JP2007112957A - 高分子材料、その製造方法およびエレクトロクロミック素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】式(1)で表される高分子材料は、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を含む。
【選択図】 図1
Description
子材料による光吸収領域が短波長側または長波長側に移動し、可視光領域での光吸収が目立たなくなる程度に抑制される。その結果、導電性高分子材料が透明になり得る。
したがって、本発明の目的は、電位を制御することによって、容易に発色および消色を制御可能、かつ、加工可能な高分子材料、その製造方法、および、それを用いたエレクトロクロミック素子を提供することである。
い。
図1は、実施の形態1による高分子材料の模式図を示す。
本発明による高分子材料100は、配位子である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含み、式(1)で示される。式(1)は、複数の繰り返し単位110である。
工程S110:式(7)に示されるビスターピリジン誘導体と、金属塩とを酢酸およびメタノール中で還流させる。
ら選択される1つ金属イオンと、酢酸イオン、四フッ化ホウ素イオン、ポリオキシメタレートおよびこれらの組み合わせからなる群から選択されるカウンターアニオンとの組み合わせである。
実施の形態1では、高分子材料100中に含まれる金属イオンの種類が、1種類の例を示した。本発明は、高分子材料に含まれる金属イオンの種類の数に制限はない。実施の形態2では、2種以上の金属イオンを含有する高分子材料について説明する。
本発明による高分子材料200は、配位子であるビスターピリジン誘導体と、第1〜第Nの金属イオンと、第1〜第Nのカウンターアニオンとを含み、式(6)で示される。ここで、Nは、2以上の整数である。
第1のカウンターアニオンとを含み、要素220は、ビスターピリジン誘導体と、第Nの金属イオンMNと、第Nのカウンターアニオンとを含む。高分子材料200は、要素21
0および要素220の重合度をそれぞれ少なくとも2となるように有している。
イオンに基づく色のみを発色させることができる。1つの材料から複数の発色が可能になるので、デバイス製造に要する時間の短縮、コストの低下に有利であり得る。また、高分子材料200は、高分子電解質であるため、水、メタノール等の溶媒に可溶であり、高分子材料200合成後に、さらなる加工ができる。
工程S210:式(8)に示される第1〜第N(Nは2以上の整数)のビスターピリジン誘導体のそれぞれと、第1〜第N(Nは2以上の整数)の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。
次に、実施の形態1および実施の形態2で得られた高分子材料100、200を用いたエレクトロクロミック素子を説明する。
図3は、実施の形態3によるエレクトロクロミック素子の模式図を示す。
エレクトロクロミック素子300は、第1の透明電極310と、第1の透明電極310上に位置する高分子材料320と、高分子材料320上に位置する第2の透明電極330とを含む。エレクトロクロミック素子300は、第1の透明電極310と高分子材料320との間に高分子固体電解質340をさらに含んでもよい。
第1の透明電極310と第2の透明電極330とは、電源に接続されており、高分子材料320と高分子固体電解質340とに所定の電圧を印加する。これにより、高分子材料320の酸化還元を制御できる。
還流後、二口フラスコ中の反応溶液をシャーレに移し、大気中で乾燥させて、紫色の粉末の高分子材料(以降ではFeMEPEと称する)を得た。粉末の収率は、90%であった。
製であった。電圧は、−0.2Vから1.5Vの範囲で印加し、電圧の挿引速度は、0.1V/sであった。結果を図4に示し、詳述する。
実施例1と同様にして、CoMEPEの電気化学応答を調べた。電圧は、−0.7Vから0.8Vの範囲で印加し、電圧の挿引速度は、0.1V/sであった。結果を図8に示し、詳述する。
実施例1および2と同様にして、所定の電圧(0V、0.3V、0.6V、0.8Vおよび1.0V)を印加しながら、CoMEPE−FeMEPEの紫外−可視吸収スペクトルを波長420nm〜780nmの範囲にて測定した。結果を図11に示し、詳述する。
実施例1〜3と同様に、所定の電圧(0V、0.6V、0.8Vおよび1.0V)を印加しながら、CoMEPE'−FeMEPE’の紫外−可視吸収スペクトルを波長420
nm〜780nmの範囲にて測定した。結果を図13に示し、詳述する。
ITO電極およびカーボン電極のいずれも0.77Vに酸化還元を示す電流ピークが観察された。−0.2Vから+1.5へ挿引した場合に見られるピークが酸化を示し、+1.5Vから−0.2Vへ挿引した場合に見られるピークが還元を示す。この酸化は、FeMEPE中の鉄イオンが2価から3価になることに起因し、還元は、鉄イオンが3価から2価になることに起因している。いずれの電極においても、酸化および還元を示すピーク電流値は同じ値であることから、FeMEPEの酸化還元は、可逆に起こっていることが分かった。ITO電極とカーボン電極とで、ピーク電流値の値が異なるのは、電極の大きさ(面積)が異なるためである。なお、このような挿引を500回繰り返したが、すべて同じ結果を示すことを確認した。これにより、得られたFeMEPEは、電圧印加による疲労を示さないことが分かった。
還元状態では、領域500が紫色の発色を示した(図5左図)。FeMEPEに0Vから1.3Vを印加し、挿引したところ、FeMEPEに0.7V印加した時点で、酸化反応を起こし、領域500の紫色の発色が消色し、無色(領域510に相当)となった(図5右図)。再度、FeMEPEに1.3Vから0Vを印加し、挿引したところFeMEPEに0.7V印加した時点で、還元反応を起こし、紫色の発色(領域500)を示した(図5左図)。このように目視にて色の発色および消色が確認された。
図4の結果に基づいて印加電圧を、0V(還元状態)、0.8V(酸化還元反応状態)および1.0V(酸化状態)に設定した。0Vにおける吸収スペクトルは、波長580nmにおいて明瞭なピークを示した。このピークは、図5で観察されたFeMEPEの紫色の発色に相当する。紫色の発色は、FeMEPE中のFe2+イオンから配位子への電荷移動の速度に起因する。
しないため、消色した。
図は、ITO電極にCoMEPEを付与した結果を示す。FeMEPEとは異なり0.20Vに酸化還元を示す電流ピークが観察された。−0.5Vから+0.3へ挿引した場合に見られるピークが酸化を示し、+0.3Vから−0.5Vへ挿引した場合に見られるピークが還元を示す。この酸化は、FeMEPEと同様に、CoMEPE中のコバルトイオンが2価から3価になることに起因し、還元は、コバルトイオンが3価から2価になることに起因している。
図8の結果に基づいて印加電圧を、0V(還元状態)、0.2V(酸化還元反応状態)および0.4V(酸化状態)と設定した。0Vにおける吸収スペクトルは、波長520nmにおいて明瞭なピークが見られた。このピークは、目視にて観察されたCoMEPEの赤茶色の発色に相当する。赤茶色の発色は、CoMEPE中のCo2+イオンから配位子への電荷移動の速度に起因する。
すなわち、CoMEPEは赤茶色の発色を示さず、無色であった。0.4V印加時には、CoMEPEは完全に酸化状態であるので、CoMEPE中のコバルトイオンはすべてCo3+イオンである。したがって、赤茶色の発色に寄与したCo2+イオンから配位子への電荷移動は存在しないため、消色した。
CoMEPE−FeMEPEの電位を、0V(CoおよびFeともに還元状態)、0.3V(Co酸化還元反応状態およびFe還元状態)、0.6V(Co酸化状態およびFe還元状態)、0.8V(Co酸化状態およびFe酸化還元反応状態)および1.0V(CoおよびFeともに酸化状態)と変化させ、紫外・可視吸収スペクトルを測定した。CoMEPE−FeMEPEの発色は、電位の変化に応じて、赤紫、青紫、青、無色と変化することを目視にて確認した。
図12(A)は、波長520nmにおけるピーク強度のスイッチング特性を示す。1.0Vと0VとをCoMEPE−FeMEPEに複数回繰り返し印加し、波長520nmにおけるピーク強度の変化を測定した。参考のため、同様の測定を実施例2で得られたCoMEPEについて行った結果も示す。
CoMEPE’−FeMEPE’の電位を、0V(CoおよびFeともに還元状態)、0.6V(Co酸化状態およびFe還元状態)、0.8V(Co酸化状態およびFe酸化還元反応状態)および1.0V(CoおよびFeともに酸化状態と変化させ、紫外・可視吸収スペクトルを測定した。電位の変化に応じて、CoMEPE’−FeMEPE’の発色は、実施例3のCoMEPE−FeMEPEと同様に赤紫、青紫、紫、無色と変化することを目視にて確認した。
複合体においてもCoMEPEおよびFeMEPEそれぞれの酸化還元電位が異なるため、複合体に印加される電位を制御することによって、赤茶色、紫色、または、これらの混合色(赤紫色)の所望の発色・消色を可能にする。
に可能であり、具体的には、表示素子、調光素子、電子ペーパに適用可能である。
310 第1の透明電極
320 高分子材料
330 第2の透明電極
340 高分子固体電解質
Claims (24)
- 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含む式(1)で表される高分子材料であって、
- 前記金属イオンは、鉄イオン、コバルトイオン、ニッケルイオンおよび亜鉛イオンからなる群から選択される、請求項1に記載の高分子材料。
- 前記カウンターアニオンは、酢酸イオン、四フッ化ホウ素イオン、ポリオキシメタレートおよびこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項1に記載の高分子材料。
- 前記スペーサは、アリール基またはアルキル基である、請求項1に記載の高分子材料。
- 前記アリール基またはアルキル基は、酸素原子または硫黄原子をさらに含む、請求項4に記載の高分子材料。
- 前記アリール基は、
- 第1〜第N(Nは2以上の整数)のビスターピリジン誘導体と、第1〜第N(Nは2以上の整数)の金属イオンと、第1〜第N(Nは2以上の整数)のカウンターアニオンとを含む式(6)で表される高分子材料であって、
- 前記第1〜第Nの金属イオンは、それぞれ、鉄イオン、コバルトイオン、ニッケルイオンおよび亜鉛イオンからなる群から選択される、請求項7に記載の高分子材料。
- 前記第1〜第Nのカウンターアニオンは、それぞれ、酢酸イオン、四フッ化ホウ素イオン、ポリオキシメタレートおよびこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項
7に記載の高分子材料。 - 前記R1、…、RNのスペーサは、それぞれ、アリール基またはアルキル基である、請求項7に記載の高分子材料。
- 前記アリール基またはアルキル基は、酸素原子または硫黄原子をさらに含む、請求項10に記載の高分子材料。
- 前記アリール基は、
- 式(7)に示されるビスターピリジン誘導体と、金属塩とを酢酸およびメタノール中で還流させる工程を包含する、高分子材料を製造する方法であって、
- 前記金属塩は、鉄イオン、コバルトイオン、ニッケルイオンおよび亜鉛イオンからなる群から選択される少なくとも1つの金属イオンと、酢酸イオン、四フッ化ホウ素イオン、
ポリオキシメタレート、および、これらの組み合わせからなる群から選択されるカウンターアニオンとの組み合わせである、請求項13に記載の方法。 - 前記スペーサは、アリール基またはアルキル基である、請求項13に記載の方法。
- 前記アリール基またはアルキル基は、酸素原子または硫黄原子をさらに含む、請求項15に記載の方法。
- 前記アリール基は、
- 式(8)に示される第1〜第N(Nは2以上の整数)のビスターピリジン誘導体のそれぞれと、第1〜第N(Nは2以上の整数)の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であって、
前記それぞれ還流させる工程で得られた第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、高分子材料を製造する方法。 - 前記第1〜第Nの金属塩のそれぞれは、鉄イオン、コバルトイオン、ニッケルイオンおよび亜鉛イオンからなる群から選択される金属イオンと、酢酸イオン、四フッ化ホウ素イオン、ポリオキシメタレート、および、これらの組み合わせからなる群から選択されるカウンターアニオンとの組み合わせである、請求項18に記載の方法。
- 前記R1、…、RNのスペーサは、それぞれ、アリール基またはアルキル基である、請求項18に記載の方法。
- 前記アリール基またはアルキル基は、酸素原子または硫黄原子をさらに含む、請求項20に記載の方法。
- 前記アリール基は、
- 第1の透明電極基板と、第2の透明電極基板と、前記第1の透明電極基板と前記第2の透明電極基板との間に位置する請求項1〜6のいずれかに記載の高分子材料とを含む、エレクトロクロミック素子。
- 第1の透明電極基板と、第2の透明電極基板と、前記第1の透明電極基板と前記第2の透明電極基板との間に位置する請求項7〜12のいずれかに記載の高分子材料とを含む、エレクトロクロミック素子。
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