可彎曲AMOLED面板量產(chǎn)挑戰(zhàn)已逐步獲得解決。近期各大顯示器制造商已陸續(xù)發(fā)布可彎曲AMOLED面板原型,且在基板材料、TFT技術(shù)、封裝與制程技術(shù)等關(guān)鍵量產(chǎn)挑戰(zhàn)上,也已掌握可行的解決方向,可望加快可彎曲AMOLED面板商用。
主動(dòng)式有機(jī)發(fā)光二極體顯示器(Active Matrix Organic Light-Emitting Diode Display, AMOLED)屬于自發(fā)光的顯示技術(shù),結(jié)構(gòu)較使用背光源的液晶顯示器(LCD)簡(jiǎn)單,且能達(dá)到輕、薄、高亮度以及反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),因此非常適合軟性顯示器應(yīng)用。
然而,在可彎曲(Flexible)AMOLED的商品化過(guò)程中,仍有數(shù)個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題尚待克服,包括基板材料、薄膜電晶體(TFT)技術(shù)、封裝技術(shù),以及制程技術(shù)等,本文將分析這些關(guān)鍵問(wèn)題的現(xiàn)況以及可能的解決方法。
可彎曲AMOLED原型陸續(xù)出籠
近幾年來(lái),可彎曲AMOLED技術(shù)快速發(fā)展,各大顯示器廠商陸續(xù)推出驗(yàn)證可行的雛型品(Prototype)。以樂(lè)金顯示(LGD)為例,在2007年該公司采用不銹鋼薄板為基板,并以金屬氧化物薄膜電晶體(MOTFT)技術(shù)來(lái)制造該公司的AM背板,開(kāi)發(fā)出3.5寸可彎曲AMOLED的雛型品。
2010年索尼(Sony)采用PES或PEN的塑膠基板,搭配有機(jī)薄膜電晶體(OTFT)所構(gòu)成的AM背板,制造出可彎曲AMOLED顯示器,其卷曲半徑可達(dá)4毫米(mm),且于十萬(wàn)次卷曲后,仍能保持影像品質(zhì)。
在***方面,工研院亦驗(yàn)證出6寸的可彎曲AMOLED顯示器,基板為改質(zhì)的透明且可耐高溫的PI塑膠基板,控制陣列采用非晶硅薄膜電晶體,制程方面則是將PI基板貼合于玻璃板上,再采用硬式元件的加工程序。
三星(Samsung)同樣使用PI基板,但是制程上系將液態(tài)PI軟性涂料涂布于玻璃上,然后再于玻璃上制作低溫多晶硅(Low Temperature Poly-silicon, LTPS)的薄膜電晶體,完成4.5寸全彩(800×480)的可彎曲AMOLED。
商品化面臨四大挑戰(zhàn)
雖然目前可彎曲AMOLED技術(shù)已蓬勃發(fā)展,然而,實(shí)際商品化仍面臨許多障礙,其中可歸納出以下四個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
軟性基板材質(zhì)要求高
可彎曲AMOLED應(yīng)用對(duì)軟性基板性質(zhì)的要求,包括高阻水氧能力(避免顯示器與水氧反應(yīng)而劣化)、高光穿透度(可適用于下發(fā)光式顯示器)、高耐化性(避免基板受AMOLED制程的溶劑與反應(yīng)氣體影響)、高耐溫性(避免基板受AMOLED的加溫制程破壞)、高機(jī)械強(qiáng)度(耐沖擊性與耐撓曲性)、低熱膨脹系數(shù)(避免基板于AMOLED的加溫制程中受熱變形)及輕量化等。
目前主要有三種軟性基板可供可彎曲AMOLED使用,分別為玻璃、金屬箔及塑膠基板,主要性質(zhì)的比較如表1所示,三種基板的現(xiàn)況與挑戰(zhàn)分別詳述如下。
易碎、不易變薄 玻璃基板應(yīng)用居劣勢(shì)
玻璃具有高阻水氧能力、高光穿透性、高耐化性及高耐溫性等優(yōu)點(diǎn),但若欲達(dá)到可撓曲性,則厚度必須在100微米(μm)上下。
玻璃基板的問(wèn)題在于機(jī)械性質(zhì)與成本。在超薄厚度下,玻璃基板極易受外力撞擊而碎裂;且因玻璃的剛脆本質(zhì),即使厚度超薄,可撓曲程度仍屬有限。另外,超薄玻璃基板的制造需精密加工技術(shù),成本難以壓低。因此,若與其他軟性基板材質(zhì)相較,玻璃基板于可彎曲AMOLED的應(yīng)用較居劣勢(shì),目前超薄軟性玻璃基板供應(yīng)商有旭硝子玻璃(Asahi Glass)及康寧(Corning)等廠商。
制程復(fù)雜、成本高 金屬箔基板適用性降低
金屬箔基板具有高耐溫性、高抗化性、高機(jī)械強(qiáng)度及高阻水氧能力等優(yōu)點(diǎn),金屬材料中以不銹鋼為目前使用最廣的軟性基板材料。不銹鋼基板的缺點(diǎn)包括不透光(不適用于下發(fā)光式AMOLED)、重量大(不適于可攜式顯示器)、撓曲度尚可(不及塑膠基板)及成本略高等。
此外,因受機(jī)械加工程序影響,不銹鋼基板表面的粗糙度,遠(yuǎn)大于顯示器應(yīng)用的所需,因此必須研磨拋光或于表面涂布一層平坦層后,才能進(jìn)行后續(xù)制程。并且,不銹鋼基板為導(dǎo)體,無(wú)法絕緣其上的AMOLED元件,因此必須于其上添加一絕緣層。此等基板前處理程序使制程復(fù)雜度與制造成本大幅增加,降低金屬箔基板于可彎曲AMOLED的適用性。
兼具多元優(yōu)勢(shì) 塑膠基板采用度最高
塑膠基板具有前兩類基板難以抗衡的幾種優(yōu)點(diǎn)組合,包括低成本、高撓曲性、輕量化和高透光性等,因此為目前最廣為使用的可彎曲AMOLED基板,也是可彎曲AMOLED未來(lái)商品化發(fā)展中,最具優(yōu)勢(shì)的基板材料。然而,塑膠基板仍有數(shù)項(xiàng)關(guān)鍵問(wèn)題須克服,包括較差的熱性質(zhì)與較低的抗化性等。
熱性質(zhì)的問(wèn)題可分為兩方面,分別為熱膨脹與耐熱性。塑膠基板的熱膨脹系數(shù)約60?70ppm/℃,遠(yuǎn)大于一般無(wú)機(jī)材料約5ppm/℃,而面板制程中含有多道無(wú)機(jī)材料薄膜的沉積制程,例如前段制程中的TFT元件制程,因此極易因熱膨脹系數(shù)差異過(guò)大,導(dǎo)致塑膠基板的變形或彎曲,甚至造成無(wú)機(jī)薄膜剝落等問(wèn)題。
此外,面板制程中通常包含高溫制程,例如TFT制程約250?300℃,而多數(shù)塑膠基板的軟化溫度在該溫度之下,因此造成基板材料選用的限制。在抗化性方面,塑膠基板易受面板制程中所使用的有機(jī)或腐蝕溶劑侵蝕,影響后續(xù)制程設(shè)計(jì)的彈性。
表2為數(shù)種主要塑膠基板材料熱性質(zhì)、光穿透度與抗化性的比較。由表中資料可知,主要塑膠基板材料中,以PET與PEN的綜合性質(zhì)較佳;此二種基板系于成膜過(guò)程中,施以雙軸應(yīng)力而大幅提高結(jié)晶度,使其軟化溫度提高、熱膨脹系數(shù)下降且抗化性增強(qiáng)。
若欲更進(jìn)一步改善塑膠基板的熱性質(zhì)與抗化性,除持續(xù)開(kāi)發(fā)性質(zhì)較佳的高分子材料外,亦可利用現(xiàn)有高玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)的塑膠基板材料,經(jīng)由化學(xué)改質(zhì)調(diào)控表面性質(zhì)或機(jī)械加工調(diào)控結(jié)晶度,使熱膨脹系數(shù)降低,耐熱性提高。
薄膜電晶體四大技術(shù)各具優(yōu)缺點(diǎn)
AMOLED控制陣列所使用的薄膜電晶體,主要可分為四個(gè)技術(shù)(表3)。首先是非晶硅薄膜電晶體(Amorphous Silicon TFT),非晶硅TFT具備均勻度佳、可大面積生產(chǎn)和制程成本低等優(yōu)點(diǎn),且其制程溫度低,僅約為200?370℃,因此是目前液晶顯示器的主要技術(shù)。但非晶硅薄膜的載子遷移率(Mobility)多小于0.5cm2/Vs,且元件在Bias-Stress的情況下穩(wěn)定度差,難以符合AMOLED所需的高更新速度,以及驅(qū)動(dòng)電流的穩(wěn)定度,因此于AMOLED應(yīng)用上較不利。
其次是低溫多晶硅TFT,由非晶硅薄膜經(jīng)雷射熔融結(jié)晶后制成,晶粒大小約為0.3?0.7微米(μm)。低溫多晶硅TFT的載子遷移率,可高達(dá)100cm2/Vs,且元件穩(wěn)定度高,足以符合AMOLED所需。
但是其缺點(diǎn)在于大面積成膜的均勻性不佳、制程設(shè)備成本高和制程溫度高(400℃以上)等,其中尤以高制程溫度限制LTPS TFT于可彎曲AMOLED的應(yīng)用,因此開(kāi)發(fā)可于400℃以下的技術(shù),將是低溫多晶硅TFT主要的挑戰(zhàn)。目前在這方面的進(jìn)展,包括例如三星所驗(yàn)證的技術(shù),其以鎳金屬微粒誘導(dǎo)硅薄膜側(cè)向結(jié)晶,并搭配快速煺火制程技術(shù),使制程溫度大幅下降。
第三為有機(jī)TFT(Organic TFT),系利用具共軛結(jié)構(gòu)的小分子有機(jī)化合物或高分子制作的薄膜電晶體,優(yōu)點(diǎn)為撓曲性佳、低溫制程,以及可溶液涂布如Roll-to-Roll(R2R)制程等優(yōu)點(diǎn),被視為未來(lái)軟性顯示器的主要技術(shù)。有機(jī)TFT技術(shù)的挑戰(zhàn)在于技術(shù)成熟度低、載子遷移率低(小于5cm2/Vs)、元件穩(wěn)定性及可靠度不足等。
第四為金屬氧化物TFT(Metal Oxide TFT),金屬氧化物半導(dǎo)體系利用金屬離子的S軌域互相重疊,形成載子傳遞路徑,因此在非晶相即可達(dá)到高載子遷移率,也因此制程溫度可遠(yuǎn)低于多晶硅TFT,但仍可達(dá)到類似的高載子遷移率;由于非晶質(zhì)結(jié)構(gòu),因此金屬氧化物TFT的制程均勻性佳,有利于大面積生產(chǎn)。
此外,金屬氧化物亦可溶液涂布成膜,更增加制程的吸引力。目前最成熟的金屬氧化物材料為銦鎵鋅氧化物(IGZO),載子遷移率約為30cm2/Vs、可低溫制程,以及透光度極佳,可提高顯示器元件的開(kāi)口率,因此,非常適合可彎曲AMOLED的應(yīng)用。
金屬氧化物TFT的挑戰(zhàn),在于元件穩(wěn)定度與載子遷移率難以兼顧以及缺乏可行的P-Type材料等;目前兩方面的持續(xù)研發(fā),包括藉由Ar電漿處理增加TFT元件載子遷移率、摻雜Zr原子改善TFT元件穩(wěn)定性及開(kāi)發(fā)SnOx為P-Type TFT等。
封裝技術(shù)助攻 OLED元件使用壽命大增
OLED中的有機(jī)半導(dǎo)體材料及低功函數(shù)電極極易受氧氣與水氣劣化,因此OLED元件的使用壽命一直是商品化過(guò)程中的一大挑戰(zhàn),必須利用有效的封裝技術(shù)來(lái)阻絕水氣與氧氣的侵入,才能達(dá)到足夠的元件穩(wěn)定性。
傳統(tǒng)的封裝方法,是使用玻璃蓋板加上UV膠與吸濕劑來(lái)封裝OLED元件,此方法雖能有效延長(zhǎng)元件壽命,但制作成本高,且玻璃蓋板不具有可撓曲性,因此無(wú)法滿足可彎曲AMOLED顯示器的要求。
為使封裝后的可彎曲元件仍保用可撓性,采用阻氣薄膜包覆元件的薄膜封裝技術(shù)為必行途徑。除封裝外,可彎曲AMOLED若是使用塑膠基板,因?yàn)樗苣z基板的阻水氧能力極差,因此在基板表面也須鍍上阻氣薄膜。
在高阻氣性、可撓性薄膜的開(kāi)發(fā)上,2003年Vitex提出利用有機(jī)薄膜/無(wú)機(jī)薄膜多層反覆堆疊而成的阻氣薄膜,其中無(wú)機(jī)薄膜為主要阻氣層,有機(jī)薄膜則提供分離(Decouple)相鄰兩層無(wú)機(jī)薄膜中的缺陷及應(yīng)力緩沖的功能。
此多層結(jié)構(gòu)薄膜可達(dá)到水氣穿透率(Water Vapor Transmission Rate, WVTR)至1×10-6g/m2/day范圍,已達(dá)OLED元件商品化的需求;此技術(shù)于AMOLED的實(shí)際應(yīng)用,已由三星驗(yàn)證成功。
有機(jī)/無(wú)機(jī)多層阻氣薄膜技術(shù)雖有效,但缺點(diǎn)在于制程復(fù)雜繁瑣,實(shí)用性較低。為解決此問(wèn)題,阻氣薄膜技術(shù)的新趨勢(shì)為零缺陷單層無(wú)機(jī)薄膜,透過(guò)消除薄膜缺陷,使單層無(wú)機(jī)薄膜在超薄厚度之下,即可符合OLED封裝的需求,且因薄膜厚度超薄,亦能達(dá)到相當(dāng)?shù)目蓳闲浴?/p>
零缺陷單層無(wú)機(jī)阻氣膜,可利用原子層沉積技術(shù)(Atomic Layer Deposition, ALD)來(lái)實(shí)現(xiàn),例如Park等人以100奈米(nm)的PECVD SiNx薄膜,加上30奈米的ALD Al2O3薄膜封裝OLED,封裝后經(jīng)260小時(shí)于室溫大氣下以1300cd/m2的亮度操作,可使元件維持原有91%的亮度。Groner等人亦利用ALD于PI及PET基板上制備Al2O3阻氣薄膜,發(fā)現(xiàn)26奈米的ALD薄膜則可達(dá)到10-6g/m2/day范圍的WVTR值,并可承受曲率半徑為2公分的撓曲,仍保持WVTR值不變。
筆者團(tuán)隊(duì)也成功開(kāi)發(fā)利用ALD奈米復(fù)合薄膜的可彎曲有機(jī)太陽(yáng)能電池之封裝技術(shù)。ALD制程溫度低(《100℃)、具有極佳的大面積鍍膜均勻性、可于低真空或大氣之下操作,且目前已有非真空Roll-to-Roll連續(xù)制程Prototype機(jī)臺(tái),因此是極有潛力的可彎曲AMOLED封裝技術(shù)。
可彎曲AMOLED拼商用 長(zhǎng)、短期制程發(fā)展重心不同
可彎曲AMOLED的制程技術(shù)發(fā)展,可分為短程與長(zhǎng)程兩種規(guī)畫。
短程規(guī)畫系套用目前硬式AMOLED面板的Sheet-to-Sheet(S2S)量產(chǎn)制程,藉由硬式面板制程的成熟度,加快可彎曲面板商品化步伐。長(zhǎng)程規(guī)畫則是以Roll-to-Roll且全溶液、非真空制程為目標(biāo),以實(shí)現(xiàn)低成本制造可彎曲AMOLED的理想。
在短程規(guī)畫方面,圖1為硬式AMOLED面板的制造流程,其中TFT陣列背板乃是采用化學(xué)與物理氣相沉積法,于玻璃基板上沉積半導(dǎo)體與導(dǎo)體薄膜,再利用微影技術(shù)搭配蝕刻方式制備元件各部的細(xì)微圖樣。
有機(jī)發(fā)光材料則以蒸鍍方式沉積,搭配金屬遮罩,達(dá)到RGB三色畫素的定位,其中金屬遮罩對(duì)位精準(zhǔn)度需達(dá)±5微米;元件封裝則是采用玻璃蓋板,加上封裝膠的傳統(tǒng)封裝方式。
上述制程若欲直接套用于軟性面板上仍有兩項(xiàng)困難;其一,塑膠基板的耐溫性遠(yuǎn)低于玻璃基板,因此在沉積TFT半導(dǎo)體薄膜時(shí),必須開(kāi)發(fā)低溫沉積卻仍可達(dá)到高載子遷移率的技術(shù),如雷射快速煺火技術(shù)、金屬氧化物半導(dǎo)體薄膜和有機(jī)半導(dǎo)體薄膜等。
其次,塑膠基板的尺寸易于高溫制程中,或是制程溶劑膨潤(rùn)下產(chǎn)生大幅改變,導(dǎo)致元件各層的對(duì)位精準(zhǔn)度不足。若將塑膠基板貼附于玻璃上進(jìn)行制程,則可減少基板尺寸的改變,但其根本的解決之道仍是在于基板性質(zhì)的改良。
在長(zhǎng)程規(guī)畫方面,目前可彎曲AMOLED制程各主要步驟皆已有Roll-to-Roll的驗(yàn)證,包括Roll-to-Roll濺鍍與蒸鍍(導(dǎo)電層、介電層及有機(jī)層沉積)、Roll-to-Roll化學(xué)沉積(半導(dǎo)體薄膜沉積)、Roll-to-Roll微影(元件各部圖樣化)、Roll-to-Roll涂布與噴涂(各層材料的溶液涂布與圖樣化)、Roll-to-Roll薄膜封裝等。
然而,多數(shù)Roll-to-Roll步驟的效果,距離商品化所需水準(zhǔn)仍有一段差距,且其加工面積仍遠(yuǎn)小于硬式面板制程的能力,尤以溶液制程為著。原因除Roll-to-Roll設(shè)備的技術(shù)尚未成熟外,亦受到材料性質(zhì)尚未最佳化,以及噴涂(噴墨、網(wǎng)印和壓印等)圖樣化精準(zhǔn)度不佳的兩大限制。
因此,在Roll-to-Roll制程開(kāi)發(fā)上,除了設(shè)備之持續(xù)開(kāi)發(fā),各種新穎材料與圖樣化技術(shù)包括可涂布式金屬氧化物半導(dǎo)體、可涂布式有機(jī)半導(dǎo)體、可涂布式導(dǎo)電薄膜、可涂布式有機(jī)發(fā)光材料、非真空式薄膜封裝技術(shù)和自組裝技術(shù)等,將是決定性的關(guān)鍵。
評(píng)論
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