柔性有源OLED显示器制造几点技术方面的考虑

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Juhn S. Yoo, Nackbong Choi, Yong-Chul Kim, In-Hwan Kim, Seung-Chan Byun, Sang-Hoon Jung, Jong-Moo Kim, Soo-Young Yoon, Chang-Dong Kim, In-Byeong Kang, In-Jae Chung

摘 要：AMOLED在柔性显示领域前途似锦。LG显示展示了一款全彩4 in柔性AMOLED样机，衬底为80μm厚的不锈钢薄片，曲率达到5cm弯曲半径。本文就此项柔性显示技术所面临的挑战进行了探讨，包括柔性衬底衬底的传送、如何获得特性稳定可靠的TFT以使OLED的亮度和一致性适用于此项技术的商业化推广。

关键词：有源有机发光二极管；柔性显示器；电泳显示器

中图分类号：TN873 文献标识码：B

Technological Considerations for Manufacturing Flexible

Active-Matrix oled Displays

Juhn S. Yoo, Nackbong Choi, Yong-Chul Kim, In-Hwan Kim, Seung-Chan Byun, Sang-Hoon Jung, Jong-Moo Kim, oo-Young Yoon, Chang-Dong Kim, In-Byeong Kang, In-Jae Chunguniformity suitable to commercialize this technology

(LG Display,Korea)

Abstract: AMOLEDs hold great promise for use in flexible displays. LG Display has showcased a full-color 4-in. flexible AMOLED prototype on an 80-μm-thick stainless-steel foil substrate, achieving a curvature of 5-cm bending radius. This article discusses the challenges ahead, including transporting the flexible backplane substrate and obtaining reliable TFT characteristics in order to achieve brightness anduniformity suitable to commercialize this technology

Keywords:AMOLED; flexible display; EPD

显示市场的未来需求是希望所有产品都更为便携、更为时尚、适用环境更为友好[1]。显示器制造商需要提升其自身技术以制造更轻、更薄、更结实的产品，在消耗更低功耗的同时还要提升画面质量。人们正在研发新兴的柔性有源矩阵显示技术以满足上述所有需求。目前，在研的几个项目包括有反射式柔性液晶显示器（LCD）[2]、柔性电泳显示器（EPD）[3]以及自发光柔性有机发光二极管显示器[4]。至今为止，EPD技术被认为是最令人满意的柔性显示技术，因为它的制造工艺简单，且功耗非常低。而从另一方面而言，有源矩阵OLED（AM-OLED）是一种自发光显示器件，它与有源矩阵液晶显示器（AM-LCD）相比可获得更好的画面质量――包括亮度、彩色度、对比度、视角以及响应时间。AM-OLED是一种薄膜固态器件，这使得它更易于用于柔性显示，因为它的制造工艺相对简单，同时也减少了由于显示器几何结构形变带来的误差。然而一般而言AM-OLED的量产仍需克服诸多技术难关［5］。如将AM-OLED用于柔性显示，要考虑的技术问题会更多。

本文以LG显示近来在不锈钢薄片上采用非晶硅薄膜晶体管（a-Si TFT）开发的一款4inAM-OLED样机为基础，分析了将柔性AM-OLED显示器制造技术转移到现有的AM-LCD产品线所需考虑的技术问题。所讨论的问题包括柔性衬底的结构与制造工艺、有关TFT性能要注意的问题以及有关工艺改进的几点建议。同时还展示了显示面板的结构和设计，还有OLED驱动电路的一些问题及可能的解决方案。

柔性衬底制作

与塑料衬底相比，金属薄片在相对较高工艺温度下的形状稳定性非常好。在塑料衬底的热不稳定性问题解决之前，不锈钢衬底仍然是柔性显示器制造的最佳选择。

采用不锈钢薄片，我们考虑的第一个问题是它是不透明的，这就意味着它只能限于反射式或自发光模式的显示器件，因此，我们设计了TFT背板以与顶发射的OLED结构相配，其截面如图1所示；第二个问题是衬底的传送方法，即要在传送进出制造设备时避免出现下沉；第三个问题是表面平坦化方法，用来降低不锈钢板的粗糙度，因为不锈钢板的凸起和凹痕会导致显示矩阵的断线缺陷；第四个问题是传导性衬底与TFT矩阵的绝缘问题，因为容性耦合会导致信号线的延迟及串扰;考虑的第五个也是最重要的问题是制造出稳定可靠的TFT所需的原料及工艺集成问题。

我们采用典型的5次掩膜工艺制造了一个背沟道刻蚀结构的非晶硅TFT矩阵。为了避免衬底下沉，我们用粘合剂在玻璃载板上安装了一组金属薄片。我们开发的一组环氧粘合剂膜可确保耐热高达200°C 而不失效。不锈钢薄片经过机械抛光和化学抛光来降低表面粗糙度，使凸起的高度和凹痕的深度达到最小。为了进一步平坦化金属表面，我们还制备了一种多屏障结构，即涂敷一层3μm厚的聚合树脂，然后用等离子气体增强化学气相沉积法（PECVD）沉积一层0.4μm厚的氮化硅。图2所示为我们制备的衬底结构，图3为不锈钢裸片与平坦化之后的衬底表面的原子显微镜（AFM）图像比较结果。厚绝缘层不仅降低了导电衬底与TFT矩阵之间的容性耦合，同时还保护了金属薄片免受机械损伤。衬底表面粗糙度的RMS值从1,000 Å降到了50 Å。其所制造的非晶硅TFT特性如图4所示。

尽管制作在柔性衬底上的TFT特性可堪比制作在玻璃衬底上的TFT特性，但是此时的TFT在不同温度下其阈值电压的漂移非常严重，如图5所示。将栅绝缘层和有源层的PECVD沉积工艺温度限制在150°C，这样可以阻止粘合膜的脱落。阈值电压随时间变化会导致如图6所示的影像残留现象，图中可观察到前一幅图像的重影。因此我们不建议采用粘合-脱落的方法来传送柔性衬底。若要通过去除热不稳定的粘合工艺来提高工艺温度，可采用的一种办法是采用玻璃减薄工艺中的方法。

顶发射OLED

考虑到金属衬底的不透明特性，传统的底发射OLED结构不再适用。因此，在柔性TFT背板上集成的OLED为顶发射结构。由于受到工艺温度的限制，用非晶硅TFT取代多晶硅TFT是我们的最佳选择，其典型的最高工艺温度超过350°C。由于非晶硅TFT的跨导非常低，因此要求OLED的电光转换效率较高。我们的顶发射OLED结构采用了具备高转换效率的磷光发光层以及高度透明的阴极材料。为保证OLED在不同弯曲应力作用下保持稳定，推荐采用有机围堤层和薄膜钝化结构。我们采用丙烯酸树脂作为围堤层，并用多层有机层和无机层薄膜形成钝化结构。OLED前板最后会被严密涂敷的叠层结构封装成胶囊形式，以避免受到湿气的渗透和刮擦。为了进一步提高顶发射OLED的发光效率，研发出一种具备设计精良微腔结构的反射阳极也是必不可少的。

显示屏设计

尽管显示屏的衬底是柔性的，但是如果附加上刚性的驱动电路，将显示模块按足够小的弯曲半径卷曲起来还是比较困难的。比较可取的方法是在显示屏上只做出一个或两个柔性连接器，但是同时还需要基于玻璃上芯片（COG）类型的驱动IC。如图7所示，该显示模块可用于固定弯曲半径的卷曲型显示器，而不适用于真正的柔性或结实的显示器应用，因为当扭曲或摆动衬底时，刚性的驱动IC会很容易脱落下来。在显示屏的一侧我们采用了胶带载体封装（TCP）的源极驱动IC。

同时为了降低IC元件的个数还必须采用非晶硅TFT将栅极驱动电路集成在显示屏上，这样便增强了显示模块的柔性。如此一来，我们可以在显示屏沿纵轴以弯曲半径小于5cm进行弯曲时对其进行操作。为提升显示屏沿横轴方向的柔性，应采用柔性印制电路（FPC）替代由刚性塑料制作的印制电路板（PCB）。图8展示的是我们最近开发的一款4in柔性AM-OLED显示模块在弯曲状态下的演示画面，采用了3个驱动IC，一个集成的栅极驱动器，一块控制PCB，一同展示的还有之前开发的一个显示模块，采用了6个驱动IC和3个控制PCB。

结束语

为柔性AM-OLED显示器的制作准备金属薄片衬底是一项要求苛刻的工艺，它要求涂敷一层厚厚的平坦化层，以降低表面的粗糙度以及传导性衬底和TFT之间的容性耦合。由于在衬底传送过程中，玻璃载板的粘合方式受到工艺温度的限制，低于150°C温度下制作的非晶硅TFT在偏置温度条件下所表现出的器件稳定性非常差。为提高工艺温度从而得到性能足够稳定可靠的TFT背板，人们正在开发不锈钢衬底的新的平坦化技术及传送方法。我们采用的高效顶发射OLED结构中采用了磷光发光层，其上集成了有机围堤层和多层薄膜封装结构以保证其柔性。在改善显示器的发光效率方面，具备微腔结构的反射阳极的开发是一项关键技术。为获得真正的柔性或结实的显示模块，就必须要求在显示屏的一侧安装有柔性的驱动电路接口。同时还务必要减少驱动IC的数目，可采用TFT器件将栅极驱动电路集成在显示屏上，并用柔性封装电路替代刚性塑料控制PCB板。

我们已经展示了一款弯曲状态下的4in柔性AM-OLED显示器，其在一个方向轴上的弯曲半径小于5cm。为制作出能够显示高质量画面的可靠柔性AM-OLED显示器，就需要根据上述几方面的考虑改善器件工艺及OLED驱动技术。

参考文献

［1］N. Rutherford, "Flexible Substrates and Packaging for Organic Displays and Electronics," Information Display 11/05, 20 (2005).

［2］A. Asano and T. Kinoshita, "Low-Temperature Polycrystalline-Silicon TFT Color LCDPanel Made of Plastic Substrates," SID Symposium Digest Tech Papers 43, 1196 (2002).

［3］C-D. Kim, I-B. Kang, and I-J. Chung, "TFTTechnology for Flexible Displays," SID Symposium Digest Tech Papers 38, 1669 (2007).

［4］M. Hack, R. Hewitt, K. Urbanik, A. Chwang,and J. J. Brown, "Full Color Top EmissionAMOLED Displays on Flexible Metal Foil,"IMID/IDMC '06 Digest, 305 (2006).

［5］S. Wagner, I-C. Cheng, A. Z. Kattamis, andV. Cannella, "Flexible Stainless Steel Substrates for a-Si Display Backplanes," Proc.IDRC, 13 (2006).

［6］G. B. Raupp, S. M. O'Rourke, D. E. Loy, C. Moyer, S. K. Ageno, B. P. O'Brien, D. Bottesch, E. J. Bawolek, M. Marrs, J. Dailey, J. Kaminski, D. R. Allee, S. M.Venugopal, and R, Cordova, "Direct Fabrication of a-Si:H TFT Arrays on Flexible Substrates for High Information Content FlexibleDisplays: Challenges and Solutions," Proc.IDMC 345 (2007).

［7］N. Choi, "A 4-in. qVGA Flexible AMOLEDUsing a-Si TFT on Ultra-Thin Stainless-SteelFoil," Proc. 2008 Flexible Electronics & Displays Conference & Exhibits, 17.6 (2008).

(南开大学 代永平 译自《Information Display》09/08）