CN108983526B - 一种电流驱动的变色器件及其制备方法 - Google Patents

一种电流驱动的变色器件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电流驱动的变色器件及其制备方法。所述变色器件包括导电层、变色层、电解质层和电极；所述变色层覆盖于所述导电层表面，且所述变色层的面积小于所述导电层的面积，从而在所述导电层的表面两侧形成空白区域；所述电解质层包覆于所述变色层表面；所述电极设于所述导电层的表面两侧的空白区域内，与所述导电层接触，且不与所述变色层和所述电解质层接触，所述电极连接外电路产生电流，所述电流经过所述导电层且不经过所述变色层和电解质层；所述变色层包括相互拼接的且变色性能互补的第一变色材料层和第二变色材料层。本发明将互补式变色材料直接制备在同一功能层上，从而可减薄器件厚度、提高器件集成度和稳定性。

Description

一种电流驱动的变色器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及电致变色领域，尤其涉及一种电流驱动的变色器件及其制备方法。
背景技术
电致变色材料是一种在外界电刺激下可以发生稳定可逆的颜色变化，同时具有光学调制能力的一种智能材料。以电致变色材料为核心层，匹配相应的电解质层和对电极层组装可以得到三明治结构的电致变色器件，它可以应用于建筑等的装配窗(也称智能窗)、显示器、文件加密以及变色眼镜等领域。
传统的电致变色器件常用的标准结构是由多种类型的材料集成类似电池的三明治结构，包括由沉积于两侧玻璃基板之间的透明导电材料、电致变色材料和电解质材料组成的5层结构，其结构如图1所示，自下而上依次包括透明导电基板1、变色层2、电解质层3、离子存储层4、透明导电基板1，其工作过程通常包括以下两步：(1)在两透明基板1之间施加一正向电压，在正向电场作用下，电解质层3中的活性离子注入变色层2，引起变色层2发生着色过程；(2)在两透明基板1之间施加一反向电压，在反向电场作用下，活性离子从变色层2中抽取出来，引起变色层2发生褪色过程。其中，离子存储层4也可以由变色材料制成，其变色性能与变色层3形成互补，即，当注入离子时，若变色层2表现为着色态，则离子存储层4表现为褪色态，当抽出离子时，变色层2从着色态变成了褪色态，而离子存储层4从褪色态变成了着色态。传统的电致变色器件采用电场驱动变色，活性离子的注入和抽出均在竖直方向中进行，离子存储层和变色层位于竖直方向的不同功能层上，这对于减小器件厚度、提高器件的集成度和稳定性具有较大的限制。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，克服现有技术中的缺点和不足，提供一种电流驱动的变色器件，使互补式变色材料可直接制备在同一功能层上，从而减薄器件厚度、提高器件集成度和稳定性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种电流驱动的变色器件，包括导电层、变色层、电解质层和电极；所述变色层覆盖于所述导电层表面，且所述变色层的面积小于所述导电层的面积，从而在所述导电层的表面两侧形成空白区域；所述电解质层包覆于所述变色层表面；所述电极设于所述导电层的表面两侧的空白区域内，与所述导电层接触，且不与所述变色层和所述电解质层接触，所述电极连接外电路产生电流，所述电流经过所述导电层且不经过所述变色层和电解质层；所述变色层包括相互拼接的且变色性能互补的第一变色材料层和第二变色材料层。
本发明通过导电层中的电流驱动离子沿着电流方向做定向运动，从一变色材料层迁移至与之变色性能互补的另一变色材料层，从而实现变色层颜色的整体改变。相对于现有技术，本发明采用的驱动方式是电流驱动而不是采用电压或者电场驱动，从而使得传统的离子存储层和变色层可以直接制备在同一功能层上，减薄了器件厚度，也无需对准工艺，提高了器件集成度和稳定性。
进一步地，所述第一变色材料层为氧化钨薄膜；所述第二变色材料层为氧化镍薄膜。
进一步地，所述电解质层为含有杂质离子的液体电解质层或胶体电解质层。
进一步地，所述杂质离子为氢离子、锂离子、钠离子或钾离子。
进一步地，所述导电层为金属导电层、ITO导电层、AZO导电层或FTO导电层。
进一步地，所述电极为金属电极、ITO电极、AZO电极或FTO电极。
本发明还提供了一种电流驱动的变色器件的制备方法，包括以下步骤：
S1：采用掩膜法在导电层表面的一侧制备第一变色材料薄膜，并在该一侧的端部留有第一空白区域；
S2：采用掩膜法在导电层表面的另一侧制备第二变色材料薄膜，并在该另一侧的端部留有第二空白区域；所述第一变色材料薄膜与第二变色材料薄膜在界面处接触，且变色性能互补，共同构成变色层；
S3：采用掩膜法在所述第一空白区域和第二空白区域分别制备电极，且该电极不与变色层接触；
S4：在所述变色层的表面涂覆含有杂质离子的电解质，且该电解质不与电极接触；
S5：往所述变色层中注入所述杂质离子，将所述电极与外电路连接，在所述导电层中产生电流，且该电流不经过所述变色层。
进一步地，所述第一变色材料薄膜为氧化钨薄膜；所述第二变色材料薄膜为氧化镍薄膜。
进一步地，所述杂质离子为氢离子、锂离子、钠离子或钾离子。
进一步地，所述导电层为金属导电层、ITO导电层、AZO导电层或FTO导电层；所述电极为金属电极、ITO电极、AZO电极或FTO电极。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为传统的电致变色器件的结构示意图。
图2为实施例1的电流驱动的变色器件的结构示意图。
图3为实施例1的电流驱动的变色器件的制作流程示意图。
图4为实施例1的电流驱动的变色器件的着色与褪色循环示意图。
图5为实施例2的电流驱动的变色器件的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
请参阅图2，其为本实施例的电流驱动的变色器件的结构示意图。所述电流驱动的变色器件包括导电层10、变色层20、电解质层30和电极40。
所述变色层20覆盖于所述导电层10表面，且所述变色层20的面积小于所述导电层10的面积，从而在所述导电层10的表面两侧形成空白区域，该空白区域即导电层10未被变色层20覆盖的区域。所述导电层10材料可以为金属、ITO、AZO或FTO。所述变色器件还可包括一绝缘基底，所述导电层10设于该绝缘基底上，该绝缘基底可以是刚性基底或柔性基底。
所述电解质层30包覆于所述变色层20表面，所述电解质层30的面积也小于所述导电层10的面积。所述电解质层30为含有杂质离子的液体电解质层或胶体电解质层，所述杂质离子可以为氢离子、锂离子、钠离子或钾离子，本实施例中，杂质离子优选为锂离子。
所述电极40设有两个，分别设于所述导电层10的表面两侧的空白区域内，与所述导电层10接触，且不与所述变色层20和所述电解质层30接触，所述电极40连接外电路产生电流，所述电流经过所述导电层10且不经过所述变色层20和电解质层30。所述电极40材料可以为金属、ITO、AZO或FTO。
所述变色层20包括相互拼接的且变色性能互补的第一变色材料层21和第二变色材料层22。所述变色层20材料为可以注入杂质离子的薄膜材料，且该薄膜材料能够在杂质离子注入后，使薄膜的透过率发生变化，从而实现变色的效果，所述薄膜材料可以是氧化钨、氧化钼、氧化铌、氧化镍中的一种或多种的复合材料。本实施例中，第一变色材料层21优选为氧化镍薄膜，第二变色材料层22优选为氧化钨薄膜，两者位于同一功能层上，沿着电流方向进行拼接。氧化镍薄膜在锂离子注入后，透过率增大，颜色从深色变为透明；氧化钨薄膜在锂离子注入后，透过率降低，颜色从透明变为深色。锂离子能够在电流的作用下，从一种变色材料层迁移到另外一种变色材料层中，使得两种变色材料颜色发生变化，从而实现本发明的变色效果。
本实施例的锂离子在电流驱动作用下迁移的原理如下：在变色层和电解质层形成的固-液界面处，锂离子可进行充分的热平衡交换，即热平衡下，锂离子可从电解质层到达变色层，也可以从变色层到达电解质层，前者的数量略小于后者，在一定时间内可认为接近相等，相互抵消，在外加电场作用下锂离子从电解质层注入变色层的数量超过从变色层到达电解质层的数量，从而体现为净离子流的注入过程，当外电场反方向时，净离子流体现为从变色层到电解质层的抽离过程。本实施例中，当导电层有电流通过时，尽管该电流不经过变色层和电解质层，但是该电流在变色层和电解质层形成的固-液界面处会形成一定强度的磁场，而且磁场方向满足安培环路定理，在电流以及该电流产生的磁场作用下，锂离子在变色层内迁移，其迁移方向与变色层下方的电流方向相同。
请参阅图3，其为本实施例的电流驱动的变色器件的制作流程示意图，包括以下步骤：
S1：采用掩膜法在导电层表面的一侧制备氧化镍薄膜，并在该一侧的端部留有第一空白区域；
S2：采用掩膜法在导电层表面的另一侧制备氧化钨薄膜，并在该另一侧的端部留有第二空白区域；所述氧化钨薄膜与氧化镍薄膜在界面处接触，共同构成变色层；
S3：采用掩膜法在所述第一空白区域和第二空白区域分别制备铜电极，且该铜电极不与变色层接触；
S4：在所述变色层的表面涂覆含有锂离子的电解质，且该电解质不与铜电极接触；
S5：往所述变色层中注入一定浓度的锂离子，使得锂离子注入至氧化镍薄膜和氧化钨薄膜中，变色层透过率发生变化，然后将两个铜电极与外电路连接，从而在所述导电层中产生电流，且该电流不经过所述变色层。
请参阅图4，其为本实施例的电流驱动的变色器件的着色与褪色循环示意图。
(1)着色过程(Coloring)：请参阅图4的上方图，当外电路连接并导通时，电流(Current)方向与图中箭头方向一致，使得锂离子沿着电流方向迁移，从氧化镍薄膜迁移至氧化钨薄膜中，此时变色层材料的构成为NiO与LixWO3，NiO颜色为黑色，而LixWO3颜色为深蓝色，则变色器件从透明态变为着色态。
(2)褪色过程(Bleaching)：请参阅图4的下方图，当外电路连接并导通时，电流(Current)方向与图中箭头方向一致，使得锂离子沿着电流方向迁移，从氧化钨薄膜迁移至氧化镍薄膜中，此时变色层材料的构成为LixNiO3与WO3，LixNiO3颜色为透明，而WO3颜色同为透明，则变色器件从着色态变为透明态。
实施例2
为了证明实施例1的锂离子是在电流驱动下而非现有的在电压或电场驱动下迁移的，本实施例中，如图5所示，将导电层10覆盖于电解质层30上表面，即导电层10不再位于变色层20下方，而是位于变色层20上方，其它设置与实施例1相同。
本实施例中，当导电层有电流通过时，锂离子同样会在变色层内迁移，其迁移方向与变色层上方的电流方向相反。该结果说明了本发明变色层内的锂离子迁移是由电流驱动的，因为如果是由电场驱动的，那么在电流流向相同的情况下，不管电流位于变色层下方还是上方，锂离子的迁移方向都应该保持与电流流向一致；而实验结果证明，在电流流向相同的情况下，电流分别位于变色层下方和上方时，锂离子的迁移方向不一致，具体的，锂离子的迁移方向与变色层下方的电流方向相同，而与变色层上方的电流方向相反，这是由于电流分别位于变色层下方和上方时，其在变色层和电解质层形成的固-液界面处形成的磁场方向相反，从而导致两种情况下锂离子的迁移方向相反。
本发明通过导电层中的电流驱动离子沿着电流方向做定向运动，从一变色材料层迁移至与之变色性能互补的另一变色材料层，从而实现变色层颜色的整体改变。相对于现有技术，本发明采用的驱动方式是电流驱动而不是采用电压或者电场驱动，从而使得传统的离子存储层和变色层可以直接制备在同一功能层上，减薄了器件厚度，也无需对准工艺，提高了器件集成度和稳定性。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电流驱动的变色器件，其特征在于，包括导电层、变色层、电解质层和电极；所述变色层覆盖于所述导电层表面，且所述变色层的面积小于所述导电层的面积，从而在所述导电层的表面两侧形成空白区域；所述电解质层包覆于所述变色层表面；所述电极设于所述导电层的表面两侧的空白区域内，与所述导电层接触，且不与所述变色层和所述电解质层接触，所述电极连接外电路产生电流，所述电流经过所述导电层且不经过所述变色层和电解质层；所述变色层包括相互拼接的且变色性能互补的第一变色材料层和第二变色材料层。
2.根据权利要求1所述的电流驱动的变色器件，其特征在于，所述第一变色材料层为氧化钨薄膜；所述第二变色材料层为氧化镍薄膜。
3.根据权利要求1所述的电流驱动的变色器件，其特征在于，所述电解质层为含有杂质离子的液体电解质层或胶体电解质层。
4.根据权利要求3所述的电流驱动的变色器件，其特征在于，所述杂质离子为氢离子、锂离子、钠离子或钾离子。
5.根据权利要求1所述的电流驱动的变色器件，其特征在于，所述导电层为金属导电层、ITO导电层、AZO导电层或FTO导电层。
6.根据权利要求1所述的电流驱动的变色器件，其特征在于，所述电极为金属电极、ITO电极、AZO电极或FTO电极。
7.一种电流驱动的变色器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采用掩膜法在导电层表面的一侧制备第一变色材料薄膜，并在该一侧的端部留有第一空白区域；
S2：采用掩膜法在导电层表面的另一侧制备第二变色材料薄膜，并在该另一侧的端部留有第二空白区域；所述第一变色材料薄膜与第二变色材料薄膜在界面处接触，且变色性能互补，共同构成变色层；
S3：采用掩膜法在所述第一空白区域和第二空白区域分别制备电极，且该电极不与变色层接触；
S4：在所述变色层的表面涂覆含有杂质离子的电解质，且该电解质不与电极接触；
S5：往所述变色层中注入所述杂质离子，将所述电极与外电路连接，在所述导电层中产生电流，且该电流不经过所述变色层。
8.根据权利要求7所述的电流驱动的变色器件的制备方法，其特征在于，所述第一变色材料薄膜为氧化钨薄膜；所述第二变色材料薄膜为氧化镍薄膜。
9.根据权利要求7所述的电流驱动的变色器件的制备方法，其特征在于，所述杂质离子为氢离子、锂离子、钠离子或钾离子。
10.根据权利要求7所述的电流驱动的变色器件的制备方法，其特征在于，所述导电层为金属导电层、ITO导电层、AZO导电层或FTO导电层；所述电极为金属电极、ITO电极、AZO电极或FTO电极。
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