柔性显示的前世今生与未来

在显示行业，目前最火的当属OLED与LCD显示技术之争，由于OLED在性能的诸多优势，其被认为是显示屏的次世代技术，后续会逐渐取代LCD称为显示屏的主流，OLED在性能上的优势表现为：色域更高，颜色更鲜艳；视角更好，大视角无明显色偏；响应时间更快，观看动态画面无拖尾现象;自发光，暗态更暗，无漏光，理论上可以做到0，另外由于OLED自发光，无需背光，所以可以做到超薄，最重要的是OLED相对容易做到柔性，可以弯曲甚至折叠。不过OLED由于是有机材料发光，其稳定性和发光效率相对较差，故目前的MicoLED技术也同样被看好，它具有传统LED的稳定性和高光效，同时又具有自发光的优势，不过它在工艺技术上依然有很多问题要克服，主要受制巨量转移和色彩一致性问题。本文重点介绍目前显示技术中最具吸引力的一个方向：柔性显示，其发展历史，目前的技术分类及进展，各自的优势劣势等，希望对显示行业的同仁有所帮助。

一．未来展望

想象一下未来的场景：我们可以把手机从口袋中拿出来，将折叠的屏幕展开为更大的屏幕，就像把iphone扩大三倍变成ipad,不用的时候可以像报纸一样折起来，或者缠绕在手腕上，类似于好莱坞大片中的场景，想想是不是有点小激动昵？其实本场景中提到的正是柔性技术中较高级的阶段：可绕式或者可折叠柔性屏。

二．柔性显示技术的历史发展

提到柔性显示，大家脑海中最先想到的往往是OLED，不错，OLED确实可以做到柔性，不过可以做到柔性的不仅仅只有OLED，最早的柔性屏幕其实是E-paper， Micro-LED同样可以做到柔性，甚至LCD也可以做到一定程度的柔性。嗯，那么现在让我们一起扒一扒柔性显示的前世今生。

其实柔性显示技术的历史可以追溯到40多年前，1974年，Xerox Palo Alto Rearch Center(PARC)发布了世界上第一款柔性显示的Epaper,2005年Arizona State University建立了柔性显示中心专门用来开发Epaper,随后开发出一款柔性的原型机，此后柔性显示的研究进入爆发期，不过大家更多地在研究柔性OLED。

2008年Nokia发布了一款柔性OLED屏做的概念手机，Sony 2010年发布一款4.1英寸的可弯曲OLED屏幕，最近几年柔性OLED研究非常火爆，商业化比较好的主要有Samsung Galaxy系列的边缘弯曲手机和LG的曲面电视，当然国内面板厂也有投入研究，例如京东方、华星、天马、和辉等。在今年SID的Display Week上，三星展示了一款9.1英寸的柔性AMOLED，并且获得了Best in show award，其采用的是被称为Kirigami的柔性技术：即薄膜上制造很多的孔洞来确保其可弯曲，如下图即是其薄膜结构及凹面与面显示效果图。

三．目前柔性显示技术的三大方向

为了改善显示屏的柔性和分辨率，目前业内采用的很多了技术方法，大体来看的话分为三类：

1.原始可拉伸屏

2.超薄且有“皱纹“的柔性屏

3.基于无机LED的软硬混合屏

下面分类详细介绍：

>>1.原始可拉伸性屏

柔性屏主要涉及到新型的导体，半导体，绝缘体或者新型的强壮的机械结构，即使在非常强的应张力下，器件也可以保持稳定地运行，柔性电极可以通过有皱纹的金属薄膜，马蹄形硅带，或者液态金属通道实现，即使在大尺寸上，这类电极依然显示出良好的导电性和机械稳定性，不过技术上的挑战是：精细器件样式的简易制造以及整合为高分辨率的阵列。对于柔性TFT来说，目前被广泛采用的是机械耐用性比较好的材料例如半导体单墙碳纳米管（SWCNTs）,有机半导体材料，离子液凝胶，弹性的电介质材料。上述材料虽然可以做到柔性，不过他们的性能表现依然低于目前主流的非柔性屏，并且不兼容目前主流的制程。

对于原始可拉伸屏来说，其柔性的透明电极是采用复合基础或有机的透明导体，但是相比传统的ITO电极，他们的导电率较低，导致屏幕亮度很低，尽管他们表现出了很强的机械稳定性，不过操作稳定性很差，而且透明电极的精细特征样式制作较困难导致其很难用在Polymer Light emitting diodes(PLED)的设备上，另外多层基础的自发光设备不被看好是由于机械上的易碎以及不同层界面较脆弱。因此目前容易变形的离子凝胶为基础的电极以及兼容弹性的磷光粉，尤其是ZnS被广泛使用，用来制造电致发光设备，例如2016年Zhigang Suo教授及其合作者采用这个技术制作了柔性很强的OLED，采用三明治结构，磷光粉在中间，绝缘体和离子凝胶导体在两侧，它们是透明和柔性的，中间的磷光粉并不会影响外面两层的柔性，这款OLED设备可以承受1500%的拉伸应变而且不失去发光能力。

不过这种原始有弹性的电子组件主要是由弹性矩阵和功能性填充物复合而成的，他们最大的问题在于很低的光电效率和很高启动电压，要做成很小的像素并且整合到背板上做高分辨伴的显示屏还有很大的困难。

>>2. 超级薄且有“皱纹“的柔性屏

如果直接将OLED器件做到弹性基底上，由于基底表面能很低，因此黏着性会差。如果一个带有多层结构的器件或系统被做在一个超级薄的且表面能更高的基底上，那么它可以变成柔性基底，整个系统也可以变得柔性。超级薄的设备具有非常独特的机械性能。根据大杨氏定律，一般而言，多层无机结构的设备非常脆，即使弯曲很小的角度，也很容易被损坏，但是如果可以把设备做到只有几微米厚的薄膜上，那么器件可以弯曲的曲率半径甚至可以低到10微米，这样的话，它几乎可以接触任意形状的表面。

2016年，东京大学的Someya 教授展示了一款超薄且高效的PLEDs,其集成在只有1微米厚的聚对二甲苯基底上，由于将整个设备的厚度减少到3微米，并且发光层放置在中性拉伸的平面上，多层的PLEDs甚至脆弱的ITO透明电极都可以承受非常严苛的弯曲条件，曲率半径可以低到约100微米，有趣的是这类超薄的箔基设备被层压在预先拉伸的弹性基底上后，可以变得有弹性，可拉伸。

由于不同层的弹性系数不同，导致整个结构容易出现皱纹，当基底被严重弯曲时，这些有皱纹的结构充当机械缓冲，确保器件不受应力干扰而可以正常发光，此设备在经受1000次60%的重复拉伸后，发光依然没有衰减。尽管这种超薄箔的方法表现优异，不过在高分辨率的AMOLED应用上依然面临一些挑战，这主要是因为包括发光层，背板，还有保护层在内的整个设备要做到很薄，只有几微米，还要保证在很大应力下保持正常工作，同时还要有较长的寿命。例如这一款设备目前的寿命只有29个小时而已，寿命是这种技术最大的缺陷。

>>3. 基于无机LED的软硬混合屏

至于第三种的软硬混合屏，其实就是用柔性的电极连接传统硬性的无机的LED（iLED），无机的LED可以使用传统的半导体制程大量生产，如果可以开发出合适的整合方法来制作高分辨率显示屏，那么这个方法将是比较容易制作柔性显示屏的关键技术之一，并且可以和目前的半导体制程兼容，其实这个方法就是目前大家常听到的Micro-LED的巨量转移技术。不过由于iLED本身是非柔性的，这经常会导致一些失败，这主要是由于弹性系数不同，导致硬性的芯片和软性的材料交接的地方应力不能很好匹配，因此为了解决这个问题，整个系统要有独特的设计来确保应力有合理的分配。在2010年John A.Rogers和他的合作者展示了一款MicroLED ，如下图所示：

他们采用的是传统图案形成方法，例如刻蚀和光罩沉淀的方法来将LED和它们之间的连接制作在PI的基底上，然后带着相互连接的LED被转移到预拉伸好的弹性基底上，由于LED被稳定地粘着在基底上，它可以被看作是孤岛，而它们之间蜿蜒的连接则悬浮在表面之上，他们使用这种方法制作了6*6的LED柔性矩阵，并且柔性函数可以达到50%。

由于和传统半导体制程兼容，MircoLED引起了极大的关注，不过主要应用在低分辨率的点阵显示器上。2015年 Holst Center 和CSMT的研究人员用类似方法开发了一款柔性的45*80 RGB LED显示器，共计3600个LED被放置在聚氨酯薄膜上，这种小间距的阵列显示器表现出了很好的光学特性，同时柔性函数可以达到10%。

LED之间的相互连接的数量直接决定了屏幕的柔性，这种横向的拉伸结构限制了屏幕分辨率的提升，因此开发一种制程来获得有样式的柔性电极在基底上变得非常重要，2017年Hong教授的课题组开发了一款完全打印的柔软的平台，其是一款可穿戴的PM LED显示屏，如下即为其示意图，他是采用喷墨打印的方法将inkjet-printed rigid islands(PRIs)植入到柔性的矩阵中，并且硬性的岛之间用喷墨打印的柔性的相互连接构成矩阵。无论是统一的还是客户定制化的PRI阵列可以很容易地实施。

尽管这种柔性的混合显示屏显示出很多的优势，例如在空气中有很好的稳定性，较低成本的制程，但目前它要做到高分辨率的信息显示屏还是有较大难度，不过如果LED的巨量转移制程、基底工程，以及对应处理的TFT背板可以协调整合到一起，那么未来在高分辨率屏幕上它依然很有前景。

四．柔性屏面临的挑战及未来的方向

从柔性的Epaper开始，可变形的显示屏经历了无数的创新，进化出了不同的形式，到目前为止只有低分辨率的柔性显示屏被展示出来，不过当柔性显示的数个关键技术被整合到一起后，其在高分辨的显示屏上也有很大的潜力。

为了使柔性显示屏获得很好的操作稳定性和画质表现，在外界弯曲压力下，像素应该不受到压力，这可以通过超薄和有皱纹显示屏或者调整应力工程分布的方法来实现，不过即使采用最好的应力工程分布方法，像素依然要承受2%的应力，因此原始可拉伸的屏幕几乎是高分辨率柔性屏的唯一选择。

同时柔性的保护层和封装层依然是很大的挑战，如果用iLED的话，其在空气中非常稳定，那么其对保护层和封装层的要求会低很多。不过毫无疑问的是，我们将会看到低分辨率柔性显示屏的快速普及以及基于前文所述三种柔性技术的可穿戴显示屏的快速商业化。

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