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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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2mm 的超薄視界 「 收」「放」自如的可折顯示器

陳帝鴻

「 收」「放」自如的可折顯示器
「 收」「放」自如的可折顯示器

將一張厚度僅有0.2公分,薄如糖果紙的塑膠膜片輕輕拉開,居然上面正在播放故宮的動畫「國寶總動員」。這不是未來情境的想像劇本,而是創新科技創造出的真實應用。

2008年是工研院軟性顯示器開花結果的一年,在研發上出現許多躍進式的突破。例如上述用來播放「國寶總動員」的主動矩陣式有機發光顯示器(AMOLED);或是長達三公尺,世界第一的軟性膽固醇液晶顯示器;又或是具備雙穩態(bistable),不插電就可以使用,極具環保概念的軟性顯示器,都是工研院影像顯示科技中心最近發表,兼顧前瞻性及協助台灣顯示器產業升級的重大研發成果。

伴隨網路化時代,以及電子化減少紙張使用的趨勢,要如何將現行以紙本傳遞資訊的模式電子化,卻又能保有紙張輕薄、易攜帶、閱讀舒適的優點呢?軟性顯示器提供了一個極佳的解決之道,或許不久的將來,人類真的可以不必再大量砍伐樹木製造紙張,因為科技的貢獻,為我們延續地球生命的綠色力量,又找出了一個新的解決之道。

電子書一定得是個四方硬盒子嗎?
如果有一天,電子書螢幕能夠做到像糖果紙一樣輕薄,
捲起來甚至比一根吸管還細,攜帶起來該有多便利?
在軟性顯示器產業起飛的此刻,工研院影像顯示科技中心,
已製作出全世界最大的高解析度單色膽固醇液晶(Cholesteric Liquid Crystal)顯示器,
並且領先全球國際大廠,率先掌握突破性塑膠基板取下技術。
未來軟性顯示器將如何改變我們的生活?產生哪些新的應用?

現 代人每天出門的時候,身上都多少會攜帶一些資訊產品,從手機、PDA、MP3隨身聽到筆記型電腦,在資訊爆炸時代,人們對資訊的需求無所不包,也無所不在。
受限於傳統的硬式LCD面板,目前的資訊產品若要做到輕薄短小,像手機一樣放進口袋裡,必定會在資訊顯示量上受到限制;若要一次顯示大量資訊,好比筆記型電腦,便很難合乎輕薄短小的要求。

工研院影像顯示科技中心主任程章林指出,如果採用軟性顯示器,顯示器將變得又輕又薄,甚至可以像捲糖果紙一樣地整張捲起來。如此一來,不但以上的兩難限制,將迎刃而解,還能衍生目前硬式LCD面板做不到的全新應用,也是國內顯示器產業發展至今的生存轉機。

「在未來三到五年之內,軟性顯示器的應用一定會起來,產業現在就要開始做好準備。」程章林指出,初期的應用可能不是很高階的使用,也不見得是令人咋舌稱奇的發明,但一些試驗性的產品將會逐漸出現。像前一陣子美國版《Esquire君子》雜誌,以一個軟性顯示器做為封面,就是最具體的例子;工研院顯示中心,最近也有突破性的研究成果發表。「前幾年我們是先蹲著,現在慢慢站起來跳了,」程章林笑著說。

危機中窺見轉機

程章林指出,相對於日本、韓國,國內顯示器產業幾乎集中在TFT LCD技術與產品不但在上游材料、設備與下游品牌經營上相對顯得弱勢;另一方面,對下世代新興技術的投入也有所不足,在產業上處於高產值、低獲利的跟隨者角色。

雖然國內TFT LCD產值,在過去短短七、八年內,由零開始衝刺至世界第一;於2007年產值居全球之冠,超越位居二、三名的韓國與日本。但自2008年第四季開始,由於國際大環境的轉變,以及韓元的政策性貶值,造成台灣廠商競爭力大減,使得韓國產品的全球市占率,很有可能由原先的四成上下,急遽竄升至六成以上;而國內廠商的全球市占率,恐怕會由五成跌至三成多。

這項轉變不但大幅壓縮國內大廠的生存空間,也令國內TFT LCD產值,出現十年來的首度衰退。根據工研院產業經濟與趨勢研究中心IEK預估,2008年我國平面顯示器總產值為1.74兆元,較去年同期衰退0.6%。

「工研院的角色,就是要走在業界的前面,做業界因為風險太高不敢做,或者是因為過去太忙還沒有做,亦或是想做但不知道怎麼開始做的前瞻研究。」程章林點出工研院的角色定位。

他指出,目前國內產業界都有這個共識,就是在生產方面可以節約緊縮,但在新產品技術研發方面的投入,卻不能停下來。「因為我們要先在冬天的時候,把糧食積蓄好,也許一年、也許兩年,甚至更長的時間,等到寒冬過去,景氣開始迴轉的時候,在這段時間積蓄的能量,可以搶得下一波先機。」

未來趨勢一:綠色節能

對未來的趨勢,其實產業界的共識是相當夠的,就是資訊會跟著人走,也就是「行動智慧生活」。程章林指出,過去MIT也曾經透過聯合國,提出「百元電腦」的概念,把筆記型電腦複雜的功能拿掉,留下與教學相關的基礎功能。若干台灣廠商、奇菱,都參與其中;之後華碩便成功推出 Eee PC的產品,創造了筆記型電腦的另一個蓬勃商機。「這個例子,其實再一次地印證了,一個看似不再有成長空間的市場,只要你的產品能夠符合未來生活應用情境的趨勢,照樣能夠大有可為,」程章林強調。


由於在未來的行動智慧生活趨勢中,顯示器將成為無所不在的必需品;因此未來的顯示器,一定要做到綠色節能,從生產、製造到使用,都必須符合省能環保。

程章林表示,現有的傳統LCD平面顯示器,是相當不經濟而耗能。由於LCD結構複雜,背光源必須穿透偏光板、彩色濾光片等零組件,從背光到面板到最後的影像呈現,光的利用率只有5%,其他95%全都浪費掉了。

現在愈來愈普遍的平面電視,是家中十分耗能的電器,大約占家庭耗電量的7%,能源使用效率卻如此低落;在筆記型電腦上,情況更是明顯,若純粹靠電池供電,只要把螢幕調暗,就可以延長相當的使用時間,「所以我在飛機上用筆電,一定刻意把螢幕調暗,不然飛美國的話,一下子就沒電了,」程章林指著桌上的筆記型電腦說。

所以工研院希望開發結構更簡單的軟性顯示器,來提高光的利用率。除此之外,電子紙、電子書、電子海報的應用,也可以取代對現有紙張的耗費,節省有限的資源。

程章林指出,根據統計,每製造一公噸的紙張,需要耗費98公噸的其他資源!也因此紙漿與造紙工業,已成為現今第五大耗能產業,占全球耗電量4%。光是《哈利波特》這一部暢銷小說,全球銷售量累計三億七千萬本計算,就相當於砍伐了580萬棵樹木。

未來趨勢二:輕薄安全

未來行動智慧生活的另一趨勢,就是輕薄安全。傳統硬式LCD顯示器不但厚重,還容易因撞擊而損壞,所以家裡的液晶電視螢幕千萬不能任意拍打,手機和筆記型電腦也萬萬摔不得。

但新世代的軟性電子顯示器,不但不怕摔,還可以像畫一般捲起來。以連續式卷對卷製程(Roll to Roll)所製作的軟性顯示器,沒有長度的限制,可以解決大型顯示器搬運不易的問題。尤其Roll to Roll製程具有快速、低成本特色,與傳統LCD的高度真空、昂貴,又浪費材料的製作設備,形成強烈對比。

程章林解釋,將來的軟性顯示器,就像衛生紙一樣,可以一直捲一直捲,要多長有多長。「我們的願景之一,就是希望有一天可以用我們製作的軟性顯示器,完整呈現《清明上河圖》(長528公分×高24.8公分),」程章林顯示出感性的一面。

目前最長、最寬的顯示器玻璃基板,不過兩公尺多,但工研院顯示中心最大的軟性顯示器面積,已經可以達到24*300公分,解析度為30dpi,不但已經超過傳統所能夠涵蓋的範圍,更超過國際大廠Kodak所達到的國際水準8.89*304.8公分(解析度10dpi)。

未來趨勢三:智慧居家

有了這樣的技術,未來我們的居家環境,很可能是被四面巨大的顯示器包圍。「今天這一面牆,可能是王羲之的書法;到了明天,我可以把它替換成一幅宋朝的《清明上河圖》,」程章林指著四周說道。

超市的限時特賣,也不再需要人工手寫,而是能夠隨時進行價格更新;一天不管要更新多少次,都不成問題。一般公司行號使用的訪客識別證,也是軟性顯示器應用範圍,可以用網路攝影機拍下訪客照片,立即製作成電子識別證(E-badge),其中甚至可以記錄訪客到訪時間、訪問單位……等資訊,訪客離開之後,可以將顯示資料重新更新,供下一位訪客使用,方便又環保。

程章林指出,根據市調機構iSuppli於2008年六月所公布的數據,軟性顯示器將於未來五年之內,也就是2013年,成長至28億美元的市場規模。此外,在軟性顯示器方面的投資,也已由過去由政府主導投入,開始漸漸被私人創投超越。這個趨勢在2008年,已經出現黃金交叉點,意味軟性顯示器正逐漸由萌芽期進入成長期。

工研院顯示中心成立將近三年以來的宗旨,便是希望「帶動軟性顯示新世代,再創顯示產業新契機」。希望透過科技創新與應用創新,協助國內產業界追上歐、美、日的研發腳步,再創國內影像顯示產業的另一高峰。「這是我們的豪情,也是我們的使命,」程章林特別強調。

使 用大螢幕智慧手機,一天講不了幾個鐘頭的電話,就又要充電了。要是有一天,手機螢幕可以任意延長與收捲,好幾天才需要充一次電;筆記型電腦的電力,可以一路從台北直飛舊金山,那該有多理想?
這一次在工研院影像顯示科技中心成果展中,發表的主動矩陣式有機發光顯示器(AMOLED),正是未來讓這一切付諸實現的那根魔力棒,也是通往未來的飛行毯。目前工研院已在製程上掌握關鍵技術,不但能夠透過專利布局,鞏固國內相關產業的國際競爭力,更可以大大振奮目前低迷的面板產業,開啟新商機。

AMOLED
AMOLED

現行顯示器已不符需求

有機發光顯示器的特性,是會自己發光,不像 TFT LCD 需要背光,因此可視度和亮度較高,其次是電壓需求低且環保節能,並有反應快、重量輕、厚度薄、構造簡單、成本低廉等優點;依驅動方式不同,又可分為被動式(Passive Matrix,PMOLED),與由電晶體驅動的主動矩陣式有機發光顯示器(AMOLED)。

工研院影像顯示科技中心組長李正中指出,現在的面板產業,大概的用途就是手機、筆記型電腦、電視;但因為這些顯示器是玻璃做的,在未來的行動生活中,所有的隨身裝置都必須又輕又薄,部分個人化設計的產品,甚至會是曲面構造,甚至方便到最好可以收捲起來,還要做到環保節能。

目前的高階主動式顯示器有一個最大的問題,就是它不輕也不薄,更不能捲;大尺寸的TFT LCD重量上也很重,更不可能節能,要目前的顯示器去符合未來的生活趨勢,根本不可能。「未來的顯示器,一定要輕薄方便攜帶,還要有能力一次顯示足夠的資訊量;這不是技術決定,而是使用需求決定,因為人們未來的使用需求,就是在這裡,」李正中說。

帶動產業提升的軟實力

李正中進一步分析,就「輕薄」、「資訊量大」兩個特質來看,軟性顯示器未來的發展會變得非常重要,因為它可以彎曲、折疊、收捲。要擴大產值最好的方式,就是擴大應用,促成換機潮。「若是手機、筆記型電腦、電子書甚至電視,都改變成為可彎曲、可折疊,甚至可收捲的型式,將改變整個顯示器產業,」李正中對相關領域的發展深具信心。

根據市場調查機構Display Search的預測指出,由於手機、MP3播放器等應用日漸增加,2010年AMOLED市場,可望成長至39億美元。自2005年起算,五年的年複合成長率高達130%,成長力道非常強。

依照工研院的觀察,只要主動式顯示器一旦進入大量量產,爬升的速度將非常驚人。就好比當年筆記型電腦剛出來的時候,顯示器看起來並不賞心悅目;但是當TFT LCD出來以後,筆記型電腦的應用就迅速增加,再加上那時候無線網路與網際網路的應用一起加入,配合高畫質的顯示器,在軟體與內容不斷進步,硬體又搭配得起來的時候,整個筆記型電腦產業就起來了。

「台灣有許多世界級的顯示器製造廠,有很好的生產能力,加上目前對AMOLED的需求已經出來了,正是好上加好、大展身手的好機會。」李正中認為,台灣具有發展AMOLED的絕佳條件,尤其對國內液晶面板業者來說,只要花小錢就可以輕易改裝既有TFT液晶面板廠房,生產AMOLED,真的非常划算。

專利超越日韓大廠

為了協助面板相關廠商,利用既有的玻璃製程優勢,轉進軟性顯示器生產,工研院也進行了跨單位的整合。李正中表示,工研院總共有四個單位同時參與這個計畫,希望能夠發展出全球獨家「PI塑膠基板策略」相關的解決方案 。

工研院顯示中心,運用在玻璃基板上塗布一層「離形層」,順利融合業界既有的TFT製程,在柔軟的PI基板上,製作出現今面板所使用的薄膜電晶體陣列,並且能夠在不損害電晶體的情形下,順利將軟性塑膠材質取下,讓面板廠不用加購新機台,也不必大幅修改目前製程,就可以製作出柔軟的電晶體陣列。

「我們到底是怎麼樣在不損傷電晶體的前提下,把PI塑膠基板從玻璃上取下來的,所有的日韓大廠都在問,全世界也只有我們能夠以很簡單的裁切方式辦得到,」李正中自豪地說。

目前工研院研發出來的AMOLED,不但對位準確度達二微米內,遠高於國際大廠的五微米,厚度也只有頭髮的十分之一,即使經過1,000次的捲折,也不會影響顯示器表現。這不但是軟性顯示器走出實驗室,邁向量產的里程碑,也可望是未來薄型軟性電視、可折疊手機等高階應用的先聲。(陳帝鴻)

主動矩陣式有機發光顯示器

4.1 吋 AMOLED 是工研院今年在軟性面板最新突破性的研發成果,完成捲軸手機中拉 出螢幕的夢想第一步。厚度只有 0.2 公分,彎曲半徑可達到 1.5 公分以下,遠超越國 際上其他軟性顯示器彎曲表現,亮度達 100nits,解析度為 320x240。成功整合塑膠 基板及有機發光二極體(OLED)等前瞻材料,達成軟性顯示器最困難的「主動式」 技術,開發出 4.1 吋單色產品。其製作方式為在玻璃基板與上方塑膠基板之間塗布一 層離型層,並運用既有的面板前段製程設備完成電晶體製作,最後再搭配 OLED 元 件,完成軟性螢幕。未來只需以現有的 TFT LCD 製程技術與設備,即能進行軟性顯 示器生產。

許多人都有這樣的經驗:走進大賣場,看到商品特價的海報,興沖沖地進去大肆採購一番,結帳時才發現特價日早就過了……。透過現代科技的協助,未來賣場舉辦折扣特賣,不需要再大費周章懸掛及輸出昂貴的紙本海報,只要透過無線網路傳輸,在電腦上輕敲幾個鍵,固定在天花板上的電子式旗幟面板,立即更換成最新主題。 AMOLED
超市貨架上的商品要更新價格,也不需要花費高昂人力成本,只要以中央電腦進行更新,透過無線網路傳送,貨架上的電子標籤就立即更新。

超省電的未來電子紙

膽固醇液晶採用反射式顯示器
膽固醇液晶採用反射式顯示器

工研院影像顯示科技中心副主任蔡猷陞表示,工研院目前已開發完成的全世界最大面積的雙穩態(bistable)單色膽固醇液晶顯示器,採用連續式卷對卷(Roll to Roll)製程,不但製程速度快,製程長度也不受限制,可用低廉成本製作出大面積的顯示器,讓這一切變得可能。「之所以稱為『膽固醇』液晶顯示器,其實與醫學上的膽固醇並不相同,只是因為它的液晶的排列方式,和膽固醇很近似,所以才因此命名。」

膽固醇液晶顯示器是一種具有高亮度、高對比、省電、有記憶性、廣視角、不閃爍等優點的新型顯示技術。它最大的優點就是省能源,平均用電量只需要穿透式液晶面板的1/50。蔡猷陞說明,膽固醇液晶具有雙穩態記憶功能,只要讓它進入某個穩態之後,它就會停留在那裡,並且只有在更新畫面時才耗電。就算是在影像完全顯示之後,關掉電源,還是能夠繼續顯示原來的影像,非常適合大型戶外看板以及電子書這種可攜式產品。

而膽固醇液晶採用反射式顯示的優點,是顯示器不需要使用背光源,就可以直接反射外界環境光,而達到顯示的效果。由於本身的光學特性,這種顯示器不需要使用偏光板,一方面可以減少面板製作成本,另一方面也能降低面板整體厚度,是一種非常符合未來需求的軟性電子紙。

超越TFT LCD的成長力道

蔡猷陞指出,過去做TFT LCD顯示器,設備與材料大約占生產成本的70%,因為二十年前要發展TFT LCD的時候,國內廠商並不具備掌握材料的能力,因此產業價值不在台灣,所以會陷入高產值、低毛利的情況。但雙穩態膽固醇液晶顯示器的材料,都是台灣廠商能夠掌握的,未來真的進入量產,爆發力道應該會比當年的LCD更強。

目前工研院所開發完成的該型顯示器,寬度24公分,長度超過300公分,反射率可達30%,具有國際級水準。蔡猷陞指出,雙穩態膽固醇液晶顯示器,就是未來的軟性電子紙,解析度也從先前的30 dpi,增進至300 dpi,將會是台灣進軍軟性顯示器的一個全新里程碑。(陳帝鴻)


相 對於目前市售電子書產品,大多只能提供黑白(灰階)顯示效果,工研院開發的彩色膽固醇液晶顯示器技術,只需要單層結構,就能夠呈現彩色。不但技術領先全球,也讓電子書進入輕薄彩色的新時代。 AMOLED
工研院影像顯示科技中心面板整合技術二組副組長胥智文表示,工研院是利用雙穩態膽固醇液晶顯示器技術,來開發彩色電子書。因為雙穩態具有記憶效果,顯像之後即使拔掉電源,還是能夠維持先前的影像,非常節能,也非常適合用來呈現靜態的文字或圖像。

單層結構呈現三原色

單層結構呈現三原色
單層結構呈現三原色

胥智文進一步指出,相對於國際上的彩色雙穩態膽固醇液晶顯示器,必須採用紅綠藍(RGB)三層堆疊結構;工研院和國際大廠技術最大的差異,在於使用單層結構的方法,就做出彩色的效果。

傳統彩色膽固醇液晶顯示器的紅綠藍三層堆疊結構,是藉由不同反射層的切換與反射,達到彩色化效果,不過卻有畫素對位不易、製程複雜、視角較窄、不易彎曲及增加電極設計驅動難度等缺點。而且三層堆疊的成本較為高昂,在顯示器厚度上,也沒有辦法做到像單層結構的輕薄。此外,市售黑白電子書以粉體作為顯示介質技術,其彩色化效果必須外貼彩色濾光片,造成反射光線強度降低至三分之一到二分之一,並且粉體顆粒本身顏色也可能影響色彩純度,造成畫面亮度與色彩飽和度降低。

目前工研院的做法,是將單層面板畫分成三條垂直的畫素區塊,用分道注入(PVF,Pixelized Vacuum Filling)或噴墨(Ink-Jet Printing)方式,將紅綠藍膽固醇液晶分別灌注或噴印其中,讓三原色同時在一層面板上出現,但不混色,形成單層彩色化面板。

胥智文分析,單層結構的好處,包括畫素對位容易、製程可靠度高、驅動系統成本低,同時可避免三層堆疊結構造成成本提高與製程複雜等問題。同時,單層彩色結構更容易達到可撓曲的軟性電子紙需求,可應用於彩色電子書、數位相框等攜帶型高解析度彩色電子紙產品。

目前工研院已完成10.4吋QVGA單層彩色軟性面板結構開發設計及製程驗證,厚度較傳統三層彩色膽固醇液晶顯示器減少60%以上,解析度40ppi ( pixel per inch ),反射率為30%,已達國際大廠所開發三層堆疊技術之反射率25%~30%的水準。

胥智文表示,工研院2009年的目標,希望解析度可以做到100ppi;而目前的筆記型電腦,解析度大約在70~100ppi之間。也就是說,當明年的單層彩色膽固醇液晶顯示器的顯示品質,真正能夠做到與筆記型電腦相當時,彩色電子閱讀器這項「殺手級應用」,就要正式吹響革命的號角了。

電濕潤顯示技術

相對於彩色膽固醇液晶顯示器適合呈現靜態的文字,在動畫顯示方面,工研院也已研發出全球第一個大尺寸的電濕潤顯示器(EWD,Electrowetting Display)。胥智文解釋,所謂的EWD,是一種新興的顯示器技術,利用油墨與水不同表面張力之特質,作為顯示介質驅動原理,且不需要偏光板、液晶、彩色濾光片即可達到彩色效果。

由於顏色切換反應快,此種技術適合用來播放動態影像,再加上EWD面板能結合現有的玻璃面板製程技術,以及工研院自主開發之數位噴塗技術(Ink-Jet Printing),將墨水精準噴塗於各畫素內,達到大面積製程技術開發。至於材料部分也可以使用現有的彩色油墨染料,生產成本低廉,結構又十分簡單,使國內廠商具有快速量產的能力。

相對於目前市面上的EWD技術開發面板,都是0.8~2.5吋的小尺寸,工研院發表的雛形面板,尺寸已經達到6吋,穿透率可以做到75%。下階段的目標,希望開發出能夠呈現動畫效果的彩色EWD顯示器,與軟性EWD顯示器,提供產業界更多創新的前瞻技術。(陳帝鴻)

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