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电致变色玻璃的原理及应用

2023-08-03
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电致变色玻璃顾名思义就是在通电状态下改变颜色的玻璃。目前常用的有采用玻璃做为电致变色材料载体的称为电致变色玻璃(Electrochromic简称EC玻璃)、如采用高分子膜做为电致变色材料载体就称为电致变色膜。电致变色是由于电致变色材料中发生的电化学氧化还原反应引起的物体色度的变化。其变色过程是电致变色材料的分解、还原过程。用于电致光变色玻璃的材料和结构具体取决于特定应用。在20世纪30年代,Kobosew 和 Nekrassow就首次研究到块状氧化钨的电化学着色。T. Kraus 于 1953 年 开始详细研究三氧化钨(WO3)薄膜中的电化学着色。1969 年,S. K. Deb 在 WO 3 薄膜中发现了电致变色。Deb 通过将电场应用于WO3薄膜,观察到电致变色。S.K.Deb在1973年公开了电致变色技术。

目前电致变色技术已经广泛应用于汽车智能窗、汽车防眩内、外后视镜、摄像头减光板等众多领域。以EC玻璃为例,其工作原理及结构如图1所示

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EC玻璃的基本结构由两片玻璃及在两片玻璃内侧的导电层和将两片玻璃连接在一起的框胶构成,在框胶围起的两片玻璃空间充有电致光变色材料,变色材料的中间载体可以是液态或胶态(凝胶),也可以是固态。不论EC玻璃变色材料的中间载体是哪种状态,其中都有三种主要不同的分层材料:EC层和离子存储层、传导离子和电子层。电解质是纯离子导体,分离两个EC层。透明导体是纯电子导体。当电子从透明导体进入EC层,以及电荷平衡离子从电解质进入时,就会产生光吸收。通俗的说,就是当EC玻璃不通电时,两片玻璃内部的离子是呈不规则的状态。(图2)

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此状态下,EC玻璃呈透明体,在EC玻璃镀上反射膜后,玻璃就成为高反射率的镜片。当EC玻璃通电时,两片玻璃内部的离子是规则的状态。此状态下,EC玻璃呈变色体,在EC玻璃镀上反射膜后,玻璃就成为低反射率的镜片。(图3)


在EC镜的变色材料中,目前常用的EC基础层是EC玻璃的主要层,典型代表是三氧化钨(WO3),离子存储层(一般是阳极变色材料)是提高电致变色器件性能和实现技术应用化的关键层,其主要作用是储存和供给变色反应需要的离子,维持整个电致变色过程的电荷平衡,目前,最典型的阳极材料是氧化镍(NiO),该材料因价格低廉、着色效率高、光调制范围大而得到广泛应用。EC材料的中间载体—电解质一般使用液体凝胶或固体电解质,在固体电解质 EC 器件中使用Ta2O5和 ZrO2等固体无机或有机材料。在EC变色材料的应用方面,除无机变色材料外,也可使用有机电致变色材料,达到电致变色,主要有聚噻吩类及其衍生物、紫精类、四硫富瓦烯、金属酞菁类化合物等。

     EC玻璃在理论上尺寸能做到无限大,但是因为电流穿透距离的原因,EC玻璃最大尺寸仅能做到50cmX50cm以内,因此目前EC玻璃在汽车领域中仅用于汽车电子防眩内。外后视镜及摄像头遮光板。如果EC的电流穿透距离的问题解决后,其应用可扩充到汽车天窗,汽车前后窗及侧窗玻璃上。所以EC玻璃的应用前景是相当客观的。

汽车电子防眩目内、外后视镜是EC玻璃应用最成熟的产品,汽车电子防眩目内、外后视镜在夜间行车时,当车辆后方的汽车大灯照射在内、外后视镜上时,电子防眩目内、外后视镜会在瞬间改变镜片的反射率,防止后方大灯给驾驶员造成的眩目,避免因眩目造成的安全事故发生。

 

    目前国内学者新研究开发了一种新型的电致变色镀膜玻璃,其结构与上述的EC玻璃有所不同,上述的EC玻璃是一种类似食品中的三明治结构,是在两片玻璃圈起来的盒内充填有机或无机的变色材料,经直流电源的正、负极激发变色物质发生分解或还原使EC玻璃发生色度的变化。但是这种三明治结构的EC玻璃生产制造过程工艺复杂,良品率低,制造面积超过50cm的玻璃还有难度。新型的电致变色镀膜玻璃就能有效的规避这些弊端,电致变色镀膜玻璃是采用真空叠加镀膜的工艺,将经过改良的无机化合材料分层叠加采用真空镀膜工艺镀在玻璃表面(见图5)。

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其基础层材料可以是三氧化钨(WO3)类或是基于双季铵化的有机分子紫精(RV2+),中间层的活性材料可以帮助基础层材料及第三层的辅助变色材料实现电致变色及调整变色颜色的色度。而且在电致变色镀膜玻璃变色膜最外层镀上导电层(ITO),加电后电致变色镀膜玻璃的各层镀层会在电荷的作用下发生色度的变化。电致变色镀膜玻璃再镀上反射层就成电致变色镜片,(见图6)即可用于汽车电子防眩内、外后视镜。


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目前电致变色镀膜玻璃的供电模式和EC玻璃有所不同,EC玻璃在整个闭环供电系统中是做为电器终端存在,是经直流电源的正、负极激发变色。电致变色镀膜玻璃是必须有直流电流的通过,电流使玻璃上叠加的各层材料工作产生变色,因此在电致变色镀膜玻璃工作电路中必须串有阻(容)性负载。

还可以有一种方案,在玻璃表面先镀一层导电层(ITO)然后再依次叠加镀上各层材料,最外层再镀一层导电层(ITO),使其构成虚拟的三明治结构(见图8)经直流电源的正、负极激发玻璃上叠加的各层变色的材料后,电荷发生变化,使玻璃变色。

电致变色镀膜玻璃与双层的EC玻璃比较,电致变色镀膜玻璃加工工艺简单,成品率相对比EC双层玻璃高,特别是在作单(双)曲面的汽车外后视镜片使用时,不会因为两片玻璃的弧度不一致产生变色不均的现像。电致变色镀膜玻璃最大的特点是可以制作尺寸较大的汽车全景天窗及汽车前后和两侧车窗玻璃。但是在目前电致变色镀膜玻璃还有待解决的缺陷,比如膜层表面硬度低,在做天窗及车窗玻璃是必需采用夹层玻璃结构防止膜面划伤。,另一个需要解决的问题是变色速度慢。变色速度慢的问题研发人员正在筛选适合的中间活性材料提高变色速度。

总之,随着电致变色镀膜玻璃技术越来越成熟,在人们日常生活中的应用会越来越来广泛,不仅可以用于汽车零部件,还可用于研制开发信息显示器件、电致变色智能调光窗、无眩反光镜和电色信息存储器等,此外,在一些近年来的技术产品中,如变色镜、高分辨率光电摄像器材、光电化学能转换和储存器、电子束金属版印刷技术等也获得了应用。可以说:高科技会给人类帯来高品质的生活。


                                                                                                                                                                                                                                                                 文章转载自 王钊谈车

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