材料与工艺突破在望,可弯曲AMOLED量产在即?

可弯曲amoled面板量产挑战已逐步获得解决。近期各大显示器制造商已陆续发布可弯曲amoled面板原型,且在基板材料、tft技术、封装与制程技术等关键量产挑战上,也已掌握可行的解决方向,可望加快可弯曲amoled面板商用。
主动式有机发光二极体显示器(active matrix organic light-emitting diode display, amoled)属于自发光的显示技术,结构较使用背光源的液晶显示器(lcd)简单,且能达到轻、薄、高亮度以及反应速度快等优点,因此非常适合软性显示器应用。
然而,在可弯曲(flexible)amoled的商品化过程中,仍有数个关键问题尚待克服,包括基板材料、薄膜电晶体(tft)技术、封装技术,以及制程技术等,本文将分析这些关键问题的现况以及可能的解决方法。
可弯曲amoled原型陆续出笼
近几年来,可弯曲amoled技术快速发展,各大显示器厂商陆续推出验证可行的雏型品(prototype)。以乐金显示(lgd)为例,在2007年该公司采用不锈钢薄板为基板,并以金属氧化物薄膜电晶体(motft)技术来制造该公司的am背板,开发出3.5寸可弯曲amoled的雏型品。
2010年索尼(sony)采用pes或pen的塑胶基板,搭配有机薄膜电晶体(otft)所构成的am背板,制造出可弯曲amoled显示器,其卷曲半径可达4毫米(mm),且于十万次卷曲后,仍能保持影像品质。
在***方面,工研院亦验证出6寸的可弯曲amoled显示器,基板为改质的透明且可耐高温的pi塑胶基板,控制阵列采用非晶硅薄膜电晶体,制程方面则是将pi基板贴合于玻璃板上,再采用硬式元件的加工程序。
三星(samsung)同样使用pi基板,但是制程上系将液态pi软性涂料涂布于玻璃上,然后再于玻璃上制作低温多晶硅(low temperature poly-silicon, ltps)的薄膜电晶体,完成4.5寸全彩(800×480)的可弯曲amoled。
商品化面临四大挑战
虽然目前可弯曲amoled技术已蓬勃发展,然而,实际商品化仍面临许多障碍,其中可归纳出以下四个关键问题。
软性基板材质要求高
可弯曲amoled应用对软性基板性质的要求,包括高阻水氧能力(避免显示器与水氧反应而劣化)、高光穿透度(可适用于下发光式显示器)、高耐化性(避免基板受amoled制程的溶剂与反应气体影响)、高耐温性(避免基板受amoled的加温制程破坏)、高机械强度(耐冲击性与耐挠曲性)、低热膨胀系数(避免基板于amoled的加温制程中受热变形)及轻量化等。
目前主要有三种软性基板可供可弯曲amoled使用,分别为玻璃、金属箔及塑胶基板,主要性质的比较如表1所示,三种基板的现况与挑战分别详述如下。
易碎、不易变薄 玻璃基板应用居劣势
玻璃具有高阻水氧能力、高光穿透性、高耐化性及高耐温性等优点,但若欲达到可挠曲性,则厚度必须在100微米(μm)上下。
玻璃基板的问题在于机械性质与成本。在超薄厚度下,玻璃基板极易受外力撞击而碎裂;且因玻璃的刚脆本质,即使厚度超薄,可挠曲程度仍属有限。另外,超薄玻璃基板的制造需精密加工技术,成本难以压低。因此,若与其他软性基板材质相较,玻璃基板于可弯曲amoled的应用较居劣势,目前超薄软性玻璃基板供应商有旭硝子玻璃(asahi glass)及康宁(corning)等厂商。
制程复杂、成本高 金属箔基板适用性降低
金属箔基板具有高耐温性、高抗化性、高机械强度及高阻水氧能力等优点,金属材料中以不锈钢为目前使用最广的软性基板材料。不锈钢基板的缺点包括不透光(不适用于下发光式amoled)、重量大(不适于可携式显示器)、挠曲度尚可(不及塑胶基板)及成本略高等。
此外,因受机械加工程序影响,不锈钢基板表面的粗糙度,远大于显示器应用的所需,因此必须研磨抛光或于表面涂布一层平坦层后,才能进行后续制程。并且,不锈钢基板为导体,无法绝缘其上的amoled元件,因此必须于其上添加一绝缘层。此等基板前处理程序使制程复杂度与制造成本大幅增加,降低金属箔基板于可弯曲amoled的适用性。
兼具多元优势 塑胶基板采用度最高
塑胶基板具有前两类基板难以抗衡的几种优点组合,包括低成本、高挠曲性、轻量化和高透光性等,因此为目前最广为使用的可弯曲amoled基板,也是可弯曲amoled未来商品化发展中,最具优势的基板材料。然而,塑胶基板仍有数项关键问题须克服,包括较差的热性质与较低的抗化性等。
热性质的问题可分为两方面,分别为热膨胀与耐热性。塑胶基板的热膨胀系数约60?70ppm/℃,远大于一般无机材料约5ppm/℃,而面板制程中含有多道无机材料薄膜的沉积制程,例如前段制程中的tft元件制程,因此极易因热膨胀系数差异过大,导致塑胶基板的变形或弯曲,甚至造成无机薄膜剥落等问题。
此外,面板制程中通常包含高温制程,例如tft制程约250?300℃,而多数塑胶基板的软化温度在该温度之下,因此造成基板材料选用的限制。在抗化性方面,塑胶基板易受面板制程中所使用的有机或腐蚀溶剂侵蚀,影响后续制程设计的弹性。
表2为数种主要塑胶基板材料热性质、光穿透度与抗化性的比较。由表中资料可知,主要塑胶基板材料中,以pet与pen的综合性质较佳;此二种基板系于成膜过程中,施以双轴应力而大幅提高结晶度,使其软化温度提高、热膨胀系数下降且抗化性增强。
若欲更进一步改善塑胶基板的热性质与抗化性,除持续开发性质较佳的高分子材料外,亦可利用现有高玻璃转化温度(tg)的塑胶基板材料,经由化学改质调控表面性质或机械加工调控结晶度,使热膨胀系数降低,耐热性提高。
薄膜电晶体四大技术各具优缺点
amoled控制阵列所使用的薄膜电晶体,主要可分为四个技术(表3)。首先是非晶硅薄膜电晶体(amorphous silicon tft),非晶硅tft具备均匀度佳、可大面积生产和制程成本低等优点,且其制程温度低,仅约为200?370℃,因此是目前液晶显示器的主要技术。但非晶硅薄膜的载子迁移率(mobility)多小于0.5cm2/vs,且元件在bias-stress的情况下稳定度差,难以符合amoled所需的高更新速度,以及驱动电流的稳定度,因此于amoled应用上较不利。
其次是低温多晶硅tft,由非晶硅薄膜经雷射熔融结晶后制成,晶粒大小约为0.3?0.7微米(μm)。低温多晶硅tft的载子迁移率,可高达100cm2/vs,且元件稳定度高,足以符合amoled所需。
但是其缺点在于大面积成膜的均匀性不佳、制程设备成本高和制程温度高(400℃以上)等,其中尤以高制程温度限制ltps tft于可弯曲amoled的应用,因此开发可于400℃以下的技术,将是低温多晶硅tft主要的挑战。目前在这方面的进展,包括例如三星所验证的技术,其以镍金属微粒诱导硅薄膜侧向结晶,并搭配快速煺火制程技术,使制程温度大幅下降。
第三为有机tft(organic tft),系利用具共轭结构的小分子有机化合物或高分子制作的薄膜电晶体,优点为挠曲性佳、低温制程,以及可溶液涂布如roll-to-roll(r2r)制程等优点,被视为未来软性显示器的主要技术。有机tft技术的挑战在于技术成熟度低、载子迁移率低(小于5cm2/vs)、元件稳定性及可靠度不足等。
第四为金属氧化物tft(metal oxide tft),金属氧化物半导体系利用金属离子的s轨域互相重叠,形成载子传递路径,因此在非晶相即可达到高载子迁移率,也因此制程温度可远低于多晶硅tft,但仍可达到类似的高载子迁移率;由于非晶质结构,因此金属氧化物tft的制程均匀性佳,有利于大面积生产。
此外,金属氧化物亦可溶液涂布成膜,更增加制程的吸引力。目前最成熟的金属氧化物材料为铟镓锌氧化物(igzo),载子迁移率约为30cm2/vs、可低温制程,以及透光度极佳,可提高显示器元件的开口率,因此,非常适合可弯曲amoled的应用。
金属氧化物tft的挑战,在于元件稳定度与载子迁移率难以兼顾以及缺乏可行的p-type材料等;目前两方面的持续研发,包括藉由ar电浆处理增加tft元件载子迁移率、掺杂zr原子改善tft元件稳定性及开发snox为p-type tft等。
封装技术助攻 oled元件使用寿命大增
oled中的有机半导体材料及低功函数电极极易受氧气与水气劣化,因此oled元件的使用寿命一直是商品化过程中的一大挑战,必须利用有效的封装技术来阻绝水气与氧气的侵入,才能达到足够的元件稳定性。
传统的封装方法,是使用玻璃盖板加上uv胶与吸湿剂来封装oled元件,此方法虽能有效延长元件寿命,但制作成本高,且玻璃盖板不具有可挠曲性,因此无法满足可弯曲amoled显示器的要求。
为使封装后的可弯曲元件仍保用可挠性,采用阻气薄膜包覆元件的薄膜封装技术为必行途径。除封装外,可弯曲amoled若是使用塑胶基板,因为塑胶基板的阻水氧能力极差,因此在基板表面也须镀上阻气薄膜。
在高阻气性、可挠性薄膜的开发上,2003年vitex提出利用有机薄膜/无机薄膜多层反覆堆叠而成的阻气薄膜,其中无机薄膜为主要阻气层,有机薄膜则提供分离(decouple)相邻两层无机薄膜中的缺陷及应力缓冲的功能。
此多层结构薄膜可达到水气穿透率(water vapor transmission rate, wvtr)至1×10-6g/m2/day范围,已达oled元件商品化的需求;此技术于amoled的实际应用,已由三星验证成功。
有机/无机多层阻气薄膜技术虽有效,但缺点在于制程复杂繁琐,实用性较低。为解决此问题,阻气薄膜技术的新趋势为零缺陷单层无机薄膜,透过消除薄膜缺陷,使单层无机薄膜在超薄厚度之下,即可符合oled封装的需求,且因薄膜厚度超薄,亦能达到相当的可挠性。
零缺陷单层无机阻气膜,可利用原子层沉积技术(atomic layer deposition, ald)来实现,例如park等人以100奈米(nm)的pecvd sinx薄膜,加上30奈米的ald al2o3薄膜封装oled,封装后经260小时于室温大气下以1300cd/m2的亮度操作,可使元件维持原有91%的亮度。groner等人亦利用ald于pi及pet基板上制备al2o3阻气薄膜,发现26奈米的ald薄膜则可达到10-6g/m2/day范围的wvtr值,并可承受曲率半径为2公分的挠曲,仍保持wvtr值不变。
笔者团队也成功开发利用ald奈米复合薄膜的可弯曲有机太阳能电池之封装技术。ald制程温度低(《100℃)、具有极佳的大面积镀膜均匀性、可于低真空或大气之下操作,且目前已有非真空roll-to-roll连续制程prototype机台,因此是极有潜力的可弯曲amoled封装技术。
可弯曲amoled拼商用 长、短期制程发展重心不同
可弯曲amoled的制程技术发展,可分为短程与长程两种规画。
短程规画系套用目前硬式amoled面板的sheet-to-sheet(s2s)量产制程,藉由硬式面板制程的成熟度,加快可弯曲面板商品化步伐。长程规画则是以roll-to-roll且全溶液、非真空制程为目标,以实现低成本制造可弯曲amoled的理想。
在短程规画方面,图1为硬式amoled面板的制造流程,其中tft阵列背板乃是采用化学与物理气相沉积法,于玻璃基板上沉积半导体与导体薄膜,再利用微影技术搭配蚀刻方式制备元件各部的细微图样。
有机发光材料则以蒸镀方式沉积,搭配金属遮罩,达到rgb三色画素的定位,其中金属遮罩对位精准度需达±5微米;元件封装则是采用玻璃盖板,加上封装胶的传统封装方式。
上述制程若欲直接套用于软性面板上仍有两项困难;其一,塑胶基板的耐温性远低于玻璃基板,因此在沉积tft半导体薄膜时,必须开发低温沉积却仍可达到高载子迁移率的技术,如雷射快速煺火技术、金属氧化物半导体薄膜和有机半导体薄膜等。
其次,塑胶基板的尺寸易于高温制程中,或是制程溶剂膨润下产生大幅改变,导致元件各层的对位精准度不足。若将塑胶基板贴附于玻璃上进行制程,则可减少基板尺寸的改变,但其根本的解决之道仍是在于基板性质的改良。
在长程规画方面,目前可弯曲amoled制程各主要步骤皆已有roll-to-roll的验证,包括roll-to-roll溅镀与蒸镀(导电层、介电层及有机层沉积)、roll-to-roll化学沉积(半导体薄膜沉积)、roll-to-roll微影(元件各部图样化)、roll-to-roll涂布与喷涂(各层材料的溶液涂布与图样化)、roll-to-roll薄膜封装等。
然而,多数roll-to-roll步骤的效果,距离商品化所需水准仍有一段差距,且其加工面积仍远小于硬式面板制程的能力,尤以溶液制程为着。原因除roll-to-roll设备的技术尚未成熟外,亦受到材料性质尚未最佳化,以及喷涂(喷墨、网印和压印等)图样化精准度不佳的两大限制。
因此,在roll-to-roll制程开发上,除了设备之持续开发,各种新颖材料与图样化技术包括可涂布式金属氧化物半导体、可涂布式有机半导体、可涂布式导电薄膜、可涂布式有机发光材料、非真空式薄膜封装技术和自组装技术等,将是决定性的关键。

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