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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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5年奮戰,開創軟性顯示器春天

文/陳帝鴻

台灣不受國際大廠的牽制,直接在現有玻璃基板上,製作出可撓曲的軟性顯示器,康寧(Corning Incorporated)出現了新對手!

美東時間6月30日下午,R&D 100 Awards主辦單位正式通知,來自台灣工研院以「多用途軟性電子基板技術」獲選2010百大創新科技,正式宣告台灣在軟性顯示器的關鍵製程上,佔有重要一席之地。

在黑暗中摸索前進

是什麼樣的技術能受國際專業評審的青睞,打敗來自世界各地競爭對手,從跨兩大單位的團隊組合,便可一窺究竟。

看起來似乎理所當然、水到渠成,但對於研發團隊核心成員――影像顯示科技中心面板整合技術一組組長李正中、整合技術一組有機製程技術部經理張悠揚,以及材料與化工研究所光電有機材料及應用研究組組長李宗銘、奈米混成有機材料及應用研究室研究員呂奇明等人來說,在光耀成果的背後,陪伴他們的卻是超過1,500個日子的持續摸索、磨合,以及不斷在失敗中愈挫愈勇的艱辛奮戰。

已在工研院服務23年的李宗銘回憶:「在2005年間,這個計畫剛開始的時候,影像顯示科技中心還沒有正式成立,而是由當時還在擔任電子所所長兼顯示計畫主持人的徐爵民院長,啟動這個計畫。」他表示:「我還記得我們當時在11館開會的時候,當時的徐所長還說我們還沒有去參加過國際資訊顯示學會(SID),所以他就親自出席當年的SID國際會議,並且將未來顯示器的發展方向,定調於軟性顯示器。就從那時候開始,材化所就和顯示中心一起投入軟性顯示器的研發。」

在計畫開始之初,一切猶如在黑暗中摸索前進。李宗銘回想:「為了探求軟性顯示器的可能應用,以及什麼人最需要軟性顯示器,我和李正中甚至還一起去拜訪過警察局。因為當警察在街頭執行臨檢的時候,軟性顯示器就可以像手錶一樣地戴在手腕上,警員需要查詢、核對資料的時候,只要拉出手錶上的軟性螢幕,就可以直接查詢到車籍與身分資料。所以我們一開始,完全是從『使用情境』出發,再從設備、材料、製程上去慢慢整理,一步一步將軟性顯示器的理想付諸實現。」

要在顯示器上做到由硬到軟的全面革新,不但是一項高難度的創舉,也是一項從設備、材料到製程,都必須高度整合的巨大工程,需要透過不同團隊的密切合作,才有可能開花結果。張悠揚指出:「顯示器的開發,基本上是一個需要高度整合的技術,你必須將包括材料、製程、設備等在內的所有面向,通通放在一起來思考,才有可能開創出很完整的新成果。如果顯示中心只是就市面上買得到的材料,去做製程上的開發的話,那樣的研究成果,很容易一下子就被別人模仿、追趕上。」

春捲皮vs.可麗餅

張悠揚強調:「如果今天你想做的是一個全新的、跟傳統顯示器的重疊性(overlap)沒有那麼大的新世代軟性顯示器,你在開發的過程當中,要是沒有將材料、製程、設備等包裹(bundle)在一起思考,在製程上的研發上,一定會受到材料和設備上的嚴重限制,你的時間很容易就會受到這兩項限制的干擾和影響,無限期地往後延。因為材料和設備的突破,是需要很長時間的投入與經驗累積的。」顯示中心當時的想法是,既然材化所已經有很強的研發能量,為什麼不直接找材化所合作?為什麼還要花錢向國外買技術?「況且向國外買來的技術,在研發的過程當中,還不一定可以即時地依照你的需要一改再改。」

為了做出軟性顯示器,研發團隊嘗試過各種可能性。李宗銘表示:「我們曾經試過以不銹鋼薄板取代玻璃基板,也曾經評估過以一般塑膠膜進行Roll-to-Roll製程,甚至還曾經試過將塑膠膜以接著劑直接貼在玻璃上。」但是這些方法,執行起來都有許多無法克服的問題。有一次在進行材料討論的過程中,李正中靈光乍現,想到了一個類似「春捲皮」的製作方式,可以在現有的玻璃基板上,製作出軟性顯示器。李宗銘進一步解釋:「所謂『離型層』的概念,就像是在春捲皮與烤盤之間加入一層易撕材料,既能夠讓春捲皮可以順利從烤盤取下來,又能夠做到不傷害餅皮。」他笑著說:「後來我們才想到,用『可麗餅』的概念,可能還更貼切一點,因為我們在製程中會不斷地在『餅皮』一層一層地加東西,就像製作可麗餅時會不斷在餅皮上加餡料,最後再將整張餅皮取下來一樣。」

不過,光有了離型層這個概念還不夠,最重要的,是要解決材料的問題。李宗銘指出:「一開始顯示中心找到一個材料,叫做聚醚堸(PES),是市面上現有的透明、又能夠耐熱到攝氏200度的塑膠膜;當時這個基材,是向日本廠商購買的。而當時的顯示中心,也不得不這樣做。因為雖然我們已經有共識,要開發出可以耐熱攝氏300度的材料,但由於顯示中心必須在當年度就做出一個製程技術,因此需要先找到一個現成的材料來做,不可能空等我們到年底做出一片之後,他們才繼續往下做,所以當時雙方是齊頭並進的,顯示中心先找到市面上現有的最好材料來做,材化所也同時努力開發出最好的材料。」

全新的跨單位合作關係

雖然顯示中心透過將聚醚堸貼在玻璃基板上,可以馬上驗證TFT的玻璃製程,但還是有一些製程上的瓶頸無法突破。第一,要將聚醚堸貼在玻璃上並不容易;第二,即便成功地貼上去,也不容易定位,因為聚醚堸很容易在玻璃上跑來跑去。而更嚴重的問題是,不久之後日本供貨商便以「聚醚堸是關鍵零組件」為由,中止聚醚堸供應,根本不肯將材料賣給工研院。

李宗銘回憶:「我還記得這個消息,是李正中組長告訴我的。他很緊急地對我說:『我現在已經不能再等到年底了,你現在就要趕快把新的材料給我!』這樣的狀況,可以說完全打亂了我們原本預定年底才做出新材料的步伐。他問我多久可以把東西給他,我告訴他:『大概兩個月。』他說:『不行!我兩個禮拜以後就要。』」他開玩笑地說:「從此以後,我就很怕接到正中的電話。因為電話一來,不是催著要東西,就是東西有問題。」

針對這樣的往來關係,張悠揚表示:「基本上院內跨單位的合作有兩種,有的是上游對下游的關係,有的是齊頭並進的關係;以我們跟材化所之間的合作,就是典型的上游對下游的關係。材化是上游,顯示中心是下游;在供應端和客戶端之間,更是需要同理心。要是上游不支持,下游只能停工;下游若不去體諒上游的種種局限,一味指示催著要東西,對彼此的合作關係也沒有幫助。」

這種跨單位之間的合作關係,對李宗銘來說,也是全新的學習。「在我們過去的經驗裡面,很少把自己當成一個供應端,因此我們沒有經驗,一開始也沒有信心。對顯示中心來說,也是一種新的體驗,因為他們過去所使用的材料,都是已經商品化的元件,經過設計與製程後,就可以兜成一個新的產品;但是這一次所面對的是一個不確定的供應端,在規格上彼此都還在摸索。好比說顯示中心要求我的Tg值要做到250,但是我目前只能做到220,這時候,雙方就要開始進行拉鋸,每天都要想辦法『喬』出一個你目前可以接受,我目前也可以做得到的規格數據。」

一路走來都是喜悅

當第一次要將材化所的塑膠膜,塗布在玻璃上時,可以說是狀況連連。李宗銘表示:「顯示中心先前所使用的聚醚堸,是一個已經半量產的產品,所以品質非常穩定,塗布在玻璃上,就是非常均勻而漂亮的塑膠膜。但我們的東西一塗上去,就又是微粒(particle)、又是針孔的,不只是被罵而已,結果真的是挺慘的。」他特別指出過程中雙方的磨合,「我很感謝正中,因為正中幫忙回過頭去安撫顯示中心的同仁,因為這樣距離商品化還有一段距離的材料,顯示中心同仁真的很不想用。但回過頭來說,身為供應端的材化所同仁也很強勢,他們會覺得說:『在這麼短的時間裡面,我們已經拼了命做到這樣了,你還要麼樣?』」

年紀輕輕的研究員呂奇明,打從2004年一進入工研院,就一路負責這個計畫至今,對於供應端與客戶端之間的種種拉鋸與對抗,早已習以為常,甚至開始學著去「享受」這種必然的拉鋸過程。「由於製程一直在來來回回修改,所以對材料的需求也是一直來來回回、反反覆覆地改變,我的應對方法,就是一直不斷地大膽嘗試,只要有任何想法,我都會去摸摸看、做做看,也不會去計較未來結果會怎樣。在這個過程之中,宗銘組長會從系統需求的觀點,給我很多建議,將組長的建議整合進來,我的東西也會比較成熟一點,成功的機率也會高一點。所以組長曾經問我說:『我一直潑你冷水,你會不會生氣?』其實我真的不會生氣,我反而很高興。甚至組長愈覺得不會是這個答案,我會愈想要去試試看,會想要試著拿出更多證據,看看能不能說服組長。也正因為有組長潑我冷水,才會刺激我產生許多新的想法;因為如果光是靠我一個人在那邊亂試的話,很可能會多走冤枉路。」

經歷這幾年的「屢敗屢戰」,呂奇明甚至用「一路都是喜悅」來表達他參與計畫至今的心情:「雖然一路上經歷許多失敗和重做,但是因為一路上都有新突破,一路走下來都有新進展,所以儘管研發過程相當煎熬,但一路都是收穫和喜悅。」

建立起共同的溝通語言

回顧前後長達四、五年的跨所合作過程,李宗銘內心也充滿感激:「這樣的合作機會,真的很難得。因為我們難得能夠遇上顯示中心這麼好的『客戶』,願意跟我們配合,我們的材料產品一出來,馬上就可以導入到他們的系統。後來顯示中心甚至對我們開放他們的管制系統,讓同仁可以進去;我們材化所這邊所有的進度和配方,也能夠在這套系統裡看得到。在兩個各自歸屬於不同所的研發團隊之間,是完全開誠布公的,所有資訊更做到完全透明!」

「要讓分別扮演上游與下游角色的兩個技術團隊避免不必要的爭端,最好的方法,就是將所有資訊公開透明,」張悠揚強調,「因為做材料的,一定會很希望知道自己的材料在進入製程之後,結果究竟是怎樣;做系統和製程的也一定很急著想知道,供應端所提供的材料有哪些特性,極限究竟到什麼程度,足不足以承受理想中的製程。為了讓大家在判斷事情的時候,能夠將主觀意識和本位主義都降到最低,資訊的公開透明是一定要做到的。」

呂奇明甚至還曾經穿上無塵衣,進入顯示中心的實驗室,親自去看塑膠基板自玻璃上掉落的狀況,以瞭解自己做出來的材料,在進入製程之後,會出現什麼樣的問題,自此也為雙方建立起共同的溝通語言。他說:「過去我們做膜的人,只會拿膜來測試,不會把膜放在玻璃上來測試;去過他們實驗室以後,我就在我們那邊,模仿了一套和顯示中心類似的評估方式,把雙方評估的落差弭平。從此以後,在我們這邊看到的東西,就會很接近在他們那邊看到的。」

但要是在研發過程產生看法不一致,兩個來自不同所的研發團隊,究竟誰要聽誰的呢?「通常我們會以李正中的最後決定為決定,」李宗銘表示:「理由很簡單,因為他們是『系統』。我們材化所是開發產品技術,產品技術的最後需要,是由『系統』決定,不是由『材料』決定。『材料』可以提出一些想法,做為『系統』做最後決定的依據。我們會提供這個材料特性的極限,大概到什麼程度,給顯示中心參考,他們對我們所提出來的想法,也都非常信任。」

做新技術的孕育者

過去的傳統顯示器產業,國內業者由於自主性太差,在材料與設備方面的自主性都相當低,所以就成本效益來說,不管怎麼做,成本就是比韓國高,做出來的產品,就是沒有辦法在價格上和韓國競爭。張悠揚指出,「但若是全新世代的軟性顯示器技術開發,當時的台灣與韓國、日本,其實是站在同一個起跑點上。只要我們的策略和一開始的開發設計,是針對設備、系統、製程、材料等上、中、下游,做總體的全方為考量的話,我們其實是很有機會取得領導地位,協助國內面板廠商,在軟性顯示器的開發上,早先一步站穩關鍵的戰略位置。」所以整個軟性顯示器的開發,是由材化、南分院與顯示中心共同投入,非常強調上、中、下游的合作和整合。只是南分院主要負責OLED的封裝設備,那個部分的成效,目前還沒有被凸顯;材化與顯示中心則主要專注在基板技術上,目前已經看得到具體的研發成效。

李宗銘補充:「當初我和正中做這個計畫的願景,也正是希望幫助台灣的面板產業,在軟性顯示器方面,開創出一個比較不一樣的局面,這樣產業效益才有辦法凸顯。當時正中第一個想到的事情就是,一定要在基板上掌握關鍵技術,所以我們當初一開始的設定和推廣,都是這樣的布局。」後來李正中想到一個很好的模式,就是將塑膠基板塗布到玻璃上,最後取下來的是塑膠基板,所以玻璃只要夠平坦、耐熱度夠就可以,不需要用到高單價、高純度的玻璃,也不會受制於掌握世界大多數顯示器玻璃基板專利的日本廠商。「台灣現有的許多玻璃製造廠商,只要稍微調整一下製程,就可以做出我們所要求的玻璃;這也是當初正中提出來的願景,就是我們不僅要做面板產業,也要做基板產業。」

在兩個團隊的熱情堅持下,超過1,500個日子的持續奮鬥,終於開花結果。不但獲得R&D 100 Awards的肯定,也為過去一路被日本和韓國掐著脖子走的國內面板業者,開創出軟性顯示器的春天。

進入工研院將近四分之一個世紀的李宗銘說:「我和正中做這個計畫的主要目的,並不是為了得獎;我們當初所想到的事情,只有產業效益。」他誠懇地表示:「進入工研院23年,我一直對院裡那座『孕育者』雕像,非常地感動。工研院的角色,就是一個『孕育者』(Incubator);研發人員的使命,就是懷胎九月,將新技術給從無到有地孕育出來,然後抱在懷裡,讓這個創新技術慢慢長大。」而當創新技術成熟的時候,也正是研發人員向它告別,起身挖掘下一個new idea的時刻。對於工研院的研發團對來說,「工作捨我其誰,成功不必在我」,正是身為工研人的至高榮譽與最佳寫照。



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