JP2015018963A - イオン性素子および電子機器 - Google Patents
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Description
1.第1の実施の形態(イオン性素子の製造時に両親媒性物質や超音波撹拌等を用いた例)
2.第2の実施の形態(微粒子からなるpn接合のスタータ機構を設けた例)
3.第2の実施の形態の変形例
変形例1(凹凸構造からなるスタータ機構の例)
変形例2(熱電素子により温度分布を形成するスタータ機構の例)
変形例3(光源からの局所的光照射により温度分布を形成するスタータ機構の例)
4.第3の実施の形態(間欠的に電圧を低下させるイオン性素子の駆動方法の例)
5.第1〜第3の実施の形態に共通の変形例
変形例4(複数の電極の他の配置構成例)
6.適用例(イオン性素子およびイオン性素子モジュールの電子機器への適用例)
7.その他の変形例
[構成]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るイオン性素子(イオン性素子1)の断面構成例(Z−X断面構成例)を模式的に表したものである。このイオン性素子1は、一対の電極111,112とイオン層12(機能層)とからなる積層構造を有し、後述する各種の機能(多機能性)を発揮することが可能な素子である。
電極111,112はそれぞれ、イオン層12に対して電圧を印加するための電極である。本実施の形態では、これらの電極111,112は、イオン層12を挟み込むように配置されている。
イオン層12は、上記したように一対の電極111,112の間に挿設されており、後述する各種の機能(この例では、蓄電機能、発光機能および発電機能)が発揮される層である。このイオン層12は、例えば図1中の符号P1で示した拡大模式図のように、多数の細孔121hを有する多孔質材121と、この多孔質材121内(具体的には、細孔121h内)に分散された電解質(電解質の分子)122とを含んでいる。換言すると、イオン層12は、電解質122と多孔質材121とが所定の混合比(例えば、混合重量比または混合体積比など)にて混合されたものとなっている。なお、このようなイオン層12の厚みは、例えば200nmである。
・イミダゾリウム系陽イオン:
1-methyl-3-methylimidazolium(MMI),
1-ethyl-3-methylimidazolium(EMI),
1-propyl-3-methylimidazolium(PMI),
1-butyl-3-methylimidazolium(BMI),
1-pentyl-3-methylimidazolium(PeMI),
1-hexyll-3-methylimidazolium(HMI),
1-Octyl-3-methylimidazolium,
1-oxyl-3-methylimidazolium(OMI),
1-hexadecyl-3-methylimidazolium,
1-Butyl-2,3-dimethulimidazolium,
1,2-dimethyl-3-propylimidazolium(DMPI);
・ピリジニウム系陽イオン:
1-methl-1-propylpiprodonium(PP13),
1-methyl-1-propylpyrrolidinium(P13),
1-methyl-1-butylpyrrolidinium(P14),
1-butyl-1-methylpyrrolidinium(BMP);
・アンモニウム系陽イオン:
trimethylpropylammonium(TMPA),
trimethyloctylammonium(TMOA),
trimethylhexylammonium(TMHA),
trimethylpentylammonium(TMPeA),
trimethylbutylammonium(TMBA);
・ピラゾリウム系陽イオン:
1-ethyl-2,3,5-trimethylpyrazolium(ETMP),
1-butyl-2,3,5-trimethylpyrazolium(BTMP),
1-propyl-2,3,5-trimethylpyrazolium(PTMP),
1-hexyl-2,3,5-trimethylpyrazolium(HTMP),
1-Buthylpyridium,
1-Hexylpyridium;
(B)陰イオン
bis(trifluoromethanesulfonyl)imide(TFSI),
bis(fluorosulfonyl)imide(FSI),
bis(perfluoroethylsulfonyl)imide(BETI),
tetrafluoroborate(BF4),
hexafluorophosphate(PF6);
このイオン性素子1は、例えば、図3に示したようにして製造することができる。この図3は、イオン性素子1の製造方法の一例を工程順に流れ図で表わしたものである。
まず、前述した材料からなる多孔質材121および電解質122と、両親媒性物質(両親媒性分子を有する物質;レベリング剤)とを、所定の溶媒(例えば、クロロベンゼン,ジクロロベンゼン等の高沸点溶剤など)中で混合することにより、混合体を作製する(工程S11)。なお、両親媒性物質としては、例えば界面活性剤が挙げられる。また、この界面活性剤としては、例えば、フッ素系界面活性剤等が挙げられる。フッ素系界面活性剤の具体例としては、例えば以下のものが挙げられる。この際、多孔質材121と電解質122とは、例えば、前述した所定の混合比にて混合するようにする。また、この混合体における両親媒性物質の含有量は、例えば1000ppm以下程度とするのが望ましく、例えば10ppm程度とするのがより望ましい。混合体への両親媒性物質の過剰な含有が防止され、後述する両親媒性物質の機能がより効果的に発揮されるからである。
・ペルフルオロアルキルスルホン酸(CF3(CF2)nSO3H)
・ペルフルオロオクタンスルホン酸(PFOS;perfluorooctanesulfonate)
・ペルフルオロアルキルカルボン酸(CF3(CF2)nCOOH)
・ペルフルオロオクタン酸(PFOA;perfluorooctanoate)
・フッ素テロマーアルコール(F(CF2)nCH2CH2OH)
次いで、例えばスピンコートやインクジェット等を用いて、上記した混合体を薄膜状に成形する(工程S12)。換言すると、工程S11において得られた混合体を、薄膜化させる。この際、スピンコートを用いる場合には、例えば、空気中において、500rpm(回転/分)程度の回転率にて1分間程度のスピンコートを行うようにする。なお、このようにして混合体を薄膜状にする手法としては、上記したスピンコートおよびインクジェットには限られず、他の印刷技術を用いることも可能である。具体的には、例えば、ナノインプリント法、誘導プラズマエッチング法、ドライエッチング法といったプリント技術、エッチング技術などの印刷技術を用いることが可能である。
続いて、このようにして得られた薄膜状の混合体を乾燥させることにより、この混合体から上記した溶媒を蒸発させる(工程S13)。これにより、図1中の符号P1で示した拡大模式図のような、多数の細孔121hを有する多孔質材121と、この細孔121h内に分散された電解質122とからなるイオン層12が形成される。なお、乾燥させる際には、例えば、窒素(N2)雰囲気中において乾燥を行うようにする。
そののち、このようして得られたイオン層12に対して、複数の電極111,112を取り付ける(工程S14)。具体的には、工程S13において得られたイオン層12を、例えば真空蒸着法や塗布法等を用いて別途形成した一対の電極111,112の間に挟み込むようにする。以上により、図1に示したイオン性素子1が完成する。このように、真空プロセス等の複雑な工程が不要であると共に、室温環境下にて作製可能であることから、イオン性素子1は比較的簡易なプロセスにて製造することが可能である。
(A−1.pn接合の形成)
このイオン性素子1では、電極111,112を用いてイオン層12に対して電圧が印加されると、以下の原理にてイオン層12内にpn接合が形成される。
ここで、このpn接合(p型領域12pおよびn型領域12n)では、前述したように電気二重層を利用して非常に大きな静電容量が形成されることから、換言すると、大容量の電荷を蓄えている状態(蓄電状態)であると言える。つまり、イオン性素子1では、イオン層12内に形成される電気二重層を利用して、イオン層12において蓄電機能が発揮される。
また、イオン性素子1では、例えば図8に示したように、このイオン層12内に形成されたpn接合を利用して、発光機能も発揮される。具体的には、このpn接合の接合面Sj付近において、p型領域12p内の正孔hとn型領域12n内の電子eとが再結合し(キャリアの再結合が生じ)、その結果、この接合面Sj付近から外部へ発光光Lout(出射光)が出射する。このような原理にて、イオン性素子1において発光動作がなされる。なお、図8では、便宜上、発光光Loutが電極111,112の方向へそれぞれ出射される態様で図示されているが、実際には発光光Loutは全ての方向に出射可能となっている。
更に、イオン性素子1では、例えば図9に示したように、このイオン層12内に形成されたpn接合を利用して、発電機能(光電変換機能)も発揮される。具体的には、このpn接合の接合面Sj付近に外部から入射光Linが入射すると、この接合面Sj付近で光電変換がなされ、正孔hと電子eとのキャリア対が生成される。このようにして生成されたキャリア対を利用して(pn接合における光電変換を利用して)、イオン層12内に電荷が蓄積されることにより、イオン性素子1において発電動作がなされる。なお、図9においても、便宜上、入射光Linが電極111,112の方向からそれぞれ入射する態様で図示されているが、実際には入射光Linも全ての方向から入射可能となっている。
次に、本実施の形態のイオン性素子1の製造方法における作用について説明する。
続いて、本実施の形態の電解質122が、イオンの移動度の抑制構造を有する分子を用いて構成されている場合における作用について説明する。
図11は、他の構成例に係るイオン性素子(イオン性素子101)の断面構成例(Z−X断面構成例)を、模式的に表したものである。この他の構成例のイオン性素子101は、本実施の形態のイオン性素子1においてイオン層12の代わりにイオン層102を設けたものに対応し、他の構成は同様となっている。
これに対して本実施の形態のイオン性素子1では、イオン層12内の電解質122が、例えば、イオンの移動度の抑制構造を有する分子(例えば、極性を有する分子)を用いて構成されている。具体的には、例えば図1中に示した電解質122のように、異方性形状(例えば直鎖構造)を有する分子を用いて構成されている。
・低電圧駆動化(例えば、従来の2〜3V程度から、1.5V程度への低電圧化が可能)
・素子の長寿命化(例えば、従来の1時間程度から、3時間以上への長寿命化が可能)
・素子の大面積化(例えば、1cm×1cm程度の面積が実現可能)
・発光動作時の高輝度化(例えば、従来の1000cd/m2以下から、2500cd/m2以上への高輝度化が可能)
次いで、本実施の形態における具体的な実施例(実施例1〜4)について詳細に説明する。
図15A,図15Bはそれぞれ、比較例1および実施例1に係るイオン層の膜厚ばらつきを表したものである。なお、これらの膜厚のばらつきは、段差計で測定した。図15Aに示した比較例1では、前述した混合体を作製する際に、両親媒性物質を混合させていない。このため、この比較例1では、600nm程度の大きな膜厚ばらつきが生じていることが分かる。一方、図15Bに示した実施例1では、前述した混合体を作製する際に、両親媒性物質(この例では界面活性剤)を混合させている。したがって、この実施例1では、膜厚ばらつきが35nm程度と非常に小さなものとなり、上記比較例1と比べて膜厚ばらつきが1桁以上も低減していることが分かる。
次いで、図16は、実施例2−1,2−2に係る溶媒と膜厚等との関係を表したものである。具体的には、溶媒の材料、イオン層12の膜厚、乾燥工程(工程S13)に要する乾燥時間、およびイオン層12の表面粗さ(膜厚ばらつき)の各々について、実施例2−1,2−2ごとにまとめて示している。
続いて、図17は、実施例3に係る超音波撹拌と、イオン性素子における発光特性との関係を表したものである。この実施例3の条件は、以下の通りである。
・電解質…前述した(1)式で表わされるイオン液体
・多孔質材…発光性ポリマー
・両親媒性物質…界面活性剤(含有量=10ppm)
・電解質と多孔質材との混合比…電解質:多孔質材=1:5
・発光動作時の駆動電圧(動作電圧)…2.5V,3.0Vの各々で実施
・超音波撹拌…50kHz,100Wの超音波を、0分間(超音波撹拌:無し)、3分間,10分間,20分間,30分間の各々で実施
続いて、実施例4の条件は、以下の通りである。
・電解質…前述した(1)式で表わされるイオン液体
・多孔質材…発光性ポリマー
・電解質と多孔質材との混合比…電解質:多孔質材=1:5
[構成]
図21は、第2の実施の形態に係るイオン性素子(イオン性素子1A)の断面構成例(Z−X断面構成例)を模式的に表したものである。また、図22は、このイオン性素子1Aにおけるイオン層12の平面構成例(X−Y平面構成例)を模式的に表したものである。
本実施の形態のイオン性素子1Aでは、微細構造(微粒子14A)からなるスタータ機構が設けられていることにより、電極111,112からイオン層12へ駆動電圧が印加されているときに、このイオン層12内において、pn接合の形成が部分的に開始される。
続いて、上記第2の実施の形態の変形例(変形例1〜3)について説明する。なお、第2の実施の形態等における構成要素と同一のものには同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
図25は、変形例1に係るイオン性素子(イオン性素子1B)の断面構成例(Z−X断面構成例)を模式的に表したものである。また、図26は、このイオン性素子1Bにおけるイオン層12の平面構成例(X−Y平面構成例)を模式的に表したものである。
図27は、変形例2に係るイオン性素子(イオン性素子1C)におけるイオン層12の平面構成例(X−Y平面構成例)を模式的に表したものである。また、図28は、変形例3に係るイオン性素子(イオン性素子1D)におけるイオン層12の平面構成例(X−Y平面構成例)を模式的に表したものである。
[構成]
図30は、第3の実施の形態に係るイオン性素子モジュール(イオン性素子モジュール2)の断面構成例(Z−X断面構成例)を、以下説明する駆動部21のブロック構成とともに模式的に表したものである。本実施の形態のイオン性素子モジュール2は、これまでに説明したイオン性素子1,1A〜1Dのいずれかと、そのイオン性素子を駆動する駆動部21とを備えている。なお、本実施の形態に係るイオン性素子の駆動方法は、本実施の形態のイオン性素子モジュール2において具現化されるため、以下併せて説明する。
駆動部21は、電極111,112を介してイオン層12へ駆動電圧Vdを印加することにより、イオン性素子1(1A〜1D)を駆動するものである。この駆動部21は、本実施の形態では、このイオン性素子1(1A〜1D)を駆動する際に、駆動電圧Vdを間欠的(例えば周期的)に低下させる間欠駆動を行うようになっている。
本実施の形態のイオン性素子モジュール2では、イオン性素子1(1A〜1D)を駆動する際に、電極111,112を介してイオン層12へ印加する駆動電圧Vdが、間欠的に低下するようになされる(上記した間欠駆動が行われる)。これによりこのイオン性素子1(1A〜1D)では、以下の原理にて、イオン層12内の電解質122(イオン液体等)の定期的(例えば周期的)なリフレッシュ動作が実現される。
ここで、図36Aは、実施例4に係る駆動期間と発光特性との関係を表したものである。また、図36Bは、この図36Aの一部(符号P2で示した部分)を拡大して、駆動電圧Vdとともに示したものである。
一方、図37Aは、実施例5に係る駆動期間と発光特性との関係を表したものである。また、図37Bは、この図37Aの一部(符号P3で示した部分)を拡大して、駆動電圧Vdとともに示したものである。
続いて、上記第1〜第3の実施の形態に共通の変形例(変形例4)について説明する。なお、これらの実施の形態等における構成要素と同一のものには同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
図38は、変形例4に係るイオン性素子(イオン性素子1E)の断面構成例を模式的に表したものである。このイオン性素子1Eは、基板10上に、一対の電極111,112、イオン層12および保護層13からなる積層構造を有している。
本変形例のイオン性素子1Eにおいても、基本的には、第1の実施の形態等と同様の作用により、同様の効果を得ることが可能である。具体的には、イオン性素子1Eでは以下のように作用する。
続いて、上記第1〜第3の実施の形態および変形例1〜4に係るイオン性素子(イオン性素子1,1A〜1E)およびイオン性素子モジュール2の電子機器への適用例について説明する。
図42は、適用例1に係る電子機器(携帯型照明器具3)の構成例を、模式的に斜視図で表したものである。この携帯型照明器具3は、筺体内に、1または複数のイオン性素子1(またはイオン性素子1A〜1E)、あるいは、1または複数のイオン性素子モジュール2を内蔵したものであり、光出射口30から発光光Loutを出射する機能を有している。
図43は、適用例2に係る電子機器(携帯型充電器4)の構成例を、模式的に表したものである。この携帯型充電器4もまた、筺体内に、1または複数のイオン性素子1(またはイオン性素子1A〜1E)、あるいは、1または複数のイオン性素子モジュール2を内蔵したものである。そして、携帯型充電器4は、光入射口40から入射光Linを入射すると共にこの入射光Linの光電変換により得られた電力Poutを外部へ出力する機能を有している。
以上、いくつかの実施の形態、変形例および適用例等を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。
Claims (15)
- 多孔質材と、前記多孔質材内に分散された電解質とを含むイオン層と、
前記イオン層に対して電圧を印加するための複数の電極と、
前記電圧が印加されているときに、前記イオン層内においてpn接合の形成を部分的に開始させるためのスタータ機構と
を備えたイオン性素子。 - 前記スタータ機構は、前記イオン層内において、前記pn接合を複数個所で形成させる
請求項1に記載のイオン性素子。 - 前記スタータ機構が、微細構造を用いて構成されている
請求項1または請求項2に記載のイオン性素子。 - 前記微細構造が、前記イオン層内に分散された微粒子である
請求項3に記載のイオン性素子。 - 前記微細構造が、前記電極と前記イオン層との界面付近に形成された凹凸構造である
請求項3に記載のイオン性素子。 - 前記微細構造は、前記イオン層内で局所的な電界集中を生じさせることにより、前記pn接合の形成を部分的に開始させる
請求項3ないし請求項5のいずれか1項に記載のイオン性素子。 - 前記スタータ機構は、前記イオン層内で温度分布を形成することにより、前記pn接合の形成を部分的に開始させる
請求項1または請求項2に記載のイオン性素子。 - 前記スタータ機構が、前記温度分布を直接的に形成する熱電素子を用いて構成されている
請求項7に記載のイオン性素子。 - 前記スタータ機構が、前記イオン層に対して局所的な光照射を行うことにより前記温度分布を間接的に形成するための光源を用いて構成されている
請求項7に記載のイオン性素子。 - 前記スタータ機構は、前記イオン性素子の始動期間およびその後の定常動作期間のうち、前記始動期間においてのみ、前記温度分布の形成を行う
請求項7ないし請求項9のいずれか1項に記載のイオン性素子。 - 前記電解質が、イオンの移動度の抑制構造を有する分子を用いて構成されている
請求項1ないし請求項10のいずれか1項に記載のイオン性素子。 - 前記分子が直鎖構造を有する
請求項11に記載のイオン性素子。 - 前記電解質がイオン液体である
請求項1ないし請求項12のいずれか1項に記載のイオン性素子。 - 前記多孔質材が導電性ポリマーである
請求項1ないし請求項13のいずれか1項に記載のイオン性素子。 - 1または複数のイオン性素子を備え、
前記イオン性素子は、
多孔質材と、前記多孔質材内に分散された電解質とを含むイオン層と、
前記イオン層に対して電圧を印加するための複数の電極と、
前記電圧が印加されているときに、前記イオン層内においてpn接合の形成を部分的に開始させるためのスタータ機構と
を有する電子機器。
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