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软性显示器之技术发展现况与挑战
软性新世代

【作者: 林家興】2008年12月04日 星期四

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影像显示是台湾「两兆双星」产业主轴之一,根据工研院产经中心统计,2007年台湾平面显示器面板总产值达403亿美元,已超越韩国的345亿美元以及日本的225亿美元,成为名符其实的平面显示器第一大国。同时,2007年台湾平面显示器产业总产值达1.78兆元新台币,年成长率达39.8%。足见显示产业之重要性。然而在高产值光环背后,却隐藏着低获利之隐忧。究其原因,上游关键材料、设备自主性不足,以及缺乏终端品牌的支持,均影响本土厂商之获利能力。预期未来国内厂商将积极进行产业链垂直整合以扩大产业竞争力。另一方面,以新兴显示技术开创新的蓝海市场,则是扩大平面显示器市场需求之前瞻作法。在各种新兴显示技术中,软性显示器(flexible display)可说是最受注目的一支,因其在产品应用上可与现行支配平面显示器市场的TFT LCD技术作一明显区隔。本文将针对软性显示器之技术发展趋势与产品应用作一简单介绍。


软性显示器技术简介

软性显示器之类型

软性显示器系指以柔软的塑胶、玻璃薄板或金属薄片等软性基板取代玻璃基板来制作的平面显示器。由于软性基板具有轻薄柔软、耐冲击、可弯折等机械特性,故可提供现有平面显示器所不能达到的使用型态。如图一,软性显示器的使用形态依其弯曲之曲率半径大小,可进一步区分为平面型(flat)、一次弯曲型(conformable)、多次弯折型(bendable)、以及卷轴型(rollable)等型式。依据不同之应用,选择适合之使用型态,而有不同之技术组合。


《图一 软性显示器之使用形态》
《图一 软性显示器之使用形态》

软性显示器的结构包括上下基板、显示介质以及驱动显示介质的背板电路。同时,在显示系统上亦须将结构简化或搭配特殊结构,例如微杯(microcup)或微胞化胶囊(microencapsulation),并减少零组件之使用,以符合软性显示器在机械特性上可挠曲、可弯折之需求。图二显示各种可能之基板、显示介质与背板电路之技术组合。



《图二 软性显示器之可能技术组合》
《图二 软性显示器之可能技术组合》

软性显示介质技术

软性显示介质可依光作动方式区分为穿透式(transmissive)的液晶显示器(Liquid Crystal Display, LCD),及自发光式(emissive)的有机发光二极体显示器(Organic Light Emitting Display, OLED),此二种技术均已于玻璃基板上获得实用。此外,反射式(reflective)显示技术则包括电泳显示(Electrophoretic Display, EPD)、电子粉流体显示(Quick Response- Liquid Powder Display, QR-LPD)、胆固醇液晶(Cholesteric Liquid Crystal Display, Ch-LCD)、双稳态向列显示(BiNem Display)和电致湿润显示(Electrowetting Display, EWD)等。除电致湿润显示以外,其它反射式显示介质皆具备记忆特性,也就是只有在改变画面时才需要电力,此一特性称之为『双稳态』(bistable),可实现低耗电之省能特性。表一显示上述各种软性显示介质技术之特性与性能比较,以下分别介绍LCD、OLED外之各种新型软性显示介质技术:


(表一) 各种软性显示介质技术比较 (资料来源:工研院显示中心综合整理)

Technology

LCD

OLED

EPD

Ch-LCD

QR-LPD

BiNem

EWD

Company

Samsung,
Sharp,SONY, Toshiba, ITRI

UDC,Kodak Samsung,
Samsung SDL, LG Display, SONY, Seiko Epson, Philips

E-INK, SIPix Toppan Printing, Seiko Epson, LG, Samsung, PVI, Polymer Vision, Plastic Logic

Kent Display, Fujitsu, ITRI, Fuji Xerox, MagInk

Bridgestone,
Hitachi

Nemoptic

Liquavista U. Cincinnati ITRI

Light Mechanism

Transmissive

Emissive

Reflective

Reflective

Reflective

Reflective

Reflective/ Transmissive

Bistability

NG

NG

Bistable

Bistable

Bistable

Bistable

NG

Adressing

AM

AM

AM/PM

PM

PM

PM

AM

R2R

NG

NG

Compatible

Compatible

Compatible

NG

Possible

Other
Features

.Color Filter/Backlight/Polarizer Needed
.Complicatec Strucute

. Color Filterless
. Reliability Issue
. Scale-up of Display Size

. High Reflectivity
. High B/W Contrast
. Need Color Filter

.Color Filterless
. High Driving Voltage
. Need Color Filter
. B/W Contrast

High Response Time
. High Dviving Voltage
. Need Color Filter

. No Polarizer
. High B/W Contrast

. High Response Time
. Color-Filterless


电泳显示 (Electrophoretic Display, EPD)

电泳显示器系将黑、白两色的带电颗粒封装于微胞化液滴结构中,藉由外加电场控制不同电荷黑白颗粒之升降移动,以呈现黑白单色之显示效果,代表厂商是美国E-Ink与Sipix。由于EPD技术可呈现出高反射率、高对比的黑白显示效果,因此十分适合应用于电子书、电子纸等取代纸张之应用。目前包括韩国Samsung、LG、日本Seiko Epson、凸版印刷以及台湾元太科技等均与E-INK合作投入EPD显示器之开发。


电子粉流体显示 (QR-LPD)

电子粉流体显示技术为日本Bridgestone所发表,显示介质为树脂经过奈米级粉碎处理,产生黑色与白色不同电荷粉体,将粉体填充于空气介质之微杯结构中,利用上下电极电场使黑白粉体在空气中发生电泳动现象,其中控制粉体的操作电压为实际应用时重要的议题。由于使用空气作为电泳粉体之介质,所以QR-LPD具有高反应速度,最快可达到0.2 ms。但需要高电压来驱动电子粉流体为其缺点,使得在耐高电压的TFT元件尚未开发成功之下,电子粉流体目前只能以被动式(PM)的方式来驱动电子粉流体。


胆固醇液晶 (Ch-LCD)

胆固醇液晶技术之研发机构包括美国Kent Display Inc.、日本Fujitsu、Fuji Xerox及台湾的工研院,胆固醇液晶为一种呈螺旋状排列之特殊液晶模式,藉由在向列型液晶中加入旋光剂( chiral dopant)来达成此一特殊排列结构,并利用胆固醇液晶分子在不同电位下呈现planar(反射)与focalconic(透过)两种不同偏极光旋转状态来达成显示效果。胆固醇液晶属于反射式显示器,利用外界环境光源来显示影像,不需背光源,同时具有双稳态特性,所以胆固醇液晶亦同样非常省电。另一方面,胆固醇液晶可藉由添加不同旋转螺距(pitch)的旋光剂,调配出红、绿、蓝等颜色,达到彩色化显示的需求。


双稳态向列显示 (BiNem Display)

双稳态向列液晶显示技术由法国Nemoptic所开发,该技术使用向列型(Nematic)液晶,显示面板是采用两种底板,其液晶分子保持力不一致,当长时间施加某一额定电压时,液晶分子会相对于底板呈垂直竖立状态,此时,若将电压值急速降至零,强保持力底板周围的液晶分子便会拉向倒下的方向,而弱保持力底板周围的液晶分子则呈反方向倒下,而处于底板中间位置上的液晶分子则会产生扭曲角度。如果分两步进行缓慢解除加电状态操作,液晶分子便会因弹性能力减弱而倒向同一个方向,不会产生扭曲角度。在这两种状态下,一种显示为黑,另一种则显示为白,基本上形成了双稳态显示。通过在第二步改变解除电压时的电压幅度,黑色区域和白色区域的比率就会发生变化,即可调制出中间色调。


电致湿润显示 (EWD)

电致湿润显示技术之主要投入厂商为由荷兰Philips所衍生成立的Liquavista。面板结构由透明电极、绝缘膜、着色油滴和水所组成,在不加电压状态下,着色油滴覆盖绝缘膜整体,面板呈现油滴的颜色;载入电压后,绝缘膜从疏水性转变为亲水性,使油膜缩聚而脱离绝缘膜表面,藉由改变油膜脱离量来控制灰阶。若在面板下配置白色反射板,可作为反射型显示器使用,与其他反射式双稳态技术相较,低电压是优势,且反应速度快、高反射率及高色彩转换率,但EWD不具双稳态特性,应用上有所受限。


软性背板技术

软性背板驱动技术可分为被动式与主动式技术两种,背动式阵列(Passive Matrix, PM)系以上下基板互相垂直排列的导线之导通来点亮画素,其结构较为简单且制作成本低廉;相对的主动式阵列(Active Matrix, AM)则需在每一个画素电极上配置薄膜电晶体(Thin Film Transistor, TFT)主动元件,来决定画素的点亮。相较于QR-LPD、Ch-LCD等以PM驱动之软性显示介质,以AM背板驱动具有低驱动电压、高解析度、可显示动画的高反应速度(video response time)以及高可靠度等优点,因此更适合应用于高附加价值、高阶电子装置之应用。一般而言,LCD、OLED、EPD、EWD等显示介质技术皆适合以AM背板驱动,而可用于软性显示器之AM背板技术包括使用无机半导体材料的非晶矽薄膜电晶体(a-Si TFT )、微晶矽薄膜电晶体(C-Si TFT)、低温多晶矽薄膜电晶体(LTPS)、金属氧化物薄膜电晶体(MOx TFT);以及有机半导体薄膜电晶体(OTFT)。表二所列为上述各种软性AM背板驱动技术之比较。关于各式AM背板技术介绍则分述如下:


(表二) 各种软性AM背板驱动技术之比较 (资料来源:工研院显示中心综合整理)

Technology

OTFT

a-Si TFT

uC-Si TFT

MOx TFT

LTPS

Players

SONY, HP, PARC, Polymer Vision, Plastic Logic

Samsung, LG Display, Sharp, PVI, ITRI

Samsung, ITRI

LG Electronics, Samsung

Samsung SDI, Seiko Epson, Toshiba, SONY

Process

Solution Coating
LJP/Printing

CVD/Sputter Photolithography

CVD Photolithography

CVD/Sputter Photolithography

CVD/Sputter Crystallization Photolithography

Mobility

0.01~0.5

0.1~0.7

0.1~20

5~20

50~300

Stability

Poor

Poor

Good

Good

Good

Uniformity

Fair

Good

Good

Good

Poor

Properties

. Atmosphere process
. Compatibility with plastic substrate
. Possible R2R Process

. Vacuum Process
. Batch Process

. Vacuum Process
. Batch Process

. Vacuum Process
. Batch Process
. Low Temp. Process

. Vacuum Process
. Batch Process
Driving Circuit Integration
. Cost Issue

Demo.

SID’07 SONY
2.5” 80皮皮 OTFT/OLED

SID’07 Philips
4” 100屁屁啊-Si/OLED

SID’06 Samsung
14.1” UC-Si/OLED

SID’07 LG
3.5” IGZO/OLED

IMID’07 Samsung SDI
4” 150皮皮 LTPS/OLED


无机AM背板技术

由于在玻璃基板上制作a-Si TFT来驱动LCD的技术取得了很大的成功,因此,对于具有TFT量产经验的面板厂商而言,将无机TFT制作技术转移至软性基板上以切入软性显示器研发是十分合理之尝试。考虑到塑胶基板具有较低的玻璃转移温度(glass transition temperature, Tg),因此,需以较低温之电浆辅助化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)或溅镀(sputter)等方法沉积矽基或其它半导体薄膜,再以黄光微影(photolithography)、蚀刻(etching)等半导体制程制作成TFT阵列。直接低温制程之技术挑战,在于以200℃左右的制程,控制塑胶基板变形量所造成的图形偏移,制作出符合AM背板驱动特性需求的TFT阵列。以直接TFT制程技术进行开发的厂商或机构包括韩国Samsung、LG Philips、日本Sharp、美国FDC(Flexible Display Center)、HP、以及台湾元太科技与工研院等。


如表二所示,以不同半导体材料作为主动层之TFT元件具有不同特性表现,例如a-Si TFT制程简单、成本低廉且元件均匀性较佳,可用于驱动LCD或EPD等显示介质,但载子迁移率(carrier mobility)较低,同时可靠度较差,较不适合用于驱动OLED;而低温多晶矽(Low Temperature Poly Silicon, LTPS),虽具有较高的迁移率与可靠度,但仍有元件均匀性不佳与制程成本较高之问题,用于驱动OLED之技术亦有待开发中。近期较受瞩目的技术则包括微晶矽(Micro-Crystal Silicon, C-Si)与金属氧化物(Metal Oxide , MOx)TFT技术,以近似于a-Si TFT之低温制程与成本,得到兼具a-Si TFT之均匀性与LTPS TFT之高迁移率与可靠度,极有潜力应用于驱动OLED显示介质。


除了直接制程技术之外,另有将玻璃基板或矽基板上之TFT元件转贴到塑胶基板的转贴技术(transfer process)。如日本SONY尝试将TFT贴附于暂时的载板,以蚀刻法移除玻璃基板后,再将TFT阵列转贴至塑胶基板;日本Seiko Epson则以雷射剥离法开发SUFTLA(Surface Free Technology by Laser Ablation )技术。使用转贴技术虽可得到元件特性优于直接低温制程的TFT阵列,却有制程繁琐、低良率与成本过高等缺点。其它技术尝试尚包括以超薄玻璃制作软性TFT阵列,如日本Seiko Epson与Sharp均尝试使用厚度50m的超薄玻璃制作软性TFT,完成之LCD可略为弯折,达到一次弯曲之显示器型态。另一方面,韩国LG Philips则持续开发在不锈钢金属基板上制作a-Si TFT技术,并用以驱动软性OLED显示器。


有机AM背板技术

近年来有机薄膜电晶体(Organic Thin Film Transistor, OTFT)在电性的提升已有显著进步,不论是在载子迁移率与开关电流比(On/Off current ratio)上均可达到近似于a- Si TFT之效能表现。 OTFT系以小分子(如pentacene)或共轭高分子(如Poly-3-hexylthiopene, P3HT)等有机材料作为元件主动层,可以低于200℃以下之温度制作,同时与塑胶基板有类似的机械性质,故而更有机会朝向弯曲型与卷轴型的软性显示器开发。


目前使用真空蒸镀或溶液制程之小分子材料制作OTFT之厂商或机构包括韩国Samsung与ETRI、日本SONY与NHK、美国3M、荷兰Polymer Vision以及台湾工研院;另一方面,使用溶液制程之高分子材料制作OTFT之厂商或机构则包括美国PARC、英国Plastic Logic以及台湾工研院。以溶液涂布成膜技术制作OTFT元件,易于与喷印(Ink Jet Printing, IJP)或其它印制技术搭配,减少光罩数目与真空蒸镀设备之使用,未来更可近一步搭配卷对卷(roll to roll)制程,对降低软性AM背板之制造成本有很大的效益,如美国PARC便预测制造成本可借此降低至传统半导体制程的十分之一,将会对电子产业产生革命性的影响。


技术发展趋势与挑战

软性显示介质技术

由历年各家技术原型展示发表趋势,可发现AM驱动之软性显介质技术由LCD逐渐演变为往EPD技术开发。推测系由于LCD之结构较为复杂,需同时整合软性上下板、背光、光学膜等零组件,故仍存在相当之困难度,最大显示尺寸也只停留在韩国Samsung于2006年所发表的7吋。而自2005年起,开始出现以AM背板搭配结构简单的EPD,目前显示面积可达到A4(约14吋),解析度为符合电子书显示文字需求,约为120~180 dpi。另一方面,随着OLED技术发展的逐渐成熟,也开始出现部份软性AMOLED技术之开发​​,显示面积约在2.5~4吋。


在PM驱动之软性显示介质技术方面,包括BiNem、Ch-LCD、QR-LPD等技术均持续发展并逐步改善其显示特性,显示面积普遍可达到A4,日本Bridgestone甚至于2007年底发表A3尺吋(约21吋)的QR-LPD面板。


对反射型软性显示介质而言,开发彩色化之反射型面板亦是重要之课题,目前EPD、BiNem、QR-LPD技术均以外贴彩色滤光片(color filter)方式达成彩色化,普遍存在反射率过低之问题,且黑色颗粒亦会导致色纯度之降低。可行之解决方法是开发彩色颗粒直接填入微胞或微杯结构中,但其良率仍有待克服。另一方面,Ch-LC技术虽不需外贴彩色滤光片即可达成彩色化,仍因反射率过低而使亮度、对比无法提升,可行之解决手段包括以R、G、B三层胆固醇液晶层堆叠,或同时添加左旋、右旋之旋光剂来提高反射率。


对新型反射显示介质而言,开发卷对卷制程(roll to roll)生产显示介质也是另一主要趋势,有别于现行平面显示器采批式生产,卷对卷制程亦于与软性基板搭配,并有助于以低廉成本进行大面积生产,由目前开发厂商之规划,包括EPD、Ch-LCD、QR-LPD均有朝向卷对卷连续式生产之规划。


软性背板技术

目前AM软性背板之技术开发仍以直接低温TFT制程为主流,薄化玻璃TFT技术需克服玻璃易碎裂问题,而使其挠曲程度与应用性受限;至于转贴技术则有制程复杂与成本较高之缺点,因此这两项技术开发已逐渐淡出。对直接低温软性TFT制程而言,除了将基板由玻璃置换为软性的塑胶或金属基板外,基本上玻璃基板TFT之制作流程、生产设备与材料均可沿用,研发问题则锁定于基板传送、低温制程、基板变形控制与元件特性提升等。


表三显示各种软性基板贴附(lamination)技术比较,由于目前仍以批式制程制作TFT元件,因此仍须将机械性质柔软的软性基板贴附于玻璃载板上,再进行后续之薄膜、黄光微影、蚀刻等制程。基板贴附所用胶材可说十分关键,既需维持一定的附着力与抗化学性,可以承受上述制程并维持软性基板之平整,同时又可以在制程完成后轻易取下而不致破坏TFT元件结构。另一种尝试则如荷兰Philips所采用的EPLaR(Electronics on Plastic by Laser Release)技术,以旋转涂布法在玻璃载板上形成PI薄膜,于PI薄膜上完成TFT制程后,再从玻璃载板背面以雷射照射方法使PI薄膜分离。 EPLaR技术不需使用贴附胶材,可避免因贴附所产生之气泡或其它缺陷,同时具有PI基板取下方法简单之优点,目前国内已有元太科技向Philips技转此技术,并应用于软性AM EPD显示器之制作。


除了沿用传统的批式TFT制程外,也出现以卷对卷方式制作TFT之尝试,例如美国HP便提出可与卷对卷连续制程搭配之SAIL (Self Assembly Imprint Lithography)技术,系以压印( imprint)技术取代传统的多道黄光微影制程,搭配适当的多道蚀刻控制,可有效解决传统卷对卷制程黄光制程对位不易之问题,同时具备低成本优势。


在OTFT技术开发方面,以软性OTFT驱动单色EPD之技术组合已迈向产品实用化之阶段。如英国Plastic Logic于20​​07年初宣布募得1亿美元资金,将在德国德勒斯登兴建一条OTFT生产线,预计于2008年开始量产用于电子书之AM OTFT EPD显示器。荷兰Polymer Vision则是利用英国Innos生产线进行AM OTFT EPD显示器之量产,并于2007年底推出可弯折之显示器产品”Readius”。


目前OTFT开发之主要技术挑战,包括藉由有机材料与元件结构之最佳化来提升OTFT元件之载子迁移率与可靠度,以提升开口率并符合驱动OLED之需求;藉由降低绝缘层厚度与提高介电常数来降低元件的起始电压(threshold voltage);开发性质稳定的N-type材料,以符合CMOS电路之需求;此外,除了有机主动层材料外,开发有机电​​极层与有机绝缘层,以朝向全有机化元件制作技术之开发​​,以期发展真正可弯曲、可卷曲的软性显示背板。



《表三 各种软性基板贴附技术比较 (数据源:工研院显示中心综合整理)》
《表三 各种软性基板贴附技术比较 (数据源:工研院显示中心综合整理)》

产品应用趋势

图三为市调机构DisplaySearch于2008年所公布之最新软性显示器市场预测,根据DisplaySearch的预估数字,软性显示器在技术发展初期将以e-Reader电子书阅读器、POP广告(包含Digital Signage电子看板)、及可携式显示产品三大应用领域进入市场,直到2015年,这三项产品仍占市场产值之大部分,伴随着少部分包括玩具、Shelf Label货架标签、以及Smart Card智慧卡等产品应用。由于在2007年,包括电子书阅读器、POP广告及手机等软性显示器应用产品纷纷进入市场并贡献2.38亿美元的产值,故软性显示器之市场预估数字亦出现相当幅度之成长,以2015年预估产值为例,2008年之预估数字为40亿美元,较2007预估值的24亿美元成长将近一倍,可见市调机构对于软性显示器的市场看法已更为趋于乐观,预估在未来七年内均可维持20%以上的高年成长率。需注意即使在2015年可达40亿美元产值,此一数字仍仅占FPD年总产值的3%左右,表示软性显示器仍有相当漫长的路要走。



《图三 软性显示器之市场预测(数据源:DisplaySearch 2008)》
《图三 软性显示器之市场预测(数据源:DisplaySearch 2008)》

工研院软性显示技术发展概况

目前台湾软性显市技术研发仍以工研院为最主要之投入机构,图四为近期工研院显示中心所发表之软性双稳态胆固醇液晶显示器原型,包括采用新型单层彩色化结构设计的10.4吋QVGA彩色胆固醇液晶显示器,以及可用卷对卷技术制作生产的3.5吋×13.5吋单色显示器。利用胆固醇液晶显示器不需背光、省能、低成本、可大面积生产等优点,未来将朝向大面积电子标牌、电子情境墙等广告用途开发。另一方面,显示中心亦持续投入高阶主动型软性显示器之研发,图五所示为近期所发表之7吋VGA软性a-Si TFT LCD显示器原型。


《图四 工研院显示中心所发表之单色与彩色软性胆固醇液晶显示器原型》
《图四 工研院显示中心所发表之单色与彩色软性胆固醇液晶显示器原型》
《图五 工研院显示中心所发表之软性a-Si TFT LCD显示器原型》
《图五 工研院显示中心所发表之软性a-Si TFT LCD显示器原型》

结论

目前软性显示器的技术发展仍呈现百家争鸣之态势。包括AM、PM等背板驱动技术,以及各种穿透型、自发光型、反射型显示介质技术,均仍持续进行研发。对于仍处于盟芽期的软性显示器技术而言,在技术突破与开发同时,找到对应的产品应用,投入于LCD技术所无法替代的市场,可说是技术存活的根本关键。软性显示技术优势之一在于轻薄、省电、耐冲击,在技术发展过程中,应发挥这些特性,往超越LCD、PDP之更大尺寸发展,避免在显示画质上与既有技术竞争。在显示画质取得进步后,可以开始着重软性面板可弯折、易收纳之优势,进一步与各种可携式产品结合,创造全新的使用形态,以丰富未来行动生活与数位生活的内涵。


(本文由工研院显示中心提供)


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