二維軟物質薄膜材料在光電領域的研究與應用

國之棟梁，鑄就大國之材！《大國之材》欄目聚焦材料界學術泰斗、行業(yè)領軍人物，通過大型系列紀錄片、系列叢書、視頻訪談、新媒體報道等多種形式，見證中國材料人奮勇拼搏、砥礪前行的成長軌跡，記錄中國從材料大國向材料強國邁進的發(fā)展史。

“新型顯示技術的突破點主要在材料，而其中很重要的一個材料就是光學膜。” 美國工程院院士程正迪教授在“2017首屆中國柔性顯示技術（材料）國際論壇”上接受新材料在線?采訪時表示，我國平板顯示只具備系統(tǒng)集成的能力，但缺乏核心技術而存在空心化，70%以上的材料依靠進口。所以新型顯示要做大做強關鍵在材料。

程正迪院士接受采訪

材料尤其是高端新材料一直是制約我國多個產業(yè)發(fā)展的關鍵一環(huán)所在，OLED等新型顯示產業(yè)同樣也不例外。

此前新材料在線?綜合市場各方信息可知，目前OLED產業(yè)鏈被日本、韓國、美國以及中國***地區(qū)企業(yè)高度壟斷，中國本土產業(yè)鏈尚不成熟，包括OLED的各種材料和生產設備，尤其是包括偏光片所用光學膜等關鍵材料，都依賴進口。

雖然有國內多家企業(yè)開始發(fā)力OLED材料，但目前局面難言樂觀。僅有的數(shù)家可以供貨的國內OLED材料企業(yè)主要也都主要集中于中間體材料。

程正迪院士舉例說，很多人認為光學膜在光學顯示器里是非常小的部分，實際上液晶顯示器的光學膜占到它的20%到30%的產值，而真正的液晶材料和OLED材料只占到15%到20%的比例。

程正迪院士表示，液晶顯示面板主要由六種原材料組成，包括混合液晶材料，驅動IC，偏光片，背光模組，玻璃基板，彩色濾光片。

據(jù)了解，偏光片的兩大核心原材料PAC膜和TAC膜，占偏光片物料成本75%左右，目前還是依賴日本進口，其中TAC 膜全球主要由日企廠商供應，富士寫真和柯尼卡美能達兩家日企全球市占率分別為70%和20%，兩者占據(jù)全球TAC膜市場約90%的份額，韓國、***廠商包括國內的樂凱也在做TAC膜，但出貨量很少。 而日企KUARARY（可樂麗）則占據(jù)了全球PVA膜市場65%。另外在偏光片的其它原材料膜層方面，日本也居于壟斷地位，例如，90%以上的AG膜(防眩層)市場由日本電工和大日本印刷占據(jù)。

“不管是LCD還是OLED都需要用到光學膜，但是光學膜存在的問題很多?！背陶显菏扛嬖V新材料在線?，對于設計光學薄膜的材料來說，具有各向異性的光學性能是業(yè)內普遍的難題。此外，光學薄膜的結構還面臨加工問題，比如做偏光片時會有精密涂布的過程。其中面臨的挑戰(zhàn)很多，比如是精準的分子設計、精準的結構和形態(tài)的調控、精密加工技術等。

以下為程正迪院士在“2017首屆中國柔性顯示技術（材料）國際論壇”上的演講速記，新材料在線?整理。

程正迪院士發(fā)表演講

二維軟物質薄膜材料在光電領域的研究與應用

程正迪：各位領導、各位嘉賓、各位同行，我今天想跟大家分享一下我對二維軟物質薄膜材料在光電領域的研究與應用，當然也包括柔性顯示以及光學通訊。

平板顯示的方向是OLED柔性顯示

新型顯示是信息交流的窗口，也是指揮控制的平臺，大家可以看到顯示在各種各樣的領域都存在，所以走進了家家戶戶的生活，也走進了許多的工業(yè)界，上天入地下海，我們都需要顯示器，所以國家對顯示工業(yè)有了極大的關注，美國國防部也認為顯示技術是國家安全戰(zhàn)略的關鍵技術，所以這是一個非常重要的領域。

我們國家平板顯示發(fā)展的趨勢，現(xiàn)在主要還是液晶顯示器，在2015年全球的產值是1480億美元，它的發(fā)展方向是OLED（有機發(fā)光）、柔性顯示，這些都是我們將來要做的地方。

大家可以看看中國大陸平板顯示的狀況是非常清楚的，到2017年的時候，我們已經成為世界第一的規(guī)模，占了全球市場超過22%，產業(yè)規(guī)模超過3000億元，所以我們對國家的支持也是非常有用的。

但事實上我們現(xiàn)在的情況是大而不強，我們平板顯示長期處于中國產品出口的第三位，平板顯示只具備系統(tǒng)集成的能力，但缺乏核心技術而存在空心化，70%以上的材料依靠進口。所以新型顯示要做大做強關鍵在材料。

新型顯示突破的關鍵材料是光學膜

很多人認為光學膜在光學顯示器里是非常小的部分，實際上液晶顯示器的光學膜占到它的20%到30%的產值，而真正的液晶材料和OLED材料只占到15%到20%的比例。

因為液晶有背光源，所以它不可能做得非常薄，OLED不存在背光源，因為它本身是發(fā)光的，所以OLED有它的優(yōu)勢。但是也有一個很大的問題，OLED大部分都是小尺寸的，大尺寸的OLED是很難做的，原因很簡單，是它的電子過程沒法過關。在這里大家可以看到，不管是LCD或者是OLED，它都要用到光學膜。

光學膜的科學問題是很多的，但其中很重要的一點，就是我們要從分子設計的過程開始。我們都知道光學的功能、結構的設計和合成是很重要的，這個部分是化學家所能貢獻的部分。但是光有小分子的光學各向異性的單體是不行的，你要把它可以有加工，可以串聯(lián)起來，所以必須要高分子材料的設計合成，所以光學薄膜的材料是非常重要的。

而設計光學薄膜的材料，而且具有各向異性的光學性能對我們來講是大家面臨的難題，而光學薄膜的結構還有一個加工問題，這個微加工有流延加工，比如說偏光片，它同時有雙軸拉伸或者單軸拉伸的膜，同時也有精密涂布的過程，這對我們來講是很重要的，因為你從一個分子設計，從小分子的結構到大分子，到最后變成光學膜的材料是有許許多多的路要走的，所以科學問題就是光學各向異性的多尺度的取向結構的設計和加工原理，對我們來講是非常重要的。而挑戰(zhàn)就是精準的分子設計、精準的結構和形態(tài)的調控、精密加工技術，這些都是我們現(xiàn)在面臨的困難。

希望找到的目標是用結構子和功能子的思想，實現(xiàn)對材料的基因組合。如果我們將來能夠有一個銀行的倉庫，你需要什么樣的光學材料，你在倉庫里查一查，把兩個分子結合起來就能做的話，對我們來講，我們整個工業(yè)就成功了。

當然，它里面有很多問題，比如說光學的各向異性問題、光學的膜加工、微加工問題，真正的挑戰(zhàn)是如何實現(xiàn)分子單元光學協(xié)同放大，這對我們來講是很大的難題。所以研究的邏輯很清楚，要提供基礎的高分子材料、提供光學膜結構調控理論，最后要做到光學膜制造的科學原理、材料和成套的技術工藝包，對我們來講真正要做到工業(yè)化生產，一定要走到這一步，這一步實際上是最困難的一步。

我舉幾個例子，第一個是正負雙折射的光學補償膜，這對我們來講是很重要的，具有負雙折射的光學補償膜是在VA模式里面的，大家知道VA模式加電壓的時候，它的液晶分子是豎起來的，在早期的液晶顯示器里都是這個模式，這個模式有一個很大的問題，就是它的反應時間不夠快，大概要大于25毫秒，在這種情況下，如果在加電壓的時候，它的液晶分子都是豎起來的話，會有一個視角問題，這個視角問題是一個很頭痛的問題，你正面對著看的話，當然情況各方面都很好，但是你有一個視角去看的話，它的對比度變差了，它的圖象變模糊了，這叫可視角問題。

其實在科學上這個是很容易解決的問題，如果你是一個正的雙折射的液晶分子層，你需要一個負雙折射的補償膜來補償，但是這個負雙折射的補償膜是很難做到的。

我說這是一個筷子理論，一個筷子就是一個分子，它是非常硬的分子，如果這盆筷子撒在桌面上，所有的筷子都是躺下來的，沿著筷子光傳播的速度和垂直傳播的光的速度是不一樣的，平面?zhèn)鞑サ乃俣瓤?，垂直的折光指?shù)要小，所以它是負的雙折射。

負雙折射的光學補償膜的設計要是分子鏈在面內高度趨向，它是剛性聚合物主鏈結構，而它本身又要是無定形的，它不能有液晶向，它有液晶向，就形成了液晶的雙折射。它有良好的溶解性和可加工性。大家知道分子越硬，它越難溶解在溶劑里面，這是大家都知道的，而且越硬的分子它一定有顏色，因為它有共軛結構，所以你不能用普通的辦法，比如說加側鏈等等方法來解決這個問題。

我們用非共軛的結構，所有的鏈都是苯環(huán)，但是每個苯環(huán)都要扭轉90度，所以你的共軛打破了，你的鏈很容易溶解在普通的溶劑里，同時它是無色透明的，用這種方法來做，它的分子量可以做得很大。同時它還要可控面內、面外折光的指數(shù)，它的膜厚要小于10微米，我們用了這些苯環(huán)，它們都是互相扭曲的，沒有共軛結構，用這種方法來做。

總結一下，我們要做必須是材料化學、材料物理、生物材料、材料工程這些跨學科的合作，才能從根本的理論和實踐上來解決二維轉化材料走出新的一步，這需要真正的合作。

要成功一定要滿足三個條件，第一是必須解決核心問題，工業(yè)界這個問題繞不過去，一定要解決。第二，它有經濟優(yōu)勢，不能太貴，要比較便宜才能實現(xiàn)。第三是不需要大幅度的修改和重建工業(yè)流程，如果要大幅度的改動，投入比較大，工廠也不愿意做這個事情。