让屏幕更省电、色彩更丰富！中国科学家突破彩色墨水屏技术

在数字化时代，屏幕已成为我们生活中不可或缺的一部分，但传统显示屏的高能耗和蓝光问题也引发了人们对健康与环保的担忧。墨水屏以其低功耗和护眼特性受到青睐，却因色彩单一而难以满足多样化需求。

如今，一项突破性的电致变色技术正试图打破这一局限——它不仅能实现丰富的色彩显示，还保留了墨水屏省电、护眼的优势。中国科学院苏州纳米所赵志刚研究员团队通过创新的材料设计和电极结构优化，为下一代显示屏的发展开辟了新路径。这项技术将如何提升我们的视觉体验？让我们一同了解这项技术的原理及应用前景。

传统墨水屏存在短板

电子书阅读器上常见的墨水屏（也叫电子纸），因其不发光、类纸张的显示方式，被广泛认为比传统屏幕更护眼，尤其适合长时间阅读。同时，它的能耗也非常低，一块电池可以使用数周，深受用户欢迎。

传统墨水屏 图片来源：Wikipedia

不过，墨水屏也有一个明显的短板——大多只能显示黑白灰三种色调，无法呈现彩色内容。这意味着它在阅读插图、漫画、教材、图表，以及显示多彩界面的应用中，表现力远远不如彩色屏幕。随着技术的发展，人们对彩色电子纸的需求越来越强烈。尤其是在零售店的电子价签、教育用的电子教材以及可穿戴设备等应用场景中，人们不仅追求屏幕的低能耗和护眼特性，还希望它能呈现丰富的色彩信息。

彩色墨水屏的现有缺陷

目前市面上已经有一些彩色墨水屏产品，但它们的显示效果仍然不理想。很多人第一次看到彩色电子纸时，常常会觉得颜色发灰、发暗，远不如普通手机或电脑屏幕那么鲜艳清晰。

这是因为，现在主流的彩色墨水屏大多通过在黑白墨水层上方加一层彩色滤光片来实现颜色显示。这种方式相当于把颜色“盖”在原来的图像上，会导致屏幕亮度降低，颜色对比度减弱，可呈现的色域范围也较为有限。

主流彩色墨水屏是依靠彩色滤光层来实现颜色显示的 图片来源：Wikipedia

此外，彩色墨水屏的刷新速度也比普通屏幕慢很多。页面快速切换、动画、视频......这些功能在普通屏幕上能够流畅运行，在彩色电子纸上往往表现迟缓甚至无法实现。

更重要的是，这种“滤光片叠加”的原理本身有物理上的限制，同时做到色彩丰富、亮度高、节能护眼，是非常困难的。因此，虽然彩色墨水屏已经存在，但它们在显示效果、响应速度和应用范围上，仍远远落后于传统的彩色显示技术。

全新技术丰富墨水屏色彩呈现

为了解决彩色墨水屏色彩暗淡、响应慢、显示不够丰富等问题，研究人员一直在寻找新的解决方案，其中，电致变色技术成了一种有潜力的新技术。

所谓电致变色是一种材料特性，指的是材料在电压的作用下，会发生颜色变化，并且这种变化是可逆的，也就是说颜色可以来回切换。从原理上说，这是因为电压改变了材料对光的反应方式，比如它对光的反射、吸收或透过能力发生了变化，进而导致我们看到的颜色发生改变。不同于传统的显示屏通过发光来呈现图像，电致变色材料是通过调控光线的反射，在外界光的照射下呈现颜色，所以它不需要持续供电发光，能耗更低，也更护眼。

一些大型飞机上的变色窗就是电致变色的典型例子 图片来源：Wikipedia

过去几年，科学家们尝试在电致变色电极结构中引入光学谐振腔，也就是通过纳米尺度的人工结构来调控光线。这些尝试在实验室层面已经显示出巨大的潜力，成功实现无色透明材料的彩色显示功能。

但问题在于，这种具有彩色显示功能的电致变色器件，在单个器件中颜色变化非常有限，通常在3—4 种颜色之间进行切换，难以呈现出丰富多样的颜色转变效果，无法真正转化为高性能的显示产品。

为了解决这个难题，中国科学院苏州纳米所赵志刚研究员团队开创性地提出一种新型电致变色策略。

研究员在电致变色电极表面搭建了一个叫“法布里-珀罗谐振腔”的光学结构，根据薄膜干涉原理，通过改变谐振腔中介质层的厚度，即可精准控制反射光的颜色，从而决定我们所看到的颜色。基于此，研究员利用介质层材料（二氧化锰）的可逆电化学沉积-溶解特性，提出了一种在电极表面原位重构法布里-珀罗谐振腔的新型电致变色策略。这种电致变色策略以一个简单的过程，实现了器件颜色的多样化转变。

可重构谐振腔型电致变色原理示意图 图片来源：《先进材料》

基于上述电致变色原理，研究员利用电化学手段精确控制二氧化锰层的厚度，在同一电致变色器件中实现了从黄色、橙色、红色、紫色、蓝色、青色到绿色的连续、动态色彩转变。不仅可以展现出7 种典型颜色，其中过渡色（例如橙黄色、黄绿色、紫红色等）也都可以呈现。

超宽色域下的电致变色展示 图片来源：《先进材料》

这种新型的电致变色器件具有多个优点：工作电压范围窄，在0.2—1.8 V（伏特）之间；双稳态保持性优异，断电时仍能保持颜色，稳态时间超8小时；能耗极低，每平方厘米的功率消耗仅为 2.3 mW（毫瓦）；循环稳定性良好，1000 次循环后颜色保持率大于 95%。

新技术在“七色花”上的应用展示

该技术无需借助彩色滤光片即可实现彩色显示。研究员将器件制成“七色花”形状，可以实现多种颜色动态变化。将每个电致变色器件作为单个像素点，制备成像素阵列显示原型器件，不仅可以呈现丰富的颜色变化，还可以通过电化学手段进行信息的写入（变色）和擦除（褪色），从而实现数字化显示效果。

“七色花”可逆电致变色展示

“七色花”电致变色过程展示

像素阵列器件可逆变色和柔性展示

像素阵列器件通过电化学写入/擦除展示数字 1~9 图片来源：《先进材料》

得益于这种新型电致变色策略，研究员制造出的电致变色器件不仅能在同一器件中实现从黄色到绿色七种颜色的连续、动态色彩转变，还具备出色的电致变色性能表现。

此外，该方案不依赖昂贵的贵金属，也不需要复杂的纳米制造工艺，成本更低、制造工艺更兼容现有生产线，为彩色墨水屏的实用化和商业化打开了新局面。

低功耗、全彩色的显示屏，

离我们越来越近了

这项新型电致变色显示技术的出现，标志着彩色墨水屏在显示质量上取得重要突破。该技术不仅显著提升了彩色墨水屏的色彩表现力和视觉体验，同时还保留了传统墨水屏的核心优势：超低功耗、护眼特性以及持久稳定的显示效果。

未来，这类技术有望应用在多个领域，比如商店货架上的电子价签、公交站的智能公告牌、低功耗的可穿戴设备、家庭中的智能标签等。值得期待的是，它可能进入电子阅读器领域，让用户在享受文字阅读的同时，也能流畅浏览彩色插图、图表乃至漫画内容。

虽然这项技术仍处于实验室研发阶段，距离大规模商业化应用尚需时日，但它展示了一个极具发展潜力的技术方向：在不依赖高能耗发光的情况下，也能实现丰富、灵活的彩色显示。随着相关技术的不断成熟，在不久的将来，我们或许能够见证新一代显示屏的普及——它们不仅更加节能环保、呵护双眼，还能呈现绚丽多彩的画面效果。

策划制作

出品丨科普中国

作者丨唐雪晴 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所

监制丨中国科普博览

责编丨一诺

审校丨徐来、林林