Water vapor transmission ratio measurement for the atomic layer deposited moisture barrier thin films on flexible substrates

Abstract

Ultra-barrier thin films are one of the highest interests in the field of material science. Barrier films of different performance are needed in the applications, in which the protection against the environmental gases, oxygen and water vapour are demanded, in example photovoltaic cells or organic light emitting diodes.

In this thesis a standard operation procedure (SOP) for water vapour transmission ratio (WVTR) measurement is presented to be used as moisture barrier characterization tool for Beneq Oy. The thesis was conducted for process development and performance benchmarking purposes.

In the literature part of the thesis the thin-film moisture barriers and their use is introduced. Theory for moisture diffusion in thin films was examined. Atomic layer deposition (ALD) is introduced in the sight of the low temperature ALD especially for Al₂O₃ thin film coatings on flexible polymers. WVTR· values published in the literature are examined and discussed.

Main objective for this thesis was the creation of SOP for ALD moisture barrier thin films. The influencing internal and external factors for measurement accuracy were introduced and based on these; the measurement accuracy and repeatability is measured and analysed. The actual error for a barrier film in WVTR range of ~1 (g/m²day) was in the measurements ± 0.135 (g/m²day) and 14.8 % error. The ALD-coated film performed on a ~0.03 (g/m²day) barrier level, with actual error of± 0.0145 (g/m²day) and 50.6 % error.

The usability of the standard operation for WVTR·measurement process was tested with Al₂O₃ coated poly (ethylene tetraphthalate) (PET) films for benchmarking the company's ALD·thin film process development. Measured differences in WVTR-values for the different film thicknesses and pre-treatments were observed to be a magnitude higher than the measurement uncertainty level. Therefore the developed measurement procedure was found to be sufficiently accurate for the process development needs and requirements.

Ultra-barrier ohutfilmit ovat kiinnostavia uusia materiaaleja. Erilaisten barrier-ominaisuuksien omaavia ohutfilmejä voidaan käyttää usean tyyppisissä sovelluksissa, joissa tarvitaan suojaa atmosfäärisiä kaasuja kuten happea ja vesihöyryä vastaan. Tyypillisiä ultra-barrier luokan suorituskykyä vaativia kohteita ovat esimerkiksi erilaiset aurinkokenno sovellukset sekä uudet näyttöteknologiat.

Tässä diplomityössä luotiin luotettava standardi mittaus toimintaohje vesihöyryn läpäisyn mittaamiseen. Mittausohje luotiin teollisen prosessi kehityksen määrittämiseen ja arvioimiseen Beneq Oy:n tarpeisiin.

Diplomityön kirjallisuusosuudessa esitellään ohuet kosteudelta suojaavat kalvot ja niiden käyttökohteet eri sovelluksissa, sekä kaasujen diffuusion liittyvät teoreettiset mallit sekä mittausmenetelmät.

ALD-teknologia esitellään kirjallisuusosassa siinä muodossa, jossa sitä käytetään matalaa prosessi lämpötilaa vaativien joustavien polymeerien Al₂O₃ pinnoituksessa. Samalla vertailukelpoiset kirjallisuudessa julkaistut vesihöyryn läpäisyn mittaustulokset esiteltiin, ja niitä pohdittiin.

Kokeellisessa osiossa esitetään standardi mittaus toiminta ohje ohuiden kosteudelta suojaavien kalvojen vesihöyryn läpäisy mittaukselle, joka oli asetettu tämän diplomityön tärkeimmäksi tavoitteeksi. Mittaustarkkuuteen sekä toistettavuuteen vaikuttavat ulkoiset ja sisäiset tekijät arvioitiin, ja niihin perustuen mittalaitteelle määritettiin laitteen mittatarkkuus sekä mittausten toistettavuus testattiin toistokokeilla. Noin ~1 (g/m²päivä) vesihöyryä läpäiseville näytteille todelliseksi mittavirheeksi saatiin ± 0.135 (g/m²päivä) prosentuaalinen virhe oli 14.8 %. ALD-päällystettyjen filmien joidenka vesihöyryn läpäisy oli luokkaa ~0.03 (g/m²päivä) todelliseksi virheeksi saatiin ± 0.0145 (g/m²päivä) sekä prosentuaaliseksi 50.6 %.

Saatujen tulosten perusteella mittaohjetta ja sillä saavutettua mittaustarkkuutta ja toistettavuutta sovellettiin Al₂O₃ päällystettyjen polyetyleeni tetraphalaatti (PET) polymeerien kanssa, arvioiden Beneq Oy:n prosessi kehitystä. Kun vesihöyryn läpäisyn arvoja vertailtiin ALD-kalvon paksuuden sekä eri pintakäsittelyjen välillä, huomattiin että mitatut erot mittapisteiden välillä olivat riittävän isoja määritettyyn mittausepätarkkuuteen nähden. Johtopäätöksenä voidaan lausua, että luotettavaksi ja toistettavaksi mittaukseksi luotu mittaus ohje täytti sille asetetut tarkkuus vaatimukset ja soveltuu näin ollen teollisen tuotekehittelyn tarpeisiin.