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全柔性织物显示系统

2021-07-12

 

复旦大学彭慧胜/陈培宁研究团队在新型织物显示系统方向取得进展,研究成果2021年3月10日以“Large-area display textiles integrated with functional systems”为题发表在Nature上,在国际上产生了较大反响;5月7日彭慧胜/陈培宁团队进一步被Nature邀请发表题为“Making large-scale, functional, electronic textiles”的总结性论文,展示新型织物显示系统在智能电子织物领域的独特应用。

作为电子设备的主要输出端,显示器件是信息传递的重要窗口和人机交互的主要平台,显示技术已成为现代信息化社会发展的重要推动力。近几十年来,显示器件朝着轻量化、柔性化、集成化方向发展,由最初的块状阴极射线管显示、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。但是,随着智能电子织物等可穿戴电子设备的蓬勃发展,如何将显示功能与织物融合集成,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,以满足未来物联网、人机交互、大数据、人工智能等新兴领域的快速发展要求,成为这个领域的一个国际难题。

图1. a) 显示织物结构示意图,发光经线和导电纬线在施加电压情况下,交织区域的发光材料受激发而发光;b, c) 分别为多色发光织物和发光点照片。

与传统平面显示技术相比,在柔软透气的织物上构建显示器件,在结构和制备方法等方面明显不同,无先例可循。团队突破传统显示器件经典三明治结构的研究范式,提出在高分子复合纤维交织点集成微型发光器件,即通过编织方法,将负载有发光活性层的复合纤维和透明的导电纤维交织在一起,交织点处活性材料受到电场激发而发光,每一个交织点类似于传统显示器中的一个像素点,通过向经纬纤维电极程序化输入驱动信号,即可实现显示功能(图1)。

首先,如何在几十至几百微米细的光滑纤维表面上沉积均匀的发光活性层,是非常困难的一件事情。团队将掺杂的硫化锌无机半导体发光材料与韧性高分子材料复合,设计了微孔辅助的限域涂覆方法,实现了千米级导电纱线表面半导体发光活性层的均匀负载。其次,纤维具有弯曲的表面,交织点区域形成非规则的曲面接触界面,如何在非规则纤维界面之间形成稳定均匀的电场,对显示织物发光点稳定性和均匀性至关重要,然而却一直是个难题。团队设计了弹性的透明导电纤维,并通过模量调控,与经线的发光纤维接触区域产生弹性形变,获得紧密接触界面,实现了在交织点非规则接触界面均匀的电场分布和稳定发光。所揭示的高曲率界面电场分布机制和规律,为发展新型柔性电子器件提供了理论支持。

图2. a)大面积显示织物照片;b, c) 分别为显示织物发光单元亮度的相对偏差统计和柱状图分布;d, e) 分别为显示织物在弯曲和拉伸变形1,000次后发光单元亮度变化分布统计。

研究团队实现了长6 m、宽20 cm、含约500,000个发光点的大面积显示织物,发光点亮度偏差小于8%,单个发光点亮度达到115.1 cd/m2,功率消耗低至几毫瓦,发光点间距可达到微米级别,分辨率可初步满足显示应用需求。织物显示系统还可以耐受弯折、拉伸、扭曲等多种复杂变形,具有良好的柔软度和舒适性,并且按照国际标准在洗衣机中洗涤500次后显示亮度保持稳定(图2)。

在全柔性显示织物系统的基础上,研究团队还实现了能量转化/储存、传感、实时通信等功能于一体的智能织物系统,在物联网应用,如实时定位、日常通讯、医疗辅助等方面表现出良好的应用前景,有望推动柔性电子、便携式人机交互系统、柔性健康监测终端等重要领域的发展。

详情请查看论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03295-8

https://www.nature.com/articles/d41586-021-00945-9



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