背景介绍
随着电子产品柔性化、轻量化、智能化的发展需要，亟需发展与之相适应的可穿戴柔性功能电子元件。然而，传统的三维和二维电子器件由于其刚性和体积庞大的特点，无法有效地满足上述要求。
光纤型电子器件采用直径从几十微米到数百微米不等的一维结构，可将纤维形状的电子设备编织成灵活、可变形和透气的纺织品，已引起人们对可穿戴电子领域的广泛兴趣。
目前已报道的纤维状电子器件主要可分为四类：1）将包括光和身体运动在内的其他形式的能量转化为电能的纤维形状能量收集装置。2）光纤状储能装置，用于储存电能，在需要的时候将其提供给其他电子装置。3）纤维发光器件，应用于如显示、照明和光疗等领域。4）纤维状传感器在可穿戴医疗设备领域，特别是随着老龄化人口的增长，在健康监测和医疗诊断领域具有巨大的潜力。
尽管纤维和纺织电子技术取得了很大的进展，但由于存在一些障碍，我们必须认识到大部分的研究成果还远没有实际应用。该综述讨论了纤维和纺织电子产品在所有开发阶段所面临的挑战，即从单个设备到连续可扩展的制造、封装和测试以及应用模式探索。
成果介绍
近日，复旦大学彭慧胜教授课题组总结了纤维和织物电子学的应用挑战。作者讨论了纤维和织物电子学在可穿戴电子器件、能源转换、存储以及能源医学方面的巨大可能性，以及对单纤维和纺织电子在连续可扩展的制造、封装、测试和应用模式方面的挑战进行了探讨。此外，作者还分析总结了纤维和织物电子技术的研究现状和发展趋势，并提出了促进其商业化的未来方向
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图1纤维和纺织品太阳能电池（a）和纳米发电机（b）的最新进展。
将第三代太阳能电池发展成一维纤维状可使其很好地符合曲面，不受入射光角度的影响，易于与汽车集成，并且便携式、植入式和可穿戴。通常，采用能量转换效率和寿命来评价与传统太阳能电池相似的纤维状太阳能电池的光伏性能。
图2纤维形状的储能装置：a）扭曲配置的光纤型超级电容器的示意图和扫描电子显微镜（SEM）图像；b）同轴配置的光纤形超级电容器示意图；c）使用CNT/Si和CNT/LiMn2O4（CNT/LMO）作为电极制造纤维状锂离子电池的示意图；d）基于弹性聚合物基板的可伸缩纤维状锂离子电池示意图；e）基于弹簧状碳纳米管纤维的可拉伸纤维形状锂离子电池的示意图（左）和扫描电镜图像。
通常，光纤形状的超级电容器可以采用扭曲或同轴配置制造。对于扭转结构，可以在扭转操作前单独制备纤维电极。对于同轴结构，它由内电极、电解质和外电极组成。与扭转结构相比，同轴结构具有较强的层间接触界面，在变形时具有较高的机械和电化学稳定性。
图3. (a) 发光二极管(LED)纱线的光学图像织物是什么材质，(b–d）有机发光二极管(OLED)、聚合物发光电化学电池(PLEC)和交流电电致发光(ACEL)光纤的器件结构示意图及照片。
可穿戴式发光器件作为一种新兴的电子纺织技术，已经引起了人们的广泛关注，它可以应用于从可穿戴显示器到视觉传感、人机通信和治疗等领域。
图4.不同类型光纤传感器的比较。
上图比较了不同类型的光纤传感器，可分为基于导电纤维的物理传感器、基于导电纤维的化学传感器/生物传感器和基于光纤的传感器。前两种依靠电信号进行传输，而后一种依靠光信号传输。
图5.(a-e）聚甲基丙烯酸甲酯（a）、聚苯乙烯（b）、聚碳酸酯（c）、环烯烃共聚物（d）和硅酮（e）的化学结构。
光纤传感器在土木工程、汽车工业和医学等领域也得到了广泛的应用。聚合物材料的选择受到加工性、光学透明度和灵活性的限制，目前，聚合物光纤主要采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）、环烯烃共聚物（COC）、硅树脂等材料。
图6.(a–c)分别具有扭曲、同轴和交错结构的光纤电子设备，(d–f)分别用于同步沉积、旋压和热拉伸的大规模制造方法。
目前的光纤型电子器件一般有扭曲、同轴和交错三种主要结构。光纤成形器件通常是通过将不同的光纤电极以一定的角度直接扭转而成，但扭转结构在机械上不稳定，两个电极在严重弯曲或扭转变形时可能会滑脱。同轴结构具有芯-鞘结构，提供较短的离子传输路径和较好的机械弯曲稳定性。与扭曲和同轴结构不同，交错结构光纤光电阳极和反电极以交错方式编织成单层织物。在太阳辐射作用下，活性层上产生的空穴向阳极纤维传输，电子通过交叉界面向阴极纤维传输。
为了实现光纤器件的连续生产，研究开发了几种策略。同步沉积法通过将上述离散制备步骤集成到连续制备过程中，连续制备光纤形状的超级电容器。多道旋压法可以升级为电容式软应变传感器等更复杂的光纤型电子器件。热拉伸作为一种重要的光纤加工技术，最初用于制造光纤，也可用于聚合物和其他导电和半导体材料。
图7.(a)采用纤维状水性锂离子电池编织的储能纺织品(黑色箭头表示电池)，(b,c)阴极和阳极纤维交叉编织的光伏纺织品的照片和扫描电镜图像，(d–g)通过编织(d)、编织(e)、刺绣(f)导电纱和(g)导电油墨图案在织物中/织物上形成的导电轨道，(h)导电胶连接的两根交叉线。
目前有两个主要方法整合纤维状的电子设备到纺织品中，一种是制造完整的纤维形状的电子设备，然后通过传统的纺织技术将它们集成到纺织品中，另一种是编织具有交错结构的阴极和阳极纤维电极织物是什么材质，以构成纺织类电子器件。第一种方法简单，适用于如太阳能电池、锂电池、传感器和发光器等纤维状电子设备。第二种构建具有交错结构的方法主要用于制造太阳能电池织物，其中经纱和纬纱分别作为阳极和改性阴极。
导电轨道是电子织物的必要组成部分，用于连接不同的电子元件，如电池、传感器和显示器。有四种方法可以在织物上制造导电轨道，包括编织、编织、绣导电纱和印制导电油墨。
图8.(a)串联光纤型超级电容器示意图,(b,c) 集成太阳能电池-超级电容器系统和集成超级电容器-光电探测器系统示意图.
图9.(a,b) PTCC结构和PTCC原型分别放置在织物基材上; (c) 使用插入器的织物上的电子电路; (d,e) P-FCB上的电子元件粘合和包装; (f) P-FCB上的系统集成互联网项目，带电容传感器、芯片和LED显示屏; (g,h) 心电图衬衫和刺绣心电图模块.
研究者开发了电子元器件与纺织品的不同集成策略方法。织物上电子元件的离散集成是一种典型的策略，其中分布在织物表面的离散刚性元件避免了大的刚性区域，并允许如起皱等自然变形。一种塑料螺纹芯片载体（PTCC）技术，将硅芯片集成到纺织品上。硅片首先固定在芯片载体的中间，通过细金导线与PTCC铜垫电连接。然后，将PTCC衬垫穿过导电纱并连接到纺织电路上。
图10. (a) 每年为不同主题发表的文章数量（来源：科学网数据库）; (b)每年针对不同主题注册的专利数量（来源：德文创新指数数据库）; (c) 根据美国研究公司（Ameri Research Inc.）的报告预测全球智能服装市场价值; (d) 智能服装市场的细分。
通过数据不难看出，随着纤维和纺织电子技术的进步，市场将出现前所未有的扩张。
总结
本文综述了纤维和纺织电子技术的发展现状以及其在产品开发阶段：从单个设备到连续可扩展的制造、封装和测试以及应用模式中所面临的挑战。在过去的十年中，新兴的纤维和纺织电子产品已成为现代电子产品中最有前途的分支，并吸引了大量的研究和商业利益。虽然该领域取得了重大研究进展，但目前可获得的商业产品很少，在纤维状电子器件的技术开发和设计中还需解决一些挑战，为提高纤维状电子器件性能，需要提高其导电性并平衡机械电气和寿命要求；另外目前主流的封装材料和技术已不能满足高曲线面光纤电子器件的要求，因此寻找新的、高效的封装材料和方法来制作光纤形状的电子器件是非常重要和迫切。
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