柔性顯示器件技術(shù)綜述

1、柔性顯示器件技術(shù)綜述張浩1,2，桑仁政1，顧文1，曹進(jìn)2，馮濤3，張建華*1,2(1.上海大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院，上海 200072；zhkeylab 2.上海大學(xué)新型顯示技術(shù)與應(yīng)用集成教育部重點實驗室,上海200072；3. 林德集團(tuán)，德國) 基金項目：上海自然科學(xué)基金(09ZR1411900)；作者簡介：張浩（1980）， 男， 山東樂陵人， 工程師，在讀博士， 主要從事新型顯示技術(shù)研究及封裝。摘要：本文介紹了當(dāng)前主要的柔性顯示技術(shù)的研究進(jìn)展，包括柔性液晶顯示、柔性有機電致發(fā)光器件、柔性電泳顯示等，對比分析了各自的優(yōu)缺點及其存在的關(guān)鍵問題，包括柔性基板材料、柔性TFT基板，卷對卷制備工

2、藝及其在柔性顯示中的應(yīng)用。最后，結(jié)合本單位的研究進(jìn)展，介紹了薄膜封裝技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其在柔性O(shè)LED顯示中的研究結(jié)果。關(guān)鍵詞：柔性顯示， 有機電致發(fā)光， 液晶顯示， 柔性基板 1 柔性顯示技術(shù)柔板顯示(Flexible displays)是非常具有前景的顯示技術(shù)，通過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，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。目前研究較多的實現(xiàn)柔性顯示的主要技術(shù)包括：液晶顯示（Liquid Crystal Display, LCD）、有機電致發(fā)光（Organic light emitting devices， OLED）、電泳顯示（Ele

3、ctrophoretic Display，EPD）1-4。三星柔性LCD 三星柔性O(shè)LED LG柔性E-ink圖1 三種柔性顯示顯示器柔性LCD 的發(fā)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(fā)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(fā)現(xiàn)5-6（如：膽甾型的液晶），使得柔性LCD有了較快的發(fā)展。各大面板廠商在柔性LCD顯示方面也都投入了研發(fā)，如：2001年精工愛普生的0.7英寸QVGA柔性LCD顯示器；2002年，夏普推出4英寸反射彩色柔性TFT LCD；2010年，東芝推出8.4英寸SVGA顯示器。與柔性LCD不同，柔性EPD顯示是

4、利用發(fā)光的電子墨水薄層來實現(xiàn)顯示，電子墨水液體中有幾百萬個細(xì)小的微膠囊。每個膠囊內(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EPD顯示陽極。OLED在柔性顯示方面的應(yīng)用具有獨特的優(yōu)勢。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，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。1992年，第

5、一款基于塑料襯底的柔性O(shè)LED器件制備由gustafsson等7制備成功，開啟了柔性O(shè)LED研究的熱潮。2003 年日本先鋒推出了15 英寸 像素為160×120全彩PM- OLED 柔性顯示器，其重量僅有3g，亮度為70cdm2，驅(qū)動電壓為9V。2008 年，三星公司推出了其4 英寸 的柔性O(shè)LED顯示屏。三星公司在CES2011展會上已經(jīng)向世人展示了他們的OLED可彎曲屏幕（如圖1）。該屏幕在卷曲成直徑1厘米的圓筒狀時仍能正常工作，而且具備目前手機屏幕所沒有的耐沖擊性，即使在錘子的敲砸中仍能正常工作。目前，很多顯示企業(yè)如索尼、LG、東芝、三星都在研究柔性O(shè)LED顯示技術(shù)。 從目前

6、三種柔性顯示技術(shù)來看，柔性LCD面臨的主要問題體現(xiàn)在柔性襯底的背光設(shè)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(guān)注的問題之一，另外EPD顯示的相應(yīng)速度較慢，因此在動畫、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)鍵問題是OLED器件本身對水氧敏感，有效的封裝是研發(fā)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。 2 柔性顯示制備技術(shù)2.1 柔性襯底材料 對于柔性顯示技術(shù)來說，襯底至關(guān)重要。目前，柔性顯示的襯底主要包括：聚合物、超薄玻璃、金屬箔片、石墨烯等。應(yīng)用較廣的是聚合物和金屬箔片。柔性襯衣應(yīng)該以下特性：透明、良好的熱穩(wěn)定性、平整的表面、

7、良好的水氣阻擋性、低熱膨脹系數(shù)。本文主要介紹幾種聚合物襯底，圖28給出了幾種聚合物柔性襯底的耐溫特性。表18給出的幾種聚合物柔性襯底的其他性能。柔性聚合物襯底的溫度特性和水氧透過率是需要克服的關(guān)鍵問題，實際應(yīng)用中多采用在柔性聚合物襯底上增加多層復(fù)合保護(hù)膜來增加水氧的阻擋效果。耐溫特性對柔性襯底上的TFT制備具有一定的挑戰(zhàn)性，需要改進(jìn)TFT基板的工藝來進(jìn)行匹配。金屬箔片具有良好的水氧阻擋效果，材料也容易獲得。但是由于金屬箔片不透光影響了其在柔性顯示，特別是OLED方面的應(yīng)用。圖2.聚合物柔性襯底的溫度特性（文獻(xiàn)8）表1 柔性襯底的物理特性（文獻(xiàn)8）2.2 柔性襯底上的TFT制備高質(zhì)量的柔性顯示效

8、果與玻璃基板的顯示一樣，要求制備TFT基板，圖39 給出在不同的襯底上的非晶硅TFT的結(jié)構(gòu)。（a）所示是在一般的玻璃基板上制備的TFT器件的結(jié)構(gòu)；（b）是在聚合物襯底上制備的TFT的結(jié)構(gòu)，其中柔性基板的上相兩側(cè)都沉積了保護(hù)層；（c）所示在不銹鋼襯底上的TFT器件結(jié)構(gòu)，在襯底與TFT器件之間有一層保護(hù)層。制備工藝技術(shù)方面，柔性襯底上的TFT可以選擇非晶硅、低溫多晶硅、金屬氧化物TFT、OTFT技術(shù)。目前這些技術(shù)在柔性基板上的應(yīng)用都有研究。 圖3 非晶硅TFT結(jié)構(gòu)剖面圖 （a）玻璃襯底，（b）聚合物襯底，（c）不銹鋼徹底（文獻(xiàn)9）2.3 roll-to-roll技術(shù) 傳統(tǒng)的顯示制備工藝目前都是基于

9、獨立的單臺設(shè)備，通過傳動裝置在各單元之間進(jìn)行傳遞。卷對卷制造技術(shù)可以實現(xiàn)在線連續(xù)生產(chǎn)薄膜器件、大幅度的降低生產(chǎn)成本、大面積柔性顯示器件制備。如圖4 卷對卷制備流程圖（文獻(xiàn)10）如圖410所示，是卷對卷的流程示意圖，通過系統(tǒng)的集成，將薄膜沉積、圖案化、封裝工藝集成到一個系統(tǒng)中。卷對卷系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)對于柔性顯示器件的工業(yè)化有著非常重要的作用，目前面臨的主要難題是將TFT基板的制備技術(shù)轉(zhuǎn)移到卷對卷系統(tǒng)中。這將是未來柔性顯示制備工業(yè)化生產(chǎn)重點關(guān)注的問題。3 柔性O(shè)LED的薄膜封裝技術(shù)因為OLED對于空氣中的水氣很敏感，對封裝的要求也很高，因為封裝的好壞直接影響了OLED顯示器件的壽命。特別是柔性O(shè)L

10、ED器件需要使用薄膜封裝技術(shù)。目前最常用的薄膜封裝方法是通過多層的有機-無機薄膜的組合來形成封裝的阻擋層，也叫做Barix封裝技術(shù)。上海大學(xué)通過真空氣相沉積的方法制備了氟化鎂和硫化鋅雙層結(jié)構(gòu)作為薄膜阻擋層，獲得了較好的水氣阻擋性能。采用三個周期的氟化鎂/硫化鋅組合薄膜封裝所得到的器件發(fā)光半衰期達(dá)到了245小時11。利用PECVD對綠光柔性O(shè)LED器件進(jìn)行了封裝，制備出了柔性O(shè)LED顯示器件12。 （a）結(jié)構(gòu)示意圖 （b）顯示實物圖圖5 柔性O(shè)LED器件4 結(jié)語 柔性顯示器件的發(fā)展將增加信息顯示的多樣性和靈活性，使得信息的顯示更加靈活。尤其柔性O(shè)LED在顯示方面的應(yīng)用被認(rèn)為是非常具有潛力的，其關(guān)

11、鍵的技術(shù)難點也聚焦在柔性襯底上的TFT制備技術(shù)、薄膜封裝技術(shù)、卷對卷系統(tǒng)設(shè)計與集成技術(shù)等方面。從目前的研究發(fā)展的進(jìn)展來看，柔性顯示的未來充滿希望。參考文獻(xiàn)1. Howard, W. E. Better displays with organic films. Scientific American, 2004, 76-81.2. Kincade, K. Flexible displays open new windows of opportunity. Laser Focus World 40, 2004, 65-69.3. Lueder, E. Plastic substrates for

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17、1. Key Laboratory of Advanced Display and System Applications, Ministry of Education, Shanghai University, P. O. B. 143, 149 Yanchang Road, Shanghai, 200072, P. R. China 2. The School of Mechanical & Electronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai, 200072, China 3. The Linde

18、 Group, Carl-von-Linde-Strasse 25, 85716 Unterchleissheim, GermanyAbstractThis article describes the major research progress of flexible display technology and the advantages and disadvantages of flexible LCD, flexible Organic Light-Emitting Diodes, and flexible electrophoretic display. The key problems are introduced in the fabri