從模糊到清晰，從單色到彩色，從笨重到輕薄……近幾十年來，顯示作為電子設(shè)備的重要輸出端不斷更新迭代，由最初的陰極射線管顯示、液晶顯示、有機(jī)發(fā)光二極管顯示發(fā)展至現(xiàn)在的柔性薄膜顯示，取得了長足進(jìn)步。
而你有設(shè)想過“穿”在身上的顯示器嗎？融器件功能、紡織方法、織物形態(tài)于一體，在我們穿的衣服上瀏覽資訊、收發(fā)訊息、事件備忘……這是研究者近年來著力探尋的方向。這種智能電子織物，可有力推動傳統(tǒng)紡織制造和物聯(lián)網(wǎng)、人機(jī)交互、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興領(lǐng)域的快速融合發(fā)展，有望催生新興技術(shù)，在某些方面給人們的生活方式帶來全新變革。
而如何將顯示功能有效集成到電子織物中，同時確？椢锏娜彳、透氣導(dǎo)濕、適應(yīng)復(fù)雜形變等特性？這是智能電子織物領(lǐng)域面臨的一大難題。
近日，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系教授彭慧勝領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊，成功將顯示器件的制備與織物編織過程實現(xiàn)融合，在高分子復(fù)合纖維交織點(diǎn)集成多功能微型發(fā)光器件，揭示了纖維電極之間電場分布的獨(dú)特規(guī)律，實現(xiàn)了大面積柔性顯示織物和智能集成系統(tǒng)。
突破傳統(tǒng)，
織物“變色-發(fā)光-顯示”的求索之路
織物顯示求索之旅絕不是一條坦途。近十多年來，彭慧勝帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊始終致力于智能高分子纖維與織物研發(fā)。
攝影：楊銘宇
2009年，團(tuán)隊提出聚丁二炔與取向碳納米管復(fù)合以制備新型電致變色纖維的研究思路（Nature Nanotechnology, 2009, 4, 738），然而，電致變色僅在白天可見，晚上則無法被有效應(yīng)用，使用時域被打上了折扣。2015年，團(tuán)隊在涂覆方法方面取得突破，成功解決共軛高分子活性層在高曲率纖維電極表面均勻成膜的難題，提出并實現(xiàn)了纖維聚合物發(fā)光電化學(xué)池（Nature Photonics, 2015, 9, 233），并通過編成織物實現(xiàn)了不同的發(fā)光圖案。但此種方法也有局限之處，經(jīng)由發(fā)光纖維編織所顯示的圖案數(shù)量非常有限，無法實現(xiàn)平面顯示器中基于發(fā)光像素點(diǎn)的可控顯示。如何在柔軟且直徑僅為幾十至幾百微米的纖維上構(gòu)建可程序化控制的發(fā)光點(diǎn)陣列，是困擾團(tuán)隊甚至這個領(lǐng)域的一大難題。
彭慧勝團(tuán)隊適時轉(zhuǎn)換思路！霸诳椢锞幙椷^程中，經(jīng)緯線的交織可以自然地形成類似于顯示器像素陣列的點(diǎn)陣！币源藶殪`感，團(tuán)隊著眼于研制兩種功能纖維——負(fù)載有發(fā)光活性材料的高分子復(fù)合纖維和透明導(dǎo)電的高分子凝膠纖維，通過兩者在編織過程中的經(jīng)緯交織形成電致發(fā)光單元，并通過有效的電路控制實現(xiàn)新型柔性顯示織物。
▲不同顏色的發(fā)光纖維
“這就是我們用于編織的發(fā)光纖維材料。”彭慧勝拿起一卷纏繞于紡錘上的纖維介紹道。這些直徑不足半毫米的纖維材料，實驗案臺上還有多卷，顏色各異，乍一看與生活中的尋常紗線類似！岸(dāng)我們給它們通上電，它們就顯示出了獨(dú)特一面——會發(fā)明亮的光！彼闷鹗诌叺囊患l(wèi)衣，展示其基本功能，衛(wèi)衣上的復(fù)旦大學(xué)；沼砂l(fā)藍(lán)光的纖維編織而成，接通電源后，藍(lán)色的；請D案在室內(nèi)清晰可辨。
是什么使織物擁有了顯示特性？其內(nèi)在結(jié)構(gòu)如何？“顯示織物內(nèi)呈現(xiàn)獨(dú)特的搭接結(jié)構(gòu)，由發(fā)光經(jīng)線和導(dǎo)電緯線交錯而成。”彭慧勝解釋道。從橫截面方向看，其中一根為涂覆有發(fā)光材料的導(dǎo)電紗線，另一根透明導(dǎo)電纖維通過編織與其經(jīng)緯搭接！笆┘咏涣麟妷汉，位于發(fā)光纖維上的高分子復(fù)合發(fā)光活性層在搭接點(diǎn)區(qū)域被電場激發(fā)，就形成一個個發(fā)光‘像素點(diǎn)’！本瓦@樣，在電場的激發(fā)下，電極和發(fā)光層憑借物理搭接即可實現(xiàn)有效發(fā)光，該方法可以將發(fā)光器件制備與織物編織過程相統(tǒng)一，利用工業(yè)化編織設(shè)備，實現(xiàn)了長6米、寬0.25米、含約50萬個發(fā)光點(diǎn)的發(fā)光織物，發(fā)光點(diǎn)之間最小的間距為0.8毫米，能初步滿足部分實際應(yīng)用的分辨率需求。通過更換發(fā)光材料，還可實現(xiàn)多色發(fā)光單元，得到多彩的顯示織物。
▲纖維發(fā)光
▲發(fā)光織帶
彎折、水洗都不怕，
揭秘顯示均勻穩(wěn)定的內(nèi)在機(jī)制
比起傳統(tǒng)的平板發(fā)光器件，發(fā)光纖維直徑可在0.2 毫米至0.5 毫米之間精確調(diào)控，奠定了其“超細(xì)超柔”的特性。以此編織而成的衣物，可緊貼人體不規(guī)則輪廓，像普通織物一樣輕薄透氣，確保良好的穿著舒適度。
伴隨著結(jié)構(gòu)上的精細(xì)化要求，技術(shù)上難題也顯現(xiàn)出來：如何在如微米級直徑的纖維上連續(xù)負(fù)載均勻的發(fā)光材料涂層，構(gòu)建得到發(fā)光強(qiáng)度高度一致的像素點(diǎn)陣？
彭慧勝團(tuán)隊提出了“限域涂覆”制備路線，采用柔韌的高分子材料作為發(fā)光漿料基體，將其均一可控地負(fù)載在纖維基底上，即“讓浸漬有發(fā)光漿料的纖維通過一個定制的微孔，使不平整的漿料涂層變得平滑，同時有效控制纖維的直徑”。在此基礎(chǔ)上，通過多次涂覆，提升纖維圓周方向的發(fā)光層厚度均勻性，涂覆固化后得到了能抵御外界摩擦、反復(fù)彎折的發(fā)光功能層。
▲織物顯示
現(xiàn)實的應(yīng)用要求也接踵而至。團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)，具有高曲率表面的纖維相互接觸時，在接觸區(qū)域會形成不均勻的電場分布，這樣的電場不利于器件在變形過程中穩(wěn)定工作。而在現(xiàn)實生活中，穿在身上的衣服難免會有磕磕碰碰，也需日常清洗。如何能使顯示織物適應(yīng)外界環(huán)境的改變，乃至抵御住反復(fù)摩擦、彎折、拉伸等外在作用力，保證發(fā)光的穩(wěn)定性？
團(tuán)隊在導(dǎo)電纖維緯線的力學(xué)性能方面下足了功夫，通過熔融擠出方法制備了一種高彈性的透明高分子導(dǎo)電纖維。在編織過程中，該纖維由于線張力的作用，與發(fā)光纖維接觸的區(qū)域發(fā)生彈性形變，并被織物交織的互鎖結(jié)構(gòu)所固定！巴ㄟ^對高分子導(dǎo)電纖維的模量調(diào)控，使其在與發(fā)光經(jīng)線交織時發(fā)生自適應(yīng)彈性形變，從而形成穩(wěn)定接觸界面，并使得在纖維曲面上形成了類似平面的電場分布，從而確保了織物中‘像素點(diǎn)’的均勻穩(wěn)定發(fā)光！迸砘蹌僬f。
實驗結(jié)果表明，在兩根纖維發(fā)生相對滑移、旋轉(zhuǎn)、彎曲的情況下，交織發(fā)光點(diǎn)亮度變動范圍仍控制在5%以內(nèi)，顯示織物在對折、拉伸、按壓循環(huán)變形條件下亦能保持亮度穩(wěn)定，可耐受上百次的洗衣機(jī)洗滌。
多功能集成，全柔性織物顯示系統(tǒng)
有望在各領(lǐng)域“大展身手”
除顯示織物之外，研究團(tuán)隊還基于編織方法實現(xiàn)了光伏織物、儲能織物、觸摸傳感織物與顯示織物的功能集成系統(tǒng)，使融合能量轉(zhuǎn)換與存儲、傳感與顯示等多功能于一身的織物系統(tǒng)成為可能。該系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)和人機(jī)交互領(lǐng)域，如實時定位、智能通訊、醫(yī)療輔助等方面表現(xiàn)出良好應(yīng)用前景。
極地科考、地質(zhì)勘探等野外工作場景中，只需在衣物上輕點(diǎn)幾下，即可實時顯示位置信息，地圖導(dǎo)航由“衣”指引；把顯示器“穿”在身上，語言障礙人群以此作為高效便捷交流和表達(dá)的工具……這些原存于想象中的場景，或許在不遠(yuǎn)將來就能走進(jìn)人們的生活。
從研發(fā)思路的推陳出新，到連續(xù)制備關(guān)鍵技術(shù)的接連突破，到設(shè)備的自主設(shè)計研發(fā)，到工程化路線的不斷優(yōu)化……團(tuán)隊從未止步，已把產(chǎn)品從實驗室里“帶了出來”，實現(xiàn)了發(fā)光纖維和織物的連續(xù)化穩(wěn)定制備，致力于推動全柔性顯示織物的規(guī)；瘧(yīng)用研究。“我們也期待著產(chǎn)業(yè)界的合作者們加入，共同解決在實際應(yīng)用中的具體問題！闭劶帮@示系統(tǒng)的未來發(fā)展道路，彭慧勝充滿期待。
北京時間3月11日，相關(guān)研究成果以《大面積顯示織物及其功能集成系統(tǒng)》（“Large-area display textiles integrated with functional systems”）為題在線發(fā)表于《自然》（Nature）主刊，審稿人評價其“創(chuàng)造了重要而有價值的新知識”。彭慧勝、陳培寧為該論文通訊作者，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系博士研究生施翔、碩士研究生左勇以及工程與應(yīng)用技術(shù)研究院博士研究生翟鵬為第一作者。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03295-8
