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“高分子材料之王”PI为何在折叠屏手机市场大展身手!

过2018年手机行业的“全面屏、渐变色、三摄、升降摄像头、挖孔屏”的热潮后,2019我们将迎来未来智能手机形态和交互的全新变革期,比如可折叠手机的上市,以及首批5G产品的上市。可折叠手机最大的优势在于其柔性折叠,那么是什么赋予手机这种特性呢?


图 可折叠柔性屏手机-Flex Pai“柔派”来自网络


所谓的折叠屏手机,可折叠即代表柔性,那屏幕肯定不能采用传统的硬屏,不然一掰就碎屏了。这就需要引入新材料让基板“软下来”。


图 屏幕折痕和平整度将会直接影响观感 来自新浪科技


基板材料面临的挑战是既要有材料的钢性还要兼顾材质的弯折性,以及回复性,长时间弯折能否回复到原始形态,这是折叠屏具有折叠属性的特质。满足折叠屏生产的盖板材料需要同时满足柔韧性、透光率以及很强的表面防划伤性能。


目前的屏幕基底材料以玻璃为主,但是玻璃不能弯曲折叠,因此塑料的特性成为折叠屏眼下最适宜的基底材料。荧幕基底换成薄膜后不仅基底能够折叠,还可提高屏幕的抗摔性,同时屏幕更加轻薄。以下为列举的几种主要基底材料性能对比;


几种材料的性能表


从上表可看出形变量最大的为PET、CPI,PET的应变值为20.37,但是PET在长期的弯折下可能会产生塑性变形,CPI的应变值为29是目前较高的,而且CPI耐高温可达250℃以上,性能最佳。布局的智能手机折叠屏柔性材料多采用CPI,选用PET的较少。那么透明聚酰亚胺薄膜是如何制造出来的呢?下面就来简单回顾下其制备工艺流程;


CPI透明聚酰亚胺薄膜制备方法


制备透明聚酰亚胺薄膜的主要工艺流程为:



聚合


聚酰亚胺(PI)为主链含有酰亚胺结构的一类聚合物,独特的芳杂环结构赋予其优越的性能,被称为“高分子材料之王”。聚酰亚胺单体是由二元酐和二元胺合成,合成方法主要有一步法、二步法、三步法和气相沉积聚合法。


由于传统PI薄膜通常呈现棕黄色,对可见光的透过率低,因此通过在聚酰亚胺的分子结构中引入含氟基团、脂环结构、含砜基基团、柔性基团、大侧基和非共平面结构可进行优化,降低分子内和分子间作用力来减少电荷转移络合物(CTC)的形成,从而使膜表面出现一定的取向结构,从而制备出无色透明耐高温聚酰亚胺薄膜CPI(Colorless Polymide)。


聚合合成工艺对于透明聚酰亚胺薄膜的性能,厚度,使用领域等具有较大影响。


流延成膜


在合成聚酰胺酸溶液后,具有一定黏性的聚酰胺酸通过特定的成型方法成为均匀、特定厚度的薄膜。


干燥


加入一定的干燥脱溶剂将聚酰胺酸液态转为固态。


制膜成型


其中成型工艺对于薄膜的性能和生产方式影响极大,较为常用的方法为流延法和拉伸法,高性能的聚酰亚胺薄膜制备一般采用拉伸法。


亚胺化



亚胺化处理的方法有热亚胺化法和化学亚胺化法。热亚胺化法是将聚酰胺酸加热到一定温度,使之脱水环化;化学亚胺法是向温度保持在-5℃以下的聚酰胺酸溶液中加入一定量的脱水剂和触媒,快速混合后加热到一定温度使其脱水环化。


在应用过程中,制备折叠屏手机屏幕的柔性材料还有一个特点就是不仅要具备柔性,还要有一定的耐刮性能。涂布硬化也是其较为重要的一步,同时是目前的一大难点。


涂布硬化



制备出的透明聚酰亚胺要想具备一定的耐刮性能,就需要在基材上进行涂布加硬固化。但是硬度和绕折性两者之间的平衡是柔性发展的瓶颈。因为基材经过硬化处理后,在反复绕折下,硬化层可能会出现龟裂,造成屏幕硬度降低影响外观效果。所以目前表面硬化和柔性的平衡是柔性屏发展突破的关键。据了解,目前三星的透明CPI膜涂布加硬合作企业为住友。


图 透明CPI膜加硬后的结构示意


透明聚酰亚胺薄膜具有传统PI的优异性能,具有高耐热、高可靠、耐挠曲、低密度、低介电常数、低 CTE、易于实现微细图形电路加工等特性,还克服了传统PI薄膜浅黄或深黄颜色的缺点,不仅应用于折叠屏的柔性显示技术,而且可用于薄膜太阳能电池、柔性电路板的柔性衬底。


图 聚酰亚胺薄膜 来源长春高崎官网


根据权威机构IHS预测,到2022年,柔性显示屏幕的市场规模将由2016年的37亿美元增至155亿美元,增长率将超过300%,并且到2020年,柔性屏幕的营收将占到显示屏市场总营收的13%。与此同时,到2020年,柔性衬底的市场空间也将达到5亿美元,其中超过95%的市场将由塑料衬底所占据。


随着光电材料的飞速进步,基于有机发光半导体(OLED)的可挠曲的柔性电子电器得到了巨大的发展,透明聚酰亚胺薄膜(CPI)市场的需求也开始扩张,除了具备量产能力的韩国Kolon和SKC,国内厂家逐步涉及高性能CPI材料的研发及生产。例如山东冠科光学科技、武汉柔显科技股份有限公司、深圳瑞华泰薄膜科技有限公司、桂林电器科学研究院有限公司、时代新材、丹邦科技、长春高琦、台湾永捷、奥克集团等。


折叠屏将对现有部分手机供应链产生重大的变化,涉及的企业类型有终端、显示触控企业、柔性薄膜、FPC、柔性胶材、转轴,设备有激光、点胶、贴合、检测等类。如:

OPPO、三星、iPhone、华为、联想、Moto、小米、中兴、海信、柔宇;

TPK、LG、京东方、维信诺、华星光电、深天马、和辉光电、群显光电;

天材创新Cambrios、深圳市华科创智技术有限公司、C3Nano、苏州诺菲纳米科技有限公司、广州宏武材料科技有限公司、昆明贵金属研究所、合肥微晶、珠海纳金、北京载诚科技有限公司;

深圳瑞华泰薄膜、桂林电科院、时代新材、丹邦科技、今山电子、合肥玖源新材料、天津市众泰化工科技、深圳市捷度科技、福磊化学、康得新、台湾永捷;

奇鋐科技股份AVC、韩国Diabell、深圳市汇能光电、厦门华尔达、劲丰电子、思捷精密、安费诺;

德龙激光、盛雄激光、正和汇通、富强科技等;


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