JP2010003641A - 発光性高分子アクチュエータ - Google Patents

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Abstract

【課題】薄型にして、照光部の照光品質が良好な応力発光体利用の発光性高分子アクチュエータを提供する。
【解決手段】高分子アクチュエータ10と、この高分子アクチュエータ10の片面に設けられた応力発光体部20とをもって発光性高分子アクチュエータ1Aを構成する。高分子アクチュエータ10は、高分子電解質層11と、この高分子電解質層11の表裏両面に形成された電極層12,13とから構成され、電極層12の一部には、導電フィラーの濃度が他の部分より低い低弾性部が設けられる。応力発光体部20は、この低弾性部に応力発光体粒子22を拡散充填するか、低弾性部の表面分に応力発光体粒子22を拡散結合することにより形成する。
【選択図】図1

Description

本発明は、外部から与えられる応力により発光する応力発光体をその内部に有し、駆動力を発生すると同時に周囲の照明も可能な発光性高分子アクチュエータに係り、特に、高分子アクチュエータ内における応力発光体の配列及び形成手段に関する。
近年、常温において機械的外力を受けたときに弾性変形領域で可逆的に発光する応力発光体が開発されている(例えば、非特許文献1参照)。また、近年、数V程度の低電圧を加えることにより、空気中において屈曲変形する高分子アクチュエータも開発されている(例えば、非特許文献2参照)。
本願出願人は、これらの応力発光体を高分子アクチュエータ内に一体に設けて、駆動力を発生させると同時に照明も可能とする発光性高分子アクチュエータを開発中であるが、その過程において、図15に示すように、高分子電解質層101の表裏両面に電極層102を配してなるシート状の高分子アクチュエータ100の表面に、樹脂基材中に応力発光体粉末を拡散充填してシート状に成形された応力発光体200を、接着層300を介して接着してなるものが提案された。
「応力発光材料とその応用」、徐 超男、九州工業技術研究所([現]産業技術総合研究所九州センター)平成11年度研究講演会 講演要旨集(1999) 「ポリマー系アクチュエータ」、安積欣志、未来型アクチュエータ材料・デバイス、シーエムシー出版、pp.232−240、2006年発行
しかしながら、図15に示した発光性高分子アクチュエータは、それぞれ独立の別体として形成された高分子アクチュエータ100と応力発光体200とを接着層300を介して接合するので、発光性高分子アクチュエータの厚みが前記各部の合計厚となり、発光性高分子アクチュエータの薄型化を図ることが難しいという問題がある。また、接着層300が高分子アクチュエータ100の負荷となり、高分子アクチュエータ100の変形量が抑制されるため、応力発光体200に作用する外力が小さくなり、応力発光体200の輝度が低かったり、発光時間が短かったり、輝度むらが生じやすいという問題がある。これらの問題は、高分子アクチュエータ100の表裏両面に応力発光体200を設けてなる両面発光形の発光性高分子アクチュエータにおいて特に顕著になる。
本発明は、かかる技術的課題を解決するためになされたものであり、その目的は、駆動力を発生すると同時に照明用としても用いることができ、薄型にして、応力発光体をもって形成される照光部の照光品質が良好で、製造方法も簡便な発光性高分子アクチュエータを提供することにある。
本発明は、前記の課題を解決するため、第1に、高分子電解質層の表裏両面に電極層を配してなるシート状の高分子アクチュエータと、この高分子アクチュエータの一部に一体不可分に形成された応力発光体部とからなり、前記高分子アクチュエータは、面方向の一部に弾性率が他の部分よりも低い低弾性率部を有し、前記応力発光体部は、前記低弾性率部内又はその周囲の応力が集中する部位に設けられているという構成にした。
かかる構成によると、高分子アクチュエータの一部に応力発光体部を一体不可分に形成するので、それぞれ別体に形成された高分子アクチュエータと応力発光体とを接着層を介して接合する場合に比べて、応力発光体の厚み分と接着層の厚み分とを減ずることができる。また、接着層を省略すると共に、高分子アクチュエータの一部に低弾性率部を設けるので、高分子アクチュエータの変形量を大きくできて、応力発光体に大きな外力を付与することができ、応力発光体の輝度を高く、発光時間を長く、輝度むらを小さくすることができる。
本発明は第2に、前記第1の発光性高分子アクチュエータにおいて、前記高分子電解質層の表裏両面に形成される2つの電極層のうち、少なくとも一方の電極層は、樹脂基材中に電極フィラーを拡散充填したものからなり、前記低弾性率部は、前記樹脂基材中に拡散充填される前記電極フィラーの濃度を他の部分よりも低くすることにより形成され、前記応力発光体部は、前記低弾性率部を構成する樹脂基材中に応力発光体粒子を拡散充填するか、前記低弾性率部を構成する樹脂基材の表面に応力発光体粒子を拡散結合してなるという構成にした。
樹脂基材中に電極フィラーを拡散充填したものからなる電極層は、樹脂基材中に拡散充填される電極フィラーの濃度が高いほど高弾性率となる。したがって、樹脂基材中に拡散充填される電極フィラーの濃度を調整することによって、電極層の一部に低弾性率部を形成することができる。このように、電極層の一部に低弾性率部を形成すると、高分子アクチュエータが変形したとき、低弾性率部に応力が集中するので、低弾性率部を構成する樹脂基材中に応力発光体粒子を拡散充填するか、低弾性率部を構成する樹脂基材の表面に応力発光体粒子を拡散結合することにより、応力発光体粒子に大きな応力を付与できて、応力発光体部の輝度を高く、発光時間を長く、輝度むらを小さくすることができる。なお、拡散充填とは、基材(電極層)の内部に添加物(応力発光体粒子等)を均一に分散して埋め込むことをいい、拡散結合とは、基材の表面に添加物を均一に分散して固定することをいう。
本発明は第3に、前記第2の発光性高分子アクチュエータにおいて、前記樹脂基材中に拡散充填される前記応力発光体粒子の濃度を、前記樹脂基材の内部側よりも表層側の方を高濃度にするという構成にした。
応力発光体粒子からの発光は、樹脂基材の表面に近い位置に配置された応力発光体粒子からの発光ほど、樹脂基材による減衰を受けないので、応力発光体部の輝度を高める上で有利である。また、樹脂基材の内部の深い位置に配置された応力発光体粒子からの発光ほど、応力発光体部の輝度に対する寄与が低いので、樹脂基材の内部の深い位置に多くの応力発光体粒子を配置しても、応力発光体粒子の無駄が多くなる。したがって、応力発光体粒子の濃度を樹脂基材の内部側よりも表面側の方を高濃度にすることにより、高輝度にして低コストの発光性高分子アクチュエータとすることができる。
本発明は第4に、前記第2の発光性高分子アクチュエータにおいて、前記低弾性率部と対向する部分に、前記高分子電解質層の非形成部を設け、この高分子電解質層の非形成部内に樹脂基材中に応力発光体粒子を拡散充填してなる内側応力発光体部を形成するという構成にした。
上述のように、応力発光体粒子からの発光は、樹脂基材の表面に近い位置に配置された応力発光体粒子からの発光ほど、樹脂基材による減衰を受けないので、照光部の輝度を高める上で有利であるが、照光部に含まれる応力発光体粒子の量が多いほど、応力発光体部の輝度を高めることができるので、電極層のみでなく、その内部にも応力発光体粒子を配置することにより、応力発光体部の輝度を高めることができる。
本発明は第5に、前記第1の発光性高分子アクチュエータにおいて、前記低弾性率部は、前記高分子アクチュエータの面方向の一部を切り欠くことにより形成するという構成にした。
かかる構成によっても、高分子アクチュエータが変形したときの応力が切欠部の周囲に集中するので、この応力が集中する部位に応力発光体粒子を拡散充填することにより、応力発光体部の輝度を高く、発光時間を長く、輝度むらを小さくすることができる。
本発明の発光性高分子アクチュエータは、電極層の一部に弾性率が他の部分よりも低い低弾性率部を形成し、この低弾性率部内又はその周囲の応力が集中する部位に応力発光体部を設けるので、それぞれ別体に形成された高分子アクチュエータと応力発光体とを接着層を介して接合する場合に比べて、応力発光体の厚み分と接着層の厚み分とを減ずることができ、発光性高分子アクチュエータの薄型化を図ることができる。また、接着層を省略すると共に、電極層の一部に低弾性率部を設けるので、高分子アクチュエータの変形量を大きくできて、応力発光体に大きな外力を付与することができ、応力発光体部の輝度を高く、発光時間を長く、輝度むらを小さくすることができる。
以下、本発明に係る発光性高分子アクチュエータの実施形態を、図を用いて説明する。
図1は第1実施形態に係る発光性高分子アクチュエータの斜視図、図2は第1実施形態に係る発光性高分子アクチュエータの断面図である。これらの図に示すように、第1実施形態に係る発光性高分子アクチュエータ1Aは、片面発光型の発光性高分子アクチュエータであり、高分子アクチュエータ10と、この高分子アクチュエータ10の片面に設けられた応力発光体部20とからなる。
高分子アクチュエータ10は、高分子電解質層11と、この高分子電解質層11の表裏両面に形成された電極層12,13とから構成されており、電極層12,13間に所定の電圧を印加することにより、図6に示すように、表面側が凸となるように、或いは裏面側が凸となるように変形する。
高分子電解質層11は、導電性高分子型、水系や非水系のイオン導電性高分子型、イオン交換膜や多孔質樹脂への電解液膨潤型、固体或いはゲル状電解質型などの公知に属する任意の高分子電解質材料からなるものを用いることができるが、空気中において封止レスで安定に駆動できることから、固体或いはゲル状の電解質のポリマー型を用いることが特に望ましい。この固体或いはゲル状電解質のポリマー型の高分子電解質層11としては、http://www.kuraray.co.jp/release/2007/pdf/070413.pdfに掲示のものを挙げることができる。
電極層12,13のうち、応力発光体部20が形成される電極層12については、図3及び図4に示すように、樹脂基材14中に導電フィラー15を拡散充填したものをもって形成される。これに対して、応力発光体部20が形成されない他方の電極層13については、金属材料をもって形成することもできるし、樹脂基材14中に導電フィラー15を拡散充填したものをもって形成することもできる。
電極層12は、上述のように樹脂基材14中に導電フィラー15を拡散充填したものをもって形成されるが、樹脂基材14中の導電フィラー15の濃度は、全面にわたって均一ではなく、図3及び図4に示すように、応力発光体部20の形成部分における導電フィラー15の濃度は、他の部分における導電フィラー15の濃度よりも低くなっている。なお、図3においては、応力発光体部20の形成部分に導電フィラー15を含む場合が例示されているが、該部分に導電フィラー15を全く含まない構成とすることもできる。樹脂基材14中に電極フィラー15を拡散充填したものからなる電極層12は、樹脂基材14中に拡散充填される電極フィラー15の濃度が高いほど弾性率が高くなる。したがって、樹脂基材14中の電極フィラー15の濃度が低い応力発光体部20の形成部分は、他の部分に比べて低弾性部となる。
応力発光体部20は、図3に示すように、電極層12の低弾性部に応力発光体粒子22を拡散充填することにより形成することもできるし、図4に示すように、電極層12の表面に応力発光体粒子22を拡散結合することにより形成することもできる。電極層12に応力発光体粒子22を拡散充填する場合には、応力発光体部20の形成を容易化でき、かつ発光性高分子アクチュエータの総厚を小さくできることから、電極層12を構成する樹脂基材14中に応力発光体粒子22を拡散充填することにより、応力発光体部20を形成することが望ましい。また、電極層12の表面に応力発光体粒子22を拡散結合する場合には、応力発光体部20の形成を容易化できることから、電極層12を構成する樹脂基材14を接合剤として応力発光体粒子22を結合することにより、応力発光体部20を形成することが望ましい。応力発光体粒子22としては、ZnS:Mn粉末を挙げることができる。
電極層12に応力発光体粒子22を拡散充填する場合においては、図5に実線(1)で示すように、応力発光体粒子22が拡散充填される電極層表面からの深さに関係なく、電極層12を構成する樹脂基材14に対する応力発光体粒子22の濃度を一定にすることもできるし、破線(2)及び鎖線(3)に示すように、樹脂基材14中に拡散充填される応力発光体粒子22の濃度を、電極層の内部側よりも表面側の方を高濃度にすることもできる。応力発光体粒子22からの発光は、樹脂基材14の表面に近い位置に配置された応力発光体粒子22からの発光ほど、樹脂基材14による減衰を受けないので、応力発光体部20の輝度を高める上で有利である。したがって、応力発光体粒子22の濃度を電極層12を構成する樹脂基材14の内部側よりも表面側の方を高濃度にすることにより、発光性高分子アクチュエータの輝度を高め、かつ応力発光体粒子22の無駄を防止することができる。
なお、応力発光体部20の表面には、これを機械的又は化学的な悪影響から保護するため、保護フィルムを被覆することもできる。保護フィルムとしては、可撓性を有する透明プラスチックを用いることができる。
本例の発光性高分子アクチュエータ1Aは、電極層12の一部に低弾性率部を形成し、当該低弾性率部内に応力発光体粒子22を拡散充填するか、当該低弾性率部の表面に応力発光体粒子22を拡散結合して応力発光体部20を形成したので、電極層12,13間に所定の電圧を印加して、高分子アクチュエータ10を変形させたとき、図6(a)に示すように、電極層12の一部に低弾性率部を有しない場合〔図6(b)〕に比べて、高分子アクチュエータ10の変形量を大きくすることができる。よって、応力発光体部20に配置された応力発光体粒子22により大きな応力を付与することができて、応力発光体部20の輝度を高く、発光時間を長く、輝度むらを小さくすることができる。加えて、本例の発光性高分子アクチュエータ1Aは、高分子電解質層11の表裏両面に電極層12,13を配してなる高分子アクチュエータ10と、電極層12に一体不可分に形成された応力発光体部20とからなるので、それぞれ別体に形成された高分子アクチュエータと応力発光体とを接着層を介して接合する場合に比べて、応力発光体の厚み分と接着層の厚み分を減ずることができ、薄型に形成することができる。
図7は第2実施形態に係る発光性高分子アクチュエータの断面図である。この図から明らかなように、第2実施形態に係る発光性高分子アクチュエータ1Bは、電極層12に応力発光体部20を形成すると共に、電極層13に応力発光体部21を形成して、両面発光型の発光性高分子アクチュエータとしたものである。その他については、第1実施形態に係る発光性高分子アクチュエータ1Aと同じであるので、対応する部分に同一の符号を表示して、説明を省略する。本例の発光性高分子アクチュエータ1Bは、表裏両面に応力発光体部20,21を有する両面発光型の発光性高分子アクチュエータとして使用することができる。
図8は第3実施形態に係る発光性高分子アクチュエータの断面図である。この図から明らかなように、第3実施形態に係る発光性高分子アクチュエータ1Cは、電極層12に応力発光体部20を形成すると共に、応力発光体部20の内側に高分子電解質層11の非形成部を設け、この高分子電解質層11の非形成部内に樹脂基材中に応力発光体粒子22を拡散充填してなる内側応力発光体部23を形成したものである。その他については、第1実施形態に係る発光性高分子アクチュエータ1Aと同じであるので、対応する部分に同一の符号を表示して、説明を省略する。かかる構成によると、応力発光体粒子22の総量を増やすことができるので、応力発光体部20の輝度を高く、発光時間を長く、輝度むらを小さくすることができる。
図9は第4実施形態に係る発光性高分子アクチュエータの断面図である。この図から明らかなように、第4実施形態に係る発光性高分子アクチュエータ1Dは、電極層12,13にそれぞれ応力発光体部20,21を形成すると共に、これら応力発光体部20,21の内側に高分子電解質層11の非形成部を設け、この高分子電解質層11の非形成部内に樹脂基材中に応力発光体粒子22を拡散充填してなる内側応力発光体部23を形成したものである。その他については、第3実施形態に係る発光性高分子アクチュエータ1Cと同じであるので、対応する部分に同一の符号を表示して、説明を省略する。かかる構成によると、応力発光体粒子22の総量を増やすことができるので、両面発光型の発光性高分子アクチュエータにおける応力発光体部20,21の輝度を高く、発光時間を長く、輝度むらを小さくすることができる。
図10は第5実施形態に係る発光性高分子アクチュエータの断面図である。この図から明らかなように、第5実施形態に係る発光性高分子アクチュエータ1Eは、電極層12,13の対向部分に、導電フィラー15も応力発光体粒子22も全く含まない透明部24,25を形成すると共に、これら透明部24,25の内側に高分子電解質層11の非形成部を設け、この高分子電解質層11の非形成部内に樹脂基材中に応力発光体粒子22を拡散充填してなる内側応力発光体部23を形成したものである。その他については、第3実施形態に係る発光性高分子アクチュエータ1Cと同じであるので、対応する部分に同一の符号を表示して、説明を省略する。かかる構成によっても、透明部24,25が低弾性率部として機能するので、両面発光型の発光性高分子アクチュエータとして使用することができる。
図11は第6実施形態に係る発光性高分子アクチュエータの平面図である。この図から明らかなように、第6実施形態に係る発光性高分子アクチュエータ1Fは、高分子アクチュエータ10の対向する辺に切欠部16を形成すると共に、この切欠部16の間の電極層12に応力発光体部20を形成したものである。その他については、第1実施形態に係る発光性高分子アクチュエータ1Aと同じであるので、対応する部分に同一の符号を表示して、説明を省略する。本例の発光性高分子アクチュエータ1Fは、高分子アクチュエータ10の対向する辺に切欠部16を形成したので、当該切欠部16の形成部が低弾性部となる。したがって、高分子アクチュエータ10を変形させたときに、切欠部16の間に形成された応力発光体部20に大きな応力が作用し、応力発光体部20の輝度を高く、発光時間を長く、輝度むらを小さくすることができる。
図12は第7実施形態に係る発光性高分子アクチュエータの説明図である。図12(a)に示すように、第7実施形態に係る発光性高分子アクチュエータ1Gは、短冊型に形成された高分子アクチュエータ10の長手方向中央部にスリット状の応力発光体部20を形成し、一端を固定部30に固定したものである。その他については、第1実施形態に係る発光性高分子アクチュエータ1Aと同じであるので、対応する部分に同一の符号を表示して、説明を省略する。本例の発光性高分子アクチュエータ1Gは、短冊型に形成された高分子アクチュエータ10の一端を固定部30に固定したので、固定されていない先端側ほど相対的に弾性率が低くなる。したがって、高分子アクチュエータ10を変形させたとき、図12(b)に示すように、その先端側ほど大きく変形するので、スリット状に形成された応力発光体部20の先端側に大きな応力が作用し、図12(c)に示すように、該部の輝度を高く、発光時間を長く、輝度むらを小さくすることができる。
図13は第8実施形態に係る発光性高分子アクチュエータの説明図である。図13(a)に示すように、第8実施形態に係る発光性高分子アクチュエータ1Hは、短冊型の高分子アクチュエータ10に形成されるスリット状の応力発光体部20を、固定部30側の辺が長く、先端側の辺が短い台形に形成したものである。その他については、第7実施形態に係る発光性高分子アクチュエータ1Gと同じであるので、対応する部分に同一の符号を表示して、説明を省略する。本例の発光性高分子アクチュエータ1Hは、スリット状の応力発光体部20を、固定部30側の辺が長く、先端側の辺が短い台形にしたので、固定部30側の弾性率が第7実施形態に係る発光性高分子アクチュエータ1Gに比べて相対的に低くなる。したがって、高分子アクチュエータ10を変形させたとき、図12(b)と図13(b)との比較から明らかなように、固定部30側の変形が大きくなって、スリット状に形成された応力発光体部20の長手方向に応力が均一に作用するようになり、図13(c)に示すように、応力発光体部20の輝度むらが小さくなる。
図14は第9実施形態に係る発光性高分子アクチュエータの説明図である。図14(a)に示すように、第9実施形態に係る発光性高分子アクチュエータ1Iは、短冊型の高分子アクチュエータ10に形成されるスリット状の応力発光体部20を、固定部30側の辺が短く、先端側の辺が長い逆台形に形成したものである。その他については、第7実施形態に係る発光性高分子アクチュエータ1Gと同じであるので、対応する部分に同一の符号を表示して、説明を省略する。本例の発光性高分子アクチュエータ1Iは、スリット状の応力発光体部20を、固定部30側の辺が短く、先端側の辺が長い逆台形にしたので、先端側の弾性率が第7実施形態に係る発光性高分子アクチュエータ1Gに比べてより低くなる。したがって、高分子アクチュエータ10を変形させたとき、図12(b)と図14(b)との比較から明らかなように、先端側の変形がより大きくなって、スリット状に形成された応力発光体部20の先端側により大きな応力が作用し、図14(c)に示すように、該部の輝度を高く、かつ発光時間を長くすることができる。
なお、前記第1乃至第9実施形態は、本発明に係る発光性高分子アクチュエータを例示するものであって、本発明の要旨がこれらの実施形態に限定されるものでない。各実施形態に係る技術を適宜組合わせて他の構成を有する発光性高分子アクチュエータとすることももちろん可能である。
第1実施形態に係る発光性高分子アクチュエータの斜視図である。 第1実施形態に係る発光性高分子アクチュエータの断面図である。 電極層内における応力発光体粒子の拡散充填状態を示す要部断面図である。 電極層の表面における応力発光体粒子の拡散結合状態を示す要部断面図である。 電極層内における応力発光体粒子の濃度分布を例示するグラフ図である。 実施形態に係る発光性高分子アクチュエータの発光時の形状変化を示す説明図である。 第2実施形態に係る発光性高分子アクチュエータの断面図である。 第3実施形態に係る発光性高分子アクチュエータの断面図である。 第4実施形態に係る発光性高分子アクチュエータの断面図である。 第5実施形態に係る発光性高分子アクチュエータの断面図である。 第6実施形態に係る発光性高分子アクチュエータの断面図である。 第7実施形態に係る発光性高分子アクチュエータの説明図である。 第8実施形態に係る発光性高分子アクチュエータの説明図である。 第9実施形態に係る発光性高分子アクチュエータの説明図である。 従来例に係る発光性高分子アクチュエータの断面図である。
符号の説明
1A〜1I 発光性高分子アクチュエータ
10 高分子アクチュエータ
11 高分子電解質層
12,13 電極層
14 樹脂基材
15 導電フィラー
16 切欠部
20,21 応力発光体部
22 応力発光体粒子
23 内側応力発光体部
24,25 透明部
30 固定部

Claims (5)

  1. 高分子電解質層の表裏両面に電極層を配してなるシート状の高分子アクチュエータと、この高分子アクチュエータの一部に一体不可分に形成された応力発光体部とからなり、
    前記高分子アクチュエータは、面方向の一部に弾性率が他の部分よりも低い低弾性率部を有し、
    前記応力発光体部は、前記低弾性率部内又はその周囲の応力が集中する部位に設けられていることを特徴とする発光性高分子アクチュエータ。
  2. 前記高分子電解質層の表裏両面に形成される2つの電極層のうち、少なくとも一方の電極層は、樹脂基材中に電極フィラーを拡散充填したものからなり、前記低弾性率部は、前記樹脂基材中に拡散充填される前記電極フィラーの濃度を他の部分よりも低くすることにより形成され、前記応力発光体部は、前記低弾性率部を構成する樹脂基材中に応力発光体粒子を拡散充填するか、前記低弾性率部を構成する樹脂基材の表面に応力発光体粒子を拡散結合してなることを特徴とする請求項1に記載の発光性高分子アクチュエータ。
  3. 前記樹脂基材中に拡散充填される前記応力発光体粒子の濃度を、前記樹脂基材の内部側よりも表層側の方を高濃度にしたことを特徴とする請求項2に記載の発光表示装置。
  4. 前記低弾性率部と対向する部分に、前記高分子電解質層の非形成部を設け、この高分子電解質層の非形成部内に樹脂基材中に応力発光体粒子を拡散充填してなる内側応力発光体部を形成したことを特徴とする請求項2に記載の発光性高分子アクチュエータ。
  5. 前記低弾性率部は、前記高分子アクチュエータの面方向の一部を切り欠くことにより形成することを特徴とする請求項1に記載の発光性高分子アクチュエータ。
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