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軟性顯示器

來源:互聯網  2010-05-22 19:51:24  評論

軟性顯示器結構:

軟性顯示器的主要結構由

基板(Substrate)

中間顯示介質

封裝(Thin Film Encapsulation)三層組成。

軟性顯示器形態分類:

(按照使用的情況區分)

1、具備紙張畫質的軟性顯示器(Paper Replacement):未來所要取代的應用在于書本或是賣場的廣告看板等市場,因此在産品特性上需要具備輕薄、低耗電量的特點,是否需要彎曲的特性則並非是重點,目前合適的技術有LCD、EPD與MEMS。

2、具備微彎曲特性的軟性顯示器(Conformable):低耗電、厚度最好在于0.5mm以下且具備較佳的畫面特性,顯示器彎曲程度的要求不是很高,目前來說EPD、OLED與LCD技術都極爲適合發展。

3、卷曲式的軟式顯示器(Rollable):低耗電、厚度最好在于0.5mm以下且具備較佳的畫面特性,顯示器本身要可以彎曲,甚至可以卷曲帶走,EPD、OLED與LCD技術都極爲適合發展。

從應用的角度分析,具備紙張畫質特性的軟性顯示器本身潛在應用的機會在于戶外看板與賣場的價格卷標;具備微彎的軟性顯示器目前則可以用于更爲廣泛的領域,從電子圖書到移動裝置(Mobile Device)等都有很好的使用機會;至于具備卷曲特性的軟性顯示器則可以用于報紙等相關産品。

(按顯示畫面的複雜度)

可約略分爲單色和彩色的靜態、動態與高階動態等類別。靜態式顯示器主要是以類紙式的顯示器, 可在外部電壓驅動下改變顯示內容;而當無電壓驅動時,也能夠保有原來的畫面內容,也就是具備雙穩態的功能,這類顯示器被歸類爲被動顯示器(Passive Matrix;PM)。另一方面動態顯示器主要強調顯現及時性的動態內容,需要薄膜晶體管的驅動來搭配,被歸類爲主動式(Active Matrix;AM)顯示器,將取代目前如PDA、手機、電視等現有主流的平面顯示器。

市場潛力:

由于軟性顯示器屬于新興顯示器技術,因此在某些産品市場,軟性顯示器的技術很有競爭力,例如手機、PDA、車用顯示器等。此外軟性顯示器另一個切入的應用機會在于一些新的産品,例如智能卡、電子標示顯示器或是軟性電子圖書等産品。從圖中資料顯示,軟性顯示器的市場規模將于2010年達到5億美元,估計到2015年將接近19億美元,其中手機、數字看板、電子圖書與智能卡將是最有機會切入的應用産品。

顯示器介質(Display Media):

液晶(LC)與有機發光二極管(OLED)是一般熟知的顯示介質。由于OLED屬于自發光,具備快速反應、彩色化及無視角的問題,廣泛地受到軟性顯示器研發機構與業界期待。雖然也有些單位持續研究以LCD爲介質的軟性顯示技術,不過LCD的撓曲可靠度不佳,制程問題也相當複雜。

應用在類紙式顯示器上的顯示介質選擇相當多,大致上有電泳顯示器(Electrophoresis Display;EPD)、電致色變顯示器(Electro Chromic Displays;ECD)、扭轉球顯示器(Twisting Ball Display;TBD)、膽固醇液晶顯示器(Cholesteric liquid crystal displays;ChLC)、高速響應液態顯示器(Quick-Response Liquid Power Display;QR-LPD)、電致濕潤技術(Electro-wetting Display;EWD)等等。要達到類紙式顯示器的質量要求,顯示機制必須具備畫面的記憶特性,況且只有在改變畫面時才需要電力,以實現低消耗電力和卷曲依然維持一定程度的顯示質量等特性。

1、電泳顯示器(EPD)是類紙式顯示器較早發展的顯示技術,是利用有顔色的帶電球,藉由外加電場,在液態環境中移動,呈現不同顔色的顯示效果,其代表廠商包括E-Ink與Sipix。日本Bridgestone所推出的高速響應液態顯示器(QR-LPD),其工作原理與EPD相似,只是其成像的物質不是使用帶電球,而是由黑白2色的粉末在電場之間移動産生顯示效果。另外發展較早的膽固醇液晶(ChLC),是一種結構相似于膽固醇分子的液晶。膽固醇反射式顯示器在不加電壓時,可存在兩種穩定的狀態,利用兩個狀態之間的轉換,呈現亮暗態的顯示效果。其它還有強誘電性液晶(Ferroelectric Liquid Crystal;FLC)等。

2、電致濕潤技術(EWD)也是近2年來頗受矚目的新式電子紙技術,特點在于反應速度快、高反射率及高色彩轉換率,且制造過程與液晶兼容,耗電量低。與其它反射式雙穩態技術相較,低電壓雖是其優勢,但EWD卻不具雙穩態特性,應用上受到局限。目前EWD還是以單色産品較爲成熟,全彩或多彩産品的技術仍在研發當中,雖然EWD動畫效果明顯比EPD、ChLC及QR-LPD等反射式顯示技術更爲出色,但還無法脫離反射式顯示器搭配彩色濾光片時、亮度及色彩飽和度下降等問題。

基板三大關鍵技術:

軟性顯示器在結構上最大的特點是可以彎曲,也正是因爲這一特性要求,過去所采用的玻璃基板材質並不是最佳的選擇方案。爲此各國紛紛展開其他材料的基板研究,依照目前發展來看,解決方案一共可分爲3種,開發超薄化玻璃基板、開發塑料基板材料與薄型化金屬基板。

1、薄型化玻璃基板

目前由玻璃工廠所提供最薄的玻璃爲0.5mm,隨著應用不同,面板廠商開始試著將玻璃研磨到0.2mm或是以下的厚度來使用。當厚度低于某種程度之後,玻璃基板開始具備可彎曲的特性,因此部分企業嘗試開發搭配超薄玻璃基板的軟性顯示器。

目前各廠商正積極開發超薄化TFT LCD,薄型化的技術包含了超薄背光板開發、與超薄玻璃基板開發,以Sharp的産品爲例,LCD的面板厚度爲0.89mm,若扣除背光板的厚度約爲0.3mm-0.4mm,玻璃厚度估計只有0.2mm,已經達到具備彎曲的特性。

2、薄型金屬基板技術

所謂的薄型金屬基板,其基板厚度低于0.1mm,采用這樣的基板主要在于金屬基板具備幾個優點:

1).耐高溫制程:目前金屬基板的耐溫性遠高于塑料與玻璃,至少有1000℃以適合各種高溫的制程,與塑料相比,熱膨脹系數(CTE)更爲接近玻璃,因此在電路圖樣定位方面不容易發生問題。

2).具備阻水阻氧的功能:由于金屬基板本身無法穿透空氣與水氣,不像塑料材料易讓水氣及氧氣穿透,所以並不需要進行任何阻水阻氧鍍膜處理,減少處理步驟。

3).具備R2R(Roll-to-Roll)的制程可能性:金屬本身已經具備極佳的延伸性,因此極爲適合利用R2R的生産流程。

4).成本低廉與取得方便:在材料成本方面,目前金屬的價格要比特殊耐高溫的塑料材料低得多(約是塑料的30%),而且用在平面顯示器上時,不需要鍍上許多特殊的防水氣防氧氣保護層,實際運用成本會比用塑料更低。

3、塑料基板材料

雖然薄型化玻璃幾乎已經達到可以商品化的階段,然而過高的抛光成本與無法搭配R2R的制程方式卻是嚴重的致命傷,金屬基板受限于表面處理技術仍有待開發,塑料基板則成爲大多廠商選擇的材料。然而要達到可以商品化的階段,塑料基板要具備下列要求:光學穿透率須達到90%;能夠具備抗高溫的制程與抗UV老化的特性要求;硬度通常需要達到6H以上;對于AMOLED來說ITO阻抗須低于50Ω;阻氧特性至少要達到10cc-5cc/m2,阻水氣則是要達到1ug/m2;表面平滑度須達到2nmRMS之下。

在上述的基板特性要求中,其中最需要解決的問題在于提升塑料基板的耐熱性,然而傳統的塑料材料受限于本身材質並不具備耐高溫的特性要求。

因此,有關廠商首先從現有的塑料材料中挑選幾款特性較佳的塑料材料進行研發,Sumitomo開發出一種新的塑料基板材料(FRP)是目前在各方面性能都能達到塑料基板基本要求的産品,但是最佳的解決方案目前仍依賴更多資源的投入。

驅動背板(Back Plane)

一般主動式的軟性顯示器需要有晶體管(TFT)的配合,因此也需要驅動背板(back plane)。晶體管技術中以無機薄膜晶體管發展較早,其中非晶矽(a-Si)與低溫多晶矽(LTPS)晶體管技術發展也較成熟,近來工研院與三星電子也發展出微晶矽薄膜晶體管(Microcrystalline Si;uC-Si)技術,可減低光罩制程的成本,也是一種受到矚目的無機薄膜晶體管技術。

有機薄膜晶體管(OTFT)是以有機半導體材料取代傳統如矽、鍺等無機材料的技術。有機半導體材料一般可分成三類:小分子(Small Molecular)、高分子(Polymer)與有機金屬錯合物(Complex)。過去10年來,薄膜晶體管的材料都以無機材料爲主,就是因爲相對而言,有機半導體材質的載子移動率(Mobility)太低,因此OTFT的性能,無法達到像無機晶體管一般的表現;兩者的載子移動率差距大,故OTFT被認爲不適合應用于需要高切換速率的裝置上。目前OTFT作業頻率僅能應用于電子紙固定畫面的靜態顯示用途,若要應用在動態畫面顯示,則必須將晶體管的作業頻率提高到1kHz。

OTFT的優點在于可彎曲的材質與制程特性,由于有機材料的結合比矽更具有延展彈性,因此可被制作于軟性基板上,成爲可撓曲的顯示器。不過最重要的是,以往TFT-LCD所采用的是類似半導體的制程,制程溫度高達攝氏200~400度,但OTFT則是采用印刷制程(Printing Process),包括網印(Screen Printing)、噴墨印(Inkjet Printing)及接觸印(Contact Printing)等方法來制作有機薄膜晶體管,制程溫度則不到攝氏100度,適合被發展應用在塑料基板上。此外,OTFT制程技術也能與現行的有激發光顯示介質技術(OLED/PLED)制程兼容,大大提升其應用優勢。

塑料基板上之數組制程技術

就無機薄膜晶體管制程方法來說,目前其技術可分爲兩種方式,一爲直接在塑料基板上制作薄膜晶體管的技術(Direct Technology),另一爲轉貼技術(Transfer Technology)。就OTFT制程方法而言,則以噴墨技術爲主流,主要采用的是印刷制程,包括網印、噴墨印及接觸印等方法來制作。

無機薄膜晶體管制程的直接技術,因受限于塑料基板的耐熱性,故整個制程必需以低溫進行。目前美國的FlexICs已有在塑料基板上成功制作出低溫多晶矽的薄膜晶體管數組,制程溫度低于115℃。此外,轉貼技術是制作薄膜晶體管時,避免塑料基板尺寸變異的另一種方法,其作法是先在玻璃基板上制作薄膜晶體管,再轉貼到塑料基板。轉貼技術以Seiko-Epson的SUFTLA (Surface Free Technology by Laser Annealing)與Sony的Etching Stopper爲代表。

  軟性顯示器結構:   軟性顯示器的主要結構由   基板(Substrate)   中間顯示介質   封裝(Thin Film Encapsulation)三層組成。   軟性顯示器形態分類:   (按照使用的情況區分)   1、具備紙張畫質的軟性顯示器(Paper Replacement):未來所要取代的應用在于書本或是賣場的廣告看板等市場,因此在産品特性上需要具備輕薄、低耗電量的特點,是否需要彎曲的特性則並非是重點,目前合適的技術有LCD、EPD與MEMS。   2、具備微彎曲特性的軟性顯示器(Conformable):低耗電、厚度最好在于0.5mm以下且具備較佳的畫面特性,顯示器彎曲程度的要求不是很高,目前來說EPD、OLED與LCD技術都極爲適合發展。   3、卷曲式的軟式顯示器(Rollable):低耗電、厚度最好在于0.5mm以下且具備較佳的畫面特性,顯示器本身要可以彎曲,甚至可以卷曲帶走,EPD、OLED與LCD技術都極爲適合發展。   從應用的角度分析,具備紙張畫質特性的軟性顯示器本身潛在應用的機會在于戶外看板與賣場的價格卷標;具備微彎的軟性顯示器目前則可以用于更爲廣泛的領域,從電子圖書到移動裝置(Mobile Device)等都有很好的使用機會;至于具備卷曲特性的軟性顯示器則可以用于報紙等相關産品。   (按顯示畫面的複雜度)   可約略分爲單色和彩色的靜態、動態與高階動態等類別。靜態式顯示器主要是以類紙式的顯示器, 可在外部電壓驅動下改變顯示內容;而當無電壓驅動時,也能夠保有原來的畫面內容,也就是具備雙穩態的功能,這類顯示器被歸類爲被動顯示器(Passive Matrix;PM)。另一方面動態顯示器主要強調顯現及時性的動態內容,需要薄膜晶體管的驅動來搭配,被歸類爲主動式(Active Matrix;AM)顯示器,將取代目前如PDA、手機、電視等現有主流的平面顯示器。   市場潛力:   由于軟性顯示器屬于新興顯示器技術,因此在某些産品市場,軟性顯示器的技術很有競爭力,例如手機、PDA、車用顯示器等。此外軟性顯示器另一個切入的應用機會在于一些新的産品,例如智能卡、電子標示顯示器或是軟性電子圖書等産品。從圖中資料顯示,軟性顯示器的市場規模將于2010年達到5億美元,估計到2015年將接近19億美元,其中手機、數字看板、電子圖書與智能卡將是最有機會切入的應用産品。   顯示器介質(Display Media):   液晶(LC)與有機發光二極管(OLED)是一般熟知的顯示介質。由于OLED屬于自發光,具備快速反應、彩色化及無視角的問題,廣泛地受到軟性顯示器研發機構與業界期待。雖然也有些單位持續研究以LCD爲介質的軟性顯示技術,不過LCD的撓曲可靠度不佳,制程問題也相當複雜。   應用在類紙式顯示器上的顯示介質選擇相當多,大致上有電泳顯示器(Electrophoresis Display;EPD)、電致色變顯示器(Electro Chromic Displays;ECD)、扭轉球顯示器(Twisting Ball Display;TBD)、膽固醇液晶顯示器(Cholesteric liquid crystal displays;ChLC)、高速響應液態顯示器(Quick-Response Liquid Power Display;QR-LPD)、電致濕潤技術(Electro-wetting Display;EWD)等等。要達到類紙式顯示器的質量要求,顯示機制必須具備畫面的記憶特性,況且只有在改變畫面時才需要電力,以實現低消耗電力和卷曲依然維持一定程度的顯示質量等特性。   1、電泳顯示器(EPD)是類紙式顯示器較早發展的顯示技術,是利用有顔色的帶電球,藉由外加電場,在液態環境中移動,呈現不同顔色的顯示效果,其代表廠商包括E-Ink與Sipix。日本Bridgestone所推出的高速響應液態顯示器(QR-LPD),其工作原理與EPD相似,只是其成像的物質不是使用帶電球,而是由黑白2色的粉末在電場之間移動産生顯示效果。另外發展較早的膽固醇液晶(ChLC),是一種結構相似于膽固醇分子的液晶。膽固醇反射式顯示器在不加電壓時,可存在兩種穩定的狀態,利用兩個狀態之間的轉換,呈現亮暗態的顯示效果。其它還有強誘電性液晶(Ferroelectric Liquid Crystal;FLC)等。   2、電致濕潤技術(EWD)也是近2年來頗受矚目的新式電子紙技術,特點在于反應速度快、高反射率及高色彩轉換率,且制造過程與液晶兼容,耗電量低。與其它反射式雙穩態技術相較,低電壓雖是其優勢,但EWD卻不具雙穩態特性,應用上受到局限。目前EWD還是以單色産品較爲成熟,全彩或多彩産品的技術仍在研發當中,雖然EWD動畫效果明顯比EPD、ChLC及QR-LPD等反射式顯示技術更爲出色,但還無法脫離反射式顯示器搭配彩色濾光片時、亮度及色彩飽和度下降等問題。   基板三大關鍵技術:    軟性顯示器在結構上最大的特點是可以彎曲,也正是因爲這一特性要求,過去所采用的玻璃基板材質並不是最佳的選擇方案。爲此各國紛紛展開其他材料的基板研究,依照目前發展來看,解決方案一共可分爲3種,開發超薄化玻璃基板、開發塑料基板材料與薄型化金屬基板。   1、薄型化玻璃基板   目前由玻璃工廠所提供最薄的玻璃爲0.5mm,隨著應用不同,面板廠商開始試著將玻璃研磨到0.2mm或是以下的厚度來使用。當厚度低于某種程度之後,玻璃基板開始具備可彎曲的特性,因此部分企業嘗試開發搭配超薄玻璃基板的軟性顯示器。   目前各廠商正積極開發超薄化TFT LCD,薄型化的技術包含了超薄背光板開發、與超薄玻璃基板開發,以Sharp的産品爲例,LCD的面板厚度爲0.89mm,若扣除背光板的厚度約爲0.3mm-0.4mm,玻璃厚度估計只有0.2mm,已經達到具備彎曲的特性。   2、薄型金屬基板技術   所謂的薄型金屬基板,其基板厚度低于0.1mm,采用這樣的基板主要在于金屬基板具備幾個優點:   1).耐高溫制程:目前金屬基板的耐溫性遠高于塑料與玻璃,至少有1000℃以適合各種高溫的制程,與塑料相比,熱膨脹系數(CTE)更爲接近玻璃,因此在電路圖樣定位方面不容易發生問題。   2).具備阻水阻氧的功能:由于金屬基板本身無法穿透空氣與水氣,不像塑料材料易讓水氣及氧氣穿透,所以並不需要進行任何阻水阻氧鍍膜處理,減少處理步驟。   3).具備R2R(Roll-to-Roll)的制程可能性:金屬本身已經具備極佳的延伸性,因此極爲適合利用R2R的生産流程。   4).成本低廉與取得方便:在材料成本方面,目前金屬的價格要比特殊耐高溫的塑料材料低得多(約是塑料的30%),而且用在平面顯示器上時,不需要鍍上許多特殊的防水氣防氧氣保護層,實際運用成本會比用塑料更低。   3、塑料基板材料   雖然薄型化玻璃幾乎已經達到可以商品化的階段,然而過高的抛光成本與無法搭配R2R的制程方式卻是嚴重的致命傷,金屬基板受限于表面處理技術仍有待開發,塑料基板則成爲大多廠商選擇的材料。然而要達到可以商品化的階段,塑料基板要具備下列要求:光學穿透率須達到90%;能夠具備抗高溫的制程與抗UV老化的特性要求;硬度通常需要達到6H以上;對于AMOLED來說ITO阻抗須低于50Ω;阻氧特性至少要達到10cc-5cc/m2,阻水氣則是要達到1ug/m2;表面平滑度須達到2nmRMS之下。   在上述的基板特性要求中,其中最需要解決的問題在于提升塑料基板的耐熱性,然而傳統的塑料材料受限于本身材質並不具備耐高溫的特性要求。   因此,有關廠商首先從現有的塑料材料中挑選幾款特性較佳的塑料材料進行研發,Sumitomo開發出一種新的塑料基板材料(FRP)是目前在各方面性能都能達到塑料基板基本要求的産品,但是最佳的解決方案目前仍依賴更多資源的投入。   驅動背板(Back Plane)   一般主動式的軟性顯示器需要有晶體管(TFT)的配合,因此也需要驅動背板(back plane)。晶體管技術中以無機薄膜晶體管發展較早,其中非晶矽(a-Si)與低溫多晶矽(LTPS)晶體管技術發展也較成熟,近來工研院與三星電子也發展出微晶矽薄膜晶體管(Microcrystalline Si;uC-Si)技術,可減低光罩制程的成本,也是一種受到矚目的無機薄膜晶體管技術。   有機薄膜晶體管(OTFT)是以有機半導體材料取代傳統如矽、鍺等無機材料的技術。有機半導體材料一般可分成三類:小分子(Small Molecular)、高分子(Polymer)與有機金屬錯合物(Complex)。過去10年來,薄膜晶體管的材料都以無機材料爲主,就是因爲相對而言,有機半導體材質的載子移動率(Mobility)太低,因此OTFT的性能,無法達到像無機晶體管一般的表現;兩者的載子移動率差距大,故OTFT被認爲不適合應用于需要高切換速率的裝置上。目前OTFT作業頻率僅能應用于電子紙固定畫面的靜態顯示用途,若要應用在動態畫面顯示,則必須將晶體管的作業頻率提高到1kHz。   OTFT的優點在于可彎曲的材質與制程特性,由于有機材料的結合比矽更具有延展彈性,因此可被制作于軟性基板上,成爲可撓曲的顯示器。不過最重要的是,以往TFT-LCD所采用的是類似半導體的制程,制程溫度高達攝氏200~400度,但OTFT則是采用印刷制程(Printing Process),包括網印(Screen Printing)、噴墨印(Inkjet Printing)及接觸印(Contact Printing)等方法來制作有機薄膜晶體管,制程溫度則不到攝氏100度,適合被發展應用在塑料基板上。此外,OTFT制程技術也能與現行的有激發光顯示介質技術(OLED/PLED)制程兼容,大大提升其應用優勢。   塑料基板上之數組制程技術   就無機薄膜晶體管制程方法來說,目前其技術可分爲兩種方式,一爲直接在塑料基板上制作薄膜晶體管的技術(Direct Technology),另一爲轉貼技術(Transfer Technology)。就OTFT制程方法而言,則以噴墨技術爲主流,主要采用的是印刷制程,包括網印、噴墨印及接觸印等方法來制作。   無機薄膜晶體管制程的直接技術,因受限于塑料基板的耐熱性,故整個制程必需以低溫進行。目前美國的FlexICs已有在塑料基板上成功制作出低溫多晶矽的薄膜晶體管數組,制程溫度低于115℃。此外,轉貼技術是制作薄膜晶體管時,避免塑料基板尺寸變異的另一種方法,其作法是先在玻璃基板上制作薄膜晶體管,再轉貼到塑料基板。轉貼技術以Seiko-Epson的SUFTLA (Surface Free Technology by Laser Annealing)與Sony的Etching Stopper爲代表。
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