(57)【要約】  本発明は、エレクトロクロミックナノコンポジット薄膜を提供する。典型的な実施態様においては、上記エレクトロクロミックナノコンポジット薄膜は、(1) 酸化物系材料の固形マトリックスと、(2) 上記マトリックス内に埋込まれた透明導電性酸化物(TCO)ナノ構造体とを含む。さらなる実施態様においては、上記エレクトロクロミックナノコンポジット薄膜は、上記マトリックスを付着させている基体をさらに含む。また、本発明は、エレクトロクロミックナノコンポジット薄膜の製造方法も提供する。
2014524055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記を含むことを特徴とするエレクトロクロミックナノコンポジット薄膜；
酸化物系材料の固形マトリックス；および、
前記マトリックス内に埋込まれた透明導電性酸化物(TCO)ナノ構造体。
【請求項２】
前記マトリックスが、金属酸化物を含む、請求項１記載の薄膜。
【請求項３】
前記金属酸化物が、酸化ニオブを含む、請求項２記載の薄膜。
【請求項４】
前記金属酸化物が、酸化バナジウムを含む、請求項２記載の薄膜。
【請求項５】
前記金属酸化物が、酸化タンタルを含む、請求項２記載の薄膜。
【請求項６】
前記金属酸化物が、酸化ニッケルを含む、請求項２記載の薄膜。
【請求項７】
前記マトリックスが、ポリオキソメタレートクラスターを含む、請求項１記載の薄膜。
【請求項８】
前記ポリオキソメタレートクラスターが、ポリニオベートを含む、請求項７記載の薄膜。
【請求項９】
前記ポリオキソメタレートクラスターが、バナデートを含む、請求項７記載の薄膜。
【請求項１０】
前記ナノ構造体が、TCOナノ結晶を含む、請求項１記載の薄膜。
【請求項１１】
前記ナノ構造体が、TCOナノワイヤーを含む、請求項１記載の薄膜。
【請求項１２】
前記ナノ構造体が、TCOナノロッドを含む、請求項１記載の薄膜。
【請求項１３】
前記ナノ構造体が、TCOナノ多孔質材料を含む、請求項１記載の薄膜。
【請求項１４】
前記ナノ構造体が、スズドープ酸化インジウム(ITO)を含む、請求項１記載の薄膜。
【請求項１５】
前記ナノ構造体が、アルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)を含む、請求項１記載の薄膜。
【請求項１６】
前記ナノ構造体が、ガリウムドープ酸化亜鉛を含む、請求項１記載の薄膜。
【請求項１７】
前記ナノ構造体が、インジウム、ガリウムドープ酸化亜鉛を含む、請求項１記載の薄膜。
【請求項１８】
前記ナノ構造体が、インジウムドープ酸化亜鉛を含む、請求項１記載の薄膜。
【請求項１９】
前記マトリックスを付着させている基体をさらに含む、請求項１記載の薄膜。
【請求項２０】
前記基体が、ガラスを含む、請求項１９記載の薄膜。
【請求項２１】
前記ガラスが、透明導電体でコーティングされている、請求項２０記載の薄膜。
【請求項２２】
前記透明導電体が、スズドープ酸化インジウムITO層を含む、請求項２１記載の薄膜。
【請求項２３】
前記基体が、プラスチックを含む、請求項１９記載の薄膜。
【請求項２４】
前記プラスチックが、透明導電体でコーティングされている、請求項２３記載の薄膜。
【請求項２５】
前記透明導電体が、スズドープ酸化インジウムITO層を含む、請求項２４記載の薄膜。
【請求項２６】
ポリオキソメタレート(POM)とコロイド状酸化物ナノ結晶を該ナノ結晶の有機キャッピングリガンドの前記POMによる現場外(溶液中)交換によって結合させ、それによってPOMキャップドスズドープ酸化インジウム(ITO)ナノ結晶薄膜を生じさせることを特徴とするエレクトロクロミックナノコンポジット薄膜の製造方法。
【請求項２７】
前記POMキャップドITOナノ結晶薄膜をN2雰囲気下にアニーリングし、それによって前記エレクトロクロミックナノコンポジット薄膜を生じさせることをさらに含む、請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
ポリオキソメタレート(POM)とコロイド状酸化物ナノ結晶を該ナノ結晶の有機キャッピングリガンドの前記POMによる現場(膜内)交換によって結合させ、それによってPOMキャップドスズドープ酸化インジウム(ITO)ナノ結晶薄膜を生じさせることを特徴とするエレクトロクロミックナノコンポジット薄膜の製造方法。
【請求項２９】
前記POMキャップドITOナノ結晶薄膜をN2雰囲気下にアニーリングし、それによって前記エレクトロクロミックナノコンポジット薄膜を生じさせることをさらに含む、請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
下記の工程を含むことを特徴とするエレクトロクロミックナノコンポジット薄膜の製造方法：
２種の金属酸化物材料を共スパッタリングする工程；および、
前記共スパッタリングの温度および他の析出パラメーターを制御し、それによって前記材料の相分離を生じさせて前記薄膜を形成する工程。
【請求項３１】
透明導電性酸化物TCOナノ結晶のナノ多孔質膜を金属酸化物材料で相析出によってオーバーコーティングすることを特徴とするエレクトロクロミックナノコンポジット薄膜の製造方法。
【請求項３２】
前記オーバーコーティングが、前記TCOナノ結晶のナノ多孔質膜を前記金属酸化物材料で溶液相析出によってオーバーコーティングすることを含む、請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
前記オーバーコーティングが、前記TCOナノ結晶のナノ多孔質膜を前記金属酸化物材料で化学蒸着(CVD)によってオーバーコーティングすることを含む、請求項３１記載の方法。
【請求項３４】
前記オーバーコーティングが、前記TCOナノ結晶のナノ多孔質膜を前記金属酸化物材料で原子層蒸着(ALD)によってオーバーコーティングすることを含む、請求項３１記載の方法。
【請求項３５】
前記オーバーコーティングが、前記TCOナノ結晶のナノ多孔質膜を前記金属酸化物材料で気相析出によってオーバーコーティングすることを含む、請求項３１記載の方法。
【請求項３６】
前記マトリックスが固形電解質材料を含み、該固形電解質材料が印加バイアス電圧に応答しての光学変化をほぼ示さないことが可能である、請求項１記載の薄膜。
【請求項３７】
前記固形電解質材料が、前記マトリックス中のイオンが前記印加電圧に応答して移動することを可能にする、請求項３６記載の薄膜。
【請求項３８】
前記イオンが、前記ナノ構造体を荷電し、それによって荷電ナノ構造体を生じさせる、請求項３７記載の薄膜。
【請求項３９】
前記荷電ナノ構造体が、前記薄膜の近赤外線(NIR)透過率を調節する、請求項３８記載の薄膜。
【請求項４０】
前記マトリックスがエレクトロクロミック材料を含み、該エレクトロクロミック材料が、その電磁スペクトルの少なくとも可視範囲において、最初の印加バイアス電圧に応答して可逆的に暗化し且つ漂白し得る、請求項１記載の薄膜。
【請求項４１】
前記最初の印加バイアス電圧が、前記ナノ構造体を荷電し、それによって荷電ナノ構造体を生じさせる、請求項４０記載の薄膜。
【請求項４２】
前記荷電ナノ構造体が、前記薄膜の近赤外線(NIR)透過率を調節する、請求項４１記載の薄膜。
【請求項４３】
２回目の印加バイアス電圧が、前記ナノ構造体を荷電し、それによって荷電ナノ構造体を生じさせる、請求項４０記載の薄膜。
【請求項４４】
前記荷電ナノ構造体が、前記薄膜の近赤外線(NIR)透過率を調節する、請求項４３記載の薄膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本PCT出願は、2011年7月25日に出願され、Electrochromic Nanocomposite Filmsと題する仮特許出願第61/511,488号に対する優先権を主張する；該出願の内容は、参考として、その全体を完全に説明するものとして本明細書に合体させる。
【０００２】
政府助成の声明
本発明は、U.S. Department of Energyによって与えられたContract No. DE-AC02-05CH11231としての政府助成によってなされた。米国政府は、本発明において一定の権利を保有する。
【０００３】
発明の分野
本発明は、エレクトロクロミックスの分野に関し、特に、エレクトロクロミックナノコンポジット薄膜に関する。
【背景技術】
【０００４】
発明の背景
必要性
世界で使用されている一次エネルギーのおよそ30〜40％は、建築部門において、基本的には暖房、冷房および照明において費やされている1。商業用および居住用建築物における省エネ窓の使用は、そのようなエネルギー消費を有意に節減し得る。しかしながら、日光管理および低放射率コーティングに基づく現在の窓技術は、一定の気候条件(即ち、高温気候または寒冷気候)に限られている。従って、快適要求および環境変動に応じた建築物の暖房/照明をダイナミックに管理する普遍的な窓技術が求められている。
【０００５】
従来技術
エレクトロクロミック材料
エレクトロクロミック(EC)材料は、電圧を印加したとき、その光学的性質を可変的に切換え得、従って、汎用性の省エネ窓用の有望な材料として出現している。現在、WO3 (酸化タングステン)が、商業的に入手可能な窓において最も多く使用されているエレクトロクロミックコーティングである。とは言え、WO3は、切替わるとき、光の可視部分(400〜750nm)を主として調節し、一方、近赤外線(NIR)光(750〜2500nm)は、変化しないままであるかまたは可視光と同時に切替わる2。この挙動は、Nb2O5、NiOまたはV2O5のようないわゆる一般的なEC材料の典型である。
可視光およびNIR光の個々の調節は、従来技術図面１A、１B、１Cおよび１Dにおいて示しているように、現存のエレクトロクロミック材料によっては可能ではない。１つのタイプの従来技術エレクトロクロミック膜は、従来技術図面１Aに示しているように、基体上部にNb2O5薄膜を含む。残念なことに、そのような従来技術エレクトロクロミック膜は、従来技術図面１Bにおいて示しているように、可視光と赤外(IR)光を同時に調節する。酸化ニオブは、可視光とNIR光を同時に調節する。典型的には、可視光活性金属酸化物膜の酸化還元電位は、特定の値にある(例えば、Nb2O5においては約2ボルト)。
もう１つのタイプの従来技術エレクトロクロミック膜は、従来技術図面１Cに示しているように、基体上部にプラスモニックエレクトロクロミックナノ結晶膜(例えば、スズドープ酸化インジウム(ITO)ナノ結晶膜)を含む。残念ながら、そのような従来技術エレクトロクロミック膜は、従来技術図面１Dに示しているように、NIR光のみを調節する。
また、導電度も、遅い切替え時間、貧弱な着色効率および結果としての材料劣化に関与する多くのEC材料の重要な制限特性である。また、EC材料は、これらの材料が切替わる特定の酸化還元電位を典型的に有する。
【０００６】
ITOナノ結晶
従来技術のITOナノ結晶は、NIR領域において特異的に切替わる。NIR光透過率を調節し、ひいては窓から建築物に入る熱量を制御するためには、窓用の新たなエレクトロクロミック材料を開発する必要がある。従って、エレクトロクロミックナノコンポジット薄膜が求められている。
【発明の概要】
【０００７】
発明の要約
本発明は、エレクトロクロミックナノコンポジット薄膜を提供する。典型的な実施態様においては、上記エレクトロクロミックナノコンポジット薄膜は、(1) 酸化物系材料の固形マトリックスと、(2) このマトリックス中に埋込まれた透明導電性酸化物(TCO)ナノ構造体とを含む。さらなる実施態様においては、上記エレクトロクロミックナノコンポジット薄膜は、上記マトリックスをその上に付着させた基体をさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】従来技術の薄膜を、図１Bにおいて示すようなこれら薄膜のそれぞれの透過率特性と一緒に示す。
【図１Ｂ】図１Aの従来技術の薄膜の透過率特性を示す。
【図１Ｃ】従来技術の薄膜を、図１Dにおいて示すようなこれら薄膜のそれぞれの透過率特性と一緒に示す。
【図１Ｄ】図１Cの従来技術の薄膜の透過率特性を示す。
【図２Ａ】本発明の典型的な実施態様を示しており、中に埋込んだ透明導電性酸化物ナノ構造体を含む固形マトリックスを含む薄膜を示す。
【図２Ｂ】本発明の典型的な実施態様に従う単一Nb2O5‐ITOナノコンポジット薄膜の種々の印加バイアス電圧における透過率スペクトルのプロットである。
【図２Ｃ】本発明の典型的な実施態様に従う単一Nb2O5‐ITOナノコンポジット薄膜の種々の印加バイアス電圧における透過率スペクトルのプロットである。
【図２Ｄ】ポリオキソメタレート(POM)によって形成された固形マトリックス膜における透過率対波長のプロットである。
【図３Ａ】本発明の典型的な実施態様に従うエレクトロクロミック膜を形成する工程段階を示す。
【図３Ｂ】本発明の典型的な実施態様に従うエレクトロクロミック膜を形成する工程段階を示す。
【図４Ａ】本発明の別の典型的な実施態様に従うエレクトロクロミック膜を形成する工程段階を示す。
【図４Ｂ】本発明の別の典型的な実施態様に従うエレクトロクロミック膜を形成する工程段階を示す。
【図５】本発明の典型的な実施態様に従うエレクトロクロミック膜を形成するさらに別の方法を示す。
【図６Ａ】ナノ多孔質膜をオーバーコーティングして本発明のエレクトロクロミック膜を形成する各種方法を示す。
【図６Ｂ】ナノ多孔質膜をオーバーコーティングして本発明のエレクトロクロミック膜を形成する各種方法を示す。
【図６Ｃ】ナノ多孔質膜をオーバーコーティングして本発明のエレクトロクロミック膜を形成する各種方法を示す。
【図６Ｄ】ナノ多孔質膜をオーバーコーティングして本発明のエレクトロクロミック膜を形成する各種方法を示す。
【図６Ｅ】ナノ多孔質膜をオーバーコーティングして本発明のエレクトロクロミック膜を形成する各種方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
詳細な説明
図２Aを参照するに、典型的な実施態様においては、本発明は、酸化物系材料の固形マトリックス２１０と、マトリックス２１０に埋込まれた透明導電性酸化物(TCO)ナノ構造体２１４とを含む。さらなる実施態様においては、図２Aにおいて示しているように、上記エレクトロクロミックナノコンポジット薄膜は、上記マトリックス２１０をその上に付着させた基体２１６をさらに含む。
【００１０】
固形マトリックス
材料
典型的な実施態様においては、マトリックス２１０は、金属酸化物を含む。特定の実施態様においては、上記金属酸化物は、酸化ニオブを含む。特定の実施態様においては、上記金属酸化物は、酸化バナジウムを含む。特定の実施態様においては、上記金属酸化物は、酸化タンタルを含む。特定の実施態様においては、上記金属酸化物は、酸化ニッケルを含む。
典型的な実施態様においては、マトリックス２１０は、ポリオキソメタレートクラスターを含む。特定の実施態様においては、上記ポリオキソメタレートクラスターは、ポリニオベートを含む。特定の実施態様においては、上記ポリオキソメタレートクラスターは、バナデートを含む。
【００１１】
構造
典型的な実施態様においては、マトリックス２１０は固形電解質材料を含み、該固形電解質材料は、印加バイアス電圧に応答しての光学変化をほぼ示さないことが可能である。典型的な実施態様においては、上記記固形電解質材料は、マトリックス２１０中のイオンが上記印加電圧に応答して移動することを可能にする。特定の実施態様においては、上記
イオンは、ナノ構造体２１４を荷電し、それによって荷電ナノ構造体を生じさせる。特定の実施態様においては、上記荷電ナノ構造体は、上記薄膜の近赤外線(NIR)透過率を調節する。
典型的な実施態様においては、マトリックス２１０はエレクトロクロミック材料を含み、該エレクトロクロミック材料は、その電磁スペクトルの少なくとも可視範囲において、最初の印加バイアス電圧に応答して可逆的に暗化し且つ漂白し得る。典型的な実施態様においては、上記最初の印加電圧は、ナノ構造体２１４を荷電し、それによって荷電ナノ構造体を生じさせる。特定の実施態様においては、上記荷電ナノ構造体は、上記薄膜の近赤外線(NIR)透過率を調節する。
典型的な実施態様においては、２回目の印加バイアス電圧はナノ構造体２１４を荷電し、それによって荷電ナノ構造体を生じさせる。特定の実施態様においては、上記荷電ナノ構造体は、上記薄膜の近赤外線(NIR)透過率を調節する。
【００１２】
ナノ構造体
構造
典型的な実施態様においては、ナノ構造体２１４は、TCOナノ結晶を含む。典型的な実施態様においては、ナノ構造体２１４は、TCOナノワイヤーを含む。典型的な実施態様においては、ナノ構造体２１４は、TCOナノロッドを含む。典型的な実施態様においては、ナノ構造体２１４は、TCOナノ多孔質材料を含む。
【００１３】
材料
典型的な実施態様においては、ナノ構造体２１４は、スズドープ酸化インジウム(ITO)を含む。典型的な実施態様においては、ナノ構造体２１４は、アルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)を含む。典型的な実施態様においては、ナノ構造体２１４は、ガリウムドープ酸化亜鉛を含む。典型的な実施態様においては、ナノ構造体２１４は、インジウム、ガリウムドープ酸化亜鉛を含む。典型的な実施態様においては、ナノ構造体２１４は、インジウムドープ酸化亜鉛を含む。
【００１４】
基体
典型的な実施態様においては、基体２１６は、ガラスを含む。典型的な実施態様においては、上記ガラスは、透明導電体でコーティングされている。特定の実施態様によれば、上記透明導電体は、スズドープ酸化インジウム(ITO)層を含む。
典型的な実施態様においては、基体２１６は、プラスチックを含む。典型的な実施態様においては、上記プラスチックは、透明導電体でコーティングされている。特定の実施態様においては、上記透明導電体は、スズドープ酸化インジウム(ITO)層を含む。
【００１５】
方法
また、本発明は、エレクトロクロミックナノコンポジット薄膜の製造方法も提供する。典型的な実施態様においては、上記方法は、ポリオキソメタレート(POM)とコロイド状酸化物ナノ結晶を該ナノ結晶の有機キャッピングリガンドの上記POMによる現場外(溶液中)交換によって結合させ、それによってPOMキャップドスズドープ酸化インジウム(ITO)ナノ結晶薄膜を生じさせることを含む。典型的な実施態様においては、上記方法は、ポリオキソメタレート(POM)とコロイド状酸化物ナノ結晶を該ナノ結晶の有機キャッピングリガンドの上記POMによる現場(膜内)交換によって結合させ、それによってPOMキャップドスズドープ酸化インジウム(ITO)ナノ結晶薄膜を生じさせることを含む。典型的な実施態様においては、上記方法は、(1) ２種の金属酸化物材料を共スパッタリングし、(2) 上記共スパッタリングの温度および他の析出パラメーターを制御し、それによって上記材料の相分離を生じさせて上記薄膜を形成させることを含む。典型的な実施態様においては、上記方法は、金属酸化物材料による透明導電性酸化物(TCO)ナノ結晶のナノ多孔質膜を相析出によってオーバーコーティングすることを含む。
【００１６】
現場(in situ)結合
図３Aを参照するに、典型的な実施態様においては、本発明は、ポリオキソメタレート(POM)とコロイド状酸化物ナノ結晶を該ナノ結晶の有機キャッピングリガンドの上記POMによる現場外(溶液中)交換によって結合させ、それによってPOMキャップドスズドープ酸化インジウム(ITO)ナノ結晶薄膜を生じさせる工程３１０を含む。図３Bを参照するに、さらなる実施態様においては、本発明は、上記POMキャップドITOナノ結晶薄膜をN2雰囲気下にアニーリングし、それによって上記エレクトロクロミックナノコンポジット薄膜を生じさせる工程３２０をさらに含む。
【００１７】
現場外(ex situ)結合
図４Aを参照するに、典型的な実施態様においては、本発明は、ポリオキソメタレート(POM)とコロイド状酸化物ナノ結晶を該ナノ結晶の有機キャッピングリガンドの上記POMによる現場(膜内)交換によって結合させ、それによってPOMキャップドスズドープ酸化インジウム(ITO)ナノ結晶薄膜を生じさせる工程４１０を含む。図４Bを参照するに、さらなる実施態様においては、本発明は、上記POMキャップドITOナノ結晶薄膜をN2雰囲気下にアニーリングし、それによって上記エレクトロクロミックナノコンポジット薄膜を生じさせる工程４２０をさらに含む。
【００１８】
共スパッタリング
図５を参照するに、典型的な実施態様においては、本発明は、２種の金属酸化物材料を共スパッタリングする工程５１０、および上記共スパッタリングの温度および他の析出パラメーターを制御し、それによって上記材料の相分離を生じさせて上記薄膜を形成する工程５２０を含む。
【００１９】
オーバーコーティング
図６Aを参照するに、典型的な実施態様においては、本発明は、透明導電性酸化物(TCO)ナノ結晶のナノ多孔質膜を金属酸化物材料で相析出によってオーバーコーティングする工程６１０を含む。図６Bを参照するに、典型的な実施態様においては、オーバーコーティング工程６１０は、TCOナノ結晶のナノ多孔質膜を金属酸化物材料で溶液相析出によってオーバーコーティングする工程６２０を含む。図６Cを参照するに、典型的な実施態様においては、オーバーコーティング工程６１０は、TCOナノ結晶のナノ多孔質膜を金属酸化物材料で化学蒸着(CVD)によってオーバーコーティングする工程６３０を含む。図６Dを参照するに、典型的な実施態様においては、オーバーコーティング工程６１０は、TCOナノ結晶のナノ多孔質膜を金属酸化物材料で原子層蒸着(ALD)によってオーバーコーティングする工程６４０を含む。図６Eを参照するに、典型的な実施態様においては、オーバーコーティング工程６１０は、TCOナノ結晶のナノ多孔質膜を金属酸化物材料で気相析出によってオーバーコーティングする工程６５０を含む。
【００２０】
全般
本発明は、可視光またはNIR光の双方を調節し得る或いは使用するマトリックス材料に応じてNIR光を選択的に調節し得るエレクトロクロミックナノコンポジット材料を提供する。本発明は、Nb2O5のような通常のEC材料または固形電解質のいずれかであり得る固形マトリックス中に埋込まれたSnドープIn2O3 (ITO)またはアルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)のような透明導電性酸化物のナノ結晶からなるナノコンポジット薄膜を提供する。
典型的な実施態様においては、本発明は、機能性固形マトリックス(例えば、可視活性の)内に埋込んでその固形マトリックスの動的スペクトル応答を拡大させるNIR活性ナノ結晶を提供し、それによってナノコンポジット薄膜を得る。本発明は、固形マトリックス内でのNC類内包物を提供する。典型的な実施態様においては、本発明は、２つのタイプのエレクトロクロミックナノコンポジット薄膜を提供する。各々の場合において、透明導電性酸化物ナノ結晶(例えば、ITO)は、ポリオキソメタレートクラスター(例えば、ポリニオベート、バナデート)または遷移金属酸化物(例えば、酸化ニオブ、酸化バナジウム)のいずれかからなり得る固形マトリックス中に均質に埋込まれる。典型的な実施態様においては、上記マトリックスの光学機能性は、マトリックスの組成および印加バイアス電圧の双方に依存する。
以下、本発明を特定の実施例によって説明する。以下の実施例は、説明を目的として提示するものであり、本発明を如何なる形でも限定しまたは範囲を定めるつもりはない。
【実施例】
【００２１】
材料
典型的な実施態様においては、本発明は、２つのタイプのエレクトロクロミックナノコンポジット薄膜を提供する。各々の場合において、典型的な実施態様においては、TCOナノ結晶(NC)を固形マトリックス中に埋込んでナノコンポジットを形成する。典型的な実施態様においては、上記マトリックスは、(i) 印加バイアス下に光学変化を殆どまたは全く示さない固形電解質材料または(ii) 少なくとも可視スペクトル範囲において可逆的に暗化または漂白するエレクトロクロミック(EC)材料のいずれかである。
【００２２】
固形電解質マトリックス
上記マトリックスが固形電解質材料である場合、上記TCOナノ結晶は、NIR透過率の選択的切替えを提供する上記エレクトロクロミック膜の単なる活性要素である。上記固形電解質は、イオンが注入または抽出電荷に応答して移動するのを可能にし、それによって上記調節に関与する上記ナノ結晶の荷電を容易にする。固形電解質(液体またがゲル電解質に対比しての)は、ECコーティングの多くの用途、特に、建築物において極めて好ましい。これは、固形電解質が太陽放射への暴露条件下において長時間に亘って与えるより高い耐久性と安定性による。
【００２３】
ECマトリックス材料
上記マトリックスがエレクトロクロミック(EC)材料である場合、TCO NCによるNIR調節以外に、本発明は、可視光の調節を上記ECマトリックス材料の交換によって可能にする。このことは、EC材料単独またはTCO NC単独と比較して、本発明の調節太陽熱利得係数のダイナミックレンジを改良する。上記２つの成分の比率を調整して可視光対NIR光応答を調節しエネルギー性能を最適化し審美的要求を満たすことができる。さらに、本発明の導電度は、TCO NCが高導電性であることから、EC材料単独と比較して増強し得る。
本発明は、上記ECマトリックス材料を選択して、TCO NCのNIRエレクトロクロミック応答および上記マトリックスの可視光(およびおそらくはNIR)の応答が種々の印加バイアスにおいて生じるか或いは印加バイアスに対して少なくとも可変的に応答するようにすることを可能にする。従って、１つの単一コンポジットEC層において、本発明は、窓を通る光熱量の幾分個別的な制御を提供し、そのような窓を使用する建築物の照明および暖房/冷房システムにおけるコストを実質的に節減すると共に、所望する場合はまぶしさからの遮断を提供することができる。
【００２４】
方法
また、本発明は、エレクトロクロミックナノコンポジット薄膜の製造方法も提供する。
【００２５】
ポリオキソメタレートおよびコロイド状酸化物ナノ結晶
典型的な実施態様においては、本発明は、ポリオキソメタレート(POM)およびコロイド状酸化物ナノ結晶を使用する。特定の実施態様においては、本発明は、ポリニオベートおよびバナデートをSnドープIn2O3 (ITO)ナノ結晶と結合させて、それぞれ、Nb2O5‐ITO、V2O5‐ITOおよびVO2‐ITOナノコンポジット薄膜とする。他の溶液相方法と比較して、本発明は、得られるエレクトロクロミックナノコンポジット薄膜のナノ内包物組成、サイズ、形態および容量画分の優れた制御を提供する。
本発明は、上記ナノ結晶の初期有機キャッピングリガンドのPOMによる現場外(溶液中)および現場(膜内)リガンド交換に基づく２つの異なる方法を包含する3, 4。上記金属酸化物ナノコンポジット薄膜は、POMギャップドITOナノ結晶膜を制御されたN2雰囲気下にアニーリングした後に得られる。
【００２６】
共スパッタリング
ナノコンポジット金属酸化物薄膜を製造する他の方法としては、コンポジットを形成する相分離を、温度および他の析出パラメーターを制御することによって導き出し、おそらくは付着後アニーリング工程を加えることのできる上記２種の金属酸化物材料の共スパッタリングがある。
【００２７】
オーバーコーティング
別の実施態様においては、TCOナノ結晶のナノ多孔質膜は、溶液相析出(化学浴または電着のような)またはALDのような気相法により、EC材料によってオーバーコーティングすることができる。
【００２８】
結果
これら金属酸化物ナノコンポジット薄膜のエレクトロクロミック応答を、分光電気化学測定によって実証した。上述した２つの例の双方を実証した。サイズおよびドーピング量の管理によって、装置のスペクトル応答は、最終的に調整し得る。
適切な操作電位(印加バイアス電圧)を選択することにより、金属酸化物マトリックスは、固形電解質材料として(即ち、印加バイアスにおいて光学変化が殆どまたは全くない)或いはエレクトロクロミック材料として(即ち、可視スペクトル領域において可逆的に暗化または漂白する)機能することを実証した。さらに、ポリオキソメタレートクラスターからなるマトリックスは、主として、固形電解質材料として機能することも証明された。
ITOナノ結晶と酸化ニオブを本発明の典型的な実施態様に従って結合させて単一のナノコンポジット薄膜とし、種々の電圧を加えることによって、NIR光と可視光の個別の調節がもたらされることを実証した。本発明への種々のバイアス電圧を印加することは、本発明の可視光切替えの動的制御を可能にすることが証明された。同時に、本発明は、NIR光の調節を上記ITOナノ結晶表面で生じる容量的過程によって可能にする。作動電位(即ち、印加バイアス電圧)を選択することによって、本発明の成分の固有のエレクトロクロミック特性は減結合し得ることが証明された。従って、本発明は、太陽光スペクトルの可視およびNIR領域を個々に調節し、ひいては動的スペクトル制御を提供し得ることが実証された。
本発明は、動的に且つ個々にさえ光透過率を太陽光スペクトル全体に亘って調節し得るエレクトロクロミックナノコンポジット薄膜を提供する。本発明のスペクトル範囲応答は、構成要素の組成および容量画分を改変することによって、さらにまた、適切なバイアス電圧条件を適用することによって微細に調節し得ることが実証された。
図２Bおよび２Cは、本発明の典型的な実施態様に従う単一Nb2O5‐ITOナノコンポジット薄膜の種々の印加バイアス電圧(4Vと1.5Vの間の)における透過率スペクトルを示している。
【００２９】
NIR調節
図２Bにおける印加バイアス電圧はNb2O5酸化還元電位よりも正であったので、酸化還元反応はエネルギー的には好ましくなく、太陽光スペクトルの可視領域２２０は本発明によればほぼ未変化のままであった。NIR領域２２４のみは、本発明によれば、上記ITOナノ結晶内の自由キャリア濃度の上昇に関連する表面プラズモン吸収の調節によって影響を受けていた。
【００３０】
可視光調節
一方、図２Cにおける印加バイアス電圧はNb2O5酸化還元電位よりも負であったので、本発明は、可視スペクトル領域２３０における透過率を調節すると共に、NIR領域は、NIR領域２３４において示すように、ほぼ未変化のままに保たれ得ていた。
【００３１】
POM固形マトリックス
しかしながら、固形マトリックスをPOM (例えば、デカニオベート(decaniobate)クラスター)によって形成させた場合、本発明は、図２Dにおいて示しているように、いずれの印加バイアス電圧/電位においても可視領域２４０では光学変化を示さなかった。しかしながら、NIR光は、本発明によれば、それにもかかわらず、NIR領域２４４内でのIT切替えによって調節され、それによってITOの光学特性は上記ナノコンポジット薄膜において維持されていることが実証された。POMマトリックスの貧弱な光学応答、その視感透明性およびイオン拡散能力は、NIR活性固体状装置における固形電解質としてのPOM使用の特徴を現し得ていた。
【００３２】
他の実施態様
組成の変更
本発明は、一体化成分の組成の変更を可能にする。例えば、マトリックスにおいては、本発明は、Ta2O5のような電解質材料を或いはこの容量において機能し得るPOMでさえも含み得る。また、サーモクロミックスまたはフォトクロミックスのような他の色原体酸化物材料との組合せも、最終コンポジット装置の機能性および応用性を広げ得る。これもまた、成分の少なくとも１種がエレクトロクロミック的に切替るので、エレクトロクロミックコンポジットである。
【００３３】
固体状装置
本発明は、金属酸化物コンポジットエレクトロクロミック材料を固体状エレクトロクロミック装置(即ち、コーティング)中に組込むことを、さらなる材料層を加えることによって可能にする。従って、典型的な実施態様においては、本発明は、５種の概念層、即ち、透明導電体、コンポジットエレクトロクロミック層、電解質の層、対電極および最終のもう１つの導電体を含む。エレクトロクロミック層および/または対電極のいずれであれ、二重の役割を有し、さらに、十分に導電性である場合隣接透明導電体としても機能し得ることに留意されたい。対電極は、コンポジットエレクトロクロミック層を“着色”するのに必要とするカウンターバランスに対し十分な電荷を貯蔵することができ得るもので、通常の単一成分膜、ナノ結晶膜または他のナノコンポジット層であり得る。
【００３４】
対電極
典型的な実施態様においては、本発明は、上記マトリックスが固形電解質であり、上記TCOナノ結晶をそのEC応答が太陽光スペクトル範囲の大きく外側にあるように調整しているナノコンポジット薄膜を提供する。典型的な実施態様においては、本発明は、本発明の主エレクトロクロミック層の機能にも寄与し得ないまたはその機能も損ない得ない対電極として使用し得る。典型的な実施態様においては、本発明は、必要な荷電平衡(または過剰の電荷容量)を提供し得る。本発明は、EC装置において使用してEC膜と一緒に作動する対電極を提供し得る。
【００３５】
本発明は、エレクトロクロミック窓、ディスプレーまたは熱制御コーティング(例えば、衛星用の)において使用し得る。本発明は、化学溶液法によって製造し得、従って、通常の物理的蒸着法によって製造したエレクトロクロミック膜と比較したとき、潜在的に低コストで製造し得る。本発明は、従来技術エレクトロクロミック膜と比較したとき、(i) 可視および近赤外線(NIR)形態における調節可能なスペクトル応答範囲でもって、(ii) より迅速な切替え時間でもって、(iii) より良好な耐久性でもって、(iv) より高い効率でもっておよび/または(v) より低コストでもって製造し得る。本発明は、窓製造業者、自動車産業および/または展示企業によって使用され得る。本発明は、エネルギー効率窓において使用し得る。特に、１つの単一コンポジット材料は、本発明によれば、窓を通る光熱量の制御を提供し、建築物の照明および暖房/冷房システムにおけるコストを実質的に節減すると共に、所望する場合はまぶしさからの遮断を提供することができる。
【００３６】
文献
2014524055.tif 000003
【００３７】
結論
上記の説明および実施例は、説明のためであり、限定するものではないことを理解すべきである。多くの実施態様が、上記の説明および実施例を読むならば、当業者とって自明であろう。従って、本発明の範囲は、上記の説明および実施例に関連して決定すべきではなく、代りに特許請求の範囲に関連して決定すべきである；同時に、そのような特許請求の範囲と等価の全ての範囲を権利とする。特許出願および公開を含む全ての論文および文献の開示は、目的全てのために、参考として、本明細書に組入れる。
【符号の説明】
【００３８】
２１０  固形マトリックス
２１４  透明導電性酸化物(TCO)ナノ構造体
２１６  基体
２２０  可視領域
２２４  NIR領域
２３０  可視領域
２３４  NIR領域
２４０  可視領域
２４４  NIR領域
３１０  ポリオキソメタレート(POM)とコロイド状酸化物ナノ結晶を該ナノ結晶の有機キャッピングリガンドの上記POMによる現場外(溶液中)交換によって結合させる工程
３２０  アニーリング工程
４１０  ポリオキソメタレート(POM)とコロイド状酸化物ナノ結晶を該ナノ結晶の有機キャッピングリガンドの上記POMによる現場(膜内)交換によって結合させる工程
４２０  アニーリング工程
５１０  共スパッタリング工程
５２０  共スパッタリングの温度および他のパラメーターの制御工程
６１０  相析出によるオーバーコーティング工程
６２０  溶液相によるオーバーコーティング工程
６３０  化学蒸着によるオーバーコーティング工程
６４０  原子層蒸着によるオーバーコーティング工程
６５０  気相析出によるオーバーコーティング工程
【図１Ａ】
2014524055.tif 000004
【図１Ｂ】
2014524055.tif 000005
【図１Ｃ】
2014524055.tif 000006
【図１Ｄ】
2014524055.tif 000007
【図２Ａ】
2014524055.tif 000008
【図２Ｂ】
2014524055.tif 000009
【図２Ｃ】
2014524055.tif 000010
【図２Ｄ】
2014524055.tif 000011
【図３Ａ】
2014524055.tif 000012
【図３Ｂ】
2014524055.tif 000013
【図４Ａ】
2014524055.tif 000014
【図４Ｂ】
2014524055.tif 000015
【図５】
2014524055.tif 000016
【図６Ａ】
2014524055.tif 000017
【図６Ｂ】
2014524055.tif 000018
【図６Ｃ】
2014524055.tif 000019
【図６Ｄ】
2014524055.tif 000020
【図６Ｅ】
2014524055.tif 000021
【国際調査報告】
2014524055.tif 000022
2014524055.tif 000023
2014524055.tif 000024