TWI605154B - 電致變色元件及其製造方法 - Google Patents

Description

電致變色元件及其製造方法

本發明係與電致變色有關，尤其是關於一種電致變色元件及其製造方法。

近年來，由於全球性的溫室效應愈來愈嚴重，使得世界各國開始積極研究如何能更加善用太陽能並減少日照所產生的熱效應，以達到節能之功效。

在現代建築中，玻璃窗被大量應用於各種建築物及交通工具上。然而，玻璃窗所產生之高熱，使其無法達到節能的效果。因此，市面上出現許多種用以取代玻璃窗的隔熱節能裝置，其中智慧窗(Smart window)可根據室內的使用者在照明及溫度上之需求主動調節可見光及輻射熱的穿透率，藉以達到使用者所需的舒適程度，故其在未來節能建築發展上極具市場潛力。

根據國際知名研調公司nanomarket在2013年所進行的統計結果可知：全球的智慧窗市場推估在2020年時將會有高達56億美元的經濟規模，其發展潛力可見一斑。

於各種智慧窗裝置所採用的不同變色技術中，較常見的大致有下列三種類型：懸浮粒子元件技術、高分子分散型液晶技術及電致變色技術。其中，由於電致變色元件運作時之耗能遠低於其他兩種技術之耗能，因此，電致變色元件最符合節能建築之需求。

除此之外，電致變色元件在未來亦可能會有其他更多新穎的應用領域，例如節能型電子標籤及顯示應用、室 內小電量儲能應用之電量顯示電池以及應用於輕薄型智慧裝置之相機光圈等相關應用。

然而，在目前電致變色元件之製作上仍遭遇到一些難題，亟待克服。舉例而言，由於電致變色元件在製作上需要採用一系列的真空薄膜製程，導致其生產成本相當昂貴，這也是造成其現今仍無法普遍使用於一般居家或商用建築上的主要原因之一。

有鑑於此，本發明提出一種電致變色元件及其製造方法，其係透過磁控及電弧電漿鍍膜技術之搭配製作電致變色元件。由於磁控電漿鍍膜技術能夠沉積高品質的電致變色層，再加上電弧電漿快速沉積鍍膜技術能夠沉積具有高離子傳導度的離子傳導層，故可有效降低電致變色元件的整體生產成本並提升其變色速度，藉以有效解決先前技術所遭遇到之上述種種問題。

根據本發明之一具體實施例為一種電致變色元件製造方法。於此實施例中，電致變色元件製造方法係用以製造一電致變色元件。電致變色元件製造方法包含下列步驟：(a)以磁控電漿鍍膜技術沉積一第一透明導電層及一第一電致變色材料層於一基板上；(b)以電弧電漿鍍膜技術高速沉積具有高離子傳導度之一離子傳導層於第一電致變色材料層上；(c)使複數個離子通過離子傳導層而注入至第一電致變色材料層內，藉以打開離子傳導層之離子通道並活化第一電致變色材料層；(d)以磁控電漿鍍膜技術沉積一第二電致變色材料層及一第二透明導電層於離子傳導層上，以完成電致變色元件之疊層結構。

於一實施例中，第一電致變色材料層與該第二電致變色材料層係由金屬氧化物構成。

於一實施例中，金屬氧化物為氧化鎳(NiO)、氧 化鎢(WO₃)、氧化鈦(TiO₂)或氧化釩(V₂O₅)。

於一實施例中，第一透明導電層與第二透明導電層係由透明導電材料構成。

於一實施例中，透明導電材料為氧化銦錫(ITO)、導電玻璃(FTO)或氧化鋁鋅(AZO)。

於一實施例中，離子傳導層係由具有高離子傳導度的金屬氧化物構成。

於一實施例中，金屬氧化物為氧化鉭(Ta₂O₅)。

於一實施例中，基板係由玻璃或塑膠構成。

於一實施例中，於步驟(a)與步驟(d)中，該電致變色元件製造方法亦可先以磁控電漿鍍膜技術沉積該第二透明導電層及該第二電致變色材料層於該基板上，再以磁控電漿鍍膜技術沉積該第一電致變色材料層及該第一透明導電層於該離子傳導層上。

於一實施例中，複數個離子為氫離子(H⁺)或鋰離子(LI⁺)。

根據本發明之另一具體實施例為一種電致變色元件。於此實施例中，電致變色元件之疊層結構包含一基板、一第一透明導電層、一第一電致變色材料層、一離子傳導層、一第二電致變色材料層及一第二透明導電層。第一電致變色材料層內具有複數個離子。其中，第一透明導電層與第一電致變色材料層係透過磁控電漿鍍膜技術沉積於基板上；離子傳導層係具有高離子傳導度並係透過電弧電漿鍍膜技術高速沉積於第一電致變色材料層上；第二電致變色材料層與第二透明導電層係透過磁控電漿鍍膜技術沉積於離子傳導層上；複數個離子係先通過離子傳導層而注入至第一電致變色材料層內，以打開離子傳導層之離子通道並活化第一電致變色材料層。

相較於先前技術，本發明所提出的電致變色元件及其製造方法具有下列技術特徵及優點：

(1)透過磁控電漿鍍膜技術製作出具有高度平整及良好表面覆蓋性之高品質的電致變色薄膜。

(2)透過電弧電漿技術製作出具有高沉積速度及高離子傳導度的離子傳導膜。

(3)藉由上述技術特徵不僅能夠有效減少真空鍍膜製程系統之建置成本，亦便於製作單一基板的電致變色元件，故可生產價格較低廉的電致變色元件，以大幅提升其市場競爭力。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

S10~S16‧‧‧步驟

2‧‧‧電致變色元件

20‧‧‧基板

21‧‧‧第一透明導電層

22‧‧‧第一電致變色材料層

23‧‧‧離子傳導層

24‧‧‧第二電致變色材料層

25‧‧‧第二透明導電層

26‧‧‧複數個離子

圖1係繪示根據本發明之一較佳具體實施例之電致變色元件製造方法的流程圖。

圖2係繪示根據本發明之另一較佳具體實施例之電致變色元件之疊層結構的剖面示意圖。

圖3係繪示使複數個離子先通過離子傳導層而注入第一電致變色材料層內之剖面示意圖。

本發明係提出一種電致變色元件及其製造方法，其係透過磁控及電弧電漿鍍膜技術之搭配製作電致變色元件。由於磁控電漿鍍膜技術能夠沉積高品質的電致變色層，再加上電弧電漿快速沉積鍍膜技術能夠沉積具有高離子傳導度的離子傳導層，故可有效降低電致變色元件的整體生產成本並提升其變色速度，藉以有效解決先前技術所遭遇到之上述種種問題。

根據本發明之一具體實施例為一種電致變色元件製造方法。於此實施例中，電致變色元件製造方法係用以製造一電致變色元件。請參照圖1，圖1係繪示根據本發明之一較佳具體實施例之電致變色元件製造方法的流程圖。

如圖1所示，本發明之電致變色元件製造方法可包含下列步驟：步驟S10：以磁控電漿鍍膜技術沉積第一透明導電層與第一電致變色材料層於基板上；步驟S12：以電弧電漿鍍膜技術高速沉積具有高離子傳導度之離子傳導層於第一電致變色材料層上；步驟S14：使複數個離子通過離子傳導層而注入至位於離子傳導層下方的第一電致變色材料層內，藉以打開離子傳導層之離子通道並活化第一電致變色材料層；步驟S16：以磁控電漿鍍膜技術沉積第二電致變色材料層與第二透明導電層於離子傳導層上，以完成電致變色元件之疊層結構。

需說明的是，上述基板可由玻璃或塑膠構成；上述第一電致變色材料層與第二電致變色材料層可以採用相同或不同的金屬氧化物構成，例如氧化鎳(NiO)、氧化鎢(WO₃)、氧化鈦(TiO₂)、氧化釩(V₂O₅)或其他具有電致變色特性的金屬氧化物，但不以此為限。

此外，上述第一透明導電層與該第二透明導電層可由相同或不同的透明導電材料構成，例如氧化銦錫(ITO)、導電玻璃(FTO)、氧化鋁鋅(AZO)或其他透明導電材料，但不以此為限；上述離子傳導層可由具有高離子傳導度的金屬氧化物構成，例如氧化鉭(Ta₂O₅)，但不以此為限。

此外，在該方法執行前述步驟S14之前，第一電致變色材料層內原本並未有離子存在，當該方法執行前述步驟S14時，會先讓複數個離子穿過上方的離子傳導層而注入至位於離子傳導層下方的第一電致變色材料層內，藉以打開上方的離子傳導層之離子通道並活化下方的第一電致變色材料層。

於實際應用中，注入的複數個離子可以是例如氫離子(H⁺)或鋰離子(LI⁺)的一價陽離子，亦可以是其他具有相同 功能之離子，並不以此為限。

於另一實施例中，前述的步驟S10與步驟S16亦可彼此對調順序。也就是說，電致變色元件製造方法亦可先以磁控電漿鍍膜技術沉積第二透明導電層與第二電致變色材料層於基板上，接著以電弧電漿鍍膜技術高速沉積具有高離子傳導度之離子傳導層於第二電致變色材料層上，然後再使複數個離子通過離子傳導層而注入至位於離子傳導層下方的第二電致變色材料層內，藉以打開離子傳導層之離子通道並活化第二電致變色材料層，最後再以磁控電漿鍍膜技術沉積第一電致變色材料層與第一透明導電層於離子傳導層上，以完成電致變色元件之疊層結構。

需特別強調的是，該方法之步驟S10與S16係採用磁控電漿鍍膜技術製作高度平整且高品質之電致變色薄膜，故能有效避免由於多層膜堆疊時之表面粗糙度及孔隙所導致元件失效之風險，以大幅提升電致變色元件之可靠度；該方法之步驟S12係採用低設備建置成本之電弧電漿鍍膜技術鍍製離子傳導層，與現今採用的全磁控電漿濺鍍技術相較可有效提升鍍膜率至10倍以上，並可大幅提升離子傳導速度及元件反應時間約6倍。因此，相較於先前技術，本發明在低設備建置成本、高鍍膜率及高離子傳導特性等方面均具有相當顯著之優勢。

根據本發明之另一具體實施例為一種電致變色元件。於此實施例中，電致變色元件係透過前述實施例之電致變色元件製造方法製造而成，但不以此為限。請參照圖2，圖2係繪示根據本發明之另一較佳具體實施例之電致變色元件之疊層結構的剖面示意圖。

如圖2所示，電致變色元件2之疊層結構由下而上依序包含基板20、第一透明導電層21、第一電致變色材料層22、離子傳導層23、第二電致變色材料層24及第二透明導電層25。其中，第一電致變色材料層22內係注入有複數個離 子26。

於實際應用中，基板20可由玻璃或塑膠構成；第一電致變色材料層22與第二電致變色材料層24可由相同或不同的金屬氧化物構成，例如氧化鎳(NiO)、氧化鎢(WO₃)、氧化鈦(TiO₂)、氧化釩(V₂O₅)或其他具有電致變色特性之金屬氧化物，但不以此為限；第一透明導電層21與第二透明導電層25可由相同或不同的透明導電材料構成，例如氧化銦錫(ITO)、導電玻璃(FTO)、氧化鋁鋅(AZO)或其他透明導電材料，但不以此為限；離子傳導層23可由具有高離子傳導度的金屬氧化物構成，例如氧化鉭(Ta₂O₅)，但不以此為限。

需說明的是，第一透明導電層21與第一電致變色材料層22係透過磁控電漿鍍膜技術沉積於基板20上；離子傳導層23係具有高離子傳導度並係以電弧電漿鍍膜技術高速沉積於第一電致變色材料層22上；第二電致變色材料層24與第二透明導電層25係以磁控電漿鍍膜技術沉積於離子傳導層23上。

亦請參照圖3，如圖3所示，當離子傳導層23形成於第一電致變色材料層22上方時，第一電致變色材料層22內原本並未有離子，接著先讓複數個離子26通過上方的離子傳導層23而注入至下方的第一電致變色材料層22內，藉以打開上方的離子傳導層24之離子通道並活化下方的第一電致變色材料層22。於實際應用中，複數個離子26可以是例如氫離子(H⁺)、鋰離子(LI⁺)的一價陽離子或是其他具有相同功能之離子，但不以此為限。

於另一實施例中，前述的第一透明導電層21與第一電致變色材料層22以及第二電致變色材料層24與第二透明導電層25亦可彼此對調位置。也就是說，電致變色元件2之疊層結構由下而上依序亦可以是基板20、第二透明導電層25、第二電致變色材料層24、離子傳導層23、第一電致變色材料層22及第一透明導電層21。

當離子傳導層23形成於第二電致變色材料層24上方時，第二電致變色材料層24內原本並未有離子，接著先讓複數個離子26通過上方的離子傳導層23而注入至下方的第二電致變色材料層24內，藉以打開上方的離子傳導層24之離子通道並活化下方的第二電致變色材料層24。

相較於先前技術，本發明所提出的電致變色元件及其製造方法具有下列技術特徵及優點：

(1)透過磁控電漿鍍膜技術製作出具有高度平整及良好表面覆蓋性之高品質的電致變色薄膜。

(2)透過電弧電漿技術製作出具有高沉積速度及高離子傳導度的離子傳導膜。

(3)藉由上述技術特徵不僅能夠有效減少真空鍍膜製程系統之建置成本，亦便於製作單一基板的電致變色元件，故可生產價格較低廉的電致變色元件，以大幅提升其市場競爭力。

由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

2‧‧‧電致變色元件

20‧‧‧基板

21‧‧‧第一透明導電層

22‧‧‧第一電致變色材料層

23‧‧‧離子傳導層

24‧‧‧第二電致變色材料層

25‧‧‧第二透明導電層

26‧‧‧複數個離子

Claims (20)

1. 一種電致變色元件製造方法，用以製造一電致變色元件，該電致變色元件製造方法包含下列步驟：(a)以磁控電漿鍍膜技術沉積一第一透明導電層及一第一電致變色材料層於一基板上；(b)以電弧電漿鍍膜技術高速沉積具有高離子傳導度之一離子傳導層於該第一電致變色材料層上；(c)使複數個離子先通過該離子傳導層而注入至該第一電致變色材料層內，以打開該離子傳導層之離子通道並活化該第一電致變色材料層；以及(d)以磁控電漿鍍膜技術沉積一第二電致變色材料層及一第二透明導電層於該離子傳導層上，以完成該電致變色元件之一疊層結構。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電致變色元件製造方法，其中該第一電致變色材料層與該第二電致變色材料層係由金屬氧化物構成。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電致變色元件製造方法，其中該金屬氧化物為氧化鎳(NiO)、氧化鎢(WO₃)、氧化鈦(TiO₂)或氧化釩(V₂O₅)。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電致變色元件製造方法，其中該第一透明導電層與該第二透明導電層係由透明導電材料構成。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電致變色元件製造方法，其中該透明導電材料為氧化銦錫(ITO)、導電玻璃(FTO)或氧化鋁鋅(AZO)。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電致變色元件製造方法，其中該離子傳導層係由具有高離子傳導度的金屬氧化物構成。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電致變色元件製造方法，其中該金屬 氧化物為氧化鉭(Ta₂O₅)。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電致變色元件製造方法，其中該基板係由玻璃或塑膠構成。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電致變色元件製造方法，其中於步驟(a)與步驟(d)中，該電致變色元件製造方法亦可先以磁控電漿鍍膜技術沉積該第二透明導電層與該第二電致變色材料層於該基板上，再以磁控電漿鍍膜技術沉積該第一電致變色材料層與該第一透明導電層於該離子傳導層上。
10. 如申請專利範圍第1項所述之電致變色元件製造方法，其中該複數個離子為氫離子(H⁺)或鋰離子(LI⁺)。
11. 一種電致變色元件，包含：一疊層結構，包含：一基板；一第一透明導電層；一第一電致變色材料層，其中該第一透明導電層與該第一電致變色材料層係透過磁控電漿鍍膜技術沉積於該基板上；一離子傳導層，係具有高離子傳導度並係透過電弧電漿鍍膜技術高速沉積於該第一電致變色材料層上；一第二電致變色材料層；以及一第二透明導電層，其中該第二電致變色材料層與該第二透明導電層係透過磁控電漿鍍膜技術沉積於該離子傳導層上；其中，該第一電致變色材料層內具有複數個離子，並且該複數個離子係先通過該離子傳導層而注入至該第一電致變色材料層內，以打開該離子傳導層之一離子通道並活化該第一電致變色 材料層。
12. 如申請專利範圍第11項所述之電致變色元件，其中該第一電致變色材料層與該第二電致變色材料層係由金屬氧化物構成。
13. 如申請專利範圍第12項所述之電致變色元件，其中該金屬氧化物為氧化鎳(NiO)、氧化鎢(WO₃)、氧化鈦(TiO₂)或氧化釩(V₂O₅)。
14. 如申請專利範圍第11項所述之電致變色元件，其中該第一透明導電層與該第二透明導電層係由透明導電材料構成。
15. 如申請專利範圍第14項所述之電致變色元件，其中該透明導電材料為氧化銦錫(ITO)、導電玻璃(FTO)或氧化鋁鋅(AZO)。
16. 如申請專利範圍第11項所述之電致變色元件，其中該離子傳導層係由具有高離子傳導度的金屬氧化物構成。
17. 如申請專利範圍第16項所述之電致變色元件，其中該金屬氧化物為氧化鉭(Ta₂O₅)。
18. 如申請專利範圍第11項所述之電致變色元件，其中該基板係由玻璃或塑膠構成。
19. 如申請專利範圍第11項所述之電致變色元件，其中該第二透明導電層與該第二電致變色材料層亦可透過磁控電漿鍍膜技術先沉積於該基板上，該第一電致變色材料層與該第一透明導電層再透過磁控電漿鍍膜技術沉積於該離子傳導層上。
20. 如申請專利範圍第11項所述之電致變色元件，其中該複數個離子為氫離子(H⁺)或鋰離子(LI⁺)。