專利名稱：電致變色裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電致變色裝置，特別涉及通過(guò)外加電壓而可改變透明度的一種電致變色裝置。
背景技術(shù)：
根據(jù)公知的電致變色技術(shù)，其中使用的材料是能夠在外加電場(chǎng)的作用下改變電致變色材料的反射率、透過(guò)率以及吸收率，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定、可逆的顏色變化，如有色與透明之間的改變。電致變色材料可分為無(wú)機(jī)電致變色材料和有機(jī)電致變色材料。無(wú)機(jī)電致變色材料的典型代表是三氧化鎢，而有機(jī)電致變色材料主要有聚噻吩類及其衍生物、紫羅精類、四硫富瓦烯、金屬酞菁類化合物等。若一般門戶玻璃應(yīng)用公知的電致變色材料形成一種智能玻璃，可以在電場(chǎng)作用下具有光吸收透過(guò)的可調(diào)節(jié)性，可選擇性地吸收或反射外界的熱輻射和內(nèi)部的熱擴(kuò)散，借此調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，亦可改善自然光照程度，或是達(dá)到防窺的目的。電致變色材料應(yīng)用很廣，其中之一是應(yīng)用在門戶的玻璃上，可參考美國(guó)專利第7，333，258號(hào)(公告日2008年2月19日)揭示的電致變色裝置(ElectrochromicDevice)，如圖I所示。圖中顯示一電致變色裝置，特別用于窗戶上，裝置包括有第一玻璃板11與第二玻璃板12所夾合的第一透明電極層13、第二透明電極層14、電致變色層10、離子傳導(dǎo)層15與離子儲(chǔ)存層16，另有連接于第一、第二透明電極層13、14的電壓源18。經(jīng)電壓源18施加于第一透明電極層13與第二透明電極層14，其中離子將由離子傳導(dǎo)層15游離到電致變色層10，或是反向由電致變色層10游離到離子傳導(dǎo)層15，主要是根據(jù)電致變色層10中材料特性而改變顏色，變暗或是變透明。但可變色切換的玻璃仍無(wú)法有效隔熱，且玻璃放在室外容易有表面污染，尤其高樓玻璃清洗更加困難。且玻璃通常是長(zhǎng)時(shí)間的受到太陽(yáng)照射，因而可結(jié)合與太陽(yáng)能有關(guān)的技術(shù)利用。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于氣凝膠的高介電常數(shù)特性十分適合用于電致變色層的復(fù)合材料，且目前并未有相關(guān)專利與公知技術(shù)結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)開發(fā)出復(fù)合材料，而本發(fā)明人著手進(jìn)行研究并發(fā)現(xiàn)其具有極佳的應(yīng)用價(jià)值，因此，發(fā)明人欲針對(duì)上述缺點(diǎn)與待改進(jìn)的空間進(jìn)行研革并提出專利申請(qǐng)。應(yīng)用公知的電致變色材料，本發(fā)明提出一種電致變色裝置，其中包括備置一種多孔隙的氣凝膠層，封裝于第一與第二的透明基板之間，另具有第三基板，第二基板與第三基板之表面涂布有導(dǎo)電材料，形成第一導(dǎo)電材料層與第二導(dǎo)電材料層，其中封裝有電致變色材料，通過(guò)加電壓于導(dǎo)電材料層，可以改變電致變色材料的特性。上述各基板較佳為玻璃基板。就其效果而言，氣凝膠具有隔熱、吸震、隔音、透光與介電性的特性，電致變色材料提供變色的效果，可改變顏色，或可變暗或是變透明。于第三基板的外表面可涂布光觸媒材料，形成第一光觸媒層，當(dāng)光觸媒材料被太陽(yáng)光中的紫外光照射時(shí)，在室內(nèi)的光觸媒材料即具有抗菌、除臭、凈化的功能；第二光觸媒層形成于第一基板外側(cè)，室外光觸媒則可防污，并且凈化環(huán)境空氣的效果。根據(jù)實(shí)施例之一，第一基板外可貼附一太陽(yáng)能電源層，此可提供此電致變色裝置的電力。根據(jù)另一實(shí)施例，電致變色裝置包括有第一基板與第二基板，兩者相對(duì)的表面分別形成有第一導(dǎo)電材料層與第二導(dǎo)電材料層，其間封裝有一電致變色復(fù)合材料層，此電致變色復(fù)合材料層為一氣凝膠與一電致變色材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)。 本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明的電致變色裝置特別可為一透明玻璃為主要結(jié)構(gòu)的裝置，包括封裝于兩個(gè)導(dǎo)電材料間的電致變色材料、電致變色復(fù)合材料或是一種全液態(tài)電致變色材料，可以通過(guò)太陽(yáng)能光電板供電，提供該裝置改變其透明度或顏色，并可配合隔熱用的氣凝膠與殺菌、除污用的光觸媒，形成一個(gè)多功能的電致變色的智能裝置。


圖I顯示為公知技術(shù)的電致變色裝置示意圖；圖2A至圖2G顯示為本發(fā)明電致變色裝置的工藝實(shí)施例示意圖；圖3顯示本發(fā)明電致變色裝置實(shí)施例之一示意圖；圖4顯示本發(fā)明電致變色裝置實(shí)施例之二示意圖；圖5顯示為太陽(yáng)能電源層示意圖；圖6顯示本發(fā)明電致變色裝置實(shí)施例之三示意圖；圖7顯示本發(fā)明電致變色裝置實(shí)施例之三的另一示意圖；圖8顯示本發(fā)明電致變色裝置實(shí)施例之四示意圖。其中，附圖標(biāo)記說(shuō)明如下電致變色裝置20、20'、30、30'、60、60'、60"第一玻璃板11第二玻璃板12第一透明電極層13 第二透明電極層14電致變色層10離子傳導(dǎo)層15離子儲(chǔ)存層16電壓源18氣凝膠層204第一基板201第二基板202第三基板203第一導(dǎo)電材料層205 第二導(dǎo)電材料層206電致變色材料層207 第一光觸媒層209第二光觸媒層210 太陽(yáng)能電源層212第一基板301第二基板302第三基板303氣凝膠層304第一導(dǎo)電材料層305 第二導(dǎo)電材料層306
電致變色材料層307 第一光觸媒層309第二光觸媒層310 太陽(yáng)能電源層312電壓源32第一電極層501第二電極層505防止反射膜502第一半導(dǎo)體材料層503第二半導(dǎo)體材料層504第一基板601第二基板602第一導(dǎo)電材料層603第二導(dǎo)電材料層604第一光觸媒層606 第二光觸媒層607太陽(yáng)能電源層612薄膜型電致變色材料6051電解質(zhì)材料6052氣凝膠材料6053電致變色復(fù)合材料層605 間隙層608
具體實(shí)施例方式能源消耗與環(huán)境保護(hù)可說(shuō)是一體兩面的議題，若能有效解決能源消耗問題，對(duì)于環(huán)境保護(hù)則有正面效果。本發(fā)明即揭示可以通過(guò)外加電壓而改變透明度的一種電致變色裝置，應(yīng)用此電致變色裝置制作的窗戶可以作為調(diào)節(jié)建筑物室內(nèi)溫度與光線的節(jié)能裝置，能有效降低環(huán)境熱源對(duì)建筑的影響。特別的是，電致變色裝置在一實(shí)施例中，可以具有氣凝膠、電致變色材料與納米二氧化鈦光觸媒三種結(jié)合的結(jié)構(gòu)，經(jīng)工藝組成后可形成門戶用的透明裝置，依此提供一種具有多功能殺菌、隔熱、隔首、調(diào)光等功能的智能裝置。其中主要組成中的電致變色材料能夠在外加電場(chǎng)(電壓)的作用下改變電致變色材料的反射率、透過(guò)率以及吸收率，使之產(chǎn)生穩(wěn)定、可逆的顏色變化，如有色與透明之間的改變。一般情況下，對(duì)一種電致變色薄膜兩端施加電壓時(shí)，其中電解質(zhì)的陽(yáng)離子與導(dǎo)體電極上的電子會(huì)同時(shí)注入，或是移出薄膜，進(jìn)而使薄膜材料的氧化狀態(tài)發(fā)生改變，因此導(dǎo)致顏色變化。根據(jù)實(shí)施例，通常在電致變色裝置中的電致變色材料層包括有電致變色薄膜與電解質(zhì)層，能分別提供電子與離子，能夠根據(jù)外加電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)在材料中移動(dòng)，除了會(huì)產(chǎn)生顏色變化外，更應(yīng)具有高透光率。實(shí)施例可參考圖2A至圖2G所示的電致變色裝置的工藝。如圖2A，先備置一氣凝膠層204，可為一種親水性或疏水性的納米二氧化硅氣凝膠或二氧化鈦氣凝膠，較佳是具有多孔隙的結(jié)構(gòu)。接著如圖2B所示，將此氣凝膠的溶-凝膠(sol-gel)披附于圖示中的第一基板201與第二基板202之間的表面上，可通過(guò)干燥方式使其披附于表面，兩端并予以封裝材料密封。根據(jù)實(shí)施例，可將披附二氧化硅氣凝膠的基板(201，202)進(jìn)行熱處理或表面處理，以提高其之間的附著性。較佳的是，各基板為玻璃基板。上述第一基板201與第二基板202較佳為玻璃，若為建筑物門戶之用，則為透明玻璃，以使得本說(shuō)明書所描述的電致變色裝置可以充分發(fā)揮其可變色的特色。對(duì)于上述披附于基板(201，202)表面的二氧化硅氣凝膠表面涂覆界面活性劑進(jìn)行表面改質(zhì)，或是在氣凝膠制作上直接制作出親水性或疏水性的氣凝膠。
經(jīng)填充氣凝膠層204于兩基板(201，202)之間后，如圖2C所示，在第二基板202上鍍上一層第一導(dǎo)電材料層205，此可為一種導(dǎo)電玻璃材料，如玻璃基板涂覆有ITO (Indiumtin oxide) 0接著如圖2D，備置第三基板203，同樣較佳為玻璃，若為門戶之用，則較佳為透明玻璃。在第三基板203上鍍上另一層導(dǎo)電材料，如第二導(dǎo)電材料層206。如圖示，第三基板203與第二導(dǎo)電材料層206形成的結(jié)構(gòu)與第一基板201、氣凝膠層204、第二基板202與第一導(dǎo)電材料層205形成的結(jié)構(gòu)相對(duì)組立。再如圖2E所示，兩組結(jié)構(gòu)之間灌注電致變色材料形成電致變色材料層207并進(jìn)行封裝。上述第一基板201、第二基板202與封裝于之間的氣凝膠層204，并涂布于第二基板202表面的第一導(dǎo)電材料層205與涂布于第三基板203上的第二導(dǎo)電材料層206形成的結(jié)構(gòu)為本說(shuō)明書所稱的電致變色裝置20，特別是一種具有納米多孔性氧化鈦光觸媒氣凝膠
層的玻璃。
就其效果而言，上述氣凝膠層204為一種隔熱、吸震、隔音、透光與介電性的氣凝膠，可降低室外輻射熱傳至室內(nèi)。而電致變色材料提供變色的效果，當(dāng)于第一導(dǎo)電材料層205與第二導(dǎo)電材料層206施加一定電壓時(shí),于電致變色材料層207產(chǎn)生一電場(chǎng),通過(guò)其中離子及/或電子的移動(dòng)改變材料的顏色，可變暗或是變透明。圖2F顯示可于第三基板203的外表面涂布光觸媒材料，形成第一光觸媒層209，當(dāng)光觸媒材料被太陽(yáng)光中的紫外光照射時(shí)，在室內(nèi)的光觸媒材料即具有抗菌、除臭、凈化的功能，若如圖2G所示，室外光觸媒則可防污，并且凈化環(huán)境空氣的效果。如圖2G所描述的實(shí)施例，于第一基板201外貼附一太陽(yáng)能電源層212，此可提供此電致變色裝置20'的電力，又于第一基板201與太陽(yáng)能電源層212之外表面涂布光觸媒材料，形成第二光觸媒層210。上述電致變色裝置中的各層結(jié)構(gòu)的效果與內(nèi)容分述如下氣凝膠層204的氣凝膠(Aerogel)氣凝膠為低熱傳導(dǎo)系數(shù)的納米級(jí)多孔層固體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料，具有高表面積、低密度及低熱傳導(dǎo)性，可由有機(jī)或無(wú)機(jī)物所構(gòu)成，特色是主要組成成分98%皆為空氣，外表近似透明，為現(xiàn)存固體中具有最佳隔熱性質(zhì)的材料。由于為多孔隙的結(jié)構(gòu)，孔洞大小小于分子氣凝膠，通過(guò)固體粒子間非常微細(xì)的接觸，于熱量通過(guò)固體進(jìn)行熱傳導(dǎo)行為時(shí)，熱傳導(dǎo)路徑將會(huì)受碰撞的平均自由路徑，導(dǎo)致氣體熱傳導(dǎo)受到抑制，故具有低熱傳導(dǎo)系數(shù)，因此有良好的隔熱效果。最常見形態(tài)是由選擇的氧化硅(SiO2)與碳利用溶膠凝膠高分子聚合的無(wú)機(jī)-金屬材料所構(gòu)成，氣凝膠可制備成單斜晶體，具有極大表面積及高孔隙度。由于其獨(dú)特組成，氣凝膠具有廣泛性的應(yīng)用，包括制備絕緣器、聲波吸收器、觸媒支撐器、吸附物及超級(jí)電容器，SiO2氣凝膠經(jīng)常用于作為熱絕緣體，可抗拒達(dá)1000°C的高溫及可做成盤狀或磚塊狀。而氣凝膠并非只能單純?yōu)闊o(wú)機(jī)材料，甚至可作成有機(jī)的氣凝膠或是有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料型的氣凝膠。亦可控制其表面活性特征，使其具有疏水性或親水性的功能。氣凝膠除了具有優(yōu)異的隔熱能力外，同時(shí)具備低折射率特性，相當(dāng)于擁有高透視度性能，此種優(yōu)異高透視度的特性，因此適合作為本發(fā)明的電致變色裝置應(yīng)用在門窗的應(yīng)用。電致變色材料層207之電致變色材料(Electrochromic material)
電致變色是指材料在電流或電場(chǎng)的作用下，發(fā)生光吸收或光散射，從而導(dǎo)致顏色產(chǎn)生穩(wěn)定可逆變化的現(xiàn)象。自從發(fā)現(xiàn)氧化鎢(WO3)薄膜的電致變色現(xiàn)象，就相繼發(fā)現(xiàn)并研究了很多具有電致變色性質(zhì)的物質(zhì)，如無(wú)機(jī)過(guò)渡金屬氧化物Ti02、Ni (OH)2與Ir(OH)2等，有機(jī)紫精、聚苯胺、酞花菁等。電致變色材料按材料類型大致可分為無(wú)機(jī)電致變色材料與有機(jī)電致變色材料。無(wú)機(jī)電致變色材料的性能穩(wěn)定，其光吸收變化是由于離子和電子的雙注入與雙抽出而引起的。有機(jī)電致變色材料的色彩豐富，易進(jìn)行分子設(shè)計(jì)，其光吸收變化來(lái)自氧化還原反應(yīng)。紫精為典型的有機(jī)電致變色材料。紫精(Viologen)是1，1’ -雙取代基_4，4’ -聯(lián)吡啶鹽，其結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)N原子，不同的氧化還原態(tài)可提供電子或接收電子，發(fā)生兩次可逆的氧化-還原反應(yīng)。紫精有三個(gè)氧化還原態(tài)，紫精的2價(jià)陽(yáng)離子最穩(wěn)定，在可見光區(qū)基本沒有吸收，當(dāng)沒有對(duì)陰離子引起光電荷轉(zhuǎn)移時(shí)不顯色。
還原時(shí)產(chǎn)生I價(jià)陽(yáng)離子自由基，自由基電子在紫精的大共軛π鍵骨架上離域，因而可穩(wěn)定存在。光電荷在I價(jià)N和O價(jià)N之間的轉(zhuǎn)移，使得其莫爾吸光系數(shù)e很高，著色強(qiáng)烈。N，N’上取代基(R，R’ )的電子效應(yīng)對(duì)吸收光譜有較大影響，發(fā)生變化時(shí)引起分子軌道能級(jí)變化，從而產(chǎn)生不同顏色。進(jìn)一步還原，得到雙還原態(tài)中性紫精，因其沒有相對(duì)應(yīng)于可見光譜的光電荷轉(zhuǎn)移，顏色強(qiáng)度很低。上述的無(wú)機(jī)電致變色材料為選自陽(yáng)極變色(anodic coloration)、陰極變色(cathodic coloration)、陰 / 陽(yáng)極變色(cathodic/anodic coloration)所組成的過(guò)渡金屬元素氧化物群族其中之一；該陽(yáng)極變色過(guò)渡金屬元素氧化物可為氧化鉻(Cr2O3)、氧化鎳(NiOx)、氧化銥(IrO2)、氧化錳(MnO2)、氫氧化鎳[Ni (OH)2]、五氧化二鉭(Ta2O5)和亞鐵氰化鐵(Fe[Fe(Cn)6]3);該陰極變色過(guò)渡金屬元素氧化物可為氧化鎢(WO3)、氧化鑰(MoO3)、氧化鈮(Nb2O3)、氧化鈦(TiO2)、鈦酸鍶(SrTiO3)和五氧化二鉭(Ta2O5);該陰/陽(yáng)極變色過(guò)渡金 屬元素氧化物可為氧化釩(V2O2)、氧化銠(Rh2O3)和氧化鈷(CoOx)。再者，該電致變色材料還可為導(dǎo)電聚合物混合電解質(zhì)所制成的有機(jī)薄膜型電致變色材料，其中，該導(dǎo)電聚合物為聚舭咯(Polypyrrole)或聚苯胺(polyaniline)。電致變色材料層207的電解質(zhì)層電解質(zhì)層的其中之一實(shí)施例為固態(tài)電解質(zhì)，較佳為一質(zhì)子交換膜(ProtonExchange Membrane),其他可如離子聚合物薄膜(Ionomer membrane)、有機(jī)/無(wú)機(jī)混成薄膜(Organic-Inorganic hybrid membrane)或酸 / 喊高分子薄膜(Membrane based onpolymer and oxo_acids)其中之一。其中離子聚合物薄膜可為一聚全氟磺酸(polymerizedperfluorosulfonic acid, PFSA)膜。另有一種液態(tài)電解質(zhì)，其可為過(guò)氯酸鋰(LiCO4)、氫氧化鉀(KOH)、氫氧化鈉(NaOH)或硅酸鈉(Na2SiO3)等。光觸媒的種類繁多，如二氧化鈦、葉綠素、金屬錯(cuò)合物(染料)等物質(zhì)，凡是可吸收光線而引起催化反應(yīng)進(jìn)行的，都屬于光觸媒的范圍。其中尤以葉綠素更是廣為世人所熟悉的天然光觸媒，它可以吸收太陽(yáng)光的能量，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成葡萄糖，這就是著名的光合作用，既可提供生命所需的碳水化合物，更能去除空氣中的二氧化碳，是天然的光觸媒。其中二氧化鈦(TiO2)因?yàn)榛瘜W(xué)性質(zhì)安定、不會(huì)危害人體與自然環(huán)境、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，而成為最為廣泛使用的人工光觸媒。光觸媒是一種吸收光線而產(chǎn)生觸媒反應(yīng)的材料，只有在吸收適當(dāng)光線后才會(huì)發(fā)生作用。當(dāng)光觸媒材料的粒徑落在I 100納米范圍時(shí)，就可稱為納米光觸媒，以形容這光觸媒材料的粒徑大小屬于納米級(jí)。當(dāng)二氧化鈦粒子吸收大于其能量間隙的光能后，電子會(huì)從共價(jià)帶激發(fā)至傳導(dǎo)帶成為自由電子，而在共價(jià)帶留下一個(gè)帶正電的空穴。激發(fā)態(tài)的電子可以與靠近光觸媒粒子表面的分子進(jìn)行還原反應(yīng)，使它成為還原態(tài)。另一方面，帶正電的空穴可以與化學(xué)分子進(jìn)行氧化反應(yīng)，使它成為氧化態(tài)。因此在光觸媒粒子表面同時(shí)進(jìn)行著氧化與還原反應(yīng)，這就是典型的光催化反應(yīng)過(guò)程。
當(dāng)利用二氧化鈦粒子進(jìn)行環(huán)境凈化時(shí)，由于是在大氣中，因此氧分子與水氣分子會(huì)主導(dǎo)光觸媒粒子表面上氧化還原反應(yīng)的進(jìn)行。當(dāng)環(huán)境中的水氣與氧氣分子分別接觸到二氧化鈦粒子表面的電子與空穴時(shí)，就會(huì)在二氧化鈦粒子表面上產(chǎn)生氫氧自由基(-0H)與負(fù)氧離子(02_)等吸附態(tài)的活性物質(zhì)。這些具有高度氧化能力的活性物質(zhì)，與大氣或水相中的污染物，如有機(jī)化合物、臭味、氮氧化物、細(xì)菌等接觸時(shí)，會(huì)把它們氧化分解成二氧化碳與水，達(dá)到去除污染物的目的。光觸媒的反應(yīng)機(jī)制可概分為化學(xué)反應(yīng)機(jī)制與物理作用機(jī)制。舉凡空氣污染物或水中污染物的去除、有機(jī)化學(xué)合成、水分解產(chǎn)生氫氣等應(yīng)用，都牽涉到氧化或還原的化學(xué)反應(yīng)。具有多孔隙且較厚的光觸媒涂層，能提供較多的有效面積供電子-空穴與附著在表面上的分子進(jìn)行反應(yīng)，以提高反應(yīng)速率。至于物理作用機(jī)制，如自潔、防霧、防銹等，則因?yàn)閮H牽涉電子的移轉(zhuǎn)機(jī)制，不需要太厚的光觸媒涂層。加上所涂布的對(duì)象大多是玻璃或磁磚等光滑表面，不能因?yàn)楣庥|媒涂層而造成透光率的減少，或影響建物原來(lái)的顏色與外觀，因此物理作用機(jī)制需要的僅是一層均勻，厚度約數(shù)十或數(shù)百納米的薄膜。光觸媒除了環(huán)境凈化的應(yīng)用之外，在水的分解以產(chǎn)生氫氣、二氧化碳還原以產(chǎn)生甲醇、光觸媒太陽(yáng)電池等方面的應(yīng)用，也日益受到重視和廣泛的研究與開發(fā)，尤其是光觸媒太陽(yáng)電池的開發(fā)，與一般硅基太陽(yáng)電池比較，光觸媒太陽(yáng)電池具備可撓曲性，可制備于軟性基材(如布料、塑膠等)上，應(yīng)用范圍會(huì)大為增加，因此備受期待。太陽(yáng)能電源層212的透明太陽(yáng)能光電板太陽(yáng)光的輻射能量分布在非常廣泛的波長(zhǎng)領(lǐng)域內(nèi)，其中6%為紫外光，50%為可視光，44%為紅外光。光電板的運(yùn)作原理是利用半導(dǎo)體pn接合的激電力效應(yīng)，如圖5所示，半導(dǎo)體根據(jù)載子(Carrier)的正負(fù)特性分為p型與η型兩種，ρ型與η型半導(dǎo)體一旦接合,負(fù)電子就會(huì)分開成為η型半導(dǎo)體，正電子則分開成為P型半導(dǎo)體。光線照射半導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)，具備負(fù)電荷的電子與具備正電荷的電子，則因半導(dǎo)體pn接合被分開，此時(shí)若將電極連續(xù)接在兩半導(dǎo)體，就能夠?qū)㈦姎馊≈镣獠?。一般?lái)說(shuō)，晴天時(shí)到達(dá)地表的光量平均大約是l，000W/m2左右，然而實(shí)際上pn接合半導(dǎo)體構(gòu)成的光電板，只對(duì)特定波長(zhǎng)的光線動(dòng)作，換句話說(shuō)要利用太陽(yáng)光的全波長(zhǎng)光線能量相當(dāng)困難，因此光電板一般只能獲得低于20%的發(fā)電效率，以傳統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率7%的硅半導(dǎo)體光電板為例，晴天時(shí)最多只能獲得70W/m2的電氣能量。有關(guān)紅外光的應(yīng)用，理論上只要附加可變反射率功能，就能夠制作對(duì)紫外光、可視光、紅外光獨(dú)立反應(yīng)控制的半導(dǎo)體元件，若是制成平板玻璃形狀時(shí)，這意味著該元件可以輕易應(yīng)用在一般住家的玻璃窗戶，達(dá)成大面積設(shè)置的目標(biāo)。將光電板應(yīng)用住家玻璃窗戶發(fā)電的構(gòu)想，它可以確保照明上的可視光，夏天防止熱流入室內(nèi)時(shí)反射紅外光，冬天則將紅外光導(dǎo)入室內(nèi)，減少其它能源的使用，達(dá)成所謂的太陽(yáng)能薄片(Solar Sheet)目標(biāo)。由于透明光電板利用紫外光的能量發(fā)電，因此包含光電板本身都可以防止紫外光造成的各種劣化問題，還可以輕易附加紅外光反射功能，對(duì)室內(nèi)隔熱效果有正面幫助，透明光電板同時(shí)兼具發(fā)電、隔熱、可視光玻璃窗戶等功能，一般認(rèn)為，其未來(lái)可望成為省能源的革命性建筑要素。制作氧化物透明半導(dǎo)體時(shí)大多使用耐高溫、高均質(zhì)藍(lán)寶石等高單價(jià)、高品質(zhì)結(jié)晶性基板，基于未來(lái)量產(chǎn)成本等考量，將氧化鋅半導(dǎo)體(η型)與銅鋁氧化物半導(dǎo)體(P型)形成透明半導(dǎo)體pn接合，進(jìn)而制成氧化鋅、鋁氧化物半導(dǎo)體、氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電膜、透明玻璃基板構(gòu)成的透明光電板。根據(jù)上述氣凝膠、電致變色材料、光觸媒與透明太陽(yáng)能光電板的描述，本發(fā)明特別提出以下幾種應(yīng)用這些材料的電致變色裝置的實(shí)施例。 第一實(shí)施例圖3顯示本發(fā)明電致變色裝置實(shí)施例之一示意圖。圖3中左側(cè)顯示有第一基板301與第二基板302，并封裝于其間的氣凝膠層304，第二基板302相對(duì)于氣凝膠層304的另一側(cè)表面則形成有第一導(dǎo)電材料層305，比如是涂布于其第二基板302表面的氧化銦錫(ITO)材料層,而第三基板303的一表面則形成有第二導(dǎo)電材料層306,同樣可為氧化銦錫(ITO)材料層，與第二基板302與第一導(dǎo)電材料層305形成的結(jié)構(gòu)相互對(duì)應(yīng)組立。第一導(dǎo)電材料層305與第二導(dǎo)電材料層306之間填入封裝有一電致變色材料層307，另有一電壓源32分別電性連接第一導(dǎo)電材料層305與第二導(dǎo)電材料層306，此電壓源32供應(yīng)電壓,并在第一導(dǎo)電材料層305與第二導(dǎo)電材料層306之間形成電場(chǎng),而致使電致變色材料層307內(nèi)的電解材料發(fā)生電子與離子移動(dòng)的現(xiàn)象，使得此電致變色材料在電場(chǎng)的作用下發(fā)生光吸收或光散射，因而達(dá)到控制其顏色或透明度的效果。此例中，第一基板301、第二基板302與第三基板303為透明玻璃，故此電致變色材料層307因施加電壓產(chǎn)生的顏色變化或是透明度變化將改變整個(gè)電致變色裝置30的透光特性。另有實(shí)施例在第一基板301與第三基板303的外側(cè)表面分別涂布有光觸媒層，同時(shí)在室內(nèi)與室外都有除污、凈化與殺菌的效果。第二實(shí)施例上述電壓源32可為裝置本身所提供，如圖4顯示的電致變色裝置實(shí)施例之二示意圖。圖中同樣包括第一基板301、第二基板302與其間封裝的氣凝膠層304，另有形成于第二基板302的另外一側(cè)表面的第一導(dǎo)電材料層305,第三基板303的表面則形成有第二導(dǎo)電材料層306,而第一導(dǎo)電材料層305與第二導(dǎo)電材料層306之間封裝有電致變色材料層307。此例中，用于去污、殺菌的第一光觸媒層309涂布于第三基板303的外側(cè)表面,第一基板301相對(duì)于氣凝膠層304的另一表面上可貼附一太陽(yáng)能電源層312，此太陽(yáng)能電源層312經(jīng)陽(yáng)光照射可以產(chǎn)生電力，特別的是，太陽(yáng)能電源層312電性連接第一導(dǎo)電材料層305與第二導(dǎo)電材料層306,可以施加電壓于兩個(gè)導(dǎo)電材料層305,306上,通過(guò)形成的電場(chǎng)使得電致變色材料層307產(chǎn)生變化，多余的電力可供給額外設(shè)施使用。太陽(yáng)能電源層312的外側(cè)表面可以涂布光觸媒而形成第二光觸媒層310，另有第一光觸媒層309涂布于第三基板303相對(duì)于第二導(dǎo)電材料層306的另一外側(cè)表面。太陽(yáng)能電源層312可為一透明太陽(yáng)能光電板，不致影響整體電致變色裝置30'的透光度。上述太陽(yáng)能電源層312的實(shí)施例可參考圖5所示的示意圖。此類太陽(yáng)能光板可為透明裝置，其結(jié)構(gòu)包括有受光面的第一電極層501，第一電極層501與內(nèi)部構(gòu)造之間可設(shè)置有一防止反射膜502，與另一側(cè)的第二電極層505之間具有相互接觸的第一半導(dǎo)體材料層503與第二半導(dǎo)體材料層504。根據(jù)實(shí)施例，太陽(yáng)能光電板的運(yùn)作原理是利用半導(dǎo)體pn接合的激電力效應(yīng)，第一半導(dǎo)體材料層503與第二半導(dǎo)體材料層504可分別為η型半導(dǎo)體材料與ρ型半導(dǎo)體材料。P型與η型半導(dǎo)體材料一旦接合，負(fù)電子就會(huì)分開成為η型半導(dǎo)體，正電子則分開成為ρ型 半導(dǎo)體。光線照射pn半導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生激發(fā)，其間移動(dòng)的電子或空穴產(chǎn)生電流，經(jīng)導(dǎo)出可供應(yīng)電致變色裝置的電力。第三實(shí)施例圖6顯示本發(fā)明電致變色裝置實(shí)施例之三示意圖。圖中顯示的電致變色裝置60具有第一基板601與第二基板602，并包括分別形成于其表面的第一導(dǎo)電材料層603與第二導(dǎo)電材料層604,兩側(cè)結(jié)構(gòu)相互組立,第一導(dǎo)電材料層603與第二導(dǎo)電材料層604之間封裝有一電致變色復(fù)合材料層605。在一實(shí)施例中，上述的電致變色復(fù)合材料層605特別具有半導(dǎo)體特性，因此有可能與鄰接的結(jié)構(gòu)(如第二導(dǎo)電材料層604)產(chǎn)生異常電氣相接的問題，如短路，故如圖所示的實(shí)施例，可在電致變色復(fù)合材料層605與第二導(dǎo)電材料層604之間補(bǔ)入一間隙層608,以確保兩層之間不會(huì)產(chǎn)生異常短路問題。另有實(shí)施例也可在電致變色復(fù)合材料層605與第一導(dǎo)電材料層603之間補(bǔ)入類似的間隙結(jié)構(gòu)。此例的電致變色復(fù)合材料層605結(jié)合了上述實(shí)施例中的氣凝膠與一電致變色材料，如紫精混合氣凝膠或接枝聚合于氣凝膠表面的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，此復(fù)合結(jié)構(gòu)同時(shí)包括了氣凝膠的特性，又可為電致變色之用。此處氣凝膠屬于高介電常數(shù)的材料，并必須具有半導(dǎo)體導(dǎo)電的特性，方能提供電子予電致變色材料，如二氧化鈦或氧化銦錫等。另一種架構(gòu)是利用二氧化硅等不具導(dǎo)電特性的材料做成氣凝膠，電子則靠基板的表面涂布有導(dǎo)電材料進(jìn)行提供。而氣凝膠親水與疏水性的應(yīng)用，則視需求而定。作為室外與室內(nèi)玻璃上，以納米氧化鈦光觸媒作為氣凝膠的納米微孔架構(gòu)，因需要行光合作用，所以需要親水性屬性的氣凝膠。然而，若作為在兩導(dǎo)電玻璃之間，如第一導(dǎo)電材料層603與第二導(dǎo)電材料層604之間，與電致變色材料作為復(fù)合材料，則可視電致變色材料中溶液性質(zhì)決定；如果是水系電致變色溶液或電解質(zhì)，或是OF基者，如水，則可選用親水性的氣凝膠；反之，如果是油性或疏水性的電致變色溶液或電解質(zhì)，如Y - 丁內(nèi)酯，則必須把氣凝膠制作成具疏水性特質(zhì)。另有實(shí)施例如圖7顯示的電致變色裝置60'，其中特別的是，電致變色復(fù)合材料層605除上述電致變色材料混合或接枝聚合于氣凝膠表面的結(jié)構(gòu)外，此復(fù)合材料亦可于第二導(dǎo)電材料層604上(此例為電致變色復(fù)合材料層605與第二導(dǎo)電材料層604之間)鍍有一層有機(jī)或無(wú)機(jī)薄膜型電致變色材料6051，而電致變色復(fù)合材料層605中更將電解質(zhì)材料6052灌注封裝于氣凝膠材料6053的孔隙中。根據(jù)實(shí)施例，第一基板601與第二基板602的外側(cè)表面可涂布有光觸媒,形成光觸媒層。第四實(shí)施例此例如圖8所示的電致變色裝置實(shí)施例之四示意 圖。其中電致變色裝置60'的第一基板601與第二基板602內(nèi)部封裝有電致變色復(fù)合材料層605,而兩個(gè)基板(601,602)的內(nèi)側(cè)表面分別形成有第一導(dǎo)電材料層603與第二導(dǎo)電材料層604。在一實(shí)施例中，如圖6顯示的結(jié)構(gòu)，電致變色復(fù)合材料層605因?yàn)榫哂邪雽?dǎo)體特性，所以為避免與鄰接的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生異常電氣相接的問題，可在電致變色復(fù)合材料層605與第二導(dǎo)電材料層604之間補(bǔ)入間隙層608，以確保兩層之間不會(huì)產(chǎn)生異常短路問題。同樣在電致變色復(fù)合材料層605與第一導(dǎo)電材料層603之間亦可補(bǔ)入類似的間隙結(jié)構(gòu)。特別的是，此例的第二基板602的外側(cè)表面形成有第一光觸媒層606，而第一基板601的外側(cè)表面則可設(shè)置有可供應(yīng)電力的太陽(yáng)能電源層612，太陽(yáng)能電源層612電性連接第一導(dǎo)電材料層603與第二導(dǎo)電材料層604,其產(chǎn)生的電力可以于兩個(gè)導(dǎo)電材料層(603,604)之間形成改變電致變色復(fù)合材料層605物理特性的電場(chǎng)。另可于太陽(yáng)能電源層612的外側(cè)涂布形成第二光觸媒層607。除了上述電致變色材料的組成(如包括電致變色薄膜與電解質(zhì)層)之外，另有實(shí)施例應(yīng)用了一種“全液態(tài)電致變色材料”，即電致變色材料層中填入此全液態(tài)電致變色材料，其成分主要可以有機(jī)材料或無(wú)機(jī)材料，配合溶劑而組成，其中材料包括至少一種有機(jī)材料與至少一種無(wú)機(jī)材料，或有機(jī)、無(wú)機(jī)材料的混合溶液。根據(jù)實(shí)施例，有機(jī)材料選自氧化還原指示劑、PH指示劑與特定有機(jī)化合物，相關(guān)成分分述如下氧化還原指示劑可選自亞甲藍(lán)、二氯酚靛酚鈉、N-苯基鄰氨基苯甲酸、二苯胺磺酸鈉、N，N’ - 二苯基聯(lián)苯胺或紫精(Viologen) ;PH指示劑可為凡拉明藍(lán)鹽B ;有機(jī)化合物則可為二茂鐵(Ferrocene，F(xiàn)e(C5H5)2)、7，7，8，8_四氰基對(duì)苯二醌二甲烷(7,7,8,8-Tetracyanoquinodimethane)。全液態(tài)電致變色材料中的無(wú)機(jī)材料則可選自過(guò)渡元素的氧化物、硫化物、氯化物或氫氧化物，其中過(guò)渡元素可選自鈧副族、鈦副族、釩副族、鉻副族、錳副族、鐵系、銅副族、鋅副族或鉬副族。上述無(wú)機(jī)材料亦可選自齒族無(wú)機(jī)衍生物、氧族無(wú)機(jī)衍生物、氮族無(wú)機(jī)衍生物、碳族無(wú)機(jī)衍生物、硼族無(wú)機(jī)衍生物、堿土族無(wú)機(jī)衍生物或堿金族無(wú)機(jī)衍生物。更者，無(wú)機(jī)材料可選自氯化亞鐵(FeCl2)、三氯化鐵(FeCl3)、三氯化鈦(TiCl3)、四氯化鈦(TiCl4)、氯化鉍(BiCl3)、氯化銅(CuCl2)或溴化鋰(LiBr)。根據(jù)實(shí)施例，全液態(tài)電致變色材料中的溶劑可選自二甲基亞砜((CH3)2SO)、碳酸丙烯酯(C4H6O3)、水、丁內(nèi)酯、乙腈、丙腈、苯腈、戊二腈、甲基戊二腈、3，3’-氧二丙腈、羥基丙腈、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯啶酮、環(huán)丁砜、3-甲基環(huán)丁砜或其混合物的其中之一。
另外，全液態(tài)電致變色材料亦可為有機(jī)電致變色材料溶于溶劑中所制成者，該有機(jī)電致變色材料的一較佳實(shí)施例為紫精(Viologen)或酞花菁等，而其中該紫精的R取代基的碳鏈長(zhǎng)度或者結(jié)構(gòu)的不同而會(huì)有不同的顏色，其R取代基可為甲基(Methyl)、乙基(Ethyl)、丙基(Propyl)、丁基(Butyl)、戊基(Pentyl)、己基(Hexyl)、庚基(Heptyl)、辛基(Octyl)、異戊基(Iso-pentyl)、或節(jié)基(Benzyl)其中之一者，則該紫精較常見的可為1，I' -二甲基-4,4'-聯(lián)吡啶鑰鹽二氯化物水合物(1，I' -Dimethyl-4,4' -bipyridiniumDichloride Hydrate，MV)、二溴化_1，I' -二庚基-4,4'-聯(lián)卩比卩定鐵(1，1, -Diheptyl-4，4 f -bipyridinium Dibromide, HV)、1，1' - 二節(jié)基-4，4' -二卩比卩定卩翁二氯化物水合物(!,I1 -Dibenzyl-4,4r -bipyridinium Dichloride Hydrate,BV)-雙(2，4-二石肖基苯基)-4,4' -二氯化聯(lián)批 P定(I，I' -Bis (2,4-dinitrophenyl) -4,41 -bipyridiniumDichloride)、1，I ' -二正辛基 _4，4'-聯(lián)卩比卩定卩翁二溴化物(I，I' -Di-n-octyl-4，
41 -bipyridinium Dibromide, Octyl) Λ I, Ir - 二苯基-4,4'-聯(lián)批 P定鐵二氯化(I，11 -Diphenyl-4,4 1 -bipyridinium Dichloride) Λ4,4 1 -聯(lián)批P定(4,4' -Bipyridyl)等。綜上所述，本說(shuō)明書所描述的電致變色裝置特別可為一透明玻璃為主要結(jié)構(gòu)的裝置，包括封裝于兩個(gè)導(dǎo)電材料間的電致變色材料、電致變色復(fù)合材料或是一種全液態(tài)電致變色材料，可以通過(guò)太陽(yáng)能光電板供電，提供該裝置改變其透明度或顏色，并可配合隔熱用的氣凝膠與殺菌、除污用的光觸媒，形成一個(gè)多功能的電致變色的智能裝置。惟以上所述僅為本發(fā)明的較佳可行實(shí)施例，非因此即局限本發(fā)明的專利范圍，故舉凡運(yùn)用本發(fā)明說(shuō)明書及圖示內(nèi)容所為的等同結(jié)構(gòu)變化，均同理包含于本發(fā)明的范圍內(nèi)，合予陳明。
權(quán)利要求
1.一種電致變色裝置，其特征在于所述的裝置包括 一第一基板； 一第二基板； 一第三基板； 一氣凝膠層，封裝于該第一基板與該第二基板之間； 一第一導(dǎo)電材料層，形成于該第二基板相對(duì)該氣凝膠層的另一表面上； 一第二導(dǎo)電材料層，形成于該第三基板的一表面上，該第二導(dǎo)電材料層與該第一導(dǎo)電 材料層相對(duì)組立；以及 一電致變色材料層，封裝于該第一導(dǎo)電材料層與該第二導(dǎo)電材料層之間。
2.如權(quán)利要求I所述的電致變色裝置，其特征在于所述的電致變色材料層填入一全液態(tài)電致變色材料或薄膜型電致變色材料。
3.如權(quán)利要求I所述的電致變色裝置，其特征在于所述的第一基板、該第二基板與該第三基板為透明玻璃。
4.如權(quán)利要求I所述的電致變色裝置，其特征在于所述的第一導(dǎo)電材料層與該第二導(dǎo)電材料層分別為涂布于該第二基板與該第三基板上的氧化銦錫材料層。
5.如權(quán)利要求I所述的電致變色裝置，其特征在于所述的電致變色裝置還包括一電性連接該第一導(dǎo)電材料層與該第二導(dǎo)電材料層的一電壓源。
6.如權(quán)利要求I所述的電致變色裝置，其特征在于所述的電致變色裝置還包括一太陽(yáng)能電源層，貼附于該第一基板相對(duì)于該氣凝膠層的另一表面上。
7.如權(quán)利要求6所述的電致變色裝置，其特征在于所述的太陽(yáng)能電源層為一透明太陽(yáng)能光電板，電性連接該第一導(dǎo)電材料層與該第二導(dǎo)電材料層。
8.如權(quán)利要求6所述的電致變色裝置，其特征在于所述的電致變色裝置還包括一第二光觸媒層，涂布于該太陽(yáng)能電源層的外側(cè)表面上。
9.如權(quán)利要求I所述的電致變色裝置，其特征在于所述的電致變色裝置還包括一光觸媒層，涂布于該第一基板的外側(cè)表面上。
10.如權(quán)利要求I所述的電致變色裝置，其特征在于所述的電致變色裝置還包括一第一光觸媒層，涂布于該第三基板相對(duì)于該第二導(dǎo)電材料層的另一外側(cè)表面。
11.一種電致變色裝置，其特征在于所述的裝置包括 一第一基板； 一第二基板； 一第一導(dǎo)電材料層，形成于該第一基板的一表面上； 一第二導(dǎo)電材料層，形成于該第二基板的一表面上，該第二導(dǎo)電材料層與該第一導(dǎo)電材料層相對(duì)組立；以及 一電致變色復(fù)合材料層，封裝于該第一導(dǎo)電材料層與該第二導(dǎo)電材料層之間。
12.如權(quán)利要求11所述的電致變色裝置，其特征在于所述的電致變色復(fù)合材料層為一氣凝膠與一電致變色材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
13.如權(quán)利要求12所述的電致變色裝置，其特征在于，于該電致變色復(fù)合材料層中，還將一電解質(zhì)材料灌注封裝于該氣凝膠的材料孔隙中。
14.如權(quán)利要求12所述的電致變色裝置，其特征在于所述的電致變色復(fù)合材料層與該第二導(dǎo)電材料層之間鍍有一層有機(jī)或無(wú)機(jī)薄膜型電致變色材料。
15.如權(quán)利要求12所述的電致變色裝置，其特征在于所述的電致變色復(fù)合材料層與該第一導(dǎo)電材料層或該第二導(dǎo)電材料層之間具有一間隙層。
16.如權(quán)利要求11所述的電致變色裝置，其特征在于所述的第一導(dǎo)電材料層與該第二導(dǎo)電材料層分別為涂布于該第一基板與該第二基板上的氧化銦錫材料層。
17.如權(quán)利要求11所述的電致變色裝置，其特征在于所述的電致變色裝置還包括一電性連接該第一導(dǎo)電材料層與該第二導(dǎo)電材料層的一電壓源。
18.如權(quán)利要求11所述的電致變色裝置，其特征在于所述的電致變色裝置還包括一太陽(yáng)能電源層，為一透明太陽(yáng)能光電板，貼附于該第一基板相對(duì)于該電致變色復(fù)合材料層的另一表面上，并電性連接該第一導(dǎo)電材料層與該第二導(dǎo)電材料層。
19.如權(quán)利要求18所述的電致變色裝置，其特征在于所述的電致變色裝置還包括一第二光觸媒層，涂布于該太陽(yáng)能電源層的外側(cè)表面上。
20.如權(quán)利要求11所述的電致變色裝置，其特征在于所述的電致變色裝置還包括一第一光觸媒層，涂布于該第二基板相對(duì)于該第二導(dǎo)電材料層的另一外側(cè)表面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電致變色裝置，特別是為主體是透明玻璃的多層結(jié)構(gòu)，其中封裝有多孔隙的氣凝膠層，并于特定基板上涂布有導(dǎo)電材料，導(dǎo)電材料之間封裝有電致變色材料，通過(guò)加電壓于導(dǎo)電材料層，可以改變電致變色材料的特性。更者，基板外側(cè)都可涂布光觸媒材料，并設(shè)置有太陽(yáng)能電源層，此可提供此電致變色裝置的電力或提供電力給與其他裝置。根據(jù)另一實(shí)施例，電致變色裝置在基板之間可以封裝一種電致變色復(fù)合材料層，此電致變色復(fù)合材料層為一氣凝膠與一電致變色材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)A61L9/20GK102736342SQ20111008963
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2011年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月1日
發(fā)明者葉宗和, 葉裕洲, 王昭懿, 羅文志 申請(qǐng)人:介面光電股份有限公司