电致变色，颠覆你的视觉观

2020年12月，OPPO联手视觉艺术家Joshua Vides为OPPO Reno5 Pro+独家定制了手机后盖，让电致变色技术延展出更丰富的想象力，可谓引领了手机设计新风潮。那么，究竟什么是电致变色技术呢？
基本概况

电致变色（Electrochromic，EC）是指某材料在外加交替（正负）的电压作用下，可逆地改变材料的光学性质，如透过、吸收和反射等。

 

电致变色器件（Electrochromic Device,ECD）则是将电致变色材料和离子电解质应用于透明导电电极，通过外界较低的驱动电压来实现可逆颜色变化的光电子器件，其典型结构为“三明治”式结构，包括透明导电层、离子存储层、电致变色层和离子传导层（电解质层）。

 

图2：典型电致变色器件结构图

 

透明导电层：透明导电层具备良好的光学透过性，不影响器件的光学透过率，目前最广泛使用的是锡掺杂的氧化铟（ITO），具有优异的导电性和透明度。但由于电致变色器件对于透明导电材料的需求不断扩大，加之铟资源短缺，其他类型的透明导电材料亟待开发，如Al、Ga、B、F等元素掺杂的ZnO氧化物，其中AZO（ZnO:Al）和GZO（ZnO:Ga）薄膜的电阻率可低至8.5×10^-5Ω·cm和8.1×10^-5Ω·cm;另FTO（SnO2：F）具有高温稳定性，电阻率可达10^-3Ω·cm数量级，被视为ITO的替代品，可广泛用于液晶显示屏、光催化、薄膜太阳能电池基底、染料敏化太阳能电池、电致变色玻璃等领域。

 

离子存储层：离子存储层的作用是存储和提供电致变色材料所需要的离子，在外电场作用下，当离子注入到EC层时，CE层释放离子提供给电解质层，当外加反向电场时，电致变色层又脱出离子，此时CE层又将这些离子存储起来，二者在电场作用下发生相反的氧化或还原过程，即电致变色层发生氧化反应的同时，离子存储层发生还原反应。

 

电解质层：电解质是影响器件变色性能、循环寿命以及耐候性的重要因素之一，开发性质优异的电解质材料是实现ECD广泛应用的关键。用于ECD的电解质主要分为三大类，分别是液态、无机固态和聚合物电解质，目前较为成熟的是液体电解质，但对灌液、封装都有比较苛刻的要求，而在无机固态电解质和聚合物电解质方面的研究有待进一步完善。

 

表1：电解质类别及特点

 

电致变色层：电致变色层是器件的核心层，根据材料组成可分为三大类，分别是有机电致变色材料、无机电致变色材料和复合型电致变色材料，其中：

1）有机电致变色材料种类相对较多，主要有聚噻吩类及其衍生物、紫罗精类、四硫富瓦烯、金属酞菁类化合物等，具有颜色变化丰富、光学对比度高、变色速度快的优点，但其抗水抗氧及抗紫外性较差。华南理工大学刘平团队在此领域有着深入研究，合成了一系列齐聚噻吩衍生物，相关电致变色器件表现出较高的光学对比度，其在700nm处光学对比度达到75.2%；

 

2）无机电致变色材料具有结构稳定、变色速度慢，受空气中水和氧影响较小，且几乎不受紫外线影响，耐候性突出等特点，其典型代表是WO3,目前市场上出现多种以WO3为功能材料的ECD，但以WO3为代表的氧化物基ECD难以兼顾优异的光学调制能力和服役寿命，限制其应用发展，南方科技大学温瑞涛团队通过研究发现离子-基体交互过程中的离子俘获效应是造成性能衰减的最重要原因之一，通过基于恒压或恒流的反俘获，衰减的器件可以被“刷新”而重新获得初始性能，可实现ECD同时兼顾光学调制能力和服役寿命，对推动ECD的广泛应用具有重大意义。此外MoO3、TiO2和NiO也日益受到研究人员的重视，是具有较好应用前景的下一代电致变色材料。中国科学院宁波材料技术与工程研究所杨晔团队开发了以WO3与NiO陶瓷靶材的纯氩（或微氧）溅射工艺取代传统的金属靶材反应溅射，通过调整靶材的成分、优化沉积工艺条件能有效提升薄膜的沉积效率、改善薄膜的微结构，进而提升薄膜的EC循环稳定性，为未来低成本ECD商业化提供一条新的路径；

 

3）复合电致材料则可以克服单一材料的存在缺陷，优化电致变色性能，目前主要有无机/无机、无机/有机、有机/有机复合电致变色材料。

 

表2：电致变色材料类型及特点

 

市场应用

电致变色是主动变色的过程，具有对于自身材料的变色掌控能力，应用领域广泛，包括智能窗、防眩目汽车后视镜、军事伪装、柔性电子、电致变色显示屏等。

图3：电致变色应用领域

 

智能窗

应用于智能窗的电致变色智能玻璃在有电流通过的情况下具有对光的吸收或透过的自主调节能力，并且智能窗可以选择性的实现太阳光的反射与透过，从而保证了建筑物内部在夏季处于凉爽的状态，冬季处于一种保持温暖状态。在全球推动节能减排的趋势下，建筑领域的电致变色玻璃需求激增，根据Allied Market Research数据预测，2026年全球电致变色玻璃行业的市场规模将达到41亿美元，预计从2019年到2026年的复合年增长率为17.2%

 

防眩目汽车后视镜

夜间驾驶汽车会发现后车强光照射到前车后视镜中，产生令人晕眩的反光，对于变道时的观察极为不利，从而产生安全问题。基于电致变色材料制备的智能防眩目后视镜可以通过电子感应系统感应后方车辆发射的光线的强弱，施加合适的电压实现后视镜不同的反射能力，从而起到防眩目的效果，使驾驶更加安全。

 

军事伪装

电致变色材料对中远红外方面的发射率调控是未来发展的一个方向，特别是有机电致变色材料中的PEDOT或PANI，在中远红外波段有着较宽的发射率调制幅度，因此在未来极有可能成为极佳的红外隐身或伪装材料。

 

柔性电子

柔性电致变色器件研究起步较晚，其采用柔性且机械性强的材料作为透明导电基底，可以应用于柔性可穿戴设备。目前智能便携式电子产品正在朝着柔性化和透明化的方向发展，日益增长的市场需求迫切需要性能与之匹配的“隐身电源”，如采用电致变色技术的柔性透明超级电容器，可广泛用于健康监护仪、电子皮肤、微型触摸传感器和移动智能设备等领域。

 

电致变色显示屏

电致变色材料能够通过施加电压的大小实现不同的颜色以及在撤去电压后也能够保持在原来的状态，因此电致变色材料可被应用于显示。这种显示器不需要背景光，既可以解决现在显示器的发射光对读者眼睛的损伤，也可以起到节约能源的作用。

 

电致变色智能眼镜

电致变色智能眼镜采用电致变色技术和电子传感技术，镜片在感应到阳光变化时颜色会发生变化，从而改变紫外线的透过率，可广泛用于安全头盔护目镜、飞行员头盔、滑雪护目镜等，具有防紫外线和调节眼镜舒适度等功能。

 

市场现状

 

电致变色材料作为一种新兴的智能材料，是国内外企业纷纷参与布局的重点领域，前景广阔，国外代表企业包括：美国Gentex Corporation、美国SAGE Electrochromics、瑞典ChromoGenics AB、美国View等；国内企业则主要有凯盛科技、莱宝高科、光羿科技、亚玛顿等。

 

表3：国外电致变色重点企业

 

表4：国内电致变色重点企业

 

但现阶段电致变色技术尚未完全成熟，在研发过程中存在以下问题：1) 色系单调，现阶段达到产业化标准的电致变色材料是以WO3为功能材料的，其颜色表现以黑、白、灰为主，色系比较单一。为克服该缺陷，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所赵志刚团队通过引入法布里-珀罗腔结构，改变腔体介质材料的厚度、折射率和重复周期，控制光子带隙，实现了无机电致变色器件多色化，进一步施加偏压调节氧化钨材料折射率，能够实现大范围丰富且精细的颜色调制; 2) 响应时间长，电致变色材料的响应时间为10- 750ms，响应时间较长，需进一步缩短响应时间; 3) 大面积问题，由于现阶段电致变色材料的制备技术较为复杂，会产生变色不均，导致无法大面积批量生产的问题。

 

电致变色技术在许多前沿应用领域（如新型显示、柔性电子、新能源等）有重要社会意义，已经成为了市场的焦点。未来随着技术的不断成熟，电致变色技术有望加速市场渗透。