JP6818375B2 - エレクトロクロミック素子およびそれを用いた表示システム - Google Patents
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Description
[1].
第1の電極と、
前記第1の電極上に位置するエレクトロクロミック材料から形成されたエレクトロクロミック層と、
前記エレクトロクロミック層上に位置する電解質層と、
前記電解質層上に位置する第2の電極と
を備え、
以下の条件(1)および(2)の少なくとも1つを満たす、エレクトロクロミック(EC)素子:
(1)前記第1の電極および/または前記第2の電極は、それぞれ、外部電源からの抵抗値が異なる複数の領域からなる;
(2)前記電解質層は、異なる電解質材料から形成された複数の領域からなる。
[2].
前記条件(1)において、前記複数の領域のそれぞれが、ブロック状および/または線状の形状を有する電極である、上記[1]項に記載のEC素子。
[3].
前記条件(1)において、前記複数の領域は、前記複数の領域のそれぞれの抵抗値が、一方の端の領域から他方の端の領域に向けて順次大きくなるように配列されている、上記[1]または[2]項に記載のEC素子。
[4].
前記条件(1)において、前記複数の領域は、前記複数の領域の抵抗値がランダムとなるように配列されている、上記[1]または[2]項に記載のEC素子。
[5].
前記条件(1)において、前記複数の領域のそれぞれが、5Ω以上500Ω以下の範囲の異なる抵抗値を有する、上記[1]〜[4]項のいずれか1項に記載のEC素子。
[6].
前記条件(1)において、前記第1の電極における前記複数の領域と、前記第2の電極における前記複数の領域とが、それぞれ対向する、上記[1]〜[5]項のいずれか1項に記載のEC素子。
[7].
前記条件(1)において、前記複数の領域のそれぞれは、前記外部電源に直列接続されているか、または、前記外部電源に並列接続されている、上記[1]〜[6]項のいずれか1項に記載のEC素子。
[8].
前記条件(1)において、前記第1の電極と前記エレクトロクロミック層との間に抵抗値が異なる複数の抵抗体、および/または、前記電解質層と前記第2の電極との間に抵抗値が異なる複数の抵抗体をさらに備える、上記[1]〜[7]項のいずれか1項に記載のEC素子。
[9].
前記複数の抵抗体のそれぞれは、可変抵抗素子である、上記[8]項に記載のEC素子。
[10].
前記条件(2)において、前記複数の領域のそれぞれは、異なるイオン伝導度を有し、
前記複数の領域は、前記複数の領域のそれぞれのイオン伝導度が一方の端の領域から他方の端の領域に向けて順次大きくなるように配列されている、上記[1]〜[9]項のいずれか1項に記載のEC素子。
[11].
前記条件(2)において、前記複数の領域のそれぞれは、異なるイオン伝導度を有し、
前記複数の領域は、前記複数の領域のそれぞれのイオン伝導度がランダムとなるように配列されている、上記[1]〜[9]項のいずれか1項に記載のEC素子。
[12].
前記条件(2)において、前記複数の領域のそれぞれは、0.01S/m以上0.5S/m以下の範囲の異なるイオン伝導度を有する、上記[1]〜[11]項のいずれか1項に記載のEC素子。
[13].
前記エレクトロクロミック材料は、有機配位子と、前記有機配位子に配位された金属イオンとを含む有機/金属ハイブリッドポリマーを含有する、上記[1]〜[12]項のいずれか1項に記載のEC素子。
[14].
前記有機配位子は、ターピリジン基、フェナントロリン基、ビピリジン基、イミノ基およびこれらの誘導体からなる群から選択される少なくとも1種である、上記[13]項に記載のEC素子。
[15].
前記金属イオンは、Pt、Cu、Ni、Pd、Ag、Mo、Fe、Co、Ru、Rh、Eu、ZnおよびMnからなる群から選択される少なくとも1種の金属イオンである、上記[13]または[14]項に記載のEC素子。
[16].
前記有機/金属ハイブリッドポリマーは、一般式(I)、(II)および(III)からなる群から選択される一般式で表される少なくとも1種の有機/金属ハイブリッドポリマーである、上記[13]〜[15]のいずれか1項に記載のEC素子:
前記式(I)において、Mは金属イオンを示し、Xはカウンターアニオンを示し、Sは、炭素原子および水素原子を含むスペーサまたは2つのターピリジン基を直接接続するスペーサを示し、R1〜R4は、それぞれ独立に水素原子または置換基を示し、nは重合度を示す2以上の整数であり、
前記式(II)において、M1〜MN(Nは2以上の整数)は、それぞれ独立に酸化還元電位の異なる金属イオンを示し、X1〜Xn(nは2以上の整数)は、それぞれ独立にカウンターアニオンを示し、S1〜SN(Nは2以上の整数)は、それぞれ独立に炭素原子および水素原子を含むスペーサまたは2つのターピリジン基を直接接続するスペーサを示し、R1 1〜R1 N、R2 1〜R2 N、R3 1〜R3 N、R4 1〜R4 N(Nは2以上の整数)は、それぞれ独立に水素原子または置換基を示し、n1〜nNは、それぞれ独立に重合度を示す2以上の整数であり、
前記式(III)において、Mは金属イオンを示し、Xはカウンターアニオンを示し、Aは、炭素原子および水素原子を含むスペーサまたは2つのフェナントロリン基を直接接続するスペーサを示し、R1〜R4は、それぞれ独立に水素原子または置換基を示し、nは重合度を示す2以上の整数である。
[17].
電源と、エレクトロクロミック(EC)表示部とを備えたエレクトロクロミック(EC)表示システムであって、
前記EC表示部は、複数のエレクトロクロミック(EC)素子を備え、
前記複数のEC素子のそれぞれは、上記[1]〜[16]項のいずれか1項に記載のEC素子である、EC表示システム。
実施の形態1では、本発明のエレクトロクロミック(EC)素子100の構成および動作について説明する。
図1Aは、本実施形態に係るEC素子を模式的に示す図である。
なお、第1の電極110および第2の電極140は、ガラス、プラスチック等の樹脂などの透明基板(図示せず)上に設けられてもよい。あるいは、第1の電極110または第2の電極140が、フッ素ドープスズ(FTO)、スズドープ酸化インジウム(ITO)等の透明導電性基板であってもよい。
図1Cは、第1の電極と外部電源との別の例示的な接続態様を示す図である。
(1)第1の電極110および/または第2の電極140は、それぞれ、外部電源150からの抵抗値が異なる複数の領域からなる。
(2)電解質層は、異なる電解質材料から形成された複数の領域からなる。
ここで、(1)および/または(2)の複数の領域が、EC層120に生じる電圧分布のパターンとなる。
図2Aは、条件(1)における外部電源からの抵抗値が異なる複数の領域からなる例示的な第1の電極/第2の電極を模式的に示す図である。
EC層を構成するエレクトロクロミック材料の酸化還元電位以上の電圧、例えばVxを印加すれば、実線に示すように、瞬時(時間t)に電荷が蓄積され、消色状態となる。一方、エレクトロクロミック材料の酸化還元電位未満の電圧、例えばVyを印加すれば、点線に示すように、なだらかに電荷が蓄積され、やがて(時間t’>t)消色状態となる。このように、着消色の速さは、印加電圧の大きさによって変化することがわかる。この印加電圧の大きさの変化(すなわち外部電源150による電圧制御)と、図2A、図2Bおよび図3で説明した電極の抵抗変化によって生じる電圧分布とを利用すれば、電荷量に応じたグラデーションや色むらに加えて、着消色速度の不均一さ(じわじわ感)を生じさせることができる。図5を参照して詳細に説明する。
なお、図8に示したように、各ブロック状の電極を並列でつなぐ電極(図中の灰色の領域)を設けてもよい。このような電極によって抵抗値を制御する場合、金、銅、アルミニウム、銀等の抵抗の小さい電極材料や、NiCr、Ta、TaN、TaSiO2等の抵抗の大きい電極材料を用いることができる。
図10は、条件(2)における電解質層が異なる電解質材料から形成された2つの領域からなる例示的なEC素子を模式的に示す図である。
図11は、図10に示すEC素子に電圧を印加した際のグラデーションの様子を模式的に示す図である。
第1の電極110および第2の電極140は、上述したとおりであるため説明を省略する。
EC層120は、低消費電力であるエレクトロクロミック材料から形成されたものである限り特に制限はない。エレクトロクロミック材料は、好ましくは、上述した有機/金属ハイブリッドポリマーを含有するエレクトロクロミック材料であってよい。具体的には、有機配位子と、有機配位子に配位された金属イオンとを含む有機/金属ハイブリッドポリマーを含有するエレクトロクロミック材料である。このような有機/金属ハイブリッドポリマーは、消費電力が小さいため、電磁波信号から変換された電気信号によって容易に着色・消色する。
さらにスペーサを構成する二価の有機基として、これらの基にメチル基、エチル基、ヘキシル基等のC1〜C6のアルキル基、メトキシ基、ブトキシ基等のC1〜C6のアルコキシ基、塩素、臭素等のハロゲン原子等の置換基を有するものを用いてもよい。
所定の複数の場所を設けるために、仕切りやマスクを用いてよい。代替的には、電解質層130となる電解質材料の溶媒の量を制御して粘性を調整すれば、仕切りやマスクを用いることなく、所定の複数の場所に、イオン伝導度を制御した異なる電解質材料から形成された電解質層130を得ることができる。このとき、粘性の調整に用いる溶媒の量は、イオン伝導度に影響を与えない。
実施の形態2では、実施の形態1で説明した本発明のEC素子100を用いたEC表示システム1200の構成および動作について説明する。
図12は、本発明の例示的なEC表示システムを模式的に示す図である。
以降の例で用いた材料について説明する。なお、すべての材料は特級試薬であり、精製することなく用いた。ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA、重量平均分子量(ポリスチレン換算GPC測定、移動相溶媒THF)=350kg/mol)を東京化成工業株式会社およびSigma−Aldrich Co.LLC.から購入した。種々のパターンを有するインジウムスズ酸化物(ITO)でコートされたガラス基板(ITOの厚みは、0.1μmであった。以降では簡単のため、ITO基板と称する。抵抗値=5〜492Ω)を、テクノプリント株式会社から購入した。全面にITOでコートされたガラス基板(膜厚=0.2μm、シート抵抗=10Ω/sq)を、ジオマテック株式会社から購入した。
参考例1では、第1の電極110としてITO基板(全面電極)、EC層120としてpolyFe、電解質層130として炭酸プロピレンとLiClO4とPMMAとを含有する電解質材料、第2の電極140としてITO基板(全面電極)を用いた一般的なEC素子(アクティブ面:100cm2)を製造した。
例2は、第1の電極110および第2の電極140として、複数の異なる抵抗値を有するブロック状の領域からなるITO基板(10cm×11cm)、EC層120としてpolyFe、電解質層130として炭酸プロピレンとLiClO4とPMMAとを含有する電解質材料(重量比は参考例1と同様)を用いたEC素子を製造した。ITO基板を図14に示し、後述する。EC層120および電解質層130は、参考例1と同様であるため説明を省略する。このようにして得られた例2のEC素子に+3.0V、−3.0Vの電圧をそれぞれ印加し、着消色の変化を観察した。結果を図17(A)に示す。
例3は、例2と異なるITO基板を用いた以外は、例2と同様であるため説明を省略する。ITO基板を図15に示し、後述する。例3のEC素子に+3.0V、−3.0Vの電圧をそれぞれ印加し、着消色の変化を観察した。結果を図17(B)に示す。
例4は、例2と異なり、複数の異なる抵抗値を有する線状の領域からなるITO基板を用いた以外は、例2と同様であるため説明を省略する。ITO基板を図16に示し、後述する。例4のEC素子に+3.0V、−3.0Vの電圧をそれぞれ印加し、着消色の変化を観察した。
図15は、例3におけるITO基板を示す模式図である。
図16は、例4におけるITO基板を示す模式図である。
例5では、第1の電極110としてITO基板(全面電極)、EC層120としてpolyFe、電解質層130として炭酸プロピレンとLiClO4とPMMAとを含有する電解質材料、第2の電極140としてITO基板(全面電極)を用いた一般的なEC素子(アクティブ面:19.5cm2)を製造した。ただし、電解質層130は、粘度を変えた2種類の電解質材料を用い、2つの領域からなる。
110:第1の電極
120:エレクトロクロミック(EC)層
130:電解質層
140:第2の電極
150:外部電源
111:電気配線
112:基板
113:機械的接続
114:金属パターン
1200:EC表示システム
1210:EC表示部
1220:制御部
Claims (11)
- エレクトロクロミック(EC)素子であって、
第1の電極と、
前記第1の電極上に位置するエレクトロクロミック材料から形成されたエレクトロクロミック層と、
前記エレクトロクロミック層上に位置する電解質層と、
前記電解質層上に位置する第2の電極と
を備え、
以下の条件(1)および(2)の少なくとも1つを満たし:
(1)前記第1の電極および/または前記第2の電極は、それぞれ、外部電源からの抵抗値が異なる複数の領域からなり、前記複数の領域は、前記複数の領域のそれぞれの抵抗値が、一方の端の領域から他方の端の領域に向けて順次大きくなるように配列されている;
(2)前記電解質層は、異なる電解質材料から形成された複数の領域からなり、前記複数の領域のそれぞれは、異なるイオン伝導度を有し、前記複数の領域は、前記複数の領域のそれぞれのイオン伝導度が一方の端の領域から他方の端の領域に向けて順次大きくなるように配列されている;
前記エレクトロクロミック材料は、有機配位子と、前記有機配位子に配位された金属イオンとを含む有機/金属ハイブリッドポリマーを含有し、
前記有機/金属ハイブリッドポリマーは、一般式(I)、(II)および(III)からなる群から選択される一般式で表される少なくとも1種の有機/金属ハイブリッドポリマーである、EC素子:
前記式(I)において、Mは金属イオンを示し、Xはカウンターアニオンを示し、Sは、炭素原子および水素原子を含むスペーサまたは2つのターピリジン基を直接接続するスペーサを示し、R 1 〜R 4 は、それぞれ独立に水素原子または置換基を示し、nは重合度を示す2以上の整数であり、
前記式(II)において、M 1 〜M N (Nは2以上の整数)は、それぞれ独立に酸化還元電位の異なる金属イオンを示し、X 1 〜X n (nは2以上の整数)は、それぞれ独立にカウンターアニオンを示し、S 1 〜S N (Nは2以上の整数)は、それぞれ独立に炭素原子および水素原子を含むスペーサまたは2つのターピリジン基を直接接続するスペーサを示し、R 1 1 〜R 1 N 、R 2 1 〜R 2 N 、R 3 1 〜R 3 N 、R 4 1 〜R 4 N (Nは2以上の整数)は、それぞれ独立に水素原子または置換基を示し、n 1 〜n N は、それぞれ独立に重合度を示す2以上の整数であり、
前記式(III)において、Mは金属イオンを示し、Xはカウンターアニオンを示し、Aは、炭素原子および水素原子を含むスペーサまたは2つのフェナントロリン基を直接接続するスペーサを示し、R 1 〜R 4 は、それぞれ独立に水素原子または置換基を示し、nは重合度を示す2以上の整数である。 - 前記条件(1)において、前記複数の領域のそれぞれが、ブロック状および/または線状の形状を有する電極である、請求項1に記載のEC素子。
- 前記条件(1)において、前記複数の領域のそれぞれが、5Ω以上500Ω以下の範囲の異なる抵抗値を有する、請求項1または2に記載のEC素子。
- 前記条件(1)において、前記第1の電極における前記複数の領域と、前記第2の電極における前記複数の領域とが、それぞれ対向する、請求項1〜3のいずれか1項に記載のEC素子。
- 前記条件(1)において、前記複数の領域のそれぞれは、前記外部電源に直列接続されているか、または、前記外部電源に並列接続されている、請求項1〜4のいずれか1項に記載のEC素子。
- 前記条件(1)において、前記第1の電極と前記エレクトロクロミック層との間に抵抗値が異なる複数の抵抗体、および/または、前記電解質層と前記第2の電極との間に抵抗値が異なる複数の抵抗体をさらに備える、請求項1〜5のいずれか1項に記載のEC素子。
- 前記複数の抵抗体のそれぞれは、可変抵抗素子である、請求項6に記載のEC素子。
- 前記条件(2)において、前記複数の領域のそれぞれは、0.01S/m以上0.5S/m以下の範囲の異なるイオン伝導度を有する、請求項1〜7のいずれか1項に記載のEC素子。
- 前記エレクトロクロミック材料は、ビピリジン基、イミノ基およびこれらの誘導体からなる群から選択される少なくとも1種である有機配位子と、前記有機配位子に配位された金属イオンとを含む有機/金属ハイブリッドポリマーをさらに含有する、請求項1〜8のいずれか1項に記載のEC素子。
- 前記金属イオンは、Pt、Cu、Ni、Pd、Ag、Mo、Fe、Co、Ru、Rh、Eu、ZnおよびMnからなる群から選択される少なくとも1種の金属イオンである、請求項1〜9のいずれか1項に記載のEC素子。
- 電源と、エレクトロクロミック(EC)表示部とを備えたエレクトロクロミック(EC)表示システムであって、
前記EC表示部は、複数のエレクトロクロミック(EC)素子を備え、
前記複数のEC素子のそれぞれは、請求項1〜10のいずれか1項に記載のEC素子である、EC表示システム。
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