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从宣纸启发的柔性屏:新显示材料为何备受青睐?(附技术知识~)

发布时间:2022-08-23 05:26:54 来源:华体会官网最新 作者:华体会登录

内容简介:  造纸技术是中国古代四大发明之一,其中宣纸是我国保存高级档案和史料的最佳用纸,是中华民族宝贵的文化遗产,迄今已有一千五百多年历史的宣纸制作工艺也被列为世界非物质文化遗产,居文房四宝之首。  近日,中国科学技术大学俞书宏院士团队特任副研究员管庆方等,通过对传统宣纸的详细结构表征,探究了其高强度高韧性的微观机理,并且受宣纸制造工艺和结构的启发,研制出了一种具有多尺度结构的高雾度透明薄膜,是柔性透明电子器件基底材料的理想选择。相关研究日前成果发表于《ACS材料通信》上。  科研人员通过研究发现,宣纸内部具有大量的纳米纤维和微米纤维相互交织...

  造纸技术是中国古代四大发明之一,其中宣纸是我国保存高级档案和史料的最佳用纸,是中华民族宝贵的文化遗产,迄今已有一千五百多年历史的宣纸制作工艺也被列为世界非物质文化遗产,居文房四宝之首。

  近日,中国科学技术大学俞书宏院士团队特任副研究员管庆方等,通过对传统宣纸的详细结构表征,探究了其高强度高韧性的微观机理,并且受宣纸制造工艺和结构的启发,研制出了一种具有多尺度结构的高雾度透明薄膜,是柔性透明电子器件基底材料的理想选择。相关研究日前成果发表于《ACS材料通信》上。

  科研人员通过研究发现,宣纸内部具有大量的纳米纤维和微米纤维相互交织,形成了微米纳米多尺度的三维网络,这种仿生多尺度结构赋予了宣纸高强度,高柔韧性的力学优势。受宣纸多尺度结构的启发,研究人员通过将微米纤维素和纤维素纳米纤维组装成多尺度结构,制备了高性能高雾度透明薄膜。这种多尺度结构赋予了薄膜高强度、高韧性、高透光率、高雾度、极佳的柔韧性和可折叠性等优异的综合性能,并且可以通过卷对卷的工艺进行连续化生产。

  由于该薄膜多尺度双网络结构通过高密度的氢键网络将应力分散在更广阔的多尺度三维网络之中,避免了应力的集中,同时实现了高强度和高柔韧性,在完全折叠后也不形成破坏性折痕,卷起后也可恢复原状。这种多尺度薄膜还具有优异的热稳定性,与广泛使用的不可持续的石油基塑料薄膜相比,在250°C下也没有明显的变化。这些出色的力学、热力学与光学特性,使其成为应用于精密光学器件和柔性电子器件领域的理想薄膜材料。基于该多尺度薄膜制作的柔性近场通讯电路电子器件兼具高透明度、高雾度和优异的柔韧性,在弯曲时仍然可以准确地记录和读取信息,展示了多尺度薄膜作为柔性电子器件基底的应用潜力。

  早在2012年,可折叠手机概念已经问世。制造可折叠手机,其屏幕要能弯曲、折叠,这种屏幕被称为柔性显示屏。我们使用手机屏幕不能弯曲,是因为它的基板是用玻璃做的;而柔性显示屏的基板是塑料板,塑料板上要敷设一层聚酰亚胺膜(简称“PI膜”),电路、蒸镀、发光层等都搭建在上面。

  在光电显示材料领域,把PI膜视为“神膜”“黄金薄膜”。它薄如蝉翼,仅有15—20微米,但能承受200兆帕的强度,用PI膜制成的手机屏幕可以像纸一样折叠、弯曲。制造柔性显示屏有多道工序,PI浆料应用在最底层,覆盖在玻璃平板上,其上再叠加薄膜晶体管(TFT)发光材料等,通过高温蒸镀、沉积、退火等制程处理后,激光剥离成一张薄膜。

  实际上,几年前OLED显示技术就呈现由刚性向柔性发展的趋势,带动上游材料的切换和需求增长,聚酰亚胺、透明导电膜、光学透明胶三大领域值得关注。其中由柔性OLED引领显示潮流,市场规模快速扩大。OLED凭借柔性可折叠的特性,有望成为未来主流显示技术;根据IHS数据,仅2018年全球OLED柔性屏出货量182 百万片,预计2019年OLED柔性屏出货量将达249 百万片,同比增长36.81%。而聚酰亚胺为柔性显示关键材料,市场空间达千亿级。PI 是目前少有的能够满足柔性显示高性能要求的有机薄膜材料,预计未来盖板、触控、基底材料都将切换为PI材料。根据我们的测算,全球柔性OLED 产线 万平,满产下对PI 材料的需求量11.17 万吨,预计PI 材料的市场空间将在千亿元以上。

  而柔性屏要求OCA在弯折过程中同时具备一定的流动性和黏性,技术难度较以往大幅提高。同时由于接触材料发生改变,新材料对OCA 的兼容性和抗气泡性能也将提出新的要求。目前生产OCA光学胶的企业集中在美、日、韩,国内供应不足。未来随着行业发展,国内企业有望快速扩张。

  2019年,华为,三星陆续推出OLED可折叠屏幕智能手机,柔性显示产业呈现快速发展的态势。随着OLED技术由刚性向柔性转变,原本适用于刚性显示的材料已逐渐无法满足柔性的需求。例如原本用于基底材料的玻璃、PET 等需切换为PI;原本用于透明导电薄膜的ITO可能由纳米银线等材料取代;光学透明胶的材料由于粘结材料的变化也需做出相应变化。而有机发光材料等则可在刚性与柔性OLED中通用。我们聚焦柔性显示时代材料端的变化,新兴材料的出现有望带来新的投资机会,聚酰亚胺、透明导电膜、光学透明胶值得关注。根据测算,预计聚酰亚胺的市场空间在千亿级,透明导电膜市场空间在400 亿元以上,而光学透明胶的市场空间也达近百亿。

  国内在OLED 柔性材料领域相对落后,但随着整个行业的快速发展,不少企业在积极布局,通过持续的研发投入、技术引进和吸收,提升制造技术和产品质量,有望在市场竞争中取得一席之地。

  从19世纪80年代至今,显示产业经历了由CRT时代向平板时代,如今再向柔性显示时代发展的过程。电子技术的革新与消费体验的升级催生出日趋完善的显示产品,柔性显示由于具有轻薄、省电、移动化、多样化、操作简单、容易携带的特点,符合人体工程学设计要求,未来有望重新定义众多电子产品,甚至在汽车、建材、家居等领域开拓更多的消费需求,引领显示新方向。

  从全球的OLED 屏幕产能上来看,仅考虑柔性屏,全球总计23 条产线(包括投产、在建及规划)。以京东方产能48k/月的6 代线 年生产的OLED 柔性屏面积就可达到160 万平。满产情况下,全球柔性OLED产线 万平。随着OLED 柔性屏产能的逐步建设和落地,对柔性材料的需求也将迎来快速增长。

  在刚性OLED向柔性OLED切换的过程中,部分材料由于其本身物理化学性质上的局限已不再适应柔性的需求。玻璃、ITO等材料固有的脆性使其难以满足广泛的新兴应用场景,而向性能更加优异的PI 进行切换。而在柔性显示方面,对比几种常用的基底材料,PI材料具备明显的优势。作为柔性电极、触控基板、显示基板或盖板的光学透明薄膜,需要能够适应高温加工制程以及10 万次以上的耐弯折性能,而且要求高透明、低热膨胀系数。目前透明聚酰亚胺薄膜是少有的能够满足这些高性能要求的有机薄膜材料。

  然而现实是,PI在世界范围内呈寡头垄断局面,技术封锁严密,全球产能主要由国外少数企业所垄断。PI 的研发和核心技术主要集中在国外,例如美国的杜邦公司,日本的宇部兴产、钟渊化学、东丽集团、三井东亚,韩国的科隆、SKC 公司等。其中杜邦、东丽、钟渊和宇部4家企业占全球PI市场销售总额的70%左右。就现在而言,国内在光学级透明聚酰亚胺薄膜领域相对落后,尚没有企业能够实现规模化量产。但随着整个行业的快速发展,不少企业在积极布局,通过持续的研发投入、技术引进和吸收,提升制造技术和产品质量,实现技术和产品的合理布局,未来有望在聚酰亚胺高端市场取得一席之地。

  而在前面文章提到的新技术,我们靠着自己的智慧,研发出了自己的薄膜材料,只要继续研发,慢慢走向商业化,或许有一天主动权就会掌握在我们自己手里~

  随着OLED 技术由刚性向柔性转变,原本适用于刚性显示的材料已逐渐无法满足柔性的需求。综合来看,变动最大的三项材料分别为:聚酰亚胺、透明导电膜、光学透明胶。预计原本用于基底材料的玻璃、PET等需切换为PI;原本用于透明导电薄膜的ITO可能切换为纳米银线等材料;光学透明胶的材料由于粘结材料的变化也需做出相应变化。

  柔性显示屏的基板是塑料板,塑料板上要敷设一层聚酰亚胺膜(简称“PI膜”),电路、蒸镀、发光层等都搭建在上面。

  PI膜号称“神膜”“黄金薄膜”。它薄如蝉翼,仅有15—20微米厚度,但能承受200兆帕的强度,用PI膜制成的手机屏幕可以像纸一样折叠、弯曲。

  PI浆料应用在最底层,覆盖在玻璃平板上,其上再叠加薄膜晶体管(TFT)发光材料等,通过高温蒸镀、沉积、退火等制程处理后,激光剥离成一张薄膜(PI膜)。

  有了新的“膜”,自然也就会涉及到镀膜,才能制造出一块完整的显示屏而目前所有的技术方法,都不能很好的解决镀膜膜层均匀性的问题。喷涂法镀膜过程中,喷中心镀膜液富集多,造成花斑;表面刻蚀法因压花玻璃表面成分难以均一,导致刻蚀反应的速度不一致造成膜厚不均匀;即使均匀性辊涂法,受制于玻璃厚薄差、辊道传输抖动等多种因素的制约,也难以达到高精度的一致性。在镀膜均匀性无法进一步提高的情况下,其结果一方面造成组件的色差影响外观,另一方面由于镀膜玻璃各区域透光率不一致造成热斑效应,影响组件的耐久性。为此大部分镀膜工序都需要在真空环境下完成~

  例如伊特克斯提供的真空镀膜系统,由真空镀膜系统和真空手套箱系统集成而成,可在高真空蒸镀腔室中完成薄膜蒸镀,并在手套箱高纯惰性气体氛围下进行样品的存放、制备以及蒸镀后样品的检测。

  —在手套箱氮气环境里里旋涂钙钛矿前驱液,避免接触水和空气,可以直接通过连接藏舱将制备好的钙钛矿电池传到蒸发舱里,蒸发电极,全程实验都可以做到无水无氧的环境下操作,以保证实验的有效性;

  —方腔室自动门热蒸发镀膜机嵌入手套箱内,配套进口英福康膜厚仪,普发分子泵,北仪机械泵,4个蒸发源,合理的蒸发源布局,保证每个蒸发源到基片的距离完全一样,提高了成膜质量和均匀性;

  —该系统由真空镀膜系统和手套箱系统集成而成,可在高真空蒸镀腔室中完成薄膜蒸镀,并在手套箱高纯惰性气体氛围下进行样品的存放、制备以及蒸镀后样品的检测。主要用于太阳能电池钙钛矿、OLED和PLED、半导体制备等实验研究与应用。

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