前言

輕、薄、短、小一直是消費性電子的發展目標。而隨著晶片技術和電路設計的突飛猛進，也讓裝置的體積不斷縮小，同時整合更多的功能在單一裝置內。但無論其尺寸如何的縮小，顯示螢幕的體積總是其最難突破的環節。有鑒於此，一種可撓、薄如紙張的新型軟性顯示（Flexible Display）技術便因應而生。有別於傳統的顯示應用，軟性顯示器將是一種新興的市場。根據Displaybank的預測，2008年以後電子紙用途將逐漸擴大，突破應用產品的尺寸技術延伸至30英吋以上。2010年電子紙市場規模將達到2億8000萬美元，預計2013年有可能出現50英吋以上的電子紙，至2015年時將達到59億美元，到2017年時將擴大至122億美元。

發展延革與技術種類

自1923年，攝像管與映像管發明，至1973年，日本Sharp開發出液晶顯示器手錶及計算機，1995年，韓國Samsung, LG進入TFT LCD量產時代，顯示器從已從陰極射線管（CRT）發展到平面顯示器（FPD, Flat Panel Display），市場應用面則從筆記型電腦推廣到電視，主動式陣列（Active matrix）薄膜電晶體搭配液晶顯示之家庭用電視機（LCD TV）均逐漸普及於一般家庭當中。

當方便性與大面積顯示起了衝突，唯有將顯示器捲軸化，才能達到可彎曲、撓曲、捲軸、折疊與穿著等需求[1]，如圖一。軟性顯示器有著輕、薄、可撓曲、耐衝擊與具安全性，且不受場合、空間限制的特性，儼然成為下一世代最佳之平面顯示器。軟性電子技術被譽為改變人類未來的重要技術之一，將重大衝擊人類視覺感官與生活模式，且在技術精進下可進而節省製程與建廠成本，已經受到國際大廠的高度重視，並相繼推出其最新研發成果。故在未來應用在可攜式電子顯示器方面，將更朝向輕、薄、可撓曲的特性發展，而應用在顯示器的軟性高效能電晶體製程，實為關鍵之技術。

《圖一 顯示器發展趨勢將會更具移動性，如手機、PDA，而另一趨勢則為大面積化，如個人電腦螢幕、電視，但兩者卻是無法同時滿足的，唯有發展可撓式顯示器可同時滿足兩種需求[1]》

電泳顯示技術

若以電子紙的構造及顯示原理分類，可分為表一，電子紙顯示器因為不需外加背光源，因此具備省電、薄型化的優勢，但因電子紙反應速率較慢，轉換一個畫面仍需要數秒時間，因此較不適合需持續更新畫面顯示，除了當閱讀器外，另適用於廣告看板標示、價格標示、智慧卡訊息顯示等應用，電子書（e-book）或電子紙（e-paper）可說是目前軟性顯示器中最接近量產，或是已少量販賣的軟性顯示技術產品，其顯示方式為電泳顯示技術（Electrophoretic Display, EPD），其特色在於反射式（reflective）、雙態穩定性（bi-stability）等省電與易讀性的優點。

E-ink的微型膠囊電泳技術

E-ink的電泳顯示技術為一種微型膠囊電泳（microencap-sulated electrophoretic）的材料，而這是一種在微型膠囊內的特殊電泳溶液裡，存在著許多懸浮的帶電粒子。通常，白色粒子帶正電；黑色粒子帶負電。當有，外加電場時，帶電粒子就因電壓驅動，而改變其原來的位子，如圖二[2]。如此一來，面板上就會有白字黑底的效果，製作最後再利用特殊黏合劑，黏在軟性電板上。Sipix公司其電子紙技術為在透明電極上，經由滾壓形成相互間隔的微型杯。在微型杯中，裝入白色帶正電顆粒及有色的流體，其中微型杯的上面為透明軟性基板，下方為電極，當電極改變時，帶電顆粒便會根據電極的正負而向上與向下移動，繼而造成黑與白的顯色。選用單一顏色顆粒搭配有色流體，好處是可增加其反應速度，且透過更換顆粒及流體顏色組合，可形成多色顯示器，如圖三。

《圖二 電泳顯示技術為一種微型膠囊電泳的材料，而這是一種在微型膠囊內的特殊電泳溶液裡，存在著許多懸浮的帶電粒子 [2]》

《圖三 微型杯電子紙示意圖》

Philips的玻璃基板分離技術

表二為目前利用電泳顯示技術發展之軟性陣列顯示器之整理。Philips發展之電泳顯示技術則是強調在與玻璃基板分離技術，當陣列元件製作完成於玻璃基板時，我們就將它轉移到塑膠基板上，而就在此時，我們可以利用雷射來造成玻璃基板分離，稱EPLaR技術，它是由Electronics on Plastic by laser Release 四個字母所組成之[3]。電泳顯示技術只能顯示黑白，並無彩色可言，故最大應用著重在電子書與電子海報，Philips所展示的面板尚有灰階之顯示，如圖四。

Seiko Epson則是利用低溫多晶矽（LTPS）製作下板，並搭配電泳顯示介質，製作出2.1英吋QVGA之面板，其與玻璃分離是利用SUFTLA（Surface Free Technology by Laser Annealing/Ablation）技術，不只灰階，因下板搭配LTPS關係，面板解析度也提升[2]。

Xerox的噴墨列印製程技術

減少製程複雜度與實現低成本化，噴墨列印製程（Inkjet Printing）是可期待方式，花費成本與能源消耗可以藉由噴墨列印技術來取代曝光顯影光罩製程手續，無需真空系統的技術。Xerox利用噴墨列印製程製造出主動式下板再搭配電泳顯示技術，以實現低成本、高產率之下一世代顯示器，如圖五[4]。

《圖四 Philips發展之電泳顯示技術。電泳顯示技術只能顯示黑白，並無彩色可言，故最大應用著重在電子書與電子海報》

《圖五 Xerox利用噴墨列印製程製造出主動式下板再搭配電泳顯示技術，以實現低成本、高產率之下一世代顯示器》

液晶顯示技術

液晶顯示技術為目前最成熟之技術，也是平面顯示器之主流，當然要發展下一世代顯示器想必會想到將目前的技術移植。

LCD為非自發光形式之顯示器，而大部份皆為穿透式，以冷陰極管（CCFL）或LED為背光源，光線首先穿過偏光板（Polarizer）將光偏極化（polarization），再以畫素控制光的開關及明暗，為下板之TFT控制液晶之排列方式，液晶具有雙折射係數（Birefringence）的特性，而在不同的電場下會有不同的排列方式，當光通過液晶時會受其影響而改變或保持其電磁波振盪方向，再利用第二片偏光板以過濾光之通過與否，以完成光閘的控制。表三為目前論文發表有關LCD之軟性顯示器之整理。

工研院

工研院已研發出之透明PI上之4.1英吋，全彩QVGA （320xRGBx240） AMLCD [5]-[7]，有著68%的開口率，背光源為100 nits，總厚度為240 m，相較一般玻璃基板之AMLCD厚度減薄很多，改善PI之非透明之缺點，並克服其低溫製程之薄膜品質不量之缺陷，其面板播放狀況如圖六。

Samsung

Samsung公司發展的TFT LCD面板尺寸為7.0英吋，以PES塑膠為基板，厚度為200 m,解析度達114 ppi[8]，如圖七，CVD製程溫度降低到130℃以下，將彩色濾光片貼在TFT基板上，同時為了維持面板彎曲時的液晶盒夾層（cell gap）不被破壞，製程中會使用到間隙球（holding spacers），間隙球於液晶夾層之間，可使間隙空間達到4.5 m~4.9 m。以上皆適合用作手機或是PDA等可移動（攜帶）式顯示器的應用。

Sony

Sony公司的全彩色低溫多晶矽（LTPS）TFT LCD面板尺寸已經達到3.8英吋，厚度為200 m，而其採用的製程為轉移製程技術（transfer process）[9][10]，如圖八，並以塑膠為基板，製程溫度為100 C~150 C，首先轉移製程技術沉積阻障層，以防止氫氟酸對玻璃基板造成蝕刻，低溫多晶矽製程形成底部閘極TFT的結構層，利用非水溶性的接合劑黏上暫時性基板，在室溫下利用氫氟酸蝕刻玻璃基板，在元件的背表面以永久性接合劑黏附塑膠基板，將暫時性基板移除，轉移製程技術對於元件結構不會造成破壞，優點如不會降低TFT的性能，對於塑膠基板材料限制較少，適合現代的LTPS製程技術量產。

《圖六 工研院研發之透明PI上之4.1英吋，全彩QVGA AMLCD》

《圖七 Samsung公司發展的TFT LCD面板尺寸為7.0英吋，以PES塑膠為基板，厚度為200 m，解析度達114 ppi》

《圖八 Sony公司的全彩色低溫多晶矽（LTPS）TFT LCD面板尺寸已經達到3.8英吋，厚度為200 m，而其採用的製程為轉移製程技術》

有機發光顯示技術

使用有機發光（OLED）材料的自發光型顯示器，具有反應速度快、重量輕、高色彩、高亮度與廣視角等優點。而隨著發光材料與封裝（Encapsulation）技術的成熟，過去較令人詬病的壽命問題，近年來已有大幅的改善。OLED發光結構可分為底部發光（Bottom emission） 與頂部發光（Top emission）兩種。LCD、EPD、與OLED，這些顯示技術都可作在塑膠基板上，以朝向薄型化、輕量化、軟性和防震。OLED顯示技術在軟性顯示器上是優於LCD。因為OLED只需要一個基板，LCD需要數個（例如：TFT下板、彩色濾光片、偏極化版、背光模組等等），故對耐撓曲能力而言，推論OLED會明顯優於其它顯示技術，在軟性顯示器上之應用，OLED技術為目前最具潛力也是未來最被看好技術之一，故在這方面的研究論文也是最多，整理如表四。

Seiko Epson

Seiko Epson除前面提到電泳顯示技術外，對OLED技術也相當熱衷，如圖九，同樣使用SUFTLA技術，使薄膜元件從原本的基板上轉移到另一個基板上。其顯示器的厚度為0.7mm，重量為3.2克[11][12]。SUFTLA製程，首先沈積a-Si犧牲層在厚度為0.7mm的原始玻璃基板上，再來用LTPS-TFTs製程方法做出CMOS TFT元件結構，接著用一個臨時玻璃基板覆蓋在TFT元件上，中間隔著可溶於水的材料，XeCl準分子雷射（λ＝ 308 nm）從原始玻璃基板那方射入，打在犧牲層，可輕易使得原始玻璃基板與TFT元件一分為二，再將TFT元件黏著在PI （polyimide）基板上，最後將上方臨時黏著的玻璃基板移除。

Samsung

Samsung研發直接製作超低溫多晶矽面板，2.2英吋qqVGA單色AMOLED規格，全部製程低於200C，利用ELA結晶成多晶矽，其遷移率可達20 cm2/Vs，其面板如圖十[13]。

慶應大學

慶應大學則研發出2.2英吋上發射型AMOLED顯示器在軟性金屬薄片上[14][15]，如圖十一，其為一個倒置TFT，它使用P-SOG（磷酸鹽為原料，用旋佈玻璃法）當作閘極絕緣層。換句話說，在軟性金屬薄片的閘極絕緣層要平坦是藉由旋轉塗佈的方式。金屬薄片比塑膠基板佔優勢之處有，使用金屬薄片基板之阻水阻氧能力更好，更可使OLED壽命更長，另外，金屬薄片對製程溫度要求比塑膠基板較為寬鬆（因金屬薄片熔點較高），缺點為不透明與表面粗糙度過高。

Kodak

Kodak與普林斯頓大學研發在軟性金屬薄片上之非晶矽TFT，通道長度5μm，載子遷移率（mobility）~ 0.3cm2/V.s而臨界電壓~4.5V，這些特性已經與TFT作在玻璃基板上相似[16]。並搭配AMOLED作為下板，其OLED驅動電流可達到9.2μA，此時發光強度大於500cd/m2，使用白光OLED其發光效率優於12 d/A和RGBW彩色濾光片，因金屬薄片基板的表面平整度是十分重要的，故利用電子?磨技術可使得金屬薄片基板的表面平整度最好。此外，普大尚有研究製作於塑膠基板上[17]，以製作低成本又輕量化的顯示器，以杜邦之Kapton為基板來說，表現幾乎和相同製作玻璃基板一樣，並對樣品往內彎曲2.5cm時，我們去量測轉移曲線（transfer characteristics）時，表現仍不損TFT特性，如圖十二。

《圖九 Seiko Epson研發之2.1英吋全彩AMOLED面板，採用 SUFTLA技術，使薄膜元件從原本的基板上轉移到另一個基板上》

《圖十圖 Samsung研發PES基板上之2.2英吋單色AMOLED面板》

《圖十一 慶應大學研發之金屬基板上之多晶矽電晶體，利用SOG當閘極絕緣層與平坦化》

《圖十二 以杜邦之Kapton為基板，對樣品往內彎曲2.5cm時，其量測轉移曲線，表現仍不損TFT特性》

軟性顯示器之發展關鍵

於軟性顯示器之製作技術上，將會面臨四個重要的難題，分別為基板材料之選擇、製程中之承載基板、製程溫度、與應力。

在整個軟性顯示技術中，軟性基板的選擇是最關鍵的一環，不論是其材料的性質亦或是在整個製程的相容度，都是軟性顯示技術開發的瓶頸。目前可供選用的軟性基板大致可以分為三類，即薄玻璃基板（Thin glass substrate）、塑膠基板（Plastic substrate）以及不鏽鋼金屬薄基板（Thin metal foil）等。根據不同的基板材料，其製程溫度的選擇也不一樣。如不鏽鋼金屬薄基板就可以耐高溫製程，且化學抵抗力及阻水氧能力佳，但缺點是不耐多次形變以及本身基板不透明，顯示應用上受到限制，只能搭配有機發光二極體或者做反射式顯示器，如反射式液晶顯示器或反射式電泳顯示器。

薄玻璃基板性質上最接近現有之玻璃基板，但易碎且製程上不易控制，外在抵抗力弱，未來發展有限。塑膠基板透明且不易破裂，適合各種顯示介質且適合以Roll-to-Roll的方式生產，但缺點為不耐高溫製程且阻水氧能力較差，熱膨脹係數大，易受熱而形變，製程控制不易。市售之Polyimide（PI）基板雖然製程可容忍的溫度較高且有良好的化學藥品抵抗力，但熱膨脹係數過大且黃褐色的外表限制了其發展的空間。

Polyethersulphone（PES）基板則具有透明的特性且製程容忍溫度也高，但化學抵抗力弱且阻水氧能力不佳，不適合應用在有機發光二極體上，國際大廠Samsung就使用PES基板完成了7吋之全彩非晶矽薄膜電晶體陣列液晶顯示器。其他像是在PEN或PET等塑膠基板上面製作電晶體均有許多研究單位投入研發。圖十三為不同之塑膠基板其特性之比較，二軸方向半結晶態（Biaxially oriented semi-crystalline）之塑膠基板其雙折射率（Birefringence effect）較大且臨變溫度（Transition Temperature, Tg）較低，而非晶態之塑膠基板其臨界點較高，可以容忍較高的製程溫度[18]。

綜合以上討論，在軟性基板的選擇上除了要透明且平坦的表面以外，較高的製程溫度容忍度可以使元件製作在較高的製程溫度上而具有較佳的電晶體特性﹔低熱膨脹係數（CTE）以及高化學抵抗力可以確保製程之穩定度﹔而低水氧穿透率（OTR/WVTR）和低雙折射率（Birefringence efficiency）等確保光學顯示品質與元件退化之問題。

製程溫度則是關係到電晶體主動層的品質與可靠度，高溫製程雖可得較緻密之非晶矽層，但相對而言對底下之軟性基板，如塑膠之耐熱能力卻也是一大考驗，當溫度超過塑膠基板之臨變溫度（Tg）將會造成大規模之形變，若製程溫度過高甚至會造成基板融化，故需將製程最佳化以得低溫且品質不錯之非晶矽層。

應力則包括內應力（intrinsic stress），熱應力（thermal stress）與外加應力（external stress），內應力的成因為薄膜沉積時本身鍵結關係所造成的內部應力或不同材料互不匹配所造成等，而熱應力成因則是材料之間或與基板間的熱膨脹係數（coefficient of thermal expansion, CTE）不匹配，而同高溫製程降至室溫則會造成熱應力的產生，外加應力當然則是指軟性顯示器於撓取狀態下之元件表現不同於“剛體”顯示器[5]。

《圖十三 不同之塑膠基板其特性之比較，二軸方向半結晶態之塑膠基板其雙折射率較大且臨變溫度較低，而非晶態之塑膠基板其臨界點較高，可以容忍較高的製程溫度》

結論

於今年（2008） 4月16日起在東京一連三天的FINETECH JAPAN 2008FPD展中，軟性顯示器應用產品的參展是一大注目的焦點，Bridgestone公司展示其所發展的電子紙[19]，如圖十四(a)，FUJITSU FRONTECH公司則發表該產品於手機上的應用彩色電子紙“FLEPia”[19]，如圖十四(b)。軟性顯示器儼然已成為電視之後的另一明星產品，並預估至2012年的產值可達4億美元。意味著下一世代的顯示技術已經降臨，軟性顯示器將逐漸取代傳統玻璃製作的顯示器，由於輕便且耐衝擊，加上未來以Roll-to-Roll的方式生產，更可以大大增加產率，從而降低生產成本。

《圖十四 (a) Bridgestone展示之電子紙 (b)FUJITSU FRONTECH的彩色電子紙“FLEPia”。 （照片取自 材料世界網 www.materialsnet.com.tw）》

致謝

感謝工研院影像顯示科技中心，薄膜陣列技術部（E300）全體同仁對本文資料之提供與協助。

參考資料

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[10] A. Asano et al., SID 03 Dig., pp. 988-991, 2003.

[11] S. Utsunomiya et al., SID 03 Dig., pp. 864-867, 2003.

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[14] H. S. Shin et al., SID 05 Dig., pp. 1642-1645, 2005.

[15] J. H. Cheon et al., SID 06 Dig., pp. 1354-1357, 2006.

[16] Y. Hong et al., SID 06 Dig., pp. 1862-1865, 2006.

[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/