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顯示器也能“穿”上身

我國科學家自主研發全柔性織物顯示系統

來源:中國科學報 作者:唐鳳 黃辛 2021年03月13日 12:29

  你有想過“穿”在身上的顯示器嗎?按一按身上的衣服就能看新聞、發信息,甚至追劇。或許,這就快要變成現實了。

  近日,復旦大學高分子科學系教授彭慧勝團隊,成功將顯示器件製備與織物編織過程融合,在高分子複合纖維交織點集成多功能微型發光器件,並揭示了纖維電極之間電場分佈的獨特規律,實現了大面積柔性顯示織物和智能集成系統。

  3月11日,論文在線發表於《自然》。審稿人評價其“創造了重要而有價值的新知識”。

  實現沒那麼容易

  從模糊到清晰、從單色到彩色、從笨重到輕薄……近幾十年來,顯示作為電子設備的重要輸出端不斷更新迭代。而如何將顯示功能有效集成到電子織物中,同時確保織物的柔軟、透氣導濕、適應複雜形變等特性?這是智能電子織物領域面臨的一大難題。

  2009年,彭慧勝團隊提出聚丁二炔與取向碳納米管複合以製備新型電致變色纖維的研究思路,然而電致變色僅在白天可見,晚上無法有效應用。

  2015年,團隊在塗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,研發了纖維聚合物發光電化學池,最終實現了不同的發光圖案。但經由發光纖維編織顯示的圖案數量非常有限,無法充分實現可控顯示。

  如何在柔軟且直徑僅為幾十至幾百微米的纖維上構建可程序化控制的發光點陣列,是困擾團隊甚至這個領域的一大難題。

  於是,彭慧勝在想,在織物編織過程中,經緯線的交織是否可以自然地形成類似於顯示器像素陣列的點陣。

  基於此,團隊着眼於研製兩種功能纖維——負載有發光活性材料的高分子複合纖維和透明導電的高分子凝膠纖維,兩者在編織過程中的經緯交織形成電致發光單元,並通過有效電路控制製作出了新型柔性顯示織物。

  彭慧勝團隊還提出了“限域塗覆”製備路線,採用柔韌的高分子材料作為發光漿料基體,將其均一可控地負載在纖維基底上。通過多次塗覆,提升纖維發光層厚度均勻性,塗覆固化後得到了能抵禦外界摩擦、反覆彎折的發光功能層。

  彎折、水洗都不怕

  “這就是我們的發光纖維材料。”彭慧勝拿起一卷纏繞在紡錘上的纖維對《中國科學報》記者説。

  這些直徑不足半毫米的纖維材料,實驗案台上還有多卷,顏色各異,乍一看與生活中的尋常紗線類似。

  “而當我們給它們通上電,它們就顯示出了獨特一面——會發明亮的光。”彭慧勝拿起手邊的一件衞衣,衞衣上的復旦大學校徽由發藍光的纖維編織而成,接通電源後,藍色的校徽圖案在室內清晰可辨。

  彭慧勝表示,從橫截面方向看,其中一根為塗覆有發光材料的導電紗線,另一根是透明導電纖維,兩者編織形成經緯搭接。“施加交流電壓後,位於發光纖維上的高分子複合發光活性層在搭接點區域被電場激發,就形成一個個發光‘像素點’。”

  就這樣,研究人員製備出長6米、寬0.25米、含約50萬個發光點的發光織物,發光點之間最小的間距為0.8毫米,能初步滿足部分實際應用的分辨率需求。通過更換髮光材料,還可實現多色發光單元,得到多彩的顯示織物。

  論文通訊作者之一、復旦大學陳培寧表示,比起傳統的平板發光器件,發光纖維直徑可在0.2毫米至0.5毫米之間精確調控,奠定了其“超細超柔”的特性。以此為材料梭織而成的衣物,可緊貼人體不規則輪廓,像普通織物一樣輕薄透氣,穿着舒適度良好。

  但具有高曲率表面的纖維相互接觸時,在接觸區域會形成不均勻的電場分佈,這樣的電場不利於器件在變形過程中穩定工作。而在現實生活中,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外界環境的改變,乃至抵禦住反覆摩擦、彎折、拉伸等外在作用力,保證發光的穩定性?

  於是,研究人員通過熔融擠出方法制備了一種高彈性的透明高分子導電纖維。在編織過程中,該纖維由於線張力的作用,與發光纖維接觸的區域發生彈性形變,並被織物交織的互鎖結構固定。

  陳培寧表示,實驗結果表明,在兩根纖維發生相對滑移、旋轉、彎曲的情況下,交織發光點亮度變動範圍仍控制在5%以內,顯示織物在對摺、拉伸、按壓循環變形條件下亦能保持亮度穩定,可耐受上百次的洗衣機洗滌。

  走出實驗室

  除顯示織物之外,研究團隊還基於編織方法實現了光伏織物、儲能織物、觸摸傳感織物與顯示織物的功能集成系統,使製備集能量轉換與存儲、傳感與顯示等多功能於一身的織物系統成為可能。

  彭慧勝提到,該系統在物聯網和人機交互領域,如實時定位、智能通訊、醫療輔助等方面表現出良好應用前景。

  例如,在極地科考、地質勘探等野外工作場景中,只需在衣物上輕點幾下,即可實時顯示位置信息,地圖導航由“衣”指引;把顯示器“穿”在身上,語言障礙人羣以此作為高效便捷交流和表達的工具……這些場景或許在不遠將來就能走進人們的生活。

  而且,研究人員已經把產品從實驗室裏“帶了出來”,實現了發光纖維和織物的連續化穩定製備,有助於推動全柔性顯示織物的規模化應用研究。

  “我們也期待着產業界的合作者們加入,共同解決在實際應用中的具體問題。”談及顯示系統的未來發展道路,彭慧勝充滿期待。

  相關論文信息://doi.org/10.1038/s41586-021-03295-8

(責編:鄢妮)