前沿进展 | 复旦大学科研人员实现全柔性显示织物和智能集成系统

“中国光学十大进展”候选栏目正式更名为“前沿进展”，全新的命名，全新的开始，欢迎广大专家学者投稿。

1 导读

复旦大学彭慧胜研究团队在高分子复合纤维交织点构建微型发光器件，通过揭示高曲率纤维界面电场分布的独特机制，解决光滑纤维表面活性材料均匀涂覆和纤维电极界面稳定性等难题，实现了柔性显示织物和智能集成系统。该织物显示系统将显示器件的制备与织物编织过程有效融合，既具有跟平面显示器件相当的亮度，同时还具有轻型、透气性、可洗涤、高柔性等独特优点，将有力推动柔性电子、便携式人机交互系统、柔性健康监测终端等领域的快速发展。研究成果以“Large-area display textiles integrated with functional systems”和“Making large-scale, functional, electronic textiles”为题，分别于2021年3月10日和5月7日先后发表在Nature上。2021 | 前沿进展

2 研究背景

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，显示技术已成为现代信息化社会发展的重要推动力。近几十年来，显示器朝着轻量化、柔性化、集成化方向发展，由最初的块状阴极射线管显示、液晶显示、有机发光二极管显示发展到现在的柔性薄膜，经历了从模糊到清晰，从单色到彩色，从笨重到轻薄的发展过程。随着智能电子织物等可穿戴电子设备的蓬勃发展，如何将显示功能与织物融合集成，在实现显示的同时又确保织物的柔软、透气导湿、适应复杂形变等特性，从而满足未来物联网、人机交互、大数据、人工智能等新兴领域的快速发展要求，是这个领域的一个国际难题。近十多年来，复旦大学彭慧胜教授研究团队一直致力于智能高分子纤维与织物器件的研究。2009年团队提出了聚丁二炔与取向碳纳米管复合制备新型电致变色纤维的研究思路（Nature Nanotechnology, 2009, 4, 738）。电致变色白天可见，晚上却无法有效应用，因此，2015年团队通过解决共轭高分子活性层在高曲率纤维电极表面均匀成膜的难题，提出并实现了纤维聚合物发光电化学池，并通过编成织物实现了不同的发光图案（Nature Photonics, 2015, 9, 233）。将发光纤维编到织物中，显示的图案数量较为有限，难以实现平面显示器中基于发光像素点的可控显示。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，是困扰团队甚至这个领域的一个难题。

3 研究创新点1

提出经纬交织的构建路线

与传统平面显示器相比，在柔软透气的织物上构建显示器件，在结构和制备方法等方面明显不同，无先例可循。团队突破传统显示器件经典三明治结构的研究范式，提出在高分子复合纤维交织点集成微型发光器件（图1），将显示器件的制备与织物编织过程融合在一起，实现大面积柔性显示织物和智能集成系统。

团队首先发展出两类纤维电极材料，即负载有发光活性层的高分子复合纤维和透明的弹性导电纤维；然后通过编织方法，将两类纤维材料分别作为经线和纬线交织在一起，通过应力作用下弹性纬线变形实现与经线稳定接触，构建出全柔性的织物显示系统。在经线和纬线之间施加交流电压，经纬线在交织点区域产生均匀电场，活性材料被激发从而实现发光。每个交织点类似于传统显示器中的一个像素点，从而实现显示的功能。

图1 a) 显示织物结构示意图，发光经线和导电纬线在施加电压情况下，交织区域的发光材料受激发而发光；b, c) 多色发光织物和发光点照片。

3 研究创新点2

突破纤维表面活性材料均匀负载和交织界面稳定性难题

研究团队重点解决了两个关键技术难题，获得了高性能的全柔性织物显示系统。首先，如何在几十至几百微米细的光滑纤维表面上沉积均匀的发光活性薄层，是非常困难的一件事情。该研究团队提出了限域涂覆和挤出的新路线，实现了在千米级导电纱线表面均匀负载发光活性薄层。其次，纤维具有弯曲的表面，交织点区域形成非规则的曲面接触界面，如何在非规则纤维界面之间形成稳定均匀的电场，对显示织物发光点稳定性和均匀性至关重要，然而一直是个难题。通过设计和调控弹性高分子导电纤维的力学性，使其在编织过程中线张力作用下，与经线的发光纤维接触区域产生弹性形变，获得紧密接触的界面，实现了在交织点非规则接触界面均匀的电场分布，实现稳定发光。所揭示的高曲率界面电场分布机制和规律，为发展新型柔性电子器件提供了理论支撑（图2）。

研究团队利用工业编织设备，实现了长6 m、宽20 cm、含约50万个发光点的大面积显示织物，发光点亮度偏差小于8%，单个发光点亮度达到115.1 cd/m²，功率消耗低至几毫瓦，发光点间距可达到微米级别，分辨率可初步满足显示应用需求。织物显示系统还可以耐受弯折、拉伸、扭曲等多种复杂变形，具有良好的柔软度和舒适性，并且按照国际标准在洗衣机中洗涤500次后显示亮度保持稳定（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) 大面积显示织物照片；b, c) 显示织物发光单元亮度的(b)相对偏差统计和(c)柱状图分布；d, e) 显示织物在(d)弯曲、(e)拉伸变形1,000次后发光单元亮度变化分布统计。

3 研究创新点3多功能集成的智能织物显示系统除了显示织物，该研究团队还发展了高效的集成方法，实现了集能量转化/储存、传感、实时通信等功能于一体的智能织物显示系统。该系统在物联网应用，如实时定位、日常通讯、医疗辅助等方面表现出良好的应用前景。可以展望，这样一个织物集成系统，能够有效帮助交流障碍的人群与他人建立连接，帮助医生更快捷直观地了解患者的诸多身体指标，以及为极地科考、地质勘探等野外工作场景提供一个更加便捷、安全的信息处理装备。在工程化应用研究方面，研究团队通过设计与定制连续化生产设备和优化制备工艺，也初步实现了全柔性显示织物的连续化制备，并与工业界合作，致力于推动柔性显示织物在可穿戴设备、智能汽车、智能服装、医疗器械、国防装备等交叉领域的规模化应用（图4）。图3 a) 具有显示个人定位功能的织物集成系统；b) 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；c) 具有辅助交流功能的织物集成系统实时反映个人的精神状态。

4 总结柔性织物显示系统改变了构建电子器件的传统三明治结构研究范式，实现了显示器件制备与织物编织过程的有效融合，发现的高曲率界面电场分布机制和规律对于设计新型电子器件具有理论指导作用，并将有力推动柔性电子、便携式人机交互系统、柔性健康监测终端、国防智能装备等重要领域的快速发展，有望催生颠覆性技术和新产业，在多个方面改变人类生活方式。复旦大学高分子科学系博士研究生施翔、硕士研究生左勇和工程与应用技术研究院博士研究生翟鹏为第一作者，彭慧胜、陈培宁为通讯作者。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03295-8

https://www.nature.com/articles/d41586-021-00945-9

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