Nature重磅:复旦大学团队发明超级电子织物,织出的“布料”能当显示器!性能表现前所未有

2021
03/11

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让我们拭目以待!

显示器是现代电子产品的基本组成部分,你有没有想象过,有一天我们的衣服 “面料” 也能变成显示器?

长久以来,业界对于可穿戴技术的展望之一,就是能造出智能电子纺织品,期待它能为用户带来全新的产品交互体验,然而,具有功能性且能够呈现大面积显示效果的纺织品尚未实现,因为要获得既耐用又易于在大面积上集成的小型照明装置是一项严苛挑战。

如今,这个梦想正在走进现实,来自复旦大学的彭慧胜团队成功发明了一种新奇的智能电子织物,在测试中,这种织物展现出了优异的可拉伸性、透气性和耐用性,同时该织物还能作为大面积显示屏,根据不同的数字信号输入呈现出多元化的内容,相关研究论文于北京时间 3 月 11 日发表在《自然》(Nature)杂志上。

(来源:Nature
据了解,这种新型的电子纺织品在设计方面是将导电纬纱和发光经纱纤维交织在一起,在纬纱与经纱的接触点便形成了微米级的电致发光单元,值得关注的是,该织物成品在 1000 次弯、拉、压循环测试后,绝大部分电致发光单元仍表现良好,且这些电致发光单元的亮度在 100 次清洗干燥循环后依然保持稳定。

图|衣服上显示出不同的字样(来源:Nature
研究人员认为,这种 “智能织物” 不仅具有较强的实用性,在集成更多功能后,也有望塑造下一代电子通讯工具。

图|一种创新的显示电子织物,在变形情况下表现出柔软性和稳定性(来源:Nature
难度和挑战 
近年来,显示设备已经从刚性面板发展到柔性薄膜。然而,电子纺织品的结构和制造工艺完全不同于传统的薄膜器件,例如目前用于构建柔性显示器的有机发光二极管(OLED)。
 
一方面,纺织品是由纤维编织而成的,会形成粗糙多孔的结构,因此才可以变形和贴合人体轮廓;而 OLED 则是通过在阴极和阳极电极之间沉积多层半导体有机薄膜制成,这些半导体有机薄膜通常放置在玻璃或塑料等平面衬底上。因此,当 OLED 附着在粗糙和可变形的纺织品表面上时,这些薄膜器件的性能往往很差或会随着时间的推移而很快失效。
 
另一方面,将有机薄膜沉积在适合织成柔性显示纺织品的纤维上也是非常困难的,因为这些薄膜太脆弱,无法承受编织过程中的交织摩擦,用于制造有机电致发光器件的常规方法也不适合大规模制造纤维电极。

更重要的是,由于 OLED 中的光发射依赖于阳极和阴极之间的载流子注入和传输,即便能织成经纱和纬纱也难以在电极和半导体层之间提供足够高质量的欧姆接触来照明。

图|当前电致发光纺织技术的比较(来源:Nature
在以往同类研究中,虽然光纤、聚合物发光电化学电池纤维和交流电致发光纤维等纤维发光器件也可以编织成照明纺织品,但它们通常只能显示预先设计的图案,而在诸如计算机和移动电话之类的标准显示应用中,不能根据输入的数字信号实时、单独地动态控制像素是一个相当大的限制。

如何将电子设备的制造、功能与纺织品完美结合起来,这是新一代智能电子纺织品需要突破的难关。
用特制纤维来 “织布”
为了克服上述问题,彭慧胜和同事们在研究中采用了全新的材料设计方案。材料方面,他们使用基于硫化锌(ZnS)磷光体的电场驱动装置来编织显示织物,与 OLED 器件不同,分散在绝缘聚合物基体中的 ZnS 磷光体通过在聚合物基体上交变电场被激活。

这种电场驱动装置只需要纬纱和经纱之间的空间接触就可以照明,使其本质上耐用,适合大规模生产。

“织布” 用的线是什么?研究人员通过熔融纺丝离子液体掺杂的聚氨酯凝胶制备了导电纬纱纤维,其透射率超过 90%;并通过在镀银导电纱上涂覆商用 ZnS 磷光体制备了发光经纱纤维,这种基于溶液的涂层是获得连续长度发光经纱纤维的简单方法。

图|透明导电纬纱、发光经纱及其接触面积的力学特性(来源:Nature
搭配的材料,则是选用了聚氨酯作为聚合物基体,聚氨酯纤维我们也俗称为 "氨纶",这种材料不仅弹性优异,且耐酸碱性、耐汗、耐海水性、耐干洗性、耐磨性均表现较好。

为了确保 ZnS 的涂层均匀,研究人员有一个小窍门。他们将导电纱浸涂在 ZnS 磷光体浆料中,并在干燥前通过自制的刮削微型针孔 “刮一下”,这样就能剥离不均匀的涂层,而采用不同直径的微针孔,就能调节 ZnS 磷光体粉层的厚度,可谓简便又实用,在这项实验中研究人员选择使用了大约 70μm 的优化厚度。

图|发光经纱连续制造示意图(来源:Nature)
之后,就是评估发光涂层的均匀性,研究人员将 100 米长的发光纤维放置在盐水中,并在它们之间施加交流电压,结果显示即使材料扭曲,发光性能仍然保持稳定;对于 30 米长的发光纤维,其发光强度变化小于 10%。具有不均匀 ZnS 磷光体涂层的纤维在一些电致发光单元(EL 单元)中显示出了不均匀的亮度和故障,表明发光需要均匀的发光涂层。

纤维制备好之后,就是 “织布” 环节了。在工业织机上编织导电纬纱和发光经纱时,每个交织的纬纱和经纱能形成一个 EL 单元,研究人员表示,其他合成纤维材料,如尼龙和聚酯纤维,也可以与导电纬纱和发光经纱纤维共织,用于各种用途。

使用这种方法,研究人员最终制造出了一块 6m×25cm(长 × 宽)的大面积显示织物,包含大约 50 万个(5 × 10^5)EL 单元。其中,600 个 EL 单元的发光强度的相对偏差变化小于 8%,如此微小的强度差异表明,这些纤维非常适合规模化制造大面积显示纺织品。

不仅发光性能良好,而且经过 1000 次弯曲、拉伸和按压循环测试后,绝大多数 EL 单元的强度保持稳定(变化 < 10%)。此外,即使在沿不同方向重复折叠之后,大多数 EL 单元的强度变化小于 15%,并且在每个折叠方向上的 10000 个折叠循环中,折叠线处 EL 单元的强度也保持稳定,显示出优于传统胶片显示材料的耐用性。

图|新型电子纺织品的结构和电致发光性能(来源:Nature
研究人员在论文中提到,还可以在 ZnS 磷光体中掺杂铜和锰等不同元素,获得具有均匀分布 EL 单元的彩色纺织品,由于纤维是机织的,通过调整织造参数来改变经纬接触点之间的距离,EL 单元的密度可以很容易地进行调整。

在实验中,研究人员织造的纤维最窄间距约为 800μm,平均亮度效果能与一些同等商用平面显示器相当。

为了打开电致发光装置,他们在发光经纱和导电纬纱上施加交流电压,产生一个低微安的电流来为电致发光装置供电,通过改变施加的电流,就可以精确地调整 EL 单元的亮度,亮度强度一般会随电压和频率的增加而增加。

这种新型电子织物还有个特点是低功耗,功耗在微瓦量级,发热可以忽略不计,很多医疗仪器测量的能量等级也常为微瓦级,通过减小发光层的厚度,可以将用于显示织物的驱动电压降低到小于 36v,在导电纬纱和发光经纱上涂覆一层透明绝缘聚合物可以进一步保证这些器件的安全性,这对于大面积服装应用也至关重要。

由于发光效果还取决于发光经纱和导电纬纱之间弯曲接触区域的电场是否均匀,因此研究人员使用有限元方法模拟了发光层中的电场分布,结果发现,在外加电压下,弯曲接触处的电厂分布与平面电致发光器件一样均匀,并且即使接触面积发生变化,也能保持均匀。

图|新型电子织物的电致发光单元的表征(来源:Nature)
研究人员将电场均匀性归因于弹性导电纬纱,它易于变形,以适应发光经纱弯曲和弹性较小的表面,即使导电纬纱倾斜、扭曲和打结,发光经纱也会产生光发射。

电致发光映射图像显示,当透明导电纬纱沿发光经线移动、绕接触点旋转旋转、弯曲时,电致发光强度和 EL 单元面积基本不变。当导电纬纱沿发光经纱以 0.5mm 的增量滑动时,在长达 3mm 的距离内,亮度变化小于 2.2%;当导电纬纱从垂直于发光经纱的位置旋转 ±15° 时,电致发光强度波动小于 2.6%。

此外,由于编织纤维的弹性,该织物在 100 次按压和释放测试后,EL 单元的性能保持稳定,透明导电纬线中离子液体的惰性和不挥发性也有助于 EL 单元的电气和光学稳定性,在实验中,将该纺织品露天放置了一个月,亮度没有出现明显下降,EL 单元的亮度在经受过 100 次加速清洗和干燥循环后依旧正常。
给衣服上 “织” 上显示器、键盘和电源
为了说明这种创新的编织策略是通用的,研究人员采用类似原理,还在纺织品中产生了其他电子功能,例如键盘和电源。

首先创建一个通过动态接触发挥功能的纺织键盘,他们用高电阻纬纱(碳纤维)编织低电阻经纱(镀银纱),形成一个 4×4 键盘,纬纱和经纱的交叉点形成了键。在电源方面,则采用镀银导电纱编织光电纬纱以获取太阳能供电能力。

现在,这样的纺织品中就包括了发电和储存装置,同时具备显示器、键盘和电源的配置,接下来就能为不同的应用场景,设计出多功能的集成显示系统。

作为概念证明,研究人员在衣服袖子上织了一块 “地图导航”。他们将编织的显示器、键盘和电源连接到显示器驱动器、微控制器和蓝牙模块,这种集成的纺织系统就能用作交互式导航显示器,通过蓝牙模块,用户从智能手机获得的丁字路口的实时位置,就能被传输到纺织品上显示。

图|集成纺织系统的应用场景(来源:Nature
为了在这种电子织物上输出不同图像,来自驱动电路的电信号会被逐行扫描到 EL 单元阵列上。

因为还有按键,这种集成纺织系统也可以作为一种通讯工具 ,输入和显示各种信息,研究人员用数字 1、2、3 来演示了这一点功能,每个数字被分配给一个键,微控制器被编程为在按下相应的键时输出对应数字,通过蓝牙模块,这种新型的集成纺织系统还可以和智能手机之间进行信息的发送、接收和显示。

还有一种场景是该纺织品在医疗保健领域的应用潜力,研究人员制作了一个尺寸为 24cm×6cm(长 × 宽)的大屏幕纺织品,把它集成在一件卫衣上,能显示用户的精神状态,他们收集了玩赛车游戏志愿者的脑电图信号,志愿者放松时的脑电波多为低频,而焦虑时脑电波多为高频。

研究人员在计算机上处理信号,然后通过蓝牙模块将志愿者相应心理状态的文字发送给微控制器进行显示。在未来,如果结合先进的解码复杂脑电波的技术,研究人员设想这样的显示纺织品能成为一种有效的辅助技术和通信工具。
改变未来的创新电子织物
综上所述,彭慧胜和团队发明的这种新型电子织物具备简单可靠的制备工艺,同时有着可规模化生产的能力,人们可以将显示器、键盘、电源等电子功能同时编织到织物中,形成一个多功能的综合织物系统。

由于纬纱和经纱不同材料的网络交织,使得该电子织物中的每个 EL 单元都可以通过驱动电路以可编程的方式去识别和点亮。因此,这种电子纺织品可以作为一种有用的通讯辅助工具。未来随着更多功能的集成,这些 “智能纺织品” 有望在通讯、导航、医疗保健、可穿戴、物联网等领域广泛应用。

值得关注的是,这项最新成果的诞生和功能集成演示并非一蹴而就,近年来,来自复旦大学高分子科学系和先进材料实验室的彭慧胜教授带领团队在智能电子纺织物领域创造了不少突破,相关研究曾被《自然》、《自然 - 光子学》、《科学》、《应用化学》等国际顶级权威期刊报道。

2013 年,彭慧胜团队曾首次成功制备出可拉伸的线状超级电容器,有效结合了高分子材料的弹性及碳纳米管的优异电学和机械性能;2014 年,该团队通过一种叠加织物电极的新方法,成功制备出了织物太阳能电池;2015 年,其团队又实现了一种新型纤维状聚合物发光电化学池,在可穿戴纤维状发光器件方面取得进展;2018 年,彭慧胜团队还发明出了一类纤维状锂离子电池,并在此基础上发展出一系列柔性的新型织物电池系统,0.1 平方米的电池织物可使 iPhone 手机工作 10 小时。

在不久的未来,由这些创新成果组成的智能织物产品或许就能走到你我身边,有了这些神奇的纺织品,我们甚至能与日常穿的衣服进行更多元的信息交互,运用这些特殊纤维织成的 “布料”,还能做出什么新奇的产品功能呢?我们可以拭目以待。
 
参考资料:
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03295-8
https://www.aminer.cn/profile/huisheng-peng/56cb18bcc35f4f3c6565f640
https://news.fudan.edu.cn/2013/1209/c4a58107/page.htm
https://news.fudan.edu.cn/2014/0605/c4a57715/page.htm
https://news.fudan.edu.cn/2015/0330/c5a58633/page.htm
https://news.fudan.edu.cn/2018/0426/c5a54662/page.htm

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关键词:
显示器,纺织品,布料,电子,性能,纤维,电致

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