将引发新一轮电子技术革命的柔性显示

■ 张建华

如今，显示器已是人们获取信息的重要视觉窗口，人们每天使用显示器的时间可能已经超过了睡觉的时间。为了追求更好的视觉效果，人们对高清、大面积的显示器有着极大的需求，但这又给人们带来了新的困扰，大面积的显示器携带困难，使用场所有着很大局限。于是人们有了新的愿景——显示柔性化，利用柔性显示使得大屏显示器更易于携带，以电子皮肤的形式连接数字世界和现实世界，增强人们的交互式体验。但你了解显示技术的发展历史么？又是什么制约着现在柔性显示技术的发展呢？

■ 显示技术的前世今生

视觉是人类获取信息的重要途径，留声机的发明使得声音信息可以被记录与播放，人们便希望视觉信息也能够被储存。1894年，留声机的发明者爱迪生推出了他的新发明——“电影视镜”（Kinetoscope），也就是被人们广泛熟知的胶片放映机。这种方式是利用光线将一张张带有画面的胶片照亮，放映机每秒照亮24张胶片，也就是以24帧率来实现画面的动态效果。图1所示的是胶片放映机结构示意图。胶片放映机的出现带给人们一种全新的视觉体验。但胶片放映机只是照相技术的延伸，严格意义上不能称为显示器，显示器的最大特征是利用电信号来复现图像。

图1 胶片放映机结构示意图

1987年，阴极射线管（简称CRT）诞生，这种技术为真正意义上的显示器提供了理论基础，从而促使显示器被广泛应用。它是利用阴极电子枪发射电子，在阳极高压的作用下射向荧光屏，使荧光粉发光；同时电子束会在电信号的控制下使得磁场偏转，利用磁极来偏转阴极射线，那么阴极射线会在规定的时间射向某一固定位置的荧光材料，出现不同位置的明暗差异，就形成了黑白图像，这便是CRT显示器。如图2所示的是CRT显示器实物图及工作原理示意图。CRT显示器十分笨重，体积较大，功耗较高，不满足人们的生活需求，科学家为了显示器的轻量化、便携性又做出了新的努力。

图2 CRT显示器实物图及工作原理示意图

20世纪60年代，液晶显示器（LCD）技术横空出世，由于其轻薄的特性得到了广泛的关注。如图3所示，LCD显示器主要构成部分为：背光板、偏振片和液晶层。背光板大多利用发光二极管（LED）组成，起到提供光源的作用；偏振片结构类似平常生活中的百叶窗，具有一条条平行的网格线结构，当自然光经过竖直方向偏振片的透光轴后剩下与透光轴同向的线偏振光再经过第二个偏振片。两个偏振片夹角为90度的话正好全部阻挡，为0或180度的话线偏振光全部通过，角度在之间的话会有部分损失；为了让光线通过两个夹角为90度的偏光片，液晶就发挥了巨大的作用，液晶具有改变光线方向的能力，在通电的状态下，液晶分子受电场的影响发生扭转，从而促使光线通过两个相互垂直的偏振片。这样光源就完成了传输，通过控制液晶的扭转来控制光源的传输，最终达到点亮像素点的目的，阵列化的像素点不同的明暗组合，就组成了图像。但LCD显示器有一个缺点，那就是不能实现真正的黑色，LCD显示器的液晶层不能完全关合，所以如果LCD显示黑色的时候，会有部分光穿过液晶层，因此LCD的黑色实际上是白色和黑色混合的灰色。所以科学家又进行了新的探索。

图3 LCD显示器工作原理图

2007年索尼推出了世界第一个有机发光二极管（OLED）显示器。相比较于LCD屏幕，OLED显示器的发光原理要简单很多，它不需要背光层，也不需要液晶层，只需要通过控制电压来控制有机发光二极管的发光量，就可以组成图像，图4所示的是OLED显示器结构示意图，所以OLED显示器就像一个由无数个小彩灯组合的屏幕。由于少了背光层和液晶层，OLED显示器的厚度可以做到更薄，更加方便携带，而且不同于LCD显示器，OLED通过控制电压使有机发光二极管关闭，所以可以显示真正的黑色。

图4 OLED显示器结构示意图

在屏幕的发展中，显示器的基底通常是玻璃材质，这样的硬质材质使得显示器不具有柔性，如果把显示器中的玻璃这类的硬质基材换为超薄透明的可折叠材料，就是柔性显示，如图5所示。柔性显示屏必须为柔性，即可任意弯折、翻卷、折叠，且展开时要求无明显的划痕，其寿命一般要求20万次（按照显示屏使用寿命为5年，大约每天可折叠100次）。这就对柔性屏的材料和制作工艺提出了很高的要求。那是什么制约了现在柔性屏的发展呢？

■ 柔性显示关键技术

1 耐高温柔性衬底材料

生活中我们使用过各种柔性塑料，这些塑料是否能作为柔性显示器的基底呢？在显示器的制造过程中，常伴随着高温工艺，这就要求柔性基底有耐高温的能力，同时作为基底层，要求具有良好的透明度、较高的强度、优异的韧性，这就使得行业内多使用聚酰亚胺（PI）作为基板材料。然而聚酰亚胺目前的难点集中于高纯高性能材料制备、显示器件功能稳定性和大批量显示屏工业化的可量产性。

2 高分辨率制造

显示器的分辨率是屏幕的纵横向上的像素点数目，通常利用每英寸长度内所拥有的像素数目（PPI）来反映屏幕分辨率的好坏。人类视网膜分辨率为326PPI，这样的密度相当于用米粒把一个标准足球场填满。要在实质上粗糙不平的表面实现微纳精度的制造，大面积跨尺度微纳制造难度相当大。

3 高精度像素彩色化

柔性OLED显示器的有机发光材料是依靠蒸镀的工艺进行制作的，是指在真空条件下，采用一定的加热蒸发方式蒸发镀膜材料（或称膜料）并使之气化，粒子飞至基片表面凝聚成膜的工艺方法。真空蒸镀机就如同OLED显示器制程的“心脏”，可视为“真空中的光刻机”，被日本佳能Tokki独占高端市场，说其掌握着OLED产业的咽喉也不过分，佳能Tokki可将误差范围缩小到人体红细胞大小。可惜，目前我国在这个领域没什么发言权，是关键的卡脖子技术。

4 高可靠性先进封装

大部分塑料基底都没有足够能力充分阻挡外界杂质液体和气体的侵入，当暴露在水和氧气中时，器件的光电特性就会急剧衰退。其衰退老化机理涉及金属阴极与发光层间的剥离和有机膜层内的化学变化。与玻璃的性质相比，塑料基底材料对水汽和氧气的隔离及对器件防老化的保护作用不够理想，因此还要对器件的封装进行优化。

展望未来，在电影《头号玩家》中，电影打造了一个虚拟游戏宇宙。人们只要戴上VR设备，就可以进入这个与现实形成强烈反差的虚拟世界，通过VR设备与虚拟世界进行互动，体验前所未有的交互感受。这些场景的实现离不开显示器，新型的柔性显示器以及更新一代超高分辨集成电路混合显示器让这些穿戴式、交互式设备成为了可能。