CN106030399A - 用于控制电致变色器件的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于利用向电致变色器件提供可以脉冲发送的连续电位的控制器来调制电致变色器件的透射率的设备和方法。

Description

用于控制电致变色器件的方法和设备
技术领域
本发明一般地涉及用于调制电致变色器件的器件和方法，并且更特别地但非排他性地涉及用于通过输送以脉冲发送的连续电压来控制电致变色器件的透射率的器件和方法，其允许此类电致变色器件的透射状态和非透射状态之间的快速切换。
背景技术
某些电致变色材料在施加电压时可变色。该色彩变色可以是在可见光谱中，但是还可以例如在近红外(NIR)、红外(IR)或微波光谱区中。电致变色材料的色彩的变化通常是由于电致变色材料内的还原/氧化(“氧化还原作用”)过程。此外，可根据施加的电压而将电致变色器件在基本上透射状态与基本上非透射状态之间切换。事实上，电致变色器件可以处于其中光通过该器件且还由器件改变的透射模式和/或其中光从该器件被反射且也被该器件改变的反射模式。可开发由此类材料构成的电致变色器件，其中，可调整或控制其透射性质。
为了控制电致变色器件(在任何区域中—可见光、IR或其它)，可施加小的DC电压。例如，此类器件可利用导电聚合物(CP)、无机金属氧化物(MO)或液晶(LC)。施加的DC电压一般地在LC的情况下＜(+/-)50V，在MO的情况下＜(+/-)5V，并且在CP的情况下＜(+/-)3V。
在某些电致变色器件中，施加于电致变色器件的电压一般地不应超过某些最大电压。当超过了最大施加电压时(在这种情况下说成是施加“过电压”或“过电位”)，可发生不可逆氧化或还原退化，具有该器件的功能的后续损坏和停止。在CP和MO器件的情况下，一般地根据系统的循环伏安图(CV)来确定针对外加电压的氧化还原作用稳定性极限。
在评估此类电致变色器件的可操作性时，切换时间与施加电压有关，其中，增加的电压可例如促使该器件快速切换。然而，交换的是该器件的退化。因此，在本领域中需要不使电致变色器件退化或毁坏的尤其是在包括CP的器件中允许有改善的电致变色切换的器件和方法。
发明内容
本发明阐述了用于向电致变色器件施加电位以便以电致变色方式切换此类器件和/或优选地输送以脉冲发送的连续电压以便实现电致变色器件的所选透射状态的器件和方法。
在一个方面，本发明提供了一种用于调制具有第一电极、第二电极以及与第一电极和第二电极电连通的电源的电致变色器件的透射率的方法，该方法包括跨第一电极和第二电极从电源输送连续电压并根据脉冲序列以脉冲发送连续电压的步骤。脉冲序列可包括施加至少一个过电位达小于约0.5秒，并且然后施加工作电位达小于约0.5秒。过电位在幅值方面大于工作电位。本方法包括一旦达到电致变色器件的所选透射率状态则停止向第一电极和第二电极输送连续电压的步骤。
另外，从电源输送连续电压的步骤的其它实施例可包括用操作地连接到电源及第一电极和第二电极的控制器来控制脉冲序列。本方法还可包括测量操作地连接到控制器的光传感器处的电位并基于光传感器电位来确定至少一个过电位的值的步骤。此外，本方法可包括将光传感器电位跟与电致变色器件的所选透射率状态相关联的参考电位相比较的步骤。此外，所述至少一个过电位可具有在工作电位之上小于约4V的幅值。
在另一实施例中，至少一个过电位的施加可包括施加多个过电位。另外，施加多个过电位可包括施加过电位脉冲的递减序列，从具有在工作电位之上小于约4V的幅值的最大过电位开始且以具有大于工作电位的幅值的最小过电位结束(其中，工作电位可以是例如约1V)。可根据在约0.2秒或以下中约0.25V的第一速率来减小施加过电位脉冲的递减序列的步幅。此外，工作电位可具有约0.5至1.5V的幅值。优选地，工作电位可具有约1.0V的幅值。
本发明的附加方面包括用于向电致变色器件施加电位并被配置成以电致变色方式切换电致变色器件的设备，其中，该电致变色器件包括包含阴极着色导电聚合物材料的第一电极、包含阳极着色导电聚合物材料的第二电极以及布置在第一电极和第二电极之间并与第一电极和第二电极电化学连通的电解质。本发明的设备可包括光传感器，其被配置成接收光并将此类光转换成光传感器电位。本设备还可包括与光传感器和电致变色器件电连通的控制器，该控制器被配置成响应于光传感器电位而向电致变色器件输送以脉冲发送的连续电压，该连续电压足以以电致变色方式切换电致变色器件。
在一个实施例中，本设备可包括电位参考表，并可被配置成接收光传感器电位并将所述光传感器电位与电位参考表相比较。在另一实施例中，本设备包括与控制器电连通的电源。另外，本设备可提供足以在小于约5秒或者优选地小于约2秒内以电致变色方式切换电致变色器件的脉冲式连续电压。
因此，本发明提供了克服了本领域中存在的障碍的器件和方法。具体地，本发明提供了脉冲式连续电压方法，其施加电压，该大大地超过与主题电致变色系统的氧化还原作用稳定性极限相对应的电压。然而，这些电压是在非常短的时间内施加的，例如在几百毫秒(ms)或以下的范围内。因此，本发明的方法和器件提供了大大增加的切换速度(即减少电致变色切换时间)，达10倍或更多而不使电致变色系统退化。
附图说明
当结合附图来阅读时可进一步理解本发明的示例性实施例的前文概要及以下详细描述，其中，相同的元件自始至终被相同地编号，在所述附图中：
图1示意性地示出本发明的设备。
图2示意性地示出本发明的示例性控制电路，其包括微控制器单元(MCU)、放大器以及与光传感器(即，光电池)连接的调压器。
图3示意性地示出本发明的实施例，其中，本设备是以一对可穿戴电致变色透镜的形式配置的。
图4提供了本文中公开的示例性电致变色器件的透射光谱，并指示该器件的暗状态(+1V)和亮状态(-1W)下的该器件的透射率。
图5提供了10mV/s的扫描速率下的示例性器件的循环伏安图(CV)，其中，器件经受在-1与+1V之间的施加电压；因此器件看起来是可逆的。
图6提供了10mV/s的扫描速率下的示例性器件的循环伏安图(CV)，其中，器件经受在-3与+3V之间的施加电压；器件证明了由于过度的过电位的施加而引起的器件的降解氧化而引起的不可逆性。
图7提供了本发明的示例性过程，其示意性地示出经由控制器向电致变色器件施加电位程序。本图进一步叙述了断路器(CB)、CB_flag(1＝是，0＝否)、光电池的电压输出(Vadc)、用于光电池的校准电压(Vref)、施加于电致变色器件的电压(Vset)、其中Vmon＝(Vadc+2.5)-Vref的电压施加工具(Vmon)以及电可擦可编程只读存储器(EEPROM)。
图8提供了透射率分析，其以图形方式示出使用施加程序A的商用电压稳定器、施加程序A的本发明的控制器以及施加程序C的本发明的控制器向示例性电致变色器件施加连续电位之间的比较。如其中证明的，施加程序C的本发明的控制器显示出最短的电致变色切换时间。
图9提供了可循环性分析，其以图形方式示出电致变色器件的长期持久性，其中，程序C由本发明的控制器提供。在可循环性分析中，将具有0循环的器件的可循环性与已经循环10000次的器件相比较。分析证明在长期的使用之后在可循环性方面存在最小差异。
图10提供了表格，其示出利用本发明的控制器(A-C)的本发明的器件及BioAnalytical系统(BAS)电压稳定器(A1)和普林斯顿应用研究(PARC)电压稳定器(A2)的利用的示例性暗(D)至亮(L)和亮至暗切换时间。
具体实施方式
本发明提供了一种控制方法和关联控制器(例如，控制器电路)，其在被应用于电致变色系统时将系统的切换时间(即从亮转为暗且反之亦然)与从电源施加稳定DC电压相比减少为3分之一或更多。在本发明的控制方法和控制器的各方面之中的是经受电致变色切换的电致变色器件、用于向电致变色器件施加以脉冲发送的连续电压的控制器以及用于向此类电致变色器件施加电位的方法。
如本文所使用的术语“连续电位”或“连续电压”指代向本发明的器件施加电位或电压，其中，在施加连续电位或电压的同时不会将该电位停止、断开连接和/或允许其转归开路电位(OCP)，但是在向本发明的器件施加电位期间可以脉冲发送或者另外进行调制或改变。
如本文所使用的术语“开路电位”指代在外部电路中没有电流从其流出的电池的测量电位。因此，当允许器件转归其OCP时，其被停止或者另外断开连接，并且不施加连续电位或电压。
虽然在本发明中引用的示例是针对特定电致变色系统，但其原理可应用于任何电致变色系统，如本文所述。例如，本发明的本器件和方法不限于基于聚合物的电致变色器件，并且可应用于包括聚合物材料、金属氧化物、液晶或其组合的器件。然而，本发明的优选电致变色器件是包括导电聚合物的聚合物电致变色器件。
现在对附图进行参考，其中，相同的元件自始至终被相同地编号。图1示意性地提供了具有光传感器1、电致变色器件2、电源3以及控制器4的电致变色设备。光传感器1、电致变色器件2以及电源3可经由电线12连接到控制器并因此与控制器电连通。
本发明的光传感器1可被配置或制备成接收光并将此类光转换成光传感器电位。光传感器1可被配置成接收处于多种波长的光，包括例如在紫外光(UV)、可见光(vis)、近红外(NIR)、红外(IR)和/或微波(μwave)范围内的波长。
本发明的电致变色器件2可包括导电聚合物(CP)、金属氧化物(MO)或基于液晶的材料。然而，关于本发明的优选电致变色器件，此类器件包括聚合物材料并在美国专利申请号13/677,197中有所描述，该专利申请被作为美国专利申请公开号2013/0120821公开，其全部内容被通过引用结合到本文中。另外，参见作为国际公开号WO 2013074702公开的国际申请号PCT/US12/65123，其全部内容被通过引用结合到本文中。此外，在基于聚合物的电致变色器件的使用领域中存在多个示例，包括美国专利号5,995,273和6,033,592，其被通过引用结合到本文中。
电致变色器件2包括第一电极72A和第二电极7B，其中，例如，第一电极7A可以是工作电极且第二电极7B可以是反电极。第一电极和第二电极(7A和7B)可分别地经由端子5和6与控制器电连通和/或连接到控制器。此外，电致变色器件2可包括聚合物9、10(例如，导电聚合物)和电解质11。另外，电致变色器件2可包括垫圈8。垫圈8可由薄(例如小于1密耳)聚酯薄膜构成，并且可优选地包括双面粘合剂。
相对于优选电致变色器件，器件2是互补电致变色器件。可在反电极上引入具有高度可逆电化学活动性的电化学活性材料，并且可将其配置成以互补且高度可逆方式作用于工作电极处的材料。在此类系统中，当工作电极处的电致变色材料经历氧化时，反电极处的互补材料将经历还原，并且反之亦然。此外，当一个电极处的电致变色材料随着(+)电位的施加而变暗时，另一电极处的电致变色材料随着(+)电位的施加的变亮。同样地，当一个电极处的电致变色材料随着(-)电位的施加而变亮时，另一电极处的电致变色材料随着(-)电位的施加的变暗。这导致可逆电化学系统，其中活动的电化学器件证明了快速的切换时间、更大的亮/暗对比度、高度可逆的切换和在许多切换循环内的很少退化，同时加强了其暗或亮着色。这是使电致变色器件互补着色背后的原理。
此外，如果电致变色材料中的一个显示出与另一个相反的活性，例如其在施加(+)电压时变成其亮状态，而另一材料在施加(+)电压时变暗，则这将提供运行的透射模式互补着色器件。如果两个材料理想地匹配，使得在一个材料处于其最暗状态时的施加电压下，另一个处于其最亮状态，这然后将组成理想的互补着色、透射模式电致变色系统。
如本文所述的，可提供互补聚合物或“双聚合物”电致变色器件，其具有电极且包括阳极着色导电聚合物材料、电解质层以及阴极着色导电聚合物材料。
如本文所使用的“着色导电聚合物材料”在向其施加正电压促使其变成着色或暗状态的情况下被说成是“阳极着色”，并且在负电压的施加促使其变成着色或暗状态的情况下被说成是“阴极着色”。此外，阴极和阳极着色导电聚合物材料分别地包括阴极和阳极着色聚合物。
如本文所使用的术语“聚合物”指代聚合反应的产物，并且包括均聚物、共聚物、三元共聚物等。
如本文所使用的术语“均聚物”指代从单个单体的聚合得到的聚合物，即本质上由单个类型的重复单元组成的聚合物。
如本文所使用的术语“共聚物”指代由至少两个不同单体的聚合反应形成的聚合物，并且此外术语共聚物包括无规共聚物、嵌段共聚物、接枝共聚物等。
本发明的阴极着色导电聚合物材料可包括一个或多个聚合物，其包括2,2-联芳基-3,4-丙烯-二氧噻吩单体的未取代或取代衍生物。优选地，当2,2-二苯基-3,4-丙烯-二氧噻吩被取代时，该取代基可位于苯甲基的对位，其中，苯甲基半族处的取代基可以是卤素(例如，氯、溴、碘、氟)、磺酰、硝基、氨基或烷基(例如，正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、正戊基、正己基)取代基。
优选地，阴极着色聚合物是基于3,4-丙烯二氧噻吩的单体的共聚物。此类单体的示例包括但不限于2,2-二(4-氯苯基)-3,4-丙烯二氧噻吩、2,2-二(4-溴苯基)-3,4-丙烯二氧噻吩、2,2-二(4-硝基苯基)-3,4-丙烯二氧噻吩、2,2-二(4-氨苯基)-3,4-丙烯二氧噻吩和2,2-二苯基-1,3-丙烯二氧噻吩。
更优选地，阴极着色导电聚合物是单体2,2-二苯基-3,4丙烯二氧噻吩、2,2-二(4-溴苯基)-3,4-丙烯二氧噻吩以及2,2-二(4-硝基苯基)-3,4-丙烯二氧噻吩、以反应第一单体比例的变化的约1:1:1至50:1:1以及再次地反应第二单体比例的变化的从50:1:1至50:7:1和1:1:1至1:7:1的摩尔比所取的聚合物。更优选地，上述摩尔比是50:1:1至3:1:1。更优选地，上述摩尔比是20:1:1至3:1:1。最优选地，上述摩尔比为约10:1:1。看到包含这些共聚物系统的电致变色器件的电致变色性能优于仅具有这些单体的纯聚合物的器件的那些。
本发明的阳极着色导电聚合物材料可包括一个或多个聚合物，或者更优选地，可以是本领域中已知的单体的聚合物，其包括但不限于聚(芳香胺)聚合物。此类单体的示例包括但不限于二苯胺、N,N’-二苯基联苯胺、4-氨基联苯和苯胺。阳极着色聚合物优选地是以约1:1:1至50:1:1的摩尔比所取的单体N,N'-二苯基联苯胺、二苯胺和4-氨基联苯的共聚物，看到电致变色性能将优于这些单体的纯聚合物。优选地，上述摩尔比是从约1:1:1至约20:1:1。更优选地，上述摩尔比是从1:1:1至约9:1:1且甚至更优选地，上述摩尔比是从3:1:1至7:1:1。在尤其优选实施例中，上述摩尔比是约5:1:1。
优选地，本发明的互补聚合物电致变色器件的阴极和阳极着色导电聚合物是电致变色且电化学匹配的。当在给定电位下阴极着色聚合物材料被完全氧化且阳极着色聚合物材料被完全还原时，将如本文所使用的2-电极电致变色器件中的阴极着色聚合物材料和阳极着色聚合物材料的氧化还原电位视为是“基本上匹配的”，并且反之亦然。更特别地，当阴极和阳极着色聚合物材料两者在通过检查在阴极和阳极着色聚合物材料的单独伏安峰值的曲线下面的区域而确定的给定电位下显示出与其电致变色相关氧化或还原峰值相对应地传递的其总电荷的至少约85％、约90％或约95％。
因此，在阴极和阳极着色聚合物材料具有基本上匹配的氧化还原电位时，在施加(-)电位时，其中阴极着色聚合物材料处于其最暗状态，阳极着色聚合物材料处于其最亮状态；并且在施加(+)电位时，其中阳极着色聚合物材料处于其最暗状态，阴极着色聚合物材料处于其最亮状态。
由于互补聚合物的电化学氧化还原电位和电致变色性质的此良好匹配，双聚合物器件显示出优于单聚合物器件以及现有技术双聚合物器件的电致变色性能，在该现有技术双聚合物器件中，阴极着色或阳极着色聚合物不同于上文列出的聚合物，并且并未如上所述地电致变色和电化学匹配。(用亮/暗对比度、切换速度、可循环性以及相关参数来描述电致变色性能)。
在提供本发明的双聚合物器件时，阴极和阳极着色聚合物材料可由均聚物构成。在优选实施例中，阴极着色聚合物材料和阳极着色聚合物材料中的至少一个可由共聚物构成。更优选地，阴极和阳极着色聚合物材料由共聚物构成。可将阳极和阴极着色聚合物材料沉积在透明导电基板上，其可在电致变色器件中形成相对电极，一薄层(优选地薄层)的液体、凝胶或固态电解质11被布置在其之间。该器件还可包括用于将所述电解质11密封和包含在器件内的部件(例如垫圈)。
阴极着色聚合物包括聚(2,2-二苄基-3,4-丙烯二氧噻吩)(“DiBz-PProDOT”)的取代和未取代衍生物。特别地参考取代二苄基-PProDOT，在优选实施例中，用氨基、硝基、卤素、磺酰或烷基(例如，丙基、异丙基、正丁基、异丁基、正戊基、正己基)来取代至少一个苯甲基半族。可将如本文所使用的“卤素”定义为包括氟、氯、溴和碘取代基。在特别优选实施例中，苯甲基的对位被取代。
在优选实施例中，阴极着色聚合物展示出与阳极着色聚合物的大的电致变色对比度及电化学和电致变色相容性。在每个苯甲基的对位处具有二氯或其它取代基的DiBz-PProDOT聚合物相比于其未取代二苯基对应物展示出电致变色性质方面的非常显著的改善。特别地，用二苯基处的取代，聚合物吸收可改变，使得其更加宽带；另外，最高吸收的波长也可移位，潜在地更加朝向可见光谱区(约575nm)的中心，并且再次地，潜在地，切换电压可能略微下降并使得其更加对称。二苯基处的取代可提供例如导致高得多的亮/暗对比度的吸收的显著增加以及潜在地导致与诸如双聚合物器件中的聚(芳香胺)之类的阳极着色聚合物的更好匹配的氧化还原电位的移位。这些聚合物的产生是根据已确立的导电聚合物电致变色实践、经由来自取代二苯基单体的电子聚合而实现的。
在电致变色器件中使用的阳极着色聚合物可以是本领域中已知的那些材料，并且可包括但不限于：(聚(吡咯)；聚(二苯胺)；聚(4-氨基联苯)；聚(苯胺)；聚(N,N'-二苯基联苯胺)；聚(苯撑)；聚(苯撑乙烯撑)；聚(丙炔乙烯撑)；以及聚(氨基喹啉)。
用于阳极着色聚合物的优选组成是N,N'-二苯基联苯胺/二苯胺以及4-氨基联苯的采取约1:1:1至50:1:1的比的共聚物，看到电致变色性能优于这些单体的纯(即非共聚物)聚合物。更优选地，上述摩尔比为约1:1:1至约20:1:1且甚至更优选地，上述摩尔比为约10:1:1至20:1:1。在其它优选实施例中，上述摩尔比为约3:1:1至9:1:1，甚至更优选地，上述摩尔比为约4:1:1至7:1:1。在特别优选实施例中，上述摩尔比是5:1:1。
另外，第一电极和第二电极7A和7B可以分别地包括基板。此类基板优选地是化学惰性树脂上的TIO(氧化铟锡)，诸如聚(对苯二甲酸乙二酯)(PET)，即但是可使用任何其它导电的透明基板，诸如：ITO/玻璃；玻璃或塑料上的掺杂氧化锡；塑料或玻璃上的非常薄(小于约60nm)的Au；“NESA”玻璃；以及最近研究的基板，塑料或玻璃上的碳纳米管。对于优选基板、ITO/Mylar而言，优选的表面电阻率小于约60欧姆/平方(无量纲单位)。在某些优选实施例中，基板可以是具有约0.25至7密耳的厚度的ITO/Mylar。
此外，其中底层基板相对不那么导电的某些实施例，例如玻璃或塑料上的氧化铟锡(ITO)(例如聚(对苯二甲酸亚乙酯)或)，器件从一个极端电致变色状态(例如最暗)至另一个(例如最亮)的切换速度可能减慢，并且过渡可能也是不均匀的，更接近于电接触点的电致变色材料最快速地切换，并且距离电接触点最远的最慢切换，过渡则是明显可见的。增加切换速度(以及切换的均匀性)的一个简单手段是增加在系统上施加的电压。例如，在具有聚(苯胺)的电致变色材料的情况下，人们可以将施加电压从±1.1V的室温极限增加至例如±2.0V或±3.0V或±4.0V。然而，存在对电致变色系统的不可逆损坏的风险，可能仅仅是切换速度的边际增加量(切换时间的减少)；在几个此类切换之后，电致变色器件可能本质上停止运行。
关于电解质11，此类电解质可以是优选地电解质，其使用作为基质的诸如聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)或聚(甲基丙烯酸乙酯)(PEMA)之类的聚合物、诸如Li三氟甲磺酸酯(Li triflate)和LiBF4之类的适当盐以及增塑剂和/或其它溶剂，诸如丙烯碳酸酯，其为具有非常高的沸点、240℃的有机溶剂(通常在Li蓄电池电解质中使用)，以及乙腈，其在最终凝胶电解质形成之前被蒸发掉。一旦被设定，凝胶电解质类似于硬但柔性的橡胶状塑料。
本发明还利用电源3以便向电致变色器件2提供电位或电压。电源3可包括到控制器4和/或电致变色器件2的任何直流(DC)源。在某些实施例中，电源3可以包括如本领域中已知的被转换成DC的交流(AC)源。优选地，电源3是蓄电池。如本文所使用的术语“蓄电池”指代包括一个或多个电化学电池和/或燃料电池的电化学器件，并且因此蓄电池可包括单个电池或多个电池，无论是作为单独单元还是作为封装单元。蓄电池是适合于便携式器件的电源类型的一个示例。
转到控制器4，与光传感器1、电化学器件2以及电源3电连通的控制器(例如，控制器电路)被配置成响应于光传感器电位而向电致变色器件输送根据本发明的某些方法的以脉冲发送的连续电压或电位。控制器4可进一步经由电线12和分别地位于第一电极7A和第二电极7B处的端子5和6而连接到电致变色器件2。控制器4可包括电压稳定器。在优选实施例中，控制器4是控制器电路，其包括放大器、调压器以及微控制器单元(MCU)，如在例如图2中所阐述的。
更优选地，电致变色系统或器件可由基于微芯片的控制器来控制，该控制器在电致变色系统后面(例如，在电致变色太阳眼镜的情况下在佩戴者的眼睛水平处)使用环境亮度级和预置期望亮度级的光传感器输入(例如，光传感器电位)。此外，控制器电路仅允许将实现电致变色系统的期望百分比的透射(即期望亮度级)的电压施加，然后，电压施加停止，并且控制器转入休眠、仅监视模式(经由光传感器输出(即，光传感器电位)来监视环境亮度级)，因此大大地节省蓄电池电力。
相对于该方法，本发明提供了一种用于调制电致变色器件、诸如电致变色器件的透射率的方法。本发明的方法允许跨电致变色器件2的电极从电源输送连续电压并根据可由控制器4提供的脉冲序列以脉冲发送连续电压。该脉冲序列可短暂地施加一个或多个过电位脉冲，并且然后短暂地施加工作电位脉冲。然后，本方法包括一旦达到电致变色器件的所选透射率状态则停止向电致变色器件的电极输送连续电压的步骤。
在示例性方法中，在光传感器1上入射的光可被控制器4(例如，控制电路)作为源自于光传感器1的电压读取，并与在微控制器单元中存储的查找表相比较，其中，该查找表可充当参考以基于在光传感器1处的入射光和用户的偏好来确定应向电致变色器件2施加什么电位或电位程序。此外，在某些实施例中，微控制器可以基于市售芯片，诸如PIC芯片。图2示出典型控制器电路的示例性电电路图。
关于本发明的方法中的电压或电位的施加，如本文所使用的术语“过电位”或“过电压”指代在幅值方面大于电致变色系统的工作电位的电位或电压。因此，相对于给定工作电位来定义在本文中公开的过电位的值。例如，在其中工作电位是±1.0V的系统中，施加的过电位可以是在幅值方面比工作电位大2.0V(即，±3.0V)。在本发明中，过电位可在幅值方面比工作电位大了小于约5.0V。在某些实施例中，过电位可在幅值方面比工作电位大了小于约3.0V。在附加方面，过电位可在幅值方面比工作电位大了小于约2.0V。
如本文所使用的术语“工作电位”或“工作电压”指代电压或电位极限，其中，如果被施加于电致变色系统功能，将在电致变色系统中导致亮状态与暗状态之间的电致变色过渡(即，大约在系统的最大吸收波长下的稳态亮和暗％T的10％至90％)或者相反，同时没有对系统造成显著的不可逆氧化损害。如本领域的技术人员认识到的，工作电位可根据电致变色系统的组成或特性而改变。例如，在本发明的优选实施例中，工作电位可以约为±1V。另外，如本文所使用的“所选透射率状态”指代与器件的用户选择并在向电致变色器件输送工作电位时由电致变色器件提供的亮度或暗度的水平。
此外，在本发明的方法中，可向电致变色器件施加过电位脉冲系列或序列。在提供脉冲序列时，该序列可从在短暂时间段内施加大或最大过电位以便防止氧化降解开始，后面是附加过电位脉冲，其可优选地相对于工作电位在幅值方面减小。更优选地，脉冲的施加包括从最大过电位脉冲开始且以最小过电位结束的过电位脉冲的递减序列的施加。在施加最小过电位脉冲之后，本发明的方法包括工作电位脉冲的施加。优选地，所施加的最大过电位可具有在工作电位之上小于约5.0V的幅值。更优选地，所施加的最大过电位可具有在工作电位之上小于约3.0V的幅值。此外，所施加的优选最小过电位可具有大于工作电位(其可例如优选地约为±1V)的幅值。
关于其中可施加过电位脉冲的时间长度，可施加此类脉冲小于约0.5秒。优选地，可施加此类过电位脉冲小于约0.25秒。更优选地，可施加此类过电位脉冲小于约0.2秒。在其中以脉冲发送过电位的某些实施例中，可在施加过电位达小于约0.5秒或者优选地小于约0.2秒的长度之前或之后向电致变色器件施加工作电位。
然而，存在所施加过电压的幅值和持续时间与电致变色系统的切换时间的减少以及其是否遭受任何不可逆氧化还原损坏之间的权衡。此外，基于应用于系统的特定特性的一般原理，诸如用于电致变色切换的推荐施加电位(基于其CV、计时安培分析法法(CA)特性以及本领域中已知的其它电化学分析)，过电压的幅值和持续时间的选择可以是特定电致变色系统所特定的。
某些已知器件允许向包括单个电致变色系统(即，不是诸如本发明的系统之类的互补聚合物、双电致变色系统)的电致变色器件施加过电压(或过电位)。这种方法的关键特征是必须有电致变色系统的开路电位(OCP)的持续监视，关于是否进一步施加电压脉冲的判定取决于此类OCP的值。在施加的电压脉冲之间，可始终存在另外被监视的OCP的间歇。事实上，此类器件未能提供如在本发明中阐述的以脉冲发送的连续电压或电位。相反地，在本领域中已知的器件施加不连续电压脉冲，允许其中的电致变色器件在施加附加脉冲之前转归到OCP。相反地，本发明不具有监视或者不断地确定OCP的此类需要。事实上，在本发明中，并未使用OCP，并且此外，在本发明的器件和方法的应用期间，电致变色器件不会转归到OCP。
作为确定所施加过电位的最佳幅值的示例性方法，应首先确定用于电致变色系统的工作电位(即，电位极限)。最初，以最慢的实际扫描速率(通常为5mV/s)设置系统的CV。然后，可识别可施加于系统以实现可逆氧化还原作用(氧化/还原)和伴随的电致变色切换的电位的极限。例如，该极限或工作电位可以是±1.0V。然后可针对电致变色系统(处于或接近于系统的最大吸收波长的稳态亮和暗％T的10％至90％)确定亮至暗状态和暗至亮状态切换时间，此±1.0V由标准DC电源或电压稳定器施加。还可在UV-Vis-NIR范围(通常，约200至11nm)内在这些电压下表征系统的暗状态和亮状态—系统透射百分比。可选择电压的小增量，约0.5V，并且作为过电压施加于系统大小的时间增量，约100ms。再次地采取附加CV以确定是否发生了电致变色系统的任何退化。例如，可向电致变色系统施加-1.5V达100ms，并提供CV和UV-Vis-NIR光谱以确定退化。如果未观察到退化，则可施加+1.5V达100ms，后面是另一CV和UV-Vis-NIR分析以确定系统退化。如果未观察到退化，则可使用此增量电压针对电致变色系统确定亮至暗和暗至亮状态切换时间。下一时间增量前进至约200ms，达到不超过约500ms。在不存在退化的情况下，可施加下一电压增量(例如，约±2.0V)。此程序持续值为所选电致变色系统提供一种方法，其在没有聚合物电致变色系统的任何看得见退化(由其伏安和透射百分比(UV-Vis-NIR光谱)性质确定)的情况下提供最短切换时间。
基于先前的分析，开发了用于切换本文所述的电致变色器件的多个示例性方法。这些方法包括被识别为应用于本发明的所述电致变色器件的指定为A、B、C以及D的多个程序，如下面进一步描述的。然而，可使用也可以使用的类似原理而得到其它程序。当与使用实验室电压稳定器的“标准”切换相比时，这些程序中的每一个提供明显更快的切换以及在数千次亮/暗切换循环内的良好稳定性(即电致变色系统的缺少氧化还原作用或其它退化)。可以对本发明的电致变色器件施加多个DC工作电位。事实上，工作电位是所利用的电致变色器件的函数。在本发明中，工作电位对于暗状态而言可以是约(+)0.5至1.5V且对于亮状态而言可以是约(-)0.5至1.5V。然而，要施加于本发明的系统的优选DC电压(即，工作电位)对于暗状态而言为约(+)1.0V且对于亮状态而言为约(-)1.0V。
出于测试所有程序实施例的目的，准备包括电致变色器件的本发明的设备并可作为图3中所示类型的电致变色眼睛佩戴。事实上，图3的设备提供光传感器1'、电致变色透镜2'(即，电致变色器件)、蓄电池3'以及控制器4'。光传感器1'、电致变色透镜2'以及蓄电池3'经由布线12而电连接到控制器。优选地，蓄电池3'可以是充电端口13，其可以是微USB充电端口。图5的设备还包括从其附着本发明的元件的透镜框架14。
关于本发明的程序的开发和应用，光传感器数据用作响应于接收到的光而产生的光传感器电位，如上文所阐述的。在优选实施例中，用户预先选择并设定(即“校准”)在眼睛处期望的亮度级，或者这是在生产时“出厂设定的”。然后以来自光传感器的电压输出的形式将此亮度级编程到控制器电路中。然后如果在电致变色眼睛被用户佩戴时的操作中确定在光传感器处如何了太多的光，则应用特定程序(例如，程序A、B、C、D中的一个，如下所述)以将其带入暗状态；并且相反地如果电致变色被确定为处于过暗状态，则应用电压程序以将其带入亮状态。另外，在本发明的方法操作时，在器件的校准之前或之后，其中校准作为本方法的一部分自动地发生，根据需要，可存在从约10ms至10秒以及优选地约100ms的编程延迟。然而，在本方法的初始化和驱动之后，并且在读取来自光传感器的电压和/或可在微控制器处存储的参考电位电压之前，本发明的方法可包括延迟，根据需要，从约10ms至10秒以及优选地约100ms的编程延迟。
针对下面进一步详细说明的四个示例性程序A、B、C和D，施加的最大电压在幅值方面比工作电位大了约2.0V(例如，±3.0V)。这些过电位是基于如上所述的此特定电致变色系统的研究而确定的。然而，本领域的技术人员将认识到不同的电致变色系统(例如，聚合物电致变色系统)将要求不同的工作电位和不同的过电位，同时仍包含在本发明内。
转到第一程序A，将切换至亮状态，控制器施加(-)3.0V达0.1s，然后变到(-)2.75V并施加达0.1s，然后再次地至(-)2.5达0.1s，然后再次地至(-)2.25V达0.1s，然后至(-)2.0V，也保持0.1s。针对下一个1.0V程序，阶跃电压保持相同，即0.25V；然而，在每个电压处保持的持续时间现在增加从0.1s增加至0.2s。这直至达到(-)1.0V为止完成。当实现了期望的暗度或亮度(即，电致变色器件的所选透射率状态)时，按照在光传感器上入射的光的确定，电压被关掉和/或停止。
为了切换到暗状态，遵循相同程序，只是外加电压的极性和步幅是相反的。然后可用简化符号将此程序表示为：
程序A：
0.25V/0.1s(±3.0,±2.75,±2.5,±2.25,±2.0)
0.25V/0.2s(±2.0,±1.75,±1.5,±1.25,±1.0)
使用类似的简化符号，可如下表示其它三个程序：
程序B：
0.25V/0.1s(±3.25,±3.0,±2.75,±2.5,±2.25)
0.25V/0.2s(±2.25,±2.0,±1.75,±1.5,±1.25,±1.0)
程序C：
0.25V/0.15s(±3.0,±2.75,±2.5,±2.25,±2.0)
0.25V/0.2s(±2.0,±1.75,±1.5,±1.25,±1.0)
程序D：
0.25V/0.2s(±2.75,±2.5,±2.25,±2.0)
0.25V/0.2s(±2.0,±1.75,±1.5,±1.25,±1.0)
可将本发明的程序以及优选程序A、B、C以及D装入本发明的控制器4中，但是优选地在控制器4的MCU中。然而，可以将本发明的方法和更具体地程序体现为一个或者多个计算机实现过程以用于执行此类计算机实现过程，并且还可以以包含计算机程序或其它机器可读指令(在本文中“计算机程序”)的有形存储介质的形式体现，其中，当计算机程序被加载到计算机或其它处理器(在本文中“计算机”)中和/或由计算机执行时，计算机变成用于实施一个或者多个过程的设备。用于包含此类计算机程序的存储介质包括例如软盘和磁盘、紧凑式磁盘(CD)-ROM(无论是否可写)、DVD数字磁盘、RAM和ROM存储器、计算机硬驱和备份驱动、外部硬驱、“拇指”驱动以及计算机可读的任何其它存储介质。还可以以计算机程序的形式来体现一个或者多个过程，例如无论是存储在存储介质中还是通过传输介质、诸如电导体、光纤或其它光导体或者通过电磁辐射而发射，其中，当计算机程序被加载到计算机中和/或被计算机执行时，计算机变成用于实施该过程的设备。可在被具体地配置成实施该一个或者多个过程的通用微处理器或者数字处理器上实现该一个或者多个过程。当采用通用微处理器时，计算机程序代码将微处理器的电路配置成产生特定逻辑电路布置。计算机可读存储介质包括计算机本身或者读取计算机指令以便向计算机提供那些指令以便控制其操作的另一机器可读介质。此类机器可包括例如穿孔卡片读取器、磁带读取器、磁卡读取器、存储卡读取器、光学扫描仪以及用于读取上述存储介质的机器。
以下示例更详细地描述本发明。这些示例仅仅是出于说明性目的而提供的，并且绝不应视为限制本发明。
示例
示例1
利用包括单体2,2-二(4-氯苯基-3,4-丙烯二氧噻吩的阴极着色导电聚合物和包括单体N,N'-二苯基联苯胺的阳极着色导电聚合物来制备电致变色器件。关于上述电致变色器件的性质，在图4中公开了此类器件的在UV-Vis-NIR区中的典型透射(％T)光谱。
另外，在图5中公开了在非常慢的扫描速率(10mV/s)下所取的电致变色系统的循环伏安图(CV)；此CV是处于2电极模式(即没有参考电极)下的示例性电致变色透镜的CV。在本文中举例说明了用于此系统的氧化还原行为的高度可逆性质。事实上，负责电致变色的初级和次级伏安峰值[初级在约+250mV下(氧化，(-)电流)、约+200mV(还原，(+)电流)下，次级在约-850mV(氧化)、+850mV(还原)下]几乎重叠，这是高度可逆系统的特征。此伏安图进一步举例说明用于施加用于实现亮和暗状态之间的可接受电致变色过渡的电压的的电位极限在约(-)1.0V与(+)1.0V之间。图6示出了同一系统的CV，除其是针对在(-)3.0V与(+)3.0V之间的扩展窗口之外相同。可看见多个不可逆峰值，最突出的一个在约+2.55V处，其可归于聚合物中的一个的不可逆氧化降解；可注意到对于此氧化峰值而言不存在相应的还原峰值。此扩展CV指示如果向系统施加过电压以尝试使得其更快速地切换，则系统可经历不可逆氧化损害。
然而，在实践中，由于底层ITO/Mylar基板具有每平方约50Ohm的表面电阻率的事实，所以当施加(+)1.5V的电压时，尤其是在与电接触点相距一定距离处的CP(其是活性电致变色的)实际上并未立即经历(+)1.5V的电压。相反地，由于基板的此表面电阻率，器件的内部处的CP仅在相当的时间长度(20至30分钟)内经历全(+)1.5V。替换地，实验观察证明当施加此类过电压时，观察到电致变色器件更快地进行电致变色切换。并且此外，施加的过电压越大，切换越快。另外，如果施加过电压达非常短的时间段，一般地小于约0.5s(500ms)，则在数千个亮/暗切换循环内保持电致变色器件的完整性。
因此，如图5中举例说明的，优选电致变色器件的潜在极限是±1.0V。
示例2
在本发明的实践中，可使用可以与特定亮度级对应的mV为单位的光传感器读数作为本发明的程序确定如何驱动电致变色器件即要施加什么电压和达到什么持续时间时的关键输入。出于此目的，本发明的程序可与可保持在控制器4或者更具体地微控制器中的查找表相关联。在本文中将典型查找表提供为表1。
作为参考亮度级，可将参考电压校准至2.5V；校准因数被保存到微控制器内部的EEPROM。在正常操作期间，用保存的校准因数对光电池电压(Vpc)进行校准。基于包括A、B、C和D的本发明的程序来调整器件电压(Vdev)。以0.25V的步幅来调整Vdev。(参见例如图7)。
表1：典型查找表
示例3
举例说明本发明的程序的施加与电压稳定器的使用相比之间的差异，可观察到切换时间的检查(图8)。事实上，图8举例说明使用从电压稳定器(例如DC电源)施加的稳态DC电压的切换时间与使用程序A和C(被用作示例)获得的切换时间的比较。该切换时间从针对电压稳定器DC电压的约8s减小至针对程序C的小于1s。如上文所阐述的，照例将切换时间定义为用于最大和最小％T的10％和90％之间的过渡的时间，并且使用此定义来测量上述值。另外，图9举例说明使用程序C的亮状态和暗状态之间的0和10,000次循环时的长期可循环性。对系统的电致变色切换特性和稳定性几乎没有影响，即使已在非常短的时间段内向系统施加±3.0V的过电压10,000次。如上所述的从8s至小于1s的切换时间的超过8倍的减小提供了在商业上可行的电致变色透镜，因为在商业上可行的电致变色透镜拥有小于1s的切换时间，而不可行透镜拥有一般地大于8s的切换时间，其小于光致变色透镜的约一半。
在图10中提供了依靠或使用本发明的方法操作的电致变色器件的切换时间的进一步比较。此外，图10举例说明将使用两个市售电压稳定器获得的切换时间与使用本发明的控制器和程序A、B和C获得的那些相比较的典型数据。程序的使用导致切换时间的急剧减少。另外，在比较三个程序A、B以及C的数据中还清楚地看到如在这些程序(如上所述)中体现的对各种外加过电压的切换时间及其施加的持续时间的影响。
本发明提供了电致变色器件领域和更特别地控制和利用电致变色器件的器件和方法的开发中的显著进步。具体地，本发明利用光传感器以实现准确的实时控制，其中在光传感器上入射的亮度级确定电致变色器件的现有电致变色状态(即，其亮度/暗度)是否要求切换。此外，本设备不需要或要求停止电位或电压的连续施加以便监视或利用电致变色器件的OCP。器件能够被校准和修改以适应用户的偏好。
另外，本发明的设备具有较低的功率设计，提供对脉冲式连续电压的施加的快速响应，并且可在小或紧凑的设计中提供以实现高便携性。作为要求多个电源的替代，本发明仅要求单个电源，诸如便携式电池。最后，作为简单地向电致变色器件提供恒定或静态电位的替代，本发明的设备通过接合如上所述的具有小电位步长的“智能”施加电位法(例如，程序A-D)来在改善可循环性的同时减少切换时间。
在本文中引用许多专利和非专利公开以便描述本发明有关的现有技术。这些公开中的每一个的全部公开被通过引用结合到本文中。
虽然上文已描述和/或举例说明了本发明的某些实施例，但根据前述公开，各种其它实施例对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。因此本发明不限于所述和/或举例说明的特定实施例，而是能够在不脱离所附权利要求的范围和精神的情况下进行相当可观的变更和修改。
此外，如本文所使用的术语“大约”意指尺度、尺寸、组成、参数、形状及其它量和特性不是精确的且不需要是精确的，而是可以是近似的和/或根据期望而更大或更小，反映公差、转换因数、舍入测量误差等以及本领域的技术人员已知的其它因素。一般地，尺度、尺寸、组成、参数、形状或其它量或特性是“大约”或“近似”，无论是否被明确地叙述为这样。应注意的是非常不同的尺寸、形状和尺度的实施例可采用所述布置。
此外，过性渡术语“包括”、“本质上由...组成”和“由...组成”当在原始和修订形式的的所附权利要求中使用时定义相对于什么未叙述的附加权利要求元件或步骤(如果有的话)被从权利要求的范围排除的权利要求范围。术语“包括”意图是包括性或开放性的，并且不排除任何附加的未叙述元件、方法、步骤或材料。术语“由...组成”不包括除在权利要求中指定的那些之外的任何元件、步骤或材料以及在后一种情况下的通常与指定材料相关联的杂质。术语“本质上由...组成”使权利要求的范围局限于指定的元件、步骤或材料和并未实质性地影响要求保护的发明电极基本和新型特性的那些。体现本发明的本文所述的所有器件和方法在替换实施例中可以更具体地由任何过渡术语“包括”、“本质上由...组成”以及“由...组成”。

Claims (24)

1.一种用于向电致变色器件施加电位并被配置成以电致变色方式切换电致变色器件的设备，其中，所述电致变色器件包括包含阴极着色导电聚合物材料的第一电极、包含阳极着色导电聚合物材料的第二电极以及在第一电极和第二电极之间布置的并与第一电极和第二电极电化学连通的电解质，所述设备包括：
a.光传感器，其被配置成接收光并将此类光转换成光传感器电位；以及
b.与光传感器和电致变色器件电连通的控制器，所述控制器被配置成响应于光传感器电位而向电致变色器件输送以脉冲发送的连续电压，所述连续电压足以以电致变色方式切换电致变色器件。
2.根据权利要求1所述的设备，包括电位参考表，并被配置成接收光传感器电位并将所述光传感器电位与电位参考表相比较。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，包括与脉冲电位控制器电连通的电源。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述脉冲式连续电压足以在小于约5秒内以电致变色方式切换电致变色器件。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述脉冲式连续电压足以在小于约2秒内以电致变色方式切换电致变色器件。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述阴极着色导电聚合物材料包括取代或未取代2,2-二苯基-3,4-丙烯二氧噻吩单体。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述阴极着色导电聚合物材料包括选自由2,2-二(4-氯苯基)-3,4丙烯二氧噻吩、2,2-二(4-溴苯基)-3,4-丙烯二氧噻吩、2,2-二苯基-3,4-丙烯二氧噻吩、其组合组成的组的至少一个单体。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述阳极着色导电聚合物材料包括聚(芳香胺)。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述电致变色器件包括导电透明基板，其包括氧化铟锡(ITO)、玻璃、聚(对苯二甲酸乙二酯)(PET)、氧化锡、金、碳纳米管或其组合。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述电解质包括液体电解质、固体电解质、凝胶电解质或其组合。
11.一种用于调制具有第一电极、第二电极以及与第一电极和第二电极电连通的电源的电致变色器件的透射率的方法，所述方法包括步骤：
跨第一电极和第二电极从电源输送连续电压并根据脉冲序列以脉冲方式发送连续电压，所述脉冲序列包括施加至少一个过电位达小于约0.5秒且然后施加工作电位达小于约0.5秒，其中，该过电位在幅值方面大于工作电位；以及
一旦达到电致变色器件的所选透射率状态，则停止向第一电极和第二电极输送连续电压。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，从电源输送连续电压的步骤包括用操作地连接到电源及第一电极和第二电极的控制器来控制脉冲序列。
13.根据权利要求12所述的方法，包括测量操作地连接到控制器的光传感器处的电位并基于光传感器电位来确定至少一个过电位的值的步骤。
14.根据权利要求13所述的方法，包括将光传感器电位跟与电致变色器件的所选透射率状态相关联的参考电位相比较的步骤。
15.根据权利要求14所述的方法，包括对参考电位进行校准的步骤。
16.根据权利要求11-15中的任一项所述的方法，其中，所述至少一个过电位具有在工作电位之上小于约4V的幅值。
17.根据权利要求11-16中的任一项所述的方法，其中，施加至少一个过电位包括施加多个过电位。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，施加多个过电位包括施加过电位脉冲的递减序列，所述过电位脉冲的递减序列从具有在工作电位之上小于约4V的幅值的最大过电位开始且以具有大于工作电位的幅值的最小过电位结束。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，施加最大过电位达小于约0.2秒，并且施加最小过电位达小于约0.2秒。
20.根据权利要求18和19中的任一项所述的方法，其中，根据在约0.2秒或以下中约0.25V的第一速率来减小过电位脉冲的递减序列。
21.根据权利要求18-20中的任一项所述的方法，其中，根据在约0.15秒或以下中约0.25V的第一速率和在约0.2秒或以下中约0.25V的第二速率来减小过电位脉冲的递减序列。
22.根据权利要求18-21中的任一项所述的方法，其中，根据在约0.15秒或以下中约0.25V的第一速率和然后在约0.2秒或以下中约0.25V的第二速率来减小过电位脉冲的递减序列，其中，最大过电位具有约3V的幅值。
23.根据权利要求11-22中的任一项所述的方法，其中，所述工作电位具有约0.5V至1.5V的幅值。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述工作电位具有约1.0V的幅值。
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