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柔性电子技术—折叠屏手机背后的“黑科技”!

发布时间:2019-03-14 访问次数:572次 来源:柔性电子与智能包装 分享:

一时间,折叠屏似乎成为了新一代手机的标配,那么今天,就让我们扒一扒这里面到底有什么“黑科技”。

其实,折叠屏是柔性屏的一种,是柔性电子技术积累到一定基础上发展而来。柔性电子是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性基板上的新兴电子技术。相对于传统电子,柔性电子具有更大的灵活性,能够在一定程度上适应不同的工作环境,满足设备的形变要求。其应用横跨航空、消费电子、医疗保健、机器人和工业自动化等多个领域,受到了中美日韩等国的重点支持。

相对于传统电子,柔性电子具有更大的灵活性,能够在一定程度上适应不同的工作环境,满足设备的形变要求。其应用横跨航空、消费电子、医疗保健、机器人和工业自动化等多个领域。柔性电子涵盖有机电子、塑料电子、生物电子、纳米电子、印刷电子等多个交叉学科,所能提供的产品包括柔性显示屏、化学与生物传感器、柔性光伏、柔性逻辑与存储、柔性电池、可穿戴设备、电子报纸、电子皮肤等多个方向,未来也许能够改变人们衣食住行等方面。

柔性OLED显示屏的工作原理

柔性OLED(FOLED)显示屏就是利用OLED技术在柔性塑料或者金属薄膜上制作显示器件,其基本结构为“柔性衬底/ITO阳极/有机功能层,金属阴极”,发光机理与普通玻璃衬底的OLED相似。柔性(FOLED)器件一般是在玻璃或聚合物基板上,由夹在透明阳极、金属阴极和夹在它们之间的两层或更多层有机层构成。当器件上加正向电压时,在外电场的作用下,空穴和电子分别由正极和负极注入有机小分子、高分子层内,带有相反电荷的载流子在小分子、高分子层内迁移,在发光层复合,形成激子,激子把能量传给发光分子,激发电子到激发态,激发态能量通过辐射失活,产生光子,形成发光。有机电致发光器件的基本结构是夹层式结构,即各有机功能层被两侧电极像三明治一样夹在中间,且至少有一侧的电极是透明的,以便获得面发光。

具体说来,OLED的基本器件结构有单层、双层、三层和多层等。由于电子空穴在有机薄膜中迁移率(mobility)不同,导致电荷的不平衡注入,使发光效率下降,因此,通常采用多层器件结构: 基板(substrate)/阳极(anode)/空穴注入层(hole injecting layer)/空穴传输层(hole transporting layer)/发光层(emitting layer)/电子传输层(electron transporting layer)/阴极(cathode)。评价柔性OLED可从发光材料的发光性能和器件的电学性能两个方面来评价。发光性能主要包括发射光谱、发光效率和寿命等,对于作显示器件的可见光还有发光亮度、发光色度等参数,电学性能如电流与电压关系等。

柔性衬底材料

制作一个耐撞击、不易破碎、轻薄、便于携带的柔性显示器,能让人们随时可以卷起来,放到口袋里带走会是一件多么美妙的事情。然而要是实现这样的目标需要考虑许多的问题,仅仅从柔性显示器件制作方面来看,就要考虑如衬底材质的选择,水氧阻绝层的水氧阻绝能力、导电阳极的平整度、与导电度、阳极的图案化制程、元件制作后的效率与颜色,还有元件完成后的封装效果好坏,最后则是元件寿命的长短及可以承受的机械应力如卷曲度及次数等。其中最为基础的就是衬底段阳极的改善。

柔性有机电致发光器件与传统的导电玻璃有机电致发光器件的最主要的差别就是实用的衬底不同,因此,如何在低温的条件下,根据不同的衬底,制作出导电性及平整度皆不错的导电阳极,是一个重要的课题。

柔性显示屏的常用衬底是塑料衬底,包括PET、PEN等,也有使用金属箔衬底的,以他还有超薄玻璃及纸衬底。

选择衬底材料的一般原则:

1、衬底材料的透明性要好(可见光透过率超过90%);

2、衬底材料和薄膜材料间要有一定的附着性;

3、衬底材料要有一定的耐温性。

塑料衬底

塑料作为柔性衬底被认为具有广阔的前景,因为塑料衬底具备透明性、柔性、质量轻、耐用、价格便宜等优点。融入现代精密技术的塑料衬底有助于有机发光聚合物和有源矩阵薄膜晶体管阵列的生长和印刷,为大规模整合柔性电子装置提供了成本效益、卷-卷高容量加工的可能性。

塑料衬底一般分为三类:

1、半结晶热塑性聚合物,如聚酯(PET)、聚苯二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醚醚酮(PEEK)。PET和PEN作为柔性衬底展现了一些重要的特性,包括固有的良好透明性,简单的加工过程,良好的力学性能,较高的阻隔氧气和水汽渗透性能,但是其不耐高温,低温沉积ITO时,器件性能降低。温度升高时,这类聚合物衬底收缩,ITO膜容易从衬底脱落;其表面粗糙度也比较大,沉积在聚合物衬底上的薄膜容易产生缺陷。

2、非结晶聚合物,如聚醚砜(PES)。PES为非结晶热塑性塑料,可熔融挤压或溶剂注造。 它有良好的透明度和较高的工作上限温度,但是价格昂贵,耐溶剂性差。

3、非结晶高玻璃化转变温度(Tg)聚合物,如PAR、PCO、PNB和PI,PI具有良好的热稳定性,较好的力学性能和化学性能,但是透明度低,价格也比较贵。织物材料也可以用来作为柔性衬底。

常用聚合物柔性衬底的性能比较

金属衬底

金属衬底一般应用于透过率要求不是很高的柔性发光显示。如果应用于大型显示器,其是一种很贵的材料,而应用于小型柔性显示中,则有着较大的前景。

金属衬底的耐高温性能(至少在1000℃以上)要远远高于塑料与玻璃,在制作柔性显示过程中使用金属箔片衬底不会存在耐热方面的问题。所以金属衬底也是一种常见的选择。

不锈钢金属衬底与其他衬底的性能比较如下

由表中可以看出,不锈钢衬底相对塑料衬底具有良好的导电性、优秀的水汽和氧气阻隔性,更高的弹性模量较低的热膨胀系数,并能够R2R大规模生产。

然而表面粗糙的箔片无法作为柔性衬底直接使用,否则会影响柔性显示的性能 降低其寿命。因此粗糙度是金属取代聚合物或者玻璃衬底成为未来柔性显示器的关键因素。为了提高箔片表面光滑度通常采用的方法有两种:加一层平坦化层或者加一层钝化层。OLEDs要求表面粗糙度小于5nm。一般用有机物无机物或者有机无机混合物作为平坦化层。

超薄玻璃衬底

玻璃是硬质材料,用来作为柔性衬底需要实现将其薄化,才可能具有可挠曲性。目前已做成的超薄玻璃厚度小于50μm, 表现出较好的热稳定性和化学性,良好的可弯曲性,可见光透过性,水汽和氧气的阻隔性,较高的表面光滑度,而且绝缘,是理想的柔性显示衬底材料。但是超薄的玻璃韧性较差,经过周期性弯曲后容易出现裂缝。另外超薄玻璃的边缘部位在切割操作时也比较容易产生微裂痕缺陷。

Andreas等研究了薄玻璃-聚合物系统衬底,具有良好的热稳定性,力学 性能和化学性能。能够达到柔性显示器要求的柔性度和渗透性的标准,可以实现流水线生产柔性弯曲的OLED显示器。

纸质衬底

在过去几年中,柔性纸质衬底的电子制备开始引起了人们的关注。因为其便宜轻薄可以弯曲折叠、能够循环使用,所以作为柔性显示衬底,纸质也是一种不错的选择。与塑料衬底相比较,纸质衬底在加热后,热膨胀性比较小。考虑到纸质是纤维素结构,表面比较粗糙,化学性和机械阻隔性比较差,容易吸附一些小分子物质进入多孔结构。

为了制备柔性显示,改善纸质衬底接触面的光滑性是非常重要的。当印刷电子元件对衬底表面平滑性和吸附性的要求较低时,在转换过程中可将不同功能性的涂料应用于纸张表面。 通过涂层,表面能够防止不同液体的渗透。

最近Do-Yeol等研发了以复印纸为衬底的柔性OLEDs,在驱动电压为13V时发光强度可以达到2200cd/m。

生物复合薄膜衬底

柔性显示R2R加工技术至今还没有大规模应用的一个原因是传统聚合物塑料衬底的热膨胀系数比较高。大部分塑料的热膨胀系数在50·10-6K-1左右,由于在衬底沉积功能层热处理时,膨胀系数的不匹配会造成装置性能的下降。细菌纤维素纳米纤维薄膜具有热膨胀系数低、可见光透过率高和柔性性能良好的优点,因此近几年也被用来作为柔性显示的衬底,在有机光电子领域的应用中引起了广泛的关注。

M. Nogi等以丙烯酸树脂和纳米纤维为基质制得了0.7mm BC纳米复合膜,热膨胀系数低,在600nm时透过率为81%。C. Legnani等在细菌纤维膜表面依次沉积SiO2缓冲层和ITO导电层,并以此为衬底,做出了柔性OLEDs,其亮度可以达到1200cd/m2。S. Ummartyotina等将聚氨酯基树脂和细菌纤维素制成纳米复合薄膜作为柔性OLED衬底,该装置的最高电流效率为0.085cd/A,功率效率达到0.021lm/W。

柔性显示材料

柔性有机电致发光显示器(FOLED)
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、高对比度、抗振性能好、耗等性能好等特点,并且抗弯曲能力强,非常适合作柔性显示器件,适用于对显示效果要求高的便携产品及军事等特殊领域。

OLED是基于有机材料的一种电流型半导体发光器件,由铟锡氧化物半导体薄膜(ITO),透明电极、空穴传输层、有机发光层、电子传输层、电极层组成。原理是用ITO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,形成激子使发光分子激发,经过辐射发出可见光。OLED用红、蓝、绿像素并置法、转换法、白光加彩色滤光片法、微共振腔调色法和多层堆叠法来实现彩色化。

OLED显示屏驱动方式依驱动方式可分为被动式(PMOLED)与主动式(AMOLED)。PMOLED是属于电流驱动,结构简单,驱动电流决定灰阶,应用在小尺寸产品上。AMOLED在每一个OLED单元即像素后面都有一组薄膜晶体管和电容器,形成一个薄膜场效应晶体管(TFT)驱动网络,每一个像素都可以在控制芯片的操作下驱动TFT的激发像素点,这种方式能获得极速的响应时间而且省电,显示效果好适合大屏幕全彩色OLED的需要。按所使用的载流子传输层和发光层有机薄膜材料的不同,分为两种不同的技术类型:一种是以有机染料和颜料为发光材料的小分子聚合物OLED,另一种是以共轭高分子为发光材料的 高分子聚合物PLED。目前研究表明,PLED十分适合用于柔性显示,采用喷墨印刷,涂布有机材料物质,不需薄膜制程、真空装置,元件构成只有两层,投资成本低,但是其喷墨技术的墨滴均一化及RGB三基色定位精度不易控制,影响全彩化产品进程,寿命与产品良率也有待提高。

柔性液晶显示器(FLCD)

液晶是介于固体和液体之间状态的某些有机化合物,具有各向异性的光学特性,对外界的电场磁场和温度感觉灵敏。液晶显示器采用液晶作显示材料,通过阵列的液晶光闸控制光线来显示文字、图形和图像。

胆甾型液晶属于反射式显示器,利用外界环境光源来显示影像无需背光源,同时具有双稳态特性,所以胆甾型液晶显示技术同样非常省电。富士通采用PM反射式胆甾型液晶显示器,开发出全球首款具图像记忆功能的可弯曲彩色显示器, 但目前只能少量供应。

双稳态液晶显示技术特点是两个光性状态在无外电场作用时都能够稳定存在一段时间,在外电场作用下两个光性状态可以相互转换。由于显示所用的两个光性状态在无外场的情况下是稳定的,所以不需要长时间加外场来维持显示状态 ,就有了比较省电的特点。 这类显示技术在静态显示方面能够表现出省电这一优势。液晶在柔性显示方面的研究较为成熟,可以延续许多传统的制造技术,比较容易切入产品市场。

柔性电泳显示器(FEPD)

电泳显示是利用带荷电的胶体颗粒可在电场中移动的原理,通过电极间带电物质在电场作用下的运动实现色彩交替显示的一种显示技术,以这样一个电泳单元为一个像素,将电泳单元进行二维矩阵式排列构成显示平面,根据要求像素可显示不同的颜色,其组合就能得到平面图像。

电泳显示器具有易读性、柔软性、双稳态特性和低功耗等优点,成为人们广泛关注的焦点.与平板显示器相比,具有以下特点:

1、使用柔性导电高分子薄膜晶体管(Thin film transistnr)作为电极,物理机械性能类似传统纸张,可以卷曲甚至折叠,便于携带;

2、主要是反射型显示,对光线的反射符合朗伯反射定律,拥有大视角;

3、对图像的显示呈双稳态(Bi2stable display),即在施加电场的条件下实现显示,当电场撤去以后,显示仍然保持,因而,具备信息储存功能,而且节能。

但是目前,几乎所有的电泳显示技术都不成熟。改善和解决以下问题是今后柔板显示技术的发展方向:

1、响应速度比较慢,无法表达足够连贯的视频画面,因为电泳技术依赖于粒子的运动,用于显示的开关时间非常长,长达几百毫秒,这个速度对视频应用是不够的,应开发用于电泳显示的使开关时间达到几十毫秒甚至更快的电泳技术;

2、全彩色显示技术等还有待于进一步改进;

3、制造工艺复杂,对材料要求高,成本较高。

其他柔性显示技术

柔性显示技术发展呈现百花齐放态势。可以实现柔性显示的技术还有: 电润湿显示(Electro Wetting Display,EWD),等离子管状排列(Plasma Tube Array,PTA),电致变色显示(Electro Chromism Display,ECD),电子粉流体显示(Quick-Response Liquid Power Display,QR-LPD)等。

电润湿技术

电润湿显示技术由Liquavista 公司研制出来, 并将该技术成功应用于新型显示器产品的开发。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,有颜色的液体与不透水且绝缘的电极外层间,形成一层扁平薄膜,就是一个有色的像素点。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色,从而显示出图像,获得各种显示效果。具有功耗低、亮度高、显示速度快以及受外界环境、温度影响不大等优点。

等离子管状排列技术

等离子管状排列技术发光原理与PDP 相同,但在基本构造和制造方法上却有着很多不同。是一根根长1 m、厚约1 mm、内部涂布R,G,B 磷光材料的玻璃管,将许许多的玻璃管并排, 前后用两张电极胶卷包覆组合起来,就成了点阵发光的显示器。PTA 可以说是新型态的等离子显示器, 跟传统的等离子显示相比,PTA 的重量仅有十分之一、厚度仅约1 mm、耗电量只有二分之一,可以弯曲,能直接沿用等离子显示器的驱动电路基本结构与电极、驱动IC 等关键性周边组件。

电致变色技术

电致变色指在外加电场和电流的作用下材料的光学特性产生可逆变化的现象,在外观上表现为从着色态到透明态或者从一种颜色到另外一种或几种颜色的可逆变化。电致变色最新的发展技术是使用改良的多孔纳米薄膜构造的电极,这是由NTERA 公司首先提出的,优点有:在光照条件下有良好的对比度、快的转换速度、长时间显示内容时的极小功耗, 还是一个兼容低成本、使用加色打印工艺制造和宽光谱范围反射式结构器件。

电子粉流体

电子粉流体显示技术由普利司通公司开发,工作原理是在前面板和背面板之间封入不会凝集和可控制带电量的电子粉流体,并使其移动。使黑色电子粉流体带正电荷,白色电子粉流体带负电荷,当改变电压极性后,白色电子粉流体移到前面板,而黑色电子粉流体移到后面板,从而实现切换显示白色和黑色的目的。由于电子粉流体是在空气中移动,驱动速度较快,且可在低温下进行驱动。目前工作电压80 V,降低工作电压是今后有待解决的课题。

柔性显示技术的研发重点

1、显示元器件技术的开发;

2、驱动元件技术开发;

3、基板技术的开发;

4、封装技术开发。

柔性显示技术涉及光学、色彩学、材料化学、电子学等,属于多学科综合类技术,所以柔性显示技术具备前沿性、综合性,有相当的技术难度,需要跨学科的研发与合作。

柔性传感器

在柔性电子技术中,另一大可能带来产业革命性变革的技术是柔性传感器研制。利用柔性传感器和导电体,科学家可以将外界的受力或受热情况转换为电信号,传递给机器人的电脑进行信号处理,这样就可以制作成透明、柔韧、可延展、可自由弯曲折叠、可穿戴的电子皮肤,以便实时精准的监测出人体各项指标。

近日,中科院力学所与大连理工大学和北京航空航天大学的科研人员合作,从力学结构设计出发,研制出适用于可穿戴设备的薄膜贴片式柔性曲率传感器。这种传感器可以精确测量被测曲面的动态弯曲曲率和弯曲角度,而且其弯曲测量结果不受拉伸变形的影响,所以在实际应用过程中,不要求传感器与被测曲面完美粘合,只需要简单贴合即可,所以即使是戴手套或穿紧身衣的方式也是完全没有问题。


同时,这种传感器也非常适合与穿戴服饰集成,可应用于关节弯曲监测、手势识别、坐姿监测等柔性智能穿戴设备。


除此以外,该团队还研发了柔性气压传感器,用于检测高铁车头曲面的压力分布,超声波柔性探头,用于检测复杂结构的内部损伤;电极式心率传感器,用于实时检测心率状况等。

随着柔性显示屏、柔性传感器等的成功应用,意味着柔性电子开始从理论走向实践,它可能开启新一轮的电子器件革命,使人跟机器的距离更加亲密。