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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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吃軟不吃硬的新顯學 軟性電子

文/陳帝鴻

軟性電子近來逐漸成為科技界矚目的焦點之一,工研院在經濟部技術處科技專案多年支持下,今年以多用途軟性電子基板一舉囊括獲華爾街日報科技創新獎(Wall Street Journal TIA)金獎及R&D百大科技獎(R&D 100 Awards),足顯台灣在軟性顯示研發創新之亮麗成果。在11月23日舉辦的「2010軟性顯示與電子技術交流會」中,工研院除展示得獎的多用途軟性電子基板外,同時也展示20餘項軟性顯示、軟性感測、軟性電子等創新成果。

軟性電子具備可彎曲、輕薄、低成本的特性,顛覆電子產品的傳統型態,也讓電子產品的創新概念可無窮盡地發揮。軟性電子技術近年來成為台灣的重點研發題材之一,尤其在國際電子書經過一連串併購與入股後,台灣已主導電子紙關鍵原料與技術的上游供應,正是發展軟性電子與顯示技術的大好機會。以台灣在資通訊及半導體產業的良好基礎上,發展軟性電子相當具研發及量產優勢。

在軟性顯示與電子技術交流會上,即可看到工研院在相關領域最新的研究成果,例如,在軟性顯示技術成果上,工研院已運用膽固醇液晶開發之大面積顯示器、大型賣場使用的軟性標籤、未來醫療應用的軟性sensor及紙喇叭等共計20多項軟性顯示與電子技術之相關材料、元件模組、技術應用、製程與量測設備等,甚至各種未來應用概念,展現協同電光所、顯示中心、材化所、量測中心、南分院等單位研發能量,共同激發產業及早投入先期研發與量產規劃,提升我國軟性顯示與電子產業研發能力,創造新產業。

◎彩色膽固醇液晶電子書

彩色電子書是目前電子書最新發展趨勢,工研院顯示中心自主研發的彩色膽固醇液晶顯示器技術,不但不需要背光,更只需要單層結構,就能夠呈現彩色,突破傳統彩色膽固醇液晶三層結構堆疊所造成的視角與色差等問題,厚度也較傳統三層結構降低50%以上,技術領先全球,也讓電子書進入輕薄彩色的新時代。

工研院將單層面板畫分成三直條畫素區塊,以真空分道注入(PVF,Pixelized Vacuum Filling)方式,將紅綠藍膽固醇液晶分別灌入,使三原色同時在一層面板上出現,形成單層彩色化面板。不但畫素對位容易,製程可靠度高,驅動系統簡單,更可達到可彎折的軟性電子紙需求,非常適合應用在彩色電子書、數位相框等攜帶式高解析度彩色電子產品。此外,雙穩態膽固醇液晶顯示器技術,還具有記憶效果,顯像之後即使拔掉電源,依舊能夠呈現先前的影像,非常節能,也非常適合用來呈現靜態的文字或圖像。

今年顯示中心首度展出的5吋單層結構彩色膽固醇液晶顯示器,更將電子書的更新速度,帶入新紀元。由於與廠商合作,由廠商提供TFT主動式下板,成為主動式驅動彩色膽固醇液晶顯示器,更新速度甚至可以達到50Hz的vedio rate,一秒內約可更新10至20頁,比傳統被動式膽固醇液晶或電泳式顯示技術(EPD)快了10倍。

由於彩色膽固醇液晶與傳統TFT LCD製程相容性相當高,因此目前國內幾乎每一家TFT LCD廠商,都與顯示中心有合作,目前正朝主動式驅動彩色膽固醇液晶顯示器發展,除了電子書之外,也很適合平板電腦、iPad顯示等應用。

◎軟性電子資訊看板

膽固醇液晶顯示器(Ch-LCD)是一種具有高亮度、高對比、省電、具記憶性、廣視角、不閃爍等優點的新顯示技術。採用連續式捲對捲(Roll to Roll)製程,不但製程速度快,長度也不受限制,可用低廉成本製作出大面積,非常適合用來製作賣場電子標籤、電子資訊看板等。

膽固醇液晶顯示器最大的優點之一就是省能源,平均用電量只需要穿透式液晶面板的五十分之一。且具雙穩態記憶特質,只要進入某個穩態後,畫面就會停留在那裡,並且只有在更新畫面時才耗電。

與去年的軟性電子資訊看板相比,今年的產品驅動電壓更低,前一代要160V才能驅動,今年只要80V即可驅動。透過材料端的改善,對比也進一步提升至6%以上。透過製程上的改變,今年也可以在任何局部區域做彩色化,不再像過去只能在特定區域呈現特定色彩。除此之外,更新速度也加快,過去要寫入一個A4尺寸的影像,大約需要一分鐘才能完成更新,現在約30秒就可以完成。在尺寸方面,也由去年的5吋,透過拼接方式,進化至今年的A4尺寸。系統厚度也做到小於1公分,只要用電池就可以驅動。

在傳統TFT LCD顯示器產業,光是設備與材料就大約占生產成本的70%,因為20年前發展TFT LCD的時候,國內廠商並不具備掌握材料與製程的能力,因此產業價值並不在台灣,才會陷入「高產值、低毛利」的情況。但雙穩態膽固醇液晶顯示器的材料,都是台灣廠商自己能夠掌握的,國內的塑膠材料已經非常成熟,工研院材化所也已經發展出相關材料,未來進入量產,爆發力肯定會比當年的TFT LCD更強大。

◎綠色節能智慧調節窗

綠色節能智慧調節窗採用電濕潤顯示(EWD)技術,利用油墨與水不相溶之特質做為顯示介質,藉由施加電壓時極性溶液對疏水層的濕潤,來控制影像的色彩變化。具有無視角顯視差異、不需要裝設背光源、更新速度快等特性,符合動態影像顯示需求;若搭配太陽能基板,更可以做到自主供電,十分符合節能與環保原則,也更適合長時間戶外大面積動態顯示與智慧調變窗應用。再加上電濕潤顯示器面板,能和現有的TFT LCD玻璃面板製程相容,還可以使用既有的油墨染料,因此生產成本低廉,結構又十分簡單,國內廠商已具有快速量產的能力。

綠色節能智慧調節窗與其他高分子分散液晶(PDLC)等智慧窗技術的主要區別,在於電濕潤顯示器的驅動電壓相當低,只需要10V,遠低於高分子分散液晶所需要的40V。再者是它的驅動速度快,顏色選擇性高,與其他智慧窗技術相較,相當具有競爭力。

該技術應用在窗戶上,可以製作成百葉窗式的節能智慧調變窗,或者是汽車中所使用的電子隔屏,提高後座私密性;更可以利用它沒有視角範圍限制、在強光下仍然看得清楚、可透過電極改變特定顯示內容的特性,應用在百貨公司大面積櫥窗,在長時間使用之下,更能凸顯節能效果。

此外,電濕潤顯示器雖然是穿透式結構,但只要在後面加一層白色背板,也可以成為反射式顯示器,即可將此技術應用於電子書;由於是將油墨呈現在白色背板上,因此在視覺上更像傳統紙張,不但類紙(paper-like)的效果更好,頁面的更新速度也更快。

◎可剪裁之柔性照明光源

白光LED應用於室內照明不是新鮮事,但透過工研院電光所發展的全軟質基板與可撓式導光膜技術,卻能夠呈現出可撓曲波浪形彎曲照明的新效果。只要再加上可調色溫裝置,就能呈現色彩變化,符合日常生活中不同的使用情境。

要是進一步透過軟性矽膠封裝技術與電路設計,更可以達成全軟質可剪裁之柔性照明光源,厚度只有0.5公分。

雖然全軟質可剪裁之柔性照明光源的母技術,與白光LED相同,但透過不同的載具,就可以達到與白光LED截然不同的呈現效果,讓使用者可以將光源任意裁切,或彎曲成各種式樣的燈飾形狀,創造出新的光源型態;甚至還能夠利用軟質特性,發展出穿戴式的新型態光源。

其中核心技術有二:其一,LED是會發熱的光源,必須採用高導熱結構,因此工研院在燈具後面加入了今年得到諾貝爾物理獎的石墨烯(graphene)結構,以產生高導熱並且可撓曲的效果。在前面的燈殼部分,則採勻化光學結構,採用可彎曲蜂巢狀設計或七巧板結構,達到均勻且不炫光的效果。

目前的燈具設計大概是先有燈泡和燈管,然後設計師以此做為基礎,去進行燈具設計;但有了可剪裁之柔性照明光源,設計師可以設計出任何形狀的燈具結構,只要將軟質光源貼合到設計師的設計上即可,在工業設計上給設計師無限的創意空間。

此外,由於可剪裁之柔性照明光源是可撓曲的面光源,並且厚度只有0.5公分,因此可以應用到百貨公司經常使用的廣告燈箱,甚至可以將光源直接貼合到百貨公司的牆面或圓柱上。假設畫面所呈現的是風景畫的話,還可以透過可調色溫裝置,呈現日出、日落等不同景象。

◎太陽能可撓式紙揚聲器

工研院電光所研發的超薄紙揚聲器,以紙及金屬電極為材質,耗電量只需傳統喇叭的10%,不但體積輕薄,更具有數倍高的轉換聲能效率、低功耗等特色,曾獲2009年華爾街日報科技創新獎肯定。

超薄紙揚聲器厚度小於0.1公分,主要以軟性導電電極、間隔材、駐極體振膜等元件組成,體型輕薄可撓曲,非常方便貼附於物體表面,更可以用印刷方式生產。今年電光所進一步將太陽能電池與超薄紙揚聲器結合,讓紙喇叭不再需要插頭,只要在有陽光的地方,就有電源,並內建鋰電池,可以儲存電能,在無光源的強況下,可以利用鋰電池供電。

這個技術先前也整合廣播頻道,包裝成類似即溶飲品的隨身包,依國家、地區及喜好,自行組合個人化超薄音響喇叭廣播禮盒,可隨身攜帶及收聽廣播,還獲得2009年度國際工業設計大獎red dot的最佳設計獎。

輕薄可撓的特性,不但讓攜帶更方便,也使喇叭在外型設計上更有彈性,也具備剪裁成任何形狀後,都可以發聲的特性。在今年花博夢想館中,便以超薄紙揚聲器做為主要音源,在天花板34,000片紙葉片當中,只需要其中150片超薄紙揚聲器葉片發聲,就可以達到撼動人心的劇場效果。不但可以在創意產業與建築空間中應用,發展成超薄大面積貼壁式音響,也可以應用在玩具、消費性電子產品等可攜式裝置,更能與紡織產業結合,成為穿戴式的揚聲系統。

◎捲對捲多點觸控數位電阻式觸控面板技術

國內觸控面板廠商多屬代工業者,上游材料都是由國外進口,缺乏獨特技術與基礎研發能量,技術門檻也不高,無法掌握產品規格的主導權。工研院電光所軟性電子組所研發的捲對捲多點觸控數位電阻式觸控面板技術,不但具備至材料、設備至製程的整合能力,能夠協助國內面板業建構完整的產業供應鏈,也是目前全世界第一個開發R2R solution多點觸控數位電阻面板產品及面積最大的roll type touch panel web。

藉由捲對捲的關鍵製程技術,可將過去一片、一片製作的數位電阻式觸控面板,發展成更大尺寸,不再受限於sheet type的面積。目前以3.5吋多點觸控螢幕做為初步驗證載具,透過捲對捲關鍵製程技術,未來觸控面板技術可望做到20至30吋以上的等級。

工研院電光所軟性電子系統組研發副組長路智強表示:「今年已組成軟性電子觸控面板研發聯盟,有包括熒茂光學、長興化工、台灣恒基、大永真空科技、安可光電等6家廠商共同參與合作開發,涵蓋上、中、下游產業鏈。從光學基板、光學膜、透明導電膜等開始,再去做多點觸控;然後分成兩個支流,一支走軟性單基板多點觸控投射式電容,一支走多點觸控電阻。」

計畫完成後將能有效提升我國觸控面板產業的技術水準,建構完整的產業供應鏈,在觸控面板的生產上,預估將於2014年建置四條生產線,至少創造新台幣28億元的年產值。

◎大面積壓力感測陣列

長期臥床的病患,要是能擁有一張智慧型壓力感測床墊,可以感測長期受壓的部位,做為褥瘡的預防與治療,該有多好?結合工研院獲2010華爾街日報科技創新獎半導體類優選的微型變壓阻感測技術,以及印製與連接技術,已成功將單一感測單元拼裝成以216顆感測單元組合成的80cm*210cm大面積壓力感測陣列,形成一個像床墊一樣的大型壓力感測。

相較於傳統薄膜開關與微電式壓力感測技術,只能針對壓力的有或無做感測;大面積壓力感測陣列除具備輕薄、抗摔、低成本、可利用類似報紙印刷的捲對捲製程製作、可撓曲與多點感測特性外,厚度也只有0.5mm,更可以做到力量灰階感測,感測壓力範圍由0到20 psi。

當使用者施力在某一個感測壓力點上時,系統會透過每秒鐘20次的密集掃瞄,即時提供訊號給電腦做比對分析;系統也會依據所承受壓力之不同,呈現線性變化反應,壓力愈大,導電愈高。

壓力感測陣列的應用,可以說「無所不在」。由於可依照實際使用需要,印製不同尺寸的壓力感測器,並且可以感測到壓力的深淺;該技術不但可應用於大面積智慧型壓力感測床墊,也可以整合進智慧手機壓力操控、汽車坐墊、情境燈、感測地墊、具量測重量功能的托運行李箱握把、互動藝術、遊戲機等,達到「觸控無所不在」的生活境界。

◎主動式軟性顯示器用透明混成基板

工研院的主動式軟性顯示器用透明混成基板技術,不但在今年交出獲華爾街日報科技創新獎與R&D百大科技獎雙料肯定的亮麗成績單,更是有機會成為未來逆轉國內面板廠商產業困境的關鍵技術。

在影像顯示科技中心以及材料與化工研究所的通力合作下,運用來自傳統潤餅皮製作所得到的靈感,在高分子膜與玻璃載體之間,塗上一層離型層材料;當製程完成之後,能夠在不損傷面板所需要的薄膜電晶體陣列的前提下,順利自玻璃基板上,以切割方式取下高分子膜,過程好比是將潤餅皮從抹上一層油的鍋子上取下來一樣。

離型層採高含量之二氧化矽/聚亞醯胺複合材料,兼備低成型應力、高耐熱性、高尺寸安定性、高透明性、高平坦度、撓曲性良好等特色,非常適合應用在各種軟性塑膠顯示器(LCD、OLED、PDP、FED、SED、E-link、E-paper)製程。

這樣的創新發明,能夠協助面板相關廠商,利用既有的玻璃製程優勢,不需要更換設備,就能直接轉進軟性高階顯示器或與電子書相關的電子產品生產,逆轉國內面板廠商在傳統TFT-LCD顯示器產業中所面臨的困境。

材化所光電奈米混成材料與應用研究室研究主任呂奇明表示:「這樣的一套方法,是玻璃、離型層材料、再加PI材料就可以完成。國外也是用PI在做,但所使用的是黃色的PI,在整個TFT製程完成之後,必須用雷射的方法,針對PI與玻璃做處理,才能夠將兩者分離。而我們只要用簡易的切割方式,就可以直接取下來,這是兩者之間的最大差異。」

軟性電子是當紅顯學,目前已有多家國內廠商與工研院合作,開始嘗試將此技術應用在他們所要開發的產品上。除了在軟性塑膠顯示器製程上的應用之外,未來也可以朝生技醫材與軟性太陽能電池應用等相關軟性電子產品發展。

◎電子紙品質檢測機台

過去電子紙品質檢測機台,只能仰賴國外進口,價格高昂不說,也只能檢測反射率、對比度、均勻度與色座標,並不能針對殘影做測量。工研院量測技術發展中心今年已發展出第一代電子紙品質檢測機台,不但價格只要國外進口品牌的一半不到,更能夠做到殘影及Mura(顯示器亮度不均勻造成各種痕跡的現象)缺陷檢測,讓國內廠商可以不要花費高成本去購買檢測機台。

這套全域影像式電子紙品質檢測系統,內含高穩定光源,配合均勻照明設計,且使用高感度CCD,以特殊強化演算法級精密校正程序,除針對電子紙影像提供全面性品質評估外,也可以針對液晶面板做量測。

系統以CCD和逆光源測量電子紙反射率比例;色座標則以自製的四片彩色濾鏡(color filter),配合CIE曲線,便可以辨別面板所呈現的顏色對不對,做為日後製程改善的基礎。

此外,由於電子紙在做影像切換的時候,往往會殘留上一張影像;而影像的灰階質與雜訊的對比大約是1:1,因此不容易檢測出來。透過這套系統,便可以把低對比度的殘影現象檢測出來。

工研院量測中心表示,未來將針對殘影測量做提升。除目前所能做到的檢測殘影有無之外,將進一步針對殘影的生成原因,比如說是來自於線瑕疵或面瑕疵等成因進行分類,再針對分類去做改善。而在色座標方面,未來也將改善濾鏡,以便在精確度上做提升。

◎軟性捲繞關鍵模組技術

全球軟性電子於2010年陸續進入量產,因應軟性電子大量且低成本的生產目標,軟性捲對捲生產方式將成為未來的主流方向。

過去的TFT LCD採用玻璃基板,生產方式是一片、一片的批次式(batch type)生產;但軟性電子所採用的軟性塑膠基板,卻是採用捲對捲的連續性生產製程,具備產能高、產品分攤成本低、產品可大面積化等優勢,目前已應用於包括膽固醇液晶顯示器、電泳顯示器等各種軟性顯示器,以及軟性太陽能電池、印刷電子等製程。

捲繞製程設備主要由放捲單元、製程區及收捲單元三個部分組成,包括塑膠基板、金屬薄版、布、紙等軟性材料,都可以做為可撓性基材。

工研院南分院軟電製程設備部工程師李昌周表示,要從玻璃基板批次式生產轉進至軟性捲繞式連續式生產,會面臨許多困難和挑戰,包括基材形變、耐溫性與毛邊、皺摺等問題;製程中則有多層軟板貼合困難、製程面接觸等問題;以及張力控制、循邊導正、定線速傳輸等要求。

目前工研院針對對位貼合模組、收捲模組、複合循邊模組、均力貼合模組、吸附式滾輪模組,已提供多項支援及專利授權,協助國內廠商建立五項捲對捲製程設備開發及驗證。

過去國內可撓式薄膜產品所使用的材料與捲式鍍膜製程設備,大多由美、德、日等外商大廠掌控,機台售價動輒新台幣上億元,不但價格昂貴,在機台客製化設計與後勤維修支援方面,也緩不濟急,讓國內廠商的發展腳步受到限制。透過軟性捲繞關鍵模組技術,國內廠商可以自己掌握捲對捲製程設備開發,可應用於軟式顯示器、觸控螢幕、太陽能電板、節能電子窗、全景車窗、軟性彩色電視等的生產。



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