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1、柔性电子显示技术浅谈吴有宾机制 0906U200910657摘要:现代显示器技术目前已经经历了三代的发展，阴极射线管显示器具有体积庞大、能耗高、发光闪烁等缺点，等离子体显示器能耗也较高，而且不具有 柔性。近年来，液晶显示器与薄膜电发光平板显示器逐渐在竞争中占据优势，但 是它们使用的都是被动光源，并有视角小、响应速慢、工艺复杂、制作成本高等 不足。柔性显示技术主要应用柔性电子技术，将柔性显示介质电子元件与材料安 装在有柔性或可弯曲的基板上，使得显示器具有能够弯曲或卷曲成任意形状的特 性，有轻、薄且方便携带等特点。柔性电子显示器(flexible electronic display) 是在柔性电
2、子技术平台上研发出来的全新产品。相比而言，柔性电子显示器具有 无可比拟的优势，它就像报纸一样，在需要时将其展开，使用完毕后将其卷曲甚 全折叠，在保证携带方便的同时充分的兼顾了视觉效果。柔性电子显示器的样品 目前已研制成功，相信离进入市场已为时不远.值得一提的是，柔性电子显示器 采用更多的轻质有机材料取代无机材料，所以其重量比传统显示器轻，这种特性 有利于提高其便携性。此外，高分子有机材料的使用为降低成本提供了可能性。 另外，柔性电子显示器具有薄厚度的特点，其厚度可以远远小于目前流行的液晶 显示器，所以柔性电子显示器的另一种名称就是纸状电子显示器(paperlike electronic dis
3、play)。本文旨在通过当前柔性电子在显示领域做出的成绩，涉 及的相关知识技术以及未来发展研究方向做一个简略的探讨。关键词：传统显示技术柔性电子显示技术挠性视觉效果便携纤薄1. 柔性显示实现的关键技术1.1OLED 技术OLED是指有机半导体材料和发光材料在电场驱动下，通过载流子注入和 复合导致发光的现象。其原理是用ITO透明电极和金属电极分别作为器件的阳极 和阴极，在一定电压驱动下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子和空穴传 输层，电子和空穴分别经过电子和空穴传输层迁移到发光层，并在发光层中相遇， 形成激子并使发光分子激发，后者经过辐射弛豫而发出可见光。辐射光可从ITO 一侧观察到，金属电
4、极膜同时也起了反射层的作用。根据这种发光原理而制成 显示器被称为有机发光显示器，也叫OLED显示器。LED用红、蓝、绿像素并置 法、转换法(Color Conversion Method，CCM)、白光加彩色滤光片法、微共振 腔调色法和多层堆叠法来实现彩色化。基板根据驱动方式的不同，OLED器件可以分为无源驱动型（又称被动驱动PM, PassiveMatrix）和有源驱动型（又称主动驱动AM，AetiveMatrix）两种。无源 驱动型不采用薄膜品体管（TFT）基板，一般适用于中小尺寸显示;有源驱动型则采 用TFT基板，适用于中大尺寸显示，特别是大尺寸全彩色动态图像的显示。目前， 无源驱动型O
5、LED技术已经比较成熟，商业化的产品都是无源驱动型;有源驱动型 OLED技术发展很快，但还需要几年的时间才能推出商用产品。OLED制备过程中的关键工艺技术，其中包括ITO基片的清洗和预处理、阴 极隔离柱制备、有机功能薄膜和金属电极的制备、彩色化技术、封装技术。OLED具有自发光、低功耗、响应速度快、视角宽、分辨力高、宽温度特性、 高亮度、高比度、抗振性能好、耗等性能，并且抗弯曲能力强，非常适合作柔性 显示器件。OLED适用于对显示效果要求高的便携产品及军事等特殊领域。2. 电子纸技术电子纸技术实际上是一类技术的统称,其显示效果接近自然纸张效果，免于阅读 疲劳，具有像纸一样阅读舒适、超薄轻便、可
6、弯曲、超低耗电的显示特点。目前 实现电子纸技术的途径主要包括有液晶显示技术、电泳显示技术（EPD）以及电 润湿显示技术等。2.1液晶显示技术液晶是指在某一温度范围内，既具有类似液体一样的流动性和连续性又具有像晶 体一样各项异性的物质。当电流通过液晶层，液晶分子将会以电流的流向方向进 行排列，如果没有电流，它们将会彼此平行排列。即液晶层能够使光线发生扭转， 液晶层的表现有些类似偏光器，除了某些从特定方向射入的光线之外，能够过滤掉所有其他光线。液晶技术用于电子纸的优点在于其成熟的制造工艺和较容易实 现彩色，其缺点在于对比度低、可视角度范围小。目前，已开发出的液晶显示器有 胆甾型液晶显(Choles
7、tericLiquid Crystal Display， ChLCD)、顶点双稳显示 (ZenithalBistable Display， ZBD)、铁电液晶显示(Surface StabilizedFerroelectric Liquid Crystal Display， SSFLCD)、聚合物分散液晶显示(Polymer Dispersed Liquid Crystal Display， PDLCD)、向列相液晶显示(Nematic Liquid Crystal Display， NCLD) 等。2.1.1胆固醇电子纸胆固醇液晶主要是由多层向列型液晶(nematic)堆积所形成，在多层向列
8、型液晶 中加入旋光液晶分子(chiral molecule)，会使多层向列型液晶各层分子的长轴 方向渐次相差一个角度旋转而成螺旋状，这种结构跟胆固醇分子相似，因此称此类液晶为胆固醇液晶。2.1.2.双稳态扭曲向列型液晶显示器(Bi TNLcD)Bi 一 TNLCD的显示原理如图所示，底板间的液晶分子保持力不一致，当长 时间施加某一额定电压时，液晶分子会相对于底板呈垂直竖立状态，在此状态 下，若将电压值急速降至零，强保持力底板周围的液晶分子便会拉向倒下的方 向，而弱保持力底板周围的液晶分子则呈反方向倒下，此外处于底板中间位置 上的液晶分子则会产生扭曲角度。如果分两步进行缓慢解除加电状态操作，液
9、晶分子便会因弹性能力减弱而倒向同一个方向，不会产生扭曲角度。在这两种 状态下，一种显示为黑，另一种则显示为白，基本上形成了双稳态显示61。通 过在第二步改变解除电压时的幅度，黑色区域和白色区域的比率就会发生变化， 即可调制出中间色调。图为NemoPtic公司于2007年SID大会上推出的A4尺 寸的高分辨率电子纸模型，该电子纸的厚度小于2毫米，分辨率达到200dpi， 像素为1650x2340，刷新率小于1秒。PolarizerTp substrateITOPolyimide anchoring layer4BiNem liquid crystal mixturej BiNem anchori
10、ng layerIT0BoKom substraleReftectrve polarizerNemoptic公司的Bi-TNLCD结构示意图Fig 1.4 Structure of a BiNem celt2.2电泳技术电泳显示器(Eleetrophoreticoisplays)是基于悬浮在分散介质中的带电粒 子的电泳现象而制成的一种非发射性的装置，以这样一个电泳单元为一个像素， 将电泳单元紧密排列构成显示平面，根据要求像素可显示不同的颜色，其组合 就能得到平面图像。电泳显示器具有高对比度、省电、轻、薄、可弯曲、便 携带等显著优点。最早的电泳显示技术是由Xerox公司Pal于Alt。中心的研究
11、 人员Nicholassheridan在1974年发明的扭转球型电泳显示器9。其研发的目 的是为了解决于CRT显示器亮度不够、对比度差的问题。该技术由于缺少Xerox 公司支持存在成本高、使用寿命差等问题而陷于停顿，直到90年代才又重新开 始这一题的研究。早期研究l0 一 l2的电泳显示器一般采用非间隔型，即平面矩阵式的电极群 同拥有一个电泳室(cell)。这种结构主要有三个缺点，首先由于单个电泳室含 电泳粒子较多，使得悬浮体系动力学稳定性较差;其次单个电泳室难以制成 性显示器;第三，由于电泳室的尺寸大，粒子要穿过相当长的距离，导致响 时间较慢。这些缺点严重阻碍了电泳显示器的应用。为此，人们尝
12、试把电泳 用各种方法分隔成细小的微腔以抑制电泳粒子的团聚、结块。根据电泳室的 隔方法分为微胶囊型和机械方法压模型，其代表分别为E 一 ink公司的微胶囊 电泳显示器和sipix公司的微杯型电泳显示器。目前市场上具有明显优势的电泳 显示技术是由麻省理工学院媒体实验JosephJacobson所发明的微胶囊型电泳显 示器”。电泳微粒被包覆在独立的微胶囊中，大大减少了微粒之间的碰撞和相 互作用力，可有效阻止微粒的聚集和沉降。根据这种技术研制出来的产品兼有纸 张那样优越的微薄度、柔韧性、高对比度和电子显示器的相关特性。电泳显示主要有以下几类技术：1.扭转球型电泳显示器；2.微胶囊型电泳显示 器;3.微
13、杯型电泳显示器;4.快响应电子粉流体显示器。2.2.1扭转球型电泳显示器扭转球型电泳显示器(RotatingBiehromalBallnisplay)的结构如图所示 41, 显示器的底板、面板均为透明电极，电极之间为具有矩阵微孔的橡胶弹性体。 橡胶弹性体的微孔中充满了绝缘的油性液体，液体中分散着和其比重非常接近 的黑白双色球。双色球是由两种不同的材料构成，其在油性介质中产生不同的 界面电势，从而使双色球的两端带不同的电荷。当给像素的电极加上不同极性 的电压时，双色球就会朝不同的方向翻转，而使像素显示不同的颜色。这些旋 转球可以由着色的塑料通过机械的方法制备。图a是Sheridon推出了第一个
14、电子纸原型器件，图b是Gyricon公司采用该技术推出了商业化Gyricon电 子纸。Fig 1,9 a) The first prototy pe of e-paper in worldb) E-paper made by Gyricon2.2.2微胶囊型电泳显示器CrossSection of Electronic-Ink Microeapsules _ Bottom ElectrodeDark StateLight StatePositively - charged whittr pigment chipsClear FEuid-Negatively Charged black pigm
15、ent chipsTbp Transparent Elecfrcxte.,E 刮伽h. 2MZ 巾祯杵 林 d/3*n E- to Wst7iKgri pws&林e 萌帆困l.!0E2nk显示器的显示原理Fig 1.10 Operational principle of E-ink Display电子墨水电子纸是指美国Eink公司开发的微胶囊电泳显示器 (MicroencapsulatedElectro-phoreticDisplay)电泳显示早在 20 世纪 70 年代 就开始研究，至今已经30多年。这种显示方法基于电泳原理，将浮有白色的正 电性粒子和黑色的负电性粒子的电泳液封装在直径几十微
16、米量级的微胶囊中， 并固定于上下两个平行平板电极之间，其中一个为透明电极。向一个方向施加电 场，正电性的白色微粒将泳至透明电极，负电性的黑色粒子涌向另一极，从而 使观察者可以看到散射的光线，获得亮视场；向相反方向施加电场，白色微粒 将泳至对面电极，黑色微粒涌向透明电极，吸收入射光线，从而使观察者获得 暗视场。通过交替施加电场，就可以实现黑白态显示。目前的电子墨水产品已经 实现轻、薄、无需背光源、柔软、较高的对比度。另外由于电泳现象的物理机制， 当带电微粒泳动到某个电极附近之后，可以自行维持住一段时间，因此基本实 现了超低功耗，是非常理想的类纸媒显示器。当前电子墨水电子纸的主要技术突 破方向有：实现柔性显示，实现丰富灰度，达到可实用于动态图像显示的响应 速度，实现更好的彩色显示，以及
