第一章 前言

第一章 前言

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1 序論

建築節能在世界上的興起，源自於世界性石油危機。由於能源價格快速 的上漲，使人們開始重視在建築物中採取節能措施，減少能源之使用。進入 1990年以後，人類才清楚認識到我們生存的地球逐漸暖化，溫室效應的影響 對人類和生物界是個非常嚴重的威脅。為了保護我們賴以生存的自然環境，

建築節能成為世界各國共同關注的重大課題。近三、四十年來，開放與交流、

舒適與自然、環保與節能已經慢慢成為新一世紀建築的三大原則，能夠節能 的建築已經成為世界性潮流，綠色建築概念大行其道，用最節約能源、最有 效利用資源的方式，建造對環境負荷最安全、健康、舒適的居住空間^[1]。 窗戶是建築外圍結構的開口部位，不僅對建築物的外觀和周圍環境的協 調有關鍵的作用，更重要的還負責室內外既溝通又分隔的多重實用功能。以 傳統建築來說，若要增加室內採光則必須提高開窗面積，帶來更多熱量增加 空調負擔；反之若減少開窗面積則增加室內照明需求，增加電力負荷，兩者 之間通常難以兼顧。

節能窗(energy saving window)是近二十年來因應節省能源所開發出來 的新技術，其中的變色型節能窗為窗戶本身吸收外部的能量(光、熱、電) 即可產生顏色變化的材料，近來廣受學者研究。依美國著名之Pilkington公司 所提出之建築玻璃除具有適當的色彩美感外，藉由適當的調整與設計還能減 少室內照明及空調之使用^[2]；優良的排熱性則可將室內多餘的熱負載釋放，

以節省室內空調。圖1-1為運用於建築物上之變色型節能窗實例^[3-5]。圖中左 邊當室外的溫度不高、氣候晴朗時，變色型節能窗就像一般的窗材一樣，具 有高透光性、增加室內視野效果、節省照明電力負荷的功能；圖右則當室外 的溫度較高、氣候炎熱時，即可開啟變色型節能窗的開關，此時節能窗會因 為外加能量(光、熱、電)的驅動轉變為著色狀態，隔絕室外陽光中發熱波段

之波長進入室內，進而降低室內的空調負荷，達到提高節能效率及人為控制 的目的。

由於太陽輻射量及入射角度隨氣候和季節而異，從玻璃本身的光學性能 來調節，使其可以隨著不同時間太陽光學性質的改變而變動，是很有效率的 方式。依照其驅動方式的不同可分為三種：(1)光致色變(photochromism)，(2) 熱致色變(thermochromism)，(3)電致色變(electrochromism)，表 1-1 為三種變 色機制之比較^[6]，以下個別討論之：

(1) 光致色變：當某些有機或無機材料受到光線或紫外光照射時其光學性能 發生改變，而移除光源時又回復到原始狀態。其中應用最為廣泛的是光 致色變玻璃製作而成的太陽眼鏡，其製作方式簡易，只要在玻璃製程中 加入微量鹵化銀即可達到變色效果。不過光致色變玻璃當溫度在 30^oC以 上開始出現高溫退色的現象、反應緩慢，以及無法自行控制變色需求，

使其無法符合一般建築物的要求。

(2) 熱致色變：材料因溫度變化使得本身的光學性能也隨之變化，以無機之 VO₂薄膜為代表，其原理為利用溫度改變時同分異構變形的作用。市面 上已有墨水、顏料、安全設施、溫度顯示器甚至服裝等產品，應用於變 色窗上，則無法自行控制變色需求、溫度控制不易以及著色狀態下光穿 透率偏高等缺點。

(3) 電致色變：電致色變玻璃由多層鍍膜及電解質(液)構成，只需要極低的 電壓便能驅動元件，因此可容易地與建築能源管理系統結合。此外其具 有高度之穿透率、使用者控制性、記憶效應、反應速度快、能源節約及 穿透率變化之有效光譜範圍廣(可見光區-近紅外光區)等應用上的優點，

若應用於變色窗技術上，相較於光致色變以及熱致色變具有較大的發展 性。

(a) (b)

(c) (d) 圖 1-1 用於一般建築物之變色窗^[3-5]

表 1-1 三種變色機制之比較^[6]

Type of Optical Response

Stimulus Materials Comments

Electrochromic

Electrical, user controlled

Tungsten oxide thin Film

(1) Multilayered construction

(2) Automotive & aircraft uses

(3) Display devices of long-standing Interesting

Thermochromic

Absorbed solar energy

Doped VO2 thin film

(1) Simple in principle (2) Architectural concept

Photochromic Solar UV

Silver

halide-containing glass

(1) Thermally bleached (2) Ophthalmic & sun glasses

電致色變技術近年快速發展且運用層面廣泛，除節能的建築用玻璃外，

更延伸發展出車用玻璃、航太玻璃及各類數位顯示器的使用，如圖 1-2、1-3、

1-4 所示^[7-9]，極具市場開發的價值與潛力。圖 1-2 為車用後照鏡玻璃，通電 變色後可防止強烈陽光時所造成之眩光現象，增加行車安全；圖 1-3 為Bayer 公司所設計代表公司logo之簡易圖像顯示器，通電變色時圖案即顯示，反之 去掉電壓圖像則消失；圖 1-4 中，abc為穿透式元件，a為著色之正視圖、b 為著色之側視圖、c為去色態之正視圖，de均為直徑 60μm之電致色變點，d 為金屬氧化物薄膜、e則為紅色苯胺染料；fg為反射式之電致色變元件著/去 色之狀態。

(a)

(b)

圖 1-2 電致色變技術用於汽車工業(a)前置後照鏡；(b)兩側後照鏡^[7]

圖 1-3 BAYER公司設計之簡易電致色變圖像顯示器^[8]

圖 1-4 設計有人像之電致色變圖像顯示器： abc 為穿透式元件之著/去色態 及正/側視圖；de 均為直徑 60μm 之 electrochromic dots，d 為金屬氧 化物薄膜、e 則為紅色苯胺染料；fg 為反射式之電致色變元件著/去色 之狀態^[9]

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2 研究動機與目的

電致色變材料包含過渡金屬氧化物(transition metal oxides)、普魯士藍 (Prussian blue)、有機化合物、高分子聚合物及液晶(liquid crystal)填充等。運 用於建築玻璃上，有機化合物及高分子聚合物雖然具有響應速度快、操作電 壓低、高光學性質與顏色多樣化等優點，不過元件本身卻會因為長期的風吹 日曬而遭受破壞且膜層本身與基板(ITO玻璃)之附著力不佳，大大降低了其 使用壽命；普魯士藍也具有響應速度快及色彩變化對比明顯等優點，不過使 用上需先使主要的變色層呈著色狀態，做為元件較為不便；而利用液晶填塞 的排列順序使光通/光阻來控制光線穿透的方法雖然反應快速，但相對耗電 量大且要控制晶胞方向完全一致不容易^[10]。相較之下，過渡金屬氧化物膜層 堅固、與基板之附著力佳且具有較佳的可逆性、可靠度與著色效率。因此本 實驗選用過渡金屬氧化物作為主要的變色材料。氧化鎢屬還原態著色材料，

變色性質為當前研究的材料中最為明顯，且反應迅速、色差大；氧化鎳則屬 氧化態著色，變色性質雖不如氧化鎢明顯，卻可輔助氧化鎢增加元件之變色 性，並以固態電解質封裝成互補式之電致色變元件。

含鋰之電解質運用層面亦甚為普遍，例如手機、PDA、notebook 等 3C 電子，此外如目前廣為研究的燃料電池、OLED、PLED、鋰二次電池及電致 色變元件等，影響範圍廣及我們的日常生活之中。不過現有的產品多為液 態，對元件封裝以及產品短小輕薄的要求較不易達成，因此希望能藉由不同 成分的摻雜開發出固態含鋰電解質用來封裝電致色變元件使其具有更佳的 節能效益。

常見之薄膜製備方法約有蒸鍍法(Evaporation deopsition)^[11]、陽極氧化法 (Anodic oxidation)^[12]、 溶 膠 -凝 膠 法 (Sol-gel process) ^[13]及 濺 鍍 法 (Sputter deposition) ^[14]等。蒸鍍法設備簡單、價格便宜，不過鍍率低、階梯覆蓋能力 差及附著性差；陽極氧化法製程簡易、成本低廉，但膜質成份難控制導致純

度低；溶膠-凝膠法製備薄膜化學純度高、製程溫度低及成本低，不過膜厚 不均且過程中牽涉的化學反應複雜，較不易控制；相較下濺鍍法屬低溫製程 (可在常溫下進行)、使用不同之電源即可製備金屬、非金屬及介電質薄膜、

膜厚均勻及表面平整無孔隙等，本研究即選用濺鍍法來製備氧化鎢及氧化鎳 薄薄膜。

根據前述討論，本研究旨在探討固態電解質應用於互補式電致色變元件 之特性，並以濺鍍法(Sputtering)在ITO玻璃基板上沉積氧化鎢及氧化鎳^[15-16]薄 膜，可得到緻密、表面平整且均勻膜層，再使用過氯酸鋰(LiClO₄)粉末加碳 酸 丙 烯 (propylene carbonate) 溶 劑 ， 以 及 聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯 (Polymethyl Methacrylate)粉末調製成固態電解質封裝之。探討主要的重點有：(1)製作不同 導電度之有機固態電解質層應用於電致色變元件，測定其循環伏安曲線、

響應時間、著色與去色狀態時之紫外-可見-紅外光譜，以瞭解不同導電度之 電解質層對電致色變特性之影響；（2）對固態電解質互補式電致色變元件 施以不同之電壓值，測定其循環伏安曲線、響應時間、著色與去色狀態時之 紫外-可見-紅外光譜，以瞭解不同工作電壓對電致色變特性之影響。