Dynamic Electrochromic Antireflective Coatings for Ophthalmic Applications

Un verre dynamique, qui peut passer d'un état transparent à un état coloré, présente un intérêt potentiel pour de nombreuses applications dans notre vie quotidienne. Différentes sources d'énergie peuvent entrer en jeu, en fonction des stimuli requis à l'activation du produit. Les matériaux électrochromiques gagnent en popularité dans l’industrie en raison de leur contrôlabilité, de leur adaptation aux besoins immédiats des utilisateurs, de leur réversibilité et de leur faible consommation d'énergie. L’utilisation de ces matériaux dits "intelligents" dans les verres architecturaux semble déjà très prometteuse en matière d’amélioration de l'efficacité énergétique des bâtiments. Cependant, ils peuvent également améliorer le confort de l'utilisateur dans des produits déjà existants, tels que les hublots d'avion ou les rétroviseurs de voiture. Dans ce projet, je me suis concentré spécifiquement sur l’utilisation des matériaux électrochromiques pour les applications ophtalmiques. Ces matériaux permettent aux utilisateurs de contrôler la teinte du verre en fonction des conditions d'éclairage. À cette fin, des dispositifs électrochromiques entièrement basés sur des couches minces peuvent être développés pour s'aligner sur les techniques de dépôt déjà utilisées dans l'industrie. En particulier, le WO3 et le NiO ont été étudiés en tant que matériaux cathodiques et anodiques, respectivement, en raison de leurs comportements électrochromiques complémentaires; le WO3 se colore lors de l'insertion tandis que le NiO se colore lors de l'extraction d'ions dans leurs microstructures et vice-versa. L’objectif principal de ce projet vise donc à obtenir un dispositif électrochromique par couches minces qui démontre une grande transparence et une faible réflexion (ΔRlum < 2.5%) dans l'état transparent, tout en montrant une augmentation de 10% de la réflexion lors de la coloration. Une procédure de nettoyage rigoureuse a donc été mise au point pour minimiser la présence de particules sur le substrat, qui sont une source courante de défauts se propageant jusqu’à la surface des dispositifs, entraînant ainsi des courts-circuits. En outre, les matériaux ont été déposés dans la zone centrale du substrat, en omettant les bords, afin de garantir une meilleure performance des dispositifs. Grâce à une méthodologie de fabrication optimisée, la perte de couleur immédiate a été éliminée avec succès dans tous les dispositifs fabriqués.

Abstract

Dynamic glass, which can switch between bleached and colored states, is of potential interest for numerous applications in our daily lives. Various energy sources can come into play, depending on the stimuli required to activate the product. As such, electrochromic materials are gaining in popularity in the industry due to their controllability, adapting to the users’ immediate needs, reversibility, and low energy consumption. The implementation of such “smart” materials in architectural glass has shown promising results in improving energy efficiency in buildings. However, they can also enhance user comfort in existing products, such as aircraft windows or car rear-view mirrors. In this project, I focused specifically on exploring the applicability of electrochromic materials in ophthalmic applications. These materials offer the possibility for users to control the tint of the glass based on lighting conditions. To this end, electrochromic devices based entirely on thin films can be developed to align with established deposition techniques utilized in the industry. For this purpose, WO3 and NiO were investigated as cathodic and anodic materials, respectively, due to their complementary electrochromic behavior; WO3 colors upon insertion whereas NiO colors upon extraction of ions in their respective microstructures and vice-versa. The main goal of this project was to fabricate an all-solid-state electrochromic device that reaches high transparency and low reflection (ΔRlum < 2.5%) in the bleached state, while showing an increase of 10% in reflection upon coloration. A rigorous cleaning procedure was thus developed to minimize the presence of particles on the substrate, which are a common source of defects that propagate to the surface of the devices, resulting in short circuits. In addition, the materials were deposited in the central area of the substrate, omitting the edges, to ensure a better performance of the devices. Through an optimized fabrication methodology, the obvious self-bleaching was successfully eliminated in all fabricated devices. Each material was optimized to ensure a sufficient amount of porosity, which is crucial for excellent electrochromic performance. However, while WO3 and NiO are known for exhibiting significant transmission and absorption modulation, the reflection upon coloration showed only minor changes, sometimes even decreasing.