柔性顯示技術(shù)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(jī)高分子，在應(yīng)用上最符合柔性顯示器的概念。選擇塑膠基板材料時(shí)，其機(jī)械、光學(xué)或熱性質(zhì)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(zhì)利于表面薄膜的成形及對(duì)于一些常用的有機(jī)溶劑有一定的抵抗能力。此外若應(yīng)用在液晶顯示器時(shí)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(zhuǎn)變溫度(Tg)即物質(zhì)在特定溫度下加熱，體積以一定的速率增加，當(dāng)溫度到達(dá)玻璃轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，不但分子速率增加且體積膨脹曲線也不連續(xù)。對(duì)于無(wú)定形高分子在Tg以下的行為類似玻璃，而當(dāng)溫度上升至Tg以上時(shí)，則其轉(zhuǎn)變成柔軟類似橡膠的性質(zhì)。對(duì)于柔性顯示器的塑膠基板而言，玻璃轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變溫度都大于200℃，但與玻璃基板比起來(lái)，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(guò)大使得光罩對(duì)位變得極為困難，也限制了晶體管設(shè)計(jì)的大小，同時(shí)容易在有機(jī)與無(wú)機(jī)材料層界面間產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致在彎曲時(shí)造成層與層間的剝離。

目前對(duì)此問(wèn)題的解決方式是先對(duì)塑膠基板作熱處理(Annealing)，在工藝開始前，塑膠基板經(jīng)過(guò)數(shù)次熱周期使其在冷卻后尺寸收縮率降至數(shù)個(gè)ppm后再進(jìn)行后續(xù)工藝。除尺寸穩(wěn)定性外，在室溫下水氣對(duì)一般塑膠基材的滲透率約為0.1～1g/m2/day，遠(yuǎn)大于玻璃基板的10-5g/m2/day。有機(jī)發(fā)光器件的操作壽命對(duì)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(huì)嚴(yán)重影響有機(jī)發(fā)光器件的壽命，在塑膠基板上鍍Barrier Layer達(dá)到阻水氧功能為目前的主要做法。美國(guó)Vitex Systems公司研發(fā)由無(wú)機(jī)層與有機(jī)層交錯(cuò)組合而成的多層結(jié)構(gòu)，稱為Barix Coating，可達(dá)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(xiàn)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(jù)驅(qū)動(dòng)方式可分為無(wú)源矩陣式與有源矩陣式兩種，隨著人們對(duì)顯示器的需求向大尺寸與高分辨率方向發(fā)展，有源驅(qū)動(dòng)顯示器已成為平面顯示器的主流趨勢(shì)。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(jī)(Organic)等薄膜晶體管。就工藝方法來(lái)說(shuō)，目前其技術(shù)可分為兩種，一為直接技術(shù)(Direct Technology)，即直接在塑膠基板上制作薄膜晶體管，另一種為轉(zhuǎn)貼技術(shù)(Transfer Technology)。

直接技術(shù)需以低溫工藝進(jìn)行

直接技術(shù)受限于塑膠基板的耐熱性，整個(gè)工藝必須低溫進(jìn)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(guó)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(dá)0.4 cm2/V-sec，所有工藝溫度也低于150℃。

此外，選擇有機(jī)半導(dǎo)體材料制作有機(jī)薄膜晶體管也吸引了許多研究機(jī)構(gòu)投入相關(guān)研發(fā)。就分子結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，有機(jī)半導(dǎo)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(jī)半導(dǎo)體材料，它可在80～100℃下直接蒸鍍?cè)谒苣z基板上，遷移率達(dá)0.3～2.2 cm2/V-sec的元器件已成功制作出來(lái)，但工藝中需利用到昂貴的真空設(shè)備，且晶體管數(shù)組的尺寸無(wú)法作大是其亟需克服的問(wèn)題。

不同于小分子有機(jī)半導(dǎo)體材料，高分子有機(jī)半導(dǎo)體材料可溶于部分有機(jī)溶劑中，故可以液體形式進(jìn)行加工。目前主要的高分子有機(jī)半導(dǎo)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(duì)簡(jiǎn)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(jī)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(guān)的研究，Xerox也在2004年4月發(fā)表以其自行開發(fā)的有機(jī)半導(dǎo)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(jié)構(gòu)，此研究的突破點(diǎn)在于其有機(jī)半導(dǎo)體可在低溫及大氣環(huán)境下加工，且因有機(jī)半導(dǎo)體分子具有Alky Group側(cè)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(diǎn)，其元器件特性遷移率達(dá)0.2 cm2/V-sec且開關(guān)頻率(on/off ratio)達(dá)108。

轉(zhuǎn)貼技術(shù)通過(guò)玻璃基板作為轉(zhuǎn)載介質(zhì)

轉(zhuǎn)貼技術(shù)是制作薄膜晶體管時(shí)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(zhuǎn)貼到塑膠基板上。整個(gè)工藝包含下列幾個(gè)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(shí)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(gè)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(méi)有商品化的產(chǎn)品問(wèn)世。

LCD、OLED及電泳顯示為主流柔性顯示技術(shù)

目前主要有LCD、OLED及電泳顯示等三種技術(shù)可應(yīng)用在柔性顯示器上。現(xiàn)階段而言，由于LCD相關(guān)研究及機(jī)臺(tái)設(shè)備較為成熟而較占優(yōu)勢(shì);OLED顯示機(jī)制上的特性極適合顯示器的應(yīng)用;電泳顯示因具有雙穩(wěn)態(tài)及省電優(yōu)點(diǎn)，在特定的用途上(如電子紙、電子書、電子標(biāo)簽等)較有市場(chǎng)。

OLED為柔性顯示最佳介質(zhì)　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(shù)的研究，其中日本專注于小分子系統(tǒng)材料(Small Moleculer Material)的有機(jī)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(jī)發(fā)光顯示器(PLED)。