3D打印水凝膠基柔性可穿戴電致變色顯示器

來源：高分子科技

柔性電致變色器件（FECDs）在可穿戴電子、智能窗和柔性顯示等領(lǐng)域有著廣闊的應用前景。傳統(tǒng)的FECDs為五層結(jié)構(gòu)，包括基底層、電極層、電致變色層、電解質(zhì)層和封裝層。然而，其集成制造過程往往涉及復雜的程序，不可避免地導致器件性能下降、工藝流程復雜、生產(chǎn)效率低等問題，極大的限制了其作為柔性可穿戴器件在運動監(jiān)測、防偽裝等的應用。

近日，江西科技師范大學徐景坤、楊漢珺、盧寶陽團隊提出一種通過多材料一體化3D打印集成制造FECDs的策略。通過對電致變色層、電解質(zhì)層、封裝層墨水的多材料設(shè)計及墨水配方和多材料墨水可打印性的優(yōu)化，同時采用四層連續(xù)堆疊結(jié)構(gòu)成功實現(xiàn)了FECDs的一體化3D打印集成制造。研究結(jié)果表明，一體化3D打印的FECDs表現(xiàn)出優(yōu)異的電致變色性能，包括高光學對比度（360 nm處最大為54.4％），優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（10,000 s后對比度保持率大于95％），且5,000次彎曲循環(huán)后光學對比度保持率大于80%。所制備的一體化3D打印FECDs應用于可穿戴電子產(chǎn)品，防偽和智能窗。該工作以“3D-Printed Hydrogel-Based Flexible Electrochromic Device for Wearable Displays”為題發(fā)表在Advanced Science上。

多材料一體化3D打印FECDs的設(shè)計：

為了克服傳統(tǒng)FECDs五層結(jié)構(gòu)集成制造困難、工藝流程復雜、器件性能下降等問題，該團隊采用多材料一體化3D打印集成制造的策略設(shè)計了具有四層堆疊結(jié)構(gòu)的一體化FECDs。四層堆疊結(jié)構(gòu)包括PDMS封裝層，PVA/LiCl水凝膠作為電解質(zhì)層/電極層，紫精/PVA/LiCl水凝膠作為電解質(zhì)層，ITO-PET作為基底/電極層。除ITO-PET層外，其他功能層使用DIW打印機逐層打印，無需任何額外的處理步驟。

圖1多材料一體化3D打印FECDs的設(shè)計

電致變色多材料墨水可打印性評估：

研究團隊對不同電致變色墨水的可打印性進行了評估，包括紫精/PVA/LiCl墨水，PVA/LiCl墨水，PDMS墨水。在不同打印速度、噴嘴尺寸和打印壓力作為單一變量時，定性評估了其可印刷性，隨后，通過測量不同打印參數(shù)下的打印線寬定量優(yōu)化了打印參數(shù)。優(yōu)選了最佳的打印參數(shù)和印刷圖案，以最大限度地減少墨水擴散現(xiàn)象，從而實現(xiàn)高形狀保真度和無縫界面集成制造。

圖2 多材料電致變色墨水的可3D打印性評估

多材料電致變色器件的一體化3D打?。?br />
在系統(tǒng)評估多材料墨水可打印性的基礎(chǔ)上，選取最優(yōu)的3D打印參數(shù)（壓力：300 kPa、速度：6 mm−1、針頭：240 μm）進行后續(xù)多層電致變色器件的打印，以實現(xiàn)較高的打印保真度。針對可穿戴電子顯示、偽裝等應用場景，作者設(shè)計了多樣化的打印圖案，包括SOS陣列、心臟陣列、不同的動物模型等。優(yōu)化后的打印參數(shù)即使對于小尺寸、高密度的電極陣列也能以較高保真度實現(xiàn)圖案的印刷。

圖3多材料一體化3D打印集成制造水凝膠基FECDs及其電致變色性能

一體化3D打印水凝膠基FECDs電致變色性能：

3D打印一體化水凝膠基FECDs具有良好的電致變色性能和機械性能，包括高光學對比度（360 nm處最大為54.4％），優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（10,000 s后對比度保持率大于95％），且5,000次彎曲循環(huán)后光學對比度保持率大于80%?；谝惑w化3D打印技術(shù)，集成制造了10×10 cm2的水凝膠基FECDs智能窗戶以及不同心型和SOS陣列。

圖4 一體化3D打印水凝膠基FECDs的電致變色性能

一體化3D打印FECDs可穿戴電子顯示、防偽和智能車窗：

基于一體化3D打印FECDs優(yōu)異的電致變色性能，作者成功展示了其在可穿戴電子的應用潛力。通過心形與SOS陣列在低電壓驅(qū)動下實現(xiàn)顏色可逆變換分別模擬心率變化與緊急求救信號；此外，所制備的FECDs在防偽顯示器中同樣表現(xiàn)出色，在不同電壓下顯示多種自然色調(diào)，實現(xiàn)高效偽裝；在智能車窗領(lǐng)域，F(xiàn)ECDs能在透明與著色狀態(tài)快速切換，有效調(diào)節(jié)光線與溫度，且具備出色的光學記憶效應，降低了能耗，為智能窗戶的廣泛應用提供了可能。

圖5 一體化3D打印水凝膠基FECDs用于可穿戴電子顯示、偽裝和智能車窗

綜上所述，該團隊成功展示了一種連續(xù)多材料3D打印工藝用于制備FECDs。在選擇合理的打印參數(shù)的同時，優(yōu)化了電致變色層、電解質(zhì)層和封裝層油墨的3D打印性，成功實現(xiàn)了無縫界面集成和一體化制造。結(jié)果表明，基于3D打印的FECDs表現(xiàn)出優(yōu)異的電致變色性能，包括高光學對比度、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性等。該工作為高性能柔性電致變色器件的簡化和定制化制造提供了一個有前景的方法，在柔性可穿戴顯示器件、運動防偽、智能窗戶等領(lǐng)域都有一定的應用潛力。

該工作第一作者為江西科技師范大學碩士生羅曉玉、萬榮泰及本科生張釗銜，論文通訊作者是江西科技師范大學徐景坤教授、楊漢珺博士和盧寶陽教授。


原文鏈接：

Xiaoyu Luo#, Rongtai Wan#, Zhaoxian Zhang#, Manting Song, Lixia Yan, Jingkun Xu*, Hanjun Yang* and Baoyang Lu*, 3D-Printed Hydrogel-Based Flexible Electrochromic Device for Wearable Displays. Advanced Science, 2024, 2404679.

https://doi.org/10.1002/advs.202404679.

通訊作者簡介
徐景坤教授簡介：二級教授、江西省科協(xié)主席、柔性電子江西省重點實驗室名譽主任，全球前2%頂尖科學家、全球前1萬、國內(nèi)前1千名頂尖科學家。主要從事基于應用背景的導電高分子研究。主持國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學基金、科技部成果轉(zhuǎn)化項目等國家級課題11項。獲江西省自然科學一等獎1項、二等獎1項、江西省教學成果一等獎1項。發(fā)表SCI論文600余篇，引用22000余次，H因子74；授權(quán)發(fā)明專利20余項。

楊漢珺博士簡介：江西科技師范大學柔性電子創(chuàng)新研究院碩士生導師。主要研究方向為水凝膠電子器件、太陽能水凈化、電致變色等。主持完成省級項目1項，主持在研省重點實驗室開放基金1項、校級項目1項、橫向課題2項，參與國家自然科學基金項目4項、省重點研發(fā)“揭榜掛帥”項目1項。在Adv. Sci.、J. Mater. Chem. A等國際期刊上發(fā)表SCI論文24篇；他人引用共計513次，H因子14。

盧寶陽教授簡介：江西科技師范大學教授、柔性電子創(chuàng)新研究院常務(wù)副院長、柔性電子江西省重點實驗室主任。主要致力于導電聚合物人機融合交互界面構(gòu)筑及先進加工制造技術(shù)開發(fā)。以第一或通訊作者在Nat. Mater.、Nat. Rev. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.等期刊上發(fā)表SCI論文160余篇，引用8000余次，授權(quán)中國、美國發(fā)明專利20余項。主持國家自然科學基金等項目20余項，獲江西省自然科學獎一等獎1項、二等獎1項、江西省高?？萍汲晒坏泉?項。