2.3.1 塑料衬底的基本特性

塑料衬底是有机高分子材料，在应用上符合柔性显示的概念。但是，柔性显示的一些工艺需要在较高温度下完成，所以高温下的材料或尺寸稳定性是一个极重要的参考条件。除材料或尺寸稳定性外，塑料衬底阻挡水氧的能力会严重影响有机发光器件的寿命，在塑料衬底上镀阻挡层达到阻挡水氧目的是目前的主要做法。

1.塑料衬底概述

塑料衬底一般分为3类：半结晶热塑性聚合物、非结晶聚合物和非结晶高玻璃化转变温度（T_g）聚合物。

半结晶热塑性聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate，PET）、聚萘二甲酸乙二酯（Polyethylene Naphthalate，PEN）、聚醚醚酮（Poly-Ether-Ether-Ketone，PEEK）等。PET和PEN具有较高的透光率，良好的力学性能，较好的阻挡水氧性能，加工工艺简单。但是，PET和PEN不耐高温，当低温沉积 ITO 时，器件性能降低；当温度升高时，材料收缩，ITO膜容易从衬底脱落。PET和PEN的表面粗糙度比较大，沉积在聚合物衬底上的薄膜容易产生缺陷。

非结晶聚合物包括聚醚砜（Polyether Sulfone，PES）、聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）等。PES为非结晶热塑性塑料，可熔融挤压或溶剂注造。PES有良好的透明度和较高的工作上限温度，但耐溶剂性差。

非结晶高玻璃化转变温度（T_g）聚合物包括聚酰亚胺（Polyimide，PI）、聚芳酯（Polyarylate，PAR）、环烯烃聚合物（Cyclo Olefin Polymer，COP）、聚偏氟乙烯[Poly（Vinylidene Fluoride），PVDF]等。PVDF在氟塑料中具有较强柔韧性、低摩擦系数、耐腐蚀性强、耐老化性、耐气候和耐辐照性等特点。COP的特点是高透明、低双折射率、低吸水性、高刚性、高耐热、水蒸气气密性好。PAR为透明无定形热塑性工程塑料，具有优良的耐热性、阻燃性、无毒性和热性能，在1.86MPa的负荷下，PAR的热变形温度高达175℃，分解温度为443℃，其各种力学性能受温度影响较小。PI具有以下6大特点。

（1）耐温性：可承受 400℃以上的高温，长期使用的温度范围为-200～300℃，无明显熔点。

（2）高绝缘性能：在 103Hz 下介电常数为 4.0，介电损耗仅为 0.004～0.007，属于F～H级绝缘材料。

（3）优良的机械性能：未填充的PI塑料的抗张强度在100MPa以上。

（4）自熄性：PI是自熄性聚合物，发烟率低。

（5）无毒：PI无毒，并经得起数千次消毒。

（6）稳定性：一些PI不溶于有机溶剂，对稀酸稳定，但是一般的PI不耐水解。

为了取代玻璃衬底，塑料衬底需要具有玻璃的类似基本特性，如透明度、尺寸稳定性、热稳定性、阻挡性、耐溶剂性、低热膨胀系数和表面平滑性。例如，为满足显示材料较高的加工温度或操作温度，热膨胀系数必须要小；透光率应大于90%，在进行ITO层等镀膜之后，透光率应能达到80%及以上；具备抗高温与抗UV老化性能；表面性质要利于表面薄膜的成形及对于一些常用的有机溶剂有一定的抵抗能力；硬度要达到6H以上；阻氧特性至少应达到标准大气压下每天10-5cc/m2，阻水蒸气特性要达到每天1μg/m2；表面平滑度应达到2nm RMS之下。当塑料衬底应用在液晶显示器上时，必须具有低的双折射率。

目前用作柔性显示的塑料衬底主要有PET、PEN、PC、COP、PI，其他如PES、PEEK、PA、PS，理论上也都可以，但优势不明显。表2-4罗列了PET、PEN、PC、PES、PAR、PCO、PI等柔性衬底的材料特性。其中，CTE（热膨胀系数）的温度范围是-55～85℃。

以上聚合物用作柔性衬底还存在一些缺陷，需要不断改善。Calil等用PI作为柔性衬底，其耐高温，水分子吸收率低，介电性能优良，在可见光范围内透明度较好，玻璃化转变温度是491℃，能够应用于恶劣环境中。用SiO₂/PI混合膜作为衬底，当SiO₂含量大于60%时，混合膜具有较高的杨氏模量和玻璃化转变温度（＞400℃），较低的热膨胀系数（28ppm/℃），在波长为550nm时，透光率可以达到90%。Kim等通过磁控溅射ITO膜在含氟PI/有机黏土纳米复合材料衬底上制备柔性OLED，高温处理后表现出较低的薄膜电阻，周期性弯曲后仍然性能稳定。Yuang 等将表面处理后的 PET 作为柔性衬底，其具备优良的电介质性能、热性能、化学性能和力学性能。

2.阻挡层技术

塑料衬底的两个缺点是①不够平坦，表面存在许多缺陷；②阻挡性（对水蒸气和氧气的阻挡性能）较差，对电子元器件的保护较弱。克服这两个缺点的对策是采用阻挡层技术。

塑料衬底的平整性要比玻璃衬底差，表面粗糙塑料的衬底无法作为柔性衬底直接使用。大部分淀积技术是共形的，制备的薄膜会复制衬底的表面形态，使得衬底以上的各层都凹凸不平。这会造成器件的短路，引起器件损坏。例如，OLED要求表面粗糙度小于5nm。塑料衬底不能像玻璃那样通过采用机械研磨抛光的方式来改善表面的平整度，因此为了降低塑料衬底的表面粗糙度，需要在塑料衬底上覆盖阻挡层。如图2-15（a）所示，PET塑料衬底的表面粗糙度高达15nm，存在许多缺陷位点。覆盖阻挡层后的PET塑料衬底的表面粗糙度如图2-15（b）所示，小于1nm。阻挡层必须具有良好的表面覆盖性能，否则加大电压后，由于阻挡层薄膜的质量较差，会导致在局部区域产生较强的电场，长时间工作会导致器件性能退化，直接影响柔性显示器件的性能。此外，塑料衬底的表面比较粗糙，显示装置在弯曲时，这些缺陷会导致裂缝的产生，对显示性能产生影响。

玻璃的硅酸盐结构保证了玻璃的水蒸气和氧气渗透性非常差，可以默认为水蒸气和氧气不能渗入玻璃中。塑料衬底阻挡水蒸气与氧气渗透的能力较为薄弱，为了提高塑料衬底的阻挡性，必须在塑料衬底的表面加一层阻挡层。防止水蒸气、氧气等侵入或散发而导致产品变质及劣化的功能被称为气体阻挡性。

不同产品对阻挡性的要求如图2-16所示。阻水氧穿透特性包括水汽穿透率（WVTR）和氧气穿透率（OTR），这两个参数常被用来说明基板与薄膜封装阻水能力的好坏。塑料衬底的气体阻挡性主要针对 OLED。因为 OLED 所用的有机半导体材料对水汽与氧气的敏感度比 LCD 所用的液晶材料高出10000倍。OLED有机材料遇到水汽或氧气，本身会发生化学反应，导致OLED有机材料功能失常，造成黑点或显示异常。OLED的电极材料在含氧的环境中极易被氧化，从而导致器件性能的下降，而且发光材料对杂质、氧、水都非常敏感，很容易被污染从而降低发光效率。OLED寿命要达到10000小时以上，薄膜封装WVTR应小于10-6g/（m2·day），OTR应小于10-5cc/（m2·day）。

根据聚合物分子质量、密度及化学极性的不同，塑料衬底的水汽透过率和氧气透过率分别在10-1～40g/（m2·day）和10-2～102cc/（m2·day）之间，表2-5列出了几种常见的透明聚合物及衬底材料的水汽和氧气的透过率。