最新研發(fā)的顯示器竟然能穿

你能想到有“穿”在身上的顯示器嗎？按一按身上的衣服就能看新聞、發(fā)信息，甚至追劇。

或許，這快要變成現實了。

近日，復旦大學高分子科學系教授彭慧勝團隊將顯示器件制備與織物編織過程相融合，在高分子復合纖維交織點集成多功能微型發(fā)光器件，揭示纖維電極之間電場分布的獨特規(guī)律，成功研制大面積柔性顯示織物和智能集成系統。

3月11日，相關成果在線發(fā)表于《自然》。

審稿人評價其“創(chuàng)造了重要而有價值的新知識”。

多彩顯示屏織物展示了扭曲下的柔軟和穩(wěn)定

成果來之不易

從模糊到清晰、從單色到彩色、從笨重到輕薄……幾十年來，作為電子設備的重要輸出端，顯示器件不斷更新迭代。

如何將顯示功能有效集成到電子織物中，同時保留織物柔軟、透氣導濕、適應復雜形變等特性，是智能電子織物領域面臨的一大難題。

2009年，彭慧勝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。

然而，電致變色僅在白天可見，晚上無法有效應用。

2015年，團隊在涂覆方法方面取得突破，成功解決了共軛高分子活性層在高曲率纖維電極表面均勻成膜難題，研發(fā)了纖維聚合物發(fā)光電化學池，最終實現了不同的發(fā)光圖案。

但是，經由發(fā)光纖維編織顯示的圖案數量非常有限，無法圓滿實現可控顯示。

在柔軟、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(fā)光點陣列，成為團隊必須面對的一大挑戰(zhàn)。

對此，彭慧勝提出，在織物編織過程中，經緯線的交織或許可以自然地形成類似于顯示器像素陣列的點陣。

基于此，團隊研制出兩種功能纖維——負載發(fā)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，將兩者經緯交織形成電致發(fā)光單元，并通過有效電路控制，制作出新型柔性顯示織物。

彭慧勝團隊還提出了“限域涂覆”制備路線，以柔韌的高分子材料作為發(fā)光漿料基體，將其均一可控地負載在纖維基底上。

通過多次涂覆，纖維發(fā)光層厚度均勻性得以提升，涂覆固化后便得到了能抵御外界摩擦、可反復彎折的發(fā)光功能層。

彎折、水洗都不怕

“這就是我們的發(fā)光纖維材料?！迸砘蹌倌闷鹨痪砝p繞在紡錘上的纖維對《中國科學報》說。

這些直徑不足半毫米的纖維材料顏色各異，乍一看很像生活中常見的紗線。

“當我們給它們通上電，它們就顯示出獨特的一面——會發(fā)出明亮的光?！?/p>

彭慧勝拿起手邊的一件衛(wèi)衣演示——衛(wèi)衣上的復旦大學?；沼砂l(fā)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。

彭慧勝介紹，從橫截面方向看，其中一根是涂覆了發(fā)光材料的導電紗線，另一根是透明導電纖維，兩者編織形成經緯搭接。

“施加交流電壓后，位于發(fā)光纖維上的高分子復合發(fā)光活性層在搭接點區(qū)域被電場激發(fā)，形成一個個發(fā)光‘像素點’。”

就這樣，研究人員制備出長6米、寬0.25米、含約50萬個發(fā)光點的發(fā)光織物。

其發(fā)光點之間最小間距為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(fā)光材料，其還可實現多色發(fā)光單元，得到多彩的顯示織物。

論文通訊作者之一、復旦大學副研究員陳培寧表示，比起傳統的平板發(fā)光器件，發(fā)光纖維的直徑可在0.2毫米至0.5毫米之間精確調控，這奠定了其“超細超柔”的特性。

以此為材料梭織而成的衣物，可緊貼人體不規(guī)則輪廓，并像普通織物一樣輕薄透氣，穿著舒適度良好。

然而，具有高曲率表面的纖維相互接觸時，在接觸區(qū)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(wěn)定工作。

但在現實生活中，穿在身上的衣服難免有磕磕碰碰，也需日常清洗。

為使顯示織物適應外界環(huán)境的改變，乃至抵御反復摩擦、彎折、拉伸等外在作用力，保證發(fā)光的穩(wěn)定性，研究人員通過熔融擠出方法制備出一種高彈性的透明高分子導電纖維。

在編織過程中，由于線張力的作用，該纖維與發(fā)光纖維接觸的區(qū)域發(fā)生彈性形變，并被織物交織的互鎖結構固定。

陳培寧表示，實驗結果表明，在兩根纖維發(fā)生相對滑移、旋轉、彎曲的情況下，交織發(fā)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(huán)變形條件下亦能保持亮度穩(wěn)定，可耐受上百次的洗衣機洗滌。

走出實驗室

除顯示織物之外，研究團隊還基于編織方法研制出光伏織物、儲能織物、觸摸傳感織物與顯示織物的功能集成系統，使制備集能量轉換與存儲、傳感與顯示等多功能于一身的織物系統成為可能。

彭慧勝提到，該系統在物聯網和人機交互領域（實時定位、智能通信、醫(yī)療輔助等方面）具有良好的應用前景。

例如，在極地科考、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，語言障礙人群可以此作為高效、便捷的交流表達工具……這些場景或許在不遠的將來就能走進人們的日常生活。

現在，研究人員已經把產品從實驗室中“帶了出來”，實現了發(fā)光纖維和織物的連續(xù)化穩(wěn)定制備。

這有助于推動全柔性顯示織物的規(guī)?；瘧醚芯?。

“我們期待著產業(yè)界合作者的加入，以共同解決實際應用中的具體問題。”談及顯示系統的未來發(fā)展，彭慧勝充滿期待。
編輯：lyn