施 翔，王 臻，彭慧勝

(1.復(fù)旦大學(xué) 高分子科學(xué)系，上海 200438；2.復(fù)旦大學(xué) 聚合物分子工程國家重點實驗室，上海 200438；3.復(fù)旦大學(xué) 先進材料實驗室，上海 200438)

人類從外界所獲取的信息有80%來自于視覺，顯示設(shè)備作為人機交互的窗口，推動了信息社會的發(fā)展[1-3]。近年來，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)電子設(shè)備的手持使用模式已難以滿足人們與更大規(guī)模的信息高效、實時交互的需求，主要的瓶頸在于顯示設(shè)備仍未擺脫硬質(zhì)、塊狀的傳統(tǒng)形態(tài)。將顯示器件制成輕薄、貼近人體的可穿戴設(shè)備，被認(rèn)為是解決這個問題的有效途徑[4-5]，因此，理想的可穿戴顯示器件需要貼合人體不規(guī)則表面，與人體力學(xué)性能實現(xiàn)有效匹配，在跟隨人體發(fā)生三維扭曲的劇烈形變時保持良好的性能。此外，新型可穿戴顯示器件需要具備透氣性，以滿足在便攜式人機交互、健康監(jiān)測、社交通信等應(yīng)用場景中人體舒適度和長期穩(wěn)定性的要求。

織物是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡慕M成部分，主要由柔性纖維構(gòu)成互鎖網(wǎng)絡(luò)[6]。這種獨特的結(jié)構(gòu)使織物具有柔軟質(zhì)感以保證穿著舒適度，高的孔隙率以實現(xiàn)透氣導(dǎo)濕，一定的彈性以貼合人體不規(guī)則表面和順應(yīng)人體活動中的扭曲變形[7]，因此，將顯示器件與織物的結(jié)構(gòu)融合集成，得到具有柔性、透氣性的顯示織物，符合可穿戴顯示設(shè)備的理想形態(tài)。

顯示器的功能單元是發(fā)光器件，其傳統(tǒng)的制備方法是在平面基底上逐層沉積厚度均勻、膜層平整的電極和發(fā)光活性層，器件通常為三明治疊層結(jié)構(gòu)[8-9]；然而織物具有高度粗糙多孔的形貌，難以直接在其表面進行發(fā)光器件的制備，因此，實現(xiàn)顯示功能與織物集成的關(guān)鍵問題在于如何設(shè)計與織物有效匹配的發(fā)光材料和器件結(jié)構(gòu)。

本文系統(tǒng)總結(jié)了不同發(fā)光材料和器件結(jié)構(gòu)在織物發(fā)光和顯示中的應(yīng)用，討論了不同構(gòu)建策略下器件發(fā)光性能、柔性、穩(wěn)定性、顯示效果等的變化規(guī)律，最后展望了織物顯示技術(shù)的發(fā)展方向。

1 電致發(fā)光器件概述

目前，人們已經(jīng)將多種不同類型的發(fā)光材料應(yīng)用于構(gòu)建織物電致發(fā)光器件，發(fā)光材料的基本性質(zhì)和發(fā)光原理決定了器件結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文根據(jù)器件的驅(qū)動原理，按照直流發(fā)光器件和交流發(fā)光器件進行分類闡述。

直流驅(qū)動的器件中最常見的是發(fā)光二極管，其發(fā)光原理是在正向偏壓下，空穴和電子分別從正極和負(fù)極注入發(fā)光半導(dǎo)體材料的價帶和導(dǎo)帶，空穴和電子在半導(dǎo)體材料中復(fù)合，多余的能量以可見光的形式發(fā)射形成發(fā)光。所選用的半導(dǎo)體材料的帶隙不同，載流子復(fù)合后發(fā)射的光的波長也不同。發(fā)光二極管由于其低功耗、高亮度等突出優(yōu)勢，如今被廣泛應(yīng)用于日常生活中的照明和顯示[10]。根據(jù)發(fā)光材料的組成，進一步可分為無機發(fā)光二極管和有機發(fā)光二極管。無極發(fā)光二極管是基于III-V族元素半導(dǎo)體形成的PN結(jié)實現(xiàn)發(fā)光[11](見圖1(a))，但是無機發(fā)光半導(dǎo)體是本征脆性材料，無法滿足器件柔性的需求。

有機發(fā)光二極管的材料為具有共軛結(jié)構(gòu)的小分子或聚合物半導(dǎo)體，依靠空穴和電子在有機半導(dǎo)體發(fā)光層中復(fù)合而發(fā)光[12](見圖1(b))。有機發(fā)光材料具有本征柔性，更適用于柔性發(fā)光器件的制備，并且可通過加入增塑劑進一步調(diào)節(jié)發(fā)光層的模量使其具有彈性，使發(fā)光器件耐受拉伸、扭曲、戳刺等極端變形[13]。有機發(fā)光二極管雖然具有柔性和高效率的優(yōu)勢，但是需要額外添加電荷傳輸層來保證載流子傳輸過程中的能級匹配，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。器件所使用的低功函金屬電極化學(xué)穩(wěn)定性差，也容易在頻繁的變形中產(chǎn)生裂紋。

聚合物發(fā)光電化學(xué)池是一種利用聚合物電解質(zhì)作為發(fā)光層的直流發(fā)光器件，發(fā)光層主要由共軛發(fā)光聚合物、固態(tài)電解質(zhì)和離子鹽構(gòu)成，當(dāng)在發(fā)光層之間施加大于共軛聚合物的帶隙的電壓時，離子向兩極遷移，使得正極和負(fù)極附近的發(fā)光聚合物發(fā)生電化學(xué)摻雜，分別生成P型區(qū)和N型區(qū)，并與中央的聚合物本征I區(qū)自發(fā)形成P-I-N結(jié)，電荷注入P-I-N結(jié)后實現(xiàn)發(fā)光[14](見圖1(c))。該獨特的材料和機制使得聚合物發(fā)光電化學(xué)池具有較高的本征彈性，不需要材料的能級匹配，對基底平整度要求較低，適用刮涂、噴涂等制備工藝，在織物顯示應(yīng)用中有較大潛力[15-16]。

交流發(fā)光器件中，最常用的是粉末交流發(fā)光器件，其發(fā)光層是將電致發(fā)光粉與絕緣柔性聚合物復(fù)合得到[17]。直流發(fā)光器件的激發(fā)依靠注入發(fā)光層中的電流，交流發(fā)光器件的激發(fā)則是依靠施加在發(fā)光層兩端的交流電場。以銅摻雜的硫化鋅發(fā)光粉為例，當(dāng)電場施加在發(fā)光粉上時，電子和空穴從發(fā)光粉中的Cu2-xS相注入到ZnS晶格中并被摻雜形成的陷阱俘獲，當(dāng)電場反轉(zhuǎn)，電子和空穴復(fù)合從而實現(xiàn)發(fā)光[18](見圖1(d))。

圖1 器件發(fā)光原理示意圖

由于場致發(fā)光的機制，交流發(fā)光器件更易于通過材料改性滿足更多柔性可穿戴器件的使用需求，如引入超彈性聚合物使發(fā)光器件耐受超過400%的拉伸[19]，或者引入自愈合的聚合物實現(xiàn)發(fā)光器件在機械損傷下功能的自行修復(fù)[20]。此外，交流發(fā)光器件還具有不需要考慮層間能級匹配、發(fā)光層平整度要求低，易于大面積加工，電極與發(fā)光層之間通過簡單的物理接觸就能實現(xiàn)器件正常工作等優(yōu)點，在柔性發(fā)光器件中得到了廣泛的關(guān)注。

2 織物基平面發(fā)光器件

平面柔性發(fā)光器件的材料、工藝等發(fā)展較為成熟，因此將平面柔性發(fā)光器件轉(zhuǎn)移貼附在織物表面，或者以織物為基底制備平面柔性發(fā)光器件是得到織物顯示最直接的方式?；谟袡C發(fā)光二極管的柔性薄膜顯示已得到廣泛應(yīng)用，其正常工作需要納米級平整的基底，研究人員通過在粗糙的織物基底上利用熱壓或紫外光聚合的方式引入聚合物緩沖層，將具有微米級溝壑的織物表面轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂屑{米級粗糙度的平整表面，構(gòu)建了高效的織物發(fā)光器件[21-22](見圖2(a))。所得到的織物發(fā)光二極管與薄膜器件性能相當(dāng)，通過改良封裝條件，織物發(fā)光二極管在水下依舊能穩(wěn)定工作[23]。

交流發(fā)光器件對基底平整度要求低，可使用導(dǎo)電織物同時作為電極和器件基底，在其表面通過涂刷或打印的方式制備膜層連續(xù)、覆蓋均勻的ZnS發(fā)光材料，以銀納米線、聚乙撐二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)導(dǎo)電聚合物或?qū)щ娔z作為透明電極，可得到交流發(fā)光織物[24-25](見圖2(b))。如以商業(yè)的錦綸-氨綸面料作為基底，在其表面鍍金得到彈性薄紗透明電極，以解決現(xiàn)有透明電極材料柔性差、穩(wěn)定性低的問題。在薄紗電極表面負(fù)載彈性ZnS發(fā)光層后，得到貼合人體的發(fā)光織物，器件在100%拉伸下依然穩(wěn)定發(fā)光，具有良好的穿戴舒適性[26]。

圖2 織物基平面發(fā)光器件

3 發(fā)光纖維

以織物為基底制備平面發(fā)光器件所使用的薄膜材料的模量大都高于織物的模量，二者力學(xué)性質(zhì)的不匹配會導(dǎo)致織物柔性降低，更容易導(dǎo)致在頻繁變形過程中器件的功能層發(fā)生脫落、破損，器件最終失效[21]。此外，貼附于織物表面的薄膜材料會遮蓋織物的多孔結(jié)構(gòu)，降低織物舒適性和透氣性，難以實現(xiàn)大面積集成。

織物的基本構(gòu)成單元是纖維，將二維的薄膜發(fā)光器件轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S的纖維發(fā)光器件，可通過編織的方式與織物集成，不會犧牲織物固有的透氣導(dǎo)濕性。此外，一維結(jié)構(gòu)具有更好的柔性，能順應(yīng)不同形式的彎折，有利于提高織物柔性和器件的力學(xué)穩(wěn)定性[27]?；谝陨蟽?yōu)勢，研究人員開發(fā)了一系列纖維狀發(fā)光器件，并獲得了全編織結(jié)構(gòu)的發(fā)光和顯示織物，本文從直流發(fā)光纖維和交流發(fā)光纖維2個方面進行闡述。

3.1 無機發(fā)光二極管纖維

無機發(fā)光二極管性能穩(wěn)定、成本低，已獲得大規(guī)模應(yīng)用，將其集成到紗線上是最優(yōu)先考慮的方案。由于無機發(fā)光二極管本身不具備柔性，研究人員普遍采取的策略是用柔性纖維電極將具有硬質(zhì)封裝的微型無極發(fā)光二極管連接起來，得到局部剛性、整體柔性的發(fā)光纖維。

在早期的工作中，研究人員采取直接焊接的方法，將無機發(fā)光二極管元件連接在導(dǎo)線上[28-29]?；跓o機發(fā)光二極管的發(fā)光纖維具有優(yōu)異的發(fā)光性能和長的使用壽命，但是焊接工藝的使用使得制備過程繁瑣，難以進行高效連續(xù)化生產(chǎn)，金屬焊接材料的使用也進一步降低了纖維的柔性。

為了解決這一問題，研究人員基于熱拉工藝開發(fā)了規(guī)?；苽浞椒?，在無需焊接的情況下在纖維內(nèi)部集成了微米級尺寸的發(fā)光二極管[30](見圖3(a))。具體是將發(fā)光二極管和金屬細(xì)絲嵌入熱塑性聚合物基體中，通過加熱聚合物并施加牽引，將基體聚合物成形為纖維。拉伸細(xì)化過程中，金屬絲和硬質(zhì)發(fā)光二極管的距離逐漸靠近，直至相互接觸形成電學(xué)連接，最終纖維直徑約為500 μm?；谠摲椒ǖ玫降陌l(fā)光纖維可通過機器編織到織物中，在智能傳感和光通信領(lǐng)域展示出良好的應(yīng)用前景。

圖3 發(fā)光纖維及織物

局部剛性、整體柔性的纖維結(jié)構(gòu)使得織物發(fā)光形態(tài)呈現(xiàn)分散的點狀，增加無機發(fā)光二極管的密度會導(dǎo)致柔性的喪失，因此該策略在織物顯示領(lǐng)域應(yīng)用受限。研究人員通過將光纖和發(fā)光二極管結(jié)合，將光纖編入織物中，通過光纖將發(fā)光二極管發(fā)射的光導(dǎo)入到織物中，緊密編織的聚合物光纖可作為高密度分布的織物光源。通過在光纖表面制備有規(guī)則分布的微米級刻痕，使光從刻痕處發(fā)射出來，通過調(diào)控刻痕的深淺、寬度等參數(shù)實現(xiàn)對發(fā)射光強度的控制，在織物表面形成高質(zhì)量的圖像顯示[31]。然而，與傳統(tǒng)的紡織纖維相比，聚合物光纖硬質(zhì)、觸感差，在反復(fù)彎折情況下極易損壞。更重要的是，一經(jīng)加工的光纖表面刻痕是不可逆的，無法實現(xiàn)可變圖像的顯示，其應(yīng)用范圍非常有限。

3.2 有機發(fā)光二極管纖維

有機發(fā)光材料由于本征柔性的優(yōu)勢，更適合于制備輕質(zhì)、柔軟的纖維發(fā)光器件。有機發(fā)光二極管納米級厚度薄膜的發(fā)光容易受微小缺陷的影響，因此主要的挑戰(zhàn)來自如何在纖維表面構(gòu)建高質(zhì)量功能薄膜。

早期研究人員以聚酰亞胺涂覆的硅纖維為基底，制備了基于熱蒸鍍工藝的有機發(fā)光二極管纖維[32]，但是蒸發(fā)沉積方式不利于在纖維高曲率表面形成厚度均勻、精確的薄膜；采用的有機小分子發(fā)光材料結(jié)晶性強，膜層力學(xué)穩(wěn)定性差，該研究僅實現(xiàn)了毫米級長度的纖維發(fā)光。

聚合物發(fā)光材料具有更好的柔性，可以通過溶液涂覆的連續(xù)化方法在纖維表面成膜，更適合于發(fā)光纖維的構(gòu)建，因此，研究人員基于溶液法制備了有機發(fā)光二極管纖維[33](見圖3(b))，在柔性聚酯纖維表面依次浸涂PEDOT:PSS電極層、聚乙烯亞胺/ZnO納米顆粒(PEI/ZnO)電子傳輸層和超級黃色聚合物共軛發(fā)光層。最后通過蒸鍍的方式在纖維一側(cè)沉積Al/MoO3電極，另一側(cè)纖維表面用于向外發(fā)射光。低粗糙度的PEDOT:PSS層和高質(zhì)量電子傳輸層共同確保纖維良好的發(fā)光性能，器件在10 V下的亮度和電流效率分別超過10 000 cd/m2和11 cd/A。有機發(fā)光二極管纖維直徑最小可達到90 μm，具有良好的柔性，可承受3.5 mm的彎曲半徑，并可以編入織物中進行字母顯示。有機發(fā)光材料對水氧敏感，需要進一步通過原子層沉積法在纖維表面沉積Al2O3封裝層，纖維在150 cd/m2亮度下空氣中的發(fā)光半衰壽命達到230 h。

目前，所報道的纖維狀有機發(fā)光二極管依然無法完全擺脫熱蒸發(fā)沉積工藝，導(dǎo)致器件制備工序復(fù)雜，成本較高，纖維器件的連續(xù)化制備難以實現(xiàn)，器件長度限制在厘米尺度，開發(fā)可溶液加工的纖維負(fù)極材料是一個重要的發(fā)展方向。

3.3 聚合物發(fā)光電化學(xué)池纖維

由于不需要電極與發(fā)光層之間嚴(yán)格的能級匹配，聚合物發(fā)光電化學(xué)池器件無需使用金屬電極，從而避免了真空蒸鍍工藝。原位電化學(xué)摻雜的發(fā)光機制使發(fā)光層對平整性要求較低，在連續(xù)化制備和織物應(yīng)用方面顯示出突出潛力。

最近研究人員基于溶液法開發(fā)了聚合物發(fā)光電化學(xué)池纖維[34](見圖3(c))。器件具有同軸結(jié)構(gòu)，以不銹鋼絲作為纖維電極，依次浸涂ZnO納米顆粒、發(fā)光聚合物電解質(zhì)(包含發(fā)光共軛聚合物PF-B，離子導(dǎo)電成分乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯和摻雜劑三氟化甲烷基硫酸鋰)分別作為電子傳輸層和發(fā)光層，最后在外部纏繞取向碳納米管膜作為透明電極。ZnO納米顆粒起到降低器件漏電流、平衡載流子注入以及防止熒光猝滅效應(yīng)的作用；碳納米管薄膜具有102～103S/cm的高電導(dǎo)率以及87%的高光學(xué)透過率，可通過連續(xù)化的纏繞方式進行組裝。

聚合物發(fā)光電化學(xué)池纖維在13 V下達到最高亮度609 cd/m2，電流效率達到0.83 cd/A，并且發(fā)光比較均勻，在纖維圓周方向發(fā)光亮度不隨觀察角度的改變而變化。由于發(fā)光層和電極材料良好的本征柔性，發(fā)光纖維在9 mm曲率半徑下連續(xù)彎曲100次后的亮度保持初始亮度的91.2%?；诶w維器件的良好柔性和穩(wěn)定性，可將不同顏色的聚合物發(fā)光電化學(xué)池纖維纏繞組裝為復(fù)合纖維，實現(xiàn)藍(lán)-白-黃色光譜可調(diào)的變色纖維，也可將纖維編到織物中，實現(xiàn)不同字母的顯示。

但是，由于發(fā)光層P-I-N結(jié)穩(wěn)定性較差、聚合物電解質(zhì)易降解等問題，導(dǎo)致聚合物發(fā)光電化學(xué)池纖維壽命較低[35]，所報道的發(fā)光半衰壽命為4 h。此外，在實際使用中，纖維還會頻繁受到擠壓、摩擦等外力作用，碳納米管電極薄膜以及納米級厚度的聚合物電解質(zhì)發(fā)光層是否可以耐受外力作用，還需要進一步評估。

3.4 交流電致發(fā)光纖維

粉末交流發(fā)光器件中，通常采用橡膠和樹脂材料作為聚合物基體與發(fā)光粉復(fù)合制備發(fā)光層[36]，其力學(xué)穩(wěn)定性顯著高于直流發(fā)光體系?；趫鲋掳l(fā)光的原理，粉末交流發(fā)光活性層的厚度在50～1 000 μm區(qū)間均可正常工作，對膜層平整度要求低[37]，適合與具有不規(guī)則表面的纖維或織物結(jié)合。此外，粉末交流發(fā)光體系在長時間工作情況下發(fā)熱量低[24]，也使其在可穿戴應(yīng)用上具有優(yōu)勢。根據(jù)器件結(jié)構(gòu)分類，交流電致發(fā)光纖維可分為纏繞結(jié)構(gòu)和同軸結(jié)構(gòu)2種。

纏繞結(jié)構(gòu)是將負(fù)載有發(fā)光層的復(fù)合纖維和纖維電極纏繞得到。如以鍍銀錦綸復(fù)絲作為纖維電極，通過溶液涂覆的方式依次在外層負(fù)載混合BaTiO3的聚合物介電層、ZnS電致發(fā)光層和透明封裝層，得到負(fù)載有發(fā)光層的復(fù)合纖維，與細(xì)銅絲或鍍銀錦綸絲纏繞得到交流電致發(fā)光纖維[38]。金屬纖維電極的高電導(dǎo)率可以高效地在纖維長度方向上傳遞電場，以驅(qū)動米級長度的交流電致發(fā)光纖維；但是金屬電極不透光，對發(fā)光效果有較嚴(yán)重的遮擋，因此該發(fā)光纖維在370 V下的照度僅為0.065 lx，其低發(fā)光亮度限制了該類器件的實際應(yīng)用。此外，纏繞結(jié)構(gòu)的纖維電極無法完全覆蓋發(fā)光活性層，因此該纖維只能實現(xiàn)部分發(fā)光。

針對纏繞結(jié)構(gòu)纖維亮度低、發(fā)光區(qū)域不完整的問題，在負(fù)載有發(fā)光層的復(fù)合纖維表面涂覆透明導(dǎo)電層，構(gòu)建同軸結(jié)構(gòu)的交流電致發(fā)光纖維可以解決以上問題。一個典型的例子是在聚合物纖維基底上依次涂覆銀納米線內(nèi)電極、硅膠絕緣層、發(fā)光粉層、銀納米線外電極和封裝層，獲得直徑約為500 μm的交流電致發(fā)光纖維[39]。同軸結(jié)構(gòu)設(shè)計顯著提升了器件的發(fā)光性能，在195 V下發(fā)光亮度達到202 cd/m2，并且纖維在長度方向和圓周方向均勻發(fā)光。所使用的硅橡膠材料保證了器件良好的穩(wěn)定性，器件在循環(huán)彎曲500次后亮度衰減小于10%；且可抵擋空氣中水、氧的侵蝕，在連續(xù)工作6 h后亮度下降13.3%。

可穿戴器件采用本征可拉伸的材料制備不僅能提高穿著舒適度，也使器件在頻繁拉伸、扭曲等變形下可以保持性能穩(wěn)定，因此，基于彈性導(dǎo)電凝膠和硅橡膠-發(fā)光粉復(fù)合發(fā)光層，研究人員提出了一步法擠出彈性交流電致發(fā)光纖維的技術(shù)[40](見圖3(d))。所采用的冷凍交聯(lián)的凝膠在纖維擠出-固化過程中不發(fā)生體積變化、沒有氧阻聚現(xiàn)象，保證了電極材料和發(fā)光層間穩(wěn)定的器件界面，因此，發(fā)光纖維最大拉伸量達到800%，并且在300%拉伸量下穩(wěn)定循環(huán)。得益于良好的穩(wěn)定性，該發(fā)光纖維可通過機器與普通紗線混編，得到了彈性的發(fā)光織物，通過對編織圖案和控制電路的設(shè)計，獲得了織物七段顯示器(見圖(3(e)、(f))。

4 經(jīng)緯交織顯示織物

平面動態(tài)圖像顯示是通過輸入行列電信號調(diào)控微型發(fā)光單元陣列的程序化啟亮來實現(xiàn)的，其中每個微型發(fā)光單元稱為一個顯示像素[41]。發(fā)光纖維是線狀光源，將發(fā)光纖維編入織物中只能顯示特定的編織圖案，顯示的信息非常受限，無法在織物上實現(xiàn)如同手機、電腦屏幕的動態(tài)像素顯示，使其難以作為可穿戴人機交互界面得到進一步應(yīng)用。

織物的經(jīng)緯交織結(jié)構(gòu)與平面顯示器中的像素陣列類似。最近本文課題組提出在經(jīng)緯交織點處構(gòu)建微型發(fā)光器件的策略，即開發(fā)負(fù)載交流電致發(fā)光活性層的復(fù)合經(jīng)紗和透明導(dǎo)電緯紗，將其編織在一起，2種紗線相互接觸形成織物顯示像素[42](見圖4(a))。通過熔融紡絲的方法制備了低模量的彈性透明導(dǎo)電纖維，其在交織界面處發(fā)生自適應(yīng)彈性形變，在經(jīng)緯交織處形成緊密貼附的面狀接觸，從而在纖維高曲率接觸界面構(gòu)建均勻電場，實現(xiàn)了經(jīng)緯交織發(fā)光器件穩(wěn)定工作。該方法實現(xiàn)了編織方法和顯示器制備的統(tǒng)一?；谶B續(xù)化的編織工藝，實現(xiàn)了包含5×105個電致發(fā)光單元、6 m長、25 cm寬的大面積顯示織物(見圖4(b))，發(fā)光單元發(fā)光均勻，600個織物像素亮度偏差小于8%。顯示織物具有良好的穩(wěn)定性，耐受上萬次彎折和上百次機洗?？椢锵袼亻g距最小達到800 μm(見圖4(c)、(d))，通過與供能、輸入和無線通信等模塊集成，實現(xiàn)了智能織物顯示系統(tǒng)，展示出其在物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)航、便攜通信、輔助溝通等領(lǐng)域的良好應(yīng)用前景。

圖4 經(jīng)緯交織顯示織物

上述基于ZnS交流發(fā)光材料的顯示織物亮度最高達到115 cd/m2，其亮度未能完全滿足應(yīng)用需求，比如室內(nèi)最優(yōu)顯示亮度通常高于200 cd/m2[43]。此外，ZnS交流發(fā)光材料缺少高效的紅色體系，無法實現(xiàn)全彩發(fā)光，因此，基于高效、全彩的有機發(fā)光二極管體系發(fā)展了經(jīng)緯交織的顯示織物[44]。紅、綠、藍(lán)織物像素的最高亮度均超過1 000 cd/m2，最高電流效率分別達到16.3、60.7和16.9 cd/A。通過掩膜的方法在纖維上分段沉積功能材料，再將負(fù)載有圖案化發(fā)光功能層的纖維和金屬纖維經(jīng)緯交織，制得4像素×4像素的顯示織物，在行列電信號的控制下實現(xiàn)不同字母的顯示。但是，熱蒸發(fā)沉積工藝導(dǎo)致纖維長度受限和膜層均勻性不佳，獲得像素亮度均勻、大面積的有機發(fā)光二極管織物顯示依然存在挑戰(zhàn)。

5 結(jié)束語

在過去十多年中，織物顯示經(jīng)歷了快速的發(fā)展。通過材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計，器件結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從硬質(zhì)到柔性、二維到一維的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了電子器件制備與織物的有效融合，但仍然有一些問題亟待解決，以推進顯示織物的實際應(yīng)用。

1)發(fā)光材料是顯示性能的基礎(chǔ)。有機半導(dǎo)體發(fā)光材料有高亮度、高效率和全色彩的優(yōu)勢，但是其化學(xué)穩(wěn)定性差、膜層質(zhì)量要求高。在織物應(yīng)用中需要面臨嚴(yán)苛的物理化學(xué)環(huán)境，器件性能難以保持穩(wěn)定；粉末交流發(fā)光材料能與韌性聚合物復(fù)合形成耐極端變形、耐摩擦、耐水洗的穩(wěn)定發(fā)光層，但是需要高壓驅(qū)動，亮度低、色彩單一，難以應(yīng)用于高質(zhì)量顯示器件，因此，需要結(jié)合二者的優(yōu)勢開發(fā)新型發(fā)光材料。

2)全彩顯示是智能人機交互的標(biāo)配。平面顯示中利用3個緊密相鄰的紅、綠、藍(lán)發(fā)光器件光譜疊加實現(xiàn)全彩發(fā)光?；诶w維的發(fā)光器件形成的是曲面光源，在空間中形成的光場與平面器件不同，發(fā)展基于曲面的新型表征手段，探究三原色纖維的幾何尺寸、空間位置、觀察角度等因素對纖維光譜疊加效果的影響規(guī)律，是實現(xiàn)全彩織物顯示的基礎(chǔ)。

3)分辨率是提高顯示質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。顯示技術(shù)的發(fā)展中，通過縮小像素尺寸提高顯示器分辨率使得圖像質(zhì)量不斷提高。目前的顯示織物像素點尺寸最小約為200 μm，像素點間隔約為800 μm，距離商業(yè)顯示器還有比較大的距離。發(fā)展超細(xì)纖維表面材料均勻負(fù)載的新方法，研究纖維交織界面的電場分布和載流子遷移規(guī)律是未來需要攻克的難題。

4)系統(tǒng)集成是實現(xiàn)應(yīng)用的前提。以織物顯示為中心，人機交互功能的實現(xiàn)還需要運算、供能、傳感、通信等模塊的共同運轉(zhuǎn)。目前研究人員已經(jīng)開發(fā)了多種不同功能的纖維器件，如何在織物上實現(xiàn)精確、穩(wěn)定的電學(xué)連接和織物器件之間的電學(xué)參數(shù)匹配，從而獲得足夠續(xù)航、運行穩(wěn)定的織物系統(tǒng)是亟需解決的問題。