塑料基板之真空鍍膜技術(shù)及其應(yīng)用

1、塑料基板之真空鍍膜技術(shù)及其應(yīng)用在塑料基板具輕、薄、耐沖擊及可撓曲的優(yōu)勢(shì)下，取代玻璃基板應(yīng)用于各種光學(xué)鍍膜及導(dǎo)電膜制鍍是未來(lái)發(fā)展之趨勢(shì)。但塑料基板上在鍍膜上也遭遇到一些瓶頸待克服，如薄膜附著性、低溫鍍膜所造成膜質(zhì)不佳等問(wèn)題。本文旨將針對(duì)在塑料基板上制鍍各種薄膜之技術(shù)，包含光學(xué)級(jí)塑料基板選擇、鍍膜前處理及表面改質(zhì)、各種鍍膜制程及其應(yīng)用的近況做一簡(jiǎn)單介紹。More atte nti ons are being give n to pPIastic based devices have received i n creas ing atte nti on because of owing to the

2、ir pote ntial properties such as lightweight, thi n, flexible and high impact resista nee on the applicati ons of in tegrated circuits (IC) and flat panel displays.Nowadays the Curre nt dema nds on the flexible devices are more robust, high-thermal en duri ng that could be suitable appropriate for v

3、arious kind of vacuum coating processes. This paper will illustratearticle describes the applicati ons of vacuum coati ng tech no logy on a plastic substrate. ThatExactly how to select a moderately plastic substrate for the vacuum coat ing purpose, pre-treatment of plastic substrate and various of c

4、oating process are is also discussed in this paper.一、前言未來(lái)塑料基板取代玻璃基板成為次世代顯示器材料是可期的。因?yàn)樗芰匣鍝碛休^玻璃基板之輕、薄、耐沖擊、可卷曲等優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于許多可攜式及穿戴式顯示裝置，以提高使用壽命并增加使用范圍。目前塑料基板鍍膜在光電產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用有：(一) 透明導(dǎo)電薄膜 仃ran spare nt Con-ductive Film):利用塑料基材的特性，鍍上透明導(dǎo)電膜作為電極，應(yīng)用于觸控式面板屏幕、液晶顯示面板(LCD pan el)、 有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)、電子書(e-book) 等，可增加產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。除了更輕

5、更薄外，可撓曲的基板優(yōu)點(diǎn)更是未來(lái)被光電產(chǎn)業(yè)應(yīng)用所吸引的主因。(二) 抗反射防靜電薄膜(Anti-reflection/ Anti-static):抗反射膜能增加對(duì)比、降低反射并增加穿透率，同時(shí)經(jīng)由膜層的設(shè)計(jì)，尚能有抗靜電、耐污、防紫外線 照射破壞的功能。以往將抗反射膜鍍于玻璃上的需求已明顯降低，取而代之的是在鍍于塑料基材如偏光板、lightguide 等，以增加產(chǎn)品的功能性。(三) 表面硬化膜(hard coat in g) :Hard Coat ing也是塑料基板鍍膜的應(yīng)用之一，對(duì)于表面硬度不足的塑料基材而言，鍍上hard coati ng ，如類鉆石膜(Diamond Like Carbo

6、n)等，能大幅增加塑料基材表面的硬度，增加產(chǎn)品的使用壽命。產(chǎn)品 的應(yīng)用如：觸控面板、偏光板、各式塑料型顯示器等。(四) 光儲(chǔ)存：如CD-R、DVD-R等在polycarb on ate (PC)基板上制鍍反射層。(五) 其它：其它塑料基板鍍膜之產(chǎn)品應(yīng)用方面尚有如，在PI (Polyimide) 膜上鍍上Cu薄膜以作為制鍍銅箔的導(dǎo)電電極，此為 FPC(FlexiblePrint Circuit)的制程之基板材料。另外如 switchingglazing (圖一)、optical filter以及降低水氧氣滲透所制鍍的阻絕層等，均是能利用塑料基板以鍍膜方式增加其功能性所發(fā)展岀來(lái)的用途。圏一NSG開(kāi)

7、發(fā)之Swishing GTiig産品、光電產(chǎn)業(yè)所需之塑料基板特性基板在整個(gè)光電產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中所占的成本比例雖不高，但卻影響整體產(chǎn)品性能甚巨。因此，選擇與產(chǎn)品匹配度最高的塑料基板是各廠家要跨進(jìn)塑料基板鍍膜首要面臨的課題，基本上塑料基材的選擇其中有幾個(gè)大方向是不變的，光電、顯示器產(chǎn)業(yè)應(yīng)用需考量較高的穿透率、其它如堅(jiān)固不易碎的物理性質(zhì)、基材尺寸較不易受外力影響而改變、較平坦的表面、較低的水氧氣透過(guò)率等等，當(dāng)然價(jià)格也是主要考量的因素。（表一）是目前常用的塑料基材材料特性表。其中O-PET目前常應(yīng)用于觸控式屏幕中透明導(dǎo)電膜ITOfilm、EL （Emitting Light）以及可撓曲式面板的應(yīng)用。PC則常

8、應(yīng)用于光儲(chǔ)存媒介產(chǎn)品，以上兩種皆是價(jià)格較低廉的塑料基材適合用于大量且價(jià)格低廉的產(chǎn)品。PES由于有著較高的 Tg值，能用于較高溫的制程，目前Sharp公司已于1999年開(kāi)發(fā)岀以PES為基材之plastic LCD 面板，其重量與玻璃基板比 較下，約減少了 24%。ARTON與 COM有較高的穿透率（92%） 及較高的耐熱溫度仃g可高于170 C以 上），是蠻適合發(fā)展的材料，惟其價(jià)格昂貴，目前僅見(jiàn)于高單價(jià)的產(chǎn)品如光通訊和光儲(chǔ)存用件、lightguide等。在臺(tái)灣廠商以價(jià)格取向的競(jìng)爭(zhēng)策略下，唯有待其經(jīng)濟(jì)規(guī)模開(kāi)岀使價(jià)格降低，方能符合其它產(chǎn)品的生產(chǎn)效益。另外新日鐵（Nippon Steel Chemic

9、al）開(kāi)發(fā)岀以Acrylic 及Epoxy為base的塑料基板，其Tg值可達(dá)400 C,但價(jià)格仍是一道高門坎。表一塑膠基板性質(zhì)一覧表特準(zhǔn)O-PETFCFES鬲Tg-PAR鬲 Tg-PMMA豳COCTg12510g193宓110171S0-1S0 Ofhiglier光透過(guò)卒909DS330909292折射率17521.591 C51.S11.621 491.511.53-1 54上匕重(魏詢1.3-1.41.21.371.2-1.02-飾舲<2060<10601-2<20<20<25Abbe 數(shù)2427-595720-1500.40J-0 41.40.260.20.

10、50.4<0.01盍面鉛筆礦度H2E2H3H4H2HH-2H三、塑料基材鍍膜之前處理與表面改質(zhì)塑料基材在大氣下較玻璃基板易吸附水氣，因此在鍍膜過(guò)程中會(huì)因真空環(huán)境及受熱的關(guān)系而有釋氣(outgas)的現(xiàn)象。釋氣會(huì)造成鍍膜時(shí)成膜氣氛的不穩(wěn)定，使得鍍膜制程參數(shù)不易控制。為了將釋氣的影響減至最低，在鍍膜前要先將塑料基材內(nèi)所含的氣體大部分釋放岀來(lái)，(圖二)為卷式塑料基材釋氣設(shè)備。其利用溫度與濕度的控制，將基材所吸附的氣體釋放岀來(lái)，且有安定塑料基材尺寸的功能，使基材再經(jīng)過(guò)往后鍍膜制程或其它加熱程序時(shí)尺寸不易產(chǎn)生變化。Gknrtg tableHeaterSubstrate|Huei日ity senso

11、r unitRewinding shaftDrum圖二 Vacuuin Dtying Machine 簡(jiǎn)圖塑料基材表面改質(zhì)的目的在于清潔基材表面、增加基材尺寸的安定性、強(qiáng)化鍍膜時(shí)基材與薄膜之間的附著性、增加基材表面的硬度、或是形成一降低水氧氣滲透的阻絕層等。常見(jiàn)的處理方式有紫外光臭氧處理(UV-Ozone treatment)、電漿法 (plasma treatment)、電暈法(corona discharge) 、離子束轟擊(Ion Beam Bombardme nt) 等。OLED制程中提升ITO透明導(dǎo)紫外光臭氧處理其主要功能除了清潔基材表面的污染物質(zhì)外，尚能利用于電膜表面之功函數(shù)，對(duì)于

12、組件的發(fā)光效率及亮度有顯著的影響。業(yè)界目前尚有發(fā)展岀Excimer UV光照射法（圖三），其優(yōu)點(diǎn)為所發(fā)岀之紫外光的波長(zhǎng)范圍窄，屬于單一短波長(zhǎng)型態(tài)（monochromatic）可于大氣下進(jìn)行連續(xù)性處理，不產(chǎn)生高溫且處理效果佳，設(shè)備簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)是Excimer UV光燈管壽命有限（約9001,500小時(shí)），需考慮汰換成本。Plasma Treatment 其優(yōu)點(diǎn)為可連續(xù)性大面積處理且效果佳，利用通入氣體的不同可做不同的表面處理，缺點(diǎn)是須于真空下進(jìn)行，且設(shè)備成本昂貴，且須考慮到與現(xiàn)有鍍膜設(shè)備之兼容性。Cor ona Discharge優(yōu)點(diǎn)為方法簡(jiǎn)單，亦可于大氣下進(jìn)行處理，成本較低，但處理效果不佳，僅

13、對(duì)一些特殊塑料基材如FPC有明顯的清潔效果，且制程參數(shù)控制不易，易對(duì)原基材本身造成傷害。圖三H電laeus公司生曲三EKcnner UV Emiiter3-172nni光遁圈四 Batch Type CoGtet 簡(jiǎn)圖四、鍍膜制程介紹塑料鍍膜設(shè)備依機(jī)械工作設(shè)計(jì)原理可分為批量式(Batch Type) (圖四)、連續(xù)式(In-line Piece byPiece Type)(圖五)、卷取式(Roll to Roll Type) (圖六)。傳統(tǒng) Batch type 及 piece-by-piece type 之鍍膜制程以廣為文獻(xiàn)所介紹，本文現(xiàn)僅就Roll to Roll Coater做一簡(jiǎn)介如后

14、。自從1930年第一臺(tái)商業(yè)用Roll to Roll Coater 被開(kāi)發(fā)以來(lái)，各家廠商投入人力、物力相繼開(kāi)發(fā)岀各式各樣機(jī)型及用途的 Roller Coater , Roller Coater相較于其它鍍膜機(jī)臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)在于可用于可撓曲式基材的鍍膜，并可利用較少的人力達(dá)成大量的生產(chǎn)，并由于所需所占廠房面積較小，故在生產(chǎn)成本與土地成本上均較其它鍍膜設(shè)備占優(yōu)勢(shì)。其缺點(diǎn)為outgas不易控制需經(jīng)由前處理來(lái)使outgas情形減低，不易控制鍍膜時(shí)施于塑料基材的拉力使其形變減少，鍍膜室與鍍膜室之間由于不是完全密閉的，故如何將鍍膜室之間氣氛干擾的情形降至最低也是Roller Coater設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。Roll

15、er Coater 的cathode選擇可以從plannercathode到rotary cathode皆含括在內(nèi)，其彈性是可見(jiàn)的。Rotary cathode的特色在于靶材利用率較planner cathode高靶材被離子轟擊時(shí)所產(chǎn)生之溫度較低，故可提高濺鍍功率，以加速鍍膜速率，并可 使用較高的功率來(lái)濺鍍較硬的靶材，但cathode與magnetron的設(shè)計(jì)不當(dāng)可能導(dǎo)致喪失了上述優(yōu)點(diǎn)。目前常見(jiàn)的 Roller Coater 產(chǎn)品有 ITO film、Hard Coating film、水氧氣阻絕層、Anti-Reflectionfilm等等，茲就以上幾種產(chǎn)品做簡(jiǎn)單介紹。b FtJ 叭虧Jr*

16、八；1?! 圖五 In-line piece by piece coaler圖六 In-line Roll to Roll Coater 簡(jiǎn)圖(一) ITO film :2002年全球ITO film 產(chǎn)量達(dá)到5百萬(wàn)米平方，其中日本占60%,北美占了 15%。應(yīng)用方面以觸控式面板使用最多占了 45%,另35%故為其它產(chǎn)品的電極，15%做為抗靜電的防護(hù)膜。ITO film 通常使用75卩 m200卩m的PET做為基材，根據(jù)不同的用途而鍍上不同阻值的ITO ,(表二)為不同阻值的ITO film 在各應(yīng)用產(chǎn)品領(lǐng)域的分布。ITO film 根據(jù)用途有不同的基材選擇，在Triacetate Cellu

17、lose (TAC)上鍍ITO可做為顯示器用之抗靜電膜，在PC或是PES上鍍ITO可做為塑料型液晶顯示器用之電極等等。對(duì)于大部分的塑料基板而言，制程的溫度必須低于180C，甚至100 C以下，而ITO透明導(dǎo)電膜為了滿足低溫或室溫下成膜又不影響其特性的要求下，不管是在鍍膜制程技術(shù)或是材料特性均有改善的空間。未來(lái)可期的領(lǐng)域?yàn)镮TO在OLED的應(yīng)用，此種ITO透明導(dǎo)電膜不僅要求阻值的均勻性，為了防止ITO膜尖端放電效應(yīng)而造成組件的短路及漏電，應(yīng)用于OLED之ITO透明導(dǎo)電膜更要求其表面粗糙度至少應(yīng)小于2nm。目前 ITO film 主要制造商有日本的Nitto Denko、Oike、Gunze、Te

18、ijin以及北美的 CourtauldsPerformanee Film (C.P. Films) 、3M (Dynapro series) 、Southwall 等等。表二 不同阻値的ITO film肓不同的應(yīng)用贏常彥晶領(lǐng)逵<1000匱用鍛晶巔五翼、砒斷扳 幅辭菴就破塢40*300槪爲(wèi)乍撤 ' 家奄常晶液品面扳 ' 氐陽(yáng)宅電'搖需戌諷晶15-4)=10奄盤應(yīng)赤遇、派島酸(LCT5、影蜒鍵常W電播(二) An ti-Refleetion (AR) Film:在玻璃基板上制鍍抗反射膜是一成熟的技術(shù)，以往皆常見(jiàn)于護(hù)目鏡及平面CRT的產(chǎn)品上，但由于TFT-LCD的興起并

19、有逐漸取代傳統(tǒng)電視及CRT顯示器的趨勢(shì)，故在玻璃基板上制鍍抗反射膜便逐漸失去市場(chǎng)，取而代之的則是 Anti-Refleetion Film，即在塑料基板上制鍍抗反射膜。AR film 常見(jiàn)于PET、TAC或是直接鍍于偏光片上(如圖七)。除了要求降低反射外，由于AR film 通常在產(chǎn)品的最外一層，直接接觸到外在環(huán)境，故防污 (Anti-Smudge or Anti-Fouling)及抗紫外線照射(SWOM)也會(huì)在產(chǎn)品的要求之內(nèi)。通常以AR film依各廠家標(biāo)準(zhǔn)制定，通常反射率要求在 0.5%以下且其顏色也有一定的規(guī)格。Anti-Smudge 防污處理則要求表面接觸角(Surface Conta

20、ct Angle)要大于110 °，目前Anti-Smudge 均以spincoating的濕制程為主，其均勻性是制程的重點(diǎn)。SWOMU要求經(jīng)過(guò)300小時(shí)紫外光照射下，其反射率及各項(xiàng)信賴性測(cè)試均能通過(guò)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)，通常利用靶材的特性，經(jīng)由膜層的設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)成抗紫外線的目的。目前制造廠商均以日本居多，如Sony等，國(guó)內(nèi)則尚未有量產(chǎn)化的商品發(fā)表。(圖八)為抗反射膜貼附于LCD上所呈現(xiàn)的效果。Antifouliiig coating （防污）Anti-ReHertioii layer'''J " !la' ' ''«&

21、#39;曜 L' 'i :：-M h glarelayer/Clie air fewiiaat：:： . n ti i i rr i ti ： , n n ti ti s.jPEirTAC/Polarizerfilm圖七AR filing®結(jié)構(gòu)示意圖圖八抗反射膜所呈現(xiàn)的效果(三) Hard Coati ng:Hard Coat ing的功能不只是提高耐膜耗性及耐刮性而已，好的Hard Coat ing 尚能改善薄膜與基材附著性、提高穿透率及做為水氧氣阻絕層使用。塑料基材上的Hard Coati ng常以Acrylic 為base的有機(jī)材料利用濕式涂布的方式，涂上數(shù) 卩m的材料厚度以強(qiáng)化其表面硬度可達(dá)3H以上。目前也有德國(guó)廠商提岀以PVD (Physical Vapor Deposition)制程在塑料基板上鍍上總厚度1卩m至6卩m之SiO2與AI2O3，其效果可達(dá)4H,但由于厚度要到達(dá)卩m級(jí)才會(huì)有比較顯著的效果，故成膜速率與成本問(wèn)題是必須詳加