【柔性顯示器】由薄型輕量到可粘貼
在身邊的所有物體上粘貼顯示器,在上面顯示影像,實(shí)現(xiàn)自由更換物體的外觀。例如,把家中的墻壁和地板換成森林浴式或海邊度假式。不只是墻壁和地板等平面,在家具、窗簾等表面凹凸不平或者柔軟物體的表面也可以粘貼顯示器。有望實(shí)現(xiàn)這種全新用途的顯示器技術(shù)正在開發(fā)之中。
可粘貼顯示器技術(shù)已經(jīng)以“薄型輕量、不易破裂”為目標(biāo)展開了開發(fā)。基板由玻璃板換成了合成樹脂(塑料)板 注1)。另外,未來通過把塑料板減薄至薄膜狀,也就是制成柔性基板,將實(shí)現(xiàn)除平面以外還可以自由改變形狀的“可粘貼顯示器”(圖1、表1)。
圖1:“可粘貼”的直視型顯示器的技術(shù)開發(fā)
可粘貼的直視型顯示器技術(shù)以“薄型、輕量、不易破裂”為目標(biāo)展開了開發(fā)。最近,把基板由玻璃換成塑料、TFT背板由硅類換成氧化物類和有機(jī)物類的顯示器逐漸開始實(shí)用化。將通過提高塑料基板、TFT背板、有機(jī)EL前板等的性能,實(shí)現(xiàn)可粘貼顯示器。
表1:2012年6月以后發(fā)布的主要開發(fā)事例
以“薄型、輕量、不易破裂”為目標(biāo)的可彎曲顯示器開發(fā)活躍。表中是2012年6月以后在學(xué)會(huì)和展會(huì)等發(fā)布的有源矩陣驅(qū)動(dòng)顯示器的代表性開發(fā)事例。*1為美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)。*2 2013年4月驗(yàn)證了25ppi有源矩陣驅(qū)動(dòng) 的發(fā)光,2013年秋預(yù)定開發(fā)100ppi顯示器。
注1)實(shí)現(xiàn)顯示器的薄型輕量化和曲面形狀,還有研磨玻璃基板使之變薄的方法。例如,臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院(ITRI)與美國(guó)康寧公司共同開發(fā)了在厚度為100μm的玻璃基板上,以卷對(duì)卷方式形成電路的技術(shù)。另外,還有像筱田等離子開發(fā)的曲面顯示器那樣,通過并列配置玻璃管構(gòu)成平面的產(chǎn)品。不過,要想實(shí)現(xiàn)能在任何形狀的物體上粘貼的薄型顯示器,還是塑料基板最合適。本文將對(duì)采用塑料基板的顯示器進(jìn)行討論。采用塑料基板的無源矩陣驅(qū)動(dòng)顯示器以前就存在,不過本文將主要聚焦適合高精細(xì)、高畫質(zhì)顯示的有源矩陣驅(qū)動(dòng)顯示器。
改變了形狀的顯示器方面,2013年韓國(guó)廠商接連上市了畫面彎曲的有機(jī)EL電視,但是彎曲畫面的形狀還是固定的。而可粘貼顯示器則能自由改變形狀,可粘貼在各種曲面上。
以反射型和自發(fā)光型為中心
可粘貼顯示器的前板(顯示方式)以反射型電子紙和反射型液晶,以及自發(fā)光型有機(jī)EL為主。這是因?yàn)?,這些方式無需像透射型液晶那樣使用背照燈,容易實(shí)現(xiàn)薄型輕量化和靈活性(圖2、圖3)。
圖2:“可粘貼”顯示器的要素技術(shù)選項(xiàng)
有多個(gè)選項(xiàng),其中前板采用反射型電子紙和液晶以及自發(fā)光型有機(jī)EL,背板采用氧化物TFT和有機(jī)TFT,基板采用塑料的顯示器開發(fā)比較活躍。
圖3:前板的比較
雖然僅限于單色顯示,不過在耗電量?jī)?yōu)先的用途,反射型電子紙占優(yōu)勢(shì)。而在彩色視頻顯示用途,無需背照燈、容易實(shí)現(xiàn)薄型輕量化、形狀靈活性也比較高的自發(fā)光型有機(jī)EL的開發(fā)很活躍。(圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)東芝的資料制作)
可根據(jù)用途選擇反射型和自發(fā)光型。彩色視頻顯示需求極有可能需要自發(fā)光型有機(jī)EL。中小型有機(jī)EL已經(jīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化,但大型產(chǎn)品方面,很多觀點(diǎn)認(rèn)為可靠性的確保依然存在課題。而只需單色圖片的用途則可使用反射型電子紙和液晶。另外,在重視低耗電量的用途中,反射型比自發(fā)光型更適合。
氧化物和有機(jī)半導(dǎo)體的開發(fā)日益活躍
另外,驅(qū)動(dòng)可粘貼顯示器的背板(TFT技術(shù))也有多種選擇。有非晶硅(a-Si)、低溫多晶硅(LTPS)、InGaZnO等氧化物半導(dǎo)體以及有機(jī)半導(dǎo)體四種候選。其中,以在塑料基板上直接形成背板為目標(biāo),工藝溫度在350℃以下的氧化物TFT和有機(jī)TFT的開發(fā)比較活躍(圖4(a))。
圖4:背板的比較
工藝溫度在350℃以下的氧化物TFT和有機(jī)TFT的開發(fā)比較活躍(a)。氧化物TFT的載流子遷移率較高,適合驅(qū)動(dòng)自發(fā)光型有機(jī)EL。今后的課題是確??煽啃裕╞)。有機(jī)TFT的工藝溫度較低,在200℃以下。雖然載流子遷移率比無機(jī)類低,但驅(qū)動(dòng)反射型電子紙足夠了。(圖(b)為東芝的數(shù)據(jù))
氧化物TFT的特點(diǎn)是,載流子遷移率比較高,還可用于需要電流驅(qū)動(dòng)的有機(jī)EL驅(qū)動(dòng)。不過,亮度和色彩均勻性等會(huì)對(duì)畫質(zhì)造成影響的TFT可靠性還很低,今后需要加以改善(圖4(b))。
有機(jī)TFT的特點(diǎn)是,不但工藝溫度在200℃以下,而且容易實(shí)現(xiàn)溶液化,因此適合低價(jià)位的涂布印刷工藝。雖然載流子遷移率低于其他無機(jī)類,但驅(qū)動(dòng)反射型電子紙的話性能足夠了。
另外,柔性基板的候補(bǔ)除了塑料外,還有磨薄的玻璃和金屬箔。但要想實(shí)現(xiàn)能貼在所有形狀的物體上的薄型顯示器,需要能夠彎曲的可變形塑料柔性基板。
電子紙率先實(shí)用化
采用這種柔性基板的顯示器率先從反射型電子紙開始實(shí)用化 注2)。最近,索尼為2013年度下半年實(shí)施驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的“Digital Paper”終端,配備了采用柔性基板的13.3英寸電子紙。背板利用a-Si TFT 注3)。索尼采用該技術(shù)并不是為了實(shí)現(xiàn)彎曲,而是為了實(shí)現(xiàn)薄型、輕量和不易破裂。
注2)英國(guó)Plastic Logic公司2011年9月在俄羅斯上市的電子書配備了基板采用塑料的電子紙。
注3)該柔性TFT基板由索尼進(jìn)行技術(shù)開發(fā),為實(shí)施量產(chǎn)把技術(shù)轉(zhuǎn)讓給了臺(tái)灣E Ink Holdings。由E Ink Holdings負(fù)責(zé)制造。
另外,為降低成本,背板采用適合印刷工藝的有機(jī)TFT的柔性基板電子紙也在加緊開發(fā)。凸版印刷于2012年夏季,試制出了全部采用印刷工藝的5.35英寸VGA(640×480像素)電子紙(圖5(a)),期待通過像紙制印刷物一樣制造電子紙來降低成本。此外,為了支持平板終端,現(xiàn)在凸版印刷正在試制10.7英寸的XGA(1024×768像素)電子紙。 [!--empirenews.page--]
圖5:有機(jī)TFT驅(qū)動(dòng)的電子紙
2012年夏季,凸版印刷試制了5.35英寸的產(chǎn)品(a)。2013年,凸版印刷與Plastic Logic公司共同開發(fā)了拼接16張10.7英寸的電子紙的42英寸顯示器(b)。((a)由凸版印刷拍攝)
其特點(diǎn)是,采用了載流子遷移率高的有機(jī)低分子材料。載流子遷移率為0.48cm2/Vs,確保了與a-Si相同的性能。低分子材料的溶液一般比高分子材料的溶液粘度低,因此轉(zhuǎn)印圖案的膜厚和形狀容易不均勻。凸版印刷通過優(yōu)化轉(zhuǎn)印速度和壓力等工藝條件,解決了這個(gè)課題?!耙丶夹g(shù)已經(jīng)取得眉目,因此今后將致力于生產(chǎn)技術(shù)的確立,計(jì)劃2015年實(shí)現(xiàn)實(shí)用化”(該公司)。
另外,該公司與英國(guó)Plastic Logic公司針對(duì)市場(chǎng)調(diào)查用途,共同開發(fā)了通過柔性基板實(shí)現(xiàn)彎曲、尺寸相當(dāng)于42英寸的電子紙,并在2013年3月的展會(huì)上進(jìn)行了展示。該產(chǎn)品拼接了16張10.7英寸的電子紙。背板的有機(jī)TFT基板在Plastic Logic公司的德累斯頓工廠制造(圖5(b))。
柔性基板液晶亮相
通過反射型挑戰(zhàn)視頻顯示的是日本長(zhǎng)岡技術(shù)科學(xué)大學(xué)工學(xué)部電氣系副教授木村宗弘。木村開發(fā)出了可用于視頻顯示的液晶柔性顯示器。他利用狹縫涂布機(jī)在PET(Polyethylene Terephthalate)基板上制作了IPS液晶單元。
該顯示器的特點(diǎn)是,無需使用配向膜即可穩(wěn)定保持液晶配向。由于無需形成配向膜的部材和裝置,不但能壓縮制造成本,還可省去配向膜的高溫?zé)Y(jié)工序,有望降低實(shí)現(xiàn)柔性基板顯示器的門檻。
一般情況下,如果不使用配向膜,液晶分子的配向就不整齊,導(dǎo)致圖像無法顯示。木村此次通過使液晶材料具備配向膜功能,只需涂布液晶材料就能自發(fā)統(tǒng)一配向 注4)。
注4)從噴嘴向水平移動(dòng)的基板噴出的液晶會(huì)被施加剪切應(yīng)力,因此液晶分子的配向能統(tǒng)一。不過,很快就會(huì)失去配向性。因此,為固定液晶分子的配向,為液晶材料添加了光聚合性液晶單體。通過在液晶涂布過程中發(fā)生光聚合反應(yīng),使單體實(shí)現(xiàn)高分子化,作為固定液晶分子配向的配向膜發(fā)揮作用。
木村繼IPS液晶單元之后,還試制了柔性液晶單元,采用高速響應(yīng)備受期待的藍(lán)相液晶*(圖6)。(記者:竹居智久、田中直樹)
圖6:可彎曲的藍(lán)相液晶單元
在PET薄膜基板上試制的、無需配向膜的液晶單元。只需用狹縫涂布機(jī)在薄膜基板上涂布液晶材料即可制作。加載電壓前,液晶整體為藍(lán)相遮光狀態(tài)(a)。加載電壓的過程中,藍(lán)相構(gòu)造瓦解透光,看起來發(fā)白(b)。(攝影:長(zhǎng)岡技術(shù)科學(xué)大學(xué))
*藍(lán)相液晶=藍(lán)相是液晶相的一種。利用該液晶相的液晶顯示器有望以低成本實(shí)現(xiàn)超高速響應(yīng)和廣視角化,因此相關(guān)研究開發(fā)非?;钴S。藍(lán)相液晶在加載電壓為零時(shí),液晶分子以向4個(gè)方向配向的“雙重扭轉(zhuǎn)圓柱構(gòu)造”存在,因此不具備光學(xué)各向異性。無需配向膜和被稱為摩擦處理的機(jī)械處理,液晶分子就向4個(gè)方向配向。通過加載電壓使之具備光學(xué)各向異性。