從模糊到清晰，從單色到彩色，從笨重到輕薄……近幾十年來，顯示作為電子設備的重要輸出端不斷更新迭代，由最初的陰極射線管顯示、液晶顯示、有機發光二極管顯示發展至現在的柔性薄膜顯示，取得了長足進步。

 

而你有設想過“穿”在身上的顯示器嗎？融器件功能、紡織方法、織物形態于一體，在我們穿的衣服上瀏覽資訊、收發訊息、事件備忘……這是研究者近年來著力探尋的方向。這種智能電子織物，可有力推動傳統紡織制造和物聯網、人機交互、大數據、人工智能等新興領域的快速融合發展，有望催生新興技術，在某些方面給人們的生活方式帶來全新變革。

 

而如何將顯示功能有效集成到電子織物中，同時確保織物的柔軟、透氣導濕、適應復雜形變等特性？這是智能電子織物領域面臨的一大難題。

 

近日，復旦大學高分子科學系教授彭慧勝領銜的研究團隊，成功將顯示器件的制備與織物編織過程實現融合，在高分子復合纖維交織點集成多功能微型發光器件，揭示了纖維電極之間電場分布的獨特規律，實現了大面積柔性顯示織物和智能集成系統。

 

北京時間3月11日，相關研究成果以《大面積顯示織物及其功能集成系統》（“Large-area display textiles integrated with functional systems”）為題在線發表于《自然》（Nature）主刊，審稿人評價其“創造了重要而有價值的新知識”。彭慧勝、陳培寧為該論文通訊作者，復旦大學高分子科學系博士研究生施翔、碩士研究生左勇以及工程與應用技術研究院博士研究生翟鵬為第一作者。

突破傳統，織物”變色-發光-顯示“的求索之路

織物顯示求索之旅絕不是一條坦途。近十多年來，彭慧勝帶領的研究團隊始終致力于智能高分子纖維與織物研發。

攝影：楊銘宇

 

2009年，團隊提出聚丁二炔與取向碳納米管復合以制備新型電致變色纖維的研究思路（Nature Nanotechnology, 2009, 4, 738），然而，電致變色僅在白天可見，晚上則無法被有效應用，使用時域被打上了折扣。2015年，團隊在涂覆方法方面取得突破，成功解決共軛高分子活性層在高曲率纖維電極表面均勻成膜的難題，提出并實現了纖維聚合物發光電化學池（Nature Photonics, 2015, 9, 233），并通過編成織物實現了不同的發光圖案。但此種方法也有局限之處，經由發光纖維編織所顯示的圖案數量非常有限，無法實現平面顯示器中基于發光像素點的可控顯示。如何在柔軟且直徑僅為幾十至幾百微米的纖維上構建可程序化控制的發光點陣列，是困擾團隊甚至這個領域的一大難題。



 

彭慧勝團隊適時轉換思路。“在織物編織過程中，經緯線的交織可以自然地形成類似于顯示器像素陣列的點陣。”以此為靈感，團隊著眼于研制兩種功能纖維——負載有發光活性材料的高分子復合纖維和透明導電的高分子凝膠纖維，通過兩者在編織過程中的經緯交織形成電致發光單元，并通過有效的電路控制實現新型柔性顯示織物。
 

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不同顏色的發光纖維

 

“這就是我們用于編織的發光纖維材料。”彭慧勝拿起一卷纏繞于紡錘上的纖維介紹道。這些直徑不足半毫米的纖維材料，實驗案臺上還有多卷，顏色各異，乍一看與生活中的尋常紗線類似。“而當我們給它們通上電，它們就顯示出了獨特一面——會發明亮的光。”他拿起手邊的一件衛衣，展示其基本功能，衛衣上的復旦大學校徽由發藍光的纖維編織而成，接通電源后，藍色的校徽圖案在室內清晰可辨。
 

是什么使織物擁有了顯示特性？其內在結構如何？“顯示織物內呈現獨特的搭接結構，由發光經線和導電緯線交錯而成。”彭慧勝解釋道。從橫截面方向看，其中一根為涂覆有發光材料的導電紗線，另一根透明導電纖維通過編織與其經緯搭接。“施加交流電壓后，位于發光纖維上的高分子復合發光活性層在搭接點區域被電場激發，就形成一個個發光‘像素點’。”就這樣，在電場的激發下，電極和發光層憑借物理搭接即可實現有效發光，該方法可以將發光器件制備與織物編織過程相統一，利用工業化編織設備，實現了長6米、寬0.25米、含約50萬個發光點的發光織物，發光點之間最小的間距為0.8毫米，能初步滿足部分實際應用的分辨率需求。通過更換發光材料，還可實現多色發光單元，得到多彩的顯示織物。
 

彎折、水洗都不怕，揭秘顯示均勻穩定的內在機制

比起傳統的平板發光器件，發光纖維直徑可在0.2 毫米至0.5 毫米之間精確調控，奠定了其“超細超柔”的特性。以此編織而成的衣物，可緊貼人體不規則輪廓，像普通織物一樣輕薄透氣，確保良好的穿著舒適度。

 

伴隨著結構上的精細化要求，技術上難題也顯現出來：如何在如微米級直徑的纖維上連續負載均勻的發光材料涂層，構建得到發光強度高度一致的像素點陣？

 

彭慧勝團隊提出了“限域涂覆”制備路線，采用柔韌的高分子材料作為發光漿料基體，將其均一可控地負載在纖維基底上，即“讓浸漬有發光漿料的纖維通過一個定制的微孔，使不平整的漿料涂層變得平滑，同時有效控制纖維的直徑”。在此基礎上，通過多次涂覆，提升纖維圓周方向的發光層厚度均勻性，涂覆固化后得到了能抵御外界摩擦、反復彎折的發光功能層。

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織物顯示

 

現實的應用要求也接踵而至。團隊研究發現，具有高曲率表面的纖維相互接觸時，在接觸區域會形成不均勻的電場分布，這樣的電場不利于器件在變形過程中穩定工作。而在現實生活中，穿在身上的衣服難免會有磕磕碰碰，也需日常清洗。如何能使顯示織物適應外界環境的改變，乃至抵御住反復摩擦、彎折、拉伸等外在作用力，保證發光的穩定性？

 

團隊在導電纖維緯線的力學性能方面下足了功夫，通過熔融擠出方法制備了一種高彈性的透明高分子導電纖維。在編織過程中，該纖維由于線張力的作用，與發光纖維接觸的區域發生彈性形變，并被織物交織的互鎖結構所固定。“通過對高分子導電纖維的模量調控，使其在與發光經線交織時發生自適應彈性形變，從而形成穩定接觸界面，并使得在纖維曲面上形成了類似平面的電場分布，從而確保了織物中‘像素點’的均勻穩定發光。”彭慧勝說。

 

實驗結果表明，在兩根纖維發生相對滑移、旋轉、彎曲的情況下，交織發光點亮度變動范圍仍控制在5%以內，顯示織物在對折、拉伸、按壓循環變形條件下亦能保持亮度穩定，可耐受上百次的洗衣機洗滌。

多功能集成，全柔性織物顯示系統有望在各領域“大展身手”

 

除顯示織物之外，研究團隊還基于編織方法實現了光伏織物、儲能織物、觸摸傳感織物與顯示織物的功能集成系統，使融合能量轉換與存儲、傳感與顯示等多功能于一身的織物系統成為可能。該系統在物聯網和人機交互領域，如實時定位、智能通訊、醫療輔助等方面表現出良好應用前景。
 

極地科考、地質勘探等野外工作場景中，只需在衣物上輕點幾下，即可實時顯示位置信息，地圖導航由“衣”指引；把顯示器“穿”在身上，語言障礙人群以此作為高效便捷交流和表達的工具……這些原存于想象中的場景，或許在不遠將來就能走進人們的生活。

 

從研發思路的推陳出新，到連續制備關鍵技術的接連突破，到設備的自主設計研發，到工程化路線的不斷優化……團隊從未止步，已把產品從實驗室里“帶了出來”，實現了發光纖維和織物的連續化穩定制備，致力于推動全柔性顯示織物的規模化應用研究。“我們也期待著產業界的合作者們加入，共同解決在實際應用中的具體問題。”談及顯示系統的未來發展道路，彭慧勝充滿期待。