华南理工大学陶劲松团队《ACS AMI》：耐折、灵敏、透明纳米纤维素/陶瓷/无色聚酰亚胺柔性显示盖板材料

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盖板是柔性OLED显示屏的重要组成部分，它们不仅可以保护内部电气元件（如导电电极）免受损坏，还为人机交互提供了一种重要方法。因此，盖板在实现高性能柔性OLED显示器中起着至关重要的作用。目前无色聚酰亚胺已经被用作商用柔性智能手机的盖板材料。但其耐折叠能力较弱，多次折叠后容易产生褶皱。虽然通过增加聚合物厚度可以提高其耐折叠性，但同时会降低接触灵敏度。因此，制造高度可折叠和超灵敏的聚合物盖板仍然具有挑战性。

图1 用于柔性OLED显示器的纤维素纳米晶体、纳米氧化锆和无色聚酰亚胺(CNC/ZrO₂/CPI)复合盖板的制备过程示意图

基于此，华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室陶劲松副研究员团队针对现有柔性折叠触摸屏盖板不耐折叠和灵敏度较低的问题，通过将纤维素纳米晶体（CNC）和氧化锆（ZrO₂）结合到无色聚酰亚胺（CPI）中，开发了一种高度可折叠和超灵敏的CNC/ZrO₂/CPI复合盖板材料（图1）。受弹性理论的启发，在CPI中添加刚性CNC以提高弹性模量，而引入高介电常数ZrO₂可改善薄膜的介电性能，从而在提高了盖板耐折叠性的同时，增强了其触摸灵敏度。

图2 CNC/ZrO₂/CPI盖板的力学性能和耐折叠性能

对于盖板来说，应该具有足够的机械强度和弹性模量，以承受机械疲劳。对比分析纯CPI、ZrO₂/CPI和CNC/ZrO₂/CPI三种薄膜的力学性能和耐折叠性能（图2），结果表明两种纳米填料粒子的加入均增加了CPI的弹性模量，且CNC/ZrO₂/CPI复合盖板表现出较良好的耐折叠能力，在经历20万次折叠后仅出现轻微的折痕。通过纳米压痕实验分析也符合这一结论，加入CNC后复合膜的载荷-位移曲线滞后减小，这意味着复合膜具有更优异的弹性恢复能力，表现出更好的耐折叠性。

 图3 CNC/ZrO₂/CPI盖板的光学性能和表面性能

作为柔性触摸屏面板的盖板材料，其光学特性对人机交互有着至关重要的影响。通常，高透明度和高清晰度有利于提高用户的使用体验感。对比分析纯CPI、ZrO₂/CPI和CNC/ZrO₂/CPI三种薄膜的光学性能和表面性能（图3），结果显示由于CNC和ZrO₂的纳米尺寸和与CPI具有较好的相容性，复合盖板仍具有优异的光学性能和较小的表面粗糙度。

 图4 ZrO₂/CPI的介电性能

对于电容式触摸屏面板，触摸灵敏度与位于手指和电极之间的盖板层的感应电容密切相关。当厚度不变时，盖板的感应电容由其介电特性决定。因此，提高盖板层的介电性能可以有效地提高触摸灵敏度。作者在CPI中添加了具有高介电常数的ZrO₂纳米颗粒，以改善盖板层的介电性能（图4）。通过分析介电常数和损耗，结果显示复合膜的介电常数得到提高。后续进行的应用分析也显示，CNC/ZrO₂/CPI盖板在触摸时电容变化更明显，这意味着其触摸灵敏度更高。通过改善和平衡机械、介电和光学性能，该复合盖板可以广泛应用于下一代柔性显示器。

该成果以“Highly Foldable, Super-Sensitive, and Transparent Nanocellulose/Ceramic/Polymer Cover Windows for Flexible OLED Displays”为题，发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上（DOI： 10.1021/acsami.2c01353）。华南理工大学轻工科学与工程学院2019级硕士研究生谢静怡为第一作者，制浆造纸工程国家重点实验室陶劲松副研究员为论文通讯作者。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c01353

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