在不鏽鋼金屬薄片基板上進行可撓式電子書顯示器之製作
S-H. Paek, K-L. Kim, H-S. Seo, Y-S. Jeong, S-Y. Yi , S-Y. Lee, N-B. Choi, S-H. Kim, C-D. Kim, I-J. Chung, M. D. McCreary, H. Gates, and J. Au 2005年的10月，面板大廠樂金飛利浦與美國電子墨水大廠E-INK公司共同推出了一款可撓曲的10.1吋SVGA反射式主動矩陣電泳顯示器，這個可撓式顯示器是在不鏽鋼金屬薄片基板上製作而成的。此原型展品外觀上看來與感覺上都與真實的紙張很相像，厚度上非常地薄，重量也相當的輕，而且具備了廣視角以及高對比等等特性。 為了要製作此可撓式超薄10.1吋SVGA反射式主動矩陣電泳顯示器，研發團隊同時考慮了塑膠基板與金屬薄片基板的可能性，藉此來取代原本玻璃基板的使用，因為玻璃基板無法使用在可撓式顯示器的使用。塑膠基板可以提供相當不錯的解決方案，但是為了要進行後續的製程，它必須克服一些額外的問題，像是塑膠基板本身過低的玻璃轉移溫度(Tg)還有尺寸上的不穩定性等等，這些議題都需要額外的預先製程來解決，像是預先對塑膠基板做退火製程的方式，如此可以降低應力釋放層的影響，同時也可以補償塑膠基板收縮的效應。從另一方面來說，金屬薄片基板是因為電泳材料具有反射特性的緣故所以可以拿來作為電泳顯示器基板的解決方案。對金屬薄片基板來說，其高玻璃轉移溫度(Tg)還有優異的尺寸穩定性特性可以讓研發團隊在基板上進行非結晶形氫化矽(a-Si：H)薄膜電晶體(TFTs)製程，使用傳統的TFT製作技術而不用特別對金屬薄片基板做任何預先的製程處理，這一點讓研發團隊獲得相當大的便利性。此可撓式顯示器是利用一種新穎的五道光罩TFT結構，不鏽鋼金屬薄片背面板上的新穎畫素設計，還有微膠囊電泳墨水/ITO加上PET前板所組成。 背面板的製作 背面板是利用傳統五道光罩製程所製作的非結晶形氫化矽(a-Si：H)TFT array組成。此次開發產品所使用的基板是超輕薄(76mm)的可撓式金屬薄片，基板上也開發了一個多重阻障層的結構來降低因為金屬薄片本身表面粗糙度可能造成的影響，同時這道製程也可以在基板尚未進行a-Si：H TFT array製程之前保護金屬基板與閘極電極材料之間的寄生電容。未經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，但是一旦經過上述的多層阻障層製程處理之後，金屬薄片基板表面粗糙度的均方根值將會下降為接近50A左右，這個數值與康寧所提供的1737玻璃基板的表面粗糙度均方根值已經很接近了，而且也足夠提供研發團隊在其表面定義精準的閘極圖樣，需要將表面粗糙度均方根值降低的原因是因為考慮化學蝕刻的影響，假使基板表面的粗糙度不夠平整，就無法定義出精準的閘極圖樣。 a-Si：H TFTs將會被放在底部閘極的反向通道蝕刻結構上，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製程鍍上的。a-Si：H、n+ a-Si還有SiNx等薄膜層則是利用電漿輔助化學氣相沈積(PECVD)製程所製作，在此製程中並沒有破真空的步驟；SiNx層是利用SiH4與NH3混成氣體來做沈積，a-Si層是利用SiH4所沈積，至於n+ a-Si則是用PH3、SiH4與H2等氣體混成來沈積。最高的製程溫度大約是在200℃左右。最後會將一層鈍化層沈積到array結構上，藉以鈍化暴露在外的a-Si反向通道。本文所開發的10.1吋SVGA可撓式顯示器利用了傳統的五道光罩微影製程，半導體層與絕緣層則是利用反應式離子轟擊蝕刻(RIE)製程，金屬層的圖樣則是利用濕式蝕刻所製作，最小的圖樣尺寸也就是電晶體之間的通道長度是5mm，寬深比(W/L)則是16：1。 顯示器設計與整合 圖一中看到的是兩種不同單畫素TFT array的光學影像，進行顯示器設計的目的是想要在大尺寸的電子書裝置上提供高解析度的資訊內容，此款可撓式顯示器是800 x 600的畫素設計，在100 ppi的解析度之下單一畫素的尺寸是255mm，單一畫素的開口率是96.1 %。為了要得到良好的影像表現，研發團隊設計了兩款新型態的TFT array結構，第一種的U型雙TFTs可以被應用到傳統的設計規則中，其尺寸為80mm寬，5mm長，儲存電容的大小則為2.35pF。第二種array設計則是雙閘極型的TFTs，這種特殊設計是希望可能獲得較低的Ioff特性，其寬/長比是80mm/5mm，儲存電容的大小為2.38pF。以本文所開發的電子書裝置而言，電泳式顯示器主要是在反射模式下使用，因此在不考慮開口率的情況下，新型的五道光罩結構是可行的，而且電泳式墨水是略帶有傳導特性的材料，這意味著電荷洩漏的速度是相當快的，所以我們必需要小心地考量如何維持施加到畫素電極上的電壓，使它可以持續存在直到下一個訊號源進入。儲存電容將會維持足夠的電荷以保持系統電壓處於足夠高的狀態，如此才能夠達到電泳式墨水應有的反應時間。與傳統的TFT結構相比，本研究所開發的a:Si：TFT結構預期可以具有更接近真實紙張的外觀與感覺，並且也可以擁有廣角與高對比度的特性。前面板(FPL)是由一個鍍上微膠囊電泳墨水材料的ITO/聚脂薄片所構成，然後再與尺寸為10.1吋SVGA的array板子壓合而成。在板子壓合的過程中，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在一起，TFT array與前面板上的ITO電極必須要利用導電銀糊來接合。當對此面板施加一個負電場或是正電場時，就會造成白色或是黑色粒子移動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，由於金屬薄片基板的厚度相當的薄，大約在少於100mm的範圍，所以相當適合用來作為可撓式顯示器，也可以同時達成堅固耐用的目的。 選擇最佳的TFT設計 圖二中所看到的是U型雙TFTs與雙閘極TFTs分別在不鏽鋼金屬薄片上的轉換曲線還有金屬薄片上主動矩陣array一個TFT的汲極電流與閘極電壓關係圖，量測的數據是在Vd = 0.1-10 V的情況下取得，另外在這張圖中，TFT元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，線性移動率為0.41cm2/V-sec，飽和TFT移動率為0.46 cm2/V-sec，TFT的次臨界斜率為1.31 V/sec，啟動電流可以高到10mA(在Vg = 20 V，Vd = 10 V情況下)，關閉電流可以低到0.5 pA(在Vg = -10-0 V情況下)。因此汲極電流的啟動/關閉比將會超過108。另一方面來說，雙閘極TFTs的臨界電壓約在5.17 V，線性TFT移動率為0.23 cm2/V-sec，飽和TFT移動率為0.27 cm2/V-sec，TFT的次臨界斜率為1.04 V/sec，啟動電流可以高到5mA (在Vg = 20 V，Vd = 10 V情況下)，關閉電流可以低到0.5 pA(在Vg = -10-0 V情況下)，汲極電流的啟動/關閉比將會超過108。因此U型雙TFTs的設計在移動率還有Ion/Ioff的表現上要比雙閘極TFTs來得好一些，但是雙閘極TFTs在s係數(次臨界斜率)與Ioff的表現上卻是比U型雙TFTs要好一些。最後研發團隊選擇使用U型雙TFTs的array結構，當面板驅動時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洩漏問題方面都有相當不錯的表現，另外為了獲得電子書所要求的高品質特性，研發團隊也考量了汲極電流的啟動/關閉比值，儲存電容還有電極屏蔽結構等等特性。 最終結果 此款新開發可撓式顯示器的性能表現與特性都列於表一中，在沒有驅動的情況下，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的薄(只有0.3mm)，跟玻璃基板顯示器的厚度(1.4 mm)比起來差異頗大。這一個電子書產品可以顯示四個灰階的圖像，對比則是超過10：1，這些優異的特性都是拜a-Si：H TFTs極低的洩漏電壓與特殊的TFT結構所致，有了上述特殊的TFTs結構設計才能夠使得此顯示器具有相當大的儲存電容與金屬電極屏蔽結構，顯示器的視角則達到了接近180陛C 以本團隊所知道的知識而言，這個展品是全世界第一片利用高品質矽電晶體所製程的10.1吋SVGA可撓式電子書顯示器，由於此技術主要是利用傳統a-Si：H TFTs的方式來進行，所以預估可以輕易地獲得採用，在各種應用領域大放異彩。 結論 本研究在可撓式不鏽鋼金屬薄片基板上利用傳統的a-Si TFT製程技術開發了一個高解析度的大尺寸電子書顯示器，這種傳統a-Si TFT的製程技術應用到高品質大尺寸可撓式顯示器的面板開發上具有相當不錯的成效。這個顯示器相當適合用來作為手持式的電子書顯示器或是導航與行動裝置適用的周邊監視器，圖四中為一個10.1吋SVGA電子書的成果展示。SST-AP/Taiwan 誌謝 本研究的成果有一部分是由21C Frontier R&D計畫所贊助，作者相當感謝副總裁In-Jae Chung在這個計畫中的全力支持，對於PT團隊、P＆A團隊還有R＆D 3團隊等等成員的協助與努力，作者在這邊表達相當感謝之意。此外作者也要對E Ink公司，Nippon鋼鐵公司還有Sumitomo公司致上謝意，因為有他們才能提供E Ink的影像膜及金屬基板材料作為實驗之用，謝謝！ 參考文獻 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. 圖一：兩種不同單畫素TFT array的光學影像(a)由U型雙TFTs所組成的單一畫素TFT array(b)由雙閘極型TFTs所組成的單一畫素TFT array。 圖二：金屬薄片基板上兩種不同TFT array設計型態的轉換曲線(V/A)比較圖(a)U型雙TFT結構的轉換曲線(b) 雙閘極型的TFTs的轉換曲線。