塑料基板之真空镀膜技术及其应用

塑料基板之真空镀膜技术及其应用在塑料基板具轻、薄、耐冲击及可挠曲的优势下，取代玻璃基板应用于各种光学镀膜及导电膜制镀是未来发展之趋势。但塑料基板上在镀膜上也遭遇到一些瓶颈待克服，如薄膜附着性、低温镀膜所造成膜质不佳等问题。本文旨将针对在塑料基板上制镀各种薄膜之技术，包含光学级塑料基板选择、镀膜前处理及表面改质、各种镀膜制程及其应用的近况做一简单介绍。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 their 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 various 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 coating process are is also discussed in this paper.一、前言未来塑料基板取代玻璃基板成为次世代显示器材料是可期的。因为塑料基板拥有较玻璃基板之轻、薄、耐冲击、可卷曲等优势，可应用于许多可携式及穿戴式显示装置，以提高使用寿命并增加使用范围。目前塑料基板镀膜在光电产业的应用有：(一) 透明导电薄膜 仃ran spare nt Con-ductive Film):利用塑料基材的特性，镀上透明导电膜作为电极，应用于触控式面板屏幕、液晶显示面板(LCD pan el)、 有机发光二极管(OLED)、电子书(e-book) 等，可增加产品的竞争力。除了更轻更薄外，可挠曲的基板优点更是未来被光电产业应用所吸引的主因。(二) 抗反射防静电薄膜(Anti-reflection/ Anti-static):抗反射膜能增加对比、降低反射并增加穿透率，同时经由膜层的设计，尚能有抗静电、耐污、防紫外线 照射破坏的功能。以往将抗反射膜镀于玻璃上的需求已明显降低，取而代之的是在镀于塑料基材如偏光板、lightguide 等，以增加产品的功能性。(三) 表面硬化膜(hard coat in g) :Hard Coat ing也是塑料基板镀膜的应用之一，对于表面硬度不足的塑料基材而言，镀上hard coati ng ，如类钻石膜(Diamond Like Carbon)等，能大幅增加塑料基材表面的硬度，增加产品的使用寿命。产品 的应用如：触控面板、偏光板、各式塑料型显示器等。(四) 光储存：如CD-R、DVD-R等在polycarb on ate (PC)基板上制镀反射层。(五) 其它：其它塑料基板镀膜之产品应用方面尚有如，在PI (Polyimide) 膜上镀上Cu薄膜以作为制镀铜箔的导电电极，此为 FPC(FlexiblePrint Circuit)的制程之基板材料。另外如 switchingglazing (图一)、optical filter以及降低水氧气渗透所制镀的阻绝层等，均是能利用塑料基板以镀膜方式增加其功能性所发展岀来的用途。圏一NSG開發之Swishing GTiig産品、光电产业所需之塑料基板特性基板在整个光电产业应用中所占的成本比例虽不高，但却影响整体产品性能甚巨。因此，选择与产品匹配度最高的塑料基板是各厂家要跨进塑料基板镀膜首要面临的课题，基本上塑料基材的选择其中有几个大方向是不变的，光电、显示器产业应用需考量较高的穿透率、其它如坚固不易碎的物理性质、基材尺寸较不易受外力影响而改变、较平坦的表面、较低的水氧气透过率等等，当然价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目前常应用于触控式屏幕中透明导电膜ITOfilm、EL （Emitting Light）以及可挠曲式面板的应用。PC则常应用于光储存媒介产品，以上两种皆是价格较低廉的塑料基材适合用于大量且价格低廉的产品。PES由于有着较高的 Tg值，能用于较高温的制程，目前Sharp公司已于1999年开发岀以PES为基材之plastic LCD 面板，其重量与玻璃基板比 较下，约减少了 24%。ARTON与 COM有较高的穿透率（92%） 及较高的耐热温度仃g可高于170 C以 上），是蛮适合发展的材料，惟其价格昂贵，目前仅见于高单价的产品如光通讯和光储存用件、lightguide等。在台湾厂商以价格取向的竞争策略下，唯有待其经济规模开岀使价格降低，方能符合其它产品的生产效益。另外新日铁（Nippon Steel Chemical）开发岀以Acrylic 及Epoxy为base的塑料基板，其Tg值可达400 C,但价格仍是一道高门坎。表一塑膠基板性質一覧表特准O-PETFCFES鬲Tg-PAR鬲 Tg-PMMA豳COCTg12510g193宓110171S0-1S0 Ofhiglier光透過卒909DS330909292折射率17521.591 C51.S11.621 491.511.53-1 54上匕重(魏询1.3-1.41.21.371.2-1.02-飾舲206010601-2202025Abbe 數2427-595720-1500.40J-0 41.40.260.20.50.40.01盍面鉛筆礦度H2E2H3H4H2HH-2H三、塑料基材镀膜之前处理与表面改质塑料基材在大气下较玻璃基板易吸附水气，因此在镀膜过程中会因真空环境及受热的关系而有释气(outgas)的现象。释气会造成镀膜时成膜气氛的不稳定，使得镀膜制程参数不易控制。为了将释气的影响减至最低，在镀膜前要先将塑料基材内所含的气体大部分释放岀来，(图二)为卷式塑料基材释气设备。其利用温度与湿度的控制，将基材所吸附的气体释放岀来，且有安定塑料基材尺寸的功能，使基材再经过往后镀膜制程或其它加热程序时尺寸不易产生变化。Gknrtg tableHeaterSubstrate|Huei日ity sensor unitRewinding shaftDrum圖二 Vacuuin Dtying Machine 簡圖塑料基材表面改质的目的在于清洁基材表面、增加基材尺寸的安定性、强化镀膜时基材与薄膜之间的附着性、增加基材表面的硬度、或是形成一降低水氧气渗透的阻绝层等。常见的处理方式有紫外光臭氧处理(UV-Ozone treatment)、电浆法 (plasma treatment)、电晕法(corona discharge) 、离子束轰击(Ion Beam Bombardme nt) 等。OLED制程中提升ITO透明导紫外光臭氧处理其主要功能除了清洁基材表面的污染物质外，尚能利用于电膜表面之功函数，对于组件的发光效率及亮度有显著的影响。业界目前尚有发展岀Excimer UV光照射法（图三），其优点为所发岀之紫外光的波长范围窄，属于单一短波长型态（monochromatic）可于大气下进行连续性处理，不产生高温且处理效果佳，设备简单，其缺点是Excimer UV光灯管寿命有限（约9001,500小时），需考虑汰换成本。Plasma Treatment 其优点为可连续性大面积处理且效果佳，利用通入气体的不同可做不同的表面处理，缺点是须于真空下进行，且设备成本昂贵，且须考虑到与现有镀膜设备之兼容性。Cor ona Discharge优点为方法简单，亦可于大气下进行处理，成本较低，但处理效果不佳，仅对一些特殊塑料基材如FPC有明显的清洁效果，且制程参数控制不易，易对原基材本身造成伤害。圖三H电laeus公司生曲三EKcnner UV Emiiter3-172nni光遁圈四 Batch Type CoGtet 簡圖四、镀膜制程介绍塑料镀膜设备依机械工作设计原理可分为批量式(Batch Type) (图四)、连续式(In-line Piece byPiece Type)(图五)、卷取式(Roll to Roll Type) (图六)。传统 Batch type 及 piece-by-piece type 之镀膜制程以广为文献所介绍，本文现仅就Roll to Roll Coater做一简介如后。自从1930年第一台商业用Roll to Roll Coater 被开发以来，各家厂商投入人力、物力相继开发岀各式各样机型及用途的 Roller Coater , Roller Coater相较于其它镀膜机台的优点在于可用于可挠曲式基材的镀膜，并可利用较少的人力达成大量的生产，并由于所需所占厂房面积较小，故在生产成本与土地成本上均较其它镀膜设备占优势。其缺点为outgas不易控制需经由前处理来使outgas情形减低，不易控制镀膜时施于塑料基材的拉力使其形变减少，镀膜室与镀膜室之间由于不是完全密闭的，故如何将镀膜室之间气氛干扰的情形降至最低也是Roller Coater设计的重点之一。Roller Coater 的cathode选择可以从plannercathode到rotary cathode皆含括在内，其弹性是可见的。Rotary cathode的特色在于靶材利用率较planner cathode高靶材被离子轰击时所产生之温度较低，故可提高溅镀功率，以加速镀膜速率，并可 使用较高的功率来溅镀较硬的靶材，但cathode与magnetron的设计不当可能导致丧失了上述优点。目前常见的 Roller Coater 产品有 ITO film、Hard Coating film、水氧气阻绝层、Anti-Reflectionfilm等等，兹就以上几种产品做简单介绍。b FtJ 叭亏Jr*八；1?! 圖五 In-line piece by piece coaler圖六 In-line Roll to Roll Coater 簡圖(一) ITO film :2002年全球ITO film 产量达到5百万米平方，其中日本占60%,北美占了 15%。应用方面以触控式面板使用最多占了 45%,另35%故为其它产品的电极，15%做为抗静电的防护膜。ITO film 通常使用75卩 m200卩m的PET做为基材，根据不同的用途而镀上不同阻值的ITO ,(表二)为不同阻值的ITO film 在各应用产品领域的分布。ITO film 根据用途有不同的基材选择，在Triacetate Cellulose (TAC)上镀ITO可做为显示器用之抗静电膜，在PC或是PES上镀ITO可做为塑料型液晶显示器用之电极等等。对于大部分的塑料基板而言，制程的温度必须低于180C，甚至100 C以下，而ITO透明导电膜为了满足低温或室温下成膜又不影响其特性的要求下，不管是在镀膜制程技术或是材料特性均有改善的空间。未来可期的领域为ITO在OLED的应用，此种ITO透明导电膜不仅要求阻值的均匀性，为了防止ITO膜尖端放电效应而造成组件的短路及漏电，应用于OLED之ITO透明导电膜更要求其表面粗糙度至少应小于2nm。目前 ITO film 主要制造商有日本的Nitto Denko、Oike、Gunze、Teijin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肓不同的應用赢常彥晶领逵1000匱用锻晶巔五翼、砒斷扳 幅辭菴就破塢40*300槪爲乍撤 家奄常晶液品面扳 氐陽宅电搖需戌讽晶15-4)=10奄盤應赤遇、派島酸(LCT5、影蜒鍵常W电播(二) An ti-Refleetion (AR) Film:在玻璃基板上制镀抗反射膜是一成熟的技术，以往皆常见于护目镜及平面CRT的产品上，但由于TFT-LCD的兴起并有逐渐取代传统电视及CRT显示器的趋势，故在玻璃基板上制镀抗反射膜便逐渐失去市场，取而代之的则是 Anti-Refleetion Film，即在塑料基板上制镀抗反射膜。AR film 常见于PET、TAC或是直接镀于偏光片上(如图七)。除了要求降低反射外，由于AR film 通常在产品的最外一层，直接接触到外在环境，故防污 (Anti-Smudge or Anti-Fouling)及抗紫外线照射(SWOM)也会在产品的要求之内。通常以AR film依各厂家标准制定，通常反射率要求在 0.5%以下且其颜色也有一定的规格。Anti-Smudge 防污处理则要求表面接触角(Surface Contact Angle)要大于110 ，目前Anti-Smudge 均以spincoating的湿制程为主，其均匀性是制程的重点。SWOMU要求经过300小时紫外光照射下，其反射率及各项信赖性测试均能通过检验标准为准，通常利用靶材的特性，经由膜层的设计来达成抗紫外线的目的。目前制造厂商均以日本居多，如Sony等，国内则尚未有量产化的商品发表。(图八)为抗反射膜贴附于LCD上所呈现的效果。Antifouliiig coating （防污）Anti-ReHertioii layerJ !la 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結構示意圖圖八抗反射膜所呈現的效果(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 尚能改善薄膜与基材附着性、提高穿透率及做为水氧气阻绝层使用。塑料基材上的Hard Coati ng常以Acrylic 为base的有机材料利用湿式涂布的方式，涂上数 卩m的材料厚度以强化其表面硬度可达3H以上。目前也有德国厂商提岀以PVD (Physical Vapor Deposition)制程在塑料基板上镀上总厚度1卩m至6卩m之SiO2与AI2O3，其效果可达4H,但由于厚度要到达卩m级才会有比较显著的效果，故成膜速率与成本问题是必须详加衡量的重点(2)。（四）Gas Barrier塑料基板因阻隔水氧气的能力差，因此会降低一些如OLED及塑料型显示器内部组件的稳定性及寿命。故Gas Barrier 也是发展重点。美国Vitex Systems公司开发岀应用于塑料基板的多层结构水气阻绝层(BarixTM) , BarixTM是利用Roller Coater，在塑料基板上镀上多层无机材料并能保留原基材穿透率及 可挠曲的性质。此外， Vitex Systems 并开发岀平坦度极高 ( 1nm RMS) 的塑料基板(Flexible GlassTM)，利用此基板与 BarixTM 相结合(见图九、图十)，可得到表面粗糙度 1nmOTR10-3cc/m2/day、 WVTR10-3g/cm2/day、穿透率80%以上等不错的结果，并与UDC合作开发Flexible OLED ，已有相当的成效呈现在世人面前。Flexible Glass uses Barix coating technology圖九Vites Systems之多層結構塑膳基板示意圈圖十3EM下鬧兰膜層結構五、结论塑料基板可以让设计者任意塑造外型或曲折成任意形状，因此可以设计在许多折迭式或曲面的穿戴式或便携式产品如数字眼镜，汽车后视镜，甚至是人们身上穿的衣服等等。目前有许多公司投入大量人力物力研发以塑料基材为主的可挠式显示器技术。但目前塑料基材的选择有限，均仰赖后续的加工来补强塑料基材先天的不足，而后续的制程技术也有捉襟见穷的感觉。除了对于更耐热的塑料基材开发外，较低温的制程技术也是刻不容缓的。相信在各公司及相关研究单位的努力下，受惠的将会是全球消费大众。