近日，本课题组的研究论文《可用于像素化智能纺织品的具有动态 RGB 切换功能的同轴电致发光变色纤维（Coaxial Electroluminochromic Fibers with Dynamic RGB Switching for Pixelated Smart Textiles）》被Advanced Materials接收。论文第一作者为直博生赵彦龙，通讯作者为清华大学化工系张如范副教授。
近年来，可穿戴电子与光电子技术的快速发展，使人们对高度柔性、可织入纺织品中的集成式智能器件的需求日益迫切。智能显示纺织品研究领域迅速发展，尤其是基于磷光体材料的电致发光（EL）纤维的研究引起了广泛关注。此类发光纤维能够被编织成可弯曲的多孔织物结构，不仅可在纤维尺度实现预设图案的显示，更可实现像素级别的动态调控，以达到人机实时交互的效果。然而，目前单根电致发光纤维通常仅能发出单一固定的颜色，难以满足实际应用中多色或全彩发光以传递更丰富信息的需求。事实上，人们日常生活中所接触的电子显示屏幕（如电视、智能手机、电脑和广告牌）普遍采用全彩显示技术。因此，开发可动态调控多色发光的全彩纤维材料，对推动智能显示织物技术的发展具有重要意义。
传统液晶显示（LCD）领域通过彩色滤光片实现全彩显示，为纺织纤维多色显示提供了重要启发。与此类似，电致变色（EC）聚合物在施加低压直流电场（DC）时可实现透过率和吸收率的动态调控，从而具备独立的光学滤波功能。通过电化学沉积工艺，电致变色聚合物可以均匀地涂覆于纤维基底表面，形成动态可调的光学滤光外壳。基于这一原理，本研究选用了一种典型的电致变色聚合物聚3-甲基噻吩（P3MT），作为碳纳米管纤维外层的动态滤光材料。P3MT在不同电化学状态下可表现出砖红、豆绿和浅蓝三种稳定且可逆的光学态，从而为纤维提供了RGB三态滤光窗口。本研究将P3MT聚合物层与电致发光层以核壳同轴的方式进行集成，成功克服了传统单色发光纤维无法动态调色的技术瓶颈。这种设计方案为实现多色甚至全彩纤维显示提供了新的技术路径。
本研究开发了一种新型同轴电致发光变色（ELC）碳纳米管纤维的制备方法。该ELC纤维采用同轴分层结构：由内至外分别为CNTF基底、混有钛酸钡粉末和磷光体的聚氨酯发光层、PEDOT:PSS透明导电层、绝缘PDMS层、PEDOT:PSS透明导电层、电致变色P3MT层、凝胶聚合物电解质层、以及最外层的两根平行碳管纤维对电极。其中，利用聚二甲基硅氧烷薄层进行绝缘处理，能够有效隔离内核交流（AC）电场与外层直流（DC）电场的相互干扰，确保了电致变色外壳在低压直流驱动下实现稳定的颜色调控。此外，为确保直流电场均匀分布并增强电致变色的响应性能，在GPE层外并联附着两根CNTF电极，从而成功构建出完整的ELC纤维，实现了对纤维内核发光颜色的动态、多色调制。由于电致变色效应仅发生在GPE层的界面区域，本研究进一步提出了离散涂覆GPE结点的方案，搭建出具有可寻址功能的像素化显示平台。这种新型纤维与像素构造方法简便易行、易于大批量制备，展现出在智能纺织领域广阔的商业化应用潜力。
图1.ELC纤维与织物的结构与工作机制
为了进一步满足实际的服装商品对安全性、穿戴舒适性和耐久性等方面的严格要求，本研究在纤维结构上进行了系统优化。PDMS绝缘层不仅有效保障了内核交流电场和外壳直流电场的独立运行，同时还大幅降低了纤维内层电场向外泄漏的可能性，远低于人体安全电压的限制上限。均匀致密的同轴包覆结构确保了电致发光与电致变色层的紧密贴合，使纤维在长时间的水洗与弯折等机械测试中依旧表现出优异的稳定性。如图2所示，这种ELC纤维具有优良的柔韧性与织造性能，在反复弯折、扭曲的条件下依旧保持出色的发光与变色性能，完全满足了可穿戴电子设备对柔性纤维器件在实际穿戴过程中的严苛要求。
图2.电致变色发光纤维的电致变色发光性能
采用电致变色外壳作为动态光学滤光层，能够在低压直流电的驱动下实现RGB三态颜色的快速切换，有效调控纤维内核的发光特性，从而实现多色动态发光功能。进一步地，本研究通过在纤维交叉点处离散地涂覆GPE，成功构建了基于纤维交叉网络的可独立寻址像素单元（如图3）。这种经纬交织的像素化织物能够精准控制每个像素的颜色与亮度，结合物联网（IoT）技术，可实时显示丰富多样的信息，实现智能织物与外界环境的高效交互。未来，这种新型织物有望广泛应用于智能服装、可穿戴显示终端以及军事、消防、医疗等特殊领域的人机通信，为智能纺织显示与可穿戴电子技术提供全新的解决方案。
图3.ELC 纤维的发光特性及 ELC 织物的显示效果
该研究工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的资助支持。Advanced Materials是Wiley-VCH旗下的综合性期刊，专注于材料科学领域的顶级研究成果。该期刊2024年影响因子为26.8。
