一文深度探究柔性顯示技術

柔板顯示是非常具有前景的顯示技術，通過很多的研究者和工程師的努力開發，柔性顯示技術發展迅速。在不久的將來，柔性顯示技術的發展將使得信息的顯示更加靈活多樣。目前研究較多的實現柔性顯示的主要技術包括：液晶顯示（Liquid Crystal Display, LCD）、有機電致發光（Organiclight emitting devices， OLED）、電泳顯示（ElectrophoreticDisplay，EPD）。

柔性LCD 的發展較早，一直面臨的一個問題是單元間隙的對LCD顯示影響較大，隨著柔性基板的彎曲，單元間隙發生變化從而影響LCD的顯示效果。直到后來新的液晶材料的發現]（如：膽甾型的液晶），使得柔性LCD有了較快的發展。

與柔性LCD不同，柔性EPD顯示是利用發光的電子墨水薄層來實現顯示，電子墨水液體中有幾百萬個細小的微膠囊。每個膠囊內部是染料和顏料芯片的混合物，這些細小的芯片可以受電荷作用。柔性EPD顯示主要應用于電子閱讀領域。E-ink公司的電子墨水受到各大面板廠商的青睞，面板廠商很多都推出過EPD顯示陽極。

OLED在柔性顯示方面的應用具有獨特的優勢。超薄、全固態以及OLED所用材料的特性非常適合于柔性顯示。同時，OLED的制備工藝以蒸發、旋涂、打印為主，這些工藝均能夠實現在柔性襯底上沉積薄膜。特別是溶液方法制備OLED的發展使得其能夠很好的與卷對卷（roll-to-roll）工藝結合，能夠制備低成本的大尺寸OLED顯示器件。

柔性顯示技術的發展

1974年，施樂帕洛阿爾托研究中心Gyricon電子紙

2003—2005 施樂準備商業化Gyricon

2005—2008 HP的柔性顯示屏

2007年，索尼柔性OLED出世

2008年，諾基亞變形屏幕出現 Nokia 888

2011年，首個用戶級可彎曲屏幕的手機亮相，手機名為“bendy

phone”

2012年，NanoLumens介紹了首個 NanoFlex 112英寸的超大可彎曲屏幕

2013年，三星在 CES (ConsumerElectronics Show)上亮相YOUM

2013年，LG發布第一款真正量產的曲面柔性屏幕手機LG G-Flex

2014年，LG在CES上展出一款77英寸曲面OLED UHD電視

從目前三種柔性顯示技術來看，柔性LCD面臨的主要問題體現在柔性襯底的背光設計、顯示視角顯示均勻性等方面。柔性EPD顯示的彩色化顯示是關注的問題之一，另外EPD顯示的相應速度較慢，因此在動畫、視頻方面的應用具有一定的局限性。柔性OLED目前面臨的關鍵問題是OLED器件本身對水氧敏感，有效的封裝是研發的熱點。同時，對于柔性顯示來說，共性的問題是柔性基板上的TFT器件的制備。

柔性顯示襯底材料

在柔性顯示器件中，柔性襯底是研發柔性顯示的基礎。依據目前國內外柔性顯示襯底的研究進展，柔性顯示襯底主要分為五類：塑料、金屬箔片、超薄玻璃和最近引起研究者廣泛關注的紙質襯底、生物復合薄膜襯底。這些襯底提供的裝置性能與傳統玻璃襯底接近，對于大多應用使用極低成本的柔性襯底發展柔性顯示是非常重要的。

塑料襯底

塑料作為柔性襯底被認為具有廣闊的前景，因為塑料襯底具備透明性、柔性、質量輕、耐用、價格便宜等優點。融入現代精密技術的塑料襯底有助于有機發光聚合物和有源矩陣薄膜晶體管陣列的生長和印刷，為大規模整合柔性電子裝置提供了成本效益、卷-卷高容量加工的可能性。

塑料襯底一般分為三類：

1、半結晶熱塑性聚合物，如聚酯(PET)、聚苯二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醚醚酮(PEEK)。PET和PEN作為柔性襯底展現了一些重要的特性，包括固有的良好透明性，簡單的加工過程，良好的力學性能，較高的阻隔氧氣和水汽滲透性能，但是其不耐高溫，低溫沉積ITO時，器件性能降低。溫度升高時，這類聚合物襯底收縮，ITO膜容易從襯底脫落；其表面粗糙度也比較大，沉積在聚合物襯底上的薄膜容易產生缺陷。

2、非結晶聚合物，如聚醚砜(PES)。PES為非結晶熱塑性塑料，可熔融擠壓或溶劑注造。 它有良好的透明度和較高的工作上限溫度，但是價格昂貴，耐溶劑性差。

3、非結晶高玻璃化轉變溫度(Tg)聚合物，如PAR、PCO、PNB和PI，PI具有良好的熱穩定性，較好的力學性能和化學性能，但是透明度低，價格也比較貴?？椢锊牧弦部梢杂脕碜鳛槿嵝砸r底。

目前常用聚合物柔性襯底的性能對比如表所示。

不銹鋼襯底

不銹鋼襯底一般應用于透過率要求不是很高的柔性發光顯示。如果應用于大型顯示器，其是一種很貴的材料，而應用于小型柔性顯示中，則有著較大的前景。不銹鋼襯底的耐高溫性能（至少在1000℃以上）要遠遠高于塑料與玻璃，在制作柔性顯示過程中使用金屬箔片襯底不會存在耐熱方面的問題。所以不銹鋼襯底也是一種常見的選擇，甚至包括化學惰性的鈦箔片。不銹鋼襯底與其他襯底性能的比較如表所示。

由表中可以看出，不銹鋼襯底相對塑料襯底具有良好的導電性、優秀的水汽和氧氣阻隔性，更高的彈性模量較低的熱膨脹系數，并能夠R2R大規模生產。然而表面粗糙的箔片無法作為柔性襯底直接使用，否則會影響柔性顯示的性能 降低其壽命。因此粗糙度是不銹鋼取代聚合物或者玻璃襯底成為未來柔性顯示器的關鍵因素。為了提高箔片表面光滑度通常采用的方法有兩種：加一層平坦化層或者加一層鈍化層。OLEDs要求表面粗糙度小于5nm。一般用有機物無機物或者有機無機混合物作為平坦化層。

超薄玻璃襯底

玻璃是硬質材料，用來作為柔性襯底需要實現將其薄化，才可能具有可撓曲性。目前已做成的超薄玻璃厚度小于50μm， 表現出較好的熱穩定性和化學性，良好的可彎曲性，可見光透過性，水汽和氧氣的阻隔性，較高的表面光滑度，而且絕緣，是理想的柔性顯示襯底材料。但是超薄的玻璃韌性較差，經過周期性彎曲后容易出現裂縫。另外超薄玻璃的邊緣部位在切割操作時也比較容易產生微裂痕缺陷。Andreas等研究了薄玻璃-聚合物系統襯底，具有良好的熱穩定性，力學 性能和化學性能。能夠達到柔性顯示器要求的柔性度和滲透性的標準，可以實現流水線生產柔性彎曲的OLED顯示器。

紙質襯底

在過去幾年中，柔性紙質襯底的電子制備開始引起了人們的關注。因為其便宜輕薄可以彎曲折疊、能夠循環使用，所以作為柔性顯示襯底，紙質也是一種不錯的選擇。與塑料襯底相比較，紙質襯底在加熱后，熱膨脹性比較小?？紤]到紙質是纖維素結構，表面比較粗糙，化學性和機械阻隔性比較差，容易吸附一些小分子物質進入多孔結構。為了制備柔性顯示，改善紙質襯底接觸面的光滑性是非常重要的。當印刷電子元件對襯底表面平滑性和吸附性的要求較低時，在轉換過程中可將不同功能性的涂料應用于紙張表面。通過涂層，表面能夠防止不同液體的滲透。最近Do-Yeol等研發了以復印紙為襯底的柔性OLEDs，在驅動電壓為13V時發光強度可以達到2200cd/m。

生物復合薄膜襯底

柔性顯示R2R加工技術至今還沒有大規模應用的一個原因是傳統聚合物塑料襯底的熱膨脹系數比較高。大部分塑料的熱膨脹系數在50·10-6K-1左右，由于在襯底沉積功能層熱處理時，膨脹系數的不匹配會造成裝置性能的下降。細菌纖維素納米纖維薄膜具有熱膨脹系數低、可見光透過率高和柔性性能良好的優點，因此近幾年也被用來作為柔性顯示的襯底，在有機光電子領域的應用中引起了廣泛的關注。M. Nogi等以丙烯酸樹脂和納米纖維為基質制得了0.7mm BC納米復合膜，熱膨脹系數低，在600nm時透過率為81%。C. Legnani等在細菌纖維膜表面依次沉積SiO2緩沖層和ITO導電層，并以此為襯底，做出了柔性OLEDs，其亮度可以達到1200cd/m2。S. Ummartyotina等將聚氨酯基樹脂和細菌纖維素制成納米復合薄膜作為柔性OLED襯底，該裝置的最高電流效率為0.085cd/A，功率效率達到0.021lm/W。

電子紙技術

電子紙顯示廣義的定義為具有很低功耗的反射式顯示。一般把可以實現像紙一樣閱讀舒適、超薄輕便、可彎曲、超低功耗的反射式顯示技術叫做電子紙技術。電子紙技術實際上是一類技術的統稱,其顯示效果接近自然紙張效果，免于閱讀疲勞，具有像紙一樣閱讀舒適、超薄輕便、可彎曲、超低耗電的顯示特點。

目前實現電子紙技術的途徑主要包括有電泳顯示技術（EPD）、膽固醇液晶顯示技術以及電潤濕顯示技術等。

電泳顯示技術

電泳顯示技術是利用至少一種顏色的帶電粒子在溶劑中在電場作用下移動實現圖像顯示的技術。

除了E-Ink公司，掌握電泳顯示技術的電子紙生產廠商還包括：美國SIPIX 、日本Bridgestone和廣州奧熠電子，上述公司的電子紙顯示技術雖然原理基本相同，但各自具有不同的核心技術。

電泳顯示（electrophoreticdisplays，EPD）是一種新型顯示技術，它利用電泳原理使夾在電極間的帶電物質在電場的作用下運動，并通過帶電物質的運動交替顯示兩種或兩種以上不同顏色。以一個電泳單元為一個像素，將電泳單元進行二維矩陣式排列構成顯示平面，根據要求像素可顯示不同的顏色，其組合就能得到平面圖像

E-Ink微膠囊(Microcapsule)電泳技術示意圖

SiPix公司微杯(Microcup)電泳顯示技術示意圖

膽固醇電子紙技術

膽固醇液晶主要是由多層向列型液晶(nematic)堆積所形成，在多層向列型液晶中加入旋光液晶分子 (chiral molecule)，會使多層向列型液晶各層分子的長軸方向漸次相差一個角度旋轉而成螺旋狀，這種結構跟膽固醇分子相似，因此稱此類液晶為膽固醇液晶。

電濕潤電子紙技術

柔性OLED顯示技術

工作原理

柔性OLED（FOLED）顯示屏就是利用OLED技術在柔性塑料或者金屬薄膜上制作顯示器件，其基本結構為“柔性襯底／ITO陽極／有機功能層，金屬陰極”，發光機理與普通玻璃襯底的OLED相似。柔性（FOLED)器件一般是在玻璃或聚合物基板上，由夾在透明陽極、金屬陰極和夾在它們之間的兩層或更多層有機層構成。當器件上加正向電壓時，在外電場的作用下，空穴和電子分別由正極和負極注入有機小分子、高分子層內，帶有相反電荷的載流子在小分子、高分子層內遷移，在發光層復合，形成激子，激子把能量傳給發光分子，激發電子到激發態，激發態能量通過輻射失活，產生光子，形成發光。有機電致發光器件的基本結構是夾層式結構，即各有機功能層被兩側電極像三明治一樣夾在中間，且至少有一側的電極是透明的，以便獲得面發光，如圖2示。具體說來，OLED的基本器件結構有單層、雙層、三層和多層等。

由于電子空穴在有機薄膜中遷移率(mobility)不同，導致電荷的不平衡注入，使發光效率下降，因此，通常采用多層器件結構: 基板(substrate)/陽極(anode)/空穴注入層(holeinjecting layer)/空穴傳輸層(hole transporting layer)/發光層(emitting layer)/電子傳輸層(electron transporting layer)/陰極(cathode)。評價柔性OLED可從發光材料的發光性能和器件的電學性能兩個方面來評價。發光性能主要包括發射光譜、發光效率和壽命等，對于作顯示器件的可見光還有發光亮度、發光色度等參數，電學性能如電流與電壓關系等。

除襯底外，柔性顯示器件還需要柔性的透明電極，及柔性的顯示驅動電路來實現對顯示部件的控制。目前以剛性基體—硅為基礎的電子材料是不能滿足這一要求的。

通過合適的處理方式，碳納米管，石墨烯等可以當做導體，半導體，甚至絕緣體。更重要的是，這兩種納米碳材料在柔性的服役條件下，仍能保證其器件的運作（與其良好的機械強度和彈性密切相關）。因此利用碳納米管及石墨烯制備柔性電路成為趨勢。

柔性電路

采用OTFT（有機薄膜場效應晶體管）替代TFT，這種晶體管有更好的柔性，與聚合物襯底的熱膨脹系數相差不多，適合低溫工藝，可采用噴墨打印技術批量生產，降低了成本。

通過合適的處理方式，碳納米管，石墨烯等可以當做導體，半導體，甚至絕緣體。更重要的是，這兩種納米碳材料在柔性的服役條件下，仍能保證其器件的運作（與其良好的機械強度和彈性密切相關）。因此利用碳納米管及石墨烯制備柔性電路成為趨勢。

碳納米管制備的柔性集成電路

碳納米管為半導體材料的晶體管

同時集成了OLED和碳納米管晶體管的顯示器件

柔性電極

利用石墨烯制作的柔性透明導電薄膜

柔性薄膜電池片

碳納米管柔性透明導電薄膜的微觀形貌

透明電極的最基本的作用：作為發光電路構成組件（導電）的同時，提供光線射出窗口

目前制備透明電極主要使用氧化銦錫薄膜材料，但其柔性有限。

相比之下，碳納米管及石墨烯兼具高透明性和高導電性，是氧化銦錫材料的替代材料之一。

制備工藝

真空蒸鍍法

環境要求高。工藝流程必須在真空室中進行，要求緊鄰玻璃底板放置一塊遮光板，用以確定底板上沉積材料的圖樣。

制作大尺寸困難。真空熱蒸鍍技術在生產小屏時，相對容易，但制造大屏幕時則困難重重。遮光板，極易受工藝流程中的高溫環境影響而發生偏移，導致很難在大尺寸底板上保持均勻的沉積率。

成本過高。流程復雜、環境特殊、良品率低等因素，造成現階段OLED屏的售價居高不下

噴墨打印法

可大型化。利用噴墨成像技術，采用了與噴墨打印機相同的按需噴墨工藝，可以精確地按所需量將有機材料沉積在適當位置，讓有機材料的均勻沉積形成薄膜層，可以有效解決大尺寸OLED屏的制造難題。

降低成本。噴墨系統對材料的利用率非常高，制造商可以降低生產成本。

簡化制作工藝，容易普及量產。此生產過程無需使用遮光板，其工藝步驟降低，可以大幅提高產量。

非接觸式打印方式避免了對功能材料的接觸式污染

卷對卷式