Sci. Bull. 综述：面向可穿戴智能设备的发光纤维及织物的结构设计

发光纤维及织物是飞速发展的现代电子技术与具有数万年历史的纤维材料结合的产物，已经成为可穿戴电子领域的一个重要发展方向。与面板和薄膜形状相比，纤维形状的发光器件大大提高了光输出耦合效率。此外，纤维还具有柔性、轻质性、小直径、高长径比、可植入和长距离信号传输等天然优势，使得发光纤维成为先进医疗保健、人机界面和物联网应用的理想选择。

东华大学纤维材料改性国家重点实验室朱美芳院士团队成艳华研究员、英国诺丁汉特伦特大学Theo Hughes-Riley副教授合作在Science Bulletin上发表了综述论文 “Structural design of light-emitting fibers and fabrics for wearable and smart devices”。该综述从结构设计的角度出发，梳理了近年来发光纤维及织物的发展，包括同轴结构、螺旋结构、经纬交织结构等的发光纤维及织物的结构特点、工作机制、性能优势及应用价值（图1）。回顾了顺应发光纤维柔性化、功能化及规模化发展趋势的重要研究进展，包括原料改进、结构演变及制备工艺优化。该综述旨在为发光纤维及织物的连续化和规模化生产和应用提供指导意见。

图1 不同结构的发光纤维及织物示意图

作者首先回顾了几种同轴结构发光纤维的设计原理、制备方法和发射机制。从早期的纤维形状OLED到PLED，再到PLEC纤维及广泛发展的ACEL纤维，发光纤维的性能逐渐提升，结构逐渐简化，制备工艺与条件也变得简单，从而使发光纤维的连续化制备水平得到了有效提高。进一步，在这些纤维的基础上进行螺旋结构的设计，通过螺旋内螺纹结构的发光层、螺旋形电极及螺旋纤维阵列等制造了一系列用于机械传感的光学传感电子器件，有效增强了发光器件的机械响应性，提高了光学人体运动监测系统的灵敏度。此外，在以往工作的基础上，通过将发光活性纤维和导电纤维编织在一起，利用编织结构实现了一些大规模的发光织物。这些织物具有稳定的发光性能，而且由于其结构设计的优势，最大程度地保持了织物的柔韧性和透气性，为可穿戴智能设备用发光纺织品的连续化和大规模生产铺平了道路。受有机柔性发光纤维结构设计的启发，还介绍了使用坚硬和刚性无机基发光二极管（LED）创建柔性系统的典型实例。将这些硬质LED通过各种方式集成到柔性纤维及织物中，利用纤维的高长径比、高柔性、可拉伸性抵消LED的刚性，从而获得柔性的发光纺织品。这些纤维在光学诊疗、人体通讯、生理信号检测等领域展现出广泛的应用前景。

图2 近十年来发光纤维及织物的里程碑式结构，以及相应的工作机制和制备工艺

实现发光纤维的规模化生产和广泛应用仍是未来的一项艰巨任务，还需要从结构与性能的平衡、多功能纤维电子设备集成及行业标准的建立健全等方面努力，实现发光纤维与柔性可穿戴智能设备的完美结合。