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技术讲解:柔性液晶显示屏技术

日期: 2017-08-16
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1. 前言

本文将介绍在亚洲最大的显示屏国际会议“22thInternational Display Workshops(IDW '15)”上,关于液晶面板挑战柔性显示屏的主流——有机EL显示屏的话题。以日本东北大学藤挂石锅研究室的研究成果为中心,连同基础技术一起进行讲解。

技术讲解:柔性液晶显示屏技术

2. 将液晶屏弯曲也能维持基板间隔


在各种平板显示屏(FPD)中,有机EL显示屏因为能够实现高对比度、高色彩表现范围,而且容易实现超薄化,从而作为柔性显示屏的主流技术被关注。

具有代表性的电子纸——电泳显示屏(EPD)早已作为柔性显示屏投入实用。而且,这种显示屏是具有记忆性、无需背照灯的反射型,还不需要偏光板,因此能够得到明亮、无彩色的显示。但在彩色显示和视频显示方面存在课题。

而液晶显示屏能够实现大屏幕、高精细化,具有可以实现较大的色彩表现范围等特点,作为高品质显示屏已经得到广泛应用。而且,液晶屏的制造技术非常成熟,过不了多久,中国的产量就会成为第一。但液晶终归是液体,必须有序排列,所以,随着极薄化和柔性化的发展,液晶屏在显示品质的稳定化方面出现了课题。


图1是柔性液晶显示屏的基本结构。要想实现实用的柔性液晶显示屏,重点是要利用液晶盒内形成的微细聚合物间隔壁(polymer spacerwall)的网络结构,保持一定的液晶盒间隙,并且保持稳定的取向。日本东北大学的藤挂石锅研究室,通过在液晶中溶解分子取向性的高分子材料(树脂),进行紫外线图案曝光,开发出不破坏液晶取向、可以使2枚基板以固定间隔接合的高分子间隔壁,以“InvitedAdvanced Polymer and LC Technologies for High Quality Flexible Displays”为题发表了演讲(论文编号:FLX2/LCT5-1)。图1的“Bonding polymerwall spacer”,就是他们开发出的高分子间隔壁。

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而且,柔性液晶显示屏需要柔性的背照灯。图2是在能够实现薄型柔性化的背照灯用导光板中采用液晶高分子复合膜,有助于实现高对比度化、省电力化的局部调光背照灯系统。复合膜内的液晶和高分子都具有分子取向,通过开关电压,可以表现为光散射或透明状态。

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另外,局部调光背照灯会根据影像自动控制局部的背照灯亮度,具备在降低功耗的同时,提高影像对比度的功能。还可以抑制影像的黑色部分“泛白”的现象。在图2中,影像显示“月亮”的区域的电压为“ON”,为“光散射状态”,其他区域的电压为“OFF”,为“透明状态”。 


东北大学在演讲中还介绍了塑料基板和液晶的光学补偿,公布了VA模式及IPS模式的柔性液晶显示屏的试制情况和显示品质。纵观2015年IDW的所有论文,东北大学藤挂石锅研究室发表的这篇柔性液晶显示屏相关论文鹤立鸡群。下面,笔者将介绍一下自己特别感兴趣的内容。

 

3. 柔性液晶显示屏的支撑技术


3.1 不锈钢箔有望成为基板材料


日本东北大学开发出了使用具有耐热性的超薄不锈钢箔(新日铁住金制造)和聚碳酸酯薄膜(帝人制造)作为基板材料的VA模式反射型柔性液晶显示屏,以“FlexibleReflective LCDs Using Stainless Steel Substrate and Optical CompensationTechnology”为题发表了演讲(论文编号:FLXp1-4L)。


试制的反射型柔性液晶显示屏的截面结构如图3所示。两片基板的表面涂敷聚酰亚胺膜(日产化学工业的“SE-4811”)后,在120℃的温度下加热,作为液晶的取向膜使用。液晶盒的厚度为2μm,真空填充了液晶材料(德国默克公司的“MLC-2038”)。为了实现高对比度及广视角,还使用了双轴拉伸膜、圆偏光板以及光扩散板。图4是试制的柔性反射型液晶显示屏的显示示例(照片是不锈钢基板弯曲时拍摄的)。

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试制的液晶显示屏实现了20:1以上的良好对比度。证明了不锈钢箔是有望实现高品质、低功耗的反射型柔性液晶显示屏的基板技术。


3.2 利用In-cell偏光板解决柔性液晶的课题


对于使用染料类偏光膜的In-cell型偏光板,及其在TN液晶显示屏中应用的结果,日本东北大学发表了题为“Fabrication ofThin Flexible Liquid Crystal Display Using Dye-Type In-Cell Polarizer”的演讲(论文编号:FLXp1-5L)。塑料基板导致显示品质差、视角特性狭窄是柔性液晶显示屏面临的一大课题。而且,如图5所示,偏光板及相位差板的厚度造成了柔性差的问题。作为解决这些课题的方法,东北大学想出的办法是采用In-cell偏光板。


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面板的制作步骤如下。首先在染料类偏光板上低温生成ITO膜(膜电阻为100Ω/□),使用PVA类粘合剂,与作为底板的TAC(triacetylcellulose)薄膜和偏光板接合。然后,借助离型膜(日本新田公司制造),使TAC薄膜与玻璃基板接合。再使用250nm的紫外线,照射偏光板表面6~12分钟,使表面变性后,利用旋涂方式涂敷光取向膜。使用5μm的间隔壁,使液晶盒厚度保持固定,使用紫外线硬化树脂制作密封图案,接着再注入液晶。


试制面板的电压透射特性与外置偏光板基本相等。如图5的右侧所示,显示屏的厚度缩小到0.2mm,实现了薄型化。而且对比度达到了260:1。其特性与使用通常的玻璃基板的TN液晶显示屏相当(图6)。


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3.3 可以延展的无基板液晶显示屏


未来,市场不仅需要柔性,还需要可以延展的“伸缩显示屏”。要想实现这种显示屏,必须开发出无需基板、可以实现高对比度显示的元件结构。为此,研发人员抱着在具有独立性的液晶高分子复合膜中,自由控制伴随分子取向的液晶的分散形态这一目的,对基于紫外线图案曝光的液晶高分子相分离展开了研究。

日本东北大学在题为“Morphological Control of the LiquidCrystal Droplets in Molecular-Aligned Polymer for Substrate-Free LCDs”的演讲(论文编号:LCTp5-9L)中,介绍了通过控制液晶与高分子的分子取向,利用双折射实现高对比度显示的“无基板液晶显示屏”。


具体来说,是在向列液晶(JNC制造的“TD-1013LA”)中混合50wt%的二官能液晶性单体C型(DIC制),注入了利用摩擦法进行了扭曲取向处理的液晶盒(液晶盒厚度为10μm)。使用正交网格状的光掩模(间隔为120μm或60μm),对液晶盒进行了紫外线图案曝光。紫外线强度为3~100mW/cm2,温度控制在25~50℃。结果表明,通过改变相分离的条件,可以控制取向液晶的分散形状,使高分子包含更多的控制了取向的液晶。


图7是向试制器件(TN液晶液滴)加载电压时的偏光显微镜照片。图8是该器件的电压透射特性与通常的TN液晶显示屏的特性的比较。试制的TN液晶液滴的特性与通常的TN液晶显示屏相比,阈值电压略高,关闭状态的透射率也比较高,还有改善的余地。但通过这次的开发,获得了关于实现利用高分子取向维持液晶取向的无基板液晶显示屏的有用的知识,今后的发展值得期待。聆听东北大学的演讲,笔者不禁要想:“通过使用必须靠薄膜等多层涂层才能发挥作用的柔性有机EL技术,真能实现无基板吗?”


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3.4 验证附带平坦薄膜的不锈钢箔


为了研究金属箔作为柔性基板的可能性,使用的是有平坦层的不锈钢箔(新日铁住金制造的“#190SB”)。新日铁住金以“PlanarizedStainless Steel Foil for Flexible Substrate”为题,就不锈钢箔基板发表了演讲(论文编号:FMC3-1)。基板的板厚为8~100μm,表面状态为超级光亮(SB),热膨胀系数CTE为11×10-6/℃。分别使用旋涂和卷对卷(R2R)涂敷两种方式,在表面上形成了平坦薄膜。通过涂敷平坦薄膜,表面粗糙度Ra从6.2nm降至0.6nm,Rmax从78.2nm降低到了8.9nm。


在试制有机EL屏时,该公司对平坦层(3μm)释放的气体进行了检测,得到的数据小到可以忽略不计。在两种基板上制作有机EL照明器件样品的结果表明,二者均可正常工作。另外,使用R2R涂敷方式的不锈钢箔的厚度为50μm,宽度为300mm。以上结果表明,不锈钢箔可以作为柔性基板使用。


3.5 有机TFT驱动塑料液晶显示屏


有机薄膜晶体管(OTFT)的移动度为1~10cm2/Vs,超过了非晶Si(a-Si)TFT的0.5cm2/Vs。在本次的IDW上,英国FlexEnable公司以“Invited PlasticLiquid Crystal Displays Enabled by Organic Transistor Technology”为题,介绍了使用TAC薄膜,为主动驱动用途试制使用OTFT的IPS液晶显示屏的结果。厚度为40μm的TAC为低双折射性,Rth<1nm、Ro<1nm,具有与玻璃基板相同的光学特性,适合作为液晶显示屏的基板。液晶的取向控制采用光取向,液晶盒厚度的控制使用光刻形成的间隔柱。


通过采用新开发的具备自组织高分子壁的液晶材料,提高了坚固性。试制的OTFT驱动IPS液晶显示屏的画面尺寸为4.7英寸,画面宽高比为16:9,厚度为300μm,去掉背照灯后的重量为10g。该器件可以弯曲到半径为50mm的程度。能在低于100℃的低温下制作的OTFT,开拓出了有源矩阵用背板的新应用领域。


OTFT的弯曲半径为0.5mm,1万次测试后的阈值电压变化很小,非常稳定。通态电流的变化也同样稳定。


除此之外,正如之前报道的那样,英国Plastic Logic公司已经开始量产OTFT驱动的电子纸。另外,使用OTFT的气体传感器、影像传感器以及X射线检测器的生产也已实现。


4. 结语


这一次,连同基础技术在内,介绍了很多的内容,笔者自认为读起来应该非常过瘾,不知大家感觉怎样?


这里介绍的局部调光背照灯、In-cell偏光板(很遗憾不是涂布型)、无基板液晶显示屏等,都是出色的研究成果。为实现柔性液晶显示屏而开展的系统性研发,是日本今后在这一领域打赢国际竞争的重要条件。但正如以前报道过的,Flex Enable通过与默克公司合作,已经开发出了OTFT驱动IPS液晶显示屏。(特约撰稿人:鹈饲育弘,Ukai DisplayDevice Institute代表)


来源:日经技术在线


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