JPH05509414A - エレクトロクロミックデバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 エレクトロクロミックデバイス 最近のエレクトロクロミックデバイスは通常、米国特許第４．１９３゜６７０号 の図１に示されるような多くの層を含んでいる。そのようなデバイスの一例は、 一枚のガラスの裏にまずインジウム／酸化錫の薄い透明な層のような導電体をコ ートしフロント電極もしくは作用電極を形成し、次いて作用電極に酸化タングス テンの薄い透明な層をコートしエレクトロクコミック層を形成し、次いでこのエ レクトロクロミック層にＮＡＦｆＯＮペルフルオロスルホネートポリマー（Ｅ、 ［。

ｄｕ　Ｐｏｎｔ　ｄｅ　Ｎｅｍｏｕｒｓ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐａｎｙ製）のような イオン伝導ポリマー（米国特許第４．２３１．６４１号参照）の薄い透明な層を コートしイオン伝導層を形成し、そして最後にこのイオン伝導層に金の薄い透明 なコーティングをコートし対電極を形成する。複雑なデバイスは通常わずかに着 色した透明なガラスの外観を有する。このデバイスは作用電極と対電極の間に電 位を加えることにより光の透過を低下させる。この効果は電位を逆にすることに よって逆転される。そのようなデバイスの操作の理論は、（１）水素イオン及び 電子が電位によってイオン伝導層からエレクトロクロミック層に移動され、エレ クトロクコミック層に着色した水素／酸化タングステンブロンズを形成すること 、及び（２）を位か逆転した場合、エレクトロクロミック層の水素／酸化タング ステンブロンズの水素イオン及び電子はエレクトロクロミック層からイオン伝導 層に移動され、着色した水素／酸化タングステンブロンズを本質的に無色の酸化 タングステンに戻すことである。

そのようなデバイスに関する問題は、高温で操作した場合に、作用ｔｆｉＭと対 電極の間に電位を加えても、デバイスが十分暗くならないことである。

本発明のエレクトロクロミックデバイスの利点の一つは、高温、例えば９０°Ｃ 以上で操作した場合でも、作用電極と対電極の間に電位を加えると、デバイスが 十分暗くなることである。本発明は、導電体、エレクトロクロミック材料、ペル フルオロスルホネートポリマーを含むイオン伝導層及び対電極を含み、ペルフル オロスルホネートポリマーが式、−叶（ＣＦＲ’　、）、−（ＣＦＲ，）、−３ Ｏ２−（式中、ａ＝０−３、ｂ＝０−３、ａ＋ｂ＝少なくとも１、そしてＲ，及 びＲ’＋は独立にハ０ゲン及び１個以上の炭素原子を有する実質的にフッ素化さ れたアルキル基より選ばれる）で表される繰り返し側基が結合した実質的にフッ 素化された主鎖のポリマーを含むことを特徴とするエレクトロクコミック層ノ（ イスである。そのようなポリマーの一例は約８００の当量を有する１、　１．２ ．２−テトラフルオロ−２−（（）リフルオロエチニル）−オキシ）エタンスル ホン酸及びテトラフルオロエチレンのコポリマーである。

図１は本発明の実施態様の種々の層の断面図であり、この層はペルフルオロスル ホネートポリマーのフィルムに付着している。

図２はガラス板を挿入した本発明の他の実施態様の種々の層の断面図である。

図２を参照し、１枚のガラス２１を含む本発明に係るエレクトロクロミックデバ イス２０が示されている。インジウム／酸化錫の導電層２２がガラス２１の上サ イドにコートされフロントもしくは作用電極を形成している。インジウム／酸化 錫がコートされたガラスは、例えばＤｏｎｎｅｌｌｙ　Ｃｏｒｐ、、Ｈｏ１ｌａ ｎｄ　Ｍｌ　より［ＴＯガラスＰＤ５００２として市販入手可能である。酸化タ ングステン（ＷＯりのエレクトロクロミ・ツク層２３は導電層１２に付着されて おり、例えば米国特許第４．１９３．６７０号、３、９７１．６２４号、４．２ ３１．６４１号及び４．３３８．０００号参照。７８０の当量を有する１、　１ ．２．２−テトラフルオロ−２−（（トリフルオロエチニル）オキシ）エタンス ルホン酸とテトラフルオロエチレンのコポリマーのイオン伝導層２４は以下に記 載の浸漬法によりエレクトロクロミック層２３上に形成される。この浸漬法は本 発明において問題ではなく、イオン伝導層は所望のように形成してよいことを理 解すべきである。

金の対電極層２５はイオン伝導層２４に付着される。例えば金層を付着させるた めの方法の米国特許第４．３３８．０００号及び３．９７１．６２４号参照。

直流電源２６はワイヤー２７及びワイヤー２８を介して導電層２２及び対電極層 ２５に接続されている。所望により、保護するため、ガラス板又は他の好適な材 料、例えばプラスチックのシートを金層２５に貼ってもよい。エレクトロクロミ ック鏡を形成するため、デバイス２２のいずれかの側に鏡を貼ってもよい。

図１を参照し、例えば、エレクトロクロミックウィンドーに対し現存ウィンドー を改装するに適した、本発明に係る他のエレクトロクロミックデバイス１０が示 されている。このデバイスＩＯは７８０の当量を有する１、　１．２．２−テト ラフルオロ−２−（（トリフルオロエチニル）オキシ）エタンスルホン酸とテト ラフルオロエチレンのコポリマーのイオン伝導フィルム又は層１４を含んでいる 。酸化タングステン（ＷＯ３）のエレクトロクロミック層１３はフィルム１４に 付着されている。

金の導電層１２はエレクトロクロミック層１３に付着されている。金の対電極層 １５はイオン伝導層１４に付着されている。直流電源１６はワイヤー１７及びワ イヤー１８を介して導電１ｉｔ１２及び対電極層１５に接続されている。

導電体に用いるだめの特定の材料は本発明において問題ではなく、金及び他の金 属もしくは非金属を含むか、図２に示すようにガラス板上にデバイスを形成する 場合、錫をドープした酸化インジウム（インジウム／酸化錫）か好ましく、一方 図１に示す実施態様ては金が好ましい。ある用途において、ガラス板２１のかわ りにプラスチックもしくは他の好適な材料の板が用いられ、これは透明である必 要はない。エレクトロクロミック材料に用いられる特定の材料は本発明において 問題ではなく、酸化モリブデン、及びプロトン（もしくは他のカチオン）及び電 子の同時射出により着色される他の材料を含むか、酸化タングステン並びに酸化 ニッケルのような陽極移動される他のタイプのエレクトロクロミック材料が好ま しい。対電極に用いられる特定の材料は本発明において問題ではない。図１及び 図２に示すような互いの接触は本発明において問題ではない。例えば、米国特許 第４．１９３．６７０号に教示されているような挿入された酸化珪素及び成核層 の使用（サイクルライフ時間を高めるため）は本発明において意図されている。

米国特許第４．７６８．８６５号に教示されているような金属グリッドの使用（ 透明な作用電極の広い面積の■Ｒ低下を克服するため）は本発明において意図さ れている。従って、本発明は作用電極と対電極の間にペルフルオロスルホネート ポリマーイオン伝導層を挿入するあらゆるエレクトロクロミックデバイスの改良 である。

本発明の改良は、イオン伝導層のペルフルオロスルホネートポリマーの組成物に 関する。ｄｕ　Ｐｏｎｔ製のＮａｆｉｏｎブランドペルフルオロスルホネートポ リマーが理想的な材料と考えられた。米国特許第４゜２３１．６４１号参照。し かし、本発明者らはエレクトロクロミックデバイスにおけるイオン伝導層として Ｎａｆｉｏｎについて調べ、Ｎａｆｉｏｎの使用に伴う２つの問題、すなわち（ １）　８０°Ｃ以上に加熱した後のＮａｆｉｏｎ層の好ましくない色、及び（２ ）乏しい高温特性を示した。Ｎａｆｉｏｎについてのこの色の問題は解決された が、温度問題は解決されていない。

ｄｕ　ＰｏｎｔＯＷａｌｔｅｒらの米国特許第４．７３１．２６３号は、その後 Ｎａｆｉｏｎの薄い層の製造に用いられるＮａｆｉｏｎの液体分散体の製造方法 を教示している。しかし、この層は茶色がかった色である。Ｔｅｘａｓ　Ａ＆Ｍ 大学のＣｈａｒｌｅｓ　Ｒ，Ｍａｒｔｉｎらはこの問題を排除するための溶媒抽 出法を記載している。５４　Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　Ｃｈｅｍｊｓｔｒｙ　１６ ３９　（］９８２）参照。スイスのＢｒｏｗｎ　Ｂｏｖｅｒｉ　Ｒｅ５ｅａｒｃ ｈ　ＣｅｎｔｅｒのＧｕｎｔｈｅｒ　Ｇ、　５ｃｈｅｒｅｒ及びＰｅｔｅｒ　Ｐ ｆｌｕｇｅｒは、この問題を排除するための硝酸抽出法を記載しているｏ　１３ 　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｂｅｍｉｓｔｒｙ 　５ｏｃｉｅｔｙ　５２　（１９８６）参照。しかし、Ｎａｆｉｏｎを処理して もしなくても、Ｎａｆｉｏｎより製造されたエレクトロクロミックデバイスは高 温において作動を停止する。これは、例えば熱い気候において晴天の日に自動車 もしくは建物の窓として用いられるエレクトロクロミックデバイスが高温に加熱 されるので重大な問題であると考えられる。

Ｔｈｅ　Ｄｏｗ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ＣｏｍｐａｎｙのＢｏｂｂｙ　Ｒ，Ｅｚｚ ｅｌｌ　らの米国特許第４、３３０．６５４号、４．３３７．１３７号、４．３ ５８．４１２号、４．３５８．５４５号、４，４６２、８７７号、４．４７０． ８８９号、４．４７８．６９５号、４．５１５．９８９号、４，５５４．１１２ 号、４．５７８．５１２号、４．６８７．８２１号及び４．８０４．７２７号は 、例えばクロルアルカリ産業において実用性を有する新規ペルフルオロスルホネ ートポリマーを記載している。Ｔｅｘａｓ　Ａ＆Ｍ犬学のＣｈａｒｌｅｓ　Ｒ， Ｍａｒｔｉｎ及びＲｏｂｅｒｔ　Ｂ、　Ｍａｏｒｅ　ＴｆＬの米国特許第４．７ ３１．２６３号は、その後その薄い耐溶剤性層の製造に用いられるペルフルオロ スルホネートポリマーの液体分散体の製造方法を教示している。Ｅｚｚｅｌｌら の上記米国特許第４．３５８．５４５号のペルフルオロスルホネートポリマーは エレクトロクロミックデバイスにおけるＮａｆｉｏｎにかわるものとして研究さ れた。エレクトロクロミックデバイスにおけるこのペルフルオロスルホネートデ バイスの使用は色問題を有するが、Ｎａｆｉｏｎの温度問題を有しないことがわ かった。色問題は、高純度溶剤の使用を含む以下に記載の方法により解決された 。米国特許第４．３５８．５４５号は本発明のペルフルオロスルホネートポリマ ーを記載しているが、５４５特許の当量制限は本発明に適用できず、８００以下 の当量が本発明において含まれることか指摘されるへきである。さらに、本発明 において、それほど着色されていないペルフルオロスルホネートポリマーを用い ることか好ましいが、これは本発明において問題ではない。そのような色が好ま しくなく、あるいは望ましくない場合、本発明は確実に適用できる。本発明の主 要な利点は、高温において操作できることである。

本発明におけるペルフルオロスルホネートポリマ一層の厚さは問題ではない。５ ミクロンの厚さが十分であることが証明された。理論上、熱い層はＩＲ低下が低 いのでよく作用する。しかし、とても薄い層もデバイスにショートを起こすピン ホールを有する傾向がある。本発明のペルフルオロスルホネートポリマーの希薄 分散液から数回コーティングすることにより、ピンホールのない、比較的薄い層 を形成することが可能である。厚さ７５ミクロンのペルフルオロスルホネートポ リマ一層が、現存ウィンドーの改装のような用途のためのデバイスを研究するた め、本発明においてガラス支持体を用いず製造されたデバイスで作用することが 示された。７５ミクロンより厚いペルフルオロスルホネートポリマ一層は本発明 において意図される。

本発明のペルフルオロスルホネートポリマーの好ましいイオン形状はＨ″　（水 素イオン）である。しかし、ポリマーのイオン形状は本発明において問題ではな い。例えば、アルカリイオン形状のペルフルオロスルホネートポリマー、例えば リチウムイオンは作用することが示された。

本発明のペルフルオロスルホネートポリマーの当量は重要であるとは考えられて いない。好ましい当量は７８０である。本発明において可能であると考えられて いる最も低い当量は２５８である。本発明において可能であると考えられている 最も高い当量は約５０００である。

３００．４００　、５００．６００もしくは７００の当量が可能であると考えら れている。２０００．３０００もしくは４０００の当量が可能であると考えられ ている。好ましい当量は７００〜１０００である。

以下は本発明のペルフルオロスルホネートポリマーの分散液の好ましい製造方法 の説明である。上記Ｅｚｚｅｌｌらの特許（特に米国特許第４．３５８．５４５ 号）を参照し、７８０の当量を有するポリマーを製造すンスルホニルフルオリド （ＦＲＣ＝ＣＦＦ、　Ｒは−０−ＣＦＦ−ＣＦＦ−ＳＯＯＦである）を用いて、 フッ化スルホニル形状のポリマーを合成する。次いでポリマーを、その軟化点か ら２０°Ｆ高くない温度において厚さ１〜２０／１０００インチのフィルムに熱 プレスする。これはポリマー内に茶色〜灰色の形成を防ぐ。このフィルムをスト リ・ノブに切断し、次いてこのストリップを７０〜８０°Ｃて２５パーセント水 酸化ナトリウム内に１２時間浸すことによりポリマーのフッ化スルホニル基をス ルホネート基に転化する。次いでポリマーストリップを脱イオン水中で繰り返し 沸騰させ、過剰の水酸化ナトリウムを除去する。赤外スペクトルを用い、スルホ ン酸ナトリウム形状へのポリマーの転化を確認する。

スルホン酸リチウム形状ヘポリマーを転化させるため、２５７々−セント水酸化 ナトリウム溶液のかわりに２５パーセント水酸化リチウム溶液を用いてよい。

次いて、７０〜９０°Ｃにおいてストリップを６Ｎ塩酸に２回、各々４時間浸す ことによりポリマーをスルホン酸形状に転化する。次いてポリマーを７０°Ｃの 脱イオン水で繰り返し洗浄し、過剰の塩酸を除去し、最後に風乾する。

次いてエタノール／水中のスルホン酸形状のポリマーのほぼ無色の分散液を製造 する。エタノール／水に加えられるポリマーの割合はポリマーの分子量及び当量 により決定する。低当量ポリマーは必要よりも高い重量パーセント溶液を与える ように製造され、その後エタノール及び水で希釈され、溶液を与える。典型的に は、８００当量のポリマーが５〜１０重量パーセントで製造される。高い粘度を 有する高い当量のポリマーは典型的には２重量パーセントで製造される。

分散液において色の形成を防ぐことにおいて、ケトンもしくは他の色形成不純物 を含まないエタノールを用いることがとても重要である。メタノールもしくはイ ソプロパツールにより変性されたエタノールが許容されることがわかった。乾燥 されたポリマーストリ・ツブを５０１５０重量パーセントエタノール／水混合物 に浸し、加圧反応器内で２４０°Ｃに１〜１２時間加熱し、分散液を形成する。

高分子量／当量ポリマーにはより長い時間が必要である。この反応の間、副生成 物としてジエチルエーテルが形成されることに注意する。反応器を冷却し、開く 。次いで分散液をガラス漏斗に通し濾過し、ゲルもしくは未溶解物質を除去する 。

以下は、上記分散液を用いて、図２に示す種類の、本発明のエレクトロクロミッ クデバイスをいかに製造するかの説明である。ＩＸ２インチの、インジウム／酸 化錫（ＩＴＯ）をコートしたガラススライド（ＰＤ５００２　、Ｄｏｎｎｅｌｌ ｙ　Ｃａｒｐ、、　Ｈｏ１ｌａｎｄ　Ｍｌ）を５０パーセント水酸化ナトリウム 溶液に１０〜１５分間浸し、次いて脱イオン水てよく洗浄する。ＩＴＯ層の小さ な法面積を銀ペイントでコートし、ＩＴＯ層への電気的接続を促進する。厚さ３ ０００〜４０００人の酸化タングステンの層を、２　Ｘ　１０−’　トールの酸 素圧及び５０〜７０″Ｃの基材温度において操作する付着チャンバー内で残って いるＩＴＯ層に付着させる。

次いでスライドを上記濾過した分散液に数秒間浸し、取り出し、次いでスライド の不活性な側を拭き取る。このスライドを８５〜９０°Ｃのオーブン内に２時間 入れ、酸化タングステン層上にイオン伝導層を形成する。次いで、厚さ２００〜 ３００人の金の層をＩ　Ｘ　ｔｏ−５）−ルのベース圧力で操作する付着チャン バー内でイオン伝導層のｌＸ３ｃｍの領域に付着させる。厚さ６００〜１０００ 人の金の層を金石の小さな球状領域に形成し、厚く、より荒い金層への電気的接 続を与える。２゜５ボルトの直流電源をデバイスに接続しく金層＋、ＩＴＯ層− ）、暗くさせる。デバイスは電源を外した後も数時間暗いままであった。

電位を逆にすると、デバイスは明るくなった。図１に示すタイプのデバイスは、 上記のようにするが、ストリップに切断せずそしてその分散液を製造せずしてポ リマーフィルムを処理することにより製造される。次いて種々の層を転化された フィルムに付着してよい。

上記デバイスを温度が制御された環境におく。デバイスの光学密度変化をデバイ スに入る及びデバイスから出る電流量並びにデバイスの温度の関数として調へる 。２０°Ｃにおいて、このデバイスは１の最大光学密度変化を有する。３０’Ｃ において、このデバイスは０．８５の最大光学密度変化を有する。４９°Ｃにお いて、このデバイスは０．８の最大光学密度変化を有する。７１″Ｃにおいて、 このデバイスは０．５６の最大光学密度変化を有する。９５°Ｃにおいて、この デバイスは０．４５の最大光学密度変化を有する。

要約書 作用電極（１２）と対電極（１５）の間に挿入されたエレクトロクロミック材料 （ｊ３）及びベルフルオロスルホン酸ポリマーイオン伝導層（１４）を含み、ベ ルフルオロスルホン酸ポリマー層（１４）が式、−〇−（ＣＦＲ’　、）、−（ ＣＦＲハ、−ＳＯ，−（式中、ａ＝０−３、ｂ＝Ｏ−３、ａ＋ｂ＝少なくとも１ １そしてＲ７及びＲ′、は独立にハロゲン及び１個以上の炭素原子を有する実質 的にフッ素化されたアルキル基より選ばれる）て表される繰り返し側基が結合し た実質的にフッ素化された主鎖のポリマーを含むことを特徴とするエレクトロク ロミックデバイス。

そのようなポリマーの一例は、約８００の当量を有する１、１，２．２−テトラ フルオロ−２−（（トリフルオロエチニルオキシ）エタンスルホン酸とテトラフ ルオロエチレンのコポリマーである。本発明の主要な利点は、このデバイスを、 熱い天候において晴天の日に自動車エレクトロクロミックサンルーフにおいて遭 遇するような高温で操作した場合に有効なほどエレクトロクロミックデバイスか 十分暗くなることである。

国際調査報告

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．導電体、エレクトロクロミック材料、ペルフルオロスルホネートポリマーを 含むイオン伝導層及び対電極を含むエレクトロクロミックデバイスであって、ペ ルフルオロスルホネートポリマーが式、−Ｏ−（ＣＦＲ′ｆ）ｂ−（ＣＦＲｆ） ａ−ＳＯ３−（式中、ａ＝０−３、ｂ＝０−３、ａ＋ｂ＝少なくとも１、そして Ｒｆ及びＲ′ｆは独立にハロゲン及び１個以上の炭素原子を有する実質的にフッ 素化されたアルキル基より選ばれる）で表される繰り返し側基が結合した実質的 にフッ素化された主鎖のポリマーを含むことを特徴とするエレクトロクロミック デバイス。
2. ２．式が−Ｏ−（ＣＦＲ′ｆ）ｂ−（ＣＦＲｆ）ａ−ＳＯ３−Ｈ＋（式中、ａ＝ ０−３、ｂ＝０−３、ａ＋ｂ＝少なくとも１、そしてＲｆ及びＲ′ｆは独立にハ ロゲン及び１個以上の炭素原子を有する実質的にフッ素化されたアルキル基から なる群より選ばれる）である、請求項１記載のデバイス。
3. ３．イオン伝導層がＦＦＣ＝ＣＦＦとＦＲＣ＝ＣＦＦ（式中、Ｒは−Ｏ−ＣＦＦ −ＣＦＦ−ＳＯＯＯ−Ｈ＋である）のコポリマーである、請求項２記載のデバイ ス。
4. ４．コポリマーの当量が７００〜１０００である、請求項３記載のデバイス。
5. ５．式が−Ｏ−（ＣＦＲ′ｆ）ｂ−（ＣＦＲｆ）ａ−ＳＯ３−Ｌｉ＋（式中、ａ ＝０−３、ｂ＝０−３、ａ＋ｂ＝少なくとも１、そしてＲｆ及びＲ′ｆは独立に ハロゲン及び１個以上の炭素原子を有する実質的にフッ素化されたアルキル基か らなる群より選ばれる）である、請求項１記載のデバイス。
6. ６．イオン伝導層がＦＦＣ＝ＣＦＦとＦＲＣ＝ＣＦＦ（式中、Ｒは−Ｏ−ＣＦＦ −ＣＦＦ−ＳＯＯＯ−Ｌｉ＋である）のコポリマーである、請求項５記載のデバ イス。
7. ７．コポリマーの当量が７００〜１０００である、請求項６記載のデバイス。
8. ８．４９℃以上の温度における請求項１〜７のデバイスの使用。
9. ９．７１℃以上の温度における請求項１〜７のデバイスの使用。