JP2013117599A - エレクトロクロミック表示デバイス - Google Patents

Abstract

【目的】 特にエレクトロクロミック素子と薄膜電池素子とを用いたエレクトロクロミック表示デバイスを提供することを目的とする。
【解決手段】 電極導電層２に接続された第１のエレクトロクロミック層５と高さ方向に間隔を空けて配置された第２のエレクトロクロミック層７、及び前記間隔内に介在する電解質層８を有するエレクトロクロミック素子１０と、各エレクトロクロミック層の間に電圧を印加可能に支持された薄膜電池素子１１と、を有し、薄膜電池素子１１は、集電体１２と、集電体１２に接続された第１の電池電極層１３と、第１の電池電極層１３に固体電解質層１４を介して積層された第２の電池電極層１５とを備え、集電体１２の裏面１２ａと反対側の表面１２ｂに第２のエレクトロクロミック層７が接続されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、エレクトロクロミック素子を備えたエレクトロクロミック表示デバイスに関する。

エレクトロクロミック素子は、高さ方向に間隔を空けた一対の電極層間にエレクトロクロミック層及び電解質層が挟持された構造である。エレクトロクロミック層は一対の電極間に電圧を印加して生じる酸化還元反応によりエレクトロクロミック層を発色させたり消色させるものである。よってエレクトロクロミック素子を駆動させるための駆動部が必要である。

例えば特許文献１には、ディスプレイパネル及び駆動基板に電池を接続した表示デバイスが開示されているが、ディスプレイパネル及び駆動基板を収納するケースの下方に電池を配置しており、しかも電池とディスプレイパネル及び駆動基板とはやや間隔を空けた配置とされており、薄型化・小型化を実現できない。

またフレキシブルなケースにディスプレイパネル及び駆動基板、電池を収納するとしているが、部品点数が多く、また上記したように薄型化が困難であるため柔軟性が不十分であるものと考えられる。

特開２００８−２３３７７９号公報

そこで本発明は、従来の課題を解決するためのものであり、特にエレクトロクロミック素子と薄膜電池素子とを用いたエレクトロクロミック表示デバイスを提供することを目的とする。

本発明におけるエレクトロクロミック表示バイアスは、
電極導電層に接続された第１のエレクトロクロミック層、前記第１のエレクトロクロミック層に対して高さ方向に間隔を空けて配置された第２のエレクトロクロミック層、及び前記間隔内に介在し各エレクトロクロミック層に接する電解質層を有するエレクトロクロミック素子と、各エレクトロクロミック層の間に直流電圧を印加可能に支持された薄膜電池素子と、を有し、
前記薄膜電池素子は、集電体と、前記集電体の第１の面に接続された第１の電池電極層と、前記第１の電池電極層に固体電解質層を介して積層された第２の電池電極層とを備え、
前記集電体の前記第１の面と反対側の第２の面が前記電解質層側に向けられて前記第２の面に前記第２のエレクトロクロミック層が接続されていることを特徴とするものである。本発明では、薄膜電池素子の集電体に、エレクトロクロミック素子を構成する第２のエレクトロクロミック層を形成し電気的に接続している。これにより、薄型化とフレキシブル化の双方を実現することが可能である。

本発明では、前記第１のエレクトロクロミック層と前記第２のエレクトロクロミック層とが、前記電極導電層と前記集電体との間に前記薄膜電池素子の電圧を印加された状態と、前記電極導電層と前記集電体とが短絡された状態とで表示状態が変化するよう構成されていることが好ましい。逆の電圧を発生させる必要がなく、簡単な構成で表示の切り換えが可能である。

また本発明では、前記電極導電層と前記集電体との間に前記薄膜電池素子の電圧を印加する状態と、前記電極導電層と前記集電体とを短絡する状態とを切り換える切り換え手段を有することが好ましい。これにより、シンプルな構成で表示切り換えが可能になる。

また本発明では、前記切り換え手段としてスイッチ素子を備えることが好ましい。
また本発明では、前記スイッチ素子は、前記エレクトロクロミック素子の表示面とは反対側の裏面側に配置されることが好ましい。スイッチ素子の操作を行いやすく、スイッチング状態を適切に保つことができる。

また本発明では、電圧印加用の第１のスイッチ素子と、短絡用の第２のスイッチ素子とを有することが好ましい。かかる構成では、前記第１のスイッチ素子は、前記薄膜電池素子の裏面に重ねて配置されることが好ましい。また、前記第２のスイッチ素子は、前記集電体の裏面であって、前記第１の電池電極層、前記固体電解質層及び前記第２の電池電極層が形成されていない位置に配置されることが好ましい。

本発明では、前記電極導電層と、前記薄膜電池素子の第２の電池電極層との間がフレキシブル配線板により接続されていることが好ましい。これにより、簡単な構造で小型化及びフレキシブル化を実現できる。

また本発明では、前記集電体と前記第２のエレクトロクロミック層との間に導電性の保護層が設けられることが好ましい。集電体が電解質層と接触せず、集電体の腐食を抑制できる。

また本発明では、前記薄膜電池素子は充電電圧入力端子を備える二次電池であることが好ましい。充電を行うことで、繰り返しの使用が可能になる。

また本発明では、前記電解質層は白色化されていることが好ましい。薄膜電池素子を表示面から見えないように出来る。

また本発明では、前記エレクトロクロミック素子と前記薄膜電池素子とが略同一の面積で形成されていることが好ましい。

本発明では、薄膜電池素子の集電体に、エレクトロクロミック素子を構成する第２のエレクトロクロミック層を形成して電気的に接続している。これにより、薄型化とフレキシブル化の双方を実現することが可能である。

図１は、本発明の実施形態のエレクトロクロミック表示デバイスを模式図的に示した縦断面図である。 図２は、図１に示すエレクトロクロミック表示デバイスの回路図である。 図３は、本実施形態の第２のスイッチ素子付近を示すエレクトロクロミック表示デバイスの部分縦断面図である。

図１は、エレクトロクロミック素子の部分縦断面図である。
図１に示すエレクトロクロミック表示デバイス１は、エレクトロクロミック素子１０と薄膜電池素子１１とを有して構成される。

まずエレクトロクロミック素子１０について説明する。エレクトロクロミック素子１０は、高さ方向（Ｚ）に間隔を空けて第１のエレクトロクロミック層５と第２のエレクトロクロミック層７とが対向して配置される。例えば第１のエレクトロクロミック層５は、プルシアンブルー（Ｆｅ₄［Ｆｅ（ＣＮ）₆］₃）を含むインクをスピンコーターで塗布・乾燥したものであり、第２のエレクトロクロミック層７は、ニッケル置換プルシアンブルー類似体（Ｎｉ₃［Ｆｅ（ＣＮ）₆］₂）を含むインクをスピンコーターで塗布・乾燥したものである。なお、本実施形態では、各エレクトロクロミック層５，７として使用されるエレクトロクロミック材料を限定するものでない。各エレクトロクロミック層５，７はスパッタ、電界析出、あるいは印刷等で形成可能である。

図１に示すように、第１のエレクトロクロミック層５は透明な電極導電層２に接続されている。電極導電層２は、フレキシブルな透明基材４の内面に酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）で形成された透明電極層６を備えた構成である。そして第１のエレクトロクロミック層５が、電極導電層２の内面に形成されている。図１の実施形態では、第１のエレクトロクロミック層５は透明電極層６に接して形成されている。
第２のエレクトロクロミック層７の形成面については後述する。

図１に示すように、第１のエレクトロクロミック層５と第２のエレクトロクロミック層７との間に形成された間隔内には電解質層８が介在している。

電解質層８は、液体状電解質、ゲル状電解質、固体状電解質の別を問わない。例えば電解質層８は、過塩素酸塩、鉄錯体、金属ハロゲン化物、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩等の電解質を溶媒であるエーテル類、カーボネート類、アルコール類、エステル類等で溶解した電解液にポリマーを混入したゲル電解質である。電解液としては、炭酸プロピレンやγ-ブチロラクトン等の誘電率の高い有機溶媒にビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドカリウムを溶解した電解液であることが好適である。または、カリウム塩として、テトラフルオロほう酸カリウム、過塩素酸カリウム、ヘキサフルオロリン酸カリウム、ビス(フルオロスルホニル)イミドカリウム、トリフルオロメタンスルホン酸カリウム等も使用することが可能で、特に問題なく駆動できる。

図１，図２に示すエレクトロクロミック素子１０は、電解質層８を介して第１のエレクトロクロミック層５と第２のエレクトロクロミック層７との間で酸化還元反応が起こり、第１のエレクトロクロミック層５が発色すれば、第２のエレクトロクロミック層７は消色し、一方、第１のエレクトロクロミック層５が消色すれば、第２のエレクトロクロミック層７が発色する。

例えば第１のエレクトロクロミック層５がエレクトロクロミック材料であるプルシアンブルー（ＰＢ）を有して形成され、第２のエレクトロクロミック層７が、エレクトロクロミック材料であるニッケル置換プルシアンブルー類似体（ＮｉＰＢ）を有して形成されており、第１のエレクトロクロミック層５が酸化状態になると、紺青の色を呈し、一方、第２のエレクトロクロミック層７は還元状態になり消色する（透明になる）。逆に、第２のエレクトロクロミック層７が酸化状態になると黄色を呈し、一方、第１のエレクトロクロミック層５は還元状態になり消色する（透明になる）。たとえば、この酸化還元反応は直流電圧０．８Ｖと０Ｖとの間で発生するので、直流電圧として０．８Ｖを印加することで発色させた第１のエレクトロクロミック層５を短絡すると消色できる。(透明にできる。)

図１に示す第１の透明電極層２の表面は表示面２ａである。本実施形態では、電解質層８は白色化されており、表示面２ａでは、第１のエレクトロクロミック層５の発色のみが表示され、第２のエレクトロクロミック層７の発色状態を見えなくしている。本実施形態では、電解質層８が透明で、第２のエレクトロクロミック層７の発色状態を、表示面２ａから見えるようにすることもできる。ただし、かかる場合、薄膜電池素子１１の設置場所を限定し、その限定場所にちょうど加飾層を設けるなどして、薄膜電池素子１１が表示面２ａから透けて見えなくすることが必要である。

図１に示すように本実施形態では、エレクトロクロミック素子１０の裏面に薄膜電池素子１１が設置されている。薄膜電池素子１１は、容易に湾曲可能な厚みのステンレス等で形成された集電体１２と、集電体１２の裏面（第１の面）１２ａに形成された第１の電池電極層１３と、前記第１の電池電極層１３に固体電解質層１４を介して積層された第２の電池電極層１５とを備える。また第２の電池電極層１５と同じ層には絶縁層２４が設けられている。

図１に示すように、本実施形態では、薄膜電池素子１１を構成する集電体１２の裏面１２ａとは逆側の表面（第２の面）１２ｂに導電性の保護層１６を介して第２のエレクトロクロミック層７が形成されている。すなわち第２のエレクトロクロミック層７は、集電体１２と電気的に接続する保護層１６の表面に直接形成されている。

図１に示すように、電解質層８の周囲には封止層１７が設けられている。図１に示すように封止層１７は電解質層８と略同一の高さ寸法（膜厚寸法）で形成されている。封止層１７はその上端が電極導電層２に接続され、下端が薄膜電池素子１１に接続されており、電解質層８を封止している。

本実施形態では、第１のエレクトロクロミック層５と第２のエレクトロクロミック層７とが、電極導電層２と集電体１２との間に薄膜電池素子１１の電圧を印加された状態と、電極導電層２と集電体１２とが短絡された状態とで表示状態が変化するよう構成されている。本実施形態では、電極導電層２と集電体１２との間に薄膜電池素子１１の電圧を印加する状態と、電極導電層２と集電体１２とを短絡する状態とを切り換える切り換え手段を有することが好適である。

本実施形態では、切り換え手段としてスイッチ素子を備える。
図１に示すように、薄膜電池素子１１の裏面には第１のスイッチ素子２０が設けられる。この第１のスイッチ素子２０は配線層２３を備えるフレキシブル配線板２１の一方の端部付近に配置され、フレキシブル配線板２１の他方の端部２１ａは、透明導電フィルムの電極導電層２に接続されている。

本実施形態では、各エレクトロクロミック層５，７間に電圧を印加するための薄膜電池素子１１が設けられ、第１のスイッチ素子２０の操作により電圧印加を可能としている。

図１，図２に示すように、薄膜電池素子１１を構成する集電体１２の表面１２ｂに導電性の保護層１６を介して第２のエレクトロクロミック層７が形成されている。よって薄膜電池素子１１の起電力は、第１のスイッチ素子２０をスイッチオンすることで、第１のエレクトロクロミック層５と第２のエレクトロクロミック層７との間に生じる。なお集電体１２と電気的に接続する第２のエレクトロクロミック層７が基準電位とされている。薄膜電池素子１１は例えば二次電池であり、たとえば第１の電池電極層１３がＬｉＭｎ₂Ｏ₄等の正極で、第２の電池電極層１５がＶ₂Ｏ₅等の負極である。これにより、第１のエレクトロクロミック層５では酸化反応が生じ、第２のエレクトロクロミック層７では還元反応が生じ、第１のエレクトロクロミック層５が紺青の色を呈する。また図２に示す第２のスイッチ素子２５により、第１のエレクトロクロミック層５と第２のエレクトロクロミック層７間を短絡させることで、各エレクトロクロミック層５，７間の電圧を０Ｖにでき、第１のエレクトロクロミック層５を消色させることが出来る。たとえば、図３に示すように、集電体１２の裏面１２ａの一部に形成した、第１の電池電極層１３、固体電解質層１４、第２の電池電極層１５とを形成しない部分に第２のスイッチ素子２５を設けることにより、配線層２３と集電体１２を接続可能とすることにより第１のエレクトロクロミック層５と第２のエレクトロクロミック層７間を短絡させることができる。なお第２のスイッチ素子２５をスイッチオンしない状態では集電体１２と配線層２３とが短絡状態とならないように、第２のスイッチ素子２５の脚部と集電体１２との間に絶縁層８が介在している。

本実施形態の薄膜電池素子１１は例えば二次電池であり、図２のように、集電体１２（第１の電池電極層１３）がグランド端子に、第２の電池電極層１５が電圧入力端子２６に接続されており、充電可能とされている。

本実施形態では、薄膜電池素子１１の集電体１２に、エレクトロクロミック素子１０を構成する第２のエレクトロクロミック層７を形成して電気的に接続している。これにより、エレクトロクロミック表示デバイス１の薄型化とフレキシブル化の双方を実現することが可能になる。すなわち本実施形態では、エレクトロクロミック素子１０と薄膜電池素子１１とを分離して配置するものでなく、薄膜電池素子１１を構成する集電体１２の一方の面を利用して第２のエレクトロクロミック層７を形成し一体化したものである。よって部品点数も少なくなり、またエレクトロクロミック素子１０と薄膜電池素子１１との間に余分な層や空間が入り込まず、したがって薄型化を促進でき、また透明基材４、集電体１２などを柔軟な材料で構成しており、その他薄膜、電解質などとあわせ全体的に柔軟で容易に湾曲させることが可能なようにフレキシブル性を向上させることが可能になるのである。

図１，図２に示すように、エレクトロクロミック素子１０を構成する電極の導電層２と薄膜電池素子１１の第２の電池電極層１５間はフレキシブル配線板２１により接続されている。これにより簡単な構造で小型化及びフレキシブル化を実現できる。電極導電層２とフレキシブル配線板２１とが一体の導電フィルムとされていてもよい。

また図１に示すようにフレキシブル配線板２１には電圧印加用の第１のスイッチ素子２０が設けられており、第１のスイッチ素子２０の操作により各エレクトロクロミック層５，７間に電圧を印加可能とする。これにより、簡単な構成により、エレクトロクロミック表示デバイス１を駆動させることが可能である。また第１のスイッチ素子２０は薄膜電池素子１１の裏面側に重ねて形成されることが好ましい。これにより第１のスイッチ素子２０の操作を行いやすい。

また短絡用の第２のスイッチ素子２５が集電体１２の裏面１２ａであって、第１の電池電極層１３、固体電解質層１４及び第２の電池電極層１５が形成されていない位置に配置されることが好ましい。第２のスイッチ２５の操作により電極導電層２と集電体１２とを短絡させることができる。

本実施形態では、切り換え手段として図１，図２に示すスイッチ素子２０，２５でなく各エレクトロクロミック層５，７間に電圧を印加し、短絡させることが可能な駆動回路を有するＩＣをエレクトロクロミック素子１０の裏面等に設け、エレクトロクロミック表示デバイス１を電子機器等に組み込むことも可能である。このように切り換え手段では、逆の電圧を発生させる必要がなく、簡単な構成で表示の切り換えが可能になる。また、切り換え手段を、エレクトロクロミック素子１０の表示面２ａとは反対側の裏面側に配置することで電圧印加・短絡を簡単な配線構造で適切に行うことができ好適である。

エレクトロクロミック素子１０の裏面に設けられた薄膜電池素子１１は図１に示す構造のものに限定されない。例えば、薄膜電池素子１１を構成する第２の電池電極層１５の固体電解質層１４と反対側の面（図１に示す下面）にも集電体が設けられてもよい。

図１では第１のエレクトロクロミック層５が一つであるが、複数の第１のエレクトロクロミック層が設けられ、それに対応した透明電極層６も複数に分離した状態とされていてもよい。このとき、各第１のエレクトロクロミック層５と第２のエレクトロクロミック層７との間に電圧を印加し、また短絡可能なスイッチ素子や駆動回路を設ける。これにより各第１のエレクトロクロミック層５を発色させたり消色させたり出来、様々な表示が可能になる。

図１に示すように、集電体１２と第２のエレクトロクロミック層７との間には導電性の保護層１６が設けられることが好ましい。保護層１６の材質は問わないが電解質層８に対する耐腐食性に優れることが必要である。例えば保護層１６を薄い酸化物を有する層で形成できる。

また電解質層８は透明であってもよいが、かかる場合、裏面の薄膜電池素子１１が表示面２ａから透けて見えないように工夫が必要となるため、電解質層８内に酸化チタン等を混入して、電解質層８を白色化することが好ましい。これにより、簡単な構成で薄膜電池素子１１を表示面２ａから見えないように出来る。また、図１に示すように、エレクトロクロミック素子１０と薄膜電池素子１１とを略同一の面積（高さ方向（Ｚ）に対して直交する面の面積）で形成するのが好ましい。

１ エレクトロクロミック表示デバイス
２ 電極導電層
２ａ 表示面
５、７ エレクトロクロミック層
８ 電解質層
１０ エレクトロクロミック素子
１１ 薄膜電池素子
１２ 集電体
１３ 第１の電池電極層
１４ 固体電解質層
１５ 第２の電池電極層
１６ 保護層
２０、２５ スイッチ素子
２１ フレキシブル配線板

Claims (13)

1. 電極導電層、前記電極導電層に接続された第１のエレクトロクロミック層、前記第１のエレクトロクロミック層に対して高さ方向に間隔を空けて配置された第２のエレクトロクロミック層、及び前記間隔内に介在し各エレクトロクロミック層に接する電解質層を有するエレクトロクロミック素子と、各エレクトロクロミック層の間に電圧を印加可能に支持された薄膜電池素子と、を有し、
   前記薄膜電池素子は、集電体と、前記集電体の第１の面に接続された第１の電池電極層と、前記第１の電池電極層に固体電解質層を介して積層された第２の電池電極層とを備え、
   前記集電体の前記第１の面と反対側の第２の面が前記電解質層側に向けられて前記第２の面に前記第２のエレクトロクロミック層が接続されていることを特徴とするエレクトロクロミック表示デバイス。
2. 前記第１のエレクトロクロミック層と前記第２のエレクトロクロミック層とが、前記電極導電層と前記集電体との間に前記薄膜電池素子の電圧を印加された状態と、前記電極導電層と前記集電体とが短絡された状態とで表示状態が変化するよう構成されている請求項１記載のエレクトロクロミック表示デバイス。
3. 前記電極導電層と前記集電体との間に前記薄膜電池素子の電圧を印加する状態と、前記電極導電層と前記集電体とを短絡する状態とを切り換える切り換え手段を有する請求項２記載のエレクトロクロミック表示デバイス。
4. 前記切り換え手段としてスイッチ素子を備える請求項１ないし３のいずれか１項に記載のエレクトロクロミック表示デバイス。
5. 前記スイッチ素子は、前記エレクトロクロミック素子の表示面とは反対側の裏面側に配置される請求項４記載のエレクトロクロミック表示デバイス。
6. 電圧印加用の第１のスイッチ素子と、短絡用の第２のスイッチ素子とを有する請求項４又は５に記載のエレクトロクロミック表示デバイス。
7. 前記第１のスイッチ素子は、前記薄膜電池素子の裏面に重ねて配置される請求項６記載のエレクトロクロミック表示デバイス。
8. 前記第２のスイッチ素子は、前記集電体の裏面であって、前記第１の電池電極層、前記固体電解質層及び前記第２の電池電極層が形成されていない位置に配置される請求項６又は７に記載のエレクトロクロミック表示デバイス。
9. 前記電極導電層と、前記薄膜電池素子の前記第２の電池電極層との間がフレキシブル配線板により接続されている請求項１ないし８のいずれか１項に記載のエレクトロクロミック表示デバイス。
10. 前記集電体と前記第２のエレクトロクロミック層との間に導電性の保護層が設けられる請求項１ないし９のいずれか１項に記載のエレクトロクロミック表示デバイス。
11. 前記薄膜電池素子は充電電圧入力端子を備える二次電池である請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のエレクトロクロミック表示デバイス。
12. 前記電解質層は白色化されている請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のエレクトロクロミック表示デバイス。
13. 前記エレクトロクロミック素子と前記薄膜電池素子とが略同一の面積で形成されている請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のエレクトロクロミック表示デバイス。

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