JP2009209680A

JP2009209680A - 光形成機能を有する壁部材

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Publication number: JP2009209680A
Application number: JP2009050198A
Authority: JP
Inventors: Volker Kirchhoff; キルヒホフフォルカー; Torsten Kopte; コプテトルステン; Joerg Kubusch; クーブッシュイェルク
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2009-09-17
Anticipated expiration: 2029-03-04
Also published as: DE102008012383B3; EP2098674A1; EP2098674B1; ATE479009T1; JP5355150B2; DE502009000075D1

Abstract

【課題】一方で窓またはドアとして使用可能であり、他方で光形成機能を有する壁部材を形成する。ここで、当該の壁部材は人間の健康にとって有害な作用を生ずるおそれのある水銀その他のガスを含んでいてはならない。
【解決手段】第１の透明基板と第２の透明基板とが設けられており、２つのプレート状の透明基板が対向して配置されて中空室を定めている、光形成機能を有する壁部材において、第２の透明基板上の少なくとも表面領域に、第１の導電層、発光層および第２の導電層を当該の順序で含む少なくとも１つの第１の層列が堆積され、第１の導電層と第２の導電層とのあいだで第１の電圧が切り換えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、窓、ドアまたは室内用タイルとして構成され、光形成機能を有する壁部材に関する。

騒音防止または断熱の目的で、例えば窓またはガラスドアとして構成される壁部材に２重ガラスプレートを設けることが知られている。ここでは、対向して配置される２つのガラスプレートが中空室をなしており、この中空室に熱伝導性の小さいガスが充填され、熱損失がいちじるしく低減される。独国公開第２４４３３９０号明細書では、熱的絶縁の改善のために少なくとも１つのガラスプレートのうち中空室側の面に金属層を設けることが推奨されている。

独国出願第１０２００６００９６２０号明細書には、装飾目的にも用いられる２つのガラスプレートを含む窓部材またはファサード部材が記載されている。このために、２つのガラスプレートのあいだの空間にイオン化された水銀リッチのガスが充填され、電圧の印加によって照明される。当該の窓部材はさらに放電の点弧維持手段を有する。ネオン照明の動作原理にしたがって、こうした２重窓により光が形成され、装飾目的に用いられる。しかし、こうした窓部材では、水銀を含むガスが中空室から漏れ出て人間がこれを吸い込んでしまうという欠点が存在する。

独国公開第２４４３３９０号明細書独国出願第１０２００６００９６２０号明細書

したがって、本発明の基礎とする課題は、一方で窓またはドアとして使用可能であり、他方で光形成機能を有する壁部材を形成することである。ここで、当該の壁部材は人間の健康にとって有害な作用を生ずるおそれのある水銀その他のガスを含んでいてはならない。

この課題は、請求項１の特徴を有する壁部材により解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項から得られる。

本発明の壁部材の第１の実施例の横断面図である。透明度を変更するための層列を備えた本発明の壁部材の第２の実施例の横断面図である。

本発明は、第１の透明基板と第２の透明基板とが設けられており、これら２つのプレート状の透明基板が対向して配置されて中空室を定めている、光形成機能を有する壁部材に関する。本発明によれば、一方の透明基板上の少なくとも表面領域に、第１の導電層、発光層および第２の導電層をこの順序で含む少なくとも１つの第１の層列が堆積される。さらに、第１の導電層と第２の導電層とのあいだで第１の電圧が切り換えられる。ここで、第１の導電層と第２の導電層とのあいだに第１の電圧が印加されることにより、発光層から光が放出される。

第１の層列は透明層列として構成されており、特に有利には、壁部材が窓またはガラスドアとして機能する。有利な実施形態では、壁部材は可視光の波長領域に少なくとも３５％の透明度を有する。これに対して、本発明の壁部材は、天井ガラスや、固定に取り付け可能な室内タイルまたは位置変更可能な室内タイルとして構成することもできる。この場合には窓の場合ほど高い値の透明度を有する必要はなく、低い透明度が所望されることもある。第１の層列は、第１の透明基板上および第２の透明基板上に堆積することができ、特に基板の外面にも基板の内面（すなわち基板のうち中空室側の面）にも堆積することができる。また有利には、第１の層列は建物の内部に向かう壁などの基部に堆積される。さらに有利には、第１の層列は基板のうち中空室側の面に堆積される。なぜならこのようにすれば層列が機械的負荷、例えばひっかきなどに対して保護されるからである。また、中空室にアルゴン、クリプトンまたはキセノンなどのガスが充填されていれば、当該の層列は酸化性の影響から保護される。中空室にガスが存在するケースでは、本発明の壁部材は透明基板を取り巻く気密のスペーサを有しており、このスペーサにより透明基板のあいだの中空室が封止される。

本発明の壁部材は第１の透明基板および／または第２の透明基板から成り、これらの基板は有利にはガラスから成る。これに代えて、第１の透明基板および／または第２の透明基板がプラスティックから成っていてもよい。

有利な実施形態では、２つの導電層が選択的に用いられる。或る実施形態では、第１の導電層および／または第２の導電層が個別層として構成されている。層の材料は透明な導電性酸化物ＴＣＯ（Transparent Conductive Oxid）であり、例えばインジウム錫酸化物であるかまたはアルミニウムをドープされた亜鉛酸化物である。第１の導電層および／または第２の導電層が個別層として構成される場合、５０ｎｍ〜５００ｎｍの層厚さが適切である。

これに代えて、第１の導電層および／または第２の導電層は層接合体から成っていてもよい。このような層接合体は例えば第１のＴＣＯ層および第２のＴＣＯ層を含み、これらのあいだに銀層が埋め込まれている。ＴＣＯ層の材料として例えばインジウム錫酸化物またはアルミニウムをドープされた亜鉛酸化物が用いられる。層厚さとしては、第１のＴＣＯ層および第２のＴＣＯ層では２０ｎｍ〜５０ｎｍ、銀層では５ｎｍ〜１５ｎｍが適切である。

本発明の壁部材の重要な構成要素は発光層である。発光層の材料として、発光ダイオードについて知られている材料が適している。特に、ガリウムアルミニウムヒ素ＧａＡｌＡｓ，ガリウムヒ素リンＧａＡｓＰ，アルミニウムインジウムガリウムリンＡｌＩｎＧａＰ，ガリウムリンＧａＰ，インジウムガリウム窒素ＩｎＧａＮ，ガリウム窒素ＧａＮまたはその他の無機半導体材料あるいはキナクリドン、フラバントロンまたはペリノンなどの有機半導体材料が適する。特に本発明の壁部材に適しているのは有機半導体材料である。なぜなら有機半導体材料は無機半導体材料に比べて同じ層厚さで高い透明度を有するからである。発光層の層厚さは１０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲で選択される。

有利な実施形態によれば、断熱性を有する第２の層列が設けられる。こうした層列は低ｅ層列とも称される。低ｅ層列は、選択的に第１の透明層上および／または第２の透明層上に堆積される。低ｅ層列は、例えば、金属酸化物層、銀層、金属層、金属酸化物層を含む層構造体を有する。これに代えて、低ｅ層列は、接着層、阻止層、カバー層または保護層を有するように構成されてもよい。金属層の材料としては例えばニッケルクロム化合物が適している。低ｅ層列を含む本発明の壁部材は、透明基板の表面に対して垂直に、最大で０．１の放出能を有する。低ｅ層列を含む壁部材が窓またはガラスドアとして構成される場合、可視波長領域において少なくとも２５％の透明度を有すると有利である。壁部材が天井ガラスまたは室内タイルとして構成される場合には、可視波長領域における透明度は１５％を上回っていれば充分であることが多い。

ただし断熱性を実現するのに必ずしも第２の層列は必要ない。光形成用の第１の層列では第１の導電層および第２の導電層が金属酸化物層として構成されている。また、個々の層の材料を選択する場合および／または層の厚さを選択する場合には、第１の層列の各層は低ｅ特性を有するように相互に調整される。また、第１の層列に別の層を補充し、低ｅ特性を有するようにすることもできる。このように、例えば、第２の導電層上にさらに別の銀層および金属酸化物層を堆積し、所望の低ｅ特性を実現することもできる。

第１の層列を用いて第１の導電層と第２の導電層とのあいだに電圧を印加することにより光が形成されることは既に述べた。しかし、第１の層列などの層列によって逆の作用が生じることもある。というのは、発光層に太陽光などの光が印加されると、第１の導電層と第２の導電層とのあいだに電圧が生じてしまうということである。このため、有利な実施形態によれば、第１の導電層および第２の導電層は電圧を取り出し可能なコンタクト手段を有している。こうした壁部材が例えば建物の外壁に組み込まれれば、太陽光の入射から電流を得ることができる。

これに代えて、第１の層列と同じ層構造を有する第３の層列を一方の透明基板上に堆積し、第１の層列には発光機能のみを担当させ、第３の層列には電流形成機能のみを担当させることにしてもよい。第３の層列は、例えば、透明基板から出発して、第３の導電層、キナクリドン層および第４の導電層から成る層列を有する。第３の導電層は例えばＴＣＯ層として構成することができ、第４の導電層はＴＣＯ層、銀層およびＴＣＯ層を含む層列として構成することができる。

別の有利な実施形態によれば、例えば窓として構成されて建物の外壁に組み込まれる本発明の壁部材には、外部へ向かって光を暗化させるか、または、発光層から外部へ向かう光を室内へ戻す第４の層列が設けられている。こうした機能のために、従来技術では、エレクトロクロム層列、ガソクロム層列またはスイッチャブルミラーと称される層列が公知である。第４の層列は有利には外部へ向かって配向された透明基板上に堆積される。

第４の層列は例えば一方の透明基板の中空室側の面に堆積されるタングステン酸化物層を含む。暗化機能の切り換えは水素を２つの透明基板のあいだの中空室へ供給することにより行われる。当該の層をふたたび明化するには、水素をポンピングにより取り出し、中空室へ酸素を供給する。

タングステン酸化物のほか、金属ハイブリッドベースの層も適しており、水素の作用により透明度を変更したり鏡として作用させたりすることができる。これに代わる第４の層列は例えばイットリウム層およびパラディウム層を含み、これらの層は一方の透明基板の中空室側の面に堆積される。このように水素の供給によって透明度の切り換えを行うことのできる層列はHydrogen Switchable Mirrors ＨＹＳＷＩＭとも称される。

これに代えて、第４の層列の透明度の切り換えを電圧の印加によって行ってもよい。この実施形態では、一方の透明基板が第３の透明基板と接合され、これら２つの透明基板のあいだに第４の層列が堆積される。この実施形態における第４の層列は、例えば、透明な第５の導電層、タングステン酸化物層、イオン伝導層、イオン含有層、第６の導電層を含む。第５の導電層と第６の導電層とのあいだに第４の電圧を印加することにより、第４の層列の透明度を変更することができる。

イオン伝導層として例えばイオン伝導性のポリマーが用いられ、イオン含有層として例えばリチウムを含む層が適している。

もちろん上述した第４の層列の積層順序は例示にすぎないことに注意されたい。本明細書では、層列のうちそれぞれの機能を達成するのに必要な層のみを挙げている。前述した第１の層列から第４の層列に、接着層、阻止層、バリア層、カバー層および／または保護層などの機能を有する他の層を補充してもよい。

選択的な手段として、第１の層列から第４の層列を直接に透明基板上に堆積することもできる。また、第１の層列から第４の層列のうちいずれかの層列をまずプラスティックシートなどの可撓性の透明基板上に堆積し、ついでこのプラスティックシートをいずれかの透明基板の上に積層することもできる。

本発明の壁部材の別の実施形態によれば、乾燥剤が２つの透明基板を相互に懸隔する支持部材内へ封入される。こうした乾燥剤は例えばケイ素酸化物として構成され、透明基板のあいだの中空室から湿分を取り去るために用いられる。

さらに、中空室の残留酸素を結合させるゲッタ材料がスペーサ内に組み込まれ、これにより、透明基板のうち中空室側の面に堆積された層が酸化から保護される。

以下に本発明を有利な実施例に則して詳細に説明する。

図１には窓として構成された本発明の壁部材１００の概略的な断面図が示されている。壁部材１００は４ｍｍ厚さの第１のガラスプレート１０１と４ｍｍ厚さの第２のガラスプレート１０２とを有しており、この２つのガラスプレートは１６ｍｍの間隔で相互に懸隔されている。ここで第１のガラスプレート１０１および第２のガラスプレート１０２の縁を取り巻く気密のスペーサ１０３によって中空室１０４が定められている。当該の中空室１０４にはアルゴンガスが充填されている。

窓１００は建物の外壁に組み込まれており、第１のガラスプレート１０１が外側に、第２のガラスプレート１０２が内側すなわち建物の室内側に面している。第２のガラスプレート１０２のうち中空室１０４側の面には透明な層列が堆積されており、ここでは１３０ｎｍ厚さのインジウム錫酸化物から成る２つのＴＣＯ層１０６，１０７のあいだにキナクリドンから成る５００ｎｍ厚さの有機半導体層１０５が埋め込まれている。電圧源１０８を設けてスイッチ１０９を操作することにより、２つのＴＣＯ層１０６，１０７のあいだで電圧が切り換えられる。当該の電圧の切り換えの際に有機半導体層１０５から光が放出され、室内の方向にも建物の外の方向へも送出される。

壁部材１００は２つの機能を有する。１つは透明窓としての機能であり、もう１つはスイッチ１０８が閉成されたときに光を形成する機能である。

図２には本発明の壁部材の第２の実施例の概略的な断面図が示されており、ここでも壁部材は窓として構成されている。図１の壁部材１００と同様に、図２の壁部材２００は４ｍｍ厚さの第１のガラスプレート２０１と４ｍｍ厚さの第２のガラスプレート２０２とを有しており、この２つのガラスプレートは１６ｍｍの間隔で相互に懸隔されている。ここで第１のガラスプレート２０１および第２のガラスプレート２０２の縁を取り巻く気密のスペーサ２０３によって中空室２０４が定められている。中空室２０４にはアルゴンガスが充填されている。

第２のガラスプレート２０２は室内に面しており、壁部材２００によって発光する。第２のガラスプレート２０２のうち中空室２０４側の面には透明な層列が堆積されており、ここでは２００ｎｍ厚さのインジウム錫酸化物から成る２つのＴＣＯ層２０６，２０７のあいだにキナクリドンから成る４００ｎｍ厚さの有機半導体層２０５が埋め込まれている。電圧源２０８を設けてスイッチ２０９を操作することにより、２つのＴＣＯ層２０６，２０７のあいだで電圧が切り換えられる。電圧の切り換えの際に有機半導体層２０５から光が放出され、室内の方向にも建物の外の方向へも送出される。

さらに、第１のガラスプレート２０１は、第１のガラスプレート２０１のほか、第１の導電層２１０、イオン蓄積層２１１、イオン伝導層２１２すなわちイオン伝導性のポリマーシート、非化学量論的な３００ｎｍ厚さのタングステン酸化物層２１３、第２の導電層２１４および４ｍｍ厚さの第２のガラスプレート２１５を有する層接合体の一部である。それぞれ１５０ｎｍ厚さの２つの導電層２１０，２１４はインジウム錫酸化物から成っており、イオン蓄積層２１１は層材料としてリチウムを含む。

第２の電圧源２１６および第２のスイッチ２１７により、２つの導電層２１０，２１４のあいだで電圧が切り換えられる。当該の電圧の切り換えはタングステン酸化物層２１３の透明度の変更に作用する。つまり、印加電圧に応じてタングステン酸化物層２１３の透明度が連続的に制御される。このようにして壁部材２００により照明される建物の外側へ向かう空間を暗化することができる。

１００，２００壁部材、１０１，１０２，２０１，２０２，２１５ガラスプレート、１０３，２０３スペーサ、１０４，２０４中空室、１０５，２０５半導体層、１０６，１０７，２０６，２０７ＴＣＯ層、１０８，２０８，２１６電圧源、１０９，２０９，２１７スイッチ、２１０，２１４導電層、２１１イオン蓄積層、２１２イオン伝導層、２１３タングステン酸化物層

Claims

第１の透明基板（１０１；２０１）と第２の透明基板（１０２，２０２）とが設けられており、該２つのプレート状の透明基板が対向して配置されて中空室（１０４；２０４）を定めている、
光形成機能を有する壁部材（１００；２００）において、
前記第２の透明基板上の少なくとも表面領域に、第１の導電層（１０６；２０６）、発光層（１０５；２０５）および第２の導電層（１０７；２０７）を当該の順序で含む少なくとも１つの第１の層列が堆積され、前記第１の導電層と前記第２の導電層とのあいだで第１の電圧が切り換えられる
ことを特徴とする光形成機能を有する壁部材。
前記壁部材は窓、ドアまたは室内タイルとして構成されている、請求項１記載の光形成機能を有する壁部材。
前記第１の透明基板および／または前記第２の透明基板はガラスまたはプラスティックから成っており、前記第１の層列は透明に構成されている、請求項１または２記載の光形成機能を有する壁部材。
前記第１の導電層および／または前記第２の導電層は５０ｎｍ〜５００ｎｍの厚さの個別層として構成されており、該個別層は透明な導電性酸化物、例えばインジウム錫酸化物から成るかまたはアルミニウムをドープされた亜鉛酸化物から成っている、請求項１から３までのいずれか１項記載の光形成機能を有する壁部材。
前記第１の導電層および／または前記第２の導電層は層接合体から成っており、該層接合体はそれぞれ透明な導電性酸化物、例えばインジウム錫酸化物から成るかまたはアルミニウムをドープされた亜鉛酸化物から成る２０ｎｍ〜５０ｎｍの厚さの少なくとも１つの第１の層および２０ｎｍ〜５０ｎｍの厚さの第２の層を有しており、該第１の層と該第２の層とのあいだに５ｎｍ〜１５ｎｍの厚さの銀層が埋め込まれている、請求項１から４までのいずれか１項記載の光形成機能を有する壁部材。
前記発光層は無機半導体材料から成っており、１０ｎｍ〜１０００ｎｍの層厚さを有する、請求項１から５までのいずれか１項記載の光形成機能を有する壁部材。
前記発光層はＧａＡｌＡｓ，ＧａＡｓＰ，ＡｌＩｎＧａＰ，ＧａＰ，ＩｎＧａＮまたはＧａＮのうち少なくとも１つの化合物から成っている、請求項６記載の光形成機能を有する壁部材。
前記発光層は有機半導体材料から成っており、１０ｎｍ〜１０００ｎｍの層厚さを有する、請求項１から５までのいずれか１項記載の光形成機能を有する壁部材。
前記発光層はキナクリドン、フラバントロンまたはペリノンのうち少なくとも１つの化合物から成っている、請求項８記載の光形成機能を有する壁部材。
前記第１の層列は前記第２の透明基板のうち前記中空室側の面または前記中空室から遠い側の面に堆積される、請求項１から９までのいずれか１項記載の光形成機能を有する壁部材。
前記第１の層列が低ｅ層列として構成されているかまたは前記第１の透明基板上に低ｅ特性を有する第２の層列が堆積されており、該第２の層列は基板から出発して少なくとも金属酸化物層、銀層、金属層および金属酸化物層を有する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の光形成機能を有する壁部材。
当該の壁部材は表面に対して垂直に最大で０．１の発光能を有する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の光形成機能を有する壁部材。
当該の壁部材は可視領域に少なくとも３５％の透明度を有する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の光形成機能を有する壁部材。
前記中空室はガス、例えばアルゴン、クリプトンまたはキセノンあるいはこれらのガスの混合気によって充填されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の光形成機能を有する壁部材。
当該の壁部材に光が入射する際に、前記第１の導電層と前記第２の導電層とのあいだから第２の電圧が取り出される、請求項１から１４までのいずれか１項記載の光形成機能を有する壁部材。
前記第１の透明基板は、当該の壁部材に光が入射する際に第３の電圧を形成する第３の層列を有している、請求項１から１４までのいずれか１項記載の光形成機能を有する壁部材。
前記第３の層列は基板から出発して少なくとも第３の導電層、キナクリドン層および第４の導電層を有しており、該第３の導電層と該第４の導電層とのあいだから前記第３の電圧が取り出される、請求項１６記載の光形成機能を有する壁部材。
前記第１の透明基板は切り換え可能な鏡として構成される第４の層列および／または当該の壁部材の透明度を変更可能な第４の層列を有している、請求項１から１７までのいずれか１項記載の光形成機能を有する壁部材。
前記第１の透明基板は少なくとも第１のガラスプレート（２０１）、第５の導電層（２１０）、イオン蓄積層（２１１）、イオン伝導層（２１１）、非化学量論的なタングステン酸化物層（２１３）、第６の導電層（２１４）および第２のガラスプレート（２１５）を当該の順序で有する層接合体の構成要素であり、透明な前記第５の導電層と透明な前記第６の導電層とのあいだで第４の電圧が切り換えられる、請求項１８記載の光形成機能を有する壁部材。
前記第４の層列はイットリウム層およびパラディウム層を有しており、前記中空室内へ水素が浸透可能である、請求項１８記載の光形成機能を有する壁部材。
前記第１の層列、前記第２の層列、前記第３の層列または前記第４の層列のうち少なくとも１つの層列が可撓性の支持体基板上に堆積されており、該可撓性の支持体基板がその上に配置されている層列とともに前記第１の透明基板上または前記第２の透明基板上に積層されている、請求項１から２０までのいずれか１項記載の光形成機能を有する壁部材。