復旦大學彭慧勝/陳培寧團隊Nature：大面積顯示織物及其功能集成系統

前言

顯示器是現代電子產品的基本構件。將顯示器集成到紡織品中，制備出智能電子紡織品，這無疑將改變我們與電子設備的交互方式。顯示紡織品是人機交互的橋梁，例如，為有語音或言語障礙的人提供實時交流工具。此前已有報道稱，電子紡織品能夠進行通信、感知和供電。然而，電子紡織品的結構不同于傳統的薄膜器件，例如目前用于構造柔性顯示器的有機發光二極管(OLEDs)。一方面，紡織品由纖維編織而成，形成粗糙多孔的結構，可以變形并貼合人體輪廓。另一方面，有機電致發光器件是通過在陰極和陽極電極之間沉積多層半導體有機薄膜制成的，一般基于玻璃或塑料等平面襯底。因此，當將其附著在粗糙和柔軟的紡織品表面時，這些薄膜器件性能通常容易隨著時間發生衰減甚至失效。另外，在適于編織成柔性顯示紡織品的纖維上沉積有機薄膜也是非常困難的，因為這些薄膜機械穩定性較差，無法承受編織過程中的摩擦。用于制造有機發光二極管的蒸鍍工藝也不適于纖維電極的規模化連續制備。更重要的是，因為有機發光二極管的發光依賴于陽極和陰極之間的載流子注入和傳輸。因為有機電致發光器件中的光發射取決于陽極和陰極之間的載流子注入和傳輸，所以編織經線和緯線不能在電極和半導體層之間提供充分的歐姆接觸使其有效發光。雖然光纖、聚合物發光電化學電池纖維和交流電致發光纖維等纖維狀的發光器件可以編織成發光織物，但它們通常顯示預先設計好的圖案。這就導致很難像計算機和移動電話顯示器一樣，根據輸入的數字信號實時動態地獨立控制像素點，這極大限制了它們的實際應用。?

成果簡介

近日，復旦大學彭慧勝/陳培寧團隊報告了一種6 m長，25 cm寬的大面積柔性顯示織物，其中包含約5×10⁵個電致發光單元，它們之間的間隔約為800 um。編織導電緯線和發光經線纖維在經緯交織點形成微米級電致發光單元。有效克服了發光活性材料在高曲率纖維表面均勻連續負載的難題，揭示了交織點曲面界面形成均勻電場的獨特機制。電致發光單元之間的亮度偏差小于8%，即使在織物彎曲、拉伸或擠壓時仍舊保持穩定。該顯示織物柔軟透氣，可經受反復的機器洗滌，可有效滿足實際應用要求。進一步將織物顯示、鍵盤和電源等模塊有效集成，構建得到柔性織物顯示系統，可以作為一種新型、便捷的通信工具，在物聯網、人機交互、智能通訊等新興領域顯示了巨大的應用潛力。該方法可將電子器件制備和織物結構與編織方法有效結合，有望推動柔性電子領域的交叉融合發展。相關論文以題為Large-area display textiles integrated with functional systems發表在《Nature》上。

圖文導讀

圖1. 顯示織物的結構和電致發光性能。a.顯示織物的結構示意圖。b.由大約5 × 10⁵個電致發光單元組成的6米長顯示織物的照片。c.顯示織物中600個電致發光單元的發光強度相對偏差的統計分布。d.10 × 10發光單元陣列的發光強度分布柱狀圖(單元之間的強度差小于10%)。e-g.統計分布顯示，在經歷彎曲(e)、拉伸(f)和擠壓(g)1,000個循環后，包含600個電致發光單元的顯示織物的亮度保持穩定(< 10%)。h.彎曲、扭曲復雜變形下的多色顯示織物照片。i.顯示織物的局部放大照片，電致發光單元以大約800 μm的距離均勻間隔排列。j.通過改變編織參數調節電致發光單元間距。

圖2顯示織物的電致發光單元的性能表征。a. 在發光經線和透明導電緯線之間的接觸區域形成的電致發光單元的示意圖。b, c.有限元模擬表明，電致發光單元中經緯接觸區域的電場分布是均勻的(b)，并且均勻分布不隨接觸區域的面積改變而改變(c)。d.當透明導電緯線與發光經線接觸、斜靠、纏繞和打結時，發光點亮度仍保持穩定。e-g.透明緯線相對發光經線滑動(e)、旋轉(f)和彎曲(g)情況下，電致發光單元的亮度和發光區域面積基本保持穩定。h-l.當透明緯線沿發光經線移動3 mm距離(h)、旋轉不同角度(i)；0°代表緯線垂直于經線的位置)，以及電致發光單元經受100次按壓和釋放循環(j)，以發光經線?(k)和透明緯線?(l) 為彎曲軸彎曲的情況下，電致發光單元亮度保持穩定。

圖3集成紡織系統的應用示范。a. 由顯示器、信息輸入(鍵盤)和能源供給模塊組成的織物集成系統的照片。b. 織物集成系統電路原理框圖。c. 織物集成系統作為物聯網的智能節點的概念圖，在駕駛過程中提供定位導航信息。d,e.在衣袖上顯示丁字路口的定位信息。f. 織物集成系統應用于信息通信的概念圖。g.通過按下鍵盤織物的按鍵實現信息輸入并在顯示織物上實時顯示。h.織物集成系統和智能手機之間接收和發送信息。i,j.通過分析典型腦電圖信號，并在織物上顯示精神狀態。k. 在未來有望通過顯示織物實現交流的場景概念圖。l.集成織物系統用于輔助交流的概念圖，腦電波被解碼成信息顯示在衣物上。

小結

通過將導電和發光纖維與棉紗編織在一起，直接在織物經緯交織點形成電致發光單元，從而獲得了一種大面積柔性顯示織物，該顯示織物中的每個發光單元可以通過驅動電路設計和編程實現獨立地控制。該方法簡單，可進一步構建鍵盤、能源供給等其他功能織物，并與顯示織物有效集成，獲得適用于多種應用場景的多功能柔性織物系統，有望成為未來一種新型智能的通信工具，在多個方面改變人類生活方式。

本文由納米小白撰稿。