全景天幕成为新能源车的常见配置之后,暴晒、闷热与隐私这几件事被推到台面上。调光玻璃因此从高端选装件变成座舱配置的一部分。目前行业有四条技术路线并行,分别是电致变色 EC、聚合物分散液晶 PDLC、悬浮粒子 SPD 与染色液晶。其中 EC 的占比居前,原因是它能无级调光、断电后保持状态、功耗低,短板是低温环境下响应会变慢。
搭载的车型已经不限于高价段。比亚迪海豹、问界 M9、蔚来 ES6 与 ES8、极氪 009、小米 SU7 Max、尊界 S800 等车型都用了 EC 方案,应用位置从天幕往侧窗和后挡延伸。成本下降主要来自镀膜良率,氧化钨薄膜的良率从 2022 年的 65% 提到 89%,单平方米成本降到 1800 元上下,行业预计 2027 年会突破 1200 元,EC 玻璃届时能下探到 25 万元级车型。
建筑一侧的逻辑类似。电致变色玻璃按光照强度调节透光,业内测算可降低建筑能耗 15%-25%。量产端的供应商包括圣戈班、福耀玻璃、镜泰 Gentex、光羿科技、精一科技等。
EC 器件的核心是一组薄膜叠层。典型结构是五层,两侧是透明导电层,中间从下到上依次是电致变色层、离子传导层、离子存储层。工作时锂离子在电致变色层与离子存储层之间来回迁移,氧化还原反应让薄膜的透过率发生变化。
| 膜层 | 常用材料 | 典型厚度 | 作用 | 膜厚偏差的影响 |
|---|---|---|---|---|
| 透明导电层 | ITO 或 FTO | 100-400 nm | 供电与电流分布 | 方块电阻升高、变色变慢,边缘与中心出现色差 |
| 电致变色层 | WO3 | 60-450 nm | 锂离子嵌入后由透明转为深蓝 | 厚度不均直接表现为变色深浅不一 |
| 离子传导层 | LiTaO3、LiNbO、LiPON 等固态电解质 | 50-400 nm | 只导离子、不导电子 | 过薄会漏电,循环寿命下降 |
| 离子存储层(对电极) | NiO 或掺锂 NiO | 60-900 nm | 与 WO3 反向变色,平衡电荷 | 与 WO3 的电荷容量不匹配会让可逆性变差 |
| 阻挡层或保护层 | SiO2、TiO2、Al2O3 | 5-100 nm | 阻挡水汽与杂质 | 过薄会在高温高湿环境中提前失效 |
上表的厚度区间取自公开技术文献给出的典型范围,不同厂商的膜系设计会有差别。量产线上的叠层通常比五层更多,玻璃基板上依次镀氧化硅、透明导电层、氧化钨、氧化镍以及金属锂层,十几层功能薄膜叠在一起,总厚度往往还不到 2 μm。层数一多,单层厚度的偏差就会被整体放大。
从器件性能往回看,有几个指标和膜厚直接挂钩。透光率调节范围通常在高透 60%-70% 与低透 5%-15% 之间,切换时间在 10-30 秒这一档,循环次数可以做到 50 万次以上,工作温度覆盖 -40°C 到 85°C。这些指标最终都靠膜层厚度与化学计量比撑起来。
叠层本身的麻烦在光学上。几层都是透明膜,而且厚度接近,反射光谱上几条干涉峰叠在一起,用单层公式反推会串层。可行的顺序是先把透明导电层的厚度按已知值固定(这一层在镀膜工序上单独测过),再拟合 WO3 与 NiO,最后把中间固态电解质的厚度作为自由参数收尾。光谱范围要覆盖 WO3 的吸收边,否则薄层拿不到足够的信息量。
面积是另一处难点。一片天幕是平方米量级,长度方向接近 1 m,远大于常规晶圆。整片均匀性不可能靠几个点代表,需要按网格扫面。镀膜完成后用带自动载物台的膜厚仪按设定网格逐点测量,输出二维厚度分布图,看边缘与中心的差值,再回头调靶材功率与基片走速。只测中心一点,看不出边缘偏薄这类系统性问题。
还有一处容易被忽略,同一层膜在褪色态和着色态的光学常数不一样。锂离子嵌入之后,WO3 从透明转为深蓝,折射率 n 与消光系数 k 都发生变化。如果只按褪色态的 n、k 建膜系模型,去算着色态的透过率就会偏;反过来只看着色态,褪色态的透过率又对不上。做光学常数标定的时候,两个状态要各测一次,把两套 n、k 分别存进模型库。
三类测量对象,对应三套方法,串起来用比较顺。
单层膜厚与整片分布用光谱反射法。研发阶段在固定点上取基准厚度与光学常数,用 Filmetrics F20 这类单点机型就够;量产看均匀性要按网格扫面,用带自动载物台的 Filmetrics F50,一次把天幕或基板的厚度分布跑出来。
超薄层与光学常数交给椭偏法。多层叠加时,反射法对 100 nm 以下的层分辨力有限,取 n、k 更稳的是椭偏测量。HORIBA UVISEL Plus 这类相位调制型椭偏仪光谱范围可到 190-2100 nm,覆盖 WO3 的吸收边,适合给反射法建光学常数模型。
表面与外观类问题适合用三维形貌。膜层针孔、微裂纹、边缘污染,用白光干涉或共聚焦看比较直接。KLA Zeta-20 这类白光共聚焦显微镜能同时给出二维图像与三维高度场,用来分辨是膜层缺陷还是基底划伤。
如果叠层里涉及金属层或掺杂层,元素信息可以用 XRF 补充,把铟锡比、镍含量这类数据和膜厚互相印证。前提是膜层厚度落在仪器的有效量程内。
EC 玻璃的技术门槛在镀膜,而镀膜的良率最终要靠数据说话。五层膜系里每一层厚度都对应一项明确的器件性能,把单层厚度、整片分布与两个状态下的光学常数测清楚,工艺调整才有依据。优尼康科技是 KLA 旗下 Filmetrics 光反射膜厚仪的中国区总代理,同时提供椭偏仪与白光共聚焦显微镜,可覆盖电致变色玻璃从单层膜厚、整片均匀性到表面形貌的测量需求,并按样品给出测量方案。