《Nature》复旦大学陈培宁/彭慧胜:电致发光聚氨酯离子凝胶大面积集成的显示纺织品

【科研摘要】

显示器 是现代电子产品的基本组成部分。将显示器集成到纺织品中为智能电子纺织品提供了令 人 兴奋的机会，这是可穿戴技术的最终目标，有望改变人们与电子设备交互的方式。 显示纺织品 用于桥接人机交互，例如，为有语音或语音障碍的个人提供实时通信工具。先前已经报道了能够进行通讯，感应和供电的电子纺织品。然而，由于具有耐用且易于在大面积上组装的小型照明单元是具有挑战性的，因此尚未实现具有大面积功能显示的纺织品。最近， 复旦大学 陈培宁/彭慧胜教授团队 报告了一种 6米长，25厘米宽的 热塑型聚氨酯离子凝胶 展 显示 纺织品，其中 包含5×10 5 个电致发光 单元，它们之间的间隔 约为800微米 。

编织的导电纬线和发光经线纤维在纬线 -经线接触点形成微米级的电致发光单元。 即使纺织品弯曲，拉伸或压制，电致发光单元之间的亮度偏差也不会超过8％，并且保持稳定。 团队 的 显示 纺织品柔软而透气，可以承受反复的机洗，非常适合实际应用。证明了 由显示器，键盘和电源组成的集成纺织品系统可以用作通信工具 ，证明了该系统在包括医疗保健在内的各个领域的“物联网”中的潜力。 该 方法将纺织品的电子设备的制造和功能统一起来，并且期望编织纤维材料将塑造下一代电子产品。 相关论文以题为 Large-area display textiles integrated with functional systems 发表在《Nature》上。

【图文解析】

当使用工业剑杆织机用棉纱编织导电纬线和发光经线时，每根交织的纬线和经线都构成一个 EL单元（图1a）。合成纤维材料（例如尼龙和聚酯纤维）也可以与导电纬线和发光经线纤维共织在一起以用于各种应用（扩展数据图1j，k）。使用这种方法，生产了一个6 m×25 cm（长×宽）的大面积 显示 纺织品，其中包含大约5×10 5 EL单元（图1b）。 600个EL单元的发射强度的相对偏差变化<8％（图1c，d）。如此小的强度差异表明这些纤维非常适合大规模生产大面积的显示纺织品。经过1,000个弯曲（图1e），拉伸（图1f）和压紧（图1g）循环之后，绝大多数EL单元的强度保持稳定（变化<10％）。此外，即使沿不同方向反复折叠后，大多数EL单元的强度也变化了<15％，并且折叠线处的el单元的强度在每个折叠方向上的10,000次折叠循环中保持稳定， 这表明了出色的耐用性超过传统的电影放映机。通过将不同的元素（例如铜和锰）掺杂到ZnS荧光粉中，团队还获得了具有均匀间隔的EL单元（图1i）的彩色纺织品（图1h）。由于纤维是机织的，因此可以通过调整编织参数以更改纬纱-经纱接触点之间的距离来轻松调整EL单元的密度（图1j）。

图 1： 显示 纺织品的结构和电致发光性能。

要打开 EL单元， 研究人员 向发光经线和导电纬线施加交流电压，产生低的微安培电流为单元供电（图2a）。因为发光还取决于发光经纱和导电纬纱之间弯曲接触区域的电场的均匀程度，所以使用了有限元方法来模拟发光层中的电场分布（图2b）。在施加电压的情况下，弯曲触点的分布与平面电致发光器件一样均匀（图2b），即使当接触面积发生变化时也保持均匀（图2c）。即使导电纬线倾斜，扭曲并打结到发光经线上，也会发生（图2d）电致发光映射图像显示，当透明导电纬线沿着发光方向移动时，电致发光强度和EL单位 面积几乎保持不变经线（图 2e），绕接触点旋转（图2f），并以增加的弯曲角度弯曲（图2g）。 当导电纬线沿着发光经线以 0.5 mm的增量滑动时，在长达3 mm的距离内，亮度变化小于2.2％（图2h）。当透明纬线从垂直于发光经线的位置旋转±15°时，电致发光强度的波动小于2.6％（图2i）。此外，由于透明纬线的弹性，发光立即恢复并在压紧和释放EL单元的100个循环中保持稳定（图2j）。将透明纬线或发光经线弯曲到距其原始状态不超过1.8毫米，也会导致波动小于2.3％（图2k，1）。

图 2： 显示 纺织品的 电致发光（EL） 单元的特性。

借助显示器，键盘和电源，可以为不同的应用设计各种多功能的集成纺织品系统（图 3a）。作为概念验证，将编织的显示器，键盘和电源连接到显示驱动器，微控制器和蓝牙模块（图3b），并将集成的纺织系统用作交互式导航显示器（图3c）。通过蓝牙模块，从智能手机获得的用户在T型路口的实时位置被转移到纺织品上（图3d）。为了在显示器纺织品上输出图像，来自驱动器电路的电信号逐行扫描到EL单元阵列上（图3e）。集成的纺织品系统还可以充当交流工具，在纺织品上输入信息并显示信息（图3f）。使用数字1、2和3 对此进行演示。每个数字都分配给一个键，并且微控制器被编程为在按下相应的键时输出该数字（图 3g）。使用蓝牙模块，还可以在集成纺织品系统和智能手机之间发送，接收和显示消息（图3h）。为展示 显示 纺织品在医疗保健中的潜力，还制造了尺寸为24 cm×6 cm （长×宽）的大型 显示 纺织品。从参加赛车比赛的志愿者和正在冥想的志愿者那里收集了脑电图信号。放松的志愿者的脑电波大多数是低频的（图3i），而焦虑的志愿者的脑电波则是高频的33（图3j）。在计算机上处理了信号，并通过蓝牙模块将与各个志愿者的心理状 态相对应的单词发送到微控制器以进行显示。将来，结合解码复杂脑电波的方法，设想将像这样的显示纺织品变成有效的辅助技术交流工具 34（图3k，1）。

图 3：集成纺织系统的应用场景。

【总结】

研究团队提出了一种功能性的大面积 显示 纺织品，方法是将导电纤维和发光纤维与棉纱编织在一起，以在纺织品内直接形成EL单元。该方法很简单，可用于将其他电子功能（例如键盘和电源）编织到纺织品中，从而形成用于各种应用的多功能集成纺织品系统。由于纬线和经线的网络，研究团队显示纺织品中的每个EL单元都可以使用驱动器电路以可编程的方式进行唯一标识和点亮。证明了这种电子纺织品可以用作通信工具。随着更多功能的集成，期望这些“智能纺织品”将构成未来的通信工具。

参考文献： doi.org/10.1038/s41586-021-03295-8

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