复旦大学团队发明超级电子织物，织出的“布料 - 电子设计工程杂志社投稿

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复旦大学团队发明超级电子织物，织出的“布料

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一种创新的显示电子织物，在变形情况下表现出柔软性和稳定性（来源：Nature）

文丨学术头条

显示器是现代电子产品的基本组成部分，你有没有想象过，有一天我们的衣服 “面料” 也能变成显示器？

长久以来，业界对于可穿戴技术的展望之一，就是能造出智能电子纺织品，期待它能为用户带来全新的产品交互体验，然而，具有功能性且能够呈现大面积显示效果的纺织品尚未实现，因为要获得既耐用又易于在大面积上集成的小型照明装置是一项严苛挑战。

如今，这个梦想正在走进现实，来自复旦大学的彭慧胜团队成功发明了一种新奇的智能电子织物，在测试中，这种织物展现出了优异的可拉伸性、透气性和耐用性，同时该织物还能作为大面积显示屏，根据不同的数字信号输入呈现出多元化的内容，相关研究论文于北京时间 3 月 11 日发表在《自然》（Nature）杂志上。

（来源：Nature）

据了解，这种新型的电子纺织品在设计方面是将导电纬纱和发光经纱纤维交织在一起，在纬纱与经纱的接触点便形成了微米级的电致发光单元，值得关注的是，该织物成品在 1000 次弯、拉、压循环测试后，绝大部分电致发光单元仍表现良好，且这些电致发光单元的亮度在 100 次清洗干燥循环后依然保持稳定。

图｜衣服上显示出不同的字样（来源：Nature）

研究人员认为，这种 “智能织物” 不仅具有较强的实用性，在集成更多功能后，也有望塑造下一代电子通讯工具。

难度和挑战

近年来，显示设备已经从刚性面板发展到柔性薄膜。然而，电子纺织品的结构和制造工艺完全不同于传统的薄膜器件，例如目前用于构建柔性显示器的有机发光二极管（OLED）。

一方面，纺织品是由纤维编织而成的，会形成粗糙多孔的结构，因此才可以变形和贴合人体轮廓；而 OLED 则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，这些半导体有机薄膜通常放置在玻璃或塑料等平面衬底上。因此，当 OLED 附着在粗糙和可变形的纺织品表面上时，这些薄膜器件的性能往往很差或会随着时间的推移而很快失效。

另一方面，将有机薄膜沉积在适合织成柔性显示纺织品的纤维上也是非常困难的，因为这些薄膜太脆弱，无法承受编织过程中的交织摩擦，用于制造有机电致发光器件的常规方法也不适合大规模制造纤维电极。

更重要的是，由于 OLED 中的光发射依赖于阳极和阴极之间的载流子注入和传输，即便能织成经纱和纬纱也难以在电极和半导体层之间提供足够高质量的欧姆接触来照明。

图｜当前电致发光纺织技术的比较（来源：Nature）

在以往同类研究中，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发光器件也可以编织成照明纺织品，但它们通常只能显示预先设计的图案，而在诸如计算机和移动电话之类的标准显示应用中，不能根据输入的数字信号实时、单独地动态控制像素是一个相当大的限制。

如何将电子设备的制造、功能与纺织品完美结合起来，这是新一代智能电子纺织品需要突破的难关。

用特制纤维来 “织布”

为了克服上述问题，彭慧胜和同事们在研究中采用了全新的材料设计方案。材料方面，他们使用基于硫化锌（ZnS）磷光体的电场驱动装置来编织显示织物，与 OLED 器件不同，分散在绝缘聚合物基体中的 ZnS 磷光体通过在聚合物基体上交变电场被激活。

这种电场驱动装置只需要纬纱和经纱之间的空间接触就可以照明，使其本质上耐用，适合大规模生产。

“织布” 用的线是什么？研究人员通过熔融纺丝离子液体掺杂的聚氨酯凝胶制备了导电纬纱纤维，其透射率超过 90%；并通过在镀银导电纱上涂覆商用 ZnS 磷光体制备了发光经纱纤维，这种基于溶液的涂层是获得连续长度发光经纱纤维的简单方法。

图｜透明导电纬纱、发光经纱及其接触面积的力学特性（来源：Nature）

搭配的材料，则是选用了聚氨酯作为聚合物基体，聚氨酯纤维我们也俗称为 "氨纶"，这种材料不仅弹性优异，且耐酸碱性、耐汗、耐海水性、耐干洗性、耐磨性均表现较好。

为了确保 ZnS 的涂层均匀，研究人员有一个小窍门。他们将导电纱浸涂在 ZnS 磷光体浆料中，并在干燥前通过自制的刮削微型针孔 “刮一下”，这样就能剥离不均匀的涂层，而采用不同直径的微针孔，就能调节 ZnS 磷光体粉层的厚度，可谓简便又实用，在这项实验中研究人员选择使用了大约 70μm 的优化厚度。

文章来源：《电子设计工程》网址: http://www.dzsjgc.cn/zonghexinwen/2021/0312/982.html