柔性显示器件技术综述

1、柔性显示器件技术综述张浩1,2，桑仁政1，顾文1，曹进2，冯涛3，张建华*1,2(1.上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072；zhkeylab 2.上海大学新型显示技术与应用集成教育部重点实验室,上海200072；3. 林德集团，德国) 基金项目：上海自然科学基金(09ZR1411900)；作者简介：张浩（1980）， 男， 山东乐陵人， 工程师，在读博士， 主要从事新型显示技术研究及封装。摘要：本文介绍了当前主要的柔性显示技术的研究进展，包括柔性液晶显示、柔性有机电致发光器件、柔性电泳显示等，对比分析了各自的优缺点及其存在的关键问题，包括柔性基板材料、柔性TFT基板，卷对卷制备工

2、艺及其在柔性显示中的应用。最后，结合本单位的研究进展，介绍了薄膜封装技术的发展现状及其在柔性OLED显示中的研究结果。关键词：柔性显示， 有机电致发光， 液晶显示， 柔性基板 1 柔性显示技术柔板显示(Flexible displays)是非常具有前景的显示技术，通过很多的研究者和工程师的努力开发，柔性显示技术发展迅速。在不久的将来，柔性显示技术的发展将使得信息的显示更加灵活多样。目前研究较多的实现柔性显示的主要技术包括：液晶显示（Liquid Crystal Display, LCD）、有机电致发光（Organic light emitting devices， OLED）、电泳显示（Ele

3、ctrophoretic Display，EPD）1-4。三星柔性LCD 三星柔性OLED LG柔性E-ink图1 三种柔性显示显示器柔性LCD 的发展较早，一直面临的一个问题是单元间隙的对LCD显示影响较大，随着柔性基板的弯曲，单元间隙发生变化从而影响LCD的显示效果。直到后来新的液晶材料的发现5-6（如：胆甾型的液晶），使得柔性LCD有了较快的发展。各大面板厂商在柔性LCD显示方面也都投入了研发，如：2001年精工爱普生的0.7英寸QVGA柔性LCD显示器；2002年，夏普推出4英寸反射彩色柔性TFT LCD；2010年，东芝推出8.4英寸SVGA显示器。与柔性LCD不同，柔性EPD显示是

4、利用发光的电子墨水薄层来实现显示，电子墨水液体中有几百万个细小的微胶囊。每个胶囊内部是染料和颜料芯片的混合物，这些细小的芯片可以受电荷作用。柔性EPD显示主要应用于电子阅读领域。E-ink公司的电子墨水受到各大面板厂商的青睐，面板厂商很多都推出过EPD显示阳极。OLED在柔性显示方面的应用具有独特的优势。超薄、全固态以及OLED所用材料的特性非常适合于柔性显示。同时，OLED的制备工艺以蒸发、旋涂、打印为主，这些工艺均能够实现在柔性衬底上沉积薄膜。特别是溶液方法制备OLED的发展使得其能够很好的与卷对卷（roll-to-roll）工艺结合，能够制备低成本的大尺寸OLED显示器件。1992年，第

5、一款基于塑料衬底的柔性OLED器件制备由gustafsson等7制备成功，开启了柔性OLED研究的热潮。2003 年日本先锋推出了15 英寸 像素为160×120全彩PM- OLED 柔性显示器，其重量仅有3g，亮度为70cdm2，驱动电压为9V。2008 年，三星公司推出了其4 英寸 的柔性OLED显示屏。三星公司在CES2011展会上已经向世人展示了他们的OLED可弯曲屏幕（如图1）。该屏幕在卷曲成直径1厘米的圆筒状时仍能正常工作，而且具备目前手机屏幕所没有的耐冲击性，即使在锤子的敲砸中仍能正常工作。目前，很多显示企业如索尼、LG、东芝、三星都在研究柔性OLED显示技术。 从目前

6、三种柔性显示技术来看，柔性LCD面临的主要问题体现在柔性衬底的背光设计、显示视角显示均匀性等方面。柔性EPD显示的彩色化显示是关注的问题之一，另外EPD显示的相应速度较慢，因此在动画、视频方面的应用具有一定的局限性。柔性OLED目前面临的关键问题是OLED器件本身对水氧敏感，有效的封装是研发的热点。同时，对于柔性显示来说，共性的问题是柔性基板上的TFT器件的制备。 2 柔性显示制备技术2.1 柔性衬底材料 对于柔性显示技术来说，衬底至关重要。目前，柔性显示的衬底主要包括：聚合物、超薄玻璃、金属箔片、石墨烯等。应用较广的是聚合物和金属箔片。柔性衬衣应该以下特性：透明、良好的热稳定性、平整的表面、

7、良好的水气阻挡性、低热膨胀系数。本文主要介绍几种聚合物衬底，图28给出了几种聚合物柔性衬底的耐温特性。表18给出的几种聚合物柔性衬底的其他性能。柔性聚合物衬底的温度特性和水氧透过率是需要克服的关键问题，实际应用中多采用在柔性聚合物衬底上增加多层复合保护膜来增加水氧的阻挡效果。耐温特性对柔性衬底上的TFT制备具有一定的挑战性，需要改进TFT基板的工艺来进行匹配。金属箔片具有良好的水氧阻挡效果，材料也容易获得。但是由于金属箔片不透光影响了其在柔性显示，特别是OLED方面的应用。图2.聚合物柔性衬底的温度特性（文献8）表1 柔性衬底的物理特性（文献8）2.2 柔性衬底上的TFT制备高质量的柔性显示效

8、果与玻璃基板的显示一样，要求制备TFT基板，图39 给出在不同的衬底上的非晶硅TFT的结构。（a）所示是在一般的玻璃基板上制备的TFT器件的结构；（b）是在聚合物衬底上制备的TFT的结构，其中柔性基板的上相两侧都沉积了保护层；（c）所示在不锈钢衬底上的TFT器件结构，在衬底与TFT器件之间有一层保护层。制备工艺技术方面，柔性衬底上的TFT可以选择非晶硅、低温多晶硅、金属氧化物TFT、OTFT技术。目前这些技术在柔性基板上的应用都有研究。 图3 非晶硅TFT结构剖面图 （a）玻璃衬底，（b）聚合物衬底，（c）不锈钢彻底（文献9）2.3 roll-to-roll技术 传统的显示制备工艺目前都是基于

9、独立的单台设备，通过传动装置在各单元之间进行传递。卷对卷制造技术可以实现在线连续生产薄膜器件、大幅度的降低生产成本、大面积柔性显示器件制备。如图4 卷对卷制备流程图（文献10）如图410所示，是卷对卷的流程示意图，通过系统的集成，将薄膜沉积、图案化、封装工艺集成到一个系统中。卷对卷系统的设计与开发对于柔性显示器件的工业化有着非常重要的作用，目前面临的主要难题是将TFT基板的制备技术转移到卷对卷系统中。这将是未来柔性显示制备工业化生产重点关注的问题。3 柔性OLED的薄膜封装技术因为OLED对于空气中的水气很敏感，对封装的要求也很高，因为封装的好坏直接影响了OLED显示器件的寿命。特别是柔性OL

10、ED器件需要使用薄膜封装技术。目前最常用的薄膜封装方法是通过多层的有机-无机薄膜的组合来形成封装的阻挡层，也叫做Barix封装技术。上海大学通过真空气相沉积的方法制备了氟化镁和硫化锌双层结构作为薄膜阻挡层，获得了较好的水气阻挡性能。采用三个周期的氟化镁/硫化锌组合薄膜封装所得到的器件发光半衰期达到了245小时11。利用PECVD对绿光柔性OLED器件进行了封装，制备出了柔性OLED显示器件12。 （a）结构示意图 （b）显示实物图图5 柔性OLED器件4 结语 柔性显示器件的发展将增加信息显示的多样性和灵活性，使得信息的显示更加灵活。尤其柔性OLED在显示方面的应用被认为是非常具有潜力的，其关

11、键的技术难点也聚焦在柔性衬底上的TFT制备技术、薄膜封装技术、卷对卷系统设计与集成技术等方面。从目前的研究发展的进展来看，柔性显示的未来充满希望。参考文献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

12、flat panel displays. Proceedings of the 7th Asian Symposium onInformation Display, 2002,1314.4. Ong, B. Flat-panel displays-semiconductor ink advances flexible displays. Laser Focus World, 2004, 85-88.5. West, J. L. Rouberol, etal. Flexible displays utilizing bistable, reflective cholesteric/polymer

13、 dispersions and polyester substrates. Asia Display, 1995, 55-58.6. West, J. L., Bodnar, etal. Multi-color, cholesteric displays using plastic substrates. Proceedings of the International Display Workshop. 1999, 235-238.7. Gustafsson, G., Cao, Y., Treacy, etal. G. M. Flexible light-emitting diodes m

14、ade from soluble conducting polymers. Nature, 1992, 357, 477-9.8. G. P. Crawford. Flexible Flat Panel Displays. John Wiley & Sons, Ltd. 2005, 12-13.9. G. P. Crawford. Flexible Flat Panel Displays. John Wiley & Sons, Ltd. 2005, 265.10. G. P. Crawford. Flexible Flat Panel Displays. John Wiley

15、& Sons, Ltd. 2005, 410.11. Y. Liao et al. Low-cost and reliable thin film encapsulation for organic light emitting diodes using magnesium fluoride and zinc sulfide. Thin Solid Films 2011, 519: 2344-2348.12. Renzheng Sang, Hao Zhang, Li Long。 Thin Film Encapsulation for OLED Display using Silicon

16、 Nitride and Silicon Oxide Composite Film. 2011 International Conference on Electronic Packaging Technology & High Density Packaging, Shanghai, China, August 8-11, 2011, p.11751178.Overview of Flexible display technologyZhang Hao1,2, Sang Renzheng1, Gu Wen1, Cao Jin2, Feng Tao3, Zhang Jianhua1,2

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