【科研摘要】

顯示器是現代電子產品的基本組成部分。將顯示器整合到紡織品中為智慧電子紡織品提供了令人興奮的機會，這是可穿戴技術的最終目標，有望改變人們與電子裝置互動的方式。顯示紡織品用於橋接人機互動，例如，為有語音或語音障礙的個人提供實時通訊工具。先前已經報道了能夠進行通訊，感應和供電的電子紡織品。然而，由於具有耐用且易於在大面積上組裝的小型照明單元是具有挑戰性的，因此尚未實現具有大面積功能顯示的紡織品。最近，復旦大學陳培寧/彭慧勝教授團隊報告了一種6米長，25釐米寬的熱塑型聚氨酯離子凝膠展顯示紡織品，其中包含5×105個電致發光單元，它們之間的間隔約為800微米。

編織的導電緯線和發光經線纖維在緯線-經線接觸點形成微米級的電致發光單元。即使紡織品彎曲，拉伸或壓制，電致發光單元之間的亮度偏差也不會超過8％，並且保持穩定。團隊的顯示紡織品柔軟而透氣，可以承受反覆的機洗，非常適合實際應用。證明了由顯示器，鍵盤和電源組成的整合紡織品系統可以用作通訊工具，證明了該系統在包括醫療保健在內的各個領域的“物聯網”中的潛力。該方法將紡織品的電子裝置的製造和功能統一起來，並且期望編織纖維材料將塑造下一代電子產品。相關論文以題為Large-area display textiles integrated with functional systems發表在《Nature》上。

【圖文解析】

當使用工業劍桿織機用棉紗編織導電緯線和發光經線時，每根交織的緯線和經線都構成一個EL單元（圖1a）。合成纖維材料（例如尼龍和聚酯纖維）也可以與導電緯線和發光經線纖維共織在一起以用於各種應用（擴充套件資料圖1j，k）。使用這種方法，生產了一個6 m×25 cm（長×寬）的大面積顯示紡織品，其中包含大約5×105 EL單元（圖1b）。600個EL單元的發射強度的相對偏差變化<8％（圖1c，d）。如此小的強度差異表明這些纖維非常適合大規模生產大面積的顯示紡織品。經過1,000個彎曲（圖1e），拉伸（圖1f）和壓緊（圖1g）迴圈之後，絕大多數EL單元的強度保持穩定（變化<10％）。此外，即使沿不同方向反覆摺疊後，大多數EL單元的強度也變化了<15％，並且摺疊線處的el單元的強度在每個摺疊方向上的10,000次摺疊迴圈中保持穩定，這表明了出色的耐用性超過傳統的電影放映機。透過將不同的元素（例如銅和錳）摻雜到ZnS熒光粉中，團隊還獲得了具有均勻間隔的EL單元（圖1i）的彩色紡織品（圖1h）。由於纖維是機織的，因此可以透過調整編織引數以更改緯紗-經紗接觸點之間的距離來輕鬆調整EL單元的密度（圖1j）。

圖1：顯示紡織品的結構和電致發光效能。

要開啟EL單元，研究人員向發光經線和導電緯線施加交流電壓，產生低的微安培電流為單元供電（圖2a）。因為發光還取決於發光經紗和導電緯紗之間彎曲接觸區域的電場的均勻程度，所以使用了有限元方法來模擬發光層中的電場分佈（圖2b）。在施加電壓的情況下，彎曲觸點的分佈與平面電致發光器件一樣均勻（圖2b），即使當接觸面積發生變化時也保持均勻（圖2c）。即使導電緯線傾斜，扭曲並打結到發光經線上，也會發生（圖2d）電致發光對映影象顯示，當透明導電緯線沿著發光方向移動時，電致發光強度和EL單位面積幾乎保持不變經線（圖2e），繞接觸點旋轉（圖2f），並以增加的彎曲角度彎曲（圖2g）。當導電緯線沿著發光經線以0.5 mm的增量滑動時，在長達3 mm的距離內，亮度變化小於2.2％（圖2h）。當透明緯線從垂直於發光經線的位置旋轉±15°時，電致發光強度的波動小於2.6％（圖2i）。此外，由於透明緯線的彈性，發光立即恢復並在壓緊和釋放EL單元的100個迴圈中保持穩定（圖2j）。將透明緯線或發光經線彎曲到距其原始狀態不超過1.8毫米，也會導致波動小於2.3％（圖2k，1）。

圖2：顯示紡織品的電致發光（EL）單元的特性。

藉助顯示器，鍵盤和電源，可以為不同的應用設計各種多功能的整合紡織品系統（圖3a）。作為概念驗證，將編織的顯示器，鍵盤和電源連線到顯示驅動器，微控制器和藍芽模組（圖3b），並將整合的紡織系統用作互動式導航顯示器（圖3c）。透過藍芽模組，從智慧手機獲得的使用者在T型路口的實時位置被轉移到紡織品上（圖3d）。為了在顯示器紡織品上輸出影象，來自驅動器電路的電訊號逐行掃描到EL單元陣列上（圖3e）。整合的紡織品系統還可以充當交流工具，在紡織品上輸入資訊並顯示資訊（圖3f）。使用數字1、2和3對此進行演示。每個數字都分配給一個鍵，並且微控制器被程式設計為在按下相應的鍵時輸出該數字（圖3g）。使用藍芽模組，還可以在整合紡織品系統和智慧手機之間傳送，接收和顯示訊息（圖3h）。為展示顯示紡織品在醫療保健中的潛力，還製造了尺寸為24 cm×6 cm（長×寬）的大型顯示紡織品。從參加賽車比賽的志願者和正在冥想的志願者那裡收集了腦電圖訊號。放鬆的志願者的腦電波大多數是低頻的（圖3i），而焦慮的志願者的腦電波則是高頻的33（圖3j）。在計算機上處理了訊號，並透過藍芽模組將與各個志願者的心理狀態相對應的單詞傳送到微控制器以進行顯示。將來，結合解碼複雜腦電波的方法，設想將像這樣的顯示紡織品變成有效的輔助技術交流工具34（圖3k，1）。

圖3：整合紡織系統的應用場景。

【總結】

研究團隊提出了一種功能性的大面積顯示紡織品，方法是將導電纖維和發光纖維與棉紗編織在一起，以在紡織品內直接形成EL單元。該方法很簡單，可用於將其他電子功能（例如鍵盤和電源）編織到紡織品中，從而形成用於各種應用的多功能整合紡織品系統。由於緯線和經線的網路，研究團隊顯示紡織品中的每個EL單元都可以使用驅動器電路以可程式設計的方式進行唯一標識和點亮。證明了這種電子紡織品可以用作通訊工具。隨著更多功能的整合，期望這些“智慧紡織品”將構成未來的通訊工具。

參考文獻：doi.org/10.1038/s41586-021-03295-8