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Dokumentenidentifikation DE69333252T2 12.08.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0000676059
Titel ELEKTROCHROME VORRICHTUNG
Anmelder Sage Electrochromics,Inc., Valley Cottage, N.Y., US
Erfinder ELLIS, B., Frank, Princeton, US;
VAN DINE, E., John, Mahwah, US;
PARKHE, D., V., Edison, US
Vertreter Samson & Partner, Patentanwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69333252
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 22.12.1993
EP-Aktenzeichen 949048870
WO-Anmeldetag 22.12.1993
PCT-Aktenzeichen PCT/US93/12529
WO-Veröffentlichungsnummer 0094015247
WO-Veröffentlichungsdatum 07.07.1994
EP-Offenlegungsdatum 11.10.1995
EP date of grant 15.10.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.08.2004
IPC-Hauptklasse G02F 1/153
IPC-Nebenklasse G02F 1/155   

Beschreibung[de]
Technischer Bereich

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrochrome Vorrichtungen, durch die Energie, einschließlich Licht, transmittieren bzw. durchgehen kann unter kontrollierten Bedingungen. Spezieller richtet die vorliegende Erfindung an verbesserte elektrochrome Vorrichtungen, die über große Oberfläche verwendbar sind, wie auch Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtungen.

Stand der Technik

Es ist von gewissen Materialien, die als elektrochrome Materialien bezeichnet werden, bekannt, daß sie ihre optischen Eigenschaften ändern in Reaktion auf die Anwesenheit bzw. das Anlegen eines elektrischen Stroms oder einer elektrischen Spannung. Diese Eigenschaft wurde ausgenutzt, um elektrochrome Vorrichtungen herzustellen, die gesteuert werden können, um wahlweise optische Energie zu transmittieren bzw. durchzulassen. Derartige elektrochrome Vorrichtungen haben typischerweise eine Struktur, bestehend aus aufeinanderfolgenden Schichten, einschließend eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Material, einer Elektrode, die aus einer Schicht aus einem elektrochromen Material gebildet ist, einer ionenleitenden Schicht, einer Gegenelektrodenschicht und einer anderen elektrisch leitenden Schicht. In einem ersten Zustand der elektrochromen Vorrichtung ist jede der zuvor erwähnten Schichten derart optisch transparent, daß ein Hauptanteil der auf die Vorrichtung auftreffenden optischen Energie durch sie hindurchgelassen wird. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung über diesen Schichten jedoch, ändern sich die optischen Eigenschaften des elektrochromen Materials derart, daß die elektrochrome Schicht weniger transparent wird und dabei die Transmission eines großen Anteils der optischen Energie verhindert.

Eine elektrochrome Vorrichtung umfassend eine eine erste Elektrode bildende elektrochrome Schicht, eine ionenleitende Schicht und eine Gegenelektrodenschicht, ist in US-A-4 293 194 beschrieben. Die Vorrichtung ist sandwichartig zwischen zwei transparenten, elektrisch leitenden In2O3-Schichten angeordnet und beinhaltet antireflektierende Filme, die auf die In2O3-Schichten auflaminiert sind, um einen Strahlendurchgang durch sie hindurch zu verstärkern.

Eine der wesentlichsten potentiellen Verwendungen dieser elektrochromen Vorrichtungen besteht in der Steuerung der Transmission bzw. des Durchgangs optischer Energie durch Fenster und insbesondere den großen Fenstern von Geschäftsgebäuden und anderen derartigen Strukturen. Durch wahlweises Steuern der Transmission optischer Energie durch diese Fenster, können erhebliche Kosteneinsparungen in Bezug auf das Heizen und Kühlen dieser Gebäude realisiert werden. Bis zum heutigen Tage jedoch sind Anstrengungen, diesen potentiellen Vorteil zu kapitalisieren, weitgehend gescheitert. Ein Grund für dieses Scheitern besteht in der Unfähigkeit der Industrie, wirtschaftlich eine elektrochrome Vorrichtung herzustellen, die wirkungsvoll über bzw. bei große(n) Oberflächen verwendet werden kann. Diejenigen Vorrichtungen, die bislang hierzu verfügbar waren, zeigten ein unerwünschtes Mosaik unterschiedlicher Farben oder einen schillernden Effekt bei Verwendung über große Oberflächenbereiche. Da die Farbe dieser Vorrichtung direkt in Beziehung steht zu den Dicken der verschiedenen Schichten, führen Änderungen der Schichtdicke von Bereich zu Bereich zu Farbänderungen, die dabei diesen schillernden Effekt erzeugen. Die extrem engen Toleranzen, die erforderlich sind, um dieser Schwierigkeit beizukommen, machen die Verwendung dieser Vorrichtungen für Anwendungen mit großem Oberflächenbereich sehr unwirtschaftlich.

Ein weiteres Hindernis bei der weitverbreiteten Kommerzialisierung von elektrochromen Vorrichtungen für große Oberflächenbereiche betrifft das Verständnis in diesem Bereich, insofern, daß optisch transparente, leitende Materialien verwendet werden müssen, um eine elektrische Spannung über diesen Vorrichtungen anzulegen, so daß die optische Transparenz dieser Vorrichtungen nicht ausgeglichen wird. Vorzugsweise haben die aus diesen Materialien gebildeten leitenden Schichten einen niederen Flächenwiderstand, um eine ausreichend schnelle und gleichförmige Änderung der optischen Eigenschaften der Vorrichtung zu bewirken. Diese Schichten sind typischerweise aus teuren, transparenten leitenden Metalloxiden gebildet. Die relativ dicken Schichten dieser Oxide, die erforderlich waren, um einen akzeptablen, niederen Flächenwiderstand für Vorrichtungen großen Oberflächenbereichs zu erhalten, führten zu einer Abnahme ihrer Gesamttransparenz. Überdies gestalten angesichts der hohen Kosten dieser Materialien die relativ großen erforderlichen Mengen die Verwendung dieser Materialien unwirtschaftlich.

Es besteht daher eine Notwendigkeit nach verbesserten elektrochromen Vorrichtungen, die ein akzeptables Erscheinungsbild bei Verwendung bei großen Oberflächenbereichen vorsehen. Es besteht eine weitere Notwendigkeit nach derartigen elektrochromen Vorrichtungen, die effizient und wirtschaftlich hergestellt werden können und die daher zur breiten kommerziellen Nutzung verfügbar sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung, wie sie in dem Gegenstand des Anspruchs 1 dargestellt ist, kommt diesen Notwendigkeiten bei.

Die vorliegende Erfindung sieht eine elektrochrome Vorrichtung vor, bestehend aus einer elektrochromen Struktur, beinhaltend eine Elektrode, die aus einem elektrochromen Material gebildet ist, eine Gegenelektrode und ein Transportmittel zum Transportieren von Ionen zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode. Leitende Mittel, beinhaltend wenigstens zwei elektrisch leitende Schichten, ordnen die elektrochrome Struktur sandwichartig dazwischenliegend an, so daß eine elektrische Spannung an der Struktur angelegt werden kann. Die elektrochrome Vorrichtung beinhaltet des weiteren Verbesserungsmittel zum Verbessern des Strahlendurchgangs durch wenigstens eine der elektrisch leitenden Schichten. Die Elektrode, die Gegenelektrode und die ionenleitenden Schichten sind derart ausgewählt, daß sie alle etwa den gleichen Brechungsindex haben.

In bevorzugten Ausführungsbeispielen umfaßt das Verbesserungsmittel wenigstens eine Schicht aus einem optische transparenten Material in Oberflächenkontakt mit der wenigstens einen elektrisch leitenden Schicht. Vorzugsweise ist das optisch transparente Material ein transparentes Oxid, ein transparentes Nitrid oder eine Kombination deren. In einigen äußerst bevorzugten Ausführungsbeispielen umfaßt das optisch transparente Material ein Gemisch aus Siliciumoxid und Zinnoxid.

Das Transportmittel beinhaltet vorzugsweise wenigstens eine Schicht, die aus einem ionenleitenden Material gebildet ist und zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode sandwichartig angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist das elektrochrome Material vorzugsweise gebildet aus Wolframoxid, Niobiumoxid, Titanoxid, Molybdänoxid, Nickeloxid, Iridiumoxid oder deren Gemischen. Die Gegenelektrode ist vorzugsweise aus Vanadiumoxid, Niobiumoxid, Indiumoxid, Nickeloxid, Kobaltoxid, Molybdänoxid oder deren Gemischen gebildet. Das ionenleitende Material kann ein Lithiumionen-leitendes Material wie beispielsweise Lithiumsilicat, Lithiumborosilicat, Lithiumaluminiumsilicat, Lithiumniobat, Lithiumnitrid oder Lithiumaluminiumfluorid sein. Alternativ kann das ionenleitende Material ein Wasserstoffionenleitendes Material sein wie beispielsweise Siliciumdioxid oder Tantalpentoxid. Vorzugsweise werden die Elektrode, die Gegenelektrode und die ionenleitende Schicht derart gewählt, daß sie alle etwa den gleichen Brechungsindex haben. Dies kann bewerkstelligt werden durch Einstellen des Brechungsindexes dieser Materialien durch Hinzugabe von Oxiden, die unterschiedliche Brechungsindize haben.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht eine elektrochrome Kombination vor, bestehend aus einem transparenten Substrat und einer auf dem transparenten Substrat angeordneten elektrochromen Vorrichtung. Die elektrochrome Vorrichtung kann im allgemeinen aus einer elektrochromen Struktur bestehen, einschließend eine aus einem elektrochromen Material gebildete Elektrode, eine Gegenelektrode und Transportmittel zum Transportieren von Ionen zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode. Die elektrochrome Vorrichtung kann des weiteren aus leitenden Mitteln bestehen, einschließlich wenigstens zwei elektrisch leitenden Schichten, zwischen denen die elektrochrome Struktur sandwichartig angeordnet ist, zum Anlegen einer elektrischen Spannung an der elektrochromen Struktur und Verbesserungsmitteln zum Verstärken des Strahlungsdurchgangs durch wenigstens eine der elektrisch leitenden Schichten.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele in Übereinstimmung mit diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung können des weiteren ein transparentes Superstrat beinhalten, wobei die elektrochrome Vorrichtung zwischen dem transparenten Substrat und dem transparenten Superstrat sandwichartig dazwischen angeordnet ist. Eine Schicht aus einem Haftmaterial kann dazu verwendet werden, um das transparente Superstrat an die elektrochrome Vorrichtung zu binden. Eine derartige Haftschicht hat vorzugsweise einen Brechungsindex zwischen etwa 1,4 und etwa 1,8, wobei der Brechungsindex vorzugsweise im wesentlichen gleich dem Brechungsindex des Superstrats ist. Wahlweise kann die wenigstens eine elektrisch leitende Schicht eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Oxid beinhalten und die Haftschicht kann in Oberflächenkontakt mit der elektrisch leitenden Oxidschicht stehen. In diesem Falle hat die Haftschicht vorzugsweise einen Brechungsindex zwischen dem Brechungsindex der elektrisch leitenden Oxidschicht und dem Brechungsindex des Superstrats.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Ein vollständigeres Verständnis des Gegenstandes der vorliegenden Erfindung und dessen verschiedenster Vorteile kann realisiert werden durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht, in denen:

1 eine hochschematische Querschnittsansicht einer elektrochromen Vorrichtung in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik ist;

2 eine graphische Darstellung ist, welche die optische Transmission der elektrochromen Vorrichtung der 1 in dem gebleichten Zustand zeigt;

3 eine hochschematische Querschnittsansicht einer elektrochromen Vorrichtung in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;

4 eine hochschematische Querschnittsansicht einer elektrochromen Vorrichtung in Übereinstimmung mit einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;

5 eine graphische Darstellung ist, welche die optische Transmission der elektrochromen Vorrichtung der 4 in dem gebleichten Zustand zeigt;

6 eine hochschematische Querschnittsansicht einer elektrochromen Vorrichtung in Übereinstimmung mit einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;

7 eine graphische Darstellung ist, welche die optische Transmission der elektrochromen Vorrichtung der 6 in dem gebleichten Zustand zeigt;

8 eine hochschematische Querschnittsansicht einer elektrochromen Vorrichtung in Übereinstimmung mit noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;

9 eine graphische Darstellung ist, welche die optische Transmission der elektrochromen Vorrichtung der 8 in dem gebleichten Zustand zeigt;

10 eine hochschematische Querschnittsansicht einer elektrochromen Vorrichtung in Übereinstimmung mit noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist; und

11 eine hochschematische Querschnittsansicht einer elektrochromen Vorrichtung in Übereinstimmung mit noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist.

Beste Art zur Ausführung der Erfindung

Zum Zwecke der vorliegenden Beschreibung werden die elektrochromen Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang mit ihrer Verwendung zur Steuerung der Transmission von Licht durch ein Fenster diskutiert. Es ist jedoch erkennbar, daß diese elektrochromen Vorrichtungen in einem weiten Bereich von Anwendungen nützlich sind, einschließlich Anzeigevorrichtungen, Spiegeln mit variabler Reflexion, Linsen und ähnlichen Vorrichtungen, bei denen die Möglichkeit der wahlweisen Steuerung der Transmission optischer Energie durch eine transparente Struktur vorteilhaft wäre.

Ein Fenster 10, das eine elektrochrome Vorrichtung in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik beinhaltet, wie er in der WO 8912844 beschrieben ist, ist schematisch im Querschnitt in 1 gezeigt. Das Fenster 10 besteht aus einer Reihe sequentieller Schichten, einschließend ein transparentes Glassubstrat 12, eine transparente leitende Oxidschicht 20, eine elektrochrome Elektrodenschicht 30, eine ionenleitende Schicht 40, eine Gegenelektrodenschicht 50, eine andere transparente leitende Oxidschicht 22 und ein transparentes Glassuperstrat 14. Eine Niederspannungsbatterie 2 und ein Schalter 4 sind mit Hilfe von Leitungsdrähten 6 und 8 an der geschichteten Struktur angeschlossen. Um die optischen Eigenschaften des Fensters 10 zu ändern, wird der Schalter 4 geschlossen, woraufhin die Batterie 2 bewirkt, daß eine elektrische Spannung über der geschichteten Struktur erzeugt ist. Die Polarität der Batterie bestimmt die Natur der erzeugten elektrischen Spannung und daher die Richtung des Ionen- und Elektronenstroms. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel bewirkt die elektrische Spannung, die beim Schließen des Schalters 4 erzeugt wird, daß die Ionen von der Gegenelektrodenschicht 50 durch die ionenleitende Schicht 40 zu der elektrochromen Elektrodenschicht 30 strömen und dabei das elektrochrome Material zu seinen sog. "gefärbten" Zustand reduzieren. In diesem Zustand ist die Transparenz des Fensters 10 im wesentlichen reduziert, da ein großer Anteil der auf das Fenster 10 einfallenden optischen Energie absorbiert und reflektiert wird durch die elektrochrome Elektrodenschicht 30. Es heißt, daß das Fenster 10 einen "Speicher" insofern hat, als die elektrochrome Schicht 30 bei geöffnetem Schalter 4 in diesem gefärbten Zustand verbleibt, vorausgesetzt, daß die Schicht 40 ebenfalls elektrisch isolierend ist. Wird jedoch die Polarität der Batterie 2 umgekehrt und der Schalter 4 geschlossen, so veranlaßt die angelegte elektrische Spannung Ionen dazu, in die umgekehrte Richtung zu strömen, von der elektrochromen Elektrodenschicht 30 durch die ionenleitende Schicht 40 zu der Gegenelektrodenschicht 50, wobei das elektrochrome Material in seinen "gebleichten" Zustand oxidiert wird, in dem die Transparenz des Fensters 10 sich auf einem Maximum befindet.

Beim Herstellen des oben beschriebenen Fensters 10 können die Schichten 20 und 22 aus jeglichen transparenten Oxiden gebildet werden, die hoch elektronenleitend sind wie beispielsweise dotierte Zinnoxide, dotierte Zinkoxide, Zinndotierte Indiumoxide und ähnliche Materialien. Die Materialien zur Bildung der Schichten 20 und 22 müssen nicht die gleichen sein. Die elektrochrome Elektrodenschicht 30 wird typischerweise aus einem Material gebildet, dessen optische Eigenschaften umkehrbar änderbar sind, wenn sich sein Oxidationszustand ändert. Die Dicke der elektrochromen Elektrodenschicht 30 wird normalerweise derart in dem gefärbtem Zustand sein, daß eine annehmbare Reduzierung der Transparenz des Fensters erzielt wird. Ein weit verbreitetes Material in diesem Zusammenhang ist Wolframoxid (WO3), wenngleich andere geeignete Materialien verwendet werden können, wie beispielsweise Molybdänoxid, Nickeloxid, Iridiumoxid, Niobiumoxid, Titanoxid und Gemische der vorstehenden Oxide. Die ionenleitende Schicht 40 wird dazu verwendet, die Ionen in die und aus der elektrochrome(n) Schicht 30 zu transportieren und muß zwei elektrisch entgegengesetzte Eigenschaften zeigen und aufrechterhalten.

Das heißt, die ionenleitende Schicht 40 muß leicht Ionen bei Anlegen einer elektrischen Spannung transmittieren, dabei jedoch elektrisch isolierend in Bezug auf die Transmission der Elektronen bleiben. In diesem Zusammenhang muß die ionenleitende Schicht 40 eine Dicke haben, die ausreichend ist, daß die Möglichkeit eines Elektrobogens oder Kurzschlusses zwischen der elektrochromen Elektrodenschicht 30 und der Gegenelektrodenschicht 50 vermieden wird. Geeignete Materialien zur Ausbildung der Schicht 40 für die Transmission von Lithiumionen beinhalten beispielsweise Lithiumsilicat, Lithiumborosilicat, Lithiumaluminiumsilicat, Lithiumniobat, Lithiumnitrid und Lithiumaluminiumfluorid; und geeignete Materialien zum Transmittieren von Wasserstoffionen beinhalten Tantalpentoxid und Siliciumdioxid. Alternativ kann die ionenleitende Schicht 40 aus einem Polymerwerkstoff gebildet sein.

Die Gegenelektrodenschicht 50 des Fensters 10 ist typischerweise aus einem Material gebildet, das fähig ist, Ionen zu speichern und dann diese Ionen freizugeben zur Transmission zu der elektrochromen Schicht 30 in Reaktion auf eine geeignete elektrische Spannung. Die Dicke dieser Schicht ist vorzugsweise derart, daß die Gegenelektrode eine ausreichende Menge an Ionen zu der elektrochromen Elektrodenschicht transmittieren kann, um in dieser Schicht eine annehmbare Änderung der Farbe zu bewirken. Einige Gegenelektrodenmaterialien sind selbst ebenfalls elektrochrom, insofern, als ihre optischen Eigenschaften sich ändern bei Abgabe oder Aufnahme von Ionen in Reaktion auf das Anlegen einer elektrischen Spannung. Diese elektrochromen Gegenelektrodenmaterialien können den Effekt ergänzen bzw. verstärken, den eine elektrische Spannung ausübt auf die optischen Eigenschaften der elektrochromen Elektrodenmaterialien.

Das heißt, daß diese Gegenelektrodenmaterialien weniger transparent werden können, wenn sie Ionen freigeben, um die elektrochromen Materialien in den gefärbten Zustand umzuwandeln. In gleicher Weise können die Gegenelektrodenmaterialien transparenter werden, wenn sie bei Umwandlung des elektrochromen Materials in den gebleichten Zustand Ionen aufnehmen. Geeignete Materialien zur Ausbildung der Gegenelektrodenschicht 50 beinhalten Vanadiumoxid, Niobiumoxid, Indiumoxid, Nickeloxid, Kobaltoxid, Molybdänoxid und Gemische der vorstehenden Oxide.

Jede der oben beschriebenen Schichten kann durch bekannte Techniken abgeschieden werden, vorausgesetzt, daß diskrete und durchgehende individuelle Schichten ausgebildet werden. Das spezielle Abscheideverfahren für jede Schicht hängt von mehreren Parametern ab, einschließlich des abzuscheidenden Materials, der Dicke der abzuscheidenden Schicht, der Materialien, die in vorhergehenden Schichten abgeschieden wurden, etc. Abscheidetechniken beinhalten RF-Sputtern, chemische Dampfabscheidung, Plasma-verstärkte chemische Dampfabscheidung, Elektronenstrahlverdampfung, Gel-Soltechniken und andere bekannte Verfahren zum Abscheiden dünner Filme werden typischerweise verwendet.

Während des Herstellungsprozesses können die elektrochrome Elektrodenschicht 30 und/oder die Gegenelektrodenschicht 50 mit geeigneten Ionen wie beispielsweise Lithium- oder Wasserstoffionen versetzt werden, wenn diese Ionen nicht schon in einer dieser Schichten in ihrer abgeschiedenen Form vorliegen. Ein Ioneneinführen kann bewerkstelligt werden durch Behandeln der Schicht 30 oder der Schicht 50 mit einem geeigneten Reduktionsmittel. Beispielsweise kann n-Butyl Lithium verwendet werden für das Lithium-Einführen oder wässrige schwefelige Säure für die Wasserstoffeinführung verwendet werden. Alternativ kann die Ioneneinführung bewerkstelligt werden durch einen Vakuumbearbeitungsschritt, wie beispielsweise einem Sputtern von einem Target, das als Quelle geeigneter Ionen dient, beispielsweise einem Lithium-Target, das zerfällt, um Lithium-Atome in der Dampfphase zu erzeugen. Auch kann eine Wasserstoffeinführung bewerkstelligt werden durch Aussetzen gegenüber einem Wasserstoffplasma.

Eine Ioneneinführung kann auch elektrochemisch bewerkstelligt werden durch Reduktion in einem geeigneten Ionen enthaltenden Elektrolyten. Eine noch weitere Technik besteht im direkten Abscheiden einer Schicht des reduzierten Materials durch Dampfabscheidung in einer reduzierenden Atmosphäre, die mit dem Quellen- oder Targetmaterial reagieren wird, um die gewünschte Zusammensetzung zu bilden oder durch Verwendung einer Quelle oder eines Targets mit der reduzierten Zusammensetzung. Bei einer noch anderen Technik des Einführen wird ein flüchtiger Ausgangsstoff verwendet und zündet eine Entladung bei niedrigem Dampfdruck, um das Einführion von dem Ausgangsstoff zu trennen. Beispielsweise kann eine organische Lithiumverbindung in Form eines gasförmigen Ausgangsstoffs getrennt werden, so daß Lithiumionen in Kontakt gelangen mit dem Material, in das sie eingeführt werden sollen.

2 zeigt die Transmission bzw. den Durchgang optischer Energie als Funktion der Wellenlänge in dem gebleichten Zustand für ein Fenster 10, bei dem das Glassubstrat 12 einen Brechungsindex von 1,5, die transparente, leitende Oxidschicht 20 einen Brechungsindex von 2,1 und eine Dicke von 450 nm, die elektrochrome Elektrodenschicht 30 einen Brechungsindex von 2,1 und eine Dicke von 300 nm, die Ionen leitende Schicht 40 einen Brechungsindex von 1,5 und eine Dicke von 200 nm, die Gegenelektrodenschicht 50 einen Brechungsindex von 2,0 und eine Dicke von 200 nm, die transparente leitende Oxidschicht 22 einen Brechungsindex von 2,1 und eine Dicke von 450 nm und das Glas-Superstrat 14 einen Brechungsindex von 1,5 haben. Der gebleichte Zustand ist gezeigt, da er empfindlicher ist in Bezug auf Schwierigkeiten bei der Erzielung gleichförmiger optischer Transmission als Funktion der Wellenlänge. Wie klar erkennbar ist, besteht sehr geringe Ungleichförmigkeit bzgl. der optischen Transmission durch diese geschichtete Struktur, was zu einem Fenster führt mit einem gefärbten Mosaik oder schillernden Effekt.

Ein Fenster 100, das eine elektrochrome Vorrichtung beinhaltet und schematisch im Querschnitt in 3 gezeigt ist, kommt dem wirtschaftlichen Nachteil bei und reduziert die optischen Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der Verwendung transparenter leitender Oxide in optisch transparenten elektrochromen Vorrichtungen großer Oberfläche. Das Fenster 100 ist gleich dem oben beschriebenen Fenster 10, wobei die Positionen der elektrochromen Elektrodenschicht und der Gegenelektrodenschicht umgekehrt sind. Daher beinhaltet das Fenster 100 das transparente Glassubstrat 12, die transparente leitende Oxidschicht 20, die Gegenelektrodenschicht 50, die Ionen leitende Schicht 40 und die elektrochrome Elektrodenschicht 30. Diese Schichten sind aus im wesentlichen dem gleichen Material gebildet, wie dies oben in Verbindung mit Fenster 10 beschrieben wurde. Eher als eine zweite transparente leitende Oxidschicht 22 jedoch hat das Fenster 100 eine Kombination an Schichten einschließlich einer Schicht 21, die aus einem elektrisch leitenden Metall gebildet ist und einer Schicht 60, die aus einem transparenten Oxid gebildet ist, das als optische Einstell- bzw. Tuning-Schicht dient. Optional kann das Fenster 100 auch eine Sperrschicht 80 beinhalten, die aus einem inerten oder stabilen elektrisch leitenden Metall, wie beispielsweise Nickel, gebildet ist, um Ionen daran zu hindern, von der elektrochromen Elektrodenschicht 30 zur leitenden Metallschicht 31 zu migrieren, sowie eine zweite Schicht 90, die ein Haften der optischen Einstellschicht 60 an der leitenden Metallschicht 21 unterstützt oder als Barriere wirken kann, um die Trennung bzw. Lösung des leitenden Metalls in der Schicht 21 in die transparente Oxidschicht 60 zu verhindern. Der Aufbau wird durch ein transparentes Glas Superstrat 14 vervollständigt.

In der oben beschriebenen Struktur kann die Schicht 21 aus Silber oder einem anderen stark leitenden Metall wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium gebildet sein. Durch Verwendung eines stark leitenden Metalls können dünne Schichten mit geringer optischer Absorption und geringem Flächenwiderstand gebildet werden, welche den Kosten- und Herstellungsproblemen im Zusammenhang mit der Verwendung relativ dicker Schichten aus transparenten leitenden Oxiden beikommen. Vorzugsweise hat die Schicht 21 eine Dicke von zwischen etwa 5 nm und etwa 15 nm und bevorzugter zwischen etwa 7 nm und etwa 12 nm. Obwohl selbst sehr dünne Schichten aus Silber und anderen leitenden Metallen aufgrund ihrer hohen Reflektion nicht stark optisch transparent sind, kann eine optische Transmission bzw. ein Durchgang durch sie hindurch verbessert werden durch die Anwesenheit einer geeignet gewählten optischen Einstellschicht 60. Optische Einstellschichten wie beispielsweise die Schicht 60, die in Kombination mit leitenden Metallschichten verwendet werden, haben vorzugsweise eine Dicke zwischen etwa 10 nm und etwa 50 nm und bevorzugter zwischen etwa 23 nm und etwa 40 nm. Bevorzugte Materialien zur Ausbildung der optischen Einstellschicht 60 haben einen Brechungsindex, der größer ist als etwa 1,9 und bevorzugter zwischen etwa 1,9 und etwa 2,8. Wird eine optische Einstellschicht 60 mit einer Dicke von etwa 30–40 nm ausgebildet und mit einem Brechungsindex, der im wesentlichen der gleiche oder größer ist wie der für die Gegenelektrode 30, so daß die leitende Metallschicht 21 mit einem geringen Brechungsindex sandwichartig zwischen den Schichten 60 und 30 mit höheren Brechungsindizes angeordnet ist, so werden die reflektierten Signale an den verschiedenen Schnittstellen zwischen den Schichten 14, 60, 21, 30 und 40 reduziert und verringern dabei die Reflektion und maximieren die Transmission. Als Folge dessen wird das Fenster 100 in dem gebleichten Zustand der elektrochromen Elektrodenschicht 30 weitgehend optisch transparent sein.

Weitere Verbesserungen bei der Transmission optischer Energie durch elektrochrome Vorrichtungen können realisiert werden durch Verwendung des Prinzips einer optischen Einstellschicht, wie sie oben beschrieben wurde, in Kombination mit transparenten leitenden Oxidschichten. Ein Fenster 110, das ein derartiges Merkmal aufweist, ist in dem schematischen Querschnitt in 4 gezeigt. Das Fenster 110 besteht aus einem Glassubstrat 12, einer transparenten optischen Einstellschicht 61, einer transparenten leitenden Oxidschicht 20, einer elektrochromen Elektrodenschicht 30, einer Ionen leitenden Schicht 41, einer Gegenelektrodenschicht 50, einer transparenten leitenden Oxidschicht 22, einer transparenten optischen Einstellschicht 62, einer Laminatschicht 70 und einem transparenten Glassuperstrat 14. Jede der Schichten 12, 20, 30, 50 und 14 ist die gleiche, wie sie oben beschrieben wurde im Zusammenhang mit dem Fenster 100, wobei die Positionen der elektrochromen Elektrodenschicht 30 und der Gegenelektrodenschicht 50 umgekehrt sind, so daß sie wieder in der in 1 gezeigten Orientierung sind. In diesem Ausführungsbeispiel wurden die leitende Metallschicht 21 und die optische Einstellschicht 60 ersetzt durch eine transparente leitende Oxidschicht 22, die aus dem selben transparenten leitenden Oxid wie die Schicht 20 sein kann oder nicht, und einer geeigneten optischen Einstellschicht 62. Zudem wurde eine optische Einstellschicht 61 eingeführt, um die optische Transmission durch das Fenster 110 zu verbessern und spezieller, um die Gleichförmigkeit der optischen Transmission als Funktion der Wellenlänge zu verbessern.

Die Auswahl geeigneter optischer Einstellschichten 61 und 62 wird vorgenommen unter Bezugnahme auf die Gleichung Brechungsindex = n × ik, wobei n die reelle Komponente des Brechungsindex ist, i die Quadratwurzel von –1 und k die imaginäre Komponente des Brechungsindex bezogen auf die Absorption. Um den optischen Einstelleffekt zu optimieren, werden die Schichten 61 und 62 derart gewählt, daß sie gegenüber sichtbarem Licht transparent sind (d. h., die imaginäre Komponente des Brechungsindexes, k, ist etwa gleich 0, so daß wenig Absorption vorliegt), und die reelle Komponente des Brechungsindexes dieser Schichten, n, ist gleich dem geometrischen Mittel der Brechungsindize der Schichten auf beiden Seiten dieser optischen Einstellschichten. Dadurch wird die optische Einstellschicht 61 vorzugsweise aus einem transparenten Material gebildet, das einen Brechungsindex hat, der gleich dem geometrischen Mittel des Brechungsindexes des Glassubstrats 12 und des Brechungsindexes der transparenten leitenden Oxidschicht 20 ist. In gleicher Weise wird die optische Einstellschicht 62 vorzugsweise aus einem transparenten Material gebildet, das einen Brechungsindex hat, der gleich dem geometrischen Mittel der Brechungsindize von der leitenden Oxidschicht 22 und der Laminatschicht 70 ist. So wie es hier verwendet wird, bedeutet "geometrisches Mittel" die Quadratwurzel des mathematischen Produkts der beiden Brechungsindize.

Eine richtige optische Einstellung ist auch eine Funktion der Dicke der optischen Einstellschichten 61 und 62, die vorzugsweise gleich einem Viertel der optischen Wellenlänge des einfallenden Lichtes ist. Die optische Wellenlänge durch eine Schicht wird bestimmt durch Teilen der Wellenlänge des zur Rede stehenden Lichts durch den Brechungsindex des Mediums, durch das es gelangt, d. h. die Schichten 61 und 62. Für sichtbares Licht mit Wellenlängen zwischen etwa 400 bis 650 nm, kann eine sinnvolle Näherung der optischen Wellenlänge vorgenommen werden durch Teilen einer Wellenlänge von 540 mm durch den Brechungsindex der optischen Einstellschicht. Die Dicke der optischen Einstellschicht kann dann bestimmt werden durch Teilen der optischen Wellenlänge durch vier. Vorzugsweise haben optische Einstellschichten, die verwendet werden in Kombination mit transparenten leitenden Oxidschichten, wie beispielsweise die Schichten 20 und 22, eine Dicke von zwischen etwa 60 nm und etwa 90 nm.

Als ein Beispiel des Vorstehenden zeigt das folgende das Verfahren zur Auswahl des Brechungsindexes und der Dicke der optischen Einstellschicht 61. Als erstes wird der gewünschte Brechungsindex bestimmt durch Multiplizieren von 1,5 (dem Brechungsindex des Glassubstrats 12) × 2,1 (dem Brechungsindex der transparenten, leitenden Oxidschicht 20) und durch Ziehen der Quadratwurzel des Produktes. Diese Berechnung ergibt einen Brechungsindex von 1,77. Die Dicke der optischen Einstellschicht 61 wird dann bestimmt durch Teilen von 540 nm durch 1,77, um eine optische Wellenlänge von etwa 300 nm zu erhalten. Vorzugsweise ist die Dicke der optischen Einstellschicht 61 ein Viertel dieses Wertes oder etwa 75 nm. Die Berechnung der optischen Einstellschicht 62 wird in der gleichen Weise durchgeführt.

Bevorzugte Materialien zur Ausbildung der diskreten optischen Einstellschichten nach der vorliegenden Erfindung beinhalten transparente Oxide, transparente Nitride und eine Kombination aus transparenten Oxiden und transparenten Nitriden. Besonders bevorzugt sind Gemische der Oxide von Silicium und Zinn. In diesen Gemischen bestimmt das Silicium-zu-Zinn-Verhältnis den Brechnungsindex, wobei ein höheres Silicium-zu-Zinn-Verhälntis den Brechungsindex mindert und ein niedrigeres Silicium-zu-Zinn-Verhältnis den Brechungsindex erhöht. Andere Materialien, die für die optischen Einstellschichten Verwendung finden können, werden wiedergegeben in Gordon's US-Patenten Nr. 4,187,336 und 4,308,316, deren Offenbarungen hierbei beinhaltet sind. Eine geeignete Wahl der optischen Einstellschichten 61 und 62 wird die optische Interferenz an der Schnittstelle zwischen der leitenden Oxidschicht 20 und dem Substrat 12 im Falle der Einstellschicht 61 minimieren und an der Schnittstelle zwischen der leitenden Oxidschicht 22 und der Laminatschicht 70 im Falle der Einstellschicht 62.

Die Laminatschicht 70 ist eine Haftschicht um das Glassuperstrat 14 an der optischen Einstellschicht 62 anzuhaften. Damit die Laminatschicht 70 die optische Transmissionsfähigkeit des Fensters 110 nicht mindert, ist die Laminatschicht 70 vorzugsweise derart gewählt, daß sie einen Brechungsindex hat, der im wesentlichen der gleiche ist wie der Brechungsindex des Glassuperstrats 14, wodurch Interferenzeffekte zwischen diesen Schichten minimiert sind. In dieser Beziehung sind besonders geeignete Haftmittel für die Laminatschicht 70 Ethylenvinylacetat und Polyvinylbutyral.

Die elektrochrome Struktur des Fensters 110 unterscheidet sich des weiteren von derjenigen des Fensters 100 und Elektrochromenvorrichtungen nach dem Stand der Technik insofern, als das Prinzip der optischen Einstellung auf die ionenleitende Schicht 41 angewandt wird. In diesem Falle kann eine optische Interferenz an den Schnittstellen zwischen der ionenleitenden Schicht 41 und den angrenzenden elektrochromen Elektrodenschicht 30 und Gegenelektrodenschicht 50 im wesentlichen ausgeschaltet werden, indem die ionenleitende Schicht 41 aus einem transparenten Material gebildet wird, das einen Brechungsindex hat, der etwa gleich den Brechungsindize der elektrochromen Elektrodenschicht 30 und der Gegenelektrodenschicht 50 ist. Die Brechungsindize der elektrochromen Elektrodenschicht 30, der ionenleitenden Schicht 41 und der Gegenelektrodenschicht 50 können eingestellt werden durch Mischen der Materialien zur Ausbildung dieser Schichten mit Materialien, die höhere oder niedrigere Brechungsindize haben, um das gewünschte Resultat zu erzielen. Dort, wo es gewünscht ist, eine ionenleitende Schicht 41 mit einem Brechungsindex zu haben, der größer ist als der durch Lithiumsilicat vorgesehene, können beispielsweise Gemische aus Lithiumsilicat und Titan oder Zirkonium Verwendung finden. Wenn die Brechungsindize aller dieser drei Schichten etwa gleich sind, wird eine Interferenz an diesen Schnittstellen im wesentlichen ausgeschaltet und eine optische Transmission maximiert sein.

Bei besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen werden die Brechungsindize der elektrochromen Elektrodenschicht 30, der ionenleitenden Schicht 41 und der Gegenelektrodenschicht 50 so eingestellt, daß sie im wesentlichen ähnlich bzw, gleich den Brechungsindize der leitenden Oxidschichten 20 und 22 sind. Aufgrund der komplementären Natur obiger optischer Einstellprozesse sind des weiteren die Dicken der Schichten 20 bis 22 nicht mehr länger kritisch in Bezug auf die optische Interferenz und liefern dabei eine viel größere Dickentoleranz während der Ausbildung dieser Schichten.

5 zeigt die Transmission der optischen Energie als Funktion der Wellenlänge für ein Fenster 110 in dem gebleichten Zustand, in dem das Glassubstrat einen Brechungsindex von 1,5, die optische Einstellschicht 61 einen Brechungsindex von 1,77 und eine Dicke von 75 nm, die transparente leitende Oxidschicht 20 einem Brechungsindex von 2,1 und eine Dicke von 450 nm, die elektrochrome Elektrodenschicht 30 einen Brechungsindex von 2,1 und eine Dicke von 300 nm, die ionenleitende Schicht 41 einen Brechungsindex von 2,0 und eine Dicke von 200 nm, die Gegenelektrodenschicht 50 einem Brechungsindex von 2,0 und eine Dicke 200 nm, die transparente leitende Oxidschicht 22 einen Brechungsindex von 2,1 und eine Dicke von 450 nm, die optische Einstellschicht einen Brechungsindex von 1,77 und eine Dicke von 75 nm, die Laminatschicht 70 einen Brechungsindex von 1,5 und das Glassuperstrat 14 einen Brechungsindex von 1,5 haben. Wie eindeutig in 5 gezeigt ist, erzeugen die vorstehenden Eigenschaften ein Fenster 110, das exzellente Gleichförmigkeit in Bezug auf die optische Transmission bzw. den optischen Durchgang zeigt.

Ein Fenster 120 in Übereinstimmung mit einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist schematisch in 6 gezeigt. Das Fenster 120 ist im wesentlichen das gleiche wie das oben beschriebene Fenster 110, mit der Ausnahme, daß die optische Einstellschicht 61 ersetzt wurde durch ein Paar optische Einstellschichten 63 und 63 und die optische Einstellschicht 62 entfernt wurde. Die Verwendung zweier optischer Einstellschichten 63 und 64 liefert Vorteile gegenüber der Verwendung einer einzelnen optischen Einstellschicht. Ein erster Vorteil besteht darin, daß zwei optische Einstellschichten die Möglichkeit eröffnen für die Erzielung einer effektiveren optischen Einstellung mit einer kombinierten Einstellschichtdicke, die geringer ist als die Dicke, die erforderlich ist für eine einzelne optische Einstellschicht. Ein anderer Vorteil der Verwendung der beiden optischen Einstellschichten besteht darin, daß jede Schicht aus einfacheren Materialien gebildet werden kann, als dies möglich ist bei einer einzelnen optischen Einstellschicht, wodurch die komplexe Chemie vermieden wird, die erforderlich ist, um derartige einzelne Schichten auszubilden. Techniken, bei denen zwei Schichten für die optische Einstellung verwendet werden, sind in Gordon's US-Patenten Nr. 4,377,613 und 4,419,386 offenbart, deren Offenbarungen hierin beinhaltet sind.

Dort wo zwei optische Einstellschichten 63 und 64 aneinander angrenzend verwendet werden, kann eine optische Einstellung erzielt werden durch Wahl einer optischen Einstellschicht 64, die einen Brechungsindex hat, der wesentlich kleiner ist als der Brechungsindex der Schicht 20 und durch Wahl einer optischen Einstellschicht 63, die einen Brechungsindex hat, der wesentlich größer als der Brechungsindex der optischen Einstellschicht 64 und am bevorzugtesten, der im wesentlichen gleich dem Brechungsindex der transparenten leitenden Oxidschicht 20 ist.

Bei einer derartigen Kombination löscht sich die Interferenz zwischen den verschiedenen Schnittstellen im wesentlichen aus und eine Transmission durch die verschiedenen Schichten wird maximiert, wenn die Schichten 63 und 64 geeignete Dicken haben. Vorzugsweise hat die Schicht 64 einen Brechungsindex zwischen etwa 1,4 und 1,7 und die Schichten 63 und 64 eine kombinierte Dicke von zwischen etwa 30 nm und etwa 70 nm, wobei die Schicht 64 eine größere Dicke hat als die Schicht 63.

7 zeigt die optische Transmission durch das Fenster 120 in dem gebleichten Zustand als Funktion der Wellenlänge, wobei das Glassubstrat 12 einen Brechungsindex von 1,5, die optische Einstellschicht 63 einen Brechungsindex von 2,1 und eine Dicke von 20 nm, die optische Einstellschicht 64 einen Brechungsindex von 1,5 und eine Dicke von 29 nm, die transparente leitenden Oxidschicht 20 einen Brechungsindex von 2,1 und eine Dicke von 450 nm, die elektrochrome Elektrodenschicht 30 einen Brechungsindex von 2,1 und eine Dicke von 300 nm, die ionenleitende Schicht 41 einen Brechungsindex von 2,0 und eine Dicke von 200 nm, die Gegenelektrodenschicht 50 einen Brechungsindex von 2,0 und eine Dicke von 200 nm, die transparente leitende Oxidschicht 22 einen Brechungsindex von 2,1 und eine Dicke von 450 nm, die Laminatschicht 70 einen Brechungsindex von 1,5 und das Glassuperstrat 14 einen Brechungsindex von 1,5 haben. Wie aus dieser Figur erkennbar ist, ist die optische Transmission durch das Fenster 120 gleichförmiger als durch die Fenster, welche ohne optische Einstellschicht gebildet sind (beispielsweise das Fenster 10), jedoch weniger gleichförmig als durch das Fenster 110. Der Hauptgrund für diese geringere Leistung ist die Abwesenheit einer optischen Einstellschicht zwischen der leitenden Oxidschicht 22 und der Laminatschicht 70 in dem hinteren Ende der Vorrichtung.

Eine Verbesserung der optischen Transmissionseigenschaften des Fensters 120 kann erzielt werden durch Einstellung der Brechungsindize der elektrochromen Elektrodenschicht 30, der ionenleitenden Schicht 41 und der Gegenelektrodenschicht 50, so daß sie einander mehr gleich sind und zu den Brechungsindize der transparenten leitenden Oxidschichten 20 und 22.

Eine weitere leichte Verbesserung der optischen Transmissionseigenschaften des Fensters 120 kann erzielt werden durch Optimieren des Brechungsindexes der Laminatschicht 70. Dies kann erreicht werden durch Verwendung einer Laminatschicht 70 mit einem Brechungsindex, der das geometrische Mittel der Brechungsindize der transparenten leitenden Oxidschicht 22 und des Glassuperstrats 14 ist. Da die Laminatschicht 70 dazu dient, das Superstrat 14 an der transparenten leitenden Oxidschicht 22 anzuhaften, besteht wenig Möglichkeit, die Dicke dieser Schicht zu verändern.

Eher als bei den vorstehenden Verfahren zum optischen Einstellen der transparenten leitenden Oxidschicht 20, kann diese Schicht optisch eingestellt werden durch die Verwendung von zwei oder mehreren optischen Einstellschichten, die derart gewählt sind, daß die Brechungsindize der verschiedenen Schichten allmählich größer werden, ausgehend von dem Brechungsindex des Substrats 12 zu dem Brechungsindex der transparenten leitenden Oxidschicht 20. In dieser Hinsicht können die Schichten 63 und 64 des Fensters 120 ersetzt werden durch zwei oder mehr Schichten monoton zunehmender Brechungsindize. Beispielsweise wird bei einer Vorrichtung, die ein Glassubstrat 12 mit einem Brechungsindex von 1,5 und eine transparente leitende Oxidschicht 20 mit einen Brechungsindex von 1,9 beinhaltet, die optische Einstellschicht 63 vorzugsweise einem Brechungsindex von etwa (1,52 × 1,9)1/3 oder 1,62 haben und die optische Einstellschicht 64 wird vorzugsweise einen Brechungsindex von etwa (1,5 × 1,92)1/3 oder 1,76 haben. Die Dicken der Schichten 63 und 64 sind vorzugsweise etwa 60 nm bzw. 53 nm, wie dies bestimmt wird durch optisches Modellieren zur Erzielung maximaler Transmission. Wo dies wünschenswert ist, kann eine Serie von mehr als zwei angrenzenden optischen Einstellschichten verwendet werden, um weiter den optischen Einstellaffekt zu verstärken.

Bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung mit der oben beschriebenen Struktur des Fensters 110 oder des Fensters 120, war es wünschenswert, daß die transparenten leitenden Oxidschichten 20 und 22, die elektrochrome Elektrodenschicht 30, die ionenleitende Schicht 41 und die Gegenelektrodenschicht 50 alle den gleichen Brechungsindex haben. Wenn dies der Fall ist, sind die Dicken dieser Schichten stark untergeordnet, und eine optimale optische Einstellung wird erreicht, d. h., diese Fenster zeigen einen minimalen Schilleranteil. Falls jedoch eine wesentliche Nicht-Übereinstimmung der Brechungsindize für diese Schichten besteht, kann immer noch eine gewisse optische Einstellung bewerkstellig werden durch Einstellen der Dicken der Schichten. Zu Zwecken der Darstellung kann jede der Schichten des Fensters 120 die oben in Verbindung mit 7 beschriebenen Brechungsindize und Dicken haben, mit der Ausnahme, daß die ionenleitende Schicht 41 einen Brechungsindex von 1,5 haben kann. Um in diesem Szenario das Schillern zu minimieren, sollte die Dicke der ionenleitenden Schicht 41 reduziert werden auf zwischen etwa 130 nm und etwa 160 nm, wie dies bestimmt wird durch optisches Modellieren, um eine maximale Transmission durch das Fenster zu erzielen.

Ein Fenster 130 in Übereinstimmung mit noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in dem schematischen Querschnitt in 8 gezeigt. Das Fenster 130 ist gleich dem oben beschriebenen Fenster 120, mit der Ausnahme, daß die transparente leitende Oxidschicht 22 ersetzt wurde durch eine leitende Metallschicht 21 und eine optische Einstellschicht 64. Die Schichten 21 und 64 können im wesentlichen gleich den Schichten 21 und 60 des oben beschriebenen Fensters 100 sein und wirken mit den anderen Schichten in derselben Weise wie in dem Fenster 120 zusammen, um ein optisch eingestelltes, optisch transparentes elektrochromes Fenster vorzusehen.

9 zeigt die optische Transmission als Funktion der Wellenlänge in dem gebleichten Zustand eines Fensters 130, dessen Schichten die gleichen Brechungsindize und Dicken haben, wie dies oben in Verbindung mit Fenster 120 beschrieben wurde, und wobei die leitende Metallschicht 21 Silber mit einer Dicke von 10 mm ist und die optische Einstellschicht 64 ein transparentes Oxid mit einem Brechungsindex von 2,5 und einer Dicke von 30 nm ist. Wie aus dieser Figur erkennbar ist, liefert die Struktur des Fensters 130 eine gute Gleichförmigkeit der optischen Transmission in Bezug auf die Wellenlänge. Überdies zeigt ein Vergleich der 7 und 9, daß Fenster, welche leitende Metallschichten beinhalten, eine optische Transmission zeigen, die gleich der optischen Transmission durch Fenster ist, die eher transparente leitende Oxidschichten verwenden als leitende Metallschichten.

Noch ein anderes Ausführungsbeispiel eines Fensters 140 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist schematisch in 10 gezeigt. Das Fenster 140 ist im wesentlichen das gleiche wie das oben beschriebene Fenster 130, mit der Ausnahme, daß eine zwischenliegende Schicht 22 zwischen der leitenden Metallschicht 21 und der Gegenelektrodenschicht 50 hinzugefügt wurde. In einem Ausführungsbeispiel ist die zwischenliegende Schicht 22 aus einem transparenten elektrisch leitenden Oxid gebildet und kombiniert mit der leitenden Metallschicht 21, um ein Laminat vorzusehen mit geringerem Gesamtflächenwiderstand, was die Schaltzeit zwischen dem gebleichten und dem gefärbten Zustand verbessert. Dieses verbesserte Schalten kann daher bewerkstelligt werden, ohne die optischen Eigenschaften der Vorrichtung zu verschlechtern, wie dies der Fall wäre, falls die Dicke der leitenden Metallschicht 21 wesentlich vergrößert würde. Des weiteren kann eine transparente elektrisch leitende Oxidschicht 22 als Diffusionsbarriere dienen, um eine unerwünschte Diffusion zwischen der Gegenelektrodenschicht 50 und der leitenden Metallschicht 21 zu verhindern.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann die zwischenliegende Schicht 22 die Form einer Metallschicht mit einer Dicke von weniger als etwa 2 mm haben. In diesem Ausführungsbeispiel dient die Metallschicht typischerweise einer der gleichen Funktionen wie die Schichten, die aus transparenten elektrisch leitenden Oxiden gebildet sind, d. h., sie verhindert eine unerwünschte Diffusion zwischen der Gegenelektrodenschicht 50 und der leitenden Metallschicht 21. Bevorzugte Metalle zur Ausbildung der Schicht 22 beinhalten Metalle, die hochstabil oder inert sind. Ein besonders bevorzugtes Metall in dieser Hinsicht ist Nickel. Ungeachtet des Metalls zur Ausbildung der zwischenliegenden Schicht 22 hat die optische Einstellschicht 64 wieder vorzugsweise einen Brechungsindex größer als 1,9 und eine Dicke zwischen etwa 10 nm und etwa 50 nm.

Ein Fenster 150 in Übereinstimmung mit noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist schematisch in 11 dargestellt. Das Fenster 150 ist im wesentlichen das gleiche wie das Fenster 130 mit der Ausnahme, daß die transparente Oxidschicht 20 und die optischen Einstellschichten 63 und 64 ersetzt wurden durch die leitende Metallschicht 23 bzw. die optische Einstellschicht 65, um dabei einen Zwang auf die kombinierte Dicke der Schichten 30, 41 und 50 auszuüben. Es ist in diesem Ausführungsbeispiel wünschenswert, daß die Schichten 30, 41 und 51 gleiche Brechungsindize haben und daß die kombinierte Dicke dieser Schichten so dünn wie möglich ist, die dem Zwang unterliegt einer maximalen Transmission bei einer gewählten Wellenlänge zwischen etwa 400 nm und 650 nm. Falls beispielsweise die Schichten 30, 41 und 50 jeweils Brechungsindize von etwa 2,2 haben, so wäre dann ihre kombinierte Dicke vorzugsweise etwa 50 nm oder etwa 300 nm, bestimmt durch optisches Modulieren, um eine maximale optische Transmission zu erzielen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die leitende Metallschicht 23 gleich der leitenden Metallschicht 21 und die optische Einstellschicht 65 gleich der optischen Einstellschicht 64.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung (nicht gezeigt) kann die optische Einstellschicht 64 der Fenster 130, 140 oder 150 aus einem elektrisch leitenden transparenten Oxid gebildet sein. In diesem Falle kann die Herstellung dieser Vorrichtungen vereinfacht werden, indem eher Drähte 6 und 8 mit der Schicht 64 verbunden werden, als mit der leitenden Metallschicht 21, wodurch die Maskier- oder Ätzschritte vermieden werden, die andernfalls erforderlich wären.

Wie oben erläutert, werden die elektrochromen Vorrichtungen nach der vorliegenden Erfindung typischerweise auf einem Substrat wie beispielsweise Glassubstrat 12, aufgebaut. Dieses Substrat trägt nicht nur die sehr dünnen Schichten dieser Vorrichtungen während der Herstellung und dem Gebrauch, sondern schützt auch die Schichten gegenüber einer Beschädigung, die herrührt, wenn sie der Umwelt ausgesetzt sind. Ein Superstrat wie beispielsweise Glassuperstrat 14 liefert eine weitere Tragfähigkeit und einen Schutz. Obgleich alle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden in Verbindung mit einem Substrat und einem Superstrat aus Glas, können andere Substrat- und Superstratmaterialien Verwendung finden, einschließlich transparenter Keramikmaterialien und steifer und flexibler transparenter Kunststoffe. In dieser Beziehung ist das in 11 gezeigte Ausführungsbeispiel speziell verwendbar für Kunststoffsubstrate, da die leitende Metallschicht 23 bei relativ niedrigen Temperaturen aufgetragen werden kann. Des weiteren ist vorgesehen, daß elektrochrome Vorrichtungen anfänglich auf Kunststoffsubstraten ausgebildet sein können und die gesamte Anordnung dann bei Fenstern oder anderen derartigen Strukturen verwendet wird.

Des weiteren beabsichtigen die oben erläuterten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung das Abscheiden von Schichten aufeinanderfolgend von dem Substrat 12 auf das Superstrat 14 unter Verwendung von ionenleitenden Schichten, die aus keramischen Werkstoffen gebildet sind. Es ist jedoch selbstverständlich, daß optisch eingestellte Vorrichtungen gebildet werden können durch Zusammenbau zweier "hälftiger" Strukturen an gegenüberliegenden Seiten eines Polymerbogen, der dann als ionenleitende Schicht dienen wird. Beispielsweise kann das Fenster 110 hergestellt werden durch Ausbilden der Schichten 61, 20 und 30 auf dem Substrat 12, Ausbilden der Schichten 62, 22 und 50 auf dem Superstrat 14 (Schicht 70 wird in dieser Anordnung nicht mehr länger notwendig sein) und dann sandwichartiges Anordnen dieser zwei Abschnitte miteinander um einen ionenleitenden, elektrisch isolierendem Polymerbogen, der dann dadurch als ionenleitende Schicht 41 dienen würde.

Obgleich die Erfindung hier beschrieben wurde unter Bezugnahme auf die speziellen Ausführungsbeispiele, ist es selbstverständlich, daß diese Ausführungsbeispiele lediglich der Darstellung der Prinzipien und Anwendungen der vorliegenden Erfindung dienen. Es ist daher selbstverständlich, daß viele Modifikationen bezüglich der dargestellten Ausführungsbeispiele vorgenommen werden können und daß andere Anordnungen vorgesehen sein können, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen ausgeführt ist.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Die elektrochromen Vorrichtungen nach der vorliegenden Erfindung zeigen eine optische Transmission über weite Oberflächenbereiche, die besser ist als bei zuvor bekannten Vorrichtungen.


Anspruch[de]
  1. Elektrochrome Vorrichtung bestehend aus einer elektrochromen Struktur, beinhaltend eine Elektrode (30), die aus einem elektrochromen Material gebildet ist, eine Gegenelektrode (50) und ein Transportmittel (41) zum Transportieren von Ionen zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode, leitende Mittel beinhaltend wenigstens zwei elektrisch leitende Schichten (20, 22), welche die elektrochrome Struktur sandwichartig dazwischenliegend angeordnet haben, um über der elektrochromen Struktur eine elektrische Spannung anzulegen, und ein Verbesserungsmittel (61) zum Verbessern des Strahlendurchgangs durch wenigstens eine der elektrisch leitenden Schichten, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode einen ersten Brechungsindex, die Gegenelektrode einen zweiten Brechungsindex und das Transportmittel einen dritten Brechungsindex haben, wobei der erste, zweite und dritte Brechungsindex im wesentlichen gleich sind.
  2. Elektrochrome Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das elektrochrome Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wolframoxid, Niobiumoxid, Titanoxid, Molybdänoxid, Nickeloxid, Iridiumoxid und deren Gemischen.
  3. Elektrochrome Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Gegenelektrode gebildet ist aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Vanadiumoxid, Niobiumoxid, Indiumoxid, Nickeloxid, Cobaltoxid, Molybdänoxid und deren Gemischen.
  4. Elektrochrome Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Transportmittel wenigstens eine Schicht beinhaltet, die gebildet ist aus einem Ionen-leitenden Material, das sandwichartig zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode angeordnet ist, wobei das Ionen-leitende Material gekennzeichnet ist durch ein Lithiumionen-leitendes, Lithium-basierendes Keramikmaterial.
  5. Elektrochrome Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Transportmittel wenigstens eine Schicht beinhaltet, die gebildet ist aus einem Ionen-leitenden Material, das sandwichartig zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode angeordnet ist, wobei das Ionen-leitende Material gekennzeichnet ist durch ein Wasserstoffionenleitendes Material.
  6. Elektrochrome Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Transportmittel wenigstens eine Schicht beinhaltet, die gebildet ist aus einem Ionen-leitenden Material, das sandwichartig zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode angeordnet ist, wobei das Ionen-leitende Material gekennzeichnet ist durch einen Polymer.
  7. Elektrochrome Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbesserungsmittel wenigstens eine Schicht (61) aus einem optisch transparenten Material beinhaltet zum Verbessern des Strahlendurchgangs durch die wenigstens eine elektrisch leitende Schicht, sowie wenigstens eine andere Schicht (62) aus einem optisch transparenten Material zum Verbessern des Strahlendurchgangs durch eine andere der elektrisch leitenden Schichten.
  8. Elektrochrome Vorrichtung nach Anspruch 1, des weiteren gekennzeichnet durch ein transparentes Substrat (12), wobei die elektrochrome Vorrichtung auf dem transparenten Substrat angeordnet ist.
  9. Elektrochrome Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbesserungsmittel wenigstens eine Schicht (61) aus einem optisch transparenten Material beinhaltet, die zwischen dem transparenten Substrat und der elektrochromen Vorrichtung angeordnet ist zum Verbessern des Strahlendurchgangs durch die wenigstens eine elektrisch leitende Schicht.
  10. Elektrochrome Vorrichtung nach Anspruch 8, des weiteren gekennzeichnet durch ein transparentes Superstrat (14), wobei die elektrochrome Vorrichtung sandwichartig zwischen dem transparenten Substrat und dem transparenten Supersubstrat angeordnet ist.
  11. Elektrochrome Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbesserungsmittel wenigstens eine Schicht (61) aus einem optisch transparenten Material beinhaltet, die zwischen dem transparenten Substrat und der elektrochromen Vorrichtung angeordnet ist zum Verbessern des Strahlendurchgangs durch die wenigstens eine elektrisch leitende Schicht, sowie wenigstens eine andere Schicht (62) aus einem optisch transparenten Material, die zwischen dem transparenten Substrat und der elektrochromen Vorrichtung angeordnet ist zum Verbessern des Strahlendurchgangs durch eine andere der elektrisch leitenden Schichten.
  12. Elektrochrome Vorrichtung nach Anspruch 10, des weiteren gekennzeichnet durch eine Schicht aus einem haftenden Material (70) zum Binden des transparenten Substrats an die elektrochrome Vorrichtung.
  13. Elektrochrome Vorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher die haftende Schicht einen Brechungsindex zwischen etwa 1,4 und etwa 1,8 hat.
  14. Elektrochrome Vorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher das transparente Substrat einen Brechungsindex und die haftende Schicht einen Brechungsindex haben, der im wesentlichen gleich dem Brechungsindex des transparenten Substrats ist.
  15. Elektrochrome Vorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher eine andere der elektrisch leitenden Schichten eine Schicht beinhaltet aus einem elektrisch leitenden Oxid, und die haftende Schicht mit der elektrisch leitenden Oxidschicht in Oberflächenkontakt ist.
  16. Elektrochrome Vorrichtung nach Anspruch 15, bei welcher die elektrisch leitende Oxidschicht einen Brechungsindex hat, das transparente Substrat einen anderen Brechungsindex hat und die haftende Schicht einen Brechungsindex zwischen dem einen und dem anderen Brechungsindex hat.
  17. Elektrochrome Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der elektrisch leitenden Schichten eine Schicht beinhaltet aus einem elektrisch leitenden Oxid, wobei die elektrisch leitende Oxidschicht einen vierten Brechungsindex hat, wobei der erste, der zweite, der dritte und der vierte Brechungsindex im wesentlichen gleich sind.
  18. Elektrochrome Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbesserungsmittel wenigstens eine Schicht (61) beinhaltet aus einem optisch transparenten Material zum Verbessern des Strahlendurchgangs durch die elektrisch leitende Oxidschicht und wenigstens eine andere Schicht (62) aus einem optisch transparenten Material zum Verbessern des Strahlendurchgangs durch eine andere der elektrisch leitenden Schichten.
Es folgen 6 Blatt Zeichnungen






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