未來半導體材料在柔性顯示屏技術中的創新與應用

董明睿

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未來半導體材料在柔性顯示屏技術中的創新與應用

董明睿

（西安市鐵一中學，陜西 西安 710000）

柔性顯示器是一種新型的可以彎曲變形的顯示裝置。近幾年來，柔性顯示器憑借其輕薄柔軟的特點越來越被人們廣泛熟知并應用，也受到了更多的關注與青睞，柔性顯示屏技術也逐漸成為未來顯示行業的發展趨勢之一。之前，柔性顯示技術由于受限于半導體材料的脆弱，還處在一個探索階段，面臨許多需要克服的技術難題，而隨著最新半導體材料的出現和應用，柔性顯示屏在手機中的應用也離我們更加近了一步。在對半導體材料相關概念以及其與柔性顯示屏的發展現狀等進行分析的基礎上，重點探析了未來新型半導體材料在柔性顯示屏中的應用，對未來柔性顯示屏的發展進行展望并分析未來應用領域的創新。

半導體材料；柔性顯示屏；材料應用；應用創新

1 半導體材料概念及發展概況

早在18世紀中葉，在電磁學領域有諸多貢獻的英國科學家法拉第就發現了一種叫做硫化銀的半導體材料，這種材料的電阻會隨著溫度的不斷升高而降低，這也是當時首次涉足半導體材料領域，但是在當時并沒有引起人們的太多關注。對于半導體材料來說，溫度的升高導致自由載流子的濃度升高，這可以促進傳導。到了20世紀，盡管人們對半導體材料的了解和認識也不夠全面和深刻，但是當時對半導體材料的研究已經逐步增多；到20世紀20年代，隨著固體物理學和量子力學的發展以及理論的進步，科學家們還對半導體材料中的電子態和電子傳輸過程進行了更深入的研究，對材料的性能、特征也逐漸有了一個清晰的了解和認識；20世紀50年代左右，為了改善晶體管的特性并提高晶體管的使用穩定性，半導體材料的研究得到了迅速發展。

半導體材料（semiconductor material）是一種用來制作半導體器件與集成電路的材料，可用來導電，且其導電能力介于導體和絕緣體之間，另外，半導體材料還可用來制造芯片與晶圓等領域。隨著溫度的升高，半導體材料的晶格震動會加劇電阻的產生，從而可以導電。目前，半導體制造工藝復雜，程序煩瑣，應用起來有一定的復雜性，但是其應用與進步也帶動了上游專用材料以及產業設備的升級改造與長遠發展。

2 柔性顯示屏發展現狀

柔性顯示屏也可稱為可以卷曲的顯示屏，是使用特定的柔性材料如超薄玻璃、塑料或者金屬箔片等可柔性的面板材料構成的一種可以彎曲且變形的顯示裝置。近些年來，柔性顯示屏發展勢頭迅猛，也是近來技術領域研究探索的熱點之一，其中蘋果、三星等大型廠商已經開始將這一技術不斷商業化應用到其旗下的電子產品的開發研制中，而韓國的LG目前已經率先實現了柔性顯示屏的量產，處于行業領先地位。相比傳統的顯示屏，柔性顯示屏具有輕便、薄、柔軟可彎曲等特點，在手機、眼鏡、手表等已經在市面上存在的一些產品中其具有無可比擬的優勢，同時還有一些新興的領域如電子紙、電子貨架標簽等領域還有待柔性顯示屏去挖掘，而上述提到的可以實現商品化和大規模量產的領域主要集中在手機、平板電腦、電子紙等領域，總而言之，隨著柔性顯示技術的發展以及應用，未來電子產品的市場將會出現革新，發生翻天覆地的變化。

3 半導體材料在柔性顯示屏中的具體應用

3.1 新型半導體材料的出現使得柔性顯示屏應用成為可能

中科院上海研究所研究員與德國馬普所的Yuri Grin等教授合作，研發出了一種新型的像金屬一樣的半導體材料，經研究發現，這種新型的半導體材料是一種典型的半導體，但是和傳統半導體的力學性能不太一致的是，該種新型材料具有良好的可延展性和可彎曲性，可以廣泛地應用到柔性電子設備的顯示屏當中去，其中這種新型的半導體材料在成分中主要含有銀原子，即α-Ag2S。

未來的半導體材料顛覆了以往人們對于半導體材料的傳統印象，傳統半導體材料并不能彎曲折疊，非常脆，但是最新的材料，其性能完全與之前的不同。一般的陶瓷或者半導體材料的加工碎片多為細小的顆粒或者呈現粉末狀，而材料在外力的作用下并不會破碎，會形成一片細長的纏繞絲狀物。雖然近兩年發展起來的柔性電子材料，只是簡單將材料電子器件制作在柔性襯底上，但是即便如此，柔性半導體材料也憑借著自身獨特的優勢，被逐漸應用到柔性顯示屏以及更多的領域。

3.2 二硫化鉬作為2D半導體材料可驅動OLED顯示

目前，柔性顯示屏技術得以實現，主要靠OLED顯示方案，而OLED顯示方式下畫面質量較高、響應的速度也很快，且還可以彎曲，憑借著這些優點OLED顯示成為柔性顯示領域主流的發展趨勢，目前，以LG、三星為代表的電子生產廠商已初步實現了產業化，上海天馬、京東方、維信已陸續推出柔性顯示樣機，柔性顯示作為下一代主流顯示技術煥發出勃勃生機。

將二硫化鉬晶體管等半導體材料應用到可彎曲的OLED顯示屏中。通常這種晶體管會在塑料片上形成一個簡單的6×6點陣，厚度僅為7 μm。這種簡單的塑料薄片顯示器非常柔軟，可以在彎曲半徑小于1 cm的情況下彎曲。

流子遷移率（Carrier mobility）是將半導體材料應用到柔性顯示屏中所需要關注并攻克的重點性能。該項性能主要測量的是電荷通過半導體的速率。例如，用于制造大多數芯片的結晶硅的材料具有1 400 cm2/ V-s的載流子遷移率，而構成顯示器背板的半導體是用于切換和照射像素的系統，并且它們所需的載流子遷移率必須能夠驅動足夠的電流來操作像素，同時還要滿足視頻碼率的要求。

對于傳統的LCD液晶顯示器，它們的背板可以用非晶硅制造，具有較低的載流子遷移率，但是這種材料的電子遷移率約為1 cm2/ V-s。然而OLED顯示器需要更高的載流子遷移率，因此包括 LG和三星在內的 OLED顯示器制造商也都會選擇使用更高遷移率的材料，如多晶硅（每平方厘米10 cm2）和氧化物半導體。

3.3 柔性半導體材料應當阻隔水、氧

對于柔性半導體材料來說，要想應用到柔性顯示屏上首先需要考慮的一個重要問題就是對建立水、氧的阻隔層，從承溫程度來看，不銹鋼是目前市場上公認的承受高溫較好的材料，因此許多廠商利用不銹鋼箔來制作柔性硅薄膜太陽能電池，還有一些用鋁箔來制作太陽能電池，但是二者在絕緣程度上存在差異。

金屬箔是導體材料，而對于較為復雜的柔性顯示屏的設計上需要采用具有絕緣層的電子設計組件。水和氧氣阻隔層通常通過薄膜工藝在塑料基板上涂覆有諸如SiOx、SiNx或氧化鋁的無機膜。單層無缺陷的無機薄膜如非晶 Al2O3（Super Sapphire）可以在38 ℃/ 100% RH下每天可達到5×10-5g/m2的水氣阻隔效果，單層SiNx在PEN基板20 ℃/50% RH下每天也達5×10-5g/m2。

4 未來柔性顯示屏發展及半導體材料的應用創新

由于柔性顯示器是一種新興的顯示技術，在某些產品的市場競爭中，柔性顯示器的技術也相當有競爭力，例如在智能電子設備、汽車顯示器以及電子紙等技術領域。此外，柔性顯示器的另一個應用是引入新產品，如智能卡、電子標牌顯示器或者是軟電子書。據相關統計數據表明，2010年柔性顯示器的市場規模達到5億美元，到2015年也已經接近19億美元。其中，手機、數字標牌、電子書和智能卡是應用最廣泛的領域。

未來半導體材料的主要發展方向將會是低維納米半導體材料。在實際應用中，光電二極管組件是構成電子設備相機中的一個重要的組成部分，光電二極管通過感知光線可以將圖像傳感轉變為信號，進而通過芯片對信號進行相應處理，這一處理過程就離不開新型半導體材料的應用。

低維納米半導體材料主要依靠的是鎢硒二維納米薄膜，具有很強的耐受性，因此將其作為半導體材料來應用到電子芯片中使電子遷移率達到最佳，同時將合成的一維氧化鋅納米線與二維納米薄膜混合，形成（PN）光電二極管元件，應用于圖像傳感器像素，也是未來研究的主要趨勢。

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2095－6835（2019）03－0160－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.160

〔編輯：嚴麗琴〕