电致变色玻璃变色原理

电致变色器件(ECD)就是利用物质的电致变色效应，以电致变色层为基础，辅以其它相关层和结构而构成的器件。其具有视角宽、驱动电压低、无功耗记忆等独特优点，电致变色器件的典型结构如图1-1。

图1-1由上至下分别是玻璃衬底，透明导电层，电致变色层，离子导体层，离子贮藏层，透明导电层，玻璃衬底。已经产业化的电致变色器件有一下几类：电致变色智能调光玻璃、电致变色显示器、汽车自动防眩目后视镜[3]。

电致变色智能玻璃在电场作用下具有光吸收透过的可调节性，可选择性地吸收或反射外界的热辐射和内部的热的扩散，减少办公大楼和民用住宅在夏季保持凉爽和冬季保持温暖而必须消耗的大量能源。同时起到改善自然光照程度、防窥的目的。解决现代不断恶化的城市光污染问题，是节能建筑材料的一个发展方向。

电致变色材料具有双稳态的性能，用电致变色材料做成的电致变色显示器件不仅不需要背光灯，而且显示静态图象后，只要显示内容不变化，就不会耗电，达到节能的目的。电致变色显示器与其它显示器相比具有无视盲角、对比度高等优点。用电致变色材料制备的自动防眩目后视镜，可以通过电子感应系统，根据外来光的强度调节反射光的强度，达到防眩目的作用，使驾驶更加安全。

电致变色材料作为最有应用前景的智能材料之一而被广泛研究。其中无机金属氧化物研究的最为充分，尤其是WO3和NiOx。已有很多电致变色材料制备的材料应用于市场，但是仍有一些问题需要进一步的改善，使用溅射法制备的氧化镍薄膜，电化学特性比较稳定，重复性好，而且薄膜附着性强，成本较低，如实现器件全固态化则可以适应大规模的工业生产及应用。

电致变色智能玻璃在电场作用下具有光吸收透过的可调节性，可选择性地吸收或反射外界的热辐射和内部的热的扩散，减少办公大楼和民用住宅在夏季保持凉爽和冬季保持温暖而必须消耗的大量能源。同时起到改善自然光照程度、防窥的目的。电致变色材料具有双稳态的性能，用电致变色材料做成的电致变色显示器不仅不需要背光灯，而且显示静态图象后，只要显示内容不变化，就不会耗电，达到节能的目的。电致变色显示器与其它显示器相比具有无视盲角、对比度高等优点。用电致变色材料制备的自动防眩目后视镜，可以通过电子感应系统，根据外来光的强度调节反射光的强度，达到防眩目的作用，使驾驶更加安全。电致变色智能玻璃能以较低的电压（2-5V）和和较低的功率调节汽车、飞机内部的光线强度，使旅途更加舒适。电致变色调光玻璃已经在一些高档轿车和飞机上得到应用。 电致变色经过半个世纪的发展，已经取得了许多有效的成果，并且在某些领域已经投入使用，随着科学技术的不断发展电致变色材料及其器件一定会发挥更重要的作用。

早在20世纪30年代就有关于电致变色的初步报道。从20世纪60年代国外学者Plant首先提出电致变色概念以来，电致变色现象引起了人们的广泛关注。下面介绍一下电致变色的发展历史。

早在20世纪30年代就有关于电致变色的初步报道。

20世纪60年代，Plant在研究有机染料时发现有电致变色的现象，并进行了研究。

1973年，S.K.Deb首次使用无定形WO3薄膜制备了电致变色器件，并提出了“氧空位色心”机理。这一年，Deb终于在理论上获得了一定的突破，构建了“氧空位色心”变色机理。而Deb早期的两篇关于钨的氧化物及其变色效应的文章则代表着电致变色技术领域发展正式开始了。从此，电致变色技术进入快速发展时期。

20世纪70年代，出现了大量有关电致变色机理和无机电致变色材料的报道。

80年代末以来，新型有机电致变色材料合成和电致变色器件的制备成为一个日益活跃的研究领域。这期间，美国科学家C.M.Lampert和瑞典科学家C.G.Granqvist等人提出了以电致变色膜为基础的一种新型节能窗，

即灵巧节能调光窗(Smart window)，成为电致变色研究的另一个里程碑。

1999年，Stadt Sparkasse储蓄银行为德国德累斯顿的一座新建筑物。这座大楼拥有欧洲第一面用电致变色玻璃制成的可控制外墙。

2004年1月，英国伦敦的瑞士再保险大厦玻璃幕墙使用电致变色技术。

2005年1月，法拉利Superamerica敞篷跑车的挡风玻璃和顶棚玻璃采用了电致变色技术。

2008年7月，波音787客机客舱窗玻璃淘汰了机械式舷窗遮阳板，采用了电致变色技术。

2009年10月，国内首个关于电致变色的综合性网站电致变色网成立。

2009年12月15日，波音787梦幻客机试飞成功。

2016年8月，麻省理工的一个研究团队研发出了一种新材料，它可以让玻璃自动变色，而不再需要挂窗帘。其实就是利用电场产生电化学的氧化还原反应，造成光线穿透特性发生改变，进而造成颜色变化。

电致变色材料能在外加较低的驱动电压或电流作用下，发生可逆的颜色变化，是材料的价态和组分发生可逆的变化，使材料的光学性能发生改变或者保持改变，同时电致变色材料还需要有很好的离子导电性，较高的对比度、变色效率和循环周期等电色性能。电致变色材料分为无机电致变色材料和有机电致变色材料[2]。无机电致变色材料的典型代表是三氧化钨，以WO3为功能材料的电致变色器件已经产业化。而有机电致变色材料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。以紫罗精类为功能材料的电致变色材料已经得到实际应用。在实际应用当中，尤其是制备电致变色器件，电致变色材料一般来说应满足以下要求：

(1)具有良好的电化学氧化还原可逆性；

(2)快速的变色响应；

(3)颜色的可逆变化；

(4)颜色变化的高度灵敏；

(5)有较高的循环寿命；

(6)有一定的存贮记忆功能；

(7)稳定的化学特性。

本研究主要通过对电致变色玻璃、透明电极及OLED结构的研发，制作智能发光器件。智能玻璃并不是最新的技术，但从未被应用于OLED。我们把基于PEDOT的电致变色玻璃被用作智能发光器件基底，用于调节发光方向。使得在OLED关闭时，玻璃呈现透明；OLED工作时，既可实现双面发光，也可调控为顶发射单面发光。这项研究十分具有吸引力。直到如今，鲜有人报道讨论智能玻璃在OLED上的应用。基于目前的研究，本实验拟使用高分子离子液体和PEDOT分别作为离子传导分离器和电极，构造一个由聚合物构成的有机电致变色发光器件（ECD）。因此，本实验首先研制新的非挥发性和高离子导电性的固体传导材料的。合成实验分三步进行，在惰性气体环境中，由3,4-亚乙基的0.1 M的Li（CF3SO2）2N无水乙腈的溶液反应制得，再进一步聚合。PEDOT薄膜由电化学聚合制备，使用Ag/ AgCl 和铂片作为参考电极和对电极。设计如下电致变色发光器件结构，ITO玻璃上生成90 nm PEDOT，刮涂0.5 μm的聚合离子液体，最后覆盖上另一片附着90 nm PEDOT的ITO玻璃，得到一个全固态的智能玻璃器件。另外，运用镁银合金作为透明电极，分别制作半透明绿光、白光OLED器件，当玻璃变得高度不透明，器件顶发射电流效率显著提高亮度，大约可以增加两倍。对于绿色OLED设备，电流效率从9.5 cd/A增加到19 cd/A。对于白色OLED设备，它从7.5 cd/A增加到15.5 cd/A。在这个研究的基础上，我们进一步研究了无机物WO3的电致变色器件。最终通过电压调节，实现透过率15%的变化。与绿光OLED相结合后测试可得，对电流效率及亮度的调节程度相比于PEDOT，性能表现较差。 本工作第一次成功结合了电致变色玻璃与有机发光二极管(OLEDs)，制备出智能有机发光器件。在外部施加电压时，玻璃的颜色由淡蓝色变为深蓝色。因此，利用这种着色和褪色的玻璃基板可以调节OLED的发光方向。例如，在白天，窗户透明时房间可以充满舒适的自然光线并且欣赏到室外美丽的风景，必要时，附着在窗户上的透明OLED将提供照明。我们相信，智能玻璃和OLED的组合将为未来OLED照明应用带来一个新的概念。 2100433B