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Technischer
Bereich
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Die vorliegende Erfindung betrifft
elektrochrome Vorrichtungen, durch die Energie, einschließlich Licht,
transmittieren bzw. durchgehen kann unter kontrollierten Bedingungen.
Spezieller richtet die vorliegende Erfindung an verbesserte elektrochrome Vorrichtungen,
die über
große
Oberfläche
verwendbar sind, wie auch Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtungen.
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Stand der
Technik
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Es ist von gewissen Materialien,
die als elektrochrome Materialien bezeichnet werden, bekannt, daß sie ihre
optischen Eigenschaften ändern
in Reaktion auf die Anwesenheit bzw. das Anlegen eines elektrischen
Stroms oder einer elektrischen Spannung. Diese Eigenschaft wurde
ausgenutzt, um elektrochrome Vorrichtungen herzustellen, die gesteuert werden
können,
um wahlweise optische Energie zu transmittieren bzw. durchzulassen.
Derartige elektrochrome Vorrichtungen haben typischerweise eine Struktur,
bestehend aus aufeinanderfolgenden Schichten, einschließend eine
Schicht aus einem elektrisch leitenden Material, einer Elektrode,
die aus einer Schicht aus einem elektrochromen Material gebildet
ist, einer ionenleitenden Schicht, einer Gegenelektrodenschicht
und einer anderen elektrisch leitenden Schicht. In einem ersten
Zustand der elektrochromen Vorrichtung ist jede der zuvor erwähnten Schichten
derart optisch transparent, daß ein
Hauptanteil der auf die Vorrichtung auftreffenden optischen Energie
durch sie hindurchgelassen wird. Bei Anlegen einer elektrischen
Spannung über
diesen Schichten jedoch, ändern
sich die optischen Eigenschaften des elektrochromen Materials derart,
daß die
elektrochrome Schicht weniger transparent wird und dabei die Transmission
eines großen
Anteils der optischen Energie verhindert.
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Eine elektrochrome Vorrichtung umfassend eine
eine erste Elektrode bildende elektrochrome Schicht, eine ionenleitende
Schicht und eine Gegenelektrodenschicht, ist in US-A-4 293 194 beschrieben.
Die Vorrichtung ist sandwichartig zwischen zwei transparenten, elektrisch
leitenden In2O3-Schichten angeordnet
und beinhaltet antireflektierende Filme, die auf die In2O3-Schichten auflaminiert sind, um einen Strahlendurchgang
durch sie hindurch zu verstärkern.
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Eine der wesentlichsten potentiellen
Verwendungen dieser elektrochromen Vorrichtungen besteht in der
Steuerung der Transmission bzw. des Durchgangs optischer Energie
durch Fenster und insbesondere den großen Fenstern von Geschäftsgebäuden und
anderen derartigen Strukturen. Durch wahlweises Steuern der Transmission
optischer Energie durch diese Fenster, können erhebliche Kosteneinsparungen
in Bezug auf das Heizen und Kühlen
dieser Gebäude
realisiert werden. Bis zum heutigen Tage jedoch sind Anstrengungen,
diesen potentiellen Vorteil zu kapitalisieren, weitgehend gescheitert.
Ein Grund für
dieses Scheitern besteht in der Unfähigkeit der Industrie, wirtschaftlich
eine elektrochrome Vorrichtung herzustellen, die wirkungsvoll über bzw.
bei große(n)
Oberflächen
verwendet werden kann. Diejenigen Vorrichtungen, die bislang hierzu
verfügbar waren,
zeigten ein unerwünschtes
Mosaik unterschiedlicher Farben oder einen schillernden Effekt bei
Verwendung über
große
Oberflächenbereiche. Da
die Farbe dieser Vorrichtung direkt in Beziehung steht zu den Dicken
der verschiedenen Schichten, führen Änderungen
der Schichtdicke von Bereich zu Bereich zu Farbänderungen, die dabei diesen
schillernden Effekt erzeugen. Die extrem engen Toleranzen, die erforderlich
sind, um dieser Schwierigkeit beizukommen, machen die Verwendung
dieser Vorrichtungen für
Anwendungen mit großem
Oberflächenbereich
sehr unwirtschaftlich.
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Ein weiteres Hindernis bei der weitverbreiteten
Kommerzialisierung von elektrochromen Vorrichtungen für große Oberflächenbereiche
betrifft das Verständnis
in diesem Bereich, insofern, daß optisch transparente,
leitende Materialien verwendet werden müssen, um eine elektrische Spannung über diesen Vorrichtungen
anzulegen, so daß die
optische Transparenz dieser Vorrichtungen nicht ausgeglichen wird. Vorzugsweise
haben die aus diesen Materialien gebildeten leitenden Schichten
einen niederen Flächenwiderstand,
um eine ausreichend schnelle und gleichförmige Änderung der optischen Eigenschaften der
Vorrichtung zu bewirken. Diese Schichten sind typischerweise aus
teuren, transparenten leitenden Metalloxiden gebildet. Die relativ
dicken Schichten dieser Oxide, die erforderlich waren, um einen
akzeptablen, niederen Flächenwiderstand
für Vorrichtungen
großen
Oberflächenbereichs
zu erhalten, führten zu
einer Abnahme ihrer Gesamttransparenz. Überdies gestalten angesichts
der hohen Kosten dieser Materialien die relativ großen erforderlichen
Mengen die Verwendung dieser Materialien unwirtschaftlich.
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Es besteht daher eine Notwendigkeit
nach verbesserten elektrochromen Vorrichtungen, die ein akzeptables
Erscheinungsbild bei Verwendung bei großen Oberflächenbereichen vorsehen. Es
besteht eine weitere Notwendigkeit nach derartigen elektrochromen
Vorrichtungen, die effizient und wirtschaftlich hergestellt werden
können
und die daher zur breiten kommerziellen Nutzung verfügbar sind.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung, wie sie
in dem Gegenstand des Anspruchs 1 dargestellt ist, kommt diesen
Notwendigkeiten bei.
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Die vorliegende Erfindung sieht eine
elektrochrome Vorrichtung vor, bestehend aus einer elektrochromen
Struktur, beinhaltend eine Elektrode, die aus einem elektrochromen Material
gebildet ist, eine Gegenelektrode und ein Transportmittel zum Transportieren
von Ionen zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode. Leitende
Mittel, beinhaltend wenigstens zwei elektrisch leitende Schichten,
ordnen die elektrochrome Struktur sandwichartig dazwischenliegend
an, so daß eine
elektrische Spannung an der Struktur angelegt werden kann. Die elektrochrome
Vorrichtung beinhaltet des weiteren Verbesserungsmittel zum Verbessern
des Strahlendurchgangs durch wenigstens eine der elektrisch leitenden Schichten.
Die Elektrode, die Gegenelektrode und die ionenleitenden Schichten
sind derart ausgewählt, daß sie alle
etwa den gleichen Brechungsindex haben.
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In bevorzugten Ausführungsbeispielen
umfaßt
das Verbesserungsmittel wenigstens eine Schicht aus einem optische
transparenten Material in Oberflächenkontakt
mit der wenigstens einen elektrisch leitenden Schicht. Vorzugsweise
ist das optisch transparente Material ein transparentes Oxid, ein transparentes
Nitrid oder eine Kombination deren. In einigen äußerst bevorzugten Ausführungsbeispielen umfaßt das optisch
transparente Material ein Gemisch aus Siliciumoxid und Zinnoxid.
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Das Transportmittel beinhaltet vorzugsweise wenigstens
eine Schicht, die aus einem ionenleitenden Material gebildet ist
und zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode sandwichartig
angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel
ist das elektrochrome Material vorzugsweise gebildet aus Wolframoxid,
Niobiumoxid, Titanoxid, Molybdänoxid,
Nickeloxid, Iridiumoxid oder deren Gemischen. Die Gegenelektrode
ist vorzugsweise aus Vanadiumoxid, Niobiumoxid, Indiumoxid, Nickeloxid,
Kobaltoxid, Molybdänoxid
oder deren Gemischen gebildet. Das ionenleitende Material kann ein
Lithiumionen-leitendes Material wie beispielsweise Lithiumsilicat,
Lithiumborosilicat, Lithiumaluminiumsilicat, Lithiumniobat, Lithiumnitrid
oder Lithiumaluminiumfluorid sein. Alternativ kann das ionenleitende
Material ein Wasserstoffionenleitendes Material sein wie beispielsweise Siliciumdioxid
oder Tantalpentoxid. Vorzugsweise werden die Elektrode, die Gegenelektrode
und die ionenleitende Schicht derart gewählt, daß sie alle etwa den gleichen
Brechungsindex haben. Dies kann bewerkstelligt werden durch Einstellen
des Brechungsindexes dieser Materialien durch Hinzugabe von Oxiden, die
unterschiedliche Brechungsindize haben.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden
Erfindung sieht eine elektrochrome Kombination vor, bestehend aus
einem transparenten Substrat und einer auf dem transparenten Substrat
angeordneten elektrochromen Vorrichtung. Die elektrochrome Vorrichtung
kann im allgemeinen aus einer elektrochromen Struktur bestehen,
einschließend
eine aus einem elektrochromen Material gebildete Elektrode, eine Gegenelektrode
und Transportmittel zum Transportieren von Ionen zwischen der Elektrode
und der Gegenelektrode. Die elektrochrome Vorrichtung kann des weiteren
aus leitenden Mitteln bestehen, einschließlich wenigstens zwei elektrisch
leitenden Schichten, zwischen denen die elektrochrome Struktur sandwichartig
angeordnet ist, zum Anlegen einer elektrischen Spannung an der elektrochromen
Struktur und Verbesserungsmitteln zum Verstärken des Strahlungsdurchgangs
durch wenigstens eine der elektrisch leitenden Schichten.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele in Übereinstimmung
mit diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung können des weiteren ein transparentes
Superstrat beinhalten, wobei die elektrochrome Vorrichtung zwischen
dem transparenten Substrat und dem transparenten Superstrat sandwichartig
dazwischen angeordnet ist. Eine Schicht aus einem Haftmaterial kann
dazu verwendet werden, um das transparente Superstrat an die elektrochrome
Vorrichtung zu binden. Eine derartige Haftschicht hat vorzugsweise
einen Brechungsindex zwischen etwa 1,4 und etwa 1,8, wobei der Brechungsindex
vorzugsweise im wesentlichen gleich dem Brechungsindex des Superstrats
ist. Wahlweise kann die wenigstens eine elektrisch leitende Schicht
eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Oxid beinhalten und
die Haftschicht kann in Oberflächenkontakt
mit der elektrisch leitenden Oxidschicht stehen. In diesem Falle
hat die Haftschicht vorzugsweise einen Brechungsindex zwischen dem
Brechungsindex der elektrisch leitenden Oxidschicht und dem Brechungsindex
des Superstrats.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Ein vollständigeres Verständnis des
Gegenstandes der vorliegenden Erfindung und dessen verschiedenster
Vorteile kann realisiert werden durch Bezugnahme auf die folgende
detaillierte Beschreibung, die sich auf die beigefügten Zeichnungen
bezieht, in denen:
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1 eine
hochschematische Querschnittsansicht einer elektrochromen Vorrichtung
in Übereinstimmung
mit dem Stand der Technik ist;
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2 eine
graphische Darstellung ist, welche die optische Transmission der
elektrochromen Vorrichtung der 1 in
dem gebleichten Zustand zeigt;
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3 eine
hochschematische Querschnittsansicht einer elektrochromen Vorrichtung
in Übereinstimmung
mit einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist;
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4 eine
hochschematische Querschnittsansicht einer elektrochromen Vorrichtung
in Übereinstimmung
mit einem anderen Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist;
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5 eine
graphische Darstellung ist, welche die optische Transmission der elektrochromen Vorrichtung
der 4 in dem gebleichten
Zustand zeigt;
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6 eine
hochschematische Querschnittsansicht einer elektrochromen Vorrichtung
in Übereinstimmung
mit einem weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist;
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7 eine
graphische Darstellung ist, welche die optische Transmission der
elektrochromen Vorrichtung der 6 in
dem gebleichten Zustand zeigt;
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8 eine
hochschematische Querschnittsansicht einer elektrochromen Vorrichtung
in Übereinstimmung
mit noch einem anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist;
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9 eine
graphische Darstellung ist, welche die optische Transmission der
elektrochromen Vorrichtung der 8 in
dem gebleichten Zustand zeigt;
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10 eine
hochschematische Querschnittsansicht einer elektrochromen Vorrichtung
in Übereinstimmung
mit noch einem anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist; und
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11 eine
hochschematische Querschnittsansicht einer elektrochromen Vorrichtung
in Übereinstimmung
mit noch einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist.
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Beste Art
zur Ausführung
der Erfindung
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Zum Zwecke der vorliegenden Beschreibung werden
die elektrochromen Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang
mit ihrer Verwendung zur Steuerung der Transmission von Licht durch
ein Fenster diskutiert. Es ist jedoch erkennbar, daß diese
elektrochromen Vorrichtungen in einem weiten Bereich von Anwendungen
nützlich
sind, einschließlich
Anzeigevorrichtungen, Spiegeln mit variabler Reflexion, Linsen und ähnlichen
Vorrichtungen, bei denen die Möglichkeit
der wahlweisen Steuerung der Transmission optischer Energie durch
eine transparente Struktur vorteilhaft wäre.
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Ein Fenster 10, das eine
elektrochrome Vorrichtung in Übereinstimmung
mit dem Stand der Technik beinhaltet, wie er in der WO 8912844 beschrieben
ist, ist schematisch im Querschnitt in 1 gezeigt. Das Fenster 10 besteht
aus einer Reihe sequentieller Schichten, einschließend ein
transparentes Glassubstrat 12, eine transparente leitende
Oxidschicht 20, eine elektrochrome Elektrodenschicht 30, eine
ionenleitende Schicht 40, eine Gegenelektrodenschicht 50,
eine andere transparente leitende Oxidschicht 22 und ein
transparentes Glassuperstrat 14. Eine Niederspannungsbatterie 2 und
ein Schalter 4 sind mit Hilfe von Leitungsdrähten 6 und 8 an
der geschichteten Struktur angeschlossen. Um die optischen Eigenschaften
des Fensters 10 zu ändern, wird
der Schalter 4 geschlossen, woraufhin die Batterie 2 bewirkt,
daß eine
elektrische Spannung über
der geschichteten Struktur erzeugt ist. Die Polarität der Batterie
bestimmt die Natur der erzeugten elektrischen Spannung und daher
die Richtung des Ionen- und Elektronenstroms. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
bewirkt die elektrische Spannung, die beim Schließen des
Schalters 4 erzeugt wird, daß die Ionen von der Gegenelektrodenschicht 50 durch
die ionenleitende Schicht 40 zu der elektrochromen Elektrodenschicht 30 strömen und
dabei das elektrochrome Material zu seinen sog. "gefärbten" Zustand reduzieren.
In diesem Zustand ist die Transparenz des Fensters 10 im
wesentlichen reduziert, da ein großer Anteil der auf das Fenster 10 einfallenden
optischen Energie absorbiert und reflektiert wird durch die elektrochrome
Elektrodenschicht 30. Es heißt, daß das Fenster 10 einen "Speicher" insofern hat, als
die elektrochrome Schicht 30 bei geöffnetem Schalter 4 in
diesem gefärbten
Zustand verbleibt, vorausgesetzt, daß die Schicht 40 ebenfalls elektrisch
isolierend ist. Wird jedoch die Polarität der Batterie 2 umgekehrt
und der Schalter 4 geschlossen, so veranlaßt die angelegte
elektrische Spannung Ionen dazu, in die umgekehrte Richtung zu strömen, von
der elektrochromen Elektrodenschicht 30 durch die ionenleitende
Schicht 40 zu der Gegenelektrodenschicht 50, wobei
das elektrochrome Material in seinen "gebleichten" Zustand oxidiert wird, in dem die Transparenz
des Fensters 10 sich auf einem Maximum befindet.
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Beim Herstellen des oben beschriebenen Fensters 10 können die
Schichten 20 und 22 aus jeglichen transparenten
Oxiden gebildet werden, die hoch elektronenleitend sind wie beispielsweise
dotierte Zinnoxide, dotierte Zinkoxide, Zinndotierte Indiumoxide
und ähnliche
Materialien. Die Materialien zur Bildung der Schichten 20 und 22 müssen nicht die
gleichen sein. Die elektrochrome Elektrodenschicht 30 wird
typischerweise aus einem Material gebildet, dessen optische Eigenschaften
umkehrbar änderbar
sind, wenn sich sein Oxidationszustand ändert. Die Dicke der elektrochromen
Elektrodenschicht 30 wird normalerweise derart in dem gefärbtem Zustand
sein, daß eine
annehmbare Reduzierung der Transparenz des Fensters erzielt wird.
Ein weit verbreitetes Material in diesem Zusammenhang ist Wolframoxid
(WO3), wenngleich andere geeignete Materialien
verwendet werden können,
wie beispielsweise Molybdänoxid,
Nickeloxid, Iridiumoxid, Niobiumoxid, Titanoxid und Gemische der
vorstehenden Oxide. Die ionenleitende Schicht 40 wird dazu
verwendet, die Ionen in die und aus der elektrochrome(n) Schicht 30 zu
transportieren und muß zwei elektrisch
entgegengesetzte Eigenschaften zeigen und aufrechterhalten.
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Das heißt, die ionenleitende Schicht 40 muß leicht
Ionen bei Anlegen einer elektrischen Spannung transmittieren, dabei
jedoch elektrisch isolierend in Bezug auf die Transmission der Elektronen
bleiben. In diesem Zusammenhang muß die ionenleitende Schicht 40 eine
Dicke haben, die ausreichend ist, daß die Möglichkeit eines Elektrobogens
oder Kurzschlusses zwischen der elektrochromen Elektrodenschicht 30 und
der Gegenelektrodenschicht 50 vermieden wird. Geeignete
Materialien zur Ausbildung der Schicht 40 für die Transmission
von Lithiumionen beinhalten beispielsweise Lithiumsilicat, Lithiumborosilicat,
Lithiumaluminiumsilicat, Lithiumniobat, Lithiumnitrid und Lithiumaluminiumfluorid;
und geeignete Materialien zum Transmittieren von Wasserstoffionen beinhalten
Tantalpentoxid und Siliciumdioxid. Alternativ kann die ionenleitende
Schicht 40 aus einem Polymerwerkstoff gebildet sein.
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Die Gegenelektrodenschicht 50 des
Fensters 10 ist typischerweise aus einem Material gebildet,
das fähig
ist, Ionen zu speichern und dann diese Ionen freizugeben zur Transmission
zu der elektrochromen Schicht 30 in Reaktion auf eine geeignete elektrische
Spannung. Die Dicke dieser Schicht ist vorzugsweise derart, daß die Gegenelektrode
eine ausreichende Menge an Ionen zu der elektrochromen Elektrodenschicht
transmittieren kann, um in dieser Schicht eine annehmbare Änderung
der Farbe zu bewirken. Einige Gegenelektrodenmaterialien sind selbst
ebenfalls elektrochrom, insofern, als ihre optischen Eigenschaften
sich ändern
bei Abgabe oder Aufnahme von Ionen in Reaktion auf das Anlegen einer
elektrischen Spannung. Diese elektrochromen Gegenelektrodenmaterialien
können
den Effekt ergänzen
bzw. verstärken,
den eine elektrische Spannung ausübt auf die optischen Eigenschaften der
elektrochromen Elektrodenmaterialien.
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Das heißt, daß diese Gegenelektrodenmaterialien
weniger transparent werden können,
wenn sie Ionen freigeben, um die elektrochromen Materialien in den
gefärbten
Zustand umzuwandeln. In gleicher Weise können die Gegenelektrodenmaterialien transparenter
werden, wenn sie bei Umwandlung des elektrochromen Materials in
den gebleichten Zustand Ionen aufnehmen. Geeignete Materialien zur
Ausbildung der Gegenelektrodenschicht 50 beinhalten Vanadiumoxid,
Niobiumoxid, Indiumoxid, Nickeloxid, Kobaltoxid, Molybdänoxid und
Gemische der vorstehenden Oxide.
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Jede der oben beschriebenen Schichten kann
durch bekannte Techniken abgeschieden werden, vorausgesetzt, daß diskrete
und durchgehende individuelle Schichten ausgebildet werden. Das
spezielle Abscheideverfahren für
jede Schicht hängt
von mehreren Parametern ab, einschließlich des abzuscheidenden Materials,
der Dicke der abzuscheidenden Schicht, der Materialien, die in vorhergehenden Schichten
abgeschieden wurden, etc. Abscheidetechniken beinhalten RF-Sputtern,
chemische Dampfabscheidung, Plasma-verstärkte chemische Dampfabscheidung,
Elektronenstrahlverdampfung, Gel-Soltechniken und andere bekannte
Verfahren zum Abscheiden dünner
Filme werden typischerweise verwendet.
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Während
des Herstellungsprozesses können
die elektrochrome Elektrodenschicht 30 und/oder die Gegenelektrodenschicht 50 mit
geeigneten Ionen wie beispielsweise Lithium- oder Wasserstoffionen
versetzt werden, wenn diese Ionen nicht schon in einer dieser Schichten
in ihrer abgeschiedenen Form vorliegen. Ein Ioneneinführen kann bewerkstelligt
werden durch Behandeln der Schicht 30 oder der Schicht 50 mit
einem geeigneten Reduktionsmittel. Beispielsweise kann n-Butyl Lithium
verwendet werden für
das Lithium-Einführen
oder wässrige
schwefelige Säure
für die
Wasserstoffeinführung verwendet
werden. Alternativ kann die Ioneneinführung bewerkstelligt werden
durch einen Vakuumbearbeitungsschritt, wie beispielsweise einem
Sputtern von einem Target, das als Quelle geeigneter Ionen dient,
beispielsweise einem Lithium-Target,
das zerfällt,
um Lithium-Atome in der Dampfphase zu erzeugen. Auch kann eine Wasserstoffeinführung bewerkstelligt
werden durch Aussetzen gegenüber
einem Wasserstoffplasma.
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Eine Ioneneinführung kann auch elektrochemisch
bewerkstelligt werden durch Reduktion in einem geeigneten Ionen
enthaltenden Elektrolyten. Eine noch weitere Technik besteht im
direkten Abscheiden einer Schicht des reduzierten Materials durch
Dampfabscheidung in einer reduzierenden Atmosphäre, die mit dem Quellen- oder
Targetmaterial reagieren wird, um die gewünschte Zusammensetzung zu bilden
oder durch Verwendung einer Quelle oder eines Targets mit der reduzierten
Zusammensetzung. Bei einer noch anderen Technik des Einführen wird
ein flüchtiger
Ausgangsstoff verwendet und zündet
eine Entladung bei niedrigem Dampfdruck, um das Einführion von
dem Ausgangsstoff zu trennen. Beispielsweise kann eine organische
Lithiumverbindung in Form eines gasförmigen Ausgangsstoffs getrennt
werden, so daß Lithiumionen
in Kontakt gelangen mit dem Material, in das sie eingeführt werden
sollen.
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2 zeigt
die Transmission bzw. den Durchgang optischer Energie als Funktion
der Wellenlänge
in dem gebleichten Zustand für
ein Fenster 10, bei dem das Glassubstrat 12 einen
Brechungsindex von 1,5, die transparente, leitende Oxidschicht 20 einen
Brechungsindex von 2,1 und eine Dicke von 450 nm, die elektrochrome
Elektrodenschicht 30 einen Brechungsindex von 2,1 und eine
Dicke von 300 nm, die Ionen leitende Schicht 40 einen Brechungsindex
von 1,5 und eine Dicke von 200 nm, die Gegenelektrodenschicht 50 einen
Brechungsindex von 2,0 und eine Dicke von 200 nm, die transparente
leitende Oxidschicht 22 einen Brechungsindex von 2,1 und eine
Dicke von 450 nm und das Glas-Superstrat 14 einen Brechungsindex
von 1,5 haben. Der gebleichte Zustand ist gezeigt, da er empfindlicher
ist in Bezug auf Schwierigkeiten bei der Erzielung gleichförmiger optischer
Transmission als Funktion der Wellenlänge. Wie klar erkennbar ist,
besteht sehr geringe Ungleichförmigkeit
bzgl. der optischen Transmission durch diese geschichtete Struktur,
was zu einem Fenster führt
mit einem gefärbten
Mosaik oder schillernden Effekt.
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Ein Fenster 100, das eine
elektrochrome Vorrichtung beinhaltet und schematisch im Querschnitt
in 3 gezeigt ist, kommt
dem wirtschaftlichen Nachteil bei und reduziert die optischen Schwierigkeiten
im Zusammenhang mit der Verwendung transparenter leitender Oxide
in optisch transparenten elektrochromen Vorrichtungen großer Oberfläche. Das
Fenster 100 ist gleich dem oben beschriebenen Fenster 10,
wobei die Positionen der elektrochromen Elektrodenschicht und der
Gegenelektrodenschicht umgekehrt sind. Daher beinhaltet das Fenster 100 das
transparente Glassubstrat 12, die transparente leitende
Oxidschicht 20, die Gegenelektrodenschicht 50,
die Ionen leitende Schicht 40 und die elektrochrome Elektrodenschicht 30.
Diese Schichten sind aus im wesentlichen dem gleichen Material gebildet,
wie dies oben in Verbindung mit Fenster 10 beschrieben
wurde. Eher als eine zweite transparente leitende Oxidschicht 22 jedoch
hat das Fenster 100 eine Kombination an Schichten einschließlich einer
Schicht 21, die aus einem elektrisch leitenden Metall gebildet
ist und einer Schicht 60, die aus einem transparenten Oxid
gebildet ist, das als optische Einstell- bzw. Tuning-Schicht dient. Optional kann
das Fenster 100 auch eine Sperrschicht 80 beinhalten,
die aus einem inerten oder stabilen elektrisch leitenden Metall,
wie beispielsweise Nickel, gebildet ist, um Ionen daran zu hindern,
von der elektrochromen Elektrodenschicht 30 zur leitenden
Metallschicht 31 zu migrieren, sowie eine zweite Schicht 90,
die ein Haften der optischen Einstellschicht 60 an der
leitenden Metallschicht 21 unterstützt oder als Barriere wirken
kann, um die Trennung bzw. Lösung des
leitenden Metalls in der Schicht 21 in die transparente
Oxidschicht 60 zu verhindern. Der Aufbau wird durch ein
transparentes Glas Superstrat 14 vervollständigt.
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In der oben beschriebenen Struktur
kann die Schicht 21 aus Silber oder einem anderen stark
leitenden Metall wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium gebildet
sein. Durch Verwendung eines stark leitenden Metalls können dünne Schichten
mit geringer optischer Absorption und geringem Flächenwiderstand
gebildet werden, welche den Kosten- und Herstellungsproblemen im
Zusammenhang mit der Verwendung relativ dicker Schichten aus transparenten
leitenden Oxiden beikommen. Vorzugsweise hat die Schicht 21 eine
Dicke von zwischen etwa 5 nm und etwa 15 nm und bevorzugter zwischen
etwa 7 nm und etwa 12 nm. Obwohl selbst sehr dünne Schichten aus Silber und
anderen leitenden Metallen aufgrund ihrer hohen Reflektion nicht
stark optisch transparent sind, kann eine optische Transmission bzw.
ein Durchgang durch sie hindurch verbessert werden durch die Anwesenheit
einer geeignet gewählten
optischen Einstellschicht 60. Optische Einstellschichten
wie beispielsweise die Schicht 60, die in Kombination mit
leitenden Metallschichten verwendet werden, haben vorzugsweise eine
Dicke zwischen etwa 10 nm und etwa 50 nm und bevorzugter zwischen
etwa 23 nm und etwa 40 nm. Bevorzugte Materialien zur Ausbildung
der optischen Einstellschicht 60 haben einen Brechungsindex,
der größer ist
als etwa 1,9 und bevorzugter zwischen etwa 1,9 und etwa 2,8. Wird
eine optische Einstellschicht 60 mit einer Dicke von etwa
30–40
nm ausgebildet und mit einem Brechungsindex, der im wesentlichen
der gleiche oder größer ist
wie der für
die Gegenelektrode 30, so daß die leitende Metallschicht 21 mit
einem geringen Brechungsindex sandwichartig zwischen den Schichten 60 und 30 mit
höheren
Brechungsindizes angeordnet ist, so werden die reflektierten Signale
an den verschiedenen Schnittstellen zwischen den Schichten 14, 60, 21, 30 und 40 reduziert
und verringern dabei die Reflektion und maximieren die Transmission.
Als Folge dessen wird das Fenster 100 in dem gebleichten
Zustand der elektrochromen Elektrodenschicht 30 weitgehend
optisch transparent sein.
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Weitere Verbesserungen bei der Transmission
optischer Energie durch elektrochrome Vorrichtungen können realisiert
werden durch Verwendung des Prinzips einer optischen Einstellschicht,
wie sie oben beschrieben wurde, in Kombination mit transparenten
leitenden Oxidschichten. Ein Fenster 110, das ein derartiges
Merkmal aufweist, ist in dem schematischen Querschnitt in 4 gezeigt. Das Fenster 110 besteht
aus einem Glassubstrat 12, einer transparenten optischen
Einstellschicht 61, einer transparenten leitenden Oxidschicht 20,
einer elektrochromen Elektrodenschicht 30, einer Ionen
leitenden Schicht 41, einer Gegenelektrodenschicht 50,
einer transparenten leitenden Oxidschicht 22, einer transparenten
optischen Einstellschicht 62, einer Laminatschicht 70 und
einem transparenten Glassuperstrat 14. Jede der Schichten 12, 20, 30, 50 und 14 ist
die gleiche, wie sie oben beschrieben wurde im Zusammenhang mit
dem Fenster 100, wobei die Positionen der elektrochromen
Elektrodenschicht 30 und der Gegenelektrodenschicht 50 umgekehrt
sind, so daß sie
wieder in der in 1 gezeigten
Orientierung sind. In diesem Ausführungsbeispiel wurden die leitende
Metallschicht 21 und die optische Einstellschicht 60 ersetzt
durch eine transparente leitende Oxidschicht 22, die aus
dem selben transparenten leitenden Oxid wie die Schicht 20 sein
kann oder nicht, und einer geeigneten optischen Einstellschicht 62.
Zudem wurde eine optische Einstellschicht 61 eingeführt, um
die optische Transmission durch das Fenster 110 zu verbessern
und spezieller, um die Gleichförmigkeit
der optischen Transmission als Funktion der Wellenlänge zu verbessern.
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Die Auswahl geeigneter optischer
Einstellschichten 61 und 62 wird vorgenommen unter
Bezugnahme auf die Gleichung Brechungsindex =
n × ik,wobei
n die reelle Komponente des Brechungsindex ist, i die Quadratwurzel
von –1
und k die imaginäre Komponente
des Brechungsindex bezogen auf die Absorption. Um den optischen
Einstelleffekt zu optimieren, werden die Schichten 61 und 62 derart
gewählt,
daß sie
gegenüber
sichtbarem Licht transparent sind (d. h., die imaginäre Komponente
des Brechungsindexes, k, ist etwa gleich 0, so daß wenig
Absorption vorliegt), und die reelle Komponente des Brechungsindexes
dieser Schichten, n, ist gleich dem geometrischen Mittel der Brechungsindize
der Schichten auf beiden Seiten dieser optischen Einstellschichten.
Dadurch wird die optische Einstellschicht 61 vorzugsweise
aus einem transparenten Material gebildet, das einen Brechungsindex
hat, der gleich dem geometrischen Mittel des Brechungsindexes des
Glassubstrats 12 und des Brechungsindexes der transparenten
leitenden Oxidschicht 20 ist. In gleicher Weise wird die
optische Einstellschicht 62 vorzugsweise aus einem transparenten
Material gebildet, das einen Brechungsindex hat, der gleich dem geometrischen
Mittel der Brechungsindize von der leitenden Oxidschicht 22 und
der Laminatschicht 70 ist. So wie es hier verwendet wird,
bedeutet "geometrisches
Mittel" die Quadratwurzel
des mathematischen Produkts der beiden Brechungsindize.
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Eine richtige optische Einstellung
ist auch eine Funktion der Dicke der optischen Einstellschichten 61 und 62,
die vorzugsweise gleich einem Viertel der optischen Wellenlänge des
einfallenden Lichtes ist. Die optische Wellenlänge durch eine Schicht wird bestimmt
durch Teilen der Wellenlänge
des zur Rede stehenden Lichts durch den Brechungsindex des Mediums,
durch das es gelangt, d. h. die Schichten 61 und 62.
Für sichtbares
Licht mit Wellenlängen
zwischen etwa 400 bis 650 nm, kann eine sinnvolle Näherung der
optischen Wellenlänge
vorgenommen werden durch Teilen einer Wellenlänge von 540 mm durch den Brechungsindex
der optischen Einstellschicht. Die Dicke der optischen Einstellschicht
kann dann bestimmt werden durch Teilen der optischen Wellenlänge durch
vier. Vorzugsweise haben optische Einstellschichten, die verwendet
werden in Kombination mit transparenten leitenden Oxidschichten,
wie beispielsweise die Schichten 20 und 22, eine Dicke
von zwischen etwa 60 nm und etwa 90 nm.
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Als ein Beispiel des Vorstehenden
zeigt das folgende das Verfahren zur Auswahl des Brechungsindexes
und der Dicke der optischen Einstellschicht 61. Als erstes
wird der gewünschte
Brechungsindex bestimmt durch Multiplizieren von 1,5 (dem Brechungsindex
des Glassubstrats 12) × 2,1
(dem Brechungsindex der transparenten, leitenden Oxidschicht 20) und
durch Ziehen der Quadratwurzel des Produktes. Diese Berechnung ergibt
einen Brechungsindex von 1,77. Die Dicke der optischen Einstellschicht 61 wird
dann bestimmt durch Teilen von 540 nm durch 1,77, um eine optische
Wellenlänge von
etwa 300 nm zu erhalten. Vorzugsweise ist die Dicke der optischen
Einstellschicht 61 ein Viertel dieses Wertes oder etwa
75 nm. Die Berechnung der optischen Einstellschicht 62 wird
in der gleichen Weise durchgeführt.
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Bevorzugte Materialien zur Ausbildung
der diskreten optischen Einstellschichten nach der vorliegenden
Erfindung beinhalten transparente Oxide, transparente Nitride und
eine Kombination aus transparenten Oxiden und transparenten Nitriden.
Besonders bevorzugt sind Gemische der Oxide von Silicium und Zinn.
In diesen Gemischen bestimmt das Silicium-zu-Zinn-Verhältnis den
Brechnungsindex, wobei ein höheres
Silicium-zu-Zinn-Verhälntis den
Brechungsindex mindert und ein niedrigeres Silicium-zu-Zinn-Verhältnis den
Brechungsindex erhöht. Andere
Materialien, die für
die optischen Einstellschichten Verwendung finden können, werden
wiedergegeben in Gordon's
US-Patenten Nr. 4,187,336 und 4,308,316, deren Offenbarungen hierbei
beinhaltet sind. Eine geeignete Wahl der optischen Einstellschichten 61 und 62 wird
die optische Interferenz an der Schnittstelle zwischen der leitenden
Oxidschicht 20 und dem Substrat 12 im Falle der
Einstellschicht 61 minimieren und an der Schnittstelle
zwischen der leitenden Oxidschicht 22 und der Laminatschicht
70 im Falle der Einstellschicht 62.
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Die Laminatschicht 70 ist
eine Haftschicht um das Glassuperstrat 14 an der optischen
Einstellschicht 62 anzuhaften. Damit die Laminatschicht 70 die
optische Transmissionsfähigkeit
des Fensters 110 nicht mindert, ist die Laminatschicht 70 vorzugsweise
derart gewählt,
daß sie
einen Brechungsindex hat, der im wesentlichen der gleiche ist wie
der Brechungsindex des Glassuperstrats 14, wodurch Interferenzeffekte
zwischen diesen Schichten minimiert sind. In dieser Beziehung sind
besonders geeignete Haftmittel für die
Laminatschicht 70 Ethylenvinylacetat und Polyvinylbutyral.
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Die elektrochrome Struktur des Fensters 110 unterscheidet
sich des weiteren von derjenigen des Fensters 100 und Elektrochromenvorrichtungen nach
dem Stand der Technik insofern, als das Prinzip der optischen Einstellung
auf die ionenleitende Schicht 41 angewandt wird. In diesem
Falle kann eine optische Interferenz an den Schnittstellen zwischen
der ionenleitenden Schicht 41 und den angrenzenden elektrochromen
Elektrodenschicht 30 und Gegenelektrodenschicht 50 im
wesentlichen ausgeschaltet werden, indem die ionenleitende Schicht 41 aus
einem transparenten Material gebildet wird, das einen Brechungsindex
hat, der etwa gleich den Brechungsindize der elektrochromen Elektrodenschicht 30 und
der Gegenelektrodenschicht 50 ist. Die Brechungsindize
der elektrochromen Elektrodenschicht 30, der ionenleitenden
Schicht 41 und der Gegenelektrodenschicht 50 können eingestellt
werden durch Mischen der Materialien zur Ausbildung dieser Schichten
mit Materialien, die höhere
oder niedrigere Brechungsindize haben, um das gewünschte Resultat
zu erzielen. Dort, wo es gewünscht
ist, eine ionenleitende Schicht 41 mit einem Brechungsindex
zu haben, der größer ist
als der durch Lithiumsilicat vorgesehene, können beispielsweise Gemische
aus Lithiumsilicat und Titan oder Zirkonium Verwendung finden. Wenn
die Brechungsindize aller dieser drei Schichten etwa gleich sind,
wird eine Interferenz an diesen Schnittstellen im wesentlichen ausgeschaltet und
eine optische Transmission maximiert sein.
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Bei besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen
werden die Brechungsindize der elektrochromen Elektrodenschicht 30,
der ionenleitenden Schicht 41 und der Gegenelektrodenschicht 50 so eingestellt,
daß sie
im wesentlichen ähnlich
bzw, gleich den Brechungsindize der leitenden Oxidschichten 20 und 22 sind.
Aufgrund der komplementären
Natur obiger optischer Einstellprozesse sind des weiteren die Dicken
der Schichten 20 bis 22 nicht mehr länger kritisch
in Bezug auf die optische Interferenz und liefern dabei eine viel
größere Dickentoleranz
während
der Ausbildung dieser Schichten.
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5 zeigt
die Transmission der optischen Energie als Funktion der Wellenlänge für ein Fenster 110 in
dem gebleichten Zustand, in dem das Glassubstrat einen Brechungsindex
von 1,5, die optische Einstellschicht 61 einen Brechungsindex
von 1,77 und eine Dicke von 75 nm, die transparente leitende Oxidschicht 20 einem
Brechungsindex von 2,1 und eine Dicke von 450 nm, die elektrochrome
Elektrodenschicht 30 einen Brechungsindex von 2,1 und eine
Dicke von 300 nm, die ionenleitende Schicht 41 einen Brechungsindex
von 2,0 und eine Dicke von 200 nm, die Gegenelektrodenschicht 50
einem Brechungsindex von 2,0 und eine Dicke 200 nm, die transparente
leitende Oxidschicht 22 einen Brechungsindex von 2,1 und
eine Dicke von 450 nm, die optische Einstellschicht einen Brechungsindex
von 1,77 und eine Dicke von 75 nm, die Laminatschicht 70 einen
Brechungsindex von 1,5 und das Glassuperstrat 14 einen
Brechungsindex von 1,5 haben. Wie eindeutig in 5 gezeigt ist, erzeugen die vorstehenden
Eigenschaften ein Fenster 110, das exzellente Gleichförmigkeit
in Bezug auf die optische Transmission bzw. den optischen Durchgang
zeigt.
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Ein Fenster 120 in Übereinstimmung
mit einem alternativen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist schematisch in 6 gezeigt. Das Fenster 120 ist
im wesentlichen das gleiche wie das oben beschriebene Fenster 110,
mit der Ausnahme, daß die
optische Einstellschicht 61 ersetzt wurde durch ein Paar
optische Einstellschichten 63 und 63 und die optische
Einstellschicht 62 entfernt wurde. Die Verwendung zweier
optischer Einstellschichten 63 und 64 liefert
Vorteile gegenüber
der Verwendung einer einzelnen optischen Einstellschicht. Ein erster Vorteil
besteht darin, daß zwei
optische Einstellschichten die Möglichkeit
eröffnen
für die
Erzielung einer effektiveren optischen Einstellung mit einer kombinierten
Einstellschichtdicke, die geringer ist als die Dicke, die erforderlich
ist für
eine einzelne optische Einstellschicht. Ein anderer Vorteil der
Verwendung der beiden optischen Einstellschichten besteht darin,
daß jede
Schicht aus einfacheren Materialien gebildet werden kann, als dies
möglich
ist bei einer einzelnen optischen Einstellschicht, wodurch die komplexe
Chemie vermieden wird, die erforderlich ist, um derartige einzelne
Schichten auszubilden. Techniken, bei denen zwei Schichten für die optische Einstellung
verwendet werden, sind in Gordon's US-Patenten Nr. 4,377,613
und 4,419,386 offenbart, deren Offenbarungen hierin beinhaltet sind.
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Dort wo zwei optische Einstellschichten 63 und 64 aneinander
angrenzend verwendet werden, kann eine optische Einstellung erzielt
werden durch Wahl einer optischen Einstellschicht 64, die
einen Brechungsindex hat, der wesentlich kleiner ist als der Brechungsindex
der Schicht 20 und durch Wahl einer optischen Einstellschicht 63,
die einen Brechungsindex hat, der wesentlich größer als der Brechungsindex
der optischen Einstellschicht 64 und am bevorzugtesten,
der im wesentlichen gleich dem Brechungsindex der transparenten
leitenden Oxidschicht 20 ist.
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Bei einer derartigen Kombination
löscht
sich die Interferenz zwischen den verschiedenen Schnittstellen im
wesentlichen aus und eine Transmission durch die verschiedenen Schichten
wird maximiert, wenn die Schichten 63 und 64 geeignete
Dicken haben. Vorzugsweise hat die Schicht 64 einen Brechungsindex
zwischen etwa 1,4 und 1,7 und die Schichten 63 und 64 eine
kombinierte Dicke von zwischen etwa 30 nm und etwa 70 nm, wobei
die Schicht 64 eine größere Dicke
hat als die Schicht 63.
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7 zeigt
die optische Transmission durch das Fenster 120 in dem
gebleichten Zustand als Funktion der Wellenlänge, wobei das Glassubstrat 12 einen
Brechungsindex von 1,5, die optische Einstellschicht 63 einen
Brechungsindex von 2,1 und eine Dicke von 20 nm, die optische Einstellschicht 64 einen
Brechungsindex von 1,5 und eine Dicke von 29 nm, die transparente
leitenden Oxidschicht 20 einen Brechungsindex von 2,1 und
eine Dicke von 450 nm, die elektrochrome Elektrodenschicht 30 einen
Brechungsindex von 2,1 und eine Dicke von 300 nm, die ionenleitende
Schicht 41 einen Brechungsindex von 2,0 und eine Dicke
von 200 nm, die Gegenelektrodenschicht 50 einen Brechungsindex
von 2,0 und eine Dicke von 200 nm, die transparente leitende Oxidschicht 22 einen
Brechungsindex von 2,1 und eine Dicke von 450 nm, die Laminatschicht 70 einen Brechungsindex
von 1,5 und das Glassuperstrat 14 einen Brechungsindex
von 1,5 haben. Wie aus dieser Figur erkennbar ist, ist die optische
Transmission durch das Fenster 120 gleichförmiger als
durch die Fenster, welche ohne optische Einstellschicht gebildet
sind (beispielsweise das Fenster 10), jedoch weniger gleichförmig als
durch das Fenster 110. Der Hauptgrund für diese geringere Leistung
ist die Abwesenheit einer optischen Einstellschicht zwischen der
leitenden Oxidschicht 22 und der Laminatschicht 70 in
dem hinteren Ende der Vorrichtung.
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Eine Verbesserung der optischen Transmissionseigenschaften
des Fensters 120 kann erzielt werden durch Einstellung
der Brechungsindize der elektrochromen Elektrodenschicht 30,
der ionenleitenden Schicht 41 und der Gegenelektrodenschicht 50,
so daß sie
einander mehr gleich sind und zu den Brechungsindize der transparenten
leitenden Oxidschichten 20 und 22.
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Eine weitere leichte Verbesserung
der optischen Transmissionseigenschaften des Fensters 120 kann
erzielt werden durch Optimieren des Brechungsindexes der Laminatschicht 70.
Dies kann erreicht werden durch Verwendung einer Laminatschicht 70 mit
einem Brechungsindex, der das geometrische Mittel der Brechungsindize
der transparenten leitenden Oxidschicht 22 und des Glassuperstrats 14 ist.
Da die Laminatschicht 70 dazu dient, das Superstrat 14 an
der transparenten leitenden Oxidschicht 22 anzuhaften,
besteht wenig Möglichkeit,
die Dicke dieser Schicht zu verändern.
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Eher als bei den vorstehenden Verfahren zum
optischen Einstellen der transparenten leitenden Oxidschicht 20,
kann diese Schicht optisch eingestellt werden durch die Verwendung
von zwei oder mehreren optischen Einstellschichten, die derart gewählt sind,
daß die
Brechungsindize der verschiedenen Schichten allmählich größer werden, ausgehend von dem
Brechungsindex des Substrats 12 zu dem Brechungsindex der
transparenten leitenden Oxidschicht 20. In dieser Hinsicht
können
die Schichten 63 und 64 des Fensters 120 ersetzt
werden durch zwei oder mehr Schichten monoton zunehmender Brechungsindize.
Beispielsweise wird bei einer Vorrichtung, die ein Glassubstrat 12 mit
einem Brechungsindex von 1,5 und eine transparente leitende Oxidschicht 20 mit
einen Brechungsindex von 1,9 beinhaltet, die optische Einstellschicht 63 vorzugsweise einem
Brechungsindex von etwa (1,52 × 1,9)1/3 oder 1,62 haben und die optische Einstellschicht 64 wird vorzugsweise
einen Brechungsindex von etwa (1,5 × 1,92)1/3 oder 1,76 haben. Die Dicken der Schichten 63 und 64 sind
vorzugsweise etwa 60 nm bzw. 53 nm, wie dies bestimmt wird durch
optisches Modellieren zur Erzielung maximaler Transmission. Wo dies
wünschenswert
ist, kann eine Serie von mehr als zwei angrenzenden optischen Einstellschichten
verwendet werden, um weiter den optischen Einstellaffekt zu verstärken.
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Bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung
mit der oben beschriebenen Struktur des Fensters 110 oder
des Fensters 120, war es wünschenswert, daß die transparenten
leitenden Oxidschichten 20 und 22, die elektrochrome
Elektrodenschicht 30, die ionenleitende Schicht 41 und
die Gegenelektrodenschicht 50 alle den gleichen Brechungsindex
haben. Wenn dies der Fall ist, sind die Dicken dieser Schichten
stark untergeordnet, und eine optimale optische Einstellung wird
erreicht, d. h., diese Fenster zeigen einen minimalen Schilleranteil.
Falls jedoch eine wesentliche Nicht-Übereinstimmung
der Brechungsindize für
diese Schichten besteht, kann immer noch eine gewisse optische Einstellung
bewerkstellig werden durch Einstellen der Dicken der Schichten.
Zu Zwecken der Darstellung kann jede der Schichten des Fensters 120 die
oben in Verbindung mit 7 beschriebenen
Brechungsindize und Dicken haben, mit der Ausnahme, daß die ionenleitende
Schicht 41 einen Brechungsindex von 1,5 haben kann. Um
in diesem Szenario das Schillern zu minimieren, sollte die Dicke
der ionenleitenden Schicht 41 reduziert werden auf zwischen
etwa 130 nm und etwa 160 nm, wie dies bestimmt wird durch optisches
Modellieren, um eine maximale Transmission durch das Fenster zu
erzielen.
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Ein Fenster 130 in Übereinstimmung
mit noch einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in dem schematischen Querschnitt
in 8 gezeigt. Das Fenster 130 ist
gleich dem oben beschriebenen Fenster 120, mit der Ausnahme,
daß die
transparente leitende Oxidschicht 22 ersetzt wurde durch
eine leitende Metallschicht 21 und eine optische Einstellschicht 64.
Die Schichten 21 und 64 können im wesentlichen gleich
den Schichten 21 und 60 des oben beschriebenen
Fensters 100 sein und wirken mit den anderen Schichten in
derselben Weise wie in dem Fenster 120 zusammen, um ein
optisch eingestelltes, optisch transparentes elektrochromes Fenster
vorzusehen.
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9 zeigt
die optische Transmission als Funktion der Wellenlänge in dem
gebleichten Zustand eines Fensters 130, dessen Schichten
die gleichen Brechungsindize und Dicken haben, wie dies oben in
Verbindung mit Fenster 120 beschrieben wurde, und wobei
die leitende Metallschicht 21 Silber mit einer Dicke von
10 mm ist und die optische Einstellschicht 64 ein transparentes
Oxid mit einem Brechungsindex von 2,5 und einer Dicke von 30 nm
ist. Wie aus dieser Figur erkennbar ist, liefert die Struktur des
Fensters 130 eine gute Gleichförmigkeit der optischen Transmission
in Bezug auf die Wellenlänge. Überdies
zeigt ein Vergleich der 7 und 9, daß Fenster, welche leitende
Metallschichten beinhalten, eine optische Transmission zeigen, die
gleich der optischen Transmission durch Fenster ist, die eher transparente
leitende Oxidschichten verwenden als leitende Metallschichten.
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Noch ein anderes Ausführungsbeispiel
eines Fensters 140 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ist schematisch in 10 gezeigt. Das Fenster 140 ist
im wesentlichen das gleiche wie das oben beschriebene Fenster 130,
mit der Ausnahme, daß eine
zwischenliegende Schicht 22 zwischen der leitenden Metallschicht 21 und
der Gegenelektrodenschicht 50 hinzugefügt wurde. In einem Ausführungsbeispiel
ist die zwischenliegende Schicht 22 aus einem transparenten
elektrisch leitenden Oxid gebildet und kombiniert mit der leitenden
Metallschicht 21, um ein Laminat vorzusehen mit geringerem
Gesamtflächenwiderstand,
was die Schaltzeit zwischen dem gebleichten und dem gefärbten Zustand
verbessert. Dieses verbesserte Schalten kann daher bewerkstelligt
werden, ohne die optischen Eigenschaften der Vorrichtung zu verschlechtern,
wie dies der Fall wäre, falls
die Dicke der leitenden Metallschicht 21 wesentlich vergrößert würde. Des
weiteren kann eine transparente elektrisch leitende Oxidschicht 22 als
Diffusionsbarriere dienen, um eine unerwünschte Diffusion zwischen der
Gegenelektrodenschicht 50 und der leitenden Metallschicht 21 zu
verhindern.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann
die zwischenliegende Schicht 22 die Form einer Metallschicht
mit einer Dicke von weniger als etwa 2 mm haben. In diesem Ausführungsbeispiel
dient die Metallschicht typischerweise einer der gleichen Funktionen
wie die Schichten, die aus transparenten elektrisch leitenden Oxiden
gebildet sind, d. h., sie verhindert eine unerwünschte Diffusion zwischen der Gegenelektrodenschicht 50 und
der leitenden Metallschicht 21. Bevorzugte Metalle zur
Ausbildung der Schicht 22 beinhalten Metalle, die hochstabil
oder inert sind. Ein besonders bevorzugtes Metall in dieser Hinsicht
ist Nickel. Ungeachtet des Metalls zur Ausbildung der zwischenliegenden
Schicht 22 hat die optische Einstellschicht 64 wieder
vorzugsweise einen Brechungsindex größer als 1,9 und eine Dicke
zwischen etwa 10 nm und etwa 50 nm.
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Ein Fenster 150 in Übereinstimmung
mit noch einem anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist schematisch in 11 dargestellt. Das Fenster 150 ist
im wesentlichen das gleiche wie das Fenster 130 mit der
Ausnahme, daß die transparente
Oxidschicht 20 und die optischen Einstellschichten 63 und 64 ersetzt
wurden durch die leitende Metallschicht 23 bzw. die optische
Einstellschicht 65, um dabei einen Zwang auf die kombinierte
Dicke der Schichten 30, 41 und 50 auszuüben. Es ist
in diesem Ausführungsbeispiel
wünschenswert, daß die Schichten 30, 41 und 51 gleiche
Brechungsindize haben und daß die
kombinierte Dicke dieser Schichten so dünn wie möglich ist, die dem Zwang unterliegt
einer maximalen Transmission bei einer gewählten Wellenlänge zwischen
etwa 400 nm und 650 nm. Falls beispielsweise die Schichten 30, 41 und 50 jeweils
Brechungsindize von etwa 2,2 haben, so wäre dann ihre kombinierte Dicke
vorzugsweise etwa 50 nm oder etwa 300 nm, bestimmt durch optisches
Modulieren, um eine maximale optische Transmission zu erzielen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist
die leitende Metallschicht 23 gleich der leitenden Metallschicht 21 und
die optische Einstellschicht 65 gleich der optischen Einstellschicht 64.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung (nicht gezeigt) kann die optische Einstellschicht 64 der
Fenster 130, 140 oder 150 aus einem elektrisch
leitenden transparenten Oxid gebildet sein. In diesem Falle kann
die Herstellung dieser Vorrichtungen vereinfacht werden, indem eher
Drähte 6 und 8 mit
der Schicht 64 verbunden werden, als mit der leitenden
Metallschicht 21, wodurch die Maskier- oder Ätzschritte
vermieden werden, die andernfalls erforderlich wären.
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Wie oben erläutert, werden die elektrochromen
Vorrichtungen nach der vorliegenden Erfindung typischerweise auf
einem Substrat wie beispielsweise Glassubstrat 12, aufgebaut.
Dieses Substrat trägt nicht
nur die sehr dünnen
Schichten dieser Vorrichtungen während
der Herstellung und dem Gebrauch, sondern schützt auch die Schichten gegenüber einer Beschädigung,
die herrührt,
wenn sie der Umwelt ausgesetzt sind. Ein Superstrat wie beispielsweise Glassuperstrat 14 liefert
eine weitere Tragfähigkeit und
einen Schutz. Obgleich alle Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden in Verbindung mit
einem Substrat und einem Superstrat aus Glas, können andere Substrat- und Superstratmaterialien
Verwendung finden, einschließlich
transparenter Keramikmaterialien und steifer und flexibler transparenter
Kunststoffe. In dieser Beziehung ist das in 11 gezeigte Ausführungsbeispiel speziell verwendbar
für Kunststoffsubstrate,
da die leitende Metallschicht 23 bei relativ niedrigen
Temperaturen aufgetragen werden kann. Des weiteren ist vorgesehen,
daß elektrochrome
Vorrichtungen anfänglich
auf Kunststoffsubstraten ausgebildet sein können und die gesamte Anordnung
dann bei Fenstern oder anderen derartigen Strukturen verwendet wird.
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Des weiteren beabsichtigen die oben
erläuterten
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung das Abscheiden von Schichten aufeinanderfolgend
von dem Substrat 12 auf das Superstrat 14 unter
Verwendung von ionenleitenden Schichten, die aus keramischen Werkstoffen
gebildet sind. Es ist jedoch selbstverständlich, daß optisch eingestellte Vorrichtungen
gebildet werden können
durch Zusammenbau zweier "hälftiger" Strukturen an gegenüberliegenden
Seiten eines Polymerbogen, der dann als ionenleitende Schicht dienen
wird. Beispielsweise kann das Fenster 110 hergestellt werden
durch Ausbilden der Schichten 61, 20 und 30 auf
dem Substrat 12, Ausbilden der Schichten 62, 22 und 50 auf
dem Superstrat 14 (Schicht 70 wird in dieser Anordnung nicht
mehr länger
notwendig sein) und dann sandwichartiges Anordnen dieser zwei Abschnitte
miteinander um einen ionenleitenden, elektrisch isolierendem Polymerbogen,
der dann dadurch als ionenleitende Schicht 41 dienen würde.
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Obgleich die Erfindung hier beschrieben wurde
unter Bezugnahme auf die speziellen Ausführungsbeispiele, ist es selbstverständlich,
daß diese Ausführungsbeispiele
lediglich der Darstellung der Prinzipien und Anwendungen der vorliegenden
Erfindung dienen. Es ist daher selbstverständlich, daß viele Modifikationen bezüglich der
dargestellten Ausführungsbeispiele
vorgenommen werden können
und daß andere
Anordnungen vorgesehen sein können, ohne
von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie er in
den beigefügten
Ansprüchen ausgeführt ist.
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Gewerbliche
Anwendbarkeit
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Die elektrochromen Vorrichtungen
nach der vorliegenden Erfindung zeigen eine optische Transmission über weite
Oberflächenbereiche,
die besser ist als bei zuvor bekannten Vorrichtungen.