在不銹鋼金屬薄片基板上進(jìn)行可撓式電子書顯示器的制作

時(shí)間：2007-02-04 10:03:47

關(guān)鍵字：基板顯示器電子書金屬

手機(jī)看文章

掃描二維碼
隨時(shí)隨地手機(jī)看文章

[導(dǎo)讀]S.-H. Paek, aek, K-L. Kim, H-S. Seo, Y-S. Jeong, S-Y. Yi , S-Y. Lee,et al., are with LG.Philips LCD R&D CenterM. D.McCreary, H. Gates, and J. Au are with E Ink Corp2005年的10月，面板大廠樂(lè)金飛利浦（LG

S.-H. Paek, aek, K-L. Kim, H-S. Seo, Y-S. Jeong, S-Y. Yi , S-Y. Lee,et al., are with LG.Philips LCD R&D Center
M. D.McCreary, H. Gates, and J. Au are with E Ink Corp

2005年的10月，面板大廠樂(lè)金飛利浦（LG-Philips）與美國(guó)電子墨水大廠E-INK公司共同推出了一款可撓曲的10.1英寸SVGA反射式主動(dòng)矩陣電泳顯示器，這個(gè)可撓式顯示器是在不銹鋼金屬薄片基板上制作而成的。此原型展品外觀上看來(lái)與感覺(jué)上都與真實(shí)的紙張很相像，厚度上非常地薄，重量也相當(dāng)?shù)妮p，而且具備了廣視角以及高對(duì)比等等特性。

為了要制作此可撓式超薄10.1英寸SVGA反射式主動(dòng)矩陣電泳顯示器，研發(fā)團(tuán)隊(duì)同時(shí)考慮了塑料基板與金屬薄片基板的可能性，藉此來(lái)取代原本玻璃基板的使用，因?yàn)椴ＡЩ鍩o(wú)法使用在可撓式顯示器的使用。塑料基板可以提供相當(dāng)不錯(cuò)的解決方案，但是為了要進(jìn)行后續(xù)的制程，它必須克服一些額外的問(wèn)題，像是塑料基板本身過(guò)低的玻璃轉(zhuǎn)移溫度(Tg)還有尺寸上的不穩(wěn)定性等等，這些議題都需要額外的預(yù)先制程來(lái)解決，像是預(yù)先對(duì)塑料基板做退火制程的方式，如此可以降低應(yīng)力釋放層的影響，同時(shí)也可以補(bǔ)償塑料基板收縮的效應(yīng)。從另一方面來(lái)說(shuō)，金屬薄片基板是因?yàn)殡娪静牧暇哂蟹瓷涮匦缘木壒仕钥梢阅脕?lái)作為電泳顯示器基板的解決方案。

對(duì)金屬薄片基板來(lái)說(shuō)，其高玻璃轉(zhuǎn)移溫度(Tg)還有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性特性可以讓研發(fā)團(tuán)隊(duì)在基板上進(jìn)行非結(jié)晶形氫化硅(a-Si：H)薄膜晶體管(TFTs)制程，使用傳統(tǒng)的TFT制作技術(shù)而不用特別對(duì)金屬薄片基板做任何預(yù)先的制程處理，這一點(diǎn)讓研發(fā)團(tuán)隊(duì)獲得相當(dāng)大的便利性。此可撓式顯示器是利用一種新穎的五道光罩TFT結(jié)構(gòu)，不銹鋼金屬薄片背面板上的新穎畫素設(shè)計(jì)，還有微膠囊電泳墨水/ITO加上PET前板所組成。

背面板的制作
背面板是利用傳統(tǒng)五道光罩制程所制作的非結(jié)晶形氫化硅(a-Si：H)TFT array組成。此次開(kāi)發(fā)產(chǎn)品所使用的基板是超輕薄(76mm)的可撓式金屬薄片，基板上也開(kāi)發(fā)了一個(gè)多重阻障層的結(jié)構(gòu)來(lái)降低因?yàn)榻饘俦∑旧肀砻娲植诙瓤赡茉斐傻挠绊?，同時(shí)這道制程也可以在基板尚未進(jìn)行a-Si：H TFT array制程之前保護(hù)金屬基板與閘極電極材料之間的寄生電容。未經(jīng)任何處理的金屬薄片基板其表面粗糙度的均方根值大約在1000A左右，但是一旦經(jīng)過(guò)上述的多層阻障層制程處理之后，金屬薄片基板表面粗糙度的均方根值將會(huì)下降為接近50A左右，這個(gè)數(shù)值與康寧所提供的1737玻璃基板的表面粗糙度均方根值已經(jīng)很接近了，而且也足夠提供研發(fā)團(tuán)隊(duì)在其表面定義精準(zhǔn)的閘極圖樣，需要將表面粗糙度均方根值降低的原因是因?yàn)榭紤]化學(xué)蝕刻的影響，假使基板表面的粗糙度不夠平整，就無(wú)法定義出精準(zhǔn)的閘極圖樣。

a-Si：H TFTs將會(huì)被放在底部閘極的反向信道蝕刻結(jié)構(gòu)上，閘極金屬與源極/汲極金屬還有畫素的ITO都是利用磁電管濺鍍的制程鍍上的。a-Si：H、n+ a-Si還有SiNx等薄膜層則是利用電漿輔助化學(xué)氣相沈積(PECVD)制程所制作，在此制程中并沒(méi)有破真空的步驟；SiNx層是利用SiH4與NH3混成氣體來(lái)做沈積，a-Si層是利用SiH4所沈積，至于n+ a-Si則是用PH3、SiH4與H2等氣體混成來(lái)沈積。最高的制程溫度大約是在200℃左右。最后會(huì)將一層鈍化層沈積到array結(jié)構(gòu)上，藉以鈍化暴露在外的a-Si反向信道。本文所開(kāi)發(fā)的10.1英寸SVGA可撓式顯示器利用了傳統(tǒng)的五道光罩微影制程，半導(dǎo)體層與絕緣層則是利用反應(yīng)式離子轟擊蝕刻(RIE)制程，金屬層的圖樣則是利用濕式蝕刻所制作，最小的圖樣尺寸也就是晶體管之間的通道長(zhǎng)度是5mm，寬深比(W/L)則是16：1。

顯示器設(shè)計(jì)與整合
圖一中看到的是兩種不同單畫素TFT array的光學(xué)影像，進(jìn)行顯示器設(shè)計(jì)的目的是想要在大尺寸的電子書裝置上提供高分辨率的信息內(nèi)容，此款可撓式顯示器是800 x 600的畫素設(shè)計(jì)，在100 ppi的分辨率之下單一畫素的尺寸是255mm，單一畫素的開(kāi)口率是96.1%。

為了要得到良好的影像表現(xiàn)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了兩款新型態(tài)的TFT array結(jié)構(gòu)，第一種的U型雙TFTs可以被應(yīng)用到傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)則中，其尺寸為80mm寬，5mm長(zhǎng)，儲(chǔ)存電容的大小則為2.35pF。第二種array設(shè)計(jì)則是雙閘極型的TFTs，這種特殊設(shè)計(jì)是希望可能獲得較低的Ioff特性，其寬/長(zhǎng)比是80mm/5mm，儲(chǔ)存電容的大小為2.38pF。

以本文所開(kāi)發(fā)的電子書裝置而言，電泳式顯示器主要是在反射模式下使用，因此在不考慮開(kāi)口率的情況下，新型的五道光罩結(jié)構(gòu)是可行的，而且電泳式墨水是略帶有傳導(dǎo)特性的材料，這意味著電荷泄漏的速度是相當(dāng)快的，所以我們必需要小心地考慮如何維持施加到畫素電極上的電壓，使它可以持續(xù)存在直到下一個(gè)訊號(hào)源進(jìn)入。儲(chǔ)存電容將會(huì)維持足夠的電荷以保持系統(tǒng)電壓處于足夠高的狀態(tài)，如此才能夠達(dá)到電泳式墨水應(yīng)有的反應(yīng)時(shí)間。與傳統(tǒng)的TFT結(jié)構(gòu)相比，本研究所開(kāi)發(fā)的a:Si：TFT結(jié)構(gòu)預(yù)期可以具有更接近真實(shí)紙張的外觀與感覺(jué)，并且也可以擁有廣角與高對(duì)比度的特性。

前面板(FPL)是由一個(gè)鍍上微膠囊電泳墨水材料的ITO/聚脂薄片所構(gòu)成，然后再與尺寸為10.1英寸SVGA的array板子壓合而成。在板子壓合的過(guò)程中，包括基板的溫度，壓合的速度與壓力等等都必須要受到良好的控制，而且為了要將背面板與前面板兩者連結(jié)在一起，TFT array與前面板上的ITO電極必須要利用導(dǎo)電銀糊來(lái)接合。當(dāng)對(duì)此面板施加一個(gè)負(fù)電場(chǎng)或是正電場(chǎng)時(shí)，就會(huì)造成白色或是黑色粒子移動(dòng)到微膠囊上可被使用者看到的位置。

此顯示器cell的總厚度(包括背面板，電子墨水，聚酯前面板等等)大約是在0.3mm左右，由于金屬薄片基板的厚度相當(dāng)?shù)谋?，大約在少于100mm的范圍，所以相當(dāng)適合用來(lái)作為可撓式顯示器，也可以同時(shí)達(dá)成堅(jiān)固耐用的目的。

選擇最佳的TFT設(shè)計(jì)
圖二中所看到的是U型雙TFTs與雙閘極TFTs分別在不銹鋼金屬薄片上的轉(zhuǎn)換曲線還有金屬薄片上主動(dòng)矩陣array一個(gè)TFT的汲極電流與閘極電壓關(guān)系圖，量測(cè)的數(shù)據(jù)是在Vd = 0.1-10 V的情況下取得，另外在這張圖中，TFT組件的輸出特性是在閘極電壓-20與30V之間所量得。

U型雙TFTs的臨界電壓為3.2V，線性移動(dòng)率為0.41cm2/V-sec，飽和TFT移動(dòng)率為0.46 cm2/V-sec，TFT的次臨界斜率為1.31 V/sec，啟動(dòng)電流可以高到10mA(在Vg = 20 V，Vd = 10 V情況下)，關(guān)閉電流可以低到0.5 pA(在Vg = -10-0 V情況下)。因此汲極電流的啟動(dòng)/關(guān)閉比將會(huì)超過(guò)108。另一方面來(lái)說(shuō)，雙閘極TFTs的臨界電壓約在5.17 V，線性TFT移動(dòng)率為0.23 cm2/V-sec，飽和TFT移動(dòng)率為0.27 cm2/V-sec，TFT的次臨界斜率為1.04 V/sec，啟動(dòng)電流可以高到5mA (在Vg = 20 V，Vd = 10 V情況下)，關(guān)閉電流可以低到0.5 pA(在Vg = -10-0 V情況下)，汲極電流的啟動(dòng)/關(guān)閉比將會(huì)超過(guò)108。因此U型雙TFTs的設(shè)計(jì)在移動(dòng)率還有Ion/Ioff的表現(xiàn)上要比雙閘極TFTs來(lái)得好一些，但是雙閘極TFTs在s系數(shù)(次臨界斜率)與Ioff的表現(xiàn)上卻是比U型雙TFTs要好一些。[!--empirenews.page--]

最后研發(fā)團(tuán)隊(duì)選擇使用U型雙TFTs的array結(jié)構(gòu)，當(dāng)面板驅(qū)動(dòng)時(shí)不論是在畫素與畫素之間的黑色與白色作混合或者是電流的泄漏問(wèn)題方面都有相當(dāng)不錯(cuò)的表現(xiàn)，另外為了獲得電子書所要求的高質(zhì)量特性，研發(fā)團(tuán)隊(duì)也考慮了汲極電流的啟動(dòng)/關(guān)閉比值，儲(chǔ)存電容還有電極屏蔽結(jié)構(gòu)等等特性。

最終結(jié)果
此款新開(kāi)發(fā)可撓式顯示器的性能表現(xiàn)與特性都列于表一中，在沒(méi)有驅(qū)動(dòng)的情況下，玻璃基板顯示器的重量為73.9g，而金屬薄片基板的顯示器則只有32.8g重而已。此外金屬薄片基板顯示器的厚度也相當(dāng)?shù)谋?只有0.3mm)，跟玻璃基板顯示器的厚度(1.4 mm)比起來(lái)差異頗大。這一個(gè)電子書產(chǎn)品可以顯示四個(gè)灰階的圖像，對(duì)比則是超過(guò)10：1，這些優(yōu)異的特性都是拜a-Si：H TFTs極低的泄漏電壓與特殊的TFT結(jié)構(gòu)所致，有了上述特殊的TFTs結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能夠使得此顯示器具有相當(dāng)大的儲(chǔ)存電容與金屬電極屏蔽結(jié)構(gòu)，顯示器的視角則達(dá)到了接近180度.

以本團(tuán)隊(duì)所知道的知識(shí)而言，這個(gè)展品是全世界第一片利用高質(zhì)量硅晶體管所制程的10.1英寸SVGA可撓式電子書顯示器，由于此技術(shù)主要是利用傳統(tǒng)a-Si：H TFTs的方式來(lái)進(jìn)行，所以預(yù)估可以輕易地獲得采用，在各種應(yīng)用領(lǐng)域大放異彩。

結(jié)論
本研究在可撓式不銹鋼金屬薄片基板上利用傳統(tǒng)的a-Si TFT制程技術(shù)開(kāi)發(fā)了一個(gè)高分辨率的大尺寸電子書顯示器，這種傳統(tǒng)a-Si TFT的制程技術(shù)應(yīng)用到高質(zhì)量大尺寸可撓式顯示器的面板開(kāi)發(fā)上具有相當(dāng)不錯(cuò)的成效。這個(gè)顯示器相當(dāng)適合用來(lái)作為手持式的電子書顯示器或是導(dǎo)航與行動(dòng)裝置適用的周邊監(jiān)視器，圖四中為一個(gè)10.1英寸SVGA電子書的成果展示。CSOT

致謝
本研究的成果有一部分是由21C Frontier R&D計(jì)劃所贊助，作者相當(dāng)感謝副總裁In-Jae Chung在這個(gè)計(jì)劃中的全力支持，對(duì)于PT團(tuán)隊(duì)、P＆A團(tuán)隊(duì)還有R＆D 3團(tuán)隊(duì)等等成員的協(xié)助與努力，作者在這邊表達(dá)相當(dāng)感謝之意。此外作者也要對(duì)E Ink公司，Nippon鋼鐵公司還有Sumitomo公司致上謝意，因?yàn)橛兴麄儾拍芴峁〦 Ink的影像膜及金屬基板材料作為實(shí)驗(yàn)之用，謝謝！

參考文獻(xiàn)
1. J. Au, et al., Proc. IDW, 223 (2002).
2. S. D. Theiss, et al., Mater. Res. Soc. 65 (1997).

作者
S.-H. Paek, et al., are with LG.Philips LCD R&D Center, 533, Hogye-dong, Dongan-gu,Anyang-shi, Gyeonggi-do, 431-080, Korea;telephone +82-31-450-7433, fax -74098,e-mail: seunghan@lgphilips-lcd.com.
M. D.McCreary, H. Gates, and J. Au are with E Ink Corp., 733 Concord Ave., Cambridge, MA 02138 U.S.A.