電致變色材料發展趨勢與應用

 

刊登日期:2020/8/5
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陳相睿/工研院材化所
 
電致變色技術自1960年代起發展至今已60年。電致變色材料擁有低驅動電壓、雙穩態及可調配性等特性,讓電致變色具有無限的可能性與發展性。近年電致變色技術發展趨勢更朝向安全性高固態電解層或膠態型電致變色材料技術推進。本文將略述電致變色技術及其相關產業與運用。
 
【內文精選】
前言
所謂變色(Chromism)是指材料受到外部刺激如光、溫度或電場而產生顏色變化。藉由光的影響而變色稱之為光致變色,其主要原理是材料在兩個不同的分子結構間產生異構化(Isomerization)的結果;而熱致變色顧名思義就是受到溫度改變而產生顏色變化;至於施加電場改變顏色則稱之為電致變色(Electrochromism)。那什麼是電致變色?電致變色是材料的一種光學屬性(反射率、透過率、吸收率等)在外加電場的作用下發生穩定、可逆的顏色變化之現象,在外觀上表現為顏色和透明度的可逆變化。
 
具有電致變色性能的材料稱為電致變色材料(Electrochromic Materials),而用電致變色材料做成的器件稱為電致變色元件。Platt教授在1961年時第一次將氧化還原變色的現象定義成「電致變色」;1969年Deb在Cyanamid公司從事無定形的三氧化鎢研究時,建立了電致變色材料及元件的樣品。自80年代開始,電致變色相關的研究及元件應用發展迅速,在近年衍生產品已頻繁地出現在我們的生活當中。
 
電致變色市場運用
電致變色產品運用,早期可能因為技術上不成熟或者是因為製程上問題而有所侷限,隨著技術不斷發展與成長,產品運用端慢慢多元化。元件薄化輕便與材料轉型(液態→固態或膠態)是未來發展趨勢,也能讓電致變色運用更加廣泛。以下就市場端運用來介紹電致變色。
1. 智慧窗
(1) 建築智慧窗
SAGE Electrochromics、EControl-Glas 與Gesimat為目前國外主要生產智慧窗公司。其主要係利用無機電致變色技術,經由電壓控制而達到變色效果,變色後可有效阻隔太陽光照射產生的熱,減少耗能,如圖一所示。
 
圖一、建築智慧窗
圖一、建築智慧窗
 
主動式電致變色之元件技術
主動式元件是一種具有增益或是依靠電流方向的電子零件。目前常見的主動式電致變色元件有三種技術:懸浮粒子元件技術(Suspended Particle Device; SPD)、高分子分散型液晶技術(Polymer Dispersed Liquid Crystal; PDLC)、電致變色技術(Electro Chromic; EC),茲分述如下。
3. 電致變色技術(EC)
具有電活性(Electroactive)的電致變色材料在電場作用下,發生電化學氧化還原反應而得失電子,使得材料的能階改變而造成顏色的變化。圖十三為典型的電致變色元件結構,元件結構從上到下分別為:玻璃或塑膠基材、透明導電層(如:ITO或FTO)、電致變色層、電解質層、離子儲存層、透明導電層(如:ITO或FTO)、玻璃或塑膠基材。元件運作時,在兩個透明導電層之間施加一定的電場,電致變色材料在電場作用下發生氧化還原反應,材料顏色產生變化;而電解質層則由特殊的導電離子材料組成,像過氯酸鋰、過氯酸鈉等的導電溶液或固體電解質材料;離子儲存層在電致變色材料發生氧化還原反應時,儲存相對應的反向離子,保持整個電荷平衡的作用。離子儲存層也可以使用與電致變色層電性相反的材料,這樣可以達到顏色加成或互補的作用,例如:電致變色層採用的是陽極(氧化)變色材料,則離子儲存層可用陰極(還原)變色材料做為第二電致變色層。圖十四為電致變色技術示意圖。
 
圖十四、電致變色技術示意圖
圖十四、電致變色技術示意圖
 
工研院電致變色技術能量
工研院材料與化工研究所對於電致變色技術長年來都持續著研究與發展,在這當中累積了不少的技術與專利,擁有成熟之液態電致變色技術。近年來更專精於開發膠態電致變色技術(圖十八),成功將膠態著退色響應時間維持與液態相同…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》404期,更多資料請見下方附檔。

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