软性显示器技术及其发展潜力 - 软件编程/OS - 电子工程师俱

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迈入二十一世纪后，各国显示器厂商开始思考第三代显示器的技术开发，期望着各自研发的相关产品能够成为继 tft-LCd之后另一个明星产品。倍受关注的软性显示器是否能握紧这个接力棒，我们拭目以待。

平面显示器的诞生改变了人们使用显示器的习惯，由于其更轻更薄的特性，除了对既有市场产生替代的效应，新的应用领域亦应运而生，包括可携带式产品、信息产品及视讯产品等皆是平面显示器的市场。迈入二十一世纪后，各国显示器厂商开始思考第三代显示器的技术开发，期望着各自研发的相关产品能够成为继TFT LCD（薄膜晶体管液晶显示器）之后另一个明星产品。2003年之后，在许多显示器的研讨会上，陆续有厂商发表了关于软性显示器的技术成果，而这些厂商除了以研发为主的欧美公司之外，逐渐延伸到一些亚洲的显示器厂商，如LG、三星、夏普与爱普生等。为此，DisplaySearch对这项新兴技术进行了市场与技术趋势的研究与调查。本文将针对软性显示器总体市场趋势及其中一项关键技术的发展趋势进行探讨，介绍软性显示器技术未来可能的发展潜力与机会。

软性显示器的构造

软性显示器最为吸引人的特点包括：重量轻、厚度超薄、具备如报纸般可以弯曲的特性，消费者随时随地可将显示器卷曲后带走，还具备省电的特性。可以说，软性显示器的研发，创造出一种无可限量的应用机会。

首先，我们先针对软性显示器的构造进行了解，从图1可以看到，软性显示器基本构造可以区分为基板（Substrate）、中间显示介质与薄膜封装（Thin Film Encapsulation）等三层主要结构。基板方面可以选择塑料、薄型金属与超薄化玻璃基板等。中间层显示材料则有更多选择，从液晶材料、OLED材料、到EPD（电子纸张显示）的材料都是选择项目之一。此外，若是采用主动驱动的电路设计结构，针对软性显示器的低温制程，目前厂商一共开发了a-Si TFT、LTPS TFT与采用有机材料的OTFT电路制程。

软性显示器的三大形态

目前依照使用的情况区分，软性显示器可以分为几种型态：

1、具备纸张画质的软性显示器（Paper Replacement）

未来所要取代的应用在于书本或是卖场的广告刊板等应用市场。因此，在产品特性上需要具备轻薄、低耗电量，是否需要弯曲的特性则并非是重点，目前合适的技术有LCD、EPD与MEMS（微机电系统）。

2、具备微弯曲特性的软性显示器(Conformable)

须具备低耗电、厚度最好在0.5mm以下且具备较佳的画面特性，显示器弯曲程度的要求却不需要很高。目前来说， EPD、 OLED与 LCD技术都极为适合发展。

3、卷曲式的软式显示器(Rollable)

须具备低耗电、厚度最好在0.5mm以下，且具备较佳的画面特性，显示器本身需要具备可以弯曲，甚至可以卷曲带着走。EPD、OLED与LCD技术都极为适合发展。

从应用的角度分析，具备纸张画质特性的软性显示器，本身潜在应用的机会在于户外刊板与卖场的价格卷标。至于具备微弯的软性显示器目前则可用于更为广泛的地方，从e-Book到Mobile Device（移动装置）等都有很好的使用机会。而具备卷曲特性的软性显示器则可以用于报纸等相关产品。

2010年达到5亿美元

由于软性显示器属于新兴显示器技术，因此在某些产品市场，软性显示器的技术很有竞争力，例如：手机、PDA、车用显示器等。此外，软性显示器另一个切入的应用机会在于一些新的产品，例如Smart Card（计算机智能卡）、电子标示显示器或是软性e-Book等产品。从图2的资料显示，软性显示器的产值将在2010年的时候达到5亿美元，估计到了2015年将接近19亿美元的关卡，其中手机、数字看板、e-Book与Smart Card将是最有机会切入的应用产品。接下来我们将针对其中几项产品的应用机会进行细部的探讨。

1、Smart Card

Smart Card产品是一种全新革命性的应用产品，可以让许多数据储藏在其中，并让消费者可以应用于不同的地方。依照目前的使用型态区分，分别可以用于下列不同的地方:银行提款卡与信用卡、停车或是票卷使用、身份辨识使用、收费站过路费使用。

提供上述这些功能，确实能给人们带来使用上的便利，然而进一步思考，每个人身上将携带多少卡片呢?一般会包含信用卡、银行提款卡甚至健保卡等数十张。然而每张卡片却只能提供一种功能，基于这样的理由，相关厂商正在积极开发一张可取代所有卡片的多功能智能卡片。基本上这张卡片可能需要包含简单MCU（微控制单元）、内存甚至显示器等组件。显示器所要扮演的角色在于提供简单的讯息让使用者了解到目前这张卡片内有哪些数据，而这些数据的情况又是如何。我们预期显示器本身并不需要具备彩色或是高画质的要求，反而需要具备省电、可弯曲、成本低等特性需求。

2、e-Book

理想中的e-Book也将提供许多过去产品所无法提供的优点，主要包括：

（1）高分辨率：传统的报纸分辨率约在65lpi～100lpi（lpi,每英寸的行数）左右，书本与杂志则在120lpi～150lpi，若是呈现艺术相关的书籍则要达到170lpi～250lpi。
（2）重量与厚度要求：产品自身的重量做到可以轻易携带，因此目前推出的几款e-Book面板规格约在6～10英寸之间最为普遍。
（3）低耗电量：消费者在使用上，每次使用的时间可能达到1～2小时以上，如何在系统重量限制之下满足长时间使用对低耗电的显示器要求，成为面板厂商极力想解决的问题。
（4）面板画质要求：显示器若是能显示单色灰阶，原则上就已经可以开始使用，然而若是具备彩色功能，必将扩大使用的领域。

3、Digital Signs（数字看板)

根据统计，美国厂商花费在各种型态的广告费用高达数千亿美元，其中各大卖场用于制作价格标签、促销产品看板等费用估计高达60亿美元。此外，用于户外的广告板制作费用一年则高达63亿美元之多。

由此可知，若有一种产品可以随时提供每日最新的产品价格，甚至每隔一段时间可以变更显示的图案，并让客户随时调整最新的价格策略，将可以大大降低客户的广告成本。相较于LCD产品，软性显示器具备更佳的成本优势，我们预期未来这些新的显示器产品很有机会可以取代一部分的广告市场。

从面板种类进行分析，EINK技术的软性显示器成长速度最为显著。估计2011年将达到3.7亿美元，2015年则有机会达到5.6亿美元的规模，市场占有率接近3成。另一个被看好的技术是以OLED为基础的软性显示器，估计2010年被动OLED显示器将最先可以达到5700万美元规模，主动式OLED则须延迟到2012年才会有产品推出，到了2015年两者产值可望达到4.5亿美元，紧随于EINK之后。

三种基板技术的发展
  
从前面的内容我们了解到，软性显示器在结构上最大的差异是具备可以弯曲的特性，也因为这项特性要求，过去所采用的玻璃基板材质并不是最佳的选择方案。为此各国纷纷展开其它材料的基板研究，依照目前发展来看，解决方案一共分为三种：开发超薄化玻璃基板、开发塑料基板材料与薄型化金属基板。

1、薄型化玻璃基板

目前，由玻璃工厂所提供最薄的玻璃为0.5mm，随着应用的不同，面板厂商逐渐开始试着将玻璃研磨到0.2mm或是更薄的厚度来使用。当厚度低于某种程度之后，可以看到玻璃基板开始具备可弯曲的特性，因此部份厂商开始尝试开发搭配超薄玻璃基板的软性显示器。

从2006年日本横滨展会场上我们可以清楚看到，许多厂商目前正积极开发超薄化TFT LCD薄型化的技术包含了超薄背光板开发与超薄玻璃基板开发，以夏普的产品为例，LCD的面板厚度为0.89mm，若扣除背光板的厚度约为0.3mm～0.4mm，玻璃厚度估计只有0.2mm，已经达到具备弯曲的特性。

2、薄型金属基板技术（Metal-Foil）

所谓的薄型金属基板，其基板厚度低于0.1mm，采用这样的基板主要在于金属基板具备以下几个优点：

耐高温制程：目前金属基板的耐温性远高于塑料与玻璃，至少有1000℃以适合各种高温的制程，与塑料相比，热膨胀系数（CTE）更为接近玻璃，因此在电路图样定位方面比较不容易发生问题。

具备阻水阻氧的功能：由于金属基板本身无法穿透空气与水气，不似塑料材料易让水气及氧气穿透的问题发生，所以并不需要进行任何阻水阻氧镀膜处理，降低处理步骤。

具备R2R(Roll-to-Roll)的制程可能性：金属本身已经具备极佳的延伸性，因此极为适合利用R2R的生产流程。

成本低廉与取得方便：在材料成本方面，目前金属的价格要远比特殊耐高温的塑料材料来得低（约是塑料的30％），而且用在平面显示器上时，不需要镀上许多特殊的防水气防氧气保护层，实际运用成本会比用塑料更低。

目前，采用此种基板的研究单位就属美国的普林斯顿大学及里海大学最为积极，其中里海大学曾发表出利用金属为基材并在上面进行TFT电路的制造，并且证实所得到的组件性能将更为优良，也实际展出在不锈钢上软性显示器成品及电性数据。然而，以金属基板做为软性显示器最大的挑战，就是材料表面粗糙度的克服，未来如果能克服表面粗糙度的问题，将可使采用金属基板的相关研究成果大幅成长。

3、塑料基板材料进展

虽然薄型化玻璃几乎已经达到可以商品化的阶段，然而过高的抛光成本与无法搭配R2R的制程方式却是严重的致命伤。金属基板受限于表面处理技术仍有待开发，塑料基板则成为最多厂商选择的材料。然而要达到可以商品化的阶段，塑料基板须具备下列要求：

光学透射率须达到90％：须具备高的光学透射率，至少需要达到90％以上，同时希望在进行ITO层等镀膜之后，透射率还能够达到80％以上。

  耐高温与抗UV特性：能够具备抗高温的制程与抗UV老化的特性要求。
  硬度要求（Hardness）：通常需要达到6H以上的要求。
  ITO阻抗：对于AMOLED来说ITO阻抗须低于50欧。
  氧阻水气特性要求：阻氧特性至少须达到标准大气压下每天10-5cc/m2，阻水气要求则是要达到每天1ug/m2。
  表面平滑度（Roughness）：须达到2nmRMS之下。
  低成本：我们预估最少在2010年须达到每平方米40美元～60美元的程度才具备价格竞争力。

在上述的基板特性要求中，其中最需要解决的问题在于提升塑料基板的耐热性，以TFT LCD制程为例，整个过程中基板需要面临300℃～400℃的高温制程，每道制程对于塑料基板来说都是一大考验，解决这个问题除了开发低温薄膜制程之外，开发能够耐高温的塑料基板材料也是选择方案。传统TFT LCD在部分制程中会遇到一系列高温挑战，比如:激活过程(Activation Process)可能会面临到高达700℃，或在Gate Insulator Densification阶段需要长时间将基板放于500℃高温制程中达到1小时以上，面板生产过程中将面临多次的高温制程的挑战。传统的塑料材料受限于本身材质并不具备耐高温的特性要求。   

因此，有关厂商首先从现有的塑料材料中挑选几款特性较佳的塑料材料进行研发，PET、PES与PEN等材料都有厂商尝试作成塑料基板，然而其Tg温度约在200℃甚至更低，难以抵挡高温制程，虽然这些塑料材料广泛用于传统的塑料产业，成本上具备优势，但是由于耐热性不佳，目前尚无法正式使用。DuPont则是尝试开发可以耐高温的PI基板材料，初步测试其玻璃化转变温度Tg高达340℃、但本身的穿透率却只有30％，与90％的要求相差过大。Sumitomo则是一种新开发的塑料基板材料(FRP)，其Tg可以达到350℃、CTE为14ppm/℃且穿透率也高达90％以上，是目前在各方面的性能表现都有望达到塑料基板的基本要求的产品，但是最佳解决方案的出现还需要更多资源的投入。