塑膠基板之真空鍍膜技術及其應用

一、前言

未來塑膠基板取代玻璃基板成為次世代顯示器材料是可期的。因為塑膠基板擁有較玻璃基板之輕、薄、耐衝擊、可捲曲等優勢，可應用於許多可攜式及穿戴式顯示裝置，以提高使用壽命並增加使用範圍。目前塑膠基板鍍膜在光電產業的應用有：

(一) 透明導電薄膜 (Transparent Con-ductive Film)：
利用塑膠基材的特性，鍍上透明導電膜作為電極，應用於觸控式面板螢幕、液晶顯示面板 (LCD panel)、有機發光二極體 (OLED)、電子書(e-book) 等，可增加產品的競爭力。除了更輕更薄外，可撓曲的基板優點更是未來被光電產業應用所吸引的主因。

(二) 抗反射防靜電薄膜 (Anti-reflection/ Anti-static)：
抗反射膜能增加對比、降低反射並增加穿透率，同時經由膜層的設計，尚能有抗靜電、耐污、防紫外線照射破壞的功能。以往將抗反射膜鍍於玻璃上的需求已明顯降低，取而代之的是在鍍於塑膠基材如偏光板、lightguide等，以增加產品的功能性。

(三) 表面硬化膜 (hard coating)：
Hard Coating也是塑膠基板鍍膜的應用之一，對於表面硬度不足的塑膠基材而言，鍍上hard coating，如類鑽石膜 (Diamond Like Carbon)等，能大幅增加塑膠基材表面的硬度，增加產品的使用壽命。產品的應用如：觸控面板、偏光板、各式塑膠型顯示器等。

(四) 光儲存：
如CD-R、DVD-R等在polycarbonate (PC) 基板上製鍍反射層。

(五) 其他：
其他塑膠基板鍍膜之產品應用方面尚有如，在PI (Polyimide) 膜上鍍上Cu薄膜以作為製鍍銅箔的導電電極，此為FPC (Flexible Print Circuit) 的製程之基板材料。另外如switching glazing (圖一)、optical filter以及降低水氧氣滲透所製鍍的阻絕層等，均是能利用塑膠基板以鍍膜方式增加其功能性所發展出來的用途。

二、光電產業所需之塑膠基板特性

基板在整個光電產業應用中所佔的成本比例雖不高，但卻影響整體產品性能甚鉅。因此，選擇與產品匹配度最高的塑膠基板是各廠家要跨進塑膠基板鍍膜首要面臨的課題，基本上塑膠基材的選擇其中有幾個大方向是不變的，光電、顯示器產業應用需考量較高的穿透率、其他如堅固不易碎的物理性質、基材尺寸較不易受外力影響而改變、較平坦的表面、較低的水氧氣透過率等等，當然價格也是主要考量的因素。

(表一)是目前常用的塑膠基材材料特性表。其中O-PET目前常應用於觸控式螢幕中透明導電膜ITO film、EL (Emitting Light) 以及可撓曲式面板的應用。PC則常應用於光儲存媒介產品，以上兩種皆是價格較低廉的塑膠基材適合用於大量且價格低廉的產品。PES由於有著較高的Tg值，能用於較高溫的製程，目前Sharp公司已於1999年開發出以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COC均有較高的穿透率 (>92%) 及較高的耐熱溫度 (Tg可高於170℃以上)，是蠻適合發展的材料，惟其價格昂貴，目前僅見於高單價的產品如光通訊和光儲存用件、lightguide等。在台灣廠商以價格取向的競爭策略下，唯有待其經濟規模開出使價格降低，方能符合其他產品的生產效益。另外新日鐵 (Nippon Steel Chemical) 開發出以Acrylic及Epoxy為base的塑膠基板，其Tg值可達400℃，但價格仍是一道高門檻。

三、塑膠基材鍍膜之前處理與表面改質

塑膠基材在大氣下較玻璃基板易吸附水氣，因此在鍍膜過程中會因真空環境及受熱的關係而有釋氣 (outgas) 的現象。釋氣會造成鍍膜時成膜氣氛的不穩定，使得鍍膜製程參數不易控制。為了將釋氣的影響減至最低，在鍍膜前要先將塑膠基材內所含的氣體大部分釋放出來，(圖二)為捲式塑膠基材釋氣設備。其利用溫度與溼度的控制，將基材所吸附的氣體釋放出來，且有安定塑膠基材尺寸的功能，使基材再經過往後鍍膜製程或其他加熱程序時尺寸不易產生變化。



塑膠基材表面改質的目的在於清潔基材表面、增加基材尺寸的安定性、強化鍍膜時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 Bombardment)等。

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外，尚能利用於OLED製程中提昇ITO透明導電膜表面之功函數，對於元件的發光效率及亮度有顯著的影響。業界目前尚有發展出Excimer UV光照射法 (圖三)，其優點為所發出之紫外光的波長範圍窄，屬於單一短波長型態(monochromatic) 可於大氣下進行連續性處理，不產生高溫且處理效果佳，設備簡單，其缺點是Excimer UV光燈管壽命有限 (約900~1,500小時)，需考慮汰換成本。Plasma Treatment其優點為可連續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，缺點是須於真空下進行，且設備成本昂貴，且須考慮到與現有鍍膜設備之相容性。Corona Discharge優點為方法簡單，亦可於大氣下進行處理，成本較低，但處理效果不佳，僅對一些特殊塑膠基材如FPC有明顯的清潔效果，且製程參數控制不易，易對原基材本身造成傷害。

四、鍍膜製程介紹

塑膠鍍膜設備依機械工作設計原理可分為批量式 (Batch Type) (圖四)、連續式 (In-line Piece by Piece Type) (圖五)、捲取式 (Roll to Roll Type) (圖六)。傳統Batch type及piece-by-piece type之鍍膜製程以廣為文獻所介紹，本文現僅就Roll to Roll Coater做一簡介如後。自從1930年第一台商業用Roll to Roll Coater被開發以來，各家廠商投入人力、物力相繼開發出各式各樣機型及用途的Roller Coater，Roller Coater相較於其他鍍膜機台的優點在於可用於可撓曲式基材的鍍膜，並可利用較少的人力達成大量的生產，並由於所需所佔廠房面積較小，故在生產成本與土地成本上均較其他鍍膜設備佔優勢。其缺點為outgas不易控制需經由前處理來使outgas情形減低，不易控制鍍膜時施於塑膠基材的拉力使其形變減少，鍍膜室與鍍膜室之間由於不是完全密閉的，故如何將鍍膜室之間氣氛干擾的情形降至最低也是Roller Coater設計的重點之一。Roller Coater的cathode選擇可以從planner cathode到rotary cathode皆含括在內，其彈性是可見的。Rotary cathode的特色在於靶材利用率較planner cathode高靶材被離子轟擊時所產生之溫度較低，故可提高濺鍍功率，以加速鍍膜速率，並可使用較高的功率來濺鍍較硬的靶材，但cathode與magnetron的設計不當可能導致喪失了上述優點。目前常見的Roller Coater產品有ITO film、Hard Coating film、水氧氣阻絕層、Anti-Reflection film等等，茲就以上幾種產品做簡單介紹。







(一) ITO film：
2002年全球ITO film產量達到5百萬米平方，其中日本佔60%，北美佔了15%。應用方面以觸控式面板使用最多佔了45%，另35%做為其他產品的電極，15%做為抗靜電的防護膜。ITO film通常使用75μm~200μm的PET做為基材，根據不同的用途而鍍上不同阻值的ITO，(表二)為不同阻值的ITO film在各應用產品領域的分布。ITO film根據用途有不同的基材選擇，在Triacetate Cellulose (TAC) 上鍍ITO可做為顯示器用之抗靜電膜，在PC或是PES上鍍ITO可做為塑膠型液晶顯示器用之電極等等。對於大部分的塑膠基板而言，製程的溫度必須低於180℃，甚至100℃以下，而ITO透明導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，不管是在鍍膜製程技術或是材料特性均有改善的空間。未來可期的領域為ITO在OLED的應用，此種ITO透明導電膜不僅要求阻值的均勻性，為了防止ITO膜尖端放電效應而造成元件的短路及漏電，應用於OLED之ITO透明導電膜更要求其表面粗糙度至少應小於2nm。目前ITO film主要製造商有日本的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：
在玻璃基板上製鍍抗反射膜是一成熟的技術，以往皆常見於護目鏡及平面CRT的產品上，但由於TFT-LCD的興起並有逐漸取代傳統電視及CRT顯示器的趨勢，故在玻璃基板上製鍍抗反射膜便逐漸失去市場，取而代之的則是Anti-Reflection Film，即在塑膠基板上製鍍抗反射膜。AR film常見於PET、TAC或是直接鍍於偏光片上(如圖七)。除了要求降低反射外，由於AR film通常在產品的最外一層，直接接觸到外在環境，故防污 (Anti-Smudge or Anti-Fouling) 及抗紫外線照射 (SWOM) 也會在產品的要求之內。通常以AR film依各廠家標準制定，通常反射率要求在0.5%以下且其顏色也有一定的規格。Anti-Smudge防污處理則要求表面接觸角 (Surface Contact Angle) 要大於110°，目前Anti-Smudge均以spin coating的濕製程為主，其均勻性是製程的重點。SWOM則要求經過300小時紫外光照射下，其反射率及各項信賴性測試均能通過檢驗標準為準，通常利用靶材的特性，經由膜層的設計來達成抗紫外線的目的。目前製造廠商均以日本居多，如Sony等，國內則尚未有量產化的商品發表。(圖八)為抗反射膜貼附於LCD上所呈現的效果。





(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尚能改善薄膜與基材附著性、提高穿透率及做為水氧氣阻絕層使用。塑膠基材上的Hard Coating常以Acrylic為base的有機材料利用濕式塗佈的方式，塗上數μm的材料厚度以強化其表面硬度可達3H以上。目前也有德國廠商提出以PVD (Physical Vapor Deposition) 製程在塑膠基板上鍍上總厚度1μm至6μm之SiO2與Al2O3，其效果可達4H，但由於厚度要到達μm級才會有比較顯著的效果，故成膜速率與成本問題是必須詳加衡量的重點(2)。

(四) Gas Barrier：
塑膠基板因阻隔水氧氣的能力差，因此會降低一些如OLED及塑膠型顯示器內部元件的穩定性及壽命。故Gas Barrier也是發展重點。美國Vitex Systems公司開發出應用於塑膠基板的多層結構水氣阻絕層 (BarixTM)，BarixTM是利用Roller Coater，在塑膠基板上鍍上多層無機材料並能保留原基材穿透率及可撓曲的性質。此外，Vitex Systems並開發出平坦度極高 (< 1nm RMS) 的塑膠基板 (Flexible GlassTM)，利用此基板與BarixTM相結合 (見圖九、圖十)，可得到表面粗糙度<1nm、OTR<10-3cc/m2/day、WVTR<10-3g/cm2/day、穿透率80%以上等不錯的結果，並與UDC合作開發Flexible OLED，已有相當的成效呈現在世人面前。





五、結論

塑膠基板可以讓設計者任意塑造外型或曲折成任意形狀，因此可以設計在許多摺疊式或曲面的穿戴式或攜帶型產品如數位眼鏡，汽車後視鏡，甚至是人們身上穿的衣服等等。目前有許多公司投入大量人力物力研發以塑膠基材為主的可撓式顯示器技術。但目前塑膠基材的選擇有限，均仰賴後續的加工來補強塑膠基材先天的不足，而後續的製程技術也有捉襟見窮的感覺。除了對於更耐熱的塑膠基材開發外，較低溫的製程技術也是刻不容緩的。相信在各公司及相關研究單位的努力下，受惠的將會是全球消費大眾。

那以后的触摸屏也就可以卷曲了。

卷曲后的触摸屏能带来哪些应用呢？

好文章！

望塑膠基板新技术层出不穷。