柔性顯示技術工藝

塑膠基板特性佳　尺寸穩(wěn)定性為最大挑戰(zhàn)

塑膠基板材料多是有機高分子，在應用上最符合柔性顯示器的概念。選擇塑膠基板材料時，其機械、光學或熱性質必須能符合顯示器的要求，例如為滿足較高的加工或操作溫度，熱膨脹系數(shù)必須要小;光穿透率需大于90%;好的表面性質利于表面薄膜的成形及對于一些常用的有機溶劑有一定的抵抗能力。此外若應用在液晶顯示器時必須具有低的雙折射率，表1為目前較常用于制作柔性顯示器的塑膠基板。在顯示器的工藝中，由于有些步驟需要在較高溫的環(huán)境下完成，因此塑膠基板在高溫下的材料或尺寸穩(wěn)定性成為極重要的參考條件。

玻璃轉變溫度(Tg)即物質在特定溫度下加熱，體積以一定的速率增加，當溫度到達玻璃轉變溫度時，不但分子速率增加且體積膨脹曲線也不連續(xù)。對于無定形高分子在Tg以下的行為類似玻璃，而當溫度上升至Tg以上時，則其轉變成柔軟類似橡膠的性質。對于柔性顯示器的塑膠基板而言，玻璃轉變溫度可視為制造程序中尺寸穩(wěn)定性所能容忍的最高溫度。即使在表1中，部分高分子基板的玻璃轉變溫度都大于200℃，但與玻璃基板比起來，其熱膨脹系數(shù)仍大得多(>50 ppm/℃)，這種情況下，尺寸穩(wěn)定性成為塑膠基板柔性顯示器工藝中的最大挑戰(zhàn)。尺寸變化過大使得光罩對位變得極為困難，也限制了晶體管設計的大小，同時容易在有機與無機材料層界面間產生內應力，導致在彎曲時造成層與層間的剝離。

目前對此問題的解決方式是先對塑膠基板作熱處理(Annealing)，在工藝開始前，塑膠基板經過數(shù)次熱周期使其在冷卻后尺寸收縮率降至數(shù)個ppm后再進行后續(xù)工藝。除尺寸穩(wěn)定性外，在室溫下水氣對一般塑膠基材的滲透率約為0.1～1g/m2/day，遠大于玻璃基板的10-5g/m2/day。有機發(fā)光器件的操作壽命對水氣及氧氣的存在非常敏感，因此塑膠基板阻隔水氧能力會嚴重影響有機發(fā)光器件的壽命，在塑膠基板上鍍Barrier Layer達到阻水氧功能為目前的主要做法。美國Vitex Systems公司研發(fā)由無機層與有機層交錯組合而成的多層結構，稱為Barix Coating，可達到水氣與氧氣滲透度分別小于10-5g/m2/day及10-3 cc/m2/day atm，這是目前文獻上阻隔水氣與氧氣滲透度最佳的工藝。

塑膠基板上的薄膜晶體管工藝

顯示器依據驅動方式可分為無源矩陣式與有源矩陣式兩種，隨著人們對顯示器的需求向大尺寸與高分辨率方向發(fā)展，有源驅動顯示器已成為平面顯示器的主流趨勢。有源式柔性顯示器就材料而言可分為非晶硅(A-Si)、多晶硅(Poly-Si)及有機(Organic)等薄膜晶體管。就工藝方法來說，目前其技術可分為兩種，一為直接技術(Direct Technology)，即直接在塑膠基板上制作薄膜晶體管，另一種為轉貼技術(Transfer Technology)。

直接技術需以低溫工藝進行

直接技術受限于塑膠基板的耐熱性，整個工藝必須低溫進行才不至于損傷基板。表2為不同薄膜晶體管工藝溫度比較。目前美國的FlexICs已在塑膠基板上成功制作出低溫多晶硅的薄膜晶體管數(shù)組，工藝溫度低于115℃。Samaung Electrics則是在PES基板上制作a-Si TFT，其元器件特性遷移率(Mobility)可達0.4 cm2/V-sec，所有工藝溫度也低于150℃。

此外，選擇有機半導體材料制作有機薄膜晶體管也吸引了許多研究機構投入相關研發(fā)。就分子結構來說，有機半導體材料可分為小分子與高分子兩種。Pentacene是最常被采用的小分子有機半導體材料，它可在80～100℃下直接蒸鍍在塑膠基板上，遷移率達0.3～2.2 cm2/V-sec的元器件已成功制作出來，但工藝中需利用到昂貴的真空設備，且晶體管數(shù)組的尺寸無法作大是其亟需克服的問題。

不同于小分子有機半導體材料，高分子有機半導體材料可溶于部分有機溶劑中，故可以液體形式進行加工。目前主要的高分子有機半導體材料有Dihexyl-hexithiophene(DH6T)、Dihexylanthra-dithiophene(DHADT)、Poly(3-hexythiophene)(P3HT)、Poly-9(9dioctylfluorene-co-bithiophene)(F8T2)等。其中P3HT因在大氣環(huán)境下較為穩(wěn)定且遷移率較高而引起較多的注意。溶液工藝(Solution Process)制作方法相對簡單且成本較低，比較符合柔性顯示器的工藝概念。

目前以噴墨法(Inkjet Printing)在塑膠基板上直接制作有機薄膜晶體管為主要發(fā)展方向，圖1為噴墨工藝示意圖，Lucent及DuPont等公司都有相關的研究，Xerox也在2004年4月發(fā)表以其自行開發(fā)的有機半導體(Organic Semiconductor Ink)搭配噴墨法，在PES基板上制作出208×208的OTFT數(shù)組。圖2為其Organic Semiconductor分子結構，此研究的突破點在于其有機半導體可在低溫及大氣環(huán)境下加工，且因有機半導體分子具有Alky Group側鏈，若將此Ink噴印在處理后的PI上，分子排列較為規(guī)則且有方向性，具有Self-assembling的特點，其元器件特性遷移率達0.2 cm2/V-sec且開關頻率(on/off ratio)達108。

轉貼技術通過玻璃基板作為轉載介質

轉貼技術是制作薄膜晶體管時避免塑膠基板尺寸變異的另一種方法，它先在玻璃基板上制作薄膜晶體管，再轉貼到塑膠基板上。整個工藝包含下列幾個步驟：

◆在玻璃基板上制作一Sacrificial Stopper Layer。

◆在此層上制作薄膜晶體管

◆將含薄膜晶體管的玻璃基板黏在

暫時的塑膠載具上

◆移除玻璃基板

去除Sacrificial Stopper Layer

貼上另一塑膠基板

移除塑膠載具

整個工藝如圖3所示。Seiko-Epson與Sony均采用上述方法在塑膠基板上制作a-Si TFT，但目前并沒有商品化的產品問世。

LCD、OLED及電泳顯示為主流柔性顯示技術

目前主要有LCD、OLED及電泳顯示等三種技術可應用在柔性顯示器上?，F(xiàn)階段而言，由于LCD相關研究及機臺設備較為成熟而較占優(yōu)勢;OLED顯示機制上的特性極適合顯示器的應用;電泳顯示因具有雙穩(wěn)態(tài)及省電優(yōu)點，在特定的用途上(如電子紙、電子書、電子標簽等)較有市場。

OLED為柔性顯示最佳介質　阻水氧效能為首要挑戰(zhàn)

全球有許多公司投入OLED顯示器技術的研究，其中日本專注于小分子系統(tǒng)材料(Small Moleculer Material)的有機發(fā)光顯示器(OLED)，而歐美則專注于高分子系統(tǒng)材料(Polymer Material)的有機發(fā)光顯示器(PLED)。