2016 Fiscal Year Annual Research Report
金属電着ナノ粒子のプラズモン吸収制御型フルカラーエレクトロクロミック素子の開発
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15H03880
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
小林 範久 千葉大学, 大学院融合科学研究科, 教授 (50195799)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中村 一希 千葉大学, 大学院融合科学研究科, 准教授 (00554320)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 先端機能デバイス / ディスプレイ / エレクトロクロミズム / プラズモン共鳴 / 電気化学素子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
エレクトロクロミズム(EC)は表示・調光素子応用が急速に実用化し始めたことから，その展開に大きな期待がもたれている。本研究では，銀イオンの酸化還元を利用した銀電着系ECの光学状態が，電極上に析出した銀ナノ粒子の局在表面プラズモン吸収に起因することに着目，電着銀の粒径を均一任意に制御することで全く新奇なブラズモン吸収帯制御フルカラーEC素子の実現を目的としている。
平成28年度においては，１）銀電着ナノ粒子の粒径制御に基づく明瞭なシアンマゼンタイエロー（CMY）の発現と２）光学状態の少なくとも2時間程度の無電力状態維持の実現を主要な目的とした。１）に関しては，既に平成27年度の検討において明瞭なY色の発現と階調表現が可能であることを報告したが，C，Mにおいては十分な彩度ならびに明度が得られていない。そこで十分な明度と彩度を持つC，M色を実現するため，素子中での電気化学挙動を定量的に解析したうえで電解質組成の最適化を行った。具体的には反応種の濃度や電圧印加条件をを改良することで明度の高いC，M色の発現が可能となり，さらに溶媒種や電解質濃度を検討することで同一溶媒ながら，黒，ミラー状態を作り分けることも可能となった。電極表面に電解析出した銀ナノ粒子形状の解析や電気化学特性の解析から，光学状態に影響を及ぼす要因についての知見を得た。一方で，２）素子の省電力化やカラーも含めた光学状態の無電力維持を実現するため，イオン交換膜を本電気化学素子中に導入，素子の全体的な電流密度を抑え，また対極での銀の析出反応の抑制やハロゲン化物イオンの電気化学反応の活用により，繰返し特性もあり，かつ2時間近くの無電力発色状態維持(メモリー性確立)を可能とする素子の作製に成功した。
これらの結果はカラーディスプレイや調光素子応用において省エネ化の観点からも有効である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成28年度の達成目標として，１）明瞭な彩度ならびに明度を持つ減法混色系三原色CMYを発現できる銀電着系素子の開発とその系での階調表現の実現，２）容易な階調表現の発現ならびに素子の省電力化を可能にする光学状態の無電力状態維持（メモリー性；達成目標2時間）の実現をあげた。
結果として
１）に関しては，C，Mにおいては十分な彩度ならびに明度が得られていない理由の一つとして，時間と共に成長する電着銀ナノ粒子間の融着が挙げられる。銀ナノ粒子の融着が起こることで反射成分の寄与が大きくなり，結果として光を通しにくく（明度低下）プラズモン共鳴における吸収域の広がり（彩度低下）が起こり，十分な素子特性が得られなかった。そこでこれらの点を考慮して，反応種の濃度や電圧印加条件をを改良することで，粒子成長に伴う粒子間の融着を抑制し，明度の高い特にC，M色（Y色は平成27年度において既に，明度，彩度，階調を実現済み）の発現を可能とした。さらに溶媒種や電解質濃度を検討することで同一溶媒ながら，黒，ミラー状態を作り分けることも可能となった。電極表面に電解析出した銀ナノ粒子形状の解析や電気化学特性の解析から，銀核の精製過程と成長過程に及ぼす銀イオンの供給が光学状態に大きな影響を及ぼす要因であることを明らかにした。
２）に関しては，素子の省電力化やカラーも含めた光学状態の無電力維持を実現するため，イオン交換膜を本電気化学素子中に導入し，素子の電流密度を抑えるとともに，各電極反応に不必要な成分の電極へのアクセスを制限した。結果として対極での銀の析出反応の抑制やハロゲン化物イオンの電気化学反応の活用により，繰返し特性もあり，かつ2時間近くの無電力発色状態維持(メモリー性確立)を可能とする素子の作製に成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究推進方策は当初の計画から外れてはいない。平成28年度おおむね順調な成果が得られたものの，１）目的とした8階調表現の達成，２）無電力光学状態維持5時間の実現，など実用化を念頭において要求される素子特性を考えた場合，まだ十分とは言い難い課題がある。これらの点をさらに改善し，当初目的を達成させるため，以下の項目について具体的な検討を進めていく。
１．本課題の主目的である減法混色系フルカラー表示を目的としたCMYの階調発現を行う。まず，それぞれ8階調を目指す。一つの方法としては銀粒子の粒径・形状に起因した発色であるCMYを発現したのちに，その粒子成長を見かけ上止めることで実現する。具体的には目的の色調，階調に到達した時点で電圧on-offを適当なDuty比で繰返し，銀粒子の析出溶解を釣合わせる。銀の析出溶解は水晶振動子を用いたEQCMで監視し，階調維持に必要な最適条件を見出すとともに，CMY各々8 階調表現可能な方法論を確立する。
２．階調表現を実現する方法としてメモリー性の確立もある。平成28年度において2時間程度の無電力発色状態維持が可能となった。平成29年度においてはこのメモリー性を利用して各階調の無電力状態維持を目指す。素子構造や電極表面修飾等を改善し，5時間程度の各階調における無電力発色状態維持を実現すると共に，その素子における1000回以上の繰返し安定性を実現させる。
３．これまでの知見を統合し，カラー階調表現可能な銀析出型EC素子の実現を目指す。印加電圧波形や電解質組成を検討すると共に，ナノ規則表面電極，異種金属とのプラズモンカップリングも利用する。さらに，本EC素子の特徴である電着金属粒子のプラズモン共鳴帯の制御を広義に展開し，例えば遮熱等省エネルギー制御にも繋がる赤外域の制御など，広波長領域の光学特性を多面的に制御可能な光学素子実現の可能性を探る。
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