电子智能纺织品用柔性器件的研究进展

电子智能纺织品用柔性器件的研究进展张瑞1，刘晓霞2，辛斌杰3（上海工程技术大学，服装学院，上海，201620）摘要：简述了智能纺织品的定义，电子智能纺织品的工作原理和技术构成。将电子智能纺织品用柔性器件分为柔性传感器、柔性显示器、柔性触控装置、柔性电池和其它柔性器件五类并重点介绍了各类柔性器件的研究进展。认为柔性器件制备技术的进步，将会给电子智能纺织品带来更广阔的发展空间。关键词：智能纺织品；电子信息；柔性器件1、引言智能纺织品是基于仿生学概念，能够模拟生命系统，并且具有对外界刺激感知和反应的能力，能够实现自检测、自诊断、自调节和自修复等多种特殊功能的一种高科技纺织产品[1]。电子智能纺织品不只是将电子组件及电子电路与纺织品结合，而是基于电子技术，将传感、通讯、人工智能等高科技手段应用于纺织技术上而开发出的新型纺织品[2]。电子智能纺织品的核心要素是感知、反馈、响应，其工作过程如图1所示，当纺织品所处的外界环境发生变化时，传感器及时感知到其变化，并将变化所产生的信号通过信息处理器作出判断处理，再将处理后的信息传输给驱动部分，最后驱动部分根据得到的信息对纺织品材料作出相应的调整，以适应外界环境的变化。电子智能纺织品广泛应用于军事、航空航天、医疗保健、通信娱乐和土木结构等领域。从士兵的单兵作战服到航天飞行员的舱外活动服，从图2的病人可穿戴式心电呼吸传感器到图3的可卷曲显示器，电子智能纺织品正逐渐融入到我们的生活中。1张瑞（1993-），男，纺织工程专业硕士在读，主要研究方向为数字化纺织技术。2刘晓霞，通讯作者，教授，主要研究方向为纺织材料及纺织新技术，邮箱：[e-mail]。3辛斌杰，男，副教授，主要研究方向为数字化纺织技术及功能性纺织品开发。环境变化信息处理部分传感部分驱动部分材料改变图1.智能纺织品工作过程（a）可穿戴的皮肤可接触式传感器（b）用于体外诊断的可植入式器件图2.柔性可穿戴电子在医学监测治疗领域中的应用图3.笔状可卷曲显示器电子智能纺织品的技术构成主要包括：（1）微型器件。电子纺织品是把电子器件嵌入或织入纺织面料中，使其浑然一体。计算机技术和纳米技术等新技术的飞速发展，加速了微型器件的微小化进程。（2）柔性器件。织物的穿着舒适性是织物服用性能的重要指标，由于电子器件质地坚硬，直接织入织物中会降低服装的舒适性，因此开发柔性器件尤其必要。（3）连接技术。纺织品与电子器件的导电连接是电子服装发展的一个难点。一种连接电子器件的方法是外表包覆有绝缘层的金属导线；另一种是把电子元件嵌入导电性的塑料薄膜内，再与织物复合。（4）导电材料。导电材料的主要功能是传输电能和电信号，主要包括金属氧化物导电体、碳系导电体、结构型导电高分子和金属系导电体等。（5）供电电源。随着太阳能的开发和应用，太阳能电池逐步用到了电子服装中，使电子智能纺织品的应用领域和环境更加多样。2、电子智能纺织品用柔性器件柔性电子器件可分为有机柔性电子器件和可延展柔性电子器件。有机柔性电子器件主要是以有机半导体材料为主体设计开发的柔性器件；可延展柔性无机电子器件指的是将无机电子组件建立在柔性基底上设计开发的柔性器件。近年来，人们试图通过有机半导体替代硅，有机高分子聚合物往往具有很好的柔韧性，从而使得有机电子器件具有柔性的特点[3]。柔性电子器件是电子智能纺织品的基本组成，目前对于柔性器件的研究主要，根据其功能的不同，大致可以分为柔性传感器、柔性显示器、柔性键盘、柔性电池和其他柔性器件几大类，如图4所示。图4.智能纺织品柔性器件分类2.1柔性传感器应力传感器是柔性电子器件中应用最为广泛的一种柔性传感器，因其柔软而具有弹性的特性成为许多柔性电子器件的重要组成部分。其工作原理是通过各种介质在受力后物理化学性能的变化，将所受力的大小转化为电信号，输入处理器中。根据信号转换机理的不同，柔性传感器主要分为电阻式传感器、电容式传感器和压电式传感器[4]。侯玉群[4]等人先用液相化学还原法制备了直径为80nm，长度为3~30μm的纳米银线。然后以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为弹性衬底，采用相纸原位固化方式将制作出弹性电极。最后利用聚二甲基硅氧烷分子之间的范德华力，将两片电极贴合在一起，电极之间以高分子薄膜作为介电层，制备出图5显示的新型柔性压力传感器。据报道该方法制成的应力传感器，传感灵敏度高达3.78kPa-1，能够检测到最低52mg（3.4Pa）的压力。智能纺织品柔性器件柔性传感器柔性显示器柔性触控装置其他柔性器件应力传感器柔性电池超级电容柔性织物键盘可卷曲显示器微带天线（a）银纳米线应力传感器概念图（b）银纳米线应力传感器实体图图5.银纳米线应力传感器张冬至[5]等人利用电活性聚合物（EAP）在表面受到压力作用时，由于其电偶极矩压缩而在表面产生电荷极化的特性，制作柔性压电传感器，如图6所示。在制备过程中，以EAP中的聚偏氟乙烯为基体，采用静电自组装碳纳米管（CNTs）薄膜的方法制备柔性电极，其中碳纳米管由气相沉积法制得，纯度高达90%以上。用制得的EPA薄膜柔性器件进行手指弯曲应力测试和踏步应力测试，得到了相应的电压峰值。（a）EAP薄膜柔性器件结构示意图（b）手指弯曲度检测示意图图6.EPA薄膜柔性压电传感器GereonH.Büscher[6]等人研发了一种触觉传感手套。先用氯化铁溶液蚀刻出手套形状的外电极层，再将54个压电生物传感器嵌进电极层中，最后将安有传感器的电极层织入手套中，制得触觉传感手套。据报道，戴着该手套握持苹果，从手掌到手指各个关节的应力大小都能被准确的检测出来。（a）手握苹果（b）检测到的应力大小图7.触觉传感手套做握持苹果实验Y.Li[7]等人改进了用聚吡咯制备的高灵敏度柔性应变传感器的稳定性。具体方法包括：①在织物的表面用化学气相沉积法（CVD）形成聚吡咯（PPy）涂层。②在低温环境下聚合吡咯制得聚吡咯薄膜。除此以外，还介绍了聚吡咯薄膜中十二烷基苯磺酸阴离子的性质和聚吡咯导电涂层织物退火的方法。据报道，通过电导率—应变测试表明，改进的聚吡咯应变传感器在50%形变的情况下仍具有很高的灵敏度。长春理工大学的翟红艺[8]等人研制了一种有导电织物材料心电电极的穿戴衣。将4块织物电极分别缝制在检测服的左前胸、右前胸、左下腹与右下腹位置，分别用于检测心电信号和模拟腿部驱动，织物电极之间通过布线区的导线与数据采集装置相连。据报道，用该穿戴衣和其配套的计算机识别算法，可以准确识别穿戴者的异常心电信号，在可穿戴动态心电监护邻域有广泛的前景。2.2柔性显示器柔性显示器主要是应用柔性电子技术，用有机材料取代以前的无机材料，将柔性显示介质电子元件与材料安装在有柔性或可弯曲的基板上，使得显示器能够弯曲或卷曲成任意形状，在厚度上变薄，质量上变轻，外观多变且随意，真正实现方便携带和柔软可弯曲等。可用于柔性显示器上的技术主要有有机电致发光器件显示（OLED）、液晶显示（LCD）和电泳显示（EPD）等相关技术。董佳垚[9]等人提出了一种剥离粘结膜法制备柔性显示器。首先用粘结膜材料将辅助玻璃板贴附在柔性基板上，形成图8所示的三层结构复合基板，然后采用传统液晶显示器生产流程对复合基板进行液晶显示器件的制备，最后通过直接剥离粘结膜分离出柔性显示器件。据报道，该方法有效的解决了由于基板柔化造成的传统工艺无法适用的问题。FernM.Kelly[10]等人先将苯胺单体附着到黏胶或PET非织造布（黏胶或聚丙烯晴）的表面，然后使其固化得到聚苯胺—非织造布复合材料。再将制得的复合材料植入柔性四层电致变色器件（ECD）内，图9显示的是将复合材料夹在上下电极之间形成三明治结构。下电极由银或炭黑制成，附着沉积在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）织物基板上，上电极是柔性且透明的PET/ITO复合材料导电玻璃。据报道，当给电致变色两端加上±3V的电压时，可以观察到聚苯胺—非织造布复合材料从绿色到蓝色的可逆的颜色变化。图9.含聚苯胺—非织造布复合材料的柔性有机电致变色器件牛津大学的科学家们还借助相变材料开发出一种柔性超高分辨率显示器。这种显示器采用了独特的三明治结构，中间层是厚度为7nm的Ge2Sb2Te5（GST）相变材料，上下电极层都由氧化铟锡（ITO）制成[11]。据报道，这种柔性显示器的像素大小仅有300nm*300nm，工作所需电流极小。2.3柔性触控装置柔性触控装置是一种交互式智能纺织品，它对电子产品在纺织品和服装中功能的实现、柔软化目前传统的硬接口以及机器人的传感等方面的应用有着积极的意义[12]。典型的柔性触控装置有织物键盘和织物开关。织物键盘主要分为三层，上层和下层为核心电路层，上面排列着和键盘按键顺序相同的电极。中间层为绝缘层，留有镂空的孔眼，孔眼与上下层电极的位置相对应，保证在按压时为上下层提供导电通道，上下电极层都与外接的触控装置相连。除了主要的三层结构，还可PET基板粘结膜辅助玻璃基板图8.三层结构复合基板结构图以在上层电极的外层增加一层有凸起按键的覆盖层，在下层电极的外层增加一层覆盖层，用来保护电极，如图10所示。图10.织物键盘结构图SeiichiTakamatsu[13]等人研制了一种轻量级可穿戴的柔性织物键盘和移动应用程序。键盘的导电电极由织造出来的导电聚合物涂层做成，整个织物键盘的尺寸为20.5cm*12.5cm，重量只有9克，如图11（a）所示。设计面积大的织物使手动输入信息变得更轻松，同时，该织物键盘轻到足以在移动应用程序中使用。键盘的传感原理是测量电容的变化。据报道，当手指用1N的力按压时，该织物键盘的电极能检测到手指和纤维间2pF的电容变化，进而转化为电信号输入控制器。（a）导电聚合物涂层（b）织物键盘系统图11.柔性织物键盘蒋毅[14]等人采用导电织物结合触摸屏控制器开发一种织物键盘。在选取传感器的面料时，通过测试4种不同导电织物的电阻值大小，从导电的稳定性考虑，最终选取标准差最小的织物，电阻值为2646Ω。参考五线式触摸屏控制电路的功能要求，设计全织物的5层键盘结构，其中2层为导电织物层，实现按压时电信号的采集。张美玲[15]等人对织物键盘的按键凸起层进行设计开发。以涤纶长丝为原料，通过设计不同的织物组织结构和调整工艺参数，得到多种凸起效果的按键凸起层层。通过研究认为，单层组织与管状组织结合形成的凸起适合制作柔性织物键盘的按键凸起层。王旗[16]等用光固化聚合物材料（NOA），结合半导体工艺制备得到了如图12所示的硅基脊形波导器件和马赫-曾德尔（M-Z）型热光开关器件。据报道，在1550nm波长下，硅基脊形波导的插入损耗为8.3dB；M-Z型硅基热光开关器件的消光比为11dB，驱动功率为85mW，开关上升时间为1.085ms，下降时间为489.5μs。图12.柔性热光开关器件实物图2.4柔性电池柔性电池作为电子产品的储能器件，是电子智能纺织品的重要组成部分。柔性电池储存电量的多少，是衡量柔性电池质量的重要指标。因为电子智能纺织品没有持续供电电源，所以人们希望携带的电池能储存足够多的电量，来保证工作的顺利完成。当前，国内外研究人员主要将研究重点放在柔性电池超级电容器的开发上。超级电容器主要由正负电极、隔膜和电解液组成。与传统的平行板电容器相比，超级电容器的特殊之处在于两电极之间充满电解液，而电介质被隔膜（一种能阻止电子传输但允许离子通过的半透膜）取代[17]。超级电容器主要分为双层电容、法拉第电容以及混合电容。陈万军[17]等人用3D石墨烯制备了如图13所示柔性超级电容器。首先用化学气相沉积（CVD）法生长石墨烯，进一步得到3D石墨烯，然后用气相沉积法在石墨烯的表面沉积MnO2制备柔性的3DG/MnO2复合电极。最后，将复合电极夹于聚合物隔膜两侧，外围用PET塑料包裹，制得了对称超级电容。据报道，制备的柔性复合电极在比容量、速率性能和循环稳定性方面表现出了良好的电化学性能。图13.柔性对称超级电容器示意图及光学照片刘亚赛[18]等人主要对以聚吡咯/棉织物为电极的超级电容器的固态电解质做了研究。以H3PO4为基础电解质，PVA-