2019年度蘇大維格SVG產學研合作創新亮點

近年來,在各界人士大力支持下,蘇大維格與蘇州大學合作,在科研人員共同努力,推進產學研深度融合創新,不僅攻克關鍵技術難題、促進前沿研究,更不斷產出重大成果,持續實現產業化,有效服務于產業創新發展和高水平學科建設。

現對2019年度在前瞻研究、技術創新、成果轉化方面的創新亮點做簡介,望繼續得各界一如既往的支持,為擴大市場應用規模、繼續努力。

2019年度,創新體系與能力建設的亮點

 獲批江蘇省柔性光電子材料/器件與制造技術重點實驗室

國家知識產權示范單位

榮獲“國家科技進步二等獎

2019年度,科技創新與成果產業化亮點

進展1 基礎器件-微納制造技術-柔性電子

大尺寸一體化觸控傳感膜(AD Film TM),助推智慧終端產業變革

圖1 采用AD-film柔性觸控膜的智慧屏

透明導電膜是柔性電子的基礎材料,在觸控屏、手機折疊屏、透明電磁隱身、透明加熱等領域有廣泛應用。傳統ITO及納米銀絲透明導電膜在導電性能、批量一致性和制程環保等方面,已難以滿足智慧屏對大尺寸高性能觸控的要求。

周博士“柔性制造團隊”創造了一種稱為“AD-film”新技術在單層薄膜表面連續壓印填充導電材料制備多層疊加的透明電路,形成單膜解決方案(OFS,one film solution)。該進展被評價為透明導電膜領域的變革性技術:全環保制程,無蝕刻工藝;性能優良:透明度>89%,方阻<5歐/方(導電性比納米銀絲導電膜高一個量級以上),其導電均一性、信耐性和表觀品質,滿足了消費電子對大尺寸觸控顯示的要求,支持4k/8k高清顯示;一體化結構,無中間OCA貼合,柔軟度更好,彎折次數20萬次。  

AD-film技術,催生了高性價比、高精度、大尺寸、柔性極好的觸控傳感器,成為國內外產業巨頭開發智慧屏交互功能的不二選擇。基于這種“柔性微增材制造”(flexible micro-additive manufacturing) 新方法,自主研制建立15.6吋~86吋柔性觸控屏自動化產線,包括超大幅面紫外深紋光刻直寫設備。柔性觸控產品已應用于國際著名終端品牌。

5G時代,在智慧交互終端產業變革中,將會更有效的服務于智慧大屏、可折疊屏的規模應用,創造千億級產業機會?!懊嫦蛉嵝怨怆娮游⒓{制造關鍵技術與應用”獲2019年度國家科技進步二等獎,該工作為獲獎成果之一。

進展前瞻研究-納米光刻技術-未來3D顯示

創造“光場納米調制技術”,3D顯示屏的全解決方案

圖2真實立體效果的3D顯示

真實立體體驗的3D顯示屏一直是國際研究熱點與難點。下一代智能手機的顯示方式是什么?喬文博士“新型顯示”團隊給出了全新解決方案:像素化metagrating調制光場相位,重建會聚光場視點,以全息取樣技術實現無視疲勞、寬視場、彩色三維體驗效果。

在自主研制的像素化納米光刻系統NanoCrystal基礎上,定義了五維變量文檔格式,攻克了變周期、變取向像素化metagrating大面積納米光刻難題,實現了亞納米調控精度位相調制板的高效制備,完成了5吋到32吋幅面的裸眼3D顯示屏原型的制備和顯示驗證。在LED光源照明下,顯示的圖像具有連續平滑的運動視差,16個視角會聚光場,視角間隔0.7°下,metagrating周期調控精度達0.12納米,獲得了視場角50°的真彩色3D顯示效果,完美解決了以往3D顯示中的輻輳調節矛盾這一困擾業界數十年的國際難題,目前,亞納米精度的相位調制是解決3D顯示輻輳調節矛盾的可行方案。

用于3D顯示屏的納米調制板,可壓印批量復制、結構輕薄,可與micro-LED面板集成,為今后移動顯示設備的高品質3D顯示提供了解決方案。已布局數十項發明專利。在CES展上得到國際同行和產業專家認同。該工作發表在國際著名期刊iScience (Cell子刊)上(https://doi.org/10.1016/j.isci.2019.100773

進展智能裝備-柔性納米壓印-柔性電子

創造“卷對卷納米套位壓印關鍵技術”,推進柔性電路綠色制造

圖3 卷對卷套位納米壓印設備與多層電路柔性傳感膜

2019年,注定是個不平凡的年份, 魏國軍副研究員的“智能裝備團隊”給柔性電子產業一個大驚喜!創造并研制成功“卷對卷納米套位壓印關鍵技術與設備”,攻克了在薄膜表面連續制備多層透明電路的產業重大難題,實現了無金屬蝕刻的、大尺寸超精密柔性電路(線寬3微米)。

多層柔性電路FPC,包括觸控模組在內,傳統方案是逐片制備(曝光、蝕刻、對準貼合),制程工效低、折疊性差、大尺寸電路線寬大于10微米,還存在污染問題。

 該成果是柔性電路的顛覆性技術,改變了數十年來業內采用蝕刻FPC的模式,通過微納增材制造方法,實現了更高精度、更高信耐性、更高效率、環保性的柔性電路的先進制造,為高性能柔性電子器件邁向綠色制造提供了新途徑。新設備支持15.6吋~86吋AD-film柔性觸控膜的量產,全流程智能可控,模糊自適應PID調節全張力收放卷,不同厚度薄膜無需參數調整;在線靶標抓取及位置識別精度7um;全參數(光固化、溫度、張力)可控;A/B面套位精度<0.2mm,成品率>99%@3米/分;[email protected]成品率>99%@2米/分,薄膜厚度38微米~125微米。

相關成果已在產業界應用,服務于頭部企業的產品開發和批量制造。

進展基礎光器件-納米光刻技術-增強現實

大視場超薄光波導鏡片-增強現實AR核心器件

圖4 光波導鏡片與虛實融合效果

增強現實AR是下一代智慧交互與便攜顯示的平臺型器件,是巨頭投入巨資研發的領域。其中,光波導鏡片是核心部件。如何攻克高光效、大視場和高分辨率AR鏡片的設計與制備這一重大難題?光波導鏡片的制造技術具有極高的工藝難度。經數年精心研究,“新型顯示”團隊給出了完美答案,提出多項超薄光波導鏡片的解決方案、攻克了極端納米制造技術的難題。通過納米結構衍射特性的深度研究,提出“多種對稱式多向擴瞳”光波導新方案,利用光線傳導模式,獨立開發出效率優化算法,建立了仿真模型;設計了高精度納米結構制程,鏡片表面的納米結構適配精度誤差小于1nm,制備的彩色光波導模塊,光效高、色域寬、模組厚度小于2mm,視場角FOV>40°,分辨率達1080p以上,室內環境下,具備極高顯示品質,實現了高亮、真彩、虛實融合3D顯示。制備工藝達到工業化程度,為目前國際少數掌握光波導鏡片量產技術單位。已布局數十項發明專利,獲相關項目支持。該工作引起產業巨頭合作興趣,標志著AR光波導鏡片向工業化邁進了一大步。

該AR光波導鏡片,適配于頭戴式近眼顯示設備,適合于工業、遠程醫療、軍事、娛樂、社交和教育等領域的應用。

進展先進儀器-3D打印-微器件

微納3D打印系統:光學級微器件的先進制備手段

 

圖5 微納3D打印系統、光學精度表面的微器件

微納3D打印技術是面向微機電系統MENS、傳感器、微納光學、精密醫療器件、柔性電子器件等研究與應用的一門新興加工技術。

“交叉研究團隊”朱鳴、浦東林和喬文博士等,以微納直寫和壓印技術為基礎,通過光機結構、大數據處理軟件、精密控制的全面創新,發明了光場并行高速光學投影與掃描曝光新方法,研制的“SLA微納3D打印系統”實現了“宏-微結構一體化”高效3D制造。其中,“多材料型”微納3D打印系統Multi-μ-3D Printer,通過膜基精準送給,高精度層厚控制與多材料切換打印,橫向/縱向分辨率均小于1微米,支持大面積微3D器件的制備,尤其在深結構高保真打印上更加出色。發明了“連續生長型微納3D打印系統MiPrinter,每秒光場掃描曝光速率5000次以上,突破了傳統3D打印達不到光學級表面精度的技術瓶頸,兼顧高精度與高效率3D打印,對5mm立體尺寸微結構器件,數據處理量2.5Tbit,打印時間<5分鐘,縱向精度<5納米!這是目前國際上已報道的少數高精度指標。

該工作為超表面、超材料的研究與應用,提供了自主可控的微納3D打印系統和數據處理軟件。尤其,適合光學級表面的微器件,如微內窺鏡、激光深度感知、微光學、太赫茲器件以及轉移醫學微針陣列等高效制備。已在高等院所和企業應用。

進展6 高端裝備-微納3D光刻-光電子

新型紫外直寫光刻設備iGrapher,助力新穎光電子器件創新

圖6 新型紫外光刻直寫系統、三維形貌顯微照片

 微納結構是設計新穎光電子器件的新途徑,其三維形貌與結構排列精度對功能特性產生重要影響。從芯片2D圖形光刻到微納光電子的3D形貌精確可控,對光刻工藝與設備提出了全新要求。

“光刻設備團隊”在浦東林副研究員帶領下,2019年推出“新型紫外光刻設備”iGrapher,采用光場調制模式,在355nm波長下,支持100nm特征結構、500nm的3D結構,深度5μm~20μm,>300mm2/分的高速直寫@300mJ/cm2曝光劑量,支持連續形貌的3D結構光刻,面粗糙度<10nm,具有7×24小時運行的高可靠性。

灰度光刻是解決3D形貌模板制備的優選方案。利用上述設備,團隊在灰度光刻技術與應用上取得重要進展。在大數據處理與數字模板設計軟件、光刻工藝和文檔定義方面,獲得了能滿足3D結構制備的系統性解決方案。與其他國外激光直寫設備相比,本設備支持3D形貌光刻,具有強大數據處理能力、光刻效率更高,價格遠低于國外光刻產品。

該設備被權威部門認定為2019年首臺(套)重大裝備。已在國內研究單位和企業應用,有效支撐了在光場3D顯示、全屏指紋識別、電子紙顯示、光場計算成像、結構光整形、仿生、太赫茲器件等領域的研究與應用。

進展7 新材料-納米結構色-5G應用

光學紋理膜,讓智能手機背板既防爆又“炫光”

圖7 智能手機背板紋理光學效果

5G快速發展,對智能手機背板的微波信號的接受有更高要求。采用玻璃或塑性基板替代金屬背板成為主流,光學紋理膜作為智能手機背板玻璃的防爆與裝飾功能,應運而生。

微納結構形貌與排列對光線傳播和色彩變化有顯著影響,結構和濺射層分布可形成特殊光效與結構色。蘇大維格子公司-邁塔光學團隊建立了光學紋理膜完整設計與制程體系,包括微結構光效設計、微納灰度光刻、UV納米壓印、濺射和印刷工藝,開發了“灰度數字模板”大數據處理軟件,攻克了超精密光刻功能和微納結構配色的技術瓶頸。利用自主研發的、具有納米精度的微納灰度光刻技術,配合應用企業,開發了納米彩虹膜、隱形圖形納米膜、3D光學效果膜和動態圖形光效膜,都出自本項成果,基于微納形貌的設計制備成為光學紋理膜的主流。采用上述技術,用于5G天線的納米結構光學隱蔽膜也研制成功。

成果在國內前三大智能手機品牌上規模應用,引領了光學紋理膜的發展方向。多功能手機背板將形成為數百億產業。

進展8 新材料-納米印刷技術-環保應用

納米轉移技術,推動光學3D印材的環保生產

圖8 環保3D光學轉移定位紙與動感效果

國家鼓勵綠色印刷技術的應用,已產生巨大社會效益。

印刷包裝業普遍油墨印刷和全息轉移膜,其生產過程中有大量有機溶劑需處理;很多傳統包裝材料多為塑紙復合,很難降解,成為困擾全球的固廢問題。

經多年攻關,蘇大維格“功能材料”團隊,突破了無溶劑材料的微結構壓印/轉印關鍵技術瓶頸,在國際上率先實現3D光學轉印材料的量產工藝,制備過程任何VOC排放,其表層微結構深度可達50微米,實現了包括表面光學微結構浮雕、納米光子晶體、菲涅耳透鏡等復雜微結構分布的光學級圖形,結構保真度達99.5%以上。這種納米印刷的光學轉印材料具有前所未有的3D光效和結構色表現力,可在紙張上制備微棱鏡反光、立體成像、光彩光變色燙印、智能二維碼、動態圖像等傳統印刷不能實現的全新立體動態圖像效果。

該項技術的突破,有效消除了印刷材料生產存在VOC排放,減少或消除具有光學效果的塑料膜使用,為推動傳統印刷走向綠色納米印刷,邁出關鍵一步。成果已開始在國內外印刷業應用,助推印材生產進入高質量環保時代。

進展基礎光器件-雙面納米壓印-顯示照明

大尺寸、高亮度、超薄光器件與制造技術

圖9 非對稱微結構模具  大尺寸金屬光刻設備

國際ENERGY STAR8標準發布后,提升導光板出光亮度和材料利用率,成為顯示照明器件的節能新方向。方宗豹博士團隊提出了“非對稱微結構”解決方案,建立了從微結構光學設計,模具制作,批量制造的綜合能力,將納米熱壓印轉寫效率提升到90%以上,實現了出光方向法線偏轉10度以上,光效提升3%以上。自主研制了超薄導光板端面成型和微納光刻等智能設備,攻克了大幅面高精度的微結構導光板制備的難題,掌握光學級深紋壓印與保真度工藝,建立完善工藝鏈,實現了5吋~65吋高亮度超薄導光器件的批量化,制程能耗降低30%以上,綠色環保無排放。正在產業中淘汰傳統導光制程,實現產品升級。

該成果已在LED照明與顯示終端頂級品牌應用,有效提升了背光源均勻度、降低了顯示器能耗,該項成果應用后,僅全國的顯示終端每年可節省電力50億度以上。

進展10 前瞻研究-納米光刻技術-超表面材料

超表面材料的設計與大幅面快速制備

圖10-1大面積超表面彩色圖案(a-c)及雙通道特性(c-e) 

1、超表面彩色圖案大幅面快速制備此前,超表面圖案都電子束光刻,面積僅數十微米,需借助顯微鏡做圖案觀察。本項工作以自主研制的納米光刻設備NanoCrysatal作為制備手段,使得超表面結構的彩色圖案擴展到數十毫米,實現了器件級面積30mm×30mm的像素化彩色圖像。其中10mm×30mm彩色條紋,周期從300 nm到500 nm連續變化,間隔~1 nm。該彩色條紋呈現出紅、綠、藍在內的可見光區顏色,透射率極值~60%。以彩色?;?、彩色櫻桃圖案為例,展示了超表面結構在自然光觀測下的雙通道特性,當傾斜角為30°時,在相互垂直的兩個方向觀察面內,櫻桃呈現出了不一樣的顏色,該特性可應用于高端防偽變色材料的研制。相關工作發表在Adv. Opt. Mater., 1801302 (2019)。

 

2、全太陽能波段大面積高性能吸收器件采用納米光刻設備NanoCrysatal,設計制備了超薄型二維圓柱SiO2/TiN/SiNx像素化超表面結構,其在不同波段下不同共振效應的無縫銜接,實現了60°入射角內、250 nm - 2250 nm全太陽能光譜波段的平均吸收率大于83%;樣品相繼經4小時873K、1073K的熱熔實驗后,吸收性能仍能保持不變。

   

圖10-2超表面吸收器件及其光譜性能

該超表面結構超薄,易于大面積制備,在全太陽能光譜下寬角度高吸收及熱輻射波段的低輻射,在熱光伏太陽能電池、隱身等方面具有廣闊的應用前景。該工作發表在Adv. Opt. Mater., 1901162 (2019),第24期前封面[Volume 7, Issue 24]。

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