為何需要阻障膜(Barrier film)?

很多的產品(包括電子元件、平面顯示器、醫療器材、藥品、食品)對於氣體或濕氣都很敏感，若產品長期處於氣體或濕氣的環境下，會導致產品的效能劣化或減短產品的保質期，甚至使其變質無效。因此藉由阻障膜來阻擋氣體或濕氣的傳遞，是一種有效的封裝(Packaging)技術，可以有效延長產品的壽命。

氣體或濕氣的滲透機制

1.直接從材料滲透過去

氣體分子滲透(Permeation)通過基材的步驟，可分成氣體吸附在表面上、擴散通過材料、氣體脫附至環境等三個步驟，其中主要的速率決定步驟為氣體擴散通過材料。

根據菲克定律(Fick’s law)：F= －D‧ΔC/t，其中F為氣體擴散通量，D為擴散係數，ΔC為阻氣膜兩側氣體的濃度差，t為阻氣膜的厚度。如果若能有效降低擴散係數，則氣體不容易擴散到阻氣膜的另一側，或是增加阻障膜的厚度，都是增加氣體阻隔性的手段。

2.從材料的孔洞(Pore)穿透

空氣中灰塵粒子黏附在基板、或是薄膜製備品質不佳，是薄膜產生孔洞(Pinhole)的主要來源，這些孔洞成為水氣和氧氣穿透的路徑，因此製備出致密無孔洞(Pinhole-free)的均勻薄膜最為重要。

阻障膜的技術要求

評估封裝材料的阻氣性和阻濕性，可依據水氣透過率(Water Vapor Transmission Rate，WVTR)、氧氣透過率(Oxygen Transmission Rate，OTR)做為指標，各類產業應用對於WVTR與OTR之要求等級如下：

• 食品類的包裝WVTR約102 g/m2．day，OTR約102 cc/m2．day；
• 無機太陽能電池的封裝WVTR約10-1 g/m2．day，OTR約101 cc/m2．day；
• LCD顯示器的封裝WVTR約10-2 g/m2．day，OTR約101 cc/m2．day；
• 有機太陽能電池的封裝WVTR約10-5 g/m2．day，OTR約10-4 cc/m2．day；
• OLED顯示器的封裝WVTR約10-6 g/m2．day，OTR約10-6 cc/m2．day。

阻氣保護層材料種類

1.玻璃

由於玻璃材料的WVTR與OTR為零，具有極佳的阻隔水氣與氧氣之效果，並且可耐刮，因此在OLED的封裝技術常使用玻璃作為封裝蓋(Encapsulation)，並利用環氧樹脂(Epoxy)在OLED元件與封裝蓋之間做黏合。但是玻璃不具有可撓性，只能用在剛性基板的封裝，無法進行捲對捲(Roll-to-Roll)的製程。

2.金屬箔(Metal Foil)

金屬箔(如鋁箔)可用來作為阻障層材料的一種選擇，鋁箔光亮的表面和良好的印刷性能，且具有遮光性可使產品不受陽光的侵害。若金屬箔厚度大於25μm，則其WVTR與OTR為零；若金屬箔厚度小於25μm，則愈容易出現孔洞，其WVTR與OTR不再為零，孔洞發生率與鋁箔的厚度有關，。

3.塑膠

塑膠是常用來做為產品封裝的一種材料，其具有輕、薄、可撓性等特性，常見的塑膠基材如Polyethylene Terephthaltae (PET)、Polyethersulfone) (PES)、Polyethylene Naphthalate (PEN)、Polycarbonate (PC)、Polyimide (PI)。但是塑膠材料對於水氣與氧氣的阻隔效果不好(例如7 mm的PET基材的OTR與WVTR約為8.7 cc/m2．day)，有水/氧氣滲透問題，容易造成內部材料的劣壞，使產品衰退或降低其壽命。因此，在塑膠基板上沉積如SiO2、Al2O3…等薄膜，來阻絕水氣、氣體滲透入產品，使產品具備極佳的水/ 氧阻障能力，不僅能降低成本、耐高溫，而且機械性質佳，將是未來產品所必需的。

4.無機材料薄膜

一般常以SiO2、Al2O3、SiNx、Silicon Oxynitride (SiON)、MgO、Diamond-like Carbon(DLC)等單一層無機材料做為封裝阻隔膜，製程方法以蒸鍍、濺鍍、PECVD為常見的方式，然而單層膜的WVTR大約只能做到10-2~10-4 g/m2．day，若進一步要做到10-6 g/m2．day的封裝等級，須利用多層膜結構以增加擴散路徑之方式達成。

5. 多層膜(Multi-layer films)

單一層薄膜不容易達到軟性OLED顯示器的WVTR與OTR要小於10-6 g/m2．day之高阻氣膜需求，通常須藉由多層膜的結構設計方式進行，例如：有機膜/無機膜之多層交錯疊合(如利用HMDSO單體沉積Polymer-like與SiO2-like之交錯多層膜)、連續沉積多層兩種無機膜(如SiNx與SiOx之多層複合膜)。

氣體阻障膜之介紹與應用

• 日本Kirin啤酒公司在PET保特瓶內沉積DLC膜，作為啤酒、葡萄酒、果汁等飲料容器之阻隔膜。
• 瑞典Spendrups啤酒公司在PET塑膠瓶內沉積SiOx膜，使用塑膠瓶分別取代玻璃瓶與金屬罐之瓶重與成本，保質期可達4~12個月。
• 美國Vitex公司發展的Batrix多層膜阻隔層，利用有機膜(Polyacrylate)及無機膜(SiO2、Si3N4、Al2O3)交錯疊合成多層膜，應用在OLED軟性電子的封裝。
• GE公司所發展的Graded Ultra High Barrier，利用PECVD的方式改變氣體單體(Monomer)種類，成長有機SiOxCy層/無機SiOxNy層之多層膜。
• 日本Toppan所發展的GL film (Good Layer Film)，以蒸鍍AlOx或SiOx的方式，製作食品包裝用阻隔膜，WVTR約0.3 g/m2．day，OTR約0.3 cc/m2．day；而GX film系列的WVTR約0.05 g/m2．day，OTR約0.2 cc/m2．day。

氣體阻障膜之優勢

時代的潮流改變了人們的日常生活型態，使用的產品也隨之日新月異，大永真空科技為因應產品市場需求，不斷於包裝領域持續創新，開發輕薄且更具防護性的金屬化塑膠薄膜與高阻氣膜，不僅大大降低包裝原材料的使用量，更大幅節省生產所需之成本。

備註 引述大永真空-研發部