行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
氧化鎢薄膜之電致色變性質應用於智慧型窗戶之研究
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC94-2622-E-006-013-CC3 執行期間： 94 年 05 月 01 日至 95 年 04 月 30 日 執行單位： 國立成功大學材料科學及工程學系（所） 計畫主持人： 黃肇瑞 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫為提升產業技術及人才培育研究計畫，不提供公開查詢中 華 民 國 95 年 7 月 11 日
國科會補助提升產業技術及人才培育研究計畫成果精簡報告
學門領域：
金屬及陶瓷材料工程計畫名稱：
氧化鎢薄膜之電致色變性質應用於智慧型窗戶之研究Investigation of Electrochromic Properties of Tungsten Oxide Films for Smart Window
計畫編號：
NSC 94－2622－E－006－013－CC3執行期間：
94 年 5 月 1 日至 95 年 4 月 30 日執行單位：
國立成功大學材料科學及工程學系(所)主 持 人：
黃肇瑞參與學生：
姓 名
年 級
(大學部、碩
士班、博士
班)
已發表論文或已申請之專利
(含大學部專題研究論文、碩博
士論文)
工作內容
黎建成 博士班 計畫執行 王武章 碩士班 碩士論文 協助計畫執行 王紹棋 大學部 大學部專題研究論文 協助計畫執行合作企業簡介
合作企業名稱：
聞祺企業有限公司計畫聯絡人：
王新財資本額：
新台幣 貳 仟萬元產品簡介：
電子零組件製造、汽車及其零件製造網址： 電話：
( 06 )2658955研究摘要(500 字以內)：
中文摘要 電致色變材料是近年來被大家廣泛研究的一項薄膜光學技術，它可以被應用在汽車 和建築物之視窗玻璃上，以製作節省能源、調節光線及控制熱負荷之智慧型窗戶。本實驗 利用直流反應磁控濺鍍法來沉積氧化鎢薄膜，並探討各種濺鍍條件對薄膜成份、微結構、 和電致色變性質的影響。 實驗結果發現，隨著氧氣流量的增加，薄膜中的氧含量會隨之增加；在高氧氣流量下 沉積氧化鎢薄膜，薄膜具有較佳的可逆性，當氧氣流量為 30sccm 時，在波長 550nm 處， 其著色去色之穿透率變化可達 61.4%，且其在任何波長下均具有較高的光學密度，而薄膜 之著色效率 CE=7.79cm2 /C。當基板溫度超過 300℃時，薄膜即會開始結晶化，隨著基板溫 度從室溫增加到 350℃時，氧化鎢薄膜的光能隙會從 3.64 下降至 3.08eV，能隙會有窄化的 情形發生，這是因為氧空缺的存在或是結晶顆粒尺寸變大等因素。結晶化的氧化鎢薄膜在 附件二近紅外光區具較強的反射性。
實驗中並以最佳參數(氧氣流量:30sccm、基板溫度:RT)濺鍍之氧化鎢薄膜進行可靠度測 試，實驗結果發現，氧化鎢薄膜經過 100 次循環之後，其再現性和著去色穿透率並沒有受 到影響，薄膜的穩定性仍相當良好。
英文摘要
Recent years electrochromism have been extensively investigated due to their potential applications such as smart window of architecture and automobile glazing to save energy and modulate the transmission of light and solar radiation. Therefore, the objective of this study is to investigate the effects of sputtering conditions on the composition, microstructure, electrochromic properties of tungsten oxide films prepared by d.c. reactive magnetron sputtering.
Experimental results indicated that with increasing oxygen flow rate, oxygen content of the film was increased. For high oxygen flow rate, tungsten oxide films showed good reversibility. At the oxygen flow rate of 30sccm, the transmission change between colored and bleached states at a wavelength of 550nm was 61.4%. The film obtained high optical density, and coloration efficiency was 7.79cm2/C. It was also found that the crystallinity of films was obtained at the substrate temperature larger than 300℃. As the substrate temperature increasing from room temperature to 350℃, the optical band gap changed from 3.64 to 3.08eV due to the existence of oxygen vacancies or larger grain size. The crystalline tungsten oxide films show high reflectance in the near IR region. The reproducibility and the transmission of colored and bleached state were not affected after 100 cycles. It means the tungsten oxide films deposited by d.c. reactive magnetron sputtering had good quality stability which is important for application in smart window.
人才培育成果說明：
本計畫製作節省能源、調節光線及控制熱負荷之智慧型窗戶，提出濺鍍具有電致色變 性質的氧化鎢(WO3)薄膜於 ITO 玻璃上，並探討各種濺鍍條件(氧氣流量、基板溫度)對薄膜 成份、微結構、和電致色變性質的影響。本研究計畫培養研究人員於材料學門基礎上更深 入的探究，並於鍍膜及光學製程上的技術研發與實際操作人才培育上更添新血，本計畫研 究人員皆具有獨立操作鍍膜機台及解決問題之能力，並於鍍膜技術研發上瓶頸能藉由材料 基礎學科的瞭解直接的去克服，相信本研究計畫人才對於日後產業科技研發領域上皆有所 貢獻。技術研發成果說明：
Ⅰ. 氧氣流量的影響 1. 隨著氧氣流量的增加，薄膜濺鍍速率會隨之下降，這是因為在高氧氣流量時，靶材表面 與氧氣反應形成陶瓷化合物的機率大增，而陶瓷化合物的濺鍍率(sputtering yield)遠低於 金屬靶所致。 2. 由 XPS 分析可知，隨著氧氣流量的增加，薄膜中氧含量會隨之增加，當薄膜中氧含量 增加，W 原子周圍會充斥更多氧原子，而氧原子的負電性(electronegativity)又比 W 來得 高，因此造成 W 4f 能峰往高束縛能處偏移。 3. X-ray 分析結果顯示，在室溫下沉積之氧化鎢薄膜，薄膜結構為非晶態，而從 Raman 光 譜分析得知，薄膜以 W+6 =O 的鍵結型態存在居多。 4. 由循環伏安法分析可得知，在較高的氧氣流量下沉積之氧化鎢薄膜，有較多的電荷量注 入，主要的原因是薄膜在較高的 O/W 原子比時，會形成較多的六邊形隧道環，此六邊 形隧道環為陽離子注入的吸收位置，導致薄膜有較大的注入電荷量。5. 在高氧氣流量下沉積氧化鎢薄膜，薄膜具有較佳的可逆性，當氧氣流量為 30sccm 時， 在波長 550nm 處，其著色去色之穿透率變化可達 61.4%，且其在任何波長下均具有較高 的光學密度，而薄膜之著色效率 CE=7.79cm2 /C。 Ⅱ. 基板溫度的影響 1. 隨著基板溫度的上升，薄膜的濺鍍速率會下降，此現象主要是因為薄膜在沉積時濺鍍原 子或分子較難吸附在基材，此外，隨著基板溫度的增加，會使得沉積原子獲得足夠之能 量而離開薄膜表面，形成所謂的熱脫附(thermal desorption)效應。 2. 由 XPS 分析得知，隨著基板溫度的上升，薄膜中的氧含量會隨之下降，這是因為在較 高的基板溫度下沉積氧化鎢薄膜時，會使得氧原子從薄膜中釋放出來，而在薄膜內形成 氧缺陷，造成薄膜內氧含量的降低。 3. 由 X-ray 分析得知，當基板溫度超過 300℃時，氧化鎢薄膜即會開始結晶化，屬於 monoclinic 結構，而從 Raman 光譜分析得知，結晶化的氧化鎢薄膜，開始有 O-W+6-O 的鍵結型態形成。 4. 隨著基板溫度從室溫增加到 350℃時，氧化鎢薄膜的光能隙會從 3.64eV 下降至 3.08eV， 能隙會有窄化的情形發生，此是因為氧空缺的存在或是結晶顆粒尺寸變大的因素。 5. 結晶氧化鎢薄膜在近紅外光區之穿透率相當低，這是因為結晶氧化鎢薄膜在近紅外光的 波段具有很強的反射性，導致穿透率可以幾乎接近於零，而從薄膜反射率得知，結晶氧 化鎢薄膜具有較高的反射率。 Ⅲ. 可靠度測試 1. 當氧氣流量為 30sccm，基板溫度為室溫時所沉積的氧化鎢薄膜，經過 100 次循環伏安 法之測試，薄膜仍具有極佳的著去色可逆性，顯示本研究製作之氧化鎢薄膜的可靠度和 再現性極佳。 2. 氧化鎢薄膜的著色和去色之穿透率並不會隨著操作的次數增加有太大的改變，薄膜在著 色狀態時均能夠擁有極低的穿透率，而當薄膜在去色狀態下，均能回到原來透明無色的 狀態，顯示薄膜並不會在多次操作的情況下使得其著色去色的穿透率有劣化的情況發 生。
技術特點說明：
薄膜鍍層吸收外部的能量(光、電或熱)，產生顏色的變化，而將之記錄或記憶的材料 謂之變色性材料(Chromic Materials)，薄膜具有可逆光學性質變化的響應機制大致可分為以 下三類：(一)熱致色變(Thermochromism)：係指材料的光學性質隨著溫度不同而產生變化， 當物質加熱時會改變其顏色，而冷卻到原來的溫度時物質又變回原來的色澤。(二)光致色變 (Photochromism)：係指材料受光(通常為紫外光)照射會改變其光學性質，且當光源去除時材 料又會回到其原始光學特性。(三)電致色變(Electrochromism)：係指材料經由施加一電位後 產生氧化或還原之可逆反應而導致顏色的變化。電致色變材料及其裝置具有較高的使用者 控制性和較寬廣的可調整波長範圍及高光學密度，可阻擋大部分可見光與紅外線，此獨具 的特點，使電致色變技術成為近年來受到重視與研究的智慧型材料科技。 在薄膜的沉積方面，不同方法所製備出的氧化鎢，通常都會顯現出不同的薄膜型態和 微結構，不同的製程溫度和壓力與後處理也會造成薄膜化學組成和化學特性的差異，文獻 上顯示，氧化鎢薄膜可藉由真空蒸鍍法(Vacuum evaporation deposition)、濺鍍法(Sputter deposition)、化學氣相沉積法(Chemical vapor deposition)、溶膠凝膠法(Sol-gel method)、電 鍍法(Electrodeposition)、脈衝雷射法(Pulsed laser deposition)、噴塗(Spray)等法來製備，其中 利用濺鍍法所沉積的薄膜，鍍層平整且無孔隙與龜裂，容易沉積多層膜使透明導電層和電致色變層的製程可以連續化，此外可降低環境污染，並可減少濕式製程對於變色性質的影 響，因此，廣泛被大家所利用。
