1. 前言

　　本文將介紹在亞洲最大的顯示屏國際會議“22th International Display Workshops(IDW '15)”上，關于液晶面板挑戰(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

　　在各種平板顯示屏(FPD)中，OLED顯示屏因為能夠實現(xiàn)高對比度、高色彩表現(xiàn)范圍，而且容易實現(xiàn)超薄化，從而作為柔性顯示屏的主流技術被關注。

　　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用。而且，這種顯示屏是具有記憶性、無需背光源的反射型，還不需要偏光板，因此能夠得到明亮、無彩色的顯示。但在彩色顯示和視頻顯示方面存在課題。

　　而液晶顯示屏能夠實現(xiàn)大屏幕、高精細化，具有可以實現(xiàn)較大的色彩表現(xiàn)范圍等特點，作為高品質顯示屏已經得到廣泛應用。而且，液晶屏的制造技術非常成熟，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(fā)展，液晶屏在顯示品質的穩(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構。要想實現(xiàn)實用的柔性液晶顯示屏，重點是要利用液晶盒內形成的微細聚合物間隔壁(polymer spacer wall)的網絡結構，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(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：FLX2/LCT5-1)。圖1的“Bonding polymer wall spacer”，就是他們開發(fā)出的高分子間隔壁。

　　圖1：柔性液晶顯示屏的基本結構(日本東北大學提供的資料)

　　而且，柔性液晶顯示屏需要柔性的背光源。圖2是在能夠實現(xiàn)薄型柔性化的背光源用導光板中采用液晶高分子復合膜，有助于實現(xiàn)高對比度化、省電力化的局部調光背光源系統(tǒng)。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(xiàn)為光散射或透明狀態(tài)。

　　圖2：柔性薄型局部調光背光源系統(tǒng)(東北大學提供的資料)

　　另外，局部調光背光源會根據(jù)影像自動控制局部的背光源亮度，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(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)”。

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

　　3. 柔性液晶顯示屏的支撐技術

　　3.1 不銹鋼箔有望成為基板材料

　　日本東北大學開發(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：FLXp1-4L)。

　　試制的反射型柔性液晶顯示屏的截面結構如圖3所示。兩片基板的表面涂敷聚酰亞胺膜(日產化學工業(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(德國默克公司的“MLC-2038”)。為了實現(xiàn)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顯示屏的顯示示例(照片是不銹鋼基板彎曲時拍攝的)。

　　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構(東北大學提供的資料)

　　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(東北大學提供的資料)

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

　　3.2 利用In-cell偏光板解決柔性液晶的課題

　　對于使用染料類偏光膜的In-cell型偏光板，及其在TN液晶顯示屏中應用的結果，日本東北大學發(fā)表了題為“Fabrication of Thin Flexible Liquid Crystal DisplayUsing Dye-Type In-Cell Polarizer”的演講(論文編號：FLXp1-5L)。塑料基板導致顯示品質差、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題。作為解決這些課題的方法，東北大學想出的辦法是采用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構比較

　　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。(東北大學提供的資料)

　　面板的制作步驟如下。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的右側所示，顯示屏的厚度縮小到0.2mm，實現(xiàn)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液晶顯示屏相當(圖6)。

　　圖6：使用In-cell偏光板的TN液晶顯示屏

　　(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顯示屏

　　未來，市場不僅需要柔性，還需要可以延展的“伸縮顯示屏”。要想實現(xiàn)這種顯示屏，必須開發(fā)出無需基板、可以實現(xiàn)高對比度顯示的組件結構。為此，研發(fā)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(tài)這一目的，對基于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“MorphologicalControl of the Liquid Crystal Droplets in Molecular-Aligned Polymer forSubstrate-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，利用雙折射實現(xiàn)高對比度顯示的“無基板液晶顯示屏”。

　　具體來說，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，關閉狀態(tài)的透射率也比較高，還有改善的余地。但通過這次的開發(fā)，獲得了關于實現(xiàn)利用高分子取向維持液晶取向的無基板液晶顯示屏的有用的知識，今后的發(fā)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涂層才能發(fā)揮作用的柔性OLED技術，真能實現(xiàn)無基板嗎?”

　　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：FMC3-1)?；宓陌搴駷?～100μm，表面狀態(tài)為超級光亮(SB)，熱膨脹系數(shù)CTE為11×10-6/℃。分別使用旋涂和卷對卷(R2R)涂敷兩種方式，在表面上形成了平坦薄膜。通過涂敷平坦薄膜，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屏時，該公司對平坦層(3μm)釋放的氣體進行了檢測，得到的數(shù)據(jù)小到可以忽略不計。在兩種基板上制作OLED照明器件樣品的結果表明，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驅動塑料液晶顯示屏

　　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“InvitedPlastic Liquid Crystal Displays 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液晶顯示屏的結果。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。

　　通過采用新開發(fā)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液晶顯示屏的畫面尺寸為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，正如之前報道的那樣，英國Plastic Logic公司已經開始量產OTFT驅動的電子紙(參閱日經BP社網站)。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實現(xiàn)。

　　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?

　　這里介紹的局部調光背光源、In-cell偏光板(很遺憾不是涂布型)、無基板液晶顯示屏等，都是出色的研究成果。為實現(xiàn)柔性液晶顯示屏而開展的系統(tǒng)性研發(fā)，是日本今后在這一領域打贏國際競爭的重要條件。但正如以前報道過的，F(xiàn)lex Enable通過與默克公司合作，已經開發(fā)出了OTFT驅動IPS液晶顯示屏。日本也要加快速度了。

　　但現(xiàn)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(fā)智能手機時，這些技術有多么重要。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。

　　來源：日經BP社