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    輕薄、柔軟又耐磨 這個顯示器能穿在身上
    2021-08-31 10:08
    來源:科技日報
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      關注國家重點研發計劃“納米科技”重點專項①

      編者按 納米科技是21世紀最重要的前沿科技領域之一,對世界各國經濟社會發展起到引領作用,對信息、生物、醫藥、能源、環境、航空航天及國家安全等領域都有著重要影響。為全面提升我國納米科技的創新能力,國家重點研發計劃設立了“納米科技”重點專項,目前該項目已取得了一批重要成果。

      本報今起推出系列報道,聚焦這些重要、優秀成果,展現其攻關歷程。

      從模糊到清晰,從單色到彩色,從笨重到輕薄……近幾十年來,顯示器作為電子設備的重要輸出端不斷更新迭代,由最初的陰極射線管顯示、液晶顯示、有機發光二極管顯示發展至現在的柔性薄膜顯示,取得了長足進步。

      你曾設想過將顯示器穿在身上嗎?集器件功能、紡織方法、織物形態于一體,在我們穿的衣服上瀏覽咨詢、收發訊息、進行事件備忘……這是研究者近年來著力探尋的方向。

      然而,如何將顯示功能有效集成到電子織物中,同時確??椢锏娜彳?、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。

      記者獲悉,日前,在國家重點研發計劃“納米科技”重點專項的資助下,復旦大學高分子科學系教授彭慧勝領銜的研究團隊自主研發出全柔性織物顯示系統,相關成果以《大面積顯示織物及其功能集成系統》為題在線發表于《自然》雜志主刊。

      突破傳統,“織物顯示”漫漫求索路

      織物顯示求索之旅絕不是一條坦途。近十多年來,彭慧勝帶領的研究團隊始終致力于智能高分子纖維與織物研發。

      2009年,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,晚上則無法被有效應用,使用時域大打折扣。

      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的難題,提出并實現了纖維聚合物發光電化學池,并通過將其編成織物實現了不同的發光圖案。但此種方法也有局限,經由發光纖維編織所顯示的圖案數量非常有限,無法實現平面顯示器中基于發光像素點的可控顯示。

      如何在柔軟且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光點陣列,是困擾團隊甚至這個領域的一大難題。

      彭慧勝團隊適時轉換思路?!霸诳椢锞幙椷^程中,經緯線的交織可以自然地形成類似于顯示器像素陣列的點陣?!币源藶殪`感,團隊著眼于研制兩種功能纖維——負載有發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,通過兩者在編織過程中的經緯交織形成電致發光單元,并通過有效的電路控制實現新型柔性顯示織物。

      “這就是我們用于編織的發光纖維材料?!迸砘蹌倌闷鹨痪砝p繞于紡錘上的纖維介紹道。這些直徑不足半毫米的纖維材料,實驗案臺上還有多卷,顏色各異,乍一看與生活中的尋常紗線類似?!岸斘覀兘o它們通上電,它們就顯示出了獨特一面——會發出明亮的光?!彼闷鹗诌叺囊患l衣,展示其基本功能,衛衣上的復旦大學?;沼砂l藍光的纖維編織而成,接通電源后,藍色的?;請D案在室內清晰可辨。

      是什么使織物擁有了顯示特性?其內在結構如何?“顯示織物內呈現獨特的搭接結構,由發光經線和導電緯線交錯而成?!迸砘蹌俳忉尩?,從橫截面方向看,其中一根為涂覆有發光材料的導電紗線,另一根透明導電纖維通過編織與其經緯搭接。施加交流電壓后,位于發光纖維上的高分子復合發光活性層在搭接點區域被電場激發,就形成了一個個發光“像素點”。

      在電場的激發下,電極和發光層憑借物理搭接即可實現有效發光,該方法可以將發光器件制備與織物編織過程相統一,利用工業化編織設備,實現了長6米、寬0.25米、含約50萬個發光點的發光織物,發光點之間最小的間距為0.8毫米,能初步滿足部分實際應用的分辨率需求。通過更換發光材料,還可實現多色發光單元,得到多彩的顯示織物。

      彎折、水洗都不怕,顯示均勻且穩定

      比起傳統的平板發光器件,發光纖維直徑可在0.2毫米至0.5毫米之間精確調控,奠定了其超細、超柔的特性。以此為材料一針一線梭織而成的衣物,可緊貼人體不規則輪廓,像普通織物一樣輕薄透氣,確保良好的穿著舒適度。

      伴隨著結構上的精細化要求,技術上的難題也顯現出來:如何在如微米級直徑的纖維上連續負載均勻的發光材料涂層,構建得到發光強度高度一致的像素點陣?

      彭慧勝團隊提出了“限域涂覆”的制備路線,采用柔韌的高分子材料作為發光漿料基體,將其均一可控地負載在纖維基底上,即“讓浸漬有發光漿料的纖維通過一個定制的微孔,使不平整的漿料涂層變得平滑,同時有效控制纖維的直徑”。在此基礎上,通過多次涂覆,提升纖維圓周方向的發光層厚度均勻性,涂覆固化后得到了能抵御外界摩擦、反復彎折的發光功能層。

      現實的應用要求也接踵而至。團隊研究發現,具有高曲率表面的纖維相互接觸時,在接觸區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定工作。而在現實生活中,穿在身上的衣服難免會有磕磕碰碰,也需日常清洗。如何能使顯示織物適應外界環境的改變,乃至抵御住反復摩擦、彎折、拉伸等外在作用力,保證發光的穩定性?

      團隊在導電纖維緯線的力學性能方面下足了功夫,通過熔融擠出方法制備了一種高彈性的透明高分子導電纖維。在編織過程中,該纖維由于線張力的作用,與發光纖維接觸的區域發生彈性形變,并被織物交織的互鎖結構所固定?!巴ㄟ^對高分子導電纖維的模量調控,使其在與發光經線交織時發生自適應彈性形變,形成穩定接觸界面,并使得在纖維曲面上形成了類似平面的電場分布,從而確保了織物中‘像素點’的均勻穩定發光?!迸砘蹌僬f。

      實驗結果表明,在兩根纖維發生相對滑移、旋轉、彎曲的情況下,交織發光點亮度變動范圍仍控制在5%以內,顯示織物在對折、拉伸、按壓循環變形條件下亦能保持亮度穩定,可耐受上百次的洗衣機洗滌。

      多功能集成,表現出良好應用前景

      除顯示織物外,彭慧勝團隊還基于編織方法實現了具有光伏織物、儲能織物、觸摸傳感織物與顯示織物的功能集成系統,使融合能量轉換與存儲、傳感與顯示等多功能于一身的織物系統成為可能。該系統在物聯網和人機交互領域,如實時定位、智能通訊、醫療輔助等方面表現出良好應用前景。

      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交流和表達的工具……這些原本存于想象中的場景,或許在不遠的將來就能走進人們的生活。

      從研發思路的推陳出新,到連續制備關鍵技術的接連突破,設備的自主設計研發,再到工程化路線的不斷優化……彭慧勝團隊已把產品從實驗室里“帶了出來”,實現了發光纖維和織物的連續化穩定制備,致力于推動全柔性顯示織物的規?;瘧醚芯??!拔覀円财诖a業界的合作者們加入,共同解決在實際應用中的具體問題?!迸砘蹌僬f。

     

     

     

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