顯示器也能“穿”上身 彎折、水洗都不怕

你能想到有“穿”在身上的顯示器嗎?按一按身上的衣服就能看新聞、發(fā)信息，甚至追劇?；蛟S，這快要變成現(xiàn)實了。

近日，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系教授彭慧勝團(tuán)隊將顯示器件制備與織物編織過程相融合，在高分子復(fù)合纖維交織點(diǎn)集成多功能微型發(fā)光器件，揭示纖維電極之間電場分布的獨(dú)特規(guī)律，成功研制大面積柔性顯示織物和智能集成系統(tǒng)。

3月11日，相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然》。審稿人評價其“創(chuàng)造了重要而有價值的新知識”。

成果來之不易

從模糊到清晰、從單色到彩色、從笨重到輕薄……幾十年來，作為電子設(shè)備的重要輸出端，顯示器件不斷更新迭代。如何將顯示功能有效集成到電子織物中，同時保留織物柔軟、透氣導(dǎo)濕、適應(yīng)復(fù)雜形變等特性，是智能電子織物領(lǐng)域面臨的一大難題。

2009年，彭慧勝團(tuán)隊提出聚丁二炔與取向碳納米管復(fù)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，晚上無法有效應(yīng)用。

2015年，團(tuán)隊在涂覆方法方面取得突破，成功解決了共軛高分子活性層在高曲率纖維電極表面均勻成膜難題，研發(fā)了纖維聚合物發(fā)光電化學(xué)池，最終實現(xiàn)了不同的發(fā)光圖案。但是，經(jīng)由發(fā)光纖維編織顯示的圖案數(shù)量非常有限，無法圓滿實現(xiàn)可控顯示。

在柔軟、直徑僅為幾十至幾百微米的纖維上構(gòu)建可程序化控制的發(fā)光點(diǎn)陣列，成為團(tuán)隊必須面對的一大挑戰(zhàn)。對此，彭慧勝提出，在織物編織過程中，經(jīng)緯線的交織或許可以自然地形成類似于顯示器像素陣列的點(diǎn)陣。

基于此，團(tuán)隊研制出兩種功能纖維——負(fù)載發(fā)光活性材料的高分子復(fù)合纖維和透明導(dǎo)電的高分子凝膠纖維，將兩者經(jīng)緯交織形成電致發(fā)光單元，并通過有效電路控制，制作出新型柔性顯示織物。

彭慧勝團(tuán)隊還提出了“限域涂覆”制備路線，以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(fù)載在纖維基底上。通過多次涂覆，纖維發(fā)光層厚度均勻性得以提升，涂覆固化后便得到了能抵御外界摩擦、可反復(fù)彎折的發(fā)光功能層。

彎折、水洗都不怕

“這就是我們的發(fā)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(xué)報》說。這些直徑不足半毫米的纖維材料顏色各異，乍一看很像生活中常見的紗線。

“當(dāng)我們給它們通上電，它們就顯示出獨(dú)特的一面——會發(fā)出明亮的光。”彭慧勝拿起手邊的一件衛(wèi)衣演示——衛(wèi)衣上的復(fù)旦大學(xué)校徽由發(fā)藍(lán)光的纖維編織而成，接通電源后，藍(lán)色的校徽圖案在室內(nèi)清晰可辨。

彭慧勝介紹，從橫截面方向看，其中一根是涂覆了發(fā)光材料的導(dǎo)電紗線，另一根是透明導(dǎo)電纖維，兩者編織形成經(jīng)緯搭接。“施加交流電壓后，位于發(fā)光纖維上的高分子復(fù)合發(fā)光活性層在搭接點(diǎn)區(qū)域被電場激發(fā)，形成一個個發(fā)光‘像素點(diǎn)’。”

就這樣，研究人員制備出長6米、寬0.25米、含約50萬個發(fā)光點(diǎn)的發(fā)光織物。其發(fā)光點(diǎn)之間最小間距為0.8毫米，能初步滿足部分實際應(yīng)用的分辨率需求。通過更換發(fā)光材料，其還可實現(xiàn)多色發(fā)光單元，得到多彩的顯示織物。

論文通訊作者之一、復(fù)旦大學(xué)副研究員陳培寧表示，比起傳統(tǒng)的平板發(fā)光器件，發(fā)光纖維的直徑可在0.2毫米至0.5毫米之間精確調(diào)控，這奠定了其“超細(xì)超柔”的特性。以此為材料梭織而成的衣物，可緊貼人體不規(guī)則輪廓，并像普通織物一樣輕薄透氣，穿著舒適度良好。

然而，具有高曲率表面的纖維相互接觸時，在接觸區(qū)域會形成不均勻的電場分布。這樣的電場不利于器件在變形過程中穩(wěn)定工作。但在現(xiàn)實生活中，穿在身上的衣服難免有磕磕碰碰，也需日常清洗。

為使顯示織物適應(yīng)外界環(huán)境的改變，乃至抵御反復(fù)摩擦、彎折、拉伸等外在作用力，保證發(fā)光的穩(wěn)定性，研究人員通過熔融擠出方法制備出一種高彈性的透明高分子導(dǎo)電纖維。在編織過程中，由于線張力的作用，該纖維與發(fā)光纖維接觸的區(qū)域發(fā)生彈性形變，并被織物交織的互鎖結(jié)構(gòu)固定。

陳培寧表示，實驗結(jié)果表明，在兩根纖維發(fā)生相對滑移、旋轉(zhuǎn)、彎曲的情況下，交織發(fā)光點(diǎn)亮度變動范圍仍控制在5%以內(nèi)，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(wěn)定，可耐受上百次的洗衣機(jī)洗滌。

走出實驗室

除顯示織物之外，研究團(tuán)隊還基于編織方法研制出光伏織物、儲能織物、觸摸傳感織物與顯示織物的功能集成系統(tǒng)，使制備集能量轉(zhuǎn)換與存儲、傳感與顯示等多功能于一身的織物系統(tǒng)成為可能。

彭慧勝提到，該系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)和人機(jī)交互領(lǐng)域(實時定位、智能通信、醫(yī)療輔助等方面)具有良好的應(yīng)用前景。

例如，在極地科考、地質(zhì)勘探等野外工作場景中，只需在衣物上輕點(diǎn)幾下，即可實時顯示位置信息，地圖導(dǎo)航由“衣”指引;把顯示器“穿”在身上，語言障礙人群可以此作為高效、便捷的交流表達(dá)工具……這些場景或許在不遠(yuǎn)的將來就能走進(jìn)人們的日常生活。

現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)把產(chǎn)品從實驗室中“帶了出來”，實現(xiàn)了發(fā)光纖維和織物的連續(xù)化穩(wěn)定制備。這有助于推動全柔性顯示織物的規(guī)模化應(yīng)用研究。

“我們期待著產(chǎn)業(yè)界合作者的加入，以共同解決實際應(yīng)用中的具體問題。”談及顯示系統(tǒng)的未來發(fā)展，彭慧勝充滿期待。(記者 唐鳳 黃辛)