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                深度解讀:柔性顯示的未來趨勢

                中國投影網液晶拼接(LCD拼接)資訊  全球半導體產業博覽會  2020-7-29 10:46:18  編輯:晨陽  [ ]

                在過去的二十年中,LCD厚度變得越來越薄,重量越來越輕,并且尺寸越來越大。同時,LCD的顯示性能也在不斷提高,包括分辨率、顏色、對比度、亮度和刷新率等。LCD演進的下一篇章將是柔性顯示,它能為各種應用和產品帶來前所未有的益處和靈活性。
                  雖然液晶顯示(LCD)技術獲得業界廣泛采用已有二十多年了,但仍然占據現今顯示屏出貨量的90%以上。雖然各種替代顯示技術不斷出現,但LCD一次又一次地證明了它的多功能適應性和自我完善的能力。在過去的二十年中,LCD厚度變得越來越薄,重量越來越輕,并且尺寸越來越大。同時,LCD的顯示性能也在不斷提高,包括分辨率、顏色、對比度、亮度和刷新率等。LCD演進的下一篇章將是柔性顯示,它能為各種應用和產品帶來前所未有的益處和靈活性。

                柔性OLCD

                雖然柔性OLED現在已廣泛用于旗艦型手機和手表等產品,但到目前為止還沒有一種低成本的替代顯示技術,可以為需要大尺寸顯示屏幕的主流應用(例如智能家居設備、車載顯示器和數字廣告牌)提供曲面顯示屏。然而,柔性有機LCD(OLCD)技術的最新發展為更廣闊的顯示市場開辟了一個新的設計維度。與玻璃基底的LCD不同,OLCD使用有機材料作為基底,而不是非晶硅(amorphous silicon)晶體管。生產這些有機晶體管所需的溫度要低得多,因此可以使用薄至40微米的柔性生物基底(例如三乙酰纖維素(triacetyl cellulose, TAC))。這樣就可以獲得貼合、可塑的輕薄OLCD,不僅無損其光學顯示性能,并且具有與玻璃LCD一樣的規模化擴展性。

                OLCD不僅可實現更具美感的產品外觀,其柔軟性還可以將邊沿折疊到顯示屏后面,以實現超窄邊框。這給筆記本電腦和平板電腦等應用帶來了巨大的好處,無邊框意味著相同尺寸的設備可實現更大的顯示尺寸。OLCD技術還能夠制造出具有真正像素級調光功能的超高對比度雙單元顯示(dual cell display),從而以極低的成本提供類似OLED的性能。與玻璃顯示屏相比,極薄的OLCD襯底在成本、視角和模塊厚度方面均具有優勢,同時還保留了各種應用所需的靈活性,比如表面集成式汽車顯示屏。

                這項新技術代表了顯示行業的一大進步,OLCD在亞洲地區已經進入大規模生產,并且首次在柔性襯底上同時制造出大屏幕和小屏幕。

                圖1:彎曲半徑為10mm的有機LCD。(圖片由FlexEnable提供)

                低溫制造

                從玻璃向柔性基底的轉變,將會帶來難以估量的巨大收益。從歷史發展來看,使用玻璃的原因有很多,包括其化學惰性、光學透明度,以及能夠承受300-500°C的耐高溫特性,這些都是構建硅基薄膜晶體管(TFT)所必需的。由于硅TFT生產中涉及的許多過程(退火、濺射、反應性離子蝕刻、離子注入和化學氣相沉積(CVD))都需要大量能源,使得高溫制造流程變得十分復雜。出于經濟和環境方面的考慮,業界需要更節能的生產方法,而OLCD正好提供了一種很有吸引力的替代方案,這要歸功于其前所未有的低溫制造流程(整個OTFT流程可以保持在100°C以下),因為它采用溶液處理工藝的有機TFT。除了降低了處理溫度之外,OTFT的制造過程還繞過了與硅相關的高能耗工藝流程。例如,可以使用簡單的溶液涂覆工藝來代替CVD。一下業界專家估計,從硅TFT轉移到蒸鍍OTFT可以將工藝流程的能耗降低數十倍,而使用溶液處理工藝的OTFT可以進一步降低能耗。

                低成本生物基底

                實際上,OLCD工藝的溫度非常之低,以至于可以選擇多種薄膜來作柔性襯底,包括生物基(非油基)和可生物降解(biodegradable)的薄膜。OLCD工藝使用一種透明的柔性薄膜,稱為 “TAC”—— 三乙酰纖維素(tri acetyl cellulose)。顧名思義,這實際上是一種纖維素,通常是由木漿制成 —— 換句話來說,TAC是由與紙張相同的天然原料制成的。實際上,作為食品包裝中塑料的可持續性替代品,纖維素膜的使用已經越來越普遍。

                TAC已在顯示屏產業供應鏈中使用了數十年,通常是在玻璃顯示屏兩側的偏光片中使用,你正在閱讀本文的顯示屏可能就采用了TAC。之所以使用TAC,是因為它具有優異的光學性能,而且制造成本低,現今每年制造的TAC薄膜高達數億平方米。

                在制造過程中,TAC膜會粘貼到平板顯示玻璃上。在這一工藝流程的最后,TAC可通過非常簡單的“釋放”過程從玻璃上撕下來,而無需使用昂貴的設備。這個簡單的流程是OLCD具有低成本的關鍵因素——不僅良率高,而且平板玻璃載體可以重復使用。由專業柔性顯示廠商FlexEnable開發的這種TFT工藝是迄今已經工業化量產的最低溫度晶體管工藝。低溫度不但可以節能,而且可以選擇多種基底材料。包括那些可持續的環保材料,從而可以降低柔性顯示屏幕的成本。

                高性能OTFT

                到目前為止,LCD一直在玻璃上使用以硬質陶瓷基材料制成的有源矩陣背板,這構成了晶體管技術的基礎。而低溫制造方法可以使用柔軟、靈活的有機材料來代替硬質陶瓷材料。

                使用高性能、高質量的有機材料一直是開發OTFT顯示設備的重點。用于制造OLCD的OTFT材料被稱為FlexiOM,這種材料最初由默克公司研制出來,后被FlexEnable公司收購。

                用于OLCD的有源矩陣背板至少使用三層FlexiOM。第一層是FE-S500,這是一種近乎無定形的半導體聚合物,能量紊亂程度比較低;其上一層是FE-D320,這是一種低k介電材料,可作為半導體的原始界面。最后的有機層是可交聯的介電材料(FE-D048X),可提高電氣魯棒性。當把它們放在一起進行處理時,可以實現最先進的性能,包括接近0V的閾值和大于106的開/關比。其場效應遷移率大于1.5 cm2/Vs,這個數值高于大多數TFT-LCD玻璃顯示中普遍使用的非晶硅TFT技術

                圖2:使用FlexiOM材料的OTFT背板橫截面。(圖片由FlexEnable提供)

                多種設計可能性

                LCD顯示屏廣泛采用,但其純平面的局限性使得設計人員從一開始設計產品就受到顯示屏幕的限制。電子產品通常要屈就顯示屏幕的平面特性來設計,這有點本末倒置。由于柔性襯底易于切割,因此使用這些襯底來取代玻璃便可消除這一設計約束,并提供了創建具有獨特顯示形狀和曲面顯示屏的諸多機會。

                智能家居設備

                不含玻璃的OLCD很容易加工為凸屏或凹屏,其向下彎曲的半徑可達10 mm,

                而不會影響顯示屏幕的韌性。例如,高端智能音箱型號現在帶有顯示屏,但是這些平板玻璃屏幕是集成顯示屏幕并使其融入整體產品設計之間的折衷方案。使用OLCD能夠使顯示屏設計成“環繞”音箱的形狀,從而創建全新的視聽用例效果。

                汽車顯示屏

                汽車應用為柔性OLCD提供了巨大的機會。現代汽車內飾設計往往以彎曲流線型為主格調,而一塊平坦的顯示屏卻影響了整體美觀。實際上,顯示屏幕通常是汽車內部唯一的平坦部份。這類應用對于曲面顯示的需求很大,但是目前還沒有可行的顯示技術完全符合要求。

                LCD已經在汽車應用中成功使用了很多年。盡管有著嚴格的要求(LCD業界為了滿足這些要求而定制出適用于汽車顯示部件的質量標準),但LCD行業已克服挑戰,并已成為汽車內飾顯示應用的默認選擇。任何柔性OLCD實施方案都可以建立在這個供應鏈基礎之上,通過使用現有部件使得為汽車市場引入新型顯示部件的工作不再困難。

                圖3. Novares于2019年將彎曲的OLCD屏集成到Nova Car#2中。(圖片由Novares提供)

                筆記本和平板電腦

                柔性OLCD的成本結構類似于玻璃LCD——除了玻璃外,它使用了許多相同的低成本組件,使得筆記本顯示屏的重量減輕了100g,厚度則減小了0.5mm。此外,OLCD還可以實現無邊框顯示屏,讓筆記本電腦和平板電腦具有更大的顯示屏,而不會增加重量。

                電視機和監視器

                液晶電視的成本較低,在電視市場上獨領風騷,但無法實現OLED電視的超高對比度性能。玻璃LCD技術的最新發展是通過將兩個LCD顯示屏彼此堆疊:形成雙單元LCD來提高LCD對比度。盡管這種方法顯著提高了顯示屏的對比度,但由于需要四塊玻璃板,使得顯示器變得厚多了,這也增加了模塊的成本,并且需要更亮的背光照明,亦無法提供真正的像素級調光功能。

                使用雙顯示單元OLCD技術可以克服厚度增加和缺乏真正像素級局部調光的問題。構建OLCD的TAC膜比玻璃薄了十倍,意味著這兩個顯示單元能夠以比電視的像素間距小得多的間距聚集在一起。另外,顯示屏架構變得更薄,并且能夠以更簡便的方式(與雙單元玻璃LCD或OLED相比)和較低的成本進行制造,并且具有更高的光學性能。

                數字廣告牌

                當顯示屏幕由玻璃制成時,重量就成為大型顯示設備的重要考慮因素,因為大型顯示器通常需要堅固的支撐架或框架,這限制了在建筑物內和物體頂部安裝玻璃顯示屏的位置和方式。OLCD技術在亮度、色彩性能、視頻傳輸速率和成本方面具備了LCD技術作為廣告賣點的全部好處,而其顯著優勢則是無需玻璃、輕薄且貼合。OLCD技術可以擴展到大尺寸顯示屏,甚至可以使大型數字廣告牌顯示屏與支柱、街道擺設、車輛外飾和零售店內飾融為一體。

                與OLED的比較

                過去幾年,業界已經向柔性OLED技術投入了大量的資金,特別是在亞洲地區,這讓業界考慮是否需要OLCD和OLED并存來解決柔性顯示應用需求的問題。通過仔細研究每種技術的制造和性能屬性,可以發現實際上它們針對的市場領域不同。柔性OLED顯示器在對比度、顏色和反應速度方面提供了出色的屏幕性能,但在使用壽命、成本和尺寸可擴展性方面存在限制。OLED屏幕的壽命與亮度成反比,因此它們不太適合同時需要高亮度和長壽命的應用。OLED還具有復雜的制造過程,從而導致較高的資產支出和材料成本,并帶來了很高的總體制造成本。最重要的是,其中數個工藝步驟使得柔性OLED難以擴展到大尺寸,因此它們的應用目前幾乎完全集中在旗艦智能手機和智能手表上。

                另一方面,OLCD的生產過程更簡單,其復雜性與非晶硅LCD相似,并且可以擴展到相同的大尺寸。所以可以使用現有的TFT / LCD生產線來制造OLCD,從而生產出像素密度、對比度、顏色和反應速度均與同類玻璃產品相同的塑料LCD。OLCD的制造成本也接近玻璃LCD,因為OLCD可以使用現有供應鏈中的許多組件,比如偏光片和背光模塊。最后,與任何LCD一樣,OLCD縱使亮度調得非常高也不會影響其使用壽命。綜合起來,這些特性使得合格的OLCD非常適合需要較大尺寸和/或較長使用壽命的應用,比如智能家電和消費電子產品、汽車、筆記本電腦和平板電腦,甚至電視和數字廣告牌。因此,OLCD和柔性OLED是相互補充的技術,兩者相輔相成,可以為顯示市場的所有主要細分市場帶來靈活性。

                顯示的未來是“柔性的”

                通過利用現有的LCD制造技術,現有的顯示制造工廠能夠迅速進行OLCD生產。更好的美學效果一直是電子產品早期接受者的主要購買動機,這驅使很多設計人員從平面屏轉向可彎曲的新型顯示技術,以實現新穎的顯示形狀和設計。

                從顯示制造商的角度來看,隨著越來越多的10.5代生產線投入使用,關閉或重新調整老式小型LCD生產設備用途的壓力將會越來越大。OLCD經過專門設計,可以利用舊的顯示屏生產線,以便可以快速轉向柔性OLCD制造,同時保留現有供應鏈中成本經過優化的環節。



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