江西科技师范大学：3D打印水凝胶基柔性可穿戴电致变色显示器

来源：高分子科技

柔性电致变色器件（FECDs）在可穿戴电子、智能窗和柔性显示等领域有着广阔的应用前景。传统的FECDs为五层结构，包括基底层、电极层、电致变色层、电解质层和封装层。然而，其集成制造过程往往涉及复杂的程序，不可避免地导致器件性能下降、工艺流程复杂、生产效率低等问题，极大的限制了其作为柔性可穿戴器件在运动监测、防伪装等的应用。

近日，江西科技师范大学徐景坤、杨汉珺、卢宝阳团队提出一种通过多材料一体化3D打印集成制造FECDs的策略。通过对电致变色层、电解质层、封装层墨水的多材料设计及墨水配方和多材料墨水可打印性的优化，同时采用四层连续堆叠结构成功实现了FECDs的一体化3D打印集成制造。研究结果表明，一体化3D打印的FECDs表现出优异的电致变色性能，包括高光学对比度（360 nm处最大为54.4％），优异的循环稳定性（10,000 s后对比度保持率大于95％），且5,000次弯曲循环后光学对比度保持率大于80%。所制备的一体化3D打印FECDs应用于可穿戴电子产品，防伪和智能窗。该工作以“3D-Printed Hydrogel-Based Flexible Electrochromic Device for Wearable Displays”为题发表在Advanced Science上。

多材料一体化3D打印FECDs的设计：

为了克服传统FECDs五层结构集成制造困难、工艺流程复杂、器件性能下降等问题，该团队采用多材料一体化3D打印集成制造的策略设计了具有四层堆叠结构的一体化FECDs。四层堆叠结构包括PDMS封装层，PVA/LiCl水凝胶作为电解质层/电极层，紫精/PVA/LiCl水凝胶作为电解质层，ITO-PET作为基底/电极层。除ITO-PET层外，其他功能层使用DIW打印机逐层打印，无需任何额外的处理步骤。

图1多材料一体化3D打印FECDs的设计

电致变色多材料墨水可打印性评估：

研究团队对不同电致变色墨水的可打印性进行了评估，包括紫精/PVA/LiCl墨水，PVA/LiCl墨水，PDMS墨水。在不同打印速度、喷嘴尺寸和打印压力作为单一变量时，定性评估了其可印刷性，随后，通过测量不同打印参数下的打印线宽定量优化了打印参数。优选了最佳的打印参数和印刷图案，以最大限度地减少墨水扩散现象，从而实现高形状保真度和无缝界面集成制造。

图2 多材料电致变色墨水的可3D打印性评估

多材料电致变色器件的一体化3D打印：

在系统评估多材料墨水可打印性的基础上，选取最优的3D打印参数（压力：300 kPa、速度：6 mm−1、针头：240 μm）进行后续多层电致变色器件的打印，以实现较高的打印保真度。针对可穿戴电子显示、伪装等应用场景，作者设计了多样化的打印图案，包括SOS阵列、心脏阵列、不同的动物模型等。优化后的打印参数即使对于小尺寸、高密度的电极阵列也能以较高保真度实现图案的印刷。

图3多材料一体化3D打印集成制造水凝胶基FECDs及其电致变色性能

一体化3D打印水凝胶基FECDs电致变色性能：

3D打印一体化水凝胶基FECDs具有良好的电致变色性能和机械性能，包括高光学对比度（360 nm处最大为54.4％），优异的循环稳定性（10,000 s后对比度保持率大于95％），且5,000次弯曲循环后光学对比度保持率大于80%。基于一体化3D打印技术，集成制造了10×10 cm2的水凝胶基FECDs智能窗户以及不同心型和SOS阵列。

图4 一体化3D打印水凝胶基FECDs的电致变色性能

一体化3D打印FECDs可穿戴电子显示、防伪和智能车窗：

基于一体化3D打印FECDs优异的电致变色性能，作者成功展示了其在可穿戴电子的应用潜力。通过心形与SOS阵列在低电压驱动下实现颜色可逆变换分别模拟心率变化与紧急求救信号；此外，所制备的FECDs在防伪显示器中同样表现出色，在不同电压下显示多种自然色调，实现高效伪装；在智能车窗领域，FECDs能在透明与着色状态快速切换，有效调节光线与温度，且具备出色的光学记忆效应，降低了能耗，为智能窗户的广泛应用提供了可能。

图5 一体化3D打印水凝胶基FECDs用于可穿戴电子显示、伪装和智能车窗

综上所述，该团队成功展示了一种连续多材料3D打印工艺用于制备FECDs。在选择合理的打印参数的同时，优化了电致变色层、电解质层和封装层油墨的3D打印性，成功实现了无缝界面集成和一体化制造。结果表明，基于3D打印的FECDs表现出优异的电致变色性能，包括高光学对比度、优异的循环稳定性等。该工作为高性能柔性电致变色器件的简化和定制化制造提供了一个有前景的方法，在柔性可穿戴显示器件、运动防伪、智能窗户等领域都有一定的应用潜力。

该工作第一作者为江西科技师范大学硕士生罗晓玉、万荣泰及本科生张钊衔，论文通讯作者是江西科技师范大学徐景坤教授、杨汉珺博士和卢宝阳教授。


原文链接：
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.

通讯作者简介

徐景坤教授简介：二级教授、江西省科协主席、柔性电子江西省重点实验室名誉主任，全球前2%顶尖科学家、全球前1万、国内前1千名顶尖科学家。主要从事基于应用背景的导电高分子研究。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、科技部成果转化项目等国家级课题11项。获江西省自然科学一等奖1项、二等奖1项、江西省教学成果一等奖1项。发表SCI论文600余篇，引用22000余次，H因子74；授权发明专利20余项。

杨汉珺博士简介：江西科技师范大学柔性电子创新研究院硕士生导师。主要研究方向为水凝胶电子器件、太阳能水净化、电致变色等。主持完成省级项目1项，主持在研省重点实验室开放基金1项、校级项目1项、横向课题2项，参与国家自然科学基金项目4项、省重点研发“揭榜挂帅”项目1项。在Adv. Sci.、J. Mater. Chem. A等国际期刊上发表SCI论文24篇；他人引用共计513次，H因子14。

卢宝阳教授简介：江西科技师范大学教授、柔性电子创新研究院常务副院长、柔性电子江西省重点实验室主任。主要致力于导电聚合物人机融合交互界面构筑及先进加工制造技术开发。以第一或通讯作者在Nat. Mater.、Nat. Rev. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.等期刊上发表SCI论文160余篇，引用8000余次，授权中国、美国发明专利20余项。主持国家自然科学基金等项目20余项，获江西省自然科学奖一等奖1项、二等奖1项、江西省高校科技成果一等奖2项。