柔性显示材料及其应用

-1-柔性显示材料及其应用王文瀚12S0110291引言柔性显示可定义为用很薄的柔性衬底制作成的平面显示，它能弯曲到曲率半径只有几厘米或更小而不会损害其功能。柔性电子技术与作为平板显示的LCDs和等离子体显示相比，具有超薄、质量轻、耐用、储存量大、设计自由、可收卷等优点。近年来柔性显示技术取得了巨大进步，已经广泛应用于显示产品上，特别是在移动通信设备方面。目前对于柔性显示器的研究主要有柔性有机电致发光显示器(FlexibleOrganicLightEmittingDiode,FOLED)、柔性电子墨水显示器又叫柔性电泳显示器(FlexibleElectrophoreticDisplay,FEPD)和柔性液晶显示器(FlexibleLiquidCrystalDisplay,FLCD)。塑料衬底的显示器质量轻、超薄，以扩展的形式展现，具备真正的柔性显示。2柔性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。2.1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-2-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1所示。表1常用聚合物柔性衬底的性能比较聚合物透光率/%尺寸稳定性耐溶剂性水分子吸收性表面粗糙度热膨胀系数/(10-6·℃-1)PET90.4良好良好良好差33PEN87.0良好良好良好差20PC92.0一般差一般良好75PES89.0一般差一般良好54PAR92.0一般差差良好70PI30~60良好良好差良好8~202.2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2所示。表2不锈钢衬底与其他衬底的性能比较性质厚度/μm渗透性R2R加工热膨胀系数(10-6/℃)弹性模量/GPa导电性热导性/(W·m-1·℃-1)最高加工温度/℃不锈钢100良好可以10200高161000塑料(PI)100较差可以165无0.1~0.2350玻璃100良好不行570无1600由表2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。2.3超薄玻璃衬底-3-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。2.4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。2.5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0.7mmBC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。3柔性显示材料应用3.1柔性有机电致发光显示器(FOLED)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、-4-高亮度、高对比度、抗振性能好、耗等性能好等特点，并且抗弯曲能力强，非常适合作柔性显示器件，适用于对显示效果要求高的便携产品及军事等特殊领域。OLED是基于有机材料的一种电流型半导体发光器件，由铟锡氧化物半导体薄膜(ITO)，透明电极、空穴传输层、有机发光层、电子传输层、电极层组成。原理是用ITO和金属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，形成激子使发光分子激发，经过辐射发出可见光。OLED用红、蓝、绿像素并置法、转换法、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。OLED显示屏驱动方式依驱动方式可分为被动式(PMOLED)与主动式(AMOLED)。PMOLED是属于电流驱动，结构简单，驱动电流决定灰阶，应用在小尺寸产品上。AMOLED在每一个OLED单元即像素后面都有一组薄膜晶体管和电容器，形成一个薄膜场效应晶体管(TFT)驱动网络，每一个像素都可以在控制芯片的操作下驱动TFT的激发像素点，这种方式能获得极速的响应时间而且省电，显示效果好适合大屏幕全彩色OLED的需要。按所使用的载流子传输层和发光层有机薄膜材料的不同，分为两种不同的技术类型：一种是以有机染料和颜料为发光材料的小分子聚合物OLED，另一种是以共轭高分子为发光材料的高分子聚合物PLED。目前研究表明，PLED十分适合用于柔性显示，采用喷墨印刷，涂布有机材料物质，不需薄膜制程、真空装置，元件构成只有两层，投资成本低，但是其喷墨技术的墨滴均一化及RGB三基色定位精度不易控制，影响全彩化产品进程，寿命与产品良率也有待提高。3.2柔性液晶显示器(FLCD)液晶是介于固体和液体之间状态的某些有机化合物，具有各向异性的光学特性，对外界的电场磁场和温度感觉灵敏。液晶显示器采用液晶作显示材料，通过阵列的液晶光闸控制光线来显示文字、图形和图像。胆甾型液晶属于反射式显示器，利用外界环境光源来显示影像无需背光源，同时具有双稳态特性，所以胆甾型液晶显示技术同样非常省电。富士通采用PM反射式胆甾型液晶显示器，开发出全球首款具图像记忆功能的可弯曲彩色显示器，但目前只能少量供应。双稳态液晶显示技术特点是两个光性状态在无外电场作用时都能够稳定存在一段时间，在外电场作用下两个光性状态可以相互转换。由于显示所用的两个光性状态在无外场的情况下是稳定的，所以不需要长时间加外场来维持显示状态，就有了比较省电的特点。这类显示技术在静态显示方面能够表现出省电这一优势。液晶在柔性显示方面的研究较为成熟，研发机构包括柯达、富士通、富士施乐公司以及台湾工业技术研究院等。柔性液晶显示器可以延续许多传统的制-5-造技术，比较容易切入产品市场。3.3柔性电泳显示器(FEPD)电泳显示是利用带荷电的胶体颗粒可在电场中移动的原理，通过电极间带电物质在电场作用下的运动实现色彩交替显示的一种显示技术，以这样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。电泳显示器具有易读性、柔软性、双稳态特性和低功耗等优点，成为人们广泛关注的焦点。飞利浦、三星、柯达、施乐、IBM、索尼、东芝、佳能、爱普生、摩托罗拉等多家国际知名公司都在涉足电泳类显示器件的研发，且已经有电泳柔性显示器件产品问世。1975年，施乐的PARC研究员NickSheridon率先提出电子纸和电子墨的概念。2007年，E-lnk与Seiko合作推出了可弯曲的手表外，与索尼、金科等公司合作推出了电子书；诺基亚发布了概念手机Nokia888；三星与LPL则在电泳显示介质上加装彩色滤光片，形成彩色化。台湾元太的电子纸显示器技术在已成功量产，包括Amazon、索尼等国际大厂所推出的电子书产品，其所使用的面板皆由元太提供。2008年8月爱普生宣布成功开发出13.4in电子纸，分辨力达到3104*4128，精度达400DPI（每英寸点数），上面的文字和图像看起来就像在真纸上一样的清晰。汉王科技推出国内首款使用电子纸为显示屏的电纸书，采用5in的EPD电子纸，分辨力为800*600DPI。4柔性显示的研究方向柔性显示技术研发重点为显示元器件技术的开发、驱动元件技术开发、基板技术的开发、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。