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電子ペーパーのマルチカラー化に成功

− エレクトロクロミック表示デバイスによるブレークスルー −

平成20年4月14日
独立行政法人 物質・材料研究機構
独立行政法人 科学技術振興機構(JST)

1.独立行政法人 物質・材料研究機構(理事長:岸 輝雄、以下NIMS)と独立行政法人 科学技術振興機構(理事長:北澤 宏一、以下JST)は、エレクトロクロミック特性を示す有機/金属ハイブリッドポリマーを用いて、マルチカラーのエレクトロクロミック表示デバイスを開発した。この成果は、NIMS国際ナノアーキテクトニクス研究拠点(拠点長:青野 正和)の樋口 昌芳 若手独立研究者らの研究によって得られた。

2.電子ペーパー注1)は、液晶、プラズマ、有機ELディスプレイの次に登場する表示デバイスとして注目されている。従来のディスプレイと全く異なり、電源を切っても表示が続くため、省資源・省エネルギー型デバイスとして、将来、新聞などの紙媒体の代わりを果たすと期待されている。現在、電子ペーパーのカラー化が技術的な課題となっている。カラー化に適した駆動方式として、エレクトロクロミック方式が挙げられるが、材料の低い耐久性や、固体デバイス化が困難であることなどから開発が遅れていた。

3.今回の成果は、NIMSで開発したエレクトロクロミック特性を示す有機/金属ハイブリッドポリマーを用いてマルチカラー表示デバイス化を実現したものである。

4.用いたポリマーは、金属イオンと有機分子が数珠(じゅず)つなぎになった有機/金属ハイブリッドポリマーであり、従来の有機エレクトロクロミック材料注2)と異なり、高い繰り返し駆動安定性を有することをこれまでに明らかにしている。
 今回、ハイブリッドポリマー内に導入する金属イオンの種類や、デバイス構造を工夫することで、デバイスの薄さが2mmで、−2.5Vから+2.5Vの間で電圧を変えるだけで色が変わり5種類の表示を表現できるマルチカラーエレクトロクロミック表示デバイスの開発に成功した。
 本発明により、紙のように薄くてフレキシブルなカラー電子ペーパーや、ポスターや調光ガラスなどの大型デバイスの実用化に向けた研究が、今後大きく進むと期待される。

5.本研究成果は、JST 戦略的創造研究推進事業 個人型研究(さきがけ)の「ナノ製造技術の探索と展開」領域(領域総括:横山 直樹)の研究課題「単層マルチカラーエレクトロクロミック材料」(研究代表者:樋口 昌芳)の一環として得られたもので、5月29・30日に東京ビッグサイトで開催される環境・エネルギー材料研究展で発表する予定である。

<研究の背景>

 近年、省資源・省エネルギータイプの次世代表示デバイスとして「電子ペーパー」が注目されている。従来の液晶やプラズマディスプレイ、あるいは有機ELディスプレイと異なり、動画には対応しないが、電源を切っても表示が続くため、新聞等の紙(ペーパー)媒体の代わりとして期待されている。
 現在「電子ペーパー」はモノクロ(白黒)表示が主流であり、マイクロカプセル法や、電子粉流体法などさまざまな様式が研究されている。しかし、今後、電子ペーパーのカラー化を目指す場合、多様な色を表現できるエレクトロクロミック方式は、有望な表示方式と言える。
 一方、2000年にノーベル化学賞を受賞した白川教授らが開発した導電性ポリマーは、エレクトロクロミック特性を有する有機物質として知られているが、耐久性の問題からこれまで実用化は困難であった。我々は、優れたエレクトロクロミック材料として、有機物と金属イオンがナノサイズで複合化した「有機/金属ハイブリッドポリマー」を開発した。

<研究成果の内容>

 樋口 若手独立研究者らは、上述のハイブリッドポリマーをガラス透明電極上に塗布することで薄膜を作製し、固体電解質を介して重ね合わせることで、マルチカラー変化する表示デバイスの開発に成功した。デバイスの薄さは約2mmで、単三電池2個で駆動し、1秒以内での書き込み(発色)と消去(消色)を安定かつ可逆的に繰り返すことができる。ハイブリッドポリマー内に2種類の金属イオン種を導入したことで、−2.5Vから+2.5Vまでの間で電圧を変えることで5種類の表示を実現した。

<波及効果と今後の展開>

 従来の紙媒体と競合する「電子ペーパー」の実用化と普及において、紙に匹敵する薄膜化・軽量化は極めて重要な克服課題である。また、簡素な素子作製技術の開拓と、低価格化も非常に重要といえる。
 今回の成果は、特別なデバイス作製装置を用いることなく、大気下、塗布という簡便な方法によって薄層エレクトロクロミックデバイスのマルチカラー化に成功したものであり、カラー電子ペーパーの研究の進展に大きく寄与するものである。
 また、このエレクトロクロミックデバイスは、電子ペーパー以外でも、ポスターや看板等の表示媒体への応用や、住宅用等の調光材料等、さまざまな用途での応用も可能であることから、今後広く産業界に波及する技術として期待される。

<問い合わせ先>

<報道担当>
独立行政法人 物質・材料研究機構 広報室
〒305-0047 茨城県つくば市千現1-2-1
Tel:029-859-2026

独立行政法人 科学技術振興機構 広報・ポータル部 広報課
〒102-8666 東京都千代田区四番町5番地3
Tel:03-5214-8404 Fax:03-5214-8432
E-mail:

<研究内容に関すること>
樋口 昌芳(ヒグチ マサヨシ)
独立行政法人 物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点
Tel:029-860-4744 Fax:029-860-4721
E-mail:

<JSTの事業に関すること>
白木澤 佳子(シロキザワ ヨシコ)
独立行政法人 科学技術振興機構 戦略的創造事業本部 研究推進部
〒102-0075 東京都千代田区三番町5 三番町ビル
Tel:03-3512-3525 Fax:03-3222-2067
E-mail:

<用語解説>

1)電子ペーパー(でんしペーパー:E-paper)
紙の長所とされる視認性や携帯性を保った表示媒体のうち、表示内容を電気的に書き換えることができるものをいう。ある程度の折り曲げにも耐える。バックライトを用いないため、液晶パネルなど他のディスプレイに対して消費電力が少ない。電源の切断後も一定期間表示内容を維持できる。ただし応答時間が長いため、動画の表示には適さない。1970年代に米国ゼロックス社のパロアルト研究所に所属していたニック・シェリドンがGyriconと呼ばれる最初の電子ペーパーを開発した。Gyriconの構造は、半球を白、別の半球を黒に塗り分けた微小な球を多数ディスプレイに埋め込んだものである。球の一部は静電気を帯びており、電界によって球を回転させることで白地に黒い文字を浮かび上がらせることができ、数千回の書き換えにも耐えた。 現在では複数の方式が提案されている。

2)エレクトロクロミック材料
電気をかけることで、色が可逆的に変わる特性を持つ材料のこと。エレクトロクロミック特性(Electrochromic functions)は2000年にノーベル化学賞を受賞した白川教授らが開発した導電性高分子や、生体内に存在するポルフィリンなど、π共役系が広がった有機分子において、比較的良く現れる。

<参考図>

図1 作製したエレクトロクロミック表示デバイス
図1 作製したエレクトロクロミック表示デバイス(梅の絵、NIMSのロゴ(小:5インチサイズ(10cm×8cm))、NIMSのロゴ(大:10インチサイズ(20cm×17cm))。金属イオン種の異なるハイブリッドポリマーを用いることで、色々な色の表示ができる。

図2 エレクトロクロミック表示デバイスのマルチカラー変化。
図2 エレクトロクロミック表示デバイスのマルチカラー変化。−2.5Vから+2.5Vまで電圧を変化させるだけで、5種類の表示パターンを表現できる。