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TWI450650B - 可撓式基材及可撓式電子裝置 - Google Patents

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TWI450650B
TWI450650B TW100117018A TW100117018A TWI450650B TW I450650 B TWI450650 B TW I450650B TW 100117018 A TW100117018 A TW 100117018A TW 100117018 A TW100117018 A TW 100117018A TW I450650 B TWI450650 B TW I450650B
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Li Wen Lai
kun wei Lin
chun ting Chen
Chun Hao Chang
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Ind Tech Res Inst
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Description

可撓式基材及可撓式電子裝置
本發明係有關於一種可撓式基材及可撓式電子裝置，特別係有關於一種有良好阻水/阻氣且兼具抗撓曲效果之可撓式基材及可撓式電子裝置。
近年來，軟性電子蓬勃發展，在全球的技術開發上已逐漸成熟，其中有機發光元件(以下簡稱OLED)具有自發光、輕、薄、省電等優勢，相較於傳統的螢光燈管的管狀發光與發光二極體(LED)的點狀發光，OLED具有整面發光的功能，未來可替代螢光燈管的使用。除此之外，OLED發光材料為可撓曲之有機材料，又具有高對比度、反應速度快及廣視角等優點，將OLED元件作在塑膠基板上，再搭配有機薄膜電晶體做驅動，可製作為可撓式OLED軟性面板顯示器，是取代目前硬式顯示器之最佳選項。一般OLED軟性面板顯示器所使用之基板為塑膠基板，但塑膠基板之阻水/阻氣能力差，而顯示器與發光元件中之高分子有機發光層及高活性電極材料等對水氧敏感度極高，因此當大氣中的水/氧由塑膠基板滲透時，會導致元件之輝度降低、驅動電壓上升、暗點(Dark Spots)及短路發生，對OLED元件之可靠度及壽命影響甚鉅。因此，封裝技術之開發在OLED技術中是極為重要的一環。
習知之阻水/阻氣技術是以真空腔體中以濺鍍方式(sputtering)或是電漿輔助化學氣相沉積法(PECVD)來進行製備，以有機/無機多層之複合材料堆疊於可撓式基板上作為阻障層，可達到阻水/阻氣之效果，但這些技術在成長有機/無機多層堆疊時通常會堆疊至三對以上才能達到阻水/阻氣之功效，且在有機與無機層製作時一般使用不同真空腔體中傳送交替鍍製，這會造成鍍製時間過長且成本較高，另外在可撓式基板鍍製阻障層後，會因薄膜內應力之影響造成基板撓曲進而影響阻障層薄膜之阻水氣效果。
因此，需要一種可撓式基材，其可防止水氣滲透且兼具抗撓曲效果，以大幅增進可撓式有機電子元件之壽命。
有鑑於此，本發明之一實施例係提供一種可撓式基材，包括一可撓式基板，其具有一第一表面和相對於上述第一表面的一第二表面；一第一有機複合阻障層，設置於上述可撓式基板的上述第一表面上，其中上述第一有機複合阻障層對上述可撓式基板具有一第一應力；一抗撓曲層，設置於上述可撓式基板的上述第二表面上，其中上述抗撓曲層對上述可撓式基板具有一第二應力，且上述第一應力與上述第二應力大致互相抵消。
本發明之另一實施例係提供一種可撓式電子裝置，包括一可撓式基板，其具有一第一表面和相對於上述第一表面的一第二表面；一第一有機複合阻障層，設置於上述可撓式基板的上述第一表面上，其中上述第一有機複合阻障層對上述可撓式基板具有一第一應力；一抗撓曲層，設置於上述可撓式基板的上述第二表面上，其中上述抗撓曲層對上述可撓式基板具有一第二應力，且上述第一應力與上述第二應力互相抵消；一可撓式電子元件，設置於上述第一有機複合阻障層上；一第二有機複合阻障層，設置於上述可撓式電子元件上，並包覆上述可撓式電子元件。
以下以各實施例詳細說明並伴隨著圖式說明之範例，做為本發明之參考依據。在圖式或說明書描述中，相似或相同之部分皆使用相同之圖號。且在圖式中，實施例之形狀或是厚度可擴大，並以簡化或是方便標示。再者，圖式中各元件之部分將以分別描述說明之，值得注意的是，圖中未繪示或描述之元件，為所屬技術領域中具有通常知識者所知的形式，另外，特定之實施例僅為揭示本發明使用之特定方式，其並非用以限定本發明。
第1圖為本發明一實施例之可撓式基材500a的剖面示意圖。本發明一實施例之可撓式基材500a的主要元件包括一可撓式基板200，其具有一第一表面202和相對於第一表面202的一第二表面204。一有機複合阻障層210，設置於可撓式基板200的第一表面202上。一抗撓曲層212a，設置於可撓式基板200的第二表面204上。
在本發明之一實施例中，可撓式基板200可包括聚對苯二甲二乙酯(PET)、聚醚碸(PES)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醯亞胺(PI)、聚碳酸酯(PC)等有機高分子材料。在本發明之一實施例中，有機複合阻障層210可用來阻擋外界環境的水氣與氧氣的影響，其材質可為包含Si-(CH3 )x 鍵結或Si-(CH2 )x 鍵結之有機材料。另外，有機複合阻障層210可為一第一有機層206與一第二有機層208堆疊的複合結構，且第一有機層206係設置於可撓式基板200和第二有機層208之間。在本發明之一實施例中，有機複合阻障層210。在本發明之一實施例中，抗撓曲層212a可用來平衡成長有機複合阻障層之所產生之應力，使之有良好的成膜特性，可提升有機複合阻障層210之阻水/阻氣功效，其材質可包括氧化矽(SiOx )、氮化矽(SiNx )、氮氧化矽(SiOx Ny )、有機材料或金屬氧化物形成的單一層(single layer)。因此，可適當選擇抗撓曲層212a和有機複合阻障層210中第一和第二有機層206、208的厚度，使有機複合阻障層210對可撓式基板200的應力可與撓曲層212a對可撓式基板200的應力大致互相抵消。
接著將進一步說明本發明一實施例之可撓式基材500a之製造方法。首先，提供一可撓式基板200。之後，可利用電漿增強型化學氣相沉積法(PECVD)，於可撓式基板200的第二表面204上形成由抗撓曲層212a，其厚度可介於5nm~5 μm之間。在本發明之一實施例中，形成抗撓曲層212a的電漿功率(RF Power)可約為1000~2000W。接著，可利用另一次電漿增強型化學氣相沉積法(PECVD)，在只有通入氬氣的狀態下以電漿轟擊來清洗可撓式基板200的第一表面202。之後，可於電漿增強型化學氣相沉積設備的真空腔體中通入氬氣(Ar)和揮發之六甲基矽烷(Hexamethyldisiloxane，Si2 OC6 H18 ，以下簡稱HMDSO)熱蒸氣但不通入氧氣(O2 )，利用再另一次電漿增強型化學氣相沉積法(PECVD)來加熱反應前驅物HMDSO並使其解離，以於可撓式基板200的第一表面202上沉積形成有機複合阻障層210的第一有機層206，其厚度可介於1nm~10 μm之間。HMDSO的單體結構式如式1：
在本發明之一實施例中，形成第一有機層206的電漿解離反應式如式2：
Si 2 OC 6 H 18 + →Si 2 OC 5 H 15 + +CH 3 -
Si 2 OC 5 H 15 + →SiC 3 H 9 + +SiOC 2 H 6 - 　式2
SiC 3 H 9 + →SiCH 3 + +C 2 H 6 -
而第一有機層206的電漿解離包含物質(化合物離子或鍵結)如式3：
由式2和式3可知，在本發明之一實施例中，第一有機層206可包括SiOC2 H6 - 、SiCH3 + 和C2 H6 - 等有機矽化合物離子，其膜層內會含有大量的未被電漿解離的Si-CH3 和Si-(CH3 )x (其中x=2~4)鍵結。因此，形成的第一有機層206可為一含Si-(CH3 )x (其中x為1~4)鍵結之有機薄膜。第一有機層可更包含Si-O-Si鍵結，且Si-O-Si鍵結與Si-(CH3 )x 鍵結之比值小於或等於1。形成第一有機層206後，可利用另一次電漿增強型化學氣相沉積法(PECVD)，在真空腔體中通入氬氣、氧氣與HMDSO熱蒸氣的混合氣體，於第一有機層206上沉積有機複合阻障層210的第二有機層208。在本發明之一實施例中，形成第二有機層208的電漿解離反應式相同於形成第一有機層206的電漿解離反應式。而第二有機層208的電漿解離包含物質(化合物離子或鍵結)如式4：
值得注意的是，形成第二有機層208的電漿功率較形成第一有機層206的電漿來的更大，經解離HMDSO後，更多Si與CH3 之鍵結被打斷，打斷後之Si鍵結與氧結合形成Si-O-Si，因此，由式4可知，第二有機層208的膜層內會含有Si-O-Si、Si-CH3 或Si-(CH3 )x 等鍵結，且第二有機層208內之Si-O-Si之鍵結會多第一有機層206，因此第二有機層208內之Si-O-Si鍵結與Si-(CH3 )x 鍵結之比值大於1，第二有機層208的厚度可介於5nm~1 μm之間。在本發明之一實施例中，因為抗撓曲層212a之作用在於平衡可撓式基板另一側之有機複合阻障層之應力，且薄膜應力大小與薄膜的厚度相關，因此抗撓曲層與有機複合阻障層之厚度必需在一定比值範圍內才能達到平衡的效果，所以抗撓曲層212a厚度與第二有機層208厚度之比值可介於0.1~3之間。在本發明之一實施例中，形成第一有機層206的電漿功率(RF Power)約為100~800W，形成第二有機層208的電漿功率(RF Power)約為1000~1800W。形成上述第一有機層206與上述第二有機層208之後，即完成具有一對(pair)有機層(包括第一有機層206與第二有機層208)之有機複合阻障層210之可撓式基材500a。在本發明其他實施例中，有機複合阻障層210的層數並無限制，可依據設計而定。本發明一實施例之抗撓曲層212a、有機複合阻障層210的第一有機層206和第二有機層208可在同一真空腔體中連續成長，且上述層的製程參數如第1表所示：
第2圖為本發明另一實施例之可撓式基材500b的剖面示意圖。在本發明另一實施例中，可利用另一有機複合阻障層做為設置於可撓式基板200的第二表面204上的抗撓曲層212b。如第2圖所示，抗撓曲層212b可為一第三有機層214與一第四有機層216堆疊的有機複合結構，且 第三有機層214係設置於可撓式基板200和第四有機層216之間。在本發明一實施例中，第三有機層214與第一有機層206具有相同的材質和厚度，而第四有機層216與第二有機層208具有相同的材質和厚度。由於位於可撓式基板200的第二表面204上的抗撓曲層212b與位於可撓式基板200的第一表面202上有機複合阻障層210為對稱的結構，且具有相同材質，所以有機複合阻障層210對可撓式基板200的應力可與撓曲層212b對可撓式基板200的應力可大致互相抵消。在本發明其他實施例中，有機複合阻障層210和抗撓曲層212b的層數並無限制，可依據設計而定。
第4圖為本發明一實施例之第一有機層206與第二有機層208的傅立葉轉換紅外光譜(Fourier Transform Infrared Spectrometer，以下簡稱FTIR)鍵結分析圖。請參考第4圖，第一有機層206之FTIR頻譜訊號404含有Si-O-C/Si-CH2 -Si鍵結(1038cm-1 )、Si-CH3 (1260cm-1 )或Si-(CH3 )x 鍵結(840cm-1 )等鍵結，而第二有機層208之FTIR頻譜訊號402中含有Si-O-Si鍵結(1072cm-1 )、Si-CH3 (1260cm-1 )或Si-(CH3 )x 鍵結(840cm-1 )等鍵結。由於在成長第一有機層206時真空腔體中未通入氧氣(第1表)，所以第一有機層206之Si-O-Si鍵結與Si-(CH3 )x 鍵結之比值小於或等於1(其中Si-O-Si鍵結係由HMDSO解離而提供)。另由於在成長第二有機層208時真空腔體中係通入大量氧氣(第1表)，所以第二有機層208為一含有較高Si-O-Si鍵結比例之高氧有機薄膜，其 中Si-O-Si鍵結與Si-(CH3 )x 鍵結之比值大於1。如第4圖所示，第二有機層208的Si-O-Si鍵結訊號強度大於第一有機層206，代表第二有機層208組成成份中含有較第一有機層206多之氧化矽(SiOx )成份。
第5圖為比較例之可撓式基材700的剖面示意圖。比較例之可撓式基材700與本發明一實施例之可撓式基材500的不同處僅為比較例之可撓式基材700不具有抗撓曲層，其餘元件皆與本發明一實施例之可撓式基材500相同。
第6a和6b圖分別為比較例之可撓式基材700(第5圖)與本發明一實施例之可撓式基材500(第1圖)的二次電子顯微鏡(SEM)影像，其顯示有機複合阻障層的表面狀態，上述影像的放大倍率皆為5萬倍。如第6a圖所示，無抗撓曲層之可撓式基材700，其有機複合阻障層210中之第二有機層208(高氧有機層)出現微小的裂痕(圓框區域)，這些裂痕會成為水氣滲入之路徑，因此阻水/阻氣效果較差，其量測得到的水氣滲透速率(WVTR)僅達到0.4g/m2 /day。如第6b圖所示，在具抗撓曲層之可撓式基材500中，其有機複合阻障層210中之第二有機層208(高氧有機層)在相同放大倍率下未出現微小裂痕，因此其阻水/阻氣效果較佳，其量測得到的水氣滲透速率(WVTR)可達到10-6 g/m2 /day。
第7圖為本發明一實施例之具有三層有機複合阻障層(意即連續交錯堆疊的三層第一有機層和三層第二有機層)的可撓式基材的可見光穿透率。如第7圖所示，本發明一 實施例之具有三層有機複合阻障層的可撓式基材的可見光穿透率仍可達95%以上。因此，本發明一實施例之可撓式基材可應用於例如有機發光元件(OLED)、電泳顯示器(Electro-Phoretic Display，EPD)或薄膜太陽能電池元件等發光電子元件封裝體。
第3圖為利用包括如第1圖所示的可撓式基材500a或如第2圖所示的可撓式基材500b的之可撓式基材500製造的一可撓式電子裝置600。如第3圖所示，本發明一實施例之可撓式電子裝置600除包括如第1圖所示之本發明一實施例之可撓式基材500外，更包括設置於有機複合阻障層210上的一可撓式電子元件224，以及設置於可撓式電子元件224上，並包覆可撓式電子元件224的另一有機複合阻障層222。在本發明一實施例中，可撓式電子元件224可包括有機發光元件(OLED)、電泳顯示器(Electro-Phoretic Display，EPD)或薄膜太陽能電池元件、對水氧敏感之光電元件或例如鈣(Ca)、鎂(Mg)等金屬。在本發明一實施例中，有機複合阻障層222與有機複合阻障層210可具有相同材料和結構配置。更詳細地說，有機複合阻障層222為一第五有機層218與一第六有機層220堆疊的有機複合結構，且第五有機層218係設置於可撓式電子元件224和第六有機層220之間，第五有機層218與第一有機層206具有相同的材質和厚度，而第六有機層220與第二有機層208具有相同的材質和厚度。如第3圖所示，位於可撓式電子元件224下方的有機複合阻障層210可以阻絕由可撓式基板200下方之水氣滲入可撓式電子元件224中，而位於可撓式電子元件224上方的有機複合阻障層222可以用來防止從可撓式電子元件224上方及側邊滲入之水氣滲入其中，抗撓曲層212主要功用為平衡形成有機複合阻障層210、220時之應力，使上述有機複合阻障層210、220有更佳之成膜品質，且讓完成之可撓式電子裝置不會因有機複合阻障層應力而彎曲變形。在本發明一施例中，抗撓曲層212可包括如第1圖所示的抗撓曲層212a的單一層或如第2圖所示的抗撓曲層212b的有機複合結構。在本發明其他實施例中，位於可撓式電子元件224下方的有機複合阻障層210和位於可撓式電子元件224上方的有機複合阻障層222的對數並無限制，可依據設計而定。
本發明係提供一種具有機複合阻障層與抗撓曲層之可撓式基材，可在同一真空腔體中連續成長具有機複合阻障層與抗撓曲層，因而可以大幅節省傳統技術中在不同真空腔室鍍製阻障層之取換片與傳輸時間，且有機複合阻障層與抗撓曲層對可撓式基板產生的應力可以互相抵消，所以本發明實施例之可撓式基材可以簡單結構(例如一對有機層構成的有機複合阻障層以及一層抗撓曲層)即可達到如習知技術之多層結構阻障層之良好阻水阻氣效果。此外，本發明實施例之可撓式基材的可見光穿透率可達95%以上，並有良好之階梯覆蓋性，因而特別可應用於例如有機發光元件(OLED)、電泳顯示器(Electro-Phoretic Display，EPD)或薄膜太陽能電池元件等可撓式電子元件封裝體的相關製程。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定為準。
200．．．可撓式基板
202．．．第一表面
204．．．第二表面
206．．．第一有機層
208．．．第二有機層
210．．．有機複合阻障層
212a、212b．．．抗撓曲層
214．．．第三有機層
216．．．第四有機層
218．．．第五有機層
220．．．第六有機層
222．．．有機複合阻障層
224．．．可撓式電子元件
500a、500b、700．．．可撓式基材
600．．．可撓式電子裝置
第1圖為本發明一實施例之可撓式基材的剖面示意圖。
第2圖為本發明另一實施例之可撓式基材的剖面示意圖。
第3圖為利用本發明一實施例之可撓式基材製造的一可撓式電子裝置。
第4圖為本發明一實施例之可撓式基材的第一有機複合阻障層的一第一有機層與一第二有機層的傅立葉轉換紅外光譜鍵結分析圖。
第5圖為比較例之可撓式基材的剖面示意圖。
第6a和6b圖分別為本發明一實施例之可撓式基材與比較例之可撓式基材的二次電子顯微鏡影像，其顯示有機複合阻障層的受力情形。
第7圖為本發明一實施例之具有三層有機複合阻障層的可撓式基材的可見光穿透率。
200．．．可撓式基板
202．．．第一表面
204．．．第二表面
206．．．第一有機層
208．．．第二有機層
210．．．有機複合阻障層
212a．．．抗撓曲層
500a．．．可撓式基材

Claims (15)

  1. 一種可撓式基材，包括：一可撓式基板，其具有一第一表面和相對於該第一表面的一第二表面；一第一有機複合阻障層，設置於該可撓式基板的該第一表面上，其中該第一有機複合阻障層對該可撓式基板具有一第一應力；以及一抗撓曲層，設置於該可撓式基板的該第二表面上，其中該抗撓曲層對該可撓式基板具有一第二應力，且該第一應力與該第二應力大致互相抵消，其中該第一有機複合阻障層為包含Si-(CH3 )x 鍵結或Si-(CH2 )x 鍵結之有機材料，且其中該抗撓曲層包括氧化矽(SiOx )、氮化矽(SiNx )及氮氧化矽(SiOx Ny )。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之可撓式基材，其中該可撓式基板包括聚對苯二甲二乙酯(PET)、聚醚碸(PES)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醯亞胺(PI)、聚碳酸酯(PC)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之可撓式基材，其中該第一有機複合阻障層包括一第一有機層與一第二有機層，且該第一有機層設置於該可撓式基板和該第二有機層之間。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之可撓式基材，其中該第一有機層更包含Si-O-Si鍵結，且Si-O-Si鍵結與Si-(CH3 )x 鍵結之比值小於或等於1。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之可撓式基材，其中該第二有機層更包含Si-O-Si鍵結，且Si-O-Si鍵結與 Si-(CH3 )x 鍵結之比值大於1。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之可撓式基材，其中該第一有機層的厚度介於1nm~10μm之間。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之可撓式基材，其中該第二有機層的厚度介於5nm~1μm之間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之可撓式基材，其中該抗撓曲層的厚度介於5nm~5μm之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之可撓式基材，其中該抗撓曲層厚度與該第二有機層厚度之比值介於0.1~3之間。
  10. 如申請專利範圍第3項所述之可撓式基材，其中該抗撓曲層包括一第三有機層與一第四有機層，且該第三有機層設置於該可撓式基板和該第四有機層之間。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之可撓式基材，其中該第三有機層具有與該第一有機層相同的材質。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之可撓式基材，其中該第四有機層具有與該第二有機層相同的材質。
  13. 一種可撓式電子裝置，包括：如申請專利範圍第1項所述之可撓式基材；一可撓式電子元件，設置於該第一有機複合阻障層上；以及一第二有機複合阻障層，設置於該可撓式電子元件上，並包覆該可撓式電子元件。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之可撓式電子裝置，其中該可撓式電子元件包括有機發光元件(OLED)、電 泳顯示器(Electro-Phoretic Display，EPD)或薄膜太陽能電池元件。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之可撓式電子裝置，其中該第一有機複合阻障層和該第二有機複合阻障層為相同材料。
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