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塑胶基板特性佳 尺寸稳定性为最大挑战
塑胶基板材料多是有机高分子，在应用上最符合柔性显示器的概念。选择塑胶基板材料时，其机械、光学或热性质必须能符合显示器的要求，例如为满足较高的加工或操作温度，热膨胀系数必须要小;光穿透率需大于90%;好的表面性质利于表面薄膜的成形及对于一些常用的有机溶剂有一定的抵抗能力。此外若应用在液晶显示器时必须具有低的双折射率，表1为目前较常用于制作柔性显示器的塑胶基板。在显示器的工艺中，由于有些步骤需要在较高温的环境下完成，因此塑胶基板在高温下的材料或尺寸稳定性成为极重要的参考条件。
玻璃转变温度(Tg)即物质在特定温度下加热，体积以一定的速率增加，当温度到达玻璃转变温度时，不但分子速率增加且体积膨胀曲线也不连续。对于无定形高分子在Tg以下的行为类似玻璃，而当温度上升至Tg以上时，则其转变成柔软类似橡胶的性质。对于柔性显示器的塑胶基板而言，玻璃转变温度可视为制造程序中尺寸稳定性所能容忍的最高温度。即使在表1中，部分高分子基板的玻璃转变温度都大于200℃，但与玻璃基板比起来，其热膨胀系数仍大得多(>50 ppm/℃)，这种情况下，尺寸稳定性成为塑胶基板柔性显示器工艺中的最大挑战。尺寸变化过大使得光罩对位变得极为困难，也限制了晶体管设计的大小，同时容易在有机与无机材料层界面间产生内应力，导致在弯曲时造成层与层间的剥离。
目前对此问题的解决方式是先对塑胶基板作热处理(Annealing)，在工艺开始前，塑胶基板经过数次热周期使其在冷却后尺寸收缩率降至数个ppm后再进行后续工艺。除尺寸稳定性外，在室温下水气对一般塑胶基材的渗透率约为0.1～1g/m2/day，远大于玻璃基板的10-5g/m2/day。有机发光器件的操作寿命对水气及氧气的存在非常敏感，因此塑胶基板阻隔水氧能力会严重影响有机发光器件的寿命，在塑胶基板上镀Barrier Layer达到阻水氧功能为目前的主要做法。美国Vitex Systems公司研发由无机层与有机层交错组合而成的多层结构，称为Barix Coating，可达到水气与氧气渗透度分别小于10-5g/m2/day及10-3 cc/m2/day atm，这是目前文献上阻隔水气与氧气渗透度最佳的工艺。
塑胶基板上的薄膜晶体管工艺
显示器依据驱动方式可分为无源矩阵式与有源矩阵式两种，随着人们对显示器的需求向大尺寸与高分辨率方向发展，有源驱动显示器已成为平面显示器的主流趋势。有源式柔性显示器就材料而言可分为非晶硅(A-Si)、多晶硅(Poly-Si)及有机(Organic)等薄膜晶体管。就工艺方法来说，目前其技术可分为两种，一为直接技术(Direct Technology)，即直接在塑胶基板上制作薄膜晶体管，另一种为转贴技术(Transfer Technology)。
直接技术需以低温工艺进行
直接技术受限于塑胶基板的耐热性，整个工艺必须低温进行才不至于损伤基板。表2为不同薄膜晶体管工艺温度比较。目前美国的FlexICs已在塑胶基板上成功制作出低温多晶硅的薄膜晶体管数组，工艺温度低于115℃。Samaung Electrics则是在PES基板上制作a-Si TFT，其元器件特性迁移率(Mobility)可达0.4 cm2/V-sec，所有工艺温度也低于150℃。
此外，选择有机半导体材料制作有机薄膜晶体管也吸引了许多研究机构投入相关研发。就分子结构来说，有机半导体材料可分为小分子与高分子两种。Pentacene是最常被采用的小分子有机半导体材料，它可在80～100℃下直接蒸镀在塑胶基板上，迁移率达0.3～2.2 cm2/V-sec的元器件已成功制作出来，但工艺中需利用到昂贵的真空设备，且晶体管数组的尺寸无法作大是其亟需克服的问题。
不同于小分子有机半导体材料，高分子有机半导体材料可溶于部分有机溶剂中，故可以液体形式进行加工。目前主要的高分子有机半导体材料有Dihexyl-hexithiophene(DH6T)、Dihexylanthra-dithiophene(DHADT)、Poly(3-hexythiophene)(P3HT)、Poly-9(9dioctylfluorene-co-bithiophene)(F8T2)等。其中P3HT因在大气环境下较为稳定且迁移率较高而引起较多的注意。溶液工艺(Solution Process)制作方法相对简单且成本较低，比较符合柔性显示器的工艺概念。
目前以喷墨法(Inkjet Printing)在塑胶基板上直接制作有机薄膜晶体管为主要发展方向，图1为喷墨工艺示意图，Lucent及DuPont等公司都有相关的研究，Xerox也在2004年4月发表以其自行开发的有机半导体(Organic Semiconductor Ink)搭配喷墨法，在PES基板上制作出208×208的OTFT数组。图2为其Organic Semiconductor分子结构，此研究的突破点在于其有机半导体可在低温及大气环境下加工，且因有机半导体分子具有Alky Group侧链，若将此Ink喷印在处理后的PI上，分子排列较为规则且有方向性，具有Self-assembling的特点，其元器件特性迁移率达0.2 cm2/V-sec且开关频率(on/off ratio)达108。
转贴技术通过玻璃基板作为转载介质
转贴技术是制作薄膜晶体管时避免塑胶基板尺寸变异的另一种方法，它先在玻璃基板上制作薄膜晶体管，再转贴到塑胶基板上。整个工艺包含下列几个步骤：
◆在玻璃基板上制作一Sacrificial Stopper Layer。
◆在此层上制作薄膜晶体管
◆将含薄膜晶体管的玻璃基板黏在
暂时的塑胶载具上
◆移除玻璃基板
去除Sacrificial Stopper Layer
贴上另一塑胶基板
移除塑胶载具
整个工艺如图3所示。Seiko-Epson与Sony均采用上述方法在塑胶基板上制作a-Si TFT，但目前并没有商品化的产品问世。
LCD、OLED及电泳显示为主流柔性显示技术
目前主要有LCD、OLED及电泳显示等三种技术可应用在柔性显示器上。现阶段而言，由于LCD相关研究及机台设备较为成熟而较占优势;OLED显示机制上的特性极适合显示器的应用;电泳显示因具有双稳态及省电优点，在特定的用途上(如电子纸、电子书、电子标签等)较有市场。
OLED为柔性显示最佳介质 阻水氧效能为首要挑战
全球有许多公司投入OLED显示器技术的研究，其中日本专注于小分子系统材料(Small Moleculer Material)的有机发光显示器(OLED)，而欧美则专注于高分子系统材料(Polymer Material)的有机发光显示器(PLED)。OLED由于显示上没有视角及间隙问题，并且有良好的颜色表现度及适合Solution-Processing的特点，被认为是柔性显示器最佳的显示介质。尽管如此，OLED在应用于柔性显示器前仍有问题需克服。首先，OLED的寿命对水气及氧气的存在非常敏感，而塑胶基材最大的缺点就是水氧阻隔能力差，因此如何在塑胶基材上做处理，使其具有很好的阻隔水氧能力是OLED应用于可弯曲显示器的首要挑战。
目前OLED工艺尚未成熟，许多开发OLED产品的公司都有正品率不高的问题。此外，便携式产品是柔性显示器重要的市场，耗电量一直是选择柔性显示技术的重要考虑因素，而与需要背光或彩色滤光片的LCD技术相比，OLED耗电量相对较高，且OLED属于电流驱动(Current-driven)元器件，在大面积或高分辨率显示器中需要有源式驱动。有鉴于此，在现有的TFT柔性背板技术成熟前，OLED仍无法真正进入柔性显示器的市场。
目前OLED/PLED柔性显示器的开发情况如下：DaiNippon Printing开发以Roll-to-Roll工艺在塑胶基板上制作PLED;Dupont Display开发出1.5英寸96×64的PMOLED;Seiko-Epson在2000年以OLED搭配转印法制作的LTPS TFT塑胶背板发表出第一个AMOLED，目前该公司也投入喷墨法制作PLED的开发 ioneer发表2英寸128×64的OLED;Universal Display Corp.(UDC)则投入OLED的研究，图4是UDC展示的塑胶基板的有机发光显示器。
液晶显示需注意基板弯曲后的影响
液晶一般以下列几种物理机制来调变光的强度：改变光的相位差(Phase Retardation)、旋转光的极化态(Polarization Rotation)、吸收(Absorption)、散射(Scattering)及布拉格反射(Bragg Reflection)。前两种显示模式需加偏光板，而后三者则反之。就柔性显示器的应用面来看，弯曲时基板间的间隙易受形变而改变，因此在选择液晶显示模式时，可采用比较不受间隙影响的显示原理，如吸收、散射与布拉格反射等三种。若选择改变光的相位差或极化态的显示模式时，则需要在显示元器件中增加支撑间隙的结构。此外，由于液晶不同于OLED无法自行发光，若选择反射式显示模式，操作时可不需背光源的元器件。驱动方面，若能提供双稳态(Bistable)将大幅提升省电效果。下面介绍几种极具潜力的液晶显示模式：
胆固醇液晶具双稳态特性
胆固醇(Cholesteric)液晶是“多层向列型液晶”(Nematic)的一种变形结构，借助添加的旋光液晶分子(Chiral)，使分子导轴的指向在空间中垂直某个方向做螺旋的周期(P)变化，当入射波长符合Bragg反射时，入射光中的左旋或右旋光将被反射。
利用“高分子稳定”(Polymer Stabilized)或“表面稳定”(Surface Stabilized)可以达到双稳态PSCT或SSCT，即在没有外加电场的状况下达到Planar State与Focal Conic state两个稳定态(图5)。在Planar State时，胆固醇液晶的周期性排列如同晶体的规则晶格排列，入射光中满足Bragg绕射条件的光波长将会形成建设性干涉，而将该波长的入射光反射回来，此时为亮状态。在focal conic state时，由于胆固醇液晶将呈现不规则排列，会散射入射光。在驱动后不需要电压即可维持图像的显示，耗电量非常低。同时，这种显示机制受上下板间距的影响较小，具有发展成为双稳态可弯曲式显示器的潜力。图6为Philips公司在2002年SID所展出的可弯曲式胆固醇液晶显示器，其总厚度为250μm。
高分子分布型具有固态材料可靠性
目前高分子分布型显示模式的主要做法是将高分子单体与液晶混合成等方向性的溶液，利用热或光的方式使高分子单体进行聚合反应，聚合过程中单体与液晶间溶解度降低而生成分离，最后液晶以微滴形态均匀分散在高分子基材中，其结构如图7所示。适当选择Polymer及LC的折射率，可在未加电压时呈现的乳白色散射态(无视角问题)及加电压时的透明态(加背面吸收板)达到亮暗显示的效果。
由于高分子分散型液晶薄膜属于固态显示元器件，故具有固态材料的可靠性，破损也不影响其显示功能，且无封装问题。此外，其显示时不需偏光板也不需对液晶分子作适当配向，但此显示模式的缺点，如驱动电压过高、对比偏低及反应速度过慢等问题依然有待解决。Eastman-Kodark公司在2004年的SID中发表以印刷及涂布的方式制作出微胶囊化胆固醇液晶的高分子分散液晶膜，其优点为结合胆固醇液晶的双稳态及高分子分散液晶膜的加工便利性，图8及图9分别为其展示品及工艺示意图。 |
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