顯示技術的TFT-LCD與OLED的相關分析

深圳市誼鼎坊科技有限公司 王云萍

傳統的TFT-LCD技術已經不能完全人們的需求，OLED技術開始出現并因其良好優勢逐漸取代傳統的TFT-LCD技術。不僅科研院所開始進行OLED技術的研究，而且材料廠商、設備廠商和面板廠商也不斷加強對OLED技術的探索。本文主要針對OLED和TFTLCD技術進行探討，包括技術原理對比、優勢對比、背板技術對比等，通過對比發現當前存在問題以及未來發展趨勢。

1 TFT-LCD與OLED技術的區別

1.1 TFT-LCD

TFT-LCD應用領域廣泛，研究者也開展了以半導體及TFT器件的多方向研究。常見的核心有源層材料包括金屬氧化物、非晶硅、低溫多晶硅以及復合金屬氧化物等，隨著研究的不斷發展和深入，部分研究者提出將碳納米管作為TFT的有源層材料。常見的TFT機構包括雙柵結構、底柵結構、頂柵結構。液晶材料以及核心材色譜也是TFT中的關鍵部分，一般用于彩膜基板材料，這也需要高分子技術的支持。為保障TFT的性能，偏光片有機薄膜材料能夠達到微米級別。TFT中背光源廣泛LED背光。

1.2 OLED

OLED和TFT-LCD顯示屏幕相比更加輕薄，可視角度更大，具有更好的節能效果。OLED包括PMOLED和AMOLED，其中PMOLED由陽極和陰極構成矩陣狀，陣列中像素的點亮依靠掃描方式實現，在短脈沖模式下實現每個像素的操作，達到瞬間高亮度發光。PMOLED具有成本低、結構簡單的優勢；同時其也具有一定的缺點，包括驅動電壓較高、高分辨與大尺寸面板適用性較差等問題。AMOLED作為有源矩陣有機發光二極管，在未來高性能、高階產品中具有更好應用性能。

OLED和LCD相比不需要背光源就能夠發光，兩者之間具有不同的成像顯示機理。因OLED具備更簡單的結構，因此其和LCD相比更加輕薄，即使沒有背光源支持也能夠發光，OLED不存在視角問題，亮度更高、更加清晰，能耗和LCD相比更低，響應速度更快，在抗震方面也具有更好的性能。

2 TFT-LCD用液晶材料

2.1 材料特點

液晶顯示器的性能由液晶參數直接決定，而液晶參數也直接和材料相關。業液晶顯示器種類具備多樣性，因此不同的也將顯示器也具有不同的液晶材料要求，目前沒有一種普適性的液晶混合物。TFT-LCD用液晶材料和傳統液晶材料雖然同樣利用TN型電光效應，但仍然具有一定差異。TFT-LCD要求具備更寬的工作溫度范圍、更穩定的物化性能，另外還需要具備一些特殊性能：

（1）低粘度

為保障TFT-LCD能夠快速響應，要求其20℃下的粘度上限是60mPa·s。

（2）高電壓保持率（V.H.R）

為實現TFT-LCD材料的高電壓保持率（V.H.R），需要保證其采用的液晶材料具備大于1012Ω·cm的高電阻率。

（3）較低的閾值電壓（Vth）

較低的閾值電壓（Vth）在TFT-LCD中應用的主要目的是實現低電壓驅動，以實現功耗降低。

（4）相匹配的光學各向異性（△n）

TFT-LCD技術中要求具備匹配的相匹配的光學各向異性（△n），目的是消除LCD中可能出現的彩虹效應，保證LCD具備廣角視角，具有較大的對比度。TFT-LCD中△n值的最佳范圍應該在0.08～0.1左右。

2.2 常用分子結構

TFT-LCD在長期探索中得到了一些最常用的單體液晶分子材料，常見結構如圖1所示：

圖1 TFT-LCD配方中常用的單體液晶分子結構

其中R為烷基鏈或直鏈烷基；A是單鍵，包括-CO、-CH2CH2-、-C≡C-等，X為取代集團，包括Cl、F、CF3、OCHF2等。

對于上述常見的幾種典型分子結構進行分析，能夠發現TFTLCD配方中常用的單體液晶分子結構具備一定的典型特征，能夠為分子合成提供一定的指導：

（1）氰基的取代一般利用極性基團進行，常見基團包括含氟基團，氟原子也能夠進行氰基取代。

（2）為有效調節液晶分子的介電各向異性、液晶相變區間，需要在液晶分子中引入新的取代基，主要通過在橋鍵和側鏈中引入氟原子實現。

（3）在液晶分子發展中，基于雙環己烷骨架和環己烷的液晶分子不斷發展和應用。

（4）氟原子具備高電負性、小原子半徑的特征，因此保證其具有較強的吸電子效應，另外碳氟鍵鍵能和其他化學鍵相比具有較大的鍵能，因此保證此類材料具備穩定的光化學性能、熱性能以及化學性能，還具備較高的電荷保持率和電阻率。

（5）在液晶分子設計中可以通過調節F原子位置和個數的差異來改變液晶性能，包括液晶正負性以及液晶極性等。

（6）含氰液晶材料和含氟液晶材料相比，Δn變化更大。

（7）含氟液晶材料具有更小的旋轉粘度、較高的穩定性、適當的Δn、可調節的極性等有點，因此含氟液晶材料在TFT-LCD液晶材料中具備很好的應用性能。

2.3 應用于TFT-LCD的三類高極性液晶材料

（1）Δε較大的正性液晶

目前常見的（雙）環己基苯類含氟液晶材料中一般采用CF3、OCF3、F和OCHF2作為分子的末端取代基團，在這些分子的基礎上若再引入一個或多個氟原子，會增加液晶分子長軸方向的分子極性，和原有的液晶材料相比得到更高極性的液晶材料。

（2）Δn小、Δε大的正性液晶

目前常見的環己基聯苯類含氟液晶材料中同樣一般采用CF3、OCF3、F和OCHF2作為末端取代基，在這些分子的基礎上若再引入一個或多個氟原子，一樣會增加分子極性以得到更高極性的液晶材料。

（3）Δε大的負性液晶

負性液晶材料同樣對極性具有一定要求，為保證負性液晶材料的適用性，一般在分子側向引入一個或多個氟原子，在側向引入的氟原子能夠通過吸電子誘導效應增加分子縱向極性，最終液晶材料的Δε負值將提高。

3 OLED材料

之后經過幾十年發展之后，OLED技術逐漸得到重視，并且技術也不斷革新。21世紀之前的車載顯示器中主要采用OLED顯示器，并且市場也相對低迷，在21世紀之后由于OLED在手機屏幕貼合方面具有典型優勢，因此OLED開始得到重視，并在世界頂尖手機公司中應用，在智能手機和頂尖科技公司的推動下OLED技術迅速發展，OLED技術革新，市場和應用領域不斷擴張。以Sony、Philips、IBM為代表的著名電子廠商開始關注OLED技術發展，并十分重視該技術的潛在市場，不僅投入了大量的研究人員進行OLED研究，還就OLED研究給予了大量的資金支持。自2001年以來，各大電子廠商研究推出了不同厚度、不同尺寸的OLED電視、設備，在電子設備中的廣泛應用進一步推動了OLED應用領域擴張。之后再各種大型顯示設備、顯示器、手機等電子設備中得到了廣泛、優質應用。

4 TFT-LCD和OLED的背板技術融合

TFT-LCD再目前發展中大尺寸產品采用較多，一般選用非晶硅作為背板有源層，以氧化銦鎵鋅α-IGZO為代表的非晶金屬氧化物也開始逐漸作為有源層。氧化銦鎵鋅α-IGZO等非晶金屬氧化物有源層的廣泛應用主要是基于其超低漏電、低溫制造、較高遷移率、較高光電響應等優勢實現的，氧化銦鎵鋅α-IGZO也被研究者認為其將是未來最具優勢的有源層材料。目前氧化銦鎵鋅α-IGZO等非晶金屬氧化物已經量產，廣泛應用到產品中，但其環境穩定性較差的問題一直未得到有效解決。

OLED在中小尺寸產品中具有很好的應用性，目前主要采用低溫多晶硅作為OLED的背板材料，但OLED材料應用中面臨著屏內攝像技術、屏內指紋、低功耗等新的需求，面對這些需求低溫多晶硅已經不能完全滿足，亟待創新。

基于前面的問題人們不斷進行大量研究，以期解決前面提出的問題，有研究者將金屬氧化物薄膜晶體管（MO TFT）和低溫多晶硅薄膜晶體管（LTPS TFT）融合在一起，得到新型LTPO TFT材料，此種新型材料充分結合了非晶氧化物高光響應特性、低漏電流特性和低溫多晶硅的高遷移率特性，充分滿足了液晶面板的各種新需求，該技術也被認為是背板技術未來重要的發展方向之一。

5 未來發展展望

在未來發展中面對屏內攝像和屏內指紋的發展，LTPO TFT背板技術將充分發揮LTPS TFT和MO TFT的高光響應特性、低漏電流特性、高遷移率特性，推動背板技術不斷發展金屬。更多新技術的發展和融合，推動了顯示技術更高性能、更便捷、更人性化，推動了顯示需求不斷增加、顯示產業不斷擴大，推動了顯示無處不在、顯示讓世界互聯。