JP5987540B2 - Electrochromic display device and secondary battery integrated solid state element - Google Patents

Electrochromic display device and secondary battery integrated solid state element Download PDF

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Description

本発明は、二次電池機能とエレクトロクロミック表示装置機能を併有する新規な固体素子に関するものであり、特に、電圧印加により可逆的に酸化還元反応を起生し、この酸化還元反応に応じて電荷を蓄積または放出する(二次電池機能)と共に、該電荷の蓄積または放出に連動して光透過率(色の変化を伴う)が変化するエレクトロクロミック表示装置・二次電池一体型固体素子に関するものである。   The present invention relates to a novel solid-state device having both a secondary battery function and an electrochromic display device function. In particular, the present invention reversibly initiates a redox reaction by applying a voltage, and charges are generated according to the redox reaction. Electrochromic display device / rechargeable battery integrated solid state element in which light transmittance (with color change) changes in conjunction with the accumulation or release of electric charges as well as the storage or release of secondary charge (secondary battery function) It is.

電圧を印加することで、可逆的に酸化還元反応が起こり、可逆的に色が変化する現象をエレクトロクロミズムという。このエレクトロクロミズムを利用した装置がエレクトロクロミック装置である。エレクトロクロミック装置にはエレクトロクロミズムの特徴に由来する応用が実現できるとして、今日まで多くの研究がなされている。
例えば、着色状態と消色状態が可逆的に変化することから、電極層および対向電極層として透明導電材料を用いることで、着色状態と透明状態が可逆的に変化するエレクトロクロミック装置を得ることが可能である。これによって、調光ガラスやND(減光)フィルタへの応用が期待できる。
他の例としては、電極層および対向電極層のいずれか一方に鏡面反射する金属材料を含み、他方に透明導電層を用いることで、高反射状態と低反射状態が可逆的に変化するエレクトロクロミック装置を得ることが可能である。これによって、グレアを抑制する防眩ミラーとしての応用が期待できる。
別の例としては、電極層及び対向電極層のいずれか一方に、白色反射する材料を含み、他方に透明道電層を用いることで、高反射状態と低反射状態が可逆的に変化するエレクトロクロミック装置を得ることが可能である。これによって、電子ペーパーをはじめとする各種反射表示型ディスプレイの表示素子としての応用が期待できる。
A phenomenon in which a redox reaction occurs reversibly and a color changes reversibly by applying a voltage is called electrochromism. A device using this electrochromism is an electrochromic device. Many studies have been conducted on electrochromic devices to date that applications derived from the characteristics of electrochromism can be realized.
For example, since the colored state and the decolored state change reversibly, an electrochromic device in which the colored state and the transparent state change reversibly can be obtained by using a transparent conductive material as the electrode layer and the counter electrode layer. Is possible. As a result, application to light control glass and ND (dimming) filters can be expected.
As another example, an electrochromic that reversibly changes between a high-reflection state and a low-reflection state by including a metal material that is specularly reflected on one of the electrode layer and the counter electrode layer and using a transparent conductive layer on the other. It is possible to obtain a device. Accordingly, application as an antiglare mirror that suppresses glare can be expected.
As another example, an electrode that includes a material that reflects white in one of the electrode layer and the counter electrode layer and a transparent electroconductive layer on the other is used to reversibly change the high reflection state and the low reflection state. It is possible to obtain a chromic device. As a result, application as a display element of various reflective display displays including electronic paper can be expected.

また、エレクトロクロミズム現象は、材料の構造や組成などの条件を調整することで酸化状態と還元状態をいずれも安定に保持することが可能であるという特徴がある。この特徴によれば、状態を変化させるときのみ電圧を印加するため、消費エネルギーが小さいという利点がある。このようなエレクトロクロミズム現象を利用した表示素子は、例えば、発光源を用いた常時発光駆動する必要がある表示装置と比較すると、消費エネルギーを節約できる。
さらに、エレクトロクロミズム現象は、酸化還元反応時に電荷がエレクトロクロミック材料に蓄積されるという特徴がある。この特徴によれば、二次電池としての応用が期待できるため、エレクトロクロミック性を有するラジカル性ポリマーを用いた2次電池も開発されている。
In addition, the electrochromism phenomenon is characterized in that both the oxidation state and the reduction state can be stably maintained by adjusting conditions such as the structure and composition of the material. According to this feature, since the voltage is applied only when the state is changed, there is an advantage that the energy consumption is small. A display element using such an electrochromism phenomenon can save energy consumption as compared with, for example, a display device that always needs to be driven to emit light using a light emitting source.
Furthermore, the electrochromism phenomenon is characterized in that charges are accumulated in the electrochromic material during the oxidation-reduction reaction. According to this feature, since application as a secondary battery can be expected, secondary batteries using a radical polymer having electrochromic properties have also been developed.

エレクトロクロミズムを示す材料としては、有機材料では、ポリマー系、色素系、のエレクトロクロミック化合物として、アゾベンゼン系、アントラキノン系、ジアリールエテン系、ジヒドロプレン系、スチリル系、スチリルスピロピラン系、スピロオキサジン系、スピロチオピラン系、チオインジゴ系、テトラチアフルバレン系、テレフタル酸系、トリフェニルメタン系、トリフェニルアミン系、ナフトピラン系、ビオロゲン系、ピラゾリン系、フェナジン系、フェニレンジアミン系、フェノキサジン系、フェノチアジン系、フタロシアニン系、フルオラン系、フルギド系、ベンゾピラン系、メタロセン系、等の低分子系有機エレクトロクロミック化合物、ポリアニリン、ポリチオフェン、PEDOTPSS等の導電性高分子化合物が用いられる。また無機材料では、WO、Ir(OH)x、MoO、V、TiO、NiO及びLiNiOなどの無機金属酸化物やプルシアンブルーのような無機錯体化合物が用いられる。 As an electrochromic material, as an organic material, as an electrochromic compound of polymer type, dye type, azobenzene type, anthraquinone type, diarylethene type, dihydroprene type, styryl type, styryl spiropyran type, spirooxazine type, spirothiopyran type Thioindigo, tetrathiafulvalene, terephthalic acid, triphenylmethane, triphenylamine, naphthopyran, viologen, pyrazoline, phenazine, phenylenediamine, phenoxazine, phenothiazine, phthalocyanine, fluoran Low molecular organic electrochromic compounds such as fluoride, fulgide, benzopyran, and metallocene, and conductive polymer compounds such as polyaniline, polythiophene, and PEDOTPS It is. As the inorganic material, inorganic metal oxides such as WO 3 , Ir (OH) x, MoO 3 , V 2 O 5 , TiO 2 , NiO and LiNiO 2 and inorganic complex compounds such as Prussian blue are used.

有機材料は分子構造の設計が可能ということから、色彩や酸化還元電位の調整が可能であるという利点を有するとして開発されているが、有機物であるため耐久性に課題がある。
一方、無機材料は色彩の制御に課題があるが、特に固体電解層を用いた場合、耐久性に優れる。この特徴を利用し、色彩が弱いことが利点となるアプリケーションとして調光ガラスやNDフィルタへの実用化が検討されている。しかし固体電解層を用いた装置では応答速度が遅いという課題がある。
Since organic materials can be designed with a molecular structure, they have been developed as having the advantage of being able to adjust the color and redox potential.
On the other hand, inorganic materials have problems in color control, but are particularly durable when using a solid electrolytic layer. Utilizing this feature, practical application to a light control glass or ND filter is being studied as an application in which a weak color is an advantage. However, an apparatus using a solid electrolytic layer has a problem that the response speed is slow.

これらのエレクトロクロミック材料は、一般に対向する2つの電極間に挟持され、イオン伝導可能な電解質層が電極間に満たされた構成で酸化還元反応する。そのため、電解質層の性能(イオン伝導度など)が応答速度や発色のメモリー効果に影響する。電解質層は電解質を溶媒に溶かした液体状である場合はある程度速い応答性を得やすいが、素子強度・信頼性の点で固体化、ゲル化による改良が検討されている。
すなわち、従来から、電気化学素子としての電池やエレクトロクロミック表示装置においては、電解液を使用しているため、電解液の漏れ、溶媒の揮発による電池内の乾燥があるばかりでなく、電池容器内では、電解液の偏りにより、隔膜が部分的に乾燥状態になり、このことが内部インピーダンスの上昇あるいは内部短絡の原因になっていた。
特にエレクトロクロミック装置は、調光ガラスや表示用途に用いる場合、少なくとも一方向は、ガラスやプラスチック等の透明材料で封止する必要があるため、金属等で電解質を完全に密閉してしまうことは困難であり、電解液の漏れや揮発がより大きな問題となるためである。
These electrochromic materials are generally sandwiched between two opposing electrodes, and undergo an oxidation-reduction reaction in a configuration in which an electrolyte layer capable of ion conduction is filled between the electrodes. Therefore, the performance of the electrolyte layer (ion conductivity, etc.) affects the response speed and the memory effect of color development. When the electrolyte layer is in the form of a liquid in which the electrolyte is dissolved in a solvent, it is easy to obtain a quick response to some extent. However, improvement by solidification and gelation has been studied in terms of element strength and reliability.
That is, conventionally, since batteries and electrochromic display devices as electrochemical elements have used an electrolytic solution, there are not only the leakage of the electrolytic solution and the drying of the battery due to the volatilization of the solvent, but also the inside of the battery container. Then, due to the bias of the electrolyte, the diaphragm was partially dried, which caused an increase in internal impedance or an internal short circuit.
Especially when an electrochromic device is used for dimming glass or display applications, it is necessary to seal at least one direction with a transparent material such as glass or plastic. This is because it is difficult, and leakage and volatilization of the electrolyte become a larger problem.

上述したような欠点を解決するための方法としては、高分子固体電解質を用いることが提案されている。その具体例としてオキシエチレン鎖やオキシプロピレン鎖を含有するマトリックスポリマーと無機塩との固溶体が挙げられるが、これらは完全固体であり、加工性に優れるものの、その電導度は通常の非水電解液にくらべて数桁ほど低いという実用上の課題を有している。
また、高分子固体電解質の電導度を向上させるために、高分子に有機電解液を溶解させて半固形状のものにする方法(例えば、特許文献1参照)や、電解質を加えた液状モノマーを重合反応させて電解質を含む架橋重合体とする方法が提案されているが実用レベルには至っていない。
As a method for solving the above-described drawbacks, it has been proposed to use a polymer solid electrolyte. Specific examples include a solid solution of a matrix polymer containing an oxyethylene chain or an oxypropylene chain and an inorganic salt, which are completely solid and excellent in processability, but their conductivity is a normal non-aqueous electrolyte. Compared to this, it has a practical problem of being several orders of magnitude lower.
Moreover, in order to improve the electrical conductivity of the polymer solid electrolyte, a method of dissolving an organic electrolyte in a polymer to make it semi-solid (for example, see Patent Document 1), or a liquid monomer to which an electrolyte is added A method for producing a crosslinked polymer containing an electrolyte by polymerization reaction has been proposed, but has not yet reached a practical level.

有機エレクトロクロミック化合物を用いた例としては、特許文献2において、有機エレクトロクロミック化合物を電極近傍に固定させることによって発消色の応答速度の改善を図った例が記載されている。特許文献2の記載によれば、従来数10秒程度だった発消色に要する時間は、無色から青色への発色時間、青色から無色への消色時間は、ともに1秒程度まで向上している。しかし、この手法では耐久性の課題は解決されない。   As an example using an organic electrochromic compound, Patent Document 2 describes an example in which an organic electrochromic compound is fixed in the vicinity of an electrode to improve the response speed of color development and decoloration. According to the description in Patent Document 2, the time required for color development and decoloration, which has been about several tens of seconds, has been improved to about 1 second for both the color development time from colorless to blue and the color elimination time from blue to colorless. Yes. However, this method does not solve the problem of durability.

また、有機エレクトロクロミック化合物を用いた別の例としては、特許文献3において、有機エレクトロクロミック材料の反応を支援する電子シャトル材料を用いることによって、発消色の応答速度の改善を図った例が記載されている。特許文献3の記載によれば、防眩ミラーとしての応答速度が15%短縮されたとしているが、透過率の変化には10秒程度要しており、依然として応答速度には課題がある。   As another example using an organic electrochromic compound, Patent Document 3 discloses an example in which an electronic shuttle material that supports the reaction of an organic electrochromic material is used to improve the response speed of color development and decoloration. Have been described. According to the description in Patent Document 3, the response speed as an antiglare mirror is reduced by 15%. However, it takes about 10 seconds to change the transmittance, and there is still a problem with the response speed.

一方、無機エレクトロクロミック化合物を用いた例としては、還元発色層と酸化発色層を固体電解質層を挟んで対向配置した構造を有するエレクトロクロミック素子において、前記還元発色層が酸化タングステンと酸化チタンを含有する材料で構成され、前記酸化発色層がニッケル酸化物を含有する材料で構成され、前記酸化発色層と前記固体電解質層との間に、ニッケル酸化物以外の金属酸化物もしくは金属、またはニッケル酸化物以外の金属酸化物と金属との複合物を主成分として構成される透明性を有する中間層を配置するエレクトロクロミック素子が記載されている(特許文献4参照)。特許文献4によれば、中間層を形成することにより、繰り返し特性と応答性が改良することが記載されており、数秒で発消色駆動が可能である。しかし、構造が複雑であるとともに真空製膜で無機クロミック化合物層を多層形成することは大型化が困難であるとともにコストUP要因となる。   On the other hand, as an example using an inorganic electrochromic compound, in an electrochromic device having a structure in which a reduced color layer and an oxidized color layer are disposed opposite to each other with a solid electrolyte layer interposed therebetween, the reduced color layer contains tungsten oxide and titanium oxide. A metal oxide or metal other than nickel oxide, or nickel oxide between the oxidation color development layer and the solid electrolyte layer. An electrochromic device is described in which a transparent intermediate layer composed mainly of a composite of a metal oxide other than a product and a metal is disposed (see Patent Document 4). According to Patent Document 4, it is described that repeating characteristics and responsiveness are improved by forming an intermediate layer, and a color development / erasing drive is possible in a few seconds. However, the structure is complicated, and forming the inorganic chromic compound layer in multiple layers by vacuum film formation is difficult to increase in size and increases the cost.

さらに、無機エレクトロクロミック化合物を利用した装置として、紫外線照射により金属酸化物層を変化させて酸化還元機能を付与する方式も提案されている(特許文献5参照)。特許文献5では、金属酸化物と絶縁体有機化合物から構成される膜をITO電極上にスピン製膜し、紫外線照射することにより酸化還元可能な機能膜に変化させる。さらに、その上に酸化ニッケル層とITO対向電極を順次形成したエレクトロクロミック装置が数10msで発消色応答することが記載されている。この例示は電解層が不要であるとともに、金属酸化物と絶縁体有機化合物から構成される酸化還元機能層をスピン製膜することから、大型化、コストの点で優れている。
またこの技術によれば二次電池としての応用もできるとして、広島大学の梶山氏(非特許文献1参照)、グエラテクノロジー社(非特許文献2参照)らにより半導体二次電池、あるいは量子電池として開発が進められており、高エネルギー密度であることや、固体素子であることから安全性が高く、耐環境性に優れるなどの利点が期待されている。
Furthermore, as a device using an inorganic electrochromic compound, a method of imparting a redox function by changing a metal oxide layer by ultraviolet irradiation has been proposed (see Patent Document 5). In Patent Document 5, a film composed of a metal oxide and an insulator organic compound is spin-formed on an ITO electrode, and is changed to a functional film capable of oxidation and reduction by irradiating with ultraviolet rays. Further, it is described that an electrochromic device in which a nickel oxide layer and an ITO counter electrode are sequentially formed thereon has a color development / decoloration response in several tens of milliseconds. This example is superior in terms of size and cost because an electrolytic layer is not required and a redox functional layer composed of a metal oxide and an insulator organic compound is formed into a spin film.
In addition, according to this technology, it can be applied as a secondary battery. As a semiconductor secondary battery or a quantum battery by Mr. Hatakeyama (see Non-Patent Document 1) of Hiroshima University, Guera Technology (see Non-Patent Document 2) and others. Development is underway, and since it is a high energy density and a solid-state device, it is expected to have advantages such as high safety and excellent environmental resistance.

上述のように、特許文献5では酸化還元機能層を用いたエレクトロクロミック表示装置により大型化、コストの点で優れていることが示されており、一方、この技術によれば半導体二次電池、あるいは量子電池として有用なことが示唆されている(非特許文献1、非特許文献2参照)。
しかしながら、非特許文献1、非特許文献2に記載されているような複合酸化物薄膜の光励起構造変化は、新しい現象であり、それを応用した半導体二次電池の動作メカニズムについては不明な点が多く、特性向上などの指針については示されていなかった。
本発明は、上記問題点を解決し、二次電池機能とエレクトロクロミック表示装置機能とを併有するエレクトロクロミック表示装置・二次電池一体型固体素子の特性向上[例えば、二次電池としての充電容量およびエレクトロクロミック表示装置としての光透過率変化(色変化)の向上]に有効な手法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装置・二次電池一体型固体素子は、電圧印加により可逆的に酸化還元反応を起生し、この酸化還元反応に応じて活性層が電荷を蓄積または放出する(二次電池機能)と共に、該電荷の蓄積または放出に連動して光透過率(色)が変化する(エレクトロクロミック表示装置機能)ものであり、これらの特性(機能)向上が図られた固体素子である。
As described above, Patent Document 5 shows that an electrochromic display device using a redox functional layer is superior in terms of size and cost, whereas according to this technique, a semiconductor secondary battery, Or it is suggested that it is useful as a quantum battery (refer nonpatent literature 1 and nonpatent literature 2).
However, the change in the photoexcitation structure of the composite oxide thin film as described in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 is a new phenomenon, and there is an unclear point about the operating mechanism of the semiconductor secondary battery to which it is applied. Many guidelines for improvement of characteristics were not shown.
The present invention solves the above problems and improves the characteristics of an electrochromic display device / secondary battery integrated solid state device having both a secondary battery function and an electrochromic display device function [for example, charge capacity as a secondary battery It is another object of the present invention to provide an effective technique for improving light transmittance change (color change) as an electrochromic display device.
The solid state element integrated with an electrochromic display device / secondary battery according to the present invention reversibly generates a redox reaction by applying a voltage, and the active layer accumulates or releases charges according to the redox reaction (secondary charge). In addition to the battery function), the light transmittance (color) changes in conjunction with the accumulation or release of the charge (electrochromic display device function), and these characteristics (functions) are improved. .

本発明者らは詳細分析した結果、基板と、第一電極と、半導体金属酸化物と絶縁性金属酸化物との複合体からなり電圧印加によって可逆的に酸化還元反応を起生する活性層と、電子ブロック層と、第二電極とを備えた固体素子構成において、前記活性層と第一電極との間に、半導体金属酸化物からなる多孔質層を設けることにより、上記課題が解決されることを見出し本発明に至った。
すなわち、上記課題は、基板と、第一電極と、半導体金属酸化物からなる多孔質層と、半導体金属酸化物と絶縁性金属酸化物との複合体からなり電圧印加によって可逆的に酸化還元反応を起生する活性層と、電子ブロック層と、第二電極とを備え、前記活性層は酸化還元反応により電荷を蓄積または放出し、該電荷の蓄積または放出に連動して光透過率が変化することを特徴とするエレクトロクロミック表示装置・二次電池一体型固体素子により解決される。
As a result of detailed analysis, the present inventors have found that a substrate, a first electrode, and an active layer that is composed of a composite of a semiconductor metal oxide and an insulating metal oxide and reversibly causes a redox reaction by voltage application, In the solid-state device configuration including the electron blocking layer and the second electrode, the above problem is solved by providing a porous layer made of a semiconductor metal oxide between the active layer and the first electrode. As a result, the present invention was reached.
That is, the above-described problem is that a substrate, a first electrode, a porous layer made of a semiconductor metal oxide, and a composite of a semiconductor metal oxide and an insulating metal oxide are reversibly oxidized and reduced by voltage application. An active layer, an electron blocking layer, and a second electrode. The active layer accumulates or releases charges by an oxidation-reduction reaction, and the light transmittance changes in conjunction with the accumulation or release of the charges. This is solved by an electrochromic display device / secondary battery integrated solid-state element.

本発明のエレクトロクロミック表示装置・二次電池一体型固体素子は、基板と、第一電極と、半導体金属酸化物からなる多孔質層と、半導体金属酸化物と絶縁性金属酸化物との複合体からなり電圧印加によって可逆的に酸化還元反応を起生する活性層と、電子ブロック層と、第二電極とを備えてなり、前記第一電極と前記活性層との間に半導体金属酸化物からなる多孔質層を有する構成であるので、活性層において電荷の蓄積または放出に寄与する領域が増加し、二次電池としての充・放電容量およびエレクトロクロミック表示装置としての光透過率の変化(色変化)の向上が可能となる。   The electrochromic display device / secondary battery integrated solid element of the present invention includes a substrate, a first electrode, a porous layer made of a semiconductor metal oxide, and a composite of a semiconductor metal oxide and an insulating metal oxide. Comprising an active layer that reversibly causes a redox reaction upon application of a voltage, an electron blocking layer, and a second electrode, and is formed of a semiconductor metal oxide between the first electrode and the active layer. As a result, the area contributing to charge accumulation or emission in the active layer increases, and the charge / discharge capacity as a secondary battery and the change in light transmittance as an electrochromic display device (color) Change) can be improved.

従来のエレクトロクロミック表示素子および二次電池素子(従来型の固体素子)の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the conventional electrochromic display element and a secondary battery element (conventional solid-state element). X線光電子分光分析により観測された活性層における絶縁性金属酸化物の部分的還元状態を示すSi2pスペクトル図[充電なし(a)、充電状態(b)]である。It is a Si2p spectrum figure [no charge (a), charge state (b)] which shows the partial reduction state of the insulating metal oxide in the active layer observed by X-ray photoelectron spectroscopy analysis. 本発明に係るエレクトロクロミック表示装置・二次電池一体型固体素子の概略構成(a)および要部(b)を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure (a) and the principal part (b) of the electrochromic display apparatus and secondary battery integrated solid element concerning this invention.

前述のように本発明におけるエレクトロクロミック表示装置・二次電池一体型固体素子は、基板と、第一電極と、半導体金属酸化物からなる多孔質層と、半導体金属酸化物と絶縁性金属酸化物との複合体からなり電圧印加によって可逆的に酸化還元反応を起生する活性層と、電子ブロック層と、第二電極とを備え、前記活性層は酸化還元反応により電荷を蓄積または放出し、該電荷の蓄積または放出に連動して光透過率が変化することを特徴とするものである。   As described above, the electrochromic display device / secondary battery integrated solid element according to the present invention includes a substrate, a first electrode, a porous layer made of a semiconductor metal oxide, a semiconductor metal oxide, and an insulating metal oxide. An active layer that reversibly causes a redox reaction upon application of a voltage, an electron blocking layer, and a second electrode, wherein the active layer accumulates or releases charges by a redox reaction, The light transmittance is changed in conjunction with the accumulation or release of the charge.

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面と共に説明する。
図1は、従来のエレクトロクロミック表示素子および二次電池素子(略称:「従来型の固体素子」)の概略構成を示す断面図である。
従来型の固体素子は図1に示すように、基板11上に第一電極12、活性層13、電子ブロック層14、第二電極15の順に形成される。
例えば、特許文献5(WO2008/053561号公報)に記載されている類似構造の電界感応素子においては、表面色が明色である基板上に、例えば、酸化インジウム・スズ(ITO)からなる透光性の導電層(第一電極12相当)を設け、この第一電極上に金属酸化物とそれを覆う絶縁体とからなる透光性の層で被覆し、この被覆層をクロミズムを呈する光学機能層(活性層13に相当)に変質させ、この光学機能層上に第2の電極層A〔酸化ニッケル(NiO)〕(電子ブロック層14に相当)と第2の電極層B〔酸化インジウム・スズ(ITO)〕(第二電極15相当)を順次形成している。
以上のような構成で作製された従来型の固体素子において、第一電極側に負のバイアスを印加して活性層に電子を注入すると、活性層は電荷の蓄積と共に着色し、外部回路を経て第一電極と第二電極を接続すると、電荷の放出と共に消色する。
しかしこれまで、活性層における電荷の蓄積は、第一電極と活性層との界面で起きている現象であり、第一電極との界面近傍で、部分的に起きているとされてきたが、実際にどれくらいの領域が充電に寄与しているか、充電時にどのような変化が起きているかについてはわかっていない。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a conventional electrochromic display element and a secondary battery element (abbreviation: “conventional solid element”).
As shown in FIG. 1, a conventional solid-state element is formed on a substrate 11 in the order of a first electrode 12, an active layer 13, an electron blocking layer 14, and a second electrode 15.
For example, in an electric field sensitive element having a similar structure described in Patent Document 5 (WO2008 / 053561), a light transmitting material made of, for example, indium tin oxide (ITO) is formed on a substrate having a light surface color. Functional layer (corresponding to the first electrode 12), and the first electrode is covered with a translucent layer consisting of a metal oxide and an insulator covering it, and this covering layer has an optical function that exhibits chromism The second electrode layer A [nickel oxide (NiO)] (corresponding to the electron blocking layer 14) and the second electrode layer B [indium oxide. Tin (ITO)] (corresponding to the second electrode 15) is sequentially formed.
In the conventional solid-state device manufactured as described above, when a negative bias is applied to the first electrode side and electrons are injected into the active layer, the active layer is colored along with charge accumulation, and then passes through an external circuit. When the first electrode and the second electrode are connected, the color disappears with the release of electric charge.
However, until now, charge accumulation in the active layer is a phenomenon that occurs at the interface between the first electrode and the active layer, and it has been considered to occur partially near the interface with the first electrode. It is not known how much area actually contributes to charging and what kind of change occurs during charging.

そこで発明者らは、図1に示す構成に則って従来型の固体素子を作製し、この固体素子の第一電極に負のバイアスを印加し、第一電極から電子を注入して活性層13を電荷蓄積状態にした後、固体素子をArスパッタにより第二電極側からエッチングしながら、X線光電子分光分析(XPS:X-ray photoelectron spectroscopy)を実施することで、活性層の各元素の電子状態を測定して有効な活性層領域の解析を行った。
その結果、第一電極12と活性層13の接する界面から、活性層の上部側(電子ブロック層14と接する側)に向かった所定の領域において、絶縁性金属酸化物の部分的還元状態が観測された。
図2に絶縁性金属酸化物にSiOを用いた場合の部分的還元状態を示すデータの例を示す。
すなわち、図2は、X線光電子分光分析により観測された活性層における絶縁性金属酸化物の部分的還元状態を示すSi2pスペクトル図である[充電なし(a)、充電状態(b)]。
充電状態(b)で観測された部分的還元状態を示す変化は、充電なし(a)では観測されなかった。
なお、図2における活性層は、スズ酸化物からなる半導体金属酸化物と、シリコン酸化物からなる絶縁性金属酸化物との混合体(複合酸化物)により構成されている。
Therefore, the inventors manufactured a conventional solid-state device in accordance with the configuration shown in FIG. 1, applied a negative bias to the first electrode of the solid-state device, and injected electrons from the first electrode to thereby activate the active layer 13. In the active layer, the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is performed while etching the solid element from the second electrode side by Ar sputtering. The effective active layer region was analyzed by measuring the state.
As a result, a partial reduction state of the insulating metal oxide was observed in a predetermined region from the interface between the first electrode 12 and the active layer 13 toward the upper side of the active layer (the side in contact with the electron blocking layer 14). It was done.
FIG. 2 shows an example of data indicating a partial reduction state when SiO 2 is used as the insulating metal oxide.
That is, FIG. 2 is a Si2p spectrum diagram showing the partially reduced state of the insulating metal oxide in the active layer observed by X-ray photoelectron spectroscopy [no charge (a), charge state (b)].
The change indicating the partially reduced state observed in the charged state (b) was not observed in the uncharged state (a).
Note that the active layer in FIG. 2 is composed of a mixture (composite oxide) of a semiconductor metal oxide made of tin oxide and an insulating metal oxide made of silicon oxide.

以上の分析結果から発明者らは、活性層において絶縁性金属酸化物の部分的還元状態が観測される領域を有効な活性層領域と設定した。そこで、活性層において有効な活性層領域を増やすようなセル構造を設計すれば、二次電池としての充・放電容量およびエレクトロクロミック表示装置としての光透過率変化(色変化)の性能を共に向上することができるとの確証が得られ、第一電極層と活性層の間に半導体金属酸化物からなる多孔質層を設けた構成のエレクトロクロミック表示装置・二次電池一体型固体素子を作製し、本技術を完成するに至った。   From the above analysis results, the inventors set the region where the partially reduced state of the insulating metal oxide is observed in the active layer as the effective active layer region. Therefore, by designing a cell structure that increases the active layer area in the active layer, both the charge / discharge capacity as a secondary battery and the light transmittance change (color change) performance as an electrochromic display device are improved. An electrochromic display device / rechargeable battery integrated solid-state device having a structure in which a porous layer made of a semiconductor metal oxide is provided between the first electrode layer and the active layer is obtained. This technology has been completed.

図3(a)、(b)に、本発明のエレクトロクロミック表示装置・二次電池一体型固体素子(以降、「本発明の固体素子」と呼称することがある。)の概略構成および要部の断面図を示す。
本発明の固体素子は図3(a)に示すように全体構成は、基板11上に第一電極12、多孔質層16、活性層13、電子ブロック層14、第二電極15の各層が順に形成されてなる。
多孔質層16は、図3(b)に示すように空隙を有するものであり、図においては空隙が球状であるように示されているが、必ずしも球状である必要はなくランダムな形状で構わない。
つまり、多孔質層の空隙が不特定形状であってもよく、該空隙の孔径は20nm以上1μm以下が好ましく、50nm以上500nm以下がより好ましい。この孔径範囲において、効果的に蓄積電荷量の増加、すなわち充電容量および透過率変化量の向上に寄与することができた。つまり、ここで示した範囲の孔径の値は、X線光電子分光分析による有効な活性層領域の分析結果と相関があり、本発明による多孔質層の導入(第一電極層と活性層の間に半導体金属酸化物からなる多孔質層を挿入)によって、有効な活性層領域の増大に効果的との結論を得た。上述した有効な活性層領域は、活性層の金属材料や酸素欠損率など組成によって異なる可能性はあるが、その場合も同様の手順でX線光電子分光分析によって有効な活性層領域を適切に設定し、多孔質層の孔径に反映することができる。
多孔質層の厚みとしては、20nm以上が好ましく、50nm以上がより好ましい。厚みの上限は、多孔質層が均一に作製でき、電子輸送性が大幅に低下しない領域であれば特に問題ないが、エレクトロクロミック表示装置として用いる際には、色変化(消色)時の光透過率を低下させず、かつ着色時の透過率変化を十分下げ得ることを考慮すれば、1μm以下が好ましい。
3 (a) and 3 (b), the schematic configuration and the main part of the electrochromic display device / secondary battery integrated solid element of the present invention (hereinafter sometimes referred to as "solid element of the present invention"). FIG.
As shown in FIG. 3A, the solid element of the present invention has an overall configuration in which the first electrode 12, the porous layer 16, the active layer 13, the electron blocking layer 14, and the second electrode 15 are arranged on the substrate 11 in order. Formed.
The porous layer 16 has voids as shown in FIG. 3B, and the voids are shown to be spherical in the figure, but they are not necessarily spherical and may have a random shape. Absent.
That is, the void of the porous layer may have an unspecified shape, and the pore diameter of the void is preferably 20 nm or more and 1 μm or less, and more preferably 50 nm or more and 500 nm or less. In this pore diameter range, it was possible to effectively contribute to an increase in the accumulated charge amount, that is, an improvement in the charge capacity and the transmittance change amount. That is, the pore size values in the range shown here have a correlation with the analysis result of the active layer region effective by X-ray photoelectron spectroscopy, and the introduction of the porous layer according to the present invention (between the first electrode layer and the active layer). It was concluded that a porous layer made of a semiconductor metal oxide was inserted into the effective active layer region. The effective active layer region described above may vary depending on the composition such as the metal material of the active layer and the oxygen deficiency rate, but in this case as well, the effective active layer region is appropriately set by X-ray photoelectron spectroscopy analysis in the same procedure. It can be reflected in the pore size of the porous layer.
The thickness of the porous layer is preferably 20 nm or more, and more preferably 50 nm or more. The upper limit of the thickness is not particularly problematic as long as the porous layer can be produced uniformly and the electron transportability is not significantly reduced. However, when used as an electrochromic display device, the light at the time of color change (decoloration) In consideration of not reducing the transmittance and sufficiently reducing the transmittance change during coloring, 1 μm or less is preferable.

本発明の固体素子の構成層として設ける多孔質層16は、スズ酸化物、インジウム酸化物、チタン酸化物、亜鉛酸化物、ニオブ酸化物、タングステン酸化物などの半導体金属酸化物を用いることが可能であり、それらを単独で用いてもよいし、それらを複数含んでなる複合酸化物として用いてもよい。特に、スズ酸化物またはインジウム酸化物から選択された少なくとも一種の半導体金属酸化物、あるいはこれらの複合酸化物(例えば、ITO)は好ましく用いられる。   For the porous layer 16 provided as a constituent layer of the solid element of the present invention, it is possible to use a semiconductor metal oxide such as tin oxide, indium oxide, titanium oxide, zinc oxide, niobium oxide, and tungsten oxide. These may be used alone or as a composite oxide comprising a plurality of them. In particular, at least one semiconductor metal oxide selected from tin oxide or indium oxide, or a composite oxide thereof (for example, ITO) is preferably used.

多孔質層を形成する手法としては、ナノ粒子を用いるか、界面活性剤を利用してメソ、マクロポーラス構造を形成する方法、あるいはネットワーク型電極材料を用いる方法などが利用できる。
特に、多孔質層として半導体金属酸化物ナノ粒子を用いて構成することが好ましい。半導体酸化物ナノ粒子を用いることにより、好適な分散媒にナノ粒子を分散した分散液を塗布後、焼成するだけで、簡便に多孔質層を形成することができる。このような材料としては、前述のスズ酸化物、インジウム酸化物、チタン酸化物、亜鉛酸化物、ニオブ酸化物、タングステン酸化物から選択された少なくとも一種の半導体酸化物半導体金属酸化物を含んでなるナノメータサイズの微粒子が好ましく用いられる。
例えば、前記ナノメータサイズの半導体金属酸化物微粒子を溶媒に分散させて分散液とし、これを第一電極上に塗布・乾燥することにより多孔質層を形成することができる。これにより簡便で確実に多孔質層を形成することができる。
As a method for forming the porous layer, a method of using nanoparticles, a method of forming a meso or macroporous structure using a surfactant, a method of using a network electrode material, or the like can be used.
In particular, the porous layer is preferably formed using semiconductor metal oxide nanoparticles. By using semiconductor oxide nanoparticles, it is possible to easily form a porous layer simply by applying a dispersion liquid in which nanoparticles are dispersed in a suitable dispersion medium, followed by baking. Such a material comprises at least one semiconductor oxide semiconductor metal oxide selected from the aforementioned tin oxide, indium oxide, titanium oxide, zinc oxide, niobium oxide, and tungsten oxide. Nanometer-sized fine particles are preferably used.
For example, the porous layer can be formed by dispersing the nanometer-sized semiconductor metal oxide fine particles in a solvent to form a dispersion, which is applied and dried on the first electrode. Thereby, a porous layer can be formed easily and reliably.

以下、本発明のエレクトロクロミック表示装置・二次電池一体型固体素子(本発明の固体素子)を構成する前記多孔質層以外の各層における各構成材料および形成プロセスについて説明する。
〔基板〕
基板11は、ガラス、薄膜金属、プラスチック等の材料から構成されており、例えば、無アルカリガラス、硼珪酸ガラス、フロートガラス、ソーダ石灰ガラス、ポリマー樹脂などを用いることができる。ただし、耐熱性の低い基板を用いる際には、プロセス温度を基板の耐熱温度以下に設定する必要がある。金属基板を用いる際には、絶縁層を形成して第一電極とのショートを防止する必要がある。またエレクトロクロミック表示装置として用いる場合には、可視光を透過する基板を用いる必要がある。
Hereinafter, each constituent material and formation process in each layer other than the porous layer constituting the electrochromic display device / secondary battery integrated solid element of the present invention (solid element of the present invention) will be described.
〔substrate〕
The substrate 11 is made of a material such as glass, thin film metal, or plastic, and for example, alkali-free glass, borosilicate glass, float glass, soda lime glass, polymer resin, or the like can be used. However, when using a substrate having low heat resistance, it is necessary to set the process temperature to be equal to or lower than the heat resistant temperature of the substrate. When using a metal substrate, it is necessary to form an insulating layer to prevent a short circuit with the first electrode. In the case of using as an electrochromic display device, it is necessary to use a substrate that transmits visible light.

〔第一電極〕
本発明に用いられる第一電極12としては、二次電池として利用する場合には、導電性材料であれば特に限定されるものではなく、公知の金属、金属酸化物、有機導電材料を使用できる。一方、エレクトロクロミック表示装置として用いる場合には透明な材料を使用することができる。
第一電極11としては、例えば、インジウム・スズ酸化物(以下、ITOと称す)、フッ素ドープ酸化スズ(以下、FTOと称す)、アンチモンドープ酸化スズ(以下、ATOと称す)、インジウム・亜鉛酸化物、ニオブ・チタン酸化物、グラフェン等、CNT、Al、Ti、Ag、Au、Pt等の金属が挙げられ、これらは単独あるいは複数積層されていてもよい。
[First electrode]
The first electrode 12 used in the present invention is not particularly limited as long as it is a conductive material when used as a secondary battery, and a known metal, metal oxide, or organic conductive material can be used. . On the other hand, when used as an electrochromic display device, a transparent material can be used.
Examples of the first electrode 11 include indium tin oxide (hereinafter referred to as ITO), fluorine-doped tin oxide (hereinafter referred to as FTO), antimony-doped tin oxide (hereinafter referred to as ATO), and indium / zinc oxide. Metal, niobium / titanium oxide, graphene, and the like, and metals such as CNT, Al, Ti, Ag, Au, and Pt may be used, and these may be used alone or in combination.

第一電極12の厚さに特に制限はないが、二次電池として利用する場合には、比抵抗が低いものがエネルギー密度の点から好ましい。膜厚としては5nm〜1μmが好ましく、20nm〜100nmが更に好ましい。また、エレクトロクロミック表示装置として用いる場合には、可視光透過率の高い電極を用いる必要があり、上記の中では、ITO、FTO、ATO、グラフェンなどが好ましい。   Although there is no restriction | limiting in particular in the thickness of the 1st electrode 12, when using as a secondary battery, a thing with a low specific resistance is preferable from the point of energy density. The film thickness is preferably 5 nm to 1 μm, and more preferably 20 nm to 100 nm. Moreover, when using as an electrochromic display device, it is necessary to use an electrode with high visible light transmittance, and ITO, FTO, ATO, graphene, etc. are preferable in the above.

第一電極12の形成プロセスとしては、公知のスパッタリングや蒸着などの真空製膜や、各種印刷法による製膜方式がある。
印刷で形成する場合には、各種金属のナノ粒子インクや有機金属塩錯体インクの塗布熱分解による形成、あるいはゾルゲル法による形成などが可能である。印刷プロセスとしてはインクジェット法、ディスペンサ法、凸版、オフセット、グラビア、凹版、ゴム版、スクリーン印刷、ディップ法、スプレー法、ワイヤーバー法、スピンコート法、ローラーコート法、ブレードコート法など様々な方法を用いることができる。
As the formation process of the first electrode 12, there are known vacuum film formation such as sputtering and vapor deposition, and film formation methods by various printing methods.
In the case of forming by printing, formation by coating pyrolysis of various metal nanoparticle inks or organometallic salt complex inks, formation by a sol-gel method, or the like is possible. Various printing methods such as inkjet method, dispenser method, letterpress, offset, gravure, intaglio, rubber plate, screen printing, dipping method, spray method, wire bar method, spin coating method, roller coating method, blade coating method, etc. Can be used.

〔活性層〕
本発明の固体素子を構成する活性層13としては、半導体金属酸化物と絶縁性金属酸化物とを混合した複合体(複合酸化物)からなる薄膜を用いることができる。
半導体金属酸化物としては、スズ酸化物(酸化スズ)、チタン酸化物(酸化チタン)および亜鉛酸化物(酸化亜鉛)等が好ましく用いられる。特に、スズ酸化物またはチタン酸化物は好ましく用いられる。
一方、絶縁性金属酸化物としては、シリコン酸化物(酸化ケイ素)またはアルミ酸化物(アルミナ)等が好ましく用いられる。特に、シリコン酸化物は好ましく用いられる。
[Active layer]
As the active layer 13 constituting the solid state device of the present invention, a thin film made of a composite (composite oxide) in which a semiconductor metal oxide and an insulating metal oxide are mixed can be used.
As the semiconductor metal oxide, tin oxide (tin oxide), titanium oxide (titanium oxide), zinc oxide (zinc oxide) and the like are preferably used. In particular, tin oxide or titanium oxide is preferably used.
On the other hand, as the insulating metal oxide, silicon oxide (silicon oxide) or aluminum oxide (alumina) is preferably used. In particular, silicon oxide is preferably used.

活性層13の形成プロセスとしては、半導体金属酸化物と絶縁性金属酸化物を含有するナノ粒子インク、あるいは有機金属錯体インクを用いて、塗布・熱分解により形成する手法、あるいはゾルゲル法により形成する手法などを適用することが可能である。
絶縁性金属酸化物として各種シリコーン化合物などの絶縁材料を用いる場合には溶媒に溶解して金属材料と混合して形成することが可能である。
印刷プロセスを用いて活性層13を形成する場合には、前記第一電極12と同様の手法を用いることができる。
活性層用の前駆体溶液を用いる場合、例えば、2−エチルヘキサン酸スズ、トルエン、シリコンオイルとの混合液を多孔質層16表面に塗布(例えば、スピンコート)し、乾燥後、500℃程度で焼成処理を行うことによって、スズ酸化物とシリコン酸化物との複合体からなる複合酸化物薄膜が形成される。
次に、上記形成した複合酸化物薄膜に対して構造変化処理を行うことによって活性層13へと変化させる。
構造変化処理としては、紫外線照射、電子線照射などによる方法を用いることが可能である。紫外線としては高圧水銀ランプ、低圧水銀ランプ、YAGレーザーなどを用いることができ、照射エネルギー密度の高いプロセスが生産時のタクトタイムを短くすることができることから好ましい。
構造変化処理により、第一電極(例えば、ITO)および多孔質層(ITO微粒子)上の活性層(スズ酸化物とシリコン酸化物)に紫外線が照射されると、スズ酸化物(SnO)の価電子帯の電子が伝導帯に励起される。ITOとの界面付近では、この電子が確率をもって絶縁物を通り抜けて一時的にITOに捕獲され、価電子帯の電子が抜けた部位の原子間距離が変化する。捕獲されていた電子は再びスズ酸化物(SnO)の価電子帯に戻るが、その準位はバンドギャップ内に移動する。このような事象の繰り返しで紫外線照射時においてバンドギャップ内に多数の準位ができる。一方これらの準位に捕らえられるべき電子は紫外線によって励起されてITOに移動し、生じた電子不在のバンドギャップ内の準位は、紫外線照射終了後も残存する。金属酸化物が吸収する光のエネルギーはバンドギャップ内の準位に依存し、スズ酸化物(SnO)の場合、バンドギャップ内の電子が少ない状態では光透過率が大きい。
絶縁性金属酸化物(例えば、シリコン酸化物:SiO)は励起された電子を通過させる役割を担う。つまり、ITOとスズ酸化物(SnO)の間にシリコン酸化物(SiO)が介在した状態で紫外線照射を受けることによってスズ酸化物(SnO)は構造変化する。
As a process for forming the active layer 13, a nanoparticle ink containing a semiconductor metal oxide and an insulating metal oxide or an organometallic complex ink is used to form by coating and thermal decomposition, or by a sol-gel method. It is possible to apply a method or the like.
When an insulating material such as various silicone compounds is used as the insulating metal oxide, it can be formed by dissolving in a solvent and mixing with a metal material.
When the active layer 13 is formed using a printing process, the same technique as that for the first electrode 12 can be used.
When using the precursor solution for the active layer, for example, a mixed solution of tin 2-ethylhexanoate, toluene, and silicon oil is applied to the surface of the porous layer 16 (for example, spin coating), and after drying, about 500 ° C. The composite oxide thin film which consists of a composite of a tin oxide and a silicon oxide is formed by performing a baking process by.
Next, the composite oxide thin film thus formed is changed into the active layer 13 by performing a structure change process.
As the structure change treatment, a method using ultraviolet irradiation, electron beam irradiation, or the like can be used. As the ultraviolet ray, a high-pressure mercury lamp, a low-pressure mercury lamp, a YAG laser, or the like can be used, and a process with a high irradiation energy density is preferable because the tact time during production can be shortened.
When the active layer (tin oxide and silicon oxide) on the first electrode (for example, ITO) and the porous layer (ITO fine particles) is irradiated with ultraviolet rays by the structure change treatment, the tin oxide (SnO 2 ) Electrons in the valence band are excited to the conduction band. In the vicinity of the interface with ITO, the electrons pass through the insulator with probability and are temporarily captured by ITO, and the interatomic distance of the site from which the electrons in the valence band have escaped changes. The trapped electrons return to the valence band of tin oxide (SnO 2 ) again, but the level moves into the band gap. By repeating such an event, a large number of levels are formed in the band gap during ultraviolet irradiation. On the other hand, the electrons to be trapped in these levels are excited by ultraviolet rays and move to ITO, and the levels in the band gap in the absence of the generated electrons remain even after the ultraviolet irradiation ends. The energy of light absorbed by the metal oxide depends on the level in the band gap. In the case of tin oxide (SnO 2 ), the light transmittance is large when the number of electrons in the band gap is small.
An insulating metal oxide (for example, silicon oxide: SiO 2 ) plays a role of passing excited electrons. That is, the structure of tin oxide (SnO 2 ) is changed by being irradiated with ultraviolet rays in a state where silicon oxide (SiO 2 ) is interposed between ITO and tin oxide (SnO 2 ).

〔ブロック層〕
ブロック層14は、第二電極15から活性層13への不必要な電子注入を防止する役割を担うものである。
ブロック層14としては、例えば、酸化ニッケルからなる薄膜を用いることができる。
酸化ニッケル薄膜は、NiOをターゲットとしてスパッタ法により形成することができる。
また、ブロック層14を形成する有機材料としては、各種p型半導体材料を用いることができる。一例として、ポリチオフェンなどの高分子や、ペンタセンなどの低分子材料を用いることができる。
有機材料からなるブロック層の形成プロセスとしては、有機溶媒に可溶な高分子材料を用いる場合には印刷プロセスで形成することができる。また、低分子系材料を用いる場合には真空蒸着などのプロセスで形成することができる。
また、本発明におけるエレクトロクロミック表示装置・二次電池一体型固体素子をエレクトロクロミック表示装置として用いる際には、膜厚を厚くすると透過率が低下するため、最適値を設定する必要がある。
[Block layer]
The block layer 14 plays a role of preventing unnecessary electron injection from the second electrode 15 to the active layer 13.
As the block layer 14, for example, a thin film made of nickel oxide can be used.
The nickel oxide thin film can be formed by sputtering using NiO as a target.
As the organic material for forming the block layer 14, various p-type semiconductor materials can be used. As an example, a polymer such as polythiophene or a low molecular material such as pentacene can be used.
As a process for forming a block layer made of an organic material, when a polymer material soluble in an organic solvent is used, it can be formed by a printing process. Further, when a low molecular material is used, it can be formed by a process such as vacuum deposition.
In addition, when the electrochromic display device / secondary battery integrated solid element according to the present invention is used as an electrochromic display device, an increase in film thickness causes a decrease in transmittance, so an optimum value needs to be set.

〔第二電極〕
第二電極15に用いられる材料としては、第一電極12と同様の材料およびプロセスを適用することができる。すなわち、二次電池として利用する場合には、導電性材料であれば特に限定されるものではなく、公知の金属、金属酸化物、有機導電材料を使用できる。一方、エレクトロクロミック表示装置として用いる場合には前述の透明な材料(例えば、ITO)を使用することができる。
[Second electrode]
As the material used for the second electrode 15, the same materials and processes as those for the first electrode 12 can be applied. That is, when it uses as a secondary battery, if it is an electroconductive material, it will not specifically limit, A well-known metal, a metal oxide, and an organic electroconductive material can be used. On the other hand, when used as an electrochromic display device, the above-mentioned transparent material (for example, ITO) can be used.

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not limited to these Examples at all.

[比較例1]
図1の断面図に示す層構成に準拠して、下記により従来型の固体素子を作製した。
基板11として、縦40mm×横40mm、厚さ0.7mmのガラス基板を準備した。
このガラス基板上に、ITO膜を、シャドーマスクを介してスパッタ法により約150nmの厚さになるように成膜することによって、第一の電極層(第一電極12)を形成した。
次に、2−エチルヘキサン酸スズ0.24g、トルエン1.28ml、シリコンオイル(TSF433)1.2gとの混合液を用意した。この混合液を前記ITO膜(第一電極12)表面にスピンコート法により塗布し、乾燥後、500℃で1時間焼成処理を行うことによって、スズ酸化物とシリコン酸化物の混合膜を形成した。次に、焼成処理を行った膜に紫外線を照射した。照射強度は254nmにおいて、40mW/cm、照射時間は5hrとした。これによって活性層13を形成した。膜厚は凡そ400nmであった。
活性層13形成後、続いてスパッタ法によりNiOをターゲットとして酸化ニッケルを活性層13上に140nmの厚さで成膜し、電子ブロック層14を形成した。
さらに、電子ブロック層14上に、シャドーマスクを介してスパッタ法によってITO膜を約150nmの厚さになるように成膜することによって、第二の電極層(第二電極15)を形成した。
これにより、図1に示す層構成に準拠した従来型の固体素子(比較例1)を作製した。
[Comparative Example 1]
In accordance with the layer configuration shown in the cross-sectional view of FIG.
As the substrate 11, a glass substrate having a length of 40 mm × width of 40 mm and a thickness of 0.7 mm was prepared.
A first electrode layer (first electrode 12) was formed on this glass substrate by depositing an ITO film to a thickness of about 150 nm by a sputtering method through a shadow mask.
Next, a mixed solution of 0.24 g of tin 2-ethylhexanoate, 1.28 ml of toluene, and 1.2 g of silicon oil (TSF433) was prepared. This mixed solution was applied to the surface of the ITO film (first electrode 12) by a spin coat method, dried, and then baked at 500 ° C. for 1 hour to form a mixed film of tin oxide and silicon oxide. . Next, the film subjected to the baking treatment was irradiated with ultraviolet rays. The irradiation intensity was 40 mW / cm 2 at 254 nm and the irradiation time was 5 hours. Thus, the active layer 13 was formed. The film thickness was approximately 400 nm.
After the formation of the active layer 13, a nickel oxide film having a thickness of 140 nm was formed on the active layer 13 using NiO as a target by sputtering to form an electron blocking layer.
Further, a second electrode layer (second electrode 15) was formed on the electron blocking layer 14 by depositing an ITO film with a thickness of about 150 nm by sputtering through a shadow mask.
Thus, a conventional solid element (Comparative Example 1) conforming to the layer configuration shown in FIG. 1 was produced.

上記作製した従来型の固体素子(比較例1)を用いて充放電特性および透過率変化を評価した。
充電容量を0.5μAhr/cmとし、10μA/cmにて定電流放電を測定したところ、終止電圧−0.1Vにて平均電圧−0.9V、放電容量は0.41μAhr/cmであった。
充電容量を1.0μAhr/cmとし、10μA/cmにて定電流放電を測定したところ、終止電圧−0.1Vにて平均電圧−0.91V、放電容量は0.42μAhr/cmであった。
充電容量を1.5μAhr/cmとし、10μA/cmにて定電流放電を測定したところ、終止電圧−0.1Vにて平均電圧−0.9V、放電容量は0.41μAhr/cmであった。
また、比較例1の素子に対して、±4V、1V/sで電圧を印加した。その時の透過率変化(色変化に伴う光透過率変化)は視感度の高い波長555nmにおいて、78%から72%の変動であった。
下記表1に比較例1の充放電特性および透過率変化の評価結果をまとめて示す。
The charge / discharge characteristics and the transmittance change were evaluated using the conventional solid-state device (Comparative Example 1) produced above.
When the charge capacity was 0.5 μAhr / cm 2 and constant current discharge was measured at 10 μA / cm 2 , the final voltage was −0.1 V, the average voltage was −0.9 V, and the discharge capacity was 0.41 μAhr / cm 2 . there were.
When the charge capacity was 1.0 μAhr / cm 2 and the constant current discharge was measured at 10 μA / cm 2, the average voltage was −0.91 V at a final voltage of −0.1 V, and the discharge capacity was 0.42 μAhr / cm 2 . there were.
When the charge capacity was 1.5 μAhr / cm 2 and constant current discharge was measured at 10 μA / cm 2 , the final voltage was −0.1 V, the average voltage was −0.9 V, and the discharge capacity was 0.41 μAhr / cm 2 . there were.
A voltage was applied to the element of Comparative Example 1 at ± 4 V and 1 V / s. The transmittance change at that time (light transmittance change accompanying the color change) varied from 78% to 72% at a wavelength of 555 nm with high visibility.
Table 1 below collectively shows the evaluation results of the charge / discharge characteristics and transmittance change of Comparative Example 1.

[実施例1]
図3(a)に示す層構成に準拠して、下記により本発明のエレクトロクロミック表示装置・二次電池一体型素子(本発明の固体素子)を作製した。
基板11として、縦40mm×横40mm、厚さ0.7mmのガラス基板を準備した。
このガラス基板上に、ITO膜を、シャドーマスクを介してスパッタ法により約150nmの厚さになるように成膜することによって、第一の電極層(第一電極12)を形成した。
さらに粒径80nmのITO微粒子をトルエンに分散した分散液を所望の濃度に調整し、この分散液を第一電極12表面にスピンコートにより塗布した後、乾燥・焼成することによって、厚み約80nmの多孔質層16を形成した。多孔質層16の空隙の大きさは、第一電極面と平行な面方向において孔径50nm〜200nmの構造を有していた。
次に、2−エチルヘキサン酸スズ0.24g、トルエン1.28ml、シリコンオイル(TSF433)1.2gとの混合液を用意した。この混合液を前記ITO微粒子からなる多孔質層16表面にスピンコート法により塗布し、乾燥後、500℃で1時間焼成処理を行うことによって、スズ酸化物とシリコン酸化物の混合膜を形成した。次に、焼成処理を行った膜に紫外線を照射した。照射強度は254nmにおいて、40mW/cm、照射時間は5hrとした。これによって活性層13を形成した。膜厚は凡そ400nmであった。
活性層13形成後、続いてスパッタ法によりNiOをターゲットとして酸化ニッケルを活性層13上に140nmの厚さで成膜し、電子ブロック層14を形成した。
さらに、電子ブロック層14上に、シャドーマスクを介してスパッタ法によってITO膜を約150nmの厚さになるように成膜することによって、第二の電極層(第二電極15)を形成した。
これにより、図3(a)に示す層構成に準拠した本発明の固体素子(実施例1)を作製した。
[Example 1]
In accordance with the layer structure shown in FIG. 3A, the electrochromic display device / secondary battery integrated element of the present invention (solid element of the present invention) was produced as follows.
As the substrate 11, a glass substrate having a length of 40 mm × width of 40 mm and a thickness of 0.7 mm was prepared.
A first electrode layer (first electrode 12) was formed on this glass substrate by depositing an ITO film to a thickness of about 150 nm by a sputtering method through a shadow mask.
Further, a dispersion liquid in which ITO fine particles having a particle diameter of 80 nm are dispersed in toluene is adjusted to a desired concentration, and this dispersion liquid is applied to the surface of the first electrode 12 by spin coating, and then dried and baked to obtain a thickness of about 80 nm. A porous layer 16 was formed. The size of the voids of the porous layer 16 had a structure with a pore diameter of 50 nm to 200 nm in the plane direction parallel to the first electrode surface.
Next, a mixed solution of 0.24 g of tin 2-ethylhexanoate, 1.28 ml of toluene, and 1.2 g of silicon oil (TSF433) was prepared. This mixed liquid was applied to the surface of the porous layer 16 made of the ITO fine particles by a spin coating method, dried, and then subjected to a baking treatment at 500 ° C. for 1 hour to form a mixed film of tin oxide and silicon oxide. . Next, the film subjected to the baking treatment was irradiated with ultraviolet rays. The irradiation intensity was 40 mW / cm 2 at 254 nm and the irradiation time was 5 hours. Thus, the active layer 13 was formed. The film thickness was approximately 400 nm.
After the formation of the active layer 13, a nickel oxide film having a thickness of 140 nm was formed on the active layer 13 using NiO as a target by sputtering to form an electron blocking layer.
Further, a second electrode layer (second electrode 15) was formed on the electron blocking layer 14 by depositing an ITO film with a thickness of about 150 nm by sputtering through a shadow mask.
This produced the solid element (Example 1) of this invention based on the layer structure shown to Fig.3 (a).

上記作製した本発明の固体素子(実施例1)を用いて充放電特性および透過率変化を評価した。
充電容量を0.5μAhr/cmとし、10μA/cmにて定電流放電を測定したところ、終止電圧−0.1Vにて平均電圧−0.88V、放電容量は0.43μAhr/cmであった。
充電容量を1.0μAhr/cmとし、10μA/cmにて定電流放電を測定したところ、終止電圧−0.1Vにて平均電圧−0.92V、放電容量は0.81μAhr/cmであった。
充電容量を1.5μAhr/cmとし、10μA/cmにて定電流放電を測定したところ、終止電圧−0.1Vにて平均電圧−0.93V、放電容量は0.92μAhr/cmであった。
また、実施例1の素子に対して、±4V、1V/sで電圧を印加した。その時の透過率変化(色変化に伴う光透過率変化)は視感度の高い波長555nmにおいて、76%から62%の変動であった。
下記表1に実施例1の充放電特性および透過率変化の評価結果をまとめて示す。
The charge / discharge characteristics and transmittance change were evaluated using the solid element (Example 1) of the present invention produced above.
When the charge capacity was 0.5 μAhr / cm 2 and constant current discharge was measured at 10 μA / cm 2 , the final voltage was −0.1 V, the average voltage was −0.88 V, and the discharge capacity was 0.43 μAhr / cm 2 . there were.
When the charge capacity was set to 1.0 μAhr / cm 2 and constant current discharge was measured at 10 μA / cm 2, the average voltage was −0.92 V at a final voltage of −0.1 V, and the discharge capacity was 0.81 μAhr / cm 2 . there were.
When the charge capacity was 1.5 μAhr / cm 2 and constant current discharge was measured at 10 μA / cm 2, the average voltage was −0.93 V at a final voltage of −0.1 V, and the discharge capacity was 0.92 μAhr / cm 2 . there were.
A voltage was applied to the device of Example 1 at ± 4 V and 1 V / s. The transmittance change at that time (light transmittance change accompanying the color change) varied from 76% to 62% at a wavelength of 555 nm with high visibility.
Table 1 below summarizes the evaluation results of charge / discharge characteristics and transmittance change of Example 1.

[比較例2]
比較例1において用いた2エチルヘキサン酸スズの代わりに2エチルヘキサン酸チタンを用いること以外は、比較例1と同様にして図1に示す層構成に準拠した従来型の固体素子(比較例2)を作製した。
[Comparative Example 2]
1 except that titanium 2-ethylhexanoate was used instead of tin 2-ethylhexanoate used in Comparative Example 1 (Comparative Example 2) ) Was produced.

上記作製した従来型の固体素子(比較例2)を用いて充放電特性および透過率変化を評価した。
充電容量を0.5μAhr/cmとし、10μA/cmにて定電流放電を測定したところ、終止電圧−0.1Vにて平均電圧−1.2V、放電容量は0.35μAhr/cmであった。
充電容量を1.0μAhr/cmとし、10μA/cmにて定電流放電を測定したところ、終止電圧−0.1Vにて平均電圧−1.1V、放電容量は0.36μAhr/cmであった。
充電容量を1.5μAhr/cmとし、10μA/cmにて定電流放電を測定したところ、終止電圧−0.1Vにて平均電圧−1.2V、放電容量は0.37μAhr/cmであった。
また、比較例2の素子に対して、±4V、1V/sで電圧を印加した。その時の透過率変化(色変化に伴う光透過率変化)は視感度の高い波長555nmにおいて、81%から77%の変動であった。
下記表1に比較例2の充放電特性および透過率変化の評価結果をまとめて示す。
The charge / discharge characteristics and the transmittance change were evaluated using the conventional solid-state device (Comparative Example 2) produced above.
When the charge capacity was 0.5 μAhr / cm 2 and constant current discharge was measured at 10 μA / cm 2, the average voltage was −1.2 V at a final voltage of −0.1 V, and the discharge capacity was 0.35 μAhr / cm 2 . there were.
When the charge capacity was 1.0 μAhr / cm 2 and the constant current discharge was measured at 10 μA / cm 2, the average voltage was −1.1 V at a final voltage of −0.1 V, and the discharge capacity was 0.36 μAhr / cm 2 . there were.
When the charge capacity was 1.5 μAhr / cm 2 and constant current discharge was measured at 10 μA / cm 2 , the final voltage was −0.1 V, the average voltage was −1.2 V, and the discharge capacity was 0.37 μAhr / cm 2 . there were.
A voltage was applied to the element of Comparative Example 2 at ± 4 V and 1 V / s. The transmittance change at that time (light transmittance change accompanying color change) varied from 81% to 77% at a wavelength of 555 nm with high visibility.
Table 1 below collectively shows the evaluation results of the charge / discharge characteristics and transmittance change of Comparative Example 2.

[実施例2]
実施例1において用いた2エチルヘキサン酸スズの代わりに2エチルヘキサン酸チタンを用いること以外は、実施例1と同様にして図3(a)に示す層構成に準拠した本発明の固体素子(実施例2)を作製した。
[Example 2]
The solid element of the present invention conforming to the layer structure shown in FIG. 3 (a) in the same manner as in Example 1 except that titanium 2-ethylhexanoate was used instead of tin 2-ethylhexanoate used in Example 1. Example 2) was prepared.

上記作製した本発明の固体素子(実施例2)を用いて充放電特性および透過率変化を評価した。
充電容量を0.5μAhr/cmとし、10μA/cmにて定電流放電を測定したところ、終止電圧−0.1Vにて平均電圧−1.1V、放電容量は0.40μAhr/cmであった。
充電容量を1.0μAhr/cmとし、10μA/cmにて定電流放電を測定したところ、終止電圧−0.1Vにて平均電圧−1.31V、放電容量は0.72μAhr/cmであった。
充電容量を1.5μAhr/cmとし、10μA/cmにて定電流放電を測定したところ、終止電圧−0.1Vにて平均電圧−1.2V、放電容量は0.72μAhr/cmであった。
また、実施例1の素子に対して、±4V、1V/sで電圧を印加した。その時の透過率変化(色変化に伴う光透過率変化)は視感度の高い波長555nmにおいて、79%から68%の変動であった。
下記表1に実施例2の充放電特性および透過率変化の評価結果をまとめて示す。
The charge / discharge characteristics and the transmittance change were evaluated using the solid element (Example 2) of the present invention produced above.
When the charge capacity was 0.5 μAhr / cm 2 and constant current discharge was measured at 10 μA / cm 2 , the final voltage was −0.1 V, the average voltage was −1.1 V, and the discharge capacity was 0.40 μAhr / cm 2 . there were.
When the charge capacity was 1.0 μAhr / cm 2 and the constant current discharge was measured at 10 μA / cm 2, the average voltage was −1.31 V at a final voltage of −0.1 V, and the discharge capacity was 0.72 μAhr / cm 2 . there were.
When the charge capacity was 1.5 μAhr / cm 2 and constant current discharge was measured at 10 μA / cm 2, the average voltage was −1.2 V at a final voltage of −0.1 V, and the discharge capacity was 0.72 μAhr / cm 2 . there were.
A voltage was applied to the device of Example 1 at ± 4 V and 1 V / s. The transmittance change at that time (light transmittance change accompanying the color change) varied from 79% to 68% at a wavelength of 555 nm with high visibility.
Table 1 below summarizes the evaluation results of charge / discharge characteristics and transmittance change of Example 2.

すなわち、第一電極12と活性層13の接する界面から、活性層の上部側(電子ブロック層と接する側)に向かった所定の領域(X線光電子分光分析により解析された適切な範囲;50nm〜500nm程度)に半導体酸化物からなる多孔質層を設けた本発明の実施例1および実施例2は、いずれも比較例1、比較例2と較べて放電容量および透過率変化(色変化に伴う光透過率変化)が向上することが明らかとなった。つまり、二次電池としての充電容量の向上およびエレクトロクロミック表示装置としての光透過率変化(色変化)の向上に有効な手法であることが確認された。   That is, a predetermined region (appropriate range analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy analysis) from the interface where the first electrode 12 and the active layer 13 are in contact toward the upper side of the active layer (the side where the electron blocking layer is in contact); In Example 1 and Example 2 of the present invention in which a porous layer made of a semiconductor oxide was provided on about 500 nm), both discharge capacity and transmittance change (according to color change) compared to Comparative Example 1 and Comparative Example 2 It has been clarified that the light transmittance change is improved. That is, it was confirmed that this is an effective technique for improving the charge capacity as a secondary battery and improving the light transmittance change (color change) as an electrochromic display device.

本発明の、エレクトロクロミック表示装置・二次電池一体型素子は、複雑なプロセスによらず固体素子の形成が可能であることから大型化や製造コストの点で優れているほか、固体素子であることから安全性が高く、耐環境性に優れるなどの利点が期待できる。従って、今後の二次電池やエレクトロクロミック表示装置としての応用分野(各種二次電池、調光ガラス、NDフィルター、電子ペーパー等)において有用、かつ有効な手法を提供することができると考えられる。   The electrochromic display device / secondary battery integrated element of the present invention is excellent in terms of upsizing and manufacturing cost because a solid element can be formed regardless of a complicated process, and is also a solid element. Therefore, advantages such as high safety and excellent environmental resistance can be expected. Therefore, it is considered that a useful and effective technique can be provided in the application fields (various secondary batteries, light control glass, ND filter, electronic paper, etc.) as future secondary batteries and electrochromic display devices.

(図1、図3の符号)
11 基板
12 第一電極
13 活性層
14 電子ブロック層
15 第二電極
16 多孔質層
(Reference numerals in FIGS. 1 and 3)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Board | substrate 12 1st electrode 13 Active layer 14 Electron block layer 15 2nd electrode 16 Porous layer

特公平3−73081号公報Japanese Patent Publication No. 3-73081 特許第3955641号公報Japanese Patent No. 3955641 特開2009−276800号公報JP 2009-276800 A 特許第4105537号公報Japanese Patent No. 4105537 WO2008/053561号公報WO2008 / 053561 publication

広島大新技術説明会2010資料Hiroshima University New Technology Briefing 2010 グエラテクノロジー社HP http://www.guala-tec.co.jp/Guera Technology HP http://www.guala-tec.co.jp/

Claims (4)

基板と、第一電極と、半導体金属酸化物からなる多孔質層と、半導体金属酸化物と絶縁性金属酸化物との複合体からなり電圧印加によって可逆的に酸化還元反応を起生する活性層と、電子ブロック層と、第二電極とを備え、前記活性層は酸化還元反応により電荷を蓄積または放出し、該電荷の蓄積または放出に連動して光透過率が変化することを特徴とするエレクトロクロミック表示装置・二次電池一体型固体素子。   An active layer comprising a substrate, a first electrode, a porous layer made of a semiconductor metal oxide, and a composite of a semiconductor metal oxide and an insulating metal oxide, which causes a redox reaction reversibly upon voltage application And an electron blocking layer and a second electrode, wherein the active layer accumulates or releases charges by an oxidation-reduction reaction, and the light transmittance changes in conjunction with the accumulation or release of the charges. Electrochromic display device and secondary battery integrated solid state element. 前記多孔質層が、スズ酸化物またはインジウム酸化物から選択された少なくとも一種の半導体金属酸化物を含んでなることを特徴とする請求項1に記載のエレクトロクロミック表示装置・二次電池一体型固体素子。   2. The electrochromic display / secondary battery integrated solid according to claim 1, wherein the porous layer comprises at least one semiconductor metal oxide selected from tin oxide or indium oxide. element. 前記多孔質層が、半導体金属酸化物ナノ粒子からなることを特徴とする請求項1または2に記載のエレクトロクロミック表示装置・二次電池一体型固体素子。 The porous layer, an electrochromic display device, a secondary battery integrated solid state device as claimed in claim 1 or 2, characterized in that it consists of a semiconductor metal oxide nanoparticles. 前記活性層が、スズ酸化物またはチタン酸化物から選択された少なくとも一種の半導体金属酸化物と、シリコン酸化物からなる絶縁性金属酸化物との混合体であることを特徴とする請求項1乃至の何れかに記載のエレクトロクロミック表示装置・二次電池一体型固体素子。 The active layer is a mixture of at least one semiconductor metal oxide selected from tin oxide or titanium oxide and an insulating metal oxide made of silicon oxide. 4. The electrochromic display device / secondary battery integrated solid element according to any one of 3 ).
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