DE3321032A1 - METHOD FOR HEATING AN ELECTROOPTIC AND / OR ELECTROCHEMICAL ELEMENT - Google Patents
METHOD FOR HEATING AN ELECTROOPTIC AND / OR ELECTROCHEMICAL ELEMENTInfo
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Description
VERFAHREN ZUR BEHEIZUNG EINES ELEKTROOPTISCHEN UND/ODER ELEKTRO-CHEMISCHEN ELEMENTES .METHOD OF HEATING AN ELECTRO-OPTICAL AND / OR ELECTRO-CHEMICAL ELEMENTS.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beheizung eines elektrooptischen und/oder elektrochemischen Elementes mit einem auf einen Träger aufgebrachten, aus mehreren Teilschichten bestehenden Dünnschichsystem, wobei wenigstens eine Teil schicht als Flächenelektrode zur Zuführung einer für die Funktion des Elementes erforderlichen Gleichspannung ausgebildet ist. Derartige Elemente sind z.B. elektrochrome Schichtsysteme, bei denen zwischen (transparenten) elektrisch leitenden Flächenelektroden eine Schicht aus einem elektrochromen Material eingebettet ist, welches unter äer Einwirkung einer an die Flächenelektroden angelegten Gleichspannung seine optische Transmission (Absorption) ändert. Transparente elektrochrome Schichtsysteme sind z.B. für Brillengläser mit einstellbar veränderlicher Absorption vorgeschlagen worden. Auch für Spiegel, bei denen durch die veränderliche Absorption eines vor einer spiegelnden Fläche angeordneten elektrochromen Schichtsystems das Reflexionsvermögen auf gewünschte Werte eingestellt werden kann, sind bekannt. Andere bekannte derartige Schichtsysteme sind Sensoren, bei denen zwischen Elektroden eine Schicht aus einem Stoff eingebettet ist, v/elcher mit einem nachzuweisenden, durch eine der (porösen) Elektroden hindurchtretenden anderen Stoff, z.B. mit einem Schadstoff in der Atmosphäre chemisch reagiert oder diesen absorbiert, wobei sich der elektrische Widerstand der Sensorschicht ändert; der über die Elektrode durch die Schicht bei Anlegen einer Gleichspannung fliessende Gleichstrom kann dann als Mass für die Einwirkung des nachzuweisenden Stoffes verwendet werden. Andere Sensoren wiederum erzeugen selbst eine unter der Einwirkung eines nachzuweisenden Stoffes veränderliche Gleichspannung, welche über die Flächenelektroden des Systems abgenommen v/erden kann. Weitere BeispieleThe invention relates to a method for heating an electro-optical and / or electrochemical element with a thin-film system applied to a carrier and consisting of several sub-layers, at least one sub-layer being designed as a flat electrode for supplying a DC voltage required for the function of the element. Such elements are, for example, electrochromic layer systems in which a layer of an electrochromic material is embedded between (transparent) electrically conductive surface electrodes , which changes its optical transmission (absorption) under the action of a direct voltage applied to the surface electrodes. Transparent electrochromic layer systems have been proposed, for example, for spectacle lenses with adjustable, variable absorption. Also for mirrors in which the reflectivity can be adjusted to desired values through the variable absorption of an electrochromic layer system arranged in front of a reflecting surface, are known. Other known such layer systems are sensors in which a layer of a substance is embedded between electrodes, which reacts chemically or absorbs another substance to be detected that is passing through one of the (porous) electrodes, e.g. with a pollutant in the atmosphere, wherein the electrical resistance of the sensor layer changes; the direct current flowing through the layer via the electrode when a direct voltage is applied can then be used as a measure of the action of the substance to be detected. Other sensors, in turn, themselves generate a DC voltage which changes under the action of a substance to be detected and which can be picked up via the surface electrodes of the system. Further examples
elektrooptischer Schichtsysteme der eingangs genannten Art sind verschiedene AnzeigevorricTitungen (Displays), z.B. solche, bei denen zwischen lichtdurchlässigen flächenhaften Elektroden eine Schicht eines sogenannten Flüssigkristalls angeordnet ist, wobei die langgestreckten Moleküle des Flüssigkristall unter der Einwirkung des durch die Elektroden erzeugten elektrischen Feldes nach einer Vorzugsrichtung orientiert werden und dabei weniger Lichtstreuvermögen besitzen als im ungeordneten Zustand. Der Unterschied des Lichtstreuvermögens an verschiedenen Stellen, an denen unterschiedliche Spannungen an entsprechend geformte Teilelektroden angelegt sind, dient zur Darstellung gewünschter Zeichen, z.B. von Ziffern und Buchstaben.Electro-optical layer systems of the type mentioned at the beginning are different Display devices (displays), e.g. those in which between translucent planar electrodes a layer of a so-called Liquid crystal is arranged, the elongated molecules of the liquid crystal under the action of the generated by the electrodes Electric field are oriented in a preferred direction and have less light scattering power than in the disordered state. The difference the light scattering power in different places where different Voltages are applied to correspondingly shaped partial electrodes, is used to display the desired characters, e.g. digits and letters.
Bei den meisten Anwendungen elektrooptischer und elektrochemischer Schichten spielt die Temperatur eine wichtige Rolle, denn in fast allen Fällen werden die Eigenschaften des Systems, z.B. die elektrische Leitfähigkeit einer Sensorschicht oder das optische Absorptionsvermögen einer elektrochromen Brillenglasschicht von der Temperatur so stark beeinflusst, dass ein befriedigendes Funktionieren nur erreicht werden kann, wenn die Temperatur entsprechend gesteuert wird. .In most electro-optical and electrochemical coatings applications the temperature plays an important role, because in almost all cases the properties of the system, e.g. the electrical conductivity a sensor layer or the optical absorption capacity of an electrochromic The lens layer is so strongly influenced by the temperature that Satisfactory functioning can only be achieved if the temperature is controlled accordingly. .
Es ist bekannt, Flächen mittels darauf aufgelegter elektrisch leitender Folien oder mittels aufgebrachter elektrisch leitender dünner Schichten durch Stromdurchgang zu heizen; beispielsweise sind mittels Aufdampfschichten beheizte Skibrillen und Rückblickspiegel für Kraftfahrzeuge bekanntgeworden. Ueblicherweise werden an zwei einander gegenüberliegenden Seiten eines durch eine leitende dünne Schicht gebildeten Heizfeldes Stromzuführungs-It is known to use electrically conductive surfaces placed on them Foils or by means of applied electrically conductive thin layers to heat by current passage; For example, heated ski goggles and rearview mirrors for motor vehicles by means of vapor-deposited layers have become known. Usually one on two opposite sides heating field formed by a conductive thin layer power supply
elektroden angebracht und der über diese ziigeführte Heizstrom fliesst in der Schicht parallel zu deren Fläche. Bei elektrooptischen und elektrochemischen Elementen bereitet jedoch die Heizung des Schichtsystems oft Schwierigkeiten, weil der Heizstrom die Funktion des Elementes stören kann. Deshalb musste man häufig auf Beheizung verzichten.Electrodes attached and the heating current passed through these flows in the layer parallel to its surface. With electro-optical and electrochemical However, heating the layer system often causes difficulties for elements because the heating current can interfere with the function of the element. That is why you often had to do without heating.
Erfindungsaufgabe ist es nun, ein Verfahren zur Beheizung und damit zur Einstellung der Temperatur von elektrooptischen und elektrochemischen Elementen anzugeben, welches erlaubt, diese zu beheizen ohne ihre Funktion zu stören. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Flächenelektrode gleichzeitig ein Wechselstrom von die Funktion nicht störender Frequenz als Heizstrom zugeführt wird.The task of the invention is now to find a method for heating and thus for Adjustment of the temperature of electro-optical and electrochemical Specify elements that allow them to be heated without disrupting their function. This object is achieved in that the surface electrode At the same time, an alternating current of a frequency that does not interfere with the function is supplied as heating current.
Es wird dadurch eine völlige Trennung der Heizfunktion von den übrigen Funktionen ermöglicht; wie bekannt, kann der Heizstrom am einfachsten an einander gegenüberliegenden Seitender Flächenelektrode zu- und abgeführt werden. Besonders eignet sich das erfindungsgemässe Verfahren zur Beheizung solcher elektrooptischer und elektrochemischer Elemente, deren Dünnschichtsystem zwei oder mehrere als Flächenelektroden ausgebildete Teilschichten und dazwischen angeordnete dielektrische Schichten aufweist, wobei dann der Heiz-Wechselstrom vorzugsweise auf einer Seite einer ersten Flächenelektrode zugeführt und auf der gegenüberliegenden Seite einer zweiten Flächenelektrode abgeführt wird. Dank der sehr geringen Dicke dünner Schichten besitzt nämlich der von den beiden Flächenelektroden und dem dazwischen befindlichen Dielektrikum gebildete Kondensator eine relativ hohe Kapazität,This results in a complete separation of the heating function from the other functions enables; As is known, the heating current can most easily be supplied and discharged on opposite sides of the surface electrode will. The method according to the invention is particularly suitable for heating such electro-optical and electrochemical elements, their thin-film system two or more partial layers designed as surface electrodes and having dielectric layers disposed therebetween, wherein then the alternating heating current preferably on one side of a first surface electrode and a second on the opposite side Surface electrode is discharged. Thanks to the very small thickness of thin layers namely that of the two surface electrodes and the one in between located dielectric capacitor formed a relatively high capacitance,
so dass schon mit relativ niedrigen Frequenzen von wenigen kHz ein im Vergleich zum elektrischen Gleichstrom-Widerstand der dazwischen befindlichen dielektrischen Schicht sehr geringer kapazitiver Wechselstrom-Widerstand resultiert, so dass die beiden Flächenelektroden für den Wechselstrom praktisch kurzgeschlossen sind. Wie sich gezeigt hat, ergibt diese unten anhand eines Ausführungsbeispiels genauer beschriebene Anordnung, eine besonders gleichmässige Beheizung, wobei zwischen den Flächenelektroden das Wechselfeld praktisch gleich Null ist und daher die elektrooptische und/oder elektrochemische Funktion auch nicht gestört wird. ■ .so that an im Compared to the electrical direct current resistance of the dielectric layer in between, the capacitive alternating current resistance is very low results, so that the two surface electrodes for the Alternating current are practically short-circuited. As has been shown, results this arrangement described in more detail below using an exemplary embodiment, a particularly uniform heating, with between the surface electrodes the alternating field is practically zero and therefore the electro-optical and / or electrochemical function is also not disturbed will. ■.
Die Figur 1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel schematisch den Aufbau eines elektrooptischen Elementes, dessen Lichtdurchlässigkeit mittels einer elektrischen Gleichspannung eingestellt werden kann;As a first exemplary embodiment, FIG. 1 shows the structure schematically an electro-optical element, the light transmission of which can be adjusted by means of an electrical direct voltage;
Figur 2 zeigt ein weiteres Beispiel eines solchen Elementes, bei dem die Reflexion mittels Gleichspannung einstellbar ist.Figure 2 shows another example of such an element in which the Reflection is adjustable by means of DC voltage.
In Figur 1 bedeutet 1 einen transparenten Träger (z.B. ein Brillenglas), auf den als erste Flächenelektrode eine Schicht 2 einer Legierung aus Indium- und Zinnoxid mit einer Dicke von ungefähr 280 nm aufgebracht ist. Diese Flächenelektrode besitzt einen sogenannten Flächenwiderstand von 20 Ohm pro Quadrat, d.h. zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten eines (beliebig grossen) Quadrates einer solchen Schicht ergibt sich ein elektrischer Widerstand von 20 Ohm (bei einem grossen Quadrat ist zwar die Breite der Strombahn zwischen den beiden Seiten grosser, gleichzeitigIn Figure 1, 1 means a transparent support (e.g. a spectacle lens), on which a layer 2 of an alloy of indium and tin oxide with a thickness of approximately 280 nm is applied as the first surface electrode. This surface electrode has a so-called sheet resistance of 20 ohms per square, i.e. between two opposite sides of one A (arbitrarily large) square of such a layer results in an electrical resistance of 20 ohms (with a large square it is the width of the current path between the two sides is greater, at the same time
jedoch auch der Abstand, sodass insgesamt stets derselbe Widerstand resultiert.)Das Schichtsystem weist eine gleiche zweite Schicht 3 auf, die ebenfalls eine transparente elektrisch leitende Flächenelektrode darstellt. Zwischen den beiden Flächenelektroden 2 und 3 sind im Ausführungsbeispiel zwei weitere Teil schichten eingebettet und zwar eine erste nichtmetallische, 500 nm dicke Teilschicht 4 aus Wolframoxid und eine zweite nichtmetallische, 150 nm dicke Schicht 5 aus Siliziumoxid. Diese beiden Teilschichten bilden mit den Flächenelektroden 2 und 3 zusammen ein sogenanntes elektrochromes Schichtsystem, das bei Einwirkung einer an die Flächenelektroden angelegten elektrischen Gleichspannung sein optisches Transmissionsvermögen ändert» d.h. je nach Polarität vergrössert oder verkleinert; näheres über elektrochrome Schichtsysteme findet man in der Literatur.but also the distance, so that the overall resistance is always the same The layer system has an identical second layer 3, which also has a transparent, electrically conductive surface electrode represents. Between the two surface electrodes 2 and 3 are in the embodiment two further sub-layers embedded, namely a first non-metallic, 500 nm thick sub-layer 4 made of tungsten oxide and a second non-metallic, 150 nm thick layer 5 made of silicon oxide. These two partial layers form with the surface electrodes 2 and 3 together a so-called electrochromic layer system, which is used in Effect of an electrical direct voltage applied to the surface electrodes its optical transmittance changes »i.e. increased or decreased depending on polarity; more about electrochromic Layer systems can be found in the literature.
Zur Zuführung der Gleichspannung aus einer Spannungsquelle 6 dienen die beiden Anschlüsse 7 und 8, wie aus der Zeichnung ersichtlich. Im Beispielsfalle konnte mit einer Gleichspannung von + 2,5 Volt (Pluspol an der oberen Flächenelektrode 3 in Figur 1) eine Vergrösserunq der Absorption, dagegen mit einer Spannung von - 1,5 Volt an derselben Elektrode eine Verringerung der Absorption der elektrochromen Zwischenschichten bewirkt werden. Diese Wirkung war jedoch ziemlich temperaturabhängig, so dass es bei Anv/endung solcher Schichten oft erforderlich wird, durch eine gesteuerte Beheizung für eine entsprechende Temperatur zu sorgen. Wie in der Figur 1 weiter dargestellt, ist zu diesem Zweck an der Flächenelektrode 3 auf der dem Anschluss 8 gegenüberliegenden Seite ein v/eitererTo supply the DC voltage from a voltage source 6 are used both connections 7 and 8, as can be seen from the drawing. In the example case was able to increase the absorption with a direct voltage of + 2.5 volts (positive pole on the upper surface electrode 3 in FIG. 1), on the other hand with a voltage of - 1.5 volts on the same electrode causes a reduction in the absorption of the electrochromic intermediate layers will. However, this effect was quite temperature dependent, like that that when such layers are used, it is often necessary to ensure an appropriate temperature by means of controlled heating. As further shown in FIG. 1, for this purpose is on the surface electrode 3 on the opposite side of connection 8 a further one
Anschluss 9 vorgesehen und über diese beiden Anschlüsse kann ein Heizwechselstrom aus der Quelle 10 eingespeist werden, der die Flächenelektrode 3 in einer zu dieser parallelen Richtung durchfliesst und sie dabei dem Ohmschen Widerstand dieses Stromweges entsprechend erhitzt. Durch die Grosse der Wechsel spannung der Quelle 10 kann die Heizleistung gesteuert werden und die Frequenz ist,.wie gesagts so zu wählen, dass, eine Beeinträchtigung der Funktion des elektrochromen Schichtsysterns sicher vermieden wird. Wie sich gezeigt hat, ist dies stets möglich, wogegen bei Gleichstromheizung Funktionsstörungen beobachtet wurden, auch dann, wenn der Heizstrom - wie in Figur 1 - die elektrochromen Schichten des Systems eigentlich überhaupt nicht durchfliesst.Connection 9 is provided and an alternating heating current can be supplied via these two connections are fed from the source 10, the surface electrode 3 flows through in a direction parallel to this and thereby the Ohmic resistance of this current path is heated accordingly. By the size the alternating voltage of the source 10, the heating power can be controlled and the frequency is, as it was said, to be chosen in such a way that, an impairment the function of the electrochromic layer system is reliably avoided. As has shown that this is always possible, whereas malfunctions have been observed with direct current heating, even when the heating current - as in Figure 1 - actually the electrochromic layers of the system does not flow through at all.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 2 betrifft ein ähnliches elektrochromes Schichtsystem, jedoch ist in diesem Falle die an die Unterlage 11 angrenzende erste Elektrodenschicht 12 als Aluminiumspiegel ausgebildet, dessen Reflexionsvermögen durch das mehr oder weniger starke Absorptionsvermögen des darübergelegten elektrochromen Schichtsystems beeinflusst wird. 13 ist eine transparente Goldschicht als zweite Elektrodenschicht und zwischen den Elektrodenschichteri 12 und 13 befinden sich weitere Teilschichten und zwar eine WO3-Schicht 14 von 500 nm Dicke und eine 150 nm dicke Zirkonoxidschicht 15.The exemplary embodiment in FIG. 2 relates to a similar electrochromic layer system, but in this case the first electrode layer 12 adjoining the base 11 is designed as an aluminum mirror, the reflectivity of which is influenced by the more or less strong absorption capacity of the electrochromic layer system placed over it. 13 is a transparent gold layer as a second electrode layer and between the electrode layers 12 and 13 there are further sub-layers, namely a WO 3 layer 14 500 nm thick and a 150 nm thick zirconium oxide layer 15.
Zur Anwendung des erfindungs.gemässen Verfahrens zur Beheizung des Schichtsystems nach Figur 2 wird als Betriebsspannung für die elektrochromen Schichten eine Gleichspannung an die Anschlüsse 17 und 18 gelegt und gleichzeitig noch eine Wechselspannung entsprechender Frequenz als Heizspannung überlagert.To use the process according to the invention for heating the layer system according to Figure 2 is used as the operating voltage for the electrochromic layers a DC voltage is applied to terminals 17 and 18 and at the same time an alternating voltage of a corresponding frequency is superimposed as a heating voltage.
Durch Messung konnte ermittelt werden, dass sich in diesem AusfUhrungsbeispiel für den aus den beiden Flächenelektroden 12 und 13 und den Zwischenschichten 14 und 15 gebildeten Kondensator eine Kapazität von 0,1 Mikrofarad pro cm ergab, sodass schon bei einer Frequenz von 1000 Hz der Widerstand für Wechselstrom gegenüber dem 0hm1sehen Widerstand des Dielektrikums kaum mehr ins Gewicht fällt; man kann praktisch von einem kapazitiven Kurzschluss zwischen den Flächenelektroden sprechen. Die technischen Betriebsdaten dieses Systems sind ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel, nämlich + 2,8 Volt für maximale Einfärbung des elektrochromen Schichtsystems (Miniumum des Reflexionsvermögens des Spiegels) und - 1,5 Volt für geringstmögliche Absorption (Maximum der Reflexion).It was possible to determine by measurement that in this exemplary embodiment a capacitance of 0.1 microfarad per cm resulted for the capacitor formed from the two surface electrodes 12 and 13 and the intermediate layers 14 and 15, so that the resistance for Alternating current compared to the Ohm 1 see the resistance of the dielectric hardly any more; In practice, one can speak of a capacitive short circuit between the surface electrodes. The technical operating data of this system are similar to the first embodiment, namely + 2.8 volts for maximum coloring of the electrochromic layer system (minimum of the reflectivity of the mirror) and - 1.5 volts for the lowest possible absorption (maximum of reflection).
Um das Schichtsystem zu beheizen, wird in diesem Beispiel, wie erwähnt, . eine Betriebsspannung verwendet, die aus einer Ueberlagerung der für den Betrieb erforderlichen Gleichspannung und der der Heizung dienenden Wechselspannung besteht. Dazu kann die in Figur 2 gezeichnete Schaltung dienen, mit Hilfe deren über die Anschlüsse 17 und 18 die GleichsDannungsquelle 16 mit jeweils gewünschter Polarität und gleichzeitig über den Schalter 22 eine Wechselspannungsquelle 20 an die Flächenelektroden 12 und 13 angelegt werden kann. In der gezeichneten Schaltung ist im Wechselstromkreis ein Kondensator 19 und im Gleichstromkreis eine Drossel 21 vorgesehen, um die betreffenden Kreise für den Gleichstrom bzw. den Wechselstrom zu sperren. Selbstverständlich ist es für den Elektrotechniker klar, dass es für die Überlagerung einer Gleichspannung und einer WechselspannungIn this example, as mentioned, to heat the layer system. an operating voltage used, the serving of a superposition of the required for the operating DC voltage and the AC voltage of the heater. The circuit shown in FIG. 2 can be used for this purpose, with the aid of which the DC voltage source 16 with the desired polarity can be applied via the connections 17 and 18 and at the same time an AC voltage source 20 can be applied to the surface electrodes 12 and 13 via the switch 22. In the circuit shown, a capacitor 19 is provided in the alternating current circuit and a choke 21 is provided in the direct current circuit in order to block the relevant circuits for the direct current or the alternating current. Of course, it is clear to the electrical engineer that there is a superposition of a direct voltage and an alternating voltage
auch noch andere Schaltmöglichkeiten gibt, die im Rahmen der Erfindung angewendet werden können; die Ueberlagerungsschaitung an sich ist nicht Gegenstand der Erfindung.there are also other switching options that are used within the scope of the invention can be; the superimposition itself is not an object the invention.
Mit einer solchen Ueberlagerung der für den Betrieb eines Elementes erforderlichen Gleichspannung mit der der Heizung dienenden Wechselspannung kann bei Elementen mit zwei Flächenelektroden eine besonders gleichmässige Beheizung erreicht und ausserdem gegenüber der Anordnung nach Figur 1 ein Anschluss eingespart werden. Wie die Erfahren gezeigt hat, lassen sich bei elektrochromen Schichtsystemen ohne weiteres Heizleistungen bis zuWith such a superposition of the necessary for the operation of an element DC voltage with the AC voltage used for heating Particularly even heating for elements with two flat electrodes achieved and also compared to the arrangement according to FIG Connection can be saved. As experience has shown, you can in the case of electrochromic layer systems, heating outputs of up to
einigen Watt pro cm ohne Störung der Elektrochromiefunktion verwirklichen. Durch entsprechende Regelung der Heizleistung kann man damit die Temperatur der Elemente in weiten Grenzen unabhängig in von der Umgebungstemperatur auf einem gewünschten Wert halten.a few watts per cm without disturbing the electrochromic function. By regulating the heating power accordingly, the temperature of the elements can be set within wide limits independently of the ambient temperature hold at a desired value.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| 8130 | Withdrawal |