透明显示器有新突破？吉林大学开发多色透明显示新技术

2021-03-15 20:00

上海

原创 Cell Press CellPress细胞科学

物质科学

Physical science

近日，吉林大学张晓安教授课题组开发了一项电致变色的新技术。该技术通过利用金属离子和配体之间的动态配位相互作用，研制出一种非发射型透明显示器，该显示器具有对比度高的特点，在电压刺激下可以实现无色透明态到着色透明态的可逆转变。通过改变染料分子的种类，该显示器可以实现不同颜色的显示。这项技术为未来的许多应用奠定了基础。3月11日，这项研究发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊 Chem上。

吉林大学化学学院副教授、论文通讯作者张宇模表示：“在物联网快速发展的今天，物体通过软件相互连接。窗户、镜子等每一块玻璃都有可能成为未来显示的载体。因此，视力友好型的透明显示器将会得到迅速的发展。而我们的这项技术正是实现透明、视力友好型显示器的关键一步。”

通过施加不同电压，电致变色显示器可以连续且可逆的在着色和褪色状态之间可逆切换。这种特性有望于应用于电致变色窗、节能电子价签、电子广告牌、防眩目后视镜、增强虚拟现实、人工虹膜等领域。然而，目前该技术仍然存在一些局限性，如较低的对比度，较差的稳定性以及较为有限的颜色种类。这些局限限制了电致变色显示器的实际应用。

为了克服这些缺陷，王宇洋博士及其同事开发了一种简单的化学方法。通过电压刺激控制金属离子的价态变化，进而影响金属离子与染料分子的配位与解离过程，诱导染料分子发生结构和颜色的改变。

“与变色反应位点和氧化还原反应位点处于同一位置的传统电致变色材料有所不同，该类新材料中变色位点和氧化还原位点处于不同的反应位点，通过更换染料分子可以轻易实现多种颜色的显示。”张宇模表示。

研究人员利用粘合剂、氧化铟锡电极制备了一个电致变色器件，并将由金属盐、染料分子、电解质和溶剂组成的混合溶液加入到装置中。接下来，他们对该装置进行了一系列的原位光谱、电化学测试。通过测试，研究人员发现该显示装置具有高的显示对比度，通过更换不同种类的染料分子，能够实现品红、黄色、红色、绿色、蓝色、黑色、粉色、紫色、灰黑色多种颜色的显示。尤其对于商业应用中最重要的黑色显示，该显示设备可以在无色和黑色之间可逆切换，并具有高白光对比度和高着色效率，这将有利于透明显示器的实际应用。

张宇模表示：“这种电致变色装置的成本低廉，制备简单，十分适合规模化生产和商业应用。”

作者专访

Cell Press特别邀请张宇模副教授进行了专访，

请他们为大家进一步详细解读。

CellPress：请您和团队分享一下研发这款玻璃显示器的初衷和起源。

张宇模副教授：随着社会物联网和人工智能的发展，人们的生活和信息显示息息相关。非发射性透明显示具有强光下可读、视角广等独特的特点，在显示信息的同时又不遮挡人们视野，能够提高交流效率，成为未来显示技术发展的方向。现有显示材料的性能还未能满足透明显示的需要，我们希望通过开发新的电致变色机理和材料来推动透明显示技术的发展，使其真正造福于人们的生活。

CellPress：请问您和团队研发的这款玻璃显示器在材料和性能等方面，与过去的显示器相比，有了哪些较大突破？在现实生活中的应用有哪些益处？

张宇模副教授：本研究中，我们开发了一种基于金属离子-配体动态配位作用的新的电致变色机制。该机制可以有效避免现有电致变色体系中存在的不稳定自由基、光谱可选择范围窄、对比度不够等缺陷，通过更换不同种类光学性质好的染料分子，该体系可以通过简单的制作工艺实现白光对比度高、颜色可调范围广的性能。这些良好的性能为电致变色技术应用于透明显示奠定了基础。

CellPress：在研发过程中，是否遇到了难以解决的问题？您和团队又是如何克服的？

张宇模副教授：将想法变为现实，需要经历大量尝试。比如，筛选满足要求的金属离子，我们将现有元素周期表中可得的多价态金属离子都进行了尝试，经历一次次失败之后，终于得到了满足应用需求的材料。科研工作需要持之以恒的付出，才能真正有所突破。相互协作和鼓励、保持积极的心态、多角度的思考问题，这些在取得突破过程中至关重要。

CellPress：基于这一研发成果，后续玻璃显示器还能在哪些方面精进？您和团队下一步的研发方向如何？

张宇模副教授：尽管该透明显示技术取得了可喜的阶段性成果，但是要满足实际应用依旧需要做很多工作。首先，该体系的性能有待进一步提高，比如材料稳定性和循环寿命。其次，目前开发的是包含液态物质的功能器件，该器件存在漏液等安全隐患。因此，开发高性能的固态和半固态电致变色器件是接下来努力的方向。

论文作者团队介绍

张晓安

教授

张晓安教授，1982本科毕业于吉林大学化学系， 1987年获得英国巴斯大学化学院理学博士学位，随后（1987-1990）在美国西北大学化学系从事博士后研究，尔后进入业界从事高新技术和产品的研发， 1990-1999年间曾历任美国Aldrich和 Synthetech等化学、医药公司的客座研究员、高级研究员，于1999年加盟美国惠普公司，历任惠普中央研究院的研究员、高级研究员和项目首席研究员， 2008年秋全职回国，任大连理工大学精细化工国家重点实验室的教授、博导， 2010年秋调入吉林大学超分子国家重点实验室，创建了“功能仿生超分子材料与技术研发中心”。

张宇模

副教授

吉林大学副教授，2015年获得吉林大学理学博士学位，2015年9月留校任职，2017年至今任吉林大学副教授。主要研究方向为新型仿生智能光电材料，近年在Nature Materials，Nature Comunications等SCI杂志上发表研究论文20余篇，申请专利15项。