电润湿显示器件的电场动态响应特性对其性能的影响

李　坦，白鹏飞*，林立新，李显歌，蒋洪伟，周国富

（1.华南师范大学华南先进光电子研究院，彩色动态电子纸显示技术研究所，广州510006；2.深圳国华光电科技有限公司，深圳518110）

电润湿显示器件的电场动态响应特性对其性能的影响

李坦1，白鹏飞1*，林立新2，李显歌2，蒋洪伟2，周国富2

（1.华南师范大学华南先进光电子研究院，彩色动态电子纸显示技术研究所，广州510006；2.深圳国华光电科技有限公司，深圳518110）

选用基于Teflon AF1600为绝缘层的电润湿显示器件，研究了电润湿显示器件的电场动态响应特性对其显示性能的影响，并分析了缺陷产生的机理.结果表明，区域像素电容值显著低于理想电容值的显示器件损坏率高，且开口率较低；区域像素电容值显著高于理想电容值的显示器件阈值电压较高，同时开口率也不理想；区域像素电容值接近于理想电容值的显示器件的显示性能普遍良好.而器件的损耗因数过大降低了像素电容的参考准确性.拆件分析也发现，区域像素电容值低的器件制备过程中引入的Na+，使得溶液电导通性发生改变，致使器件耐压下降；区域像素电容值高的器件，其绝缘层边缘过薄甚至部分无覆盖，致使其灵敏度降低，阈值电压升高.

电润湿；功能性；阈值电压；损耗因数

近年来，反射式显示技术备受关注.诸多科研人员开始了以目前主流的液晶为基础的反射式显示器的研发.然而，受制于液晶中偏光器的影响，单色反射式液晶显示器的反射率不足20%，彩色反射式液晶显示器的反射率更是低于15%，无法满足日常使用的需求.

电润湿是一种微流体现象，它是指通过改变液滴与绝缘基板之间的电压来改变液滴在基板上的润湿性，使液滴发生形变或位移.1981年贝尔实验室的Beni［1］就进行过电润湿相关动力学的研究，并提出了在电润湿技术的基础上实现显示的概念.2003年飞利浦公司的Hayes等［2］提出了基于电润湿技术的反射型显示结构，该结构具有功耗低、反射率高、对比度高、响应速度快等优点，受到了众多科研人员的关注［3］.2004年，Carmes［4］等研制的反射型电润湿显示器具有很高的反射率，亮度是反射型液晶显示器的4倍，同时还具有高对比度、视频响应速度等优点.随后，一种单层多色的电润湿显示器件被提出［5］，使用多种染料色浆代替了传统的彩色偏光器技术.2010年，You等［6］通过对三原色的叠加成功制备出了三层结构彩色电润湿显示器件；同年，辛辛那提团队也提出了三维电流体显示技术［7］，基于该技术的显示设备效果清晰真实，支持动态显示，而显示静止图像时几乎不消耗电能.然而，基于电润湿技术的显示产品目前仍存在一些问题［8-9］需要克服，其中显示器件的寿命是目前遇到的较为难克服的困难之一.器件的动态电场响应特性与器件稳定性有着密切的关系，本文通过对电润湿显示器件的电场动态响应（电容）特性的研究，探讨其与器件性能的关系.

1　实验方法

1.1电润湿技术显示器件的制备

所用的电润湿显示器件制备主要包括基板的清洗、氟树脂的涂布、氟树脂表面的改性、光刻像素墙、氟树脂表面性质的恢复、染色油墨的填充和封装.选用的基板为ITO玻璃，在碱性清洗和超声清洗去除掉基板表面的油脂和灰尘后，利用旋涂法将Teflon AF1600氟树脂均匀的涂布在玻璃表面.在光刻像素格之前，先利用反应离子刻蚀氟树脂的表面以增大与光刻胶的润湿性［10］.采用旋涂法进行光刻胶的涂布，通过调节转速在3 000～6 000 r/s来控制SU-8光刻胶的厚度在7 μm左右，通过光刻机图形化光刻胶，进一步显影后得到像素墙.为了恢复显示区域氟树脂表面的低表面能性质，将光刻好的基板放在180℃的环境下加热30 min，使氟树脂达到流体状体恢复表面性质.由于电润湿器件显示腔体内包含极性和非极性2种液体［11］，这种结构上的特殊性要求染色油墨的填充封装在电解质溶液环境下进行，油墨的填充利用氟树脂表面的疏水亲油性均匀的填充在每一个像素格内，油墨上层被电解质溶液覆盖，然后将带有封装胶的上基板（ITO玻璃）盖在下基板上，完成电润湿显示器件的制备，器件的结构如图1所示.

图1　电润湿显示器件像素格的构造Figure 1　Structure of pixels for an electrofluidic display device

对制备完成的显示器件加上一个合适的电压，则样品的中像素格内的填充油墨将发生变形（如图1虚线部分所示）.从外部看，像素显示颜色发生变化，通过对电压的控制来控制像素格中液滴的位移大小，即可实现显示像素的控制［12］.

1.2电润湿显示的电场动态响应原理

以图1为基础画出等效电路（图2）［13］.

图2　电润湿像素格等效电路Figure 2　Electrical equivalent circuit for an electrofluidic display device

当不对施以外加电压时，电润湿显示器件中的单个像素格可以视为2个并联电路，而此时像素格的电容值可以用下列等式表示:

其中，Cwall/AF表示像素墙所覆盖的像素格电容，此外还包括像素墙自身的电容Cwall和像素墙垂直下方的含氟聚合物的电容CAF；而 Cwater/oil/AF则包括了水层电容Cwall、油墨层电容Coil、及其下方的含氟聚合物层电容CAF.

含氟聚合物的介电常数与油墨和像素墙（成分为PET）的介电常数都相差不大（εoil≈2.1，εAF≈1.99，εPET≈3.6）.但是油膜的厚度一般处于15～30 μm之间，远远大于含氟聚合物绝缘层的厚度（0.8 μm），因此，在式（3）中AF层的电容可忽略.

因此得出:

代入待检测的显示器件的单个检测单元的面积可以得到器件的理想电容值:

为了考证理想电容值Cpixel对显示器件的功能性的参考价值，选取了区域电容值处于不同区间，损耗因数近似的样品分为A、B、C组.同时为了研究损耗因数对电容的影响，另取一组电容值与B组近似，损耗因数较高的样品为D组（表1）.

表1　分组中器件的电容和损耗因数Table 1　Capacitances and loss factors of display devices from different groups

在外加电压未达到驱动像素格内的油膜发生形变的阀值电压时，像素格的电容保持不变；而当外加电压可以驱动像素格内的油膜使其发生位移时，油膜将不再覆盖整个白色基板，此时其原本的电容等效电路将由式（1）改变为式（5）:

电容数值会显著增加.根据这一现象可以测得电润湿显示器件的阈值驱动电压.

1.3显示器件开口率测量

电润湿显示器件的开口率是指在驱动电压作用下，像素格内的油墨发生位移后露出的白色基板的面积占整个像素格面积比例的最大值.开口率是反射型显示器功能性的重要指标，可以直接反映出显示器件的反射率［14］.本节中利用了Matlab软件为处理平台对器件的开口率进行测量.首先用电子显微镜对加电状态下白色基板面积达到最大的显示器件进行采像.为了消除像素墙对开口率计算的影响，要对所采取到的图像进行去像素墙处理，只留下像素墙内的有色油膜覆盖的单个像素结构（图3）；然后对彩色图像进行灰度化处理以便于后续计算；进一步利用二值形态学法对图像进行二值化处理，减少噪声并将目标图像与背景相区分；接着对图像进行中值滤波，保护图像的边缘，避免细节模糊，进一步消除噪音；最后就计算目标图像的面积，并得到开口率.

图3　对白色基板面积达到最大的样品取像，并在图像中对单个像素去除像素墙Figure 3　Capture samples with max white areas and pixel walls are removed for every pixel

为了确保所得到的开口率的准确性，本文测量了电子显微镜下的同一显示器件的正中部的9个像素格（如图3中像素格①-⑨）的开口率，然后取其平均值作为该器件的开口率值.

2　结果与讨论

2.1测试结果

利用WK6500B精密阻抗分析仪通过GPIBUSB接口与计算机和显示器件连接，搭建测试平台.实验过程中阻抗分析仪可以提供0～40 V的交流电压，可以满足绝大多数显示器件的阈值电压.分别对每组样品的开口率和阈值电压进行测量（表2）.器件电容显著低于理想电容的显示样品（A组）尽管阈值电压较低，但开口率也较低，且损坏率较高；器件电容与理想电容相差不大的显示样品（B组）阈值电压较低，开口率较高，性能较好；器件电容显著高于理想电容的显示样品（C组）阈值电压较高，而开口率也低于与理想电容值接近的显示样品；器件电容与理想电容相差不大，但损耗因数较高的显示样品（D组）的阈值电压和开口率与前3组相较均处于中游水平，无明显规律可循.

因此，在损耗因数较低的前提下，实验获得的器件电容与计算获得理想电容更为接近显示器件的性能更好.表明器件电容值可以作为判断电润湿显示器件功能性的重要参数.

表2　电容值不同的电润湿显示器件功能性参数记录表Table 1　Functional testing result record table for electrofluidic display devices with different capacitances

2.2缺陷分析

2.2.1电容值影响显示器件原因分析电容值较低的A组器件较为显著的功能缺陷为开口率低，易损坏.在对损坏的器件A2和A4拆片检查可发现，损坏的原因均为氟聚物绝缘层的电容在第一次加电时被击穿所致.电润湿显示器件中第一次加电时电容即被击穿的现象通常被解释为制备过程中在器件内部的液体中引入了杂质，导致器件的电导通性发生改变.对A组器件中的液体环境进行分析检测时，发现了在器件A1、A2、A4和A5中浓度不等的Na+.在器件制备的光刻步骤中，需要用NaOH清洗材料.如果在随后的步骤中NaOH没有得到很好的清除，就会在此步骤中对器件内部的液体环境引入Na+.Na+是金属性很强的离子，会较大程度地增加器件内部的电导通性，使器件中的电容在高电压条件下易被击穿，只能在相对低压条件下正常运行，这致使器件的开口率降低.当Na+浓度较低时，其主要表现为器件的电容值和开口率偏低，如样品A1、A5；而当Na+浓度较高时，由于器件对电压的忍耐度过低，器件损坏的几率增加，如样品A2和A4.

电容值较高的C组器件中较为显著的功能缺陷为阈值电压高.由式（1）可知，显示器件的电容值与像素墙、氟聚物绝缘层和油墨各自的电容值直接相关.由于在制备过程中油膜的厚度可控，且细微的厚度差别不易引起电容值上的较大误差，因此可以将油膜电容的影响因素排除；将C组器件拆片对像素墙检查后发现，像素墙的形状和功能大都完好，像素墙的高度较为一致，同样不会导致电容值显著升高.在利用Dektak台阶仪和电子显微镜对B组和C组的氟聚物绝缘层厚度测量和分析后发现:C组器件的绝缘层平均厚度低于0.7 μm，B组器件的绝缘层平均厚度高于0.8 μm；C组器件的绝缘层边缘过薄，与中心位置绝缘层的厚度相比普遍存在超过100 nm的高度差，器件C1和C5有边角出现无绝缘层覆盖的情况，而B组器件的绝缘层边缘相对较厚，与中心位置绝缘层的厚度相比高度差均不超过50 nm，且覆盖完全.通过制备流程反馈可知，由于绝缘层的制备采取旋涂工艺，即使在增大润湿性以后仍然经常出现涂抹不均匀的情况.其分布规律为绝缘层中心部分较厚，边缘较薄.由于目前制备流程中采取人工手动定量AF胶的方式，不同批次的器件制备时在AF胶量上会有一定的误差.器件的显示单元结构形状为矩形，在旋涂过程中四角的涂抹难度较大.如果AF胶量过少与旋涂不充分同时发生，会导致绝缘层的边缘过薄甚至部分器件的四角的位置无绝缘层覆盖.显示器件如果出现四角无绝缘层覆盖或绝缘层过薄的情况会直接影响到器件的结构功能，降低原件的灵敏度.主要表现为器件中的电容值过高，阈值电压过高，如C组中的样品.

2.2.2损耗因数的影响像素中有可能存在的泄露电阻、有效串联电阻和有效串联电感L式寄生元件可能会降低电容外部电路的性能.一般将这些元件的效应合并考虑，定义为损耗因数（loss factor）.测量损耗因数是一种对小型电气器件绝缘状况进行判断的传统而有效的方法.器件绝缘能力的下降被直观地显示为损耗因数数值的增大，根据测量结果灵敏地发现出器件中发展性的局部缺陷，如绝缘界面的污染、绝缘部分的劣化、老化和变质等.这些缺陷使得器件的电路状况复杂化，干扰了对器件的有效电容值的测量.

为了研究损耗因数对电润湿显示器件的影响，实验对B组和D组的样品分别进行阈值电压和开口率的标准差的计算，结果如表3所示.损耗因数小于0.1的显示器件（B组）在性能优良的同时参数差异性小，品质稳定；损耗因数大于0.5的显示器件（D组）阈值电压和开口率的标准差很高，分布较为分散，呈无规律状.损耗因数大于0.5的显示器件由于测量时受非有效电路的干扰较大，所得的电容值已经没有实际参考价值.因此，在利用电容对电润湿显示器件进行功能性分析时，不能忽略损耗因数对结果的影响.如损耗因数过大，则所得的电容值可能无法准确反映出显示器件的品质.

表3　B、D组样品的阈值电压和开口率的标准差Table 3　Distribution curves of threshold voltages for electrofluidic display devices with different loss factors

3　结论

基于开口率和阈值电压两个重要性质，对电容值对电润湿显示器件功能性的影响进行了实验.实验结果表明，当显示器件的电容值接近理想电容值时，其开口率和阈值电压方面的性质较为良好.反之，当显示器件的电容值显著低于或显著高于理想电容值时，显示器件功能性方面的品质则会经常不够理想.基于这一实验结果，可以在对电润湿显示器件功能性测试时将电容值视为重要指标，将其应用到检测流程内，减少机械重复的工作量，提高效率.但在具体实施过程中不能忽略损耗因数的影响.若损耗因数较高，则对电容值测量的结果就会不够精确，可能无法反映出显示器件的真实的功能性方面的品质.

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【中文责编：谭春林英文责编：肖菁】

Effect of Field Dynamic Response Characteristics on the Functional Characteristics of Electrofluidic Display Devices

Li Tan1，Bai Pengfei1*，Lin Lixin2，Li Xiange2，Jiang Hongwei2，Zhou Guofu2
（1.Institute of Electronic Paper Displays，South China Academy of Advanced OptoElectronics，South China Normal University，Guangzhou 510006，China；2.Shenzhen Guohua Optoelectronics Tech.Co.Ltd，Shenzhen 518110，China）

Research on how the field dynamic response characteristics affect the functional characteristics of Electrofluidic display devices based on Teflon AF1600 Insulating layer is conducted.Results show:Devices with a pixel unit capacitance which is significantly lower than the ideal capacitance are more likely to be damaged，and their opening rates are low.Devices with a pixel unit capacitance which is significantly higher than the ideal capacitance requires higher threshold voltages；and the opening rates are also not high enough.Devices with a pixel unit capacitance which is close to the ideal capacitance usually have better functional performances.High loss factors will lower down the accuracy of capacitance measurements.After samples being opened and tested the results are:For those devices with a low pixel unit capacitance，Na+was found in them.Na+changed their conductance connectivity，making their tolerances of high voltages become low and get damaged easier.For those devices with a high pixel unit capacitance，their insulating layers are too thin or bared at the edge，which makes them become insensitive at applied voltages，leading to higher threshold voltages.

Electrofluidic；functionality；threshold voltage；loss factor

TN27

A

1000-5463（2015）03-0014-05

2014-11-15《华南师范大学学报（自然科学版）》网址:http://journal.scnu.edu.cn/n

教育部“长江学者和创新团队发展计划”项目（IRT13064）；广东省引进创新科研团队计划项目（2011D039）

白鹏飞，讲师，Email:baipf@scnu.edu.cn.