WO2010147017A1 - 表示素子とそれを用いたカラー電子ペーパー - Google Patents

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WO2010147017A1
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ion
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organic
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昌芳 樋口
夢 赤坂
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    • G02F2202/00—Materials and properties
    • G02F2202/02—Materials and properties organic material

Definitions

  • the present invention relates to a display element and color electronic paper using the display element.
  • a method using a polarizing plate such as a reflective liquid crystal has a low reflectance of about 40% and is difficult to display white, and many of the production methods used for producing the constituent members are not easy.
  • the polymer dispersed liquid crystal requires a high voltage and utilizes the difference in refractive index between organic substances, so that the resulting image has insufficient contrast.
  • the polymer network type liquid crystal has problems such as high voltage and the necessity of a complex TFT circuit to improve memory performance.
  • a display element based on electrophoresis requires a high voltage of 10 V or more, and there is a concern about durability due to electrophoretic particle aggregation.
  • a method for performing color display using these methods a method using a color filter is known. In principle, a bright white display cannot be obtained due to the coloring of the color filter.
  • an electrochromic method is known as a method capable of full color display that can be driven at a low voltage.
  • the electrochromic method can be driven at a low voltage of 3 V or less, but when displaying full color, it is necessary to stack three layers of different colors, and there is a concern about the high cost due to complicated element configuration,
  • a full-color electrochromic element using flat ground mixing (see, for example, Patent Document 1) is known.
  • the contrast of color display is not sufficient because of the flat ground mixing, and a method of performing multicolor display in a single layer. Is desired.
  • Patent Document 2 discloses that an organic-inorganic hybrid polymer can be formed by complexing a coordination bis (terpyridine) derivative with a metal ion to control color development and decoloration.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2003-270670 JP 2007-112957 A International Publication WO2008 / 143324 Pamphlet International Publication WO2008 / 081762 Pamphlet
  • Patent Documents 2 to 4 suggest the applicability of organic-inorganic hybrid polymers to display elements, specific configurations as display elements such as color electronic paper have not yet been realized. Is the current situation.
  • the present invention has been made in view of the circumstances as described above, and can smoothly switch between display / non-display of a desired symbol, has a memory function, and is driven at a low voltage with a simple member configuration. It is an object of the present invention to provide a display element that can be displayed with high display contrast and can have a large area, and color electronic paper using the display element.
  • the present invention is characterized by the following in order to solve the above problems.
  • M represents a metal ion
  • X represents a counter anion
  • R represents a spacer containing a carbon atom and a hydrogen atom or a spacer directly connecting two terpyridyl groups
  • R 1 to R 4 are each Independently represents a hydrogen atom or a substituent
  • n is an integer of 2 or more indicating the degree of polymerization.
  • M 1 to M N each independently represents a metal ion
  • X 1 to X N (N represents an integer of 2 or more) are each independently represented. represent a counter anion
  • R 1 ⁇ R N each independently represent a spacer connecting the spacer or two terpyridyl group directly containing carbon and hydrogen atoms
  • R 1 1 to R 1 N , R 2 1 to R 2 N , R 3 N to R 3 N , R 4 1 to R 4 N are each independently a hydrogen atom or a substituent N 1 to n N (N represents an integer of 2 or more), each of which represents an organic-inorganic hybrid polymer represented by the following formula:
  • a display element comprising a layer and a polymer gel electrolyte-containing layer.
  • the first display element wherein the symbol display layer is formed on a surface of a transparent substrate having a front electrode and / or a substrate having a back electrode.
  • the third display element wherein the white particles are titanium dioxide fine particles.
  • the metal ion of the organic-inorganic hybrid polymer is at least one selected from iron ion, cobalt ion, nickel ion, zinc ion, and ruthenium ion, any one of the first to fourth above Display element.
  • the counter anion of the organic-inorganic hybrid polymer is at least one selected from acetate ion, chlorine ion, phosphorus hexafluoride ion, boron tetrafluoride ion, and polyoxometalate. Any one of display elements 1 to 5.
  • a color electronic paper comprising any one of the first to sixth display elements.
  • the seventh color electronic paper as described above which has a display unit having a size of 20 inches or more.
  • a symbol display such as a segment display and a digital display by using an electrochromic characteristic of an organic-inorganic hybrid polymer (a characteristic in which a substance color is changed by electrochemical redox), and a simple member configuration. It can be driven at a low voltage. Even if the power is turned off, the display can be continued for a long time (memory action). Further, the display contrast can be increased by adding a white pigment such as titanium dioxide fine particles to the polymer gel electrolyte. Furthermore, a large area display such as a large color electronic paper having a side of 40 cm is also possible.
  • Example 4 It is the figure which showed schematically embodiment of the display element of this invention. It is a photograph of the display element obtained in Example 1 (right) and Example 2 (left). 6 is a photograph of a display element obtained in Example 4.
  • the organic-inorganic hybrid polymer of formula (I) and formula (II) used in the present invention is composed of a bis (terpyridine) derivative, a metal ion, and a counter anion.
  • Organic-inorganic hybrid polymer exhibits color based on charge transfer absorption from a metal to a bis (terpyridine) derivative as a ligand. That is, the color disappears when the organic-inorganic hybrid polymer is electrochemically oxidized. Further, when electrochemically reduced in this decolored state, it returns to the colored state. This phenomenon can occur repeatedly.
  • R in the formula (I) and R 1 to R N in the formula (II) are spacers for connecting two terpyridyl groups, and the angle of the pyridyl group of the organic-inorganic hybrid polymer can be arbitrarily set by the spacer. -Material design of inorganic hybrid polymer becomes possible.
  • the spacer may be one in which two terpyridyl groups are directly connected, but a divalent organic group containing a carbon atom and a hydrogen atom can be used.
  • a divalent organic group include aliphatic groups.
  • examples include hydrocarbon groups, alicyclic hydrocarbon groups, aromatic hydrocarbon groups, and heterocyclic groups. Of these, arylene groups such as a phenylene group and a biphenylene group are preferable.
  • these hydrocarbon groups may have a substituent such as an alkyl group such as a methyl group, an ethyl group or a hexyl group, an alkoxy group such as a methoxy group or a butoxy group, or a halogen atom such as chlorine or bromine.
  • a spacer may further contain an oxygen atom or a sulfur atom. Oxygen atoms and sulfur atoms have a modification ability, which is advantageous for material design of organic-inorganic hybrid polymers.
  • divalent arylene groups represented by the following formulas (1) to (11) can be exemplified as preferable spacers.
  • Examples of the aliphatic hydrocarbon group constituting the spacer include alkyl groups such as C 1 to C 6 , specifically, methyl group, ethyl group, n-propyl group, i-propyl group, n-butyl group, Examples of the divalent organic group constituting the spacer include t-butel group, etc., and these groups include alkyl groups such as methyl group, ethyl group and hexyl group, alkoxy groups such as methoxy group and butoxy group, chlorine and bromine. Those having a substituent such as a halogen atom may be used.
  • Examples of the metal ions of M in the formula (I) and M 1 to MN in the formula (II) include iron ions, cobalt ions, nickel ions, zinc ions, ruthenium ions and the like. These metal ions can not only change the valence by a reduction reaction, but also when the organic-inorganic hybrid polymer represented by the above formula (I) is used, different redox potentials for each metal ion.
  • Examples of counter anions of X in formula (I) and X 1 to X N in formula (II) include acetate ion, chlorine ion, phosphorus hexafluoride ion, boron tetrafluoride ion, polyoxometalate and the like. Can be mentioned.
  • the counter anion compensates for the metal ion charge and renders the organic-inorganic hybrid polymer electrically neutral.
  • R 1 to R 4 in formula (I) and R 1 1 to R 1 N , R 2 1 to R 2 N , R 3 N to R 3 N , and R 4 1 to R 4 N in formula (II) are Independently represents a hydrogen atom or a substituent, and examples of the substituent include a halogen atom, a hydrocarbon group, a hydroxyl group, an alkoxy group, a carbonyl group, a carboxylate group, an amino group, a substituted amino group, an amide group, and a substituted amide. Group, cyano group, nitro group and the like.
  • hydrocarbon group examples include linear or branched alkyl groups such as C 1 to C 10 , specifically, methyl group, ethyl group, n-propyl group, i-propyl group, n-butyl group, t -Butyl group and the like can be exemplified, and these hydrocarbon groups as substituents include alkyl groups such as methyl group, ethyl group and hexyl group, alkoxy groups such as methoxy group and butoxy group, halogen atoms such as chlorine and bromine, etc. You may use what has a substituent.
  • n is an integer of 2 or more indicating the degree of polymerization, for example, 2 to 5000, preferably 10 to 1000.
  • n 1 to n N are each independently an integer of 2 or more indicating the degree of polymerization, and the total n 1 + n 2 +... + N N is, for example, 2 to 5000, preferably 10 to 1000.
  • the organic-inorganic hybrid polymers of the formulas (I) and (II) can be produced, for example, by the methods described in Patent Documents 2 to 4 and the like.
  • the organic-inorganic hybrid polymer of formula (I) when produced, it can be produced by refluxing a bisterpyridine derivative and a metal salt at 150 ° C. for about 24 hours in acetic acid or methanol.
  • the reflux conditions vary depending on the selected spacer and metal salt, but those skilled in the art can easily select optimum conditions.
  • the mixture obtained by refluxing may be heated to evaporate the solvent and form a powder.
  • the powder has, for example, a color such as purple and is in a reduced state. Since such powder is easily dissolved in methanol, it is easy to handle.
  • the organic-inorganic hybrid polymer of the formula (II) includes, for example, each of the bisterpyridine derivatives corresponding to the first to Nth of the formula (II) and each of the metal salts corresponding to the first to Nth. , And refluxing each in acetic acid and methanol, and a step of mixing the first to N-th (N is an integer of 2 or more) reactants obtained in this step.
  • the polymer gel electrolyte used in the present invention is a gel electrolyte using an organic solvent and a polymer.
  • the electrolyte used for the polymer gel electrolyte is preferably a compound such as a lithium salt, a sodium salt, a potassium salt, or an ammonium salt that is soluble in an organic solvent and has a sufficient electric conductivity (0.2 S / m or more).
  • ammonium hexafluorophosphate such as tetrabutylammonium hexafluorophosphate, tetraethylammonium hexafluorophosphate, and tetrapropylammonium hexafluorophosphate.
  • an organic solvent having a boiling point in the range of 120 to 300 ° C. that can remain in the electrolyte without causing volatilization after the electrolyte is formed can be used.
  • examples of such an organic solvent include propylene carbonate, ethylene carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, butylene carbonate, ⁇ -butyl lactone, tetramethyl urea, sulfolane, dimethyl sulfoxide, 1,3-dimethyl-2- Imidazolidinone, 2- (N-methyl) -2-pyrrolidinone, hexamethylphosphortriamide, N-methylpropionamide, N, N-dimethylacetamide N-methylacetamide, N, N dimethylformamide, N-methylformamide, Butyronitrile, propionitrile, acetonitrile, acetylacetone, 4-methyl-2-pentanone, 2-butanol, 1-butan
  • cyclic carboxylic acid ester compounds such as propylene carbonate, ethylene carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, butylene carbonate, and ⁇ -butyl lactone are preferably used.
  • the polymer for dispersing the electrolyte is preferably a highly transparent polymer that dissolves or swells (gelates) when the above organic solvent is added.
  • a highly transparent polymer that dissolves or swells (gelates) when the above organic solvent is added.
  • the blend of the electrolyte and the polymer in the polymer gel electrolyte is preferably about 1: 1 by mass ratio.
  • white particles are contained in the polymer gel electrolyte from the viewpoint of further improving display contrast and improving visibility.
  • white particles applicable in the present invention include titanium dioxide (anatase type or rutile type), barium sulfate, calcium carbonate, aluminum oxide, zinc oxide, magnesium oxide, zinc hydroxide, magnesium hydroxide, magnesium phosphate, Examples include magnesium hydrogen phosphate, alkaline earth metal salts, talc, kaolin, zeolite, and acid clay.
  • titanium dioxide zinc oxide, and zinc hydroxide are preferably used.
  • titanium dioxide surface-treated with inorganic oxides Al 2 O 3 , AlO (OH), SiO 2, etc.
  • inorganic oxides such as trimethylolethane, triethanolamine acetate, trimethylcyclosilane, etc.
  • titanium dioxide subjected to organic treatment can be used.
  • titanium oxide or zinc oxide from the viewpoint of coloring prevention at high temperature and the reflectance of the element due to the refractive index.
  • FIG. 1 is a diagram conceptually illustrating a display element of the present invention, where (a) is a cross-sectional view, (b) is a top view in an undisplayed state, and (c) is a top view in a display state.
  • the display element of the present invention is an organic compound represented by the following formula (I) or formula (II) between a transparent substrate 1 having a front electrode and a substrate 4 having a back electrode. It has a pattern display layer 2 containing an inorganic hybrid polymer and a polymer gel electrolyte-containing layer 3. The front electrode and the back electrode constitute a counter electrode.
  • a transparent substrate having a surface electrode has a transparent surface electrode such as an ITO electrode.
  • a transparent conductive film ITO, SnO 2 , In 2 O 3
  • a transparent substrate having a surface resistance value of 3 to 600 ⁇ coated with a film such as
  • the light transmittance of the transparent substrate can be measured in accordance with the method for measuring the total light transmittance according to JIS K7105.
  • a transparent substrate glass, a polymer film, etc. can be used, for example.
  • Glass means a substrate transparent to visible light, etc.
  • glass mainly composed of silicon dioxide, glass of inorganic materials of various compositions, organic materials such as transparent acrylic resin, polycarbonate resin, etc.
  • the used resin glass can also be used.
  • polymer film examples include polyester films such as polyethylene terephthalate, polyolefin films such as polypropylene, polyvinyl chloride, acrylic resin films, polyether sulfone films, polyarylate films, polycarbonate films, and the like.
  • polyester films such as polyethylene terephthalate, polyolefin films such as polypropylene, polyvinyl chloride, acrylic resin films, polyether sulfone films, polyarylate films, polycarbonate films, and the like.
  • a polyethylene terephthalate film is preferable because it is excellent in transparency and excellent in moldability, adhesiveness, workability, and the like.
  • the thickness of the surface electrode of the transparent substrate is preferably 10 to 5000 nm, and the thickness of the transparent substrate is not particularly limited.
  • the thickness of the transparent substrate is not particularly limited.
  • 1 to 15 mm is preferable, and in the case of a polymer film, 10 to 200 ⁇ m is preferable.
  • the substrate having the back electrode may be a transparent substrate as described above or an opaque substrate.
  • a stainless steel plate can be used as a counter electrode, and electronic paper that is not easily damaged can be manufactured.
  • a conductive metal thin film such as aluminum, gold, or silver may be used.
  • the display element of the present invention can be manufactured as follows.
  • an organic-inorganic hybrid polymer coating solution is prepared, applied to a transparent substrate having a surface electrode, and dried.
  • the organic-inorganic hybrid polymer coating solution can be prepared by dissolving the organic-inorganic hybrid polymer in a volatile solvent such as methanol that dissolves the organic-inorganic hybrid polymer.
  • a desired pattern pattern is formed.
  • a pattern can be easily formed by the following methods (i) to (iii).
  • (I) Method of wiping unnecessary parts with methanol after spin-coating a polymer dissolved in methanol As an example, an organic / inorganic hybrid polymer such as Fe-MEPE is dissolved in methanol and 20 mg / mL (2.8 mM) Prepare a solution of concentration (concentration is arbitrary, eg dissolves in the range of 1 mg / mL to 100 mg / mL). An organic / inorganic hybrid polymer dissolved in methanol is spin-coated (for example, 300 rpm, 200 sec) on an electrode substrate such as ITO.
  • the spin coating rotation speed and spin coating time are arbitrary, and a film having a desired thickness (color density) can be obtained by adjusting the rotation speed and rotation time.
  • a desired pattern can be produced by wiping off a polymer film at an unnecessary portion with a cloth or a rolling pin soaked with methanol.
  • an organic / inorganic hybrid polymer such as Fe-MEPE is dissolved in methanol to prepare a solution having a concentration of 20 mg / mL (2.8 mM) (the concentration is arbitrary) For example, it dissolves in the range of 1 mg / mL to 100 mg / mL).
  • An electrode substrate such as ITO is preheated with a hot plate (between 30 ° C. and 80 ° C.), and a polymer dissolved in methanol is drawn on the electrode substrate such as ITO using a paintbrush or brush. Since the solvent methanol begins to evaporate simultaneously with the plotting, any plotting is possible.
  • an organic / inorganic hybrid polymer such as Fe-MEPE is dissolved in methanol to prepare a solution having a concentration of 20 mg / mL (2.8 mM). For example, it dissolves in the range of 1 mg / mL to 100 mg / mL).
  • an electrode substrate such as ITO is immersed, and after a few minutes, the electrode is pulled up from the solution to form a film (dip coating).
  • a film having a desired thickness (color density) is obtained by adjusting the solution concentration of the polymer.
  • a desired pattern can be created by wiping off the unnecessary polymer film with a cloth or rolling pin soaked with methanol.
  • the symbol display layer can be formed on the surface of the transparent substrate having the surface electrode, the surface of the substrate having the back electrode, or both of these surfaces.
  • a polymer gel electrolyte coating solution is prepared and applied to the transparent substrate having the surface electrode of the organic-inorganic hybrid polymer and / or the substrate having the back electrode so as to cover the pattern display layer.
  • the polymer gel electrolyte coating solution is a bar coater method, applicator method, doctor blade method, roll coater method, die coater method, comma coater method, gravure coating method, roll brush method, spray coating method, air knife coating method, The impregnation method and the curtain coating method are applied alone or in combination.
  • a coating film may be formed in only one side among the transparent substrate which has a surface electrode, and the board
  • Any solvent may be used as long as it dissolves the electrolyte material and can be removed by drying or the like after each coating.
  • Methyl ethyl ketone, acetone, tetrahydrofuran, toluene, heptane, cyclohexane, ether acetate, ethanol, methanol, 2-propanol, isoamyl acetate, Hexyl acetate, N, N-dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone, water and the like can be used.
  • the front surface electrode of the transparent substrate and the back surface electrode of the substrate are connected to a power source, respectively, a pattern display layer containing an organic-inorganic hybrid polymer represented by the formula (I) or the formula (II), and a polymer gel electrolyte A predetermined voltage is applied to the containing layer. Thereby, the oxidation-reduction of the symbol display layer can be controlled.
  • the symbol display layer is made of a single organic-inorganic hybrid polymer represented by the formula (I)
  • color development and decoloration may be controlled by oxidation-reduction of metal ions in the symbol display layer.
  • the pattern display layer is composed of an organic-inorganic hybrid polymer represented by the formula (II)
  • color development and decoloring can be controlled by adjusting the potential to oxidize and reduce multiple types of metal ions. can do.
  • the color development of the organic-inorganic hybrid polymer is based on charge transfer absorption from a metal in the polymer to an organic site (bis (terpyridine) derivative). Specifically, when the organic-inorganic hybrid polymer is electrochemically oxidized, the color disappears, and when it is electrochemically reduced in this decolored state, it returns to the colored state.
  • the organic-inorganic hybrid polymer causes electron transfer between a bis (terpyridine) derivative as a ligand and a metal ion.
  • metal ions By selecting metal ions as appropriate, colors such as blue and red are produced.
  • the rate of charge transfer differs depending on the combination of the bis (terpyridine) derivative as the ligand and the metal ion, so the desired color can be obtained by appropriately combining the bis (terpyridine) derivative as the ligand and the metal ion. It is done.
  • the rate of this charge transfer can also be controlled by changing the counter anion.
  • the organic-inorganic hybrid polymer repeats coloring and decoloring by adjusting the potential. These phenomena are reversible by adjusting the potential.
  • the metal ions M 1 to MN have different charge transfer rates between the metal ions and the ligand bis (terpyridine) derivative. Can be different.
  • the organic-inorganic hybrid polymer can have a plurality of colors by appropriately combining metal ions having different colors.
  • organic-inorganic hybrid polymer of the formula (II) has different redox potentials for each of the metal ions M 1 to MN , only the color based on the specific metal ion can be developed by controlling the potential. Can do.
  • a segment display or other arbitrarily shaped symbol display layer is formed of an organic / inorganic hybrid polymer, so that display / non-display of the symbol display layer can be switched by electric potential driving, and further, the type of coloring can be changed. Switching is possible, and even if the power is turned off, the display can be continued for a long time (for example, 30 minutes or more) (memory action).
  • the display element of the present invention is suitable for color electronic paper, color electronic posters, color electronic signs, and the like.
  • the display element of the present invention can be used directly, but depending on the application, for example, the display element of the present invention can be used by holding it on two substrates, or can be attached to one side of the substrate. Or may be used.
  • a base material glass, a polymer film, or the like used as the transparent substrate can be used.
  • LiClO 4 was dissolved in acetonitrile (0.9 g / 6 mL), and 6 mL of propylene carbonate was further added to prepare Solution B.
  • Solution A and solution B were mixed to obtain a gel electrolyte.
  • a glass solution of 20 mg / mL (2.8 mM) of an organic-inorganic hybrid polymer in methanol was spin-coated (300 rpm, 200 sec) on ITO glass (manufactured by Geomat Co., Ltd., 10 ⁇ / cm) and allowed to air dry overnight.
  • a gel electrolyte was applied on the entire surface of the formed Fe-MEPE and allowed to air dry overnight. Similarly, gel electrolyte was applied to the ITO glass of the counter electrode. These two sheets were bonded together, and the protruding gel electrolyte was removed. As a result, a color electronic paper having a pattern display layer of Fe-MEPE digital display (7 segments) was produced.
  • the drive system was a battery powered device (maximum 6V) (approximately 1.5V per segment).
  • LiClO 4 was dissolved in acetonitrile (0.9 g / 6 mL), and 6 mL of propylene carbonate was further added to prepare Solution B.
  • the gel electrolyte was applied to the entire surface of the film-formed Fe-MEPE and allowed to air dry overnight. Similarly, gel electrolyte was applied to the ITO glass of the counter electrode. These two sheets were bonded together, and the protruding gel electrolyte was removed. As a result, a color electronic paper having a pattern display layer of Fe-MEPE digital display (7 segments) was produced.
  • the drive system used the apparatus (maximum 3V) which uses a dry cell as a power supply.
  • This color electronic paper realized a smooth display from 0 to 9, and achieved segment display within 1 second as driving characteristics (left side of Fig. 2).
  • the device showed excellent electrochromic behavior even in the presence of titanium dioxide and succeeded in producing a device with good visibility.
  • Example 3 [Synthesis of organic-inorganic hybrid polymer] Fe-MEPE was synthesized in the same manner as in Example 1. [Preparation of gel electrolyte] A gel electrolyte was prepared in the same manner as in Example 2. [Production of display element] ITO glass (10 ⁇ / cm) and a stainless steel plate were used as substrates.
  • the organic-inorganic hybrid polymer methanol solution 20 mg / mL (2.8 mM) was spin coated (300 rpm, 200 sec) on segment-deposited ITO glass (manufactured by Geomat Co., Ltd., 10 ⁇ / cm) and allowed to air dry overnight.
  • the gel electrolyte was applied to the entire surface of the film-formed Fe-MEPE and allowed to air dry overnight. Similarly, a gel electrolyte was applied to the counter electrode stainless steel plate. These two sheets were bonded together, and the protruding gel electrolyte was removed. As a result, a color electronic paper having a pattern display layer of Fe-MEPE digital display (7 segments) was produced.
  • the drive system used the apparatus (maximum 3V) which uses a dry cell as a power supply.
  • the color at each voltage differs.
  • the same multi-color change was confirmed when Co-MEPE cobalt, Ni-MEPE, or the like was used as the combination of polymers to be mixed.
  • the color display paper was formed not only on the surface of the transparent substrate having the front electrode but also on the surface of the substrate having the back electrode to produce color electronic paper.
  • the same driving characteristics and display characteristics as described above were obtained. As a result, multi-color display in a large area was achieved (FIG. 3).
  • Example 5 [Synthesis of organic-inorganic hybrid polymer]
  • the same 1,4-bis (terpyridyl) benzene and nickel (II) acetate tetrahydrate as in Example 1 were mixed in ethanol at a molar ratio of 1: 1, and the mixture was heated and stirred at 80 ° C. for 18 hours in a solvent. The resulting yellow solution was transferred to a petri dish and the solvent was distilled off to quantitatively obtain the desired product.
  • This organic-inorganic hybrid polymer Ni-MEPE had an absorption at 483 nm according to the ultraviolet-visible absorption spectrum, and the oxidation-reduction potential measured by pulse voltammetry (DPV) was 1.69 V.
  • DPV pulse voltammetry
  • This color electronic paper realized a smooth display from 0 to 9, and achieved segment display within 1 second as driving characteristics. It was also confirmed that the display continued for more than 30 minutes even after the power was turned off (memory effect).

Abstract

　所望の図柄の表示／非表示をスムーズに切り換えることができ、メモリー作用も有し、簡易な部材構成で低電圧にて駆動可能であり、表示コントラストも高く、大面積化も可能な表示素子とそれを用いたカラー電子ペーパーを提供する。　表面電極を有する透明基板と、表面電極に対向する裏面電極を有する基板との間に、下記式（I） （式中、Mは金属イオンを示し、Ｘはカウンターアニオンを示し、Ｒは、炭素原子および水素原子を含むスペーサまたは２つのターピリジル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。）等で表される有機－無機ハイブリッドポリマーを含有する図柄表示層と、高分子ゲル電解質含有層とを有することを特徴とする。

Description

表示素子とそれを用いたカラー電子ペーパー
　本発明は、表示素子とそれを用いたカラー電子ペーパーに関するものである。
　近年、パーソナルコンピュー夕－の動作速度の向上、ネットワークインフラの普及、データストレージの大容量化と低価格化等に伴い、従来では紙等の印刷物で提供されたドキュメントや画像等の情報を、より簡便な電子情報として入手し、電子情報を閲覧する機会が増えている。
　このような電子情報の閲覧手段として、従来の液晶ディスプレイやCRT（ブラウン管）、また近年では、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ等の発光型が主として用いられているが、特に、電子情報がドキュメント情報の場合、比較的長時間にわたってこの閲覧手段を注視する必要があり、これらの行為は必ずしも人間に優しい手段とは言い難く、一般に発光型のディスプレイの欠点として、フリッカーで目が疲労する、持ち運びに不便、読む姿勢が制限され、静止画面に視線を合わせる必要が生じる、長時間読むと消費電力が嵩む等の課題が知られている。
　これらの欠点を補う表示手段として、外光を利用し像保持の為に電力を消費しない電力を消費しない、いわゆるメモリー性を有する反射型ディスプレイが知られているが、下記の理由で十分な性能を有しているとは言い難い。
　例えば、反射型液晶等の偏光板を用いる方式は、反射率が約40％と低く白表示に難があり、また構成部材の作製に用いる製法の多くは簡便とは言い難い。また、ポリマー分散型液晶は高い電圧を必要とし、また有機物同士の屈折率差を利用しているため、得られる画像のコントラストが十分でない。また、ポリマーネットワーク型液晶は電圧高いことと、メモリー性を向上させるために複雑なTFT回路が必要である等の課題を抱えている。また、電気泳動法による表示素子は、10Ｖ以上の高い電圧が必要となり、電気泳動性粒子凝集による耐久性に懸念がある。これらの方法で、カラー表示を行う方法として、カラーフィルターを用いる方法が知られている。原理的に、カラーフィルターの着色のため明るい白表示が得られない。
　また、低電圧で駆動可能なフルカラー表示が可能な方式としては、エレクトロクロミック方式が知られている。エレクトロクロミック方式は、3V以下の低電圧で駆動が可能であるが、フルカラーを表示しようとした場合、異なる色を3層積層する必要があり、複雑な素子構成によるコスト高が懸念され、また、平地混合によるフルカラーエレクトロクロミック素子（例えば、特許文献１参照。）が知られているが、この方式では、平地混合のため、カラー表示のコントラストが十分ではなく、単層で多色表示を行う方法が望まれている。
　一方、エレクトロミック素子として、ビス（ターピリジン）誘導体と、金属イオンと、カウンターアニオンとを合む高分子材料が提案されている（例えば、特許文献２～４参照）。例えば、特許文献２には、配位性を有するビス（ターピリジン）誘導体が金属イオンと錯形成することで、有機－無機ハイブリッドポリマーを形成し、発色および消色の制御が可能である旨が開示されている。
特開２００３－２７０６７０号公報 特開２００７－１１２９５７号公報 国際公開ＷＯ２００８／１４３３２４号パンフレット 国際公開ＷＯ２００８／０８１７６２号パンフレット
　しかしながら、特許文献２～４では、有機－無機ハイブリッドポリマーの表示素子への応用可能性が示唆されているものの、カラー電子ペーパー等の表示素子としての具体的な構成については未だ実現されていないのが現状である。
　本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、所望の図柄の表示／非表示をスムーズに切り換えることができ、メモリー作用も有し、簡易な部材構成で低電圧にて駆動可能であり、表示コントラストも高く、大面積化も可能な表示素子とそれを用いたカラー電子ペーパーを提供することを課題としている。
　本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。
　第１：表面電極を有する透明基板と、表面電極に対向する裏面電極を有する基板との間に、下記式（I）または式（II）
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
（式中、Mは金属イオンを示し、Ｘはカウンターアニオンを示し、Ｒは、炭素原子および水素原子を含むスペーサまたは２つのターピリジル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。）
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
（式中、Ｍ1～ＭN（Ｎは２以上の整数を示す。）は、それぞれ独立に金属イオンを示し、Ｘ1～ＸN（Ｎは２以上の整数を示す。）は、それぞれ独立にカウンターアニオンを示し、Ｒ1～ＲN（Ｎは２以上の整数を示す。）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つのターピリジル基を直接接続するスペーサを示し、Ｒ1 1～Ｒ1 N、Ｒ2 1～Ｒ2 N、Ｒ3 N～Ｒ3 N、Ｒ4 1～Ｒ4 N（Ｎは２以上の整数を示す。）は、それぞれ独立に水素原子または置換基を示し、ｎ1～ｎN（Ｎは２以上の整数を示す。）は、それぞれ独立に重合度を示す２以上の整数である。）で表される有機－無機ハイブリッドポリマーを含有する図柄表示層と、高分子ゲル電解質含有層とを有することを特徴とする表示素子。
　第２：図柄表示層は、表面電極を有する透明基板および／または裏面電極を有する基板の面に形成されていることを特徴とする上記第１の表示素子。
　第３：高分子ゲル電解質は、白色粒子を含有することを特徴とする上記第１または第２の表示素子。
　第４：白色粒子は、二酸化チタン微粒子であることを特徴とする上記第３の表示素子。
　第５：有機－無機ハイブリッドポリマーの金属イオンは、鉄イオン、コバルトイオン、ニッケルイオン、亜鉛イオン、およびルテニウムイオンから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする上記第１～第４のいずれかの表示素子。
　第６：有機－無機ハイブリッドポリマーのカウンターアニオンは、酢酸イオン、塩素イオン、六フッ化リンイオン、四フッ化ホウ素イオン、およびポリオキソメタレートから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする上記第１～第５のいずれかの表示素子。
　第７：上記第１～第６のいずれかの表示素子からなることを特徴とするカラー電子ペーパー。
　第８：サイズが２０インチ以上の表示部を有することを特徴とする上記第７のカラー電子ペーパー。
　本発明によれば、有機－無機ハイブリッドポリマーのエレクトロクロミック特性（電気化学的酸化還元により物質色が変わる特性）を用いて、セグメント表示、デジタル表示等の図柄表示が可能となり、簡易な部材構成で低電圧にて駆動可能である。そして電源を切っても長時間の表示の継続（メモリー作用）が可能である。また、高分子ゲル電解質に二酸化チタン微粒子等の白色顔料を加えることで、表示コントラストを高めることができる。さらに例えば一辺が40cmの大型カラー電子ペーパーのような大面積の表示も可能である。
本発明の表示素子の実施形態を概略的に示した図である。 実施例１（右）および実施例２（左）で得られた表示素子の写真である。 実施例４で得られた表示素子の写真である。
１　　透明基板
２　　図柄表示層
３　　高分子ゲル電解質
４　　基板
　以下、本発明を詳細に説明する。
　本発明に用いられる式（I）および式（II）の有機－無機ハイブリッドポリマーは、ビス（ターピリジン）誘導体と、金属イオンと、カウンターアニオンとから構成される。
　そして配位性を有するビス（ターピリジン）誘導体と金属イオンとを錯形成させることで、ビス（ターピリジン）誘導体と金属イオンとが交互に連結した状態（高分子錯体）を形成している。
　有機－無機ハイブリッドポリマーは、金属から配位子としてのビス（ターピリジン）誘導体への電荷移動吸収に基づき呈色を示す。すなわち、有機－無機ハイブリッドポリマーを電気化学的に酸化すると発色が消える。また、この消色状態で電気化学的に還元すると発色状態に戻る。この現象は繰り返し起こすことが可能である。
　式（I）のＲおよび式（II）のＲ1～ＲNは２つのターピリジル基を接続するためのスペーサであり、スペーサによって有機－無機ハイブリッドポリマーのピリジル基の角度を任意に設定でき、有機－無機ハイブリッドポリマーの材料設計が可能となる。
　スペーサは、２つのターピリジル基が直接接続されたものでもよいが、炭素原子および水素原子を含む二価の有機基を用いることができ、このような二価の有機基としては、例えば、脂肪族炭化水素基、脂環式炭化水素基、芳香族炭化水素基、複素環基等が挙げられる。中でも、フェニレン基、ビフェニレン基などのアリーレン基が好ましい。また、これらの炭化水素基はメチル基、エチル基、ヘキシル基等のアルキル基、メトキシ基、ブトキシ基等のアルコキシ基、塩素、臭素等のハロゲン原子等の置換基を有していてもよい。また、このようなスペーサは、酸素原子や硫黄原子をさらに含んでいてもよい。酸素原子や硫黄原子は修飾能を有するので、有機－無機ハイブリッドポリマーの材料設計に有利である。
　例えば、下記式（１）～（１１）で表される二価のアリーレン基が好ましいスペーサとして例示できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
　スペーサを構成する脂肪族炭化水素基としては、例えば、Ｃ1～Ｃ6等のアルキル基、具体的には、メチル基、エチル基、ｎ－プロピル基、ｉ－プロピル基、ｎ－ブチル基、ｔ－ブテル基等が例示でき、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、ヘキシル基等のアルキル基、メトキシ基、ブトキシ基等のアルコキシ基、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。
　式（I）のＭおよび式（II）のＭ1～ＭNの金属イオンとしては、例えば、鉄イオン、コバルトイオン、ニッケルイオン、亜鉛イオン、ルテニウムイオン等が挙げられる。これらの金属イオンは、還元反応によって価数を変化させることができるだけでなく、上記式（I）で表される有機－無機ハイブリッドポリマーとなった場合に、個々の金属イオンで互いに異なる酸化還元電位を有する。
　式（I）のＸおよび式（II）のＸ1～ＸNのＸのカウンターアニオンとしては、例えば、酢酸イオン、塩素イオン、六フッ化リンイオン、四フッ化ホウ素イオン、ポリオキソメタレート等が挙げられる。カウンターアニオンによって、金属イオンの電荷が補償され、有機－無機ハイブリッドポリマーを電気的に中性にする。
　式（I）のＲ1～Ｒ4および式（II）のＲ1 1～Ｒ1 N、Ｒ2 1～Ｒ2 N、Ｒ3 N～Ｒ3 N、Ｒ4 1～Ｒ4 Nは、それぞれ独立に水素原子または置換基を示し、置換基としては、例えば、ハロゲン原子、炭化水素基、ヒドロキシル基、アルコキシ基、カルボニル基、カルボン酸エステル基、アミノ基、置換アミノ基、アミド基、置換アミド基、シアノ基、ニトロ基などが挙げられる。炭化水素基としては、例えば、Ｃ1～Ｃ10等の直鎖または分岐のアルキル基、具体的には、メチル基、エチル基、ｎ－プロピル基、ｉ－プロピル基、ｎ－ブチル基、ｔ－ブチル基等が例示でき、さらに置換基としてこれらの炭化水素基にメチル基、エチル基、ヘキシル基等のアルキル基、メトキシ基、ブトキシ基等のアルコキシ基、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。
　式（I）において、ｎは重合度を示す2以上の整数であり、例えば2～5000、好ましくは10～1000である。式（II）において、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、その合計ｎ1＋ｎ2＋・・・＋ｎNは、例えば2～5000、好ましくは10～1000である。
　式（I）および式（II）の有機－無機ハイブリッドポリマーは、例えば、特許文献２～４等に記載の方法により製造することができる。例えば、式（I）の有機－無機ハイブリッドポリマーを製造する際には、ビスターピリジン誘導体と金属塩とを、酢酸またはメタノール中で150℃で24時間程度還流させる方法で製造することできる。還流条件は、選択されるスペーサ、金属塩によって異なるが、当業者であれば容易に最適の条件を選択することができる。
　上記のような方法で有機－無機ハイブリッドポリマーを合成した後、還流によって得られた混合物を加熱し溶媒を蒸発させ、粉末としてもよい。粉末は、例えば、紫色等の発色を有し、還元状態にある。このような粉末は容易にメタノールに溶解するため、取り扱いが簡便である。
　また、式（II）の有機－無機ハイブリッドポリマーは、例えば、式（II）の第１～第Ｎに対応するビスターピリジン誘導体のそれぞれと、第１～第Ｎに対応する金属塩のそれぞれとを、酢酸およびメタノール中でそれぞれ還流させる工程と、当該工程で得られた第１～第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の反応物を混合する工程とを包含する方法で製造することができる。
　本発明に用いられる高分子ゲル電解質は、有機溶媒および高分子を用いたゲル電解質である。高分子ゲル電解質に用いる電解質としては、有機溶媒に可溶でかつ十分な電気伝導率（0.2S/m以上）を有するリチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、アンモニウム塩等の化合物が好ましく、例えば、過塩素酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、六フッ化リン酸リチウム、トリフルオロ硫酸リチウム、六フッ化砒酸リチウム、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、過塩素酸テトラプロピルアンモニウム等の過塩素酸アンモニウム類、六フッ化リン酸テトラブチルアンモニウム、六フッ化リン酸テトラエチルアンモニウム、六フッ化リン酸テトラプロピルアンモニウム等の六フッ化リン酸アンモニウム類等が挙げられる。
　有機溶媒としては、例えば、電解質を形成した後、揮発を起こさず電解質に留まることができる沸点が120～300℃の範囲にある有機溶媒を用いることができる。このような有機溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ブチレンカーボネート、γ－ブチルラクトン、テトラメチル尿素、スルホラン、ジメチルスルホキシド、１，３－ジメチルー２－イミダゾリジノン、２－（Ｎ－メチル）－２－ピロリジノン、ヘキサメチルホスホルトリアミド、Ｎ－メチルプロピオンアミド、Ｎ、Ｎ－ジメチルアセトアミドＮ－メチルアセトアミド、Ｎ，Ｎジメチルホルムアミド、Ｎ－メチルホルムアミド、ブチロニトリル、プロピオニトリル、アセトニトリル、アセチルアセトン、４－メチル－２－ペンタノン、２－ブタノール、１－ブタノール、２－プロパノール、１－プロパノール、無水酢酸、酢酸エチル、プロピオン酸エチル、ジメトキシエタン、ジエトキシフラン、テトラヒドロフラン、エチレンダリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、トリクレジルホスフェート、２－エチルヘキシルホスフェート、ジオクチルフタレート、ジオクチルセバケート等が挙げられる。
　中でも、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ブチレンカーボネート、γ－ブチルラクトン等の環状カルボン酸エステル系化合物を用いることが好ましい。
　電解質を分散させる高分子としては、上記の有機溶媒を加えることで溶解または膨潤する（ゲル化する）透明度の高い高分子であることが好ましく、例えば、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリメタクリル酸シクロヘキシル、ポリメタクリル酸フェニル等のポリメタクリル酸エステル類、ポリカーボネート類等が挙げられる。
　なお、本発明において、高分子ゲル電解質中の電解質と高分子の配合は、質量比で１：１程度とすることが好ましい。
　本発明においては、表示コントラストをより高め視認性を向上させる観点から、高分子ゲル電解質中に白色粒子を含有することが好ましい。本発明で適用可能な白色粒子としては、例えば、二酸化チタン（アナターゼ型あるいはルチル型）、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、水酸化亜鉛、水酸化マグネシウム、リン酸マグネシウム、リン酸水素マグネシウム、アルカリ土類金属塩、タルク、カオリン、ゼオライト、酸性白土等が挙げられる。
　本発明では、上記白色粒子の中でも、二酸化チタン、酸化亜鉛、水酸化亜鉛が好ましく用いられる。また、無機酸化物（Al2O3、ＡlO(OH)、SiO2等）で表面処理した二酸化チタン、これらの表面処理に加えて、トリメチロールエタン、トリエタノールアミン酢酸塩、トリメチルシクロシラン等の有機物処理を施した二酸化チタンを用いることができる。
　これらの白色粒子のうち、高温時の着色防止、屈折率に起因する素子の反射率の観点から、酸化チタンまたは酸化亜鉛を用いることがより好ましい。
　図１は、本発明の表示素子を概念的に説明する図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は未表示状態の上面図、（ｃ）は表示状態の上面図である。本発明の表示素子は、図１に示すように、表面電極を有する透明基板１と、裏面電極を有する基板４との間に、下記式（I）または式（II）で表される有機－無機ハイブリッドポリマーを含有する図柄表示層２と、高分子ゲル電解質含有層３とを有する。なお、表面電極と裏面電極は対向電極を構成している。
　表面電極を有する透明基板は、ITO電極等の透明な表面電極を有するものであり、透明基板としては、例えば、光透過率が80%以上の透明導電膜（ITO、SnO2、In2O3等の膜）がコーティングされている表面抵抗値が3～600Ωの透明基板を用いることができる。
　なお、透明基板の光透過率はＪＩＳ Ｋ７１０５の全光線透過率の測定法に準拠して測定することができる。また、透明基板としては、例えば、ガラス、高分子フィルム等を用いることができる。
　ガラスとしては、可視光線等に透明な基板を意味し、二酸化ケイ素を主成分とする一般的なガラスの他、種々の組成の無機材料のガラス、透明なアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂等の有機材料を用いた樹脂ガラスも用いることができる。
　高分子フィルムとしては、例えば、ポリエテレンテレフタレート等のポリエステル系フィルム、ポリプロピレン等のポリオレフィン系フィルム、ポリ塩化ビニル、アクリル樹脂系のフィルム、ポリエーテルサルフォンフィルム、ポリアリレートフィルム、ポリカーボネートフィルム等の樹脂フィルムが挙げられるが、ポリエチレンテレフタレートフィルムが、透明性に優れ、成形性、接着性、加工性等に優れるので好ましい。
　透明基板の表面電極の厚みは、10～5000nmであることが好ましく、透明基板の厚みは特に制限はない。例えば、ガラスの場合には、1～15mmが好ましく、高分子フィルムの場合には10～200μmが好ましい。
　基板の間隔が狭く、異物質の混入等により発生する短絡現象を防止するために、表面電極を構成する透明導電膜の上に200～1000Å程度の厚さの透明絶縁層が形成されている基板を用いてもよい。
　裏面電極を有する基板は、上記のような透明基板であってもよいが、不透明な基板であってもよい。例えば基板としてステンレス板を対極に用いることができ、破損しにくい電子ペーパーの作製が可能になる。
　また、裏面電極としては、アルミニウム、金、銀のような導電性金属の薄膜を用いてもよい。
　本発明の表示素子は、次のようにして製造することができる。
　まず、有機－無機ハイプリッドポリマーの塗工液を調製し、表面電極を有する透明基板に塗布、乾燥する。有機－無機ハイプリッドポリマーの塗工液は、有機－無機ハイプリッドポリマーを溶解するメタノール等の揮発性溶媒に有機－無機ハイプリッドポリマーを溶解して調製することができる。
　乾燥後、所望の図柄パターンを形成する。例えば、次の（i）～（iii）の方法により、容易に図柄を形成することができる。
（i）メタノールに溶解させたポリマーをスピンコート後、不要な部分をメタノールにより拭き取る方法
　一例としては、Fe-MEPE等の有機／無機ハイブリッドポリマーをメタノールに溶解させ、20mg/mL (2.8mM)の濃度の溶液を調製する（濃度は任意であり、例えば1mg/mLから100mg/mLの範囲では溶解する）。メタノールに溶解させた有機／無機ハイブリッドポリマーをITO等の電極基板上にスピンコート（例えば300rpm, 200sec）する。なお、スピンコートの回転数とスピンコート時間は任意であり、回転数と回転時間を調節することで所望の厚さ（色の濃さ）の膜が得られる。
　メタノールを染み込ませた布やめん棒等で、不要な部分のポリマー膜をふき取り、所望の図柄を作製することができる。
（ii）ホットプレートを用いて温めながら塗る方法
　一例としては、Fe-MEPE等の有機／無機ハイブリッドポリマーをメタノールに溶解させ、20mg/mL (2.8 mM)の濃度の溶液を調製する（濃度は任意であり、例えば1mg/mLから100mg/mLの範囲では溶解する）。
　ITO等の電極基板をあらかじめホットプレートで加温しておき（30℃～80℃の間）、メタノールに溶解させたポリマーを、絵筆や刷毛等を用いてITO等の電極基板上に作図する。作図と同時に溶媒のメタノールが蒸発し始めるため、任意の作図が可能となる。
（iii）ディップコートを用いて作図する方法
　一例としては、Fe-MEPE等の有機／無機ハイブリッドポリマーをメタノールに溶解させ、20mg/mL (2.8 mM)の濃度の溶液を調製する（濃度は任意であり、例えば1mg/mLから100mg/mLの範囲では溶解する）。
　この有機／無機ハイブリッドポリマー溶液に、ITO等の電極基板を浸漬させ、数分後、電極を溶液から引き上げることで製膜を行う（ディップコーティング）。ポリマーの溶液濃度を調節することで所望の厚さ（色の濃さ）の膜を得る。
　そして一晩自然乾燥させ、膜内のメタノールを除く。その後、メタノールを染み込ませた布やめん棒等で、不要な部分のポリマー膜をふき取り、所望の図柄を作成することができる。
　なお、図柄表示層は、表面電極を有する透明基板の面、裏面電極を有する基板の面、あるいはこれらの両方の面に形成することができる。
　一方、高分子ゲル電解質の塗工液を調製し、これを有機－無機ハイブリッドポリマーの表面電極を有する透明基板上に、および／または裏面電極を有する基板上に図柄表示層を覆うように塗布する。
　高分子ゲル電解質の塗工液は、バーコーター法、アプリケーター法、ドクターブレード法、ロールコーター法、ダイコーター法、コンマコーター法、グラビアコート法、ロールブラッシュ法、スプレーコート法、エアーナイフコート法、含浸法、カーテンコート法等を単独でまたは組み合わせて用いて塗布する。
　なお、塗布する際は必要に応じて適当な溶剤で希釈してもよい。溶剤を用いた場合には、基材上に塗布した後乾燥を要する。なお、上記したように塗膜は必要に応じて表面電極を有する透明基板と裏面電極を有する基板のうち片方のみに形成してもよいし、両方に形成してもよい。
　溶剤としては、電解質材料を溶解しそれぞれの塗布後に乾燥等により除去できるものであればよく、メチルエチルケトン、アセトン、テトラヒドロフラン、トルエン、ヘプタン、シクロヘキサン、エテルアセテート、エタノール、メタノール、２－プロパノール、酢酸イソアミル、酢酸ヘキシル、Ｎ、Ｎ－ジメチルホルムアミド、Ｎ－メチル－２－ピロリドン、水等を用いることができる。
　透明基板の表面電極と、基板の裏面電極はそれぞれ電源に接続されており、式（I）または式（II）で表される有機－無機ハイブリッドポリマーを含有する図柄表示層と、高分子ゲル電解質含有層とに所定の電圧を印加する。これにより図柄表示層の酸化還元を制御できる。
　図柄表示層が、式（I）で表される単一の有機－無機ハイブリッドポリマーからなる場合、図柄表示層中の金属イオンを酸化還元することによって、発色および消色を制御すればよい。
　また、図柄表示層が、式（II）で表される有機－無機ハイブリッドポリマーで構成される場合、複数種の金属イオンをそれぞれ酸化還元するよう電位を調整することによって、発色および消色を制御することができる。
　有機－無機ハイブリッドポリマーの発色は、ポリマー内における金属から有機部位（ビス（ターピリジン）誘導体）への電荷移動吸収に基づいている。具体的には、有機－無機ハイブリッドポリマーを電気化学的に酸化すると、発色が消え、この消色状態で電気化学的に還元すると発色状態に戻る。
　高分子ゲル電解質の存在下、有機－無機ハイブリッドポリマーは、配位子としてのビス（ターピリジン）誘導体と金属イオンとの間で電子の移動が生じる。金属イオンを適宜選択することにより、青、赤等の発色をする。配位子としてのビス（ターピリジン）誘導体と金属イオンとの組み合わせによって、電荷移動の速度が異なるので、配位子としてのビス（ターピリジン）誘導体と金属イオンとを適宜組み合わせることによって所望の発色が得られる。この電荷移動の速度は、カウンターアニオンを変更することによっても制御するとができる。
　具体的には、金属イオンとして鉄イオンを、カウンターアニオンとして酢酸イオンを選択すると、青色～紫色を発色でき、酢酸イオンをポリオキソメタレートに変更すると、青色～紫色から濃い青色（藍色）に変化する。また、金属イオンとしてコバルトイオンを、カウンターアニオンとして酢酸イオンを選択すると、赤茶色を発色でき、酢酸イオンをポリオキソメタレートに変更すると、赤茶色から青色へ変化し得る。
　また、有機－無機ハイブリッドポリマーは、電位の調整により、発色、消色を繰り返す。これらの現象は電位の調整により可逆的である。例えば、式（II）において、Ｍ1～ＭNの各金属イオンは、各金属イオンと配位子であるビス（ターピリジン）誘導体との聞の電荷移動の速度が異なるため、各金属イオンによる発色が異なり得る。
　従って、異なる発色の金属イオンを適宜組み合わせることにより、有機－無機ハイブリッドポリマーは複数の発色が可能となる。
　また、式（II）の有機－無機ハイブリッドポリマーは、金属イオンＭ1～ＭNのそれぞれが酸化還元電位が異なるので、電位を制御することによって、特定の金属イオンに基づく色のみを発色させることができる。
　本発明によれば、セグメント表示その他の任意形状の図柄表示層を有機／無機ハイブリッドポリマーによって形成することで、電位駆動により図柄表示層の図柄の表示／非表示の切り替え、さらには発色の種類の切り替えが可能であり、さらに電源を切っても長時間（例えば30分以上）の表示の継続（メモリー作用）が可能である。
　例えば、デジタル表示のために配線されたITO電極を用いてカラー電子ペーパーを作製することで、時計等としての使用も可能である。
　さらに、ホットプレートを用いてITO基板を温めながら有機／無機ハイブリッドポリマーを塗ることにより所望の図柄を描くことで、一辺が40cmの大型カラー電子ペーパーの作製も可能である。
　本発明の表示素子は、例えば、カラー電子ペーパー、カラー電子ポスター、カラー電子看板等に好適である。
　本発明の表示素子は、直接使用することも可能であるが、用途によっては、例えば、本発明の表示素子を2枚の基材に扶持させて使用したり、基材の片面に貼り付けて使用したりしてもよい。このような基材としては、上記の透明基板として用いられるガラス、高分子フィルム等を使用することができる。
　以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、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。
＜実施例１＞
[有機－無機ハイブリッドポリマーの合成]
　100mlの二口フラスコに、1,4-ビス（ターピリジル）ベンゼン30mg（0.0054mol）を2.5mlの酢酸に加熱しながら溶解させた。次いで酢酸鉄（II）9.39mg（0.0054mo1）を含むメタノール溶液5mlを二口フラスコに加えた。混合物を窒素雰囲気中150℃、24時間加熱還流した。
　還流後、二口フラスコ中の反応溶液をろ過した後、シャーレに移し大気中で乾燥させて、紫色の粉末の有機－無機ハイブリッドポリマー（Fe-MEPE）を得た。粉末の収率は90％であった。
[ゲル電解質の調製]
　PMMA（ポリメタクリル酸メチル）2.1gをアセトニトリルに溶解させ、一晩攪拌し溶液Aを調製した。
　LiClO4をアセトニトリルに溶解させて（0.9g/6mL）、さらに炭酸プロピレン6mLを添加し溶液Bを調製した。
　溶液Ａと溶液Bとを混合してゲル電解質を得た。
[表示素子の作製]
　有機－無機ハイブリッドポリマーのメタノール溶液20mg/mL（2.8mM）をセグメント蒸着したITOガラス（ジオマテック社製、10Ω/cm）にスピンコート（300rpm、200sec）し、一晩自然乾燥させた。
　製膜後、不要な部分をメタノールを用いて拭き取った。
　次に、製膜したFe-MEPEの上に、ゲル電解質を全面に塗り、一晩自然乾燥させた。同様に対極のITOガラスにもゲル電解質を塗った。これら2枚を貼り合わせ、はみ出たゲル電解質を取り除いた。これによりFe-MEPEデジタル表示（7セグメント）の図柄表示層を有するカラー電子ペーパーを作製した。なお、駆動系は乾電池を電源とする装置（最大6V）を用いた（1セグメント当たり約1.5V）。
　このカラー電子ペーパーは、0から9までのスムーズな表示を実現し、駆動特性として1秒以内のセグメント表示を達成した（図２右）。また電源を切っても30分以上表示が続くこと（メモリー効果）を確認した。
＜実施例２＞
[有機－無機ハイブリッドポリマーの合成]
　実施例１と同様にしてFe-MEPEを合成した。
[ゲル電解質の調製]
　PMMA（ポリメタクリル酸メチル）2.1gをアセトニトリル21mLに溶解させ、一晩攪拌し溶液Aを調製した。
　LiClO4をアセトニトリルに溶解させて（0.9g/6mL）、さらに炭酸プロピレン6mLを添加し溶液Bを調製した。
　溶液Ａと溶液Ｂとの混合液C 50mLと二酸化チタン50mgを混合し、ゲル電解質を得た。
[表示素子の作製]
　有機－無機ハイブリッドポリマーのメタノール溶液20mg/mL（2.8mM）をセグメント蒸着したITOガラス（ジオマテック社製、10Ω/cm）にスピンコート（300rpm、200sec）し、一晩自然乾燥させた。
　製膜後、不要な部分をメタノールを用いて拭き取った。
　製膜したFe-MEPEの上に、ゲル電解質を全面に塗り、一晩自然乾燥させた。同様に対極のITOガラスにもゲル電解質を塗った。これら2枚を貼り合わせ、はみ出たゲル電解質を取り除いた。これによりFe-MEPEデジタル表示（7セグメント）の図柄表示層を有するカラー電子ペーパーを作製した。なお、駆動系は乾電池を電源とする装置（最大3V）を用いた。
　このカラー電子ペーパーは、0から9までのスムーズな表示を実現し、駆動特性として1秒以内のセグメント表示を達成した（図２左）。二酸化チタン存在下でも優れたエレクトロクロミック挙動を示し、視認性の良いデバイスの作製に成功した。
＜実施例３＞
[有機－無機ハイブリッドポリマーの合成]
　実施例１と同様にしてFe-MEPEを合成した。
[ゲル電解質の調製]
　実施例２と同様にしてゲル電解質を調製した。
[表示素子の作製]
　ITOガラス（10Ω/cm）およびステンレス板を基板として用いた。有機－無機ハイブリッドポリマーのメタノール溶液20mg/mL（2.8mM）をセグメント蒸着したITOガラス（ジオマテック社製、10Ω/cm）にスピンコート（300rpm、200sec）し、一晩自然乾燥させた。
　製膜後、不要な部分をメタノールを用いて拭き取った。
　製膜したFe-MEPEの上に、ゲル電解質を全面に塗り、一晩自然乾燥させた。同様に対極のステンレス板にもゲル電解質を塗った。これら2枚を貼り合わせ、はみ出たゲル電解質を取り除いた。これによりFe-MEPEデジタル表示（7セグメント）の図柄表示層を有するカラー電子ペーパーを作製した。なお、駆動系は乾電池を電源とする装置（最大3V）を用いた。
　このカラー電子ペーパーは、0から9までのスムーズな表示を実現し、駆動特性として1秒以内のセグメント表示を達成した。電極としてステンレス板を用いた場合でも優れたエレクトロクロミック挙動を示した。
＜実施例４＞
[有機－無機ハイブリッドポリマーの合成]
　酢酸鉄の代わりに塩化ルテニウム・4ジメチルスルホキシド（Ru(DMSO)4Cl2）を用い、溶媒としてエチレングリコールを用い、それ以外の条件は実施例１と同様にして有機－無機ハイブリッドポリマー（Ru-MEPE）を収率95%で合成した。
[ゲル電解質の調製]
　実施例１と同様にしてゲル電解質を調製した。
[表示素子の作製]
　Ru-MEPEと実施例１のFe-MEPEを3：1で混合したものをメタノールに溶解させ、前述した（i）～（iii）の各種の方法で、ITOガラス（10インチサイズ）×8枚（デバイス躯体：ポリカーボネート製）に図柄を形成した。それ以外は実施例１と同様にして、大面積のカラー電子ペーパーを作製した。
　作製したデバイスに0Ｖ、0.8Ｖ、2Vの電圧をかけると、色が赤紫、オレンジ、黄緑色にそれぞれ変化した。駆動特性として1秒以内のセグメント表示を達成し、マルチカラー表示を達成した。
　なお、2種の有機－無機ハイブリッドポリマーRu-MEPE、Fe-MEPEの混合比を変えることで、それぞれの電圧での色が異なる。また、混合するポリマーの組み合わせとしては、Ru-MEPEとFe-MEPEの組み合わせ以外にも、Co-MEPEコバルトやNi-MEPE等を用いても、同様のマルチカラー変化を確認した。さらに、図柄表示層を、表面電極を有する透明基板の面だけではなく、裏面電極を有する基板の面にも形成してカラー電子ペーパーを作製したが、上記と同様の駆動特性、表示特性が得られ、大面積でのマルチカラー表示を達成した（図３）。
＜実施例５＞
[有機－無機ハイブリッドポリマーの合成]
　実施例１と同様の1,4-ビス（ターピリジル）ベンゼンと酢酸ニッケル(II)４水和物をエタノール中で1：1のモル比で混合し、溶媒中80℃で18時間加熱攪拌した。得られた黄色溶液をシャーレに移し、溶媒を留去して目的物を定量的に得た。
　この有機－無機ハイブリッドポリマーNi-MEPEは、紫外可視吸収スペクトルにより483nmに吸収があり、パルスボルタンメトリー（DPV）により酸化還元電位を測定したところ、1.69Vであった。
[ゲル電解質の調製]
　実施例１と同様にしてゲル電解質を調製した。
[表示素子の作製]
　実施例１と同様にしてカラー電子ペーパーを作製した。
　このカラー電子ペーパーは、0から9までのスムーズな表示を実現し、駆動特性として1秒以内のセグメント表示を達成した。また電源を切っても30分以上表示が続くこと（メモリー効果）を確認した。

Claims (8)

  1. 　表面電極を有する透明基板と、表面電極に対向する裏面電極を有する基板との間に、下記式（I）または式（II）
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
     （式中、Mは金属イオンを示し、Ｘはカウンターアニオンを示し、Ｒは、炭素原子および水素原子を含むスペーサまたは２つのターピリジル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。）
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
     （式中、Ｍ1～ＭN（Ｎは２以上の整数を示す。）は、それぞれ独立に金属イオンを示し、Ｘ1～ＸN（Ｎは２以上の整数を示す。）は、それぞれ独立にカウンターアニオンを示し、Ｒ1～ＲN（Ｎは２以上の整数を示す。）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つのターピリジル基を直接接続するスペーサを示し、Ｒ1 1～Ｒ1 N、Ｒ2 1～Ｒ2 N、Ｒ3 N～Ｒ3 N、Ｒ4 1～Ｒ4 N（Ｎは２以上の整数を示す。）は、それぞれ独立に水素原子または置換基を示し、ｎ1～ｎN（Ｎは２以上の整数を示す。）は、それぞれ独立に重合度を示す２以上の整数である。）で表される有機－無機ハイブリッドポリマーを含有する図柄表示層と、高分子ゲル電解質含有層とを有することを特徴とする表示素子。
  2. 　図柄表示層は、表面電極を有する透明基板および／または裏面電極を有する基板の面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の表示素子。
  3. 　高分子ゲル電解質は、白色粒子を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の表示素子。
  4. 　白色粒子は、二酸化チタン微粒子であることを特徴とする請求項３に記載の表示素子。
  5. 　有機－無機ハイブリッドポリマーの金属イオンは、鉄イオン、コバルトイオン、ニッケルイオン、亜鉛イオン、およびルテニウムイオンから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の表示素子。
  6. 　有機－無機ハイブリッドポリマーのカウンターアニオンは、酢酸イオン、塩素イオン、六フッ化リンイオン、四フッ化ホウ素イオン、およびポリオキソメタレートから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の表示素子。
  7. 　請求項１～６のいずれかに記載の表示素子からなることを特徴とするカラー電子ペーパー。
  8. 　サイズが２０インチ以上の表示部を有することを特徴とする請求項７に記載のカラー電子ペーパー。
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