DE69221493T2

DE69221493T2 - Electrochrome vorrichtung mit brechungs-index angepasster struktur

Info

Publication number: DE69221493T2
Application number: DE69221493T
Authority: DE
Inventors: V Parkhe; Forrest Trumbore; Dine John Van
Original assignee: Sage Electrochromics Inc
Current assignee: Sage Electrochromics Inc
Priority date: 1991-09-04
Filing date: 1992-09-03
Publication date: 1998-03-12
Anticipated expiration: 2012-09-04
Also published as: CA2115266C; DE69221493D1; HU9400374D0; EP0602175B1; BR9206441A; HK1012042A1; RU2127442C1; CA2115266A1; WO1993005438A1; US5321544A; KR100261203B1; AU2578992A; ATE156599T1; EP0602175A1; JPH07504514A; AU651733B2; EP0602175A4; JP3380549B2

Description

Die Erfindung betrifft elektrochromatische Strukturen, durch welche Energie, einschließlich Licht, unter kontrollierten bzw. gesteuerten Bedingungen übertragbar ist, und insbesondere weitflächige elektrochromatische Strukturen zur kontrollierten bzw. gesteuerten Energieübertragung.
Eine Vielfalt von elektrochromatischen Materialien ist zur Steuerung des Energiedurchgangs verfügbar. Derartige Vorrichtungen arbeiten "chromatisch" durch Erzeugen einer Veränderung in der Farbgebung bzw. Farbenverteilung gemäß eines Stimulus bzw. einer Anregung oder eines Erregungssignals.
Eine thermochromatische Vorrichtung erzeugt eine Farbveränderung in Abhängigkeit von der Temperatur. Die resultierende Farbgebung von beispielsweise einer Materialschicht hängt von der Temperatur ab, welcher die Schicht ausgesetzt ist. Es besteht jedoch ein Problem darin, daß ein Benutzer lediglich eine begrenzte Kontrolle über die Farbgebung hat, da sie temperaturabhängig ist.
Eine weitere chromatische Vorrichtung ist "photochromatisch", da ihre Farbgebung von der Intensität des Lichtes abhängt, das auf die Vorrichtung fällt. Wenn Glas oder andere lichtdurchlässige Materialien mit Eisenoxid dotiert werden, erzeugt eine lichtinduzierte Reaktion eine erhöhte Verdunkelung bei erhöhter Lichtintensität. Auch hier ist der Grad der Farbgebung abhängig von externen Effekten.
Eine weitere chromatische Vorrichtung hängt von dem Ausmaß bzw. der Stärke ab, mit welcher ein elektrischer Stimulus bzw. ein elektrisches Anregungssignal angelegt wird und es wird als "elektrochromatisch" bezeichnet. Bei solchen Vorrichtungen hängt das Wesen und das Ausmaß der Farbgebung von einem elektrischen Effekt ab.
Bisher war es leider schwierig, ökonomische große bzw. großflächige chromatische Vorrichtungen mit geeigneten optischen Eigenschaften zu produzieren bzw. herzustellen. Daher wurden kleinflächige Vorrichtungen für Linsen (photochromatisch) und Spiegel (elektrochromatisch) hergestellt. Es war jedoch schwierig, Tafeln bzw. Platten mit großen Oberflächen von der Art herzustellen, wie sie für Sehanwendungen, wie beispielsweise Fenster oder Oberlichter, benötigt werden.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Herstellung und die Verwendung von chromatischen Strukturen zu erleichtern. Eine dazugehörige Aufgabe ist es, großflächige chromogenische bzw. chromatische Anwendungen zu ermöglichen, bei welchen geeignete Oberflächenbereiche erforderlich sind.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die chromogenischen bzw. chromatischen Vorrichtungen an lichtdurchlässige bzw. durchsichtige Strukturen, beispielsweise Oberlichter und andere Anordnungen, anzupassen, die für eine großflächige Steuerung einer natürlichen Beleuchtung vorgesehen sind.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Herstellung und den Gebrauch von elektrochromatischen Strukturen zu erleichtern, insbesondere für relativ großflächige Anwendungen. Zusätzlich kann das Einfangen bzw. Einschließen von Strahlungsenergie einen Treibhauseffekt hervorrufen. Dementsprechend ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, elektrochromatische Vorrichtungen zu schaffen, welche in der Lage ist, das Ausmaß zu vermindern, mit welchem Sonnenlicht und andere Formen von Strahlung eine solare Wärmeverstärkung in Gebäuden und anderen Strukturen hervorrufen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, elektrochromatische Vorrichtungen für weitgestreute architektonische und selbstbewegliche bzw. Fahrzeuganwendungen als auch für aeronautische bzw. Luftfahrtaufbauten, wie beispielsweise Cockpits und Luftfahrtsehoberflächen bzw. Flugzeugfenster, anzupassen.
Es wurden Studien unternommen, welche eine Beziehung zwischen verschiedenen Materialparametern und Vorrichtungsaufbauten bzw. Konfigurationen (beispielsweise Fläche) mit der Schaltgeschwindigkeit herstellen. Über derartige Studien wird durch J.P. Randine in Proc. SPIE IS4, 539 (1989), und durch die Herren K-C. Ho, D.E. Singleton und C.B. Greenberg in Proc. Electrochem Soc. 90-2, 349 (1990), berichtet. Es wurde dabei vorausgesagt, daß bei zunehmender Vorrichtungsfläche der Widerstand von deren transparenten leitenden Schicht der Hauptfaktor ist, welcher die Schaltgeschwindigkeit bzw. Schaltzeit und Gleichförmigkeit der Farbgebung bzw. Koloration oder der Entfärbung begrenzt.
Dementsprechend ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, dem Zuwachs in der Schaltzeit und der Nichtgleichförmigkeit der Farbgebung und der Entfärbung in elektrochromatischen Vorrichtungen bei Flächenzunahme entgegenzuwirken.
Ein Ansatz bestand darin, eine elektrisch-leitende Gitterstruktur gemäß dem US-Patent 4 768 865 von Greenberg and Singelton vom 6. September 1988 hinzuzufügen. Dieser Ansatz verschlechtert die Lichtübertragung und kann ungeeignet sein, wenn das Ziel darin besteht, einen hohen Prozentsatz an Übertragung zu erreichen. Die nachteilige Auswirkung einer Gitterstruktur kann signifikant bzw. bedeutend sein, insbesondere, wenn viele Gitter, wobei eines auf jeder transparenten bzw. durchsichtigen Leitungsschicht angebracht ist, verwendet werden, um die gewünschte Schaltgeschwindigkeit zu erreichen. Es ist auch schwierig, Gitter auf nicht-planaren bzw. unebenen Oberflächen zu bilden.
Dementsprechend ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Schaltgeschwindigkeit der elektrochromatischen Strukturen zu erhöhen und die Verwendung von elektrischen Gittern zu beseitigen oder zu minimieren.
Daher ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein schnelles Schalten zu erreichen, während man eine hohe Lichtübertragung bei relativ niedrigen Kosten und einfacher Herstellung beibehält.
Aus der JP-A-58 37622 ist eine elektrochromatische Vorrichtung bekannt mit einer elektrochromatischen Schicht, einer Gegenelektrode und einer Ionen-transportierenden Schicht, welche einen elektrochromatischen Aufbau bilden, eine elektrisch-leitende Schicht und eine Zwischenschicht, welche zwischen der leitenden Schicht und der elektrochromatischen Struktur vorgesehen ist.
Ferner beschreibt die JP-A-55 088 028 eine elektrochromatische Vorrichtung mit antireflektierenden Filmschichten.

Zusammenfassung der Erfindung

Zur Lösung der oben genannten, miteinander in Verbindung stehenden Aufgaben schafft die Erfindung eine relativ großflächige chromatische bzw. chromogene Vorrichtung durch Einbau einer Index- bzw. Koeffizienten eingestellten Struktur, welche wenigstens als eine Elektrode der Vorrichtung nach Patentanspruch 1 dient.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Eine derartige Vorrichtung kann gleichzeitig Anforderungen an die Schaltzeit und an die optische Übertragung für architektonische Fenster und andere visuelle Effekte erfüllen. Die Vorrichtungen gemäß der Erfindung sind bei geringen Kosten leicht herstellbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht die wenigstens eine Elektrode aus einer übereinandergeschichteten Index-eingestellten Struktur (LIAS: layered index-adjusted structure), bei welcher die Brechungsindices bzw. Brechungskoeffizienten und die Dicken der einzelnen Schichten kontrolliert werden, indem man die Material- und Prozeßparameter, welche zur Bildung der Elektrode verwendet werden, kontrolliert bzw. steuert, wodurch eine Elektrode mit der gewünschten elektrischen Leitfähigkeit und optischen Strahlungsübertragungsfähigkeit hergestellt wird. Der Ausdruck "geschichtete Index-eingestellte Struktur" bezieht sich, so wie er hier verwendet wird, auf eine Elektrode, die aus einer Vielzahl von Schichten gebildet wird, wobei jede Schicht insbesondere in bezug auf den Brechungsindex bzw. Brechungskoeffizienten und die Dicke derart ausgewählt wird, daß die Kombination der Schichten die gewünschten optischen Eigenschaften liefert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Parametern und Materialien fur eine Elektrode mit einer LIAS zusammen mit den Parametern und Materialien für die Gegenelektroden (CE: counterelectrodes), elektrochromatischen Elektroden (ECE: electrochromic electrodes) und Ionenleitern (IC: ion conductors) ausgewählt, welche die gewünschten schaltgeschwindigkeiten und Übertragungserfordernisse für großflächige elektrochromatische Vorrichtungen erfüllen.
Die Erfindung enthält eine Einrichtung zur Erregung der einzelnen elektrochromatischen Tafeln bzw. Platten. Jede Platte bzw. Schicht kann auf ein durchsichtiges Substrat, beispielsweise durch einen Klebstoff, auflaminiert bzw. überzogen werden. Der Klebstoff kann aus einer Vielfalt von Substanzen, einschließlich Ethylenvinylacetat und Polyvinylbutyral, ausgewählt werden.
Jede Platte kann aus aufeinanderfolgenden Schichten auf einem Substrat, beginnend mit einem durchsichtigen bzw. transparenten Leiter gebildet werden, welcher wünschenswerterweise eine übereinandergeschichtete Index- bzw. Koeffizienten-eingestellte Struktur ist, die die elektrochromatische Elektrode enthalten kann. Die nächste Schicht ist ein Ionenleiter, welcher durch eine Gegenelektrode gefolgt wird, die vorzugsweise ebenfalls einen Teil einer übereinandergeschichteten Index-eingestellten Struktur bildet, welche aus transparenten metallischen und keramischen Schichten gebildet wird. Getrennte geschichtete Indexeingestellte Strukturen können obere und untere Komponenten der Vorrichtung bilden. Alternativ dazu kann eine einzelne oder können mehrere Index-eingestellte Strukturen in die Gesamtvorrichtung eingebaut werden, wenn dies gewünscht wird.
Die elektrochromatische Schicht verändert ihre Farbe, wenn sie einem elektrischen Effekt ausgesetzt wird und der Ionen-leitenden Schicht gegenüberliegt. Die Gegenelektrode befindet sich an der gegenüberliegenden Fläche der Ionen-leitenden Schicht und neben dem transparenten leitenden Material an der Gegenelektrode.
Der Ionenleiter ist in dem sichtbaren Bereich transparent bzw. durchsichtig, vorzugsweise fest, mit einem hohen elektrischen Widerstand und einer hohen ionischen Leitfähigkeit. Lithium- oder Wasserstoff-Ionenleiter sind geeignet. Die Lithium-Ionenleiter enthalten Lithiumsilikate, Lithiumaluminiumsilikate, Lithiumborsilikate, Lithiumzirkoniumsilikate, Lithiumniobate und verschiedene Lithium-leitende Polymerelektrolyte. Die Wasserstoff-Ionenleiter werden aus Oxiden gewonnen, wie beispielsweise Tantalpentoxid (Ta&sub2;O&sub5;) und Siliciumdioxid (SiO&sub2;). Bei der Gegenelektrode kann es sich um Nickeloxid, Iridiumoxid, Vanadiumpentoxid, Molybdänoxid oder verschiedene gemischte Oxide handeln.
Bei einem Verfahren zur Herstellung einer relativ großflächigen nicht-ebenen elektrochromatischen Vorrichtung gemäß der Erfindung wird ein nicht-ebenes bzw. nicht-planares Substrat mit einer Gruppe von Schichten, einschließlich einer Ionen-leitenden Schicht und einer elektrochromatischen Schicht, kombiniert. Die Schichten können auf dem Substrat durch chemisches Eintauchen, Sputtern bzw. Zerstäuben, thermische Verdampfung, Dünnschichtauftrag-Verfahren gebildet werden. Diese Vorgänge können miteinander kombiniert werden, und die resultierende Struktur an ein Substrat durch Klebstofflaminierung angebracht werden.
Bei einem Verfahren zum Betreiben einer relativ großflächigen elektrochromatischen Vorrichtung wird die elektrische Energie zwischen der äußeren und inneren transparenten leitenden Schicht angelegt. Dies ruft eine Ionenwanderung durch eine Gegenelektrode, einen Ionenleiter und eine elektrisch ansprechende Farbgebungs- bzw. Kolorationsschicht hervor. Externe Energie, wie beispielsweise Licht oder ultraviolette und Infrarotstrahlung, wird durch ein transparentes Substrat zu der inneren transparenten leitenden Schicht übertragen. Die spannungsgesteuerte Farbgebung bzw. Koloration bestimmt das Ausmaß, mit welchem die äußere Energie weiter von der inneren transparenten Schicht durch die elektrisch ansprechbare Farbgebungsschicht, den Ionenleiter, die Gegenelektrode und hinaus aus der äußeren transparenten leitenden Schicht übertragen wird.

Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die verschiedenen dargestellten Ausführungsformen in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen deutlich.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer elektrochromatischen Vorrichtung, welche die Schichten gemäß der Erfindung enthält; und
Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer alternativen elektrochromatischen Vorrichtung mit den die Erfindung bildenden Schichten.

Genaue Beschreibung

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird ein Querschnitt eines Fensters 10 gemäß der Erfindung in Fig. 1 gezeigt.
Das Fenster 10 ist elektrochromatisch in dem Sinne, daß die Transparenz bzw. Durchsichtigkeit der Fläche, welche einer externen Beleuchtung oder Bestrahlung ausgesetzt ist, elektrisch oder elektronisch gesteuert wird. Zu diesem Zweck kann die Person, welche sich in einem Raum oder einem Abteil, das das Fenster enthält, befindet, elektrische Steuerungen in der Art und Weise bedienen, wie im folgenden im Detail beschrieben ist, um einen gewünschten Grad an Dunkelheit oder Helligkeit zu erreichen bzw. einzustellen. Es sei angemerkt, daß obwohl die Erfindung anhand eines Fensters dargestellt wird, die Erfindung in gleicher Weise für andere Flächen anwendbar ist, die die Beleuchtung in das Innere eines Raumes einer Kabine bzw. eines abgeteilten Behälters zulassen, beispielsweise Seh- bzw. Bildanwendungen. Aufgrund der elektrischen Steuerung kann beispielsweise die Durchsichtigkeit bzw. Transparenz eines Fensters wie gewünscht eingestellt werden.
Wie aus der Querschnittsansicht in Fig. 1 hervorgeht, enthält das Fenster 10 in Fig. 1 Bestandteile bzw. Komponenten 10-1 bis 10-3. Es sei angemerkt, daß die Größe des Fensters relativ ist, und daß sehr große bzw. großflächige elektrochromatische Strukturen gemäß der Erfindung realisiert werden können.
Die Bestandteile 10-1 bis 10-3 in Fig. 1 werden auf einer Basis bzw. Grundfläche oder einem Substrat 12 angebracht und an dem Substrat 12 in geeigneter Weise befestigt bzw. angeklebt. Ein geeignetes Mittel (nicht gezeigt) kann ein laminierter durchsichtiger Klebstoff sein, wie beispielsweise Ethylenvinylacetat oder Polyvinylbutyral.
Alternativ dazu können die Bestandteile 10-1 bis 10-3 an das Subtrat 12 durch eine Eintauchtechnik angebracht bzw. angeklebt werden, bei welcher die Materialien von veschiedenen Schichten in einer organischen Lösung aufgelöst werden und wie gewünscht reagieren, nachdem das Lösungsmittel verdampft ist, um einen Niederschlag zu bilden, welcher zur Bildung der gewünschten Struktur erhitzt wird. Auf diese Weise können aufeinanderfolgende Schichten gebildet werden.
Der Querschnitt in Fig. 1 stellt ferner die Ersatz- oder Substituentschichten der Bestandteile bzw. Komponenten 10-1 bis 10-3 des Fensters 10 dar.
Der Bestandteil 10-1 ist eine übereinandergeschichtete Indexbzw. Koeffizient-eingestellte Struktur, einschließlich eines transparenten Oxids 11-a, einer Kontaktelektrode 11-m und einer aktiven elektrochromatischen Schicht 11-b für das Fenster 10. Die Kontaktelektrode 11-m wird von der transparenten Oxidschicht 11-a und der elektrochromatischen Schicht 11-b umfaßt bzw. beidseitig umgeben. Darüber hinaus sind dünne Metallschichten 11-1 und 11-2 vorhanden, welche die Kontaktelektrode 11-m sandwichartig einfassen bzw. beidseitig umgeben.
Der Zweck des transparenten Oxids bzw. der durchsichtigen Oxidschicht besteht darin, die Bestrahlung zuzulassen und die Strahlungsübertragung durch die Kontaktelektrode und die elektrochromatische Struktur zu erhöhen, während die Kontaktelektrode eine elektrische Ladung in die elektrochromatische Vorrichtung hinein und aus dieser heraus befördert. Durch die Auswahl eines transparenten Oxids mit einem hohen Brechungsindex bzw. Brechungskoeffizienten kann die Übertragung von Strahlung durch die Kontaktelektrode und die elektrochromatische Struktur verbessert werden. Geeignete Oxide in dieser Hinsicht sind dotierte Zinkoxide, Wolframoxide, Nickeloxide, Kobaltoxide und Indiumzinnoxide. Allgemein ist die Verbesserung bei der Strahlungsübertragung umso größer je höher der Brechungsindex des transparenten Oxids ist.
In dem Bestandteil bzw. der Komponente 10-1 ist eine aktive elektrochromatische oder farbgebende Schicht 1-b, beispielsweise aus Wolframtrioxid (WO&sub3;), enthalten. Die farbgebende Schicht ist optisch aktiv und erlaubt den umkehrbaren Strom sowohl von positiven als auch negativen Ionen. Die Fähigkeit der Schicht, die Farbe zu wechseln und Licht zu übertragen, ist eine direkt Funktion bzw. ist abhängig von der Anzahl von Ionen und Elektronen, die in den Schichten enthalten sind. Während es sich bei Wolframtrioxid um eine standardmäßige elektrochromatische Schicht handelt, enthalten weitere geeignete Schichten Molybdäntrioxid, Nickeloxid und Iridiumoxid genauso wie gemischte Oxide aus Vanadium, Wolfram, Titan und Molybdän.
An die farbgebende Schicht 11-b der Struktur 10-1 schließt sich eine transparente und elektrisch-leitende Ionenleitschicht 10-2 an, welche die elektrochromatische Schicht 11-b der Struktur 10-1 von der Gegenelektrodenschicht 13-a der Index-eingestellten Struktur 10-3 isoliert, welche ebenfalls eine unterliegende Oxidschicht 13-b zur Verbesserung der Strahlungsübertragung enthält.
Die Ionen-leitende Schicht 10-2 ermöglicht es Ionen, jedoch nicht Elektronen, durch sie hindurchzutreten und versieht die Vorrichtung mit einem "Speicher" bzw. einem "Gedächtnis". Es gibt viele verschiedene geeignete Ionenleiter-Elektrolyte, einschließlich, jedoch nicht auf diese beschränkt, auf Lithium basierende Keramiken, wie beispielsweise Lithiumsilikate, Lithiumaluminiumsilikate, Lithiumniobate, Lithiumnitride und Lithiumaluminiumfluoride. Geeignete Wasserstoffleiter werden aus Tantalpentoxid und Siliciumdioxid gewonnen.
Die Gegenelektrodenschicht 13-a der Struktur 10-3 "fügt ein" und speichert Ionen ab, wenn sie nicht in der elektrochromatischen Schicht der Struktur 10-1 verwendet werden. Einige Gegenelektrodenmaterialien sind ebenfalls elektrochromatisch dahingehend, daß sie einfallende Strahlung, einschließlich bestimmter Infrarot- oder sichtbarer Komponenten, der Sonnenstrahlung modulieren. Derartige Materialien ergänzen die Modulation durch die elektrochromatische Schicht in der Struktur 10-1. Geeignete eingefügte Verbindungen für die Gegenelektrode 13-a umfassen Vanadiumpentoxid, Niobiumoxid, Indiumoxid, Nickeloxid, Kobaltoxid und Molydänoxid sowie gemischte Oxide.
Vor der Fertigstellung bzw. Vollendung des Fensters 10 wird zumindest eine der Schichten 13-a oder 11-b mit Lithium oder Wasserstoff versehen, solange nicht bereits eine Quelle für Lithium- oder Wasserstoff ionen innerhalb dieser Schichten besteht. Das Einfügen bzw. Versehen kann erreicht werden, indem man eine oder mehrere der Bestandteile bzw. Komponenten 10-1 und 10-3 mit einem geeigneten Reduktionsmittel behandelt. Für das Einfügen von Lithium beispielsweise n-Butyl-Lithium verwendet werden, oder eine in Wasser gelöste Schwefelsäure kann zum Einfügen von Wasserstoff bzw. Wasserstoffionen verwendet werden. Alternativ dazu kann das Einführen bzw. Einfügen in Vakuum- bzw. Unterdruckprozessen durch Aufsputtern von einem Zielkörper stattfinden, welcher als Quelle für geeignete Ionen dient, beispielsweise einem Lithiumzielkörper bzw. Lithiumtarget, welches sich zur Erzeugung von Lithiumatomen in der Dampfphase zersetzt bzw. auflöst. Zusätzlich kann ein Plasma für das Einführen verwendet werden, beispielsweise ein Wasserstoffplasma, um das Einführen von Wasserstoff bzw. Wasserstoffionen hervorzurufen. Eine weitere Technik ist die Dampfablagerung, bei welcher eine Quelle mit der gewünschten Zusammensetzung verwendet wird. Eine weitere Technik ist die elektrochemische Interkalation in eine der Index-eingestellten Strukturen, beispielsweise Lithium-Interkalation für jede der Bestandteile bzw. Komponenten 10-1 oder 10-3.
Eine weitere Technik für die Ionen-Einführung ist die Verwendung flüchtiger Stoffe und das Zünden einer Entladung, um das einzuführende Ion von dem Träger- bzw. Mutterstoff zu lösen bzw. zu trennen. Eine organische Lithiumverbindung in Form eines Träger- bzw. Zwischenstoffgases wird dazu veranlaßt, sich aufzulösen, so daß einführbare bzw. einfügbare Lithiumatome mit dem zu ladenden Material in Berührung kommen. Es ist wünschenswert, Stoffe bzw. Stoffarten zu verwenden, die nicht in dem Gasströmungskanal reagieren.
Wenn das Gast- bzw. Aufnahmematerial die Ionen "interkaliert", beispielsweise Lithiumionen, nimmt die Aufnahmeinterkalierverbindung die Lithiumionen auf und gibt sie ab, wenn sie einem elektrischen Feld ausgesetzt ist. Die Lithiumionen treten in den Ionenleiter aus. Die Lithiumionen in dem Ionenleiter treffen auf Elektronen in dem äußeren Schaltkreis. Wenn die Lithiumionen und die zugehörigen Elektronen sich in der elektrochromatischen Einführungsverbindung befinden, beispielsweise Wolframtrioxid, tritt eine Veränderung in den optischen Eigenschaften auf.
An die Bestandteile 10-1 und 10-3 sind jeweils Anschlußdrähte 21 und 22 angebracht, die zu einem Steuerschaltkreis 25 führen, welcher eine Batterie und ein Potentiometer zur Einstellung der an das Fenster 10 über die Anschlußdrähte 21 und 22 angelegten Spannung aufweist. Es ist vorteilhaft, wenn die in dem Steuerschaltkreis 25 vorhandene Batterie wiederaufladbar ist. Zusätzlich ist es wünschenswert, daß das Fenster 10 in Verbindung mit Solartafeln bzw. Sonnenzellen (nicht gezeigt) verwendet wird, durch welche die Batterie während der Tagesstunden aufgeladen werden kann.
Wenn eine Spannung mit niedriger Amplitude, typischerweise eine Gleichspannung, über die äußeren Anschlußdrähte 21 und 22 angelegt wird, wandern ladungskompensierende bzw. ausgleichende Ionen, wie beispielsweise Lithiumionen, die in der Gegenelektrode des Bestandteiles 10-3 gespeichert sind, aufgrund der elektrischen Feldstärke zwischen den Elektroden der Bestandteile 10-1 und 10-3, wobei dies zur Folge hat, daß die positiv geladenen Ionen durch das elektrische Feld durch die Ionen-leitende Schicht 10-2 zu der aktiven elektrochromatischen Schicht des Bestandteiles 10-1 gezogen bzw. angetrieben werden.
In der aktiven Schicht des Bestandteiles 10-1 verbinden sich die positiv geladenen Ionen mit den Elektronen, welche über den äußeren Schaltkreis zugeführt werden. Diese Verbindung bzw. Kombination in der elektrochromatischen Schicht führt zu einem Wechsel in den optischen Eigenschaften und macht die elektrochromatische Schicht lichtabsorbierend. Die Menge vom absorbierten Licht, d.h. der Grad an Schattierung bzw. Dunkeltönung, ist variabel und wird durch die Ionen und Elektronen gesteuert, welche gemäß der Größe und Polarität der angelegten Spannung eingeführt werden.
Die Vorrichtung weist zusätzlich ein "Gedächtnis" oder "Erinnerungsvermögen" auf, so daß, wenn die Spannung entfernt wird, die Dunkeltönung bzw. die Schattengebung für einen ausgedehnten Zeitraum verbleibt.
Es sei angemerkt, daß, obwohl die Ionen-leitende Schicht 10-2 wünschenswerterweise ein auf Lithium basierender anorganischer Film ist, anstatt eines festen bzw. Festkörpers anorganischen Elektrolyts ein Lithium- oder Wasserstoffionen-leitender Polymer- Elektrolyt verwendet werden kann.
Um eine vorteilhafte Stromverteilung für die Vorrichtung 10 zu erzielen, enthält die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform einen modifizierten Bestandteil 33 entsprechend dem Bestandteil 10-3 in Fig. 1. Die Komponente bzw. der Bestandteil 33 ist ebenfalls eine Index-eingestellte Struktur, die aus einer Kombination von Elektroden und elektrochromatischen oder Gegenelektrodenschichten besteht, einschließlich einer übereinandergeschichteten Elektrode, welche durch die sandwichartige Einfassung eines dünnen Metallfilms 33-m zwischen dünneren Metallfilmen 33-1 und 33-2, wie beispielsweise Nickel, Eisen, Wolfram, Zirkonium oder Titan, gebildet wird. Das resultierende Metallsandwich bzw. die resultierende aus Metall bestehende sandwichartige Struktur wird ferner durch Oxidfilme 33-a und 33-b mit einem hohen Brechungsindex umfaßt bzw. sandwichartig umschlossen. Der metallische Film 33-m liefert eine elektrische Leitfähigkeit und Reflexionsvermögen für die einfallende Energie in dem nahen Infrarotbereich. Ein geeigneter Metallfilm 33-m besteht aus Silber, Aluminium oder Kupfer. Die Oxidfilme 33-a und 33-b mit hohem Brechungsindex verbessern die Übertragung der Strahlung durch die Metailfilme 33-1, 33-m und 33-2.
Wie oben bereits angemerkt, bestehen die Schichten 33-1 und 33-2 aus Nickel, Eisen, Wolfram, Zirkonium oder Titan. Bei den weiteren Schichten 33-a und 33-b kann es sich um dotiertes oder nicht dotiertes Zinkoxid, Wolframoxid, Indiumzinnoxid, Nickeloxid und Kobaltoxid, Vanadiumoxid, Titanoxid, Molybdänoxid, Niobiumoxid, Eisenferrocyanide und Mischungen dieser Stoffe handeln.
Die übrige übereinandergeschichtete Struktur 31 in Fig. 2 entspricht der Index- bzw. Koeffizienten-eingestellten Struktur 10-1 von Fig. 1. Während die elektrochromatische Schicht 11-b in Fig. 1 in dem Bestandteil 10-1 enthalten war und der Schicht 31-b in Fig. 2 entspricht, sei zusätzlich angemerkt, daß die Schicht 31-b eine Gegenelektrode sein kann, wobei in diesem Fall die elektrochromatische Schicht in Fig. 2 die Schicht 33-a wird.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung besitzt der Metallfilm 31-m einen Brechungsindex bzw. Brechungskoeffizienten, welcher geringer als 1,0, nämlich ungefähr 0,2, und die umfassenden Oxidfilme 31-a und 31-b weisen ähnliche Brechungskoeffizienten in der Größenordnung von 2,0 auf. Diese besondere Anordnung der Schichten vermindert den Gesamtbetrag von Strahlung, die von den Zwischenflächen bzw. Grenzflächen zwischen diesen Schichten reflektiert wird, und maximiert den Betrag bzw. die Strahlungsmenge, welche durch diese übertragen wird.
Der Gegenelektrodenbestandteil 10-3 in Fig. 1 ist nunmehr in Form einer aus einem dünnen Film bestehenden Index-eingestellten Struktur 33 ausgebildet, wie in Fig. 2 gezeigt ist, wobei eine Metallschicht 33-m durch zwei Oxidschichten 33-a und 33-b umfaßt wird bzw. zwischen diesen eingefügt ist.
Bei der Fabrikation bzw. Herstellung der Vorrichtung 10 in Fig. 1 besteht eine Technik darin, das Substrat 12 mit aufeinanderfolgenden Filmen zu überziehen, die beispielsweise durch reaktives Sputtern von einem Metall oder Metallegierungs-Zielobjekt unter Verwendung einer drehbaren Magnetron- bzw. Magnetfeldröhrenkathode zum Sputtern eines Niederschlags ablagerbar sind. Alternative Ablagerungstechniken für dünne Filme enthalten Thermoverdampfung, Sol-Gel, chemische Abscheidung aus der Gasphase (CVD) und Plasma-verstärkte Abscheidung aus der Dampfphase.
Bei der Bildung des geschichteten Aufbaus bzw. der geschichteten Struktur 31 durch beispielsweise Magnetronsputtern findet die Ablagerung der dotierten oder undotierten Metalloxidschichten 31- b unter Verwendung eines Meta11- oder Legierungszielobjektes bzw. -targets, statt. Daran schließt sich die Ablagerung einer dünnen Schicht (weniger als 50 Å) aus Metall 31-2 an, um eine geeignete Kristallisationsoberfläche für die nachfolgende Ablagerung eines elektrisch-leitenden Metalls 31-m zu erhalten. Diese letztere wird als ein kontinuierlicher bzw. zusammenhängender Film von weniger als 300 Å abgelagert. Daran schließt sich die Ablagerung einer Schutzmetallschicht 31-1 an, um die elektrisch-leitende Schicht davor zu bewahren, bei der nachfolgenden Oxidablagerung dem Sauerstoffplasma ausgesetzt zu sein. Die Schutzmetallschicht kann für die teilweise Bildung eines Oxids verwendet werden, welche durch die Ablagerung weiterer dotierter oder undotierter Oxidschichten, beispielsweise der ZnO- ode TiO&sub2;-Schicht 31-a ergänzt wird.
Zur Bildung der Ionen-leitenden Schicht 10-2 wird die Ablagerung von amorphen Siliciumsilikat durchgeführt, die Elemente, wie beispielsweise Aluminium oder Titan, zur Erhöhung der Ionenleitfähigkeit enthalten. Ein Substrat mit den Schichten des Bestandteils 10-3 oder des Bestandteils 33 wird beispielsweise in eine Lösung eingetaucht, die durch Mischung von Siliciumalkoxiden und von Lithiumalkoxiden und/oder Lithiumsalzen in Alkohol oder Wasser gebildet werden. Die Lösung kann Aluminium- oder Titansalze oder -alkoxide enthalten. Das Substrat wird dann aus der Lösung mit einer kontrollierten bzw. gesteuerten Rate bzw. Geschwindigkeit herausgezogen. Nach dem Entfernen des Substrates verbleibt ein dünner Film, welcher durch gleichzeitige Hydrolyse und Trocknen gefolgt von einem Ausheilen bzw. Tempern vollendet wird.
Die Vorrichtung wird mit Schichten aus den Bestandteilen 10-1 oder dem Bestandteil 31 fertiggestellt bzw. vollendet, indem man auf die Ionen-leitende Schicht 10-2 Lithium, welches dem Gegenelektrodenfilm 31-b zugefügt ist, aufsputtert durch gleichzeitiges oder sequentielles Sputtern von einem Lithiumenthaltenden Zielobjekt, wie beispielsweise Lithiumcarbonat. Eine dünne Metallschicht 31-2, beispielsweise Nickel, in welchem ein Lithium-Festkörper eine geringe Löslichkeit aufweist, wird abgelagert, um zu verhindern, daß in der Gegenelektrode enthaltenes Lithium in die elektrisch-leitende Metallschicht diffundiert und dort mit dieser reagiert. In einem nächsten Schritt wird eine elektrisch-leitende Metallschicht, beispielsweise Silber, abgelagert, woran sich die Ablagerung einer Metallschutzschicht 31-1 und des Oxidfilms 31-a anschließt.
Die Elektrodenkontakte 21 und 22 werden durch Maskierungen und Ablagerung eines Metalls mit niedrigem Widerstand, wie beispielsweise Kupfer, hergestellt. Zusätzlich wird eine Abdeckungsschicht, beispielsweise Siliciumnitrid, durch Sputtern gebildet. In der Praxis befindet sich die Vorrichtung 10 auf einem Substrat, das auf einem zweiten Substrat bzw. einer zweiten oberen Schicht 14 derselben Größe und derselben Form laminiert ist, wobei eine Randversiegelung aufgebracht wird, um den Kontakt mit Luft und Feuchtigkeit zu verhindern.
In den Fig. 1 und 2 sind die Metallschichten 11-m, 31-m und 33-m eben bzw. planar, jedoch ist es vorteilhaft, diese Leiter mit variablen Querschnitten, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind, zu versehen, wobei die Leiter 11-m' (31-m') eine Minimaldicke t an dem Mittelpunkt und eine Maximaldicke T an den äußeren Rändern aufweist. Dies geschieht, um einen gleichförmigen Stromfluß durch die Metallschichten zu fördern, indem man die größten Dicken der Schichten an den Rändern vorsieht, bei denen ein Kontakt mit den externen Leitern, wie beispielsweise den Leitern 21 und 22 in den Fig. 1 und 2, hergestellt wird. Wenn die Gesamtstruktur bzw. der Gesamtaufbau zylindrisch ist, nimmt der variable Querschnittsleiter 11-m' in Fig. 3 die Form einer Umdrehungsfläche um den Mittelpunkt an, bei dem die Dicke minimal ist. In denjenigen Fällen, bei denen die Gesamtstruktur rechteckig im Querschnitt ist, erstreckt sich der Leiter 11-m' einfach in Tiefenrichtung der Struktur, während der Querschnitt, wie er in Fig. 3 gezeigt ist, beibehalten wird. Bei der besonderen Ausführungsform in Fig. 3 ist die obere Fläche U des Leiters 11-m' kegelförmig bzw. spitzverlaufend mit einem entsprechenden kegelförmigen bzw. spitzverlaufenden darüberliegenden Puffermetallfilm 11-1'. Eine komplementäre bzw. Gegenkegelform wird daher in der darüberliegenden Oxidschicht 11-a' vorgesehen.
Die obige Beschreibung ist lediglich beispielhaft. Weitere Modifkationen und Anpassungen der Erfindung werden für den Fachmann in einfacher Weise deutlich.

Claims

1. Elektrochromatische Vorrichtung mit einer elektrochromatischen Struktur, welche eine aus einem elektrochromatischen Material (11b) gebildete Elektrode, eine Gegenelektrode (13a) und eine Transporteinrichtung (10-2) zum Transport von Ionen zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode enthält,

einer leitenden Einrichtung, welche wenigstens zwei elektrisch leitende Schichten (11m, 13b) enthält, die die elektrochromatische Struktur sandwichartig einfassen zum Anlegen eines elektrischen Potentials an die elektrochromatische Struktur,

einer optischen Einrichtung (11a, 13b), welche wenigstens eine Schicht aus einem optisch transparenten Material in Oberflächenkontakt mit wenigstens einer der elektrisch leitenden Schichten zur Erhöhung der Übertragung der optischen Abstrahlung durch die elektrochromatische Struktur und wenigstens eine der elektrisch leitenden Schichten enthält, und mit

einer ersten Zwischenschicht (11-2), welche aus Metall gebildet ist und zwischen der elektrochromatischen Struktur und wenigstens einer der elektrisch leitenden Schichten angeordnet ist.

2. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der wenigstens eine der elektrisch leitenden Schichten eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Metall enthält.

3. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das elektrisch leitende Metall aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Silber, Aluminium oder Kupfer besteht.

4. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die elektrisch leitende Metallschicht eine Dicke von weniger als ungefähr 300 Ångström aufweist.

5. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der wenigstens eine der elektrisch leitenden Schichten eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Oxid (13b) enthält.

6. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Metall, welches die erste Zwischenschicht bildet, aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Nickel, Eisen, Wolfram, Zirkon und Titan besteht.

7. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Zwischenschicht dünner ist als wenigstens eine der elektrisch leitenden Schichten.

8. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die erste Zwischenschicht eine Dicke von weniger als ungefähr 50 Ångström aufweist.

9. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner eine zweite Zwischenschicht (11-1) aufweist, die in Oberflächenkontakt mit wenigstens einer der elektrisch leitenden Schichten derart angeordnet ist, daß wenigstens eine der elektrisch leitenden Schichten sandwichartig zwischen die erste und zweite Zwischenschicht zwischengelegt ist.

10. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die erste und zweite Zwischenschicht beide aus einer Metallschicht gebildet sind, die dünner ist als die wenigstens eine der elektrisch leitenden Schichten.

11. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der wenigstens eine der elektrisch leitenden Schichten eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Metall enthält und die Metalle, welche die erste und zweite Zwischenschicht bilden, unterschiedlich zu dem elektrisch leitenden Metall sind.

12. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das optisch transparente Material ein transparentes Oxid aufweist.

13. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der das optisch transparente Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus dotiertem Zinkoxid, undotiertem Zinkoxid, Wolframoxid, Nickeloxid, Kobaltoxid, Vanadiumoxid, Titanoxid, Molybdänoxid, Niobiumoxid, Indiumzinnoxid und Mischungen daraus besteht.

14. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der das optisch transparente Material ein optisch leitendes Oxid aufweist.

15. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das optisch transparente Material einen Brechungsindex von ungefähr 2,0 besitzt.

. 16. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Transporteinrichtung eine Schicht enthält, welche aus einem Ionen leitenden Material besteht, das zwischen der Elektrode und der Gelenelektrode sandwichartig zwischengelegt ist.

17. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der das Ionen leitende Material ein Lithiumionen leitendes, auf Lithium basierendes keramische Material aufweist.

18. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der das Ionen leitende Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Lithiumsilicat, Lithiumborat, Lithiumborsilicat, Lithiumzirkoniumsilicat, Lithiumaluminiumsilicat, Lithiumniobat, Lithiumnitrid und Lithiumaluminiumfluorid besteht.

19. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der das Ionen leitende Material ein Wasserstoffionen leitendes Material aufweist.

20. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der das Ionen leitende Material aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Tantalpentoxid und Siliciumdioxid besteht.

21. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der das Ionen leitende Material einen Polymer aufweist.

22. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der das Ionen leitende Material ein zweites Material zur Erhöhung der Ionenleitfähigkeit enthält.

23. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 22, bei der das zweite Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium und Titan besteht.

24. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das elektrochromatische Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Wolframtrioxid, Molybdäntrioxid, Nikkeloxid, Iridiumoxid und gemischten Oxiden aus Vanadium, Wolfram, Titan und Molybdän besteht.

25. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Gegenelektrode aus einem Material gebildet ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Vanadiumpentoxid, Niobiumoxid, Indiumoxid, Iridiumoxid, Nickeloxid, Kobaltoxid, Molybdänoxid und Mischungen daraus besteht.

26. Elektrochromatische Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner eine zweite Zwischenschicht aufweist, welche aus einem Metall gebildet ist und zwischen der elektrochromatischen Struktur und einer anderen der elektrisch leitenden Schichten angeordnet ist.

27. Elektrochromatische Kombination mit einem transparenten Substrat (12) und einer elektrochromatischen Vorrichtung nach Anspruch 1, welche auf dem transparenten Substrat angeordnet ist.

28. Elektrochromatische Kombination nach Anspruch 27, welche ferner eine transparente obere Schicht bzw. Superstratschicht (14) aufweist, wobei die elektrochromatische Vorrichtung sandwichartig zwischen dem transparenten Substrat und der transparenten oberen Superstratschicht zwischengelegt ist.

29. Elektrochromatische Kombination nach Anspruch 28, welche ferner eine Schicht aus einem klebenden Material zum Verbinden der transparenten oberen Superstratschicht an die elektrochromatische Vorrichtung aufweist.

30. Elektrochromatische Kombination nach Anspruch 29, bei der das klebende Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Ethylenvinylacetat und Polyvinylbutyral besteht.