Nature Communications：用于大規模智能家居和物聯網應用的具有多功能光纖器件的智能紡織品照明/顯示系統

第一作者：Hyung Woo Choi, Dong-Wook Shin, Jiajie Yang, Sanghyo Lee

通訊作者：Luigi G. Occhipinti，Manish Chhowalla，Jong Min Kim

智能紡織品是由纖維制成或結合到纖維上的離散設備組成的。盡管智能紡織品在照明/顯示應用方面取得了巨大的進步，但在傳統紡織平臺上實現具有集成多功能設備的智能顯示系統的大規模方法尚未開發。

來自劍橋大學的Luigi G. Occhipinti、Manish Chhowalla和Jong Min Kim團隊報告了一種可操作的46英寸智能紡織品照明/顯示系統的技術，該系統由RGB光纖LED和多功能光纖器件組成，能夠進行無線電力傳輸、觸摸傳感、光檢測、環境/生物信號監測和能量儲存。該智能紡織品顯示系統具有完全自由的外形，具有靈活性和可彎曲性。作為一種真實的RGB照明控制的全色顯示設備，該系統具有嵌入式光纖設備，可提供外部刺激的檢測功能。本文的系統設計和集成策略具有通用性，為在智能家居和物聯網(IoT)上實現革命性應用的大面積高功能智能照明/展示紡織品奠定了基礎。相關工作以題為“Smart textile lighting/display system with multifunctional fibre devices for large scale smart home and IoT applications”的研究性文章在《Nature Communications》上發表。

鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-28459-6

用織造工藝制作智能紡織系統

圖1顯示了實現可操作的46英寸智能紡織系統制備的主要步驟。本文首先在單個纖維上賦予其特定的電子功能，然后將單獨的纖維編織成紡織品(圖1a)。這里的智能紡織品的制造方法與標準紡織技術和設備兼容，因此可以制造不限尺寸的紡織品(圖1b)。本文注意到，對稱編織圖案被廣泛用于制備智能紡織品，而非對稱編織圖案被用于保護F-器件的有源區（特別是F-光電探測器和F-生物傳感器模塊以及對齊F-LED）。然后，本文將六個編織的F-設備和一個全彩色34英寸顯示屏(F-LED)編程制備出了新型智能紡織品系統(圖1c)。另一方面，紡織品的特性使整個系統能夠折疊、卷曲和彎曲，可實現壁掛式窗簾照明/展示(厚度小于5 mm，圖1d)。

圖1.集成了六個F器件和照明/顯示設備(F-LED)的智能紡織品系統的制造過程和機械穩定性。

光纖設備的特性

本文利用刺繡方法制造了F-RF天線(一個方形螺旋天線)，旨在接收距離射頻源的電磁場(頻率為13.56MHZ)(圖2a)，使用Ag-PA導電纖維作為模式開關(“顯示模式”到“監控模式”)。F-光電探測器由鋁(Al)/氧化鋅(ZnO)-石墨烯光活性層/環氧樹脂封裝層結構組成，覆蓋在聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)纖維上。通過紫外光照射(0.5?mW)(圖2b)，本文測試了平行連接在非對稱圖案織物中的八通道F-光電探測器。結果表明，探測器在偏置電壓為10V時產生最大約100倍的光電流增長，平均上升時間和平均衰減時間分別為3?秒和1?秒。另一方面，F-觸摸傳感器網絡是使用Ag-PA導電纖維實現的，這些纖維在觸摸時表現出電阻變化(轉換為輸出電壓信號作為觸摸持續時間從1s到30?s的函數)(圖2c)。

圖2.六個F-器件的特性。

光纖裝置的機械和電氣穩定性

本文特別關注光纖設備的機械和電氣穩定性。為了評估每個F型器件的機械穩定性和電氣可靠性，本文進行了半徑為10?mm的循環彎曲或拉伸試驗。作為輸出器件，F-LED在一年多的時間內保持初始電特性，這是因為高度柔韌的銅纖維(圖3a)在1000次彎曲循環下顯示出不明顯的電流密度變化。在導電纖維的情況下，本文注意到它在10?mm彎曲條件下不會改變其導電性(圖3b)，因此進行了苛刻的拉伸測試。在步進式伸長臺上放置了一種導電纖維，它是F-RF天線、F-觸摸傳感器、F-能量存儲和設備互連的關鍵材料，也是將電荷從F-器件轉移到控制器的關鍵材料，也是必備材料。結果發現，超過35%的單軸應變導致導電纖維斷裂，這對于整個智能紡織品的機械彎曲或滾動條件來說是嚴重超標的。另一方面，F-RF天線是由導電纖維制成的，在1000次彎曲循環中顯示出輕微的電阻變化(圖3e)。與圖3b中的單個導電纖維特性相比，電流與螺旋正方形天線保持不變，表明在輸出電壓、輸出功率、整流信號與距離方面保持不變。

圖3. F器件的機械和電氣穩定性以及半徑為10 mm的1000次循環彎曲試驗結果。

智能紡織品展示系統的工作原理

作為智能紡織品照明/顯示系統的概念驗證，本文將F-RF天線、F-光電探測器、F-溫度、F-觸摸傳感器、F-生物傳感器模塊和F-能源顯示電源開關等6個器件連接到紡織品顯示器上，并將集成的紡織系統用作智能家電。集成智能紡織品系統的工作原理如圖4a所示：來自各個F-器件(通過電磁、光子、物理、環境和生物)的輸入信號需要幾個步驟的信號處理和分類，然后在紡織品顯示器上可視化。幾個控制器通過特定的電路連接到F-設備，以操作智能紡織品顯示系統(圖4a中的照片)。

圖4.智能紡織品顯示系統從材料到系統級的設計示意圖。

結語

本文已經成功地將紡織工程和基于纖維的電子技術融合在一起，以集成一個功能齊全、功能多樣的智能紡織系統。該大型(46英寸)的智能紡織品系統具有高亮度RGBW照明/顯示器，并配有6個功能光纖設備，能夠以自由的外形進行實時電磁、物理和信號監控。本文將多功能F-Device系統地集成到紡織平臺中不僅是為電子工程師，也為新興智能紡織品領域的傳統紡織工程師提供了一個指南，以克服尺寸和外形的限制。

本文由SSC供稿。