Эластичность и ее роль в производстве гибких дисплеев и экранов

Эластичность стала критическим свойством материала в современную эпоху потребительской электроники, особенно в развитии гибких дисплеев и экранов. В то время как эластичность давно была понята в машиностроении - способность материала деформироваться под напряжением и вернуться к своей первоначальной форме после того, как напряжение удалено - его применение к технологии отображения разблокировало совершенно новые категории устройств. Складные смартфоны, прокатные телевизоры и носимые экраны зависят от подложек, электродов и светоизлучающих слоев, которые могут выдерживать многократное изгибание без постоянной деформации или отказа. В этой статье рассматривается фундаментальная роль эластичности в производстве гибких дисплеев, охватывающих физику, лежащую в основе эластичного поведения, материалов, спроектированных для изгибаемости, производственных процессов, которые сохраняют механическую целостность, и будущих направлений исследований, которые обещают сделать гибкие экраны еще более долговечными и вездесущими.

Физика эластичности в материаловедении

В своей основе эластичность описывает обратимую деформацию твердого тела при воздействии внешней силы. В техническом плане, когда применяется растягивающая или сжимающая нагрузка, материал испытывает напряжение (изменение длины на единицу длины), а внутреннее сопротивление генерирует напряжение (сила на единицу площади). В пределах предела упругости связь между напряжением и напряжением линейна, регулируется законом Гука: σ = Eε, где E — модуль Янга. Чем выше модуль, тем жестче материал. Для гибких дисплеев, однако, низкий модуль часто желателен в направлении изгиба, но высокий модуль может потребоваться в других направлениях для поддержания плоскости и стабильности размеров.

Помимо линейной эластичности, гибкие дисплеи должны также работать ниже точки выхода — порога напряжения, за которым происходит пластическая (постоянная) деформация. Повторные циклы изгиба могут накапливать повреждения даже ниже точки выхода, если материал проявляет усталость. Поэтому инженеры характеризуют срок службы усталости компонентов дисплея с помощью динамического механического анализа, применяя тысячи или миллионы циклов изгиба при контролируемых радиусах. Способность материала возвращаться к своей первоначальной форме с минимальным гистерезисом (потеря энергии) напрямую связана с его эластичным восстановлением. Для всестороннего обзора эластичности в материалах см. статью Википедия об эластичности .

Материалы, разработанные для гибких дисплеев

Ни один материал не может удовлетворить все требования гибкого дисплея — оптическая четкость, электропроводность, свойства газового барьера и механическая гибкость.Вместо этого производители создают многослойные стеки, где каждый слой вносит свой вклад в определенную функциональность, сохраняя при этом общую эластичность.

Полимерные субстраты

Основой любого гибкого дисплея является его подложка. Жесткое стекло не может изгибаться, поэтому гибкие дисплеи используют тонкие полимерные пленки, такие как полиимид (PI), полиэтилентерефталат (PET) или циклоолефиновый полимер (COP). Полиимид особенно популярен благодаря высокой температуре стеклования (выше 300 ° C), что позволяет ему выдерживать высокотемпературное осаждение тонкопленочных транзисторов. Его эластичный модуль обычно колеблется от 2 до 5 ГПа - намного ниже, чем стекло (~ 70 ГПа) - что позволяет изгибать радиусы ниже 5 мм. Однако полиимид часто имеет желтоватый оттенок, поэтому производители могут использовать бесцветный полиимид для приложений передней плоскости. Толщина подложки имеет решающее значение: более тонкие пленки изгибаются легче, но более склонны к скрежету и повреждению. Типичная гибкая подложка дисплея имеет толщину от 10 до 50 микрометров.

Органические диоды, испускающие свет (OLED)

OLED являются доминирующей светоизлучающей технологией в гибких экранах, потому что органические полупроводниковые слои могут быть осаждены в виде тонких пленок на гибких подложках без трещин. Излучающий слой, обычно состоящий из мелкомолекулярных фосфоресцирующих излучателей или конъюгированных полимеров, имеет модуль Янга порядка нескольких сотен мегапаскалей - аналогично мягким пластмассам. Этот низкий модуль позволяет OLED стеку соответствовать изгибу подложки. Однако хрупкая природа некоторых органических материалов и смежных слоев переноса заряда (которые могут содержать неорганические оксиды) создает риск расслоения или растрескивания под плотными изгибами. Чтобы смягчить это, инженеры проектируют нейтральную ось стека изгиба, чтобы совпасть с самыми хрупкими слоями, обеспечивая их минимальный растяжение или сжимающий штамм. Для углубленного обзора гибких OLED материалов и механики, см. эта статья Nature о гибких и растягиваемых OL

Роллинговые телевизоры, такие как LG Signature OLED R, втягивают экран в основание, когда он не используется. Дисплей должен плотно свернуть - обычно радиусом в несколько сантиметров - и сплющиться без морщин. Это требует исключительной эластичности в подложке и очень тонких слоях покрытия. Роллинговые концепции также появляются в портативных мониторах и вывесках. Для обзора технологии прокатки LG см. LG Display's Rollable page .

Проблемы в достижении высокой эластичности

Несмотря на значительный прогресс, остаются несколько фундаментальных проблем.Во многих случаях трудно преодолеть компромиссы между гибкостью, долговечностью и оптическим качеством.

Балансировка гибкости и оптической ясности

Многие высокоэластичные полимеры (например, силиконы) оптически прозрачны, но имеют низкий показатель преломления, который может вызвать неэффективность извлечения света. Другие, такие как полиимид, имеют высокую термостойкость, но плохую прозрачность. Бесцветный полиимид решает проблему оттенка, но часто имеет сниженную механическую прочность. Кроме того, модификация полимеров для повышения эластичности - путем добавления пластификаторов или снижения плотности сшивания - может снизить температуру стеклования, делая дисплей уязвимым для тепла. Оптическая ясность должна поддерживаться по всему видимому спектру, и любая дымка или рассеяние от подложки или слоев инкапсуляции ухудшает качество изображения.

Термическая и экологическая стабильность

Эластичные свойства изменяются с температурой. При высоких температурах полимеры смягчаются и могут ползти (медленная деформация при нагрузке). При низких температурах они становятся хрупкими и трещинными. Гибкие дисплеи должны работать в диапазоне от −20°C до 60°C (или шире). Коэффициент теплового расширения (CTE) несоответствия между слоями может вызывать напряжение при изменении температуры, потенциально приводя к разламинированию. Инженеры выбирают материалы с совместимыми CTE или используют слои с релифом напряжения. Долгосрочное воздействие влажности может пластифицировать полимеры и уменьшать их модуль, в то время как УФ-свет от самого дисплея может фотодеградировать органические материалы. Поэтому барьерные и защитные слои имеют решающее значение не только для кислорода и воды, но и для УФ-фильтрации.

Будущие направления в исследованиях материалов

Непрерывные инновации в области материаловедения подталкивают гибкие дисплеи к еще более высокой производительности — более тонкие, более долговечные и способные выдерживать сотни тысяч изгибов без видимой деградации.

Наноматериалы и самоисцеляющиеся полимеры

Углеродные нанотрубки и графен обеспечивают отличную электропроводность в сочетании с высокой гибкостью и прозрачностью. Исследователи разрабатывают электроды и транзисторы с использованием этих материалов, которые могут растягиваться до 50% и более без сбоев. Еще один захватывающий путь - самоисцеляющиеся полимеры, которые содержат обратимые связи (реакции Дальс-Альдера, водородные связи или обмен дисульфидами), которые могут реформироваться после повреждения. Царапина или микротрещина в подложке или инкапсулятном слое могут быть исцелены путем применения тепла или света, продлевая срок службы дисплея. Для обзора самоисцеляющихся материалов для электроники см. эта статья в Журнале химии материалов A .

Интеграция с датчиками и приводами

Будущие гибкие дисплеи будут не только показывать изображения, но и деформироваться по требованию. Например, экран телефона может создать тактильную кнопку за счет локального увеличения жесткости, или носимый дисплей может соответствовать контурам тела через мягкие приводы. Эта тактильная функциональность требует материалов, которые могут изменять свой упругий модуль или форму под электрическими или тепловыми стимулами. Изучаются приводы диэлектрических эластомеров и полимеры памяти формы. Комбинирование дисплея и приведения в действие в том же эластичном стеке является сложным, но перспективным направлением исследований.

Заключение

Эластичность — это не просто свойство материала — это принцип, лежащий в основе гибкой революции дисплеев. От полимерных подложек, которые обеспечивают изгибаемый фундамент, до тонкопленочных барьеров, которые защищают чувствительные OLED-дисплеи, каждый слой в современном гибком экране спроектирован так, чтобы вернуться к своей первоначальной форме после деформации. Понимание взаимодействия модуля, точки выхода, усталости и термической стабильности позволяет производителям создавать дисплеи, которые изгибаются, складываются и кренятся, сохраняя высокое качество изображения и надежность. Продолжающиеся исследования наноматериалов, самовосстанавливающихся полимеров и интегрированных приводов обещают сделать будущие экраны еще более эластичными, долговечными и универсальными. По мере того, как эти технологии созревают, гибкие дисплеи будут продолжать трансформировать потребительскую электронику, носимые устройства и за ее пределами, давая понять, что эластичность является краеугольным камнем производства дисплеев следующего поколения.