3.1 电致变色显示

电致变色是材料的光学属性在外加电场下发生稳定、可逆颜色变化的现象。例如，早期的氧化钨电致变色材料，其中，三氧化钨（WO ₃ ）粉末晶体在尺寸为1.5μm时呈现黄色，在尺寸为15μm时呈现绿色，最常见的WO ₃ 本身呈现微蓝色，在同时从WO ₃ 薄膜两侧注入电子及阳离子（如锂离子）的情况下，会生成深蓝色的三氧化钨锂，相应的化学方程式如下：

WO ₃ + x M ⁺ +x e ^- ⇌M _x WO ₃

式中，M可以是锂、钠、氢、银等。如图3-2所示，电致变色原理是离子在外加电场的作用下移动，经过电解质层运动到达电致变色层，电致变色材料与离子发生氧化还原反应，生成还原态物质，从而发生变色现象。当电极反转，离子反向移动回离子存储层时，电致变色层重新回到氧化态，颜色恢复。

3.1.1 电致变色的发展

1704年，柏林油漆制造商迪斯巴赫把胭脂虫、硫酸铁、钾盐（草木灰）、牛血（碳和氮）等混合在一起，意外得到了普鲁士蓝，即亚铁氰化铁，亚铁氰化铁也成为第一种被广泛使用且相对稳定耐光的蓝色颜料。1930年，Kobosew和Nekrassow首次发现了氧化钨的电化学着色现象。1953年，T.Kraus在德国的巴尔策斯对WO ₃ 薄膜的电化学着色进行了研究。1969年，S.K.Deb在WO ₃ 薄膜中发现了电致变色现象，得到WO ₃ 薄膜电致变色的实证，并于1973年在发表的论文中揭示了WO ₃ 的着色机制，标志着电致变色技术的诞生。1982年，Seiko公司推出了第一款电致变色显示的手表。随后，1983—2000年，电致变色玻璃得到了应用；2011年，全彩电致变色显示技术得到了突破；直至今日，电致变色显示技术依然在不断发展。

3.1.2 电致变色材料

电致变色材料主要有无机电致变色材料、有机电致变色材料和复合电致变色材料。无机电致变色材料主要有WO ₃ 、MoO ₃ 、普鲁士蓝等，结构稳定、受空气中水和氧的影响较小，几乎不受紫外线影响，耐候性突出，变色速度较慢。有机高分子电致变色材料主要有聚噻吩、聚苯胺、聚吡咯等聚合物。有机小分子电致变色材料主要有紫精化合物。相比于无机电致变色材料，有机电致变色材料种类相对较多，颜色变化丰富，变色前后的对比度高，变色速度快，抗水氧及紫外线能力较差。为了克服单一材料的缺陷，提升电致变色材料的性能，无机-无机、无机-有机、有机-有机等复合材料相继被研究。表3-1中列举了常见的无机电致变色材料和有机电致变色材料。

3.1.3 电致变色和电致变色显示的特点

在制作成本方面，低廉的原材料及生产线的建立，使得电致变色显示器件实现了大规模的批量化加工，极大地降低了成本。

在形态方面，电致变色显示可以通过改变器件衬底结构等方式，制作反射式或透射式的显示结构，两种显示结构均为受光型显示，具有无视野盲角的特点。同时，显示结构通过调节显示区域的反射率/透光性来实现图案的显示，具有较高的对比度。此外，显示结构中的材料大多为有机材料，可以做成柔性形态。

在驱动方面，电致变色显示器件多使用字段式的静态驱动，驱动电压低至1.5V，显示稳定后，电压保持过程将不再耗电，并且在显示过程中不需要背光，功耗较低。

综上，电致变色显示器件的优点主要有成本低、无视野盲角、对比度高、色彩丰富、透光率可调、功耗低等，在标签显示、汽车显示、装修幕布墙、手机等领域衍生出一系列便捷、低功耗的应用产品。

3.1.4 电致变色和电致变色显示的应用

电致变色的应用包括汽车上的自动防眩目后视镜、办公楼的智能玻璃等。

2020年，一加手机发布了电致变色后盖的概念机型。该机型摄像模组的后盖使用了电致变色技术，将摄像模组区域变为透明或不透明的状态。同年，vivo正式公布并量产了背壳采用电致变色技术的手机，支持用户自己调整机身背部的配色。

最典型的电致变色显示的应用当属电致变色标签，通常用于超市商品的价格标签显示、温度显示等场景。电致变色显示利用极低的电源功耗，搭配柔性电路，可以实现长久的静态信息显示。

3.1.5 电致变色的制造工艺

电致变色的制造工艺随着大面积、高量产的产业需求不断迭代，最关键的制造工艺步骤为电致变色层的加工。最初的电致变色制造工艺采用凝胶法。该工艺将紫精作为主要的电致变色材料，将制作好的紫精凝胶灌入两层透明玻璃之间，随后进行封装。该工艺在可调光的变色飞机舷窗上得到了应用，如图3-3所示。由于大面积玻璃的平整度和曲率很难保持一致，因此容易引起凝胶变色不均匀。

随后，电致变色材料发展成为无机固态材料，利用物理气相沉积的方式，将固态材料镀在玻璃上，实现玻璃与电致变色层的完美贴合。相比于凝胶法，该工艺虽可以实现大面积制备，但玻璃的卷曲和异形依然会造成电致变色材料沉积不均匀。

当前的电致变色材料采用全新的聚合物材料，显示产品衬底转变为PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）等有机高分子聚合物，采用片对片/卷对卷的加工工艺（见图3-4），或者采用丝网印刷的加工工艺，实现电致变色材料与衬底的贴覆。有机材料的使用使得显示产品具有柔性，扩展了不规则曲面等的应用场景，最为成功的应用便是电致变色的手机背壳，标志着电致变色技术真正开始进入大众的生活。