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柔浩电子首席科学家佘庆威:粤港澳大湾区柔性材料在显示器中的应用及前景

发布时间:2019-07-16      作者:佘庆威  
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柔性材料的应用体现出新材料的重要性,材料的研究及改善也是许多粤港澳大湾区新材料企业努力追求的方向,本文将介绍国际上柔性材料的最新发展趋势以及粤港澳大湾区新材料于显示器应用方向及市场趋势。

 

 

    有关穿戴式装置的话题持续发烧,已从智慧眼镜、手表、手环衍生到智慧戒指及智慧耳机。而智能科技的适用对象亦拓展到家里的毛小孩们,甚至宠物们,如儿童智能手表、猫狗智能颈环、猫脸辨识喂食器等。但是不管穿戴式装置如何发展演变,显示器应用才是背后最大的市场。2019年,业界发表了一系列可卷曲电视和可折叠手机产品,主要是源于可挠式显示器(Flexible Display)技术的进步,让面板的展示方式有弧型、环状或是卷曲的效果,由初期的曲面屏幕进步到折叠屏幕。传统以TFT LCDThin Film Transistor Liquid Crystal Display)为主的显示器到底是如何实现柔性显示的呢?其关键在于显示器中柔性材料的使用,包括电路的基板、发光源的柔性化及轻薄化、封装材料的柔性化过程。以上这些柔性材料的应用都体现出新材料的重要性,材料的研究及改善也是许多粤港澳大湾区新材料企业努力追求的方向,本文将介绍国际上柔性材料的最新发展趋势以及粤港澳大湾区新材料于显示器应用方向及市场趋势。

 

应用于显示器的那些关键柔性材料

 

    柔性电子(Flexible Electronics)是将有机或无机材料电子器件制作在柔性基板上的新电子制造领域。近年来,由于导电高分子材料方面的研究新突破,有机材料从传统的绝缘体变成可导电的半导体,柔性电子便应运而生。由于有机材料特有的“可弯曲”“轻”“薄”“可利用印刷技术制造”等特点,使得柔性电子产品整合了光、电、感测功能,可以用来制造各种不同形状的电子产品,开创了全新的应用场景和无所不在的低成本电子商品,广泛应用于如电子书、超薄手机、可挠式显示器、抛弃式电子产品、贴身穿戴式产品、掌上电脑、智能卡等领域,从而改变人们的生活习惯。此外,与硅类材料的电子产品相比,有机材料除了具有单位面积成本和设备投资低的特点,还兼具了环保功能。一般而言,认为柔性材料在显示器应用的前景是可预期的,但是因为柔性材料应用和开发的历史并不长,而这其中很多关键的材料仍需要改善及开发,接下来我将一一说明。

 

    介电纳米粒子材料和柔性电子材料研发的首要重点是利用导电材料做出可弯折的导线,常见的做法是将导电纳米颗粒分散在油墨溶剂中,并由高分子聚合物作为配体封端的纳米金属颗粒组成。常用的纳米金属颗粒是银、金和铜,研界还尝试了更多不同种类,如氧化钛。配体通常是硫醇或胺,用于在存储期间防止纳米颗粒聚集。通常根据其蒸发温度、黏度和表面张力值选择溶剂,常用溶剂是甲苯或十四烷,但也存在水基底的油墨。将添加剂混合到油墨中以实现特定的功能:黏合促进剂来增加基材和烧结油墨之间的黏合性、保湿剂以防止蒸发并进行生物杀灭,以增加保质期并控制液体在基板上面的扩散。以上这些因素都会影响导电材料在打印头和基板上的行为,令柔性的导电材料配方成为一种复杂的技术。

 

    一般而言,柔性导电材料大部分是必须附着在柔性基板上,其结构大部分为低熔点温度基板加上高熔点金属,其中导电轨迹跟金属颗粒的微小尺寸相关。金属颗粒尺寸越小越容易引起熔点下降的现象,即随着金属颗粒尺寸减小,其金属颗粒的熔点将变低。虽然具体的熔化机制仍然未知,但这种现象本身我们猜想跟原子的内聚能有关。主要的理论是,内聚能取决于原子键结的数量,因此表面原子具有比体积原子更小的内聚能。随着颗粒变小,表面原子与体积原子的比例增加,总体内聚能降低,熔化颗粒所需的能量减少。也就是代表金属的熔点下降,金属颗粒的尺寸越小则熔点降低效果非常明显。近年来许多美国学者研究了二氧化硅表面镀金的纳米粒子即为证据,由研究发现对于纳米粒子,熔化温度比体积低两倍。问题是,这仍然比大多数基板可以处理的要高得多,所以纳米金属导电材料的研究跟柔性电子产业息息相关。

 

    同时,柔性电子技术整合不仅涉及电子电路、电子组件、材料、平面显示、纳米技术等领域,还横跨半导体、封测、材料、化工、印刷电路板、显示面板等产业。柔性电子技术的发展可协助传统产业,如塑料、印刷、化工、金属材料等产业的转型,提升产业附加价值,因此柔性电子技术将为产业结构和人类生活带来革命性的变化。其中未来显示器几个最主要的特点是轻薄化、高分辨率、高效能以及柔性化。

 

粤港澳大湾区柔性材料的应用前景

 

    201735日,国务院总理李克强正式把粤港澳大湾区城市群发展规划纳入政府工作报告,粤港澳大湾区的定位从泛珠三角时期的区域引擎跃升为跨行政区的国家级统一规划;之后中央经济工作会议又把粤港澳大湾区列入2018年重点工作。在我们思考粤港澳大湾区未来柔性材料的应用时,我们可以先看一下粤港澳大湾区的产业环境,根据《粤港澳大湾区发展规划纲要》的说明,粤港澳大湾区涵盖珠三角九市与香港、澳门,是我国开放程度最高、经济活力最强的区域之一,它以全国0.6%的面积贡献了12.4%GDP。从研发费用的构成看,据不完全统计,广东省90%以上的资金来自企业,而这一比例在全国范围内不到77%。粤港澳大湾区研发强度和企业的研发意愿均高于全国。此外,香港、澳门、广州、深圳四城服务业具有优势,城市服务业占比达到60%,其中香港及深圳的电子产业较为发达,深圳的信息科技和金融产业亮点颇多,广州的传统制造业正在面临转型,佛山、惠州、中山、珠海、江门、东莞等城市则在制造及自动化业具有优势,逐渐形成了珠江西岸的电气机械和家电以及珠江东岸的计算机等电子设备制造两个产业集群。围绕着两个核心产业集群,所在区域的配套产业也蓬勃发展。从这个角度来看,应用于各种不同产业的柔性材料也将蓬勃发展,例如柔性材料可应用于车用显示、柔性开关、生物医疗应用、户外广告、传感器、手持应用、穿戴式装置、智能衣服、温度传感器包装、柔性电子显示屏及室内显示屏等方面。

 

    除文中已经提到的应用场景以外,柔性材料也可以有另一个很大的应用市场,也就是现有的OLED(OrganicLight-Emitting Diode)有机发光二极管。OLED其实是一个非常理想的柔性材料应用,OLED运用在显示器应用的最主要的优点有二:(1)由于OLED是一个均匀的平面光源,所以不必利用灯具来聚光或是将光发散,而是直接由一个平面出光,可以减少光线经过灯具所产生的能量损耗。(2OLED的厚度及重量很轻,适合运用在一些特殊设计的应用上,例如说柔性显示屏的设计。OLED光源主要有三个特点:第一,均匀的面光源;第二,可任意弯曲且适合各式穿戴式装置;第三,高发光效率。不过近年来有研究团队发明了柔性的LED光源及显示器,利用喷涂技术达成高精密度的柔性导线及像素点,喷涂技术(SIJ)起初不是来自打印产业,而是来自于液体雾化的电喷雾技术。它是一种新型的电动流体动力学(EHD)打印机,利用振荡电场产生液滴喷射所需的压力,该机制能够产生亚毫微升液滴,如果湿度条件合适,则其在基板上转化为大约1微米的分辨率。如此一来就可以达成高分辨率及柔性的显示器,加上光学设计、软性LED封装技术及软性基板设计,柔性材料可以应用在穿戴式生物医疗装置、圆柱形广告装置、车用照明以及不规则造型之照明灯具。根据美国市场调研机构IHS Display Search的报告指出,至2020柔性光源市场可达到41亿美金,年成长率为600%IHS还指出,柔性显示器光源设计上应该注意以下四点特性,才能创造新的价值:

 

1. 亮度:柔性光源具备基本的亮度需在300 ~ 400lm之间,在某些应用上须考虑到光源的均匀度,以达成完美平面光源的效果。

 

2. 发光角度大:以广视角的设计为主,发光角度能越接近360度越佳。

 

3. 可任意变换形状:柔性光源之特点为可任意变换形状,所以如何突破现有的设计上,以达到创新的目的为设计的重点。

 

4. 光型和演色性(Color Rending IndexCRI):光型须符合灯具需求,角度越大越好,均匀度要在90%以上,且因为可挠式任意变换造型面光源大多使用在高级灯具,所以光源的颜色需要高演色性。

 

    柔性材料在显示器领域主要应用于OLED显示器和柔性LED显示屏,主要功能是导电线路的制作以及表面柔性材料的涂布。由于柔性材料耐高温性有限,因此不建议使用高温镀膜或烘烤的生产方式,而是采用在产品表面涂布一层薄于5微米的柔性材料。

 

    粤港澳大湾区作为推进“一带一路”建设、辐射东南亚的重要试点,是中国经济增长的新动能和接轨全球经济的新支点,与世界其他湾区相比,粤港澳大湾区具有制度多样性和互补性,唯有探索“中国模式”才能有效促进人才、技术、资金的汇聚和流动,使其真正具备顶级湾区实力。而一些基础的材料,对于政府而言,上层规划更为重要,基础材料的开发以及工艺上的改进是一切产品的基础,柔性材料可以应用在很多种不同的领域,例如医疗、电子等产业。电子产业中涉及的下一代的柔性显示器正蓄势待发,身为在粤港澳大湾区的“材料人”,我们怎么能不关注相关的材料演进?尤其是最近中美贸易战,美国限制很多战略材料出口,我们更要加强开发自有的柔性材料,及其他高性能材料技术自主化,漂亮地打赢这场贸易战争。

 

 

本文刊登于《科技与金融》20197月刊,如需转载请与编辑部联系。

转载时请注明文章来源“科技与金融杂志”。

 

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