塑料基板之真空镀膜技术及其应用.doc

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 attentions are being given to pPlastic based devices have received increasing attention because of owing to their potential properties such as lightweight, thin, flexible and high impact resistance on the applications of integrated circuits (IC) and flat panel displays. Nowadays the Current demands on the flexible devices are more robust, high-thermal enduring that could be suitable appropriate for various kind of vacuum coating processes. This paper will illustratearticle describes the applications of vacuum coating technology on a plastic substrate. ThatExactly how to select a moderately plastic substrate for the vacuum coating 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 (Transparent 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 panel)、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 coating)： Hard Coating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 coating，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polycarbonate (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 (Flexible Print Circuit) 的制程之基板材料。另外如switching glazing (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出来的用途。 二、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ITO film、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年开发出以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COC均有较高的穿透率 (92%) 及较高的耐热温度 (Tg可高于170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出使价格降低，方能符合其它产品的生产效益。另外新日铁 (Nippon Steel Chemical) 开发出以Acrylic及Epoxy为base的塑料基板，其Tg值可达400，但价格仍是一道高门坎。 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出来，(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出来，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。 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 Bombardment)等。 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OLED制程中提升ITO透明导电膜表面之功函数，对于组件的发光效率及亮度有显著的影响。业界目前尚有发展出Excimer UV光照射法 (图三)，其优点为所发出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。Corona 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。 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 by Piece 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、物力相继开发出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planner cathode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-Reflection film等等，兹就以上几种产品做简单介绍。 (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%做为其它产品的电极，15%做为抗静电的防护膜。ITO film通常使用75m200m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180，甚至100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 Courtaulds Performance Film (C.P. Films)、3M (Dynapro series)、Southwall等等。 (二) Anti-Reflection (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-Reflection 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spin coating的湿制程为主，其均匀性是制程的重点。SWOM则要求经过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。 (三) Hard Coating： Hard Coating的功能不只是提高耐膜耗性及耐刮性而已，好的Hard Coating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 Coating常以Acrylic为base的有机材料利用湿式涂布的方式，涂上数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出以PVD (Physical Vapor Deposition) 制程在塑料基板上镀上总厚度1m至6m之SiO2与Al2O3，其效果可达4H，但由于厚度要到达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(