DE2717776A1

DE2717776A1 - Elektrochromes element

Info

Publication number: DE2717776A1
Application number: DE19772717776
Authority: DE
Inventors: Hideki Akasaka; Youske Takahashi
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1976-05-14
Filing date: 1977-04-21
Publication date: 1977-11-24
Also published as: GB1575324A; JPS6127727B2; JPS52138149A; US4135790A

Description

Beschreibung; Die Erfindung bezieht sich aif ein elektrochromes Element. Der Stand der Technik und die Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen: Fig. 1 den schematischen Querschnitt eines Beispiels eines

bekannten elektrochromen Elements, Fig. 2 den Querschnitt einer ersten AusfUhrungsform des

erfindungsgemäßen elektrochromen Elements, Fig. 3 den Querschnitt einer zweiten AusfUhrungsform des

erfindungsgemäßen elektrochromen Elements, Fig. 4 den Querschnitt einer dritten AusfUhrungsform des

erfindungsgemäßen elektrochromen Elements und Fig. 5 die Seitenansicht des elektrochromen Elements der Fig. 4.

Das'herkömmliche, in der Form einer Zelle ausgebildete elektrochrome Element ist aus einem anorganischen Material aufgebaut. Es enthält in der in Fig. 1 gezeigten Reihenfolge eine erste transparente Elektrode 2, die auf einem transparenten Substrat 1 ausgebildet ist, eine elektrochrome Schicht 4 aus einem anorganischen Material, eine Elektronen-Sperrschicht 5 aus einem Isoliermaterial und eine zweite transparente Elektrode 3. Die Stärke der Elektroden, der elektrochromen Schicht und der Elektronen-Sperrschicht beträgt Üblicherweise 0,005 ρ bis 1,5 /i, etwa 0,5 ja bis 1 μ bzw. 0,2 u bis 2 μ. Diese Schichten werden Üblicherweise nach einem Verfahren der Dünnfilmtechnik hergestellt, beispielsweise durch Aufdampfen, Aufstäuben, Ionenpiattierung usw.

Wenn die transparenten Elektroden 2 und 3, wie in Fig. 1 in durchgehenden Linien dargestellt, an die negative bzw. positive Klemme einer Gleichstromquelle angeschlossen werden, werden von der Elektrode 2 in die elektrochrome Schicht

709847/0714

4 Elektronen injiziert. Gleichzeitig werden von der Elektronen-Sperrschicht 5 positive Ionen in die elektrochrome Schicht 4 injiziert. Hierdurch entsteht eine elektrisch verursachte Färbung derselben. Die Ladungsneutralität wird auch nach Abschalten des angelegten elektrischen Feldes beibehalten.

Die so entstandene Färbung der elektrochromen Schicht kann zum Verschwinden gebracht werden, indem, wie in Fig. 1 in gestrichelten Linien gezeigt, die Verbindung des Elements mit der Spannungsquelle umgekehrt wird. D.h., nach Umkehr der Polaritäten der Spannungsquelle können die Elektronen in der elektrochromen Schicht 4 in die positive Elektrode 2 fließen und die positiven Ionen in die Elektronen-Sperrschicht 5 zurückkehren. Hierdurch kehrt die elektrochrome Schicht 4 in ihren farblosen Zustand zurück. Dabei sperrt die Elektronen-Sperrschicht 5 den Elektronenstrom von der negativen Elektrode 3 in die elektrochrome Schicht 4.

Wegen des Färbungsmechanismus des vorstehend beschriebenen Elements hängt dessen Ansprechzeit bei der Farbänderung von der Beweglichkeit der Elektronen und positiven Ionen in der Substanz der elektrochromen Schicht 4, insbesondere von der Diffusionsgeschwindigjceit der positiven Ionen in die Schicht 4 ab. Mit anderen Worten, die Ansprechzeit ist abhängig von der Zeit, innerhalb deren das Farbzentrum in der elektrochromen Schicht 4 gesättigt wird. Daher beträgt die Ansprechzeit des herkömmlichen elektrochromen Elements, das eine elektrochrome Schicht 4 mit einer Stärke von 0,5 bis 1 μ enthält, etwa 200 ms oder etwa 20 ms, wenn die elektrochrome Schicht 4 aus einem anorganischen bzw. organischen Material besteht. So ist es beispielsweise nicht möglich, das herkömmliche elektrochrome Element bei einer Anzeige für die Steuerung der Irisblenden- und/oder Verschlußgeschwindigkeit einer Kamera zu verwenden, weil, wie erläutert, seine Ansprechzelt zu lang ist.

7098O/07U

Darüberhinaus kann mit bekannten elektrochromen Elementen nur eine Art der Farbwirkung herbeigeführt werden und es 1st äußerst schwierig, eine Anzeige mit mehreren Farben darzustellen. Wäre dies realisierbar, so könnte die Anzeigefunktion des elektrochromen Elements wesentlich verbessert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile und Iftizulänglichkeiten bekannter elektrochromer Elemente zu vermeiden. Insbesondere soll ein elektrochromes Element geschaffen werden, das im Vergleich zu bekannten elektrochromen Elementen ohne Verminderung der Farbdichte eine extrem kurze Ansprechzeit hat. Weiter soll ein elektrochromes Element geschaffen werden, mit dem Informationen mit mehreren Farben dargestellt werden können.

Zur Verkürzung der Ansprechzeit des elektrochromen Elements ist 'erfindungsgemäß eine elektrochrome Schicht dünner als die herkömmliche Schicht ausgeführt. Hierdurch wird der Bewegungsabstand der Elektronen und positiven Ionen in der elektrochromen Schicht 4 vermindert. Diese elektrochrome Schicht ist sandwichartig zwischen zwei transparente Elektroden eingelegt, die zusammen mit ihr eine Einheitszelle bilden. Zur Bildung einer mehrschichtigen Anordnung sind mehrere Einheitszellen aneinandergefügt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Fig. 2 bis 5 gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Bei der in Fig. 2 gezeigten ersten AusfUhrungsform ist eine transparente Elektrode 2 fest auf einem transparenten Substrat 1 angebracht. Auf der transparenten Elektrode 2 befindet sich eine Schicht 40 aus elektrochromem Material, beispielsweise Molybdänoxid (MoO,) oder Wolframoxid (WO,)

709847/0714

usw. Auf der äußeren Oberfläche der elektrochromen Schicht 4 ist eine Elektronen-Sperrschicht 5 angeordnet, auf deren äußerer Oberfläche wiederum eine transparente Elektrode 3a angeordnet ist . Die Schichtung oder das Laminat aus der elektrochromen Schicht 4 und der Elektronen-Sperrschicht 5» die zwischen die transparenten Elektroden eingelegt sind, wird als Einheitszelle bezeichnet.

Gemäß Fig. 2 sind mehrere, in dem gezeigten AusfUhrungsbeispiel vier Einheitszellen aneinander geschichtet oder laminiert. Die Einheitsanordnung ist die gleiche wie die des herkömmlichen elektrochromen Elements, mit der Ausnahme, daß die Stärke d der elektrochromen Schicht 4 dünner ist als die Stärke D der des herkömmlichen Elements; die Stärke d der Schicht 40 beträgt einen Bruchteil der Stärke D der Schicht 4. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist d '= ^,so daß das vorliegende Element mit der mehrschichtigen Anordnung im wesentlichen die gleiche Farbdichte liefern kann wie das herkömmliche Element der Fig. 1.

Je Einheitszelle ist eine Gleichspannungsquelle 6 vorgesehen, die mittels geeigneter reversibler Schalter, beispielsweise zweipoliger Umschalter reversibel zwischen die Elektroden jeder Einheitszelle, d.h. zwischen die Elektroden 2 und 3a, 3a und 3b, 3b und 3c oder 3c und 3d geschaltet sind.

Wenn die Spannungsquellen 6 durch Schalten der Pole der Schalter in einer Richtung zwischen die jeweiligen Elektrodenpaare geschaltet sind, werden die Farbzentren der jeweiligen elektrochromen Schichten 4, weil die Elektronen und positiven Ionen in die jeweiligen elektrochromen Materialien injiziert werden, unmittelbar in ihren gesättigten Zustand gebracht, so daß die Ansprechzeit des Elements beim Färben der Zellen verkürzt werden kann.

709847/0714

Die Ansprechzeit des Elements beim Löschen der Farben, wenn also die Polaritäten der Batterien umgeschaltet werden, kann aus dem gleichen Grunde ebenfalls verkürzt werden.

Da bei dieser Ausführungsform die Gesamtstärke der elektrochromen Schichten 40 im wesentlichen gleich ist der Stärke der elektrochromen Schicht des herkömmlichen Elements, ist die Farbdichte des erfindungsgemäßen Elements im gefärbten Zustand kompatibel mit der des herkömmlichen Elements.

Die Art der von einem elektrochromen Element entwickelten Farbe ist abhängig von der Art des in dem Element verwendeten elektrochromen Materials, d.h. von dessen optischem Absorptionsband.

Bisher war es unmöglich, sämtliche gewünschten Farben unter Verwendung der gegenwärtig zur Verfügung stehenden elektrochromen Materialien darzustellen.

Bei der in Fig. 3 gezeigten zweiten AusfUhrungsform des erfindungsgemäßen elektrochromen Elements wird unter Verwendung mehrerer unterschiedlicher elektrochromer Materialien eine Mischfarbe erzeugt. Dieses elektrochrome Element besteht aus einer Schichtung oder einem Laminat aus zwei Einheitszellen. Die erste Einheitszelle besteht aus einem Laminat aus einer elektrochromen Schicht 40a und einer Elektronen-Sperrschicht 5, die beide zwischen zwei Elektroden 2 und 3a eingefügt sind. Die zweite Einheitszelle besteht aus einem Laminat aus einer elektrochromen Schicht 40b und einer Elektronen-Sperrschicht 5, die wiederum beide zwischen die Elektrode 3a und eine Elektrode 3b eingefügt sind.

Die Stärke d Jeder elektrochromen Schicht 40a bzw. 40b ist aus dem oben erwähnten Grunde zu etwa D/2 gewählt. Die

7098A7/O7U

Schichten 40a und 40b bestehen aus elektrochromen Materialien mit unterschiedlichen Absorptionsbändern. Beispielsweise besteht die Schicht 40a aus Wolframoxid, das die Farbe blau, und die Schicht 40b aus Antimonoxid (Sb₂O,), das die Farbe gelb darstellt. Da die Stärken dieser Schichten sehr gering sind, erzeugen sie die jeweilige Farbe mit sehr kurzer Ansprechzeit, wenn die geeigneten Spannungen an sie angelegt werden. Somit kann eine Mischfarbe aus blau und gelb, nämlich grün beobachtet werden.

Statt zweier elektrochromer Schichten wie im vorliegenden AusfUhrungsbeispiel können auch drei oder mehr Schichten aus elektrochromen Materialien mit unterschiedlichen Absorptionsbändern miteinander laminiert werden, so daß verschiedene Mischfarben erzielt werden können.

Das in Fig. 4 gezeigte dritte AusfUhrungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrochromen Elements ähnelt dem der Fig. 3, mit der Ausnahme, daß die transparenten Elektroden in zwei Abschnitte unterteilt sind. D.h., Jede Schichtung aus der elektrochromen Schicht und der Elektronen-Sperrschicht ist zwischen zwei zueinander parallele Elektroden derart eingefügt, daß die Schichtung aus der elektrochromen Schicht 40a und der Elektronen-Sperrschicht 5 zwischen die Elektroden 2 und 2' und die Elektroden 3a und 3a¹ eingefügt ist. Die Schichtung aus der elektrochromen Schicht 40b und der Elektronen-Sperrschicht 5 ist, wie gezeigt, zwischen die Elektroden 3a und 3a¹ sowie zwischen die Elektroden 3b und 3b¹ eingefügt. Zwischen die einander gegenüberliegenden Elektroden 2 und 3a ist, jeweils über einen geeigneten Schalter, eine Gleichspannungsquelle 6a und zwischen die einander gegenüberliegenden Elektroden 2» und 3a¹ eine Gleichspannungsquelle 6b geschaltet. In ähnlicher Weise sind Gleichspannungsquellen 6c und 6d über geeignete Schalter zwischen die Elektroden 3a und 3b bzw. zwischen die Elektroden 3a¹ und 3b¹ geschaltet.

7098A7/07U

Fig. 5 zeigt das elektrochrome Element der Fig. 4 in einer Seitenansicht von rechts. Wenn die Spannungsquellen 6a und 6d zwischen die Elektroden 2 und 3a bzw. 3a¹ und 3b¹ geschaltet sind, ist die obere Halbfläche 10 des Elements gelb und die untere Halbfläche 20 blau gefärbt. Sind dagegen die Spannungsquellen 6b und 6c zwischen die jeweils zugehörigen Elektrodenpaare geschaltet, während die Spannungsquellen 6a und 6d umgeschaltet sind, so werden die Färbungen der Halbflächen 10 und 20 umgekehrt. Durch geeignete Kombination der gleichzeitig gespeisten Elektrodenpaare können mit Hilfe des Elements der Fig. 4 viele Arten von Anzeigen dargestellt werden.

Statt anorganischer Materialien, wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann das erfindungsgemäße elektrochrome Element auch aus einem organischen elektrochromen Material aufgebaut sein. In diesem Falle kann die Elektronen-Sperrschicht weggelassen werden.

709847/07U

Leerseite

Claims

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK MARIAHILFPLATZ 2 &. 3, MÖNCHEN 8O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O. D-8OOO MÖNCHEN QS 27Ί7776 KARL LUDWIO SCHIFF DIPL. CHEM. DR. ALEXANOER V. FÜNER DIPL. INa. PETER STREHL DIPL. CHEM. OR. URSULA SCHÜBEL-HOPF DIPL. INQ. DIETER ESBINQHAUS DR. INO. DIETER FINCK TELEFON (ΟβΟ) 48 9O 64 TELEX 6-23 5ββ AURO D TELEORAMME auromarcpat München NIPPON KOGAKU DA/G-14119 KABUSHIKI KAISHA 21. April 1977 Elektrochromes Element Patentansprüche:

1. Elektrochromes Element, gekennzeichnet durch eine Verbundzelle, bestehend aus einem Laminat aus mehreren Einheitszellen, die je zwei transparente Elektroden (2, 3) und ein den Raum zwischen den transparenten Elektroden füllendes elektrochromes Material (40) aufweisen, und durch ein transparentes Substrat (1) zur Halterung der Verbundzelle.

2. Elektrochromes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die transparenten Elektroden (3a, 3b, 3c, 3d) aneinander angrenzender Einheitszellen, die zueinander weisend angeordnet sind, einteilig ausgebildet sind und eine gemeinsame transparente Elektrode darstellen.

ORIGINAL INSPECTED

■- 2 -

3. Elektrochromes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Einheitszelle ein von dem der restlichen Einheitszellen unterschiedliches elektrochromes Material aufweist, dessen optisches Absorptionsband unterschiedlich ist von dem der elektrochromen Materialien der restlichen Einheitszellen.

4. Elektrochromes Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eine der transparenten Elektroden (2, 3) der Verbundeinheit in mehrere elektrisch voneinander isolierte Abschnitte (10, 20) unterteilt ist.

5. Elektrochromes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtstärke der elektrochromen Materialien der Verbundzelle zwischen etwa 0,5 U und etwa 1,0 μ beträgt.

709847/0714

Beschreibung