СПОСОБ ПОДАЧИ ПИТАНИЯ НА ЭЛЕКТРОУПРАВЛЯЕМОЕ УСТРОЙСТВО, ИМЕЮЩЕЕ ПЕРЕМЕННЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ И/ИЛИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
METHOD OF POWERING ELECTRO-DRIVEN DEVICE WITH VARIABLE OPTICAL AND/OR ENERGY PROPERTIES

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу подачи питания на электроуправляемое устройство, имеющее переменные оптические и/или энергетические свойства. В частности, оно относится к устройствам, в которых используются электрохромные системы управления пропусканием или отражением.
Предшествующий уровень техники
Электрохромные системы интенсивно изучаются. Известно, что они содержат, в общем случае, два слоя электрохромных материалов, разделенных электролитом, к торцам которых присоединены два электрода. Каждый из электрохромных слоев, при подаче электрического питания, могут обратимо инжектировать заряды, причем изменение их состояния окисления в результате этих инжекций/эжекций приводит к изменению их оптических и/или технических свойств, например, в случае оксида вольфрама, переключение от синего цвета к бесцветному состоянию.
Переключение электроуправляемой системы представляет собой сложный электрохимический процесс, заключающийся в переносе заряда (электрической миграции заряженных частиц - ионов и электронов - в тонкопленочной многослойной структуре толщиной несколько сотен нанометров) и переносе массы, связанных с перемещением заряженных частиц в многослойную структуру.
Это переключение характеризуется контрастностью электроуправляемой системы, однородностью окрашивания, скоростью переключения и сохранением этих функциональных свойств после нескольких циклов окрашивания/обесцвечивания, т.е. долговечностью.
Изготовители электроуправляемых систем разработали методы улучшения всех этих характеристик для получения оптимизированной электроуправляемой системы.
Таким образом, более высокая контрастность достигается за счет повышения и балансировки электрической емкости функциональных слоев многослойной структуры, однородность и скорость переключения повышаются за счет оптимизации проводимости проводящих слоев, образующих электроды, которые контактируют с верхним и нижним активными слоями многослойной структуры, использование сети из вольфрамовых проводов для подачи тока на верхний электрод способствует повышению однородности. Все эти решения обеспечивают долговечность, соответствующую нескольким десяткам сотен циклов, что, в общем случае, выражает срок службы системы.
2
Хотя эти системы полностью удовлетворительны, изготовители заметили, что при интеграции в большие подложки (с активной площадью около 1-2 м), такие параметры, как однородность и скорость окрашивания, уже не являются оптимальными, потому, в частности, скорость переключения подложки обратно пропорциональна размеру подложки.
Неожиданно было обнаружено, что можно моделировать электроуправляемую систему этого типа как электрическую систему, характеризующуюся своими индивидуальными резисторами и конденсаторами, и потому, в общем случае, ее утечку заряда или импеданс.
Краткое изложение сущности изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является устранение недостатков известных систем путем создания способа подачи питания на электроуправляемую систему, которая компенсирует утечку заряда и потому поддерживает, или даже улучшает функциональные свойства, даже для больших электроуправляемых систем.
Поставленная задача решена путем создания способа подачи питания на электроуправляемую систему, имеющую переменные оптические/энергетические свойства пропускания или отражения, содержащую, по меньшей мере, одну несущую подложку, снабженную многослойной структурой, которая допускает миграцию активных частиц, в частности, электрохромной многослойной структурой, содержащей, по меньшей мере, два активных слоя, разделенных электролитом, причем многослойная структура находится между двумя электродами, подключенными соответственно к верхнему и нижнему токовводам ("нижний" соответствует токовводу, ближайшему к несущей подложке, в отличие от "верхнего" токоввода, наиболее удаленного от подложки), и характеризующуюся тем, что, кроме постоянного первого энергетического потенциала P1, P1', изменяющийся со временем второй энергетический потенциал P2, P2' прикладывается между токовводами, причем первый и второй энергетические потенциалы обеспечивают переключение между двумя состояниями E1 и E2, имеющими разные оптические/энергетические свойства пропускания или отражения.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления изобретения можно дополнительно использовать одну или несколько следующих особенностей:
постоянные потенциалы P1 и P1' задаются в соответствии с диффузионными свойствами активных частиц в многослойной структуре;
потенциалы P2 и P2' задаются так, чтобы обеспечить миграцию активных частиц в многослойную структуру;
энергетические потенциалы P1 и P2 прилагаются для переключения из состояния E1 в состояние E2;
энергетические потенциалы P'1 и P'2 прилагаются для переключения из состояния E2 в состояние E1;
энергетические потенциалы P1, P1', P2, P2' являются электрическими потенциалами;
энергетические потенциалы P1, P1', P2, P2' выбраны из группы, состоящей из источников напряжения, тока или заряда, взятых по отдельности или совместно;
второй энергетический потенциал P2, P2' состоит из, по меньшей мере, одного постоянного импульса;
второй потенциал имеет вид импульса, log(t), (1/t), или (at+b), или имеет вид многочлена ,
i
где a - положительное или отрицательное число, или линейной или нелинейной комбинации этих функций;
второй потенциал таков, что характеристика тока или напряжения постоянна в любой момент времени и равна первоначально выбранному значению;
второй потенциал таков, что произведение потенциала и тока постоянно в любой момент времени и равно первоначально выбранному значению, что соответствует режиму постоянной мощности;
второй потенциал таков, что отношение потенциала к току постоянно в любой момент и равно первоначально выбранному значению, что соответствует режиму постоянного импеданса;
P1 и P2 положительны или равны нулю;
P1 и P2 имеют противоположные знаки;
P1' и P2' отрицательны или равны нулю;
P1' и P2' имеют противоположные знаки;
потенциалы P1, P2, P'1, P'2 сравниваются с максимальными потенциалами
max
max
max
max
P1, P2, P'1, P2' соответственно, причем эти потенциалы определяются как ограничивающие значения, вне которых функциональность системы больше не является оптимальной;
применительно к электроуправляемой системе электрохромного типа происходит переключение между окрашенным состоянием E1 и обесцвеченным состоянием E2;
энергетические потенциалы прилагаются между токовводами посредством ручного привода; и
энергетические потенциалы, в необязательном порядке, прилагаются между токовводами посредством автоматического привода, подключенного к детектору.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает вид спереди поверхности 2 блока остекления, которая включает в себя электроуправляемую систему, в частности, электрохромного типа, питание которого можно осуществлять способом, согласно изобретению;
фиг.2 - разрез по линии II-II на фиг.1, согласно изобретению;
фиг.3 - разрез по линии III-III на фиг.1, согласно изобретению;
фиг.4 - диаграмму изменения пропускания света в зависимости от времени для различных значений потенциала P'2, согласно изобретению; и
фиг.5 - диаграмму скорости, с которой происходит изменение состояния для различных значений потенциала P'2, согласно изобретению.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Электроуправляемая система, например, электрохромного типа позволяет реализовать способ подачи питания, согласно изобретению. Система содержит (фиг.1, 2) полностью твердотельную тонкопленочную электрохромную многослойную структуру, выполненную в виде активной многослойной структуры 3, размещенной между двумя токоприемниками 2 и 4. Приемник 2 должен контактировать с поверхностью 2. Первый массив 5 токопроводящих проводов (фиг.1) или эквивалентное устройство используется для подачи электрического тока на приемник 4, второй массив 6 токопроводящих проводов позволяет подавать электрический ток на нижний приемник 2.
Приемники 2 и 4 и активная многослойная структура 3 могут иметь либо одинаковые размеры и формы, либо разные размеры и формы. Понятно, что путь приемников 2 и 4 будет адаптирован в соответствии с конфигурацией. Кроме того, размер подложек, в частности S1, может быть существенно больше, чем размер элементов 2, 4 и 3.
2
2
Приемники 2 и 4 относятся к металлическому типу или типу TCO (прозрачный проводящий оксид), выполненному из ITO, F:SnO или Al:ZnO, или могут представлять собой многослойную структуру типа TCO/металл/TCO. В зависимости от конфигураций они могут быть опущены, в этом случае токовводы 5 и 6 непосредственно контактируют с активной многослойной структурой 3.
2
В предпочтительном варианте осуществления приемник 2 формируется путем осаждения на поверхности 2 первого слоя SiOC толщиной 50 нм, на который нанесен второй слой F:SnO толщиной 400 нм, предпочтительно, два слоя осаждаются последовательно, методом CVD на флоат-стекло (стекло на плаву) до резки.
2
Во втором варианте осуществления приемник 2 формируется путем осаждения на поверхности 2 двухслойной структуры, состоящей из первого слоя на основе SiO, который может быть легированным или нелегированным (в частности, легированным алюминием или бором), толщиной около 20 нм, на который наложен второй слой ITO толщиной от 100 до 600 нм, причем два слоя предпочтительно осаждаются последовательно в условиях вакуума методом реактивного магнетронного напыления в присутствии кислорода, возможно, с нагревом.
В еще одном варианте осуществления приемник 2 формируется путем осаждения на поверхности 2 однослойной структуры, выполненной из ITO, толщиной от 100 до 600 нм (слой предпочтительно осаждается в условиях вакуума методом реактивного магнетронного напыления в присутствии кислорода, возможно, с нагревом).
Приемник 4 является слоем ITO толщиной от 100 до 500 нм, также осажденным на активную многослойную структуру, методом реактивного магнетронного напыления.
Токовводы 5 являются металлическими проводами, соединенными с металлическими прокладками. Металлические провода выполнены, например, из вольфрама (или меди, или молибдена), причем провода, в необязательном порядке, покрыты углеродом, частично окислены, имеют диаметр от 10 до 100 мкм и, предпочтительно, от 20 и 50 мкм, являются прямыми или волнистыми, и осаждены, например, на лист PU методом, известным в области автомобильных стекол с проволочным подогревом, например, описанных в патентах EP-785700, EP-553025, EP-506521, EP-496669.
Один из этих известных методов состоит в использовании нагретого прессующего валика, который запрессовывает провод в поверхность полимерного листа, причем на прессующий валик подается проволока из подающей бобины через устройство направления провода.
Как известно, металлические прокладки представляют собой медные полоски, необязательно покрытые сплавом олова, суммарной толщиной около 50 мкм и шириной от 3 до 8 мм.
Токовводы согласно другому варианту осуществления формируют методом трафаретной печати, причем токовводы непосредственно осаждаются на эмалированные участки поверхности 2. Трафаретную печать, в частности, на основе серебра, также можно осуществлять путем осаждения на слой ITO. Проводящая паста также может действовать как токоввод, в этом случае она контактирует со слоем ITO или со слоем эмали, присутствующем на поверхности 2.
Активная многослойная структура 3, показанная на фиг.2 и 3, содержит:
слой толщиной от 40 до 100 нм анодного электрохромного материала, выполненный из гидроксида иридия (или может быть заменен слоем толщиной от 40 до 300 нм гидроксида никеля), слой может быть сплавлен или не сплавлен с другими металлами;
слой толщиной 100 нм оксида вольфрама;
слой толщиной 100 нм гидроксида тантала или кремниевой кислоты, или гидроксида циркония;
слой толщиной 370 нм катодного электрохромного материала на основе гидроксида вольфрама.
Кроме того, блок остекления (фиг.1, 2 и 3) содержит первую периферийную изоляцию, контактирующую с поверхностями 2 и 3, причем первая изоляция используется для формирования барьера внешней химической коррозии.
Вторая периферийная изоляция контактирует с краем S1, краем S2 и поверхностью 4, для создания: барьера; средства вставки блока в автомобиль; изоляции между внутренней и внешней частями; эстетической функции; средства внедрения усилительных элементов.
Подложки, используемые для формирования блока остекления, включающего в себя электроуправляемую систему, сформированную, в частности, многослойной структурой 3, относятся к типу, содержащему подложки, выполненные из стекла или органического материала (PMMA, PC и т.д.). Например, можно использовать в качестве стеклянных подложек плоское стекло, продаваемое Saint-Gobain под брэндом PLANILUX, толщиной около 2 мм для применения в автомобильной промышленности и толщиной около 5 мм для применения в строительстве.
Также можно использовать искривленное и/или напряженное стекло, необязательно, объемно-окрашенное (синее, зеленое, бронзовое или коричневое).
Конечно, эти подложки могут иметь самые разные геометрические формы, они могут быть квадратными или прямоугольными, или, в более общем случае, даже многоугольной формы, или иметь искривленный профиль, заданный округлыми или волнообразными контурами.
Токовводы подключены посредством проводных соединений и т.п., к источнику питания, работающему в следующем режиме:
энергетический потенциал P прилагается между токовводами, причем этот потенциал способен вызывать миграцию активных частиц в электроуправляемую систему и генерировать изменение состояния, характеризующееся изменением оптических/энергетических свойств пропускания или отражения системы.
В приведенном примере электрохромной системы активные частицы представляют собой электроны, поступающие от электродов или противоэлектрода, и катионы из электролита, причем изменение состояния для системы этого типа выражается в терминах изменения цвета или, точнее, обратимого переключения между окрашенным состоянием E1 и обесцвеченным состоянием E2.
Напомним, что для изменения цветового состояния необходимо иметь вдоль слоя электрохромного материала источник катионов и источник электронов, образованный соответственно слоем электролита с ионной проводимостью и слоем с электронной проводимостью. Кроме того, система содержит противоэлектрод, который сам способен к обратимой инжекции и эжекции катионов симметрично по отношению к слою электрохромного материала. При использовании катодного электрохромного материала, например оксида вольфрама, предпочтительно использовать противоэлектрод, выполненный из анодного электрохромного материала, например оксида иридия, который бесцветен в сниженном состоянии и имеет желто-серый цвет в окрашенном состоянии. Источник катионов образован электролитным слоем системы, например на основе тантала или вольфрама, и источник электронов образован вторым слоем, имеющим электронную проводимость, причем два слоя с электронной проводимостью образуют два электрода, между которыми прилагается разность энергетических потенциалов.
Энергетический потенциал P фактически представляет собой изменяющуюся со временем разность электрических потенциалов, которая содержит:
постоянную составляющую P1 или P'1, амплитуда которой постоянна во времени, причем, в зависимости от состояния, окрашенного или обесцвеченного, эта постоянная составляющая объединяется с
- переменной составляющей P2 или P'2, амплитуда которой изменяется со временем, в зависимости от окрашенного /обесцвеченного состояния, и наоборот.
i
i
Как вариант, энергетические потенциалы P и P' могут состоять из источников тока, напряжения или заряда, i=1 и/или i=2.
Таким образом, например, в случае вышеописанной электрохромной системы положительное напряжение P1 составляет от 0,5 до 2 В, предпочтительно от 1 до 1,5 В и, более предпочтительно, примерно равно 1,2 В, для переключения между окрашенным состоянием и обесцвеченным состоянием и отрицательное напряжение P'1 составляет от -0,5 до -3 В, предпочтительно от -1 до -2 В и, более предпочтительно, около -1,6 В для переключения между обесцвеченным состоянием и окрашенным состоянием, указанные напряжения прилагаются в течение нескольких секунд между токовводами.
Кроме того, с этими уровнями напряжения P1 и P'1 соответственно связаны перенапряжения P2 и P'2:
P2 - это положительное напряжение, амплитуда которого изменяется со временем, которое может иметь вид импульса, log(t), (1/t) или (at+b), или может иметь вид импульсного многочлена ,
i
где a - положительное или отрицательное число, или линейной или нелинейной комбинации этих функций; и
P'2 - это отрицательное напряжение, амплитуда которого изменяется со временем, и может иметь тот же вид, что и P2.
Применительно к изобретению термин "импульсный" относится к напряжению P2, которое может иметь вид математической функции, например, Хэвисайда и выражаться следующим образом:
,
i
где x=i × t.
Как вариант, по меньшей мере, один из потенциалов P1, P'1, P'2 также может иметь импульсный вид и может выражаться аналогично P2.
На фиг.4 для построения диаграмм выбрано несколько уровней перенапряжения для P'2, для приложения в течение одного и того же времени (1 с), а именно -1,4 В; -2,4 В; -3,4 В, соответственно. При уровне -1,4 В уровень пропускания света около 10% (соответствующий переходу между обесцвеченным состоянием и окрашенным состоянием) достигается вдвое быстрее (4 секунды), чем в случае отсутствия перенапряжения, т.е. P'2=0 (8 секунд).
Заметим, что увеличение уровня напряжения незначительно, если уровень слишком высок, это может привести к разрушению электроуправляемой многослойной структуры, т.е. заметному снижению или даже потере функциональных свойств.
Дело в том, что приложенный уровень перенапряжения P'2 регулируется в соответствии, с одной стороны, с оптимальной скоростью переключения электрохромной системы и, с другой стороны, с предельным уровнем или порогом, за которым существует опасность порчи многослойной структуры с течением времени (т.е. долговечность электроуправляемой системы оптимизируется).
max
Для предотвращения этой неисправности до приложения уровня напряжения P'2 он сравнивается с уровнем P'2, который представляет собой пороговое напряжение, за которым существует опасность повреждения электроуправляемой системы.
L
L
На фиг.5 показано, как достигается светопропускание, по существу, сходное с предыдущим случаем (тот же уровень T получается спустя примерно равное время, т.е. около 4 с). Можно заметить, что благодаря приложению импульса -0,7 В в течение 3 с к P'2 получается уровень T10%, что показано в нижеприведенной таблице.
Уровень T<sub>L</sub> (%)
Время для достижения x% окрашивания (s)
Контроль
-0,7 V/3 s
Отношение
50
1,1(±0,1)
0,7 (±0,1)
1,6
30
2,1(±0,2)
1,2 (±0,2)
1,8
10
5,0(±0,2)
2,0 (±0,2)
2,5
max
По аналогии с P'1 и P'2, положительное перенапряжение P2 (которое также меньше максимального перенапряжения P1) прилагается в дополнение к P1 для увеличения скорости перехода между окрашенным состоянием и обесцвеченным состоянием.
L
L
Таким образом, для аналогичной электроуправляемой системы, благодаря приложению постоянного напряжения P1=1,6 В и затем импульсного перенапряжения P2=0,4 В в течение 1 секунды, достигается аналогичный эффект, а именно увеличение скорости переключения при переходе из окрашенного состояния в обесцвеченное состояние (на практике, достигается выигрыш примерно в 1,5-2 с для переключения от T 40% к T 7%).
i
i
Конечно, вышеприведенные значения разности потенциалов оптимизированы для приведенного примера многослойной структуры, и очевидно, что для другой многослойной структуры (другие размеры, другой электрохромный материал и т.д.) эти значения будут отличаться. Однако безотносительно природы электроуправляемой структуры (например, полностью полимерной системы) способ передачи питания остается в силе и просто подлежит адаптации к амплитудам и длительностям приложения прилагаемых потенциалов P1, P'1, P2, P'2 (P и P' могут быть положительными, отрицательными, нулевыми, противоположными по знаку, и i=1 или 2, по отдельности или совместно).
Блок остекления, включающий в себя электроуправляемую систему, можно применять либо в области автомобилестроения, либо в области строительства. Например, в области автомобилестроения это может быть прозрачная крыша автомобиля, способная действовать самостоятельно, или боковое или заднее стекло автомобиля, или зеркало заднего вида, лобовое стекло или часть лобового стекла. В области строительства это может быть, например, дисплейная панель для отображения графической и/или буквенно-цифровой информации, окно здания, иллюминатор или окно или лобовое стекло кабины самолета, застекленная крыша, внутренний или внешний блок остекления для зданий, витрина, прилавок магазина, который может быть искривлен, блок остекления для защиты произведений искусства, антибликовый компьютерный экран, стеклянная мебель или перегородка между комнатами в здании.
Электроуправляемая система активируется посредством ручного привода, например выключателя, установленного в комнате или в автомобиле (в частности, на приборной панели), или посредством автоматического привода или детектора, необязательно управляемого и/или с задержкой по времени, с учетом условий окружающей среды остекления (датчика яркости, блеска), подлежащих определению. Детектор может реагировать на яркость внутри или снаружи через подходящий датчик. В случае внутреннего датчика это может быть датчик дневного света или датчик, установленный, например, на поверхность стола или приборной панели. Сигнал управления также можно получать на основании отношения измерения яркости, проведенного внутри (например, блеска) к опорному измерению. В последнем случае управляющая схема включает в себя фазу обработки сигнала. Детектор также может иметь управление, зависящее от времени или от достигнутого значения электрического потенциала, от значения тока или величины перенесенного заряда.
Вышеописанное изобретение обеспечивает многочисленные преимущества, в частности позволяет увеличить скорость переключения электроуправляемой системы, в особенности электрохромного типа, в то же время поддерживая их долговечность.