柔性液晶,利用「無基板」挑戰OLED

1.前言
本文將介紹在亞洲最大的螢幕國際會議「22th International Display Workshops(IDW'15)」上,關於液晶面板挑戰柔性螢幕的主流——有機EL螢幕的話題。以日本東北大學藤掛石鍋研究室的研究成果為中心,連同基礎技術一起進行講解。

2.將液晶屏彎曲也能維持基板間隔
在各種平板螢幕(FPD)中,有機EL螢幕因為能夠做到高對比度、高色彩表現範圍,而且容易做到超薄化,從而作為柔性螢幕的主流技術被關注,筆者在之前的文章中也曾經介紹過這一點(參閱本站報導)。

具有代表性的電子紙——電泳螢幕(EPD)早已作為柔性螢幕投入實用。而且,這種螢幕是具有記憶性、無需背照燈的反射型,還不需要偏光板,因此能夠得到明亮、無彩色的顯示。但在彩色顯示和影片顯示方面存在課題。這一點之前也做過介紹。

而液晶螢幕能夠做到大螢幕、高精細化,具有可以做到較大的色彩表現範圍等特點,作為高品質螢幕已經得到廣泛應用。而且,液晶屏的製造技術非常成熟,過不了多久,中國的產量就會成為第一。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展,液晶屏在顯示品質的穩定化方面出現了課題。

圖1是柔性液晶螢幕的基本結構。要想做到實用的柔性液晶螢幕,重點是要利用液晶盒內形成的微細聚合物間隔壁(polymer spacer wall)的網路結構,保持一定的液晶盒間隙,並且保持穩定的取向。日本東北大學的藤掛石鍋研究室,通過在液晶中溶解分子取向性的高分子材料(樹脂),進行紫外線圖案曝光,開發出不破壞液晶取向、可以使2枚基板以固定間隔接合的高分子間隔壁,以「Invited AdvancedPolymer and LC Technologies for High Quality Flexible Displays」為題發表了演講(論文編號:FLX2/LCT5-1)。圖1的「Bondingpolymer wall spacer」,就是他們開發出的高分子間隔壁。

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圖1:柔性液晶螢幕的基本結構 (日本東北大學提供的資料)
而且,柔性液晶螢幕需要柔性的背照燈。圖2是在能夠做到薄型柔性化的背照燈用導光板中採用液晶高分子復合膜,有助於做到高對比度化、省電力化的局部調光背照燈系統。復合膜內的液晶和高分子都具有分子取向,通過開關電壓,可以表現為光散射或透明狀態。

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圖2:柔性薄型局部調光背照燈系統 (東北大學提供的資料)
另外,局部調光背照燈會根據影像自動控制局部的背照燈亮度,具備在降低功耗的同時,提高影像對比度的功能。還可以抑制影像的黑色部分「泛白」的現象。在圖2中,影像顯示「月亮」的區域的電壓為「ON」,為「光散射狀態」,其他區域的電壓為「OFF」,為「透明狀態」。

東北大學在演講中還介紹了塑膠基板和液晶的光學補償,公布了VA模式及IPS模式的柔性液晶螢幕的試制情況和顯示品質。縱觀2015年IDW的所有論文,東北大學藤掛石鍋研究室發表的這篇柔性液晶螢幕相關論文鶴立雞群。下面,筆者將介紹一下自己特別感興趣的內容。

3.柔性液晶螢幕的支撐技術
3.1不銹鋼箔有望成為基板材料
日本東北大學開發出了使用具有耐熱性的超薄不銹鋼箔(新日鐵住金製造)和聚碳酸酯薄膜(帝人製造)作為基板材料的VA模式反射型柔性液晶螢幕,以「Flexible Reflective LCDs Using Stainless Steel Substrate andOptical Compensation Technology」為題發表了演講(論文編號:FLXp1-4L)。

試制的反射型柔性液晶螢幕的截面結構如圖3所示。兩片基板的表面塗敷聚酰亞胺膜(日產化學工業的「SE-4811」)後,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(德國默克公司的「MLC-2038」)。為了做到高對比度及廣視角,還使用了雙軸拉伸膜、圓偏光板以及光擴散板。圖4是試制的柔性反射型液晶螢幕的顯示示例(照片是不銹鋼基板彎曲時拍攝的)。

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圖3:使用不銹鋼基板的柔性反射型VA模式液晶螢幕的截面結構 (東北大學提供的資料)
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圖4:使用不銹鋼基板的柔性反射型VA模式液晶螢幕的顯示示例 (東北大學提供的資料)
試制的液晶螢幕做到了20:1以上的良好對比度。證明了不銹鋼箔是有望做到高品質、低功耗的反射型柔性液晶螢幕的基板技術。

3.2利用In-cell偏光板解決柔性液晶的課題
對於使用染料類偏光膜的In-cell型偏光板,及其在TN液晶螢幕中應用的結果,日本東北大學發表了題為「Fabrication of Thin Flexible Liquid Crystal Display Using Dye-TypeIn-Cell Polarizer」的演講(論文編號:FLXp1-5L)。塑膠基板導致顯示品質差、視角特性狹窄是柔性液晶螢幕面臨的一大課題。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題。作為解決這些課題的方法,東北大學想出的辦法是採用In-cell偏光板。

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圖5:通常的柔性液晶螢幕與使用In-cell偏光板的螢幕的結構比較
左邊是通常的柔性液晶螢幕,右邊是使用In-cell偏光板的柔性液晶螢幕。(東北大學提供的資料)
面板的製作步驟如下。首先在染料類偏光板上低溫生成ITO膜(膜電阻為100Ω/□),使用PVA類黏合劑,與作為底板的TAC(triacetylcellulose)薄膜和偏光板接合。然後,借助離型膜(日本新田公司製造),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,使表面變性後,利用旋塗方式塗敷光取向膜。使用5μm的間隔壁,使液晶盒厚度保持固定,使用紫外線硬化樹脂製作密封圖案,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的右側所示,螢幕的厚度縮小到0.2mm,做到了薄型化。而且對比度達到了260:1。其特性與使用通常的玻璃基板的TN液晶螢幕相當(圖6)。

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圖6:使用In-cell偏光板的TN液晶螢幕
(a)電壓打開,(b)電壓關閉。(東北大學提供的資料)
3.3可以延展的無基板液晶螢幕
未來,市場不僅需要柔性,還需要可以延展的「伸縮螢幕」。要想做到這種螢幕,必須開發出無需基板、可以做到高對比度顯示的組件結構。為此,研發人員抱著在具有獨立性的液晶高分子復合膜中,自由控制伴隨分子取向的液晶的分散形態這一目的,對基於紫外線圖案曝光的液晶高分子相分離展開了研究。

日本東北大學在題為「Morphological Control of the Liquid Crystal Droplets inMolecular-Aligned Polymer for Substrate-Free LCDs」的演講(論文編號:LCTp5-9L)中,介紹了通過控制液晶與高分子的分子取向,利用雙折射做到高對比度顯示的「無基板液晶螢幕」。

具體來說,是在向列液晶(JNC製造的「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行了扭曲取向處理的液晶盒(液晶盒厚度為10μm)。使用正交網格狀的光掩模(間隔為120μm或60μm),對液晶盒進行了紫外線圖案曝光。紫外線強度為3~100mW/cm2,溫度控制在25~50℃。結果表明,通過改變相分離的條件,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液晶螢幕的特性的比較。試制的TN液晶液滴的特性與通常的TN液晶螢幕相比,閾值電壓略高,關閉狀態的透射率也比較高,還有改善的餘地。但通過這次的開發,獲得了關於做到利用高分子取向維持液晶取向的無基板液晶螢幕的有用的知識,今後的發展值得期待。聆聽東北大學的演講,筆者不禁要想:「通過使用必須靠薄膜等多層塗層才能發揮作用的柔性有機EL技術,真能做到無基板嗎?」
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圖7:TN模式液晶液滴的動作 (東北大學提供的資料)
3.4驗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(新日鐵住金製造的「#190SB」)。新日鐵住金以「Planarized Stainless Steel Foilfor Flexible Substrate」為題,就不銹鋼箔基板發表了演講(論文編號:FMC3-1)。基板的板厚為8~100μm,表面狀態為超級光亮(SB),熱膨脹系數CTE為11×10-6/℃。分別使用旋塗和卷對卷(R2R)塗敷兩種方式,在表面上形成了平坦薄膜。通過塗敷平坦薄膜,表面粗糙度Ra從6.2nm降至0.6nm,Rmax從78.2nm降低到了8.9nm。

在試制有機EL屏時,該公司對平坦層(3μm)釋放的氣體進行了檢測,得到的數據小到可以忽略不計。在兩種基板上製作有機EL照明器件樣品的結果表明,二者均可正常工作。另外,使用R2R塗敷方式的不銹鋼箔的厚度為50μm,寬度為300mm。以上結果表明,不銹鋼箔可以作為柔性基板使用。

3.5有機TFT驅動塑膠液晶螢幕
有機薄膜晶體管(OTFT)的移動度為1~10cm2/Vs,超過了非晶Si(a-Si)TFT的0.5cm2/Vs。在本次的IDW上,英國FlexEnable公司以「Invited Plastic Liquid CrystalDisplays Enabled by Organic Transistor Technology」為題,介紹了使用TAC薄膜,為主動驅動用途試制使用OTFT的IPS液晶螢幕的結果。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特性,適合作為液晶螢幕的基板。液晶的取向控制採用光取向,液晶盒厚度的控制使用光刻形成的間隔柱。

通過採用新開發的具備自組織高分子壁的液晶材料,提高了堅固性。試制的OTFT驅動IPS液晶螢幕的畫面尺寸為4.7英寸,畫面寬高比為16:9,厚度為300μm,去掉背照燈後的重量為10g。該器件可以彎曲到半徑為50mm的程度。能在低於100℃的低溫下製作的OTFT,開拓出了有源矩陣用背板的新應用領域。

OTFT的彎曲半徑為0.5mm,1萬次測試後的閾值電壓變化很小,非常穩定。通態電流的變化也同樣穩定。

除此之外,正如之前報導的那樣,英國Plastic Logic公司已經開始量產OTFT驅動的電子紙。另外,使用OTFT的氣體傳感器、影像傳感器以及X射線檢測器的生產也已做到。

4.結語
這一次,連同基礎技術在內,介紹了很多的內容,筆者自認為讀起來應該非常過癮,不知大家感覺怎樣?
這裡介紹的局部調光背照燈、In-cell偏光板(很遺憾不是塗布型)、無基板液晶螢幕等,都是出色的研究成果。為做到柔性液晶螢幕而開展的系統性研發,是日本今後在這一領域打贏國際競爭的重要條件。但正如以前報導過的,Flex Enable通過與默克公司合作,已經開發出了OTFT驅動IPS液晶螢幕。日本也要加快速度了。

但現在有人說「大學不用教顯示器相關課程」,只能說這樣的看法缺乏預見性。從很早以前,「照明工學」就從電氣類學科、「傳熱工學」就從機械類學科的課程中消失了。設置課程的人完全不知道在開發智慧型手機時,這些技術有多麼重要。筆者希望告訴學生和年輕的技術人員,如果把鼠目寸光的人的話當真,日本將沒有未來。(特約撰稿人:鵜飼育弘,Ukai Display Device Institute代表)
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