具有多个独立可控区域和内部母线的电致变色器件的制作方法
【专利说明】具有多个独立可控区域和内部母线的电致变色器件
[0001]相关串请交叉引用
[0002]本申请是2013年3月8日申请的美国专利申请号13/790，167的继续申请，该申请是2012年2月28日申请的美国专利申请号13/407，106的部分继续申请，这两个申请的内容通过引用被并入本文。
【背景技术】
[0003]电致变色器件包括已知的响应于施加电势而改变其光学性质(诸如着色)的电致变色材料，从而使器件或多或少是透明的或者或多或少是反射性的。典型的现有技术的电致变色器件包括反电极层、大致平行于反电极层沉积的电致变色材料层以及相应地将反电极层与电致变色层分开的离子导电层。此外，两个透明导电层分别与反电极层和电致变色层大致平行和接触。制造反电极层、电致变色材料层和离子导电层和导电层的材料是已知的，例如在美国专利申请号2008/0169185中描述，其通过引用被并入本文中，优选地是基本上透明的氧化物或氮化物。当电势施加到电致变色器件的分层结构中时(诸如通过将相应的导电层连接到低电压电源)，离子，诸如存储在反电极层中的Li+离子从反电极层通过离子导电层流动到电致变色层。此外，电子在包括低电压电源的外部电路周围从反电极层流动到电致变色层，以便维持反电极层和电致变色层中的电荷中性。离子和电子迀徙到电致变色层引发电致变色层的光学特征改变，可选地反电极层是互补EC器件，从而改变着色，因此改变电致变色器件的透明度。
[0004]图1A和IB分别图解说明典型的现有技术的电致变色器件20的平面和横截面图。器件20包括已经形成于基板34(诸如玻璃)上的隔离透明导电层区域26A和26B。此外，器件20包括反电极层28、离子导电层32、电致变色层30和透明导电层24，他们已经按顺序沉积在导电层区域26上。应当理解，器件20的电致变色层和反电极层的相对位置可以互换。而且，器件20包括母线40和母线42，母线40只与导电层区域26A接触，母线42可以形成于导电层区域26B上并且与导电层24接触。导电层区域26A物理上与导电层区域26B和母线42隔离，导电层24物理上与母线40隔离。尽管电致变色器件可以具有各种形状，诸如包括弧形边，示意性的示例器件20是矩形器件，母线40和42相互平行延伸，与器件20的相应的相对侧25、27相邻，相互之间间隔距离W。而且，母线40和42分别被到低电压电源22的正端子和负端子的电线连接(电线和电源22 —起构成“外部电路”)。
[0005]参照图1A和1B，当电源22被操作以在母线40、42两端施加电势，电子因此还有电流从透明导电层24两端的母线42流入到电致变色层30。此外，如果离子导电层32是不完美的电子绝缘体，在许多薄膜EC器件中通常就是这样，则通常称作泄露电流的小电流从母线42通过导电层24和电致变色层30流入到离子导电层32。而且，离子从反电极层28通过离子导电层32流入到电致变色层30中，电荷平衡通过从反电极层28提取然后通过外部电路插入到电致变色层30中的电子维持。当电流从导电层24两端的母线42流出朝母线40流动时，电压由于导电层24的有限的表面电阻降低，其通常是大约10-20欧姆/平方。此外，在导电层24两端流动的电流逐步减小，原因是电流通过层30、32和28( “堆叠”)的组合被汲取，以产生器件20中的电致变色着色。
[0006]结果，人们认为如果考虑器件20由设置在母线40、42之间并在透明导电层24和导电层区域26B之间延伸的连续相邻分段形成，则在最靠近母线40的导电层24的分段处流过堆叠的电流量会接近零，原因是大多数电流会通过堆叠传递。假设透明导电层24的表面电阻在母线40和42之间基本上是一致的，则在母线40、42之间延伸的透明导电层24两端的电压降会与流过器件20的每个连续段的电流成比例。因此，在透明导电层中相对于与母线42的距离电压降的速率在最接近母线42处最大，接近母线40处实际上为零。电流流动的基本镜相图像关于电流从母线40在导电层区域26A两端朝母线42流动出现，原因是由于器件20的连续段的贡献，器件20两端的导电层区域26A中电流的流动从母线40增加到母线42。在母线40、42之间器件的整个宽度上，导电层24和导电层区域26A的电压分布之间的差是在母线40、42之间延伸的电致变色器件的整个宽度上导电层24和导电层区域26A两端的电势差。
[0007]电势差决定通过每个分段从反电极层28流到电致变色层30的电流的最大速率，引起器件20变换到有色状态，因此引起器件20的变色。只要有稳定的形式为锂离子和电子的电荷供应，电流就会以与器件的分段两端的电势差成比例的速率流动，以满足需求。最终结果是非一致的着色是一开始产生在最靠近母线的区域，其中，透明导体之间的电势差最大，比器件中间区域的变色更快。在不会有任何泄露电流的理想器件中，由于在反电极层中可用电荷的供应耗尽，这种非一致性会稳定，首先更靠近母线，然后在器件的中央，当电致变色器件达到完全变色状态时，从而在器件的整个区域上产生一致的着色。
[0008]在电压一开始施加到电致变色器件20的母线40、42上之后，流过器件20的电流会降低到零，因此，每个透明导电层两端的电压降也会接近零。不过，在母线40、42之间延伸的电致变色器件20的宽度上导电层24和导电层区域26A之间的电压是否在完全变色状态会等于或基本上等于恒定值，诸如大约为施加电压，从而最终产生电致变色器件20中的相对一致的着色，这部分取决于在电流流过的母线40、42之间延伸的电致变色器件20的导电层24和导电层区域26A的宽度以及通过器件的泄露电流的幅值。
[0009]在具有类似于器件20的构造的大尺寸电致变色器件中，电流在相对的母线之间电致变色器件的导电层两端流过相对大的距离，诸如超过大约40英寸，器件的非一致着色可能在全部着色时持续，原因是大的不一致的电压降出现在从相对母线延伸的导电层的宽度两端的堆叠中。由于堆叠的各层的薄膜构造，此非一致的电压降由通常存在于电致变色器件中的通过器件的泄露电流的效应引起。泄露电流流过堆叠，使得在母线之间延伸的电致变色器件的宽度上产生电势差变化。如果泄露电流显著大，电势差变化变得足够大，引起电致变色器件中可能对裸眼可见的非一致着色。电致变色器件中的非一致性着色通常导致接近相对的母线之间中间的区域(“中间区域”)比接近母线的电致变色器件的区域更浅。换言之，电致变色器件的中间区域不会经历相同的颜色变化或相同量的变暗或变暗一致性，原因是那些区域更靠近电致变色器件两侧的母线。
[0010]观察到，当类似于器件20构造的电致变色器件在额定操作电压下操作时，诸如在大约2.5V和4.0V之间，泄露电流量级为50-500mA/m2，使得当相对的母线之间的距离至少大约为30英寸时，电致变色器件两端的非均匀的着色可能对裸眼变得可见。对于通常的泄露电流水平，当电致变色器件处于完全的变色状态，母线间隔小于大约30英寸时，颜色一致性对裸眼不容易看到。
[0011]参照图1A，将母线40、42定位成非常靠近器件20的侧边25、27以最大化在母线40,42之间器件20的区域是非常可取的，因此，其中着色是可以被控制的。同样，通过将母线定位成接近器件20的侧边，通常具有不超过大约0.25英寸厚度的母线是不可见的或者最低限度地可见的，使得器件在安装于通常的窗口框时是在美学上令人愉悦的。通常在器件的相对侧的母线之间的距离超过大约40英寸的大尺寸的电致变色器件对于许多应用是期望的，诸如办公楼的窗口或汽车的玻璃挡板。因此，在操作这些大尺寸的电致变色器件时，如上文讨论的，由于泄露电流的影响，不均匀的着色可能出现，这是不期望的。
[0012]同样，观察到在类似于器件20的大尺寸电致变色器件中，与相对的母线相邻的器件的区域比在母线之间的中间区域更快地改变颜色或变暗。而且，观察到这些相同大尺寸的电致变色器件可以比相对的母线之间具有较小距离的电致变色器件更慢地改变发射状态(或颜色)。这种现象很大程度上是由于较大器件中的电流消耗更大，因此，导致透明导电层中的较大的电压降，从而相对于相对的母线之间具有较小宽度的电致变色器件降低施加到堆叠上的净电势。同样，着色的较慢变化部分上基于低于最大电平(诸如3V)的电压施加到电致变色器件，以避免在接近母线的部分电致变色器件的过载，这可能引起堆叠的各层损坏。
[0013]例如，对于类似于相对母线间隔开大约6英寸的器件20的现有技术的电致变色器件，器件从完全的透射状态(完全清澈的)变成有色状态的典型时间大约是100秒，在有色状态中只有百分之五的光通过器件透射，而对于类似母线隔开大约30英寸的器件20的电致变色器件，获得相同着色改变的典型时间可以大约差不多400秒。