88、柔性显示的TFT技术：基板选择与处理策略-优快云博客

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柔性显示的TFT技术：基板选择与处理策略

1. 柔性显示基板概述

在柔性显示领域，基板的选择至关重要。目前主要有几种类型的基板可供选择，包括塑料基板、不锈钢基板等。不同的基板具有不同的特性，这些特性会直接影响到柔性显示的制造工艺和性能。

2. 柔性聚合物/塑料基板

透明塑料基板具有与透射和反射式显示器兼容的优点，适用于顶部和底部发射的OLED器件架构，因此适用于更广泛的显示应用。然而，开发用于有源矩阵（AM）显示应用的塑料基板面临着极大的技术挑战。

2.1 常见塑料基板材料特性

常见的候选塑料基板材料有聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）、聚碳酸酯（PC）、聚醚砜（PES）和聚酰亚胺（PI）等。它们的特性如下表所示：
| 材料 | Tg (°C) | 最高工艺温度 (°C) | CTE ( -55°C 至 85°C) (ppm/°C) | 透过率 (400 - 700 nm) (%) | 吸湿率 (%) | 杨氏模量 (Gpa) | 拉伸强度 (Mpa) | 密度 (g/cm³) | 折射率 | 双折射 (nm) |
| — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — |
| PET (Melinex® ST506) | 78 | 150 | 20 - 25 | 89 | 0.14 | 4 | 225 | 1.4 | 1.66 | 46 |
| PEN (Teonex® Q65FA) | 120 | 220 | 18 - 20 | 87 | 0.14 | 5 | 275 | 1.36 | 1.5 - 1.75 | 14 |
| PC | 150 | - | 60 - 70 | 90 | 0.4 | 1.7 | 83 | 1.2 | 1.58 | 13 |
| PES (Sumilite) | 223 | - | 54 | 90 | 1.4 | 2.2 | 231 | 1.37 | 1.66 | - |
| PI (Kapton) | 410 | - | 30 - 60 | 黄色 | 1.8 | 2.5 | - | 1.43 | - | - |

从表中可以看出，不同塑料基板的各项性能指标存在差异。例如，PI（Kapton）虽然具有较高的玻璃化转变温度（Tg），但在可见光范围内有吸收（呈黄色），因此不适用于透射式显示器或底部发射的OLED显示器。

2.2 塑料基板的局限性

现有的塑料基板存在一些重要的局限性，包括：
- 有限的工艺温度能力：大多数塑料基板的最高工艺温度相对较低，限制了一些高温工艺的应用。
- 缺乏尺寸稳定性：在涉及高温的TFT处理过程中，塑料基板容易出现尺寸变化，影响器件的制造精度。
- 热膨胀系数（TCE）差异大：塑料基板与TFT薄膜之间的线性热膨胀系数差异显著，可能导致热应力过大，从而引起基板弯曲、翘曲和破裂等问题。

2.3 不同基板的比较

将PEN和不锈钢基板与标准刚性玻璃基板用于TFT背板应用的特性进行比较，结果如下表所示：
| 特性 | 玻璃 | PEN | 不锈钢 |
| — | — | — | — |
| 重量 (g/m²) (100 mm 厚薄膜) | 220 | 120 | 800 |
| 可见光透过率 | 92% | 90% | 0% |
| 最高工艺温度 (°C) | < 600 | < 200 | > 1,000 |
| TCE (ppm/°C) | 3 | 18 - 20 | -10 |
| 弹性模量 (Gpa) | 70 | 5 | 200 |
| 对 O₂ 和 H₂O 的渗透性 | 无 | 有 | 无 |
| 水解膨胀系数 (ppm/%RH) | 0 | 11 | 0 |
| 表面粗糙度 (nm) | 2 | -5 | -100 |
| 是否需要平面化 | 否 | 否 | 是 |
| 导电性 | 无 | 无 | 高 |
| 热导率 (W/m.°C) | 1 | 0.1 | 16 |

从比较结果可以看出，不锈钢基板在工艺温度能力和TCE匹配方面具有优势，但重量较大且不透明；PEN基板则具有重量轻、透过率较高等优点，但工艺温度限制和TCE差异是需要解决的问题。

3. PEN塑料基板特性分析

由于PEN基板在可用性、性能和持续改进方面具有优势，因此在柔性TFT背板的开发中得到了广泛应用。以下详细分析PEN塑料基板的特性。

3.1 光学特性

通过精确控制聚合物配方，Teonex® Q65薄膜具有良好的光学性能。通常，它在400 - 700 nm范围内的总透光率（TLT）为87%，雾度小于0.7%。该基板光学透明且无色，适用于透射或反射式显示器以及顶部和底部发射的OLED显示器。但由于其双折射特性，不适用于LCD显示器。

3.2 表面平整度

工业级PEN通常表面粗糙，有大量高达0.1 mm的凸起。通过控制配方和优化薄膜工艺，Teonex® Q65可以实现更光滑的表面，但仍存在一些微小的表面缺陷。这些缺陷可以通过施加平面化层来消除。平面化层不仅可以去除高度大于40 nm的凸起，还能显著减少小于40 nm的凸起，同时促进后续阻挡层在基板上的粘附。

3.3 耐溶剂和耐湿性

Q65 Teonex®品牌对大多数酸和有机溶剂具有出色的耐受性，通常能承受AM OLED显示器制造中使用的溶剂。然而，PEN基板虽然不与水分发生反应，但会吸收水分，导致尺寸变化。在40%相对湿度下，薄膜中的平衡水分浓度预计约为957 ppm，每吸收100 ppm的水分，薄膜估计会膨胀约45 ppm。这种尺寸变化如果不加以控制，会对TFT背板工艺产生不利影响。水分吸收可以通过在真空或惰性气氛中加热基板来逆转。

3.4 尺寸稳定性和可重复性

在TFT阵列处理过程中，尺寸稳定性和可重复性至关重要，以确保TFT器件结构各层的特征与前一层正确对齐。PEN薄膜在显示制造过程中会受到两个物理因素的影响：薄膜收缩和自然膨胀。

PEN薄膜采用顺序双轴拉伸技术生产，会形成复杂的半结晶微观结构。薄膜收缩与非晶区域中残余应变的松弛有关，为了抵消这种影响，PEN薄膜会进行热松弛处理。热稳定后的Teonex® Q65在高达200°C的温度下仍能保持尺寸可重复性，但0.05%的收缩率对于制造TFT背板来说是不可接受的，需要进行预稳定处理来降低收缩率。

热膨胀系数（TCE）以及塑料基板与TFT薄膜材料之间的TCE差异是背板制造中的重要因素。热稳定后的Teonex薄膜的TCE随温度和取向（机器方向与横向）而变化，如下表所示：
| 温度范围 | 机器方向CTE (ppm/°C) | 横向CTE (ppm/°C) |
| — | — | — |
| -50°C 至 0°C | 13 | 8 |
| 0 - 50°C | 16 | 11 |
| 50 - 100°C | 18 | 18 |
| 100 - 150°C | 25 | 29 |

3.5 阻隔性能

PEN薄膜的固有阻隔性能通常为水蒸气透过率约1 g/m²/天，氧气透过率约3 mL/m²/天。这与保护OLED显示器所需的水平（水蒸气透过率 < 10⁻⁶ g/m²/天，氧气透过率 < 10⁻⁵ mL/m²/天）相差甚远。因此，目前开发的柔性基板需要使用额外的有效阻隔膜来封装OLED器件，以防止氧气和水分侵入，延长OLED的使用寿命。而电泳显示器（EPD）对水分的敏感性较低，对阻隔层性能的要求相对不那么严格。

4. 原位制造的柔性基板

在一些柔性TFT背板处理策略中，柔性基板直接在刚性临时基板上制造（涂覆）。具体流程如下：
1. 在刚性临时基板上涂覆形成柔性基板。
2. 在涂覆的柔性基板上制造TFT背板。
3. 将显示介质（如EPD、OLED）与背板集成，此时背板仍附着在临时刚性基板上。
4. 最后将制造好的有源矩阵显示器从刚性临时基板上释放并分离。

这种方法在某些情况下可以提供更灵活的制造工艺，但也需要解决基板与临时基板的分离等技术问题。

5. 阻隔/封装膜

所有现有的塑料基板在柔性显示应用中都存在对水分和氧气不具有不渗透性的严重缺陷。不同的显示介质（如LCD、EPD和OLED）对氧气和水分的敏感性不同，其中OLED对水分和氧气最为敏感。

为了保护显示介质，需要使用阻隔层。理论上，沉积在柔性塑料基板上的无机薄膜（如SiO₂、SiNₓ、Al₂O₃等）可以作为具有所需氧气和水分不渗透性的阻隔层。但在实践中，通常需要多层阻隔膜结构来抵消单层沉积阻隔层中的针孔/裂缝的影响。

例如，Vitex Systems的Barix™阻隔膜采用交替的UV固化丙烯酸酯聚合物层和500 Å厚的陶瓷Al₂O₃层在真空中沉积。无机膜作为氧气和水分的阻隔膜，有机层起到平面化/平滑作用，多层结构提供了对阻隔膜中针孔缺陷的冗余保护。Barix™膜通常约3 mm厚，其水蒸气透过率在10⁻⁶ g/m²/天的范围内。

无论使用塑料基板还是不锈钢基板，TFT背板和显示介质（如OLED）的顶部都必须用不渗透的薄膜封装（阻隔）层直接保护，或用涂有封装（阻隔）层的另一个基板保护。

6. TFT技术选项

柔性基板兼容的TFT背板技术是开发柔性有源矩阵显示器的关键。目前，成熟的TFT技术（如非晶硅（a - Si）TFT和低温多晶硅（LTPS）TFT）以及新兴的TFT技术（如有机TFT（O - TFT）和氧化物半导体（如InGaZnO）TFT（OSC - TFT））都在考虑用于柔性显示应用。

以下是选择TFT技术的流程图：

graph TD;
    A[选择TFT技术] --> B{性能要求};
    B -->|高性能| C[LTPS TFT];
    B -->|中等性能| D[常规a - Si TFT];
    B -->|低性能| E[低温a - Si TFT];
    B -->|大面积制造| F[O - TFT];
    B -->|兼顾性能和稳定性| G[OSC - TFT];

在后续的文章中，我们将继续深入探讨各种TFT技术在柔性显示中的应用和挑战。

柔性显示的TFT技术：基板选择与处理策略

7. LTPS TFT技术分析

LTPS（低温多晶硅）TFT技术在当前的有源矩阵液晶显示器（AM LCD）和有源矩阵有机发光二极管显示器（AM OLED）中得到了广泛应用。传统的LTPS工艺通常采用约450°C的工艺温度，通过准分子激光产生多晶硅薄膜。

7.1 优势

高迁移率 ：LTPS TFT具有较高的电子迁移率，这使得它能够实现更快的开关速度和更高的驱动电流，从而适用于高性能的显示应用，如高分辨率、高刷新率的显示器。
集成度高 ：由于其高迁移率，LTPS TFT可以在较小的面积上实现更复杂的电路，有助于提高显示面板的集成度，减少外部驱动电路的需求。

7.2 问题

工艺温度高 ：约450°C的工艺温度对于大多数柔性塑料基板来说过高，会导致基板变形、尺寸不稳定等问题，限制了其在柔性显示中的直接应用。
成本较高 ：LTPS工艺需要使用准分子激光等昂贵的设备，并且工艺复杂度较高，导致制造成本相对较高。

8. 非晶硅（a - Si）TFT技术

非晶硅TFT技术是一种成熟且广泛应用的TFT技术，可分为常规a - Si TFT和低温a - Si TFT。

8.1 常规a - Si TFT

优点
- 工艺成熟 ：经过多年的发展，常规a - Si TFT工艺已经非常成熟，生产设备和工艺流程相对稳定，有利于大规模生产。
- 成本低 ：与其他TFT技术相比，常规a - Si TFT的制造成本较低，适用于对成本敏感的显示应用。
缺点
- 迁移率低 ：非晶硅的电子迁移率相对较低，导致其开关速度较慢，驱动电流较小，限制了其在高性能显示中的应用。
- 性能有限 ：由于迁移率的限制，常规a - Si TFT在高分辨率、高刷新率等方面的性能表现不如LTPS TFT。

8.2 低温a - Si TFT

优点
- 工艺温度低 ：低温a - Si TFT的工艺温度相对较低，与柔性塑料基板的兼容性较好，能够在一定程度上解决柔性显示中基板耐热性的问题。
缺点
- 性能降低 ：与常规a - Si TFT相比，低温a - Si TFT的性能有所降低，如迁移率进一步下降，可能会影响显示的质量和性能。

9. 有机TFT（O - TFT）技术

有机TFT（O - TFT）技术是一种新兴的TFT技术，具有可溶液加工的特点。

9.1 优势

可溶液加工 ：O - TFT可以通过溶液旋涂、喷墨打印等溶液加工工艺进行制造，适用于大面积、低成本的制造，并且可以在柔性基板上实现简单的制造工艺。
柔性好 ：有机材料本身具有较好的柔韧性，使得O - TFT在柔性显示应用中具有天然的优势。

9.2 问题

迁移率低 ：目前O - TFT的电子迁移率相对较低，导致其开关速度较慢，驱动能力有限，难以满足高性能显示的需求。
稳定性差 ：有机材料的稳定性较差，容易受到环境因素（如氧气、水分、光照等）的影响，导致器件性能下降，寿命缩短。

10. 氧化物半导体TFT（OSC - TFT）技术

氧化物半导体TFT（OSC - TFT）技术，如基于InGaZnO的TFT，也是一种新兴的TFT技术。

10.1 优势

迁移率高 ：OSC - TFT具有较高的电子迁移率，能够实现较快的开关速度和较高的驱动电流，适用于高性能的显示应用。
稳定性好 ：与有机材料相比，氧化物半导体材料具有较好的稳定性，对环境因素的耐受性较强，有利于提高器件的可靠性和寿命。

10.2 问题

材料和工艺有待优化 ：目前OSC - TFT技术仍处于发展阶段，材料的性能和工艺的稳定性还需要进一步优化，以实现大规模的商业化生产。

11. 不同TFT技术的应用场景

12. 总结与展望

在柔性显示领域，基板的选择和TFT技术的应用是关键因素。不同的基板材料（如塑料基板、不锈钢基板）具有各自的优缺点，需要根据具体的应用需求进行选择。同时，各种TFT技术（如LTPS TFT、a - Si TFT、O - TFT、OSC - TFT）也在不断发展和完善，以满足柔性显示对高性能、低成本、高稳定性的要求。

未来，随着技术的不断进步，我们有望看到更先进的基板材料和TFT技术的出现，进一步推动柔性显示技术的发展。例如，开发具有更高耐热性、更好尺寸稳定性的塑料基板，以及提高O - TFT和OSC - TFT的性能和稳定性，将有助于实现更广泛的柔性显示应用，如可折叠手机、柔性电视等。

以下是一个总结不同TFT技术优缺点的流程图：

graph LR;
    A[LTPS TFT] -->|优点| B(高迁移率、集成度高);
    A -->|缺点| C(工艺温度高、成本高);
    D[常规a - Si TFT] -->|优点| E(工艺成熟、成本低);
    D -->|缺点| F(迁移率低、性能有限);
    G[低温a - Si TFT] -->|优点| H(工艺温度低);
    G -->|缺点| I(性能降低);
    J[O - TFT] -->|优点| K(可溶液加工、柔性好);
    J -->|缺点| L(迁移率低、稳定性差);
    M[OSC - TFT] -->|优点| N(迁移率高、稳定性好);
    M -->|缺点| O(材料和工艺待优化);

总体而言，柔性显示技术正处于快速发展的阶段，通过不断的研究和创新，我们有理由相信未来的柔性显示产品将更加轻薄、柔性、高性能，为人们的生活带来更多的便利和惊喜。