ES3001136T3 - Método para producir un dispositivo fotocrómico a base de oxihidruro - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un método para producir un material de oxihidruro fotocrómico así como un componente fotocrómico. El método comprende las etapas de: - primero, la formación sobre un sustrato de una capa de un hidruro de metal de tierras raras esencialmente libre de oxígeno con un espesor predeterminado utilizando un proceso de deposición física de vapor; y - segundo, la exposición de la capa de hidruro metálico al oxígeno donde el oxígeno reacciona con el hidruro metálico, realizándose dicha segunda etapa en un entorno que tiene un contenido de agua definido por una cantidad de agua en el aire a presión a nivel del mar con una HR entre >0% y 100% HR para temperaturas entre 0oC y 40oC, preferiblemente 25o Celsius. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Método para producir un dispositivo fotocrómico a base de oxihidruro

Debido a las técnicas de construcción mejoradas y a la utilización de métodos modernos para la fabricación de vidrio, los grandes ventanales son cada vez más comunes en la arquitectura moderna. Aunque la incorporación de ventanas de gran superficie a menudo da como resultado fachadas estéticas y excelentes condiciones de iluminación interior, también puede representar un desafío en términos de eficiencia energética y ahorro de energía. Las ventanas son, desde un punto de vista aislante, el punto más débil de un edificio, principalmente debido a sus malas propiedades de aislamiento térmico, pero también porque permiten un importante intercambio de calor no deseado que radia entre interiores y exteriores.

La industria de las ventanas inteligentes está actualmente dominada por tecnologías que otorgan un control relativo, por ejemplo, mediante la utilización de electricidad o métodos de alineación de partículas dispersas. Sin embargo, este control en sí mismo crea una pseudo sensación de tecnología "inteligente" porque una tecnología inteligente auténtica no requiere control y se ajusta a las especificaciones que fue diseñada de acuerdo con el entorno en el que reside. Por otro lado, una aplicación prometedora puede considerarse inteligente: las aplicaciones fotocrómicas. Pueden adaptarse al cambio ambiental sin necesidad de ningún control y tienen diseños estructurales relativamente simples en comparación con las complejas aplicaciones electrocrómicas. Por lo tanto, las aplicaciones fotocrómicas son muy prometedoras en la industria actual como una tecnología inteligente genuina para aplicaciones futuras.

Anteriormente, las películas de hidruro de itrio que contienen oxígeno fotocrómico, por ejemplo, la producción se demostró en los artículos de T Mongstad et al., Solar Energy materials and Solar Cells 95 (2011) 3596-3599, "A new thin film photochromic material: Oxygen-containing yttrium hydride" y, C.C. You, Applied Physics Letters 105, 031910 (2014), "Engineering of the band gap and optical properties of thin films of yttrium hydride" y en las solicitudes internacionales de patente WO2017/125573 (IFE), WO2018/024394 (IFE) y WO2016/109651 (Saint Gobain).

El método de fabricación de acuerdo con la invención se refiere al método de producción descrito en el documento WO2018/024394 donde los recubrimientos de oxihidruro se producen de la siguiente manera: una deposición reactiva inicial por pulverización catódica de una película delgada de hidruro metálico basada en una tierra rara, lantánido o metal alcalino potencialmente dopado por uno o más de otros elementos de los mismos grupos, seguido de una oxidación posterior en aire que tiene como objetivo generar o mejorar cualquier propiedad fotocrómica dentro del material. Sin embargo, el material de oxihidruro tiende a degradarse cuando se expone al aire o con iluminación prolongada, como también se menciona en el documento WO2017/125573. Aunque se postuló en la misma publicación que el oxígeno en sí mismo es la razón del aumento de los niveles de tensión, agrietamiento/deformación y delaminación del material, no hay ningún resultado que respalde el postulado. Aquí describimos un entorno de trabajo y condiciones de almacenamiento mejorados para los materiales de oxihidruro.

Los problemas expuestos anteriormente se resuelven utilizando el método descrito en las reivindicaciones adjuntas.

Más específicamente, la presente invención se refiere, por lo tanto, a un método para producir un dispositivo fotocrómico a base de oxihidruro de metal de tierras raras y, más específicamente, se refiere a un método de preparación, almacenamiento y condiciones de trabajo para un dispositivo fotocrómico a base de oxihidruro de metal de tierras raras (REMOH) que comprende un sustrato, al menos una capa que incluye una capa fotocrómica que tiene un intervalo de banda prohibida elegido, donde el método de preparación del dispositivo a base de REMOH comprende las etapas de: - primero, la formación sobre un sustrato de una capa de hidruro de metal de tierras raras con un espesor predeterminado utilizando un proceso de deposición física de vapor; y - segundo, oxidación de las películas. A diferencia de las publicaciones mencionadas anteriormente en la presente patente, se trata de encontrar la manera de prevenir la degradación del material fotocrómico a lo largo del tiempo y preservar la cinética fotocrómica. Esto está relacionado con evitar los niveles de agua que dañarían el dispositivo, pero preservando algunos niveles de agua necesarios para mantener la cinética fotocrómica, específicamente el blanqueo (recuperación cuando la iluminación se detiene o la intensidad se reduce o la composición de la longitud de onda de la fuente de luz cambia), que ocurriría en un entorno esencialmente libre de agua (agua, humedad o vapor, etc.). Después de la oxidación del material de hidruro de metal de tierras raras resultante sería un REMOH con propiedades fotocrómicas.

La invención se describirá con más detalle con referencia a los dibujos adjuntos, que ilustran la razón de la mejora del dispositivo descrito anteriormente:

Figura 1a-c Ilustra el método de producción de acuerdo con la invención.

Figura 2a-e Ilustra la degradación cinética óptica del material de oxihidruro fotocrómico después de almacenarse a diferentes niveles de humedad relativa.

Figura 3 Ilustra la deformación de la microestructura, causada por la variación de los niveles de humedad relativa.

Figura 4a,b Ilustra la diferencia cinética fotocrómica entre el ambiente de aire seco (H2O<0,1 ppm) y el ambiente de aire ambiente.

Figura 1a-c Ilustra el método de producción de acuerdo con la invención donde el proceso con la deposición de un hidruro metálico esencialmente libre de oxígeno 2, preferiblemente menos de 0,1 ppm O2, sobre un sustrato 1 (por ejemplo, vidrio o un sustrato a base de polímero) como en la figura 1a. El sustrato es transparente donde el objetivo de la capa fotocrómica es proporcionar una velocidad de transmisión variable dependiendo de la intensidad de la luz. Transparente en este caso también incluye un grado de atenuación, por ejemplo, para sombreado permanente. La realización de la etapa de aplicar el hidruro metálico en el entorno libre de oxígeno es conocida por el experto en la técnica, por ejemplo, como se analiza en WO2018/024394. El hidruro metálico puede comprender un metal de los grupos de elementos de tierras raras, pero de acuerdo con la realización preferida de la invención, el metal es itrio, formando hidruro de itrio.

En la figura 1b, el hidruro de metal de tierras raras se expone a un ambiente 3 que oxida el hidruro de metal, preferiblemente en un ambiente donde hay humedad, formando oxihidruro de metal de tierras raras. La humedad en este caso se refiere a cualquiera de vapor de agua, agua líquida en aire o agua líquida, ya que es la respuesta química con las moléculas de agua la que inicia la reacción. El ambiente oxidante debe contener agua en cualquier forma con un rango de: cantidad de agua en el aire a presión del nivel del mar con HR entre >0%HR y 60%HR, para temperaturas entre 0 °C y 40 ° C, preferiblemente 25 °Celsius.

En la figura 1c, el sustrato 1 y el oxihidruro resultante se encierran en un recipiente 5 o similar manteniendo la humedad relativa alrededor del material fotocrómico a un nivel bajo que contendría menos agua en cualquier forma que el aire a presión del nivel del mar con 10% de HR a 25 °Celsius y por encima de 0,1 ppm de H2O.

De acuerdo con la presente invención, la exposición a la humedad está, por lo tanto, limitada después de la producción para mantener las características fotocrómicas del material.

El contenido final de oxígeno de la película fotocrómica activa se puede predefinir controlando propiedades como la porosidad y la microestructura, el espesor y otras características del hidruro metálico tal como se depositó, como se comentó en las publicaciones mencionadas anteriormente. Estas propiedades, como se describe a continuación, se pueden lograr ajustando los parámetros de deposición, tales como la temperatura del sustrato, el tipo de sustrato, la presión de la cámara, la potencia de pulverización catódica, el tiempo de deposición, el flujo de gas de deposición, etc.

Como se mencionó anteriormente, los materiales de oxihidruro de metal de tierras raras, particularmente los oxihidruros de itrio, son altamente susceptibles al medio ambiente. Después de la oxidación al final del proceso de producción, los elementos ambientales, específicamente el contenido de agua en el aire, causan agrietamiento de las películas, delaminación, reduciendo el contraste y dañando la cinética fotocrómica. Para ilustrar esto, nos referimos a los gráficos adjuntos en la figura 2a-2e, se diseñó un procedimiento experimental utilizando recubrimientos de película delgada de oxihidruro de itrio que se prepararon de acuerdo con los artículos de T Mongstad (2011), C.C. You (2014) y el documento WO2017/125573, inmediatamente después de la oxidación al aire, se colocan en cajas herméticas llenas de aire regular pero con humedad relativa variable a una temperatura de 25 °C. Las Figuras 2a-e demuestran la cinética fotocrómica de las muestras almacenadas en humedad relativa (HR) de <10% de HR a 100% de HR, respectivamente. Los estudios cinéticos fotocrómicos se realizaron con 30 minutos de iluminación utilizando un láser UV y 30 minutos de almacenamiento en la oscuridad para la recuperación (blanqueo). Los estudios cinéticos se realizaron después de 2, 4 y 14 días de almacenamiento dentro de las cajas herméticas con la humedad relativa respectiva.

Recubrimientos fotocrómicos de oxihidruro de itrio, inicialmente, que muestran un contraste del 25%; sin embargo, cada muestra demuestra un menor contraste con una mayor pérdida de contraste dependiendo del tiempo de almacenamiento (Figura 2 (a-e)). La pérdida de contraste depende en gran medida del tiempo de almacenamiento, pero también el nivel de contenido de agua en el aire es un factor para la velocidad de la pérdida de contraste. Esto se puede observar en las Figuras 2A-2E, donde la pérdida de contraste es más notable para las muestras almacenadas a 100% de HR después de 14 días que a <10% de HR y las muestras almacenadas a 100% de HR perdieron el mismo contraste en 4 días que las muestras almacenadas a <10% de HR pero después de 14 días.

Figura 3 Imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de la deformación de la microestructura, causada por la variación de los niveles de humedad relativa; <10% (a), 30% (b), 50% (c), 75% (d) y 100% (e) después de 14 días de almacenamiento a temperatura ambiente. Panel (f) que muestra una deformación en detalle. Como se puede ver, el cambio estructural depende del nivel de contenido de agua en el aire después de 14 días de almacenamiento. Paralelamente al aumento del contenido de agua en el aire, se puede observar un número creciente de grietas y deformaciones que se correlacionan con la pérdida de contraste del material de oxihidruro fotocrómico. Por otro lado, la ausencia de humedad, como la forma en que se preparan las unidades de vidrio aislante convencionales en los edificios, tiene un impacto negativo en la cinética fotocrómica del material. En la Figura 4(a, b), se puede observar la cinética fotocrómica del oxihidruro de itrio en ambiente de aire seco (H2O<0,1ppm) y ambiente de aire ambiente. La velocidad de blanqueo del oxihidruro de itrio disminuyó considerablemente como resultado de la presencia reducida del agente de oxidación, es decir, el contenido de agua en el aire.

Debido a la pérdida cinética y la deformación estructural bajo el aire con mayor contenido de agua que el contenido de agua del aire con un 10% de HR a 25 °C, el entorno de almacenamiento y trabajo de los materiales de oxihidruro debe contener menos agua que el contenido de agua del aire con un 10% de HR a 25 °C de agua. Además, debido a la pérdida cinética en un ambiente de aire seco con un contenido de agua de H2O<0,1 ppm, el ambiente de almacenamiento y trabajo de los materiales de oxihidruro debe contener agua; H2O>0,1 ppm. Por lo tanto, el material producido se encierra preferentemente en un recipiente después de la producción que tiene la humedad descrita en el entorno contenido.

Como también entenderá el experto en la técnica, un pequeño cambio de humedad y temperatura tendría el mismo contenido de agua pero una humedad técnicamente diferente. Por lo tanto, un contenido de agua del aire con el mismo volumen a presión del nivel del mar que es de 25 °C y 10% de HR puede corresponder a 5% de HR a 30 °C más o menos igual, ya que una temperatura más alta puede contener más agua y esta humedad es la humedad relativa al mismo contenido de agua a este límite definido. Por lo tanto, en algunas circunstancias, el contenido de agua corresponde al 20% a la presión del nivel del mar y es de 25 °C, dependiendo del uso previsto del componente, por ejemplo, con temperaturas variables.

Para resumir, la presente invención se refiere a un método para producir un material de oxihidruro de metal de tierras raras fotocrómico que comprende las etapas de formación sobre un sustrato de una capa de un hidruro de metal de tierras raras esencialmente libre de oxígeno con un espesor predeterminado preferentemente dentro del intervalo de 50-1500 nm usando un proceso de deposición física de vapor. El sustrato será preferentemente un sustrato transparente, por ejemplo, un sustrato a base de vidrio o polímero. Después de esto, la capa de hidruro de metal de tierras raras se expone al aire en un segundo paso, donde el hidruro metálico se oxida, mediante oxígeno y agua (humedad, vapor y/o humedad). El segundo paso se realiza en un ambiente que contiene agua en cualquier forma con un rango de: cantidad de agua en el aire a presión del nivel del mar con HR entre >0% y 60%, para temperaturas entre 0 °C y 40 °C, preferiblemente 25 °Celsius

El hidruro metálico se elige de los grupos de metales de tierras raras y, de acuerdo con la realización preferida de la invención, un hidruro de itrio.

Para mantener las características del material fotocrómico, el segundo paso puede ir seguido de un paso de contener el material en un recipiente hermético o cubrir el material fotocrómico con un material hermético a la humedad/agua, sellándolo del medio ambiente. El hidruro de metal de tierras raras puede tener una porosidad superior a cero, es decir, contiene poros huecos, huecos y/o cavidades para mejorar la absorción de oxígeno en el oxihidruro.

Se proporciona un componente fotocrómico que comprende un primer sustrato transparente y una capa constituida por oxihidruro metálico encerrado en un recinto hermético a la humedad/agua, donde el oxihidruro está hecho de un oxihidruro de metal de tierras raras, preferiblemente un oxihidruro de itrio, que se puede hacer usando el método descrito anteriormente. El ambiente en el contenedor comprende contenido de agua en cualquier forma, igual o menor que el contenido de agua del aire a presión del nivel del mar con 20% de HR a 25 °C, preferiblemente 10% de HR y por encima de 0,1 ppm de H2O.

Claims (7)

REIVINDICACIONES

1. Método para producir un material fotocrómico de oxihidruro de metal de tierras raras que comprende los pasos de:

- primero, en un entorno con menos de 0,1 ppm de O2, formación sobre un sustrato de una capa de un hidruro de metal de tierras raras esencialmente libre de oxígeno con un espesor predeterminado usando un proceso de deposición física de vapor;

y

- segundo, exponer la capa de hidruro de metal de tierras raras a un entorno que contiene oxígeno donde la capa se oxida y da como resultado oxihidruro de metal de tierras raras, dicho segundo paso se realiza en un entorno que tiene contenido de agua en cualquier forma con un intervalo definido por una cantidad de agua en el aire a presión a nivel del mar con HR entre >0% y 60% HR para temperaturas entre 0°C y 40°C.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el metal en el hidruro metálico es itrio.

3. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el espesor de la capa de hidruro de metal de tierras raras formada está dentro del intervalo de 50-1500 nm usando un proceso de deposición física de vapor

4. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, seguido de el paso de oxidación del material en un recipiente hermético a la humedad.

5. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, seguido del paso de contener o cubrir el material de oxihidruro en un material estanco a la humedad/agua que mantiene un contenido de humedad/agua en el recipiente a un nivel menor que el aire a presión del nivel del mar con 10% de HR a 25 °C y el material de oxihidruro que tiene un contenido de agua H2O>0,1 ppm.

6. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicho hidruro metálico se fabrica sobre un sustrato transparente, por ejemplo, sobre un sustrato a base de vidrio o polímero.

7. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicho contenido de agua como se define en el paso 2 es menor que 60% de HR a una temperatura de 25 °Celsius.