柔性電子光學(xué)透明薄膜技術(shù)干貨分享

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上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學(xué)儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術(shù)背景依托中國科學(xué)院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學(xué)儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學(xué)透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。

一、引言

隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，柔性電子作為一個**潛力的領(lǐng)域逐漸興起并獲得了廣泛關(guān)注。柔性電子旨在將電子器件的功能集成在可彎曲、可折疊甚至可拉伸的柔性基底上，從而實現(xiàn)電子設(shè)備形態(tài)和應(yīng)用場景的多樣化變革。

在這一**領(lǐng)域中，光學(xué)透明薄膜扮演著不可或缺的角色。它不僅要為柔性電子器件提供良好的光學(xué)透明度，確保光信號的有效傳輸與交互，例如在柔性顯示屏中實現(xiàn)清晰的圖像顯示、在光電傳感器中保證準(zhǔn)確的光探測，還要具備出色的柔性以適應(yīng)器件的變形要求。因此，深入研究柔性電子光學(xué)透明薄膜技術(shù)對于推動柔性電子產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步具有極為重要的意義。

二、柔性電子光學(xué)透明薄膜的主要材料類型

（一）無機(jī)材料

1、氧化銦錫（ITO）
ITO 是一種廣泛應(yīng)用的無機(jī)透明導(dǎo)電材料。它具有較高的透光率，在可見光范圍內(nèi)可達(dá) 85% 以上，同時具備良好的導(dǎo)電性能，其電阻率可低至 10??Ω?cm 量級。這使得 ITO 能夠在柔性顯示屏等柔性電子器件中既作為透明電極，又能保證光的有效透過。然而，ITO 也存在一些局限性，其材料相對較脆，在反復(fù)彎曲或拉伸過程中容易出現(xiàn)裂紋，從而導(dǎo)致電學(xué)和光學(xué)性能的下降。此外，銦元素的稀缺性也在一定程度上限制了 ITO 的大規(guī)模應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展。

2、氧化鋅（ZnO）

ZnO 是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，在可見光區(qū)域具有較高的透光率。它的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。ZnO 可以通過多種方法制備，如磁控濺射、溶膠 - 凝膠法等，并且可以通過摻雜不同的元素來調(diào)節(jié)其電學(xué)性能，例如摻雜鋁（Al）可以提高其導(dǎo)電性。與 ITO 相比，ZnO 的原材料豐富，成本相對較低，在柔性電子光學(xué)透明薄膜領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。但是，ZnO 薄膜的電學(xué)性能目前還難以完全達(dá)到 ITO 的水平，在高導(dǎo)電性要求的應(yīng)用場景中可能受到限制。

3、其他無機(jī)材料
除了 ITO 和 ZnO 外，還有一些其他的無機(jī)材料也被應(yīng)用于柔性電子光學(xué)透明薄膜。例如，二氧化鈦（TiO?）具有優(yōu)異的光學(xué)和化學(xué)性能，可用于制備抗反射涂層或作為復(fù)合薄膜的組成部分，以提高薄膜的綜合性能。還有一些金屬納米線材料，如銀納米線，其具有極高的導(dǎo)電性和較好的透光性，并且在柔性方面表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，通過將銀納米線分散在合適的聚合物基質(zhì)中，可以制備出具有良好柔性和光學(xué)透明度的復(fù)合薄膜。

（二）有機(jī)材料

1、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）
PET 是一種常見的有機(jī)聚合物材料，具有良好的柔韌性、機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性。它的透光率較高，可達(dá)到 90% 左右，并且成本相對較低，易于加工成型。PET 薄膜在柔性電子中常被用作基底材料或封裝材料，同時也可以通過表面處理或與其他材料復(fù)合來實現(xiàn)一定的導(dǎo)電和光學(xué)功能。然而，PET 的耐熱性相對較差，在高溫環(huán)境下可能會發(fā)生變形，這在一些需要高溫工藝處理的柔性電子器件制造過程中可能會帶來問題。

2、聚酰亞胺（PI）
PI 是一種高性能的有機(jī)聚合物材料，具有出色的耐高溫性能、良好的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性。它在柔性電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，尤其是在需要承受高溫處理或在惡劣環(huán)境下工作的器件中，如柔性印刷電路板、柔性傳感器等。PI 薄膜的透光率一般在 80% - 90% 之間，可以通過特殊的分子設(shè)計和合成工藝來進(jìn)一步提高其透光性。此外，PI 還可以與其他材料進(jìn)行復(fù)合，如與無機(jī)納米粒子復(fù)合，以獲得更好的綜合性能，如提高導(dǎo)電性或增強(qiáng)抗劃傷能力。

3、導(dǎo)電聚合物導(dǎo)電聚合物是一類具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的有機(jī)材料，如聚苯胺（PANI）、聚噻吩（PTh）等。這些材料具有一定的導(dǎo)電性和良好的柔韌性，可以通過化學(xué)合成或電化學(xué)聚合等方法制備成薄膜。導(dǎo)電聚合物薄膜在柔性電子中的應(yīng)用主要集中在柔性電極、傳感器等方面。它們的優(yōu)點是可以通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計來調(diào)節(jié)其電學(xué)和光學(xué)性能，并且具有較好的加工性能，可以采用溶液旋涂、噴墨打印等方法制備成各種形狀和尺寸的薄膜。但是，導(dǎo)電聚合物的導(dǎo)電性一般相對較低，與無機(jī)導(dǎo)電材料相比還有一定差距，并且其穩(wěn)定性在長期使用或復(fù)雜環(huán)境下可能需要進(jìn)一步提高。

三、柔性電子光學(xué)透明薄膜的制備技術(shù)

（一）物**相沉積（PVD）

1、磁控濺射
磁控濺射是一種常用的物**相沉積技術(shù)。在磁控濺射過程中，利用磁場和電場的相互作用，使等離子體中的離子加速轟擊靶材，將靶材原子濺射出來并沉積在基底上形成薄膜。對于柔性電子光學(xué)透明薄膜的制備，磁控濺射可以**控制薄膜的厚度、成分和結(jié)構(gòu)。例如，在制備 ITO 薄膜時，可以通過調(diào)整濺射功率、氣壓、靶材與基底的距離等參數(shù)，獲得具有高透光率和良好導(dǎo)電性能的薄膜。磁控濺射的優(yōu)點是制備的薄膜質(zhì)量高、均勻性好、附著力強(qiáng)，并且可以在較大面積的基底上進(jìn)行沉積。然而，該技術(shù)設(shè)備成本較高，沉積速率相對較慢，在大規(guī)模生產(chǎn)時可能會受到一定限制。

2、電子束蒸發(fā)
電子束蒸發(fā)是另一種 PVD 技術(shù)，它利用電子束加熱蒸發(fā)源材料，使材料蒸發(fā)并沉積在基底上。電子束蒸發(fā)可以實現(xiàn)高純度材料的蒸發(fā)沉積，能夠**控制薄膜的厚度和成分。在制備一些對純度要求較高的光學(xué)透明薄膜，如金屬氧化物薄膜時具有優(yōu)勢。與磁控濺射相比，電子束蒸發(fā)的沉積速率可以相對較高，但設(shè)備也較為復(fù)雜，并且在蒸發(fā)過程中可能會產(chǎn)生一些熱輻射對基底造成影響，需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

（二）化學(xué)氣相沉積（CVD）

1、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）
PECVD 是在化學(xué)氣相沉積過程中引入等離子體，通過等離子體中的活性粒子來促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，降低反應(yīng)溫度，提高薄膜的沉積速率和質(zhì)量。在柔性電子光學(xué)透明薄膜制備中，PECVD 常用于制備一些無機(jī)薄膜，如氮化硅（Si?N?）薄膜，可作為保護(hù)膜或絕緣層。PECVD 可以在較低的溫度下進(jìn)行薄膜沉積，這對于一些不耐高溫的柔性基底材料非常重要。但是，PECVD 設(shè)備的復(fù)雜性和運(yùn)行成本較高，并且等離子體環(huán)境可能會對薄膜的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生一些微妙的影響，需要深入研究和優(yōu)化。

2、原子層沉積（ALD）

ALD 是一種基于自限制表面反應(yīng)的化學(xué)氣相沉積技術(shù)。它通過交替地將反應(yīng)物脈沖通入反應(yīng)腔室，使反應(yīng)物在基底表面逐層反應(yīng)形成薄膜。ALD 的突出優(yōu)點是能夠**控制薄膜的厚度，實現(xiàn)原子級別的薄膜生長，并且制備的薄膜均勻性**，在制備超薄光學(xué)透明薄膜，如高介電常數(shù)薄膜用于柔性電子器件的柵極絕緣層時具有獨特的優(yōu)勢。然而，ALD 的沉積速率非常低，這使得其在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用受到較大限制，并且設(shè)備成本較高，對反應(yīng)環(huán)境的要求也較為嚴(yán)格。

（三）溶液法制備

1、旋涂法
旋涂法是一種簡單且常用的溶液法制備薄膜的技術(shù)。將溶解有薄膜材料的溶液滴在高速旋轉(zhuǎn)的基底上，利用離心力使溶液均勻地鋪展在基底表面，然后通過溶劑的揮發(fā)形成薄膜。這種方法適用于制備一些有機(jī)薄膜材料，如導(dǎo)電聚合物薄膜、聚合物電解質(zhì)薄膜等。旋涂法的優(yōu)點是設(shè)備簡單、操作方便、成本低廉，可以在實驗室規(guī)模快速制備薄膜樣品。但是，旋涂法難以實現(xiàn)大面積均勻薄膜的制備，并且溶液的濃度、粘度、旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)對薄膜的厚度和質(zhì)量影響較大，需要**控制。

2、噴墨打印法噴墨打印法是一種數(shù)字化的溶液法制備薄膜技術(shù)，它將薄膜材料的溶液通過噴頭噴射到基底上，按照預(yù)先設(shè)計的圖案和形狀形成薄膜。噴墨打印法在柔性電子光學(xué)透明薄膜制備中的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)個性化、定制化的薄膜制備，適合于制備一些圖案化的薄膜結(jié)構(gòu)，如柔性顯示屏中的電極圖案、傳感器陣列等。此外，噴墨打印法可以減少材料的浪費，提高材料的利用率。然而，噴墨打印法對溶液的性質(zhì)要求較高，如溶液的穩(wěn)定性、粘度、表面張力等，并且打印分辨率和速度也受到噴頭技術(shù)的限制。

四、柔性電子光學(xué)透明薄膜在柔性電子中的性能要求與提升策略

（一）高透光率

1、材料選擇與優(yōu)化
選擇具有低吸收系數(shù)和高折射率匹配的材料是提高透光率的基礎(chǔ)。例如，對于無機(jī)材料，可以通過調(diào)整材料的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分來減少在可見光范圍內(nèi)的光吸收。對于有機(jī)材料，可以通過分子設(shè)計，引入特殊的官能團(tuán)或結(jié)構(gòu)單元，降低分子內(nèi)和分子間的電子躍遷能量，從而減少光的吸收。此外，還可以采用多層膜結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用光的干涉原理，減少反射損失，提高透光率。例如，在光學(xué)透明薄膜表面涂覆抗反射涂層，通過調(diào)整涂層的厚度和折射率，使反射光相互抵消，增加透射光的比例。

2、微觀結(jié)構(gòu)控制

優(yōu)化薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，如減少晶體缺陷、控制晶粒尺寸和取向等，也有助于提高透光率。在多晶薄膜中，較小的晶粒尺寸和均勻的晶粒取向可以降低光的散射。通過改進(jìn)制備工藝，如采用合適的沉積溫度、壓力和速率，以及進(jìn)行后退火處理等，可以調(diào)控薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，提高透光率。

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