TW201816495A - 電致變色裝置之製備方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種電致變色裝置之製備方法，其係以電弧電漿沉積法依序沉積薄膜結構於一基板上以獲得電致變色裝置。該方法具有較佳之沉積效率，且其所獲得之薄膜結構具有較均勻之結晶性，此外，因薄膜結構具有奈米孔洞，使其電容量高且離子傳導速度快，因而提升裝置之去色或著色之反應效率。

Description

電致變色裝置之製備方法
本發明係關於一種電致變色裝置之製備方法，尤其指一種以電弧電漿沉積固態電致變色裝置之方法。
電致變色(Electrochromism)係指材料於外加電場的作用下發生氧化還原反應，而產生穩定且可逆的顏色變化之現象，其顏色變化可以是不同顏色的轉變或透明度的變化。具備電致變色特性之材料稱為電致變色材料，又可分為無機材料及有機材料，其中無機材料更可包含金屬氧化物(如：三氧化鎢；WO3 )及共價鍵金屬錯合物(如普魯士藍；Prussian Blue)，且有機材料更可包含小分子材料(如：紫精；Viologen)及高分子材料(如：酞菁；Phthalocyanine)。而由電致變色材料所製成之電致變色裝置，其僅需小量的電壓即可驅動其顏色變化，相較其他主動式變色技術而言應用性較高，並可見於節能領域或電子產品上，包括節能智慧窗戶、汽車天窗、防眩光後視鏡、電子紙及顯示器等。
以節能智慧窗戶為例，其係利用調節電致變色裝置之透明度，進而調節室內溫度及照度；進一步而言，在夏季時，藉由施加電壓於電致變色裝置使其著色而降低透明度，即可阻擋太陽光之輻射熱能照射至建築物中，進而降低室內空調負載；而在冬季時，則可將電致變色裝置調整成退色狀態而提高透明度，使太陽光照射至建築物中，不僅可以調節室內溫度，亦可提供天然照明，達到環保與節能之成效。
目前電致變色裝置之製備方式，多為造價昂貴之磁控式電漿濺鍍設備，且其製程耗時過長，造成生產成本較為昂貴，此外，由於電致變色材料多為高熔點靶材，易形成靶材毒化等問題使得良率不佳，亦使磁控式電漿濺鍍設備之成本瀕臨製程極限，以致於電致變色裝置售價高，現今仍不普遍應用於一般居家與商用建築物，進而造成市場普及率偏低。
此外，電致變色裝置中包含一電解質層，其係一導電層，作為協助電子傳輸之用，習知電致變色裝置係使用有機膠態或液態電解質，然而，有機膠態或液態電解質置於環境溫度變化極大的地區時，勢必影響其耐用度並且有漏液疑慮。再者，考量微型化電致變色產品之應用市場，如顯示變色電子標籤或結合悠遊卡電量顯示功能等相關應用，以現階段製備技術而言，無疑是發展上一大瓶頸。
綜觀習知電致變色裝置之相關技術，本案遂提出一種電致變色裝置之製備方法，其藉由改良製備方法以降低製造成本並提高製造效率，並能因應微型化電致變色產品之趨勢，且該製備方法所製造之電致變色裝置具備高度耐用性，確具產業實用性及應用性。
本發明之主要目的，係提供一種電致變色裝置之製備方法，其係以電弧電漿沉澱薄膜結構，包括一透明電極、一離子儲存層、一離子傳輸層及一電致變色層，使前述之薄膜結構具有較均勻之結晶性，且薄膜結構之間具有良好之附著性。
本發明之另一目的，係提供一種電致變色裝置之製備方法，其係以電弧電漿製備一電致變色裝置，該電致變色裝置所包含之一離子儲存層、一離子傳輸層及一電致變色層具有複數個孔洞結構，如此可提高該電致變色裝置之電容量及著色效率。
本發明之再一目的，係提供一種電致變色裝置之製備方法，其係以電弧電漿製備一電致變色裝置，該電致變色裝置所包含之一離子傳輸層係固態結構，可避免因環境溫度劇烈差異而破壞結構，如此可以延長該電致變色裝置之使用壽命。
本發明之又一目的，係提供一種電致變色裝置之製備方法，其係以電弧電漿製備一電致變色裝置，其無需使用高熔點靶材且沉積速度快，因此可節省升溫時間以大幅提高製程效率，且其設備價格低，製程參數較為廣泛，可普遍應用於各種電致變色材料之製程上。
為了達到上述之目的，本發明揭示了一種電致變色裝置之製備方法，其係包含步驟：以電弧電漿沉積一第一透明電極於一基板上，該第一透明電極具有複數個島狀結構；以電弧電漿沉積一離子儲存層於該第一透明電極上，該離子儲存層具有複數個第一孔洞結構；以電弧電漿沉積一離子傳輸層於該離子儲存層上，該離子傳輸層具有複數個第二孔洞結構；使用一液態溶液浸潤方式，將鋰離子或氫離子經由該離子傳輸層注入至該離子儲存層；以電弧電漿沉積一電致變色層於該離子傳輸層之上，該電致變色層具有複數個第三孔洞；及以電弧電漿沉積一第二透明電極於該電致變色層上。
承上述之電致變色裝置之製置方法，亦可以另一離子注入之方式將離子注入至離子儲存層，其包含步驟：以電弧電漿沉積一第一透明電極在一基板上，該第一透明電極具有複數個島狀結構；於該第一透明電極上，以電弧電漿沉積一離子儲存層時，加入氫氣體於電漿反應時獲得氫離子，使該離子儲存層具有複數個第一孔洞結構；以電弧電漿沉積一離子傳輸層於該離子儲存層上，該離子傳輸層具有複數個第二孔洞結構；以電弧電漿沉積一電致變色層於該離子傳輸層之上，該電致變色層具有複數個第三孔洞；及以電弧電漿沉積一第二透明電極在該電致變色層上。
本發明之一實施例中，其亦揭露該第一透明電極與該第二透明電極之材料係選自於氧化鎵鋅(GaZnO)、氧化銦錫(ITO)或IZTO(氧化銦鋅錫)。
本發明之一實施例中，其亦揭露該離子傳輸層之材料係五氧化二鉭(Ta2 O5 )。
本發明之一實施例中，其亦揭露該離子儲存層之材料係選自於氧化鎳釩(NiVO)、氧化鎳(NiO)或二氧化銥(IrO2 )。
本發明之一實施例中，其亦揭露該電致變色層之材料係選自三氧化鎢(WO3 )、二氧化鈦(TiO2 )或氧化鉬(MO3 )。
為使　貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：
本發明提供一種電致變色裝置之製備方法，其目的係改善習知技術製程成本高昂、製程效率低之問題，並進一步提升電致變色裝置之電容量、變色效率、薄膜結構之結晶均勻性以及薄膜結構之間的附著性。以下將針對本發明之電致變色裝置之製備方法進行說明。
利用電弧產生之電漿稱為電弧電漿。電弧(arc plasma)，又稱為電弧放電(arc discharge)，其係一種因施加高強度電場於一介質，使得該介質發生電擊穿(electrical breakdown)，因而使通常狀態下之絕緣介質(例如：空氣)之電阻迅速下降，進而變為導體介質之現象；以空氣為例，空氣於穩定的電弧放電作用下，將解離成由帶正電之離子、自由電子及中性粒子所組成之混合氣團，其即為電漿(plasma)，電漿中粒子的運動具有群體效應，意即每一個粒子的運動將帶動電漿中的其他帶電粒子，使其具有良好的電導率。
由於電弧電漿中的離子具有高位能動能，當離子以適當方式引出而撞擊靶材時，可形成均勻度較高之噴濺粒子，並進一步沉積於基板上。本發明即利用電弧電漿將材料依序沉積於基板上，製成電致變色裝置。接著，將詳細說明本發明之電致變色裝置之製備方法。
請參閱第一圖，其係本發明之第一實施例之製備流程圖。如圖所示，本發明之第一實施例係包含步驟：
步驟S10：以電弧電漿沉積一第一透明電極於一基板上，該第一透明電極具有複數個島狀結構；
步驟S11：以電弧電漿沉積一離子儲存層於該第一透明電極上，該離子儲存層具有複數個第一孔洞結構；
步驟S12：以電弧電漿沉積一離子傳輸層於該離子儲存層上，該離子傳輸層具有複數個第二孔洞結構；
步驟S13：使用一液態溶液浸潤方式，將鋰離子或氫離子經由該離子傳輸層注入至該離子儲存層；
步驟S14：以電弧電漿沉積一電致變色層於該離子傳輸層之上，該電致變色層具有複數個第三孔洞；及
步驟S15：以電弧電漿沉積一第二透明電極於該電致變色層上。
其中，於執行步驟S11之前，係進一步將該基板設置於一腔體中，並將該腔體抽真空，使得該腔體內環境壓力小於2×10-5 托爾(torr)，再通入適當流量氬氣及氧氣。
又其中，於執行步驟S13之前，係進一步將腔體破真空，再以該液態溶液浸潤方式活化該離子儲存層；接著於執行步驟S14之前，再將該腔體抽真空，使得該腔體內環境壓力小於2×10-5托爾，再通入適當流量氬氣及氧氣。
接著，如圖式S10之步驟所述，本發明提供之電致變色裝置之製備方法，係以電弧電漿的方式將一透明電極沉積於一基板上。其中，因應電致變色裝置終端產品之需求，該基板多採用透光材料，本實施例係選用玻璃基板或可繞式光學塑膠基板，但其基板之材料不在此限。
又其中，第一透明電極係透明導電層，在裝置運作時施加電場於該第一透明電極並傳導至一離子儲存層，其材料可選自常見於二極體之電極材料，本實施例之電極材料係選自氧化鎵鋅(GaZnO)、氧化銦錫(ITO)或IZTO(氧化銦鋅錫)，但不在此限；此外，為能增加電極之表面積以提升電致變色裝置之去色及著色反應速率，本實施例之第一透明電極具有島狀結構，但其結構形狀不在此限。
接著如圖式S11之步驟所述，本發明提供之電致變色裝置之製備方法，係以電弧電漿的方式沉積該離子儲存層於該第一透明電極上。離子儲存層係於電致變色材料產生氧化還原反應時，用以儲存相對應的反向離子，以維持裝置之電荷平衡；其材料可選自氧化鎳釩(NiVO)、氧化鎳(NiO)或二氧化銥(IrO2 )，但不在此限；此外，為能增加離子儲存層之表面積比，進而提升其電容量及著色效率，本實施例之離子儲存層具有奈米多孔結構，但其結構不在此限。
接著如圖式S12之步驟所述，本發明提供之電致變色裝置之製備方法，係以電弧電漿的方式沉積一離子傳輸層於該離子儲存層上。離子傳輸層係電解質層，其具有良好之導電性以輔助離子流動至該離子儲存層或一電致變色層，其材料係五氧化二鉭(Ta2 O5 )，但不在此限；此外，為能增加離子傳輸層之表面積比，進而提升其離子傳導效率，本實施例之離子傳輸層具有奈米多孔結構，但其結構不在此限。
接續如圖式S13之步驟所述，本發明提供之電致變色裝置之製備方法，係使用一液態溶液浸潤的方式，將鋰離子或氫離子經由該離子傳輸層注入至該離子儲存層，其即為電致變色運作時離子之來源，以該液態溶液浸潤的方式活化該離子儲存層，可於製備電致變色裝置之過程中，即時觀察結構之效能，進一步得知該離子儲存層是否可以作動變色，藉此以提高製程之良率。
接續如圖式S14之步驟所述，本發明提供之電致變色裝置之製備方法，係以電弧電漿的方式沉積該電致變色層於該離子傳輸層上。電致變色層即為電致變色裝置運作時發生氧化還原反應而產生顏色變化之結構層，其材料係可選自三氧化鎢(WO3 )、二氧化鈦(TiO2 )或氧化鉬(MO3 )；此外，本實施例之電致變色層具有奈米多孔結構，使裝置具有快速著色及退色之能力而可縮短調光時間，但其結構不在此限。
接續如圖式S15之步驟所述，本發明提供之電致變色裝置之製備方法，係以電弧電漿的方式沉積一第二透明電極於該電致變色層上。該第二透明電極係透明導電層，在裝置運作時施加電場於該第二透明電極並傳導至該電致變色層，其材料可選自常見於二極體之電極材料，本實施例係選自氧化鎵鋅(GaZnO)、氧化銦錫(ITO)或IZTO(氧化銦鋅錫)，但不在此限。
請參閱第二圖，其係本發明之第二實施例之製備流程圖。如圖所示，第二實施例係包含步驟：
步驟S20：以電弧電漿沉積一第一透明電極在一基板上，該第一透明電極具有複數個島狀結構；
步驟S21：於該第一透明電極上，以電弧電漿沉積一離子儲存層時，加入氫氣體於電漿反應時獲得氫離子，使該離子儲存層具有複數個第一孔洞結構；
步驟S22：以電弧電漿沉積一離子傳輸層於該離子儲存層上，該離子傳輸層具有複數個第二孔洞結構；
步驟S23：以電弧電漿沉積一電致變色層於該離子傳輸層之上，該電致變色層具有複數個第三孔洞；及
步驟S24：以電弧電漿沉積一第二透明電極在該電致變色層上。
本實施例與第一實施例之差異在於離子注入的方式。如圖式S21之步驟所述，其係於沉積該離子儲存層於該第一透明電極時同時加入氫氣體，因而於電弧電漿沉積反應過程中獲得氫離子，進而活化該離子儲存層；此外，透過電弧電漿源之偏壓設定可調整氫氣之解離率，亦可透過氫氣之流量設定以控制工作氣壓，兩者搭配之下可準確控制所需之氫離子濃度，因而提高製程之穩定性並增加裝置之良率。其餘步驟與第一實施例相同，如此不再贅述。
上述之電致變色之製備方法所製成之電致變色裝置，其薄膜結構均為固態結構，如此使得裝置不因外部環境之溫度差異而造成損壞或漏液，除延長壽命之外，更可增加電致變色裝置運用廣泛性。
綜合上述內容可以得知，本發明揭示一種電致變色裝置之製備方法，其係以電弧電漿源將材料依序沉積於基板上以獲得電致變色裝置。以電弧電漿作為能量來源，除可降低設備成本外，其製程參數寬廣，可廣泛應用於各種材料上；此外，藉由電弧電漿之高離化率可加快沉積效率，且其所沉積之裝置之薄膜結構具有較均勻之結晶性，亦提升薄膜結構之間的附著性；再者，本發明之方法所製造之電致變色裝置，具有較佳之著色及去色反應速率，且因裝置之薄膜結構為奈米等級，可大幅降低裝置之阻抗，因而降低驅動電壓。綜觀而言，本發明之電致變色裝置之製備方法，確實突破現有技術之瓶頸，有助於電致變色裝置相關節能產業普及於民生建築，實為一具實用性之技術。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
無
第一圖：其係本發明之第一實施例之製備流程圖；以及 第二圖：其係本發明之第二實施例之製備流程圖。

Claims (10)

  1. 一種電致變色裝置之製備方法，其係包含步驟： 以電弧電漿沉積一第一透明電極於一基板上，該第一透明電極具有複數個島狀結構； 以電弧電漿沉積一離子儲存層於該第一透明電極上，該離子儲存層具有複數個第一孔洞結構； 以電弧電漿沉積一離子傳輸層於該離子儲存層上，該離子傳輸層具有複數個第二孔洞結構； 使用一液態溶液浸潤方式，將鋰離子或氫離子經由該離子傳輸層注入至該離子儲存層； 以電弧電漿沉積一電致變色層於該離子傳輸層之上，該電致變色層具有複數個第三孔洞；及 以電弧電漿沉積一第二透明電極於該電致變色層上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電致變色裝置之製備方法，其中該第一透明電極與該第二透明電極之材料係選自於氧化鎵鋅(GaZnO)、氧化銦錫(ITO)或IZTO(氧化銦鋅錫)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電致變色裝置之製備方法，其中該離子儲存層之材料係選自於氧化鎳釩(NiVO)、氧化鎳(NiO)或二氧化銥(IrO2 )。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電致變色裝置之製備方法，其中該離子傳輸層之材料係五氧化二鉭(Ta2 O5 )。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電致變色裝置之製備方法，其中該電致變色層之材料係選自三氧化鎢(WO3 )、二氧化鈦(TiO2 )或氧化鉬(MO3 )。
  6. 一種電致變色裝置之製備方法，其係包含步驟： 以電弧電漿沉積一第一透明電極在一基板上，該第一透明電極具有複數個島狀結構； 於該第一透明電極上，以電弧電漿沉積一離子儲存層時，加入氫氣體於電漿反應時獲得氫離子，使該離子儲存層具有複數個第一孔洞結構； 以電弧電漿沉積一離子傳輸層於該離子儲存層上，該離子傳輸層具有複數個第二孔洞結構； 以電弧電漿沉積一電致變色層於該離子傳輸層之上，該電致變色層具有複數個第三孔洞；及 以電弧電漿沉積一第二透明電極在該電致變色層上。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電致變色裝置之製備方法，其中該第一透明電極與該第二透明電極之材料可選自於氧化鎵鋅、氧化銦錫或氧化銦鋅錫。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之電致變色裝置之製備方法，其中該離子儲存層之材料選自於氧化鎳釩、氧化鎳或二氧化銥。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之電致變色裝置之製備方法，其中該電致變色層之材料係選自三氧化鎢、二氧化鈦或氧化鉬。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之電致變色裝置之製備方法，其中該離子傳輸層之材料係五氧化二鉭。
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