材料与制程挑战有解,可挠式AMOLED商用可期

可挠式AMOLED面板量产挑战已逐步获得解决。近期各大显示器制造商已陆续发布可挠式AMOLED面板原型，且在基板材料、TFT技术、封装与制程技术等关键量产挑战上，也已掌握可行的解决方向，可望加快可挠式AMOLED面板商用。

主动式有机发光二极体显示器(Active Matrix Organic Light-Emitting Diode Display, AMOLED)属于自发光的显示技术，结构较使用背光源的液晶显示器(LCD)简单，且能达到轻、薄、高亮度以及反应速度快等优点，因此非常适合软性显示器应用。

然而，在可挠式(Flexible)AMOLED的商品化过程中，仍有数个关键问题尚待克服，包括基板材料、薄膜电晶体(TFT)技术、封装技术，以及制程技术等，本文将分析这些关键问题的现况以及可能的解决方法。

可挠式AMOLED原型陆续出笼

近几年来，可挠式AMOLED技术快速发展，各大显示器厂商陆续推出验证可行的雏型品(Prototype)。以乐金显示(LGD)为例，在2007年该公司采用不锈钢薄板为基板，并以金属氧化物薄膜电晶体(MOTFT)技术来制造该公司的AM背板，开发出3.5寸可挠式AMOLED的雏型品。

2010年索尼(Sony)采用PES或PEN的塑胶基板，搭配有机薄膜电晶体(OTFT)所构成的AM背板，制造出可挠式AMOLED显示器，其卷曲半径可达4毫米(mm)，且于十万次卷曲后，仍能保持影像品质。

在国内方面，工研院亦验证出6寸的可挠式AMOLED显示器，基板为改质的透明且可耐高温的PI塑胶基板，控制阵列采用非晶矽薄膜电晶体，制程方面则是将PI基板贴合于玻璃板上，再采用硬式元件的加工程序。

三星(Samsung)同样使用PI基板，但是制程上系将液态PI软性涂料涂布于玻璃上，然后再于玻璃上制作低温多晶矽(Low Temperature Poly-silicon, LTPS)的薄膜电晶体，完成4.5寸全彩(800×480)的可挠式AMOLED。

商品化面临四大挑战

虽然目前可挠式AMOLED技术已蓬勃发展，然而，实际商品化仍面临许多障碍，其中可归纳出以下四个关键问题。

软性基板材质要求高

可挠式AMOLED应用对软性基板性质的要求，包括高阻水氧能力(避免显示器与水氧反应而劣化)、高光穿透度(可适用于下发光式显示器)、高耐化性(避免基板受AMOLED制程的溶剂与反应气体影响)、高耐温性(避免基板受AMOLED的加温制程破坏)、高机械强度(耐冲击性与耐挠曲性)、低热膨胀系数(避免基板于AMOLED的加温制程中受热变形)及轻量化等。

目前主要有三种软性基板可供可挠式AMOLED使用，分别为玻璃、金属箔及塑胶基板，主要性质的比较如表1所示，三种基板的现况与挑战分别详述如下。

．易碎、不易变薄玻璃基板应用居劣势

玻璃具有高阻水氧能力、高光穿透性、高耐化性及高耐温性等优点，但若欲达到可挠曲性，则厚度必须在100微米(μm)上下。

玻璃基板的问题在于机械性质与成本。在超薄厚度下，玻璃基板极易受外力撞击而碎裂；且因玻璃的刚脆本质，即使厚度超薄，可挠曲程度仍属有限。另外，超薄玻璃基板的制造需精密加工技术，成本难以压低。因此，若与其他软性基板材质相较，玻璃基板于可挠式AMOLED的应用较居劣势，目前超薄软性玻璃基板供应商有旭硝子玻璃(Asahi Glass)及康宁(Corning)等厂商。

．制程复杂、成本高金属箔基板适用性降低

金属箔基板具有高耐温性、高抗化性、高机械强度及高阻水氧能力等优点，金属材料中以不锈钢为目前使用最广的软性基板材料。不锈钢基板的缺点包括不透光(不适用于下发光式AMOLED)、重量大(不适于可携式显示器)、挠曲度尚可(不及塑胶基板)及成本略高等。

此外，因受机械加工程序影响，不锈钢基板表面的粗糙度，远大于显示器应用的所需，因此必须研磨抛光或于表面涂布一层平坦层后，才能进行后续制程。并且，不锈钢基板为导体，无法绝缘其上的AMOLED元件，因此必须于其上添加一绝缘层。此等基板前处理程序使制程复杂度与制造成本大幅增加，降低金属箔基板于可挠式AMOLED的适用性。

．兼具多元优势塑胶基板采用度最高

塑胶基板具有前两类基板难以抗衡的几种优点组合，包括低成本、高挠曲性、轻量化和高透光性等，因此为目前最广为使用的可挠式AMOLED基板，也是可挠式AMOLED未来商品化发展中，最具优势的基板材料。然而，塑胶基板仍有数项关键问题须克服，包括较差的热性质与较低的抗化性等。

热性质的问题可分为两方面，分别为热膨胀与耐热性。塑胶基板的热膨胀系数约60?70ppm/℃，远大于一般无机材料约5ppm/℃，而面板制程中含有多道无机材料薄膜的沉积制程，例如前段制程中的TFT元件制程，因此极易因热膨胀系数差异过大，导致塑胶基板的变形或弯曲，甚至造成无机薄膜剥落等问题。

此外，面板制程中通常包含高温制程，例如TFT制程约250?300℃，而多数塑胶基板的软化温度在该温度之下，因此造成基板材料选用的限制。在抗化性方面，塑胶基板易受面板制程中所使用的有机或腐蚀溶剂侵蚀，影响后续制程设计的弹性。

表2为数种主要塑胶基板材料热性质、光穿透度与抗化性的比较。由表中资料可知，主要塑胶基板材料中，以PET与PEN的综合性质较佳；此二种基板系于成膜过程中，施以双轴应力而大幅提高结晶度，使其软化温度提高、热膨胀系数下降且抗化性增强。

若欲更进一步改善塑胶基板的热性质与抗化性，除持续开发性质较佳的高分子材料外，亦可利用现有高玻璃转化温度(Tg)的塑胶基板材料，经由化学改质调控表面性质或机械加工调控结晶度，使热膨胀系数降低，耐热性提高。

薄膜电晶体四大技术各具优缺点

AMOLED控制阵列所使用的薄膜电晶体，主要可分为四个技术(表3)。首先是非晶矽薄膜电晶体(Amorphous Silicon TFT)，非晶矽TFT具备均匀度佳、可大面积生产和制程成本低等优点，且其制程温度低，仅约为200?370℃，因此是目前液晶显示器的主要技术。但非晶矽薄膜的载子迁移率(Mobility)多小于0.5cm2/Vs，且元件在Bias-Stress的情况下稳定度差，难以符合AMOLED所需的高更新速度，以及驱动电流的稳定度，因此于AMOLED应用上较不利。 [!--empirenews.page--]

其次是低温多晶矽TFT，由非晶矽薄膜经雷射熔融结晶后制成，晶粒大小约为0.3?0.7微米(μm)。低温多晶矽TFT的载子迁移率，可高达100cm2/Vs，且元件稳定度高，足以符合AMOLED所需。

但是其缺点在于大面积成膜的均匀性不佳、制程设备成本高和制程温度高(400℃以上)等，其中尤以高制程温度限制LTPS TFT于可挠式AMOLED的应用，因此开发可于400℃以下的技术，将是低温多晶矽TFT主要的挑战。目前在这方面的进展，包括例如三星所验证的技术，其以镍金属微粒诱导矽薄膜侧向结晶，并搭配快速退火制程技术，使制程温度大幅下降。

第三为有机TFT(Organic TFT)，系利用具共轭结构的小分子有机化合物或高分子制作的薄膜电晶体，优点为挠曲性佳、低温制程，以及可溶液涂布如Roll-to-Roll(R2R)制程等优点，被视为未来软性显示器的主要技术。有机TFT技术的挑战在于技术成熟度低、载子迁移率低(小于5cm2/Vs)、元件稳定性及可靠度不足等。

第四为金属氧化物TFT(Metal Oxide TFT)，金属氧化物半导体系利用金属离子的S轨域互相重叠，形成载子传递路径，因此在非晶相即可达到高载子迁移率，也因此制程温度可远低于多晶矽TFT，但仍可达到类似的高载子迁移率；由于非晶质结构，因此金属氧化物TFT的制程均匀性佳，有利于大面积生产。

此外，金属氧化物亦可溶液涂布成膜，更增加制程的吸引力。目前最成熟的金属氧化物材料为铟镓锌氧化物(IGZO)，载子迁移率约为30cm2/Vs、可低温制程，以及透光度极佳，可提高显示器元件的开口率，因此，非常适合可挠式AMOLED的应用。

金属氧化物TFT的挑战，在于元件稳定度与载子迁移率难以兼顾以及缺乏可行的P-Type材料等；目前两方面的持续研发，包括藉由Ar电浆处理增加TFT元件载子迁移率、掺杂Zr原子改善TFT元件稳定性及开发SnOx为P-Type TFT等。

封装技术助攻OLED元件使用寿命大增

OLED中的有机半导体材料及低功函数电极极易受氧气与水气劣化，因此OLED元件的使用寿命一直是商品化过程中的一大挑战，必须利用有效的封装技术来阻绝水气与氧气的侵入，才能达到足够的元件稳定性。

传统的封装方法，是使用玻璃盖板加上UV胶与吸湿剂来封装OLED元件，此方法虽能有效延长元件寿命，但制作成本高，且玻璃盖板不具有可挠曲性，因此无法满足可挠式AMOLED显示器的要求。

为使封装后的可挠式元件仍保用可挠性，采用阻气薄膜包覆元件的薄膜封装技术为必行途径。除封装外，可挠式AMOLED若是使用塑胶基板，因为塑胶基板的阻水氧能力极差，因此在基板表面也须镀上阻气薄膜。

在高阻气性、可挠性薄膜的开发上，2003年Vitex提出利用有机薄膜/无机薄膜多层反覆堆叠而成的阻气薄膜，其中无机薄膜为主要阻气层，有机薄膜则提供分离(Decouple)相邻两层无机薄膜中的缺陷及应力缓冲的功能。

此多层结构薄膜可达到水气穿透率(Water Vapor Transmission Rate, WVTR)至1×10-6g/m2/day范围，已达OLED元件商品化的需求；此技术于AMOLED的实际应用，已由三星验证成功。

有机/无机多层阻气薄膜技术虽有效，但缺点在于制程复杂繁琐，实用性较低。为解决此问题，阻气薄膜技术的新趋势为零缺陷单层无机薄膜，透过消除薄膜缺陷，使单层无机薄膜在超薄厚度之下，即可符合OLED封装的需求，且因薄膜厚度超薄，亦能达到相当的可挠性。

零缺陷单层无机阻气膜，可利用原子层沉积技术(Atomic Layer Deposition, ALD)来实现，例如Park等人以100奈米(nm)的PECVD SiNx薄膜，加上30奈米的ALD Al2O3薄膜封装OLED，封装后经260小时于室温大气下以1300cd/m2的亮度操作，可使元件维持原有91%的亮度。Groner等人亦利用ALD于PI及PET基板上制备Al2O3阻气薄膜，发现26奈米的ALD薄膜则可达到10-6g/m2/day范围的WVTR值，并可承受曲率半径为2公分的挠曲，仍保持WVTR值不变。

笔者团队也成功开发利用ALD奈米复合薄膜的可挠式有机太阳能电池之封装技术。ALD制程温度低(<100℃)、具有极佳的大面积镀膜均匀性、可于低真空或大气之下操作，且目前已有非真空Roll-to-Roll连续制程Prototype机台，因此是极有潜力的可挠式AMOLED封装技术。

可挠式AMOLED拼商用长、短期制程发展重心不同

可挠式AMOLED的制程技术发展，可分为短程与长程两种规画。

短程规画系套用目前硬式AMOLED面板的Sheet-to-Sheet(S2S)量产制程，藉由硬式面板制程的成熟度，加快可挠式面板商品化步伐。长程规画则是以Roll-to-Roll且全溶液、非真空制程为目标，以实现低成本制造可挠式AMOLED的理想。

在短程规画方面，图1为硬式AMOLED面板的制造流程，其中TFT阵列背板乃是采用化学与物理气相沉积法，于玻璃基板上沉积半导体与导体薄膜，再利用微影技术搭配蚀刻方式制备元件各部的细微图样。

有机发光材料则以蒸镀方式沉积，搭配金属遮罩，达到RGB三色画素的定位，其中金属遮罩对位精准度需达±5微米；元件封装则是采用玻璃盖板，加上封装胶的传统封装方式。

上述制程若欲直接套用于软性面板上仍有两项困难；其一，塑胶基板的耐温性远低于玻璃基板，因此在沉积TFT半导体薄膜时，必须开发低温沉积却仍可达到高载子迁移率的技术，如雷射快速退火技术、金属氧化物半导体薄膜和有机半导体薄膜等。

其次，塑胶基板的尺寸易于高温制程中，或是制程溶剂膨润下产生大幅改变，导致元件各层的对位精准度不足。若将塑胶基板贴附于玻璃上进行制程，则可减少基板尺寸的改变，但其根本的解决之道仍是在于基板性质的改良。

在长程规画方面，目前可挠式AMOLED制程各主要步骤皆已有Roll-to-Roll的验证，包括Roll-to-Roll溅镀与蒸镀(导电层、介电层及有机层沉积)、Roll-to-Roll化学沉积(半导体薄膜沉积)、Roll-to-Roll微影(元件各部图样化)、Roll-to-Roll涂布与喷涂(各层材料的溶液涂布与图样化)、Roll-to-Roll薄膜封装等。

然而，多数Roll-to-Roll步骤的效果，距离商品化所需水准仍有一段差距，且其加工面积仍远小于硬式面板制程的能力，尤以溶液制程为着。原因除Roll-to-Roll设备的技术尚未成熟外，亦受到材料性质尚未最佳化，以及喷涂(喷墨、网印和压印等)图样化精准度不佳的两大限制。 [!--empirenews.page--]

因此，在Roll-to-Roll制程开发上，除了设备之持续开发，各种新颖材料与图样化技术包括可涂布式金属氧化物半导体、可涂布式有机半导体、可涂布式导电薄膜、可涂布式有机发光材料、非真空式薄膜封装技术和自组装技术等，将是决定性的关键。

本文介绍可挠式AMOLED显示器的发展现况，以及其商品化上所面临的关键问题，包括基板材料、TFT技术、封装与制程技术等。可挠式AMOLED的关键问题，皆已有可行的解决方向，未来若能持续发展及整合，可挠式AMOLED可望成功达阵。

(本文作者为国立台湾大学材料科学与工程学系暨研究所副教授)