我國在柔性電子和柔性顯示領域具有較好的積累,前沿基礎研究方面與發(fā)達國家處于同一起跑線上,但產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展相對滯后。這需要產(chǎn)學研緊密融合聯(lián)動,讓國產(chǎn)材料與面板制造裝備在產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中不斷融合、迭代,協(xié)同推進。
賴文勇 有機電子與信息顯示國家重點實驗室執(zhí)行副主任、南京郵電大學教授
從去年在中國上市的三星Galaxy Z Fold2 5G到今年華為推出的Mate X2,再到近日小米春季新品發(fā)布會的MIX FOLD,折疊屏手機憑借炫酷的“開合之美”和大屏顯示的全新視覺體驗,備受關注。而柔性顯示材料則是支撐折疊屏手機的肱骨。
由于柔性顯示材料的加持,信息的顯示更加靈活多樣,在可以預見的未來,柔性顯示可以在智能穿戴、智能車載、介入式醫(yī)療、自動駕駛等領域大顯身手。
近年來,我國學界和產(chǎn)業(yè)界在柔性顯示關鍵材料領域多有發(fā)力。有專家建議,應加快國產(chǎn)柔性顯示關鍵材料與生產(chǎn)裝備的產(chǎn)業(yè)化融合,在增加研發(fā)投入、突破技術壁壘和專利限制的同時,加強與面板企業(yè)的溝通交流,增強技術配套能力,加快新產(chǎn)品的開發(fā)導入,擴大可供材料范圍,更好滿足下游對于高規(guī)格技術材料的要求。
自發(fā)光的OLED器件成柔性顯示主流
有機發(fā)光二極管(OLED)作為一種“柔性器件”,是制造當下可折疊手機、平板電腦、電視屏幕的寵兒。
“OLED技術是基于有機發(fā)光半導體材料的顯示技術,有機材料天然就具有柔性特征,這是其能實現(xiàn)柔性顯示應用的關鍵。與LCD相比,OLED最大的特點是無需背光源,就可以自發(fā)光,且自發(fā)光的色域控制、視角控制都優(yōu)于LCD,這使得OLED的顯示色彩更鮮艷,角度也廣。”有機電子與信息顯示國家重點實驗室執(zhí)行副主任、南京郵電大學教授賴文勇教授告訴科技日報記者,由于不需要背光源,OLED的顯示屏也更輕薄。
我國OLED的科研起步較早,1996年清華大學就成立了OLED項目組。2001年,在此項目組的基礎上,維信諾公司在北京成立,進行OLED顯示技術的自主研發(fā)。隨后,清華大學教授邱勇帶領這支團隊首次把OLED產(chǎn)品應用到“神七”艙外航天服上,并主持設計了我國第一條OLED大規(guī)模生產(chǎn)線。在經(jīng)歷10多年的攻關后,“有機發(fā)光顯示材料、器件與工藝集成技術和應用”最終為他們贏得2011年度國家技術發(fā)明獎一等獎。
產(chǎn)業(yè)界對于柔性顯示的探索也領風氣之先。中國科學院院士、中國科學院理論物理研究所研究員歐陽鐘燦介紹,從2001年起,京東方就開始著手研究主動矩陣有機發(fā)光二極管(AMOLED),并首次設計出全球獨有的針對外折的AMOLED產(chǎn)品多膜層結構,實現(xiàn)了曲率半徑5毫米條件下20萬次彎折。2017年,國內首條、世界第二條的第六代AMOLED生產(chǎn)線在成都京東方實現(xiàn)量產(chǎn)。該生產(chǎn)線應用全球最先進的蒸鍍工藝,并采用柔性封裝技術,可實現(xiàn)顯示屏幕彎曲和折疊。
“OLED顯示的難點在于復雜的工藝,要在玻璃基板上涂一層液體,烘干后成膜,再在這張膜上刻蝕OLED,而OLED有電子傳輸層、空穴傳輸層、發(fā)光層等多層結構,每一層又都需要薄膜封裝,要讓每一層的材料相互兼容,每一步都有很多技術挑戰(zhàn)。”歐陽鐘燦說。
各種柔性材料讓顯示屏“身段”變軟
進入OLED時代,為了實現(xiàn)柔性可折疊,就需要將現(xiàn)有顯示屏中的剛性材料替代為柔性材料。
“柔性顯示從基板到封裝,乃至最后的保護層,都需盡量采用可以彎折卷曲的柔性材料,來實現(xiàn)顯示屏幕的彎曲和折疊。”歐陽鐘燦告訴記者,柔性顯示的關鍵材料除了OLED器件外,還包括柔性基板聚酰亞胺(PI)薄膜、柔性聚合物
膜、柔性阻隔膜、圓偏光片等。
其中,PI薄膜以及柔性阻隔膜都屬于顛覆性材料,也代表了最前沿的材料技術。PI是耐熱性最高的工程塑料材料,耐溫超過400℃。同時它的力學性能好、電絕緣性能好,可以通過分子設計實現(xiàn)不同加工特性和物理特性。這意味著PI是一種替代透明玻璃的理想基底膜材料。
“柔性聚合物膜材料則具有高感光性,可形成精細度高的圖形,在高溫下放出的雜質氣體少,能減少OLED發(fā)光器件的腐蝕;另外材料的斷裂伸長率高,具有優(yōu)良的彎折性能,不會造成脆斷。”歐陽鐘燦說。
柔性阻隔膜具有較高的可見光透明性,作為柔性外層保護層時,硬度比較高,耐刮擦能力強,阻隔膜通常帶有特有的抗靜電黏結劑,可避免顯示電路的靜電擊傷;另外阻隔膜還有超強的彎折恢復性,具有多次彎折能力。
傳統(tǒng)儲能器件,如鋰離子電池等的剛性特質,極大限制了柔性電子產(chǎn)品的發(fā)展。針對此難題,中國科學院院士黃維及賴文勇等人研發(fā)出一種新型可撓曲柔性電極材料。他們創(chuàng)新發(fā)展了溶液過程制備電極新方法,研制出一系列新型可撓曲柔性透明電極,實現(xiàn)了電極光電性能及電化學性能的協(xié)同調控,并形成了低成本、大面積、高質量全印刷柔性能量存儲器件制備技術。
而對于南京工業(yè)大學先進材料研究院常務副院長王建浦來說,尋找下一代成本低廉、發(fā)光效率更好、性能穩(wěn)定、使用壽命較長、具有更佳的顯示色彩與亮度的發(fā)光材料,是柔性顯示時代的機遇所在。
他與黃維院士把目標瞄準了一種新材料,他們通過在銅基鹵化物前驅體溶液中引入非離子表面活性劑,首次制備了高效、高亮度非鉛暖白光金屬鹵化物LED,其外量子效率達到3.1%,創(chuàng)造了非鉛金屬鹵化物白光LED的最高紀錄。相關學術論文前不久已發(fā)表在《自然·通訊》上。
“這種LED可以用低溫溶液法制備,而且容易與柔性基底兼容。”王建浦表示,但將這種方法應用于制備高性能非鉛金屬鹵化物光電器件,還需要長期努力。
產(chǎn)學研緊密融合加速柔性顯示國產(chǎn)化
在歐陽鐘燦看來,經(jīng)過多年發(fā)展,中國柔性顯示材料產(chǎn)業(yè)取得了長足進步,但整體水平仍與國際先進水平有一定差距。
歐陽鐘燦舉例說:“電子級PI薄膜制造工藝流程復雜,重要參數(shù)掌握在少數(shù)企業(yè)手中,屬于高科技壁壘技術。”不過他也表示,隨著研發(fā)投入的增加,國內企業(yè)已取得很大突破。目前,國內已有多家企業(yè)采用流涎雙向拉伸工藝制造PI薄膜,相繼進行雙向拉伸PI薄膜的產(chǎn)業(yè)化開發(fā),未來發(fā)展值得期待。從近幾年的材料采購變化來看,我國柔性關鍵材料技術的發(fā)展還是非??斓模F(xiàn)在,部分關鍵材料已經(jīng)開始來源于國內一些優(yōu)秀的供應商了,但還需加強核心技術研發(fā)能力,增加研發(fā)投入。
歐陽鐘燦表示,隨著消費者對移動終端的要求越來越高,我國柔性顯示材料和工藝將得到快速發(fā)展,這些材料包括制造柔性顯示屏中用到的靶材、EL發(fā)光材料、封裝材料、偏光片材料,以及工藝過程中的設備、芯片、保護蓋板、支撐結構等。
賴文勇認為,我國在柔性電子和柔性顯示領域具有較好的積累,前沿基礎研究方面與發(fā)達國家處于同一起跑線上,但產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展相對滯后?;A研究與產(chǎn)業(yè)應用存在脫節(jié)現(xiàn)象。比如,目前各種柔性顯示材料的單一功能在實驗室不難實現(xiàn),關鍵是生產(chǎn)中如何讓各種材料匹配和兼容。例如將發(fā)光材料與各種功能層材料、阻隔膜、封裝薄膜、PI薄膜組合在一起,如何保證發(fā)光效率,特別是長時間的彎折后,是否還能保持良好的發(fā)光性能,這些都對生產(chǎn)工藝提出更高要求。
賴文勇表示,這需要各種功能層材料體系與面板制造裝備、生產(chǎn)過程高度匹配,每一種材料是否能適應產(chǎn)業(yè)化應用要求,要較長時間的試驗驗證和評估,“這需要產(chǎn)學研緊密融合聯(lián)動,打通前沿基礎研究、產(chǎn)業(yè)技術應用到產(chǎn)品生產(chǎn)制造全鏈條的關鍵環(huán)節(jié)。建議在加快高性能柔性顯示關鍵材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應用的同時,還要著力推進柔性顯示裝備制造的國產(chǎn)化,例如高真空制造裝備、柔性印刷制造裝備、高精度檢測控制裝備等,讓國產(chǎn)材料與面板制造裝備在產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中不斷融合、迭代,協(xié)同推進”。
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