应用日增的柔性显示技术

经过二十多年的深入研究和测试之后，柔性显示器市场即将起飞。研究人员曾力图找到柔性玻璃、聚合物、金属箔基板和薄膜晶体管（TFT）背板的最合适的组合，即能够让柔性显示器走向商用的组合。最终，他们开始利用玻璃的阻隔性能来生产薄而清晰的柔性基板。

预期的大众市场应用包括替代报纸、书籍和杂志中的纸、销售点（POS）终端设备、室内外标志牌、智能卡以及零售货架标签。这种技术在汽车市场中的潜力尤其巨大，涉及挡风玻璃、仪表板、保险杆标签、车内装饰、GPS和其它信息娱乐功能。

据市场研究公司iSuppli公司预计，柔性显示器市场有望从现在的几乎为零发展到2013年大约3.38亿美元。市场分析公司NanoMarkets预计，到2008年纸状显示器市场将达到6.68亿美元，但大多数电子纸显示器是刚性显示器，而非柔性显示器。在通常被称为电子墨水（e-ink）的电子纸技术中，覆盖在柔性基板材料上墨水层具有电性能。

如何选择材料

柔性显示器生产商正在研究利用制造刚性显示器（如LCD）的现有工艺来制造低成本柔性显示器。此外，他们还正在研究塑料、柔性玻璃、金属箔和聚合物等柔性基板材料，以及电子墨水（电泳）、LCD、有机LED（OLED），甚至PLED等显示材料。

不过他们却发现，从用于IC和显示材料制造的传统刚性基板转向柔性基板并不容易。许多柔性材料无法耐受制造刚性显示器时的处理高温。没有哪种材料能够在制造过程中同时满足基板和电性能的要求。这种可弯曲的材料无法可靠地工作在高温下并且不受压力的影响。此外，还需要能够在高温下可靠工作，且不受压力影响的薄片粘合剂。

这种技术通常会与电铬显示器（另一种电子墨水）相混淆。E Ink公司市场营销及策划总监Dave Jackson介绍道，电泳显示器是通过在电场中移动带电的彩色粒子群来工作的。与之相反，电络显示器包含通电时会变色的化合物。

以上两种显示器都能够产生反射，并且在保存图像时无需耗费功率。但是电铬显示器通常需要大量功率来驱动变色效应，这使得其能效不及电泳显示器。

迄今为止，印在钢性塑料基板上的电泳墨水已经在通常被称为电子纸显示器（EPD）的设备中取得了巨大的商业成功。作为业内先驱的E Ink公司已经持有许多电子墨水技术的专利。EPD基板是由多个微小的腔袋（pocket）组成，腔袋中包含悬浮在不透明液体中的带电粒子。

电泳显示器是一种通过施加的电场重排列带电颜料粒子来形成可视图像的信息显示器（图1）。由于其具有纸状外观和低功耗特性，因此被视为电子纸的经典例子。



在最简单的电泳显示器中，直径约为1mm的二氧化钛粒子被散布在碳氢油中。黑色染料、表面活性剂以及使粒子带电的电荷控制剂也被加到碳氢油中。这种混合物被放置在两块间距为10~100mm的平行导电板之间。

当对两块导电板加电压时，这些粒子会以电泳的方式从所在的薄板迁移到带有相反电荷的薄板上。当粒子位于显示器的正面（显示面）时，显示屏为白色，这是因为光通过二氧化钛粒子散射回阅读者一方。

当粒子位于显示器背面时，显示器为黑色，这是因为彩色染料吸收了入射光。如果将背面的电极分成多个微小的图像元素（像素），通过对显示器的每个区域加上适当的电压来产生反射区和吸收区图案，即可形成图像。

商用电泳显示器的例子包括用于Sony Librie、Sony Reader以及iRex iLiad电子阅读器的高分辨率有源矩阵显示器。这些显示器都是由E Ink生产的电泳影像薄膜制造的。此外，Motorola Motofone也使用这一技术来实现其出色的超薄特性。

Sony Librie是首款采用EPD的商用产品。这个电子阅读器于2004年4月在日本发布，采用了E Ink的影像薄膜EPD。VIT正在利用E Ink的EPD技术制造欧洲的交通标志。Neolux和Midori Mark则在其零售标签应用中采用了这一技术。许多手表和时钟公司也已经采用E Ink的技术开发出新的产品概念。

最近，总部位于荷兰的Polymer Vision公司推出了一款基于E Ink公司技术的电子书阅读器。这款5英寸（13cm）的可卷曲显示器名为librofonino，附带一个蜂窝连接。Telecom Italia将于今年在意大利市场引入这款产品。

Plastic Logic公司正致力于研制采用E Ink影像薄膜和新兴印制背板制造工艺的柔性全塑料显示器。该公司最近与Innos公司联手打造了全球首家基于有机半导体的可卷曲显示屏生产厂。

塑料本身并不是非常适合柔性显示器。塑料要求相对较低的生产工艺温度，该温度通常比显示材料工艺中所用的温度低得多。在塑料材料的特性和显示器材料的制造工艺要求之间寻求适当的平衡相当困难。像柔性玻璃和金属箔片这样的备选方案更具吸引力。

不过，由于塑料应用得十分普遍，许多公司仍在寻求适合制造柔性显示器的塑料材料。Plastic Logic在柔性全塑料显示器中尝试采用E Ink的影像薄膜和独特的印制背板制造工艺。该公司改进了有机TFT背板沉积工艺，这种工艺完全符合极低玻璃化转变温度和低成本塑料基板等要求。

其它成就则在印刷墨水方面。Bridgestone的电子液体粉双稳态图像技术有望媲美柔性显示器中的LCD。该公司的快速液粉显示器（QR-LPD）原型具有0.29mm的厚度和200ms的快速响应时间。

但EPD的刷新速率还有待提高。对于通常需要15ms刷新速率的视频播放而言，100~500ms的刷新速率无法满足要求。有源矩阵LCD的刷新速率在10~50ms，而OLED更快，可达到100us左右。不过研究人员表示，他们正在力图提高EPD的刷新速率，未来有望达到100ms。



Imaging Systems Technology则以一种截然不同的方法来实现等离子体。该公司最新的平板显示技术利用气体将微球体（等离子体层）压缩成像元（pixel element）。等离子体层由包含电离气体的压缩玻璃壳组成，可以沉积在几乎任何显示尺寸的刚性和柔性基板上（图3和表1）。由于等离子体层本质上是充当电容器，因此它们在刷新时无需任何功率。



大尺寸LCD的最新进展[!--empirenews.page--]

许多显示器专家都认为LCD很有可能在具成本效益的大尺寸柔性显示器中取得成功（图4）。目前所取得的许多进展巩固了这一观点。例如，韩国三星公司（Samsung）已经制造出采用非晶硅TFT技术的5英寸LCD面板原型。此外，日本富士通公司（Fujitsu）也推出了两款（黑白和彩色）3.8英寸胆固醇LCD柔性面板。



另一方面，惠普实验室（HP Laboratories）已经设计出一款EPCN（electrophoretically controlled nematic）柔性LCD原型。该器件采用塑料基板上的双稳态无源矩阵彩色LCD。与在每个液晶像素中嵌入TFT的有源矩阵显示器不同，这款原型不需要进行刷新。因此一旦需要它便可记住其开和关状态。

韩国汉阳大学（Hangyang University）的研究人员正在提议采用PILCD（pixel-isolated LCD）来提高柔性LCD的机械稳定性（图5和表2）。研究人员表示，3英寸PILCD是有可能实现的。由于液晶分子通过图纹或相分离的微观结构进行像素分隔，因此LC排列是稳定的，更加适合针对连续卷曲处理的设计。



但是，LCD无法在弯曲的基板上正常工作。在传统LCD中，由两个玻璃板夹住嵌入在非晶硅中的TFT层。采用柔性聚合物薄膜取代玻璃会影响LCD的图像质量。LCD图像质量取决于聚合物之间的单元间隙，这种影响会导致图像变形，并出现由于角度不同而使得观看效果差的问题。

OLED是另一种竞争技术（图6）。OLED基于有机化合物的电致发光，它比LCD还要亮。OLED还可以提供更宽的可视角度和更快的响应时间。与LCD不同的是，OLED不需要背光源，因此OLED比LCD更薄更亮。这些特征在众多军事应用中至关重要，否则，士兵们就要背负沉重的电子设备了。



图6：OLED由夹在两块薄膜导电极之间的有机薄膜组成。当对该结构施加电压时，电荷载体从电极被注入有机膜，并在电场的作用下穿过显示设备。然后电荷载体重组以形成空穴对，空穴对通过电磷光材料发光。

OLED最大的特点之一是低功耗。双稳态OLED仅在处于开状态时才消耗功率，这意味着它拥有更低的功耗和更长的电池使用寿命，显然，对于便携式电子设备而言，这些都是极具吸引力的特征。此外，OLED也比LCD更加耐用。OLED的抗冲击能力比塑料基板LCD强10倍左右，比玻璃LCD强100倍左右。

但OLED也有一些致命的缺点。它们需要可靠的防潮隔离层，因为将OLED放置在塑料基板上湿气很容易透过。虽然最近OLED的使用寿命被提高了，但还是很有限（特别是蓝光OLED）。并且，与LCD相比，OLED只有20,000小时左右（相当于连续使用两年）的有限使用寿命。



不过，成千上百家公司和大学的实验室都在致力于开发基板材料和电子器件最合适的组合，从而实现柔性显示器的大规模生产。例如，DuPont正在研究聚酯薄膜的使用。该公司在英国的Teijin工厂正在将针对柔性显示器设计的基板系列与其相应的电子器件整合在一起。