柔性电子显示技术浅谈
吴有宾机制0906 U200910657
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至折叠，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（paper—like electronic display)。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）、白光加彩滤光片法、微共振腔调法和多层堆叠法来实现彩化。
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晶体管(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，特别是大尺寸全彩动态图像的显示。目前，无源驱动型OLED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液晶显示技术显示器闪烁
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，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（CholestericLiquid Crystal Display，ChLCD）、顶点双稳显示（ZenithalBistable Display，ZBD）、铁电液晶显示（Surf
ace 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一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，黑区域和白区域的比率就会发生变化，即可调制出中间调。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。
2.2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，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
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球。双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，双球就会朝不同的方向翻转，而使像素显示不同的颜。这些旋转球可以由着的塑料通过机械的方法制备。图a是Sheridon推出了第一个电子纸原型器件，图b是Gyricon公司采用该技术推出了商业化Gyricon电
子纸。
2.2.2微胶囊型电泳显示器
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 , 将浮有白的正电性粒子和黑的负电性粒子的电泳液封装在直径几十微米量级的微胶囊中, 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, 正电性的白微粒将泳
至透明电极, 负电性的黑粒子涌向另一极, 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, 白微粒将泳至对面电极, 黑微粒涌向透明电极, 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, 实现更好的彩显示，以及实现更加方便、价廉的产业化生产。其中, 作为类纸媒显示器的关键就是实现柔性显示。如前所述, 电子墨水的显示面板, 即微胶囊电泳面板已经具备柔性的物理特点。因此, 实现柔性显示的主要问题集中在如何制造柔性的驱动背板。
2.3 电润湿技术
飞利浦实验室的RobertA.HayeS等报道了利用电润湿法(Electrowetting LightValves)可以达到视频显示的电子纸张技术。电润湿技术是亲油性固体和液体间的电压差导致润湿性方面的变化而引起的微流体运动。原理是利用控制电压来控制被包围的液体的表层，从而导致像素的变化。当没有施加电压时，有颜的液体与不透水且绝缘的电极外层间，形成一层扁平薄膜，就是一个有的像素点。当在电极与液体之间施加电压时，液体与电极外层接触面的张力会产生改变，结果是其原来的静止况态不再稳定，令液体移至旁边，造成一个部份透明的像素点，同时油被染上一种颜，从而显示出图
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