專利名稱：全固態(tài)塑料電致變色器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電致變色器件。
背景技術(shù)：
電致變色是指材料在外電場或電流的作用下，發(fā)生可逆的色彩變化。電致變色效應(yīng)最早是在堿鹵晶體上觀察到的，1969年Deb(DebS K，Appl Optics，1969，P193)首次報道非晶WO3薄膜中的電致變色效應(yīng)，引起廣泛重視，電致變色器件在能量轉(zhuǎn)換、光線調(diào)節(jié)、信息記錄、平面顯示等領(lǐng)域具有廣泛的用途，目前已開發(fā)成功靈巧電致變色窗和汽車防眩鏡等實用器件。1986年日產(chǎn)公司首次推出用于汽車的ECD窗口，使電致變色調(diào)光窗成為電致變色材料最現(xiàn)實的商品目標(biāo)。
但是，目前電致變色領(lǐng)域的研究和開發(fā)主要是基于玻璃襯底，相對于塑料襯底，玻璃襯底在厚度、重量、耐沖擊等方面有許多局限性。塑料具有厚度小、質(zhì)量輕、耐沖擊、耐擠壓、成本低、設(shè)計使用靈活等特點，在許多應(yīng)用領(lǐng)域，用塑料代替玻璃已經(jīng)成為一種趨勢，例如在平面顯示領(lǐng)域，液晶顯示、電致發(fā)光顯示等先后出現(xiàn)基于塑料襯底的顯示器件。但是在選擇塑料作為襯底材料時，由于塑料具有不耐高溫等特性，在材料制備和器件封裝等方面都有特殊要求，因此就限制了電致變色器件的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種質(zhì)量輕、耐沖擊、耐擠壓、成本低、制備方便的全固態(tài)塑料電致變色器件。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種全固態(tài)塑料電致變色器件的制備方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種全固態(tài)塑料電致變色器件，包括襯底、導(dǎo)電電極層、電致變色層以及離子導(dǎo)電層，其襯底采用光學(xué)塑料材料，離子導(dǎo)電層采用高分子聚合物固態(tài)電解質(zhì)材料。器件采用分層制備，壓合封裝而成。
上述器件由八層結(jié)構(gòu)組成，在離子導(dǎo)電層和電致變色層兩側(cè)依次為導(dǎo)電電極層、塑料襯底層、封裝保護塑料層。在兩導(dǎo)電電極層之間外加直流低壓驅(qū)動實現(xiàn)可逆的色彩變化。
上述的表面導(dǎo)電電極層和離子導(dǎo)電層之間還設(shè)有離子存儲層。
本發(fā)明的器件是將離子導(dǎo)電層放置在導(dǎo)電襯底上的電致變色層和另一層導(dǎo)電襯底上的離子存儲層壓合而成，然后再經(jīng)外面兩層透明塑料封裝保護。制備方法為首先分別在表面塑料襯底層上依次制備表面導(dǎo)電電極層、離子存儲層，在背面塑料襯底層上依次制備背面導(dǎo)電電極層、電致變色層，然后將配好的高分子導(dǎo)電聚合物制成固態(tài)電解質(zhì)薄膜放在中間壓合，或者將配好的高分子導(dǎo)電聚合物涂在其中一片襯底上，蓋上另外一塊襯底，然后施加壓力展平粘合，然后再經(jīng)外面兩層透明的封裝保護塑料層進行封裝保護。電極連接可以選擇在封裝之前或之后。在表面導(dǎo)電電極層和背面導(dǎo)電電極層之間外加直流低壓驅(qū)動可進行變色，外加驅(qū)動電源以實用方便為宜。
本發(fā)明是一種制備在光學(xué)塑料襯底上的全固態(tài)電致變色器件，器件結(jié)構(gòu)清晰，制備方法簡單，器件可以彎曲卷繞，用途廣泛，易于選用卷繞式鍍膜機、絲網(wǎng)印刷機、注塑機等工業(yè)設(shè)備進行大規(guī)模生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
通常，電致變色器件必須含有沉積在襯底上的兩層導(dǎo)電電極、中間的電致變色層和離子導(dǎo)電層。但是離子存儲層可以取消，由導(dǎo)電電極層兼具其功能，其中兩層導(dǎo)電電極包括襯底中至少之一是透明的。如果另外一層導(dǎo)電電極及其襯底也是透明的，則器件為透射類型，如果另外一層導(dǎo)電電極及其襯底是不透明的，則器件為反射類型。通常透射類型的電致變色器件適用于顯示器件和靈巧智能窗等。反射類型的器件適用于顯示器件和電致變色鏡等。
本發(fā)明的襯底采用光學(xué)塑料材料，光學(xué)塑料是指具有一定的光學(xué)性能的透明材料，是一種可以和光學(xué)玻璃相媲美的塑料，本發(fā)明優(yōu)選聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、聚酯切片(PET)、聚苯醚砜、聚對苯二甲酸乙二酯、環(huán)氧光學(xué)塑料等。
透明導(dǎo)電電極層可以由金、銀、鋁、銅的金屬薄膜或由金屬氧化物的導(dǎo)電薄膜制成，還可以采用復(fù)合薄膜或是高分子電解質(zhì)薄膜。其制備方法取決于形成電極材料的類型，可以通過真空物理沉積、化學(xué)氣相沉積、溶膠一凝膠法形成。
透明襯底及導(dǎo)電電極一般要求整體在可見光區(qū)是全透明的，其特定例子是采用磁控濺射技術(shù)在聚酯塑料襯底上制備的ITO(In2O3-SnO2)、氧化鋅透明導(dǎo)電膜?，F(xiàn)在廣泛使用的是ITO薄膜，在高透過率和低電阻之間優(yōu)化。ITO薄膜是一種氧化物半導(dǎo)體透明導(dǎo)電薄膜，其導(dǎo)電率的提高是由于偏離化學(xué)計量比形成的氧空位和進行摻雜以增加載流子濃度而實現(xiàn)的。目前制備在塑料襯底上的ITCO薄膜的厚度通常在10-1000nm，透光率在60％-100％，電阻率一般在1-1000Ω.cm左右。在保證高透光率的前提下，導(dǎo)電電極的電阻率越小越好。
反射導(dǎo)電電極層表示具有高反射率并在電化學(xué)上性能穩(wěn)定的導(dǎo)電薄膜，通常是金屬薄膜或者合金薄膜?？梢允墙?、銀、銅、鋁、鉻、鎢、鈦或其組成的合金等，其制備方法取決于形成電極材料的類型，一般通過真空物理沉積法形成。其特定例子是采用磁控濺射技術(shù)在聚酯塑料襯底上制備的Al、Ag、Ni-Cr薄膜。反射率在50％-100％。薄膜的厚度通常在10nm-10um，表面電阻在0.1-100Ω/sq。使用反射導(dǎo)電電極層時對塑料襯底的透明度沒有嚴格要求。
本發(fā)明包括電致變色層和離子存儲層，是整個器件的核心結(jié)構(gòu)。電致變色層為陰極著色材料，即當(dāng)接負電壓時是著色，當(dāng)接正電壓時是退色。離子存儲層為陽極著色材料，即當(dāng)接正電壓時是著色，當(dāng)接負電壓時是退色。離子存儲層主要目的是與電致變色層顏色互補，平衡電荷傳輸，與電致變色層共同組成一對氧化還原電極。離子存儲層可以取消或者無色彩相應(yīng)；由于電致變色器件是對稱結(jié)構(gòu)，離子存儲層和電致變色層可以進行位置互換。
電致變色層可以采用無機變色材料或有機變色材料制備，無機變色材料一般為過渡金屬氧化物，可以是WO3、MoO3、TiO2、Nb2O5、V2O3等中的一種或幾種摻雜而成，由于采用塑料襯底，具有不能高溫處理等要求，在制備方法上有特殊要求，例如在真空鍍膜基礎(chǔ)上增加離子鍍工藝等，可采用磁控濺射、離子輔助淀積、離子反應(yīng)沉積、激光沉積等方法制備。有機變色材料有普魯士蘭(prussianblue)、紫羅精(viologens)、金屬酞花青(metalphthalocyanines)、聚合金屬絡(luò)合物(metallopolymers)和有機導(dǎo)電聚合物等，制備時根據(jù)選用的材料可采用印刷法、打印法、涂膠法等。
離子存儲層可以是TiO2、NiO、CeO2、IrO、RhO、V2O3等中的一種或幾種摻雜而成，同樣考慮塑料襯底的原因，可采用磁控濺射、離子輔助沉積、離子反應(yīng)沉積、激光沉積等方法制備。
為進一步提高薄膜的電致變色特性，可以采用摻雜、表面修飾等方法，這不改變器件的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的離子導(dǎo)電層采用高分子聚合物固態(tài)電解質(zhì)材料，使離子(H+、Li+等)在電致變色層和離子存儲層之間傳輸。由于采用塑料襯底，液態(tài)電解質(zhì)無法滿足封裝等要求，固態(tài)電解質(zhì)的使用成為必然。適用于本發(fā)明的固態(tài)電解質(zhì)要求具有良好的離子電導(dǎo)率、粘彈性和透光性，可以是PEU-LiClO4、PEO-LiClO4、PPG-PMMA-LiClO4、Nafion、PESA、PAMPS等導(dǎo)電高聚物。如果離子導(dǎo)電層采用的導(dǎo)電高聚物同時具有電致變色特征，則可以將電致變色層和離子導(dǎo)電層合并為一層，使結(jié)構(gòu)更為簡單。
根據(jù)器件的用途不同，可以進行一定的結(jié)構(gòu)增加，在器件中增加保護層、絕緣層或是圖文層，例如在透明導(dǎo)電層和電致變色層中間增加絕緣層可以增長變色記憶時間，在塑料襯底表面增加圖文層可用于顯示圖案。
以下結(jié)合具體的實施例和附圖對本發(fā)明進行進一步的說明。
實施例1塑料襯底層b、h采用聚酯切片PET薄膜(厚度為125μm)，在塑料襯底層b、h上采用磁控濺射工藝制備ITO透明導(dǎo)電電極層c、g(厚度為30nm)。將制得的ITO透明導(dǎo)電塑料進行剪裁，其中一塊在ITO表面采用低壓反應(yīng)離子鍍技術(shù)制備WO3電致變色層f，厚度為400nm，在另一襯底ITO表面采用低壓反應(yīng)離子鍍技術(shù)制備NiO離子存儲層d，厚度為250nm。取小塊預(yù)先制備好的PEU-LiClO4固態(tài)電解質(zhì)材料作為離子導(dǎo)電層e放在上述兩層中間，在90℃溫度下施加壓力展平，使三層緊密復(fù)合，然后外面再經(jīng)兩層封裝保護塑料層a、i過塑封裝保護，在兩層襯底導(dǎo)電電極層c、g上引出電極外接兩塊1.5V紐扣電池，即制得如圖1所示的全固態(tài)塑料電致變色器件，實現(xiàn)電致變色。
實施例2塑料襯底層b、h采用聚酯切片PET薄膜(厚度為125μm)。在其中一塊塑料襯底層h上采用磁控濺射工藝制備ITO透明導(dǎo)電電極層g(厚度為30nm)，然后再在其表面采用低壓反應(yīng)離子輔助沉積電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)制備WO3電致變色層f，厚度為400nm。將稀釋的Nafion溶液施涂的WO3表面，空氣中干燥2小時，使Nafion成膜形成離子導(dǎo)電層e。在另一塊塑料襯底層b上采用磁控濺射工藝制備Al金屬導(dǎo)電電極層c，厚度為300nm，然后再在其表面采用低壓離子輔助沉積電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)制備NiO離子存儲層d，厚度為300nm。然后將上述制得的兩部分進行壓合，最后外面再經(jīng)兩層透明的封裝保護塑料層a、i過塑封裝保護，在兩層襯底導(dǎo)電電極層c、g上引出電極外接兩塊1.5V紐扣電池，即制成如圖1所示結(jié)構(gòu)的反射式電致變色器件。
權(quán)利要求
1.一種全固態(tài)塑料電致變色器件，包括襯底層(b、h)、導(dǎo)電電極層(c、g)、電致變色層(f)以及離子導(dǎo)電層(e)，其特征在于所述襯底層(b、h)采用光學(xué)塑料材料，離子導(dǎo)電層(e)采用高分子聚合物固態(tài)電解質(zhì)材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固態(tài)塑料電致變色器件，其特征在于所述器件包括八層結(jié)構(gòu)，在離子導(dǎo)電層(e)和電致變色層(f)兩側(cè)依次為導(dǎo)電電極層(c、g)、塑料襯底層(b、h)和封裝保護塑料層(a、i)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全固態(tài)塑料電致變色器件，其特征在于所述的離子導(dǎo)電層(e)和電致變色層(f)合并成一層。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全固態(tài)塑料電致變色器件，其特征在于所述的導(dǎo)電電極層(c)和離子導(dǎo)電層(e)之間設(shè)有離子存儲層(d)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的全固態(tài)塑料電致變色器件，其特征在于所述的器件結(jié)構(gòu)中還可增加保護層、絕緣層或圖文層。
6.一種全固態(tài)塑料電致變色器件的制備方法，其特征在于該方法包括以下次序的工藝步驟(1)在塑料襯底層(b)上依次制備導(dǎo)電電極層(c)、離子存儲層(d)；(2)在塑料襯底層(h)上依次制備導(dǎo)電電極層(g)、電致變色層(f)；(3)將離子導(dǎo)電層(e)置于步驟(1)和步驟(2)制得的兩襯底中間，壓合；(4)最后由封裝保護塑料層(a、i)封裝保護。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種全固態(tài)塑料電致變色器件的制備方法，其特征在于該方法的步驟(3)為將由高分子導(dǎo)電聚合物制成的固態(tài)電解質(zhì)薄膜作為離子導(dǎo)電層(e)放在步驟(1)和步驟(2)制得的兩襯底中間壓合，或者將高分子導(dǎo)電聚合物涂在其中一片襯底上形成離子導(dǎo)電層(e)，蓋上另外一塊襯底，然后施加壓力展平粘合。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種全固態(tài)塑料電致變色器件的制備方法，其特征在于該方法的步驟(1)和(2)中制備導(dǎo)電電極層(c、g)可采用真空物理沉積、化學(xué)氣相沉積或溶膠一凝膠法，優(yōu)選磁控濺射技術(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種全固態(tài)塑料電致變色器件的制備方法，其特征在于該方法的步驟(1)和(2)中制備離子存儲層(d)和電致變色層(f)可采用磁控濺射、離子輔助淀積、離子反應(yīng)沉積或激光沉積等方法，制備電致變色層(f)還可采用印刷法、打印法、涂膠法等方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種全固態(tài)塑料電致變色器件及其制備方法。器件包括導(dǎo)電電極層、電致變色層、離子導(dǎo)電層以及離子存儲層等，其襯底采用光學(xué)塑料材料，離子導(dǎo)電層采用高分子聚合物固態(tài)電解質(zhì)材料。器件通過將離子導(dǎo)電層放置在導(dǎo)電襯底上的電致變色層和另一導(dǎo)電襯底上的離子存儲層之間壓合而成，最后由封裝保護塑料層封裝保護。本發(fā)明制備在光學(xué)塑料襯底上，器件結(jié)構(gòu)清晰，制備方法簡單，器件可以彎曲卷繞，用途廣泛，易于選用卷繞式鍍膜機、絲網(wǎng)印刷機、注塑機等工業(yè)設(shè)備進行大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號G02F1/153GK1492274SQ0314027
公開日2004年4月28日 申請日期2003年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月26日
發(fā)明者任豪, 李筱琳, 羅宇強, 畢君, 任 豪 申請人:廣州市光機電工程研究開發(fā)中心