JP5965258B2 - Electrochromic device and manufacturing method thereof - Google Patents

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  • Electrochromic Elements, Electrophoresis, Or Variable Reflection Or Absorption Elements (AREA)

Description

本発明は、エレクトロクロミック特性を呈するエレクトロクロミック薄膜を有するエレクトロクロミック素子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an electrochromic device having an electrochromic thin film exhibiting electrochromic characteristics and a method for manufacturing the same.

エレクトロクロミック特性は、電気エネルギを印加することにより可逆的な光学特性変化を起こす特性であり、一般的には、流される電流の変化により引き起こされる電気化学的な酸化還元反応によって、物質の色調や色彩が可逆的変化する特性を示している。これを利用したエレクトロクロミック・スマートウィンドは、電気的に窓ガラスの透過率を変化させることができるため、高い省エネルギ効果が得られる。   The electrochromic property is a property that causes a reversible optical property change by applying electric energy. Generally, the electrochromic property causes the color tone or the like of a substance by an electrochemical redox reaction caused by a change in flowing current. It shows the characteristic that the color changes reversibly. Since the electrochromic smart window using this can electrically change the transmittance of the window glass, a high energy saving effect can be obtained.

エレクトロクロミック物質としては、遷移金属酸化物が使われている。例えば、還元着色型の酸化タングステンや酸化モリブデンは、酸化状態で無色透明であるが、還元されると青色に着色する。また、酸化着色型の水酸化ニッケルや水酸化コバルトは、還元状態で黄色がかった透明であるが、酸化されると濃い褐色に着色する。   Transition metal oxides are used as electrochromic materials. For example, reduction-colored tungsten oxide and molybdenum oxide are colorless and transparent in an oxidized state, but are colored blue when reduced. Further, oxidation-colored nickel hydroxide and cobalt hydroxide are yellowish and transparent in a reduced state, but when oxidized, they are colored dark brown.

近年、水酸化コバルトを用いた酸化着色型のエレクトロクロミック素子の調光ガラスやディスプレイへの応用が期待されている。本願発明者等は、水酸化コバルトを用いてエレクトロクロミック薄膜を形成する際、基板温度を低温にすることで、エレクトロクロミック特性を改善した薄膜の作製方法を提案している(非特許文献1)。   In recent years, application of oxidative coloring electrochromic elements using cobalt hydroxide to light control glass and displays is expected. The inventors of the present application have proposed a method for producing a thin film with improved electrochromic properties by lowering the substrate temperature when forming an electrochromic thin film using cobalt hydroxide (Non-patent Document 1). .

Kyoung Moo Lee, Yoshio Abe, Midori Kawamura, and Kyung Ho Kim, “Effects of Substrate Temperature on Electrochromic Properties of Cobalt Oxide and Oxyhydroxide Thin Films Prepared by Reactive Sputtering Using O2 and H2O Gases” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 51 (2012), 045501Kyoung Moo Lee, Yoshio Abe, Midori Kawamura, and Kyung Ho Kim, “Effects of Substrate Temperature on Electrochromic Properties of Cobalt Oxide and Oxyhydroxide Thin Films Prepared by Reactive Sputtering Using O2 and H2O Gases” Jpn. J. Appl. Phys., Vol .51 (2012), 045501

しかしながら、非特許文献1に記載の方法で作製した水酸化コバルト薄膜は、エレクトロクロミック特性の改善はされているが、酸化還元反応を繰り返すと、色変化をほとんど示さなくなってしまい、サイクル耐久性が低いという問題点があった。また、脱色時の透過率が低いという問題点も有している。   However, although the cobalt hydroxide thin film produced by the method described in Non-Patent Document 1 has improved electrochromic properties, when the oxidation-reduction reaction is repeated, the color change hardly appears, and the cycle durability is improved. There was a problem that it was low. In addition, there is a problem that the transmittance during decolorization is low.

従って本発明の目的は、脱色時の透過率が高く、かつ着脱色を繰り返した時のサイクル耐久性が向上したエレクトロクロミック素子及びその製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an electrochromic device having a high transmittance at the time of decolorization and an improved cycle durability when the detachable color is repeated, and a method for producing the same.

本発明によれば、対向する一対の基板上に互いに対向して設けられた一対の透明電極層と、一対の透明電極層に挟まれた電解質層及びエレクトロクロミック層を有し、一対の透明電極層間に印加される電圧によって光の透過率が変化するエレクトロクロミック素子においてエレクトロクロミック層は、水酸化物と水和酸化物との複合薄膜であるエレクトロクロミック素子が提供される。   According to the present invention, a pair of transparent electrodes having a pair of transparent electrode layers provided opposite to each other on a pair of opposed substrates, an electrolyte layer and an electrochromic layer sandwiched between the pair of transparent electrode layers, In the electrochromic device in which the light transmittance changes depending on the voltage applied between the layers, an electrochromic device in which the electrochromic layer is a composite thin film of hydroxide and hydrated oxide is provided.

エレクトロクロミック層は、水酸化物と水和酸化物との複合薄膜を用いることで、優れたエレクトロクロミック特性を示し、脱色時(還元状態)の透過率が高く、かつ着脱色を繰り返した時のサイクル耐久性を向上したエレクトロクロミック素子を得ることができる。   The electrochromic layer uses a composite thin film of hydroxide and hydrated oxide to show excellent electrochromic properties, high transmittance during decolorization (reduced state), and repeated detachable color An electrochromic element with improved cycle durability can be obtained.

水酸化物は、水酸化コバルト又は水酸化ニッケルであることが好ましい。これにより、優れたエレクトロクロミック特性を得ることができる。なお、ここで水酸化コバルトとは、コバルトの価数が3価の水酸化コバルト(CoOOH)であり、酸化コバルト(Co)とCoOOHとの混合物、および2価の水酸化コバルト(Co(OH))とCoOOHとの混合物を含むものである。また、水酸化ニッケルとは、ニッケルの価数が3価の水酸化ニッケル(NiOOH)であり、酸化ニッケル(NiO)とNiOOHとの混合物、および2価の水酸化ニッケル(Ni(OH))とNiOOHとの混合物を含むものである。 The hydroxide is preferably cobalt hydroxide or nickel hydroxide. Thereby, excellent electrochromic characteristics can be obtained. Here, cobalt hydroxide is cobalt hydroxide having a valence of trivalent (CoOOH), a mixture of cobalt oxide (Co 3 O 4 ) and CoOOH, and divalent cobalt hydroxide (Co (OH) 2 ) and CoOOH. Nickel hydroxide is nickel hydroxide with a valence of nickel (NiOOH), a mixture of nickel oxide (NiO) and NiOOH, and divalent nickel hydroxide (Ni (OH) 2 ). And a mixture of NiOOH.

水和酸化物は、水和酸化ニオブ、又は水和酸化ジルコニウム、又は水和酸化タンタルであることが好ましい。これらの水和酸化物は透明であるので、水酸化コバルトと複合化することで、脱色時(還元状態)の透過率を向上することができる。また、水和酸化物は、プロトン伝導性を示すので、水酸化コバルトの優れたエレクトロクロミック特性を阻害しない。さらに、水和酸化物は、水酸化コバルトに比べ、電解質水溶液中での化学的安定性が優れているため、着脱色を繰り返した時のサイクル耐久性を改善することができる。なお、ここで水和酸化ニオブはNb・nHO、水和酸化ジルコニウムはZrO・nHO、水和酸化タンタルはTa・nHOであり、水和した水分子の数nは、0.2から6程度である。 The hydrated oxide is preferably hydrated niobium oxide, hydrated zirconium oxide, or hydrated tantalum oxide. Since these hydrated oxides are transparent, the transmittance at the time of decolorization (reduced state) can be improved by compounding with cobalt hydroxide. In addition, since the hydrated oxide exhibits proton conductivity, it does not inhibit the excellent electrochromic properties of cobalt hydroxide. Furthermore, since the hydrated oxide has better chemical stability in the aqueous electrolyte solution than the cobalt hydroxide, the cycle durability when the detachable color is repeated can be improved. Here, hydrated niobium oxide is Nb 2 O 5 .nH 2 O, hydrated zirconium oxide is ZrO 2 .nH 2 O, hydrated tantalum oxide is Ta 2 O 5 .nH 2 O, and hydrated water. The number n of molecules is about 0.2 to 6.

エレクトロクロミック層は、水酸化コバルトと水和酸化ニオブとの複合薄膜であり、ニオブ濃度は、43at.%以下であることが好ましい。これにより、着脱色を繰り返した場合でも、高い透過率を維持することができ、かつ高いサイクル耐久性を得ることが可能である。   The electrochromic layer is a composite thin film of cobalt hydroxide and hydrated niobium oxide, and the niobium concentration is preferably 43 at.% Or less. Thereby, even when the detachable color is repeated, it is possible to maintain high transmittance and to obtain high cycle durability.

エレクトロクロミック層は、水酸化コバルトと水和酸化ジルコニウムとの複合薄膜であり、ジルコニウム濃度は、37at.%以下であることが好ましい。これにより、着脱色を繰り返した場合でも、高い透過率を維持することができ、かつ高いサイクル耐久性を得ることが可能である。   The electrochromic layer is a composite thin film of cobalt hydroxide and hydrated zirconium oxide, and the zirconium concentration is preferably 37 at.% Or less. Thereby, even when the detachable color is repeated, it is possible to maintain high transmittance and to obtain high cycle durability.

エレクトロクロミック層は、水酸化ニッケルと水和酸化ジルコニウムとの複合薄膜であり、ジルコニウム濃度は、22at.%以下であることが好ましい。これにより、着脱色を繰り返した場合でも、高い透過率を維持することができ、かつ高いサイクル耐久性を得ることが可能である。   The electrochromic layer is a composite thin film of nickel hydroxide and hydrated zirconium oxide, and the zirconium concentration is preferably 22 at.% Or less. Thereby, even when the detachable color is repeated, it is possible to maintain high transmittance and to obtain high cycle durability.

複合薄膜は、水蒸気を用いた反応性スパッタリングにより形成されていることが好ましい。これにより、エレクトロクロミック特性を改善でき、かつ大面積のエレクトロクロミック薄膜を作製することができ、大きいサイズのエレクトロクロミック素子を得られる。   The composite thin film is preferably formed by reactive sputtering using water vapor. As a result, the electrochromic characteristics can be improved, and a large-area electrochromic thin film can be produced, thereby obtaining a large size electrochromic element.

本発明によれば、エレクトロクロミック素子の製造方法は、第1の透明基板の表面に第1の透明電極を形成する第1の透明電極形成工程と、形成された第1の透明電極の表面に薄膜によるエレクトロクロミック層を形成するエレクトロクロミック層形成工程と、第2の透明基板の表面に第2の透明電極を形成する第2の透明電極形成工程と、形成された第2の透明電極の表面に対極膜を形成する対極膜形成工程と、表面に第1の透明電極及びエレクトロクロミック薄膜とが形成された第1の透明基板と、表面に第2の透明電極及び対極膜が形成された第2の透明基板とを、電解質層を介在させて積層する組み立て工程とを備え、エレクトロクロミック層形成工程では、水蒸気を用いた反応性スパッタリングにより水酸化物と水和酸化物との複合薄膜を形成する。   According to the present invention, an electrochromic device manufacturing method includes a first transparent electrode forming step of forming a first transparent electrode on a surface of a first transparent substrate, and a surface of the formed first transparent electrode. An electrochromic layer forming step of forming an electrochromic layer by a thin film, a second transparent electrode forming step of forming a second transparent electrode on the surface of the second transparent substrate, and a surface of the formed second transparent electrode A counter electrode film forming step for forming a counter electrode film, a first transparent substrate having a first transparent electrode and an electrochromic thin film formed on the surface, and a second transparent electrode and a counter electrode film formed on the surface. And an assembly process for laminating the transparent substrate with an electrolyte layer interposed therebetween. In the electrochromic layer forming process, a composite of hydroxide and hydrated oxide is formed by reactive sputtering using water vapor. To form a thin film.

これにより、脱色時(還元状態)の透過率を向上すると共に、サイクル耐久性を改善したエレクトロクロミック素子を得ることができる。   Thereby, while improving the transmittance | permeability at the time of decoloring (reduced state), the electrochromic element which improved cycle durability can be obtained.

エレクトロクロミック層形成工程では、第1のターゲット金属の表面に、所定面積を有する複数の第2のターゲット金属のチップを設けた複合ターゲットを用いることが好ましい。これにより、大面積のエレクトロクロミック薄膜を作製することでき、かつ均一な複合膜を形成することができる。   In the electrochromic layer forming step, it is preferable to use a composite target in which a plurality of second target metal chips having a predetermined area are provided on the surface of the first target metal. Thereby, a large-area electrochromic thin film can be produced, and a uniform composite film can be formed.

本発明によれば、水蒸気を用いた反応性スパッタリングにより水酸化物と水和酸化物との複合薄膜を形成することで、優れたエレクトロクロミック特性を示し、脱色時(還元状態)の透過率が高く、かつ着脱色を繰り返した時のサイクル耐久性を向上したエレクトロクロミック素子を得ることができる。   According to the present invention, by forming a composite thin film of hydroxide and hydrated oxide by reactive sputtering using water vapor, excellent electrochromic properties are exhibited, and the transmittance during decolorization (reduced state) is It is possible to obtain an electrochromic element that is high and has improved cycle durability when the detachable color is repeated.

また、水酸化物には、水酸化コバルト又は水酸化ニッケルを用い、水和酸化物には、水和酸化ニオブ、又は水和酸化ジルコニウム、又は水和酸化タンタルを用いることで、脱色時(還元状態)の透過率がより高く、かつ着脱色を繰り返した時のサイクル耐久性を著しく改善することができる。   In addition, cobalt hydroxide or nickel hydroxide is used as the hydroxide, and hydrated niobium oxide, hydrated zirconium oxide, or hydrated tantalum oxide is used as the hydrated oxide. State) is higher, and the cycle durability when the detachable color is repeated can be remarkably improved.

本発明によれば、エレクトロクロミック層形成工程では、水蒸気を用いた反応性スパッタリングにより水酸化物と水和酸化物との複合薄膜を形成することで、脱色時(還元状態)の透過率を向上すると共に、サイクル耐久性を改善したエレクトロクロミック素子を得ることができる。また、本発明の方法を用いて大面積の均一なエレクトロクロミック薄膜を容易に作製することができるため、スマートウィンドに要求される大面積なエレクトロクロミック素子を作製することが可能となる。   According to the present invention, in the electrochromic layer forming step, the composite thin film of hydroxide and hydrated oxide is formed by reactive sputtering using water vapor, thereby improving the transmittance during decolorization (reduced state). In addition, an electrochromic device with improved cycle durability can be obtained. Further, since a uniform electrochromic thin film having a large area can be easily produced by using the method of the present invention, it is possible to produce a large area electrochromic element required for a smart window.

本発明に係るエレクトロクロミック素子の構成を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly the structure of the electrochromic element which concerns on this invention. 図1に示すエレクトロクロミック素子の製造方法を概略的に示すフローチャートである。It is a flowchart which shows schematically the manufacturing method of the electrochromic element shown in FIG. エレクトロクロミック薄膜の形成方法を概略的に示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the formation method of an electrochromic thin film roughly. 複合ターゲットの構成を概略的に示す平面図である。It is a top view which shows the structure of a composite target roughly. Nbチップ数とエレクトロクロミック薄膜中Nb濃度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Nb chip number and Nb density | concentration in an electrochromic thin film. Nb濃度を変えて作製したCo−Nb複合エレクトロクロミック薄膜のX線回折パターンを示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of the Co-Nb composite electrochromic thin film produced by changing Nb density | concentration. Nb濃度を変えて作製したCo−Nb複合エレクトロクロミック薄膜の赤外吸収スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the infrared absorption spectrum of the Co-Nb composite electrochromic thin film produced by changing Nb density | concentration. Nb濃度を変えて作製したCo−Nb複合エレクトロクロミック薄膜のアルカリ性水溶液電解質中における透過スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the transmission spectrum in alkaline aqueous solution electrolyte of the Co-Nb composite electrochromic thin film produced by changing Nb density | concentration. Nb濃度を変えて作製したCo−Nb複合エレクトロクロミック薄膜のアルカリ性水溶液電解質中における透過率変化のサイクル依存性を示す図である。It is a figure which shows the cycle dependence of the transmittance | permeability change in the alkaline aqueous solution electrolyte of the Co-Nb composite electrochromic thin film produced by changing Nb density | concentration. Zrチップ数とエレクトロクロミック薄膜中Zr濃度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the number of Zr chips and the Zr density | concentration in an electrochromic thin film. Zr濃度を変えて作製したCo−Zr複合エレクトロクロミック薄膜のアルカリ性水溶液電解質中における透過スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the transmission spectrum in alkaline aqueous solution electrolyte of the Co-Zr composite electrochromic thin film produced by changing Zr density | concentration. Zr濃度を変えて作製したCo−Zr複合エレクトロクロミック薄膜のアルカリ性水溶液電解質中における透過率変化のサイクル依存性を示す図である。It is a figure which shows the cycle dependence of the transmittance | permeability change in the alkaline aqueous solution electrolyte of the Co-Zr composite electrochromic thin film produced by changing Zr density | concentration. Zr濃度を変えて作製したNi−Zr複合エレクトロクロミック薄膜のアルカリ性水溶液電解質中における透過スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the transmission spectrum in alkaline aqueous solution electrolyte of the Ni-Zr composite electrochromic thin film produced by changing Zr density | concentration. Zr濃度を変えて作製したNi−Zr複合エレクトロクロミック薄膜のアルカリ性水溶液電解質中における透過率変化のサイクル依存性を示す図である。It is a figure which shows the cycle dependence of the transmittance | permeability change in the alkaline aqueous solution electrolyte of the Ni-Zr composite electrochromic thin film produced by changing Zr density | concentration. Zr濃度を変えて作製したNi−Zr複合エレクトロクロミック薄膜の弱酸性水溶液電解質中における透過率変化のサイクル依存性を示す図である。It is a figure which shows the cycle dependence of the transmittance | permeability change in the weak acidic aqueous solution electrolyte of the Ni-Zr composite electrochromic thin film produced by changing Zr density | concentration.

図1は本発明の第1の実施形態におけるエレクトロクロミック素子の構成を概略的に示しており、図2は図1に示すエレクトロクロミック素子の製造方法の主な工程を示しており、図3はエレクトロクロミック薄膜の形成方法の主な工程を示しており、図4はエレクトロクロミック薄膜の形成時に用いた複合ターゲットの構成を示しており、図5はNbチップ数とエレクトロクロミック薄膜中Nb濃度の関係を示しており、図6はNb濃度を変えて作製したCo−Nb複合エレクトロクロミック薄膜のX線回折パターンを示しており、図7はNb濃度を変えて作製したCo−Nb複合エレクトロクロミック薄膜の赤外吸収スペクトルを示しており、図8はNb濃度を変えて作製したCo−Nb複合エレクトロクロミック薄膜のアルカリ性水溶液電解質中における透過スペクトルを示しており、図9はNb濃度を変えて作製したCo−Nb複合エレクトロクロミック薄膜のアルカリ性水溶液電解質中における透過率変化のサイクル依存性を示している。   FIG. 1 schematically shows the configuration of an electrochromic device according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 shows the main steps of the method for manufacturing the electrochromic device shown in FIG. 1, and FIG. 4 shows the main steps of the electrochromic thin film forming method, FIG. 4 shows the structure of the composite target used when forming the electrochromic thin film, and FIG. 5 shows the relationship between the number of Nb chips and the Nb concentration in the electrochromic thin film. FIG. 6 shows an X-ray diffraction pattern of a Co—Nb composite electrochromic thin film prepared by changing the Nb concentration, and FIG. 7 shows a Co—Nb composite electrochromic thin film prepared by changing the Nb concentration. FIG. 8 shows an infrared absorption spectrum. FIG. 8 shows alkaline water-soluble Co—Nb composite electrochromic thin films prepared by changing the Nb concentration. Shows the transmission spectrum in the electrolyte, Fig. 9 shows the cycle dependence of the transmittance change in an alkaline aqueous electrolyte of Co-Nb composite electrochromic thin film prepared by changing the Nb concentration.

図1に示すように、エレクトロクロミック素子100は、第1の透明基板10と、第1の透明電極20と、エレクトロクロミック薄膜30と、電解質層40と、対極膜50と、第2の透明電極60と、第2の透明基板70とがこの順序で積層されている積層構造を備えている。   As shown in FIG. 1, the electrochromic device 100 includes a first transparent substrate 10, a first transparent electrode 20, an electrochromic thin film 30, an electrolyte layer 40, a counter electrode film 50, and a second transparent electrode. 60 and the 2nd transparent substrate 70 are provided with the laminated structure laminated | stacked in this order.

第1の透明基板10は、所定寸法に加工した透明ガラス基板又は樹脂製透明シートである。   The first transparent substrate 10 is a transparent glass substrate or a resin transparent sheet processed into a predetermined dimension.

第1の透明電極20は、第1の透明基板10の表面上に形成されたものであり、液晶ディスプレイや太陽電池の場合と同様に、5〜10%のスズを添加した酸化インジウム(ITO)、又はフッ素やアンチモンを添加した酸化スズの薄膜が使われる。膜厚は、100〜200nm程度である。   The first transparent electrode 20 is formed on the surface of the first transparent substrate 10, and indium oxide (ITO) to which 5 to 10% of tin is added is the same as in the case of a liquid crystal display or a solar cell. Alternatively, a tin oxide thin film to which fluorine or antimony is added is used. The film thickness is about 100 to 200 nm.

エレクトロクロミック薄膜30は、第1の透明電極20の表面に形成された水酸化コバルト(CoOOH)と水和酸化ニオブ(Nb・nHO)との複合薄膜である。膜厚は、例えば100nm〜1μm程度である。このエレクトロクロミック薄膜30において、ニオブ濃度(Nb/(Co+Nb))は、43at.%以下である。 The electrochromic thin film 30 is a composite thin film of cobalt hydroxide (CoOOH) and hydrated niobium oxide (Nb 2 O 5 .nH 2 O) formed on the surface of the first transparent electrode 20. The film thickness is, for example, about 100 nm to 1 μm. In this electrochromic thin film 30, the niobium concentration (Nb / (Co + Nb)) is 43 at.% Or less.

電解質層40は、水溶液電解質であり、本実施形態においては、0.1〜1mol/L程度の濃度の水酸化カリウムの水溶液を用いた。なお、有機材料のプロピレンカーボネートに0.1〜1mol/L程度の過塩素酸リチウムを添加したリチウム系電解質を用いてもよい。また、高分子電解質や、プロトン伝導性の水和酸化物などの固体電解質を用いてもよい。イオン伝導性の点では、水溶液電解質が最も伝導率が高いので、高速応答に向いている。電解質層の厚さは、薄膜の固体電解質であれば1μm程度であり、液体電解質であれば数10μmから数mm程度まで使用可能である。   The electrolyte layer 40 is an aqueous electrolyte, and in this embodiment, an aqueous solution of potassium hydroxide having a concentration of about 0.1 to 1 mol / L is used. In addition, you may use the lithium type electrolyte which added about 0.1-1 mol / L lithium perchlorate to the propylene carbonate of an organic material. Further, a solid electrolyte such as a polymer electrolyte or a proton conductive hydrated oxide may be used. In terms of ion conductivity, the aqueous electrolyte has the highest conductivity and is suitable for high-speed response. The thickness of the electrolyte layer is about 1 μm for a thin-film solid electrolyte, and can be used from several tens of μm to about several mm for a liquid electrolyte.

対極膜50は、酸化セリウム(CeO)から形成されている。膜厚は、100nm〜1μm程度である。この実施形態において、対極膜50は、スパッタリング法を用いて形成された膜厚100nmの酸化セリウム膜である。 The counter electrode film 50 is made of cerium oxide (CeO 2 ). The film thickness is about 100 nm to 1 μm. In this embodiment, the counter electrode film 50 is a cerium oxide film having a film thickness of 100 nm formed by using a sputtering method.

第2の透明電極60は、第2の透明基板70の表面に形成されたものであり、上述した第1の透明電極20と同様な構成を有する。また、第2の透明基板70は、第1の透明基板等同じ、透明ガラス基板又は樹脂製透明シートである。   The second transparent electrode 60 is formed on the surface of the second transparent substrate 70 and has the same configuration as the first transparent electrode 20 described above. The second transparent substrate 70 is the same transparent glass substrate or resin transparent sheet as the first transparent substrate.

本実施形態におけるエレクトロクロミック素子100の製造工程について説明する。図2に示すように、エレクトロクロミック素子100を製造する場合は、まず、用意した第1の透明基板10の表面に、スパッタリング法を用いて膜厚200nmのITO透明電極膜である第1の透明電極20を積層する(ステップS11)。ここで、第1の透明基板10には透明ガラス基板を用いた。   A manufacturing process of the electrochromic element 100 in the present embodiment will be described. As shown in FIG. 2, when the electrochromic element 100 is manufactured, first, a first transparent substrate film having a thickness of 200 nm is formed on the surface of the prepared first transparent substrate 10 using a sputtering method. The electrode 20 is stacked (step S11). Here, a transparent glass substrate was used as the first transparent substrate 10.

次いで、形成された第1の透明電極20の表面に、スパッタリング法を用いてエレクトロクロミック薄膜30として膜厚100nmの水酸化コバルトと水和酸化ニオブの複合膜を積層する(ステップS12)。ここで、水酸化コバルトと水和酸化ニオブの複合膜の形成方法は、図3に示す手順で行う。図3に示すように、エレクトロクロミック薄膜の形成には、水蒸気(HO)を反応ガスとして用いた反応性スパッタリングの手法を用いた。まず、RFマグネトロンスパッタリング装置の成膜処理チャンバ内の基板ホルダに透明電極を積層したガラス基板を設置する(ステップS1)。次に、予め作製したコバルト(第1のターゲット金属)とニオブ(第2のターゲット金属)の複合金属ターゲットを成膜処理チャンバ内のカソードに設置する(ステップS2)。コバルトとニオブの複合金属ターゲットは、図4に示すように、直径50mmの円板状コバルトターゲットに複数の正方形(10mm×10mm)のNbチップを設けたものである。図4において、4つのNbチップの場合を示している。次に、反応ガスとして水蒸気(HO)を成膜処理チャンバ内に流通させる(ステップS3)。この状態で高周波電力を印加し、反応性スパッタリングにより基板上に水酸化コバルトと水和酸化ニオブの複合膜を成膜する(ステップS4)。ここで、例えば、基板の温度を、10℃に保ち、水蒸気ガスの供給量を0.3cc/min、水蒸気ガス圧力を50mTorr、RFパワーを50Wとして、基板上に水酸化コバルトと水和酸化ニオブとの複合膜を成膜する。 Next, a composite film of cobalt hydroxide and hydrated niobium oxide having a film thickness of 100 nm is laminated on the surface of the formed first transparent electrode 20 as the electrochromic thin film 30 by using a sputtering method (step S12). Here, the method of forming the composite film of cobalt hydroxide and hydrated niobium oxide is performed according to the procedure shown in FIG. As shown in FIG. 3, a reactive sputtering method using water vapor (H 2 O) as a reactive gas was used for forming the electrochromic thin film. First, a glass substrate on which a transparent electrode is laminated is placed on a substrate holder in a film forming chamber of an RF magnetron sputtering apparatus (step S1). Next, a composite metal target of cobalt (first target metal) and niobium (second target metal) prepared in advance is placed on the cathode in the film formation processing chamber (step S2). As shown in FIG. 4, the composite metal target of cobalt and niobium is obtained by providing a square cobalt target having a diameter of 50 mm and a plurality of square (10 mm × 10 mm) Nb chips. FIG. 4 shows the case of four Nb chips. Next, water vapor (H 2 O) is circulated in the film forming chamber as a reaction gas (step S3). In this state, high frequency power is applied, and a composite film of cobalt hydroxide and hydrated niobium oxide is formed on the substrate by reactive sputtering (step S4). Here, for example, the substrate temperature is maintained at 10 ° C., the supply amount of water vapor gas is 0.3 cc / min, the water vapor gas pressure is 50 mTorr, the RF power is 50 W, and cobalt hydroxide and hydrated niobium oxide are formed on the substrate. A composite film is formed.

一方、第2の透明基板70の表面に、スパッタリング法を用いて、膜厚200nmのITO透明電極膜である第2の透明電極60を積層する(ステップS13)。ここで、第2の透明基板70には透明ガラス基板を用いた。   On the other hand, the second transparent electrode 60, which is an ITO transparent electrode film having a thickness of 200 nm, is laminated on the surface of the second transparent substrate 70 by using a sputtering method (step S13). Here, a transparent glass substrate was used as the second transparent substrate 70.

次いで、形成された第2の透明電極60の表面に、スパッタリング法を用いて膜厚100nmの酸化セリウム(CeO)の対極膜50を積層する(ステップS14)。 Next, a counter electrode film 50 of cerium oxide (CeO 2 ) having a thickness of 100 nm is stacked on the surface of the formed second transparent electrode 60 by using a sputtering method (step S14).

次いで、例えば、第1の透明基板10のエレクトロクロミック薄膜30が形成された面の外周にスペーサ40aを形成する(ステップS15)。   Next, for example, the spacer 40a is formed on the outer periphery of the surface of the first transparent substrate 10 on which the electrochromic thin film 30 is formed (step S15).

次いで、第1の透明電極20とエレクトロクロミック薄膜30とが形成された第1の透明基板10と、第2の透明電極60と対極膜50とが形成された第2の透明基板70とを、スペーサ40aを挟んで張り合わせる(ステップS16)。   Next, the first transparent substrate 10 on which the first transparent electrode 20 and the electrochromic thin film 30 are formed, and the second transparent substrate 70 on which the second transparent electrode 60 and the counter electrode film 50 are formed, The spacers 40a are pasted together (step S16).

次いで、スペーサ40aにより形成された隙間に0.1 mol/Lの濃度のKOHアルカリ性水溶液電解質(pH=13)を注入する(ステップS17)。これにより、ガラス基板/ITO膜/複合膜/電解質層/対極膜/ITO膜/ガラス基板の積層構造が形成される。最後に、電解質が漏れないように電解質の注入口を封止する(ステップS18)。これにより、エレクトロクロミック素子100が完成する。   Next, a KOH alkaline aqueous electrolyte (pH = 13) having a concentration of 0.1 mol / L is injected into the gap formed by the spacer 40a (step S17). Thereby, a laminated structure of glass substrate / ITO film / composite film / electrolyte layer / counter electrode film / ITO film / glass substrate is formed. Finally, the electrolyte inlet is sealed so that the electrolyte does not leak (step S18). Thereby, the electrochromic element 100 is completed.

上記方法で作製したエレクトロクロミック薄膜30に対して、ニオブによるエレクトロクロミック薄膜の性能への影響について検討した。   The influence of niobium on the performance of the electrochromic thin film was examined for the electrochromic thin film 30 produced by the above method.

直径50mmの円板状コバルトターゲットのみの場合と、直径50mmの円板状コバルトターゲットに複数の正方形(10mm×10mm)のNbチップを2、4、6枚配置した複合ターゲットを用いて作製したエレクトロクロミック薄膜中のニオブ濃度を蛍光X線分析により調べた結果、図5に示すように、Nbチップ数の増加と共に、エレクトロクロミック薄膜中のニオブ濃度が増加する。この結果に基づいて、Nbチップ数を選択することで、エレクトロクロミック薄膜中のニオブ濃度をコントロールすることができる。   An electro produced using only a disk-shaped cobalt target having a diameter of 50 mm and a composite target in which a plurality of square (10 mm × 10 mm) Nb chips are arranged on a disk-shaped cobalt target having a diameter of 50 mm. As a result of examining the niobium concentration in the chromic thin film by fluorescent X-ray analysis, as shown in FIG. 5, the niobium concentration in the electrochromic thin film increases as the number of Nb chips increases. Based on this result, the niobium concentration in the electrochromic thin film can be controlled by selecting the number of Nb chips.

また、ニオブ濃度を0at.%、6at.%、17at.%、43at.%にした水酸化コバルトと水和酸化ニオブの複合膜の試料の構造をX線回折法により測定した。図6に示すように、全ての試料で明瞭な回折ピークは認められず、アモルファスに近い構造であることが分かった。なお、図6の測定に用いた試料はシリコン基板の上に作製したものであり、回折角が33°付近に認められるシャープな回折ピークは、基板に用いたシリコンの回折ピークである。   Further, the structure of a sample of a composite film of cobalt hydroxide and hydrated niobium oxide with niobium concentrations of 0 at.%, 6 at.%, 17 at.%, And 43 at.% Was measured by an X-ray diffraction method. As shown in FIG. 6, no clear diffraction peak was observed in all the samples, and it was found that the structures were close to amorphous. Note that the sample used in the measurement of FIG. 6 was prepared on a silicon substrate, and the sharp diffraction peak observed at a diffraction angle of about 33 ° is the diffraction peak of silicon used for the substrate.

また、ニオブ濃度を0at.%、6at.%、17at.%、43at.%にした水酸化コバルトと水和酸化ニオブの複合膜の試料に対して、赤外分光法で吸収スペクトを測定した。図7に示すように、ニオブ濃度が低い試料では、660cm−1と570cm−1付近にCo−O結合に対応するピークが認められるが、ニオブ濃度の増加と共に、このピーク強度は低下した。これに対し、3300cm−1付近に現れる水素結合したOH基によるブロードな吸収ピークは、ニオブ濃度によらず、全ての試料で認められ、水酸化物及び水和酸化物の形成が確認できる。なお、赤外分光の測定には、赤外線の吸収が少ないシリコン基板の上に作製した試料を用いた。 Further, the absorption spectrum was measured by infrared spectroscopy for a sample of a composite film of cobalt hydroxide and hydrated niobium oxide with niobium concentrations of 0 at.%, 6 at.%, 17 at.%, And 43 at.%. As shown in FIG. 7, in the sample having a low niobium concentration, peaks corresponding to Co—O bonds were observed in the vicinity of 660 cm −1 and 570 cm −1 , but the peak intensity decreased with increasing niobium concentration. On the other hand, a broad absorption peak due to a hydrogen-bonded OH group that appears in the vicinity of 3300 cm −1 is recognized in all samples regardless of the niobium concentration, and the formation of hydroxides and hydrated oxides can be confirmed. In addition, the sample produced on the silicon substrate with little infrared absorption was used for the measurement of infrared spectroscopy.

また、ニオブ濃度を0at.%、6at.%、17at.%、43at.%にした水酸化コバルトと水和酸化ニオブの複合膜の試料を0.1MのKOHアルカリ性水溶液電解質中で5分間、脱色(−0.44V vs.Ag/AgClを印加)と着色(+0.56V vs.Ag/AgClを印加)した後の透過スペクトルを測定した。図8に示すように、ニオブ濃度が17at.%の試料が、波長600nmにおける透過率の変化幅が35%と最も大きく、ニオブ濃度を43at.%まで増加させても無添加のコバルト水酸化物薄膜と同程度の透過率変化を示すことが分かった。また、ニオブ濃度が0at.%の試料に比べ、ニオブを添加した試料は、脱色時の透過率が高く、透明に近いことを示している。   Also, a sample of a composite film of cobalt hydroxide and hydrated niobium oxide with niobium concentrations of 0 at. 6%, 17 at. 43% and 43 at.% Was decolorized in 0.1 M KOH alkaline aqueous electrolyte for 5 minutes. The transmission spectrum after coloring (applying −0.44 V vs. Ag / AgCl) and coloring (applying +0.56 V vs. Ag / AgCl) was measured. As shown in FIG. 8, the sample having a niobium concentration of 17 at.% Has the largest transmittance change width of 35% at a wavelength of 600 nm, and no added cobalt hydroxide even when the niobium concentration is increased to 43 at. It turned out that the transmittance | permeability change comparable as a thin film is shown. Moreover, compared with the sample with niobium concentration of 0 at.%, The sample added with niobium has a high transmittance at the time of decolorization, indicating that it is almost transparent.

さらに、ニオブ濃度を0at.%、6at.%、17at.%、43at.%にした水酸化コバルトと水和酸化ニオブの複合膜の試料に対して、0.1MのKOHアルカリ性水溶液電解質中、走査電位幅が−0.44〜+0.56V vs.Ag/AgClで電位走査速度が20mV/s(1サイクルが100秒)の条件で、サイクリックボルタンメトリを100サイクル繰り返した時の透過率変化を測定した。図9に示すように、ニオブ濃度が0at.%の試料では、100サイクル後の透過率変化幅は、初期の透過率変化幅の65%と大きく低下することが分かった。しかし、ニオブ濃度が17at.%の試料では、100サイクル後も初期の透過率変化幅の95%を維持しており、サイクル耐久性が高いことが確認できる。なお、ニオブ濃度が43at.%の試料では、透過率の変化幅が小さくなっている。これは、ニオブ濃度の増加と共に、着脱色の応答速度が遅くなったためで、電位走査速度を遅くすることで透過率の変化幅を広げることができる。   Further, a sample of a composite film of cobalt hydroxide and hydrated niobium oxide having a niobium concentration of 0 at.%, 6 at.%, 17 at.%, And 43 at.% Was scanned in a 0.1 M KOH alkaline aqueous electrolyte. The potential width is −0.44 to +0.56 V vs. The change in transmittance was measured when cyclic voltammetry was repeated 100 cycles under the conditions of Ag / AgCl and a potential scanning speed of 20 mV / s (one cycle was 100 seconds). As shown in FIG. 9, it was found that in the sample having a niobium concentration of 0 at.%, The transmittance change width after 100 cycles was greatly reduced to 65% of the initial transmittance change width. However, in the sample having a niobium concentration of 17 at.%, 95% of the initial transmittance change width is maintained even after 100 cycles, and it can be confirmed that the cycle durability is high. In the sample having a niobium concentration of 43 at.%, The transmittance change width is small. This is because, as the niobium concentration increases, the response speed of the detachable color becomes slow. Therefore, the change width of the transmittance can be widened by slowing the potential scanning speed.

上述したように、エレクトロクロミック素子100は、水酸化コバルトと水和酸化ニオブとの複合薄膜からなるエレクトロクロミック薄膜30を備えている。また、エレクトロクロミック薄膜形成工程では、コバルトとニオブの複合金属ターゲットを用いて、水蒸気を用いた反応性スパッタリングにより水酸化コバルトと水和酸化ニオブとの複合薄膜を形成する。   As described above, the electrochromic device 100 includes the electrochromic thin film 30 made of a composite thin film of cobalt hydroxide and hydrated niobium oxide. In the electrochromic thin film forming step, a composite thin film of cobalt hydroxide and hydrated niobium oxide is formed by reactive sputtering using water vapor using a composite metal target of cobalt and niobium.

これにより、優れたエレクトロクロミック特性を示し、脱色時(還元状態)の透過率が高く、かつ着脱色を繰り返した時のサイクル耐久性を向上したエレクトロクロミック素子を得ることができる。   As a result, an electrochromic element that exhibits excellent electrochromic characteristics, has high transmittance during decolorization (reduced state), and has improved cycle durability when repeated detachable colors can be obtained.

また、水酸化物には、水酸化コバルトを用い、水和酸化物には、水和酸化ニオブを用いることで、脱色時の透過率がより高く、かつ着脱色を繰り返した時のサイクル耐久性を著しく改善することができる。   Also, cobalt hydroxide is used for the hydroxide and hydrated niobium oxide is used for the hydrated oxide, so that the transmittance at the time of decolorization is higher and the cycle durability when the detachable color is repeated. Can be significantly improved.

また、エレクトロクロミック層は、水酸化コバルトと水和酸化ニオブとの複合薄膜であり、ニオブ濃度は、43at.%以下、好ましくは、6at.%〜17at.%である。これにより、着脱色を繰り返した場合でも、高い透過率を維持することができ、かつ高いサイクル耐久性を得ることができる。   The electrochromic layer is a composite thin film of cobalt hydroxide and hydrated niobium oxide, and the niobium concentration is 43 at.% Or less, preferably 6 at.% To 17 at.%. Thereby, even when the detachable color is repeated, high transmittance can be maintained and high cycle durability can be obtained.

以下、本発明の第2の実施形態におけるエレクトロクロミック素子200について説明する。   Hereinafter, the electrochromic device 200 according to the second embodiment of the present invention will be described.

エレクトロクロミック素子200は、第1の透明基板10と、第1の透明電極20と、エレクトロクロミック薄膜30Aと、電解質層40と、対極膜50と、第2の透明電極60と、第2の透明基板70とを順次積層した積層構造を備えている。   The electrochromic element 200 includes a first transparent substrate 10, a first transparent electrode 20, an electrochromic thin film 30A, an electrolyte layer 40, a counter electrode film 50, a second transparent electrode 60, and a second transparent electrode. A stacked structure in which the substrate 70 is sequentially stacked is provided.

エレクトロクロミック素子200において、第1の透明基板10、第1の透明電極20、電解質層40、対極膜50と、第2の透明電極60、及び第2の透明基板70の材料の構成は、図1に示す構成と同様であり、従って詳細な説明は省略する。   In the electrochromic element 200, the material configuration of the first transparent substrate 10, the first transparent electrode 20, the electrolyte layer 40, the counter electrode film 50, the second transparent electrode 60, and the second transparent substrate 70 is shown in FIG. Therefore, the detailed description is omitted.

エレクトロクロミック薄膜30Aは、第1の透明電極20の表面に形成された水酸化コバルトと水和酸化ジルコニウムとの複合薄膜である。膜厚は、例えば100nm〜1μm程度である。このエレクトロクロミック薄膜30Aにおいて、ジルコニウム濃度(Zr/(Co+Zr))は、37at.%以下である。   The electrochromic thin film 30 </ b> A is a composite thin film of cobalt hydroxide and hydrated zirconium oxide formed on the surface of the first transparent electrode 20. The film thickness is, for example, about 100 nm to 1 μm. In the electrochromic thin film 30A, the zirconium concentration (Zr / (Co + Zr)) is 37 at.% Or less.

また、エレクトロクロミック素子200の製造方法においては、第1の透明電極20の表面に、エレクトロクロミック薄膜30Aとしての水酸化コバルトと水和酸化ジルコニウムとの複合薄膜を形成する以外、上述した第1の実施形態と同様である。   In the method of manufacturing the electrochromic element 200, the first transparent electrode 20 described above is formed except that a composite thin film of cobalt hydroxide and hydrated zirconium oxide as the electrochromic thin film 30A is formed on the surface of the first transparent electrode 20. This is the same as the embodiment.

水酸化コバルトと水和酸化ジルコニウムとの複合薄膜の形成方法は、水蒸気(HO)を反応ガスとして用いた反応スパッタリングの手法を用いた(図3参照)。まず、RFマグネトロンスパッタリング装置の成膜処理チャンバ内の基板ホルダに透明電極を積層したガラス基板を設置する(ステップS1)。次に、予め作製したコバルト(第1のターゲット金属)とジルコニウム(第2のターゲット金属)の複合金属ターゲットを成膜処理チャンバ内のカソードに設置する(ステップS2)。コバルトとジルコニウムの複合金属ターゲットは、図4に示すように、直径50mmの円板状コバルトターゲットに複数の正方形(10mm×10mm)のZrチップを設けたものである。次に、反応ガスとして水蒸気(HO)を成膜処理チャンバ内に流通させる(ステップS3)。この状態で高周波電力を印加し、反応性スパッタリングにより基板上に水酸化コバルトと水和酸化ジルコニウムの複合膜を成膜する(ステップS4)。ここで、例えば、基板の温度を、10℃に保ち、水蒸気ガスの供給量を0.3cc/min、水蒸気ガス圧力を50mTorr、RFパワーを50Wとして、基板上に水酸化コバルトと水和酸化ジルコニウムの複合膜を成膜する。 As a method for forming a composite thin film of cobalt hydroxide and hydrated zirconium oxide, a reactive sputtering method using water vapor (H 2 O) as a reaction gas was used (see FIG. 3). First, a glass substrate on which a transparent electrode is laminated is placed on a substrate holder in a film forming chamber of an RF magnetron sputtering apparatus (step S1). Next, a composite metal target of cobalt (first target metal) and zirconium (second target metal) prepared in advance is placed on the cathode in the film forming chamber (step S2). As shown in FIG. 4, the cobalt-zirconium composite metal target is obtained by providing a plurality of square (10 mm × 10 mm) Zr chips on a disc-shaped cobalt target having a diameter of 50 mm. Next, water vapor (H 2 O) is circulated in the film forming chamber as a reaction gas (step S3). In this state, high frequency power is applied, and a composite film of cobalt hydroxide and hydrated zirconium oxide is formed on the substrate by reactive sputtering (step S4). Here, for example, the substrate temperature is kept at 10 ° C., the supply amount of water vapor gas is 0.3 cc / min, the water vapor gas pressure is 50 mTorr, the RF power is 50 W, and cobalt hydroxide and hydrated zirconium oxide are formed on the substrate. The composite film is formed.

上記方法で作製したエレクトロクロミック薄膜に対して、ジルコニウムによるエレクトロクロミック薄膜の性能への影響について検討した。図10はZrチップ数とエレクトロクロミック薄膜中Zr濃度の関係を示しており、図11はZr濃度を変えて作製したCo−Zr複合エレクトロクロミック薄膜の透過スペクトルを示しており、図12はZr濃度を変えて作製したCo−Zr複合エレクトロクロミック薄膜の透過率変化のサイクル依存性を示している。   For the electrochromic thin film prepared by the above method, the influence of zirconium on the performance of the electrochromic thin film was examined. FIG. 10 shows the relationship between the number of Zr chips and the Zr concentration in the electrochromic thin film, FIG. 11 shows the transmission spectrum of a Co—Zr composite electrochromic thin film prepared by changing the Zr concentration, and FIG. 12 shows the Zr concentration. The cycle dependence of the transmittance | permeability change of the Co-Zr composite electrochromic thin film produced by changing is shown.

直径50mmの円板状コバルトターゲットのみの場合と、直径50mmの円板状コバルトに複数の正方形(10mm×10mm)のZrチップを2、4、6枚配置した複合ターゲットを用いて作製したエレクトロクロミック薄膜中のジルコニウム濃度を蛍光X線分析により調べた結果、図10に示すように、Zrチップ数の増加と共に、エレクトロクロミック薄膜中のZr濃度が増加する。この結果に基づいて、Zrチップ数を選択することで、エレクトロクロミック薄膜中のジルコニウム濃度をコントロールすることができる。   Electrochromic produced using only a disk-shaped cobalt target having a diameter of 50 mm and a composite target in which a plurality of square (10 mm × 10 mm) Zr chips are arranged on a disk-shaped cobalt having a diameter of 50 mm. As a result of examining the zirconium concentration in the thin film by fluorescent X-ray analysis, as shown in FIG. 10, the Zr concentration in the electrochromic thin film increases as the number of Zr chips increases. Based on this result, the zirconium concentration in the electrochromic thin film can be controlled by selecting the number of Zr chips.

また、ジルコニウム濃度を13at.%、37at.%、74at.%にした水酸化コバルトと水和酸化ジルコニウムの複合膜の試料を0.1MのKOHアルカリ性水溶液電解質中で5分間、脱色(−0.44V vs.Ag/AgClを印加)と着色(+0.56V vs.Ag/AgClを印加)した後の透過スペクトルを測定した。図11(a)に示すように、ジルコニウム濃度を13at.%の試料が、波長600nmにおける透過率の変化幅が20%と最も大きいことが分かった。また、図11(c)に示すように、ジルコニウム濃度を74at.%まで増加させた場合には、透過率変化幅が大きく減少し、エレクトロクロミック素子の電極材料としては、不適当である。   In addition, a sample of a composite film of cobalt hydroxide and hydrated zirconium oxide having a zirconium concentration of 13 at. 37%, 74 at.% Was decolorized (-0. 0%) in a 0.1 M KOH alkaline aqueous electrolyte for 5 minutes. The transmission spectrum after 44 V vs. Ag / AgCl was applied and colored (+0.56 V vs. Ag / AgCl was applied) was measured. As shown in FIG. 11A, it was found that the sample with a zirconium concentration of 13 at.% Had the largest change width of the transmittance at a wavelength of 600 nm of 20%. Further, as shown in FIG. 11 (c), when the zirconium concentration is increased to 74 at.%, The transmittance change width is greatly reduced, which is inappropriate as an electrode material for an electrochromic device.

また、ジルコニウム濃度を13at.%、37at.%、74at.%にした水酸化コバルトと水和酸化ジルコニウムの複合膜の試料に対して、走査電位幅が−0.44〜+0.56V vs.Ag/AgClで電位走査速度が20mV/s(1サイクルが100秒)の条件で、サイクリックボルタンメトリを100サイクル繰り返した時の透過率変化を測定した。図12(a)に示すように、ジルコニウム濃度が13at.%の試料では、100サイクル後も透過率変化幅の大きな減少がなく、サイクル耐久性が高いことが確認できる。   In addition, a scanning potential width of −0.44 to +0.56 V vs. a sample of a composite film of cobalt hydroxide and hydrated zirconium oxide having a zirconium concentration of 13 at.%, 37 at.%, And 74 at.% Was used. The change in transmittance was measured when cyclic voltammetry was repeated 100 cycles under the conditions of Ag / AgCl and a potential scanning speed of 20 mV / s (one cycle was 100 seconds). As shown in FIG. 12 (a), in the sample having a zirconium concentration of 13 at.%, It can be confirmed that there is no significant decrease in the transmittance change width even after 100 cycles and the cycle durability is high.

上述したように、エレクトロクロミック素子200は、水酸化コバルトと水和酸化ジルコニウムとの複合薄膜からなるエレクトロクロミック薄膜30Aを備えている。また、エレクトロクロミック薄膜形成工程では、コバルトとジルコニウムの複合金属ターゲットを用いて、水蒸気を用いた反応性スパッタリングにより水酸化コバルトと水和酸化ジルコニウムとの複合薄膜を形成する。これにより、本実施形態は、上述した第1の実施形態と同様な効果が得られる。   As described above, the electrochromic element 200 includes the electrochromic thin film 30A made of a composite thin film of cobalt hydroxide and hydrated zirconium oxide. In the electrochromic thin film forming step, a composite thin film of cobalt hydroxide and hydrated zirconium oxide is formed by reactive sputtering using water vapor using a composite metal target of cobalt and zirconium. Thereby, this embodiment can obtain the same effects as those of the first embodiment described above.

以下、本発明の第3の実施形態におけるエレクトロクロミック素子300について説明する。   Hereinafter, an electrochromic device 300 according to a third embodiment of the present invention will be described.

エレクトロクロミック素子300は、第1の透明基板10と、第1の透明電極20と、エレクトロクロミック薄膜30Bと、電解質層40と、対極膜50と、第2の透明電極60と、第2の透明基板70とを順次積層した積層構造を備えている。   The electrochromic element 300 includes a first transparent substrate 10, a first transparent electrode 20, an electrochromic thin film 30B, an electrolyte layer 40, a counter electrode film 50, a second transparent electrode 60, and a second transparent electrode. A stacked structure in which the substrate 70 is sequentially stacked is provided.

エレクトロクロミック素子300において、第1の透明基板10、第1の透明電極20、電解質層40、対極膜50と、第2の透明電極60、及び第2の透明基板70の材料の構成は、図1の実施形態の場合と同様であり、従って詳細な説明は省略する。   In the electrochromic element 300, the material configurations of the first transparent substrate 10, the first transparent electrode 20, the electrolyte layer 40, the counter electrode film 50, the second transparent electrode 60, and the second transparent substrate 70 are shown in FIG. This is the same as in the case of the first embodiment, and thus detailed description thereof is omitted.

エレクトロクロミック薄膜30Bは、第1の透明電極20の表面に形成されたニッケル水酸化物とジルコニウム水和酸化物との複合薄膜である。膜厚は、例えば100nm〜1μm程度である。このエレクトロクロミック薄膜30Aにおいて、ジルコニウム濃度(Zr/(Ni+Zr))は、22at.%以下である。   The electrochromic thin film 30 </ b> B is a composite thin film of nickel hydroxide and zirconium hydrate oxide formed on the surface of the first transparent electrode 20. The film thickness is, for example, about 100 nm to 1 μm. In the electrochromic thin film 30A, the zirconium concentration (Zr / (Ni + Zr)) is 22 at.% Or less.

また、エレクトロクロミック素子300の製造方法においては、第1の透明電極20の表面に、エレクトロクロミック薄膜30Bとしての水酸化ニッケルと水和酸化ジルコニウムとの複合薄膜を形成する以外、上述した第1の実施形態と同様であり、従って詳細な説明は省略する。   In the method of manufacturing the electrochromic device 300, the first transparent electrode 20 described above is formed except that a composite thin film of nickel hydroxide and hydrated zirconium oxide as the electrochromic thin film 30B is formed on the surface of the first transparent electrode 20. This is the same as the embodiment, and thus detailed description thereof is omitted.

上記方法で作製したエレクトロクロミック薄膜に対して、ジルコニウムによるエレクトロクロミック薄膜の性能への影響について検討した。図13はZr濃度を変えて作製したNi−Zr複合エレクトロクロミック薄膜の透過スペクトルを示しており、図14はZr濃度を変えて作製したNi−Zr複合エレクトロクロミック薄膜の透過率変化のサイクル依存性を示している。   For the electrochromic thin film prepared by the above method, the influence of zirconium on the performance of the electrochromic thin film was examined. FIG. 13 shows the transmission spectrum of the Ni—Zr composite electrochromic thin film prepared by changing the Zr concentration, and FIG. 14 shows the cycle dependence of the transmittance change of the Ni—Zr composite electrochromic thin film prepared by changing the Zr concentration. Is shown.

ジルコニウム濃度を0at.%、11at.%、22at.%、63at.%にした水酸化ニッケルと水和酸化ジルコニウムの複合膜の試料を0.5MのKOHアルカリ性水溶液電解質中で5分間、脱色(−0.44V vs.Ag/AgClを印加)と着色(+0.56V vs.Ag/AgClを印加)した後の透過スペクトルを測定した。図13に示すように、ジルコニウム濃度が11at.%の試料が、波長600nmにおける透過率の変化幅が70%と最も大きいことが分かった。また、ジルコニウム濃度を22at.%まで増加させても、着脱色時間が十分長ければ、0at.%の試料と同程度の透過率変化幅が得られる。一方、ジルコニウム濃度を63at.%まで増加させた場合には、透過率変化幅が大きく減少し、エレクトロクロミック素子の電極材料としては、不適当である。   A sample of a composite film of nickel hydroxide and hydrated zirconium oxide having a zirconium concentration of 0 at. 11 at. 22 at. 63 at.% Was decolorized (−) in a 0.5 M KOH alkaline aqueous electrolyte for 5 minutes. The transmission spectrum after 0.44 V vs. Ag / AgCl was applied and colored (+0.56 V vs. Ag / AgCl was applied) was measured. As shown in FIG. 13, the zirconium concentration is 11 at. % Of samples showed the largest change in transmittance at a wavelength of 600 nm of 70%. Further, even if the zirconium concentration is increased to 22 at.%, If the attaching / detaching color time is sufficiently long, the transmittance change width similar to that of the 0 at.% Sample can be obtained. On the other hand, when the zirconium concentration is increased to 63 at.%, The transmittance change width is greatly reduced, which is inappropriate as an electrode material for an electrochromic device.

また、ジルコニウム濃度を0at.%、11at.%、22at.%、63at.%にした水酸化ニッケルと水和酸化ジルコニウムの複合膜の試料に対して、走査電位幅が−0.44〜+0.56V vs.Ag/AgClで電位走査速度が20mV/s(1サイクルが100秒)の条件で、サイクリックボルタンメトリを100サイクル繰り返した時の透過率変化を測定した。図14に示すように、ジルコニウム濃度が0at.%及び11at.%の試料では、100サイクル後も透過率変化幅の減少が認められず、サイクル耐久性が高いことが確認できる。   Further, the scanning potential width is −0.44 to +0.0 with respect to the sample of the composite film of nickel hydroxide and hydrated zirconium oxide with zirconium concentration of 0 at.%, 11 at.%, 22 at.%, And 63 at.%. 56V vs. The change in transmittance was measured when cyclic voltammetry was repeated 100 cycles under the conditions of Ag / AgCl and a potential scanning speed of 20 mV / s (one cycle was 100 seconds). As shown in FIG. 14, in the samples having a zirconium concentration of 0 at.% And 11 at.%, A decrease in the transmittance change width is not recognized even after 100 cycles, and it can be confirmed that the cycle durability is high.

上述したように、エレクトロクロミック素子300は、水酸化ニッケルと水和酸化ジルコニウムとの複合薄膜からなるエレクトロクロミック薄膜30Bを備えている。また、エレクトロクロミック薄膜形成工程では、ニッケルとジルコニウムの複合金属ターゲットを用いて、水蒸気を用いた反応性スパッタリングにより水酸化ニッケルと水和酸化ジルコニウムとの複合薄膜を形成する。これにより、本実施形態は、上述した第1の実施形態と同様な効果が得られる。   As described above, the electrochromic element 300 includes the electrochromic thin film 30B made of a composite thin film of nickel hydroxide and hydrated zirconium oxide. In the electrochromic thin film forming step, a composite thin film of nickel hydroxide and hydrated zirconium oxide is formed by reactive sputtering using water vapor using a composite metal target of nickel and zirconium. Thereby, this embodiment can obtain the same effects as those of the first embodiment described above.

通常、エレクトロクロミック素子の構造は、ガラス基板/透明電極(ITO膜)/エレクトロクロミック薄膜/電解質層/対極膜/透明電極(ITO膜)/ガラス基板の積層構造となっている。エレクトロクロミック薄膜の材料は、酸化還元反応により色変化をする材料であり、酸化タングステンのように還元状態で着色する材料、あるいは水酸化コバルトや水酸化ニッケルのように酸化状態で着色する材料が用いられる。対極膜の材料は、エレクトロクロミック電極と逆の酸化還元反応を行い、イオンの貯蔵・放出の働きをする。対極膜の材料としては、酸化セリウムのように酸化還元反応によりほとんど色変化せず、透明な材料を用いる場合と、エレクトロクロミック薄膜の材料と逆の酸化還元状態で着色するエレクトロクロミック材料を用いる場合がある。例えば、エレクトロクロミック薄膜の材料に還元着色型の酸化タングステン、対極膜の材料に酸化着色型の水酸化ニッケルを用いれば、エレクトロクロミック薄膜の材料と対極膜の材料が同時に相補的に着脱色するため、高い着色効率を得ることができる。この構造の素子を相補型エレクトロクロミック素子という。ただし、酸化タングステンは、酸性水溶液中では安定なエレクトロクロミック特性を示すが、アルカリ性水溶液中では容易に溶解する。これに対し、水酸化ニッケルや水酸化コバルトは、アルカリ性水溶液中では、安定なエレクトロクロミック特性を示すが、強酸性水溶液中では、容易に溶解する。このため、エレクトロクロミック薄膜の材料に酸化タングステン、対極膜の材料に水酸化ニッケルを用いた相補型エレクトロクロミック素子を実現するためには、中性又は弱酸性水溶液を使う必要がある。   Usually, the structure of the electrochromic element is a laminated structure of glass substrate / transparent electrode (ITO film) / electrochromic thin film / electrolyte layer / counter electrode film / transparent electrode (ITO film) / glass substrate. The material of the electrochromic thin film is a material that changes color by oxidation-reduction reaction, and a material that is colored in a reduced state such as tungsten oxide or a material that is colored in an oxidized state such as cobalt hydroxide or nickel hydroxide is used. It is done. The material of the counter electrode film performs a redox reaction opposite to that of the electrochromic electrode, and functions to store and release ions. As the material of the counter electrode film, when using a transparent material that hardly changes color due to the redox reaction, such as cerium oxide, or when using an electrochromic material that is colored in a redox state opposite to the material of the electrochromic thin film There is. For example, if reduction-colored tungsten oxide is used for the electrochromic thin film material and oxidation-colored nickel hydroxide is used for the counter electrode material, the electrochromic thin film material and the counter electrode material can be attached and detached at the same time in a complementary manner. High coloring efficiency can be obtained. An element having this structure is referred to as a complementary electrochromic element. However, tungsten oxide exhibits stable electrochromic properties in an acidic aqueous solution, but dissolves easily in an alkaline aqueous solution. On the other hand, nickel hydroxide and cobalt hydroxide show stable electrochromic characteristics in an alkaline aqueous solution, but dissolve easily in a strongly acidic aqueous solution. Therefore, in order to realize a complementary electrochromic device using tungsten oxide as the material of the electrochromic thin film and nickel hydroxide as the material of the counter electrode film, it is necessary to use a neutral or weakly acidic aqueous solution.

そこで、相補型エレクトロクロミック素子への応用の可能性を調べるため、1 mMのHSO+1MのKCl弱酸性水溶液電解質中で、水酸化ニッケルと水和酸化ジルコニウムの複合膜の着脱色サイクル試験を行った。その結果、図15に示すように、無添加の水酸化ニッケル薄膜は、100サイクルほどで溶解し、透過率変化を示さなくなるのに対し、ジルコニウムを11at.%添加した複合膜は、800サイクル後も透過率変化を示すことがわかる。この結果より、水酸化物と水和酸化物の複合酸化物は、アルカリ性水溶液電解質だけではなく、弱酸性水溶液電解質中でのサイクル耐久性改善にも大きな効果があることが確認できる。 Therefore, in order to investigate the possibility of application to complementary electrochromic devices, a detachable color cycle test of a composite film of nickel hydroxide and hydrated zirconium oxide in 1 mM H 2 SO 4 + 1M KCl weakly acidic aqueous electrolyte. Went. As a result, as shown in FIG. 15, the additive-free nickel hydroxide thin film dissolves in about 100 cycles and shows no change in transmittance, whereas the composite film added with 11 at. As can be seen from FIG. From this result, it can be confirmed that the composite oxide of hydroxide and hydrated oxide has a great effect not only in alkaline aqueous electrolyte but also in cycle durability improvement in weak acidic aqueous electrolyte.

なお、上述した実施形態のエレクトロクロミック素子100において、水和酸化物は、水和酸化ニオブであり、エレクトロクロミック素子200及び300において、水和酸化物は、水和酸化ジルコニウムであるが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、水和酸化物として水和酸化タンタルにしてもよい。   In the electrochromic device 100 of the above-described embodiment, the hydrated oxide is hydrated niobium oxide. In the electrochromic devices 200 and 300, the hydrated oxide is hydrated zirconium oxide. Is not limited to this. For example, hydrated tantalum oxide may be used as the hydrated oxide.

また、上述した実施形態のエレクトロクロミック素子100及び200において、複合ターゲットは、直径50mmの円板状コバルトターゲットに複数の10mm×10mmの正方形のNbチップを形成したものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。また、2種類以上の金属を合金化した合金ターゲットを用いても、同様にエレクトロクロミック薄膜を作製することができる。   Further, in the electrochromic devices 100 and 200 of the above-described embodiments, the composite target is formed by forming a plurality of 10 mm × 10 mm square Nb chips on a disc-shaped cobalt target having a diameter of 50 mm. It is not limited to. In addition, an electrochromic thin film can be similarly produced using an alloy target obtained by alloying two or more kinds of metals.

以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。   All the embodiments described above are illustrative of the present invention and are not intended to be limiting, and the present invention can be implemented in other various modifications and changes. Therefore, the scope of the present invention is defined only by the claims and their equivalents.

本発明のエレクトロクロミック素子は、調光ガラス、自動車用防眩ミラー、電子ペーパに利用できる。   The electrochromic device of the present invention can be used for light control glass, an antiglare mirror for automobiles, and electronic paper.

10 第1の透明基板
20 第1の透明電極
30、30A、30B エレクトロクロミック薄膜
40 電解質層
40a スペーサ
50 対極膜
60 第2の透明電極
70 第2の透明基板
100、200、300 エレクトロクロミック素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 1st transparent substrate 20 1st transparent electrode 30, 30A, 30B Electrochromic thin film 40 Electrolyte layer 40a Spacer 50 Counter electrode film 60 2nd transparent electrode 70 2nd transparent substrate 100, 200, 300 Electrochromic element

Claims (8)

対向する一対の基板上に互いに対向して設けられた一対の透明電極層と、前記一対の透明電極層に挟まれた電解質層及びエレクトロクロミック層とを有し、前記一対の透明電極層間に印加される電圧によって光の透過率が変化するエレクトロクロミック素子において、
前記エレクトロクロミック層は、水酸化物と水和酸化物との複合薄膜であることを特徴とするエレクトロクロミック素子。
A pair of transparent electrode layers provided opposite to each other on a pair of opposing substrates, an electrolyte layer and an electrochromic layer sandwiched between the pair of transparent electrode layers, and applied between the pair of transparent electrode layers In an electrochromic device in which the light transmittance changes depending on the applied voltage,
The electrochromic layer is a composite thin film of hydroxide and hydrated oxide.
前記水酸化物は、水酸化コバルト又は水酸化ニッケルであることを特徴とする請求項1に記載のエレクトロクロミック素子。   The electrochromic device according to claim 1, wherein the hydroxide is cobalt hydroxide or nickel hydroxide. 前記水和酸化物は、水和酸化ニオブ、水和酸化ジルコニウム又は水和酸化タンタルであることを特徴とする請求項1又は2に記載のエレクトロクロミック素子。   The electrochromic device according to claim 1, wherein the hydrated oxide is hydrated niobium oxide, hydrated zirconium oxide, or hydrated tantalum oxide. 前記エレクトロクロミック層は、水酸化コバルトと水和酸化ニオブとの複合薄膜であり、ニオブ濃度は、43at.%以下であることを特徴とする請求項1に記載のエレクトロクロミック素子。   2. The electrochromic device according to claim 1, wherein the electrochromic layer is a composite thin film of cobalt hydroxide and hydrated niobium oxide, and the niobium concentration is 43 at.% Or less. 前記エレクトロクロミック層は、水酸化コバルトと水和酸化ジルコニウムとの複合薄膜であり、ジルコニウム濃度は、37at.%以下であることを特徴とする請求項1に記載のエレクトロクロミック素子。   2. The electrochromic device according to claim 1, wherein the electrochromic layer is a composite thin film of cobalt hydroxide and hydrated zirconium oxide, and a zirconium concentration is not more than 37 at.%. 前記エレクトロクロミック層は、水酸化ニッケルと水和酸化ジルコニウムとの複合薄膜であり、ジルコニウム濃度は、22at.%以下であることを特徴とする請求項1に記載のエレクトロクロミック素子。   2. The electrochromic device according to claim 1, wherein the electrochromic layer is a composite thin film of nickel hydroxide and hydrated zirconium oxide, and a zirconium concentration is 22 at.% Or less. 第1の透明基板の表面に第1の透明電極を形成する第1の透明電極形成工程と、
該形成された第1の透明電極の表面に薄膜によるエレクトロクロミック層を形成するエレクトロクロミック層形成工程と、
第2の透明基板の表面に第2の透明電極を形成する第2の透明電極形成工程と、
該形成された第2の透明電極の表面に対極膜を形成する対極膜形成工程と、
表面に第1の透明電極及びエレクトロクロミック層が形成された第1の透明基板と、表面に第2の透明電極及び対極膜が形成された第2の透明基板とを、電解質層を介在させて積層する組み立て工程とを備え、
前記エレクトロクロミック層形成工程では、水蒸気を用いた反応性スパッタリングにより水酸化物と水和酸化物との複合薄膜を形成することを特徴とするエレクトロクロミック素子の製造方法。
A first transparent electrode forming step of forming a first transparent electrode on the surface of the first transparent substrate;
An electrochromic layer forming step of forming an electrochromic layer of a thin film on the surface of the formed first transparent electrode;
A second transparent electrode forming step of forming a second transparent electrode on the surface of the second transparent substrate;
A counter electrode film forming step of forming a counter electrode film on the surface of the formed second transparent electrode;
A first transparent substrate having a first transparent electrode and an electrochromic layer formed on the surface, and a second transparent substrate having a second transparent electrode and a counter electrode film formed on the surface, with an electrolyte layer interposed therebetween. An assembly process for stacking,
In the electrochromic layer forming step, a composite thin film of hydroxide and hydrated oxide is formed by reactive sputtering using water vapor.
前記エレクトロクロミック層形成工程では、第1のターゲット金属の表面に、所定面積を有する複数の第2のターゲット金属のチップを設けた複合ターゲットを用いたことを特徴とする請求項に記載のエレクトロクロミック素子の製造方法。 8. The electro according to claim 7 , wherein the electrochromic layer forming step uses a composite target in which a plurality of second target metal chips having a predetermined area are provided on the surface of the first target metal. A method for manufacturing a chromic element.
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