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在不锈钢金属薄片基板上进行可挠式电子书显示器的制作

导读: 2005年的10月,面板大厂乐金飞利浦(LG-Philips)与美国电子墨水大厂E-INK公司共同推出了一款可挠曲的10.1英寸SVGA反射式主动矩阵电泳显示器,这个可挠式显示器是在不锈钢金属薄片基板上制作而成的。此原型展品外观上看来与感觉上都与真实的纸张很相像,厚度上非常地薄,重量也相当的轻,而且

S.-H. Paek, aek, K-L. Kim, H-S. Seo, Y-S. Jeong, S-Y. Yi , S-Y. Lee,et al., are with LG.Philips LCD R&D Center
M. D.McCreary, H. Gates, and J. Au are with E Ink Corp

2005年的10月,面板大厂乐金飞利浦(LG-Philips)与美国电子墨水大厂E-INK公司共同推出了一款可挠曲的10.1英寸SVGA反射式主动矩阵电泳显示器,这个可挠式显示器是在不锈钢金属薄片基板上制作而成的。此原型展品外观上看来与感觉上都与真实的纸张很相像,厚度上非常地薄,重量也相当的轻,而且具备了广视角以及高对比等等特性。

为了要制作此可挠式超薄10.1英寸SVGA反射式主动矩阵电泳显示器,研发团队同时考虑了塑料基板与金属薄片基板的可能性,藉此来取代原本玻璃基板的使用,因为玻璃基板无法使用在可挠式显示器的使用。塑料基板可以提供相当不错的解决方案,但是为了要进行后续的制程,它必须克服一些额外的问题,像是塑料基板本身过低的玻璃转移温度(Tg)还有尺寸上的不稳定性等等,这些议题都需要额外的预先制程来解决,像是预先对塑料基板做退火制程的方式,如此可以降低应力释放层的影响,同时也可以补偿塑料基板收缩的效应。从另一方面来说,金属薄片基板是因为电泳材料具有反射特性的缘故所以可以拿来作为电泳显示器基板的解决方案。

对金属薄片基板来说,其高玻璃转移温度(Tg)还有优异的尺寸稳定性特性可以让研发团队在基板上进行非结晶形氢化硅(a-Si:H)薄膜晶体管(TFTs)制程,使用传统的TFT制作技术而不用特别对金属薄片基板做任何预先的制程处理,这一点让研发团队获得相当大的便利性。此可挠式显示器是利用一种新颖的五道光罩TFT结构,不锈钢金属薄片背面板上的新颖画素设计,还有微胶囊电泳墨水/ITO加上PET前板所组成。

背面板的制作
背面板是利用传统五道光罩制程所制作的非结晶形氢化硅(a-Si:H)TFT array组成。此次开发产品所使用的基板是超轻薄(76mm)的可挠式金属薄片,基板上也开发了一个多重阻障层的结构来降低因为金属薄片本身表面粗糙度可能造成的影响,同时这道制程也可以在基板尚未进行a-Si:H TFT array制程之前保护金属基板与闸极电极材料之间的寄生电容。未经任何处理的金属薄片基板其表面粗糙度的均方根值大约在1000A左右,但是一旦经过上述的多层阻障层制程处理之后,金属薄片基板表面粗糙度的均方根值将会下降为接近50A左右,这个数值与康宁所提供的1737玻璃基板的表面粗糙度均方根值已经很接近了,而且也足够提供研发团队在其表面定义精准的闸极图样,需要将表面粗糙度均方根值降低的原因是因为考虑化学蚀刻的影响,假使基板表面的粗糙度不够平整,就无法定义出精准的闸极图样。

a-Si:H TFTs将会被放在底部闸极的反向信道蚀刻结构上,闸极金属与源极/汲极金属还有画素的ITO都是利用磁电管溅镀的制程镀上的。a-Si:H、n+ a-Si还有SiNx等薄膜层则是利用电浆辅助化学气相沈积(PECVD)制程所制作,在此制程中并没有破真空的步骤;SiNx层是利用SiH4与NH3混成气体来做沈积,a-Si层是利用SiH4所沈积,至于n+ a-Si则是用PH3、SiH4与H2等气体混成来沈积。最高的制程温度大约是在200℃左右。最后会将一层钝化层沈积到array结构上,藉以钝化暴露在外的a-Si反向信道。本文所开发的10.1英寸SVGA可挠式显示器利用了传统的五道光罩微影制程,半导体层与绝缘层则是利用反应式离子轰击蚀刻(RIE)制程,金属层的图样则是利用湿式蚀刻所制作,最小的图样尺寸也就是晶体管之间的通道长度是5mm,宽深比(W/L)则是16:1。

显示器设计与整合
图一中看到的是两种不同单画素TFT array的光学影像,进行显示器设计的目的是想要在大尺寸的电子书装置上提供高分辨率的信息内容,此款可挠式显示器是800 x 600的画素设计,在100 ppi的分辨率之下单一画素的尺寸是255mm,单一画素的开口率是96.1%。

为了要得到良好的影像表现,研发团队设计了两款新型态的TFT array结构,第一种的U型双TFTs可以被应用到传统的设计规则中,其尺寸为80mm宽,5mm长,储存电容的大小则为2.35pF。第二种array设计则是双闸极型的TFTs,这种特殊设计是希望可能获得较低的Ioff特性,其宽/长比是80mm/5mm,储存电容的大小为2.38pF。

以本文所开发的电子书装置而言,电泳式显示器主要是在反射模式下使用,因此在不考虑开口率的情况下,新型的五道光罩结构是可行的,而且电泳式墨水是略带有传导特性的材料,这意味着电荷泄漏的速度是相当快的,所以我们必需要小心地考虑如何维持施加到画素电极上的电压,使它可以持续存在直到下一个讯号源进入。储存电容将会维持足够的电荷以保持系统电压处于足够高的状态,如此才能够达到电泳式墨水应有的反应时间。与传统的TFT结构相比,本研究所开发的a:Si:TFT结构预期可以具有更接近真实纸张的外观与感觉,并且也可以拥有广角与高对比度的特性。

前面板(FPL)是由一个镀上微胶囊电泳墨水材料的ITO/聚脂薄片所构成,然后再与尺寸为10.1英寸SVGA的array板子压合而成。在板子压合的过程中,包括基板的温度,压合的速度与压力等等都必须要受到良好的控制,而且为了要将背面板与前面板两者连结在一起,TFT array与前面板上的ITO电极必须要利用导电银糊来接合。当对此面板施加一个负电场或是正电场时,就会造成白色或是黑色粒子移动到微胶囊上可被使用者看到的位置。

此显示器cell的总厚度(包括背面板,电子墨水,聚酯前面板等等)大约是在0.3mm左右,由于金属薄片基板的厚度相当的薄,大约在少于100mm的范围,所以相当适合用来作为可挠式显示器,也可以同时达成坚固耐用的目的。

选择最佳的TFT设计
图二中所看到的是U型双TFTs与双闸极TFTs分别在不锈钢金属薄片上的转换曲线还有金属薄片上主动矩阵array一个TFT的汲极电流与闸极电压关系图,量测的数据是在Vd = 0.1-10 V的情况下取得,另外在这张图中,TFT组件的输出特性是在闸极电压-20与30V之间所量得。

U型双TFTs的临界电压为3.2V,线性移动率为0.41cm2/V-sec,饱和TFT移动率为0.46 cm2/V-sec,TFT的次临界斜率为1.31 V/sec,启动电流可以高到10mA(在Vg = 20 V,Vd = 10 V情况下),关闭电流可以低到0.5 pA(在Vg = -10-0 V情况下)。因此汲极电流的启动/关闭比将会超过108。另一方面来说,双闸极TFTs的临界电压约在5.17 V,线性TFT移动率为0.23 cm2/V-sec,饱和TFT移动率为0.27 cm2/V-sec,TFT的次临界斜率为1.04 V/sec,启动电流可以高到5mA (在Vg = 20 V,Vd = 10 V情况下),关闭电流可以低到0.5 pA(在Vg = -10-0 V情况下),汲极电流的启动/关闭比将会超过108。因此U型双TFTs的设计在移动率还有Ion/Ioff的表现上要比双闸极TFTs来得好一些,但是双闸极TFTs在s系数(次临界斜率)与Ioff的表现上却是比U型双TFTs要好一些。

最后研发团队选择使用U型双TFTs的array结构,当面板驱动时不论是在画素与画素之间的黑色与白色作混合或者是电流的泄漏问题方面都有相当不错的表现,另外为了获得电子书所要求的高质量特性,研发团队也考虑了汲极电流的启动/关闭比值,储存电容还有电极屏蔽结构等等特性。

最终结果
此款新开发可挠式显示器的性能表现与特性都列于表一中,在没有驱动的情况下,玻璃基板显示器的重量为73.9g,而金属薄片基板的显示器则只有32.8g重而已。此外金属薄片基板显示器的厚度也相当的薄(只有0.3mm),跟玻璃基板显示器的厚度(1.4 mm)比起来差异颇大。这一个电子书产品可以显示四个灰阶的图像,对比则是超过10:1,这些优异的特性都是拜a-Si:H TFTs极低的泄漏电压与特殊的TFT结构所致,有了上述特殊的TFTs结构设计才能够使得此显示器具有相当大的储存电容与金属电极屏蔽结构,显示器的视角则达到了接近180度.

以本团队所知道的知识而言,这个展品是全世界第一片利用高质量硅晶体管所制程的10.1英寸SVGA可挠式电子书显示器,由于此技术主要是利用传统a-Si:H TFTs的方式来进行,所以预估可以轻易地获得采用,在各种应用领域大放异彩。

结论
本研究在可挠式不锈钢金属薄片基板上利用传统的a-Si TFT制程技术开发了一个高分辨率的大尺寸电子书显示器,这种传统a-Si TFT的制程技术应用到高质量大尺寸可挠式显示器的面板开发上具有相当不错的成效。这个显示器相当适合用来作为手持式的电子书显示器或是导航与行动装置适用的周边监视器,图四中为一个10.1英寸SVGA电子书的成果展示。CSOT

致谢
本研究的成果有一部分是由21C Frontier R&D计划所赞助,作者相当感谢副总裁In-Jae Chung在这个计划中的全力支持,对于PT团队、P&A团队还有R&D 3团队等等成员的协助与努力,作者在这边表达相当感谢之意。此外作者也要对E Ink公司,Nippon钢铁公司还有Sumitomo公司致上谢意,因为有他们才能提供E Ink的影像膜及金属基板材料作为实验之用,谢谢!

参考文献
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.

图一:两种不同单画素TFT array的光学影像(a)由U型双TFTs所组成的单一画素TFT array(b)由双闸极型TFTs所组成的单一画素TFT array。

图二:金属薄片基板上两种不同TFT array设计型态的转换曲线(V/A)比较图(a)U型双TFT结构的转换曲线(b) 双闸极型的TFTs的转换曲线。

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