TWI386746B - Electrochromic element and its making method - Google Patents

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電致色變元件及其製作方法
本發明是有關於一種變色元件,特別是指一種電致色變元件(Electrochromic device,ECD)。
參閱圖1,一般電致色變元件的結構是包含一封裝殼11,及一可形成陽離子的電解液12,該封裝殼11包括一殼體111,及一電致色變薄膜112,該殼體111具有兩片導電透明基板113,及一封裝框114,且該兩片導電透明基板113,及該封裝框114共同配合界定出一密閉的容置空間115,該電致色變薄膜112形成於該其中一導電透明基板113上且位於該容置空間中115,該電解液12封置在該容置空間115內。當由外界提供電能,並經由該兩導電透明基板113對該電致色變薄膜112施加電壓時,該電解液12中的陽離子與流經該兩導電透明基板113的電子會同時遷出或遷入該電致色變薄膜112,使該電致色變薄膜112的氧化狀態產生改變而使顏色產生變化。
目前成長電致色變薄膜之技術普遍為溶膠-凝膠法(Sol-gel)及濺鍍法(Sputtering),以溶膠-凝膠法旋轉塗佈的製程因非在真空環境下處理,所以薄膜容易有雜質吸附,且以溶膠-凝膠法所得的電致色變薄膜與基板的附著性較差,導致所製得的電致色變薄膜容易有剝落之情形產生;此外,以濺鍍法沈積而得的電致色變薄膜則過於緻密,使得電解液裡的離子不易遷出(Extraction)/遷入(Injection)該電致色變薄膜,進而導致著色效果不均。
另外,在電解液的部份,早期通常會採用能解離氫離子(H+ )的磷酸(H3 PO4 )與硫酸(H2 SO4 )為電解液,然而當電致色變薄膜薄膜與酸性液態電解液互相接觸時會使電致色變薄膜分解,導致電致色變元件只能在短時間內正常工作,因此為防止電致色變薄膜被電解液分解,其處理方式是避免使用酸性溶液,而目前則是利用鹽類的過氯酸鋰(LiClO4 )粉末與無水的碳酸丙烯(Propylene carbonate,PC)混合成能解離出鋰離子(Li+ )的液態電解液,克服了以往因使用酸性電解液造成電致色變薄膜分解的問題。然而,由於液態電解液在封裝成元件時則會有漏液的危險,因此不會流動且呈現透明膠態的高分子電解質則引起廣泛的注意與興趣。
惟,現今一般膠態高分子電解質的起始化學原料,會對人體的眼睛、皮膚及呼吸系統產生影響,且因其具有毒性亦會對環境造成污染,另一方面,在調配電解質的過程常需藉由紫外燈的曝照或添加其他化學原料來予以固化,這將會使得製程複雜且成本增加。
由於電致色變元件具有較高的使用者控制性、較寬廣的可調整波長範圍及可阻擋大部分熱來源的可見光與紅外光等優點,使得電致色變技術成為近年來受到重視及研究的智慧型材料科技,因此如何開發更簡化的製程技術、更安全,與更有效的電致色變系統,已經成為重要的研究發展方向與主流。
因此,本發明之目的,即在提供一種製程簡便、安全無污染,且電致色變性能佳的電致色變元件。
再者,本發明之另一目的,即在提供一種製程簡便、安全無污染,且電致色變性能佳之電致色變元件的製作方法。
於是,本發明的一種電致色變元件包含一封裝殼,及一膠態電解質。
該封裝殼包括一界定出一密閉之容置空間的殼體,及一電致色變薄膜,該電致色變薄膜設置於該殼體並位於該容置空間中,可在外界提供電能時顏色產生變化。
該膠態電解質填置於該容置空間中,具有如下列式(I)所示之改質纖維素的重複結構單元所構成的增稠劑, 式(I)中,R1 ~R6 分別是氫或C1~C4之烷基,其條件是R1 ~R6 之其中至少一者是烷基。
另外,本發明電致色變元件的製作方法包含下列三個步驟。
一準備步驟,準備一具有如上述式(I)所示之重複結構單元之增稠劑的膠態電解質,式(I)中,R1 ~R6 分別是氫或C1~C4之烷基,其條件是R1 ~R6 之其中至少一者是烷基。
一電子束蒸鍍步驟,將一透明導電基板設置於電子束蒸 鍍腔室內,在不通氧氣及室溫的環境下以電子束蒸鍍方式在該透明導電基板上鍍上一電致色變薄膜,形成一第一基板。
一封裝步驟,將該膠態電解質封置於於該第一基板,即可製得本發明該電致色變元件。
本發明之功效在於:利用包含由電子束蒸鍍方法形成之電致色變薄膜及由短鏈烷基取代之改質纖維素為增稠劑所構成之膠態電解質的電致色變元件,不僅可改善目前電致色變薄膜附著力差、著色效果不均等的缺點,且由於所使用之膠態電解質具有高生物分解性、不汙染環境等優點而更具有應用的優勢。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效,在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中,將可清楚的呈現。
參閱圖2,本發明電致色變元件的較佳實施例包含一封裝殼2,及一膠態電解質3。
該封裝殼2包括一個殼體21,及一電致色變薄膜22,該殼體21由兩個彼此相間隔的透明導電基板211,及一夾置在該兩透明導電基板211之間的封裝框212構成。
該每一透明導電基板211具有一長板狀的透明基材214,及一形成於該透明基材214表面的透明導電膜215,由於該透明導電膜215的構成材料及製造方法為業界所周知因此不再多加贅述,於本實施例中該透明基材214為選自玻璃,該透明導電膜215為以氧化銦錫(ITO)為材料,經由濺鍍 方式形成在該透明基材214表面。
該封裝框212形成在該兩透明導電基板211之間,並共同界定出一密閉的容置空間213,且該等透明導電膜212均位在該容置空間213中。
該電致色變薄膜22是以電子束蒸鍍方式形成在該其中一透明導電膜215表面。由於電子束蒸鍍方式具有化學當量比容易控制、大面積蒸鍍、薄膜厚度均勻、附著性佳,低溫處理等的優點,因此可改善一般以溶膠-凝膠法或濺鍍法產生的雜質吸附、薄膜附著性差,及著色效果不均等缺點。該電致色變薄膜22可選自三氧化鉬、氧化鎢、三氧化二銠、五氧化二鈮、二氧化鈦、氧化銥,或此等之一組合為材料為材料所構成,在本實施例中該電致色變薄膜22為以三氧化鉬(MoO3 )為材料並以電子束蒸鍍方式形成在該透明導電膜215表面。
參閱圖3、圖4、圖5,圖3、圖4、圖5為分別以電子束蒸鍍方式蒸鍍不同膜厚的電致色變薄膜22,其與穿透率差異性(△T)、光學密度差(△OD),及消耗電荷量(Q)間之關係曲線圖。
穿透率差異性(△T):為代表波長550nm時,褪色時之穿透率(Tbleached )與著色(Tcolored )時之穿透率差。
光學密度差(△OD):定義為log(Tbleached /Tcolored )。
消耗電荷量(Q):為代表全固態電致色變元件在著色電壓-2.8V與褪色電壓+3.0V時的遷入/遷出電荷量。
由圖3、圖4、圖5結果可知,當電致色變薄膜22膜厚 太厚(大於800nm)或太薄(小於100nm)時都會造成穿透率差異性過低且光學密度差不足,且當膜厚太厚(大於800nm)時,不僅會增加製程時間且造成材料的浪費,並因陽離子不易進入該電致色變薄膜薄22內,而會使消耗電荷量(Q)增加,因此,較佳地,該電致色變薄膜22的膜厚為介於100~800nm。
而當該電致色變薄膜22的膜厚介於200~600nm時,則在穿透率差異性、光學密度差,及消耗電荷量間可得到一較佳地平衡值,因此,更佳地,該電致色變薄膜的膜厚介於200~600 nm。
該膠態電解質3容置於該容置空間213中,是由增稠劑、可塑劑,及鹽類所構成,該增稠劑是選自如式(I)所示之改質纖維素, 式(I)中,R1 ~R6 分別是氫或C1~C4之烷基,其條件是R1 ~R6 之其中至少一者是烷基。
該可塑劑是選自具有高介電常數之溶劑,例如碳酸乙烯、碳酸丙烯,該鹽類是選自可與該電解液形成游離陽離子之鹽類,於本實施例中該增稠劑是選自R1 ~R6 為乙烷基之乙基纖維素(製造商:FLUKA,乙基含量:48%~49.5%,取代度:2.44~2.58),該可塑劑是選自碳酸丙烯(Propylene Carbonate,製造商:SIGMA-ALDRICH),且該鹽類是由過氯酸鋰(Lithium Perchlorate,LiClO4 ,製造商:SIGMA-ALDRICH)構成的鋰鹽。
具體地說,當該增稠劑含量太高時,會使得膠態電解質3的黏度增加,而使得離子在該膠態電解質3內的遷移效率降低,而降低著色效率,但當增稠劑含量太低時,則因增稠效果不明顯而使膠態電解質3無法形成一基本黏度,因此,較佳地,該增稠劑的含量為介於1.5wt%~7wt%之間,更佳地,該增稠劑的含量為介於3wt%~6wt%之間。
參閱圖6,上述之電致色變元件在配合以下電致色變元件的製作方法的說明後當可更加明白。
本發明該電致色變元件的製作方法包含下列三個步驟。
首先進行準備步驟61,準備該膠態電解質3,於本實施例中該膠態電解質3是將過氯酸鋰粉末與碳酸丙烯(PC)充分混合均勻,形成濃度為1M的電解液,將此電解液通入氮氣(N2 )一小時以去除溶液中的溶氧,再依不同的重量百分比加入乙基纖維素,於室溫下以磁棒旋轉攪拌至完全調和均勻,即可得到該膠態電解質3。
接著進行電子束蒸鍍步驟62,將一具有透明導電膜215的透明導電基板211設置於電子束蒸鍍腔室內,以油迴轉幫浦(Rotary pump,RP)進行粗抽,待低真空計(Pirani gauge)指示至5×10-2 torr後,再經由擴散幫浦(Diffusion pump,DP)降壓至基準壓力(Base pressure)實質為5×10-6 torr時啟動電子槍,利用低功率電子束進行靶材的預蒸鍍(Pre-evaporation)以清除表面的雜質氧化物,接著將電子槍加速電壓設定為4kV、蒸鍍速率為0.5nm/s,在不通氧氣及室溫的環境下進行鍍膜,在該透明導電膜215表面鍍上一電致色變薄膜22,形成一第一基板。
最後進行封裝步驟63,將一隔離板置於另一具有透明導電膜215的透明導電基板211,然後將該第一基板蓋設於該隔離板頂面,之後,使用乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)構成的密封膠沿著該隔離板將該兩片透明導電基板211及隔離板膠合封裝(預留入口),形成一具有一開口的充填空間,最後再把該膠態電解質3以針筒注滿該充填空間並將入口封上,而得到一形成在該兩透明導電基板211之間的封裝框212,且該封裝框212與該兩透明導電基板211共同界定出該密閉的容置空間213,即製作完成本發明該電致色變元件。
參閱圖7~圖10,圖7~圖10為將製得之電致色變元件在電致色變薄膜22膜厚為300nm的條件下,不同之乙基纖維素含量之光學密度差(ΔOD)、消耗電荷量(Q)、鋰離子(Li+ )遷移係數X(Lix MoO3 ),及著色效率(η)的關係曲線圖。其中,光學密度差(ΔOD)定義為log(Tbleached /Tcolored );消耗電荷量(Q)為代表全固態電致色變元件在著色(colored)電壓-2.8V與褪色(bleached)電壓+3.0V時的遷入/遷出電荷量;鋰離子(Li+ )遷移係數X(LixMoO3 ),Xextraction 為鋰離子(Li+ )遷出係數,Xinjection 為鋰離子(Li+ )遷入係數;著色效率(η)則定義成ΔOD/Q。
由圖7、圖8的結果可知,乙基纖維素添加量在1.5~7wt%時的全固態電致色變元件,在光學密度差(ΔOD)及消耗電荷量(Q)均可得到一良好的表現,其中,當電解質的乙基纖維素含量為4.5wt.%時,ΔOD值為0.31、Q分別為8.77mC/cm2 (著色)及8.38mC/cm2 (褪色),可得到優越的電致色變性能。
而由圖9的結果可知,於乙基纖維素含量4.5wt.%的條件下,該電致色變薄膜22的鋰離子(Li+ )遷移係數X(LixMoO3 )之著色係數為0.185,褪色係數為0.175,由此可知Li+ 遷出/遷入(Xextraction /Xinjection )該電致色變薄膜22之比例更可達94%,η值為35.4cm2 /C,而從圖10的著色效率(η)曲線可得在不同乙基纖維素含量下均可得到一電致色變效率佳的全固態電致色變元件。
由上述說明可知,本發明利用包含一由電子束蒸鍍方法形成之電致色變薄膜及一由短鏈烷基取代之改質纖維素為增稠劑構成之膠態電解質所構成的電致色變元件,由於電子束蒸鍍方式具有化學當量比容易控制、大面積蒸鍍、薄膜厚度均勻、附著性佳及低溫處理等的優點,因此可得到一附著性佳且著色效果均勻的電致色變薄膜,且以改質纖維素為增稠劑所製得的膠態電解質,由於具有固態高分子電解質之內聚機械性質以及加工性,並同時擁有接近液態電解液之高離子導電度及低電子導電度,使漏液之安全性問題會比傳統液態電解質要佳,又,以纖維素為增稠劑所製得的電解質不需用到紫外燈曝照固化,即可因本身特性成形,因此可有效縮短製程時間及降低成本。
綜上所述,以電子束蒸鍍方法形成之電致色變薄膜,不僅附著性佳且著色效果均勻,再配合以短碳鏈(C1~C4)烷基取代之改質纖維素為增稠劑的膠態電解質所製得的電致色變元件,不僅具有良好離子導電度,且製備過程簡易,並因所使用之增稠劑具有高生物分解性、不汙染環境等優點而更具有應用的優勢,故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者,僅為本發明之較佳實施例而已,當不能以此限定本發明實施之範圍,即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾,皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2...封裝件
21...殼體
211...透明導電基板
212...封裝框
213...容置空間
214...透明基材
215...透明導電膜
22...電致色變薄膜
3...膠態電解質
圖1是一剖視示意圖,說明習知電致色變元件的結構;
圖2是一剖視示意圖,說明本發明電致色變元件較佳實施例的結構;
圖3是一膜厚與穿透率差異性(ΔT)關係曲線圖,說明本發明該較佳實施例,在不同電致色變薄膜厚度下與穿透率差異性(ΔT)的關係曲線圖;
圖4是一膜厚與光學密度差(ΔOD)關係曲線圖,說明本發明該較佳實施例,在不同電致色變薄膜厚度下與光學密度差(ΔOD)的關係曲線圖;
圖5是一膜厚與消耗電荷量(Q)關係曲線圖,說明本發明該較佳實施例,在不同電致色變薄膜厚度下與消耗電荷量(Q)的關係曲線圖;
圖6是一流程圖,說明本發明該全固態電致色變元件的製作方法;
圖7是乙基纖維素含量與光學密度差(ΔOD)關係曲線圖,說明本發明該電致色變元件不同乙基纖維素含量與光學密度差(ΔOD)的關係曲線圖;
圖8是乙基纖維素含量與消耗電荷量(Q)關係曲線圖,說明本發明該電致色變元件不同乙基纖維素含量與消耗電荷量(Q)的關係曲線圖;
圖9是乙基纖維素含量與鋰離子(Li+ )遷移係數關係曲線圖,說明本發明該電致色變元件不同乙基纖維素含量與鋰離子(Li+ )遷出(Xextraction )/遷入(Xinjection )電致色變薄膜的關係曲線圖;及
圖10是乙基纖維素含量與著色效率(η)關係曲線圖,說明本發明該電致色變元件不同乙基纖維素含量與著色效率(η)的關係曲線圖。
2‧‧‧封裝殼
21‧‧‧殼體
211‧‧‧透明導電基板
212‧‧‧封裝框
213‧‧‧容置空間
214‧‧‧透明基材
215‧‧‧透明導電膜
22‧‧‧電致色變薄膜
3‧‧‧膠態電解質

Claims (10)

  1. 一種電致色變元件,可在接受外界提供之電能時改變顏色,包含:一封裝殼,包括一可導電並界定出一密閉之容置空間的殼體,及一以電子束蒸鍍方式所形成之電致色變薄膜,該電致色變薄膜形成於該殼體並位於該容置空間中,可在外界提供電能時顏色產生變化;及一膠態電解質,填置於該容置空間中,具有如下列式(I)所示之重複結構單元的改質纖維素所構成的增稠劑, 式(I)中,R1 ~R6 分別是氫或C1~C4之烷基,其條件是R1 ~R6 其中至少一者是烷基。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述的電致色變元件,其中,該電致色變薄膜是選自三氧化鉬、氧化鎢、三氧化二銠、五氧化二鈮、二氧化鈦、氧化銥,或此等之一組合為材料為材料所構成,且膜厚是介於100~800nm。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述的電致色變元件,其中,該電致色變薄膜是選自三氧化鉬。
  4. 依據申請專利範圍第3項所述的電致色變元件,其中,該R1 ~R6 分別是氫,或C1~C2之烷基。
  5. 依據申請專利範圍第1~4項其中任一項所述的電致色變元件,其中,該增稠劑的重量百分比濃度是介於1.5~7wt%。
  6. 一種電致色變元件的製作方法,包含一準備步驟,準備一具有如下列式(I)所示之重複結構單元之增稠劑的膠態電解質, 式(I)中,R1 ~R6 分別是氫或C1~C4之烷基,其條件是R1 ~R6 其中至少一者是烷基;一電子束蒸鍍步驟,將一透明導電基板設置於電子束蒸鍍腔室內,在不通氣體及室溫的環境下以電子束蒸鍍方式在該透明導電基板上鍍上一電致色變薄膜,形成一第一基板;及一封裝步驟,將該膠態電解質封置於該第一基板,即可製得本發明該電致色變元件。
  7. 依據申請專利範圍第6項所述的電致色變元件的製作方法,其中,該R1 ~R6 分別是氫,或C1~C2之烷基。
  8. 依據申請專利範圍第7項所述的電致色變元件的製作方法,其中,該增稠劑的重量百分比濃度是介於1.5~7wt%。
  9. 依據申請專利範圍第8項所述的電致色變元件的製作方法,其中,該電子束蒸鍍步驟所使用的靶材是包含鉬、鎢、 銠、鈮、鈦、銥,或此等之組合,而使所製得的電致色變薄膜為由三氧化鉬、氧化鎢、三氧化二銠、五氧化二鈮、二氧化鈦、氧化銥,或此等之一組合為材料所構成,且膜厚是介於100~800nm。
  10. 依據申請專利範圍第9項所述的電致色變元件的製作方法,其中,該電子束蒸鍍步驟是在1x10-5 ~5×10-6 torr的壓力、電子槍加速電壓實質為4 kV,且蒸鍍速率實質為0.5 nm/s的鍍膜條件下進行。
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