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LCD技术未来发展方向是柔性现实,开辟新的设计维度

2020年07月13日 11:01 次阅读

尽管液晶显示(LCD)技术获得业界广泛采用已经有二十几年,仍然占据现今显示器出货量的90%以上。虽然各种替代显示技术不断出现,但LCD一次又一次地证明了它的多功能适应性和自我完善的能力。在过去的二十年间,LCD越来越薄、重量越来越轻、尺寸越来越大;同时LCD的显示性能也在不断提高,包括分辨率、颜色、对比度、亮度和更新率等。LCD技术演进的下一个篇章将是柔性显示,将为各种应用和产品带来前所未有的优势和灵活性。

柔性OLCD

虽然柔性OLED现在已广泛应用于旗舰型智能型手机和智能手表等产品,到目前为止还没有一种低成本的替代显示技术,可以为需要大尺寸显示器的主流应用(例如智能家庭设备、车载显示器和数字广告牌)提供曲面显示器。然而,柔性有机LCD (OLCD)技术的最新发展,为更广阔的显示市场开辟了一个新的设计维度。

与玻璃基板LCD不同,OLCD使用有机材料作为基板,而不是非晶硅(amorphous silicon)晶体管。生产这些有机晶体管所需的温度要低得多,因此可以使用薄至40微米的柔性生物基板──例如三乙酰纤维素(triacetyl cellulose,TAC)──以获得贴合、可塑的轻薄OLCD,不仅无损其光学显示性能,并且具有与玻璃LCD一样的规模化扩展性。

OLCD不仅可实现更具美感的产品外观,其柔软性还可以将边沿折迭到显示器后面,以实现超窄边框。这为笔记本电脑和平板计算机等应用带来了巨大优势,无边框意味着相同尺寸的装置可实现更大的显示尺寸。OLCD技术还能够制造出具有真正像素级调光功能的超高对比度双单元显示(dual cell display),从而以极低的成本提供类似OLED的性能。

与玻璃显示器相比,极薄的OLCD基板在成本、视角和模块厚度方面均具有优势,同时还保留了各种应用所需的灵活性,比如表面整合式车用显示器。这项新技术代表了显示器产业的一大进步,OLCD在亚洲地区已经进入大规模生产,并且首次在柔性基板上同时制造出大屏幕和小屏幕。

低温制造

从玻璃向柔性基板的转变,将会带来难以估量的巨大收益。从历史发展来看,使用玻璃的原因有很多,包括其化学惰性、光学透明度,以及能够承受300~500°C的耐高温特性,这些都是构建硅基薄膜晶体管(TFT)所必需的。

硅TFT生产中涉及的许多过程──退火、溅射、反应性离子蚀刻、离子注入和化学气相沉积(CVD)──都需要大量能源,使得高温制程变得十分复杂。出于经济和环境方面的考虑,业界需要更节能的生产方法,OLCD正好提供了一种很有吸引力的替代方案。这要归功于其前所未有的低温制程(整个OTFT流程可以保持在100°C以下),因为它采用溶液处理制程的有机TFT。

除了降低了处理温度之外,OTFT的制程还绕过了与硅相关的高能耗制造流程。例如,可以使用简单的溶液涂布制程替代CVD。业界专家估计,从硅TFT转移到蒸镀OTFT可以将制程的能耗降低数十倍,而使用溶液处理制程的OTFT可以进一步降低能耗。

低成本生物基板

实际上,OLCD制程的温度相当低,以至于可以选择多种薄膜来作柔性基板,包括生物基(非油基)和可生物降解(biodegradable)的薄膜。OLCD制程使用一种透明的柔性薄膜,即三乙酰纤维素(TAC);顾名思义,这实际上是一种纤维素,通常是由木浆制成——换句话说,TAC是由与纸张相同的天然原料制成的。实际上,作为食品包装中塑料的环保替代品,纤维素薄膜的使用已经越来越普遍。

TAC已在显示器产业供应链中使用了数十年,通常是在玻璃显示器两侧的偏光片中使用,你平时阅读文件的装置显示器可能就采用了TAC。之所以使用TAC,是因为它具有优异的光学性能,而且制造成本低,现今每年制造的TAC薄膜高达数亿平方公尺。

在制造过程中,TAC膜会粘贴到平面显示玻璃上。在此一制程的最后,TAC可透过非常简单的「释放」过程从玻璃上撕下来,无需使用昂贵的设备。这个简单的流程是OLCD具有低成本的关键因素——不仅良率高,而且平面玻璃载体可以重复使用。

由专业柔性显示制造商FlexEnable开发的这种TFT制程,是迄今已经工业化量产的最低温度晶体管制程。低温不但可以节能,而且可以选择多种基板材料,包括那些环保材料,从而降低柔性显示器的成本。

高性能OTFT

到目前为止,LCD一直在玻璃上使用以硬质陶瓷基板材料制成的主动式矩阵背板,这构成了晶体管技术的基础。而低温制造方法可以使用柔软、灵活的有机材料来代替硬质陶瓷材料。使用高性能、高质量的有机材料一直是开发OTFT显示设备的重点。用于制造OLCD的OTFT材料被称为FlexiOM,这种材料最初由默克(Merck)研发,后来被FlexEnable收购。

用于OLCD的主动式矩阵背板至少使用了三层FlexiOM:第一层是FE-S500,是一种近乎无定形的半导体聚合物,能量紊乱程度较低。其上一层是FE-D320,这是一种低k介电材料,可作为半导体的原始接口。最后的有机层是可交联的介电材料FE-D048X,可提高电气耐用性。

当把它们放在一起进行处理时,可以实现最先进的性能,包括接近0V的阈值和大于106的开/关比。其场效应迁移率大于1.5 cm2/Vs,这个数值高于大多数TFT-LCD玻璃显示中普遍使用的非晶硅TFT技术。

多种设计可能性

LCD显示器被广泛采用,但其纯平面的局限性使得工程师从一开始设计产品就受到显示器的限制。电子产品通常要屈就显示器的平面特性来设计,这有点本末倒置。由于柔性基板易于切割,因此使用这些基板来取代玻璃便可消除这一设计约束,并提供了创建具有独特显示形状和曲面显示器的诸多机会。

智能家庭装置

不含玻璃的OLCD很容易加工为凸面或凹面,向下弯曲的半径可达10mm且不会影响显示器的韧性。例如市面上的高阶智能音箱产品现在都配备显示器,但是这些平面玻璃屏幕是整合显示器并使其融入整体产品设计之间的折衷方案。使用OLCD能够使显示器设计成「环绕」音箱的形状,从而创建全新的视听使用案例效果。

车用显示器

汽车应用为柔性OLCD提供了巨大的机会。现代的汽车内装设计往往以弯曲流线型为主格调,一片平坦的显示器会影响整体美观;实际上,显示器通常是车内唯一的平面部份。这类应用对于曲面显示的需求很大,但是目前还没有可行的显示技术完全符合要求。

LCD已经在汽车领域成功使用了很多年,尽管有着严苛的要求(LCD业界为了满足这些要求而订定了适合车用显示零件的质量标准),但LCD产业已克服挑战,并成为车内显示应用的默认选择。任何柔性OLCD实作方案都可以建立在这个供应链基础之上,透过使用现有零件使得将新型显示技术导入车用市场的工作不再困难。

笔记型与平板计算机

柔性OLCD的成本结构类似于玻璃LCD——除了玻璃,它使用了许多相同的低成本组件,使得笔记本电脑显示器的重量减轻了100g,厚度则减少了0.5mm。此外,OLCD还可以实现无边框显示器,让笔记本电脑和平板计算机具有更大的显示器,而不会增加重量。

电视机和监视器

液晶电视的成本较低,在电视市场上独领风骚,但无法实现OLED电视的超高对比度性能。玻璃LCD技术的最新发展是透过将两片LCD彼此堆栈,形成双单元LCD,以提高LCD对比度。尽管这种方法显著提高了显示器的对比度,但由于需要四片玻璃板,使得显示器厚度变高,也增加了模块的成本,并且需要更亮的背光照明,亦无法提供真正的像素级调光功能。

使用双显示单元OLCD技术可以克服厚度增加和缺乏真正像素级局部调光的问题。构建OLCD的TAC膜比玻璃薄了十倍,意味着这两个显示单元能够以比电视的像素间距小得多的间距聚集在一起。另外,显示器架构变得更薄,并且能够以更简便的方式(与双单元玻璃LCD或OLED相较)、更低的成本制造,并且具有更高的光学性能。

LCD技术未来发展方向是柔性现实,开辟新的设计维度

数位广告牌

当屏幕由玻璃制作,重量就成为大型显示设备的重要考虑因素,因为大型显示器通常需要坚固的支撑架或框架,这限制了在建筑物内和物体顶部安装玻璃显示器的位置和方式。OLCD技术在亮度、色彩性能、视讯传输速率和成本方面具备了LCD技术作为广告卖点的全部好处,而其显著优势则是无需玻璃、轻薄且贴合。OLCD技术可以扩展到大尺寸显示器,甚至可以使大型数字广告牌显示器与支柱、街道摆设、车辆外观设计和零售商店内装融为一体。

与OLED的比较

过去几年,业界已经在柔性OLED技术上投入大量资金,特别是在亚洲地区,这让业界考虑是否需要OLCD和OLED并存,以解决柔性显示应用需求的问题。

透过仔细研究每种技术的制造和性能属性,可以发现实际上它们针对的市场领域不同。柔性OLED显示器在对比度、颜色和反应速度方面提供了出色的性能,但在使用寿命、成本和尺寸可扩展性方面存在限制。OLED屏幕的寿命与亮度成反比,因此它们不太适合同时需要高亮度和长寿命的应用。

OLED还具有复杂的制程,从而导致较高的资本支出和材料成本,并带来了很高的整体制造成本。最重要的是,其中数个制程步骤使得柔性OLED难以扩展到大尺寸,因此它们的应用目前几乎完全集中在旗舰智能型手机和智慧手表上。

另一方面,OLCD的生产过程则更简单,其复杂性与非晶硅LCD相似,并且可以扩展到相同的大尺寸。所以可以使用现有的TFT / LCD生产线来制造OLCD,从而生产出像素密度、对比度、颜色和反应速度都媲美同类玻璃产品的塑料LCD。OLCD的制造成本也接近玻璃LCD,因为OLCD可以使用现有供应链中的许多组件,比如偏光片和背光模块。

最后,与任何LCD一样,OLCD纵使亮度调得非常高,也不会影响其使用寿命。综合起来,这些特性使得合格的OLCD非常适合需要较大尺寸和/或较长使用寿命的应用,如智能家电和消费性电子产品、汽车、笔记本电脑和平板计算机,甚至是电视和数字广告牌。因此OLCD和柔性OLED是互补的技术,两者相辅相成,可为显示市场的所有主要细分市场带来灵活性。

显示器迈向「柔性」未来

透过利用现有的LCD制造技术,现有的显示器制造厂能够迅速进行OLCD生产。更好的美学效果一直是电子产品早期接受者的主要购买动机,这驱使很多设计人员从平面转向可弯曲的新型显示技术,以实现新颖的屏幕形状和设计。

从显示器制造商的角度来看,随着越来越多的10.5代面板生产线投入使用,关闭或重新调整老式小型LCD生产设备用途的压力将会越来越大。OLCD经过专门设计,可以利用旧有显示器生产线快速转向柔性OLCD制造,同时保留现有供应链中成本经过优化的环节。

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