面向柔性OLED显示基板用聚酰亚胺的分子设计与性能调控

As an important element in flexible displaying device, flexible substrate with high chemical- resistance and thermal-stability plays a key role in determining the processing of devices. Polyimide film is considered to be an ideal candidate as flexible substrate and also is the key target for most of scientific and technical researchers. However, further improving the thermal stability (high Tg and Td) and reducing the constant of thermal expansion (CTE) of polyimide is the key to decide whether to be adopted. Previous studies in our group proved that the thermal stability of PI can be significant enhanced by increasing the interaction between PI chains. In this project, new kinds of PI will be prepared by introduction of rigid fragment and conjugated fragment along the PI chains. And also the "enhancement factors" of interactions between molecular chains such as H-bonding and cross-linking will be considered in order to improve the thermal stability of PI films. The effect of such enhancement factor on the stacking density of molecular chains, chain segments movement and relaxation will be investigated. Also as a new strategy, in situ polymerization of inorganic hybrid will be investigated by controlling the homogenous dispersion of inorganic phase in the PI matrix. The obtained results will be guidance for the design and preparation of PI towards to the application as flexible substrates.

为了实现显示技术的柔性化，开发具有化学稳定、耐高温的柔性基板成为关键。聚酰亚胺（PI）被认为是柔性显示基板的首选材料，进一步提高PI的玻璃化转变温度(Tg)和热分解温度(Td1%)，降低其热膨胀系数(CTE)是决定PI能否胜任的关键。我们前期研究证明：增加分子链相互作用可有效提高PI的Tg，并在一定程度上降低CTE。本项目将从PI分子结构设计入手，引入刚性结构、共轭结构、分子链间氢键和可交联结构等分子链相互作用“强化因子”，在保证PI分子链的耐热氧化性的同时，研究“强化因子”对分子链聚集态和限制分子链段松弛的影响，进而探索提高PI的Tg和降低CTE的有效方法。另外，通过调控PI亚胺化过程中的聚合物聚集态结构，研究无机杂化PI树脂过程中的微相分离与均一性调控，以进一步强化PI的耐高温性能。在以上结构与性能研究的基础上,提出掌握柔性基板PI分子设计原理，为我国柔性显示技术发展注入新动力。

有机电致发光柔性显示（OLED）具有低功耗、色彩艳、质量轻、可折叠等特征，能满足移动互联网和可穿戴设备发展的需求，是显示技术的一次新革命。OLED柔性化关键是开发柔性聚酰亚胺薄膜(PI)替代硬质的玻璃基板。根据OLED制程要求，PI需要承受450-500℃的加工温度，且热膨胀系数要和玻璃基板相当。然而，目前商业化的PI薄膜无论在耐热性还是在尺寸稳定性上都远达不到应用要求。本项目针对柔性OLED显示用PI基板材料，通过研究分子结构、聚集态与聚酰亚胺性能之间的关系，揭示了PI薄膜耐热性能和尺寸稳定性的调控机制；发展了基于人工神经网络和随机森林法算法构建PI分子结构-物理性能定量关系的研究新范式；开发出低成本耐高温低膨胀PI柔性基板黄膜，其玻璃化温度＞500°C，TCE≤5ppm/K, 5%热分解温度超过580°C, 各项指标达到和超过国外PI的数据，为国产化替代创造了条件。目前，柔性基板用PI为本征黄色，其光透过率受到限制，为确保摄象头对光线的捕捉，需要在显示屏上开摄像孔，影响了手机用户的体验，全屏无孔是未来手机发展的趋势；另外，市场潜力巨大的车载显示需要透明显示技术。以上新技术发展都对无色透明聚酰亚胺（CPI）提出强烈的要求，开发耐高温、低膨胀的CPI势在必行。但是，透明性和耐高温、低膨胀在分子设计上存在矛盾。因此，需要提出新理论和新方法来平衡两者的矛盾，耐高温CPI的研究成为目前国际竞争的热点。本项目针对未来OLED基板材料的需求，发展了“邻侧基扭曲三联苯二面角型”“螺双茚-双苯并噁唑型” “含氟酰胺型”和苯并环丁烯可交联型等系列透明耐高温CPI的制备方法，并开发出Tg大于等于490°C、可见透过率＞89%，YI≤5，CTE≤15，接近实际应用指标的CPI基板膜，成为国内外最具竞争力柔性透明基板膜，为我国柔性OLED显示技术创新发展提供了技术支持。