JP2020102381A

JP2020102381A - 電荷生成装置

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Publication number: JP2020102381A
Application number: JP2018240273A
Authority: JP
Inventors: 明彦杉村; Akihiko Sugimura
Original assignee: Osaka Sangyo University
Current assignee: Osaka Sangyo University
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2020-07-02
Anticipated expiration: 2038-12-21
Also published as: JP7281168B2

Abstract

【課題】新規な電荷生成装置を提供する。【解決手段】電荷生成装置１は、電荷生成層３０、電界印加用の電極層１２、電界印加用の電極層２２、電荷取り出し用の電極層１４および電荷取り出し用の電極層２４を備える。電荷生成層３０は、サーモトロピック液晶性を有する糖脂質系材料により形成される。電荷生成層３０の一面上に電流取り出し用の電極層１４、絶縁層１３および電界印加用の電極層１２が順に配置される。電荷生成層３０の他面上に電荷取り出し用の電極層２４、絶縁層２３および電界印加用の電極層２２が順に配置される。電界印加用の電極層１２と電界印加用の電極層２２との間に高電界が印加される。電荷取り出し用の電極層１４および電極層２４を通して生成された電荷が取り出される。【選択図】図１

Description

本発明は、電荷を生成する電荷生成装置に関する。

液晶表示装置の偏光板の材料として、溶液中でリオトロピック液晶相を示す化合物を用いることが提案されている（例えば、特許文献１）。また、液晶表示装置の位相差基板の材料として、サーモトロピック液晶化合物を用いることが提案されている（例えば、特許文献２）。

特開２０１１−１９１４６１号公報特開２０１１−２３２５３７号公報

糖脂質系材料は、親水性の糖ヘッドグループと疎水性のアルキル鎖とからなり、両親媒性を有している。このため、糖脂質の分子は、水溶液中でリオトロピック液晶性を示し、環境に優しい材料として、表面活性剤または製薬等の分野で幅広く応用されている。一方、一部の糖脂質系材料は、分子間親和力が比較的強いため、無水状態でサーモトロピック液晶性を併せ持っている。この無水液晶は、電気的、磁気的および光学的異方性を有し、新規な電子材料としての応用の可能性を有している。

しかしながら、無水状態でサーモトロピック液晶性を有する糖脂質系材料の相構造は多様であり、無水糖脂質系材料の作製の困難性のため、基礎および応用研究例は少ない。本発明者は、一部の糖脂質系材料が特定の条件下で新規な現象を示すことを見出し、その知見に基づいて糖脂質系材料を用いて新規な電荷生成装置を開発することに注力した。

本発明の目的は、新規な電荷生成装置を提供することである。

本発明に係る電荷生成装置は、サーモトロピック液晶性を有する糖脂質系材料により形成された電荷生成層と、電荷生成層に電界を印加するための第１および第２の電極と、電荷生成層において生成された電荷を取り出すための第３および第４の電極とを備える。

その電荷生成装置においては、第１の電極および第２の電極を通して電荷生成層に電界が印加されると、電荷生成層で電子雪崩崩壊現象により電荷が生成される。生成された電荷は、第３の電極および第４の電極を通して取り出される。この場合、電荷生成層には、電界の印加による電流がほとんど流れない。したがって、小さなエネルギーで負荷に電流を供給することが可能となる。

糖脂質系材料は、鎖状の基を有するグルコシドを含んでもよい。糖脂質系材料は、アルキルグルコシドを含んでもよい。糖脂質系材料は、オクチル−β−Ｄ−グルコシドまたはドデシル−β−Ｄ−グルコシドを含んでもよい。

電荷生成層は、互いに反対側の第１および第２の面を有し、第１の電極は第１の電極層を含み、第２の電極は第２の電極層を含み、第３の電極は第３の電極層を含み、第４の電極は第４の電極層を含み、電荷生成層の第１の面上に第３の電極層および第１の電極層が順に配置され、第３の電極層と第１の電極層との間に第１の絶縁層が配置され、電荷生成層の第２の面上に第４の電極層および第２の電極層が順に配置され、第４の電極層と第２の電極層との間に第２の絶縁層が配置されてもよい。

この場合、第１の電極層と第２の電極層との間に電流は流れない。したがって、極めて小さなエネルギーで負荷に電流を供給することが可能となる。

本発明によれば、新規な電荷生成装置が提供される。

本発明の一実施の形態に係る電荷生成装置の構成を示す模式的断面図である。（ａ）はオクチル−β−Ｄ−グルコシドの化学式を示す図であり、（ｂ）はドデシル−β−Ｄ−グルコシドの化学式を示す図である。第１の電極構造体、電荷生成層および第２の電極構造体の詳細な構成および配置の一例を示す模式的断面図である。図３の第１の電極構造体の模式的平面図である。図３の電荷生成装置の模式的平面図である。図１の電荷生成装置における電荷生成の原理を説明するための説明図である。実証実験に用いた測定用セルの模式的断面図である。測定用セルへの電圧印加に伴う過渡電流の時間変化の測定結果を示す図である。印加された電界強度と電流との関係の測定結果を示す図である。電荷生成層の厚さと過渡電流が発生する電界強度のしきい値との関係の測定結果を示す図である。

以下、本発明の一実施の形態に係る電荷生成装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（１）電荷生成装置の構成
図１は本発明の一実施の形態に係る電荷生成装置の構成を示す模式的断面図である。図１に示される電荷生成装置１は、第１の電極構造体１０、第２の電極構造体２０および電荷生成層３０を含む。

第１の電極構造体１０は、ガラス基板１１、電界印加用の電極層１２、絶縁層１３および電荷取り出し用の電極層１４を含む。ガラス基板１１上に、電極層１２、絶縁層１３および電極層１４が順に形成されている。第２の電極構造体２０は、ガラス基板２１、電界印加用の電極層２２、絶縁層２３および電荷取り出し用の電極層２４を含む。ガラス基板２１上に、電極層２２、絶縁層２３および電極層２４が順に形成されている。電極層１２，１４，２２，２４は、例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）により形成される。絶縁層１３，２３は、例えばＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）により形成される。

電荷生成層３０は、サーモトロピック液晶性を有する糖脂質系材料により形成される。サーモトロピック液晶性を有する糖脂質系材料は、例えば、鎖状の基を有するグルコシド（glucoside）である。鎖状の基は、例えばアルキル基（alkyl group）である。この場合、鎖状の基を有するグルコシドは、アルキルグルコシド（alkyl glucoside）である。アルキルグルコシドの例としては、オクチル−β−Ｄ−グルコシド（Octyl-β-D-glucoside）またはドデシル−β−Ｄ−グルコシド（Dodecyl-β-D-glucoside）が挙げられる。

図２（ａ）はオクチル−β−Ｄ−グルコシドの化学式を示す図である。図２（ｂ）はドデシル−β−Ｄ−グルコシドの化学式を示す図である。

図１に示すように、電荷生成層３０の一面上に第１の電極構造体１０の電極層１４が形成される。電荷生成層３０の他面上に第２の電極構造体２０の電極層２４が形成されている。

電極層１２と電極層２２との間に抵抗ＲＬを介して交流電源５０が接続される。交流電源５０は、電極層１２と電極層２２との間に交流電圧Ｖ（ｔ）＝Ａｓｉｎωｔを印加する。ここで、ｔは時間、Ａは交流電圧の振幅、ωは角周波数である。電極層１２と電極層１４との間には絶縁層１３が設けられ、電極層２２と電極層２４との間には絶縁層２３が設けられている。そのため、電極層１２と電極層２２との間には電流が流れない。電荷生成層３０には、高電界が印加される。

電極層１４と電極層２４との間に負荷Ｌｄが接続される。電荷生成層３０において後述する現象により電荷が生成される。それにより、生成された電荷が電極層１４および電極層２４を通して負荷Ｌｄに流れる。

図３は第１の電極構造体１０、電荷生成層３０および第２の電極構造体２０の詳細な構成および配置の一例を示す模式的断面図である。図４は図３の第１の電極構造体１０の模式的平面図である。図５は図３の電荷生成装置１の模式的平面図である。

図３の例では、絶縁層１３，２３の長さＬ２は、ガラス基板１１，２１および電極層１２，２２の長さＬ１よりも短く、電極層１４，２４の長さは、絶縁層１３，２３の長さＬ２よりも短い。ガラス基板１１，２１および電極層１２，２２の長さＬ１は、それぞれ例えば２２ｍｍであり、絶縁層１３，２３の長さＬ２は、それぞれ例えば１９ｍｍであり、電極層１４，２４の長さＬ３は、それぞれ例えば１４ｍｍであるが、長さＬ１，Ｌ２，Ｌ３はこれらの値に限定されない。第１の電極構造体１０および第２の電極構造体２０の幅Ｄ（図４）は、例えば１２ｍｍであるが、幅Ｄはこの値に限定されない。

電荷生成層３０の厚さｄ（電極層１４，２４間の間隔）は、例えば１５μｍであるが、厚さｄはこの値に限定されない。電極層１２，１４，２２，２４の厚さは、それぞれ例えば４０ｎｍであるが、電極層１２，１４，２２，２４の厚さはこれらの値に限定されない。電極層１２，１４，２２，２４は、例えばスパッタ法により形成される。絶縁層１３，２３の厚さはそれぞれ例えば２００ｎｍであるが、絶縁層１３，２３の厚さはこの値に限定されない。絶縁層１３，２３は、例えば真空蒸着により形成される。

図４においては、絶縁層１３の図示が省略されている。電極層１２は、長方形の一対の端部１２ａ，１２ｂ、矩形の中央部１２ｃおよび帯状の一対の連結部１２ｄ，１２ｅを有する。中央部１２ｃの対向する２辺と端部１２ａ，１２ｂの内側の辺とが連結部１２ｄ，１２ｅにより連結されている。中央部１２ｃと連結部１２ｄ，１２ｅの一部が絶縁層１３（図示せず）を介して電極層１４と重なる。電極層１２の実効電極面積は、例えば５０ｍｍ^２である。

電極層１２の露出する部分（端部１２ａ）に引き出し線Ｂ１が接続される。電極層１４の露出する部分に引き出し線Ｔ１が接続される。なお、第２の電極構造体２０の構成は、第１の電極構造体１０の構成と同様である。

図５において、第２の電極構造体２０の電極層２２（図３）の露出する部分に引き出し線Ｂ２が接続され、電極層２４（図３）の露出する部分に引き出し線Ｔ２が接続される。引き出し線Ｂ１，Ｂ２間に図１の交流電源５０が接続され、引き出し線Ｔ１，Ｔ２間に負荷Ｌｄが接続される。

（２）電荷生成の原理
図６は図１の電荷生成装置１における電荷生成の原理を説明するための説明図である。図６の例における糖脂質系材料は、糖ヘッドＨおよびチェーン（鎖）Ｃにより構成される。電極層１２，２２間の電荷生成層３０には、高電界が印加される。高電界の電界強度Ｅは、例えば、２ＭＶ／ｍ以上である。電荷生成層３０の媒質中の自由電子が高電界により加速される。加速された電子は、糖脂質系材料の分子に衝突する。電子の衝突により糖脂質系材料の分子が衝突電離現象によりイオン化され、糖脂質系材料から電子が生成される。生成された電子と糖脂質系材料との衝突が繰り返されることにより、多数の電子が生成され、電子雪崩崩壊が生じる。電荷生成層３０中の糖脂質系材料の全ての電子が電極層１４，２４を通して外部回路（負荷）に流出したときに衝突電離が終了する。

（３）電荷生成の実証実験
本発明者は、図２（ａ）のオクチル−β−Ｄ−グルコシドおよび図２（ｂ）のドデシル−β−Ｄ−グルコシドを用いて２種類の測定用セルを作製し、電荷生成の実証実験を行った。

オクチル−β−Ｄ−グルコシド（以下、βＯＧと呼ぶ。）およびドデシル−β−Ｄ−グルコシド（以下、βＤＧ）は、温度上昇に伴い、固相・スメクチックＡ（ＳｍＡ）液晶相および等方性相へと相転移する。図７は実証実験に用いた測定用セルの模式的断面図である。発明者は、以下の方法で図７の測定用セル１００を作製した。

βＯＧおよびβＤＧを等方性相になるまで加熱した。２枚のガラス基板１０１，２０１上に透明電極である（ＩＴＯ）を塗布することにより電極層１０２，２０２を形成した。電極層１０２，２０２間にβＯＧまたはβＤＧを浸透圧を用いて封入することにより電極層１０２，２０２間に電荷生成層３００を形成した。このようにして、電荷生成層３００の材料としてβＯＧおよびβＤＧをそれぞれ用いた２種類の測定用セル１００を作製した。

電極層１０２，２０２間に抵抗ＲＬを介して交流電源５００を接続し、電極層１０２，２０２間にサイン波形でかつ周波数５Ｈｚ〜１０ｋＨｚの交流電圧を印加した。また、交流電源５００の代わりに直流電源を接続し、電極層１０２，２０２間に直流電圧を印加した。この状態で、電荷生成層３００に流れる電流を測定した。

図８は測定用セル１００への電圧印加に伴う過渡電流の時間変化の測定結果を示す図である。図８の横軸は時間（秒）、縦軸は電流（ｍＡ）である。電荷生成層３０の材料はβＯＧであり、電荷生成層３０の厚さｄは５０μｍである。電極実効面積Ｓは５０ｍｍ^２である。温度Ｔ＝８５℃で電極層１０２，２０２間に実効電圧Ｖ_ＲＭＳ＝１００Ｖを印加した。このときの電界強度は２ＭＶ／ｍである。印加した電圧の周波数を０（ＤＣ：直流）、５Ｈｚ、１０Ｈｚ、５０Ｈｚ、１００Ｈｚ、５００Ｈｚ、１ｋＨｚ、３ｋＨｚおよび１０ｋＨｚとした場合の過渡電流の時間的変化を測定した。βＯＧは、８５℃ではスメクチックＡ相である。周波数１０ｋＨｚの場合には、約２０ｍＡの過渡電流ピークが発生した。

８５℃でのβＯＧの導電率σは、周波数１００Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下の範囲内で６×１０^−７〜５×１０^−６Ω^−１ｍ^−１の範囲内にあるため、通常の定常電流Ｉ_Ｄは約０．２ｍＡである。図７の測定用セル１００を用いた実証実験では、定常電流Ｉ_Ｄの１００倍程度の過渡電流が発生していることがわかる。この過渡電流は、非可逆的であり、再度の電圧印加では発生しない。また、過渡電流は、βＯＧの等方性相でも発生しない。

過渡電流の発生原因として、（ａ）電極層１０２，２０２から電荷生成層３００への電荷の注入、（ｂ）電荷生成層３００の温度の増加（ジュール熱）による導電率の増加、（ｃ）トンネル効果、（ｄ）電気的な絶縁破壊、および（ｅ）電子雪崩崩壊等が考えられる。

図９は印加された電界強度と電流との関係の測定結果を示す図である。電荷生成層３００の厚さｄは１０μｍである。印加電圧を０Ｖから１００Ｖまで変化させた場合、電界強度は０ＭＶ／ｍから１０ＭＶ／ｍまで変化する。印加電圧の掃引速度は２０ｍＶ／ｓである。βＯＧは、１１０℃では、液晶相と等方性相とが混在した状態であり、８５℃では、液晶相の状態である。

図９には、周波数１ｋＨｚで１１０℃の測定結果が細い実線で示され、周波数１０ｋＨｚで８５℃の測定結果が太い実線で示され、周波数１ｋＨｚで８５℃の測定結果が一点鎖線で示されている。また、導電率σが７×１０^−６Ω^−１ｍ^−１の場合および導電率σが１．６×１０^−６Ω^−１ｍ^−１の場合の電界強度と電流とのオーミックな関係が点線で示されている。

図９の測定結果より、例えば、周波数１ｋＨｚで温度１１０℃の場合には、電界強度２ＭＶ／ｍ近傍までは、電流はオーミックな関係に沿って増加している。また、電界強度９ＭＶ／ｍ近傍で電気的な絶縁破壊が発生している。これらの結果より、過渡電流の発生原因として上記の（ａ）〜（ｄ）は考えられない。

図１０は電荷生成層３００の厚さｄと過渡電流が発生する電界強度のしきい値Ｅ_ＴＨとの関係の測定結果を示す図である。電荷生成層３００の厚さｄが２０μｍ以上の場合、電界強度のしきい値Ｅ_ＴＨはほぼ一定である。一方、電荷生成層３００の厚さｄが２０μｍ未満の場合、電界強度のしきい値Ｅ_ＴＨは厚さｄの減少に伴って急激に増加する。このような性質は、絶縁体に見られる電子雪崩崩壊現象（アバランシェ崩壊現象）に特徴的な性質である。したがって、βＯＧ中で高電界により加速された自由電子がβＯＧの分子との衝突を繰り返し、βＯＧの構成分子を破壊しながら電荷の生成を繰り返していると考えられる。

電子雪崩崩壊現象は、電荷生成層３００中で電子の走行距離が長いほど起こりやすい。電極層１０２，２０２間に電界が印加された場合、自由電子は電荷生成層３００の厚さ方向に移動する。そのため、電荷生成層３００の厚さｄが大きいほど電子の走行距離が長くなる。したがって、図１０に示されるように、電荷生成層３００の厚さｄがある値よりも小さいと、過渡電流が発生するための電界強度のしきい値Ｅ_ＴＨが増加する。

図９の測定結果では、周波数１ｋＨｚで温度１１０℃の場合に、電界強度の範囲Ａ（約２ＭＶ／ｍ〜約７ＭＶ／ｍ）で電子雪崩崩壊現象が発生していると考えられる。また、周波数１ｋＨｚで温度８５℃の場合に、電界強度の範囲Ｂ（約４ＭＶ／ｍ〜約９ＭＶ／ｍ）で電子雪崩崩壊現象が発生していると考えられる。

また、印加される電界の周波数が高いほど、自由電子が一方向に移動する時間が短くなるため、電子の走行距離が短くなる。図９の測定結果では、周波数が１ｋＨｚの場合に電子雪崩崩壊現象が発生しているが、周波数が１０ｋＨｚの場合には電子雪崩崩壊現象が発生していない。

なお、βＯＧの約１０倍の抵抗率σを有するβＤＧを用いた場合にも、同様の過渡電流が発生する。

これらの測定結果からβＯＧまたはβＤＧの厚さ、印加する電界強度および電界の周波数を適切な値に設定することにより電荷の生成が可能であることが実証された。

（４）実施の形態の効果
本実施の形態に係る電荷生成装置１においては、電極層１２，２２間に高電界が印加されると、電荷生成層３０で電子雪崩崩壊現象により電荷が生成される。生成された電荷は、電極層１４，２４から外部回路に取り出される。この場合、電極層１２と電極層１４との間には絶縁層１３が配置され、電極層２２と電極層２４との間には絶縁層２３が配置されているので、電極層１２，２２間に交流電源５０による電流は流れない。そのため、高電界の印加のためにほとんど電力が消費されない。したがって、極めて小さなエネルギーで負荷に電流を供給することが可能となる。

電荷生成装置１により生成される電子は真電荷であるため、電荷生成装置１は、例えばバイオ電池として利用することができる。

（５）他の実施の形態の形態
上記実施の形態では、電荷生成層３０の材料として、オクチル−β−Ｄ−グルコシドまたはドデシル−β−Ｄ−グルコシドが用いられているが、電荷生成層３０の材料は、これらに限定されず、サーモトロピック液晶性を有する他の糖脂質系材料が用いられてもよい。例えば、電荷生成層３０の材料として、オクチル基およびドデシル基以外のアルキル基を有するグルコシドが用いられてもよい。あるいは、アルキル基以外の鎖状の基を有するグルコシドが用いられてもよい。さらに、グルコシド以外のサーモトロピック液晶性を有する他の糖脂質系材料が用いられてもよい。

電荷生成層３０に高電界を印加するための電極の構成は上記実施の形態の構成に限定されず、任意の構成を用いることができる。また、電荷生成層３０において生成された電荷を取り出すための電極の構成は上記実施の形態の構成に限定されず、任意の構成を用いることができる。

（６）請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応の例について説明する。上記実施の形態では、電極層１２，２２が第１および第２の電極の例または第１および第２の電極層の例であり、電極層１４，２４が第３および第４の電極の例または第３および第４の電極層の例であり、絶縁層１３，２３が第１および第２の絶縁層の例である。請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。

１…電荷生成装置，１０…第１の電極構造体，１１，２１，１０１，２０１…ガラス基板，１２，１４，２２，２４…電極層，１２ａ，１２ｂ…端部，１２ｃ…中央部，１２ｄ，１２ｅ…連結部，１３，２３，Ｔ１，Ｔ２…絶縁層，２０…第２の電極構造体，３０，３００…電荷生成層，５０…交流電源，１００…測定用セル，１０２，２０２…電極層，５００…交流電源，Ｃ…チェーン（鎖），Ｄ…幅，ＥＴＨ…しきい値，Ｈ…糖ヘッド，Ｌｄ…負荷，ＲＬ…抵抗，ｄ…厚さ

Claims

サーモトロピック液晶性を有する糖脂質系材料により形成された電荷生成層と、
前記電荷生成層に電界を印加するための第１および第２の電極と、
前記電荷生成層において生成された電荷を取り出すための第３および第４の電極とを備えた、電荷生成装置。
前記糖脂質系材料は、鎖状の基を有するグルコシドを含む、請求項１記載の電荷生成装置。
前記糖脂質系材料は、アルキルグルコシドを含む、請求項１または２記載の電荷生成装置。
前記糖脂質系材料は、オクチル−β−Ｄ−グルコシドまたはドデシル−β−Ｄ−グルコシドを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電荷生成装置。
前記電荷生成層は、互いに反対側の第１および第２の面を有し、
前記第１の電極は第１の電極層を含み、
前記第２の電極は第２の電極層を含み、
前記第３の電極は第３の電極層を含み、
前記第４の電極は第４の電極層を含み、
前記電荷生成層の前記第１の面上に前記第３の電極層および前記第１の電極層が順に配置され、前記第３の電極層と前記第１の電極層との間に第１の絶縁層が配置され、
前記電荷生成層の前記第２の面上に前記第４の電極層および前記第２の電極層が順に配置され、前記第４の電極層と前記第２の電極層との間に第２の絶縁層が配置された、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電荷生成装置。