印刷技術(shù)能否書寫未來顯示新篇章？聽聽研究人員怎么說

    我們正處在一個(gè)不斷進(jìn)步和突破的時(shí)代，眼下人們習(xí)慣使用的手機(jī)、筆記本電腦、電視等大多采用基于薄膜晶體管驅(qū)動(dòng)的液晶顯示器(TFT-LCD)。針對(duì)TFT技術(shù)，金屬氧化物TFT已經(jīng)吸引了國內(nèi)外眾多面板制造商的關(guān)注，并有望“走出”實(shí)驗(yàn)室“邁向”市場。金屬氧化物 TFT具有遷移率高，亞閾值陡，關(guān)態(tài)泄漏電流低，以及制備工藝靈活等優(yōu)點(diǎn)。

    傳統(tǒng)TFT鍍膜工藝通常采用以濺射為代表的物理氣相淀積（PVD）法和等離子體化學(xué)氣相淀積（PECVD）法，這些技術(shù)需要在高真空下進(jìn)行，具有高成本、高污染、高能耗的缺點(diǎn)。另一方面，基于光刻技術(shù)的傳統(tǒng)微加工工藝雖能提供非常精細(xì)的圖形加工能力，但是，設(shè)備成本非常高，耗材嚴(yán)重，且套刻偏差不利于實(shí)現(xiàn)柔性TFT的制備。因此，無掩膜和非真空工藝已成為人們積極開展的研究方向。

圖1 （a）印刷技術(shù)和（b）傳統(tǒng)光刻技術(shù)的比較

    那么是否存在這樣的加工技術(shù)，它能夠結(jié)合非真空工藝實(shí)現(xiàn)低成本，用材少的目標(biāo)。隨著人們對(duì)TFT制造技術(shù)的不斷探索，印刷電子技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

    顧名思義，印刷電子技術(shù)是將電子材料配成流動(dòng)性的墨水，像印刷報(bào)紙那樣采用印刷的方法大批量地制備各種電子元器件,這無疑要比傳統(tǒng)的方法經(jīng)濟(jì)得多。圖1將印刷技術(shù)與傳統(tǒng)光刻技術(shù)進(jìn)行了比較。從圖中可以看到，印刷技術(shù)采用按需滴液的方式，直接形成圖形化的薄膜，這種加成法的工藝與減成法的光刻技術(shù)相比，在節(jié)省材料的同時(shí)能夠大大簡化工藝步驟，減少污染，降低成本。

    其中，針對(duì)金屬氧化物TFT而言，用于在襯底上形成氧化物半導(dǎo)體薄膜的墨水可分為兩大類，分別是溶膠-凝膠（sol-gel）型墨水和納米顆粒型墨水。前者通常是將金屬鹽作為前體溶解在溶劑中得到，后者通常是金屬氧化物納米顆粒在一定條件下均勻分散于溶劑中形成。采用溶膠-凝膠型墨水形成薄膜時(shí)，金屬鹽溶液需要進(jìn)行縮合化學(xué)反應(yīng)，并經(jīng)過干燥、燒結(jié)固化形成金屬氧化物半導(dǎo)體薄膜。納米顆粒型墨水的成膜過程也需要通過高溫使有機(jī)溶劑等雜質(zhì)充分揮發(fā)去除，但與溶膠-凝膠相比，納米顆粒可以在相對(duì)較低的溫度進(jìn)行燒結(jié)，具有低溫制備的潛力，且納米顆粒型墨水比較穩(wěn)定。

    但是其弊端在于形成的薄膜比較粗糙，納米顆粒間的孔隙和有機(jī)殘留物阻礙電子傳輸，導(dǎo)致薄膜具有較低的遷移率和較高的電阻。需要說明的是，墨水就是可印刷的溶液，而這種由溶液經(jīng)過固化成膜的方法通常被稱為溶液法。與濺射的氧化物半導(dǎo)體薄膜相比，采用非真空溶液法制備氧化物半導(dǎo)體薄膜除了低成本的優(yōu)勢，還能簡單方便地調(diào)整各個(gè)溶液的配比，從而更加靈活地改變金屬氧化物中各元素所占的百分比。但是，溶液法制備氧化物TFT尚不成熟，器件的性能有待進(jìn)一步提高。

圖2（a）柔性顯示屏（b）可穿戴手套示意圖

    此外，隨著顯示技術(shù)的蓬勃發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)于有創(chuàng)造力的產(chǎn)品設(shè)計(jì)元素越來越看重，柔性顯示能夠打破目前顯示屏平整單一的外觀，如圖2（a）所示，其可彎曲的特性將給生產(chǎn)商帶來更多設(shè)計(jì)的靈感，從而出現(xiàn)更多的新產(chǎn)品，比如更加貼合手腕的智能手環(huán)，更加輕薄的可穿戴設(shè)備，如圖2（b）所示，給人們的佩戴帶來更加輕便的體驗(yàn)，外觀更加時(shí)尚的智能手機(jī)等。與卷對(duì)卷工藝（Roll to Roll）無縫對(duì)接的印刷技術(shù)在柔性顯示方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，因此，印刷技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊，有望在制造柔性電子器件方面大放異彩，促進(jìn)柔性顯示的發(fā)展。圖3給出了采用柔性襯底的卷對(duì)卷工藝示意圖。

圖3 卷對(duì)卷工藝示意圖

    雖然基于溶液法的印刷技術(shù)具有直接圖形化，節(jié)省材料，和非真空等許多優(yōu)點(diǎn)，很有希望取代傳統(tǒng)的鍍膜工藝（PVD、PECVD等）和光刻工藝, 擺脫昂貴復(fù)雜的真空技術(shù)。但相較于光刻工藝，當(dāng)前的印刷工藝所能做到的最小線寬在微米量級(jí)，暫無法實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)的精細(xì)圖形加工能力。

    需要克服的技術(shù)難點(diǎn)包括：墨滴成膜形態(tài)的控制，墨水的選擇，套印精度和圖案的均勻性等。

    此外，在未來研究工作中需要關(guān)注的重點(diǎn)還包括：開發(fā)更加先進(jìn)的印刷設(shè)備，從而保證墨滴在大面積襯底上能夠穩(wěn)定噴涂；針對(duì)采用柔性襯底的連續(xù)卷對(duì)卷印刷工藝研制出更加合適的噴頭。相較于在高真空下沉積的薄膜，溶液法制備的薄膜通常不夠致密均勻，且制備過程需要經(jīng)過高溫或者長時(shí)間的退火。目前，溶液法制備氧化物TFT尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，人們致力于降低處理溫度、縮短退火時(shí)間，尋找P型溝道材料等。因此，印刷技術(shù)在未來顯示中得到廣泛應(yīng)用還有很長一段時(shí)間，在此期間，該技術(shù)仍須面臨諸多挑戰(zhàn)。

    作者：北京大學(xué)信息工程學(xué)院  邵陽博士