Advanced Materials | Coaxial Electroluminochromic Fibers with Dynamic RGB Switching for Pixelated smart Textiles

来源：科学留声机公众号（https://mp.weixin.qq.com/s/DZAiw2cy3KzhbU794Pr-RQ）

第一作者：赵彦龙

通讯作者：张如范副教授

通讯单位：清华大学化工系

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202505012

清华大学张如范副教授团队成功制备出具有RGB三态切换能力的同轴电致发光变色（ELC）纤维。该纤维采用分层同轴结构：以碳纳米管纤维（CNTF）为基底，内层为EL发光核心，外层包裹聚3-甲基噻吩（P3MT）电致变色（EC）聚合物外壳，中间由绝缘聚合物隔离。通过低直流电压调控EC外壳的光学过滤特性，可实时调制内部发光颜色，实现"电致发光变色"效应。更创新的是，通过在凝胶聚合物电解质（GPE）节点处正交编织电极，成功构建出可独立寻址的发光像素点阵，为物联网集成化智能显示纺织品奠定基础。

可穿戴电子和光电子技术的兴起使人们迫切需要开发高度柔性、可织入纺织物的器件，以实现真正一体化的智能纺织解决方案。近年来，在显示织物领域发展迅速的背景下，研究人员开展了大量关于发光纤维的研究，特别是基于磷光体的电致发光纤维。这类发光纤维可以织入织物形成可弯曲的多孔织物结构，在纤维层级实现预设图案的显示，甚至可以逐像素动态控制，实现实时的人机交互。然而，目前单根电致发光纤维通常只能发出固定且单一的颜色。在实际应用中，人们日益期望发光纤维能够实现多色乃至全彩发光，以传递更丰富的信息。毕竟，人们日常所见的电子显示屏（电视、智能手机、电脑、广告牌等）无不为全彩显示。因此，发展可动态调控多种发光颜色的全彩发光纤维对智能纺织显示具有重要意义。

液晶显示（LCD）中使用彩色滤光片实现全彩输出，这为发光纤维的多色显示提供了思路。类似地，某些电致变色聚合物在施加低电压直流（DC）时透过率和吸收率可动态调节，能够充当独立的可开关光学滤光片。通过电化学沉积，电致变色聚合物可以均匀、柔性地涂覆在纤维基底上，形成可动态调控的光学滤光外壳。基于这一原理，该研究选用了一种典型的电致变色聚合物 聚3-甲基噻吩（P3MT）作为纤维外层的光学滤光材料。P3MT薄膜在不同电化学状态下呈现砖红、豆绿、和浅蓝三种可逆光学态，相当于提供了RGB三态滤光窗口。研究团队将这种P3MT电致变色层引入发光纤维，同轴集成电致发光内核与电致变色外壳，成功突破了传统发光纤维单色发光不可动态调色的技术瓶颈。这一创新设计为智能纺织用发光纤维实现多色乃至全彩显示提供了新路径。随着电路集成和织造技术的进一步发展，此类同轴多功能纤维有望织造成高密度阵列的可穿戴显示织物，实现真正的纺织级显示屏幕。

1）发明了一种同轴分层结构的电致发光-电致变色（ELC）纤维，实现单根纤维上的动态多色发光调节。

2）选用聚P3MT作为电致变色材料，构筑动态滤光壳层，实现低驱动电压下的RGB三态可调的发光输出。

3）实现纺织品上的可寻址像素级显示，为制备柔性可穿戴显示织物奠定了基础。

本研究报道了一种新型电致发光-电致变色（ELC）纤维的合成方法，其内部核心由蓝色或绿色磷光体组成，外层包覆由P3MT构成的电致变色壳层，如图1。为确保高机械性能与良好可织性，选用了具备优异电学与力学性能的碳纳米管纤维（CNTF）作为基底材料。CNTF依次被涂覆发光层和透明导电层，构成EL核心；其外包覆一层PDMS绝缘层，使外部直流电场可驱动电致变色反应而不受内核交流电场干扰。随后，该纤维依次浸涂获得第二层透明导电层、电沉积形成P3MT层，最后包覆凝胶聚合物电解质（GPE）。为获得均匀的直流电场，在GPE层表面并联附着两根CNTF电极，从而构建出一根具备动态多色发光能力的完整ELC纤维。此外，由于电致变色效应仅发生于GPE层的界面区域，该研究提出通过点涂法离散分布GPE，构建可寻址显示像素区域的平台。整个器件的制备过程可在空气中完成，具备简便性与可扩展性，展现出在智能纺织领域的大规模实际应用潜力。

图1. 电致发光变色纤维及其织物的结构与工作机制

在技术原理上，该同轴ELC纤维采用分层同轴结构：由内至外依次包括碳纳米管纤维（CNTF）核心、发光层、透明导电层、绝缘PDMS层、电致变色P3MT层以及凝胶聚合物电解质（GPE）层。其中，CNTF作为纤维基底提供优异的导电性和机械强度，发光层与透明导电层共同构成电致发光内核；PDMS绝缘层将内层交流电场与外层直流电场隔离，保障电致变色层可在低电压下独立驱动，如图2。外层通过电化学沉积形成聚3-甲基噻吩（P3MT）电致变色层，并包覆GPE电解质；随后在纤维表面并联附加两根CNTF作为电极，从而构成完整的ELC同轴纤维，实现低电压下对内核发光颜色的动态调制。P3MT变色层具有砖红、豆绿、浅蓝三种可逆光学态，可对内核发出的蓝绿光进行滤光调制。这一同轴结构有效融合了电致发光和电致变色机制，克服了传统单色发光纤维无法动态变色的难题。

图2. 电致发光变色纤维的微观形貌和电化学性能

该ELC纤维具有良好的柔韧性和可织造性，可在反复弯折后仍保持稳定的发光和变色性能，满足可穿戴电子对纤维器件的要求，如图3。通过经纬编织，将ELC裸纤维与离散分布的凝胶电解质接触，可构建逐像素独立寻址的发光单元阵列，实现纺织品上的像素级图案显示。

图3. 电致发光变色纤维的发光特性

基于碳纳米管纤维的电致变色外壳可作为动态光学滤光片，具备RGB三态切换能力，能够在低电压下有效调控内核发光的光学特性，具备多色发光和快速按需变色能力。此外，电致发光变色纤维可与在特定凝胶聚合物电解质交汇点处设置的正交电极织构结合，形成可独立寻址的发光像素，如图4。通过经纬交织的编织方式，并结合物联网系统，该显示织物能够传递信息，在智能显示和可穿戴电子设备领域展现出广阔的应用前景。通过经纬编织形成的像素化显示织物，结合物联网技术，可实现信息的实时传递，为智能服装、可穿戴显示终端以及特殊人机通信提供了新的解决方案。

图4. 电致发光变色纤维的发光特性及其织物的显示效果

这项研究通过同轴集成EL与EC机制，首次实现纤维级动态多色显示，响应速度达秒级，循环稳定性超3000次。其革命性意义在于：采用全溶液化工艺实现连续纤维制备，兼容规模化编织；通过GPE点阵化设计突破一维限制，构建可独立寻址像素。未来仅需替换荧光粉和EC聚合物，即可扩展更多发光颜色组合。该技术将推动智能纺织品从"黑白显示"跃入"全彩时代"，为可穿戴设备、人机交互及物联网应用开辟全新道路。

张如范副教授课题组主页：https://www.rufanzhang-group.cn/

Y. Zhao, F. Lan, Y. Li, Y. Huang, F. Wang, K. Wang, R. Zhang, Coaxial Electroluminochromic Fibers with Dynamic RGB Switching for Pixelated Smart Textiles. Adv. Mater. 2025, 2505012. https://doi.org/10.1002/adma.202505012