DE102018107480A1

DE102018107480A1 - Reversibler elektrochemischer Spiegel

Info

Publication number: DE102018107480A1
Application number: DE102018107480.8A
Authority: DE
Inventors: Seong-Mok CHO; SuJung Kim; Tae-Youb KIM; Juhee Song; Joo Yeong Kim; Hojun Ryu; Jeong Ik Lee; Sang Hoon Cheon; Chi-Sun Hwang; Chil Seong Ah; Yong Hae Kim
Original assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Current assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2019-01-24
Also published as: KR102246469B1; KR20190010817A; US20190025665A1; CN109283704B; US10481461B2; CN109283704A

Abstract

Es wird ein reversibler elektrochemischer Spiegel geschaffen, der ein erstes Substrat und ein zweites Substrat, die einander gegenüberliegen, eine erste transparente Elektrode, die auf dem ersten Substrat angeordnet ist und dem zweiten Substrat gegenüberliegt, eine zweite transparente Elektrode, die auf dem zweiten Substrat angeordnet ist und der ersten transparenten Elektrode gegenüberliegt, eine Elektrolytlösung, die zwischen der ersten transparenten Elektrode und der zweiten transparenten Elektrode liegt, und eine Gegenelektrodenmaterialschicht, die auf der zweiten transparenten Elektrode angeordnet ist und die Elektrolytlösung berührt, enthält.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese vorläufige US-Patentanmeldung beansprucht die Priorität gemäß 35 USC § 119 der koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2017-0092951 , eingereicht am 21. Juli 2017, die hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist.
HINTERGRUND
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen reversiblen elektrochemischen Spiegel.
Reversible elektrochemische Spiegel, die reversible Galvanisierungstechniken verwenden, sind Vorrichtungen, die durch ein Verfahren, in dem Metalle wie etwa Silber (Ag) oder Wismut (Bi) und dergleichen durch elektrochemische Verfahren auf einer transparenten Elektrode galvanisiert oder von ihr entfernt werden, reversibel zwischen einem Spiegelzustand und einem transparenten Zustand umgewandelt werden können. Wegen ihrer natürlichen Eigenschaft der Transformation zwischen Spiegelzustand/transparentem Zustand wird erwartet, dass reversible Spiegel, die auf reversiblen Galvanisierungstechniken beruhen, auf verschiedene Arten, z. B. als intelligente Fenster oder als Entwurfsvorrichtungen in elektronischen Produkten und dergleichen, genutzt werden.
Üblicherweise sind solche reversiblen elektrochemischen Spiegel, die auf reversiblen Galvanisierungstechniken beruhen, so konfiguriert, dass sie einen Elektrolyten aufweisen, der zwischen zwei Substraten, die Elektroden enthalten, positioniert ist. Während in den Elektrolyten gelöste Metallionen je nachdem, ob an die Elektroden eine Spannung angelegt wird, entweder galvanisch abgeschieden oder wieder gelöst werden, kann der reversible elektrochemische Spiegel entweder zu einem Spiegel oder transparent werden.
In typischen reversiblen elektrochemischen Spiegeln muss ununterbrochen eine Spannung angelegt werden, um den Spiegelzustand aufrechtzuerhalten, sodass es Beschränkungen gibt, dass der Leistungsverbrauch erheblich ist und dass das Erhöhen der Oberfläche der Spiegel schwierig ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines reversiblen elektrochemischen Spiegels, der mit niedriger Leistung betrieben werden kann und eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit zeigt.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzepts schafft einen reversiblen elektrochemischen Spiegel, der ein erstes Substrat und ein zweites Substrat, die einander gegenüberliegen; eine erste transparente Elektrode, die auf dem ersten Substrat angeordnet ist und dem zweiten Substrat gegenüberliegt; eine zweite transparente Elektrode, die auf dem zweiten Substrat angeordnet ist und der ersten transparenten Elektrode gegenüberliegt; eine Elektrolytlösung, die zwischen der ersten transparenten Elektrode und der zweiten transparenten Elektrode liegt; und eine Gegenelektrodenmaterialschicht, die auf der zweiten transparenten Elektrode angeordnet ist und die Elektrolytlösung berührt, enthält.
In einer Ausführungsform kann die Gegenelektrodenmaterialschicht ein Ionenspeichermaterial oder ein elektrochromes Material enthalten.
In einer Ausführungsform kann die Gegenelektrodenmaterialschicht Wolframoxid (WO₃) und/oder Ceroxid (CeO₂) und/oder Titanoxid (TiO₂) und/oder Nickeloxid (NiO) und/oder Molybdänoxid (MoO₃) und/oder Cobaltoxid (CoO₂) und/oder Iridiumoxid (IrO₂) und/oder Zinnoxid (SnO₂) enthalten.
In einer Ausführungsform kann der reversible mechanische Spiegel ferner eine Metallschicht enthalten, die auf der ersten transparenten Elektrode angeordnet ist und die Elektrolytlösung berührt.
In einer Ausführungsform kann die Elektrolytlösung Ionen eines in der Metallschicht enthaltenen Metalls enthalten.
In einer Ausführungsform kann die Metallschicht Silber (Ag) oder Wismut (Bi) enthalten und kann die Elektrolytlösung Silberionen oder Wismutionen enthalten.
In einer Ausführungsform kann die Elektrolytlösung ferner Lithiumionen enthalten und können die Lithiumionen mit einem Material verbunden werden, das die Gegenelektrodenmaterialschicht bildet, wenn an die zweite transparente Elektrode eine negative Spannung angelegt wird.
In einer Ausführungsform können die Lithiumionen von einem Material, das die Gegenelektrodenmaterialschicht bildet, getrennt werden, wenn an die erste transparente Elektrode eine negative Spannung angelegt wird.
In einer Ausführungsform kann die Elektrolytlösung ferner wenigstens ein Lösungsmittel enthalten, das aus Wasser, Dimethylsulfoxid (DMSO), Propylencarbonat und Ethylenglykol ausgewählt ist.
In einer Ausführungsform kann die Elektrolytlösung wünschenswert keine Kupferionen enthalten.
In einer Ausführungsform können die erste und die zweite transparente Elektrode ITO oder FTO enthalten.
In einer Ausführungsform kann auf der ersten transparenten Elektrode eine Metallschicht galvanisiert werden, sodass der reversible elektrochemische Spiegel zu einem Spiegelzustand wird, wenn an die erste transparente Elektrode eine negative Spannung angelegt wird, und kann sich die Metallschicht in der Elektrolytlösung auflösen, sodass der reversible elektrochemische Spiegel zu einem transparenten Zustand wird, wenn an die zweite transparente Elektrode eine negative Spannung angelegt wird.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht eines reversiblen elektrochemischen Spiegels in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzepts;
2 stellt eine Galvanisierungsoperation der reversiblen elektrochemischen Spiegel in 1 und 4 dar;
3 stellt eine Löschoperation des reversiblen elektrochemischen Spiegels in 1 dar;
4 ist eine Querschnittsansicht eines reversiblen elektrochemischen Spiegels in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzepts;
5 stellt eine Löschoperation des reversiblen elektrochemischen Spiegels in 4 dar;
6 ist ein Graph, der das Reflexionsvermögen eines reversiblen elektrochemischen Spiegels, der in einem Herstellungsbeispiel einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzepts hergestellt worden ist, in Übereinstimmung mit der Lichtwellenlänge zeigt;
7 ist ein Graph, der Reflexionsvermögensänderungseigenschaften, die durch wiederholte Auflösungs- und Galvanisierungsoperationen von Silber an einem reversiblen elektrochemischen Spiegel, der in einem Herstellungsbeispiel einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzepts hergestellt worden ist, gemessen wurden, zeigt; und
8 ist ein Graph, der die Änderung des Reflexionsvermögens mit der Zeit nach dem Anordnen eines reversiblen elektrochemischen Spiegels, der in einem Herstellungsbeispiel einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzepts hergestellt wurde, in einem Spiegelzustand und dem darauffolgenden Abschalten der Leistung zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die oben beschriebenen Aufgaben des erfindungsgemäßen Konzepts und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Konzepts können leicht durch beispielhafte Ausführungsformen, die sich auf die beigefügten Zeichnungen beziehen, verstanden werden. Allerdings kann das erfindungsgemäße Konzept in anderen Formen verkörpert werden und soll es nicht als auf die hier dargelegten Ausführungsformen beschränkt verstanden werden. Vielmehr werden diese Ausführungsformen gegeben, damit diese Offenbarung gründlich und vollständig ist und den Schutzumfang des erfindungsgemäßen Konzepts dem Fachmann auf dem Gebiet vollständig vermittelt.
Wenn hier auf ein Element als an einem anderen Element Bezug genommen wird, kann es direkt an dem anderen Element sein oder kann ein drittes Element dazwischenliegen. Darüber hinaus kann die Dicke von Elementen in den Zeichnungen zur effektiven Beschreibung des technischen Inhalts überhöht sein.
Hier beschriebene Ausführungsformen werden anhand von Querschnittsansichten und/oder Draufsichten beschrieben, die idealisierte beispielhafte Figuren sind. In den Zeichnungen ist die Dicke von Filmen und Gebieten zur effektiven Beschreibung des technischen Inhalts überhöht. Somit kann die Form in den idealisierten beispielhaften Figuren wegen Herstellungstechniken und/oder Herstellungstoleranzen und dergleichen geändert werden. Somit sind Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts nicht auf die hier dargestellten besonderen Formen beschränkt, sondern enthalten sie stattdessen Änderungen, die wegen des Herstellungsprozesses eingeführt werden. Zum Beispiel kann ein geätztes Gebiet, das in der Weise dargestellt ist, dass es einen rechten Winkel bildet, abgerundet sein oder eine vorgegebene Krümmung aufweisen. Somit dienen Gebiete, die in den Zeichnungen beispielhaft mit Merkmalen gezeigt sind, und die Form der beispielhaft gezeigten Gebiete zur beispielhaften Darstellung bestimmter Formen von Gebieten in einem Element und sollen sie den Schutzumfang des erfindungsgemäßen Konzepts nicht beschränken. Obgleich hier in verschiedenen Ausführungsformen zur Beschreibung verschiedener Elemente die Begriffe erstes, zweites usw. verwendet sein können, sollen diese Elemente selbstverständlich nicht durch diese Begriffe beschränkt sein. Diese Begriffe sind lediglich verwendet, um ein Element von einem anderen Element zu unterscheiden. Vorliegende Ausführungsformen enthalten ebenfalls ihre ergänzenden Ausführungsformen.
Die hier verwendete Terminologie dient nur zur Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll die Erfindung nicht beschränken. Sofern der Inhalt nicht zweifellos etwas anderes angibt, sollen Singularformen, wie sie hier verwendet sind, ihre Pluralformen ebenfalls enthalten. Die Begriffe ‚umfassen‘ und/oder ‚umfassend‘, wie sie hier verwendet sind, spezifizieren die Anwesenheit der genannten Elemente und schließen die Anwesenheit oder Hinzufügung eines oder mehrerer anderer Elemente nicht aus.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich erläutert.
1 ist eine Querschnittsansicht eines reversiblen elektrochemischen Spiegels in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzepts.
Anhand von 1 enthält ein reversibler elektrochemischer Spiegel 100 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform ein erstes Substrat 10 und ein zweites Substrat 20, die einander gegenüberliegen. Das erste Substrat 10 und das zweite Substrat 20 können transparent sein. Das erste Substrat 10 und das zweite Substrat 20 können z. B. Glas oder Kunststoff enthalten. Auf dem ersten Substrat 10 ist eine erste transparente Elektrode 12 angeordnet, die dem zweiten Substrat 20 gegenüberliegt. Auf dem zweiten Substrat 20 ist eine zweite transparente Elektrode 22 angeordnet, die dem ersten Substrat 10 gegenüberliegt. Die erste transparente Elektrode 12 und die zweite transparente Elektrode 22 können z. B. Indiumzinnoxid (ITO) oder mit Fluor dotiertes Zinnoxid (FTO) enthalten.
Auf der zweiten transparenten Elektrode 22 ist eine Gegenelektrodenmaterialschicht 30 angeordnet. Die Gegenelektrodenmaterialschicht 30 kann der ersten transparenten Elektrode 12 gegenüberliegen. Die Gegenelektrodenmaterialschicht 30 kann ein Ionenspeichermaterial oder ein elektrochromes Material enthalten. Während des Betriebs des reversiblen elektrochemischen Spiegels 100 können das Ionenspeichermaterial oder das elektrochrome Material an einer Reduktionsreaktion oder Oxidationsreaktion beteiligt sein, die das Aufnehmen oder Abgeben von Ionen und Elektronen einer Elektrolytlösung 40 umfasst. Obgleich der Betriebsmechanismus derselbe ist, kann hier das Ionenspeichermaterial sowohl in der Reduktionsreaktion als auch in der Oxidationsreaktion einen transparenten Zustand aufrechterhalten, während das elektrochrome Material im Ergebnis der Reduktionsreaktion oder der Oxidationsreaktion die Farbe ändern kann. Wenn die Gegenelektrodenmaterialschicht 30 aus dem elektrochromen Material wie gefärbtem Glas gebildet ist, kann sie transparent sein, während sie eine Farbe zeigt. Die Gegenelektrodenmaterialschicht 30 kann Wolframoxid (WO₃) und/oder Ceroxid (CeO₂) und/oder Titanoxid (TiO₂) und/oder Nickeloxid (NiO) und/oder Molybdänoxid (MoO₃) und/oder Cobaltoxid (CoO₂) und/oder Iridiumoxid (IrO₂) und/oder Zinnoxid (SnO₂) enthalten. Das Wolframoxid (WO₃) und das Nickeloxid (NiO) können z. B. dem elektrochromen Material entsprechen. Das Ceroxid (CeO₂) und das Titanoxid (TiO₂) können z. B. dem Ionenspeichermaterial entsprechen.
Obgleich dies nicht gezeigt ist, kann zwischen dem ersten Substrat 10 und dem zweiten Substrat 20 eine Trennwand oder ein Abstandshalter angeordnet sein. Dementsprechend kann es zwischen der ersten transparenten Elektrode 12 und der Gegenelektrodenmaterialschicht 30 einen Raum geben, wobei der Raum mit der Elektrolytlösung 40 gefüllt sein kann. Die erste transparente Elektrode 12 und die Gegenelektrodenmaterialschicht 30 können die Elektrolytlösung 40 berühren. Die Elektrolytlösung 40 kann Silberionen (Ag⁺) oder Wismutionen (Bi³⁺) enthalten. Ferner kann die Elektrolytlösung 40 Lithiumionen enthalten. Genauer kann die Elektrolytlösung 40 wenigstens ein Lösungsmittel enthalten, das aus Wasser, Dimethylsulfoxid (DMSO), Propylencarbonat und Ethylenglycol ausgewählt ist. Ferner kann die Elektrolytlösung 40 Silbernitrat (AgNO₃) und Lithiumbromid (LiBr), das in dem Lösungsmittel gelöst ist, enthalten. Das Silbernitrat (AgNO₃) und das Lithiumbromid (LiBr) können sich auflösen und dadurch zu Silberionen (Ag⁺), Bromidionen (Br^-), Lithiumionen (Li⁺) und Nitrationen (NO3^-) ionisiert werden. Ferner kann die Elektrolytlösung 40 ein Polymer enthalten. Das Polymer kann als eine Elektrolytversteifung fungieren. Das Polymer kann z. B. Polyvinylbutyral (PVB) sein. Die Elektrolytlösung 40 kann Kupferionen ausschließen.
Wenn der reversible elektrochemische Spiegel 100 in 1 anfangs hergestellt wird, kann er in einem transparenten Zustand sein.
Es wird der Betrieb des reversiblen elektrochemischen Spiegels 100 in 1 beschrieben. 2 stellt eine Galvanisierungsoperation der reversiblen elektrochemischen Spiegel in 1 und 4 dar. 3 stellt eine Löschoperation des reversiblen elektrochemischen Spiegels in 1 dar.
Damit der reversible elektrochemische Spiegel 100 zu einem Spiegelzustand wird, kann anhand von 2 an die erste transparente Elektrode 12 in dem reversiblen elektrochemischen Spiegel 100 in 1 eine negative Spannung angelegt werden und an die zweite transparente Elektrode 22 eine positive Spannung angelegt werden. An die zweite transparente Elektrode 22 kann relativ zu der ersten transparenten Elektrode 12 eine positive Galvanisierungsspannung V1 angelegt werden. Somit können in dem in 2 dargestellten Zustand Metallionen in der Elektrolytlösung 40 Elektronen von der ersten transparenten Elektrode 12 aufnehmen, wodurch sie, wie in 3 dargestellt ist, reduziert werden und auf der ersten transparenten Elektrode 12 eine galvanisierte Metallschicht 52 bilden. Dementsprechend wird der reversible elektrochemische Spiegel 100 zu einem Spiegelzustand und kann Licht L, das durch das erste Substrat 10 auffällt, an der Oberfläche der Metallschicht 52 reflektiert werden.
Damit der reversible elektrochemische Spiegel 100 zu einem transparenten Zustand wird, kann anhand von 3 eine positive Spannung an die erste transparente Elektrode 12 angelegt werden und eine negative Spannung an die zweite transparente Elektrode 22 angelegt werden. An die zweite transparente Elektrode 22 kann relativ zu der ersten transparenten Elektrode 12 eine negative Löschspannung V2 angelegt werden. Im Ergebnis kann die Metallschicht 52 in 2 in der Elektrolytlösung 40 aufgelöst werden. Nach einer vorgegebenen Zeitdauer kann die Metallschicht 52 vollständig aufgelöst sein, sodass die erste transparente Elektrode 12 die Elektrolytlösung 40 berührt. Der reversible elektrochemische Spiegel 100 wird zu dem transparenten Zustand und Licht L, das durch das erste Substrat 10 auffällt, kann durch den reversiblen elektrochemischen Spiegel 100 gehen.
Wenn die Gegenelektrodenmaterialschicht 30 aus Wolframoxid gebildet ist, die Metallschicht 52 aus Silber gebildet ist und die Elektrolytlösung 40 Silbernitrat (AgNO₃) und Lithiumbromid (LiBr) enthält, kann die Galvanisierungsoperation in dem reversiblen elektrochemischen Spiegel 100 in 1 über Reaktionen wie etwa die folgenden stattfinden.
<Reaktionsformel 1>
${AgBr}_{n}^{1 - n} + e^{-} \to Ag (s) + {nBr}^{-} : Ag-Galvanisierung (Reduktion)$
<Reaktionsformel 2>
$\frac{3}{2} {Br}^{-} \to \frac{3}{2} {Br}_{3}^{-} + e^{-} : {Oxidation von Br}^{-}$
Die Reduktionsreaktion der Reaktionsformel 1 kann an der ersten transparenten Elektrode 12 stattfinden und die Oxidationsreaktion der Reaktionsformel 2 kann an der zweiten transparenten Elektrode 22 stattfinden.
Darüber hinaus kann die Löschoperation in dem reversiblen elektrochemischen Spiegel 100 in 2 über Reaktionen wie die Folgenden ablaufen.
<Reaktionsformel 3>
$Ag (s) + {nBr}^{-} + e^{-} \to {AgBr}_{n}^{1 - n} : Auflösung von Ag (Oxidation)$
<Reaktionsformel 4>
$\frac{1}{2} {Br}_{3}^{-} + e^{-} \to \frac{3}{2} {Br}^{-} : {Reduktion von Br}_{3}^{-}$
Die Oxidationsreaktion der Reaktionsformel 3 kann an der Metallschicht 52 stattfinden und die Reduktionsreaktion der Reaktionsformel 4 kann an der zweiten transparenten Elektrode 22 stattfinden.
Während der Lösungsoperation von Silber (Ag) kann die Gegenelektrodenmaterialschicht 30 vor der Ankunft von Br₃ ^--Ionen reduziert werden und die Rolle eines Zwischenreagenz ausführen, das vorübergehend bei der Ag-Auflösung (Oxidation) erzeugte Elektronen aufnimmt und daraufhin langsam Br₃ ^--Ionen und Elektronen abgibt und aufnimmt.
Typische reversible elektrochemische Spiegel enthalten nicht die Gegenelektrodenmaterialschicht 30 und typische Elektrolytlösungen enthalten Kupferionen. In typischen reversiblen elektrochemischen Spiegeln nehmen die Kupferionen Elektronen auf, wodurch sie vor der Ankunft von Br₃ ^- an einer Elektrode von Cu²⁺ zu Cu⁺ reduziert werden und wobei die Br₃ ^--Ionen und die Cu⁺-Ionen langsam Ladungen austauschen, nachdem Ag aufgelöst worden ist. Im Fall eines typischen reversiblen elektrochemischen Spiegels lösen die Kupferionen in der Elektrolytlösung das galvanisierte Silber auf, wodurch sie den reversiblen elektrochemischen Spiegel in einen transparenten Zustand umwandeln, wenn die Galvanisierungsspannung nach einer Galvanisierungsoperation entfernt wird. Damit der typische reversible elektrochemische Spiegel einen Spiegelzustand aufrechterhält, muss ununterbrochen Silber abgelagert werden, um die durch Kupfterionen verursachten Verluste an einem Silberdünnfilm (der der Metallschicht 52 entspricht) nachzufüllen, sodass ununterbrochen Leistung verbraucht wird. In diesem Fall wird zwischen den Rändern und dem zentralen Abschnitt des reversiblen elektrochemischen Spiegels ein Spannungsabfall gebildet, wenn der Flächeninhalt des reversiblen elektrochemischen Spiegels groß wird, sodass es eine Beschränkung gibt, dass das Erhöhen der Größe des reversiblen elektrochemischen Spiegels schwierig ist.
Dagegen führt die Gegenelektrodenmaterialschicht 30 in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzepts die Rolle eines vorübergehenden Zwischenreagenz aus, das Br₃ ^--Ionen und Elektronen abgibt und aufnimmt, sodass Silber ohne die Anwesenheit von Kupferionen sauber aufgelöst werden kann. Da die Elektrolytlösung 40 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzepts kein Kupfer enthält, tritt darüber hinaus die durch Kupferionen veranlasste Silberauflösung nicht auf, sodass der reversible elektrochemische Spiegel in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzepts weniger Strom verbrauchen kann und eine bessere Bistabilität (die Fähigkeit, einen Spiegelzustand aufrechtzuerhalten, wenn die Leistung ausgeschaltet ist) als typische reversible elektrochemische Spiegel zeigen kann.
4 ist eine Querschnittsansicht eines reversiblen elektrochemischen Spiegels in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzepts.
In Übereinstimmung mit 4 kann in einem reversiblen elektrochemischen Spiegel 101 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform auf der ersten transparenten Elektrode 12 in 1 eine abgelagerte Metallschicht 52a angeordnet sein. Die abgelagerte Metallschicht 52a kann der Gegenelektrodenmaterialschicht 30 gegenüberliegen. Die abgelagerte Metallschicht 52a kann bei der Herstellung des reversiblen elektrochemischen Spiegels 101 durch eine Ablagerungsoperation wie etwa CVD, PVD oder Zerstäuben abgelagert werden. Das heißt, in der vorliegenden Ausführungsform kann die abgelagerte Metallschicht 52a bereits in einem Anfangszustand des reversiblen elektrochemischen Spiegels 101 vor dem Betrieb in einem abgelagerten Zustand vorhanden sein. Somit kann der reversible elektrochemische Spiegel 101 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform wegen der abgelagerten Metallschicht 52a in dem Anfangszustand in einem Spiegelzustand sein.
5 stellt eine Löschoperation des reversiblen elektrochemischen Spiegels in 4 dar.
Anhand von 5 kann an die erste transparente Elektrode 12 eine positive Spannung angelegt werden und kann an die zweite transparente Elektrode 22 eine negative Spannung angelegt werden, damit der reversible elektrochemische Spiegel 101 zu einem transparenten Zustand wird. An die zweite transparente Elektrode 22 kann relativ zu der ersten transparenten Elektrode 12 eine negative Löschspannung V3 angelegt werden. Im Ergebnis kann die abgelagerte Metallschicht 52a in 4 in der Elektrolytlösung 40 aufgelöst werden. Nach einer vorgegebenen Zeitdauer kann die abgelagerte Metallschicht 52a vollständig aufgelöst worden sein, sodass die erste transparente Elektrode 12 die Elektrolytlösung 40 berührt. Der reversible Elektrolytspiegel 101 wird zu dem transparenten Zustand und Licht L, das durch das erste Substrat 10 auffällt, kann durch den reversiblen elektrochemischen Spiegel 101 gehen.
Wenn die Gegenelektrodenmaterialschicht 30 aus Wolframoxid gebildet ist, die Metallschicht 52 aus Silber gebildet ist und die Elektrolytlösung 40 Silbemitrat (AgNO₃) und Lithiumbromid (LiBr) enthält, kann die Löschoperation in dem reversiblen elektrochemischen Spiegel in 4 über Reaktionen wie etwa die Folgenden ablaufen.
<Reaktionsformel 5>
$x {Ag (s) + {nBr}^{-} \to {AgBr}_{n}^{1 - n} + e^{-}} : Ag-Auflösung (Oxidation)$
<Reaktionsformel 6>
${WO}_{3} + {xLi}^{+} + {xe}^{-} \to {Li}_{x} {WO}_{3} : {Reduktion von WO}_{3}$
In der Reaktionsformel 5 kann sich das Silber (Ag), das die abgelagerte Metallschicht 52a bildet, auflösen und dadurch in Silberionen (Ag⁺) ändern, die mit Bromidionen (Br^-) Komplexionen bilden. In der Reaktionsformel 6 kann ein Wolframoxidfilm, der die Gegenelektrodenmaterialschicht 30 bildet, Elektronen von Lithiumionen (Li⁺) in der Elektrolytlösung 40 aufnehmen und sich dadurch mit den Lithiumionen (Li⁺) verbinden. Der mit den Lithiumionen (Li⁺) verbundene Wolframoxidfilm kann blau sein. Die Gegenelektrodenmaterialschicht 30 kann sich hier in einen Zustand 30a ändern, der Lithiumionen und Elektronen, die innerhalb der Elektrolytlösung 40 waren, aufgenommen hat.
Damit der reversible elektrochemische Spiegel 101 zu einem Spiegelzustand wird, kann anhand von 2 in dem reversiblen elektrochemischen Spiegel 101 in 5 an die erste transparente Elektrode 12 eine negative Spannung angelegt werden und an die zweite transparente Elektrode 22 eine positive Spannung angelegt werden. An die zweite transparente Elektrode 22 kann relativ zu der ersten transparenten Elektrode 12 eine positive Galvanisierungsspannung V1 angelegt werden. Somit können in dem in 2 dargestellten Zustand Metallionen in der Elektrolytlösung 40 Elektronen von der ersten transparenten Elektrode 12 aufnehmen, wodurch sie reduziert werden und an der ersten transparenten Elektrode 12, wie in 3 dargestellt ist, eine galvanisierte Metallschicht 52 bilden. Dementsprechend wird der reversible elektrochemische Spiegel 101 abermals zu einem Spiegelzustand und kann Licht L, das durch das erste Substrat 10 auffällt, an der Oberfläche der Metallschicht 52 reflektiert werden.
Wenn die Gegenelektrodenmaterialschicht 30 aus Wolframoxid gebildet ist, die Metallschicht 52 aus Silber gebildet ist und die Elektrolytlösung Silbernitrat (AgNO₃) und Lithiumbromid (LiBr) enthält, kann hier die Galvanisierungsoperation in dem reversiblen elektrochemischen Spiegel 101 in 4 über Reaktionen wie etwa die Folgenden ablaufen.
<Reaktionsformel 7>
${Li}_{x} {WO}_{3} \to {WO}_{3} + {xLi}^{+} + {xe}^{-} : {Oxidation von Li}_{x} {WO}_{3}$
<Reaktionsformel 8>
$x {{AgBr}_{n}^{1 - n} + e^{-} \to Ag (s) + {nBr}^{-}} : Ag-Galvanisierung (Reduktion)$
In der Reaktionsformel 7 kann das Anlegen einer positiven Spannung an die zweite transparente Elektrode 22 veranlassen, dass der mit den Lithiumionen verbundene Wolframoxidfilm Elektronen und Lithiumionen an die Elektrolytlösung 40 abgibt. Somit können Lithiumionen (Li⁺) und Elektronen von dem Wolframoxidfilm getrennt werden und in die Elektrolytlösung 40 wandern. In der Reaktionsformel 8 veranlasst eine an die erste transparente Elektrode 12 angelegte negative Spannung, dass die Silberionen (Ag⁺) in der Elektrolytlösung 40 Elektronen erhalten und auf der ersten transparenten Elektrode 12 galvanisiert/neu gebildet werden. Nachdem über die Reaktionsformel 6 alle durch den Wolframoxidfilm aufgenommenen Elektronen über die Reaktionsformel 7 in die Elektrolytlösung 40 abgegeben worden sind, läuft die Galvanisierung von Silber nicht mehr ab und hält die Galvanisierung an. Das heißt, selbst wenn die Galvanisierungsspannung V1 weiter angelegt ist, kann kein weiterer Verbrauch von Strom auftreten, wenn die Galvanisierung abgeschlossen ist. Darüber hinaus tritt innerhalb der Elektrolytlösung 40 keine Selbstlöschung auf, selbst wenn die Leistung von dem reversiblen elektrochemischen Spiegel 101 nach der Silbergalvanisierungsoperation abgeschaltet wird. Die Oxidations-/Reduktionsreaktionen der Reaktionsformeln 5 und 6 und die Oxidations-/Reduktionsreaktionen der Reaktionsformeln 7 und 8 können nahezu vollständig reversibel sein. Der reversible elektrochemische Spiegel 101 der vorliegenden Ausführungsform kann eine ausgezeichnete Bistabilität aufweisen.
Ferner ist in dem reversiblen elektrochemischen Spiegel 101 in 4 eine vorgalvanisierte Metallschicht 52a enthalten, sodass sich die Gegenelektrodenmaterialschicht 30 an dem für reversible Galvanisierungsoperationen erforderlichen Austausch von Ladungen direkt beteiligen kann. Somit tritt die durch Br₃ ^-verursachte Selbstauflösung nicht auf, da Auflösungs-/Galvanisierungsreaktionen ohne den Eingriff von Br₃ ^- stattfinden. Somit gibt es in dem reversiblen elektrochemischen Spiegel 101 in 4 keinen durch Selbstauflösung verursachten Stromverbrauch und weist der reversible elektrochemische Spiegel 101 eine ausgezeichnete Bistabilität auf. Darüber hinaus können schnelle Betriebsgeschwindigkeiten erzielt werden, da die Silberauflösung und die Galvanisation nicht durch Diffusion von Br₃- bestimmt sind.
Der Herstellungsprozess des reversiblen elektrochemischen Spiegels in 4 ist wie folgt. Es werden ein erstes Substrat 10 und ein zweites Substrat 20 vorbereitet. Auf dem ersten Substrat 10 und auf dem zweiten Substrat 20 werden eine erste transparente Elektrode 12 bzw. eine zweite transparente Elektrode 22 gebildet. Die erste transparente Elektrode 12 und die zweite transparente Elektrode 22 können durch einen Ablagerungs-, durch einen Beschichtungs- oder durch einen Kaschierungsprozess als ITO oder FTO gebildet werden. Auf der ersten transparenten Elektrode 12 kann durch einen Ablagerungsprozess wie etwa Zerstäuben, Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren (CVD) oder Gasphasenabscheidung nach physikalischem Verfahren (PVD) eine abgelagerte Metallschicht 52a gebildet werden. Auf der zweiten transparenten Elektrode 22 kann durch einen Ablagerungsprozess wie etwa Zerstäuben, CVD oder PVD eine Gegenelektrodenmaterialschicht 30 gebildet werden. Das erste Substrat 10 und das zweite Substrat 20 können so angeordnet werden, dass die abgelagerte Metallschicht 52a und die Gegenelektrodenmaterialschicht 30 einander gegenüberliegen, und das erste Substrat 10 und das zweite Substrat 20 können mit einem Abstandshalter oder mit einer Trennwand, der bzw. die dazwischen angeordnet wird, befestigt oder verbunden werden. Zwischen die abgelagerte Metallschicht 52a und die Gegenelektrodenmaterialschicht 30 kann eine Elektrolytlösung 40 injiziert werden.
<Herstellungsbeispiel>
Für das erste Substrat 10 und für das zweite Substrat 20 wurde Natronkalkglas verwendet und für die erste transparente Elektrode 12 und für die zweite transparente Elektrode 22 in 4 wurde ein ITO-Dünnfilm verwendet. 50 mM Silbemitrat (AgNO₃) und 1,0 M Lithiumbromid (LiBr) wurden in Dimethylsulfoxid (DMSO) aufgelöst und 10 Gew.-% Polyvinylbutyral (PVB) wurden als ein Polymer zugesetzt, um eine Elektrolytlösung 40 vorzubereiten. Zu der Elektrolytlösung 40 wurden keine Kupferionen zugesetzt. Als eine Gegenelektrodenmaterialschicht 30 wurde auf der zweiten transparenten Elektrode 22 ein Wolframoxidfilm (WO₃) gebildet. Durch einen Katodenzerstäubungsprozess unter Verwendung eines Wolframtargets und eines Gasgemischs aus Argon und Sauerstoff wurde unter einem Prozessdruck von 20 mTorr bis auf eine Dicke von 1,8 µm der Wolframoxidfilm (WO₃) gebildet. Auf der ersten transparenten Elektrode 12 wurde ein Silberdünnfilm (Ag-Dünnfilm) als eine abgelagerte Metallschicht 52a gebildet. Der Silberdünnfilm wurde durch einen Zerstäubungsprozess unter Verwendung eines Silbertargets (Ag-Targets) und von Argongas unter einem Prozessdruck von 5 mTorr abgelagert. Der Oberflächenwiderstand des Silberdünnfilms betrug 0,52 Ω/Quadrat, was einer Dicke von etwa 30,5 nm, wie umgerechnet unter Verwendung des spezifischen Widerstands von Silber, entspricht.
Der reversible elektrochemische Spiegel der vorliegenden Ausführungsform wurde durch Vorbereiten jeweils einer Elektrode, die durch Ablagern von Ag auf einem Substrat mit abgelagertem Indiumzinnoxid (ITO) erhalten wurde, und einer Elektrode, die durch Ablagern von WO₃ auf einem Substrat, auf dem Indiumzinnoxid erhalten wurde, durch Dazwischenlegen eines Abstandshalters, durch Anbringen des ersten Substrats 10 und des zweiten Substrats 20, dadurch durch Bilden eines Leerraums zwischen dem ersten Substrat 10 und dem zweiten Substrat 20 und durch Füllen des Leerraums mit der Elektrolytlösung 40 erhalten. Der Abstandshalter kann eine Dicke von etwa 120 µm aufweisen. Der Betriebsflächeninhalt des somit hergestellten reversiblen elektrochemischen Spiegels betrug etwa 2,34 cm².
Um den reversiblen elektrochemischen Spiegel in einem transparenten Zustand anzuordnen, wurde an die erste transparente Elektrode 12 relativ zu der zweiten transparenten Elektrode 22 eine Spannung von +1,8 V als eine Löschspannung V3 angelegt, wodurch das gesamte Silber der abgelagerten Metallschicht 52a in der Elektrolytlösung 40 aufgelöst wurde.
Um den reversiblen elektrochemischen Spiegel in einem Spiegelzustand anzuordnen, wurde an die erste transparente Elektrode 12 relativ zu der zweiten transparenten Elektrode 22 eine Spannung von -1,0 V als eine Galvanisierungsspannung V1 angelegt, wodurch auf der ersten transparenten Elektrode 12 Silber galvanisiert wurde.
Der Wolframoxidfilm kann eines der elektrochromen Materialien sein, die im Ergebnis einer Oxidation/Reduktion die Farbe ändern. Falls für die Gegenelektrodenmaterialschicht 30 ein transparentes lonenspeichermaterial wie etwa Ceroxid verwendet wird, das, selbst wenn es oxidiert/reduziert wird, keine Farbe zeigt, kann der reversible elektrochemische Spiegel in einem transparenten Zustand ein äußerst hohes Reflexionsvermögen aufweisen.
6 ist ein Graph, der das Reflexionsvermögen des hergestellten reversiblen elektrochemischen Spiegels in dem Herstellungsbeispiel einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzepts in Übereinstimmung mit der Lichtwellenlänge zeigt.
Anhand von 6 stellt die Strichlinie einen Spiegelzustand dar und stellt die durchgezogene Linie einen transparenten Zustand dar. Durch 6 kann beobachtet werden, dass bei verschiedenen Lichtwellenlängen ausgezeichnete Spiegelzustände und transparente Zustände reversibel gebildet werden können.
7 ist ein Graph, der Reflexionsvermögensänderungseigenschaften zeigt, die durch wiederholte Auflösungs- und Galvanisierungsoperationen von Silber an dem in dem Herstellungsbeispiel einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzepts hergestellten reversiblen elektrochemischen Spiegel gemessen wurden.
In 7 beziehen sich 500 nm, 550 nm und 600 nm jeweils auf eine Wellenlänge des auf den reversiblen elektrochemischen Spiegel auffallenden Lichts. Durch Anlegen von -1,0 V als die Galvanisierungsspannung V1 des reversiblen elektrochemischen Spiegels an die erste transparente Elektrode 12 für 10 Sekunden wurden Galvanisierungsoperationen ausgeführt und durch Anlegen von +1,8 V als die Löschspannung V3 an die erste transparente Elektrode 12 für 10 Sekunden wurden Auflösungsoperationen ausgeführt. 7 zeigt das Reflexionsvermögen, das während des Wiederholens der Galvanisierungs- und Auflösungsoperationen gemessen wurde, in Übereinstimmung mit der Zeit. Durch 7 kann beobachtet werden, dass der reversible elektrochemische Spiegel in Übereinstimmung mit Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts äußerst schnelle Schalteigenschaften und deutlich verschiedene Spiegelzustände und transparente Zustände aufweist.
8 ist ein Graph, der die Änderung des Reflexionsvermögens mit der Zeit zeigt, nachdem der in dem Herstellungsbeispiel einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzepts hergestellte reversible elektrochemische Spiegel in einem Spiegelzustand angeordnet wurde und daraufhin die Leistung abgeschaltet wurde.
Anhand von 8 hält der reversible elektrochemische Spiegel einen Spiegelzustand aufrecht, selbst nachdem die Leistung abgeschaltet worden ist. Insbesondere wird beobachtet, dass für eine Wellenlänge von 600 nm für 1 Stunde ein Reflexionsvermögen von wenigstens 50 % aufrechterhalten wird. Somit ist zu sehen, dass der reversible elektrochemische Spiegel gemäß Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts eine ausgezeichnete Bistabilität aufweist.
Ein reversibler elektrochemischer Spiegel gemäß Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts kann Eigenschaften einer ausgezeichneten Bistabilität und schnellen Schaltens aufweisen. Darüber hinaus kann der reversible elektrochemische Spiegel gemäß Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konzepts bei niedriger Leistung betrieben werden und einen stabilen Spiegelzustand oder transparenten Zustand aufrechterhalten, selbst wenn die Leistung abgeschaltet ist. Somit kann der Flächeninhalt des reversiblen elektrochemischen Spiegels leicht erhöht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 1020170092951 [0001]

Claims

Reversibler elektrochemischer Spiegel, der umfasst: ein erstes Substrat und ein zweites Substrat, die einander gegenüberliegen; eine erste transparente Elektrode, die auf dem ersten Substrat angeordnet ist und dem zweiten Substrat gegenüberliegt; eine zweite transparente Elektrode, die auf dem zweiten Substrat angeordnet ist und der ersten transparenten Elektrode gegenüberliegt; eine Elektrolytlösung, die zwischen der ersten transparenten Elektrode und der zweiten transparenten Elektrode liegt; und eine Gegenelektrodenmaterialschicht, die auf der zweiten transparenten Elektrode angeordnet ist und die Elektrolytlösung berührt.
Reversibler elektrochemischer Spiegel nach Anspruch 1, wobei die Gegenelektrodenmaterialschicht ein Ionenspeichermaterial oder ein elektrochromes Material enthält.
Reversibler elektrochemischer Spiegel nach Anspruch 1, wobei die Gegenelektrodenmaterialschicht Wolframoxid (WO₃) und/oder Ceroxid (CeO₂) und/oder Titanoxid (TiO₂) und/oder Nickeloxid (NiO) und/oder Molybdänoxid (MoO₃) und/oder Cobaltoxid (CoO₂) und/oder Iridiumoxid (IrO₂) und/oder Zinnoxid (SnO₂) enthält.
Reversibler elektrochemischer Spiegel nach Anspruch 1, der ferner eine Metallschicht umfasst, die auf der ersten transparenten Elektrode angeordnet ist und die Elektrolytlösung berührt.
Reversibler elektrochemischer Spiegel nach Anspruch 4, wobei die Elektrolytlösung Ionen eines in der Metallschicht enthaltenen Metalls enthält.
Reversibler elektrochemischer Spiegel nach Anspruch 5, wobei die Metallschicht Silber (Ag) oder Wismut (Bi) enthält und wobei die Elektrolytlösung Silberionen oder Wismutionen enthält.
Reversibler elektrochemischer Spiegel nach Anspruch 6, wobei die Elektrolytlösung ferner Lithiumionen enthält.
Reversibler elektrochemischer Spiegel nach Anspruch 5, wobei die Elektrolytlösung ferner wenigstens ein Lösungsmittel enthält, das aus Wasser, Dimethylsulfoxid (DMSO), Propylencarbonat und Ethylenglykol ausgewählt ist.
Reversibler elektrochemischer Spiegel nach Anspruch 1, wobei die Elektrolytlösung keine Kupferionen enthält.
Reversibler elektrochemischer Spiegel nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite transparente Elektrode ITO oder FTO enthalten.
Reversibler elektrochemischer Spiegel nach Anspruch 1, wobei auf der ersten transparenten Elektrode eine Metallschicht galvanisiert wird, sodass der reversible elektrochemische Spiegel zu einem Spiegelzustand wird, wenn an die erste transparente Elektrode eine negative Spannung angelegt wird, und wobei sich die Metallschicht in der Elektrolytlösung auflöst, sodass der reversible elektrochemische Spiegel zu einem transparenten Zustand wird, wenn an die zweite transparente Elektrode eine negative Spannung angelegt wird.