DE2538204A1 - Vorrichtung mit variabler lichtdurchlaessigkeit - Google Patents

Description

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American Cyanamid Company, Wayne, New. Jersey, V. St. A. Vorrichtung mit variabler Lichtdurchlässigkeit

Gegenstand der Erfindung ist eirie elektrooptische Vorrichtung, deren Absorptionscharakteristik für elektromagnetische Strahlung unter dem Einfluß eines geeignet gesteuerten elektrischen Feldes selektiv verändert werden kann. Insbesondere ist die Erfindung auf eine sandwichartige Zelle gerichtet_f bei der eine Schicht aus elektrochromem Material durch eine feste poröse Isolationsschicht von einer porösen Gegenelektrode getrennt ist, wobei die Isolationsschicht mit einem Säureelektrolyten benetzt ist.

In US-PS 3 521 941, 3 578 843, 3 704 057 und 3 708 220 werden elektrooptische Vorrichtungen beschrieben, die das Phänomen eines beständigen Elektrochromismus aufweisen, bei dem eine Absorptionscharakteristik einer elektromagnetischen Strahlung eines dauerhaft elektrochromen Materials unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes verändert wird. Solche Vorrichtungen werden in Sandwichanordnung zwischen zwei Elektroden verwendet. Zur Einleitung einer Färbung wird der elektrochrome Film in bezug auf die Gegenelektrode unter Einsatz einer äußeren Spannung negativ aufgeladen. Die Gegenelektrode kann gleich sein wie das persistent elektrochrome Material oder auch verschieden sein.

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Durch Umkehr der ursprünglichen Polarität des Feldes oder Anlegen eines neuen Feldes kann man ferner die sichtbare Färbung ausschalten, auslöschen oder ausblenden.

Die Stufen der Farbinduktion und -auslöschung werden als Cyclus definiert.

Die im Stand der Technik beschriebenen Vorrichtungen ergeben zwar eine wirksame Veränderung ihrer Übertragungseigenschaften für elektromagnetische Strahlung unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes und verfügen über eine gute Cyclenbeständigkeit und Cyclengeschwindigkeit, stellen jedoch einen Kompromiß zwischen diesen beiden Faktoren dar.

Die Entwickungsvorrichtung für das Gegenbild wird in einer Sandwichanordnung einer elektrochromen Schicht als Gegenbild- oder Lichtmodulationsfläche und einer Gegenelektrode mit einem porösen Isolationsmedium zwischen den Flächen gebildet, das mit einem Elektrolyten benetzt ist. Durch entsprechende Mittel wird elektrischer Strom zu der Lichtmodulationsschicht und der Gegenelektrodenschicht geführt. Es eignen sich hierzu alle herkömmlichen Mittel. Ein besonders geeignetes Mittel zur elektrischen Verbindung besteht in der Abscheidung der elektrochromen Lichtmodulationsschicht auf einer leitenden Oberfläche, wie auf NESA-Glas.

In US-PS 3 521 941 wird eine feste elektrochrome Struktur aus einem festen elektrochromen Film beschrieben, die durch einen Farbzustand und einen ausgelöschten Zustand schwingen kann. Vorrichtungen dieser Art sind nur in Gegenwart einer geringen Menge Wasser arbeitsfähig und müssen unter einem Gleichstrom von 2 bis 7 Volt betrieben werden, damit sie mit einer geeigneten Schaltgeschwindigkeit arbeiten. Leider wird bei diesen zur Schaltung verwendeten Spannungen Wasser verbraucht, wodurch Wasserstoffgas und/oder Sauerstoffgas freigesetzt wird,

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was die darüberliegenden Schichten zerstört und zu einer Erniedrigung der Lebensdauer führt. Es wurden auch bereits andere Strukturen hergestellt, bei denen anstelle des festen stromtragenden permeablen Isolators eine Flüssigkeit, eine Paste oder ein Gel verwendet werden, und deren Gegenelektrode sich auf einem getrennten leitenden Träger befindet. Diese Strukturen arbeiten bei niedrigeren Spannungen, typischerweise bei einer Spannung von etwa 1 Volt, so daß es zu keiner oder nur einer geringen Gasentwicklung kommt, und sie verfügen über eine Lebensdauer von 10 Cyclen. Die Lebensdauer dürfte zum Teil durch die Löslichkeit des elektrochromen Films bestimmt werden.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Kombination bestimmter Vorteile aus beiden Strukturen dar. Die Struktur schließt die festen Merkmale der sogenannten festen elektrochromen Struktur ein, verfügt jedoch über einen ionentragenden flüssigen sauren Elektrolyten, der die feste Isolationsschicht permiiert, was zu einer besseren Ionenmobilität zwischen eng zueinander angeordneten Elektroden führt, so daß die gesamte Anordnung rascher schalten und bei niedrigerer Spannung betrieben werden kann, was die Lebensdauer verlängert. Der flüssige Elektrolyt kann darüberhinaus vorwiegend in der porösen Isolationsschicht gehalten werden (Kapillarwirkung), wodurch sich das gesamte Elektrolytvolumen begrenzt und die Löslichkeit des elektrochromen Films herabsetzt. Der Gegenstand der Erfindung dürfte sich zur Anwendung bei elektrochromen Vorrichtungen eignen, bei denen man hohe Lebensdauer und rasche Schaltgeschwindigkeiten braucht. Durch Vermeidung einer Elektrolytsäule wird die Herstellung großer elektrochromer Fenster möglich, da hierdurch die Gefahr eines Leckwerdens stark verringert ist.

Die Erfindung besteht aus einer transparenten leitenden Elektrode, auf der ein elektrochromer Film abgelagert ist, einer starren porösen Isolationsschicht und einer porösen

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Gegenelektrodenschicht. Die Struktur aus Isolationsschicht und Elektrode wird durch einen sauren Elektrolyten oder eine sonstige Protonenquelle benetzt, und die Anordnung wird zum Schutz vor Sauerstoff und Wasser abgedichtet.

Unter persistent elektrochromem Material versteht man im vorliegenden Sinn ein Material, das sich bei Anlegen eines elektrischen Feldes einer gegebenen Polarität von einem ersten persistenten Zustand, in dem es im wesentlichen keine elektromagnetische Strahlung in einem gegebenen Wellenlängenbereich absorbiert, in einen zweiten persistenten Zustand ändert, in dem es elektromagnetische Strahlung in dem gegebenen Wellenlängenbereich absorbiert, und das in diesem zweiten Zustand bei Anlegen eines elektrischen Feldes entgegengesetzter Polarität wieder in seinen ersten Zustand zurückkehrt. Bestimmte derartige Materialien können ferner in Abwesenheit eines elektrischen Feldes für einen kurzen Stromkreiszustand verantwortlich sein und dabei in ihren urspünglichen Zustand zurückkehren.

Unter persistent wird die Fähigkeit des Materials verstanden, in den absorbierenden Zustand zurückzukehren, in den das Material geändert wird, nachdem das elektrische Feld entfernt ist, was im Gegensatz zu einer praktisch augenblicklichen Umkehr in den ursprünglichen Zustand steht, wie dies beim Franz-Keldysh-Effekt der Fall ist.

Elektrochrome Materialien

Die Materialien, die die elektrochromen Materialien der Vorrichtung bilden, sind im allgemeinen elektrische Isolatoren oder Halbleiter. Es sind daher diejenigen Metalle, Metallegierungen oder sonstigen metallhaltigen Verbindungen ausgeschlossen, die verhältnismäßig gute elektrische Leiter sind, wie dies in US-PS 3 704 057 beschrieben ist.

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Hierzu gehören Materialien, die ein Übergangsmetall (unter Einschluß der Elemente der Lanthaniden- und Actinidenreihe) enthalten, sowie Materialien, die Elemente enthalten, die keine Alkalimetalle sind, wie Kupfer. Bevorzugte Materialien dieser Klasse sind Filme bestimmter Übergangsmetal!verbindungen, bei denen das Obergangsmetall in jedem Oxydationszustand von +2 bis +8 vorkommen kann. Beispiele hierfür sind Übergangsmetalloxide, Übergangsmetalloxysulfide, Übergangsmetallhalogenide, Selenide, Telluride, Chromate, Molybdate, Wolframate, Vanadate, Niobate, Tantalate, Titanate oder Stannate.

Erfindungsgemäß besonders günstig ist der Einsatz zweier getrennter Schichten identischer elektrochromer Materialien, wobei eine Schicht als Gegenelektrode für die andere Schicht dient« Eine bevorzugte derartige Ausführungsform besteht aus Wolframoxid als elektrochromer Farbelektrode und Wolframoxid sowie Graphit als Gegenelektrode.

Werden die persistent elektrochromen Materialien in Form von Filmen eingesetzt, dann sollten diese zweckmäßigerweise über Stärken im Bereich von etwa 0,1 bis 100 Mikron verfügen. Nachdem jedoch eine geringe Spannung eine enorme Feldstärke über sehr dünne Filme ergibt, werden dünnere Filme, nämlich Filme mit einer Stärke von 0,1 bis 10 Mikron gegenüber stärkeren Filmen bevorzugt. Die optimale Filmstärke wird ferner auch von. der Art der jeweiligen Verbindung, die als Film abgeschieden wird, und von dem angewandten Filmbildungsverfahren bestimmt, da die jeweilige Verbindung und das jeweils herangezogene Filmbildungsverfahren physikalische (beispielsweise fehlende Gleichförmigkeit der Filmoberfläche) und wirtschaftliche Beschränkungen bei der Herstellung der Vorrichtungen bilden können.

Die Filme können auf jeden Träger aufgebracht werden, der in bezug auf den Film elektrisch leitend ist. Das elektrisch

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leitende Material kann durch Beschichtung auf ein anderes geeignetes Trägermaterial aufgetragen sein, beispielsweise auf Glas, Holz, Papier, Kunststoff oder Stein, und somit auf transparente, transluzente oder opake Materialien oder Materialien mit anderen optischen Eigenschaften. Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht aus wenigstens einer transparenten Elektrode.

Verwendet man als elektrochromes Gegenbildmaterial Wolframoxid und legt zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld an,· dann kommt es zu einer Blaufärbung der vorher transparenten elektrochromen Schicht, was bedeutet, daß die persistent elektrochrome Schicht gegenüber elektromagnetischer Strahlung über ein Band absorptionsfähig wirkt, das anfangs das rote Ende des sichtbaren Spektrums umfaßt, wodurch die Gegenbildschicht blau aussieht. Vor Anlegen des elektrischen Feldes ist die elektrochrome Gegenbildschicht praktisch nicht absorbierend und daher transparent .

Elektrolyt

Es kann auch ein säurehaltiger flüssiger Elektrolyt verwendet werden, wie dies aus ÜS-PS 3 704 057 hervorgeht. Vorzugsweise wird dabei Schwefelsäure verwendet.

Poröse Isolationsschicht

Die poröse Isolationsschicht kann ein anorganisches oder sonstiges Festmaterial sein, wie dies in US-PS 3 578 843 beschrieben ist, beispielsweise Siliciumoxid oder Aluminiumoxid. Ferner kann es sich dabei auch um eine Schicht aus porösem Glas handeln, wie dies aus Product Engineering, Fabruar 1973, Seite 33 hervorgeht.

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Gegenelektrode

Wie bereits oben angegeben, kann es sich bei der Gegenelektrode um jedes elektrisch leitende Material handeln, das lichtdurchlässig ist. Geeignete metallische Materialien für Gegenelektroden gehen aus US-PS 3 704 057 hervor. Ein besonders gutes Material für eine Gegenelektrode ist Palladium.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnung weiter erläutert. In ihr sind:

Figur 1 eine Vorderansicht einer erfindungsgemäßen lichtmodulierenden Vorrichtung.

Figur 2 ein Schnitt durch die elektrochrome Vorrichtung.

Wie aus den Figuren 1 und 2 hervorgeht, besteht die lichtmodulierende Vorrichtung aus einer Frontplatte 1, die aus einem transparenten oder transluzenten Material 2 besteht, wie Glas oder Kunststoff, und einer lichtdurchlässigen Schicht 3, die elektrisch leitend ist, wie Zinnoxid. Die Strukturen 2 und sind im Handel als NESA-Glas erhältlich. Wie angegeben ist auf dem Zinnoxid 3 eine Schicht Wolframoxid 4 abgelagert, und auf dieser Wolframoxidschicht 4 befindet sich wiederum eine Schicht aus einem porösen Isolationsmaterial 5, wie Al-O.., und auf dieser Schicht ist als Gegenelektrode eine Schicht aus einem leitenden Metall 6 angeordnet. Ein Spalt 7 dient zur Aufnahme eines Säureelektrolyten und Benetzung des porösen Isolators 5. Eine nichtleitende Grundplatte 8 und eine Dichtung 9 verschließen die Vorrichtung. Die Frontelektrode ist über die Verbindungsieitung 10 mit einer Stromquelle verbunden , und die Gegenelektrode ist über eine Leitung 11 mit der Stromquelle verbunden. Die Stromarten zur Färbung und Auslöschung sind beim Schalter 12 angegeben. Wie gezeigt, kann ein Beobachter an Station 13 Durchlässigkeit oder Sonnenlicht (oder eine sonstige Strahlung) vom Punkt 14 modulieren.

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Die in den Figuren 1 und 2 beschriebene und erläuterte Vorrichtung kann auch reflektierend wirken, indem man die Gegen elektrode opak macht. In diesem Fall würde das zu modulierende Licht von der Vorderseite der Vorrichung kommen, wie sie der Betrachter sieht.

Darüber hinaus kann aus der erfindungsgemäßen Struktur auch eine Vorrichtung zur Informationsübertragung gebaut werden, wenn die Schicht aus Wolframoxid die Form einzelner Tupfer und Segmente hat Und ferner über die erforderlichen elektrischen Schaltungen und dazu sonst notwendigen Mittel verfügt.

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Claims (7)

1. Patentansprüche

   Λ." Vorrichtung mit variabler Lichtdurchlässigkeit, gekennzeichnet durch einen lichtdurchlässigen Träger mit einem, persistent elektrochromen Material als lichtmodulierendem Material, eine Gegenelektrode und eine Schicht aus einem porösen Isolationsmaterial, die mit dem angegebenen persistent elektrochromen Material und der Gegenelektrode in Kontakt ist, sowie durch einen Elektrolyten zum Befeuchten des porösen Isolatxonsmaterials.
2. 2. Vorrichtung mit variabler Lichtdurchlässigkeit nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Schichten, von denen eine das genannte elektrochrome Material enthält und die andere von der genannten Gegenelektrode durch die erwähnte poröse Isolationsschicht getrennt ist, die zwischen einem Paar leitender Elektroden angeordnet ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode eine metallische Schicht ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden praktisch transparent ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochromen Materialien WO₃ sind.

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6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode eine metallische Schicht ist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode Palladium ist.

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