江西科技師范大學(xué)：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(yīng)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(fù)雜的程序，不可避免地導(dǎo)致器件性能下降、工藝流程復(fù)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(yùn)動(dòng)監(jiān)測、防偽裝等的應(yīng)用。

近日，江西科技師范大學(xué)徐景坤、楊漢珺、盧寶陽團(tuán)隊(duì)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(duì)電致變色層、電解質(zhì)層、封裝層墨水的多材料設(shè)計(jì)及墨水配方和多材料墨水可打印性的優(yōu)化，同時(shí)采用四層連續(xù)堆疊結(jié)構(gòu)成功實(shí)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(xué)對(duì)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(duì)比度保持率大于95％），且5,000次彎曲循環(huán)后光學(xué)對(duì)比度保持率大于80%。所制備的一體化3D打印FECDs應(yīng)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(jì)：

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(fù)雜、器件性能下降等問題，該團(tuán)隊(duì)采用多材料一體化3D打印集成制造的策略設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)

電致變色多材料墨水可打印性評(píng)估：

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)不同電致變色墨水的可打印性進(jìn)行了評(píng)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(shí)，定性評(píng)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?dāng)U散現(xiàn)象，從而實(shí)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(píng)估

多材料電致變色器件的一體化3D打印：

在系統(tǒng)評(píng)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(jìn)行后續(xù)多層電致變色器件的打印，以實(shí)現(xiàn)較高的打印保真度。針對(duì)可穿戴電子顯示、偽裝等應(yīng)用場景，作者設(shè)計(jì)了多樣化的打印圖案，包括SOS陣列、心臟陣列、不同的動(dòng)物模型等。優(yōu)化后的打印參數(shù)即使對(duì)于小尺寸、高密度的電極陣列也能以較高保真度實(shí)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(jī)械性能，包括高光學(xué)對(duì)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(duì)比度保持率大于95％），且5,000次彎曲循環(huán)后光學(xué)對(duì)比度保持率大于80%�；�于一體化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(yīng)用潛力。通過心形與SOS陣列在低電壓驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)顏色可逆變換分別模擬心率變化與緊急求救信號(hào)；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(shí)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(xué)記憶效應(yīng)，降低了能耗，為智能窗戶的廣泛應(yīng)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(tuán)隊(duì)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(shí)，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(shí)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(xué)對(duì)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(gè)有前景的方法，在柔性可穿戴顯示器件、運(yùn)動(dòng)防偽、智能窗戶等領(lǐng)域都有一定的應(yīng)用潛力。

該工作第一作者為江西科技師范大學(xué)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(xué)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(jí)教授、江西省科協(xié)主席、柔性電子江西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室名譽(yù)主任，全球前2%頂尖科學(xué)家、全球前1萬、國內(nèi)前1千名頂尖科學(xué)家。主要從事基于應(yīng)用背景的導(dǎo)電高分子研究。主持國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國家自然科學(xué)基金、科技部成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目等國家級(jí)課題11項(xiàng)。獲江西省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、江西省教學(xué)成果一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。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(xiàng)。

楊漢珺博士簡介：江西科技師范大學(xué)柔性電子創(chuàng)新研究院碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)樗�凝膠電子器件、太陽能水凈化、電致變色等。主持完成省級(jí)項(xiàng)目1項(xiàng)，主持在研省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金1項(xiàng)、校級(jí)項(xiàng)目1項(xiàng)、橫向課題2項(xiàng)，參與國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目4項(xiàng)、省重點(diǎn)研發(fā)“揭榜掛帥”項(xiàng)目1項(xiàng)。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(jì)513次，H因子14。

盧寶陽教授簡介：江西科技師范大學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。主要致力于導(dǎo)電聚合物人機(jī)融合交互界面構(gòu)筑及先進(jìn)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(xiàng)。主持國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目20余項(xiàng)，獲江西省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、江西省高�？萍汲晒�一等獎(jiǎng)2項(xiàng)。