation. A pair of electrodes 2 and 2 'are arranged on the pair of bases 1 and 1' in the same manner as in the configuration of FIG. The composite film 5 is formed on one of the substrates, and the facing layer 8 is disposed on the other electrode. When the electrodes 2 and 2 ′ are deteriorated by being exposed to the electrolyte solution, a method of providing the facing layer 8 is preferably used. Further, the facing layer 8 may also serve as the above-described white layer. FIG. 4A shows the electrolyte layer 7 so that when the voltage is applied between the electrode layers 2, 2 ′ via the opposing layer 8 and the composite film 5, the voltage is sufficiently applied in the vicinity of the metal fine particles 3. The element structure in the case of being applied via is shown. FIG. 4B shows the element configuration when the facing layer 8 is disposed between the composite film and the electrode 2 ′.

図3、図4(a)の電解質層7は、液体状のもの以外にも、固体電解質を真空工程にて積層するといった方法も用いられる。   The electrolyte layer 7 shown in FIGS. 3 and 4A is not limited to the liquid form, and a method of laminating a solid electrolyte in a vacuum process is also used.

本発明に用いる金属微粒子は、上述した様に、ナノサイズの粒子にした状態で可視域の波長に対応した発色が生じるものであれば好ましく用いられる。可視光領域に吸収が顕著なAu、Ag、Cu以外に、K、Naも黄色より長波長側に吸収があり好ましく用いられる。また、Au、Ag、以外の貴金属、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、等のコロイド粒子も適宜好ましく用いられる。   As described above, the metal fine particles used in the present invention are preferably used as long as they generate color corresponding to the wavelength in the visible range in the state of nano-sized particles. In addition to Au, Ag, and Cu that have significant absorption in the visible light region, K and Na are also preferably used because they have absorption on the longer wavelength side than yellow. Further, colloidal particles such as noble metals other than Au and Ag, Pt, Pd, Ir, Rh, Ru, Os, etc. are also preferably used.

本発明の色変調のメカニズムは明らかになってはいないが、ナノサイズの金属微粒子のプラズモン振動によって着色した状態に、上述したマトリクス構造体を介して電圧を印加することにより該マトリクス構造材料の影響を受けて化学的変化を生じ、その結果としてプラズモン振動による着色効果が失われるものと推察している。具体的には、金属微粒子が局所的に電子を失い周囲のマトリクス構造材との間にイオン性化合物を形成する、といった化学的変化が生じているものと推察している。この様な化学的変化を容易に生じさせるためには、酸化還元電位の小さな金属、及び酸化物を形成しやすい金属、が特に好ましく、Au、Ag、Cuの中では特にAg、Cuが好ましい。   Although the mechanism of the color modulation of the present invention is not clarified, the influence of the matrix structure material can be obtained by applying a voltage through the matrix structure to the colored state by the plasmon vibration of the nano-sized metal fine particles. It is speculated that a chemical change occurs and the coloring effect due to plasmon vibration is lost as a result. Specifically, it is presumed that a chemical change occurs such that the metal fine particles locally lose electrons and form an ionic compound with the surrounding matrix structure material. In order to easily cause such a chemical change, a metal having a small redox potential and a metal that easily forms an oxide are particularly preferable, and among Au, Ag, and Cu, Ag and Cu are particularly preferable.

中でも、ナノサイズの金属微粒子を溶液中で単分散したコロイド溶液を合成するのが容易で、その微粒子のサイズ、形状によって可視光領域全域の色を発色することが可能で、且つ、比較的低電圧で電気的書き換えの容易なAgは、特に好ましく用いられる。   In particular, it is easy to synthesize a colloidal solution in which nano-sized metal microparticles are monodispersed in a solution, and it is possible to develop colors in the entire visible light region depending on the size and shape of the microparticles, and relatively low Ag that can be easily electrically rewritten with voltage is particularly preferably used.

また、係る化学的変化は、X線光電子分光(XPS:X−ray Photoelectron Spectroscopy)法、ラマン分光法、広域X線吸収微細構造(EXAFS)法、等で調べることができる。また、それ以外にも透化型電子顕微鏡(TEM)にて金属微粒子の結晶格子間隔を測定して結合状態を同定することが可能である。   Such chemical changes can be examined by an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) method, a Raman spectroscopy, a wide-area X-ray absorption fine structure (EXAFS) method, and the like. In addition, the bonding state can be identified by measuring the crystal lattice spacing of the metal fine particles with a transmission electron microscope (TEM).

例えば、XPS法で、上述の複合膜の電圧印加によって着色状態と消色状態にしたものを測定すると、着色状態の複合膜の場合はバルク金属(0価)に由来する吸収ピークが観察されるが、それに比較して、消色状態の複合膜の場合は、高結合エネルギー側への吸収ピークのシフトが観察される、といった違いによって、その化学状態の違いを同定することが可能である。これは、着色状態で金属微粒子は表面プラズモンによる発色をしていたものが、電子状態に変化を生じ、特定の波長の電磁波を吸収する表面プラズモンによる発色が生じなくなったなめと推察できる。   For example, when the XPS method is used to measure a colored film and a decolored film by applying a voltage to the composite film, an absorption peak derived from bulk metal (zero valence) is observed in the case of a colored composite film. However, in contrast, in the case of a composite film in a decolored state, the difference in chemical state can be identified by the difference that an absorption peak shift toward the high binding energy side is observed. This can be inferred from the fact that in the colored state, the metal fine particles were colored by surface plasmon, but the electronic state changed, and the color caused by surface plasmon absorbing electromagnetic waves of a specific wavelength no longer occurred.

本発明の複合膜の形成方法は上述の素子構成を実現できるものであれば何ら限定されるものではないが、特に好ましい方法として、予めマトリクス構造体を形成する原材料溶液に所望の金属微粒子を分散し溶液組成物を作製し、所望の基板上にスピンコート法やディップコート法で膜形成を行ったのち光・熱等で膜全体を固化するといった方法が好ましく用いられる。   The method for forming the composite film of the present invention is not particularly limited as long as the above-described element configuration can be realized. However, as a particularly preferable method, desired metal fine particles are dispersed in a raw material solution for forming a matrix structure in advance. A method is preferably used in which a solution composition is prepared, a film is formed on a desired substrate by spin coating or dip coating, and then the entire film is solidified by light, heat, or the like.

金属微粒子の形状及びサイズが色に大きく影響することから、所望のサイズ及び形状の金属微粒子を別途作製してマトリクス構造材料と混合することにより、色純度の高い表示が可能となる。また、金属微粒子を混合した溶液組成物を固化する方法として、焼結するなどして高温下に晒される場合にも、金属微粒子自体の変質は殆ど無いことから、当初の粒子サイズ及び形状によって決まる発色を損なうことなく複合膜を作成する事ができる。   Since the shape and size of the metal fine particles greatly affect the color, display with high color purity is possible by separately producing metal fine particles having a desired size and shape and mixing them with the matrix structure material. Also, as a method of solidifying the solution composition mixed with metal fine particles, even when exposed to high temperatures by sintering or the like, there is almost no alteration of the metal fine particles themselves, so it is determined by the initial particle size and shape. A composite film can be produced without impairing color development.

〔実施例1〕
石英基板上に透明電極としてITOを形成する。一方、酸化チタンゾル水溶液(石原産業STS−21)にエタノール水溶液中に平均粒径10nmの銀ナノ粒子を単分散した水溶液を0.5wt%混合し、超音波水槽中でよく撹拌する。撹拌した混合液は銀ナノ粒子の添加によって黄色く着色する。この混合溶液をITO上にスピンコートし、複合膜を作製する。90℃のオーブンで30分仮焼成したのち400℃のマッフル炉中で1時間本焼成する。焼成後複合膜はうっすらと乳白色であるが黄色味は消失していた。この様にして作製した基板を2枚張り合わせて固定し、電解質溶液を含浸させた。張り合わせた基板の電極間に電圧を印加したところ、電解質溶液を含んだ状態でほぼ透明であった素子が黄色く色付いた。着色は5V程度から顕著となり、10V程度まで印加したところ、本焼成前の膜の色(黄色)と同程度のものであった。その後、電圧を除去したが黄色の着色はそのまま保持された。
[Example 1]
ITO is formed as a transparent electrode on a quartz substrate. On the other hand, 0.5 wt% of an aqueous solution in which silver nanoparticles having an average particle diameter of 10 nm are monodispersed in an aqueous ethanol solution is mixed with an aqueous solution of titanium oxide sol (Ishihara STS-21) and stirred well in an ultrasonic water bath. The stirred mixture is colored yellow by the addition of silver nanoparticles. This mixed solution is spin-coated on ITO to produce a composite film. After pre-baking in an oven at 90 ° C. for 30 minutes, the main baking is performed in a muffle furnace at 400 ° C. for 1 hour. After firing, the composite film was slightly milky white, but the yellow color had disappeared. Two substrates prepared in this way were bonded together and fixed, and impregnated with an electrolyte solution. When a voltage was applied between the electrodes of the bonded substrates, the element that was almost transparent with the electrolyte solution was colored yellow. The coloring became remarkable from about 5V, and when it was applied up to about 10V, it was the same as the color (yellow) of the film before the main baking. Thereafter, the voltage was removed, but the yellow coloration was retained.

さらに、張り合わせたのち電圧印加して黄色く色付いた複合膜を再び剥がして素早く乾燥させたものと、電圧を印加して消色した複合膜を再び剥がして素早く乾燥させたものとを、XPS(X線光電子分光法:X−ray Photoelectron Spectroscopy)にて組成分析したところ、黄色く色付いた複合膜では金属銀に由来する吸収ピークが検出されるのに対して、消色した複合膜では銀に由来する吸収ピークが高結合側にシフトしていることが観察された。   Further, after applying the voltage, the composite film colored yellow by peeling off again by applying voltage is quickly dried, and the composite film that has been erased by applying voltage to the composite film once peeled off and dried quickly are XPS (X The compositional analysis was performed using X-ray Photoelectron Spectroscopy (X-ray Photoelectron Spectroscopy). In the composite film colored yellow, an absorption peak derived from metallic silver was detected, whereas in the decolored composite film, it was derived from silver. It was observed that the absorption peak was shifted to the high bond side.

〔実施例2〕
実施例1と同様に、石英基板上に透明電極としてITOを形成する。一方、酸化チタンゾル水溶液(石原産業STS−21)にエタノール水溶液中に平均粒径10nmの銀ナノ粒子を単分散した水溶液を0.5wt%混合し、超音波水槽中でよく撹拌する。撹拌した混合液は銀ナノ粒子の添加によって黄色く着色する。この混合溶液をITO上にスピンコートし、複合膜を作製する。90℃のオーブンで30分仮焼成したのち400℃のマッフル炉中で1時間本焼成する。焼成後複合膜はうっすらと乳白色であるが黄色味は消失していた。他方の基板には、酸化チタンのみをスピンコートし、同様に仮焼成したのち400℃の本焼成を行った。
[Example 2]
Similar to Example 1, ITO is formed on the quartz substrate as a transparent electrode. On the other hand, 0.5 wt% of an aqueous solution in which silver nanoparticles having an average particle diameter of 10 nm are monodispersed in an aqueous ethanol solution is mixed with an aqueous solution of titanium oxide sol (Ishihara STS-21) and stirred well in an ultrasonic water bath. The stirred mixture is colored yellow by the addition of silver nanoparticles. This mixed solution is spin-coated on ITO to produce a composite film. After pre-baking in an oven at 90 ° C. for 30 minutes, the main baking is performed in a muffle furnace at 400 ° C. for 1 hour. After firing, the composite film was slightly milky white, but the yellow color had disappeared. The other substrate was spin-coated with only titanium oxide and pre-baked in the same manner, followed by main baking at 400 ° C.

一方には銀微粒子を含有した複合膜を、他方には酸化チタンのみの膜を作製した基板を対向して、電解質液を挟んで張り合わせた。張り合わせた基板の電極間に電圧を印加したところ、電解質溶液を含んだ状態でほぼ透明であった素子が黄色く着色した。その後、電圧印加方向を逆にしたところ、消色した。このこの電圧印加による発消色は、繰り返し確認することができた。   A composite film containing silver fine particles was opposed to one side and a substrate on which a film made only of titanium oxide was opposed to the other side, and the electrolyte solution was sandwiched therebetween. When a voltage was applied between the electrodes of the bonded substrates, the element that was almost transparent with the electrolyte solution was colored yellow. Then, when the voltage application direction was reversed, the color was erased. This color development / erasing due to the voltage application could be confirmed repeatedly.

〔実施例3〕
実施例2で作成した素子を黄色く着色した状態で、屋内の窓の近傍、日照環境下に1ヶ月程、放置した。その際、素子は周囲を充分封止して、複合膜に含浸させた電解質液が損なわれないようにした。放置した後、実施例2に示したのと同様に、対向電極間に電圧を印加したところ、放置前と同様に黄色着色と消色を繰り返して表示することができた。コントラストの低下、色調の変質は認められなかった。
Example 3
The element prepared in Example 2 was left in the vicinity of an indoor window and in a sunshine environment for about a month in a state colored yellow. At that time, the element was sufficiently sealed so that the electrolyte solution impregnated in the composite film was not damaged. When the voltage was applied between the counter electrodes in the same manner as shown in Example 2 after being allowed to stand, yellowing and decoloring could be repeated and displayed as before. Contrast reduction and color change were not observed.

本発明の複合膜を基体上に形成した様子を示す断面模式図Schematic cross-sectional view showing the composite film of the present invention formed on a substrate 本発明の複合膜を用いた色変調を行うための素子構成を示す断面模式図Schematic cross-sectional view showing an element structure for color modulation using the composite film of the present invention 本発明の複合膜を用いた色変調を行うための素子構成を示す断面模式図Schematic cross-sectional view showing an element configuration for color modulation using the composite film of the present invention 本発明の複合膜を用いた色変調を行うための素子構成を示す断面模式図Schematic cross-sectional view showing an element structure for color modulation using the composite film of the present invention

符号の説明Explanation of symbols

1、1´ 基体
2、2´ 電極層
3 金属微粒子
4 マトリクス構造体
5 複合膜
6 白色層
7 電解質層
8 対向層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1 'base | substrate 2, 2' Electrode layer 3 Metal fine particle 4 Matrix structure 5 Composite film 6 White layer 7 Electrolyte layer 8 Opposite layer

Claims (10)

一対の電極を配置した基板間の、少なくとも一方の基板上に、金属微粒子と、該金属微粒子を包囲するマトリクス構造体と、を含む複合膜を配置してなる、表示素子。   A display element in which a composite film including metal fine particles and a matrix structure surrounding the metal fine particles is disposed on at least one substrate between a pair of electrodes. 金属微粒子の化学状態を電圧によって変化させることにより色変調する、請求項1記載の表示素子。   The display element according to claim 1, wherein color modulation is performed by changing a chemical state of the metal fine particles by voltage. 該金属微粒子の粒径は1nm以上200nm以下である、請求項1〜2記載の表示素子。   The display element according to claim 1, wherein the metal fine particles have a particle size of 1 nm to 200 nm. 該金属微粒子は微粒子からなる該マトリクス構造体により周囲を包囲されている、ことを特徴とする、請求項1〜3記載の表示素子。   4. The display element according to claim 1, wherein the metal fine particles are surrounded by the matrix structure made of the fine particles. 該複合膜は、電解液を含浸してなる、請求項1〜4記載の表示素子。   The display element according to claim 1, wherein the composite film is impregnated with an electrolytic solution. 該マトリクス構造体は少なくとも半導体微粒子を含有することを特徴とする請求項1〜5記載の表示素子。   The display element according to claim 1, wherein the matrix structure contains at least semiconductor fine particles. 該マトリクス構造体には、少なくとも酸化チタンを含む、請求項1〜6記載の表示素子。   The display element according to claim 1, wherein the matrix structure includes at least titanium oxide. 該金属微粒子はAg、Au、Cu、のうち、少なくとも1種類を含有することを特徴とする、請求項1〜7記載の表示素子。   The display element according to claim 1, wherein the metal fine particles contain at least one of Ag, Au, and Cu. 該金属微粒子は主にAgからなることを特徴とする、請求項1〜8記載の表示素子。   The display element according to claim 1, wherein the metal fine particles are mainly composed of Ag. 該金属微粒子と該マトリクス構造体を予め混合した後、該基板上に膜を形成することを特徴とする請求項1〜9記載の表示素子の製造方法。   The method for manufacturing a display element according to claim 1, wherein a film is formed on the substrate after the metal fine particles and the matrix structure are mixed in advance.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007279609A (en) * 2006-04-11 2007-10-25 Fuji Xerox Co Ltd Display method and display element

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