JP2016527559A - エレクトロクロミック膜及び関連するその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＣ膜積層体及びこのＥＣ膜積層体内の異なる層を提供するとともに、これらの層を製造する方法を提供する。【解決手段】一実施形態では、ＥＣ層はナノ構造ＥＣ層を含む。これらの層は、限定ではないが、視斜角堆積、斜角堆積、電気泳動、電着、及び原子層堆積を含む様々な方法によって製造することができる。ナノ構造ＥＣ層は、比表面積が大きく、応答時間が向上し、色効率が高い。【選択図】図９

Description

[0001] 本明細書に開示する実施形態は、エレクトロクロミック膜及び方法及びその利用に関する。

[0002] エレクトロクロミック（ＥＣ：ｅｌｅｃｔｒｏ−ｃｈｒｏｍｉｃ）膜積層体は、表面の光学透過特性を変化させることが望ましい場合に、表面に塗布されることがある。例えば積層体を眼科用レンズに塗布して、レンズを通る有害な紫外線光の透過を低減することができる。概してエレクトロクロミック膜積層体は、少なくとも１つのイオン伝導層に接触した少なくとも１つのエレクトロクロミック層を備えている。電圧を印加すると、異なる層間でイオン及び電子が移動し、これによって積層体の光学特性が変化する。電圧をオフにすると、積層体の光学特性は変更されていない状態に戻る。

[0003] 様々なＥＣ技術の分野において多くの調査研究が進行中であるにもかかわらず、既存の眼科用レンズブランク、半製品ブランク（ＳＦＢ：ｓｅｍｉ−ｆｉｎｉｓｈｅｄ ｂｌａｎｋ）、その他の制御可能な可変透過性能を必要とする表面上に容易に塗布することができるコンパクトで機械的に頑強な固体エレクトロクロミック膜積層体が今なお求められている。また、そのようなＥＣ積層体が低電圧で動作すること、従って、大型で重量があり外見上も容認できない電池が不要であることが望ましい場合がある。更に、可変透過ＥＣ積層体は、現在利用可能な光互変性レンズ及び他のスイッチング技術に比べ、申し分のないダイナミックレンジで高速応答でなければならない。更に、そのような頑強なＥＣ積層体は、他のいずれかの大面積の透過性表面に塗布される可能性がある。それらは、限定ではないが、建築用の窓、ガラス屋根、自動車のフロントガラス、並びに、エネルギ節約及び他の目的のため制御可能な透過性を必要とする他の用途を含む。

[0004] また、ＥＣ膜積層体は、塗布される表面に対する全ての後処理ステップに耐えなければならない。例えば眼科用ＳＦＢに塗布された場合は、異なるレンズ処方箋のための表面仕上げ、異なるレンズ形状へのエッジング、及び溝切りのステップに耐えなければならない。これは、電解液を利用する非固体ＥＣデバイスには当てはまらない。更に、固体ＥＣ膜積層体を単一の基板上に堆積することができれば、限定ではないが例えば眼科用レンズ、オートバイのヘルメット、窓のような最終製品の「かさの大きさ（ｂｕｌｋｉｎｅｓｓ）」を低減するために極めて有用である。

[0005] 一実施形態において、方法は、表面法線を有する基板の表面を、第１の方向に進むエレクトロクロミック材料のフラックスに露呈させることによって、表面の上にエレクトロクロミック材料を堆積して、ナノ構造エレクトロクロミック層を形成することを備える。第１の方向と表面法線との間の入射角は、少なくとも１度であると共に最大でも８９度である。

[0006] 一実施形態では、入射角は少なくとも１度であると共に１０度未満である。一実施形態では、入射角は少なくとも１０度であると共に８０度未満である。一実施形態では、入射角は少なくとも８０度であると共に最大でも８９度である。

[0007] 一実施形態において、この方法は、エレクトロクロミック材料を堆積している間にフラックスに対して表面を回転させることを備える。一実施形態では、エレクトロクロミック材料を堆積している間にフラックスに対して表面は回転させない。

[0008] 一実施形態では、この方法は、エレクトロクロミック材料を堆積した後にナノ構造層の上に第１のイオン伝導層を堆積することと、第１のイオン伝導層を堆積した後に第１のイオン伝導層の上に第２のイオン伝導層を堆積してエレクトロクロミック光学デバイスを形成することと、を更に備える。

[0009] 一実施形態では、エレクトロクロミック材料は２つのエレクトロクロミック材料を含み、堆積するステップは表面の上に２つのエレクトロクロミック材料を共堆積することを備える。

[0010] 一実施形態では、エレクトロクロミック材料は本質的に単一のエレクトロクロミック材料から成る。

[0011] 一実施形態では、ナノ構造エレクトロクロミック層は少なくとも１つのコラム構造を含む。

[0012] 一実施形態では、少なくとも１つのコラム構造と表面の法線とが、入射角より小さい角度を形成する。

[0013] 一実施形態では、ナノ構造エレクトロクロミック層は、１ナノメートルから５００ナノメートルの範囲のフィーチャサイズを有する。

[0014] 一実施形態では、エレクトロクロミック材料は、酸化タングステン、酸化ニッケル、酸化イリジウム、酸化モリブデン、酸化バナジウム、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される。一実施形態では、エレクトロクロミック材料は酸化タングステンである。

[0015] 一実施形態では、ナノ構造エレクトロクロミック層の形成は、（１）表面を第１の方向に進むエレクトロクロミック材料のフラックスに露呈させること、及び（２）ゾルゲル、ディップコーティング、スピンコーティング、ナイフコーティング、アニーリング、及び焼結の少なくとも１つ、の組み合わせによって達成される。

[0016] 一実施形態では、ナノ構造エレクトロクロミック層は５０ｍ²／ｇより大きい比表面積を有する。一実施形態では、ナノ構造エレクトロクロミック層は５０ｃｍ²／Ｃより大きい着色効率を有する。一実施形態では、エレクトロクロミック層は、酸化ニッケル、酸化イリジウム、酸化モリブデン、酸化バナジウム、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される。

[0017] 一実施形態では、エレクトロクロミック層は２つの異なるエレクトロクロミック材料の混合物を含む。

[0018] 一実施形態では、方法は、第１の表面法線を有する第１の基板の表面を、第１の方向に進む第１のエレクトロクロミック材料の第１のフラックスに露呈させることによって、表面の上にエレクトロクロミック材料を堆積して、第１のナノ構造エレクトロクロミック層を形成することを備える。第１の方向と第１の法線との間の入射角は、少なくとも１度であると共に最大でも８９度である。この方法は、第２の表面法線を有する第２の基板の表面を、第２の方向に進む第２のエレクトロクロミック材料の第２のフラックスに露呈させることによって、表面の上に第２のエレクトロクロミック材料を堆積して、第２のナノ構造エレクトロクロミック層を形成することを更に備える。第２の方向と第２の法線との間の入射角は少なくとも１度であると共に最大でも８９度である。この方法は、第１のナノ構造層の上に第１のイオン伝導層を堆積することと、第２のナノ構造層の上に第２のイオン伝導層を堆積することと、第１のイオン伝導層及び第２のイオン伝導層が接触してエレクトロクロミック光学システムを形成するように、第１の基板及び第２の基板を組み立てることと、を更に備える。

[0019] 一実施形態では、第１及び第２のナノ構造層は同一の材料組成を有する。一実施形態では、第１及び第２のナノ構造層は異なる材料組成を有する。

[0020] 一実施形態では、方法は、電気泳動又は電着を用いて基板の表面の上にエレクトロクロミック材料を堆積してナノ構造エレクトロクロミック層を形成することを備える。

[0021] 一実施形態では、堆積は電気泳動によって行われる。一実施形態では、堆積は電着によって行われる。

[0022] 一実施形態では、この方法は、エレクトロクロミック材料を堆積する前に表面上に前駆物質材料を堆積することと、エレクトロクロミック材料を堆積した後に表面から前駆物質材料を除去することと、を更に備える。

[0023] 一実施形態では、前駆物質材料はポリスチレンを含む。

[0024] 一実施形態では、堆積するステップは２つのエレクトロクロミック材料を共堆積することを備え、ナノ構造エレクトロクロミック層は２つのエレクトロクロミック材料の混合物を含む。

[0025] 一実施形態では、エレクトロクロミック材料は本質的に単一のエレクトロクロミック材料から成る。

[0026] 一実施形態では、ナノ構造エレクトロクロミック層は少なくとも１つのコラム構造を含む。

[0027] 一実施形態では、少なくとも１つのコラム構造と表面の法線とは相互に平行でない。

[0028] 一実施形態では、ナノ構造エレクトロクロミック層は、１ナノメートルから５００ナノメートルの範囲のフィーチャサイズを有する。

[0029] 一実施形態では、エレクトロクロミック材料は、酸化タングステン、酸化ニッケル、酸化イリジウム、酸化モリブデン、酸化バナジウム、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される。一実施形態では、エレクトロクロミック材料は酸化タングステンである。

[0030] 一実施形態では、この方法は、ゾルゲル、ディップコーティング、スピンコーティング、ナイフコーティング、アニーリング、及び焼結の少なくとも１つを更に備える。

[0031] 一実施形態では、ナノ構造エレクトロクロミック層は５０ｍ²／ｇより大きい比表面積を有する。一実施形態では、ナノ構造エレクトロクロミック層は５０ｃｍ²／Ｃより大きい着色効率を有する。一実施形態では、エレクトロクロミック層は、酸化ニッケル、酸化イリジウム、酸化モリブデン、酸化バナジウム、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される。

[0032] 一実施形態では、エレクトロクロミック材料は２つの異なるエレクトロクロミック材料の混合物を含む。

[0033] 一実施形態では、ナノ構造エレクトロクロミック層の形成は、（１）電気泳動又は電着を用いて表面の上にエレクトロクロミック材料を堆積すること、及び（２）ゾルゲル、ディップコーティング、スピンコーティング、ナイフコーティング、アニーリング、及び焼結の少なくとも１つ、の組み合わせによって達成される。

[0034] 一実施形態では、エレクトロクロミックデバイスは、基板と、この基板の上に配置されたナノ構造エレクトロクロミック層と、を備える。エレクトロクロミック層は少なくとも２つの化合物の混合物を含み、双方の化合物は、セラミック、金属、及びポリマーから成る群から選択される。

[0035] 一実施形態では、第１の化合物は第２の化合物とは異なる。

[0036] 一実施形態では、方法は、基板の第１の表面を前駆物質材料に露呈させることによって第１の表面の上に前駆物質材料の単層を堆積するステップと、第１の表面を蒸気反応物に露呈させるステップと、を順番に実行することを備える。前駆物質材料の単層は、蒸気反応物に露呈された場合に反応を生じて第１の表面上にナノ層を形成する。

[0037] 一実施形態では、ナノ層は均一な厚さを備える。一実施形態では、ナノ層は少なくとも１つのナノ構造を備える。一実施形態では、ナノ構造は、１ナノメートルから５００ナノメートルの範囲の少なくとも１つのフィーチャサイズを有する。

[0038] 一実施形態では、ナノ層はエレクトロクロミック材料から成る。一実施形態では、エレクトロクロミック材料は酸化タングステンである。一実施形態では、エレクトロクロミック材料は、酸化タングステン、酸化ニッケル、酸化イリジウム、酸化モリブデン、酸化バナジウム、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される。一実施形態では、エレクトロクロミック材料は２つの異なるエレクトロクロミック材料の混合物を含む。

[0039] 一実施形態では、ナノ層の形成は、（１）第１の表面を前駆物質材料に露呈させること及び第１の表面を蒸気反応物に露呈させることによって第１の表面の上に前駆物質材料の単層を堆積すること、及び（２）ゾルゲル、ディップコーティング、スピンコーティング、ナイフコーティング、アニーリング、及び焼結の少なくとも１つ、の組み合わせによって達成される。

[0040] 一実施形態では、ナノ層は５０ｍ²／ｇより大きい比表面積を有する。一実施形態では、ナノ層は５０ｃｍ²／Ｃより大きい着色効率を有する。

[0041] 一実施形態に従った視斜角堆積の概略図を示す。 [0042] 図１Ａに示すエレクトロクロミックフラックスのクローズアップを示す。 [0043] 図１Ａに示す基板上の入射角を示す。 [0044] 傾斜堆積（ａｎｇｌｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）の核形成ステップを示す。 [0044] 一実施形態に従った傾斜堆積中のコラム成長を示す。 [0045] ＧＬＡＤにより得られた例示的なナノ構造層のＳＥＭ画像を示す。 [0045] ＧＬＡＤにより得られた例示的なナノ構造層のＳＥＭ画像を示す。 [0046] 一実施形態に従った電気泳動堆積及び電着の概略図を示す。 [0047] Ｎｉ（ＯＨ）₂粉末の電気泳動堆積の概略図を示す。 [0048] 無孔ＮｉＯの電気泳動堆積の概略図を示す。 [0049] 原子層堆積の概略図を示す。 [0049] 原子層堆積の概略図を示す。 [0049] 原子層堆積の概略図を示す。 [0049] 原子層堆積の概略図を示す。 [0050] 単一のエレクトロクロミック材料によるナノ構造エレクトロクロミック層を示す。 [0051] 同一の方法を用いて調製した２つの材料によるナノ構造エレクトロクロミック層を示す。 [0052] ナノ構造エレクトロクロミック層を示す。 [0053] コラム構造によるナノ構造エレクトロクロミック層を示す。 [0053] コラム構造によるナノ構造エレクトロクロミック層を示す。 [0053] コラム構造によるナノ構造エレクトロクロミック層を示す。 [0053] コラム構造によるナノ構造エレクトロクロミック層を示す。 [0053] コラム構造によるナノ構造エレクトロクロミック層を示す。 [0053] コラム構造によるナノ構造エレクトロクロミック層を示す。 [0053] コラム構造によるナノ構造エレクトロクロミック層を示す。 [0053] コラム構造によるナノ構造エレクトロクロミック層を示す。 [0053] コラム構造によるナノ構造エレクトロクロミック層を示す。 [0053] コラム構造によるナノ構造エレクトロクロミック層を示す。 [0053] コラム構造によるナノ構造エレクトロクロミック層を示す。 [0053] コラム構造によるナノ構造エレクトロクロミック層を示す。 [0054] エレクトロクロミック層を用いたエレクトロクロミック膜を示す。 [0055] ナノ構造フィーチャの実施形態を示す。 [0055] ナノ構造フィーチャの実施形態を示す。

[0056] 全固体ＥＣデバイスの性能上の主な問題は、応答が遅いことである。しかしながら、固体ＥＣ層が比表面積の大きいナノ構造から成るように製造されると、隣接するイオン伝導層及び／又はイオン伝導電解質からのイオンがＥＣ層内の活性部位に「容易に近付ける」ので、ＥＣ積層体は迅速な着色及び脱色（ｂｌｅａｃｈｉｎｇ）応答を示すと共に高いＣＥを示す。

[0057] 本明細書に開示する実施形態は、ＥＣ膜積層体及びＥＣ膜積層体内の層又は膜を作成する方法に関する。更に、本明細書に開示する実施形態は、高速応答及び高い色効率（ＣＥ）を有する膜積層体に組み込み可能なナノ構造ＥＣ層に関する。それらは純粋に無機又は有機又はハイブリッドの性質のものとすることができる。更に、ＥＣ層は単一の材料又は多数の材料から成る場合がある。また、本明細書に開示する実施形態は、バルク膜をパターニング及びエッチングする従来の手順に比べて高速かつ安価なナノスケール構造薄膜の製造方法であるナノ構造膜作成方法を含むナノ層膜作成方法にも関する。

[0058] これによって得られるＥＣ膜積層体は、バルクＥＣ結晶膜又はアモルファス膜に比べ、外部印加電圧のもとで著しく高速の応答及び向上した着色効率（ＣＥ：ｃｏｌｏｒａｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を示す。これらの固体エレクトロクロミック（ＥＣ）膜積層体は、レンズブランク又はＳＦＢ又は他の制御可能な可変透過特性を必要とする表面上に追加するか又は直接堆積することができる。

[0059] 以下の記載では、本発明の様々な態様及び実施形態について述べる。いずれの特定の実施形態も本発明の範囲を規定することは意図していない。実施形態は、少なくとも本発明の範囲内に含まれる様々な装置、組成、及び方法の非限定的な例を与えるに過ぎない。記載は、当業者の観点から読まれるものであり、従って当業者に周知の情報は必ずしも含まれるわけではない。

[0060] 更に、特定の実施形態についての前述の記載は、本発明の一般的な性質を充分に明らかにするので、他の者は、当技術分野内の知識を適用することによって、必要以上の実験を行うことなく、また本発明の一般的な概念から逸脱することなく、そのような特定の実施形態を様々な用途のために容易に変更及び／又は適合させることができる。従って、そのような適合及び変更は、本明細書に提示する教示及び指導に基づいて、開示する実施形態の均等物の意味及び範囲内にあることが意図される。本明細書における用語又は表現は限定でなく記述の目的のためのものであるので、本明細書の用語又は表現が当業者によって教示及び指導に照らし合わせて解釈されることは理解されよう。

[0061] 本明細書において用いる場合、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、又は「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という言葉は、開集合（ｏｐｅｎ ｓｅｔ）を示唆するので、明示的に述べたものに加えて他の要素も存在する可能性がある。本明細書において用いる場合、「本質的に〜から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ〜）」という言葉は、閉集合（ｃｌｏｓｅｄ ｓｅｔ）を示唆する。しかしながら閉集合は、閉集合の基本的な特徴に実質的に影響を与えない不純物（ｉｍｐｕｒｉｔｉｅｓ）及び他の相違を含み得る。

[0062] 本明細書において用いる場合、冠詞「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、明示的にかつ明白に否定されない限り、複数の指示対象を含む。

[0063] 本明細書において用いる場合、接続詞「ｏｒ（又は）」は分離的集合（ｄｉｓｊｕｎｃｔｉｖｅ ｓｅｔ）を示唆しない。このため、「Ａ又はＢが存在する」という語句は以下の状況の各々を含む。（ａ）Ａが存在し、Ｂが存在しない。（ｂ）Ａが存在せず、Ｂが存在する。（ｃ）Ａ及びＢの双方が存在する。従って、「ｏｒ（又は）」という言葉は、明示的に示されない限り、二者択一の状況を示唆するものではない。

[0064] 図９は、一実施形態に従った例示的なＥＣ膜積層体１０００を有する例示的なＥＣデバイスを示す。本明細書において用いる場合、ＥＣ膜積層体とはＥＣ特性を示す多層構造のことを指す。ＥＣ特性は、電位が印加されると可逆的に色が変わるか、又は印加電位の大きさが変わると可逆的に色が変わることを意味する。いくつかの実施形態では、ＥＣ膜積層体は、この積層体に電位が印加されていない場合に透明な構造である。透明とは、可視光の７５％、又は少なくとも８０％、又は少なくとも９０％、又は少なくとも９５％、又は少なくとも９７％、又は少なくとも９９％を透過させることを意味する。いくつかの実施形態では、ＥＣ膜積層体は、電位が印加されると可視光の少なくとも１０％、又は少なくとも２０％、又は少なくとも３０％、又は少なくとも４０％、又は少なくとも５０％、又は少なくとも６０％、又は少なくとも７０％を遮光する構造である。いくつかの実施形態では、遮光は可視光電磁スペクトル全体を通して実質的に均一であるが、他の実施形態では均一ではない。

[0065] ＥＣ膜積層体１０００は、ＥＣ層又は膜２０００Ａ及び２０００Ｂ、イオン伝導中間層３０００Ａ及び３０００Ｂ、イオン伝導層４０００Ａ及び４０００Ｂ、並びに電極５０００Ａ及び５０００Ｂを備えている。ＥＣ膜積層体１０００は２枚の基板６０００Ａと６０００Ｂとの間に配置して示すが、ＥＣ膜積層体１０００を一方の基板６０００Ａだけの上に配置することも可能である。第１の層が第２の層の「上に配置されている」又は「上に堆積されている」と記載する場合、第１の層の方が基板から遠くに配置又は堆積されている。更に、第１の層が第２の層に「接触している」と明記しない限り、第１及び第２の層間に他の層が存在することがある。例えばＥＣ層は基板６０００の「上に配置されている」と記載され得るが、これらの間に様々な他の層が存在する場合がある。本明細書で検討する連続した層は相互に重ねられていると記載するが、これは単一の基板を基準としており、デバイスが２枚以上の基板を含み得るか否かには無関係である。連続した層が配置されている基板は、記載及び／又は図面から明らかとなろう。１枚の基板又は層の上に配置された層は、必ずしもその基板又は層の上に堆積されているとは限らない。第１の層が第２の層の上に堆積されている場合、第２の層は第１の層が堆積される前に存在している必要がある。

[0066] 本明細書において用いる場合、「膜」及び「層」は交換可能な場合がある。

[0067] いくつかの実施形態では、基板６０００は「光学基板」である。本明細書において用いる場合、「光学基板」という言葉は、レンズもしくはレンズブランク（半形成レンズブランクを含む）としての使用に適した、又はレンズもしくはレンズブランクに形成するのに適した、いずれかの基板を指す。一般に光学基板は透明材料である。これは、可視光の少なくとも７５％、又は少なくとも８０％、又は少なくとも８５％、又は少なくとも９０％、又は少なくとも９５％、又は少なくとも９７％、又は少なくとも９９％を透過させることを意味する。光学基板としての使用に適した材料である限り、本発明はいかなる特定の材料にも限定されない。適切な材料は、限定ではないが、ガラス、石英、又はポリカーボネート等のポリマー材料を含む。材料は、光学用途での使用に適したいずれかの屈折率を有し得る。基板は、本発明が対象とする分野において周知の他のコーティング又は膜も含むことがある。

[0068] いくつかの実施形態において、光学基板はレンズであり、例えば眼鏡に用いられるレンズである。本明細書において用いる場合、「レンズ」は、光を集束又は発散させるいずれかのデバイス又はデバイスの一部である（すなわちレンズは光を焦点に集めることができる）。レンズは、屈折型又は回折型又はそれらの組み合わせであり得る。レンズは、一面又は両面において、凸状、凹状、又は平面であり得る。レンズは、球形、円筒形、プリズム形、又はそれらの組み合わせであり得る。レンズは、光学ガラス、プラスチック、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、ガラス及び樹脂の複合物、又は異なる光学グレードの樹脂もしくはプラスチックの複合物で作成することができる。デバイスの屈折力がゼロであっても（度のない又は屈折力なしとして知られる）、光学業界内ではこれをレンズと呼ぶ場合があることに注意しなければならない。こういった場合、レンズを「度のないレンズ」と呼ぶことができる。レンズは従来型又は非従来型のいずれかとすればよい。従来型レンズは、近視、遠視、老眼、及び正乱視等の低次収差を含む目の従来型の誤差を補正する。非従来型レンズは、目の層（ｏｃｕｌａｒ ｌａｙｅｒ）の不規則性又は異常によって生じ得る高次収差を含む眼の非従来型の誤差を補正する。レンズは、単焦点レンズ又は、累進屈折力レンズもしくは２焦点もしくは３焦点レンズ等の多焦点レンズとすることができる。

[0069] 他の実施形態では、基板６０００は眼科用基板ではない。これらの基板は、内部を光が進んでから目に達するいずれかの基板を含む。非限定的な例には、自動車のフロントガラス、建築用の窓等が含まれる。更に、これらの基板は、眼科用基板に貼られるガラス基板を含み得る。本明細書において用いる場合、「ガラス」とは、アモルファス無機固体透明材料のことを指す。これは一般的にシリコン酸化物を多量に含み、更に、限定ではないがカルシウム、アルミニウム、マグネシウム、及びナトリウムの酸化物を含む他の金属酸化物を少量含み得る。他の酸化物及びドーパントも存在する場合がある。これらの基板は、眼科用基板と同様に、本発明が対象とする分野において周知の他のコーティング及び膜も含むことがある。

[0070] １つのイオン伝導層４０００及び２つのイオン伝導中間層３０００を示すが、ＥＣ膜積層体１０００は、これより多いか又は少ない数の層を含むことがある。例えばＥＣ膜積層体１０００は、２つの伝導層を含むと共に中間層を含まないか、又は１つのイオン伝導層を含むと共に中間層を含まない場合がある。更に、イオン伝導中間層３０００を特定の外形及び深さで示すが、本明細書において開示する実施形態はこの外形及び深さに限定されない。これについては、引用により全体が本願にも含まれる出願第１４／３３２，１８０号にもっと詳しく記載されている。

[0071] 本明細書に開示するＥＣ膜積層体は、塗布される表面に対する全ての後処理ステップに耐えなければならない。例えば眼科用ＳＦＢに塗布された場合は、異なるレンズ処方箋のための表面仕上げ、異なるレンズ形状へのエッジング、及び溝切りのステップに耐えなければならない。これは、電解液を利用する非固体ＥＣデバイスには当てはまらない。

[0072] 本明細書に開示するＥＣ膜積層体は、バルクＥＣ結晶又はアモルファス膜を含むＥＣ膜積層体に比べ、外部印加電圧に対して著しく応答が速い。また、着色効率（ＣＥ）も向上している。一実施形態では、ＥＣ膜積層体２０００は、動的応答が３０秒未満であり、可視スペクトル範囲におけるＣＥが５０ｃｍ²／Ｃ超の高さである。本明細書で用いる場合、可視スペクトル範囲は４００ｎｍから７００ｎｍである。これらの利点は、４ボルト以下の電圧のような低電圧のもとでも得られる。

[0073] ＥＣ膜積層体の応答時間及びＣＥは多くのファクターに依存する。ファクターには、限定ではないがＥＣ層の比表面積が含まれる。比表面積が大きくなると、ＥＣ層上の活性部位が増えて、隣接するイオン伝導層及び／又はイオン伝導電解質が「容易に近付ける」ので、応答時間及びＣＥが向上し得る。従って、ＥＣ膜の応答性を特徴付ける１つの方法は、ＥＣ層の比表面積を用いる。

[0074] 比表面積は、合計表面積に関連しており、単位質量当たりの固体材料、膜、又はコーティングの合計表面積として定義することができる。このパラメータを測定する１つの方法は、ＢＥＴ（Ｂｒｕｎａｕｅｒ−Ｅｍｍｅｔｔ−Ｔｅｌｌｅｒ）理論によるものであり、これは固体材料、膜、又はコーティング上の気体分子の物理吸収に基づいている。他のものを開示しない限り、本明細書に開示する比表面積はこの方法によって求められる。一実施形態では、本明細書に開示するＥＣ層は５０ｍ²／ｇより大きい比表面積を有する。

[0075] いくつかの実施形態では、ＥＣ層の比表面積を増大する１つの方法はナノ構造を用いることである。図２Ｂ、図３Ａ〜図３Ｂ、図５Ａ〜図５Ｂ、及び図８は、本開示によって想定される様々なナノ構造ＥＣ層の例示的な概略を示す。

[0076] 「ナノ構造」という言葉は、ナノサイズのフィーチャを有することを意味し得る。ナノサイズのフィーチャは、１ナノメートルから５００ナノメートルまでの少なくとも１つの寸法を含む。ナノサイズのフィーチャは、限定ではないが、ナノ細孔、ナノ球体、ナノ粒子、ナノロッド、ナノプレートレット、並びにナノリッジ、ナノ溝、及びナノコラム等のナノサイズ表面フィーチャを含む。いくつかの実施形態では、ナノサイズのフィーチャはナノ微粒子を含み得る。フィーチャの「サイズ」を求める１つの方法は、フィーチャを横切らない２つの平行な面間の最小距離を考えることである。例えば図１０Ａにおいて、ナノ構造のフィーチャサイズは１００３でなく１００１である。いくつかの実施形態では、「最小距離」は、フィーチャが製造されている表面の面に平行な方向で測定される。すなわち、最小距離は厚さでなく幅又は長さである。例えば図１０Ｂにおいて、フィーチャのサイズは１００３でなく１００１である。

[0077] 図８Ａ〜図８Ｌは、表面３００上に堆積されたナノコラム構造６００を有する例示的なナノ構造ＥＣ層の概略を示す。図３Ａ及び図３Ｂも、ナノコラム構造を有する例示的なナノ構造ＥＣ層を示す。表面３００は好ましくは電極の表面であるが、ＥＣ膜積層体で一般に見られるいずれかの層の表面であればよく、イオン伝導層の表面や中間イオン伝導層の表面が含まれる。更に、先に開示したものと同様の基板６０００の表面であってもよい。これらのコラム構造は、上述のように求めることができるフィーチャサイズを有する。例えば図８Ｄのフィーチャサイズは１００１である。

[0078] 図８Ｃ〜図８Ｅ及び図８Ｈに見られるように、コラム構造は、長さに沿って可変の幅又は直径を有する構造を含む。更に、コラム構造６００は、長さに沿って直線状であることも直線状でないこともある。例えば図８Ｇ及び図８Ｉ〜図８Ｌに示すように、いくつかのものは長さに沿って屈曲又は湾曲を有する場合がある。更に、いくつかの実施形態では、図８Ｆに見られる構造のように長さに沿って延出する突起を有する場合があり、これにはフラクタル状構造が含まれる。図８Ａは直線状コラム構造（又は柱）を示す。図８Ｂは傾斜コラム構造を示す。図８Ｉはらせん形を有するコラム構造を示す。図８Ｊは波形コラム構造を示す。図８Ｋはジグザグ形コラム構造を示す。図８Ｌは変動幅を有するジグザグ形コラム構造を示す。いくつかの実施形態では、表面積の大きいコラム構造が好ましい。表面積が大きくなると、イオン交換のための活性部位数を増やすことができるからである。これらのコラムは、図８Ｆに示す構造のように、長さに沿って突起又はフラクタル状構造を有するか、又は長さに沿って可変直径を有する直線状とすることができる。しかしながら他の実施形態では、これらの構造により得られる表面積の増大は必要でなく、図８Ａに示すもののような直線状の「平滑な」コラムを用いてもよい。

[0079] コラム構造は、概ね直線状の構造と屈曲及び湾曲を有する構造との双方を含み得るので、コラム構造は２つのタイプの「長さ」を有する場合がある。一方の長さは近似的な長さである。近似的な長さは、コラムの基部を起点として基部から最も遠いコラムのポイントまでの直線で測定すればよい。コラムの基部は、構造が表面に合流する場所である。測定は、表面３００からのコラムの全体的な延出方向と同じ方向で行われる。例えば、図８Ａに示すもののようなコラム構造は近似的な長さ６０２ａを有する。同様に、図８Ｉに示すもののようなコラム構造は近似的な長さ６０２ｉを有する。コラム６００ｉは長さに沿って屈曲のあるジグザグ構成を有し得るが、表面３００からの全体的な延出方向は垂直である。別の例として、図８ｂに示すもののようなコラム構造は近似的な長さ６０２ｂを有する。表面３００からのコラム６００ｂの全体的な延出方向は、ある角度に傾斜している。

[0080] 一方、コラム構造の実際の長さは直線で測定されるのでなく、構造の屈曲及び湾曲に沿っている。このため、屈曲も湾曲も存在しないコラム構造では、図８Ａ及び図８Ｂにおけるように、近似的な長さは実際の長さと概ね同一である。湾曲を有するコラム構造では、図８Ｉ及び図８Ｇにおけるように、近似的な長さはコラム構造の実際の長さより短いことが多い。

[0081] コラム構造の幅は、コラムが最も広くなるポイントで測定することができる。測定は、コラムの実際の長さと交差する想像上の線に垂直な方向で行われる。例えば図８Ｆのコラム構造は幅６０１ｆを有する。構造が「コラム状」であるか否かを判定するため、近似的な長さを幅と比較する。いくつかの実施形態では、コラム構造６００は、幅よりも長さの方が大きい構造である。

[0082] 好適な実施形態におけるＥＣ層は、図３Ａ〜図３Ｂに示すもののように、２つ以上のタイプのコラム構造から成る。しかしながら他の実施形態におけるＥＣ層は、図８Ａ〜図８Ｌに示すもののように、それぞれ同様のコラム構造から成ることができる。

[0083] ＥＣ層は、コラム構造の他に、図５Ｂに見られるようなナノ細孔、又は図５Ａに見られるようなナノロッド等の様々な他のタイプのナノ構造フィーチャであり得る。更にＥＣ層は、例えばコラム構造とナノ細孔との混合物等、異なる種類のナノ構造の混合物を有する場合もある。

[0084] いくつかの実施形態において、上述のＥＣ層及び膜は、傾斜堆積を用いて作成することができる。他の実施形態では、それらは電気泳動又は電着を用いて作成可能である。更に別のいくつかの実施形態では、それらは原子層堆積を用いて作成することができる。これらの方法は、バルク膜のパターニング及びエッチングに比べ、高速かつ高効率のこれらの膜の製造方法を提供するものであり、以下で説明する。これらの実施形態は個別の方法として記載するが、１つ以上の方法を組み合わせて上述のＥＣ層を作成することも可能である。

傾斜堆積
[0085] いくつかの実施形態では、傾斜堆積を用いてＥＣ層２０００を作成することができる。傾斜堆積は、斜角堆積（ＯＡＤ：ｏｂｌｉｑｕｅ−ａｎｇｌｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）及び視斜角堆積（ＧＬＡＤ：ｇｌａｎｃｉｎｇ−ａｎｇｌｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を含み得る。一般に、ＯＡＤ及びＧＬＡＤは蒸着又はスパッタリングとして定義される。

[0086] 図１は、ＧＬＡＤ及びＯＡＤの概略を示す。これらの堆積技法により、表面３００の上にＥＣ材料２００を堆積する。ＥＣ材料の堆積は、ソース１００により与えられるＥＣ材料２００のフラックス２０１に表面３００を露呈させることで行われる。いくつかの実施形態では、ソース１００はマグネトロンとすることができる。

[0087] いくつかの実施形態におけるＥＣ材料は、限定ではないが、酸化タングステン、酸化ニッケル、酸化イリジウム、酸化モリブデン、酸化バナジウム、及びそれらの組み合わせを含む群から選択される。好適な実施形態では、ＥＣ材料は酸化タングステンを含む。これらの材料は、酸化状態に応じてエレクトロクロミック性である場合もそうでない場合もある。しかしながら当業者は、これらの材料の酸化状態を操作することでこれらの酸化物をエレクトロクロミック性とすることができる。例えば酸化タングステンは、化学量論酸化ＷＯ₃状態においてエレクトロクロミック性でない場合がある。しかしながら、その酸化状態を低減させることでこれを操作することができる。このように、例えばＷＯ_X（Ｘは２．６である）をエレクトロクロミック性とすることができる。いくつかの実施形態において、ＥＣ材料２００は、同時に共堆積される２つ以上のＥＣ材料を含み得る。他の実施形態では、ＥＣ材料は本質的に単一のエレクトロクロミック材料から成る。

[0088] 表面３００は、ユーザにより制御可能な缶３０２によって適正位置に保持することができる。表面３００は、この表面３００の面に対して垂直な表面法線３０１を有する。これを図１、図１Ａ、図１Ｂに示す。フラックス２０１がソース１００から出て表面３００へと進む際、これは第１の方向２０２に進む。

[0089] 図１Ａは、フラックス２０１及び第１の方向２０２のクローズアップである。いくつかの実施形態では、フラックス２０１の進行方向は単一の直線状円柱形として表すことができる。これは、フラックス２０１のあらゆる部分が同一方向に進むので方向的な外れが存在しないことを意味する。しかしながら他の実施形態では、図１Ａに示すように、フラックス２０１は１つの主要方向で表面３００へと進み得るが、フラックスの一部は方向的な外れ２０３Ａ〜２０３Ｂに進む。従って、本明細書で用いる場合、「第１の方向」２０２はフラックスが進む平均的な方向である。例えば図１Ａにおいて、第１の方向２０２は、２０３Ａ及び２０３Ｂを含むフラックスの全進行方向の平均として考えられる。

[0090] フラックス２０１が表面３００上に堆積すると、フラックス２０２は表面法線３０１と入射角を形成する。本明細書で用いる場合、「入射角」は、フラックスの第１の方向と、入射点すなわちフラックスが表面に当たる点における表面法線と、が形成する角度である。図１Ｂは入射角の概略図を示す。

[0091] 入射角は、少なくとも１度であると共に最大でも８９度である。入射角は、少なくとも１度であると共に１０度未満、少なくとも１０度であると共に８０度未満、更に、好ましくは少なくとも８０度であると共に最大でも８９度とすればよい。入射角が１度から８０度未満である場合、この技法を斜角堆積（ＯＡＤ）と称することができる。入射角が８０度から８９度未満である場合、この技法を視射角堆積（ＧＬＡＤ）と称することができる。

[0092] ＯＡＤ及びＧＬＡＤの特徴は、図８Ａから図８Ｌに見られるようなコラム構造６００が形成されることである。コラム構造の始まりは特定の核形成ステップであり、その後、いわゆる原子スケール弾道シャドーイング（ｂａｌｌｉｓｔｉｃ ｓｈａｄｏｗｉｎｇ）及び限定表面拡散によって大きく影響される異方性コラム成長が生じる。ＯＡＤ又はＧＬＡＤにおいて、表面３００は堆積中に弾道シャドーイングが行われる。弾道シャドーイングは、フラックスが表面のシャドーイング領域に直接達するのを防ぐ。これを図２Ａから図２Ｂに示す。

[0093] 図２Ａは、堆積の開始時における初期核形成段階を示す。このＥＣ層成長の初期核形成段階によってランダムに表面を粗くする。核２０４が形成されると、急速にシャドーイング効果がＥＣ層成長における決定的なファクターとなる。図２Ｂは、初期核形成段階後の堆積の進行を示す。表面３００のシャドーイング領域３０３内よりも核２０４の上に、多量の材料２００が堆積されている。この不均衡は成長が進むにつれて大きくなる。核２０４の上部のみがフラックス２０１を受けるので、核２０４はやがて、入射フラックスの方向に傾斜したコラムへと変化し得る。これを図２Ｂに示す。

[0094] 入射角は、シャドーイング効果の大きさに寄与し得る。例えば入射角が８０度より大きいと、高いシャドーイング効果を得ることができる。一実施形態では、この高いシャドーイング効果の結果、フラックスのソースの方向に傾斜したコラム構造を生成することができる。これを図２Ｂに示す。これらの実施形態では、コラム構造は表面法線３０１と角度７００を形成することができる。このため、この実施形態においてコラム構造は表面法線３０１と平行ではない。本明細書で用いる場合、平行とは、相互に少なくとも５度それていることを含み得る。この角度は入射角４００より小さい場合がある。この角度は、コラム構造の回転軸が表面法線と形成する角度である。入射角が小さくなると、シャドーイング効果も小さくなり得る。当業者は、本開示の利点を用いて、コラム構造の所望の角度を形成するように入射角を操作することができる。

[0095] 更に、いくつかの実施形態では、フラックスに対して表面３００を回転させることで、図８Ｃから図８Ｌに見られるもののように、らせん及びジグザグ等の様々な形態を生成及び「設計」することができる。本明細書で用いる場合、「フラックスに対して」とは、表面又はフラックスのソースの一方を他方に対して回転させることを意味する。このため、図１に示すように表面を角度５００だけ回転させながらソースを静止状態に維持するか、ソースを回転させながら表面を静止状態に維持するか、又は表面及びソースの双方を回転させる場合がある。他の実施形態では、フラックスに対して表面３００を回転させない。回転の程度は、低速の連続回転、高速の連続回転、及び離散的な回転（不連続回転としても知られる）を含み得る。

[0096] 図３Ａは、フラックスに対する低速表面回転を行って８５度の入射角で堆積したＷＯ_XＥＣ層のＳＥＭ画像を示す。１つのコラム構造は幅６０１が４８０ｎｍであり、高さ６０２が４．７μｍである。図３Ｂは、別の例示的なＥＣ層のＳＥＭ画像を示す。用いた材料はＷＯ_Xであり、入射角８１．４度で、フラックスに対して低速表面回転を行った。これによって得られたコラム構造を見ることができる。１つの構造は幅６０１が３８０ｎｍであり、高さが２．６μｍである。

[0097] 図示するナノ構造はコラム状であるが、ＯＡＤ及びＧＬＡＤを用いて上述したような他のタイプのナノ構造を生成することも可能である。

[0098] 概して、最終ナノ構造は、限定ではないが入射角、基板回転の有無、回転のタイプ、堆積中の基板表面温度、堆積速度、堆積出力、及び堆積するＥＣ材料を含む多くのファクターの複雑な相互作用である。例えば、入射角が大きくなるとシャドーイング効果が大きくなる。基板回転を行うと、生成されるコラムの表面上の構造数が多くなり、及び／又はジグザグ構造とすることができる。基板温度は、堆積される粒子の拡散に影響する。温度が高くなると、室温で基板上に堆積を行う場合に比べ、堆積粒子の拡散が顕著になると共に構造が不規則となることが予想される。ＥＣ材料の性質は、基板上の粒子拡散に影響を与える（拡散定数は各材料の固有の特性である）。堆積速度を上げると、「より粗い」ナノ構造を製造することができる。堆積の出力及び速度を調節することで、例えばコラム、針、又は粒子のようなナノ構造のタイプも制御することができる。これには、初期堆積パラメータだけでなく、堆積過程での初期パラメータの変更も含まれる。例えば堆積プロセス中に堆積速度を変更すると、得られる構造は、実際の長さに沿って異なる幅を有し得る。別の例として、基板を回転させながら堆積を開始し、堆積プロセス中に回転を停止した場合、得られる構造は下部が薄く上部が幅広になり得る。図８Ｃ、図８Ｅ、図８Ｇ、図８Ｈ、及び図８Ｌに示す構造は、堆積プロセス中にこれらのパラメータを変更した結果として得られる。いくつかの実施形態では、堆積プロセスの終了間近にパラメータ変更を行った場合、構造は「キャッピング層」を有することが知られている。コラム構造にこれらの「キャッピング層」が存在することは、堆積中に初期パラメータの変更が行われた可能性があることを示している。当業者は、本開示の利点を用い、これらのパラメータをうまく利用することで本明細書に開示するＥＣ層を作成することができる。

[0099] 表面３００上にＥＣ層を堆積した後、ＥＣ層及び表面３００に更に別のステップを実行して、ＥＣ層を更に処理することができる。

[0100] 一実施形態では、ナノ構造ＥＣ層の上に第１のイオン伝導層を堆積することができる。更に、第１のイオン伝導層を堆積した後、この第１のイオン伝導層の上に第２のイオン伝導層を堆積することができる。この堆積によってＥＣ膜積層体が形成され、これを組み込んでＥＣデバイスを生成することができる。

[0101] いくつかの実施形態では、上述のような傾斜堆積を用いて、エレクトロクロミック層を有する２つの表面を形成することができる。次いで、第１のナノ構造ＥＣ層の上に第１のイオン伝導層を堆積する。次いで、第２のナノ構造層の上に第２のイオン伝導層を堆積する。次いで、第１のイオン伝導層及び第２のイオン伝導層が向き合うように第１及び第２の層を組み立てて、図９に示すようなエレクトロクロミックシステムを形成する。

[0102] 一実施形態では、この方法を、ゾルゲル、ディップコーティング、スピンコーティング、ナイフコーティング、アニーリング、及び焼結等の他の方法と組み合わせてナノ構造層を生成することも可能である。いくつかの実施形態では、これらの他の方法は、ＧＬＡＤ又はＯＡＤによるエレクトロクロミック材料の堆積後に実行される後処理ステップとしてもよい。

電気泳動又は電着
[0103] いくつかの実施形態では、上述したようなＥＣ層２０００を、上述のような異なるタイプのナノ構造と共に、電気泳動又は電着によって作成することができる。電気泳動及び電着は双方とも、印加電界を用いて表面３００の上にＥＣ材料２００を堆積することを含む。材料は液体を通って、通常は電極表面である適切な表面へとマイグレートする。

[0104] 表１は２つの技法の比較であり、図４は双方の技法の概略を示す。

[0105] 電気泳動は電気泳動堆積（ＥＰＤ）と称される場合がある。これは、溶剤中の荷電粒子が電源８００により与えられた印加電界のもとでマイグレートし、電極８０１（伝導表面としても知られる）の表面上に堆積する技法である。これは、ナノ構造層を生成するために実行可能な技法であり、大量生産のために容易にスケールアップすることができる。

[0106] 図５ＡはＥＰＤの概略を示す。図５Ａに見られるように、荷電粒子２０５は印加電界のもとでアノード８０１Ａの表面へとマイグレートし、アノード８０１Ａに堆積してナノ構造ＥＣ層を形成する。図５Ａは、堆積されるとＮｉＯとなるＥＣ材料としてＮｉ（ＯＨ）₂を示すが、当技術分野において既知の他のＥＣ材料も使用可能である。

[0107] いくつかの実施形態では、ＥＣ材料は、限定ではないが酸化タングステン、酸化ニッケル、酸化イリジウム、酸化モリブデン、酸化バナジウム、及びそれらの組み合わせを含む群から選択される。好適な実施形態では、ＥＣ材料は酸化タングステンを含む。これらの材料は、酸化状態又は前駆物質として導入される状態に応じて、エレクトロクロミック性である場合もそうでない場合もある。しかしながら当業者は、これらの材料の酸化状態を操作することでこれらの酸化物をエレクトロクロミック性とすることができる。例えば酸化タングステンは、化学量論酸化ＷＯ₃状態においてエレクトロクロミック性でない場合がある。しかしながら、その酸化状態を低減させることでこれを操作することができる。このように、例えばＷＯ_X（Ｘは２．６である）をエレクトロクロミック性とすることができる。いくつかの実施形態において、用いられるＥＣ材料は、共堆積される２つのＥＣ材料を含み得る。他の実施形態では、ＥＣ材料は本質的に単一のエレクトロクロミック材料から成る。

[0108] 図５Ａは特定のタイプのナノ構造を示すが、これは一実施形態に過ぎず、ＥＰＤを用いて上述のようなナノ構造のいずれも生成することができる。ＥＰＤから得られる最終ナノ構造は、限定ではないが、堆積の時間及び速度、粒子サイズ、溶液のｐＨ、溶剤の性質、表面の伝導性、印加電圧、及び懸濁液濃度を含む多くのファクターの複雑な相互作用である。一実施形態では、堆積の厚さは、堆積時間、電圧、又は電流密度を変更することにより制御可能である。別の実施形態では、堆積の均一性は印加電界によって制御可能である。例えば、これらのパラメータのいくつかが最終ナノ構造に及ぼす影響は以下の通りである。堆積速度を上げると、「粗い」構造すなわち表面積の大きい構造が可能となる。堆積時間は、むろん最終ＥＣ層の厚さに影響を及ぼす。印加電圧を高くすると、結果として堆積速度が上がり、このため構造が粗くなる。粒子サイズ及び（もしあれば）粒子サイズ分布は、堆積速度と共に、最終ナノ構造及びＥＣ層の多孔率に影響を与える。

[0109] 当業者は、本開示の利点を用い、これらのファクターを操作することで所望のナノ構造層を得ることができる。

[0110] 電解堆積又は電気めっきとも称される電着（ＥＬＤ）は、ナノ構造層を製造するためのもう１つの簡単で高速かつ安価な方法である。一実施形態では、これを用いて１つのＥＣ材料でＥＣ層を生成することができる。

[0111] 別の実施形態では、これを用いて２つ以上のＥＣ材料でＥＣ層を作成することができる。１つの堆積材料を用いると製造コストが簡略化されるので、状況によっては単一の材料が好ましいことがある。他の状況では２つ以上の材料が好ましい場合がある。これは、単一のＥＣ材料では実現し得ない複数の特性の混合及び全体としての層の特徴の達成が可能となるからである。例えばＥＬＤを用いて、セラミック材料、金属、及びポリマーの群から選択された２つ以上の材料を共堆積することができる。いくつかの実施形態では、少なくとも２つの異なるタイプの材料を共堆積する。これらのナノハイブリッド層は、１つの材料及び／又は他の方法では達成されないことがあるのに比べ、有利な特性を示す。

[0112] 図５ＢにＥＬＤの概略を示す。この場合、ＥＬＤを用いてナノ細孔を有するＥＣナノ構造層を生成する。図５Ｂでは、最初にステップ９０１において前駆物質材料１０００を堆積する。一実施形態では、この前駆物質材料はポリスチレンとすればよい。他の例示的かつ非限定的な材料は、ポリメタクリレート、ポリアクリレート、及びポリエチレンを含む。前駆物質材料を堆積した後、ステップ９０２において、例えばニッケルオキシ−ヒドロキシルのようなエレクトロクロミック材料２００を堆積する。次いでステップ９０３において前駆物質材料を除去する。この結果、開放ナノ細孔２１０を有するナノ構造ＥＣ層が得られる。図５Ｂはポリスチレン球体の単層である前駆物質を示すが、他の材料も本開示の範囲内である。当業者は、本開示の利点を用い、これらのファクターを操作することで所望のナノ構造層を実現することができる。図５Ｂは特定のタイプのナノ構造を示すが、これは単なる一実施形態であり、ＥＬＤを用いて上述したようなナノ構造のいずれも生成することができる。

[0113] 概して、得られるナノ構造は、限定ではないが、堆積の時間及び速度、粒子サイズ、溶液のｐＨ、溶剤の性質、表面の伝導性、印加電圧、及び懸濁液濃度を含む異なるファクターの複雑な相互作用である。例えば、堆積の均一性は印加電界によって制御可能である。別の例として、堆積の厚さは、堆積時間、電圧、又は電流密度を変更することにより制御可能である。更に別の例として、ＥＬＤのＯＮ及びＯＦＦ時間を変更して、固有の組成及びナノ構造を含む本明細書に開示したナノ構造層を生成することができる。これは、パルスピーク電流密度等の基本的なパラメータを変更することによって達成可能であり、パルス電着と称されるＥＬＤの一種において実行され得る。例えば、これらのパラメータのいくつかが最終ナノ構造に及ぼす影響は以下の通りである。堆積速度を上げると、「粗い」構造すなわち表面積の大きい構造が可能となる。堆積時間は、むろん最終ＥＣ層の厚さに影響を及ぼす。印加電圧を高くすると、結果として堆積速度が上がり、このため構造が粗くなる。粒子サイズ及び（もしあれば）粒子サイズ分布は、堆積速度と共に、最終ナノ構造及びＥＣ層の多孔率に影響を与える。

[0114] 一実施形態では、ＥＬＤ及びＥＰＤを、ゾルゲル、ディップコーティング、スピンコーティング、ナイフコーティング、アニーリング、及び焼結等の他の方法と組み合わせてナノ構造層を生成することも可能である。いくつかの実施形態では、これらの他の方法は、ＥＬＤ又はＥＰＤによるエレクトロクロミック材料の堆積後に実行される後処理ステップとしてもよい。

原子層堆積
[0115] 別の実施形態では、ＥＣ層２０００及び周囲のイオン伝導層は、原子層堆積（ＡＬＤ）を用いて作成することができる。

[0116] ＡＬＤとは、表面をその開始材料に交互に露呈することによって層の成長を行う方法である。ＡＬＤは大気圧以下で実行することができる。化学気相成長（ＣＶＤ）と比較すると、ＡＬＤ及びＣＶＤは双方とも化学（分子）前駆物質を用いるが、これらの技法の相違は、前者が自己限定的な化学反応を用いて堆積する膜の厚さ及び組成を極めて精密に制御することである。この点で、ＡＬＤは、ＣＶＤの長所（分子前駆物質及び大気圧以下の圧力の使用）及び分子線エピタキシの長所（ＭＢＥ＝１原子ずつの成長及び膜厚の高度な制御）を利用し、それらを単一の方法に組み合わせたものと見なすことができる。

[0117] 図６Ａ〜図６ＤにＡＬＤの概略を示す。図６Ａでは、第１の表面を過剰な第１の気体前駆物質分子（例えば元素の揮発性化合物）露呈することによって、前駆物質材料の単層が表面上に堆積されている。このステップの間、前駆物質材料の１つのみの単層（第１の反応物としても知られる）が表面上に化学吸着されるように、温度及びガス流が調節される。いくつかの実施形態では、次いで、表面上で気相であるか又は物理吸着されている過剰な反応物を、不活性ガスのパルスによってチャンバからパージする。他の実施形態ではパージは行わない。次いで表面を蒸気反応物（第２の反応物としても知られる）に露呈する。図６Ｃにおいて、第２の反応物は化学吸着し、表面上の第１の反応物と交換反応が起こっている。この結果、固体分子ナノ層及び気体側生成物が形成される。図６Ｄに示すように、この生成物は不活性ガスパージによって除去することができる。

[0118] ＡＬＤを用いて、比較的良好な厚さ制御で表面上にナノ層を形成することができる。いくつかの実施形態では、このナノ層はナノ構造を含まず、堆積表面全体で均一な厚さを有する。一実施形態において、この均一な厚さは１ｎｍ未満から数ｎｍ厚さまでの範囲であり得る。ＡＬＤは均一な厚さの層を形成する際に有用であり得るので、これと上述したもの等の別の方法を併用することで、ナノ構造の高い不規則性のフィーチャを有する、ＥＣ層上に堆積された中間コンフォーム層（ｃｏｎｆｏｒｍｅｄ ｌａｙｅｒ）を形成することができる。ＡＬＤによって堆積されたこのような層は、図９に示すようなイオン伝導層３０００を含み得る。

[0119] いくつかの実施形態では、ＡＬＤを用いて、ＥＣ層３０００のためのナノ構造を含むナノ層を形成することができる。これらのＥＣ層は、上述したものと同様のナノ構造を含み得る。このため、ＡＬＤで用いる材料は、ＥＣ材料についての他の方法に関連して記載したものと同様であるか、又は異なる材料であり得る。異なる材料は、イオン伝導層に用いられる典型的な材料等であり、限定ではないが金属、金属酸化物、及びポリマーを含む。

[0120] 一実施形態では、この方法を、ゾルゲル、ディップコーティング、スピンコーティング、ナイフコーティング、アニーリング、及び焼結等の他の方法と組み合わせてナノ層を生成することも可能である。いくつかの実施形態では、これらの他の方法は、ＡＬＤによるナノ層材料の堆積後に実行される後処理ステップとしてもよい。

[0121] これらの３つの方法を３つの別個の実施形態として記載したが、本明細書に開示したＥＣ層及びＥＣ膜は、記載した技法の２つ以上の組み合わせを用いて製造可能であることは認められよう。例えば図７Ａ〜図７Ｃは、異なるナノ構造ＥＣ層の概略を示す。図７Ａは、単一のＥＣ材料２００Ａから成るＥＣ層２０００を示す。図７Ｂは、同一の技法で調製された２つの異なる材料２００Ａ及び２００Ｂから成るＥＣ層を示す。例えば材料は、同一の遷移、カソード又はアノード着色を行えばよく、無機酸化物、ＰＥＤＯＴ、ビオロゲン、又はＰＢを選択することができる。図７Ｃは、２つの異なる技法で調製された２つの材料２００Ａ及び２００Ｂ（点線）から成るＥＣ層を示す。一実施形態では、これらの材料は同一の遷移、カソード又はアノード着色を行えばよい。また、図７Ｃは、２つの異なる技法で堆積された１つの材料から成るＥＣ層も示す（２つの２００Ａ、一方は点線で表す）。一実施形態では、図７Ｃにおける同一の材料は、ＷＯ₃及びＷＯｘ（ｘは２．７〜２．９である）等、化学量論が変化する場合もあるし変化しない場合もある。

[0122] ４つの方法の１つのみに関していくつかの概念を本明細書に記載し、エレクトロクロミックデバイスについてこれらの実施形態を説明したが、これらの概念がナノ構造層及びナノ層を必要とする他のタイプのデバイスにも適用可能であることは、当業者には容易に理解されよう。

[0123] 前述の特定の実施形態についての前述の記載は、本発明の一般的な性質を充分に明らかにするので、他の者は、当業者の知識を適用することによって、必要以上の実験を行うことなく、また本発明の一般的な概念から逸脱することなく、そのような特定の実施形態を様々な用途のために容易に変更及び／又は適合させることができる。従って、そのような適合及び変形は、本明細書に提示する教示及び指導に基づいて、開示する実施形態の均等物の意味及び範囲内にあることが意図される。本明細書における用語又は表現は限定でなく記述の目的のためのものであるので、本明細書の用語又は表現が当業者によって教示及び指導に照らし合わせて解釈されることは理解されよう。

[0124] 本発明の範囲は、上述の例示的な実施形態のいずれによっても限定されず、以下の特許請求の範囲及びそれらの均等物によってのみ規定されるものとする。

Claims (51)

1. 表面法線を有する表面を、第１の方向に進むエレクトロクロミック材料のフラックスに露呈させることによって、前記表面の上に前記エレクトロクロミック材料を堆積して、ナノ構造エレクトロクロミック層を形成することを備え、
   前記第１の方向と前記表面法線との間の入射角が、少なくとも１度であると共に最大でも８９度である、
   方法。
2. 前記入射角が、少なくとも１度であると共に１０度未満である、請求項１に記載の方法。
3. 前記入射角が、少なくとも１０度であると共に８０度未満である、請求項１に記載の方法。
4. 前記入射角が、少なくとも８０度であると共に最大でも８９度である、請求項１に記載の方法。
5. 前記エレクトロクロミック材料を堆積している間に前記フラックスに対して前記表面を回転させることを更に備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記エレクトロクロミック材料を堆積している間に前記フラックスに対して前記表面を回転させない、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記エレクトロクロミック材料を堆積した後に前記ナノ構造層の上に第１のイオン伝導層を堆積することと、
   前記第１のイオン伝導層を堆積した後に前記第１のイオン伝導層の上に第２のイオン伝導層を堆積してエレクトロクロミック光学デバイスを形成することと、
   を更に備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記エレクトロクロミック材料が、２つのエレクトロクロミック材料を含み、
   前記堆積するステップが、前記表面の上に２つのエレクトロクロミック材料を共堆積することを備える、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記エレクトロクロミック材料が、本質的に単一のエレクトロクロミック材料から成る、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記ナノ構造エレクトロクロミック層が、少なくとも１つのコラム構造を含む、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記少なくとも１つのコラム構造と前記表面の前記法線とが、前記入射角より小さい角度を形成する、請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記ナノ構造エレクトロクロミック層が、１ナノメートルから５００ナノメートルの範囲の少なくとも１つのフィーチャサイズを有する、請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記エレクトロクロミック材料が、酸化タングステンである、請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記エレクトロクロミック材料が、酸化タングステン、酸化ニッケル、酸化イリジウム、酸化モリブデン、酸化バナジウム、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法。
15. ナノ構造エレクトロクロミック層の形成が、（１）前記表面を第１の方向に進む前記エレクトロクロミック材料のフラックスに露呈させること、及び（２）ゾルゲル、ディップコーティング、スピンコーティング、ナイフコーティング、アニーリング、及び焼結の少なくとも１つ、の組み合わせによって達成される、請求項１から１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記ナノ構造エレクトロクロミック層が、５０ｍ²／ｇより大きい比表面積を有する、請求項１から１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記ナノ構造エレクトロクロミック層が、５０ｃｍ²／Ｃより大きい着色効率を有する、請求項１から１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 前記エレクトロクロミック層が、２つの異なるエレクトロクロミック材料の混合物を含む、請求項１から１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 第１の表面法線を有する第１の表面を、第１の方向に進む第１のエレクトロクロミック材料の第１のフラックスに露呈させることによって、前記表面の上に前記エレクトロクロミック材料を堆積して、第１のナノ構造エレクトロクロミック層を形成することを備え、
    第１の入射角が、少なくとも１度であると共に最大でも８９度であり、
    第２の表面法線を有する第２の表面を、第２の方向に進む第２のエレクトロクロミック材料の第２のフラックスに露呈させることによって、前記第２の表面の上に前記第２のエレクトロクロミック材料を堆積して、第２のナノ構造エレクトロクロミック層を形成することを更に備え、
    前記第２の方向と前記第２の法線との間の第２の入射角が、少なくとも１度であると共に最大でも８９度であり、
    前記第１のナノ構造層の上に第１のイオン伝導層を堆積することと、
    前記第２のナノ構造層の上に第２のイオン伝導層を堆積することと、
    前記第１のイオン伝導層及び前記第２のイオン伝導層が相互に接触してエレクトロクロミック光学システムを形成するように、前記第１の表面及び前記第２の表面を組み立てることと、
    を更に備える、方法。
20. 前記第１及び第２のナノ構造層が、同一の材料組成を有する、請求項１９に記載の方法。
21. 前記第１及び第２のナノ構造層が、異なる材料組成を有する、請求項１９に記載の方法。
22. 電気泳動又は電着を用いて表面の上にエレクトロクロミック材料を堆積してナノ構造エレクトロクロミック層を形成することを備える、方法。
23. 前記堆積が、電気泳動によって行われる、請求項２２に記載の方法。
24. 前記堆積が、電着によって行われる、請求項２２に記載の方法。
25. 前記エレクトロクロミック材料を堆積する前に前記表面上に前駆物質材料を堆積することと、
    前記エレクトロクロミック材料を堆積した後に前記表面から前記前駆物質材料を除去することと、
    を更に備える、請求項２２から２４のいずれか１項に記載の方法。
26. 前記前駆物質材料が、ポリスチレンを含む、請求項２２から２５のいずれか１項に記載の方法。
27. 前記堆積するステップが、２つのエレクトロクロミック材料を共堆積することを備え、
    前記ナノ構造層が、２つのエレクトロクロミック材料の混合物を含む、請求項２２から２７のいずれか１項に記載の方法。
28. 前記エレクトロクロミック材料が、本質的に単一のエレクトロクロミック材料から成る、請求項２２から２６のいずれか１項に記載の方法。
29. 前記ナノ構造エレクトロクロミック層が、少なくとも１つのコラム構造を含む、請求項２２から２８のいずれか１項に記載の方法。
30. 前記少なくとも１つのコラム構造と前記表面の前記法線とが、相互に平行でない、請求項２２から２９のいずれか１項に記載の方法。
31. 前記ナノ構造エレクトロクロミック層が、１ナノメートルから５００ナノメートルの範囲の少なくとも１つのフィーチャサイズを有する、請求項２２から３０のいずれか１項に記載の方法。
32. 前記エレクトロクロミック材料が、酸化タングステンである、請求項２２から３１のいずれか１項に記載の方法。
33. 前記エレクトロクロミック材料が、酸化タングステン、酸化ニッケル、酸化イリジウム、酸化モリブデン、酸化バナジウム、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項２２から３１のいずれか１項に記載の方法。
34. ナノ構造エレクトロクロミック層の形成が、（１）電気泳動又は電着を用いて表面の上にエレクトロクロミック材料を堆積すること、及び（２）ゾルゲル、ディップコーティング、スピンコーティング、ナイフコーティング、アニーリング、及び焼結の少なくとも１つ、の組み合わせによって達成される、請求項２２から３３のいずれか１項に記載の方法。
35. 前記ナノ構造エレクトロクロミック層が、５０ｃｍ²／Ｃより大きい着色効率を有する、請求項２２から３４のいずれか１項に記載の方法。
36. 前記ナノ構造エレクトロクロミック層が、５０ｍ²／ｇより大きい比表面積を有する、請求項２２から３５のいずれか１項に記載の方法。
37. 前記エレクトロクロミック層が、２つの異なるエレクトロクロミック材料の混合物を含む、請求項２２から３６のいずれか１項に記載の方法。
38. 基板と、
    前記基板の上に配置されたナノ構造エレクトロクロミック層と、を備え、
    前記エレクトロクロミック層が、少なくとも第１の化合物及び第２の化合物の混合物を含み、
    前記第１の化合物及び第２の化合物が、各々、セラミック、金属、及びポリマーから成る群から個別に選択される、
    エレクトロクロミックデバイス。
39. 前記第１の化合物が、前記第２の化合物とは異なる、請求項３８に記載のエレクトロクロミックデバイス。
40. 第１の表面を前駆物質材料に露呈させることによって前記第１の表面の上に前駆物質材料の単層を堆積するステップと、
    前記第１の表面を蒸気反応物に露呈させるステップと、
    を順番に実行することを備え、
    前記前駆物質材料の単層が、前記蒸気反応物に露呈された場合に反応を生じて前記第１の表面上にナノ層を形成する、
    方法。
41. 前記前駆物質材料の単層を堆積した後であって前記第１の表面を蒸気反応物に露呈させる前に、余分な前駆物質材料を除去することを更に備える、請求項４０に記載の方法。
42. 前記ナノ層が、均一な厚さを備える、請求項４０又は４１に記載の方法。
43. 前記ナノ層が、少なくとも１つのナノ構造を備える、請求項４０又は４１に記載の方法。
44. 前記ナノ構造が、１ナノメートルから５００ナノメートルの範囲の少なくとも１つのフィーチャサイズを有する、請求項４０、４１及び４３のいずれか１項に記載の方法。
45. 前記ナノ層が、エレクトロクロミック材料から成る、請求項４０から４４のいずれか１項に記載の方法。
46. 前記エレクトロクロミック材料が、酸化タングステンである、請求項４０から４５のいずれか１項に記載の方法。
47. 前記エレクトロクロミック材料が、酸化タングステン、酸化ニッケル、酸化イリジウム、酸化モリブデン、酸化バナジウム、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項４０から４５のいずれか１項に記載の方法。
48. ナノ層の形成が、（１）第１の表面を前駆物質材料に露呈させること及び前記第１の表面を蒸気反応物に露呈させることによって前記第１の表面の上に前駆物質材料の単層を堆積すること、及び（２）ゾルゲル、ディップコーティング、スピンコーティング、ナイフコーティング、アニーリング、及び焼結の少なくとも１つ、の組み合わせによって達成される、請求項４０から４７のいずれか１項に記載の方法。
49. 前記ナノ層が、５０ｍ²／ｇより大きい比表面積を有する、請求項４０から４８のいずれか１項に記載の方法。
50. 前記ナノ層が、５０ｃｍ²／Ｃより大きい着色効率を有する、請求項４０から４９のいずれか１項に記載の方法。
51. 前記エレクトロクロミック材料が、２つの異なるエレクトロクロミック材料の混合物を含む、請求項４０から５０のいずれか１項に記載の方法。

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