彭慧胜课题组织物显示器成果登上Nature主刊

发布时间:2021-03-13 

 

 电子设备的发展推动着现代信息科技革命,作为电子设备的主要输出端,显示器是信息传递的重要窗口和人机交互的主要平台。将显示功能与织物融合集成,可为智能电子织物开拓新的发展方向。彭慧胜课题组开发了一种基于织物经纬编织工艺,大面积制备织物显示器的方法。文章以“Large-area display textiles integrated with functional systems”为题于2021年3月11日发表在《自然》(Nature)上。

 近年来,可穿戴电子设备蓬勃发展,极大地拉近了人们与电子器件的距离,被认为是继计算机、移动终端、智能终端之后的又一次科技革命。将显示功能与织物融合集成,可为智能电子织物开拓新的发展方向,现有的技术可基于柔性薄膜有机发光二极管显示器,将其贴附在织物表面,但是这类方法一方面降低了织物本身的柔性和透气性,影响人们的穿着舒适性;另一方面,薄膜显示器的面状薄膜基底和具有多孔编织结构的柔性织物之间存在模量不匹配,在织物频繁的复杂变形过程中,薄膜显示器非常容易发生性能下降甚至功能失效。随后,研究人员尝试开发基于纤维的发光器件,进一步编织成发光织物,通过该设计理念能得到高度柔性和透气性的发光织物,但是仅能实现预先设定编织图案的发光,不能实现大多数电子产品中需要的基于像素点程序控制起亮的任意组合显示。因此,如何在柔软且直径仅为几十至几百微米的纤维上构建可程序化控制的发光点阵列,是困扰这个领域的一个难题。

 众所周知,织物在编织过程中,经纬线的交织在织物中自然地形成了类似于显示器像素阵列的点阵。因此,基于一种负载有发光活性层的发光经线,和一种透明导电纬线,研究团队利用这两种功能纤维在编织过程中的经纬接触形成电致发光器件,进而实现了一种新型柔性发光和显示织物(图1)。

 

图1. a) 织物显示器及经纬搭接发光点的结构示意图;b) 大面积发光织物照片;c, d) 多色发光织物和发光点照片。

 团队利用自主搭建的限域涂覆加工装置,在导电纱线表面负载均匀的高质量发光活性层,得到了发光经线。另外,团队基于高导电、高弹性以及化学物理性质稳定的离子液体凝胶,通过熔融纺丝工艺制备了透明导电纬线。在发光经线与透明导电纬线之间施加交流电压后,经纬线接触点区域的发光材料被电场激发,形成了发光像素点。团队发现,机器编织过程中的线张力使得透明导电纤维在与发光纤维接触的区域发生弹性形变,并且被织物纤维交织结构有效固定,实现了在纤维的高曲率表面形成类平面器件的电场分布。理论计算和实验结果表明,弹性接触界面的均匀电场,是确保经纬搭接器件的稳定工作的关键。搭接发光点在两根纤维相对滑移、旋转、弯曲的情况下,器件亮度变动不超过5%,织物显示器在对折、拉伸以及按压循环变形条件下,亮度也能保持稳定(图2)。该方法将发光器件制备与织物编织相统一,利用成熟的编织设备,实现了长6 m、宽25 cm、含约500,000个发光点的发光织物,通过更换发光材料的种类,可以实现多色发光单元。团队基于经纬交织的设计理念,将该方法拓展应用到织物键盘和织物供能系统的制备,并构建了织物电子集成系统。该系统在物联网应用,如实时定位、日常通讯以及医疗辅助等方面表现出良好的应用前景(图3)。

 

图2. a) 经纬搭接发光点截面示意图;b) 经纬搭接点处电场分布模拟;c) 接触面电场的均匀分布几乎不受接触面积改变的影响;d) 透明导电纬线与发光经线在不同接触形态下的发光照片;e-g) 透明导电纬线与发光经线发生相对滑移(e)、旋转(f)和弯曲(g)时发光点的光强分布图。

    

图3. a-c) 具有显示个人定位功能的织物集成系统;d-f) 具有信息通讯功能的织物集成系统,功能集成织物系统与智能手机进行信息接收和发送(f)。

 以上相关成果发表在Nature主刊上。Shi, X.; Zuo, Y.; Zhai, P.; Shen, J.; Yang, Y.; Gao, Z.; Liao, M.; Wu, J.; Wang, J.; Xu, X.; Tong, Q.; Zhang, B.; Wang, B.; Sun, X.; Zhang, L.; Pei, Q.; Jin, D.; Chen, P.;# Peng, H.# Large-area display textiles integrated with functional systems. Nature 2021, 591 (7849), 240-245. 彭慧胜、陈培宁为该论文通讯作者,复旦大学高分子科学系博士研究生施翔、硕士研究生左勇以及复旦大学工程与应用技术研究院博士研究生翟鹏为第一作者。相关工作得到了国家自然科学基金委、科技部、上海市科委、复旦大学聚合物分子工程国家重点实验室等的大力支持。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03295-8。