解决OLED量产各种问题 玻璃属性/面板制程扮要角

产业预料于未来五年内，行动装置显示器市场仍朝向更高分辨率、更明亮及更低耗电量的发展趋势，这些显示器的属性将成为绝大多数行动装置的共同基础。 行动装置品牌厂为图自家产品在市场上脱颖而出，将力求创造出与众不同的属性及效能。

显示器可藉由二种方式来满足这些需求，一是藉由工业设计，二是透过VR(虚拟现实)功能。 工业设计推动面板制造商生产边缘可弯折或可挠曲的显示器。 至于针对VR进行优化的装置需要具备最高分辨率及最短的反应时间。 当前的LTPS-OLED(低温多晶硅–有机发光二极管)显示器面板能满足这些需求，尤其是用于手持式装置和小型应用装置的面板。

LTPS-OLED以异军突起之姿满足市场上这些趋势的需求。 本文将讨论LTPS-LCD与LTPS-OLED之间的主要差异，以及LTPS-OLED在制程方面的特殊难处；并介绍康宁第三代高性能显示玻璃基板Lotus NXT Glass得天独厚又面面俱到的玻璃属性，来帮助面板厂商克服当前 LTPS-OLED制程的挑战。 Lotus NXT Glass是设计为最适合用于生产OLED面板的玻璃基板，使其具备最高分辨率、最明亮、最低耗电量、最长使用寿命的显示面板，以及降低已实现的玻璃成本。

制程不同于LCD OLED显示器厚度大缩减

传统LTPS-LCD面板的发光须要用到不断开启的背光组件，发出的光由液晶层进行过滤，再通过CF(彩色滤色片)创造出肉眼可见的像素。

而LTPS-OLED面板则是由电流切换自发光二极管的开关，创造出显示器的光线。 LTPS-LCD显示器由两片玻璃组成：一片用于高温TFT(薄膜晶体管)基板，另一片用于CF(彩色滤光片)。

至于LTPS-OLED则是会根据显示器为硬式或可挠式来决定玻璃基板的不同用途。 硬式LTPS-OLED面板相似于传统LTPS-LCD面板，其中也须要将一片高性能显示玻璃用于高温TFT基板，不过OLED是使用轻薄透明的封装材料而非CF，而此封装材料通常也是玻璃。

可挠式TPS-OLED 则是使用高效能显示玻璃作为在塑料基板上制作TFT用的载板，再使用薄膜封装OLED。 在本文将这两种LTPS-OLED面板称为「硬式」及「可挠式」。

OLED显示器的厚度可较LCD显示器薄 45%。 OLED面板无须使用背光片，也减少使用一片偏光片，此外，OLED显示器的保护玻璃也较薄。 OLED显示器虽须另外加上散热片，硬式OLED显示器模块的厚度可较LCD模块显示器薄25%，可挠式OLED显示器的厚度更能薄到45%。 图1为以横切面的方式比较LTPS-LCD显示器模块、硬式及可挠式LTPS-OLED显示器模块的厚度。


图1 显示器模块横切面比较
现今OLED显示器在色彩、反应时间、延迟等优异的表现，加上能提出不凡的工业设计(表1)，皆是吸引手持式装置品牌厂的价值主张。


标题
工业设计方面的优点包括更轻薄的面板，且在设计可挠式OLED时，使用边缘可弯折的可挠式面板。 一般认为相较于LTPS-LCD，LTPS-OLED显示器的使用寿命为其缺点，然而在手持式装置市场，OLED的使用寿命超过寻常装置的使用寿命，因此这方面不再视为缺失。

图2及图3介绍硬式和可挠式OLED面板的制程。 两种制程都需采用高温来制作低温多晶硅晶体管(LTPS TFT)，不过其中玻璃扮演着截然不同的角色。


图2 硬式LTPS-OLED制程图

图3 可挠式LTPS-OLED制程图
在硬式OLED显示器中玻璃是作为背板和封装材料并存在于终端产品中。 可挠式OLED显示器虽然采用塑料材质，却仍须使用高效能显示器质量等级的玻璃作为载板，再制作TFT于塑料基板上。 以下更深入介绍这两种制程的差异性。

一，如前所述，可挠式OLED的制程始于在玻璃载板上涂布聚酰亚胺等耐高温塑料材料并固化；二，使用多层薄膜(而非玻璃)封装可挠式显示器；三，将塑料基板从玻璃载板上剥离；最后，在完成制程的过程中， 可挠式OLED面板维持原本的厚度，而硬式OLED面板则须再以酸蚀方式减薄才能达到期望的最终面板厚度。

这些制程中玻璃虽扮演着截然不同的角色，却都是要角。 高效能显示玻璃为硬式OLED显示器的一部分；而对于可挠式OLED显示器而言，高性能显示玻璃则是作为面板制程中的载板，在OLED沉积制程前会被裁切成基板原尺寸的一半或四分之一，最后使用紫外线光将塑料基板从玻璃载板上剥离。 玻璃载板必须使用有纯净表面、绝佳尺寸稳定性和光学特性的高效能显示玻璃基板，方能展开这两种制程。

攻克OLED制程挑战 玻璃功不可没

硬式OLED制程始于高温TFT制程，此点与LTPS-LCD背板制程相似。 硬式OLED面板未使用背光片或彩色滤光片，而是使用原生红绿蓝有机发光材料来产生光线和颜色。

在硬式OLED的制程中，玻璃可协助面板制造商解决五大制程难关：绝缘保护及沉积层、TFT光蚀刻制程、有机材料沉积、封装和面板薄化。

绝缘保护层及第一道沉积层的形成，需要无颗粒和刮痕的纯净玻璃表面，如果有颗粒和刮痕，会造成绝缘保护及沉积层的断裂。

TFT光蚀刻步骤需要低的Total Pitch变异量(TPV)，来达到精确地图案对位，与在LTPS-LCD制程的需求相同；不过在硬式LTPS-OLED显示器的制程中，低 TPV也有利于需要将背板和FMM(精细金属光罩) 谨慎对位的有机沉积步骤。 以下方程序描述此步骤中的变异量：

 

影响FMM制程变异V的元素有TPV(基板的Total Pitch变异量)、P(FMM Pitch变异量)、CD(FMM图案尺寸偏差)、A(对位精度)、S(阴影效应)及T(热不匹配效应)。 降低其中任一个或每一个因素，皆能降低整体FMM变异量，意指较低的TPV有助于减少对位误差。


图4 硬式LTPS-OLD制程要求和玻璃需求 
再者，较高的杨氏模数E能减少FMM制程变异里的阴影效应S，减少基板的下垂量。

使用Lotus NXT Glass等较低TPV的玻璃，也能延长OLED的使用寿命。 较低 TPV有助于降低FMM制程变异量，进而设计出较大的发光面积。 以下方程序说明开口面积与电流密度间的关系：




面板亮度目标为常数，较大的发光面积能降低电流密度，而延长OLED材料的使用寿命。


图5 可挠式LTPS-OLD制程要求和玻璃需求
部分面板制造商对高分辨率装置采用更严格的设计规定(Design Rule)曝光设备。 新的设备有着更严格的聚焦深度(DOF)要求，因此，更少厚度公差(Total Thickness Variation, TTV)的玻璃，能帮助使用严格DR曝光设备时，无失焦的问题。

OLED显示器需阻水阻气的封装技术。 如果未采取气密式的封装，湿气和氧气的渗入会破坏有机发光层材料。 一片薄薄的玻璃用于封装，通常硬式OLED是使用玻璃膏将封装玻璃和背板以熔接的方式密合。

多层薄膜或气密式的封装薄膜也可用于封装，不过通常玻璃的成本较低廉。 加上玻璃这种封装材料有着较低的玻璃转移温度(Tg)和热膨胀系数(CTE)，可降低密封区的残留应力和加大密封操作范围，提升面板的机械稳定性。

最后在薄化制程中使用有着均衡刻蚀速度与污泥产生表现的玻璃，可提高产出率及降低总制造成本。

玻璃板UV穿透性保持一致 可挠式OLED显示器质量提升

可挠式OLED的制程跟硬式OLED 的制程相似，都是从使用高温制程制作LTPS 晶体管开始，不过可挠式OLED的基板为塑料材质，玻璃作为载板，并在最后的雷射剥离步骤中，从玻璃载板取下已形成可挠式OLED的塑料基板。

由于可挠式OLED制程都是从高温制程制作LTPS晶体管开始，与硬式OLED制程相似，玻璃发挥着与在前述介绍过的相同优点。 必须使用有着纯净表面的高性能显示玻璃载板，确保聚酰亚胺层底下无任何杂粒。

较低的TPV及更佳的玻璃厚度公差(TTV)有利于高温沉积和曝光步骤。 可挠式OLED的有机沉积步骤与硬式 OLED相同，有着相同影响FMM变异量的因素，使用较低TPV和较高杨氏系数的载板，可降低FMM对位的变异量，且较低的TPV亦有利于OLED的使用寿命。 雷射剥离步骤是可挠式OLED制程独有的步骤，雷射发出的能量穿过玻璃载板，从载板剥离塑料基板。 此步骤需使用有着高UV穿透率且均匀的载板玻璃，来提升良率和显示器质量，如图6所示。


图6 雷射剥离制程的挑战
若每一片玻璃的UV穿透性参差不齐，就得为穿透变异量调整雷射功率，还会产生额外的良率下降或制程成本增加的情况。 各玻璃板的UV穿透性必须保持一致，避免出现无法剥离或显示器亮度不均所造成的各种云纹(Mura)。 图7说明了Lotus NXT Glass及两款次佳竞品玻璃的穿透率曲线，并指出进行雷射剥离制程步骤时，Lotus NXT Glass在波长为308nm 时有较高的UV穿透率。


图7 载板玻璃穿透率曲线比较
此外，玻璃载板表面洁净度也会影响局部穿透性和显示器剥离的制程，因为这些瑕疵有可能会挡住或分散了UV光的能量路径。

新世代玻璃稳定性高 满足LTPS高温制程需求

Lotus NXT Glass是设计来解决 OLED面板制程方面的挑战。 Lotus NXT Glass的属性包括在高温制程中尺寸的稳定性，适用于LTPS的高温制程。 这项得天独厚的优点也能用于硬式OLED制程的背板玻璃，以及作为可挠式OLED制程中的载板玻璃。 以下列出Lotus NXT Glass用于这两项OLED技术的特定优点。

Lotus NXT Glass用于硬式OLED的优点包括，优秀的玻璃表面清洁度提供用于TFT层迭结构的纯净表面；Total Pitch变异量(TPV)较两款次佳的显示玻璃高出45%， 对于OLED背板在高温制程的尺寸稳定性及有机沉积的FMM对位尤为关键；玻璃总厚度变异量(TTV)较浮式玻璃优秀两倍(亦即数值是浮制玻璃的一半)，让面板制造商能使用更高分辨率的曝光设备；较高的杨氏系数保证其刚性， 也能进行较佳的FMM对位；原生厚度差异减少；或无须蚀刻封装玻璃；均衡的酸蚀刻速度和污泥产生速度，帮助面板薄化制程有更佳的产出率。 康宁亦提供低Tg和低CTE之玻璃封装材料的玻璃膏解决方案(Vita Hermetic Sealing Solution for OLEDs)。

Lotus NXT Glass用于可挠式OLED的优点，包括高杨氏系数有助于减少基板在制程中的下垂量；优异的玻璃清洁度为塑料沉积制程提供纯净表面；较低并更接近塑料基板的热膨胀系数，有助于维持塑料层和玻璃载板间的尺寸稳定性 ；TPV值较次佳显示玻璃高出45%，在高温制程中有着优秀的尺寸稳定性；TTV较浮式玻璃优秀两倍(亦即数值是浮式玻璃的一半)，可在帮助形成均匀又薄的塑料层；308nm波长的UV穿透率较次佳显示器玻璃高出25%， 且在最终制程步骤中，能高效率且有效地使用雷射剥离塑料基板；玻璃板内和每片玻璃板皆有着一致的UV穿透率，使得雷射设定值可维持不变以及达到较高的剥离良率。

在表2内比较Lotus NXT Glass与两款次佳浮式玻璃，列出前述所谓有利于OLED制程的玻璃属性。 康宁投入无比的时间与面板制造商合作了解其需求，且在用于LCD和硬式OLED面板的新兴LTPS及氧化物薄膜晶体管(Oxide TFT)背板领域中推动创新。 我们了解硬式及可挠式OLED显示器的制程还有面板制造商在制程中所面对的难处，以及将玻璃用于解决这些难处时所扮演的重要角色。


标题
Lotus NXT Glass在TPV、TTV、杨氏系数及UV穿透性等方面都有着优异表现；运用康宁独有的熔融制程制成，使得这些属性有着不凡的一致性。

在硬式OLED制程方面，有着五项玻璃相关挑战，在可挠式OLED制程方面则有着四项，从表3的八项领域可一窥这些难处，还有Lotus NXT Glass能协助面板制造商克服难题的属性。


标题
任何一片玻璃基板的目标是优化面板制造商的制程及提高显示器的效能，这需要有所取舍，才能在各种效能项目中取得平衡。 康宁深知玻璃在OLED制程中所扮演的要角，运用面板制造商的意见，提出得天独厚又面面俱到玻璃基板及载板供这些制程使用。

(本文作者任职于Corning)