柔性显示器前景几何?

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  近年来,业界在柔性显示器方面的研发从未停止,但对消费者而言使用这项技术似乎仍然遥遥无期。相关制造厂商在这几年的展会上展示过各种柔性显示器原型,但为什么我们还在用着刚性的平板显示器?曾经离我们最近的宣称采用柔性显示器技术的iPhone5也是不断遭遇跳票。出于对应用进展的失望,一些媒体甚至已将柔性显示器比作是技术的“红鲱鱼”(即某种宣传噱头)。
  柔性显示器之所以千呼万唤难出来,是因为其开发面临诸多难题,例如含硅电子元器件弯曲有难度,另外制造工艺的成本和消耗的时间也是一个难以逾越的障碍。这些年来,很多公司都指望这项技术成为鏖战未来的必杀技,三星、LG、索尼、惠普、E—Ink、Plastic Logic、康宁、杜邦等公司,以及亚利桑那大学柔性显示器中心(FDC)、弗劳恩霍夫研究所等研究机构都在致力于这一领域的研究,目前来说,柔性显示器的制造已不是问题。新兴制造工艺和材料,使量产所涉及的很多难题有望被攻破,而且三星等公司的柔性产品已经计划在年内量产。当柔性显示器真正实现了商业化,那肯定不会只是噱头那么简单,它必将带来新一轮的显示革命。
  解决制造的难题
  事实上,导致迟迟不能量产的首要原因来自厂商,他们需要解决如何将薄膜晶体管阵列附着到柔性基板上面,并以最大的成本效益进行生产的问题。剩下就是其余电子设备的问题,例如当柔性显示屏嵌入到智能手机中,如果其他的电子元件如电池、外框等不能弯曲,那么柔性也就失去了意义。
  解决问题的第一步是为柔性显示器打造更好的背板技术。当前用于个人电脑和通讯产品的高性能显示媒介,无论是液晶、OLED或电子纸技术,都要求有源矩阵薄膜晶体管阵列来驱动。传统的方式是将一个薄膜晶体管层(TFT)装在玻璃面板上,形成基础或基板,在其上构造显示器的其余部分。然而柔性背板并不能和LCD很好地兼容,当屏幕弯曲的时候有可能会造成图像扭曲,其困难在于如何将薄膜晶体阵列附着在可以弯曲的表面,但是OLED和电子纸显示器则不然。
  现在有两种方式来实现柔性显示。其中一种方式,由三星、LG显示器和其他一些制造商支持,利用LCD工厂使用的现有的silicon-on-glass蚀刻工艺,将其应用到柔性显示器基板上。但是基于硅和其他非碳元素的传统无机半导体,必须以高温放置在基板上,这一工艺在玻璃上可以运行正常但是会融化掉普通的塑料。针对这一问题,一些制造商开始致力于耐热材料的开发,如不锈钢制成的纸一样薄的锡箔。
  台湾研究机构工业技术研究中心(ITRI)开发了一种能够承受高温的塑料,不会在加工过程中融化。在加工过程中,将这个塑料层附着在玻璃衬底上,当TFT阵列装配好后,它就会自然脱落。据说这种方式的好处是适合于现有的LCD生产线。
  另一种方式是由柔性显示器基板开发公司Plastic Logic提出的,将晶体管附着在柔性塑料薄膜上。该公司使用冷沉积工艺,并用有机半导体替代硅半导体,解决了耐热的问题。他们开发的半导体,使用的有机材料包括:碳基分子或聚合物链。他们采用溶剂将有机材料变成溶液,然后用溶液制成的有机半导体可以在室温状态下沉积到基板上。
  在目前发布的柔性电子纸中,索尼开发的13.3英寸有机TFT驱动产品也受到关注。该产品为单色显示,采用了台湾E—Ink Holdings的电子纸,像素为2.130×1.596,其中的有机TFT是利用印刷技术制作的。对每层有机TFT,分别使用了平板胶印、旋涂及狭缝涂布三种印刷技术。仅用平板胶印法形成的是表面保护膜。像素电极在以溅射法成膜后,又用平面胶印形成了感光性树脂。有机半导体层使用狭缝涂布法、栅极绝缘膜和层间绝缘膜用旋涂法成膜后,再利用普通光刻法形成图案。
  在制造工艺方面,柔性显示器制造商同样面临两难的选择:坚持传统的、多用于制造今日LCD的离散式加工技术,或者使用新兴的印刷、连续卷绕工艺。
  第一种方式,由ITRI和FDC推行,使用这种方式,制造商可以在他们已经使用的制造传统平板LCD的工艺基础上修改,他们在LCD平板生产设备上的投资可以最大程度得以保留,并能够更快进入市场。但是这种方式很难扩展至更大的基板,例如用于电视机的,其制造成本要比传统基于玻璃的显示器更高。
  作为一种替代的方式,惠普的self-aligned imprint lithography(自动对齐印刷技术SAIL),这种工艺将组成显示器TFT层的晶体管阵列印刷在连续张塑料薄膜上,采用在工业领域被称为“卷绕式工艺Roll-to-Roll”的技术。据称SAIL技术与现在的离散式制造工艺比,能够大大降低成本,并且可以扩展到更大的规模。在今天,要建立一个有源矩阵显示器工厂投资极大,如果能够使用类似印刷的技术,固定设备的成本将显著下降,产能将更高,原料成本则会更低。虽然成本优势令人心动,但也有人对这项技术的可行性表示忧虑。对于SAIL来说,最大的挑战是作为一个全新的技术,并不能利用现有的生产设施。这就像是平板工业在20年前所处的状况一样,一切都要从头开始。
  如果卷绕式制造方式被接受,惠普的技术将会处于领导地位。为了实现更低的制造成本,需要像惠普实验室无需蚀刻制造晶体管阵列的拆箱即用解决方案。而像SAIL这样的技术,所面临的挑战是,需要在压低成本曲线的同时,提供足够的利益以说服制造商让他们投资全新的生产设备而不是改造现有的基础设施。
  但作为一种新的工艺,“卷绕式”正日渐受到重视。在今年的SID展会上,有多家公司展示了卷绕式生产的基板技术,包括支持卷绕式加工的“玻璃”基板。大日本印刷发布了在柔性玻璃上以卷绕方式形成彩色滤光片的技术,将玻璃的厚度减至50-70μm,便可在一定程度上弯曲,并在其上利用以往的光刻技术形成图案。
  康宁的Willow Glass厚度仅100μm。用于彩色滤光片时,无需追加刻蚀及研磨工序,即可在保持精细度及品质的同时实现薄型轻量化。另外,由于可弯曲,因此还可利用卷绕方式制造。康宁表示,从2012年下半年起便可提供该玻璃产品的试用样品。另外,将该玻璃用于触摸面板时,则可将现为0.4-0.7mm厚的传感器基板减薄至0.05-0.1mm。而且,通过导入彩色滤光片及TFT阵列的基板,还可将带触摸屏的液晶面板的整体厚度减小30-70%。   旭硝子介绍的层叠技术无需改造现有显示器生产线即可处理超薄型玻璃基板。为了能够利用现有的运送一块玻璃基板的卷绕方式,使用吸附层将厚度为0.1mm的超薄型玻璃基板与厚度为0.5mm的运送用载体玻璃基板贴合到一起。在制造显示器时,具备与普通玻璃基板相同的对热处理及化学处理的耐久性。
  即使制造方法和基板材料的问题得以解决,制造商仍然需要面对让现实媒体适应柔性媒介的挑战。例如E—Ink电泳显示器的E-paper电子纸技术,就可以轻松适应。但是作为市场上首个柔性类型的显示技术,OLED对于氧气和水分比较敏感,必须将柔性OLED显示器与环境隔离,然而这就意味着保持柔性成为了一个复杂的命题。OLED显示屏的媒介要发光,同样需要比液晶媒介更多的电流,这会给驱动显示媒介的TFT线路带来更大的负担。
  这可能需要非晶硅晶体管技术做出改变。这是一笔投资,但是在电视市场,对更大、更高性能、更高清晰度的需求同样要让行业寻求更高性能的晶体管作为替代方案。因此,这也是TV行业需求和OLED需求的契合。
  等待终极应用
  在批量生产柔性显示器的路上还有最后一道障碍:没有人能够搞清楚到底什么才是柔性显示器杀手级的应用。这最初是设计师对于未来概念的美好设想,例如希望将报纸变成可折叠的柔性电子报纸,将动态图像显示能力与报纸物理属性相结合。但是在今时今日,报纸是否还是分享或消费信息的最便捷和经济的方式,这有待思考。
  柔性显示器存在的意义是什么?即便厂商可以克服技术上的障碍,让显示器随意弯曲、折叠或者卷起来,对于投资者来说进行设备的投资首先必须有一个庞大的市场可以发展。这同样也是个鸡与蛋的问题,没有规模经济就没有可以制造和使用的价格点。
  在为弯曲或者柔性的显示器设计找到流行的应用之前,它们可能仍然仅仅是展会上昙花一现的展示。但是改变随时都会发生。
  除了动态的电子报纸之外,人们对柔性显示器的用途其实还可以有更多的期待与想象。因为当显示屏可以任意改变形状,将会释放更多的创意空间。当这一天终于实现的时候,我们或许将会迎来又一次的显示技术革命。可弯曲折叠的显示器将会无所不在,有研究人员表示,柔性显示器有着广泛的应用前景,未来五年内,任何一个表面都可能变成显示屏。它会改变传统个人电子设备的形态,例如把个人电脑变成腕表,还会装饰你的咖啡杯、报纸、汽车仪表盘和天窗,甚至用在白板、背包、冰箱、家具、墙纸上面。但目前最有可能率先采用柔性显示技术的是广受欢迎的移动平板设备。据咨询公司分析师预测,尽管过程跌宕起伏,但柔性显示器的销售规模预计有望从2008年的8.500万增长到2018年的82亿美元。
  柔性显示器可能会先从一些小的可视化产品开始,例如智能防伪标签、货架和食品标签,带记忆功能的会员卡等。腕带也是柔性显示器的一种主要应用形式。惠普为美国军方开发了专门针对步兵的腕带原型,灵感源于Dick Tracy四格漫画。惠普还与全美橄榄球联盟探讨过为四分卫设计腕带用于观察和调动比赛的可能性。对于士兵来说,这种腕带还可以被统一缝在他们的制服袖口,结合全球定位系统、短波收音机和野外汽车修理手册等功能。而这样一个设备能够显著降低士兵背负的设备重量。还有一种用途是作为医院病人的数字手镯,记录病人的相关信息。
  电子设备的界限也将有望打破。“我们应该突破触摸设备的局限,为什么非得用手拿着平板电脑?为什么非得用那么多屏幕?我们应该思考穿戴式电脑。”业界已经发出这样的呼声。三星在一段概念视频中,展示了一种可以弯折的3D设备,混合了智能手机和平板电脑的功能,还可以为用户充当实时翻译。Innovation+Bermer Labs设计的Newsslate概念机,是一款可以阅读新闻、观看视频的折叠式平板电脑。
  柔性显示器还可以让显示屏更容易成为装饰材料。丰田在最近的东京车展上展示的概念模型车,内外都由屏幕构成,它更是被描述成为“带四个轮子的智能手机”,通过嵌装在车体内外的柔性屏幕,这款Fun-Vii概念车可以变幻显示任何图案、色彩和信息。
  量产进行时
  技术在不断革新,市场呼声越来越高,柔性显示器的量产步伐也在加快。柔性显示技术已经被谈论十年了,现在它终于开始产品化了。
  由FDC与美国陆军研究实验室的科学家共同开发一款据称是全球最大尺寸的柔性彩色有机发光显示屏(OLED)原型,该显示屏对角线尺寸为7.4英寸,背板采用名为“mixed oxide”的氧化物半导体TFT,可以利用已有的非晶硅TFT生产线,因此预计能大幅降低制造成本。FDC总监NickColaneri称,此次开发出的原型,意味着高性能、柔性、全彩OLED显示屏幕正在加快其商业化进程。
  来自英国剑桥大学的研究人员研发出了一款拥有50万组电晶体,使用塑料材质的超薄电子纸,这款超薄电子纸具有轻便、可弯曲、高效节能的特性,使用电子墨水显示技术,可以彩色呈现文字、图像及影片形式的内容。除了上述特性外,研究人员更赋予超薄电子纸无线网络及触控功能,这款超薄电子纸将在明年投入商业化生产,相信此产品技术未来将对移动设备带来莫大的革新。
  三星公司近期宣布,市场已经对于柔性OLED显示器有了大量的需求。据称三星已经接到来自电子制造商的大订单,并将会从今年下半年起量产柔性OLED显示器。三星并没有透露具体采购的公司,但是有传言说,苹果有可能是对新技术感兴趣的客户之一。不过即便刚刚推出的iPhone5没有使用柔性屏幕,但是也很难去预测未来的“i设备”到底是怎样的。其他一些传言已经提到了三星今年年底生产的柔性OLED面板数量大概会达到96万片,这也意味着有公司将会赶在苹果之前,推出使用这种显示器的产品。
  LG宣布开始量产其电子纸显示器产品,计划不久在欧洲推出。同时据Korea Herald的报导,LG刚刚被韩国政府的知识经济部任命为开发60英寸极高清柔性OLED显示器的领头公司,要在2017年之前联同包括Avaco在内的财团完成开发上述的屏幕。这些产品将被用于广泛的领域,除了家庭消费外,例如可作为巴士站或零售店的资讯显示器,在店铺内,柔性显示器可以发挥装饰效果,从天花上悬吊下来或者把立柱包裹起来。据报道,这项工程是韩国“FutureFlagship Program”的一部分,目的是要通过推广新一代科技去每年产生价值560亿美金的出口量和创造84万个就业职位,并与迅速发展的中国屏幕制造技术拉开差距。
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