專利名稱：光轉換裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種包括基板和轉換膜的光轉換裝置，其中轉換膜包括三價金屬和鎂的氫化物，通過氫的交換可將該氫化物從含氫量低的、鏡狀組合物可逆地轉換成含氫量大的透明組合物。本發(fā)明進一步涉及一種可用于光轉換裝置的轉換膜。本發(fā)明還涉及一種包含這種轉換膜的電化學轉換裝置。此外本發(fā)明還涉及這種轉換裝置的應用。
在相關的轉換裝置中，光學性能受外部影響，例如氣壓，電位或電流的控制。
由本申請人提交的歐洲專利申請EP-A-0871926可知，依據(jù)本文開頭所述的轉換裝置是已知的。在所述申請中公開的轉換膜包含三價金屬，如釓，镥，釔，鑭和鎂的氫化物，且優(yōu)選覆蓋一鈀層。所述轉換膜在其低氫態(tài)和高氫態(tài)之間有較大反差，在這方面提供極好的結果。為此參考Nagengast等人在Appliedphysics letters，volume 75，nr.14的文章“Contrast enhancement of rare-earthswitchable mirrors through microscopic shutter effect”。但是如在后一公開出版物中所討論的，在重復循環(huán)之后，相分離成鎂和稀土氫化物，還會使可轉換鏡面的壽命較短。
本發(fā)明的一個目的是提供一種使用壽命提高了的光學轉換裝置。
根據(jù)本發(fā)明，通過本文開頭所述的一種光學轉換裝置可以達到該目的，且該轉換裝置的特征在于三價金屬包括鈧。
已發(fā)現(xiàn)鈧鎂合金是一種非常好的儲氫材料。由于鈧和鎂原子大約為相同尺寸，因此形成一種所謂的固溶物。材料在鏡狀和透明或黑色狀態(tài)之間的重復循環(huán)基本不會導致相分離成鎂和鈧氫化物，或至少比鎂—稀土合金的程度小得多。因此，由于在轉換層中形成大的鎂顆粒造成的使用壽命問題得以避免，或至少明顯地推遲。
依據(jù)本發(fā)明的鈧鎂轉換膜在透明狀態(tài)下具有非常高的透光率，在不透明狀態(tài)下具有幾乎為0的非常低的透光率。這意味著高反差，其中該反差為兩種透過率數(shù)值之比。鈧鎂轉換膜受轉換膜中氫含量的控制可提供三種穩(wěn)定狀態(tài)，即，隨著氫含量增加為鏡狀狀態(tài)，黑色吸收狀態(tài)和透明狀態(tài)。
有利地是該轉換膜含1-50原子％的鈧和50-99原子％的鎂，更有利的是15-40原子％的鈧和60-85原子％的鎂，優(yōu)選含35原子％的鈧和65原子％的鎂。
在該合金中不同組分的具體量是通過權衡它們之間動力學和氫攝入量得到的。
可使用交替疊置的鈧鎂薄層來代替鈧鎂合金，例如，具有50對MgSc的多層疊層。這種多層具有附加的優(yōu)點，能增加光學狀態(tài)之間的轉換速度。
在一
具體實施例方式
中，該鈧鎂轉換膜還包括另一種三價金屬。
該轉換膜可包括例如多于一種三價金屬和鎂的氫化物，如鈧—釓—鎂氫化物，ScGdMgHx。當然，也可以使用鈧和其它三價金屬的組合。
在一有利的實施方式中，鈧鎂轉換膜還包括另外一種選自以下組的元素，該組包括鎳，鋁，鉻，硅，鐵，鈷，銀，鋯，鈮，鉭和鉿。
在Sc30Mg70中加入1％的Ni，延長壽命4倍，而加入2％的Ni，延長壽命11倍。
用氫對轉換膜進行轉換。轉換膜的透光率受氫含量的控制當氫含量增加時，透光率增加。如果將分子態(tài)的氫氣供給到轉換膜，則隨著氫氣壓的增加透光率也增加。氫氣必須分離成原子氫。通過在轉換層表面上提供一催化活性層，例如有一定厚度，如5nm的薄鈀層可提高該分離率。在所述厚度處該鈀層是不連續(xù)的。層厚度不重要，可在2到25nm之間選擇。但是由于鈀層厚度決定了轉換裝置的最大透光率，因此優(yōu)選2到10nm的薄層。此外，鈀層防止其下的轉換層被氧化。
除了鈀，在轉換膜上還可以設置促進氫分離的其它催化活潑金屬，例如鉑，鎳和鈷，或這些金屬的合金。
在一有利的實施例中，催化活性層包括Ag(x)Pd(1-x)，其中x約為0.25。
這種催化層在循環(huán)使用耐久性方面顯示出顯著的改進性能。
為了改進該循環(huán)使用耐久性，一個可替代的方法是，在催化活性層和轉換膜之間放置一保護層。
所述保護層優(yōu)選包括NiZr或ZrOH的化合物，且其厚度為10到100nm。
一種簡單的方法是，在室溫下使分子態(tài)的氫從充滿H2的氣筒通過轉換膜。由此氫含量低的鏡狀轉換膜變化為透明的富氫狀態(tài)。這種轉換是可逆的通過加熱和/或除氫，該透明的膜可轉換到鏡狀狀態(tài)。所述可逆轉換可在室溫下或更高的溫度下發(fā)生。
可用其它方式獲得原子態(tài)的氫，例如按照以下反應式，在轉換膜處電解還原水
此外從氫等離子體也可以產(chǎn)生氫原子。在該情況下，不需要活性層，例如鈀活性層。還可以從其它金屬氫化物得到原子態(tài)氫，例如本身公知的，用于儲氫的金屬合金。
依據(jù)本發(fā)明的轉換膜較薄，即其厚小于2微米。轉換膜膜厚的優(yōu)選范圍在100和1000nm之間。由于氫必須在轉換膜中擴散，因此膜厚確定了從鏡狀全部轉換成透明狀態(tài)的比率，反之亦然。
本發(fā)明的目的即是提供一種可通過如下裝置進行電化學轉換的光學裝置，該裝置包括被導離子電解質(zhì)分隔開的第一和第二電極，第一電極包括鈧和鎂的氫化物的轉換膜，其中該轉換膜設置有與電極接觸的電催化金屬層，這樣通過在電極之間施加電壓或電流，當通過氫的交換使該氫化物從含氫量低的鏡狀狀態(tài)電化學地轉換成富氫的透明狀態(tài)時，就可察覺到轉換層的透光率發(fā)生變化，反之亦然。
依據(jù)本發(fā)明實施例的光轉換裝置是一種電化學組件，其中的一個電極包括鈧和鎂的氫化物的轉換膜，該膜通過一薄的催化金屬層與導離子的電解質(zhì)接觸。通過在電極間施加電壓，使質(zhì)子或如水的含氫物質(zhì)電解還原，或者將H--離子氧化，使該轉換膜載氫。例如，水就在這種電極/電解質(zhì)界面處被還原成原子態(tài)的氫。所產(chǎn)生的原子態(tài)氫(H)將造成鏡狀狀態(tài)變換成透明狀態(tài)。改變電壓使得透明狀態(tài)被氧化為鏡狀狀態(tài)。由此得到一種可逆的電光轉換。
為增加氫化和去氫化率，以及由此獲得的轉換速度，含金屬氫化物的轉換膜設有一電催化的金屬或合金的薄層，例如鈀，鉑或鎳。這些金屬特別將質(zhì)子還原成氫。其它合適的催化金屬是所謂AB2和AB5型的合金，例如TiNi2和LaNi5。此外，這些金屬層保護其下的轉換膜，使其不受到電解質(zhì)的腐蝕。如上文的解釋，該層的厚度在2和25nm之間。但是由于膜的厚度確定了轉換裝置的最大透光率，優(yōu)選2到10nm的薄層。
電解質(zhì)必須是一種良好的離子導體，但是必須是電子的絕緣體，以防止裝置自動放電?？衫秒娊赓|(zhì)作為一種電解液體，例如KOH的水溶液。該溶液是一種良好的離子導體，其金屬氫化物在其中是穩(wěn)定的。電解質(zhì)還可以凝膠或固態(tài)形式存在。
為了使裝置簡單化，最優(yōu)選的是利用透明固態(tài)電解質(zhì)；這些電解質(zhì)避免了密封問題，且易于操作?？墒褂霉虘B(tài)無機和有機化合物。無機電解質(zhì)的例子有為質(zhì)子(H+)的良好導體的水合氧化物，例如Ta2O5.nH2O，，Nb2O5.nH2O，CeO2.nH2O，Sb2O5.nH2O，Zr(HPO4)2.nH2O，ZrO(2+x)Hy和V2O5.nH2O，H3PO4(WO3)12.29H2O，H3PO4(MoO3)12.29H2O，[Mg2Gd(OH)6]OH.2H2O和無水化合物，例如KH2PO4，KH2AsO4，CeHSO4，CeHSeO4，Mg(OH)2，以及MCeO3(M＝Mg，BA，Ca，Sr)類型的化合物，其中一部分CE被Yb，Gd或Nd代替。還可以使用玻璃，例如無堿磷酸鋯玻璃。良好的離子(H3O+)導體為HUO2PO4.4H2O和氧鎓β-氧化鋁。良好的H-離子導體為CaCl2/CaH2，Ba2NH和SrLiH3。固體有機電解質(zhì)的例子是聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基—丙烷—磺酸)。
可將各種透明材料用于相對電極或第二電極。其例子有氫化的氧化物材料，例如TiO2，WO3，NiO2，Rh2O3和V2O5。通過在氫氣環(huán)境中濺射，或在分開的步驟中通過電化學方式，所述材料可載氫。還可以使用氫化形成的金屬互化物AB2和AB5的薄層，例如TiNi2和LaNi5。另一種可能是使用與轉換膜相同的材料，由此形成對稱的轉換裝置。所述材料形成的層厚度與轉換膜的層厚度是可比較的。這樣選擇其厚度，使得第二電極的儲氫量足以將轉換膜從鏡狀狀態(tài)轉換成透明狀態(tài)，反之亦然。
用來承載轉換裝置所有層的基板是透明材料，例如玻璃，石英，金剛石，氧化鋁或(柔性)合成樹脂。這些基板可以是平面或曲面的。
可用傳統(tǒng)方法將轉換膜作為薄層施加在基板上，例如真空蒸鍍，濺射，激光燒蝕，化學氣相沉積或電鍍。在該方面，重要的是在施加轉換層的過程中和之后，轉換膜的金屬不會被氧化。在真空蒸鍍過程中，可通過保持壓力，特別是殘留的水蒸汽和氧氣的壓力，使其為低于10-6到10-7毫巴的低壓來實現(xiàn)上述目的。通過在10-2毫巴的壓力下使三價金屬和鎂氫化，轉換膜中的金屬可被轉換成含氫量低的氫化物狀態(tài)。該膜具有鏡狀外觀，且不透明。
可用上述方法之一同樣地施加催化活性層，例如Pd，以及第二電極層。
還可用上述方法之一施加無機固態(tài)電解質(zhì)薄層。還可用溶膠—凝膠方法從一種合適的烷氧化合物制備無機氧化電解質(zhì)。可通過例如旋涂方式涂敷有機電解質(zhì)。
由于金屬氫化物薄層有足夠的導電性能，在基板和轉換層之間可以省去銦錫氧化物(ITO)薄透明層，而該層在傳統(tǒng)的電致變色裝置中是通用的。由此依據(jù)本發(fā)明的轉換裝置比傳統(tǒng)的電致變色顯示器簡單。
依據(jù)本發(fā)明，在電化學光學轉換裝置中一種可能的層序列的例子是基板|ScMgHx|Pd|KOH|TiOOHy|ITO在這種構型中，ScMgHx開始是低氫的鏡狀狀態(tài)，而氧化鎢載有氫TiOOHy。作為第二電極的TiOOHy是透明的。當向ScMgHx施加負電壓時，OH-離子和H2O轉移穿過電解質(zhì)，且水在ScMgHx膜上被還原。通過該電化學反應，ScMgHx被轉化成ScMgHx+δ，其為透明和中性灰色的，而TiOOHy-δ仍保持透明如果Pd層是透明的，在該狀態(tài)下該裝置已變得透明，或者從鏡狀狀態(tài)轉變成透明狀態(tài)。該轉換過程是可逆的。當向ScMgHx施加正性電壓時，該膜失去氫，該裝置再次變成鏡狀和非透明狀態(tài)。該轉換過程可重復多次，并在低于10V時發(fā)生。
另一可能的層序列是一種如下的固態(tài)層序列，其中氧化鋯用作質(zhì)子導體基板|ScMgHw|Pd|ZrO(x+2)Hy|WO3Hz|ITO依據(jù)本發(fā)明的特點，可從鏡狀、非透明狀態(tài)轉換成透明狀態(tài)(或通過一種吸收的黑色狀態(tài)轉換成透明狀態(tài))或者相反的轉換裝置，可用于多種用途。通過這種光學效應該轉換裝置可作為一種光轉換元件，例如一種可變的分色器，光閥和用于控制光源中光束的照度或形狀。選取合適的轉換膜厚度，該膜的鏡狀狀態(tài)可顯示出幾乎為0的透光率。這使得可以制造出具有非常大反差的轉換裝置。該轉換裝置還可以用于數(shù)據(jù)存儲，以及用在光計數(shù)器中，和用作建筑玻璃，視覺控制玻璃，遮陽頂棚和后視鏡。在鏡狀狀態(tài)中，該轉換裝置不僅折射可見光，還輻射熱或紅外光，因此還可用于氣候控制。
依據(jù)本發(fā)明的轉換裝置還可在顯示器屏幕上或其前方作為一種透光率可變的濾光器，以改進畫面的反差。
通過在金屬氫化物層中制作圖案，可制作一種薄顯示器。由于缺少LC層，定向?qū)?，延遲層和偏振濾光器，該顯示器的構造比LCD(液晶顯示器)的構造簡單。通過使用三種不同的三價金屬，可得到三色的點圖案。
通過參考下文所介紹的實施例，本發(fā)明的這些和其它方面將變得明了。
在附圖中

圖1是依據(jù)本發(fā)明的光學裝置的橫斷面示意圖，和圖2顯示的是依據(jù)本發(fā)明的電光固態(tài)裝置。
實施例1圖1是依據(jù)本發(fā)明的轉換裝置1的橫斷面示意圖。其層厚度是不按比例畫成的。轉換膜5是膜厚為200nm、含35原子％的Sc和65原子％的Mg的ScMg合金(Sc0.35Mg0.65)的形式的膜，通過電子束蒸鍍的方式將其設置在拋光了的石英基板3上。蒸鍍設備中殘留壓力小于10-7毫巴。沉積速率為1.0nm/s。在同樣的設備中，通過電阻加熱在轉換膜5上蒸鍍形成10nm厚的鈀層7，沉積速率為O.2nm/s。所述轉換膜5為金屬外觀，且是不透明的。
實施例2圖2顯示了依據(jù)本發(fā)明的固態(tài)電光轉換裝置1的橫斷面示意圖。其層厚度是不按比例畫成的。
該裝置包括玻璃基板3；厚度為200nm、作為轉換膜的、Sc0.3Mg0.7Hx形成的第一電極5；厚度為5nm的鈀層7；50微米厚且含KOH的導離子的電解質(zhì)層9；350nm厚的透明TiOOH形成的第二電極；和導電的ITO層13。除了層5處于鏡狀的低氫態(tài)，所有層都是透明的。因此在該狀態(tài)下，裝置1作為一個鏡子。
可在室溫下操作該裝置。層5和13與外部電源相連。通過向第一電極5施加陰極直流電流，低氫的鏡狀組合物轉換為透明中性灰色高氫組合物。TiOOH形成的第二電極11轉換成同樣透明的TiO2。裝置1現(xiàn)在作為一種透明的屏。當使電流反向時，第一電極5回復到鏡狀、不透明的低氫狀態(tài)，第二電極11轉換成TiOOH。裝置1轉換成一個鏡子。該轉換時間與傳統(tǒng)電致變色裝置的轉換時間是可比的。
權利要求
1.一種光轉換裝置，其包括一基板和一包含三價金屬和鎂的氫化物的轉換膜，其中通過氫的交換，該氫化物可以可逆地從低氫的鏡狀組合物轉換成高氫的透明組合物，其特征在于三價金屬包括鈧。
2.如權利要求1的裝置，其特征在于相對于總的金屬含量，該轉換膜包括5到95原子％的鎂。
3.如權利要求1或2的裝置，其特征在于轉換膜含1-50原子％的鈧和50-99原子％的鎂。
4.如權利要求1-3之一的裝置，其特征在于轉換膜含15-40原子％的鈧和60-85原子％的鎂。
5.如權利要求1-4之一的裝置，其特征在于轉換膜含35原子％的鈧和65原子％的鎂。
6.如權利要求1的裝置，其特征在于鈧鎂轉換膜還含有另一種三價金屬。
7.如權利要求1的裝置，其特征在于鈧鎂轉換膜還含有另一種從以下組中選取的一成分，該組包括鎳，鋁，鉻，硅，鐵，鈷，銀，鋯，鈮，鉭和鉿。
8.如權利要求1的裝置，其特征在于轉換膜設置有一催化活性層，該層包括至少一種選自以下組的金屬，并且該組包括鈀，鉑，鈷，鎳。
9.如權利要求1的裝置，其特征在于催化活性層包括至少一種選自以下組的的金屬，并且該組包括鈀和鉑。
10.如權利要求8或9的裝置，其特征在于催化活性層包括Ag(x)Pd(1-x)形成的層，其中x約為0.25。
11.如權利要求1的裝置，其特征在于保護層被置于催化活性層和轉換膜之間。
12.如權利要求11的裝置，其特征在于保護層包括NiZr或ZrOH化合物。
13.如權利要求11或12的裝置，其特征在于保護層的厚度為10到100nm。
14.如權利要求1的裝置，其特征在于轉換膜的厚度范圍是20到1000nm。
15.如權利要求1的裝置，其特征在于轉換膜包括三價金屬和鎂的合金的氫化物，或者多層這樣的成分。
16.如前所述任一個或多個權利要求的裝置，其特征在于該氫化物可通過中間的不透明組合物狀態(tài)進行逆向轉換。
17.一種轉換膜，其適用于如權利要求1所述的光轉換裝置。
18.一種電化學轉換裝置，該裝置包括被導離子電解質(zhì)分隔開的第一電極和第二電極，第一電極包括三價金屬和鎂的氫化物的轉換膜，該轉換膜設置有與電解質(zhì)接觸的電催化金屬層，這樣通過在電極之間施加電勢或電流，當氫的交換使該氫化物從低氫的鏡狀狀態(tài)電化學地轉換成高氫的透明狀態(tài)時，就可覺察到該轉換層的透光率發(fā)生變化，反之亦然，其特征在于三價金屬和鎂的氫化物包含鈧和鎂的氫化物。
19.一種如前任一權利要求所述的轉換裝置作為顯示器、光學轉換元件、透光率可變的鏡子，或者是在建筑中的玻璃或遮陽頂棚的使用。
全文摘要
本申請?zhí)峁┮环N轉換裝置(1)，其包括透明基板(3)，含鈧和鎂的氫化物的轉換膜(5)，并覆蓋有一鈀層(7)。通過氫的交換，該轉換膜可反轉地從透明狀態(tài)通過中間的黑色吸收狀態(tài)，變換成透光率為0的鏡狀狀態(tài)。兩種狀態(tài)的轉換是可逆的，該現(xiàn)象可用在例如光轉換元件或遮陽頂棚中。
文檔編號G02F1/19GK1398360SQ01804041
公開日2003年2月19日 申請日期2001年11月19日 優(yōu)先權日2000年11月27日
發(fā)明者M·歐維爾凱克, A·－M·揚納, P·范德斯勒伊斯, V·M·M·梅西耶 申請人:皇家菲利浦電子有限公司