Brevet FR2687229A1 — publié le 19930813

SYSTEME ELECTROCHRONE La présente invention a trait aux systèmes électrochromes, c'est-à-dire à des systèmes dont l'état de coloration peut varier de façon réversible par le passage d'un courant électrique Plus précisément, l'invention a pour objet un perfectionnement aux systèmes électrochromes dans la composition desquels figure une couche mince d'oxyde d'iridium utilisée comme matériau électrochrome anodique. L'invention s'applique notamment à la réalisation de vitra- ges à transmission électrocommandée destinés au contrôle de l'apport solaire dans les bâtiments ou dans les véhicules automobiles. Les systèmes électrochromes faisant l'objet de la présente invention sont constitués par un empilement de couches minces déposé sur un substrat transparent tel une feuille de verre, un second substrat lui-aussi transparent dans le cas d'un système fonctionnant en transmission - venant de préférence recouvrir l'ensemble Cet empilement comporte au moins une couche d'un matériau électrochrome susceptible d'insérer de façon réversible des cations, protons ou ions lithium généralement et dont les états inséré ou désinséré présentent des colorations différentes. Les matériaux électrochromes les plus utilisés-sont des oxydes de métaux de transition dont le changement de colo- ration est dû à un processus électrochimique d'insertion du cation conduisant à un changement du degré d'oxydation du métal Ces matériaux se divisent en deux groupes, ceux à coloration cathodique qui se colorent lors d'une insertion comme les oxydes de tungstène, molybdène, niobium, titane et -2 - ceux à coloration anodique qui se décolorent lors d'une insertion comme les oxydes de nickel, d'iridium, de rhodium ou de cobalt. Pour que la réaction électrochimique se produise, il est nécessaire que l'empilement comporte d'un côté de la couche de matériau électrochrome une source de cations, constituée d'une couche d'un électrolyte conducteur ionique et de l'autre côté une source d'électrons constituée par une couche électroconductrice Par ailleurs, il est bien connu qu'à l'arrière de l'électrolyte conducteur ionique, il est très avantageux de prévoir une contre-électrode capable de recevoir les cations, libérés lors de la phase de désinser- tion puis de les restituer en phase d'insertion Cette contre-électrode doit de plus, dans un système fonctionnant en transmission, être dans un état non coloré ou décoloré lorsque l'électrode principale est elle-même à l'état décoloré On conçoit aisément que ce rôle peut être plus particulièrement tenu par un matériau électrochrome ayant un fonctionnement inversé par rapport à celui de la couche principale; les systèmes électrochromes les plus usités sont donc essentiellement basés sur des couples de matériaux électrochromes cathodique et anodique, le terme de contre- électrode étant réservé au moins performant de ces matériaux du point de vue de l'intensité de coloration obtenue. Dans la demande de brevet EP-A-338 876, il a été ainsi proposé un système basé sur l'insertion réversible de protons, avec un couple de matériaux électrochromes oxyde de tungstène/oxyde d'iridium Ce même couple a été également utilisé pour des systèmes basés sur l'insertion réversible d'ions lithium Le choix de l'oxyde d'iridium comme matériau électrochrome anodique est lié à sa bonne résistance à la corrosion en milieu acide ou basique et au fait que sa coloration qui tend vers le marron n'interfère pas trop violemment avec la coloration bleu-nuit de la couche d'oxyde de tungstène. Néanmoins, l'oxyde d'iridium a pour défaut de présenter une coloration résiduelle dans son état dit décoloré, ce qui est particulièrement gênant dans un système fonctionnant en transmission comme par exemple une fenêtre La présente -3- invention a précisément pour but de remédier à cet inconvé- nient en proposant des systèmes électrochromes comportant une couche mince de matériau électrochrome anodique à base d'oxyde d'iridium qui présente une plus faible coloration résiduelle et par là, avec un contraste amélioré. L'objet de la présente invention consiste dans un système électrochrome dont la contre-électrode à base d'oxyde d'iridium a subi un formatage par cyclage intensio- statique dans un milieu liquide comportant un sel protonique dont le cation est susceptible de s'insérer dans la couche d'oxyde d'iridium, notamment un métal alcalin et de préfé- rence du lithium. Le formatage peut être réalisé avec tous types de cations susceptibles de s'insérer comme par exemple les cations des métaux alcalins, ou encore d'argent, de cuivre d'ammonium, etc, des ions de plus grandes tailles sem- blant avoir un effet plus important de modification de la structure de la couche Par contre, il n'est pas possible de le réaliser avec un acide, donc en milieu protonique, celui-ci attaquant directement la couche. En pratique, et pour des questions essentiellement de cinétique des réactions d'insertion, on choisit d'utiliser un sel de lithium tel par exemple du trifluorométhane sulfonate de lithium (Li CF 3 SO 3) en solution dans du polycarbonate de propylène (PC). Le cyclage intensiostatique est opéré en réalisant un montage à 3 électrodes, avec une électrode de référence, de préférence à l'argent (Ag/Ag+), une contre-électrode par exemple de platine, la troisième électrode ou électrode testée étant constituée par la couche de matériau électro- chrome anodique à base d'oxyde d'iridium déposée sur un substrat revêtu d'une couche électroconductrice, le poten- tiel appliqué entre électrode d'oxyde d'iridium et l'élec- trode de travail étant tel que l'intensité du courant mesurée entre l'électrode testée d'oxyde d'iridium et la contre-électrode soit constante pendant la durée de chaque phase d'insertion ou de désinsertion. Le cyclage intensiostatique o un courant est imposé diffère donc fondamentalement d'autres moyens de cyclage -4- connus comme le voltampèrométrique ou le cyclage potentiostatique o sont imposées des tensions données entre l'électrode testée et la contre- électrode en fonction du potentiel appliqué entre l'électrode testée et l'électrode de référence. Il est bien connu qu'un tel cyclage voltampèrométrique d'une couche native de matériau électrochrome, et dans le cas de l'oxyde d'iridium, conduit à une très légère augmen- tation de ses performances, et plus particulièrement à une diminution de la transmission lumineuse à l'état coloré, la couche ayant en quelque sorte besoin d'un certain rodage. Néanmoins ce "rodage" est achevé après une dizaine de cycles voltampèrométriques, apporte un gain d'au plus 10 à 15 % sur la quantité de charges insérées, et surtout n'améliore pas de façon satisfaisante la transmission lumineuse à l'état décoloré qui reste bien inférieure à 60 %, dans le cas usuel d'une épaisseur comprise entre 40 et 80 nanomètres Ces valeurs sont à rapprocher de la valeur de l'ordre de 80 % de la transmission lumineuse d'une couche d'oxyde d'indium dopé à l'étain, d'une résistance carré de 5 Ohm La couche d'oxyde d'iridium conduit donc à une nette diminution des performances à l'état décoloré. Par contre, en opérant selon l'invention un cyclage à courant constant, on peut obtenir des couches électrochromes à base d'oxyde d'iridium dont la transmission lumineuse à l'état décoloré est bien supérieure à 70 % pour ce matériau électrochrome. Lors du cyclage intensiostatique, la tension appliquée peut atteindre des valeurs sensiblement supérieures aux valeurs acceptées pour le fonctionnement du système électrochrome Néanmoins, dans les cnditions pratiquées, le système n'apparaît pas dégradé même après plusieurs cen- taines de cycles Toutefois, l'effet maximum paraît être obtenu après une dizaine de cycles aussi cette phase du cyclage est de préférence limitée dans sa durée pour éviter tout risque de dégrader la couche. Comme indiqué précédemment, les couches formatées selon l'invention peuvent être utilisées dans des systèmes basés sur l'insertion réversible d'ions lithium et dans ce cas le cyclage intensiostatique sera arrêté après une phase d'insertion ou dans des systèmes basés sur l'insertion réversible de protons, le cyclage intensiostatique étant alors arrêté après une phase de désinsertion donc après l'évacuation des ions lithium Rappelons qu'une telle procédure de formatage est totalement inopérante en milieu protonique, la couche d'oxyde de tungstène étant alors totalement dégradée La couche formatée de matériau électrochrome anodique est de préférence associée à une couche de matériau électrochrome cathodique à base d'oxyde de tungstène dont elle constitue ainsi la contre- électrode du système électrochrome. La quantité de charge insérée puis désinsérée lors de chaque cycle intensiostatique est de préférence de l'ordre de la capacité d'insertion de la couche de matériau élec- trochrome cathodique du système, capacité d'insertion qui d'une manière bien connue peut se déterminer par cyclage voltampèrométrique Par ailleurs, pour une couche d'oxyde d'iridium de 55 nanomètres, ou plus généralement entre 40 et nanomètres, déposées par pulvérisation cathodique magnétron, il a été trouvé que le formatage améliore sensi- blement le contraste, c'est-à-dire le rapport entre la transmission lumineuse à l'état décoloré et la transmission lumineuse à l'état coloré, si on respecte une quantité de charges pour chaque cycle comprise entre 20 et 40 m C et de préférence de l'ordre de 30 m C, cette dernière valeur étant de l'ordre de la capacité d'insertion d'une couche d'oxyde de tungstène de 350 nanomètres. D'autres détails et caractéristiques avantageuses de l'invention ressortent de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui représentent: figure 1: les voltamogrammes en électrolyte Li CF 35 O 3 d'une couche d'oxyde d'iridium avant et après formatage selon l'invention, figure 2: un diagramme montrant l'évolution, pendant 6 - le cyclage intensiostatique, du potentiel mesuré au cours du temps entre la couche d'oxyde d'iridium et l'électrode de référence Ag/Ag+, figure 3 les voltamogrammes en électrolyte H 3 PO 4 d'une couche d'oxyde d'iridium avant et après formatage selon l'invention. Les couches d'oxyde d'iridium ont été déposées par pulvérisation cathodique assistée par un champ magnétique, sous une pression de 6 millitors d'un mélange gazeux oxygène-hydrogène, dans un rapport 80Ces couches sont déposées sur un substrat transparent, ici une feuille de verre float de 3 mm d'épaisseur, revêtu d'une couche électroconductrice transparente, ici une couche de 400 nanomètres d'oxyde d'indium dopé à l'étain, déposée par pulvérisation cathodique magnétron et dont la résistance carrée est de 5 Ohms avec une transmission lumineuse de 80 %. Le substrat ainsi revêtu est placé dans une cellule de 3 électrodes comportant comme électrolyte du trifluorométh- ane sulfonate de lithium en solution dans du carbonate de propylène, une électrode de référence Ag/Ag+ constituée d'un fil d'argent en contact avec une solution de perchlorate d'argent 0,01 M dissous dans du carbonate de propylène, et une contre-électrode de platine, la troisième électrode étant constituée par le substrat avec sa couche d'oxyde d'iridium. Dans une première étape, la couche native, avant formatage, a été testée par voltamétrie cyclique, avec une vitesse de balayage de 0,02 volt par seconde; le voltamo- gramme c'est-à-dire la courbe représentative de la varia- tion de l'intensité (en m A/cm 2) du courant passant entre l'électrode et la contre-électrode en fonction du potentiel appliqué à l'électrode par rapport à l'électrode de réfé- rence correspondant à cette couche native est indiqué en 1 (traits pointillés) à la figure 1 A noter qu'il correspond à une couche "rodée" dont le voltamogramme reste donc constant d'un cycle à l'autre Cette couche native présente à l'état coloré une transmission lumineuse égale à 32 %. Mais surtout, cette transmission lumineuse n'est que de 55 % alors qu'à titre comparatif, la transmission lumineuse à l'état décoloré d'une couche d'oxyde de tungstène est supérieure à 80 % Une telle couche non formatée a donc pour conséquence une certaine opacification du système électro- chrome particulièrement gênante si celui-ci doit être utilisé pour des applications nécessitant des transmissions lumineuses maximum élevées. Dans une seconde étape, cette même couche native a été formatée par cyclage intensiostatique en reprenant le même montage à 3 électrodes mais en imposant pour chaque cycle de coloration-décoloration un courant de 1,5 m A/cm 2 pendant 20 secondes, puis un courant inversé de -1,5 m A/cm 2 pendant à nouveau 20 secondes, ces valeurs ayant été sélectionnées pour une couche d'oxyde d'iridium de 55 nanomètres, à chaque cycle, on insère puis désinsère ainsi une charge de 30 milli Coulombs par centimètre carré A la figure 2, on a représenté en fonction du temps écoulé en secondes, le potentiel entre l'électrode d'oxyde d'iridium et l'électrode de référence. La quantité de charges insérées dépend dans une cer- taine mesure de l'épaisseur de la couche d'oxyde d'iridium. Les valeurs indiquées précédemment conviennent pour des épaisseurs ordinaires comprises entre 40 et 80 nanomètres. Pour des épaisseurs plus grandes, la charge doit être accrue, soit en augmentant le temps de chaque cycle, soit en augmentant l'intensité du courant. Dans un tel cyclage intensiostatique, l'électrode de référence ne sert que pour la mesure du potentiel; en pratique, les valeurs du potentiel n'ont pas à être me- surées, seul comptant le courant imposé entre l'électrode d'oxyde d'iridium et la contre-électrode. D'autre part, dans l'exemple ici donné, cette contre- électrode est en platine, mais tout autre matériau conduc- teur peut également convenir Il peut notamment être utilisé une autre électrode d'oxyde d'iridium qui sera ainsi formatée simultanément ou plus exactement avec un demi-cycle de décalage. A noter par ailleurs que si la surface des plaques de verre est grande, il peut s'avérer utile de limiter l'in- tensité du courant de façon à s'affranchir des problèmes de -8- chutes ohmiques dans l'électrolyte et d'inhomogénéité de potentiels sur les surfaces, la quantité de charges étant maintenue constante en augmentant le temps de chaque cycle. Sur cette figure 2 on note tout d'abord que le poten- tiel mesuré atteint des valeurs bien supérieures à celles appliquées lors de la voltamétrie cyclique, et ceci plus particulièrement en phase d'insertion, donc de décoloration, le domaine de décoloration débutant à -1,2 Volts dans le cas de la figure 1, alors que pendant le formatage des valeurs inférieures à -1,5 volts sont observées Par ailleurs, en début de cyclage intensiostatique, on observe la présence d'un palier 2 qui s'estompe petit à petit ( 2 ' 2 ") jusqu'à disparaître après 8-10 cycles (pic 3) De plus, le potentiel anodique correspondant croît petit à petit (en valeur absolue) comme le montre la droite 10 qui s'écarte progres- sivement de l'horizontale 11 Le même phénomène quoique très peu visible figure 2, semble se produire en phase de désinsertion (amincissement des pics 4 4 ' 4 " au cours du temps) Il se produit donc une modification en surface de la couche d'oxyde d'iridium, avec probablement un effet de structure, caractérisé par un déplacement des pics d'inser- tion, l'apparition d'autres pics sur le voltamogramme et le décalage de la surtension de dégagement d'oxygène vers les potentiels anodiques élevés. Le cyclage intensiostatique a été mené pendant 15 cycles soit 600 secondes et la couche d'oxyde d'iridium a été à nouveau testée par voltampéromètrie, le voltamogramme correspondant est représenté par la courbe 5 de la figure 1. Il apparaît clairement que le voltamogramme obtenu est très différent de celui de la couche non formatée et définit une aire plus grande, autrement dit la quantité de charges insérées puis désinsérées est nettement supérieure Par ailleurs, on note l'atténuation du pic extrême 6, en fin de phase de désinsertion qui correspond au dégagement de l'oxygène Après formatage, ce dégagement apparaît pour des tensions plus élevées ce qui est le signe que des modifica- tions de structure au moins superficielles se sont bien opérées. Cette augmentation de la capacité d'insertion/désinser- -9- tion de la couche se traduit par une modification très importante des performances optiques, la transmission lumineuse à l'état décoloré passant de 55 % à 74 %, tandis que la transmission lumineuse à l'état coloré reste elle pratiquement inchangée; en pratique, elle augmente légère- ment pour atteindre 35 % Phénomène qui pourrait être attribué au "nettoyage" de la couche d'oxyde d'iridium lors du formatage A noter que cette très légère dégradation des performances en coloration n'est nullement gênante dès lors que la couche d'oxyde d'iridium est plus particulièrement destinée à servir de contre- électrode dans un système électrochrome dont l'électrode principale est à base d'oxyde de tungstène, l'état du système étant alors essentiellement lié à la coloration de la couche d'oxyde de tungstène Plus significatif est par contre l'amélioration du contraste qui passe ici de 1,7 à 2,2. Dans l'exemple relaté ci-dessus, on a procédé à 15 cycles de formatage, chaque cycle comportant 20 secondes à -1,5 m A par centimètre carré puis 20 secondes à + 1,5 m A par centimètre carré En pratique, une dizaine de cycles semble suffisant, un nombre plus important de cycle semblant pouvoir être effectué sans dommages pour le système Par ailleurs, et tout en respectant l'identité des quantités de charges, on peut procéder avec des durées de phases d'in- sertion et de désinsertion différentes, soit par exemple 20 secondes à -1,5 m A pour l'insertion puis 40 secondes à 0,75 m A pour la désinsertion Dans le cas des surfaces de grandes tailles, on optera plutôt pour des densités surfaciques de courant faibles afin d'éviter d'opérer avec des intensités trop grandes et de créer des inégalités de potentiel sur la surface à traîter. Le formatage selon l'invention peut également être utilisé pour une couche d'oxyde d'iridium destinée à un système électrochrome basé sur l'insertion réversible de protons Pour cela, une couche native préparée comme précé- demment a été formatée en milieu Li CF 3 SO 3, pendant 14 cycles et demi donc en terminant la procédure de formatage avec une couche désinsérée Puis cette couche a été testée par voltamétrie cyclique mais cette fois en milieu H 3 PO 4 La - figure 3 montre les voltamogrammes enregistrés dans ces conditions avant (courbe 7) et après formatage (courbe 8). Comme précédemment, la quantité de charges insérées et désinsérées est nettement accrue Cette amélioration se retrouve au niveau des performances optiques, la transmis- sion lumineuse étant maintenant de 80 % à l'état décoloré. Sur cette figure 3 on observe également la présence d'un pic 9 en phase d'insertion, pic qui s'estompe peu à peu et qui correspond probablement au rejet vers l'électrolyte des quelques ions lithium non totalement désinsérés en fin de formatage. il - REVENDICATIONS 1 Système électrochrome comportant une couche de matériau électrochrome anodique à base d'oxyde d'iridium formatée par cyclage intensiostatique dans un milieu liquide comportant un sel d'un cation, à l'exclusion du proton, susceptible de s'insérer dans ledit matériau électrochrome anodique. 2 Système électrochrome selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit cation est un cation d'un métal alcalin. 3 Système électrochrome selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit métal alcalin est du lithium. 4 Système électrochrome selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit milieu liquide est constitué par du trifluorométhane sulfonate de lithium (Li CF 3 503) en solution dans du carbonate de propylène (PC). Système électrochrome selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système électrochrome est basé sur l'insertion réversible de protons. 6 Système électrochrome selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le système électrochrome est basé sur l'insertion réversible d'ions lithium. 7 Système électrochrome selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite couche électro- chrome anodique est associée à une couche de matériau électrochrome cathodique à base d'oxyde de tungstène. 8 Système électrochrome selon la revendication 7, caractérisé en ceoque pour chaque cycle intensiostatique, on insère et désinsère une charge sensiblement identique à la capacité d'insertion de la couche d'oxyde de tungstène, telle que mesurée par cyclage voltampèrométrique. 9 Système électrochrome selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour chaque cycle inten- siostatique, on insère et désinsère une charge comprise entre 20 et 40 m C et de préférence de l'ordre de 30 m C, pour une couche d'oxyde d'iridium d'une épaisseur comprise entre et 80 nanomètres. Système électrochrome selon l'une des revendica- ticns 7 à 9, caractérisé en ce que les phases d'insertion et 12 - de désinsertion sont d'une durée identique et de préférence de l'ordre de 20 secondes chaque. 11 Système électrochrome selon l'une des revendica- tions 7 à 10, caractérisé en ce que la phase de désinsertion est d'une durée supérieure et de préférence de l'ordre du double de la durée de la phase d'insertion. 12 Système électrochrome selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que l'on effectue entre et 15 cycles insertion/désinsertion. 13 Système électrochrome selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le contraste de la couche de matériau électrochrome anodique formatée est supérieur à 2.