材料與制程挑戰(zhàn)有解,可撓式AMOLED商用可期
[導(dǎo)讀]可撓式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)布可撓式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，可望加快可撓式AMOLED面板商用。
可撓式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)布可撓式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，可望加快可撓式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，在可撓式(Flexible)AMOLED的商品化過程中，仍有數(shù)個(gè)關(guān)鍵問題尚待克服，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)鍵問題的現(xiàn)況以及可能的解決方法。
可撓式AMOLED原型陸續(xù)出籠
近幾年來，可撓式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)來制造該公司的AM背板，開發(fā)出3.5寸可撓式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，制造出可撓式AMOLED顯示器，其卷曲半徑可達(dá)4毫米(mm)，且于十萬次卷曲后，仍能保持影像品質(zhì)。
在國(guó)內(nèi)方面，工研院亦驗(yàn)證出6寸的可撓式AMOLED顯示器，基板為改質(zhì)的透明且可耐高溫的PI塑膠基板，控制陣列采用非晶矽薄膜電晶體，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矽(Low Temperature Poly-silicon, LTPS)的薄膜電晶體，完成4.5寸全彩(800×480)的可撓式AMOLED。
商品化面臨四大挑戰(zhàn)
雖然目前可撓式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)鍵問題。
軟性基板材質(zhì)要求高
可撓式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撓式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，玻璃基板于可撓式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撓式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撓式AMOLED基板，也是可撓式AMOLED未來商品化發(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)大于一般無機(jī)材料約5ppm/℃，而面板制程中含有多道無機(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)差異過大，導(dǎo)致塑膠基板的變形或彎曲，甚至造成無機(jī)薄膜剝落等問題。
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)。首先是非晶矽薄膜電晶體(Amorphous Silicon TFT)，非晶矽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)。但非晶矽薄膜的載子遷移率(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。 [!--empirenews.page--]
其次是低溫多晶矽TFT，由非晶矽薄膜經(jīng)雷射熔融結(jié)晶后制成，晶粒大小約為0.3?0.7微米(μm)。低溫多晶矽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于可撓式AMOLED的應(yīng)用，因此開發(fā)可于400℃以下的技術(shù)，將是低溫多晶矽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)矽薄膜側(cè)向結(jié)晶，并搭配快速退火制程技術(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)低于多晶矽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口率，因此，非常適合可撓式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程中的一大挑戰(zhàn)，必須利用有效的封裝技術(shù)來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，因此無法滿足可撓式AMOLED顯示器的要求。
為使封裝后的可撓式元件仍保用可撓性，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，可撓式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、可撓性薄膜的開發(fā)上，2003年Vitex提出利用有機(jī)薄膜/無機(jī)薄膜多層反覆堆疊而成的阻氣薄膜，其中無機(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。為解決此問題，阻氣薄膜技術(shù)的新趨勢(shì)為零缺陷單層無機(jī)薄膜，透過消除薄膜缺陷，使單層無機(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?
零缺陷單層無機(jī)阻氣膜，可利用原子層沉積技術(shù)(Atomic Layer Deposition, ALD)來實(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)也成功開發(fā)利用ALD奈米復(fù)合薄膜的可撓式有機(jī)太陽能電池之封裝技術(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撓式AMOLED封裝技術(shù)。
可撓式AMOLED拼商用長(zhǎng)、短期制程發(fā)展重心不同
可撓式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，加快可撓式面板商品化步伐。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)低成本制造可撓式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)，如雷射快速退火技術(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，目前可撓式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。 [!--empirenews.page--]
因此，在Roll-to-Roll制程開發(fā)上，除了設(shè)備之持續(xù)開發(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。
本文介紹可撓式AMOLED顯示器的發(fā)展現(xiàn)況，以及其商品化上所面臨的關(guān)鍵問題，包括基板材料、TFT技術(shù)、封裝與制程技術(shù)等?？蓳鲜紸MOLED的關(guān)鍵問題，皆已有可行的解決方向，未來若能持續(xù)發(fā)展及整合，可撓式AMOLED可望成功達(dá)陣。
(本文作者為國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)系暨研究所副教授)
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，在可撓式(Flexible)AMOLED的商品化過程中，仍有數(shù)個(gè)關(guān)鍵問題尚待克服，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)鍵問題的現(xiàn)況以及可能的解決方法。
可撓式AMOLED原型陸續(xù)出籠
近幾年來，可撓式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)來制造該公司的AM背板，開發(fā)出3.5寸可撓式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，制造出可撓式AMOLED顯示器，其卷曲半徑可達(dá)4毫米(mm)，且于十萬次卷曲后，仍能保持影像品質(zhì)。
在國(guó)內(nèi)方面，工研院亦驗(yàn)證出6寸的可撓式AMOLED顯示器，基板為改質(zhì)的透明且可耐高溫的PI塑膠基板，控制陣列采用非晶矽薄膜電晶體，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矽(Low Temperature Poly-silicon, LTPS)的薄膜電晶體，完成4.5寸全彩(800×480)的可撓式AMOLED。
商品化面臨四大挑戰(zhàn)
雖然目前可撓式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)鍵問題。
軟性基板材質(zhì)要求高
可撓式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撓式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，玻璃基板于可撓式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撓式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撓式AMOLED基板，也是可撓式AMOLED未來商品化發(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)大于一般無機(jī)材料約5ppm/℃，而面板制程中含有多道無機(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)差異過大，導(dǎo)致塑膠基板的變形或彎曲，甚至造成無機(jī)薄膜剝落等問題。
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)。首先是非晶矽薄膜電晶體(Amorphous Silicon TFT)，非晶矽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)。但非晶矽薄膜的載子遷移率(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。 [!--empirenews.page--]
其次是低溫多晶矽TFT，由非晶矽薄膜經(jīng)雷射熔融結(jié)晶后制成，晶粒大小約為0.3?0.7微米(μm)。低溫多晶矽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于可撓式AMOLED的應(yīng)用，因此開發(fā)可于400℃以下的技術(shù)，將是低溫多晶矽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)矽薄膜側(cè)向結(jié)晶，并搭配快速退火制程技術(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)低于多晶矽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口率，因此，非常適合可撓式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程中的一大挑戰(zhàn)，必須利用有效的封裝技術(shù)來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，因此無法滿足可撓式AMOLED顯示器的要求。
為使封裝后的可撓式元件仍保用可撓性，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，可撓式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、可撓性薄膜的開發(fā)上，2003年Vitex提出利用有機(jī)薄膜/無機(jī)薄膜多層反覆堆疊而成的阻氣薄膜，其中無機(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。為解決此問題，阻氣薄膜技術(shù)的新趨勢(shì)為零缺陷單層無機(jī)薄膜，透過消除薄膜缺陷，使單層無機(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?
零缺陷單層無機(jī)阻氣膜，可利用原子層沉積技術(shù)(Atomic Layer Deposition, ALD)來實(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)也成功開發(fā)利用ALD奈米復(fù)合薄膜的可撓式有機(jī)太陽能電池之封裝技術(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撓式AMOLED封裝技術(shù)。
可撓式AMOLED拼商用長(zhǎng)、短期制程發(fā)展重心不同
可撓式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，加快可撓式面板商品化步伐。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)低成本制造可撓式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)，如雷射快速退火技術(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，目前可撓式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。 [!--empirenews.page--]
因此，在Roll-to-Roll制程開發(fā)上，除了設(shè)備之持續(xù)開發(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。
本文介紹可撓式AMOLED顯示器的發(fā)展現(xiàn)況，以及其商品化上所面臨的關(guān)鍵問題，包括基板材料、TFT技術(shù)、封裝與制程技術(shù)等?？蓳鲜紸MOLED的關(guān)鍵問題，皆已有可行的解決方向，未來若能持續(xù)發(fā)展及整合，可撓式AMOLED可望成功達(dá)陣。
(本文作者為國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)系暨研究所副教授)
下載文檔
