MXPA97009882A - Dispositivo y metodo para modulacion de luz - Google Patents

Abstract

Se describe un dispositivo modulador de luz y un método. El dispositivo comprende un electrodo de trabajo,ópticamente transparente (14) en contacto con una capa de electrolito y un contraelectrodo (16) que hace contacto con la capa de electrolito. El contraelectrodo estádispuesto lateralmente al electrodo de trabajo y a la trayectoria de la luz transmitida. El método comprende la electrocristalización reversible de un metal a partir de la capa del electrodo que incrementa la densidadóptica y disminuye la transmisión de luz.

Description

DISPOSITIVO Y MÉTODO PARA MODULACIÓN DE LUZ ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN (1) Campo de la invención.

Esta invención se refiere en general al campo de la modulación de la luz para proyección y exhibición y, más particularmente, a dispositivos electro-ópticos y a métodos que utilizan materiales electrocrómicos para modular la transmisión de la luz en dispositivos de proyección y/o de exhibición por iluminación posterior. (2) Descripción de la técnica relacionada Los dispositivos moduladores de luz que varían ya sea la cantidad de luz reflejada o la cantidad de luz transmitida son conocidos en la técnica para la exhibición de información alfa-numérica, gráfica y otra información óptica. Algunos de esos dispositivos moduladores de luz utilizan procedimientos electrocrómicos que cambian reversiblemente el color o la densidad óptica mediante oxidorreducción electroquímica. Los materiales electrocrómicos usados tienen diferentes colores o densidades ópticas en los estados oxidados, en comparación con los estados reducidos, y se logra la conversión reversible entre los estados oxidado y reducido -mediante la aplicación de una corriente eléctrica. Uno de dichos dispositivos y dichos procedimientos moduladores de luz electrocrómicos está descrito en la patente estadounidense No. 5,080,470, la cual queda incorporada aquí como referencia. El dispositivo descrito incluye una primera capa de electrodos ópticamente transparente, eléctricamente conductora, dispuesta en contacto con una cara de una capa de electrolito que contiene un material electrocrómico. Una segunda capa de electrodo opuesto hace contacto con la otra cara de la capa de electrolito. Se obtiene una fase de "escritura" aplicando una corriente entre las dos capas de electrodo, sirviendo la primera capa de electrodo como cátodo. Esto produce una reducción y la electrocristalización del material electrocrómico en la interfase entre la capa de electrolito y la primera capa de electrodo para aumentar la densidad óptica de la región de interfase. En la fase de "borrar" se invierte la corriente, de manera que la oxidación anódica produzca una disolución del material electrocrómico para que regrese la región de interfase a su estado ópticamente transparente.

BREVE DESCRIPCIttN DE LA INVENCIÓN El inventor de la presente ha logrado diseñar un dispositivo y un método novedosos que modulan la luz transmitid, usando un electrodo contrario que no necesita ser transparente. De acuerdo con la presente invención, el dispositivo modulador de luz comprende un electrodo ópticamente transparente que sirve como electrodo de trabajo; un segundo electrodo dispuesto lateralmente con respecto al electrodo de trabajo y que sirve como electrodo contrario u opuesto; y una capa de electrolito que hace contacto tanto con el electrodo de trabajo como con el electrodo contrario. Así, el electrodo contrario está lateral con respecto a la trayectoria de la luz transmitida y, por esa razón, no necesita ser transparente. El electrodo de trabajo y la capa de electrolito están dispuestos de tal manera que la región de interfase formada por sus superficies de contacto, tiene el diseño deseado de la transmisión de luz o del exhibidor iluminado por atrás. La capa de electrolito comprende (a) agua; (b) una sal de un metal que puede ser depositada reversiblemente desde una solución acuosa, cuando se le aplica una corriente eléctrica; (c) una resina polimérica que espesa en agua; y (d) una sal neutra. Cuando se aplica un voltaje negativo al electrodo de trabajo con respecto al electrodo contrario, pasa una corriente a través de la región de interfase de la capa de electrolito y el electrodo de trabajo, para producir una electrocristalización del ion metálico; incrementando de esa manera la densidad óptica de la región de interfase. Conforme la sal metálica es depositada sobre el electrodo de trabajo transparente, en la reacción de se icelda catódica, es necesario equilibrar la reacción electroquímica con una reacción se semicelda anódica. De tal manera, el sistema requiere de una especie capaz de participar en una reacción de semicelda reversible en el electrodo contrario y una especie que reacciona en el ánodo, adecuada, que puede ser disuelta en la capa de electrolito en sales bromuro o yoduro. Puesto que la reacción de semicelda de dichas sales de halógeno produce un halógeno gaseoso, es conveniente emplear un ánodo adsorbedor de gas, por ejemplo, de carbón, como el electrodo contrario. Alternativamente, se puede proveer la especie que reacciona con el ánodo como un revestimiento, por ejemplo, de hidroquinona, sobre el ánodo. En otra modalidad de la presente invención se provee un procedimiento para producir un dispositivo modulador de luz. El procedimiento comprende formar una interfase de una capa de electrolito con un electrodo de trabajo ópticamente transparente, y formar una interfase de un segundo electrodo contrario con la capa de electrolito; en donde el electrodo contrario está dispuesto lateralmente con respecto al electrodo de trabajo. Entre las diversas ventajas que se encuentra que se obtiene por medio de la presente invención, se incluye la provisión de un dispositivo para modulación de la luz, que se puede fabricará más fácilmente y a un costo menor que los dispositivos previamente disponibles; conmutándose más rápidamente la provisión de un dispositivo entre los modos de escritura y de borrar, como resultado de la conductividad incrementada; y la provisión de un método para producir y usar dicho dispositivo. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 ilustra las vistas (fi) supepor y (B) la toral de una celda rnod ladora de uz en el modo «Je "borrar" o "descone ón" . La figura 2 ilustra las vistas (fi) superior y (B) lateral, de la celda rnoduladora de luz en el modo de "escrib " o "conexión", cuando se aplica una corriente eléctrica. La figura 3 ilustra las vistas (fi) superior y (B) lateral, de la celda rnoduladora de luz, mientras se mantiene el modo de "escribir". La figura 4 .lustra las vistas (fi) superior y (B) lateral, de la celda rnoduladora de luz en el modo de "borrar", cuando se aplica una corriente eléctrica en una dirección opuesta a la aplicada durante el modo de "escribir". La figura 5 ilustra un exhibidor de siete segmentos, construido a partir de varias celdas rnodul ador-as de luz de la presente invención. La figura 6 ilustra una pluralidad de trazos conductor-es sobre un substrato, en el proceso de construir el exhibidor de la figura 5. La figura 7 ilustra el substrato de la figura 6 después de que los electrodos de trabajo y contrario han sido colocados sobre él; y La figura 8 es una vista en sección, tomada siguiendo la línea 8-8 de la figura 5.

DESCRIPCIaN DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS Una celda 1, moduladora de luz, construida de acuerdo con la presente invención, está mostrada en las figuras 1-4. En la celda está dispuesto un electrodo de trabajo 3 ópticamente transparente, en contacto con una capa de electrolito 2 en un lado superior del electrodo. El lado inferior del electrodo 3 hace contacto con el substrato 5. Dispuesto lateralmente con respecto al electrodo de trabajo 3, y en contacto con la capa 2 de electrolito, hay un electrodo contrario 4, que, en su lado inferior, también hace contacto con el substrato 5. El substrato 5 puede comprender una capa rígida, por ejemplo, de vidrio, o una capa flexible, por ejemplo, de película de poliéster o de poliimida, y está provista como una estructura soportadora. Sin embargo, se puede usar otros materiales no conductores adecuados para el substrato y, en algunas aplicaciones de la presente invención, se podría omitir el substrato. La capa 2 de electrolito, en algunas modalidades preferidas, tiene un espesor en la escala de unas cuantas mieras a unas cuantas decenas de mieras, y consta de una mezcla que tiene una consistencia relativamente sólida. Tal como se describió en la patente estadounidense No. 5,080,470, la mezcla de electrolito comprende agua y una resina polimérica que espesa en agua; una sal soluble en agua de un metal que puede ser depositada catódicamente a partir de una solución acuosa, que contiene también una sal neutra. Se establece un modo de "escribir" induciendo una corriente tal como se muestra en la figura 2B. Se aplica un voltaje negativo al electrodo de trabajo 3, con respecto al electrodo contrario 4, que hace que fluya una corriente desde el electrodo contrario 4, a través de la capa 2 de electrolito y del electrodo de trabajo 3. Esta corriente provoca la deposición eléctrica del metal y aumenta la densidad óptica de la región de interfase 6 entre el electrodo de trabajo 3 y la capa de electrolito 2. La densidad óptica en el modo de escribir es mantenida después que se retira el voltaje, tal como se muestra en la figura 3. Se establece un modo de "borrar" induciendo una corriente como se muestra en la figura 4. La corriente fluye desde el electrodo de trabajo 3, a través de la capa 2 de electrolito y al electrodo contrario 4. Por consiguiente, la corriente en el modo de borrar fluye en una dirección opuesta a la dirección de la corriente en el modo de "escribir". Esto se logra aplicando un voltaje positivo en el electrodo 3 de trabajo transparente, con respecto al electrodo contrario 4. Como resultado, la oxidación anódica del metal electrodepositado hace que el metal se disuelva en la capa de electrolito acuoso, disminuyendo de esa manera la densidad óptica de la región de interfase 6, que fue incrementada durante el modo de "escribir". Esto provoca que la celda 1 moduladora de luz efectúa regrese como en ciclo al estado "desconectado" mostrado en la figura 1. Los voltajes aplicados a la celda 1 moduladora de luz para producir los modos de "escribir" y "borrar" pueden variar desde una fracción de un voltio a varios voltios, dependiendo de la conductividad global de la celda. Sin embargo, típicamente, el voltaje preferido es menor que tres voltios. Si bien la alternancia entre los modos "escribir" y "borrar" se puede lograr tal como se representa en las figuras 1 a 4, también se puede usar la invención para producir grados diversos de transmisión de luz, dependiendo de la cantidad y la dirección de corriente, así como del tiempo durante el cual se aplica la corriente. Así, la celda puede hacerse ópticamente translúcida en lugar de ópticamente opaca, de manera que solamente una fracción deseada de la luz incidente sobre la celda sea transmitida. Posteriormente, se puede modular adicionalmente la luz transmitida aplicando más corriente para incrementar adicionalmente la densidad óptica de la región de interfase 6, o bien aplicando una corriente en la dirección opuesta para disminuir la densidad óptica. El metal presente en la capa de electrolito es uno que puede ser depositado catódicamente por electrocristalización, y luego se puede oxidar y disolver anódicamente. La sal metálica está presente en la capa de electrolito en una cantidad típicamente de l a 50 partes en peso, aproximadamente. Los metales adecuados incluyen, por ejemplo: zinc, cadmio, plomo, plata, cobre, hierro, cobalto, níquel, estaño, indio, bismuto, galio, mercurio y sus aleaciones. El metal usado en la modalidad preferida es el bismuto. La lista anterior de metales adecuados solamente es ejemplar, y quienes sean expertos en la materia apreciarán que se puede usar otros metales adecuados y sus aleaciones, en la medida en que satisfagan los criterios señalados más arriba. La capa de electrolito comprende una resina polimérica que espesa en agua, por ejemplo, típicamente una solución o dispersión coloidal. Está presente el polímero en el electrolito típicamente en una cantidad aproximada de 1 a 50 partes en peso. Las resinas poliméricas adecuadas son: polioxialcanos, polivinilpirrolidonas, alcoholes polivinílicos, éteres celulósicos y sus mezclas, todos ellos solubles en agua. Las resinas poliméricas típicamente tienen un peso molecular aproximado de entre 10,00 y 10,000,000. En la modalidad preferida, la resina soluble en agua es hidroxietilcelulosa. Puesto que la reacción de semicelda en el electrodo de trabajo es una reducción catódica de metal, por ejemplo, del bismuto, hay necesidad de una reacción de semicelda anódica correspondiente en el electrodo contrario. Las reacciones de semicelda anódica útiles incluyen la oxidación de los aniones bromuro a bromo, la oxidación de la forma esmeraldina de la polianilina, a pernigranilina; y la oxidación de una hidroquinona soluble a una quinona. En la modalidad que emplea bromo se prefiere usar un material adsorbedor de gas, tal como un carbón, como electrodo contrario. En otros casos, en los que no se produce gas por la reacción de oxidación, la especie oxidable, por ejemplo, hidroquinona o polianilina, puede estar presente como un revestimiento de electrodo. La capa de electrolito también contiene materiales adicionales que no reaccionan químicamente con los demás constituyentes de la capa de electrolito, tal como los colorantes solubles en agua. Dichos colorantes pueden impartir cualquier color que se desee a la luz transmitida. El electrodo de trabajo comprende un material que tiene las propiedades de conductividad eléctrica y transparencia óptica sustancial. El electrodo de trabajo tiene un espesor adecuado para obtener esas propiedades y, típicamente, tiene un espesor aproximado de una miera a 100 mieras. El electrodo de trabajo transparente puede comprender oro o un óxido de metal conductor, tal como óxido de estaño contaminado con antimonio (ATO); óxido de estaño contaminado con flúor (FT0) u óxido de indio contaminado con estaño (IT0). El electrodo contrario comprende una capa delgada o lámina delgada de material eléctricamente conductor. Los materiales adecuados para el electrodo contrario incluyen carbón, polímeros intrínsecamente conductores, tales como polianilina o polipirrol; metales, tales como cobre, plata, níquel o sus aleaciones; dichos materiales pueden formar el electrodo contrario ya sea como una capa delgada o como partículas dispersadas en un aglutinador polimérico. El material del electrodo contrario se debe seleccionar de manera que sea estable contra los efectos corrosivos de la reacción del ánodo. En este sentido, los electrodos contrarios preferidos comprenden ITO, ATO o carbón. Se puede preparar la capa de electrolito o se la puede aplicar mediante cualquiera de las técnicas de película gruesa conocidas en este campo, incluyendo serigrafía, intersticio de aire, barra de alambre helicoidal, rasqueta, extrusión e inmersión. La aplicación puede efectuarse a cualquier substrato transparente adecuado, tal como una placa de vidrio o una lámina de material plástico, y luego se forma la interfase entre el substrato y la capa de electrolito con el electrodo de trabajo transparente y el electrodo contrario. Alternativamente, el electrodo de trabajo transparente y el electrodo contrario pueden ser depositados primero sobre un substrato y se les puede aplicar la capa de electrolito. Cuando se utiliza, el substrato transparente sirve como superficie soportadora para el dispositivo modulador de luz. Se puede depositar el electrodo de trabajo transparente sobre un substrato, mediante cualquier técnica conocida en este campo incluyendo, por ejemplo, impresión sobre el substrato. Alternativamente, se puede aplicar el electrodo de trabajo mediante deposición de vapor química o física. El electrodo de trabajo transparente tiene la forma de un diseño deseado para la transmisión de la luz. Se puede producir el diseño mediante cualquier método conocido en este campo tal como, por ejemplo, mediante la deposición de una sola superficie continua sobre el substrato del dispositivo, seguida por mordentado selectivo para producir el diseño deseado, o utilizando un dispositivo enmascarador, de manera que se puede aplicar el diseño deseado del electrodo de trabajo al substrato, en un solo paso. Se puede depositar el electrodo contrario sobre el substrato mediante cualquiera de las técnicas de película gruesa conocidas en la técnica, incluyendo serigrafía, intersticio de aire, barra de alambre helicoidal, rasqueta, extrusión e inmersión. Alternativamente el electrodo contrario puede comprender una lámina delgada de metal o grafito o un material plástico relleno con partículas de carbón o de metal, y se puede aplicar directamente al substrato. En la modalidad preferida, el electrodo de trabajo y el contrario están acoplados eléctricamente a una fuente de voltaje o de corriente mediante trazos conductores impresos, provistos sobre el substrato. Para electrodos grandes, se puede colocar una malla delgada de conductor metálico debajo del electrodo de trabajo, así como debajo del electrodo contrario, para proveer una distribución de corriente pareja a través de los electrodos. Adicionalmente, el dispositivo modulador de luz de la presente invención puede ser usado conjuntamente con una máscara opaca para cubrir el electrodo contrario y enmascarar todo lo que haya en la trayectoria de la luz, excepto los electrodos de trabajo transparentes. De preferencia, cuando se usa dicha máscara, también cubrirá la máscara los trazos opacos impresos usados para acoplar eléctricamente los electrodos contrario y de trabajo a una fuente de voltaje o de corriente. Si bien se ha describo en lo general la presente invención, en lo que antecede, se da el siguiente ejemplo de una modalidad preferida para ilustrar una de las muchas aplicaciones de la presente invención.

EJEMPLO DE UNA MODALIDAD PREFERIDA El siguiente ejemplo es para un exhibidor de siete segmentos, construido a partir de varios dispositivos moduladores de luz de acuerdo con la presente invención. Tal como se muestra en la figura 5, El panel 10 puede mostrar selectivamente uno de los diez números del cero al nueve, mediante la transmisión de luz a través de una combinación particular de los siete segmentos 12A-12G. Tal como se describe adicionalmente más adelante, cada segmento 12A-12G constituye una celda moduladora de luz para controlar la transmisión de luz a través de ella. Así, por ejemplo, si cada celda asociada con los segmentos 12D-12G está en su modo de "escribir", haciendo así esos segmentos ópticamente opacos, y cada celda asociada con los segmentos 12A-12C está en su modo "borrar" o "desconexión", permitiendo de esa manera la transmisión de luz a través de ellos, se exhibirá el número siete. Para construir el panel exhibidor 10 del ejemplo de trabajo se imprime una pluralidad de trazos conductores 14A-14G y 16A-16B, o se los coloca sobre un substrato de vidrio o de mylar 18, tal como se muestra en la figura 6. La posición de los trazos conductores 14A-14G corresponde a la colocación subsecuente de los electrodos de trabajo 20A-20G, y la posición de los trazos conductores 16A-16B corresponde a la colocación subsecuente de los electrodos contrarios 22A-22B, tal como se muestra en la figura 7. Los trazos conductores 14A-14G y 16A-16B están acoplados con un conector 24, mediante una pluralidad de trazos conductores 26. Todos los trazos conductores y el conector 24 serán utilizados para acoplar eléctricamente los electrodos de trabajo y contrario a una fuente de voltaje o de corriente. La impresión o la colocación de los trazos conductores se puede lograr mediante cualquiera de los diversos métodos conocidos en la técnica. Una vez que se ha impreso sobre el substrato 18 los trazos conductores, se puede aplicar sobre los trazos conductores 26 un sello dieléctrico, por ejemplo, cualquier polímero o resina no conductores; de ser necesario, para prevenir el contacto corrosivo con el electrolito. Posteriormente, los electrodos de trabajo 20A-20F y los electrodos contrarios 22A-22B pueden ser aplicados o depositados sobre sus trazos conductores asociados, tal como se muestra en la figura 7. Tal como se muestra en las figuras 7 y 8, se aplica entonces una capa selladora no conductora 28, delgada, alrededor de los lados de los electrodos de trabajo y contrario, de manera que una superficie superior de la capa selladora 28 esté a nivel con las superficies superiores de los electrodos. Posteriormente se aplica una capa de electrolito 30 sobre las superficies superiores de los electrodos mediante cualquiera de las técnicas de película gruesa. La provisión de una capa selladora 28 previene que la capa de electrolito 30 haga contacto con los lados de los electrodos y, como resultado, previene que el metal de la capa de electrolito se deposite sobre los lados de los electrodos de trabajo durante sus modos de escribir. Una capa selladora adicional 32 se aplica entonces sobre la capa de electrolito 30. La capa selladora 32 aisla la capa de electrolito 30 de cualesquiera objetos que pudieran quedan en contacto con la superficie exterior superior del panel 10 y previene que la solución acuosa contenida en la capa de electrolito se evapore. Finalmente, se puede aplicar una capa enmascaradora 34, ópticamente opaca, sobre la superficie superior del panel 10 para enmascarar los electrodos contrarios 22A-22B y los trazos conductores, a fin de canalizar cualquier luz y toda la luz transmitida a través de los segmentos 12A-12G. De preferencia los segmentos de máscara 12A-12G son ligeramente menores que los electrodos de trabajo 20A-20G, a fin de ocultar cualquier efecto sobre la luz transmitida por los trazos conductores 14A-14G. Cuando se aplica una corriente apropiada a través de los electrodos de trabajo seleccionados, se conmuta los segmentos correspondientes del panel del modo "desconectado" o transparente, al modo "conectado" u opaco, para exhibir el símbolo alfanumérico deseado. En vista de lo anterior se debe entender que se logra los diversos objetivos de la presente invención y que se alcanza otros resultados ventajosos. Como se puede hacer varios cambios en los métodos y en las construcciones arriba descritos, sin salirse del alcance de la invención, se pretende que todo el material contenido en la descripción precedente sea interpretado como ilustrativo, y no en un sentido limitativo.

Claims (9)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un dispositivo modulador de luz, caracterizado porque comprende: (1) una capa de electrolito que comprende agua, una sal de un metal que puede ser depositado de manera reversible desde una solución acuosa, cuando se le aplica una corriente eléctrica; una resina polimérica que espesa en agua; y una sal neutra; (2) un electrodo ópticamente transparente, que hace contacto con la capa de electrolito; (3) un segundo electrodo que hace contacto con la capa de electrolito, y que está dispuesto lateralmente con respecto al electrodo ópticamente transparente; y (4) una especie anódicamente oxidable en contacto con el segundo electrodo.

2.- Un dispositivo modulador de luz de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque se selecciona el metal del grupo que consiste de zinc, cadmio, plomo, plata, cobre, hierro, cobalto, níquel, estaño, indio, bismuto, galio, mercurio y sus mezclas.

3.- Un dispositivo modulador de luz de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque se selecciona la resina polimérica que espesa en agua del grupo que consiste de polioxialquenos, polivinilpirrolidonas, alcoholes polivinílicos, celulósicos y sus mezclas.

4.- Un dispositivo modulador de luz de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque la resina polimérica que espesa en agua es hidroxietilcelulosa.

5.- Un dispositivo modulador de luz de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque el electrodo ópticamente transparente comprende óxido de indio contaminado con estaño, óxido de estaño contaminado con flúor u óxido de estaño contaminado con antimonio.

6.- Un dispositivo modulador de luz de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque el segundo electrodo comprende carbón o un óxido metálico.

7.- Un método para modular luz, caracterizado porque comprende los pasos de: (a) proveer sobre un substrato transparente: (1) un electrodo ópticamente transparente y un segundo electrodo dispuesto lateralmente con respecto al electrodo ópticamente transparente; (2) una capa de electrolito en contacto con los electrodos y que provee un área de interfase entre ellos; en donde la capa de electrolito comprende agua, una sal de un metal que se pueda depositar de manera reversible desde una solución acuosa cuando se le aplica una corriente eléctrica; una resina polimérica que espesa en agua, y una sal neutra; y (3) una especia anódicamente oxidable en contacto con el segundo electrodo; (b) hacer pasar una corriente desde el segundo electrodo a través de la capa de electrolito al electrodo ópticamente transparente, para aumentar la densidad óptica en la región de interfase entre el electrodo transparente y el electrolito.

8.- Un método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque comprende adicionalmente el paso de hacer pasar una corriente desde el electrodo ópticamente transparente a través de la capa de electrolito, al segundo electrodo, para disminuir la densidad óptica de la región de interfase.

9.- En un dispositivo modulador de luz electrocrómico, la mejora caracterizada porque el dispositivo comprende una capa de electrodo que comprende por lo menos un electrodo transparente y por lo menos un electrodo contrario, adyacente al mismo; y una capa de electrolito en contacto con la capa de electrodo; en donde la capa de electrolito contiene en solución un metal electrodepositable; en donde, cuando se aplica una corriente eléctrica entre los electrodos, cambia la densidad óptica sobre el electrodo transparente.