一文深度探究柔性顯示技術(shù)

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

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

與柔性LCD不同，柔性EPD顯示是利用發(fā)光的電子墨水薄層來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示，電子墨水液體中有幾百萬(wàn)個(gè)細(xì)小的微膠囊。每個(gè)膠囊內(nèi)部是染料和顏料芯片的混合物，這些細(xì)小的芯片可以受電荷作用。柔性EPD顯示主要應(yīng)用于電子閱讀領(lǐng)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(guò)EPD顯示陽(yáng)極。

OLED在柔性顯示方面的應(yīng)用具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。超薄、全固態(tài)以及OLED所用材料的特性非常適合于柔性顯示。同時(shí)，OLED的制備工藝以蒸發(fā)、旋涂、打印為主，這些工藝均能夠?qū)崿F(xiàn)在柔性襯底上沉積薄膜。特別是溶液方法制備OLED的發(fā)展使得其能夠很好的與卷對(duì)卷（roll-to-roll）工藝結(jié)合，能夠制備低成本的大尺寸OLED顯示器件。

柔性顯示技術(shù)的發(fā)展

1974年，施樂(lè)帕洛阿爾托研究中心Gyricon電子紙

2003—2005 施樂(lè)準(zhǔn)備商業(yè)化Gyricon

2005—2008 HP的柔性顯示屏

2007年，索尼柔性O(shè)LED出世

2008年，諾基亞變形屏幕出現(xiàn) Nokia 888

2011年，首個(gè)用戶級(jí)可彎曲屏幕的手機(jī)亮相，手機(jī)名為“bendy

phone”

2012年，NanoLumens介紹了首個(gè) 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(fā)布第一款真正量產(chǎn)的曲面柔性屏幕手機(jī)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(shù)來(lái)看，柔性LCD面臨的主要問(wèn)題體現(xiàn)在柔性襯底的背光設(shè)計(jì)、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(guān)注的問(wèn)題之一，另外EPD顯示的相應(yīng)速度較慢，因此在動(dòng)畫、視頻方面的應(yīng)用具有一定的局限性。柔性O(shè)LED目前面臨的關(guān)鍵問(wèn)題是OLED器件本身對(duì)水氧敏感，有效的封裝是研發(fā)的熱點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)于柔性顯示來(lái)說(shuō)，共性的問(wèn)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(fā)柔性顯示的基礎(chǔ)。依據(jù)目前國(guó)內(nèi)外柔性顯示襯底的研究進(jìn)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(guān)注的紙質(zhì)襯底、生物復(fù)合薄膜襯底。這些襯底提供的裝置性能與傳統(tǒng)玻璃襯底接近，對(duì)于大多應(yīng)用使用極低成本的柔性襯底發(fā)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(rèn)為具有廣闊的前景，因?yàn)樗芰弦r底具備透明性、柔性、質(zhì)量輕、耐用、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。融入現(xiàn)代精密技術(shù)的塑料襯底有助于有機(jī)發(fā)光聚合物和有源矩陣薄膜晶體管陣列的生長(zhǎng)和印刷，為大規(guī)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(jié)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(xiàn)了一些重要的特性，包括固有的良好透明性，簡(jiǎn)單的加工過(guò)程，良好的力學(xué)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(shí)，器件性能降低。溫度升高時(shí)，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(chǎn)生缺陷。

2、非結(jié)晶聚合物，如聚醚砜(PES)。PES為非結(jié)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(jià)格昂貴，耐溶劑性差。

3、非結(jié)晶高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)聚合物，如PAR、PCO、PNB和PI，PI具有良好的熱穩(wěn)定性，較好的力學(xué)性能和化學(xué)性能，但是透明度低，價(jià)格也比較貴?？椢锊牧弦部梢杂脕?lái)作為柔性襯底。

目前常用聚合物柔性襯底的性能對(duì)比如表所示。

不銹鋼襯底

不銹鋼襯底一般應(yīng)用于透過(guò)率要求不是很高的柔性發(fā)光顯示。如果應(yīng)用于大型顯示器，其是一種很貴的材料，而應(yīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于塑料與玻璃，在制作柔性顯示過(guò)程中使用金屬箔片襯底不會(huì)存在耐熱方面的問(wèn)題。所以不銹鋼襯底也是一種常見(jiàn)的選擇，甚至包括化學(xué)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(duì)塑料襯底具有良好的導(dǎo)電性、優(yōu)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(shù)，并能夠R2R大規(guī)模生產(chǎn)。然而表面粗糙的箔片無(wú)法作為柔性襯底直接使用，否則會(huì)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(lái)柔性顯示器的關(guān)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(jī)物無(wú)機(jī)物或者有機(jī)無(wú)機(jī)混合物作為平坦化層。

超薄玻璃襯底

玻璃是硬質(zhì)材料，用來(lái)作為柔性襯底需要實(shí)現(xiàn)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(xiàn)出較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)性，良好的可彎曲性，可見(jiàn)光透過(guò)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(jīng)過(guò)周期性彎曲后容易出現(xiàn)裂縫。另外超薄玻璃的邊緣部位在切割操作時(shí)也比較容易產(chǎn)生微裂痕缺陷。Andreas等研究了薄玻璃-聚合物系統(tǒng)襯底，具有良好的熱穩(wěn)定性，力學(xué) 性能和化學(xué)性能。能夠達(dá)到柔性顯示器要求的柔性度和滲透性的標(biāo)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)流水線生產(chǎn)柔性彎曲的OLED顯示器。

紙質(zhì)襯底

在過(guò)去幾年中，柔性紙質(zhì)襯底的電子制備開始引起了人們的關(guān)注。因?yàn)槠浔阋溯p薄可以彎曲折疊、能夠循環(huán)使用，所以作為柔性顯示襯底，紙質(zhì)也是一種不錯(cuò)的選擇。與塑料襯底相比較，紙質(zhì)襯底在加熱后，熱膨脹性比較小。考慮到紙質(zhì)是纖維素結(jié)構(gòu)，表面比較粗糙，化學(xué)性和機(jī)械阻隔性比較差，容易吸附一些小分子物質(zhì)進(jìn)入多孔結(jié)構(gòu)。為了制備柔性顯示，改善紙質(zhì)襯底接觸面的光滑性是非常重要的。當(dāng)印刷電子元件對(duì)襯底表面平滑性和吸附性的要求較低時(shí)，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中可將不同功能性的涂料應(yīng)用于紙張表面。通過(guò)涂層，表面能夠防止不同液體的滲透。最近Do-Yeol等研發(fā)了以復(fù)印紙為襯底的柔性O(shè)LEDs，在驅(qū)動(dòng)電壓為13V時(shí)發(fā)光強(qiáng)度可以達(dá)到2200cd/m。

生物復(fù)合薄膜襯底

柔性顯示R2R加工技術(shù)至今還沒(méi)有大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)原因是傳統(tǒng)聚合物塑料襯底的熱膨脹系數(shù)比較高。大部分塑料的熱膨脹系數(shù)在50·10-6K-1左右，由于在襯底沉積功能層熱處理時(shí)，膨脹系數(shù)的不匹配會(huì)造成裝置性能的下降。細(xì)菌纖維素納米纖維薄膜具有熱膨脹系數(shù)低、可見(jiàn)光透過(guò)率高和柔性性能良好的優(yōu)點(diǎn)，因此近幾年也被用來(lái)作為柔性顯示的襯底，在有機(jī)光電子領(lǐng)域的應(yīng)用中引起了廣泛的關(guān)注。M. Nogi等以丙烯酸樹脂和納米纖維為基質(zhì)制得了0.7mm BC納米復(fù)合膜，熱膨脹系數(shù)低，在600nm時(shí)透過(guò)率為81%。C. Legnani等在細(xì)菌纖維膜表面依次沉積SiO2緩沖層和ITO導(dǎo)電層，并以此為襯底，做出了柔性O(shè)LEDs，其亮度可以達(dá)到1200cd/m2。S. Ummartyotina等將聚氨酯基樹脂和細(xì)菌纖維素制成納米復(fù)合薄膜作為柔性O(shè)LED襯底，該裝置的最高電流效率為0.085cd/A，功率效率達(dá)到0.021lm/W。

電子紙技術(shù)

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(shí)現(xiàn)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(shù)叫做電子紙技術(shù)。電子紙技術(shù)實(shí)際上是一類技術(shù)的統(tǒng)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(diǎn)。

目前實(shí)現(xiàn)電子紙技術(shù)的途徑主要包括有電泳顯示技術(shù)（EPD）、膽固醇液晶顯示技術(shù)以及電潤(rùn)濕顯示技術(shù)等。

電泳顯示技術(shù)

電泳顯示技術(shù)是利用至少一種顏色的帶電粒子在溶劑中在電場(chǎng)作用下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)圖像顯示的技術(shù)。

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

電泳顯示（electrophoreticdisplays，EPD）是一種新型顯示技術(shù)，它利用電泳原理使夾在電極間的帶電物質(zhì)在電場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)帶電物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)交替顯示兩種或兩種以上不同顏色。以一個(gè)電泳單元為一個(gè)像素，將電泳單元進(jìn)行二維矩陣式排列構(gòu)成顯示平面，根據(jù)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(shù)示意圖

SiPix公司微杯(Microcup)電泳顯示技術(shù)示意圖

膽固醇電子紙技術(shù)

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(huì)使多層向列型液晶各層分子的長(zhǎng)軸方向漸次相差一個(gè)角度旋轉(zhuǎn)而成螺旋狀，這種結(jié)構(gòu)跟膽固醇分子相似，因此稱此類液晶為膽固醇液晶。

電濕潤(rùn)電子紙技術(shù)

柔性O(shè)LED顯示技術(shù)

工作原理

柔性O(shè)LED（FOLED）顯示屏就是利用OLED技術(shù)在柔性塑料或者金屬薄膜上制作顯示器件，其基本結(jié)構(gòu)為“柔性襯底／ITO陽(yáng)極／有機(jī)功能層，金屬陰極”，發(fā)光機(jī)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(yáng)極、金屬陰極和夾在它們之間的兩層或更多層有機(jī)層構(gòu)成。當(dāng)器件上加正向電壓時(shí)，在外電場(chǎng)的作用下，空穴和電子分別由正極和負(fù)極注入有機(jī)小分子、高分子層內(nèi)，帶有相反電荷的載流子在小分子、高分子層內(nèi)遷移，在發(fā)光層復(fù)合，形成激子，激子把能量傳給發(fā)光分子，激發(fā)電子到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)能量通過(guò)輻射失活，產(chǎn)生光子，形成發(fā)光。有機(jī)電致發(fā)光器件的基本結(jié)構(gòu)是夾層式結(jié)構(gòu)，即各有機(jī)功能層被兩側(cè)電極像三明治一樣夾在中間，且至少有一側(cè)的電極是透明的，以便獲得面發(fā)光，如圖2示。具體說(shuō)來(lái)，OLED的基本器件結(jié)構(gòu)有單層、雙層、三層和多層等。

由于電子空穴在有機(jī)薄膜中遷移率(mobility)不同，導(dǎo)致電荷的不平衡注入，使發(fā)光效率下降，因此，通常采用多層器件結(jié)構(gòu): 基板(substrate)/陽(yáng)極(anode)/空穴注入層(holeinjecting layer)/空穴傳輸層(hole transporting layer)/發(fā)光層(emitting layer)/電子傳輸層(electron transporting layer)/陰極(cathode)。評(píng)價(jià)柔性O(shè)LED可從發(fā)光材料的發(fā)光性能和器件的電學(xué)性能兩個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)。發(fā)光性能主要包括發(fā)射光譜、發(fā)光效率和壽命等，對(duì)于作顯示器件的可見(jiàn)光還有發(fā)光亮度、發(fā)光色度等參數(shù)，電學(xué)性能如電流與電壓關(guān)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(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示部件的控制。目前以剛性基體—硅為基礎(chǔ)的電子材料是不能滿足這一要求的。

通過(guò)合適的處理方式，碳納米管，石墨烯等可以當(dāng)做導(dǎo)體，半導(dǎo)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(yùn)作（與其良好的機(jī)械強(qiáng)度和彈性密切相關(guān)）。因此利用碳納米管及石墨烯制備柔性電路成為趨勢(shì)。

柔性電路

采用OTFT（有機(jī)薄膜場(chǎng)效應(yīng)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(shù)相差不多，適合低溫工藝，可采用噴墨打印技術(shù)批量生產(chǎn)，降低了成本。

通過(guò)合適的處理方式，碳納米管，石墨烯等可以當(dāng)做導(dǎo)體，半導(dǎo)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(yùn)作（與其良好的機(jī)械強(qiáng)度和彈性密切相關(guān)）。因此利用碳納米管及石墨烯制備柔性電路成為趨勢(shì)。

碳納米管制備的柔性集成電路

碳納米管為半導(dǎo)體材料的晶體管

同時(shí)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(dǎo)電薄膜

柔性薄膜電池片

碳納米管柔性透明導(dǎo)電薄膜的微觀形貌

透明電極的最基本的作用：作為發(fā)光電路構(gòu)成組件（導(dǎo)電）的同時(shí)，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(dǎo)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(huán)境要求高。工藝流程必須在真空室中進(jìn)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(shù)在生產(chǎn)小屏?xí)r，相對(duì)容易，但制造大屏幕時(shí)則困難重重。遮光板，極易受工藝流程中的高溫環(huán)境影響而發(fā)生偏移，導(dǎo)致很難在大尺寸底板上保持均勻的沉積率。

成本過(guò)高。流程復(fù)雜、環(huán)境特殊、良品率低等因素，造成現(xiàn)階段OLED屏的售價(jià)居高不下

噴墨打印法

可大型化。利用噴墨成像技術(shù)，采用了與噴墨打印機(jī)相同的按需噴墨工藝，可以精確地按所需量將有機(jī)材料沉積在適當(dāng)位置，讓有機(jī)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(tǒng)對(duì)材料的利用率非常高，制造商可以降低生產(chǎn)成本。

簡(jiǎn)化制作工藝，容易普及量產(chǎn)。此生產(chǎn)過(guò)程無(wú)需使用遮光板，其工藝步驟降低，可以大幅提高產(chǎn)量。

非接觸式打印方式避免了對(duì)功能材料的接觸式污染

卷對(duì)卷式