采用塑料电子技术制造的柔性显示器

摘 要：Plastic Logic公司设计并建造了一个采用有机半导体制造柔性显示组件（“塑料电子学”）的全尺寸制造工厂。这些显示组件具有重量轻、可弯曲、坚固的优点，并用于QUEproReader产品上――这是于2010年1月推出的一款专为商务人士打造的便携电子阅读器。

关键词： 塑料电子技术；柔性显示器；有机半导体

中图分类号：TN949.199文献标识码：B

Flexible Displays Made with Plastic Electronics

Seamus Burns

（Display Engineering, Plastic Logic, Ltd., Cambridge, UK）

Abstract: Plastic Logic has designed and constructed a full-scale manufacturing facility for flexible display modules fabricated using organic semiconductors ("plastic electronics"). These display modules are lightweight, flexible, and robust and are used in the QUEproReader, an e-reader device for mobile business professionals that was introduced in January 2010.

Keywords:plastic electronics; flexible display; organic semiconductors

引 言

许多年来，因为柔性显示器轻薄、坚固，使可折叠弯曲的显示器成为现实，所以具有良好的市场前景。这些产品和相关技术经历了长时期发展后终于开始进入主流，有些显示器技术，如电子墨水（E-ink）公司的那些技术以及SiPix成像技术，是在前6年成熟的，现已成为柔性显示的关键技术。通常提到的如电子纸（e-paper），这些技术的确包含了许多纸的属性，其反光、可弯曲，在图像更新期间不消耗能源（所谓图像稳定性）。由于其稳定的电、光特性，以及易于将此箔状的显示媒介（media）直接层压到显示器底板上实现集成，而大批量商业化。虽然这些显示技术主要用于硬质玻璃显示器，但是它们也打开了高分辨率柔性显示器应用之门。

除电子纸显示媒介之外，另一类复杂的部件，就是为制造高分辨率柔性显示器所必须的柔性有源矩阵。对于大多数快速刷新的高分辨率显示器，有源矩阵是不可或缺的：它是一种由电极和微电子开关构成的阵列，通常由一系列真空沉积和图形加工工艺制备而成。这些沉积薄膜、形成图形的工艺在玻璃上都能良好完成――的确，几乎所有手机、掌上电脑、液晶电视以及许多其它电子产品的显示器，采用的都是在玻璃基板上制备有源矩阵的工艺。然而，这些沉积工艺难以转移到柔性的塑料衬底上，这就成为实现柔性显示的一个障碍。

1柔性原型

自从1999年斯图加特大学的Ernst Lueder教授和他的团队在聚苯醚砜衬底上制造了柔性有源矩阵液晶显示器（AMLCD）以来，一些大学实验室和公司研发部相继推出柔性有源矩阵显示器的概念型产品。尽管对柔性有源矩阵产品已进行了大量研发，也存在着强烈的市场需求，然而该技术的产业化并非易事。柔性显示商用产品的个案非常少，不过，近几年一些技术正趋于成熟，因而有可能在不久的将来实现柔性显示的商品化。

近来，荷兰Polymer Vision公司出品了一种称之为“Readius”的产品，这是一款包含可卷曲的柔性电子纸显示器的美观新颖的电子阅读器。这个独特的产品当它的5英寸显示器卷起时只有口袋大小，这也是首台使用了有机物薄膜晶体管（TFT）的电子商品。然而，遗憾的是Readius尚未能与消费者见面。

另一种典型的接近商品化的方法是在硅基显示制造中所采用的工艺的再版。电子纸显示组件的先驱制造商――Prime View International，发明了一种被称之为EPLaR（Electronics on Plastic by Laser Release）的、基于激光照射的柔性显示工艺技术。一层十分薄的聚合物膜沉积在硬质衬底上，之后使用传统硅基工艺制造有源矩阵显示器，然后采用激光工艺将那层聚合物薄膜从硬质衬底上剥离下来。另一个正在开发柔性显示技术的公司是LG显示（LG Display），他们的柔性显示制造工艺采用了薄而柔性的不锈钢金属箔，这种材料能经受住硅沉积所需的温度，且掩模对准十分稳定。几年来，LG Display已经出品了外形尺寸不同的柔性电子显示组件，包括1,600×1,200分辨率、174ppi（pixel per inch）的12in显示器。此外值得一提的是AUO（友达光电）于2009年10月出品的使用SiPix电泳显示媒介的6in柔性显示组件，从而例证了柔性电子纸显示器，然而该公司对所用底层技术避而不谈。

2有机半导体

2000年从剑桥大学剥离出来而创立的Plastic Logic公司，一直致力于有机半导体技术的商业化，力图使TFT能印刷到柔性塑料上，以开创柔性电子学的新径。有机半导体实现柔性电子学依靠两点：第一，与硅不同，有机半导体能通过溶液法在室温下沉积，因而可使用柔性塑料作衬底材料，而相对于硅沉积，所需温度则会使塑料衬底熔化或变形；第二，有机半导体器件无需掩模对准亦能形成。传统的硅电子学要求一系列掩模板的序列对版工艺，这对于塑料衬底不是一个能简易实现的方法，温度偏移和溶剂吸收会造成不同掩模步骤之间衬底的变形。对于有机材料，采用印刷工艺则能克服塑料衬底的形变，从而能避免上述模板对准的问题。这是通过在每执行一步印刷，印刷头都在进行局部对准，因而能不断补偿失真。有机材料用于柔性电子学，更明显的优势则在于其内在的柔韧性。

Plastic Logic公司的工艺特色是有能力在柔性衬底上沉积高分辨率的电子元器件。其工艺温度等于或接近室温，所以所用工艺与廉价的塑料衬底材料是完全兼容的。其采用的典型的衬底材料是聚对苯二甲酸乙二酯，或称PET，PET是一种非常普通的塑料，可用于食物饮料容器的制造以及合成光纤。其沉积工艺的最小尺寸达到2μm，层对层对准精确度典型值为±5 μm，如图1所示。

超高分辨率的有源矩阵显示器，通常具有相当少量的连线。有源矩阵是由一些行电极和列电极围成的交叉格子，在每个交叉点上设置一个电子开关，通常为TFT（薄膜晶体管）。该晶体管用来给由显示媒介构成的电容器进行充、放电，以改变跨接在显示媒介两端的电压，继而改变该显示器件的光学状态。有源矩阵显示器具有理想的对各个显示媒介直接选址的能力，因而它能够达到最适宜的对比度和刷新率（仿佛显示媒介被立即驱动似的）。

对电子纸器件，为了达到这些要求，需要满足若干电学标准。TFT的“开态”电流要求足够高，以使在线选址期间内该像素都保持在开状态，即使关断该像素。此开态能力由晶体管的迁移率决定。TFT的“关态”电流要求尽可能的低，以便一旦栅极被关闭时仍能保持像素电压不变。达到低的关态电流要求稳定的TFT阈值，这由有机半导体和绝缘材料的纯度决定。所以工艺条件的控制是至关重要的。栅极泄漏，连同所有其它寄生的极间泄漏路径（例如源极到栅极的泄漏，源极到公共极的泄漏）都必须降至极小。具有高电绝缘击穿电压的无针孔的绝缘层是绝对必要的，它可以避免这些漏电路径。需要再次重申的是，严格控制工艺条件以及使用洁净的工艺环境是先决条件。栅线和源线需要充分“快”地传输电压的变化，这就要求栅线和源线具有高电导和低电容。正如前面讨论过的，为使电容最小化，这就要求尺寸精细、图形边缘清晰。另一个期望的特性是所有像素上具有低的、而且一致的跳变电压，这个跳变电压是当栅线关闭时引入的像素电极电压与数据线电压之差，它来源于栅电极和漏电极之间面积交叠而引起的寄生电容，为减小该参量再次要求精细的图形加工工艺。

上述工艺有能力制造面积足够大、分辨率足够高的用于电子纸显示的柔性有源显示器，其使用的有机半导体是一种聚芴基材料，可由溶液法生成，典型迁移率为 0.03cm2/Vs，它可使开态电流接近1μA。用此工艺制备的器件开关比达105～106，栅极漏电流小于10-11A。Plastic Logic制造厂生产的首台商用显示器，分辨率为1,280×960，尺寸为10.7in，像素密度为150ppi，足以满足具有灰度级的单色电子阅读器的应用要求。使用的显示媒质是电子墨水公司的Vizplex电泳箔，这种显示器被设计用来开发全对比度、快速响应的媒介，以适用于单色和具有灰度级的组件。图2所示为此种工艺制造的显示器的照片。

3一座新建的柔性显示器工厂

Plastic Logic公司在德国的德累斯顿建立了拥有全套制造设施的工厂，以便大批量生产高性价比的显示组件。德累斯顿是德国的高科技中心之一，坐落有大量的电子公司，其中许多为硅晶圆公司。这些公司的存在确保了对制造电子器件（如显示组件）必需的基础支持，同时提供了教育良好、经验丰富的劳动力。全自动化生产线的设备主要来自远东，通常但不完全来自平板显示产业。在许多情况下，公司有现货供应或仅少量需要定制。生产线设置在百级无尘操作间内，柔性PET衬底先绑定在硬质的玻璃载体上，通过批处理（batch process）方式完成产品所需的图形制作。衬底尺寸相当于3.5代线的母版尺寸，受一系列图形加工步骤的限制，每块母版上仅生产9枚有源矩阵显示器。在将显示面板分割之前，对这些有源矩阵的像素和连线进行测试，之后对这些显示器产品进行封装，使其在产品寿命期间，一直维持在恒定的湿度水平，并且确保其工作的一致性。柔性封装是可行的，因为有机TFT不像OLED或PLED器件那样，对氧和湿气不是非常敏感。接下来将高压显示驱动芯片与外部引线连结起来，这里的连接由各向异性导电膜（ACF）完成。最后再将触摸传感器压制于已含有光学涂层和紫外阻挡层的显示组件之上。

4QUEproReader阅读器

电子阅读器的出现能追溯到SonyLIBRIé，其于2004年，这是第一台带有电泳显示屏的电子阅读器，它被认为是奠基者而赢得了2005年SID显示器产品的年度奖项。自此以后，很多种不同尺寸、重量、用户界面和专用型电子阅读器陆续推出，其中多数主要用于图书阅读，通常附加有诸如存储、购买、下载等功能，用以辅助阅读。

图3所示为由Plastic Logic公司生产的QUEproReader的照片。QUE是专门为商务人士设计的阅读器，支持PDF、GIF、JPEG、PNG、BMP、ePub、txt文件格式和可打印格式，如Microsoft Office（2003/2007）、E-mail、日历、HTML（如地图）和RTF，进而具有能够使客户生成文件的文件柜的价值。它还配备有功能强大的工具，这些工具能够对内容实施交互与管理。此外，QUE店铺允许用户购买和下载商业的、专业的报纸、杂志和电子书，有权使用Barnes & Noble上超过100万本电子书，书和报纸内容能通过无线或蜂窝网络（3G版本）下载。

QUE被设计成区别于其它阅读器而瞄准商务市场，由于它不易打碎而成为独一无二的，超薄且质轻的塑料显示器。它的尺寸为8.5×11in，厚约1/3in，质量约为1磅。对于摔落或将物体坠落到显示器上的可靠性测试已经验证，它比玻璃基板产品具有更好的弹性。QUE也具有业界最大的电容式触摸屏。

5技术前景

未来的产品将要求更加尖端的显示器，这些尖端显示器充分发挥电子纸快速进化的特性，而这些未来产品正在由Plastic Logic和其它公司进行着研发。大多数公司都在攻克扩展该产品的彩色化性能，2011年全彩色电子阅读器将有望出台。目前Plastic Logic公司正致力于全彩色电子阅读器的柔性显示平台的建设工作。

彩色显示器比单色显示器有更高的ppi，这就要求其具有更优良的性能和更高的分辨率。反过来对有源选址器件就要求其具有更高导电率的栅线，更高性能的TFT，以及更精细的图形加工水平。Plastic Logic公司正在英国剑桥的研发线上进行着针对下一代显示器的工艺开发，主要研究工作在于改善背板性能和满足这些更高性能的要求。下一代TFT器件正采用一种新型有机半导体材料，其迁移率可达到接近非晶硅的水平。采用改进的工艺，可在每英寸上制造出更多像素，同时满足彩色化和TFT性能要求的显示屏。一旦在研发线上得到充分验证，这些材料和工艺将被转移到制造厂，在那里它们将通过扩产、检验，最终纳入显示器制造过程。

柔性显示当前还是处于一种相对初期阶段的技术，从开发有机TFT的可能性到运用于更常规电子产品的制造，尚存在着巨大的潜在发展空间。塑料衬底能用于制作日益增多的系统级电子元件，无论是通过直接连接分立元件，还是通过印刷电子电路去替代硅基高压显示驱动芯片。后者已于2004年被Polymer Vision（之后的荷兰飞利浦研究所）从概念上予以证实，他们把栅驱动显示电路部分集成到柔性显示器的周边。这预示着，有机TFT最终将有望具有足够的能力去稳定地驱动电流驱动型的显示器件，例如商品中的OLED和PLED，不久，采用全印刷工艺制造出带有周边集成高压驱动器的柔性发光型显示器将成为可能。为了实现这种可能性，需要克服巨大的挑战。然而，由该领域已留下的发展印记来看，不难设想在近十年内即可实现。

这就更不用说在非显示应用领域也可能使用的印刷电子技术。RFID是期望应用的方向之一，此处仅需少量的驱动栅线，使用硅电路就显得很不经济。柔性塑料传感器是另一个可能的应用方向，其结构类似于有源矩阵显示器。其它更多的应用可能是一些“一次性”用完即可丢弃的电子产品或可动态配置的电子元件。

6结论

十年前塑料电子技术还是一块初开垦的处女地，只集中在一批大学和公司研究所里进行着材料研究。而今，这种技术已呈现出有可能制备出尖端显示产品的趋势。要不了几年，我们能切实期望在该领域的商品化方面，会有进一步的重大进展。

作者简介：Seamus Burns，Plastic Logic公司显示工程部主任，E-mail：。

（南开大学光电子所杨明

译自《Information Display》 02/10

校对：南开大学光电子所熊绍珍）