JP2003500534A - 電気化学デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
鏡型で可変の光学的および/またはエネルギー的特性を有する電気的に制御しう
る系に関する。
に、かつ同時に挿入しうるエレクトロクロミック物質からの層からなり、挿入お
よび脱挿入状態に相当するその酸化状態は、明らかな着色をし、その状態の1つ
は他よりも大きい光透過を示し、挿入および脱挿入反応は適切な電気供給により
制御される。通常酸化タングステンにもとづくエレクトロクロミック物質は、透
明な電気伝導層のような電子源およびイオン伝導電解質のようなイオン(カチオ
ンもしくはアニオン)源と接触して置かれなければならない。
ロクロミック物質層はイオンを可逆的に挿入しうる対電極と組合わされなければ
ならず、エレクトロクロミック物質と対称的であるので、巨視的には電解質はイ
オンの単一媒体のようにみえる。 対電極は、中間色層、または少くとも透明もしくはエレクトロクロミック層が
発色状態にあるときわずかに着色するのみである層、からなる。酸化タングステ
ンは陰極発色物質である、すなわちその発色状態はもっとも還元された状態に相
当する、ので、酸化ニッケルもしくは酸化イリジウムにもとづく陽極エレクトロ
クロミック物質は、対電極として使用されるのが一般的である。酸化状態で光学
的に中性である物質、たとえば酸化セリウム、もしくは電子伝導ポリマー(ポリ
アニリン等)のような有機物質、またはプルシアンブルー、を使用することも提
案されている。
8427,EP575207およびEP628849にみられる。 これらの系は、使用する電解質の種類により2つのカテゴリーに、現在、分類
されうる。 ・電解質はポリマーもしくはゲルの形態であり、たとえばヨーロッパ特許EP
253713およびEP670346に開示されるようなプロトン伝導ポリマー
、または特許EP382623,EP518754もしくはEP532408に
開示されるようなリチウムイオン伝達ポリマーである。
うな系は「全固体」(“all−solid”)エレクトロクロミック系といわ
れる。「全固体」エレクトロクロミック系の記述について、ヨーロッパ特許出願
EP867752およびEP831360が参照されうる。 本発明は、そのようなエレクトロクロミック系の1部を形成しうる酸化ニッケ
ルにもとづく陽極エレクトロクロミック物質層を得ることに特に向けられる。
特に特許EP373020に記載されている。 しかし、この物質は弱点を有する:ある問題が、標準的な真空蒸着法、磁場ア
シスト反応性陰極スパッタにより薄層の形態でそれを得るのに生じる:ニッケル
は強磁性であるので、標準ニッケルターゲットおよび標準磁石を用いると、ター
ゲットの表面にあらわれる磁場は弱く、低い堆積速度および平凡なターゲット活
用に帰着する。
ロミック鏡への使用において、検討は、バナジウム、クロム、マンガン、鉄もし
くはコバルトのようなもう1つの金属で合金化された酸化ニッケルについて実施
され、この組成の変化は鏡の機能を改良し、そして特にもっと均一な色釈を与え
ると述べられている。
ッケルの光学的およびエレクトロクロミック特性に関して危険を伴うようにみえ
る。このように、たとえばバナジウムおよびクロムの導入は、その酸化物は可視
領域で吸収し、酸化ニッケルをもっと吸収剤にしやすく、したがって消色状態で
全体として活性系の光透過値を低下させやすくなるというおそれがありうる。同
様に、マンガン、鉄およびコバルトの導入は、層、そして全体として活性系の耐
久性を低下させやすくなりうる。
ク特性を有する酸化ニッケルを製造する新規な方法を提案することにより改善す
ることであり、この製造法は、特に、実施するのにより速く、もっと経済的に実
行可能であり、もっと簡単であり、他に酸化ニッケルの望ましい機能性を損うこ
ともない。「機能性」(“functionality”)は、安定性、エレク
トロクロミック系、特にH+伝導性、もしくはLi+ 伝導型および「全固体」型
、の耐久性ならびに薄層におけるときの消色状態での透明度に特に向けられる。
属酸化物を得るために酸素の存在下で反応性雰囲気の磁場アシスト装置、の本質
的に金属のターゲットであるのが第1であり、該ターゲットは主にニッケルから
なり、その強磁性を減少もしくは消去さえするために少くとも1つの他の少ない
元素を混合されるが、同時にこのターゲットから得られる混合された酸化ニッケ
ルの光学的および/または電気化学的特性をできるかぎり維持する。
ことにより、機能性を劣化させることなく、はるかに高速で、ターゲットとして
もっと良好な経済的実施可能な、酸化ニッケルにもとづく層を反応性スパッタに
よって得ることを可能にするという有利な調和をもたらす。製造効率の増大によ
る最大の効果はニッケルの強磁性を十分に消去することにより達成されるが、添
加される元素の化学的性質およびターゲットに配合されるこの元素の量を適切に
変更することにより単に強磁性を減少するように選択されうる。
ニッケルと少ない元素とに対して20原子%以下、好ましくは特に18%以下、
そしてたとえば3%〜15%である。 本発明の目的に関しては、「酸化ニッケル」は、様々の程度に水和および/ま
たは水酸化および/またはプロトン化(および任意に窒化物処理されうる。同様
に、ニッケルと酸素の化学量論は一般に、Ni/O比で1〜1/2の範囲で変わ
りうる。しかし、ニッケルは一般に主として+2の酸化状態にあると考えられう
る。
もしくは累加的な変形である。 第1の変形は、その酸化物が陽極発色を有するエレクトロクロミック物質であ
る金属である少ない元素(簡単のために以下「添加物」で示す)にある。それは
特に次の金属の少くとも1つであってもよい:Ir,Ru,Rh。理想的には、
さらに、イリジウムの場合がもっとも好適であり,対応する酸化物は酸化ニッケ
ルと同一もしくは近接した作動電圧範囲を有する:酸化ニッケルの機能性を妨害
するどころか、添加物は酸化ニッケルをそのままに保持することが可能でありそ
して可逆的なイオン挿入能力を増加させることさえできる。この場合、酸化ニッ
ケルの比較的厚い層と同一レベルの光学的/エネルギー的変更をなお保持するの
に、層の厚さを減少することが期待さえしうる。
る金属である添加物にある。それは特に次の金属の少くとも1つであってもよい
:Mo,W,Re,Sn,In,Bi。このような物質をこのように酸化ニッケ
ルに導入することは矛盾して、妨害に帰着するようにみえるかもしれない。実際
に、上述の金属の酸化物は、陽極エレクトロクロミック物質として使用される酸
化ニッケルにより達成される電位をはるかに超える作動電圧範囲で陰イオン挿入
能力を有することが見出されている。したがって、酸化ニッケルにおける酸化形
態で有効に見出されているこれらの添加物は、酸化ニッケルが電圧に置かれるこ
とにより色彩変動を受けるとき、不活性で、無色のままである:これらの添加物
は活性系が機能し、消色状態でその光透過レベルを減少しないとき、中和される
。一方、それらの存在は、全体として層のイオン挿入能力を減少させやすく、し
たがって必要ならば、この現象のために償うべき厚さを少し増加させることは可
能であり、この大きさは続くすべての変形に対しても考えられうる。
金属、アルカリ土類金属もしくは半導体から得られる添加物にある。それは特に
、次の元素の少くとも1つであってもよい:Ta,Zn,Zr,Al,Si,S
b,U,Be,Mg,Ca,Y。酸化形態のこれらの物質は著しいエレクトロク
ロミック特性を有してはいない。一方、それらはエレクトロクロミック系におい
て、プロトン伝導電解質として役立つことができる物質として役立つ能力が知ら
れている:それらは酸化ニッケルのエレクトロクロミック特性を本来促進しない
が、それらはともかくその機能性に負の影響を与えず、酸化ニッケルに望まれう
る水酸化/水和の安定性を促進しやすい。いうまでもなく、この変形は、プロト
ンH+ の可逆的挿入により機能するエレクトロクロミック系に本質的に向けられ
ることが注目されるべきである。
は、エレクトロクロミック系がイオン、もっとも好ましくはプロトンのようなカ
チオン、の挿入/脱挿入による1つの機能であるときに有利である。これらの添
加物は、通常アルカリ金属、特にLi,Na,K,Rb,Csである。酸化ニッ
ケル中に酸化形態にあると、これらの物質は、エレクトロクロミック系において
陽極エレクトロクロミック物質として作用するとき、最も特に酸化ニッケルが水
和/水酸化されているときに、層に含まれる水の保持をきっとおそらく促進する
ことにより、酸化ニッケルの安定性を改良することがわかる。
,Ni/W,Ni/Zn,Ni/TaおよびNi/Yであり、最初の3つの合金
は製造するのに比較的安価である。合金ターゲットは真空蒸着の分野で知られて
いる方法、たとえば合金となるべき金属粉末の高温焼結により製造される。考え
られる合金全体に対するある添加物の厚子比についての指摘が下記になされ、そ
の割合はターゲットの強磁性が十分に消去されるように調節される: ・Ni/W合金について、約7原子%のタングステンWを供給することが必要
である。
ある。 ・Ni/Ta合金について、約9原子%のタンタルTaを供給することが必要
である。 ・Ni/Sn合金について、約8原子%のスズSnを供給することが必要であ
る。
である。 ・Ni/Y合金について、約3原子%のイットリウムYを供給することが必要
である。 しかしながら、上述のとおり、たとえばターゲットの製造コストを制限するた
めに、および/または得られるニッケル合金酸化物の機能性の減少を制限するた
めに、十分にその強磁性を消去するのに必要であるよりも少ない量の添加物をニ
ッケルに添加することも選択されうる。
り、それは任意に水和および/または水酸化および/またはプロトン化および/
または窒化物処理されており、そして上述のターゲットからの、酸化性の反応性
雰囲気中で磁場アシスト陰極スパッタの方法を用いる。 さらに、本発明の主題は、該酸化物にもとづく薄層のような陽極エレクトロク
ロミック物質のこの製造方法の使用である。
子を可逆的に、かつ同時に挿入しうる、少くとも1つの電気化学的活性層を備え
る少くとも1つのキャリア基体からなる電気化学デバイスであり、該層は該酸化
物にもとづく。 この酸化物は、その組成が上で概説された4つの変形で明らかにされたターゲ
ットから得られる。さらに、一般的にはターゲットの合金中のニッケルに対する
添加物の原子比が、考慮中のターゲットから得られる酸化物層におけるニッケル
に対する添加物の原子比の範囲内であるのが通常であることが注目されうる。
られる酸化物層の構造に影響することがわかった。添加物の存在は酸化ニッケル
の結晶化を嫌うようにみえる:主として無定形である層は、このように得られる
が、小さい結晶「粒」を有することが、最も特に、W,Si及びLi型の添加物
について確められた。これらの形状を球と近似すると、これらの粒は通常50nm
未満、特に少くとも2〜3nmの径を有する。標準酸化ニッケルの場合よりも大き
い無定形相および/または小さい結晶粒を有するのが有利である。なぜなら、酸
化ニッケルのエレクトロクロミック特性を活用するエレクトロクロミック装置で
活性なのは、結晶部分よりも、むしろ、とりわけ層の無定形部分であるからであ
る。本発明による層は、したがってシート間にLi型のインターカレーション化
合物を有するシート構造を有するのではなく、むしろ均一に粒として分布する全
体的な無定形構造を有する。
ルにもとづき、酸化ニッケルはIr,RuもしくはRhのような、その酸化物が
陽極エレクトロクロミック物質である少くとも1つの添加物で合金化される(を
混合される)か、またはたとえばMo,W,Re,Sn,InもしくはBiのよ
うな、その酸化物が陰極エレクトロクロミック物質である少くとも1つの金属で
合金化されるか、またはTa,Zn,Zr,Al,Si,Sb,U,Mg,La
もしくはYのようなその水和および/または水酸化酸化物がプロトン導体である
少くとも1つのアルカリ土類金属もしくは半導体で合金化される。最後に、酸化
ニッケルは、その酸化物が吸湿性、たとえばLi,Na,K,RbもしくはCs
のようなアルカリ金属である添加物で合金化されうる。
有することが注目されるべきである:当該添加物は、酸化物形態の酸化ニッケル
と組合わされる。この酸化物は酸化ニッケルの微小ドメインから形成されるマト
リックスの形態であり得、その内部は当該添加物の酸化物にもとづく微小ドメイ
ンである。系はさらに、純混合酸化物であってもよく、そのニッケル原子は当該
添加物の原子で置換されている。
y,NiZnxOy,NaTaxOyおよびNiYxOyである。 さらに、得られる層は水和および/または水酸化および/またはプロトン化お
よび/または窒化物処理されてもよく、層の水和、プロトン化および/または水
酸化および/または窒化物処理の程度の制御は陰極スパッタ堆積パラメータを適
切に調節することにより特に達成され、たとえば堆積の間、反応性雰囲気の組成
を適合させることによる(特許EP831360において電解質層に特に期待さ
れたように)。反応性雰囲気は、少くともその1つの原子が窒素である、ある量
の分子を特に含みうる。
ng)の1部を形成するためのこれらの電気化学デバイスの使用である。この窓
ガラスは外部窓ガラスもしくは内部仕切りもしくは窓ガラスをはめたドアとして
建物に備えられうる。さらに、それは、汽車、船、飛行機、乗用車もしくはトラ
ックのような交通手段にサイドウィンドー、サンルーフ等として備えられ得る。
さらに、それはディスプレイスクリーン窓ガラス、たとえばコンピューターもし
くはテレビジョンのスクリーンもしくはタッチスクリーン、めがね、写真用品の
対物レンズならびに太陽パネル保護に使用されうる。さらに、それは鏡、たとえ
ば乗物のまぶしさ防止バックミラーをつくるためにも用いられうる(導電層の1
つを十分に厚くすることにより、および/または不透明化コーティングを付可す
ることにより)。それはさらに電池およびバッテリーのようなエネルギー貯蔵デ
バイスを製造するのに用いられうる。
になろう。 次の実施例はいわゆる「全固体」エレクトロクロミック窓ガラスである。比較例1 窓ガラスは次の配列を有する:
る。 ・フッ素ドープ酸化スズでつくられる層(2)はCVDによる公知の方法で得
られる第1の透明導電層である。
ック物質であり、約99.95原子%のニッケルを含むニッケルターゲットから
Ar/O2/H2反応性雰囲の存在下、陰極スパッタにより得られる; ・WO3でつくられる層(4)およびTa2O5 でつくられる層(5)は、電解
質を形成するが、Wの、およびTaのターゲットから陰極スパッタにより公知の
方法で堆積される(とくに特許EP867752の教示による); ・HxWO3 でつくられる層(6)は陰極エレクトロクロミック物質の層であ
り、タングステンターゲットから反応性スパッタにより公知の方法で堆積される
; ・スズドープ酸化インジウムでつくられる層(7)は第2の透明導電層であり
、インジウムおよびスズでつくられる合金ターゲットから陰極スパッタにより公
知の方法で堆積される。
ことによって、1つのエレクトロクロミック層から他の層へのプロトン移動によ
り機能する。 NiOxHyでつくられる層(3)は得るのが困難である。その堆積速度は4
nm.m/分にすぎない。ターゲットは均一には被覆されない(被覆度は5%未満
である)。本発明による実施例2 これは、NiOxHyでつくられる層(3)を250nm厚さのNiSizO
xHyでつくられる層3aで置き換えることにあり、Ni+Siに対するSi約
10原子%の割合を有するNi/Si合金ターゲットからAr/O2/H2反応性
雰囲気中で陰極スパッタにより得られる。本発明による実施例3 これはNiOxHyでつくられる層(3)を250nm厚さのNiWzOxHy
でつくられる層3bで置き換えることにあり、Ni+Wに対するW約7原子%の
割合を有するNi+W合金ターゲットから上述のように得られる。下の表1は上
の3つの実施例により得られる、酸化ニッケルにもとづく層の堆積速度を示し、
これらの速度はnm.m/分(3.5w/cm2 での堆積)で表される:
給を備える。ついで、それらは1.25mm厚さのポリウレタンシートにより第1
と同一の第2ガラスで積層される。
圧を印加することにより発色、そして約0.8Vの電圧を印加することにより消
色)に供された。窓ガラス試料が発色され(「発色」)、ついで消色される(「
消色」)されるときに、光透過における測色系(L,a*,b*)のa*およびb* の光透過率TL (%)、ならびにエネルギー伝達率TE (%)(TL 測定に対す
る対照:発光体D65)が、ついで測定され、下の表2は3つの窓ガラス試料に関
するすべてのこれらのデータを一緒にする:
された変化はその性能に影響しないことを確かめることができる: 本発明による実施例2および3で達成される光透過率の範囲およびエネルギー
伝達の範囲は比較例1のとほとんど同一であり、透過の測色状況は有意には変わ
っていない。一方、本発明による酸化ニッケルにもとづく層の堆積速度は、酸化
ニッケルにもとづく標準的な層の堆積速度より少くとも5倍は高い。
Claims (21)
- 【請求項1】 陰極スパッタ装置、特に磁場アシスト装置、の本質的に金属
のターゲットであり、該ターゲットは主にニッケルからなり、ニッケルはその強
磁性を減少もしくは消去するために少くとも1つの他の少ない元素と合金化され
ることを特徴とするターゲット。 - 【請求項2】 合金中の該元素の割合が20原子%以下、特に18%以下、
好ましくは3%〜15%であることを特徴とする請求項1記載のターゲット。 - 【請求項3】 少ない元素が、その酸化物が陽極発色を有するエレクトロク
ロミック物質である金属であることを特徴とする請求項1もしくは2記載のター
ゲット。 - 【請求項4】 少ない元素がIr,RuおよびRhから選ばれることを特徴
とする請求項3記載のターゲット。 - 【請求項5】 少ない元素が、その酸化物が陰極発色を有するエレクトロク
ロミック物質である金属であることを特徴とする請求項1もしくは2記載のター
ゲット。 - 【請求項6】 金属がMo,W,Re,Sn,InおよびBiから選ばれる
ことを特徴とする請求項5記載のターゲット。 - 【請求項7】 少ない元素が、その水和もしくは水酸化酸化物がプロトン導
体である、金属、アルカリ土類金属もしくは半導体であることを特徴とする請求
項1もしくは2記載のターゲット。 - 【請求項8】 少ない元素が、Ta,Zn,Zr,Al,Si,Sb,U,
Be,Mg,CaおよびYから選ばれることを特徴とする請求項7記載のターゲ
ット。 - 【請求項9】 少ない元素が、その酸化物が吸湿性で、アルカリ金属型であ
る元素であることを特徴とする請求項1もしくは2記載のターゲット。 - 【請求項10】 その酸化物が吸湿性である元素が、Li,Na,K,Rb およびCsから選ばれることを特徴とする請求項9記載のターゲット。
- 【請求項11】 Ni/Si,Ni/Al,Ni/Sn,Ni/W,Ni/
Zn,Ni/TaもしくはNi/Y合金からつくられることを特徴とする請求項
5〜8のいずれかに記載のターゲット。 - 【請求項12】 酸化反応性雰囲における磁場アシスト陰極スパッタにより
、任意に水和/水酸化もしくはプロトン化および/または窒素物処理される、ニ
ッケル合金酸化物にもとづく薄層を製造する方法であり、請求項1〜12のいず
れか記載のターゲットを使用することを特徴とする薄層の製造方法。 - 【請求項13】 任意に水和/水酸化および/またはプロトン化および/ま
たは窒化物処理される、ニッケル合金酸化物にもとづく薄層として、陽極発色を
有するエレクトロクロミック物質を製造するために、請求項12記載の方法の使
用。 - 【請求項14】 H+,Li+およびOH- のようなイオンならびに電子を可
逆的に、かつ同時に挿入しうる、少くとも1つの電気化学的活性層を含む多数の
機能性質を備える少くとも1つのキャリア基体からなる電気化学デバイスであり
、該電気化学的活性層が請求項12記載の方法により、および/または請求項1
〜11のいずれかに記載のターゲットから、得られるニッケル合金酸化物にもと
づくことを特徴とする電気化学デバイス。 - 【請求項15】 ニッケル合金酸化物が、好適には径が50nm以下の結晶粒
を有する無定形を主とすることを特徴とする請求項14記載の電気化学デバイス
。 - 【請求項16】 H+,OH-およびLi+ のようなイオン、ならびに電気を
可逆的に、かつ同時に挿入しうる、少くとも1つの電気化学的活性層を含む多数
の機能性層を備える少くとも1つのキャリア基体からなる電気化学デバイスであ
り、該層は、任意に水和および/または水酸化および/またはプロトン化および
/または窒化物処理されてもよい酸化ニッケルにもとづき、酸化ニッケルは、そ
の酸化物が、次の金属:Ir,Ru,Rhの少くとも1つから特に選ばれる陽極
エレクトロクロミック物質である金属の形態の少くとも1つの少ない元素で合金
化されている、ことを特徴とする電気化学デバイス。 - 【請求項17】 H+,OH-およびLi+ のようなイオン、ならびに電子を
可逆的に、かつ同時に挿入しうる、少くとも1つの電気化学的活性層を含む多数
の機能性層を備える少くとも1つのキャリア基体からなる電気化学デバイスであ
り、該層は、任意に水和および/または水酸化および/またはプロトン化および
/または窒化物処理されてもよい酸化ニッケルにもとづき、酸化ニッケルは、そ
の酸化物が次の金属:Mo,W,Re,Sn,In,Biの少くとも1つから特
に選ばれる陰極エレクトロクロミック物質である金属の形態の少くとも1つの少
ない元素で合金化されている、ことを特徴とする電気化学デバイス。 - 【請求項18】 H+,OH-およびLi+ のようなイオン、ならびに電子を
可逆的に、かつ同時に挿入しうる、少くとも1つの電気化学活性層を備える少く
とも1つのキャリア基体からなる電気化学デバイスであり、該電気化学活性層は
、任意に水和および/または水酸化および/またはプロトン化および/または窒
化物処理されてもよい酸化ニッケルにもとづき、酸化ニッケルは、その水和およ
び/または水酸化酸化物が次の元素:Ta,Zn,Zr,Al,Si,Sb,U
,Be,Mg,Ca,Yの少くとも1つから特に選ばれるプロント導体である、
金属、アルカリ土類金属もしくは半導体の形態の少くとも1つの少ない元素で合
金化されている、ことを特徴とする電気化学デバイス。 - 【請求項19】 H+,OH-およびLi+ のようなイオン、ならびに電子を
可逆的に、かつ同時に挿入しうる、少くとも1つの電気化学活性層を備える少く
とも1つのキャリア基体からなる電気化学デバイスであり、該電気化学活性層は
、任意に水和および/または水酸化および/または窒化物処理されてもよい酸化
ニッケルにもとづき、酸化ニッケルは、その酸化物が次の金属:Li,Na,K
,Rb,Csの少くとも1つから特に選ばれる、アルカリ金属型の吸湿性である
少くとも1つの元素で合金化されている、ことを特徴とする電気化学デバイス。 - 【請求項20】 酸化ニッケルにもとづく層がNiSixOy,NiAlx
Oy,NiSnxOy,NiWxOy,NiZnxOy,NiTaxOyもしく
はNiYxOyの形態であることを特徴とする請求項17もしくは18記載の電
気化学デバイス。 - 【請求項21】 エレクトロクロミック窓ガラスの1部、とくに建物または
汽車、飛行機もしくは自動車のような交通機関用窓ガラス、を形成するため、デ
ィスプレイスクリーンの1部を形成するため、または乗物のバックミラーのよう
なエレクトロクロミック鏡の1部を形成するための、請求項14〜20のいずれ
かに記載の電気化学デバイスの使用。
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