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综合新闻

有机柔性导电器件光刻直接制造

来源:     作者:武汉光电国家研究中心    发布时间:2020年05月07日    浏览:

    导电触控屏是手机、平板电脑等消费电子设备中广泛采用的关键零部件之一。随着中国、韩国、美国等国在智能手机等领域竞争的加剧,更高性能导电触控屏的研发受到了工业界的广泛重视。传统导电触控屏普遍采用导电银浆激光烧蚀方法来制造其中的导电线,该方法长期以来受到了多方面的限制。首先是银含量的限制。增加导电银浆中银的成分有利于提高导电性,然而银浆中有机物成分的减少将大大降低导电线与基底粘附的牢固性,因此银浆中存在一个最佳的银含量值以确保同时满足使用的导电性和牢固性。其次导电线尺寸的限制。早些年来随着制造方法和工艺的进步,导电银浆激光烧蚀制备的触控屏导电线的尺寸不断缩小。然而近几年以来,受限于激光烧蚀制备方法的限制,触控屏导电线尺寸在达到15微米之后一直缩小缓慢。这大大限制了手机等消费电子设备在高显示分辨率应用方面的需求,比如AR,VR。最后,导电银浆激光烧蚀所制备的银线不耐折叠,易于开裂,限制了其在柔性需求场景下的应用。

    国内苏大维格、吉事达等企业虽然在传统银浆激光烧蚀工艺领域取得了良好的进展,然而仍然与韩国三星等国际知名显示面板存在较大的差距。特别是在柔性触控屏领域,韩国三星凭借其折叠手机,再次引领智能手机发展新潮流。华中科技大学武汉光电国家研究中心的甘棕松教授团队长期以来专注于研究先进光刻技术及其在工业领域中应用,通过深入吉事达等企业了解工业和市场需求,提出了解决上述传统触控屏制造问题问题的新办法。

    不同于苏大维格等企业所使用的光刻设备,甘棕松教授团队基于其自己研制的直写光刻机,利用飞秒激光实现了在衬底上一步制造出有机导电线。相比于传统银浆制造的导电线,该方法所制造出的有机导电线不仅仅保持了可与之媲美的导电性能,而且在线宽、与基底粘附牢固性方面具备压倒性优势。新方法已经实现的最小线宽小于180 nm,同时通过了上千次弯曲基本保持粘附牢固性不变的测试。该研究成果以Direct laser writing of nanoscale undoped conductive polymer”为题,发表在近期Nanotechnology期刊上。该论文通讯作者甘棕松教授谈到:“这项工作和我们以前从事的其他一些研究工作完全不一样。作为高校的研究人员,我以前习惯于坐在办公室里查资料、读文献,希望能够从文献的缝隙里找到尚未被人研究的课题。然而我深知这样的研究是脱离实际应用的。自2017年我回到华中科技大学以来,寻找产业痛点,挖掘产业应用成为了代替以前坐在办公室里看文献、坐在学术会场里讨论的最重要工作内容。三年以来,我几乎跑遍了国内与光刻机相关的较为有名的企业。我希望我们自己研制的光刻机能够为我们国家的产业发展做出能够看得见摸得着的贡献。这项工作起源于我去武汉吉事达公司调研。在第一次调研中,我受到了该公司陈刚董事长,汪心楷总经理,陈明朗副总经理,袁聪技术总监等多人的热情接待。他们真切盼望我这个从高校来的科研人员能够解决他们生产中存在的技术问题。通过与他们交流,我看到了我们高校科研人员研究课题与实际生产需要还存在严重衔接不上的问题。通过深入企业了解实际需求,我们确定了解决问题的基本思路和方法。很快我们又发现了我们没有核心设备的问题。在国内高校,通过购买国外设备来开展科学研究是普遍现象。然而我们并没有这么做,而是选择了自主研发设备和零部件。通过与天津三英精控、中船重工武汉717所、华日激光等合作,我们不仅完成了设备的自主研发,而是还完成了零部件的国产化。对于一款产自美国价格约为5万元而我们国内没有的机械开关,我们组织了技术攻克,在三个月的时间内拿出了国产样机。目前该设备在开关速度和开关寿命上实现了对美国产品的超越。这项工作虽然历时较长,但是我认为这将是一项从材料到设备再到工艺都完全掌握在我们自己手中的技术。未来,可通过对我们自研直写光刻机及其配套材料的优化和升级,其导电线、线宽、柔性等性能还有望实现大幅度提升。”

    该论文第一作者博士研究生骆志军谈到:“柔性电子器件是具有机械柔性的电子器件或装备,是未来人机交互的关键。与目前高度集成的电子器件类似,柔性器件也会在未来发展中不断缩小器件特征尺寸,提高集成度。但是目前的金属或半导体材料并不适用与微纳尺度下的柔性制造,工艺沉积出的颗粒不够均匀细腻,微纳尺度下金属或半导体的机械性能因而大幅下降。我们研究是这项技术为柔性微纳电子器件的直接光刻制造提供了可能。

    该项工作得到了国家自然科学基金创新研究群体项目(No.61821003)、国家自然科学基金面上项目资助(No.61775068)、深圳市科技创新委员会基金(No. JCYJ20180507184503128)的支持。


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