電致變色材料/光致變色材料

電致變色材料/光致變色材料

利用外加電場或照光強烈程度,來改變材料的光學屬性,進而解決反光、眩光或光污染的問題。
詳細資訊

電致變色現象是指物質在外加電場作用下,發生可逆性的顏色變化。最早在1704年,德國畫家狄斯巴赫在調配顏料時,就發現普魯士藍染料具有變色的化學現象。
 

一些過渡金屬氧化物或一般化合物物質,涉及氧化還原反應時,會伴隨電子的注入與放出,呈現新的光譜吸收帶,進而產生新的顏色。1961年時,美國密西根大學的普拉特教授,首次把這些因氧化還原反應的變色現象定義成「電致變色」。接著在1969年,戴布在美國Cyanamid公司發現了過渡金屬氧化物中的電致變色現象,他在從事無定型的三氧化鎢(WO3)研究時,建立了電致變色材料與元件的樣品。
1978年的時候,奈菲也在國際期刊上發表關於普魯士藍的電化學反應及電致變色現象。 在目前的電致變色研究中,電致變色材料包含兩大類:無機材料-過渡金屬氧化物和普魯士藍;有機材料-有機化合物和聚合物。

電致變色元件的結構為層狀結構,最外面兩層採透明玻璃或者塑膠基材,由上而下依序為玻璃或塑膠基材、透明導電層(氧化銦錫ITO)、電致變色層、電解質層、離子儲存層、透明導電層、玻璃或塑膠基材,總共七層。(如圖)


當外加電壓施加在兩個透明導電層上,使得兩個導電層之間產生一定的電場,並在電場的作用下發生氧化還原反應,使電致變色元件變色。 電致變色層是電致變色元件最主要的變色層,藉由透明導電層所提供的電子和離子儲存層與電解質層內部的離子,經過氧化還原反應使材料結構發生變化使其變色。電致變色層依使用的材料不同,會有不同的性質。 


 

*無機材料
 

無機電致變色材料的典型代表是氧化鎢(WO3),目前市場上已經出現多種以WO3為功能材料的電致變色器件。氧化鎢有良好的穩定性、著色效果顯著、無盲角等優點,缺點是壽命較短、調整範圍小、響應速度慢等。為了改善它的缺點,增加商業化可能性,目前是以摻雜為改善氧化鎢的主要方法。

此外,三氧化鉬(MoO3)、二氧化鈦(TiO2)和一氧化鎳(NiO)也日益受到重視,是具有應用前景的下一代電致變色材料。

另一類無機材料是共價鍵金屬錯合物,最常見的是普魯士藍,基本上以兩種型式存在:非水溶性普魯士藍的FeⅢ4[FeⅡ(CN)6]3與水溶性普魯士藍的KFeⅢ[FeⅡ(CN)6]。無機材料中的過渡金屬氧化物基本上屬於半導體,包含五氧化二釩、氧化鎢、氧化鉬、氧化鈦、氧化鈷等。它們的著色方式有3種:氧化態著色、還原態著色、還原態與氧化態都著色。


 

無機類電致變色材料一般使用過渡金屬或其衍生物,其結構一般由直接沉積TCO膜的兩片導電玻璃,其中一片鍍有一層厚約300nm的陰極變色的電致變色材(EC);另一片鍍有厚度幾乎相同的陽極變色的電致變色材料作為離子儲存層(CE)。帶有電極的兩片玻璃邊緣密封起來構成一個單元,兩片玻璃之間填充滿固態電解質或者液態電解質作為離子導體層。

無機電致變色材料相對有機電致變色材料而言,雖然在色彩的多樣性和響應速度上不具備優勢,但其具有性能穩定、耐氣候性強、與玻璃基板粘附力強和易於大面積生產等優點,在建築物上的應用前景要好於有機電致變色材料。
 

*有機材料
 

有機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。以紫羅精類為功能材料的電致變色材料已得到實際應用,使用範圍很廣的液體電致變色材料是紫羅鹼(二溴二庚基紫羅鹼)的水溶液。
 

有機材料中的有機化合物,是含碳化合物或碳氫化合物及其衍生物的總稱,一般常做為氧化還原指示劑。當它們使用於電致變色系統中時,有下列幾項優點:操作電壓低、響應速度快、快速著色去色;缺點則是使用壽命較短。
 

有機類電致變色玻璃一般由直接沉積TCO膜(這層TCO膜作為透明電極)的兩片導電玻璃構成,把帶有電極的兩片導電玻璃邊緣密封起來構成一個單元,透明導電膜朝內且留有空隙,將紫羅鹼等有機電致變色材料注入這個空隙中,終會構成電致變色玻璃。
 

在美國,電致變色汽車後視鏡己成為汽車製造商提供的標準配置,如Gentex公司近幾年為一百多種汽車品牌製造了一千多萬個電致變色後視鏡,對可見光譜的透過率可調整範圍大約在20%-80%左右,可以防止眩光,能很好地滿足汽車安全駕駛的需求。

有機電致變色材料種類相對較多,並且具有成本低、循環性好、變色響應時間快和變換顏色種類多等優點。但是有機電致變色材料的化學穩定性和抗輻射能力較差,如果有機電致變色玻璃在室外(如天窗)應用,其使用壽命會變短。由於化學穩定性、耐候性等因素的限制,有機電致變色玻璃在建築節能上應用的可能性較小,比較適合作為室內裝飾用的玻璃材料。 
 

光致變色現象,即材料在受到一定波長和強度的光照射時,會發生特定的化學反應而從狀態1變為狀態2。由於結構發生變化,使材料的顏色或對光的吸收峰值改變,但在熱或另一波長光的作用下又可從狀態2恢復到原來的分子結構和表觀顏色。整個過程呈現可逆性質。這種在光的作用下能發生可逆顏色變化的材料稱為光致變色材料。
 

光致變色材料處於不同狀態時,通常有著不同的物理和化學性能,通過光對兩種狀態進行調節,就可以實現對材料性能的調控,具有廣闊的發展和應用前景。
 

光致變色材料同樣分為兩大類型: 有機光致變色材料和無機光致變色材料。有機光致變色材料具有可修飾性高、顏色豐富、光響應速度快等優點,大多數能被200~400 nm範圍內的紫外光激活,對於某些有機物範圍可延長至430 nm。
 

無機光致變色材料主要包括稀土配合物、過渡金屬氧化物、多金屬氧酸鹽類和金屬鹵化物等。相比有機光致變色材料,無機光致變色材料的數量較少且發展較為緩慢,但其具有許多優於有機光致變色材料的特點,比如變色速率快、變色持續時間長、熱穩定性高、耐疲勞性好、機械強度高、宏觀可控易成型等,可應用於信息存儲、智能窗、太陽鏡、傳感器、智能開關、國防等諸多領域。

光致變色材料因其特殊的物理和化學性能,被廣泛應用於光學信息存儲、防偽、裝飾和防護、熒光開關等不同領域。