將引發(fā)新一輪電子技術(shù)革命的柔性顯示

■ 張建華

如今，顯示器已是人們獲取信息的重要視覺窗口，人們每天使用顯示器的時(shí)間可能已經(jīng)超過了睡覺的時(shí)間。為了追求更好的視覺效果，人們對高清、大面積的顯示器有著極大的需求，但這又給人們帶來了新的困擾，大面積的顯示器攜帶困難，使用場所有著很大局限。于是人們有了新的愿景——顯示柔性化，利用柔性顯示使得大屏顯示器更易于攜帶，以電子皮膚的形式連接數(shù)字世界和現(xiàn)實(shí)世界，增強(qiáng)人們的交互式體驗(yàn)。但你了解顯示技術(shù)的發(fā)展歷史么？又是什么制約著現(xiàn)在柔性顯示技術(shù)的發(fā)展呢？

■ 顯示技術(shù)的前世今生

視覺是人類獲取信息的重要途徑，留聲機(jī)的發(fā)明使得聲音信息可以被記錄與播放，人們便希望視覺信息也能夠被儲存。1894年，留聲機(jī)的發(fā)明者愛迪生推出了他的新發(fā)明——“電影視鏡”（Kinetoscope），也就是被人們廣泛熟知的膠片放映機(jī)。這種方式是利用光線將一張張帶有畫面的膠片照亮，放映機(jī)每秒照亮24張膠片，也就是以24幀率來實(shí)現(xiàn)畫面的動(dòng)態(tài)效果。圖1所示的是膠片放映機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。膠片放映機(jī)的出現(xiàn)帶給人們一種全新的視覺體驗(yàn)。但膠片放映機(jī)只是照相技術(shù)的延伸，嚴(yán)格意義上不能稱為顯示器，顯示器的最大特征是利用電信號來復(fù)現(xiàn)圖像。

圖1 膠片放映機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1987年，陰極射線管（簡稱CRT）誕生，這種技術(shù)為真正意義上的顯示器提供了理論基礎(chǔ)，從而促使顯示器被廣泛應(yīng)用。它是利用陰極電子槍發(fā)射電子，在陽極高壓的作用下射向熒光屏，使熒光粉發(fā)光；同時(shí)電子束會(huì)在電信號的控制下使得磁場偏轉(zhuǎn)，利用磁極來偏轉(zhuǎn)陰極射線，那么陰極射線會(huì)在規(guī)定的時(shí)間射向某一固定位置的熒光材料，出現(xiàn)不同位置的明暗差異，就形成了黑白圖像，這便是CRT顯示器。如圖2所示的是CRT顯示器實(shí)物圖及工作原理示意圖。CRT顯示器十分笨重，體積較大，功耗較高，不滿足人們的生活需求，科學(xué)家為了顯示器的輕量化、便攜性又做出了新的努力。

圖2 CRT顯示器實(shí)物圖及工作原理示意圖

20世紀(jì)60年代，液晶顯示器（LCD）技術(shù)橫空出世，由于其輕薄的特性得到了廣泛的關(guān)注。如圖3所示，LCD顯示器主要構(gòu)成部分為：背光板、偏振片和液晶層。背光板大多利用發(fā)光二極管（LED）組成，起到提供光源的作用；偏振片結(jié)構(gòu)類似平常生活中的百葉窗，具有一條條平行的網(wǎng)格線結(jié)構(gòu)，當(dāng)自然光經(jīng)過豎直方向偏振片的透光軸后剩下與透光軸同向的線偏振光再經(jīng)過第二個(gè)偏振片。兩個(gè)偏振片夾角為90度的話正好全部阻擋，為0或180度的話線偏振光全部通過，角度在之間的話會(huì)有部分損失；為了讓光線通過兩個(gè)夾角為90度的偏光片，液晶就發(fā)揮了巨大的作用，液晶具有改變光線方向的能力，在通電的狀態(tài)下，液晶分子受電場的影響發(fā)生扭轉(zhuǎn)，從而促使光線通過兩個(gè)相互垂直的偏振片。這樣光源就完成了傳輸，通過控制液晶的扭轉(zhuǎn)來控制光源的傳輸，最終達(dá)到點(diǎn)亮像素點(diǎn)的目的，陣列化的像素點(diǎn)不同的明暗組合，就組成了圖像。但LCD顯示器有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是不能實(shí)現(xiàn)真正的黑色，LCD顯示器的液晶層不能完全關(guān)合，所以如果LCD顯示黑色的時(shí)候，會(huì)有部分光穿過液晶層，因此LCD的黑色實(shí)際上是白色和黑色混合的灰色。所以科學(xué)家又進(jìn)行了新的探索。

圖3 LCD顯示器工作原理圖

2007年索尼推出了世界第一個(gè)有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）顯示器。相比較于LCD屏幕，OLED顯示器的發(fā)光原理要簡單很多，它不需要背光層，也不需要液晶層，只需要通過控制電壓來控制有機(jī)發(fā)光二極管的發(fā)光量，就可以組成圖像，圖4所示的是OLED顯示器結(jié)構(gòu)示意圖，所以O(shè)LED顯示器就像一個(gè)由無數(shù)個(gè)小彩燈組合的屏幕。由于少了背光層和液晶層，OLED顯示器的厚度可以做到更薄，更加方便攜帶，而且不同于LCD顯示器，OLED通過控制電壓使有機(jī)發(fā)光二極管關(guān)閉，所以可以顯示真正的黑色。

圖4 OLED顯示器結(jié)構(gòu)示意圖

在屏幕的發(fā)展中，顯示器的基底通常是玻璃材質(zhì)，這樣的硬質(zhì)材質(zhì)使得顯示器不具有柔性，如果把顯示器中的玻璃這類的硬質(zhì)基材換為超薄透明的可折疊材料，就是柔性顯示，如圖5所示。柔性顯示屏必須為柔性，即可任意彎折、翻卷、折疊，且展開時(shí)要求無明顯的劃痕，其壽命一般要求20萬次（按照顯示屏使用壽命為5年，大約每天可折疊100次）。這就對柔性屏的材料和制作工藝提出了很高的要求。那是什么制約了現(xiàn)在柔性屏的發(fā)展呢？

■ 柔性顯示關(guān)鍵技術(shù)

1 耐高溫柔性襯底材料

生活中我們使用過各種柔性塑料，這些塑料是否能作為柔性顯示器的基底呢？在顯示器的制造過程中，常伴隨著高溫工藝，這就要求柔性基底有耐高溫的能力，同時(shí)作為基底層，要求具有良好的透明度、較高的強(qiáng)度、優(yōu)異的韌性，這就使得行業(yè)內(nèi)多使用聚酰亞胺（PI）作為基板材料。然而聚酰亞胺目前的難點(diǎn)集中于高純高性能材料制備、顯示器件功能穩(wěn)定性和大批量顯示屏工業(yè)化的可量產(chǎn)性。

2 高分辨率制造

顯示器的分辨率是屏幕的縱橫向上的像素點(diǎn)數(shù)目，通常利用每英寸長度內(nèi)所擁有的像素?cái)?shù)目（PPI）來反映屏幕分辨率的好壞。人類視網(wǎng)膜分辨率為326PPI，這樣的密度相當(dāng)于用米粒把一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場填滿。要在實(shí)質(zhì)上粗糙不平的表面實(shí)現(xiàn)微納精度的制造，大面積跨尺度微納制造難度相當(dāng)大。

3 高精度像素彩色化

柔性O(shè)LED顯示器的有機(jī)發(fā)光材料是依靠蒸鍍的工藝進(jìn)行制作的，是指在真空條件下，采用一定的加熱蒸發(fā)方式蒸發(fā)鍍膜材料（或稱膜料）并使之氣化，粒子飛至基片表面凝聚成膜的工藝方法。真空蒸鍍機(jī)就如同OLED顯示器制程的“心臟”，可視為“真空中的光刻機(jī)”，被日本佳能Tokki獨(dú)占高端市場，說其掌握著OLED產(chǎn)業(yè)的咽喉也不過分，佳能Tokki可將誤差范圍縮小到人體紅細(xì)胞大小?？上?，目前我國在這個(gè)領(lǐng)域沒什么發(fā)言權(quán)，是關(guān)鍵的卡脖子技術(shù)。

4 高可靠性先進(jìn)封裝

大部分塑料基底都沒有足夠能力充分阻擋外界雜質(zhì)液體和氣體的侵入，當(dāng)暴露在水和氧氣中時(shí)，器件的光電特性就會(huì)急劇衰退。其衰退老化機(jī)理涉及金屬陰極與發(fā)光層間的剝離和有機(jī)膜層內(nèi)的化學(xué)變化。與玻璃的性質(zhì)相比，塑料基底材料對水汽和氧氣的隔離及對器件防老化的保護(hù)作用不夠理想，因此還要對器件的封裝進(jìn)行優(yōu)化。

展望未來，在電影《頭號玩家》中，電影打造了一個(gè)虛擬游戲宇宙。人們只要戴上VR設(shè)備，就可以進(jìn)入這個(gè)與現(xiàn)實(shí)形成強(qiáng)烈反差的虛擬世界，通過VR設(shè)備與虛擬世界進(jìn)行互動(dòng)，體驗(yàn)前所未有的交互感受。這些場景的實(shí)現(xiàn)離不開顯示器，新型的柔性顯示器以及更新一代超高分辨集成電路混合顯示器讓這些穿戴式、交互式設(shè)備成為了可能。