Active Antireflective Coatings for Ophthalmic and Architectural Applications

La variation de la couleur d'une fenêtre est un concept bien étudié à des fins énergétiques, pratiques et esthétiques. Il est facile de s'imaginer une fenêtre de salle de conférence devenir floue au besoin, ou les lunettes de quelqu'un sortant à l'extérieur s'assombrir. Plusieurs technologies permettent de varier dynamiquement la façon dont laquelle la lumière interagie avec une surface, cependant l'électrochromisme prend de plus en plus de place sur le marché. Des miroirs de voiture aux hublots d'avion, cette technologie permet de colorer ou de blanchir une surface à l'aide de l'application d'un courant électrique. Cette simplicité dans son fonctionnement a permis l'émergence de cette technologie, contrairement à certaines qui dépendent de conditions comme la lumière ou la température, ce pour quoi plusieurs matériaux ont été étudiés pour leurs propriétés électrochromiques. Le mécanisme permettant à un matériau électrochromique de se colorer dépend de sa structure, mais le principe de base repose sur l'intercalation, qui est l'insertion d'un ion et d'un électron dans le matériau. Le matériau électrochromique cathodique le plus prometteur est l'oxyde de tungstène (WO3), principalement à cause de sa grande efficacité de coloration ainsi que sa stabilité structurale. Partant d'un état transparent, lors de l'intercalation d'un proton ou d'un ion de lithium dans sa maille, une bande d'absorption est observée dans le spectre visible/proche infrarouge résultant une couleur bleutée. Le comportement contraire, anodique, est observé chez l'oxyde de nickel, étant le matériau contre électrochromique communément utilisé. Lorsqu'intégrés dans un dispositif, les matériaux cathodiques et anodiques agissent de façon complémentaire, augmentant la coloration résultante. Dans ce travail, un des principaux objectifs a été la conception d'un dispositif électrochromique solide, pouvant varier d'un comportement anti réflecteur dans l'état blanchit à un comportement réflecteur lorsque coloré. La modélisation, les procédés de fabrication et les outils de caractérisation ont été étudiés afin d'approfondir nos connaissances sur les filtres électrochromiques. Des programmes Matlab ont été écrits afin de modéliser la réponse optique des dispositifs, accompagnés d'autres logiciels permettant l'optimisation de l'épaisseur des couches. Selon les résultats modélisés avec des propriétés théoriques des matériaux, une variation de réflexion dans le visible de 4,2% à 7,1% était possible.

Abstract

The variation of the coloration of glass is a concept studied widely nowadays for energetic, practical and aesthetics reasons. One can think of conference room windows blurring off on purpose, or someone's glasses turning to a dark blue color when stepping outside. While many technologies allow a dynamic variation of light interacting with a surface, electrochromism is starting to occupy a larger place on the development market. From car mirrors to airplane windows, this technology allows to color or bleach a surface by applying an electrical current. The easy controllability and simplicity being the main factors pushing this technology forward, as it is not dependent to ambient condition such as temperature or light, many materials have been studied for their electrochromic properties. The mechanism allowing an electrochromic material to color varies depending on the structure, but the principle lies on intercalation, where an ion and an electron are inserted into the material. The most prominent cathodic electrochromic material is tungsten oxide (WO3), mainly due to its large coloration efficiency and structural stability. Being transparent in its pristine stare, when a hydrogen or lithium ion intercalates its lattice, an absorption band is observed in the visible/NIR spectrum and the material exhibits a blue color. The opposite behavior, termed anodic electrochromism, is observed in nickel oxide the tradition counter EC material in most present day devices. When combined into an electrochromic device, cathodic and anodic materials act complementary, increasing the resulting coloration. In this work, the first main objective was to design and fabricate a full electrochromic device that was varying from an antireflective bleached state to a reflective colored state. The modeling, fabrication process and characterization tools were studied to increase our knowledge of electrochromic filters. Matlab programs were written to model the optical response of the device, along other softwares that allowed the optimization of the layers' thicknesses. According to the modeled performances of theorical properties, a visible reflection variation from 4.2% to 7.2% was calculated. Magnetron sputtering was the chosen fabrication technique, as a precise microstructural and process control was possible, and a large variety of materials were available for deposition. The surface state of the substrate proved to be critical, as short-circuits between the top and bottom electrodes were observed due to particles on the surface prior to deposition.