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 山形大学は、水(H2O)の遮断性能が高いバリア層を室温かつ塗布プロセスで成膜する技術を開発し、展示会「第22回国際ナノテクノロジー 総合展・技術会議(nano tech 2023)」(2023年2月1〜3日、東京ビッグサイト)に出展した(図1)。

図1 今回のバリアー層を成膜した各種のフレキシブル樹脂基板
図1 今回のバリアー層を成膜した各種のフレキシブル樹脂基板
左からポリイミド(PI)基板、PET基板、PEN(ポリエチレンナフタレート)基板(写真:日経クロステック)
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有機ELは水に桁違いに弱い

 H2Oの透過を防ぐバリア層は有機ELディスプレーなど、H2Oに弱い素子には必須の機能になっている。その性能指標である「水蒸気透過度(Water Vapor Transmission Rate:WVTR)」は、1m2の面積をH2Oが何g透過するかを示すものだ。その数値が小さければ小さいほどバリア性能が高い。

 食品の包装、例えば、ポテトチップスの袋に使われているバリアー層フィルムは、ポリエチレンテレフタレート(PET)にアルミニウム(Al)を蒸着したものだが、そのWVTRは、「0.01〜0.1g/m2/day程度」(山形大学)である(図2)。

図2 用途によって必要なバリアー性能は異なる
図2 用途によって必要なバリアー性能は異なる
有機ELディスプレーやペロブスカイト太陽電池は、カニカマの包装材の100万倍以上、ポテトチップスの包装材の1万倍以上の水蒸気バリア性能が必要になる(出所:山形大学の資料を基に日経クロステックが作成)
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 液晶ディスプレーやシリコン(Si)系の一般的な太陽電池では、実用的な耐久性の確保のためにWVTRで10−3g/m2/day程度のバリアー層が必要とされる。

 一方、有機ELディスプレーやペロブスカイト太陽電池に必要なバリア性能はWVTRで10−6g/m2/day程度と桁違いに高い。

 現時点でこのバリア性能を実現できるのはガラスしかない。ところが、ガラスは一般には曲げることができず、衝撃にも弱い。これが、展示会などではしばしば見かける軽くてフレキシブルな有機ELディスプレーがなかなか商品化されない理由の1つになっている。

 ガラス以外では、窒化ケイ素(SiNx)膜などを真空蒸着で成膜することで、バリア層として利用することが試みられてきた。ところが、真空プロセスは量産性が低くコストが高い一方で、得られるWVTRは、10−4g/m2/day程度と、求められる水準に届かなかった。