-
Vorrichtung mit variabler Lichtdurchlässigkeit
-
Gegenstand der Erfindung ist eine elektrooptische Vorrichtung, deren
Absorptionscharakteristik für elektromagnetische Strahlung unter dem Einfluß eines
geeignet gesteuerten elektrischen Feldes selektiv verändert werden kann. Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf eine elektrooptische Vorrichtung, bei der die elektrische
Ladung in den Bereichen der Abbild-und/oder Gegenelektrode gleichförmiger ist. Vor
allem ist die Erfindung auf eine sandwichartige Zelle gerichtet, bei der zwei Schichten
aus elektrochromem Material durch feste, halbfeste oder flüssige ionenleitende Medien
voneinander getrennt sind.
-
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.
-
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 Zyklen definiert.
-
Die Entwicklungsvorrichtung für das Abbild wird in einer Sandwichanordnung
einer elektrochromen Schicht als Gegenbild bzw. Abbildfläche und einer Gegenelektrode
mit einem ionenleitenden Medium, wie einem Elektrolyt, zwischen den beiden Flächen
gebildet. Durch entsprechende Mittel wird ein elektrischer Strom zu der Gegenelektrodenschicht
geführt. Es eignen sich hierzu alle herkömmlichen Mittel. Der Ladungszustand an
der elektrochromen Abbildschicht oder der Gegenelektrode wird erfindungsgemäß gleichförmig
gemacht, indem man zum Zeitpunkt der Herstellung einen derartigen Strom anlegt,
daß sich der gewünschte vorbestimmte Ladungszustand ergibt.
-
Unter persistent elektrochromem Material versteht man im vorliegenden
Sinn ein Material, das sich beim 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 Materialien können ferner in Abwesenheit eines
elektrischen Feldes auf einen kurzzeitigen Stromkreis zustand antworten und dabei
in ihren ursprünglichen 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, Metalllegierungen oder sonstigen metallhaltigen
Verbindungen ausgeschlossen, die verhältnismäßiq gute elektrische Leiter sind, wie
dies in US-PS 3 704 057 beschrieben ist.
-
Hierzu gehören Materialien, die ein Ubergangsmetall (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 ffbergangsmetallverbindungen, bei denen das
Übergangsmetall in jedem Oxydationszustand von +2 bis +8 vorkommen kann. Beispiele
hierfür sind Ubergangsmetalloxide, 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 etwa 0,1 bis 100 Mikron stark sein.
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 elektrochromen Filme können auf jeden Träger aufgebracht werden,
der in bezug auf den Film elektrisch leitend ist.
-
Das elektrisch leitende Material ist zur Bildung der Abbildfläche
auf einen entweder transparenten oder translucenten Kunststoff- oder Glasträger
aufgetragen. Für die Gegenelektrodenfläche kann der Träger gewünschtenfalls Kunststoff,
Glas oder Metall sein. Das Gegenelektrodenmaterial kann aus Kohle oder dem elektrochromen
Material oder auch Gemischen hieraus bestehen. Falls keine Kohle vorhanden ist,
dann sollte das elektrochrome Material auf ein vorher auf den Träger aufgezogenes
leitendes Material oder auf einen leitenden Träger, beispielsweise ein Metall, aufgegeben
werden.
-
Verwendet man als elektrochromes Gegenbild- oder Abbildmaterial 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 wird, das anfangs das rote Ende des sichtbaren Spektrums umfaßt,
wodurch die Åbbildschicht blau aussieht. Vor
Anlegen des elektrischen
Feldes ist die elektrochrome Abbildschicht praktisch nicht absorbierend und daher
transparent.
-
Zwischen- bzw. Abstandsschicht Als solche Schicht kann man ein halbfestes
ionenleitendes Gel verwenden, wie es aus US-PS 3 708 220 hervorgeht.
-
Vorzugsweise wird hierfür Schwefelsäure in Rombination mit Polyvinylalkohol
eingesetzt.
-
Anstelle des Gels läßt sich auch eine flüssige säurehaltige Schicht
verwenden, wie dies in US-PS 3 704 057 beschrieben ist, oder man kann auch eine
feste anorganische Schicht verwenden, wie dies aus US-PS 3 521 941 hervorgeht.
-
Gegenelektrode Wie bereits angegeben, kann es sich bei der Gegenelektrode
um jedes elektrisch leitende Material handeln. Besonders geeignet ist eine Schicht
aus elektrochromem Material der oben beschriebenen Art. Man kann ferner auch das
gleiche elektrochrome Material für die Abbildfläche und die Gegenelektrode verwenden.
-
Als Gegenelektrode kann man ein Gemisch aus Graphit und einem elektrochromen
Material oder Graphit allein verwenden. Andere metallische Gegenelektroden gehen
aus US-PS 3 704 057 hervor.
-
Die Steuerung des Ladungszustandes der elektrochromen Elektrode, und,
was noch wichtiger ist, der Gegenelektrode in einem Bausatz führt zu elektrochromen
Vorrichtungen, die über eine gleichförmige gute Schaltgeschwindigkeit und Zyklenlebensdauer
verfügen. Am beachtlichsten ist dabei die Einengung des Bereiches der Schaltcharakteristiken
von Vorrichtung zu Vorrichtung, was den Einsatz einfacher wohlfeiler integrierter
Schaltungen zum Betrieb der elektrochromen Vorrichtungen erleichtert.
-
Bei einer vorgegebenen angelegten Spannung hängt die Schaltgeschwindigkeit
einer elektrochromen Vorrichtung mit einem elektrochromen Material in der Gegenelektrode
äußerst stark vom Verhältnis aus dem gefärbten und dem klaren elektrochroren Material
in der Gegenelektrode ab. Eine normale elektrochrom numerische Entwicklungsgegenelektrode
kann beispielsweise als elektrochrome Elektrode das 5 bis 10-fache des Gewichtes
an Wolframoxid enthalten. Blaues (geladenes) Wolframoxid ist mehrere Größenordnungen
stärker elektronenleitend als klares (ungeladenes) Wolframoxid. Zum Färben der elektrochromen
Elektrode ist es daher wichtig, daß das Wolframoxid in der Gegenelektrode blau (geladen)
wird, damit man eine stets bereite Protonenquelle hat, wodurch sich der Ionenprozeß
erleichtert und Widerstandsverluste geringer werden. Eine völlig blaue Gegenelektrode
führt zwar zu einer raschen Färbung der elektrochromen Elektrode, sie bedingt jedoch
ferner auch eine äußerst langsame Klärungsgeschwindigkeit.
-
Die Gegenelektrode sollte zu jeder Zeit über eine Restladung verfügen,
damit sowohl die elektronischen als auch die ionischen Prozesse leichter ablaufen,
und die Gegenelektrode sollte selbst wiederum kapazitätsmäßig die Grenzelektrode
sein.
-
Bei den bekannten elektrochromen Vorrichtungen braucht man eine genaue
Kontrolle des Wassergehalts und eine Verdampfungsstufe, damit man bei der Gegenelektrode
eine ausreichende Restladung erhält, was eine gleichförmige Schaltgeschwindigkeit
ergibt. Die bekannten Gegenelektroden können 0 bis 15 % Wolframoxid in blauem Zustand
enthalten. Durch die vorliegende Erfindung wird dieses Problem nun unterbunden und
ein Mittel zur Korrektur unerwünschter Zustände geschaffen, die sich infolge normaler
Variationen bei den Herstellungsstufen entwickeln können.
-
Gegenstand der Erfindung sind elektrochrome Methoden zur Steuerung
des Ladungszustandes der elektrochromen Elektrode und/oder der Gegenelektrode. Die
elektrochrome Elektrode oder die Gegenelektrode können vor Einbau in eine entsprechende
Arbeitsvorrichtung vorgeladen werden, indem man die zu ladende Elektrode zusammen
mit einer zweiten Elektrode in einen geeigneten Elektrolyt gibt und dann eine Gleichstromspannung
anlegt, wobei die zweite Elektrode positiv geladen ist. Nach einem anderen Verfahren
läßt sich das Ganze auch während oder nach Zusammenbau der elektrochromen Vorrichtung
aufladen. In diesem Fall bringt man eine dritte Elektrode mit der Elektrolytschicht
in Kontakt und legt über die elektrochrome Elektrode oder die Gegenelektrode und
die dritte Elektrode kurzzeitig eine Gleichstromspannung an. Der Einsatz der Gegenelektrode
und der dritten Elektrode ist im allgemeinen günstiger, da hierbei die zur Vermeidung
einer Schädigung der Vorrichtung erforderlichen Kontrollmaßnahmen weniger kritisch
sind. Vorzugsweise befinden sich etwa 50 % der elektrochromen Schicht der Gegenelektrode
zur Zeit der Herstellung im blauen Zustand.
-
Im Falle eines Bildes von einem Quadratzentimeter an elektrochromem
Film beträgt die zur Färbung oder Auslöschung benötigte Ladung dann etwa 5 Millicoulombs
(mC).
-
Die Kapazität der Gegenelektrode in Coulomb sollte die Kapazität der
abbildenden elektrochromen Fläche in Coulomb übersteigen. Eine Kapazität von 5 mC
bei der elektrochromen Abbildfläche sollte daher beispielsweise mit einer Kapazität
von 50 mC bei der elektrochromen Gegenelektrode ausgeglichen werden. Ist die Gegenelektrode
durch Anlegen von Gleichstrom mit 25 bis 30 mC geladen, dann erhält man insgesamt
sowohl eine gute Färbung als auch eine gute Auslöschung.