(57)【要約】【課題】電気泳動装置の構成要素が色素増感太陽電池（光電変換装置）の機能を持つようにした電気泳動装置を提供する。【解決手段】互いに対向して配置された第１及び第２の電極(11a,11b)と、上記第１及び第２の電極間に存在し、色素の付着した帯電粒子(11d)とこの帯電粒子を分散させる分散媒とを含む分散液(11c)と、を有し、上記分散液の分散媒は電解質であり、上記色素は光電変換作用を有する、ことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向して配置された第１及び第２の電極と、
前記第１及び第２の電極間に存在し、色素を含む帯電粒子とこの帯電粒子を分散させる分散媒とを含む分散液と、を有し、
前記分散液の分散媒は電解質であり、
前記色素は光電変換作用を有する、
ことを特徴とする電気泳動装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の電極間に二次電池又は蓄電器を接続する制御部、を更に有する請求項１に記載の電気泳動装置。
【請求項３】
前記帯電粒子は、核となる中心粒子と、
前記中心粒子に付着した色素と、
前記中心粒子と前記色素との間に存在する逆電子移動防止層と、
を含む、請求項１又は２に記載の電気泳動装置。
【請求項４】
前記帯電粒子は、核となる中心粒子と、
前記中心粒子に結合した表面活性材と、
前記表面活性材に結合した前記色素と、
前記中心粒子と前記色素との間に存在する逆電子移動防止層と、
を含む、請求項１又は２に記載の電気泳動装置。
【請求項５】
前記中心粒子はチタニア粒子であり、前記チタニア粒子と前記表面活性材とが分子結合している、請求項４に記載の電気泳動装置。
【請求項６】
前記中心粒子が表面にＯＨ基を有する、請求項３乃至５のいずれかに記載の電気泳動装置。
【請求項７】
前記分散液は、前記帯電粒子を泳動させかつ色素増感太陽電池の電解質として機能する、請求項１乃至６のいずれかに記載の電気泳動装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の電気泳動装置を表示器に使用した電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電池としても機能する電気泳動機構を用いた電気泳動装置及びこの電気泳動装置を用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、シリコン系太陽電池よりも安価に製造することのできる色素増感太陽電池が注目されている。色素増感太陽電池は一対の電極間に光を利用して電子の循環を発生させる光電変換装置である。ＩＴＯからなる陽極上に焼成して形成されたチタニア粒子と、チタニア粒子上に付着された色素とを有し、色素と陰極との間に電解質を充填した構成をとる。この色素が光電変換機能を有し、光を吸収すると、励起した電子が、色素の最低空軌道（ＬＵＭＯ）、酸化チタンのＬＵＭＯ、ＩＴＯのＬＵＭＯへと順に移動していく。陰極からは電子が電解質層を通って色素へと移動し、励起して電子の抜けた正孔に再度補充される。特許文献１には、色素増感太陽電池の例とその製造方法が開示されている。
また、電気泳動装置は少なくとも一方が透明な一組の対向電極基板間に、電気泳動粒子を分散媒に分散した分散液を封入し、当該電極間に印加した電圧によって電気泳動粒子の分布を変えることによって光学的反射特性に変化を与えて所要の表示動作を行わせるようにしたものである。例えば、特許文献２にはそのような電気泳動装置の例が開示されている。
【特許文献１】特開平１−２２０３８０号公報
【特許文献２】特許第２５５１７８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
電気泳動装置はシート状に形成することができ、電子ペーパー、時計、電卓、ＰＤＡ等の表示部として開発が進められている。電気泳動装置を動作させるためには電源が必要であるが、太陽電池を電源とすることができれば省エネルギであり、携帯にも便利である。
【０００４】
しかしながら、太陽電池を電気泳動装置の一部に組み込むと、その分表示可能面積が減少し、製造工程が複雑化する。また、電気泳動装置の外部に太陽電池を配置して接続すると取り扱いが煩雑である。また、太陽電池を透光性シートとして表示面上に重ねて形成した場合には、光の吸収によって表示が見にくくなる。
【０００５】
そこで、本発明は、電気泳動装置の構成要素が太陽電池（光電変換装置）の機能を持つようにした電気泳動装置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】
【０００６】
上記目的を達成するため本発明の電気泳動装置は、互いに対向して配置された第１及び第２の電極と、上記第１及び第２の電極間に存在し、色素を含む帯電粒子とこの帯電粒子を分散させる分散媒とを含む分散液と、を有し、上記分散液の分散媒は電解質であり、上記色素は光電変換作用を有する、ことを特徴とする。
【０００７】
かかる構成によれば、電気泳動装置を色素増感太陽電池として機能させ、色素の光電変換作用により発生した電荷を電解質を介して２つの電極に取り出すことが可能となる。本願の電気泳動装置が駆動されると、帯電粒子が一方の電極へ移動する。これが、電極近傍へ十分に接近すると、帯電粒子の表面に付着する色素の光電変換機能が働き、色素からチタニア粒子を経由して一方の電極へ電子が移動する。これにより、電力が生産される。なお、帯電粒子が電極から遠い位置にあるときは、色素に光が届かなかったりするため、色素が光電変換機能を発揮しない。
【０００８】
好ましくは、上記第１及び第２の電極間に二次電池又は蓄電器を接続する制御部を更に有する。それにより、電気泳動パネルで得た電気で二次電池又は蓄電器を充電することが可能となる。
【０００９】
好ましくは、上記帯電粒子は、核となる中心粒子と、上記中心粒子に付着した色素と、上記中心粒子と上記色素との間に存在する逆電子移動防止層と、を含む。それにより、色素増感太陽電池として機能し得る帯電粒子を得ることができる。
【００１０】
好ましくは、上記帯電粒子は、核となる中心粒子と、上記中心粒子に結合した表面活性材と、上記表面活性材に結合した上記色素と、上記中心粒子と上記色素との間に存在する逆電子移動防止層と、を含む。それにより、使用可能な色素の種類が拡大する。
【００１１】
通常の電気泳動装置はカラー表示をするにあたり、アクリルなどの着色粒子を用いたり、カラーフィルタを形成したりするが、本願は帯電粒子が表面に吸着している色素によりカラー表示を行うことができる。
【００１２】
好ましくは、上記中心粒子はチタニア粒子であり、上記チタニア粒子と上記表面活性材とが分子結合している。通常の電気泳動装置の帯電粒子はチタニア粒子を用いているが、表面を酸化シリコンＳｉＯ2で覆っている。そのため色素増感太陽電池として用いた場合、色素とチタニア粒子との間の電気抵抗が大きく、発電効率が低下する。これに対し、上記の構成により、発電効率を高めることができる。
【００１３】
好ましくは、上記中心粒子が表面にＯＨ基を有する。この帯電粒子は負に帯電している。
【００１４】
好ましくは、上記分散液は、上記帯電粒子を泳動させかつ色素増感太陽電池の電解質として機能する。通常の電気泳動表示装置の分散液はベンゼン等の低極性の分散媒に帯電粒子が泳動するものであった。本願の分散液は、太陽電池の電解質としても機能するため、相対的に極性が高い。しかし、帯電粒子は泳動する。
【００１５】
例えば、０．１ｍｏｌのヨウ化リチウム（ＬｉＩ）、０．０５ｍｏｌのヨウ素（Ｉ2）、０．５ｍｏｌのヨウ化テトラプロピルアンモニウム（（Ｃ3Ｈ7）4ＮＩ）、０．０５ｍｏｌの４−ｔ−ブチルピリヂン（（ＣＨ3）3・Ｃ5Ｈ4Ｎを、アセトニトリルＣＨ3ＣＮと２−メトキシエタノールＣＨ3ＯＣＨ2ＣＨ2ＯＨ（体積比１：１）に溶解したものを用いることができる。それにより、上記帯電粒子は、電気泳動装置の表示粒子としての機能と太陽電池としての機能を両立させることが可能となる。
【００１６】
また、本発明の電子機器は、上述した電気泳動装置をその表示部として使用する。省エネルギの機器や小型化した装置を得やすい利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【００１８】
本発明においては、電気泳動表示装置を色素増感太陽電池として機能させる。このため、電荷の移動を可能とする粒子（中心粒子）に光電変換作用を持つ色素を付着させて帯電粒子を構成する。この帯電粒子を印加電圧に応じて２つの電極間を移動させ、また、帯電粒子の色素で発生した電荷が電極間を循環するよう、分散媒の材質が電気泳動装置の分散液（粒子が泳動する）と電池の電解液（電気を通す）として機能し得るように選択される。
【００１９】
図１乃至図４は、本願発明に係る電気泳動装置及びその動作を説明する説明図である。
【００２０】
まず、電気泳動装置１０は、概略、ＥＰＤパネル部１１、第１の駆動部１２及び第２の駆動部１３によって構成されている。
【００２１】
ＥＰＤパネル部１１は、第１の基板である基板１１ａ、第２の電極である基板１１ｂ、両基板間に封止された分散液１１ｃ、分散液中に配置された帯電粒子１１ｄによって構成される。基板１１ａは、例えば、透明なＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）や透明なガラス基板といった透明基板に透明なＩＴＯ（インジウム錫酸化物）電極を成膜して構成されるものが挙げられるが、好ましくは、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）基板に透明なＩＴＯ（インジウム錫酸化物）電極を成膜して構成されている。基板１１ｂは、例えば、透明なＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）基板に白金電極を成膜して構成されている。
【００２２】
分散液１１ｃは、帯電粒子１１ｄを色素増感太陽電池及び電気泳動粒子として機能させるものであり、電解質溶液と分散媒として作用する。本願では、このような分散液として、例えば、０．１ｍｏｌのヨウ化リチウム（ＬｉＩ）、０．０５ｍｏｌのヨウ素（Ｉ2）、０．５ｍｏｌのヨウ化テトラプロピルアンモニウム（（Ｃ3Ｈ7）4ＮＩ）、０．０５ｍｏｌの４−ｔ−ブチルピリヂン（（ＣＨ3）3・Ｃ5Ｈ4Ｎを、アセトニトリルＣＨ3ＣＮと２−メトキシエタノールＣＨ3ＯＣＨ2ＣＨ2ＯＨ（体積比１：１）に溶解したものを用いることができる。これに限らず、イオン性液体を使用した系、即ち、1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifuluorosulfonyl) amide (EMIm TFSI) にＬｉＩ（0.1M/l程度）とヨウ素（0.15M/l程度）を溶解したものでもよい。
【００２３】
帯電粒子１１ｄの構成は、例えば、図６に示されているように、物質Ａに有機半導体である物質Ｂが吸着され、物質ＡとＢとの間に、物質Ｃが重合された構造である。ここで、物質Ａは帯電粒子１１ｄの核であり、例えば、白色の酸化チタン（ＴｉＯ2）、黒色のチタンブラック（ＴｉＮＯ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）である。酸化チタンやチタンブラックは粒子表面にＯＨ基が存在しているので、負に帯電する傾向を持つ。粒子Ｂは色素である。この色素は重合基があることを特徴としている。
【００２４】
物質Ｃは物質Ｂから物質Ａへ移動した電子が逆電子移動を起すことを防ぐ逆電子移動防止層である。この逆電子移動防止層は、電子のドナーとなる色素とアクセプタとなる酸化チタンとの間に設けられる、物理的障壁となる重合膜である。通常、色素増感太陽電池では、色素から酸化チタンへ、酸化チタンから陽極へ電子が移動するが、酸化チタンから陽極へ移動せず、色素に戻る、いわゆる逆電子移動を起す電子があり、発電効率を下げる要因となっていた。この逆電子移動防止層により、発電効率の低下を軽減することができる。
【００２５】
なお、電気泳動装置の帯電粒子として使用される酸化チタンは、酸化チタンの光触媒作用を抑制して長寿命化を図るため、シリコン酸化膜で被覆されることが多いが、本実施例では酸化チタン粒子を太陽電池の電極としても機能させるためにシリコン酸化膜は形成されていない。つまり、酸化チタンと表面活性材層とが分子結合している。
【００２６】
色素としては、例えば、ＲｕＬ2（ＳＣＮ）2、ＲｕＬ2Ｃｌ2、ＲｕＬ2ＣＮ2、Ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ５３５−ｂｉｓＴＢＡ（Ｓｏｌａｒｏｎｉｃｓ社製）、［ＲｕＬ2 （ＮＣＳ2）］2Ｈ2Ｏのようなルテニウム錯体、鉄錯体、オスミウム錯体、銅錯体、白金錯体等の金属錯体色素、シアン系色素、キサンテン系色素、アゾ系色素、ハイビスカス色素、ブラックベリー色素、ラズベリー色素、ザクロ果汁色素、クロロフィル色素等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
【００２７】
また、これらの色素の中でも、金属錯体を用いるのが好ましい。金属錯体は、吸収可能な光の波長域が比較的広く、優れた光増感特性を有するものである。
【００２８】
さらに、色素としては、金属錯体の中でも、ルテニウム錯体または鉄錯体を用いるのがより好ましい。これらの錯体は、特に優れた光増感特性を有し、化学的安定性も比較的高いものである。
【００２９】
第１の駆動部１２は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４及び二次電池１２ａを備えている。また、第２の駆動部１３は、スイッチＳＷ５〜ＳＷ８及び二次電池１３ａを備えている。二次電池１２Ａ及び１３ａは蓄電器（キャパシタ）であっても良い。スイッチＳＷ１〜ＳＷ８は制御部２０によってその動作が制御される。制御部２０は例えば論理ゲートや制御用ＣＰＵなどによって構成される。
【００３０】
次に、電気泳動装置１０の動作について説明する。まず、図１に示すように、帯電粒子１１ｄが２つの電極基板１１ａ及び１１ｂの中間位置にあるときに、制御部２０に外部からオン（表示）指令信号が供給されると、制御部２０はスイッチＳＷ１及びＳＷ４を閉成する。他のスイッチＳＷは開放している。これにより、両基板間に二次電池１２ａの電圧が印加される。帯電粒子１１ｄは負に帯電しており、二次電池の正極が接続された電極基板１１ａに向かって（上方向に）移動し、電極基板１１ａに付着する。
【００３１】
次に、図２に示すように、帯電粒子１１ｄが電極基板１１ａに付着することによって画素やモザイクエレメントの表示状態となる。その後、制御部２０は、図示のように、スイッチＳＷ２及びＳＷ３を閉成し、他を開放する。
【００３２】
電極基板１１ａに付着した帯電粒子１１ｄは、太陽光などの光の照射を受けると当該エネルギによってその色素（分子）が励起される。色素は電子と正孔の対であるエキシトン（励起子）を発生する。正孔は電解質溶液である分散媒（分散液）１１ｃ、電極基板１１ｂ、スイッチＳＷ３を通り、二次電池１２ａの正極に流れる。電子は粒子Ａより電極基板１１ａ、スイッチＳＷ２を通り、二次電池１２ａの負極に流れる。これにより、二次電池１２ａは色素増感太陽電池によって充電される。
【００３３】
次に、制御部２０にオフ（非表示）指令信号が供給される。制御部２０は、図３に示すように、スイッチＳＷ５及びＳＷ８を閉成し、他を開放する。これにより、二次電池１３ａによって両電極基板間に逆方向のバイアス電圧が印加される。帯電粒子１１ｄは元々負に帯電しているので電極基板１１ａから離間し、電極基板１１ｂに向かって移動する。帯電粒子１１ｄの電極基板１１ａからの離間によって帯電粒子１１ｄの発電機能は停止する。
【００３４】
図４に示すように、帯電粒子１１ｄが移動して電極基板１１ｂに接すると、制御部２０はスイッチＳＷ６及びＳＷ７を閉成し、他を開放する。
【００３５】
電極基板１１ｂに付着に付着した帯電粒子１１ｄは、同様に、太陽光などの光の照射を受けると当該エネルギによってその色素（分子）が励起される。色素は電子と正孔の対であるエキシトン（励起子）を発生する。エキシトンは核となっている物質Ａの界面で電子と正孔に分かれる。正孔は物質Ａより物質Ｃを通り、電解質溶液である分散媒（分散液）１１ｃ、電極基板１１ａ、スイッチＳＷ６を通り、二次電池１３ａの正極に流れる。電子は物質Ａより電極基板１１ｂ、スイッチＳＷ７を通り、二次電池１３ａの負極に流れる。これにより、二次電池１３ａは帯電粒子１１ｄによって充電される。
【００３６】
図５は、上述した図１乃至図４の帯電粒子１１ｄの各位置状態における表示状態を説明する説明図である。上側電極１１ａ上に帯電粒子１１ｄに存在するとき（図２）に明瞭な画像あるいはセグメントが表示される。
【００３７】
このようにして、帯電粒子１１ｄが電極基板上に存在するときには、帯電粒子１１ｄの発電機能によって二次電池が充電される。この二次電池に蓄積されたエネルギによって帯電粒子１１ｄの表示位置制御が行われる。上述した実施例では、帯電粒子１１ｄが一方の電極上に存在するときに一方の二次電池を充電し、帯電粒子１１ｄが他方の電極上に存在するときに他方の二次電池を充電する構成としているが、これに限定されるものではない。
【００３８】
例えば、スイッチ回路を適宜に構成することによって、帯電粒子１１ｄが一方の電極上にずっと存在するときに、駆動部１２及び１３における電流の流れ方向や二次電池の選択を適宜に切替えられるように設定することができる。それにより、２つの電池を同時にあるいは交互に充電することが可能となる。
【００３９】
また、スイッチ回路によって帯電粒子１１ｄの駆動時及び二次電池の充電時における駆動部の各電流方向を適宜に設定することによって二次電池を１つとすることが可能である。
【００４０】
図７及び図８は、帯電粒子の他の構造例を示している。各図において、図６と対応する部分には同一粒子名を付している。
【００４１】
図７は、帯電粒子１１ｄの第２の粒子構造の例を示している。
【００４２】
既述したように、帯電粒子１１ｄの核である物質Ａに例えば有機半導体（色素）である物質Ｂが吸着されている。物質ＡとＢとの間に、物質Ｃが重合されている。物質Ｂは色素である。
【００４３】
この例では、更に、物質Ｄ及び物質Ｅを有している。物質Ｄはアニオン（陰イオン）若しくはカチオン（陽イオン）性表面活性材、物質Ｅはカチオン若しくはアニオン性重合性表面活性材である。
【００４４】
かかる表面活性材を含む構成とすることによって、物質Ａに種々の色素を吸着しやすくなるという利点を有する。それにより、色（色材）の選択範囲が拡大する利点がある。
【００４５】
図８は、帯電粒子１１ｄの第３の粒子構造の例を示している。物質Ａをポリマーでカプセル状に包んでいる。ポリマーとしては、例えばポリピノール、ポリアセチレンなどを使用可能である。
【００４６】
この例のように、帯電粒子１１ｄをカプセル化することによっての帯電粒子１１ｄの物理的・化学的安定化を図ることが可能となる。
【００４７】
（他の実施例）
図９は、本発明の電気泳動装置１０を電子機器である、電卓１００の表示部１０２に適用した例を示している。電気泳動装置１０自身が発電機能を有することによって従来配置されていた太陽電池パネルが不要となって、より小型化が可能である。電気泳動装置１０の発電能力が大きくなれば電卓１００の電源としても使用可能となる。
【００４８】
この他に、本発明の電気泳動装置１０は時計、電子カレンダ、電子ブック、電子広告器、ＰＤＡ（携帯情報機器）、パソコン、携帯電話機などの電子機器の表示器として使用して好適である。
【００４９】
尚、本発明の電気泳動装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の電気泳動装置の第一段階の動作を説明する説明図である。
【図２】本発明の電気泳動装置の第二段階の動作を説明する説明図である。
【図３】本発明の電気泳動装置の第三段階の動作を説明する説明図である。
【図４】本発明の電気泳動装置の第四段階の動作を説明する説明図である。
【図５】各段階における表示状態を説明する説明図である。
【図６】本発明に使用される太陽電池の粒子の第１の例を説明する説明図である。
【図７】本発明に使用される太陽電池の粒子の第２の例を説明する説明図である。
【図８】本発明に使用される太陽電池の粒子の第３の例を説明する説明図である。
【図９】本発明の電気泳動装置を使用した電子機器の例（電卓）を説明する説明図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０  電気泳動装置、１１  ＥＰＤパネル、１２，１３  駆動部  ２０  制御部
【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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