天然皮革工程化构建皮肤友好、多功能、耐久柔性显示器：电致发光显示与电磁干扰（EMI）屏蔽一体化

《Collagen and Leather》：Natural leather enabled skin-friendly, multifunctional and durable flexible display with integrated electroluminescent displaying and electromagnetic interference shielding performances

　　

下一代显示器要求兼具柔性、皮肤友好性、耐久性和多功能性，以满足新兴应用需求。研究人员通过采用源于皮革复鞣与涂饰的处理工艺对天然皮革进行工程化，开发了一种集电致发光显示与电磁干扰（EMI）屏蔽性能于一体的皮肤友好、多功能且耐久的柔性显示器。聚吡咯通过类复鞣工艺在天然皮革上原位生长以制备导电皮革，随后通过类涂饰工艺依次涂覆电致发光层和顶部电极层，从而获得一种新型的基于天然皮革的多功能柔性显示器。导电皮革作为柔性底部电极与其他功能层协同，使柔性显示器具有高亮度和图案化、颜色可调的电致发光性能，并且在1000次弯曲循环或水洗后仍表现出强耐久性。具有独特分级纤维结构的导电皮革还促进柔性显示器实现高EMI屏蔽效能。此外，天然皮革的胶原性质保证了柔性显示器的皮肤友好性，并具有优异的水蒸气透过率（water-vapour transmission rate）。因此，对皮肤友好型天然皮革进行工程化在实现耐久、高质量电致发光显示和高性能EMI屏蔽性能方面显示出有吸引力的优势。

柔性显示器在软体机器人、智能座舱和电子皮肤等新兴领域具有应用潜力。现有柔性纺织显示器通常由发光纤维编织而成，网络结构带来透气性和柔软性，但织物加工存在牺牲发光强度与均匀性的风险；柔性平面显示器通过将功能层集成于柔性基底，能够提供均匀明亮显示，但为保持柔性需降低基底厚度，从而损害机械强度，且长期应力下发光层与柔性基底界面粘附减弱，导致发光稳定性不足。同时，柔性显示器对多功能集成尤其是电磁干扰（EMI，电子设备产生的电磁波对其它设备造成干扰的现象）屏蔽提出需求。天然皮革主要由I型胶原组成，具有皮肤友好、柔软、低密度和高水蒸气透过率，其三维（3D）编织纤维网络赋予优异力学强度；皮革工业的复鞣和涂饰工艺可实现精确功能化。因此，研究人员以天然皮革为基底，开展兼具电致发光显示和EMI屏蔽的皮肤友好、多功能、耐久柔性显示器研究，论文发表在《Collagen and Leather》。

研究以牛皮铬鞣天然皮革（Ruixing Leather Co., Ltd.，中国海宁）为基底；经类复鞣工艺原位聚合聚吡咯（PPy，一种导电聚合物）构建导电皮革，再经类涂饰工艺依次涂覆电致发光层和银纳米线（AgNWs，一种导电电极材料）顶部电极，并以聚二甲基硅氧烷（PDMS，一种弹性封装聚合物）浸渍制得柔性显示器。采用场发射扫描电子显微镜（FESEM）与能谱（EDS）、四探针、阻抗分析、亮度计和照度计表征结构与光电性能；通过弯曲、耐磨、连续通电和水洗试验评价耐久性；采用矢量网络分析仪（VNA）波导法测试EMI屏蔽效能。

**天然皮革基底与导电皮革的制备及表征。** 通过FESEM观察，天然皮革具有由胶原纤维构成的三维编织网络，可弯曲和折叠，拉伸强度为18.69 N mm^?2，撕裂强度为24.81 N mm^?1，水蒸气透过率为7990 g m^?2 24 h^?1。类复鞣使PPy均匀包覆于整个分级纤维结构，形成3D导电网络，所得导电皮革电阻率为1.55 Ω cm，可作为柔性底部电极和支撑基底。结论：天然皮革的力学、透湿和纤维结构适合构建柔性显示器。

**柔性显示器的构建与界面/机制。** 通过类涂饰在导电皮革上依次涂覆聚氨酯基电致发光层和AgNWs顶部电极，并经PDMS浸渍。FESEM与EDS显示AgNWs均匀沉积并与电致发光层共形接触，电致发光层与导电皮革界面结合紧密，Cr、Zn和Ba元素分布匹配。电致发光依靠热电子撞击激发机制，BaTiO₃用于保证金属掺杂ZnS荧光粉的发光；EMI屏蔽包括阻抗失配反射、界面极化损耗、导电皮革介电损耗及分级纤维结构内多重反射耗散。结论：复鞣/涂饰衍生工艺形成强界面粘附并支撑显示与屏蔽功能。

**电致发光显示性能。** 在110 V、1.0 kHz下，ZnS:Cu赋予蓝光452 nm，ZnS:Mn赋予橙光586 nm，CIE色坐标分别为（0.1575, 0.1772）和（0.4224, 0.4876）。将3.0 cm × 3.0 cm发光区分成9个等面积区域，最高亮度达56.45 Cd m^?2，区域相对强度偏差小于5%。BaTiO₃调节介电性能提高亮度；固定400 Hz，电压由50 V升至300 V时亮度由3.26升至53.92 Cd m^?2；300 V下频率100、200、300、400 Hz对应亮度17.88、29.01、40.97、53.92 Cd m^?2。调控顶电极涂覆面积和裁剪形状可实现图案化显示。结论：该显示器具有高亮度、颜色可调和图案化电致发光性能。

**皮肤友好性、力学性能与耐久性。** 测得柔性显示器水蒸气透过率为1340 g m^?2 24 h^?1，远高于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的8.5 g m^?2 24 h^?1；拉伸强度和撕裂强度分别为19.57 N mm^?2和20.03 N mm^?1，可承受折叠和卷曲，不同弯曲构型下发光均匀。1000次弯曲后亮度为52.32 Cd m^?2，1000次磨损后为49.26 Cd m^?2，8.0 h连续通电后为52.56 Cd m^?2，水洗60 min后为49.41 Cd m^?2（均110 V、1.0 kHz）。结论：强界面粘附赋予其耐久性，胶原性质赋予皮肤友好性。

**EMI屏蔽性能。** 采用波导法在8.20–12.40 GHz测试，导电皮革的EMI屏蔽效能（EMI SE）为2.4–2.7 dB，涂覆电致发光层后为2.8–3.2 dB，完整柔性显示器为6.9–7.4 dB；2片和3片堆叠后分别高于16.4 dB和25.8 dB，3片堆叠可阻挡≥99.8%入射EMI波，并在2.60–3.95 GHz频段保持>18.5 dB。8.5 GHz下3片堆叠的总屏蔽效能（SE_Total）、吸收屏蔽效能（SE_A）和反射屏蔽效能（SE_R）中，SE_A为23.3 dB，SE_R为2.6 dB，呈吸收-反射屏蔽机制。结论：该显示器集成高性能EMI屏蔽能力。

讨论部分表明，该研究借用皮革工业复鞣和涂饰原理，将天然皮革同时作为柔性基底、导电底部电极和结构功能载体，通过功能层集成实现电致发光显示、EMI屏蔽、透湿皮肤友好性和机械耐久性的结合；强界面粘附是反复弯曲、磨损、连续通电和水洗后保持发光性能的关键，分级纤维导电网络和层间介电差异则支撑EMI屏蔽。研究结论译文如下：总之，研究人员基于皮革复鞣和涂饰工艺原理，通过对天然皮革进行工程化，成功开发了一种集电致发光显示与电磁干扰屏蔽能力于一体的皮肤友好、耐久且多功能柔性显示器。所得基于天然皮革的柔性显示器表现出图案化、颜色可调的显示性能。功能层之间强界面稳健性促成了这种新型柔性显示器的高耐久性，其在重复弯曲、重复磨损、长期连续运行以及水洗等多种操作场景后仍保持高亮度。此外，该天然皮革基柔性显示器表现出优异的EMI屏蔽性能。而且，该天然皮革基柔性显示器具有高水蒸气透过率，从而提供优异的皮肤友好性和高穿戴舒适性。研究人员的研究表明，这是开发新型皮肤友好、多功能且耐久柔性显示器的一条有前景的途径。