JP5452600B2 - 組み合わせられたサーモクロミック及びエレクトロクロミック光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般にクロモジェニック材料を備えた光学装置に関し、詳細には、サーモクロミック及びエレクトロクロミック装置を備えた光学装置に関する。

地球温暖化は国際的注目を受けており、その危険な結果を緩和するための手段は非常に焦点が当てられている。建築された環境の暖房、冷房、空調及び照明のために使用されるエネルギは、世界で利用可能な一次エネルギの相当の部分に達する。特に、空調によって冷房のために要求されるエネルギは、近年急速に増加している。エネルギ消費の増加は、屋内の快適さを求める高まる需要に基づいている。温度は、狭い温度範囲内に維持されることが要求され、大きな窓及びガラス壁面を介しての屋外との接触は、快適さを得るための重要な要素として考えられる。

状況を改善する１つのやり方は、例えば、太陽エネルギの可視光及び／又は近赤外光の可変なスループットを伴う建物外面を有することである。これはしばしば、スマートウィンドウの解決策と呼ばれる。スマートウィンドウは、クロモジェニック技術の範囲を利用できる。ここで、クロモジェニックという用語は、外部刺激に応じて光学特性が変化できることを指すために使用される。主なクロモジェニック技術は、（電圧又は電荷に依存する）エレクトロクロミック、（温度に依存する）サーモクロミック、（紫外線照射に依存する）フォトクロミック、及び、（還元性気体又は酸化性気体への露出に依存する）ガスクロミックである。

従来技術において、そのような様々な技術がよく知られており、また、様々な光学装置を通るエネルギの移動を制御する構想について研究されている。透過率を変化させるためのクロモジェニック物質の使用の１つの例は、例えば、米国特許第４，９０２，１０８号に見つけられる。米国特許第５，５２５，４３０号において、サーモクロミック基体の温度は、抵抗加熱によって制御され、ある種のエレクトロクロミック装置としてそれを作動させる。米国特許出願第２００５／０００２０８１号において、透過率を制御する稼動システムは、エレクトロクロミック層又はサーモクロミック層から構成できる。エレクトロクロミック装置は、従来技術において、可視透過率に焦点が当てられる場合に主に利用される。代わりに、サーモクロミック装置は、近赤外透過率が最も重要である取り組みに対して主に向けられる。

特許第０５２９７４１７号の要約においては、サーモクロミック及びエレクトロクロミック層が積層されて一体化された装置とされる。従って、異なる技術のいくつかの利点の組合せが達成できる。しかし、積層されるサーモクロミック及びエレクトロクロミック層を使用する光学装置には残る問題がある。ある状況において、入射する光パワーは、サーモクロミック膜の転移温度を相当上回る温度まで、薄膜を加熱する恐れがあり、それによって、近赤外波長の遮蔽をもたらす。環境温度が転移温度よりかなり低く、近赤外光の透過が、例えば、暖房目的のために有益であるだろう場合においても、この事象が起こる恐れがある。

本発明の目的は、サーモクロミック及びエレクトロクロミック特性が相互に独立に利用できる光学装置を提供することである。

上記の目的が、添付の特許請求項による光学装置によって達成される。概略的に述べると、光学装置が、第１の透明な基体と、第１の透明な基体の表面を被覆するサーモクロミック装置と、第２の透明な基体と、第２の透明な基体の表面を被覆するエレクトロクロミック装置と、第１の透明な基体と第２の透明な基体とを分離する断熱領域部とを備えている。

本発明の１つの利点は、サーモクロミック装置の特性が、第１の透明な基体の環境温度によって制御可能であり、一方、第２の透明な基体、及び、エレクトロクロミック装置の特性及び挙動は独立して操作される。

本発明は、その更なる目的及び利点と合わせ、添付の図面と共に下記の説明を参考にして最良に理解できる。

本発明の一実施形態による光学装置の一部分の概略図である。 本発明による光学装置において有益なエレクトロクロミック積層部の概略図である。 本発明の他の一実施形態による光学装置の一部分の概略図である。

図面を通して、同じ参照符号は、類似又は対応する要素に対して使用される。
図１は、本発明の一実施形態による光学装置１を例示する。光学装置１は、第１の表面１１及び第２の表面１２を有する第１の透明な基体１０を備える。本実施形態における第１の透明な基体１０は、平坦なガラス板１５である。第１の透明な基体１０は、サーモクロミック装置２０によって少なくとも一部分に対して被覆される。本実施形態において、サーモクロミック装置２０は、第１の透明な基体１０の第１の表面１１に備えられる。本実施形態において、一例として、サーモクロミック装置は、Ａｌ及びＷをドープされたＶＯ_２膜を備える。

光学装置１は更に、第１の表面５１及び第２の表面５２を有する第２の透明な基体５０を備える。本実施形態において、第２の透明な基体５０はまた、平坦なガラス板５５である。第２の透明な基体５０は、エレクトロクロミック装置４０によって、少なくとも一部分が被覆される。本実施形態において、エレクトロクロミック装置４０は、第２の透明な基体５０の第１の表面５１に備えられる。本実施形態において、一例として、エレクトロクロミック装置４０は、以下に更に詳細に述べられる５層積層部４１を備える。

第１の透明な基体１０、及び、第２の透明な基体５０は、第１の透明な基体１０と第２の透明な基体５０とを分離する断熱領域部３０と共に配置される。断熱領域部３０は、好ましくは、基本的に透明であるが、ある用途のために、着色されたか、又は、部分的に不透明な断熱領域部３０も可能である。本実施形態において、断熱領域部３０は、好ましくは大気圧未満の圧力で気体３１によって充填され、この実施形態においてはアルゴン気体によって充填される。本実施形態において、第１の透明な基体１０は、断熱領域部３０に面する第１の表面１１と共に配置され、すなわち、サーモクロミック装置２０は気体３１と接触する。気体３１は、好ましくは、サーモクロミック装置２０を損傷しないために選択でき、典型的には不活性気体又は窒素である。本実施形態において、第２の透明な基体５０も、断熱領域部３０に面する第１の表面５１と共に配置され、すなわち、エレクトロクロミック装置４０も気体３１と接触する。従って、気体３１は、好ましくは、エレクトロクロミック装置４０を損傷しないように選択できる。

電圧源６０は、エレクトロクロミック装置４０に電気的に接続される。エレクトロクロミック装置４０上に印加される電圧を制御することによって、その光学特性は制御できる。第２の透明な基体５０上に光７０が照射される場合を仮定する。エレクトロクロミック装置４０は、エレクトロクロミック装置４０を通る光の透過率を変化させるように、電圧源６０からの電圧によって制御できる。それによって、エレクトロクロミック装置４０の状態に依存して、光７０はエレクトロクロミック装置４０を通過するのを多かれ少なかれ制止でき、又は、光７０は大部分までエレクトロクロミック装置４０を通過できる。

エレクトロクロミック装置４０が高い透過率を許容する場合において、光７０は断熱領域部３０を通過でき、サーモクロミック装置２０に到達することができる。サーモクロミック装置２０の温度に応じて、サーモクロミック装置２０は、近赤外光がサーモクロミック装置２０を通過することを止めることができるか、又は、近赤外光がサーモクロミック装置２０を通過することを許容できる。透過特性は、断熱領域部３０のために第１の透明な基体１０の温度に近いと考えられるサーモクロミック装置２０の温度によって制御される。次いで第１の透明な基体１０の温度は、典型的に、第１の透明な基体１０に対する環境の温度に近い。このようにして、サーモクロミック装置２０の挙動はエレクトロクロミック装置４０及び第２の透明な基体５０の特性から分断される。このようなやり方において、第２の透明な基体５０の外側の環境温度はサーモクロミック装置２０の挙動に影響を与えず、照射条件、及び、第２の透明な基体５０の温度もまた影響を与えない。

一例として、かなり強度の光が第２の透明な基体５０上に照射される場合を検討する。エレクトロクロミック装置４０は、環境温度をかなり上回って加熱されるような状況下に置かれる恐れがある。しかし、エレクトロクロミック装置４０の状態は、印加電圧によって制御され、この温度とは独立に選択できる。断熱領域部３０は、第２の透明な基体５０から第１の透明な基体を断熱し、それによって、サーモクロミック装置２０は、かなり低い温度、典型的には、第１の透明な基体１０の外側の環境温度に近い温度となり得る。従って、エレクトロクロミック装置４０の高い温度にもかかわらず、近赤外光のための高い透明度が与えられ得る。

それによって、図１の光学装置１は、エレクトロクロミック装置４０によって主に制御される可視光スループット、及び、次いでサーモクロミック装置２０によって主に制御される熱伝導に関して、最適化される。サーモクロミック装置２０とエレクトロクロミック装置４０との間に断熱領域部３０を伴う配置は、制御実行の分離を可能にし、光学装置の性能上に著しい効果を有する簡易な配置である。

図１の実施形態において、非自己消去５層積層部４１が利用された。このような配置は図２に更に詳細に例示される。イオン伝導体、すなわち、電解質層１２０が中央部分に備えられる。電解質層１２０は、電子及びイオンを伝導することができるエレクトロクロミック層１１６と一方の面上で接触する。イオン伝導体１２０の面上に、電子及びイオンを伝導する対向電極層１１８があり、イオン貯蔵層として作用する。この対向電極膜１１８は、第２のエレクトロクロミック膜によって全体的又は部分的に構成できる。中央三層構造１１６、１１８、１２０は、電子伝導層１１２、１１４の間に位置付けられる。電子伝導層１１２、１１４は、第１の基体１２２及び第２の基体１２４に対してそれぞれ配置される。これらの基体１２２、１２４の内の１つは、第１の透明な基体５０（図１）によって構成できる。本開示の異なる図における層の相対的厚さは、寸法に関する真の関係を表さないことに留意されたい。典型的には、基体は他の層よりかなり厚い。図は、接続の原理を例示する目的のためにのみ描かれており、いかなる寸法の情報も与える目的には描かれていない。

このようなエレクトロクロミック５層積層部４１は、積層部１１１の２つの面上の電子伝導層１１２、１１４の間に外部電圧パルスを印加し、電子及びイオンをエレクトロクロミック層１１６と対向電極層１１８との間で移動させることによって着色／脱色される。それによって、エレクトロクロミック層１１６はその色を変化させることとなる。エレクトロクロミック層１１６の非排他的例は、カソードで着色する、タングステン、モリブデン、ニオブ、チタン、鉛及び／又はビスマス系の酸化物の薄膜、又は、アノードで着色する、ニッケル、イリジウム、鉄、クロム、コバルト及び／若しくはロジウム系の酸化物、水酸化物及び／若しくはオキシ水酸化物の薄膜である。

エレクトロクロミック層１１６のエレクトロクロミック特性を周囲に対して顕示するために、基体１２２、１２４は透明でなくてはならない。今日の典型例において、プラスチック基体が使用される。しかし、上記に述べられたように、ガラス基体も実施可能である。

２つの電子伝導層１１２、１１４も透明でなくてはならない。可視光に対して透明な電子伝導体１１２、１１４の非排他的例は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化スズ、酸化亜鉛、ｎ型又はｐ型ドープ酸化亜鉛及びオキシフッ化亜鉛の薄膜である。ＺｎＳ／Ａｇ／ＺｎＳのような金属系の層、及びカーボンナノチューブ層もまた最近調査されている。特定の用途に応じて、電子伝導層１１２、１１４の内の１つ又は両方は金属グリッドから製作できる。

上記に述べられたように、対向電極層１１８はエレクトロクロミック材料と同様に、非エレクトロクロミック材料を備えることができる。対向電極層１１８の非排他的例は、カソードで着色する、タングステン、モリブデン、ニオブ、チタン、鉛及び／又はビスマス系の酸化物のエレクトロクロミック薄膜、アノードで着色する、ニッケル、イリジウム、鉄、クロム、コバルト及び／又はロジウム系の酸化物、水酸化物及び／又はオキシ水酸化物のエレクトロクロミック薄膜、又は、例えば、バナジウム及び／又はセリウムと同様に活性炭系の酸化物の非エレクトロクロミック薄膜である。また、このような材料の組合せが対向電極層１１８として使用できる。

電解質層１２０はイオン伝導体材料を備える。電解質型のいくつかの非排他的例は、溶解リチウム塩を含むポリ（エチレンオキシド）のような固体高分子電解質（ＳＰＥ）、リチウム塩を含む、ポリ（メタクリル酸メチル）とプロピレンカーボネートの混合物のようなゲル高分子電解質（ＧＰＥ）、ＧＰＥに類似するが、ポリ（エチレンオキシド）のような第２の重合体、及び、リチウム塩を含むエチレンカーボネート／炭酸ジエチルの溶媒混合液のような液体電解質（ＬＥ）を添加された合成ゲル高分子電解質（ＣＧＰＥ）、及び、ＴｉＯ_２、二酸化ケイ素又は他の酸化物を添加されたＬＥを備える複合有機−無機電解質である。使用されるリチウム塩のいくつかの非排他的例は、ＬｉＴＦＳＩ［リチウムビス（トリフルオロメタン）スルホンイミド］、ＬｉＢＦ_４［リチウムテトラフルオロホウ酸塩］、ＬｉＡｓＦ_６［リチウムヘキサフルオロ砒酸塩］、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３［リチウムトリフルオロメタンスルホン酸塩］、及び、ＬｉＣｌＯ_４［リチウム過塩素酸塩］である。

図３は、本発明の他の一実施形態による光学装置１を例示する。この実施形態において、第１の透明な基体１０はプラスチック基体１６であり、また、第２の透明な基体５０は、プラスチック基体１６と等しいか又は異なるプラスチック基体５６である。最も一般的な認識において、プラスチック基体１６、５６は合成又は半合成重合製品である。プラスチック基体は一般にその重合体主鎖によって分類される。可能なプラスチック基体の非排他的例は、ポリカーボネート、ポリアクリル、ポリウレタン、ウレタンカーボネートコポリマ、ポリスルホン、ポリイミド、ポリアクリレート、ポリエーテル、ポリエステル、ポリエチレン、ポリアルケン、ポリイミド、ポリ硫化物、ポリ酢酸ビニル、及び、セルロース系の重合体である。

本実施形態において、断熱領域部３０は真空の領域部３２である。プラスチック基体１６、５６は、特定の弾性を有し、第１の透明な基体１０と第２の透明な基体５０との間の距離を維持するために剛性の機械的横断接続３３が適切な距離に備えられる。横断接続３３のサイズ、幾何学形状及び配置は、好ましくは、光学装置１を通る視界を著しく妨害しないようになされる。横断接続３３の典型的な有益な幾何学形状は球形又は棒状である。

この実施形態において、エレクトロクロミック装置４０は、例えば、米国特許第６，０８４，７００号の教示による自己消去型エレクトロクロミック装置４２である。エレクトロクロミック装置４０は第２の透明な基体５０の第２の表面５２に備えられる。エレクトロクロミック装置４０を保護するために、次いでは、それは、例えば、掻き傷又は化学的摩耗に対する良好な耐久性を有する透明な保護膜４３によって被覆される。この実施形態において、サーモクロミック装置２０は、ＶＯ_２とＴｉＯ_２の交互の膜の積層部２２である。サーモクロミック装置２０は、第１の透明な基体１０の第２の表面１２に備えられる。また、サーモクロミック装置２０は追加の膜によって光学的に保護できる。断熱領域部３０に対向して第１の透明な基体１０の表面にサーモクロミック装置２０を有することの利点は、サーモクロミック装置２０は環境温度を直接被ることとなることである。

本発明は、制御される透過率が必要とされる多くの異なる光学装置に応用できる。幾何学的形状は、平坦形状の透明基体、サーモクロミック装置及び／又はエレクトロクロミック装置に制限されない。湾曲した形状のあらゆる種類も使用できる。サーモクロミック装置及びエレクトロクロミック装置の形状は、相互に一致していても、一致していなくてもよい。また、第１及び第２の透明な基体は、同じか又は異なる種類であってよい。例えば、透明な基体の１つが剛体ガラス基体であり得、一方で、他方は弾性ポリマ基体であり得る。

図１及び３の実施形態において、エレクトロクロミック装置４０及びサーモクロミック装置２０は両方共に、断熱領域部３０に面するか、又は、断熱領域部３０から離れるかのいずれかの向きに配置された。しかし、膜２０、４０の１つが断熱領域部３０に面し、他方が断熱領域部３０から離れて反対向きにされる実施形態も可能である。

サーモクロミック装置は、好ましくは、光学装置を通る良好な視界を提供するために可視波長領域において高い透明度を有する。好ましくは、可視波長領域における透明度は、光学装置を通る適当な視野を許容する０．５を超える。より好ましくは、可視波長領域における透明度は、視覚効果に対してサーモクロミック装置の減衰効果が重要ではなくなり始める０．７を超える。

また、サーモクロミック装置の転移挙動が重要である。転移温度は、意図された作動温度となるようになされなくてはならない。室温付近で作動される用途のために、サーモクロミック装置は、好ましくは３５℃未満、更により好ましくは２５℃未満の転移温度を有する。他の用途のために、他の転移温度が最適であり得る。転移温度は、例えば、サーモクロミック材料のドーピングによって適応できる。有益なドーパントの例は、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｉｒ及びＴａである。

断熱領域部は本発明の機能に対して著しい重要性を有するので、断熱領域部の熱伝導率は重要であり得る。光学装置を越えた温度変化が中程度である用途、例えば、典型的な窓の用途に対して、熱伝導率は、好ましくは、０．１Ｗ／ｍＫ未満である。大きな温度変化、又は、更により正確な作動のために、０．０５Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率が望まれ得る。これは、断熱領域部の選択、及び、物質の特性に制限を与える。

本思想は光学装置の多くの種類に適応できる。光が、断熱領域部によって少なくとも部分的に構成される光路に沿ってエレクトロクロミック装置とサーモクロミック装置との間を通過することが意図されることは、関心のある重要な光学装置の多くにとって共通している。典型的な光学装置において、エレクトロクロミック装置とサーモクロミック装置との間の距離は１０メートル未満であり、１メートル未満であることが最も多い。最小の距離は、断熱領域部の熱伝導率によって基本的に決定される。とても良好な断熱領域部のために、距離は典型的には０．１ｍｍ超である。多少大きい熱伝導率を伴う断熱領域部のために、１ミリメートルから数ミリメートルがエレクトロクロミック装置とサーモクロミック装置との間の距離についての典型的な有益な範囲である。

上述の実施形態は、本発明のいくつかの例示的な例として理解されるものである。しかし、他の代替手段も可能である。例示される実施形態において、透明な基体は、サーモクロミック装置及びエレクトロクロミック装置を支持するために使用されている。しかし、サーモクロミック装置及び／又はエレクトロクロミック装置はまた、自己支持する構成要素として備えられ得、その場合において、対応する透明な基体は削除できる。断熱領域部が固体、例えば、多孔質構造を備える場合において、サーモクロミック装置及び／又はエレクトロクロミック装置はまた、基体として断熱領域部自体の表面を利用できる。断熱領域部が気体又は真空によって構成される場合において、透明な基体は最も好都合な解決策である。

本発明の範囲から逸脱することなく、様々な改良、組合せ及び変更が実施形態になされ得ることは、当業者に理解されよう。特に、異なる実施形態における異なる部分の解決策は、技術的に可能な他の形態に組み合わせることができる。特に、エレクトロクロミック及びサーモクロミック装置の選択はあらゆる組合せに組み合わせることができる。しかし、本発明の範囲は、添付の請求項によって規定される。

Claims (11)

1. 光学装置（１）において、
   サーモクロミック装置（２０）と、
   エレクトロクロミック装置（４０）と、
   前記サーモクロミック装置（２０）と前記エレクトロクロミック装置（４０）とを分離する断熱領域部（３０）とを備え、
   前記断熱領域部は、前記サーモクロミック装置（２０）と前記エレクトロクロミック装置（４０）との間の光路の少なくとも一部分を構成する、光学装置（１）。
2. 請求項１に記載の光学装置において、
   第１の透明な基体（１０）を備え、
   前記サーモクロミック装置（２０）は、前記第１の透明な基体（１０）の表面（１１、１２）を被覆し、更に、
   第２の透明な基体（５０）を備え、
   前記エレクトロクロミック装置（４０）は、前記第２の透明な基体（５０）の表面（５１、５２）を被覆し、
   前記断熱領域部（３０）は、前記第１の透明な基体（１０）と前記第２の透明な基体（５０）とを分離する、光学装置。
3. 請求項２に記載の光学装置において、
   前記サーモクロミック装置（２０）によって被覆される前記第１の透明な基体（１０）の前記表面は、前記断熱領域部（３０）に面する、光学装置。
4. 請求項２又は３に記載の光学装置において、
   前記エレクトロクロミック装置（４０）によって被覆される前記第２の透明な基体（５０）の前記表面は、前記断熱領域部（３０）に面する、光学装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学装置において、
   前記断熱領域部（３０）は、気体の領域部（３１）である、光学装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学装置において、
   前記断熱領域部（３０）は、真空の領域部（３２）である、光学装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学装置において、
   前記サーモクロミック装置（２０）は、０．７を超える可視波長領域における透明度を有する、光学装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学装置において、
   前記サーモクロミック装置（２０）は、３５℃未満の転移温度を有する、光学装置。
9. 請求項８に記載の光学装置において、
   前記サーモクロミック装置（２０）は、２５℃未満の転移温度を有する、光学装置。
10. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光学装置において、
    前記断熱領域部（３０）は、０．１Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有する、光学装置。
11. 請求項１０に記載の光学装置において、
    前記断熱領域部（３０）は、０．０５Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有する、光学装置。

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