技术课堂 | 柔性薄膜封装及阻隔膜技术的发展
编译：山海观
来源：Printed Electronics World
柔性薄膜封装及阻隔膜技术的商业化花了将近十五年的时间。然而，这样的商业化却并不意味着阻隔技术（Barrier Technology）所面临的问题能够一劳永逸地得到解决。实际上，要将这种技术廉价而又广泛地应用到各种尺寸、灵敏度水平和柔韧程度的设备中仍有许多工作要做。
本文回顾了当今正在研究开发的各种阻隔技术，主要的观点来自IDTechEx关于柔性和/或有机电子的阻隔膜和柔性薄膜封装研究报告2018-2028。该报告分析了各种封装技术，如在线薄膜封装（TFE，Thin Film Encapsulation），多层阻隔膜（MLB，Multi-layerBarrier Film），单层空间式原子层沉积薄膜（Spatial Atomic Layer Deposited Thin Film）和柔性玻璃等。该报告同样考虑了各种应用，如刚性，塑料刚性和柔性OLED显示器，OLED照明，量子点增强膜，有机光伏和其他柔性光伏技术等。
多层阻隔膜：商业化的到来？
研究人员发现，大多数单层无机薄膜的性能水平都和目标水平有着量级层面的差别，于是顺理成章地开发了多层阻隔膜方法。这里，多层阻隔膜沉积了多对有机/无机层。对比原来0.1-0.2um的厚度，现在有机层厚度约1-20um，更厚的有机层可以让表面更平滑，可以覆盖颗粒和异物，可以去除针孔位置，最后还可以消除应力以增强整个阻隔膜的柔韧性。
这种方法，至少在小尺寸样品上，成功地达到了所需的性能水平。然而，大规模、高效率、高产量的卷对卷（R2R）生产则还需要解决很多问题。这是因为多层阻隔膜的性能对工艺条件非常敏感：（1）生产环境必须保持超洁净，静电消除装置必须特别控制以减少表面污染物；（2）R2R机器必须在设计时（或至少在运行时）就要保证，辊/卷绕机与阻隔膜上表面之间的接触尽可能的小；（3）卷筒的宽度保持很窄的同时速度也要保持地很低，以保证薄膜空间上均匀地、高质量地生长；当然，最重要的是，薄膜贴合还需要充当进入通道的粘合剂。
所有这些挑战都将被证明是一条陡峭且具有挑战性的学习曲线。大多数厂家仍停留在窄幅慢速的先导机器上，只有少数厂家接过风险转向宽幅和高性能（> 1E-5克/平方米/天）MLB膜材生产。多层阻隔膜行业暂时还无法轻易得出一个成本计算模型，因为目前几乎还没有机会能看到实际的生产状况和产量。
不过，该行业现在处于一个比以往更好的技术地位。上述报告不仅详细分析了MLB的不同制作方法，还深度透析了现有全球范围内MLB膜材及相关配件（高性能粘合剂）的主要参与者。此外，考虑短期和长期潜在发展（如大尺寸电子产品对大尺寸柔性阻隔膜的持续需求）、市场完全采用在线TFE的风险以及材料在空气中稳定性的改善趋势等，报告还在产量和经济价值层面提供了十年的市场预测。
在线薄膜封装：继早期商业成功后的下一步是什么？
这种方法在某种程度上是MLB技术的演变。这里，多层结构直接通过在线生产的方式做在了器件的顶上。因此，价值和风险都由设备制造商带入。这里的风险是，较差的阻隔膜会浪费整个器件而不仅仅是薄膜，同时阻隔层的重复沉积显然会增加TACT时间。
然而，该技术不需要单独的基板和附加的粘合剂，设计者可以通过减小厚度进而增加产品的柔韧性。该技术于2014年左右在一款基于曲面硬质塑料基板的OLED显示器上得到商业化。为了取得这一成功，层数与原始技术相比显著减少，同时沉积工艺相比于之前也作了很大的改进。事实上，这种技术使用了PECVD和喷墨印刷技术分别取代PVD（溅射）和蒸镀来沉积无机和有机层。同样，材料也作了改进，在不超过有机叠层所能承受的温度下，发挥出高的性能。这种演变使薄型器件成为可能，也为实现2mm和更低的弯折半径奠定了基础。
尽管目前取得了成功，但在线TFE的研究开发工作还没有停下来。用于超薄无机层制作的All-PECVD工艺和空间式原子层沉积技术正在开发中。良率还需要继续提高，最重要的是，设备必须进一步拓展以应对更大尺寸的产品。
考虑到目前在线TFE主要用作顶部封装，而底部需要封装的包括相对较厚的连续无机层，和其他层（驱动TFT和过渡连接层）。底部阻隔层还可能需要让位于多层结构以适应更高的弯曲度。为此，可能还需要一种更为经济的改进的结构以及具有更高耐温性的有机物。TFE技术将继续为设备和材料供应商以及显示和照明面板制造商提供更多的机会。
原子层沉积（ALD）：克服生产问题？
ALD（Atomic layer deposition）可以实现单原子厚度的膜层生长，能够制作出具有极低水蒸气透过量（WVTR，Water Vapor Transmission Rate）的高质量薄膜。实际上，用批次时间ALD（BatchTemporal ALD）沉积的单个无机层实现了诸如OLED之类的应用所要求的WVTR。
但是，该技术的进一步应用还存在重大挑战。首先，该层很薄，难以钝化表面微粒和污染物，可能导致整体性能的降低。此外，在批次时间ALD中，生长半周期在时间上分开。因此，整个膜层的生长过程非常缓慢，影响了整体生产力。
为了解决后面这一个缺点，许多人正在开发R2R空间ALD工艺，这种工艺的半周期在空间上是分开的。自然，这项技术也面临着自身的挑战，R2R机器的设计必须使薄膜的ALD涂层表面在卷筒纸卷绕过程中不被接触，以免损坏这些脆弱的超薄涂层。这需要新颖的具有开创性的设备设计。此外，该技术还必须在不影响性能的前提下，能扩展到更高卷筒速度下更宽幅的卷筒应用中，最后它还需要能克服潜在的WVTR问题。
柔性玻璃：终极的基板和阻隔一体化解决方案？
玻璃是一种非常好的阻隔材料，也可以进行高温处理，但是传统的玻璃都是刚性材料。然而，很多研究人员多年来一直试图克服这唯一的缺点。实际上，柔性玻璃大概在十年前就已经引入市场。这些玻璃的柔韧性源自其厚度，这种超薄的厚度则是通过刻蚀等方法实现。
然而，用于阻隔封装的柔性玻璃在商业上的应用仍然不能确定，仅在最近作为曲面OLED照明的基板被有限的采用。这是因为柔性玻璃不具有其他材料那样的柔韧性，并且非常容易破碎，从而成为真空设备降低TACT时间的主要问题。此外，柔性玻璃的供应也是一个问题。正如经典的鸡与鸡蛋情景，目前相关公司尚未为扩大规模生产进行投资，所以供应和成本问题还没有明确答案。
不过，长期来看，柔性玻璃作为一种耐高温高性能的柔性阻隔和基板一体化的解决方案，对市场的拉动仍然很强劲。同时，尽管市场强劲，但是目前其商业前景仍然受到技术（柔韧性，操作等）和商业（最终价格，产能等）等的巨大限制。这些问题的解决还需要耐心和长期的战略眼光，而玻璃工业在其悠久的历史中已经多次变革其身。
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