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专栏:厚积薄发——柔性电子产品惊鸿一瞥

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最近有两则消息让人印象深刻。一则关于瑞信咖啡,另一则是关于京东方。


4月2日,瑞幸咖啡公布了一份内部调查报告,自2019年第二季度至第四季度,公司首席运营官刘剑及几位向其汇报的员工伪造了高达22亿元的交易金额。在此期间,部分成本和费用也因虚假交易而大幅增加。

瑞幸咖啡4月2日股价在盘前以最快速度闪崩,跌幅一度扩大至85%,随后在开盘40分钟内触发5次熔断,股价暴跌75.57%,逾350亿元市值蒸发,而次日再跌达15.94%。

如果造假属实,董事会及高层管理成员都将会被追究法律责任,美国证监会一定会进入调查。

瑞幸咖啡涉嫌财务造假一事,对于中概股的影响是空前的。由于瑞幸咖啡财务造假金额巨大,会影响到中概股在美国形象,中概股在美国上市会更加艰难,日后审核也会变的更加严格。

另一则消息则是关于国内屏显巨头京东方(BOE)。

3月3日,最强的游戏手机,腾讯全球首款5G游戏手机黑鲨3、黑鲨3 Pro正式发布,按照官方介绍,黑鲨3搭载了三星AMOLED屏幕;黑鲨3 Pro采用一块7.1英寸3120x1440级别分辨率超大屏,90Hz刷新率、270Hz触控采样率,支持MEMC运动补偿、屏幕压感3.0、10位色深、HDR10+显示认证、DC调光等高级功能。

据韩媒报道,黑鲨3 Pro使用的正是京东方(BOE)提供的2.5D OLED柔性屏,该屏幕来自京东方B7线,同一产线的产品也将供给华为P40系列。至少从纸面参数来看,京东方的这块OLED屏堪称当前顶级水准。

在OLED几乎完全被三星、LG垄断的今日,BOE能分一杯羹已属不易。

言归正传,我们今天要说的话题是柔性电子产品,其中就包括柔性屏。

图1 华为P40智能手机采用了京东方的柔性OLED显示屏

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柔性电子产品,也称为“柔性电子电路”,是一种通过将电子设备安装在柔性塑料基板上来组装电子电路的技术。通常,基板由聚酰亚胺,PEEK(聚醚醚酮)或透明导电聚酯薄膜制成。

这是一种大面积的电子电路结构,通常由基板、背板和前板系统及封装组成。为了使这种电路结构具有相当程度的灵活性,所有的部件都必须在一定程度上承受弯曲要求,且不丧失其原有功能,也不会出现电路分层。

图2 柔性电子,别名柔性电路

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柔性电子产品有着悠久的历史。第一个柔性装置是1960年代用于天文远地卫星的晶体硅减薄太阳能电池。如今,智能信用卡携带的可弯曲微芯片是由可拉伸硅材料制成的。

柔性电子产品的市场规模已达到239.2亿美元。它目前正处于一个拐点,并将在未来5到10年内蓬勃发展。与刚性基板相比,柔性电子产品的坚固性、便携性、重量轻和成本低廉将给电子行业带来革命性的变化。

材料是这项技术的核心。电子电路的柔性可以归因于各方面的质量要素,包括电子元件的可弯曲性,电子电路本身是否使用了卷到卷(Roll-to-Roll)制造工艺

所谓的Roll-to-Roll,是软性电子的一种高效、连续的生产方式,专门用于处理可挠性薄膜,该类薄膜或软板从圆筒状的卷料卷出后,在软板上加入特定用途的功能,或在软板的表面进行加工,然后再卷成圆筒状,或进行裁切。在制造过程中,由于不需使用真空无尘的环境、复杂的腐蚀过程与庞大的废液处理工程 ,可降低生产成本,因此也广受瞩目,可用于LCD、电子纸、薄膜太阳能电池或RFID的制造过程.

简而言之,任何薄的东西都是柔性的。对商用而言,柔性电子意味着柔性显示器和X射线传感器阵列。广义来说,柔性电子还指可以像瑜伽床垫一样卷起的笔记本电脑,纺织品上装有电子电路和电子皮肤。

图3:柔性智能手机

材料科学在柔性电子电路领域的增长方面起到关键性的推动作用,该领域主要与有源薄膜晶体管(TFT)电路相关。高性能TFT极为重要, TFT可以打开或关闭显示屏上的每个像素。

图4:在柔性塑料基板上的显示电子设备

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柔性电子:过去

一般认为,太阳能产业是柔性电子产品快速发展的最大动力之一。

1973年的能源危机促使研究人员致力于开发薄膜太阳能电池,以降低电力成本。

1980年代早期,非晶硅太阳能电池在有机聚合物薄膜(塑料衬底)上制成,这是对太阳能电池柔性进行的首次正式研究。

大约在同一时间,在真空镀膜机中实现了移动柔性基板表面连续沉积法制造硫化镉(CdS)的卷到卷工艺。几年后,第一个非晶硅电池使用了卷到卷涂层工艺。如今,卷到卷工艺已成为太阳能电池的成熟制造技术。

柔性TFTs最早是在Peter Brody博士领导下开展研究的。他的团队在诸如聚酯薄膜、聚乙烯和阳极氧化铝箔等柔性基底上制造了TFTs,其可弯曲半径为1/16英寸,这一成在当时看来是革命性的,但并不能满足今天科学家们的期望。

当日本科学家成功开发了以a-Si:H TFT为背板的有源矩阵液晶显示器(AMLCD),并完成了柔性基板表面a-Si:H太阳能电池的验证后,科学家们对新型基板表面硅基薄膜电路的前沿技术研究格外关注。

值得一提的是,1997年的报告指出了在塑料基板上涂覆多晶硅TFTs的可行性,这为柔性电子产品的快速加工铺平了道路。

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柔性电子产品:现在

硅材料技术一直是使设备小型化的主要驱动力,在降低成本的同时,还可提高其性能。但硅材料本身的刚性,阻碍了其在柔性电子产品(柔软的和可拉伸的电子产品)中的普遍使用。这也推动了研究团队对潜在可替代材料的大范围探索,来弥补常规硅材料技术的短板。

图4:柔性电子电路材料的分类:从刚性到柔性

与传统硅材料相比,碳纳米管(CNT)和石墨烯等碳纳米材料具有优异的弹性和出色的电子、光电和热学性能,因此具有美好的发展前景。

这些纳米碳材料的发现为柔性电子技术带来了新的可能性,并引领了当前的技术趋势。

除了碳以外,其他类石墨烯二维(2D)材料,如过渡金属二硫属化物(TMD)材料和氮化硼(BN),在柔性电子领域也很有前途。纳米碳在生物医学领域的应用是建立在其生物相容性基础上的,有必要在这方面进行进一步的研究。

尽管这些材料都可广泛应用于各个领域,但由于缺乏高良品率的装配工艺,因此在推广方面仍然存在一些限制。例如,碳纳米管(CNT)必须定向到特定方向上,并需具有理想的密度和手性。

石墨烯以虽然可以大面积制造,但是,在将石墨烯转移到基板的过程中引入的损伤,最终会损害器件的性能。因此,找到组装CNT和转移石墨烯的可靠技术也是当前研究领域中的热门话题。

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柔性电子:未来

随着柔性电池和柔性电子概念产品的强有力验证,该行业将见证可穿戴技术与柔性电子产品的融合,这将是该行业的一个关键进步。有机传感器将会不断发展,诸如手势识别、非接触式控制和生物特征识别传感器阵列等功能将在商业上普及。

考虑到碳纳米材料尚无法匹配硅材料技术的发展速度 ,“可拉伸硅”或将是下一个重点研究的领域。已经商业化的LED,LCD技术也许会减缓柔性电子产品的发展,但柔性电子产品的新时代是真实的,柔性电子产品将会继续存在。

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正如网友在评价瑞幸咖啡造假事件时所说的:“咖啡好喝,没泡沫没劲,但,一杯咖啡,如果都是泡沫,就有点过了。记住,愚弄他人者,最终,必然被愚弄。” 著名经济学家周其仁在谈瑞幸咖啡时指出,“人骗人”比“人传人”还危险。

清代孔尚任的《桃花扇•余韵•离亭宴带歇拍煞》中,老艺人苏昆生放声悲歌,尽情发抒:

“俺曾见,金陵玉殿莺啼晓,秦淮水榭花开早,谁知道容易冰消。眼看他起朱楼,眼看他宴宾客,眼看他楼塌了。这青苔碧瓦堆,俺曾睡风流觉,将五十年兴亡看饱。那乌衣巷不姓王,莫愁湖鬼夜哭,凤凰台栖枭鸟。残山梦最真,旧境丢难掉,不信这舆图换稿。诌一套《哀江南》,放悲声唱到老。”

这段话套用在瑞幸咖啡身上,倒也是妥妥的。

惟有真实的,才是值得信赖的,才是最有希望和最有力量的。


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