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ちとらみのしま
4 years ago
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1 1 透明鏡黒ならびに発光状態を有するスイッチャブルスマートウィンドウ Switchable smart window with a light-emitting state and mirror transparent black 東京工芸大学工学部メディア画像学科教授内田孝幸

2 2 研究の背景地球温暖化やエネルギー供給の問題からエネルギーを特に多く消費する冷暖房負荷の軽減に関する技術開発の期待が高まっている. ユビキタスアンビエント時代の要請にこたえる情報表示素子として ( 非発光時に ) 透明薄型のディスプレイに注目が集まっている. ユビキタスアンビエント時代の要請に応える情報表示ならびに遮光 / 吸熱素子としてまた透明薄型のディスプレイの一つの究極カタチとしてガラス窓にこれの機能を付与した新しいデバイスの提案.

3 3 新技術の基となる研究成果技術基本の状態 ( 電圧印加なし ) の状態が透明である (a) 発光素子透明有機 EL あるいは (b) ミラー素子調光ガラス当研究室ではこれまで有機電子デバイス用の透明導電膜作製技術に注力し透明有機 EL 素子の開発を行ってきた. 透明有機 EL の一例

4 当研究室で作製した透明有機 EL 素子非発光時非発光時発光時発光時非発光時ロゴパターンの例発光時赤緑青発光の例有機 EL の超薄型軽量自発光視野角依存性が少ない特徴に加え透ける特徴をもつ表示素子. Tokyo Polytechnic University 4

5 さらにフレキシブル性を付与した展開も可能である & 透明有機 EL の点滅の例 ( 動画ファイル ) Movie Plastic substrate Thickness:125μm Tokyo Polytechnic University 5

6 今回の技術内容の紹介 a) 透明有機 EL 素子 ( 透明 / 発光 ) 窒素ガス ( 中空構造 ) Front side + b) 透明電気化学素子 (*) ( 透明 / 鏡 / 黒 ) 銀イオンを有する電気化学溶液ア )ITO ナノ粒子またはイ ) スプレー CVD による粗面 ITO Rear side を合わせて 6 つの状態となる多機能ウィンドウキャップガラス市販 ITO 電極 ( 平滑面 ). UV 硬化樹脂透明電気化学素子 (*) は千葉大学の小林範久教授らの発明発表 (2011 年末 ~) にある 6

7 透明電気化学素子 (3 状態を有するスマートウィンドウ ) 平坦な面に銀が電着粗面に銀が電着鏡状態透明状態黒状態 3V 0V +3V 負の電圧を印加電圧印加なし背面配置物正の電圧を印加観測者前面配置物透明電気化学素子説明のための撮影配置図 7

8 8 当研究室での試作素子ビルの窓などへの応用当研究室での試作モデル

9 9 スプレー CVD 法によって ITO 透明導電膜の表面の形状 ( 粗さ ) を変えられる平坦な ITO 表面表面電子顕微鏡写真断面電子顕微鏡写真 Atomizer Spray bottle Substrate Hot plate 表面電子顕微鏡写真断面電子顕微鏡写真 (InCl 3 5H 2 O), (SnCl 2 2H 2 O) were dissolved in ethanol 粗面 ITO 表面 (400) 平坦 ITO と粗面 ITO の FESEM 写真 (400) スプレー CVD 法の成膜条件を適切にすることで ITOの結晶粒径を変化させることが出来る (30~500nm) これを電気化学素子の黒面に適用した

透明鏡黒の 3 つの状態 ( 透明 / 鏡 / 黒 ) を有する電気化学素子 ITO

10 透明鏡黒の 3 つの状態 ( 透明 / 鏡 / 黒 ) を有する電気化学素子 ITO nano-particles coating Commercial ITO on glass subst. (Flat surface) Electrochemical solution with Ag ion ITO particle modified ITO (Rough surface) Commercial ITO on glass subst. Silicon rubber 粗面 ITO を ITO ナノ粒子 (90nm メジアン径 ) でスピンコートし電極とした場合透明鏡状態への変化 (Ag が平坦面に電着 ) 透明黒状態への変化 (Ag が粗面に電着 ) 10

11 透明鏡黒ならびに発光状態を有するスイッチャブルスマートウィンドウ 10mm (a) T,T= 透明 (b) T,M= 鏡 (c) T,B= 黒 (d) E,T= 両面発光 (e) E,M= 片面発光で背面が鏡 (f) E,B= 片面発光で背面が黒 T : 透明状態, E: 発光 M: 鏡状態, B: 黒状態 11

12 100 光透過率 ( 透明時 ) (T T ) 100 Transmittance (%) Wavelength (nm) 透明電気化学素子の透過率 ( 左軸 ) と正反射率 ( 右軸 ) (R M ) (T M ) (R B ) (T B ) ( 黒鏡 : 遮光 ) 光反射率 ( 鏡時 ) (R T ) Reflectance (%) 明確な光透過 / 遮蔽 / 反射状態の変化が分かる 12

13 市販の ITO 表面 ( 平坦 ) ITO ナノ粒子をコートした基板 ( 粗面 ) 上図の基板に Ag を電着 ( 鏡状態 ) 上図の基板に Ag を電着 ( 黒状態 ) Ag (b) ITO ITO 平坦基板と ITO 修飾 ( 粗面 ) 電極にそれぞれ Ag を電着した電子顕微鏡写真 z Ag ITO 13

14 14 透明有機 EL 素子と透明電気化学素子を合わせて 6 つの状態となる多機能ウィンドウ a) 透明有機 EL 素子 ( 透明 / 発光 ) b) 透明電気化学素子 ( 透明 / 鏡 / 黒 ) 窒素ガス ( 中空構造 ) 銀イオンを含む溶液 ITO ナノ粒子修飾電極 ( 粗面 ) Front side 市販の ITO 基板 Rear side 市販の ITO 基板 ( 平坦面 ) UV 硬化樹脂シリコンゴム (0.5mm 厚 )

15 15 80 Transmittance (%) (a)(t, T) (b)(t, M) (c)(t, B) Wavelength (nm) 透明鏡黒ならびに発光状態を有するスイッチャブルスマートウィンドウの光透過率 (a) (T, T), (b) (T, M), and (c) (T, B)

16 60 50 (b) (T, M) Reflectance (%) (a) (T, T) (c) (T, B) Wavelength (nm) Rear (c) (T, B) 透明鏡黒ならびに発光状態を有するスイッチャブルスマートウィンドウの正反射率 (a) (T, T), (b) (T, M), and (c) (T, B) 16

17 Luminance ratio of device (e)(e,m) / (d)(e,t) 輝度の増強割合 (e)/(d) (d) E,T 後ろが鏡の場合 (e) E,M 後ろが透明の場合 (d)(e, T) (e)(e, M) Voltage (V) Luminance (cd/m 2 )

18 ここまでの研究成果は後述する特許を申請 (2012 年 12 月 ) 後 18 以下の論文誌に掲載されている 1 スプレー CVD で作製した粗面 ITO を透明電気化学素子の黒表示に適用でき黒透明鏡を実現できる Applied Physics Express (APEX), 6 (2013) 透明有機 EL 素子と透明電気化学素子を張り合わせた 6 状態を有するスマートウィンドウの構築日本写真学会誌 76(1),pp.50-54(2013) 3 透明有機 EL 素子と透明電気化学素子を合体させた 6 状態を有するスマートウィンドウの構築 Applied Physics Express (APEX), 6 (2013)041604

19 19 従来技術とその問題点 1. 透明有機 EL 素子について透明有機 ELを用いた応用は携帯電話の画面などが一部にあるがニッチな領域に留まっており非発光時に透明になる利点が広く利用される提案までには至っていない 2. 透明電気化学素子について透明電気化学素子 (3 状態スマートウィンドウ ) は報告がなされたばかり (2012~) で耐久性を含む検討が始まったばかりであるまたこの素子の作製の主要技術の一つは粗面透明電極の作製方法であるがその検討はこれまでなされていない

20 20 新技術の特徴従来技術との比較従来技術の一つの問題点であった粗面 ITO 電極の簡便な作製方法を示した透明有機 EL 素子と透明電気化学素子を組み合わせることにより 6 つの状態を示す多機能なスマートウィンドウを示した本技術の適用により 1 ガラス窓に照明ディスプレイ機能の付与が可能 2 ガラス ( 窓 ) 鏡切り替えによりブラインド機能ならびに夏の冷房負荷の軽減が可能 3 透明有機 ELの一つの問題であった黒表示が可能 4 黒表示が可能なことで冬の暖房負荷の軽減の可能性がある ( 熱線を透過する透明導電膜の開発が必要 )

21 21 想定される用途業界利用者対象大面積ディスプレイ製造関連住宅関連設備 ; スマートウィンドウ市場規模基本性能 ( 透過率反射率の改善 ) 耐久性応答性が改善できれば世界規模

22 22 実用化に向けた課題現在までに原理確認サンプル素子が動作可能なところまで試作済みしかし耐久性や応答性の ( 向上 ) 点が未解決である透明電気化学素子では銀の凝集をコントロール ( 分散凝集 ) する手法にかかっておりこれを実用化レベルまで到達させる必要がある鏡状態の熱線反射については試作素子で実現可能であるが黒状態での熱線吸収に関しては透明導電膜の特性を含めた改善が必要

23 23 共同研究共同での技術検討への期待未解決の黒表示時の熱線吸収が使用部材である ITO によって反射される点については太陽電池での電極技術と同じであるので今後克服できると考えているディスプレイや太陽電池などの FPD( 薄型パネルデバイス ) 関連の技術を持つ企業との共同研究共同での技術検討を希望しますまた遮熱吸熱といった省エネルギーの対応もさることながら新しい概念でのディスプレイデジタルサイネージ分野への展開を考えている企業には本技術の導入が有効と思われます

24 本技術に関する知的財産権発明の名称 : 表示装置の製造方法出願番号 : 特願出願人 : 学校法人東京工芸大学発明者 : 内田孝幸澤田豊山田勝実お問い合わせ先東京工芸大学教育研究支援課小澤一嘉 Tel : Fax: k-ozawa@office.t-kougei.ac.jp タマティーエルオー株式会社産学連携事業部松永義則 Tel : Fax: tech@tama-tlo.com 24

..... 兆円約 5.1 兆円年 2010 年約 12 兆円小型中型大型車載パネル用ビデオ

..... 兆円約 5.1 兆円年 2010 年約 12 兆円小型中型大型車載パネル用ビデオ . 1 ..... 兆円 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 0.1 0.2 0.7 1.2 0.3 約 5.1 兆円 1.1 1.5 2000 年 2010 年約 12 兆円 0.3 0.5 1.5 2.2 3.4 2.5 1.5 小型中型大型車載パネル用ビデオカメラ用デジタルカメラ用電卓用等携帯電話用携帯情報端末 (PDA) 用ノートPC 用デスクトップ