電致變色材料發展近況及未來應用

 

刊登日期:2017/8/5
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距今50多年前,美國密西根大學的Platt教授在1961年發現將材料通電後產生可逆的顏色變化,並將此現象定義成「電致變色(Electrochromism)」現象。後來在1969年,Deb在美國Cyanamid公司進行三氧化鎢(WO3)研究時,組裝了電致變色元件的樣品。嚴格說起來,電致變色技術真正的誕生通常歸因於Deb於1973年發表的創新論文,文中他描述了三氧化鎢中的著色機制及電致變色材料(Electrochromic Materials)中發生的氧化還原反應使得材料產生顏色變化。然後根據這些原理開始具體應用,可以使用各種類型的材料和結構來建立電致變色元件。近年來各國針對節能議題都因能源政策或計畫執行而投入大量資金發展,相信未來應用此技術所衍生的各式產品將會大量出現在我們的日常生活當中。

主動式變色之元件技術
主動式的變色元件顧名思義就是可由使用者需求去調控所需的變色情境,操作上更具有潛力。目前通電會產生顏色變化的技術有三種:①懸浮粒子元件(Suspended Particle Device; SPD)技術;②高分子分散型液晶(Polymer Dispersed Liquid Crystal; PDLC)技術;③電致變色(Electrochromic; EC)技術。

電致變色材料分類
電致變色材料主要分為無機材料和有機材料。無機材料可分為金屬氧化物及共價鍵金屬錯合物。金屬氧化物具代表性材料為三氧化鎢,變色的原理主要是無機材料能量軌域剛好落於可見光區的能量範圍之內,所以金屬氧化物的價數改變時,剛好可遮蔽可見光區,反射出我們肉眼所見的顏色;另外常見的共價鍵金屬錯合物則屬普魯士藍(Prussian Blue),其原理也是在不同價數下的吸收能量改變了材料本身的吸收光譜,有些特別的氧化物甚至具備氧化還原的雙極特性。

有機材料可分為小分子及高分子類型。小分子系統最常見的材料為紫精(Viologen),另外酞菁(Phthalocyanine)由於合成較為繁複,目前無相關產品;而高分子系統當中,共軛高分子的電致變色材料最常見的就是聚乙二氧基吩(Polyethylenedioxythiophene; PEDOT),其在中性態時因共軛鏈段而呈現深藍色,隨著電壓的增加,薄膜從深藍色慢慢轉變成淡藍色。

電致變色材料應用及市場
近年來電致變色技術的應用市場相當廣泛,可應用在節能智慧窗、汽車天窗及防眩光後視鏡、電子紙、電子標籤及顯示器等,以下詳述目前各種電致變色材料在不同應用領域產品的近況。

圖三、SAGE公司之電致變色窗搭配智慧手機的App進行灰階變色遙控
圖三、SAGE公司之電致變色窗搭配智慧手機的App進行灰階變色遙控

5. 相機光圈
隨著智慧手機越來輕薄,對其內部的相機規格要求也越來越高。一般傳統機械光圈的厚度則有很大的改善空間。德國凱澤斯勞滕大學(University of Kaiserslautern)的研究人員設計了一個令人振奮的新型微光圈(圖十),它利用小型電致變色環作為光圈的方式而不是傳統的光圈葉片,大大縮小了相機光圈(Camera Iris)組件的厚度。這些變色環是採用PEDOT的電致變色聚合物製成,一旦施加電壓就變成深藍色的光圈,理論上可阻止進入相機感光元件的光源,當移除電壓時再次變得透明。該技術的厚度只有55 μm,遠小於目前市場上其他任何傳統的光圈裝置,而且使用的電池耗電少得多。另一個附加的好處是可以提供完美的圓形光圈,而不是像傳統光圈葉片會產生六角形的散景。

高對比電致變色材料應用
在光學組件上有效調控光線穿透的技術是一項重要的因子,因此工研院材化所開發了用於不同遮光載具的電致變色材料,並且已經搭配許多載具進行整合驗證。這項技術相對於無機系統的材料反應速度快,透過配方的調整可達到透明(可見光區穿透度大於75%)至紅、綠、藍多彩(Multi-Color)甚至黑色(圖十一)。與其他遮光元件相比…...以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

圖十一、工研院材化所研發之RGB多彩電致變色材料及其穿透光譜圖(元件約5.4吋
圖十一、工研院材化所研發之RGB多彩電致變色材料及其穿透光譜圖(元件約5.4吋)

作者:龔宇睿、呂奇明 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」368期,更多資料請見下方附檔。


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