TWI647866B

TWI647866B - Electrochemical device capable of adjusting color temperature

Info

Publication number: TWI647866B
Application number: TW106145341A
Authority: TW
Inventors: 王耀金; 蘇海清; 楊斯博; 謝昆山
Original assignee: 荃合科技有限公司
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2019-01-11
Also published as: TW201929267A

Abstract

一種可調整色溫之電化學裝置，包含一發光電化學元件，及一電致變色元件。該發光電化學元件包括一基板、一陽極層、一發光層，以及一陰極層。該陰極層的功函數大於或等於4eV。該電致變色元件位於該基板一側，並包括二個間隔相對的導電層、一離子導體層，以及一電致變色層。該電致變色元件用於供該發光電化學元件發出的光通過，並能調整改變光的色溫，達到可調變光線色溫的目的。該陰極層採用活性較低、功函數大的金屬材料，可解決以往採用高活性金屬而容易氧化以及製程繁雜的問題。

Description

可調整色溫之電化學裝置

本發明是有關於一種電化學裝置，特別是指一種結合有電致變色元件來作為濾光片，以調整光線色溫之發光電化學裝置。

近年來，固態白光有機發光電化學元件(light-emitting electrochemical cell,簡稱LEC)引起高度關注，因為其展現出幾項比白光有機發光二極體(organic light-emitting diode,簡稱OLED)更好的優點。與白光OLED 的複雜多層結構相比，白光LEC 僅需要單層的發光層結構與簡單的溶液製程方式。由於LEC 的發光層只需單層，有利於形成電化學形式的p 型摻雜區(氧化)，以及於陰極介面附近形成n 型摻雜區(還原)，所述摻雜區的形成方式，是經由偏壓驅動下，使陰陽離子分離並往陰極與陽極電極處移動，並在靠近電極處形成氧化及還原的p型與n型摻雜區。這些電化學摻雜區與電極之間會形成歐姆接觸並且促進載子注入，讓LEC 能有較低的操作電壓和較高的功率效率。

另一方面，近幾年的研究發現背景照明的相對色溫(correlated color temperature, 簡稱CCT)會影響人體生理和健康。人在白天活動的時候適合使用高色溫的照明系統，相反地，在夜晚活動時較適合使用低色溫的照明系統。由於不同相對色溫的背景光源對於各種照明應用是必須的，所以LEC應用於現代化的智能照明系統時，LEC必須可供即時調變相對色溫，此為重要的需求，因此本案針對此重要課題提出創新改良。

因此，本發明之目的，即在提供一種可調整色溫之電化學裝置。

於是，本發明可調整色溫之電化學裝置，包含一個發光電化學元件，及一個電致變色元件。

該發光電化學元件可通電而發出一個初始光，該發光電化學元件包括一個具有相反的一個第一面與一個第二面的基板、一個位於該基板的該第一面的陽極層、一個位於該陽極層上的發光層，以及一個位於該發光層上並且以金屬製成的陰極層，該陰極層的功函數大於或等於4eV。該電致變色元件位於該基板的該第二面，並包括二個間隔相對的導電層、一個位於該等導電層間的離子導體層，以及一個位於該等導電層的其中一個與該離子導體層間的電致變色層，該電致變色元件用於供該發光電化學元件的該初始光通過，且該電致變色層的顏色可調變，以改變該初始光的色溫而得到一個調變光。

本發明之功效在於：藉由將該電致變色元件結合於該發光電化學元件一側，由於該電致變色元件的顏色可調控，因此當該發光電化學元件的初始光穿過該電致變色元件後，部分色光就會衰減而形成不同色溫的該調變光，達到可調變色溫的目的。該發光電化學元件的陰極層採用活性較低、功函數較高的金屬材料，可解決以往採用高活性金屬而容易氧化以及製程繁雜的問題。

參閱圖1，本發明可調整色溫之電化學裝置之一實施例，包含一個發光電化學元件 (light-emitting electrochemical cell,簡稱 LEC) 1、一個電致變色元件 (electrochromic device, 簡稱ECD) 2、一個電源單元3，及一個控制單元4。

該發光電化學元件1包括一個具有相反的一個第一面111與一個第二面112的基板11、一個位於該基板11的該第一面111的陽極層12、一個位於該陽極層12上的電洞傳輸層13、一個位於該電洞傳輸層13上的發光層14，以及一個位於該發光層14上並且以金屬製成的陰極層15。

其中，該基板11為可透光的基板11，例如玻璃。該陽極層12為銦錫氧化物(ITO)，厚度約為120nm。該電洞傳輸層13包含聚二氧乙基噻吩(PEDOT)與聚苯乙烯磺酸(PSS)。該電洞傳輸層13的製法，是將適當比例的PEDOT與 PSS混合成水溶液，並利用旋轉塗布形成於該陽極層12上而製作得到。由於PEDOT與 PSS混合材料的能階與該陽極層12的ITO材料匹配，有助於電洞由陽極層12注入，故具有幫助電洞傳輸的功能。且使用PEDOT與PSS的電洞傳輸層13可以改善該陽極層12的表面平坦度，有助於後續形成該發光層14時膜層更均勻，能降低元件產生漏電流的機率。但需要說明的是，本發明不以設置該電洞傳輸層13為必要，當省略該電洞傳輸層13時，該發光層14可直接形成於該陽極層12上。

該發光層14為有機材料，因此本實施例的發光電化學元件1為有機發光電化學元件1。該發光層14可包含至少一種離子性過渡金屬錯合物(ionic transition metal complex,簡稱iTMC)，iTMC作為發光層14材料，能有效提升電激發光效率。本實施例以包含兩種iTMC為例，其中，主體材料為藍綠光材料[Ir(dfppz) ₂(dtb-bpy)] ⁺(PF6 ^-)，再加入少量客體材料為紅光材料[Ir(ppy) ₂(biq)] ⁺(PF6 ^-)，藉此形成主客體摻雜型的白光元件。所述dfppz 為1-(2,4-difluorophenyl)pyrazole，dtb-bpy 為[4,4-di(tert-butyl)-2,2´-bipyridine]，PF ₆為hexafluorophosphate ，ppy為2-phenylpyridine ， biq 為2,2´-biquinoline。此外，該發光層14還可摻混離子性鹽類BMIM ⁺(PF ₆ ^-)，其中BMIM為1-butyl-3-methylimidazolium。藉由離子性鹽類的少量摻雜，能供應元件額外的離子並縮短離子建立p-n接面的時間，進而縮短元件點亮時間、提升發光效率。

需要說明的是，由於iTMC材料具備良好的熱穩定性、載子遷移能力、反應速率以及多樣的發光頻譜等優點，且iTMC的發光機制屬於磷光系統，此材料發光效率高於螢光高分子材料，因此製作出來的白光效率也優於螢光高分子材料，所以本發明實施時，該發光層14不以添加離子性鹽類為必要限制，因為當未添加離子性鹽類時，就已具有良好的發光效率。

該陰極層15的金屬功函數大於或等於4電子伏特(eV)，主要使用活性較低而具有較高功函數的金屬材料，例如銀、金等材料，而本實施例使用銀。對於有機發光電化學元件1而言，元件施加順向偏壓時，電子與電洞分別從陰極層15與陽極層12輸入至該發光層14內，此時該發光層14材料解離出陰、陽離子並移動至相異的兩端電極，存在於陽極層12附近的發光層14材料進行氧化反應，形成p型摻雜區，存在於陰極層15附近的發光層14材料進行還原反應，形成n型摻雜區。接著繼續施加穩定相同的順向偏壓，電子、電洞會繼續輸入至發光層14，在n型及p型摻雜區完整建構時，會出現i型區(intrinsic layer)而形成p-i-n摻雜結構，並在i型區複合放光，此時會使得能帶彎曲進而大幅度降低能障，提升電子、電洞注入至發光層14內的效能，使電極(陰極層15、陽極層12)與有機材料的發光層14在能階匹配上較無問題，所以本發明可使用活性較穩定的金屬於空氣中當作該陰極層15，此也是本發明的陰極層15功函數可為大於或等於4eV的原因。

另一方面，已知的有機發光二極體(OLED)，其陰極通常選用低功函數的金屬，目的為降低注入能障，幫助電子較容易由陰極注入至發光層中，例如使用鈣、鉀、鎂等金屬，但由於鈣、鉀、鎂的化學穩定性較差(活性較高)、低功函數，在一般大氣環境下容易氧化而造成元件損壞，為避免此問題，需要使用製程繁雜的合金來取代。相對地，就發光電化學元件1而言，由於電極功函數的大小與載子注入對發光效率影響較小，因此本發明的陰極層15可以選用低活性金屬(功函數大於或等於4eV)，例如銀的功函數約為4.52~ 4.74 eV，可解決採用高活性金屬容易氧化以及製程繁雜的問題。

該電致變色元件2設置於該基板11的該第二面112，並包括二個間隔相對的基材21、二個位於該等基材21間的導電層22、一個位於該等導電層22間的離子導體層23，以及一個位於該等導電層22的其中一個與該離子導體層23間的電致變色層24。

本實施例的每一基材21為玻璃，該等基材21位於該等導電層22的相反兩側，並將該等導電層22、該離子導體層23與該電致變色層24夾設於其中。該等導電層22分別形成於該等基材21的相向表面上，並且為具有導電性的可透光薄膜，例如銦錫氧化物(ITO)或其他的透明導電氧化物。該等導電層22的作用為電流傳輸並提供電子給該電致變色層24。該離子導體層23可以使用液態或固態電解質材料，用於提供離子給該電致變色層24，本實施例使用液態的過氯酸鋰(LiClO ₄)電解質溶液。該電致變色層24的顏色能調變，由於其使用電致變色材料，在電場作用下會產生氧化還原反應，使材料能階改變，進而改變顏色。該電致變色層24材料例如WO ₃。

該電源單元3用於對該發光電化學元件1通電，以使該發光電化學元件1發光。具體而言，可對該發光電化學元件1施加固定的偏壓，以使其發光。

該控制單元4用於對該電致變色元件2施加電壓，且施加的電壓極性或電壓值可被改變，從而改變該電致變色層24顏色，使該電致變色元件2成為一個即時可調變的濾光片，此部分後續會再說明。

本發明使用時，該電源單元3對該發光電化學元件1通電，該發光層14進而產生一個為白光的初始光101，該初始光101通過該電洞傳輸層13、該陽極層12與該基板11而射向該電致變色元件2。而該電致變色元件2可供該發光電化學元件1的該初始光101通過，且該控制單元4對該電致變色元件2施加電壓。當該電致變色元件2未通電時，該電致變色層24為透明，當施加正偏壓時(連接該電致變色層24的該導電層22為陰極)，該離子導體層23中的陽離子(Li ⁺)進入該電致變色層24，該電致變色層24進而轉變為藍色，因此來自於該發光電化學元件1的白光初始光101的紅光部分，在通過該電致變色元件2之後會衰減，導致發光頻譜變成偏藍白光，從而獲得一個具有較高的相對色溫(CCT)的調變光102。也就是說，透過對該電致變色元件2施加偏壓，使該電致變色層24的顏色改變，從而可改變該初始光101的色溫而得到該調變光102，該調變光102的色溫不同於該初始光101的色溫。該調變光102自該電致變色元件2的該兩基材21中，遠離該發光電化學元件1的該基材21底面射出，因此該基材21底面相當於一個出光面。

更進一步地，對該電致變色元件2施加的偏壓逐漸變大時，該電致變色層24的藍色會逐漸轉變成深藍色，而該初始光101中的紅光部分就會跟著被濾掉更多，使調變光102的相對色溫更高。因此，改變施加於該電致變色元件2的電壓值，就可以即時調變出具有各種不同相對色溫的白光。

此外，對該電致變色元件2施加固定的正偏壓後，若改變偏壓極性，改為施加負偏壓時，該電致變色層24會由藍色轉變成原本的高度透明狀態，進而使該初始光101的紅光部分減少被濾掉。因此，對該電致變色元件2施加偏壓所產生的變色效果是可逆時(後續有實驗說明)，從而可依需求改變白光中所能通過的紅光的多寡，以達到控制色溫的目的。

參閱圖1、2，圖2為本實施例的一穿透光譜圖，是對該電致變色元件2施加固定1.5V的正偏壓時的穿透光譜與時間變化圖，而該發光電化學元件1施加固定偏壓為4V。由圖2可看出，標示有「原始」的曲線顯示該發光電化學元件1的光譜穿透率約為80 ％，屬於可見光頻譜範圍內，標示「原始」的曲線即為該初始光101，此時該電致變色元件2尚未施加偏壓。接著對該電致變色元件2施加正偏壓，且時間持續加長後可見，發光電化學元件1發出的白光中，紅光吸收比藍光的吸收顯著增加，在時間達到210秒時，波長為490nm 和620 nm 的穿透率分別為62 ％和52 ％，可見得施加固定的正偏壓的時間越長，紅光穿透率明顯下降。

參閱圖1、3，圖3的測試方式與圖2大致相同，並且是在圖2所示的210秒的實驗後，開始對該電致變色元件2施加固定1.5V的負偏壓。當施加負偏壓時，WO ₃電致變色層24由藍色逐漸轉為透明，使該電致變色元件2最後變回與變色前相同的透明元件。對該電致變色元件2施加負偏壓達到210秒左右，該發光電化學元件1的白光光譜也回復到最初未對該電致變色元件2施加任何電壓時的狀態，因此210秒時的曲線與「原始」曲線接近。由圖2、3可知，該電致變色元件2在施加正、負偏壓下，測量穿透率的結果證實，電致變色元件2可以作為濾光片，透過改變所施加的偏壓極性來調控開關，進而控制紅光的通過量多寡以調變色溫。

參閱圖1、4，圖4為改變對該電致變色元件2施加的正偏壓(由0V至3V)，在不同正偏壓時的穿透光譜圖。隨著施加的正偏壓增加，該電致變色層24逐漸變為更深的藍色，在施加偏壓從0V變為3V時，該發光電化學元件1發出的光的穿透率，波長490 nm從77 %降為23 %，波長620 nm從79 %降低至8%，並且隨著施加的正偏壓增加，藍光和紅光之間的穿透差異變得更加顯著。由實驗結果可知，當施加於電致變色元件2的正偏壓越高時，將會吸收越多來自白光頻譜中的紅光部分，使最後呈現出的白光光色更為偏藍，因而獲得更高的相對色溫。

綜上所述，藉由將該電致變色元件2結合於該發光電化學元件1一側，由於該電致變色元件2的電致變色層24顏色可被調控，因此當該發光電化學元件1的初始光101穿過該電致變色元件2後，部分色光就會衰減而形成不同色溫的該調變光102，達到可即時調變色溫的目的。經由實驗證實，本發明的色溫調變範圍可大於10000K(從2789 K 至13601 K)，可大範圍調整色溫，以配合各種照明需求與情境，應用性非常廣，可以滿足照明應用和智能照明大部分的需求。而且該發光電化學元件1的陰極層15採用活性較低、功函數大於或等於4eV的金屬材料，可解決以往採用高活性金屬而容易氧化以及製程繁雜的問題，具有極佳的應用性。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書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。

101‧‧‧初始光

102‧‧‧調變光

1‧‧‧發光電化學元件

11‧‧‧基板

111‧‧‧第一面

112‧‧‧第二面

12‧‧‧陽極層

13‧‧‧電洞傳輸層

14‧‧‧發光層

15‧‧‧陰極層

2‧‧‧電致變色元件

21‧‧‧基材

22‧‧‧導電層

23‧‧‧離子導體層

24‧‧‧電致變色層

3‧‧‧電源單元

4‧‧‧控制單元

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明可調整色溫之電化學裝置的一實施例的一示意圖；圖2是該實施例的一穿透光譜圖，說明對該實施例的一電致變色元件施加固定1.5V的正偏壓時，在不同時間時的穿透光譜；圖3是一類似圖2的穿透光譜圖，並且是對該電致變色元件施加固定1.5V的負偏壓；及圖4是該實施例的一穿透光譜圖，說明改變對該電致變色元件施加的正偏壓值(由0V至3V)，在不同正偏壓時的穿透光譜。

Claims

一種可調整色溫之電化學裝置，包含：一個發光電化學元件，可通電而發出一個初始光，該發光電化學元件包括一個具有相反的一個第一面與一個第二面的基板、一個位於該基板的該第一面的陽極層、一個位於該陽極層上的發光層，以及一個位於該發光層上並且以金屬製成的陰極層，該陰極層的功函數大於或等於4eV；及一個電致變色元件，位於該基板的該第二面，並包括二個間隔相對的導電層、一個位於該等導電層間的離子導體層，以及一個位於該等導電層的其中一個與該離子導體層間的電致變色層，該電致變色元件用於供該發光電化學元件的該初始光通過，且該電致變色層的顏色可調變，以改變該初始光的色溫而得到一個調變光；其中，該發光電化學元件還包括一個位於該陽極層與該發光層間的電洞傳輸層，該電洞傳輸層包含聚二氧乙基噻吩與聚苯乙烯磺酸。
如請求項1所述的可調整色溫之電化學裝置，其中，該發光電化學元件的該陰極層為銀或金。
如請求項1所述的可調整色溫之電化學裝置，其中，該陽極層為銦錫氧化物。
如請求項1所述的可調整色溫之電化學裝置，其中，該發光層包含過渡金屬錯合物。
如請求項1所述的可調整色溫之電化學裝置，其中，該電致變色元件還包括二個分別位於該等導電層的相反兩側，並將該等導電層、該離子導體層與該電致變色層夾設於其中的基材。
如請求項5所述的可調整色溫之電化學裝置，其中，每一基材為玻璃。
如請求項1所述的可調整色溫之電化學裝置，還包含一個用於對該電致變色元件施加電壓的控制單元，該控制單元對該電致變色元件施加的電壓極性或電壓值可被改變，以改變該初始光的色溫而得到該調變光。
如請求項7所述的可調整色溫之電化學裝置，還包含一個用於對該發光電化學元件通電，以使該發光電化學元件發出該初始光的電源單元。