蘇州納米所印刷電子團(tuán)隊(duì)在高穩(wěn)定性織物柔性發(fā)光顯示方向取得研究進(jìn)展
柔性織物可穿戴電子電路系統(tǒng)是未來人體健康監(jiān)測的重要基礎(chǔ)平臺，在疏松多毛、多孔洞、高彈性、易形變服裝織物上，不以犧牲元器件的光電性能及面料的質(zhì)輕、柔軟、透氣等特性為代價，集成高柔韌度、高機(jī)械可靠性的導(dǎo)線及光電學(xué)元器件仍是當(dāng)前面臨的行業(yè)共性技術(shù)難題。
在織物面料表面構(gòu)建電子器件與電路面臨如下諸多挑戰(zhàn)：第一，如何克服多孔粗糙表面，實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電、高精度、耐拉伸電極電路的制備？第二，如何在保證電學(xué)功能的前提下最大限度保留織物輕柔透氣特性？第三，如何實(shí)現(xiàn)電路電子元器件具有與織物共形變的柔韌可拉伸特性，從而實(shí)現(xiàn)可水洗、耐揉搓等高耐久性？
針對上述挑戰(zhàn)，中科院蘇州納米所印刷電子團(tuán)隊(duì)近年來在織物基柔性可穿戴電子器件方面取得了一系列進(jìn)展，發(fā)展了基于銀納米線（AgNWs）和金屬網(wǎng)格（Metal Mesh）的透明導(dǎo)電薄膜，成功應(yīng)用于織物基可拉伸光電器件（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 24074-24085; Adv. Electron. Mater. 2021, 2100611; Flex. Print. Electron. 2022, 7, 034002），并在印刷織物電路及器件方面做了大量工作（J. Mater. Chem. C, 2020, 8, 16798-16807; ACS Appl. Electron. Mater. 2021, 3, 1747-1757; Nano Res. 2022, 15，4590-4598），另外在織物基智能系統(tǒng)方面也進(jìn)行了系列研究（ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 29144-29155; Nano Res. 2022, DOI: 10.1007/s12274-022-5077-9.）
近日，針對印刷墨水中有機(jī)溶劑對織物造成破壞和殘留問題，中科院蘇州納米所印刷電子團(tuán)隊(duì)袁偉副研究員等借鑒傳統(tǒng)燙印技術(shù)，利用激光刻蝕結(jié)合熱轉(zhuǎn)印開發(fā)了一種全固態(tài)、可圖案化、普適性的織物基交流電致發(fā)光器件（ACEL）制備方法。制備的織物發(fā)光器件具有優(yōu)異的機(jī)械和耐洗滌性能，器件界面剝離強(qiáng)度高達(dá)700N/m，按照標(biāo)準(zhǔn)洗滌流程機(jī)洗5次后器件發(fā)光均勻性不受影響，亮度僅降低9.7%，在針刺和裁切等物理損傷下仍然保持正常的發(fā)光功能。此外，研究者還展示了藍(lán)、綠、黃等多種彩色圖案，并且演示了利用家用工具在織物上DIY發(fā)光logo的制備流程。最后，將制備的發(fā)光器件集成到服裝上，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)像素化數(shù)字演示。這種普適的織物發(fā)光器件加工技術(shù)的開發(fā)將進(jìn)一步促進(jìn)未來可穿戴顯示器件的應(yīng)用。
圖1. 織物基ACEL器件的制備流程圖、截面SEM和模擬水洗展示
在織物上制備ACEL器件的工藝流程如圖1（a）所示。從底電極、發(fā)光層到透明頂電極，都預(yù)先結(jié)合激光雕刻技術(shù)制備好，具體步驟如下：第一步，在離型膜表面分別刮涂復(fù)合導(dǎo)電層和熱熔膠層，利用激光雕刻技術(shù)進(jìn)行圖案化處理，熱轉(zhuǎn)印到織物表面，標(biāo)記為1號和2號電極，其中1號電極與底電極相連，2號電極與隨后的透明頂電極相連；第二步，在離型膜表面刮涂發(fā)光層，利用激光雕刻技術(shù)進(jìn)行圖案化處理，隨后熱壓在底電極上；第三步，同樣利用激光雕刻技術(shù)對透明頂電極進(jìn)行圖案化處理，隨后熱壓在發(fā)光層上，透明頂電極覆蓋整個發(fā)光層并與2號電極相連。該器件的工作原理是形成一個電容器結(jié)構(gòu)，上下兩層為電極，中間為發(fā)光層，頂部的透明電極可允許光輸出。如圖1（d）所示制備的器件在模擬水洗狀態(tài)下，依舊具有出色的機(jī)械性能。
圖2. 透明金屬網(wǎng)格頂電極的光電性能和機(jī)械性能的表征
本研究工作的重要亮點(diǎn)之一是引入了蛇形可拉伸金屬網(wǎng)格透明電極，該電極在550 nm處其透過率為77.16%，同時方阻低至134.4 mΩ/sq，僅為ITO電極方阻的0.5%。此外，該電極在拉伸100%時電阻變化僅為~10%，在經(jīng)過長達(dá)8000次的彎折循環(huán)測試和50次的粘附力測試后，電極的阻抗幾乎不變。數(shù)據(jù)表明制備的透明金屬網(wǎng)格電極具有優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性，是織物發(fā)光顯示器件實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性的關(guān)鍵。
圖3. 發(fā)光層的微觀形貌、力學(xué)表征和發(fā)光器件的靜態(tài)數(shù)據(jù)表征
研究還對制備的彈性可拉伸TPU成分與發(fā)光及介質(zhì)材料配比進(jìn)行了系統(tǒng)評估，結(jié)合發(fā)光層的力學(xué)性能和發(fā)光器件的靜態(tài)數(shù)據(jù)，得出最優(yōu)的發(fā)光層為TPU：ZnS/Cu：BaTiO3三者的質(zhì)量比為8：20：4，基于此比例，還系統(tǒng)研究了驅(qū)動電壓和頻率對器件發(fā)光亮度和顏色的關(guān)系。
圖4. 發(fā)光器件的機(jī)械性能的表征
研究者對器件的發(fā)光性能進(jìn)行了系統(tǒng)全面的表征，包括機(jī)械耐久性、高溫高濕環(huán)境下的穩(wěn)定性、耐水洗性以及物理損壞，如圖4所示，器件在各種拉伸條件下仍保持著穩(wěn)定的性能；研究還展示了該織物藍(lán)、綠、黃多色發(fā)光LOGO器件及其自由可裁剪及抗針刺能力，并實(shí)現(xiàn)了織物面料上芯片驅(qū)動的智能動態(tài)化數(shù)字動態(tài)顯示。該研究成果證明了在織物面料表面構(gòu)建高機(jī)械穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)能力的發(fā)光顯示器件與電路結(jié)構(gòu)的可行性，為未來柔性織物可穿戴電子系統(tǒng)的發(fā)光顯示部件提供了一種新的解決方案。
相關(guān)工作以Thermally Laminated Lighting Textile for Wearable Displays with High Durability為題發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。中科院蘇州納米所碩士研究生林勇（已畢業(yè)，現(xiàn)為南京大學(xué)在讀博士生）和博士后陳小連為文章共同第一作者，通訊作者為袁偉副研究員和蘇文明研究員；本工作還得到了南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院孔德圣教授團(tuán)隊(duì)的大力幫助。
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