JP2000510970A - 光スイッチング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 透明基板（３）と、厚さが３００nmで、三価の遷移又は希土類金属の水素化物より成るスイッチングフィルム（５）と、厚さが３０nmのパラジウムキャップ層とを具える光スイッチング装置(１)。キャップ層は水素と接触する。スイッチングフィルム（５）を流れる電流は端子（９，１１）間でスイッチ−オン及びスイッチ−オフさせることができる。スイッチングフィルム（５）のジュール熱により、光透過性の三水素化物状態から光吸収性の二水素化物状態への急速な遷移を生ぜしめる。電流をスイッチ−オフさせることにより、スイッチングフィルム（５）が冷却し、これにより、光吸収性の二水素化物の状態を形成する。これら双方の状態間の変換は可逆的であり、何度も繰返すこよができる。この光スイッチング装置は光ビームを制御するのに用いたり、表示に又は表示のために用いたりすることができる。随意ではあるが、スイッチングフィルム（５）と熱接触するペルティエ素子によりスイッチングフィルム（５）を冷却させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 光スイッチング装置 本発明は、基板と、 この基板上に形成されたスイッチングフィルムであって、三価の遷移又は希土 類金属の水素化物を含有し、水素の交換により光吸収性の二水素化物状態から光 透過性の三水素化物状態に可逆的に切換りうる当該スイッチングフィルムと、 このスイッチングフィルム上に形成され、水素を解離しうるキャップ層と、 このキャップ層と接触する水素源と を具える光スイッチング装置に関するものである。 本発明は更に、このような光スイッチング装置の使用方法にも関するものであ る。 光スイッチング装置では、気圧や、電圧又は電流や、温度や、光のような外部 の影響によって光学特性が決定される。 例えば、エレクトロクロミック装置が周知であり、この装置では、例えばイン ジウム−錫酸化物より成る２つの透明な導電性電極層間にMoO₃のようなエレクト ロクロミック材料が挟まっている。電極層とエレクトロクロミック材料との間に は、Ｈ⁺又はLi⁺イオン伝達材料が存在する。光スイッチング装置は更に、イオン を蓄積するイオン蓄積層をも有する。これらの層に垂直に電流を供給することに より、層のパケットの光透過性又は色を変化させる。この光透過性の変化は可逆 的にしうる。エレクトロクロミック材料は例えば、ビルディングの可変光透過率 窓や、自動車の防眩ミラーに用いられている。 酸化エレクトロクロミック材料を用いた光スイッチング装置の場合、その動作 に多量の層が必要となるという欠点がある。他の重大な欠点は、このような材料 は光透過率をほんのわずかしか変えることができず、従って、わずかなコントラ ストを達成しうるにすぎないということである。 本出願人が出願した米国特許第5,635,729号明細書には、パラジウムキャップ 層で被覆された、Ｙ及びLaのような、三価の遷移又は希土類金属より成るスイ ッチングフィルムを、水素の交換により低水素量状熊（ＹＨ_x；ｘ≒1.7〜2.5） と高水素量状態（ｘ≒2.5〜３）との間で可逆的に切換えうるようにしたスイッ チング装置が記載されている。低水素状態は金属質で、光吸収性であるのに対し 、高水素状態は光透過性である。スイッチングフィルムを光透過性の状態に切換 えるのは、Ｈ₂分子をＨ原子に解離するPdキャップ層と接触する水素ガスの分圧 を(例えば１バールと真空との間で)変えることにより行われる。１バールの水素 圧では、光吸収性の低水素状態が光透過性の高水素状態に変換される。水素の排 気後、高水素状態が低水素状態に変換される。これらの変換は数秒以内で行われ る。以下の説明では、低水素状態及び高水素状態にそれぞれ相当する称呼、二水 素化物状態及び三水素化物状態を用いる。 本発明の目的は、特に、前述した双方の状態間で、より容易にかつ高速度で切 換えうる光スイッチング装置を提供せんとするにある。更に、前述した変換は、 一般的な温度及び圧力では比較的高速に、すなわち、0.05秒以内で行いうるよう にする必要がある。更に、スイッチング装置は簡単な層構造を有するようにする 必要がある。 本発明によれば、この目的を、光スイッチング装置に、前記スイッチングフィ ルムに加熱及び冷却の双方又はいずれか一方を行う手段が設けられていることを 特徴とする頭書に記載の光スイッチング装置により達成する。Ｍを三価の金属と した金属水素化物ＭＨ_xのｘの変化は、スイッチングフィルムの温度を変えるこ とにより達成される。 熱をスイッチングフィルムに加えることにより、水素が分離して、三水素化物 状態が二水素化物状態に変換され、光透過性フィルムが光吸収性となる。スイッ チングフィルムを冷却することにより、水素が吸着し、二水素化物状態が三水素 化物状態に変換され、光吸収性のフィルムが光透過性となる。 水素ガスの圧力が固定であると、三価金属の水素化物における水素含有量は温 度の関数となる。ほぼ固定の水素圧は、スイッチングフィルムとキャップ層とを 、水素ガスの入った密封されたハウジング内に存在させた場合に得られる。 スイッチングフィルムの加熱は、放熱、自然又は強制対流及び伝導に基づく加 熱手段により行うことができる。特定例では、スイッチング装置に透明な導電性 被膜を設ける。適切な透明導電性被膜は例えば、弗素をドーピングしたインジウ ム−錫酸化物（ＩＴＯ）である。電流をこの被膜に流すと、この被膜はジュール 熱により加熱される。透明な導電性被膜は外部ヒータとして用いることができる も、基板とスイッチングフィルムとの間に、或いは、基板の裏面上に、すなわち 、スイッチングフィルム側とは離れた方の基板表面上に設けるのが好ましい。 スイッチングフィルムの冷却は、加熱手段を除去するか、或いは、スイッチン グ−オフさせることにより行うことができ、この場合スイッチングフィルムを低 温度、例えば、室温まで冷却させる。好適例では、冷却手段がペルティエ素子を 有するようにする。ペルティエ素子は、銅ブリッジを以て一方の面を連結させた 、２つの、ドーピングされたBiTeのブロック（ｎ⁺及びｐ⁺）より成る熱電式ヒー トポンプである。これらブロックの他方の面には、銅接点が設けられている。銅 ブリッジには薄肉のセラミック層が設けられている。冷却すべき物体はセラミッ ク層上に配置する。熱は、直流電流の方向に応じて、接点領域（冷接点）から銅 接点付近の冷却体に伝達される。ペルティエ冷却素子は市販されており、例えば 、ＩＣ及び電力トランジスタを冷却するのに用いられている。 ペルティエ素子は、代表的な例では、４０×４０×１mmの寸法及び７０Ｗのク ーリングパワーを有する。 いわゆるペルティエ効果は可逆的であり、すなわち、ペルティエ素子中の直流 電流を反転させることによりBiTeブロック上の銅ブリッジが加熱され、冷接点が 熱接点となり、ペルティエ素子が加熱素子として作用する。このことは、ペルテ ィエ素子はスイッチングフィルムの（高速）加熱及び冷却の双方に対して用いう るということを意味する。 標準のペルティエ素子を用いる場合、これらによってスイッチングフィルムと の熱接点を閉じる必要がある。(ディスプレイのような)より複雑な装置に対して は、これらペルティエ素子を、厚膜及び薄膜技術で（サブ）ミクロンの寸法まで 小さくして造ることができる。ペルティエ素子の形状は、強制的な温度変化が、 好ましい領域で最も有効にもたらされるように設計することができる。ペルティ エ素子は例えば、画素又は網目配列に設けることができる。 ペルティエ素子を用いる効果は、スイッチングフィルムの切換えが生じる温度 領域を、強制的な冷却及び加熱の組合せにより、例えば、７０〜９０℃の温度内 で微細調整しうるということである。このことは、スイッチング装置が室温より も著しく高い温度の環境で動作する場合に特に有利である。このような状態では 、ペルティエ素子をスイッチングフィルムの冷却用に用いることができ、一方、 スイッチングフィルムの加熱はペルティエ素子をスイッチ−オフさせた際に周囲 の環境によって行われる。ペルティエ素子を流れる直流電流を反転させることに より温度の上昇を強制的に達成することができること、勿論である。 本発明の好適例では、光スイッチング装置に電気端子を設け、これら端子間に 電流を供給することができ、この電流は、スイッチングフィルムの加熱に当って このスイッチングフィルムに対しほぼ平行な方向で少なくともこのスイッチング フィルムを流れるようにする。 既知のエレクトロクロミック装置と相違して、電流は活性層を垂直に流れず、 活性層に対しほぼ平行な平面内で、すなわち、フィルムの長さ／幅の方向に沿っ て流れる。電流が無いと、スイッチングフィルムは冷却したままに保たれ、電流 がスイッチ−オンされると、スイッチングフィルムが加熱される。スイッチング フィルムに流れる電流をスイッチ−オンさせると、ジュール熱により温度が急激 に上昇される。これにより、スイッチングフィルム内のＨ含有量を減少させ、ス イッチングフィルムの組成が二水素化物状態に近づき、その結果、光の透過率が 減少する。電流がスイッチ−オフされると、基板を経る熱伝導のために温度が減 少する。水素を吸着すると、フィルムの組成が三水素化物状態に近づき、光の最 大の透過が得られる。これら双方の水素化物の組成は導電性である。 異なる水素化物状態を形成しうる三価の金属の例は、イットリウムやランタン のような遷移金属及びガドリニウムやサマリウムのような希土類金属である。イ ットリウムの水素化物は光透過状態で黄色であり、ランタンの水素化物は光透過 状態で赤色である。ガドリニウム及びマグネシウムとサマリウムとの合金が特に 有効である。その理由は、光透過状態での光透過率が高く、得られるコントラス ト、すなわち、光透過状態と光不透過状態との光透過率の差が大きく、光透過状 態でニュートラルグレイが現れるためである。 スイッチングフィルムは前述した三価の金属の合金、例えば、Ｙ−Laを以て構 成することもでき、或いは、これら金属の薄膜を２つ以上交互に積重たものを以 て構成することもできる。所望に応じ、スイッチングフィルムをマグネシウムの ような他の金属と合金化させることができる。これらの手段により、スイッチン グフィルムの色、安定性及びスイッチング速度を調整することができる。 例えば、イットリウム水素化物の双方の水素化物組成は、それぞれ組成ＹＨ₂ 及びＹＨ₃付近のある範囲にあればよく、各組成は、モル比ｘ＝Ｈ／Ｙで表した 、約0.2〜0.5の幅を有する。特定の金属水素化物の正確な組成はこの金属に依存 する。 スイッチングフィルムには、例えば、Pdより成る薄肉のキャップ層を被膜し、 このキャップ層により、スイッチングフィルムを酸化に対して保護するとともに 、キャップ層がＨ₂雰囲気に接触した際にＨ₂を原子Ｈに解離させる。キャップ層 はＨ₂ガス溜めからスイッチングフィルム中へＨを通過せしめうる。この層の厚 さは臨界的でなく、５〜３０nmの範囲内で選択される。キャップ層に対しては、 Pd以外に、Pt、Ni及びCoのような他の金属を用いることができる。他の適切な金 属は、TiNi₂及びLaNi₅のような、いわゆるＡＢ₂及びＡＢ₅型の合金である。 本発明によるスイッチングフィルムは薄肉とする、すなわちその厚さは１μｍ よりも薄くするのが好ましい。スイッチングフィルムの厚さは１００〜１０００ nmの範囲内にするのが好ましい。水素はスイッチングフィルム内に拡散させる必 要がある為、このフィルムの厚さは二水素化物状態と三水素化物状態との間の変 換速度を決定する。３００nmのスイッチングフィルムの厚さと、３０nmのパラジ ウム層の厚さとを組合せる場合、本発明によるスイッチング装置において例えば 、ＹＨ₂からＹＨ₃への、及びその逆の変換に約0.05秒を要する。層の厚さを更に 薄く又は厚くすると、それぞれ、変換時間を短く又は長くする。更に、本発明に よる装置は、２つのみの層を有する簡単な層構造をしている。 変換速度は、スイッチングフィルムの厚さ以外に、基板の厚さ及び水素圧にも 依存する。 スイッチングフィルムを被着しうる基板は透明な材料、例えば、ガラス、石英 、ダイヤモンド、マイカ、アルミニウム酸化物又はポリマー箔とするのが好まし い。基板は平坦又は湾曲させることができる。 電気端子はキャップ層に被着させるか、或いは、スイッチングフィルムに直接 接続することができる。キャップ層とスイッチングフィルムとの間の厚さの差は 大きい為、端子をキャップ層に被着した場合、殆どの電流がスイッチングフィル ムを流れる。 水素源に対しては、分子水素ガスを用いることができる。スイッチング装置は 、水素ガスをほぼ一定の圧力で有する室内に配置するのが好ましい。或いはまた 、キャップ層と接触する、ＷＯ₃、NiO_x及びＶ₂Ｏ₅のような水素化（亜）酸化材 料の層を用いることができる。これらの層には、水素雰囲気中での金属酸化物の スパッタリングにより水素を添加することができる。水素源層の厚さは、この水 素源層における水素容量が、スイッチングフィルムを二水素化物状態から三水素 化物状態に、及びその逆に変換するのに充分となるように選択する。 スイッチングフィルムは、真空蒸着、スパッタリング、レーザアブレーション 又は化学蒸着のような通常の方法によって基板に薄膜として被着する。この点で 、スイッチングフィルムの被着中及びその後にスイッチングフィルムの金属が酸 化されないようにすることが重要である。この点は、真空蒸着処理では、特に残 留ガス、水及び酸素の圧力を１０^-6〜１０^-7ミリバールより低いレベルに保つこ とにより達成される。 或いはまた、例えばPdのキャップ層は上述した方法の一つにより被着すること ができる。 効果を最大にするには、直流電流を用いるのが好ましい。供給する電流が増大 すると、明／暗コントラストが増大する。交流電流を用いることもできるが、例 えば５０Hzの電圧サイクル中スイッチングフィルムが周期的に加熱されたり、冷 却されたりする為、透明度は平均となる。その結果、交流電流のオン及びオフ状 態間の透明度の差は、直流電流のオン及びオフ状態間の透明度の差よりも小さく なる。 スイッチング装置は、その光学効果のために、例えば、可変ビームスプリッタ のような光スイッチング素子として用いたり、自動車のヘッドライトのような照 明装置における照度又は光ビームの形状を制御するのに用いることができる。 スイッチングフィルムは、その厚さ及び三価金属の種類に応じて、光吸収状態 で零の光透過率を呈しうる。従って、コントラスト範囲の大きなスイッチング装 置を製造しうる。既に３０００のコントラストが得られている。 このスイッチング装置は三次元テレビジョンを製造するのにも用いうる。三次 元効果は、カメラにより２つの異なる角度から記録された２つの画像と同相で位 相差π／２を有するように２つのガラス玉を交互に暗及び透明にするめがねを介 して見ることにより得られる。 他の分野は、暗又は明を逆相にしためがねを装着した二人がそれぞれ、テレビ ジョンスクリーン上に逆相で投映された２つの異なるテレビジョンプログラムの 一方を同時に見る分野である。 本発明によるスイッチング装置は、現在エレクトロクロミック層が使用されて いる分野、例えば、建築学上のガラス、サンルーフ及びバックミラーに用いるこ とができる。本発明によるスイッチング装置は、コントラストを改善する、表示 スクリーン用の可変透過率フィルタとしても用いることができる。 本発明の上述した及びその他の特徴は、以下の実施例の説明から明らかになる であろう。図中、 図１は、本発明によるスイッチング装置の線図的断面図である。実施例 図１は、本発明によるスイッチング装置１の線図的断面図である。この図１で は、層の厚さを実際のものに正比例して描いていない。厚さが0.5mmのガラス基 板３に、スイッチングフィルム５として作用する３００nmの厚さのイットリウム フィルムを電子ビーム蒸着により設ける。蒸着装置中の残留圧力は１０^-7ミリバ ールよりも少なくする。堆積速度は0.5nm／秒とする。これと同じ堆積装置内で 、抵抗加熱によりパラジウムより成る３０nmの厚さのキャップ層７をスイッチン グフィルム５上に蒸着する。このキャップ層７には、はんだ付により銅端子９及 び１１を設ける。 次に、周囲から遮断された容器（図示せず）内で1.5バール（1.5×１０⁵Pa） の圧力及び室温にして、キャップ層７を介してスイッチングフィルム５を分子水 素にさらす。キャップ層７は原子Ｈを形成し、続いてこの原子Ｈがスイッチング 層５内に吸収される。その５秒後、スイッチングフィルム５は、三水素化物の状 態でイットリウムを含有し光透過率が約２０％の光透過性の薄黄色のフィルムに 変換された。キャップ層７は分子水素と永久的に接触したままに保たれる。 次に、端子９及び１１を銅リード線１５により、１０Ｖの電圧を有する直流電 圧源１３に接続する。電圧源１３及びリード線１５と直列に電流スイッチ１７を 接続する。スイッチ１７を閉じると、１００mAの電流がスイッチングフィルム５ を流れ、その結果、スイッチングフィルム５の温度がジュール熱により高められ る。これにより、スイッチングフィルム５のＨ含有量が、光吸収性の二水素化物 の状態まで減少する。この光学的な変化は極めて急速に、すなわち、0.05秒以内 で行われる。 スイッチ１７を開放することにより、電流が切られ、これによりスイッチング フィルム５を冷却させる。これにより、スイッチングフィルム５のＨ含有量が、 0.05秒以内で三水素化物の状態まで増大し、この状態は光透過性である。この処 理は、例えば、２０Hzのブロック状直流電流を用いることにより何度も繰返すこ とができる。 本発明による光スイッチング装置は、この装置のスイッチングフィルムを流れ る電流をスイッチング−オン及びスイッチング−オフさせることにより、光吸収 性の状態から光透過性の状態に可逆的に切換ることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ドゥイン ペーター アレクサンダー オランダ国 5656 アーアー アインドー フェン プロフ ホルストラーン ６ (72)発明者 ジュングブルット レイネルト マリア オランダ国 5656 アーアー アインドー フェン プロフ ホルストラーン ６ (72)発明者 ドラエイェル コルネリス オランダ国 5656 アーアー アインドー フェン プロフ ホルストラーン ６ (72)発明者 ローゼンボーム フレディ オランダ国 5656 アーアー アインドー フェン プロフ ホルストラーン ６ (72)発明者 ファン デル スロイス ポール オランダ国 5656 アーアー アインドー フェン プロフ ホルストラーン ６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．基板と、 この基板上に形成されたスイッチングフィルムであって、三価の遷移又は希 土類金属の水素化物を含有し、水素の交換により光吸収性の二水素化物状態か ら光透過性の三水素化物状態に可逆的に切換りうる当該スイッチングフィルム と、 このスイッチングフィルム上に形成され、水素を解離しうるキャップ層と、 このキャップ層と接触する水素源と を具える光スイッチング装置において、 この光スイッチング装置に、前記スイッチングフィルムに加熱及び冷却の双 方又はいずれか一方を行う手段が設けられていることを特徴とする光スイッチ ング装置。 ２．請求の範囲１に記載の光スイッチング装置において、加熱を行う前記手段が 光透過性の導電性被膜を有していることを特徴とする光スイッチング装置。 ３．請求の範囲１に記載の光スイッチング装置において、加熱を行う前記手段が 電気端子を有し、これら端子間に電流を供給することができ、この電流は、ス イッチングフィルムの加熱に当ってこのスイッチングフィルムに対しほぼ平行 な方向で少なくともこのスイッチングフィルムを流れるようになっていること を特徴とする光スイッチング装置。 ４．請求の範囲１に記載の光スイッチング装置において、冷却及び加熱の双方又 はいずれか一方を行う前記手段が、スイッチングフィルムと熱接触するペルテ ィエ素子であることを特徴とする光スイッチング装置。 ５．請求の範囲１に記載の光スイッチング装置において、スイッチングフィルム がガドリニウム又はサマリウムを含有していることを特徴とする光スイッチン グ装置。 ６．請求の範囲１に記載の光スイッチング装置において、前記キャップ層が、パ ラジウム、プラチナ、コバルト、ニッケルより成る群から選択した少なくとも 一種類の金属を含有していることを特徴とする光スイッチング装置。 ７．請求の範囲１に記載の光スイッチング装置において、前記キャップ層の厚さ が５〜３０nmであることを特徴とする光スイッチング装置。 ８．請求の範囲１に記載の光スイッチング装置において、前記スイッチングフィ ルムの厚さが１００〜１０００nmの範囲にあることを特徴とする光スイッチ ング装置。 ９．請求の範囲１〜８のいずれか一項に記載の光スイッチング装置を表示に又は 表示のために、或いは光ビームの制御のために用いることを特徴とする光スイ ッチング装置の使用方法。