驅動薄膜可切換光學裝置的制造方法
【專利說明】驅動薄膜可切換光學裝置
[0001] 相關申請的交叉參考
[0002] 本申請要求2012年8月6日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/680, 221以及2012 年11月20日提交的美國申請?zhí)?3/682, 618的權益，上述申請出于所有目的以全文引用的 方式并入本文中。
[0003] 發(fā)明背景
[0004] 電致變色（EC)裝置通常包括多層堆疊，其包含（a)至少一種電致變色材料，所述 電致變色材料響應于電位的施加而改變其光學特性，例如透過所述層的可見光，（b)離子導 體（IC)，其允許離子（例如，Li+)移動穿過離子導體，進入電致變色材料中，并從電致變色 材料出來，以致使所述光學特性改變，同時隔絕電短路，以及（c)透明導體層（例如，透明導 電氧化物或TCO)，在其上施加電位。在一些情況下，從電致變色裝置的相對邊緣且越過所述 裝置的可見區(qū)域施加所述電位。將所述透明導體層設計為具有相對較高的電子傳導性。電 致變色裝置可具有多于上述的層，例如有色或無色的離子儲存層。
[0005] 歸因于裝置操作的物理學，電致變色裝置的恰當功能取決于許多因素，例如穿過 材料層的離子運動、移動所述離子所需的電位、透明導體層的薄層電阻，以及其它因素。隨 著電致變色裝置的大小增加，用于驅動電致變色轉變的常規(guī)技術不符合標準。舉例來說，在 常規(guī)的驅動概況中，以足夠低的電壓小心地驅動裝置，以便不因過于強硬地驅動離子穿過 所述裝置而損壞所述裝置，這減慢了切換速度，或者以較高電壓操作所述裝置以增加切換 速度，但是以裝置的過早降級為代價。
[0006] 需要改進的用于驅動電致變色裝置的方法。 發(fā)明概要
[0007] 本公開的方面涉及用于將驅動電壓施加到大型電致變色裝置的匯流條的控制器 和控制方法。此些裝置通常提供于窗戶（例如建筑玻璃）上。在某些實施方案中，所施加 的驅動電壓具有所定義量值，其足以驅動電致變色裝置的整個表面上的轉變，但不損壞裝 置或使裝置降級。匯流條之間等距的區(qū)經歷最低有效電壓，且最接近匯流條的區(qū)經歷最高 有效電壓。所施加的驅動電壓在電致變色裝置的位于框入范圍內的面上的所有位置處產生 有效電壓。此范圍的上限安全地在相信裝置可經歷損壞或降級的電壓之下，所述損壞或降 級在短期或長期可能影響其性能。在此范圍的下限處是電致變色裝置的光學狀態(tài)之間的轉 變相對快速地發(fā)生的有效電壓。在匯流條之間施加的電壓的電平顯著大于框入范圍內的有 效電壓的最大值。
[0008] 本公開的一個方面涉及用于控制薄膜電致變色裝置的光學狀態(tài)的控制器。此類控 制器的特征可在于：(a)用于在薄膜電致變色裝置上的匯流條之間施加電壓或提供指令以 在薄膜電致變色裝置上的匯流條之間施加電壓的電路，以及（b)處理組件。所述處理組件 (b)可經設計或配置以執(zhí)行以下操作：（i)確定薄膜電致變色裝置應從第一光學狀態(tài)轉變 為第二光學狀態(tài)；以及（ii)響應于確定薄膜電致變色裝置應從第一光學狀態(tài)轉變?yōu)榈诙?光學狀態(tài)而保持薄膜電致變色裝置的匯流條之間的第一所施加電壓。第一所施加電壓的量 值足以確保薄膜電致變色裝置上的所有位置經歷最大有效電壓與最小有效電壓之間的有 效電壓，其中最大有效電壓識別為安全地避免對薄膜電致變色裝置的損壞，且最小有效電 壓識別為足以驅動從第一光學狀態(tài)到第二光學狀態(tài)的轉變。另外，第一所施加電壓顯著大 于最大有效電壓。
[0009] 在某些實施方案中，這是通過在從第一光學狀態(tài)到第二光學狀態(tài)的轉變期間維持 薄膜電致變色裝置上的所有位置處的有效電壓來完成的。在此類情況下，這是通過在從第 一光學狀態(tài)到第二光學狀態(tài)的轉變過程期間，將匯流條之間的第一所施加電壓的量值從第 一電壓降低來完成的。
[0010] 在特定實施方案中，所述控制器可具有大約2. 5伏或以下的最大有效電壓，以及 大約1. 2伏或以上的最小有效電壓。
[0011] 本發(fā)明的另一方面涉及電致變色裝置和控制系統(tǒng)，其特征在于上文所描述的控制 器，其中薄膜電致變色裝置具有電耦合到所述控制器的匯流條。
[0012] 在某些實施方案中，電致變色裝置和控制系統(tǒng)具有安置于薄膜電致變色裝置的相 對側的匯流條。在其它情況下，電致變色裝置和控制系統(tǒng)的匯流條分開至少約30英寸的距 離。在其它情況下，電致變色裝置和控制系統(tǒng)的匯流條分開至少約40英寸的距離。
[0013] 在某些實施方案中，薄膜電致變色裝置安置于建筑玻璃上。在其它實施方案中，薄 膜電致變色裝置具有至少約30英寸的寬度。
[0014] 在一個實施方案中，薄膜電致變色裝置具有兩個透明傳導層，各自具有薄層電阻 Rs，且匯流條分開距離L，且薄膜電致變色裝置具有大于約3V的Rs*J*L2的值。
[0015] 本發(fā)明的另一方面涉及用于控制薄膜電致變色裝置的光學狀態(tài)的控制器。此類控 制器的特征可在于：(a)用于在薄膜電致變色裝置上的匯流條之間施加電壓或提供指令以 在薄膜電致變色裝置上的匯流條之間施加電壓的電路，以及（b)存儲用于控制所述電路的 指令的媒體。所述用于存儲指令的媒體可包含（i)用于確定薄膜電致變色裝置應從第一光 學狀態(tài)轉變?yōu)榈诙鈱W狀態(tài)的代碼；以及（ii)用于響應于確定薄膜電致變色裝置應從第 一光學狀態(tài)轉變?yōu)榈诙鈱W狀態(tài)而保持薄膜電致變色裝置的匯流條之間的第一所施加電 壓的代碼。此類第一所施加電壓的經選擇以確保薄膜電致變色裝置上的所有位置經歷最大 有效電壓與最小有效電壓之間的有效電壓，其中最大有效電壓識別為安全地避免對薄膜電 致變色裝置的損壞，且最小有效電壓識別為足以驅動從第一光學狀態(tài)到第二光學狀態(tài)的轉 變。并且，此第一所施加電壓顯著大于最大有效電壓。
[0016] 在某些實施方案中，存儲指令的媒體的特征在于用于在從第一光學狀態(tài)到第二光 學狀態(tài)的轉變期間維持薄膜電致變色裝置的所有位置處的有效電壓的代碼。在此情況下， 這是通過具有用于在從第一光學狀態(tài)到第二光學狀態(tài)的轉變過程期間，將匯流條之間的第 一所施加電壓的量值從第一電壓降低的代碼來完成的。
[0017] 存儲指令的媒體的另一特征包含用于使施加到匯流條的電壓以所定義的斜率斜 升直到達到第一所施加電壓為止的代碼。又一特征包含用于在所定義周期內保持施加到匯 流條的第一所施加電壓的代碼。
[0018] 另外，存儲指令的媒體還可具有用于使施加到匯流條的電壓從第一所施加電壓斜 升到具有比第一所施加電壓小的量值的保持電壓的代碼。在此實現方式中，所述用于使施 加到匯流條的電壓從第一所施加電壓斜升到保持電壓的代碼指定所定義的斜率。
[0019] 在某些實現方式中，控制器可具有大約2. 5伏或以下的最大有效電壓，以及大約 1. 2伏或以上的最小有效電壓?？刂破骺商峁┙橛?. 5伏與5伏之間的第一所施加電壓。
[0020] 下文參考相關聯(lián)的圖式更詳細地描述這些和其它特征和優(yōu)點。
[0021] 附圖簡述
[0022] 圖IA示意性地描繪平面匯流排布置。
[0023] 圖IB呈現每一透明傳導層上隨在層上的位置而變的局部電壓值的簡化曲線圖。
[0024] 圖IC呈現隨在裝置上的位置而變的Veff的簡化曲線圖。
[0025] 圖2描繪具有Vapp的固定值的各種裝置尺寸（匯流排間距）的電壓分布。
[0026] 圖3描繪具有在必要時以不同值供應以使Vrff維持在合適電平的V app的各種裝置 的電壓分布。
[0027] 圖4呈現使用固定和可變Vapp的各種裝置尺寸的裝置著色分布（V eff對位置）。在 每組四個曲線中，上部曲線是針對最小裝置（10英寸），且下部曲線是針對最大裝置（40英 寸）。
[0028] 圖5展示當使用Vapp的固定常規(guī)值時針對三個不同裝置尺寸隨裝置位置而變的 Vtcl和 V eff 〇
[0029] 圖6展示當使用為驅動轉變同時維持安全的Veff而優(yōu)化的Vapp的可變值時，針對三 個不同裝置尺寸隨裝置位置而變的V Ta和V rff。
[0030] 圖7是描繪與將電致變色裝置從脫色驅動到著色以及從著色驅動到脫色相關聯(lián) 的電壓和電流分布的圖表。
[0031] 圖8是描繪與將電致變色裝置從脫色驅動到著色相關聯(lián)的某些電壓和電流分布 的圖表。
[0032] 圖9是包含兩個簡化物的實例電致變色窗戶的橫截面三向投影視圖。
[0033] 圖10是窗戶控制器和相關聯(lián)組件的示意性表示。
【具體實施方式】
[0034] 通過將所定義的電壓施加到典型電致變色裝置上的兩個分開的匯流條來實現驅 動所述裝置中的色彩轉變。在此裝置中，將匯流條定位成垂直于矩形窗戶的較小尺寸（見 圖1A)是方便的。這是因為透明傳導層具有相關聯(lián)的薄層電阻，且此布置允許電流必須在 其上行進以覆蓋裝置的整個面積的最短跨距，從而減少導體層在其相應區(qū)域上完全充電所 花費的時間，且因此減少使所述裝置轉變的時間。
[0035] 當在匯流條上施加所施加電壓Vapp時，歸因于透明傳導層的薄層電阻以及裝置上 的電位的歐姆降，裝置的基本上所有區(qū)域均經歷較低局部有效電壓（V eff)。裝置的中心（在 兩個匯流條中間的位置）頻繁地具有Vrff的最低值。這經常導致裝置中心中的不可接受的 小光學切換范圍和/或不可接受的慢切換時間。這些問題在裝置的邊緣，較靠近匯流條處 可能不存在。這在下文參考圖IB和IC更詳細地闡釋。
[0036] 如本文所使用，Vapp指代施加到電致變色裝置上具有相反極性的兩個匯流條的電 位的差。如下文所闡釋，每一匯流條以電子方式連接到單獨的透明傳導層。透明傳導層之 間夾著電致變色裝置材料。透明傳導層中的每一者經歷從其所連接到的匯流條以及在匯流 條遠處的位置的電位降。一般來說，距匯流條的距離越大，透明傳導層中的電位降越大。透 明傳導層的局部電位在本文中通常稱為ντα。如所指示，具有相反極性的匯流條通常在電致 變色裝置的面上彼此橫向隔開。術語Veff指代電致變色裝置上的任何特定位置處的正透明 傳導層與負透明傳導層之間的電位（笛卡爾空間中的X、y坐標）。在測量V eff的點處，兩個 透明傳導層在z方向上（通過EC裝置材料）隔開，但共用相同的x、y坐標。
[0037] 本公開的方面涉及控制器和控制方法，其中施加到匯流條的電壓處于驅動電致變 色裝置的整個表面上的轉變但不損壞或降級所述裝置的電位。此所施加的電壓在電致變色 裝置的面上的所有位置處產生位于框入范圍內的有效電壓。此范圍的上限與安全地在裝置 可經歷損壞或降級從而在短期或長期內影響其性能的電平以下的電壓相關聯(lián)。在此范圍的 下限處是電致變色裝置的光學狀態(tài)之間的轉變相對快速地發(fā)生的有效電壓。施加在匯流條 之間的電壓的電平顯著大于框入范圍內的V rff的最大值。
[0038] 圖IA展示電致變色簡化物100的自頂向下視圖，所述電致變色簡化物100包含 具有平面配置的匯流條。電致變色簡化物100包含：第一匯流條105,其安置于第一傳導層 110上；以及第二匯流條115,其安置于第二傳導層120上。電致變色對的（未圖示）夾在 第一傳導層110與第二傳導層120之間。如圖所示，第一匯流條105可大體上延伸越過第 一傳導層110的一側。第二匯流條115可大體上延伸越過第二傳導層120的一側，所述側 與電致變色簡化物100的第一匯流條105安置于其上的側相對。一些裝置可具有額外的匯 流條，例如在所有四個邊緣上，但這使制造變得復雜。包含平面配置的匯流條的匯流條配置 的進一步論述在2012年4月20日提交的美國專利申請?zhí)?3/452,032中找到，該案以全文 引用的方式并入本文中。
[0039] 圖IB是展示第一透明傳導層110中的局部電壓以及第二透明傳導層120中例如 驅動電致變色簡化物100從脫色狀態(tài)到著色狀態(tài)的轉變的電壓的曲線圖的圖表。曲線圖 125展示第一透明傳導層110中的V Ta的局部值。如圖所示，從第一傳導層110的左手側 (例如，第一匯流條105安置于第一傳導層110上之處以及施加電壓之處）到右手側的電壓 降歸因于薄層電阻以及穿過第一傳導層110的電流。曲線圖130還展示第二傳導層120中 的局部電壓V Ta。如圖所示，歸因于第二傳導層120的薄層電阻，電壓從第二傳導層120的 右手側（例如，第二匯流條115安置于第二傳導層