JP4311876B2

JP4311876B2 - エレクトロフォトクロミックスマートウィンドウおよび方法

Info

Publication number: JP4311876B2
Application number: JP2000504486A
Authority: JP
Inventors: タロック、ガヴィン・エドマンド; スクリャビン、イゴール・ルヴォヴィッチ
Original assignee: Dyesol Ltd
Current assignee: Dyesol Ltd
Priority date: 1997-07-22
Filing date: 1998-07-22
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2018-07-22
Also published as: JP2001511542A; EP1012661B1; DE69831495D1; DE69831495T2; US6297900B1; EP1012661A1; EP1012661A4; AUPO816097A0; ATE304186T1; WO1999005566A1

Description

【０００１】
技術分野
本発明は、建物のガラス張りに使用するのに適したスマートウィンドウに関する。本スマートウィンドウは、（ｉ）電荷の注入または注出によって暗色化（すなわち、色の濃化または透明性の低下）または淡色化（すなわち、黒ずみの減少または透明性の増加）を行うことができるエレクトロクロミック（ＥＣ）素子と、（ｉｉ）ウィンドウに太陽光が当たった時にＥＣ素子の暗色化を行うために必要な電荷を供給することができる光電（フォトエレクトリック）（ＰＥ）素子とを有するものに関する。そのようなＰＥ−ＥＣ結合装置は「フォトエレクトロクロミック」（ＰＥＣ）装置と呼ばれる。
【０００２】
本発明のＰＥＣスマートウィンドウに使用するのに好適なＰＥ素子は、色素増感した再生光電化学（リジェネレイテッド・フォトエレクトロ・ケミカル）（ＲＰＥＣ）型であり、固体半導体光電極と電解液とを外部電気回路によって接続した時、光量子が電極と衝突することによって電極および電解液間の接合部から分離した電荷キャリヤを発生する。ＲＰＥＣ電気化学セルでは、再生物理化学サイクルのために電解液内で化学変化を生じることなく電荷キャリヤ（電子）が電解液によって搬送される。
【０００３】
本発明はまた、ＰＥＣ装置のＰＥおよびＥＣ素子を相互接続して、ＥＣ装置の損傷を回避しながら切り換え時間を最長にするように相互間の電流の流れを調整する電子制御手段に関する。しかし、ここに開示されている制御手段は、ＰＥＣ装置の一部でないＥＣセルの制御にも適用できる。
【０００４】
発明の背景
ＰＥＣ装置
本発明を適用可能なスマートウィンドウは一般的に大きな表面積を有しており、建築産業で使用されている他の専門ガラス張り材料と大差のない価格で製造しなければならない。このことは、暗色化または淡色化のいずれでも必要な清澄度を有する複雑なＰＥＣ装置で達成することが最も困難である。さらに、ＰＥＣウィンドウのＰＥおよびＥＣ素子は本来的に不整合（mismatch)であるため、暗色化が不均一になったり、部分的になったり、または甚だしく遅かったり、あるいはそれらが組み合わされたものになりがちである。
【０００５】
ネマティック液晶の層を使用し、透過太陽光を受け取るように配置された外部ＰＥセルによって制御される太陽感応スマートウィンドウが、モッコフシアック(Mockovciak)の米国特許第４，４７５，０３１号明細書に開示されている。液晶層を暗色化するのに必要な電圧を与えるために充分なＰＥセルを用いており、入射光の強さに従ってウィンドウを確実に暗色化するために電圧調整器を使用している。しかし、液晶層は、特にウィンドウを暗色化した時、清澄度が劣るためにスマートウィンドウ用に満足できる電気光学的変調材料を形成しない。また、ＰＥセルおよび電圧調整器をウィンドウから分離して設置しなければならないため、このスマートウィンドウの取り付けおよび接続は高コストになると共に見苦しい。ラッセル(Russell)外の米国特許第４，９６８，１２７号明細書およびオカウス(Okaus)の米国特許第５，０１５，０８６号明細書などの他の特許も、眼鏡に使用される同様な自己出力型太陽感応装置を開示している。
【０００６】
ベンソン(Benson)への米国特許第５，３８４，６５３号明細書は、ガラス基板の上に大面積ＥＣ素子を形成し、その縁部の周囲に複数のシリコンベースのＰＥセルを連続層溶着（successive layer deposition）によって形成したものを用いた二重ガラス張り自己出力型スマートウィンドウを開示している。必要な切り換え電圧を与えるために充分なＰＥセルを直列接続している。ＥＣセルをＰＥセルの出力部か、バッテリなどの外部電源のいずれかに接続するためにセレクタスイッチを使用している。選択された電源の極性を逆にしてＥＣセルの暗色化または淡色化を行うために、転極スイッチを使用している。この装置は本質的に自立形(self-contained)であるが、ＥＣ装置およびＰＥセルに必要な様々な層の溶着が従来のＰＶＤ（物理的蒸着）、スパッタリングまたはＣＶＤ（化学的蒸着）技法によってマスクを使用して真空状態で行われるため、ウィンドウの面積が厳しく制限されると共に装置が高価になる。また、この電気構造では、淡色化用に暗色化用と同じ電圧を使用する必要があり、これによって甚だしく遅い切り換え時間か、ＥＣ素子の損傷のいずれかの結果が生じる。最後になるが、ウィンドウのうちのＰＥセルに使用可能な面積が小さいため、それらからの電力出力も小さく、またＰＥセルは目障りである。
【０００７】
レバンティス(Levantis)外への米国特許第５，４５７，５６４号明細書は、スマートウィンドウとして使用されるＥＣセルを開示しており、このセルは、隙間を空けた１対のガラス基板上にスパッタ付着させたそれぞれの透明電極上に塗布された１対の相補型エレクトロクロミックポリマーを有し、その隙間に電解質が充てんされている。セルは、（入射光に対して）装置の背後に配置された外部設置型のシリコンベースのＰＥセルによって電力を供給される。セルに当たった光がエレクトロクロミック装置を暗色化するのに充分な電流を発生し、したがって透過光を減少させる。入射光を除去することによって、エレクトロクロミック装置はセルを介して放電し（この時、順方向バイアスダイオードとして作用する）、装置の透明性を回復することができる。やはりＰＥセルおよび電圧調整器をウィンドウから分離して設置しなければならないため、このスマートウィンドウの取り付けおよび接続が高コストになると共に見苦しい。また、（ダイオードとして作用する）シリコンＰＥセルの閾値電圧がウィンドウの淡色化に必要な電圧の大部分であるため、ウィンドウの電気制御は満足できるものではないであろう。このため、淡色化は部分的であると共に進行が遅く、暗色化が日周サイクルで入射光の強さに比例することはまったく無理である。
【０００８】
ブランズ(Branz)外への米国特許第５，３７７，０３７号明細書は、眼鏡レンズに使用されるＰＥＣ装置を開示しており、これはそれぞれレンズ表面上に透明薄膜層を溶着することによって形成されたシリコンベースＰＥセルおよびＥＣセルの自己調整型組み合わせを有している。ＥＣセルの電解質を含めて約８層の透明材料薄膜をＰＶＤ、スパッタリングまたはＣＶＤ技法によってガラス基板上に連続的に重ねる必要があり、これによって得られた多層被膜は高価であり、第２ガラス基板によって保護されていないため、傷つきやすい。これらの特徴から、そのようなＰＥＣ装置はスマートウィンドウに使用するには適さない。ブランズ外の装置のＰＥセルは、好ましくはブリード抵抗器を介してＥＣセルに直結され、ＰＥＣ装置を自己暗色化すなわち「太陽感応式」にしようとしている。しかし、ブランズのＰＥＣ装置の自己暗色化機能は、レバンティスの装置に関して前述したものと同じ欠点を伴っている。さらに、各ＥＣセルに対して１つのシリコンＰＥセルを用いているだけであるので、電圧が眼鏡に必要な迅速な暗色化を行うには不十分であり、スマートウィンドウに必要なもっと緩やかな暗色化にも不十分である。
【０００９】
ネーチャー(Nature)（１９９６年１０月１７日付けの第３８３号）に掲載された論文で、ベッチンガー(Bechinger)他は、光起電力フィルムで一方の電極を形成し、エレクトロクロミックフィルムでセルの他方の電極を形成したＰＥＣセルの開発を報告している。使用したＰＥ素子は、グレッツェル（Graetzel）外の国際特許出願第ＷＯ９１／１６７１９号および第ＷＯ９６／０８０２２号に開示されているＲＰＥＣセルであり、このセルは透明色素増感ナノ結晶ＴｉＯ₂半導体光電極と、Ｐｔ被覆対電極と、その間に配置された電解液とを用いている。使用したＥＣ素子は、Ｌｉ⁺ イオンを含むポリマー電解液を使用した従来のＷＯ₃−Ｌｉ⁺ システムに基づいていた。そのようなＰＥＣセルが開路状態（すなわち、電極が互いに接続されていない状態）で光を受けた時、ＰＥ素子で発生した電圧はセルを暗色化しない（電流が流れず、ＥＣ素子の作用電極にＬｉイオンが搬送されないからである）。光を受けたセルが短絡した時、電流が流れてＬｉイオンを作用電極に搬送し、セルを暗色化する。報告されている実験は小面積のセル（１cｍ²および２５cｍ²）であるが、空間的に局部的な暗色化が目立った。これらのセルは、レーザビームなどを使用してそれらに書くことができるため、ディスプレイ用に使用する場合には好都合であろうと思われる。しかし、この特徴は大面積のスマートウィンドウには重大な欠点である。さらに、単一のＲＰＥＣセルから得られる電圧／電流は非常に低いため、セルの短絡および開路だけで行われる暗色化および淡色化制御の範囲および速度は限定されている。
【００１０】
ＥＣスマートウィンドウにおける電荷制御
ＥＣスマートウィンドウでは、暗色および淡色状態間の切り換えが本来的に遅いが、充電率および供給電荷量を増加させることによってその移行を高速化する試みには多大な注意を払わなければならない。すなわち、
ＥＣセルの充電または放電が速すぎるか、多すぎる場合、ＥＣセルの可使用寿命（サイクル数）が大幅に低下するであろう。
暗色化／淡色化の速度は拡散制限(diffusion-limited)されているため、過剰な局部電荷集中が発生し、そのために損傷が生じる可能性がある。
充電電圧が通常、極薄ＴＣＯ（透明導電性酸化物）フィルムを介して印加されるため、電圧はフィルム全体に不均一に分布し、やはり過剰局部電荷集中の危険性がある。
ＥＣセルが老化すると、それの充電特性が変化するため、セルが新しい時に安全であった電荷（または充電率）が古くなった時には安全でなくなる。
【００１１】
漸増的に充電および放電される時のＥＣセルの電荷状態を記録して、過剰充電／放電の危険性を低減させるために積分技法を使用することは周知である。カール・ツァイス(Carl-Zeiss)への米国特許第４，５１２，６３７号明細書および第４，５２９，２７５号明細書は定電流充電と、（連続的な完全または部分充電および放電の両方またはいずれか一方の作用による）セルの電荷状態を記録するためのデジタルカウンタとを使用することによって、総過充電(total overcharging)の危険性を軽減することを開示している。セント・ゴーバン(Saint Gobain)への米国特許第６，３６５，３６５号明細書は、セルのアナログ（analogue)として機能してセルと一緒に充電および放電される基準コンデンサを使用することを開示している。着色の漸増変化（暗色化）が必要になった時、所望の着色を基準電圧として「ダイヤルイン」し、それをコンデンサの電圧と比較する。次に、セルおよびコンデンサを（必要に応じて）放電または充電して、コンデンサ電圧を基準電圧にする。この方法には、漸増着色または淡色化の合間にセルの自己淡色化（すなわち放電）を補償できるという利点がある。しかし、カール・ツァイスおよびセント・ゴーバンの開示のいずれも最適充電率を確保することを問題にしておらず、またＥＣセルの老化を補償することもできない。
【００１２】
本発明者の先行の国際特許出願第ＷＯ９８／１６８７０号に、切り換え時間の過大なトレードオフを伴わないでセル破損の危険性を軽減するように充電率を調整するＥＣセル制御方法が開示されている。ＥＣセルを充電（暗色化）するために、所定の最大電圧に達するまで定電流を加えた後、最大安全電荷（クーロン）を供給し終わるか、充電率（アンペア）が所定レベルより低くなるまで、定電圧で充電を進める。新しいセルより古いセルの方が早く最大電圧に達するので、この方法はセルのエージングについてある程度の補償を行っている。ピルキントン(Pilkington)ＰＬＣの最近の国際特許出願第ＷＯ９７／２８４８４号は、最大電圧限界に達した後も所定時間にわたって定電圧で充電を継続する点を除いて同様な方法を開示している。しかし、これらの方法では、（ｉ）初期定電流限界を控えめに設定しなければならないこと、（ｉｉ）この限界値が、不適当なことに新しいセルと古いセルとで同じであること、（ｉｉｉ）定電圧状態の初期段階では充電率が安全レベルより相当に低いことから、セルの切り換えが必要以上に遅くなる。
【００１３】
発明の目的
本発明の目的は、上記の従来技術の装置の問題の１つまたは複数を軽減するＰＥＣスマートウィンドウを提供することである。
【００１４】
また、ＥＣセルを破損する危険性を低くしながらＥＣセルの切り換え時間を改善することができる電子制御手段を組み込んだＰＥＣスマートウィンドウを提供することが望ましいが、それは必須ではない。そのような制御手段はＰＥＣ装置に特に適しているといえるが、ＥＣセルの制御全般に適用できることは理解されるであろう。
【００１５】
発明の概要
１つの態様において本発明は、従来技術のＰＥＣ装置のＥＣ素子が、（ｉ）それらが単一のＲＰＥＣセルから電力を供給されている場合、（ｉｉ）淡色化と暗色化とでＰＥセルの極性を逆転させることができない場合、および（ｉｉｉ）暗色化および淡色化の両方に同一電圧を印加する場合、またはそのいずれかの場合、満足できるように制御することができないという現実に基づいている。従って、１つの態様において本発明は、ＰＥ（好ましくはＲＰＥＣ）素子が、その極性を逆転させるか、電子制御手段を使用して制御可能にＥＣ素子に極性を印加するか、またはその両方を行うことができるように構成されているＰＥＣ装置を有している。ＰＥ素子を複数の個別セルとして形成し、それらから複数の出力電圧を発生して、制御手段を使用することによって、一方の極性の１つの電圧がＥＣ素子の暗色化を行うように接続され、別の極性の別の電圧がＥＣ素子の淡色化を行うように接続されるようにすることができる。このため、暗色化および淡色化の両方が、単一のＲＰＥＣセルを使用した場合よりも迅速かつ完全に起こるであろう。これらの利点を達成するために、ＰＥＣ装置のＥＣ素子およびＰＥ素子は両方の電極を共通に有することができない。
【００１６】
ＲＰＥＣセルの電解質の要件がＥＣセルの電解質の要件とまったく異なるため、ＰＥＣ装置のＲＰＥＣ型ＰＥ素子およびＥＣ素子に対して共通の電解質を使用する（従って、両電極を共用する）ことは望ましくないことがわかっている。ＥＣセルの電解質は、薄膜ＴＣＯ導体上の電圧分布の不均一を補償するために比較的高い固有抵抗を有する必要があり、それはＬｉ⁺イオンの緩衝および搬送を効果的に行うことを必要とする。ＲＰＥＣセルの電解質は、イオンを効果的に搬送するために低い固有抵抗（通常は１００Ω・ｃｍより相当に低い）を有する必要がある。しかし、大面積（＞０．１ｍ²）ＥＣセル内の低固有抵抗の電解質はＴＣＯ膜内の電圧勾配(gradients)を悪化させ（exacerbate)、高電圧の領域の作用電極の破損を招くか、あるいは破損を回避するためには、遅い切り換え時間および不均一な着色を招くであろう。
【００１７】
ＴＣフィルム上の所定の場所と、電源電圧をフィルムの一方の縁部に印加してからの所定の時間における電圧不均一比Ｖｎｒが、その所定場所における時間ｔの電圧をＶ（Ｄ，ｔ）、その所定場所のＴＣフィルムの縁部からの距離をＤ、ＴＣフィルムの一辺の長さの半分の関数である時間ｔの基準電圧をＶ（Ｌ／２，ｔ）とした時、Ｖｎｒ（ｔ）＝Ｖ（Ｄ，ｔ）／Ｖ（Ｌ／２，ｔ）＞１として定義されることが有用であることがわかった。ＶｎｒはこのＴＣフィルムの一辺の長さ（すなわち、セルの寸法）に伴って指数関数的に増加する。もちろん、それはセルの電解質の厚さの影響を受け、電解質が厚いほど、Ｖｎｒが減少する。この比は常にユニティ（１）より大きく、また標準最大安全セル電圧の印加時にセルの破損の危険性を排除しようとする場合、それが必ず３より低く、好ましくは２より小さいことが望ましいことがわかった。たとえば、１ｍｍ厚さの４０ｃｍｘ４０ｃｍＥＣセルの場合、電解質の固有抵抗が２０ｋΩ・ｃｍであると、Ｖｎｒが４．７になり、セルが非常に破損しやすいことを表す。そのセルの電解質の固有抵抗を５５ｋΩ・ｃｍまで増加させると、Ｖｎｒは２．０まで低下する。２０ｋΩの電解質でも、セルの厚さを５．５ｍｍまで増加させることによって同じ結果を得ることができるであろうが、これは商業的に実現できそうにないことに注意されたい。
【００１８】
ＲＰＥＣセルのＴＣＯ導体全体での電圧変動が（セル内のすべての照明点で電流が発生するので）問題にならないだけでなく、ＲＰＥＣセルの作用電極がＥＣセルのような過剰な電荷集中によって破損される傾向が少ない。
【００１９】
ＰＥ素子は、好ましくは各セルはガラス板／ウィンドウを（任意の方向に）横切って延在している、共通対の透明ガラス板の間に形成された複数の個別ＲＰＥＣセルに分割してもよい。３〜１０個のストリップ状セルを備えたスマートウィンドウが好ましいが、大型ウィンドウにはそれ以上のセルを用いることができる。３枚ガラス板構造を使用し、ＰＥ素子のＲＰＥＣセルが一方の外側ガラス板と内側ガラス板との間にストリップ状に形成され、ＥＣ素子が内側ガラス板と他方の外側ガラス板との間でウィンドウ全体を横切って延在する単一セルとして形成されていることが一般的に好ましい。（組み付け前に）対応のガラス板の一方または両方に塗布された透明の導電性ポリマーの壁を使用することによって、ＰＥ素子の個々のセルを直列接続すると共に、互いに分離することができる。壁は高さの数倍も幅広であるため、壁の横を通る、隣接するセル間の漏れ電流は無視できる程度である一方、電流は壁を通じて１つのセルの電極から隣のセルに容易に流れることができる。典型的なＲＰＥＣセルのガラス板間の隙間（すなわち、壁の高さ）は数十ミクロンであるが、セルの間隔（すなわち、壁幅）は通常は少なくとも１ｍｍ幅である。上記のように、中間電圧を直列ＰＥセルから引き出してＥＣセルの放電に使用することができる一方、全電圧はセルの充電に使用される。
【００２０】
製造コストの観点から、本発明のＰＥＣスマートウィンドウの被膜を簡単な浸漬およびスクリーン印刷の両方またはそのいずれかの方法を使用してゾル−ゲル技法で付着させることが望ましい。そのような方法は当該技術分野では周知であり、本発明の一部を構成していない。しかし、３枚ガラス板合わせウィンドウの中央ガラス板の各側に同一電極材料を用いることは、これによって（各側にＴＣＯ導体を事前被覆したガラスを用いると仮定して）ガラス板を単一の浸漬作業で被覆し、単一のベーキング作業で焼成することができるため、大いに好都合である。本発明の任意的特徴によれば、これは、ＲＰＥＣセルの作用電極およびＥＣセルの対電極の両方にＴｉＯ₂を使用した場合に達成される。
【００２１】
電子制御手段は、セルを正または負極性で様々な直列／並列構造に切り換えることができるように構成できるが、セルを永久的に直列に接続し、制御手段が使用ＥＣ素子の寸法および形式に対して理論的または（好ましくは）実験的に決定された記憶安全充電プロフィールを参考にしてＥＣ素子の充電および放電を調整することが一般的に好ましい。安全充電プロフィールは、マイクロプロセッサ制御手段にアクセス可能なＥＰＲＯＭ（または他のファームウェア）内に２つのルックアップテーブル（充電用に１つ、放電用に１つ）の形で記憶されることが好ましい。それは、いつでも安全にＥＣに対して注入または抽出することができる充電／放電電流と注入／注出し終わった総電荷（クーロン）とを関係付ける。これらのプロフィールは実験的に決定されるのが最良であるが、一般的には、セルが完全充電または放電状態に達した時、それらは指数関数形崩壊特性を示す。
【００２２】
このため、マイクロプロセッサ制御手段はいつでもこのプロフィールに従ってセルに対して注入／注出される電流を設定し、これによってＥＣセルの損傷の危険性を伴わないで切り換え時間を最短にすることができる。ウィンドウを長時間にわたって部分暗色化状態で切り換えている場合、制御手段がウィンドウを次の所望の部分的な新たな分暗色化状態にする前に完全放電を実施することによってウィンドウを「ゼロ化」することが望ましいであろう。これによって、ＥＣセルの自己放電によって生じる不正確さが排除される。マイクロプロセッサコントローラを使用することによって、ＥＣセルがサイクル動作した回数に従って、または（セルエージングの代用として）初期充電中の電圧増加率に従って記憶プロフィールのスケーリング(scaling)または他の調整を行うこともできる。
【００２３】
制御手段にバッテリを含めることによって、ウィンドウが切り換えられていない時にバッテリをＰＥ素子から充電することができるため、またＰＥ素子から必要電力を発生するための光が不十分である時にバッテリを使用して制御手段およびウィンドウに電力を供給することができるため、好都合である。たとえば、建物内の人はプライバシーのために夜間にウィンドウを暗色化することを望む場合がある。このため、制御手段およびバッテリをフレーム内に配置して、ウィンドウ全体を自立させることができる。
【００２４】
発明の実施の形態
以上に本発明の性質を大まかに説明してきたので、次にＰＥＣスマートウィンドウおよびその制御手段の例を図により説明する。以下の説明では添付の図面を参照する。
【００２５】
図１に示されている選択例のスマートウィンドウ１００は、３枚の狭い間隔で設けられたガラス板、すなわち第１外側ガラス板１０２と、内部すなわち中央ガラス板１０４と、第２外側ガラス板１０６とを含み、これらは通常はウィンドウフレーム（図示せず）にはめ込まれている。本例では、ガラス板１０２が部屋または建物に対してウィンドウの外側に位置し、ガラス板１０６がウィンドウの内側に位置している。４セルＲＰＥＣＰＥ素子１０８が外側ガラス板１０２と中央ガラス板１０４との間に位置し、単一セルＥＣ素子１１０が中央ガラス板１０４と内側ガラス板１０６との間に位置している。説明のため、図１においてセルおよびそれらの構成要素の厚さがガラス板の厚さに較べて非常に誇張されている。ガラス板１０２、１０４および１０６は、アサヒ（Asahi）およびピルキントン（Pilkington）などの供給元から入手できる市販のＴＣＯ被覆ガラスで形成され、内側および外側ガラス板１０２および１０６は一方の側部だけにＴＣＯ被膜を有するが、中央ガラス板１０４は両側にＴＣＯ被膜を有している。図１において、ＴＣＯ被膜が陰影をつけて示され、それに付着させたセル電極層が斜線で示されている。
【００２６】
組み付ける前に、外側ガラス板１０２のＴＣＯ層を浸漬またはスクリーン印刷によってＰｔ含有溶液で被覆し、これによってベーキングまたは乾燥後にわずかに２〜３分子の厚さでよい被膜１１４が形成される。次に、レーザアブレーションによってＴＣＯおよびＰｔ層を除去して、ガラス板１０２の一方の縁部から他方の縁部まで延びた３つの細いチャネル１１６を形成する。これらのチャネルは、ＲＰＥＣ素子１０８の４つのセル１１８を互いに電気的に絶縁して形成することができる。やはり組み付ける前に、粘着性のある透明導電性ポリマーの３つの平行ビーズを各チャネル１１６の１つの側部に沿って被覆ＴＣＯ層１１２上に押し出して、組み付け後に各セル１１８を互いに物理的に分離する壁１２０を形成する。組み付ける前に、粘着性のある非導電性ポリマーのビーズをガラス板１０２の被覆側の全縁部に付着させて、（組み付け後に）縁部シール１２２を形成する。図面では、わかりやすくするためにガラス板の上縁部に沿った縁部シールが示されていない。
【００２７】
中央ガラス板１０４は、外側ＴＣＯ層１２４と内側ＴＣＯ層１２６とを有している。組み付ける前に、被覆ガラス板１０４をゾル−ゲル溶液に浸漬し、この溶液はＴＣＯ表面に微結晶ＴｉＯ₂の薄膜（一般的に２５〜５０ミクロン厚さ）を（ベーキング時に）形成することができる。図１において、外側ＴＣＯ層１２４に得られたＴｉＯ₂被膜が１２８で示されており、内側ＴＣＯ層１２６に得られた被膜が１３０で示されている。ＴｉＯ₂層１２６および１２８を形成した後、感光染料の薄い被膜（数分子程度の厚さ、図示せず）を中央ガラス板１０４の少なくとも外側ＴｉＯ２被膜１２８に付着させる。最後に、外側ガラス板１０２に組み付ける前に、中央ガラス板１０４の外表面上の被膜に３つのスロットまたはチャネル１３２をレーザアブレーションによって切断し、隣接のＲＰＥＣセル１１８を互いに電気的に絶縁する。
【００２８】
図１を精査すれば、外側ガラス板１０２が中央ガラス板１０４からわずかに右側に延在し、中央ガラス板１０４が外側ガラス板１０２の端部からわずかに左側に延在していることがわかるであろう。これは、面積の大きい電気端子をこれらのガラス板の突出被覆側に付着できるようにするためである。また、４つのＲＰＥＣセル１１８が（ウィンドウの組み付け後に）導電性壁１２０によって直列に電気接続されることもわかるであろう。このため、４つの直列接続セルの出力が中央ガラス板１０４のＴＣＯ層の左端部と外側ガラス板１０２のＴＣＯ層１１２の左端部との間に現れる。最後になるが、中央導電リード線１３３が中央導電性壁１２０に取り付けられて、ＲＰＥＣセル１１８のグループからの中間電圧出力を与えることができるようにしている。
【００２９】
内側ガラス板１０６のＴＣＯ層１３４は（建物に対して）外側すなわち（ウィンドウ１００の層に対して）内側面に配置されている。中央ガラス板１０４に組み付ける前に、ＴＣＯ層１２４をゾル−ゲル方法によって、ＥＣセル１１０の作用電極を形成するＷＯ３層１３６で被覆する。やはり組み付ける前に、ガラス板１０６の周辺縁部の周囲に粘着性の絶縁ポリマーのビーズを押し出して、ガラス板１０４および１０６を組み付けた時に縁部シール１３８を形成する。本例では、４つのＲＰＥＣセル１８が直列接続されるので、合計で２ボルトをわずかに超える電圧をＥＣセルの駆動用に使用でき、中央リード線１３３から１ボルトをわずかに超える電圧が得られる。一般的にバッテリの充電および制御ユニット用に好都合な電圧を発生するためには５または６個の直列接続ＲＰＥＣセルが好ましい。
【００３０】
ウィンドウ１００のガラス板を上記のように組み付けてシールする前に、外側ガラス板１０２および１０４に小さい穴を穿孔して、真空状態下および毛管作用によっていずれかこの一方により適当な電解液を導入できるようにする。小さい電解液タンクを各セルに連結したままにして、熱膨張および収縮によるセル容積の変化を補償してもよい。電解液の組成は、ＲＰＥＣおよびＥＣセルの作用電極および対電極の詳細な組成と同様に、本発明の一部を構成しておらず、前述のグレッツェルおよびベッチンガの出版物から知ることができる。同様に、各形式のセルの作用は周知であり、本発明の一部を構成していない。また、ＴｉＯ₂はＥＣセルの対電極として好ましくなく、代わりにＶＯ₅対電極のほうが一般的に使用されるが、その場合の不都合な点として、中央ガラス板１０４の両側を同時に浸漬被覆することができず、その被膜を１回の焼成段階で硬化させることができないという欠点があることも理解されるであろう。中央ガラス板１０４の両側のＴｉＯ₂被膜の制約がなければ、ＲＰＥＣおよびＥＣセルの作用電極および対電極の位置を上記例に示されている位置から変更することもできる。
【００３１】
図２は、２極３位置手動スイッチ１５２に基づいた簡単な制御手段１５０を示すブロック図であり、スイッチの極はスマートウィンドウ１００のＥＣ素子１１０に接続されている。ＲＰＥＣ素子１０８を形成する直列接続セル１１８の３つの出力部１１２、１３３および１２４が制御手段１５０に入力を行う。スイッチ１５２の極が中央位置にある時、ＥＣ素子１１０はＲＰＥＣ素子１０８から絶縁され、右側の位置にある時、それらは正（充電）極性としたリード線１１２および１１４（全電圧）をＥＣ素子１１０に接続し、左側の位置にある時、それらは負（放電）極性としてリード線１１２および１３３（半電圧）をＥＣ素子に接続する。図示されていないが、ＲＰＥＣセル１１８用のバッテリセットの代わりに３極スイッチを使用してもよい。これによって、全く光がＰＥ素子１０を照らさない夜間にＥＣ素子を着色するか、淡色化することができる。所望ならば、ＰＥ素子がバッテリを充電するように構成することもできる。
【００３２】
図３は、第１例のスマートウィンドウ１００を制御できるより複雑化したマイクロプロセッサベースの制御手段２００を示しており、ウィンドウ１００、ＲＰＥＣ素子１０８およびＥＣ素子１１０が概略的に示されている。制御手段２００は基本的にマイクロプロセッサユニット２０２を備えており、このユニット２０２は、ＥＣ素子１１０用の安全充電プロフィール（ルックアップテーブル）を記憶する第１ＥＰＲＯＭ２０４と、素子１１０用の安全放電プロフィール（ルックアップテーブル）を記憶する第２ＥＰＲＯＭ２０６とに接続されている。ユニット２０２は通常、マイクロプロセッサ２０８自体と、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）信号インターフェース２１０と、デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）信号インターフェース２１２とを含む単一のチップである。信号変換器２１２はセルドライバ回路２１４を介してＥＣセル１１０とインターフェースしている。
【００３３】
ドライバ２１４用の電力は、バッテリ２１６か、ＲＰＥＣセル１０８の照明時にそのセル１０８から電力を順次受け取る電圧調整器およびバッテリ充電ユニット２１８の出力部、またはその両方から供給される。この充電ユニットは、セルが照明されていない時にセル１０８をバッテリから絶縁する機能も有する。充電／絶縁ユニット２１８およびドライバ回路２１４に含まれる回路は当該技術分野の専門家には周知である。そのような回路の構造は本発明の一部を構成していない。本例では、Ａ／Ｄインターフェース２１０に３つの連続入力信号、すなわち線２２０でバッテリ電圧が、線２２２でＥＣ素子１１０にわたって存在する電圧が、線２２４でＥＣ素子に対して流出入する電流が供給され、電流信号はドライバ回路２１４内で発生する。また、Ａ／Ｄドライバ２１０は、手動コントロールユニットまたはスイッチとして図示されている外部コマンドユニット２２６からコマンド信号を受け取るように接続されているが、その信号は中央建物制御システムからの入力でもよい。
【００３４】
本例では、ＥＣ素子によって蓄積されるか、それに搬送された全電荷をマイクロプロセッサユニット２０８でセルに対して流出入する電流を時間積分することによって、または充電および放電事象の最新履歴を記憶することによって継続的に計算する。しかし、ドライバ２１４内の回路が注入または注出された全電荷を表す信号を発生し、その信号をＡ／Ｄインターフェース２１０に送ることができることも考えられる。また、マイクロプロセッサユニット２０８がセルのエージングの代用としてセル１１０が経験したサイクル数を記録することも考えられる。また、マイクロプロセッサユニット２０８は、最後の完全淡色化以降に行われた部分暗色化または淡色化の数を記録して、定期的に、好ましくは５〜１０回の部分コマンド毎に完全淡色化を強制することによって、新しいコマンドに応答する前にセルの「ゼロ化」を行うことが望ましい。同様に、セルを定期的に、好ましくは少なくとも２４時間に１回、完全淡色化するようにマイクロプロセッサをプログラムすることが望ましい。これによって、セル内に保持されている電荷をマイクロプロセッサによって計算されたセル内に保持されている電荷と正確に一致させることができる。
【００３５】
実験的に得られる典型的な安全充電（着色／暗色化）および放電（淡色化）プロフィールが図４のグラフで示されている。それらは安全電流（ｍＡ）とＥＣ素子１１０内に存在する電荷（クーロン）との関係を示している。着色グラフからのデータは充電ルックアップテーブルとしてＥＰＲＯＭ２０４に記憶され、淡色化グラフからのデータは放電ルックアップテーブルとしてＥＰＲＯＭ２０６に記憶される。これらの曲線の形状は一般的に同一の作用電極および対電極を備えたいずれのＥＣセルにも当てはまるが、安全電流の大きさはセル／ウィンドウの大きさによって決まる。従って、ウィンドウおよびそのコントローラを最初に設置する時、マイクロプロセッサに、それに接続するウィンドウの寸法および性質について「伝える」必要がある。これは、設置時にコンフィギュレーションスイッチ(configuration switch)などを設定するだけで行われる。そのようなスイッチが図２に２２８で概略的に示されている。
【００３６】
作用を説明すると、ウィンドウ１００のＥＣ素子１１０が完全淡色状態にあり、ウィンドウに光が当たり、コマンドユニット２２６がウィンドウを淡色状態にしておくことを表わすよう設定されている場合、ＲＰＥＣ素子１０８の出力はバッテリ２１６の充電に使用され、ドライバ２１４によってＥＣセル１１０にはまったく電圧が印加されない。次に、完全暗色化が必要であることを表示するようにコマンドユニット２２６を設定すると、マイクロプロセッサ２０８はゼロ電荷を表すコードを充電ＥＰＲＯＭ２０４に入力して、それから安全初期電流（約７５０ｍＡ）および注入すべき電荷を表すコードを出力させる。素子１１０は完全に放電しているので、初期電流はその素子１１０が耐えることができる絶対最大安全電流であり、ドライバユニット２１４に信号を送ってその電流をＥＣ素子１１０に供給する。実際に送られる電流および電圧（それぞれ線２２４および２２２で示されている）をマイクロプロセッサで監視して、電流を時間積分することによって、注入電荷を算出する。２〜３秒毎にマイクロプロセッサはそれまでに注入された電荷を表すコードをＥＰＲＯＭ２０４に入力し、設定すべき新しい安全電流を表す出力コードをルックアップテーブルから呼び出す。この処理は、必要電荷を注入し終わるまでか、最小電流レベルに達するまで継続され、最小電流レベルに達した時、素子１１０は電源から切り離される。
【００３７】
充電処理の途中か、それが完了した後、部分淡色化が必要であることを表す信号をコマンドユニット２２８から受け取った場合、マイクロプロセッサ２０８はその命令を、目標残留電荷を素子１１０内に残すことを設定するものと解釈し、除去すべき電荷を計算する。対応の入力をＥＰＲＯＭ２０６内の放電ルックアップテーブルに送り、設定すべき安全放電電流を表す新しいコードを発生し、それに従ってＤ／Ａユニット２１２がドライバ回路２１４を制御する。この場合も、素子１１０内の残留電荷を２〜３秒毎に計算してＥＰＲＯＭ２０６に送り、新しい安全電流レベルを発生する。この処理は、残留電荷がユーザによって設定された着色レベルに対応した電荷に等しいとマイクロプロセッサが決定するまで継続される。
【００３８】
セルの老化に対する調整には、マイクロプロセッサ制御手段２００を使用して多くの方法で対応することができる。たとえば、老化したＥＣ素子は、素子が完全放電状態にある時に初期完全充電電流を供給するために必要な電圧の異常な上昇によって検出できるか、或いは、素子がサイクル動作した回数を計算することにより検出できる。老化の補償には様々な方法で対応することができる。たとえば、ルックアップテーブルから読み取った電流を補正係数で換算するようにマイクロプロセッサをプログラムするか、ＥＰＲＯＭ内の新しいルックアップテーブルセットを使用するようにプログラムすることができる。一般的に老化は安全電流プロフィールの形状を変化させるため、後者の方法が好適である。たとえば、すべての年齢のセルで最小限カットオフを保持することができるが、初期充電率はセルの老化に伴って低下する。
【００３９】
次に図２を参照しながら、ＰＥＣスマートウィンドウの第２例を説明する。この装置は、単一セルＲＰＥＣ素子３０２と単一セルＥＣ素子３０４とを組み合わせた２枚のガラス板合わせスマートウィンドウ３００である。素子３０２は、ＴＣＯ被膜３１０上に多孔質ナノ結晶ＴｉＯ₂を付着させてから、前述したようにそれに適当な電解液（図示せず）を含浸させることによって一方のガラス板３０６のＴＣＯ被覆内側表面上に形成される。電解液を所定位置に密封するために、イオン透過可能であるが電子不透過性の材料の層３１２をＴｉＯ₂層３０８に付着させる。そのような材料はグレッツェルによって開示されている。次に、Ｐｔの薄膜層３１４を層３１２の表面に付着させ、最後に導体３１６（たとえば導電性ポリマー）をＰｔ層上に付着して、通電電極として機能させる。この電極は、外部接続用にウィンドウ３００から延びたリード線３１８に接続されており、第２リード線３０２がガラス板３０６のＴＣＯ被膜３１０から出ている。
【００４０】
ＥＣ素子３０４は、中央電極３１６とスマートウィンドウ３００を形成する第２ガラス板３２２との間に形成されており、ガラス板３２２の内側面に設けられたＴＣＯ被膜３２４上に酸化バナジウム対電極３２６が形成されている。素子３０４の作用電極は、中央電極３１６の裏側に形成された酸化タングステンの層３２８である。次に、その間の空隙にレドックスカップル(redox couple)（たとえばリチウムベースのもの）を含有する電解液を充てんする。最後に、電気リード線３２２をＴＣＯ層３２６に接続して、ウィンドウ３００の外部からセル３０４に電流を供給できるようにする。リード線３２２はリード線３１８および３２０と共に縁部シール３３４を貫通している。
【００４１】
図５のＰＥＣウィンドウでは、ＲＥＰＣセル３０２およびＥＣセル３０４が１つの共通電極すなわち導体（３１６）を共用しているが、両方の電極を共用していないことが分かるであろう。このため、ＲＥＰＣセルに影響を与えることなく、ＥＣセルに加えられる電流の極性を外部から加えて逆転させることができる。それはまた、セルが電解液を共用していないという利点も有している。
【００４２】
上記の例は本発明の目的を満たし、所望の利点を示しているが、請求項に定義されている本発明の範囲から逸脱しないで様々な変更および修正を加えることができることは、当該技術分野の専門家には理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１例を形成する未シール状態で枠が付けられていない３枚ガラス板合わせＰＥＣスマートウィンドウの上縁部の上方から見た斜視図（一定率の縮尺ではない）である。
【図２】図１のウィンドウに使用するのに適した簡単なスイッチベースの制御手段の一例のブロック図である。
【図３】図１のウィンドウに使用するのに適したマイクロプロセッサベースの制御手段の一例のブロック図である。
【図４】図１のＰＥＣウィンドウのＥＣセルの典型的な安全充電および放電プロフィールを示すグラフである。
【図５】本発明に従って形成されたスマートウィンドウの第２例を形成する２枚ガラス板合わせスマートウィンドウの概略的な縦断面図である。

Claims

透明再生光電化学（ＰＥ）素子が一部のエリアに延在しており、
通常の透明エレクトロクロミック（ＥＣ）素子も一部のエリアに延在しており、
前記ＰＥ素子は、横断するように横に並べて配置された複数の個別のＰＥセルを有しており、
前記ＰＥセルの少なくとも２つが直列接続され、前記ＰＥセルが照明された時、それから大きさ及び極性が異なる少なくとも２種類の電圧を得ることができるようになっており、
前記ＰＥおよびＥＣ素子を相互接続すると共に、その間の電流の流れを調整して、該ＰＥ素子に光が当たる時に該ＥＣ素子の暗色化または淡色化を行うように制御手段が設けられており、
該制御手段は、１つの前記電圧を前記ＥＣ素子に印加することによってそれの暗色化を行い、他の前記電圧を前記ＥＣ素子に印加することによってそれの淡色化を行うことができるスマートウィンドウ。
透明再生光電化学（ＰＥ）素子が一部のエリアに延在しており、
通常の透明エレクトロクロミック（ＥＣ）素子も一部のエリアに延在しており、
前記ＰＥ素子は、実質的に同一平面上に横に並べて配置された複数の直列接続ＰＥセルを有しており、
前記ＰＥセルの１つ以上に、外部から接続できる電気接続部を形成するように電気リード線が配置されて、光が当たった時、少なくとも１つのより高い電圧および１つのより低い電圧が該リード線に現れて、該より高い電圧は前記ＥＣ素子を充電するのに適し、該より低い電圧は適当な極性で該ＥＣ素子を放電するのに適しているスマートウィンドウ。
互いに狭い間隔で平行状態に配置された３枚の透明ガラス板を有しており、該ガラス板は、
第１および第２面を有する中央ガラス板と、
内側面および外側面を有し、該内側面と前記第１面とが並ぶようにして配置される第１外側ガラス板と、
内側面および外側面を有し、該内側面と前記第２面とが並ぶようにして配置される第２外側ガラス板とを含み、
前記ＰＥ素子は、前記第１外側ガラス板と前記中央ガラス板との間に形成され、
前記ＥＣ素子は、前記第２外側ガラス板と前記中央ガラス板との間に形成されている請求項１又は２に項記載のスマートウィンドウ。
前記中央ガラス板の前記第１および第２面上に透明の導電被膜が形成されており、
前記第１および第２外側ガラス板の前記内側面上に透明の導電被膜が形成されており、
前記ＰＥ素子は、横に並べて配置されて実質的に横切るように延在する複数の細長いＰＥセルを有しており、
前記ＰＥセルの各々は、前記中央ガラス板の前記第１面の前記透明の導電被膜上に形成された細長い内側電極と、該内側電極と向き合わせて前記第１外側ガラス板の前記内側透明被膜上に形成された細長い外側電極と、該電極間に収容された電解液とを有しており、
導電性ポリマー製の長手方向に延びた壁によって、前記セルの１つの電解液が隣接セルの電解液と側方混合することが防止されており、
前記壁は、１つのセルの内側電極を隣接セルの外側電極に電気的に接続して、該１つおよび隣接セルを電気的に直列配置するように配置されている請求項３記載のスマートウィンドウ。
第１透明ガラス板と第２透明ガラス板とが互いに狭い間隔で平行状態に配置されており、
前記第１透明ガラス板は内側面および外側面を有し、該第１透明ガラス板の該内側面上に透明の導電被膜が形成されており、
前記第２透明ガラス板は内側面および外側面を有し、該第２透明ガラス板の該内側面上に透明の導電被膜が形成されており、
前記透明ガラス板は、その内側面が互いに間隔を置いて互いに向き合って並ぶように配置されており、
透明再生光電化学（ＲＰＥＣ）セルの作用電極、電解質および対電極を有する層が前記第１透明ガラス板の前記透明被膜上に形成されており、
透明エレクトロクロミック（ＥＣ）セルの作用電極、電解質および対電極を有する層が前記第２透明ガラス板の前記透明導電被膜上に形成されており、
中央透明導電層が前記ＲＰＥＣセルおよび前記ＥＣセルの最内側電極層を接続してその間にほぼ全体にわたって延在しており、
電気リード線が前記第１透明ガラス板の前記内側面上の前記透明導電被膜、前記第２透明ガラス板の前記内側面上の前記透明導電被膜、および前記中央導電層に個別の外部電気接続部を与えている、スマートウィンドウ。
前記ＲＰＥＣセルの前記作用電極および前記対電極は、前記セルの電荷キャリヤを伝導することができるが電子絶縁体であるポリマー層によって分離されており、
前記中央透明導電層は、変形可能またはキャスタブルポリマーで形成されている請求項５記載のスマートウィンドウ。
２枚の透明ガラス板の間に配置されたエレクトロクロミック（ＥＣ）素子を有しており、該ＥＣ素子は、電解液によって分離された作用電極および対電極を有し、該電極の各々は、前記透明ガラス板の一方の表面上に形成されて、前記電極に対して流出入する電流を流すことができる薄い透明の導電被膜の上に形成されているスマートウィンドウであって、前記電解液の固有抵抗を充分に高くして、前記ＥＣ素子に対して流出入する通常の電流の流れ状態において電圧不均一比（Ｖｎｒ）が３を超えないようにしたことを特徴とするスマートウィンドウ。
前記制御手段は、
電荷状態を計算して、流出入する電流の流れを制御することができるマイクロプロセッサベースのコントローラと、
電荷状態に対する最大安全電流を示すルックアップテーブルを記憶する読み取り専用メモリ手段と、を有しており、現在の電荷状態を表す入力が、所望の目標電荷状態を達成するために加えるべき電流を表す出力を前記メモリ手段から発生できるようにした請求項１記載のスマートウィンドウ。
前記制御手段はバッテリと共に組み込まれており、前記バッテリは、前記ＰＥ素子によって充電され、所望時に前記ＥＣ素子の充電および放電を行うように接続されるように配置されている請求項８記載のスマートウィンドウ。
エレクトロクロミックセルへ分配される電流、またはそれから引き出される電流を制御する方法であって、
前記セル内に存在する電荷の予想値を定期的に算出し、該予想値を第１メモリ手段に記憶する段階と、
前記予想値を利用して、制御入力によって表されたセルの色の変化を達成するために必要なセル電荷の正味必要変化量を算出する段階と、
前記正味必要電荷変化量に基づいて第２メモリ手段に記憶されたルックアップテーブルを調べて、前記セルに加えるべき初期電流の大きさおよび極性を表す出力を前記ルックアップテーブルから生成する段階と、
前記電流をセルに加える段階と、
セルの電荷状態および必要な電荷の残量を繰り返し予想する段階と、
前記電荷残量を使用して前記ルックアップテーブルを繰り返し調べて、前記正味電荷変量化が達成されるか、前記電流が所定閾値より低くなるまで、前記第２メモリ手段の出力に従って該電流を調節する段階とを含む方法。
電流を前記ＥＣセルに加えて淡色状態からのそれの充電を行う時に、該ＥＣセルにおける電圧の上昇を監視する段階と、
電圧が所定レベルより上昇した時、ルックアップテーブルによって示された充電電流を補正因子で減算する段階とを含む請求項１０記載の方法。
電流を前記ＥＣセルに加えて淡色状態からのそれの充電を行う時に、該ＥＣセルにおける電圧の上昇を監視する段階と、
電圧が所定レベルより上昇した時、別のルックアップテーブルに切り換える段階とを含む請求項１０記載の方法。
前記ＥＣセルがその淡色状態と着色状態とを繰り返した回数の計数値を記録する段階と、
前記計数値が所定レベルより高くなった時、ルックアップテーブルによって示された充電電流を補正因子で減算する段階とを含む請求項１０記載の方法。
前記ＥＣセルがその淡色状態と着色状態とを繰り返した回数の計数値を記録する段階と、
前記計数値が所定レベルより高くなった時、別のルックアップテーブルに切り換える段階とを含む請求項１０記載の方法。