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[导读] 为了让曲面显示器应用更加成熟,面板厂无不积极投入研发资源,以克服制程、材料、设备及驱动技术等方面的挑战;目前软性塑胶基板制造与封装技术已有长足进步,可大幅提升曲面显示屏幕的挠曲能力与耐用性,降低破碎风

 为了让曲面显示器应用更加成熟,面板厂无不积极投入研发资源,以克服制程、材料、设备及驱动技术等方面的挑战;目前软性塑胶基板制造与封装技术已有长足进步,可大幅提升曲面显示屏幕的挠曲能力与耐用性,降低破碎风险。

显示器技术从阴极射线管(CRT)开始,即持续追求画质改善,以显示更逼真的画面。但早期CRT显示屏幕为外凸,导致显示边缘容易呈现严重画面扭曲现象,有鉴于此,产业界已进一步开发出平面CRT显示技术,并改善显示边缘影像扭曲现象。

现今平面显示技术,不仅面板尺寸增加,且更为轻薄,显示器更进一步开发曲面、可弯曲、可摺叠甚至可卷曲型态,以满足未来不同使用情境的多样性产品设计需求。

目前已有试水温的小尺寸曲面显示器产品问世,如2013年底,三星(Samsung)抢先推出Galaxy Round;乐金(LG)随即推出G Flex与之分庭抗礼。此外,在大尺寸电视市场,乐金推出曲面有机发光二极体(OLED)电视,三星、索尼(Sony)与Panasonic也分别推出相对应的技术与之抗衡,目前仍属试产及展示阶段。在大尺寸的应用上,三星于2014年国际消费性电子展(CES)发表全球首款真正可弯曲电视,按下切换钮,电视面板两侧会自动弯折,变身成曲面电视,号称弯曲的角度是最适合人类视域的角度,尽量让画面上每个点与眼睛的距离都相等,以呈现完整的色彩及视觉效果。

软性AMOLED开发面临诸多挑战

目前国内外研发机构、面板厂、智能手持装置的品牌或系统厂商,针对曲面显示技术都已投入相当多资源进行研发,包括面板制程、材料、设备、触控面板及其驱动技术等。目前,曲面显示面板技术主要可以分为软性主动式矩阵(AM)OLED、软性AM电泳显示器(EPD)、薄膜电晶体液晶显示器(TFT LCD)等(表1)。其中,软性AMOLED最受瞩目,主因系AMOLED显示技术除具有优异影像品质、轻、薄之外,且AMOLED为无机薄膜与有机薄膜所组成,面板结构具有较佳的可挠性与耐冲击特性。

智能手机、平板装置等行动装置市场日益扩大,结合具高影像品质、高反应速率的AMOLED显示技术,以及具轻薄、耐摔及可弯曲功能的软性基板技术所发展的主动式软性显示技术优势,成为各国厂商和研究单位追求的目标,且愈来愈多的厂商投入相关技术的开发。

表2整理目前各家技术领先厂商所展示的试制品与发展现状,其中,三星率先在国际资讯显示学会(SID)2010及SID 2011分别展示出多款利用多晶矽及金属氧化物(Metal Oxide)TFT基板技术,制作于塑胶基板上之软性AMOELD面板;乐金显示(LGD)则于SID 2010发布以金属箔片做为基板,加上非晶矽TFT技术驱动的4.3英寸金属软性AMOLED面板。另一方面,日本索尼、东芝(Toshiba)、SEL与工研院亦相继于SID中展现其最新的研发成果。

软性AMOLED技术开发系为降低技术风险与未来量产成本,各家技术皆尽量与既有面板制程方法与设备相同。不过,相较于玻璃基板之AMOLED,仍有软性基板技术、软性电晶体技术、软性OLED技术等,须要进一步研发。以满足未来产品对于面板可挠曲与寿命的要求,技术挑战说明如下。

软性PI基板量产瓶颈待解套

针对软性显示技术之开发,国内外各研发单位评估验证各种塑胶基板材料,其基本特性如表3。但因应AMOLED产品规格需求,必须制作高性能电晶体于软性基板,因此软性基板材料要能符合耐高温、耐化学药剂、低膨胀系数、轻薄、表面平整、易挠曲、低金属离子浓度等条件。目前以聚醯亚胺(Polyimide, PI)最被看好,PI目前已广泛应用于电子构装、软性印刷电路板(PCB)等应用。

PI基板材料轻、薄、软,如何进行面板制程,为首要解决的重要课题。目前较为可行的方式为枚叶式(Sheet-to-Sheet),至于卷对卷(Roll-to-Roll)生产方式,由于设备的制程解析度与生产良率短期间,尚无法发展到满足量产制造的需求。

Sheet-to-Sheet生产方式必须要克服塑胶基板进入既有TFT与OLED相关制程设备所面临的挑战,以降低面板厂进入软性显示器的技术障碍。有鉴于此,在主动式软性面板的制程开发方面,各研发单位一开始均采用最简单的塑胶基板贴合技术进行开发,但由于此技术有许多障碍,包括胶材(Glue)耐热性不佳与高的热膨胀系数,造成TFT黄光制程对位精度差、限制TFT制程温度、与塑胶基板背面有残胶等问题;在进行塑胶基板贴合时,塑胶基板的平整性不易控制;进行TFT制程时,胶材易产生外气释放(Out Gassing)现象,使得塑胶基板有气泡现象。考量到上述因素,目前主流制程方式采用高分子溶液直接涂布于玻璃基板,将溶液移除后形成塑胶基板取代胶材,以解决上述制程技术问题。在完成面板制程后,将软性面板从玻璃基板上离型取下(图1)。

图1 塑胶基板Handling技术

为满足高效能TFT制程所需的制程温度(400?450℃),涂布Polyimide之前驱物聚醯胺酸型(Poly Amicacid)溶液,先以较低温度移除溶剂(200?250℃),然后再于高温(?400℃)环化(Imidization)后,在玻璃基板上形成塑胶基板。以此方法进行TFT与OLED制程,除可符合制作高效能TFT所需的耐热性(>400℃),重要的是可以满足高解析度(>300ppi)面板制程所需的制程对位精度。

目前三星与乐金显示以此方式进行小量生产,并积极提升良率与降低成本,其中三星在初期更与日本宇部兴产(UBE)合作生产Polyimide之前驱物Poly Amicacid溶液,布局上游产业链,日后将再扶值其国内自主供应链,此借力使力之价值链建构,值得我国产业借镜。

此外,以塑胶基板涂布技术完成软性主动面板后,要如何从玻璃基板上取下面板为另一个重要议题。目前三星与乐金显示采用Laser Lift-Off制程方式,以波长308 奈米的雷射从玻璃基板背面照射。而工业技术研究院(ITRI)同时间开发成本更低的软性通用电子基板(Flexible Universal Plane, FlexUP)技术,搭配离型层材料以机械方式即可取下。

电流驱动的OLED需要高效能电晶体,其中高载子移动率的TFT可提供高驱动力,并可缩小TFT,以满足高解析度面板设计之需求。此外,TFT可靠度必须考量,例如非晶矽(a-Si)TFT在驱动OLED时,临限电压(Threshold Voltage)有严重飘移现象,造成面板亮度控制不易的问题。而对于面板均匀性问题,在AMOLED面板设计中,画素结构有别于TFT LCD,只有1T+1C (一个电晶体与一个电容),必须设计2T+1C、4T+2C、或6T+2C等。表4为各种TFT之特性比较。

由于低温多晶矽(LTPS)TFT具有高于a-Si百倍的电子移动(Mobility)与稳定性,得以满足产品高画质、高解析度的需求,因此现今三星与乐金显示在应用于智能手机产品的小尺寸AMOLED面板,无论是玻璃基板或塑胶基板,皆选用LTPS TFT技术。至于金属氧化物TFT技术未来也相当被看好,主因系其制程设备近似于a-Si TFT,投资成本较低。此外,其制程温度较低(?300℃),因此可制作于透明塑胶基板上,做为透明显示器的TFT下板,为另一个延伸应用范畴。

软性OLED封装技术窒碍重重

OLED发光方式可以分为下发光与上发光(Top Emission, TE OLED)。其中下发光由于制程较简单与成本较低,适用于被动式矩阵(PM)OLED或大尺寸OLED TV。而上发光方式,则因位在TFT电路上方,可提供较高的开口率,以满足中小尺寸高解析度之需求。但TE OLED结构中必须制作透明阴极,此阴极须考量光学穿透度与导电性,因此通常采用薄金属加上ITO,制程技术较BE OLED高。图2为BE OLED与TE OLED之结构比较。

图2 OLED之发光方式

此外,OLED技术另一个关键是彩色化,目前分为两个主流技术,分别为利用高精细金属主遮罩(Fine Meta Mask, FMM)技术之Side-by-Side结构,以及白光OLED整合彩色滤光片技术(White OLED+CF)(图3)。其中FMM Side-by-Side OLED技术为目前量产技术主流,具有优秀的发光效率,三星、乐金显示、友达皆采用此技术。但其解析度的提升与大尺寸制程技术具有挑战性,主因系高精细金属主遮罩制作困难,且面板厂必须建置高精度的张网机,将FMM固定于框架(Frame),以及必须有高对位精度制程能力OLED设备,建立FMM清洗机、FMM与检测设备等。

图3 OLED彩色化技术

至于白光OLED整合彩色滤光片技术,目前技术尚未成熟,主因系发光效率较差,以及光学特性问题有待克服,因此尚未有智能手机采用此面板技术。不过此技术可藉由TFT LCD制程技术基础,如彩色滤光片、面板组立技术,较容易达到高解析度面板需求,目前日本SEL、索尼与群创皆已开发此技术。

软性AMOLED与玻璃基板AMOLED技术最大之差别,在于软性AMOLED封装技术更具有挑战性。在玻璃基板的AMOLED封装技术,上下基板为玻璃,而侧边可藉由Laser Curing玻璃材质(Frit)(图4),形成具有优秀之阻水、阻氧功能(Water Vapor Transmission Rate,WVTR

图4 玻璃基板之AMOLED Laser Frit封装技术

现阶段软性AMOLED封装技术主流为有机/无机薄膜多层堆叠(图5),其中无机膜大都为氮化矽(SiN)、氧化矽(SiO)、蓝宝石(Sapphire,又称Al2O3)等,制程方法有溅镀(Sputtering)、电浆辅助化学气相沈积(PE CVD)、ALD(Atom Layer Deposition)等方法。其中Sputtering方式虽然镀膜速度快,但是薄膜的致密性不佳,且容易造成微粒(Particle)而形成缺陷;ALD镀膜机制是以单一原子层沈积形成薄膜,因此具有最佳之薄膜致密性,但是其量产性仍需要改进;而PE CVD制程,具有不错之薄膜致密性,目前为主流技术。

图5 有机/无机薄膜多层堆叠薄膜封装技术

未来软性AMOLED封装技术,除薄膜封装技术须再改善其制程良率、简化结构与制程之外,对于面板侧边之封装技术,须注重开发。此外,针对面板挠曲能力之要求,封装胶材在顾及黏着性之余,亦必须兼顾挠曲性;以及各层材料之应力匹配。

大尺寸曲面显示技术兴起

目前大尺寸曲面显示技术,包括LCD TV与OLED TV曲面显示技术,基本上与一般TFT LCD或OLED TV技术相似,并以玻璃为基板,藉由玻璃基板可局部弯曲特性,以机构固定弯曲。

不过,LED背光模组必须新设计与制作弯曲之导光模组。目前已经有接近产品的展示,如恩益禧(NEC)的CRV43,面板尺寸为43英寸的曲面LCD TV与乐金OLED TV。

曲面显示技术,除桌上型显示器与电视应用之外,车用显示器为另一个应用可能性。日本显示器(Japan Display, JDI)以横向电场效应(IPS)液晶技术开发出应用于车用仪表板的高亮度、高演色性面板,未来将整合触控功能,为汽车的车内设计提供宽广的发挥空间。

跳脱平面显示器性能限制 软性AMOLED应用想像无限

观察目前产品创新发展趋势,可以发现行动智能生活与绿色节能减碳成为未来要的发展趋势之一。资通讯技术(ICT)产业重点将由过去的高效能诉求,转变为简单高稳定、轻巧低耗电与高环境容忍的技术发展新路径。针对强调互动连结及取得资讯便利性的行动智能生活型态,势必有愈来愈多的终端产品有搭载显示器的需求,也带动显示器朝轻薄、坚固、高画质及多功能整合等方向发展。

但目前以玻璃基板为基础的平面显示器依旧无法完全满足人类的生活情境需求,例如僵硬的显示器尺寸与外观,造成终端产品可视区域与携带方便性需求无法同时满足、玻璃基板不耐摔且易破裂等,相对使显示器的应用情境受到限制。而透过使用软性基板之软性AMOLED显示器具有高画质、轻薄易携带、耐摔不易破等特性,可望突破现有平面显示器几何形状、机械特性的限制与性能瓶颈。显示器型态呈现可摺叠(Foldable)甚至可卷曲(Rollable),可以颠覆目前产品设计,使得未来ICT产品更符合人性需求。

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