(57)【要約】【課題】本発明は、透明なガラスの多層構造であるエレクトロクロミック装置を提供する。また、本発明にかかるエレクトロクロミック装置は、太陽光エネルギー関連技術と結合することが可能である。【解決手段】本発明にかかるエレクトロクロミック装置は、多孔性であるエアロゲル層を備え、特定の基板上には導電材料が塗布される。導電材料の間にはエレクトロクロミック物質がパッケージングされる。導電材料層に電圧を印加することで、エレクトロクロミック物質の特性を変化させる。更に、基板の外側に光触媒材料を塗布し、太陽光エネルギー電源層をめっきし、エレクトロクロミック装置に電力を提供する、或いは電力を他の装置に提供することが可能である。エレクトロクロミック装置の基板の間にエレクトロクロミック複合材料層をパッケージングすることも可能である。エレクトロクロミック複合材料層は、エアロゲル及びエレクトロクロミック物質の複合構造である。【選択図】図４
2012203409.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エレクトロクロミック装置であって、
第一基板と、
第二基板と、
第三基板と、
前記第一基板と前記第二基板の間にパッケージングされるエアロゲル層と、
前記第二基板の前記エアロゲル層に対して反対側の表面に形成される第一導電材料層と、
前記第三基板の表面に形成され、前記第一導電材料層に対向して配置される第二導電材料層と、
前記第一導電材料層と前記第二導電材料層との間にパッケージングされるエレクトロクロミック材料層を備えることを特徴とするエレクトロクロミック装置。
【請求項２】
前記エレクトロクロミック材料層は、液体エレクトロクロミック物質、或いは薄膜型エレクトロクロミック物質であることを特徴とする請求項１に記載のエレクトロクロミック装置。
【請求項３】
前記第一基板、前記第二基板及び前記第三基板は、ガラスであることを特徴とする請求項１に記載のエレクトロクロミック装置。
【請求項４】
前記第一導電材料層及び前記第二導電材料層は、それぞれ前記第二基板及び前記第三基板上の酸化インジウムスズ材料層に塗布されることを特徴とする請求項１に記載のエレクトロクロミック装置。
【請求項５】
前記エレクトロクロミック装置は、前記第一導電材料層と前記第二導電材料層とに電気的に接続される電圧源を備えることを特徴とする請求項１に記載のエレクトロクロミック装置。
【請求項６】
前記エレクトロクロミック装置は、前記第一基板の前記エアロゲル層に対して反対側の表面に太陽光エネルギー電源層が張り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のエレクトロクロミック装置。
【請求項７】
前記太陽光エネルギー電源層は、ソーラーパネルであり、前記第一導電材料層及び前記第二導電材料層に電気的に接続されることを特徴とする請求項６に記載のエレクトロクロミック装置。
【請求項８】
前記エレクトロクロミック装置は、前記太陽光エネルギー電源層の外表面上に塗布される第二光触媒層を更に備えることを特徴とする請求項６に記載のエレクトロクロミック装置。
【請求項９】
前記エレクトロクロミック装置は、前記第一基板の外表面上に塗布される光触媒層を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のエレクトロクロミック装置。
【請求項１０】
前記エレクトロクロミック装置は、前記第三基板の前記第二導電材料層に対して反対側の表面に塗布される第一光触媒層を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のエレクトロクロミック装置。
【請求項１１】
エレクトロクロミック装置であって、
第一基板と、
第二基板と、
前記第一基板の表面に形成される第一導電材料層と、
前記第二基板の表面に形成され、前記第一導電材料層に対向して配置される第二導電材料層と、
前記第一導電材料層と前記第二導電材料層との間にパッケージングされるエレクトロクロミック複合材料層と、
を備えることを特徴とするエレクトロクロミック装置。
【請求項１２】
前記エレクトロクロミック複合材料層は、エアロゲル及びエレクトロクロミック物質の複合構造であることを特徴とする請求項１１に記載のエレクトロクロミック装置。
【請求項１３】
前記エレクトロクロミック複合材料層は、電解質材料が前記エアロゲルの微細孔にパッケージングされることを特徴とする請求項１２に記載のエレクトロクロミック装置。
【請求項１４】
前記エレクトロクロミック複合材料層と前記第二導電材料層との間に、有機、或いは無機薄膜型エレクトロクロミック物質がめっきされることを特徴とする請求項１２に記載のエレクトロクロミック装置。
【請求項１５】
前記エレクトロクロミック複合材料層と前記第一導電材料層或いは前記第二導電材料層との間に隙間があることを特徴とする請求項１２に記載のエレクトロクロミック装置。
【請求項１６】
前記第一導電材料層及び前記第二導電材料層は、それぞれ前記第一基板及び前記第二基板上の酸化インジウムスズ材料層に塗布されることを特徴とする請求項１１に記載のエレクトロクロミック装置。
【請求項１７】
前記エレクトロクロミック装置は、前記第一導電材料層及び前記第二導電材料層と電気的に接続される電圧源を備えることを特徴とする請求項１１に記載のエレクトロクロミック装置。
【請求項１８】
前記エレクトロクロミック装置は、透明ソーラーパネルであって、前記第一基板の前記エレクトロクロミック複合材料層に対して反対側の表面に貼り付けられ、前記第一導電材料層及び前記第二導電材料層と電気的に接続される太陽光エネルギー電源層を備えることを特徴とする請求項１１に記載のエレクトロクロミック装置。
【請求項１９】
前記エレクトロクロミック装置は、前記太陽光エネルギー電源層の外表面上に塗布される第二光触媒層を備えることを特徴とする請求項１８に記載のエレクトロクロミック装置。
【請求項２０】
前記エレクトロクロミック装置は、前記第二基板の前記第二導電材料層に対して反対側の外表面上に塗布される第一光触媒層を備えることを特徴とする請求項１１に記載のエレクトロクロミック装置。
【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装置に関し、より詳しくは、電圧を印加することで透明度を変化させることが可能なエレクトロクロミック装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギーの消費と環境保護は切り離せない関係にある。エネルギーの消費問題を解決すれば、環境保護にも効果がある。本発明は、電圧を印加することで透明度を変化させるエレクトロクロミック装置に関する。本発明のエレクトロクロミック装置を利用した窓ガラスは建物の室内温度及び光量を調節することが可能であり、環境熱源が建物に与える影響を減らすことができる。
【０００３】
従来のエレクトロクロミック技術は、外部から電圧を印加することでエレクトロクロミック物質の反射率、透過率及び吸収率を変化させるものであり、透明から不透明、及びその逆といった、可逆的で安定した色の変化を行うことができる。
【０００４】
エレクトロクロミック物質は、酸化タングステンに代表される無機エレクトロクロミック物質と、ポリチオフェン及びその派生物質、ビオロゲン、テトラチアフルバレン、フタロシアニン化合物といった有機エレクトロクロミック物質に分けられる。
【０００５】
一般的な窓ガラスに従来のエレクトロクロミック物質を応用することで、電力の作用によって、光の吸収、或いは透過を調節することが可能な窓ガラスを製造することが可能である。これにより外界の放射熱や内部の拡散熱を吸収、或いは反射させることで、室内の温度や自然光の照射量を調節することが可能になり、目隠しとしての効果もある。
【０００６】
エレクトロクロミック物質の応用範囲は非常に広く、例えば、アメリカ特許第７，３３３、２５８号には、図１に示すようなエレクトロクロミック装置が開示されている。前記エレクトロクロミック装置は、第一ガラス板１１、第二ガラス板１２、前記両ガラス板に挟設される第一透明電極層１３、第二透明電極層１４、エレクトロクロミック層１０、イオン伝導層１５及びイオン貯蔵層１６を備える。第一透明電極層１３、第二透明電極層１４は、電圧源１８と接続される。前記エレクトロクロミック装置は、主に窓ガラスに使用される。
【０００７】
電圧源１８が第一透明電極層１３及び第二透明電極層１４に印加することで、イオンがイオン伝導層１５からエレクトロクロミック層１０へ移動する。或いはエレクトロクロミック層１０からイオン伝導層１５へ移動する事により、エレクトロクロミック層１０の物質特性により明るさや透明度等が変化する。
【０００８】
しかしながら、色を変化させることが可能なガラスに断熱効果はないとともに、ガラスは、室外に於いて表面が汚れやすく、高層ビルに使用した場合、洗浄が困難となる。更に、ガラスは、長時間太陽に照らされるものであるため、太陽光エネルギーに関連した技術との結合も考えられる。
その中、エアロゲルの誘電率は、エレクトロクロミック層の複合材料として十分使用できるものであるが、目下のところエアロゲルをエレクトロクロミック物質の複合材料として利用した特許や技術は存在しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述の問題点に鑑み、本発明は、従来のエレクトロクロミック物質を応用したエレクトロクロミック装置を提供することを目的とする。
【００１０】
本発明のエレクトロクロミック装置は、エアロゲル、エレクトロクロミック物質及び酸化チタン光触媒ナノ粒子を結合させた構造をしており、窓やドアに取り付ける透明装置として使用できる。これにより殺菌、断熱、防音、光量調節等の機能を備えた装置を提供する。
【００１１】
前記エレクトロクロミック物質は、電圧を印加することでエレクトロクロミック物質の反射率、透過率及び吸収率を変化させることができ、可逆的で安定した色の変化や透明度の変化を行うことができる。一般的なエレクトロクロミック薄膜は、その両端に電圧を印加すると、電解質の陽イオン及び導体上の電子が同時に注入され、或いは薄膜から移動し、これにより薄膜物質の酸化状態を変化させ、色の変化を行う。
【００１２】
本発明のエレクトロクロミック装置のエレクトロクロミック材料層は、エレクトロクロミック薄膜及び電解質層を含む。前記エレクトロクロミック薄膜及び前記電解質層は、それぞれ電子及びイオンを提供する。前記電子及び前記イオンは、外部から電圧を印加することで材料の中を移動し、色の変化以外に、高い透光性を備える。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のエレクトロクロミック装置は、透明な第一及び第二基板、前記第一基板と前記第二基板の間にパッケージングされた多孔性エアロゲル層、第三基板、前記第二基板と前記第三基板の表面に導電材料を塗布して形成された第一及び第二導電材料層、前記第一及び第二導電材料層にパッケージングされるエレクトロクロミック物質を備える。
【００１４】
前記導電材料層に電圧を印加することで前記エレクトロクロミック物質の特性を変化させる。なお、上述の各基板は、ガラス基板である。
【００１５】
第一基板には更に太陽光エネルギー電源層を貼ることが可能であり、前記太陽光エネルギー電源層は、前記エレクトロクロミック装置に電力を供給することができる。
【００１６】
前記第三基板の表面には光触媒材料を塗布し、第一光触媒層を形成させる。光触媒材料は、室内に於いて太陽光に含まれる紫外線に照射された際、抗菌、消臭、浄化といった効果がある。
【００１７】
第二光触媒層は、第一基板に形成される。光触媒材料は、室外に於いて汚れにくく、空気を浄化する効果がある。
【００１８】
本発明の別の実施例におけるエレクトロクロミック装置は、第一及び第二基板と、前記第一及び第二基板上に形成される第一及び第二導電材料層と、前記第一及び第二導電材料層の間にパッケージングされるエレクトロクロミック複合材料層を備える。前記エレクトロクロミック複合材料層はエアロゲル及びエレクトロクロミック物質から成る複合構造である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のエレクトロクロミック装置は、透明なガラスを主な構造とする装置であり、２つの導電材料にパッケージングされるエレクトロクロミック物質、エレクトロクロミック複合材料或いは液状エレクトロクロミック物質を備える。ソーラーパネルから電力を供給することで、前記装置の透明度及び色を変化させる。
【００２０】
断熱特性を持つエアロゲルと、殺菌効果を持ち、汚れにくい光触媒を利用することで、多機能なエレクトロクロミック装置を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来のエレクトロクロミック装置を示す説明図である。
【図２Ａ】本発明のエレクトロクロミック装置の製造過程を示す説明図である。
【図２Ｂ】同上の製造過程を示す説明図である。
【図２Ｃ】同上の製造過程を示す説明図である。
【図２Ｄ】同上の製造過程を示す説明図である。
【図２Ｅ】同上の製造過程を示す説明図である。
【図２Ｆ】同上の製造過程を示す説明図である。
【図２Ｇ】同上の製造過程を示す説明図である。
【図３】本発明のエレクトロクロミック装置の実施例１を示す説明図である。
【図４】本発明のエレクトロクロミック装置の実施例２を示す説明図である。
【図５】本発明の太陽光エネルギー電源層を示す説明図である。
【図６】本発明のエレクトロクロミック装置の実施例３を示す説明図である。
【図７】本発明のエレクトロクロミック装置の実施例３を示す説明図である。
【図８】本発明のエレクトロクロミック装置の実施例４を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図２は、本発明のエレクトロクロミック装置の製造過程を示す説明図である。図２Ａに示すように、まずエアロゲル層２０４を準備する。エアロゲル層２０４は、親水性或いは疏水性のナノ二酸化ケイ素エアロゲル或いは二酸化チタンエアロゲルであり、多孔性である。続いて図２Ｂに示すように、エアロゲルのゾル−ゲルを第一基板２０１と第二基板２０２の間にある表面に塗布する。そして乾燥させ、パッケージング材料でパッケージングを行う。二酸化ケイ素エアロゲルを塗布した第一基板２０１と第二基板２０２に熱処理或いは表面処理を行い、粘着性を高める。
【００２３】
第一基板２０１と第二基板２０２はガラスから成る。建築物の窓やドアに使用するものは、透明なガラスにすることで、本発明のエレクトロクロミック装置の色を変化させる特性を存分に発揮することができる。更に、第一基板２０１と第二基板２０２の表面に塗布した二酸化ケイ素エアロゲルの表面に、界面活性剤を塗布し、表面の質を変化させる。或いは、エアロゲルの上に直接親水性或いは疏水性のエアロゲルを製造する。
【００２４】
エアロゲル層２０４を第一基板２０１と第二基板２０２の間に設置した後、図２Ｃに示すように、第二基板２０２のエアロゲル層２０４に対して反対側の表面に第一導電材料層２０５をめっきする。第一導電材料層２０５は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）のような導電ガラス材料である。続いて図２Ｄに示すように、第三基板２０３を準備する。第三基板２０３は、同様にガラスであり、窓やドアに使用する場合は、透明ガラスである。第三基板２０３に第二導電材料層２０６をめっきする。第三基板２０３と第二導電材料層２０６により形成される構造は、第一基板２０１、エアロゲル層２０４、第二基板２０２及び第一導電材料層２０５により形成される構造と組み合わせられ、第一導電材料層２０５と第二導電材料層２０６とが対向するように配置される。図２Ｅに示すように、２組の構造の間（第一導電材料層２０５と第二導電材料層２０６との間）にエレクトロクロミック物質を流し込むことでエレクトロクロミック材料層２０７を形成させパッケージングを行う。
【００２５】
本発明のエレクトロクロミック装置２０は、第一基板２０１、第二基板２０２、第一基板２０１と第二基板２０２の間にパッケージングされるエアロゲル層２０４、第二基板２０２の表面に塗布される第一導電材料層２０５及び第三基板２０３上に塗布される第二導電材料層２０６により形成される構造となる。すなわち、多孔性ナノ酸化チタン光触媒エアロゲル層を備えるガラスである。
【００２６】
エアロゲル層２０４は、断熱、衝撃吸収、防音、透光性及び誘電性を備えるエアロゲルであり、室外の放射熱が室内に伝わるのを防ぐ。また、エレクトロクロミック物質は、色を変化させる効果をもたらす。第一導電材料層２０５と第二導電材料層２０６に一定の電圧を印加した際、エレクトロクロミック材料層２０７には電界が形成され、イオン及び／或いは電子の移動により物質の色、色の明るさ、或いは透明度を変化させる。
【００２７】
図２Ｆに示すように、第三基板２０３の外表面に光触媒材料を塗布し、第一光触媒層２０９を形成させる。室内にある光触媒材料は、太陽光に含まれる紫外線が照射された際、抗菌、消臭、浄化といった効果をもたらす。室外にある光触媒材料は、汚れにくく、空気を浄化する効果がある。
【００２８】
図２Ｇに示すように、第一基板２０１の外表面には、更に太陽光エネルギー電源層２１２を貼ることが可能である。太陽光エネルギー電源層２１２は、エレクトロクロミック装置２０’に電力を供給する。第一基板２０１と太陽光エネルギー電源層２１２の外表面には光触媒材料を塗布し、第二光触媒層２１０を形成させる。
【００２９】
本発明のエレクトロクロミック装置に含まれる各層の構造及び効果については以下の通りである。
【００３０】
エアロゲル層２０４のエアロゲル：
エアロゲルは、熱伝導率が低いナノ級多孔性固体網状構造材料である。表面積が大きく、密度及び熱伝導率が低い。有機或いは無機物から構成され、その主要成分の９８％が空気である。外見は半透明状であり、現在存在する固体の中で最も優れた断熱性を有する。多孔性であり、孔の大きさはエアロゲル分子より小さい。固体粒子間の接触が非常に小さいため、熱が固体内を伝わる際、平均自由行程が非常に小さくなる。そのため、気体熱伝導が制限を受け、熱伝導率が低くなる。これにより優れた断熱効果をもたらす。
【００３１】
エアロゲルは、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と炭素をゾルゲル法で高分子重合させた無機−金属材料から成る。表面積が大きく多孔性にするために単斜晶に精製する。その特性から、絶縁体、音波吸収材、吸着物やコンデンサ等に利用される。酸化ケイ素エアロゲルは、断熱材として利用され、摂氏１０００度もの高温にも耐え、さまざまな形状に製造することが可能である。また、エアロゲルは無機材料としてだけではなく、有機材料、或いは有機−無機複合材料型に製造することが可能である。これにより表面の活性特徴を調節し、疏水性或いは親水性を備えることが可能である。
【００３２】
エアロゲルは、優れた断熱効果を持つだけでなく、屈折率が低いという特徴もある。これは透明度が高いということであり、これにより本発明のエレクトロクロミック装置は窓に応用することが可能である。
【００３３】
エレクトロクロミック材料層２０７のエレクトロクロミック物質：
エレクトロクロミズムとは、化学物質に電荷を印加することで、その光物性に可逆的変化がみられる現象のことである。酸化タングステン（ＷＯ３）薄膜がエレクトロクロミズムを発生させることが発見されて以来、無機金属酸化物であるＴｉＯ２、Ｎｉ（ＯＨ）２、Ｉｒ（ＯＨ）２や、有機ビオロゲン、ポリアニリン、フタロシアニンのような、様々なエレクトロクロミック物質が研究されてきた。
【００３４】
エレクトロクロミック物質は、材料の種類により無機エレクトロクロミック物質及び有機エレクトロクロミック物質に分けられる。無機エレクトロクロミック物質は、安定しており、光の吸収率の変化は、イオンと電子の注入或いは抽出により引き起こされる。ビオロゲンに代表される有機エレクトロクロミック物質は、色彩が豊富であり、分子設計が容易である。光の吸収率の変化は、酸化還元反応により引き起こされる。ビオロゲンは１，１’−二置換−４，４’−ビピリジニウム塩である。Ｎ原子を２つ含み、異なる酸化還元反応により電子を供給或いは受け取ることが可能であり、可逆的な酸化還元反応を起こす。ビオロゲンは、３つの酸化還元反応を有する。ビオロゲンの２価陽イオンは、最も安定しており、可視光をほとんど吸収せず、陰イオンに対して電荷移動を行わない時は、色を持たない。
【００３５】
還元した際に１価陽イオンラジカルが発生し、ラジカルは、ビオロゲンのｃｏｎｊｕｇａｔｅｄ  ｐｉ  ｓｙｓｔｅｍ（π共役系）の結合から非局在化することで安定する。電荷は１価Ｎと０価Ｎの間の電荷移動により、モル吸収係数ｅが高く、色がつきやすい。Ｎ，Ｎ’上の置換基（Ｒ，Ｒ’）の電子効果は、スペクトルに大きな影響を与え、変化時に分子の軌道を変化させることで、異なる色を出す。更に還元することで、二還元中性ビオロゲンとなるが、これはスペクトルの電荷移動がないため、色が薄い。
【００３６】
上述の無機エレクトロクロミック物質は、陽極配色（ａｎｏｄｉｃ  ｃｏｌｏｒａｔｉｏｎ）、陰極配色（ｃａｔｈｏｄｉｃ  ｃｏｌｏｒａｔｉｏｎ）、陰陽極配色（ｃａｔｈｏｄｉｃ／ａｎｏｄｉｃ  ｃｏｌｏｒａｔｉｏｎ）の組み合わせからなる遷移金属酸化物群のうちのひとつである。前記陽極遷移金属酸化物は、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、酸化ニッケル（ＮｉＯｘ）、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、酸化マンガン（ＭｎＯ２）、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）２、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）及びヘキサシアノ鉄酸鉄（ＦＥ［ＦＥ（Ｃｎ）６］３）である。前記陰極遷移金属酸化物は、酸化タングステン（ＷＯ３）、三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）、三酸化二ニオブ（Ｎｂ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、チタン化ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）及び五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）である。前記陰陽極遷移金属酸化物は、酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ２）、酸化ロジウム（Ｒｈ２Ｏ３）及び酸化コバルト（ＣｏＯｘ）である。
【００３７】
前記エレクトロクロミック物質は、導電性重合物を電解質に混同したものから成る有機薄膜型エレクトロクロミック物質である。前記導電重合物は、ポリピロール或いはポリアニリンである。
【００３８】
エレクトロクロミック材料層２０７の電解質層：
本発明の電解質層は、固体電解質及び液体電解質である。前記固体電解質は、プロトン交換膜、イオノマ膜、有機／無機ハイブリッド膜或いは酸／アルカリ高分子薄膜のうちのいずれかから選択される。前記イオノマ膜は、ペルフルオロ硫酸（ｐｏｌｙｍｅｒｉｚｅｄ  ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｓｕｌｆｏｎｉｃ  ａｃｉｄ：ＰＦＳＡ）膜である。
【００３９】
前記液体電解質は、過塩素酸リチウム（ＬｉＣＯ４）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）或いはケイ酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）である。
【００４０】
光触媒は、二酸化チタン、葉緑素、金属化合物（染料）等の物質に代表されるものであるが、光線を吸収し触媒作用を引き起こすものであれば光触媒に属する。前記葉緑素は、天然光触媒として世に知られている。前記葉緑素は、太陽光エネルギーを吸収し、二酸化炭素及び水をブドウ糖へ変化させる光合成を行う。前記光合成により生命に必要な炭水化合物を供給することが可能であり、更には空気中の二酸化炭素を軽減する効果もある。二酸化チタン（ＴｉＯ２）は、化学性質が安定しており、人体及び自然に害がなく、価格も安い等のメリットがあるため、人工光触媒として広く使用されている。
【００４１】
光触媒は、光線を吸収し触媒作用を起こす物質である。十分な光線を吸収した際に触媒作用を起こす。光触媒材料の大きさが１〜１００ナノメートルの範囲内であるものをナノ光触媒と呼ぶ。二酸化チタン粒子が光エネルギーを吸収した後、電子は、価電子帯から伝導体へ励起することで、自由電子（伝導電子）となり、価電子帯に正孔ができる。励起した電子は、光触媒粒子の表面にある分子に近づき還元反応を起こす。よって光触媒粒子の表面は酸化と還元反応が同時に起こる。これが光触媒作用である。
【００４２】
二酸化チタン粒子を利用した際、大気中で酸素分子と水素分子が光触媒粒子の表面上で酸化還元反応を起こす。空気中の水素分子と酸素分子がそれぞれ二酸化チタン粒子表面の電子と正孔に接触した際、二酸化チタン粒子の表面は、ヒドロキシルラジカル（−ＯＨ）や酸化物イオン（Ｏ２−）等の活性物質となる。
【００４３】
これら活性物質は、大気や水中にある有機化合物、悪臭を放つ窒素酸化物や細菌等の汚染物と接触した際、酸化分解反応を起こし、二酸化炭素と水に分解する。これにより汚染物を除去する効果がある。
【００４４】
光触媒の反応は、化学反応と物理作用に分けられる。空気中や水中の汚染物の除去、有機化学合成、水分解による水素の生成等はいずれも、酸化或いは還元の化学反応である。多孔性で厚みのある光触媒塗布層は、電子−正孔が表面上の分子と反応を起こすための面積を大きく提供することが可能であり、反応速度の向上につながる。
【００４５】
防汚、防霧、防錆等の物理作用は、電子の移動にのみ関係があるため、光触媒塗布層は、厚すぎる必要がない。また、塗布する対象は、ガラスやタイル等の表面が滑らかな材質であるものが多く、光触媒塗布層によって透光率や色に影響を与えないようにするため、光触媒塗布層は数十〜数百ナノメートルほどの薄膜を一層塗布するだけで物理作用が期待できる。
【００４６】
光触媒は、環境浄化の効果以外に、水を分解することによって得られる水素、二酸化炭素を還元することによるメタノールの生成や、光触媒太陽電池等にも応用できる。特に、光触媒太陽電池は、結晶シリコンを使った一般的な太陽電池と比べ、曲げることが可能であり、布やプラスチックといった軟性基材にも設置することができることから、その応用範囲が広くなることが期待されているため、研究及び開発が盛んに行われている。
【００４７】
太陽光エネルギー電源層２１２の透明ソーラーパネル：
太陽光の照射エネルギーは、非常に広い波長領域に分布している。そのうち６％は紫外線、５０％は可視光、４４％は赤外線である。ソーラーパネルの原理は、半導体のｐｎ接合の光励起によるもので、ｐ型及びｎ型に分けた２種の半導体を接合すると、光電子は、ｎ型半導体へ、正孔はｐ型半導体へ移動する。光線を半導体へ照射した際に励起し、光電子と正孔が分離した際に電極を取り付けることで、電気を外部に取り出すことができる。
【００４８】
晴れた日の地表に到達する光量は、一般的におよそ１，０００Ｗ／ｍ２だが、ｐｎ接合半導体を利用したソーラーパネルは、特定の波長をもつ光線にしか反応しないため、太陽光の全ての波長光を利用するのは非常に困難である。その為、一般的なソーラーパネルの発電効率は２０％を下回る。従来の結晶シリコンを使ったソーラーパネルの発電効率は、７％であり、晴天時でも最高で７０Ｗ／ｍ２しか発電できない。理論上では反射率を変化させる機能をつけるだけで、紫外線、可視光、赤外線に独立して反応する半導体ユニットを作成することが可能である。これをガラス状にするだけで、前記半導体ユニットは一般家屋のガラス窓として利用でき、大面積の設置が可能となる。ソーラーパネルを家屋のガラス窓に利用すると、必要な際に可視光線を取り入れ、夏は赤外線を反射し、冬は赤外線を室内に取り込む等、ソーラーシートとしての利用が可能となる。
【００４９】
透明ソーラーパネルは、紫外線のエネルギーも利用して発電するので、紫外線がもたらす各種悪影響をソーラーパネル自身が防ぐこともできる。更に赤外線反射機能を備えることで、室内への断熱効果もあり、透明ソーラーパネルは発電、断熱、可視光透過ガラス窓としての機能を備える。
【００５０】
酸化物透明半導体は、耐高温で高均質なサファイアで高品質な結晶性基板を製造することができるが、コスト面を考慮し、酸化亜鉛半導体（ｎ型）と銅やアルミの酸化物半導体（ｐ型）により透明半導体ｐｎ接合を形成し、更に酸化亜鉛、アルミ酸化物半導体、酸化インジウムスズ透明導電膜、透明ガラス基板から成る透明ソーラーパネルを製造する。
【００５１】
上述のエアロゲル、エレクトロクロミック物質、光触媒及び透明ソーラーパネルを応用したエレクトロクロミック装置の実施例を以下に説明する。
【実施例１】
【００５２】
図３は、本発明のエレクトロクロミック装置の実施例１を示す説明図である。
【００５３】
本発明のエレクトロクロミック装置は、第一基板３０１、第二基板３０２、第一基板３０１と第二基板３０２の間にパッケージングされるエアロゲル層３０４、第二基板３０２の表面に形成される第一導電材料層３０５及び第三基板３０３の表面に形成される第二導電材料層３０６を備える。第一導電材料層３０５と第二導電材料層３０６は、共に酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）材料層である。各基板及び材料層の構成関係は図３に示す通りである。
【００５４】
第一導電材料層３０５と第二導電材料層３０６の間にはエレクトロクロミック材料層３０７がパッケージングされる。電圧源３２は、第一導電材料層３０５と第二導電材料層３０６にそれぞれ電気的に接続される。電圧源３２は、電圧を供給し、第一導電材料層３０５と第二導電材料層３０６の間に電場を形成させる。これによりエレクトロクロミック材料層３０７内の電解材料に電子及びイオンの移動現象を起こし、電場の作用により光を吸収或いは拡散させることで、色や透明度の変化を起こさせる。第一基板３０１、第二基板３０２及び第三基板３０３は、透明なガラスである。そのため、エレクトロクロミック材料層３０７が電圧の印加により発生する色や透明度の変化はエレクトロクロミック装置３０全体の透光特性を変化させることができる。
【００５５】
第一基板３０１と第三基板３０３の外表面に光触媒層を塗布することで、室外及び室内共に除汚、浄化及び殺菌の効果をもたらす。
【実施例２】
【００５６】
図４に示すように、電圧源３２を本発明のエレクトロクロミック装置本体に組み込むことも可能である。
【００５７】
本実施例のエレクトロクロミック装置は、第一基板３０１、第二基板３０２、第一基板３０１と第二基板３０２の間にパッケージングされるエアロゲル層３０４、第二基板の表面に形成される第一導電材料層３０５、第三基板の表面に形成される第二導電材料層３０６、第一導電材料層３０５と第二導電材料層３０６の間にパッケージングされるエレクトロクロミック材料層３０７を備える。
【００５８】
第三基板３０３の表面に塗布される第一光触媒層３０９は、防汚、殺菌効果を備える。第一基板３０１の表面には太陽光エネルギー電源層３１２が貼られる。太陽光エネルギー電源層３１２は、太陽光により発電することが可能である。太陽光エネルギー電源層３１２は、第一導電材料層３０５と第二導電材料層３０６にそれぞれ電気的に接続され、両導電材料層に電圧を印加することで、エレクトロクロミック材料層３０７に変化をもたらす。なお、余った電力は他の用途に利用できる。
【００５９】
太陽光エネルギー電源層３１２の外表面には光触媒を塗布し、光触媒層３１０を形成させる。第一光触媒層３０９は、第三基板３０３上に塗布される。太陽光エネルギー電源層３１２は、透明ソーラーパネルであり、エレクトロクロミック装置３０’の透光度に影響を与えない。
【００６０】
図５は、本発明の太陽光エネルギー電源層を示す説明図である。ソーラーパネルは、透明であり、光を受けるための第一電極層５０１を備える。第一電極層５０１と内部構造の間には反射防止層５０２が設置され、他側の第二電極層５０５との間には第一半導体材料層５０３と第二半導体材料層５０４が備えられる。ソーラーパネルの原理は半導体のｐｎ接合の光励起によるもので、第一半導体材料層５０３及び第二半導体材料層５０４はｐ型半導体材料及びｎ型半導体材料である。ｐ型及びｎ型半導体材料を接合すると、光電子はｎ型半導体へ、正孔はｐ型半導体へ移動する。光線がｐｎ半導体へ照射した際に励起し、光電子及び正孔が移動することで電流が発生し、エレクトロクロミック装置の電力となる。
【実施例３】
【００６１】
図６は、本発明のエレクトロクロミック装置の実施例３を示す説明図である。
【００６２】
エレクトロクロミック装置６０は、第一基板６０１及び第二基板６０２を備える。第一基板６０１は、表面に第一導電材料層６０３を備え、第二基板６０２は、表面に第二導電材料層６０４を備える。第一導電材料層６０３と第二導電材料層６０４の間にはエレクトロクロミック複合材料層６０５がパッケージングされる。
【００６３】
エレクトロクロミック複合材料層６０５は、半導体特性を備えるため、第二導電材料層６０４のような隣接するものとショートする、或いは異常な電気接続を起こす可能性がある。そこでエレクトロクロミック複合材料層６０５と第二導電材料層６０４の間に隙間６０８を補うことで、ショートが起きる問題を回避する。なお、他の実施例においても、エレクトロクロミック複合材料層６０５と第一導電材料層６０３の間に同様の隙間構造を補うことが可能である。
【００６４】
エレクトロクロミック複合材料層６０５にビオロゲン混合エアロゲル及びエレクトロクロミック材料を結合する、或いはエアロゲル表面の複合材料構造にグラフト共重合することで、この複合構造はエアロゲルの特性を備え、エレクトロクロミズムに利用できる。
【００６５】
上述のエアロゲルは二酸化チタンや酸化インジウムスズのような、酸化誘電率が高く、半導体導電特性を備えている物質である。これによりエレクトロクロミック物質に電子を提供することができる。また、二酸化ケイ素のような導電特性を持たない物質でエアロゲルを生成し、基板の表面に塗布した導電材料で電子を提供することも可能である。
【００６６】
環境の必要に応じてエアロゲルの親水性及び疏水性を選択する。室外及び室内ガラスに使用されるエアロゲルは、ナノ酸化チタン光触媒をエアロゲルのナノ微孔構造にし、光合成をさせるため、親水性のエアロゲルが必要である。しかし、第一導電材料層６０３と第二導電材料層６０４の間に設置するエアロゲルは、エレクトロクロミック物質を複合材料とするため、エレクトロクロミック材料の溶液性質に基づいて決定する。水性エレクトロクロミック溶液、電解質、或いは水のような−ＯＨ基であれば、親水性のエアロゲルを選択する。γ−ブチロラクトンのような油性、疏水性のエレクトロクロミック溶液、或いは電解質であれば、疏水性のエアロゲルを使用する。
【００６７】
図７は本発明のエレクトロクロミック装置の実施例３を示す説明図である。本実施例のエレクトロクロミック装置６０’に備えられるエレクトロクロミック複合材料層６０５は、エレクトロクロミック物質をエアロゲル表面に混合或いはグラフト共重合した上、複合材料は、第二導電材料層６０４上（エレクトロクロミック複合材料層６０５と第二導電材料層６０４の間に）に有機、或いは無機薄膜型エレクトロクロミック物質６０５１をめっきすることが可能である。エレクトロクロミック複合材料層６０５には更に、電解質材料６０５２をエアロゲル材料６０５３の隙間にパッケージングすることも可能である。
【００６８】
また、第一基板６０１と第二基板６０２の外表面に光触媒を塗布し、光触媒層とする。
【実施例４】
【００６９】
図８は、本発明のエレクトロクロミック装置の実施例４を示す説明図である。本実施例のエレクトロクロミック装置６０’’の第一基板６０１及び第二基板６０２内部にエレクトロクロミック複合材料層６０５がパッケージングされる。第一基板６０１及び第二基板６０２の内側表面には第一導電材料層６０３及び第二導電材料層６０４が形成される。
【００７０】
エレクトロクロミック複合材料層６０５は、半導体特性を備えるため、ショートが起きないよう、エレクトロクロミック複合材料層６０５と第二導電材料層６０４の間に隙間６０８を補うことで、ショートが起きる問題を回避する。エレクトロクロミック複合材料層６０５と第一導電材料層６０３の間に同様の隙間構造を補うことも可能である。
【００７１】
本実施例の第二基板６０２の外表面には第一光触媒層６０６が形成される。第一基板６０１の外表面には電力を供給することが可能な太陽光エネルギー電源層６１２を設置する。太陽光エネルギー電源層６１２は、第一導電材料層６０３及び第二導電材料層６０４と電気的に接続され、発生した電力により第一導電材料層６０３と第二導電材料層６０４の間に、エレクトロクロミック複合材料層６０５の物理特性を変化させる電場が形成される。
【００７２】
太陽光エネルギー電源層６１２の外表面に第二光触媒層６０７を形成することも可能である。
【００７３】
上述のエレクトロクロミック薄膜や電解質層のようなエレクトロクロミック物質の組成の他に、液体エレクトロクロミック物質を利用することも可能である。その場合、エレクトロクロミック材料層の中に液体エレクトロクロミック物質を注入する。液体エレクトロクロミック物質は、溶液を配合して成る有機、或いは無機材料である。その材料は少なくとも一種の有機材料及び少なくとも一種の無機材料、或いは有機材料及び無機材料の混合溶液である。
【００７４】
有機材料は、酸化還元指示薬、酸塩基指示薬及び特定の有機化合物である。成分を以下に示す。
【００７５】
酸化還元指示薬は、メチレンブルー、ジクロロフェノールインドフェノール、Ｎ−フェニルアントラニル酸、ナトリウムジメチルアミン硫酸塩、Ｎ−Ｎ’−ジフェニルベンジジン或いはビオロゲンである。酸塩基指示薬は、フェノールフタレインである。有機化合物は、フェロセン（Ｆｅ（Ｃ５Ｈ５）２）、７，７，８，
８−テトラシアノキノジメタンである。
【００７６】
液体エレクトロクロミック物質のうち、無機材料は、遷移元素である酸化物、硫化物、塩化物或いは水酸化物である。
【００７７】
遷移元素は、スカンジウム族、チタン族、バナジウム族、クロミウム族、マンガン族、鉄系、銅族、亜鉛族、或いはプラチナ族である。
【００７８】
無機材料は、ハロゲン族の無機派生物、酸素族の無機派生物、ニトロゲン族の無機生物、炭素族の無機派生物、ホウ素族の無機派生物、アルカリ土類の無機派生物或いはアルカリ金属の無機派生物である。
【００７９】
無機材料は、塩化第一鉄（ＦｅＣｌ２）、塩化第二鉄（ＦｅＣｌ３）、塩化チタン（ＴｉＣｌ３）、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）、三塩化ビスマス（ＢｉＣｌ３）、塩化第二銅（ＣｕＣｌ２）或いは臭化リチウム（ＬｉＢｒ）である。
【００８０】
液体エレクトロクロミック物質の溶剤は、ジメチルスルホキシド（（ＣＨ３）２ＳＯ）、プロピレンカーボネート（Ｃ４Ｈ６Ｏ３）、水、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル、グルタロニトリル、２−メチルグルタロニトリル、３，３’−オキシジプロピオニトリル、ヒドロキシプロピオニトリル、ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリドン、スルホラン、３−メチルスルホラン、或いはこれらの混合物である。
【００８１】
液体エレクトロクロミック物質は有機エレクトロクロミック物質を溶剤に溶かして生成する。前記有機エレクトロクロミック物質は、ビオロゲン或いはフタロシアニン等である前記ビオロゲンのＲ置換基の炭素鎖長或いは構造により異なる色が出る。Ｒ置換基はメチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、イソペンチル或いはベンジルのうちのいずれかである。前記ビオロゲンは、１，１’−ジメチル−４，４’−ビビリジニウムジクロリド水和物、１，１’−ヘプチル−４，４’−ビビリジニウムジブロミド、１，１’−ジベンジル−４，４’−ビピリジニウムジクロリド水和物、１，１’−ジ−ｎ−オクチル−ビピリジニウムジブロミド、１，１’−ビス（２，４−ジニトロフェニル）−４，４’−ビピリジニウムジクロリド、１，１’−ジフェニル−４，４’−ビピリジニウムジクロリド、４，４’−ビピリジル等である。
【００８２】
本発明のエレクトロクロミック装置は、透明ガラスを主な構造とする装置であり、２つの導電材料の間にパッケージングされるエレクトロクロミック物質、エレクトロクロミック複合材料、或いは液体エレクトロクロミック物質により、ソーラーパネルを利用し前記装置の透明度、或いは色を変化させ、更にエアロゲルによる断熱効果と、殺菌除汚用の光触媒により、多機能エレクトロクロミック装置を提供することが可能である。
【符号の説明】
【００８３】
２０、２０’、３０、３０’、６０、６０’、６０’’    エレクトロクロミック装置
１１    第一ガラス板
１２    第二ガラス板
１３    第一透明電極層
１４    第二透明電極層
１０    エレクトロクロミック層
１５    イオン伝導層
１６    イオン貯蔵層
１８    電圧源
２０４    エアロゲル層
２０１    第一基板
２０２    第二基板
２０３    第三基板
２０５    第一導電材料層
２０６    第二導電材料層
２０７    エレクトロクロミック材料層
２０９    第一光触媒層
２１０    第二光触媒層
２１２    太陽光エネルギー電源層
３０１    第一基板
３０２    第二基板
３０３    第三基板
３０４    エアロゲル層
３０５    第一導電材料層
３０６    第二導電材料層
３０７    エレクトロクロミック材料層
３０９    第一光触媒層
３１０    第二光触媒層
３１２    太陽光エネルギー電源層
３２    電圧源
５０１    第一電極層
５０５    第二電極層
５０２    反射防止膜
５０３    第一半導体材料層
５０４    第二半導体材料層
６０１    第一基板
６０２    第二基板
６０３    第一導電材料層
６０４    第二導電材料層
６０６    第一光触媒層
６０７    第二光触媒層
６１２    太陽光エネルギー電源層
６０５１    薄膜型エレクトロクロミック物質
６０５２    電解質材料
６０５３    エアロゲル材料
６０５    エレクトロクロミック複合材料層
６０８    隙間
【図１】
2012203409.tif 000003
【図２Ａ】
2012203409.tif 000004
【図２Ｂ】
2012203409.tif 000005
【図２Ｃ】
2012203409.tif 000006
【図２Ｄ】
2012203409.tif 000007
【図２Ｅ】
2012203409.tif 000008
【図２Ｆ】
2012203409.tif 000009
【図２Ｇ】
2012203409.tif 000010
【図３】
2012203409.tif 000011
【図４】
2012203409.tif 000012
【図５】
2012203409.tif 000013
【図６】
2012203409.tif 000014
【図７】
2012203409.tif 000015
【図８】
2012203409.tif 000016