説明

全固体型エレクトロクロミック素子

【課題】紙基材上に設けられたクロミック層を備え、低電流、低電圧にて、コントラストを高く、繰り返し発色する全固体型エレクトロクロミック素子を提供する。
【解決手段】本発明の全固体型エレクトロクロミック素子10は、第一基材と、該第一基材の一方の面上に順に積層された電極層、第一イオン供給層、第二イオン供給層、固体電解質層、発色層、透明電極層および第二基材と、を備え、前記第一イオン供給層はスピネル構造のマンガン酸リチウムからなり、前記第二イオン供給層はオリビン構造のリン酸鉄リチウムからなることを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、エレクトロクロミック素子に関し、さらに詳しくは、全ての構成要素が固体からなる全固体型エレクトロクロミック素子に関するものである。
【背景技術】
【0002】
現在、表示素子としては、液晶表示素子(LCD)、有機エレクトロルミネッセンス素子(有機EL素子)などが広く用いられている。
これらの表示素子は、電圧を印加している間のみ色が変化し、文字や画像を表示することができるが、表示には、比較的高い電圧を必要とするため、消費電力が多く、用途によっては、作動用の電池(バッテリー)の交換を頻繁に行う必要があった。したがって、ICカードなどのように、接着材などによって、ICチップ、表示素子などの内装品が封止された構造のものでは、電池(バッテリー)を随時交換することが難しく、液晶表示素子や有機EL素子は不向きであった。
【0003】
そこで、用途によっては、液晶表示素子や有機EL素子に替わる表示素子として、エレクトロクロミック素子(EC素子)が注目されている。このEC素子は、作動に要する電圧が比較的低く、電子の移動を遮断して酸化還元状態を維持するだけで表示状態を静止できる性質(メモリー性)を有し、表示状態を維持するために電力が不要であるから、消費電力が少ないという利点がある。
【0004】
このようなEC素子としては、例えば、酸化または還元の際に吸収または反射に変化を生じさせるエレクトロクロミック層と、電解質として機能し、電子電流をブロックする間にイオンの通過を可能とするイオン伝導層(固体電解質層)と、デバイスが脱色された状態の時にイオンを蓄積する層として機能するカウンタ電極と、電位をEC素子に印加する機能を有する2つの導電層から構成される五層構造のものが開示されている(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2006−235632号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献1に開示されているEC素子では、エレクトロクロミック層やイオン伝導層がスパッタリング法により形成されるものの、上記の全ての層が積層された後、約280〜500℃の温度範囲にて、約10分間〜30分間、デバイスが加熱処理されているため、イオン伝導層をはじめとする各層が結晶化している。このように、イオン伝導層が結晶化していると、EC素子において、発色層に対するリチウムイオンのドープ/脱ドープが起こり難く、低電流、低電圧では、EC素子のコントラストが低いだけでなく、繰り返し十分に発色しないという問題があった。
【0007】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、紙基材上に設けられたクロミック層を備え、低電流、低電圧にて、コントラストを高く、繰り返し発色する全固体型エレクトロクロミック素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の全固体型エレクトロクロミック素子は、第一基材と、該第一基材の一方の面上に順に積層された電極層、第一イオン供給層、第二イオン供給層、固体電解質層、発色層、透明電極層および第二基材と、を備えた全固体型エレクトロクロミック素子であって、前記第一イオン供給層はスピネル構造のマンガン酸リチウムからなり、前記第二イオン供給層はオリビン構造のリン酸鉄リチウムからなることを特徴とする。
【0009】
前記第一基材および/または前記第二基材は紙基材であることが好ましい。
【発明の効果】
【0010】
本発明の全固体型エレクトロクロミック素子は、第一基材と、該第一基材の一方の面上に順に積層された電極層、第一イオン供給層、第二イオン供給層、固体電解質層、発色層、透明電極層および第二基材と、を備えた全固体型エレクトロクロミック素子であって、前記第一イオン供給層はスピネル構造のマンガン酸リチウムからなり、前記第二イオン供給層はオリビン構造のリン酸鉄リチウムからなるので、第一イオン供給層と第二イオン供給層から構成されるイオン供給層のイオン伝導度が安定し、変化しないから、紙基材からなる第一基材と第二基材の間に、電極層、第一イオン供給層、第二イオン供給層、固体電解質層、発色層および透明電極層からなるクロミック層が設けられていても、低電流、低電圧にて、コントラストを高く、繰り返し発色することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の全固体型エレクトロクロミック素子の一実施形態を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明の全固体型エレクトロクロミック素子の実施の形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
【0013】
「全固体型エレクトロクロミック素子」
図1は、本発明の全固体型エレクトロクロミック素子の一実施形態を示す概略断面図である。
この実施形態の全固体型エレクトロクロミック素子10は、第一基材11と、第一基材11の一方の面11a上に順に積層された電極層12、第一イオン供給層13、第二イオン供給層14、固体電解質層15、発色層16、透明電極層17および第二基材18とから概略構成されている。
電極層12は背面電極をなし、透明電極層17は表面電極をなしている。
【0014】
「全固体型エレクトロクロミック素子」とは、電解質などの構成要素に液体を含むことなく、全ての構成要素が固体からなるものである。
【0015】
第一基材11と第二基材18としては、少なくともその表層部には、ガラス繊維、アルミナ繊維などの無機繊維からなる織布、不織布、マット、紙などまたはこれらを組み合わせたもの、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維などの有機繊維からなる織布、不織布、マット、紙などまたはこれらを組み合わせたものや、あるいはこれらに樹脂ワニスを含浸させて成形した複合基材や、ポリアミド系樹脂基材、ポリエステル系樹脂基材、ポリオレフィン系樹脂基材、ポリイミド系樹脂基材、エチレン−ビニルアルコール共重合体基材、ポリビニルアルコール系樹脂基材、ポリ塩化ビニル系樹脂基材、ポリ塩化ビニリデン系樹脂基材、ポリスチレン系樹脂基材、ポリカーボネート系樹脂基材、アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合系樹脂基材、ポリエーテルスルホン系樹脂基材などのプラスチック基材や、あるいはこれらにマット処理、コロナ放電処理、プラズマ処理、紫外線照射処理、電子線照射処理、フレームプラズマ処理、オゾン処理、または各種易接着処理などの表面処理を施したものなどの公知のものから選択して用いられる。また、紙としては、上質紙、コート紙、アート紙、キャストコート紙、再生紙、含浸紙、無塵紙、耐水紙、蛍光紙、これらの紙基材上に導電性塗料などにより回路を形成した導電性の紙基材などが挙げられる。
これらの中でも、第一基材11と第二基材18としては、ポリエチレンテレフタレートまたはポリイミドからなる電気絶縁性のフィルムまたはシート、あるいは、紙基材が好適に用いられる。
【0016】
電極層12、透明電極層17としては、スズドープ酸化インジウム(ITO:Indium Tin Oxide)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO)などから構成されるアモルファス電極層が挙げられる。
電極層12は、発色層15と対向する位置に設けられていないので、可視光透過率が問題になることはないから、透明でなくてもよい。
【0017】
電極層12の厚みは、特に限定されないが、5nm〜3000nmの範囲で、目的とする導電性や可視光透過率などに応じて、適宜調整される。
透明電極層17の厚みは、特に限定されないが、5nm〜5000nmの範囲で、目的とする導電性や可視光透過率などに応じて、適宜調整される。
【0018】
第一イオン供給層13は、スピネル構造のマンガン酸リチウム(LiMn)から構成されるアモルファス層である。
ここで、スピネルとは、マグネシウムとアルミニウムの酸化物(MgAl)からなる等軸晶系の八面体の結晶のことであり、スピネル構造とは、この結晶と同じ構造のことである。
【0019】
第一イオン供給層13の厚みは、特に限定されないが、5nm〜5000nmの範囲で、目的とする素子の動作電圧、コントラスト、応答速度、可視光透過率などに応じて、適宜調整される。
【0020】
第二イオン供給層14は、オリビン構造のリン酸鉄リチウム(LiFePO)から構成されるアモルファス層である。
ここで、オリビン構造とは、空間群Pmnbの対称性を有する斜方晶のことである。オリビン構造のリン酸鉄リチウムとは、酸素(O)が六方最密充填構造を形成し、リチウム(Li)と鉄(Fe)が六配位八面体を占有し、リン(P)が四配位四面体を占有している構造である。
【0021】
第二イオン供給層14の厚みは、特に限定されないが、5nm〜5000nmの範囲で、目的とする素子の動作電圧、コントラスト、応答速度、可視光透過率などに応じて、適宜調整される。
【0022】
固体電解質層15としては、アモルファスイオン伝導透明層が挙げられる。
アモルファスイオン伝導透明層を構成する物質としては、一般式;Li(但し、AはLa、Siから選択された1種または2種、BはTi、Pから選択された1種または2種、0<w≦4、0≦x≦1、0<y≦1、0≦z≦12を示す。)にて表されるリチウム複合酸化物から選択される1種または2種以上が挙げられる。
リチウム複合酸化物としては、具体的には、La0.57Li0.26TiO、Li3.5Si0.50.5、LiPOなどが挙げられる。
【0023】
固体電解質層15が、これらのアモルファスリチウム複合酸化物から構成されていれば、固体電解質層15が結晶性の物質から構成されている場合よりも、全固体型エレクトロクロミック素子10の歩留まりが高くなるとともに、全固体型エレクトロクロミック素子10は、より低電流、低電圧で発色することができる。
【0024】
固体電解質層15の厚みは、特に限定されないが、5nm〜5000nmの範囲で、目的とする素子の動作電圧、コントラスト、応答速度、可視光透過率などに応じて、適宜調整される。
【0025】
発色層16としては、WO、リチウム(Li)イオンドープのアモルファスLiWO3−x、ナトリウム(Na)イオンドープのアモルファスNaWOなどからなるアモルファス発色層が挙げられる。
【0026】
発色層16の厚みは、特に限定されないが、5nm〜5000nmの範囲で、目的とする素子の動作電圧、コントラスト、応答速度、可視光透過率などに応じて、適宜調整される。
【0027】
この全固体型エレクトロクロミック素子10によれば、第一イオン供給層13がスピネル構造のマンガン酸リチウムからなり、第二イオン供給層14がオリビン構造のリン酸鉄リチウムからなるので、第一イオン供給層13と第二イオン供給層14から構成されるイオン供給層のイオン伝導度が安定し、変化しないから、紙基材からなる第一基材11と第二基材18の間に、電極層12、第一イオン供給層13、第二イオン供給層14、固体電解質層15、発色層16および透明電極層17からなるクロミック層が設けられていても、低電流、低電圧にて、コントラストを高く、繰り返し発色することができる。具体的には、電圧3V、電流0.01mA〜1mAで、応答速度(発色速度)1秒〜3秒、表示状態を静止できる時間(メモリー時間)72時間以上を実現できる。
【0028】
「全固体型エレクトロクロミック素子の製造方法」
次に、図1を参照して、この実施形態の全固体型エレクトロクロミック素子の製造方法を説明する。
この実施形態では、パルスレーザー堆積法(Pulsed Laser Deposition、PLD法)を用いて、第一基材11上に、電極層12、第一発色層13、第二発色層14、固体電解質層15、イオン供給層16および透明電極層17からなるクロミック層を形成する。
【0029】
(電極層12の形成)
まず、第一基材11を真空室内に配置して、この第一基材11を常温に維持する。
次いで、第一基材11の一方の面11aの最表面から所定の離間位置に、スズドープ酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズなどの電極層12用ターゲットを配置し、真空室内の酸素雰囲気圧を0.1Pa〜10Paに保持する。
次いで、ターゲットに、エネルギー密度0.1J/cm〜100J/cmのレーザー光を照射して、第一基材11の一方の面11a上に、アモルファスの電極層12を積層する。
【0030】
(第一イオン供給層13の形成)
次いで、第一基材11上に設けられた電極層12の最表面から所定の離間位置に、スピネル構造のマンガン酸リチウム(LiMn)からなる第一イオン供給層13用ターゲットを配置し、真空室内の酸素雰囲気圧を0.1Pa〜50Paに保持する。
次いで、ターゲットに、エネルギー密度0.1J/cm〜100J/cmのレーザー光を照射して、電極層12上に、アモルファスの第一イオン供給層13を積層する。
【0031】
(第二イオン供給層14の形成)
次いで、第一基材11上に設けられた第一イオン供給層13の最表面から所定の離間位置に、オリビン構造のリン酸鉄リチウム(LiFePO)からなる第二イオン供給層14用ターゲットを配置し、真空室内の酸素雰囲気圧を0.1Pa〜50Paに保持する。
次いで、ターゲットに、エネルギー密度0.1J/cm〜100J/cmのレーザー光を照射して、第一イオン供給層13上に、アモルファスの第二イオン供給層14を積層する。
【0032】
(固体電解質層15の形成)
第一基材11上に設けられた第二イオン供給層14の最表面から所定の離間位置に、ペロブスカイト型のLa2/3-xLi3xTiOからなる固体電解質層15用ターゲットを配置し、真空室内の酸素雰囲気圧を0.1Pa〜50Paに保持する。
次いで、ターゲットに、エネルギー密度0.1J/cm〜100J/cmのレーザー光を照射して、第二イオン供給層14上に、アモルファスの固体電解質層15を積層する。
【0033】
リチウム複合酸化物としては、具体的には、ペロブスカイト型のLa2/3-xLi3xTiO、γ−LiPO型構造のLi3.6Si0.60.4などが挙げられる。
【0034】
(発色層16の形成)
第一基材11上に設けられた固体電解質層15の最表面から所定の離間位置に、WO、リチウムイオンドープのアモルファスLiWO3−x、ナトリウムイオンドープのアモルファスNaWOなどの発色層16用ターゲットを配置し、真空室内の酸素雰囲気圧を0.1Pa〜30Paに保持する。
次いで、ターゲットに、エネルギー密度0.1J/cm〜100J/cmのレーザー光を照射して、固体電解質層15上に、アモルファスの発色層16を積層する。
【0035】
(透明電極層17の形成)
第一基材11上に設けられた発色層16の最表面から所定の離間位置に、スズドープ酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズなどの透明電極層17用ターゲットを配置し、真空室内の酸素雰囲気圧を0.1Pa〜10Paに保持する。
次いで、ターゲットに、エネルギー密度0.1J/cm〜100J/cmのレーザー光を照射して、発色層16上に、アモルファスの透明電極層17を積層する。
【0036】
次いで、透明電極層17の上に、第二基材18を貼着して、全固体型エレクトロクロミック素子10を得る。
【0037】
以上説明したように、パルスレーザー堆積法(Pulsed Laser Deposition、PLD法)を用いて、第一基材11上に、電極層12、第一イオン供給層13、第二イオン供給層14、固体電解質層15、発色層16および透明電極層17からなるクロミック層を形成し、第一イオン供給層13用ターゲットとしてスピネル構造のマンガン酸リチウム(LiMn)を用い、第二イオン供給層14用ターゲットとしてオリビン構造のリン酸鉄リチウム(LiFePO)を用いれば、紙基材からなる第一基材11上にも、全ての層(電極層12、イオン供給層13、固体電解質層14、発色層15および透明電極層16)がアモルファスである全固体型エレクトロクロミック素子10を、低温にて製造することができる。ゆえに、全固体型エレクトロクロミック素子10を加熱処理する工程が必要ないから、固体電解質層14は結晶化することがなく、全固体型エレクトロクロミック素子10は、低電流、低電圧にて、安定に機能する。
【0038】
また、固体電解質層15の形成において、パルスレーザー堆積法を用いれば、不純物の含有率が0.2%のアモルファス固体電解質層を形成することができる。このアモルファス固体電解質15が設けられた全固体型エレクトロクロミック素子10は、歩留まりが約99%である。
一方、固体電解質層の形成において、スパッタリング法を用いれば、不純物の含有率が1%の結晶化固体電解質層が形成される。この結晶化固体電解質が設けられた全固体型エレクトロクロミック素子は、歩留まりが約90%となる。これは、スパッタリング法では、真空室内の酸素雰囲気圧を2Pa以下にしなければならないため、真空室内に存在する不純物の割合がパルスレーザー堆積法と比較して高くなることに起因すると思われる。
【0039】
以下、実施例および比較例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【0040】
「実施例」
(電極層の形成)
第一基材を真空室内に配置して、この第一基材を常温に維持し、第一基材の一方の面の最表面から所定の離間位置に、スズドープ酸化インジウムからなる電極層用ターゲットを配置し、真空室内の酸素雰囲気圧を2Paに保持し、ターゲットに、エネルギー密度7.1J/cmのレーザー光を照射して、第一基材の一方の面上に、アモルファスの電極層を積層した。
【0041】
(第一イオン供給層の形成)
次いで、第一基材上に設けられた電極層の最表面から所定の離間位置に、スピネル構造のマンガン酸リチウム(LiMn)からなる第一イオン供給層用ターゲットを配置し、真空室内の酸素雰囲気圧を30Paに保持し、ターゲットに、エネルギー密度3J/cmのレーザー光を照射して、電極層上に、アモルファスの第一イオン供給層を積層した。
【0042】
(第二イオン供給層の形成)
次いで、第一基材上に設けられた第一イオン供給層の最表面から所定の離間位置に、オリビン構造のリン酸鉄リチウム(LiFePO)からなる第二イオン供給層用ターゲットを配置し、真空室内の酸素雰囲気圧を30Paに保持し、ターゲットに、エネルギー密度3J/cmのレーザー光を照射して、第一イオン供給層上に、アモルファスの第二イオン供給層を積層した。
【0043】
(固体電解質層の形成)
第一基材上に設けられた第二イオン供給層の最表面から所定の離間位置に、一般式;Li(但し、AはLa、Siから選択された1種または2種、BはTi、Pから選択された1種または2種、0<w≦4、0≦x≦1、0<y≦1、0≦z≦12)にて表されるリチウム複合酸化物から選択される1種または2種以上からなる固体電解質層用ターゲットを配置し、真空室内の酸素雰囲気圧を10Paに保持し、ターゲットに、エネルギー密度5.5J/cmのレーザー光を照射して、第二イオン供給層上に、アモルファスの固体電解質層を積層した。
【0044】
(発色層の形成)
第一基材上に設けられた固体電解質層の最表面から所定の離間位置に、WOからなる発色層用ターゲットを配置し、真空室内の酸素雰囲気圧を12Paに保持し、ターゲットに、エネルギー密度5.5J/cmのレーザー光を照射して、固体電解質層上に、アモルファスの発色層を積層した。
【0045】
(透明電極層の形成)
第一基材上に設けられた発色層の最表面から所定の離間位置に、スズドープ酸化インジウムからなる透明電極層用ターゲットを配置し、真空室内の酸素雰囲気圧を2Paに保持し、ターゲットに、エネルギー密度7.1J/cmのレーザー光を照射して、発色層上に、アモルファスの透明電極層を積層した。
【0046】
次いで、透明電極層の上に、第二基材を貼着して、実施例の全固体型エレクトロクロミック素子を得た。
【0047】
「比較例1」
第一イオン供給層上に、第二イオン供給層を設けなかった以外は実施例と同様にして、比較例1の全固体型エレクトロクロミック素子を得た。
【0048】
「比較例2」
第一基材上に設けられた電極層の最表面から所定の離間位置に、オリビン構造のリン酸鉄リチウム(LiFePO)からなる第一イオン供給層用ターゲットを配置し、真空室内の酸素雰囲気圧を30Paに保持し、ターゲットに、エネルギー密度3J/cmのレーザー光を照射して、電極層上に、第一イオン供給層を積層し、次いで、第一基材上に設けられた第一イオン供給層の最表面から所定の離間位置に、スピネル構造のマンガン酸リチウム(LiMn)からなる第一イオン供給層用ターゲットを配置し、真空室内の酸素雰囲気圧を30Paに保持し、ターゲットに、エネルギー密度3J/cmのレーザー光を照射して、第一イオン供給層上に、第二イオン供給層を積層した以外は実施例と同様にして、比較例2の全固体型エレクトロクロミック素子を得た。
【0049】
[初期コントラストの評価]
実施例および比較例1,2の全固体型エレクトロクロミック素子に対して、電圧3Vを4秒間印加したときの、680nmの可視光に対する、電圧印加前のエレクトロクロミック素子の反射率(百分率)を、電圧印加後の反射率の(百分率)で除することにより、それぞれの全固体型エレクトロクロミック素子の初期コントラストを測定した。
【0050】
その結果、実施例の全固体型エレクトロクロミック素子の初期コントラストは6.6であった。
比較例1の全固体型エレクトロクロミック素子の初期コントラストは2.6であった。
比較例2の全固体型エレクトロクロミック素子は動作(発色)しなかった。
【0051】
[発色の繰り返し性能評価]
実施例および比較例1,2の全固体型エレクトロクロミック素子に対して、コントラストが2になるまで、電圧3Vを4秒間印加して、発色を何回まで繰り返せるか確認した。
【0052】
その結果、実施例の全固体型エレクトロクロミック素子は発色を800回繰り返せた。
比較例1の全固体型エレクトロクロミック素子は発色を50回繰り返せた。
比較例2の全固体型エレクトロクロミック素子は動作(発色)しなかった。
【0053】
以上の評価結果から、実施例の全固体型エレクトロクロミック素子は、コントラストおよび発色の繰り返し性能に優れていることが確認された。
【符号の説明】
【0054】
10・・・全固体型エレクトロクロミック素子、11・・・第一基材、12・・・電極層、13・・・第一イオン供給層、14・・・第二イオン供給層、15・・・固体電解質層、16・・・発色層、17・・・透明電極層、18・・・第二基材。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
第一基材と、該第一基材の一方の面上に順に積層された電極層、第一イオン供給層、第二イオン供給層、固体電解質層、発色層、透明電極層および第二基材と、を備えた全固体型エレクトロクロミック素子であって、
前記第一イオン供給層はスピネル構造のマンガン酸リチウムからなり、前記第二イオン供給層はオリビン構造のリン酸鉄リチウムからなることを特徴とする全固体型エレクトロクロミック素子。
【請求項2】
前記第一基材および/または前記第二基材は紙基材であることを特徴とする請求項1に記載の全固体型エレクトロクロミック素子。


【図1】
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【公開番号】特開2010−217367(P2010−217367A)
【公開日】平成22年9月30日(2010.9.30)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−62581(P2009−62581)
【出願日】平成21年3月16日(2009.3.16)
【出願人】(000110217)トッパン・フォームズ株式会社 (989)
【Fターム(参考)】