顯示器可“穿”在身上，機洗百次不壞
一名科研人員在展示用于編織的發(fā)光纖維材料。
用發(fā)光纖維材料制作的復旦大學(xué)?；?。均本報記者 賴(lài)鑫琳 攝
可曾想過(guò)“穿”在身上的顯示器？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和收發(fā)信息、記錄事件備忘……
如何將顯示功能有效集成到電子織物中，同時(shí)確?？椢锏娜彳?、透氣導濕、適應復雜形變等特性？這是智能電子織物領(lǐng)域的一大難題。
近日，復旦大學(xué)高分子科學(xué)系教授彭慧勝領(lǐng)銜的研究團隊，成功將顯示器件的制備與織物編織過(guò)程實(shí)現融合，在高分子復合纖維交織點(diǎn)集成多功能微型發(fā)光器件，揭示了纖維電極之間電場(chǎng)分布的獨特規律，實(shí)現了大面積柔性顯示織物和智能集成系統的應用。
北京時(shí)間11日零時(shí)，相關(guān)研究成果以《大面積顯示織物及其功能集成系統》為題在線(xiàn)發(fā)表于《自然》（Nature）主刊，審稿人評價(jià)其“創(chuàng )造了重要而有價(jià)值的新知識”.
破解智能電子織物領(lǐng)域難題
織物顯示求索之旅絕不是一條坦途。近十多年來(lái)，彭慧勝團隊始終致力于智能高分子纖維與織物研發(fā)。
2009年，團隊提出聚丁二炔與取向碳納米管復合以制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(jiàn)，晚上則無(wú)法被有效應用，使用時(shí)域打了折扣。2015年，團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(shí)現了纖維聚合物發(fā)光電化學(xué)池，并通過(guò)編成織物組成了不同的發(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量非常有限，無(wú)法實(shí)現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建可程序化控制的發(fā)光點(diǎn)陣列，是困擾團隊甚至這個(gè)領(lǐng)域的一大難題。
團隊適時(shí)轉換思路。“在織物編織過(guò)程中，經(jīng)緯線(xiàn)的交織可以自然地形成類(lèi)似于顯示器像素陣列的點(diǎn)陣。”以此為靈感，團隊著(zhù)眼于研制兩種功能纖維--負載有發(fā)光活性材料的高分子復合發(fā)光纖維和透明導電的高分子凝膠纖維，通過(guò)兩者在編織過(guò)程中的經(jīng)緯交織形成電致發(fā)光單元，并通過(guò)有效的電路控制實(shí)現新型柔性顯示織物。
“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(shí)驗案臺上還有多卷，顏色各異，乍一看與生活中的尋常紗線(xiàn)類(lèi)似。“而當我們給它們通上電，它們就顯示出了獨特一面--會(huì )發(fā)出明亮的光。”他拿起手邊的一件衛衣，展示其基本功能，衛衣上的復旦大學(xué)?；沼砂l(fā)藍光的纖維編織而成，接通電源后，藍色的?；請D案在室內清晰可辨。
是什么使織物有了顯示特性？其內在結構如何？“顯示織物內呈現獨特的搭接結構，由發(fā)光經(jīng)線(xiàn)和導電緯線(xiàn)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)光材料的導電紗線(xiàn)，另一根透明導電纖維通過(guò)編織與其經(jīng)緯搭接。“施加交流電壓后，位于發(fā)光纖維上的高分子復合發(fā)光活性層在搭接點(diǎn)區域被電場(chǎng)激發(fā)，就形成一個(gè)個(gè)發(fā)光‘像素點(diǎn)'.”就這樣，在電場(chǎng)的激發(fā)下，電極和發(fā)光層憑借物理搭接即可實(shí)現有效發(fā)光，該方法可以將發(fā)光器件制備與織物編織過(guò)程相統一，利用工業(yè)化編織設備，制成了長(cháng)6米、寬0.2米、含約50萬(wàn)個(gè)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(mǎn)足部分實(shí)際應用的分辨率需求。通過(guò)更換發(fā)光材料，還可實(shí)現多色發(fā)光單元，得到多彩的顯示織物。
穩定性好，不怕彎折拉伸水洗
比起傳統的平板發(fā)光器件，發(fā)光纖維直徑可在0.2毫米至0.5毫米之間精確調控，奠定了其“超細超柔”的特性。以此為材料一針一線(xiàn)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，確保良好的穿著(zhù)舒適度。
伴隨著(zhù)結構上的精細化要求，技術(shù)上難題也顯現出來(lái)：如何在如微米級直徑的纖維上連續負載均勻的發(fā)光材料涂層，構建得到發(fā)光強度高度一致的像素點(diǎn)陣？
課題組提出“限域涂覆”制備路線(xiàn)，采用柔韌的高分子材料作為發(fā)光漿料基體，將其均一可控地負載在纖維基底上，即“讓浸漬有發(fā)光漿料的纖維通過(guò)一個(gè)定制的微孔，使不平整的漿料涂層變得平滑，同時(shí)有效控制纖維的直徑”.在此基礎上，通過(guò)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、反復彎折的發(fā)光功能層。
現實(shí)的應用要求也接踵而至。研究發(fā)現，具有高曲率表面的纖維相互接觸時(shí)，在接觸區域會(huì )形成不均勻的電場(chǎng)分布，這樣的電場(chǎng)不利于器件在變形過(guò)程中穩定工作。而穿在身上的衣服難免會(huì )有磕磕碰碰，也需日常清洗。如何能使顯示織物適應外界環(huán)境的改變，乃至抵御住反復摩擦、彎折、拉伸等外在作用力，保證發(fā)光的穩定性？
團隊在導電纖維緯線(xiàn)的力學(xué)性能方面下足了功夫，通過(guò)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(guò)程中，該纖維由于線(xiàn)張力的作用，與發(fā)光纖維接觸的區域發(fā)生彈性形變，并被織物交織的互鎖結構所固定。“通過(guò)對高分子導電纖維的模量調控，使其在與發(fā)光經(jīng)線(xiàn)交織時(shí)發(fā)生自適應彈性形變，從而形成穩定接觸界面，并使得在纖維曲面上形成了類(lèi)似平面的電場(chǎng)分布，從而確保了織物中’像素點(diǎn)‘的均勻穩定發(fā)光。”彭慧勝說(shuō)。
實(shí)驗結果表明，在兩根纖維發(fā)生相對滑移、旋轉、彎曲的情況下，交織發(fā)光點(diǎn)亮度變動(dòng)范圍仍控制在5%以?xún)?，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定，可耐受上百次的洗衣機洗滌。（記者 彭德倩 通訊員 楊澤璇）
