CN114902129A - 具有改进的切换速度的电致变色装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种电致变色装置。该电致变色装置包括：(i)第一基板，在其内表面上具有导电层；(ii)第二基板，在其内表面上具有导电层；(iii)电致变色组件，其包括至少一个电致变色层；(iv)第一母线对，其包括电连接到第一基板的导电层的正母线和电连接到所述第二基板的导电层的负母线；以及(v)第二母线对，其包括电连接到第一基板的导电层的正母线和电连接到第二基板的导电层的负母线。还描述了一种用于可逆地改变包括至少一个电致变色层的电致变色装置的光学特性的方法。

Description

具有改进的切换速度的电致变色装置

技术领域

本发明涉及电致变色装置和用于可逆地改变包括至少一个电致变色层的电致变色装置的光学特性的方法。

背景技术

电致变色装置是一种本领域内已知的可电力切换或动力或电力激活的装置。术语“电致变色”在本领域中通常用于描述一类可切换或可激活的装置以及相关材料，它们响应于由电刺激(例如，施加或移除电流或电压电势)产生的离子或电子的***或取出，而可逆地改变一个或多个光学特性。该装置或材料在第一或起始电气条件下表现出第一定义的光学特性状态，当该电气条件改变时表现出第二光学特性状态。电致变色装置或材料的光学特性通常通过化学氧化/还原可逆地改变，并且包括例如电磁能(例如可见光、红外线、紫外线或其他波长)透射率、反射率、色调、颜色和折射率。作为非限制性示例，在一些电致变色装置中，可见光透射率可以通过施加电压电势从第一相对较低的水平可逆地转变为第二相对较高的水平(有时称为“漂白”)。在另一个示例中，可见光透射率可以通过施加电压电势从第一相对较高的水平可逆地转变到第二相对较低的水平(有时称为“变暗”)。

电致变色装置和材料具有许多实用的应用，例如，作为可切换玻璃窗(有时称为“智能”玻璃)的组件，其可用作汽车窗户和天窗以及建筑天窗和窗户、镜子、显示器等的组件。电致变色装置例如在美国专利No.8218223和No.8717658中有所描述，所述专利文献的内容和描述在此通过引用并入本文。

电致变色装置的舒适、节能和视觉美观的优点带来了不断增长的消费者需求——对其作为上文描述的终端应用的组件。然而，正如现有技术中所记载的那样，一些电致变色装置及其相关材料表现出性能上的缺陷，阻碍了它们的市场渗透以及相应的制造商和消费者的接受度。这些缺陷中排在最前面的是“切换速度”，其通常是指当施加或移除电压电势时，电致变色装置从第一光学状态转变到第二光学状态的速率。一般来说，消费者(以及制造商)希望产品在尽可能短的时间内从一种光学状态转变到另一种光学状态——而许多现有技术的电致变色材料和装置根本无法以商业上令人满意的速度转变。

消费者经常察觉到的另一个缺点涉及不均匀和不一致的切换或转变，这可能是由装置上施加的电压电势的局部差异和/或变化引起的。在这种情况下，电致变色装置的透射率最初在施加电压电势附近变化更大，通常在装置的边缘，只有当装置上的施加的电压电势的差异平衡到零时，透射率才会逐步渐进地向装置的中心变化。此外，从设计角度来看，往往希望电化学装置能够基于装置的用途在明确定义和特定方向上进行光学状态转换。

随着对电致变色装置的需求扩展到更大的终端应用，如汽车全景天窗和建筑天窗，商业上可接受的转换均匀性和切换速度对产品的市场成功尤为重要；然而，围绕装置构造(例如参见美国专利No.8717658)和材料组成的创新尚未解决这些性能挑战。因此，仍然存在对具有商业上可接受的切换速度、方向和均匀性的电致变色装置的未满足的需求。

发明内容

第一方面，本发明涉及一种电致变色装置。本发明的电致变色装置包括：(i)在其内表面上具有导电层的第一基板；(ii)在其内表面上具有导电层的第二基板；(iii)包括至少一个电致变色层的电致变色组件；(iv)第一母线对，其包括电连接到第一基板的导电层的正母线和电连接到第二基板的导电层的负母线；(v)第二母线对，包括电连接到第一基板的导电层的正母线和电连接到第二基板的导电层的负母线。

第二方面，本发明涉及一种用于可逆地改变电致变色装置的光学特性的方法，该装置包括至少一个电致变色层。本发明的方法包括：(i)跨第一母线对施加电压电势，第一母线对与至少一个所述电致变色层电连接，其中所述第一母线对包括第一正母线和第一负母线；以及(ii)跨第二母线对施加电压电势，所述第二母线对包括第二正母线和第二负母线。

本发明的其他方面如本文所公开的和要求保护的。

附图说明

图1是现有技术的电致变色装置的剖视图；

图2是本发明的电致变色装置一实施例的剖视图；

图3是本发明的电致变色装置一实施例的剖视图；

图4是图2中阐述的本发明装置实施例的侧视图；

图5A是图4所示实施例的一个角的分解图；

图5B是图4所示实施例的一个角的分解图；

图6是曲线图，表示在本文实例2所阐述的评估中产生的某些数据；和

图7是曲线图，表示在本文实例2所阐述的评估中产生的某些数据。

具体实施方式

一种典型的现有技术电致变色装置如图1所示。玻璃基板1上涂覆有第一电极层2，第一电极层2上涂覆有第一层3，离子可以可逆地***第一层3中。离子可以可逆地***的第一层3本质上是电致变色的。离子导电层4将离子可以可逆***的第一层与离子可以可逆***的第二层5分开。离子可以可逆***的第二层5充当离子可以可逆***的第一层3的对电极，并且本质上可以是或可以不是电致变色的。该装置的分层结构由涂覆有第二电极层6的第二玻璃基板7完成。电极层(2，6)设置有电触点(A和B)，在所述电触点之间可以施加电势。

本发明的电致变色装置，在图2至4中通常标为8，该装置包括：(i)第一基板10，在其内表面12上具有导电层15；(ii)第二基板20，在其内表面22上具有导电层25；(iii)电致变色组件30，其包括至少一个电致变色层35；(iv)第一母线对，其包括电连接至所述第一基板10的导电层15的正母线42以及电连接至所述第二基板20的导电层25的负母线44；以及(v)第二母线对，其包括电连接至所述第一基板10的导电层15的正母线52以及电连接至所述第二基板20的导电层25的负母线54。

第一和第二基板优选由聚合物材料形成，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、纤维素酯、丙烯酸树脂、聚碳酸酯、环状烯烃共聚物等，并且第一和第二基板优选为具有高可见光透射率水平(％VLT)的柔性膜，例如，％VLT至少为80％或更高。第一和第二基板的厚度可以根据例如装置的最终用途来选择，但其通常范围为约0.5至8mil(0.013至0.20mm)，或约1至4mil(0.025至0.1mm)，或约2至3mil(0.05到0.075mm)。普通技术人员将理解，各个基板的厚度是独立的，因此第一基板的厚度可以与第二基板的厚度相同或不同。

导电层15和25可由金属(如金)或本领域已知的导电金属氧化物(如氧化铟锡(ITO))形成——使用已知的薄膜沉积技术，如溅射、等离子体涂覆方法，如PVD和PECVD等。普通技术人员将理解，这种导电层在应用于涂覆基板时会影响其总的％VLT，这种影响(如果有的话)取决于多种因素，如层沉积技术的选择、层材料和层厚度。

本发明的装置包括电致变色组件30，电致变色组件30包括至少一个电致变色层35。该至少一个电致变色层，以及下文所描述的电致变色层，可以由任何已知的电致变色材料形成以及可以包括任何已知的电致变色材料。适用于电致变色层的电致变色材料在本领域中是公知的。合适材料的例子包括但不限于氧化钨、聚合物分散液晶(polymer-dispersed liquid crystal，PDLC)材料、过渡金属氧化物，如氧化镍、聚苯胺类和紫罗碱类，等等，如美国专利公开号No.20180173035A1中所述的，该专利文献的内容和说明通过引用合并于此。用于电致变色层35的特别合适的电致变色材料包括下述材料：例如，普鲁士蓝(PB)，有机金属聚合物如金属超分子配位聚电解质(metallo-supramolecularcoordinating polyelectrolytes，MEPE)，以及金属氧化物。

如图3和图4所示，装置30的电致变色组件的一个实施例包括：(a)第一电致变色层35，其在第一基板10的导电层15的内表面34上；(b)离子导电层37，其在第二基板20的导电层25的内表面38上；以及，(c)电解质层39，其在第一电致变色层35和离子导电层37之间。第一电致变色层35和离子导电层37可以是相同或不同的材料。在优选实施例中，离子导电层37是第二电致变色层。

电解质层可以由用于电致变色装置的任何已知的电解质材料形成以及可以包括用于电致变色装置的任何已知的电解质材料。适用于电解质的电解质材料在本领域中是公知的，特别适合的电解质材料包括基于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)-高氯酸锂(LiClO₄)的固体聚合物电解质，其由碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯和聚乙二醇增塑。

本发明的装置8进一步包括第一母线对，第一母线对包括正母线42和负母线44，正母线42电连接至第一基板10的导电层15并优选安装于其上，负母线44电连接至第二基板20的导电层25并优选安装于其上。

本发明的装置进一步包括第二母线对，第二母线对包括正母线52和负母线54，正母线52电连接至第一基板10的导电层15并优选安装于其上，负母线54电连接至第二基板20的导电层25并优选安装于其上。

如本文所用，短语“母线”是指这样的导电条，其电连接至外部导线和本发明的导电层，以便从外部导线输送电压电势或电流。母线在本领域中通常是已知的，例如在美国公开专利No.2017/0097553和No.8717658中进行了描述，所述专利文献的内容和公开在此通过引用并入本文。

在实施例中，至少一个母线是导电带，该导电带包括一个导电基板，在导电基板的顶表面和底表面中的至少一个上有黏合剂。在其他实施例中，可以使用没有黏合剂的导电带。

本领域技术人员将理解，可以考虑母线对的各种物理排列和位置，部分取决于例如电致变色装置的几何形状。在一实施例中，如图3和4所示，装置8在形状上通常为四边形(包括矩形或正方形)，母线通常为线性条带，第一母线对的正母线通常平行于第二母线对的正母线。在该实施例中，本发明的电致变色装置优选还包括一个绝缘层60、70，绝缘层60、70在正母线42、52和负母线44、54之间并将其电分隔。绝缘层通常由本领域中已知是电绝缘体的材料形成，如聚合物和塑料(如聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰胺膜)，其厚度和结构足以防止电流在它们所分隔的母线之间流动。在这种布置中，可以理解的是，如图3和4所示，母线对的负母线和正母线的放置可以互换。

在图4所示的实施例中，装置8在形状上大体为四边形(包括矩形或正方形)，母线大体为线性条带，其中正母线42大体垂直于正母线52。在另一个实施例中(未显示出)，装置8在形状上通常为四边形(包括矩形或正方形)，母线一般为垂直成角度的条带，通常位于装置的角落处。

在使用中，本发明的装置可操作地连接到至少一个外部电压电势源上，有至少一根正极导线和至少一根负极导线。当在第一母线对的正母线和负母线之间以及在第二母线对的正母线和负母线之间施加电压电势时——通过将正母线和负母线分别连接到外部电压电势源的正极导线和负极导线，装置的一个或多个光学特性可逆地改变。同样的，当在第一母线对的正母线和负母线之间以及在第二母线对的正母线和负母线之间——通过将正母线和负母线分别连接到外部电压电势源的正极导线和负极导线——施加的电压电势被移除时，装置的一个或多个光学特性会可逆地改变。因此，本发明的第二方面是一种用于可逆地改变包括至少一个电致变色层的电致变色装置的光学特性的方法。本发明的方法包括：(i)跨第一母线对施加电压电势，该第一母线对与至少一个所述电致变色层电连接，其中第一母线对包括第一正母线和第一负母线；以及(ii)跨第二母线对施加电压电势，其中第二母线对包括第二正母线和第二负母线。该方法可进一步包括步骤(iii)：移除步骤(i)和(ii)中施加的电压电势中的至少一个。

下面的实例阐述了根据本发明的合适的和/或优选的方法和结果。然而，应当理解的是，这些实施例是以说明的方式提供的，其中的任何内容都不应被视为对本发明总体范围的限制。

实例

实例1—样品制备

构建了本发明中电致变色装置的一个样品，其构造如图3所示，形状为矩形，尺寸为0.10m×0.50m。各种部件的材料和规格如下：

基板：PET膜，50微米

导电涂层：用ITO涂层密封的金涂层，以提高抗划伤性

电致变色层：负电致变色层：普鲁士蓝(PB)，正电致变色层：金属超分子聚电解质(MEPE)

电解质层：基于锂离子的电解质材料

母线对(2)：3M生产的1/2英寸宽铜电工胶带(Ruban Isolant Cinta Aisladora)

绝缘膜：厚度为50微米的PET膜

还构建了出于比较目的的对照样品，其构造如图1所示，形状为矩形，尺寸为0.10m×0.50m。各种部件的材料和规格与本发明装置相同，但对照样品仅含有一个母线对。

实例2—评估切换/转换速度

使用Keysight B2901A SMU(源测量单元)电源评估在实例1中组装的电致变色装置的切换行为。分别使用+1.7V和0.0V的电压对电致变色装置进行漂白和着色。在漂白和着色电压水平下以300秒保持周期施加方形电压曲线。当使用SMU电源向母线对施加+1.7V和0.0V时，使用光纤光谱仪(Ocean Optics)在装置中心以580nm波长连续监测透射率水平(％T)。光纤光谱仪的光源以垂直于样品前表面的方向投射在装置上，并记录在每个电致变色装置的后表面(与冲击光源相反的一侧)。

然后根据三个参数评估切换速度：(1)每秒漂白/着色百分比，表明样品多快达到最大漂白/着色速率；(2)580nm处的％T，作为时间的函数；以及(3)达到最大漂白/着色的总时间。评估结果如图6和7所示。如图6和7中的这些曲线图所证明的，本发明的装置在施+1.7V的电压约35秒后达到了每秒2.9％的最大漂白速率，在施加0.0V的电压仅约4秒后达到了每秒4.0％的最大着色速度。相比之下，在对照样品中，最大漂白速率或着色速率分别为每秒1.3％和每秒1.7％——令人惊讶地显著低于本发明装置。此外，当与对照装置相比，本发明装置完全漂白和着色所需的总时间出乎意料地更加短。本发明装置在大约40秒实现了完全漂白，与之相比对照装置则为约120秒。本发明装置在大约25秒实现了完全着色，与之相比对照装置则为约为65秒。

出于说明和描述的目的，已经呈现了本发明的各种实施例的前述描述。并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确实施例中。在上述教导，大量的修改或变化是可能的。例如，可以设想本发明在其他领域和应用中也是有用的，其中设备通常以某种方式响应电压电势(例如热电设备)的施加，以及在下述这样的领域和应用中，其中光学特性基于电压电势的施加/移除而可逆地切换(例如，聚合物分散液晶(PDLC)装置)而非通过化学氧化/还原切换。尽管如此，所讨论的实施例被选择和描述以为本发明的原理及其实际应用提供更好的说明，从而使本领域普通技术人员能够按照适合预期的特定用途的方式，在各种实施例中以及以各种修改来利用本发明。所有这些修改和变化都在本发明的范围内，该范围是由所附的权利要求确定的——当权利要求按照公平、合法及公正地享有的广度来解释时。

Claims (16)

1.一种电致变色装置，其包括：

(i)第一基板，在其内表面具有导电层；

(ii)第二基板，在其内表面具有导电层；

(iii)电致变色组件，其包括至少一个电致变色层；

(iv)第一母线对，所述第一母线对包括电连接至所述第一基板的所述导电层的正母线以及电连接至所述第二基板的所述导电层的负母线；和

(v)第二母线对，所述第二母线对包括电连接至所述第一基板的所述导电层的正母线以及电连接至所述第二基板的所述导电层的负母线。

2.根据权利要求1所述的电致变色装置，其中，所述电致变色组件包括：

(a)在所述第一基板的所述导电层的内表面上的第一电致变色层；

(b)在所述第二基板的所述导电层的内表面上的离子导电层；和

(c)在所述第一电致变色层和所述第二电致变色层之间的电解质层。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置在形状上为四边形，并且所述第一母线对的所述正母线大体上平行于所述第二母线对的所述正母线。

4.根据权利要求3所述的装置，其进一步包括：在所述第一母线对的所述正母线和所述第二母线对的所述负母线之间并将两者电分隔的第一绝缘层，以及在所述第二母线对的所述正母线和所述第一母线对的所述负母线之间并将两者电分隔的第二绝缘层。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置在形状上为四边形，并且所述第一母线对的所述正母线大体上垂直于所述第二母线对的所述正母线。

6.根据权利要求2所述的装置，其中所述离子导电层是第二电致变色层。

7.一种用于改变包括至少一个电致变色层的电致变色装置的光学特性的方法，所述方法包括：

(i)跨第一母线对施加电压电势，所述第一母线对与所述电致变色层电连接，所述第一母线对包括第一正母线和第一负母线；以及

(ii)跨第二母线对施加电压电势，所述第二母线对包括第二正母线和第二负母线。

8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括步骤(iii)：移除在步骤(i)和步骤(ii)中施加的所述电压电势中的至少一个。

9.一种电致变色装置，其包括：

(i)第一基板，在其内表面上具有导电层；

(ii)第二基板，在其内表面上具有导电层；

(iii)包括至少一个电致变色层的电致变色组件，其中所述电致变色组件包括：

(a)第一电致变色层，其在所述第一基板的所述导电层的内表面上；

(b)离子导电层，其在所述第二基板的所述导电层的内表面上；和

(c)电解质层，其在所述第一电致变色层和所述离子导电层之间；

(iv)第一母线对，所述第一母线对包括电连接至所述第一基板的所述导电层的正母线和电连接至所述第二基板的所述导电层的负母线；以及

(v)第二母线对，所述第二母线对包括电连接至所述第一基板的所述导电层的正母线和电连接至所述第二基板的所述导电层的负母线。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述装置在形状上为四边形，并且所述第一母线对的所述正母线大体上平行于所述第二母线对的所述正母线。

11.根据权利要求10所述的装置，其进一步包括：在所述第一母线对的所述正母线和所述第二母线对的所述负母线之间并将两者电分隔的第一绝缘层，以及在所述第二母线对的所述正母线和所述第一母线对的所述负母线之间并将两者电分隔的第二绝缘层。

12.根据权利要求9所述的装置，其中，所述装置在形状上为四边形，并且所述第一母线对的所述正母线大体上垂直于所述第二母线对的所述正母线。

13.根据权利要求9所述的装置，其中所述离子导电层是第二电致变色层。

14.一种电致变色装置，其包括：

(i)第一基板，在其内表面上具有导电层；

(ii)第二基板，在其内表面上具有导电层；

(iii)包括至少一个电致变色层的电致变色组件，其中所述电致变色组件包括：

(a)第一电致变色层，其在所述第一基板的所述导电层的内表面上；

(b)第二电致变色层，其在所述第二基板的所述导电层的内表面上；和

(c)电解质层，其在所述第一电致变色层和所述第二电致变色导电层之间；

(iv)第一母线对，所述第一母线对包括电连接至所述第一基板的所述导电层的正母线和电连接至所述第二基板的所述导电层的负母线；和

(v)第二母线对，所述第二母线对包括电连接至所述第一基板的所述导电层的正母线和电连接至所述第二基板的所述导电层的负母线，

其中，所述装置进一步包括：在所述第一母线对的所述正母线和所述第二母线对的所述负母线之间并将两者电分隔的第一绝缘层，以及在所述第二母线对的所述正母线和所述第一母线对的所述负母线之间并将两者电分隔的第二绝缘层。

15.一种用于改变包括至少两个电致变色层的电致变色装置的光学特性的方法，所述方法包括：

(i)跨第一母线对施加电压电势，所述第一母线对与所述电致变色层电连接，所述第一母线对包括第一正母线和第一负母线；以及

(ii)跨第二母线对施加电压电势，所述第二母线对包括第二正母线和第二负母线。

16.根据权利要求15所述的方法，其还包括步骤(iii)：移除在步骤(i)和步骤(ii)中施加的所述电压电势中的至少一个。

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