JPWO2018016385A1 - 有機/金属ハイブリッドポリマーとイオン液体とを含有する複合体、それを用いたエレクトロクロミックデバイス、および、それらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
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てもよい。
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金属イオンであってもよい。
前記イオン液体は、テトラフルオロボレート、ヘキサフルオロフォスフェート、ビス(トリフルオロメタンスルフォニル)イミド、および、ビス(ペンタフルオロエチルスルフォニル)イミドからなる群から選択されるアニオンと、イミダゾリウム、ピロリジニウム、および、テトラアルキルアンモニウムからなる群から選択されるカチオンとの組み合わせであってもよい。
前記イオン液体は、少なくとも−1V vs Ag/Ag+以下の負電位から+2V vs Ag/Ag+以上の正電位までの範囲の電位窓を有してもよい。
前記イオン液体は、室温以下の融点を有してもよい。
前記有機/金属ハイブリッドポリマーと前記イオン液体とは、前記有機/金属ハイブリッドポリマーの繰り返し構造単位に対する前記イオン液体のモル量の比が、0.1以上4.0以下を満たすように含有されてもよい。
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有機/金属ハイブリッドポリマーである、請求項1に記載の複合体。
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。
前記有機/金属ハイブリッドポリマーおよび前記イオン液体は、水、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、エタノールおよびメタノールからなる群から選択される溶媒に溶解していてもよい。
本発明によるエレクトロクロミックデバイスは、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、前記エレクトロクロミック層は、上述の複合体を含有し、これにより上記課題を解決する。
前記電解質層は、少なくとも高分子および支持塩を含有してもよい。
前記電解質層は、ビオロゲン、N,N,N’,N’−テトラメチル−p−フェニレンジアミンおよび有機金属錯体からなる群から選択されるイオン蓄積材料をさらに含有してもよい。
前記高分子は、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリ(ビニリデンフルオライド−co−ヘキサフルオロイソプロピル)(PVdF−co−PHFP)、ポリプロピレンカーボネート(PPC)、ポリカーボネート、および、ポリアクリロニトリルからなる群から選択されてもよい。
前記支持塩は、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3COO、リチウムビス(トリフルオロメタンスルフォニル)イミド(LiTFSI)、LiCH3COO、過塩素酸テトラブチルアンモニウム、過塩素酸テトラエチルアンモニウム、KCl、NaClO3、NaCl、NaBF4、NaSCN、KBF4、Mg(ClO4)2およびMg(BF4)2からなる群から選択されてもよい。
前記電解質層は、炭酸プロピレン(PC)、炭酸エチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、γ−ブチロラクトン、スクシノニトリル、および、イオン液体からなる群から選択される可塑剤をさらに含有し、前記イオン液体は、テトラフルオロボレート、ヘキサフルオロフォスフェート、ビス(トリフルオロメタンスルフォニル)イミド、および、ビス(ペンタフルオロエチルスルフォニル)イミドからなる群から選択されるアニオンと、イミダゾリウム、ピロリジニウム、および、テトラアルキルアンモニウムからなる群から選択されるカチオンとの組み合わせであってもよい。
前記エレクトロクロミックデバイスは、エポキシ樹脂および/またはシリコーン樹脂からなる封止剤により封止されていてもよい。
また、本発明による複合体は、好ましくは、有機/金属ハイブリッドポリマーとイオン結合を形成したイオン液体により優れた耐熱性を有することができる。本発明による複合体は、イオン結合を形成したイオン液体により、有機/金属ハイブリッドポリマー中の金属イオンの価数の変化に応答してカウンターアニオンの保持を促進し得る。その結果、本発明の複合体をエレクトロクロミック層に用いた場合、有機/金属ハイブリッドポリマー中の金属イオンの価数の変化に応答して、隣り合う電解質層からのカウンターアニオンを迅速に移動させ、複合体内に保持できるので、早い応答特性を達成できる。また、本発明による複合体は、単に接触させるだけで製造されるので、特別な装置を不要とし、有利である。
実施の形態1では、本発明の複合体およびその製造方法について詳述する。
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。
本発明の複合体の製造方法は、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有する有機/金属ハイブリッドポリマーと、イオン液体とを接触させるステップを包含する。ここで、有機/金属ハイブリッドポリマーおよびイオン液体の好ましい態様、ならびに、これらの好ましいモル比は、上述したとおりであるため説明を省略する。なお、有機/金属ハイブリッドポリマーは、特に限定されないが、例えば、特許文献1および特許文献2を参照して合成した有機/金属ハイブリッドポリマーを用いることができる。
実施の形態2では、実施の形態1で説明した本発明の複合体をエレクトロクロミック層に用いたエレクトロクロミックデバイスおよびその製造方法について詳述する。
図2は、本発明のエレクトロクロミックデバイスの製造工程を示すフローチャートである。
ステップS420:第2の電極140上に電解質層130を形成する。電解質層130は、電解質層130を構成する材料をキャストして加熱・固化(溶媒除去)すればよい。このステップの第2の電極および電解質層は、ステップS220にて説明したものと同様である。
ステップS430:ステップS410で得られたエレクトロクロミック層120が形成された第1の電極110と、ステップS420で得られた電解質層130が形成された第2の電極140とを、エレクトロクロミック層120と電解質層130とが接触するようを貼り合わせる。
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=350kg/mol)、および、インジウムスズ酸化物(ITO)でコートされたガラス基板(以降では簡単のため、ITO基板と称する。抵抗率=8〜12Ω/cm2)を、Sigma−Aldrich Co.LLC.から購入した。
例1では、有機/金属ハイブリッドポリマーとして式(A)で示されるFe−MEPEと、イオン液体としてBMP−TFSIとを含有する複合体を合成した。
例2では、所定の条件(100℃、3時間@相対湿度>85%、150℃,3時間@相対湿度>85%、150℃,3時間@大気(相対湿度=50%))で熱処理することを含むプロセスにより、本発明の複合体(Fe−MEPEとBMP−TFSIとを含有する)を含むエレクトロクロミック層を備えたエレクトロクロミックデバイスを製造した。
例3では、熱処理を50℃以下の温度で相対湿度>85%で3時間、および200℃の温度で相対湿度>85%で3時間それぞれ行った以外は、例2と同様にしてエレクトロクロミックデバイスを製造した。例2と同様に、例3のエレクトロクロミックデバイスについて、酸化還元を100回繰り返した際のエレクトロクロミック特性および耐熱性を調べた。結果を図4、表3および表4に示す。
例4では、イオン液体に替えて可塑剤として炭酸プロピレン(PC)を用いた以外は、例3と同様にしてエレクトロクロミックデバイスを製造した。ただし、熱処理は、50℃以下の温度で相対湿度>85%下、3時間の条件のみで行った。なお、PMMAとLiClO4とPCとACNとの重量比は、8:3:27:63であった。例2と同様に、例4のエレクトロクロミックデバイスについて、酸化還元を100回繰り返した際のエレクトロクロミック特性および耐熱性を調べた。結果を図5、表3および表4に示す。
なお、例3にて得られたイオン液体を含む電解質材料のTGAによる10%重量減衰温度(Td10)は309℃であったのに対して、例4にて得られた炭酸プロピレンを含む電解質材料のTGAによる10%重量減衰温度(Td10)は124℃であり、前者のほうが150℃超も高かった。
例5では、電解質に含有される高分子をポリ(エチレンオキシド)(PEO)に替えた以外は、例2と同様にしてエレクトロクロミックデバイスを製造した。ただし、熱処理は100℃,3時間@相対湿度>85%、150℃,3時間@相対湿度>85%でそれぞれ行った。なお、PEOとLiClO4とBMP−TFSIとACNとの重量比は、7:3:20:210であった。例2と同様に、例5のエレクトロクロミックデバイスについて、酸化還元を100回繰り返した際のエレクトロクロミック特性を調べた。結果を図6および表3に示す。
例6では、熱処理を50℃以下の温度で相対湿度>85%で行った以外は、例5と同様にしてエレクトロクロミックデバイスを製造した。例2と同様に、例6のエレクトロクロミックデバイスについて、酸化還元を100回繰り返した際のエレクトロクロミック特性を調べた。結果を図6および表3に示す。
例7では、イオン液体に替えて可塑剤として炭酸プロピレン(PC)を用いた以外は、例5および例6と同様にしてエレクトロクロミックデバイスを製造した。なお、PEOとLiClO4とPCとACNとの重量比は、7:3:20:210であった。熱処理は、50℃で、相対湿度50%(大気中)下で3時間の間行った。例2と同様に、例7のエレクトロクロミックデバイスについて、酸化還元を100回繰り返した際のエレクトロクロミック特性を調べた。結果を表3に示す。
なお、例6にて得られたイオン液体を含む電解質材料のTGAによる10%重量減衰温度(Td10)は362℃であったのに対して、例7にて得られた炭酸プロピレンを含む電解質材料のTGAによる10%重量減衰温度(Td10)は137℃であり、前者のほうが200℃超も高かった。
例8では、電解質にイオン蓄積材料としてビオロゲン(10mM)をさらに用いた(すなわち、例2におけるイオン液体を含有する電解質材料にビオロゲンを添加した)以外は、例2と同様にしてエレクトロクロミックデバイスを製造した。なお、熱処理は、50℃より高温で、相対湿度50%(大気中)下で3時間の間行った。例2と同様に、例8のエレクトロクロミックデバイスについて、酸化還元を100回繰り返した際のエレクトロクロミック特性および耐熱性を調べた。結果を表4に示す。
例9では、電解質にイオン蓄積材料としてビオロゲン(10mM)をさらに用いた以外は、例4と同様にしてエレクトロクロミックデバイスを製造した。なお、熱処理は、50℃より高温で、相対湿度50%(大気中)下で3時間の間行った。例2と同様に、例9のエレクトロクロミックデバイスについて、酸化還元を100回繰り返した際のエレクトロクロミック特性および耐熱性を調べた。結果を表4に示す。
例10では、イオン液体としてBMIm−BF4を用いた以外は、例2と同様にしてエレクトロクロミックデバイスを製造した。BMIm−BF4の電位窓(4.6V)は、BMP−TFSIの電位窓(5.5V)より狭い範囲であった。なお、PMMAとLiClO4とBMIm−BF4とACNとの重量比は、7:3:20:70であった。熱処理は、50℃より高温で、相対湿度50%(大気中)下で3時間の間行った。例2と同様に、例10のエレクトロクロミックデバイスについて、酸化還元を100回繰り返した際のエレクトロクロミック特性を調べた。結果を表3に示す。
例11では、イオン液体としてBMIm−BF4を用いた以外は、例5と同様にしてエレクトロクロミックデバイスを製造した。なお、PEOとLiClO4とBMIm−BF4とACNとの重量比は、7:3:20:210であった。熱処理は、50℃より高温で、相対湿度50%(大気中)下で3時間の間行った。例2と同様に、例11のエレクトロクロミックデバイスについて、酸化還元を100回繰り返した際のエレクトロクロミック特性を調べた。結果を表3に示す。
例12では、イオン液体として常温で固体であるBMP−PF6を用いた以外は、例2と同様にしてエレクトロクロミックデバイスの製造を試みた。BMP−PF6の融点は、室温よりも高温であり、25℃で固体であった。なお、PMMAとLiClO4とBMP−PF6とACNとの重量比は、7:3:20:70であった。しかしながら、イオン液体を含有する電解質材料を調製したが、ゲル化が生じなかった。さらに、イオン液体を含有する電解質材料を有機/金属ハイブリッドポリマー層上に付与したが、密着性が取れなかった。このため、これ以上のプロセス(熱処理)を行っても、エレクトロクロミックデバイスとして機能しないので、製造を断念した。このことから、本発明の複合体に含有されるイオン液体は、好ましくは、室温以下の融点を有し、より好ましくは0℃以下の融点を有すると良いことが示された。
図5は、例4のエレクトロクロミックデバイスの酸化還元を繰り返した際の波長580nmにおける透過率の変化を示す図である。
図6は、例5および例6のエレクトロクロミックデバイスの酸化還元を繰り返した際の波長580nmにおける透過率の変化を示す図である。
110 第1の電極
120 エレクトロクロミック層
130 電解質層
140 第2の電極
Claims (19)
- 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と、
イオン液体と
を含有し、
前記有機/金属ハイブリッドポリマーは、前記イオン液体とイオン結合を形成している、複合体。 - 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、請求項1に記載の複合体。
- 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金属イオンである、請求項1に記載の複合体。
- 前記イオン液体は、テトラフルオロボレート、ヘキサフルオロフォスフェート、ビス(トリフルオロメタンスルフォニル)イミド、および、ビス(ペンタフルオロエチルスルフォニル)イミドからなる群から選択されるアニオンと、イミダゾリウム、ピロリジニウム、および、テトラアルキルアンモニウムからなる群から選択されるカチオンとの組み合わせである、請求項1に記載の複合体。
- 前記イオン液体は、少なくとも−1V vs Ag/Ag+以下の負電位から+2V vs Ag/Ag+以上の正電位までの範囲の電位窓を有する、請求項1に記載の複合体。
- 前記イオン液体は、室温以下の融点を有する、請求項4に記載の複合体。
- 前記有機/金属ハイブリッドポリマーと前記イオン液体とは、前記有機/金属ハイブリッドポリマーの繰り返し構造単位に対する前記イオン液体のモル量の比が、0.1以上4.0以下を満たすように含有される、請求項1に記載の複合体。
- 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有機/金属ハイブリッドポリマーである、請求項1に記載の複合体。
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。 - 前記有機/金属ハイブリッドポリマーおよび前記イオン液体は、水、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、エタノールおよびメタノールからなる群から選択される溶媒に溶解している、請求項1に記載の複合体。
- 請求項1に記載の複合体の製造方法であって、
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有する有機/金属ハイブリッドポリマーと、イオン液体とを接触させるステップを包含する、方法。 - 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の電極とを備えたエレクトロクロミックデバイスであって、
前記エレクトロクロミック層は、請求項1に記載の複合体を含有する、エレクトロクロミックデバイス。 - 前記電解質層は、少なくとも高分子および支持塩を含有する、請求項11に記載のエレクトロクロミックデバイス。
- 前記電解質層は、ビオロゲン、N,N,N’,N’−テトラメチル−p−フェニレンジアミンおよび有機金属錯体からなる群から選択されるイオン蓄積材料をさらに含有する、請求項12に記載のエレクトロクロミックデバイス。
- 前記高分子は、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリ(ビニリデンフルオライド−co−ヘキサフルオロイソプロピル)(PVdF−co−PHFP)、ポリプロピレンカーボネート(PPC)、ポリカーボネート、および、ポリアクリロニトリルからなる群から選択される、請求項12に記載のエレクトロクロミックデバイス。
- 前記支持塩は、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3COO、リチウムビス(トリフルオロメタンスルフォニル)イミド(LiTFSI)、LiCH3COO、過塩素酸テトラブチルアンモニウム、過塩素酸テトラエチルアンモニウム、KCl、NaClO3、NaCl、NaBF4、NaSCN、KBF4、Mg(ClO4)2およびMg(BF4)2からなる群から選択される、請求項12に記載のエレクトロクロミックデバイス。
- 前記電解質層は、炭酸プロピレン(PC)、炭酸エチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、γ−ブチロラクトン、スクシノニトリル、および、イオン液体からなる群から選択される可塑剤をさらに含有し、
前記イオン液体は、テトラフルオロボレート、ヘキサフルオロフォスフェート、ビス(トリフルオロメタンスルフォニル)イミド、および、ビス(ペンタフルオロエチルスルフォニル)イミドからなる群から選択されるアニオンと、イミダゾリウム、ピロリジニウム、および、テトラアルキルアンモニウムからなる群から選択されるカチオンとの組み合わせである、請求項12に記載のエレクトロクロミックデバイス。 - エポキシ樹脂および/またはシリコーン樹脂からなる封止剤により封止されている、請求項11に記載のエレクトロクロミックデバイス。
- 請求項11に記載のエレクトロクロミックデバイスを製造する方法であって、
第1の電極上に少なくとも請求項1に記載の複合体を含有する材料を付与し、エレクトロクロミック層を形成するステップと、
前記エレクトロクロミック層上に電解質層、第2の電極をこの順に形成するステップと
を包含する、方法。 - 請求項11に記載のエレクトロクロミックデバイスを製造する方法であって、
第1の電極上に、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材料を付与し、有機/金属ハイブリッドポリマー層を形成するステップと、
前記有機/金属ハイブリッドポリマー層上にイオン液体を含有する電解質材料、第2の電極をこの順に付与し、第1の電極、有機/金属ハイブリッドポリマー層、電解質層および第2の電極からなる構造体を形成するステップと、
前記構造体を熱処理するステップと
を包含する、方法。
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