(57)【要約】【課題】機能性を向上させることが可能なイオン性素子等を提供する。【解決手段】イオン性素子１は、多孔質材１２１と、この多孔質材１２１内に分散された電解質１２２とを含むイオン層１２と、このイオン層１２に対して電圧を印加するための複数の電極１１１，１１２とを備えている。電解質１２２は、イオンの移動度の抑制構造を有する分子を用いて構成されている。【選択図】図１
2014183204.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質材と、前記多孔質材内に分散された電解質とを含むイオン層と、
前記イオン層に対して電圧を印加するための複数の電極と
を備え、
前記電解質は、イオンの移動度の抑制構造を有する分子を用いて構成されている
イオン性素子。
【請求項２】
前記イオン層は、少なくとも蓄電機能および発光機能を有する
請求項１に記載のイオン性素子。
【請求項３】
前記複数の電極によって前記イオン層へ電圧が印加されると、前記イオン層内にｐｎ接合が形成されると共に、
前記ｐｎ接合において前記蓄電機能および前記発光機能がそれぞれ発揮される
請求項２に記載のイオン性素子。
【請求項４】
前記電圧の印加状態から無印加状態へ移行した後も、前記ｐｎ接合が所定時間維持される
請求項３に記載のイオン性素子。
【請求項５】
前記イオン層は、前記ｐｎ接合における光電変換を利用した発電機能を更に有する
請求項３または請求項４に記載のイオン性素子。
【請求項６】
前記複数の電極の間に前記イオン層が挿設されている
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のイオン性素子。
【請求項７】
基板上に前記複数の電極が並設されると共に、前記基板および前記複数の電極の上を前記イオン層が覆っている
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のイオン性素子。
【請求項８】
前記分子が直鎖構造を有する
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のイオン性素子。
【請求項９】
前記電解質がイオン液体である
請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のイオン性素子。
【請求項１０】
前記多孔質材が導電性ポリマーである
請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のイオン性素子。
【請求項１１】
１または複数のイオン性素子を備え、
前記イオン性素子は、
多孔質材と、前記多孔質材内に分散された電解質とを含むイオン層と、
前記イオン層に対して電圧を印加するための複数の電極と
を有し、
前記電解質は、イオンの移動度の抑制構造を有する分子を用いて構成されている
電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン層に形成されるｐｎ接合を利用して機能性を発揮するイオン性素子、およびそのようなイオン性素子を備えた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン液体等の電解質を用いたデバイス（イオン性素子）として、各種機能を有するものが提案されている。例えば、電解質を一対の電極で挟み込むようにした構造の電気二重層キャパシタが挙げられる。また、電解質と導電性ポリマー（発光性ポリマー）との混合物に対して複数の電極から電圧を印加できるようにした構造の電気化学発光セル（ＬＥＣ：Light-emitting Electrochemical Cells）も挙げられる（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Q.Pai, A.J.Heeger et al., Science（１９９６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記したイオン性素子では一般に、その機能性を高めてユーザの利便性を向上させることが求められている。したがって、機能性を向上させることを可能とするイオン性素子の提案が望まれる。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、機能性を向上させることが可能なイオン性素子、およびそのようなイオン素子を備えた電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のイオン性素子は、多孔質材とこの多孔質材内に分散された電解質とを含むイオン層と、このイオン層に対して電圧を印加するための複数の電極とを備え、上記電解質がイオンの移動度の抑制構造を有する分子を用いて構成されているものである。
【０００７】
本発明の電子機器は、１または複数の上記本発明のイオン性素子を備えたものである。
【０００８】
本発明のイオン性素子および電子機器では、上記電解質がイオンの移動度の抑制構造を有する分子を用いて構成されている。これにより、例えば、上記複数の電極からイオン層に対して電圧が印加されることによってイオン層内に形成されたｐｎ接合が、電圧の無印加状態への移行後も消滅しにくくなる（ある程度の時間、ｐｎ接合が維持されるようになる）。
【０００９】
本発明のイオン性素子では、上記イオン層が、少なくとも蓄電機能および発光機能を有するように構成することが可能である。具体的には、例えば、上記複数の電極によってイオン層へ電圧が印加されるとイオン層内にｐｎ接合が形成されると共に、このｐｎ接合において蓄電機能および発光機能がそれぞれ発揮されるようにすることが可能である。また、このイオン層が、ｐｎ接合における光電変換を利用した発電機能を更に有するようにしてもよい。これらのように構成した場合、イオン層内に形成されるｐｎ接合を利用して、多機能性（蓄電機能および発光機能や、発電機能等）が実現される。
【００１０】
本発明のイオン性素子では、電圧の印加状態から無印加状態へ移行した後も、ｐｎ接合および発光機能が所定時間維持されるようにすることが可能である。このように構成した場合、電圧無印加状態への移行後もｐｎ接合がある程度維持されるため、電圧無印加状態においてもｐｎ接合を利用した各機能（蓄電機能および発光機能や、発電機能等）が実現可能となる。
【００１１】
本発明のイオン性素子では、複数の電極の間にイオン層が挿設されているように構成することが可能である。あるいは、基板上に複数の電極が並設されると共に、これらの基板および複数の電極の上をイオン層が覆っているように構成することも可能である。ただし、後者の構成の場合、前者の構成と比べ、素子の応答速度が低下するものの、電圧無印加状態への移行後におけるｐｎ接合の維持時間がより長くなる。逆に言うと、前者の構成では後者の構成と比べ、素子の応答速度が向上する。また、前者の構成では後者の構成と比べ、界面（例えば、基板とイオン層との間の界面）の影響を受けにくくなり、各機能の機能性が更に向上する。
【００１２】
本発明のイオン性素子では、例えば、上記分子が直鎖構造を有するように構成することが可能である。また、上記電解質としては、例えばイオン液体を用いることが可能であり、上記多孔質材としては、例えば導電性ポリマー（発光性ポリマー）を用いることが可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のイオン性素子および電子機器によれば、上記電解質がイオンの移動度の抑制構造を有する分子を用いて構成されているようにしたので、イオン層内に形成されるｐｎ接合を、電圧無印加状態への移行後においてもある程度維持することができるようになる。よって、このような特性を有するｐｎ接合を利用して、機能性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施の形態に係るイオン性素子の構成例を表す模式断面図である。
【図２】図１に示したイオン層の状態を模式的に表す断面図である。
【図３】電圧印加時に形成される電荷二重層の状態を表す模式図である。
【図４】図３に示した電荷二重層の態様を拡大して表す模式図である。
【図５】電圧印加時におけるｐｎ接合の形成原理を説明するための模式図である。
【図６】ｐｎ接合およびそれを利用した蓄電機能について説明するための模式図である。
【図７】ｐｎ接合を利用した発光機能について説明するための模式図である。
【図８】ｐｎ接合を利用した発電機能について説明するための模式図である。
【図９】蓄電機能、発光機能および発電機能同士の関係の一例について説明するための模式図である。
【図１０】比較例に係るイオン性素子の構成を表す模式断面図である。
【図１１】図１０に示したイオン性素子における電圧無印加状態への移行後のイオン層の状態を表す模式図である。
【図１２】図１に示したイオン性素子における電圧無印加状態への移行後のイオン層の状態を表す模式図である。
【図１３】図１に示したイオン性素子における電圧無印加状態への移行後のイオン層での各機能について説明するための模式図である。
【図１４】実施例１に係る印加電圧と各種電流との関係を示す特性図である。
【図１５】実施例１に係る印加電圧遮断後の経過時間と各種電流との関係を示す特性図である。
【図１６】実施例１に係る印加電圧遮断後の経過時間と各種電流との関係を温度変化と併せて示す特性図である。
【図１７】変形例に係るイオン性素子の構成例を表す模式断面図である。
【図１８】図１７においてイオン層の状態を模式的に表す断面図である。
【図１９】図１７に示したイオン性素子における電圧印加時のイオン層での各機能について説明するための模式図である。
【図２０】図１７に示したイオン性素子における電圧無印加状態への移行後のイオン層での各機能について説明するための模式図である。
【図２１】イオン性素子の適用例１に係る電子機器の構成例を表す模式図である。
【図２２】イオン性素子の適用例２に係る電子機器の構成例を表す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．実施の形態（一対の電極の間にイオン層が挿設された素子構造の例）
２．変形例（基板上に複数の電極が並設され、その上をイオン層が覆う素子構造の例）
３．適用例（イオン性素子の電子機器への適用例）
４．その他の変形例
【００１６】
＜１．実施の形態＞
［構成］
図１は、本発明の一実施の形態に係るイオン性素子（イオン性素子１）の断面構成例を模式的に表したものである。このイオン性素子１は、一対の電極１１１，１１２とイオン層１２（機能層）とからなる積層構造を有し、後述する各種の機能（多機能性）を発揮することが可能な素子である。
【００１７】
（電極１１１，１１２）
電極１１１，１１２はそれぞれ、イオン層１２に対して電圧を印加するための電極である。本実施の形態では、これらの電極１１１，１１２は、イオン層１２を挟み込むように配置されている。
【００１８】
電極１１１，１１２の厚みはそれぞれ、例えば３０ｎｍである。また、電極１１１，１１２はそれぞれ、例えば、金（Ａｕ），白金（Ｐｔ），アルミニウム（Ａｌ），ニッケル（Ｎｉ），チタン（Ｔｉ）などの各種金属の他、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）などの導電性酸化物、導電性高分子、カーボンナノチューブ、グラファイト等の導電性材料からなる。なお、このイオン性素子１では、一般的な有機ＥＬ（Electro-Luminescence）素子等とは異なり、電極１１１，１１２とイオン層１２との間の仕事関数の値の差を考慮せずに、電極１１１，１１２の材料を選定することができる。このため、電極１１１，１１２としては種々の導電性材料を使用することが可能となっている。
【００１９】
（イオン層１２）
イオン層１２は、上記したように一対の電極１１１，１１２の間に挿設されており、後述する各種の機能（この例では、蓄電機能、発光機能および発電機能）が発揮される層である。このイオン層１２は、例えば図１中の符号Ｐ１で示した拡大模式図のように、多数の細孔１２１ｈを有する多孔質材１２１と、この多孔質材１２１内（具体的には、細孔１２１ｈ内）に分散された電解質（電解質の分子）１２２とを含んでいる。換言すると、イオン層１２は、電解質１２２と多孔質材１２１とが所定の混合比（例えば、混合重量比または混合体積比など）にて混合されたものとなっている。なお、このようなイオン層１２の厚みは、例えば２００ｎｍである。
【００２０】
ここで、イオン層１２における電解質１２２と多孔質材１２１との混合比は、例えば、電解質１２２：多孔質材１２１＝１：ｎ（例えばｎ≧３程度）であることが望ましい。これは、電解質１２２の混合率（例えば、混合重量比率または混合体積比率）が相対的に小さ過ぎると（電解質１２２の含有量が少な過ぎると）、後述するｐｎ接合が形成されにくくなり、発光動作等が困難になってしまうと予想されるためである。換言すると、電解質１２２と多孔質材１２１との混合比には、後述する電圧無印加状態への移行後においてもｐｎ接合の形成状態（発光動作および発電動作）が維持されるための好適な範囲が存在すると予想される。
【００２１】
多孔質材１２１は、イオン層１２の母材（基材）として機能するものである。この多孔質材１２１における細孔１２１ｈの大きさ（径）は、電解質１２２の分子よりも大きければよく、例えば１ｎｍである。多孔質材１２１は、例えば、導電性ポリマー（発光性ポリマー）等の有機材料や、カーボンナノチューブ等の無機材料からなる。具体的には、導電性ポリマーとしては、例えば、F8T2（poly（9,9-dioctylfluorene-co-bithio-phene））等の材料が挙げられる。このように、多孔質材１２１としては有機材料および無機材料のいずれも使用可能であるが、導電性ポリマー等の有機材料を用いるのが望ましい。分子量が大きくなるため、イオン層１２を形成し易くなるからである。また、この多孔質材１２１は、以下説明する電解質１２２との兼ね合い（相性）から、疎水性を示すものであることが望ましい。
【００２２】
電解質１２２は、上記したように、その分子が多孔質材１２１の細孔１２１ｈ内に分散された状態となっている。換言すると、電解質１２２は、多孔質材１２１中に含浸されている（浸み込むようにして配置されている）。
【００２３】
また、例えば図２中に模式的に示したように、この電解質１２２は、実際にはイオン層１２内において、主にイオン状態となって分散している。すなわち、電解質１２２の分子には、陽イオン１２２ｃと陰イオン１２２ａとに電離した状態となっているものが存在する。これは、多孔質材１２１が電解質１２２の溶媒として機能するからである。
【００２４】
ここで、このような電解質１２２は、詳細は後述するが、自身の移動度を抑制する構造（イオンの移動度の抑制構造）を有する分子（イオン）を用いて構成されている。このようなイオンの移動度の抑制構造を有する分子としては、例えば、極性を有する分子などが挙げられる。また、この極性を有する分子の一具体例としては、図１中の符号Ｐ１で示した拡大模式図中の電解質１２２のように、異方性形状（細長い形状）を有する分子、例えば直鎖構造を有する分子が挙げられる。この直鎖構造としては、例えば、アルキル基（一般式：ＣnＨ2n+2）、アリール基等が挙げられる。
【００２５】
ここで、上記したイオンの移動度の抑制構造の長さ（例えば、直鎖構造の長さ）は、例えば２ｎｍ以上である（分子量が大きい構造である）ことが望ましい。また、別の観点からみると、このイオンの移動度の抑制構造は、多孔質材１２１における細孔１２１ｈの径に対して、２倍以上の長さであることが望ましい。これらの長さの範囲内であれば、後述するイオン移動度の抑制作用が効果的になされるからである。
【００２６】
このような電解質１２２としては、イオン液体を用いるのが望ましい。イオン層１２内に後述する電気二重層が形成され易くなるからである。このようなイオン液体としては、例えば以下の（１）式で表わされる化合物（tetradecyltrihexylphosphonium(tri- fluoromethylsulfonyl)amide ［P66614］［TFSA］）のように、直鎖構造（この例では、アルキル基）を有する分子構造のものが挙げられる。この（１）式で表わされるイオン液体は、上記したようにイオンの移動度の抑制構造を有する分子であると共に、陽イオンと陰イオンとの間での強い分極が生じる（極性を有する）分子構造となっている。
【００２７】
【化１】
2014183204.tif 000003
【００２８】
なお、このようなイオン液体としては、（１）式で表わされるものには限られず、イオンの移動度の抑制構造を有する分子（例えば、極性を有する分子）のものであれば、他のイオン液体を用いるようにしてもよい。具体的には、例えば、以下の陽イオンと陰イオンとを組み合わせてなるイオン液体を用いるようにしてもよい。
【００２９】
（Ａ）陽イオン
・イミダゾリウム系陽イオン：
1-methyl-3-methylimidazolium（MMI），
1-ethyl-3-methylimidazolium（EMI），
1-propyl-3-methylimidazolium（PMI），
1-butyl-3-methylimidazolium（BMI），
1-pentyl-3-methylimidazolium（PeMI），
1-hexyll-3-methylimidazolium（HMI），
1-Octyl-3-methylimidazolium，
1-oxyl-3-methylimidazolium（OMI），
1-hexadecyl-3-methylimidazolium，
1-Butyl-2,3-dimethulimidazolium，
1,2-dimethyl-3-propylimidazolium（DMPI）；
・ピリジニウム系陽イオン：
1-methl-1-propylpiprodonium（PP13），
1-methyl-1-propylpyrrolidinium（P13），
1-methyl-1-butylpyrrolidinium（P14），
1-butyl-1-methylpyrrolidinium（BMP）；
・アンモニウム系陽イオン：
trimethylpropylammonium（TMPA），
trimethyloctylammonium（TMOA），
trimethylhexylammonium（TMHA），
trimethylpentylammonium（TMPeA），
trimethylbutylammonium（TMBA）；
・ピラゾリウム系陽イオン：
1-ethyl-2,3,5-trimethylpyrazolium（ETMP），
1-butyl-2,3,5-trimethylpyrazolium（BTMP），
1-propyl-2,3,5-trimethylpyrazolium（PTMP），
1-hexyl-2,3,5-trimethylpyrazolium（HTMP），
1-Buthylpyridium，
1-Hexylpyridium；
（Ｂ）陰イオン
bis（trifluoromethanesulfonyl）imide（TFSI），
bis（fluorosulfonyl）imide（FSI），
bis（perfluoroethylsulfonyl）imide（BETI），
tetrafluoroborate（BF4），
hexafluorophosphate（PF6）；
【００３０】
このような電解質１２２は、前述した多孔質材１２１との相性から、疎水性を示すものであることが望ましい。つまり、多孔質材１２１および電解質１２２がいずれも疎水性を示すものとなっているのが望ましい。これにより、イオン層１２を形成する際に、多孔質材１２１と電解質１２２とが均一に混ざり易くなるからである。
【００３１】
［製造方法］
このイオン性素子１は、例えば次のようにして製造することができる。すなわち、まず、前述した材料からなる多孔質材１２１および電解質１２２を、所定の溶媒（例えば、クロロベンゼン等）中に、前述した所定の混合比にて混合させる（混合体を作製する）。この際、これらの材料について、事前に超音波を用いた撹拌を行っておくのが望ましい。これらの材料同士が均一に混ざり易くなるからである。
【００３２】
次いで、例えばスピンコートやインクジェットを用いて、上記した混合体から薄膜状の混合体を形成する。この際、スピンコートを用いる場合には、例えば、空気中において、５００ｒｐｍ（回転／分）程度の回転率にて１分間程度のスピンコートを行うようにする。
【００３３】
続いて、このようにして得られた薄膜状の混合体を乾燥させることにより、上記した溶媒を蒸発させる。これにより、図１中の符号Ｐ１で示した拡大模式図のような、多数の細孔１２１ｈを有する多孔質材１２１と、この細孔１２１ｈ内に分散された電解質１２２とからなるイオン層１２が形成される。なお、乾燥させる際には、例えば、窒素（Ｎ2）雰囲気中において、９０℃程度の温度で３０分間程度の乾燥を行うようにする。
【００３４】
そののち、このようにして得られたイオン層１２を、例えば真空蒸着法や塗布法等を用いて別途形成した一対の電極１１１，１１２の間に挟み込むようにする。以上により、図１に示したイオン性素子１が完成する。このように、真空プロセス等の複雑な工程が不要であることから、イオン性素子１は比較的簡易なプロセスにて製造することが可能である。
【００３５】
［作用・効果］
（ｐｎ接合の形成）
このイオン性素子１では、電極１１１，１１２を用いてイオン層１２に対して電圧が印加されると、以下の原理にてイオン層１２内にｐｎ接合が形成される。
【００３６】
すなわち、まず図３に示したように、電極１１１を電圧供給源ＰＳの正（＋）側、電極１１２を電圧供給源ＰＳの負（−）側とそれぞれ電気的に接続し、この電圧供給源ＰＳから電極１１１，１１２を介してイオン層１２に所定の電圧が印加されるようにする。すると、例えば図２に示したように陽イオン１２２ｃおよび陰イオン１２２ａがそれぞれイオン層１２内で分散した状態から、陽イオン１２２ｃおよび陰イオン１２２ａがそれぞれ選択的に移動し、イオン層１２内に電荷二重層が形成される。具体的には、図３に示したように、イオン層１２内の陽イオン１２２ｃが、電極１１２の表面（イオン層１２側の表面）と所定の間隔をおいて整列するようになる。一方、イオン層１２内の陰イオン１２２ａは、電極１１１の表面と所定の間隔をおいて整列するようになる。なお、図３中において、「ｈ」は正孔（ホール）を表すと共に「ｅ」は電子を表し、以降の図においても同様である。
【００３７】
このとき、例えば図４に拡大して示したように、電極１１１側の電気二重層および電極１１２側の電気二重層はそれぞれ、間隔ｇ＝１ｎｍ程度の微小な距離を用いて形成される。このため、これらの電気二重層ではそれぞれ、例えば１０（μＦ／ｃｍ2）程度の非常に大きな静電容量が形成されると共に、例えば３（ＭＶ／ｃｍ）程度の非常に大きな電界が生じることになる。
【００３８】
このようにして電気二重層に大電界が発生すると、例えば図５に示したように、電極１１１から電子ｅがイオン層１２内に注入されるようになり、イオン層１２内の電極１１１側に電気伝導領域Ａ１が形成される。また、電極１１２から正孔ｈがイオン層１２内に注入されるようになり、イオン層１２内の電極１１２側に電気伝導領域Ａ２が形成される。すると、今度は、電気伝導領域Ａ１内と陽イオン１２２ｃとの間で電荷二重層が形成されると共に、電気伝導領域Ａ２内と陰イオン１２２ａとの間で電荷二重層が形成されるようになる。
【００３９】
そして、このようにして電荷二重層および電気伝導領域が繰り返し形成されていくことで、最終的には例えば図６に示したように、イオン層１２内にｐｎ接合が形成される。具体的には、イオン層１２内では、ｐｎ接合の接合面Ｓｊよりも電極１１１側に、電子ｅと陽イオン１２２ｃとが混在して分散されたｎ型領域１２ｎが形成される。また、接合面Ｓｊよりも電極１１２側に、正孔ｈと陰イオン１２２ａとが混在して分散されたｐ型領域１２ｐが形成される。これらのｐ型領域１２ｐとｎ型領域１２ｎとによって、ｐｎ接合が構成される。以上のような原理にて、イオン層１２内では電圧が印加されると自己組織的にｐｎ接合が形成される。
【００４０】
（蓄電機能）
ここで、このｐｎ接合（ｐ型領域１２ｐおよびｎ型領域１２ｎ）では、前述したように電気二重層を利用して非常に大きな静電容量が形成されることから、換言すると、大容量の電荷を蓄えている状態（蓄電状態）であると言える。つまり、イオン性素子１では、イオン層１２内に形成される電気二重層を利用して、イオン層１２において蓄電機能が発揮される。
【００４１】
（発光機能）
また、イオン性素子１では、例えば図７に示したように、このイオン層１２内に形成されたｐｎ接合を利用して、発光機能も発揮される。具体的には、このｐｎ接合の接合面Ｓｊ付近において、ｐ型領域１２ｐ内の正孔ｈとｎ型領域１２ｎ内の電子ｅとが再結合し（キャリアの再結合が生じ）、その結果、この接合面Ｓｊ付近から外部へ発光光Ｌout（出射光）が出射する。このような原理にて、イオン性素子１において発光動作がなされる。なお、図７では、便宜上、発光光Ｌoutが電極１１１，１１２の方向へそれぞれ出射される態様で図示されているが、実際には発光光Ｌoutは全ての方向に出射可能となっている。
【００４２】
（発電機能）
更に、イオン性素子１では、例えば図８に示したように、このイオン層１２内に形成されたｐｎ接合を利用して、発電機能（光電変換機能）も発揮される。具体的には、このｐｎ接合の接合面Ｓｊ付近に外部から入射光Ｌinが入射すると、この接合面Ｓｊ付近で光電変換がなされ、正孔ｈと電子ｅとのキャリア対が生成される。このようにして生成されたキャリア対を利用して（ｐｎ接合における光電変換を利用して）、イオン層１２内に電荷が蓄積されることにより、イオン性素子１において発電動作がなされる。なお、図８においても、便宜上、入射光Ｌinが電極１１１，１１２の方向からそれぞれ入射する態様で図示されているが、実際には入射光Ｌinも全ての方向から入射可能となっている。
【００４３】
このように、本実施の形態のイオン性素子１では、イオン層１２内に形成されるｐｎ接合を利用して、このイオン層１２において多機能性（蓄電機能、発光機能および発電機能）が発揮される。
【００４４】
すなわち、例えば図９に示したように、まず、電極１１１，１１２を利用してイオン層１２に対して電圧が印加されると、イオン層１２内にｐｎ接合が形成されると共に、このｐｎ接合では前述した電気二重層を利用して蓄電状態となる（図９中の状態Ｓ１）。すると、次に図９中の破線の矢印で示したように、このようにして形成されたｐｎ接合を利用して、上記した原理にて、発光動作（状態Ｓ２）および発電動作（状態Ｓ３）がそれぞれなされるようになる。なお、このような発光動作および発電動作はそれぞれ、図９中の破線の矢印で示したように、相補的に実現することも可能である。つまり、例えば、蓄電によって得られたキャリア（正孔ｈおよび電子ｅ）に加え、発電動作によって得られたキャリアをも利用して、発光動作を行うことも可能である。また、蓄電動作および発電動作もそれぞれ、図９中の破線の矢印で示したように、相補的に実現することが可能である。つまり、例えば、発電動作によって得られたキャリアを蓄電することも可能である。
【００４５】
続いて、比較例と比較しつつ、本実施の形態の作用・効果についてより詳細に説明する。
【００４６】
（比較例）
図１０は、比較例に係るイオン性素子（イオン性素子１０１）の断面構成例を模式的に表したものである。この比較例のイオン性素子１０１は、本実施の形態のイオン性素子１においてイオン層１２の代わりにイオン層１０２を設けたものに対応し、他の構成は同様となっている。
【００４７】
このイオン層１０２では、例えば図１０中の符号Ｐ１０１で示した拡大模式図のように、多孔質材１２１の細孔１２１ｈ内に分散された電解質１０３が、等方的形状を有する分子（イオン）を用いて構成されている。すなわち、イオン層１０２内の電解質１０３は、図１中の符号Ｐ１で示した本実施の形態の電解質１２２とは異なり、異方性形状を有する分子（イオンの移動度の抑制構造を有する分子）とはなっていない。
【００４８】
このため、イオン性素子１０１では、例えば図１１に示したように、イオン層１０２内にイオン層１２と同様の原理にてｐｎ接合が形成された後に、電圧供給源ＰＳからの電圧供給が遮断されると（電圧印加状態から電圧無印加状態へ移行すると）、以下のようになる。すなわち、電圧無印加状態へ移行してイオン層１２に電圧が印加されなくなると、例えば図１１中の矢印で示したように、イオン層１２内の陽イオン１２２ｃおよび陰イオン１２２ａがそれぞれ移動して分散し、すぐに再び図２に示した状態に戻ってしまう。
【００４９】
すると、このような陽イオン１２２ｃおよび陰イオン１２２ａの移動に伴って、イオン層１２（ｐｎ接合）内の正孔ｈおよび電子ｅもそれぞれ移動して分散する結果、イオン層１２内からｐｎ接合が消滅してしまう。このようにして電圧無印加状態へ移行した後にすぐにｐｎ接合が消滅してしまうのは、以下の理由による。すなわち、以下説明する本実施の形態とは異なり、電解質１０３の分子が等方的形状となっていることから、陽イオン１２２ｃおよび陰イオン１２２ａがそれぞれ動き易い（イオン移動度が大きい）ためである。換言すると、電解質１０３の分子は、本実施の形態の電解質１２２の分子とは異なり、イオンの移動度の抑制構造を有していないためである。
【００５０】
このようにして比較例のイオン性素子１０１では、電圧無印加状態への移行後にすぐにｐｎ接合が消滅してしまうため、電圧無印加状態への移行後には発光機能および発電機能がそれぞれ発揮できなくなる。よって、イオン性素子１０１では、その機能性が不十分となってしまう（多機能性が実現できないことになる）。
【００５１】
（本実施の形態）
これに対して本実施の形態のイオン性素子１では、イオン層１２内の電解質１２２が、イオンの移動度の抑制構造を有する分子（例えば、極性を有する分子）を用いて構成されている。具体的には、例えば図１中に示した電解質１２２のように、異方性形状（例えば直鎖構造）を有する分子を用いて構成されている。
【００５２】
これによりイオン性素子１では、イオン層１２におけるイオン（陽イオン１２２ｃおよび陰イオン１２２ａ）の移動度が抑制される。具体的には、この例では異方性形状を有することから、そのような形状のイオンおよび多孔質材１２１の細孔１２１ｈ同士、あるいは、イオン同士が互いに絡み合い易くなり、その結果、イオンが動きにくくなるものと予想される。このように、イオン層１２内の陽イオン１２２ｃおよび陰イオン１２２ａがそれぞれ動きにくくなると、それに伴って、イオン層１２内のｐｎ接合が保持され易くなる。なお、ｐｎ接合の形成時には、前述したように電荷二重層において大電界が生じるため、この大電界を利用して強制的にイオンおよびキャリアを移動させ、ｐｎ接合を形成している。
【００５３】
このような理由から、例えば図１２に示したように、イオン性素子１では上記比較例のイオン性素子１０１と比べ、イオン層１２内に形成されたｐｎ接合が、電圧無印加状態への移行後も消滅しにくくなる。換言すると、イオン性素子１ではイオン性素子１０１とは異なり、電圧無印加状態への移行後も、ある程度の時間（例えば、後述するように１０００秒（約１７分）程度）、ｐｎ接合の形成状態が維持されるようになる。
【００５４】
その結果、例えば図１３に示したように、イオン性素子１ではイオン性素子１０１とは異なり、電圧無印加状態への移行後においても、このｐｎ接合を利用して引き続き多機能性が実現される。すなわち、ｐｎ接合を利用して、発光機能（発光光Ｌoutの出射動作）および発電動作（入射光Ｌinの光電変換動作）がそれぞれ発揮されることになる。
【００５５】
以上のように本実施の形態では、電解質１２２がイオンの移動度の抑制構造を有する分子（例えば極性を有する分子）を用いて構成されているようにしたので、イオン層１２内に形成されるｐｎ接合を、電圧無印加状態への移行後においてもある程度維持することができるようになる。よって、このような特性を有するｐｎ接合を利用して、機能性を向上させることが可能となり、ユーザの利便性を向上させることも可能となる。
【００５６】
具体的には、イオン層１２内に形成されるｐｎ接合を利用して、多機能性（蓄電機能および発光機能や、発電機能等）を実現することが可能となる。
【００５７】
また、電圧無印加状態への移行後もｐｎ接合がある程度維持されるため、電圧無印加状態においても、ｐｎ接合を利用した各機能（蓄電機能および発光機能や、発電機能等）を実現することが可能となる。
【００５８】
加えて、特に本実施の形態に係るイオン性素子１の素子構造では、後述する変形例に係るイオン性素子（イオン性素子１Ａ）の素子構造と比べ、以下の利点も得られる。すなわち、まず、本実施の形態では変形例と比べ、イオン性素子の応答速度を向上させることが可能となる。また、本実施の形態では変形例と比べ、界面（例えば、後述する基板１０とイオン層１２との間の界面）の影響を受けにくくなり、各機能の機能性を更に向上させることも可能となる。
【００５９】
［実施例］
次いで、本実施の形態における具体的な実施例（実施例１）について詳細に説明する。ここで、この実施例１の条件は、以下の通りである。
【００６０】
（実施例１）
・電解質…前述した（１）式で表わされるイオン液体
・多孔質材…発光性ポリマー
・電解質と多孔質材との混合比…電解質：多孔質材＝１：１０
【００６１】
この実施例１のイオン性素子は、電解質としてのイオン液体が、前述した（１）式で表わされるものであるため、イオンの移動度の抑制構造を有する分子（この例では、極性を有する分子であると共に異方性形状を有する分子）となっている。また、それとともに、この実施例１のイオン性素子では、電解質としてのイオン液体の混合率が相対的に小さいため、イオンの移動度が小さくなっている。
【００６２】
このため、例えば図１４中の破線の矢印で示したように、イオン層への印加電圧を増加させていくと２Ｖ程度以上にてｐｎ接合が形成されて発光動作が行われると共に、上記比較例１とは異なり、その後印加電圧を減少させていっても、発光動作が継続している。具体的には、印加電圧が０Ｖ（電圧無印加状態）まで低下しても、ｐｎ接合の形成状態が維持され、発光動作も維持されている。なお、図１４中の一方の縦軸に示した「発光光による受光電流」とは、イオン性素子の近傍に配置したフォトダイオードにおける受光電流のことであり、発光光の強度（発光強度）に相当する値である。この点は、以下も同様である。
【００６３】
また、例えば図１５に示したように、この実施例１では、印加電圧が遮断しても（電圧無印加状態へ移行しても）、素子に流れる電流および発光光による受光電流がそれぞれ、約１０００秒（約１７分）程度はある程度大きい値で流れ続けている。つまり、印加電圧が遮断しても、ある程度の時間はｐｎ接合の形成状態が維持されていることが分かる。
【００６４】
ちなみに、例えば図１６に示したように、実施例１において、環境温度を２５０Ｋ，３００Ｋ，３５０Ｋと変化させたところ、以下のような温度特性を示すことが分かった。すなわち、素子に流れる電流は、環境温度が低下するのに従って、印加電圧の遮断後により長時間流れることが分かった。これは、低温になるのに従ってイオンの移動度が小さくなり、放電動作により多くの時間を要するためである。つまり、この素子に流れる電流については、一般的な電気二重層キャパシタと同様の振る舞いを示すと言える。一方、発光光による受光電流（発光強度）については、環境温度にはほとんど依存せず、いずれの環境温度の場合においても上記のように約１０００秒程度は流れ続けることが分かった。
【００６５】
＜２．変形例＞
続いて、上記実施の形態の変形例について説明する。なお、実施の形態における構成要素と同一のものには同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００６６】
［構成］
図１７は、上記実施の形態の変形例に係るイオン性素子（イオン性素子１Ａ）の断面構成例を模式的に表したものである。このイオン性素子１Ａは、基板１０上に、一対の電極１１１，１１２、イオン層１２および保護層１３からなる積層構造を有している。
【００６７】
基板１０は、イオン素子１Ａの素子構造を保持するための基板である。この基板１０は、例えば、ガラス基板やプラスチック基板、シリコン基板等からなる。
【００６８】
ここで、イオン性素子１Ａではイオン性素子１とは異なり、この基板１０上に、一対の電極１１１，１１２が所定の間隔をおいて並設されている。そして、これらの基板１０および電極１１１，１１２の上を、イオン層１２が一様に覆う素子構造となっている。
【００６９】
ただし、本変形例においてもイオン層１２は、上記実施の形態（図１）と同様の構成となっている。すなわち、イオン層１２は、多数の細孔１２１ｈを有する多孔質材１２１と、この多孔質材１２１の細孔１２１ｈ内に分散された電解質１２２とを含んでいる。また、例えば図１８中に模式的に示したように、電解質１２２の分子には、実際には陽イオン１２２ｃと陰イオン１２２ａとに電離した状態（イオン状態）となっているものが存在する。そして電解質１２２は、前述したように、イオンの移動度の抑制構造を有する分子（例えば分極を有する分子）を用いて構成されている。
【００７０】
保護層１３は、イオン層１２を外部から保護するための層（パッシベーション層）である。保護層１３は、例えばポリマーや酸化物等の材料からなり、その厚みは、例えば１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。なお、この保護層１３は、場合によっては設けられていなくてもよい。
【００７１】
なお、本変形例のイオン性素子１Ａも、基本的には上記実施の形態のイオン性素子１と同様にして製造することが可能である。
【００７２】
［作用・効果］
本変形例のイオン性素子１Ａにおいても、基本的には上記実施の形態と同様の作用により、同様の効果を得ることが可能である。具体的には、イオン性素子１Ａでは以下のように作用する。
【００７３】
すなわち、まず例えば図１９に示したように、電極１１１，１１２を利用してイオン層１２に対して電圧が印加されると、イオン層１２内にｐｎ接合が形成されると共に、このｐｎ接合では前述した電気二重層利用して蓄電状態となる。すると、次にこのようにして形成されたｐｎ接合を利用して、前述した原理にて、発光動作（発光光Ｌoutの出射動作）および発電動作（入射光Ｌinの光電変換動作）がそれぞれなされるようになる。つまり、イオン層１２内に形成されるｐｎ接合を利用して、多機能性（蓄電機能、発光機能および発電機能）を実現される。なお、この図１９および以下の図２０では、便宜上、発光光Ｌoutおよび入射光Ｌinがそれぞれ、イオン層１２の延在方向に沿って出射または入射する態様で図示されている。ただし、実際には、発光光Ｌoutは全ての方向に出射可能となっていると共に、入射光Ｌinは全ての方向から入射可能となっている。
【００７４】
また、イオン性素子１Ａにおいても、電解質１２２がイオンの移動度の抑制構造を有する分子（例えば極性を有する分子）を用いて構成されているため、上記実施の形態と同様の原理にて、電圧無印加状態への移行後もｐｎ接合の形成状態がある程度維持される。
【００７５】
したがって、例えば図２０に示したように、電圧無印加状態への移行後においても、このｐｎ接合を利用して引き続き多機能性が実現される。すなわち、ｐｎ接合を利用して、発光機能（発光光Ｌoutの出射動作）および発電動作（入射光Ｌinの光電変換動作）がそれぞれ発揮されることになる。
【００７６】
このようにして本変形例においても、イオン層１２内に形成されるｐｎ接合を利用して機能性を向上させることができ、ユーザの利便性を向上させることも可能となる。また、特に本変形例では上記実施の形態と比べ、イオン性素子の応答速度が低下するものの、電圧無印加状態への移行後におけるｐｎ接合の維持時間（ｐｎ接合状態の寿命時間）をより長くすることが可能となる。
【００７７】
＜３．適用例＞
続いて、上記実施の形態および変形例に係るイオン性素子（イオン性素子１，１Ａ）の電子機器への適用例について説明する。
【００７８】
［適用例１］
図２１は、適用例１に係る電子機器（携帯型照明器具２）の構成例を、模式的に斜視図で表したものである。この携帯型照明器具２は、筺体内に１または複数のイオン性素子１（またはイオン性素子１Ａ）を内蔵したものであり、光出射口２０から発光光Ｌoutを出射する機能を有している。
【００７９】
具体的には、前述した蓄電機能およびｐｎ接合の形成を利用して、電圧無印加状態への移行後もある程度の時間は、発光光Ｌoutの発光動作を行うことが可能となっている。このようにして携帯型照明器具２では、例えば非常用の懐中電灯のような機能が、非常に小型かつ簡易な構成で実現可能となっている。
【００８０】
なお、図２１は、筐体の側面に光出射口２０が設けられている場合の例であるが、これには限られず、例えば筐体の上面または下面に光出射口２０が設けられているようにしてもよい。この場合、電極１１１や電極１１２をＩＴＯ等からなる透明電極とすればよい。
【００８１】
［適用例２］
図２２は、適用例２に係る電子機器（携帯型充電器３）の構成例を、模式的に表したものである。この携帯型充電器３もまた、筺体内に１または複数のイオン性素子１（またはイオン性素子１Ａ）を内蔵したものであり、光入射口３０から入射光Ｌinを入射すると共にこの入射光Ｌinの光電変換により得られた電力Ｐoutを外部へ出力する機能を有している。
【００８２】
具体的には、前述した蓄電機能およびｐｎ接合の形成を利用して、電圧無印加状態への移行後もある程度の時間は、入射光Ｌinの光電変換を利用した発電動作を行うことが可能となっている。したがって、例えば図２２に示したように、この光電変換により得られた電力Ｐoutをコネクタ３１を介して各種のモバイル機器４に充電するといった用途が実現可能となる。なお、ここでは、コネクタ３１を介した電力供給（有線による電力供給）の場合を例に挙げて説明したが、例えば、磁界等を用いた非接触給電（ワイヤレス給電）を行うようにしてもよい。このようにして携帯型充電器３では、例えば非常用の充電器のような機能が、非常に小型かつ簡易な構成で実現可能となっている。
【００８３】
＜４．その他の変形例＞
以上、実施の形態、変形例および適用例等を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。
【００８４】
例えば、上記実施の形態等において説明した各層および各部材の材料等は限定されるものではなく、他の材料としてもよい。具体的には、例えば電解質を構成する分子については、イオンの移動度の抑制構造を有するものであればよく、上記実施の形態等で説明した分子には限られない。また、例えばイオン層における電解質と多孔質材との混合比についても、上記実施の形態等で説明した混合比には限られない。
【００８５】
また、上記実施の形態等では、イオン性素子の素子構造を具体的に挙げて説明したが、これらの構造には限られず、他の素子構造としてもよい。具体的には、例えば、電極の数は２つには限られず、複数（２以上）であれば任意の数の電極を設けるようにしてもよい。
【００８６】
更に、上記実施の形態等では、イオン性素子（イオン層）が、蓄電機能、発光機能および発電機能の各機能を有する場合について説明したが、この場合には限られない。すなわち、蓄電機能および発光機能を少なくとも有するようにすればよく、例えば、発電機能については場合によっては有さないようにしてもよい。
【００８７】
加えて、上記実施の形態等では、本発明のイオン性素子の適用例に係る電子機器として、携帯型照明器具および携帯型充電器を例に挙げて説明したが、電子機器の例としてはこれらには限られない。すなわち、本発明のイオン性素子は、他の様々な電子機器（蓄電機能および発光機能を少なくとも利用した電子機器）にも適用することが可能である。
【符号の説明】
【００８８】
１，１Ａ…イオン性素子、１０…基板、１１１，１１２…電極、１２…イオン層、１２ｐ…ｐ型領域、１２ｎ…ｎ型領域、１２１…多孔質体、１２１ｈ…細孔、１２２…電解質（分子）、１２２ｃ…陽イオン、１２２ａ…陰イオン、１３…保護層、２…携帯型照明器具、２０…光出射口、３…携帯型充電器、３０…光入射口、３１…コネクタ、４…モバイル機器、ＰＳ…電圧供給源、ｈ…ホール、ｅ…電子、ｇ…間隔、Ａ１，Ａ２…電気伝導領域、Ｓｊ…接合面、Ｌin…入射光、Ｌout…発光光（出射光）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
2014183204.tif 000023
【図２１】
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【図２２】
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