【原】Nature重磅：復(fù)旦大學(xué)團隊發(fā)明超級電子織物，織出的“布料”能當(dāng)顯示器！性能表現(xiàn)前所未有
|
顯示器是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的基本組成部分，你有沒有想象過，有一天我們的衣服 “面料” 也能變成顯示器？長久以來，業(yè)界對于可穿戴技術(shù)的展望之一，就是能造出智能電子紡織品，期待它能為用戶帶來全新的產(chǎn)品交互體驗，然而，具有功能性且能夠呈現(xiàn)大面積顯示效果的紡織品尚未實現(xiàn)，因為要獲得既耐用又易于在大面積上集成的小型照明裝置是一項嚴(yán)苛挑戰(zhàn)。如今，這個夢想正在走進(jìn)現(xiàn)實，來自復(fù)旦大學(xué)的彭慧勝團隊成功發(fā)明了一種新奇的智能電子織物，在測試中，這種織物展現(xiàn)出了優(yōu)異的可拉伸性、透氣性和耐用性，同時該織物還能作為大面積顯示屏，根據(jù)不同的數(shù)字信號輸入呈現(xiàn)出多元化的內(nèi)容，相關(guān)研究論文于北京時間 3 月 11 日發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上。 
據(jù)了解，這種新型的電子紡織品在設(shè)計方面是將導(dǎo)電緯紗和發(fā)光經(jīng)紗纖維交織在一起，在緯紗與經(jīng)紗的接觸點便形成了微米級的電致發(fā)光單元，值得關(guān)注的是，該織物成品在 1000 次彎、拉、壓循環(huán)測試后，絕大部分電致發(fā)光單元仍表現(xiàn)良好，且這些電致發(fā)光單元的亮度在 100 次清洗干燥循環(huán)后依然保持穩(wěn)定。
研究人員認(rèn)為，這種 “智能織物” 不僅具有較強的實用性，在集成更多功能后，也有望塑造下一代電子通訊工具。
圖｜一種創(chuàng)新的顯示電子織物，在變形情況下表現(xiàn)出柔軟性和穩(wěn)定性（來源：Nature）近年來，顯示設(shè)備已經(jīng)從剛性面板發(fā)展到柔性薄膜。然而，電子紡織品的結(jié)構(gòu)和制造工藝完全不同于傳統(tǒng)的薄膜器件，例如目前用于構(gòu)建柔性顯示器的有機發(fā)光二極管（OLED）。一方面，紡織品是由纖維編織而成的，會形成粗糙多孔的結(jié)構(gòu)，因此才可以變形和貼合人體輪廓；而 OLED 則是通過在陰極和陽極電極之間沉積多層半導(dǎo)體有機薄膜制成，這些半導(dǎo)體有機薄膜通常放置在玻璃或塑料等平面襯底上。因此，當(dāng) OLED 附著在粗糙和可變形的紡織品表面上時，這些薄膜器件的性能往往很差或會隨著時間的推移而很快失效。另一方面，將有機薄膜沉積在適合織成柔性顯示紡織品的纖維上也是非常困難的，因為這些薄膜太脆弱，無法承受編織過程中的交織摩擦，用于制造有機電致發(fā)光器件的常規(guī)方法也不適合大規(guī)模制造纖維電極。更重要的是，由于 OLED 中的光發(fā)射依賴于陽極和陰極之間的載流子注入和傳輸，即便能織成經(jīng)紗和緯紗也難以在電極和半導(dǎo)體層之間提供足夠高質(zhì)量的歐姆接觸來照明。
圖｜當(dāng)前電致發(fā)光紡織技術(shù)的比較（來源：Nature）在以往同類研究中，雖然光纖、聚合物發(fā)光電化學(xué)電池纖維和交流電致發(fā)光纖維等纖維發(fā)光器件也可以編織成照明紡織品，但它們通常只能顯示預(yù)先設(shè)計的圖案，而在諸如計算機和移動電話之類的標(biāo)準(zhǔn)顯示應(yīng)用中，不能根據(jù)輸入的數(shù)字信號實時、單獨地動態(tài)控制像素是一個相當(dāng)大的限制。如何將電子設(shè)備的制造、功能與紡織品完美結(jié)合起來，這是新一代智能電子紡織品需要突破的難關(guān)。為了克服上述問題，彭慧勝和同事們在研究中采用了全新的材料設(shè)計方案。材料方面，他們使用基于硫化鋅（ZnS）磷光體的電場驅(qū)動裝置來編織顯示織物，與 OLED 器件不同，分散在絕緣聚合物基體中的 ZnS 磷光體通過在聚合物基體上交變電場被激活。這種電場驅(qū)動裝置只需要緯紗和經(jīng)紗之間的空間接觸就可以照明，使其本質(zhì)上耐用，適合大規(guī)模生產(chǎn)。“織布” 用的線是什么？研究人員通過熔融紡絲離子液體摻雜的聚氨酯凝膠制備了導(dǎo)電緯紗纖維，其透射率超過 90%；并通過在鍍銀導(dǎo)電紗上涂覆商用 ZnS 磷光體制備了發(fā)光經(jīng)紗纖維，這種基于溶液的涂層是獲得連續(xù)長度發(fā)光經(jīng)紗纖維的簡單方法。
圖｜透明導(dǎo)電緯紗、發(fā)光經(jīng)紗及其接觸面積的力學(xué)特性（來源：Nature）搭配的材料，則是選用了聚氨酯作為聚合物基體，聚氨酯纖維我們也俗稱為 "氨綸"，這種材料不僅彈性優(yōu)異，且耐酸堿性、耐汗、耐海水性、耐干洗性、耐磨性均表現(xiàn)較好。為了確保 ZnS 的涂層均勻，研究人員有一個小竅門。他們將導(dǎo)電紗浸涂在 ZnS 磷光體漿料中，并在干燥前通過自制的刮削微型針孔 “刮一下”，這樣就能剝離不均勻的涂層，而采用不同直徑的微針孔，就能調(diào)節(jié) ZnS 磷光體粉層的厚度，可謂簡便又實用，在這項實驗中研究人員選擇使用了大約 70μm 的優(yōu)化厚度。
圖｜發(fā)光經(jīng)紗連續(xù)制造示意圖（來源：Nature）之后，就是評估發(fā)光涂層的均勻性，研究人員將 100 米長的發(fā)光纖維放置在鹽水中，并在它們之間施加交流電壓，結(jié)果顯示即使材料扭曲，發(fā)光性能仍然保持穩(wěn)定；對于 30 米長的發(fā)光纖維，其發(fā)光強度變化小于 10%。具有不均勻 ZnS 磷光體涂層的纖維在一些電致發(fā)光單元（EL 單元）中顯示出了不均勻的亮度和故障，表明發(fā)光需要均勻的發(fā)光涂層。纖維制備好之后，就是 “織布” 環(huán)節(jié)了。在工業(yè)織機上編織導(dǎo)電緯紗和發(fā)光經(jīng)紗時，每個交織的緯紗和經(jīng)紗能形成一個 EL 單元，研究人員表示，其他合成纖維材料，如尼龍和聚酯纖維，也可以與導(dǎo)電緯紗和發(fā)光經(jīng)紗纖維共織，用于各種用途。使用這種方法，研究人員最終制造出了一塊 6m×25cm（長 × 寬）的大面積顯示織物，包含大約 50 萬個（5 × 10^5）EL 單元。其中，600 個 EL 單元的發(fā)光強度的相對偏差變化小于 8%，如此微小的強度差異表明，這些纖維非常適合規(guī)?；圃齑竺娣e顯示紡織品。不僅發(fā)光性能良好，而且經(jīng)過 1000 次彎曲、拉伸和按壓循環(huán)測試后，絕大多數(shù) EL 單元的強度保持穩(wěn)定（變化 < 10%）。此外，即使在沿不同方向重復(fù)折疊之后，大多數(shù) EL 單元的強度變化小于 15%，并且在每個折疊方向上的 10000 個折疊循環(huán)中，折疊線處 EL 單元的強度也保持穩(wěn)定，顯示出優(yōu)于傳統(tǒng)膠片顯示材料的耐用性。
圖｜新型電子紡織品的結(jié)構(gòu)和電致發(fā)光性能（來源：Nature）研究人員在論文中提到，還可以在 ZnS 磷光體中摻雜銅和錳等不同元素，獲得具有均勻分布 EL 單元的彩色紡織品，由于纖維是機織的，通過調(diào)整織造參數(shù)來改變經(jīng)緯接觸點之間的距離，EL 單元的密度可以很容易地進(jìn)行調(diào)整。在實驗中，研究人員織造的纖維最窄間距約為 800μm，平均亮度效果能與一些同等商用平面顯示器相當(dāng)。為了打開電致發(fā)光裝置，他們在發(fā)光經(jīng)紗和導(dǎo)電緯紗上施加交流電壓，產(chǎn)生一個低微安的電流來為電致發(fā)光裝置供電，通過改變施加的電流，就可以精確地調(diào)整 EL 單元的亮度，亮度強度一般會隨電壓和頻率的增加而增加。這種新型電子織物還有個特點是低功耗，功耗在微瓦量級，發(fā)熱可以忽略不計，很多醫(yī)療儀器測量的能量等級也常為微瓦級，通過減小發(fā)光層的厚度，可以將用于顯示織物的驅(qū)動電壓降低到小于 36v，在導(dǎo)電緯紗和發(fā)光經(jīng)紗上涂覆一層透明絕緣聚合物可以進(jìn)一步保證這些器件的安全性，這對于大面積服裝應(yīng)用也至關(guān)重要。由于發(fā)光效果還取決于發(fā)光經(jīng)紗和導(dǎo)電緯紗之間彎曲接觸區(qū)域的電場是否均勻，因此研究人員使用有限元方法模擬了發(fā)光層中的電場分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在外加電壓下，彎曲接觸處的電廠分布與平面電致發(fā)光器件一樣均勻，并且即使接觸面積發(fā)生變化，也能保持均勻。
圖｜新型電子織物的電致發(fā)光單元的表征（來源：Nature）研究人員將電場均勻性歸因于彈性導(dǎo)電緯紗，它易于變形，以適應(yīng)發(fā)光經(jīng)紗彎曲和彈性較小的表面，即使導(dǎo)電緯紗傾斜、扭曲和打結(jié)，發(fā)光經(jīng)紗也會產(chǎn)生光發(fā)射。電致發(fā)光映射圖像顯示，當(dāng)透明導(dǎo)電緯紗沿發(fā)光經(jīng)線移動、繞接觸點旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)、彎曲時，電致發(fā)光強度和 EL 單元面積基本不變。當(dāng)導(dǎo)電緯紗沿發(fā)光經(jīng)紗以 0.5mm 的增量滑動時，在長達(dá) 3mm 的距離內(nèi)，亮度變化小于 2.2%；當(dāng)導(dǎo)電緯紗從垂直于發(fā)光經(jīng)紗的位置旋轉(zhuǎn) ±15° 時，電致發(fā)光強度波動小于 2.6%。此外，由于編織纖維的彈性，該織物在 100 次按壓和釋放測試后，EL 單元的性能保持穩(wěn)定，透明導(dǎo)電緯線中離子液體的惰性和不揮發(fā)性也有助于 EL 單元的電氣和光學(xué)穩(wěn)定性，在實驗中，將該紡織品露天放置了一個月，亮度沒有出現(xiàn)明顯下降，EL 單元的亮度在經(jīng)受過 100 次加速清洗和干燥循環(huán)后依舊正常。為了說明這種創(chuàng)新的編織策略是通用的，研究人員采用類似原理，還在紡織品中產(chǎn)生了其他電子功能，例如鍵盤和電源。首先創(chuàng)建一個通過動態(tài)接觸發(fā)揮功能的紡織鍵盤，他們用高電阻緯紗（碳纖維）編織低電阻經(jīng)紗（鍍銀紗），形成一個 4×4 鍵盤，緯紗和經(jīng)紗的交叉點形成了鍵。在電源方面，則采用鍍銀導(dǎo)電紗編織光電緯紗以獲取太陽能供電能力。現(xiàn)在，這樣的紡織品中就包括了發(fā)電和儲存裝置，同時具備顯示器、鍵盤和電源的配置，接下來就能為不同的應(yīng)用場景，設(shè)計出多功能的集成顯示系統(tǒng)。作為概念證明，研究人員在衣服袖子上織了一塊 “地圖導(dǎo)航”。他們將編織的顯示器、鍵盤和電源連接到顯示器驅(qū)動器、微控制器和藍(lán)牙模塊，這種集成的紡織系統(tǒng)就能用作交互式導(dǎo)航顯示器，通過藍(lán)牙模塊，用戶從智能手機獲得的丁字路口的實時位置，就能被傳輸?shù)郊徔椘飞巷@示。
圖｜集成紡織系統(tǒng)的應(yīng)用場景（來源：Nature）為了在這種電子織物上輸出不同圖像，來自驅(qū)動電路的電信號會被逐行掃描到 EL 單元陣列上。因為還有按鍵，這種集成紡織系統(tǒng)也可以作為一種通訊工具，輸入和顯示各種信息，研究人員用數(shù)字 1、2、3 來演示了這一點功能，每個數(shù)字被分配給一個鍵，微控制器被編程為在按下相應(yīng)的鍵時輸出對應(yīng)數(shù)字，通過藍(lán)牙模塊，這種新型的集成紡織系統(tǒng)還可以和智能手機之間進(jìn)行信息的發(fā)送、接收和顯示。還有一種場景是該紡織品在醫(yī)療保健領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，研究人員制作了一個尺寸為 24cm×6cm（長 × 寬）的大屏幕紡織品，把它集成在一件衛(wèi)衣上，能顯示用戶的精神狀態(tài)，他們收集了玩賽車游戲志愿者的腦電圖信號，志愿者放松時的腦電波多為低頻，而焦慮時腦電波多為高頻。研究人員在計算機上處理信號，然后通過藍(lán)牙模塊將志愿者相應(yīng)心理狀態(tài)的文字發(fā)送給微控制器進(jìn)行顯示。在未來，如果結(jié)合先進(jìn)的解碼復(fù)雜腦電波的技術(shù)，研究人員設(shè)想這樣的顯示紡織品能成為一種有效的輔助技術(shù)和通信工具。綜上所述，彭慧勝和團隊發(fā)明的這種新型電子織物具備簡單可靠的制備工藝，同時有著可規(guī)?；a(chǎn)的能力，人們可以將顯示器、鍵盤、電源等電子功能同時編織到織物中，形成一個多功能的綜合織物系統(tǒng)。由于緯紗和經(jīng)紗不同材料的網(wǎng)絡(luò)交織，使得該電子織物中的每個 EL 單元都可以通過驅(qū)動電路以可編程的方式去識別和點亮。因此，這種電子紡織品可以作為一種有用的通訊輔助工具。未來隨著更多功能的集成，這些 “智能紡織品” 有望在通訊、導(dǎo)航、醫(yī)療保健、可穿戴、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。值得關(guān)注的是，這項最新成果的誕生和功能集成演示并非一蹴而就，近年來，來自復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系和先進(jìn)材料實驗室的彭慧勝教授帶領(lǐng)團隊在智能電子紡織物領(lǐng)域創(chuàng)造了不少突破，相關(guān)研究曾被《自然》、《自然 - 光子學(xué)》、《科學(xué)》、《應(yīng)用化學(xué)》等國際頂級權(quán)威期刊報道。2013 年，彭慧勝團隊曾首次成功制備出可拉伸的線狀超級電容器，有效結(jié)合了高分子材料的彈性及碳納米管的優(yōu)異電學(xué)和機械性能；2014 年，該團隊通過一種疊加織物電極的新方法，成功制備出了織物太陽能電池；2015 年，其團隊又實現(xiàn)了一種新型纖維狀聚合物發(fā)光電化學(xué)池，在可穿戴纖維狀發(fā)光器件方面取得進(jìn)展；2018 年，彭慧勝團隊還發(fā)明出了一類纖維狀鋰離子電池，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展出一系列柔性的新型織物電池系統(tǒng)，0.1 平方米的電池織物可使 iPhone 手機工作 10 小時。在不久的未來，由這些創(chuàng)新成果組成的智能織物產(chǎn)品或許就能走到你我身邊，有了這些神奇的紡織品，我們甚至能與日常穿的衣服進(jìn)行更多元的信息交互，運用這些特殊纖維織成的 “布料”，還能做出什么新奇的產(chǎn)品功能呢？我們可以拭目以待。https://www./articles/s41586-021-03295-8https://www./profile/huisheng-peng/56cb18bcc35f4f3c6565f640https://news.fudan.edu.cn/2013/1209/c4a58107/page.htmhttps://news.fudan.edu.cn/2014/0605/c4a57715/page.htmhttps://news.fudan.edu.cn/2015/0330/c5a58633/page.htmhttps://news.fudan.edu.cn/2018/0426/c5a54662/page.htm
|
轉(zhuǎn)藏
分享
獻(xiàn)花（0）
+1
