TWI532832B - 熱致變色裝置 - Google Patents

Description

熱致變色裝置

本發明是有關於一種熱致變色裝置的結構。

建築物的智能化建設愈加深入，功能也在不斷擴展，以滿足人們生活起居上日益增長的各種需要。建築物中的窗戶能使光線進入室內，帶來良好的照明與採光，是現代建築不可或缺的一環。但當陽光過強時，透過窗戶進入的光線及伴隨光線產生的熱能會使室內溫度過高，而過強的光線會造成人體產生刺眼的不適感。

以往是藉由布幕遮擋以阻止光線的進入。近期更有一種智能窗戶見於市面，在兩片透明玻璃中封裝有一電致變色材料。當施加一電壓時，電致變色材料對可見光或不可見光的透過率將大幅下降，智能窗戶將變得不透明，因而能阻擋光線的進入並維持室內的溫度。當施加的電壓消失時，此電致變色材料又能立即恢復原有的透明度。

前述的封裝有電致變色材料之智能窗戶需透過施加外電壓來改變此電致變色材料的透明度；換句話說，得藉由人為操作來改變智能窗戶的透光性。但天氣變化多端，頻繁調控窗戶的 透明度將帶來操作上的不便。抑或離開可調控距離，當返回室內後入射光線與熱能已大幅提升室內溫度，帶來人體上的不適感，且需時間與消耗能量將室內降至適宜溫度。

因此，本發明揭露一種熱致變色裝置的結構。用以解決傳統智能窗戶需透過外加電壓來改變窗戶的透光度，能更有效率的改變窗戶的透光度。

本發明之一態樣在於提供了一種熱致變色裝置，包含一第一透明基板與一第二透明基板。並有一熱致變色水膠溶液封裝於第一透明基板與第二透明基板之間，此熱致變色水膠溶液包含一溶劑以及一高分子溶解於此溶劑中，此高分子具有一三級氨基團(tertiary amine group)、一羰基基團(carbonyl group)與一烷基基團(alkyl group)。

根據本發明之一實施方式，其中熱致變色水膠溶液具有一變色溫度，此變色溫度隨著熱致變色水膠溶液酸鹼值的上升而下降。

根據本發明之一實施方式，其中高分子為聚烷基丙烯酸氨酯類高分子。

根據本發明之一實施方式，其中聚烷基丙烯酸氨酯類高分子為聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(poly 2-dimethyl amino ethyl methacrylate,PDMAEMA)。

根據本發明之一實施方式，其中第一透明基板與第二透明基板之間更包含複數個透明隔板，將此第一透明基 板與第二透明基板之間分隔為複數個分隔區域。

根據本發明之一實施方式，其中複數個分隔區域分別封裝具有相同變色溫度之熱致變色水膠溶液。

根據本發明之一實施方式，其中複數個分隔區域分別封裝具有不同變色溫度之熱致變色水膠溶液。

根據本發明之一實施方式，其中複數個透明隔板間隔地垂直於第一透明基板與第二透明基板，將此第一透明基板與第二透明基板之間分隔為複數個分隔區域。

根據本發明之一實施方式，其中複數個透明隔板間隔地平行於第一透明基板與第二透明基板，將此第一透明基板與第二透明基板之間分隔為複數個分隔區域。

根據本發明之一實施方式，其中第一透明基板、第二透明基板與複數個透明隔板之材料係獨立選自由玻璃、聚碳酸酯(polycarbonate,PC)、聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)、苯乙烯丙烯腈(styrene acrylonitrile,SAN)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)及聚苯乙烯(polystyrene,PS)所組成的群組。

100‧‧‧熱致變色裝置

110‧‧‧第一透明基板

120‧‧‧第二透明基板

130‧‧‧黏合膠

140‧‧‧封裝空間

150‧‧‧熱致變色水膠溶液

500‧‧‧熱致變色裝置

510‧‧‧透明隔板

520‧‧‧第一分隔區域

530‧‧‧第二分隔區域

540‧‧‧第一熱致變色水膠溶液

550‧‧‧第二熱致變色水膠溶液

210‧‧‧實驗例

220‧‧‧實驗例

230‧‧‧實驗例

240‧‧‧實驗例

250‧‧‧實驗例

260‧‧‧實驗例

600‧‧‧熱致變色裝置

610‧‧‧透明隔板

620‧‧‧第一分隔區域

630‧‧‧第二分隔區域

640‧‧‧第一熱致變色水膠溶液

650‧‧‧第二熱致變色水膠溶液

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：第1圖繪示根據本發明一實施方式之一種熱致變色裝置之剖面圖。

第2圖為封裝不同酸鹼值之熱致變色水膠溶液時，熱致變色裝置透明度與溫度之關係圖。

第3圖為熱致變色水膠溶液之變色溫度與酸鹼值之關係圖。

第4圖為熱致變色裝置之回復性測試。

第5圖繪示根據本發明一實施方式之一種熱致變色裝置之剖面圖。

第6圖繪示根據本發明一實施方式之一種熱致變色裝置之剖面圖。

以下將以圖式及詳細說明清楚說明本發明之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本發明之較佳實施例後，當可由本發明所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本發明之精神與範圍。並為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，熟悉本領域之技術人員應當瞭解到，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節並非必要的，因此不應用以限制本發明。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

請參閱第1圖，第1圖繪示本發明一實施例的一種熱致變色裝置之剖面圖。如第1圖所示，一熱致變色裝置100包含一第一透明基板110與一第二透明基板120。第一透明基板110之外緣與第二透明基板120之外緣以一黏合膠130接著，於第一透明基板110與第二透明基板120之間形成一封裝空間140。一熱 致變色水膠溶液150封裝於封裝空間140中，熱致變色水膠溶液150隨著外界的溫度變化能產生性質上之改變，且此性質上之改變為自然發生，不需經過人為調控。

熱致變色水膠溶液150包含一溶劑以及一高分子溶解於此溶劑中。熱致變色水膠溶液150之溫度升高時，高分子於溶劑中之溶解度降低，當溫度超過熱致變色水膠溶液150之變色溫度時，此高分子與溶劑之間開始形成相分離，熱致變色水膠溶液150變為混濁並降低熱致變色水膠溶液150之透明度。此時穿透第一透明基板110之光線無法穿透熱致變色水膠溶液150抵達第二透明基板120，取而代之被熱致變色水膠溶液150吸收或反射。由於光線無法穿透熱致變色裝置100，熱致變色裝置100之透明度下降。當溫度低於熱致變色水膠溶液150之變色溫度時，高分子能重新溶解於此溶劑中使熱致變色水膠溶液150之相分離現象消失。此時通過第一透明基板110之光線能穿透熱致變色水膠溶液150與第二透明基板120，熱致變色裝置100回復原有之透明度。

在本發明之一實施例中，第一透明基板110與第二透明基板120之材料係獨立選自由玻璃、聚碳酸酯(polycarbonate,PC)、聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)、苯乙烯丙烯腈(styrene acrylonitrile,SAN)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)及聚苯乙烯(polystyrene,PS)所組成的群組。第一透明基板110與第二透明基板120之厚度範圍為100微米至6公厘。容置空間140之厚度範圍為100微米至6公厘。

根據本發明之一實施例，上述高分子為一聚烷基丙烯酸 氨酯類高分子，其化學結構式繪示如下： 化學結構式中R₁、R₂與R₃均為烷基取代基，其烷基取代基上之碳數為1至3。而m為聚烷基丙烯酸氨酯類高分子上之碳鏈長度，其值為1至3。此聚烷基丙烯酸氨酯類高分子具有一三級氨基團(tertiary amine group)、一羰基基團(carbonyl group)與一烷基基團(alkyl group)。此三級氨基團與羰基基團為親溶劑基團，而烷基基團為疏溶劑基團，兩種基團在空間結構上互相匹配使此高分子於溶劑中之溶解度隨著溫度變化而改變。由於此三級氨基團之氮原子上具有孤對電子，能吸引溶劑中之氫原子並形成氫鍵。藉由氫鍵的存在，高分子能溶解於溶劑中並形成均勻相之熱致變色水膠溶液150。

熱致變色水膠溶液150之溫度上升時，三級氨基團與溶劑間之氫鍵受熱被破壞，此時此高分子與溶劑之間作用力逐漸減弱，使高分子於溶劑中之溶解度下降。且疏溶劑之烷基基團使高分子聚集形成疏溶劑之高分子顆粒，由於光線無法穿透高分子顆 粒，熱致變色水膠溶液150之透明度也大幅降低。

根據本發明之一實施例，熱致變色水膠溶液150之組成包含80至95重量份之溶劑以及5至20重量份之高分子溶質。其中溶劑包含水、乙醇或其組合，此溶劑能與高分子上之三級氨基團形成氫鍵。而高分子為聚烷基丙烯酸氨酯類高分子，其係由將烷基丙烯酸氨酯類分子單體溶解於四氫呋喃(tetrahydrofuran,THF)中，並進行一原子轉移自由基聚合反應(atom transfer radical polymerization,ATRP)成聚烷基丙烯酸氨酯類高分子。此原子轉移自由基聚合之溫度為10℃至40℃，其中聚烷基丙烯酸氨酯類高分子之分子量為9000g/mol至11000g/mol。在本發明之一實施例中，聚烷基丙烯酸氨酯類高分子為聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(poly2-dimethyl amino ethyl methacrylate,PDMAEMA)，其化學結構式繪示如下：

熱致變色水膠溶液150除了能感應外界溫度來改變透明度外，更能藉由酸鹼值之變化來調控熱致變色水膠溶液150之變 色溫度。酸性環境下，此高分子上之三級氨基團完全質子化，此時高分子以離子作用力溶解於溶劑中。因離子作用力遠大於氫鍵，進而大幅提升高分子於溶劑中之溶解度；且離子作用力較強之能量，需於較高之溫度下才能被破壞使高分子與溶劑間形成相分離，熱致變色水膠溶液150之變色溫度也隨而上升。當酸鹼值上升，三級氨基團之質子化效應逐漸減弱，此高分子此時主要以氫鍵與溶劑間進行交互作用並溶解於溶劑中。由於高分子與溶劑間之作用力減弱，相對的疏溶劑基團之交互作用增強，降低高分子在溶劑中之溶解度，使熱致變色水膠溶液150之變色溫度降低。

總括而言，改變熱致變色水膠溶液150之酸鹼值能調控產生相分離時之變色溫度。在本發明之一實施例中，加入氯化氫溶液或氫氧化鈉溶液於熱致變色水膠溶液150中以調配熱致變色水膠溶液150之酸鹼值。酸性之氯化氫溶液能降低熱致變色水膠溶液150之酸鹼值，增加高分子於溶劑中之溶解度，產生相分離時之變色溫度也隨之升高。而鹼性之氫氧化鈉溶液使熱致變色水膠溶液150之酸鹼值上升，降低高分子於溶劑中之溶解度，變色溫度也隨之降低。熱致變色水膠溶液150之酸鹼值範圍為2至12。

在本發明之一實施例中，熱致變色水膠溶液150中更包含一抗UV劑。在陽光持續照射之環境下，入射之紫外光線會破壞熱致變色水膠溶液150的性質，抗UV劑能吸收紫外光線並保護熱致變色水膠溶液150，使其具有穩定及可回復之性質。此抗UV劑包含二氧化鈦(titanium dioxide)、2-羥基-4-正辛氧基-二苯甲酮(2-hydroxy-4-octyloxybenzophenone)或其組合。

請參閱第2圖，第2圖為封裝不同酸鹼值之熱致變色水 膠溶液150時，熱致變色裝置100之透明度與溫度之關係圖。其中第一透明基板110與第二透明基板120均為玻璃，厚度為2.0mm。兩片玻璃之間封裝空間140之厚度為2.0mm，內封裝有熱致變色水膠溶液150，其組成為94.8重量份之水以及5.2重量份之聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯高分子溶質。並滴入氫氧化鈉溶液或氯化氫溶液來調控熱致變色水膠溶液150之酸鹼值。

繼續參閱第2圖，實驗例210中熱致變色水膠溶液150之酸鹼值為12.2，並提升溫度觀察熱致變色裝置100透明度之變化。在實驗例210中，隨著溫度上升熱致變色裝置100之透明度逐漸降低，並定義熱致變色裝置100之透明度開始降低之溫度為為熱致變色水膠溶液150在酸鹼值12.2時之變色溫度。實驗例220中熱致變色水膠溶液150之酸鹼值為9.8，與實驗例210相較下，實驗例220中熱致變色裝置100於較高之溫度時透明度才開始降低。實驗例230、240、250與260中熱致變色水膠溶液之酸鹼值分別為7.9、6.0、4.1與2.2。由實驗例210至實驗例260可驗證，熱致變色水膠溶液150之變色溫度會隨著酸鹼值下降而升高，熱致變色裝置100透明度開始降低之溫度也越來越高。由於酸性環境下，熱致變色水膠溶液150中高分子與溶劑間較強之離子作用力，於高溫下才能被破壞形成相分離。當酸鹼值上升，高分子開始去質子化，與溶劑間之作用力也逐漸變弱，於低溫即能破壞此弱作用力並形成相分離。

請繼續參閱第3圖並可與第2圖一同對照以更清楚的了解本發明。第3圖為第2圖中熱致變色水膠溶液150之變色溫度與酸鹼值之關係圖。第3圖揭露熱致變色水膠溶液150之變色溫 度隨著酸鹼值的上升而下降，其中可調控之變色溫度範圍約為33℃至55℃。使用者可依個人喜好或生活習慣來選擇熱致變色裝置100之變色溫度，舉例來說，若室內想維持一較高之溫度，能於酸性環境下製備熱致變色水膠溶液150，並封裝熱致變色水膠溶液150於第一透明基板110與第二透明基板120之間。酸性環境下熱致變色水膠溶液150之變色溫度約為46℃至55℃，因此熱致變色裝置100在高溫時仍能維持良好的透明度，使光線與伴隨之熱能進入室內，進而讓室內溫度上升。另一方面，若想維持室內於一較低之溫度，能於鹼性環境下製備熱致變色水膠溶液150，並將熱致變色水膠溶液150封裝於第一透明基板110與第二透明基板120之間。鹼性環境下熱致變色水膠溶液150之變色溫度約為33℃至43℃，在溫度超過熱致變色水膠溶液150之變色溫度時熱致變色裝置100透明度才開始降低。大部分光線無法穿透熱致變色裝置100，能維持室內於一低溫環境。

第4圖為根據本發明之實施例的熱致變色裝置100之回復性測試。其中第一透明基板110與第二透明基板120均為玻璃，厚度均為2.0mm。兩片玻璃之間封裝空間130之厚度為2.0mm，內封裝熱致變色水膠溶液150，其組成為94.8重量份之水以及5.2重量份之聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯高分子溶質。熱致變色水膠溶液150之酸鹼值約為6，變色溫度約為43℃。

請繼續參閱第4圖，藉由反覆升溫與降溫觀察熱致變色裝置100之透明度變化，並定義一次升溫與一次降溫合稱為一個週期。首先將熱致變色裝置100置於室溫環境下，此時熱致變色裝置之透明度約為100%。接著將熱致變色裝置100升溫至56 ℃，此溫度已超過熱致變色水膠溶液150之變色溫度，大部分光線無法穿透熱致變色裝置100，透明度降至約10%。再降溫至15℃，此溫度低於熱致變色水膠溶液150之變色溫度，熱致變色裝置100之透明度回復至接近100%。藉由反覆升溫與降溫十個週期，得知熱致變色裝置100能維持良好之回復性，其性質不被破壞，因而能驗證根據本發明之熱致變色水膠溶液具有良好的可回復性。

第5圖為本發明之另一實施例。一熱致變色裝置500包含一第一透明基板110與一第二透明基板120。第一透明基板110之外緣與第二透明基板120之外緣以一黏合膠130接著，於第一透明基板110與第二透明基板120之間形成一封裝空間140。相較於熱致變色裝置100，熱致變色裝置500更包含一透明隔板510，透明隔板垂直於第一透明基板110與第二透明基板120，將封裝空間140分隔為一第一分隔區域520與一第二分隔區域530。並封裝一第一熱致變色水膠溶液540於第一分隔區域520中，以及封裝一第二熱致變色水膠溶液550於第二分隔區域530中。

在本發明之一實施例中，第一熱致變色水膠溶液540與第二熱致變色水膠溶液550具有不同之變色溫度。舉例來說，於第一分隔區域520內封裝變色溫度為35℃之第一熱致變色水膠溶液540，並於第二分隔區域530內封裝變色溫度為40℃之第二熱致變色水膠溶液550。當外界溫度達到35℃，封裝於第一分隔區域520內之第一熱致變色水膠溶液540形成相分離，透明度開始降低。但此時尚未達到封裝於第二分隔區域530內之第二熱致 變色水膠溶液550之變色溫度，其仍具有良好的透明度。第一分隔區域520中第一熱致變色水膠溶液540能阻擋大部分光線以及伴隨之熱量進入室內，使室內維持較舒適之溫度。並藉由第二分隔區域530中具有高透明度之第二熱致變色水膠溶液550，部分光線仍能進入室內並維持良好的明亮度。直到溫度達到40℃，第二熱致變色水膠溶液550之透明度開始降低並阻擋進入室內之光線。應了解在此舉例之變色溫度僅為了幫助了解本發明，其可替代地替換為其他變色溫度。

在本發明之一實施例中，第一熱致變色水膠溶液540與第二熱致變色水膠溶液550具有相同之變色溫度。

在本發明之一實施例中，熱致變色裝置500包含複數個透明隔板，這些透明隔板間隔地垂直於第一透明基板110與第二透明基板120，將封裝空間140分隔為複數個分隔區域。此些分隔區域內分別封裝具有不同變色溫度之熱致變色水膠溶液。在本發明之另一實施例中，這些分隔區域內分別封裝具有相同變色溫度之熱致變色水膠溶液。

第6圖為本發明之另一實施例，一熱致變色裝置600包含一第一透明基板110與一第二透明基板120。第一透明基板110之外緣與第二透明基板120之外緣以一黏合膠130接著，於第一透明基板110與第二透明基板120之間形成一封裝空間140。相較於熱致變色裝置100，熱致變色裝置600更包含一透明隔板610平行於第一透明基板110與第二透明基板120，將封裝空間140分隔為一第一分隔區域620與一第二分隔區域630。並封裝一第一熱致變色水膠溶液640於第一分隔區域620中，以及封裝一第 二熱致變色水膠溶液650於第二分隔區域630中。

在本發明之一實施例中，第一熱致變色水膠溶液640與第二熱致變色水膠溶液650具有不同之變色溫度。舉例來說，於第一分隔區域620內封裝變色溫度為35℃之一第一熱致變色水膠溶液640，並於第二分隔區域630內封裝變色溫度為40℃之一第二熱致變色水膠溶液650。當外界溫度達到35℃時，封裝於第一分隔區域620中之第一熱致變色水膠溶液640產生相分離，透明度開始降低。但此時未達到封裝於第二分隔區域630內之第二熱致變色水膠溶液650之變色溫度，其仍具有良好的透明度。大部分光線被第一熱致變色水膠溶液640吸收或反射，但仍有部分光線穿透第一熱致變色水膠溶液640並穿越透明隔板610、第二熱致變色水膠溶液650與第二透明基板120，此時熱致變色裝置600呈現部分透明狀態。直到外界溫度達到40℃，封裝於第二分隔區域630中之第二熱致變色水膠溶液650也形成相分離並阻擋光線，使熱致變色裝置600由部分透明轉變為完全不透明狀態。因此隨著溫度的上升，熱致變色裝置600能呈現一漸層之透明度變化，並調控進入室內的光線量與熱量，進而帶來更為舒適的室內環境。應了解在此舉例之變色溫度僅為了幫助了解本發明，其可替代地替換為其他變色溫度。

在本發明之一實施例中，第一熱致變色水膠溶液640與第二熱致變色水膠溶液650具有相同之變色溫度。

在本發明之一實施例中，熱致變色裝置600包含複數個透明隔板，這些透明隔板平行於第一透明基板與第二透明基板，將封裝空間140分隔為複數個分隔區域。這些分隔區域內分別封 裝具有不同變色溫度之熱致變色水膠溶液。在本發明之另一實施例中，複數個分隔區域內分別封裝具有相同變色溫度之熱致變色水膠溶液。

由上述本發明實施例可知，本發明具有下列優點。本發明所揭露之熱致變色裝置能自動感應環境溫度而改變其透明度，不需再透過人為控制。加入抗UV劑更使封裝於熱致變色裝置中之熱致變色水膠溶液性質不被破壞，使熱致變色裝置具有穩定及可回復性質。更重要的是，藉由調控酸鹼值能改變熱致變色水膠溶液之變色溫度，並能依個人生活習慣與喜好來調控室內之溫度。藉由封裝具有不同變色溫度之熱致變色水膠溶液於熱致變色裝置中，更帶來多變的美觀性與實用性。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧熱致變色裝置

110‧‧‧第一透明基板

120‧‧‧第二透明基板

130‧‧‧黏合膠

140‧‧‧封裝空間

150‧‧‧熱致變色水膠溶液

Claims (9)

1. 一種熱致變色裝置，包含：一第一透明基板；一第二透明基板；以及一熱致變色水膠溶液封裝於該第一透明基板與該第二透明基板之間，該熱致變色水膠溶液具有一變色溫度，且該變色溫度隨著該熱致變色水膠溶液酸鹼值的上升而下降，其中該熱致變色水膠溶液包含：一溶劑；以及一高分子溶解於該溶劑中，該高分子具有一三級氨基團(tertiary amine group)、一羰基基團(carbonyl group)與一烷基基團(alkyl group)。
2. 如請求項1所述之熱致變色裝置，其中該高分子為聚烷基丙烯酸氨酯類高分子。
3. 如請求項2所述之熱致變色裝置，其中該聚烷基丙烯酸氨酯類高分子為聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(poly 2-dimethyl amino ethyl methacrylate,PDMAEMA)。
4. 如請求項1所述之熱致變色裝置，其中該第一透明基板與該第二透明基板之間更包含複數個透明隔板，將該第一透明基板與該第二透明基板之間分隔為複數個分隔區域。
5. 如請求項4所述之熱致變色裝置，其中該複數個分隔區域內分別封裝具有相同變色溫度之熱致變色水膠溶液。
6. 如請求項4所述之熱致變色裝置，其中該複數個分隔區域內分別封裝具有不同變色溫度之熱致變色水膠溶液。
7. 如請求項4所述之熱致變色裝置，其中該複數個透明隔板間隔地垂直於該第一透明基板與該第二透明基板，將該第一透明基板與該第二透明基板之間分隔為複數個分隔區域。
8. 如請求項4所述之熱致變色裝置，其中該複數個透明隔板間隔地平行於該第一透明基板與該第二透明基板，將該第一透明基板與該第二透明基板之間分隔為複數個分隔區域。
9. 如請求項4所述之熱致變色裝置，其中該第一透明基板、該第二透明基板與該複數個透明隔板之材料係獨立選自由玻璃、聚碳酸酯(polycarbonate,PC)、聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)、苯乙烯丙烯腈(styrene acrylonitrile,SAN)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)及聚苯乙烯(polystyrene,PS)所組成的群組。