柔性显示技术工艺

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)。