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(yàn)，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(shí)現(xiàn)，因?yàn)橐@得既耐用又易于在大面積上集成的小型照明裝置是一項(xiàng)嚴(yán)苛挑戰(zhàn)。

如今，這個(gè)夢想正在走進(jìn)現(xiàn)實(shí)，來自復(fù)旦大學(xué)的彭慧勝團(tuán)隊(duì)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(shí)該織物還能作為大面積顯示屏，根據(jù)不同的數(shù)字信號(hào)輸入呈現(xiàn)出多元化的內(nèi)容，相關(guān)研究論文于北京時(shí)間 3 月 11 日發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上。

（來源：Nature）

據(jù)了解，這種新型的電子紡織品在設(shè)計(jì)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(diǎn)便形成了微米級(jí)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。

圖｜衣服上顯示出不同的字樣（來源：Nature）

研究人員認(rèn)為，這種 “智能織物” 不僅具有較強(qiáng)的實(shí)用性，在集成更多功能后，也有望塑造下一代電子通訊工具。

難度和挑戰(zhàn)

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(jī)發(fā)光二極管（OLED）。

一方面，紡織品是由纖維編織而成的，會(huì)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(jī)薄膜制成，這些半導(dǎo)體有機(jī)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(shí)，這些薄膜器件的性能往往很差或會(huì)隨著時(shí)間的推移而很快失效。

另一方面，將有機(jī)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?yàn)檫@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(jī)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(jì)的圖案，而在諸如計(jì)算機(jī)和移動(dòng)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(hào)實(shí)時(shí)、單獨(dú)地動(dòng)態(tài)控制像素是一個(gè)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)。

用特制纖維來 “織布”

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(jì)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(shí)用，在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(jī)上編織導(dǎo)電緯紗和發(fā)光經(jīng)紗時(shí)，每個(gè)交織的緯紗和經(jīng)紗能形成一個(gè) 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(gè)（5 × 10^5）EL 單元。其中，600 個(gè) EL 單元的發(fā)光強(qiáng)度的相對偏差變化小于 8%，如此微小的強(qiáng)度差異表明，這些纖維非常適合規(guī)模化制造大面積顯示紡織品。

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(qiáng)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(qiáng)度變化小于 15%，并且在每個(gè)折疊方向上的 10000 個(gè)折疊循環(huán)中，折疊線處 EL 單元的強(qiáng)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(jī)織的，通過調(diào)整織造參數(shù)來改變經(jīng)緯接觸點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(qiáng)度一般會(huì)隨電壓和頻率的增加而增加。

這種新型電子織物還有個(gè)特點(diǎn)是低功耗，功耗在微瓦量級(jí)，發(fā)熱可以忽略不計(jì)，很多醫(yī)療儀器測量的能量等級(jí)也常為微瓦級(jí)，通過減小發(fā)光層的厚度，可以將用于顯示織物的驅(qū)動(dòng)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(huì)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(dòng)、繞接觸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)、彎曲時(shí)，電致發(fā)光強(qiáng)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(dòng)時(shí)，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(shí)，電致發(fā)光強(qiáng)度波動(dòng)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(shí)驗(yàn)中，將該紡織品露天放置了一個(gè)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。

給衣服上 “織” 上顯示器、鍵盤和電源

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(gè)通過動(dòng)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(gè) 4×4 鍵盤，緯紗和經(jīng)紗的交叉點(diǎn)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(chǔ)存裝置，同時(shí)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(jì)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(dòng)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(jī)獲得的丁字路口的實(shí)時(shí)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(dòng)電路的電信號(hào)會(huì)被逐行掃描到 EL 單元陣列上。

因?yàn)檫€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(diǎn)功能，每個(gè)數(shù)字被分配給一個(gè)鍵，微控制器被編程為在按下相應(yīng)的鍵時(shí)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(jī)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(gè)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(hào)，志愿者放松時(shí)的腦電波多為低頻，而焦慮時(shí)腦電波多為高頻。

研究人員在計(jì)算機(jī)上處理信號(hào)，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。

改變未來的創(chuàng)新電子織物

綜上所述，彭慧勝和團(tuán)隊(duì)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(shí)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(shí)編織到織物中，形成一個(gè)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(gè) EL 單元都可以通過驅(qū)動(dòng)電路以可編程的方式去識(shí)別和點(diǎn)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(xiàng)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(shí)驗(yàn)室的彭慧勝教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(jí)權(quán)威期刊報(bào)道。

2013 年，彭慧勝團(tuán)隊(duì)曾首次成功制備出可拉伸的線狀超級(jí)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(jī)械性能；2014 年，該團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)又實(shí)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(tuán)隊(duì)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(jī)工作 10 小時(shí)。

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(yùn)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。

參考資料：

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