Электрохроматическое устройство (варианты) и электрохроматическая комбинация (варианты) - RU2117972C1

Чертежи

Показать все 10 чертежа(ей)

Описание

Изобретение касается электрохроматических устройств, через которые может при регулируемых условиях передаваться энергия, включая световую. Более конкретно - изобретение направлено на усовершенствование электрохроматических устройств, которые могут использоваться на больших поверхностях, а также способов изготовления таких устройств.

Известно, что определенные материалы, именуемые электрохроматическими, способны изменять свои оптические свойства в ответ на приложение электрического тока или электрического потенциала. Это свойство было использовано для изготовления электрохроматических устройств, которыми можно управлять с целью избирательного пропускания световой энергии. Типичная структура таких электрохроматических устройств состоит из последовательных слоев, включающих в себя слой электропроводящего материала, электрод, образованный из слоя электрохроматического материала, ионопроводящий слой, противоэлектродный слой и еще один электропроводящий слой. В начальном состоянии электрохроматического устройства каждый из перечисленных выше слоев является оптически прозрачным, так что большая часть световой энергии, падающей на устройство, будет пропускаться через него. Однако после приложения электрического потенциала к этим слоям оптические свойства электрохроматического материала изменятся, так что электрохроматический слой станет менее прозрачным, препятствуя таким образом пропусканию большой части световой энергии.

Одно из наиболее важных потенциальных применений электрохроматических устройств состоит в регулировании пропускания световой энергии через окна, в частности большие окна зданий офисов и других подобных сооружений. С помощью избирательного регулирования пропускания световой энергии через эти окна можно достичь огромной экономии с точки зрения обогрева и охлаждения этих зданий. Однако до настоящего времени попытки широкомасштабного использования этого потенциального преимущества были в основном безуспешными. Одной из причин неудач является низкая экономичность промышленного изготовления электрохроматических устройств, которые можно было бы эффективно использовать на больших поверхностях. Устройства, выпускавшиеся до сих пор, создавали нежелательную мозаику разных цветов или радужный эффект при использовании их на поверхностях больший площади. Поскольку цвет этих устройств прямо связан с толщиной разных слоев, изменения толщины слоя вызывают изменения цвета от одной области к другой, создавая таким образом радужный эффект. Исключительно жесткие допуски, необходимые для преодоления этой проблемы, снижают экономичность использования этих устройств на поверхностях большой площади.

Еще одно препятствие к широкому использованию электрохроматических устройств на поверхности большой площади связано с представлением, что необходимо использовать оптически прозрачные проводящие материалы для приложения электрического потенциала к этим устройствам, чтобы не ухудшать оптическую прозрачность этих устройств. Предпочтительно, чтобы проводящие слои, образованные из этих материалов, имели низкое сопротивление слоя для осуществления быстрого и равномерного изменения оптических свойств во всем устройстве. Эти слои, как правило, формируются из дорогостоящих прозрачных проводящих металлических оксидов. Относительно толстые слои таких оксидов необходимы для достижения приемлемо низкого сопротивления слоя для устройств с поверхностью большой площади, способствующей снижению их общей прозрачности. Кроме того, высокая стоимость таких материалов, требуемых в относительно больших количествах, делает их использование весьма неэкономичным.

Наиболее близкими к предложенным являются электрохроматические устройство и комбинация, описанные в WO 89/12844, кл. G 02 F 1/17, 1989 и содержащие два электропроводящих слоя, между которыми заключены электрохромная структура и по меньшей мере один слой оптически прозрачного материала.

Следовательно, существует необходимость в усовершенствованных электрохроматических устройствах, которые бы имели приемлемый вид при использовании на поверхностях большой площади. Существует также необходимость в таких электрохроматических устройствах, производство которых было бы эффективным и экономичным и которые, следовательно, подходили бы для широкого коммерческого использования.

Перечисленные проблемы решаются изобретением.

Согласно одному из аспектов изобретения предлагается электрохроматическое устройство, состоящее из электрохроматической структуры, содержащей электрод, выполненные из электрохроматического материала противоэлектрод и средство переноса, предназначенное для переноса ионов между электродом и противоэлектродом. Проводящие средства, включающие в себя по меньшей мере два электропроводящих слоя, заключают между собой электрохроматическую структуру, так что к ней может прикладываться электрический потенциал. Электрохроматическое устройство содержит также усиливающее средство, предназначенное для усиления пропускания излучения по меньшей мере через один из электропроводящих слоев. Предпочтительно электрод, противоэлектрод и ионопроводящие слои выбираются таким образом, чтобы все они имели приблизительно одинаковый показатель преломления.

В предпочтительных вариантах усиливающие средства содержат по меньшей мере один слой оптически прозрачного материала, находящийся в поверхностном контакте по меньшей мере с одним электропроводящим слоем. Предпочтительно оптически прозрачный материал является прозрачным оксидом, прозрачным нитридом или их комбинацией. В некоторых особо предпочтительных вариантах оптически прозрачный материал содержит смесь оксида кремния и оксида олова.

Средства переноса предпочтительно содержат по меньшей мере один слой, образованный из ионопроводящего материала, помещенного между электродом и противоэлектродом. В этих вариантах электрохроматический материал предпочтительно получают из оксида вольфрама, оксида ниобия, оксида титана, оксида молибдена, оксида никеля, оксида иридия или их смесей. Противоэлектрод предпочтительно выполняется из оксида ванадия, оксида ниобия, оксида индия, оксида никеля, оксида кобальта, оксида молибдена или их смесей. Ионопроводящим материалом может быть литиевый ионопроводящий материал, такой как силикат лития, боросиликат лития, алюмосиликат лития, ниобат лития, нитрид лития или алюмофторид лития. Альтернативно ионопроводящим материалом может быть водородный ионопроводящий материал, такой как двуокись кремния или пятиокись тантала. Предпочтительно электрод, противоэлектрод и ионопроводящий слой подбираются таким образом, чтобы все они имели приблизительно одинаковый показатель преломления. Это может достигаться посредством регулирования показателя преломления этих материалов за счет добавления оксидов, имеющих разные показатели преломления.

В одном из вариантов согласно данному аспекту изобретения электрохроматическое устройство содержит также подложку, находящуюся в поверхностном контакте по меньшей мере с одним слоем оптически прозрачного материала, причем подложка имеет первый показатель преломления, по меньшей мере один электропроводящий материал имеет второй показатель преломления и по меньшей мере один слой оптически прозрачного материала имеет третий показатель преломления, промежуточный между первым и вторым показателями преломления. В предпочтительных электрохроматических устройствах согласно данному варианту показатель преломления по меньшей мере одного слоя оптически прозрачного материала равен приблизительно корню квадратному из математического произведения первого и второго показателей преломления. Также по меньшей мере один слой оптически прозрачного материала предпочтительно имеет толщину, обратно пропорциональную показателю преломления по меньшей мере одного слоя оптически прозрачного материала, и более предпочтительно от 60 мм до 90 нм.

Согласно другому варианту усиливающее средство может состоять из ряда оптически прозрачных слоев, начинающегося с первого оптически прозрачного слоя, находящегося в поверхностном контакте по меньшей мере с одним электропроводящим слоем, и заканчивающегося n-м оптически прозрачным слоем. Данный вариант изобретения может также содержать подложку, находящуюся в поверхностном контакте с n-м оптически прозрачным слоем, при этом по меньшей мере один электропроводящий слой имеет первый показатель преломления, а базовый материал имеет второй показатель преломления ниже первого показателя преломления. В этом варианте показатель преломления первого оптически прозрачного слоя ниже первого показателя преломления, показатель преломления n-го оптически прозрачного слоя выше второго показателя преломления и показатель преломления каждого слоя из ряда оптически прозрачных слоев монотонно уменьшается от показателя преломления первого прозрачного слоя до показателя преломления n-го прозрачного слоя.

В еще одном варианте усиливающее средство может состоять из двух оптически прозрачных слоев, один из которых приближен к упомянутому по меньшей мере одному электропроводящему слою, а другой оптически прозрачный слой удален относительно упомянутого по меньшей мере одного электропроводящего.

В этом варианте по меньшей мере один электропроводящий слой имеет первый показатель преломления, один из оптически прозрачных слоев имеет показатель преломления, который ниже первого показателя преломления, а другой из оптически прозрачных слоев имеет показатель преломления выше показателя преломления одного из оптически прозрачных слоев. В предпочтительных вариантах данного устройства один из оптически прозрачных слоев имеет показатель преломления в интервале 1,4-1,7, а другой из оптически прозрачных слоев имеет показатель преломления почти равный или выше первого показателя преломления. Кроме того, два оптически прозрачных слоя предпочтительных устройств согласно изобретению имеют совокупную толщину в интервале от 30 до 70 нм.

В следующем варианте изобретения по меньшей мере один из электропроводящих слоев содержит слой первого электропроводящего металла. Предпочтительно этот первый электропроводящий слой имеет толщину от 5 до 15 нм, более предпочтительно от 7 до 12 нм. Дополнительно данный вариант может также содержать промежуточный слой, расположенный между электрохроматической структурой и первым электропроводящим металлическим слоем. Этот промежуточный слой может быть образован из второго электропроводящего металла и предпочтительно - из металла, обладающего более высокой стабильностью, чем первый электропроводящий металл, или из электропроводящего оксида.

Предпочтительно усиливающее средство в этом последнем варианте содержит по меньшей мере один слой оптически прозрачного материла, находящийся в поверхностном контакте с первым электропроводящим металлическим слоем. Еще более предпочтительно оптически прозрачный материал содержит электропроводящий оксид. Предпочтительные оптически прозрачные материалы имеют показатель преломления выше приблизительно 1,9 и желательно приблизительно от 1,9 до 2,8, а толщину от 10 нм до 50 нм и более предпочтительно от 23 до 45 нм.

В следующем варианте изобретения по меньшей мере один из электропроводящих слоев включает слой электропроводящего оксида и предпочтительно оксида, имеющего почти такой же показатель преломления, что и электрод, противоэлектрод и ионопроводящий слой. Электрохроматическое устройство согласно данному варианту может также содержать слой электропроводящего металла, находящийся в поверхностном контакте с электропроводящим оксидным слоем. В предпочтительных вариантах электропроводящий оксидный слой располагается между электрохроматической структурой и проводящим металлическим слоем. Желательно, чтобы усиливающее средство в этих вариантах содержало по меньшей мере один слой оптически прозрачного материала, имеющего показатель преломления выше приблизительно 1,9, находящийся в поверхностном контакте с проводящим металлическим слоем. Предпочтительно эти оптически проводящие слои имеют толщину приблизительно от 10 до 50 нм.

Следующий аспект изобретения касается электрохроматической комбинации, состоящей из прозрачной подложки и электрохроматического устройства, расположенного на прозрачной подложке. Электрохроматическое устройство может в целом состоять из электрохроматической структуры, включающей в себя электрод, образованный из электрохроматического материла, противоэлектрод и средство переноса, предназначенное для переноса ионов между электродом и противоэлектродом. Электрохроматическое устройство может также содержать проводящие средства, включающие в себя по меньшей мере два электропроводящих слоя, заключающих между собой электрохроматическую структуру, для приложения электрического потенциала к электрохроматической структуре, усиливающее средство, предназначенное для усиления пропускания излучения через по меньшей мере один из электропроводящих слоев.

Предпочтительные варианты согласно данному аспекту изобретения могут также включать в себя прозрачный суперслой, причем электрохроматическое устройство расположено между прозрачной подложкой и прозрачным суперслоем. Слой адгезивного материала может использоваться для связывания прозрачного суперслоя с электрохроматическим устройством. Такой адгезивный слой предпочтительно имеет показатель преломления от 1,4 до 1,8, который предпочтительно по существу равен показателю преломления суперслоя. Дополнительно по меньшей мере один электропроводящий слой может содержать слой электропроводящего оксида и адгезивный слой может быть в поверхностном контакте с электропроводящим оксидным слоем. В этом случае адгезивный слой предпочтительно имеет показатель преломления между показателем преломления электропроводящего оксидного слоя и показателем преломления суперслоя.

На фиг. 1 схематично изображено поперечное сечение известного электрохроматического устройства; на фиг. 2 - графическое изображение пропускания света через электрохроматическое устройство, изображенное на фиг. 1, в обесцвеченном состоянии; на фиг. 3 - схематическое изображение поперечного сечения электрохроматического устройства согласно одному из вариантов изобретения; на фиг. 4 - схематическое изображение поперечного сечения электрохроматического устройства согласно другому варианту настоящего изобретения; на фиг. 5 - графическое изображение пропускания света через электрохроматическое устройство, изображенное на фиг. 4, в обесцвеченном состоянии; на фиг. 6 - схематическое изображение поперечного сечения электрохроматического устройства согласно еще одному варианту изобретения; на фиг. 7 - графическое изображение пропускания света через электрохроматическое устройство, показанное на фиг. 6, в обесцвеченном состоянии; на фиг. 8 - схематическое изображение поперечного сечения электрохроматического устройства согласно еще одному варианту изобретения; на фиг. 9 - графическое изображение пропускания света через электрохроматическое устройство, показанное на фиг. 8, в обесцвеченном состоянии; на фиг. 10 - схематическое изображение поперечного сечения электрохроматического устройства согласно следующему варианту настоящего изобретения; на фиг. 11 - схематическое изображение поперечного сечения электрохроматического устройства согласно еще одному варианту настоящего изобретения.

В описании электрохроматические устройства, выполненные согласно данному изобретению, обсуждаются в связи с их использованием для регулирования пропускания света через окно. Однако подразумевается, что эти электрохроматические устройства можно использовать для широкого ряда применений, включая дисплеи, зеркала с переменной отражательной способностью, линзы и подобные устройства, для которых положительное значение имеет возможность избирательного регулирования пропускания световой энергии через прозрачную структуру.

На фиг. 1 схематично изображено поперечное сечение окна 10, содержащего традиционное электрохроматическое устройство. Окно 10 состоит из ряда последовательных слоев, включающего в себя прозрачную стеклянную подложку 12, прозрачный проводящий оксидный слой 20, электрохроматический электродный слой 30, ионопроводящий слой 40, противоэлектродный слой 50, другой прозрачный проводящий оксидный слой 22 и прозрачный стеклянный суперслой 14. Батарея 2 низкого напряжения и переключатель 4 подсоединены к слоистой структуре с помощью проводов 6 и 8. Чтобы изменить оптические свойства окна 10, переключатель 4 замыкается, после чего батарея 2 обеспечивает формирование электрического потенциала на слоистой структуре. Характер создаваемого электрического потенциала, а значит, и направление потока ионов и электронов, определяются полярностью батареи. В варианте, изображенном на фиг. 1, электрический потенциал, возникающий при замыкании переключателя 4, будет заставлять ионы проходить от противоэлектродного слоя 50 через ионопроводящий слой 40 к электрохроматическому электродному слою 30, восстанавливая таким образом так называемое "цветное" состояние электрохроматического материала. В этом состоянии прозрачность окна 10 существенно уменьшается, поскольку большая часть световой энергии, падающей на окно 10, поглощается и отражается электрохроматическим электродным слоем 30. Окно 10, имеющее "память" в электрохроматичском слое 30, будет оставаться в своем цветном состоянии, даже если переключатель 4 разомкнут, если слой 40 является также электроизолирующим. Однако, если полярность батареи 2 изменяется на обратную и переключатель 4 замыкается, приложенный электрический потенциал вызовет поток ионов в обратном направлении от электрохроматического электродного слоя 30 через ионопроводящий слой 40 к противоэлектродному слою 50, обеспечивая таким образом окисление электрохроматического материала в его так называемое "обесцвеченное" состояние, при котором прозрачность окна 10 максимальная.

При изготовлении окна 10 слои 20 и 22 могут быть образованы из любых прозрачных оксидов, которые обладают высокой электронной проводимостью, например из легированного оксида олова, легированного оксида цинка, легированного оловом оксида индия и подобных материалов. Материалы, образующие слои 20 и 22, не обязательно должны быть одинаковыми. Электрохроматический слой 30 типично выполняется из материала, оптические свойства которого можно изменить на противоположные при изменении его состояния окисления. Толщина электрохроматического электродного слоя 30 будет нормально такой, что в цветном состоянии достигается допустимое уменьшение прозрачности окна. Широко используемым материалом в этом отношении является оксид вольфрама (WO₃), хотя могут быть использованы и другие подходящие материалы, например оксид молибдена, оксид никеля, оксид иридия, оксид ниобия, оксид титана и смеси перечисленных оксидов.

Ионопроводящий слой 40 используется для переноса ионов в электрохроматический слой 30 и из него и должен проявлять и сохранять два электрически противоположных свойства. Это значит, что ионопроводящий слой 40 должен легко пропускать ионы после приложения электрического потенциала, но должен оставаться электрически изолирующим в отношении пропускания электронов. В этой связи ионопроводящий слой 40 должен иметь толщину, достаточную, чтобы исключить возможность образования электронной дуги или закорачивания между электрохроматическим электродным слоем 30 и противоэлектродным слоем 50. При формировании слоя 40 подходящими материалами для пропускания ионов лития являются, например, силикат лития, боросиликат лития, алюмосиликат лития, ниобат лития, нитрид и алюмофторид лития, а подходящими материалами для пропускания ионов водорода являются пятиокись тантала и диоксид кремния. Альтернативно ионопроводящий слой 40 может быть выполнен из полимерного материала.

Противоэлектродный слой 50 окна 10 типично выполняется из материала, способного накапливать ионы, а затем высвобождать эти ионы для пропускания в электрохроматический слой 30 в ответ на соответствующий электрический потенциал. Толщина этого слоя предпочтительно такова, что противоэлектрод способен пропускать достаточно большое количество ионов в электрохроматический электродный слой, чтобы вызвать в этом слое приемлемое изменение цвета. Некоторые противоэлектродные материалы сами по себе также являются электрохроматическими, поскольку их оптические свойства изменяются, когда они отдают или принимают ионы в ответ на приложение электрического потенциала. Эти электрохроматические противоэлектродные материалы могут дополнять действие, которое оказывает электрический потенциал на оптические свойства электрохроматических электродных материалов. Это значит, что противоэлектродные материалы могут стать менее прозрачными, когда они высвобождают ионы, чтобы преобразовать электрохроматические материалы в цветное состояние. Аналогичным образом противоэлектродные материалы могут стать более прозрачными, когда они принимают ионы после преобразования электрохроматического материала в обесцвеченное состояние. Подходящими материалами для формирования противоэлектродного слоя 50 являются оксид ванадия, оксид ниобия, оксид индия, оксид никеля, оксид кобальта, оксид молибдена и смеси перечисленных оксидов.

Каждый из описанных выше слоев может быть осажден с помощью известных технологий при условии, что формируются дискретные и непрерывные отдельные слои. Конкретный способ осаждения каждого слоя зависит от нескольких параметров, включая вид осаждаемого материала, толщину осаждаемого слоя, материалы, осажденные в предыдущих слоях и т.д. Обычно используются способы осаждения, включающие в себя распыление в ВЧ-разряде, химическое осаждение из паровой фазы, химическое осаждение из паровой фазы методом плазменного распыления, электронно-лучевое осаждение, технологии типа "золь-гель" и другие известные способы осаждения тонких пленок.

Во время процесса изготовления по меньшей мере в один электрохимический электродный слой 30 и противоэлектродный слой 50 могут быть введены соответствующие ионы, такие как ионы лития или водорода, если только эти ионы уже не присутствуют в одном из слоев в осажденной форме. Введение ионов может быть осуществлено посредством обработки слоя 30 или слоя 50 соответствующим восстановителем. Например, для введения лития может использоваться n-бутил литий или для введения водорода может использоваться водный раствор серной кислоты. Альтернативно введение ионов может осуществляться в операции вакуумной обработки, например, посредством распыления из мишени, служащей источником подходящих ионов, такой как литиевая мишень, которая разлагается с образованием атомов лития в паровой фазе. Также введение водорода может осуществляться под воздействием водородной плазмы. Введение ионов может также производиться электрохимическим способом, посредством восстановления в соответствующем ионосодержащем электролите. Еще одной технологией является прямое осаждение слоя восстановленного материала с помощью осаждения из паровой фазы в восстановительной атмосфере, которая будет вступать в реакцию с источником или материалом мишени, чтобы образовать желаемый состав, или посредством использования источника или мишени, имеющей восстановленный состав.

Согласно еще одной технологии введения ионов используется летучий исходный материал и возбуждается разряд при низком давлении пара, чтобы диссоциировать вводимый ион от исходного материала. Например, органическое литиевое соединение в форме газообразного исходного материала можно диссоциировать таким образом, что ионы лития вступают в контакт с материалом, в который они должны быть введены.

На фиг. 2 показано пропускание световой энергии как функция длины волны в обесцвеченном состоянии для окна 10, в котором стеклянная подложка 12 имеет показатель преломления 1,5, прозрачный оксидный слой 20 имеет показатель преломления 2,1 и толщину 450 нм, электрохромный электродный слой 30 имеет показатель преломления 2,1 и толщину 300 нм, ионопроводящий слой 40 имеет показатель преломления 1,5 и толщину 200 нм, противоэлектродный слой 50 имеет показатель преломления 2,0 и толщину 200 нм, прозрачный проводящий оксидный слой 22 имеет показатель преломления 2,1 и толщину 450 нм и стеклянный суперслой 14 имеет показатель преломления 1,5. Показано обесцвеченное состояние, потому что оно более чувствительно к проблемам достижения равномерного пропускания света как функции длины волны. Можно заметить, что пропускание света через данную слоистую структуру совсем не отличается равномерностью, в результате чего окно имеет цветную мозаику или радужный эффект.

Согласно одному аспекту изобретения устраняются недостатки экономического характера и уменьшаются оптические проблемы, связанные с использованием прозрачных проводящих оксидов на поверхностях большой площади оптически прозрачных электрохроматических устройств. На фиг. 3 схематично показано поперечное сечение окна 100, содержащего электрохроматическое устройство согласно данному аспекту настоящего изобретения. Окно 100 подобно окну 10, описанному выше, при обратном расположении электрохроматического электродного слоя и противоэлектродного слоя. Таким образом, окно 100 содержит прозрачную стеклянную подложку 12, прозрачный проводящий оксидный слой 20, противоэлектродный слой 50, ионопроводящий слой 40 и электрохроматический электродный слой 30. Эти слои формируются практически из тех же материалов, которые были описаны выше в связи с окном 10. Однако вместо второго проводящего оксидного слоя 22 окно 100 содержит комбинацию слоев, включающую в себя слой 21, образованный из электропроводящего металла, и слой 60, образованный из прозрачного оксида, который служит слоем оптической настройки. Дополнительно окно 100 может также содержать барьерный слой 80, сформированный из инертного или устойчивого электропроводящего металла, такого как никель, для предотвращения миграции ионов из электрохроматического электродного слоя 30 в проводящей металлический слой 21, и второй слой 90, который может способствовать прилипанию слоя оптической настройки 60 к проводящему металлическому слою 21 или может действовать как барьер, предотвращая растворение проводящего металла из слоя 21 в прозрачном оксидном слое 60. Вся структура завершается прозрачным стеклянным суперслоем 14.

В вышеописанной структуре слой 21 может быть образован из серебра или другого высокопроводящего металла, такого как медь или алюминий. Используя высокопроводящий металл, можно формировать очень тонкие слои, имеющие слабое поглощение света и низкое листовое сопротивление, решая, таким образом, проблемы экономического и производственного характера, присущие использованию относительно толстых слоев прозрачных проводящих оксидов. Предпочтительно слой 21 имеет толщину приблизительно 5 - 15 нм, более предпочтительно приблизительно 7 - 12 нм. Даже несмотря на то, что тонкие слои серебра и других проводящих металлов не отличается высокой оптической прозрачностью из-за их высокой отражательной способности, пропускание света через них может быть улучшено за счет наличия соответственно выбранного слоя оптической настройки 60. Слои оптической настройки, такие как слой 60, которые используются в совокупности с проводящими металлическими слоями, предпочтительно имеют толщину приблизительно 10 - 50 нм, более предпочтительно приблизительно 23 - 40 нм. Предпочтительные материалы для формирования слоя оптической настройки 60 имеют показатель преломления, превышающий 1,9, более предпочтительно приблизительно 1,9 - 2,7. Если слой оптической настройки 60 формируется толщиной 30 - 40 нм и его показатель преломления практически равен или выше показателя преломления противоэлектрода 30, так что проводящий металлический слой 21, имеющий низкий показатель преломления, помещается между слоями 60 и 30, имеющими более высокие показатели преломления, отраженные сигналы на разных поверхностях раздела между слоями 14, 60, 21, 30 и 40 будут ослаблены, что уменьшает отражение и максимально увеличивает пропускание. В результате окно 100 будет очень прозрачным при обесцвеченном состоянии электрохроматического электродного слоя 30.

Дальнейшие улучшения пропускания световой энергии через электрохроматические устройства могут быть реализованы, используя принцип слоя оптической настройки, описанного выше, в комбинации с прозрачными проводящими оксидными слоями. Окно 110, обладающее этим признаком, схематично показано в поперечном сечении на фиг. 4. Окно 110 состоит из стеклянной подложки 12, прозрачного слоя оптической настройки 61, прозрачного проводящего оксидного слоя 20, электрохроматического электродного слоя 30, ионопроводящего слоя 41, противоэлектродного слоя 50, прозрачного проводящего оксидного слоя 22, прозрачного слоя оптической настройки 62, слоя слоистого пластика 70 и прозрачного стеклянного суперслоя 14. Каждый из слоев 12, 20, 30, 50 и 14 идентичен слоям, описанным в связи с окном 100, но положение электрохроматического электродного слоя 30 и противоэлектродного слоя 50 изменено на обратное, чтобы они вновь имели ориентацию, как показано на фиг. 1. В этом варианте проводящий металлический слой 21 и слой оптической настройки 60 заменены прозрачным проводящим оксидным слоем 22, который может быть сформирован из того же прозрачного проводящего оксида, что и слой 20, хотя может быть сформирован и из другого оксида и соответствующего слоя оптической настройки 62. Кроме того, введен слой оптической настройки 61, чтобы улучшить пропускание света через окно 110, а более конкретно - улучшить равномерность пропускания света как функцию длины волны.

Выбор соответствующих слоев оптической настройки 61 и 62 осуществляется на основании уравнения
показатель преломления = n + ik,
где
n - реальная компонента показателя преломления;
i - корень квадратный из -1;
k - мнимая компонента показателя преломления, относящаяся к поглощению.

Чтобы оптимизировать эффект оптической настройки, слои 61 и 62 выбираются таким образом, что они прозрачны для видимого света (т.е. мнимая компонента показателя преломления k приблизительно равна нулю, так что поглощение очень низкое), и реальная компонента показателя преломления этих слоев n равна среднему геометрическому показателей преломления слоев на каждой из сторон слоев оптической настройки. Таким образом, слой оптической настройки 61 предпочтительно формируется из прозрачного материала, имеющего показатель преломления, равный среднему геометрическому показателя преломления стеклянной подложки 12 и показателя преломления прозрачного проводящего оксидного слоя 20. Аналогично слой оптической настройки 62 предпочтительно формируется из прозрачного материала, имеющего показатель преломления, равный среднему геометрическому показателей преломления проводящего оксидного слоя 22 и слоя слоистого пластика 70. Используемый здесь термин "среднее геометрическое" означает корень квадратный из произведения двух показателей преломления.

Соответствующая оптическая настройка также является функцией толщины слоев оптической настройки 61 и 62, которая предпочтительно равна одной четвертой длины световой волны падающего света. Длина световой волны, проходящей через слой, определяется посредством деления рассматриваемой длины световой волны на показатель преломления среды, через которую она проходит, т.е. слои 61 и 62. Для видимого света, имеющего длину волны в интервале 400 - 650 нм, можно произвести полезную аппроксимацию длины световой волны путем деления длины волны, равной 549 нм, на показатель преломления слоя оптической настройки. После такого можно определить толщину слоя оптической настройки посредством деления оптической длины волны на 4. Желательно, чтобы толщина слоев оптической настройки, используемых в комбинации с прозрачными проводящими оксидными слоями, такими как слои 20 и 22, составляла 60 - 90 нм.

Как пример описывается способ выбора показателя преломления и толщины слоя оптической настройки. Сначала определяется желательный показатель преломления путем умножения 1,5 (показателя преломления стеклянной подложи 12) на 2,1 (показатель преломления прозрачного проводящего оксидного слоя 20) и извлечения корня квадратного из этого произведения. В результате данного расчета получен показатель преломления 1,77. Затем определяется толщина слоя оптической настройки 61 путем деления 540 нм на 1,77, что дает длину световой волны приблизительно 300 нм. Предпочтительно толщина слоя оптической настройки 61 составляет одну четвертую данной величины или приблизительно 75 нм. Расчет для слоя оптической настройки 62 осуществляется аналогичным образом.

Предпочтительными материалами для формирования отдельных слоев оптической настройки согласно данному изобретению являются прозрачные оксиды, прозрачные нитриды и комбинация прозрачных оксидов и прозрачных нитридов. Особо предпочтительными являются смеси оксидов кремния и олова.

В данных смесях отношение кремния к слову определяет показатель преломления, причем чем выше отношение кремния к слову, тем ниже показатель преломления, и чем ниже отношение кремния к олову, тем выше показатель преломления. Прочие материалы, которые можно использовать для слоев оптической настройки, заявлены в патентах США N 4187336 и N 4308316. Соответствующий выбор слоев оптической настройки 61 и 62 позволяет свести к минимуму интерференцию света на поверхности раздела между проводящими оксидным слоем 20 и подложкой 12 в случае слоя настройки 61 и на поверхности раздела между проводящим оксидным слоем 22 и слоем слоистого пластика 70 в случае слоя настройки 62.

Слой слоистого пластика 70 является адгезивным слоем для приклеивания стеклянного суперслоя 14 к слою оптической настройки 62. Поскольку слой слоистого пластика 70 не ухудшает оптическую пропускную способность окна 110, он предпочтительно выбирается таким образом, чтобы его показатель преломления был практически равен показателю преломления стеклянного суперслоя 14, сводя таким образом к минимуму любые эффекты интерференции между данными слоями. В этой связи особенно подходящими адгезивными материалами для слоя слоистого пластика 70 являются винилацетатный этилен и поливинилбутирал.

Электрохроматическая структура окна 110 отличается от электрохроматической структуры окна 100 и известных электрохроматических устройств тем, что принцип оптической настройки применен к ионопроводящему слою 41. В данном случае интерференция света на поверхностях раздела между ионопроводящим слоем 41 и смежными электрохроматическим электродным слоем 30 и противоэлектродным слоем 50 может быть практически исключена за счет формирования ионопроводящего слоя 41 из прозрачного материала, имеющего показатель преломления, который приблизительно равен показателям преломления электрохроматического электродного слоя 30 и противоэлектродного слоя 50. Показатели преломления электрохроматического электродного слоя 30, ионопроводщего слоя 41 и противоэлектродного слоя 50 могут быть отрегулированы посредством смешивания материалов для формирования этих слоев с материалами, имеющими более высокие или более низкие показатели преломления, чтобы получить желаемый эффект. Например, если желательно получить ионопроводящий слой 41, имеющий показатель преломления выше того, который обеспечивается силикатом лития, могут быть использованы смеси силиката лития и титана или циркония. Если показатели преломления всех этих трех слоев приблизительно равны, интерференция на этих поверхностях раздела будет практически исключена, а пропускание света будет максимальным.

В наиболее предпочтительных вариантах показатели преломления электрохроматического электродного слоя 30, ионопроводящего слоя 41 и противоэлектродного слоя 50 регулируются таким образом, чтобы они были по существу подобны показателям преломления проводящих оксидных слоев 20 и 22. Более того, благодаря дополняющему характеру описанных выше процессов оптической настройки толщина слоев 20 - 22 больше не имеет критического значения для интерференции света, что позволяет применять более широкие допуски по толщине во время формирования данных слоев.

На фиг. 5 показано пропускание световой энергии как функции длины волны для окна 110 в обесцвеченном состоянии, в котором стеклянная подложка 12 имеет показатель преломления 1,5, слой оптической настройки 61 имеет показатель преломления 1,77 и толщину 75 нм, прозрачный проводящий оксидный слой 20 имеет показатель преломления 2,1 и толщину 450 нм, электрохроматический электродный слой 30 имеет показатель преломления 2,1 и толщину 300 нм, ионопроводящий слой 41 имеет показатель преломления 2,0 и толщину 200 нм, противоэлектродный слой 50 имеет показатель преломления 2,0 и толщину 200 нм, прозрачный проводящий оксидный слой 22 имеет показатель преломления 2,1 и толщину 450 нм, слой оптической настройки 62 имеет показатель преломления 1,77 и толщину 75 нм, слой слоистого пластика 70 имеет показатель преломления 1,5 и стеклянный суперслой 14 имеет показатель преломления 1,5. Как видно из фиг. 5, при перечисленных выше характеристиках получено окно 110, обладающее высокой равномерностью пропускания света.

На фиг. 6 схематично изображено окно 120, выполненное согласно альтернативному варианту изобретения. Окно 120 по существу аналогично описанному окну 110, за исключением того, что слой оптической настройки 61 заменен двумя слоями оптической настройки 63 и 64 и исключен слой оптической настройки 62. Использование двух слоев оптической настройки 63 и 64 обеспечивает преимущества по сравнению с использованием одного слоя оптической настройки. Первое преимущество заключается в том, что два слоя оптической настройки создают возможность достижения более эффективной оптической настройки при совокупной толщине слоев оптической настройки менее толщины, требуемой для одного слоя оптической настройки. Другое преимущество использования двух слоев оптической настройки состоит в том, что каждый слой может быть сформирован из более простых материалов, чем один слой оптической настройки, позволяя таким образом избежать сложной химии, необходимой для формирования таких единичных слоев. Способы с использованием двух слоев оптической настройки описаны в патентах США N 4377613 и N 4419386.

Когда используются два слоя оптической настройки 63 и 64, расположенных рядом друг с другом, оптическая настройка может быть достигнута посредством выбора слоя оптической настройки 64, который имеет показатель преломления значительно меньше показателя преломления слоя 20, и выбора слоя оптической настройки 63, имеющего показатель преломления значительно выше показателя преломления слоя оптической настройки 64, наиболее предпочтительно аналогичный показателю преломления прозрачного проводящего оксидного слоя 20. При такой комбинации интерференция между разными поверхностями раздела будет практически исключена и пропускание через разные слои будет максимальным, если слои 63 и 64 имеют соответствующую толщину. Предпочтительно, чтобы слой 64 имел показатель преломления 1,4 - 1,7, а толщина слоев 63 и 64 составляла в совокупности 30 - 70 нм, причем слой 64 должен иметь большую толщину, чем слой 63.

На фиг.7 показано пропускание света через окно 120 в обесцвеченном состоянии, как функция длины волны, при этом стеклянная подложка 12 имеет показатель преломления 1,5, слой оптической настройки 63 имеет показатель преломления 2, 1 и толщину 20 нм, слой оптической настройки 64 имеет показатель преломления 1,5 и толщину 29 нм, прозрачный проводящий оксидный слой 20 имеет показатель преломления 2,1 и толщину 450 нм, электрохроматический электродный слой 30 имеет показатель преломления 2,1 и толщину 300 нм, ионопроводящий слой 41 имеет показатель преломления 2,0 и толщину 200 нм, противоэлектродный слой 50 имеет показатель преломления 2,0 и толщину 200 нм, прозрачный проводящий оксидный слой 22 имеет показатель преломления 2,1 и толщину 450 нм, слой слоистого пластика 70 имеет показатель преломления 1,5 и стеклянный суперслой 14 имеет показатель преломления 1,5. Как ясно видно из фиг. 7, пропускание света через окно 120 более равномерное, чем через окна, выполненные без слоев оптической настройки (как окно 10), но менее равномерное, чем через окно 110. Основной причиной такого ухудшения является отсутствие слоя оптической настройки между проводящим оксидным слоем 22 и слоем слоистого пластика 70 на обратной стороне устройства.

Улучшение характеристики пропускания света через окно 120 может быть достигнуто посредством регулирования показателей преломления электрохроматического электродного слоя 30, ионопроводящего слоя 41 и противоэлектродного слоя 50 таким образом, чтобы они были более подобны друг другу и показателям преломления прозрачных проводящих оксидных слоев 20 и 22.

Дальнейшее дополнительное улучшение характеристики пропускания света через окно 120 может быть достигнуто за счет оптимизации показателя преломления слоя слоистого пластика 70. Для этого можно использовать слой слоистого пластика 70, имеющий показатель преломления, равный среднему геометрическому показателей преломления прозрачного проводящего оксидного слоя 22 и стеклянного суперслоя 14. Поскольку слой слоистого пластика 70 служит для приклеивания суперслоя 14 к прозрачному проводящему оксидному слою 22, возможности варьирования толщины этого слоя невелики.

Вместо описанных выше способов оптической настройки прозрачного проводящего оксидного слоя 20 этот слой можно оптически настраивать, используя два или больше слоев оптической настройки, выбранных таким образом, чтобы показатели преломления разных слоев постепенно возрастали от показателя преломления суперслоя 14 до показателя преломления прозрачного проводящего оксидного слоя 20. В этой связи слои 63 и 64 окна 120 могут быть заменены двумя или более слоями с монотонно возрастающим показателем преломления. Например, для устройства, включающего стеклянную подложку 12, имеющую показатель преломления 1,5, и прозрачный проводящий оксидный слой 20, имеющий показатель преломления 1,9, желательно, чтобы слой оптической настройки 63 имел показатель преломления приблизительно (1,5²•1,9)^1/3 или 1,62, а слой оптической настройки 64 имел показатель преломления приблизительно (1, 5•1,9²)^1/3 или 1,76. Желательно, чтобы толщины слоев 63 и 64 составляли приблизительно 60 и 53 нм соответственно, что определено методом математического моделирования, чтобы получить максимальное пропускание. При желании можно использовать ряды из более двух смежных слоев оптической настройки, чтобы еще больше усилить эффект оптической настройки.

Для вариантов изобретения, имеющих конструкцию окна 110 или окна 120, описанных выше, было желательно, чтобы прозрачные проводящие оксидные слои 20 и 22, электрохроматический электродный слой 30, ионопроводящий слой 41 и противоэлектродный слой 50 имели приблизительно одинаковый показатель преломления. В этом случае толщина этих слоев не имеет существенного значения и достигается оптимальная оптическая настройка, т.е. окна проявляют минимальный радужный эффект. Однако при значительном несоответствии показателей преломления этих слоев некоторая оптическая настройка все же может быть достигнута за счет регулирования толщины данных слоев. Например, каждый слой окна 120 может иметь показатель преломления и толщину, как было описано в связи с фиг.7, за исключением того, что ионопроводящий слой 41 может иметь показатель преломления 1,5. Для сведения к минимуму радужного эффекта в этой конструкции толщину ионопроводящего слоя 41 следует уменьшить приблизительно до 134-160 нм, как было определено методом математического моделирования, чтобы получить максимальное пропускание через окно.

На фиг. 8 схематически изображено поперечное сечение окна 130, являющегося следующим вариантом данного изобретения. Окно 130 аналогично окну 120, за исключением того, что прозрачный проводящий оксидный слой 22 был заменен проводящим металлическим слоем 21 и слоем оптической настройки 64. Слои 21 и 64 могут быть по существу подобны слоям 21 и 60 окна 100 и могут взаимодействовать с другими слоями так же, как и в окне 120, обеспечивая оптически настроенное оптически прозрачное электрохроматическое окно.

На фиг. 9 показано пропускание света как функция длины волны при обесцвеченном состоянии окна 130, слои которого имеют такие показатели преломления и толщины, как у окна 120, и в котором проводящим металлическим слоем 21 служит серебро толщиной 10 нм, а слой оптической настройки 64 выполнен из прозрачного оксида, имеющего показатель преломления 2,5 и толщину 30 нм. Из фиг. 9 видно, что конструкция окна 130 обеспечивает хорошую однородность пропускания света с точки зрения длины волны. Кроме того, сравнение фиг. 7 и 9 показывает, что окна, содержащие проводящие металлические слои, могут обеспечивать пропускание света, подобное пропусканию через окна, в которых использованы прозрачные проводящие оксидные слои вместо проводящих металлических слоев.

На фиг. 10 схематически изображен еще один вариант окна 140 согласно изобретению. Окно 140 практически такое же, как окно 130, за исключением того, что добавлен промежуточный слой 22 меду проводящим металлическим слоем 21 и противоэлектродным слоем 50. В одном варианте промежуточный слой 22 выполняется из прозрачного электропроводящего оксида в сочетании с проводящим металлическим слоем 21, чтобы создать слоистую структуру, имеющую более низкое общее листовое сопротивление, что улучшает время переключения между обесцвеченным и цветным состояниями. Такое улучшенное переключение может осуществляться без ухудшения оптических свойств устройства, которое наблюдалось бы, если бы толщина проводящего металлического слоя 21 была существенно увеличена. Кроме того, прозрачный электропроводящий оксидный слой 22 может служить как барьер для диффузии, предотвращающий нежелательную диффузию между противоэлектродным слоем 50 и проводящим металлическим слоем 21.

Согласно следующему варианту промежуточный слой 22 может быть выполнен в виде металлического слоя, имеющего толщину менее 2 нм. При таком варианте металлический слой типично выполняет одну из тех же функций, которые выполняют слои, сформированные из прозрачных электропроводящих оксидов, т.е. предотвращает нежелательную диффузию противоэлектродным слоем 50 и проводящим металлическим слоем 21. Предпочтительными металлами для формирования слоя 22 являются металлы, отличающиеся высокой устойчивостью или инертностью. Особо предпочтительным металлом в этом отношении является никель. Независимо от материала для формирования промежуточного слоя 22 слой оптической настройки 64 опять имеет показатель преломления выше 1,9 и толщину в интервале 10 - 50 нм.

На фиг. 11 схематически изображено окно 150, выполненное в соответствии с еще одним вариантом изобретения. Окно 150 по существу такое же, как окно 130, за исключением того, что прозрачный оксидный слой 20 и слои оптической настройки 63 и 64 были заменены проводящим металлическим слоем 23 и слоем оптической настройки 65 соответственно, наложив таким образом ограничение на совокупную толщину слоев 30, 41 и 50. В данном варианте желательно, чтобы слои 30, 41 и 50 имели одинаковые показатели преломления и чтобы общая толщина этих слоев была как можно более тонкой в соответствии с требованием максимального пропускания при выбранной длине волны в интервале 400 - 650 нм. Например, если слои 30, 41 и 50 имеют показатели преломления 2,2, и общая толщина предпочтительно будет приблизительно 50 нм или приблизительно 300 нм, как было определено методом математического моделирования, чтобы достичь максимального пропускания света. В данном варианте проводящий металлический слой 23 подобен проводящему металлическому слою 21. а слой оптической настройки 65 подобен слою оптической настройки 64.

В еще одном варианте изобретения (не показан) слой оптической настройки 64 окна 130, 140 или 150 может быть сформирован из электропроводящего прозрачного оксида. В данном случае изготовление этих устройств может быть упрощено за счет подсоединения проводов 6 и 8 к слою 64 вместо проводящего металлического слоя 21, что позволяет исключить операции маскирования и травления, необходимые в противном случае.

Как отмечалось выше, электрохроматические устройства согласно изобретению типично формируются на подложке, такой как стеклянная подложка 12. Эта подложка не только держит очень тонкие слои данных устройств во время изготовления и использования, но также защищает слои от повреждения в результате воздействия окружающей среды. Суперслой, такой как стеклянный суперслой 14, обеспечивает дополнительную поддержку и защиту. Хотя каждый из вариантов изобретения был описан для подложки и суперслоя, выполненных из стекла, можно использовать и другие материалы для подложки и суперслоя, включая прозрачные керамические материалы и жесткие и гибкие пластики. В этой связи вариант, показанный на фиг. 11, особенно применим для пластиковых подложек, поскольку проводящий металлический слой 23 может накладываться при относительно низких температурах. Кроме того, следует понимать, что электрохроматические устройства могут быть изначально выполнены на пластиковых подложках, а затем весь блок установлен на окнах или подобных конструкциях.

Кроме того, варианты изобретения, описанные выше, подразумевают последовательное осаждение слоев от подложки 12 до суперслоя 14 при использовании ионопроводящих слоев, образованных из керамических материалов. Однако следует понимать, что оптически настроенные устройства могут быть выполнены посредством сборки двух "половинок" на противоположных сторонах полимерного листа, который будет затем служить ионопроводящим слоем. Например, окно 110 можно получить путем формирования слоев 61, 20 и 30 на подложке 12, формирования слоев 62, 22 и 50 на суперслое 14 (слой 70 в этой компоновке не требуется), а затем складыванием этих двух частей вместе с обеих сторон ионопроводящего электроизолирующего полимерного листа, который и будет служить ионопроводящим слоем 41.

Хотя изобретение было описано со ссылкой на конкретные варианты, следует понимать, что данные варианты приведены исключительно в целях иллюстрации принципов и применений изобретения. Поэтому подразумевается, что могут быть осуществлены многочисленные модификации описанных вариантов и могут быть разработаны другие компоновки, не выходя за рамки идеи и объема изобретения, заявленного в формуле изобретения.

Электрохроматические устройства согласно изобретению обеспечивают пропускание света через поверхности большой площади, превышающее пропускание света через известные устройства.

Реферат

Предложены электрохроматические устройства, которые могут быть использованы на поверхностях большой площади. В устройствах используются слои оптической настройки, предназначенные для сведения к минимуму интерференции света между слоями структуры и получения максимально равномерной оптической прозрачности. Оптическая настройка также позволяет заменить прозрачные проводящие оксидные слои тонкими проводящими металлическими слоями, в результате чего уменьшается общая толщина этих устройств и облегчается процесс производства. 11 с. и 25 з.п.ф-лы, 11 ил.

Формула