JP2008152071A - マグネシウム・ニオブ合金を用いた全固体型反射調光エレクトロクロミック素子及び調光部材 - Google Patents

Abstract

【課題】全固体型反射調光エレクトロクロミック素子及びそれを用いた調光部材を提供する。
【解決手段】透明な基材に、多層薄膜を形成したマグネシウム・ニオブ系合金の反射型調光素子であって、少なくとも基材の上に、透明導電膜層、イオン貯蔵層、固体電解質層、触媒層、及びマグネシウム・ニオブ系合金薄膜を用いた反射調光層を形成したことを特徴とする全固体型反射調光エレクトロクロミック素子、及び反射調光エレクトロクロミック素子が組み込まれた調光部材。
【効果】透明時の透過率が高く、広い面積にわたって短時間でスイッチングすることの可能な新規多積層構造の反射調光エレクトロクロミック素子、及び該素子を組み込んだ調光部材を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、マグネシウム・ニオブ系合金薄膜を用いた全固体型反射調光エレクトロクロミック素子に関するものであり、更に詳しくは、電気的にガラス表面を鏡状態から透過状態へ可逆的に変化させることで、例えば、窓ガラスから入射する太陽光の透過を電気的に制御することができる新規な全固体型反射調光エレクトロクロミック素子及び該素子が組み込まれた調光部材に関するものである。

本発明は、マグネシウム・ニオブ系合金薄膜を反射調光層に使用した特定の多層構造を採用することにより、透明時の透過率が高く、広い面積にわたって、短時間でスイッチングすることが可能な、例えば、太陽光の透過率を制御して建物や車両内の熱暑感を軽減するために、建物や車両の窓ガラスに好適に用いられる新規全固体型反射調光エレクトロクロミック素子、該エレクトロミック素子を組み込んだ調光部材及び該調光部材に関する新技術・新製品を提供するものである。

一般に、建物において、窓ガラスは、大きな熱の出入口になっている。例えば、冬の暖房時の熱が窓から流失する割合は４８％程度に達し、夏の冷房時に窓から熱が入る割合は７１％程度にも達する。同様の現象は、窓ガラスが大きな熱の出入口となっている自動車にも当てはまる。自動車においては、空間に対する窓ガラスの割合が、建築物におけるその割合よりも大きく、かつ、車内にいる人間に日射を避ける余地が少ないため、炎天下の環境に置かれた自動車の室内は、非常に高温になる。

日本国内の夏期環境での測定例では、駐車された自動車の室内の空気温度は、約７０℃近くに達する。室内の内装材の温度に関しては、インスツルメントパネル上面で１００℃近くに上昇し、天井は７０℃近くに上昇する。こうした状況で乗車した時の不快さは言うまでもない。また、換気や冷房装置を利用しても内装材の温度は容易に下がらず、長時間にわたって乗員に輻射熱を放射し続け、車内における快適性を大きく低下させる。

これらの問題を解決する技術として、光及び熱の出入を制御できる調光ガラスが開発されている。調光ガラスで用いられる調光方式としては、いくつかの種類がある。調光素子としては、１）電流・電圧の印加により可逆的に透過率が変化する材料を用いたエレクトロクロミック素子、２）温度により透過率が変化する材料を用いたサーモクロミック素子、３）雰囲気ガスの制御により透過率が変化する材料を用いたガスクロミック素子、が挙げられる。

その中で、エレクトロクロミック素子は、光及び熱の透過状態を電気的に制御することができる。そのため、エレクトロクロミック素子は、光及び熱の透過状態を人間の意図に沿った状態に設定でき、建物や車両用ガラスに適用される調光材料として非常に適している。更に、この素子は、電流・電圧を印加していない状態では、その光学特性が変わらないため、一定の状態を維持するためのエネルギーを削減することができる。

このエレクトロクロミック素子は、その構成物の一部が液状物である場合があるが、その場合、液状物の漏出を防ぐことが必要となる。建物や車両は、長期間の使用を前提としており、液状物の漏出を長期間に渡って防ぐことは技術的には可能ではあるが、コストの上昇を招く。そのため、建物や車両用ガラスに好適なエレクトロクロミック素子としては、それを構成する材料全てが酸化タングステンのような固形であることが望ましい。

酸化タングステンを初めとして、これまで知られているエレクトロクロミック素子は、調光材料で光を吸収することにより調光を行うことをその原理としている。即ち、この素子は、光の吸収により室内側への光の形態をとった熱の進入を抑制する。ところが、このような調光原理を有する調光材料を採用する場合、光の吸収により調光材料が熱を持ち、その熱が室内に再放射され、調光ガラス内部に熱が侵入してしまうという問題がある。

この問題の解決手段としては、光を吸収することにより調光を行うのではなく、光を反射することにより調光を行う手法が考えられる。つまり、鏡の状態と透明な状態とが可逆的に変化する反射調光材料を用いることによって、調光材料の吸熱による室内への熱進入が防止できる。

このような特性を有する反射調光エレクトロクロミック素子としては、先行文献には、例えば、希土類金属とマグネシウムとの合金とその水素化物からなる反射調光層、プロトン伝導性の透明な酸化保護層、無水の固体電解質、及びイオン貯蔵層を積層したエレクトロクロミック素子が開示されている（特許文献１参照）。

この素子では、反射調光層は、エレクトロクロミック素子の反射率を制御する機能を有し、プロトンの受け渡しにより、反射率が変化する。また、酸化保護層は、例えば、酸化ニオブ、酸化バナジウム、酸化タンタルといった酸化物や、フッ化マグネシウム、フッ化鉛といったフッ化物などのプロトン伝導性を有する化合物からなり、反射調光層の酸化を防止する。

更に、イオン貯蔵層は、反射率の制御に用いられるプロトンを蓄積する。上記素子を有する調光ガラスに電圧を印加すると、プロトンがイオン貯蔵層から固体電解質及び酸化保護層を介して反射調光層に移動し、反射調光層の反射率が変化する。電圧を逆に印加すると、プロトンが反射調光層から放出され、反射調光層の反射率が元に戻る。しかし、この素子では、反射調光層に高価な希土類金属を用いているため、大面積への適用がコストの観点から困難である。

安価で、より実用的な材料を反射調光層に用いた他の反射調光素子としては、例えば、反射調光層としてＭｇ_２Ｎｉ、触媒層としてパラジウムや白金を積層した素子が提案されている（特許文献２参照）。しかし、この種の材料は、その透明時における透過率が低く、とても実用的に使用できるものではなかった。

本発明者らの一部が開発したマグネシウム・ニッケル系合金薄膜（特許文献３参照）は、水素ガスを用いたガスクロミック方式であるが、可視光透過率が約５０％であり、従来報告されているＭｇ_２Ｎｉの２０％に比べて大きく向上しており、実用化に近づいている。このマグネシウム・ニッケル系合金薄膜を用いた全固体型調光ミラー素子としては、例えば、透明基板の上にイオン貯蔵層、固体電解質層、そして、上記特許文献３に記載のマグネシウム・ニッケル合金を反射調光素子として積層した全固体型調光ミラー光スイッチも提案されている（特許文献４参照）。

しかしながら、マグネシウム・ニッケル合金薄膜を用いた全固体型調光ミラー光スイッチでは、透過状態で薄く黄色味がかっており、完全な無色透明状態ではない。建物や乗り物のガラスとしては、黄色系の色は好まれないため、これが実用化への大きな障害になっていた。

特開２０００−２０４８６２号公報 米国特許第６６４７１６６号明細書 特開２００３−３３５５５３号公報 特願２００４−９８３７３５号

このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、それらの諸問題を抜本的に解決することが可能なエレクトロクロミック素子を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、マグネシウム・ニオブ系合金薄膜を用いた全固体型反射調光エレクトロクロミック素子を開発することに成功し、本発明を完成するに至った。

本発明は、透明時に高い透過率を有するマグネシウム・ニオブ系合金薄膜等を反射調光層に用い、反射調光層の固体電解質側から透明化するようにイオン貯蔵層、固体電解質層、触媒層を積層した多積層構造から構成される、広い範囲にわたって、短い時間でスイッチングすることを可能にする全固体型反射調光エレクトロクロミック素子、調光材料及び調光部材を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）透明な基材に、多層薄膜を形成したマグネシウム・ニオブ系合金の反射型調光素子であって、少なくとも基材の上に、透明導電膜層、イオン貯蔵層、固体電解質層、触媒層、及びマグネシウム・ニオブ系合金薄膜を用いた反射調光層を形成したことを特徴とする全固体型反射調光エレクトロクロミック素子。
（２）前記透明導電膜層と反射調光層間に、電圧を印加する及び／又は電流を流すことによって、反射調光作用を発現する特性を有する、前記（１）に記載の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子。
（３）透明導電膜を塗布した透明な基材の上に、イオン貯蔵層として、遷移金属酸化物薄膜を形成した、前記（１）に記載の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子。
（４）固体電解質層として、イオン貯蔵層の上に、透明酸化物薄膜を形成した、前記（１）に記載の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子。
（５）前記固体電解質層が、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）からなる、前記（４）に記載の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子。
（６）触媒層として、固体電解質層の上に、パラジウム、白金、銀もしくはそれらの合金を含む層を形成した、前記（１）に記載の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子。
（７）反射調光層として、触媒層の上に、マグネシウム・ニオブ系合金薄膜を形成した、前記（１）に記載の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子。
（８）マグネシウム・ニオブ系合金が、ＭｇＮｂ_ｘ（０．１≦ｘ≦０．６）である、前記（１）又は（７）に記載の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子。
（９）作製時に、イオン貯蔵層もしくは反射調光層のいずれかを水素化した、前記（１）に記載の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子。
（１０）透明な基材とイオン貯蔵層の間に、透明導電膜層を有する、前記（１）に記載の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子。
（１１）任意の構成として、反射調光層の外側に、透明導電膜層を有する、前記（１）に記載の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子。
（１２）前記（１）から（１１）のいずれか１項に記載の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子が組み込まれたことを特徴とする調光部材。
（１３）前記調光部材が、ガラスである前記（１２）に記載の調光部材。

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、全固体型であって、電圧を印加するか、もしくは電流を流すことによって、反射調光作用を示すエレクトロクロミック素子に係るものであり、このエレクトロクロミック素子は、透明な基材に、透明導電膜、イオン貯蔵層、固体電解質層、触媒層、及びマグネシウム・ニオブ系合金薄膜を用いた反射調光層の多層構造より構成されることを特徴とするものである。

更に、本発明は、反射調光層内に注入されるプロトンの拡散よりも、反射調光層内の電子が速く拡散するように、イオン貯蔵層、固体電解質層、触媒層を積層することを特徴としており、これにより、従来の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子に比べて、格段に速いスピードで鏡状態と透明状態の間をスイッチングすることが可能となる。

これらの各層を構成する薄膜は、例えば、マグネトロンスパッタリング法、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、及びめっき法等により作製することができる。しかし、上記薄膜の作製方法は、これらの方法に制限されるものではない。これらの各層の成膜は、好適には、例えば、上記マグネトロンスパッタ装置等を利用して行われる。

次に、本発明の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子の具体的な構造について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明においては、全固体型反射調光エレクトロクロミック素子を、単に「エレクトロクロミック素子」とも記載する。図１は、本発明のエレクトロクロミック素子の一実施形態を示す断面模式図である。

図１において、エレクトロクロミック素子は、透明な基材１０（以下、「基材」とも記載する。）、透明導電膜２０、イオン貯蔵層３０、固体電解質層４０、触媒層５０、及びマグネシウム・ニオブ系合金薄膜を用いた反射調光層６０（以下、「反射調光層」とも記載する。）の多層構造より構成される。なお、図１は、単なる模式図であり、本発明の反射調光板の厚さや大きさが、図示する態様に限定されるものではない。

図１では、透明導電膜２０、イオン貯蔵層３０、固体電解質層４０、触媒層５０、及び反射調光層６０は、基材１０上に積層されるが、更に、他の層を積層することも可能である。例えば、反射調光層６０上に、透明導電膜７０を更に積層することも適宜可能である。

図２は、反射調光層６０上に透明導電膜７０が形成されたエレクトロクロミック素子の断面模式図である。場合によっては、反射調光層６０上の透明導電膜７０の上に基材８０を形成することも適宜可能である。図３に、そのエレクトロクロミック素子の断面模式図を示す。

なお、本発明において、「触媒層上に」などの説明で用いられている「上に」とは、積層される層の方向を明示する意味を有し、必ずしも隣接して配置されることを意味するものではない。例えば、「固体電解質層上に触媒層が形成される」という場合、固体電解質層と触媒層とは隣接して配置される場合と、固体電解質層と触媒層とがその間に他の層を介在させて配置される場合があり得る。

図１〜図３に、本発明のエレクトロクロミック素子の実施態様を示したが、本発明の技術的範囲はこれらに限定されるものではない。本発明では、例えば、固体電解質層を２層配置する態様が挙げられる。また、本発明では、好ましくは、例えば、２枚の基材によって透明導電膜２０、イオン貯蔵層３０、固体電解質層４０、触媒層５０、及び反射調光層６０などの各層が挟持される構造を採用することができる。

反射調光層は、水や酸素による酸化劣化を受けやすいので、その両側に基材を配置することにより、水や酸素の侵入を少なくすることが可能となる。水や酸素の素子内部への侵入をより効果的に防止するには、例えば、樹脂シートからなる基材に挟持されたエレクトロクロミック素子を、１対のガラスで更に挟持する実施形態が好ましい。

図４に、エレクトロクロミック素子が、１対のガラス１００によって挟持された反射調光板の断面模式図を示す。ガラス１００とエレクトロクロミック素子との間には、必要に応じて、ポリビニルブチラールなどの合わせガラス用中間膜９０を介在させることができる。

本発明のエレクトロクロミック素子は、その機能から、例えば、建築部材や自動車部品などの調光部材へ好適に適用される。建築部材の場合は、窓ガラスがその代表的な適用部材である。自動車部品では、窓ガラスやサンルーフや外板や内装を挙げることができ、本発明の素子は、特に、窓ガラスやサンルーフに好適に適用される。本発明のエレクトロクロミック素子を用いることにより、日射のエネルギー透過量を制御でき、室内空間を快適に保つことが可能となる。

続いて、本発明のエレクトロクロミック素子を構成する各部材について説明する。基材の材質や形状は、エレクトロクロミック素子の基材として機能するものであれば、特に制限されることなく使用することができる。基材は、透明導電膜層、イオン貯蔵層、固体電解質層、触媒層、及び反射調光層を形成する土台としての機能だけではなく、水や酸素の浸入を抑制する障壁としても機能することが好ましい。

具体的には、基材として、ガラス、樹脂シートが好適なものとして挙げられる。樹脂シートを用いる場合には、各層の成膜を減圧条件下で行うため、アウトガスの発生量が少ない材料であることが、減圧を維持する観点からは好ましい。また、樹脂シートは無色透明であることが好ましいが、必要に応じて、着色していても使用することが可能である。

用いられる樹脂としては、価格、透明性、耐熱性などの観点からは、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ナイロン、アクリルなどが好ましい。２枚の基材を用いる場合には、その組み合わせに関しては特に限定されない。

例えば、ガラス、樹脂シートといった材料から、適宜組み合わせて使用することができる。ガラスとガラスを組み合わせること、ガラスと樹脂シートを組み合わせること、樹脂シートと樹脂シートを組み合わせることが例示される。図４に示すように、エレクトロクロミック素子を更にガラスで挟持する場合には、基材は樹脂シートであることが好ましい。基材１０の上の透明導電膜については、予め透明導電膜が形成された基材を用いることによって、作業工程を簡素化することが可能である。

透明導電膜２０は、導電性材料から構成され、エレクトロクロミック素子に電圧を印加する及び／又は電流を流すことによって、反射率を制御するために用いられる。透明導電膜の材料は、特に限定されるものではなく、公知の材料を適宜使用することができる。

イオン貯蔵層３０は、反射調光層の透明⇔鏡状の切り替えに必要なプロトンの貯蔵や、取り出しを可逆的に行うことができる層である。更に、プロトンを取り出したときに、必要に応じて、着色しても使用できるが、無色透明になる特性を有する材料であることが好ましい。好適な構成材料としては、遷移金属酸化物が挙げられる。遷移金属酸化物としては、例えば、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化ニオブ、酸化バナジウム等が挙げられる。これには、公知のイオン貯蔵機能を有する材料を適宜用いることができる。

これらの中では、エレクトロクロミック素子の構成材料として、高い安定性（１０^６サイクル以上）を有している酸化タングステンが好ましい。しかし、これらに限定されるものではなく、これらと同効のものであれば同様に使用することができる。イオン貯蔵層３０の厚みは、特に制限されるものではないが、２５０〜２０００ｎｍの範囲であることが好ましい。

固体電解質層４０は、電圧の印加によってプロトンが容易に移動できる特性を有する固体材料が用いられる。この固体電解質層は、固形物であるため、長期間安定して使用することができる。好適な構成材料としては、透明酸化物が挙げられる。また、水分の存在はマグネシウムとニオブを含んでいる反射調光層の酸化劣化の要因となり得るため、電解質は無水であることが好ましい。

固体電解質層４０の具体的な構成成分としては、例えば、酸化タンタル、酸化ジルコニウムなどが挙げられる。しかし、これらに制限されるものではなく、これらと同効のものであれば同様に使用することができる。これには、公知の固体電解質材料を用いることができる。

反射調光層が形成される触媒層５０は、プロトンを反射調光層に供給／放出する出入口の機能を示す。触媒層によりプロトンの供給及び放出の速度が向上し、鏡状⇔透明のスイッチング性が高まる触媒層の成分としては、プロトンの透過能力の高いパラジウム、白金、及びパラジウム合金が好ましい。パラジウム合金としては、好ましくはパラジウム・銀合金及びパラジウム・プラチナ合金等が用いられる。場合によっては、パラジウム合金に他成分を含有させることにより、特性の向上を図ることが可能である。

また、合金であるため、ある程度の不純物の混入も許容されるが、不純物の混入量は少ないことが好ましい。触媒層４０の厚みは、特に限定されるものではないが、０．５〜１０ｎｍの範囲であることが好ましい。触媒層が薄すぎると触媒としての機能を十分に果たすことができない。逆に、触媒層が厚すぎると、触媒層の光の透過率が低下する。また、ある程度の厚さを超えると、触媒層の厚さを増しても、触媒としての機能が向上しなくなる。

反射調光層６０は、水素及びプロトンを吸蔵／放出することで透明⇔鏡状に変化する材料であり、反射調光機能を示す。反射調光層は、マグネシウム及びニオブを含む合金からなる。好ましくは、反射調光層は、マグネシウムとニオブとの比率が、マグネシウム１に対してニオブが０．１から０．６の範囲であるマグネシウム・ニオブ系合金からなる。特に０．３から０．４の範囲であるマグネシウム・ニオブ系合金は、水素を吸蔵して透明になったときの透過率が高くなる傾向がある。

場合によっては、マグネシウム・ニオブ系合金に他成分を含有させることにより、特性の向上を図ることができる。本発明において、マグネシウム及びニオブ以外の成分が含有されても、マグネシウム・ニオブ系合金の特性が保持されていれば、マグネシウム・ニオブ系合金の概念に含まれる。マグネシウム・ニオブ系合金の特性が低下する場合であっても、マグネシウム・ニオブ系合金の結晶構造が部分的に保持されていれば、マグネシウム・ニオブ系合金の概念に含まれ得る。

また、合金であるため、ある程度の不純物の混入も許容されるが、不純物の混入量は少ないことが好ましい。反射調光層６０の厚みは、約２０〜２００ｎｍであることが好ましい。反射調光層が薄すぎると、鏡状態における光の反射率が低下し、十分な反射特性を示さない。逆に、反射調光層が厚すぎると、透明状態における光の透過率が低下する。用途によって異なった仕様が要求されるが、これには、膜厚の制御により対応することができる。

透明導電膜を設けた透明な基材に、プロトン蓄積層、電解質層を設けて、その上に触媒層、反射調光層、透明導電膜を形成してエレクトロクロミック素子としての積層構造が構築される。これらの層の作製順序は、透明導電膜を設けた基材にプロトン蓄積層、電解質層を設けて、その上に触媒層、反射調光層、透明導電膜を設けることが可能であり、逆に、透明導電膜を設けた基材に、反射調光層と触媒層を設けてから、電解質層、プロトン蓄積層、更に好ましくは、透明導電膜を設けることが可能である。

全固体型反射調光エレクトロクロミック素子の調光動作は、イオン貯蔵層と反射調光層間に電圧を印加する、及び電流を流すことによって行う。即ち、エレクトロクロミック素子が鏡状態にある時、透明導電膜層２０にプラス、反射調光層５０にマイナスの電圧を印加すると、イオン貯蔵層３０に貯蔵されていたプロトンが固体電解質４０及び触媒層５０を通って反射調光層６０内に拡散し、水素化を起こして、その反射特性が鏡の状態から透明状態に変わる。

このとき、触媒層５０は、固体電解質層４０と反射調光層６０との間のプロトンの授受を促進する機能を有し、触媒層５０によって、反射調光層６０における十分なスイッチング速度が確保される。逆に、エレクトロクロミック素子が透明状態にある時、イオン貯蔵層２０にマイナスの反射調光層６０にプラスの電圧を印加すると、反射調光層６０内の水素化物が脱水素化し、その反射特性が透明状態から鏡状態にもどる。放出された水素は、プロトンの形で、触媒層５０、固体電解質層４０を通ってイオン貯蔵層３０に戻り、そこで貯蔵される。

本発明により、次のような効果が奏される。
（１）反射調光特性に優れたマグネシウム・ニオブ系合金薄膜材料を用いた全固体型の反射調光エレクトロクロミック素子を提供することができる。
（２）日射のエネルギー透過量を制御でき、室内空間を快適に保つことが可能となる全固体型反射調光エレクトロクロミック素子の多積層構造を提供することができる。
（３）上記全固体型反射調光エレクトロクロミック素子を組み込んだガラス等の調光部材を提供することができる。
（４）電気的にガラス表面を鏡状態から透過状態へ可逆的に変化させることで、窓ガラスから入射する太陽光の透過を電気的に制御することができる新規全固体型反射調光エレクトロクロミック素子を提供することができる。
（５）広い面積にわたって反射状態から透明状態に短い時間でスイッチングすることのできる、特に、窓ガラス等の調光に好適に使用可能な反射調光エレクトロクロミック素子、及び調光部材を提供することができる。

次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

まず、図１を参照して、本発明の第１の実施例について説明する。本実施例では、図１に示す全固体型反射調光エレクトロクロミック素子を用いた。以下、製造方法の一実施形態について工程順に説明するが、以下の手順に本発明の技術的範囲が限定されるものではない。本発明では、例えば、第一基材に、透明導電膜、反射調光層、触媒層を形成し、第二基材に、透明導電膜、イオン貯蔵層、及び固体電解質層を形成し、これらを貼りあわせることにより、エレクトロクロミック素子を作製することも可能であり、また、各層の構成成分を他の材料に変えても同様の手法で同様に作製できることが確認された。

本実施例では、透明導電膜であるスズドープした酸化インジウムをコーティングした、表面抵抗が１０Ω／□、厚さ１ｍｍのガラス板を基板として用いた。これを洗浄後、真空装置の中にセットして、真空排気を行った。前記基板上に酸化タングステン薄膜の蒸着をマグネトロンスパッタ装置で行った。成膜は、アルゴンと酸素と水素の混合雰囲気中で、金属タングステンターゲットをスパッタリングする反応性ＤＣスパッタリング法を用いることによって行った。

混合雰囲気は、アルゴンガスと酸素ガスと水素ガスの流量を制御することより制御した。アルゴンガスと酸素ガスと水素ガスの流量比は１０：２：５であり、真空槽内の圧力は１Ｐａとして、ＤＣスパッタリング法により、タングステンに６０Ｗのパワーを加えてスパッタを行った。作製された酸化タングステン薄膜の膜厚は、約１０００ｎｍであった。作製された酸化タングステン薄膜は、水素導入の効果によってブロンズ化され、濃青色であった。

上記酸化タングステン薄膜上に、酸化タンタル薄膜を、酸化タングステン薄膜と同様に、反応性ＤＣスパッタリング法により作製した。成膜は、アルゴンと酸素の混合雰囲気中で金属タンタルターゲットをスパッタリングすることにより行い、薄膜を作製した。混合雰囲気は、アルゴンガスと酸素ガスの流量を制御することより制御された。アルゴンガスと酸素ガスの流量比は３：１であり、真空槽内の圧力は０．７Ｐａとして、直流スパッタリング法により、タンタルに６５Ｗのパワーを加えてスパッタを行った。

作製された酸化タンタル薄膜の膜厚は約４００ｎｍ、密度は約３．８ｇ/ｃｍ^３であった。酸化タンタル薄膜を酸化タングステン薄膜の上に蒸着しても、膜の色は濃青色のままで変化しなかった。

上記酸化タンタル／酸化タングステン２層膜の表面にパラジウム触媒層及びマグネシウム・ニオブ系合金薄膜反射調光層の蒸着を、３連のマグネトロンスパッタ装置で行った。３つのスパッタ銃に、ターゲットとして、それぞれ、金属パラジウム、金属マグネシウム、それに金属ニオブをセットした。成膜に当っては、まず、パラジウムをスパッタリングして、触媒層であるパラジウム薄膜を約４ｎｍ蒸着した。

スパッタリング中のアルゴンガス圧は、０．６Ｐａであり、ＤＣスパッタリング法により、パラジウムに４５Ｗのパワーを加えてスパッタを行った。その後、マグネシウムに３０Ｗ、ニオブに６０Ｗのパワーを加えて、マグネシウム・ニオブ系合金薄膜を約４０ｎｍ蒸着した。このときのマグネシウムとニオブの組成は、約ＭｇＮｂ_０．５９であった。更に、マグネシウム・ニオブ系合金薄膜にインジウムで電極をとった。

本実施例では、上記実施例１で得られた多層膜を、図５に示した評価装置にとりつけ、その光学的なスイッチング特性を調べた。前記スズドープした酸化インジウムと前記インジウムの間に±５Ｖの電圧を印加し、そのときの光学透過率の変化を、波長６７０ｎｍの半導体レーザーとシリコンフォトダイオードを組み合わせた測定システムで測定した。

作製直後の多層膜は、調光層であるマグネシウム・ニオブ合金薄膜が金属光沢を持つため、光をよく反射し（光学反射率：〜３０％）、イオンストレージ層である酸化タングステン薄膜が濃紺に着色しているため、透過率は極めて低い（光学透過率：〜０．１％）。この多層膜のインジウム電極側に−５Ｖの電圧を印加すると、電場の影響で酸化タングステン薄膜中のプロトンが抜けて、固体電解質中を伝導し、マグネシウム・ニオブ合金薄膜中に導入された。

この結果、酸化タングステン薄膜は透明になり、マグネシウム・ニオブ合金薄膜も水素化が起こり、透明化した（光学反射率：〜２０％、光学透過率：〜４８％）。このときの光学透過率の時間変化を図６に示す。この変化には約１０秒しか掛からず、その応答性はきわめて速い。

この結果からも、透過状態はほぼ無色透明であることが分かる。逆に、インジウム電極側に＋５Ｖを印加すると、透過率は減少し、鏡状態に戻った。これにより、本素子は、印加電圧の極性を変化させることによって、鏡状態と透明状態へ、可逆的に変化させることが可能であることが分かった。また、イオン貯蔵層として、酸化モリブデン、酸化ニオブ、酸化バナジウム等の他の遷移金属酸化物を使用し、固体電解質層として、酸化ジルコニウムを使用して作製した多層膜の場合についても、ほぼ同様の結果が得られた。

以上詳述したように、本発明は、反射調光特性に優れたマグネシウム・ニオブ系合金薄膜材料を用いた全固体型の反射調光エレクトロクロミック素子に係るものであり、本発明により、電気的にガラス表面を鏡状態から透過状態へ可逆的に変化させることで、例えば、窓ガラスから入射する太陽光の透過を電気的に制御することができる全固体型反射調光エレクトクロミック素子を提供することができる。また、本発明により、人間の意図に沿って、日射のエネルギー透過量を制御でき、室内空間を快適に保つことが可能となる全固体型反射調光エレクトロクロミック素子、及び該素子を組み込んだ調光部材を提供することが可能となる。

図１は、本発明の素子の一例（全固体型反射調光エレクトロクロミック素子１）の概略図を示す。 図２は、本発明の素子の他の一例（全固体型反射調光エレクトロクロミック素子２）の概略図を示す。 図３は、本発明の素子の他の一例（全固体型反射調光エレクトロクロミック素子３）の概略図を示す。 図４は、本発明の素子の他の一例（全固体型反射調光エレクトロクロミック素子４）の概略図を示す。 図５は、全固体型反射調光エレクトロクロミック素子の特性評価装置の概略図を示す。 図６は、全固体型反射調光エレクトロクロミック素子のスイッチング特性（波長６７０ｎｍにおける光学透過率及び光学反射率の変化）を示す。

Claims (13)

1. 透明な基材に、多層薄膜を形成したマグネシウム・ニオブ系合金の反射型調光素子であって、少なくとも基材の上に、透明導電膜層、イオン貯蔵層、固体電解質層、触媒層、及びマグネシウム・ニオブ系合金薄膜を用いた反射調光層を形成したことを特徴とする全固体型反射調光エレクトロクロミック素子。
2. 前記透明導電膜層と反射調光層間に、電圧を印加する及び／又は電流を流すことによって、反射調光作用を発現する特性を有する、請求項１に記載の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子。
3. 透明導電膜を塗布した透明な基材の上に、イオン貯蔵層として、遷移金属酸化物薄膜を形成した、請求項１に記載の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子。
4. 固体電解質層として、イオン貯蔵層の上に、透明酸化物薄膜を形成した、請求項１に記載の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子。
5. 前記固体電解質層が、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）からなる、請求項４に記載の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子。
6. 触媒層として、固体電解質層の上に、パラジウム、白金、銀もしくはそれらの合金を含む層を形成した、請求項１に記載の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子。
7. 反射調光層として、触媒層の上に、マグネシウム・ニオブ系合金薄膜を形成した、請求項１に記載の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子。
8. マグネシウム・ニオブ系合金が、ＭｇＮｂ_ｘ（０．１≦ｘ≦０．６）である、請求項１又は７に記載の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子。
9. 作製時に、イオン貯蔵層もしくは反射調光層のいずれかを水素化した、請求項１に記載の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子。
10. 透明な基材とイオン貯蔵層の間に、透明導電膜層を有する、請求項１に記載の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子。
11. 任意の構成として、反射調光層の外側に、透明導電膜層を有する、請求項１に記載の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の全固体型反射調光エレクトロクロミック素子が組み込まれたことを特徴とする調光部材。
13. 前記調光部材が、ガラスである請求項１２に記載の調光部材。