前言

轻、薄、短、小一直是消费性电子的发展目标。而随着晶片技术和电路设计的突飞猛进，也让装置的体积不断缩小，同时整合更多的功能在单一装置内。但无论其尺寸如何的缩小，显示萤幕的体积总是其最难突破的环节。有鉴于此，一种可挠、薄如纸张的新型软性显示（Flexible Display）技术便因应而生。有别于传统的显示应用，软性显示器将是一种新兴的市场。根据Displaybank的预测，2008年以后电子纸用途将逐渐扩大，突破应用产品的尺寸技术延伸至30英吋以上。 2010年电子纸市场规模将达到2亿8000万美元，预计2013年有可能出现50英吋以上的电子纸，至2015年时将达到59亿美元，到2017年时将扩大至122亿美元。

发展沿革与技术种类

自1923年，摄像管与映像管发明，至1973年，日本Sharp开发出液晶显示器手表及计算机，1995年，韩国Samsung, LG进入TFT LCD量产时代，显示器从已从阴极射线管（CRT）发展到平面显示器（FPD, Flat Panel Display），市场应用面则从笔记型电脑推广到电视，主动式阵列（Active matrix）薄膜电晶体搭配液晶显示之家庭用电视机（LCD TV）均逐渐普及于一般家庭当中。

当方便性与大面积显示起了冲突，唯有将显示器卷轴化，才能达到可弯曲、挠曲、卷轴、折叠与穿着等需求[1]，如图一。软性显示器有着轻、薄、可挠曲、耐冲击与具安全性，且不受场合、空间限制的特性，俨然成为下一世代最佳之平面显示器。软性电子技术被誉为改变人类未来的重要技术之一，将重大冲击人类视觉感官与生活模式，且在技术精进下可进而节省制程与建厂成本，已经受到国际大厂的高度重视，并相继推出其最新研发成果。故在未来应用在可携式电子显示器方面，将更朝向轻、薄、可挠曲的特性发展，而应用在显示器的软性高效能电晶体制程，实为关键之技术。

《图一 显示器发展趋势将会更具移动性，如手机、PDA，而另一趋势则为大面积化，如个人计算机屏幕、电视，但两者却是无法同时满足的，唯有发展可挠式显示器可同时满足两种需求[1]》

电泳显示技术

若以电子纸的构造及显示原理分类，可分为表一，电子纸显示器因为不需外加背光源，因此具备省电、薄型化的优势，但因电子纸反应速率较慢，转换一个画面仍需要数秒时间，因此较不适合需持续更新画面显示，除了当阅读器外，另适用于广告看板标示、价格标示、智慧卡讯息显示等应用，电子书（e-book）或电子纸（e-paper）可说是目前软性显示器中最接近量产，或是已少量贩卖的软性显示技术产品，其显示方式为电泳显示技术（Electrophoretic Display, EPD） ，其特色在于反射式（reflective）、双态稳定性（bi-stability）等省电与易读性的优点。

E-ink的微型胶囊电泳技术

E-ink的电泳显示技术为一种微型胶囊电泳（microencap-sulated electrophoretic）的材料，而这是一种在微型胶囊内的特殊电泳溶液里，存在着许多悬浮的带电粒子。通常，白色粒子带正电；黑色粒子带负电。当有，外加电场时，带电粒子就因电压驱动，而改变其原来的位子，如图二[2]。如此一来，面板上就会有白字黑底的效果，制作最后再利用特殊黏合剂，黏在软性电板上。 Sipix公司其电子纸技术为在透明电极上，经由滚压形成相互间隔的微型杯。在微型杯中，装入白色带正电颗粒及有色的流体，其中微型杯的上面为透明软性基板，下方为电极，当电极改变时，带电颗粒便会根据电极的正负而向上与向下移动，继而造成黑与白的显色。选用单一颜色颗粒搭配有色流体，好处是可增加其反应速度，且透过更换颗粒及流体颜色组合，可形成多色显示器，如图三。

《图二 电泳显示技术为一种微型胶囊电泳的材料，而这是一种在微型胶囊内的特殊电泳溶液里，存在着许多悬浮的带电粒子 [2]》

《图三 微型杯电子纸示意图》

Philips的玻璃基板分离技术

表二为目前利用电泳显示技术发展之软性阵列显示器之整理。 Philips发展之电泳显示技术则是强调在与玻璃基板分离技术，当阵列元件制作完成于玻璃基板时，我们就将它转移到塑胶基板上，而就在此时，我们可以利用雷射来造成玻璃基板分离，称EPLaR技术，它是由Electronics on Plastic by laser Release 四个字母所组成之[3​​]。电泳显示技术只能显示黑白，并无彩色可言，故最大应用着重在电子书与电子海报，Philips所展示的面板尚有灰阶​​之显示，如图四。

Seiko Epson则是利用低温多晶矽（LTPS）制作下板，并搭配电泳显示介质，制作出2.1英吋QVGA之面板，其与玻璃分离是利用SUFTLA（Surface Free Technology by Laser Annealing/Ablation）技术，不只灰阶，因下板搭配LTPS关系，面板解析度也提升[2]。

Xerox的喷墨列印制程技术

减少制程复杂度与实现低成本化，喷墨列印制程（Inkjet Printing）是可期待方式，花费成本与能源消耗可以藉由喷墨列印技术来取代曝光显影光罩制程手续，无需真空系统的技术。 Xerox利用喷墨列印制程制造出主动式下板再搭配电泳显示技术，以实现低成本、高产率之下一世代显示器，如图五[4]。

《图四 Philips发展之电泳显示技术。电泳显示技术只能显示黑白，并无彩色可言，故最大应用着重在电子书与电子海报》

《图五 Xerox利用喷墨打印制程制造出主动式下板再搭配电泳显示技术，以实现低成本、高产率之下一世代显示器》

液晶显示技术

液晶显示技术为目前最成熟之技术，也是平面显示器之主流，当然要发展下一世代显示器想必会想到将目前的技术移植。

LCD为​​非自发光形式之显示器，而大部份皆为穿透式，以冷阴极管（CCFL）或LED为背光源，光线首先穿过偏光板（Polarizer）将光偏极化（polarization），再以画素控制光的开关及明暗，为下板之TFT控制液晶之排列方式，液晶具有双折射系数（Birefringence）的特性，而在不同的电场下会有不同的排列方式，当光通过液晶时会受其影响而改变或保持其电磁波振荡方向，再利用第二片偏光板以过滤光之通过与否，以完成光闸的控制。表三为目前论文发表有关LCD之软性显示器之整理。

工研院

工研院已研发出之透明PI上之4.1英吋，全彩QVGA （320xRGBx240） AMLCD [5]-[7]，有着68%的开口率，背光源为100 nits，总厚度为240 m，相较一般玻璃基板之AMLCD厚度减薄很多，改善PI之非透明之缺点，并克服其低温制程之薄膜品质不量之缺陷，其面板播放状况如图六。

Samsung

Samsung公司发展的TFT LCD面板尺寸为7.0英吋，以PES塑胶为基板，厚度为200 m,解析度达114 ppi[8]，如图七，CVD制程温度降低到130℃以下，将彩色滤光片贴在TFT基​​板上，同时为了维持面板弯曲时的液晶盒夹层（cell gap）不被破坏，制程中会使用到间隙球（holding spacers），间隙球于液晶夹层之间，可使间隙空间达到4.5 m~4.9 m。以上皆适合用作手机或是PDA等可移动（携带）式显示器的应用。

Sony

Sony公司的全彩色低温多晶矽（LTPS）TFT LCD面板尺寸已经达到3.8英吋，厚度为200 m，而其采用的制程为转移制程技术（transfer process）[9][10]，如图八，并以塑胶为基板，制程温度为100 C~150 C，首先转移制程技术沉积阻障层，以防止氢氟酸对玻璃基板造成蚀刻，低温多晶矽制程形成底部闸极TFT的结构层，利用非水溶性的接合剂黏上暂时性基板，在室温下利用氢氟酸蚀刻玻璃基板，在元件的背表面以永久性接合剂黏附塑胶基板，将暂时性基板移除，转移制程技术对于元件结构不会造成破坏，优点如不会降低TFT的性能，对于塑胶基板材料限制较少，适合现代的LTPS制程技术量产。

《图六 工研院研发之透明PI上之4.1英吋，全彩QVGA AMLCD》

《图七 Samsung公司发展的TFT LCD面板尺寸为7.0英吋，以PES塑料为基板，厚度为200 m，分辨率达114 ppi》

《图八 Sony公司的全彩色低温多晶硅（LTPS）TFT LCD面板尺寸已经达到3.8英吋，厚度为200 m，而其采用的制程为转移制程技术》

有机发光显示技术

使用有机发光（OLED）材料的自发光型显示器，具有反应速度快、重量轻、高色彩、高亮度与广视角等优点。而随着发光材料与封装（Encapsulation）技术的成熟，过去较令人诟病的寿命问题，近年来已有大幅的改善。 OLED发光结构可分为底部发光（Bottom emission） 与顶部发光（Top emission）两种。 LCD、EPD、与OLED，这些显示技术都可作在塑胶基板上，以朝向薄型化、轻量化、软性和防震。 OLED显示技术在软性显示器上是优于LCD。因为OLED只需要一个基板，LCD需要数个（例如：TFT下板、彩色滤光片、偏极化版、背光模组等等），故对耐挠曲能力而言，推论OLED会明显优于其它显示技术，在软性显示器上之应用，OLED技术为目前最具潜力也是未来最被看好技术之一，故在这方面的研究论文也是最多，整理如表四。

Seiko Epson

Seiko Epson除前面提到电泳显示技术外，对OLED技术也相当热衷，如图九，同样使用SUFTLA技术，使薄膜元件从原本的基板上转移到另一个基板上。其显示器的厚度为0.7m​​m，重量为3.2克[11][12]。SUFTLA制程，首先沉积a-Si牺牲层在厚度为0.7m​​m的原始玻璃基板上，再来用LTPS-TFTs制程方法做出CMOS TFT元件结构，接着用一个临时玻璃基板覆盖在TFT元件上，中间隔着可溶于水的材料，XeCl准分子雷射（λ＝ 308 nm）从原始玻璃基板那方射入，打在牺牲层，可轻易使得原始玻璃基板与TFT元件一分为二，再将TFT元件黏着在PI （polyimide）基板上，最后将上方临时黏着的玻璃基板移除。

Samsung

Samsung研发直接制作超低温多晶矽面板，2.2英吋qqVGA单色AMOLED规格，全部制程低于200C，利用ELA结晶成多晶矽，其迁移率可达20 cm2/Vs，其面板如图十[13]。

庆应大学

庆应大学则研发出2.2英吋上发射型AMOLED显示器在软性金属薄片上[14][15]，如图十一，其为一个倒置TFT，它使用P-SOG（磷酸盐为原料，用旋布玻璃法）当作闸极绝缘层。换句话说，在软性金属薄片的闸极绝缘层要平坦是藉由旋转涂布的方式。金属薄片比塑胶基板占优势之处有，使用金属薄片基板之阻水阻氧能力更好，更可使OLED寿命更长，另外，金属薄片对制程温度要求比塑胶基板较为宽松（因金属薄片熔点较高），缺点为不透明与表面粗糙度过高。

Kodak

Kodak与普林斯顿大学研发在软性金属薄片上之非晶矽TFT，通道长度5μm，载子迁移率（mobility）~ 0.3cm2/Vs而临界电压~4.5V，这些特性已经与TFT作在玻璃基板上相似[16]。并搭配AMOLED作为下板，其OLED驱动电流可达到9.2μA，此时发光强度大于500cd/m2，使用白光OLED其发光效率优于12 d/A和RGBW彩色滤光片，因金属薄片基板的表面平整度是十分重要的，故利用电子?磨技术可使得金属薄片基板的表面平整度最好。此外，普大尚有研究制作于塑胶基板上[17]，以制作低成本又轻量化的显示器，以杜邦之Kapton为基板来说，表现几乎和相同制作玻璃基板一样，并对样品往内弯曲2.5cm时，我们去量测转移曲线（transfer characteristics）时，表现仍不损TFT特性，如图十二。

《图九 Seiko Epson研发之2.1英吋全彩AMOLED面板，采用 SUFTLA技术，使薄膜组件从原本的基板上转移到另一个基板上》

《图十图 Samsung研发PES基板上之2.2英吋单色AMOLED面板》

《图十一 庆应大学研发之金属基板上之多晶硅晶体管，利用SOG当闸极绝缘层与平坦化》

《图十二 以杜邦之Kapton为基板，对样品往内弯曲2.5cm时，其量测转移曲线，表现仍不损TFT特性》

软性显示器之发展关键

于软性显示器之制作技术上，将会面临四个重要的难题，分别为基板材料之选择、制程中之承载基板、制程温度、与应力。

在整个软性显示技术中，软性基板的选择是最关键的一环，不论是其材料的性质亦或是在整个制程的相容度，都是软性显示技术开发的瓶颈。目前可供选用的软性基板大致可以分为三类，即薄玻璃基板（Thin glass substrate）、塑胶基板（Plastic substrate）以及不锈钢金属薄基板（Thin metal foil）等。根据不同的基板材料，其制程温度的选择也不一样。如不锈钢金属薄基板就可以耐高温制程，且化学抵抗力及阻水氧能力佳，但缺点是不耐多次形变以及本身基板不透明，显示应用上受到限制，只能搭配有机发光二极体或者做反射式显示器，如反射式液晶显示器或反射式电泳显示器。

薄玻璃基板性质上最接近现有之玻璃基板，但易碎且制程上不易控制，外在抵抗力弱，未来发展有限。塑胶基板透明且不易破裂，适合各种显示介质且适合以Roll-to-Roll的方式生产，但缺点为不耐高温制程且阻水氧能力较差，热膨胀系数大，易受热而形变，制程控制不易。市售之Polyimide（PI）基板虽然制程可容忍的温度较高且有良好的化学药品抵抗力，但热膨胀系数过大且黄褐色的外表限制了其发展的空间。

Polyethersulphone（PES）基板则具有透明的特性且制程容忍温度也高，但化学抵抗力弱且阻水氧能力不佳，不适合应用在有机发光二极体上，国际大厂Samsung就使用PES基板完成了7吋之全彩非晶矽薄膜电晶体阵列液晶显示器。其他像是在PEN或PET等塑胶基板上面制作电晶体均有许多研究单位投入研发。图十三为不同之塑胶基板其特性之比较，二轴方向半结晶态（Biaxially oriented semi-crystalline）之塑胶基板其双折射率（Birefringence effect）较大且临变温度（Transition Temperature, Tg）较低，而非晶态之塑胶基板其临界点较高，可以容忍较高的制程温度[18]。

综合以上讨论，在软性基板的选择上除了要透明且平坦的表面以外，较高的制程温度容忍度可以使元件制作在较高的制程温度上而具有较佳的电晶体特性﹔低热膨胀系数（ CTE）以及高化学抵抗力可以确保制程之稳定度﹔而低水氧穿透率（OTR/WVTR）和低双折射率（Birefringence efficiency）等确保光学显示品质与元件退化之问题。

制程温度则是关系到电晶体主动层的品质与可靠度，高温制程虽可得较致密之非晶矽层，但相对而言对底下之软性基板，如塑胶之耐热能力却也是一大考验，当温度超过塑胶基板之临变温度（Tg）将会造成大规模之形变，若制程温度过高甚至会造成基板融化，故需将制程最佳化以得低温且品质不错之非晶矽层。

应力则包括内应力（intrinsic stress），热应力（thermal stress）与外加应力（external stress），内应力的成因为薄膜沉积时本身键结关系所造成的内部应力或不同材料互不匹配所造成等，而热应力成因则是材料之间或与基板间的热膨胀系数（coefficient of thermal expansion, CTE）不匹配，而同高温制程降至室温则会造成热应力的产生，外加应力当然则是指软性显示器于挠取状态下之元件表现不同于“刚体”显示器[5]。

《图十三 不同之塑料基板其特性之比较，二轴方向半结晶态之塑料基板其双折射率较大且临变温度较低，而非晶态之塑料基板其临界点较高，可以容忍较高的制程温度》

结论

于今年（2008） 4月16日起在东京一连三天的FINETECH JAPAN 2008FPD展中，软性显示器应用产品的参展是一大注目的焦点，Bridgestone公司展示其所发展的电子纸[19]，如图十四(a)，FUJITSU FRONTECH公司则发表该产品于手机上的应用彩色电子纸“FLEPia”[19]，如图十四(b)。软性显示器俨然已成为电视之后的另一明星产品，并预估至2012年的产值可达4亿美元。意味着下一世代的显示技术已经降临，软性显示器将逐渐取代传统玻璃制作的显示器，由于轻便且耐冲击，加上未来以Roll-to-Roll的方式生产，更可以大大增加产率，从而降低生产成本。

《图十四 (a) Bridgestone展示之电子纸 (b)FUJITSU FRONTECH的彩色电子纸“FLEPia”。 （照片取自 材料世界网 www.materialsnet.com.tw）》

致谢

感谢工研院影像显示科技中心，薄膜阵列技术部（E300）全体同仁对本文资料之提供与协助。

参考资料

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[17] C. E. Forbes et al., SID 02 Dig., pp. 1200-1203, 2002.

[18] B. A. MacDonald et al., from book “Flexible Flat Panel Displays”, John Wiley & Sons, Ltd., 2005, Chichester, G. P. Crawford, Editor, Chapter 2.

[19] http://www.displayexpo.jp/english/