透明电子是种什么技术？为何潜力巨大？

光与影本来就足以给人给人留下深刻的印象,而透明技术又带来了双重的神秘美感。作为开发者,你的客户不仅会注意到技术本身,更会注意到你如何使用它,又呈现了什么。

文︱立厷

现在,电子设备无处不在,它们大多采用硅基半导体元件。不过,采用硅以外半导体材料的新型电子产品正在出现。可穿戴、透明和柔性电子产品就在实现新一代的设备和应用,而这是硅无法实现的。

IDTechEx最近的一份报告预测,到2041年,透明电子(Transparent Electronics)产业的产值将超过200亿美元,其发展轨迹日渐清晰。之前悬停在半空中的电子显示器曾经是科幻小说的素材,但研究人员和市场分析师表示,随着透明电子技术的进步,这些概念正在成为现实,它已成为最具活力和日益增长的市场。那么透明电子的背后是一种什么技术?为什么它有如此巨大的潜在优势呢?

应用精彩纷呈,市场多元创新难

透明电子器件的种类可谓应有尽有,仅显示器就有LCD、mini LED、micro LED、QD、OLED等;还有光电视窗、电致变色(electric darkening)、雷达玻璃、电路、异向介质(metamaterial)、加热器、天线等各种应用。应用更是包罗万象,家电、便携式设备、媒体/娱乐、建筑、外科医疗、国防军事等不一而足。

越来越多的厂商正致力于研发透明显示产品,这类设备除了炫酷、华丽,还轻薄、易于携带,支持3D显示技术,并且耗能低,有利于环保节能。其最大优势就是借助透明屏幕,比如透过屏幕操作上面显示的东西(将一只手表“戴”在手腕上测试效果),检索并操作屏幕中的文档,从而带来一种全新的人机交互体验。

看看一些正在实现的典型应用。现代汽车承诺,其未来的一些电动汽车将保留大型车顶窗,并通过它来提供足够的电力,以大大增加行驶里程;中国铁路正在部署具有交互式功能的车窗发光彩色显示屏;美国越来越多的农用温室可以吸收利于植物生长的光,其余部分则用于发电。

透明电子技术的迅速发展带来了各种功能的透明电子器件和光电器件。使用透明材料或其他不透明材料制成的图案(如带加热丝和天线的汽车挡风玻璃)可以让光线通过,从而实现透明显示。德国弗劳恩霍夫激光技术研究所开发了可导引自动驾驶汽车雷达光束的前照灯玻璃;透明加热器层压板电动汽车内饰配件也已面世,以减轻重量和功耗,增加行驶里程。

京东方的智能调光窗方案可根据环境亮暗连续调节,让车窗秒变隐私玻璃。它是在电压驱动下控制染料分子旋转来改变透过率。与其他调光方案相比,该方案具有高通透、低功耗、快速响应的特点,适用于乘用车天窗、侧窗场景。侧调光窗支集成BOE透明显示技术,可实现人车交互。

为了在恶劣环境条件下使用除雾或除霜功能,Optical Filters开发的一系列透明加热屏幕。利用低电阻母线将加热电流提供给氧化铟锡(ITO)镀膜玻璃。其涂层密度有助于提供具有良好光学清晰度的优异加热性能。测试证明,在外部温度为-50℃时,滤光片透明加热器可将LCD维持在20℃,温度梯度为3℃/分钟。透明加热器的应用范围很广,包括公共信息显示器、物料搬运设备、军用地面车辆、海军飞行甲板设备、重型农业和土方设备的控制面板、潜望镜和海上石油平台。

关于市场,多元化的另一个意思是“碎片化”,供应商和客户众多,产品无标准可依。这样的市场精彩纷呈,也使材料创新极具挑战。采用创新新材料本身就具有挑战性,尤其是在无法直接替代现有产品的情况下。由于可能不具备优化工艺所需的专知和经验,新材料制造商很难说服客户从当前的成熟制造过渡到采用透明电子材料的新解决方案。为此,需要采用垂直整合模式,为客户提供一揽子解决方案,既提供透明电子材料,又提供相关功能电路,才能尽可能降低客户应用难度。

何为透明显示?

透明电子器件最令人兴奋的方面是其潜在应用,如透明显示器、太阳能电池板和智能窗等。

以液晶显示器为例,传统显示器需要背光,会消耗大量电能。而透明显示器使用环境作为背光。透明显示屏广告牌、街道标志就像漂浮在半空中一样;同样,窗户的玻璃也可以作为显示器使用。

透明液晶屏是在两片无钠玻璃素材——基板(Substrate),中间夹有一层液晶。当通电导通时,液晶排列变得有序,使光线容易通过;不通电时,排列变得混乱,阻止光线通过。

由于将上下夹层的电极改成FET(场效应晶体管)电极和共通电极,在FET电极导通(电压变化)时,液晶分子的排列状态同样会发生改变,通过遮光和透光来达到显示目的。由于FET晶体管具有电容效应,能够保持电位状态,先前透光的液晶分子会一直保持这种状态,直到FET电极下一次加电改变其排列方式为止。通过控制电场就控制了光线的明暗变化,从而达到显示图像的目的。而用于这种透明显示的FET就是TFET(透明FET),又叫薄膜晶体管。

随着2D半导体的进一步发展,更灵活和透明的电子器件可能最先在各种显示器中采用。

TFET的最新进展

近年来,全世界的工程师都在努力研发灵活和多功能电子元件,以制造出更复杂的设备和机器人系统,如电子皮肤(e-skin)或可穿戴传感器。这一特定研究领域的总体目标是开发可大规模制造和实现的柔性电子产品,使之具有高设备密度和优异性能。

一类特别有希望成为柔性电子器件的材料是上面提到的2D半导体,如二硫化钼(MoS2)。虽然这种材料具有许多优越的机械、光学和电子学性能,但迄今为止,用MoS2制造具有高器件密度和高性能的大规模柔性集成电路是一个挑战。去年末,中国科学院的研究人员制造了一种可以大规模生产的新型柔性透明MoS2基晶体管。研究成果发表在《自然电子学》上,它是用传统气相沉积工艺的一种变体制造出来的。

这项研究的研究人员之一张光宇说:“MoS2这种2D材料具有天然的薄性和灵活性,有可能成为柔性电子产品的新构件。”这项研究基于在高质量单分子膜MoS2的晶圆级外延方面的最新进展,开发了大规模柔性和透明电子产品的原型。

用2D半导体制造柔性透明电子器件

他表示:“在接下来的研究中,我们将继续优化生长过程,以提高MoS2薄膜的质量。此外,我们还计划进一步改善器件性能,提高柔性器件的集成度,让我们的晶体管更具应用前景,如柔性存储器和突触器件、传感器、光电探测器等。”

许多类型的透明显示新兴应用已深入到光伏应用,发现了新的用途和多种功能。如果下一代太阳能电池是透明的,就可以安装在车窗、建筑物,甚至手机屏幕上。为了克服太阳能电池安装空间的限制,促进其在各种应用中的采用,许多研究者都在研究透明薄膜太阳能电池。

韩国仁川延世大学综合技术学院的Ah-Jin Cho等研究的2D WSe2/MoS2 p-n异质结透明光伏电池就是一种很诱人的东西。他表示:“透明光伏电池的独特特性可以有各种各样独特的应用。”

Ah-Jin Cho介绍说,要实现太阳能电池的透明化,选择足够透明又能显示光伏特性的材料是关键。他说:“我们建议使用WSe2/MoS2 2D p-n异质结和氧化铟锡电极来制备透明薄膜光伏电池。由于2D材料所具有的优点,可获得相当高效率的高透明度(?80%)太阳能电池。此外,通过引入由含氟聚合物组成的透明钝化层,光伏性能得到了很大改善。”

他表示,在钝化层的作用下,WSe2/MoS2透明光伏电池的效率可达约10%。基于2D材料制造完全透明光伏器件的研究表明,2D半导体Waals p-n异质结作为高透明、轻量化薄膜太阳能电池的活性层具有巨大潜力。

用氧化物半导体制造透明电子器件

阿卜杜拉国王科技大学从事新材料和新工艺开发的科学工程教授Husam N． Alshareef介绍了他开发的使用氧化物半导体的透明电子系统以及薄膜沉积所起的作用。

他表示:“我们最感兴趣的是电子和储能,在众多半导体材料中,我们特别关注氧化物。氧化物半导体往往是透明的,这意味着我们可以构建透明的电路,进而开发透明显示器。传统显示器依赖于耗电量很大的背光。环境显示器降低了这种功耗,新技术可以将显示器变成窗户。”

透明电路的另一个应用是智能窗,它可以根据环境(热、光、电压)的变化改变透明度,即热致变色窗,当感觉到房间太热时,它会变得越来越不透明,以帮助降温。另一种场景是在窗中嵌入隐形传感器,以感应化学物质或辐射。它可以隐藏在机场等重要地点,以改善公共安全。

他的团队还开发了用于储能的氧化物。氧化物半导体在电池电极中有很好的作用。除此之外,它还可用于高功率器件超级电容器,在电动汽车、备用电源和自供电传感器和传感器网络中的微功率单元等应用中发挥至关重要的作用。他们还尝试将微型电池和微型超级电容器与透明和/或可穿戴电子设备集成,以实现新一代的自供电传感器。

薄膜晶体管是怎样制造的呢?据介绍,标准薄膜晶体管由三层组成:导电层、半导体层和绝缘层。而精确控制这些层可以决定晶体管的成败。TFET也有同样的功能,但是要使用高透明度的材料来制造非常薄的晶体管。绝缘层必须足够坚固,不允许任何电子泄漏,导电层必须允许最有效的电子传输。氧化物半导体层位于这两者之间,通过调节其导电性,可以产生电信号“1”和“0”。

构建薄膜晶体管有几种不同方法。如果用于高密度电子产品,就要大量并联晶体管,就需要洁净室环境的真空系统,这种低压系统几乎没有污染。

对于新兴领域,如大型廉价电子产品或柔性电子产品(如RFID、食品标签和传感器、玩具),新开发的化学工艺分层方法可以经济地实现适合要求较低的应用。

Alshareef解释说:“硅半导体可以传输电子和空穴,正是这种能力使硅技术如此成功。将这两种传输方式结合起来,就可以构建低能耗运行的功能性智能电路。”

他认为,透明氧化物半导体缺乏良好的p型(空穴传输半导体)传输层。而结合透明空穴传输层和透明电子传输层就可以开发出透明电路和传感器。此外,透明金属氧化物可以作为晶体管和电路触点。他们的目标是实现无铟透明氧化物导体,因为铟的供应有限,越来越昂贵。

在电容储能材料方面,他的团队一直在研究利用多种稳定氧化态元素——锰、钒、钼和钴制造大规模和微型储能装置。他希望将这些装置与透明电子产品集成,制造自供电传感器(医疗诊断)和智能设备。

科幻正在变成现实

斯皮尔伯格的电影《少数派报告》巩固了透明显示作为尖端技术在人们心目中的地位,消费者已经为使用这项技术做好了充分准备。

光与影本来就足以给人给人留下深刻的印象,而透明技术又带来了双重的神秘美感。作为开发者,你的客户不仅会注意到技术本身,更会注意到你如何使用它,又呈现了什么。