JP2011150057A - イオン交換膜を用いた全固体エレクトロクロミック素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】金属陽イオンを含ませたイオン交換膜にエレクトロクロミック薄膜および透明電極をレーザーアブレーションにより堆積し、それらを透明基盤でサンドウィッチし、あるいは、発色層をイオン交換膜に密着させた全固体エレクトロクロミック素子。
【選択図】 図1
Description
先行特許文献においては、「イオン交換膜自体で金属陽イオンを出し入れして発色させる全固体エレクトロクロミック素子」は存在せず、特許文献1(特開平7-152050号公報)には「エレクトロクロミック層に電解質を仕込み固体化した全固体エレクトロクロミック素子」が紹介され、特許文献2(特開2007-156148号公報)には「エレクトロクロミック層と電解質層との間に無機電解質中間層(LiPON)をいれたもの」が紹介され、特許文献3(特許第2778044号)には、「ガラス電解質を用いた全固体エレクトロクロミック素子(白と青のみ)」が紹介され、また特許文献4(特開平03-231229号公報)には、「遷移金属酸化物のエレクトロクロミック材料層に、特定のポリマーに溶媒和されたイオンを複合化させたイオン伝導性材料層を重ねた電気化学発色素子」が紹介されている。
これら先行特許で紹介のエレクトロクロミック素子は、そのいずれもサイズ制限、強度不足、柔軟性に乏しい、発色種類、発色応答限界などの問題がある。
例えば、特許文献1は全固体エレクトロクロミック素子に関する特許であるが、発色層等素子構成部を組み上げた後に、イオン伝導性材料層として厚さ約300マイクロメートルの高分子重合体に金属イオンを含む溶媒を含ませた物を塗布して素子を作成しており、本発明とは製造プロセスも用いる電解質の強度も大きく異なる。また、特許文献2は、エレクトロクロミック層とイオン伝導性材料層に無機電解質中間層を入れた内容であるが、イオン伝導性材料層としてはリチウムイオン、水素イオンあるいはカルシウムイオンを含む液体電解質が使用されており、全固体素子とは言い難く本発明とは異なっている。特許文献3では、イオン伝導性材料層に非晶質ガラス電解質を用いた全固体エレクトロクロミック素子が紹介されているが、ガラスは機械的強度が低く、それは厚みが薄くなるにつれ低くなり、本発明でイオン伝導性材料層として用いるイオン交換膜の一般的な引張強度は23℃、相対湿度50%の環境で40 kps程度であり、ガラス電解質と比較して機械的強度が高いので、電子ペーパーや防眩ミラーなど振動や衝撃を伴う使用の場合であっても破損することなく安全であると考えられる。また、イオン伝導性材料層の製造に関して、特許文献1〜3は全てアルゴン雰囲気下で素子を作製するプロセスが含まれるが、本発明で用いるイオン交換膜は空気中でも化学的分解は起こり難いため、空気雰囲気で取り扱える大きな利点がある。
(1)、金属陽イオンを含ませた固体のイオン交換膜にエレクトロクロミック材料の薄膜および透明電極をレーザーアブレーションにより堆積させ、それらを透明基盤でサンドウィッチし、あるいは、エレクトロクロミック材料の薄膜をイオン交換膜に密着させたことを特徴とするイオン交換膜を用いた全固体エレクトロクロミック素子。
自動車用防眩ミラーなどで問題となっている液漏れ被害がなくなり高価なシール技術が不要となる。
既存の電子ペーパーよりも格段に薄くて軽く、さらに乾電池を用いて低電圧(3 V程度)動作をする表示素子を市場に提供することができる。省電効果も期待できる。また本発明の原理を用いて、充放電可能、あるいは電池の容量に追随して呈色する電池も作成することができる。
本発明の全固体エレクトロクロミック素子の用途は、イオン交換膜に透明電極をパターニング析出させることにより、文字や絵の表示・消去が可能となるし、電気を印加したペンあるいは筆で文字、絵を表示あるいは消去できる。
液漏れしない防眩ミラー、窓ガラスへの表示機能付加、各種カードへのポイントや残高の表示機能付加、めくり要らず日めくりカレンダーなどのディスプレイ、インク要らず消しゴム要らず紙状ホワイトボード、進路表示板や電光掲示板等々幅広い用途が期待される。
また陽イオンを含ませる方法は、それら陽イオンを含む水溶液に適度な大きさの前処理を施したイオン交換膜を室温で一晩程度浸漬させ、イオン交換膜内のイオンを目的イオンで十分交換させる。ここで浸漬時間(イオン交換時間)は使用する膜の大きさに依存する。例えば、10cm四方のフッ素系陽イオン交換膜の場合であると、500mL 3%の過酸化水素水溶液中で1時間、500mL 蒸留水中で1時間、500 mL 10%程度の硫酸水溶液中で1時間、500 mL蒸留水中で1時間続けて煮沸後、目的陽イオンを含む水溶液に浸漬させるとよい。ただし、上記二段階目のプロセスを除外することも可能である。また、時間は1時間程度が適当で、短時間であることは望ましくない。さらに水素イオンの場合には、このイオン交換プロセスを省略することもできる。陰イオン交換膜であれば、NaCl溶液に乾燥したイオン交換膜を一晩程度浸漬したのち、水で洗浄後、目的の陰イオンを含む水溶液に一晩程度浸漬させるとよい。例えば、10cm四方の膜に対しては、10%水酸化アンモニウム水溶液に一晩程度浸漬させると、OH-イオンが膜内に取り込まれ、その膜をイオン伝導性材料層として使用できる。
液漏れしない防眩ミラー、窓ガラスへの表示機能付加、各種カードへのポイントや残高の表示機能付加、めくり要らず日めくりカレンダーなどのディスプレイ、インク要らず消しゴム要らず紙状ホワイトボード、進路表示板や電光掲示板等々幅広い用途が期待される。
2、5 透明電極
3 イオン交換膜
4 エレクトロクロミック材料
Claims (5)
- イオンを含ませたイオン交換膜にエレクトロクロミック材料の薄膜および透明電極をレーザーアブレーション法により堆積させ、それらを透明基盤でサンドウィッチしたこと、あるいは、エレクトロクロミック材料の薄膜をイオン交換膜に密着させたことを特徴とするイオン交換膜を用いた全固体エレクトロクロミック素子。
- 前記イオン交換膜として炭素を主成分として、水素、酸素、窒素、フッ素、硫黄、リンを含むあるいはそれらからなる陽イオン交換能あるいは陰イオン交換能を有するイオン交換膜を用いることを特徴とする請求項1に記載のイオン交換膜を用いた全固体エレクトロクロミック素子。
- 前記エレクトロクロミック材料の薄膜として、WO3、MoO3、Ir2O3、Cr2O3、V2O5、Ir(OH)2、Ni(OH)2を用いることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のイオン交換膜を用いた全固体エレクトロクロミック素子。
- 前記透明電極として、ITO、ZnO、SnO2、In2O3を用いることを特徴とする請求項1又は請求項2又は請求項3に記載のイオン交換膜を用いた全固体エレクトロクロミック素子。
- 前記透明基盤として高分子、ガラス、樹脂製の基盤を用いることを特徴とする請求項1又は請求項2又は請求項3又は請求項4に記載のイオン交換膜を用いた全固体エレクトロクロミック素子。
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