DE3321032A1 - Verfahren zur beheizung eines elektrooptischen und/oder elektrochemischen elementes - Google Patents

Description

VERFAHREN ZUR BEHEIZUNG EINES ELEKTROOPTISCHEN UND/ODER ELEKTRO-CHEMISCHEN ELEMENTES .

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beheizung eines elektrooptischen und/oder elektrochemischen Elementes mit einem auf einen Träger aufgebrachten, aus mehreren Teilschichten bestehenden Dünnschichsystem, wobei wenigstens eine Teil schicht als Flächenelektrode zur Zuführung einer für die Funktion des Elementes erforderlichen Gleichspannung ausgebildet ist. Derartige Elemente sind z.B. elektrochrome Schichtsysteme, bei denen zwischen (transparenten) elektrisch leitenden Flächenelektroden eine Schicht aus einem elektrochromen Material eingebettet ist, welches unter äer Einwirkung einer an die Flächenelektroden angelegten Gleichspannung seine optische Transmission (Absorption) ändert. Transparente elektrochrome Schichtsysteme sind z.B. für Brillengläser mit einstellbar veränderlicher Absorption vorgeschlagen worden. Auch für Spiegel, bei denen durch die veränderliche Absorption eines vor einer spiegelnden Fläche angeordneten elektrochromen Schichtsystems das Reflexionsvermögen auf gewünschte Werte eingestellt werden kann, sind bekannt. Andere bekannte derartige Schichtsysteme sind Sensoren, bei denen zwischen Elektroden eine Schicht aus einem Stoff eingebettet ist, v/elcher mit einem nachzuweisenden, durch eine der (porösen) Elektroden hindurchtretenden anderen Stoff, z.B. mit einem Schadstoff in der Atmosphäre chemisch reagiert oder diesen absorbiert, wobei sich der elektrische Widerstand der Sensorschicht ändert; der über die Elektrode durch die Schicht bei Anlegen einer Gleichspannung fliessende Gleichstrom kann dann als Mass für die Einwirkung des nachzuweisenden Stoffes verwendet werden. Andere Sensoren wiederum erzeugen selbst eine unter der Einwirkung eines nachzuweisenden Stoffes veränderliche Gleichspannung, welche über die Flächenelektroden des Systems abgenommen v/erden kann. Weitere Beispiele

elektrooptischer Schichtsysteme der eingangs genannten Art sind verschiedene AnzeigevorricTitungen (Displays), z.B. solche, bei denen zwischen lichtdurchlässigen flächenhaften Elektroden eine Schicht eines sogenannten Flüssigkristalls angeordnet ist, wobei die langgestreckten Moleküle des Flüssigkristall unter der Einwirkung des durch die Elektroden erzeugten elektrischen Feldes nach einer Vorzugsrichtung orientiert werden und dabei weniger Lichtstreuvermögen besitzen als im ungeordneten Zustand. Der Unterschied des Lichtstreuvermögens an verschiedenen Stellen, an denen unterschiedliche Spannungen an entsprechend geformte Teilelektroden angelegt sind, dient zur Darstellung gewünschter Zeichen, z.B. von Ziffern und Buchstaben.

Bei den meisten Anwendungen elektrooptischer und elektrochemischer Schichten spielt die Temperatur eine wichtige Rolle, denn in fast allen Fällen werden die Eigenschaften des Systems, z.B. die elektrische Leitfähigkeit einer Sensorschicht oder das optische Absorptionsvermögen einer elektrochromen Brillenglasschicht von der Temperatur so stark beeinflusst, dass ein befriedigendes Funktionieren nur erreicht werden kann, wenn die Temperatur entsprechend gesteuert wird. .

Es ist bekannt, Flächen mittels darauf aufgelegter elektrisch leitender Folien oder mittels aufgebrachter elektrisch leitender dünner Schichten durch Stromdurchgang zu heizen; beispielsweise sind mittels Aufdampfschichten beheizte Skibrillen und Rückblickspiegel für Kraftfahrzeuge bekanntgeworden. Ueblicherweise werden an zwei einander gegenüberliegenden Seiten eines durch eine leitende dünne Schicht gebildeten Heizfeldes Stromzuführungs-

elektroden angebracht und der über diese ziigeführte Heizstrom fliesst in der Schicht parallel zu deren Fläche. Bei elektrooptischen und elektrochemischen Elementen bereitet jedoch die Heizung des Schichtsystems oft Schwierigkeiten, weil der Heizstrom die Funktion des Elementes stören kann. Deshalb musste man häufig auf Beheizung verzichten.

Erfindungsaufgabe ist es nun, ein Verfahren zur Beheizung und damit zur Einstellung der Temperatur von elektrooptischen und elektrochemischen Elementen anzugeben, welches erlaubt, diese zu beheizen ohne ihre Funktion zu stören. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Flächenelektrode gleichzeitig ein Wechselstrom von die Funktion nicht störender Frequenz als Heizstrom zugeführt wird.

Es wird dadurch eine völlige Trennung der Heizfunktion von den übrigen Funktionen ermöglicht; wie bekannt, kann der Heizstrom am einfachsten an einander gegenüberliegenden Seitender Flächenelektrode zu- und abgeführt werden. Besonders eignet sich das erfindungsgemässe Verfahren zur Beheizung solcher elektrooptischer und elektrochemischer Elemente, deren Dünnschichtsystem zwei oder mehrere als Flächenelektroden ausgebildete Teilschichten und dazwischen angeordnete dielektrische Schichten aufweist, wobei dann der Heiz-Wechselstrom vorzugsweise auf einer Seite einer ersten Flächenelektrode zugeführt und auf der gegenüberliegenden Seite einer zweiten Flächenelektrode abgeführt wird. Dank der sehr geringen Dicke dünner Schichten besitzt nämlich der von den beiden Flächenelektroden und dem dazwischen befindlichen Dielektrikum gebildete Kondensator eine relativ hohe Kapazität,

so dass schon mit relativ niedrigen Frequenzen von wenigen kHz ein im Vergleich zum elektrischen Gleichstrom-Widerstand der dazwischen befindlichen dielektrischen Schicht sehr geringer kapazitiver Wechselstrom-Widerstand resultiert, so dass die beiden Flächenelektroden für den Wechselstrom praktisch kurzgeschlossen sind. Wie sich gezeigt hat, ergibt diese unten anhand eines Ausführungsbeispiels genauer beschriebene Anordnung, eine besonders gleichmässige Beheizung, wobei zwischen den Flächenelektroden das Wechselfeld praktisch gleich Null ist und daher die elektrooptische und/oder elektrochemische Funktion auch nicht gestört wird. ■ .

Die Figur 1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel schematisch den Aufbau eines elektrooptischen Elementes, dessen Lichtdurchlässigkeit mittels einer elektrischen Gleichspannung eingestellt werden kann;

Figur 2 zeigt ein weiteres Beispiel eines solchen Elementes, bei dem die Reflexion mittels Gleichspannung einstellbar ist.

In Figur 1 bedeutet 1 einen transparenten Träger (z.B. ein Brillenglas), auf den als erste Flächenelektrode eine Schicht 2 einer Legierung aus Indium- und Zinnoxid mit einer Dicke von ungefähr 280 nm aufgebracht ist. Diese Flächenelektrode besitzt einen sogenannten Flächenwiderstand von 20 Ohm pro Quadrat, d.h. zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten eines (beliebig grossen) Quadrates einer solchen Schicht ergibt sich ein elektrischer Widerstand von 20 Ohm (bei einem grossen Quadrat ist zwar die Breite der Strombahn zwischen den beiden Seiten grosser, gleichzeitig

jedoch auch der Abstand, sodass insgesamt stets derselbe Widerstand resultiert.)Das Schichtsystem weist eine gleiche zweite Schicht 3 auf, die ebenfalls eine transparente elektrisch leitende Flächenelektrode darstellt. Zwischen den beiden Flächenelektroden 2 und 3 sind im Ausführungsbeispiel zwei weitere Teil schichten eingebettet und zwar eine erste nichtmetallische, 500 nm dicke Teilschicht 4 aus Wolframoxid und eine zweite nichtmetallische, 150 nm dicke Schicht 5 aus Siliziumoxid. Diese beiden Teilschichten bilden mit den Flächenelektroden 2 und 3 zusammen ein sogenanntes elektrochromes Schichtsystem, das bei Einwirkung einer an die Flächenelektroden angelegten elektrischen Gleichspannung sein optisches Transmissionsvermögen ändert» d.h. je nach Polarität vergrössert oder verkleinert; näheres über elektrochrome Schichtsysteme findet man in der Literatur.

Zur Zuführung der Gleichspannung aus einer Spannungsquelle 6 dienen die beiden Anschlüsse 7 und 8, wie aus der Zeichnung ersichtlich. Im Beispielsfalle konnte mit einer Gleichspannung von + 2,5 Volt (Pluspol an der oberen Flächenelektrode 3 in Figur 1) eine Vergrösserunq der Absorption, dagegen mit einer Spannung von - 1,5 Volt an derselben Elektrode eine Verringerung der Absorption der elektrochromen Zwischenschichten bewirkt werden. Diese Wirkung war jedoch ziemlich temperaturabhängig, so dass es bei Anv/endung solcher Schichten oft erforderlich wird, durch eine gesteuerte Beheizung für eine entsprechende Temperatur zu sorgen. Wie in der Figur 1 weiter dargestellt, ist zu diesem Zweck an der Flächenelektrode 3 auf der dem Anschluss 8 gegenüberliegenden Seite ein v/eiterer

Anschluss 9 vorgesehen und über diese beiden Anschlüsse kann ein Heizwechselstrom aus der Quelle 10 eingespeist werden, der die Flächenelektrode 3 in einer zu dieser parallelen Richtung durchfliesst und sie dabei dem Ohmschen Widerstand dieses Stromweges entsprechend erhitzt. Durch die Grosse der Wechsel spannung der Quelle 10 kann die Heizleistung gesteuert werden und die Frequenz ist,.wie gesagts so zu wählen, dass, eine Beeinträchtigung der Funktion des elektrochromen Schichtsysterns sicher vermieden wird. Wie sich gezeigt hat, ist dies stets möglich, wogegen bei Gleichstromheizung Funktionsstörungen beobachtet wurden, auch dann, wenn der Heizstrom - wie in Figur 1 - die elektrochromen Schichten des Systems eigentlich überhaupt nicht durchfliesst.

Das Ausführungsbeispiel der Figur 2 betrifft ein ähnliches elektrochromes Schichtsystem, jedoch ist in diesem Falle die an die Unterlage 11 angrenzende erste Elektrodenschicht 12 als Aluminiumspiegel ausgebildet, dessen Reflexionsvermögen durch das mehr oder weniger starke Absorptionsvermögen des darübergelegten elektrochromen Schichtsystems beeinflusst wird. 13 ist eine transparente Goldschicht als zweite Elektrodenschicht und zwischen den Elektrodenschichteri 12 und 13 befinden sich weitere Teilschichten und zwar eine WO₃-Schicht 14 von 500 nm Dicke und eine 150 nm dicke Zirkonoxidschicht 15.

Zur Anwendung des erfindungs.gemässen Verfahrens zur Beheizung des Schichtsystems nach Figur 2 wird als Betriebsspannung für die elektrochromen Schichten eine Gleichspannung an die Anschlüsse 17 und 18 gelegt und gleichzeitig noch eine Wechselspannung entsprechender Frequenz als Heizspannung überlagert.

Durch Messung konnte ermittelt werden, dass sich in diesem AusfUhrungsbeispiel für den aus den beiden Flächenelektroden 12 und 13 und den Zwischenschichten 14 und 15 gebildeten Kondensator eine Kapazität von 0,1 Mikrofarad pro cm ergab, sodass schon bei einer Frequenz von 1000 Hz der Widerstand für Wechselstrom gegenüber dem 0hm¹sehen Widerstand des Dielektrikums kaum mehr ins Gewicht fällt; man kann praktisch von einem kapazitiven Kurzschluss zwischen den Flächenelektroden sprechen. Die technischen Betriebsdaten dieses Systems sind ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel, nämlich + 2,8 Volt für maximale Einfärbung des elektrochromen Schichtsystems (Miniumum des Reflexionsvermögens des Spiegels) und - 1,5 Volt für geringstmögliche Absorption (Maximum der Reflexion).

Um das Schichtsystem zu beheizen, wird in diesem Beispiel, wie erwähnt, . eine Betriebsspannung verwendet, die aus einer Ueberlagerung der für den Betrieb erforderlichen Gleichspannung und der der Heizung dienenden Wechselspannung besteht. Dazu kann die in Figur 2 gezeichnete Schaltung dienen, mit Hilfe deren über die Anschlüsse 17 und 18 die GleichsDannungsquelle 16 mit jeweils gewünschter Polarität und gleichzeitig über den Schalter 22 eine Wechselspannungsquelle 20 an die Flächenelektroden 12 und 13 angelegt werden kann. In der gezeichneten Schaltung ist im Wechselstromkreis ein Kondensator 19 und im Gleichstromkreis eine Drossel 21 vorgesehen, um die betreffenden Kreise für den Gleichstrom bzw. den Wechselstrom zu sperren. Selbstverständlich ist es für den Elektrotechniker klar, dass es für die Überlagerung einer Gleichspannung und einer Wechselspannung

auch noch andere Schaltmöglichkeiten gibt, die im Rahmen der Erfindung angewendet werden können; die Ueberlagerungsschaitung an sich ist nicht Gegenstand der Erfindung.

Mit einer solchen Ueberlagerung der für den Betrieb eines Elementes erforderlichen Gleichspannung mit der der Heizung dienenden Wechselspannung kann bei Elementen mit zwei Flächenelektroden eine besonders gleichmässige Beheizung erreicht und ausserdem gegenüber der Anordnung nach Figur 1 ein Anschluss eingespart werden. Wie die Erfahren gezeigt hat, lassen sich bei elektrochromen Schichtsystemen ohne weiteres Heizleistungen bis zu

einigen Watt pro cm ohne Störung der Elektrochromiefunktion verwirklichen. Durch entsprechende Regelung der Heizleistung kann man damit die Temperatur der Elemente in weiten Grenzen unabhängig in von der Umgebungstemperatur auf einem gewünschten Wert halten.

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Claims (5)

• * O · Q « PATENTANSPRUECHE

1. Verfahren zur Beheizung eines elektrooptischen und/oder elektrochemischen Elementes mit einem auf einem Träger aufgebrachten, aus mehreren Teil schichten bestehenden Dünnschichtsystem, wobei wenigstens eine Teilschicht als Flächenelektrode zur Zuführung einer für die Funktion des Elementes erforderlichen Gleichspannung ausgebildet ist, dadurch g. ekennzeichnet, dass der Flächenelektrode (3, 12, 13) gleichzeitig ein Wechselstrom von die Funktion des Elementes nicht störender Frequenz als Heizstrom zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, dass der Heizstrom an einander gegenüberliegenden Seiten der Flächenelektrode (8, 9) zu- und abgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 zur Beheizung eines elektrooptischen Elementes, dessen Dünnschichtsystem wenigstens zwei als Flächenelektroden ausgebildete.Teilschichten mit wenigstens einer zwischen den beiden Flächenelektroden angeordneten dielektrischen Schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwechselstrom auf einer Seite (17) der einen Flächenelektrode (1.3) zu- und auf der gegenüberliegenden Seite (18) der zweiten Flächenelektrode (12) abgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstrom eine Frequenz von wenigstens 1 kHz aufweist.

5. Als ekektrochromes Schichtsystem mit zwei Flächenelektroden und dazwischen angeordneter elektrochromer Schicht ausgebildetes elektrooptisches Element, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Flächenelektroden (12, 13) je eine an einander gegenüberliegenden Seiten angeordnete Heizstromzuführungselektrode (17, 18) aufweisen.