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气体阻障膜之介绍与应用

为何需要阻障膜(Barrier film)?

很多的产品(包括电子元件、平面显示器、医疗器材、药品、食品)对于气体或湿气都很敏感，若产品长期处于气体或湿气的环境下，会导致产品的效能劣化或减短产品的保质期，甚至使其变质无效。因此藉由阻障膜来阻挡气体或湿气的传递，是一种有效的封装(Packaging)技术，可以有效延长产品的寿命。


气体或湿气的渗透机制

1.直接从材料渗透过去

气体分子渗透(Permeation)通过基材的步骤，可分成气体吸附在表面上、扩散通过材料、气体脱附至环境等三个步骤，其中主要的速率决定步骤为气体扩散通过材料。

根据菲克定律(Fick’s law)：F= －D‧ΔC/t，其中F为气体扩散通量，D为扩散系数，ΔC为阻气膜两侧气体的浓度差，t为阻气膜的厚度。如果若能有效降低扩散系数，则气体不容易扩散到阻气膜的另一侧，或是增加阻障膜的厚度，都是增加气体阻隔性的手段。


2.从材料的孔洞(Pore)穿透

空气中灰尘粒子黏附在基板、或是薄膜制备品质不佳，是薄膜产生孔洞(Pinhole)的主要来源，这些孔洞成为水气和氧气穿透的路径，因此制备出致密无孔洞(Pinhole-free)的均匀薄膜最为重要。


阻障膜的技术要求

评估封装材料的阻气性和阻湿性，可依据水气透过率(Water Vapor Transmission Rate，WVTR)、氧气透过率(Oxygen Transmission Rate，OTR)做为指标，各类产业应用对于WVTR与OTR之要求等级如下：

  • 食品类的包装WVTR约102 g/m2． day，OTR约102 cc/m2． day；
  • 无机太阳能电池的封装WVTR约10-1 g/m2． day，OTR约101 cc/m2． day；
  • LCD显示器的封装WVTR约10-2 g/m2． day，OTR约101 cc/m2． day；
  • 有机太阳能电池的封装WVTR约10-5 g/m2． day，OTR约10-4 cc/m2． day；
  • OLED显示器的封装WVTR约10-6 g/m2． day，OTR约10-6 cc/m2． day。

阻气保护层材料种类

1.玻璃

由于玻璃材料的WVTR与OTR为零，具有极佳的阻隔水气与氧气之效果，并且可耐刮，因此在OLED的封装技术常使用玻璃作为封装盖(Encapsulation)，并利用环氧树脂(Epoxy)在OLED元件与封装盖之间做黏合。但是玻璃不具有可挠性，只能用在刚性基板的封装，无法进行卷对卷(Roll-to-Roll)的制程。

2.金属箔(Metal Foil)

金属箔(如铝箔)可用来作为阻障层材料的一种选择，铝箔光亮的表面和良好的印刷性能，且具有遮光性可使产品不受阳光的侵害。若金属箔厚度大于25μm，则其WVTR与OTR为零；若金属箔厚度小于25μm，则愈容易出现孔洞，其WVTR与OTR不再为零，孔洞发生率与铝箔的厚度有关，。

3.塑胶

塑胶是常用来做为产品封装的一种材料，其具有轻、薄、可挠性等特性，常见的塑胶基材如Polyethylene Terephthaltae (PET)、Polyethersulfone) (PES)、Polyethylene Naphthalate (PEN)、Polycarbonate (PC)、Polyimide (PI)。但是塑胶材料对于水气与氧气的阻隔效果不好(例如7 mm的PET基材的OTR与WVTR约为8.7 cc/m2．day)，有水/氧气渗透问题，容易造成内部材料的劣坏，使产品衰退或降低其寿命。因此，在塑胶基板上沉积如SiO2、Al2O3…等薄膜，来阻绝水气、气体渗透入产品，使产品具备极佳的水/ 氧阻障能力，不仅能降低成本、耐高温，而且机械性质佳，将是未来产品所必需的。

4.无机材料薄膜

一般常以SiO2、Al2O3、SiNx、Silicon Oxynitride (SiON)、MgO、Diamond-like Carbon(DLC)等单一层无机材料做为封装阻隔膜，制程方法以蒸镀、溅镀、PECVD为常见的方式，然而单层膜的WVTR大约只能做到10-2~10-4 g/m2． day，若进一步要做到10-6 g/m2． day的封装等级，须利用多层膜结构以增加扩散路径之方式达成。

5. 多层膜(Multi-layer films)

单一层薄膜不容易达到软性OLED显示器的WVTR与OTR要小于10-6 g/m2． day之高阻气膜需求，通常须藉由多层膜的结构设计方式进行，例如：有机膜/无机膜之多层交错叠合(如利用HMDSO单体沉积Polymer-like与SiO2-like之交错多层膜)、连续沉积多层两种无机膜(如SiNx与SiOx之多层复合膜)。


气体阻障膜之介绍与应用

  • 日本Kirin啤酒公司在PET保特瓶内沉积DLC膜，作为啤酒、葡萄酒、果汁等饮料容器之阻隔膜。
  • 瑞典Spendrups啤酒公司在PET塑胶瓶内沉积SiOx膜，使用塑胶瓶分别取代玻璃瓶与金属罐之瓶重与成本，保质期可达4~12个月。
  • 美国Vitex公司发展的Batrix多层膜阻隔层，利用有机膜(Polyacrylate)及无机膜(SiO2、Si3N4、Al2O3)交错叠合成多层膜，应用在OLED软性电子的封装。
  • GE公司所发展的Graded Ultra High Barrier，利用PECVD的方式改变气体单体(Monomer)种类，成长有机SiOxCy层/无机SiOxNy层之多层膜。
  • 日本Toppan所发展的GL film (Good Layer Film)，以蒸镀AlOx或SiOx的方式，制作食品包装用阻隔膜，WVTR约0.3 g/m2． day，OTR约0.3 cc/m2． day；而GX film系列的WVTR约0.05 g/m2． day，OTR约0.2 cc/m2． day。

气体阻障膜之优势

时代的潮流改变了人们的日常生活型态，使用的产品也随之日新月异，大永真空科技为因应产品市场需求，不断于包装领域持续创新，开发轻薄且更具防护性的金属化塑胶薄膜与高阻气膜，不仅大大降低包装原材料的使用量，更大幅节省生产所需之成本。


备注 引述大永真空-研发部

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