2020年12月，OPPO聯(lián)手視覺藝術(shù)家Joshua Vides為OPPO Reno5 Pro+獨家定制了手機后蓋，讓電致變色技術(shù)延展出更豐富的想象力，可謂引領(lǐng)了手機設(shè)計新風潮。那么，究竟什么是電致變色技術(shù)呢？
基本概況

電致變色（Electrochromic，EC）是指某材料在外加交替（正負）的電壓作用下，可逆地改變材料的光學性質(zhì)，如透過、吸收和反射等。

 

電致變色器件（Electrochromic Device,ECD）則是將電致變色材料和離子電解質(zhì)應用于透明導電電極，通過外界較低的驅(qū)動電壓來實現(xiàn)可逆顏色變化的光電子器件，其典型結(jié)構(gòu)為“三明治”式結(jié)構(gòu)，包括透明導電層、離子存儲層、電致變色層和離子傳導層（電解質(zhì)層）。

 

圖2：典型電致變色器件結(jié)構(gòu)圖

 

透明導電層：透明導電層具備良好的光學透過性，不影響器件的光學透過率，目前最廣泛使用的是錫摻雜的氧化銦（ITO），具有優(yōu)異的導電性和透明度。但由于電致變色器件對于透明導電材料的需求不斷擴大，加之銦資源短缺，其他類型的透明導電材料亟待開發(fā)，如Al、Ga、B、F等元素摻雜的ZnO氧化物，其中AZO（ZnO:Al）和GZO（ZnO:Ga）薄膜的電阻率可低至8.5×10^-5Ω·cm和8.1×10^-5Ω·cm;另FTO（SnO2：F）具有高溫穩(wěn)定性，電阻率可達10^-3Ω·cm數(shù)量級，被視為ITO的替代品，可廣泛用于液晶顯示屏、光催化、薄膜太陽能電池基底、染料敏化太陽能電池、電致變色玻璃等領(lǐng)域。

 

離子存儲層：離子存儲層的作用是存儲和提供電致變色材料所需要的離子，在外電場作用下，當離子注入到EC層時，CE層釋放離子提供給電解質(zhì)層，當外加反向電場時，電致變色層又脫出離子，此時CE層又將這些離子存儲起來，二者在電場作用下發(fā)生相反的氧化或還原過程，即電致變色層發(fā)生氧化反應的同時，離子存儲層發(fā)生還原反應。

 

電解質(zhì)層：電解質(zhì)是影響器件變色性能、循環(huán)壽命以及耐候性的重要因素之一，開發(fā)性質(zhì)優(yōu)異的電解質(zhì)材料是實現(xiàn)ECD廣泛應用的關(guān)鍵。用于ECD的電解質(zhì)主要分為三大類，分別是液態(tài)、無機固態(tài)和聚合物電解質(zhì)，目前較為成熟的是液體電解質(zhì)，但對灌液、封裝都有比較苛刻的要求，而在無機固態(tài)電解質(zhì)和聚合物電解質(zhì)方面的研究有待進一步完善。

 

表1：電解質(zhì)類別及特點

 

電致變色層：電致變色層是器件的核心層，根據(jù)材料組成可分為三大類，分別是有機電致變色材料、無機電致變色材料和復合型電致變色材料，其中：

1）有機電致變色材料種類相對較多，主要有聚噻吩類及其衍生物、紫羅精類、四硫富瓦烯、金屬酞菁類化合物等，具有顏色變化豐富、光學對比度高、變色速度快的優(yōu)點，但其抗水抗氧及抗紫外性較差。華南理工大學劉平團隊在此領(lǐng)域有著深入研究，合成了一系列齊聚噻吩衍生物，相關(guān)電致變色器件表現(xiàn)出較高的光學對比度，其在700nm處光學對比度達到75.2%；

 

2）無機電致變色材料具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、變色速度慢，受空氣中水和氧影響較小，且?guī)缀醪皇茏贤饩€影響，耐候性突出等特點，其典型代表是WO3,目前市場上出現(xiàn)多種以WO3為功能材料的ECD，但以WO3為代表的氧化物基ECD難以兼顧優(yōu)異的光學調(diào)制能力和服役壽命，限制其應用發(fā)展，南方科技大學溫瑞濤團隊通過研究發(fā)現(xiàn)離子-基體交互過程中的離子俘獲效應是造成性能衰減的最重要原因之一，通過基于恒壓或恒流的反俘獲，衰減的器件可以被“刷新”而重新獲得初始性能，可實現(xiàn)ECD同時兼顧光學調(diào)制能力和服役壽命，對推動ECD的廣泛應用具有重大意義。此外MoO3、TiO2和NiO也日益受到研究人員的重視，是具有較好應用前景的下一代電致變色材料。中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所楊曄團隊開發(fā)了以WO3與NiO陶瓷靶材的純氬（或微氧）濺射工藝取代傳統(tǒng)的金屬靶材反應濺射，通過調(diào)整靶材的成分、優(yōu)化沉積工藝條件能有效提升薄膜的沉積效率、改善薄膜的微結(jié)構(gòu)，進而提升薄膜的EC循環(huán)穩(wěn)定性，為未來低成本ECD商業(yè)化提供一條新的路徑；

 

3）復合電致材料則可以克服單一材料的存在缺陷，優(yōu)化電致變色性能，目前主要有無機/無機、無機/有機、有機/有機復合電致變色材料。

 

表2：電致變色材料類型及特點

 

市場應用

電致變色是主動變色的過程，具有對于自身材料的變色掌控能力，應用領(lǐng)域廣泛，包括智能窗、防眩目汽車后視鏡、軍事偽裝、柔性電子、電致變色顯示屏等。

圖3：電致變色應用領(lǐng)域

 

智能窗

應用于智能窗的電致變色智能玻璃在有電流通過的情況下具有對光的吸收或透過的自主調(diào)節(jié)能力，并且智能窗可以選擇性的實現(xiàn)太陽光的反射與透過，從而保證了建筑物內(nèi)部在夏季處于涼爽的狀態(tài)，冬季處于一種保持溫暖狀態(tài)。在全球推動節(jié)能減排的趨勢下，建筑領(lǐng)域的電致變色玻璃需求激增，根據(jù)Allied Market Research數(shù)據(jù)預測，2026年全球電致變色玻璃行業(yè)的市場規(guī)模將達到41億美元，預計從2019年到2026年的復合年增長率為17.2%

 

防眩目汽車后視鏡

夜間駕駛汽車會發(fā)現(xiàn)后車強光照射到前車后視鏡中，產(chǎn)生令人暈眩的反光，對于變道時的觀察極為不利，從而產(chǎn)生安全問題?；陔娭伦兩牧现苽涞闹悄芊姥Ｄ亢笠曠R可以通過電子感應系統(tǒng)感應后方車輛發(fā)射的光線的強弱，施加合適的電壓實現(xiàn)后視鏡不同的反射能力，從而起到防眩目的效果，使駕駛更加安全。

 

軍事偽裝

電致變色材料對中遠紅外方面的發(fā)射率調(diào)控是未來發(fā)展的一個方向，特別是有機電致變色材料中的PEDOT或PANI，在中遠紅外波段有著較寬的發(fā)射率調(diào)制幅度，因此在未來極有可能成為極佳的紅外隱身或偽裝材料。

 

柔性電子

柔性電致變色器件研究起步較晚，其采用柔性且機械性強的材料作為透明導電基底，可以應用于柔性可穿戴設(shè)備。目前智能便攜式電子產(chǎn)品正在朝著柔性化和透明化的方向發(fā)展，日益增長的市場需求迫切需要性能與之匹配的“隱身電源”，如采用電致變色技術(shù)的柔性透明超級電容器，可廣泛用于健康監(jiān)護儀、電子皮膚、微型觸摸傳感器和移動智能設(shè)備等領(lǐng)域。

 

電致變色顯示屏

電致變色材料能夠通過施加電壓的大小實現(xiàn)不同的顏色以及在撤去電壓后也能夠保持在原來的狀態(tài)，因此電致變色材料可被應用于顯示。這種顯示器不需要背景光，既可以解決現(xiàn)在顯示器的發(fā)射光對讀者眼睛的損傷，也可以起到節(jié)約能源的作用。

 

電致變色智能眼鏡

電致變色智能眼鏡采用電致變色技術(shù)和電子傳感技術(shù)，鏡片在感應到陽光變化時顏色會發(fā)生變化，從而改變紫外線的透過率，可廣泛用于安全頭盔護目鏡、飛行員頭盔、滑雪護目鏡等，具有防紫外線和調(diào)節(jié)眼鏡舒適度等功能。

 

市場現(xiàn)狀

 

電致變色材料作為一種新興的智能材料，是國內(nèi)外企業(yè)紛紛參與布局的重點領(lǐng)域，前景廣闊，國外代表企業(yè)包括：美國Gentex Corporation、美國SAGE Electrochromics、瑞典ChromoGenics AB、美國View等；國內(nèi)企業(yè)則主要有凱盛科技、萊寶高科、光羿科技、亞瑪頓等。

 

表3：國外電致變色重點企業(yè)

 

表4：國內(nèi)電致變色重點企業(yè)

 

但現(xiàn)階段電致變色技術(shù)尚未完全成熟，在研發(fā)過程中存在以下問題：1) 色系單調(diào)，現(xiàn)階段達到產(chǎn)業(yè)化標準的電致變色材料是以WO3為功能材料的，其顏色表現(xiàn)以黑、白、灰為主，色系比較單一。為克服該缺陷，中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所趙志剛團隊通過引入法布里-珀羅腔結(jié)構(gòu)，改變腔體介質(zhì)材料的厚度、折射率和重復周期，控制光子帶隙，實現(xiàn)了無機電致變色器件多色化，進一步施加偏壓調(diào)節(jié)氧化鎢材料折射率，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍豐富且精細的顏色調(diào)制; 2) 響應時間長，電致變色材料的響應時間為10- 750ms，響應時間較長，需進一步縮短響應時間; 3) 大面積問題，由于現(xiàn)階段電致變色材料的制備技術(shù)較為復雜，會產(chǎn)生變色不均，導致無法大面積批量生產(chǎn)的問題。

 

電致變色技術(shù)在許多前沿應用領(lǐng)域（如新型顯示、柔性電子、新能源等）有重要社會意義，已經(jīng)成為了市場的焦點。未來隨著技術(shù)的不斷成熟，電致變色技術(shù)有望加速市場滲透。