以标准TFT模组生产的柔性电子书显示器

摘 要:轻、薄、耐用的柔性电子书显示器正准备量产,使用的大部分设备、工艺与玻璃型显示器一致。

关键词: 电子书;柔性显示;EPLaR工艺

中图分类号:TN141.9文献标识码:B

Flexible E-Book Displays Produced in Standard TFT and Module Factories

Ian French

(PVI)

Abstract: Thin, light, and robust flexible e-book displays are being prepared for mass production with most of the same equipment and processes used for glass displays.

Keywords: e-Book; flexible display; EPLaR Process

引 言

首批电子书并没有获得较大的商业成功,譬如二十世纪九十年代的Rocket和Softbook便携书,这或许与有限的阅读材料、阅读内容相关,实际上那些便携书配置了有源矩阵LCD屏,但这对于广大读者来说遥不可及。近年来,大量的研发工作使得电子书能够普及。首先研制出了高质量的电泳显示屏,这些屏的视觉效果堪比纸质印刷品;其次,亚马逊(Amazon)、索尼(Sony)等公司研发的核心组件,使得书籍、报纸、杂志迅速电子化,这是通过无线网或者互联网实现的。

1 电子书显示器的发展

从二十世纪七十年代起就有不少课题组展开电泳显示的研究工作,但在二十世纪九十年代他们的工作成果陷入了很大的尴尬境地,这是由于LCD技术的崛起,同时制备高质量电泳显示器存在的许多实际问题也并发出来,包括可行性和使用寿命问题。1995年麻省理工大学的Jacobson课题组再现了电泳显示技术,他们研发出一种由黑-白颗粒组成的微箔,这种悬浮在透明液体中的颗粒受到相反电场的作用。在外电场作用下颗粒可以移动,这样黑或白微粒均可面向上,或者微粒成不同比例混合。这样观众能够看到一个或白或黑的微箔,这取决于微箔最上面采用哪种微粒,或者看到一个灰色的微箔,这取决于黑白微粒的混合程度。只要良好控制电荷微粒的表面化学性能,就解决了以往很多电泳显示技术存在的问题[1]。电泳微箔的研发始于麻省理工大学,两年后的1997年E-Ink公司成立了。

为了能够制造出显示多页文本及单色图片的高分辨率电子书显示器,E-Ink的微箔贴到了大多数有源驱动矩阵LCD用到的非晶硅TFT背板上。第一本采用E-Ink微箔的电子书是索尼LIBRIé,于2005年问世。最早的TFT背板制造与集成是由飞利浦完成的,但在2005年年底飞利浦决定停止显示器生产的时候,这些业务转给了Prime View International(PVI)。

目前电子纸市场给了显示业一个很大的推动力,市场调研公司DisplaySearch估计将从2009年的1亿美元增长到2018年的90亿美元。有些尴尬的是,这种估计数据的迅猛增长是基于一种按常规被认为是有缺陷的显示技术,即按常规从显示器的亮度、对比度、色域、响应时间等参数来看存在缺陷的技术。电泳显示器本身就是显示响应时间长、对比度低(相比LCD)、单色等,相反的是它的这些属性可以延长电池的使用时间,因为只在更新页面的时候才耗电,而且最引人注目的是电泳显示器的表观同于纸质。

尽管电子书拥有很多印刷纸张的视觉特征,但感觉上还是很不一样的,这点对于潜心阅读来说特别重要,当人们端着一本书、杂志、报纸时,而使用玻璃TFT背板的电子书则需要用金属框架保护,特别是譬如8in的大尺寸电子书就变得厚重。而且即便有金属框架的保护,电子书也会因为坠落或重物挤压而破损。而把TFT矩阵制备在柔性基底上,显示器就变薄了、轻了、结实了。实际上E-Ink从1999年起就采用Lucent技术在柔性基底上制备有机TFT矩阵。那时起E-Ink以及十多家公司、研究机构就采用不同的TFT类型、柔性基底、制造技术开始演示高质量的柔性显示器。令人惊讶的是,这么多年这么多公司成功进行了这么多的演示,而柔性显示器居然没有进入市场。其中一个重要原因是上述这些演示多采用现成工艺在小尺寸基底上制屏,如果要批量生产的话需要对新设备、新工艺进行投资。有机或者塑料TFT尽管已研发了10年以上,但还需要用到还未商业化的材料。

2 EPLaR工艺

可以采用塑胶电子激光释放工艺(EPLaR)[2]来生产柔性显示屏。该工艺使用了植被玻璃基底电子书所需的95%的工序和设备,这样可以降低投资成本和时间,因为除了极少量的新工艺和新设备需要购买外,没有必要建立新生产线。EPLaR屏也是得益于多年来在玻璃基底电子书方面制造经验的积累。

采用玻璃基底的有源矩阵电泳显示器工艺步骤主要包括非晶硅TFT矩阵板的制造以及显示器模块的组装。场鞘像素结构使用相当厚的聚合物绝缘层覆盖在TFT上,如此的话,ITO像素设置在TFT管、行列驱动线的上方,可以最大化ITO面积,从而很好地控制电泳箔片。这与较大光学开口率的LCD中的TFT结构一样。模组工序包括对母基板进行切割裂片完成显示器分离,贴合电泳箔片,采用COG技术焊接行列驱动电路,最后焊接柔性PCB连接到外部驱动电路。

EPLaR工艺非常接近玻璃基板的电泳显示器制备工艺,但还是有些附加工序。第一道附加工序出现在TFT矩阵板制备前,即10μm厚的聚合物层加到标识玻璃基底上。只要在合适类型的聚合物粘合面进行了合适的界面处理,聚合物就能够非常牢固地附着在玻璃基底上。该层聚合物能够承受制备TFT管的所有工序。

为了减轻颗粒和玷污程度,所有TFT生产线均采用自动操作系统来减少人为因素的影响。在各个工序段之间使用片盒和传递车自动搬运玻璃基板。这些基板可以从片盒传递到机器设备中,相连的工序段之间通过机械手传递。即便是2代线的玻璃基板,其尺寸也非常大,因此放在片盒中的玻璃基板也会下垂,那么基板之间的间隔必须精确控制,以保证片盒能够装载最大量时机械手可以从容取出基板。在过去,基板之间的间隔控制到这样的地步:玻璃基板的厚度不能从1.1mm变换成0.7mm,因为这样做后必须重新制作片盒,这说明要改变TFT线上基板的尺寸和重量需要考虑到很多问题。就EPLaR工艺而言,新增加的聚合物使得基板的厚度增大了1.4%,重量增加了不到1%,这种基板的微小变化使得EPLaR工艺可以用于任何现有的TFT自动批量生产线。

在生产过程中,聚合物层牢牢地附着在玻璃基板上,这就意味着EPLaR屏的设计规则可以严格遵循玻璃基板TFT矩阵的规则,EPLaR屏和玻璃基板的屏使用相同的光刻掩膜版。图1(a)所示为玻璃基板电泳显示器的像素照片;图1(b)为EPLaR工艺制备的柔性显示器的像素。可以看到,两张照片之间除了颜色不同以外完全一致,其颜色差异来源于聚合物薄膜。作为比照情况,制备在较厚塑料基板上的柔性显示器,因为基板在加热过程中会吸收释放水汽,则应该遵循那些生产过程中可以伸缩的规则。也正是出于这样的原因,较厚的塑料基板不适合制备高分辨率的显示器。

电泳箔片、驱动芯片、电学连接件均叠置在基板上,而制备TFT矩阵板的设备与参数设置跟用于玻璃基板电泳显示器的一模一样。到这个工艺阶段所有的电泳显示器件都还设置在玻璃基板上,而聚合物薄层处于玻璃基板与TFT矩阵之间。为了实现柔性显示器,第二道EPLaR的附加工艺是必须的,即采用激光工艺将聚合物层从玻璃基板上释放出来,聚合物层就变成了柔性显示器的塑料基板。图2展示了9.7in屏的部分,在中国扬州的PVI模组厂通过激光释放得到了EPLaR工艺屏。

3 电学特性

图3所示为标准玻璃基板上和经过激光处理后EPLaR显示器中的TFT测试曲线,TFT特性高度一致,包括开态电流、阈值、亚阈值区斜率、关态电流均没有明显差别,所有这些特性参数非常重要,它们共同决定着驱动电压和显示建立时间。比如亚阈值区斜率较小的TFT管在开、关态的电压值差别较大,则需要高成本的宽范围驱动芯片。由于玻璃基板和EPLaR技术的电子书的电学特性一致,那么两者可以使用相同的电子元件和驱动方案,这对于两者的生产商来说是重大进步。

在较高温度和较高栅压场中,对玻璃基板和EPLaR技术的TFT进行了直流稳态测试,同样地,塑胶电子激光释放工艺的TFT与玻璃基板上的TFT具有一致的结果,这些结果表明EPLaR工艺屏拥有与非晶硅TFT-LCD一样的性能、使用寿命以及稳定性。

4 EPLaR工艺屏及未来规划

所有批量生产的有源显示器均使用TFT玻璃基板,包括TFT-LCD、有源矩阵OLED以及电子书。EPLaR工艺屏之所以成为柔性就意味着没有玻璃屏的感受,取而代之的是轻、薄、结实。按道理来说,EPLaR工艺屏既可用在平面上,也可用在曲面上,更不用说可以卷起来再展开。过去E-Ink就描述过那种具有鼠标垫特质的显示器,展现出这是一种结实的显示器,既可以展平又可以有一定程度的弯曲。这就没有理由去说明未来的EPLaR工艺屏为什么将会成卷地制造,但有必要重新设计模块,特别是如何放置刚性的行列驱动器。

PVI已制成了1.9～6in和9.7in的EPLaR工艺屏,其中9.7in是已有标准玻璃基板电泳显示屏尺寸的3倍。图4所示为9.7in EPLaR工艺屏的照片,展示出报纸页的图像。

虽然EPLaR工艺主要开发应用于电子书和电子报纸,但也可用于其它方面来实现轻、薄、结实的显示器。一个最有可能的应用是安置在智能卡上的小型显示屏,也许可以在付账的时候替代用户照片来显示账户信息和签名情况。玻璃基板的显示屏因为太厚太硬而不能用到智能卡上,而EPLaR工艺屏的厚度可以小于0.4mm。小型柔性显示器不仅能用作电子标签,还能用作移动电话的副屏。图5所示为1.9in EPLaR工艺屏的照片,该屏的驱动电子元器件焊接在柔性PCB连接板上,这表明整体可以形成一个曲面外观。EPLaR屏的灰度为16级,这显然可以在电子证章上用作身份照片显示。这套便携式展示系统的电子元器件即驱动方案由MpicoSys提供[3]。

5 结论

目前EPLaR工艺屏正准备进入商业化,由台湾PVI的TFT生产线和中国大陆的模组公司分包进行生产。EPLaR工艺屏中非晶硅TFT的电学稳定性与玻璃基板LCD中的一样,这类TFT已广泛用于几百万器件之中,范围从移动电话到LCD电视。EPLaR工艺屏还可以用于形如电子书、电子报纸、智能卡、电子标签等方面,在不久的将来,其将受惠于玻璃基板电泳显示器的进步,比如全彩色屏和视频刷新率的研发,这都可以用到EPLaR工艺屏。

参考文献

[1] J. Ritter. The Promise of “Electronic Ink”[J]. Information Display 12/1, 22-25 (2001).

[2] I. D. French, et al. Thin Plastic Electrophoretic Displays Fabricated by a Novel Process[J]. SID Symposium Digest 36, 1634-1637 (2005).

[3] .

作者简介:Ian French,PVI首席科学家,致力于EPLaR产业化研究,曾在飞利浦研究中心从事显示和传感器范围的研究工作,E-mail:ianfrench@pvi.c om.tw。

(南开大学 代永平

译自《Information Display》 12/09)