JP2010141330A - フレキシブル基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有機・無機多層薄膜を利用したバリア膜を容易に形成することができ、漸進な有機・無機複合バリア膜を形成することができるフレキシブル基板の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明によるフレキシブル基板の製造方法は、フレキシブル基板上に無機ポリマーを含む前駆体を塗布する段階と、前記無機ポリマーを含む前駆体を硬化する段階と、硬化された前記無機ポリマーを含む前駆体の表面を酸化し、酸化膜を形成する段階と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、フレキシブル基板の製造方法に関する。特に本発明は、バリア膜が形成されているフレキシブル基板の製造方法に関する。

本発明は、フレキシブルディスプレイ又はフレキシブル電子素子などの基板として使用することができるプラスチックのバリア膜の形成方法に関する。

プラスチックのようなフレキシブル基板は、ガラスとは異なり、軽く、且つ衝撃に強いため、容易に割れるおそれがなく、曲面に付着することができ、究極的には、巻いたり、畳むことができるという長所がある。

このようなプラスチック基板上にディスプレイ又は柔軟な電子素子を製造する場合、既存の大画面を巻いて体積を小さくすることが可能であり、落としても易しく割れることなく、軽いので、携帯用ディスプレイとして使用することができる。

また、必要なところに付着面に沿って設置することができ、既存のガラス基板ディスプレイに比べて多様に使用可能である。また、プラスチック上に電子素子を形成するフレキシブル又はプリンターブル電子素子も今後非常に重要な電子素子になるだろう。

一般的なプラスチックを基板として使用するディスプレイ又は各種電子素子の場合、基板上に有機物を利用して素子を形成する。

しかし、一般的に有機物は、酸素や水分によって容易に劣化する特性があるため、素子の形成後に、外部の酸素や水分を遮断する封止技術が重要になる。

プラスチックの柔軟性を維持するために、素子の形成後に、薄膜パッシベーション（Ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）などの技術を利用し、透湿・透酸素の特性を確保することができる。しかし、プラスチック基板は、下部基板からの酸素や水分の透過を完全に遮断することができないので、素子の形成後の透湿・透酸素だけでなく、基板での透湿・透酸素を防止するための基板バリアの形成も非常に重要である。

プラスチック基板の柔軟性及び光透過性などを維持しつつ、このような透湿・透酸素特性を遮断するために、これまで、有機・無機の二重膜を基本とする多重膜を使用する方法が提案されている。これは、有機膜の柔軟性と無機膜の透湿・透酸素防止の特性を組み合わせたもので、これを多重膜で形成する場合、非常に優秀な透湿・透酸素防止の特性を示している。

このようなバリア膜を形成するために、一般的なレジン又はポリマーコーティング法を利用してプラスチック基板上に有機膜を形成した後、紫外線（ＵＶ）や熱を利用して硬化する。前記形成された有機膜上にスパッタ法、原子線蒸着法（atomic layer deposition；ＡＬＤ）や化学気相蒸着法（chemical vapor deposition；ＣＶＤ）などを利用してシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、アルミニウム酸化膜などの無機膜を連続して蒸着する。しかし、有機膜の塗布及び硬化は、常圧で行われるが、さらに、スパッタ法、化学気相蒸着法（chemical vapor deposition；ＣＶＤ）法を利用して無機膜の蒸着を行わなければならないので、工程が複雑であり、常圧と真空状態を交互に進行しなければならないという不都合がある。

大韓民国特許公開第１０−２００８−００４１３９９号

したがって、本発明は、前述のような問題点を解決するためになされたもので、その目的は、有機・無機複合膜を１回の塗布と後続処理で形成することにある。

上記課題を解決するために、本発明によるフレキシブル基板の製造方法は、フレキシブル基板上に無機ポリマーを含む前駆体を塗布する段階と、前記無機ポリマーを含む前駆体を硬化する段階と、硬化された前記無機ポリマーを含む前駆体の表面を酸化し、酸化膜を形成する段階と、
を含む。

前記前駆体を硬化する段階では、前記前駆体を光硬化するか、又は熱硬化することにより前記前駆体を硬化することができる。

前記酸化膜を形成する段階では、前記硬化された無機ポリマーが含まれた前駆体に前記酸素又は酸素混合気体をプラズマ処理するか、紫外線・オゾンで処理することで前記酸化膜を形成することができる。

前記酸化膜形成段階は、常圧で行うことができる。

前記前駆体は、シロキサン、メタロキシサン又は前記シロキサン、メタロキシサンと高分子の混合物であることが可能である。

前記硬化段階及び酸化膜を形成する段階は、ロールツーロール（roll-to-roll）方式で連続進行することができる。

前記前駆体の塗布、硬化及び酸化膜形成の段階を１回以上繰り返し実行して多層膜を形成することができる。

前記酸化膜の濃度が前記基板に近いほど低くなることが可能である。さらに、本発明によるフレキシブル基板は、基板、無機ポリマーを含み、前記基板上に形成されている有機膜と、前記有機膜上に形成されている酸化膜と、を有する 。

前記有機膜及び酸化膜は、単一層で形成され、前記基板に近いほど前記酸化膜の濃度が低くなることが可能である。

前記基板は、少なくとも２層の前記有機膜及び酸化膜を含むことができる。

以上のように、本発明によれば、フレキシブル基板上に有機・無機多層薄膜を利用したバリア膜を容易に形成することができ、漸進な有機・無機複合バリア膜を形成することができる。

特に１回の薄膜塗布だけでも、有機・無機バリア膜を形成することができ、このとき、使用される酸素プラズマ処理又は紫外線・オゾン処理は、いずれも常圧で可能であるから、真空装備を必要とせず、工程費用だけでなく、装備費用をも節減することができる。

本発明によるフレキシブル基板を示す断面図である。 図１のフレキシブル基板を製造する段階を説明する断面図である。 図１のフレキシブル基板を製造する段階を説明する断面図である。 図１のフレキシブル基板を製造する段階を説明する断面図である。 図１のフレキシブル基板を製造する段階を説明する断面図である。 図１のフレキシブル基板を製造する段階を説明する断面図である。 ロールツーロール方式で図１のフレキシブル基板を製造する模式図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施例について本発明に属する当業者が容易に実施することができるように詳しく説明する。しかしながら、本発明は、様々な他の形態で実行することができ、ここで説明する実施例に限定されない。また、図面において、本発明を明確にするため、説明と関係ない部分は省略し、明細書全体を通じて類似の部分に対しては、類似の図面符号を付けた。

明細書全体で、ある部分がある構成要素を「含む」としたとき、これは、特別に反対される記載がない限り、他の構成要素を除外するものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

以下、図１を参照して本発明のフレキシブル基板を説明する。図１は、本発明によるバリア膜を含むフレキシブル基板を示す断面図である。

図１によると、本発明によるフレキシブル基板は、プラスチック基板１００上にバリア膜２００を含む。このようなバリア膜２００は、プラスチック基板１００上に形成されている有機膜と該有機膜上に形成されている無機膜とからなる単一層を含む。

無機膜は、有機膜と漸進な組成の変化をさせることができ、このようなフレキシブル基板は、有機膜を酸素プラズマ又はＵＶ・オゾン処理する過程で酸素を浸透させる深さによって自然に濃度差を有する無機膜を形成することによって、分離されない単一層のバリア膜２００を形成するようになる。

このようなバリア膜２００は、図１に示すように、有機膜と無機膜の単一層が２つ以上積層されている層を形成することができ、複数の層を有するバリア膜２００を含むフレキシブル基板は、有機膜の柔軟性と無機膜の透湿・透酸素防止特性を組合せた単一層を複層で形成し、非常に優れた透湿・透酸素防止特性を有する。

以下、図２から図５を参照して本発明のフレキシブル基板を製造する過程を説明する。
まず、プラスチックのような柔軟性を有する基板１００上にバリア膜を形成するために前駆体２１０を塗布する。

このとき、前駆体２１０として無機ポリマーを使用し、シロキサン又はメタロキシサンを基盤とする無機ポリマー又はこのような物質と異なる一般高分子を混合した混合物を使用する。

メタロキシサンは、シロキサンにおいてシリコンの代わりにチタニウム（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）などが可能である。このような無機ポリマーであるシロキサン或いはメタロキシサンは、次のような基本式の繰り返し構造で構成される。

ここで、Ｒ及びＲ₁は、水素又はアルキル基であることが可能であり、Ｒ或いはＲ₁は、同一の構造であってもよい。Ｍは、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタニウム（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）などが可能である。

上記基本式において、Ｍは無機物なので、化合物は無機ポリマーであるが、一般的なポリマーが持っている有機物の特徴を有する。すなわち、Ｍ周辺に結合しているＲ形態の有機物によってこのような有機物の特徴を有するようになるが、このＲが分離され、酸素に置換されれば、一般的な酸化膜が形成される。

このとき、無機ポリマーと混合され得る高分子は、熱可塑性樹脂として、ポリシロキサン、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−ブテン共重合体、エチレン−ヘキセン共重合体、エチレン−オクテン共重合体、エチレン−ノルボルネン共重合体、エチレン−ドモン共重合体、ポリプロピレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−メチルメタクリレート共重合体、ポリエステル（ナイロン−６、ナイロン−６、６、メタキシレンジアミン−アジピン酸縮重合体）、ポリメチルメタアクリルイミドなどのアミド系樹脂、ポリメチルメタクリレートなどのアクリル樹脂、ポリスチレン、スチレン−アクリロニトリル共重合体、スチレン−アクリロニトリル−ブタジエン共重合体、三酢酸セルロース、二酢酸セルロースなどの疎水化セルロース系樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオルエチレンなどのハロゲン含有樹脂、ポリビニルアルコール、エチレン−ビニルアルコール共重合体、セルロース誘導体などの水素結合性樹脂、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンオキサイド、ポリメチレンオキサイド、ポリイミドのうち少なくとも１つを使用することができる。

このような化合物は、鎖形態のポリマー（或いはオリゴマー）であり、溶媒と混ぜたり、直接スピンコーティング、ディップコーティング、バーコーティングなど一般的な塗布方法を利用して塗布可能である。

次に、図３ａ又は図３ｂのように、塗布された前駆体２１０に光又は熱を加えて架橋反応を起こさせる。

バリア膜２００を形成するための無機ポリマー、すなわちシロキサン又はメタロキシサンポリマーの末端基を調節することによって、光又は熱による架橋反応を起こさせることが可能である。これにより、前記無機ポリマーの鎖を調節し、光硬化剤又は熱硬化剤などを添加して硬化反応を進行させることができる。特に光硬化剤を使用する場合、工程が非常に簡単になるという長所がある。

具体的に、前駆体２１０を塗布した後、溶媒を利用した場合、含まれている溶媒を除去するための前熱処理過程を行う。このような熱処理過程は、硬化反応が起きることなく、溶媒を除去することができる温度でなければならず、一般的に５０℃から１５０℃以内で行われる。

前熱処理過程を経た前駆体２１０は、図３ａのように、光硬化が可能になるように設計された場合、紫外線３００を利用して光硬化を行い、図３ｂのように、熱硬化が可能になるように設計された場合、熱処理３１０をして熱硬化を行う。

本工程を通じ、前記前駆体２１０は、架橋反応が生じ緻密な構造を有するようになり、硬化度が高い場合、各種溶媒に対する耐性が強化される。

プラスチックのための適切な熱硬化は、プラスチック基板の熱的特性を考慮して２００℃以下で行うことが好ましい。また、光硬化の場合、紫外線に起因してプラスチック基板の損傷が発生してはならない。

次に、図４のように、硬化された前駆体２１０に表面処理を行う。

このようなバリア膜２００を成す前駆体２１０の表面処理は、酸素又は酸素混合ガスを利用したプラズマを用いて行うことができる。

この過程において、無機ポリマー、すなわち、シロキサン又はメタロキシサンの構造にてＲ₂、アルキル基が酸素に置換され、次の反応式１のような反応が起きる。
（反応式１）
Ｒ₂−Ｍ−Ｏ ＋ Ｒ₂−Ｍ−Ｏ → Ｒ₂Ｏ ＋ −Ｏ−Ｍ−Ｏ−Ｍ−Ｏ−

この過程は、塗布された無機ポリマーの表面において、Ｍに該当するメタルに結合されているＲであるアルキル基などの有機物部分を酸素によって除去し、この結合を酸素に置換して、酸化膜を形成する。このような反応によって、前駆体２１０で塗布された無機ポリマー、すなわちシロキサン又はメタロキシサン膜の上部には、有機物が除去された状態で表面に酸化膜が形成される。これは、下部の有機膜の性質を有する無機ポリマー（メタロキシサン）上に容易に無機膜が形成されることと同様である。

このような酸素プラズマ工程は、一般的な真空装備を使用して行うこともできるが、常圧プラズマ装備を利用する場合、基板を常圧から真空へ移す際に発生する問題なしに行うことができる。一方、このような表面酸化膜の形成は、プラズマ工程だけでなく、ＵＶ・オゾン処理によって行うことも可能である。

このように酸化膜を形成すると、バリア膜を形成する一般的な方法である有機・無機積層法と同様の効果が得られる。すなわち有機膜に該当するメタロキシサン膜を塗布し、この膜の表面をさらに酸化させることによって、無機膜を形成する効果が得られる。

このとき、図５のように、酸素プラズマ又はＵＶ・オゾンの処理工程で酸素を浸透させる深さによって自然に濃度差が生じ、分離された２つの膜ではない単一膜で濃度差による漸進な組成変化膜（graded composition film）を形成することもできる。

色の濃い部分は、酸化膜の濃度が高い部分であって、図４の処理過程で上方から下方へ濃度の傾斜が自然に形成される様子が見られる。

図６は、図２から図４の単純化された工程を示す模式図である。
図６のように、ロールツーロール（roll-to-roll）方式を使用する場合、ロール５００の間に位置するコンベヤー５１０上に連続的にプラスチック基板を配置し、反対側ロール５００にコンベヤー５１０が進行しながら、所定の位置で無機ポリマー１０の積層、光又は熱３００硬化、表面処理４００を常圧で行うことによって、別途の移動なしに有機膜と無機膜の単一層を有するバリア膜を形成することができる。

以上説明したように、本発明の最も好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載され、又は明細書に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能なのはもちろんであり、斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

１００ プラスチック基板
２００ バリア膜
２１０ 前駆体
３００ 紫外線
５００ ロール
５１０ コンベヤー

Claims (11)

1. フレキシブル基板上に無機ポリマーを含む前駆体を塗布する段階と、
   前記無機ポリマーを含む前駆体を硬化する段階と、
   硬化された前記無機ポリマーを含む前駆体の表面を酸化し、酸化膜を形成する段階と、
   を含むことを特徴とするフレキシブル基板の製造方法。
2. 前記前駆体を硬化する段階は、
   前記前駆体を光硬化するか、又は熱硬化することを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル基板の製造方法。
3. 前記酸化膜を形成する段階は、
   前記硬化された無機ポリマーが含まれた前駆体に前記酸素又は酸素混合気体をプラズマ処理するか、紫外線・オゾンで処理することを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル基板の製造方法。
4. 前記酸化膜形成段階は、常圧で行われることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル基板の製造方法。
5. 前記前駆体は、シロキサン、メタロキシサン又は前記シロキサン、メタロキシサンと高分子の混合物であることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル基板の製造方法。
6. 前記硬化及び酸化膜形成段階は、ロールツーロール（roll-to-roll）方式で連続進行することを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル基板の製造方法。
7. 前記前駆体の塗布、硬化及び酸化膜形成の段階を１回以上繰り返し実行して多層膜を形成することを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル基板の製造方法。
8. 前記酸化膜の濃度が前記基板に近いほど低くなることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル基板の製造方法。
9. 基板と、
   無機ポリマーを含み、前記基板上に形成されている有機膜と、
   前記有機膜上に形成されている酸化膜と、
   を備えることを特徴とするフレキシブル基板。
10. 前記有機膜及び酸化膜は、単一層で形成され、前記基板に近いほど前記酸化膜の濃度が低くなることを特徴とする請求項９に記載のフレキシブル基板。
11. 前記基板は、少なくとも２層の前記有機膜及び酸化膜を含むことを特徴とする請求項９に記載のフレキシブル基板。

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