CN103744572B - 一种触控屏 - Google Patents

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Abstract

一种触控屏,包括显示屏部分和触控部分,所述触控部分包括位于基材上的两层透明导电膜,夹在该两层透明导电膜中间的光学透明胶层,以及位于最外层的保护层,所述透明导电膜包括衬底和附着在该衬底上的减反结构,所述减反结构包括位于上下两侧的两层介质层、位于中间的导电金属层和分别夹在导电金属层与两层介质层之间的两层抗氧化金属层,其中所述抗氧化金属层为锌或钛。本发明的触控屏所使用的透明导电膜,在总体厚度远远小于现有的ITO膜的情况下,实现优异的光学性能和电学性能,并且可以选择柔性基材,通过卷对卷磁控溅射的方法,实现大规模、大面积生产。

Description

一种触控屏
技术领域
本发明涉及触控显示领域,特别是涉及一种具有良好光学特性和导电特性的透明导电膜的触摸屏。
背景技术
随着人们消费水平的提高,功能型手机逐渐向智能型手机的过渡,消费者对智能手机硬件性能方面的要求也在不断提高。因此作为智能手机重要组成部分的触摸屏(touchpanel,TP)也在快速发展。
触摸屏技术主要分为电阻式、电容式、红外式以及表面声波方式,其中电容式触摸屏又分为表面电容式和感应电容式。感应电容式触摸屏具有实现真实多点触摸、透明度好、耐用性好、分辨率高等优点,其已成为手机、平板电脑等消费类电子产品的主流技术。
以常用的电容式触摸屏为例,如图1所示,其触控部分包括位于基材10上的两层透明导电膜11、13,夹在该两层透明导电膜11、13中间的光学透明胶层12,以及位于最外层的保护层14。在使用过程中,由于人体电场,用户手指与工作面形成一个耦合电容,当手指碰到接有高频信号的屏幕工作面以后,吸收掉一个很小的电流,该电流从电容屏的四角上的电极中流出,通过理论计算,得到接触点的坐标,处理器便会计算并执行相应的程序。盖板和基材一般使用玻璃或者柔性材料。透明导电膜一般选用ITO(氧化铟锡)材料。
然而,当前市场上的TP产品或多或少存在一些问题,如可见光透过率低和响应慢等。可见光透过率低主要是由于光在界面上会发生反射;而响应慢则主要是由于ITO膜的电阻值过高,由于充电时间与电阻值成反比,因此造成了触摸屏的不敏感和响应慢。
一种解决可见光透过率低的方法是在表面涂覆一层减反射膜来降低界面对光的反射作用,增加透射。请参见图2。图2所示为单层减反射膜的减反射示意图。其中n1是空气层的折射率,n是减反膜的折射率,n2是基材的折射率。假设入射光线的强度为1,空气与薄膜界面的反射率为R1,薄膜与基材界面的反射率为R2,不考虑材料对光的吸收。光线a是入射光线经过空气与薄膜界面一次反射形成,则其光强为R1;光线b是由入射光线经过空气与薄膜界面两次折射和薄膜与基底的界面一次反射形成,其光强为(1-R1)2R2;光线c是入射光线经过空气与薄膜的界面两次折射、一次反射和薄膜与基底的界面两次反射形成,其光强为(1-R1)2R1R2 2
在入射角很小的情况下,
如果n1=1,n=1.34;n2=1.8,则光线a的强度为0.021,光线b的强度为0.020,光线c的强度为0.0000088,因此,反射空气中的光线主要是a和b,光线c的效果可以忽略。
获得减反射的必要条件为振幅相等,则令R1=(1-R1)2R2,由于R1很小,(1-R1)2非常接近1,所以令R1=R2,将(1)式代入,得到薄膜的折射率n=(n1n2)0.5。这就是单层减反射膜的折射率需要达到的要求。通过电动力学方面的知识,可以计算出单层减反射膜的最小厚度需要达到λ/4才能满足完全减反的作用(其中λ为光的波长)。然而单层减反结构只能使某个波长的反射光达到极小,为了实现更大范围内的减反,人们常利用多层减反射膜来提高可见光透过率。这就使得整个触控屏的厚度被进一步放大,同时造成成本的提高和价格上的劣势。
一种解决响应慢的方法是降低器件的电阻。当前市场上的TP所使用的透明导电膜按规整膜系减反射膜设计仅达到减反效果就需要一百多纳米,再考虑需导电性的要求,薄膜的厚度还需要继续增大。另外,使用传统的ITO作为透明导电膜的主要材料,靶材贵重,镀膜前需要对柔性基材表面进行硬化处理和涂覆折射率匹配层等,镀膜后需要进行晶化处理,导致生产成本大幅度增加。上海交通大学的一个课题组提出了电介质层/金属层/电介质层三层结构,厚度在100nm以下,而且具有较好的导电性和透过性,然而,由于金属层很容易被氧化,使用寿命不高,在实际生产和使用中还存在很大问题(专利申请号:03116461.7)。
因此,目前TP行业需要解决的首要问题为:设计出一种新型减反射透明导电膜用于TP上,一方面要求该光学膜具有较高的减反性和较低的电阻率,另一方面具有较薄的厚度,能够取代传统的ITO膜进行大面积产业化生产。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种新的触控屏,该触控屏的触控结构中设有一种集减反和导电于一体的透明导电膜,无需额外的减反射膜来提高光线的利用率,同时该透明导电膜还具有厚度薄、使用方便的特点,大大降低了触控屏的制作成本。
根据本发明提出的一种触控屏,包括显示屏部分和触控部分,所述触控部分包括位于基材上的两层透明导电膜,夹在该两层透明导电膜中间的光学透明胶层,以及位于最外层的保护层,所述透明导电膜包括衬底和附着在该衬底上的减反结构,所述减反结构包括位于上下两侧的两层介质层、位于中间的导电金属层和分别夹在导电金属层与两层介质层之间的两层抗氧化金属层,其中所述抗氧化金属层为锌或钛。
优选的,所述两层介质层的总光学厚度为1个光学单位,且该两层介质层的光学厚度以中间的导电金属层为镜像对称。
优选的,所述金属导电层的厚度小于10nm,抗氧化金属层的厚度在1-10nm之间,且该两层抗氧化金属层以中间的导电金属层为镜像对称。
优选的,所述两层介质层的折射率分别大于2。
优选的,所述导电金属层为金或银。
优选的,所述减反结构的方块电阻小于10Ω/□。
优选的,所述介质层的材质为TiOx、NbOx、ZrOx、ZnOx、CeOx、TaOx、ZnSe或ZnS中的一种。
优选的,所述衬底为柔性透明材质。
优选的,所述保护层为聚酯薄膜。
与现有技术相比,本发明具有如下的技术优势:
1、本发明的触控屏,所使用的透明导电膜总物理厚度仅在几十个纳米左右,比传统的规整膜系降低了一个数量级,制备出来的新型减反结构在可见光范围内的单面反射率低于2-3%,具有优秀的透过性。
2、除具有优秀的减反射效果外,本发明的透明导电膜由于加入抗氧化金属层,使得整体的方块电阻在10Ω/□以下,具有优秀的导电性能。
3、由于通过加入了抗氧化金属层,对传统的三明治结构透明导电膜加以优化,在降低了减反结构的方块电阻的同时,防止导电金属层氧化,提高使用寿命起到重要的作用。
4、该透明导电膜的衬底可以通过卷绕式磁控溅射技术可以一次性进行新型减反结构,大大降低了生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种现有的触控屏结构。
图2所示为光在单层膜上的反射示意图。
图3是本发明实施方式中的减反结构示意图。
图4为中间金属层的厚度从6-10nm变化的光学减反结构的反射曲线族。
图5是该透明导电膜的总体结构示意图。
图6是本发明的透明导电膜和现有的ITO薄膜的反射率比较图。
图7是应用本发明的透明导电膜形成的触控屏的模块示意图。
具体实施方式
正如背景技术中所述,现有的触控屏的透明导电膜层为ITO薄膜,受限于ITO薄膜本身的劣势,现有触摸屏依然存在可见光透过率低和响应慢等问题。为了解决这两个问题,不得不通过增加额外的减反射膜以及增加导电层的厚度来改善,而又进一步增加了触控屏的整体厚度,同时使得成本提高。
目前的高透低电阻多层膜结构一般为金属氧化物/导电层/金属氧化物这种所谓的三明治结构,就如专利申请号为03116461.7的专利中所体现的,然而,这种结构主要有两点劣势,第一,导电层首先不能太厚,否则会对透过性产生不好的影响,然而,太薄的金属导电层(如10nm以下)很容易形成岛状结构而非连续薄膜,这将导致金属导电层层的导电性能下降;第二,导电层一般选用金属Ag,金属氧化物中的氧原子和外界环境中的氧原子容易将Ag层所氧化,降低Ag层的导电性。为了解决这些问题,我们选用一层与氧较容易发生反应的抗氧化金属层,将该抗氧化金属层引入到三明治结构中,一方面可以填充Ag层中岛状结构附近的空隙,得到较高的导电性,另一方面,金属氧化物中的氧原子与该抗氧化金属层反应,形成致密的氧化膜,对最内层的金属导电层起到极佳的保护作用。而所形成的金属键也为提高金属氧化物与抗氧化金属层的附着力起到重要的作用。我们选用Zn和Ti这两种金属作为抗氧化金属层,这是由于Zn和Ti的较为活泼,很容易氧化生成致密的氧化膜,而氧化膜的性能非常稳定,不易被氧化,化学性能也很稳定,可以有效地保护最内层的导电金属层。
因此,本发明以传统介质层/金属层/介质层三明治结构为基础,通过引入一层抗氧化金属层,提出了一种五层结构的透明导电膜,将它用于触控屏领域,该透明导电膜在柔性透明衬底上设置了同时具备导电和减反效果的减反结构,该减反结构包括介质层-抗氧化金属层-金属导电层-抗氧化金属层-介质层,且总厚度处于几十个纳米的等级,与现有的透明导电膜相比,本发明具有膜系结构简单,厚度薄,且不需要进行退火处理以及对基材的预处理等优点。同时该透明导电膜的电阻率远远小于ITO的电阻率,提高了触控屏的反应灵敏性。由于加入了抗氧化金属层,极大地提高了减反射膜的导电性和抗氧化性,提高了减反射膜的使用寿命。
如图3所示,该减反结构包括位于上下外侧的两层介质层111和115、位于中间的导电金属层113和分别夹在导电金属层与两层介质层之间的两层抗氧化金属层112和114。其中导电金属层113的厚度小于10nm,其材料考虑到电学性能,优选为金或银。抗氧化金属层112和114一方面可以“抓住”介质层111和115中的氧离子,使介质层呈欠氧状态,进而形成所谓的隧穿效应提高导电性,一方面可以防止导电金属层被外界及氧化物介质层的氧化而失效,同时在导电金属层因厚度过小出现间隙时进行填充,从而增加导电性能。它的厚度在1-10nm之间,优选为锌或钛。考虑到介质膜的厚度对光线减反效果的影响,我们取两层介质膜111和115的总光学厚度为1个光学单位。在本发明中,为了有效降低五层结构的总体厚度,我们取折射率超过2的高折射率介质材料作为该两层介质层111和115的材料。比如TiOx、NbOx、ZrOx、ZnOx、CeOx、TaOx、ZnSe、ZnS等。这样一来,在满足两层介质层的总光学厚度为λ/4(即一个光学单位)的情况下,每层介质层的物理厚度可以尽可能的低。以TiO2为例,其折射率n=2.32,当入射光的波长为550nm时,根据光学厚度的计算公式nd=λ/4可知(其中n为介质层的折射率,d为介质层的物理厚度,λ/4为一个光学单位),单层介质层的厚度约为27nm,此时该减反结构的总体厚度可以控制在70nm左右,远远低于现有的其他减反膜的厚度。需要指出的是,对于两层介质层111、115和两层抗氧化金属层112、114,可以分别选用相同的材料,也可以是不同的材料,但是两层介质层的光学厚度,和两层抗氧化金属层的物理厚度都以中间的导电金属层为镜像对称。
请再参见图4,图4为中间导电金属层的厚度从6-10nm变化的光学减反结构的反射曲线族,其中曲线1表示中间金属层的厚度为6nm,曲线2表示中间金属层的厚度为7nm,曲线3表示中间金属层的厚度为8nm,曲线4表示中间金属层的厚度为9nm,曲线5表示中间金属层的厚度为10nm。从图中可以看出,绝大多数情况下,本发明的减反结构在整个可见光波段都呈现较低的反射特性。其中当金属层的厚度在6nm时,效果最好,表现出W型反射率曲线。
基于上述减反结构,本发明提出了一种可应用在触控屏的透明导电膜。请参见图5,图5是该透明导电膜的总体结构示意图。如图5所示,该透明导电膜包括衬底2,附着在该衬底2一侧的减反结构1。该衬底2最好为柔性透明材料,具体可以为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等,选择柔性基材,通过卷对卷磁控溅射的方法,可以大规模生产出具有优异光电性能的减反射膜,可以将之应用于触控屏中取代传统的ITO透明导电膜,具有极大的发展潜力。
请参见图6,图6是本发明的透明导电膜和现有的ITO薄膜的反射率比较图。其中曲线1为现有的ITO膜的反射率,曲线2为本发明的透明导电膜(PET/NbOx/Ti/Ag/Ti/NbOx/Air)的反射率,其5层减反结构的总物理厚度为65nm左右。从图中可以看出在400-700nm可见光波段,不同波长内本发明的减反膜反射率大部分在2-3%以下,反射曲线是W型,具有优秀的减反射效果。
下表为改变不同抗氧化金属层的厚度,所设计的五层减反结构的反射率、方块电阻、水煮半小时以后的方块电阻以及的水煮半小时以后的附着力实验结果。其中表一为金属Zn,表二为金属Ti。可以看出,在两种抗氧化金属层的厚度为1-10nm之间,反射率一直在4%以下,具有优秀的减反射性能,同时具有较低的方块电阻,均在10Ω/□以下,水煮半小时的耐候性测试也表明方块电阻没有发生太大变化,附着力良好,具有很好的耐候性。难能可贵的是,相比于市场上的增透膜产品,膜系结构简单,厚度非常薄(仅在一个光学厚度左右),具有很大的产业化优势。
表一.不同抗氧化金属层厚度的减反结构的光电性能及耐候性测试结构(Zn)
请参见图7,图7是应用本发明的透明导电膜形成的触控屏结构示意图。如图所示,该触控屏包括显示部分(图中为实处)和触控部分,触控部分包括位于基材100上的两层如图5中所示的透明导电膜101、103,夹在该两层透明导电膜101、103中间的光学透明胶层102,以及位于最外层的保护层104。其中透明导电膜101、103和夹在中间的光学透明胶层102构成了该触控屏的电容传感器。基材100通常为玻璃,保护层104通常选择抗磨损材料,比如聚酯薄膜等。在本发明中,透明导电膜自身的厚度只有几十个纳米,远远小于现有的ITO膜的厚度,使得本发明的触控屏的厚度被进一步降低。并且两层透明导电膜光学性能和电学性能都优于现有的ITO膜,在厚度降低的同时,提升了触控屏的光线利用率和反应灵敏度。
综上所述,本发明的透明导电膜,在原有介质层/金属层/介质层三明治结构的基础上,通过引入一层抗氧化金属层,在总体厚度远远小于现有的ITO膜的情况下,实现优异的光学性能和电学性能,并且可以选择柔性基材,通过卷对卷磁控溅射的方法,实现大规模、大面积生产。另外,使用本发明透明导电膜形成的触控屏,能够在厚度降低的同时,提升光线利用率和反应灵敏度。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种触控屏,包括显示屏部分和触控部分,其特征在于:所述触控部分包括位于基材上的两层透明导电膜,夹在该两层透明导电膜中间的光学透明胶层,以及位于最外层的保护层,所述透明导电膜包括衬底和附着在该衬底上的减反结构,所述减反结构包括位于上下两侧的两层介质层、位于中间的导电金属层和分别夹在导电金属层与两层介质层之间的两层抗氧化金属层,其中所述抗氧化金属层为锌,所述两层介质层的总光学厚度为1个光学单位,所述两层介质层的折射率分别大于2,且该两层介质层的光学厚度以中间的导电金属层为镜像对称,且所述导电金属层的厚度为6nm。
2.如权利要求1所述的触控屏,其特征在于:抗氧化金属层的厚度在1-10nm之间,且该两层抗氧化金属层以中间的导电金属层为镜像对称。
3.如权利要求1所述的触控屏,其特征在于:所述导电金属层为金或银。
4.如权利要求1所述的触控屏,其特征在于:所述减反结构的方块电阻小于
5.如权利要求1所述的触控屏,其特征在于:所述介质层的材质为TiOx、NbOx、ZrOx、ZnOx、CeOx、TaOx、ZnSe或ZnS中的一种。
6.如权利要求1所述的触控屏,其特征在于:所述衬底为柔性透明材质。
7.如权利要求1所述的触控屏,其特征在于:所述保护层为聚酯薄膜。
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