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显示织物来了!穿在身上的显示器,可机洗上百次

发布时间:2021/3/11 11:51:12   编辑:dxl
提要: 近日,复旦大学高分子科学系教授彭慧胜领衔的研究团队,成功将显示器件的制备与织物编织过程实现融合,在高分子复合纤维交织点集成多功能微型发光器件,揭示了纤维电极之间电场分布的独特规律,实现了大面积柔性显示织物和智能集成系统。
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你有设想过“穿”在身上的显示器吗?融器件功能、纺织方法、织物形态于一体,在我们穿的衣服上浏览资讯、收发讯息、事件备忘……这是研究者近年来着力探寻的方向。

如何将显示功能有效集成到电子织物中,同时确保织物的柔软、透气导湿、适应复杂形变等特性?这是智能电子织物领域面临的一大难题。

近日,复旦大学高分子科学系教授彭慧胜领衔的研究团队,成功将显示器件的制备与织物编织过程实现融合,在高分子复合纤维交织点集成多功能微型发光器件,揭示了纤维电极之间电场分布的独特规律,实现了大面积柔性显示织物和智能集成系统。

北京时间3月11日,相关研究成果以《大面积显示织物及其功能集成系统》(“Large-area display textiles integrated with functional systems”)为题在线发表于《自然》(Nature)主刊,审稿人评价其“创造了重要而有价值的新知识”。彭慧胜、陈培宁为该论文通讯作者,复旦大学高分子科学系博士研究生施翔、硕士研究生左勇以及工程与应用技术研究院博士研究生翟鹏为第一作者。

发光纤维直径不足半毫米,类似纱线

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各色发光纤维 本文图片均为澎湃新闻记者 张慧 图

彭慧胜拿起缠绕于纺锤上的发光纤维介绍说,这些直径不足半毫米的纤维材料,颜色各异,乍一看与生活中的寻常纱线类似。而当给它们通上电,就显示出了独特一面——会发明亮的光。

织物显示求索之路并非坦途。近十多年来,彭慧胜带领的研究团队致力于智能高分子纤维与织物研发。突破传统,实现织物“变色-发光-显示”的求索之路。

如何在柔软且直径仅为几十至几百微米的纤维上,构建可程序化控制的发光点阵列,是困扰团队甚至这个领域的一大难题。

彭慧胜团队适时转换思路:在织物编织过程中,经纬线的交织可以自然地形成类似于显示器像素阵列的点阵。

以此为灵感,团队着眼于研制两种功能纤维——负载有发光活性材料的高分子复合纤维和透明导电的高分子凝胶纤维,通过两者在编织过程中的经纬交织形成电致发光单元,并通过有效的电路控制实现新型柔性显示织物。

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由发蓝光的纤维编织而成的复旦大学校徽,通电后亮起。

研究团队人员现场展示的一件寻常卫衣上,绣有一枚由发蓝光的纤维编织而成的复旦大学校徽,接通电源后,蓝色的校徽图案在室内清晰可辨,还可根据控制,变化出不同的模式。

是什么使织物拥有了显示特性?其内在结构如何?

“显示织物内呈现独特的搭接结构,由发光经线和导电纬线交错而成。”彭慧胜解释道。从横截面方向看,其中一根为涂覆有发光材料的导电纱线,另一根透明导电纤维通过编织与其经纬搭接。

“施加交流电压后,位于发光纤维上的高分子复合发光活性层在搭接点区域被电场激发,就形成一个个发光‘像素点’。” 彭慧胜介绍,就这样,在电场的激发下,电极和发光层凭借物理搭接即可实现有效发光,该方法可以将发光器件制备与织物编织过程相统一,利用工业化编织设备,实现了长6米、宽0.25米、含约50万个发光点的发光织物,发光点之间最小的间距为0.8毫米,能初步满足部分实际应用的分辨率需求。通过更换发光材料,还可实现多色发光单元,得到多彩的显示织物。

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彭慧胜(左二)研究团队

显示织物弯折、水洗都不怕

比起传统的平板发光器件,发光纤维直径可在0.2毫米至0.5 毫米之间精确调控,奠定了其“超细超柔”的特性。以此为材料梭织而成的衣物,可像普通织物一样轻薄透气。

伴随着结构上的精细化要求,技术上难题也显现出来:如何在如微米级直径的纤维上连续负载均匀的发光材料涂层,构建得到发光强度高度一致的像素点阵?

彭慧胜团队提出了“限域涂覆”制备路线,采用柔韧的高分子材料作为发光浆料基体,将其均一可控地负载在纤维基底上,即“让浸渍有发光浆料的纤维通过一个定制的微孔,使不平整的浆料涂层变得平滑,同时有效控制纤维的直径”。在此基础上,通过多次涂覆,提升纤维圆周方向的发光层厚度均匀性,涂覆固化后得到了能抵御外界摩擦、反复弯折的发光功能层。

现实的应用要求也接踵而至。衣服难免磕碰,也需日常清洗。如何能使显示织物适应外界环境的改变,乃至抵御住反复摩擦、弯折、拉伸等外力,保证发光的稳定性?

团队在导电纤维纬线的力学性能方面下足了功夫,通过熔融挤出方法制备了一种高弹性的透明高分子导电纤维。在编织过程中,该纤维由于线张力的作用,与发光纤维接触的区域发生弹性形变,并被织物交织的互锁结构所固定。

实验结果表明,在两根纤维发生相对滑移、旋转、弯曲的情况下,交织发光点亮度变动范围仍控制在5%以内,显示织物在对折、拉伸、按压循环变形条件下亦能保持亮度稳定,可耐受上百次的洗衣机洗涤。

除显示织物之外,研究团队还基于编织方法实现了光伏织物、储能织物、触摸传感织物与显示织物的功能集成系统,使融合能量转换与存储、传感与显示等多功能于一身的织物系统成为可能。该系统在物联网和人机交互领域,如实时定位、智能通讯、医疗辅助等方面表现出良好应用前景。

极地科考、地质勘探等野外工作场景中,只需在衣物上轻点几下,即可实时显示位置信息,地图导航由“衣”指引;把显示器“穿”在身上,语言障碍人群以此作为高效便捷交流和表达的工具……这些原存于想象中的场景,或许在不远将来就能走进人们的生活。(澎湃新闻

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