电子纸用塑料基板逐渐克服瓶颈

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（卢庆儒／文）

近年来以液晶显示器、等离子显示器为主的平面显示技术，除了在手机、PDA、笔记本计算机等特定应用领域的规模不断扩大外，目前包括计算机屏幕、电视机等领域也呈急速取代CRT。另一方面，电子纸也被看好未来的应用趋势，由于电子纸具有可弯曲、以及在重新书写操作前保留原画面，而不需要背光（back light）或者侧边入光（edge light）的光源目标特性，所以相关的材料与技术也备受相关业者的关心。目前在利用电子泳动、Cholesteric液晶、Polymer network等技术，在进行双安定性显示的同时，大多会考虑到必须具有轻 薄、弯曲的特性，所以业者正积极地尝试使用塑料基板。

塑料基板的特性

一般的塑料基板是以聚合薄膜（Polymer Film）为基础，加上涂层和透明导电膜的层积构造。这种层积构造的概念已经在平面显示技术中被广泛运用，而最大的克服点便是期望能够达到与ITO玻璃基板（Indium Thin Oxide）相等的特性，关键点则是在于其显示方式、精细度及面板等因素的制作条件而定。例如偏光膜就需要STN-LCD、TN-LCD基板的光学等方性、高精细显示器则需要尺寸的安定性。此外，从平面显示的信赖性观点看，大多需经过180℃左右的高温烧结工程，这就要求配向膜和粘合剂的烧结温度必须达到耐此温度的耐热性。

透明性、耐热性和尺寸的安定性取决于基膜（Base Film）的特性。由于表面硬度和气体／水蒸气隔绝性等，仅基膜本身无法达到和玻璃一样的标准，所以必须加上一层涂层，这里是技术开发的重点所在。另外，玻璃基板广泛使用的ITO透明导电层，透明度高，阻抗率低，安定性也高。但在塑料薄膜上很难制得ITO膜质。

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低线性膨胀系数　防止扭曲

电子纸基板所需的特性是：无色高透明性、包括尺寸安定性在内的高耐热性、以及某些显示组件方式可能需要的光学等特性。除了PET、PEN等多元酯（Polyester）薄膜和PC、PAR、PES、聚酯类Polyolefin等非晶性聚合系薄膜（APO）之外，包括环氧树脂（Epoxy）等等，这类热硬化性薄膜材料、LCD中经常使用PES薄膜和PC薄膜，除此之外，有机 EL（OLED）中的PET及PEN薄膜，也是开发业者所考虑的因素之一。

采用塑料基板来制作组件时，塑料基板的尺寸常容易受到热度和湿度的变化而影响，然而这是因为基膜的热收缩率、线膨胀系数、吸湿膨胀系数都比玻璃材质要大得多。例如，当玻璃的线膨胀系数为8ppm/K的时候，几乎可以无视其热收缩率和吸湿膨胀系数。

假设以特殊PC膜来制作塑料基板的面板时，当塑料基板完成洁净的制程后，在180℃下烘干2小时后的尺寸假设为其初始值，可以发现在冷却期间会出现相当性的变化，其中一项就是从烤箱里的干燥状态转变为常湿状态，相对吸湿膨胀系数的膨胀变化变得相当的明显。经过实验，需要降温约30分钟后，才能让塑料基板恢复到常温常湿的初始值。因为具有这样的变化特性，所以在这样的时间差里，便可以提供工程师或研究人员进行高精度的适配调整。另外，也可以发现塑料基板的薄膜制膜方向（MD）和宽度方向（TD）的尺寸变化几乎没有异常性变化，因此就不会发生面板在制程中，可能会发生扭曲等不良形态变化的情况。

不过当非结晶的TFT在塑料基板上成形时，硅无机物和塑料的线膨胀系数差便成了问题点。因为当TFT形成时或者形成后，因为高热会使得无机物和塑料尺寸的变化出现不协调的情况，因而产生内部反作用力，造成基板的弯曲现象，甚至还可能出现TFT破裂等重大缺陷。因此，在开发TFT结构改良的同时，也需找寻合适的低膨胀系数塑料基板材料才行。

所有的材料都具有一个固定的线性膨胀系数，PET、PEN等等这类结晶性塑料薄膜的线性膨胀系数相对较小，而PES、PC、APO等非晶性塑料则较大，因为PET、PEN具有这样低线性膨胀系数的特性，所以已经有研究人员开始在，不需要偏光板的TFT应用里，直接在PEN薄膜上形成TFT。例如日本学者伊藤先生就是利用利用高浓度添加玻璃的Filler，能形成具有线膨胀系数27ppm/K、透明性87%、位相差0.2nm、玻璃转移点247℃等优秀特性的紫外线硬化树脂薄膜。

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强化水蒸气隔绝能力提高寿命

除了热膨胀系数之外，采用塑料基板还需要考虑的一个问题就是与氧气的反应性，因为氧气的反应性，关系到组件耐久性的重要特质，一般来说，LCD方式和电子泳驱动方式要求值为10-1∼10-2g/m2/day左右，有机 EL方式要求值为10-5∼10-6/g/m2/day。不过就特性来看，其它基膜远比不上玻璃的氧气和水蒸气的隔绝性，也就是说，就与氧气的低反应性方面，玻璃还是处于比较优秀的状态。所以如果采用塑料做为基板的话，就需要镀上隔绝膜，不然就达不到要求值。目前用于水蒸气隔绝膜的材料包括了有机材料和无机材料，不过由于无机材料对温度、湿度等变化相对的安定，所以使用的机率较大。

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克服透明导电膜发生弯曲破裂的情形

组件的透明导电膜一般大多是使用溅镀法来制成的ITO。如将基板的温度设定在高温，就能够制造高透明、低阻抗、且安定性高的结晶ITO膜。但是如果在塑料薄膜上制造ITO膜，由于受到耐热性的限制而无法采用高温的技术，因此必须设计不会发生弯曲、局部压力引起破裂的ITO膜质。

因为将温度提升到150℃以上后，就会使得ITO的结晶化，在膜厚100nm以上的情况下，会随着体积减少而产生基板弯曲的现象，另外还会产生一些极小的断裂，使表面阻抗值上升。目前较佳的方式是采用Roll to roll的溅镀设备，在阻抗率5x10-4Ωcm、130℃等等低温状态下制造出的膜层，可得到阻抗变化率R/R0为1.2以下，基板光穿透率85%以上的非晶质ITO。

不过，目前已有利用Indium Zinc Oxide（IZO）作为薄膜的材料，因为在180℃的热处理下，Indium Zinc Oxide不会出现结晶化，而基板上也不会发生极小断裂，更不会出现基板弯曲。因此，相信Indium Zinc Oxide将成为塑料基板中，可以替代ITO透明导电膜的最适材质。

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兼俱光学功能的塑料基板

就塑料基板而言，开发的问题关键在于，如何使得塑料基板能够和玻璃基板一样的特性。以目前的开发来看，包括耐热性、表面性、气体、水蒸气隔绝性等，都有了大幅度的进步，而降低线性膨胀系数方面也已有一定的成果，所以接下来最重要的开发方向是，如何提高塑料基板本身的光学机能，因而达到玻璃基板的相同特性。

举例来说，例如在塑料基板上增加偏光和位相差功能的涂层，因此可免除掉将偏光膜和位相差膜贴合到赛璐珞（celluloid）上去的这段制程和成本。使用偏光膜的目的在于让面板能够同时达到高偏光度与高透度，以目前而言，在塑料基板上涂上具有偏光功能的层膜后，与目前使用偏光膜的面板相比，在特性上还是有一定程度的落差。

不同的涂层膜赋予塑料基板不同的功能，就像有的塑料基板是利用光学设计的位相差膜，加上水蒸气隔绝层和透明导电膜来制成，例如目前已经有业者将偏光膜和1/4波长膜贴合到celluloid上层基板的反射型LCD，只要能把1/4波长膜应用在塑料基板的基膜上，就不需要贴合1/4波长膜，就能够产生玻璃基板所没有的特性。

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新一代电子纸组件技术与材料　将陆续问世

目前开发人员和业者都在寻找更好的基板材料，随着技术的进步，相信同时兼俱小型、轻巧、可弯曲等特性的最佳材质，将会被发展出来，而这也代表着传统的材料技术与观念即将面临革命，所以未来预计更新一代的电子纸组件技术与材料将会陆续产出。