專利名稱：電致變色裝置及制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電致變色裝置，尤其是具有雙層或單層離子導體的電致變色裝置以及
制造這樣的離子導體的方法。 現(xiàn)有技術描述 電致變色材料是指由于施加的電勢而使光學性質發(fā)生變化的材料。這樣的材料可 以用來生產(chǎn)通過施加電勢來改變電磁輻射的透射或反射的電致變色裝置。

圖1和2描述了 一種典型的現(xiàn)有技術中的電致變色裝置100。電致變色裝置100包括電致變色(EC)層101、 離子導體(IC)層102和也可是電致變色的對電極(CE)層103。層101-103位于兩個透明 的導電氧化物(TCO)層104和105之間。 典型地，EC層101是陰極電致變色材料，如W(V而CE層103是陽極電致變色材料， 如鎳的氧化物NiOx。隨著離子的摻入，陽極電致變色材料變得被漂白(高光透射狀態(tài))， 而陰極電致變色材料變得被著色(低光透射狀態(tài))。在EC層101和CE層103之間移動的 離子可以是氫離子(H+)、鋰離子(Li+)或者是堿金屬離子和堿土金屬離子。當電流被施加 通過TCO層104和105穿越上述EC/IC/CE層(層101/102/103)時，離子就通過IC層102 穿梭于EC層IOI和CE層103之間，導致在漂白狀態(tài)和著色狀態(tài)之間轉換。當處于漂白狀 態(tài)時，入射到電致變色裝置上的光和熱穿過裝置。當處于著色狀態(tài)時，只有一部分入射到電 致變色裝置上的光和熱穿過裝置。圖1描繪了電勢(如電池110)被施加在TCO層104和 TC0層105之間，以及處于漂白狀態(tài)的電致變色裝置100。圖2描繪了相反的電勢(如電池 210)被施加在TCO層105和TCO層104之間，以及處于著色狀態(tài)的電致變色裝置100。
在圖1禾P2中，IC層102用來電絕緣EC層101和CE層103，同時允許離子穿過。 IC層102中的針孔導致隨著時間和使用的增加而不斷增長的電子短路，因而導致差的可靠 性、設備產(chǎn)出和顏色記憶。無機固態(tài)薄膜IC層102，例如Si02、Zr02或1^205，由于其針對UV 的耐久性和堅固性，被經(jīng)常用在電致變色可開關的窗戶的應用中。無機IC層經(jīng)常通過諸如 濺射或蒸發(fā)的物理氣相沉積(PVD)或者化學氣相沉積(CVD)技術而被沉積，這會導致許多 針孔，尤其是在厚度小于100nm的薄膜和在大面積的窗戶應用中。 在電致變色裝置中已經(jīng)使用雙層IC層來應對層剝離和電子流問題。美國專利號 5， 777， 779教導了一種雙層離子導體層，其中所述層是相同的材料但是使用不同的工藝氣 體進行沉積，意圖是增加電致變色設備中兩層間的結合。雙層IC層是通過在含有水蒸汽的 氣氛中加工IC層的第一部分并且在含有氧氣的氣氛下加工IC層的第二部分來形成的。美 國專利申請公開號2007/0097481描述了具有至少三層的IC，包括兩層被一個緩沖層分開 的離子傳輸層，這產(chǎn)生了反向二級管效應。上述三層IC被用來阻斷兩個方向上的電子流， 同時準許離子傳導，這允許電致變色裝置具有更大的動態(tài)范圍和穩(wěn)定性。
附圖的簡要說明 圖1顯示了現(xiàn)有技術的處于漂白狀態(tài)的電致變色裝置。
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圖2顯示了現(xiàn)有技術的處于著色狀態(tài)的電致變色裝置。
圖3描繪了具有雙層離子導體(IC)層的電致變色裝置。
具體實施方案的描述 本發(fā)明提供了一種用于制造用于電致變色裝置的雙層離子導體(IC)層的技術， 該技術顯著地減少甚至消除所述IC層中的針孔，因而增加了電致變色裝置的可靠性、裝置 產(chǎn)出、動態(tài)范圍、開關過程中的色彩均勻性以及色彩記憶。本發(fā)明的雙層或單層離子導體層 的用途包括，但不限于，用于建筑物、車輛、船只、飛機、太空船的可開關的智能窗戶；鏡子； 顯示裝置；通信裝置；諸如眼鏡和太陽鏡的眼戴裝置。 圖3顯示了按照本發(fā)明的電致變色裝置300。電致變色裝置300包括EC層301、IC 層302和也可以是電致變色的CE層303。層301-303被置于兩個TCO層304和305之間。 IC層302是具有第一IC層302a和第二IC層302b的雙層離子導體(IC)層302。 IC層302a 和302b可以從相同的離子導電材料使用兩步工藝形成，諸如物理氣相沉積(PVD)技術(如 DC、 AC或RF濺射，或蒸發(fā))、化學氣相沉積法(諸如CVD或等離子體增強的CVD (PECVD))、 原子層沉積(ALD)、脈沖激光沉積，諸如電鍍或無電鍍膜法的鍍膜技術、溶膠_凝膠技術， 或上述的組合。所述離子導電材料可以是常用的氧化物，例如Ta205、 Si02、 A1203、 Nb203、 Zr02、 Li-Nb-O、 Li-Ta-0、 Li-Al-0、 Li-P-0-N、 Li-Ti-Al-P-0、 Li-Si-Al-0、 Li-Zn-Ge-0、 Li-Si-P-O、 Li-Zr-P-O、 Li-La-Ti-O ;防止水流失的吸濕材料，諸如B203、 H3B03、 HB02、 H2B407、 Bi203、Mg3(P04)2 22H20、MgHP04 3H20、KA1S04 12H20、 NaH2P207 6H20 ;或者固體酸，優(yōu)選弱 固體酸，用于有效的質子傳導，諸如CsHS04、CsH2P04、KH2P04、KHS04、K3H(S04)2。在一種實施方 案中，第一和第二 IC層302a和302b兩者都是在包含分壓范圍在約0. OlmT到約500mT的水 蒸汽和/或氧氣的氣氛中被沉積的。第一 IC層302a可以具有大約l-300nm，優(yōu)選5_50nm 的厚度，第二 IC層302b可以具有大約l-300nm，優(yōu)選5_50nm的厚度。用于第二 IC層302b 的材料的沉積動力學與用于第一 IC層302a的材料的沉積動力學聯(lián)合覆蓋了在第一 IC層 302a中形成的針孔。也就是說，通過在第一 IC層302a上形成第二 IC層302b，形成在第一 IC層302a中的針孔被填充了 。這樣，可以使用相同材料但在不同的反應/沉積條件下形成 所述兩個IC層302a和302b。在這個實施方案的另一個版本中，只形成單一的IC層。事實 上，上述工藝被使用，但是第二 IC層具有零厚度。采用特定材料并且對于特定的應用，不要 求第二 IC層達到所需要的性能。 在另一實施方案中，在使用上文所述技術的兩步工藝中，層302a和302b由不同的 材料形成，例如Ta205用于層302a而Si02用于層302b。當然，其他不同離子導體材料的組 合也可被使用，例如Si(^用于層302&而吣205用于層302b。在一種實施方案中，第一和第 二 IC層302a和302b兩者都是在包含分壓范圍在約0. OlmT到約500mT、優(yōu)選1-lOOmT的 水蒸汽和/或氧氣的氣氛中被沉積的。對于該實施方案，層302a可以具有l(wèi)-300nm，優(yōu)選 5-50nm的厚度，層302b可以具有l(wèi)-300nm，優(yōu)選l_50nm的厚度。第二 IC層302b的不同沉 積動力學覆蓋第一 IC層302a的針孔比當由相同材料形成第一和第二 IC層302a和302b 時更好。 另外，通過使用兩種不同材料，也在第一和第二 IC層302a和302b的界面處產(chǎn)生 離子阱，除了在他們的其他界面處形成的離子阱之外。所述在第一和第二IC層302a和 302b的界面處形成的離子阱通過阻止陽離子流增加了電致變色層的著色狀態(tài)的記憶效應。
6更進一步，可以選擇與每一IC層相關聯(lián)的參數(shù)以優(yōu)化電致變色裝置300的性能。例如，IC 層之一可以呈現(xiàn)非常低的電子傳導率，然而又可以足夠薄以維持合理高的離子傳導率。結 果，更少的總電荷通過電子泄漏而損失，這導致更快的轉換，雖然施加的電壓會相對更大以 克服所述離子阱，尤其是當透明導體的高電阻是轉換速度的限制因素時。另一個結果是，相 對低的電子泄漏電流提供了電致變色層相對高的著色狀態(tài)記憶。盡管本發(fā)明可以使用氫、 鋰、堿金屬離子或堿土金屬離子作為移動的離子，然而優(yōu)選氫和/或鋰離子，因為它們的更 大的移動性。 已參考具有兩層或單層的離子導體對本申請進行了描述。這種結構可以在上述 離子導體層上設附加層而被擴展。例如，通過在相同或不同的加工條件下(如在有水或氧 的條件下)沉積一種或多種材料可以形成三層離子導體層。另外，離子導體層之一可以從 多種在物理或化學上有助于減少或阻止退化例如腐蝕或與相鄰的離子導體層反應的材料 (如二氧化硅)中選擇。 雖然為了舉例說明本發(fā)明，已經(jīng)顯示了某些有代表性的實施方案和細節(jié)，但是對 本領域技術人員來說顯然的是，可以在這里所公開的方法和設備之中進行變動但卻不脫離 由所附的權利要求限定的本發(fā)明的范圍。
權利要求
一種用于形成電致變色裝置的方法，包括以下步驟(a)形成第一導電的電致變色層；(b)在所述第一導電層上形成具有在1nm至300nm之間的厚度的第一離子導體層，其中所述第一離子導體層是使用從由濺射、蒸發(fā)、CVD、PECVD、ALD、脈沖激光沉積、鍍膜法和溶膠-凝膠組成的組中選擇的沉積技術而形成的；(c)在所述第一離子導體層上形成具有在1nm至300nm之間的厚度的第二離子導體層，其中所述第二離子導體層與所述第一離子導體層相比，由不同材料或者使用不同的沉積技術形成，其中所述第二離子導體層是使用從由濺射、蒸發(fā)、CVD、PECVD、ALD、脈沖激光沉積、鍍膜法和溶膠-凝膠組成的組中選擇的沉積技術而形成的；以及(d)在所述第二離子導體層上形成第二導電的對電極層。
2. 如權利要求1所述的方法，其中所述第一離子導體層包括從由Ta205、 Si02、 A1203、 Nb203、 Zr02、 Li-Nb-0、 Li-Ta-0、 Li-Al-0、 Li-P-0-N、 Li-Ti-Al-P-0、 Li-Si-Al-0、 Li_Zn_Ge_0、 Li_Si_P_0、 Li_Zr_P_0、 Li_La_Ti_0、 B203、 H3B03、腦2、 H2B407、 Bi203、 Mg3(P04)2 22H20、 MgHP04 3H20、 KA1S04 12H20、 NaH2P207 6H20、 CsHS04、 CsH2P04、 KH2P04、 KHS04和K3H(S04)2組成的組中選擇的第一材料。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述第二離子導體層包括從由常用的氧化物如 Ta205、 Si02、 A1203、 Nb203、 Zr02、 Li-Nb-0、 Li-Ta-0、 Li-Al-0、 Li-P-0-N、 Li-Ti-Al-P-0、 Li-Si-Al-O、 Li-Zn-Ge-O、 Li-Si-P-0、 Li-Zr-P-0、 Li-La-Ti-0、 B203、 H3B03、 HB02、 H2B407、 Bi203、Mg3(P04)2 *22H20、MgHP04 '3H20、KA1S04 *12H20、NaH2P207 *61120、〇811504、〇8112 04、腿2 04、 KHS04和K3H(S04)2組成的組中選擇的第二材料，并且所述第二材料不同于所述第一材料。
4. 如權利要求3所述的方法，其中所述第一離子導體層和所述第二離子導體層各自是 在選定的氣氛中形成的，其中所述選定的氣氛可以是相同或者不同的，并且從由水蒸汽、氧 氣和水蒸汽與氧氣的混合物組成的組中選擇。
5. 如權利要求4所述的方法，其中所述第一導電層是對電極層，并且所述第二導電層 是電致變色層。
6. 如權利要求1所述的方法，進一步包括在形成第二導電的對電極層之前，在所述第 二離子導體層之上形成至少一個附加的離子導體層的步驟，其中每一附加的離子導體層與 之前形成的離子導體層相比，由不同材料或者使用不同的沉積技術形成。
7. 如權利要求1所述的方法，其中所述第一離子導體層具有在5nm至50nm之間的厚度。
8. 如權利要求1所述的方法，其中所述第二離子導體層具有在5nm至50nm之間的厚度。
9. 如權利要求1所述的方法，其中所述離子導體層之一是減少至少一個相鄰層的退化 的材料。
10. 如權利要求1所述的方法，進一步包括提供離子用于穿過所述離子導體層而導通， 其中所提供的離子包括從由氫離子和鋰離子組成的組中選擇的離子。
11. 一種用于形成電致變色裝置的方法，包括以下步驟(a) 形成第一導電的電致變色層；(b) 在所述第一導電層上形成具有在lnm至300nm之間的厚度的離子導體層，其中所述第一離子導體層是使用從由濺射、蒸發(fā)、CVD、PECVD、ALD、脈沖激光沉積、鍍膜法和溶膠-凝 膠組成的組中選擇的沉積技術而形成的；(c) 在所述離子導體層上形成第二導電的對電極層，以及(d) 提供離子用于穿過所述離子導體層而導通，其中所提供的離子包括從由氫離子和 鋰離子組成的組中選擇的離子。
12. 如權利要求ll所述的方法，其中所述離子導體層包括從由Ta205、Si02、Al203、Nb203、 Zr02、 Li-Nb-O、 Li-Ta-0、 Li-Al-0、 Li-P-0-N、 Li-Ti-Al-P-0、 Li-Si-Al-0、 Li-Zn-Ge-0、 Li-Si-P-O、 Li-Zr-P-O、 Li-La-Ti-0、 B203、 H萬、HB02、 H2B407、 Bi203、 Mg3(P04)2 22H20、 MgHP04 3H20、KA1S04 12H20、 NaH2P207 6H20、 CsHS04、 CsH2P04、 KH2P04， KHS04和K3H(S04)2組 成的組中選擇的材料。
13. 如權利要求12所述的方法，其中所述離子導體層是在選定的氣氛中形成的，其中 所述選定的氣氛從由水蒸汽、氧氣和水蒸汽與氧氣的混合物組成的組中選擇。
14. 如權利要求13所述的方法，其中所述第一導電層是對電極層，并且所述第二導電 層是電致變色層。
15. 如權利要求11所述的方法，其中所述離子導體層具有在5nm至50nm之間的厚度。
16. —種電致變色裝置，包括(a) 第一導電的電致變色層；(b) 在所述第一導電層上形成的具有在lnm至300nm之間的厚度的第一離子導體層；(c) 在所述第一離子導體層上形成的具有在lnm至300nm之間的厚度的第二離子導體 層，其中所述第二離子導體層與所述第一離子導體層相比，由不同材料或者使用不同的沉 積技術形成；以及(d) 在所述第二離子導體層上形成的第二導電的對電極層。
17. 如權利要求16所述的電致變色裝置，其中所述第一離子導體層包括從由Ta205、 Si02、 A1203、 Nb203、 Zr02、 Li-Nb-O、 Li-Ta-0、 Li-Al-0、 Li-P-0-N、 Li-Ti-Al-P-0、 Li-Si-A1-0、 Li_Zn_Ge_0、 Li_Si_P_0、 Li_Zr_P_0、 Li_La_Ti_0、 B203、 H3B03、腦2、 H2B407、 Bi203、 Mg3(P04)2 22H20、 MgHP04 3H20、 KA1S04 12H20、 NaH2P207 6H20、 CsHS04、 CsH2P04、 KH2P04、 KHS04和K3H(S04)2組成的組中選擇的第一材料。
18. 如權利要求17所述的電致變色裝置，其中所述第二離子導體層包括從由Ta205、 Si02、 A1203、 Nb203、 Zr02、 Li-Nb-O、 Li-Ta-0、 Li-Al-0、 Li-P-0-N、 Li-Ti-Al-P-0、 Li-Si-A1-0、 Li_Zn_Ge_0、 Li_Si_P_0、 Li_Zr_P_0、 Li_La_Ti_0、 B203、 H3B03、 HB02、 H2B407、 Bi203、 Mg3(P04)2 22H20、 MgHP04 3H20、 KA1S04 12H20、 NaH2P207 6H20、 CsHS04、 CsH2P04、 KH2P04、 KHS04和K3H(S04)2組成的組中選擇的第二材料。
19. 如權利要求17所述的電致變色裝置，其中所述第一離子導體層包括多個第一材料 的子層，并且第一材料的相鄰子層是使用不同的工藝或沉積條件形成的。
20. 如權利要求19所述的電致變色裝置，其中所述子層是使用不同氣氛形成的。
21. 如權利要求20所述的電致變色裝置，其中所述不同氣氛從由水蒸汽、氧氣和水蒸 汽與氧氣的混合物組成的組中選擇。
22. 如權利要求18所述的電致變色裝置，其中所述第二離子導體層包括多個第二材料 的子層，并且第二材料的相鄰子層是使用不同的工藝或沉積條件形成的。
23. 如權利要求19所述的電致變色裝置，其中所述第二離子導體層包括從由Ta205、 Si02、 A1203、 Nb203、 Zr02、 Li-Nb-O、 Li-Ta-0、 Li-Al-0、 Li-P-0-N、 Li-Ti-Al-P-0、 Li-Si-A1-0、 Li_Zn_Ge_0、 Li_Si_P_0、 Li_Zr_P_0、 Li_La_Ti_0、 B203、 H3B03、 HB02、 H2B407、 Bi203、 Mg3(P04)2 22H20、 MgHP04 3H20、 KA1S04 12H20、 NaH2P207 6H20、 CsHS04、 CsH2P04、 KH2P04、 KHS04和K3H(S04) 2組成的組中選擇的第二材料，所述第二材料不同于所述第一材料，所述第 二導體層包括多個第二材料的子層，并且第二材料的相鄰子層是使用不同的工藝或沉積條 件形成的。
24. 如權利要求16所述的電致變色裝置，進一步包括在所述第二離子導體層與所述第 二導電的對電極層之間的至少一個附加的離子導體層，其中每一附加的離子導體層與之前 形成的離子導體層相比，由不同材料或者使用不同的沉積技術形成。
25. 如權利要求16所述的電致變色裝置，其中所述第一離子導體層具有在5nm至50nm 之間的厚度。
26. 如權利要求16所述的電致變色裝置，其中所述第二離子導體層具有在5nm至50nm 之間的厚度。
27. 如權利要求16所述的電致變色裝置，其中所述離子導體層之一是減少至少一個相 鄰層的退化的材料。
28. —種電致變色裝置，包括(a) 第一導電的電致變色層；(b) 在所述第一導電層上形成的具有在lnm至300nm之間的厚度的離子導體層；禾口(c) 在所述離子導體層上形成的第二導電的對電極層，以及(d) 提供離子用于穿過所述離子導體層而導通，其中所提供的離子包括從由氫離子和 鋰離子組成的組中選擇的離子。
29. 如權利要求28所述的電致變色裝置，其中所述離子導體層包括從由Ta205、 Si02、 A1203、 Nb203、 Zr02、 Li-Nb-0、 Li-Ta-0、 Li-Al-0、 Li-P-0-N、 Li-Ti-Al-P-0、 Li-Si-Al-0、 Li_Zn_Ge_0、 Li_Si_P_0、 Li_Zr_P_0、 Li_La_Ti_0、 B203、 H3B03、 HB02、 H2B407、 Bi203、 Mg3(P04)2 22H20、 MgHP04 3H20、 KA1S04 12H20、 NaH2P207 6H20、 CsHS04、 CsH2P04、 KH2P04、 KHS04和K3H(S04)2組成的組中選擇的材料。
30. 如權利要求28所述的方法，其中所述離子導體層具有在5nm至50nm之間的厚度。
31. 如權利要求1所述的方法，其中所述第一離子導體層包括從由吸濕材料和固體酸 組成的組中選擇的第一材料。
全文摘要
電致變色裝置包括第一導電層、單層或雙層離子導體層和第二導電層。上述層是使用PVD、CVD、PECVD、原子層沉積、脈沖激光沉積、鍍膜法或溶膠-凝膠技術沉積得到的。
文檔編號G02F1/01GK101765808SQ200880019007
公開日2010年6月30日 申請日期2008年6月9日 優(yōu)先權日2007年6月7日
發(fā)明者P·阮 申請人:索拉迪格姆公司