柔性电子制造技术基础文献综述

《柔性电子制造技术基础文献综述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《柔性电子制造技术基础文献综述（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、胆甾型液晶(CLC)与ITO透明导电薄膜实现柔性显示姓名：long 班级：机械设计制造及其自动化10XX班 学号：U2010XXXXX 【内容摘要】最近各大智能手机厂商竞争越来越激烈，除手机之外各种可穿戴性 智能终端也在不断发展。部分公司推出“柔性屏” (OLED)手机，其实只是屏幕有 着固定的弧度的手机而已。随着技术的不断成熟，真正的柔性显示必将改变我们 的生活。本文综合了各科学工作者的研究，对胆甾型液晶显示技术进行归纳和总 结。采用 CLC 微胶囊产品制备的 PSCT 薄膜，并与 ITO/PET 透明电极结合，制 备胆甾相液晶显示器件。在直流稳态电压驱动下，显示器件实现了反射式、双稳 态、

2、彩色显示效果。【关键词】胆甾型液晶(CLC)；柔性显示；微胶囊；ITO； TCO1、胆甾型液晶显示技术胆甾型液晶材料具有螺旋状结构和双稳态特性【1-3】，其近期的研究热 点聚焦于反射式显示，逐渐成为电子纸等柔性显示技术的关键技术和材 料之一。肯特大学研究人员提出的聚合物稳定胆甾型液晶显示模式，改 善了胆甾型液晶的化学稳定性，推动了其在显示领域的应用【4-8】。1.1 胆甾型液晶显示技术的优势作为一种反射式显示技术，胆甾型液晶显示可采用无源矩阵方式进行驱 动，不需要背光源和偏振片。若需要获得彩色显示，可以通过添加不同螺距 的旋光剂获得不同波长光的反射，而不需要彩色滤光片。不管是传统的电子纸技术还

3、是新型的 OLED 显示，都只能基于主动显示 的特性进行产品应用环境的设计；但液晶由于自身不发光，因此可以设计为 反射显示模式，这已经在普通液晶显示的产品中得以实现。反射模式使胆甾 型液晶产品能够在室外及光线较强的环境下使用，而无需调高亮度，可以实 现产品低功耗、长续航时间的使用【9】。1.2 胆甾型液晶显示研究在胆甾相液晶显示过程中，如何形成稳定的多畴分布是实现双稳态显示 的技术关键【10】。在SID2011会议上，台湾的C.Liang等发表了关于低成本、 全彩色、低电压以无串扰驱动的胆甾型 QVGA 液晶显示器件，这是目前最新 的研究成果之一【11】。为实现低成本的目标，C.Liang采用

4、在柔性基板上以卷 对卷(roll to roll)工艺进行器件制备，器件采用单层结构，如图1.2.1所示。6二312 2 I45L展板2电扱一啜戕型懑品必Ml隔壁;氐附着Q图 1.2.1在此之前，Y.A. Sha 12】等以聚合物体锚泊作用为基础，以聚合物体锚泊作 用为基础，结合栅栏分散作用和聚合物致稳作用制备的柔性PSCT显示器件。首 先采用光聚合的方法得到规整的栅栏，然后将聚合物和液晶混合均匀后注入到栅栏之间的空隙，之后通过相分离方法在每个微格内形成稳定的 CLC 多畴分布， 最后经封装得到和纸张类似的胆甾相液晶显示器，器件结构如图 1.2.2 所示。 在该结构中，形成微格的聚合物栅栏主要

5、起到分散和保护的作用，使得液晶微滴 的大小、数量和位置完全可调控，而每个微格中分散到液晶内部的聚合物则起到 取向作用，使 CLC 液晶分子在体锚泊作用下形成稳定多畴分布。研究表明，与 单纯的表面取向作用相比，基于该方式的胆甾相液晶显示器具有更好的选择性反 射效果（色彩），其最大反射率由 17%上升到 25%。 1-Subtracti2. Electrode3. Aligrimnt Layer4. Polynner Wall5. CholesiBric Liquid Crystal + Dperied PtlymBi图 1.2.2Kent Display Corp.是当前开发柔性PSCT器件的主

6、导企业，其主要采用微 胶囊化方法来实现胆甾相液晶的固定和多畴稳态分布，进而在柔性聚碳酸酯基板 及纤维布基板上研制柔性液晶显示器件，器件结构如图 1.2.3 所示。基于该结 构，一方面利用聚合物的锚泊作用获取了稳定的多畴分布，另一方面使 CLC 被 有效地固定到聚合物体系中，降低了压力对显示效果的影响，防止了液晶在器件 挠曲过程中的流动，最终实现彩色、双稳态柔性显示。此外，通过控制、筛选液 晶微胶囊的大小，可以有效地改善显示器件的电光性能。研究结果表明，当采用 粒径为1217 Mm的CLC微胶囊，并控制单层中微胶囊为单层时，对光线的反 射率对比度最高可达到 40:1【13】。图 1.2.3此外，

7、 Fujistu 在 2005 年发布了胆甾相液晶彩色及单色电子纸显示器， Fuji Xerox采用有机感光体（OPC）和CLC微胶囊制备了光电寻址电子纸 （Photo-addressable electronic paper）。1.3 胆甾型液晶显示技术发展前景对于 CLC 微胶囊的研究，解决了液晶显示受压显示水纹现象的缺陷。随 着液晶电光效应的发现、电子显示技术的出现和不断更新，液晶微胶囊在电 致变色、显示技术上的应用才开始受到人们的关注，尤其是在柔性显示研究 上，液晶微胶囊化工艺表现出了显著的优势。胆甾型液晶的产品应用以富士通为代表，于 2009 年 3 月实现产品量产。该 类产品同其他

8、显示技术相比，主要在成本、彩色化以及显示模式等方面存在 差异。首先，成本是胆甾型液晶等柔性显示技术推广应用的障碍之一。成本 问题，归根结底还是技术问题。目前高端电子书的价格约在 400美元左右， 如果是柔性显示产品价格会更高；但在苹果iPAD的带动下，平板电脑密集上 市,国产 PAD 产品价格已低于1000 人民币。消费者在面临柔性和低价的选择 时，平板电脑的优势更明显。因此，如果成本问题不能得到解决，柔性的电 子纸产品将无法在激烈的中小尺寸显示市场中获得足够大的市场份额。随着 新的工艺的不断发展，相信很快便会解决成本问题，使CLC柔性显示技术得 到商业推广，从而彻底改变人们的生活。2、 IT

9、O 透明导电薄膜电子薄膜是微电子技术和光电子技术的基础，发展十分迅速，可用 于制作现代电子元器件、半导体单片集成电路、混合集成电路和微片电 路等。其中透明导电氧化物(TCO)薄膜由于兼具透明性和导电性两大特 性，发展尤为迅速，成为研究热点之一目前，研究和应用较多的高质 量 TCO 薄膜有 InO:Sn(ITO), SnO :F(TFO)和 ZnO:AL(ZAO)等，其电阻率 可低至10-4Q亦,研究主要集中在将TCO薄膜沉积在硬质衬底上，广泛 应用于平面液晶显示器、太阳能电池电极、节能视窗等。随着科学技术 的发展，越来越多的电子器件开始朝柔性化、超薄化方向发展，使得对 柔性 TCO 薄膜的需求

10、日益迫切。其中 ITO 有望在较低温度的衬底上制备 出质量较好的薄膜，因此，本文选择柔性ITO薄膜作为研究课题。2.1 几种透明导电薄膜的情况2.1.1碳纳米管(CNTs)碳纳米管的结构可以被看成是石墨层卷曲形成的空心筒结构【14】，见 图2.1.1它作为一维纳米材料，质量轻、六边形结构连接完美，具有许多 异常的力学、电学、光学及热力学性能；近些年随着纳米材料研究的深 入，其广阔的应用前景也不断地展现出来，尤其是CNTs优异的电学性能， 在研究领域倍受青睐.如今 CNTs 已成为一维电子器件材料的热门研究对 象。图2.1.1因其有着由于 ITO 的柔性与耐用性，现在正受到研究者们的重视。 但其

11、透光性依然不如ITO。因ITO的技术相对比较成熟，只是In的价格 较昂贵而造成成本较高。又因其柔韧性较差，所以在柔性显示方面应用 受到一定的限制。所以催生出碳纳米管等新型透明电子薄膜，以期替代 ITO。但，目前来看，随着各项技术的不断完善和新型柔性衬底的不断发 现，ITO还是有着很大的优势和不错的前景。2.1.2 导电高分子材料 PEDOTPEDOT 不仅电磁学性能优异、机械加工性能良好，而且电/化学性质 稳定、透明度较好、光电效率高和生物兼容性好等优点。因此，PEDOT成 为了生物传感器、光电器件、超级电容器、太阳能电池、吸波材料、超导 材料及信息贮存材料等的理想材料【15】。因 PEDOT

12、 尚属较新型材料，难免 有着些许的缺陷，比如透光率问题。在这里便不一一赘述。与这两种新型 透明导电薄膜相比较，技术相对较成熟的，而且性能较好的ITO透明导电 薄膜还是有着比较明显的优势。下面将具体介绍。2.1.3 ITO 透明导电薄膜InO :Sn（ITO）的电阻率很低，较薄的膜就可以获得相当低的面电阻； 23而且ITO又较容易蚀刻【,故可以较容易制备出边界光滑的精密图形;另 夕卜，ITO可以在较低温度的基底上制备出质量较好的薄膜；因此,ITO 直 是平板显示器中使用的 TCO 薄膜电极的首选材料。2.2 ITO 透明导电薄膜研究2.2.1 ITO 膜的透光原理ITO膜是n型宽带隙半导体氧化物

13、，其结构为InO :Sn（ITO），标准化23学计量比InO，禁带宽度3. 5eV,因此，它在可见光波段有高的透明性。 半导体氧化物其禁带宽度（即能隙）在E=3.5eV，所以可见光（1. 63. 3 eV）的能量不足以将价带的电子激发到导带，只有波长在紫外光以下才可 以。自由电子在能带间迁移而产生的光吸收，在可见光范围不会发生，所 以ITO膜对可见光为透明。典型的金属能隙很窄，其载流子浓度处于密集 状态，与光的交互作用很强。在可见光范围有反射和吸收，所以金属在一 般的状况下是不透明的。2.2.2 ITO 膜的导电原理ITO膜导电的主要因素是：（a）自由电子（载流子）密度大，载流子流 动性好，迁

14、移率大；（b）合适的掺杂，氧空位适当；（c）ITO膜晶体结构 规整。在导电原理中，一个重要因素是载流子。如果材料具备导电性，材 料内部必须有携带电荷的载流子与可供载流子高速移动的路径，使载流 子能够从价带迁移到导带产生电流，材料的导电率p可用下式来表示：p 二n ep其中：n为载流子浓度；e为电子之电量；p为载流子迁移率。当组成固 体的相邻原子之间的电子重叠的（交互作用）大，也就是轨域在空间的扩 张程度大时，载流子容易由一个原子位置移动到另一个原子位置，也就 是迁移率较大【17】。2.2.3柔性ITO-PET薄膜的设计由于有机衬底表面不同于玻璃衬底,在真空环境中放气率较大,而且 在溅射过程中粒

15、子对衬底的轰击又可能破坏其表面和内部结构 ,因此为 了保护有机衬底,同时增强薄膜与衬底的附着力,便于 ITO 薄膜沉积,我 们在有机PET衬底上预先沉积了一层扩散阻挡层一SiO膜层，SiO薄膜22 透明性良好， 对膜系的可见光区透射率并没有造成很大影响， 而且它与 y 有机衬底、ITO薄膜之间的结合力非常好，满足了我们对阻挡层的要求 【18】。根据前面分析可知， ITO 薄膜的光电性能受载流子浓度和迁移率限 制， 载流子浓度的提高有利于电导率的提高 ， 然而浓度过高 ， 会引起晶格 结构的畸变，严重影响载流子的迁移率。因此采用提高自由载流子浓度的 方法来降低 ITO 薄膜的电阻率是要以牺牲光学

16、性能为代价的。鉴于此， 我们在ITO膜层上增加金属膜层。显然， 在选择金属膜层的过程中最重要的就是高电导率。那么我们需 要的金属就必须具备低电阻，高透射率，并且要求成本不要太高，所以我 们把目光集中在金属银(Ag)上。Ag 与其它金属相比，在相同厚度的情况下，有较低的可见光吸收率， 在可见光范围的透光率比在近红外处要高。同时,Ag的传导率很高(电阻 率为6.7X10-5Q cm-i),方块电阻很低,故我们利用Ag作为金属层【。下 图为不同厚度Ag时，透射率及反射率曲线：图 2.2.1 不同中心波长处 Ag 厚度与透射率之间的关系中心液长師0血十中沁波长SOOrm-中心g 2000m反肘率死图 2.2.2 不同中心波长处 Ag 厚度与反射率之间的关系当厚度为