CN102683389A - 一种柔性显示基板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基板及其制备方法，包括柔性基板、石墨烯层(1)、绝缘层(2)和栅电极(3)，所述石墨烯层(1)与所述栅电极(3)由绝缘层(2)相隔，所述栅电极(3)设于柔性基板上，所述石墨烯层(1)包括本征石墨烯(11)材质的源、漏电极及位于源、漏电极之间的氢化石墨烯(12)材质的半导体层。本发明所述柔性显示基板采用在金属薄膜上形成，然后粘附到柔性基板上，这样形成的柔性显示基板具有更高的平整度和质量，能很好的提高器件的性能和良品率，且其在多次弯折之后不易导致像素不良的发生。

Description

一种柔性显示基板及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种柔性显示基板，具体地说，涉及一种柔性显示基板及其制备方法。

背景技术

柔性显示作为一种替代刚性显示的新型显示器件，越来越受到大家的重视，被广泛应用于电子书、书籍和杂志中的纸、销售点(POS)终端设备、室内外标志牌、智能卡以及零售货架标签等产品中。

目前，TFT阵列基板的基本结构为：依次在玻璃上形成栅极(金属)，栅极绝缘层(SiO₂，SiNx，树脂层等)，半导体层(非晶硅，多晶硅，微晶硅)，接触层(N+层)，源漏层(金属)，之后是像素电极(ITO)。

但当其作为柔性显示使用时，半导体层的非晶硅等材质在多次弯折之后很容易发生龟裂，在多次的测试和展示品中出现由此而引起的断线和亮线的情况。

而石墨烯(graphene)，是继富勒烯、碳纳米管之后被科学家们发现的又一种新的碳元素结构形态。其作为一种室温下波动的二维量子体系，石墨烯薄膜的室温本征电子迁移率可达200000cm2/VS，是Si的140倍，GaAs的20倍，GaN的100倍。由于石墨烯薄膜的优异电学性能，使其在超高频乃至太赫兹电子器件，超级计算机等领域具有巨大、潜在的应用价值，使得石墨烯的研究具有重要的工程意义。

石墨烯的每个碳原子与其他的三个碳原子通过σ键相连接，碳原子的排列也与石墨单原子层一样，由单层六角元胞碳原子组成的蜂窝状二维晶体，这些很强的C-C键使石墨烯成为已知最为牢固的材料之一。单层石墨烯的厚度只有0.335nm，仅为头发丝直径的1/200000，如果能够制作厚度为100nm的石墨烯，那么需要施加约为200KN的力才能够将其扯断。

因此，采用现有的TFT阵列基板还不能完全满足柔性显示器件的要求，还需要对其结构及各层材质进行改进，选择柔性和强度均佳的材料以保证其在多次弯曲使用时不易断裂，并提高器件的性能和良品率。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性显示基板，其在多次弯曲使用时不易断裂，具有更高的平整度和质量，能很好的提高器件的性能和良品率。

本发明的另一目的是提供一种柔性显示基板的制备方法。

为了上述目的，本发明提供一种柔性显示基板，包括柔性基板、石墨烯层、绝缘层和栅电极，所述石墨烯层与所述栅电极由绝缘层相隔，所述栅电极设于柔性基板上，所述石墨烯层包括本征石墨烯材质的源、漏电极及位于源、漏电极之间的氢化石墨烯材质的半导体层。

其中，所述石墨烯层还包括本征石墨烯材质的像素电极。

所述氢化石墨烯采用氢等离子处理本征石墨烯获得。石墨烯经过氢等离子体的作用，石墨烯的结构发生变化，其由sp²杂化方式转变回sp³杂化，当其空的pi键部分被H键取代之后，其转变为半导体特性，其禁带宽度被打开。而本征的石墨烯由于保持着高的电子迁移率，其可以用作金属材料作为源、漏电极使用；同时由于其厚度极小，且透过率很高，所以可以用作PIX。

所述绝缘层为树脂绝缘层、SiO₂绝缘层或者Al₂O₃绝缘层。其中所述树脂绝缘层采用的材料可为PMMA，丙烯酸酯，酚醛树脂或硅橡胶等。

所述栅电极采用金属材料，比如铝、锆、钛，钼，铜等。

本发明的柔性显示基板中所述源、漏电极可为单层或多层，其层数在1-200层之间，均能较好的保证其金属性。

所述栅电极厚度在50-500nm之间。

所述绝缘层厚度在200-2000nm之间。

所述柔性基板可采用厚度在30-3000nm之间的PET薄膜。

为了实现本发明的另一目的，本发明的柔性显示基板的制备方法，包括如下步骤：

1)先在金属薄膜表面形成一石墨烯层；

2)然后将所述石墨烯层的沟道区处理成氢化石墨烯，将本征石墨烯部分制成源、漏电极，氢化石墨烯制成半导体层；

3)在所述石墨烯层上形成一绝缘层；

4)在所述绝缘层上形成栅电极；

5)最后将步骤4)所得的基板粘附到柔性基板上，并剥离金属薄膜。

其中，步骤1)中采用高温化学气相沉积(CVD)法形成石墨烯层，具体地说，其制备过程为：将金属薄膜置于石英管中部，放入电炉中，在无氧的条件下，将电炉升温至500-2000℃，并通入甲烷或者其他含碳类气体(如乙烯，丙烷等)，进行反应；停止通入气体，并停止加热，冷却至室温。

步骤2)中还包括将本征石墨烯部分制成像素电极。

步骤2)中采用在等离子条件下通过氢等离子处理，使石墨烯层的沟道处由本征石墨烯转变为氢化石墨烯。一般采用通入H2和He的混合气体，在等离子体的作用下处理1-8小时，其功率依据具体的设备不同而定。

在进行等离子处理前，需要先将石墨烯层表面涂覆光刻胶(PR)，曝光、显影之后暴露出对应半导体层的石墨烯层，然后在等离子条件下通过氢等离子处理，使暴露的石墨烯层由本征石墨烯转变为氢化石墨烯。

等离子处理后，去除PR之后，再通过光刻将本征石墨烯区域形成像素电极(PIX)和源、漏电极(SD)。本征石墨烯刻蚀的时候采用氧等离子刻蚀或直接采用高能电子束刻蚀。

石墨烯采用SP2轨道杂化，垂直平面方向由于大pi键的存在，其导带与价带相连，使得其具有金属性，有很高的迁移率。

由于氢化之后，石墨烯的结构发生变化，其由sp2杂化方式转变回sp3杂化，当其空的pi键部分被H键取代之后，其转变为半导体特性，其禁带宽度被打开。而本征的石墨烯由于保持着高的电子迁移率，其可以用作金属材料作为源、漏电极使用。由于其厚度极小，且透过率很高，所以可以用作PIX。

步骤3)中所述绝缘层为树脂层或者SiO₂或者Al₂O₃层，厚度控制在200-2000nm，所述树脂层可以采用旋涂的方法获得，比如采用旋涂仪，喷头的转速为2000-3000转/分钟；SiO₂或者Al₂O₃可以通过等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)法或者原子层沉积(ALD)的方法获得。原子层沉积法可在原子层沉积室内进行。

步骤4)中所述栅电极采用在所述绝缘层上低温沉积一金属层，再经光刻而成。

所述低温沉积法为低温溅射(sputter)和喷墨的方法。低温溅射在低于300℃下进行，所述低温溅射和喷墨均可采用本领域技术人员熟知的工艺及设备进行。

对于所形成的金属层，mask之后通过湿刻的方法，刻蚀掉多余部分的金属，形成栅电极。

步骤5)中采用转印法将步骤4)所形成的基板粘附到柔性基板上，通过将栅电极表面涂覆一层胶体，在40-100℃下进行烘干，然后将柔性基板覆于胶体上，再在80-200℃下烘干。

所述胶体为光刻胶、PMMA或聚酰亚胺等。

所述剥离采用湿法刻蚀的方法去除，比如通过酸性溶剂去除掉金属薄膜。

本发明的柔性显示基板具有以下优点：

1)通过采用石墨烯作为柔性显示基板的源漏极和半导体层以及像素电极，可以极大的提高柔性显示基板的质量，由于石墨烯强度高，不易断裂，因此石墨烯的基板在多次弯曲的情况下，其半导体层，像素，源漏极都不会发生断裂，且其在多次弯折之后不易导致像素不良的发生。

2)由于使用石墨烯取代ITO(氧化铟锡)作为像素电极，能极大的降低成本，因为ITO中含有稀有金属，成本很高，而石墨烯以含碳物质为基本来源，其来源广泛且成本低；

3)石墨烯作为一种新型的半导体材料，其载流子迁移率远大于一般的a-Si和其他半导体材料，使TFT有着更快的响应速度。

4)选择柔性的PET薄膜作为柔性基板覆于栅电极上，更能满足柔性显示基板的要求。

5)在刚性的金属薄膜上形成后再贴附到柔性基板上的制造方式，有利于柔性显示基板的大规模量产，且由此形成的柔性显示基板具有更高的平整度和质量，能很好的提高器件的性能和良品率，避免由此而引起的光学性不良的问题。

附图说明

图1为本发明所述柔性显示基板的部分结构示意图；

图2为本发明所述柔性显示基板的工艺流程图。

图中：

1石墨烯层      2树脂绝缘层

3栅电极        4PET薄膜

5铜箔          11本征石墨烯

12氢化石墨烯

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本发明的柔性显示基板依次包括石墨烯层1、绝缘层2、栅电极3。石墨烯层1与栅电极3由绝缘层2相隔，栅电极3上覆有PET薄膜4，石墨烯层1的沟道区为氢化石墨烯12，其余部分为本征石墨烯11。本征石墨烯11作为源、漏电极和像素电极，氢化石墨烯12作为半导体层。

石墨烯层1为采用高温化学气相沉积法形成的单层石墨烯层构成。

PET薄膜4的厚度在30-3000nm之间，具体可为30nm、100nm、500nm、1000nm和3000nm。

绝缘层2的材质采用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，其厚度为200nm。

栅电极3的材质为铜，其厚度为80nm。

本实施例的柔性显示基板的制备工艺流程如图2所示，其制备过程具体为：

1)在铜箔(金属薄膜的一种，也要以用其它金属薄膜代替)表面采用高温化学气相沉积法形成石墨烯层1：将铜箔置于石英管中部，放入电炉中，在石英管中通入1000sccm氢气作为载气，60分钟后，开始加热，当电炉中心区域温度达到1000℃(也可以为500℃、700℃、1000℃、1500℃和2000℃等)时，在氢气中通入甲烷作为碳源进行反应，反应进行10-100分钟(也可以为10、25、50、80、100分钟等)后，停止通入甲烷，并停止加热，冷却至室温，在铜箔表面沉积石墨烯层1。

2)在石墨烯层1旋涂光刻胶(Photoresist PR)，经曝光、显影之后进行刻蚀，暴露沟道区的石墨烯层，采用电子回旋共振(ECR)氢等离子体系统，通入H2和He的混合气体，在等离子体的作用下处理3小时，使沟道处的石墨烯层由本征石墨烯转变为氢化石墨烯12，作为半导体层，去除PR之后，再通过光刻将本征石墨烯11区域形成PIX和SD。

3)在石墨烯层1上采用旋涂仪，喷头的转速为2000转/分钟涂覆一层PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，作为绝缘层2，厚度约为200nm。

4)在绝缘层2上通过200℃低温溅射形成一层80nm的铜金属层，经曝光、显影之后通过湿刻的方法，刻蚀掉多余部分的金属，形成栅电极3。

5)在栅电极3表面涂覆一层光刻胶并在50℃(具体可以为40℃、60℃、80℃和100℃)下烘干，促进溶剂，水分挥发，提高粘稠度，然后将100nm的PET薄膜4覆于光刻胶上，再在80℃(具体可以为80℃、120℃、160℃和200℃)下烘干，保证固化不变形，使整个基板转印到PET薄膜4上，并剥离铜箔5，形成柔性显示基板。

实施例2

如图2所示，本实施例的柔性显示基板按照如下方法制备：

1)在铜箔表面采用高温化学气相沉积法形成石墨烯层：将铜箔置于石英管中部，放入电炉中，在石英管中通入500sccm氢气作为载气，30分钟后，开始加热，当电炉中心区域温度达到800℃时，在氢气中通入甲烷作为碳源进行反应，反应进行60分钟后，停止通入甲烷，并停止加热，冷却至室温，在铜箔表面沉积一层石墨烯，重复两次，形成3层的石墨烯层1。

2)在石墨烯层1旋涂光刻胶(Photoresist PR)，经曝光、显影之后进行刻蚀，暴露沟道区的石墨烯层，采用电子回旋共振氢等离子体系统，通入H2和He的混合气体，在等离子体的作用下处理5小时，使沟道处的石墨烯层由本征石墨烯转变为氢化石墨烯12，其作为半导体层，去除PR之后，再通过光刻利用本征石墨烯11形成PIX和SD。

3)在原子层沉积室内，采用原子层沉积法在石墨烯层1形成SiO₂层，作为绝缘层2，厚度约为500nm。

4)在绝缘层2上通过200℃低温喷墨形成一层100nm的锆金属层，经曝光、显影之后通过湿刻的方法，刻蚀掉多余部分的金属，形成栅电极3。

5)在栅电极3表面涂覆一层PMMA并在40℃下烘干，然后将50nm的PET薄膜4覆于PMMA上，再在100℃下烘干，使整个基板转印到PET薄膜4上，并剥离铜箔5，形成柔性显示基板。

本实施例的柔性显示基板依次包括石墨烯层1、SiO2绝缘层2、锆金属的栅电极3和PET薄膜4。石墨烯层1的沟道区为氢化石墨烯12，其余部分为本征石墨烯11。本征石墨烯11作为源漏层和像素电极，氢化石墨烯12作为半导体层，如图1所示。

实施例3

如图2所示，本实施例的柔性显示基板按照如下方法制备：

1)在铜箔表面采用高温化学气相沉积法形成石墨烯层：将铜箔置于石英管中部，放入电炉中，在石英管中通入100sccm氢气和200sccm氩气作为载气，10分钟后，开始加热，当电炉中心区域温度达到1500℃时，在氢气和氩气中通入甲烷作为碳源进行反应，反应进行60分钟后，停止通入甲烷，并停止加热，冷却至室温，在铜箔表面沉积一层石墨烯，重复多次，形成10层的石墨烯层1。

2)在石墨烯层1旋涂光刻胶(Photoresist PR)，mask之后进行刻蚀，暴露石墨烯沟道区，采用电子回旋共振氢等离子体系统，通入H2和He的混合气体，在等离子体的作用下处理8小时，使沟道处由本征石墨烯转变为氢化石墨烯12，其作为半导体层，去除PR之后，再通过光刻利用本征石墨烯11形成PIX和SD。

3)采用原子层沉积(ALD)法在石墨烯层1形成Al2O3层，作为绝缘层2，厚度约为800nm。

4)在绝缘层2上通过200℃低温溅射(sputter)形成一层50nm的钛金属层，经曝光、显影之后通过湿刻的方法，刻蚀掉多余部分的金属，形成栅电极3。

5)在栅电极3表面涂覆一层PMMA并在50℃下烘干，然后将100nm的PET薄膜4覆于PMMA上，再在120℃下烘干，使整个基板转印到PET薄膜4上，并剥离铜箔5，形成柔性显示基板。

本实施例的柔性显示基板依次包括石墨烯层1、Al2O3绝缘层2、钛金属的栅电极3和PET薄膜4。石墨烯层1的沟道区为氢化石墨烯12，其余部分为本征石墨烯11。本征石墨烯11作为源漏层和像素电极，氢化石墨烯12作为半导体层，如图1所示。

本发明柔性显示基板采用石墨烯作为柔性显示基板的源漏极和半导体以及像素电极，具有强度高，在多次弯曲的情况下，其半导体层，像素，源漏极都不会发生断裂，电学性能优良，快速响应速度，以及成本低的特点，而且选择柔性的PET薄膜作为基板，更能满足柔性显示基板的要求，同时，在刚性的金属薄膜上形成后再以转印方法贴附到柔性基板上的制造方式，有利于柔性显示基板的大规模量产，实现更为平整的TFT表面，避免由此而引起的光学性不良的问题。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但本领域技术人员应当理解，在不违背本发明的精神及原则下，可以对本发明作出不同的修改和润饰，例如，选择不同材质、不同方法来形成柔性显示基板中的绝缘层和栅电极，比如作为绝缘层的丙烯酸酯，酚醛树脂或硅橡胶，以及作为栅电极的各种金属材料；1-200层(具体可为1层、10层、30层、60层、120层和200层等)的石墨烯，均能较好的保证其金属性，满足多次弯曲的情况下，都不会发生断裂，用于柔性显示基板。这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，这些修改或润饰均应涵盖于本发明权利要求书所界定的专利保护范畴之内。

Claims (12)

1.一种柔性显示基板，其特征在于，包括柔性基板、石墨烯层(1)、绝缘层(2)和栅电极(3)，所述石墨烯层(1)与所述栅电极(3)由绝缘层(2)相隔，所述栅电极(3)设于柔性基板上，所述石墨烯层(1)包括本征石墨烯(11)材质的源、漏电极及位于源、漏电极之间的氢化石墨烯(12)材质的半导体层。

2.根据权利要求1所述的柔性显示基板，其特征在于，所述石墨烯层还包括本征石墨烯(11)材质的像素电极。

3.根据权利要求1所述的柔性显示基板，其特征在于，所述柔性基板采用PET薄膜材料，所述柔性基板的PET薄膜材料厚度在30-3000nm之间。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的柔性显示基板，其特征在于，所述源、漏电极均包括有1-200层单层石墨烯。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的柔性显示基板，其特征在于，所述绝缘层(2)为树脂绝缘层、SiO₂绝缘层或者Al₂O₃绝缘层。

6.一种权利要求1-5任意一项所述的柔性显示基板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)先在金属薄膜表面形成一石墨烯层(1)；

2)然后将所述石墨烯层(1)的沟道区处理成氢化石墨烯(12)，将本征石墨烯部分(11)制成源、漏电极，氢化石墨烯(12)制成半导体层；

3)在所述石墨烯层(1)上形成一绝缘层(2)；

4)在所述绝缘层(2)上形成栅电极(3)；

5)最后将步骤4)所得的基板粘附到柔性基板上，并剥离金属薄膜。

7.根据权利要求6所述的柔性显示基板的制备方法，其特征在于，步骤1)中采用高温化学气相沉积法形成石墨烯层(1)；所述高温化学气相沉积法的工艺过程为：将金属薄膜置于石英管中部，放入电炉中，在无氧的条件下，将电炉升温至500-2000℃，并通入甲烷或者其他含碳类气体，进行反应，反应进行10-100分钟后，停止通入气体，并停止加热，冷却至室温。

8.根据权利要求6所述的柔性显示基板的制备方法，其特征在于，步骤2)中还包括将本征石墨烯部分(11)制成像素电极。

9.根据权利要求8所述的柔性显示基板的制备方法，其特征在于，步骤2)中先将石墨烯层(1)表面涂覆光刻胶，曝光、显影之后暴露出对应半导体层的石墨烯层，然后在等离子条件下通过氢等离子处理，使暴露的石墨烯层由本征石墨烯转变为氢化石墨烯。

10.根据权利要求6所述的柔性显示基板的制备方法，其特征在于，步骤4)中所述栅电极(3)采用在所述绝缘层(2)上低温沉积一金属层，再经光刻而成。

11.根据权利要求6所述的柔性显示基板的制备方法，其特征在于，步骤5)中采用转印法将步骤4)所形成的基板粘附到柔性基板上，通过将栅电极表面涂覆一层胶体并在40-100℃下烘干，然后将柔性基板覆于胶体上，再在80-200℃下烘干。

12.根据权利要求11所述的柔性显示基板的制备方法，其特征在于，步骤5)中所述胶体为光刻胶、PMMA或聚酰亚胺。

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