Advanced Functional Materials:具有二维色彩空间调节机制的电致变色器件

电致变色技术由于其可逆的颜色变化特性,使其可以应用于多种光学器件,例如智能窗、多彩显示和光学滤波片。由于颜色改变的持久稳固且仅在产生改变时需要消耗能量,电致变色器件具有制造成本低、驱动电压低、色彩丰富等优点。近年来,随着电致变色领域的蓬勃发展,电致变色器件的性能提升迅速。然而,传统的电致变色显示器件只能实现单一维度的颜色转换,限制了其色彩的丰富性。

图1对比了传统电致变色器件和锌型电致变色器件的工作机理。在传统电致变色显示器件中(图1a,b),由于工作电极和对电极同时发生的变色反应,传统的电致变色显示器件无法实现单一电极的颜色调控,进而只能在单一维度中进行颜色转换。同时,传统的电致变色显示器件需要外界电压的驱动来实现颜色的转换,达不到最优的节能效果。

图1工作原理对比 (a) 传统电致变色器件和 (b) 锌型电致变色器件

有鉴于此,山东大学李海增教授团队联合加拿大阿尔伯塔大学团队设计了一种具有二维色彩空间调节机制的锌型电致变色器件(图1c,d)这种锌型电致变色器件的着色过程并不会像传统的电致变色器件一样需要外界电压的驱动,是一种自发的放电过程。因此,在褪色过程中消耗的能量可以部分回收。同时,这种锌型的电致变色器件消除了工作电极和对电极同时发生的变色反应,进而实现了单一电极的颜色调控。因此,这种锌型的电致变色器件模型可以应用于构造全新的多彩显示器件。

图2 具有双电致变色层的锌型电致变色显示器件

图2展示了具有双电致变色层的锌型电致变色器件的工作机理。通过将锌薄与胶状电解液夹于两片电致变色电极之间,作者构建了一种锌型电致变色显示器件。这种锌型显示器件实现了单一电极的颜色调控,进而通过颜色叠加作用扩大了显示器件的可显示颜色范围。相比于传统电致变色器件只能实现单一维度的颜色转换,这种锌型变色器件具有二维色彩空间的颜色调控能力。另外,这种颜色叠加的机制可以同时适用于透明型显示器件和反射型显示器件。

图3 锌型电致变色器件的耗能可回收性

图3展示了锌型电致变色器件的耗能可回收性。由于Zn阳极与电致变色材料间的电势差,这个锌型电致变色器件具有1.21 V的开路电势。 这一开路电势使得器件在点亮LED的过程中(放电过程)实现自主着色。同时,这一放电过程回收了部分在褪色过程中消耗的能量。

图4 单一锌型电致变色器件的二维色彩空间显示

另外,这种锌型的电致变色器件提供了一种消除传统显示器件对RGB子像素需求的方法(图4)。传统的电致变色显示器件需要使用3个RGB子像素来实现全彩显示,而锌型电致变色显示器件可以独立实现二维色彩空间的颜色调控。这也是单一电致变色器件实现二维色彩空间颜色调控的首次报道。

目前为止,锌型电致变色器件已经在实验技术和理论上展现了其优秀的节能性和多变的结构特性。然而,在实际的应用中,单一的锌型电致变色器件还不能实现全彩显示,需要进一步对器件与材料的研究。另外,如何抑制枝晶的生长以及提高器件的循环稳定性也是一些需要克服的难点。

论文信息:

Electrochromic displays having two-dimensional CIE color space tunability

Wu Zhang*, Haizeng Li*, Abdulhakem Y. Elezzabi

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202108341

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202108341