3.2 柔性TFT背板基础

可用于制备柔性TFT背板的衬底材料主要有三类：超薄玻璃（厚度小于100μm）、金属箔片和聚合物塑料。超薄玻璃能够承受较高的工艺温度，具有良好的水、氧阻挡能力，但其可弯曲程度有限，存在脆性高、容易破裂的问题。金属箔片具有良好的机械强度，可以承受较高的工艺温度并提供良好的水、氧阻挡，但难以被多向弯曲，并且存在不透光、表面粗糙及成本高的缺点。聚合物塑料基于其优异的机械性能、较低的成本，以及优异的光学和化学稳定性，成为柔性TFT背板制造所采用的主流衬底材料。

然而，如表3-2所示，尽管塑料衬底具有很多优点，但是其较差的耐高温性是面向柔性 TFT 背板制造的一大挑战。而且，塑料衬底热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion，CTE）大，和TFT膜层会形成显著的失配，导致制造过程中 TFT 膜层产生很大的热应力。柔性显示屏在使用过程中受到弯曲会在TFT膜层产生机械应力。这两种应力都可能造成TFT膜层的断裂或层间的脱离。以下针对这两种应力的问题，分别进行讨论。

1.制造过程中的热应力

在TFT背板制造过程中，温度升高ΔT，会在TFT膜层中产生相应的热应力Δε_T。Δε_T可以表示为

式中，c_T和c_S分别是TFT膜层和衬底材料的CTE；Y_T和Y_S分别是两者的杨氏模量；d_T和d_S分别为两者的膜层厚度。Δε_T取正值代表拉伸应力，取负值代表压缩应力。

对式（3-1）从环境室温（ T_R）到所达到的工艺温度（ T_H）进行积分，可以得到在整个工艺过程中从环境室温到工艺温度所产生的总的热应力ε_T。

从式（3-2）可以看出，由于玻璃衬底与TFT膜层的材料（如硅、SiO₂，SiN_x等）具有相似的CTE（ c_S-c_T很小），因此即使在较高的工艺温度条件下，也不会产生太大的热应力。但对于塑料衬底，由于CTE差异大，温度升高会在 TFT 膜层中造成很大的热应力，超过膜层材料所能承受的极限，使膜层断裂，最终导致TFT器件与电路的失效。如何减小所产生的热应力，式（3-2）给出了四种途径：①降低工艺温度（ T_H-T_R）；②减小衬底材料和TFT膜层材料之间的CTE差异（ c_S-c_T）；③减小衬底的厚度；④减小衬底的杨氏模量。

2.弯曲过程中的机械应力

柔性显示在弯曲的情况下会在TFT膜层产生相应的机械应力。如果TFT膜层位于或接近弯曲结构的外表面，则会受到拉伸应力；如果 TFT 膜层位于或接近弯曲结构的内表面，则会受到压缩应力。拉伸应力和压缩应力如果超过膜层所能承受的极限，将会导致膜层破裂和膜层间剥离，如图3-1所示。

在曲率半径为R的情况下，机械应力ε_M可以表示为

对于刚性衬底（≈1），当TFT膜层的厚度远小于衬底厚度时，式（3-3）可以简化为

从式（3-4）可以看出，减小衬底薄膜的厚度和杨氏模量有助于减小在TFT膜层产生的机械应力。对于同一材料，其杨氏模量和CTE一般成反比。为了降低热应力，需要减小衬底材料的CTE，这意味着杨氏模量将增大。因此，为减小制造工艺中的热应力及弯曲产生的机械应力，衬底材料的杨氏模量、CTE和厚度等特性需要综合考虑。在以上的分析中，TFT 膜层位于弯曲结构的表面，如图3-2（a）所示，TFT膜层的应力几乎随衬底材料的厚度增加而线性增加，而与曲率半径 R 成反比。在实际的柔性显示模组中，TFT 膜层上方还会有其他多层结构，这里简单称为封装层，所形成的三明治结构如图3-2（b）所示。当衬底和封装层的杨氏模量和厚度满足以下条件时，TFT膜层位于整体结构的中性面。

式中，Y_E和d_E分别为封装层的杨氏模量和厚度。在这种情况下，结构的弯曲将不会对 TFT膜层造成应力，衬底和封装材料的机械力学性能成为影响该结构所能承受弯曲程度的关键。因此，理论上，可以通过减小衬底和封装薄膜的杨氏模量和厚度，实现曲率半径极小甚至可卷曲的柔性结构。

3.自热效应

随着显示分辨率的提高，柔性TFT背板中器件的集成度越来越高，尤其是电流型驱动背板（如AMOLED）。在工作过程中，TFT器件会产生自热效应，引起局部温度的升高，影响显示效果。表3-3所示为柔性TFT背板中典型材料的热导率。由于塑料衬底的热导率低，会阻碍热量的散失，导致局部温度的上升，因此，以其为衬底的柔性TFT背板和显示中的自热效应将会更严重。