CC BY
60
УДК 535; 532.783
ДИСПЛЕИ НА ГИБКИХ ПОДЛОЖКАХ. ЭЛЕКТРОННАЯ ЖК БУМАГА. ТЕХНОЛОГИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ
© Р.А. Магарамов1, А.Б. Танаев2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Целью статьи является изучение вопросов производства устройств визуализации, обладающих гибкостью и пластичностью, основу которых составляет жидкокристаллическое вещество. В статье описаны существующие технологии производства подобных устройств, их принципиальные отличия, проблемы производства. Приводится сравнение технических характеристик устройств с аналогичными устройствами, использующими иные принципы построения изображения. Большое внимание уделено перспективам развития подобных устройств и их внедрения в промышленное производство. Особая роль отведена экономической составляющей, оценке потребительских свойств рынка. Ил. 3. Библиогр. 14 назв.
Ключевые слова: жидкий кристалл; электронная бумага; ориентация ЖК; гибкие дисплеи.
FLEXIBLE SUBSTRATE DISPLAYS. LCD ELECTRONIC PAPER. TECHNOLOGIES AND PROSPECTS R.A. Magaramov, A.B. Tanaev
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.
The paper is aimed at studying the issue of production flexible and ductile image devices, based on liquid crystals. It describes current production technologies for these devices, their fundamental differences, existent manufacturing problems. The specifications of the discussed devices are compared with those of similar devices using other principles of imaging. Much attention is paid to further development prospects of such devices and their introduction in industrial production. A special role is given to the economic component. Market consumer features are assessed. 3 figures. 14 sources.
Key words: liquid crystal; electronic paper; LCD orientation; flexible displays.
В последние годы наблюдается стремительное развитие в области систем отображения информации. Еще недавно на смену дисплеям на основе электронно-лучевых трубок пришли плоские дисплеи, среди которых наиболее активно развиваются жидкокристаллические дисплеи и дисплеи на органических све-тоизлучающих диодах. До недавнего времени дисплеи занимали значительную часть в общей массе приборов. Кроме того, зачастую именно дисплеи определяют форму электронных устройств. Попытка решения этих проблем привела в настоящее время к заметному повышению интереса со стороны ученых к дисплеям на гибких подложках, которые обладают следующими преимуществами по сравнению с традиционно используемыми дисплеями на стеклянных подложках: высокая прочность, уменьшение веса, компактность, а также возможность использования в устройствах с кривой поверхностью и гибких устройствах. Особое внимание при этом уделяется отражательным гибким дисплеям в связи с низким уровнем потребляемой ими энергии [1].
Среди гибких дисплеев выделяется так называемая электронная бумага (е-бумага). На самом деле электронная бумага и гибкие дисплеи имеют сходство
в гибкости и эластичности. Однако их принципиальное отличие заключается в том, что гибкий дисплей требует наличия постоянного источника питания, в то время как электронная бумага - устройство, способное сохранять выведенное на него изображение долгое время без внешнего источника энергии. Подача энергии к электронной бумаге требуется лишь в момент перезаписи изображения. При этом перезапись изображения может осуществляться при помощи специального перезаписывающего устройства или без него. Е-бумага с таким устройством получила название перезаписываемой (rewritable paper), а без такового -«дисплея в виде бумаги» (paper like display).
Таким образом, электронная бумага выполняет функцию выведения статического изображения без потребления энергии [2]. Гибкие же дисплеи способны выводить не только статическое, но и динамическое изображение. Предполагается, что подобные гибкие устройства визуализации могут использоваться как для выполнения функций уже ставших привычными дисплеев мониторов, компьютеров и экранов телевизоров, так и находить не совсем обычное применение.
Основной проблемой разработчиков подобных устройств отображения является проблема выбора и
1Магарамов Ризван Алифисович, аспирант, тел.: 89641263496, e-mail: rizzvan_08@mail.ru Magaramov Rizvan, Postgraduate, tel.: 89641263496, e-mail: rizzvan_08@mail.ru
2Танаев Андрей Борисович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры квантовой физики и нанотехнологий, тел.: 89247057808, e-mail: tanaev@istu.edu
Tanaev Andrei, Candidate of Physical and Mathematical sciences, Associate Professor of the Department of Quantum Physics and Nanotechnologies, tel.: 89247057808, e-mail: tanaev@istu.edu
усовершенствования технологий для последующего их внедрения в промышленное производство. Конкурентоспособность технологий на рынке определяется несколькими основными критериями. Во-первых, это общие требования, предъявляемые к устройствам визуализации, касающиеся качества изображения. Во-вторых, это удовлетворение требований, которые отличают гибкие дисплеи от традиционно используемых устройств визуализаций, описанных выше. И в-третьих, это современные тенденции рынка к снижению стоимости продукции и уровня потребляемой энергии.
Технологии. Существует по крайней мере 10-15 технологий, на основе которых возможно создание гибких дисплеев и электронной бумаги. Здесь мы рассмотрим наиболее перспективные из них с точки зрения внедрения в производство и качества изображения.
В Гонконгском университете науки и технологии были разработаны гибкие оптически перезаписываемые отражательные ЖК дисплеи на основе метода фотоориентации, с использованием азо-красителей в качестве ориентирующего материала [3]. Толщина дисплея составляет 290 мкм. Его схематическое изображение представлено на рис.1. ЖК слой, расположенный между двумя пластиковыми подложками, представляет собой нематическую фазу, скрученную ориентирующими слоями. Изображение, записанное на подобном дисплее, сохраняется бесконечно долго без использования источника энергии и может быть многократно перезаписано с помощью облучения ультрафиолетовым излучением. Преимуществом представленного метода является высокая контрастность изображения и относительная простота процесса производства. Дисплеи, изготовленные с использованием этой технологии, не содержат электроники, что делает их более надежными и долговечными. Отсутствие электроники позволяет изготавливать достаточно маленькие дисплеи, которые могут использоваться как экраны безопасности в кредитных картах. Такая технология может быть использована для производства электронной бумаги.
Бистабильные ЖК дисплеи также вызывают большой интерес в области гибких дисплеев. Ли и др.
[4] сообщили о создании бистабильного дисплея с помощью технологии п-БТЫ и фотоориентации. Особенно важным вопросом в производстве подобных устройств является контроль равномерности толщины ячейки, что делает процесс производства более трудоемким и затратным.
Румико Ямагучи и др. [5] предложили использовать сшиваемые фоточувствительные полимеры и неполяризованный свет в качестве основы для изготовления оптических средств безопасности. Данная технология позволяет получать скрытые изображения с большой градацией шкалы серого и высоким разрешением. Такие изображения не могут перезаписываться, поскольку фотосшивание полимеров при облучении УФ излучением является необратимым процессом.
Хуанг и др. [6] использовали холестерические ЖК для создания гибких бистабильных дисплеев. Но для управления холестерическими ЖК требуется подача высоких напряжений, что противоречит требованиям, предъявляемым подобным устройствам. Гибкий дисплей на основе сегнетоэлектрического ЖК материала был продемонстрирован Джэспером и др. [7], однако сегнетоэлектрические материалы крайне чувствительны к механическим воздействиям и влиянию температуры.
Существуют также методы создания гибких дисплеев без использования ЖК материалов. Одной из конкурирующих технологий является технология Е-тк (электронные чернила). Технология электронных чернил была разработана Джозефом Якобсоном в 1990-х годах и основана на явлении электрофореза. Изображение на экране формируется за счет перераспределения заряженных окрашенных частиц при воздействии на них электрическим полем. В полимерные микрокапсулы, заполненные маслянистой жидкостью, помещаются частицы белого и черного цвета с противоположными зарядами. Полимеры также используются для стабилизации частиц от агломерации и сохранения их заряда. Придание окраски черным частицам обычно осуществляется добавлением пигмента, а в качестве белых частиц используется оксид титана. Микрокапсулы располагаются между двумя
Поляризатор
Пластиковый субстрат Фотоориентирующий слой Жидкий кристалл (ТЫ)
Стабильный ориентирующий слой
Зеркало
Рис.1. Схематическое изображение оптически перезаписываемого устройства отображения
в поперечном разрезе [3]
электродами, один из которых является прозрачным (рис. 2). В зависимости от поданного на них напряжения, верхний слой микрокапсулы формируется белыми или черными частицами. Конечное изображение формируется в результате рассеяния падающего света на поверхности микрокапсул. Статическое изображение в подобных устройствах сохраняется длительное время, при этом нет необходимости в потреблении энергии.
принципиально иной способ передачи цветного изображения на экран. В её основе лежит новое поколение так называемых микроэлектромеханических систем (МЭМС или MEMS), в которых на одном кремниевом кристалле размером от 20 мкм до 1 мм объединены микроскопические электронные и механические компоненты. В технологии Mirasol применяется новый тип МЭМС - так называемый интерферометрический модулятор (IMOD). IMOD представляет собой электро-
Рис.2. Принцип работы гибкого дисплея, изготовленного по технологии E-ink
Таким образом, технология E-ink позволяет создавать гибкие дисплеи с низким уровнем потребления энергии и высокой контрастностью изображения, однако применение данной технологии для производства цветных устройств визуализации создает значительные сложности. Цветные дисплеи, созданные на основе монохроматической разработки с использованием светофильтров, не позволяют получать качественной цвето-передачи. Кроме того, электрофоре-тические гибкие дисплеи по сравнению с жидкокристаллическими обладают большим временем отклика и большими значениями управляющих напряжений, что в свою очередь не позволяет использовать их для отображения видео. Существуют и иные технологии производства устройств визуализации, основанные на электрофорезе. Примером таких технологий является технология Microcup, разработанная компанией Sipix [8]. Возможность производства рулонным способом делает процесс создания дисплеев значительно более простым, однако такие дисплеи уступают в качестве изображения.
Технологии на базе органических светодиодов (OLED) также могут использоваться для создания гибких дисплеев. По сравнению с дисплеями на основе данной технологии, ЖК дисплеи более долговечны, а стоимость их производства ниже.
Достаточно многообещающей является технология Mirasol от компании Qualcomm, использующая
механическую микросхему, которая состоит из ячеек-пикселей шириной от 10 до 100 мкм, способных принимать одно из двух состояний - закрытое или открытое.
Каждый элемент (или пиксель) IMOD состоит из светоотражающей мембраны, стеклянной основы с тонким слоем полупрозрачной металлической плёнки и воздушного зазора между основой и мембраной. В выключенном состоянии мембрана полностью закрывает пиксель, прижимаясь к плёнке. При подаче напряжения мембрана перемещается на заданное расстояние от основы. Цвет пикселя зависит от величины воздушного зазора: самый маленький зазор даёт синий цвет, чуть больший - зелёный, максимальный -красный (рис. 3). Полностью закрытый пиксель кажется чёрным. Цвета формируются за счёт интерференции цветовых волн [9].
Цветные дисплеи, созданные по технологии Mirasol, характеризуются еще более низким энергопотреблением, яркостью цветов и высоким разрешением. Однако из-за высокой стоимости продукция, производимая по данной технологии, пока не пользуется большим спросом. Кроме того, дисплеи с использованием технологии Mirasol не отличаются надежностью, чувствительны к механическим воздействиям. А самое главное, эти дисплеи не обладают гибкостью. Предполагается, что для создания гибких дисплеев может использоваться технология с подобным принципом
открытое состояние закрытое состояние
Рис.3. Принцип работы технологии Mirasol
работы и применением гибкого материала как подложки [9].
Большое количество инновационных методик, которые могут применяться для создания гибких устройств, находятся в стадии доработки (исследования) и на сегодняшний день не используются в производстве.
Проблемы. Одна из основных трудностей при создании гибких дисплеев с применением ЖК связана с разработкой управляющей электроники (из-за не очень высокой долговечности гибких проводников и контактных связей). Кроме того, скачок цены на индий, который в основном используется для создания прозрачного проводящего слоя (ITO), также увеличил стоимость всех ITO содержащих устройств. На сегодняшний день наиболее приемлемым альтернативным материалом для создания проводящего слоя на поверхности гибких пластиковых подложек можно считать оксид цинка с добавлением индия (IZO). Пленки, изготовленные из этого материала, обладают хорошей проводимостью, прозрачностью, высокой пластичностью и имеют низкую температуру осаждения [10]. Однако вопрос снижения цены остается открытым. Возможным решением проблемы может быть применение медных наностержней [11]. Авторы статьи сообщают, что изготовленные медные электроды обладают лучшей гибкостью по сравнению с обычными ITO электродами, нанесенными на пластиковую подложку, демонстрируют высокую прозрачность и электрическую проводимость и предоставляют возможность изгибаться до радиуса кривизны 3 мм без уменьшения проводимости.
Еще одной наиболее существенной проблемой является изготовление цветных гибких устройств. Сложность использования цветных фильтров в гибких устройствах связана с нанесением вещества на гибкую подложку. Применение светофильтров существенно влияет на толщину ячейки, тем самым значительно уменьшая ее гибкость. Кроме того, важной характеристикой светофильтров для гибких подложек должно быть сохранение спектра оптического поглощения при сгибании дисплея. Использование традиционных светофильтров в отражательных гибких устройствах и электронной бумаге также сопряжено с уменьшением коэффициента отражения падающего света минимум в 3 раза. Использование специальных RGBW фильтров с применением дополнительных белых пикселей может увеличить его значение до 50% по сравнению с черно-белыми дисплеями. Помимо всего перечисленного, использование цветных фильтров существенно влияет на разрешение дисплея, не позволяя на данном этапе получать качественные изображения [12].
Также основным вопросом, требующим решения, остается скорость перезаписи для оптически перезаписываемой электронной ЖК бумаги. Исследование, проведенное совсем недавно, показало, что скорость перезаписи изображения дисплеев, использующих технологию Twist Nematic, существенно зависит от константы упругости К22 жидкокристаллической фазы. Ее уменьшение позволяет существенно повысить ско-
рость перезаписи бумаги. Уже подобраны ЖК для перезаписываемых дисплеев со скоростью перезаписи 6 секунд [13].
Существует также ряд иных сложностей, связанных с внедрением в производство и стоимостью продукции. Решение этих вопросов обеспечит жидким кристаллам лидирующие позиции на рынке гибких дисплеев.
Рыночные перспективы. Рынок для применения гибких устройств динамично растет, включая в себя все новые устройства. Обладая важными преимуществами, гибкие устройства составляют конкуренцию традиционным дисплеям и, вероятно, вскоре вытеснят привычные устройства отображения во многих отраслях производства. К ним относятся дисплеи мобильных устройств и экраны телевизоров, цифровые рекламные вывески и ценники в магазинах. Кроме того, пластичность устройств предполагает появление целого ряда новых областей применения, таких как электронные дисплеи, встроенные в одежду, защитные дисплеи пластиковых карт и другие. Однако, несмотря на громадное количество исследований, гибкие дисплеи и электронная бумага по-прежнему остаются «новинкой». На данный момент разумную долю на рынке составляют только электронные книги и электронная бумага. Все остальные разработки пока находятся на стадии внедрения в производство, научно-исследовательских или опытно-конструкторских работ. На рынке уже появились клавиатуры с автоматическим переключением раскладки, маломощные этикетки и защитные экраны пластиковых карт.
Согласно заявлению Дженифера Колгрейва, вице-президента по новым дисплейным технологиям в Dis-playSearch, ежегодный прирост производства гибких пластиковых дисплеев составит 60% и к 2018 году уровень их продаж превысит 8 млрд долларов США по сравнению с текущим уровнем в 300 млн долларов. Однако он считает, что гибкие дисплеи не смогут стать по-настоящему основным направлением развития дисплейной техники до 2018 года из-за ряда технических проблем и задачи сделать цену конкурентоспособной по отношению к традиционным дисплеям на стеклянной подложке.
Анализ рынка, проведенный в Исследовательском институте промышленных технологий (ITRI, Taiwan), показал, что к 2017 году доходы от гибкой электроники могут достигнуть 30 млрд. долларов, а к 2028 году -превысить 300 млрд. Основываясь на категориях потенциальной продукции, можно ожидать, что к 2019 году гибкие дисплеи будут составлять 40% от общей ее доли и большую часть из них составит электронная бумага [14].
Таким образом, рынок гибких дисплеев видится одним из наиболее перспективных направлений развития дисплейной техники в ближайшие 10-15 лет.
Заключение. Из изложенных данных следует сделать вывод о перспективности развития и высокой конкурентоспособности производства гибких ЖК устройств визуализации на быстрорастущем рынке гибких дисплеев. Область использования гибких ЖК устройств охватывает все сегменты рынка гибких дис-
плеев и может использоваться как в качестве замены традиционно используемых дисплеев, так и в принципиально новых областях - от электронной бумаги и газет до средств защиты информации и электроники, встроенной в одежду. Выявлены некоторые конкурентные преимущества ЖК устройств по сравнению с
аналогичными устройствами, использующими принципиально иные методы построения изображения. Также определены проблемы, решение которых приведет к доминированию на рынке гибких устройств отображения.
Библиографический список
1. S. Valyukh, J. Osterman, I. Valyukh, K. Skarp. Characterization of flexible reflective liquid-crystal cells // Journal of the SID
2005. 13/6. 501-506.
2. Средства отображения информации:современные разработки и рынок России // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 8/2005. С.4-9.
3. Xihua Li, Ping Tong Au, Peizhi Xu, Alexander Muravsky, Anatoli Muravsky, Zhijian Liu, Vladimir Chigrinov, and Hoi Sing Kwok. Flexible Photoaligned Optically Rewritable LC display //
2006. 783-78
4. Xihua Li, Fion S.Y. Yeung, V.G. Chigrinov, and H.S. Kwok. Flexible Photoaligned Permanent Bistable TN-LCD // 2005. 883-886.
5. Rumiko Yamaguchi, Toru Kawamura and Susumu Sato. Dual Image Writing on the LC Cell Using Unpolarized UV light // IDW'04 Digest, 2004. Р.39.
6. Huang, X.Y. and Doane, J.W. Recent advances in choles-teric displays // Information Display 18/2, 2002. Р.14-17.
7. Jesper et al, "Mechanical stabilized bistable FLC cells on flexible substrates", Europe Display (2005), to be published.
8. Xiaojia Wang, Sean Kiluk, Chris Chang, and R.C. Liang. Microcup® Electronic Paper and the Converting Processes.
9. Chun-da Liao and Jui-che Tsai. The Evolution of MEMS Displays // Transactions on industrial electronics, Vol. 56, No. 4, April, 2009.
10. Hung-Chang Jau, Ko-Ting Cheng, Tsung-Hsien Lin, Yuan-Si Lo, Jia-You Chen, Chain-Wen Hsu and Andy Ying-Guey Fuh. Photo-rewritable flexible LCD using indium zinc oxide/polycarbonate substrates // Applied Optics, 10 January 2011, Vol. 50, No. 2.
11. Myung-Gyu Kang, Hui Joon Park, Se Hyun Ahn, L. Jay Guo. Transparent Cu nanowire mesh electrode on flexible substrates fabricated by transfer printing and its application in organic solar cells // Solar Energy Materials & Solar Cells 94 (2010). 1179-1184.
12. Alex Henzen, Jan van de Kamer. The present and future of electronic paper // Journal of the SID 14/5,2006.
13. Geng Yu, Sun Jiatong, Anatoli Murauski, Vladimir Chigrinov, and Kwok Hoi Sing. Increasing the rewriting speed of optical rewritable e-paper by selecting proper liquid crystals // Chin. Phys. B Vol. 21, No. 8 (2012).
14. Jupiter Hu. Overview of Flexible Electronics from ITRI's Viewpoint. // 28th IEEE VLSI Test Symposium, 2010.
