2019年度苏大维格SVG产学研合作创新亮点

近年来,在各界人士大力支持下,苏大维格与苏州大学合作,在科研人员共同努力,推进产学研深度融合创新,不仅攻克关键技术难题、促进前沿研究,更不断产出重大成果,持续实现产业化,有效服务于产业创新发展和高水平学科建设。

现对2019年度在前瞻研究、技术创新、成果转化方面的创新亮点做简介,望继续得各界一如既往的支持,为扩大市场应用规模、继续努力。

2019年度,创新体系与能力建设的亮点

 获批江苏省柔性光电子材料/器件与制造技术重点实验室

国家知识产权示范单位

荣获“国家科技进步二等奖

2019年度,科技创新与成果产业化亮点

进展1 基础器件-微纳制造技术-柔性电子

大尺寸一体化触控传感膜(AD Film TM),助推智慧终端产业变革

图1 采用AD-film柔性触控膜的智慧屏

透明导电膜是柔性电子的基础材料,在触控屏、手机折叠屏、透明电磁隐身、透明加热等领域有广泛应用。传统ITO及纳米银丝透明导电膜在导电性能、批量一致性和制程环保等方面,已难以满足智慧屏对大尺寸高性能触控的要求。

周博士“柔性制造团队”创造了一种称为“AD-film”新技术在单层薄膜表面连续压印填充导电材料制备多层叠加的透明电路,形成单膜解决方案(OFS,one film solution)。该进展被评价为透明导电膜领域的变革性技术:全环保制程,无蚀刻工艺;性能优良:透明度>89%,方阻<5欧/方(导电性比纳米银丝导电膜高一个量级以上),其导电均一性、信耐性和表观品质,满足了消费电子对大尺寸触控显示的要求,支持4k/8k高清显示;一体化结构,无中间OCA贴合,柔软度更好,弯折次数20万次。  

AD-film技术,催生了高性价比、高精度、大尺寸、柔性极好的触控传感器,成为国内外产业巨头开发智慧屏交互功能的不二选择。基于这种“柔性微增材制造”(flexible micro-additive manufacturing) 新方法,自主研制建立15.6吋~86吋柔性触控屏自动化产线,包括超大幅面紫外深纹光刻直写设备。柔性触控产品已应用于国际著名终端品牌。

5G时代,在智慧交互终端产业变革中,将会更有效的服务于智慧大屏、可折叠屏的规模应用,创造千亿级产业机会。“面向柔性光电子微纳制造关键技术与应用”获2019年度国家科技进步二等奖,该工作为获奖成果之一。

进展前瞻研究-纳米光刻技术-未来3D显示

创造“光场纳米调制技术”,3D显示屏的全解决方案

图2真实立体效果的3D显示

真实立体体验的3D显示屏一直是国际研究热点与难点。下一代智能手机的显示方式是什么?乔文博士“新型显示”团队给出了全新解决方案:像素化metagrating调制光场相位,重建会聚光场视点,以全息取样技术实现无视疲劳、宽视场、彩色三维体验效果。

在自主研制的像素化纳米光刻系统NanoCrystal基础上,定义了五维变量文档格式,攻克了变周期、变取向像素化metagrating大面积纳米光刻难题,实现了亚纳米调控精度位相调制板的高效制备,完成了5吋到32吋幅面的裸眼3D显示屏原型的制备和显示验证。在LED光源照明下,显示的图像具有连续平滑的运动视差,16个视角会聚光场,视角间隔0.7°下,metagrating周期调控精度达0.12纳米,获得了视场角50°的真彩色3D显示效果,完美解决了以往3D显示中的辐辏调节矛盾这一困扰业界数十年的国际难题,目前,亚纳米精度的相位调制是解决3D显示辐辏调节矛盾的可行方案。

用于3D显示屏的纳米调制板,可压印批量复制、结构轻薄,可与micro-LED面板集成,为今后移动显示设备的高品质3D显示提供了解决方案。已布局数十项发明专利。在CES展上得到国际同行和产业专家认同。该工作发表在国际著名期刊iScience (Cell子刊)上(https://doi.org/10.1016/j.isci.2019.100773

进展智能装备-柔性纳米压印-柔性电子

创造“卷对卷纳米套位压印关键技术”,推进柔性电路绿色制造

图3 卷对卷套位纳米压印设备与多层电路柔性传感膜

2019年,注定是个不平凡的年份, 魏国军副研究员的“智能装备团队”给柔性电子产业一个大惊喜!创造并研制成功“卷对卷纳米套位压印关键技术与设备”,攻克了在薄膜表面连续制备多层透明电路的产业重大难题,实现了无金属蚀刻的、大尺寸超精密柔性电路(线宽3微米)

多层柔性电路FPC,包括触控模组在内,传统方案是逐片制备(曝光、蚀刻、对准贴合),制程工效低、折叠性差、大尺寸电路线宽大于10微米,还存在污染问题。

 该成果是柔性电路的颠覆性技术,改变了数十年来业内采用蚀刻FPC的模式,通过微纳增材制造方法,实现了更高精度、更高信耐性、更高效率、环保性的柔性电路的先进制造,为高性能柔性电子器件迈向绿色制造提供了新途径。新设备支持15.6吋~86吋AD-film柔性触控膜的量产,全流程智能可控,模糊自适应PID调节全张力收放卷,不同厚度薄膜无需参数调整;在线靶标抓取及位置识别精度7um;全参数(光固化、温度、张力)可控;A/B面套位精度<0.2mm,成品率>99%@3米/分;0.05mm@成品率>99%@2米/分,薄膜厚度38微米~125微米。

相关成果已在产业界应用,服务于头部企业的产品开发和批量制造。

进展基础光器件-纳米光刻技术-增强现实

大视场超薄光波导镜片-增强现实AR核心器件

图4 光波导镜片与虚实融合效果

增强现实AR是下一代智慧交互与便携显示的平台型器件,是巨头投入巨资研发的领域。其中,光波导镜片是核心部件。如何攻克高光效、大视场和高分辨率AR镜片的设计与制备这一重大难题?光波导镜片的制造技术具有极高的工艺难度。经数年精心研究,“新型显示”团队给出了完美答案,提出多项超薄光波导镜片的解决方案、攻克了极端纳米制造技术的难题。通过纳米结构衍射特性的深度研究,提出“多种对称式多向扩瞳”光波导新方案,利用光线传导模式,独立开发出效率优化算法,建立了仿真模型;设计了高精度纳米结构制程,镜片表面的纳米结构适配精度误差小于1nm,制备的彩色光波导模块,光效高、色域宽、模组厚度小于2mm,视场角FOV>40°,分辨率达1080p以上,室内环境下,具备极高显示品质,实现了高亮、真彩、虚实融合3D显示。制备工艺达到工业化程度,为目前国际少数掌握光波导镜片量产技术单位。已布局数十项发明专利,获相关项目支持。该工作引起产业巨头合作兴趣,标志着AR光波导镜片向工业化迈进了一大步。

该AR光波导镜片,适配于头戴式近眼显示设备,适合于工业、远程医疗、军事、娱乐、社交和教育等领域的应用。

进展先进仪器-3D打印-微器件

微纳3D打印系统:光学级微器件的先进制备手段

 

图5 微纳3D打印系统、光学精度表面的微器件

微纳3D打印技术是面向微机电系统MENS、传感器、微纳光学、精密医疗器件、柔性电子器件等研究与应用的一门新兴加工技术。

“交叉研究团队”朱鸣、浦东林和乔文博士等,以微纳直写和压印技术为基础,通过光机结构、大数据处理软件、精密控制的全面创新,发明了光场并行高速光学投影与扫描曝光新方法,研制的“SLA微纳3D打印系统”实现了“宏-微结构一体化”高效3D制造。其中,“多材料型”微纳3D打印系统Multi-μ-3D Printer,通过膜基精准送给,高精度层厚控制与多材料切换打印,横向/纵向分辨率均小于1微米,支持大面积微3D器件的制备,尤其在深结构高保真打印上更加出色。发明了“连续生长型微纳3D打印系统MiPrinter,每秒光场扫描曝光速率5000次以上,突破了传统3D打印达不到光学级表面精度的技术瓶颈,兼顾高精度与高效率3D打印,对5mm立体尺寸微结构器件,数据处理量2.5Tbit,打印时间<5分钟,纵向精度<5纳米!这是目前国际上已报道的少数高精度指标。

该工作为超表面、超材料的研究与应用,提供了自主可控的微纳3D打印系统和数据处理软件。尤其,适合光学级表面的微器件,如微内窥镜、激光深度感知、微光学、太赫兹器件以及转移医学微针阵列等高效制备。已在高等院所和企业应用。

进展6 高端装备-微纳3D光刻-光电子

新型紫外直写光刻设备iGrapher,助力新颖光电子器件创新

图6 新型紫外光刻直写系统、三维形貌显微照片

 微纳结构是设计新颖光电子器件的新途径,其三维形貌与结构排列精度对功能特性产生重要影响。从芯片2D图形光刻到微纳光电子的3D形貌精确可控,对光刻工艺与设备提出了全新要求。

“光刻设备团队”在浦东林副研究员带领下,2019年推出“新型紫外光刻设备”iGrapher,采用光场调制模式,在355nm波长下,支持100nm特征结构、500nm的3D结构,深度5μm~20μm,>300mm2/分的高速直写@300mJ/cm2曝光剂量,支持连续形貌的3D结构光刻,面粗糙度<10nm,具有7×24小时运行的高可靠性。

灰度光刻是解决3D形貌模板制备的优选方案。利用上述设备,团队在灰度光刻技术与应用上取得重要进展。在大数据处理与数字模板设计软件、光刻工艺和文档定义方面,获得了能满足3D结构制备的系统性解决方案。与其他国外激光直写设备相比,本设备支持3D形貌光刻,具有强大数据处理能力、光刻效率更高,价格远低于国外光刻产品。

该设备被权威部门认定为2019年首台(套)重大装备。已在国内研究单位和企业应用,有效支撑了在光场3D显示、全屏指纹识别、电子纸显示、光场计算成像、结构光整形、仿生、太赫兹器件等领域的研究与应用。

进展7 新材料-纳米结构色-5G应用

光学纹理膜,让智能手机背板既防爆又“炫光”

图7 智能手机背板纹理光学效果

5G快速发展,对智能手机背板的微波信号的接受有更高要求。采用玻璃或塑性基板替代金属背板成为主流,光学纹理膜作为智能手机背板玻璃的防爆与装饰功能,应运而生。

微纳结构形貌与排列对光线传播和色彩变化有显著影响,结构和溅射层分布可形成特殊光效与结构色。苏大维格子公司-迈塔光学团队建立了光学纹理膜完整设计与制程体系,包括微结构光效设计、微纳灰度光刻、UV纳米压印、溅射和印刷工艺,开发了“灰度数字模板”大数据处理软件,攻克了超精密光刻功能和微纳结构配色的技术瓶颈利用自主研发的、具有纳米精度的微纳灰度光刻技术,配合应用企业,开发了纳米彩虹膜、隐形图形纳米膜、3D光学效果膜和动态图形光效膜,都出自本项成果,基于微纳形貌的设计制备成为光学纹理膜的主流。采用上述技术,用于5G天线的纳米结构光学隐蔽膜也研制成功。

成果在国内前三大智能手机品牌上规模应用,引领了光学纹理膜的发展方向。多功能手机背板将形成为数百亿产业。

进展8 新材料-纳米印刷技术-环保应用

纳米转移技术,推动光学3D印材的环保生产

图8 环保3D光学转移定位纸与动感效果

国家鼓励绿色印刷技术的应用,已产生巨大社会效益。

印刷包装业普遍油墨印刷和全息转移膜,其生产过程中有大量有机溶剂需处理;很多传统包装材料多为塑纸复合,很难降解,成为困扰全球的固废问题。

经多年攻关,苏大维格“功能材料”团队,突破了无溶剂材料的微结构压印/转印关键技术瓶颈,在国际上率先实现3D光学转印材料的量产工艺,制备过程任何VOC排放,其表层微结构深度可达50微米,实现了包括表面光学微结构浮雕、纳米光子晶体、菲涅耳透镜等复杂微结构分布的光学级图形,结构保真度达99.5%以上。这种纳米印刷的光学转印材料具有前所未有的3D光效和结构色表现力,可在纸张上制备微棱镜反光、立体成像、光彩光变色烫印、智能二维码、动态图像等传统印刷不能实现的全新立体动态图像效果。

该项技术的突破,有效消除了印刷材料生产存在VOC排放,减少或消除具有光学效果的塑料膜使用,为推动传统印刷走向绿色纳米印刷,迈出关键一步。成果已开始在国内外印刷业应用,助推印材生产进入高质量环保时代。

进展基础光器件-双面纳米压印-显示照明

大尺寸、高亮度、超薄光器件与制造技术

图9 非对称微结构模具  大尺寸金属光刻设备

国际ENERGY STAR8标准发布后,提升导光板出光亮度和材料利用率,成为显示照明器件的节能新方向。方宗豹博士团队提出了“非对称微结构”解决方案,建立了从微结构光学设计,模具制作,批量制造的综合能力,将纳米热压印转写效率提升到90%以上,实现了出光方向法线偏转10度以上,光效提升3%以上。自主研制了超薄导光板端面成型和微纳光刻等智能设备,攻克了大幅面高精度的微结构导光板制备的难题,掌握光学级深纹压印与保真度工艺,建立完善工艺链,实现了5吋~65吋高亮度超薄导光器件的批量化,制程能耗降低30%以上,绿色环保无排放。正在产业中淘汰传统导光制程,实现产品升级。

该成果已在LED照明与显示终端顶级品牌应用,有效提升了背光源均匀度、降低了显示器能耗,该项成果应用后,仅全国的显示终端每年可节省电力50亿度以上。

进展10 前瞻研究-纳米光刻技术-超表面材料

超表面材料的设计与大幅面快速制备

图10-1大面积超表面彩色图案(a-c)及双通道特性(c-e) 

1、超表面彩色图案大幅面快速制备此前,超表面图案都电子束光刻,面积仅数十微米,需借助显微镜做图案观察。本项工作以自主研制的纳米光刻设备NanoCrysatal作为制备手段,使得超表面结构的彩色图案扩展到数十毫米,实现了器件级面积30mm×30mm的像素化彩色图像。其中10mm×30mm彩色条纹,周期从300 nm到500 nm连续变化,间隔~1 nm。该彩色条纹呈现出红、绿、蓝在内的可见光区颜色,透射率极值~60%。以彩色校徽、彩色樱桃图案为例,展示了超表面结构在自然光观测下的双通道特性,当倾斜角为30°时,在相互垂直的两个方向观察面内,樱桃呈现出了不一样的颜色,该特性可应用于高端防伪变色材料的研制。相关工作发表在Adv. Opt. Mater., 1801302 (2019)。

 

2、全太阳能波段大面积高性能吸收器件采用纳米光刻设备NanoCrysatal,设计制备了超薄型二维圆柱SiO2/TiN/SiNx像素化超表面结构,其在不同波段下不同共振效应的无缝衔接,实现了60°入射角内、250 nm - 2250 nm全太阳能光谱波段的平均吸收率大于83%;样品相继经4小时873K、1073K的热熔实验后,吸收性能仍能保持不变。

   

图10-2超表面吸收器件及其光谱性能

该超表面结构超薄,易于大面积制备,在全太阳能光谱下宽角度高吸收及热辐射波段的低辐射,在热光伏太阳能电池、隐身等方面具有广阔的应用前景。该工作发表在Adv. Opt. Mater., 1901162 (2019),第24期前封面[Volume 7, Issue 24]。