25 10 2018

低维材料:光学膜让“视界”更“晶彩”

  70英寸以上的超大屏幕液晶电视机画质高清逼线度观看,视角不受限……种种优越性能同时实现的背后,离不开光学补偿膜这个低维材料家族成员。

  从眼镜、数码相机到电脑、电视、手机,甚至人民币上的防伪技术,光学薄膜在生活中可谓无所不在。它属于典型的低维材料,是在光学元件或独立基板上,制镀上或涂布一层或多层介电质膜或金属膜或这两类膜的组合,以改变光波透射、反射、相位改变等传递特性,花色繁多的性能让人们的“视界”变得丰富多彩。

  光学补偿膜作为光学膜的一种,充当了液晶“视界魔法师”的角色,可对各种显示模式下液晶在各视角产生的相位差进行修正,即让液晶分子的双折射性质得到对称性补偿。此外,它还能有效降低液晶显示器暗态时的漏光量,并在一定视角内大幅提高影像对比、色度,克服部分灰阶反转问题。

  近年来,液晶显示器(LCD)在信息产业中得到广泛应用,而视角受限不对称、对比度低等问题阻碍了它的应用拓展,补偿膜凭借其神奇的光学性能成为最简单的解决方案之一。除对称性补偿外,补偿膜还能使不同角度观看的影像失真度最小,并保证宽视角。随着LCD面板设计技术的革新,出现了大型化、薄型化、低成本化的趋势,光学补偿膜因此有了更多用武之地。

  毋庸置疑的是,假如没有光学薄膜的技术基础,大半个世纪以来人类通讯、光电等技术恐怕仍停滞不前。东华大学先进低维材料中心主任、首席科学家程正迪教授20多年前就前瞻地认识到光学膜的研发价值,带领团队持续研究攻坚。程正迪认为,在光学高科技领域,高分子材料取代了昂贵的无机材料并被广泛应用于工业产品之中。液晶显示器发展至今,对光学补偿膜的需求已呈“量”与“质”齐升的态势。为满足产业及产品发展需求,获得具备理想光学性质的大分子多尺度分子设计,加快针对LCD中光学补偿膜的研究显得至关重要。

  在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等几大主流薄膜基材中,程正迪与美国阿克隆大学F. Harris教授选择了聚酰亚胺(PI)。PI薄膜自身所具有的负性双折射这一光学特性,使其在改善LCD视角、提高对比度方面的应用作用越来越受到人们的重视。他们共同研发出基于可溶性聚酰亚胺的高透明单轴负双折射(NB)光学补偿膜。该类NB薄膜用溶液涂布得到,成膜后无需进行拉伸等后处理,制备工序简化。程正迪领衔研发的NB薄膜通过连续处理的涂布法制得,具有成本低、供给能力强等特点。在研发过程中,程正迪团队不仅系统考察了PI化学结构及分子排列等因素对薄膜性能及加工行为的影响,并致力于将基础研究与应用开发紧密结合,真正实现了研究成果向高科技产业的转化。

  据了解,早在1994年,美国Rockwell International公司即开始运用NB膜专利技术制造用于飞机的仪表显示器件。其后,世界最大LCD功能膜供应商之一日东电工与程正迪等合作,于2000年成功将该NB膜用于大面积LCD器件(如Sharp液晶电视屏),在世界范围内实现了该发明专利的商品化,在很大程度上促进了全球LCD产业的增长,增强了工业界对进一步应用和发展LCD的兴趣。

  随着我国电子工业的快速发展,众多世界电子巨头在国内投资设厂,中国已成为全球最大的笔记本电脑和手机生产基地。作为世界最大的平板显示器市场,中国在2012年对LCD电视的需求就占全球的22%。近几年中国液晶面板产能不断增长,对光学薄膜的需求年复合增长率达47%,在液晶面板成本中光学膜片占23%左右。三菱树脂、东丽、杜邦等7大国外企业垄断了全球八成以上光学基膜产能。国内庞大的市场需求与薄弱的产能形成了悬殊对比,研究者与生产者集体意识到光学薄膜的无可替代性,及其中蕴藏的巨大机遇和挑战。

  作为国际高分子领域的领军人物,程正迪是一位坚定的跨学科研究倡导者,他自身在光学薄膜领域卓越的研究工作也是对“跨学科”的深度诠释。程正迪师从东华大学老校长,我国纤维高分子学科奠基人、教育家钱宝钧教授,钱老说过,“高分子没有统计力学做不下去”。正是在钱老的鼓励下,数学专业出身的程正迪转入材料科学方向,开始了跨学科研究。他认为,为了拓展科学研究的新思路、新方法和新技术,需要由化学家、物理学家和工程师共同组建团队;为了学以致用,实现研究成果的产业化,需要研究人员和工业人员的紧密合作。在高分子领域要成为领路者,必须做跨领域、跨学科的科研。高分子学科的生命力就体现在跨学科特性上,具体则表现为高分子领域中化学方法的多样性、物理概念的互补性和工程加工的多尺度性。

  据了解,目前程正迪团队正在致力于新一代高性能NB材料的研发,由他领衔的东华大学先进低维材料中心更是在瞄准低维材料前沿领域蓄势而为,这对国内的光学薄膜相关领域的企业而言,或将迎来一次从技术转化到自主生产的合作契机。