LCD技術演進新篇章:柔性顯示

作者 : 本文由FlexEnable供稿

LCD技術演進的下一個篇章將是柔性顯示,將為各種應用和產品帶來前所未有的優勢和靈活性。

儘管液晶顯示(LCD)技術獲得業界廣泛採用已經有二十幾年,仍然佔據現今顯示器出貨量的90%以上。雖然各種替代顯示技術不斷出現,但LCD一次又一次地證明了它的多功能適應性和自我完善的能力。在過去的二十年間,LCD越來越薄、重量越來越輕、尺寸越來越大;同時LCD的顯示性能也在不斷提高,包括解析度、顏色、對比度、亮度和更新率等。LCD技術演進的下一個篇章將是柔性顯示,將為各種應用和產品帶來前所未有的優勢和靈活性。

柔性OLCD

雖然柔性OLED現在已廣泛應用於旗艦型智慧型手機和智慧手錶等產品,到目前為止還沒有一種低成本的替代顯示技術,可以為需要大尺寸顯示器的主流應用(例如智慧家庭設備、車載顯示器和數位看板)提供曲面顯示器。然而,柔性有機LCD (OLCD)技術的最新發展,為更廣闊的顯示市場開闢了一個新的設計維度。

與玻璃基板LCD不同,OLCD使用有機材料作為基板,而不是非晶矽(amorphous silicon)電晶體。生產這些有機電晶體所需的溫度要低得多,因此可以使用薄至40微米的柔性生物基板──例如三乙醯纖維素(triacetyl cellulose,TAC)──以獲得貼合、可塑的輕薄OLCD,不僅無損其光學顯示性能,並且具有與玻璃LCD一樣的規模化擴展性。

OLCD不僅可實現更具美感的產品外觀,其柔軟性還可以將邊沿折疊到顯示器後面,以實現超窄邊框。這為筆記型電腦和平板電腦等應用帶來了巨大優勢,無邊框意味著相同尺寸的裝置可實現更大的顯示尺寸。OLCD技術還能夠製造出具有真正像素級調光功能的超高對比雙單元顯示(dual cell display),從而以極低的成本提供類似OLED的性能。

與玻璃顯示器相比,極薄的OLCD基板在成本、視角和模組厚度方面均具有優勢,同時還保留了各種應用所需的靈活性,比如表面整合式車用顯示器。這項新技術代表了顯示器產業的一大進步,OLCD在亞洲地區已經進入大規模生產,並且首次在柔性基板上同時製造出大螢幕和小螢幕。


圖1:彎曲半徑為10mm的有機LCD。
(圖片來源:FlexEnable提供)

 

低溫製造

從玻璃向柔性基板的轉變,將會帶來難以估量的巨大收益。從歷史發展來看,使用玻璃的原因有很多,包括其化學惰性、光學透明度,以及能夠承受300~500°C的耐高溫特性,這些都是構建矽基薄膜電晶體(TFT)所必需的。

矽TFT生產中涉及的許多過程──退火、濺射、反應性離子蝕刻、離子注入和化學氣相沉積(CVD)──都需要大量能源,使得高溫製程變得十分複雜。出於經濟和環境方面的考量,業界需要更節能的生產方法,OLCD正好提供了一種很有吸引力的替代方案。這要歸功於其前所未有的低溫製程(整個OTFT流程可以保持在100°C以下),因為它採用溶液處理製程的有機TFT。

除了降低了處理溫度之外,OTFT的製程還繞過了與矽相關的高能耗製造流程。例如,可以使用簡單的溶液塗佈製程替代CVD。業界專家估計,從矽TFT轉移到蒸鍍OTFT可以將製程的能耗降低數十倍,而使用溶液處理製程的OTFT可以進一步降低能耗。

低成本生物基板

實際上,OLCD製程的溫度相當低,以至於可以選擇多種薄膜來作柔性基板,包括生物基(非油基)和可生物降解(biodegradable)的薄膜。OLCD製程使用一種透明的柔性薄膜,即三乙醯纖維素(TAC);顧名思義,這實際上是一種纖維素,通常是由木漿製成——換句話說,TAC是由與紙張相同的天然原料製成的。實際上,作為食品包裝中塑膠的環保替代品,纖維素薄膜的使用已經越來越普遍。

TAC已在顯示器產業供應鏈中使用了數十年,通常是在玻璃顯示器兩側的偏光片中使用,你平時閱讀文件的裝置顯示器可能就採用了TAC。之所以使用TAC,是因為它具有優異的光學性能,而且製造成本低,現今每年製造的TAC薄膜高達數億平方公尺。

在製造過程中,TAC膜會粘貼到平面顯示玻璃上。在此一製程的最後,TAC可透過非常簡單的「釋放」過程從玻璃上撕下來,無需使用昂貴的設備。這個簡單的流程是OLCD具有低成本的關鍵因素——不僅良率高,而且平面玻璃載體可以重複使用。

由專業柔性顯示製造商FlexEnable開發的這種TFT製程,是迄今已經工業化量產的最低溫度電晶體製程。低溫不但可以節能,而且可以選擇多種基板材料,包括那些環保材料,從而降低柔性顯示器的成本。

高性能OTFT

到目前為止,LCD一直在玻璃上使用以硬質陶瓷基板材料製成的主動式矩陣背板,這構成了電晶體技術的基礎。而低溫製造方法可以使用柔軟、靈活的有機材料來代替硬質陶瓷材料。使用高性能、高品質的有機材料一直是開發OTFT顯示裝置的重點。用於製造OLCD的OTFT材料被稱為FlexiOM,這種材料最初由默克(Merck)研發,後來被FlexEnable收購。

用於OLCD的主動式矩陣背板至少使用了三層FlexiOM:第一層是FE-S500,是一種近乎無定形的半導體聚合物,能量紊亂程度較低。其上一層是FE-D320,這是一種低k介電材料,可作為半導體的原始介面。最後的有機層是可交聯的介電材料FE-D048X,可提高電氣耐用性。

當把它們放在一起進行處理時,可以實現最先進的性能,包括接近0V的閾值和大於106的開/關比。其場效應遷移率大於1.5 cm2/Vs,這個數值高於大多數TFT-LCD玻璃顯示中普遍使用的非晶矽TFT技術。

 


圖2:使用FlexiOM材料的OTFT背板橫切面。
(圖片來源:FlexEnable提供)

多種設計可能性

LCD顯示器被廣泛採用,但其純平面的侷限性使得工程師從一開始設計產品就受到顯示器的限制。電子產品通常要屈就顯示器的平面特性來設計,這有點本末倒置。由於柔性基板易於切割,因此使用這些基板來取代玻璃便可消除這一設計約束,並提供了創建具有獨特顯示形狀和曲面顯示器的諸多機會。

智慧家庭裝置

不含玻璃的OLCD很容易加工為凸面或凹面,向下彎曲的半徑可達10mm且不會影響顯示器的韌性。例如市面上的高階智慧音箱產品現在都配備顯示器,但是這些平面玻璃螢幕是整合顯示器並使其融入整體產品設計之間的折衷方案。使用OLCD能夠使顯示器設計成「環繞」音箱的形狀,從而創建全新的視聽使用案例效果。

車用顯示器

汽車應用為柔性OLCD提供了巨大的機會。現代的汽車內裝設計往往以彎曲流線型為主格調,一片平坦的顯示器會影響整體美觀;實際上,顯示器通常是車內唯一的平面部份。這類應用對於曲面顯示的需求很大,但是目前還沒有可行的顯示技術完全符合要求。

LCD已經在汽車領域成功使用了很多年,儘管有著嚴苛的要求(LCD業界為了滿足這些要求而訂定了適合車用顯示零件的品質標準),但LCD產業已克服挑戰,並成為車內顯示應用的預設選擇。任何柔性OLCD實作方案都可以建立在這個供應鏈基礎之上,透過使用現有零件使得將新型顯示技術導入車用市場的工作不再困難。

 


圖3:車用零組件供應商Novares於2019年將曲面OLCD顯示器整合到Nova Car#2之中。
(圖片來源:Novares提供)

筆記型與平板電腦

柔性OLCD的成本結構類似於玻璃LCD——除了玻璃,它使用了許多相同的低成本元件,使得筆記型電腦顯示器的重量減輕了100g,厚度則減少了0.5mm。此外,OLCD還可以實現無邊框顯示器,讓筆記型電腦和平板電腦具有更大的顯示器,而不會增加重量。

電視機和監視器

液晶電視的成本較低,在電視市場上獨領風騷,但無法實現OLED電視的超高對比性能。玻璃LCD技術的最新發展是透過將兩片LCD彼此堆疊,形成雙單元LCD,以提高LCD對比度。儘管這種方法顯著提高了顯示器的對比度,但由於需要四片玻璃板,使得顯示器厚度變高,也增加了模組的成本,並且需要更亮的背光照明,亦無法提供真正的像素級調光功能。

使用雙顯示單元OLCD技術可以克服厚度增加和缺乏真正像素級局部調光的問題。構建OLCD的TAC膜比玻璃薄了十倍,意味著這兩個顯示單元能夠以比電視的像素間距小得多的間距聚集在一起。另外,顯示器架構變得更薄,並且能夠以更簡便的方式(與雙單元玻璃LCD或OLED相較)、更低的成本製造,並且具有更高的光學性能。

數位看板

當螢幕由玻璃製作,重量就成為大型顯示裝置的重要考慮因素,因為大型顯示器通常需要堅固的支撐架或框架,這限制了在建築物內和物體頂部安裝玻璃顯示器的位置和方式。OLCD技術在亮度、色彩性能、視訊傳輸速率和成本方面具備了LCD技術作為廣告賣點的全部好處,而其顯著優勢則是無需玻璃、輕薄且貼合。OLCD技術可以擴展到大尺寸顯示器,甚至可以使大型數位看板顯示器與支柱、街道擺設、車輛外觀設計和零售商店內裝融為一體。

與OLED的比較

過去幾年,業界已經在柔性OLED技術上投入大量資金,特別是在亞洲地區,這讓業界考慮是否需要OLCD和OLED並存,以解決柔性顯示應用需求的問題。

透過仔細研究每種技術的製造和性能屬性,可以發現實際上它們針對的市場領域不同。柔性OLED顯示器在對比度、顏色和反應速度方面提供了出色的性能,但在使用壽命、成本和尺寸可擴展性方面存在限制。OLED螢幕的壽命與亮度成反比,因此它們不太適合同時需要高亮度和長壽命的應用。

OLED還具有複雜的製程,從而導致較高的資本支出和材料成本,並帶來了很高的整體製造成本。最重要的是,其中數個製程步驟使得柔性OLED難以擴展到大尺寸,因此它們的應用目前幾乎完全集中在旗艦智慧型手機和智慧手錶上。

另一方面,OLCD的生產過程則更簡單,其複雜性與非晶矽LCD相似,並且可以擴展到相同的大尺寸。所以可以使用現有的TFT / LCD生產線來製造OLCD,從而生產出像素密度、對比度、顏色和反應速度都媲美同類玻璃產品的塑膠LCD。OLCD的製造成本也接近玻璃LCD,因為OLCD可以使用現有供應鏈中的許多元件,比如偏光片和背光模組。

最後,與任何LCD一樣,OLCD縱使亮度調得非常高,也不會影響其使用壽命。綜合起來,這些特性使得合格的OLCD非常適合需要較大尺寸和/或較長使用壽命的應用,如智慧家電和消費性電子產品、汽車、筆記型電腦和平板電腦,甚至是電視和數位看板。因此OLCD和柔性OLED是互補的技術,兩者相輔相成,可為顯示市場的所有主要細分市場帶來靈活性。

顯示器邁向「柔性」未來

透過利用現有的LCD製造技術,現有的顯示器製造廠能夠迅速進行OLCD生產。更好的美學效果一直是電子產品早期接受者的主要購買動機,這驅使很多設計人員從平面轉向可彎曲的新型顯示技術,以實現新穎的螢幕形狀和設計。

從顯示器製造商的角度來看,隨著越來越多的10.5代面板生產線投入使用,關閉或重新調整老式小型LCD生產設備用途的壓力將會越來越大。OLCD經過專門設計,可以利用舊有顯示器生產線快速轉向柔性OLCD製造,同時保留現有供應鏈中成本經過最佳化的環節。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年7月號;責編:Judith Cheng

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