Nature Communications：用于大规模智能家居和物联网应用的具有多功能光纤器件的智能纺织品照明/显示系统

第一作者：Hyung Woo Choi, Dong-Wook Shin, Jiajie Yang, Sanghyo Lee

通讯作者：Luigi G. Occhipinti，Manish Chhowalla，Jong Min Kim

智能纺织品是由纤维制成或结合到纤维上的离散设备组成的。尽管智能纺织品在照明/显示应用方面取得了巨大的进步，但在传统纺织平台上实现具有集成多功能设备的智能显示系统的大规模方法尚未开发。

来自剑桥大学的Luigi G. Occhipinti、Manish Chhowalla和Jong Min Kim团队报告了一种可操作的46英寸智能纺织品照明/显示系统的技术，该系统由RGB光纤LED和多功能光纤器件组成，能够进行无线电力传输、触摸传感、光检测、环境/生物信号监测和能量储存。该智能纺织品显示系统具有完全自由的外形，具有灵活性和可弯曲性。作为一种真实的RGB照明控制的全色显示设备，该系统具有嵌入式光纤设备，可提供外部刺激的检测功能。本文的系统设计和集成策略具有通用性，为在智能家居和物联网(IoT)上实现革命性应用的大面积高功能智能照明/展示纺织品奠定了基础。相关工作以题为“Smart textile lighting/display system with multifunctional fibre devices for large scale smart home and IoT applications”的研究性文章在《Nature Communications》上发表。

链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-28459-6

用织造工艺制作智能纺织系统

图1显示了实现可操作的46英寸智能纺织系统制备的主要步骤。本文首先在单个纤维上赋予其特定的电子功能，然后将单独的纤维编织成纺织品(图1a)。这里的智能纺织品的制造方法与标准纺织技术和设备兼容，因此可以制造不限尺寸的纺织品(图1b)。本文注意到，对称编织图案被广泛用于制备智能纺织品，而非对称编织图案被用于保护F-器件的有源区（特别是F-光电探测器和F-生物传感器模块以及对齐F-LED）。然后，本文将六个编织的F-设备和一个全彩色34英寸显示屏(F-LED)编程制备出了新型智能纺织品系统(图1c)。另一方面，纺织品的特性使整个系统能够折叠、卷曲和弯曲，可实现壁挂式窗帘照明/展示(厚度小于5 mm，图1d)。

图1.集成了六个F器件和照明/显示设备(F-LED)的智能纺织品系统的制造过程和机械稳定性。

光纤设备的特性

本文利用刺绣方法制造了F-RF天线(一个方形螺旋天线)，旨在接收距离射频源的电磁场(频率为13.56MHZ)(图2a)，使用Ag-PA导电纤维作为模式开关(“显示模式”到“监控模式”)。F-光电探测器由铝(Al)/氧化锌(ZnO)-石墨烯光活性层/环氧树脂封装层结构组成，覆盖在聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)纤维上。通过紫外光照射(0.5 mW)(图2b)，本文测试了平行连接在非对称图案织物中的八通道F-光电探测器。结果表明，探测器在偏置电压为10V时产生最大约100倍的光电流增长，平均上升时间和平均衰减时间分别为3 秒和1 秒。另一方面，F-触摸传感器网络是使用Ag-PA导电纤维实现的，这些纤维在触摸时表现出电阻变化(转换为输出电压信号作为触摸持续时间从1s到30 s的函数)(图2c)。

图2.六个F-器件的特性。

光纤装置的机械和电气稳定性

本文特别关注光纤设备的机械和电气稳定性。为了评估每个F型器件的机械稳定性和电气可靠性，本文进行了半径为10 mm的循环弯曲或拉伸试验。作为输出器件，F-LED在一年多的时间内保持初始电特性，这是因为高度柔韧的铜纤维(图3a)在1000次弯曲循环下显示出不明显的电流密度变化。在导电纤维的情况下，本文注意到它在10 mm弯曲条件下不会改变其导电性(图3b)，因此进行了苛刻的拉伸测试。在步进式伸长台上放置了一种导电纤维，它是F-RF天线、F-触摸传感器、F-能量存储和设备互连的关键材料，也是将电荷从F-器件转移到控制器的关键材料，也是必备材料。结果发现，超过35%的单轴应变导致导电纤维断裂，这对于整个智能纺织品的机械弯曲或滚动条件来说是严重超标的。另一方面，F-RF天线是由导电纤维制成的，在1000次弯曲循环中显示出轻微的电阻变化(图3e)。与图3b中的单个导电纤维特性相比，电流与螺旋正方形天线保持不变，表明在输出电压、输出功率、整流信号与距离方面保持不变。

图3. F器件的机械和电气稳定性以及半径为10 mm的1000次循环弯曲试验结果。

智能纺织品展示系统的工作原理

作为智能纺织品照明/显示系统的概念验证，本文将F-RF天线、F-光电探测器、F-温度、F-触摸传感器、F-生物传感器模块和F-能源显示电源开关等6个器件连接到纺织品显示器上，并将集成的纺织系统用作智能家电。集成智能纺织品系统的工作原理如图4a所示：来自各个F-器件(通过电磁、光子、物理、环境和生物)的输入信号需要几个步骤的信号处理和分类，然后在纺织品显示器上可视化。几个控制器通过特定的电路连接到F-设备，以操作智能纺织品显示系统(图4a中的照片)。

图4.智能纺织品显示系统从材料到系统级的设计示意图。

结语

本文已经成功地将纺织工程和基于纤维的电子技术融合在一起，以集成一个功能齐全、功能多样的智能纺织系统。该大型(46英寸)的智能纺织品系统具有高亮度RGBW照明/显示器，并配有6个功能光纤设备，能够以自由的外形进行实时电磁、物理和信号监控。本文将多功能F-Device系统地集成到纺织平台中不仅是为电子工程师，也为新兴智能纺织品领域的传统纺织工程师提供了一个指南，以克服尺寸和外形的限制。

本文由SSC供稿。