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　　1. 前言

　　本文將介紹在亞洲最大的顯示屏國(guó)際會(huì)議“22th International Display Workshops(IDW '15)”上，關(guān)于液晶面板挑戰(zhàn)柔性顯示屏的主流——Oled顯示屏的話題。以日本東北大學(xué)藤掛石鍋研究室的研究成果為中心，連同基礎(chǔ)技術(shù)一起進(jìn)行講解。

　　2. 將液晶屏彎曲也能維持基板間隔

　　在各種平板顯示屏(FPD)中，Oled顯示屏因?yàn)槟軌驅(qū)崿F(xiàn)高對(duì)比度、高色彩表現(xiàn)范圍，而且容易實(shí)現(xiàn)超薄化，從而作為柔性顯示屏的主流技術(shù)被關(guān)注。

　　具有代表性的電子紙——電泳顯示屏(EPD)早已作為柔性顯示屏投入實(shí)用。而且，這種顯示屏是具有記憶性、無(wú)需背光源的反射型，還不需要偏光板，因此能夠得到明亮、無(wú)彩色的顯示。但在彩色顯示和視頻顯示方面存在課題。

　　而液晶顯示屏能夠?qū)崿F(xiàn)大屏幕、高精細(xì)化，具有可以實(shí)現(xiàn)較大的色彩表現(xiàn)范圍等特點(diǎn)，作為高品質(zhì)顯示屏已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。而且，液晶屏的制造技術(shù)非常成熟，過(guò)不了多久，中國(guó)的產(chǎn)量就會(huì)成為第一。但液晶終歸是液體，必須有序排列，所以，隨著極薄化和柔性化的發(fā)展，液晶屏在顯示品質(zhì)的穩(wěn)定化方面出現(xiàn)了課題。

　　圖1是柔性液晶顯示屏的基本結(jié)構(gòu)。要想實(shí)現(xiàn)實(shí)用的柔性液晶顯示屏，重點(diǎn)是要利用液晶盒內(nèi)形成的微細(xì)聚合物間隔壁(polymer spacer wall)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保持一定的液晶盒間隙，并且保持穩(wěn)定的取向。日本東北大學(xué)的藤掛石鍋研究室，通過(guò)在液晶中溶解分子取向性的高分子材料(樹(shù)脂)，進(jìn)行紫外線圖案曝光，開(kāi)發(fā)出不破壞液晶取向、可以使2枚基板以固定間隔接合的高分子間隔壁，以“Invited Advanced Polymer and LCTechnologies for High Quality Flexible Displays”為題發(fā)表了演講(論文編號(hào)：FLX2/LCT5-1)。圖1的“Bonding polymer wall spacer”，就是他們開(kāi)發(fā)出的高分子間隔壁。

　　圖1：柔性液晶顯示屏的基本結(jié)構(gòu)（日本東北大學(xué)提供的資料）

　　而且，柔性液晶顯示屏需要柔性的背光源。圖2是在能夠?qū)崿F(xiàn)薄型柔性化的背光源用導(dǎo)光板中采用液晶高分子復(fù)合膜，有助于實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度化、省電力化的局部調(diào)光背光源系統(tǒng)。復(fù)合膜內(nèi)的液晶和高分子都具有分子取向，通過(guò)開(kāi)關(guān)電壓，可以表現(xiàn)為光散射或透明狀態(tài)。

　　圖2：柔性薄型局部調(diào)光背光源系統(tǒng)（東北大學(xué)提供的資料）

　　另外，局部調(diào)光背光源會(huì)根據(jù)影像自動(dòng)控制局部的背光源亮度，具備在降低功耗的同時(shí)，提高影像對(duì)比度的功能。還可以抑制影像的黑色部分“泛白”的現(xiàn)象。在圖2中，影像顯示“月亮”的區(qū)域的電壓為“ON”，為“光散射狀態(tài)”，其他區(qū)域的電壓為“OFF”，為“透明狀態(tài)”。

　　東北大學(xué)在演講中還介紹了塑料基板和液晶的光學(xué)補(bǔ)償，公布了VA模式及IPS模式的柔性液晶顯示屏的試制情況和顯示品質(zhì)�？v觀2015年IDW的所有論文，東北大學(xué)藤掛石鍋研究室發(fā)表的這篇柔性液晶顯示屏相關(guān)論文鶴立雞群。下面，筆者將介紹一下自己特別感興趣的內(nèi)容。

　　3. 柔性液晶顯示屏的支撐技術(shù)

　　3.1 不銹鋼箔有望成為基板材料

　　日本東北大學(xué)開(kāi)發(fā)出了使用具有耐熱性的超薄不銹鋼箔(新日鐵住金制造)和聚碳酸酯薄膜(帝人制造)作為基板材料的VA模式反射型柔性液晶顯示屏，以“Flexible Reflective LCDs Using StainlessSteel Substrate and Optical Compensation Technology”為題發(fā)表了演講(論文編號(hào)：FLXp1-4L)。

　　試制的反射型柔性液晶顯示屏的截面結(jié)構(gòu)如圖3所示。兩片基板的表面涂敷聚酰亞胺膜(日產(chǎn)化學(xué)工業(yè)的“SE-4811”)后，在120℃的溫度下加熱，作為液晶的取向膜使用。液晶盒的厚度為2μm，真空填充了液晶材料(德國(guó)默克公司的“MLC-2038”)。為了實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度及廣視角，還使用了雙軸拉伸膜、圓偏光板以及光擴(kuò)散板。圖4是試制的柔性反射型液晶顯示屏的顯示示例(照片是不銹鋼基板彎曲時(shí)拍攝的)。

　　圖3：使用不銹鋼基板的柔性反射型VA模式液晶顯示屏的截面結(jié)構(gòu)（東北大學(xué)提供的資料）

　　圖4：使用不銹鋼基板的柔性反射型VA模式液晶顯示屏的顯示示例（東北大學(xué)提供的資料）

　　試制的液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)了20:1以上的良好對(duì)比度。證明了不銹鋼箔是有望實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)、低功耗的反射型柔性液晶顯示屏的基板技術(shù)。

　　3.2 利用In-cell偏光板解決柔性液晶的課題

　　對(duì)于使用染料類(lèi)偏光膜的In-cell型偏光板，及其在TN液晶顯示屏中應(yīng)用的結(jié)果，日本東北大學(xué)發(fā)表了題為“Fabrication of Thin Flexible Liquid Crystal DisplayUsing Dye-Type In-Cell Polarizer”的演講(論文編號(hào)：FLXp1-5L)。塑料基板導(dǎo)致顯示品質(zhì)差、視角特性狹窄是柔性液晶顯示屏面臨的一大課題。而且，如圖5所示，偏光板及相位差板的厚度造成了柔性差的問(wèn)題。作為解決這些課題的方法，東北大學(xué)想出的辦法是采用In-cell偏光板。

　　圖5：通常的柔性液晶顯示屏與使用In-cell偏光板的顯示屏的結(jié)構(gòu)比較

　　左邊是通常的柔性液晶顯示屏，右邊是使用In-cell偏光板的柔性液晶顯示屏。（東北大學(xué)提供的資料）

　　面板的制作步驟如下。首先在染料類(lèi)偏光板上低溫生成ITO膜(膜電阻為100Ω/□)，使用PVA類(lèi)粘合劑，與作為底板的TAC(triacetylcellulose)薄膜和偏光板接合。然后，借助離型膜(日本新田公司制造)，使TAC薄膜與玻璃基板接合。再使用250nm的紫外線，照射偏光板表面6～12分鐘，使表面變性后，利用旋涂方式涂敷光取向膜。使用5μm的間隔壁，使液晶盒厚度保持固定，使用紫外線硬化樹(shù)脂制作密封圖案，接著再注入液晶。

　　試制面板的電壓透射特性與外置偏光板基本相等。如圖5的右側(cè)所示，顯示屏的厚度縮小到0.2mm，實(shí)現(xiàn)了薄型化。而且對(duì)比度達(dá)到了260:1。其特性與使用通常的玻璃基板的TN液晶顯示屏相當(dāng)(圖6)。

　　圖6：使用In-cell偏光板的TN液晶顯示屏

　　（a）電壓打開(kāi)，（b）電壓關(guān)閉。（東北大學(xué)提供的資料）

　　3.3 可以延展的無(wú)基板液晶顯示屏

　　未來(lái)，市場(chǎng)不僅需要柔性，還需要可以延展的“伸縮顯示屏”。要想實(shí)現(xiàn)這種顯示屏，必須開(kāi)發(fā)出無(wú)需基板、可以實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度顯示的組件結(jié)構(gòu)。為此，研發(fā)人員抱著在具有獨(dú)立性的液晶高分子復(fù)合膜中，自由控制伴隨分子取向的液晶的分散形態(tài)這一目的，對(duì)基于紫外線圖案曝光的液晶高分子相分離展開(kāi)了研究。

　　日本東北大學(xué)在題為“MorphologicalControl of the Liquid Crystal Droplets in Molecular-Aligned Polymer forSubstrate-Free LCDs”的演講(論文編號(hào)：LCTp5-9L)中，介紹了通過(guò)控制液晶與高分子的分子取向，利用雙折射實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度顯示的“無(wú)基板液晶顯示屏”。

　　具體來(lái)說(shuō)，是在向列液晶(JNC制造的“TD-1013LA”)中混合50wt%的二官能液晶性單體C型(DIC制)，注入了利用摩擦法進(jìn)行了扭曲取向處理的液晶盒(液晶盒厚度為10μm)。使用正交網(wǎng)格狀的光掩模(間隔為120μm或60μm)，對(duì)液晶盒進(jìn)行了紫外線圖案曝光。紫外線強(qiáng)度為3～100mW/cm2，溫度控制在25～50℃。結(jié)果表明，通過(guò)改變相分離的條件，可以控制取向液晶的分散形狀，使高分子包含更多的控制了取向的液晶。

　　圖7是向試制器件(TN液晶液滴)加載電壓時(shí)的偏光顯微鏡照片。圖8是該器件的電壓透射特性與通常的TN液晶顯示屏的特性的比較。試制的TN液晶液滴的特性與通常的TN液晶顯示屏相比，閾值電壓略高，關(guān)閉狀態(tài)的透射率也比較高，還有改善的余地。但通過(guò)這次的開(kāi)發(fā)，獲得了關(guān)于實(shí)現(xiàn)利用高分子取向維持液晶取向的無(wú)基板液晶顯示屏的有用的知識(shí)，今后的發(fā)展值得期待。聆聽(tīng)東北大學(xué)的演講，筆者不禁要想：“通過(guò)使用必須靠薄膜等多層涂層才能發(fā)揮作用的柔性O(shè)LED技術(shù)，真能實(shí)現(xiàn)無(wú)基板嗎?”

　　圖7：TN模式液晶液滴的動(dòng)作（東北大學(xué)提供的資料）

　　3.4 驗(yàn)證附帶平坦薄膜的不銹鋼箔

　　為了研究金屬箔作為柔性基板的可能性，使用的是有平坦層的不銹鋼箔(新日鐵住金制造的“#190SB”)。新日鐵住金以“Planarized Stainless Steel Foil forFlexible Substrate”為題，就不銹鋼箔基板發(fā)表了演講(論文編號(hào)：FMC3-1)�；�板的板厚為8～100μm，表面狀態(tài)為超級(jí)光亮(SB)，熱膨脹系數(shù)CTE為11×10-6/℃。分別使用旋涂和卷對(duì)卷(R2R)涂敷兩種方式，在表面上形成了平坦薄膜。通過(guò)涂敷平坦薄膜，表面粗糙度Ra從6.2nm降至0.6nm，Rmax從78.2nm降低到了8.9nm。

　　在試制OLED屏?xí)r，該公司對(duì)平坦層(3μm)釋放的氣體進(jìn)行了檢測(cè)，得到的數(shù)據(jù)小到可以忽略不計(jì)。在兩種基板上制作OLED照明器件樣品的結(jié)果表明，二者均可正常工作。另外，使用R2R涂敷方式的不銹鋼箔的厚度為50μm，寬度為300mm。以上結(jié)果表明，不銹鋼箔可以作為柔性基板使用。

　　3.5 有機(jī)TFT驅(qū)動(dòng)塑料液晶顯示屏

　　有機(jī)薄膜晶體管(OTFT)的移動(dòng)度為1～10cm2/Vs，超過(guò)了非晶Si(a-Si)TFT的0.5cm2/Vs。在本次的IDW上，英國(guó)FlexEnable公司以“InvitedPlastic Liquid Crystal Displays EnabLED by Organic Transistor Technology”為題，介紹了使用TAC薄膜，為主動(dòng)驅(qū)動(dòng)用途試制使用OTFT的IPS液晶顯示屏的結(jié)果。厚度為40μm的TAC為低雙折射性，Rth<1nm、Ro<1nm，具有與玻璃基板相同的光學(xué)特性，適合作為液晶顯示屏的基板。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間隔柱。

　　通過(guò)采用新開(kāi)發(fā)的具備自組織高分子壁的液晶材料，提高了堅(jiān)固性。試制的OTFT驅(qū)動(dòng)IPS液晶顯示屏的畫(huà)面尺寸為4.7英寸，畫(huà)面寬高比為16：9，厚度為300μm，去掉背光源后的重量為10g。該器件可以彎曲到半徑為50mm的程度。能在低于100℃的低溫下制作的OTFT，開(kāi)拓出了有源矩陣用背板的新應(yīng)用領(lǐng)域。

　　OTFT的彎曲半徑為0.5mm，1萬(wàn)次測(cè)試后的閾值電壓變化很小，非常穩(wěn)定。通態(tài)電流的變化也同樣穩(wěn)定。

　　除此之外，正如之前報(bào)道的那樣，英國(guó)Plastic Logic公司已經(jīng)開(kāi)始量產(chǎn)OTFT驅(qū)動(dòng)的電子紙(參閱日經(jīng)BP社網(wǎng)站)。另外，使用OTFT的氣體傳感器、影像傳感器以及X射線檢測(cè)器的生產(chǎn)也已實(shí)現(xiàn)。

　　4. 結(jié)語(yǔ)

　　這一次，連同基礎(chǔ)技術(shù)在內(nèi)，介紹了很多的內(nèi)容，筆者自認(rèn)為讀起來(lái)應(yīng)該非常過(guò)癮，不知大家感覺(jué)怎樣?

　　這里介紹的局部調(diào)光背光源、In-cell偏光板(很遺憾不是涂布型)、無(wú)基板液晶顯示屏等，都是出色的研究成果。為實(shí)現(xiàn)柔性液晶顯示屏而開(kāi)展的系統(tǒng)性研發(fā)，是日本今后在這一領(lǐng)域打贏國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的重要條件。但正如以前報(bào)道過(guò)的，F(xiàn)lex Enable通過(guò)與默克公司合作，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了OTFT驅(qū)動(dòng)IPS液晶顯示屏。日本也要加快速度了。

　　但現(xiàn)在有人說(shuō)“大學(xué)不用教顯示器相關(guān)課程”，只能說(shuō)這樣的看法缺乏預(yù)見(jiàn)性。從很早以前，“照明工學(xué)”就從電氣類(lèi)學(xué)科、“傳熱工學(xué)”就從機(jī)械類(lèi)學(xué)科的課程中消失了。設(shè)置課程的人完全不知道在開(kāi)發(fā)智能手機(jī)時(shí)，這些技術(shù)有多么重要。筆者希望告訴學(xué)生和年輕的技術(shù)人員，如果把鼠目寸光的人的話當(dāng)真，日本將沒(méi)有未來(lái)。