新闻动态-
“穿”在身上的显示器:工研院张立华课题组参与合作研发的全柔性织物显示系统成果登《自然》主刊

作为电子通讯设备的主要输出端,显示是信息传递的重要窗口和人机交互的主要平台。近几十年来,显示技术取得了长足进步,从最初的阴极射线管显示、液晶显示、有机发光二极管显示发展到现在的柔性薄膜显示,经历了从模糊到清晰,从单色到彩色,从笨重到轻薄的发展过程。近年来,可穿戴电子设备蓬勃发展,极大地拉近了人们与电子器件的距离,被认为是继计算机、移动终端、智能终端之后的又一次科技革命。智能电子织物可实现器件功能、纺织方法、织物形态的有机融合,兼具智能、柔软、适应复杂形变、透气导湿等优点,是未来可穿戴设备领域的重要发展方向。将显示功能与织物融合集成,可为智能电子织物开拓新的发展方向,并有效推动传统纺织制造和物联网、人机交互、大数据、人工智能等新兴领域的快速融合发展,有望催生新兴技术,在某些方面改变人们的生活方式。如何将显示功能有效的集成到电子织物中,在实现显示的同时,又确保织物的柔软、透气导湿、适应复杂形变等特性,是智能电子织物领域面临的一个难题。

近日,复旦大学工研院张立华教授课题组参与高分子科学系彭慧胜教授领衔的合作研究团队,成功将显示器件的制备与织物编织过程融合在一起,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,解决了在这种特殊交流电场下对纤维发光器件进行驱动与控制的难题,实现了大面积柔性显示织物和智能集成系统。310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(https://doi.org/10.1038/s41586-021-03295-8),审稿人评价其“创造了重要而有价值的新知识”。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复旦大学工程与应用技术研究院博士研究生翟鹏为论文的共同第一作者。该研究工作受到了国家自然科学基金委、科技部、上海市科委和教委等多个项目的资助。

众所周知,在编织过程中,经纬线的交织在织物中自然地形成了类似于显示器像素阵列的点阵。因此,彭慧胜团队基于一种负载有发光活性材料的高分子复合纤维,和一种透明导电的高分子凝胶纤维,通过这两种功能纤维在编织过程中的经纬接触形成电致发光器件,进而实现了一种新型柔性发光和显示织物。

发光器件呈现独特的搭接结构,由发光经线和导电纬线交错而成。从横截面来看,器件其中一根为涂覆有发光材料的导电纱线,透明导电纬线通过编织与其接触。施加交流电压后,位于搭接纤维电极之间的发光材料在经纬线接触点区域被电场激发,形成一个个发光‘像素点’。基于电场激发的工作原理,电极和发光层凭借物理搭接即可实现有效发光,该方法将发光器件制备与织物编织相统一,利用商业化编织设备,实现了长6 m、宽20 cm、含约500,000个发光点的发光织物,发光点之间最小的间距为0.8 mm,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,可实现多色发光单元,形成多彩织物。

相比于传统的直流发光器件,这种特殊的发光纤维需要采用交变电场驱动,电路结构复杂,信号易受干扰。为此,工研院博士生翟鹏在张立华教授的指导下,重点攻关发光纤维的柔性驱动控制系统。受通信系统中“时分多址”技术的启发,将控制信号进行“时分”编码,有效降低了交变信号对电路的干扰,提升了纤维的发光稳定性与寿命。

除了显示织物,张立华课题组还重点参与实现了织物系统中能量收集与存储、信号传感与处理等多功能织物器件的软硬件系统及算法。合作研究团队通过编织的方法,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,以及该系统在物联网应用,如实时定位、日常通讯、医疗辅助等方面的研发与探索。我们可以展望,这样一个织物集成系统,能够有效帮助交流障碍的人群与他人建立连接,帮助医生更快捷直观地了解患者的诸多身体指标,以及为极地科考、地质勘探等野外工作场景提供一个更加便捷、安全的信息处理装备。

复旦大学工程与应用技术研究院自2017年成立以来,通过高水平科研创新平台与前沿领军人才队伍建设,逐步具备了承担新工科相关领域重大重点科研项目的科研攻关能力。此次工研院与高分子科学系两个课题组之间的成功合作,为校内跨学科的交叉创新提供了又一良好范例。此前,张立华教授课题组与复旦大学附属中山医院开展了包括国家科技创新2030-“新一代人工智能”重大项目申请以及国自然医学部重大项目等多项合作也促进了医工交叉合作。在上述良好合作的基础上,课题组将再接再厉,通过开展融合人工智能、新材料与医学应用等的医理工多学科交叉合作创造科学前沿新的生长点,助力解决人类面临的重大复杂科学问题、社会问题。


/翟鹏,杨泽璇