Электрохромные устройства, блоки, содержащие электрохромные устройства, и/или способы их изготовления - RU2569913C2

Чертежи

Показать все 10 чертежа(ей)

Описание

[0001] Настоящая заявка испрашивает преимущество заявки на патент США с порядковым № 61/237580, поданной 27 августа 2009 г., полное содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.

Область изобретения

[0002] Некоторые примерные варианты реализации настоящего изобретения относятся к электрохромным устройствам (ЭХУ), блокам, содержащим электрохромные устройства, и/или способам их изготовления. Более конкретно, некоторые примерные варианты реализации настоящего изобретения относятся к улучшенным электрохромным материалам (ЭХМ), комплектам ЭХУ, схемам интеграции процессов, совместимым с крупносерийным производством (КСП), и/или высокопроизводительным низкозатратным источникам осаждения, оборудованию и производствам.

Предпосылки и сущность примерных вариантов реализации изобретения

[0003] Окна обеспечивают естественный свет, свежий воздух, доступ к внешнему миру и связь с ним. Однако они также представляют источник значительных потерь энергии. При растущей тенденции к увеличению использования окон в архитектуре, все более важным становится баланс противоречащих друг другу интересов энергосбережения и удобства людей. Кроме того, проблемы глобального потепления и углеродного следа стимулируют поиск новых энергосберегающих систем остекления.

[0004] В данном отношении, окна представляют собой уникальные элементы в большинстве зданий, потому что они обладают способностью «поставлять» энергию в здание в виде проникновения солнечного тепла зимой и дневного света круглый год. В существующих применениях они ответственны за примерно 5% всей потребляемой в США энергии или примерно 12% всей энергии, используемой в зданиях. Современная оконная технология часто приводит к чрезмерной стоимости отопления зимой и чрезмерному охлаждению летом, а также часто не пользуется преимуществами дневного света, что позволило бы уменьшать мощность освещения или выключать его во многих промышленных помещениях страны. Эти факторы приводят к тому, что «затраты» энергии превышают 5 квад (квад означает квадриллион британских тепловых единиц и равен 1,055·10¹⁸ Дж): ежегодно 2,7 квад энергии используется в домах, примерно 1,5 квад - в промышленном секторе, и еще 1 квад составляет потенциальную экономию энергии при стратегиях использования дневного света. В течение двух последних десятилетий достигнуты успехи, главным образом, в уменьшении коэффициента теплопередачи (отношение теплопроводности к толщине) окон путем использования статических низкоэмиссионных покрытий и путем уменьшения коэффициента притока солнечного тепла (КПСТ) посредством использования спектрально-селективных низкоэмиссионных покрытий. Однако все еще возможны дальнейшие усовершенствования.

[0005] Благодаря своей способности динамично регулировать приток солнечного тепла, потерю энергии и блики без ухудшения видимости, электрохромные окна (ЭХО) могут обеспечивать значительное уменьшение энергопотребления. Фактически, ЭХО имеют возможность влиять на все конечные энергетические применения окна, например, путем уменьшения расхода холода в таком климате, где окна вносят существенный вклад в расход холода, при возможности того же окна допускать проникновение солнечного тепла зимой, чтобы уменьшить отопление, и модулировать дневной свет, чтобы позволить уменьшить электрическое освещение в коммерческих (промышленных) зданиях, одновременно контролируя блики. Например, при изменении уровней внешнего света и тепла характеристики окна можно автоматически регулировать в соответствии с условиями посредством автоматизированного управления с обратной связью.

[0006] Электрохромные окна (ЭХО) окна известны. См. например, патенты США №№ 7547658, 7545551, 7525714, 7511872, 7450294, 7411716, 7375871 и 7190506, описание каждого из которых включено сюда посредством ссылки.

[0007] Некоторые существующие динамические ЭХО обеспечивают пропускания в интервале от примерно 3% в тонированном состоянии до примерно 70% в прозрачном состоянии. Как указано выше, коэффициент притока солнечного тепла (КПСТ) изменяется в достаточно широком интервале. Действительно, в настоящее время некоторые динамические ЭХО обеспечивают КПСТ в интервале от примерно 0,09 в тонированном состоянии до примерно 0,48 в прозрачном состоянии. Технология ЭХМ на основе неорганических соединений лития также предоставляет преимущества надежности, низкого рабочего напряжения (менее чем примерно 5 В), прозрачности (70%), сохранения прозрачности при отключенном питании и низкого энергопотребления. Несмотря на эти широкие интервалы, к сожалению, существующие ЭХО на основе неорганических соединений лития обеспечивают ограниченный выбор цветов и нуждаются в повышении своей максимальной непрозрачности (например, по сравнению с другими типами остекления с регулируемой прозрачностью). Другой недостаток существующих ЭХО на основе неорганических соединений лития заключается в их низких временах переключения (т.е. медленном изменении прозрачности). Фактически, времена переключения ЭХО на основе неорганических соединений лития обычно составляют примерно 5-10 минут. Устройства с механизмом на основе протонных неорганических соединений и органических полимеров переключаются несколько быстрее (например, от 15 секунд до 5 минут), но, к сожалению, страдают от разрушения ионного проводника в первом случае и разложения полимера во втором случае. ЭХУ на основе неорганических соединений лития и органических полимеров обычно работают с рабочим напряжением 1-5 В постоянного тока и обычно потребляют 2-3 Вт/м² при переключении и 0,5-1 Вт/м² при нахождении в тонированном состоянии.

[0008] Фиг. 1(a) представляет собой принципиальную схему типичного электрохромного окна, а фиг. 1(b) - схематический чертеж типичного электрохромного окна в тонированном или окрашенном состоянии. Активный комплект 100, представленный на фиг. 1(a), включает четыре компонента, а именно первый и второй прозрачные токосъемники 102 и 104; катод 106 (и часто слой окрашивания); электролит 108 (который является ионным проводником, но электронным изолятором); и анод 110, который является источником активных ионов (например, Li, Na, H и т. д.), которые изменяют свойства остекления при переносе к катоду и от него. Анод 110 может представлять собой слой окрашивания, если происходит анодное окрашивание, например, при выходе ионов из слоя. Эти компоненты заключены между первой и второй стеклянными подложками 112 и 114. В принципе, электрохромное устройство динамически изменяет оптическую поглощающую способность при движении (интеркаляции и деинтеркаляции) Li в катод 106 и из него. Это, в свою очередь, модулирует взаимодействие с солнечным излучением, тем самым модулируя КПСТ для управления энергией, а также видимость и блики (что важно для удобства человека). Поскольку Li содержится в катоде 106, электрохромное окно находится в тонированном или окрашенном состоянии, и только часть падающего света и тепла пропускается через ЭХО.

[0009] К сожалению, существующие пленки ЭХО не обеспечивают требуемые характеристики по внешнему виду (включая цвет), скорости переключения, постоянству качества и долгосрочной надежности. Дополнительными проблемами являются достаточный запас и полезными размеры окон.

[0010] Одна причина, по которой текущая высокая стоимость конструкции ЭХО превышает допустимый для рынка уровень, заключается в том, что изготовление ЭХУ несовместимо с поточным производством в стекольной промышленности. Одно критичное требование безопасности строительных правил состоит в том, что наиболее внешнее стекло в стеклопакете (СП) должно быть закаленным. Кроме того, согласно практике производства стекол с покрытием, большие листы стекла (обычно шириной до 3,2 м) сначала покрывают, затем разрезают и, наконец, закаляют. В идеальной ситуации, готовое электрохромное стекло можно было бы закалять и разрезать до нужного размера. Однако закаленное стекло невозможно резать. Соответственно, практика производства стекол с покрытиями заключается в том, что большие листы стекла (обычно шириной до 3,2 м) сначала покрывают и затем продают производителям окон, которые их разрезают и закаляют. К сожалению, после этого закаленное стекло невозможно резать, и электрохромное стекло (ЭХС) невозможно закалять после его изготовления, потому температуры закалки разрушали бы ЭХУ. Следовательно, в настоящее время методы изготовления ЭХО основаны на уже нарезанных и закаленных стеклах, из которых изготавливают ЭХС. Это является проблематичным по нескольким причинам. Например, поступающее закаленное стекло имеет большие отклонения по толщине, что приводит к значительным изменениям свойств покрытия. Кроме того, наличие подложек разнообразных размеров и типов создает проблемы технологического управления, пропускной способности и выхода годного, что затрудняет воспроизводимость высокопроизводительного крупносерийного производства.

[0011] Фиг. 2 представляет блок-схему, иллюстрирующую существующий способ изготовления ЭХО. Наиболее внешнее стекло разрезают по размеру и закаливают на стадии 202, что соответствует способу изготовления ЭХС. ЭХУ изготавливают на стадии 204, например, так, что оно имеет слоистую структуру, представленную на фиг. 1(a). После того как слои ЭХУ осаждены, формируют рисунок ЭХУ на стадии 206, например, чтобы сократить дефекты и улучшить выход годного и внешний вид. Вводят токопроводящие шины, чтобы обеспечить «электрификацию» (например, электропроводку) для ЭХУ на стадии 208. Вторую подложку устанавливают на расстоянии от ЭХУ, например, как показано на фиг. 1(a) и 1(b). Все вместе стадии 204, 206, 208 и 210 представляют собой способ изготовления стеклопакета (СП). Данный стеклопакет можно, в конечном счете, вставить в ЭХО, например, как показано на левой стороне фиг. 1(b).

[0012] Другим препятствием развития стали ограниченные ресурсы и возможности производителей по разработке источников, платформ и средств автоматизации осаждения, которые совместимы с технологиями высокопроизводительного крупномасштабного производства.

[0013] Наиболее практичным местом размещения электрохромного покрытия (ЭХП) является внутренняя поверхность наиболее внешнего листа. Помещение токопроводящих шин на эту поверхность для электрификации (например, электропроводки) представляет проблемы не только для нынешних производителей СП, но и для полировщиков. Архитекторы, собственники коммерческих зданий и конечные пользователи нуждаются в информации о надежности ЭХО в течение продолжительных периодов времени. Таким образом, надежность герметизации СП представляет собой проблему. Электрохромный стеклопакет (ЭХСП) отличается от традиционных окон тем, что межсоединения для запитывания устройства должны проходить через влагонепроницаемое уплотнение. Не существует стандартов на межсоединения и передающие провода, которые сохраняют целостность уплотнения. Все, что имеется на рынке, составляет чью-либо собственность. Существуют также проблемы надежности комплектов электрохромных пленок при воздействии диапазона солнечных и экологических нагрузок, которые испытывает окно в течение своего срока службы.

[0014] Наконец, требуют учета характеристики устройства с точки зрения внешнего вида, цвета, скорости переключения, согласованности, интервала КПСТ и срока службы. Например, архитекторы имеют сильное предпочтение к окнам нейтрального цвета, которые переключаются с темно-серого на идеально прозрачный. Сегодня большинство имеющихся на рынке ЭХО обладают темно-синим оттенком в окрашенном состоянии и желтоватым тоном в прозрачном состоянии. Более нейтральный цвет и повышенное пропускание в прозрачном состоянии расширили бы доступный архитектурный рынок.

[0015] Таким образом, следует понимать, что в технике существует потребность в улучшенных электрохромных динамических окнах и/или способах их изготовления. Например, будет понятно, что в технике требуются (1) низкозатратные, крупномасштабные, высокопроизводительные методы нанесения покрытий, которые совместимы с крупносерийным производством (КСП); (2) более эффективный электрохромный состав; (3) надежное, высокопроизводительное, низкодефектное производство ЭХУ для крупноразмерных листов; и/или (4) увязка таких новых производственных методов с существующим производством последующей обработки стекол и вспомогательными технологиями для получения готовых окон. Эти и/или другие методы могут помочь в решении некоторых из перечисленных выше и/или других проблем, при этом обеспечивая также более полную интеграцию управления зданием.

[0016] Некоторые примерные варианты реализации относятся к нисходящим и/или восходящим изменениям (a) материалов, (b) комплектов электрохромных устройств, (c) совместимых с крупномасштабным проиводством схем интеграции процессов и (d) высокопроизводительных, низкозатратных методов и оборудования осаждения. В связи с этим, некоторые примерные варианты реализации могут быть использованы для обеспечения электрохромных блоков (ЭХБ) пониженной стоимости, по пути к «зданиям с нулевым чистым потреблением энергии».

[0017] Один аспект некоторых примерных вариантов реализации включает внедрение новых электрохромных материалов (ЭХМ). Например, некоторые примерные варианты реализации включают оптически легированный катод и/или анод для большего пропускания видимого света в прозрачном состоянии, большей разности коэффициентов притока солнечного тепла (КПСТ) между этими состояниями, улучшенного внешнего вида и повышенной надежности. Регулирование стехиометрии WO_x (например, так, что он является субстехиометрическим) может преимущественно приводить к улучшениям в отношении разности КПСТ и лучшего внешнего вида (например, с точки зрения окрашивания). Анодное окрашивание противоэлектрода также может увеличивать разность КПСТ.

[0018] Другой аспект некоторых примерных вариантов реализации включает внедрение нового комплекта электрохромного устройства. Например, включение дешевой подложки средней толщины с низким содержанием Fe может способствовать сокращению потребности в слоях барьера между устройством и подложкой. Для увеличения скорости переключения и снижения стоимости может быть предусмотрен улучшенный прозрачный токосъемник (ПТС) с намного более высокой проводимостью и пропускающей способностью, чем у оксида индия-олова (ITO). В некоторых примерных вариантах реализации включение материала электролита - фосфороксинитрида лития (LiPON) можно выбрать в целях надежности. Кроме того, в некоторых примерных вариантах реализации применение прозрачных диэлектрических/проводящих слоев можно использовать для изменения цвета на основе селективной интерференции.

[0019] Еще один аспект некоторых примерных вариантов реализации включает новые методы интеграции электрохромного устройства. Например, некоторые примерные варианты реализации могут включать использование ламинированного/соединенного стекла в качестве внешнего листа ЭХСП. Это может преимущественно приводить к полному устранению использования закаленного стекла на стадии изготовления ЭХУ, сократить потребность в резке и закалке стекла перед обработкой ЭХУ, допускать использование стекла единого стандартного типа и размера при изготовлении ЭХУ для наиболее высокой воспроизводимости и экономии на масштабе, и/или обеспечить возможность резки стекла до нужных размеров после изготовления ЭХУ. Может также преимущественно стать возможным формирование рисунка устройств после осаждения всех электрохромных слоев, чтобы тем самым уменьшить вероятность дефектов и улучшить выход годного и внешний вид.

[0020] Еще один аспект некоторых примерных вариантов реализации относится к разработке совместимого с КСП источника осаждения. Например, в некоторых примерных вариантах реализации новый источник осаждения LiPON, способный обеспечивать высокие скорости осаждения и модулировать кинетику роста, может, в свою очередь, сделать возможными высокую производительность и лучшие характеристики пленки. В некоторых примерных вариантах реализации также может использоваться новый испаритель Li на основе линейного распылителя с удаленными источниками Li, совместимыми с нормальными условиями окружающей среды.

[0021] В некоторых примерных вариантах реализации предусмотрен способ изготовления электрохромных окон. Обеспечивают первую стеклянную подложку. На первую подложку наносят слои электрохромного устройства (ЭХУ), причем данные слои включают, по меньшей мере, слои противоэлектрода (ПЭ), ионного проводника (ИП) и электрохромного материала (ЭХМ). Формируют рисунок слоев электрохромного устройства, и первую стеклянную подложку с нанесенными на нее слоями электрохромного устройства разрезают так, чтобы образовалось множество подложек с ЭХУ. Обеспечивают множество вторых стеклянных подложек. Множество подложек с ЭХУ соединяют или ламинируют с множеством вторых стеклянных подложек соответственно. Обеспечивают множество третьих стеклянных подложек. Формируют множество стеклопакетов (СП), соответственно содержащих первые и вторые подложки в практически параллельном расположении на расстоянии от третьих стеклянных подложек.

[0022] В некоторых примерных вариантах реализации предусмотрен способ изготовления электрохромного блока (ЭХБ). Обеспечивают первую, вторую и третью стеклянные подложки, причем вторая подложка подвергнута термической закалке, а первая подложка не подвергнута термической закалке. Осаждают напылением множество слоев электрохромного устройства (ЭХУ), непосредственно или опосредованно, на первую подложку, причем данное множество слоев ЭХУ включает первое прозрачное проводящее покрытие (ППП), слой противоэлектрода (ПЭ), слой ионного проводника (ИП), слой ЭХМ и второе ППП. Первую и вторую подложки ламинируют или соединяют друг с другом. Вторую и третью подложки обеспечивают в практически параллельном расположении на расстоянии друг от друга. Слои ПЭ и ЭХМ оба способны менять свой цвет, когда ЭХБ находится в рабочем состоянии.

[0023] В некоторых примерных вариантах реализации предусмотрен способ изготовления электрохромного блока (ЭХБ). Множество слоев электрохромного устройства (ЭХУ) осаждают напылением, непосредственно или опосредованно, на первую подложку, причем данное множество слоев устройства включает, в порядке удаления от первой подложки, первое прозрачное проводящее покрытие (ППП), слой катода, слой электролита, анодно окрашивающийся слой анода и второе ППП. Первую подложку с множеством осажденных на нее напылением слоев устройства присоединяют ко второй подложке так, что первая и вторая подложки находятся в практически параллельном расположении на расстоянии друг от друга.

[0024] В некоторых примерных вариантах реализации предусмотрен электрохромный блок (ЭХБ). Предусмотрены первая, вторая и третья стеклянные подложки, причем вторая и третья подложки расположены практически параллельно и находятся на расстоянии друг от друга. Первой подложкой поддерживается множество осажденных напылением слоев электрохромного устройства (ЭХУ), причем данное множество слоев ЭХУ включает первое прозрачное проводящее покрытие (ППП), слой противоэлектрода (ПЭ), слой ионного проводника (ИП), слой ЭХМ и второе ППП. Первая и вторая подложки ламинированы или соединены друг с другом. Вторая подложка подвергнута термической закалке, а первая подложка не подвергнута термической закалке.

[0025] В некоторых примерных вариантах реализации предусмотрен электрохромный блок (ЭХБ). Предусмотрены, по меньшей мере, первая и вторая стеклянные подложки, причем первая и вторая подложки расположены практически параллельно и находятся на расстоянии друг от друга. Первой подложкой поддерживается множество осажденных напылением слоев электрохромного устройства (ЭХУ), причем данное множество слоев ЭХУ включает первое прозрачное проводящее покрытие (ППП), легированный и анодно окрашивающийся слой противоэлектрода (ПЭ), слой ионного проводника (ИП), легированный электрохромный слой, содержащий WO_x, и второе ППП.

[0026] В некоторых примерных вариантах реализации предусмотрено электрохромное устройство, включающее в себя множество тонкопленочных слоев, поддерживаемых первой подложкой. Данное множество слоев включает легированный и анодно окрашивающийся слой анода; слой электролита, содержащий Li; и легированный слой катода, содержащий WO_x.

[0027] Описанные здесь признаки, аспекты, преимущества и примерные варианты реализации могут быть скомбинированы для осуществления дополнительных вариантов реализации.

Краткое описание чертежей

[0028] Эти и другие признаки и преимущества можно лучше и в большей степени понять при обращении к нижеследующему подробному описанию примерных иллюстративных вариантов реализации в сочетании с чертежами, на которых:

[0029] ФИГ. 1(a) представляет собой схематический чертеж типичного электрохромного окна;

[0030] ФИГ. 1(b) представляет собой схематический чертеж типичного электрохромного окна в тонированном или окрашенном состоянии;

[0031] ФИГ. 2 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую существующий способ изготовления ЭХО;

[0032] ФИГ. 3 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ изготовления ЭХО в соответствии с примерным вариантом реализации;

[0033] ФИГ. 4 представляет собой иллюстративные электрохромную подложку и комплект в соответствии с примерным вариантом реализации;

[0034] ФИГ. 5 представляет собой иллюстративное прозрачное проводящее покрытие (ППП), используемое в связи с некоторыми примерными вариантами реализации;

[0035] ФИГ. 6(a) представляет собой первый иллюстративный электрохромный стеклопакет (СП) в соответствии с примерным вариантом реализации;

[0036] ФИГ. 6(b) представляет собой второй иллюстративный электрохромный стеклопакет (СП) в соответствии с примерным вариантом реализации;

[0037] ФИГ. 7 представляет собой третий иллюстративный электрохромный стеклопакет (СП) в соответствии с примерным вариантом реализации;

[0038] ФИГ. 8(a) представляет собой СЭМ-изображение слоя Al толщиной 600 нм, осажденного традиционным испарением; и

[0039] ФИГ. 8(b) представляет собой СЭМ-изображение слоя Al толщиной 600 нм, осажденного активированным плазмой испарением в соответствии с некоторыми примерными вариантами реализации.

Подробное описание примерных вариантов реализации изобретения

[0040] Один аспект некоторых примерных вариантов реализации включает внедрение новых электрохромных материалов. Например, некоторые примерные варианты реализации включают оптически легированный катод и/или анод для большего пропускания видимого света в прозрачном состоянии, большей разности коэффициентов притока солнечного тепла (КПСТ) между этими состояниями, улучшенного внешнего вид и лучшей надежности. Регулирование стехиометрии WO_x (например, так, что он является субстехиометрическим) может преимущественно приводить к улучшениям в отношении разности КПСТ и лучшего внешнего вида (например, в отношении окрашивания). Анодное окрашивание противоэлектрода также может увеличивать разность КПСТ.

[0041] Другой аспект некоторых примерных вариантов реализации включает внедрение нового комплекта электрохромного устройства. Например, включение низкозатратной подложки средней толщины с низким содержанием Fe может способствовать сокращению потребности в слоях барьера между устройством и подложкой. Можно предусмотреть улучшенный прозрачный токосъемник (ПТС) с намного более высокой проводимостью и пропускающей способностью, чем у ITO, для увеличения скорости переключения и снижения стоимости. В некоторых примерных вариантах реализации включение материала электролита - фосфороксинитрида лития (LiPON) можно выбрать в целях надежности. Кроме того, в некоторых примерных вариантах реализации применение прозрачных диэлектрических/проводящих слоев можно использовать для изменения цвета на основе селективной интерференции.

[0042] Еще один аспект некоторых примерных вариантов реализации включает новые методы интеграции электрохромного устройства. Например, некоторые примерные варианты реализации могут включать использование ламинированного/соединенного стекла в качестве внешнего листа ЭХСП. Это может преимущественно приводить к полному устранению использования закаленного стекла на стадии изготовления ЭХУ, сократить потребность в резке и закалке стекла перед обработкой ЭХМ, допускать использование стекла единого стандартного типа и размера при изготовлении ЭХУ для достижения наиболее высокой воспроизводимости процесса и экономии на масштабе, и/или обеспечить возможность резки стекла до нужных размеров после изготовления ЭХУ. Может также преимущественно стать возможным формирование рисунка устройства после осаждения всех слоев ЭХУ, чтобы тем самым уменьшить вероятность дефектов и улучшить выход годного и внешний вид.

[0043] Еще один аспект некоторых примерных вариантов реализации относится к разработке совместимого с КСП источника осаждения. Например, в некоторых примерных вариантах реализации новый источник осаждения LiPON, способный обеспечивать высокие скорости осаждения и модулировать кинетику роста, может, в свою очередь, обеспечивать высокую производительность и улучшенные характеристики пленки. В некоторых примерных вариантах реализации также может использоваться новый испаритель Li на основе линейного распылителя с удаленными источниками Li, совместимыми с нормальными условиями окружающей среды.

[0044] Некоторые примерные варианты реализации включают изменения ЭХМ, комплекта ЭХУ, совместимых с КСП схем интеграции процессов и/или высокопроизводительных, низкозатратных источников осаждения, оборудования и предприятий. Данные аспекты некоторых примерных вариантов реализации, в свою очередь, обсуждаются ниже.

[0045] Некоторые примерные варианты реализации относятся к преимуществам в отношении одного или более из стоимости, эксплуатационных характеристик устройства, надежности, эстетичности и/или масштабируемости. Например, стоимость некоторых существующих электрохромных изделий составляет более чем 50 долл. США за 1 кв. фут ($538 за м²), в то время как методы согласно некоторым примерным вариантам реализации могут обеспечить электрохромные изделия по стоимости, которая предпочтительно составляет менее 25 долл. США за 1 кв. фут ($269 за м²), предпочтительнее - менее 20 долл. США за 1 кв. фут ($226 за м²), а наиболее предпочтительно - менее 15 долл. США за 1 кв. фут ($161 за м²). Хотя у существующих изделий трудно обеспечивать электропроводку и инфраструктуру управления, некоторые примерные варианты реализации могут предусматривать относительно простые модульные изделия с опциями беспроводного электропитания и/или управления. Хотя многие существующие изделия могут обеспечивать время переключения, составляющее в лучшем случае 3-5 минут, некоторые примерные варианты реализации могут обеспечивать время переключения менее 3 минут, предпочтительнее менее 2 минут, а иногда даже менее 1 минуты, несмотря даже на то, что габаритный размер изделия может быть увеличен. Преимущественно, значение ΔE может составлять менее примерно 1,5, предпочтительнее менее примерно 1,25, а наиболее предпочтительно менее примерно 1. В отношении цвета/оттенка, некоторые примерные варианты реализации могут уменьшать желтоватый оттенок в прозрачном состоянии и множество цветов, которые иногда присутствуют в тонированном состоянии, вместо обеспечения более нейтрального цвета в прозрачном состоянии с выбором одного из множества цветов в тонированном состоянии. Кроме того, некоторые примерные варианты реализации могут уменьшать проблемы однородности переключения, например, заставляя ширину по меньшей мере выглядеть изменяющейся «вся сразу» (по меньшей мере по сравнению с изменчивостью теневых линий и индивидуальных средств контроля в существующих системах). Наконец, хотя существующие ЭХУ обычно ограничены конструкцией шириной 1 м, некоторые примерные варианты реализации могут допускать масштабирование до конструкций шириной 3,2 м (или еще шире) с тем, чтобы соответствовать общедоступным заготовкам листового стекла.

Примерные способы изготовления

[0046] Фиг. 3 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ изготовления ЭХО в соответствии с примерным вариантом реализации. Способ по фиг. 3 отличается от способа по фиг. 2 несколькими моментами, потому что способ по фиг. 3 предназначен для обеспечения ЭХУ на электрохромной подложке, которая может быть соединена, ламинирована или иным образом связана с закаляемой подложкой. Например, можно использовать материал, такой как поливинилбутираль (PVB), этиленвинилацетат (EVA) или т. п., как может предусматривать «технология Optibond», который поставляется на продажу фирмой Litemax. Используемый ламинат может включать УФ-блокатор (т.е. защищающее от ультрафиолетового излучения вещество, например, защищающее от УФ излучения диапазона A - УФА-блокатор). Предпочтительно, можно включать в состав УФА-блокатор с прозрачностью Т_УФ<1%, предпочтительнее <0,75%, а еще более предпочтительно <0,5%. УФ-блокатор может представлять собой тонкопленочное покрытие, включающее одно или более из Bi, BiO, Zn, ZnO, TiO, BiSnO, AgO, Ce, CeO и/или т. п. Альтернативно или дополнительно, может быть предусмотрено покрытие из полиэтилентерефталата (PET), с блокирующим УФ материалом, имеющимся на нем и/или в нем. Например, в некоторых примерных вариантах реализации может быть предусмотрен покрытый ITO слой PET. Следует понимать, что в связи с некоторыми примерными вариантами реализации можно использовать органические и/или неорганические материалы. В любом случае, ламинат можно выбирать так, чтобы его показатель преломления соответствовал прилегающим слоям и/или подложкам. Это будет преимущественно помогать поддерживать низкой отражательную способность. Отражательную способность можно также снизить, например, путем внедрения одного или более противоотражающих (ПО) слоев. Поскольку ЭХУ предусмотрено на отдельной подложке, которую можно затем соединять, ламинировать или иным образом связывать с закаляемой подложкой, можно эффективно использовать, например, то, что более крупные листы можно покрывать напылением или аналогичным способом и затем разрезать по заданным размерам. Ниже приведены примерные конструктивные подробности.

[0047] В отношении примерного способа, представленного на фиг. 3, на стадии 302 обеспечивают стекло большого размера. ЭХУ изготавливают согласно описанным ниже примерным методам на стадии 304. Формирование рисунка и разрезание устройства осуществляют на стадии 306, в результате чего образуется множество ЭХУ на множестве соответствующих электрохромных подложек. Как указано выше, это является преимуществом по сравнению с традиционным способом, представленным на фиг. 2, где отдельные ЭХУ изготавливают непосредственно на заранее индивидуально вырезанных и уже индивидуально закаленных подложках. В любом случае, подключают токопроводящие шины, и ЭХУ «электрифицируют» (например, проводкой) на стадии 308. Токопроводящие шины можно сформировать селективным лазерным вытравливанием слоев для аккуратного обнажения (открытия) ППП. Например, чтобы осуществлять селективное травление и электрическое соединение устройства, можно делать «полные» и «половинные» разрезы, например, чтобы открыть верхнее и нижнее ППП. Мощность лазера можно регулировать, чтобы селективно удалять некоторые или все слои таким образом.

[0048] На стадии 310 внешнюю подложку, с которой будут соединены ЭХУ и подложка, разрезают и закаляют. Затем на стадии 310 разрезанные до соответствующих размеров ЭХУ ламинируют, соединяют или иным образом прикрепляют к разрезанным до соответствующих размеров внешним подложкам. Содержащие ЭХУ подблоки, ламинированные, соединенные или иным образом прикрепленные к внешним подложкам, затем встраивают в соответствующие теплоизоляционные стеклопакеты (СП) на стадии 314, например, как описано ниже более подробно.

Примерный электрохромный комплект и примерные материалы, использованные в нем

[0049] Фиг. 4 представляет собой иллюстративные электрохромную подложку и комплект в соответствии с примерным вариантом реализации. Фиг. 4 включает в себя электрохромный комплект 400, который в некоторой степени аналогичен известным электрохромным комплектам тем, что он включает в себя проводящие слои (ППП), электрохромный (ЭХ) слой, слой противоэлектрода (ПЭ) и слой ионного проводника (ИП). Однако электрохромный комплект 400 по фиг. 4 отличается от существующих комплектов в отношении материалов, общей конструкции комплекта и эксплуатационных характеристик. Например, термические характеристики, скорость ЭХ, долгосрочную надежность ЭХ и эстетичность можно улучшить, например, оптимизируя характеристики известных материалов и разрабатывая новые системы материалов, которые дополнительно улучшают характеристики всего ЭХУ. В следующих абзацах описаны изменения материалов и конструкций комплекта.

[0050] Первая область инновации охватывает электродные материалы: катод/ЭХ и анод/ПЭ. Термические характеристики ЭХО связаны с интервалом КПСТ между прозрачным и тонированным состояниями. Чтобы увеличить данный интервал КПСТ, можно уменьшить поглощающую способность слоев катода и/или анода в прозрачном состоянии, и/или можно создать анодно окрашивающийся противоэлектрод, чтобы уменьшить пропускание видимого света (Т_вид) в окрашенном состоянии. Надлежащий выбор материалов может также повысить надежность и скорость переключения.

[0051] Эти и/или другие аспекты можно реализовать путем заместительного легирования активных электродных материалов в некоторых примерных вариантах реализации. Противоэлектрод обычно включает NiO с ионами Li⁺ или H⁺. Как описано выше, выгодно улучшать термические характеристики, снижать поглощающую способность и повышать надежность и устойчивость проводящего противоэлектрода (ПЭ). За счет использования добавок, таких как Mg, Al, Si, Zr, Nb и Ta, можно добиться значительного уменьшения поглощающей способности пленок ЭХ и ПЭ, особенно на коротких длинах волн. С другой стороны, пленки, содержащие V и Ag, не проявили такого же улучшения оптических свойств по сравнению с пленками из чистого оксида никеля. По сути, можно использовать внедрение Mg и/или другого элемента комбинированным образом, чтобы оптимизировать его полезный эффект в обеих системах NiO и LiNiO для существенного расширения запрещенной зоны и улучшения пропускающей способности. Альтернативно или дополнительно, в некоторых примерных вариантах реализации также возможно включение W в LiNiO, и это можно использовать для повышения его устойчивости в качестве слоя ПЭ к УФ излучению и влаге. Такое и/или другое заместительное легирование можно использовать для повышения электрической проводимости (в некоторых случаях на три порядка величины, например, LiCoO₂ по сравнению с LiCo_0,95Mg_0,05O₂). Легирование ПЭ (и/или ИП) магнием удивительно и неожиданно также делает его «более быстрым» проводником.

[0052] Некоторые примерные варианты реализации также могут включать анодное окрашивание противоэлектрода, например, для улучшения термических характеристик. Как известно, ПЭ используют для хранения заряда, который, в свою очередь, используют для окрашивания электрохромного слоя. Чтобы делать это эффективно, слой ПЭ может допускать легкую интеркаляцию зарядов; быть устойчивым и выдерживать повторное циклирование; обладать высоким пропусканием в прозрачном состоянии; и, если возможно, проявлять электрохромизм, когда интеркалированные ионы полностью разряжаются (например, анодно). Таким образом, в некоторых примерных вариантах реализации ПЭ можно сделать электрохромным. Однако в таких примерных вариантах реализации ПЭ может быть «обратным» электрохромному слою, например, так, что он становиться прозрачным при наличии ионов и обеспечивает изменение цвета при потере ионов. Чтобы реализовать данные и/или другие признаки, некоторые примерные варианты реализации могут включать ПЭ на основе систем NiO, которые показали себя устойчивыми при повтореном циклировании внедрения/удаления заряда. Такие системы иногда проявляют небольшую величину остаточного поглощения, когда устройство полностью интеркалировано, например, в состоянии Li_xNiO_(1+y) в приведенной ниже реакции. Задача заключается в том, чтобы устранить данное поглощение, не жертвуя широким динамическим интервалом и хорошей кинетикой переключения устройства. Заместительное легирование, аналогичное обсуждению в предыдущем разделе, с использованием Li может вызывать лучшую прозрачность в видимом свете (Т_вид) и устранять небольшое поглощение, которое препятствует увеличению разности КПСТ.

[0053] В настоящее время была подтверждена склонность воды вызывать разрушение гидратированных систем NiO_(1+y). Следовательно, электролиты на неводной основе и кубическая форма оксида лития-никеля могут представлять собой перспективную электрохромную систему в некоторых примерных вариантах реализации. Например, нанокристаллический Li_xNi_1-xO может иметь широкий динамический интервал и более нейтральный цвет, чем оксид вольфрама, а также лучшую устойчивость. Кроме того, Li_xNi_1-xO может анодно окрашиваться, обеспечивая тем самым преимущество комплементарности катодному оксиду вольфрама. Сочетание данных материалов может оказаться благоприятным в отношении электрохимических потенциалов, а также достижения более глубокого нейтрального цвета в тонированном (темном) состоянии. Как правило, фотопическая эффективность окрашивания этого анодно окрашивающегося материала высока. Характеристики переключения устройства с использованием твердофазного электролита, а также пленки оксида лития-никеля в качестве противоэлектрода и электрохромной пленки оксида вольфрама имеют определенные преимущества по сравнению с имеющимися в настоящее время системами. Следует отметить, что данная электрохромная активность обусловлена следующей основной реакцией:

NiO_(1+y) (темный)+x(Li⁺+e)→Li_xNiO_(1+y) (бесцветный).

[0054] В некоторых примерных вариантах реализации поглощающая способность и/или модуляция цвета электрохромного оксида вольфрама (WO_x) может изменяться для термических характеристик и внешнего вида. Пленки стехиометрического WO₃являются прозрачными для энергий ниже основной запрещенной зоны на уровне <3 эВ. Интеркаляция ионов Li приводит к электрохромизму, проявляющемуся широкой полосой поглощения с центром на ~1,2 эВ, что дает отчетливо синий цвет. Это явление можно объяснить в рамках межвалентного переноса заряда, при котором электроны переносятся из центра W⁵⁺ в соседний центр W⁶⁺. Эффекты поляронов можно включить в новую модель, используя приближение сильной связи. Согласно данной самосогласованной модели, значение x в слегка субстехиометрическом WO_x можно оптимизировать в некоторых примерных вариантах реализации так, что электрохромный материал (ЭХМ) становится еще более прозрачным, и, при увеличении литирования, его поглощающая способность увеличивается. Субстехиометрическое значение x предпочтительно составляет 2,4

[0055] Сильная электрон-фононная связь склонна способствовать образованию комплексов (W-W)¹⁰⁺, которые не приводят к оптическому поглощению. Однако однозарядные кислородные вакансии приводят к поглощению вследствие межвалентного переноса заряда. Предполагается аналогия с данными о пленке с интеркалированными ионами, поскольку центры W⁵⁺присутствуют в обоих случаях. Таким образом, представляется, что пленки аморфного оксида вольфрама проявляют переход из-за дефектов со спаренными электронами, согласно механизму Андерсона (Anderson), и однозарядных кислородных вакансий по мере увеличения плотности вакансий.

[0056] Кроме того, во время первых циклов окрашивания/обесцвечивания обычно обнаруживается необратимость внедрения заряда, и пленки остаются прозрачными вплоть до некоторого порога внедрения заряда (называется термином «заряд цветовой слепоты»), при котором устанавливается окрашивание, а последующие циклы являются обратимыми, так что преобладает электрохромизм. Литий необратимо внедряется и не извлекается из электрохромной пленки во время переключения. По-видимому, заряд слепоты не влияет на электрохимическую кинетику процесса внедрения. Однако переменное количество необратимо внедряемого лития затрудняет точное определение количества лабильного лития, необходимое для оптимального динамического интервала ЭХУ во время переключения. К тому же, потеря Li не является равномерной по всей большой поверхности осажденной пленки. Таким образом, следует понимать, что можно регулировать величину заряда слепоты, остающегося в только что осажденных электрохромных пленках. Одно решение включает уменьшение (или сведение до минимума) величины присутствующего в пленке заряда слепоты благодаря пониманию коренной причины «потери» Li. Одно решение связано с типом мишени, используемой при осаждении электрохромного материала, введением ионного пучка и наблюдением за процессом, чтобы обоснованно регулировать стехиометрию пленок.

[0057] Данное решение уменьшает необходимость в нагревании подложки. В частности, в некоторых примерных вариантах реализации электрохромные пленки с приемлемыми электрохромными свойствами можно осаждать из керамических мишеней, используя конфигурации работающих с помощью ионов двойных магнетронов.

[0058] Фактически, в некоторых примерных вариантах реализации можно использовать заместительное легирование и регулирование структуры зерен, чтобы модулировать желтоватый оттенок в прозрачном состоянии. Одна проблема ЭХО заключается в желтоватом основном цвете в прозрачном состоянии. В качестве коренных причин этого рассматриваются (1) структурная неустойчивость металлооксидных единиц (WO_x) в циклах внедрения/выхода Li, что приводит к искажению Яна-Теллера (Jan-Teller) и соответствующему изменению энергетической структуры и цвета, (2) основной цвет NiO_x, наиболее часто используемого основного анодного материала, и (3) интерференция, связанная с межзеренными границами. Легирование подходящими металлами (V, Mo и т. д. в случае NiO_x) и галогенидами (например, Cl) можно использовать в некоторых примерных вариантах реализации в отношении по меньшей мере первых двух коренных причин, чтобы изменить запрещенную зону (и, следовательно, меняющееся взаимодействие света и материала) и/или повысить структурную устойчивость WO_x при циклировании Li. Структуру зерен можно модулировать путем оптимизации процесса осаждения в некоторых примерных вариантах реализации, используя либо обработку на месте (in situ), либо после осаждения в другом месте (ex situ) (например, прикладывая к подложке напряжение смещения и применяя микроволновое усиление или отжиг). Это также можно использовать для повышения структурной устойчивости WO_x при циклировании Li.

[0059] Ионный проводник (ИП) способствует сохранению внутренней электрической изоляции между электрохромным (ЭХ) электродом и противоэлектродом (ПЭ), обеспечивая при этом ионную проводимость для электрохромного поведения. Устойчивость и надежность электрохромизма зависит от свойств электролита. В качестве материала слоя электролита в некотором примере может быть использован фосфороксинитрид лития (LiPON). Выбор основан на его превосходной надежности и устойчивости, продемонстрированных при его применении в тонкопленочных батареях. LiPON представляет собой электроизоляционный материал (>10¹⁴ Ом·см), поэтому он традиционно наносится радиочастотным напылением и проявляет низкую скорость осаждения (<1 мкм/час). Такая низкая скорость осаждения может быть увеличена, как указано ниже, и/или в связи с некоторыми примерными вариантами реализации можно использовать другие материалы и способы, которые являются более подходящими для высокопроизводительного производства.

[0060] Следует понимать, что было бы полезно сократить электронный ток утечки, который происходит во всем ИП. Ток утечки можно разделить на те вклады, которые связаны с самим тонкопленочным комплектом (ограниченная диффузия), и те, которые связаны с локализованными точечными дефектами (включая объемные и поверхностные). Поверхности раздела ЭХМ/ИП/ПЭ можно моделировать как гетеропереходы. Полезно стабилизировать переход перед последующей термической обработкой. Высоту прямого и обратного барьеров для перехода ЭХМ/ПЭ можно оптимизировать путем изменения состава, структуры и химических свойств границы раздела ИП. Имеются доказательства того, что ток утечки можно уменьшить до ничтожных уровней посредством выбора соответствующих способов и материалов для слоя ИП. Соответственно, некоторые примерные варианты реализации предусматривают слой ИП, в котором целостность структуры электронного барьера поддерживается достаточной ионной проводимостью. На практике для более высокой ионной проводимости обычно требуется более пористая аморфная структура и возможное внедрение лития, причем оба эти фактора могут нарушать функциональность электронного барьера. Комплект материалов, описанный здесь, и соответствующие способы осаждения, описанные ниже, способствуют решению данных проблем. Кроме того, в некоторых примерных вариантах реализации оптические показатели материалов могут соответствовать окружающим слоям.

[0061] Как показано на фиг. 4, комплект 400 ЭХУ может включать первое прозрачное проводящее покрытие (ППП) 404, слой противоэлектрода 406, слой ионного проводника 408, электрохромный слой 410 и второе ППП 412. В некоторых примерных вариантах реализации каждое из первого и второго ППП 404 и 412 может иметь толщину примерно 200 нм. Примерная слоистая система для одного или обоих ППП приведена ниже, например, в связи с фиг. 5. Анодный слой ПЭ 406 может иметь толщину примерно 100-400 нм, и он может включать NiO и содержать ионы Li⁺ или H⁺. Слой ИП/электролита 408 на основе LiPON может иметь толщину примерно 1-3 мкм. Аналогично слою ПЭ 406, электрохромный слой 410 может иметь толщину 100-400 нм. Слой ПЭ 406 и/или электрохромный слой 410 можно легировать, например, чтобы придать им более качественное и/или глубокое окрашивание. Необязательно, поверх наиболее внешнего ППП 412 может быть предусмотрен барьерный слой (не показан в примере по фиг. 4), и такой барьерный слой может обеспечивать изменение цвета. В некоторых примерных вариантах реализации наиболее внешнее ППП 412 способно обеспечивать изменение цвета. Комплект 400 ЭХУ предусмотрен на электрохромной подложке 402, которая может в некоторых примерных вариантах реализации быть предусмотрена в виде большой подложки стандартного размера/толщины. Фактически, в некоторых примерных вариантах реализации электрохромная подложка 402 может представлять собой незакаленную подложку с низким содержанием железа, которую разрезают после изготовления на ней ЭХУ. Пример стеклянных подложек с низким содержанием железа описан, например, в заявке США с порядковым № 12/385318, а также в публикациях США №№ 2006/0169316, 2006/0249199, 2007/0215205, 2009/0223252, 2010/0122728 и 2009/0217978, содержание каждой из которых включено сюда посредством ссылки.

[0062] Конструкция комплекта ЭХУ, представленная на фиг. 4 и описанная здесь, отличается от существующих конструкций по ряду факторов, включая, например, использование нового прозрачного проводника, описанного ниже, множество диэлектрических слоев для интерферометрического изменения цвета, дешевые подложки с низким содержанием железа, на которых формируют электрохромные слои, LiPON в качестве электролита и оптимизация толщины комплекта. Каждый из перечисленных факторов влияет на пропускающую способность, цвет, скорость перехода и стоимость, как описано в других документах.

[0063] Скорость переключения ЭХУ ограничена удельным поверхностным сопротивлением слоев прозрачного проводящего оксида (ППО), хотя падение напряжения в электрохромном слое также способствует задержкам. Это обусловлено тем, что напряжение, которое можно приложить к устройству, является фиксированным, и величина заряда, который должен быть перенесен для того, чтобы полностью окрасить устройство, зависит от площади. Для некоего данного ряда устройств фиксированной длины, но с постепенно увеличивающейся шириной, по мере увеличения расстояния, разделяющего токопроводящие шины, импеданс самого электрохромного комплекта (той части устройства, где ток проходит перпендикулярно поверхности стекла) становится меньше. Напротив, импеданс слоев ППО, где ток протекает параллельно поверхности стекла, становится больше. В целом, данное изменение площади приводит к большему падению потенциала в слоях ППО. В результате этого уменьшается потенциал, приложенный непосредственно к комплекту, приводя к более медленному переключению. Таким образом, следует понимать, что для увеличения скорости переключения имеющих разумные размеры устройств, например, подходящих для архитектурных применений, проводимость слоев ППО может быть увеличена.

[0064] Можно увеличивать проводимость верхнего слоя ППО простым увеличением его толщины. Однако данный подход имеет определенные недостатки. Например, данный подход привносит дополнительное поглощение и отражение, в результате чего снижается пропускание в обесцвеченном состоянии и уменьшается динамический интервал. Это также приводит к тому, что цвет устройства изменяется асимметрично, то есть цвет будет появляться от одной из токопроводящих шин и распространяться к другой стороне устройства, создавая в результате эффект «занавеса» или аккордеона. Кроме того, данный подход увеличивает расходы на материалы и обработку, как и в случае ITO (который дорог), обычно используемого в качестве ППО.

[0065] Чтобы преодолеть данные проблемы, в некоторых примерных вариантах реализации используют включающие серебро комплекты покрытий. Такие комплекты могут иметь удельные поверхностные сопротивления на по меньшей мере один порядок величины ниже, чем у имеющихся в настоящее время ППО. Дополнительные преимущества данного покрытия включают его «низкоэмиссионную» функциональность, что способствует повышению КПСТ и защите активных слоев от ультрафиолетового излучения.

[0066] Фиг. 5 представляет собой иллюстративное прозрачное проводящее покрытие (ППП), пригодное для использования в связи с некоторыми примерными вариантами реализации. Это примерное ППП по фиг. 5 включает слой 506 на основе серебра, расположенный между первым вторым слоями 502 и 510 ITO. Между слоем 506 на основе серебра и первым и вторым слоями 502 и 510 ITO могут быть предусмотрены первый и второй промежуточные слои 504 и 508. Такие промежуточные слои могут содержать NiCr (например, NiCrO_x) и/или Cu. Слой 506 на основе серебра предпочтительно имеет толщину 100-200 ангстрем, предпочтительнее 120-180 ангстрем, а иногда 140 ангстрем. Каждый слой ITO предпочтительно имеет толщину 1000-2000 ангстрем, предпочтительнее 1200-1600 ангстрем, а иногда примерно 1400 ангстрем. Промежуточные слои предпочтительно имеют толщину 1-20 ангстрем, предпочтительнее 5-15 ангстрем, а иногда 10 ангстрем. Благодаря такой конструкции, можно обеспечить ППП, у которого удельное поверхностное сопротивление предпочтительно составляет менее 20 Ом/квадрат, предпочтительнее менее 10 Ом/квадрат, а иногда даже 5 Ом/квадрат или даже ниже. Пропускание видимого света указанными слоями можно оптимизировать, чтобы обеспечить пропускание видимого света, которое составляет предпочтительно 65%, предпочтительнее 75%, еще предпочтительнее 80%, а иногда даже 85% или выше. Необязательно, в некоторых примерных вариантах реализации между стеклянной подложкой и наиболее низким слоем ITO могут быть предусмотрены низкоэмиссионные покрытия. Такие низкоэмиссионные покрытия могут включать слои с чередующимися высоким и низким показателями преломления, например, в конфигурации «высокий-низкий-высокий-низкий-высокий». Хотя фиг. 5 показывает простой комплект слоев ППП, также возможны и другие комплекты слоев. В некоторых примерных вариантах реализации подходящий комплект слоев ППП может включать 2, 3, 4 или более комплекта слоев, показанных на фиг. 5.

[0067] В некоторых примерных вариантах реализации ППП могут быть выполнены на основе графена и/или углеродных нанотрубок (УНТ). См., например, заявки США с порядковыми №№ 12/461349 и 12/659352, полное содержание которых настоящим включено сюда.

[0068] Как указано выше, одной проблемой существующих электрохромных устройств является желтоватый оттенок в прозрачном состоянии и желательный нейтральный оттенок в тонированном состоянии. Чтобы решить данную проблему, в некоторых примерных вариантах реализации используют множественные слои «усиления цвета», которые вызывают изменение окраски посредством интерференции Фабри-Перо (Fabry-Perot). В некоторых примерных вариантах реализации комплект изменяющих окрашивание слоев может быть осажден прилегающим к комплекту ЭХП, и он может содержать напыляемые изолирующие и металлические слои. Оптические свойства, а также толщину отдельных слоев можно разработать так, чтобы обеспечить функциональные возможности, в том числе, например, повышенную солнечную эффективность, сдвиги цветовых координат видимого света к более желательному нейтральному тону как в нетонированном, так и в тонированном состояниях, и экранирование от ультрафиолетового излучения нижележащего электрохромного комплекта (ЭХК), в результате чего увеличивается его срок службы. Кроме того, данные слои могут повышать надежность ЭХО, например, выполняя функцию барьера для окислителей окружающей среды, когда и если уплотнение в стеклопакете разрушается. Также возможно использовать обсуждаемое выше ППП для осуществления данных функциональных возможностей.

[0069] Чтобы уменьшить вероятность диффузии железа из стеклянной подложки в комплект ЭХУ и тем самым уменьшить вероятность разрушения, в некоторых примерных вариантах реализации возможно использование тонкий барьерный слоя, такой как слой, включающий нитрид кремния (например, Si₃N₄ или другой подходящей стехиометрии). Однако в некоторых примерных вариантах реализации можно вместо этого использовать имеющее низкое содержание Fe и меньшую стоимость стеклянное изделие. Использование имеющей низкое содержание Fe и меньшую стоимость подходящей стеклянной подложки может уменьшать и иногда даже устранять необходимость в барьерном слое, что приводит к снижению сложности процесса, повышению прозрачности и понижению стоимости изготовления ЭХУ.

[0070] Использование LiPON в качестве слоя ИП преимущественно увеличивает надежность устройства. Например, надежность увеличивается, по меньшей мере, в отношении срока службы при использовании наиболее надежного и электрохимически устойчивого электролита, а именно LiPON, который сохраняет устойчивость вплоть до 5,5 В по отношению к металлическому литию и доказанный срок службы которого при использовании в тонкопленочных батареях составляет свыше 100000 циклов при минимальных потерях емкости. Минимальная потеря емкости батареи может превратиться в уменьшенный сдвиг оптических свойств при электрохромизме.

[0071] В некоторых примерных вариантах реализации толщину пакета можно оптимизировать, чтобы повысить скорость переключения ЭХУ. Например, один способ повышения скорости переключения ЭХУ заключается в том, чтобы уменьшить толщину слоев ПЭ и ИП. Обнаружено, что скорость переключения увеличивается при повышении уровней лития. Однако обнаружено также, что при чрезмерном повышении уровня лития устройства приобретают электронные «течи», в результате чего они не становятся полностью окрашенными, а также становится невозможным уменьшение скорости переключения. Оказалось, что описанные выше материалы и интервалы толщин комплекта выгодны в целях повышения скорости переключения, хотя в различных вариантах реализации также можно регулировать значения толщины и материалы другими способами.

Примерные способы интеграции процессов

[0072] Один недостаток, связанный с традиционной технологической схемой изготовления ЭХУ, заключается в необходимости разрезания по размерам и закаливания подложек перед формированием ЭХУ, что обусловлено тем фактом, что закаливание после изготовления будет повреждать ЭХУ, а после закаливания нельзя проводить разрезание по размерам. Такая традиционная технологическая схема проиллюстрирована на фиг. 2. В данном способе любое изменение требований к конечным изделиям, включая, например, размер, толщину, тип или другие параметры подложки, обычно приводит к усложнению условий изготовления устройств/слоев. Например, для оптимальных результатов потребуется точно регулировать способ нанесения ЭХП отдельно для каждого изделия в зависимости, например, от размера и толщины подложки. Для таких применений, как ЭХО, с четким контрастом, особенно в тонированном состоянии, такая неоднородность стала бы вредной для изделия.

[0073] Однако, как указано выше (например, в связи с фиг. 3), некоторые примерные варианты реализации вместо этого включают ламинирование, использование незакаленного однотипного стекла для изготовления ЭХУ, разрезание стекла по заданным размерам после изготовления и формирование рисунка устройства после сплошного нанесения электрохромных слоев. Из схемы на фиг. 3 и приведенного выше описания будет понятно, что имеет место отсутствие закаливания наряду с включением стадий ламинирования.

[0074] В данной концепции ламинирования/соединения электрохромного стекла внешнее оконное стекло (внешний лист) включает двухлистовой стеклопакет. Первый лист предназначен для использования в качестве электрохромного листа, а другой лист предназначен для соблюдения требований безопасности/закаливания и других требований к изделиям. Такая компоновка представлена на фиг. 6(a) и 6(b), которые показывают виды в поперечном сечении стеклопакетов в соответствии с некоторыми примерными вариантами реализации. Из фиг. 6(a) и 6(b) будет понятно, что существуют по меньшей мере два возможных варианта соединения ЭХС. В примерном варианте реализации по фиг. 6(a) электрохромный комплект обращен к открытому внутреннему пространству, в то время как в примерном варианте реализации по фиг. 6(b) электрохромный комплект непосредственно соединен с внешним листом. Примерный вариант реализации по фиг. 6(b) является особенно выгодным, поскольку он, вероятно, лучше защищен от нарушения герметичности стеклопакета. Одно полезное следствие данной концепции ламинирования/соединения заключается в том, что иногда можно полностью устранить необходимость в закаливании стекла, используемого для изготовления ЭХУ. Это, в свою очередь, открывает путь к использованию однотипных подложек и разрезанию по заданным размерам после изготовления при незакаленном стекле, согласующемуся и совместимому с существующими технологическими схемами изготовления имеющих покрытие стекол и окон. Следовательно, это способствует созданию условий для надежного и устойчивого производства в отношении оптимального управления процессами, производительности и выхода годного, а также снижению стоимости.

[0075] Как указано выше, стеклопакеты 600a и 600b, представленные на фиг. 6(a) и 6(b), похожи друг на друга. Они оба включают внешние стеклянные подложки 602, которые могут быть закаленными, наряду с внутренними стеклянными подложками 604. Эти подложки 602 и 604 расположены практически параллельно и на расстоянии друг от друга, например, за счет использования прокладок 606, в результате чего образуется изоляционный промежуток 608. Ламинат 610 (например, ламинированная PVB фольга, ламинат EVA, ламинат Optibond и т. д.) способствует соединению внешней стеклянной подложки 602 с ЭХС 402. На фиг. 6(a) ламинат 610 соединяет внешнюю стеклянную подложку 602 с электрохромной стеклянной подложкой 402 так, что комплект 400 электрохромных слоев обращен к изоляционному промежутку 608. Напротив, на фиг. 6(b) ламинат 610 соединяет внешнюю стеклянную подложку 602 с электрохромной стеклянной подложкой 402 так, что комплект 400 электрохромных слоев расположен между двумя этими подложками 602 и 402. Некоторые или все подложки могут представлять собой подложки из ультрабелого стекла (UltraWhite), которые поставляет на продажу правопреемник настоящего изобретения.

[0076] Модификация интеграции для формирования рисунка устройства после осаждения всех электрохромных слоев представляет собой другое преимущество некоторых примерных вариантов реализации, например, по сравнению с традиционным способом, показанным на фиг. 2, где требовалось множественное формирование рисунка устройств, например, как показано двунаправленной стрелкой. Однако, за счет формирования рисунка после завершения всех слоев уменьшается вероятность дефектов, в результате чего повышается выход годного и улучшается качество ЭХО. Это отчасти обусловлено упрощением процесса и уменьшением вероятности проблем перекрестного загрязнения, как в процессе формирования рисунка, так и при дополнительном воздействии (потенциально нечистого) окружающего воздуха.

[0077] Технологическая схема интеграции ЭХУ, которая включает ламинирование, соединение или другое скрепление двух стеклянных листов с образованием единого внешнего листа стеклопакета, как проиллюстрировано на фиг. 6(a) и 6(b), может, например, обеспечить дополнительные выгоды. Например, такие конструкции обладают потенциалом расширения сфер применения изделий (продукции), например, посредством гибкого сочетания стандартного ЭХС с любым другим стеклянным изделием, свойства которого можно выбирать, чтобы удовлетворять желательным требованиям к окнам, включая безопасность, цвет, звукоизоляцию и прочие. Данная технологическая схема согласуется с существующей цепочкой создания добавленной стоимости в стекольной промышленности и будет способствовать расширению доступных сфер применения, дополнительно амортизируя затраты на разработку и снижая себестоимость.

[0078] Ламинирование, соединение и/или другое скрепление стеклопакетов в некоторых примерных вариантах реализации могут быть аналогичны тем методам, которые используются в стекольной промышленности (небьющиеся изделия и т. д.) и в производстве тонкопленочных солнечных фотогальванических элементов. Сложности, связанные с термическим циклированием и фактическими температурами, которым могут подвергаться «поглощающие» ЭХУ, можно смягчить, например, путем выбора материалов так, чтобы они соответствовали друг другу (например, в отношении коэффициента термического расширения и т. д.), чтобы способствовать обеспечению совместимости в потенциально жестких окружающих условиях.

[0079] Фиг. 7 представляет собой третий иллюстративный электрохромный стеклопакет (СП) в соответствии с примерным вариантом реализации. Примерный вариант реализации по фиг. 7 аналогичен варианту по фиг. 6(b) в том, что осажденные напылением электрохромные слои 400 расположены между внешней стеклянной подложкой 602 и средним листом 402. Однако примерный вариант реализации по фиг. 7 отличается от примерного варианта реализации по фиг. 6(b) тем, что он включает ряд необязательных низкоэмиссионных покрытий. В частности, примерный вариант реализации по фиг. 7 включает первое низкоэмиссионное покрытие 702, находящееся на внутренней поверхности внешней стеклянной подложки 602, второе и третье низкоэмиссионные покрытия 704 и 706, находящиеся на противоположных поверхностях среднего листа 402, и четвертое низкоэмиссионное покрытие 708 на поверхности внутренней подложки 604, обращенной к воздушному промежутку 608. Одно или более из необязательных низкоэмиссионных покрытий могут представлять собой солнцезащитные низкоэмиссионные покрытия SunGuard SuperNeutral 70 (SN70), поставляемые на продажу правопреемником изобретения, хотя можно также использовать и другие низкоэмиссионные покрытия. Например, см. патенты США №№ 7537677, 7455910, 7419725, 7344782, 7314668, 7311975, 7300701, 7229533, 7217461, 7217460 и 7198851, описание каждого из которых настоящим включено сюда посредством ссылки.

Примерные высокопроизводительные источники и оборудование

[0080] Некоторые примерные варианты реализации делают электрохромную технологию более экономичной путем предложения источников с высокой скоростью осаждения покрытий, которые делают возможными высокопроизводительные предприятия с низкми капитальными затратами по производству ЭХУ. В отношении вариантов разработки источников приведенная ниже таблица определяет возможные способы осаждения электрохромных слоев, пригодные для использования в связи с некоторыми примерными вариантами реализации. Существуют два основных подхода для литиированных слоев, а именно, одностадийное осаждение из композитной мишени или последовательное осаждение оксида и лития. Использование обладающего высокой реакционной способностью лития (Li) в условиях промышленного производства может оказаться проблематичным. Однако использование литированной мишени может привести к непостоянству стехиометрии в течение срока службы мишени в случае применения способа напыления. В любом случае, при методах напыления, некоторые примерные варианты реализации могут предусматривать двухстадийный способ. Также можно использовать электронно-лучевые способы испарения литиированных оксидов металлов для преодоления потенциальных ограничений, связанных с использованием методов напыления.

[0081] Как указано выше, в некоторых примерных вариантах реализации можно использовать электролит LiPON вследствие его превосходных надежности и устойчивости, продемонстрированных при применении в тонкопленочных батареях. LiPON представляет собой электроизолирующий материал (более 10¹⁴ Ом·см), поэтому традиционное радиочастотное напыление обычно проявляет низкую скорость осаждения (менее чем 1 мкм/час). Традиционное осаждение Li путем испарения также является медленным. Соответственно, некоторые примерные варианты реализации можно ускорять таким образом, чтобы они были совместимыми с системой высокопроизводительного нанесения покрытия на большие площади.

[0082] Чтобы преодолеть, по меньшей мере, некоторые из данных традиционных проблем, некоторые примерные варианты реализации могут предусматривать плазменный источник осаждения покрытия на основе множества частот, в котором более высокочастотная плазма налагается на обычное радиочастотное питание. Таким способом можно усилить регулирование плотности плазмы и напряжения на корпусе (оболочке). Кроме того, можно повышать скорость осаждения, а также передавать энергию растущей пленке, например, чтобы модулировать кинетику ее роста. Этим способом можно также влиять на конформность, морфологию, кристалличность и низкую плотность микроотверстий, чтобы получать пленки с улучшенными характеристиками покрытия. Это, в свою очередь, позволит использовать более тонкие электролиты, приводя к более высокой производительности производства и более низкому импедансу ЭХУ с более высокими скоростями переключения. Фиг. 8(a) представляет собой СЭМ-изображение слоя Al толщиной 600 нм, осажденного традиционным испарением. Изображение на фиг. 8(a) демонстрирует столбчатую структуру, имеющую шероховатую поверхность. Фиг. 8(b) представляет собой СЭМ-изображение слоя Al толщиной 600 нм, осажденного методом активированного плазмой испарения в соответствии с некоторыми примерными вариантами реализации. То есть, фиг. 8(b) показывает концепцию многочастотного плазменного напыления для комбинированного радиочастотного-высокочастотного (РЧ-ВЧ) источника. СЭМ-фотография на фиг. 8(b) показывает пример тех эффектов передачи энергии растущей пленке, которые включают получение более плотной структуры, имеющей гладкую поверхность.

[0083] Существующие технологии испарения Li, как правило, не являются совместимыми с КСП, поскольку для них обычно требуется использование многоточечных источников и продолжительное время простоя для перезагрузки обладающего высокой реакционной способностью лития или создания инертных условий окружающей среды, чтобы обеспечивать самостоятельную подачу из внешнего источника. Однако некоторые примерные варианты реализации могут включать источник на основе линейного распылителя с удаленным резервуаром Li, который можно пополнять, не прерывая процесс, или вакуумной системой. Результаты моделирования для предлагаемых испарителей представлены в приведенной ниже таблице. Согласно этим результатам, единственный линейный источник оказывается достаточным для системы КСП (скорость составляет более чем 1 мкм/мин).

[0084] Проблемы с напылением Li включают образование кластеров и низкую скорость осаждения, которые отрицательно влияют на однородность. Образование кластеров происходит, когда распыляющие частицы намного тяжелее (например, Ar), а напряжение на корпусе чрезмерно высоко, что приводит к высокому моменту. Использование имеющих меньшую атомную массу He и Ne будет одновременно уменьшать скорость осаждения, и вызывать высокую стоимость. Следовательно, в некоторых примерных вариантах реализации можно использовать многочастотный плазменный источник, аналогичный предложенному для осаждения LiPON. Однако радиочастоту можно налагать при напылении на постоянном токе для повышения плотности плазмы и снижения напряжения на копрусе. Это позволит использовать менее дорогой Ar при одновременном уменьшении образования кластеров.

[0085] В рамках разработки КСП в некоторых примерных вариантах реализации можно обеспечить экономию времени, так как активные слои можно получать в единой интегрированной системе осаждения, в которой подложки находятся только в чистых камерах осаждения, что уменьшает влияющие на выход годного и эстетичность дефекты/отходы, вызываемые, например, формированием рисунка, разрезанием подложек до нужных размеров, воздействием воздуха и т. д. Ограниченное воздействие воздуха также сокращает требования к чистоте помещений и опять же приводит к общему уменьшению расходов.

[0086] В некоторых примерных вариантах реализации процесс изготовления комплекта электрохромных слоев можно ускорить в по меньшей мере 2 раза по сравнению с существующими способами, предпочтительнее - по меньшей мере 3 раза, а еще более предпочтительно - по меньшей мере 5 раз. В процессе осаждения можно использовать множество мишеней (например, 2, 3, 4 или даже 5 или еще больше мишеней), чтобы увеличить скорость производственной линии.

Примерный электрохромный стеклопакет

[0087] Примерный ЭХСП включает закаленную внешнюю подложку, средний лист и внутреннюю подложку. Внешняя подложка представляет собой подложку из ультрабелого стекла UltraWhite толщиной 6 мм, а средний лист представляет собой подложку из UltraWhite толщиной 1 мм. Внешняя подложка и средний лист соединены друг с другом с помощью ламината Optibond. Электрохромные слои нанесены на поверхность среднего листа, которая обращена к внешней подложке. ППП, используемые в связи с электрохромными слоями, соответствуют примерному комплекту слоев по фиг. 5. Солнцезащитное низкоэмиссионное покрытие SunGuard SuperNeutral 70, поставляемое на продажу правопреемником изобретения, сформировано на обеих сторонах электрохромных слоев. Внутренняя подложка представляет собой имеющий толщину 6 мм лист прозрачного стекла Clear, поставляемого на продажу правопреемником изобретения. Между средним листом и внутренней подложкой имеется воздушный промежуток в 12 мм. Такая компоновка может иметь следующие примерные свойства:

[0088] В некоторых примерных вариантах реализации пропускание в тонированном состоянии предпочтительно составляет менее 5%, предпочтительнее - менее 4%, еще более предпочтительно - менее 3%, а иногда даже примерно 2%. В некоторых примерных вариантах реализации пропускание в нетонированном состоянии предпочтительно составляет, по меньшей мере, примерно 40%, предпочтительнее - по меньшей мере примерно 45%, а иногда 48% или даже больше. КПСТ предпочтительно составляет в интервале от 0,03 до 0,5.

[0089] Используемые здесь термины «на», «поддерживаемый» и т. п. не следует истолковывать как означающие, что два элемента непосредственно соприкасаются друг с другом, если явно не указано иное. Другими словами, можно сказать, что первый слой находится «на» втором слое или «поддерживается» вторым слоем, даже если между ними имеется один или более слоев.

[0090] Хотя изобретение было описано в связи с тем, что в настоящее время рассматривается в качестве наиболее практичного и предпочтительного варианта реализации, следует понимать, что изобретение не следует ограничивать раскрытым вариантом его реализации, а, напротив, оно предусмотрено охватывающим разнообразные модификации и эквивалентные компоновки, входящие в рамки сути и объема прилагаемой формулы изобретения.

Реферат

Изобретение относится к электрохромным устройствам (ЭХУ) и способам их изготовления. Согласно способу изготовления электрохромных окон обеспечивают первую стеклянную подложку, наносят на первую подложку слои электрохромного устройства, включая по меньшей мере слои противоэлектрода (ПЭ), ионного проводника (ИП) и электрохромного материала (ЭХМ). Далее производят формирование рисунка слоев ЭХУ и разрезание первой стеклянной подложки с нанесенными на нее слоями электрохромного устройства так, чтобы образовалось множество подложек с ЭХУ, обеспечение множества вторых стеклянных подложек, ламинирование или соединение множества подложек с ЭХУ с множеством вторых стеклянных подложек соответственно, и обеспечение множества третьих стеклянных подложек. Затем формируют множество стеклопакетов, соответственно содержащих первую и вторую подложки в параллельном расположении на расстоянии от третьих стеклянных подложек. Технический результат - уменьшение затрат материалов, увеличение скорости производства. 5 н. и 22 з.п. ф-лы, 11 ил., 3 табл.

Формула