CN100559252C - 电变色膜 - Google Patents

Abstract

本发明提供了关于一种电变色膜，其由以下依序排列的组件构成：透明基材、有机电变色导电层和固态高分子电解质层；其借助有机电变色导电层的可逆氧化还原反应产生颜色变化，本发明的电变色膜只需使用单一透明基材即可达到电变色效果，并可配合粘着剂层结合于其它物体表面。

Description

电变色膜

技术领域

本发明涉及一种电变色膜，特别地，本发明提供一种单一透明基材的电变色膜。

背景技术

电变色机制为电变色物质在外加电流下发生可逆氧化还原反应，使物质产生颜色的变化。电变色物质种类甚多，包括有机和无机材料，将电变色物质应用制作成电变色组件时，需满足不同电位下所呈现的颜色必须能够很容易分辨、颜色的变化快速且均一、组件颜色的可逆变化需能够重复上万次以上、稳定性要好等条件。

虽然电变色组件种类繁多，但在文献上最常见的构造为表面限制薄膜型(surface confined thin film)。顾名思义，此类电变色组件的特征为：具变色功能的金属氧化物或有机层被沉积在电极的表面上。在通电状态下，这层薄膜产生的氧化还原反应通常伴随着在电变色层/电解质层接口的离子嵌入或嵌出，以及电子迁移以达到电子中性(electron neutrality)。上述同步氧化还原反应使得材料的波长产生变化，并且随不同电压呈现不同的光吸收特性。

电变色材料的种类大致上可分成无机氧化物以及有机材料等，常见的无机材料为三氧化钨(WO₃)，氧化镍(NiO)，氧化铱(IrO)等，而有机材料则包含：导电高分子、紫精(Viologens)、金属高分子(metallopolymer)以及金属酞菁(染料)(metallophthaloyanines)等。

电变色组件的工作机制与电池相似，是一种化学反应。以无机材质氧化钨为例，当电压等于零时，该材质为透明无色，当施加负电压时，正电锂离子被迫进入氧化钨层，原先透明的氧化钨变暗，当组件的极性反向，锂离子离开氧化钨层并再度恢复透明。从理论解释，氧化还原/嵌入反应(Redox/Intercalation reaction)过程中使质子嵌入WO₃八面体结构中央的间隙并改变了材料的颜色及导电度，由于无机材料较昂贵，故缺乏工业实用性。

传统的有机电变色组件的构造由上、下两层玻璃或塑料基材组成，两片基材间则至少含五层不同功能的涂层以类似三明治夹层方式夹起来，构成一个类似电池的结构。虽然电变色技术历经多年的研究，但至今尚未真正商业化，其主要的原因是因为早期研究都采用玻璃基材和无机材料制作。由于玻璃材料容易破裂且无机镀层工艺相当昂贵，材料变色特性差，应答时间慢又容易老化成青铜色，使得无机电变色材料在应用上无吸引力，同时考虑成本与未来的维修、替换以及现有玻璃窗的重装等问题，玻璃基材并不恰当。若电变色组件改以塑料基材制作并应用有机材料做成电变色薄膜，可改善玻璃电变色组件的缺点。但是两片式塑料基材结构的电变色膜有几项缺点，包括部分窗玻璃并非平面而是有曲度的，因此两片塑料膜必须顺着玻璃窗的曲度来弯曲，如此易造成剥落(de-lamination)等功能劣化，此外，具有两片塑料基材的电变色组件降低了整体窗子的透明度，且两片塑料基材贴到窗子后会造成整体厚度增加以及视觉景深等障碍。因此，如何增加电变色组件的透光性及应用上的便利性，便成为本技术领域开发的方向。

发明内容

有鉴于现有技术的缺失，本发明的目的在于提供一种电变色膜，其借助减少传统电变色组件中镀层数目，达到轻薄化与高透光度的目的。

本发明的目的还在于增加电变色组件的使用便利性，使其可与欲依附的界面更易结合，且结合的效果更佳。

为达上述目的，本发明提供一种电变色膜，其由以下依序排列的组件所构成：透明基材；有机电变色导电层；和固态高分子电解质层。

本发明的电变色膜在电流通过时，在固态高分子电解质层与有机电变色层间发生离子的嵌入或嵌出，该同步氧化还原反应使得有机电变色导电层的波长吸收发生变化及/或随不同电压呈现不同的光吸收特性。

本发明的上述电变色膜仅使用单一透明基材，配合固态高分子电解质层将有机电变色导电层夹层于其中，即可达到电变色功效。

更进一步地，本发明的电变色膜可于固态高分子电解质层外进一步具有一粘着剂层，使本发明的电变色膜可易于与其它材料或物体结合。

本发明还提供一种电变色膜，其由依以下顺序排列的组件所构成：透明基材；有机电变色导电层；固态高分子电解质层和导电层。该电变色膜利用单一透明基材与导电层将有机电变色导电层与固态高分子电解质层夹层于其中，即可达到电变色效果，而导电层外可进一步具有一粘着剂层，使本发明的电变色膜可易于与其它材料或物体结合。

此外，本发明又提供一种电变色膜，其由以下依序排列的组件所构成：透明基材；有机电变色导电层；固态高分子电解质层和具有至少一粘着剂区块的有机导电层，该电变色膜将粘着剂与有机导电材料形成于同一层中，藉以减少层状元件数目，达到减少厚度的目的。

上述透明基材包含PET(Polyethyleneterephthatate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PC(Polycarbonate，聚碳酸酯)、COC(Cyclo Olefin Copolymers，环烯烃共聚物)、PS(Polystyrene，聚苯乙烯)、聚丙烯酸酯(polyacrylate)或其共聚物或其混合物；所述有机电变色导电层包含PEDOT(PolyEthylenedioxythiophene，聚二氧乙基噻吩)、聚苯胺(polyaniline)、聚吡咯(polypyrrole)或其混合物；所述有机电变色导电层可添加光吸收剂、光稳定剂、温度稳定剂或抗氧化剂；所述固态高分子电解质层包含PEO(polyethylene oxide，聚氧化乙烯)、PPO(Polyphenylene Oxide，聚氧化二甲苯/聚苯氧)、三氟甲烷磺酸锂(Lithiumtriflate)、聚乙二醇(PEG，Polyethylene Glycol)、高氯酸锂(Lithium Perchlorate)或其混合物；所述有机电变色导电层与透明基材间可具有一透明导电层。

更进一步地，本发明的电变色膜中的有机电变色导电层可由多个不相邻的区块构成，藉以使电变色效果具有图示的设计；另外，本发明所述有机电变色导电层与透明基材间及/或固态高分子电解质层外至少具有一导电电路，其电变色膜可透过导电电路及/或导电层的施用达到面积大且均匀的电变色效果。

本发明将原本具有两片基材的电变色组件减为一片基材仍同样具有电变色效果，此外可透过有机电变色导电层的区块化，达到电变色效果的图案化，本发明的电变色膜可透过粘着剂层的施用而直接贴于另一对象上，并通过可挠性材料的使用以及层状元件的减少，使其可更容易与各种曲度的界面贴合，达到轻薄化与高透光度的目的。

附图说明

图1：本发明的一种样式的电变色膜的构造示意图；

图2：本发明的另一种样式的电变色膜的构造示意图；

图3A：本发明的电变色膜具有导电电路的构造示意图；

图3B：本发明的另一电变色膜具有导电电路的构造示意图；

图3C：本发明的电变色膜具有导电电路的具体构造示意图；

图4：本发明的电变色膜具有透明导电层的构造示意图；

图5A：电变色膜具有多个区块构成的有机电变色导电层的构造示意图；

图5B：本发明的单色电变色膜的构造图；

图5C：本发明的双色电变色膜的构造图；

图6：本发明的电变色膜应用于数字显示的示意图；

图7：电变色膜的一种应用设计图；

图8：电变色膜的另一应用设计图；

图9：本发明的电变色膜的另一种样式的构造图；

图10A：本发明的具有条纹式导电层的电变色膜样式的构造图；

图10B：本发明的网状导电层的电变色膜样式的构造图；

图11A：本发明的电变色膜未施加电压时的实际影像图；

图11B：本发明的电变色膜施加电压后的变色影像图。

附图标号：

11、21、31、41——透明基材            12、22、32——有机电变色导电层

13、23、33、43——固态高分子电解质层  24、34——有机导电层

15、15’、25、25’——导电电路    26——绝缘层    35——粘着剂层

42——有机电变色层                47——透明导电层

100、200、300、400——电变色膜

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明，但不限定本发明的实施范围。

本发明的电变色膜100的结构可参考图1所示，其由以下顺序排列的组件所构成：一透明基材11；一有机电变色导电层12；及一固态高分子电解质层13。透明基材11选用透明的塑料基材，适用的材质材料包含，但不限于PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PC(聚碳酸酯)、COC(环烯烃共聚物)、PS(聚苯乙烯)、聚丙烯酸酯(Polyacrylate)或其共聚物或其混合物；而有机电变色导电层12的材料可在电流通过时所伴随的电子流入/流出产生自身氧化还原反应，因而发生吸收波长上的变化，本发明以目前市面上电变色效果较佳的PEDOT(聚二氧乙基噻吩)为实施例，然而本领域技术人员当知悉，其它电变色导电材料，包含PEDOT(聚二氧乙基噻吩)、聚苯胺(polyaniline)、聚吡咯(polypyrrole)或其混合物，皆可应用于本发明所述的有机电变色导电层12的材料；此外，有机电变色导电材料中可进一步添加光吸收剂、光稳定剂、温度稳定剂或抗氧化剂等延长有机电变色导电材料的使用寿命。

本发明的电变色膜100中的固态高分子电解质层13用以提供有机电变色导电层12发生自身氧化还原时为达到电中性所需的离子，其材料包含，但不限于PEO(聚氧化乙烯)、PPO(聚氧化二甲苯)、三氟甲烷磺酸锂(Lithiumtriflate)、聚乙二醇(PEG)、高氯酸锂(Lithium Perchlorate)或其混合物，由于其为固态，故可与透明基材11将有机电变色导电层12夹于其中形成具电变色效果的结构。当固态高分子电解质层13外进一步具有一粘着剂层时，即可将此电变色膜100结合于其它物体表面。

在电变色膜100中，当有机电变色导电层12与一正电电极或负电电极直接或透过电路接触，而固态高分子电解质层13与一相对于有机电变色导电层12相反电性电极接触而形成电通路时，有机电变色导电层12将因为电子的嵌入或嵌出产生自身氧化或自身还原反应，进而产生电变色效果。

本发明的电变色膜，其制作方法是以层状方式依序涂布于透明基材上形成层状结构，涂布的方式为本领域技术人员熟知的包含连续式涂布(coating)或喷墨打印(screen printing)等方法，藉此形成多层涂层膜状结构。

如图2所示，本发明的电变色膜200，其由依以下顺序排列的组件构成：一透明基材21；一有机电变色导电层22；一固态高分子电解质层23；及一导电层24，其中透明基材21、有机电变色导电层22、固态高分子电解质23的定义与电变色膜100中的对应组件相同；导电层24用于提供电变色膜200均匀的电流，使有机电变色导电层22的电变色效果均匀，导电层24的材料可为具导电性质的有机或无机物质，包含，但不限于透明的金属氧化物如ITO(Indium Tin Oxide，氧化铟锡)以及有机导电材料例如聚二氧乙基噻吩、聚苯胺、聚吡咯或其混合物。由上述导电层材料叙述中可知在部分实施例中，导电层24的材料可为具有电变色性质的材料，即导电层24可为与有机电变色导电层22相同或不同的有机电变色导电材料。

在电变色膜200中，当有机电变色导电层22与一正电电极或负电电极直接或透过电路接触，而导电层24与一相对于有机电变色导电层22相反电性电极接触而形成电通路时，有机电变色导电层22将因为电子的嵌入或嵌出产生自身氧化或自身还原反应，进而产生电变色效果。

在部分具有大面积的电变色膜的实施状态中，可能发生电流集中于电通路的邻近区域的现象，或无法达到均匀的变色效果，此时可通过增设导电电路来解决，即本发明的电变色膜可透过至少一导电电路的设置使电流能更均匀地通过其层状结构，导电电路的设置位置可参考图3A及图3B，其中图3A为图1的改良样式，其于透明基材11及有机电变色导电层12间设置至少一导电电路15，并于固态高分子电解质层13外设置至少一导电电路15’，当导电电路15及15’具有不同的电性而产生电流通过有机电变色导电层12及固态高分子电解质层13时，可使有机电变色导电层12的电变色效果较佳而均匀；同理，图3B中的透明基材21与有机电变色导电层22间至少具有一导电通路25，而有机导电层24外至少具有一导电通路25’，当导电电路25与25’具有不同电性而产生电流通过有机电变色导电层22、固态高分子电解质层23及有机导电层24时，可使有机电变色导电层22的电变色效果较佳、变色面积大而均匀，在优选实施例中，导电电路的设计如25及25’的交错样式，藉此可避免因为对齐容易发生电路接触而短路的现象，然而导电电路15及15’的设计仍可透过分别将导电电路引导至不同立体方向来避免短路的发生。由图3A及图3B中可知，导电电路的设计应当使电变色膜产生较大面积而均匀的电变色效果，其设置适用于本发明的电变色膜100、200或后述的电变色膜300或400样式，且导电电路的布局样式不限于导电电路15及15’所呈现的对齐样式或导电电路25及25’所呈现的交错样式，导电电路的更具体设置参考实施例如图3C所示，在图3C中，导电电路25及25’呈现交错样式，其中导电电路25位于透明基材21及有机电变色导电层22之间，而导电电路25’位于有机导电层24上。

导电电路材料的选用为本领域技术人员熟知的可应用的材料，优选为透明的金属氧化物，例如氧化铟锡。更进一步地，本发明的电变色膜可进一步具有绝缘层26，借以让导电电路25及25’不会与电变色膜200中的各层状结构发生非预期的接触所造成的短路。

除了透过导电电路的设计外，本发明的电变色膜系可透过透明导电层的设置提升部分有机分子，特别当有机电变色层由分子量相对较小的有机电变色材料(例如：紫精)所构成时，其可参考图4所示，图4的电变色膜400具有与所述电变色膜100相同组件及顺序的透明基材41及固态高分子电解质层43，当有机电变色层42的材料为分子量较小的有机电变色材料，可在透明基材41与有机电变色层42间设置一透明导电层47，藉以提升电变色膜400的层状结构的导电性质，透明导电层的材质可如氧化铟锡等本领域技术人员熟知的透明导电材料。其电变色机制将透明导电层47与一正电电极或负电电极直接或透过电路接触，而固态高分子电解质层43与一相对于透明导电层47相反电性电极接触而形成电通路时，有机电变色层42将因为电子的嵌入或嵌出产生自身氧化或自身还原反应，进而产生电变色效果。

透明基材与有机电变色层间的透明导电层的设置适用于其它本发明的电变色膜100、200及后述的电变色膜300等实施例中。

本发明的有机电变色导电层可进一步由多个不相邻的区块所构成，其实施状态可参考图5A，该样式由图1变化而来，其中有机电变色导电层12由两不相邻的区块12及12’所构成，当其中的一区块与阳极接触，另一区块与阴极接触，再搭配覆盖于有机电变色导电层12之上的固态高分子电解质层时，即可形成电通路，若有机电变色导电层的材料为与阴极接触可变色的材质时，则与阴极接触的区块即会产生电变色效果，与阳极接触的区块则无变化，电变色效果示意图可参考图5B。而由此可理解，若将两区块的电性交换变化时，则变色区域也会产生交换改变。

更进一步地，图5A中的有机电变色导电层12其两区块12及12’由不同材料所构成，即一区块的材料为与阴极接触时能产生电变色效果，另一区块的材料与阳极接触时能产生另一电变色效果，当有机电变色导电层12及12’的两区块分别与其对应能产生电变色效果的电极接触并形成电通路时，则两区块将同时产生不同颜色的电变色效果，例如图5C所示。

图6为利用多个区块构成有机电变色导电层的设计样式，其有机电变色导电层由七个区块组成数字“8”形状，再透过电路开关独立控制七个区块，另在外围设置阳极区块，即可透过电路控制让形成通路的特定阴极区块变色。另外，透过区块图案的设计，可达到如图7或图8所示的变化。

本发明的另一种样式的电变色膜300如图9所示，其由以下依序排列的组件所构成：透明基材31；有机电变色导电层32；固态高分子电解质层33；及至少具有一粘着剂区块35的有机导电层34，藉由将有机导电材料与粘着剂兼并形成于单一层中，以达到减少厚度且可同时易于与其它对象结合的目的。本发明可利用网印法(screen printing)及条纹式涂布法(stripe coating)将粘着剂与有机导电材料形成如图10A或图10B所示的有机导电层34与粘着剂层35的线路或区块的分布。

实施例1.制备本发明的电变色膜(I)

将4×5cm²面积的PET基材涂一层PEDOT/PSS(PolyEthylenedioxythiophene/Poly Styrene Sulfonicacid，聚二氧乙基噻吩/聚对苯乙烯磺酸)涂层(coating)并干燥。准备0.1g三氟甲烷磺酸锂以及1g的聚氧化乙烯，将以上粉末分别以100℃和50℃干燥24hr，再将粉末溶于6cc的THF(四氢呋喃)溶剂里搅拌使其呈现均匀通透颜色。将以上电解质涂布于4×4cm²PET导电膜上，预留4×1cm²做阴极，接着在室温环境下放置2hr后，将电源控制器的负电极接到4×1cm²面积处，阳极接到4×4cm²的电解质表面(如图11A所示)，此时以5伏直流电(volts D.C.)驱动，可观察到4×4cm²面积变成天蓝色(如图11B所示)。

实施例2.制备本发明的电变色膜(II)

将5×6cm²面积的PET基材涂一层PEDOT/PSS(聚二氧乙基噻吩/聚对苯乙烯磺酸)涂层并干燥。准备0.1g三氟甲烷磺酸锂以及1g的聚氧化乙烯，将以上粉末分别以100℃和50℃干燥24小时，再将粉末溶于6cc的NMP(N-Methyl-2-Pyrrolidone，N-甲基吡咯烷酮)溶剂里并搅拌使其呈现均匀通透颜色。将以上电解质涂布于5×5cm²的PET有机电变色膜上，预留5×1cm²做为阴极，并放进真空烘箱以120℃的温度干燥8小时，之后在电解质层上方再涂上聚二氧乙基噻吩/聚对苯乙烯磺酸涂层并干燥做为阳极。将以上两个电极连接到电源控制器以12volts D.C.驱动，可观察到5×5cm²面积变成天蓝色。

实施例3.制备本发明的电变色膜(III)

将有机电变色导电层设计成如图5A的图案。准备0.05g三氟甲烷磺酸锂以及1g的聚氧化乙烯，将以上粉末分别以100℃和50℃干燥24小时，再将粉末溶于8cc的THF溶剂里并搅拌使其呈现均匀通透颜色。将以上电解质涂布于特殊图案的PET/有机电变色膜上，并摆放在室温环境下2小时，再将电源分别接触到阳极与阴极区块上，通电时可观察到图案产生变色。

综合上述，本发明的电变色膜只需要单一基材即可具有电变色效果，更进一步地，其可透过接着剂直接结合于物体表面，本发明的电变色膜可透过其组件的图案变化形成不同图样的电变色效果。

其它实施状态

在本说明书中所披露的所有特征都可能与其它方法结合，本说明书中所披露的每一个特征都可能选择性的以相同、相等或相似特征所取代，因此，除了特别显著的特征之外，所有的本说明书所公开的特征仅是相等或相似特征中的一个例子。

虽然本发明已以有效实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰。

Claims (6)

1.一种电变色膜，其由以下依序排列的组件构成：

一透明基材；

一有机电变色导电层；

一固态高分子电解质层；

一导电层；

其中，所述透明基材包含聚对苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、环烯烃共聚物、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯或其共聚物或其混合物；所述有机电变色导电层包含聚二氧乙基噻吩、聚苯胺、聚吡咯或其混合物；所述固态高分子电解质层包含聚氧化乙烯、聚氧化二甲苯、聚乙二醇或其混合物以及三氟甲烷磺酸锂、高氯酸锂或者其混合物；所述导电层包含氧化铟锡、聚二氧乙基噻吩、聚苯胺、聚吡咯或其混合物。

2.如权利要求1所述的电变色膜，其中有机电变色导电层还添加有光吸收剂、光稳定剂、温度稳定剂或抗氧化剂。

3.如权利要求1所述的电变色膜，其中所述导电层外具有一粘着剂层。

4.如权利要求1所述的电变色膜，其中所述有机电变色导电层与透明基材间及导电层外至少具有一导电电路。

5.如权利要求1所述的电变色膜，其中所述有机电变色导电层与透明基材间具有一透明导电层。

6.如权利要求1所述的电变色膜，其中所述导电层为具有至少一粘着剂区块的有机导电层。

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