國外自2000年以來，經(jīng)過多年的研究積累，目前已經(jīng)形成了具有較大規(guī)模的從特種單體合成到特種聚合物樹脂與薄膜制備的產(chǎn)業(yè)鏈，多種無色透明耐熱聚合物光學(xué)薄膜已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，大面積商業(yè)化進(jìn)程也蓄勢待發(fā)。特別是在研究熱度極高的柔性電子顯示和柔性太陽能電池領(lǐng)域，耐高溫聚合物光學(xué)薄膜得到了系統(tǒng)的應(yīng)用試驗(yàn)研究，為未來的大規(guī)模的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

【柔性電子顯示】

近年來，柔性顯示器件越來越多地走入了人們的生活。柔性電子技術(shù)的發(fā)展對于無色透明耐熱聚合物光學(xué)薄膜的需求日益迫切，這為該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了良好的契機(jī)。圖1給出了柔性顯示器件的發(fā)展路線圖。

圖1  柔性顯示器件發(fā)展路線圖

可以看出，在各種各樣的柔性顯示器件產(chǎn)品中，柔性OLED以其自發(fā)光、結(jié)構(gòu)簡單、對比度高、超輕薄、響應(yīng)速度快、寬視角、低功耗等特性而被認(rèn)為是目前國際上最具應(yīng)用前景的顯示器件品種之一，也是柔性顯示器件未來5年的主要發(fā)展方向之一。據(jù)國外市場研究公司HIS iSuppli預(yù)測，柔性OLED顯示器市場從2013年的2190萬美元迅速攀升至2014年的9480萬美元，并從2015年起呈現(xiàn)出強(qiáng)勁成長態(tài)勢。

圖2  基于柔性OLED顯示器的手機(jī)

柔性OLED技術(shù)的實(shí)現(xiàn)除了與其設(shè)計(jì)和制造技術(shù)密切相關(guān)外，各種新材料的支撐作用也至關(guān)重要。目前，影響柔性OLED技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵材料主要包括高熱穩(wěn)定性柔性基板、高柔性功能性薄膜晶體管（TFT）、高柔性與可靠性OLED以及高柔性觸摸屏，其中，高耐熱穩(wěn)定性柔性基板作為柔性OLED的支撐結(jié)構(gòu)更是影響柔性OLED器件發(fā)展最為關(guān)鍵的因素之一。研究開發(fā)具有優(yōu)良綜合性能的柔性耐高溫基板對于柔性AMOLED器件的發(fā)展具有極其重要的作用。

柔性OLED器件要求使用的柔性基板需要具備如下3個方面的性能：

• 優(yōu)異的耐高溫性能，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度>300℃

• 高溫尺寸穩(wěn)定性，熱膨脹系數(shù)<20ppm/℃

• 優(yōu)良的耐彎折性能，彎曲曲率半徑R盡可能低等。

圖3  柔性AMOLED 器件用柔性基板發(fā)展路線圖

圖3給出了柔性OLED產(chǎn)品及其柔性基板的發(fā)展路線圖?？梢钥闯?，隨著柔性器件的發(fā)展，柔性基板呈現(xiàn)出“平面型→可彎曲型→可卷曲型→可折疊型”的發(fā)展趨勢，其彎折曲率半徑R值不斷減少，這對基板材料的綜合性能提出了越來越高的要求?，F(xiàn)有商業(yè)化基板材料很難同時(shí)滿足上述苛刻的性能要求，因此柔性基板的研制開發(fā)已經(jīng)成為發(fā)展柔性OLED的關(guān)鍵步驟，同時(shí)也是制約柔性OLED發(fā)展的瓶頸之一。HIS iSuppli也表示，要實(shí)現(xiàn)完全的可撓性以及可卷曲的OLED顯示器仍有賴于材料和制程技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，柔性OLED大約要到2016年后才能夠進(jìn)展到可完全卷曲以及可折疊的應(yīng)用。因此，研制開發(fā)可滿足柔性OLED應(yīng)用需求的柔性基板材料對于實(shí)現(xiàn)這類柔性顯示器的商業(yè)化具有重要的意義。

目前，可應(yīng)用于柔性AMOLED器件的柔性基板材料主要包括超薄玻璃、金屬箔以及聚合物薄膜基板。其中，聚合物薄膜基板除了在尺寸穩(wěn)定性、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、阻水及阻氧特性遜于其他2類材料外，其它綜合性能均優(yōu)于另外2種材料。常見耐高溫透明聚合物基板材料主要包括聚酰亞胺（PI）、聚醚砜（PES）等。其中，無色PI薄膜基板以其優(yōu)良的耐高溫特性、良好的力學(xué)性能以及優(yōu)良的耐化學(xué)穩(wěn)定性成為柔性OLED器件基板的首選材料。各種聚合物薄膜基板的性能對比如表1所示。可以看出，耐高溫光學(xué)PI薄膜的綜合性能最為優(yōu)異。鑒于無色透明PI柔性基板材料的重要性，目前國際上十分重視其研究與開發(fā)。

 表1  常見光學(xué)聚合物薄膜基板性能對比

韓國三星

2009年報(bào)道了當(dāng)時(shí)世界上尺寸最大（6.5英寸）的柔性有源矩陣AMOLED器件。該器件采用非晶銦鎵鋅氧TFT驅(qū)動，在PI柔性基板上制作。PI基板的Tg為360℃，CTE為3.4ppm/℃。在10μm厚度PI基板上制作的AMOLED器件可以在曲率半徑為3mm情況下進(jìn)行彎曲，而沒有影響顯示品質(zhì)。

日本東芝

2012年報(bào)道了11.7英寸柔性AMOLED器件，該器件采用a-IGZO TFT驅(qū)動，采用透明PI薄膜作為基板，分辨率達(dá)到了94ppi。

日本三菱瓦斯

日本Saitama大學(xué)研究人員與三菱瓦斯（MGC）公司合作，在200μm厚的Neopulim無色透明PI薄膜基板上成功制備了透明有機(jī)場效應(yīng)晶體管（OFETs）。OFETs技術(shù)在低成本、柔性、大面積薄膜器件中具有廣泛應(yīng)用前景，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)下一代柔性顯示、柔性存儲器以及射頻識別標(biāo)簽的核心技術(shù)之一。

臺灣工業(yè)研究院（ITRI）

近年來,IRTI在柔性AMOLED器件及其基板的設(shè)計(jì)與制造方面取得了重要的進(jìn)展。開發(fā)的Flex UP技術(shù)在現(xiàn)有的薄膜晶體管（TFT）產(chǎn)線中，在玻璃基板與PI層之間插入一層離型層（release layer），從而在完成TFT陣列裝配后可將PI層與玻璃載體分離，而不破壞高溫PI膜上的TFT陣列。這樣可以得到以PI薄膜為基板的柔性顯示器件。采用Flex UP技術(shù)，IRTI實(shí)現(xiàn)了6英寸彩色柔性AMOLED器件的制作，其彎折曲率半徑小于10mm，而且在該曲率半徑下，顯示器的亮度可達(dá)到150nits。該顯示器的彎折次數(shù)可達(dá)到100,000次而不會破壞顯示功能。

ITRI的研究人員還在透明PI柔性基板上成功制作了7英寸彩色透過型AMOLED，其中的TFT是在200℃的高溫下進(jìn)行裝配的，使用的PI柔性基板的Tg約為350℃，而且透光率超過90%。

ITRI還利用其專利技術(shù)，將高達(dá)60%質(zhì)量百分比的無機(jī)SiO₂粒子引入PI結(jié)構(gòu)中，成功研制了無色PI/SiO₂雜化光學(xué)薄膜，其Tg >400℃，550nm處的透光率為90%，濁度為0.01%，CTE為28ppm/℃。該薄膜由于在柔性顯示器件中具有良好的應(yīng)用前景而被國際信息顯示協(xié)會（SID）授予了2011年度顯示組件銀獎。

此外，ITRI與日本Kaneka公司合作，利用后者的無色PI薄膜實(shí)現(xiàn)了柔性IGZO TFT陣列的制造。

【柔性太陽能電池】

柔性薄膜太陽能電池是一種在柔性襯底上制備的薄膜電池（如圖4所示），因其輕便、可卷曲、可攜帶等優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于太陽能背包、太陽能敞篷、太陽能汽車、太陽能帆船、太陽能飛機(jī)以及各類可穿戴式設(shè)備等。對于柔性薄膜太陽能電池，柔性基板的選取極為重要，需要綜合考慮基板材料的物理與化學(xué)性能。

圖4  柔性薄膜太陽能電池

首先，基板材料在整個電池制造工藝中的穩(wěn)定性與相容性以及最終太陽電池的工作壽命是最主要的因素。其次，基板材料的真空相容性、熱穩(wěn)定性、適宜的熱膨脹性能（CTE）、化學(xué)惰性、濕汽屏蔽功能以及表面平整度等因素都需要考慮。此外，輕質(zhì)、低成本、商業(yè)化途徑等因素也是需要考慮的因素。例如，基板材料的CTE值應(yīng)與CIGS吸收層的數(shù)值（5~12ppm/K）接近，以避免CIGS在沉積過程中出現(xiàn)粘附力降低以及碎裂等可靠性問題。表2對比了目前柔性太陽電池最常采用的基板材料的特性。

表2  常見柔性太陽電池基板材料及其性能

由表5可以看出，鈉鈣玻璃（Soda-lime glass, SLG）是目前標(biāo)準(zhǔn)的剛性基板，其主要性能均可以滿足現(xiàn)有太陽電池的應(yīng)用需求，但其密度較大，制備的電池?zé)o法進(jìn)行折疊，從而造成運(yùn)輸成本高等缺陷。

金屬與特種聚合物材料是制備柔性太陽電池的首選柔性基板材料。但金屬基板同樣存在密度大、表面粗糙度高等缺陷。此外，大部分金屬，如不銹鋼成分中含有金屬雜質(zhì)，這會對太陽電池的性能產(chǎn)生有害的影響。

聚合物作為柔性太陽電池基板材料具有密度低、表面粗糙度低、絕緣性高等特性，但其使用溫度最高不超過500℃，而制造高效率太陽電池的工藝溫度往往在550~600℃之間。PI是目前少數(shù)幾種可以耐受450℃高溫的聚合物材料，但其CTE值較高，在制備柔性太陽電池時(shí)，一方面需要降低工藝溫度，另一方面需要謹(jǐn)慎地控制工藝參數(shù)，以防止由于CTE的不匹配而造成的開裂問題。2011年，瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（EMPA）宣布采用杜邦公司的無色透明PI薄膜作為基板的柔性CdTe薄膜太陽電池的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了13.8%，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)這類太陽電池轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄。