二维软物质薄膜材料在光电领域的研究与应用

李倩 发表于 2018-04-03 14:53:14 收藏 已收藏
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二维软物质薄膜材料在光电领域的研究与应用

李倩 发表于 2018-04-03 14:53:14

国之栋梁,铸就大国之材!《大国之材》栏目聚焦材料界学术泰斗、行业领军人物,通过大型系列纪录片、系列丛书、视频访谈、新媒体报道等多种形式,见证中国材料人奋勇拼搏、砥砺前行的成长轨迹,记录中国从材料大国向材料强国迈进的发展史。

“新型显示技术的突破点主要在材料,而其中很重要的一个材料就是光学膜。” 美国工程院院士程正迪教授在“2017首届中国柔性显示技术(材料)国际论坛”上接受新材料在线®采访时表示,我国平板显示只具备系统集成的能力,但缺乏核心技术而存在空心化,70%以上的材料依靠进口。所以新型显示要做大做强关键在材料。

程正迪院士接受采访

材料尤其是高端新材料一直是制约我国多个产业发展的关键一环所在,OLED等新型显示产业同样也不例外。

此前新材料在线®综合市场各方信息可知,目前OLED产业链被日本、韩国、美国以及中国台湾地区企业高度垄断,中国本土产业链尚不成熟,包括OLED的各种材料和生产设备,尤其是包括偏光片所用光学膜等关键材料,都依赖进口。

虽然有国内多家企业开始发力OLED材料,但目前局面难言乐观。仅有的数家可以供货的国内OLED材料企业主要也都主要集中于中间体材料。

程正迪院士举例说,很多人认为光学膜在光学显示器里是非常小的部分,实际上液晶显示器的光学膜占到它的20%到30%的产值,而真正的液晶材料和OLED材料只占到15%到20%的比例。

程正迪院士表示,液晶显示面板主要由六种原材料组成,包括混合液晶材料,驱动IC,偏光片,背光模组,玻璃基板,彩色滤光片。

据了解,偏光片的两大核心原材料PAC膜和TAC膜,占偏光片物料成本75%左右,目前还是依赖日本进口,其中TAC 膜全球主要由日企厂商供应,富士写真和柯尼卡美能达两家日企全球市占率分别为70%和20%,两者占据全球TAC膜市场约90%的份额,韩国、台湾厂商包括国内的乐凯也在做TAC膜,但出货量很少。 而日企KUARARY(可乐丽)则占据了全球PVA膜市场65%。另外在偏光片的其它原材料膜层方面,日本也居于垄断地位,例如,90%以上的AG膜(防眩层)市场由日本电工和大日本印刷占据。

“不管是LCD还是OLED都需要用到光学膜,但是光学膜存在的问题很多。”程正迪院士告诉新材料在线®,对于设计光学薄膜的材料来说,具有各向异性的光学性能是业内普遍的难题。此外,光学薄膜的结构还面临加工问题,比如做偏光片时会有精密涂布的过程。其中面临的挑战很多,比如是精准的分子设计、精准的结构和形态的调控、精密加工技术等。

以下为程正迪院士在“2017首届中国柔性显示技术(材料)国际论坛”上的演讲速记,新材料在线®整理。

程正迪院士发表演讲

二维软物质薄膜材料在光电领域的研究与应用

程正迪:各位领导、各位嘉宾、各位同行,我今天想跟大家分享一下我对二维软物质薄膜材料在光电领域的研究与应用,当然也包括柔性显示以及光学通讯。

平板显示的方向是OLED柔性显示

新型显示是信息交流的窗口,也是指挥控制的平台,大家可以看到显示在各种各样的领域都存在,所以走进了家家户户的生活,也走进了许多的工业界,上天入地下海,我们都需要显示器,所以国家对显示工业有了极大的关注,美国国防部也认为显示技术是国家安全战略的关键技术,所以这是一个非常重要的领域。

我们国家平板显示发展的趋势,现在主要还是液晶显示器,在2015年全球的产值是1480亿美元,它的发展方向是OLED(有机发光)、柔性显示,这些都是我们将来要做的地方。

大家可以看看中国大陆平板显示的状况是非常清楚的,到2017年的时候,我们已经成为世界第一的规模,占了全球市场超过22%,产业规模超过3000亿元,所以我们对国家的支持也是非常有用的。

但事实上我们现在的情况是大而不强,我们平板显示长期处于中国产品出口的第三位,平板显示只具备系统集成的能力,但缺乏核心技术而存在空心化,70%以上的材料依靠进口。所以新型显示要做大做强关键在材料。

新型显示突破的关键材料是光学膜

很多人认为光学膜在光学显示器里是非常小的部分,实际上液晶显示器的光学膜占到它的20%到30%的产值,而真正的液晶材料和OLED材料只占到15%到20%的比例。

因为液晶有背光源,所以它不可能做得非常薄,OLED不存在背光源,因为它本身是发光的,所以OLED有它的优势。但是也有一个很大的问题,OLED大部分都是小尺寸的,大尺寸的OLED是很难做的,原因很简单,是它的电子过程没法过关。在这里大家可以看到,不管是LCD或者是OLED,它都要用到光学膜。

光学膜的科学问题是很多的,但其中很重要的一点,就是我们要从分子设计的过程开始。我们都知道光学的功能、结构的设计和合成是很重要的,这个部分是化学家所能贡献的部分。但是光有小分子的光学各向异性的单体是不行的,你要把它可以有加工,可以串联起来,所以必须要高分子材料的设计合成,所以光学薄膜的材料是非常重要的。

而设计光学薄膜的材料,而且具有各向异性的光学性能对我们来讲是大家面临的难题,而光学薄膜的结构还有一个加工问题,这个微加工有流延加工,比如说偏光片,它同时有双轴拉伸或者单轴拉伸的膜,同时也有精密涂布的过程,这对我们来讲是很重要的,因为你从一个分子设计,从小分子的结构到大分子,到最后变成光学膜的材料是有许许多多的路要走的,所以科学问题就是光学各向异性的多尺度的取向结构的设计和加工原理,对我们来讲是非常重要的。而挑战就是精准的分子设计、精准的结构和形态的调控、精密加工技术,这些都是我们现在面临的困难。

希望找到的目标是用结构子和功能子的思想,实现对材料的基因组合。如果我们将来能够有一个银行的仓库,你需要什么样的光学材料,你在仓库里查一查,把两个分子结合起来就能做的话,对我们来讲,我们整个工业就成功了。

当然,它里面有很多问题,比如说光学的各向异性问题、光学的膜加工、微加工问题,真正的挑战是如何实现分子单元光学协同放大,这对我们来讲是很大的难题。所以研究的逻辑很清楚,要提供基础的高分子材料、提供光学膜结构调控理论,最后要做到光学膜制造的科学原理、材料和成套的技术工艺包,对我们来讲真正要做到工业化生产,一定要走到这一步,这一步实际上是最困难的一步。

我举几个例子,第一个是正负双折射的光学补偿膜,这对我们来讲是很重要的,具有负双折射的光学补偿膜是在VA模式里面的,大家知道VA模式加电压的时候,它的液晶分子是竖起来的,在早期的液晶显示器里都是这个模式,这个模式有一个很大的问题,就是它的反应时间不够快,大概要大于25毫秒,在这种情况下,如果在加电压的时候,它的液晶分子都是竖起来的话,会有一个视角问题,这个视角问题是一个很头痛的问题,你正面对着看的话,当然情况各方面都很好,但是你有一个视角去看的话,它的对比度变差了,它的图象变模糊了,这叫可视角问题。

其实在科学上这个是很容易解决的问题,如果你是一个正的双折射的液晶分子层,你需要一个负双折射的补偿膜来补偿,但是这个负双折射的补偿膜是很难做到的。

我说这是一个筷子理论,一个筷子就是一个分子,它是非常硬的分子,如果这盆筷子撒在桌面上,所有的筷子都是躺下来的,沿着筷子光传播的速度和垂直传播的光的速度是不一样的,平面传播的速度快,垂直的折光指数要小,所以它是负的双折射。

负双折射的光学补偿膜的设计要是分子链在面内高度趋向,它是刚性聚合物主链结构,而它本身又要是无定形的,它不能有液晶向,它有液晶向,就形成了液晶的双折射。它有良好的溶解性和可加工性。大家知道分子越硬,它越难溶解在溶剂里面,这是大家都知道的,而且越硬的分子它一定有颜色,因为它有共轭结构,所以你不能用普通的办法,比如说加侧链等等方法来解决这个问题。

我们用非共轭的结构,所有的链都是苯环,但是每个苯环都要扭转90度,所以你的共轭打破了,你的链很容易溶解在普通的溶剂里,同时它是无色透明的,用这种方法来做,它的分子量可以做得很大。同时它还要可控面内、面外折光的指数,它的膜厚要小于10微米,我们用了这些苯环,它们都是互相扭曲的,没有共轭结构,用这种方法来做。

总结一下,我们要做必须是材料化学、材料物理、生物材料、材料工程这些跨学科的合作,才能从根本的理论和实践上来解决二维转化材料走出新的一步,这需要真正的合作。   

要成功一定要满足三个条件,第一是必须解决核心问题,工业界这个问题绕不过去,一定要解决。第二,它有经济优势,不能太贵,要比较便宜才能实现。第三是不需要大幅度的修改和重建工业流程,如果要大幅度的改动,投入比较大,工厂也不愿意做这个事情。

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