JP2884498B2 - Method for producing titanium oxide electrochromic thin film - Google Patents

Method for producing titanium oxide electrochromic thin film

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JP2884498B2
JP2884498B2 JP8320997A JP32099796A JP2884498B2 JP 2884498 B2 JP2884498 B2 JP 2884498B2 JP 8320997 A JP8320997 A JP 8320997A JP 32099796 A JP32099796 A JP 32099796A JP 2884498 B2 JP2884498 B2 JP 2884498B2
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吉村  和記
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【技術分野】本発明は、酸化チタンエレクトロクロミッ
ク薄膜乃至は材料の有効な製造方法に係り、その産業上
の利用分野とするところは、建物や乗物における太陽エ
ネルギーの透過率制御のための窓材料技術に関するもの
であり、更に詳しくは、ブラインドやカーテン無しで、
入射する太陽光を自動的にコントロールすることの出来
る、酸化チタン系のエレクトロクロミック薄膜乃至は材
料を製造する方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an effective method for producing a titanium oxide electrochromic thin film or material, and its industrial field of application is a window material for controlling the transmittance of solar energy in buildings and vehicles. It is about technology, more specifically, without blinds and curtains,
The present invention relates to a method for manufacturing a titanium oxide-based electrochromic thin film or material capable of automatically controlling incident sunlight.

【0002】[0002]

【背景技術】外部からの物理刺激により、可逆的に色
(光の透過率)の変わる現象をクロミズムと言い、その
中でも、電圧印加或いは電流を通じることにより物質に
生じる可逆的な色や光透過度の変化をエレクトロクロミ
ズム(electrochromism )と呼んでいる。歴史的には、
1969年に、デブ(Deb)が、遷移金属酸化物であ
るWO3 のアモルファス薄膜がエレクトロクロミック現
象を示すことを発見し、よく知られるようになった。
BACKGROUND ART A phenomenon in which color (light transmittance) is reversibly changed by physical stimulus from the outside is called chromism. Among them, reversible color or light transmission that occurs in a substance when a voltage is applied or an electric current is passed. The change in the degree is called electrochromism. Historically,
In 1969, Deb discovered that an amorphous thin film of WO 3 , a transition metal oxide, exhibited an electrochromic phenomenon, which became well known.

【0003】そして、そのようなエレクトロクロミック
現象を示すエレクトロクロミック材料を用いた実用化素
子の応用としては、大きく、表示素子と調光素子とに分
けられるが、特に近年注目を集めているのが、調光素子
としての応用である。この調光素子とは、建物や乗物等
の窓材に用いて、外部からの光及び熱の出入りを自由に
コントロールすることが出来るような素子である。この
ようなエレクトロクロミック素子を窓材として用いれ
ば、建物の冷暖房負荷及び照明負荷を出来るだけ抑制す
るように、窓の透過率をコントロールすることが出来、
所謂ブラインドやカーテンの要らないインテリジェント
な窓が実現出来ることとなる。
[0003] Applications of practical devices using an electrochromic material exhibiting such an electrochromic phenomenon are broadly classified into display devices and light control devices. This is an application as a light control element. The dimming element is an element that can be used for a window material of a building, a vehicle, or the like and that can freely control the entrance and exit of light and heat from the outside. If such an electrochromic element is used as a window material, the transmittance of the window can be controlled so as to suppress the cooling and heating load and the lighting load of the building as much as possible,
An intelligent window without so-called blinds or curtains can be realized.

【0004】ところで、かかるエレクトロクロミズムを
示す材料は、無機系の材料から有機系の材料まで、広い
範囲に亘っているが、現在までのところ、実用化が最も
早いと期待されている材料は、酸化タングステン(WO
3 )をクロミック材料として用いたものであって、既
に、プロトタイプの製品が開発されている。一方、酸化
チタンは、機械的及び化学的耐性が高いことに加えて、
高屈折率、高い透明度を有する物質として、光学の分野
では、種々の作製手法が検討され、また、その特性につ
いての研究が盛んに行なわれている。従って、このよう
な酸化チタンを用いれば、その優れた光学的特性とエレ
クトロクロミック特性を組み合わせた新しい光学素子の
開発が期待されるのである。
By the way, the materials exhibiting such electrochromism are in a wide range from inorganic materials to organic materials, but the materials which are expected to be practically the fastest to date are: Tungsten oxide (WO
3 ) is used as a chromic material, and prototype products have already been developed. On the other hand, titanium oxide has high mechanical and chemical resistance,
In the field of optics, as a substance having a high refractive index and a high degree of transparency, various production techniques have been studied, and studies on its properties have been actively conducted. Therefore, if such a titanium oxide is used, the development of a new optical element combining its excellent optical characteristics and electrochromic characteristics is expected.

【0005】また、エレクトロクロミック特性として
は、着色時と消色時で、どの程度の透過率変化を示すか
ということと、どの程度効率良く透過率が変化するかと
いう目安になる着色効率が重要である。そして、前者の
透過率の変化については、透過スペクトルに人間の目の
感度を掛けて積分した可視光透過率という量が使われる
ことが多い。
[0005] Further, as the electrochromic characteristics, it is important to determine how much the transmittance changes between coloring and decoloring, and the coloring efficiency as a measure of how efficiently the transmittance changes. It is. For the former change in transmittance, the amount of visible light transmittance integrated by multiplying the transmission spectrum by the sensitivity of the human eye is often used.

【0006】しかしながら、前述の如き特性の期待され
る酸化チタン膜の作製に関して、これまで、スパッタリ
ング法を初め、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法等の物理
的蒸着法を用いた幾つかの報告が為されてはいるもの
の、そこで得られた膜のエレクトロクロミック特性は、
何れも、ゾル・ゲル法等の他の方法で得られたものに比
べて、劣るものであった。例えば、電子ビーム蒸着法に
よって作製された酸化チタン膜では、着色時と消色時の
透過率は、それぞれ、63%と75%であって、その変
化量は小さく、また着色効率も5cm2 /Cとなり、酸
化タングステン(WO3 )の着色効率:60cm2 /C
と比べて、1桁以上も小さなものであったのである〔T.
Seike and J.Nagai : Solar Energy Materials, Vol.2
2 (1991),p.107 〕。
However, there have been several reports on the production of a titanium oxide film expected to have the above-mentioned characteristics using a physical vapor deposition method such as a sputtering method, a vacuum vapor deposition method, and an electron beam vapor deposition method. Although performed, the electrochromic properties of the resulting film are:
All were inferior to those obtained by other methods such as the sol-gel method. For example, in the case of a titanium oxide film produced by an electron beam evaporation method, the transmittances at the time of coloring and decoloring are 63% and 75%, respectively, and the variation is small, and the coloring efficiency is 5 cm 2 / C and the coloring efficiency of tungsten oxide (WO 3 ): 60 cm 2 / C
In comparison with T.
Seike and J. Nagai: Solar Energy Materials, Vol.2
2 (1991), p.107].

【0007】[0007]

【解決課題】本発明者らは、このような状況の中で、反
応性スパッタリング法による酸化チタンエレクトロクロ
ミック薄膜の諸物性の成膜条件依存性について詳しく調
べた結果、ある特定の条件下において成長を行なえば、
従来から報告されているよりも約3倍程度大きな透過率
変化を示し、しかも従来報告されているよりも約6倍程
度大きな着色効率を有する酸化チタン薄膜が形成され得
ることを見出し、本発明を完成するに至ったのである。
Under such circumstances, the present inventors have studied in detail the dependence of various physical properties of a titanium oxide electrochromic thin film by a reactive sputtering method on film forming conditions, and as a result, have grown under a specific condition. If you do
The present inventors have found that a titanium oxide thin film showing a change in transmittance about three times larger than conventionally reported and having a coloring efficiency about six times larger than conventionally reported can be formed. It was completed.

【0008】ここにおいて、本発明の課題とするところ
は、反応性DCマグネトロンスパッタリング法を用い
て、着色時と消色時で大きな透過率変化を示し、しかも
高い着色効率を有する酸化チタンエレクトロクロミック
薄膜乃至は材料を、有利に製造し得る手法を提供するこ
とにある。
An object of the present invention is to provide a titanium oxide electrochromic thin film which shows a large change in transmittance between coloring and decoloring using a reactive DC magnetron sputtering method and has high coloring efficiency. Another object of the present invention is to provide a method capable of advantageously producing a material.

【0009】[0009]

【解決手段】そして、本発明は、上述の如き課題を解決
するために、金属チタンをターゲットとして、反応性D
Cマグネトロンスパッタリング法にてアモルファス構造
の酸化チタンエレクトロクロミック薄膜を成膜するに際
して、スパッタリング系内へのアルゴンガスの流量を1
20〜230sccmとして、前記スパッタリングを行
なうことを特徴とする酸化チタンエレクトロクロミック
薄膜の製造方法を、その要旨とするものである。
According to the present invention, in order to solve the above-described problems, a reactive titanium compound having a target of metallic titanium is used.
When forming an amorphous titanium oxide electrochromic thin film by the C magnetron sputtering method, the flow rate of argon gas into the sputtering system is set to 1
A gist of the present invention is a method for producing a titanium oxide electrochromic thin film, wherein the sputtering is performed at a pressure of 20 to 230 sccm.

【0010】なお、このような本発明に従う酸化チタン
エレクトロクロミック薄膜の製造方法において、ターゲ
ット材たる金属チタンから叩き出された原子と結合し
て、金属酸化物たる酸化チタン薄膜を形成するために、
酸素ガスが、スパッタリング系内に5〜20sccmの
割合にて導入せしめられることが望ましく、またスパッ
タリングに際しては、スパッタリング系内の全圧が、4
〜11Paとなるように調節されるのである。
In the method of manufacturing a titanium oxide electrochromic thin film according to the present invention, a method for forming a titanium oxide thin film as a metal oxide by bonding with an atom struck out from titanium as a target material,
It is desirable that oxygen gas be introduced into the sputtering system at a rate of 5 to 20 sccm.
It is adjusted so as to be 1111 Pa.

【0011】また、本発明は、上述の如き反応性DCマ
グネトロンスパッタリング法によって作製される酸化チ
タン薄膜を備えた優れたエレクトロクロミック特性を示
す材料を得るべく、透明導電膜が形成された透明な基板
を用い、該基板の透明導電膜上に、請求項1乃至3の何
れかに記載の方法に従ってアモルファス構造の酸化チタ
ンエレクトロクロミック薄膜を形成したことを特徴とす
る酸化チタンエレクトロクロミック材料の製造方法を
も、その要旨とするものである。
Further, the present invention provides a transparent substrate having a transparent conductive film formed thereon in order to obtain a material exhibiting excellent electrochromic characteristics comprising a titanium oxide thin film produced by the reactive DC magnetron sputtering method as described above. And forming a titanium oxide electrochromic thin film having an amorphous structure on the transparent conductive film of the substrate according to the method according to claim 1. Is also the gist of this.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】ところで、酸化物薄膜を作製する
ためのスパッタリング法には、化合物ターゲットを用い
たスパッタリング法と、金属ターゲットを用いた反応性
スパッタリング法が知られているが、ターゲットのコス
ト等の点からして、後者の反応性スパッタリング法が有
利であり、また、電圧の印加方式にも、RF(高周波)
スパッタリング法とDC(直流)スパッタリング法があ
るが、電源コスト等の点から、後者のDCスパッタリン
グ法が有利である。このため、本発明にあっては、酸化
チタン薄膜の作製に際して、反応性DCマグネトロンス
パッタリング法を用いることとしたのである。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS As a sputtering method for producing an oxide thin film, a sputtering method using a compound target and a reactive sputtering method using a metal target are known. In view of the above, the latter reactive sputtering method is advantageous, and the voltage application method is RF (high frequency).
Although there are a sputtering method and a DC (direct current) sputtering method, the latter DC sputtering method is advantageous in terms of power supply cost and the like. For this reason, in the present invention, a reactive DC magnetron sputtering method is used when producing a titanium oxide thin film.

【0013】そして、本発明者らは、種々の成長条件
(スパッタリング条件)で成長させて得られる酸化チタ
ン膜について、過塩素酸リチウム(LiClO4 )をプ
ロピレンカーボネイトで1Nに希釈したものを電解液と
したサイクリック・ボルタンメトリーを行なって、その
エレクトロクロミック特性を評価した結果、得られた酸
化チタン膜のエレクトロクロミック特性は、成長(成
膜)中において、スパッタリング系内に導入されるアル
ゴンガスの流量(従って、全ガス圧力)に大きく依存
し、その流量が大なる(高い圧力)下において、成長
(成膜)を行なった酸化チタン膜程、良好なクロミック
特性を示すことが明らかとなったのである。
The present inventors have proposed a titanium oxide film obtained by growing under various growth conditions (sputtering conditions) by diluting lithium perchlorate (LiClO 4 ) to 1N with propylene carbonate as an electrolytic solution. As a result of performing cyclic voltammetry and evaluating the electrochromic characteristics, the electrochromic characteristics of the obtained titanium oxide film were determined by the flow rate of argon gas introduced into the sputtering system during growth (film formation). Therefore, it was found that the titanium oxide film grown (deposited) showed better chromic characteristics under a large flow rate (high pressure) depending on the total gas pressure. is there.

【0014】すなわち、通常の反応性スパッタリング法
にて一般に採用されるアルゴンガスの流量(毎秒)は、
50〜100sccm(standard cubic centimeter の
略)程度であるのであるが、本発明にあっては、そのよ
うな毎秒当たりのアルゴンガスの流量を120〜230
sccm、好ましくは150〜200sccmと、上昇
せしめて、高い圧力にてスパッタリングを行なうように
したものであり、これによって、良好なクロミック特性
を有するアモルファス構造の酸化チタン薄膜を実現し得
たのである。なお、このスパッタリング系内に導入され
るアルゴンガスの流量が低くなり過ぎると、従来と同様
に、エレクトロクロミック特性の不充分な酸化チタン膜
となるのであり、またその流量が高くなり過ぎても、ス
パッタ銃以外の部分でも放電が起こるようになって、そ
のような条件下で成膜された酸化チタン膜は、良好なク
ロミック特性を示さないのである。
That is, the flow rate (per second) of the argon gas generally employed in the ordinary reactive sputtering method is as follows:
Although it is about 50 to 100 sccm (abbreviation of standard cubic centimeter), in the present invention, such a flow rate of argon gas per second is set to 120 to 230 sccm.
The sputtering is performed at a high pressure by raising the pressure to 150 sccm, preferably 150 to 200 sccm, thereby realizing a titanium oxide thin film having an amorphous structure having good chromic characteristics. If the flow rate of the argon gas introduced into the sputtering system is too low, a titanium oxide film having insufficient electrochromic properties will be formed as in the related art, and even if the flow rate is too high, Electric discharge also occurs in portions other than the sputter gun, and the titanium oxide film formed under such conditions does not exhibit good chromic characteristics.

【0015】そして、このような高い流量の下でのアル
ゴンガスの導入により、スパッタリング系内の全圧(全
ガス圧力)は、4〜11Pa、好ましくは5〜8Paに
調節されることとなるのである。
By introducing argon gas at such a high flow rate, the total pressure (total gas pressure) in the sputtering system is adjusted to 4 to 11 Pa, preferably 5 to 8 Pa. is there.

【0016】勿論、本発明において、反応性DCマグネ
トロンスパッタリング法を行なうために、スパッタリン
グ系内では、金属チタン(ターゲット)を酸化して、ア
モルファス構造の酸化チタンを生成せしめるために、酸
素ガスが、かかるスパッタリング系内に導入されること
となるが、そのような酸素ガスの導入量(毎秒)は、5
〜20sccm程度で充分であり、その割合は、アルゴ
ンガスの導入量に比べて、極めて少ないものであるとこ
ろから、スパッタリング系内の全圧に実質的な影響をも
たらすものではなく、また成膜される酸化チタン膜のエ
レクトロクロミック特性に悪影響をもたらすものでもな
いのである。勿論、この酸素ガスの導入量が少な過ぎる
と、酸化チタン膜の形成が困難となるのであり、また酸
素ガスの導入の目的は、20sccmまでの導入量にて
充分に達成され、それ以上の酸素ガスの導入は無意味と
なるのである。
Of course, in the present invention, in order to perform reactive DC magnetron sputtering, in a sputtering system, oxygen gas is used to oxidize metal titanium (target) to produce titanium oxide having an amorphous structure. The oxygen gas is introduced into such a sputtering system.
Approximately 20 sccm is sufficient, and the ratio is extremely small as compared with the introduction amount of argon gas. Therefore, the ratio does not substantially affect the total pressure in the sputtering system. It does not adversely affect the electrochromic properties of the titanium oxide film. Of course, if the amount of oxygen gas introduced is too small, it becomes difficult to form a titanium oxide film, and the purpose of introducing oxygen gas is sufficiently achieved with an introduced amount of up to 20 sccm, The introduction of gas is meaningless.

【0017】そして、このようにして得られる、本発明
に従う酸化チタンエレクトロクロミック薄膜において、
最も良い特性を示すものでは、溶液中での可視光透過率
が22%から92%まで変化する、極めて良い特性を示
し、また、そのような薄膜の着色効率を測定すると、2
9cm2 /Cなる値が得られ、それは、従来の酸化チタ
ン膜に関する報告よりも、6倍程度も高い値を示してい
るのである。
In the thus obtained titanium oxide electrochromic thin film according to the present invention,
Those exhibiting the best properties show extremely good properties, in which the visible light transmittance in the solution changes from 22% to 92%, and the coloring efficiency of such a thin film is 2%.
A value of 9 cm 2 / C was obtained, which is about six times higher than the report on the conventional titanium oxide film.

【0018】因みに、図1では、本発明を実施すること
の出来るスパッタリング装置の概略図が示されている
が、そこにおいて、2は、密閉された構造を有するスパ
ッタリング室(スパッタリング系)であり、このスパッ
タリング室2に対して、スパッタ銃4及び基板支持用マ
ニュピレータ6がそれぞれ装備せしめられているのであ
る。そして、スパッタ銃4の先端には、金属チタンから
なる板状のターゲット8が取り付けられるようになって
おり、また図示はされていないが、ターゲット8の背後
のスパッタ銃本体内には、従来と同様に、マグネット
(永久磁石)が配置されて、DC電源から供給される直
流によって、従来と同様なDCマグネトロンスパッタリ
ングが行なわれ得るようになっている。
Incidentally, FIG. 1 shows a schematic view of a sputtering apparatus capable of carrying out the present invention, wherein reference numeral 2 denotes a sputtering chamber (sputtering system) having a closed structure, The sputtering chamber 2 is provided with a sputter gun 4 and a substrate supporting manipulator 6, respectively. A plate-shaped target 8 made of metallic titanium is attached to the tip of the sputter gun 4. Although not shown, the sputter gun body behind the target 8 has a conventional shape. Similarly, a magnet (permanent magnet) is arranged so that DC magnetron sputtering similar to that of the related art can be performed by a direct current supplied from a DC power supply.

【0019】また、かかるスパッタリング室2内におい
て、スパッタ銃4の先端のターゲット8に対して、所定
距離を隔てて対向するように、酸化チタン薄膜が形成さ
れる基板10がマニュピレータ6に支持され得るように
なっており、また、そのような基板10の裏側には、水
冷パイプ12を通じて冷却水が送り込まれて、温度コン
トローラによる制御の下に、基板10の温度が制御さ
れ、以て基板10上に形成される酸化チタン薄膜の結晶
化を阻止して、アモルファス構造と為し得るようになっ
ている。
In the sputtering chamber 2, a substrate 10 on which a titanium oxide thin film is formed can be supported by the manipulator 6 so as to face a target 8 at the tip of the sputtering gun 4 at a predetermined distance. Further, cooling water is fed into the back side of such a substrate 10 through a water cooling pipe 12 and the temperature of the substrate 10 is controlled under the control of a temperature controller. The crystallization of the titanium oxide thin film formed on the substrate is prevented, and an amorphous structure can be obtained.

【0020】さらに、スパッタリング室2は、真空ポン
プ14にて、スパッタリング操作を為し得る程度の減圧
下に維持され得るようになっている一方、コンピュータ
による制御の下、マスフローコントローラ16を通じ
て、アルゴンガスと酸素ガスの所定量が、スパッタリン
グ室2内に導入され得るようになっている。
Further, the sputtering chamber 2 can be maintained at a reduced pressure enough to perform a sputtering operation by a vacuum pump 14, while the argon gas is passed through a mass flow controller 16 under the control of a computer. And a predetermined amount of oxygen gas can be introduced into the sputtering chamber 2.

【0021】従って、このような構成のスパッタリング
装置において、本発明を実施するに際しては、真空ポン
プ14にて、スパッタリング室2内の雰囲気を除去した
後、マスフローコントローラ16を通じて、アルゴンガ
スを、スパッタリング室2内に、120〜230scc
mの流量において導入し、また酸素ガスを、一般に5〜
20sccmの割合にて導入して、DCマグネトロンス
パッタリングを行なわしめることにより、ターゲット8
から叩き出されたチタン原子は、スパッタリング室2内
に導入された酸素ガスにて酸化され、酸化チタンとし
て、対向する基板10の表面に堆積せしめられて、所定
厚さ(例えば、0.1〜1μm程度)の酸化チタン薄膜
(層)を形成するのである。
Therefore, in carrying out the present invention in the sputtering apparatus having such a configuration, after removing the atmosphere in the sputtering chamber 2 by the vacuum pump 14, argon gas is supplied through the mass flow controller 16 to the sputtering chamber. 2, 120-230 scc
m and a flow of oxygen gas, generally between 5 and
The target 8 was introduced at a rate of 20 sccm to perform DC magnetron sputtering.
Are oxidized by the oxygen gas introduced into the sputtering chamber 2 and are deposited as titanium oxide on the surface of the opposing substrate 10 to have a predetermined thickness (for example, 0.1 to 0.1). Thus, a titanium oxide thin film (about 1 μm) is formed.

【0022】そして、このようにして形成された酸化チ
タン薄膜のエレクトロクロミック特性を利用して、ブラ
インドやカーテンの不要な、インテリジェントな窓材料
の如きエレクトロクロミック材料を有利に得るために、
前記基板10は、ガラス等の透明な材質のものとされ、
そして、更に通電のために、そのような透明な基板の酸
化チタン薄膜が形成される表面には、従来と同様な透明
導電膜、例えばITO(Indium Tin Oxide)膜が形成さ
れ、この透明導電膜上に、酸化チタン薄膜が形成される
こととなるのである。
In order to advantageously obtain an electrochromic material such as an intelligent window material which does not require a blind or a curtain by utilizing the electrochromic properties of the titanium oxide thin film thus formed,
The substrate 10 is made of a transparent material such as glass,
For further energization, a transparent conductive film similar to the conventional one, for example, an ITO (Indium Tin Oxide) film is formed on the surface of the transparent substrate on which the titanium oxide thin film is formed. A titanium oxide thin film is formed thereon.

【0023】[0023]

【実施例】本発明を更に具体的に明らかにするために、
本発明の幾つかの実施例を、以下に示すこととするが、
本発明が、そのような実施例の記載によって何等の制約
をも受けるものでないことは、言うまでもないところで
ある。また、本発明には、以下の実施例の他にも、更に
は上記した発明の実施の形態における記述以外にも、本
発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に
基づいて種々なる変更、修正、改良等を加え得るもので
あることが、理解されるべきである。
EXAMPLES In order to clarify the present invention more specifically,
Some examples of the present invention will be shown below,
It goes without saying that the present invention is not subject to any restrictions by the description of such embodiments. Further, the present invention may be variously modified based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention, in addition to the following examples, and in addition to the description in the above embodiment of the present invention. It should be understood that changes, modifications, improvements and the like can be made.

【0024】実施例 1 図1に示されるスパッタリング装置と同様な構造の装置
を用いて、反応性DCマグネトロンスパッタリング法に
よって、酸化チタン薄膜の成長を行なった。なお、基板
(10)としては、透明導電膜であるITO膜をコーテ
ィングした(面抵抗10Ω)、大きさ:11mm×11
mm×1mmのガラス板を用い、またターゲット(8)
としては、直径:50mm、厚さ:3mmの、純度:9
9.9%の金属チタン板を使用した。また、スパッタ電
源(DC電源)は、定電圧モードで駆動し、電流は0.
2Aに固定した。更に、スパッタリング中は、基板ホル
ダー(マニュピレータ6)を水冷し、温度が上がらない
ようにした。
Example 1 A titanium oxide thin film was grown by a reactive DC magnetron sputtering method using an apparatus having the same structure as the sputtering apparatus shown in FIG. The substrate (10) was coated with an ITO film as a transparent conductive film (sheet resistance: 10Ω), size: 11 mm × 11
mm × 1 mm glass plate and target (8)
As for diameter: 50 mm, thickness: 3 mm, purity: 9
A 9.9% metal titanium plate was used. The sputter power supply (DC power supply) is driven in a constant voltage mode, and the current is 0.
Fixed to 2A. Further, during sputtering, the substrate holder (manipulator 6) was cooled with water so that the temperature did not rise.

【0025】そして、スパッタリング室(2)内に、ア
ルゴンガスを、流量:50〜250sccmの割合で導
入せしめ、スパッタリング室(2)内の実質的な全圧と
なるアルゴン分圧を2〜12Paに変化させる一方、酸
素ガスの流量を10〜20sccmまで変化させて導入
し、目的とする酸化チタン薄膜を、基板(10)として
のガラス板の透明導電膜(ITO膜)上に、約0.4〜
0.5μmの厚さで成膜した。なお、膜厚は、成長中に
おいて、水晶膜厚計でモニターし、成長後においては、
触針式膜厚計により膜厚を測定して、成長条件の校正を
行ない、所定の膜厚となるようにした。
Then, an argon gas is introduced into the sputtering chamber (2) at a flow rate of 50 to 250 sccm, and the partial pressure of argon, which is a substantial total pressure in the sputtering chamber (2), is adjusted to 2 to 12 Pa. On the other hand, the flow rate of oxygen gas was changed from 10 to 20 sccm, and the target titanium oxide thin film was deposited on a transparent conductive film (ITO film) of a glass plate as the substrate (10) by about 0.4. ~
The film was formed with a thickness of 0.5 μm. During the growth, the film thickness was monitored with a quartz film thickness meter, and after the growth,
The film thickness was measured by a stylus-type film thickness meter, and the growth conditions were calibrated to obtain a predetermined film thickness.

【0026】かくして得られた、スパッタリング室
(2)内に導入されるアルゴンガス流量や酸素ガス流量
を種々に変化させて成膜された、ガラス板上の酸化チタ
ン薄膜について、その構造をX線回折で調べた結果、何
れの条件下で成長した膜にあっても、結晶化しておら
ず、アモルファス構造を有していることが確認された。
これに対して、水冷パイプ(12)を通じての冷却水の
供給を停止し、基板ホルダー(マニュピレータ6)を冷
却しなかった場合にあっては、生成した酸化チタン膜
は、何れも、結晶化したものとなった。また、上記のア
モルファス構造の膜の組成について、ラザフォード後方
散乱法で調べた結果、チタンと酸素の比(原子比)は、
酸素ガスの流量が5scc〜20sccmの範囲におい
て、1:2.2となり、略TiO2 に近い組成が得られ
ていることを確認した。
The structure of the titanium oxide thin film on the glass plate obtained by changing the flow rate of the argon gas and the flow rate of the oxygen gas introduced into the sputtering chamber (2) in various manners was determined by using an X-ray. As a result of diffraction, it was confirmed that the film grown under any conditions was not crystallized and had an amorphous structure.
On the other hand, when the supply of the cooling water through the water cooling pipe (12) was stopped and the substrate holder (manipulator 6) was not cooled, all of the generated titanium oxide films were crystallized. It became something. In addition, as a result of examining the composition of the film having the amorphous structure by Rutherford backscattering method, the ratio (atomic ratio) between titanium and oxygen was
When the flow rate of the oxygen gas was in the range of 5 sccc to 20 sccm, the ratio was 1: 2.2, and it was confirmed that a composition close to TiO 2 was obtained.

【0027】実施例 2 実施例1において各種の条件下で酸化チタン薄膜を成膜
して得られた、各種のサンプルについて、サイクリック
・ボルタンメトリーを用いて、そのエレクトロクロミッ
ク特性を調べた。電解液としては、LiClO4 をプロ
ピレンカーボネイトで1Nに希釈したものを用い、また
対極としては、白金板を用いた。
Example 2 Various samples obtained by forming a titanium oxide thin film under various conditions in Example 1 were examined for their electrochromic properties by cyclic voltammetry. As the electrolytic solution, a solution obtained by diluting LiClO 4 to 1N with propylene carbonate was used, and a platinum plate was used as a counter electrode.

【0028】そして、上記の種々の条件で成膜された酸
化チタン膜のエレクトロクロミック特性を調べた結果、
その特性は、スパッタリング室内に導入されるアルゴン
ガスの流量に大きく依存することが認められた。因み
に、通常のスパッタリングにおて、よく用いられている
アルゴンガスの流量:50〜100sccm程度で成膜
された酸化チタン膜のエレクトロクロミック特性は、従
来から報告されているものと同じく、余り良くないもの
であったが、それに対して、アルゴンガスの流量を上げ
て、高い圧力下でスパッタリングを行なったもの程、良
好なクロミック特性を示した。
Then, as a result of examining the electrochromic characteristics of the titanium oxide film formed under the above various conditions,
It has been found that the characteristics greatly depend on the flow rate of the argon gas introduced into the sputtering chamber. Incidentally, the electrochromic properties of a titanium oxide film formed at a flow rate of argon gas: about 50 to 100 sccm, which is commonly used in ordinary sputtering, are not so good, similarly to those which have been reported conventionally. On the other hand, the higher the flow rate of the argon gas and the higher the pressure, the better the chromic properties were exhibited.

【0029】因みに、図2には、アルゴンガスの流量を
200sccm、酸素ガスの流量を10sccm、全
圧:8Paの条件下において成長を行なった試料のサイ
クリック・ボルタンメトリーにおける電圧電流曲線(サ
イクリック・ボルタモグラム)と波長:620nmでの
透過率の変化を示すものであるが、この図からも認めら
れるように、電位を下げていくと、電流が流れ始め、そ
れと同時に透過率が下がって濃い青色に着色し、これと
は逆に電圧を上げていくと、透過率が上がり、透明な状
態に戻って、良好なエレクトロクロミック特性を示すの
である。
Incidentally, FIG. 2 shows a voltage-current curve (cyclic cyclic voltammetry) in a cyclic voltammetry of a sample grown under the conditions of an argon gas flow rate of 200 sccm, an oxygen gas flow rate of 10 sccm, and a total pressure of 8 Pa. It shows the change in transmittance at 620 nm and the wavelength: 620 nm. As can be seen from this figure, when the potential is lowered, the current starts to flow, and at the same time, the transmittance decreases and the color becomes dark blue. By coloring, and conversely, increasing the voltage, the transmittance increases and returns to a transparent state, showing good electrochromic properties.

【0030】実施例 3 アルゴンガスの流量を200sccm、酸素ガスの流量
を10sccmとし、全圧:8Paの条件下において、
実施例1と同様に成膜を行なって得られた試料につい
て、その着色時と消色時の光学透過スペクトルを溶液中
で測定し、その結果を図3に示した。なお、着色時のス
ペクトルは、−1.9Vの電位を掛けて測定し、また消
色時のスペクトルは、1Vの電位を掛けながら測定し
た。
Example 3 Under a condition that the flow rate of argon gas is 200 sccm, the flow rate of oxygen gas is 10 sccm, and the total pressure is 8 Pa,
With respect to the sample obtained by forming a film in the same manner as in Example 1, the optical transmission spectra at the time of coloring and decoloring were measured in a solution, and the results are shown in FIG. The spectrum at the time of coloring was measured by applying a potential of -1.9 V, and the spectrum at the time of decoloring was measured while applying a potential of 1 V.

【0031】かかる図3に示されるスペクトルから、可
視光スペクトルを計算すると、それぞれ、22%〜92
%の範囲にあり、その間の任意の透過率にコントロール
することが出来るという、極めて良好な性能を有する膜
であることを認めた。なお、従来の報告では、スパッタ
リング法で作製された膜については、可視光透過率の変
化が63%と75%程度であるとされていることを考え
ると、本発明に従って得られる酸化チタン薄膜が、それ
よりも、約3倍も大きな透過率変化を示すものであるこ
とは、驚くべきことである。
When the visible light spectrum was calculated from the spectrum shown in FIG.
%, And it can be controlled to an arbitrary transmittance in the meantime, and it was recognized that the film had extremely good performance. In addition, considering that the change in visible light transmittance of a film formed by a sputtering method is about 63% and about 75% in a conventional report, a titanium oxide thin film obtained according to the present invention can be used. It is surprising that the change in transmittance is about three times greater.

【0032】実施例 4 図2の波長:620nmにおける透過率から計算した光
学密度を、注入した電荷量に対してプロットした結果
を、図4に示した。この図4に示されるグラフにおける
傾きが、着色効率となるのである。
Example 4 FIG. 4 shows the result of plotting the optical density calculated from the transmittance at the wavelength of 620 nm in FIG. 2 with respect to the injected charge amount. The inclination in the graph shown in FIG. 4 is the coloring efficiency.

【0033】そして、かかる図4に基づいて、その酸化
チタン薄膜に対する着色効率を計算すると、29cm2
/Cとなることが明らかとなった。なお、この値は、酸
化タングステン(WO3 )膜の約60cm2 /Cという
値に比べると、低いものであるが、従来の物理的手法で
形成される酸化チタン薄膜について報告されている約5
cm2 /Cに比べると、約6倍も大きく、実用的にも使
用可能であることが認められるのである。
Then, based on FIG. 4, the coloring efficiency of the titanium oxide thin film was calculated to be 29 cm 2
/ C. Although this value is lower than the value of about 60 cm 2 / C of the tungsten oxide (WO 3 ) film, about 5 cm reported for a titanium oxide thin film formed by a conventional physical method is used.
It is about 6 times larger than cm 2 / C, and it is recognized that it can be used practically.

【0034】また、スパッタリング室(2)内への酸素
ガス導入流量を10sccmに固定して、アルゴンガス
の流量(全圧)を種々異ならしめ、実施例1と同様にし
て、反応性DCマグネトロンスパッタリング法にて、酸
化チタン薄膜の成長を行なって得られた膜について、そ
の着色効率を調べ、その結果を下記表1に示すが、かか
る結果からも明らかなように、アルゴンガス流量(全
圧)が、150sccm(5Pa)や200sccm
(8Pa)の場合において、良好な着色効率を示し、エ
レクトロクロミック薄膜として、有用であることが認め
られたのに対して、50sccm(2Pa)、100s
ccm(4Pa)の場合や、250sccm(12P
a)の場合にあっては、着色効率が低下して、実用的に
も使用可能な膜と言うことは、困難である。
Further, the flow rate of oxygen gas introduced into the sputtering chamber (2) was fixed at 10 sccm, and the flow rate (total pressure) of argon gas was varied, and the reactive DC magnetron sputtering was performed in the same manner as in Example 1. The coloring efficiency of a film obtained by growing a titanium oxide thin film by the method was examined, and the results are shown in Table 1 below. As is clear from the results, the argon gas flow rate (total pressure) But 150sccm (5Pa) or 200sccm
(8 Pa), it shows good coloring efficiency and is useful as an electrochromic thin film, whereas 50 sccm (2 Pa) and 100 s
ccm (4 Pa) or 250 sccm (12 P
In the case of a), the coloring efficiency is lowered, and it is difficult to say that the film is practically usable.

【0035】[0035]

【表1】 [Table 1]

【0036】[0036]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、反応性DCマグネトロンスパッタリング法によっ
て、金属チタンをターゲットとして、成膜することによ
り、赤外領域も含めて、優れた調光特性を示す、有用な
アモルファス構造の酸化チタンエレクトロクロミック薄
膜の作製を可能ならしめたものであり、また、そのよう
な酸化チタンエレクトロクロミック薄膜を形成してなる
材料、例えば窓材料等の製造を可能にするものである。
そして、そのような本発明によれば、可視光透過率にお
いて、例えば22%〜92%まで制御することが出来る
という、極めて性能の良い膜を成膜することが出来るの
である。
As is apparent from the above description, the present invention provides an excellent dimming characteristic including the infrared region by forming a film by the reactive DC magnetron sputtering method using titanium metal as a target. It shows that it is possible to produce a titanium oxide electrochromic thin film having a useful amorphous structure, and it is also possible to produce a material formed of such a titanium oxide electrochromic thin film, for example, a window material. Is what you do.
According to the present invention, it is possible to form an extremely high-performance film that can control the visible light transmittance from, for example, 22% to 92%.

【0037】また、そのような特徴を有する、本発明に
従って得られた酸化チタンエレクトロクロミック薄膜に
よれば、太陽エネルギーを、建物内部の冷房負荷や照明
負荷が出来るだけ軽減され得るようにコントロールする
ことが可能となるのであり、以てコストを大幅に削減す
ることが出来るという特徴を発揮するものである。ま
た、酸化チタン膜は、種々の光学材料や湿式太陽電池の
材料としても用いられており、これらと組み合わせるこ
とによって、従来にない、新たな機能を持った素子を作
製し得る可能性も有しているのである。
Further, according to the titanium oxide electrochromic thin film obtained according to the present invention having such characteristics, it is possible to control the solar energy so that the cooling load and the lighting load inside the building can be reduced as much as possible. This makes it possible to significantly reduce costs. In addition, titanium oxide films are also used as materials for various optical materials and wet solar cells, and by combining them, there is a possibility that an element having a new function, which has not existed in the past, can be manufactured. -ing

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に従う反応性DCマグネトロンスパッタ
リング法を実施することの出来るスパッタリング装置の
一例を示す概略図である。
FIG. 1 is a schematic view showing an example of a sputtering apparatus capable of performing a reactive DC magnetron sputtering method according to the present invention.

【図2】酸化チタン薄膜のサイクリック・ボルタモグラ
ムと620nmにおける透過率の変化を示すグラフであ
る。
FIG. 2 is a graph showing a cyclic voltammogram of a titanium oxide thin film and a change in transmittance at 620 nm.

【図3】酸化チタン薄膜の溶液中での着色時と消色時の
透過率を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing transmittance when a titanium oxide thin film is colored and erased in a solution.

【図4】酸化チタン薄膜の光学濃度と注入電荷量との関
係を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the optical density of a titanium oxide thin film and the amount of injected charge.

【符号の説明】 2 スパッタリング室 4 スパッタ銃 6 マニュピレータ 8 ターゲット 10 基板 12 水冷パイプ 14 真空ポンプ 16 マスフローコ
ントローラ
[Description of Signs] 2 Sputtering chamber 4 Sputter gun 6 Manipulator 8 Target 10 Substrate 12 Water cooling pipe 14 Vacuum pump 16 Mass flow controller

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 金属チタンをターゲットとして、反応性
DCマグネトロンスパッタリング法にてアモルファス構
造の酸化チタンエレクトロクロミック薄膜を成膜するに
際して、スパッタリング系内へのアルゴンガスの流量を
120〜230sccmとして、前記スパッタリングを
行なうことを特徴とする酸化チタンエレクトロクロミッ
ク薄膜の製造方法。
When a titanium oxide electrochromic thin film having an amorphous structure is formed by reactive DC magnetron sputtering using titanium metal as a target, the flow rate of an argon gas into a sputtering system is set to 120 to 230 sccm. A method for producing a titanium oxide electrochromic thin film.
【請求項2】 酸素ガスが、前記スパッタリング系内に
5〜20sccmの割合にて導入される請求項1記載の
酸化チタンエレクトロクロミック薄膜の製造方法。
2. The method for producing a titanium oxide electrochromic thin film according to claim 1, wherein oxygen gas is introduced into said sputtering system at a rate of 5 to 20 sccm.
【請求項3】 前記スパッタリング系内の全圧が、4〜
11Paである請求項1又は請求項2記載の酸化チタン
エレクトロクロミック薄膜の製造方法。
3. The total pressure in the sputtering system is 4 to
3. The method for producing a titanium oxide electrochromic thin film according to claim 1, wherein the pressure is 11 Pa.
【請求項4】 透明導電膜が形成された透明な基板を用
い、該基板の透明導電膜上に、前記請求項1乃至3の何
れかに記載の方法に従ってアモルファス構造の酸化チタ
ンエレクトロクロミック薄膜を形成したことを特徴とす
る酸化チタンエレクトロクロミック材料の製造方法。
4. A transparent substrate on which a transparent conductive film is formed, and a titanium oxide electrochromic thin film having an amorphous structure is formed on the transparent conductive film of the substrate by the method according to claim 1. A method for producing a titanium oxide electrochromic material, characterized by being formed.
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