柔性电子制造文献综述

柔性电子显示技术浅谈吴有宾机制 0906U200910657摘要:现代显示器技术目前已经经历了三代的发展，阴极射线管显示器具有体积庞大、能耗高、发光闪烁等缺点，等离子体显示器能耗也较高，而且不具有 柔性。近年来，液晶显示器与薄膜电发光平板显示器逐渐在竞争中占据优势，但是它们使用的都是被动光源，并有视角小、响应速慢、工艺复杂、制作成本高等 不足。柔性显示技术主要应用柔性电子技术， 将柔性显示介质电子元件与材料安 装在有柔性或可弯曲的基板上，使得显示器具有能够弯曲或卷曲成任意形状的特 性，有轻、薄且方便携带等特点。柔性电子显示器(flexible electronic display) 是在柔性电子技术平台上研发出来的全新产品。相比而言，柔性电子显示器具有无可比拟的优势，它就像报纸一样，在需要时将其展开，使用完毕后将其卷曲甚 至折叠，在保证携带方便的同时充分的兼顾了视觉效果。柔性电子显示器的样品目前已研制成功,相信离进入市场已为时不远.值得一提的是,柔性电子显示器 采用更多的轻质有机材料取代无机材料，所以其重量比传统显示器轻，这种特性有利丁提高其便携性。此外，高分子有机材料的使用为降低成本提供了可能性。另外，柔性电子显示器具有薄厚度的特点，其厚度可以远远小丁目前流行的液晶显示器，所以柔性电子显示器的另一种名称就是纸状电子显示器(paper-likeelectronic display) 。本文旨在通过当前柔性电子在显示领域做出的成绩，涉 及的相关知识技术以及未来发展研究方向做一个简略的探讨。关键词：传统显示技术柔性电子显示技术挠性视觉效果便携纤薄1. 柔性显示实现的关键技术1.1 OLE毁术OLED是指有机半导体材料和发光材料在电场驱动下，通过载流子注入和 复合导致发光的现象。其原理是用ITO透明电极和金届电极分别作为器件的阳极 和阴极，在一定电压驱动下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子和空穴传 输层，电子和空穴分别经过电子和空穴传输层迁移到发光层，并在发光层中相遇，形成激子并使发光分子激发，后者经过辐射弛豫而发出可见光。辐射光可从ITO一侧观察到，金届电极膜同时也起了反射层的作用。根据这种发光原理而制成显示器被称为有机发光显示器，也叫 OLED显示器。LED用红、蓝、绿像素并置 法、转换法(Color Conversion Method, CCM、白光加彩色滤光片法、微共振 腔调色法和多层堆叠法来实现彩色化。阴极-电子传输层 -有机发光层 二二空穴借输层 阳根 -基板根据驱动方式的不同，OLE部件可以分为无源驱动型（乂称被动驱动PM PassiveMatrix）和有源驱动型（乂称主动驱动AM AetiveMatrix）两种。无源 驱动型不采用薄膜晶体管（TFT）基板，一般适用丁中小尺寸显示；有源驱动型则采 用TFT板，适用丁中大尺寸显示，特别是大尺寸全彩色动态图像的显示。 目前, 无源驱动型OLE破术已经比较成熟，商业化的产品都是无源驱动型 ；有源驱动型 OLE鼓术发展很快，但还需要几年的时间才能推出商用产品。OLED制备过程中的关键工艺技术，其中包括ITO基片的活洗和预处理、阴极隔离柱制备、有机功能薄膜和金届电极的制备、彩色化技术、封装技术。OLED具有自发光、低功耗、响应速度快、视角宽、分辨力高、宽温度特性、 高亮度、高比度、抗振性能好、耗等性能，并且抗弯曲能力强，非常适合作柔性 显示器件。OLED适用丁对显示效果要求高的便携产品及军事等特殊领域。2. 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，免丁阅读 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液晶显示技术、电泳显示技术（ EPD以及电 润湿显示技术等。2.1液晶显示技术液晶是指在某一温度范围内，既具有类似液体一样的流动性和连续性乂具有像晶 体一样各项异性的物质。当电流通过液晶层，液晶分子将会以电流的流向方向进 行排列，如果没有电流，它们将会彼此平行排列。即液晶层能够使光线发生扭转， 液晶层的表现有些类似偏光器，除了某些从特定方向射入的光线之外， 能够过滤掉所有其他光线。液晶技术用丁电子纸的优点在丁其成熟的制造工艺和较容易实 现彩色，其缺点在丁对比度低、可视角度范围小。目前，已开发出的液晶显示器有胆笛型液晶显(CholestericLiquid Crystal Display , ChLCD)、顶点双稳显示(ZenithalBistableDisplay , ZBD、铁电液晶显示(Surface StabilizedFerroelectricLiquid Crystal Display , SSFLCD、聚合物分散液晶显示( Polymer Dispersed Liquid Crystal Display , PDLCD、向列相液晶显示( Nematic Liquid Crystal Display , NCLD2.1.1胆固醇电子仑氏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),会使多层向歹U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。2.1.2.双稳态扭曲向列型液晶显示器(Bi TNLcD)Bi TNLCD勺显示原理如图所示，底板间的液晶分子保持力不一致，当长 时间施加某一额定电压时，液晶分子会相对丁底板呈垂直竖立状态，在此状态 下，若将电压值急速降至零，强保持力底板周围的液晶分子便会拉向倒下的方 向，而弱保持力底板周围的液晶分子则呈反方向倒下，此外处丁底板中间位置 上的液晶分子则会产生扭曲角度。如果分两步进行缓慢解除加电状态操作，液 晶分子便会因弹性能力减弱而倒向同一个方向，不会产生扭曲角度。在这两种 状态下，一种显示为黑，另一种则显示为白，基本上形成了双稳态显示61。通过在第二步改变解除电压时的幅度，黑色区域和白色区域的比率就会发生变化， 即可调制出中间色调。图为 NemoPtic公司丁 2007年SID大会上推出的A4尺 寸的高分辨率电子纸模型，该电子纸的厚度小丁2毫米，分辨率达到200dpi,像素为1650x2340,刷新率小丁 1秒。DarkBrightPolarizerTop substrateITOPotyimide anchoring layer4 BiNem liquid crystal mixture BiNem anchoring layerITOBottom substrateC Reflective polarizerNemoptic公司的Bi-TNLCD结构示意图Fig L4 Structure of a BiNem cell2.2电泳技术电泳显示器(Eleetrophoreticoisplays)是基丁悬:浮在分散介质中的带电粒子的电泳现象而制成的一种非发射性的装置，以这样一个电泳单元为一个像素， 将电泳单元紧密排列构成显示平面，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。电泳显示器具有高对比度、省电、轻、薄、可弯曲、便 携带等显著优点。最早的电泳显示技术是由Xerox公司Pal 丁 Alt。中心的研究人员Nicholassheridan 在1974年发明的扭转球型电泳显示器9。其研发的目 的是为了解决丁 CRT小器皆度不够、对比度差的I可题。该技术由丁缺少Xerox公司支持存在成本高、使用寿命差等问题而陷丁停顿，直到90年代才乂重新开始这一题的研究。早期研究l0 l2的电泳显示器一般采用非间隔型，即平面矩阵式的电极群 同拥有一个电泳室(cell)。这种结构主要有三个缺点，首先由丁单个电泳室含 电泳粒子较多，使得悬浮体系动力学稳定性较差；其次单个电泳室难以制成 性显示器；第三，由丁电泳室的尺寸大，粒子要穿过相当长的距离，导致响 时间较慢。这些缺点严重阻碍了电泳显示器的应用。为此，人们尝试把电泳 用各种方法分隔成细小的微腔以抑制电泳粒子的团聚、结块。根据电泳室的 隔方法分为微胶囊型和机械方法压模型，其代表分别为E 一 ink公司的微胶囊电泳显示器和sipix公司的微杯型电泳显示器。目前市场上具有明显优势的电泳 显示技术是由麻省理工学院媒体实验 JosephJacobson所发明的微胶囊型电泳显 示器”。电泳微粒被包覆在独立的微胶囊中，大大减少了微粒之间的碰撞和相互作用力，可有效阻止微粒的聚集和沉降。根据这种技术研制出来的产品兼有纸 张那样优越的微薄度、柔韧性、高对比度和电子显示器的相关特性。电泳显示主要有以下几类技术：1.扭转球型电泳显示器;2.微胶囊型电泳显示器;3.微杯型电泳显示器；4.快响应电子粉流体显示器。2.2.1扭转球型电泳显示器扭转球型电泳显示器(RotatingBiehromalBallnisplay)的结构如图所示41,显示器的底板、面板均为透明电极，电极之间为具匕矩阵微孔的橡胶弹性体。橡胶弹性体的微孔中充满了绝缘的油性液体，液体中分散着和其比重非常接近 的黑白双色球。双色球是由两种不同的材料构成，其在油性介质中产生不同的 界面电势，从而使双色球的两端带不同的电荷。当给像素的电极加上不同极性 的电压时，双色球就会朝不同的方向翻转，而使像素显示不同的颜色。这些旋 转球可以由着色的塑料通过机械的方法制备。图a是Sheridon推出了第一个电子纸原型器件，图b是Gyricon公司采用该技术推出了商业化 Gyricon电 子纸。方图1.9 3）世界第一款电子批原型器件模型，（b. Gyricon公司推出的Gyricon电子纸 Fig L9 a） The first prototype off-paper in world b） E-paper made by Gyricon2.2.2微胶囊型电泳显示器Crcs s-Sec tion of Etc tronic-lnk Microcaps u/esWT; C年尸E 妞tJWt 岫村f F *aif h3 teg - M 孙Bt-EW KiKWS &nd.5ff图J0 E-irtk显ZF器的显亦原理Fig LIO Operational principle of E-ink Display电子墨水电子纸是指美国Eink公司开发的微胶囊电泳显示器 (MicroencapsulatedElectro-phoreticDisplay)电泳显示早在 20 世纪 70 年代就开始研究，至今已经30多年。这种显示方法基丁电泳原理，将浮有白色的正 电性粒子和黑色的负电性粒子的电泳液封装在直径几十微米量级的微胶囊中，并固定丁上下两个平行平板电极之间,其中一个为透明电极。向一个方向施加电 场，正电性的白色微粒将泳至透明电极，负电性的黑色粒子涌向另一极，从而 使观察者可以看到散射的光线，获得亮视场；向相反方向施加电场，白色微粒 将泳至对面电极，黑色微粒涌向透明电极，吸收入射光线，从而使观察者获得 暗视场。通过交替施加电场，就可以实现黑白态显示。目前的电子墨水产品已经 实现轻、薄、无需背光源、柔软、较高的对比度。另外由丁电泳现象的物理机制， 当带电微粒泳动到某个电极附近之后，可以自行维持住一段时间，因此基本实 现了超低功耗，是非常理想的类纸媒显示器。当前电子墨水电子纸的主要技术突 破方向有：实现柔性显示，实现丰富灰度，达到可实用丁动态图像显示的响应 速度，实现更好的彩色显示，以及实现更加方便、价廉的产业化生产。其中，作 为类纸媒显示器的关键就是实现柔性显示。如前所述，电子墨水的显示面板，即 微胶囊电泳面板已经具备柔性的物理特点。因此，实现柔性显示的主要问题集中在如何制造柔性的驱动背板。2.3电润湿技术飞利浦实验室的RobertA.HayeS等报道了利用电润湿法(ElectrowettingLightValves)可以达到视频显示的电子纸张技术。电润湿技术是亲油性固体和 液体间的电压差导致润湿性方面的变化而引起的微流体运动。原理是利用控制电压来控制被包围的液体的表层，从而导致像素的变化。 当没有施加电压时， 有颜色的液体与不透水且绝缘的电极外层间，形成一层扁平薄膜，就是一个有色的像素点。当在电极与液体之 间施加电压时，液体与电极外层接触面的张力会产生改变，结果是其原来的静止况态不再稳定，令液体移至旁边，造成一个部份透明的像素点，同时油被染上一种颜色，从而显示出图 像，获得各种显示效果。具有功耗低、亮度高、显示速度快以及受外界环境、温度影响不大 等优点。该技术最大的优点是快响应（适用丁动态显示）和高对比度。2.4其他相关技术柔性显示技术发展呈现白花齐放态势。可以实现柔性显示的技术还有：电润湿显示（Electro Wetting Display , EWD ,等离子管状排歹U （ Plasma Tube Array , PTA ,电致变色显示（Electro Chromism Display , ECD ,电子粉流体显示（Quick-Response Liquid Power Display , QR-LPD 等。3. 柔性电子显示的应用1、 在许多便携式电子设备，笔和触摸输入已成为首选的用户界面。E Ink公司研究暨高级 开发部门副总经理 Michael McCreary博士说， 整合可饶式触摸特性至 E Ink Vizplex显示器 的能力将带动一系列不易碎显示器的新应用 ”。2、我们相信，成功地开发柔性触摸屏技术可以刺激一些应用。这些应用可以使军队与其他终端用户使用轻薄，阳光下可阅读的超低功耗显示器作输入，存储或从远端位置传输即时数据。这证明了柔性显示器中心如何与我们的合作伙伴和其它技术供应商，开发创新解决方案，满足不断增长的柔性显示器市场。J3、美军将柔性显示器用于战场，目前美国通用显示公司正为美军用柔性有源矩阵OLED技术，该技术将用于集成多种通讯能力的护腕式通讯设备，实时观看视频和图形信息. 该显示器采用韩国LG公司开发的T F T面板，设备样机将很快交付美国陆军进行野战评估。4、 UDC方面将与L-3通讯显不器、LG Display合作研发,最终提供视频、无线通信全套解 决方案。此面板将应用于显示地图、 武器状态以及剩余燃料等信息。通常情况下，高新技术 都是最先应用在军事领域，之后将逐步转化为商用及民用。4. 柔性电子显示发展方向尽管有机电致发光显示技术经过二十多年的发展，已取得了巨大的进步，但是仍然有一些关键的问题没有得到很好的解决，包括以下几个方面：高性能发光材料 的开发。开发效率高、稳定性好、低成本的磷光材料是发展高效率有机电致发光 器件的一个必然方向。器件的制备工艺。目前国内尚无成熟的OLE味产工艺，并 且产业的供应链还不完善。而这些O LEDS件工艺的探索和优化可以为产业化提供 极大的支持。制备工艺的开发和优化会对OLE既示屏的价格产生较大影响，进而 加快其产业的步伐。目前有机电致发光的基础理论尚不成熟，发光机理尚未完全解明，从而导致材料开发、器件结构和工艺改进均缺乏有效的理论指导。为了提高有机电致发光器件的性能，人们对电致发光过程的机理进行了广泛的研究。但 由丁问题的复杂性，导致了数学处理和实验结果分析上的困难，大部分问题都悬而未决。对有机电致发光的各种基本物理过程 （例如载流子从电极的注入，载流 子在有机薄膜中的输运特性、能量传递等）的理解仍然是不够充分的。柔性显示技术研发重点为：1）显示元器件技术的开发；2）驱动元件技术开发；3）基板 技术的开发；4）封装技术开发。柔性显示技术涉及光学、色彩学、材料化学、电子学等， 属于多学科综合类技术， 所以柔性显示技术具备前沿性、综合性，有相当的技术难度， 需要跨学科的研发与合作。柔性显示技术产业的创新，从材料、设备、制程到应用，都带来新的 挑战与机会。我国企进入 LCD PDP平板显示产业的时间均落后国外同行，导致缺乏产业核 心技术。但在OLED这个新兴的、更有市场前景和商机的平板显示技术上，我国的研究与世界基本同步。我国应加强基础研究，在国家支持下，以技术开发为核心，大力开发培育新型柔性显示产品，建立柔性显示产业链，利用各种资源，发挥协同增效技术优势，在关键技术 开发、产业化目标实现、知识产权共享方面开展积极有效的合作，促进柔性显示产业的发展当前，柔性电子还处在即将产业化的前夜，仍然还存在很多的技术瓶颈，对于材料、工艺、设计等还处在研究和探索的阶段。过高的工作电压、较低的载子迁移 率、不稳定的材料与组件特性、缺乏互补式晶体管技术及组件模型等都使材料、 工艺的使用均有较多的不确定性。因此，整体而言，国际上在柔性电子领域的研究尚在起步阶段，拥有极大的技术突破和专利申请空间。5. 参考文献1. 杨刚有机电致荧光、磷光器件的性能优化与 OLED封装技术的研究博士论文2009年3月2. 李炜罡微型胶囊显示材料与器件的研究博士论文2009年6月3. 中国科学院驱动电子墨水电子纸的柔性 TFT背板制造技术学术论文 2007年4月4. 京东方柔性显示技术简介ppt5. 陈金鑫，黄孝文.OLED有机电致发光材料与器件M.北京：活华大学出版社，2007 年6. 刘会刚，朱勇，商光辉，等.电泳显示器的研究及进展J.现代显示，2006 (2):64 68.7. 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