复旦大学彭慧胜/陈培宁团队Nature：大面积显示织物及其功能集成系统

前言

显示器是现代电子产品的基本构件。将显示器集成到纺织品中，制备出智能电子纺织品，这无疑将改变我们与电子设备的交互方式。显示纺织品是人机交互的桥梁，例如，为有语音或言语障碍的人提供实时交流工具。此前已有报道称，电子纺织品能够进行通信、感知和供电。然而，电子纺织品的结构不同于传统的薄膜器件，例如目前用于构造柔性显示器的有机发光二极管(OLEDs)。一方面，纺织品由纤维编织而成，形成粗糙多孔的结构，可以变形并贴合人体轮廓。另一方面，有机电致发光器件是通过在阴极和阳极电极之间沉积多层半导体有机薄膜制成的，一般基于玻璃或塑料等平面衬底。因此，当将其附着在粗糙和柔软的纺织品表面时，这些薄膜器件性能通常容易随着时间发生衰减甚至失效。另外，在适于编织成柔性显示纺织品的纤维上沉积有机薄膜也是非常困难的，因为这些薄膜机械稳定性较差，无法承受编织过程中的摩擦。用于制造有机发光二极管的蒸镀工艺也不适于纤维电极的规模化连续制备。更重要的是，因为有机发光二极管的发光依赖于阳极和阴极之间的载流子注入和传输。因为有机电致发光器件中的光发射取决于阳极和阴极之间的载流子注入和传输，所以编织经线和纬线不能在电极和半导体层之间提供充分的欧姆接触使其有效发光。虽然光纤、聚合物发光电化学电池纤维和交流电致发光纤维等纤维状的发光器件可以编织成发光织物，但它们通常显示预先设计好的图案。这就导致很难像计算机和移动电话显示器一样，根据输入的数字信号实时动态地独立控制像素点，这极大限制了它们的实际应用。

成果简介

近日，复旦大学彭慧胜/陈培宁团队报告了一种6 m长，25 cm宽的大面积柔性显示织物，其中包含约5×10⁵个电致发光单元，它们之间的间隔约为800 um。编织导电纬线和发光经线纤维在经纬交织点形成微米级电致发光单元。有效克服了发光活性材料在高曲率纤维表面均匀连续负载的难题，揭示了交织点曲面界面形成均匀电场的独特机制。电致发光单元之间的亮度偏差小于8%，即使在织物弯曲、拉伸或挤压时仍旧保持稳定。该显示织物柔软透气，可经受反复的机器洗涤，可有效满足实际应用要求。进一步将织物显示、键盘和电源等模块有效集成，构建得到柔性织物显示系统，可以作为一种新型、便捷的通信工具，在物联网、人机交互、智能通讯等新兴领域显示了巨大的应用潜力。该方法可将电子器件制备和织物结构与编织方法有效结合，有望推动柔性电子领域的交叉融合发展。相关论文以题为Large-area display textiles integrated with functional systems发表在《Nature》上。

图文导读

图1. 显示织物的结构和电致发光性能。a.显示织物的结构示意图。b.由大约5 × 10⁵个电致发光单元组成的6米长显示织物的照片。c.显示织物中600个电致发光单元的发光强度相对偏差的统计分布。d.10 × 10发光单元阵列的发光强度分布柱状图(单元之间的强度差小于10%)。e-g.统计分布显示，在经历弯曲(e)、拉伸(f)和挤压(g)1,000个循环后，包含600个电致发光单元的显示织物的亮度保持稳定(< 10%)。h.弯曲、扭曲复杂变形下的多色显示织物照片。i.显示织物的局部放大照片，电致发光单元以大约800 μm的距离均匀间隔排列。j.通过改变编织参数调节电致发光单元间距。

图2显示织物的电致发光单元的性能表征。a. 在发光经线和透明导电纬线之间的接触区域形成的电致发光单元的示意图。b, c.有限元模拟表明，电致发光单元中经纬接触区域的电场分布是均匀的(b)，并且均匀分布不随接触区域的面积改变而改变(c)。d.当透明导电纬线与发光经线接触、斜靠、缠绕和打结时，发光点亮度仍保持稳定。e-g.透明纬线相对发光经线滑动(e)、旋转(f)和弯曲(g)情况下，电致发光单元的亮度和发光区域面积基本保持稳定。h-l.当透明纬线沿发光经线移动3 mm距离(h)、旋转不同角度(i)；0°代表纬线垂直于经线的位置)，以及电致发光单元经受100次按压和释放循环(j)，以发光经线 (k)和透明纬线 (l) 为弯曲轴弯曲的情况下，电致发光单元亮度保持稳定。

图3集成纺织系统的应用示范。a. 由显示器、信息输入(键盘)和能源供给模块组成的织物集成系统的照片。b. 织物集成系统电路原理框图。c. 织物集成系统作为物联网的智能节点的概念图，在驾驶过程中提供定位导航信息。d,e.在衣袖上显示丁字路口的定位信息。f. 织物集成系统应用于信息通信的概念图。g.通过按下键盘织物的按键实现信息输入并在显示织物上实时显示。h.织物集成系统和智能手机之间接收和发送信息。i,j.通过分析典型脑电图信号，并在织物上显示精神状态。k. 在未来有望通过显示织物实现交流的场景概念图。l.集成织物系统用于辅助交流的概念图，脑电波被解码成信息显示在衣物上。

小结

通过将导电和发光纤维与棉纱编织在一起，直接在织物经纬交织点形成电致发光单元，从而获得了一种大面积柔性显示织物，该显示织物中的每个发光单元可以通过驱动电路设计和编程实现独立地控制。该方法简单，可进一步构建键盘、能源供给等其他功能织物，并与显示织物有效集成，获得适用于多种应用场景的多功能柔性织物系统，有望成为未来一种新型智能的通信工具，在多个方面改变人类生活方式。

本文由纳米小白撰稿。