應(yīng)用日增的柔性顯示技術(shù)

經(jīng)過二十多年的深入研究和測試之后，柔性顯示器市場即將起飛。研究人員曾力圖找到柔性玻璃、聚合物、金屬箔基板和薄膜晶體管（TFT）背板的最合適的組合，即能夠讓柔性顯示器走向商用的組合。最終，他們開始利用玻璃的阻隔性能來生產(chǎn)薄而清晰的柔性基板。

預(yù)期的大眾市場應(yīng)用包括替代報紙、書籍和雜志中的紙、銷售點（POS）終端設(shè)備、室內(nèi)外標(biāo)志牌、智能卡以及零售貨架標(biāo)簽。這種技術(shù)在汽車市場中的潛力尤其巨大，涉及擋風(fēng)玻璃、儀表板、保險桿標(biāo)簽、車內(nèi)裝飾、GPS和其它信息娛樂功能。

據(jù)市場研究公司iSuppli公司預(yù)計，柔性顯示器市場有望從現(xiàn)在的幾乎為零發(fā)展到2013年大約3.38億美元。市場分析公司NanoMarkets預(yù)計，到2008年紙狀顯示器市場將達(dá)到6.68億美元，但大多數(shù)電子紙顯示器是剛性顯示器，而非柔性顯示器。在通常被稱為電子墨水（e-ink）的電子紙技術(shù)中，覆蓋在柔性基板材料上墨水層具有電性能。

如何選擇材料

柔性顯示器生產(chǎn)商正在研究利用制造剛性顯示器（如LCD）的現(xiàn)有工藝來制造低成本柔性顯示器。此外，他們還正在研究塑料、柔性玻璃、金屬箔和聚合物等柔性基板材料，以及電子墨水（電泳）、LCD、有機(jī)LED（OLED），甚至PLED等顯示材料。

不過他們卻發(fā)現(xiàn)，從用于IC和顯示材料制造的傳統(tǒng)剛性基板轉(zhuǎn)向柔性基板并不容易。許多柔性材料無法耐受制造剛性顯示器時的處理高溫。沒有哪種材料能夠在制造過程中同時滿足基板和電性能的要求。這種可彎曲的材料無法可靠地工作在高溫下并且不受壓力的影響。此外，還需要能夠在高溫下可靠工作，且不受壓力影響的薄片粘合劑。

這種技術(shù)通常會與電鉻顯示器（另一種電子墨水）相混淆。E Ink公司市場營銷及策劃總監(jiān)Dave Jackson介紹道，電泳顯示器是通過在電場中移動帶電的彩色粒子群來工作的。與之相反，電絡(luò)顯示器包含通電時會變色的化合物。

以上兩種顯示器都能夠產(chǎn)生反射，并且在保存圖像時無需耗費功率。但是電鉻顯示器通常需要大量功率來驅(qū)動變色效應(yīng)，這使得其能效不及電泳顯示器。

迄今為止，印在鋼性塑料基板上的電泳墨水已經(jīng)在通常被稱為電子紙顯示器（EPD）的設(shè)備中取得了巨大的商業(yè)成功。作為業(yè)內(nèi)先驅(qū)的E Ink公司已經(jīng)持有許多電子墨水技術(shù)的專利。EPD基板是由多個微小的腔袋（pocket）組成，腔袋中包含懸浮在不透明液體中的帶電粒子。

電泳顯示器是一種通過施加的電場重排列帶電顏料粒子來形成可視圖像的信息顯示器（圖1）。由于其具有紙狀外觀和低功耗特性，因此被視為電子紙的經(jīng)典例子。



在最簡單的電泳顯示器中，直徑約為1mm的二氧化鈦粒子被散布在碳?xì)溆椭?。黑色染料、表面活性劑以及使粒子帶電的電荷控制劑也被加到碳?xì)溆椭?。這種混合物被放置在兩塊間距為10~100mm的平行導(dǎo)電板之間。

當(dāng)對兩塊導(dǎo)電板加電壓時，這些粒子會以電泳的方式從所在的薄板遷移到帶有相反電荷的薄板上。當(dāng)粒子位于顯示器的正面（顯示面）時，顯示屏為白色，這是因為光通過二氧化鈦粒子散射回閱讀者一方。

當(dāng)粒子位于顯示器背面時，顯示器為黑色，這是因為彩色染料吸收了入射光。如果將背面的電極分成多個微小的圖像元素（像素），通過對顯示器的每個區(qū)域加上適當(dāng)?shù)碾妷簛懋a(chǎn)生反射區(qū)和吸收區(qū)圖案，即可形成圖像。

商用電泳顯示器的例子包括用于Sony Librie、Sony Reader以及iRex iLiad電子閱讀器的高分辨率有源矩陣顯示器。這些顯示器都是由E Ink生產(chǎn)的電泳影像薄膜制造的。此外，Motorola Motofone也使用這一技術(shù)來實現(xiàn)其出色的超薄特性。

Sony Librie是首款采用EPD的商用產(chǎn)品。這個電子閱讀器于2004年4月在日本發(fā)布，采用了E Ink的影像薄膜EPD。VIT正在利用E Ink的EPD技術(shù)制造歐洲的交通標(biāo)志。Neolux和Midori Mark則在其零售標(biāo)簽應(yīng)用中采用了這一技術(shù)。許多手表和時鐘公司也已經(jīng)采用E Ink的技術(shù)開發(fā)出新的產(chǎn)品概念。

最近，總部位于荷蘭的Polymer Vision公司推出了一款基于E Ink公司技術(shù)的電子書閱讀器。這款5英寸（13cm）的可卷曲顯示器名為librofonino，附帶一個蜂窩連接。Telecom Italia將于今年在意大利市場引入這款產(chǎn)品。

Plastic Logic公司正致力于研制采用E Ink影像薄膜和新興印制背板制造工藝的柔性全塑料顯示器。該公司最近與Innos公司聯(lián)手打造了全球首家基于有機(jī)半導(dǎo)體的可卷曲顯示屏生產(chǎn)廠。

塑料本身并不是非常適合柔性顯示器。塑料要求相對較低的生產(chǎn)工藝溫度，該溫度通常比顯示材料工藝中所用的溫度低得多。在塑料材料的特性和顯示器材料的制造工藝要求之間尋求適當(dāng)?shù)钠胶庀喈?dāng)困難。像柔性玻璃和金屬箔片這樣的備選方案更具吸引力。

不過，由于塑料應(yīng)用得十分普遍，許多公司仍在尋求適合制造柔性顯示器的塑料材料。Plastic Logic在柔性全塑料顯示器中嘗試采用E Ink的影像薄膜和獨特的印制背板制造工藝。該公司改進(jìn)了有機(jī)TFT背板沉積工藝，這種工藝完全符合極低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和低成本塑料基板等要求。

其它成就則在印刷墨水方面。Bridgestone的電子液體粉雙穩(wěn)態(tài)圖像技術(shù)有望媲美柔性顯示器中的LCD。該公司的快速液粉顯示器（QR-LPD）原型具有0.29mm的厚度和200ms的快速響應(yīng)時間。

但EPD的刷新速率還有待提高。對于通常需要15ms刷新速率的視頻播放而言，100~500ms的刷新速率無法滿足要求。有源矩陣LCD的刷新速率在10~50ms，而OLED更快，可達(dá)到100us左右。不過研究人員表示，他們正在力圖提高EPD的刷新速率，未來有望達(dá)到100ms。



Imaging Systems Technology則以一種截然不同的方法來實現(xiàn)等離子體。該公司最新的平板顯示技術(shù)利用氣體將微球體（等離子體層）壓縮成像元（pixel element）。等離子體層由包含電離氣體的壓縮玻璃殼組成，可以沉積在幾乎任何顯示尺寸的剛性和柔性基板上（圖3和表1）。由于等離子體層本質(zhì)上是充當(dāng)電容器，因此它們在刷新時無需任何功率。



大尺寸LCD的最新進(jìn)展[!--empirenews.page--]

許多顯示器專家都認(rèn)為LCD很有可能在具成本效益的大尺寸柔性顯示器中取得成功（圖4）。目前所取得的許多進(jìn)展鞏固了這一觀點。例如，韓國三星公司（Samsung）已經(jīng)制造出采用非晶硅TFT技術(shù)的5英寸LCD面板原型。此外，日本富士通公司（Fujitsu）也推出了兩款（黑白和彩色）3.8英寸膽固醇LCD柔性面板。



另一方面，惠普實驗室（HP Laboratories）已經(jīng)設(shè)計出一款EPCN（electrophoretically controlled nematic）柔性LCD原型。該器件采用塑料基板上的雙穩(wěn)態(tài)無源矩陣彩色LCD。與在每個液晶像素中嵌入TFT的有源矩陣顯示器不同，這款原型不需要進(jìn)行刷新。因此一旦需要它便可記住其開和關(guān)狀態(tài)。

韓國漢陽大學(xué)（Hangyang University）的研究人員正在提議采用PILCD（pixel-isolated LCD）來提高柔性LCD的機(jī)械穩(wěn)定性（圖5和表2）。研究人員表示，3英寸PILCD是有可能實現(xiàn)的。由于液晶分子通過圖紋或相分離的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行像素分隔，因此LC排列是穩(wěn)定的，更加適合針對連續(xù)卷曲處理的設(shè)計。



但是，LCD無法在彎曲的基板上正常工作。在傳統(tǒng)LCD中，由兩個玻璃板夾住嵌入在非晶硅中的TFT層。采用柔性聚合物薄膜取代玻璃會影響LCD的圖像質(zhì)量。LCD圖像質(zhì)量取決于聚合物之間的單元間隙，這種影響會導(dǎo)致圖像變形，并出現(xiàn)由于角度不同而使得觀看效果差的問題。

OLED是另一種競爭技術(shù)（圖6）。OLED基于有機(jī)化合物的電致發(fā)光，它比LCD還要亮。OLED還可以提供更寬的可視角度和更快的響應(yīng)時間。與LCD不同的是，OLED不需要背光源，因此OLED比LCD更薄更亮。這些特征在眾多軍事應(yīng)用中至關(guān)重要，否則，士兵們就要背負(fù)沉重的電子設(shè)備了。



圖6：OLED由夾在兩塊薄膜導(dǎo)電極之間的有機(jī)薄膜組成。當(dāng)對該結(jié)構(gòu)施加電壓時，電荷載體從電極被注入有機(jī)膜，并在電場的作用下穿過顯示設(shè)備。然后電荷載體重組以形成空穴對，空穴對通過電磷光材料發(fā)光。

OLED最大的特點之一是低功耗。雙穩(wěn)態(tài)OLED僅在處于開狀態(tài)時才消耗功率，這意味著它擁有更低的功耗和更長的電池使用壽命，顯然，對于便攜式電子設(shè)備而言，這些都是極具吸引力的特征。此外，OLED也比LCD更加耐用。OLED的抗沖擊能力比塑料基板LCD強(qiáng)10倍左右，比玻璃LCD強(qiáng)100倍左右。

但OLED也有一些致命的缺點。它們需要可靠的防潮隔離層，因為將OLED放置在塑料基板上濕氣很容易透過。雖然最近OLED的使用壽命被提高了，但還是很有限（特別是藍(lán)光OLED）。并且，與LCD相比，OLED只有20,000小時左右（相當(dāng)于連續(xù)使用兩年）的有限使用壽命。



不過，成千上百家公司和大學(xué)的實驗室都在致力于開發(fā)基板材料和電子器件最合適的組合，從而實現(xiàn)柔性顯示器的大規(guī)模生產(chǎn)。例如，DuPont正在研究聚酯薄膜的使用。該公司在英國的Teijin工廠正在將針對柔性顯示器設(shè)計的基板系列與其相應(yīng)的電子器件整合在一起。