JP2012501008A - エレクトロクロミック・デバイス - Google Patents

Abstract

エレクトロクロミック・デバイス（１０）は、第１の基板（１２）と、それから離された第２の基板（１４）とを含む。第１の基板（１２）の少なくとも一部分を覆って第１の導電部材（１６）が形成される。第１の導電部材（１６）の少なくとも一部分を覆ってタングステン酸化物コーティングを含む第１のエレクトロクロミック電極（１８）が形成される。第２の基板（１４）の少なくとも一部分を覆って第２の導電部材（２０）が形成される。第２の導電部材（２０）の少なくとも一部分を覆って第２のエレクトロクロミック電極（２２）が形成される。第１の電極（１８）と第２の電極（２２）との間に、イオン液体（２４）が存在する。発明の１つの態様で、イオン液体（２４）は、金属又は金属酸化物のナノ粒子を含むことができる。発明の別の態様では、第２の導電部材（２０）および第２の電極が単一の材料から形成できる。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、ここに参照によってその全体を引用する、２００８年８月２８日に出願された米国仮出願第６１／０９２，４６１号に対する優先権を主張する。

（発明の背景）
本発明は、一般にエレクトロクロミック・デバイスに関するものであって、特別な１つの態様において、タングステン酸化物の電極とナノ粒子を含むイオン液体とを使用するエレクトロクロミック・デバイスに関する。

（現状技術の説明）
エレクトロクロミック・デバイスは、電圧を印加することによって暗くなったり明るくなったりするエレクトロクロミック材料を使用する。これらのエレクトロクロミック・デバイスは、建物の窓や自動車の窓などの商業活動のいろいろな領域にますます活用されるようになっている。

米国特許第４，６１０，７７１号 米国特許第４，７１６，０８６号 米国特許第４，７４６，３４７号 米国特許第４，７９２，５３６号 米国特許第４，８０６，２２０号 米国特許第４，８３４，８５７号 米国特許第４，８９８，７８９号 米国特許第４，８９８，７９０号 米国特許第４，９０２，５８０号 米国特許第４，９４８，６７７号 米国特許第５，０２８，７５９号 米国特許第５，０３０，５９３号 米国特許第５，０３０，５９４号 米国特許第５，０５９，２９５号 米国特許第５，２４０，８８６号 米国特許第５，３８５，８７２号 米国特許第５，３９３，５９３号 米国特許第５，８２１，００１号 米国特許第６，６６７，８２５号 米国特許第６，８２８，０６２号 米国特許出願第０９／０５８，４４０号

本発明の１つの目的は、現在使用されているエレクトロクロミック・デバイスよりも優れたエレクトロクロミック・デバイスを提供することである。

本発明の特徴を含むエレクトロクロミック・デバイスの側面図（正確なスケールではない）である。 本発明のエレクトロクロミック・デバイスについての透過率（％）と波長（ｎｍ）との関係を示すグラフである。 本発明の特徴を含む別のエレクトロクロミック・デバイスの側面図（正確なスケールではない）である。

エレクトロクロミック・デバイスは、第１の基板と、それから離された第２の基板とを含む。第１の基板の少なくとも一部分を覆って第１の導電部材が形成される。第１の導電部材の少なくとも一部分を覆ってタングステン酸化物を含む第１のエレクトロクロミック電極が形成される。第２の基板の少なくとも一部分を覆って第２の導電部材が形成される。第２の導電部材の少なくとも一部分を覆って第２のエレクトロクロミック電極が形成される。第１の電極と第２の電極との間にイオン液体が存在する。発明の１つの態様で、イオン液体は、金属又は金属酸化物のナノ粒子を含むことができる。発明の別の態様で、第２の導電部材および第２のエレクトロクロミック電極は、単一材料、例えば、導電性の金属酸化物の単一層によって形成できる。

発明の特別な態様で、エレクトロクロミック・デバイスは、第１のガラス基板と、それから離された第２のガラス基板とを含む。少なくとも１つの導電性金属酸化物又は金属酸化物／金属／金属酸化物を含む多重層構造を含む第１の導電部材が第１の基板の少なくとも一部分を覆って形成される。タングステン酸化物を含む第１のエレクトロクロミック電極が第１の導電部材の少なくとも一部分を覆って、２００ｎｍから３００ｎｍの範囲の厚さに形成される。第２の導電部材が第２の基板の少なくとも一部分を覆って形成され、それは、少なくとも１つの導電性金属酸化物又は金属酸化物／金属／金属酸化物を含む多重層構造を含む。導電性金属酸化物又は導電性ポリマーの少なくとも１つを含む第２のエレクトロクロミック電極が、第２の導電部材の少なくとも一部分を覆って形成される。第１の電極と第２の電極との間には、ナノ粒子を含むイオン液体が存在する。

（好適な実施の形態の説明）
添付図面を参照しながら本発明について説明を行う。図面に用いられる参照番号は、全体を通して同じ部品を指す。

ここで用いられる「左」、「右」、「内側」、「外側」、「上方」、「下方」等の空間又は方向を示す用語は、図面に示された本発明に関しての表現である。しかし、本発明が各種の代替的な方向を想定できることを理解すべきであり、従ってそのような用語が制約となるべきでない。更に、ここで明細書および請求項に用いられる寸法、物理特性、処理パラメータ、成分の量、反応条件、等を表すすべての数字は、すべての場合において「およそ」という表現をつけたものに修正されるものと理解すべきである。従って、反対に定義されないかぎり、以下の明細書および請求項に現れる数値は、本発明によって得られることが求められる望ましい特性に依存して変化してもよい。少なくとも、そして請求の範囲に均一なものの原則の応用を制限する試みとしてではなく、各々の数値は、少なくとも報告された有効数字の桁数に照らし、また通常の丸め操作を適用することによって解釈されるべきである。更に、ここに開示されるすべての範囲は、範囲の下限値および上限値を含み、そこに含まれる任意のおよびすべての部分範囲を含むものと理解すべきである。例えば、「１から１０」と表現された範囲は、最小値１（それを含みながら）から最大値１０までの間の任意およびあらゆる部分範囲を含む、例えば、１から３．３、４．７から７．５、５．５から１０等のように、１以上の下限値から始まり１０以下の上限値で終るすべての部分範囲を含むものと解釈すべきである。更に、ここで用いられる「を覆って形成される」、「を覆って堆積される」、又は「を覆って設けられる」という表現は、形成、堆積又は提供されることを意味するが、必ずしも表面に接触する必要はない。例えば、基板「を覆って形成された」コーティング層は、形成されたコーティング層と基板との間に存在する同種又は異種の成分を含む１又は複数のそれ以外のコーティング層の存在を排除しない。ここで用いられる「ポリマー」又は「ポリマーの」という用語は、オリゴマー、ホモポリマー、コポリマーおよびターポリマーのような２又はそれ以上のタイプのモノマー又はポリマーを含んで形成されるポリマーを含む。また「可視領域」又は「可視光」という用語は、３８０ｎｍから８００ｎｍまでの範囲の波長を有する電磁波を指す。「赤外領域」又は「赤外放射」という用語は、８００ｎｍより長く１００，０００ｎｍまでの範囲の波長を有する電磁波を指す。「紫外領域」又は「紫外放射」という用語は、３００ｎｍから３８０ｎｍ未満の範囲の波長を有する電磁エネルギーを指す。更に、ここに引用される公開済み特許および特許出願（これらに限定しないが）などのすべての文献は、それらの全体を「参照によってここに取り込まれる」と理解すべきである。ここで用いられるように、シリコンは「金属」として考えられている。

発明の特徴を含むエレクトロクロミック・デバイス１０が図１に示されている。デバイス１０は、第１の基板１２と、それから離された第２の基板１４とを含む。第１の基板１２の少なくとも一部分を覆って第１の導電部材１６が形成される。第１の導電部材１６の少なくとも一部分を覆って第１のエレクトロクロミック電極１８が形成される。第２の基板１４の少なくとも一部分を覆って第２の導電部材２０が形成される。第２の導電部材２０の少なくとも一部分を覆って第２のエレクトロクロミック電極２２が形成される。イオン液体２４などの導電性媒体が第１の電極１８と第２の電極２２との間に存在する。

基板１２および１４は、任意の望ましい材料を含むことができる。発明を広く実施する場合に、基板１２と１４とは同じ材料であってもよいし、あるいは異なる材料であってもよい。基板１２、１４は、任意の望ましい特性を有する任意の望ましい材料を含むことができる。例えば、基板１２および１４の一方又は両方は、可視光に対して透明又は半透明のものであってよい。「透明」というのは、０％より大きく１００％までの間の可視光透過率を有することを意味する。あるいは基板１２、１４の一方又は両方は半透明であってよい。「半透明」というのは、電磁エネルギー（例えば、可視光）を通過させるものの、エネルギーが拡散して観察者の反対側にある物体が明瞭に見えないことを意味する。適当な材料の例には、樹脂基板（例えば、ポリアクリレート又は延伸アクリル樹脂などのアクリル・ポリマー；ポリメチルメタクリレート、ポリエチルメタクリレート、ポリプロピルメタクリレート等などのポリアルキルメタクリレート；ポリウレタン；ポリカーボネート；ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等などのポリアルキルテレフタレート；ポリシロキサンを含むポリマー；又はそれらの原料となる任意のモノマーのコポリマー又はそれらの任意の混合物）；セラミック基板；ガラス基板；又は上述の任意のものの組合せ又は混合物が含まれるが、これらに限らない。例えば、基板１２、１４の一方又は両方は、従来のソーダ石灰珪酸ガラス、ホウ珪酸ガラス又は鉛ガラスを含むことができる。ガラスは、クリア・ガラスでよい。「クリア・ガラス」というのは、無着色ガラス又は無色ガラスを意味する。あるいはガラスは、薄い色つき（ｔｉｎｔｅｄ）でもよいし、あるいは着色（ｃｏｌｏｒｅｄ）ガラスでもよい。ガラスは、アニールされたガラス、あるいは熱処理ガラスでもよい。ここで用いられる「熱処理された」という表現は、焼戻しされた（ｔｅｍｐｅｒｅｄ）、あるいは少なくとも部分的に焼戻しされたことを意味する。ガラスは、従来のフロートガラスのような任意のタイプのものでよい。また任意の光学特性、例えば、任意の値の可視透過率、紫外透過率、赤外透過率および／又は総合的太陽エネルギー透過率を有する任意の成分を含むものでよい。第１および第２の基板１２、１４は、それぞれが例えばクリアなフロートガラス、あるいは薄色ガラス又は着色ガラスでよく、あるいは一方の基板１２、１４がクリア・ガラスで他方の基板１２、１４が着色ガラスであってもよい。発明を制限するのではないが、発明に適したガラスの例は、米国特許第４，７４６，３４７号、第４，７９２，５３６号、第５，０３０，５９３号、第５，０３０，５９４号、第５，２４０，８８６号、第５，３８５，８７２号および第５，３９３，５９３号に述べられている。第１および第２の基板１２、１４は、任意の望ましい寸法、例えば長さ、幅、形状又は厚さのものでよい。限定する意図はないが、発明を実施する場合に使用できるガラスの例には、クリア・ガラス、ペンシルベニア州ピッツバーグにあるＰＰＧインダストリーズ社から市販されているＳｔａｒｐｈｉｒｅ（Ｒ）、Ｓｏｌａｒｇｒｅｅｎ（Ｒ）、Ｓｏｌｅｘｔｒａ（Ｒ）、ＧＬ−２０（Ｒ）、ＧＬ−３５（Ｒ）、Ｓｏｌａｒｂｒｏｎｚｅ（Ｒ）およびＳｏｌａｒｇｒａｙ（Ｒ）が含まれる。

第１および第２の導電部材１６、２０は、同じものであってもよいし、あるいは互いに異なるものであってもよい。発明に有用な材料の例には、導電性金属細線や導電性コーティングが含まれる。例えば、導電部材１６、２０は、任意の透明な導電性酸化物や金属酸化物／金属／金属酸化物コーティングなどの多重層導電性構造を含むように形成できる。発明に有用な透明性導電性材料の例には、シリコン、アルミニウム、ジルコニウム、錫、インジウム又はこれらの混合物の酸化物、窒化物、カーバイド又はオキシカーバイドが含まれるが、これらに限定されない。例えば、導電部材１６、２０の一方又は両方は、インジウム錫酸化物又はフッ素添加の錫酸化物でよい。多重層構造の例には、誘電体層間に１又は複数の金属膜を有するコーティングが含まれる。適当な誘電体層の例には、金属又は非金属の酸化物、窒化物、酸窒化物又はそれらの混合物が含まれる。金属膜は、銀、金、銅などの貴金属又はそれらの組合せや合金が含まれる。そのようなコーティングの例には、ＰＰＧインダストリーズ社から市販されているＳｏｌａｒｂａｎ（Ｒ）およびＳｕｎｇａｔｅ（Ｒ）コーティング群が含まれる。発明に有用な特殊なコーティングには、Ｓｏｌａｒｂａｎ（Ｒ）６０、Ｓｏｌａｒｂａｎ（Ｒ）７０およびＳｕｎｇａｔｅ（Ｒ）１００コーティングが含まれる。適当なコーティングの例は、例えば、米国特許第４，８９８，７８９号、第５，８２１，００１号、第４，７１６，０８６号、第４，６１０，７７１号、第４，９０２，５８０号、第４，７１６，０８６号、第４，８０６，２２０号、第４，８９８，７９０号、第４，８３４，８５７号、第４，９４８，６７７号、第５，０５９，２９５号および第５，０２８，７５９号に見出され、更に米国特許出願第０９／０５８，４４０号に見出されるが、これらに限らない。

第１のエレクトロクロミック電極１８は、第１の導電部材１６の少なくとも一部分を覆って設けられたタングステン酸化物（ＷＯ_３）コーティングを含む。例えば、タングステン酸化物コーティングは、ガラス基板上のシート抵抗５オーム／□のインジウム錫酸化物を覆ってスパッタ堆積される。例えば、タングステン酸化物コーティングは、２００ナノメートル（ｎｍ）から３００ｎｍの範囲の厚さを有することができる。

第２のエレクトロクロミック電極２２は、導電性の金属又は金属酸化物でよい。非限定的な実施の形態において、第２の電極２２および第２の導電部材２０は両方ともそれに限定しないが、インジウム錫酸化物のような導電性金属酸化物を含むように形成される。この実施の形態で、第２の導電部材２０および第２の電極２２は、２層のインジウム錫酸化物によって形成できる。あるいはインジウム錫酸化物の単一層が、第２の導電部材２０および第２の電極２２の両方として機能する。別の非限定的な実施の形態では、第２の電極が導電性共役ポリマーを含むように形成できる。共役ポリマーの例は、米国特許第６，６６７，８２５号および第６，８２８，０６２号に見出されるが、これらに限定されない。

イオン液体２４は一般的なイオン液体でよい。発明を実施するうえで有用なイオン液体の例は、米国特許第６，６６７，８２５号および第６，８２８，０６２号に見出される。１つの特別な実施の形態では、イオン液体２４は、［ＢＭＩＭ］ＰＦ_６（１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム・ヘキサフルオロホスフェート）でよい。例えば、イオン液体２４は、従来のエレクトロクロミック・デバイスに対して、本発明のエレクトロクロミック・デバイス１０の均一性およびコントラストを改善するためにナノ粒子を含むことができる。ナノ粒子は、材料をイオン液体２４中にスパッタ堆積させることによって生成できる。発明にとって有用なナノ粒子の例には、タングステン酸化物のナノ粒子および／又は亜鉛酸化物のナノ粒子が含まれる。
（例）

上述のようなエレクトロクロミック・デバイス（セル）を作製した。セルは、インジウム錫酸化物を覆うタングステン酸化物の第１の電極、インジウム錫酸化物の第２の電極およびタングステン酸化物および亜鉛酸化物のナノ粒子を含むイオン液体［ＢＭＩＭ］ＰＦ_６を使用した。図２の最も上のラインは、電圧が印加される前の透過率を示す。図２に示すように、５ボルトの電荷が与えられたあとで、透過率が降下している。次に電流を切断した。２４時間経過した後で、透過率はほぼ同じレベルに留まっている。図２の下のラインは、より高い電圧（６ボルト）を印加したときに、５ボルトで電流が与えられるときよりも透過率がより大きく低下する様子を示している。

表１〜６は、表記された従来の測定パラメータに従って測定されたスペクトル／カラー・データを示す。表１および２は、それぞれ（Ａ／２°）および（Ｄ６５／２°）で測定されたカラー・データを示す。標準（ＳＴＤ）に関するデータおよび試行３に関するデータは、電流を流す前のものである。試行１および２に関するデータは、５ボルトで電流を流した後のものである。

表３および４は、それぞれ（Ｄ６５／１０°）および（ＣＷＦ／１０°）におけるカラー・データを示す。標準（ＳＴＤ）に関するデータは、電流なしの場合である。試行４に関するデータは、５ボルトで電流が供給され、切断されたあと２４時間経過して測定された発明のセルに関するものである。

表５および６は、それぞれ（Ｄ６５／２°）および（ＣＷＦ／２°）におけるカラー・データを示す。標準および試行６に関するデータは、電圧を印加する前に測定されたものである。試行５に関するデータは、６ボルトで電流が供給されたあとで測定された。

別のエレクトロクロミック・デバイス３０が図３に示されている。この実施の形態では、電極１８、２２の一方又は両方が、ポリマー・マトリクスにタングステン酸化物粒子を混合又は含有した導電性共役ポリマーでよい。導電性ポリマーの例には、ポリ（アセチレン）、ポリ（ピロール）・ポリ（チオフェン）、ポリ（アニリン）、ポリ（チオフェン）、ポリ（ｐ−フェニレン・サルファイド）およびポリ（パラフェニレン・ビニレン）（ＰＰＢ）が含まれる。タングステン酸化物粒子をポリマーに混ぜるか、あるいはモノマーと混ぜたあとで重合化してポリマーの層を形成することができる。合成したポリマーは、導電部材の上にフロー・コートするか、スプレー堆積するか、あるいは電気めっきすることができる。

上で述べたような単なるイオン液体の代わりに、図３の導電性媒体３２では、電解液を含む多孔質のメンブレンでありながら、液体中のカチオンおよびアニオンの輸送が許されるものとすることができる。メンブレンは、液体の自由な移動を許容しつつ、機械的サポートを提供する足場となる構造を提供できる点で有利である。多孔質メンブレンの孔の寸法は、ナノメートルから数百マイクロメートルの範囲にわたる。メンブレン材料の屈折率は、電解液の屈折率と同じかほぼ同じになるように選ぶことができる。液体とメンブレンの屈折率を一致させることによって、メンブレンが目に見えなくなり、かすんだ外観を呈する光の散乱を起こさなくなる。更に、当該分野で一般的に行われているような小さい球体又はロッドをスペーサとして用いる代わりに、メンブレンが電極間のスペーサとなる。電極間の短絡を防止するために、メンブレンが良好な電気絶縁体であることが望ましい。また、メンブレンは、化学的腐食を防止するために、電解液と化学的に共存できることが望ましい。メンブレンは、特定の応用に合わせて調整されたポリマーおよび／又は無機組成で構成できる。メンブレンとして適当な材料の一例は、アクリル・マトリクスを形成するアクリル・ポリマーである。ビオロゲン、架橋色素およびイオン液体などの一般的な液体電解質を使用できる。

当業者であれば、以上の説明に開示された概念から外れることなく、発明に対して修正を施し得ることを理解されよう。従って、ここに詳細に説明した特別な実施の形態は、単なる例示であって本発明の範囲を限定するものではない。本発明の範囲は、添付の請求項およびそれの任意およびすべての等価物の全範囲を包含する。

Claims (10)

1. エレクトロクロミック・デバイスであって、
   第１の基板およびそれから離された第２の基板と、
   前記第１の基板の少なくとも一部分を覆って形成された第１の導電部材と、
   該記第１の導電部材の少なくとも一部分を覆って形成されたタングステン酸化物コーティングを含む第１のエレクトロクロミック電極と、
   前記第２の基板の少なくとも一部分を覆って形成された第２の導電部材と、
   該第２の部材の少なくとも一部分を覆って形成された第２のエレクトロクロミック電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に存在するイオン液体と、
   を含むエレクトロクロミック・デバイス。
2. 請求項１に記載のデバイスであって、前記第１および前記第２の基板がガラスを含む前記デバイス。
3. 請求項１に記載のデバイスであって、前記第１および前記第２の導電部材の少なくとも一方がインジウム錫酸化物を含む前記デバイス。
4. 請求項１に記載のデバイスであって、前記第２の導電部材および前記第２の電極がインジウム錫酸化物の単一コーティングで形成される前記デバイス。
5. 請求項１に記載のデバイスであって、前記イオン液体がナノ粒子を含む前記デバイス。
6. 請求項１に記載のデバイスであって、前記タングステン酸化物コーティングが２００ｎｍから３００ｎｍの範囲の厚さを有する前記デバイス。
7. 請求項５に記載のデバイスであって、前記ナノ粒子は、タングステン酸化物ナノ粒子又は亜鉛酸化物ナノ粒子の少なくとも一方を含む前記デバイス。
8. 請求項１に記載のデバイスであって、前記第２の電極が導電性ポリマーを含む前記デバイス。
9. 請求項１に記載のデバイスであって、前記導電部材の少なくとも一方が多重層構造を含む前記デバイス。
10. エレクトロクロミック・デバイスであって、
    第１のガラス基板およびそれから離された第２のガラス基板と、
    前記第１の基板の少なくとも一部分を覆って形成され、導電性の金属酸化物、あるいは金属酸化物／金属／金属酸化物を含む多重層構造の少なくとも１つを含む第１の導電部材と、
    該第１の導電部材の少なくとも一部分を覆って形成され、２００ｎｍから３００ｎｍの範囲の厚さを有するタングステン酸化物コーティングを含む第１のエレクトロクロミック電極と、
    前記第２の基板の少なくとも一部分を覆って形成され、導電性の金属酸化物、あるいは金属酸化物／金属／金属酸化物を含む多重層構造の少なくとも１つを含む第２の導電部材と、
    該第２の導電部材の少なくとも一部分を覆って形成され、導電性の金属酸化物、あるいは導電性ポリマーの少なくとも１つを含む第２のエレクトロクロミック電極と、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間に存在し、タングステン酸化物ナノ粒子および／又は亜鉛酸化物ナノ粒子のうちから選ばれたナノ粒子を含むイオン液体と、
    を含むエレクトロクロミック・デバイス。

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