JP7281168B2 - charge generator - Google Patents

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Description

本発明は、電荷を生成する電荷生成装置に関する。 The present invention relates to a charge generating device for generating charge.

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）。 It has been proposed to use a compound that exhibits a lyotropic liquid crystal phase in solution as a material for a polarizing plate of a liquid crystal display device (eg, Patent Document 1). Further, it has been proposed to use a thermotropic liquid crystal compound as a material for a retardation substrate of a liquid crystal display device (for example, Patent Document 2).

特開２０１１－１９１４６１号公報JP 2011-191461 A 特開２０１１－２３２５３７号公報JP 2011-232537 A

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。 A glycolipid-based material is composed of a hydrophilic sugar head group and a hydrophobic alkyl chain, and has amphipathic properties. For this reason, glycolipid molecules exhibit lyotropic liquid crystallinity in an aqueous solution, and are widely used as environmentally friendly materials in fields such as surfactants and pharmaceuticals. On the other hand, some glycolipid materials also have thermotropic liquid crystallinity in an anhydrous state due to their relatively strong intermolecular affinity. This anhydrous liquid crystal has electrical, magnetic and optical anisotropy, and has potential applications as a novel electronic material.

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。 However, the phase structures of glycolipid-based materials with thermotropic liquid crystallinity in the anhydrous state are diverse, and due to the difficulty in preparing anhydrous glycolipid-based materials, there are few examples of basic and applied research. The present inventor discovered that some glycolipid-based materials exhibit novel phenomena under specific conditions, and based on this finding, focused on developing novel charge-generating devices using glycolipid-based materials. bottom.

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。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a novel charge generation device.

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、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いる。 A charge-generating device according to the present invention comprises a charge-generating layer made of a glycolipid-based material having thermotropic liquid crystallinity, first and second electrodes for applying an electric field to the charge-generating layer, and a charge-generating layer. and third and fourth electrodes for extracting the charge generated in the charge generating layer having first and second opposite sides, the first electrode being the first electrode layer. the second electrode comprises a second electrode layer; the third electrode comprises a third electrode layer; the fourth electrode comprises a fourth electrode layer; a third electrode layer and a first electrode layer sequentially disposed thereon; a first insulating layer disposed between the third electrode layer and the first electrode layer; A fourth electrode layer and a second electrode layer are sequentially disposed thereon, and a second insulating layer is disposed between the fourth electrode layer and the second electrode layer.

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。上記の構成によれば、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。 In the charge generation device, when an electric field is applied to the charge generation layer through the first electrode and the second electrode, charges are generated in the charge generation layer by an electron avalanche collapse phenomenon. The generated charges are extracted through the third and fourth electrodes. According to the above configuration, no current flows between the first electrode layer and the second electrode layer. Therefore, it is possible to supply current to the load with extremely small energy.

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。 Glycolipid-based materials may include glucosides having a chain-like group. Glycolipid-based materials may include alkylglucosides. Glycolipid-based materials may include octyl-β-D-glucoside or dodecyl-β-D-glucoside.

本発明によれば、新規な電荷生成装置が提供される。 SUMMARY OF THE INVENTION In accordance with the present invention, a novel charge generating device is provided.

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。1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a charge generation device according to one embodiment of the present invention; FIG. （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。(a) is a diagram showing the chemical formula of octyl-β-D-glucoside, and (b) is a diagram showing the chemical formula of dodecyl-β-D-glucoside. 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。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the detailed configuration and arrangement of the first electrode structure, the charge generation layer and the second electrode structure; 図３の第１の電極構造体の模式的平面図である。FIG. 4 is a schematic plan view of the first electrode structure of FIG. 3; 図３の電荷生成装置の模式的平面図である。FIG. 4 is a schematic plan view of the charge generation device of FIG. 3; 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。FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the principle of charge generation in the charge generation device of FIG. 1; 実証実験に用いた測定用セルの模式的断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a measurement cell used in a demonstration experiment; 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。FIG. 10 is a diagram showing measurement results of temporal changes in transient current accompanying voltage application to a measurement cell; 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。FIG. 4 is a diagram showing measurement results of the relationship between applied electric field intensity and current. 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。FIG. 10 is a diagram showing measurement results of the relationship between the thickness of the charge generation layer and the threshold value of the electric field intensity at which a transient current is generated;

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。 A charge generation device according to an embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

（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。 (1) Configuration of Charge Generation Device FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a charge generation device according to an embodiment of the present invention. The charge generation device 1 shown in FIG. 1 includes a first electrode structure 10 , a second electrode structure 20 and a charge generation layer 30 .

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ＳｉＯ２（二酸化ケイ素）により形成される。 The first electrode structure 10 includes a glass substrate 11, an electrode layer 12 for applying an electric field, an insulating layer 13, and an electrode layer 14 for extracting electric charges. An electrode layer 12 , an insulating layer 13 and an electrode layer 14 are sequentially formed on a glass substrate 11 . The second electrode structure 20 includes a glass substrate 21, an electrode layer 22 for applying an electric field, an insulating layer 23, and an electrode layer 24 for extracting electric charges. An electrode layer 22 , an insulating layer 23 and an electrode layer 24 are sequentially formed on a glass substrate 21 . The electrode layers 12, 14, 22, 24 are made of ITO (indium tin oxide), for example. The insulating layers 13 and 23 are made of SiO 2 (silicon dioxide), for example.

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。 The charge generation layer 30 is formed of a glycolipid-based material having thermotropic liquid crystallinity. A glycolipid-based material having thermotropic liquid crystallinity is, for example, a glucoside having a chain group. A chain group is, for example, an alkyl group. In this case, glucosides with chain groups are alkyl glucosides. Examples of alkylglucosides include Octyl-β-D-glucoside or Dodecyl-β-D-glucoside.

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。 FIG. 2(a) is a diagram showing the chemical formula of octyl-β-D-glucoside. FIG. 2(b) is a diagram showing the chemical formula of dodecyl-β-D-glucoside.

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。 As shown in FIG. 1, the electrode layer 14 of the first electrode structure 10 is formed on one surface of the charge generation layer 30 . An electrode layer 24 of the second electrode structure 20 is formed on the other surface of the charge generation layer 30 .

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。 An AC power supply 50 is connected between the electrode layers 12 and 22 via a resistor RL. The AC power supply 50 applies an AC voltage V(t)=A sin ωt between the electrode layers 12 and 22 . where t is time, A is the amplitude of the AC voltage, and ω is the angular frequency. An insulating layer 13 is provided between the electrode layers 12 and 14 , and an insulating layer 23 is provided between the electrode layers 22 and 24 . Therefore, no current flows between the electrode layers 12 and 22 . A high electric field is applied to the charge generation layer 30 .

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。 A load Ld is connected between the electrode layers 14 and 24 . Charges are generated in the charge generation layer 30 by a phenomenon described later. The generated charge thereby flows through the electrode layers 14 and 24 to the load Ld.

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。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of the detailed configuration and arrangement of the first electrode structure 10, the charge generating layer 30 and the second electrode structure 20. As shown in FIG. FIG. 4 is a schematic plan view of the first electrode structure 10 of FIG. 5 is a schematic plan view of the charge generator 1 of FIG. 3. FIG.

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。 In the example of FIG. 3, the length L2 of the insulating layers 13 and 23 is shorter than the length L1 of the glass substrates 11 and 21 and the electrode layers 12 and 22, and the lengths of the electrode layers 14 and 24 are equal to the lengths of the insulating layers 13 and 22. 23 is shorter than the length L2. The length L1 of the glass substrates 11 and 21 and the electrode layers 12 and 22 is, for example, 22 mm, the length L2 of the insulating layers 13 and 23 is, for example, 19 mm, and the length L3 of the electrode layers 14 and 24 is , for example 14 mm, but the lengths L1, L2, L3 are not limited to these values. The width D (FIG. 4) of the first electrode structure 10 and the second electrode structure 20 is, for example, 12 mm, but the width D is not limited to this value.

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。 The thickness d (the distance between the electrode layers 14 and 24) of the charge generation layer 30 is, for example, 15 μm, but the thickness d is not limited to this value. The electrode layers 12, 14, 22, 24 each have a thickness of, for example, 40 nm, but the thicknesses of the electrode layers 12, 14, 22, 24 are not limited to these values. The electrode layers 12, 14, 22, 24 are formed by, for example, sputtering. Each of the insulating layers 13 and 23 has a thickness of 200 nm, for example, but the thickness of the insulating layers 13 and 23 is not limited to this value. The insulating layers 13 and 23 are formed by vacuum deposition, for example.

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５０ｍｍ２である。 In FIG. 4, illustration of the insulating layer 13 is omitted. The electrode layer 12 has a pair of rectangular end portions 12a, 12b, a rectangular central portion 12c, and a pair of belt-like connecting portions 12d, 12e. Two opposing sides of the central portion 12c and inner sides of the end portions 12a and 12b are connected by connecting portions 12d and 12e. Part of the central portion 12c and the connecting portions 12d and 12e overlap the electrode layer 14 with the insulating layer 13 (not shown) interposed therebetween. The effective electrode area of the electrode layer 12 is, for example, 50 mm 2 .

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。 A lead-out line B1 is connected to the exposed portion (end portion 12a) of the electrode layer 12 . A lead-out line T1 is connected to the exposed portion of the electrode layer 14 . The configuration of the second electrode structure 20 is the same as that of the first electrode structure 10 .

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。 5, a lead wire B2 is connected to the exposed portion of the electrode layer 22 (FIG. 3) of the second electrode structure 20, and a lead wire T2 is connected to the exposed portion of the electrode layer 24 (FIG. 3). . 1 is connected between lead wires B1 and B2, and a load Ld is connected between lead wires T1 and T2.

（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。 (2) Principle of Charge Generation FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the principle of charge generation in the charge generator 1 of FIG. The glycolipid-based material in the example of FIG. 6 is composed of a sugar head H and a chain C. A high electric field is applied to the charge generation layer 30 between the electrode layers 12 and 22 . The electric field strength E of the high electric field is, for example, 2 MV/m or more. Free electrons in the medium of charge generation layer 30 are accelerated by the high electric field. The accelerated electrons collide with molecules of the glycolipid-based material. Molecules of the glycolipid-based material are ionized by the impact ionization phenomenon due to collision of electrons, and electrons are generated from the glycolipid-based material. Repeated collisions between the generated electrons and the glycolipid-based material generate a large number of electrons, causing electron avalanche collapse. Impact ionization ends when all the electrons in the glycolipid-based material in the charge-generating layer 30 flow out to the external circuit (load) through the electrode layers 14 and 24 .

（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。 (3) Demonstration experiment of charge generation We fabricated it and conducted a demonstration experiment of charge generation.

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。 Octyl-β-D-glucoside (hereinafter referred to as βOG) and dodecyl-β-D-glucoside (hereinafter referred to as βDG) change into a solid phase, a smectic A (SmA) liquid crystal phase and an isotropic phase as the temperature rises. phase transition to FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the measurement cell used in the demonstration experiment. The inventor produced the measuring cell 100 of FIG. 7 by the following method.

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。 βOG and βDG were heated to the isotropic phase. Electrode layers 102 and 202 were formed by coating transparent electrodes (ITO) on two glass substrates 101 and 201 . A charge generating layer 300 was formed between the electrode layers 102,202 by osmotic encapsulation of βOG or βDG between the electrode layers 102,202. In this way, two types of measuring cells 100 using βOG and βDG as materials for the charge generation layer 300 were produced.

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。 An AC power supply 500 was connected between the electrode layers 102 and 202 via a resistor RL, and an AC voltage having a sine waveform and a frequency of 5 Hz to 10 kHz was applied between the electrode layers 102 and 202 . A DC power supply was connected instead of the AC power supply 500 to apply a DC voltage between the electrode layers 102 and 202 . In this state, the current flowing through the charge generation layer 300 was measured.

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５０ｍｍ２である。温度Ｔ＝８５℃で電極層１０２，２０２間に実効電圧ＶＲＭＳ＝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。 FIG. 8 is a diagram showing measurement results of temporal changes in transient current accompanying voltage application to the measuring cell 100. In FIG. The horizontal axis of FIG. 8 is time (seconds), and the vertical axis is current (mA). The material of the charge generation layer 30 is βOG and the thickness d of the charge generation layer 30 is 50 μm. The electrode effective area S is 50 mm 2 . An effective voltage V RMS =100 V was applied between the electrode layers 102 and 202 at a temperature T=85.degree. The electric field intensity at this time is 2 MV/m. Temporal changes in transient current were measured when the frequency of the applied voltage was 0 (DC: direct current), 5 Hz, 10 Hz, 50 Hz, 100 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 3 kHz and 10 kHz. βOG is smectic A phase at 85°C. At a frequency of 10 kHz, a transient current peak of approximately 20 mA occurred.

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ＩＤ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ＩＤ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。 Since the conductivity σ of βOG at 85° C. is in the range of 6×10 −7 to 5×10 −6 Ω −1 m −1 within the frequency range of 100 Hz to 10 kHz, the normal steady-state current I D is about 0.2mA. In the demonstration experiment using the measuring cell 100 of FIG. 7, it can be seen that a transient current approximately 100 times as large as the stationary current ID is generated. This transient current is irreversible and does not occur when the voltage is applied again. Also, transients do not occur in the isotropic phase of βOG.

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。 Causes of the transient current include (a) charge injection from the electrode layers 102 and 202 to the charge generation layer 300, (b) an increase in electrical conductivity due to an increase in the temperature of the charge generation layer 300 (Joule heat), and (c). Tunneling, (d) electrical breakdown, and (e) electron avalanche collapse are possible.

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。 FIG. 9 is a diagram showing measurement results of the relationship between applied electric field intensity and current. The thickness d of the charge generation layer 300 is 10 μm. When the applied voltage is changed from 0V to 100V, the electric field strength changes from 0MV/m to 10MV/m. The sweep speed of the applied voltage is 20 mV/s. βOG is a state in which a liquid crystal phase and an isotropic phase are mixed at 110°C, and is in a state of a liquid crystal phase at 85°C.

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。 In FIG. 9, the measurement result at 110° C. at a frequency of 1 kHz is indicated by a thin solid line, the measurement result at a frequency of 10 kHz at 85° C. is indicated by a thick solid line, and the measurement result at a frequency of 1 kHz at 85° C. is indicated by a dashed line. there is Also, the ohmic relationship between the electric field strength and the current when the conductivity σ is 7×10 −6 Ω −1 m −1 and when the conductivity σ is 1.6×10 −6 Ω −1 m −1 is indicated by dotted lines.

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。 From the measurement results of FIG. 9, for example, in the case of a frequency of 1 kHz and a temperature of 110° C., the current increases along an ohmic relationship up to an electric field strength of approximately 2 MV/m. Also, an electrical insulation breakdown occurs at an electric field strength of around 9 MV/m. From these results, the above (a) to (d) cannot be considered as the causes of the transient current.

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ＥＴＨ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ＥＴＨ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ＥＴＨ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。 FIG. 10 is a diagram showing measurement results of the relationship between the thickness d of the charge generation layer 300 and the threshold value ETH of the electric field intensity at which a transient current is generated. When the thickness d of the charge generation layer 300 is greater than or equal to 20 μm, the electric field strength threshold E TH is substantially constant. On the other hand, when the thickness d of the charge generation layer 300 is less than 20 μm, the electric field strength threshold E TH sharply increases as the thickness d decreases. Such a property is characteristic of the electron avalanche decay phenomenon (avalanche decay phenomenon) seen in insulators. Therefore, it is considered that free electrons accelerated by a high electric field in βOG repeatedly collide with βOG molecules, and repeatedly generate charges while destroying βOG constituent molecules.

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ＥＴＨが増加する。 The electron avalanche collapse phenomenon is more likely to occur as the traveling distance of electrons in the charge generation layer 300 increases. When an electric field is applied between electrode layers 102 and 202, free electrons move in the thickness direction of charge generating layer 300. FIG. Therefore, the greater the thickness d of the charge generation layer 300, the longer the traveling distance of electrons. Thus, as shown in FIG. 10, when the thickness d of the charge generation layer 300 is less than a certain value, the electric field strength threshold ETH for generating a transient current increases.

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。 In the measurement results of FIG. 9, it is considered that the electron avalanche collapse phenomenon occurs in the electric field strength range A (approximately 2 MV/m to approximately 7 MV/m) at a frequency of 1 kHz and a temperature of 110.degree. Further, it is considered that the electron avalanche collapse phenomenon occurs in the electric field intensity range B (approximately 4 MV/m to approximately 9 MV/m) at a frequency of 1 kHz and a temperature of 85°C.

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。 Also, the higher the frequency of the applied electric field, the shorter the time for the free electrons to move in one direction, so the travel distance of the electrons becomes shorter. In the measurement results of FIG. 9, the electron avalanche collapse phenomenon occurs when the frequency is 1 kHz, but the electron avalanche collapse phenomenon does not occur when the frequency is 10 kHz.

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。 A similar transient current occurs when βDG having a resistivity σ about ten times that of βOG is used.

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。 These measurement results demonstrate that electric charges can be generated by appropriately setting the thickness of βOG or βDG, the strength of the electric field to be applied, and the frequency of the electric field.

（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。 (4) Effects of the Embodiment In the charge generation device 1 according to the present embodiment, when a high electric field is applied between the electrode layers 12 and 22, charges are generated in the charge generation layer 30 by an electron avalanche collapse phenomenon. be. The generated charge is extracted from the electrode layers 14, 24 to an external circuit. In this case, the insulating layer 13 is arranged between the electrode layers 12 and 14, and the insulating layer 23 is arranged between the electrode layers 22 and 24. The current from the AC power supply 50 does not flow in . Therefore, almost no power is consumed for applying a high electric field. Therefore, it is possible to supply current to the load with extremely small energy.

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。 Since the electrons generated by the charge-generating device 1 are true charges, the charge-generating device 1 can be used, for example, as a bio-battery.

（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。 (5) Other Embodiments In the above embodiments, octyl-β-D-glucoside or dodecyl-β-D-glucoside is used as the material of the charge generation layer 30, but the charge generation layer 30 The materials of are not limited to these, and other glycolipid-based materials having thermotropic liquid crystallinity may be used. For example, a glucoside having an alkyl group other than an octyl group and a dodecyl group may be used as the material of the charge generation layer 30 . Alternatively, glucosides having chain groups other than alkyl groups may be used. Furthermore, other glycolipid-based materials having thermotropic liquid crystallinity other than glucoside may be used.

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。 The configuration of the electrodes for applying a high electric field to the charge generation layer 30 is not limited to the configuration of the above embodiment, and any configuration can be used. Moreover, the configuration of the electrodes for taking out the charges generated in the charge generation layer 30 is not limited to the configuration of the above embodiment, and any configuration can be used.

（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。
（７）参考形態
参考形態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。 (6) Correspondence between each constituent element of the claims and each element of the embodiment Hereinafter, an example of correspondence between each constituent element of the claim and each element of the embodiment will be described. In the above embodiment, the electrode layers 12 and 22 are examples of the first and second electrodes or examples of the first and second electrode layers, and the electrode layers 14 and 24 are examples of the third and fourth electrodes. Alternatively, they are examples of the third and fourth electrode layers, and the insulating layers 13 and 23 are examples of the first and second insulating layers. Various other elements having the structure or function described in the claims can be used as each component of the claims.
(7) Reference form
A charge-generating device according to a reference embodiment includes a charge-generating layer formed of a glycolipid-based material having thermotropic liquid crystallinity, first and second electrodes for applying an electric field to the charge-generating layer, and a charge-generating layer. and third and fourth electrodes for extracting the charge generated in.
In the charge generation device, when an electric field is applied to the charge generation layer through the first electrode and the second electrode, charges are generated in the charge generation layer by an electron avalanche collapse phenomenon. The generated charges are extracted through the third and fourth electrodes. In this case, almost no current flows in the charge generation layer due to application of an electric field. Therefore, it is possible to supply current to the load with small energy.
Glycolipid-based materials may include glucosides having a chain-like group. Glycolipid-based materials may include alkylglucosides. Glycolipid-based materials may include octyl-β-D-glucoside or dodecyl-β-D-glucoside.

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Charge generation apparatus 10... 1st electrode structure 11, 21, 101, 201... Glass substrate 12, 14, 22, 24... Electrode layer 12a, 12b... End part 12c... Center part, 12d , 12e... Connection portion 13, 23, T1, T2... Insulating layer 20... Second electrode structure 30, 300... Charge generation layer 50... AC power supply 100... Measuring cell 102, 202... Electrode Layer 500 AC power source C Chain D Width ETH Threshold H Sugar head Ld Load RL Resistance d Thickness

Claims (4)

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、
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、電荷生成装置。 a charge-generating layer formed of a glycolipid-based material having thermotropic liquid crystallinity;
first and second electrodes for applying an electric field to the charge generating layer;
third and fourth electrodes for extracting the charge generated in the charge generating layer ;
the charge generating layer has opposite first and second sides;
the first electrode comprises a first electrode layer;
the second electrode comprises a second electrode layer;
the third electrode comprises a third electrode layer;
the fourth electrode comprises a fourth electrode layer;
The third electrode layer and the first electrode layer are sequentially disposed on the first surface of the charge generation layer, and a first electrode layer is disposed between the third electrode layer and the first electrode layer. An insulating layer is placed,
The fourth electrode layer and the second electrode layer are sequentially disposed on the second surface of the charge generating layer, and a second electrode layer is disposed between the fourth electrode layer and the second electrode layer. A charge-generating device having an insulating layer disposed thereon . 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。 2. The charge-generating device according to claim 1, wherein said glycolipid-based material includes a glucoside having a chain-like group. 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。 3. The charge-generating device according to claim 1, wherein said glycolipid-based material comprises an alkylglucoside. 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。 The charge generation device according to any one of claims 1 to 3, wherein the glycolipid-based material comprises octyl-β-D-glucoside or dodecyl-β-D-glucoside.
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