柔性显示技术工艺
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塑胶基板特性佳 尺寸稳定性为最大挑战
塑胶基板材料多是有机高分子,在应用上最符合柔性显示器的概念。选择塑胶基板材料时,其机械、光学或热性质必须能符合显示器的要求,例如为满足较高的加工或操作温度,热膨胀系数必须要小;光穿透率需大于90%;好的表面性质利于表面薄膜的成形及对于一些常用的有机溶剂有一定的抵抗能力。此外若应用在液晶显示器时必须具有低的双折射率,表1为目前较常用于制作柔性显示器的塑胶基板。在显示器的工艺中,由于有些步骤需要在较高温的环境下完成,因此塑胶基板在高温下的材料或尺寸稳定性成为极重要的参考条件。
玻璃转变温度(Tg)即物质在特定温度下加热,体积以一定的速率增加,当温度到达玻璃转变温度时,不但分子速率增加且体积膨胀曲线也不连续。对于无定形高分子在Tg以下的行为类似玻璃,而当温度上升至Tg以上时,则其转变成柔软类似橡胶的性质。对于柔性显示器的塑胶基板而言,玻璃转变温度可视为制造程序中尺寸稳定性所能容忍的最高温度。即使在表1中,部分高分子基板的玻璃转变温度都大于200℃,但与玻璃基板比起来,其热膨胀系数仍大得多(>50 ppm/℃),这种情况下,尺寸稳定性成为塑胶基板柔性显示器工艺中的最大挑战。尺寸变化过大使得光罩对位变得极为困难,也限制了晶体管设计的大小,同时容易在有机与无机材料层界面间产生内应力,导致在弯曲时造成层与层间的剥离。
目前对此问题的解决方式是先对塑胶基板作热处理(Annealing),在工艺开始前,塑胶基板经过数次热周期使其在冷却后尺寸收缩率降至数个ppm后再进行后续工艺。除尺寸稳定性外,在室温下水气对一般塑胶基材的渗透率约为0.1~1g/m2/day,远大于玻璃基板的10-5g/m2/day。有机发光器件的操作寿命对水气及氧气的存在非常敏感,因此塑胶基板阻隔水氧能力会严重影响有机发光器件的寿命,在塑胶基板上镀Barrier Layer达到阻水氧功能为目前的主要做法。美国Vitex Systems公司研发由无机层与有机层交错组合而成的多层结构,称为Barix Coating,可达到水气与氧气渗透度分别小于10-5g/m2/day及10-3 cc/m2/day atm,这是目前文献上阻隔水气与氧气渗透度最佳的工艺。
塑胶基板上的薄膜晶体管工艺
显示器依据驱动方式可分为无源矩阵式与有源矩阵式两种,随着人们对显示器的需求向大尺寸与高分辨率方向发展,有源驱动显示器已成为平面显示器的主流趋势。有源式柔性显示器就材料而言可分为非晶硅(A-Si)、多晶硅(Poly-Si)及有机(Organic)等薄膜晶体管。就工艺方法来说,目前其技术可分为两种,一为直接技术(Direct Technology),即直接在塑胶基板上制作薄膜晶体管,另一种为转贴技术(Transfer Technology)。
直接技术需以低温工艺进行
直接技术受限于塑胶基板的耐热性,整个工艺必须低温进行才不至于损伤基板。表2为不同薄膜晶体管工艺温度比较。目前美国的FlexICs已在塑胶基板上成功制作出低温多晶硅的薄膜晶体管数组,工艺温度低于115℃。Samaung Electrics则是在PES基板上制作a-Si TFT,其元器件特性迁移率(Mobility)可达0.4 cm2/V-sec,所有工艺温度也低于150℃。
此外,选择有机半导体材料制作有机薄膜晶体管也吸引了许多研究机构投入相关研发。就分子结构来说,有机半导体材料可分为小分子与高分子两种。Pentacene是最常被采用的小分子有机半导体材料,它可在80~100℃下直接蒸镀在塑胶基板上,迁移率达0.3~2.2 cm2/V-sec的元器件已成功制作出来,但工艺中需利用到昂贵的真空设备,且晶体管数组的尺寸无法作大是其亟需克服的问题。
不同于小分子有机半导体材料,高分子有机半导体材料可溶于部分有机溶剂中,故可以液体形式进行加工。目前主要的高分子有机半导体材料有Dihexyl-hexithiophene(DH6T)、Dihexylanthra-dithiophene(DHADT)、Poly(3-hexythiophene)(P3HT)、Poly-9(9dioctylfluorene-co-bithiophene)(F8T2)等。其中P3HT因在大气环境下较为稳定且迁移率较高而引起较多的注意。溶液工艺(Solution Process)制作方法相对简单且成本较低,比较符合柔性显示器的工艺概念。
目前以喷墨法(Inkjet Printing)在塑胶基板上直接制作有机薄膜晶体管为主要发展方向,图1为喷墨工艺示意图,Lucent及DuPont等公司都有相关的研究,Xerox也在2004年4月发表以其自行开发的有机半导体(Organic Semiconductor Ink)搭配喷墨法,在PES基板上制作出208×208的OTFT数组。图2为其Organic Semiconductor分子结构,此研究的突破点在于其有机半导体可在低温及大气环境下加工,且因有机半导体分子具有Alky Group侧链,若将此Ink喷印在处理后的PI上,分子排列较为规则且有方向性,具有Self-assembling的特点,其元器件特性迁移率达0.2 cm2/V-sec且开关频率(on/off ratio)达108。
转贴技术通过玻璃基板作为转载介质
转贴技术是制作薄膜晶体管时避免塑胶基板尺寸变异的另一种方法,它先在玻璃基板上制作薄膜晶体管,再转贴到塑胶基板上。整个工艺包含下列几个步骤:
◆在玻璃基板上制作一Sacrificial Stopper Layer。
◆在此层上制作薄膜晶体管
◆将含薄膜晶体管的玻璃基板黏在
暂时的塑胶载具上
◆移除玻璃基板
去除Sacrificial Stopper Layer
贴上另一塑胶基板
移除塑胶载具
整个工艺如图3所示。Seiko-Epson与Sony均采用上述方法在塑胶基板上制作a-Si TFT,但目前并没有商品化的产品问世。
LCD、OLED及电泳显示为主流柔性显示技术
目前主要有LCD、OLED及电泳显示等三种技术可应用在柔性显示器上。现阶段而言,由于LCD相关研究及机台设备较为成熟而较占优势;OLED显示机制上的特性极适合显示器的应用;电泳显示因具有双稳态及省电优点,在特定的用途上(如电子纸、电子书、电子标签等)较有市场。
OLED为柔性显示最佳介质 阻水氧效能为首要挑战
全球有许多公司投入OLED显示器技术的研究,其中日本专注于小分子系统材料(Small Moleculer Material)的有机发光显示器(OLED),而欧美则专注于高分子系统材料(Polymer Material)的有机发光显示器(PLED)。
OLED由于显示上没有视角及间隙问题,并且有良好的颜色表现度及适合Solution-Processing的特点,被认为是柔性显示器最佳的显示介质。尽管如此,OLED在应用于柔性显示器前仍有问题需克服。首先,OLED的寿命对水气及氧气的存在非常敏感,而塑胶基材最大的缺点就是水氧阻隔能力差,因此如何在塑胶基材上做处理,使其具有很好的阻隔水氧能力是OLED应用于可弯曲显示器的首要挑战。
目前OLED工艺尚未成熟,许多开发OLED产品的公司都有正品率不高的问题。此外,便携式产品是柔性显示器重要的市场,耗电量一直是选择柔性显示技术的重要考虑因素,而与需要背光或彩色滤光片的LCD技术相比,OLED耗电量相对较高,且OLED属于电流驱动(Current-driven)元器件,在大面积或高分辨率显示器中需要有源式驱动。有鉴于此,在现有的TFT柔性背板技术成熟前,OLED仍无法真正进入柔性显示器的市场。
目前OLED/PLED柔性显示器的开发情况如下:DaiNippon Printing开发以Roll-to-Roll工艺在塑胶基板上制作PLED;Dupont Display开发出1.5英寸96×64的PMOLED;Seiko-Epson在2000年以OLED搭配转印法制作的LTPS TFT塑胶背板发表出第一个AMOLED,目前该公司也投入喷墨法制作PLED的开发;Pioneer发表2英寸128×64的OLED;Universal Display Corp.(UDC)则投入OLED的研究,图4是UDC展示的塑胶基板的有机发光显示器。
液晶显示需注意基板弯曲后的影响
液晶一般以下列几种物理机制来调变光的强度:改变光的相位差(Phase Retardation)、旋转光的极化态(Polarization Rotation)、吸收(Absorption)、散射(Scattering)及布拉格反射(Bragg Reflection)。前两种显示模式需加偏光板,而后三者则反之。就柔性显示器的应用面来看,弯曲时基板间的间隙易受形变而改变,因此在选择液晶显示模式时,可采用比较不受间隙影响的显示原理,如吸收、散射与布拉格反射等三种。若选择改变光的相位差或极化态的显示模式时,则需要在显示元器件中增加支撑间隙的结构。此外,由于液晶不同于OLED无法自行发光,若选择反射式显示模式,操作时可不需背光源的元器件。驱动方面,若能提供双稳态(Bistable)将大幅提升省电效果。下面介绍几种极具潜力的液晶显示模式:
胆固醇液晶具双稳态特性
胆固醇(Cholesteric)液晶是“多层向列型液晶”(Nematic)的一种变形结构,借助添加的旋光液晶分子(Chiral),使分子导轴的指向在空间中垂直某个方向做螺旋的周期(P)变化,当入射波长符合Bragg反射时,入射光中的左旋或右旋光将被反射。
利用“高分子稳定”(Polymer Stabilized)或“表面稳定”(Surface Stabilized)可以达到双稳态PSCT或SSCT,即在没有外加电场的状况下达到Planar State与Focal Conic state两个稳定态(图5)。在Planar State时,胆固醇液晶的周期性排列如同晶体的规则晶格排列,入射光中满足Bragg绕射条件的光波长将会形成建设性干涉,而将该波长的入射光反射回来,此时为亮状态。在focal conic state时,由于胆固醇液晶将呈现不规则排列,会散射入射光。在驱动后不需要电压即可维持图像的显示,耗电量非常低。同时,这种显示机制受上下板间距的影响较小,具有发展成为双稳态可弯曲式显示器的潜力。图6为Philips公司在2002年SID所展出的可弯曲式胆固醇液晶显示器,其总厚度为250μm。
高分子分布型具有固态材料可靠性
目前高分子分布型显示模式的主要做法是将高分子单体与液晶混合成等方向性的溶液,利用热或光的方式使高分子单体进行聚合反应,聚合过程中单体与液晶间溶解度降低而生成分离,最后液晶以微滴形态均匀分散在高分子基材中,其结构如图7所示。适当选择Polymer及LC的折射率,可在未加电压时呈现的乳白色散射态(无视角问题)及加电压时的透明态(加背面吸收板)达到亮暗显示的效果。
由于高分子分散型液晶薄膜属于固态显示元器件,故具有固态材料的可靠性,破损也不影响其显示功能,且无封装问题。此外,其显示时不需偏光板也不需对液晶分子作适当配向,但此显示模式的缺点,如驱动电压过高、对比偏低及反应速度过慢等问题依然有待解决。Eastman-Kodark公司在2004年的SID中发表以印刷及涂布的方式制作出微胶囊化胆固醇液晶的高分子分散液晶膜,其优点为结合胆固醇液晶的双稳态及高分子分散液晶膜的加工便利性,图8及图9分别为其展示品及工艺示意图。
主从型液晶显示模式
主从型(Guest-Host Mode)是以液晶为主,添加少量二色性染料为从,通用棒状二色向染料(Dichroic Dyes)分子对垂直分子轴的偏光几乎不吸收,但对于平行于分子轴的偏光可吸收特定色光,当白光通过时则只有其互补色光能通过,在没有外加电压时,如图10(a)所示,入射白光经过液晶及染料层后,极化方向与分子轴平行部分色光被吸收,通过为互补色光;当外加一偏压时,如图9(b)所示,液晶分子与染料分子都转成垂直面板,分子轴与入射光极化方向垂直不吸收,出射光仍为白光。
大日本印刷公司提出了微胶囊主从型技术,如此可经厚膜印刷于塑胶基板上。工研院电子所与化工所也合作成功利用为胶囊化技术搭配主从型液晶显示技术,制作出黑白可弯曲式显示器,如图11所示。
高分子墙液晶解决高端产品开发困境
在上述应用于柔性显示器的液晶模式中,虽显示机制受间隙改变的影响较小,但对比大约在10~20,故仅适合低端产品的应用。若要达到较好的显示质量,仍需选择搭配偏光板的显示模式,但通常这种模式的显示质量受间隙改变的影响极大。为克服这个问题,利用高分子墙作为支撑液晶盒(LC Cell)间隙的概念应运而生。其制作流程是先将LC与高分子单体的混合溶夜填充至已有配向功能的Cell中,再利用光罩将已组装好的Cell进行UV曝光,借助聚合引发相分离方式,形成Polymer-Rich的Polymer Wall及LC-Rich区域。2002年SID会场上,NHK发表利用FLC与Polymer之间的相分离机制制作具有Polymer Wall及Polymer Network的Flexible Display,整体架构如图12所示,由于Polymer Wall会影响LC排列,所以整体的对比只有100:1,其显示效果如图13所示。
工研院电子所也利用向列型液晶搭配高分子墙,成功开发出穿透式薄型/柔性液晶显元器件(软膜显示,Film-Like Display),元器件具有极佳的柔软度,在显示质量表现上对比可大于100,如图14所示。
2004年,Philips利用相同的概念提出新的工艺方式,利用平板印刷(Offset Printing)方式,在配向膜上制作出Adhesion Promoter,如图15(a),接着涂布一层液晶与高分子单体的混合溶液,如图15(b),最后在不需外加光罩的条件下进行全面曝光而形成高分子壁及液晶Domain的单基板液晶显示器,如图15(c),图16为其展品。
此外,Philips也在2004的SID中发表彩色化STN柔性液晶显示器,其结构与一般玻璃基板的STN液晶显示器一样,但在工艺上,彩色滤光片是先在玻璃上完成后再转印至塑胶(PC)基板上,且液晶盒中的间隙质是以黄光工艺(Photo Spacer)替换常规的洒布工艺。其结构及产品如图17所示。
电泳显示器通过带电胶体悬浮液达到显示效果
以电泳效应制作显示器的概念在20世纪60年代末期兴起,是一种非自发光的反射式显示器,这里先了解什么是胶体悬浮液。
二相系统是最单纯的胶体分散溶液,分别由胶体粒子(直径范围在10-6~10-9米的粒子)组成的分散相以及分散粒子分布的介质,称为分散介质或连续相。分散相和分散介质根据状态不同会有不同的名称,如表3。
目前业界正在研发中的显示器所使用的有以固体为分散相、液体为分散介质的胶体悬浮液系统,称为电泳显示器(Electrophoretic Display,EPD),以及分散相与分散介质都是液体的乳胶系统,称为逆乳胶电泳显示器(Reverse-Emulsion Electrophoretic Display,REED)。原理大致相似,先调制出具有不同颜色的分散相及分散介质的胶体分散溶液,再利用分散粒子的表面特性与分散介质的交互作用,使粒子表面带电,由于整个系统必须满足电中性条件,故分散介质和粒子的交界面附近必然存在一电性相反但电量相等的结构,这个表面固定电荷与邻近介质的电子云构造,被称为电双层。借助控制外加电场的大小及方向可控制粒子泳动的速度与位置。将调制完成的胶体分散溶液封装在具有电极设计的上下基板间,便可利用电场进行驱动,若粒子位于可视面上,所看到的便是粒子的颜色,若粒子位于不可视面,则看到的会是分散介质的颜色,有了这样的调变机制,就可以用来制作显示器。
微胶囊化的电子油墨技术
Eink公司的电泳显示技术的研发进度最快也最成熟,主要的关键技术源自于他们在1997年SID会议中所发表的电子油墨制造技术,原理如图18所示。
微胶囊化的电子油墨技术是将含有两种分别为黑色与白色且电性相反的分散粒子的胶体悬浮液胶囊化后,再将胶囊与黏着剂混合制成电子油墨的技术。这些微胶囊的体积平均直径约为70μm,将电子油墨以精密涂布技术制作在上下电极板间,并且控制电子油墨的厚度在100μm,利用电场方向的调变,即可改变可视面上附着的有色粒子,可看到不同的色彩变化。电子油墨胶囊化技术不但使工艺简化、分辨率可达到200ppi、白状态反射率40%、对比度在10~15之间,当驱动电压为20V时,图像切换时间为250ms,同时也具有灰阶(Gray)显示的能力。
Sony在2004年四月推出电子书(图19),结合E-ink的微胶囊化电子油墨技术、Toppan的前板组立与Phillips的TFT背板技术。大小为6英寸,分辨率170dpi,具有四个灰阶,这个显示机制具有双稳态特性,4个3号电池可以使用1万页。E-ink的显示技术在反射率及对比表现上已经达到纸张的水平,但要达到动态显示效果,在反应速度上还需再加强。
微杯化技术具有成卷式工艺特性
微杯(Microcup)化技术由Sipix公司研发,其显示机制(图20)以不同色彩的分散粒子与分散介质做色彩的调变,目的在于以卷轴型(Rool-to-Roll Precision Coating)精密涂布技术在一条生产线上直接完成微杯工艺与面板的组装(图21)。
微杯的功能在于提供机械强度,使面板能够承受弯曲变形而不会影响上下基板的间隙,同时也可限制微杯内流体的流动范围,保持显示画面的均匀性,而且,当将大面积切成小块时也不会有漏液的情况。卷轴式的工艺提供快速大量的生产效率,而且易于制造大面积的产品,拥有很强竞争力。参考图22的样品,其对比度可达15,在驱动电压为45V时反应时间为200ms,图中也显示该样品在切割后仍然可以正常表现。
粒子隐藏技术
粒子隐藏技术是以有色粒子和透明分散介质组成胶体悬浮液,下基板使用和粒子形成对比的颜色,利用电极图案的设计,控制粒子在可视面上分布的面积,若粒子散布在整个可视面上,则可看到粒子的色彩;若粒子被挤压在相对狭小的区域或是吸附在侧壁上时,可感受到的是下基板的颜色。
相关的技术有Canon公司的In-Plane Electrophoretic Display (IP-EPD)以及IBM公司的Lines/Plate Electrophoretic Display和Wall/Post Electrophoretic Display。Lines/Plate EPD和Wall/Post EPD的结构设计如图23所示。其中Lines/Plate的对比度达9.7、最大反射率61%,Wall/Post的对比度是11.3、最大反射率是71%。相对于报纸65%的反射率而言,这种模式已经很接近软膜水平了。
IP-EPD的原型结构设计如图24所示。电极分别设计在下基板和侧壁内,将黑色粒子驱动到下基板电极(Displaying Electrode)时将看到黑色;将黑色粒子驱动到侧壁电极(Collecting Electrode)时看到的是白色的下基板。
此设计的光电特性为中对比度为8,白状态的反射率可达到50%,在2003年IDRC会议中,Canon公司发表的样品可在14V电压驱动下,达到100ms以下的反应时间,同时他们也通过侧壁电极高度的改变有效解决了残影缺陷。
逆乳胶电泳显示器
逆乳胶电泳显示器(REED)是Zikon公司所研发的新型显示模式,主要是利用逆乳胶的电泳特性达到显示的目的。
一般而言,液-液胶体分散系统多称为乳胶,但此处特别将分散相为水性溶液、分散介质为油性溶液(即水在油中)的系统称为逆乳胶;分散相为油性溶液、分散介质为水性溶液(即油在水中)的系统称为乳胶。两种系统除了水相和油相的相对含量不同外,他们各自形成的作用力也因分子排列方向不同而迥异。
乳胶系统是由两性分子(Amphiphilic Compound)在水性或油性溶液中凝聚而形成的复杂超原子结构。两性分子指的是一端具有亲油性基而另一端具有亲水性基的长炼形分子。在亲水系统中,由于疏水效应的作用,两性分子的亲油端会互相聚集,而形成仅由亲水端和水性溶液接触的微胞;相反的,在亲油系统中,两性分子的亲水端互相聚集,形成由亲油端和油性溶液接触的微胞,即此时的微胞内多是亲水性的离子基,对他们而言,静电作用力显得重要得多。
逆乳胶的几何构造可以多样化(图25),如球形、柱形、虫形、双层或多层结构。将逆乳胶系统应用在显示技术时,必须注意它在热力学上必须是稳定的、微胞不会沉降也不会分解的,同时要能够利用电场的调变来驱动。
REED的构造是由两片镀上ITO电极的玻璃基板,中间注入逆乳胶溶液,选择极性染料使极性相(也就是微胞内部)呈现色彩。在适当的电场强度及频率下,控制微胞均匀分布在较宽的电极上或均匀分布在溶液中,可使显示器呈现微胞内染料的色彩;也可以利用电场的强度与频率,控制微胞聚集在较窄的电极使显示器面版呈现透明状态。Zikon公司制作的试片上下板间距为50~80μm、驱动电压30~60V、最大穿透率70%,对比5且反应时间约50ms。
OLED、电泳介质特性佳 LCD产业成熟较具发展优势
一般说来,可弯曲显示器目前可分为四类显示器,如超薄平面显示器(Flat Thin Displays)、可弯曲显示器(Curved Displays)、可弯曲显示器(Display on Flexible Devices)及可卷曲显示器(Roll-Up Display),其最终显示器趋向可卷曲显示器。综合上述的显示技术,由于液晶显示器在工艺、设备的开发及基础研究相当完整,且在玻璃基板上已属于相当成熟的产业,加上部分产品应用在硬质塑胶基板上,因此现阶段要将液晶的显示模式套用在柔性塑胶基板时所需的资源相对较少。
日本主要开发柔性显示器的厂商目前仍选择液晶作为显示介质。但由于液晶显示机制上先天的限制,在最后柔性显示器开发日期上仍有可能被自发光且具彩色化的OLED/PLED或工艺较简单的电泳显示器替换。OLED/PLED则因具备自发光、快速反应、彩色化及无视角的问题,在柔性显示器的应用上有很大的机会,但是由于目前制作OLED/PLED的厂商仍致力于玻璃基板的量产,相对在投入柔性显示器开发的能量较少,因此在短期不易看到商品化的产品。
电泳显示器的发展已渐成熟,没有视角限制、图像记忆能力佳相当适合柔性显示器的应用,几乎所有开发电泳显示器的公司看重的也是柔性显示器的这部分市场,但其弱点是对比度表现平平,反应时间相对缓慢,彩色化技术仍然没有成熟解决方案。
图26是Stanford Resources对于柔性显示器应用市场的预测及分析,短中期来看,柔性显示器的应用仍以中低端及低价产品为主,如电子标签、广告看板、汽车用显示器及智能卡(Smart card)。长期而言,若柔性显示器的显示质量可与现在的显示器媲美时,除可激发更多的设计概念及新兴应用产品外,在成本及价格的考虑下,也有可能替换现有的市场,或达到类纸的特性时,也将有可能替换纸的市场。如此庞大的商机将是促使柔性显示技术不断提升的最大动力。