保護軟性電子元件的多層薄膜阻絕層
Chyi-Shan Suen, Xi Chu, Vitex Systems Inc., San Jose, CA USA
隨著電子產業不斷的演進，產品也越來越輕薄短小，進而也開始追求可撓曲的軟性電子產品。雖然業界在這個領域已做了不少突破，然而，保護軟性電子元件不受環境濕度與氧氣影響的這個根本問題仍尚待解決。業界仍然在找尋既符合經濟效益又穩定的解決方案。目前的標準做法是使用金屬罩或玻璃罩隔絕外界環境並使用乾燥劑吸附罩內的微量濕氣。這個方法雖然有效，但是元件因而變重、變厚，而且也不便宜。因此，薄膜阻絕層被期許為能保護元件不受環境濕度與氧氣影響，而且同時能維持輕薄短小與可撓曲性的唯一解決方案。
利用薄膜密封在數個應用領域都受到相當程度的重視，包括了有機發光二極體(OLED)顯示器、薄膜電池和薄膜太陽能元件。
理論上，一層沒有缺陷的陶瓷材料應該和一片玻璃有相當的阻絕效果。然而，由於鍍膜時總是有缺陷存在，僅靠一層陶瓷材料的密封性從未被證實可行。最常見的鍍膜缺陷是由粗糙的表面型貌與微粒所造成的。有機軟性電子元件的低耐溫限制也經常限制了鍍膜條件與品質。為了得到高品質的阻絕薄膜反而造成元件被高溫破壞的消息也時有所聞。有一些成膜技術，例如原子層沉積技術(ALD)，雖然能夠得到好品質的薄膜，但是成膜速度太慢且製程太過昂貴並不適合用於量產。
新的解決方案：Barix
Vitex的Barix多層薄膜阻絕層是在真空環境下，交互成長有機層與無機層而得。阻絕層的厚度約為數微米，而且可以直接長在元件上來密封元件，或長在塑膠膜上當做基材或壓合式的密封材。
有機層的成長方式是這種多層薄膜阻絕層的特點。先將液態的單體先驅物急速蒸發後送入真空腔，然後單體的蒸氣會凝結在基材表面。由於單體是以液態的型式沉積在基材表面上，它能夠緩和基材表面形貌並將其平坦化。然後再照射紫外線使單體聚合為固態的高分子材料。由於表面變成非常平坦，它就成為成長薄膜阻絕層的理想表面。
接下來數埃(A)的無機薄膜沉積於高分子層上。由於高分子層的表面非常平滑，無機薄膜趨近沒有缺陷，因而幾乎可以完全阻絕濕氣。接下來就重複這兩個步驟直到達到預期的效果。由圖一我們可以看到這個多層膜的結構以及它覆蓋過基材表面形貌而達到平坦化的效果。
有機層與無機層的成長是低溫製程，一般而言，沉積溫度皆小於 90度。這兩層材料都是高透光性的，而且折射率儘量也與其應用(諸如有機發光二極體顯示器和太陽能電池模組)匹配，以期能達成對光源的最大利用率。
圖二顯示 Vitex針對多層薄膜阻絕層做鈣測試(calcium test)的良率。每個受測組有54個樣品。通過測試的標準是必需符合有機發光二極體顯示器需求的標準。在只有一組有機/無機薄膜阻絕層時，雖然良率並不甚佳，但確已經具有保護元件的功效了。由圖二可知不良的樣品大多是早期失效。這主要是因為表面的微粒過大，一層有機薄膜的厚度不足以將其包覆。隨著有機/無機薄膜阻絕層的組數增加，良率也跟著改善。當使用三組有機/無機薄膜阻絕層時，良率幾乎達到100%。這個研究的結果非常重要，因為我們可以從這個研究的結果找到增進製程穩定性且降低生產成本的方向。針對不同的應用，合格的標準與阻絕環境影響的需求可能會有所不同。使用多層薄膜阻絕層的方式提供使用者依需求調整製程的絕佳彈性。
超薄的可撓曲式有機發光二極體顯示器成真
有機發光二極體顯示器具有自發光、反應時間短、低功耗、和視角廣的優點，被視為是最有機會取代液晶顯示器的次世代顯示器。在2007年11月12日發行的時代雜誌中，LG飛利浦的可撓曲式有機發光二極體顯示器被選為2007年電腦類的最佳發明之一。 這個4吋的QVGA(240 x RGB x 360)顯示器是由LG飛利浦，Universal Display Corp.(UDC)和Vitex Systems所共同開發的。
LG飛利浦在不銹鋼薄片上製作非晶矽薄膜電晶體(TFTs)，交由UDC以其FOLED和PHOLED技術製作有機發光二極體，然後Vitex以Barix完成封裝。 最終成品的總厚度只有0.15毫米而且是可撓曲的。
此外，三星SDI也展示了製作在玻璃基板上使用低溫多晶矽(LTPS)薄膜電晶體的可彎曲式的4吋WQVGA(480 x RGB x 272)主動式有機發光二極體顯示器。在有機發光二極體與薄膜阻絕層製作完成後，玻璃基板被蝕刻至50微米厚。這個蝕刻步驟減薄顯示器的厚度，同時使得顯示器達到可彎曲至半徑小於10公分的弧度。這整個顯示器的厚度小於55微米，而當正面貼附200微米厚的偏光片後，總厚度也只不過是0.25毫米。圖三是三星SDI的可彎曲式顯示器的照片與其剖面結構示意圖。
超薄且可撓曲的顯示器已分別實現於不同的基板(不銹鋼與玻璃)。雖然高溫的薄膜電晶體製程不同，但使用多層薄膜阻絕層的選擇是相同的。這個選擇也被證明為達成厚度、重量、可撓曲性、與耐久性目標的重要因素。
對薄膜電池的保護
隨著顯示器和電子元件越來越薄且可撓，對電源也出現了相同的需求。開發可撓曲式的薄膜電池就勢在必行了。由於具有超薄、高能量密度、充電快速、與耐高溫的優點，鋰磷氮氧化物(LiPON)薄膜電池就成為搭配軟性電子元件的最佳選擇。
然而，使用鋰做為陽極材料使得電池對於濕氣非常敏感而必須密封。就如同有機發光二極體顯示器所遭遇到的問題，一旦使用金屬罩或玻璃罩來密封，薄膜元件擁有的優點就消失了。為了充分發揮薄膜電池的優點，使用薄膜阻絕層來密封是必要的。
然而，以薄膜阻絕層來密封鋰磷氮氧化物薄膜電池遠比密封有機發光二極體顯示器困難。因為，這個元件的表面形貌變化大且表面更粗糙。薄膜阻絕層的結構必須做調整才能達到密封的效果。圖四a是依照有機發光二極體元件的標準製程條件成長薄膜阻絕層，經過24小時85℃/85%(相對濕度)的濕熱試驗，再做鋰測試(lithium test)的樣品。
雖然這樣的薄膜阻絕層結構對於有機發光二極體元件在相同的測試條件下有1000小時以上的防護能力，但它對於鋰磷氮氧化物薄膜電池而言卻是不足的。大多數的鋰(金屬色的部分)在短時間內就被濕氣反應掉了。圖四b是在調整過薄膜阻絕層的結構以克服粗糙的表面與變化過大的表面形貌之後，經過200小時的濕熱試驗，再做鋰測試的樣品。由圖可知，僅僅調整薄膜阻絕層的結構，就大幅提昇了防護能力。這樣的薄膜阻絕層結構已經實際用於一個客戶的鋰磷氮氧化物薄膜電池上(使用結果不在此處發表)。
密封薄膜太陽能元件
薄膜太陽能元件，例如 銅銦鎵硒化物(CIGS)薄膜太陽能電池，具有低成本與容易變動尺寸的潛力。受到矽材嚴重缺料的影響，這種類型的薄膜太陽能電池倍受重視。許多公司嘗試在不銹鋼薄片上以連續式捲繞傳輸製程製作銅銦鎵硒化物薄膜太陽能電池，以期達到可撓性需求與維持低製造成本。
由於這種太陽能電池的部分材料會受濕氣影響，所以雖然它是製作在可撓曲的金屬基板上，最終仍需要蓋上硬梆梆的玻璃罩，以符合生命期與濕氣阻絕的需求。使用玻璃罩雖然有效，但不僅元件喪失了可撓性，而且增加了模組的重量與成本。
部分公司嘗試以塑膠膜來取代玻璃以維持元件的可撓曲性。可是，由於塑膠膜的濕氣阻絕能力差，導致元件的生命期大幅縮減。圖五a展示一個以Vitex的可撓曲式玻璃(聚對敘二甲酸乙二酯(PEN)上有Barix阻絕層)密封的可撓曲式銅銦鎵硒化物薄膜太陽能電池。這個元件在85℃/85%相對濕度的濕熱試驗下可通過1000小時的測試。
在儀器的限制下，我們無法量測太陽能電池的轉換效率，所以只有量測開路電壓(Voc)。圖五b是太陽能電池的開路電壓與在濕熱試驗腔的時間之關係圖。沒有保護的銅銦鎵硒化物薄膜太陽能電池在濕熱試驗200小時後，開路電壓開始下滑。在500小時的濕熱試驗後，開路電壓幾乎趨近於 0，意即這個電池已經壞了。
一片可撓曲式玻璃 與一片未處裡的PEN分別以市場上買得到的太陽能軟膠(EVA)膜與銅銦鎵硒化物薄膜太陽能電池貼合用以比較它們性能的差異。與未保護的銅銦鎵硒化物薄膜太陽能電池比較，貼附PEN的銅銦鎵硒化物薄膜太陽能電池的開路電壓較慢開始產生衰減，但依然在700小時後失效。所以，未處理的
PEN顯然並無法提供足夠的保護。 根據IEC 61646「陸上太陽能電池模組設計與類型認可」的規定，在這個條件下1000小時後，效率衰減不能超過5%。相較之下，使用可撓曲式玻璃的樣品，在經過1000小時的濕熱試驗後，開路電壓並沒有任何衰減。
薄膜阻絕層在紫外線和陽光下的穩定性
雖然薄膜阻絕層已在高溫高濕的測試下驗證過了，但仍需要通過其他更嚴苛的測試。因為太陽能電池被安裝於屋頂或太陽能發電場，必須要非常穩定。太陽能板必須在嚴苛的環境下，諸如紫外線的照射和極端的溫度變化，穩定工作30年。
紫外線對有機材料的危害是眾所周知的，所以我們對Barix所使用的有機材料做一系列的紫外線與陽光照射測試。受測樣品是在2平方英吋的玻璃基板上以標準製程沉積0.5微米厚的有機材料。
我們用n&K Technology的寬頻光譜儀來量測穿透光譜。樣品A和B以符合IEC 61646規範的條件照射UVB三週。照射的劑量約當於15 kWh/m2在280到385奈米的波長範圍中 與5kWh/m2在280到 320奈米的波長範圍中。樣品A直接拿去測穿透光譜。樣品B則再以太陽光譜模擬器照射100倍的陽光(100kW/m2)兩週。照射的劑量約當於33,600 kWh/m2，再將樣品B拿去測穿透光譜。
附表列出所有的樣品在測試前後於350奈米到1000奈米的範圍內的平均穿透率。 由測試資料顯示，在如此高劑量的紫外線與陽光照射後，穿透率並沒有顯著的改變。在相同照射條件下，阻絕層完整性的評估將於近期展開。
表：紫外線和陽光照射前後的穿透率
樣品 測試 測試前 測試後 差異
玻璃 無 91.91% N/A N/A
玻璃+0.5微米的有機材料(控制組) 置放於一般環境 91.49% 91.70% +0.19%
玻璃+0.5微米的有機材料(樣品A) 504小時U