彭慧勝課題組織物顯示器成果登上Nature主刊
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?電子設(shè)備的發(fā)展推動(dòng)著現(xiàn)代信息科技革命，作為電子設(shè)備的主要輸出端，顯示器是信息傳遞的重要窗口和人機(jī)交互的主要平臺(tái)。將顯示功能與織物融合集成，可為智能電子織物開(kāi)拓新的發(fā)展方向。彭慧勝課題組開(kāi)發(fā)了一種基于織物經(jīng)緯編織工藝，大面積制備織物顯示器的方法。文章以“Large-area display textiles integrated with functional systems”為題于2021年3月11日發(fā)表在《自然》（Nature）上。
?近年來(lái)，可穿戴電子設(shè)備蓬勃發(fā)展，極大地拉近了人們與電子器件的距離，被認(rèn)為是繼計(jì)算機(jī)、移動(dòng)終端、智能終端之后的又一次科技革命。將顯示功能與織物融合集成，可為智能電子織物開(kāi)拓新的發(fā)展方向，現(xiàn)有的技術(shù)可基于柔性薄膜有機(jī)發(fā)光二極管顯示器，將其貼附在織物表面，但是這類(lèi)方法一方面降低了織物本身的柔性和透氣性，影響人們的穿著舒適性；另一方面，薄膜顯示器的面狀薄膜基底和具有多孔編織結(jié)構(gòu)的柔性織物之間存在模量不匹配，在織物頻繁的復(fù)雜變形過(guò)程中，薄膜顯示器非常容易發(fā)生性能下降甚至功能失效。隨后，研究人員嘗試開(kāi)發(fā)基于纖維的發(fā)光器件，進(jìn)一步編織成發(fā)光織物，通過(guò)該設(shè)計(jì)理念能得到高度柔性和透氣性的發(fā)光織物，但是僅能實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定編織圖案的發(fā)光，不能實(shí)現(xiàn)大多數(shù)電子產(chǎn)品中需要的基于像素點(diǎn)程序控制起亮的任意組合顯示。因此，如何在柔軟且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，是困擾這個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)難題。
?眾所周知，織物在編織過(guò)程中，經(jīng)緯線(xiàn)的交織在織物中自然地形成了類(lèi)似于顯示器像素陣列的點(diǎn)陣。因此，基于一種負(fù)載有發(fā)光活性層的發(fā)光經(jīng)線(xiàn)，和一種透明導(dǎo)電緯線(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)利用這兩種功能纖維在編織過(guò)程中的經(jīng)緯接觸形成電致發(fā)光器件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了一種新型柔性發(fā)光和顯示織物（圖1）。
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圖1. a) 織物顯示器及經(jīng)緯搭接發(fā)光點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖；b) 大面積發(fā)光織物照片；c, d) 多色發(fā)光織物和發(fā)光點(diǎn)照片。
?團(tuán)隊(duì)利用自主搭建的限域涂覆加工裝置，在導(dǎo)電紗線(xiàn)表面負(fù)載均勻的高質(zhì)量發(fā)光活性層，得到了發(fā)光經(jīng)線(xiàn)。另外，團(tuán)隊(duì)基于高導(dǎo)電、高彈性以及化學(xué)物理性質(zhì)穩(wěn)定的離子液體凝膠，通過(guò)熔融紡絲工藝制備了透明導(dǎo)電緯線(xiàn)。在發(fā)光經(jīng)線(xiàn)與透明導(dǎo)電緯線(xiàn)之間施加交流電壓后，經(jīng)緯線(xiàn)接觸點(diǎn)區(qū)域的發(fā)光材料被電場(chǎng)激發(fā)，形成了發(fā)光像素點(diǎn)。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，機(jī)器編織過(guò)程中的線(xiàn)張力使得透明導(dǎo)電纖維在與發(fā)光纖維接觸的區(qū)域發(fā)生彈性形變，并且被織物纖維交織結(jié)構(gòu)有效固定，實(shí)現(xiàn)了在纖維的高曲率表面形成類(lèi)平面器件的電場(chǎng)分布。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，彈性接觸界面的均勻電場(chǎng)，是確保經(jīng)緯搭接器件的穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。搭接發(fā)光點(diǎn)在兩根纖維相對(duì)滑移、旋轉(zhuǎn)、彎曲的情況下，器件亮度變動(dòng)不超過(guò)5%，織物顯示器在對(duì)折、拉伸以及按壓循環(huán)變形條件下，亮度也能保持穩(wěn)定（圖2）。該方法將發(fā)光器件制備與織物編織相統(tǒng)一，利用成熟的編織設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)6 m、寬25 cm、含約500,000個(gè)發(fā)光點(diǎn)的發(fā)光織物，通過(guò)更換發(fā)光材料的種類(lèi)，可以實(shí)現(xiàn)多色發(fā)光單元。團(tuán)隊(duì)基于經(jīng)緯交織的設(shè)計(jì)理念，將該方法拓展應(yīng)用到織物鍵盤(pán)和織物供能系統(tǒng)的制備，并構(gòu)建了織物電子集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如實(shí)時(shí)定位、日常通訊以及醫(yī)療輔助等方面表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景（圖3）。
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圖2. a) 經(jīng)緯搭接發(fā)光點(diǎn)截面示意圖；b) 經(jīng)緯搭接點(diǎn)處電場(chǎng)分布模擬；c) 接觸面電場(chǎng)的均勻分布幾乎不受接觸面積改變的影響；d) 透明導(dǎo)電緯線(xiàn)與發(fā)光經(jīng)線(xiàn)在不同接觸形態(tài)下的發(fā)光照片；e-g) 透明導(dǎo)電緯線(xiàn)與發(fā)光經(jīng)線(xiàn)發(fā)生相對(duì)滑移(e)、旋轉(zhuǎn)(f)和彎曲(g)時(shí)發(fā)光點(diǎn)的光強(qiáng)分布圖。
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圖3. a-c) 具有顯示個(gè)人定位功能的織物集成系統(tǒng)；d-f) 具有信息通訊功能的織物集成系統(tǒng)，功能集成織物系統(tǒng)與智能手機(jī)進(jìn)行信息接收和發(fā)送(f)。
?以上相關(guān)成果發(fā)表在Nature主刊上。Shi, X.; Zuo, Y.; Zhai, P.; Shen, J.; Yang, Y.; Gao, Z.; Liao, M.; Wu, J.; Wang, J.; Xu, X.; Tong, Q.; Zhang, B.; Wang, B.; Sun, X.; Zhang, L.; Pei, Q.; Jin, D.; Chen, P.;# Peng, H.# Large-area display textiles integrated with functional systems. Nature 2021, 591 (7849), 240-245. 彭慧勝、陳培寧為該論文通訊作者，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系博士研究生施翔、碩士研究生左勇以及復(fù)旦大學(xué)工程與應(yīng)用技術(shù)研究院博士研究生翟鵬為第一作者。相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、上海市科委、復(fù)旦大學(xué)聚合物分子工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等的大力支持。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03295-8。
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