復旦大學彭慧勝Adv. Mater.：電力十足的中國蜘蛛俠

【引言】

最近正在熱映的《蜘蛛俠?英雄歸來》里，蜘蛛俠荷蘭弟身著高科技貼身織物戰衣打擊罪惡、保護地球、玉樹臨風、瀟灑非凡。而在大熒幕外的現實世界里，科學家們正在努力研發可穿戴的纖維和織物電子器件，試圖讓電影成為現實。

現代電子設備正朝著小型化和集成化方向發展，并越來越關注可穿戴電子產品。由于它們與人體的緊密接觸，可穿戴電子設備具有新的設計要求，包括：重量輕、尺寸小和靈活性。傳統的3D和2D電子設備由于其剛性和體積而不能有效地滿足這些要求。因此，包括能量收集設備，能量存儲設備，發光設備和傳感設備在內的一系列新型一維纖維電子設備由于其直徑小、重量輕、有彈性和可織性而變得越來越受到重視。本文討論了纖維和紡織電子設備從單纖維形狀設備到連續可擴展制造、封裝和測試以及應用模式探索所面臨的應用挑戰。然后，總結了纖維和紡織電子的發展趨勢。最后，強調了促進其商業化所需的未來方向。

【成果簡介】

近日，復旦大學的王列（第一作者）在陳培寧青年副研究員、王兵杰副研究員和彭慧勝教授（共同通訊作者）的指導下，在國際頂級期刊Adv. Mater.上發表了綜述文章：Application Challenges in Fiber and Textile Electronics。本文討論了纖維和紡織電子在所有開發階段所面臨的挑戰，即從單一設備到連續可擴展制造，再到封裝和測試，再到應用模式探索。 最后，總結了已發表的論文和專利所體現的研究現狀，以及未來推動其商業化的方向。 作者們希望這篇文章能夠讓那些對纖維和紡織電子產品應用感興趣的人全面了解每個開發階段所面臨的機遇和挑戰。

【圖文導讀】

圖一. 基于纖維和紡織品的太陽能電池（a）和納米發電機（b）的最新進展。 插圖結構圖顯示了典型的DSSC（a）和PENG（b）。

圖二. 光纖形能量存儲設備。

a）扭曲配置中的fber形超級電容器的示意圖和掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。 b）同軸配置中的纖維狀超級電容器的示意圖。 c）使用CNT / Si和CNT / LiMn2O4（CNT / LMO）作為電極制造的fber形鋰離子電池的示意圖。 d）基于彈性聚合物基底的可拉伸的fber形鋰離子電池的示意圖。 e）基于彈簧狀CNT纖維的可拉伸纖維狀鋰離子電池的示意圖（左）和SEM圖像。

?圖三. 發光的纖維電子器件。

a) 發光LED紗線的光學圖像。 b-d）分別為纖維狀OLED，纖維狀PLEC和ACEL纖維的器件結構和照片的示意圖。

?圖四. 比較不同類型的基于纖維的傳感器。

?圖五. a-e）聚（甲基丙烯酸甲酯）（a），聚苯乙烯（b），聚碳酸酯（c），環烯烴共聚物（d）和硅氧烷（e）的化學結構。

?圖六. 幾種纖維狀電子器件的制備方法。

a-c）分別具有扭曲，同軸和交錯結構的纖維狀電子器件。 d-f）分別用于同步沉積，旋涂和熱拉伸的大規模制造方法。

?圖七. 一些導電織物的結構。

a）用精細形狀的鋰離子電池編織的儲能紡織品。 黑色箭頭表示電池。 b，c）用陰極和陽極纖維的交叉編織的光伏織物的照片和SEM圖像。 d-g）通過編織（d）、編織（e）、導電紗線的刺繡（f）和（g）導電油墨的圖案化在織物中/上構造的導電軌道。 h）通過導電粘合劑連接的兩根交叉線。

?圖八. 集成織物電子器件。

a) 串聯光纖形超級電容器的示意圖。 b，c）集成太陽能電池 - 超級電容器系統和集成超級電容器 - 光電探測器系統的示意圖。

?圖九. 織物電子器件電路。

a，b）PTCC結構和PTCC原型分別焊接到織物基底上。 c）使用插入器的織物上的電子電路。 d，e）分別在P-FCB上進行電子元件粘接和包裝。 f）P-FCB上的系統集成，帶有電容傳感器，芯片和LED顯示屏。 g，h）分別為ECG襯衫和刺繡ECG模塊。 i）由間隙保持的刺繡導電紗線。

圖十. 織物電子器件領域發展分析。

a）每年針對不同主題發布的文章數量（來源：Web of Science數據庫）。 b）不同主題每年注冊的專利數量（來源：Derwent Innovations Index數據庫）。 c）從Ameri Research Inc.改編的全球智能服裝市場價值預測.d）智能服裝市場的細分。

【未來與展望】

在過去十年中，新興的纖維和紡織電子已成為現代電子產品中最有前途的分支，并引起了相當大的研究和商業興趣。雖然目前在該領域取得了顯著進展，但商業產品很少。其中，纖維形傳感器代表可用于實際應用的少數裝置的一種主要類型。但是，它們僅用于信號監測，預計在不久的將來會有更多的傳感功能。對于大多數纖維形狀的器件，仍存在許多挑戰和技術差距，阻礙了它們的實際應用。

與傳統的剛性或薄膜裝置相比，纖維形電子裝置表現出相對差的性能。纖維電極通常很薄，導電率低于平面電極，這將嚴重降低纖維形電子器件的性能。盡管通過引入高導電材料和優化器件結構可以提高器件性能，但是需要在機械和電氣性能之間取得平衡。因此，非常需要用于纖維形電子器件的新型材料來改善器件性能。而且，需要改善纖維形電子器件的壽命。一方面，在重復變形過程中，活性材料容易從電極上剝離或甚至電極斷裂。為此，已經廣泛研究了具有可拉伸性的優化裝置結構，以確保裝置在使用期間能夠適應剪切變形。遺憾的是，由于引入了增加裝置的體積和重量的非活性彈性體聚合物，因此通常以犧牲電性能為代價來實現拉伸性。另一方面，大多數纖維狀電子器件對氧氣和水敏感，這導致性能的迅速惡化。然而，目前主流的封裝材料和技術未能滿足具有高曲線表面的纖維電子器件的要求。因此，尋找新的和有效的封裝材料和制造纖維形電子器件的方法是極其重要和迫切的。只有這樣才能充分發揮纖維和紡織品的商業潛力。

電子紡織品是纖維狀電子器件最重要的應用。為此，開發有效的加工技術以將不同的纖維電子器件集成到具有更好和更舒適的人/紡織品界面設計的紡織品中是至關重要的。而且，需要可靠的連接技術和集成電路來實現電子紡織品的高度集成。但是，只有少數研究可以應用，這些研究還未考慮到人/紡織品界面。此外，纖維器件的功能集成對于實現更廣泛的應用非常重要。例如，將超級電容器和傳感器集成在一根纖維中可以實現在不使用外部電源的情況下監控環境變化。盡管已經廣泛證明了纖維不同功能的集成，但是不同類型的器件之間的材料、結構和制造要求的不匹配仍然是實際應用的關鍵障礙。

除了上述問題外，安全問題對于實際應用也很重要。諸如電池的一些纖維形電子裝置通常需要使用易燃和有毒的有機電解質，并且它們具有在變形期間由短路引起的火災和爆炸的風險。優選穩定且環境友好的含水或甚至凝膠含水電解質代替纖維狀電子器件中的液體有機電解質，同時改善它們的電化學性能有助于解決上述問題。另一個安全問題涉及個人數據的安全性。隨著市場滲透率的提高，可穿戴傳感器有望產生大量的個人數據，泄露敏感信息會產生有害影響。因此，數據保護已成為應用的最關鍵因素之一。此外，對于可穿戴應用，還需要考慮其他問題，例如舒適性和可洗性。

更重要的是，由于缺乏適當的評估系統，通常難以比較纖維形電子設備的報告性能。在文獻中，績效指標根據不同的單位以不同的形式表示。以光纖形超級電容器為例，我們可以提供各種參數，如重量/體積/面積/線性電容/能量密度/功率密度，質量/體積/面積可以從活性材料，電極，或整個設備來計算。比較不同的系統令人困惑。此外，柔性特性如彎曲、扭曲和拉伸等等是柔性電子器件的獨特指標，但目前還沒有統一的纖維電子器件評估系統。因此，纖維形裝置的評估方法和測試協議必須標準化。纖維和紡織電子產品的應用需要許多不同領域的專業人士的共同努力，如材料科學家，化學家，物理學家，紡織科學家，生物工程師，電氣工程師，機電工程師和軟件工程師。這種多學科合作將增加成功范例的可能性，這將為改善我們的生活提供無數機會。

文章鏈接：Application Challenges in Fiber and Textile Electronics. (Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.201901971)

?本文由材料人編輯部納米材料學術組踏浪供稿，材料牛編輯整理。