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(hào)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(guó)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(gè)**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(shí)現(xiàn)電子設(shè)備形態(tài)和應(yīng)用場(chǎng)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(hào)的有效傳輸與交互，例如在柔性顯示屏中實(shí)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(cè)，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(duì)于推動(dòng)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(wú)機(jī)材料

1、氧化銦錫（ITO）
ITO 是一種廣泛應(yīng)用的無(wú)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(shí)具備良好的導(dǎo)電性能，其電阻率可低至 10??Ω?cm 量級(jí)。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(guò)。然而，ITO 也存在一些局限性，其材料相對(duì)較脆，在反復(fù)彎曲或拉伸過(guò)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(guò)多種方法制備，如磁控濺射、溶膠 - 凝膠法等，并且可以通過(guò)摻雜不同的元素來(lái)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(duì)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(chǎng)景中可能受到限制。

3、其他無(wú)機(jī)材料
除了 ITO 和 ZnO 外，還有一些其他的無(wú)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(shì)，通過(guò)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(duì)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(duì)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(shí)也可以通過(guò)表面處理或與其他材料復(fù)合來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的導(dǎo)電和光學(xué)功能。然而，PET 的耐熱性相對(duì)較差，在高溫環(huán)境下可能會(huì)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(guò)程中可能會(huì)帶來(lái)問(wèn)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(guò)特殊的分子設(shè)計(jì)和合成工藝來(lái)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(wú)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(guò)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(diǎn)是可以通過(guò)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)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(duì)較低，與無(wú)機(jī)導(dǎo)電材料相比還有一定差距，并且其穩(wěn)定性在長(zhǎng)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(guò)程中，利用磁場(chǎng)和電場(chǎng)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(lái)并沉積在基底上形成薄膜。對(duì)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(shí)，可以通過(guò)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(diǎn)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(duì)較慢，在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)可能會(huì)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(shí)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(duì)純度要求較高的光學(xué)透明薄膜，如金屬氧化物薄膜時(shí)具有優(yōu)勢(shì)。與磁控濺射相比，電子束蒸發(fā)的沉積速率可以相對(duì)較高，但設(shè)備也較為復(fù)雜，并且在蒸發(fā)過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生一些熱輻射對(duì)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(guò)程中引入等離子體，通過(guò)等離子體中的活性粒子來(lái)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(wú)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(duì)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(huì)對(duì)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(guò)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(diǎn)是能夠**控制薄膜的厚度，實(shí)現(xiàn)原子級(jí)別的薄膜生長(zhǎng)，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(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。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(duì)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(jiǎn)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(guò)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(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、成本低廉，可以在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模快速制備薄膜樣品。但是，旋涂法難以實(shí)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(duì)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(guò)噴頭噴射到基底上，按照預(yù)先設(shè)計(jì)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(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)個(gè)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(fèi)，提高材料的利用率。然而，噴墨打印法對(duì)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(duì)于無(wú)機(jī)材料，可以通過(guò)調(diào)整材料的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分來(lái)減少在可見光范圍內(nèi)的光吸收。對(duì)于有機(jī)材料，可以通過(guò)分子設(shè)計(jì)，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(jì)，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(guò)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(guò)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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