CN112835243A

CN112835243A - 电致变色器件

Info

Publication number: CN112835243A
Application number: CN201911152661.5A
Authority: CN
Inventors: 吴忠恕
Original assignee: Beijing Kaiyang Liangwei Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Kaiyang Liangwei Technology Co ltd
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2021-05-25
Anticipated expiration: 2039-11-22
Also published as: CN112835243B

Abstract

本发明涉及一种电致变色器件，其能够改善电致变色器件的低温性能并侦测透明导电层的破损。

Description

电致变色器件

技术领域

本发明涉及一种电致变色器件，其能够改善现有技术的电致变色器件的低温性能并侦测透明导电层是否破损。

背景技术

电致变色材料是指材料的光学属性(反射率、透过率、吸收率等)在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化的现象，在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。具有电致变色性能的材料称为电致变色材料，用电致变色材料做成的器件称为电致变色器件。

电致变色材料目前可应用于各种领域，例如：车辆镶嵌玻璃(如车窗、天窗)、大楼镶嵌玻璃、显示设备、光学器件、镜体及电磁波照射的遮蔽物等等，其功用在于可有效地阻隔外界(如光、热)的干扰。电致色变材料一般可分为有机材料及无机材料，而针对稳定性而言，以无机材料为较佳，例如氧化钨、氧化钛等。

如图1所示，典型的电致变色器件从上到下依次为：第一基底材料层(如：玻璃)；第一透明导电层(如：ITO)；第一电致变色材料层；电解质层；离子储存层或第二电致变色材料层；第二透明导电层(如：ITO)；第二基底材料(如：玻璃)。

电致变色器件工作时，在两个透明导电层之间加上一定的电压，电致变色层材料在电压作用下发生氧化还原反应，颜色发生变化；而电解质层则由特殊的导电材料组成，如包含有高氯酸锂、高氯酸纳等的溶液或固体电解质材料；离子储存层在电致变色材料发生氧化还原反应时起到储存相应的反离子，保持整个体系电荷平衡的作用，离子储存层也可以为一种与前面一层电致变色材料变色性能相反的电致变色材料，这样可以起到颜色叠加或互补的作用。如：电致变色层材料采用的是阳极氧化变色材料，则离子储存层可采用阴极还原变色材料。

电致变色材料的工作温度范围通常较宽，但在寒冷的温度条件下，例如-30℃～-5℃甚至更低的温度下，电致变色器件中电致变色材料的化学反应速率降低，总体变色速度减慢，变色时间会拉长，影响了电致变色器件的性能。

另外，涂覆在基底材料层上的透明导电层破裂，将导致电路断路无法通电，从而电致变色材料无法变色。

发明内容

针对以上指出的缺陷和不足，本发明的主要目的是提出一种电致变色器件，其能够改善现有技术的电致变色器件的低温性能并侦测透明导电层是否破损。

具体地，本发明提供一种电致变色器件，其从上到下依次包括：第一基底材料层；第一透明导电层；第一电致变色材料层；电解质层；离子储存层或第二电致变色材料层；第二透明导电层；第二基底材料，其特征在于，

所述电致变色器件包括微控制器，该微控制器控制驱动电路A和驱动电路B，所述驱动电路A能够对透明导电层施加高功率，所述驱动电路B能够对透明导电层施加低压的直流电。

在电致变色器件中，离子存储层也可以是一种与第一电致变色材料变色性能相反的电致变色材料，这样可以起到颜色叠加或互补的作用。

在所述电致变色器件处于通电状态但未接收到变色指令时，所述驱动电路B通过以下步骤周期性地检查透明导电层是否破损：断开驱动电路A，驱动电路B分别在第一透明导电层的两端和第二透明导电层的两端进行IV测试，由微控制器计算得到各透明导电层的电阻值，当任一电阻值不在正常范围内时，所述微控制器发出异常通知，提示所对应的透明导电层破损。

在所述电致变色器件处于通电状态并接收到变色指令时，实施测试过程，其中断开驱动电路A，启动驱动电路B对电致变色器件施加测试电压，判断回馈电流是否在允许变色的范围内，

如果回馈电流不在允许变色的范围内，则断开驱动电路B，接通驱动电路A不超过1分钟进行加热，

如果回馈电流在允许变色的范围内，电致变色器件继续进行变色，

然后再重复上述测试过程。

可选地，在所述电致变色器件中设置测温装置，在需要变色时，进行测温，当测温装置测得的温度低于电致变色的工作温度时，断开驱动电路B，接通驱动电路A不超过1分钟进行加热；而当温度达到电致变色的工作温度时，断开驱动电路A，接通驱动电路B，继续变色过程。

优选地，所述第一基底材料和第二基底材料为中空玻璃。

优选地，所述电解质为固体聚合物电解质，其基质为聚乙烯醇缩丁醛(PVB)或其改性化合物，利用PVB的胶合特性将两片镀有TCO的基底材料层连同电致变色材料层胶合在一起。

附图说明

图1显示了典型的电致变色器件的结构示意图。

图2显示本发明的电致变色器件的结构示意图。

图3显示本发明的电致变色器件中驱动电路A的电路示意图。

图4显示本发明的电致变色器件中驱动电路B的电路示意图。

图5显示本发明的电致变色器件中驱动电路B的电路示意图的一种具体构造。

图6显示了电磁继电器开关的电路示意图。

图7显示了本发明的电致变色器件的基本控制流程。

图8显示了本发明的电致变色器件的待机检查机制。

图9显示了PILKINGTON TEC-15型号的FTO玻璃的电压与电流密度的对照。

图10显示了本发明的电致变色器件的变色调控机制。

图11显示了本发明的电致变色器件的加热机制。

图12显示实验室用的本发明中的微控制器的操作界面。

图13显示一个ECD元件的单位面积累积电荷和每秒单位面积回馈电荷的对照表。

发明详述

本发明的电致变色器件中的基底材料、透明导电层、电致变色材料层、电解质层、离子储存层等可以采用现有技术中常规的材料。

以下结合附图详细说明本发明的实施方案。

以下为附图中出现的一些缩写的含义：

ECD：电致变色器件。

It(tinting current)：着色过程中所测量到的电流。

Ib(bleaching current)：褪色过程中所测量到的电流。

PB：普鲁士蓝，其为通过氧化还原而变色的材料。

SPE：固体聚合物电解质。

TCO：透明导电层，一般为ITO或FTO。

WO₃：三氧化钨，其为通过氧化还原而变色的材料。

图1显示了典型的电致变色器件的结构示意图。

在本发明中，优选地，可以将电致变色器件两侧的第一基底材料和第二基底材料设置为中空玻璃，以起到对电致变色材料保温的作用。由于外部的中空玻璃阻绝传导热，热能有效地聚集并均匀分散于透明导电层，提高电致变色材料的温度，进而提高变色效率。这里可采用常见的中空玻璃，其厚度等特征可根据实际需要进行选择。

例如，聚乙烯醇缩丁醛(PVB)的改性化合物可以选自聚氧化乙烯(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVdF)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

图2显示本发明的电致变色器件的结构示意图，显示了微控制器、驱动电路A、驱动电路B与电致变色器件的连接。

本发明的微控制器具有通用输入输出端口，可以ON/OFF的形式来操作电子开关，同时具备ADC模数转换功能和PWM(脉宽调制)功能。

为了改善电致变色器件在低温下的变色性能，本发明利用经过写入特定算法的微控制器控制驱动电路A对透明导电层施加高功率，以从内部加热电致变色器件。

驱动电路A可以为已知的任何方式，只要其能够施加高功率，例如，其可以提供交流电、直流电、或脉冲例如方波、三角波等。

在一个实施方案中，驱动电路A使用交流电，可以使用一般室内用电，并通过变压器调节输出电压的大小，实际的电压根据不同的电致变色器件大小而有所改变。

驱动电路B对透明导电层施加低压的直流电，电压在3.3V至12V之间。

在电致变色器件正常变色的情况下，驱动电路B用于驱动电致变色器件变色。

另外，本发明中利用驱动电路B来进行待机检查机制，侦测电致变色器件的基底材料层内侧的透明导电层是否破损。

图3显示驱动电路A的内部电路示意图。在需要开启驱动电路A时，调整各开关的开闭情况。

图4显示驱动电路B的内部电路示意图。在需要开启驱动电路B时，调整各开关的开闭情况。

图5显示驱动电路B的内部电路的一种具体构造。

驱动电路A和驱动电路B中的各个开关可以采用本领域中已知的适当的方式。例如，开关可以为继电器、电子开关(如BJT、FET、MOSFET)等。图6显示了电磁继电器的电路示意图。

图7显示了本发明的电致变色器件的基本控制流程。通电启动后会初始化控制器内部的参数并初始化ECD，接着进入睡眠省电模式。控制器一旦被时间/事件唤醒，会确认是否有变色的需求；有则执行变色调控机制，无则执行待机检查机制。

图8显示了本发明的电致变色器件的待机检查机制，用于检查透明导电层是否有破损。

在不需要电致变色材料变色的时段内，驱动电路B会周期性地检查电致变色器件的基底材料层内侧的透明导电层是否破损，其方式是所述驱动电路B对第一透明导电层和第二透明导电层分别进行IV测试，由微控制器计算得到各透明导电层的电阻值，当任一电阻值不在正常范围内时，所述微控制器发出异常通知，提示所对应的透明导电层破损。

预先根据经验将所使用的透明导电层的正常电阻值列表存储在微控制器中，一旦检测到的透明导电层的电阻值超出正常电阻值的范围，则表明透明导电层出现破损。

在电致变色器件用作智能玻璃时，透明导电层破损有可能是由于被人为破坏，因此，此时微控制器所发出的异常通知也具有防盗作用。

如图8所示，在进行待机检查过程中，首先调整对应的开关控制，分别对X侧和Y侧的TCO作IV测试，并计算得出各个TCO的电阻值Rtx和Rty。通过查表判断电阻值Rtx和Rty是否处在标准值范围之间，如果不是，表明透明导电层出现破损，就发出异常信号；如果是就重置睡眠计时器，等待下次唤醒后的检查。考虑温度和测量离群值等因素，电阻的标准值范围定义为标准值±10％。测量周期可根据需要设定。

例如，使用尺寸为20cm×10cm的PILKINGTON TEC-15型号的FTO玻璃进行测试。

当导线由长边拉出，FTO玻璃的长宽比2：1，

在施加电压为1V的情况下，电流密度为0.75mA/cm²，

在施加电压为2V的情况下，电流密度为1.5mA/cm²，

在施加电压为3V的情况下，电流密度为2.25mA/cm²。

当导线由短边拉出，FTO玻璃的长宽比1：2，

在施加电压为1V的情况下，电流密度为0.195mA/cm²，

在施加电压为2V的情况下，电流密度为0.39mA/cm²，

在施加电压为3V的情况下，电流密度为0.585mA/cm²。

图9显示了PILKINGTON TEC-15型号的FTO玻璃的电压与电流密度的对照。从图9可知施加电压与电流密度成正比，而此电流密度的实际值大小与导线和玻璃的长宽比有关。若导线是从长边拉出，则电流密度较大，若从短边拉出则电流密度较小。

并且，由以上数据可以得出在每种情况下的电阻值。例如，当导线由长边拉出，长宽比2：1，在施加电压为1V的情况下，电流密度为0.75mA/cm²。由此可计算出所述FTO玻璃的电阻值为6.67欧姆，取该值的±10％，则电阻值的合理范围为6.003欧姆-7.337欧姆。

图10显示了本发明的电致变色器件的变色调控机制。根据图7，微控制器在接收到变色指令时启动变色调控机制。

首先根据目前已储存的电荷量和需要实现的灰阶程度来判断变色要求是着色或者褪色，并且对应地控制各开关的导通和关闭。之后对电致变色器件进行IV测试，比较回馈电流(It或Ib)与查表得到的值(表格预先存储在微控制器中，记录要达到每一个灰阶所需要的回馈电流大小)，判断是否处在能够执行变色任务的范围内。如果是则执行变色直至下一阶的灰阶状态，然后再判断回馈电流是否能够继续执行往下一阶灰阶状态的任务；如果回馈电流低于执行变色任务的范围，则启动加热机制。

图11显示了本发明的电致变色器件的加热机制。启动加热机制后第一步先断开所有通往外部其他电路的连接，然后在加热计时器(Heating Timer)启动的时间内开启对应的开关进行加热。加热的方式为由驱动电路A在ECD两侧的TCO上分别施加能输出高功率的电源，能量(计算公式：电流的平方乘以电阻)通过电流流经TCO，以热能方式消散在片电阻之上，再经由传导的方式将内部的PB//SPE//WO₃加热。当加热计时器停止后即停止加热，并关闭高功率电源与外部的连接，之后开启其他电路连接ECD的开关。

微控制器周期性地对电致变色器件进行IV测试以检查其是否已经处于可以变色的状态，该周期由加热计时器决定。加热计时器的时间不宜设置太长，太长可能过度加热，太短则可能检查频率过高，拉长需要加热的时间。加热计时器的时间一般不超过1分钟，例如为30秒至1分钟。

如果电致变色器件的外部有中空玻璃能够起到保温作用，其保温时间更长。故所需的耗电量更小，达到省电的效果。

驱动电路A要求能够输出一定大功率。回馈电流越小，所需的加热时间就越长。

可选地，也可以在电致变色器件中设置测温装置，如温度传感器。在需要变色时，进行测温。当测温装置测试到的温度低于电致变色的工作温度，微控制器断开驱动电路B，接通驱动电路A不超过1分钟进行加热；而当温度达到电致变色的工作温度时，微控制器断开驱动电路A，接通驱动电路B进行变色。电致变色器件的温度越低，所需的加热时间越长。

需要注意的是，驱动电路A和驱动电路B不能同时启动，否则驱动电路A的高功率可能会烧毁驱动电路B的电路。

图12显示一个实验室用的控制器的操作界面，上面有着色按钮、褪色按钮以及0阶至4阶的指示灯。其可对ECD实现灰阶控制，分为1阶到4阶，第0阶表示透明态。第0阶以白光LED表示，其余1阶到4阶用蓝光LED及其相对位置表示，位置越高表示变色深度越深。在正常操作状态下，ECD的启动和终止都处在这5个阶态中之一，因此对于这五个阶态在相同温度下的电荷测量值可作为操作时的参考数值。

在控制器操作过程中，固定不闪烁的蓝色LED表示已经达到的灰阶状态，闪烁的蓝色LED表示目前正在相邻灰阶状态之间的过渡期；最下方白色LED如果亮起则表示目前是褪色变色态，若是熄灭则是着色变色态。

图13显示一个具体的ECD元件的单位面积累积电荷与每秒单位面积回馈电荷的对照表。

该ECD元件的尺寸为70cm×40cm，导线由长边拉出，图13显示了在25℃下的单位面积累积电荷与单位面积回馈电荷的对照表。

单位面积累积电荷：在室温25℃下，由每秒钟测量一次流经ECD的电流值，而后将其加总后除以ECD能够参与变色反应的总体面积。

每秒单位面积回馈电荷：在室温25℃下，分别在各个灰阶状态下(以本例来说，Lv1～Lv4分别对应不同程度的着色状态)，根据在施加一个恒定电压(此例为2V)在一定的时间内(此例为1秒)多次测量流经过ECD的电流并取其平均值，将其除以ECD能够参与变色反应的总体面积，则分别在Lv0～Lv4得到5个对应点(如图13中实心圆点)，表示达到相应灰阶所需要的每秒单位面积回馈电荷。

在计算单位面积累积电荷和回馈电荷时，需要考虑ECD的面积。一种方式是在初始化阶段先将对照表乘以面积后得到累积电荷量与每秒回馈电荷量的对照表。之后相对应的控制流程图便依照此换算后的对照表为依据进行比较以及运算。

以上对本发明进行了详细的说明，该说明是示例性而非限制性的。对所公开的实施方案的变化及修改对于本领域技术人员显而易见，且在本发明的范围内。本发明的保护范围仅由所附权利要求确定。

Claims

1.电致变色器件，其从上到下依次包括：第一基底材料层；第一透明导电层；第一电致变色材料层；电解质层；离子储存层或第二电致变色材料层；第二透明导电层；第二基底材料，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的电致变色器件，其特征在于，所述驱动电路提供交流电、直流电或脉冲。

3.根据权利要求1或2所述的电致变色器件，其特征在于，在所述电致变色器件处于通电状态但未接收到变色指令时，所述驱动电路B通过以下步骤周期性地检查透明导电层是否破损：断开驱动电路A，驱动电路B分别在第一透明导电层的两端和第二透明导电层的两端施加电压以进行IV测试，由微控制器计算得到各透明导电层的电阻值，当任一电阻值不在正常范围内时，所述微控制器发出异常通知，提示所对应的透明导电层破损。

4.根据权利要求1或2所述的电致变色器件，其特征在于，在所述电致变色器件处于通电状态并接收到变色指令时，实施测试过程，其中断开驱动电路A，启动驱动电路B对电致变色器件施加测试电压，判断回馈电流是否在允许变色的范围内，

然后再重复上述测试过程。

5.根据权利要求1或2所述的电致变色器件，其特征在于，在所述电致变色器件中设置测温装置，在需要变色时，进行测温，当测温装置测得的温度低于电致变色的工作温度时，断开驱动电路B，接通驱动电路A不超过1分钟进行加热；

而当温度达到电致变色的工作温度时，断开驱动电路A，接通驱动电路B，继续变色过程。

6.根据权利要求1或2所述的电致变色器件，其特征在于，所述第一基底材料和第二基底材料为中空玻璃。

7.根据权利要求1或2所述的电致变色器件，其特征在于，所述电解质为固体聚合物电解质，其基质为聚乙烯醇缩丁醛(PVB)或其改性化合物。

8.根据权利要求7所述的电致变色器件，其特征在于，所述电解质的基质选自聚氧化乙烯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯。