CN1398360A - 光转换装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种转换装置(1)，其包括透明基板(3)，含钪和镁的氢化物的转换膜(5)，并覆盖有一钯层(7)。通过氢的交换，该转换膜可反转地从透明状态通过中间的黑色吸收状态，变换成透光率为0的镜状状态。两种状态的转换是可逆的，该现象可用在例如光转换元件或遮阳顶棚中。

Description

光转换装置
本发明涉及一种包括基板和转换膜的光转换装置，其中转换膜包括三价金属和镁的氢化物，通过氢的交换可将该氢化物从含氢量低的、镜状组合物可逆地转换成含氢量大的透明组合物。本发明进一步涉及一种可用于光转换装置的转换膜。本发明还涉及一种包含这种转换膜的电化学转换装置。此外本发明还涉及这种转换装置的应用。
在相关的转换装置中，光学性能受外部影响，例如气压，电位或电流的控制。
由本申请人提交的欧洲专利申请EP-A-0871926可知，依据本文开头所述的转换装置是已知的。在所述申请中公开的转换膜包含三价金属，如钆，镥，钇，镧和镁的氢化物，且优选覆盖一钯层。所述转换膜在其低氢态和高氢态之间有较大反差，在这方面提供极好的结果。为此参考Nagengast等人在Appliedphysics letters，volume 75，nr.14的文章“Contrast enhancement of rare-earthswitchable mirrors through microscopic shutter effect”。但是如在后一公开出版物中所讨论的，在重复循环之后，相分离成镁和稀土氢化物，还会使可转换镜面的寿命较短。
本发明的一个目的是提供一种使用寿命提高了的光学转换装置。
根据本发明，通过本文开头所述的一种光学转换装置可以达到该目的，且该转换装置的特征在于三价金属包括钪。
已发现钪镁合金是一种非常好的储氢材料。由于钪和镁原子大约为相同尺寸，因此形成一种所谓的固溶物。材料在镜状和透明或黑色状态之间的重复循环基本不会导致相分离成镁和钪氢化物，或至少比镁—稀土合金的程度小得多。因此，由于在转换层中形成大的镁颗粒造成的使用寿命问题得以避免，或至少明显地推迟。
依据本发明的钪镁转换膜在透明状态下具有非常高的透光率，在不透明状态下具有几乎为0的非常低的透光率。这意味着高反差，其中该反差为两种透过率数值之比。钪镁转换膜受转换膜中氢含量的控制可提供三种稳定状态，即，随着氢含量增加为：镜状状态，黑色吸收状态和透明状态。
有利地是该转换膜含1-50原子％的钪和50-99原子％的镁，更有利的是15-40原子％的钪和60-85原子％的镁，优选含35原子％的钪和65原子％的镁。
在该合金中不同组分的具体量是通过权衡它们之间动力学和氢摄入量得到的。
可使用交替叠置的钪镁薄层来代替钪镁合金，例如，具有50对MgSc的多层叠层。这种多层具有附加的优点，能增加光学状态之间的转换速度。
在一具体实施方式中，该钪镁转换膜还包括另一种三价金属。
该转换膜可包括例如多于一种三价金属和镁的氢化物，如钪—钆—镁氢化物，ScGdMgHx。当然，也可以使用钪和其它三价金属的组合。
在一有利的实施方式中，钪镁转换膜还包括另外一种选自以下组的元素，该组包括镍，铝，铬，硅，铁，钴，银，锆，铌，钽和铪。
在Sc30Mg70中加入1％的Ni，延长寿命4倍，而加入2％的Ni，延长寿命11倍。
用氢对转换膜进行转换。转换膜的透光率受氢含量的控制：当氢含量增加时，透光率增加。如果将分子态的氢气供给到转换膜，则随着氢气压的增加透光率也增加。氢气必须分离成原子氢。通过在转换层表面上提供一催化活性层，例如有一定厚度，如5nm的薄钯层可提高该分离率。在所述厚度处该钯层是不连续的。层厚度不重要，可在2到25nm之间选择。但是由于钯层厚度决定了转换装置的最大透光率，因此优选2到10nm的薄层。此外，钯层防止其下的转换层被氧化。
除了钯，在转换膜上还可以设置促进氢分离的其它催化活泼金属，例如铂，镍和钴，或这些金属的合金。
在一有利的实施例中，催化活性层包括Ag(x)Pd(1-x)，其中x约为0.25。
这种催化层在循环使用耐久性方面显示出显著的改进性能。
为了改进该循环使用耐久性，一个可替代的方法是，在催化活性层和转换膜之间放置一保护层。
所述保护层优选包括NiZr或ZrOH的化合物，且其厚度为10到100nm。
一种简单的方法是，在室温下使分子态的氢从充满H2的气筒通过转换膜。由此氢含量低的镜状转换膜变化为透明的富氢状态。这种转换是可逆的：通过加热和/或除氢，该透明的膜可转换到镜状状态。所述可逆转换可在室温下或更高的温度下发生。
可用其它方式获得原子态的氢，例如按照以下反应式，在转换膜处电解还原水：
此外从氢等离子体也可以产生氢原子。在该情况下，不需要活性层，例如钯活性层。还可以从其它金属氢化物得到原子态氢，例如本身公知的，用于储氢的金属合金。
依据本发明的转换膜较薄，即其厚小于2微米。转换膜膜厚的优选范围在100和1000nm之间。由于氢必须在转换膜中扩散，因此膜厚确定了从镜状全部转换成透明状态的比率，反之亦然。
本发明的目的即是提供一种可通过如下装置进行电化学转换的光学装置，该装置包括被导离子电解质分隔开的第一和第二电极，第一电极包括钪和镁的氢化物的转换膜，其中该转换膜设置有与电极接触的电催化金属层，这样通过在电极之间施加电压或电流，当通过氢的交换使该氢化物从含氢量低的镜状状态电化学地转换成富氢的透明状态时，就可察觉到转换层的透光率发生变化，反之亦然。
依据本发明实施例的光转换装置是一种电化学组件，其中的一个电极包括钪和镁的氢化物的转换膜，该膜通过一薄的催化金属层与导离子的电解质接触。通过在电极间施加电压，使质子或如水的含氢物质电解还原，或者将H--离子氧化，使该转换膜载氢。例如，水就在这种电极/电解质界面处被还原成原子态的氢。所产生的原子态氢(H)将造成镜状状态变换成透明状态。改变电压使得透明状态被氧化为镜状状态。由此得到一种可逆的电光转换。
为增加氢化和去氢化率，以及由此获得的转换速度，含金属氢化物的转换膜设有一电催化的金属或合金的薄层，例如钯，铂或镍。这些金属特别将质子还原成氢。其它合适的催化金属是所谓AB2和AB5型的合金，例如TiNi2和LaNi5。此外，这些金属层保护其下的转换膜，使其不受到电解质的腐蚀。如上文的解释，该层的厚度在2和25nm之间。但是由于膜的厚度确定了转换装置的最大透光率，优选2到10nm的薄层。
电解质必须是一种良好的离子导体，但是必须是电子的绝缘体，以防止装置自动放电。可利用电解质作为一种电解液体，例如KOH的水溶液。该溶液是一种良好的离子导体，其金属氢化物在其中是稳定的。电解质还可以凝胶或固态形式存在。
为了使装置简单化，最优选的是利用透明固态电解质；这些电解质避免了密封问题，且易于操作。可使用固态无机和有机化合物。无机电解质的例子有为质子(H+)的良好导体的水合氧化物，例如Ta2O5.nH2O，，Nb2O5.nH2O，CeO2.nH2O，Sb2O5.nH2O，Zr(HPO4)2.nH2O，ZrO(2+x)Hy和V2O5.nH2O，H3PO4(WO3)12.29H2O，H3PO4(MoO3)12.29H2O，[Mg2Gd(OH)6]OH.2H2O和无水化合物，例如KH2PO4，KH2AsO4，CeHSO4，CeHSeO4，Mg(OH)2，以及MCeO3(M＝Mg，BA，Ca，Sr)类型的化合物，其中一部分CE被Yb，Gd或Nd代替。还可以使用玻璃，例如无碱磷酸锆玻璃。良好的离子(H3O+)导体为HUO2PO4.4H2O和氧鎓β-氧化铝。良好的H-离子导体为CaCl2/CaH2，Ba2NH和SrLiH3。固体有机电解质的例子是聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基—丙烷—磺酸)。
可将各种透明材料用于相对电极或第二电极。其例子有氢化的氧化物材料，例如TiO2，WO3，NiO2，Rh2O3和V2O5。通过在氢气环境中溅射，或在分开的步骤中通过电化学方式，所述材料可载氢。还可以使用氢化形成的金属互化物AB2和AB5的薄层，例如TiNi2和LaNi5。另一种可能是使用与转换膜相同的材料，由此形成对称的转换装置。所述材料形成的层厚度与转换膜的层厚度是可比较的。这样选择其厚度，使得第二电极的储氢量足以将转换膜从镜状状态转换成透明状态，反之亦然。
用来承载转换装置所有层的基板是透明材料，例如玻璃，石英，金刚石，氧化铝或(柔性)合成树脂。这些基板可以是平面或曲面的。
可用传统方法将转换膜作为薄层施加在基板上，例如真空蒸镀，溅射，激光烧蚀，化学气相沉积或电镀。在该方面，重要的是在施加转换层的过程中和之后，转换膜的金属不会被氧化。在真空蒸镀过程中，可通过保持压力，特别是残留的水蒸汽和氧气的压力，使其为低于10-6到10-7毫巴的低压来实现上述目的。通过在10-2毫巴的压力下使三价金属和镁氢化，转换膜中的金属可被转换成含氢量低的氢化物状态。该膜具有镜状外观，且不透明。
可用上述方法之一同样地施加催化活性层，例如Pd，以及第二电极层。
还可用上述方法之一施加无机固态电解质薄层。还可用溶胶—凝胶方法从一种合适的烷氧化合物制备无机氧化电解质。可通过例如旋涂方式涂敷有机电解质。
由于金属氢化物薄层有足够的导电性能，在基板和转换层之间可以省去铟锡氧化物(ITO)薄透明层，而该层在传统的电致变色装置中是通用的。由此依据本发明的转换装置比传统的电致变色显示器简单。
依据本发明，在电化学光学转换装置中一种可能的层序列的例子是：
基板|ScMgHx|Pd|KOH|TiOOHy|ITO
在这种构型中，ScMgHx开始是低氢的镜状状态，而氧化钨载有氢：TiOOHy。作为第二电极的TiOOHy是透明的。当向ScMgHx施加负电压时，OH-离子和H2O转移穿过电解质，且水在ScMgHx膜上被还原。通过该电化学反应，ScMgHx被转化成ScMgHx+δ，其为透明和中性灰色的，而TiOOHy-δ仍保持透明：如果Pd层是透明的，在该状态下该装置已变得透明，或者从镜状状态转变成透明状态。该转换过程是可逆的。当向ScMgHx施加正性电压时，该膜失去氢，该装置再次变成镜状和非透明状态。该转换过程可重复多次，并在低于10V时发生。
另一可能的层序列是一种如下的固态层序列，其中氧化锆用作质子导体：
基板|ScMgHw|Pd|ZrO(x+2)Hy|WO3Hz|ITO
依据本发明的特点，可从镜状、非透明状态转换成透明状态(或通过一种吸收的黑色状态转换成透明状态)或者相反的转换装置，可用于多种用途。通过这种光学效应该转换装置可作为一种光转换元件，例如一种可变的分色器，光阀和用于控制光源中光束的照度或形状。选取合适的转换膜厚度，该膜的镜状状态可显示出几乎为0的透光率。这使得可以制造出具有非常大反差的转换装置。该转换装置还可以用于数据存储，以及用在光计数器中，和用作建筑玻璃，视觉控制玻璃，遮阳顶棚和后视镜。在镜状状态中，该转换装置不仅折射可见光，还辐射热或红外光，因此还可用于气候控制。
依据本发明的转换装置还可在显示器屏幕上或其前方作为一种透光率可变的滤光器，以改进画面的反差。
通过在金属氢化物层中制作图案，可制作一种薄显示器。由于缺少LC层，定向层，延迟层和偏振滤光器，该显示器的构造比LCD(液晶显示器)的构造简单。通过使用三种不同的三价金属，可得到三色的点图案。
通过参考下文所介绍的实施例，本发明的这些和其它方面将变得明了。
在附图中：
图1是依据本发明的光学装置的横断面示意图，和
图2显示的是依据本发明的电光固态装置。
实施例1
图1是依据本发明的转换装置1的横断面示意图。其层厚度是不按比例画成的。转换膜5是膜厚为200nm、含35原子％的Sc和65原子％的Mg的ScMg合金(Sc0.35Mg0.65)的形式的膜，通过电子束蒸镀的方式将其设置在抛光了的石英基板3上。蒸镀设备中残留压力小于10-7毫巴。沉积速率为1.0nm/s。在同样的设备中，通过电阻加热在转换膜5上蒸镀形成10nm厚的钯层7，沉积速率为O.2nm/s。所述转换膜5为金属外观，且是不透明的。
实施例2
图2显示了依据本发明的固态电光转换装置1的横断面示意图。其层厚度是不按比例画成的。
该装置包括玻璃基板3；厚度为200nm、作为转换膜的、Sc0.3Mg0.7Hx形成的第一电极5；厚度为5nm的钯层7；50微米厚且含KOH的导离子的电解质层9；350nm厚的透明TiOOH形成的第二电极；和导电的ITO层13。除了层5处于镜状的低氢态，所有层都是透明的。因此在该状态下，装置1作为一个镜子。
可在室温下操作该装置。层5和13与外部电源相连。通过向第一电极5施加阴极直流电流，低氢的镜状组合物转换为透明中性灰色高氢组合物。TiOOH形成的第二电极11转换成同样透明的TiO2。装置1现在作为一种透明的屏。当使电流反向时，第一电极5回复到镜状、不透明的低氢状态，第二电极11转换成TiOOH。装置1转换成一个镜子。该转换时间与传统电致变色装置的转换时间是可比的。

Claims (19)

1.一种光转换装置，其包括一基板和一包含三价金属和镁的氢化物的转换膜，其中通过氢的交换，该氢化物可以可逆地从低氢的镜状组合物转换成高氢的透明组合物，其特征在于三价金属包括钪。
2.如权利要求1的装置，其特征在于相对于总的金属含量，该转换膜包括5到95原子％的镁。
3.如权利要求1或2的装置，其特征在于转换膜含1-50原子％的钪和50-99原子％的镁。
4.如权利要求1-3之一的装置，其特征在于转换膜含15-40原子％的钪和60-85原子％的镁。
5.如权利要求1-4之一的装置，其特征在于转换膜含35原子％的钪和65原子％的镁。
6.如权利要求1的装置，其特征在于钪镁转换膜还含有另一种三价金属。
7.如权利要求1的装置，其特征在于钪镁转换膜还含有另一种从以下组中选取的一成分，该组包括镍，铝，铬，硅，铁，钴，银，锆，铌，钽和铪。
8.如权利要求1的装置，其特征在于转换膜设置有一催化活性层，该层包括至少一种选自以下组的金属，并且该组包括钯，铂，钴，镍。
9.如权利要求1的装置，其特征在于催化活性层包括至少一种选自以下组的的金属，并且该组包括钯和铂。
10.如权利要求8或9的装置，其特征在于催化活性层包括Ag(x)Pd(1-x)形成的层，其中x约为0.25。
11.如权利要求1的装置，其特征在于保护层被置于催化活性层和转换膜之间。
12.如权利要求11的装置，其特征在于保护层包括NiZr或ZrOH化合物。
13.如权利要求11或12的装置，其特征在于保护层的厚度为10到100nm。
14.如权利要求1的装置，其特征在于转换膜的厚度范围是20到1000nm。
15.如权利要求1的装置，其特征在于转换膜包括三价金属和镁的合金的氢化物，或者多层这样的成分。
16.如前所述任一个或多个权利要求的装置，其特征在于该氢化物可通过中间的不透明组合物状态进行逆向转换。
17.一种转换膜，其适用于如权利要求1所述的光转换装置。
18.一种电化学转换装置，该装置包括被导离子电解质分隔开的第一电极和第二电极，第一电极包括三价金属和镁的氢化物的转换膜，该转换膜设置有与电解质接触的电催化金属层，这样通过在电极之间施加电势或电流，当氢的交换使该氢化物从低氢的镜状状态电化学地转换成高氢的透明状态时，就可觉察到该转换层的透光率发生变化，反之亦然，其特征在于三价金属和镁的氢化物包含钪和镁的氢化物。
19.一种如前任一权利要求所述的转换装置作为显示器、光学转换元件、透光率可变的镜子，或者是在建筑中的玻璃或遮阳顶棚的使用。
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