軟性電致變色技術 軟性電致變色技術
在節能窗的應用 在節能窗的應用
工業技術研究院 工業技術研究院 南分院南分院 雷射應用中心雷射應用中心
軟電製程設備部 軟電製程設備部
鍾儀文博士 鍾儀文博士
Email:chung99@itri.org.tw Tel:06-6939148
DON'T COPY
Copyright 2010 ITRI 工業技術研究院
波音
波音
787787
法拉利621法拉利
621DON'T COPY
http://www.nrel.gov/features/20100301_windows.html
美國再生能源實驗室 美國再生能源實驗室
Today's dynamic windows still cost up to Today's dynamic windows still cost up to $1,000 per square meter$1,000 per square meter of glass of glass Electrochromic
Electrochromic windows can block as much as 98 percent of the direct sunlightwindows can block as much as 98 percent of the direct sunlight. . In computer simulations of building performance, the
In computer simulations of building performance, the electrochromicelectrochromic windows:windows:
•• reduce electricity consumption for cooling by up to 49 percent; reduce electricity consumption for cooling by up to 49 percent;
•• lower peak electrical power demand by up to 16 percent; and lower peak electrical power demand by up to 16 percent; and
•• decrease lighting costs by up to 51 percent. decrease lighting costs by up to 51 percent.
NREL researchers also are investigating ways to rapidly make
NREL researchers also are investigating ways to rapidly make electrochromicelectrochromic films on cheaper, films on cheaper, flexible plastic substrates instead of glass. This will allow de
flexible plastic substrates instead of glass. This will allow development of so-velopment of so-called "called "roll to roll" roll to roll"
(R2R) processing methods similar to those currently used to prin
(R2R) processing methods similar to those currently used to print newspapers.
DON'T COPY
t newspapers.Copyright 2010 ITRI 工業技術研究院
北投圖書館
北投圖書館 花博夢想館花博夢想館
太陽能發電
太陽能發電 隔熱建材
隔熱建材
生態綠化生態綠化
自然採光
自然採光
水資料利用水資料利用
智慧控制智慧控制 節能窗 節能窗
綠建築技術
綠建築技術 綠色產業綠色產業
太陽光電
太陽光電
LED節能照明LED
節能照明綠建築技術 綠建築技術
( (
缺缺) )
( 台灣產業已具備( 台灣產業已具備)) ( ( 台灣技術已具備台灣技術已具備))
15%
57%
18%
10%
交通傳輸工具耗能 工業耗能 建築物耗能 其他耗能
Source:
Source:經濟部能源局經濟部能源局
25%
51%
24%
照明 空調 其他
與窗戶耗能 與窗戶耗能
息息相關息息相關
節能窗的發展將會補足現今綠建築技術中的最後一塊拼圖
節能窗的發展將會補足現今綠建築技術中的最後一塊拼圖DON'T COPY
建築設計概念
電致變色窗 電致變色窗 視野佳視野佳
節能窗效應 節能窗效應
台北:35% 台北:35% ;; 高雄:27%高雄:27%
住宅開口率
節能建築開口率 一般住宅: 一般住宅: <<25%25%
辦公建築: 辦公建築: <<40%40%
玻璃窗面積極大化 耗能嚴重耗能嚴重
空調用電總共 28800W/天
28800W/天 × 18% = 5184W/天 每天可省 5.42度電
可減碳 3.45kg/天
每調高溫度設定值1℃
可節省冷氣用電6% 電致變色窗估計可降低3~5℃
節省18%~30%空調用電
可省電費 20元/天
DON'T COPY
Copyright 2010 ITRI 工業技術研究院
(1)導電基材層:可以是金屬、合金、導電玻璃或塑膠導電基材。
(2)工作電極層:即主要電致色變材料層,為電致色變元件中提供 顏色變化的主要材料。
(3)電解質層 :可為液態、膠態或固態電解質。
(4)離子儲存層:可為一般電極或另一種電致變色物質,用來調節 元件的光學密度差或提供不同的顏色變化。
電致變色元件 電致變色元件
電致變色元件
電致變色元件透明導電基材層 透明導電基材層 電致變色層
電致變色層 電解質層電解質層 離子儲存層 離子儲存層
透明導電基材層 透明導電基材層
v v
DON'T COPY
種類 電致變色材料 響應時間
WOWO33 VV22OO33 NiONiOXX
Fe4[Fe(CN)6]3 InFe(CN)6
快快
慢慢 快快 高分子聚合物 Poly(aniline)
Pyrazoline 短短 多多 Viologen
過渡金屬氧化物
價間嵌入化合物
有機化合物
循環壽命 顏色表現
長長 少少
短短 普通普通
電致變色材料 電致變色材料
黃色 藍色 灰色
紅色 V2O5
CuOx 氧化還原均著色
氧化還原均著色
深青銅色 透明 藍色/綠色 NiOx
Fe4[Fe(CN)6]3 氧化態著色
氧化態著色(+(+))
深藍色 透明 深藍色
WO3 MoO3 還原態著色
還原態著色(-(-))
還原態還原態(-(-)) 氧化態氧化態(+(+))
電致變色材料 電致變色材料
電致色變理論源自於電致色變理論源自於 J. R. Platt in 1961J. R. Platt in 1961
電致色變元件首次發表電致色變元件首次發表Deb et al in 1969Deb et al in 1969
•
• Prof. Claes Prof. Claes G. G. Granqvist Granqvist
•
• Dr. Carl M. Dr. Carl M. Lampert Lampert
氧化釩氧化釩 氧化鎢氧化鎢
Adv. Mater. 16 (2004) 1905 Adv. Mater. 16 (2004) 1905
DON'T COPY
Copyright 2010 ITRI 工業技術研究院
電致變色理論 電致變色理論
WO
3+ x(Li
++e
-)
→Li
xW
IV(1-x)W
VxO
3電致變色全反應化學式
電致變色全反應化學式
(Fe
II (1-x)Li
x)Fe
III x[Fe(CN)
6] Fe
2++ [Fe(CN)
6]
3-+ x(Li
++ e
-)
反應的瞬間,先嵌入鋰離子
Solar Energy Materials & Solar Cells 60 (2000) 201 Solar Energy Materials & Solar Cells 60 (2000) 201
‧ ‧ 結晶系 結晶系
‧非晶系 ‧ 非晶系
鋰離子嵌鋰離子嵌 入位置入位置
DON'T COPY
光學密度&著色效率 光學密度&著色效率
當 材 料 在 進 行 電 化 學 反 應 當 材 料 在 進 行 電 化 學 反 應 時,所消耗的電量越少,穿 時,所消耗的電量越少,穿 透率變化越大,則此材料的 透率變化越大,則此材料的 電致變色性質則越佳。
電致變色性質則越佳。
DON'T COPY
Copyright 2010 ITRI 工業技術研究院
電致變色材料製備 電致變色材料製備
過渡金屬氧化物 過渡金屬氧化物
價間嵌入化合物 價間嵌入化合物
有機化合物 有機化合物
真空鍍膜法 電化學沉積法 溶膠凝膠法 水熱法
電化學沉積法 溶膠凝膠法
電化學聚合法 化學聚合法
DON'T COPY
電子撞擊惰性氣體(正電)→正電粒子陰極吸引→撞擊鈀材表面→在 陽極上形成薄膜
真空鍍膜法 真空鍍膜法
•• 反應濺鍍法反應濺鍍法
真空鍍膜法:濺鍍法、熱蒸鍍 真空鍍膜法:濺鍍法、熱蒸鍍
Source
Source:國立台南大學電機系盧陽明教授實驗室:國立台南大學電機系盧陽明教授實驗室
DON'T COPY
Copyright 2010 ITRI 工業技術研究院
電化學沉積法 電化學沉積法
counter counter
working working reference reference
3 3
極電鍍系統極電鍍系統
普魯士藍普魯士藍 氧化鎢氧化鎢
DON'T COPY
Vi Vi ologens ologens
Solid State Ionics 165 (2003) 315 Solid State Ionics 165 (2003) 315
化學聚合法 化學聚合法
DON'T COPY
Copyright 2010 ITRI 工業技術研究院
電解質 電解質
型態:液態
型態:液態、、膠態與固態
膠態與固態
→→
薄膜態(薄膜態 (
工研院)工研院 ) 材質:液態
材質:液態、、無機系、有機系無機系、有機系
傳統電解質封裝步驟製程繁雜,且耗成本 傳統電解質封裝步驟製程繁雜,且耗成本
液態電解質:碳酸丙烯+過氯酸鋰
液態電解質:碳酸丙烯+過氯酸鋰固態電解質:鋰鹽
固態電解質:鋰鹽+
+
高分子高分子 ( (
有機系有機系 ) ) 無機材質系
無機材質系
DON'T COPY
液態電解質填充 液態電解質填充
DON'T COPY
Copyright 2010 ITRI 工業技術研究院
固態電解質 固態電解質
無機電解質材料
Solar Energy Materials & Solar Cells (2010) Solar Energy Materials & Solar Cells (2010)
有機電解質材料
DON'T COPY
SAGE SAGE
全真空濺鍍製程示意圖 全真空濺鍍製程示意圖
DON'T COPY
Copyright 2010 ITRI 工業技術研究院
Gesimat Gesimat
DON'T COPY
ChromoGenics ChromoGenics
DON'T COPY
Copyright 2010 ITRI 工業技術研究院
工研院研發成果 工研院研發成果
DON'T COPY
Flexible Thin Film Flexible Thin Film
Prussian blue/ITO/
Prussian blue/ITO/GlassGlass Prussian blue/ITO/PET (A4)Prussian blue/ITO/PET (A4)
Prussian blue/ITO/PET Prussian blue/ITO/PET
Prussian blue/ITO/PET Prussian blue/ITO/PET
60cm
60cm ××30cm30cm
60cm
60cm ××50cm50cm
DON'T COPY
Copyright 2010 ITRI 工業技術研究院
玻璃基材玻璃基材-電致變色元件-電致變色元件
Flexible
Flexible ElectrochromicElectrochromic Device in A4 size Device in A4 size 軟性電致變色元件
軟性電致變色元件 10cm×10cm×10cm10cm
Electrochromic
Electrochromic Device Device
大面積電致變色元件
大面積電致變色元件--塑膠基材塑膠基材(A3)(A3)
DON'T COPY
節能測試 節能測試
團隊所開發之電致 團隊所開發之電致 變色元件經光譜量 變色元件經光譜量 測 發 現 , 在 大 於 測 發 現 , 在 大 於
700nm
700nm 的長波長區 的長波長區 段 段 (紅外線區段 ( 紅外線區段) ) 只 只
剩 平 均
剩 平 均 20% 20% 穿 透 穿 透 率,可有效阻擋熱 率,可有效阻擋熱 源 源 (3 (3
℃~5℃~5
℃)℃) ,達到 ,達到 節能效果 節能效果
31℃ 28℃
DON'T COPY
Copyright 2010 ITRI 工業技術研究院
灰階顯示 灰階顯示
Wavelength (nm) Wavelength (nm) 穿透率穿透率
T%T%
Adv. Mater. 16 (2004) 1905 Adv. Mater. 16 (2004) 1905
DON'T COPY
‧大面積鍍膜技術 ‧ 大面積鍍膜技術 (非真空 ( 非真空 ) )
‧ ‧ 軟性元件技術 軟性元件技術
‧高效率電解質製程技術 ‧ 高效率電解質製程技術
‧高著色率元件‧高著色率元件
( (
<<5%) 5 %)
‧抗‧抗IR ~5%/
IR ~5%/>
>700nm700nm
‧循環壽命‧循環壽命 >>
50000 50000
‧耐溫狀況‧耐溫狀況 <80<
80℃
℃‧切換速度‧切換速度
~ 25sec/A3 ~ 25sec/A3
‧大面積軟性薄膜‧大面積軟性薄膜
(60cm (60cm
×50cm)×50cm)
1.高透光太陽能窗發電模組 2.晝光導光板
3.可調光液晶玻璃
4.軟性電致變色節能膜技術4.軟性電致變色節能膜技術 5.REDDEX(防火材料)
DON'T COPY
Copyright 2010 ITRI 工業技術研究院
產業鏈 產業鏈
透明導電膜製造廠商 透明導電膜製造廠商 透明導電玻璃製造廠商 透明導電玻璃製造廠商
電致變色層製備
電致變色層製備 電解質技術
電解質技術
元件組裝元件組裝
產品規格產品規格
真空鍍膜廠商 真空鍍膜廠商 真空設備商 真空設備商
建築商建築商
車用零件商 車用零件商 功能型眼鏡商 功能型眼鏡商
電致變色節能窗 電致變色節能窗
材料廠商材料廠商
材料廠商材料廠商 設備廠商設備廠商
驅動控制廠商 驅動控制廠商
DON'T COPY
兩片玻璃中間隔著乾燥空氣或惰性氣體,
使用含乾燥劑的鋁條或矽膠條製作而成。
採用真空濺射方式將玻璃表面濺鍍多層不 同 材 質 鍍 膜 , 藉 以 達 到 抗 紅 外 線 輻 射 效 應。
夏夏 天天
冬冬 天天
低輻射玻璃 低輻射玻璃
DON'T COPY
Copyright 2010 ITRI 工業技術研究院
液晶玻璃 液晶玻璃
DON'T COPY
Low-E 玻璃 液晶智慧窗 電致變色節能膜
技術 優點
‧玻璃元件
‧技術較成熟
‧可阻擋紅外線(<80%)
‧玻璃元件
‧智慧切換速度快(5ms)
‧可見光遮蔽效果佳
‧塗佈製程,製作簡單
‧玻璃與軟性元件均可
‧可阻擋紅外線(~95%)
‧具智慧調光功能
‧紅外線穿透率可調控
‧具連續式製程潛力
‧驅動電壓低(±5v)
技術 缺點
‧製式規格,安裝不易
‧多層鍍膜製程繁雜
‧無法擋可見光,需搭配窗 簾使用
‧抗紅外線效率提高,會造 成透光率下降
‧材料價格昂貴
‧無法擋紅外線,所以無 節能效果
‧不易製作成軟性元件
‧液晶耐候性不佳
‧驅動電壓高(~60v)
‧切換速度慢(25sec/A3)
‧循環壽命有限(50000圈)
‧大面積鍍膜設備昂貴
備註
代表廠商為台玻,但目前台 玻製作的Low-E玻璃隔熱效 果非常不佳。
國內代表廠商為奇瑋光電,
因無法擋紅外線熱源,所以 主要是應用於室內窗戶。
國內尚無相關廠商,主要 大廠均在歐美地區。
技術比較 技術比較
DON'T COPY
Copyright 2010 ITRI 工業技術研究院