DE3545400A1

DE3545400A1 - Elektrochrome vorrichtung

Info

Publication number: DE3545400A1
Application number: DE19853545400
Authority: DE
Inventors: David Kinyoun Benson; Marta Renee Ruth
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1984-12-21
Filing date: 1985-12-20
Publication date: 1986-07-03
Anticipated expiration: 2005-12-21
Also published as: CA1256186A; IT1206746B; GB2168823B; IT8523280A0; US4645308A; JPH0545005B2; FR2575303B1; GB8528471D0; FR2575303A1; DE3545400C2; JPS61156032A; GB2168823A

Description

R-8235

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf die Färbung von elektrochromen Oxidvorrichtungen der Festkörperbauart.

Der Elektrochromismus ist die Eigenschaft eines Materials oder Systems, seine Farbe zu ändern oder Farbzentren zu bilden, und zwar in reversibler Weise infolge eines angelegten Potentials. Der Elektrochromismus tritt dann auf, wenn ein Material eine intensive Farbänderung zeigt, wenn es einem elektrischen Feld von hinreichender Stärke ausgesetzt ist. Die Intensität der Färbung ist proportional zum angelegten Feld und der Länge der Aussetzung.

Es gibt verschiedene Theorien zur Erklärung des Phänomens des Festkörper-Elektrochromismus in Übergangsmetalloxiden. Ursprünglich führte man den Effekt auf Elektronen zurück,die in das Metalloxid injiziert wurden und an Sauerstoffleerstellen oder ähnlichen Defektzentren eingefangen wurden. Andere interpretierten die Farbwirkung als eine elektrochemische Extraktion von Sauerstoff, wobei das gefärbte Produkt von stöchiometrischer Natur ist. Andere wiederum behaupteten, daß die Färbung nicht durch die Einfügung von Wasserstoffatomen erfolgt, sondern durch die Wiederverteilung von bereits incorporierten Wasserstoffatomen aus optisch inaktiven Plätzen zu optisch aktiven Plätzen, und zwar innerhalb des Übergangsmetalloxidfilms. Die am weitesten akzeptierte Erläuterung für den elektrochromen Effekt in Übergangsmetalloxiden scheint die zu sein, daß Elektronen und Protonen oder positive monovalente Ionen, wie beispielsweise Li⁺, Na⁺ und dergl.jin das Material, welches eine blaue hydrierte Bronze bildet, gleichzeitig injiziert werden.

Es ist allgemein anerkannt, daß es eine Anzahl von Metalloxiden gibt, die eine kathodische Färbung zeigen, d.h. eine Färbung, die an der Kathodenklemme der Vorrichtung anfängt. Im folgenden wird eine partielle Aufzählung von bekannten Materialien gegeben, die dieses Phänomen beim Anlegen eines elektrischen Feldes zeigen.

A) WO₃ D) V₂O₅ G) W₉Nb₈O₄₇

B) MoO₃ E) Nb₂O₅ H) WO₃ZReO₃

C) W0₃/Mo0₃ F) TiO₂ I) W0₃/Au

Obwohl jedes der oben angegebenen Oxide die kathodische Coloration oder Färbung zeigt, so ist doch Wolframtrioxi'd (WO,) als ein Material bekannt, welches optische und elektrische Eigenschaften besitzt, die für die Herstellung von Dünnschichtvorrichtungen am besten geeignet sind. Die physikalischen Eigenschaften dieses Materials wurden in den letzten J'ahren sehr genau untersucht, und zwar wegen der ferroelektrischen Eigenschaften und wegen der unüblichen Fähigkeit, Wolframbronzen dann zu bilden, wenn positive monovalente Ionen in das Gitter dieses Materials eingebaut sind.

Das elektrochrome Verhalten einer verdampften W0~-Dünnschicht wurde zuerst beobachtet in einer Anordnung von zwei mit engem Abstand angeordneten Metallklemmen, befestigt an einer Schicht (Film). Blaue Färbung wurde benachbart zur Kathode erzeugt, die lateral (seitlich) zu der Anode wanderte, und zwar bei einem angelegten Feld von ungefähr 1x10 V/cm.Der zur Betätigung der Färbung in Vorrichtungen der relevanten Bauart erforderliche Feldintensitätswert begrenzt bekanntlich den Zwischenelektrodenfärbungsabstand auf nur einige wenige Millimeter. Infolgedessen ist das Anlegen einer Span-

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nung für ungefähr 0,5 bis 2,5 Std. erforderlich, um den Färbungsprozeß zu vervollständigen.

Im Hinblick auf diese Betrachtungen haben sich die Forscher auf die planare Version der oben beschriebenen elektrochromen Vorrichtung konzentriert, d.h. eine Vorrichtung, die eine Vielzahl von Schichten aufweist. Es ist allgemein anerkannt, daß niedrigere Spannungen erforderlich sind, um die Färbung in Vorrichtungen von planarer Konfiguration zu bewirken. In derartigen Konfigurationen tritt jedoch die Färbung senkrecht durch die Übergangsmetalloxidschicht auf und ist besonders empfindlich gegenüber den Bedingungen der Herstellung und der Dünnschichtabscheidung. Unter Berücksichtigung, daß dies der Fall ist, führen Nadellöcher, Schädigungen und morphologische Unregelmäßigkeiten, die während des Herstellungsverahrens eingeführt werden, zu parasitären Strömen, die oftmals die Effizienz der Färbung und die elektrooptische Reproduzierbarkeit der Vorrichtungen reduzieren.

Ein Hauptziel der Erfindung besteht darin, eine neue und verbesserte Festkörper-übergangsmetalloxidvorrichtung vorzusehen. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine neue und verbesserte Festkörper-übergangsmetalloxidvorrichtung vorzusehen, die in der Lage ist, eine laterale Färbung zu erzeugen. Weiterhin bezweckt die Erfindung eine neue und verbesserte elektrochrome Oxidfestkörpervorrichtung, die eine niedrige Spannung benötigt, um den Färbungsprozeß zu betätigen. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine neue und verbesserte elektrochrome Festkörperoxidvorrichtung anzugeben, die beträchtlich verbesserte Färbungsraten aufweist. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine neue und verbesserte elektrochrome Festkörperoxidvorrichtung vorzusehen, in der die seitliche Färbung über einen großen Abstand durch eine niedrige Spannung induziert wird. Ferner bezweckt die Erfindung eine neue und verbesserte elektrochrome Fest-

körperoxidvorrichtung vorzusehen, die im wesentlichen unabhängig vom Zwischenelektrodenabstand ist. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine neue und verbesserte elektrochrome Festkörperoxidvorrichtung anzugeben, die eine dunkelblaue Färbung aufweist. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine neue und verbesserte elektrochrome Festkörperoxidvorrichtung anzugeben, die im wesentlichen durch Defekte während ihrer Herstellung unbeeinflußt bleiben.

Die erwähnten sowie weitere Ziele der Erfindung werden erreicht durch eine Struktur, bei der das erfindungsgemäße Konzept angewendet wird und die folgendes aufweist: Eine Dünnschicht-Festkörper-Übergangsmetalloxidvorrichtung mit einer Vielzahl von Schichten, einschließlich einer elektrochromen Oxidschicht. Die Vorrichtung ist geeignet, sich lateral oder seitlich längs eines ausgewählten Pfades zu färben, und zwar entsprechend dem Anlegen einer Spannung zwischen den Kathoden- und Anoden-Kontakten. Die an die Vorrichtung angelegte Spannung dient dazu, einen Strom zu induzieren und demzufolge ein elektrisches Feld um die elektrochrome Oxidschicht. Die Färbungswirkung wird in präziser Weise durch das elektrische Feld betätigt, welches durch den Strom innerhalb der Vorrichtung hervorgerufen wird.

Die Struktur der bevorzugten Vorrichtung weist speziell eine obere Lage oder Schicht aus leitendem Material auf, und zwar einschließlich eines Anodenkontaktes, befestigt an einer Lage oder Schicht aus dielektrischem Material, eine Lage oder Schicht aus elektrochromem Oxidmaterial ist an dem dielektrischen Material und an einem Kathodenkontakt befestigt. Schließlich weist die Vorrichtung ein Substrat auf, welches an dem leitenden Dielektrikum befestigt ist, und an der Lage oder Schicht aus elektrochromem Oxidmaterial.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in dieser Zeichnung zeigt:

Fig.1 einen Querschnitt einer lateralen Festkör

perfärbvorrichtung gemäß dem Stand der Technik;

Fig.2 einen Querschnitt einer planaren Festkörper

farbvorrichtung gemäß dem Stand der Technik;

Fig.3 einen Querschnitt des bevorzugten Ausfüh

rungsbeispiels der Festkörper-Übergangsmetalloxidvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig.4 einen Querschnitt eines weiteren Ausführungs

beispiels der Festkörper-Übergangsmetalloxidvorrichtung gemäß der Erfindung.

Im folgenden seien die bevorzugten Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben. Fig.1 zeigt eine laterale Farbvorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik, die Anoden- und Kathodenkontake bzw. Klemmen 12 bzw. 14 aufweist. Kathode und Anode sind beide an einer Schicht aus WO,-Material 16 befestigt, welches seinerseits an einem Glassubstrat 18 angebracht ist. Die blaue Färbung wird innerhalb der Lage oder Schicht 16 bewirkt, und zwar infolge des Anlegens einer definierten Spannung zwischen den Klemmen 12 und 14. Die Farbwirkung fängt im WOn-Material unterhalb der Kathode 14 an und pflanzt sich fort in Richtung der Anode 12, und zwar unter dem Einfluß des elektrischen Feldes, solange die Spannung an die Klemmen angelegt ist. Es wurde nachgewiesen, daß eine relativ hohe elektrische Feldstärke erforderlich ist, um den Färbungsprozeß der Vorrichtung 10 zu vollenden.

Eine planar orientierte Vorrichtung 20 gemäß dem Stand der Technik ist in Fig.2 gezeigt. Die Vorrichtung 20, wie auch die in Fig.T gezeigte Vorrichtung 10, weist mehrere Lagen oder Schichten auf, und zwar einschließlich eines Substrats 30, auf dem eine zweite leitende Schicht 32 befestigt ist. Zwischen der Schicht 32 und einer ersten leitenden Schicht 38 ist eine Isolierschicht 36 und eine WCL-Schicht aus Material 34 angeordnet, wobei die letztgenannte Schicht an der zweiten leitenden Schicht 32 angebracht ist. In dieser Vorrichtung bestehen die Anoden- und Kathodenkontakte aus den Schichten 38 und 32. Eine zwischen den Kontakten angelegte Spannung betätigt den Färbungsprozeß in einer Weise ähnlich dem oben beschriebenen. In der Vorrichtung 20 läuft jedoch die Färbungswirkung senkrecht durch die WO^-Schicht 34, wenn Strom von Kathode zu Anode fließt.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Übergangsmetalloxidvorrichtung 40 ist in Fig. 3 gezeigt. Die Orientierung der Vorrichtung 40 besteht aus einer Schicht aus dielektrischem oder isolierendem Material 44, an dem eine obere Schicht aus leitendem Material 42 befestigt ist. Eine Schicht aus elektrochromem Oxidmaterial 46 ist zusätzlich am Isoliermaterial und an einem Kathodenkontakt 52 befestigt. Gemäß der Erfindung besteht die leitende Schicht 42 aus dem Anodenkontakt. Die oberen leitenden dielektrischen und elektrochromen Schichten 42 bzw.44 bzw. 46sind alle schließlich am Substrat 54 befestigt. Obwohl die Kontakte des bevorzugten Ausführungsbeispiels in enger Weise an der Vorrichtung 40 befestigt sind, so sei doch darauf hingewiesen, daß sie nicht auf irgendeine spezielle Konfiguration beschränkt sind. Die Anode und Kathode der vorliegenden Vorrichtung haben einen in Fig.3 durch die Pfeile 48 bzw. 50 bezeichneten "Ursprung". Die (nicht gezeigte) Spannungsquelle liegt an den Kontakten der Vorrichtung 40, um die Färbung zu bewirken.

Das leitende Material einschließlich der Klemmen kann aus irgendeiner Anzahl von ziehfähigen, leitenden Materialien bestehen, die für ihre guten elektrischen Eigenschaften bekannt sind, wobei beispielsweise Gold, Silber, Kupfer oder dergl. in Frage kommt. Zudem sind transparente Oxidhalbleiter, wie beispielsweise SnOj oder In-CUrSnO- als stark leitende bekannt und können leicht geformt oder verforrat werden. Die Dicke der leitenden Schichten der bevorzugten Vorrichtung sollte innerhalb des Bereichs von 100 A bis 20 Mikrometer liegen, und zwar davon abhängig, ob die Vorrichtung für eine Transmissions- oder Reflexionsanwendung vorgesehen ist. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß damit zu rechnen ist, daß die Dicke dieser Materialschicht nur eine kleine Widerstandsgröße zur Vorrichtung 40 hinzuaddiert. Zudem sollte der Widerstandswert des leitenden Materials kleiner als 1 χ 10 Ohm *· centimer (cm) sein, um den Stromfluß innerhalb der bevorzugten Vorrichtung zu erleichtern.

Das gemäß der Erfindung verwendete dielektrische oder isolierende Material kann ein elektrisch nicht leitendes Material

sein mit einem Widerstandswert von mindestens 1 χ 10 Ohm-cm, wie beispielsweise MgF-, SiO, TiO- oder dergl. Elektronisch isolierende Schnell-Ionenleiter, wie beispielsweise RbAg₁. oder Hydronium-ß-aluminiumoxid, genügen ebenfalls den Widerstandserfordernissen der Erfindung. Die Dicke des dielektrischen Materials sollte innerhalb des Bereichs von 200Ä bis 2 Mikrometern liegen und.^sollte vorzugsweise 1 /30 bis 1 /2 der Dicke der benachbarten elektrochromen Oxidschicht ausmachen.

Wie oben erwähnt, kann das elektrochrome Oxidmaterial aus einer Anzahl von Oxiden bestehen, die die kathodische Färbung zeigen. Das elektrochrome Material kann auch Oxide verkörpern, die sich anodisch färben, d.h. die Färbung beginnt an der positiv geladenen Elektrode, wie dies bei Ir-O-, Rh-O- und anderen der Fall ist. Immer dann jedoch, wenn ein anodisch elek-

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trochromes Oxidmaterial verwendet wird, muß die Polarität des angelegten Feldes umgekehrt werden, um die Färbungswirkung in ordnungsgemäßer Weise zu aktivieren. Diese Umkehr wird einfach dadurch erreicht, daß man die Polarität der zwischen den Klemmen angelegten Spannung umschaltet. Wie im Falle der leitenden und dielektrischen Schichten oder Lagen sollte die Dicke der elektrochromen Schicht vorzugsweise zwischen 200 A und 20 Mikrometern liegen, und zwar abhängig vom Anwendungsfall.

Das Substratmaterial der Vorrichtung 40 ist vorzugsweise Natronkalksilikat und Borsilikatglas, aber auch andere Materialien, wie beispielsweise Kunststoffe, z.B. Plexiglas, Mylar oder dergl., fallen ohne weiteres in den Rahmen der vorliegenden Erfindung. Wie bemerkt, ist das Substrat nicht aktiv in den Betrieb der Vorrichtung verwickelt. Aus diesem Grunde sollte es sich um ein dauerhaftes Material mit nicht leitenden Eigenschaften handeln. Die Dicke des Substrats sollte adäquat sein, um die Vorrichtung zu tragen und deren Integrität aufrecht zu erhalten.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung 40 ist eng mit dem Widerstandswert der mehreren Materialschichten verbunden. Unter normalen Bedingungen liegt der Widerstandswert des elektro-

chromen Oxidmaterials von ungefähr 1 χ 10 0hm»cm hoch, verglichen mit dem Widerstandswert des leitenden Materials. In dieser Beziehung wirkt das elektrochrome Oxidmaterial als ein Isolator, der ansonsten den Stromfluß innerhalb der Vorrichtung 40 beschränkt. Darüber hinaus ist der Widerstandswert des dielektrischen Materials,typischerweise ungeführ

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1 χ 10 Ohm-cm, wesentlich größer als der Widerstandswert des elektrochromen Materials.

Wenn die bevorzugte Spannung, d.h. ungefähr 20 V, zwischen dem Ursprung der Kontakte angelegt wird, so fängt die Kante

der elektrochromen Schicht in der Nähe der Kathode an, sich blau zu färben oder erfährt in effektiver Weise eine blaue Färbung. Der Fachmann weiß, daß die Hervorrufung der blauen Färbung in elektrochromen Oxiddünnschichten begleitet ist von einem starken Anstieg der elektronischen Leitung. Ein Anstieg der Leitfähigkeit bedeutet, daß der Widerstandswert des Materials verschwunden ist. Es wird geschätzt, daß wegen der Blaufärbung in der elektrochromen Oxidschicht der Widerstandswert derselben auf ungefähr 1 χ 10 Ohm-cm abnimmt.

Da der Widerstandswert der dielektrischen Schicht, verglichen mit dem Widerstandswert der leitenden und elektrochromen Oxidschichten hoch liegt, ist die Anode im wesentlichen von der Kathode isoliert, und zwar wegen des hohen Widerstandspfades gegenüber dem Stromfluß. Daher wird der Strom innerhalb der elektrochromen Oxidschicht eingeschränkt, wenn diese Oxidschicht gefärbt und daher leitend ist. In Fig.3 fängt der Stromfluß am Ursprung der Kathode an und läuft seitlich oder lateral durch die sich selbst erzeugende und wachsende Färbungsfront der elektrochromen Oxidschicht, sodann senkrecht durch die dielektrische Schicht an der Grenze der Färbungsfront und wiederum seitlich oder lateral durch die obere leitende Materialschicht zum Ursprung der Anode.

Anders ausgedrückt ist die laterale Färbungswirkung evident wegen eines dynamischen Ausdehnungsphänomens des Kathodenkontakts. Dieses Phänomen ergibt sich aus der Fähigkeit des elektrochromen Oxidmaterials, seinen Widerstandswert abzusenken, und zwar durch die Re- oder Wieder-Ordnung ihrer elektronischen Zustände durch elektronische/ionische-Ladungsinjektion an den Kontakten. Daher wird die blaue elektrochrome Oxidschicht wörtlich eine selbsterzeugende leitende Front, die seitlich sich zum Ursprung der Anode erstreckt.

Fig.4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei

wiederum die kathodische oder Kathoden-Färbung dargestellt ist, wenn die richtige Spannung zwischen den Kontakten angelegt wird. Eine elektrochrome Oxidschicht aus Material 62 ist an einer dielektrischen Schicht 66 befestigt. Ein Ende einer Kathode 64 ist an der elektrochromen Oxidschicht 62 befestigt. Ein Substrat 70 ist am anderen Ende der Kathode 64 und an der elektrochromen Oxidschicht 62 befestigt, und zwar durch eine Verlängerung 72. Eine Anode 68 von langgestreckter Gestalt ist zwischen dem dielektrischen Material 66 und dem Substrat 70 angeordnet. Pfeile 76 und 78 repräsentieren den "Ursprung" der Kathode 64 bzw. Anode 68,zwischen denen die ordnungsgemäße Spannung angelegt wird.

Das Anlegen einer vorbestimmten Spannung von ungefähr 20 V an die in Fig.4 gezeigte Vorrichtung färbt den Schnitt der elektrochromen Oxidschicht 62, der orientiert ist zwischen dem oberen Teil der Kathode 64 und derdielektrischen Schicht 66. Wie im Falle der Vorrichtung 40 gemäß Fig.3 reflektiert die Färbungswirkung die dynamische Ausdehnung der Kathode 64, weil sie sich zum Ursprung der Anode hin erstreckt wegen des Einflusses des elektrischen Feldes.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen wurden hergestellt durch das sequentielle Aufdampfen von WO,"> MgF--und Au-Schichten auf ein mit Indiumzinnoxid (ITO) überzogenes Glassubstrat bei Raumtemperatur. Das ITO überzogene Substrat wurde in verdünnter HCL geätzt, um den gewünschten Kontakt zwischen den Au- und WO,-Schichten zu fördern. Vor der Dünnschichtverdampfung verwendete das Reinigungsverfahren am Substrat ein mildes Waschmittel, eine Spülung mit entionisiertem Wasser und eine Endspülung mit hochreinem Äthanol. Dier Ausgangsmaterialien für die Verdampfung umfaßten 99,9% W0--Pulver, hergestellt von der Fluka Chemical Corporation, 99,99% MgF₂ Pellets und 99,99% Au-Draht, hergestellt von der Alfa Products Company, alle Gesellschaften in USA.

Eine typische Abscheidungsfolge umfaßte die folgenden Schritte:

a) Das Substrat wurde auf eine Masken/Halte-Platte gelegt und auf einen Basisdruck von ungefähr 2 χ 10" Torr evakuiert (1 Torr = die Druckeinheit und entspricht

1 ,316 χ 10"⁶ Atm.),

b) in die Kammer wurde Sauerstoffgas eingelassen,und eine dünne Schicht aus WO- wurde auf das Substrat bei einem Druck von annähernd 2 χ 10 Torr aufgedampft,

c) das System wurde erneut evakuiert auf ungefähr 1 χ 10" Torr, und eine Dünnschicht aus MgF„ wurde auf das Substrat durch die gleiche Maskenanordnung aufgedampft,

d) das System wurde auf Atmosphärendruck gebracht, und die Proben wurden in eine zweite Masken/Halte-Platte eingegeben, und

e) das System wurde wieder evakuiert auf ungefähr

8 χ 10" Torr, und zwar für die darauffolgende Abscheidung einer halbtransparenten Au-Schicht (Film).

Die Erfindung kann weiterhin durch die nicht einschränkend zu verstehenden Beispiele erläutert werden. In den Beispielen 1 und 2 wird ein Potential an die Vorrichtung angelegt, um die Färbungswirkung zu aktivieren. Die Beispiele 3 und 4 geben weitere Informationen und verfügbare Daten.

Beispiel 1

Die Konfiguration dieser Vorrichtung (Fig.3) umfaßte eine Au-Schicht, deren Dicke ungefähr 150 Ä betrug, eine MgF--Schicht von ungefähr 1700 Ä, eine W0_-Schicht von 4100 Ä und eine ITO-Schicht von ungefähr 5200 Ä mit einem Widerstandswert von ungefähr 10 Ohm ι cm. Die Dicke des Substrats betrug 1/8" (1 Zoll = 2,54 cm) und bestand aus einem Natronkalksilikatglas. Darauffolgend auf die Anlegung von 12 V zwischen dem

lh ik %

Ursprung der Kontakte wurde eine blaue Färbung innerhalb der WO,-Schicht nahe der Kathode beobachtet. Die Färbungsfront schritt nach links bezüglich Fig.3 voran, d.h. zur Anode hin. Nach einer 17 minütigen Färbungszeit, bei der 12 V und 74 Milliampere an die Vorrichtung angelegt waren, betrug die Färbungslänge 16 mm. Nach einer 22 minütigen Färbungszeit bei der gleichen Spannung betrug die gesamte durchschrittene Färbungslänge 19,5 mm. Die Färbungsrate oder -geschwindigkeit für die WO,-Schicht dieser Vorrichtung betrug 0,885 mm/min.

Beispiel 2

Eine alternative Konfiguration der Vorrichtung gemäß Beispiel 1 umfaßte eine Au-Schicht von ungefähr 135 Ä 'Dicke, eine MgF,-Schicht von 1500 Ä, eine WO,-Schicht, deren Dicke ungefähr 3000 Ä betrug und eine ITO-Schicht von annähernd 5200 A Dicke.

Die Größe und Art des Substrats war identisch mit dem gemäß Beispiel 1. In diesem Beispiel wurden 21 V zwischen dem Ursprung der Kontakte angelegt, und der Strom betrug annähernd 57 Milliampere. Eine 19 mm lange Färbung wurde über eine 14 Minuten dauernde Färbungszeit beobachtet. Die Färbung begann an der Kathode und schritt zur Anode hin fort. Für diese Vorrichtung hat sich die Färbungsrate mit 1,395 mm/min herausgestellt.

Beispiel 3

Diese bekannte Vorrichtung (Fig.1) umfaßte eine WO,-Schicht, deren Dicke ungefähr 10 000 Ä betrug' Zudem waren die Au-Kontakte um ungefähr 1,0 mm voneinander getrennt. Das an den Kontakten angelegte Potential betrug ungefähr 1300 V, und das induzierte elektrische Feld betrug ungefähr 10 000 V/cm. Die Färbungslänge war nahezu 1,3 mm über eine 2,5-stündige Färbungszeit hinweg. Die Färbungsrate betrug annähernd 0,007 mm/min für diese Vorrichtung.

Beispiel H

Diese bekannte Vorrichtung umfaßte eine WO^-Schicht, deren Dicke ungefähr 10 000 Ä betrug, und zwar mit im wesentlichen dem gleichen Abstand zwischen den Klemmen. Das zwischen den Kontakten angelegte Potential betrug ungefähr 1000 V. Das zwischen den Kontakten erzeugte elektrische Feld lag in der Größenordnung von 10 000 V/cm. Darauffolgend auf das Anlegen der erwähnten Spannung ergab sich eine Färbungslänge von naherzu 1 mm über eine Färbungszeit von 0,5 Std. hinweg. Die Färbungsrate war 0,03 mm/min.

Die folgende Tabelle veranschaulicht die Ergebnisse der vier oben beschriebenen Beispiele. In jedem Beispiel bestand das elektrochrome Oxidmaterial aus W0_.

Beispiel

Spannung (V)	12	21	1,300	1,000
elektrisches Feld (V/cm) Färbungslänge (nun)	iN/A 19.5	N/A 19.0	IxIO⁵ 1.30	IxIO⁵ 1.0
Färbungsrate (mm/min)	0.89	1.38	0.007	0.03
Färbungszeit (Minuten)	22	14	150	30

NA = nicht verfügbar

Im Hinblick auf die oben genannten Daten ist es klar, daß die Länge und die Rate der Färbung erhöht wird, wohingegen die Färbungszeit in den Beispielen 1 und 2, verglichen mit den anderen Beispielen, verringert wird.

Im Hinblick auf die obigen Daten betätigt das Anlegen von ungefähr 20 V an die in den Beispielen 1 und 2 beschriebenen Vorrichtungen die blaue Färbung über einen Abstand von ungefähr 20,0 mm hinweg mit einer Färbungszeit von annähernd 20,0 Minuten. Infolgedessen ist die Färbungsrate unter diesen Umständen ungefähr 1,0 mm/min. Im Hinblick auf obige Ausführungen ist die Spannung im wesentlichen unabhängig vom Abstand zwischen dem Ursprung der Kontakte in den Beispielen 1 und 2, was nicht der Fall ist in den Beispielen 3 und k.

Obwohl ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben und dargestellt wurde, so ist doch klar, daß verschiedene Abwandlungen und Änderungen im Rahmen der Erfindung möglich sind. Die verwendung verschiedener Materialien für die elektrochromen Oxid-leitenden und dielektrischen Schichten wurden bereits beschrieben. Darüber hinaus ist die Orientierung der Schichten nicht auf das hier beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt. Obwohl die bevorzugte Färbungswirkung von kathodischer Natur ist, so kann die Erfindung jedoch ebenso einfach für eine Vorrichtung eingesetzt werden, die eine anodische Färbungswirkung zeigt. Der Fachmann erkennt, daß höhere Spannungen verwendet werden können, was eine Erhöhung der Geschwindigkeit und Länge der Färbung zur Folge hat.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:

Eine Festkörper-Übergangsmetalloxidvorrichtung mit einer Vielzahl von Schichten mit einer vorbestimmten Orientierung einschließlich einer elektrochromen Oxidschicht. Aus leitendem Material bestehende Anoden-und Kathodenkontakte sind an

der Vorrichtung befestigt. Die Färbung wird innerhalb der elektrochromen Oxidschicht bewirkt, nachdem ein vorbestimmtes Potential zwischen den Kontakten angelegt wurde. Die Färbungswirkung ist in der Lage, sich über die Länge der elektrochromen Oxidschicht dynamisch zu erstrecken oder diese zu überstreichen .

Claims

Elektrochrome Vorrichtung PATENTANSPRÜCHE

1. Festkörper-Übergangsmetalloxidvorrichtung mit vorangeordneter Orientierung, wobei die Vorrichtung eine Vielzahl von Schichten aufweist, und zwar einschließlich einer elektrochromen Oxidschicht, Wobei das Anlegen eines vorbestimmten Potentials an die Übergangsmetalloxidvorrichjtung eine blaue Färbung innerhalb der elektrochromen Oxidschicht bewirkt, und wobei die Färbungswirkung in der Lage ist, über die Länge der elektrochromen Oxidschicht hinwegzustreichen.

2. Festkörper-Übergangsmetalloxidvorrichtung, die folgendes aufweist:

a) eine obere Schicht aus leitendem Material, die einen Anodenkontakt aufweist,

b) eine an der oberen Schicht befestigte Schicht aus dielektrischem Material,

c) eine Schicht aus Elektrochromoxidmaterial, befestigt an der Schicht aus dielekrrisohem Material,

d) einen Kathodenkontakt, befestigt an der Schicht aus elektrochromem Oxidmaterial, und

e) ein Substrat, befestigt an den erwähnten Schichten aus leitendem, dielektrischem und elektrochromem Oxidmaterial und an dem Kathodenkontakt, wobei das Anlegen eines vorbestimmten Potentials zwischen den Kontakten die Färbung innerhalb der Schicht aus elektrochemem Oxidmaterial bewirkt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Färbungswirkung in der Lage ist, sich von der Kathode durch die elektrochrome Oxidschicht zur Anode zu erstrecken.

4. Elektrochrome Festkönper-Dünnschichtoxidvorrichtung, die folgendes aufweist:

a) eine obere Schicht aus Au-Material, die einen Anodenkontakt aufweist,

b) eine Schicht aus MgFp-Material, befestigt an dem Au-Material,

c) eine Schicht aus WO,-Material, befestigt an der Schicht aus MgF₂-Material,

d) einen Kathondenkontakt, der Indiumzinnoxidmaterial, befestigt an der Schicht aus WO,-Material, aufweist, und

e) ein Substrat, befestigt an den Au-, WO,-, MgF_-und Indiumzinnoxld-Materialien, wodurch das Anlegen eines vorbestimmten Potentials zwischen der Anode und Kathode dazu geeignet ist, die Färbung innerhalb der Schicht aus WO,-Material zu bewirken, und wobei die Färbungswirkung dazu in der Lage ist, sich von der Kathode zum Ende der WO,-Schicht zu erstrecken.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß das zwischen den Kathoden- und Anodenkontakten ange-

legte vorbestimmte Potential annähernd 20 V beträgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die vorangeordnete Orientierung folgendes aufweist:

a) eine obere Schicht aus leitendem Material, die einen Anodenkontakt aufweist,

b) eine Schicht aus dielektrischem Material, befestigt an der oberen Schicht,

c) eine Schicht aus Elektrochromoxidmaterial, befestigt an der Schicht aus dielektrischem Material,

d) eine an der Schicht aus Elektrochromoxidmaterial befestigte Kathode, und

e) ein Substrat, befestigt an den Schichten aus leitendem, dielektrischem und elektrochromern Oxidmaterial und an dem Kathodenkontakt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die vorangeordnete Orientierung folgendes vorsieht:

a) eine Schicht aus Elektrochromoxidmaterial,

b) eine Schicht aus dielektrischem Material, befestigt an dem elektrochromem Oxidmaterial,

c) eine Kathode, befestigt an den Schichten aus Elektrochrornoxid- und dielektrischem Material,

d) ein Substrat, befestigt an der Kathode und an der Schicht aus dielektrischem Material, und

e) eine Anode, angeordnet zwischen der Schicht aus dielektrischem Material und dem Substrat.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Färbungswirkung innerhalb der elektrochromem Oxidschicht von kathodischer Natur ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Färbungswirkung an der Kathode anfängt und seitlich (lateral) innerhalb der Elektrochromoxidschicht sich zu der Anode hin erstreckt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Färbungslänge innerhalb der elektrochromen Oxidschicht proportional zu dem vorbestimmten, an die Vorrichtung angelegten Potential ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Färbungslänge innerhalb der WO-,-Schicht proportional zum vorbestimmten Potential, angelegt an die Vorrichtung, ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Färbungswirkung an der Kathode anfängt und sich lateral innerhalb der Elektrochromoxidschicht zur Anode hin erstreckt.

13- Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß das Elektrochromoxidmaterial folgendes aufweist WO₃, MoO₃, WO₃/MoO₃, V₂O₅, Nb₂O₅, TiO₂, W₉Nb₈O₁₄₇JWO WO-./Au oder dergl..

14. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material MgF₂, SiO, TiD₂ oder

dergl. aufweist, und daß der Widerstandswert des Ma rt terial mindestens 1 χ 10 0hm' cm ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der dielektrischen Schicht ungefähr 1/30 bis 1/2 der Dicke der elektrochrornen Oxidschicht beträgt,

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Färbungswirkung innerhalb der elektrochrornen Oxidschicht von kathodischer Natur ist.