前沿|彭慧胜院士Nature：功能集成的大面积电子纺织

来源：柔性电化学

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，有望改变我们与电子设备交互的方式。展示纺织品用于架起人机交互的桥梁，例如，为有语音或言语困难的个人提供实时通信工具，能够通信的电子纺织品传感和供电。然而，具有功能性大面积显示屏的纺织品尚未实现，因为获得既耐用又易于在大面积上组装的小型照明单元具有挑战性。在这里，彭慧胜院士课题组报告一个 6 米长、25 厘米宽的展示纺织品，其中间距约为 800 微米。编织导电纬纱和发光经纱纤维在纬经接触点形成微米级电致发光单元。电致发光单元之间的亮度偏差小于8%，即使在纺织品弯曲、拉伸或压制时也能保持稳定。我们的展示纺织品柔韧透气，可耐反复机洗，适合实际应用。展示了由显示器、键盘和电源组成的集成纺织系统可以用作通信工具，展示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。我们的方法将电子设备的制造和功能与纺织品统一起来，我们预计编织纤维材料将塑造下一代电子产品。

相关成果以“Large-area display textiles integrated with functional systems”为题刊发在Nature杂志上面。

主要内容

当使用工业剑杆织机将导电纬纱和发光经纱与棉纱织成时，每个交错的纬纱和经纱形成一个EL单元（图1）。合成纤维材料，如尼龙和聚酯纤维，也可以与导电纬纱和发光经纱纤维共织，用于各种应用（扩展数据图。1j，k）。使用这种方法，生产了一种 6 米×25 厘米（长×宽）的大面积展示纺织品，其中包含大约 5 × 10 件5EL单位（图1）。600 EL单位的发射强度相对偏差变化了<8%。如此微小的强度差异表明，这些纤维非常适合大规模生产大面积展示纺织品。经过 1,000 次弯曲循环，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，大多数EL单元的强度也变化了<15%，并且折叠线上EL单元的强度在每个折叠方向的10,000个折叠周期中保持稳定，表明其耐用性优于传统薄膜显示器。还获得了五颜六色的纺织品（图1）。具有均匀间隔的EL单元将铜和锰等不同元素掺杂到 ZnS 荧光粉中。由于纤维是编织的，因此可以通过调整编织参数来改变纬经接触点之间的距离，从而轻松调整EL单元的密度（图1）。在这里实现的最窄间距约为 800 μm。

图1：显示纺织品的结构和电致发光性能。

为了打开EL单元，在发光经纱和导电纬纱上施加了交流电压，产生了一个低的微安电流来为单元供电（图1）。电场诱导的发光中心激发和电子-空穴对的复合31导致纬经接触区域的 ZnS 荧光粉发光。通过改变施加的电量，可以准确地调整EL单元的亮度。亮度强度随电压和频率的增加而增加（扩展数据图1）。亮度 115.1 cd m−2在3.7 V μm的电压下获得−1频率为 2,000 Hz，电流密度为 1.8 mA cm−2功耗为 363.1 μW。在如此低的功耗下，加热可以忽略不计，这对于大面积服装应用至关重要。通过减小发光层的厚度，可以将显示器纺织品的驱动电压降低到36 V以下。在导电纬纱和发光经纱上涂上一层透明绝缘聚合物，可以进一步保证这些器件的安全性。

图2：展示纺织品的EL单元的表征。

由于发光还取决于发光经纱和导电纬纱之间弯曲接触区域处电场的均匀程度，因此我们使用有限元方法来模拟发光层中的电场分布（图1）。发现，在施加电压下，弯曲触点处的分布与平面电致发光器件一样均匀，即使接触面积改变，也能保持均匀（图1）。将这种电场均匀性归因于弹性导电纬线，该纬线很容易变形以适应发光经线的弯曲和弹性较低的表面。即使导电纬线倾斜、扭曲并用发光经线打结，也会发生发光（图 1）。电致发光映射图像显示，当透明导电纬线沿发光经线移动时，电致发光强度和EL单位面积几乎保持不变，绕接触点旋转，并随着弯曲角度的增加而弯曲。当导电纬纱以0.5 mm的增量沿发光经线滑动时，在最远3 mm的距离内，亮度变化小于2.2%（图1）。当透明纬纱从垂直于发光经线的位置旋转±15°时，电致发光强度波动小于2.6%。此外，由于透明纬线的弹性，发光立即恢复，并在 100 次按压和释放 EL 单元的循环中保持稳定。将透明纬纱或发光经线从其原始状态弯曲到1.8毫米，也会导致小于2.3%的波动。由于纤维是圆柱形的，因此当透明纬纱绕其中心轴线滚动时，EL强度保持良好。离子液体的惰性和非挥发性32在透明导电纬线中也有助于EL单元的电学和光学稳定性。将纺织品放在露天一个月后，亮度没有明显下降。此外，EL单元的亮度经受了100次加速洗涤和干燥的循环。

图3：一体化纺织系统的应用场景。

作为概念验证，将编织显示器、键盘和电源连接到显示驱动器、微控制器和蓝牙模块（图 3b），并将集成纺织系统用作交互式导航显示器。通过蓝牙模块，用户在T形路口的实时位置，从智能手机获得，被转移到纺织品上。为了在显示器上输出图像，将来自驱动电路的电信号逐行扫描到EL单元阵列。集成纺织系统还可以用作通信工具，在纺织品上输入和显示信息。使用数字 1、2 和 3 来证明这一点。每个数字被分配给一个键，微控制器被编程为在按下相应的键时输出该数字（图 1）。通过蓝牙模块，还可以在我们的集成纺织系统和智能手机之间发送、接收和显示消息3小时。

为了展示展示纺织品在医疗保健领域的潜力，还制造了一种尺寸为 24 厘米×6 厘米（长×宽）的大型展示纺织品。收集了来自玩赛车游戏的志愿者和正在冥想的志愿者的脑电图信号。放松志愿者的脑电波大多是低频，而焦虑志愿者的频率大多很高。未来，随着解码复杂脑电波的方法，设想这样的展示纺织品将成为有效的辅助技术交流工具。