3Dプリントされたハイドロゲルベースのフレキシブルウェアラブルエレクトロクロミックディスプレイ

出典: ポリマーテクノロジー

フレキシブルエレクトロクロミックデバイス (FECD) は、ウェアラブルエレクトロニクス、スマートウィンドウ、フレキシブルディスプレイなど、幅広い応用が期待されています。従来の FECD は、基板層、電極層、エレクトロクロミック層、電解質層、カプセル化層の 5 層構造になっています。しかし、その統合製造プロセスには複雑な手順が含まれることが多く、必然的にデバイスのパフォーマンスの低下、複雑なプロセスフロー、低い生産効率などの問題につながり、動作監視、偽装防止などの柔軟なウェアラブルデバイスとしての応用が大きく制限されます。

最近、江西科技師範大学の Xu Jingkun、Yang Hanjun、Lu Baoyang のチームは、マルチマテリアル統合 3D プリントによる FECD の統合製造戦略を提案しました。エレクトロクロミック層、電解質層、カプセル化層インクのマルチマテリアル設計、インク配合とマルチマテリアルインクの印刷性の最適化により、4層連続積層構造を採用し、FECDの統合3Dプリント製造に成功しました。結果は、統合された 3D プリント FECD が、高い光学コントラスト (360 nm で最大 54.4%)、優れたサイクル安定性 (10,000 秒後に 95% を超えるコントラスト保持)、および 5,000 回の曲げサイクル後に 80% を超える光学コントラスト保持など、優れたエレクトロクロミック特性を示すことを示しています。準備された統合型 3D プリント FECD は、ウェアラブルエレクトロニクス、偽造防止、スマートウィンドウに適用されます。この研究は、「ウェアラブルディスプレイ向け 3D プリントハイドロゲルベースのフレキシブルエレクトロクロミックデバイス」というタイトルで Advanced Science に掲載されました。

マルチマテリアル統合 3D プリント FECD の設計:

従来の FECD の 5 層構造の統合製造の難しさ、プロセスフローの複雑さ、デバイスのパフォーマンスの低下といった問題を克服するために、チームはマルチマテリアル統合 3D プリント統合製造戦略を採用し、4 層積層構造の統合 FECD を設計しました。 4層積層構造には、PDMSカプセル化層、電解質層/電極層としてのPVA/LiClハイドロゲル、電解質層としてのビオロゲン/PVA/LiClハイドロゲル、および基板/電極層としてのITO-PETが含まれます。 ITO-PET 層を除き、他の機能層は追加の処理手順なしで DIW プリンターを使用して層ごとに印刷されました。

図1 マルチマテリアル統合3DプリントFECDの設計エレクトロクロミックマルチマテリアルインクの印刷可能性評価：

研究チームは、ビオロゲン/PVA/LiCl インク、PVA/LiCl インク、PDMS インクなど、さまざまなエレクトロクロミックインクの印刷可能性を評価しました。印刷速度、ノズルサイズ、印刷圧力を単一の変数として、印刷性を定性的に評価し、その後、さまざまな印刷パラメータで印刷された線幅を測定することにより、印刷パラメータを定量的に最適化しました。インクの広がり現象を最小限に抑えるために最適な印刷パラメータと印刷パターンが選択され、高い形状忠実度とシームレスなインターフェースの統合製造が実現しました。

図2 マルチマテリアルエレクトロクロミックインクの3D印刷可能性の評価マルチマテリアルエレクトロクロミックデバイスの統合3D印刷：

マルチマテリアルインクの印刷性の体系的な評価に基づいて、高い印刷忠実度を実現するために、多層エレクトロクロミックデバイスの後続の印刷に最適な 3D 印刷パラメータ (圧力: 300 kPa、速度: 6 mm−1、ニードル: 240 μm) が選択されました。著者らは、ウェアラブル電子ディスプレイやカモフラージュなどの応用シナリオを目指して、SOS アレイ、心臓アレイ、さまざまな動物モデルなど、さまざまな印刷パターンを設計しました。最適化された印刷パラメータにより、小型で高密度の電極アレイでも忠実度の高いパターンの印刷が可能になります。

図3 マルチマテリアル統合3DプリンティングによるハイドロゲルベースのFECDの統合製造とそのエレクトロクロミック特性

統合された 3D プリントハイドロゲルベースの FECD のエレクトロクロミック性能:

3D プリントされた統合型ハイドロゲルベースの FECD は、高い光学コントラスト (360 nm で最大 54.4%)、優れたサイクル安定性 (10,000 秒後のコントラスト保持率 95% 以上)、5,000 回の曲げサイクル後の光学コントラスト保持率 80% 以上など、優れたエレクトロクロミック特性と機械特性を示しました。統合された 3D 印刷技術に基づいて、10×10 cm2 のハイドロゲルベースの FECD スマートウィンドウとさまざまなハート型および SOS アレイが統合され、製造されました。

図 4 統合型 3D プリントハイドロゲルベース FECD のエレクトロクロミック性能ウェアラブル電子ディスプレイ、偽造防止、スマートウィンドウ用の統合型 3D プリント FECD:

統合型 3D プリント FECD の優れたエレクトロクロミック特性に基づき、著者らはウェアラブルエレクトロニクスにおけるその応用可能性を実証することに成功しました。ハート型アレイとSOSアレイは低電圧で駆動して可逆的な色の変化を実現し、それぞれ心拍数の変化と緊急遭難信号をシミュレートできます。さらに、準備されたFECDは偽造防止ディスプレイでも優れた性能を発揮し、異なる電圧下でさまざまな自然な色調を表示して効率的なカモフラージュを実現します。スマートカーウィンドウの分野では、FECDは透明状態と色付き状態をすばやく切り替え、光と温度を効果的に調整し、優れた光学メモリ効果を発揮するため、エネルギー消費が削減され、スマートウィンドウの広範な応用の可能性が提供されます。

図 5 ウェアラブル電子ディスプレイ、カモフラージュ、スマートウィンドウ用の統合 3D プリントハイドロゲルベースの FECD 要約すると、チームは FECD を準備するための連続的なマルチマテリアル 3D プリントプロセスを正常に実証しました。適切な印刷パラメータを選択しながら、エレクトロクロミック層、電解質層、カプセル化層インクの 3D 印刷性が最適化され、シームレスなインターフェース統合と統合製造が実現しました。結果は、3D プリントされた FECD が、高い光学コントラスト、優れたサイクル安定性など、優れたエレクトロクロミック特性を示すことを示しています。この研究は、高性能フレキシブルエレクトロクロミックデバイスの簡素化されたカスタマイズされた製造のための有望な方法を提供し、フレキシブルウェアラブルディスプレイデバイス、スポーツ偽造防止、スマートウィンドウなどの分野で一定の応用可能性を秘めています。

この研究の第一著者は、江西科技師範大学の修士課程学生の Luo Xiaoyu、Wan Rongtai、学部生の Zhang Zhaoxian です。論文の責任著者は、江西科技師範大学の Xu Jingkun 教授、Yang Hanjun 博士、Lu Baoyang 教授です。

オリジナルリンク:

Xiaoyu Luo#、Rongtai Wan#、Zhaoxian Zhang#、Manting Song、Lixia Yan、Jingkun Xu*、Hanjun Yang*、Baoyang Lu*、「ウェアラブルディスプレイ向け 3D プリントハイドロゲルベースのフレキシブルエレクトロクロミックデバイス」。Advanced Science、2024、2404679。

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

徐静坤教授の著者プロフィール：二級教授、江西省科学技術協会会長、江西省フレキシブルエレクトロニクス重点実験室名誉所長、世界トップ2%の科学者、世界トップ10,000人、中国トップ1,000人。主に応用分野を背景とした導電性ポリマーの研究に従事。国家重点研究開発計画、国家自然科学基金、科学技術部の成果変革プロジェクトなど、11の国家レベルのプロジェクトを主宰した。彼は江西省自然科学部門で一等賞、二等賞、江西省教育功績部門で一等賞をそれぞれ受賞した。彼は 600 本以上の SCI 論文を発表し、22,000 回以上引用され、H 指数は 74 です。また、20 件以上の発明特許を取得しています。

江西科技師範大学フレキシブルエレクトロニクスイノベーション研究所の修士課程指導教員、楊漢軍博士の紹介。主な研究分野は、ハイドロゲル電子デバイス、太陽光浄水、エレクトロクロミズムなどです。彼は省レベルのプロジェクト1件の完成を主導し、現在は省レベルの重点実験室開放基金プロジェクト1件、学校レベルのプロジェクト1件、横断プロジェクト2件を担当しており、国家自然科学基金プロジェクト4件と省レベルの重点研究開発「挑戦と先導」プロジェクト1件に関与している。彼は、Adv. Sci. や J. Mater. Chem. A などの国際ジャーナルに 24 本の SCI 論文を発表しており、その論文は他者によって 513 回引用され、H 指数は 14 です。

陸宝陽教授のプロフィール：江西科技師範大学教授、フレキシブルエレクトロニクスイノベーション研究所執行副所長、江西フレキシブルエレクトロニクス重点実験室所長。主に導電性ポリマーのヒューマンマシン融合インタラクティブインターフェースの構築と高度な加工製造技術の開発に取り組んでいます。 Nat. Mater.、Nat. Rev. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev. などのジャーナルに第一著者または責任著者として 160 件以上の SCI 論文を発表し、8,000 件以上の引用があり、中国と米国で 20 件以上の発明特許を取得しています。中国国家自然科学基金を含む20以上のプロジェクトを主宰し、江西省自然科学賞で1等賞、2等賞、江西大学科学技術業績賞で1等賞を2回受賞。

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