微机电在显示应用之发展

微机电（MEMS）在显示应用最成功的领域首推投影机，而在背光模块方面则主要应用于导光板网点与光学扩散膜。整体而言，MEMS是用来解决表面微结构较为复杂之问题，而目前技术关卡包括仅限于小尺寸显示屏制作、无法使用连续滚压的Roll to Roll方式量产、制作结构复杂时可能出现累积误差的现象等等，而这些问题也成为未来要强化MEMS在显示应用上的发展时，所必须克服的挑战。
  
投影机为MEMS显示应用典范
     
由于奈米技术的跃升，微机电系统（MEMS；Micro Electro Mechanical System）近来获得更多发挥空间，应用触角也延伸得更广，除了原先较为人熟知的打印机喷墨头外，包括在显示、传感器、无线射频（RF）、麦克风等领域也都已获致不错的成果，促使MEMS市场规模不断成长；根据研究机构Yole Development的数据显示，2006年MEMS全球产值约达54亿美元，预计2007年将进一步成长至70亿美元之多。
     
MEMS在显示领域的发展是除了打印机喷墨头之外，堪称最为成功的应用实例。***工研院机械所先进制造核心技术组微奈米光学膜片技术部经理姚柏宏指出，以系统而言，目前MEMS技术在显示器产品中最成功的应用领域在于投影机，其中最著名的就属TI的DLP（Digital Light Processing）。
     
DLP应用MEMS技术的关键元素称为数字微型反射镜组件（DMD；Digital Micro-mirror Device），这种高速的反射性数字光开关是由TI在1987年发明，是一种整合的微机电上层结构电路单元（MEMS Super-structure Cell），系利用CMOS SRAM记忆晶胞所制成，用以构成显示内容的每一像素；透过DMD，单芯片上可覆盖数量庞大的超小型数字光开关，这些面积小于14微米、由铝金属制成的四方形绞接式反射镜，可以接受电子讯号代表的数据字符，进而产生光学字符输出；拜DMD所赐，单芯片的DLP投影系统可以产生1670万种以上的颜色，剧院等级的三芯片系统可产生的颜色更可达35兆种以上。
     
姚柏宏表示，在投影机系统部份，目前国内厂商仅有能力开发光机引擎与投影镜头，因此目前如DLP这类基础架构技术领域仍为国外大厂的天下。
MEMS往大尺寸显示发展需突破制程和成本限制
     
除了投影机系统，MEMS技术其实也可应用于平面显示器（FPD，如TFT-LCD）面板的背光模块上，例如导光板或光学扩散膜的微影蚀刻程序之用。姚柏宏表示，利用微影蚀刻可制作微透镜数组组件或模仁，应用于各种形状之导光板上的蚀刻网点制作，此外，亦可运用曝光显影后的Reflow制程制作表面光滑之微透镜数组，并应用于导光板网点与光学扩散膜。
     
传统导光板制作系以印刷方式，在压克力平板上用网板印上圆形或方形的扩散点，优点是生产速度快且开发成本较低，但印刷使用的油墨或多或少会吸收光线，使其辉度受到影响。至于利用到MEMS技术的导光板制作则必须借助精密模具，采用射出成型方式在表面形成微结构以作为网点之用，开发难度和成本相对印刷都较高，生产速度也较印刷慢，不过却可提供较佳的辉度。姚柏宏表示，采用MEMS技术的导光板相较传统网印方式，大概可提升20％～30％的光效益，一般多采两穴射出或四穴射出的生产制程，但是对于机台和模具的要求较高则是实际生产时的主要考虑点。
     
姚柏宏进一步表示，以国内情况而言，目前19吋到17吋的面板背光模块多仍以网板印刷方式为主，17吋到15吋以下才可见到MEMS技术的导入，而尺寸越小导入MEMS的比例就越高，例如手机面板几乎百分之百都已导入MEMS技术，个中原因在于MEMS技术较适合结构小、面积小的制程，若导入大面积尺寸产品，机台设备和制作精度都会同时提高很多，生产时间也会延长，致使成本拉高，而这也反映出必须突破制程大面积化的限制，才有可能让MEMS技术朝更大型显示器产品发展。
     
虽然目前19吋似乎是国内MEMS技术导入面板的尺寸上限，但是姚柏宏表示，韩国的MN Tech目前已利用类似上述的MEMS技术，开发出尺寸达32吋的增亮型光学扩散膜UTEI与UTEII，可用于取代透光性较低的传统式扩散膜，以作为成本较高的棱镜片之替代方案，不过实际效果还是未能达到棱镜片一般水平。
     
除了制作面积受限外，整体看来，姚柏宏认为MEMS技术导入显示产品仍有些许技术关卡等待突破，例如目前导入MEMS技术的显示产品除了少数（例如SiPix的电子纸）之外，大部分仅能使用平面基板，故不适于实行连续滚压式（Roll to Roll，R2R）的量产应用，仅适于单片成型的应用，而且当制作结构复杂时，程序必须严格控制，否则很容易产生严重的累积误差；另外，目前除了DLP，MEMS可制作之微结构类型尚未找到一个较佳定位点也是问题之一。
缺乏量产应用制程难以标准化
     
MEMS由于包含许多尺度微细且功能精密的控制电路及微型组件，必须透过妥善的封装保护避免损坏或误动作的发生，但又必须同时兼顾与外界环境的接触需求，使其难度较一般IC封装更高，工研院在SEMICON Taiwan 2005论坛中便点出，MEMS产品大约就有六成的成本来自于封装。
     
***工研院机械所微机电系统技术组周敏杰博士表示，一般IC主要透过制程的演进和大规模量产来降低整体包括封装在内的成本，但是MEMS由于一直都未出现真正的量产型应用，即使是需求量较高的加速度传感器、压力传感器或打印机喷墨头，也都无法与对与一般使用于消费性产品的IC需求量相比拟，致使成本无法有效下降。
     
此外，由于MEMS属于一种Enabling的技术，系以应用为导向，居于幕后提升系统整体效能，虽然各种应用都可能用到看似应用范畴很广，但也代表产能无法聚焦，由于没有够大的经济规模支撑，连带也造成制程很难标准化进而降低设计到制造的成本。
     
周敏杰认为，由于MEMS的制程跟终端产品有很高的相关性，所以应先从高单价、高利润的高阶产品，例如生化医疗的内视镜，亦或用于LCD和IC测试的探针卡着手做起，然后逐步提升可靠度和良率并累积经验，方能一步一步建立起标准化的制程。
工研院持续拓展MEMS应用
     
***工研院机械所先进制造核心技术组组长蔡禛辉则指出，工研院未来几年的发展重点放在软性电子和太阳能光电等领域，而这些领域都有MEMS得以发挥之处，所以在MEMS技术上持续有所投资，例如机械所目前与MEMS技术相关的专利已有60余案100余件，其中关于背光模块部份则有5案10件，日后也将继续投入研发。
     
另外，在量产型应用上，2005年工研院电子所与美律、亚太优势、探微、菱生、硅品、天瀚等国内厂商共组“微电声产业联盟”，共同投入基于MEMS技术的微小型麦克风市场，应用目标包括可携式音乐播放器及手机等年出货量以千万计的产品，希望借此让MEMS技术有机会打入量产型消费性电子应用。