
基础科学是一个国家能否真正实现创新发展的关键,在火热的半导体领域,尤其是"一芯一屏"这两大核心产业,中国企业曾长期处于跟随地位,甚至在中美贸易摩擦之下备受压制。但不可否认的是,在技术迭代和市场规模的竞争中,中国企业正不断缩小与世界品牌的差距。以芯片为例,在美国步步紧逼之下,中国企业必将进行芯片全产业链的布局和研发,来应对日韩和欧美国家的垄断。而在可折叠全柔性显示屏幕领域,柔宇正以“换道超车”的姿态实现ULT-NSSP技术突破,迅速完成技术成熟到全柔性显示屏大规模量产,迫切推动产业化进程的阶段。
迅速迭代,六年时间做到业内领先
2014年,柔宇团队成为国际上第一个发布全球最薄的柔性显示屏以及柔性传感器的企业,开启了中国制造柔性显示屏技术征服世界的第一步。2018年在北京,柔宇发布了全球首款真正的可折叠柔性屏智能手机——柔派(Flex Pai),作为一款具有革命性里程碑意义的手机,不仅推出时间领先三星近半年时间,也被英国BBC评价为“全球手机行业发展史上的标志性手机”。2020年9月22日,柔宇正式发布旗下第二代折叠屏手机FlexPai 2,这是一款弯折半径最低仅为1毫米,最高可承受180万次弯折,相比上代提升约9倍,整机折叠时可实现“无缝”贴合,厚度降低40%的划时代新机。
从柔宇 科技 成立到这条全柔性显示屏产线量产,历经了近6年时间。如果从柔宇 科技 创始人、董事长兼CEO刘自鸿决心走这条充满挑战的创业之路算起,周期更是长达12年。作为一家曾被业内误解的企业,在柔性显示和柔性传感两大核心技术的发展上,柔宇走出了一条与外资巨头与众不同的路线,不仅让中国制造在国际上占有一席之地,甚至有可能引领下个时代。
实际上,柔宇全柔性面板良品率在2019年就已经达到“竞争对手”传统OLED硬屏的水平;在同样投入的情况下,ULT-NSSP技术方案比其他厂商全柔性屏良率高出一个数量级。而且,柔宇的全柔性终端产品的换屏成本也是行业最低的。显然,柔宇全柔性屏的制造良率、成本控制已达到业界领先水平。
独辟蹊径,自主研发完成换道超车
在显示面板领域,日韩企业一直占据技术的主导地位,无论从供应链、原材料和关键制程设备,中国企业在面板领域都受限于上游企业,要突破以三星为代表的日韩企业说构筑的技术壁垒,在原有的技术路线上恐怕难以超越,这也是中国主流半导体企业的共识。对年轻的柔宇而言,要想撕开日韩企业的垄断,就必须“换道超车”。
在柔性显示技术领域,目前已经逐步形成两大阵营:一个是以三星、LG为主的低温多晶硅LTPS技术阵营;另一个阵营以柔宇为代表,使用自主研发的超低温非硅制程集成技术(ULT-NSSP)。这两个技术路线中,中国企业都颇有建树。以低温多晶硅LTPS技术为例,凭借成熟的技术和供应链,京东方将厚度降到了0.03毫米,直接挑战到三星的霸主地位。
而在超低温非硅制程集成技术(ULT-NSSP)领域,柔宇以更精简的工艺和极低的温度,找到了全柔性屏弯折的可靠性、高良率和低成本投入之间的平衡点。甚至还根据技术特征,自主研发了显示电路与显示驱动系统。凭借这套不同于传统工艺的独立全柔性显示技术体系,柔宇在全球第一个成功实现了全柔性屏大规模量产出货,而今已剑指产业化。
除了超低温非硅制程集成技术(ULT-NSSP)路线,智能力学仿真模型也是柔宇的技术亮点。在研发中,能够快速计算不同材料、层叠方式可达到的柔性性能和稳定性、可靠性,再通过实验对比验证,对材料、层叠方式参数进行矫正,形成材料力学参数数据,从而极大地提高了研发效率,快速实现量产。
直至今日,柔宇使用的材料仍然是秘密。但从媒体的报道中可以发现,ULT-NSSP这项技术使面板在制作过程中有效减少了包含多晶硅脱氢、离子植入、活化等一系列制程,在温度上也较LTPS技术低200-300度左右。柔宇 科技 的创新技术有效减少了多道制程,省去了价格特别昂贵的RTA(快速高温退火),ELA(准分子激光退火)等设备投入,成功降低了投入成本。同时在良率方面,减少多道制程加上整体温度降低,也使ULT-NSSP面板生产良率较LTPS技术更高。值得一提的是,柔性屏折叠手机FlexPai正是采用了柔宇 科技 自己研究的柔性屏幕。
更重要的是,柔宇 科技 成为中国少数能完全掌握自主知识产权技术的企业,同时也具备国家“进口替代”和“一屏一芯”的战略意义。
赋能终端,加速推动产业化落地
市场调研机构Strategy Analytics预计,2019年全球可折叠柔性屏智能手机的出货量接近100万部,到2020年预计渗透率在1%以上,价格、产能、良率都是阻碍其普及的最大的原因。柔宇第三代蝉翼全柔性屏的量产以及ULT-NSSP技术路线的未来演进,无疑是推动市场普及的重要驱动力之一。
尤其在解决了被广为诟病的折痕、膜层断裂和显示失效等问题之后,剑指产业化的柔宇在ToC与ToB两大市场开始了快速量产与按需定制。
在ToC市场,最火热的莫过于全球首款折叠屏手机 FlexPai 的升级版——FlexPai 2,屏幕能够承受180万次弯折(一天翻折100次可使用约50年),通过独创的Royole 3STM全闭合线性转轴可实现完全无间隙闭合,而且展开后无折痕,达到类镜面平整度。更重要的是,FlexPai 2的8GB+256GB版仅售9988元,成为业内唯一售价在万元以下的5G折叠屏手机。FlexPai 2搭载了“为折叠屏手机而生”的waterOS 2.0 *** 作系统,该系统由柔宇 科技 的研发团队基于Android Q平台针对折叠屏手机特点自主开发,用户可以通过智能侧边栏设置,在侧曲屏上轻松实现应用的快捷切换。
柔宇 科技 创始人、董事长兼CEO刘自鸿展示了转轴内部复杂的结构,并表示3STM全闭合线性转轴中包含了高达200颗精密零部件和精密传动件,使用了包括钛合金、液态金属等在内多种顶级航空级金属材料。如此精密的设计为用户带来了更加顺滑的弯折手感,还能实现机身从0到180°任意角度自由“无级”悬停,可在平板模式、手机模式和帐篷模式三个模式中,帮助用户完成工作与生活的自由切换。
此外,柔性传感器技术领域也在快速实现终端商业化创新。比如近期上市销售的新一代智能手写本“柔记2”。其主要特点是:为业界目前最接近自然书写体验的智能笔记本,能够实现纸屏同步、手写文字即时转化电子文档等功能,同时还可以生成笔迹视频,让用户能随时回顾记录时的思路和逻辑,可以成为商务人士、教师和学生等人群的新型工作与创作工具。
在ToB市场,通过ULT-NSSP显示技术与 *** 作系统、软件和硬件相集成的“柔性+”平台,柔宇已经为六大行业的客户提供柔性+解决方案,包括智能移动终端、智能交通、文娱传媒、运动 时尚 、智能家居和办公教育。 产品涉及柔性传感器、柔性集成电路柔性 *** 作系统等。
在推动产业落地的过程中,柔宇目前已与全球超过500家各行业头部企业达成合作,共同打造柔性电子生态与产业创新应用。伴随更多终端的落地,柔性电子技术,可以解决目前用户诸多未满足的线上与交互需求,同时与合作伙伴共同拓展新的应用形态与服务边界,共同打造一个“柔性星球”,以柔性电子技术为世界带来巨大的产业变革推动力与应用创新想象力。
需要注意的是,围绕柔性屏市场,中韩企业的竞争很快将进入白热化的状态。好在,“换道超车”的柔宇完全掌握了核心自主技术,这让 中国在柔性显示领域不会再有被“卡脖子”的忧虑 ,而柔宇在技术创新与完成量产的每一次重要突破,都会让国际企业丧失技术垄断优势,也让中国企业拥有更多的产业话语权与产品溢价能力。
试想过你的生活缺少了数字是什么概念吗?那将是一个混乱的世界,无论是你的手机号码、你的身份z号码、还是你家的门牌号,这些全部都是用数字表达的!电子游戏、电子邮件、数码音乐、数码照片、多媒体光盘、网络会议、远程教学、网上购物、电子银行和电子货币……几乎一切的东西都可以用0和1来表示。电脑和互联网的出现让人们有了更大的想象和施展的空间,我们的生活就在这简单的“0”“1”之间变得丰富起来、灵活起来、愉悦起来,音像制品、手机、摄像机、数码相机、MP3、袖珍播放机、DVD播放机、PDA、多媒体、多功能游戏机、ISDN等新潮电子产品逐渐被人们所认识和接受,数字化被我们随身携带着,从而拥有了更加多变的视听新感受,音乐和感觉在数字化生活中静静流淌……数字生活已成为信息化时代的特征,它改变着人类生活的方方面面,在此背后,隐藏着新材料的巨大功勋,新材料是数字生活的“幕后英雄”。
计算机是数字生活中的重要设备,计算机的核心部件是中央处理器(CPU)和存储器(RAM),它们是以大规模集成电路为基础建造起来的,而这些集成电路都是由半导体材料做成的,Si片是第一代半导体材料,集成电路中采用的Si片必须要有大的直径、高的晶体完整性、高的几何精度和高的洁净度。为了使集成电路具有高效率、低能耗、高速度的性能,相继发展了GaAs、InP等第二代半导体单晶材料。SiC、GaN、ZnSe、金刚石等第三代宽禁带半导体材料、SiGe/Si、SOI(Silicon On Insulator)等新型硅基材料、超晶格量子阱材料可制作高温(300~500°C)、高频、高功率、抗辐射以及蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件,从而大幅度地提高原有硅集成电路的性能,是未来半导体材料的重要发展方向。
人机交换,常常需要将各种形式的信息,如文字、数据、图形、图像和活动图像显示出来。静止信息的显示手段最常用的如打印机、复印机、传真机和扫描仪等,一般称为信息的输出和输入设备。为提高分辨率以及输入和输出的速度,需要发展高灵敏度和稳定的感光材料,例如激光打印机和复印机上的感光鼓材料,目前使用的是无机的硒合金和有机的酞菁染料。显示活动图像信息的主要部件是阴极射线管(CRT),广泛地应用在计算机终端显示器和平面电视上,CRT目前采用的电致发光材料,大都使用稀土掺杂(Tb3+、Sn3+、Eu3+等)和过渡元素掺杂(Mn2+)的硫化物(ZnS、CdS等)和氧化物(Y2O3、YAlO3)等无机材料。
为了减小CRT庞大的体积,信息显示的趋势是高分辨率、大显示容量、平板化、薄型化和大型化,为此主要采用了液晶显示技术(LCD)、场致发射显示技术(FED)、等离子体显示技术(PDP)和发光二极管显示技术(LED)等平板显示技术,广泛应用在高清晰度电视(HDTV)、电视电话、计算机(台式或可移动式)显示器、汽车用及个人数字化终端显示等应用目标上,CRT不再是一支独秀,而是形成与各种平板显示器百花争艳的局面。
在液晶显示技术中采用的液晶材料早已在手表、计算器、笔记本电脑、摄像机中得到应用,液晶材料较早使用的是苯基环己烷类、环己基环己烷类、吡啶类等向列相和手征相材料,后来发展了铁电型(FE)液晶,响应时间在微秒级,但铁电液晶的稳定性差,只能用分支法(side-chain)来改进。目前趋向开发反铁电液晶,因为它们的稳定性较高。
液晶显示材料在大屏幕显示中有一定的困难,目前作为大屏幕显示的主要候选对象为等离子体显示器(PDP)和发光二极管(LED)。PDP所用的荧光粉为掺稀土的钡铝氧化物。用类金刚石材料作冷阴极和稀土离子掺杂的氧化物作发光材料,推动场发射显示(FED)的发展。制作高亮度发光二极管的半导体材料主要为发红、橙、黄色的GaAs基和GaP基外延材料、发蓝光的GaN基和ZnSe基外延材料等。
由于因特网和多媒体技术的迅速发展,人类要处理、传输和存储超高信息容量达太(兆兆)数字位(Tb,1012bits),超高速信息流每秒达太位(Tb/s),可以说人类已经进入了太位信息时代。现代的信息存储方式多种多样,以计算机系统存储为例,存储方式分为随机内存储、在线外存储、离线外存储和脱机存储。随机内存储器要求集成度高、数据存取速度快,因此一直以大规模集成的微电子技术为基础的半导体动态随机存储器(DRAM)为主,256兆位的随机动态存储器的晶体管超过2亿个。外存储大都采用磁记录方式,磁存储介质的主要形式为磁带、磁泡、软磁盘和硬磁盘。磁存储密度的提高主要依赖于磁介质材料的改进,相继采用了磁性氧化物(如g-Fe2O3、CrO2、金属磁粉等)、铁氧体系、超细磁性氧化物粉末、化学电镀钴镍合金或真空溅射蒸镀Co基合金连续磁性薄膜介质等材料,磁存储的信息存储量从而有了很大的提高。固体(闪)存储器(flash memory)是不挥发可擦写的存储器,是基于半导体二极管的集成电路,比较紧凑和坚固,可以在内存与外存间插入使用。记录磁头铁芯材料一般用饱和磁感大的软磁材料,如80Ni-20Fe、Co-Zr-Nb、Fe-Ta-C、45Ni-55Fe、Fe-Ni-N、Fe-Si、Fe-Si-Ni、67Co-10Ni-23Fe等。近年来发展起来的巨磁阻(GMR)材料,在一定的磁场下电阻急剧减小,一般减小幅度比通常磁性金属与合金的磁电阻数值约高10余倍。GMR一般由自由层/导电层/钉扎层/反强磁性层构成,其中自由层可为Ni-Fe、Ni-Fe/Co、Co-Fe等强磁体材料,在其两端安置有Co-Cr-Pt等永磁体薄膜,导电层为数nm的铜薄膜,钉扎层为数nm的软磁Co合金,磁化固定层用5~40nm的Ni-O、Ni-Mn、Mn-In、Fe-Cr-Pt、Cr-Mn-Pt、Fe-Mn等反强磁体,并加Ru/Co层的积层自由结构。采用GMR效应的读出磁头,将磁盘记录密度一下子提高了近二十倍,因此巨磁阻效应的研究对发展磁存储有着非常重要的意义。
声视领域内激光唱片和激光唱机的兴起,得益于光存储技术的巨大发展,光盘存贮是通过调制激光束以光点的形式把信息编码记录在光学圆盘镀膜介质中。与磁存储技术相比,光盘存储技术具有存储容量大、存储寿命长;非接触式读/写和擦,光头不会磨损或划伤盘面,因此光盘系统可靠,可以自由更换;经多次读写载噪比(CNR)不降低。光盘存储技术经过CD(Compact Disk)、DVD(Digital Versatile Disk)发展到将来的高密度DVD(HD-DVD)、超高密度DVD(SHD-DVD)过程中,存储介质材料是关键,一次写入的光盘材料以烧蚀型(Tc合金薄膜,Se-Tc非晶薄膜等)和相变型(Te-Ge-Sb非晶薄膜、AgInTeSb系薄膜、掺杂的ZnO薄膜、推拉型偶氮染料、亚酞菁染料)为主,可擦重写光盘材料以磁光型(GdCo、TeFe非晶薄膜、BiMnSiAl薄膜、稀土掺杂的石榴石系YIG、Co-Pt多层薄膜)为主。光盘存储的密度取决于激光管的波长,DVD盘使用的InGaAlP红色激光管(波长650nm)时,直径12cm的盘每面存储为4.7千兆字节(GB),而使用ZnSe(波长515nm)可达12GB,将来采用GaN激光管(波长410nm),存储密度可达18GB。要读写光盘里的信息,必须采用高功率半导体激光器,所用的激光二极管采用化合物半导体GaAs、GaN等材料。
激光器除了在光盘存储应用之外,在光通信中的作用也是众所周知的。由于有了低阈值、低功耗、长寿命及快响应的半导体激光器,使光纤通信成为现实。光通讯就是由电信号通过半导体激光器变为光信号,而后通过光导纤维作长距离传输,最后再由光信号变为电信号为人接收。光纤所传输的光信号是由激光器发出的,常用的为半导体激光器,所用材料为GaAs、GaAlAs、GaInAsP、InGaAlP、GaSb等。在接受端所用的光探测器也为半导体材料。缺少光导纤维,光通信也只能是“纸上谈兵”。低损耗的光学纤维是光纤通信的关键材料,目前所用的光学纤维传感材料主要有低损耗石英玻璃、氟化物玻璃和Ga2S3为基础的硫化物玻璃和塑料光纤等,1公斤石英为主的光纤可代替成吨的铜铝电缆。光纤通信的出现是信息传输的一场革命,信息容量大、重量轻、占用空间小、抗电磁干扰、串话少、保密性强,是光纤通信的优点。光纤通信的高速发展为现代信息高速公路的建设和开通起到了至关重要的作用。
除了有线传播外,信息的传播还采用无线的方式。在无线传播中最引人注目的发展是移动电话。移动电话的用户愈多,所使用的频率愈高,现在正向千兆周的频率过渡,电话机的微波发射与接收亦是靠半导体晶体管来实现,其中部分Si晶体管正在被GaAs晶体管所取代。在手机中广泛采用的高频声表面波SAW(Surface Acoustic Wave)及体声波BAW(Bulk Surface Acoustic Wave)器件中的压电材料为a-SiO2、LiNbO3、LiTaO3、Li2B4O7、KNbO3、La3Ga5SiO14等压电晶体及ZnO/Al2O3和SiO2/ZnO/DLC/Si等高声速薄膜材料,采用的微波介质陶瓷材料则集中在BaO-TiO2体系、BaO-Ln2O3-TiO2(Ln=La,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd)体系、复合钙钛矿A(B1/3B¢2/3)O3体系(A=Ba,Sr;B=Mg,Zn,Co,Ni,Mn;B¢=Nb,Ta)和铅基复合钙钛矿体系等材料上。
随着智能化仪器仪表对高精度热敏器件需求的日益扩大,以及手持电话、掌上电脑PDA、笔记本电脑和其它便携式信息及通信设备的迅速普及,进一步带动了温度传感器和热敏电阻的大量需求,负温度系数(NTC)热敏电阻是由Co、Mn、Ni、Cu、Fe、Al等金属氧化物混合烧结而成,其阻值随温度的升高呈指数型下降,阻值-温度系数一般在百分之几,这一卓越的灵敏度使其能够探测极小的温度变化。正温度系数(PTC)热敏电阻一般都是由BaTiO3材料添加少量的稀土元素经高温烧结的敏感陶瓷制成的,这种材料在温度上升到居里温度点时,其阻值会以指数形式陡然增加,通常阻值-温度变化率在20~40%之间。前者大量使用在镍镉、镍氢及锂电池的快速充电、液晶显示器(LCD)图像对比度调节、蜂窝式电话和移动通信系统中大量采用使用的温度补偿型晶体振荡器等中,来进行温度补偿,以保证器件性能稳定;此外还在计算机中的微电机、照相机镜头聚焦电机、打印机的打印头、软盘的伺服控制器和袖珍播放机的驱动器等中,发现它的身影。后者可以用于过流保护、发热器、彩电和监视器的消磁、袖珍压缩机电机的启动延迟、防止笔记本电脑常效应管(FET)的热击穿等。
为了保证信息运行的通畅,还有许多材料在默默地作着贡献,例如,用于制作绿色电池的材料有:镍氢电池的正、负极材料用MH合金和Ni(OH)2材料、锂离子电池的正、负极用LiCoO2、LiMn2O4和MCMB碳材料等电极材料;移动电话、PC机以及诸如数码相机、MD播放机/录音机、DVD设备和游戏机等数字音/视频设备等中钽电容器所用材料;现代永磁材料Fe14Nd2B在制造永磁电极、磁性轴承、耳机及微波装置等方面有十分重要的用途;印刷电路板(PCB)及超薄高、低介电损耗的新型覆铜板(CCL)用材料;环氧模塑料、氧化铝和氮化铝陶瓷是半导体和集成电路芯片的封装材料;集成电路用关键结构与工艺辅助材料(高纯试剂、特种气体、塑封料、引线框架材料等),不一而足,这些在浩瀚的材料世界里星光灿烂的新材料,正在数字生活里发挥着不可或缺的作用。
随着科技的发展,大规模集成电路将迎来深亚微米(0.1mm)硅微电子技术时代,小于0.1mm的线条就属于纳米范畴,它的线宽就已与电子的德布罗意数相近,电子在器件内部的输运散射也将呈现量子化特性,因而器件的设计将面临一系列来自器件工作原理和工艺技术的棘手问题,导致常说的硅微电子技术的“极限”。由于光子的速度比电子速度快得多,光的频率比无线电的频率高得多,为提高传输速度和载波密度,信息的载体由电子到光子是必然趋势。目前已经发展了许多种激光晶体和光电子材料,如Nd:YAG、Nd:YLF、Ho:YAG、Er:YAG、Ho:Cr:Tm:YAG、Er:YAG、Ho:Cr:Tm:YLF、Ti:Al2O3、YVO4、Nd:YVO4、Ti:Al2O3、KDP、KTP、BBO、BGO、LBO、LiNbO3、K(Ta,Nb)O3、Fe:KnBO3、BaTiO3、LAP等,所有这些材料将为以光通信、光存储、光电显示为主的光电子技术产业作出贡献。随着信息材料由电子材料、微电子材料、光电子材料向光子材料发展,将会出现单电子存储器、纳米芯片、量子计算机、全光数字计算机、超导电脑、化学电脑、生物电脑和神经电脑等纳米电脑,将会极大地影响着人类的数字生活。
本世纪以来,以数字化通信(Digital Communication)、数字化交换(Digital Switching)、数字化处理(Digital Processing)技术为主的数字化生活(Digital Life)正在向我们招手,一步步地向我们走来——清晨,MP3音箱播放出悦耳的晨曲,催我们按时起床;上班途中,打开随身携带的笔记本电脑,进行新一天的工作安排;上班以后,通过互联网召开网络会议、开展远程教学和实时办公;在下班之前,我们远程启动家里的空调和湿度调节器,保证家中室温适宜;下班途中,打开手机,悠然自在观看精彩的影视节目;进家门前,我们接收网上订购的货物;回到家中,和有线电视台进行互动,观看和下载喜欢的影视节目和歌曲,制作多媒体,也可进入社区互联网,上网浏览新闻了解天气……这一切看上去是不是很奇妙?似乎遥不可及。其实它正在和将要发生在我们身边,随着新一代家用电脑和互联网的出现,如此美好数字生活将成为现实。当享受数字生活的同时,饮水思源,请不要忘记为此作出巨大贡献的功臣——绚丽多彩的新材料世界!
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