Polymere und Elektronik

Neue Polymere für Mehrfarben Elektrochromgeräte (ECDs)

FP7-PEOPLE-2011-IEF, Marie Curie Actions, Intra-European Fellowships (IEF)

Was ist Electrochromismus

Chromismus ist das Phänomen, das durch bestimmte Materialien gezeigt wird, in dem sie ihre Farbe vorübergehend ändern, wenn sie unterschiedlichen Reizen ausgesetzt werden. Eine der nützlichsten Formen von Chromismus ist der Electrochromismus. Dieser beinhaltet die umschaltbare Verfärbung eines Materials, wenn es zwischen seinen Oxidationszuständen wechselt. Genauer gesagt: der elektrochrome Effekt (EC) wird als sichtbare und schaltbare Veränderung der optischen Eigenschaften definiert, die ein Material nach seiner elektrochemischen Oxidation/Reduktion zeigt.

Elektrochrome Device (ECDs): Aufbau, Betrieb und Anwendungen

Ein ECD ist eine elektrochemische Zelle, in der die EC-Elektrode durch einen Elektrolyt von der Gegenelektrode für den Ladungsausgleich getrennt wird. Die Verfärbungen treten ein, indem die Zelle durch Anlegen eines elektrischen Felds, aufgeladen bzw. entladen wird. Nachdem die Verfärbung eingetreten ist, ist der neue Redox-Zustand dauerhaft beständig. Die EC-Elektrode wird auf leitfähigem transparenten Glas (wie Indiumzinnoxid, ITO) mit dem EC-Material beschichtet. Es können verschiedene Arten von EC-Materialien und -strukturen benutzt werden, um ECDs herzustellen. Kommerzielle Anwendungen von EC-Materialien umfassen Blendschutzautorückspiegel, Batterieladezustandindikatoren und Sonnenbrillengläser. Künftige Anwendungen umfassen »intelligente Fenster«, wiederverwendbare Preisschilder, Geräte für die Überwachung gefrorener Lebensmittel, die thermische Steuerung von Raumfahrzeugen, elektronische Papieranzeigen und Computerdatenspeicherung. Intelligente Fenster können z. B. in Gebäuden und in der Automobilherstellung verwendet werden, um Blendlicht zu vermeiden. Die Steuerung des Sonneneinfalls durch diese Fenster kann durch elektrisch schaltbare chromogene Materialien erzielt werden. Intelligente Fenster haben zudem den Vorteil einer kleinen Schaltspannung. Das erforderliche elektrische Feld, um die optische Eigenschaft zu ändern, ist sehr klein .

Materialien eignen sich für die Anwendung in ECDs, wenn sie einen guten optischen Kontrast zwischen mindestens zwei verschiedenen Farbzuständen haben und schnelle Schaltzeiten aufweisen. Um die Leistungsfähigkeit eines ECD zu bewerten, sind einige Parameter zu berücksichtigen: elektrochrome-Leistungsfähigkeit, optischer Speicher, Schaltzeiten, Haltbarkeit und Zyklenhäufigkeit. Die noch vorhandenen Schwierigkeiten, gute Werte für alle diese Parameter zu erzielen, treibt die Entwicklung von neuen EC-Materialien für diese Geräte voran.

Vorteile von Polymeren Electrochromiematerialien

Eine Vielzahl von leitfähigen Polymeren (CPs) besitzen schaltbare elektrische Eigenschaften, die in einer Farbänderung »sichtbar« werden. Die induzierte Bandlücke dieser Materialien befindet sich im oxidierten Zustand in der sichtbaren Region. Nach der Oxidation verringert sich die Intensität des π-π* Überganges. Es entstehen zwei Übergänge niedriger Energie. Dadurch absorbiert das Polymer im sichtbaren Spektrum. Elektrochemische Doping/Undoping-Prozesse lassen sich mit EC-Materialien vielfach wiederholen und eignen sich daher für vielversprechende Anwendungen. ECS Polymere können durch chemische- oder elektrochemische Polymerisation erzeugt werden und durch lösungsmittelbasierende filmbildende Techniken sowie durch strukturiertes Drucken auf Oberflächen aufgebracht werden. Die polymeren ECS-Materialien haben dadurch enorme Vorteile gegenüber anorganischen ECS-Materialien, die durch teure und aufwändige Vacuumverfahren aufgebracht werden müssen. Daher sind Polymer ECDs preiswerter als Geräte mit anorganischen ECS-Materialien. Außerdem lassen sich in polymere ECDs die farbgebenden Parameter durch gezielte Synthese einfacher einstellen und man kann über das gesamte  Farbenspektrum verfügen. Polymere ECDs besitzen bessere Betriebseigenschaften, wie hochauflösende, schnellere Schaltzeiten und eine längere Haltbarkeit.

Forschungsziele

Eine Hauptherausforderung besteht darin, die neuen CPs für mehrfarbige ECDs zu entwickeln, die für die Massenproduktion geeignet sind. Bis jetzt haben die beschriebenen Mehrfarben-EC-Polymere einige bedeutende Nachteile, wie eine niedrige Stabilität und schlechte Prozessfähigkeit. Das Ziel des NEMEDES-Projektes ist es, Copolymere mit definierten Absorptionsspektren über das gesamte sichtbare Spektrum herzustellen, ihr elektrochromes Verhalten zu studieren und sie schlussendlich in mehrfarbigen ECDs anzuwenden. Hauptziel ist, ECDs mit außergewöhnlichen Farbprofilen und erhöhter Stabilität herzustellen, indem durch gezielte Polymersynthese neue angepasste Materialien mit definierten Strukturen hergestellt und diese im Device angewendet werden.

Publikationen

D.Triantou, S. Soulis, C. S. Asaftei, S. Janietz: Effect of the acceptor moiety on the electrochemical and electrochromic properties of Donor-Acceptor-Donor polymer films, Int. J. Electrochem. Sci., | [accepted]
D. Triantou, C. S. Asaftei, S. Soulis, A. Skarmoutsou, E. Milioni, C. Charitidis, S. Janietz: Synthesis and Characterization of Electrochromic Films Based on 2,5-Bis(2-(3,4-ethylene-dioxy)thienyl)pyridine, Int. J. Electrochem. Sci. 10, p. 1274-1291 (2015) | [Link]
D. Triantou, C. S. Asaftei, S. Janietz: 5,7-di(Thiophene-2-yl)2,3-diphenyl-thieno[3,4-b]pyrazine, 10th International Conference on Organic Electronics, Modena (Italy), 11.6.-13.6.2014 | [Vortrag]
D.Triantou, C. S. Asaftei, S. Soulis, E. Milioni, C. Charitidis, S. Janietz: Electrochromic films based on 2,5-bis(2-(3,4-ethylenedioxy)thienyl)pyridine: Synthesis by electropolymerization, spectroelectrochemical and nanomechanical properties, 10th International Conference on Organic Electronics, Modena (Italy), 11.6.-13.6.2014 | [Poster]
D. Triantou, C. S. Asaftei, S. Janietz: Effect of the acceptor on the electrochemical and electrochromic properties of Donor-Acceptor polymer films, 7th International Symposium on Flexible Organic Electronics,Thessaloniki (Greece), 7.7.-10.7.2014 | [Vortrag]
D. Triantou, S. Janietz: Synthesis and characterization of 3,4-ethylene-dioxythiophene copolymers with different acceptor units for electrochromic applications, Polydays 2014: Beyond Self Assembly - Making Polymeric Materials More Versatile, Berlin (Germany), 30.9.-2.10.2014 | [Poster]