氮化硼絕緣散熱膜在新型顯示器的應(yīng)用探討

關(guān)鍵詞：5G材料，絕緣散熱膜，毫米波，低介電透波材料

導(dǎo)語：5G時(shí)代巨大數(shù)據(jù)流量對于通訊終端的芯片、天線等部件提出了更高的要求，器件功耗大幅提升的同時(shí)，引起了這些部位發(fā)熱量的急劇增加。BN氮化硼散熱膜是當(dāng)前5G射頻芯片、毫米波天線、AI、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域最為有效的散熱材料，具有不可替代性。

致力于解決當(dāng)前我國電子封裝及熱管理領(lǐng)域面臨的瓶頸技術(shù)問題，建立了國際先進(jìn)的熱管理解決方案及相關(guān)材料生產(chǎn)技術(shù)，是國內(nèi)低維材料技術(shù)領(lǐng)域頂尖的創(chuàng)新型研發(fā)團(tuán)隊(duì)。本產(chǎn)品是國內(nèi)首創(chuàng)自主研發(fā)的高質(zhì)量二維氮化硼納米片，成功制備了大面積、厚度可控的二維氮化硼散熱膜，具有透電磁波、高導(dǎo)熱、高柔性、低介電系數(shù)、低介電損耗等多種優(yōu)異特性,解決了當(dāng)前我國電子封裝及熱管理領(lǐng)域面臨的“卡脖子”問題，擁有國際先進(jìn)的熱管理TIM解決方案及相關(guān)材料生產(chǎn)技術(shù)，是國內(nèi)低維材料技術(shù)領(lǐng)域頂尖的創(chuàng)新型高科技產(chǎn)品。

產(chǎn)品的應(yīng)用方向?yàn)?G通訊絕緣熱管理，主要目標(biāo)市場可分為終端設(shè)備，智能工業(yè)，及新能源汽車三大板塊。5G技術(shù)是近年來最受矚目的關(guān)鍵科技，也是國內(nèi)外重點(diǎn)發(fā)展的核心產(chǎn)業(yè)之一。隨著5G商用，工業(yè)4.0、智慧城市、無人駕駛等科技建設(shè)的推進(jìn)，該項(xiàng)目已經(jīng)初步形成了萬億的市場規(guī)模，并持續(xù)快速發(fā)展。

顯示作為信息技術(shù)的重要組成和信息鏈的終端人機(jī)界面，應(yīng)用領(lǐng)域遍及工業(yè)、交通、通訊、教育、航空航天、衛(wèi)星遙感、娛樂、醫(yī)療等日常生活各方面，是信息產(chǎn)業(yè)的重要支柱。放眼全球，新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命加速興起，顯示與 5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)不斷發(fā)展和融合，呈現(xiàn)出超高清、泛在、融合、智能和綠色的新型發(fā)展態(tài)勢。本文梳理了具有代表性的新型顯示技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，將結(jié)合新型顯示技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析和展望各種顯示產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向和前景。

新型顯示技術(shù)の現(xiàn)狀與發(fā)展摘選（文：高偉男/畢勇 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所）

一

國內(nèi)外新型顯示技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

顯示產(chǎn)業(yè)是我國電子信息產(chǎn)業(yè)的基石之一，也是信息領(lǐng)域?yàn)閿?shù)不多的每年千億美元級(jí)的產(chǎn)業(yè)，帶動(dòng)力和輻射力極強(qiáng)，吸引了國內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)的目光，成為了電子信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域競爭的新高地。2020 年，我國在新型顯示產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域投資超過 1.3 萬億元，已建成 6 代及以上面板生產(chǎn)線 35 條，實(shí)現(xiàn)直接營收 4460 億元，同比增長19.7%，全球占比達(dá)到 40.3%，增長速度和市場占有率均處于全球首位，全球顯示產(chǎn)業(yè)正加速向我國轉(zhuǎn)移，新型顯示已經(jīng)成為我國后續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，在我國國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的戰(zhàn)略地位。當(dāng)前顯示產(chǎn)業(yè)發(fā)展到了“更新?lián)Q代大洗牌”階段，多種技術(shù) / 產(chǎn)業(yè)競相發(fā)展，如液晶顯示（LCD）、有機(jī)發(fā)光（OLED）顯示、量子點(diǎn)（QD）顯示、發(fā)光二極管（LED）顯示、電子紙（E-paper）顯示、三維（3D）顯示、激光顯示（LDT）等。

顯示技術(shù)的發(fā)展歷程（如圖1）就是圖像保真度不斷提高，從而走向人眼視覺極限的過程。

二

各種新型顯示技術(shù)原理與態(tài)勢分析

01激光顯示：激光顯示是以紅、綠、藍(lán)三基色（或多基色）激光為光源的新型顯示技術(shù)，具有大尺寸 / 超大尺寸、大色域、超高清、高觀賞舒適度等優(yōu)點(diǎn)。在現(xiàn)有激光光源中，三基色半導(dǎo)體激光（LaserDiode，LD），具有直接電激發(fā)、高效率、高偏振度、長壽命、高可靠、小型化、頻域 / 空域/ 時(shí)域綜合參數(shù)易于調(diào)控，以及可用半導(dǎo)體制造工藝實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)降低成本等優(yōu)勢，將是激光顯示產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的核心。

02液晶顯示（LCD）：LCD 是利用液晶材料的電控雙折射性能實(shí)現(xiàn)的顯示技術(shù)。2019 年，LCD 顯示屏占手機(jī)屏幕的 60% 以上，在高端電視占比超過 50%，技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已趨于成熟，是目前中小尺寸顯示產(chǎn)品的主流，我國大陸 LCD 面板產(chǎn)能已超全球 50% 份額[3]。但是 LCD 相比于其他產(chǎn)品，色彩豐富程度較低、顏色不鮮艷、可視角度有限、響應(yīng)速度慢（ms 級(jí)），亟需探索新材料（低溫多晶硅、金屬氧化物等）、新工藝（快響應(yīng)、高對比度），解決以上技術(shù)問題，將推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代。

03有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）顯示：OLED 是用有機(jī)電致發(fā)光材料開發(fā)的發(fā)光二極管顯示技術(shù)，包括其響應(yīng)速度快（μs 級(jí)）、工作溫度范圍寬（-30℃ ~+85℃）、對比度高（5000:1）、可視角度大（150 度）、面板超?。╩m 級(jí)），能使用多種材質(zhì)基板，實(shí)現(xiàn)柔性顯示和透明顯示。由于 OLED 發(fā)光材料存在壽命問題導(dǎo)致“紅臉現(xiàn)象”和燒屏現(xiàn)象，應(yīng)繼續(xù)發(fā)展手機(jī)屏、可穿戴小屏幕短使用周期的產(chǎn)品，同時(shí)探索透明、柔性等特殊用途產(chǎn)品的市場應(yīng)用。

04量子點(diǎn)顯示：量子點(diǎn)顯示是利用發(fā)光量子點(diǎn)材料的一種顯示技術(shù)，改變量子點(diǎn)尺寸就能實(shí)現(xiàn)色彩的調(diào)控，具有高亮度、較大色域、高對比度、低功耗的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)發(fā)光形式的不同，量子點(diǎn)顯示可分為光致發(fā)光和電致發(fā)光。光致發(fā)光量子點(diǎn)顯示可與現(xiàn)有液晶電視工藝結(jié)合提高畫質(zhì)，電致發(fā)光量子點(diǎn)顯示可實(shí)現(xiàn)自主發(fā)光顯示[5]，但是較為成熟的技術(shù)路線基于含鎘量子點(diǎn)材料，有毒性，歐盟等國家已禁止銷售，應(yīng)著力探索無毒電致發(fā)光 QLED顯示在中小尺寸、短使用期等市場應(yīng)用。圖4為量子點(diǎn)顯示材料種類。

圖 4 量子點(diǎn)顯示材料種類

05Mini/Micro-LED 顯示：Mini/Micro-LED 顯示是由微米級(jí)半導(dǎo)體發(fā)光像元陣列組成的新型顯示技術(shù)，將 LED 器件微小化（<100 μm）、薄膜化、陣列化后，批量轉(zhuǎn)移至電路基板上形成的顯示器件，具有高亮度、超高分辨率與色彩飽和、發(fā)光效率高的特點(diǎn)，不易受水汽、氧氣或高溫的影響，穩(wěn)定性、使用壽命、工作溫度較好。圖5為 Micro-LED 工藝流程。目前小間距顯示（屏）如 mini-LED 已在室內(nèi)公共信息大屏幕廣泛應(yīng)用，已有較大的市場，下一步可加強(qiáng)改善觀看舒適度，獲得更大的市場份額。

圖 5 Micro-LED 工藝流程（來自 :YOLE）

06電子紙顯示（E-paper）：電子紙顯示是電場驅(qū)動(dòng)帶電材料（電子墨水或膽固醇液晶）實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)，通過反射環(huán)境光達(dá)到的類紙型顯示技術(shù)。電子紙顯示原理如圖6所示。

07三維顯示（3D 顯示）：3D 顯示，也稱立體顯示，實(shí)現(xiàn)三維視覺效果。主要分為雙目視差三維顯示、集成成像三維顯示、立體三維顯示和全息真三維顯示。

三

國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈情況及面臨的挑戰(zhàn)

我國非常重視新型顯示產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，到 2020 年，我國新型顯示全產(chǎn)業(yè)累積總投資已超過 1.3 萬億元，顯示產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)超過 3 萬億元，生產(chǎn)的顯示面板占全球總產(chǎn)量的 50%，電視屏幕占 70%，電腦和手機(jī)產(chǎn)量超過 90%，其中 LCD、激光顯示、OLED 等顯示技術(shù)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)全球領(lǐng)先，中國已經(jīng)超過韓國成為全球規(guī)模最大、市場最大、最具競爭力的顯示市場。但是我國的顯示產(chǎn)業(yè)依然大而不強(qiáng)，在超過60% 的關(guān)鍵核心材料與工藝裝備依賴進(jìn)口，產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)尚難以自主可控，潛在發(fā)展壁壘日益顯現(xiàn)。在上游材料方面，液晶、玻璃基板、光學(xué)膜、光刻膠材料、OLED 發(fā)光材料、空穴 / 電子傳輸材料、電極材料、RGB 激光器和成像材料、MicroLED 外延材料、鍵合材料、電子紙油墨材料等等關(guān)鍵材料與配套材料國產(chǎn)化率低，亟需發(fā)力關(guān)鍵顯示材料國產(chǎn)化及其上游原料的開發(fā)。我國替代性材料以及設(shè)備本土化覆蓋率正逐年提升。材料國產(chǎn)化開拓方面，國內(nèi)京東方等在具備了 LCD 顯示面板大規(guī)模生產(chǎn)能力，圍繞產(chǎn)業(yè)上游的玻璃基板、偏光片、薄膜材料開展攻關(guān)，國產(chǎn)化率穩(wěn)步提升，中游面板制造企業(yè)的現(xiàn)地采購比例也逐漸上升。在設(shè)備的國產(chǎn)化提升上，據(jù) CINNO Research 顯示，在17 大類的設(shè)備中，檢測設(shè)備國產(chǎn)化完成度超過60%，目前基本可以實(shí)現(xiàn)替代，如在面板后道檢測設(shè)備方面，測試機(jī)領(lǐng)域國產(chǎn)替代成果顯著，國內(nèi)企業(yè)占據(jù)國內(nèi)市場的 82%。在自動(dòng)化、模組貼合 / 綁定等領(lǐng)域，國產(chǎn)化提升較為迅速，超過30%。另外，多種關(guān)鍵工藝設(shè)備，如激光切割機(jī)、曝光機(jī)、有機(jī)材料蒸鍍機(jī)、自動(dòng)光學(xué)檢測儀器等實(shí)現(xiàn)了零的突破。

四

小結(jié)

當(dāng)今時(shí)代，全球顯示產(chǎn)業(yè)正加速向我國轉(zhuǎn)移，迎來了顯示產(chǎn)業(yè)由大變強(qiáng)的機(jī)遇期，也存在外部形勢復(fù)雜、全產(chǎn)業(yè)鏈布局、顯示產(chǎn)業(yè)的更新與轉(zhuǎn)型等新挑戰(zhàn)。百花齊放，全面發(fā)展，圓“十三億中國人看中國（安全）電視”的中國夢，推動(dòng)我國顯示產(chǎn)業(yè)由大變強(qiáng)，成為顯示產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國，為中華民族百年復(fù)興做出應(yīng)有貢獻(xiàn)。

作者簡介：高偉男，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦吖β始す?、激光全色顯示技術(shù)等。畢勇，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，研究員/ 中心主任，研究方向?yàn)榧す怙@示、激光全息三維顯示、激光散斑技術(shù)等激光技術(shù)及應(yīng)用研究。

=====================================================

高導(dǎo)熱絕緣氮化硼膜材

六方氮化硼（h-BN）這種二維結(jié)構(gòu)材料，又名白石墨烯，看上去像著名的石墨烯材料一樣，僅有一個(gè)原子厚度。但是兩者很大的區(qū)別是六方氮化硼是一種天然絕緣體而石墨烯是一種完美的導(dǎo)體。與石墨烯不同的是，h-BN的導(dǎo)熱性能很好，可以量化為聲子形式（從技術(shù)層面上講，一個(gè)聲子即是一組原子中的一個(gè)準(zhǔn)粒子）。有材料專家說道：“使用氮化硼去控制熱流看上去很值得深入研究。我們希望所有的電子器件都可以盡可能快速有效地散射。而其中的缺點(diǎn)之一，尤其是在對于組裝在基底上的層狀材料來說，熱量在其中某個(gè)方向上沿著傳導(dǎo)平面散失很快，而層之間散熱效果不好，多層堆積的石墨烯即是如此?！迸c石墨中的六角碳網(wǎng)相似，六方氮化硼中氮和硼也組成六角網(wǎng)狀層面，互相重疊，構(gòu)成晶體。晶體與石墨相似，具有反磁性及很高的異向性，晶體參數(shù)兩者也頗為相近。

二維氮化硼散熱膜是一種性能優(yōu)異的均熱散熱材料。傳統(tǒng)的人工石墨膜和石墨烯薄膜具有電磁屏蔽的特性，在5G通訊設(shè)備中的應(yīng)用場景受限，特別是在分布式天線的5G手機(jī)中。二維氮化硼散熱膜具有極低的介電系數(shù)和介電損耗，是一種理想的透電磁波散熱材料，能被用于解決5G手機(jī)散熱問題。

基于二維氮化硼納米片的復(fù)合薄膜，此散熱膜具有透電磁波、高導(dǎo)熱、高柔性、高絕緣、低介電系數(shù)、低介電損耗等優(yōu)異特性，是5G射頻芯片、毫米波天線領(lǐng)域最為有效的散熱材料之一。

高導(dǎo)熱透波絕緣氮化硼膜材主要應(yīng)用