KR100686611B1 - Electrochemical device and method of using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 음극 스퍼터링 장치, 특히 자기장에 의해 보조된 음극 스퍼터링 장치를 위한 본질적으로 금속성인 타깃에 관한 것으로, 상기 타깃은 강자기성을 감소시키거나 제거하기 위해 합금 니켈을 주로 포함하고, 적어도 다른 원소를 이보다 더 적은 비율로 포함한다. 본 발명은 또한 합금 니켈을 기초로 한 박층의 착색된 양극 전기변색 물질을 제조하기 위해 타깃을 사용하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an intrinsically metallic target for a negative electrode sputtering device, in particular a negative electrode sputtering device assisted by a magnetic field, the target mainly comprising alloy nickel to reduce or eliminate ferromagnetic properties, and at least other elements In a smaller proportion. The invention also relates to a method of using a target to produce a thin layer of colored anodic electrochromic material based on alloy nickel.
Description
본 발명은 전기화학 장치(electrochemical device)에 관한 것으로, 보다 구체적으로 전기변색 글레이징(electrochromic glazing) 또는 거울 타입의 가변적인 광학 및/또는 에너지 특성을 갖는 전기적으로 조절되는 시스템(electrically controllable system)에 관한 것이다.The present invention relates to an electrochemical device, and more particularly to an electrically controlled system having variable optical and / or energy characteristics of electrochromic glazing or mirror type. will be.
알려진 방식으로, 전기변색 시스템은 가역적으로 동시에 이온과 전자를 삽입할 수 있는 전기변색 물질층을 포함하고, 삽입 및 이탈 상태(deinserted state)에 해당하는 이것의 산화 상태는 분명한 색을 띠는데, 이 중 한 가지 상태는 다른 한 가지 상태보다 우수한 광투과를 나타내고, 삽입 및 이탈 반응은 적당한 전기 공급에 의해 조절된다. 따라서, 일반적으로 텅스텐 산화물에 기초하는 전기변색 물질은 투명한 전기전도층과 같은 전자 소스와 이온 전도 전해질과 같은 이온(양이온 또는 음이온) 소스와 접촉하도록 위치되어야 한다.In a known manner, the electrochromic system comprises a layer of electrochromic material capable of reversibly inserting ions and electrons at the same time, the oxidation state of which corresponds to the deinserted state, which is clearly colored. One state exhibits better light transmission than the other, and the insertion and exit reactions are controlled by a suitable electricity supply. Thus, electrochromic materials, generally based on tungsten oxide, should be placed in contact with an electron source, such as a transparent electrically conductive layer, and an ion (cationic or anion) source, such as an ion conducting electrolyte.
또한, 적어도 백 번의 스위치 작업을 보장하기 위해서는, 전기변색 물질층이 또한 가역적으로 이온을 삽입할 수 있고, 전기변색 물질층에 대해 대칭성이 있는 반대 전극(counterelectrode)과 결합되어야 한다는 것이 알려져 있으므로, 거시적으로 전해질은 단순한 이온의 매질이다. In addition, to ensure at least a hundred switch operations, it is known that the layer of electrochromic material must also be coupled with a counterelectrode capable of reversibly inserting ions and symmetrical with respect to the layer of electrochromic material. The electrolyte is simply a medium of ions.
반대 전극은 컬러-중성층(colour-neutral layer), 또는 전기변색층이 착색 상태일 때 적어도 투명하거나 단지 약간만 착색된 층으로 구성되어야만 한다. 텅스텐 산화물이 음극성 전기변색 물질(cathodic electrochromic material), 즉 이것의 착색 상태는 가장 환원된 상태에 해당하므로, 니켈 산화물 또는 이리듐 산화물에 기초하는 양극 전기변색 물질이 일반적으로 반대 전극에 사용된다. 예를 들어, 세륨 산화물이나 또는 전기 전도성 중합체(폴리아닐린 등)와 같은 유기 물질 또는 프로이센 블루(prussian blue)와 같이 해당 산화 상태가 광학적으로 중성인 물질을 사용하는 것이 또한 제안되어 왔다.The counter electrode should consist of a color-neutral layer, or a layer which is at least transparent or only slightly colored when the electrochromic layer is colored. Since tungsten oxide is a cathodic electrochromic material, ie its colored state corresponds to the most reduced state, an anode electrochromic material based on nickel oxide or iridium oxide is generally used for the counter electrode. For example, it has also been proposed to use organic materials such as cerium oxide or electrically conductive polymers (such as polyaniline) or materials whose oxidation state is optically neutral, such as prussian blue.
이러한 시스템의 설명은, 예를 들어 유럽 특허 EP-A-0 338 876, EP-A-0 408 427, EP-A-0 575 207 및 EP-A-0 628 849에서 발견될 것이다.Descriptions of such systems will be found, for example, in European patents EP-A-0 338 876, EP-A-0 408 427, EP-A-0 575 207 and EP-A-0 628 849.
이러한 시스템은 현재 이들이 사용하는 전해질의 종류에 따라 2개의 카테고리로 분류될 수 있다.Such systems can be divided into two categories according to the type of electrolytes they currently use.
⇒ 전해질은, 예를 들어 유럽 특허 EP-A-0 253 713과 EP-A-0 670 346에서 개시된 것과 같이 양성자 전도성 중합체(proton-conducting polymer)이거나, 또는 특허 EP-A-0 382 623, EP-A-0 518 754 또는 EP-A-0 532 408에서 개시된 것과 같이 리튬 이온 전도성 중합체인, 중합체 형태이거나 또는 젤(gel) 형태이다.⇒ the electrolyte is a proton-conducting polymer, for example as disclosed in European patents EP-A-0 253 713 and EP-A-0 670 346, or patent EP-A-0 382 623, EP It is in the form of a polymer or in the form of a gel, which is a lithium ion conductive polymer as disclosed in -A-0 518 754 or EP-A-0 532 408.
⇒ 또는 전해질은 이온은 전도하지만 전기적으로 절연되어 있는 광물층(mineral layer)으로, 이러한 시스템은 "모두 고체인(all-solid)" 전기변색 시스템으로 지칭된다. "모두 고체인" 전기변색 시스템의 설명에 대해, 유럽 특허 출원 EP-A-0 867 752와 EP-A-0 831 360을 참조할 수 있다. Or an electrolyte is a mineral layer that conducts ions but is electrically insulated, such a system is referred to as an "all-solid" electrochromic system. For a description of the "all solid" electrochromic system, reference may be made to European patent applications EP-A-0 867 752 and EP-A-0 831 360.
본 발명은 가장 구체적으로, 이러한 전기변색 시스템의 일부를 형성할 수 있는 니켈 산화물에 기초한 음극성 전기변색 물질층을 얻는 것을 목적으로 한다.The present invention most particularly aims to obtain a layer of cathodic electrochromic material based on nickel oxide, which can form part of such an electrochromic system.
상술된 바와 같이, 니켈 산화물은 이러한 특성을 갖는 것으로 알려져 있고, 특허 EP-0 373 020 B1에서 구체적으로 설명되어 있다.As mentioned above, nickel oxide is known to have this property and is specifically described in patent EP-0 373 020 B1.
그러나, 이러한 물질은 단점을 갖는다. 표준 진공 증착 방법인 자기장에 의한 반응성 음극 스퍼터링(magnetic-field-assisted reactive cathodic sputtering)에 의해 박층(thin layer) 형태로 이것을 제조하는데 특정한 어려움이 발생한다. 니켈은 표준 니켈 타깃(target)과 표준 자석을 사용하는 강자기성(ferromagnetic)이므로, 타깃 표면에서 발생하는 자기장은 약하고, 이에 따라 낮은 증착 속도 및 타깃의 일반적 사용(mediocre exploitation)을 초래한다.However, these materials have disadvantages. Certain difficulties arise in manufacturing this in thin layer form by magnetic-field-assisted reactive cathodic sputtering, which is a standard vacuum deposition method. Since nickel is ferromagnetic using standard nickel targets and standard magnets, the magnetic field generated at the target surface is weak, resulting in low deposition rates and medicre exploitation of the target.
또한 이러한 타입의 물질은 특허 출원 WO 98/14824에서 연구되고, 전기변색 거울에 대한 출원에서는, 바나듐, 크롬, 망간, 철 또는 코발트와 같은 다른 금속과 합금된 니켈 산화물에서 연구가 실행되었고, 이러한 조성의 변화는 거울의 기능을 강화시키고, 구체적으로 이것에 보다 균일한 색을 제공하는 것으로 언급된다.This type of material is also studied in patent application WO 98/14824, and in applications for electrochromic mirrors, studies have been carried out on nickel oxides alloyed with other metals such as vanadium, chromium, manganese, iron or cobalt, and such compositions The change in is said to enhance the mirror's function and specifically give it a more uniform color.
그러나, 이러한 방법으로 니켈 산화물에 다른 금속을 주입하는 것은 니켈 산화물의 광학 및 전기화학적 특성에 대해 위험을 초래하는 것으로 보인다. 따라서, 예를 들어 바나듐과 크롬의 주입(이것의 산화물은 가시 영역에서 흡수한다)은 니켈 산화물을 보다 흡수성이 좋도록 하고, 이에 따라 착색되지 않은 상태에서는 전체적으로 활성 시스템의 광투과 값을 감소시킬 위험이 있다. 이와 유사하게, 망간, 철 및 코발트의 주입은 층의 내구성을 감소시키고, 이에 따라 전체적으로 활성 시스템의 내구성을 감소시키기 쉽다.However, injecting other metals into the nickel oxide in this way appears to pose a danger to the optical and electrochemical properties of the nickel oxide. Thus, for example, the injection of vanadium and chromium (its oxide absorbs in the visible region) makes nickel oxide more absorbable, thus reducing the overall light transmission value of the active system in the uncolored state. There is this. Similarly, the implantation of manganese, iron and cobalt reduces the durability of the layer and thus is likely to reduce the durability of the active system as a whole.
따라서, 본 발명의 목적은 구체적으로 양극 전기변색 특성을 갖는 니켈 산화물을 제조하는 새로운 방법을 제안함으로써 이러한 단점을 개선하는 것으로, 구체적으로 이러한 제조 방법은 이 외의 다른 경우에도 니켈 산화물의 원하는 기능을 손상시키지 않으면서 보다 신속하고 보다 경제성이 있으며, 수행하기 더욱 간단하다. 이러한 "기능"은 특히 전기변색 시스템에서 작동하는 이것의 안정성, 내구성에 대한 것으로, 가장 구체적으로는 H+ 전도성 타입 또는 Li+ 전도성 타입 및 "모든 고체" 타입의 이것의 안정성과 내구성에 대한 것이고, 이것이 박층에 있을 때 탈색 상태에서의 투명도에 대한 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to ameliorate these drawbacks by proposing a new method of producing nickel oxide specifically having anodic electrochromic properties, and in particular, such a manufacturing method impairs the desired function of nickel oxide even in other cases. Faster, more economical, and simpler to perform. This "function" is especially for its stability, durability, which works in electrochromic systems, most specifically for its stability and durability of the H + conductive type or the Li + conductive type and the "all solid" type, This is for transparency in the discolored state when in the thin layer.
일차적으로 본 발명의 과제는, 구체적으로 박층인 해당 금속 산화물을 얻기 위해 산소 존재시의 반응 환경에서, 바람직하게 자기장에 의한 장치인 음극 스퍼터링 장치의 기본적인 금속 타깃으로, 상기 타깃은 주로 니켈을 포함하고 이것의 강자기성을 감소시키거나 또는 심지어 제거하기 위해 적어도 하나의 다른 소수 원소(minor element)와 합금되고, 동시에 이러한 타깃으로부터 얻어진 합금 니켈 산화물 층의 가능한 광학 및/또는 전기화학적 특성 또한 보존한다.Firstly, the object of the present invention is a basic metal target of the negative electrode sputtering apparatus, which is preferably a device by a magnetic field, in a reaction environment in the presence of oxygen, specifically to obtain a thin metal layer of the metal oxide, wherein the target mainly comprises nickel. It is alloyed with at least one other minor element to reduce or even eliminate its ferromagnetic, while at the same time preserving the possible optical and / or electrochemical properties of the alloy nickel oxide layer obtained from this target.
보다 명확하게, 본 발명은 반응 스퍼터링에 의해 타깃의 보다 빠른 속도와 보다 우수한 경제성으로 니켈 산화물에 기초한 층을 이들의 기능을 저하시키지 않으면서 얻을 수 있도록 하고, 주의깊게 선택된 원소들을 타깃에 첨가함으로써 유리 한 해결책을 제시한다. 제조 효율의 이득에 의한 최대 효과는 니켈의 강자기 특성을 완전하게 제거함으로써 이루어지지만, 첨가된 원소의 화학적 특성과 타깃에 혼합된 이러한 원소의 양을 적절하게 변화시킴으로써 이것을 단순히 감소시키는 것이 선택될 수 있다.More specifically, the present invention allows the use of nickel oxide based layers at a faster rate and better economy of the target by reaction sputtering without compromising their functionality, and by adding carefully selected elements to the target. Provide a solution. The maximum effect by the gain in manufacturing efficiency is achieved by completely removing the ferromagnetic properties of nickel, but simply reducing it by appropriately changing the chemical properties of the added elements and the amount of these elements mixed in the target can be chosen. have.
일반적으로, 합금 중의 이러한 소수 원소(들)의 비율은 결합된 니켈 + 소수 원소(들)에 대해 20 원자%보다 크지 않고, 바람직하게는 특히 18%보다 크지 않으며, 예를 들어 3%와 15% 사이이다.In general, the proportion of such minor element (s) in the alloy is no greater than 20 atomic%, preferably not particularly greater than 18%, relative to the bound nickel + minor element (s), for example 3% and 15% Between.
본 발명에 대해, "니켈 산화물"이라는 용어는 여러 정도로 수화(hydration) 및/또는 하이드록시화(hydroxylation) 및/또는 양성자화[및 선택적으로 질소화물 처리된(nitride-treated)]될 수 있는 니켈 산화물을 의미한다. 이와 유사하게, 니켈과 산소 사이의 화학량론은 일반적으로 1과 1/2 사이의 Ni/O 비율로 변할 수 있다. 그러나, 니켈은 일반적으로 +2의 산화 상태가 우세한 것으로 생각될 수 있다.For the present invention, the term "nickel oxide" refers to nickel which can be hydrated and / or hydroxylation and / or protonated (and optionally nitride-treated) to some extent. Means oxide. Similarly, the stoichiometry between nickel and oxygen can generally vary with Ni / O ratios between 1 and 1/2. However, nickel can generally be considered to be predominant in the oxidation state of +2.
타깃의 화학적 특성에 대해 서로 다른 변형이 가능하고, 이러한 것은 선택적이거나 누적되는 변형이다.Different modifications are possible to the chemical properties of the target, which are either selective or cumulative.
제 1변형은 이러한 소수 원소(단순하게 하기 위해 아래에서 "첨가제"라는 용어로 표시)으로 이루어지는데, 이러한 소수 원소는 이것의 산화물이 양극 착색을 갖는 전기변색 물질인 금속이다. 이것은 구체적으로 다음 금속 중 적어도 하나가 될 수 있다: Ir, Ru, Rh. 이상적으로, 이것은 또한 가장 특별하게는 이리듐에 대한 경우로, 해당 산화물은 니켈 산화물과 동일하거나 또는 이에 가까운 작동 전압 범위를 갖는다. 니켈 산화물의 기능을 파괴하지 않고, 첨가제는 이것을 그대로 유지 할 수 있도록 하고 가능하면 이것의 가역적인 이온 삽입 능력을 증가시킬 수 있도록 한다. 이러한 경우에, 니켈 산화물의 보다 두꺼운 층의 변화와 동일한 수준의 광학/에너지 변화를 유지하면서, 층의 두께를 감소시키는 것을 생각할 수 있다.The first variant consists of these minor elements (denoted by the term "additives" below for simplicity), which are metals whose oxides are electrochromic materials with anodic coloring. It may specifically be at least one of the following metals: Ir, Ru, Rh. Ideally, this is also most particularly the case for iridium, where the oxide has an operating voltage range equal to or close to nickel oxide. Without destroying the function of nickel oxide, the additive makes it possible to maintain it and, if possible, increase its reversible ion insertion capacity. In this case, it is conceivable to reduce the thickness of the layer while maintaining the same level of optical / energy change as the change of the thicker layer of nickel oxide.
제 2변형은 첨가제로 이루어지는데, 이러한 첨가제는 이것의 산화물이 음극 착색을 갖는 전기변색 물질인 금속이다. 이것은 구체적으로 다음 금속 중 적어도 하나가 될 수 있다: Mo, W, Re, Sn, In, Bi. 이러한 방법으로 니켈 산화물에 이러한 물질을 주입하는 것은 역설적이고 혼란을 초래하는 것으로 보일 수 있다. 사실상, 상술된 금속 산화물은 양극 전기변색 물질로 사용되는 니켈 산화물에 의해 도달되는 전위 이상의 작동 전압 범위에서 음극 이온 삽입 능력을 갖는다. 따라서, 니켈 산화물에서 산화 형태로 효과적으로 발견되는 이러한 첨가제들은 비활성으로, 니켈 산화물이 텐션(tension) 하에 위치함으로써 색 변화를 거칠 때 무색으로 유지된다. 이러한 첨가제는, 활성 시스템이 작동할 때 중화되고, 탈색 상태에서 광투과 정도를 감소시키지 않는다. 한편, 이들의 존재는 전체적으로 층의 이온 삽입 능력을 감소시키기 쉽고, 따라서 만일 필요하다면 이러한 현상을 보상하기 위해 이것의 두께를 약간 증가시키는 것이 가능하며, 이러한 측정은 또한 다음에 오는 모든 변형에 대해서도 생각할 수 있다.The second variant consists of an additive, which is a metal whose oxide is an electrochromic material with cathodic coloring. It may specifically be at least one of the following metals: Mo, W, Re, Sn, In, Bi. Injecting such materials into nickel oxide in this way can be seen as paradoxical and disruptive. In fact, the metal oxides described above have the ability to insert cathode ions in the operating voltage range above the potential reached by the nickel oxide used as the anode electrochromic material. Thus, these additives, which are effectively found in oxidized form in nickel oxide, are inert, and remain colorless when the nickel oxide is subjected to color change by being placed under tension. These additives are neutralized when the active system is in operation and do not reduce the degree of light transmission in the decolorized state. On the other hand, their presence tends to reduce the ion insertion capacity of the layer as a whole, and therefore it is possible to slightly increase its thickness if necessary to compensate for this phenomenon, and this measurement is also conceivable for all subsequent deformations. Can be.
제 3변형은 수화 및/또는 하이드록시화된 산화물이 양성자 전도체인 금속, 알칼리 토금속 또는 반도체로 제조된 첨가제로 이루어진다. 이것은 구체적으로 다음 금속 중 적어도 하나가 될 수 있다: Ta, Zn, Zr, Al, Si, Sb, U, Be, Mg, Ca, Y. 산화 형태의 이러한 물질에는 두드러진 전기변색 특성이 없다. 한편, 이러한 물 질은 전기변색 시스템에서 양성자 전도 전해질로 작용할 수 있는 물질로 작용하는 특성이 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 물질이 본질적으로 니켈 산화물의 전기변색 특성을 향상시키지는 않지만, 이것의 기능에 부정적인 영향을 미치지는 않고 오히려 니켈 산화물에 대해 바람직할 수 있는 하이드록시화/수화의 안정성을 향상시킬 수 있다. 물론, 이러한 변형은 기본적으로 양성자 H+의 가역적인 삽입에 의해 작용하는 전기변색 시스템에 대한 것이라는 것을 주목해야만 한다.The third variant consists of additives made of metals, alkaline earth metals or semiconductors in which the hydrated and / or hydroxylated oxides are proton conductors. It may specifically be at least one of the following metals: Ta, Zn, Zr, Al, Si, Sb, U, Be, Mg, Ca, Y. These materials in oxidized form do not have noticeable electrochromic properties. On the other hand, these materials are known to have the property of acting as a material that can act as a proton conducting electrolyte in the electrochromic system. Such materials do not inherently improve the electrochromic properties of nickel oxide, but do not adversely affect its function but may rather improve the stability of hydroxylation / hydration which may be desirable for nickel oxide. Of course, it should be noted that this modification is primarily for electrochromic systems acting by reversible insertion of protons H + .
제 4변형은 첨가제로 이루어지는데, 이러한 첨가제는 이것의 산화물이 흡습성(hygroscopic)이 있는 금속으로, 이러한 특징은 관련된 전기변색 시스템이 이온, 가장 구체적으로는 양성자와 같은 양이온의 삽입/이탈에 의해 작용하는 것일 때 또한 유리하다. 이러한 첨가제는 일반적으로 알칼리 금속으로, 구체적으로는 Li, Na, K, Rb, Cs이 있다. 니켈 산화물의 산화 형태일 때, 니켈 산화물이 전기변색 시스템에서 양극성 전기변색 물질로 작용하고, 가장 구체적으로 니켈 산화물이 수화/하이드록시화되면, 이러한 물질은 층에 함유되어 있는 물의 보유량을 증가시켜서, 니켈 산화물의 안정성을 증가시키는 것으로 발견된다.The fourth variant consists of an additive, which is an oxide whose metal is hygroscopic, which is characterized by the fact that the associated electrochromic system works by the insertion / deletion of ions, most specifically cations such as protons. It is also advantageous when doing. Such additives are generally alkali metals, specifically Li, Na, K, Rb, Cs. In the oxidized form of nickel oxide, when nickel oxide acts as a bipolar electrochromic material in an electrochromic system, and most particularly when the nickel oxide is hydrated / hydroxylated, such material increases the retention of water in the layer, thereby It is found to increase the stability of the oxide.
본 발명의 타깃의 바람직한 실시예는 Ni/Si, Ni/Al, Ni/Sn, Ni/W, Ni/Zn, Ni/Ta 및 Ni/Y 합금으로, 앞에서 3개의 합금은 제조가 가장 저렴한 것이다. 합금 타깃은, 예를 들어 합금되는 금속 분말의 고온 소결(hot sintering)과 같이 진공 증착 분야에서 알려져 있는 방법으로 제조된다. 생각될 수 있는 모든 합금에 대한 일부 첨가제의 원자 비율에 대한 표시가 아래 표시되어 있고, 이러한 비율은 타깃 의 강자기성이 완전히 제거되도록 조절된다.Preferred embodiments of the target of the present invention are Ni / Si, Ni / Al, Ni / Sn, Ni / W, Ni / Zn, Ni / Ta and Ni / Y alloys, with the three alloys being the cheapest to manufacture. Alloy targets are produced by methods known in the vacuum deposition art, for example, by hot sintering of alloyed metal powders. An indication of the atomic ratio of some additives to all conceivable alloys is shown below, and this ratio is adjusted to completely eliminate the ferromagnetic properties of the target.
⇒ Ni/W 합금에 대해, 약 7 원자%의 텅스텐 W을 제공하는 것이 필요하다.For Ni / W alloys, it is necessary to provide about 7 atomic percent tungsten W.
⇒ Ni/Zn 합금에 대해, 약 18 원자%의 아연 Zn을 제공하는 것이 필요하다.⇒ For Ni / Zn alloys, it is necessary to provide about 18 atomic% zinc Zn.
⇒ Ni/Ta 합금에 대해, 약 9 원자%의 탄탈륨 Ta을 제공하는 것이 필요하다.⇒ For Ni / Ta alloys, it is necessary to provide about 9 atomic% of tantalum Ta.
⇒ Ni/Sn 합금에 대해, 약 8 원자%의 주석 Sn을 제공하는 것이 필요하다.For Ni / Sn alloys, it is necessary to provide about 8 atomic% tin Sn.
⇒ Ni/Si 합금에 대해, 약 10 원자%의 실리콘 Si을 제공하는 것이 필요하다.⇒ For Ni / Si alloys, it is necessary to provide about 10 atomic% of silicon Si.
⇒ Ni/Y 합금에 대해, 약 3 원자%의 이트륨 Y을 제공하는 것이 필요하다.For Ni / Y alloys, it is necessary to provide about 3 atomic% yttrium Y.
그러나, 상술된 바와 같이, 예를 들어 타깃의 제조 비용을 제한 및/또는 얻어지는 합금 니켈 산화물층의 임의적인 기능 감소를 제한하기 위해, 이것의 강자기성을 완전하게 제거하는데 필요한 양보다 적은 양의 첨가제를 니켈에 첨가하는 것을 또한 선택할 수 있다.However, as described above, for example, in order to limit the manufacturing cost of the target and / or to limit the arbitrary reduction of the function of the resulting alloy nickel oxide layer, an amount of additive less than the amount necessary to completely remove its ferromagnetic It can also be chosen to add to nickel.
본 발명의 과제는 또한 합금 니켈 산화물에 기초한 박층을 제조하는 방법으로, 이것은 선택적으로 수화 및/또는 하이드록시화 및/또는 양성자화 및/또는 질소화물 처리되고, 이것은 상기 설명된 타깃으로부터 산화 반응 조건에서 자기장에 의한 음극 스퍼터링 기술을 사용한다.The object of the present invention is also a method of producing a thin layer based on alloy nickel oxide, which is optionally hydrated and / or hydroxylated and / or protonated and / or nitrified, which is subject to oxidation reaction conditions from the target described above. Uses a cathode sputtering technique by a magnetic field.
본 발명의 과제는 또한 상기 산화물에 기초한 박층으로 양극 전기변색 물질을 제조하는 방법의 이용이다.The problem of the present invention is also the use of a method of producing an anode electrochromic material from a thin layer based on said oxide.
또한 본 발명의 과제는, 적어도 하나의 전기화학 활성층을 포함하는 기능층 스택(stack of functional layers)을 구비한 운반체 기판(carrier substrate)을 적어도 하나 포함하는 전기화학 장치로, 이는 H+, Li+ 및 OH-와 같은 이온과 전자들을 가역적으로 그리고 동시에 삽입할 수 있고, 상기 층은 상기 산화물을 기초로 한다.A subject of the present invention is also an electrochemical device comprising at least one carrier substrate having a stack of functional layers comprising at least one electrochemically active layer, which is H + , Li + And ions and electrons such as OH − can be reversibly and simultaneously inserted, and the layer is based on the oxide.
이러한 산화물은 타깃으로부터 얻어질 수 있는데, 이것의 조성물은 상술된 4개의 변형에서 정의된다. 또한, 일반적으로, 타깃 합금에서 니켈에 대한 첨가제(들)의 원자 비율은, 생각되는 타깃으로부터 얻어지는 산화물 층에 있는 니켈에 대한 첨가제의 원자 비율 영역에 일반적으로 있다는 것을 주목해야만 한다.Such oxides can be obtained from a target, the composition of which is defined in the four variants described above. It should also be noted that, in general, the atomic ratio of the additive (s) to nickel in the target alloy is generally in the atomic ratio region of the additive to nickel in the oxide layer resulting from the conceivable target.
본 발명에 따른 첨가제를 니켈 타깃에 첨가하는 것은, 본 타깃으로부터 얻어지는 산화물층의 구조에 영향을 미치는 것으로 발견된다. 첨가제의 존재는 니켈 산화물의 결정화에 불리한 것으로 보인다. 따라서, 주로 비결정성인 층이 작은 결정의 "그레인(grain)"을 갖고 얻어지고, 이것은 가장 구체적으로 W, Si 및 Li 타입의 첨가제에 대해 확인된다. 이것의 모양을 거의 구형으로 근사화함으로써, 이러한 그레인은 일반적으로 50nm 미만, 특히 적어도 2 내지 3nm의 직경을 갖는다. 표준 니켈 산화물의 경우보다 더 큰 비결정상(amorphous phase) 및/또는 더 작은 결정 스레인을 갖는 것이 유리한데, 이것은, 층의 결정질 부분보다는 비결정질 부분이 니켈 산화물의 전기변색 특성을 이용하는 전기화학 장치에서 활성이 되기 때문이다. 따라서 본 발명에 따른 층은 대체로 시트(sheet) 사이에 Li 타입의 삽입 화합물을 갖는 시트 구조를 갖지 않고, 오히려 그레인으로 균일한 분포를 갖는 전체적인 비결정성 구조를 갖는다.The addition of the additive according to the present invention to the nickel target is found to affect the structure of the oxide layer obtained from the present target. The presence of additives appears to be detrimental to the crystallization of nickel oxide. Thus, mainly amorphous layers are obtained with "grains" of small crystals, which are most specifically identified for additives of the W, Si and Li type. By approximating its shape almost spherical, such grains generally have a diameter of less than 50 nm, in particular at least 2 to 3 nm. It is advantageous to have a larger amorphous phase and / or smaller crystalline strain than in the case of standard nickel oxide, in an electrochemical device where the amorphous portion rather than the crystalline portion of the layer takes advantage of the electrochromic properties of nickel oxide. This is because it becomes active. The layer according to the invention thus generally does not have a sheet structure with an intercalation compound of Li type between sheets, but rather has an overall amorphous structure with a uniform distribution in grain.
층은, 선택적으로 수화/하이드록시화 및/또는 질소화물 처리되고, 산화물이 Ir, Ro 또는 Rh와 같은 양극 전기변색 물질인 적어도 하나의 첨가제와 합금되거나, 또는 산화물이 Mo, W, Re, Sn, In 또는 Bi와 같은 음극 전기변색 물질인 적어도 하나의 금속과 합금되거나, 또는 수화 및/또는 하이드록시화된 산화물이 Ta, Zn, Zr, Al, Si, Sb, U, Mg, La 또는 Y와 같은 양성자 전도체인 적어도 하나의 알칼리 토금속 또는 반도체와 합금되는 니켈 산화물에 기초할 수 있다. 최종적으로, 이것은 산화물이 흡습성이 있는 첨가제, 예를 들어 Li, Na, K, Rb 또는 Cs와 같은 알칼리 금속과 합금될 수 있다.The layer is optionally hydrated / hydroxylated and / or nitrified and alloyed with at least one additive whose oxide is an anodic electrochromic material such as Ir, Ro or Rh, or where the oxide is Mo, W, Re, Sn Alloyed with at least one metal that is a cathodic electrochromic material, such as In, or Bi, or a hydrated and / or hydroxyated oxide with Ta, Zn, Zr, Al, Si, Sb, U, Mg, La, or Y It may be based on nickel oxide alloyed with at least one alkaline earth metal or semiconductor which is the same proton conductor. Finally, this may allow the oxide to be alloyed with hygroscopic additives, for example alkali metals such as Li, Na, K, Rb or Cs.
여기서 "합금된"이라는 용어는 다음 의미를 갖는다는 것을 주목해야 한다. 본 첨가제는 니켈 산화물과 산화물 형태로 결합된다. 이러한 산화물은 니켈 산화물의 미세영역(microdomain)으로부터 형성되는 매트릭스 형태일 수 있는데, 이 내부는 본 첨가제의 산화물에 기초하는 미세영역이다. 시스템은 또한 정확한 혼합 산화물로, 여기서 니켈 원자는 본 첨가제의 원자와 치환된다.It should be noted that the term "alloyed" has the following meaning. The additive is combined in the form of nickel oxide and oxide. This oxide may be in the form of a matrix formed from microdomains of nickel oxide, the interior of which is a microdomain based on the oxide of the additive. The system is also an accurate mixed oxide, where the nickel atoms are replaced with atoms of the present additive.
바람직한 실시예에는 NiSixOy, NiAlxOy, NiSnxO y, NiWxOy, NiZnxOy, NiTaxOy 및 NiYxOy가 있다.The preferred embodiment has a NiSi x O y, NiAl x O y, NiSn x O y, NiW x O y, NiZn x O y, NiTa x O y and x O y NiY.
또한 얻어진 층은 수화 및/또는 하이드록시화 및/또는 양성자화 및/또는 질소화물 처리될 수 있고, 층의 수화, 양성자화 및/또는 하이드록시화 및/또는 질소화물 처리 정도를 조절하는 것은, 구체적으로 음극 스퍼터링 증착 파라미터를 적절하게 조절함으로써, 예를 들어 증착 중 반응 조건의 조성을 조절함으로써(특히 특허 EP-A-0 831 360의 전해질 층에서 생각되는 것과 같은) 이루어질 수 있다는 것을 주목해야 한다. 반응 조건은 특히 적어도 하나의 원자가 질소인 특정한 양의 분자들을 포함할 수 있다.The obtained layer may also be hydrated and / or hydroxylated and / or protonated and / or nitrified and controlling the degree of hydration, protonation and / or hydroxylation and / or nitrification of the layer, In particular, it should be noted that by appropriately adjusting the cathode sputtering deposition parameters, for example by adjusting the composition of the reaction conditions during deposition (especially as contemplated in the electrolyte layer of patent EP-A-0 831 360). The reaction conditions may in particular comprise a certain amount of molecules in which at least one atom is nitrogen.
최종적으로, 본 발명의 과제는 이러한 전기화학 장치가 전기변색 글레이징의 일부를 형성할 수 있도록 이러한 전기화학 장치를 사용하는 것이다. 이러한 글레이징은 외부 글레이징 또는 내부 칸막이로, 또는 글레이징 문으로 건물을 치장할 수 있다. 이것은 또한 측면 창유리, 선루프(sunroof) 등으로 기차, 보트, 비행기, 자동차 또는 밴(van)과 같은 임의 수단의 교통 기관도 치장할 수 있다. 이것은 또한, 예를 들어 컴퓨터 또는 텔레비전 스크린 또는 터치 스크린과 같은 디스플레이 스크린 글레이징에 사용되거나, 안경, 사진기의 대물렌즈 및 태양전지판 보호(solar panel protection)에서 사용될 수 있다. 이것은 또한, 예를 들어 자동차의 눈부심 방지 백미러를 제조하기 위한 거울로 사용될 수 있다 {전기전도층 중 하나를 충분히 두껍게 하고/하거나 불투명 코팅(opacifying coating)을 첨가해서}. 이것은 또한 전지(cell)와 배터리(battery)와 같은 에너지 저장 장치 제조에 사용될 수 있다.Finally, the task of the present invention is to use such electrochemical devices such that such electrochemical devices can form part of the electrochromic glazing. Such glazing can be embellished with external glazing or interior partitions or with glazing doors. It can also embellish any means of transportation such as trains, boats, airplanes, cars or vans with side panes, sunroofs and the like. It can also be used for display screen glazing, for example computer or television screens or touch screens, or in glasses, camera objectives and solar panel protection. It can also be used, for example, as a mirror for producing an anti-glare rearview mirror of an automobile (by sufficiently thickening one of the conductive layers and / or by adding an opaque coating). It may also be used in the manufacture of energy storage devices such as cells and batteries.
본 발명의 다른 유리한 상세한 설명과 특징은 제한적이지 않은 여러 가지 실시예로부터 아래에 나타날 것이다.Other advantageous details and features of the invention will appear from various non-limiting embodiments below.
다음 실시예들은 소위 "모두 고체인" 전기변색 글레이징이다.The following examples are so-called "all solid" electrochromic glazings.
비교예 1Comparative Example 1
글레이징은 다음 순서를 갖는다 Glazing has the following sequence
유리(1)/SnO2:F(2)/NiOxHy (3)/WO3 (4)/Ta2O5 (5)/HxWO3 (6)/ITO (7) Glass (1) / SnO 2 : F (2) / NiO x H y (3) / WO 3 (4) / Ta 2 O 5 (5) / H x WO 3 (6) / ITO (7)
4mm/300nm 200nm 100nm 100nm 250nm 150nm4mm / 300nm 200nm 100nm 100nm 250nm 150nm
⇒ 유리(1)는 표준의 깨끗한 실리콘-소듐-칼슘 평면 유리이고,⇒ glass (1) is standard clean silicon-sodium-calcium flat glass,
⇒ 불소가 도핑된 주석 산화물로 제조된 층(2)은 CVD에 의한 알려진 방법으로 얻어지는 제 1 투명 전기전도층이며,⇒ The layer 2 made of fluorine-doped tin oxide is the first transparent conductive layer obtained by a known method by CVD,
⇒ NiOxHy로 제조된 층(3)은 반대 전극으로, 시스템의 양극 전기변색 물질이며, 약 99.95 원자%의 니켈을 함유하는 니켈 타깃으로부터 Ar/O2/H2의 반응 조건 존재시 음극 스퍼터링에 의해 얻어진다.⇒ The layer (3) made of NiO x H y is the opposite electrode, the anode electrochromic material of the system, the cathode in the presence of the reaction conditions of Ar / O 2 / H 2 from a nickel target containing about 99.95 atomic% nickel It is obtained by sputtering.
⇒ 전해질을 형성하는, WO3으로 제조된 층(4)과 Ta2O5으로 제조된 층(5)은 W와 Ta로 제조되는 타깃으로부터 음극 스퍼터링에 의해 알려진 방법으로 증착된다(특히 특허 EP-A-0 867 752의 교시에 따라).⇒ A layer 4 made of WO 3 and a layer 5 made of Ta 2 O 5 , which form an electrolyte, are deposited by a known method by cathode sputtering from a target made of W and Ta (especially patent EP- According to the teaching of A-0 867 752).
⇒ HxWO3으로 제조된 층(6)은 음극 전기변색 물질층으로, 텅스텐 타깃으로부터 반응 스퍼터링에 의해 알려진 방법으로 증착된다.A layer 6 made of H x WO 3 is a layer of cathode electrochromic material which is deposited from a tungsten target by a known method by reaction sputtering.
⇒ 주석이 도핑된 인듐 산화물로 제조되는 층(7)은 제 2 투명 전기전도층으로, 이것은 또한 인듐과 주석으로 제조된 합금 타깃으로부터 음극 스퍼터링에 의해 알려진 방법으로 증착된다.The layer 7 made of tin-doped indium oxide is a second transparent electroconductive layer, which is also deposited by a known method by cathode sputtering from an alloy target made of indium and tin.
이러한 글레이징은, 글레이징에 걸쳐 생성되는 전위차를 적절한 방법으로 변화시켜서, 하나의 전기변색층에서 다른 층으로의 양성자 이동에 의해 작용한다. This glazing acts by proton transfer from one electrochromic layer to another by varying the potential difference produced over the glazing in a suitable way.
NiOxHy로 제조된 층(3)은 어렵게 얻어진다. 이것의 증착 속도는 4nm.m/분일 뿐이다. 타깃은 균일하게 마모되지 않는다[이것의 마모도(degree of wear)는 5% 미만이다].The layer 3 made of NiO x H y is difficult to obtain. Its deposition rate is only 4 nm.m / min. The target does not wear uniformly (its degree of wear is less than 5%).
본 발명에 따른 실시예 2Example 2 according to the present invention
이것은, NiOxHy로 제조된 층(3)을 250nm 두께의 NiSizOxHy 로 제조된층(3a)과 치환하는 것으로 이루어지는데, NiSizOxHy로 제조된층(3a)은 Ni + Si에 대해 약 10%의 Si 원자 비율을 갖는 Ni/Si 합금 타깃으로부터 Ar/O2/H2 반응 조건에서의 음극 스퍼터링에 의해 얻어진다.This consists in substituting the layer 3 made of NiO x H y with the layer 3a made of NiSi z O x H y of 250 nm thickness, the layer 3a made of NiSi z O x H y . Silver is obtained by cathode sputtering under Ar / O 2 / H 2 reaction conditions from a Ni / Si alloy target having a Si atomic ratio of about 10% relative to Ni + Si.
본 발명에 따른 실시예 3Embodiment 3 according to the present invention
이것은, NiOxHy로 제조된 층(3)을 250nm 두께의 NiWzOxHy 로 제조된층(3b)과 치환하는 것으로 이루어지는데, NiWzOxHy로 제조된층(3b)은 Ni + W에 대해 약 7%의 W 원자 비율을 갖는 Ni/W 합금 타깃으로부터 위와 같이 얻어진다.This consists in substituting the layer 3 made of NiO x H y with the layer 3b made of NiW z O x H y of 250 nm thickness, the layer 3b made of NiW z O x H y . The above is obtained from a Ni / W alloy target having a W atomic ratio of about 7% with respect to Ni + W.
아래 표 1은 상기 3개의 실시예에 따라 얻어지는 니켈 산화물에 기초하는 층의 증착 속도(v)를 나타내고, 이러한 속도는 nm.m/분 단위로 표시된다(3.5 W/cm2에서의 증착에 대해).Table 1 below shows the deposition rates (v) of the nickel oxide based layers obtained according to the three examples, which are expressed in nm.m / min (for deposition at 3.5 W / cm 2) . ).
상술된 층으로 코팅된 유리에는 알려진 방법으로 전압 발생기(voltage generator)에 연결되는 전력 공급이 제공된다. 다음으로 이것은 1.25mm 두께의 폴리우레탄 시트를 통해 첫 번째 것과 동일한 제 2 유리로 적층된다.The glass coated with the above-described layer is provided with a power supply connected to a voltage generator in a known manner. This is then laminated to the same second glass as the first through a 1.25 mm thick polyurethane sheet.
다음으로 3개의 적층 글레이징 샘플은 착색/탈색 사이클(약 -1.2V의 전압을 가해서 착색하고, 약 0.8V의 전압을 가해서 탈색시킴)을 거쳤다. 글레이징 샘플이 착색되고 ("착색") 이후 탈색되면 ("탈색"), 광투과시 비색 시스템(colorimetry system)(L, a*, b*)에서 a*와 b*의 % 단위 광 투과 값(TL)과, % 단위 에너지 투과 값(TE)(TL 측정에 대한 기준: 발광체 D65)이 측정되었다. 아래 표 2에는 3개의 글레이징 샘플에 대한 이러한 모든 데이터가 대조되어 있다.The three laminated glazing samples were then subjected to a coloring / bleaching cycle (coloring by applying a voltage of about -1.2V and decolorizing by applying a voltage of about 0.8V). When the glazing sample is colored ("colored") and subsequently bleached ("bleached"), the light transmission values (in%) of a * and b * in the colorimetry system (L, a * , b * ) during light transmission ( T L ) and% energy transmission value (T E ) (reference for T L measurement: emitter D 65 ) were measured. Table 2 below contrasts all these data for the three glazing samples.
이러한 데이터에 의해, 니켈 산화물에 기초한 전기변색 물질에 이루어지는 변화는 이것의 성능에 영향을 미치지 않는다는 것을 확인하는 것이 가능하다. 본 발명에 따른 실시예 2와 3으로 얻어지는 광 투과 범위와 에너지 투과 범위는, 비교예 1과 실질적으로 동일하고, 투과시 비색 표시는 어느 경우에도 크게 변하지 않는다. 한편, 본 발명에 따른 니켈 산화물에 기초한 층의 증착 속도는, 니켈 산화물에 기초한 표준 층의 증착 속도보다 적어도 5배가 빠르다.From these data, it is possible to confirm that the change in the electrochromic material based on nickel oxide does not affect its performance. The light transmission range and the energy transmission range obtained in Examples 2 and 3 according to the present invention are substantially the same as in Comparative Example 1, and the colorimetric display during transmission does not change significantly in any case. On the other hand, the deposition rate of the layer based on nickel oxide according to the present invention is at least five times faster than the deposition rate of the standard layer based on nickel oxide.
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