電池與顯示技術革新在移動通訊設備中的應用

袁銘辰

摘要：20世紀以來，化學科學在理論和實踐都得到了迅速發展，使其與國民經濟和人們的日常生活有極為密切的聯系。隨著化學材料，化學合成，化學制作工藝特別是硅單質的純化處理器得以以摩爾定律進步，手機正在以越來越小巧玲瓏，越來越快速便捷，功能越來越豐富多彩，外形酷炫美觀。

關鍵詞：手機；電池；集成電路；顯示屏；OLED

從1876年貝爾發明電話以來，經歷了長達一個多世紀的發展，電話通訊服務已走進了千家萬戶，成為國家經濟建設、社會生活和人們交流信息所不可缺少的重要工具。在最近二十年來，電話技術和業務發生了巨大變化，通信的地點由固定方式轉向移動方式。移動通訊的迅猛發展，使現代生活節奏越來越快，移動通訊產品的更新換代和市場爭奪戰也愈演愈烈。

一、電池；

電池是手機的動力源泉。

鎳鎘電池：第一代手機自然就是大家耳熟能詳的“大哥大”了。

世界上第一款“大哥大”就是摩托羅拉DynaTAC 8000X，該機單重量就有2磅，通話續航時間僅有半小時，使用鎳鎘電池，鎳鎘電池最致命的缺點是，在充放電過程中如果處理不當，會出現嚴重的“記憶效應”，使得服務壽命大大縮短。所謂“記憶效應”就是電池在充電前，電池的電量沒有被完全放盡，久而久之將會引起電池容量的降低，在電池充放電的過程中（放電較為明顯），會在電池極板上產生些許的小氣泡，日積月累這些氣泡減少了電池極板的面積也間接影響了電池的容量。當然，我們可以通過掌握合理的充放電方法來減輕“記憶效應”。此外，鎘是有毒的，因而鎳鎘電池不利于生態環境的保護。眾多的缺點使得鎳鎘電池已基本被淘汰出數碼設備電池的應用范圍。

位于負極的鎘（Cd）和氫氧化鈉（NaOH）中的氫氧根離子（OH-）化合成氫氧化鎘，并附著在陽極上，同時也放出電子。電子沿著電線至陰極，和陰極的二氧化鎳與氫氧化鈉溶液中的水反應形成氫氧化鎳和氫氧根離子，氫氧化鎳會附著在陽極上，氫氧根離子則又回到氫氧化鈉溶液中，故氫氧化鈉溶液濃度不會隨著時間而下降。

放電反應式：

負極反應：Cd+2OH-→Cd（OH）2+2e-

正極反應：2NiO（OH）+ 2H2O+2e-=2Ni（OH）2+ 2OH-

總反應：Cd+NiO（OH）+H2O→Cd（OH）+Ni（OH）2

充電反應式：

正極反應：Ni（OH）2–e + OH- = NiO（OH）+ H2O

負極反應：Cd（OH）2+2e-→ Cd+2OH-

總反應： Cd（OH）2+Ni（OH）2→Cd+2NiO（OH）+H2O

鋰離子電池：是一種二次電池（充電電池），它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+ 在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態；放電時則相反。電池一般采用含有鋰元素的材料作為電極，是現代高性能電池的代表。離子電池以碳素材料為負極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌（習慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負極用插入或脫插表示）。在充放電過程中，鋰離子在正、負極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅電池”。

當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。

鋁離子電池：2015年4月6日，國際頂級學術刊物《Nature》在線發表了魯兵安作為第一作者的論文《快速充放電鋁離子電池》。魯兵安等人用石墨作為正極材料，并用一種相當于鹽溶液的離子液體作為電解液，從而解決了鋁電池研究在材料上的瓶頸問題。過去在iphone等使用鋰電池的手機上，需要1個小時才能完成的充電量，在該鋁電池上1分鐘即可完成。

魯兵安與美國斯坦福大學化學系戴宏杰課題組合作，改用石墨作為正極材料，用鋁作為負極材料，并用一種相當于鹽溶液的離子液體作為電解液，從而解決了鋁電池研究在材料上的瓶頸問題。

實驗發現，用三維石墨作為電池正極材料，其優良的導電性能和巨大的比表面積可極大縮短電池的充電時間。過去在iphone等使用鋰電池的手機上需要1個小時才能完成的充電量，在該鋁電池上1分鐘即可完成。實驗還證明，鋁電池循環7500次后，容量幾乎沒有衰減，遠遠超出普通鋰電池的循環壽命。

預計將來的手機電池容量會越來越高，充電時間越來越短。

二、集成電路的基座

硅在元素周期表種處于金屬與非金屬的過渡位置。晶體硅的導電性介于導體和絕緣體之間，是良好的半導體材料。Si的最大優點就是能夠采用氧化、光刻、擴散等平面工藝來制作出微小的、性能優良的元器件，從而可以實現集成電路，并進而做出大規模集成電路。然而硅只要摻雜少量雜質，其性能就會大打折扣，硅的提純工藝的發展起到了重大的作用。

在自然界中，不存在硅單質，它一般是通過硅的氧化物SiO2來提取。石墨烯。石墨烯可以卷成一個納米管，平面的石墨烯也能用作半導體材料。石墨烯與碳納米管相比的一個優勢是，它的制造可以集成在晶圓制造工藝中，無需此后專門組裝。另一個優勢是石墨烯極高的電子遷移率，如果用石墨烯連接晶體管中的源極和漏極，晶體管的開關速度可以非常高。處理速度越來越快。

三、顯示屏

目前使用的手機顯示屏

1.TFT液晶顯示屏

TFT（Thin Film Transistor）即薄膜場效應晶體管，是指液晶顯示器上的每一液晶象素點都是由集成在其后的薄膜晶體管來驅動，從而可以做到高速度、高亮度、高對比度顯示屏幕信息，TFT屬于有源矩陣液晶顯示器。

TFT-LCD液晶顯示屏是薄膜晶體管型液晶顯示屏，也就是“真彩”（TFT），它不僅提高了顯示屏的反應速度，同時可以精確控制顯示色階。TFT液晶顯示屏的特點是亮度好、對比度高、層次感強、顏色鮮艷，但也存在著比較耗電和成本較高的不足。

2.UFB液晶顯示屏

UFB LCD，具有超薄、高亮度的特點。UFB-LCD是專為移動電話和PDA設計的顯示屏，具有超薄、高亮度的特點，該顯示屏可減小像素間距，以獲得更佳的圖像質量。

UFB液晶顯示屏的對比度是STN液晶顯示屏的兩倍，在65536色時亮度與TFT顯示屏不相上下，而耗電量比TFT顯示屏少，并且售價與STN顯示屏差不多，可說是結合這兩種現有產品的優點于一身。

3.STN屏幕

STN 是Super Twisted Nematic的縮寫，我們過去使用的灰階手機的屏幕都是STN 的，它的好處是功耗小，具有省電的最大優勢，總的來說STN屏幕對色彩的表現還是遠差于上述的屏幕.

撇開灰階STN 不提，現在STN 主要有CSTN 和DSTN 之分。CSTN即Color STN傳送式LCD在正常光線及暗光線下，顯示效果都很好，但在戶外，尤其在日光下，很難辯清顯示內容而背光需要電源產生照明光線，要消耗電功率。

萬眾矚目的“2014年諾貝爾物理學獎”頒給了日本物理學家赤崎勇、天野浩和日裔美籍物理學家中村修二，以表彰他們發明了高效環保的光源藍光LED。

由于利用高亮度白色發光二極管的發光源進行發光，與白熾燈相比，LED燈發光效率更高。“普通白熾燈正常工作時消耗的電能僅有10%轉化為光能，而LED燈能量利用率可以達到60%；需要的電壓也很低，幾個伏特就行了；而且，白熾燈的壽命一般為1000小時左右，LED壽命高達10萬小時，基本能使用10年以上。

OLED基于有機半導體薄膜發光，具有柔性，可折疊，大面積制造成本低等特點，作為顯示器除了LED點陣顯示器具備的自發光，廣視角，高對比，高速度優點之外，還可以達成柔性超薄的大面積顯示，因此在顯示器方面很受重視，在消費電子中也有不少基于OLED的產品。

可彎曲和透明的手機在不遠的將來就可以看到了。

參考文獻：

[1]集成電路半導體工藝2009-03-29小楠

[2] 汪洋，顏志鵬，陳豐秋，詹曉力.化學進展，2008，20：1264—1265

[3]武漢大學主編，物理化學（第二版）武漢大學出版社 2009.11

[4]手機發展史2011-01-14 古玩兒

[5]劉艷，周林成，惠新平.超順磁性納米催化劑在有機合成中的應用[J].化學進展，2012，24：327-337