JPH0243162B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、電気光学装置に関し、特に、印加
される電界によつて光透過特性又は光反射特性を
制御することができる電気化学装置に関する。こ
うした装置はエレクトロクロミツク
（electrochromic）装置とよばれることが多い。

エレクトロクロミツク装置は特に自動車産業で
の重要性が増しつつあるので、その他にも広く利
用しうることは明らかであるけれども、本発明を
こうした産業での特定の利用として記述する。

（従来の技術） 自動車産業は、エレクトロクロミツク装置は車
両のガラス部分に有用である。これを詳述する
と、エレクトロクロミツクな風防ガラスは、客室
の熱管理を容易にするように客室への光の透過を
調整することができることになるので有益であ
る。例えば、空調を必要とする際の負荷を減らす
ために、日中の暑い間、太陽からの赤外線や可視
光線が客室へ透過するのを制御するのが有効であ
る。同様に、自動車の側窓を通過する可視光線を
減らして、所望のときに内部のプライバシーを守
ることが望ましい。したがつて、自動車産業はい
わゆる「利口な窓」、つまり、手動により又は自
動的に光の透過を制御することができる窓に強い
関心を示している。

そのうえ、例えば車両のバツクミラーなどに対
し電気光学を応用することができ、この場合、自
動車の運転車が感じる光のまぶしさを減らすため
に、接近してくるヘツドライトに応答して自動的
にバツクミラーの反射率を変えることが望まし
い。

エレクトロクロミツク装置は、構造的支持体と
なるガラス層のような堅い受動的基板を含み、こ
れが、多層のサンドイツチ状の素子を有する能動
部分を支持する。一般に、能動部分の二つの外層
はエレクトロクロミツク装置の電流に対する２個
の端子電極として作用する。これらの端子電極層
の間に、エレクトロクロミツク物質の層と電解質
の層と固体（又は液体）と逆電流（counter
electrode）とを順に含む電気化学的セルが挾ま
れている。直流電圧が２個の端子電極層の間に印
加されると、エレクトロクロミツク層と端子電極
層との界面でエレクトロクロミツク層へ電子が注
入され又はそこから排出され、一方、エレクトロ
クロミツク層と電解質との界面でエレクトロクロ
ミツク層へ適宜のイオンが注入され又はそこから
排出される。電解質は色の変化を生じさせる電気
化学反応に関与するイオンを通すものでなければ
ならない。エレクトロクロミツク層が所望により
無色又は消色されるように色彩変更反応を逆方向
に進行させることができなければならないので、
逆電極は同じイオンに対して可逆反応が可能であ
ることが必要である。また、逆電極は着色反応に
関係するイオンを蓄積する。場合によつては、逆
電極は２個の端子電極のうちの１つとして機能す
るのでもよい。多くの応用では、電解質と逆電極
と２個の端子電極とは透明であることが必要であ
る。

エレクトロクロミツク層での色の濃さの変化及
び結果的な透過率の変化は、エレクトロクロミツ
ク層へ注入される、又はそこから排出されるイオ
ンの充てん量に依存する。ある意味では、エレク
トロクロミツク・セルは基本的には充電状態が可
変の電池である。

上記のように着色するのに有用な多くの物質が
公知であり、電気化学的セルで陰極的に着色され
うる物質（例えば、酸化タングステンや酸化モリ
ブデン）や電気化学的セルで陽極的に着色されう
る物質（例えば酸化イリジウム）が含まれる。

同様に、電解質として使用される固体及び液体
についても、広範囲の物質が提案されている。超
イオン導体（superionic conductors）や重合体
イオン導体（polymeric ion conductors）は固
体の形で利用可能である。

典型的には、端子電極層は、高導電性となるよ
うに添加された透明な酸化スズ製である。

（発明が解決すべき課題） 上記のようなエレクトロクロミツク装置が自動
車の窓に用いられると、その透過率が変化するに
つれ、窓は不均一な着色（暗化）及び消色
（bleaching、明化）を受けることが多い。こうし
た不均一性は望ましくなく、本発明はこの問題へ
の解決を提供する。

本発明に係るエレクトロクロミツク装置は請求
項１の特徴部分に特定された特徴事項によつて特
徴付けられる。

多くの従来例での不均一性は電気化学的セルに
作用する有効電位の不均一性に起因することがわ
かつた。特に、端子電極層の横方向抵抗に起因す
る電圧降下があるために、有効電位には横方向の
変化がある。本発明は電気化学的セルに作用する
電位の均一性の向上に基づいている。なお、「横
方向」とは端子電極層の面に平行な方向を意味す
る。

（課題を解決するための手段） このために、本発明によれば、２個の端子電極
層の間の回路の電子的部分に、（導電性の）補助
層が、該補助層の厚さ方向の抵抗が端子電極層の
抵抗の横方向変化を有効に抑えるように含まれて
いる。この厚さ方向の抵抗は、補助層の容積にお
ける物質の抵抗に起因し、又は、補助層とそれに
隣接する端子電極層との間の障壁によつて導入さ
れる接触抵抗に起因する。この補助層を含ませる
ようにした結果、電気化学的セルの全表面にわた
る電位は、端子電極層での電圧降下の横方向変化
の程度が低下するので、一層均一になる。しかし
ながら、この補助層の抵抗率は高くないので、エ
レクトロクロミツク効果を得るのに端子電極層に
対して過度に高い電圧を印加する必要がある。

（従来の装置） 第１図に示されている従来のエレクトロクロミ
ツク装置１０は、エレクトロクロミツク装置に対
して支持と堅固さとを与えるが受動的な平ガラス
の基板１１を含む。ガラス基板１１には一連のコ
ーテイング又は層１２〜１６が支持されている。
層１２及び１６が端子電極層である。これら端子
電極層１２，１６間に、手動で又は電子的に可変
の直流電源１９によつて電圧が供給される。一般
的に、これらの端子電極層１２，１６は電気伝導
度を増すために添加された酸化スズ（SnO₂）で
作られる。こうした端子電極層１２，１６は高度
な透光性を有する。これらの端子電極層１２，１
６のそれぞれの厚さは典型的には100ナノメータ
前後である。

中間層１３，１４，１５は基本的にはスペクト
ロ電気化学的セル又は薄膜電池で、色がその充電
状態に依存する。スペクトロ電気化学的セルは着
色又は消色するのにそのエレクトロクロミツク・
フイルムの充電又は放電のみを必要とする。この
スペクトロ電気化学的セルにおいては、中間層１
３はエレクトロクロミツク材料で、中間層１４は
イオン性導体でできており、中間層１５は逆電極
であつてエレクトロクロミツクである。例えば、
中間層１３は水酸化ニツケルNi（OH）₂・xH₂Oで
あつて50ナノメータ前後の厚さを有する。逆電極
として働く中間層１５はイオン性且つ電子性の導
体である水酸化マンガンのような材料の層で、中
間層１３の厚さに匹敵する厚さを有する。（電解
質）中間層１４は水酸化カリウム製で、100マイ
クロメータほどの厚さである。

大まかにいつて、着色反応は酸化ニツケル電池
電極での陽極充電反応と同様で、２価の酸化ニツ
ケルが酸化されて着色度の高い３価の酸化ニツケ
ルが形成される。この反応が逆転されると消色が
生じる。色の変化はセルの消色の変化に対して連
続的である傾向を示す。

第２図は、第１図の端子電極層１２の横方向の
抵抗を説明するための等価回路で、３つの異なる
経路を通る光線Ａ，Ｂ，Ｃの端子電極層１２にお
けるそれぞれの通過領域から電気接点１２Ａまで
の横方向抵抗を概略的に示したものである。光線
Ａ，Ｂ，Ｃにそれぞれ関連する電子の流れ（これ
はセル部分でのイオンの流れとは区別される）は
端子電極層１２において電気接点１２Ａに到達す
る際にこの横方向抵抗を受けることになる。光線
Ａ，Ｂ，Ｃの経路は、電圧が印加される端子電極
層１２の端縁から単位長さずつ順にずれた領域を
通過する。第２図の抵抗Ｒは端子電極層の面に平
行な横方向における単位長さ当りの抵抗である。
同様の状況は他の端子電極層１６においても存在
する。光線Ａが端子電極層１２へ入る点に対応す
るノード２１では、電気接点１２Ａからの電圧降
下が、光線Ｂ，Ｃが端子電極層１２に入る点に対
応するノード２２，２３での電圧降下より小さい
ことは明らかである。このことは、ノード２１で
の電圧はノード２２，２３での電圧より高く、中
間層１３，１４，１５によつて形成される電気化
学的セルはノード２２，２３に対応する点におけ
るよりもノード２１に対応する点での高い印加電
位を経験する。この結果、ノード２１に対応する
点において異なる量の着色が生じる。同じ考え方
により、ノード２３に対応する点におけるより
も、ノード２２に対応する点での着色の度合が違
つてくることになる。電源からのリード線との接
続に使うために端子電極層１２の全縁を低抵抗性
金属層で被覆すると、本質的に電気接点１２Ａは
考察中の点に最も近い縁に対応する。

この問題に対する一つの解決法は、端子電極層
の厚さを増すことによつてなしうるのであるが、
該層の横方向導電率を増すことである（端子電極
層の導電率は厚さと共に増加する）。しかしなが
ら、該層の透明度との妥協を結局はしなければな
らない。端子電極層１２として使用するために現
在利用可能な材料に対して、適切な透明度のため
の厚さの限界に達してしまつて、車両用に必要な
大きさのエレクトロクロミツク性窓のための不均
一性の問題は解決されない。

（実施例） 第３図について説明する。同図には、本発明に
係るエレクトロクロミツク装置２０が示されてい
る。エレクトロクロミツク装置２０は、端子電極
層１２と（エレクトロクロミツク）中間層１３と
の間に、（透明な）補助層１８を追加して使用す
ることにより、全電圧が印加されている端子電極
層１２の電気接点１２Ａからの距離に対する（エ
レクトロクロミツク）中間層１３の特定の点での
有効電位の依存性を低減する。第１図で使用され
た参照番号は対応する構成要素に対して第３図に
おいても使用されている。

補助層１８は面に垂直な方向（厚さ方向）に、
端子電極層の横方向の抵抗に比べて大きい抵抗を
持つように選択される。光線Ａ，Ｂ，Ｃに対応し
て端子電極層１２と補助層１８とにおける経路に
沿う電子のための等価回路図が、第２図と同様に
して第４図に描かれている。この場合、この補助
層を通る面に垂直な単位面積当りの抵抗はR′で
ある。値R′がＲよりも充分高ければ、図の等価
回路から、ノード３１，３２，３３のいずれかか
ら電気接点１２Ａに到る全直列抵抗の変動率が、
ノード２１，２２，２３のいずれかから電気接点
１２Ａに到る直列抵抗の変動率よりも小さいこと
は明らかである。特に、R′がＲよりもかなり
（例えば、数10倍だけ）大きいとすると、第４図
に示された３本の経路のそれぞれにおける抵抗は
R′にほぼ等しい状態を維持するが、第２図の３
本の経路の場合、抵抗はそれぞれＲ，２Ｒ，３Ｒ
である。

抵抗R′は補助層１８の全垂直抵抗と補助層に
隣接する端子電極層１２と補助層との間の接触抵
抗との和である。特に、比較的高い導電率の酸化
ニツケルは、フツ素を添加された酸化スズ製の端
子電極層１２との間に比較的高い接触抵抗を形成
するので、補助層１８として使用可能である。

（透明な）補助層１８を含んでいるために、こ
れによる電圧降下を補償する一層高い印加電圧が
必要となる。しかし、これは重大な欠点ではな
い。なぜなら、エレクトロクロミツク電圧による
電力消費は低いからである。しかしながら、不必
要に高い印加電圧を必要としないようにするため
に、R′を10〜20のフアクタだけＲより大きくす
るのが有利である。

前述のように、端子電極での横方向電圧降下の
問題は２個の端子電極層のそれぞれにおいて存在
する。もし補助層の垂直抵抗が充分に高いなら
ば、両方の端子電極層での問題を解決するのには
唯１個の補助層を含むだけで充分である。典型的
には、２個の端子電極層が同一種類であれば、各
端子電極層の単位長さ当りの横方向抵抗のほぼ20
倍の単位面積当りの垂直抵抗を持つ単一の補助層
は、都合の良い電圧レベルで高い均一性を実現す
るのに充分である。

補助層を、イオン電流の経路と区別される電子
電流の経路のどこにでも加えることができること
は明らかぜある。したがつて、代替手段として、
補助層を（逆電極）中間層１５と端子電極層１６
との間に挿入することも可能である（ただし、こ
れは通常に不利な配置である）。場合によつては、
個別の補助層を両側に（例えば、１つの補助層を
端子電極層１２と中間層１３との間に、別の補助
層を中間層１５と端子電極層１６との間に）設け
て、補助層間で所望の垂直抵抗を分配するように
してもよい。

現在のデータでは、端子電極層として利用可能
な最良の透明導体は、フツ素添加された酸化スズ
（FTO）である。端子電極層１２が10Ω／スクエ
アの抵抗をもつFTO膜からなるならば、１cm²の
区域に100Ωの垂直抵抗を付加するための付加層
の厚さは、１×10⁵Ω・cmの抵抗率をもつ材料の
10μmの厚さを有する。

２層の膜の設計は膜の面積に依存する。端子電
極層１２の横方向の即ち平行な抵抗は、型が同一
であるならば、つまり、２つの横方向の大きさが
同一のフアクタだけ増加されるならば、面積が大
きくなつても一定に維持される。しかし、補助層
１８の垂直抵抗は、面積に反比例して減少する。
つまり、補助層の抵抗率とその厚さとの積は、所
望の平行抵抗対垂直抵抗比を維持するために面積
に比例して増加しなければならない。例えば、典
型的な車両用窓の大きさである500cm²の面積は、
上述の１cm²の例の5000倍の抵抗率と膜厚さとの積
を必要とする。公知のように、酸化スズの抵抗率
はその添加によつて制御可能である。適宜の抵抗
率のフイルムは少量の添加又は添加なしで酸化ス
ズによつて実現可能である。

したがつて、本発明に係る現在の好ましい実施
例においては、端子電極層１２はフツ素を添加し
て高導電性とされた酸化スズで作られ、補助層１
８は実質的に無添加で若干導電性が劣る酸化スズ
で作られている。これらの層の各々は金属−有機
めつきによつて容易に用意することができる。

無添加の酸化スズで実現されるよりも高い垂直
抵抗が必要な場合には、代りに酸化タンタル又は
酸化チタンを使うことができる。

本発明は一般的な種類のエレクトロクロミツク
装置、即ち、端子電極層の横方向抵抗が横方向電
圧降下を生じるために、エレクトロクロミツク装
置の電気化学的セルの部分の有効電位に不均一が
生じて不均一な着色及び消色が発生してしまうエ
レクトロクロミツク装置に対して広く応用可能で
ある。したがつて、本発明は既述の例示的実施例
で用いられた特定の材料に限定されるものではな
い。

エレクトロクロミツク装置の透過度を制御する
ために、種々の装置を用いることができる。例え
ば、エレクトロクロミツク窓を備えた自動車内で
所望のレベルのプライバシーが必要である場合な
どには、電源から供給される電圧を手動で調整す
るための設備がなされる。また、エレクトロクロ
ミツク風防ガラスに入射する太陽光の量のような
周囲環境に応答して自動的に供給電圧を調節する
ためにセンサを使うこともできる。更らに、反射
性のバツクミラーとして使用するために、一方の
端子電極層上に反射膜をめつきしてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来技術のエレクトロクロミツク装
置の断面図を示す。第２図は、第１図のエレクト
ロクロミツク装置の等価抵抗回路図である。第３
図は、本発明の一実施例のエレクトロクロミツク
装置を第１図と同様に描いた図である。第４図
は、第３図の実施例の等価抵抗回路図である。 １１：ガラス基板、１８：補助層、１２，１
６：端子電極層、１９：電源、１３，１４，１
５：中間層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 透明な基板１１と、該基板上の一対の端子電
   極層１２，１６と、該端子電極層１２，１６の間
   に含まれていて少くとも１つの層１３がエレクト
   ロクロミツク材料製であり電気化学的セルを形成
   する手段１３，１４，１５とを備えるエレクトロ
   クロミツク装置２０において、 前記電気化学的セル１３−１５と前記端子電極
   層１２，１６のうちの少くとも１つとの間に、高
   抵抗材料の補助層１８が配設され、 該補助層１８は、それに隣接する端子電極層１
   ２の横方向の電気抵抗よりも少くとも約10倍大き
   い厚さ方向の電気抵抗を有し、 前記２個の端子電極層１２，１６間に電圧が印
   加されたときに、前記電気化学的セルに印加され
   る電位の横方向変化及び前記エレクトロクロミツ
   ク装置２０における付随的な横方向の色変化を実
   質的に減少させるようにしたエレクトロクロミツ
   ク装置。 ２ 前記補助層１８が、その隣接する端子電極層
   １２との間に形成されて該端子電極層の横方向抵
   抗に比して大きい接触抵抗を有する材料で作られ
   ている請求項１記載のエレクトロクロミツク装
   置。 ３ 一対の補助層を有し、各補助層が前記電気化
   学的セルと前記２個の端子電極層１２，１６のう
   ちの異なる１つとの間に配設されている請求項１
   又は２のいずれかに記載のエレクトロクロミツク
   装置。 ４ エレクトロクロミツク材料の層１３が水酸化
   ニツケル製である請求項１〜３のうちのいずれか
   １つに記載のエレクトロクロミツク装置。 ５ 前記電気化学的セルが水酸化ニツケルの層１
   ３と、水酸化カリウムの層１４と水酸化マンガン
   の層１５とを備える請求項１〜３のうちのいずれ
   か１つに記載のエレクトロクロミツク装置。 ６ 前記一対の端子電極層１２，１６のうちの少
   くとも１つが比較的高い導電率の酸化スズ製であ
   り、前記補助層又は層１８がそれより小さい導電
   率の酸化スズ製である請求項１〜５のうちのいず
   れか１つに記載のエレクトロクロミツク装置。 ７ 前記補助層又は層１８が酸化ニツケル製であ
   り、それに隣接する端子電極層１２，１６がフツ
   素添加された酸化スズである請求項１〜５のうち
   のいずれか１つに記載のエレクトロクロミツク装
   置。 ８ 前記透明な基板１１が少くとも約5000cm²の面
   積の窓である請求項１〜７のうちのいずれか１つ
   に記載のエレクトロクロミツク装置。 ９ 前記透明な基板１１が、自動車用窓である請
   求項１〜７のうちのいずれか１つに記載のエレク
   トロクロミツク装置。 １０ 前記透明な基板１１が、自動車用バツクミ
   ラーである請求項１〜７のうちのいずれか１つに
   記載のエレクトロクロミツク装置。