未来半导体材料在柔性显示屏技术中的创新与应用

2019-11-29董明睿

科技与创新 2019年3期

董明睿

董明睿

（西安市铁一中学，陕西西安 710000）

柔性显示器是一种新型的可以弯曲变形的显示装置。近几年来，柔性显示器凭借其轻薄柔软的特点越来越被人们广泛熟知并应用，也受到了更多的关注与青睐，柔性显示屏技术也逐渐成为未来显示行业的发展趋势之一。之前，柔性显示技术由于受限于半导体材料的脆弱，还处在一个探索阶段，面临许多需要克服的技术难题，而随着最新半导体材料的出现和应用，柔性显示屏在手机中的应用也离我们更加近了一步。在对半导体材料相关概念以及其与柔性显示屏的发展现状等进行分析的基础上，重点探析了未来新型半导体材料在柔性显示屏中的应用，对未来柔性显示屏的发展进行展望并分析未来应用领域的创新。

半导体材料；柔性显示屏；材料应用；应用创新

1 半导体材料概念及发展概况

早在18世纪中叶，在电磁学领域有诸多贡献的英国科学家法拉第就发现了一种叫做硫化银的半导体材料，这种材料的电阻会随着温度的不断升高而降低，这也是当时首次涉足半导体材料领域，但是在当时并没有引起人们的太多关注。对于半导体材料来说，温度的升高导致自由载流子的浓度升高，这可以促进传导。到了20世纪，尽管人们对半导体材料的了解和认识也不够全面和深刻，但是当时对半导体材料的研究已经逐步增多；到20世纪20年代，随着固体物理学和量子力学的发展以及理论的进步，科学家们还对半导体材料中的电子态和电子传输过程进行了更深入的研究，对材料的性能、特征也逐渐有了一个清晰的了解和认识；20世纪50年代左右，为了改善晶体管的特性并提高晶体管的使用稳定性，半导体材料的研究得到了迅速发展。

半导体材料（semiconductor material）是一种用来制作半导体器件与集成电路的材料，可用来导电，且其导电能力介于导体和绝缘体之间，另外，半导体材料还可用来制造芯片与晶圆等领域。随着温度的升高，半导体材料的晶格震动会加剧电阻的产生，从而可以导电。目前，半导体制造工艺复杂，程序烦琐，应用起来有一定的复杂性，但是其应用与进步也带动了上游专用材料以及产业设备的升级改造与长远发展。

2 柔性显示屏发展现状

柔性显示屏也可称为可以卷曲的显示屏，是使用特定的柔性材料如超薄玻璃、塑料或者金属箔片等可柔性的面板材料构成的一种可以弯曲且变形的显示装置。近些年来，柔性显示屏发展势头迅猛，也是近来技术领域研究探索的热点之一，其中苹果、三星等大型厂商已经开始将这一技术不断商业化应用到其旗下的电子产品的开发研制中，而韩国的LG目前已经率先实现了柔性显示屏的量产，处于行业领先地位。相比传统的显示屏，柔性显示屏具有轻便、薄、柔软可弯曲等特点，在手机、眼镜、手表等已经在市面上存在的一些产品中其具有无可比拟的优势，同时还有一些新兴的领域如电子纸、电子货架标签等领域还有待柔性显示屏去挖掘，而上述提到的可以实现商品化和大规模量产的领域主要集中在手机、平板电脑、电子纸等领域，总而言之，随着柔性显示技术的发展以及应用，未来电子产品的市场将会出现革新，发生翻天覆地的变化。

3 半导体材料在柔性显示屏中的具体应用

3.1 新型半导体材料的出现使得柔性显示屏应用成为可能

中科院上海研究所研究员与德国马普所的Yuri Grin等教授合作，研发出了一种新型的像金属一样的半导体材料，经研究发现，这种新型的半导体材料是一种典型的半导体，但是和传统半导体的力学性能不太一致的是，该种新型材料具有良好的可延展性和可弯曲性，可以广泛地应用到柔性电子设备的显示屏当中去，其中这种新型的半导体材料在成分中主要含有银原子，即α-Ag2S。

未来的半导体材料颠覆了以往人们对于半导体材料的传统印象，传统半导体材料并不能弯曲折叠，非常脆，但是最新的材料，其性能完全与之前的不同。一般的陶瓷或者半导体材料的加工碎片多为细小的颗粒或者呈现粉末状，而材料在外力的作用下并不会破碎，会形成一片细长的缠绕丝状物。虽然近两年发展起来的柔性电子材料，只是简单将材料电子器件制作在柔性衬底上，但是即便如此，柔性半导体材料也凭借着自身独特的优势，被逐渐应用到柔性显示屏以及更多的领域。

3.2 二硫化钼作为2D半导体材料可驱动OLED显示

目前，柔性显示屏技术得以实现，主要靠OLED显示方案，而OLED显示方式下画面质量较高、响应的速度也很快，且还可以弯曲，凭借着这些优点OLED显示成为柔性显示领域主流的发展趋势，目前，以LG、三星为代表的电子生产厂商已初步实现了产业化，上海天马、京东方、维信已陆续推出柔性显示样机，柔性显示作为下一代主流显示技术焕发出勃勃生机。

将二硫化钼晶体管等半导体材料应用到可弯曲的OLED显示屏中。通常这种晶体管会在塑料片上形成一个简单的6×6点阵，厚度仅为7 μm。这种简单的塑料薄片显示器非常柔软，可以在弯曲半径小于1 cm的情况下弯曲。

流子迁移率（Carrier mobility）是将半导体材料应用到柔性显示屏中所需要关注并攻克的重点性能。该项性能主要测量的是电荷通过半导体的速率。例如，用于制造大多数芯片的结晶硅的材料具有1 400 cm2/ V-s的载流子迁移率，而构成显示器背板的半导体是用于切换和照射像素的系统，并且它们所需的载流子迁移率必须能够驱动足够的电流来操作像素，同时还要满足视频码率的要求。

对于传统的LCD液晶显示器，它们的背板可以用非晶硅制造，具有较低的载流子迁移率，但是这种材料的电子迁移率约为1 cm2/ V-s。然而OLED显示器需要更高的载流子迁移率，因此包括 LG和三星在内的 OLED显示器制造商也都会选择使用更高迁移率的材料，如多晶硅（每平方厘米10 cm2）和氧化物半导体。

3.3 柔性半导体材料应当阻隔水、氧

对于柔性半导体材料来说，要想应用到柔性显示屏上首先需要考虑的一个重要问题就是对建立水、氧的阻隔层，从承温程度来看，不锈钢是目前市场上公认的承受高温较好的材料，因此许多厂商利用不锈钢箔来制作柔性硅薄膜太阳能电池，还有一些用铝箔来制作太阳能电池，但是二者在绝缘程度上存在差异。

金属箔是导体材料，而对于较为复杂的柔性显示屏的设计上需要采用具有绝缘层的电子设计组件。水和氧气阻隔层通常通过薄膜工艺在塑料基板上涂覆有诸如SiOx、SiNx或氧化铝的无机膜。单层无缺陷的无机薄膜如非晶 Al2O3（Super Sapphire）可以在38 ℃/ 100% RH下每天可达到5×10-5g/m2的水气阻隔效果，单层SiNx在PEN基板20 ℃/50% RH下每天也达5×10-5g/m2。

4 未来柔性显示屏发展及半导体材料的应用创新

由于柔性显示器是一种新兴的显示技术，在某些产品的市场竞争中，柔性显示器的技术也相当有竞争力，例如在智能电子设备、汽车显示器以及电子纸等技术领域。此外，柔性显示器的另一个应用是引入新产品，如智能卡、电子标牌显示器或者是软电子书。据相关统计数据表明，2010年柔性显示器的市场规模达到5亿美元，到2015年也已经接近19亿美元。其中，手机、数字标牌、电子书和智能卡是应用最广泛的领域。

未来半导体材料的主要发展方向将会是低维纳米半导体材料。在实际应用中，光电二极管组件是构成电子设备相机中的一个重要的组成部分，光电二极管通过感知光线可以将图像传感转变为信号，进而通过芯片对信号进行相应处理，这一处理过程就离不开新型半导体材料的应用。

低维纳米半导体材料主要依靠的是钨硒二维纳米薄膜，具有很强的耐受性，因此将其作为半导体材料来应用到电子芯片中使电子迁移率达到最佳，同时将合成的一维氧化锌纳米线与二维纳米薄膜混合，形成（PN）光电二极管元件，应用于图像传感器像素，也是未来研究的主要趋势。

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2095－6835（2019）03－0160－02

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