第三章 實驗方法與步驟
3.4 液態及固態電解液調配
電致色變中所使用之電解液調配是以 4 克的過氯酸鋰(LiClO4)加上 40 ml 的碳酸丙烯(C4H6O3)，將其置於加熱盤上以 90℃加熱 1 小時，並以磁石持續 攪拌，調製成 1M 之電解液，最後靜置於室溫一天後，即完成液態電解質調 配。固態電解液是將 1M 之液態電解液與 UV 膠以 3:7 的比例混和，在室溫 的環境下磁石攪拌 1 小時後，再使用 UV 曝光機其曝光功率為 50 瓦持續 30 分鐘，即可得到固態電解液。
圖 3-3 液態及固態電解液調配流程圖
3.5 基板前處理
在製作氧化鎢薄膜前，必須先清洗基板，將 ITO/PEN 可撓性透明導電基 板裁切為 20 mm × 20 mm。清洗流程依序為酒精(Alcohol)、丙酮(Acetone)、
異丙醇(Isopropanol)，分別在超音波震盪器清洗試片 10 分鐘，去除試片表面 上的油脂以及有機物，最後再使用去離子水(Deionized water)清洗試片，在 超音波震盪器清洗 10 分鐘，以去除試片表面殘留的酒精、丙酮及異丙醇，
最後使用氮氣槍去除試片表面殘留的去離子水。
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3.6 電沉積法
本研究將ITO/PEN可撓性基板裁切成20 mm
20 mm的大小後，在ITO
表面上外接銅導電膠帶固定在載玻片上，為了使可撓性基板較為平整，在電 鍍時也能與電極距離固定，接下來再使用抗酸鹼膠帶將銅導電膠帶完整包覆 起來，避免銅導電膠帶汙染電鍍液，僅裸露ITO部分作為電鍍區域。將 ITO/PEN試片放入電鍍液中，將其置於陰極，而白金片置於陽極，並通以一 穩定電壓或電流，使得電鍍液之中的陽離子吸附於陰極，並進行還原反應，使過氧鎢酸根還原成為氧化鎢，並於陰極基板上沉積成氧化鎢薄膜。實驗設 備與電沉積示意圖如圖 3-4 所示。
圖 3-4 電沉積法示意圖
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3.7 薄膜性質測試及鑑定
本節列出所有將要用來做薄膜性質鑑定之設備，包含薄膜表面分析、光 譜分析、電學性質分析等所使用的設備，分析之結果將於第四章進行討論。
3.7.1 薄膜表面結晶及結構分析
本研究使用 X 光繞射分析儀來量測薄膜的表面結晶相，其原理為利用 X 光入射到結晶材料，在某些入射角材料的相鄰結晶面散射波彼此相位相同，
且光程度差為波長的整數被，因此發生建設性干涉，滿足此條件便可產生繞 射，而根據不同的晶體結構，晶面間距不同，繞射的角度也不同，進而可以 得知其晶體結構。
為了探討薄膜的表面輪廓，本研究使用本校機電工程學系型號 DI-CP2 原子力顯微鏡(atomic force microscopy)如圖 3-5。利用原子力顯微鏡可以分析 薄膜的表面形貌以及表面的平均粗糙度(RMS)，其原理為利用微小探針與樣 品表面之間的凡德瓦力大小來推測樣品表面的高低起伏，並結合低功率雷射 光記錄下其不同凡德瓦力的偏移量，其探針是以左右移動掃描線，再將多條 線組合成面。
圖 3-5 DI-CP2 原子力顯微鏡
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3.7.2 光學性質量測
本研究使用本校工教所提供之高性價比線性CCD光譜儀(BRC112E CCD) 光譜儀如圖3-6，其入射光波長範圍為350 nm ~ 950 nm，解析度為0.3 nm。量 測時先以空氣作為背景，將其穿透率訂為100 %，再將欲量測之試片置入量 測，比較兩光束能量之變化，即可得到該薄膜之穿透率。對氧化鎢薄膜施加 2.5 V電位，時間固定為10秒，使氧化鎢薄膜均能達到完全著色，並進行量 測，此為其著色狀態之穿透率，接下來將試片放回原本迴路之位置，靜置並 等待時間，靜置時間為10、20、30、60、90、120分鐘，而每個時間點記錄 一次其薄膜之穿透率，量測其氧化鎢薄膜的記憶保持能力。
圖 3-6 BRC112E CCD 光譜儀
3.7.3 光學性能分析
對 於 電 致 色 變 元 件 的 薄 膜 ， 其 工 作 能 力 的 衡 量 標 準 為 著 色 效 率 (coloration efficiency, CE)，其值愈大表示具有較好的著色與去色效果，而 CE
＝ΔOD / (Q/A)＝log (Tb / Tc) / (Q/A)，其中 ΔOD 為光密度差(change of optical density)，Tb 與 Tc 分別為去色態及著色態的穿透率(transmittance)，Q 為注入
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薄膜的電量(injected charge)，A 為薄膜面積。穿透率變化量亦可視為衡量之 標準，其定義為ΔT = Tb－Tc。另外一項指標為回復率(R)，用以評估在經過
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第二階段研究是使用 Agilent B1500A 及 E4980A 來進行電性量測如圖 3-8 及 3-9，分別來對薄膜進行量測漏電流及電容值，並搭配奕葉國際有限公 司的針座如圖 3-10，使用的針尖為 5 um 來進行量測。將探討氧化鎢薄膜受 到張應力、壓應力、溫度(40 ℃、60 ℃)、不同彎曲半徑(7.5 mm、5 mm)，
其中一端為固定面積大小當作電極固定單位面積(5 mm 5 mm)的電荷量流 入氧化鎢薄膜內，而另外一端為固定面積下的氧化銦錫，給予 2.5 ~ -2.5 V 並觀察其薄膜漏電流及電容值與各個參數之趨勢，量測示意圖如圖 3-11。
圖 3-8 Agilent E4980A
圖 3-9 Agilent B1500A
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圖 3-10 奕葉國際有限公司開發之針座
圖 3-11 電壓-電流量測示意圖
36 去離子水(Deionized water)清洗試片，在超音波震盪器清洗 10 分鐘，以 去除試片表面殘留的酒精、丙酮及異丙醇，最後使用氮氣槍去除試片表 為 1.5、1.75、2、2.25、2.5 V，並固定時間為一分鐘，電鍍完成後並量 測其薄膜穿透率，將圖 4-2 及 4-3 比較後發現電壓越高而其電流越高，
代表電鍍的速率較高其穿透率也越低，而本實驗最佳著色電壓為 2.5 V，
因為若繼續增加電壓則會導致其可撓性基板上四周的氧化鎢薄膜變成 黑色，而電壓小於 2.5 V 則無法使得氧化鎢薄膜完全著色；圖 4-3 中其
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穿透率結果越低代表其顏色越深，也因為顏色越深而讓更多的可見光無 法穿透，代表其薄膜品質是較好的，代表其薄膜可控制的顏色範圍越多，
其中發現 2 V 電位下持續一分鐘為最佳參數，圖中未顯示 2.25 及 2.5 V 是因為在電鍍完成後清洗後使用氣槍吹乾時，其氧化鎢薄膜因為太厚而 導致附著力不佳而剝落。
圖 4-1 可撓性機板固定示意圖
圖 4-2 氧化鎢薄膜製備起始電位量測
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圖 4-3 氧化鎢薄膜不同電壓下之著色穿透率
4.1.2 氧化鎢薄膜表面輪廓及粗糙度
在測出最佳參數後，而本實驗使用原子力顯微鏡來量測其氧化鎢薄膜厚 度及表面粗糙度，其中厚度大約為 400 nm，而表面粗糙度本實驗是量測氧 化鎢薄膜中心、上面、下面、左邊及右邊，分別為 7.921、4.268、7.928、10.33 及 8.189 nm，表面輪廓形貌如圖 4-4。
圖 4-4 氧化鎢薄膜表面輪廓
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4.1.3 氧化鎢薄膜結晶特性探討
本實驗使用電沉積法在 ITO/PEN 可撓性基板上電鍍氧化鎢薄膜，測試之 最佳參數為 2 V 電位持續一分鐘來製作氧化鎢薄膜。接下來使用 X 光繞射分 析儀來對氧化鎢薄膜進行分析，本實驗 X 光繞射分析委託閎康科技股份有 限公司來進行，而分析時是以低掠角的方式來進行分析，示意圖如圖 4-5。
結果如圖 4-6 發現許多峰值，而在 20~30 度之間強度都偏高，是因為氧化鎢 及氧化銦錫在該區間重疊，而導致氧化鎢之峰值較不明顯，氧化鎢主要的峰 值為(002)、(211)，而(200)、(202)、(302)、(402)為 ITO 之峰值。
圖 4-5 X 光繞射分析低掠角示意圖
圖 4-6 氧化鎢薄膜 X 光繞射分析
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4.2 氧化鎢薄膜記憶保持能力
當給予氧化鎢薄膜一定量電壓時，使得氧化鎢薄膜與電解液中的離子產 生交互作用後，即可讓氧化鎢薄膜達到著色態，著色完全後並切斷電壓，讓 氧化鎢薄膜與電解液中的離子產生交互作用，該氧化鎢薄膜中的離子會慢慢 的游離出氧化鎢薄膜的結構，使得氧化鎢薄膜慢慢回復成原本的狀態，此行 為稱為氧化鎢薄膜的記憶保持能力。
在可撓性的元件當中，遇到最大的問題就是彎曲後對於表面的薄膜及元 件所帶來的影響。本節將對氧化鎢薄膜進行彎曲測試並探討其記憶保持能力，
在彎曲當中又分為兩種，分別為張應力及壓應力。在目前的 3C 產品當中，
在使用的時候會使得 3C 產品的溫度逐漸上升，所以也會對氧化鎢薄膜進行 升溫並探討其記憶保持能力。而在氧化鎢薄膜未受到任何彎曲及溫度效應影 響的結果如圖 4-7 所示，其結果表明大約在兩小時的時候其氧化鎢薄膜的顏 色已退色到未著色的顏色差不多，並以其結果為基準，比較不同彎曲及溫度 效應下其記憶保持能力。
圖 4-7 未受彎曲及溫度效應的氧化鎢薄膜記憶保持能力
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圖 4-9 對氧化鎢薄膜進行張應力並固定彎曲半徑實體圖 (a)彎曲半徑 7.5 mm (b)彎曲半徑 5 mm
圖 4-10 氧化鎢薄膜進行張應力及彎曲半徑為 7.5 mm
圖 4-11 氧化鎢薄膜進行張應力及彎曲半徑為 5 mm
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4.2.2 氧化鎢薄膜受到壓應力與不同彎曲半徑之記憶保持能力
本小節將進行對於氧化鎢薄膜進行壓應力並固定彎曲半徑來對氧化鎢 薄膜進行記憶保持能力探討。本階段研究示意圖如圖 4-12，圖 4-12(a)為彎 曲半徑 7.5 mm，圖 4-12(b)則為彎曲半徑 5 mm。而本階段實驗如同 4.2.1 小 節，將可撓性基板(ITO/PEN)上電鍍氧化鎢薄膜，再固定彎曲半徑在 ITO 玻 璃基板上，將可撓性基板上的 ITO 與玻璃基板上的 ITO 使用銅導電膠帶連 接，最後再使用抗酸鹼膠帶包覆銅導電膠帶，避免汙染本研究所使用之液態 電解液。
圖 4-13 與圖 4-14 分別為為對氧化鎢薄膜進行張應力並固定彎曲半徑 7.5 mm 與 5 mm 的結果，其記憶保持能力大約一個小時左右回復成未著色態。
與圖 4-7 結果比對，結果表明對於壓應力的氧化鎢薄膜會使記憶保持能力衰 退，但隨著彎曲半徑越小其氧化鎢薄膜記憶保持能力並無顯著差異，代表壓 應力對於氧化鎢薄膜與記憶保持能力雖有關係但與張應力結果比較如圖 4-10 與 4-11，壓應力對於氧化鎢薄膜的記憶保持能力影響較張應力作用小。
圖 4-12 對氧化鎢薄膜進行壓應力並固定彎曲半徑示意圖 (a)彎曲半徑 7.5 mm (b)彎曲半徑 5 mm
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圖 4-13 氧化鎢薄膜進行張應力及彎曲半徑為 7.5 mm
圖 4-14 氧化鎢薄膜進行張應力及彎曲半徑為 5 mm
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4.2.3 氧化鎢薄膜高溫測試之記憶保持能力
由於在目前的 3C 產品當中，在使用時會使得 3C 產品的溫度逐漸上升，
所以本小節將對氧化鎢薄膜進行升溫並探討其記憶保持能力，上升溫度設定 為室溫、40℃及 60℃，而室溫的結果表明於圖 4-7 所示。圖 4-15 為本階段 研究示意圖，將可撓性基板(ITO/PEN)電鍍氧化鎢薄膜後放置於電解液中，
再將溫度設定為室溫、40℃及 60℃，待其溫度穩定後才可開始本階段實驗。
圖 4-15(a)為升溫 40℃，圖 4-15(b)為 60℃。
本階段實驗結果如圖 4-16 及 4-17，圖 4-16 為將氧化鎢薄膜升溫至 40℃
本階段實驗結果如圖 4-16 及 4-17，圖 4-16 為將氧化鎢薄膜升溫至 40℃