顯示器可“穿”在身上，機洗百次不壞
一名科研人員在展示用于編織的發光纖維材料。
用發光纖維材料制作的復旦大學校徽。均本報記者 賴鑫琳 攝
可曾想過“穿”在身上的顯示器？融器件功能、紡織方法、織物形態于一體，在我們穿的衣服上瀏覽和收發信息、記錄事件備忘……
如何將顯示功能有效集成到電子織物中，同時確保織物的柔軟、透氣導濕、適應復雜形變等特性？這是智能電子織物領域的一大難題。
近日，復旦大學高分子科學系教授彭慧勝領銜的研究團隊，成功將顯示器件的制備與織物編織過程實現融合，在高分子復合纖維交織點集成多功能微型發光器件，揭示了纖維電極之間電場分布的獨特規律，實現了大面積柔性顯示織物和智能集成系統的應用。
北京時間11日零時，相關研究成果以《大面積顯示織物及其功能集成系統》為題在線發表于《自然》（Nature）主刊，審稿人評價其“創造了重要而有價值的新知識”.
破解智能電子織物領域難題
織物顯示求索之旅絕不是一條坦途。近十多年來，彭慧勝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，使用時域打了折扣。2015年，團隊在涂覆方法方面取得突破，成功解決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，并通過編成織物組成了不同的發光圖案。但此種方法也有局限之處，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。
團隊適時轉換思路。“在織物編織過程中，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。”以此為靈感，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發光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。”彭慧勝拿起一卷纏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。“而當我們給它們通上電，它們就顯示出了獨特一面--會發出明亮的光。”他拿起手邊的一件衛衣，展示其基本功能，衛衣上的復旦大學校徽由發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。
是什么使織物有了顯示特性？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。”彭慧勝解釋道。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，就形成一個個發光‘像素點'.”就這樣，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，制成了長6米、寬0.2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。
穩定性好，不怕彎折拉伸水洗
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？
課題組提出“限域涂覆”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。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。“通過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，從而形成穩定接觸界面，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。”彭慧勝說。
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。（記者 彭德倩 通訊員 楊澤璇）
