[!] PEN薄膜的 3大性能優勢 以及 高模數應用解析 | In-depth Analysis of 3 technical performance advantages of PEN films and its high-modulus application

聚對萘二甲酸乙二酯（Polyethylene Naphthalate, PEN）薄膜是介於常用PET（聚對苯二甲酸乙二酯）與高性能聚酰亞胺薄膜之間的一種材料 。相較於PET，PEN賦予其更高的玻璃轉移溫度（Tg）和更佳的阻隔性。PET的Tg約為75–80 °C，而PEN的Tg約提高了40 °C，達120 °C左右 。

PET在超過100 °C的環境下容易軟化並失去尺寸穩定性，阻隔性能也明顯下降，限制了其在高溫領域的應用 ；相反，PEN在高溫下仍能保持良好的熱穩定性和結構強度 。此外，PEN對氣體和水汽的阻隔能力遠優於PET，例如其氧氣透過率僅約為PET的1/10。

PEN也具備更強的抗紫外線能力和耐化學性，長期使用時的老化表現優於PET 。這些差異使得在許多高引張模數和嚴苛環境需求的應用中，PET性能不足，而PEN薄膜成為更理想的選擇。 下文將從熱穩定性、機械強度、阻隔性等方面說明PEN的優勢，並列舉其在質子交換膜燃料電池、醫療阻隔、光學材料、柔性電子、航太等領域的應用案例與技術要求。

氣體與水汽阻隔性能

在阻隔性方面，PEN薄膜明顯優於PET，可有效隔絕空氣中的氧氣、水汽等對內裝物的不利影響。PEN對氧氣的滲透率只有PET的約十分之一。這意味著使用PEN包裝可以將氧氣透過量降低90%，大幅延長內容物的保存期限。例如對氧極為敏感的營養飲品或藥品，用PEN容器封裝能有效避免氧氣滲入導致的氧化變質。同時，PEN對水蒸氣的阻隔性也比PET更佳 。在高濕環境下，PET容易因吸濕而力學性能下降且增加水汽透過，而PEN薄膜的吸濕率較低（Teonex® PEN的吸水率極低 ），水汽透過率也更低 。因此PEN能更有效地保持包裝內乾燥，防止內容物受潮。工業上常將PEN用於高阻隔包材中，如電子元件的防潮封裝和醫藥品、食品的高阻隔膜

綜上，PEN薄膜的氣體及水汽阻隔性能在各類需長效防護的應用中提供了額外的可靠性，而這正是PET薄膜所欠缺的特質 。

熱穩定性與低熱收縮特性

高玻璃轉移溫度賦予PEN薄膜卓越的熱穩定性。在加熱過程中，PEN能承受更高的溫度而不軟化變形。例如，雙軸取向的PET薄膜在約130–150 °C就開始顯著收縮，而PEN薄膜直到接近190 °C才出現明顯收縮 。由於此特性，PEN薄膜在高溫加工或使用時能維持尺寸穩定，遠低於PET。此外，PEN的長期耐熱等級也大幅提升。典型PET聚酯的電氣絕緣耐熱等級約為130 °C（部分特殊PET可達105 °C或130 °C），而PEN薄膜可通過F級（155 °C）絕緣材料認證 。 換言之，PEN可在150 °C左右的環境中長期使用而不顆粒化或降解，這對需經受高溫循環或熱處理的應用十分重要。

高Tg和低熱收縮讓PEN薄膜在高溫高應力環境下保持形穩，避免了PET因軟化收縮導致的性能衰減 。例如，在食品包裝的熱灌裝或巴氏殺菌過程中，PEN容器不易產生壁面變形或塌陷，能耐受85–120 °C的處理溫度而保持結構完整。總而言之，PEN的熱穩定表現使其在任何需要高溫尺寸安定性的情境下均勝過PET薄膜。

高機械強度與剛性

PEN薄膜還具有更高的機械強度和剛性。其拉伸模數（剛性）在室溫下比PET高出約25%，在中高溫（例如120–160 °C）區間內更是高出數倍 。研究顯示，PEN在120–160 °C時的楊氏模數幾乎可達PET的兩倍，代表即使在升溫後PEN仍能維持相當的剛性和承載能力 。而PET在接近其Tg時剛性會明顯下降，薄膜易因負載而變形。 PEN相較PET具顯著更高的剛性和耐久性 。兩者的抗拉強度在室溫下相當，但PEN能將強度更好地維持到較高溫度 。此外，PEN的抗蠕變和抗疲勞性能在高溫高濕環境下也優於PET，因其結構更剛硬且抗水解。實驗發現 PET在高溫高濕下易發生水解、分子鏈斷裂，導致力學性能下降；相對地PEN具更高的耐水解性，長期使用壽命更長 。

PEN薄膜能在較廣的溫度範圍內提供穩定的機械支撐和剛性， 這對需要高引張模數材料的應用而言至關重要。

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PEN薄膜的主要應用案例與技術要求

基於上述優異特性，PEN薄膜在多個需要高引張模數和耐環境性能的領域正日益受到重視。以下針對幾個重要應用領域，說明PEN薄膜的角色與相應技術要求。

I. 氫燃料電池與電解器中的質子交換膜組件

在質子交換膜燃料電池（PEMFC）與水電解器中，薄而柔性的質子交換膜需要機械支撐和密封強化，以承受裝配壓力和運行時的壓差。PEN薄膜因其高強度、高模數和耐化學穩定性，被用作膜電極組件（MEA）周邊墊片（sub-gasket）的理想材料 。這些環形墊片通常以PEN或類似高性能薄膜衍切成形 黏附在膜周圍, 目的在於機械穩定質子膜並確保反應氣體的有效密封 。 我們的 TYB TEONEX® PEN薄膜即是一個成功案例： TEONEX® 因具備卓越的 機械強度 和 剛性 以及 低吸濕性，能長期穩定地支撐和絕緣PEM，在燃料電池疊堆中表現出色 。 在電堆工作溫度（一般約60–80 °C）甚至更高的短時溫度下（如啟動瞬間的溫升）都不會失效 。相較之下，傳統PET薄膜在電池工作環境的濕熱條件下易出現老化、尺寸變化，難以滿足長期可靠性的要求 。 因此，在氫燃料電池與電解水製氫設備中，採用PEN薄膜作為膜周邊支撐和密封材料，能確保膜電極組件的機械完整性和電氣絕緣，大幅提升系統的壽命和安全性 以因應未來燃料電池長壽命、高可靠的技術需求 。這一應用充分體現了PEN薄膜在新能源領域的價值。

II. 醫療用途的水汽阻隔薄膜

醫療和生物科技領域也利用PEN薄膜的特殊性能來滿足嚴苛要求。其中一項關鍵需求是阻隔水汽和保持尺寸穩定性，例如醫療器械、診斷試劑的包裝需長時間防潮保存，同時經得起消毒滅菌處理。PEN薄膜憑藉極佳的阻濕性，被用於製作醫療產品容器或包裝薄膜，可有效隔絕環境濕氣以確保內部產品的效力 PEN常被用於藥品和醫療器材容器，或作為添加劑共混入PET以提升包裝的防水、防氣性能 。例如，某些高端藥品的泡罩包裝採用雙層結構，外層PEN以阻隔水汽內滲，避免藥效降低。同時，PEN的耐熱特性使其可以承受常見的醫療滅菌工藝而不變形：無論是121 °C高壓蒸汽滅菌、乾熱滅菌，或是輻照消毒，PEN薄膜均能保持完整性，不會像PET那樣在高溫下產生收縮或發白現象 PEN基材在經高溫濕熱循環後機械性能幾乎無衰減 ，這對於需要無菌保證的一次性醫材和長期植入體封裝等應用非常重要。PEN薄膜在醫療領域為高可靠防潮包裝提供了解決方案，滿足了PET無法達成的滅菌兼容與長期穩定需求 ( MordorIntellegents, 2023 )。

III. 光學材料與柔性電子應用

光學與電子領域是PEN薄膜大顯身手的另一舞台。隨著柔性顯示和可撓式電子產品的興起，對薄膜基板材料提出了透明、耐熱且尺寸穩定的高要求。傳統PET常用作顯示用塑膠基板，但其耐熱上限和尺寸穩定性有限，已難以滿足先進製程需求。PEN薄膜因具高透光率（本體透過率可達80%以上）且耐熱不易變形，成為製作柔性OLED顯示、電子紙和觸控感應器基板的候選材料 。 在PEN薄膜上鍍製ITO透明導電電極或蒸鍍有機發光層時，可使用較高的工藝溫度（接近200 °C）以獲得更佳薄膜品質，而PEN基板依然能維持平整不收縮 。相較下，PET在如此溫度下會嚴重收縮，導致器件失效。另一方面，PEN的低熱膨脹係數與優良尺寸安定性確保了在元件製作過程中圖案不會因基板形變而失準 。 對於柔性印刷電路板（FPC）或可攜帶穿戴設備中的薄膜電路，PEN提供了穩定的絕緣介質：其介電強度高、不易受熱或受濕降解，能經受迴流焊接等電子裝聯高溫而不熔縮、分層 。業者指出，5G通訊元件和先進穿戴式裝置已開始指定PEN基材，以替代傳統PET做柔性天線或電路基板，因為PEN在這些高頻 高熱密度應用下依然維持可靠性能 ( MordorIntellegents, 2023 )。 PEN薄膜為柔性電子和光電元件提供了一種性能均衡的基板方案：兼具PET的加工便利性和接近聚酰亞胺的熱機性能 。隨著未來柔性顯示、可穿戴感測和先進光伏器件的發展， PEN在該領域的應用前景將更加廣闊 。

（其中 中泰於2024年 有試著把 TEONEX 做 PCVD 達到 1x10^-6 以下的 WVTR)

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結論 與 全球市場需求與成長動態

PEN聚酯薄膜憑藉其高玻璃轉移溫度、低熱收縮率、高機械強度，以及優異的氣體與水汽阻隔性能，在眾多高端應用中展現了對PET的全面優勢。從氫能燃料電池的膜組件支撐，到醫療包裝的防潮保護，從柔性電子與光學基板，PEN薄膜均滿足了高引張模數、嚴苛環境下的性能要求，填補了傳統PET無法企及的應用空白。 同時，隨著全球對清潔能源、先進電子和耐用包裝的需求增長，PEN市場正加速擴大，技術創新也在不斷降低成本並提高材料表現。實質上 全球對PEN薄膜的需求近年來保持強勁增長態勢。2023年全球PEN市場規模約為12億美元，預計2030年將增至約18億美元，2024–2030年的年複合成長率達6%以上 其中 電子與能源領域 是增長最快的市場板塊，年增長率達7–8% 。例如，5G通信設備、高階穿戴裝置中對耐熱穩定電路基板的需求帶動了PEN膜材的採用 ；電動車電池的絕緣膜和模組標籤也開始選用PEN以確保在充放電過程中的安全穩定 。另外，新興的柔性電子與太陽能技術（如可撓曲OLED面板、印刷電路、鈣鈦礦太陽能電池等）被視為PEN未來需求的重要驅動因素 我們可以預見，PEN薄膜將在未來的高性能材料版圖中佔有一席之地，在更廣泛的產業中發揮關鍵作用。總之，PEN以其卓越的熱機性能與阻隔能力脫穎而出，為實現新一代產品的可靠性和耐久性提供了重要支撐。 C&T的 TEONEX® PEN 薄膜  提供 各業界需求 可對應 12um -250 um 等不同厚度 , 並根據 電子業界 客戶需求 供應 低熱收縮 PEN 薄膜系列。

Refernces:

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