出品：科普中國(guó)

作者：唐雪晴（中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

在數(shù)字化時(shí)代，屏幕已成為我們生活中不可或缺的一部分，但傳統(tǒng)顯示屏的高能耗和藍(lán)光問(wèn)題也引發(fā)了人們對(duì)健康與環(huán)保的擔(dān)憂。墨水屏以其低功耗和護(hù)眼特性受到青睞，卻因色彩單一而難以滿足多樣化需求。

如今，一項(xiàng)突破性的電致變色技術(shù)正試圖打破這一局限——它不僅能實(shí)現(xiàn)豐富的色彩顯示，還保留了墨水屏省電、護(hù)眼的優(yōu)勢(shì)。中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所趙志剛研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)創(chuàng)新的材料設(shè)計(jì)和電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為下一代顯示屏的發(fā)展開(kāi)辟了新路徑。這項(xiàng)技術(shù)將如何提升我們的視覺(jué)體驗(yàn)？讓我們一同了解這項(xiàng)技術(shù)的原理及應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)墨水屏存在短板

電子書(shū)閱讀器上常見(jiàn)的墨水屏（也叫電子紙），因其不發(fā)光、類紙張的顯示方式，被廣泛認(rèn)為比傳統(tǒng)屏幕更護(hù)眼，尤其適合長(zhǎng)時(shí)間閱讀。同時(shí)，它的能耗也非常低，一塊電池可以使用數(shù)周，深受用戶歡迎。

傳統(tǒng)墨水屏

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

不過(guò)，墨水屏也有一個(gè)明顯的短板——大多只能顯示黑白灰三種色調(diào)，無(wú)法呈現(xiàn)彩色內(nèi)容。這意味著它在閱讀插圖、漫畫(huà)、教材、圖表，以及顯示多彩界面的應(yīng)用中，表現(xiàn)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如彩色屏幕。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)彩色電子紙的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。尤其是在零售店的電子價(jià)簽、教育用的電子教材以及可穿戴設(shè)備等應(yīng)用場(chǎng)景中，人們不僅追求屏幕的低能耗和護(hù)眼特性，還希望它能呈現(xiàn)豐富的色彩信息。

彩色墨水屏的現(xiàn)有缺陷

目前市面上已經(jīng)有一些彩色墨水屏產(chǎn)品，但它們的顯示效果仍然不理想。很多人第一次看到彩色電子紙時(shí)，常常會(huì)覺(jué)得顏色發(fā)灰、發(fā)暗，遠(yuǎn)不如普通手機(jī)或電腦屏幕那么鮮艷清晰。

這是因?yàn)?，現(xiàn)在主流的彩色墨水屏大多通過(guò)在黑白墨水層上方加一層彩色濾光片來(lái)實(shí)現(xiàn)顏色顯示。這種方式相當(dāng)于把顏色“蓋”在原來(lái)的圖像上，會(huì)導(dǎo)致屏幕亮度降低，顏色對(duì)比度減弱，可呈現(xiàn)的色域范圍也較為有限。

主流彩色墨水屏是依靠彩色濾光層來(lái)實(shí)現(xiàn)顏色顯示的

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

此外，彩色墨水屏的刷新速度也比普通屏幕慢很多。頁(yè)面快速切換、動(dòng)畫(huà)、視頻......這些功能在普通屏幕上能夠流暢運(yùn)行，在彩色電子紙上往往表現(xiàn)遲緩甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

更重要的是，這種“濾光片疊加”的原理本身有物理上的限制，同時(shí)做到色彩豐富、亮度高、節(jié)能護(hù)眼，是非常困難的。因此，雖然彩色墨水屏已經(jīng)存在，但它們?cè)陲@示效果、響應(yīng)速度和應(yīng)用范圍上，仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于傳統(tǒng)的彩色顯示技術(shù)。

全新技術(shù)豐富墨水屏色彩呈現(xiàn)

為了解決彩色墨水屏色彩暗淡、響應(yīng)慢、顯示不夠豐富等問(wèn)題，研究人員一直在尋找新的解決方案，其中，電致變色技術(shù)成了一種有潛力的新技術(shù)。

所謂電致變色是一種材料特性，指的是材料在電壓的作用下，會(huì)發(fā)生顏色變化，并且這種變化是可逆的，也就是說(shuō)顏色可以來(lái)回切換。從原理上說(shuō)，這是因?yàn)殡妷焊淖兞瞬牧蠈?duì)光的反應(yīng)方式，比如它對(duì)光的反射、吸收或透過(guò)能力發(fā)生了變化，進(jìn)而導(dǎo)致我們看到的顏色發(fā)生改變。不同于傳統(tǒng)的顯示屏通過(guò)發(fā)光來(lái)呈現(xiàn)圖像，電致變色材料是通過(guò)調(diào)控光線的反射，在外界光的照射下呈現(xiàn)顏色，所以它不需要持續(xù)供電發(fā)光，能耗更低，也更護(hù)眼。

一些大型飛機(jī)上的變色窗就是電致變色的典型例子

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

過(guò)去幾年，科學(xué)家們嘗試在電致變色電極結(jié)構(gòu)中引入光學(xué)諧振腔，也就是通過(guò)納米尺度的人工結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)控光線。這些嘗試在實(shí)驗(yàn)室層面已經(jīng)顯示出巨大的潛力，成功實(shí)現(xiàn)無(wú)色透明材料的彩色顯示功能。

但問(wèn)題在于，這種具有彩色顯示功能的電致變色器件，在單個(gè)器件中顏色變化非常有限，通常在3—4種顏色之間進(jìn)行切換，難以呈現(xiàn)出豐富多樣的顏色轉(zhuǎn)變效果，無(wú)法真正轉(zhuǎn)化為高性能的顯示產(chǎn)品。

為了解決這個(gè)難題，我們團(tuán)隊(duì)（中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所趙志剛研究員團(tuán)隊(duì)）開(kāi)創(chuàng)性地提出一種新型電致變色策略。

我們?cè)陔娭伦兩姌O表面搭建了一個(gè)叫“法布里-珀羅諧振腔”的光學(xué)結(jié)構(gòu)，根據(jù)薄膜干涉原理，通過(guò)改變諧振腔中介質(zhì)層的厚度，即可精準(zhǔn)控制反射光的顏色，從而決定我們所看到的顏色?；诖耍覀兝媒橘|(zhì)層材料（二氧化錳）的可逆電化學(xué)沉積-溶解特性，提出了一種在電極表面原位重構(gòu)法布里-珀羅諧振腔的新型電致變色策略。這種電致變色策略以一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了器件顏色的多樣化轉(zhuǎn)變。

可重構(gòu)諧振腔型電致變色原理示意圖

（圖片來(lái)源：《先進(jìn)材料》）

基于上述電致變色原理，我們利用電化學(xué)手段精確控制二氧化錳層的厚度，在同一電致變色器件中實(shí)現(xiàn)了從黃色、橙色、紅色、紫色、藍(lán)色、青色到綠色的連續(xù)、動(dòng)態(tài)色彩轉(zhuǎn)變。不僅可以展現(xiàn)出7種典型顏色，其中過(guò)渡色（例如橙黃色、黃綠色、紫紅色等）也都可以呈現(xiàn)。

超寬色域下的電致變色展示

（圖片來(lái)源：《先進(jìn)材料》）

這種新型的電致變色器件具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)：工作電壓范圍窄，在0.2—1.8 V（伏特）之間；雙穩(wěn)態(tài)保持性優(yōu)異，斷電時(shí)仍能保持顏色，穩(wěn)態(tài)時(shí)間超8小時(shí)；能耗極低，每平方厘米的功率消耗僅為2.3 mW（毫瓦）；循環(huán)穩(wěn)定性良好，1000次循環(huán)后顏色保持率大于95%。

新技術(shù)在“七色花”上的應(yīng)用展示

該技術(shù)無(wú)需借助彩色濾光片即可實(shí)現(xiàn)彩色顯示。我們將器件制成“七色花”形狀，可以實(shí)現(xiàn)多種顏色動(dòng)態(tài)變化。將每個(gè)電致變色器件作為單個(gè)像素點(diǎn)，制備成像素陣列顯示原型器件，不僅可以呈現(xiàn)豐富的顏色變化，還可以通過(guò)電化學(xué)手段進(jìn)行信息的寫(xiě)入（變色）和擦除（褪色），從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化顯示效果。

“七色花”可逆電致變色展示

“七色花”電致變色過(guò)程展示

像素陣列器件可逆變色和柔性展示

像素陣列器件通過(guò)電化學(xué)寫(xiě)入/擦除展示數(shù)字1~9

（圖片來(lái)源：《先進(jìn)材料》）

得益于這種新型電致變色策略，我們制造出的電致變色器件不僅能在同一器件中實(shí)現(xiàn)從黃色到綠色七種顏色的連續(xù)、動(dòng)態(tài)色彩轉(zhuǎn)變，還具備出色的電致變色性能表現(xiàn)。

此外，該方案不依賴昂貴的貴金屬，也不需要復(fù)雜的納米制造工藝，成本更低、制造工藝更兼容現(xiàn)有生產(chǎn)線，為彩色墨水屏的實(shí)用化和商業(yè)化打開(kāi)了新局面。

低功耗、全彩色的顯示屏，離我們?cè)絹?lái)越近了

這項(xiàng)新型電致變色顯示技術(shù)的出現(xiàn)，標(biāo)志著彩色墨水屏在顯示質(zhì)量上取得重要突破。該技術(shù)不僅顯著提升了彩色墨水屏的色彩表現(xiàn)力和視覺(jué)體驗(yàn)，同時(shí)還保留了傳統(tǒng)墨水屏的核心優(yōu)勢(shì)：超低功耗、護(hù)眼特性以及持久穩(wěn)定的顯示效果。

未來(lái)，這類技術(shù)有望應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域，比如商店貨架上的電子價(jià)簽、公交站的智能公告牌、低功耗的可穿戴設(shè)備、家庭中的智能標(biāo)簽等。值得期待的是，它可能進(jìn)入電子閱讀器領(lǐng)域，讓用戶在享受文字閱讀的同時(shí)，也能流暢瀏覽彩色插圖、圖表乃至漫畫(huà)內(nèi)容。

雖然這項(xiàng)技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，距離大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用尚需時(shí)日，但它展示了一個(gè)極具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)方向：在不依賴高能耗發(fā)光的情況下，也能實(shí)現(xiàn)豐富、靈活的彩色顯示。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，在不久的將來(lái)，我們或許能夠見(jiàn)證新一代顯示屏的普及——它們不僅更加節(jié)能環(huán)保、呵護(hù)雙眼，還能呈現(xiàn)絢麗多彩的畫(huà)面效果。

來(lái)源: 中國(guó)科普博覽

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