探究柔性显示技术

传感器技术 2021-12-20 07:00

【TI资料】专为高压系统设计的新型MCU 如何增强电动汽车的实时控制能力？

柔板显示是非常具有前景的显示技术，通过很多的研究者和工程师的努力开发，柔性显示技术发展迅速。在不久的将来，柔性显示技术的发展将使得信息的显示更加灵活多样。目前研究较多的实现柔性显示的主要技术包括：液晶显示（Liquid Crystal Display, LCD）、有机电致发光（Organiclight emitting devices， OLED）、电泳显示（ElectrophoreticDisplay，EPD）。

柔性LCD 的发展较早，一直面临的一个问题是单元间隙的对LCD显示影响较大，随着柔性基板的弯曲，单元间隙发生变化从而影响LCD的显示效果。直到后来新的液晶材料的发现]（如：胆甾型的液晶），使得柔性LCD有了较快的发展。

与柔性LCD不同，柔性EPD显示是利用发光的电子墨水薄层来实现显示，电子墨水液体中有几百万个细小的微胶囊。每个胶囊内部是染料和颜料芯片的混合物，这些细小的芯片可以受电荷作用。柔性EPD显示主要应用于电子阅读领域。E-ink公司的电子墨水受到各大面板厂商的青睐，面板厂商很多都推出过EPD显示阳极。

OLED在柔性显示方面的应用具有独特的优势。超薄、全固态以及OLED所用材料的特性非常适合于柔性显示。同时，OLED的制备工艺以蒸发、旋涂、打印为主，这些工艺均能够实现在柔性衬底上沉积薄膜。特别是溶液方法制备OLED的发展使得其能够很好的与卷对卷（roll-to-roll）工艺结合，能够制备低成本的大尺寸OLED显示器件。

柔性显示技术的发展

1974年，施乐帕洛阿尔托研究中心Gyricon电子纸
2003—2005 施乐准备商业化Gyricon
2005—2008 HP的柔性显示屏
2007年，索尼柔性OLED出世
2008年，诺基亚变形屏幕出现 Nokia 888
2011年，首个用户级可弯曲屏幕的手机亮相，手机名为“bendy

phone”

2012年，NanoLumens介绍了首个 NanoFlex 112英寸的超大可弯曲屏幕

2013年，三星在 CES (ConsumerElectronics Show)上亮相YOUM
2013年，LG发布第一款真正量产的曲面柔性屏幕手机LG G-Flex
2014年，LG在CES上展出一款77英寸曲面OLED UHD电视

从目前三种柔性显示技术来看，柔性LCD面临的主要问题体现在柔性衬底的背光设计、显示视角显示均匀性等方面。柔性EPD显示的彩色化显示是关注的问题之一，另外EPD显示的相应速度较慢，因此在动画、视频方面的应用具有一定的局限性。柔性OLED目前面临的关键问题是OLED器件本身对水氧敏感，有效的封装是研发的热点。同时，对于柔性显示来说，共性的问题是柔性基板上的TFT器件的制备。

柔性显示衬底材料

在柔性显示器件中，柔性衬底是研发柔性显示的基础。依据目前国内外柔性显示衬底的研究进展，柔性显示衬底主要分为五类：塑料、金属箔片、超薄玻璃和最近引起研究者广泛关注的纸质衬底、生物复合薄膜衬底。这些衬底提供的装置性能与传统玻璃衬底接近，对于大多应用使用极低成本的柔性衬底发展柔性显示是非常重要的。

塑料衬底

塑料作为柔性衬底被认为具有广阔的前景，因为塑料衬底具备透明性、柔性、质量轻、耐用、价格便宜等优点。融入现代精密技术的塑料衬底有助于有机发光聚合物和有源矩阵薄膜晶体管阵列的生长和印刷，为大规模整合柔性电子装置提供了成本效益、卷-卷高容量加工的可能性。

塑料衬底一般分为三类：

1、半结晶热塑性聚合物，如聚酯(PET)、聚苯二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醚醚酮(PEEK)。PET和PEN作为柔性衬底展现了一些重要的特性，包括固有的良好透明性，简单的加工过程，良好的力学性能，较高的阻隔氧气和水汽渗透性能，但是其不耐高温，低温沉积ITO时，器件性能降低。温度升高时，这类聚合物衬底收缩，ITO膜容易从衬底脱落；其表面粗糙度也比较大，沉积在聚合物衬底上的薄膜容易产生缺陷。

2、非结晶聚合物，如聚醚砜(PES)。PES为非结晶热塑性塑料，可熔融挤压或溶剂注造。它有良好的透明度和较高的工作上限温度，但是价格昂贵，耐溶剂性差。

3、非结晶高玻璃化转变温度(Tg)聚合物，如PAR、PCO、PNB和PI，PI具有良好的热稳定性，较好的力学性能和化学性能，但是透明度低，价格也比较贵。织物材料也可以用来作为柔性衬底。

目前常用聚合物柔性衬底的性能对比如表所示。

不锈钢衬底

不锈钢衬底一般应用于透过率要求不是很高的柔性发光显示。如果应用于大型显示器，其是一种很贵的材料，而应用于小型柔性显示中，则有着较大的前景。不锈钢衬底的耐高温性能（至少在1000℃以上）要远远高于塑料与玻璃，在制作柔性显示过程中使用金属箔片衬底不会存在耐热方面的问题。所以不锈钢衬底也是一种常见的选择，甚至包括化学惰性的钛箔片。不锈钢衬底与其他衬底性能的比较如表所示。

由表中可以看出，不锈钢衬底相对塑料衬底具有良好的导电性、优秀的水汽和氧气阻隔性，更高的弹性模量较低的热膨胀系数，并能够R2R大规模生产。然而表面粗糙的箔片无法作为柔性衬底直接使用，否则会影响柔性显示的性能降低其寿命。因此粗糙度是不锈钢取代聚合物或者玻璃衬底成为未来柔性显示器的关键因素。为了提高箔片表面光滑度通常采用的方法有两种：加一层平坦化层或者加一层钝化层。OLEDs要求表面粗糙度小于5nm。一般用有机物无机物或者有机无机混合物作为平坦化层。

超薄玻璃衬底

玻璃是硬质材料，用来作为柔性衬底需要实现将其薄化，才可能具有可挠曲性。目前已做成的超薄玻璃厚度小于50μm，表现出较好的热稳定性和化学性，良好的可弯曲性，可见光透过性，水汽和氧气的阻隔性，较高的表面光滑度，而且绝缘，是理想的柔性显示衬底材料。但是超薄的玻璃韧性较差，经过周期性弯曲后容易出现裂缝。另外超薄玻璃的边缘部位在切割操作时也比较容易产生微裂痕缺陷。Andreas等研究了薄玻璃-聚合物系统衬底，具有良好的热稳定性，力学性能和化学性能。能够达到柔性显示器要求的柔性度和渗透性的标准，可以实现流水线生产柔性弯曲的OLED显示器。

纸质衬底

在过去几年中，柔性纸质衬底的电子制备开始引起了人们的关注。因为其便宜轻薄可以弯曲折叠、能够循环使用，所以作为柔性显示衬底，纸质也是一种不错的选择。与塑料衬底相比较，纸质衬底在加热后，热膨胀性比较小。考虑到纸质是纤维素结构，表面比较粗糙，化学性和机械阻隔性比较差，容易吸附一些小分子物质进入多孔结构。为了制备柔性显示，改善纸质衬底接触面的光滑性是非常重要的。当印刷电子元件对衬底表面平滑性和吸附性的要求较低时，在转换过程中可将不同功能性的涂料应用于纸张表面。通过涂层，表面能够防止不同液体的渗透。最近Do-Yeol等研发了以复印纸为衬底的柔性OLEDs，在驱动电压为13V时发光强度可以达到2200cd/m。

生物复合薄膜衬底

柔性显示R2R加工技术至今还没有大规模应用的一个原因是传统聚合物塑料衬底的热膨胀系数比较高。大部分塑料的热膨胀系数在50·10-6K-1左右，由于在衬底沉积功能层热处理时，膨胀系数的不匹配会造成装置性能的下降。细菌纤维素纳米纤维薄膜具有热膨胀系数低、可见光透过率高和柔性性能良好的优点，因此近几年也被用来作为柔性显示的衬底，在有机光电子领域的应用中引起了广泛的关注。M. Nogi等以丙烯酸树脂和纳米纤维为基质制得了0.7mm BC纳米复合膜，热膨胀系数低，在600nm时透过率为81%。C. Legnani等在细菌纤维膜表面依次沉积SiO2缓冲层和ITO导电层，并以此为衬底，做出了柔性OLEDs，其亮度可以达到1200cd/m2。S. Ummartyotina等将聚氨酯基树脂和细菌纤维素制成纳米复合薄膜作为柔性OLED衬底，该装置的最高电流效率为0.085cd/A，功率效率达到0.021lm/W。

电子纸技术

电子纸显示广义的定义为具有很低功耗的反射式显示。一般把可以实现像纸一样阅读舒适、超薄轻便、可弯曲、超低功耗的反射式显示技术叫做电子纸技术。电子纸技术实际上是一类技术的统称,其显示效果接近自然纸张效果，免于阅读疲劳，具有像纸一样阅读舒适、超薄轻便、可弯曲、超低耗电的显示特点。

目前实现电子纸技术的途径主要包括有电泳显示技术（EPD）、胆固醇液晶显示技术以及电润湿显示技术等。

电泳显示技术

电泳显示技术是利用至少一种颜色的带电粒子在溶剂中在电场作用下移动实现图像显示的技术。

除了E-Ink公司，掌握电泳显示技术的电子纸生产厂商还包括：美国SIPIX 、日本Bridgestone和广州奥熠电子，上述公司的电子纸显示技术虽然原理基本相同，但各自具有不同的核心技术。

电泳显示（electrophoretic displays，EPD）是一种新型显示技术，它利用电泳原理使夹在电极间的带电物质在电场的作用下运动，并通过带电物质的运动交替显示两种或两种以上不同颜色。以一个电泳单元为一个像素，将电泳单元进行二维矩阵式排列构成显示平面，根据要求像素可显示不同的颜色，其组合就能得到平面图像

E-Ink微胶囊(Microcapsule)电泳技术示意图

SiPix公司微杯(Microcup)电泳显示技术示意图

胆固醇电子纸技术

胆固醇液晶主要是由多层向列型液晶(nematic)堆积所形成，在多层向列型液晶中加入旋光液晶分子 (chiral molecule)，会使多层向列型液晶各层分子的长轴方向渐次相差一个角度旋转而成螺旋状，这种结构跟胆固醇分子相似，因此称此类液晶为胆固醇液晶。

电湿润电子纸技术

柔性OLED显示技术

工作原理

柔性OLED（FOLED）显示屏就是利用OLED技术在柔性塑料或者金属薄膜上制作显示器件，其基本结构为“柔性衬底／ITO阳极／有机功能层，金属阴极”，发光机理与普通玻璃衬底的OLED相似。柔性（FOLED)器件一般是在玻璃或聚合物基板上，由夹在透明阳极、金属阴极和夹在它们之间的两层或更多层有机层构成。当器件上加正向电压时，在外电场的作用下，空穴和电子分别由正极和负极注入有机小分子、高分子层内，带有相反电荷的载流子在小分子、高分子层内迁移，在发光层复合，形成激子，激子把能量传给发光分子，激发电子到激发态，激发态能量通过辐射失活，产生光子，形成发光。有机电致发光器件的基本结构是夹层式结构，即各有机功能层被两侧电极像三明治一样夹在中间，且至少有一侧的电极是透明的，以便获得面发光，如图2示。具体说来，OLED的基本器件结构有单层、双层、三层和多层等。

由于电子空穴在有机薄膜中迁移率(mobility)不同，导致电荷的不平衡注入，使发光效率下降，因此，通常采用多层器件结构: 基板(substrate)/阳极(anode)/空穴注入层(holeinjecting layer)/空穴传输层(hole transporting layer)/发光层(emitting layer)/电子传输层(electron transporting layer)/阴极(cathode)。评价柔性OLED可从发光材料的发光性能和器件的电学性能两个方面来评价。发光性能主要包括发射光谱、发光效率和寿命等，对于作显示器件的可见光还有发光亮度、发光色度等参数，电学性能如电流与电压关系等。

除衬底外，柔性显示器件还需要柔性的透明电极，及柔性的显示驱动电路来实现对显示部件的控制。目前以刚性基体—硅为基础的电子材料是不能满足这一要求的。

通过合适的处理方式，碳纳米管，石墨烯等可以当做导体，半导体，甚至绝缘体。更重要的是，这两种纳米碳材料在柔性的服役条件下，仍能保证其器件的运作（与其良好的机械强度和弹性密切相关）。因此利用碳纳米管及石墨烯制备柔性电路成为趋势。

柔性电路

采用OTFT（有机薄膜场效应晶体管）替代TFT，这种晶体管有更好的柔性，与聚合物衬底的热膨胀系数相差不多，适合低温工艺，可采用喷墨打印技术批量生产，降低了成本。