（排1.5个版）

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从专利角度分析电致变色器件的应用

黄亚明

国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心 江苏苏州 215163

摘要：电致变色材料的光学属性能够在电场的作用下发生稳定、可逆的变化，在外观性能上则表现为颜色与透明度的可逆变化。利用电致变色材料制成的电致变色器件在显示、智能窗、防眩目后视镜等多个领域受到越来越广泛的应用，本文以截至2023年5月份的全球专利数据为基础，从专利角度分析了电致变色器件的具体应用领域。

关键词：电致变色；显示；智能窗；后视镜；装饰材料；光圈

1.引言

电致变色（Electrochromism）是指在电场的作用下，材料的光学属性如透射率、反射率和吸收率等发生稳定、可逆的变化的现象，在外观性能上则表现为颜色与透明度的可逆变化。由电致变色材料制成的器件称为电致变色器件，自上世纪70年代问世[1]以来，电致变色器件在显示、智能窗[2]、防眩目后视镜等多个领域受到越来越广泛的应用，本文以截至2023年5月份的全球专利数据为基础，从专利角度分析了电致变色器件的具体应用领域。

2. 电致变色器件结构

典型的电致变色器件由层叠设置在基底层上的透明导电层、电致变色层、电解质层、离子存储层和透明导电层构成。工作时，在两个透明导电层之间施加一定的电压，电致变色材料在电压作用下发生氧化还原反应，使得颜色发生变化，电解质层介于电致变色层和离子存储层之间，作为离子传输通道为电致变色材料的氧化还原反应提供必需的补偿离子。

图1 电致变色器件结构

3.电致变色器件应用

从全球专利数据来看，电致变色器件主要应用于显示装置、智能窗、后视镜、装饰材料、光圈、眼镜镜片、电致变色织物/纤维等几个方面，其中排名前五位的应用及其比例分别为显示装置（占比33.77%）、智能窗（占比31.40%）、后视镜（占比16.88%）、装饰材料（占比7.68%）、光圈（占比4.93%）。

图2 电致变色器件应用分布图

3.1显示装置

涉及电致变色器件的多种不同应用的专利申请中，显示装置占比33.77%，电致变色器件在显示装置中的应用主要包括两个方面，一是电致变色材料作为显示介质，另一种则是电致变色器件作为显示器件中的调光元件。

与液晶显示装置（LCD）、有机发光显示装置（OLED）相比，电致变色显示装置具有启动电压低、能耗少、易于制造、对比度好、视角宽等优点，在电子纸、广告牌、透明显示器等方面具有明显优势。作为显示装置，公开号为CN115113449A的专利申请公开了一种电致变色显示面板结构，该电致变色显示面板的阵列基板1包括衬底基板2以及依次设置在衬底基板2上的驱动层3和像素电极层4，像素电极层4包括间隔的第一至第三子像素电极组，每一子像素电极组对应一种颜色，在像素电极层4上具有与每一子像素电极组对应的第一至第三电致变色层23、24、25，第一至第三电致变色层的显示颜色分别为红色、绿色和蓝色，以此实现彩色显示。该电致变色显示面板中，不同显示颜色的电致变色层可以通过阵列基板的驱动层实现灰阶控制，实现了电致变色被动式显示。

图3 电致变色显示面板结构图

作为显示面板中的调光元件，电致变色器件也具有多种不同的用途，比如公开号为CN104597681A的专利申请中，利用电致变色器件作为电子光栅，实现3D显示，公开号为CN113763804A的专利申请则公开了利用电致变色膜层来隐藏显示屏幕下的摄像头。

3.2智能窗

在建筑物或者汽车、飞机等交通工具中，主要通过窗户来实现与外界的光能、热能的交换，普通透明平板玻璃的光透过率为80%以上，为了调节进入窗户的光线，人们采用了多种不同的技术手段，比如定制窗帘、在窗玻璃上贴膜或镀膜等等，但这些手段并不能随意地根据需要来调节透光量。而电致变色器件可响应于施加的电场，改变光线的透过率，利用该特性制成的电致变色智能窗，可以根据需要调节光线的透射率。公开号为CN104364706A的专利申请公开了一种可用在建筑物上的电致变色窗的结构，其中电致变色窗包括两个窗格216，每个窗格216包括玻璃基板228，电致变色装置220布置在外窗格216的玻璃基板228的内表面222，相应于施加的电压，电致变色装置在透明状态与不透明或有色状态之间可逆地循环，从而对电致变色智能窗的透过率进行调节。

图4 电致变色智能窗结构图

配合光强检测装置，电致变色智能窗还可以根据外部光线的强度，自动调节透光量，从而实现智能化的光、热调控能力，在智能调控内部空间的温度、减少碳排放方面有巨大潜力。

3.3后视镜

在电致变色器件的一侧增加一反射层，或者在电致变色器件的衬底基板上镀上反射层后，该电致变色器件则成为反射型电致变色器件，通过对电致变色层施加电压，可以调节该电致变色器件的反射率，基于此特性，反射型电致变色器件被应用于汽车后视镜中。公开号为JPH05286393A的专利申请公开了一种防眩光的后视镜，其包括：位于外壳7内的反射层8、玻璃9和电致变色器件，电致变色器件包括依次层叠的玻璃基板1a、透明电极2a、电致变色材料层3、透明电极2b和玻璃基板1b。

图5 防眩光后视镜结构图

当阳光或者后面汽车灯光太强烈时，观看后视镜时会产生眩光而无法看清后视镜中的景物，而利用电致变色器件制成的后视镜可以调节从后视镜中出射的光线强度，实现防止眩光的效果，目前电致变色后视镜已在多个品牌的汽车中受到广泛应用。

3.4装饰材料

基于电致变色材料在电场作用下颜色发生变化的特性，电致变色器件还被用作装饰材料。公开号为CN109164658A的专利申请公开了一种电子设备的壳体，该壳体由电致变色器件制成，或者壳体可以为在常规的壳体外增加一电致变色器件。其中电致变色器件的基底层为柔性薄膜，柔性薄膜具有理想的柔韧性，可以使得电致变色器件具有优异的弯折性能。包括该电致变色器件的壳体可呈现多种不同配色，具有美观绚丽多变的外观，提高了用户的观感体验。

3.5光圈

光圈是控制透过镜头进入感光面的光量的装置，传统的光圈结构复杂、元件数量多，体积难以缩小。使用电致变色器件作为光圈，通过让环状的电致变色器件在透明和不透明之间切换来实现多档可变光圈切换，结构更为简单，可让电子装置更加小型化。公开号为JP2012128457A的专利申请公开了照相机的光圈光学元件包括玻璃基板2、3以及位于两者之间的电解质层11，玻璃基板2的表面上设置有透明电极层6a，6b，6c，6d，玻璃基板3的表面上设置有透明电极层7a，7b，7c，7d，电致变色膜层12形成在透明电极层7a，7b，7c和7d上。透明电极层6a，6b，6c和6d以及透明电极层7a，7b，7c和7d均为与照相机光阑光学元件1a相同的同心图案形状，可通过调节施加在透明电极上的电压来调节电致变色膜层12的着色状态，进而调节进入感光部件的光量。

图6 电致变色光圈结构图

4.小结

本文以截止2023年5月的全球专利数据为基础，分析了电致变色器件的主要应用领域，并结合具体专利，对不同应用下电致变色器件的结构进行了简述。从数据来看，显示器件、智能调光窗、汽车后视镜、装饰材料以及相机光圈是目前电致变色器件的主要应用方向，除此之外，电致变色器件还应用于智能织物/纤维、眼镜镜片等多个方面。电致变色器件在上述领域的应用在节能、提高行车安全、减小电子设备体积、提高用户的使用感等方面有重要意义。

参考文献

[1]徐娜，沈晓冬，崔升，电致变色材料的研究进展及发展前景[J]，稀有金属，2010.34(4):610-617

[2]庄碧莹，汪浩，张倩倩，刘晶冰，严辉，电致变色材料的研究与应用进展[J]，北京工业大学学报，2020.46(10):1091-1102