柔性光電材料的特性及在汽車上的應(yīng)用展望

中圖分類號(hào)：U465.4；U465.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20240177

CharacteristicsofFlexiblePhotoelectricMaterialsand Their Application Prospect in Automobiles

Yuan Jie，Yang Dan （Dongshi Motor Technology Group Company Limited， Shiyan 442002）

Abstract：Starting from the functions offlexible photoelectric materials，this paper introduces their advantages in lightweightandspatial layoutinautomobiles，summarizesdifferentclassificationsandstructuralcharacteristicsof flexible photoelectric materials，and introduces theapplicationsand progressofflexible printed circuitboards，organic lightemiting diodes，and inteligentcolorchanging materials in automotivesensors，vehicle lighting，vehicle display screens，and otherfields.Finaly，thefuturedevelopment trendsofvarious typesofflexible photoelectric materials in automotive applications are discussed respectively.

Keywords：Flexiblephotoelectricmaterial，F(xiàn)PC，OLED，Intelligentcolorchangingmateria

1前言

自動(dòng)駕駛、智能網(wǎng)聯(lián)等功能的應(yīng)用，使車輛配備的電氣化設(shè)備越來(lái)越多，勢(shì)必會(huì)增加汽車的質(zhì)量，同時(shí)提高空間布置的困難。

為解決汽車電氣化程度提高所帶來(lái)的質(zhì)量增加和有限空間布置困難的問(wèn)題，柔性光電材料的應(yīng)用成為趨勢(shì)。柔性光電材料可彎曲、可隨不規(guī)則曲面布置的特點(diǎn)使其在結(jié)構(gòu)復(fù)雜位置布置具有巨大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，柔性光電材料密度小，相比傳統(tǒng)的安裝在剛性電路板上的電子元器件，輕量化效果明顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車電氣設(shè)備質(zhì)量一般約為 500kg ，若能將內(nèi)部電氣設(shè)備替換為柔性光電材料結(jié)構(gòu)，可極大減輕汽車的質(zhì)量。若在汽車動(dòng)力電池內(nèi)部大量使用柔性光電材料器件，可有更多的空間安裝電芯，提高電池能量密度，從而提升新能源電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。若使用柔性光電材料技術(shù)將汽車覆蓋件更換為柔性的太陽(yáng)能電池板，可增大接受光照的面積，最大化利用太陽(yáng)能資源[2]。

2柔性光電材料及特征

2.1 柔性印刷電路板

柔性印刷電路板（FlexiblePrintedCircuit，F(xiàn)PC）的主要原材料為撓性覆銅板（FlexibleCopper CladLaminate，F(xiàn)CCL）。將需要加工的圖形制成膠片，然后將膠片圖形通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)復(fù)制到FCCL表面，在FCCL表面形成被保護(hù)起來(lái)的金屬零件圖形，再通過(guò)蝕刻工藝，把未保護(hù)的金屬材料蝕刻去除形成蝕刻電路板，如圖1所示。電路表面采用聚酰亞胺（Polyimide，PI）膜保護(hù)和絕緣。FPC可用于汽車產(chǎn)品的發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元、安全氣囊控制器等電子部件，適用于在連接系統(tǒng)中持續(xù)運(yùn)動(dòng)或定期運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景。

FPC可分為單層、雙層、多層結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示（以單層FPC為例）。

單層FPC一般在FCCL的表面用PI膜通過(guò)膠粘的方式覆蓋作為保護(hù)層。

FPC可取代線束中的大導(dǎo)線，根據(jù)空間要求任意放置，可自由折疊、纏繞、堆疊，從而實(shí)現(xiàn)零件的組裝和布線一體化，可彎曲到各種形狀和尺寸的自定義外殼上，無(wú)需額外電纜。FPC可同時(shí)滿足小型化和便攜性要求，相比于傳統(tǒng)的圓形光束，F(xiàn)PC的質(zhì)量和體積比降低 70% 。FPC還具有優(yōu)異的電氣性能、介電性和耐熱性等[3-4]。

2.2 有機(jī)發(fā)光二極管

有機(jī)發(fā)光二極管（OrganicLightEmittingDiode，OLED）是指采用極薄的有機(jī)材料涂層和玻璃基板所構(gòu)成且當(dāng)電流通過(guò)時(shí)會(huì)發(fā)光的有機(jī)半導(dǎo)體[5]，如圖3所示。OLED作為一種新興的顯示照明技術(shù)已在很多領(lǐng)域獲得應(yīng)用。在汽車行業(yè)中，OLED被應(yīng)用于顯示器、車燈和組合儀表等部件中，具有無(wú)需背光、輕薄、亮度高、可視角度大、抗振能力強(qiáng)和使用溫度范圍廣等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景[]。

OLED的基本結(jié)構(gòu)包含銦錫氧化物（IndiumTinOxide，ITO）陽(yáng)極、空穴注入層（HoleInjectionLayer，HIL）、空穴傳輸層（Hole TransportLayer，HTL）、發(fā)光層（EmissiveLayer，EML）、電子傳輸層（ElectronTransportLayer，ETL）、電子注入層（ElectronInjectionLayer，EIL）和金屬陰極（Cathode），如圖4所示。普通金屬掩模板（CommonMetalMask，CMM）由Cathode、EIL、ETL或Cathode、HTL、HIL組成，精細(xì)金屬掩模板（FineMetalMask，F(xiàn)MM）由EML和發(fā)光輔助材料（Prime）組成，其中EML和 Prime 分別分為紅綠藍(lán)（RGB）3種類別。

OLED的優(yōu)點(diǎn)主要有：

a.OLED屏幕成品更薄、質(zhì)量更輕，較液晶顯示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）屏幕厚度可減薄 35% 。

b.OLED沒(méi)有背光層，不受空間限制，可彎曲折疊，可塑性強(qiáng)，可成型為各種形狀，非常適合立體化、多元化的車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景。c.OLED可單獨(dú)像素進(jìn)行點(diǎn)亮，無(wú)需恒定光源，能耗更低。d.工作溫度范圍廣。LCD的工作溫度范圍為-10～70^°C ，OLED的工作溫度范圍為 -45～80^°C ，滿足北方用戶冬季的使用需求。

2.3柔性智能變色材料

柔性智能變色材料是一種在柔性基材上制備的具有可彎曲特性且在外部作用下材料顏色發(fā)生可逆穩(wěn)定變化的材料。柔性智能變色材料按其所受外界導(dǎo)致材料變色的因素分為柔性電致變色、柔性熱致變色、柔性力致變色等

柔性電致變色材料可用于制備柔性電致變色器件（Flexible Electrochromic Devices，F(xiàn)ECD）。FECD通常包括導(dǎo)電層、電致變色層、電解質(zhì)層以及柔性襯底等在內(nèi)的多層結(jié)構(gòu)，如圖5所示，其通過(guò)電致變色層中的氧化還原反應(yīng)使器件變色[8-9]

FECD的優(yōu)點(diǎn)主要有：

a.傳統(tǒng)電致變色器件的基底剛性和厚度較大，制造及運(yùn)輸成本較高。以柔性基底制備的柔性電致變色器件、柔韌性好，能夠加工成曲面，拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。

b.電致變色材料具有較高的導(dǎo)電效率，可利用噴墨印刷等方式在金屬基體上加工制成有機(jī)電路，同時(shí)可與其他材料配合應(yīng)用，進(jìn)一步發(fā)揮傳感和導(dǎo)電的功能，以達(dá)到顯示與傳感的綜合應(yīng)用。其制造工序簡(jiǎn)單、能耗低，能夠達(dá)到顯示與傳感裝置的完全有機(jī)化，同時(shí)具備環(huán)保節(jié)能、簡(jiǎn)便易控的優(yōu)勢(shì)。

柔性熱致變色材料是指物質(zhì)的顏色隨外界溫度的變化而變化的材料，具有易修飾、穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)，已被應(yīng)用到溫度傳感、智能窗、變色涂料、顯示器、智能紡織品、防偽等領(lǐng)域。尤其在智能窗領(lǐng)域，由于其不需要額外耗能即可達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的效果，符合節(jié)能減排需求，具有巨大的應(yīng)用前景[0]。熱致變色材料通常存在一個(gè)臨界溫度，當(dāng)溫度達(dá)到臨界值時(shí)，材料的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，變色機(jī)理主要分為物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化、分子間電子轉(zhuǎn)移以及電子平衡移動(dòng)反應(yīng)等。圖6為熱致變色結(jié)構(gòu)示例[12]。

柔性光致變色材料是指在柔性基材上制造的可在光的作用下發(fā)生可逆顏色變化的薄膜材料。獨(dú)特的光刺激響應(yīng)以及有趣的顏色變化使其在光開(kāi)關(guān)、紡織業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[13]。

柔性力致變色材料是指在外力（摩擦、拉伸、擠壓等）作用下，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為光能并對(duì)外釋放的材料，如力致變色膠體、摩擦力致變色薄膜材料[14-15]，如圖7、圖8所示。該材料可利用機(jī)械能促使高分子鏈內(nèi)部的化學(xué)或物理結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此，在力學(xué)傳感、自愈合材料等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值[1]

3柔性光電材料在汽車上的應(yīng)用

在汽車電子化的趨勢(shì)下，柔性光電材料在車用控制系統(tǒng)如組合儀表、音響、顯示器、傳感器等滿足高信號(hào)傳輸量和高信賴度要求的部件中應(yīng)用。在柔性光電材料元器件愈發(fā)精密的趨勢(shì)下，加上立體結(jié)構(gòu)的車體、配線區(qū)空間有限且彎折的特點(diǎn)，采用柔性光電材料元器件更符合設(shè)計(jì)要求。

3.1 FPC在汽車上的應(yīng)用

FPC以其獨(dú)特的柔性，在汽車傳感系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，如在新能源汽車上所搭載的鋰離子電池電壓監(jiān)測(cè)裝置、汽車外覆蓋件的柔性可彎曲太陽(yáng)能電池板、汽車齒輪箱控制單元的FPC電路、新能源汽車動(dòng)力電池連接FPC等。據(jù)行業(yè)報(bào)告稱[7]，，單車FPC需求超過(guò)100條，如圖9所示，圖10為部分FPC的應(yīng)用示例[18]

3.2 OLED在汽車上的應(yīng)用

OLED在汽車顯示中有一定的應(yīng)用，以柔性屏的方式來(lái)顯示更多的信息，可以實(shí)現(xiàn)平視顯示、油壓表、渦輪壓力表、副儀表等多種顯示功能。OLED屏幕目前已在部分車型上應(yīng)用，哪吒U使用了透明A柱，奧迪e-tron使用了OLED虛擬后視鏡，凱迪拉克在全新凱雷德上搭載了OLED曲面屏系統(tǒng)，如圖11所示[19-21]

3.3柔性智能變色材料在汽車上的應(yīng)用

柔性智能變色材料在汽車上的應(yīng)用起步較晚，其目的是將柔性且機(jī)械性強(qiáng)的材料作為基底，替代機(jī)械性能差、不可彎折的基底。

FECD可用于防眩目汽車后視鏡，采用紡織纖維作為基底的FECD可以應(yīng)用于汽車天窗頂棚，通過(guò)不同的顏色變化，為車內(nèi)營(yíng)造特定的氛圍；柔性光致變色材料可用于制造智能光變色膜，用于汽車修飾；柔性熱致變色材料可用于光伏玻璃的制造，有望應(yīng)用于顯示元件、汽車玻璃、天窗和車頂?shù)龋蝗嵝粤χ伦兩牧嫌型麘?yīng)用于汽車中控屏觸摸開(kāi)關(guān)。

4結(jié)束語(yǔ)

目前，平均每輛汽車中使用超過(guò)100個(gè)傳感器，隨著輔助駕駛系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，傳感器數(shù)量還會(huì)增加。柔性印刷電路板具有短、小、輕、薄的特點(diǎn)，可整合到側(cè)板、轉(zhuǎn)向盤以及其他任何形狀的部件中，使其在新能源汽車上的應(yīng)用得到快速發(fā)展。

有機(jī)發(fā)光二極管因其可塑性強(qiáng)、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，在新能源汽車顯示系統(tǒng)和照明系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

柔性智能變色材料器件在現(xiàn)有變色器件上進(jìn)行改進(jìn)，形狀的多變性賦予了其豐富的功能。由于其工藝穩(wěn)定性較低、成本較高，在汽車上的應(yīng)用研究起步較晚，但柔性智能變色器件應(yīng)用潛力巨大，必將能成為下一場(chǎng)新型光電和能源技術(shù)革命的重要組成部分。

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