CN110048003A

CN110048003A - 可调整色温的电化学装置

Info

Publication number: CN110048003A
Application number: CN201810038795.3A
Authority: CN
Inventors: 王耀金; 苏海清; 杨斯博; 谢昆山
Original assignee: Tsuen Ho Technology Co Ltd
Current assignee: Tsuen Ho Technology Co Ltd
Priority date: 2018-01-16
Filing date: 2018-01-16
Publication date: 2019-07-23

Abstract

一种可调整色温的电化学装置，包含发光电化学元件与电致变色元件。该发光电化学元件包括基板、阳极层、发光层，以及阴极层。该阴极层的功函数大于或等于4eV。该电致变色元件位于该基板一侧，并包括两个间隔相对的导电层、离子导体层，以及电致变色层。该电致变色元件用于供该发光电化学元件发出的光通过，并能调整改变光的色温，达到可调变光线色温的目的。该阴极层采用活性较低、功函数大的金属材料，可解决以往采用高活性金属而容易氧化以及制程繁杂的问题。

Description

可调整色温的电化学装置

技术领域

本发明涉及一种电化学装置，特别是涉及一种结合有电致变色元件来作为滤光片，以调整光线色温的发光电化学装置。

背景技术

近年来，固态白光有机发光电化学元件(light-emitting electrochemicalcell,简称LEC)引起高度关注，因为其展现出几项比白光有机发光二极管(organic light-emitting diode,简称OLED)更好的优点。与白光OLED的复杂多层结构相比，白光LEC仅需要单层的发光层结构与简单的溶液制程。由于LEC的发光层只需单层，有利于形成电化学形式的p型掺杂区(氧化)，以及于阴极介面附近形成n型掺杂区(还原)，所述掺杂区的形成方式，是经由偏压驱动下，使阴阳离子分离并往阴极与阳极电极处移动，并在靠近电极处形成氧化及还原的p型与n型掺杂区。这些电化学掺杂区与电极间会形成欧姆接触并且促进载子注入，让LEC能有较低的操作电压和较高的功率效率。

另一方面，近几年的研究发现背景照明的相对色温(correlated colortemperature,简称CCT)会影响人体生理和健康。人在白天活动的时候适合使用高色温的照明系统，相反地，在夜晚活动时较适合使用低色温的照明系统。由于不同相对色温的背景光源对于各种照明应用是必须的，所以LEC应用于现代化的智能照明系统时，LEC必须可供即时调变相对色温，此为重要的需求，因此本案针对此重要课题提出创新改良。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可调整色温的电化学装置。

本发明可调整色温的电化学装置，包含发光电化学元件，可通电而发出初始光，该发光电化学元件包括具有相反的第一面与第二面的基板、位于该基板的该第一面的阳极层、位于该阳极层上的发光层，以及位于该发光层上并且以金属制成的阴极层，该阴极层的功函数大于或等于4eV。该可调整色温的电化学装置还包含电致变色元件，位于该基板的该第二面，并包括两个间隔相对的导电层、位于所述导电层间的离子导体层，以及位于所述导电层的其中一个与该离子导体层间的电致变色层，该电致变色元件用于供该发光电化学元件的该初始光通过，且该电致变色层的颜色能调变，以改变该初始光的色温而得到调变光。

本发明所述可调整色温的电化学装置，该发光电化学元件的该阴极层为银或金。

本发明所述可调整色温的电化学装置，该发光电化学元件还包括位于该阳极层与该发光层间的电洞传输层。

本发明所述可调整色温的电化学装置，该电洞传输层包含聚二氧乙基噻吩与聚苯乙烯磺酸。

本发明所述可调整色温的电化学装置，该阳极层为铟锡氧化物。

本发明所述可调整色温的电化学装置，该发光层包含过渡金属错合物。

本发明所述可调整色温的电化学装置，该电致变色元件还包括两个分别位于所述导电层的相反两侧，并将所述导电层、该离子导体层与该电致变色层夹设于其中的基材。

本发明所述可调整色温的电化学装置，每一基材为玻璃。

本发明所述可调整色温的电化学装置，还包含用于对该电致变色元件施加电压的控制单元，该控制单元对该电致变色元件施加的电压极性或电压值可被改变，以改变该初始光的色温而得到该调变光。

本发明所述可调整色温的电化学装置，还包含用于对该发光电化学元件通电，以使该发光电化学元件发出该初始光的电源单元。

本发明的有益效果在于：通过将该电致变色元件结合于该发光电化学元件一侧，由于该电致变色元件的颜色可调控，因此当该发光电化学元件的初始光穿过该电致变色元件后，部分色光就会衰减而形成不同色温的该调变光，达到可调变色温的目的。该发光电化学元件的阴极层采用活性较低、功函数较高的金属材料，可解决以往采用高活性金属而容易氧化以及制程繁杂的问题。

附图说明

本发明的其他的特征及功效，将于参照图式的实施方式中清楚地呈现，其中：

图1是本发明可调整色温的电化学装置的一实施例的一示意图；

图2是该实施例的一穿透光谱图，说明对该实施例的一电致变色元件施加固定1.5V的正偏压时，在不同时间时的穿透光谱；

图3是一类似图2的穿透光谱图，并且是对该电致变色元件施加固定1.5V的负偏压；

图4是该实施例的一穿透光谱图，说明改变对该电致变色元件施加的正偏压值(由0V至3V)，在不同正偏压时的穿透光谱。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

参阅图1，本发明可调整色温的电化学装置的一实施例，包含一个发光电化学元件(light-emitting electrochemical cell,简称LEC)1、一个电致变色元件(electrochromic device,简称ECD)2、一个电源单元3，及一个控制单元4。

该发光电化学元件1包括一个具有相反的一个第一面111与一个第二面112的基板11、一个位于该基板11的该第一面111的阳极层12、一个位于该阳极层12上的电洞传输层13、一个位于该电洞传输层13上的发光层14，以及一个位于该发光层14上并且以金属制成的阴极层15。

其中，该基板11为可透光的基板11，例如玻璃。该阳极层12为铟锡氧化物(ITO)，厚度约为120nm。该电洞传输层13包含聚二氧乙基噻吩(PEDOT)与聚苯乙烯磺酸(PSS)。该电洞传输层13的制法，是将适当比例的PEDOT与PSS混合成水溶液，并利用旋转涂布形成于该阳极层12上而制作得到。由于PEDOT与PSS混合材料的能阶与该阳极层12的ITO材料匹配，有助于电洞由阳极层12注入，所以具有帮助电洞传输的功能。且使用PEDOT与PSS的电洞传输层13可以改善该阳极层12的表面平坦度，有助于后续形成该发光层14时膜层更均匀，能降低元件产生漏电流的机率。但需要说明的是，本发明不以设置该电洞传输层13为必要，当省略该电洞传输层13时，该发光层14可直接形成于该阳极层12上。

该发光层14为有机材料，因此本实施例的发光电化学元件1为有机发光电化学元件1。该发光层14可包含至少一种离子性过渡金属错合物(ionic transition metalcomplex,简称iTMC)，iTMC作为发光层14材料，能有效提升电激发光效率。本实施例以包含两种iTMC为例，主体材料为蓝绿光材料[Ir(dfppz)₂(dtb-bpy)]⁺(PF6^-)，再加入少量客体材料为红光材料[Ir(ppy)₂(biq)]⁺(PF6^-)，借此形成主客体掺杂型的白光元件。所述dfppz为1-(2,4-difluorophenyl)pyrazole，dtb-bpy为[4,4-di(tert-butyl)-2,2′-bipyridine]，PF₆为hexafluorophosphate，ppy为2-phenylpyridine，biq为2,2′-biquinoline。此外，该发光层14还可掺混离子性盐类BMIM⁺(PF₆ ^-)，其中BMIM为1-butyl-3-methylimidazolium。通过离子性盐类的少量掺杂，能供应元件额外的离子并缩短离子建立p-n接面的时间，进而缩短元件点亮时间、提升发光效率。

需要说明的是，由于iTMC材料具备良好的热稳定性、载子迁移能力、反应速率以及多样的发光频谱等优点，且iTMC的发光机制属于磷光系统，此材料发光效率高于荧光高分子材料，因此制作出来的白光效率也优于荧光高分子材料，所以本发明实施时，该发光层14不以添加离子性盐类为必要限制，因为当未添加离子性盐类时，就已具有良好的发光效率。

该阴极层15的金属功函数大于或等于4电子伏特(eV)，主要使用活性较低而具有较高功函数的金属材料，例如银、金等材料，而本实施例使用银。对于有机发光电化学元件1而言，元件施加顺向偏压时，电子与电洞分别从阴极层15与阳极层12输入至该发光层14内，此时该发光层14材料解离出阴、阳离子并移动至相异的两端电极，存在于阳极层12附近的发光层14材料进行氧化反应，形成p型掺杂区，存在于阴极层15附近的发光层14材料进行还原反应，形成n型掺杂区。接着继续施加稳定相同的顺向偏压，电子、电洞会继续输入至发光层14，在n型及p型掺杂区完整建构时，会出现i型区(intrinsic layer)而形成p-i-n掺杂结构，并在i型区复合放光，此时会使得能带弯曲进而大幅度降低能障，提升电子、电洞注入至发光层14内的效能，使电极(阴极层15、阳极层12)与有机材料的发光层14在能阶匹配上较无问题，所以本发明可使用活性较稳定的金属于空气中当作该阴极层15，此也是本发明的阴极层15功函数可为大于或等于4eV的原因。

另一方面，已知的有机发光二极管(OLED)，其阴极通常选用低功函数的金属，目的为降低注入能障，帮助电子较容易由阴极注入至发光层中，例如使用钙、钾、镁等金属，但由于钙、钾、镁的化学稳定性较差(活性较高)、低功函数，在一般大气环境下容易氧化而造成元件损坏，为避免此问题，需要使用制程繁杂的合金来取代。相对地，就发光电化学元件1而言，由于电极功函数的大小与载子注入对发光效率影响较小，因此本发明的阴极层15可以选用低活性金属(功函数大于或等于4eV)，例如银的功函数约为4.52～4.74eV，可解决采用高活性金属容易氧化以及制程繁杂的问题。

该电致变色元件2设置于该基板11的该第二面112，并包括两个间隔相对的基材21、两个位于所述基材21间的导电层22、一个位于所述导电层22间的离子导体层23，以及一个位于所述导电层22的其中一个与该离子导体层23间的电致变色层24。

本实施例的每一基材21为玻璃，所述基材21位于所述导电层22的相反两侧，并将所述导电层22、该离子导体层23与该电致变色层24夹设于其中。所述导电层22分别形成于所述基材21的相向表面上，并且为具有导电性的可透光薄膜，例如铟锡氧化物(ITO)或其他的透明导电氧化物。所述导电层22的作用为电流传输并提供电子给该电致变色层24。该离子导体层23可以使用液态或固态电解质材料，用于提供离子给该电致变色层24，本实施例使用液态的过氯酸锂(LiClO₄)电解质溶液。该电致变色层24的颜色能调变，由于其使用电致变色材料，在电场作用下会产生氧化还原反应，使材料能阶改变，进而改变颜色。该电致变色层24材料例如WO₃。

该电源单元3用于对该发光电化学元件1通电，以使该发光电化学元件1发光。具体而言，可对该发光电化学元件1施加固定的偏压，以使其发光。

该控制单元4用于对该电致变色元件2施加电压，且施加的电压极性或电压值可被改变，从而改变该电致变色层24颜色，使该电致变色元件2成为一个即时可调变的滤光片，此部分后续会再说明。

本发明使用时，该电源单元3对该发光电化学元件1通电，该发光层14进而产生一个为白光的初始光101，该初始光101通过该电洞传输层13、该阳极层12与该基板11而射向该电致变色元件2。而该电致变色元件2可供该发光电化学元件1的该初始光101通过，且该控制单元4对该电致变色元件2施加电压。当该电致变色元件2未通电时，该电致变色层24为透明，当施加正偏压时(连接该电致变色层24的该导电层22为阴极)，该离子导体层23中的阳离子(Li⁺)进入该电致变色层24，该电致变色层24进而转变为蓝色，因此来自于该发光电化学元件1的白光初始光101的红光部分，在通过该电致变色元件2后会衰减，导致发光频谱变成偏蓝白光，从而获得一个具有较高的相对色温(CCT)的调变光102。也就是说，通过对该电致变色元件2施加偏压，使该电致变色层24的颜色改变，从而可改变该初始光101的色温而得到该调变光102，该调变光102的色温不同于该初始光101的色温。该调变光102自该电致变色元件2的该两基材21中，远离该发光电化学元件1的该基材21底面射出，因此该基材21底面相当于一个出光面。

更进一步地，对该电致变色元件2施加的偏压逐渐变大时，该电致变色层24的蓝色会逐渐转变成深蓝色，而该初始光101中的红光部分就会跟着被滤掉更多，使调变光102的相对色温更高。因此，改变施加于该电致变色元件2的电压值，就可以即时调变出具有各种不同相对色温的白光。

此外，对该电致变色元件2施加固定的正偏压后，若改变偏压极性，改为施加负偏压时，该电致变色层24会由蓝色转变成原本的高度透明状态，进而使初始光101的红光部分减少被滤掉。因此，对该电致变色元件2施加偏压所产生的变色效果是可逆时(后续有实验说明)，从而可依需求改变白光中所能通过的红光的多寡，以达到控制色温的目的。

参阅图1、2，图2为本实施例的一穿透光谱图，是对该电致变色元件2施加固定1.5V的正偏压时的穿透光谱与时间变化图，而该发光电化学元件1施加固定偏压为4V。由图2可看出，标示有「原始」的曲线显示该发光电化学元件1的光谱穿透率约为80％，属于可见光频谱范围内，标示「原始」的曲线即为该初始光101，此时该电致变色元件2尚未施加偏压。接着对该电致变色元件2施加正偏压，且时间持续加长后可见，发光电化学元件1发出的白光中，红光吸收比蓝光的吸收显著增加，在时间达到210秒时，波长为490nm和620nm的穿透率分别为62％和52％，可见施加固定的正偏压的时间越长，红光穿透率明显下降。

参阅图1、3，图3的测试方式与图2大致相同，并且是在图2所示的210秒的实验后，开始对该电致变色元件2施加固定1.5V的负偏压。当施加负偏压时，WO₃电致变色层24由蓝色逐渐转为透明，使该电致变色元件2最后变回与变色前相同的透明元件。对该电致变色元件2施加负偏压达到210秒左右，该发光电化学元件1的白光光谱也回复到最初未对该电致变色元件2施加任何电压时的状态，因此210秒时的曲线与「原始」曲线接近。由图2、3可知，该电致变色元件2在施加正、负偏压下，测量穿透率的结果证实，电致变色元件2可以作为滤光片，通过改变所施加的偏压极性来作为调控开关，进而控制红光的通过量多寡以调变色温。

参阅图1、4，图4为改变对该电致变色元件2施加的正偏压(由0V至3V)，在不同正偏压时的穿透光谱图。随着施加的正偏压增加，该电致变色层24逐渐变为更深的蓝色，在施加偏压从0V变为3V时，该发光电化学元件1发出的光的穿透率，波长490nm从77％降为23％，波长620nm从79％降低至8％，并且随着施加的正偏压增加，蓝光和红光之间的穿透差异变得更加显着。由实验结果可知，当施加于电致变色元件2的正偏压越高时，将会吸收越多来自白光频谱中的红光部分，使最后呈现出的白光光色更为偏蓝，因而获得更高的相对色温。

综上所述，通过将该电致变色元件2结合于该发光电化学元件1一侧，由于该电致变色元件2的电致变色层24颜色可被调控，因此当该发光电化学元件1的初始光101穿过该电致变色元件2后，部分色光就会衰减而形成不同色温的该调变光102，达到可即时调变色温的目的。经由实验证实，本发明的色温调变范围可大于10000K(从2789K至13601K)，可大范围调整色温，以配合各种照明需求与情境，应用性非常广，可以满足照明应用和智能照明大部分的需求。而且该发光电化学元件1的阴极层15采用活性较低、功函数大于或等于4eV的金属材料，可解决以往采用高活性金属而容易氧化以及制程繁杂的问题，具有极佳的应用性。

以上所述者，仅为本发明的实施例而已，但不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明的范围。

Claims

1.一种可调整色温的电化学装置，包含：发光电化学元件，可通电而发出初始光，该发光电化学元件包括具有相反的第一面与第二面的基板、位于该基板的该第一面的阳极层、位于该阳极层上的发光层，以及位于该发光层上并且以金属制成的阴极层，其特征在于：该阴极层的功函数大于或等于4eV，该可调整色温的电化学装置还包含电致变色元件，位于该基板的该第二面，并包括两个间隔相对的导电层、位于所述导电层间的离子导体层，以及位于所述导电层的其中一个与该离子导体层间的电致变色层，该电致变色元件用于供该发光电化学元件的该初始光通过，且该电致变色层的颜色能调变，以改变该初始光的色温而得到调变光。

2.如权利要求1所述的可调整色温的电化学装置，其特征在于：该发光电化学元件的该阴极层为银或金。

3.如权利要求1所述的可调整色温的电化学装置，其特征在于：该发光电化学元件还包括位于该阳极层与该发光层间的电洞传输层。

4.如权利要求3所述的可调整色温的电化学装置，其特征在于：该电洞传输层包含聚二氧乙基噻吩与聚苯乙烯磺酸。

5.如权利要求4所述的可调整色温的电化学装置，其特征在于：该阳极层为铟锡氧化物。

6.如权利要求1所述的可调整色温的电化学装置，其特征在于：该发光层包含过渡金属错合物。

7.如权利要求1所述的可调整色温的电化学装置，其特征在于：该电致变色元件还包括两个分别位于所述导电层的相反两侧，并将所述导电层、该离子导体层与该电致变色层夹设于其中的基材。

8.如权利要求7所述的可调整色温的电化学装置，其特征在于：每一基材为玻璃。

9.如权利要求1所述的可调整色温的电化学装置，其特征在于：该可调整色温的电化学装置还包含用于对该电致变色元件施加电压的控制单元，该控制单元对该电致变色元件施加的电压极性或电压值可被改变，以改变该初始光的色温而得到该调变光。

10.如权利要求9所述的可调整色温的电化学装置，其特征在于：该可调整色温的电化学装置还包含用于对该发光电化学元件通电，以使该发光电化学元件发出该初始光的电源单元。