易文慧, 許 軍, 許思源

(1. 復旦大學 材料科學系, 上海 200433; 2. 蒙特沃德高中(上海), 上海 200940)

縱觀顯示技術(shù)的發(fā)展,從1897年布朗發(fā)明示波管,20世紀初陰極射線管顯示(Cathode Ray Tube, CRT)開始盛行[1],但因其自身超大體積以及超高能耗等缺點,到20世紀中后期被快速發(fā)展的液晶顯示(Liquid Crystal Display, LCD)所取代[2],再到20世紀末有機發(fā)光二極管顯示(Organic Light Emitting Diode, OLED)[3]、等離子顯示(Plasma Display Panel, PDP)[4]、電泳顯示(Electrophoretic Display, EPD)[5]等顯示技術(shù)的相繼發(fā)展,隨著現(xiàn)代的各種平板顯示技術(shù)(Flat Panel Display, FPD)百花齊放,顯示技術(shù)逐漸朝著高畫質(zhì)、低成本、多功能、低能耗、環(huán)境友好的方向發(fā)展.柔性顯示(Flexible display)是指在柔性基板上制備的可彎曲折疊的平板顯示裝置[6],因其具有輕薄、耐用、設計自由、可彎曲折疊、不局限于平面等優(yōu)點[7],極具發(fā)展?jié)摿?在電子閱讀器、可穿戴電子設備[8-9]、柔性顯示器件[10]、車載顯示、智能傳感器[11-12]、醫(yī)療器具[13]等方面具有廣泛的應用前景.

目前可應用于柔性顯示的技術(shù)主要有： LCD、EPD以及OLED.其中,由于OLED具有自發(fā)光、高對比度、色彩鮮艷、輕薄、能耗小等優(yōu)點[14-15],被認為是優(yōu)良的柔性顯示技術(shù).而柔性OLED器件的基本組成單元包括： 執(zhí)行電路功能的元器件、具有撓曲性的柔性基底、起到將分布在基底不同位置的元器件連接在一起的交聯(lián)導電體和封裝層[16],其中作為器件支撐和保護部分的柔性基板,它的性能優(yōu)劣對于器件的質(zhì)量與壽命具有重要的影響[17],所以高品質(zhì)的柔性基板將會是實現(xiàn)柔性顯示的關(guān)鍵因素.

作為柔性基底的材料主要有傳統(tǒng)的塑料基板、玻璃基板、不銹鋼基板,以及新興的紙質(zhì)基板.塑料基板具有優(yōu)異的機械性能和高透明性,在日常生活中已得到廣泛的應用,但塑料基板存在著熱穩(wěn)定性較差的問題,例如在低溫多晶硅(Low Temperature Poly-Silicon, LTPS)的制備工藝中,需要承受400 ℃以上的多次高溫,超過了一般聚合物基材的耐熱性,限制了LTPS在柔性OLED制造中的應用[18];玻璃基板雖具有良好的耐高溫性，且阻隔性能優(yōu)異,但玻璃作為一種硬質(zhì)材料,其機械性能較差,不可進行多次彎曲折疊,并且玻璃基板比重大,不適合應用于柔性顯示器件[19];不銹鋼基板只有當金屬厚度小于100 μm時才具有一定的彎曲性能[20],且其粗糙的表面易造成元器件的特性劣化及剝離.而新興的紙質(zhì)基板可進行彎曲折疊、機械性能較好.來源廣泛、成本低且能夠生物降解及再生利用[21-22],在柔性顯示領(lǐng)域有著廣闊的應用前景,但也有以下問題有待改善.

由于紙的主要成分為再生纖維素,表面含有大量羥基,具有一定的吸水性,而且紙的多孔結(jié)構(gòu)導致紙質(zhì)基板的阻水、阻氧性能較差;纖維的熱分解溫度較低,導致紙質(zhì)基板的耐熱性能較差;并且紙張本身粗糙的表面影響后續(xù)成膜工藝的平坦性,易導致其附著性能較差,元器件難以直接在其表面連接.

近年來,國內(nèi)外許多研究人員通過不同的工藝手段來改善紙質(zhì)基板的性能.Zhu等[23]通過用直徑為5～10 nm原生纖維素制備的透明紙,利用原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)分析得到該紙的均方根粗糙度(Rq)只有1 nm,低的表面粗糙度使在透明紙上直接制造電子產(chǎn)品變得容易,符合柔性顯示器件應用的要求.另一方面,該紙具有較好的熱穩(wěn)定性能,其熱分解溫度達到了300 ℃,并且此種由纖維素納米纖維制成的光學透明紙的熱膨脹系數(shù)低于8.5 ppm/K,遠低于塑料(約為50 ppm/K).另一方面,市場上商業(yè)用紙的粗糙度較大,達到幾十納米甚至上百納米,這不符合應用顯示的要求,可以通過在原來的紙質(zhì)基板表面鍍膜來提高表面光滑程度,Gasper等[24]在商業(yè)用紙表面涂覆一層CaCO3,降低其表面粗糙度達到1.7 nm左右;Bollstrom等[25]在紙質(zhì)基板上設計了復合結(jié)構(gòu)涂層,包括預涂層、平滑層等,降低表面粗糙度達到50%左右.

研究人員通過提高表面膜的密度以及設計多層復合結(jié)構(gòu)來抑制缺陷以及阻止氣體擴散路徑,從而提升紙質(zhì)基板的阻隔性能.Dameron等[26]通過原子層沉積技術(shù)在基板上設計了Al2O3與SiO2多層復合結(jié)構(gòu),其水汽透過率可降低為1×10-5g·m-3·d-1;Chen等[27]設計了阻隔層加基板加氮化硅的復合結(jié)構(gòu),使得水汽透過率降為3.05×10-6g/(m3·d).關(guān)麗霞等[28]采用旋涂法、原子層沉積的方法對紙質(zhì)基板設計了Al2O3/SiO2/PET復合阻隔薄膜,使得紙質(zhì)基板的表面光滑度提高了11倍,并且測得其氧氣阻隔性能提高了272倍,水汽阻隔性能提高了9倍,顯著改善了紙質(zhì)基板的性能.

本文在關(guān)麗霞等的研究基礎上,采用不同的阻隔薄膜成型制備方法,性、附著性、彎曲性等機械性能進行研究.采用直接貼附、磁控濺射的方法分別對紙質(zhì)基板進行PET薄膜、SiO2薄膜以及Al2O3薄膜的制備,研究各層薄膜對紙質(zhì)基板性能的改善程度;并在紙質(zhì)基板表面制備PET/SiO2雙層薄膜、PET/Al2O3雙層薄膜、SiO2/Al2O3雙層薄膜,探究各層薄膜之間的附著性能;最后在紙質(zhì)基板表面制備出PET/SiO2/Al2O3有機/無機復合阻隔薄膜并進行機械性能表征.該方法制備出的復合阻隔薄膜明顯改善了紙質(zhì)基板的表面性能,并且具有良好的機械性能,附著性能較好,且能夠進行多次、不同曲率半徑的彎曲,有利于拓展紙質(zhì)基板在柔性顯示器件中的應用.

1 實驗方法

1.1 實驗材料與試劑

本文所采用的實驗原材料及試劑如下： 去離子水,無水乙醇(AR分析純,國藥集團化學試劑有限公司),異丙醇(AR分析純,國藥集團化學試劑有限公司),PET薄膜(厚度規(guī)格分別為S25NPL、S50NPL、S75NPL, LINTEC公司),GLF-30AB型雙面膠(Nano Technology Co., Ltd.),氧化硅靶(純度為99.995%,中諾新材(北京)科技有限公司),鋁靶(純度為99.9995%,中諾新材(北京)科技有限公司),合成紙(規(guī)格為0.010 g/cm2,佛山佛塑集團).

1.2 實驗儀器與設備

本文所采用的實驗儀器及設備如下： 磁控濺射沉積系統(tǒng)(LESKER PVD 75, 美國Kurt J. Lesker Company),數(shù)字超聲波清洗儀(A51240BDT, Auto Science),電熱鼓風干燥箱(DHG-9013A,上海一恒科學儀器有限公司),精密恒溫控制儀(KER3100-08S,南京凱爾儀器有限公司),熱重分析儀(Q500,美國TA公司), X射線衍射儀(D8,德國Bruker公司),原子力顯微鏡(Dimension Edge,德國Bruker公司).

1.3 合成紙/阻隔層薄膜基板的制備

首先將玻璃片投入到無水乙醇中超聲清洗10 min后,再將其轉(zhuǎn)入異丙醇溶液中,繼續(xù)超聲清洗10 min,重復以上兩步清洗操作3次,后用去離子水清洗,再將清洗后的玻璃片放入80 ℃的烘箱中烘干30 min,最后轉(zhuǎn)入恒溫干燥箱中備用.將合成紙裁剪成2.5 cm×2.5 cm大小,用GLF-30AB型雙面膠固定在玻璃片上,放入恒溫干燥箱中備用.

將紙質(zhì)基板置于潔凈的實驗臺上,選用S25NPL、S50NPL、S75NPL 3種不同厚度規(guī)格的PET薄膜,采用直接貼附的方式分別制備PET平滑層,注意貼附過程中避免氣泡的產(chǎn)生.在潔凈的紙質(zhì)基板上制備SiO2薄膜,采用磁控濺射系統(tǒng)中的射頻模式濺射成膜[29],濺射過程采用純度為99.995%的SiO2靶材,設置在真空度為0.61 Pa的真空環(huán)境下, 濺射功率為120 W, 基板溫度為22.5 ℃, 預濺射時間為1 min, 濺射時長30 min, 得到厚度約為160 nm的純凈SiO2薄膜. 在潔凈的紙質(zhì)基板上制備Al2O3薄膜,采用磁控濺射系統(tǒng)中的直流模式反應濺射成膜[30],濺射過程采用純度為99.999 5%的鋁靶,設置在真空度為0.61 Pa的真空環(huán)境下,濺射功率為100 W,基板溫度為22.5 ℃,反應過程中維持氬氣(Ar)與氧氣(O2)的流量之比為50 mL/min∶2 mL/min, 預濺射時間為1 min, 濺射時長10 min, 得到厚度約為200 nm的純凈Al2O3薄膜.

2 結(jié)果與討論

對所制備的不同型號PET平滑薄膜的紙質(zhì)基板分別進行熱穩(wěn)定性能表征,并對PET、SiO2、Al2O33種單層阻隔薄膜分別進行表面性能以及內(nèi)部結(jié)晶性能表征,研究各層薄膜對紙質(zhì)基板性能的改善程度;然后采用上述成膜技術(shù)對3類薄膜進行兩兩復合,在紙質(zhì)基板上制備出雙層阻隔薄膜,并表征復合后紙質(zhì)基板的表面性能及各層薄膜之間的附著性能;最后對3類薄膜進行復合,制備出PET/SiO2/Al2O3有機/無機復合阻隔薄膜,探究其彎曲機械性能及表面性能.

2.1 紙質(zhì)基板的熱穩(wěn)定性能表征

采用型號為Q500的熱重分析儀(Thermal Gravimetric Analyzer, TGA)分別對合成紙、S25NPL、S50NPL、S75NPL型PET薄膜的熱穩(wěn)定性能進行評價,分別稱取5～15 mg的樣品, 進行測試的溫度范圍設置為25～800 ℃, 升溫速率為10 ℃/min, 保護氣體為純度大于99.99%的氮氣, 通過對TGA曲線進行分析可得到熱重分析曲線, 結(jié)果如圖1所示.

圖1 各類紙的熱重分析曲線Fig.1 Thermogravimetry analysis curves of synthetic papers

對合成紙及3種不同型號PET薄膜的熱重分析曲線進行分析,可以發(fā)現(xiàn)合成紙的熱分解溫度高達280 ℃,且在合成紙表面制備的PET阻隔薄膜, 雖型號有所不同, 但均具有良好的熱穩(wěn)定性能, 其熱分解溫度均在270 ℃左右.合成紙具有較高的熱分解溫度與材料中石灰石及樹脂的含量有關(guān),合成紙是以高分子聚合物和石灰石為原料,并采用熔融、擠壓、成型等工藝,然后再進行紙狀化處理而成.石灰石的主要成分是碳酸鈣,并且合成紙耐熱的中間發(fā)泡層使得其熱分解溫度較高,具有一定耐高溫性.對于薄膜晶體管(Thin Film Transistor, TFT)陣列如果采用低溫制備工藝,制備溫度可降低為250 ℃左右,合成紙在柔性顯示器件中的應用具有明顯的優(yōu)勢,具有較好的熱穩(wěn)定性能.

2.2 單層阻隔薄膜的性能表征

2.2.1 單層阻隔薄膜的表面粗糙度

采用Dimension Edge型原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)選用五點取樣法,各點進行3次重復采樣試驗,分別對合成紙、S25NPL、S50NPL、S75NPL型PET薄膜、SiO2薄膜、Al2O3薄膜表面進行測試,測試的溫度環(huán)境約為25 ℃.并求出其均方根粗糙度(Rq),其結(jié)果如圖2所示.

圖2 3類阻隔薄膜對紙質(zhì)基板表面粗糙度的改善情況Fig.2 The improvement of three types of barrier films on the surface roughness of paper substrates

如圖2(a)所示,合成紙的Rq約為85 nm,對比分析PET、SiO2、Al2O33類阻隔薄膜材料的表面粗糙度.其中采用直流反應磁控濺射制備的Al2O3薄膜具有非常有益的物理和化學性能,并且具有化學惰性,能夠有效地防止水汽氣氧氣的透過,其對合成紙表面粗糙度的改善作用相對較小,將紙質(zhì)基板的表面粗糙度從85 nm 降低為63 nm左右.采用磁控濺射制備的SiO2薄膜,其薄膜厚度的可控性高,且重復性及均勻性均有著明顯的提高,并且致密均勻的薄膜結(jié)構(gòu)對水蒸氣及氧氣的阻隔作用較強[31],約為對比圖2(a)和圖2(c)可以發(fā)現(xiàn),在合成紙表面制備一層SiO2薄膜可將其表面粗糙度降低為48 nm左右,為合成紙表面粗糙度的一半,在后期元器件的制備中占有一定優(yōu)勢.PET薄膜對合成紙的表面粗糙度改善程度最大,Rq均由85 nm 左右降低為8 nm左右,其表面光滑度提高了近10倍,且不同型號的PET薄膜其組成成分雖然相同,但其表面粗糙度表現(xiàn)出較大的差異,如圖2(d)～2(f)所示,S50NPL型PET的表面粗糙度最小,達到了4.5 nm左右.如果基板表面粗糙度大會造成基板突起，導致電子器件的脫落,從而導致電子線路的失效,影響整個電子器件的使用壽命及使用性能.紙質(zhì)基板表面制備的S50NPL型PET薄膜有效改善了表面光滑度,有利于在其上制備其他膜層的平滑性,所以在制備紙質(zhì)基板復合阻隔薄膜上首先選用PET成膜.

綜上所述，在合成紙表面制備的3種阻隔薄膜材料均能改善合成紙的表面粗糙度,其對合成紙的表面粗糙度改善程度依次為： PET薄膜>SiO2薄膜>Al2O3薄膜,阻隔層的表面形貌很大程度上受到底層基底的影響,合理選擇阻隔層薄膜的制備順序?qū)τ谔岣呒堎|(zhì)基板的表面性能有著重要的影響.

2.2.2 單層阻隔薄膜的內(nèi)部結(jié)晶性

采用D8型X射線衍射儀(X-ray diffraction, XRD)分別對S25NPL、S50NPL、S75NPL型PET薄膜、SiO2薄膜、Al2O3薄膜材料進行結(jié)晶性能測試,使用Cu靶材,掃描范圍設置為20°～80°,掃描步長為0.02°/步,每步測試時間為0.1 s,測試的環(huán)境溫度約為25 ℃,測試得到的XRD圖如圖3所示.

圖3 (a) 3種型號的PET薄膜;(b) SiO2薄膜;(c) Al2O3薄膜的XRD圖Fig.3 The XRD patterns of (a) Three types of PET film; (b) SiO2 film; (c) Al2O3 film

觀察3種薄膜材料的結(jié)晶情況,從而判斷3種阻隔薄膜材料的耐溶劑性能及阻隔性能.從圖3(a)中可以看出,PET薄膜在2θ為26°時出現(xiàn)明顯的衍射峰,說明在這個衍射角時PET薄膜的結(jié)晶性能比較好,具有較好的機械性能,但這個衍射峰的寬度較大,是由于PET材料中含有剛性的苯環(huán)結(jié)構(gòu),導致結(jié)晶相對較為困難.并且不同型號的PET薄膜衍射峰的位置相同,但其強度表現(xiàn)出一定的差異,可以看出S25NPL型的PET薄膜的衍射峰強度最小,而S50NPL型及S75NPL型的PET薄膜衍射峰強度接近,結(jié)晶性能較好.如圖3(b)所示,SiO2薄膜在2θ為29.29°時出現(xiàn)了一個非常尖銳的衍射峰,并且其強度達到了12 350,說明薄膜表面具有SiO2晶體,結(jié)晶性能較好,衍射強度越大,晶格的完整性越高,出現(xiàn)晶體缺陷的可能性越小,形成的薄膜比較致密并且具有耐高溫性.如圖3(c)所示,Al2O3薄膜在2θ為29.39°時出現(xiàn)了一個非常尖銳的衍射峰,其強度達到了11 073,結(jié)晶成分的存在可以提高材料成膜的表面致密性,提高薄膜的阻隔性能,非晶成分有利于提高材料的機械性能.本實驗的結(jié)果與關(guān)麗霞等[28]所制備的阻隔薄膜的結(jié)晶性能相符,能夠有效改善紙質(zhì)基板的阻隔性能.

2.2.3 單層阻隔薄膜的附著性能

本文對合成紙上單層阻隔薄膜的附著力測試實驗參考標準ISO2409—1992,如表1所示.本實驗采用劃格法進行阻隔薄膜的附著性能表征,切割圖形每個方向上的切割數(shù)為6,每個方向上的間距均為2 mm,實驗環(huán)境溫度約為25 ℃.觀察3種薄膜層內(nèi)及層邊緣的附著力情況,如表2(見第504頁)所示,可以看出PET薄膜層內(nèi)及層邊緣對應的附著力等級均為5B,切割邊緣完全平滑,無一格脫落,具有較強的附著力.Al2O3薄膜的層內(nèi)附著力較強,切割邊緣基本平滑,無明顯脫落,對應的附著力等級為4B;其層邊緣出現(xiàn)了小面積脫落的情況,如表2中紅圈標注部分所示的“白色”區(qū)域,但其脫落的面積小于5%,對應的附著力等級為4B.SiO2薄膜的層內(nèi)出現(xiàn)了一格脫落,但其脫落的面積小于5%,對應的附著力等級為4B;其層邊緣附著力等級為4B,無明顯脫落.

表1 附著力測試標準[32]

表2 PET薄膜、Al2O3薄膜、SiO2薄膜層內(nèi)及層邊緣的附著力等級

參考標準可知,對于柔性顯示器件中的基板材料,其附著力等級前三級是令人滿意的,即5B～3B級,采用本文所述方法制備的3種阻隔薄膜,其附著力測試等級均在4B以上,達到了標準,具有良好的附著力.

2.3 雙層阻隔薄膜的性能表征

2.3.1 雙層阻隔薄膜的表面性能

同樣地，采用AFM分別對S50NPL型PET薄膜/SiO2薄膜、S50NPL型PET薄膜/Al2O3薄膜、SiO2薄膜/Al2O3薄膜這3種雙層阻隔薄膜表面進行測試,測試的環(huán)境溫度約為25 ℃.并求出其均方根粗糙度(Rq),其結(jié)果如圖4所示.對比合成紙的表面粗糙度約為85 nm,對上述3類雙層阻隔薄膜材料進行分析,其中，SiO2/Al2O3雙層薄膜對合成紙的表面性能具有一定的改善作用,將合成紙的Rq由原來的85 nm左右降低為58 nm左右.PET /2雙層薄膜對合成紙的表面性能改善明顯,將合成紙的Rq由原來的85 nm左右降低為7 nm左右,底層的PET薄膜更加致密合理選擇更加致密均勻的襯底及阻隔薄膜對提高紙質(zhì)基板的表面性能有著重要的影響.PET/Al2O3雙層薄膜對合成紙的表面性能改善最大,將合成紙的Rq由原來的85 nm左右降低為6 nm左右,表面光滑度提高了近14倍.

圖4 雙層阻隔薄膜對紙質(zhì)基板表面粗糙度的改善情況Fig.4 The improvement of surface roughness of paper substrate by double-layer barrier film

2.3.2 雙層阻隔薄膜的附著性能

同樣地,參考標準ISO2409—1992對雙層阻隔薄膜的附著性能進行表征,結(jié)果如表3所示.可以看出： PET與SiO2間的附著力較強,其層內(nèi)及層邊緣的附著力等級均對應為4B,切割邊緣基本平滑,無明顯脫落情況;PET與Al2O3間的層內(nèi)附著力較強,等級達到4B,但其層邊緣的附著力較弱,出現(xiàn)了較大面積的脫落現(xiàn)象,如表3中紅圈標注部分所示的“白色”區(qū)域,脫落面積大于5%，但小于15%,附著力等級對應于3B;SiO2與Al2O3間的層內(nèi)附著力較強,未出現(xiàn)明顯的脫落現(xiàn)象,但其層邊緣出現(xiàn)了小范圍的脫落剝離,剝離的面積小于5%,對應于附著力等級的4B.

表3 PET /SiO2、PET /Al2O3、SiO2 /Al2O3雙層薄膜的層內(nèi)及層邊緣附著力等級

相比于PET薄膜,合成紙具有多孔、較為粗糙的表面,具有較好的吸附性能,所以與薄膜間的附著力較強,PET薄膜由于其表面光滑致密,其與薄膜間的附著性能較差,導致薄膜較易于脫落剝離,附著力較弱.

以上3類雙層阻隔薄膜的附著力等級均在3B以上,其附著性能滿足柔性顯示用基板的性能要求.

2.4 PETSiO2 /Al2O3有機/ 無機復合阻隔薄膜的表面性能表征

對于單層的阻隔薄膜材料,雖然在一定程度上能夠?qū)宀牧掀鸬礁綦x保護的作用,有效改善基板材料的表面性能,例如,PET薄膜作為有機薄膜,其柔性較好,并且其光滑均勻的表面可顯著改善紙質(zhì)基板的表面性能;SiO2薄膜作為無機薄膜,其結(jié)構(gòu)致密,并且SiO2清潔易得,SiO2薄膜能夠提高紙質(zhì)基板的阻隔性能,但無機阻隔薄膜韌性較差,容易出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象[33];Al2O3薄膜的物理及化學性能優(yōu)異,具有化學惰性,能夠有效阻止氧氣和水蒸氣的透過,能有效改善紙質(zhì)基板的阻隔性能.但考慮到電子器件的長期使用壽命及使用性能,防止單層阻隔薄膜材料出現(xiàn)斷裂破損等情況,多層復合阻隔薄膜的制備具有重要作用.

采用AFM分別S50NPL型PET /SiO2/ Al2O3復合阻隔薄膜表面進行測試,測試的溫度環(huán)境約為25 ℃.并求出其均方根粗糙度(Rq),其結(jié)果如圖5所示.可以看出復合阻隔薄膜的制備將紙質(zhì)基板的表面粗糙度降低為6.5 nm左右,作為對比,合成紙的表面粗糙度如圖2(a)所示,未經(jīng)阻隔薄膜制備的合成紙表面粗糙度為85 nm左右,其表面光滑度提高了13倍.所以本文選用此種復合的有機/無機阻隔薄膜能夠有效的防止單層阻隔薄膜所產(chǎn)生的缺陷,從而更好地改善紙質(zhì)基板的性能.

圖5 復合阻隔薄膜的表面粗糙度Fig.5 Surface roughness of composite barrier film

圖6 合成紙的表面粗糙度Fig.6 Surface roughness of synthetic paper

2.5 PET /SiO2/ Al2O3有機/無機復合阻隔薄膜的彎曲性能表征

為探究PET /2/ Al2O3有機無機復合阻隔薄膜的機械性能,對改性后的紙質(zhì)基板進行了彎曲性能測試,考慮到彎曲測試可能會導致紙質(zhì)基板內(nèi)部結(jié)構(gòu)及表面特性發(fā)生變化,故本實驗通過對比實驗前后樣品的表面粗糙度來表征其表面特性的變化.彎曲性能測試分為兩個部分： 首先將測試樣品以不同的曲率半徑進行一次彎曲測試,通過探究復合阻隔層紙質(zhì)基板的表面粗糙度與彎曲曲率半徑的關(guān)系,來表征其彎曲機械性能,分別選用為6.0、4.0、2.0、1.5及0.5 mm的5種不同的曲率半徑;基于以上實驗結(jié)果,第二部分選用1.5 mm的曲率半徑將測試樣品進行不同彎曲次數(shù)的測試,通過探究復合阻隔層紙質(zhì)基板的表面粗糙度與彎曲次數(shù)的關(guān)系,來表征其彎曲疲勞性能,其彎曲次數(shù)分別為1次、5次、10次、50次及100次,測試結(jié)果如圖7所示.

圖7 復合阻隔層紙質(zhì)基板彎曲性能測試Fig.7 Bending performance test of composite barrier layer paper substrate

在實驗過程中對紙質(zhì)基板進行彎曲性能測試,最小的曲率半徑達到了0.5 mm,且紙質(zhì)基板未出現(xiàn)明顯的失效,從圖7(a)中可以看出,紙質(zhì)基板的表面粗糙度會隨著曲率半徑的減小而增加,當曲率半徑達到0.5 mm時,其表面粗糙度顯著增加,Rq值為13.5 nm,達到曲率半徑為6.0 mm時的近兩倍,當曲率半徑在6.0 mm至1.5 mm范圍內(nèi)時,其Rq無顯著變化,均在8 nm以下,具有良好的彎曲性能.在對紙質(zhì)基板進行彎曲疲勞測試時,最大的疲勞次數(shù)達到了上百次,且紙質(zhì)基板未出現(xiàn)明顯實效,從圖7(b)中可以看出,經(jīng)過100次疲勞測試后,紙質(zhì)基板的表面粗糙度僅增加了4 nm,具有較好的彎曲疲勞性能.

3 結(jié) 論

本文采用直接貼附、磁控濺射射頻成膜、磁控濺射直流反應成膜的方式分別對合成紙表面進行PET薄膜、SiO2薄膜及Al2O3薄膜的制備修飾.主要結(jié)論如下： (1) 合成紙的熱分解溫度達到270 ℃,熱穩(wěn)定性能良好;(2) 3種阻隔薄膜對合成紙的表面性能改善程度依次為PET薄膜>SiO2薄膜>Al2O3薄膜,S50NPL型PET薄膜的表面粗糙度最小,達到了4.5 nm左右,合理選擇阻隔層薄膜的制備順序?qū)τ谔岣呒堎|(zhì)基板的表面性能有著重要的影響;(3) 3類阻隔薄膜均處于半結(jié)晶狀態(tài),具有較致密的薄膜結(jié)構(gòu),能夠有效改善合成紙的阻隔性能;(4) 合成紙多孔的結(jié)構(gòu)以及粗糙的表面有利于薄膜層的沉積附著,三類薄膜附著力等級均在4B以上,具有較好的附著性能;(5) 對紙質(zhì)基板制備復合阻隔薄膜,其表面粗糙度降低為6.5 nm左右,表面光滑度提高了近13倍;(6) 采用本文所述方法制備出的紙質(zhì)基板能夠承受不同程度曲率半徑6 mm至0.5 mm的彎曲,且彎曲疲勞次數(shù)可達到100次,表面粗糙度僅增加4 nm,具有優(yōu)異的彎曲性能.這種對紙質(zhì)基板制備復合阻隔薄膜的方法,不僅能顯著改善紙質(zhì)基板的表面性能,而且改性后的紙質(zhì)基板具有優(yōu)異的機械性能,具體表現(xiàn)為優(yōu)異的附著性能、彎曲性能及彎曲疲勞性能,制備的紙質(zhì)基板在柔性顯示領(lǐng)域具有很好的應用前景.

致謝： 特別感謝原日本Lintec公司羅永春博士為此實驗提供的GLF-30AB型雙面膠及PET薄膜！感謝上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院關(guān)麗霞對此實驗開展提供的幫助！